JP2001077464A

JP2001077464A - 発光デバイス

Info

Publication number: JP2001077464A
Application number: JP2000201307A
Authority: JP
Inventors: Manabu Shiozaki; 学塩崎; Toru Iwashima; 徹岩島; Takashi Kato; 隆志加藤; Masaichi Mobara; 政一茂原
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-07-02
Filing date: 2000-07-03
Publication date: 2001-03-23

Abstract

(57)【要約】【課題】レーザ発振の安定性を改善できる発光デバイス
を提供することである。【解決手段】回折格子の反射スペクトルの反射率Ｒに関
して【数１４】を満たす連続した波長領域幅は、半導体光増幅器の光反
射面と回折格子とによって規定される光共振器における
隣接する縦モード間の縦モード間隔以下であり、且つ波
長領域に含まれるメイン縦モードの波長における回折格
子の反射率Ｒm、メイン縦モードに隣接するサイド縦モ
ード各々における回折格子の反射率Ｒs1、Ｒs2、および
半導体光増幅器の光反射面と光放出面との距離をミリメ
ートル単位で表したｌに関して、Ｒs1≦Rm・exp(−
ｌ)、Ｒs2≦Rm・exp(−ｌ)、および式(１)を共に満たす
波長領域幅が、縦モード間隔の０．７５倍以上である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体光増幅器お
よび回折格子を備える発光デバイスに関する。

【０００２】

【従来の技術】発光モジュールは、半導体光増幅器と、
この半導体光増幅器に光学的に結合された一端部を有し
そのコア部分に回折格子が形成された光ファイバと、こ
れらを収納するバタフライ型パッケージとを備えてい
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このような構成の光モ
ジュールは、外部共振器型半導体レーザとも呼ばれる。

【０００４】外部共振器型半導体レーザの光出力は、活
性層への注入キャリア量を制御することによって調整さ
れる。注入キャリア量が変化すると、活性層の温度およ
びキャリア密度が変化する。この変化に応じて活性層の
屈折率も変化する。これによって、外部共振器型半導体
レーザの実効的な共振器長が変わる。このため、レーザ
の発振波長が変化する。この波長の変化に応じて、回折
格子での反射率も変化し、外部共振器型半導体レーザの
出力パワーが変化すると共に、モニタ光の光パワーも変
化してしまう。発明者は、この発振波長変化による回折
格子での反射率変化の要因で、出力光やモニタ光の強度
が変化すると、従来の受光素子によるモニタ方法だけで
は、うまくレーザ出力を制御できないという問題点があ
ることを発見した。

【０００５】さらに発明者は、この発振波長の変化につ
いて注意深く検討した。その結果、発明者は以下の点を
発見した。それは、発振波長の変化に応じて外部共振器
型半導体レーザの出力パワーが増加している場合にも、
受光素子が受ける光パワーが減少することがあり、また
逆に、外部共振器型半導体レーザの出力パワーが減少し
ている場合にも、受光素子が受ける光パワーが増加する
ことである。

【０００６】図１(a)および図１(ｂ)を参照しながら、
発明者の発見について更に説明する。図１(a)は、思考
実験のための外部共振器型半導体レーザの主要部を示す
模式図である。図１(a)においては、半導体光増幅器１
６０の光反射面１６０ｂは受光素子１８と対面し、光放
出面１６０ａはファイバグレーティング１４０のレンズ
化端部１４０ｂと対面している。この受光素子は、半導
体光増幅器からのモニタ光を受けて、この光量に応じた
電気信号を出力する。この電気信号に応じて、半導体増
幅器の入力が制御されている。半導体光増幅器１６０に
おいて発生された光は、光放出面１６０ａおよびレンズ
化端部１４０ｂを介して、ファイバグレーティング１４
０に導入される。導入された光の一部は、回折格子１４
０ａを透過し、残りの光は回折格子１４０ａで反射され
る。反射された光は、レンズ化端部１４０ｂおよび光放
出面１６０ａを介して、半導体光増幅器１６０に導入さ
れる。導入された光は、活性層１６０ｃにおいて誘導放
出を引き起こし光の増幅が行われる。光反射面１６０ｂ
に到達し反射された光は、進行方向を光放出面１６０ａ
へ向ける。光反射面１６０ｂを透過した光は、受光素子
１８０に入射する。

【０００７】図１(ｂ)には、図１(a)の外部共振器型半
導体レーザに含まれる回折格子の反射スペクトルと、縦
モードのうちのメイン縦モードλmと、メイン縦モード
λmに隣接するサイド縦モードλs1、λs2とが示されて
いる。反射率Ｒmは、メイン縦モードの波長における回
折格子の反射率である。反射率Ｒs1、Ｒs2は、隣接する
サイド縦モードの各波長における回折格子の反射率であ
る。

【０００８】外部共振器型半導体レーザは、定常状態に
おいて、パワーＰoutの出力光を提供すると共に、半導
体光増幅器１６０からパワーが与えられパワーＰoの光
を光共振器内に蓄積している。受光素子には、パワーＰ
oのうち所定の割合がモニタ光として、受光素子に提供
される。

【０００９】仮に、メイン縦モードの波長がλmからλm
＋δλ(ここで、δλ＞０)に変化したとすると、出力パ
ワーＰoutは増加するけれども、パワーＰoは減少する。
このため、受光素子が受けるモニタ光量Ｐmは減少す
る。つまり、出力パワーＰoutは増加しているけれど
も、モニタ光量Ｐmは減少しているのである。メイン縦
モードの波長がλmからλm−δλ(ここで、δλ＞０)に
変化したとすると、これと逆の現象が生じる。

【００１０】したがって、出力パワーＰoutの変化の傾
向が、モニタ光Ｐmの変化の傾向と一致していないこと
がある。半導体光増幅器１６０は、既に説明したよう
に、受光素子１８０が受けた光パワーに応じて制御され
る。このため、受光素子１８０が半導体光増幅器１６０
から受けるモニタ光のパワーの変化すると、その変化が
示すように発振出力が変化したかのごとく制御が及ぶこ
とになる。

【００１１】一方、関連する技術分野の文献として、日
本国特許公開11-163471号公報および08-201609号公報が
ある。これらの公報には外部共振器半導体レーザが示さ
れ、この外部共振器半導体レーザはグレーティングファ
イバおよび半導体光増幅器からなる。

【００１２】日本国特許公開11-163471号公報には、屈
折率分布が包絡線で表される回折格子を有するグレーテ
ィングファイバが記載されている。このグレーティング
ファイバでは反射スペクトルのサイドローブ反射率が低
減されており、そのため、このサイドローブ領域でのレ
ーザ発振が抑えられるという特徴を有している。このよ
うにサイドローブ反射率についての開示はあるものの、
主反射スペクトルの形状については記載されていない。
また、日本国特許公開08-201609号公報には、光ファイ
バの導波路構造(例えば、光ファイバの外径)を連続的に
変化させることによって反射波長域が広げられた回折格
子が記載されている。この公報によれば、広げられた反
射スペクトルの半値幅は２ｎｍから４００ｎｍである。
また、この公報には、「半導体レーザ出力光が数ｎｍ変
化しても反射率がほぼ一定であることが要求される」と
いう記載がある。仮に、このような回折格子を備えたグ
レーティングファイバを半導体増幅器の外部鏡へと応用
する場合、現実の外部共振器型レーザの共振器長の制約
から、レーザの縦モード間隔は１ｎｍ程度である。その
ため、半値幅２ｎｍから４００ｎｍである反射スペクト
ルの帯域内には、複数の縦モードが入ってしまうことと
なる。故に、単一縦モードで発振するレーザは実現され
ない。また、発振波長の両側のサイドモードを抑圧する
のに必要な反射スペクトル形状については、日本国特許
公開08-201609号公報には記載がない。また、これらの
公報には、受光素子に関する記述はない。さらに、上記
の発明者の発見について何らの記述もない。

【００１３】日本国特許公開11-84117号公報は、長周期
グレーティングに関する文献であるので、本発明が利用
しようとする回折格子と異なる技術分野に属する。日本
国特許公開11-174245号公報には、反射光の強度が小さ
い低反射率光導波路グレーティングが記載されている。
しかしながら、この文献には、外部共振器半導体レーザ
が記載されていない。

【００１４】そこで、本発明の目的は、光出力の安定性
を改善できる発光デバイスを提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この問題を解決するため
に様々な検討を重ねた結果、発明者は、回折格子の反射
スペクトルを工夫することが好適であることに気づい
た。

【００１６】本発明に係わる発光デバイスは、光学部品
と、半導体光増幅器と、を備える。光学部品は、一端部
および他端部を有する光導波路、および光導波路に設け
られた回折格子を含む。半導体光増幅器は、光学部品の
一端部に光学的に結合された光放出面、および光反射面
を有する。光学部品および半導体光増幅器の相対的に配
置は固定されている。光共振器は、半導体光増幅器の光
反射面と光学部品の回折格子とを含む。縦モードの間隔
は、光共振器の光学的な長さと関連している。

【００１７】回折格子の反射スペクトルは、最大反射率
がＲmaxの反射スペクトルを有し、またその反射率Ｒに
関する下記の関係

【数４】を満たす連続した波長領域を有する。この連続した波長
領域は、光共振器における隣接する縦モード間の縦モー
ド間隔以下である。

【００１８】また、この連続した波長領域の幅は、縦モ
ード間隔の０．７５倍以上である。

【００１９】発光デバイスにおいては、下記の関係が満
たされる：

【数５】

【数６】ここで、Ｒmは、連続した波長領域に含まれる縦モード
のうちのメイン縦モードの波長における回折格子の反射
率であり、Ｒs1、Ｒs2は、メイン縦モードに隣接するサ
イド縦モード各々における回折格子の反射率であり、ｌ
は、ミリメートル単位で表した半導体光増幅器の光反射
面と光放出面との距離である。

【００２０】この発光デバイスは、半導体光増幅器の発
光状態を監視するためのモニタ光に基づいて半導体光増
幅器を制御することを可能にする。また、発光デバイス
は、発光デバイスの出力光のパワーと、モニタ光のパワ
ーとの比に基づいて制御可能になる。

【００２１】このような制御は、次のような利点を有す
る。

【００２２】発光デバイスでは、既に説明したように、
半導体光増幅器において発生された光をモニタしてい
る。モニタ光量が変動した場合に、一般には、その変動
が反射スペクトルに基づく変動であるのか、またはそれ
以外の原因に基づく変動であるのか判断できない。この
ため、その変動の要因に関係なく受光量の変動に応じた
制御が半導体光増幅器に加えられる。このような制御で
は一般に負帰還が採用されるけれども、発明者の知見に
よれば、検出された全ての変動に応じて制御を行うこと
は、発光デバイスにとって好ましくない場合もある。そ
こで、発明者は、波長変動が生じて出力光とモニター光
との比に着目し、この比の変化を所定値以下にするよう
に制御するということに至った。これは、発光デバイス
の安定性に有利に働く。

【００２３】また、発明者は、メイン縦モードと隣接縦
モードとの利得差にも着目したのである。発光デバイス
が外部信号に基づいて変調される場合に、隣接する縦モ
ードの利得がメイン縦モードの利得に対してある程度の
値まで大きくなると、信号の変調に伴って寄生発振を起
こすことも考えられる。このような現象は、抑制される
べきである。発明者の知見によれば、メイン縦モードと
隣接縦モードとの利得差が５ｃｍ^-1以上であることが必
要である。これも、発光デバイスの安定性に有利に働
く。

【００２４】出力光とモニタ光との比に関する上記の条
件を考慮するだけでは、その連続した波長領域が、隣接
する縦モードの間隔以下であることが条件となる。しか
しながら、発明者の知見によれば、縦モード間隔が所定
値に比べて小さいことに加えて次の条件も必要である。
つまり、上記のように制御された発光に利用可能な波長
領域の幅が、縦モード間隔の７５％以上であることが必
要である。

【００２５】本発明に係わる発光デバイスでは、光共振
器の外側に配置され、光反射面および光導波路の他端部
のいずれかと光学的に結合するように設けられた受光素
子を更に備えるができる。

【００２６】また、本発明に係わる発光デバイスでは、
上記の受光素子は、半導体光増幅器を制御するための電
気信号を受けた光から生成することができ、半導体光増
幅器は、この電気信号に基づいて制御されることがで
き、これによって、Ｐ２／Ｐ１≦１．１・ｆmax の関係が満たされることが望ましい。ここで、Ｐ１を受
光素子が受ける光パワー、Ｐ２を当該発光デバイスから
の出力パワー、ｆmaxをＲmaxに対応する波長において発
光するときのＰ１に対するＰ２の比である。上記の関係
が満たされると、光出力の変動を抑えることができるか
らである。

【００２７】また、本発明に係わる発光デバイスでは、
上記の光学部品が光ファイバを含んでいてもよく、ま
た、光学部品が基板に形成された光導波路を有するプレ
ーナ型光回路を含んでいても良い。

【００２８】さらに、本発明に係わる発光デバイスで
は、実用的な観点から、回折格子の最大反射率Ｒmaxは
０．０５以上であることが望ましい。発光デバイスの動
作が安定するからである。

【００２９】更にまた、本発明に係わる発光デバイスで
は、半導体光増幅器の光反射面と光放出面との長さｌは
０．３５ミリメートル以下であることが好ましい。加え
て、回折格子の最大反射率Ｒmaxおよび上記の長さｌが
Ｒmax≦−２．４×ｌ＋０．８４であることが好まし
い。このような条件は、実用的に便利な条件である。

【００３０】本発明に係わる発光デバイスに好適な回折
格子は、以下の形態をなすことができる。それぞれの回
折格子は、矩形状の反射スペクトルを実現するように規
定されている。

【００３１】回折格子は、第１の位相で設けられた第１
の回折格子部、および前記第１の位相とπだけシフトさ
れた第２の位相で設けられた第２の回折格子部を含むこ
とができる。また、回折格子は、第２の位相とπだけシ
フトされた第３の位相で設けられた第３の回折格子部を
更に含むことができる。回折格子の位相が反転している
部分が３個を越えると、縦モード間隔が、所定の大きさ
の反射スペクトル幅より小さくなるので、位相の変化す
る位置の数は、２個以下である。

【００３２】回折格子において、光導波路の光軸に沿っ
た屈折率分布ｎ(Z)は、回折格子が形成された回折格子
部において光軸に沿った座標Zに関して、ｎ(Z)＝ｎav＋ｎg＋Ｍ×sin(2πZ／Λ＋θ) で表される。ここで、ｎgは光導波路の絶対屈折率であ
り、ｎavは回折格子部の中心屈折率であり、Ｍは振幅関
数であり、θは位相である。Λは座標Zの２次以上の多
項式であることができる。

【００３３】回折格子において、光導波路の光軸に沿っ
た屈折率分布ｎ(Z)は、回折格子が形成された回折格子
部において光軸に沿った座標Zに関して、ｎ(Z)＝ｎav＋ｎg＋Ｍ×sin(2πZ／Λ＋θ) で表される。ここで、ｎgは光導波路の絶対屈折率であ
り、Λは回折格子の周期であり、Ｍは振幅関数であり、
θは位相である。ｎavは回折格子部の中心屈折率が座標
Zの２次以上の多項式であることができる。

【００３４】これらの多項式に関する条件は、矩形状の
反射スペクトルを実現するうえで好適である。

【００３５】回折格子は、光導波路の光軸に沿って設け
られ屈折率変化の周期が異なる複数の回折格子部を有す
ることができる。また、回折格子部ごとに、異なる中心
屈折率の値を備えることもできる。

【００３６】回折格子において、光導波路の光軸に沿っ
た屈折率分布ｎ(Z)は、回折格子が形成された回折格子
部において光軸に沿った座標Zに関して、ｎ(Z)＝ｎav＋ｎg＋Ｍ×sin(2πZ／Λ＋θ) で表される。ここで、ｎgは光導波路の絶対屈折率であ
り、Ｍは振幅関数であり、Λは回折格子の周期であり、
θは位相である。回折格子が設けられた回折格子領域は
複数の回折格子部を有し、中心屈折率ｎavは一定値であ
って、複数の回折格子部の各々においてそれぞれ異なる
ことができる。

【００３７】回折格子の屈折率分布関数において、振幅
関数Ｍは定数であることができる。また、振幅関数Ｍに
座標依存性を与えると、反射スペクトルを矩形に近づけ
ることができる。振幅関数Ｍの絶対値は、少なくとも１
個の極小点を有することができる。これは、反射スペク
トルを矩形に近づけるために有効である。

【００３８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
しながら説明する。可能な場合には、同一の部分には同
一の符号を付して、重複する説明を省略する。

【００３９】図２および図３を用いて、本発明の実施の
形態のファイバグレーティング光モジュールの構成につ
いて説明する。図２は、ファイバグレーティング光モジ
ュールの斜視図であり、その内部の様子が明らかになる
ように一部破断図になっている。図３は、ファイバグレ
ーティング光モジュール主要部１０を表し、図２のＩ−
Ｉ断面における断面図である。

【００４０】ファイバグレーティング光モジュール１
は、ハウジング１２と、光モジュール主要部１０とを備
える。ハウジング１２は、図２に示された実施例では、
バタフライ型パッケージである。パッケージ１２内の底
面上にファイバグレーティング光モジュールの主要部１
０が配置されている。パッケージ１２は、光モジュール
主要部１０を収納している本体部１２ａ、光ファイバ１
４を主要部１０に導く筒状部１２ｂ、および複数のリー
ドピン１２ｃを備える。筒状部１２ｂの先端からは光フ
ァイバ１４が導入され、光ファイバ１４は筒状部１２ｂ
の内部を通過してファイバグレーティングレーザモジュ
ールの主要部１０に至る。複数のリードピン１２ｃは、
パッケージ１２の両側面に設けられている。

【００４１】ファイバグレーティング光モジュールの主
要部１０は、半導体光学素子１６、１８を搭載する搭載
部材２２、２４、２６と、光ファイバ１４を半導体光増
幅器１６に光学的に結合させるために位置合わせ機構部
３０とを備える。位置合わせ機構部３０は、フェルール
３２と、第１の支持部材３４と、第２の支持部材３６
と、第３の支持部材３８と、を備える。

【００４２】半導体光増幅器１６は、チップキャリア２
２上に搭載されている。このため、半導体光増幅器２２
の動作中に発生した熱は、チップキャリア２２を伝導し
てペルチェ素子２８に到達する。ペルチェ素子２８は、
電流が流れると冷却素子として作動する。半導体光増幅
器１６は、その第１の端面１６ａをパッケージ１２の光
ファイバ挿入面に向けて配置されている。

【００４３】半導体光増幅器１６は、ＩｎＧａＡｓＰか
らなる活性層と、この活性層をその対向する２面におい
て挟み込むＩｎＰからなる２つのクラッド層とを半導体
基板上に備え、クラッド層の一方はＰ型半導体を有し、
他方はＮ型半導体を有する。半導体光増幅器１６は、両
側のクラッド層から活性層にキャリアを注入し反転分布
を形成することによって誘導放出光を発生させる発光素
子である。活性層は、第１の端面１６ａと、第２の端面
１６ｂとを備える。第１の端面１６ａの光反射率は第２
の端面の光反射率に比べて小さい。これを実現するため
に、第１の端面１６ａには低反射膜を形成し、０．１％
程度の反射率を達成している。一方、第２の端面１６ｂ
には高反射膜が形成を形成し、８５％以上の反射率を達
成している。このため、第１の端面１６ａは光放出面と
なり、第２の端面１６ｂは光反射面となる。

【００４４】受光素子１８、例えばフォトダイオード
は、チップキャリア２６上に搭載されている。チップキ
ャリア２６は、半導体光増幅器１６の端面１６ａに対向
する端面１６ｂと対面する位置にフォトダイオード１８
が配置されるように、搭載部材２４上に設けられてい
る。このフォトダイオード１８は、半導体光増幅器１６
の発光状態を監視するためのモニタ用フォトダイオード
として作動する。

【００４５】光ファイバ１４は、ファイバグレーティン
グ１４ａ、および２個の端部１４ｂ、１４ｃを有する。
端部１４ｂは、半導体光増幅器１６の第１の端面１６ａ
から出射された光を集光可能なように先球加工されたレ
ンズ形状を有している。光ファイバ１４には、レンズ形
状を有する一端部１４ｂから所定の距離だけ離れたコア
部内の位置に回折格子（ファイバグレーティング）１４
ａが設けられている。このような回折格子１４ａを形成
するために好適な光ファイバは、酸化ゲルマニウムを含
むと共に所定の屈折率を有するコア部と、このコア部の
周囲に設けられたコア部よりも小さく屈折率を有するク
ラッド部を備える。そして、この光ファイバに紫外線を
照射することによって、コア部に屈折率の異なる領域を
複数の箇所に設けたものである。このような領域は、周
期的に設けられることが好ましい。このような回折格子
１４ａは、反射率、周期、回折格子長、等の特性値によ
って特徴付けられる。ファイバグレーティングは、これ
らの特性値を組み合わせて、所定の波長領域において反
射スペクトルを有するように設計される。

【００４６】光ファイバ１４は、フェルール３２の一端
部から他端部に延びる貫通孔に、一端から挿入されてい
る。光ファイバの先端部１４ｂは、フェルール３２の他
端部から所定の長さだけ突出している。フェルール３２
は、光ファイバの先端部１４ｂが突出する端部から所定
の距離だけ離れた位置にて第１の支持部材３４に固定さ
れている。フェルール３２は、また、光ファイバ１４が
挿入された一端部から所定の距離だけ離れた位置にて第
２の支持部材３６に固定されている。第１の支持部材３
４および第２の支持部材３６は、第３の支持部材３８よ
ってに空間的に離れた位置に配置される。第３の支持部
材３８は、第１の支持部材３４から離間された位置に第
２の支持部材３６が配置されることを可能にする部材で
ある。

【００４７】図４は、図２および図３に示された光モジ
ュールの光学的な結合状態を示した模式図である。図４
に示された光モジュール主要部１０では、半導体光増幅
器１６の光反射面１６ｂは受光素子１８と対面し、光放
出面１６ａはファイバグレーティング１４のレンズ化端
部１４ｂと対面している。半導体光増幅器１６の光放出
面１６ａおよび光反射面１６ｂの間の距離はｌである。
ファイバグレーティング１４は、長さｌｇおよび光学的
距離Ｌｇの回折格子１４ａを有する。ここで、光学的距
離とは、物理的距離に当該部分を伝播する光に対する実
効的な屈折率を乗じたものである。回折格子１４ａの前
端部と、半導体光増幅器１６の光反射面１６ｂとの間の
光学的距離はＬａで表される。このＬａは、半導体光増
幅器の長さｌにこの半導体材料中の実効屈折率を乗じた
もの、半導体光増幅器の光放出面と光ファイバ１４の入
射端面との間の距離に空気の屈折率を乗じたもの、およ
び光ファイバ１４の端面と回折格子の前端部との距離に
光ファイバのコアの屈折率を乗じたもの、の３つを合計
した値である。光共振器は、光反射面１６ｂと回折格子
１４ａとから構成される。

【００４８】半導体光増幅器１６の活性層１６ｃにおい
て発生された光は、光放出面１６ａおよびレンズ化端部
１４ｂを介して、ファイバグレーティング１４に導入さ
れる。導入された光の一部は、回折格子１４ａを透過
し、残りの光は回折格子１４ａで反射される。反射され
た光は、レンズ化端部１４ｂおよび光放出面１６ａを介
して、半導体光増幅器１６に導入される。導入された光
は、活性層１６ｃにおいて誘導放出を引き起こし光の増
幅が行われる。光反射面１６ｂに到達し反射された光
は、進行方向を光放出面１６ａへ向ける。光反射面１６
ｂを透過した光は、受光素子１８に入射する。

【００４９】図５は、図４と異なる構造を有する光モジ
ュール主要部１１の光学的に結合の状態を示した模式図
である。この光モジュール主要部１１の構造は、図２と
同様な構成によって実現される。図５に示された光モジ
ュール主要部１１では、半導体光増幅器１６の光反射面
１６ｂは光ファイバ１５のレンズ化端部１５ａと対面
し、光放出面１６ａはファイバグレーティング１４のレ
ンズ化端部１４ｂと対面している。

【００５０】半導体光増幅器１６の活性層１６ｃにおい
て発生された光は、光放出面１６ａおよびレンズ化端部
１４ｂを介して、ファイバグレーティング１４に導入さ
れる。導入された光の一部は回折格子１４ａで反射さ
れ、回折格子１４ａを透過した光は光軸に対して傾斜し
た端面を有する端部を介して受光素子１８へ入射する。
この反射された光は、レンズ化端部１４ｂおよび光放出
面１６ａを介して、半導体光増幅器１６に導入される。
導入された光は、活性層１６ｃにおいて誘導放出を引き
起こし光の増幅が行われる。光反射面１６ｂでは、到達
した光の一部が反射され信号の進行方向が光放出面１６
ａに向く。光反射面１６ｂを透過した光は、光ファイバ
１５のレンズ化端部１５ａを介して取り出される。

【００５１】図６は、図４と異なる構造を有する光モジ
ュール主要部１３の光学的に結合の状態を示した斜視図
である。図６に示された光モジュール主要部１３は、搭
載部材２５と、搭載部材２５の主面２５ａ上に配置され
た半導体光増幅器１６および光回路基板１７とを備えて
いる。光回路基板１７は、第１および第２の端部１９
ｂ、１９ｃを有する光導波路１９と、この光導波路１９
に設けられた回折格子１９ａとを有する。光モジュール
主要部１３において、半導体光増幅器１６の光放出面１
６ａは光導波路１９の一端部１９ｂに対面している。光
共振器は、回折格子１９ａと光反射面１６ｂとから構成
される。受光素子(図示せず)は、光導波路１９の端部１
９ｃおよび光反射面１６ｂの一方に対面し、発生された
光は、光導波路１９の端部１９ｃおよび光反射面１６ｂ
の他方から取り出される。

【００５２】図６の光モジュール主要部１３における光
の増幅は、図４および図５の光モジュール主要部と同様
に行われる。

【００５３】次いで、図４を参照しながら外部共振器型
発光デバイスの縦モードに関して検討する。回折格子１
４ａの前端部における入射波と反射波との位相差をφg
とし、半導体光増幅器１６の光反射面１６ｂにおける入
射波と反射波との位相差をφsとし、発生される光の波
長をλとすると、縦モードは、２×Ｌa(λ)／λ＋(φg(λ)＋φs(λ))／(２×π)＝ｍ (1) ただし、ｍは任意の自然数を満たすλとなる。この条件
(共振条件)を満たす波長λは多数存在する。ここで考慮
すべき波長範囲は十分狭いので、Ｌaおよびφsは一定で
あるとみなすことができる。一方、φgについては波長
依存性は無視できない。このとき、φgを計算するため
には、結合波理論から回折格子内の光の複素振幅を求め
る必要がある。この値からφgを計算することができ
る。特に、回折格子の反射率が小さく、且つ前後対称な
構造の回折格子では、φgを近似的に求めることがで
き、その反射位置は回折格子の中央、すなわち φg＝(２πＬg)／λ (2) となる。

【００５４】図７(ａ)および図７(ｂ)は、このように求
められた縦モードを回折格子の反射スペクトルとともに
示した図面である。これらの図面では、横軸に波長、縦
軸に反射スペクトルＲの反射率が示され、反射スペクト
ルＲ内にはメイン縦モードλmおよび隣接縦モードλs
1、λs2が描かれている。図７(ａ)では、反射スペクト
ルＲ内にはメイン縦モードλmおよび隣接縦モードλs1
が描かれている。この場合には、回折格子の反射率が大
きいメイン縦モードλmが発振波長になる。図７(ｂ)で
は、反射スペクトルＲ内には、反射率が等しい波長に縦
モードλ1、λ2が描かれている。この場合、両縦モード
λ1、λ2で発振するので、単一モードではない。このた
め、光ファイバ伝送時に分散の影響を受けて、波形がく
ずれやすくなる。

【００５５】また、上記のように、出力光とモニタ光と
の比率が変動すると、出力波形は安定しなくなる。

【００５６】このような現象を低減するために好適であ
ると、発明者が考える条件を導く。

【００５７】まず、出力の変動に関する条件を検討す
る。半導体光増幅器の光反射面の反射率をＲ1とし、半
導体光増幅器と回折格子との間の結合効率も含めた回折
格子の反射率をＲ2および透過率Ｔ2とする。単位長さ当
たりの活性層内の平均フォトン密度をＳとし、その角周
波数をωとし、活性層内における光の速度をｖgとす
る。ｈはプランク定数である。定常状態であり、単一モ
ードで発振していると仮定する。このとき、半導体光増
幅器の光反射面からの光出力Ｐ1、回折格子を透過する
光出力をＰ2は、それぞれ以下のように表される。

【数７】

【数８】ここで、光反射面における反射率および透過率はＲ1＋
Ｔ1＝１とした。

【００５８】回折格子の反射率をＲfg、透過率をＴfg、
半導体光増幅器と光ファイバの結合効率をηとする。半
導体光増幅器の光放出面、およびこの光放出面に対面す
る光ファイバの端部、における反射は無いと仮定する
と、Ｒ2＝η²×Ｒfg (5) T2＝η×Ｔfg＝η×(１−Ｒfg) (6) となる。式(3)〜(6)より、回折格子を透過する光出力
と、半導体光増幅器の光反射面からの光出力との比ｆ
は、

【数９】となり、半導体光増幅器の光反射面の反射率Ｒ1および
回折格子の反射率Ｒfgのみを用いて表現される。

【００５９】図８は、光反射面の反射率Ｒ1を０．１か
ら０．９まで０．１ステップで順次変化させて描いた９
本の特性が示されている。回折格子の最大反射率をＲma
xとし、そのときの光出力比をｆmaxとする。図８に示さ
れるように、比ｆはＲfgに対して単調に減少する。この
ため、ｆの変動を１０％以内に抑える条件は、ｆ≦１．１×ｆmax (8) であり、(7)式から、

【数１０】となる。この式を解くと、

【数１１】が得られる。図５の光モジュールに対しても同様な考え
方を採用すると、同じ条件である式(10)が導かれる。な
お、変動を１０％以内にする理由は、「出力光とモニタ
光の比は、ストレイトライン(straight line)から±５
％を越えて変動すべきでない」という発明者の知見によ
るものである。ここで、ストレイトラインとは、横軸に
(モニタＰＤ光出力に比例する)モニタＰＤ電流、および
縦軸にモジュール光出力をプロットした場合に、駆動電
流を変化させたとき最大光出力の１０％と９０％との２
点を結ぶ直線を示す。

【００６０】次いで、利得に関する条件を検討する。半
導体光増幅器について、利得係数をｇとし、光反射面と
光放出面との距離をｌとし、光伝搬損失をαとし、光反
射面の反射率をＲ1とする。回折格子の反射率をＲfgと
し、半導体光増幅器と光ファイバの結合効率をηとす
る。このとき、損失を含んだ全利得Ｇは、

【数１２】となる。

【００６１】メイン縦モード(発振波長)λmと隣接縦モ
ードλsとの間の利得差△Ｇは、λ1、λ2が十分近く、
ｇ、α、Ｒ1、ηがそれぞれ一定とみなすと、

【数１３】となる。メイン縦モードと隣接縦モードとの利得差△Ｇ
が小さいと、レーザ光に占める隣接縦モードの割合が増
加し、伝送時に波形が乱れる。デジタル伝送では、この
波形の乱れを抑制するために、隣接する縦モード間の利
得差が５ｃｍ^-1(＝０．５ｍｍ^-1)以上必要である。この
ため、(12)式より、Ｒfg(λ2)≦exp(−ｌ)Ｒfg(λ1) (13) となる。ここで、ｌの単位はミリメートルである。な
お、利得差が５ｃｍ^-1以上必要である理由には、発明者
の知見によるものである。

【００６２】引き続いて、このような条件を達成可能な
反射スペクトル、その反射スペクトルを実現できる回折
格子に関して検討する。

【００６３】まず、図９(ａ)は、回折格子を示す図面で
ある。この回折格子は、光ファイバ１４のクラッド部１
４ｅによって側面が覆われたコア部１４ｄに形成されて
いる。回折格子領域は光ファイバ１４の端部１４ｂから
所定の位置に設けられている。回折格子領域は、光軸方
向に沿った振幅が一定の屈折率分布を示す回折格子を有
する。コア部１４ｄの屈折率はｎgであり、回折格子領
域の屈折率は、コア部の屈折率より中心シフト量ｎavだ
け大きな値である。回折格子領域は、一定周期Ｔ、一定
振幅Ｍの屈折率分布を有している。このような分布を表
す関数として、サイン関数、コサイン関数といった三角
関数、または、方形波を表す関数といった周期性を有す
る関数を採用することができる。

【００６４】図９(ｂ)は、図９(ａ)に示されたような一
様な屈折率分布の回折格子の反射スペクトルを示す図面
である。図９(ｂ)では、回折波長λB＝１５５０ｎｍを
中心にして、回折格子長ｌg＝２ｍｍを有する回折格子
の反射スペクトルと、Ｌaが３．３ｍｍのときの縦モー
ド間隔が示されている。

【００６５】発明者は、このような回折格子を有する光
ファイバを備える外部共振器型半導体レーザのレーザ出
力を安定させるには、式(１０)と式(１３)とを共に満た
す波長領域が縦モード間隔の０．７５以上であることを
好適と考えている。その理由を以下に説明する。

【００６６】まず、発明者は、外部共振器型半導体レー
ザの温度を変え、レーザの発振波長とレーザ出力とを測
定した。その結果を図１０(ａ)および図１０(ｂ)に示
す。図１０(ａ)から分かるように、レーザの温度を上げ
ていくとレーザの発振波長は増加する傾向にあるが、約
１５℃、約２７℃および約３９℃では発振波長の低下が
見られる。このような発振波長の低下は、図７(ｂ)に示
したように、隣接する２つの縦モードそれぞれの反射率
がほぼ等しくなるためであり、反射率以外の要因によっ
て発振すべきモードが決まる。このような状況では、図
１０(ｂ)に示すようにレーザ出力においても低下が観測
される。１５℃においてこのような状態であったのが、
温度を上げていくと単一モードで発振するようになり、
２７℃において再び同様の状態となる。すなわち、１５
℃から２７℃まで温度を上昇させた際に生じる発振波長
の変化分が縦モード間隔Δλということとなる。今、図
１０(ｂ)に着目すると、温度変化（すなわち波長変化）
に対してピーク光出力がほぼ安定化される領域のあるこ
とが分かる。この領域を温度に換算すると１６℃から２
５℃に相当し、この温度範囲では、何らかの原因で発振
波長が変化した場合にも、出力を実用上の範囲で安定に
保ったまま波長を制御することができるという利点があ
る。

【００６７】反射スペクトル内における発振可能な波長
領域に単一の縦モードが入るようにするには、式(１０)
と式(１３)とを共に満たす波長領域を縦モード間隔に対
して狭くすればよい。しかしながら、この波長領域があ
まりに狭い場合には、わずかに発振波長が変化しただけ
でも反射率が大きく変化してしまうので、光出力の安定
性に問題が生じることとなる。また、既に説明したよう
に、この波長領域にメイン縦モードが入っていれば、Ｐ
２／Ｐ１比の変動が所定の範囲となるように制御できる
ことを考慮すれば、この波長領域を狭くしてしまうのは
実用上好ましくない。そこで、発明者は、試行錯誤の結
果、外部共振器型半導体レーザが実用上好適に動作する
条件は、式(１０)と式(１３)とを共に満たす波長領域が
縦モード間隔の０．７５以上であるという結論に達し
た。

【００６８】このように、発明者は、式(10)および式(1
3)を共に満たす波長領域が縦モード間隔の７５％以上で
あるという条件を好適であると考えている。そこで、次
に、発明者は、このような範囲を満たすｌ、Ｒmaxを導
き出すことを試みた。図１１は、さまざまな割合に関し
てｌおよびＲmaxの関係を示している。７５％以上の条
件を満たすための条件を図１１に基づいて求めることが
できる。この結果、発明者は、実用的に十分な適用でき
る表式として、Ｒmax≦−２．４×ｌ＋０．８４ (14) が好適であることを見出した。

【００６９】これまでの説明は、振幅が一定の屈折率分
布を有する回折格子について説明してきたけれども、式
(14)は、一般に、図１２(ａ)に示されるようなガウスシ
アン・アポタイズ型の屈折率分布を有する回折格子に対
しても適用できる。図１２(ｂ)は、回折格子長ｌg＝５
ｍｍ、ガウス関数の１／ｅ²の幅は２ｍｍ、回折波長λB
＝１５５０ｎｍのとき図１２(ａ)に示された屈折率分布
関数の反射スペクトルと、Ｌa＝１．２ｍｍでの縦モー
ド間隔とを例示的に示した図面である。

【００７０】図１２(ｂ)で示される反射スペクトルは、
図９(ｂ)で示される反射スペクトルと比較すると、反射
率の低い部分ではスペクトル形状が異なるものの、反射
率の高い縦モード間隔内ではほぼ同一のスペクトル形状
になっている。このことから判断すると、式(14)は、ガ
ウシアン・アポタイズ型の回折格子に対しても適用可能
である。

【００７１】また、式(14)は、一般に、図１３(ａ)に示
されるような屈折率の周期が一定の間隔で変化する回折
格子、つまり一定でチャープされた屈折率分布を有する
回折格子に対しても適用できる。図１３(ｂ)は、回折格
子長ｌg＝２ｍｍ、平均回折波長λB＝１５５０ｎｍ、チ
ャープ率０．２ｎｍ／ｍｍ、すなわち回折格子開始位置
での回折波長は１５４９．８ｎｍであり回折格子終了位
置での回折波長は１５５０．２ｎｍ、であるとき図１３
(ａ)に示された屈折率分布関数の反射スペクトルと、光
学的距離Ｌa＝３．３ｍｍでの縦モード間隔とを例示的
に示した図面である。図１３(ｂ)に示される反射スペク
トルは、図９(ｂ)に示される反射スペクトルと比較する
と、縦モード間隔内ではほぼ同一のスペクトルとなって
いる。このため、式(14)は、このような回折格子に対し
ても適用できる。

【００７２】図９(ａ)、図１２(ａ)および図１３(ａ)の
屈折率分布関数ｎ(Z)について説明する。光ファイバに
紫外線照射によって形成される回折格子は、例えば、ｎ(Z)＝ｎg＋△ｎp(Z)＋△ｎa（Z）［sin(2πZ／Λ＋
θ)＋１)］と表される。ここで、ｎg：コア部の絶対屈折率 △ｎp(Z)：位相マスク無しで行われた紫外線照射による
屈折率上昇 △ｎa(Z)：位相マスクを介して行われた紫外線照射によ
る屈折率上昇 Λ：回折格子の周期 θ：位相である。一般的には、sin関数は、座標Zに関する周期関
数ｆに置き換えることができる。Λは座標Zの関数とし
て拡張することができ、Λ(Z)＝Λ0×Ｈ(Z)と表され
る。Ｈ(X)は周期変調関数となる。このとき、Λ(Z)、ｎ
p(Z)、ｎa(Z)のZに関する変化は、ｆ(Z)の変化に比べて
十分に緩やかであると仮定する。以下、この式をまとめ
て以下のように示す。屈折率分布関数ｎ(Z)は回折格子部の領域：ｎav(Z)＋ｎg＋Ｍ(Z)×ｆ(Z) (15) 回折格子部以外の領域：ｎg (16) と表される。ここで、ｎgは光導波路、例えば、光ファ
イバの場合にはコア部、の絶対屈折率である。ｎavは回
折格子領域における中心屈折率であり、図９(ａ)、図１
２(ａ)および図１３(ａ)に示される例では一定の値であ
る。図９(ａ)、図１２(ａ)および図１２(ａ)の例では、
Ｍ(Z)は振幅関数であり、屈折率変化の振幅および包落
線を規定する。一様な振幅の回折格子では、Ｍ(Z)は一
定値Ｍ0である。Λが一定の場合には、ｆ(Z)は周期関数
となり、回折波長を規定している。ｆ(Z)＝０を満たす
隣接する零点の間隔は一定であり、この２倍が周期に相
当する。図１３(ａ)の例では、、Ｍ(Z)は座標Zに関して
一定の振幅関数であり、屈折率変化の包絡線を規定す
る。図１３(ａ)に示されるような一定のチャープ率を有
する回折格子では、隣接する零点の距離は等差数列によ
って規定される。

【００７３】図９(ａ)、図１２(ａ)および図１３(ａ)に
示された屈折率分布によって実現される反射スペクトル
が、それぞれ、図９(ｂ)、図１２(ｂ)および図１３(ｂ)
に示されている。図９(ｂ)においては、回折格子長ｌg
＝２ｍｍ、回折波長λB＝１５５０ｎｍの場合について
求めた。図９(ｂ)には、参考のために、光学的距離Ｌa
＝３．３ｍｍのときの縦モード間隔が示されている。図
１２(ｂ)においては、１／ｅ²の幅が２ｍｍであるガウ
シアン関数を採用して、回折格子長ｌg＝５ｍｍ、回折
波長λB＝１５５０ｎｍの場合について求めた。図１２
(ｂ)では、参考のために、光学的距離Ｌa＝１．２ｍｍ
のときの縦モード間隔が示されている。図１３(ａ)にお
いては、回折格子長ｌg＝２ｍｍ、回折波長λB＝１５５
０ｎｍ、チャープ率が０．２ｎｍ／ｍｍの場合について
求めた。

【００７４】これまで検討してきた反射スペクトルは、
回折波長λBを中心に両側で減少する形状を有してい
た。理想的には、反射率は、縦モードの波長が変化して
も一定であることが好ましい。このためには、矩形の反
射スペクトルを実現しなければならない。矩形反射スペ
クトルは、式(10)を満足する。また、矩形反射スペクト
ルでは、反射スペクトル内に縦モードが１本のみ含まれ
るようにできれば、発振波長と、隣接する縦モードとに
おける反射率差を大きくできるので、式(13)も満足す
る。発明者は、反射スペクトルが矩形であれば、式(10)
および式(13)を満たしつつ、且つｌおよびＲmaxに対す
る選択の幅を広げることができることを見出した。この
ように様々なｌおよびＲmaxを採用できるようになる
と、注入電流に対する光出力など他のレーザ特性の観点
からの設計が容易になり、また最大反射率Ｒmaxを大き
くすることによって半導体光増幅器の光放出面での残留
反射の影響を相対的に減らすこと、等で、外部共振型半
導体レーザの出力の安定性をさらに高めることができ
る。

【００７５】次いで、発明者は、上記のような特徴を備
えた矩形または矩形状の反射スペクトルを実現するため
に検討を進めた。矩形状の反射スペクトルを実現できる
回折格子の屈折率分布としては、図１４(ａ)に示される
ような光軸に沿ってＭ(Z)＝Ｍ0×sin(Z)／Z(以下、sinc
関数という)に従う振幅分布がある。但し、Ｍ0は定数と
する。図１４(ｂ)は、矩形の反射スペクトルを有する回
折格子を実現するために、sinc関数を適用した屈折率分
布を示す図面である。図１４(ｂ)では、座標軸Zの原点
は、Ｍ(Z)の最大値の位置に規定される。図１４(ｂ)で
は、図面を見やすくするために、ｆ(Z)＝sin(2πZ／Λ
＋θ)に対応する屈折率変化は省略し、この包絡線を表
す振幅関数Ｍ(Z)を示している。このsinc関数では、図
１４(ａ)から明らかなように、sin(Z)／Z＝０を満たす
位置、つまりsin(Z)＝０を満たす零点の前後においてＭ
(Z)＝Ｍ0sin(Z)／Zの符号が反転する。これらの反転部
(零点)の位置は、図１４(ａ)において矢印で示され、Ｌ
sは隣接する反転部間の光学的な距離を示している。sin
c関数を採用すると、図１４(ｃ)に示すような矩形反射
スペクトルが実現される。反転部では、sin(θ)＝−sin
(θ＋π)の関係から位相反転が生じたと考えることもで
きる。この意味で、反転部を位相反転部ともいう。

【００７６】図１５(ａ)〜図１５(ｆ)は、それぞれ、回
折格子の光学的長さＬg＝２Ｌs、４Ｌs、１０Ｌsに対応
した振幅関数Ｍ(Z)の屈折率分布と、それによって実現
される反射スペクトルとを示している。

【００７７】これら結果から、回折格子内に含まれる零
点の数が増えるにつれて反射スペクトルは図１４(ｃ)に
示された矩形に近づいていくことがわかる。一方、発明
者は、零点の数が多くなると、縦モード間隔よりも矩形
状反射スペクトルの幅が長くなる傾向になることを反射
スペクトルの観察から見出した。そこで、この点につい
てさらに検討を進めた。ｆ(Z)によって規定される回折
波長λBとすると、スペクトル幅△λsは、結合波理論か
ら近似的に △λs＝λB²／(２Ｌs) (17) と表される。sinc関数のような偶関数で表される屈折率
分布関数では、光共振器を構成する反射器の位置が回折
格子の中心にあるという近似できるので、縦モード間隔
△λは、近似的に △λ＝λB²／(２Ｌａ＋Ｌg) (18) と表される。既に説明したように、式(10)及び式(13)を
同時に満たす波長領域の縦モード間隔に対する割合を大
きくするには、スペクトル幅は縦モード間隔とほぼ同じ
程度が好ましいので、△λs≒△λ、つまり、λB²／(２
Ｌs)≒λB²／(２Ｌａ＋Ｌg)となる。この式から、Ｌaを
十分に小さく、つまり、いかに半導体光増幅器の光反射
面から回折格子までの光学的距離Ｌａを短くしても、Ｌ
g〜２×Ｌs程度である。この結果、屈折率分布には、位
相反転部は最大でも２個までしか含めることができない
ことが分かった。この結果を導くに当たり、回折格子が
低反射率であるという近似を用いたけれども、導かれた
結果は高反射率の場合にも適用できると発明者は考えて
いる。

【００７８】以上のような検討の結果、振幅関数Ｍ(Z)
が有する零点は多くても２個までとなる。３個以上にな
ると、反射スペクトルの幅が隣接縦モード間隔よりも大
きくなってしまうからである。

【００７９】このような検討を基づいて、発明者は、理
想的な矩形反射スペクトルに近い矩形状反射スペクトル
を得るために様々な試行錯誤を行った。これらの内で好
ましい結果を得たいくつかの振幅関数Ｍ(Z)およびδλB
(Z)を例示しながら説明する。ここで、δλB(Z)は、回
折格子全体の平均回折波長λgを基準にした回折格子内
の各点Zにおける回折波長のズレ量を表している。回折
格子部の平均屈折率がｎ0＝ｎg＋ｎaとすると、 δλB(Z)＝２×ｎav×Λ(Z)−λB (19) である。回折格子の反射特性は、Ｍ(Z)およびδλB(Z)
から決定される。図１６(ａ)および図１６(ｂ)、図１６
(ａ)および図１６(ｂ)、図１６(ａ)および図１６(ｂ)、
図１７(ａ)および図１７(ｂ)、図１８(ａ)および図１８
(ｂ)、図１９(ａ)および図１９(ｂ)、図２０(ａ)および
図２０(ｂ)、図２１(ａ)および図２１(ｂ)、図２２(ａ)
および図２２(ｂ)、並びに図２３(ａ)および図２３(ｂ)
おいて、座標軸Zの原点は、回折格子領域の一端に合わ
せて規定されている。以下、図１６(ａ)〜図１９(ｃ)に
おいては、回折格子長ｌg＝５ｍｍである。特に、図１
６(ｂ)、図１７(ｂ)、図１８(ｂ)および図１９(ｂ)で
は、δλB(Z)＝０であるので、λB＝２×ｎav×Λ0＝１
５５０ｎｍである。屈折率分布関数ｎ(Z)は、回折格子の領域：ｎav＋ｎg＋Ｍ(Z)×sin(2πZ／Λ0＋θ) (20) 回折格子以外の領域：ｎg (21) と表される。

【００８０】図１６(ａ)では、回折格子領域において振
幅関数Ｍ(Z)は２個の符号変化点(零点)を有する。この
位置では、ｆ(Z)によって表される屈折率変化の位相が
反転している。回折格子領域の両端部からそれぞれ長さ
ｌ1の第１の部分および長さｌ2の第２の部分において、
負の値の一定値(−Ａ)を有している。第１の部分および
第２の部分に挟まれる第３の部分において、正の値に一
定値(Ａ)を有している。図１６(ａ)では、回折格子が中
心位置に関して屈折率分布ｎ(Z)が対称になる分布を示
したが、ｌ1≠ｌ2であってもよい。屈折率分布は、この
ような振幅を有する振幅関数Ｍ(Z)、並びに図１６(ｂ)
に示されるような回折波長λBに対応する一定周期の関
数f(Z)によって規定される。このような屈折率分布関数
が示す反射スペクトルを図１６(ｃ)に示す。この反射ス
ペクトルは、中央部分のほぼ矩形の第１のピーク、この
ピークの左右にそれぞれ隣接し順次小さくなる複数のサ
イドピークとを有する。

【００８１】図１７(ａ)では、回折格子領域において振
幅関数Ｍ(Z)は、回折格子領域の両端部からそれぞれ長
さｌ1の第１の部分および長さｌ2の第２の部分におい
て、負の値の一定値(−Ａ)を有している。第１の部分お
よび第２の部分のそれぞれの内側にＭ0＝０(一定の屈折
率ｎav)である長さｌ3の第３の部分および長さｌ4の第
４の部分を有し、第３および第４の部分に挟まれた第５
の部分において、正の値に一定値(Ａ)を有している。こ
れも、回折格子の中心位置に関して非対称、つまりｌ1
≠ｌ2およびｌ3≠ｌ4であってもよい。このような振幅
を有する振幅関数、Ｍ(Z)並びに回折波長λBに対応する
一定周期の関数f(Z)によって屈折率分布が規定される。
このような屈折率分布関数が示す反射スペクトルを図１
７(ｃ)に示す。この反射スペクトルは、中央部分に図１
６(ａ)よりも矩形に近い矩形の第１のピーク、このピー
クの左右にそれぞれ隣接し順次小さくなる複数のサイド
ピークとを有する。各サイドピークは、図１６(ｃ)のサ
イドピークに比べて小さくなっている。

【００８２】図１８(ａ)では、回折格子領域において振
幅関数Ｍ(Z)は２個の符号が変化する点(零点)を有す
る。回折格子領域において振幅関数Ｍ(Z)は、回折格子
領域の両端部において所定の値Ａから中央に向けて単調
に変化し、回折格子内の中心で極値をとる曲線で表され
る。このような曲線は上に凸または下に凸の曲線にな
る。曲線は各点において滑らか(連続かつ微分可能)であ
る。この分布では、回折格子が中心位置に関して対称に
なる。このような屈折率分布関数が示す反射スペクトル
を図１８(ｃ)に示す。この反射スペクトルは、中央部分
に図１７(ｃ)よりも矩形に近い第１のピーク、このピー
クの左右にそれぞれ隣接し順次小さくなる複数のサイド
ピークとを有する。各サイドピークは、図１７(ｃ)のサ
イドピークに比べて小さくなっている。

【００８３】図１９(ａ)では、回折格子部において振幅
関数Ｍ(Z)は１個の符号が変化する点(零点)を有する。
回折格子領域において振幅関数Ｍ(Z)は、回折格子領域
の一端において値Ａ１、他端において値Ａ２(≠Ａ１)を
とり、これらの値から内側に向けて単調に変化し、回折
格子内のある点で極値をとる曲線で表される。曲線は各
点において滑らか(連続かつ微分可能)である。回折格子
が中心位置に関して非対称になる。このような曲線は上
に凸または下に凸の曲線になる。このような屈折率分布
関数が示す反射スペクトルを図１８(ｃ)に示す。この反
射スペクトルは、中央部分のほぼ矩形の第１のピーク、
このピークの左右にそれぞれ隣接し順次小さくなる複数
のサイドピークとを有する。各サイドピークは、図１８
(ｃ)のサイドピークとほぼ同じ程度に小さくなってい
る。

【００８４】図２０(ａ)〜図２３(ｃ)は、δλB(Z)が座
標依存性を有する場合について検討した結果である。こ
の座標依存性は、ｎav(Z)またはΛ(Z)、およびこれらの
両方を通して導入される。

【００８５】すでに、図１３(ａ)および図１３(ｂ)に示
したように、振幅が一定であり、δλB(Z)がZの一次関
数となる屈折率分布(一定チャープ)の場合には、反射ス
ペクトルは矩形状にならない。この分布に対して、さら
に振幅に座標依存性を導入してもやはり、矩形状反射ス
ペクトルは得られない。

【００８６】図２０(ａ)では、回折格子部において振幅
関数Ｍは一定である。図２０(ｂ)では、δλB(Z)は、Z
の６次の多項式で表される。回折格子領域の中心に関し
て対称である。このような屈折率分布関数が示す反射ス
ペクトルを図２０(ｃ)に示す。この反射スペクトルは、
中央部分のほぼ矩形の第１のピーク、このピークの左右
にそれぞれ隣接して複数のサイドピークとを有する。

【００８７】図２１(ａ)では、回折格子領域において振
幅関数Ｍ(Z)は２点において零点(極小点)を有する。こ
れらの零点を境に両側において単調の増加している。振
幅関数は、２個の極小点の間では、極大値を持つ滑らか
な凸曲線となる。極小点は零点であるが、その位置では
位相の反転はない。図２１(ｂ)では、δλB(Z)は、Zの
２次の多項式で表される。回折格子領域の中心に関して
対称である。このような屈折率分布関数が示す反射スペ
クトルを図２１(ｃ)に示す。この反射スペクトルは、中
央部分のほぼ矩形の第１のピーク、このピークの左右に
それぞれ隣接し順次小さくなる複数のサイドピークとを
有する。各サイドピークは、図２０(ｃ)のサイドピーク
に比べて小さくなっている。

【００８８】図２２(ａ)では、回折格子部において振幅
関数Ｍ(Z)は図２１と同一の特徴を有する。図２２(ｂ)
では、δλB(Z)は、Zの３次の多項式で表される。回折
格子領域の中心に関して点対称である。このような屈折
率分布関数が示す反射スペクトルを図２２(ｃ)に示す。
この反射スペクトルは、中央部分のほぼ矩形の第１のピ
ーク、このピークの左右にそれぞれ隣接し順次小さくな
る複数のサイドピークとを有する。各サイドピークは、
図２１(ｃ)のサイドピークに比べて小さくなっている。

【００８９】このように、δλB(Z)がZの２次以上のＮ
次多項式で表されると、矩形状の反射スペクトルを得る
ことができる。これらのδλBは、Zに関する連続関数で
表現されている。

【００９０】図２３(ａ)では、回折格子領域において振
幅関数Ｍ(Z)は図２０と同一の特徴を有する。図２３
(ｂ)では、δλB(Z)は、ステップ形状を示す。図２０
(ｂ)、図２１(ｂ)に示された屈折率分布が回折格子領域
の中心に関して偶関数で表され、図２２(ｂ)に示された
屈折率分布が回折格子の中心に関して奇関数で表される
が、図２３(ｂ)に示される屈折率分布は、回折格子領域
の中心に関して非対称である。このような屈折率分布関
数が示す反射スペクトルを図２３(ｃ)に示す。この反射
スペクトルは、中央部分のほぼ矩形の第１のピーク、こ
のピークの左右にそれぞれ隣接し順次小さくなる複数の
サイドピークとを有する。図２３(ｂ)では、回折格子領
域は、３個の部分に分かれ、それぞれの部分では一定の
回折波長を有し、それぞれの回折格子部は隣接する回折
格子部と異なる回折波長を有する。

【００９１】以上説明したような連続的にδλB(Z)の変
化する屈折率分布の回折格子を光ファイバのコア部に形
成する方法について説明する。

【００９２】図２４は、回折格子の作製方法の概略を示
す図面である。図２４では、エキシマレーザといったレ
ーザ装置５０からの出射光５２は、反射鏡５４に反射さ
れて位相マスク５６に導かれる。位相マスク５６と反射
鏡５４との間には、スリット５８が配置されている。回
折格子が書き込まれれるべき光ファイバ６０が、位相マ
スク５６に近接して配置されている。このため、位相マ
スク５６の±１次の回折光の干渉縞に対応する屈折率分
布が光ファイバ６０の所定の領域に書き込まれ、回折格
子部が形成される。

【００９３】レーザ装置５０を動作させレーザ光５２を
取り出しスリット５８を介して光ファイバ６０に照射す
る。このとき、光ファイバ６０に対するスリット５８の
相対的な移動速度を一定にすると、図２５(ａ)に示され
るような屈折率分布の回折格子が書き込まれる。この分
布では、中心屈折率ｎavが上に凸の曲線であり、中心に
関して対称である。スリット５８の移動速度を変化させ
ると、移動速度の変化に応じて光ファイバ６０の光照射
部分への光照射量が変化する。このため、移動速度を調
整することによって、例えば図２５(ｂ)のような所望の
屈折率分布を設けることが可能になる。この後、位相マ
スク５６を取り外して、スリット５８を移動させながら
レーザ光５２を追加照射すると、図２５(ｃ)に示される
ような、中心屈折率ｎavが一定になるような屈折率分布
を得ることができる。

【００９４】図２６(ａ)に示すような位相がシフトされ
た位相マスク６２を用いると、振幅関数Ｍ(Z)が符号を
反転するような点(位相反転部)を回折格子内に形成する
ことができる。このような位相マスク６２には、図２６
(ｂ)に示すような振幅関数Ｍ(Z)を実現するために好適
である。

【００９５】また、別の方法を説明する。一定の周期変
化を持つ回折格子を形成する場合と同様に１回目の光照
射を行う。位相マスクを取り外して行う２回目の光照射
で、振幅関数の位相が反転されるべき位置に５０μｍ程
度のスポットサイズのレーザ光を過剰に照射すると、照
射部分の光路長が局部的に増加する。このため、光の位
相を半波長シフトさせることができ、これによって回折
格子の位相反転と同様な作用を持たせることができる。

【００９６】δλB(Z)をZの２次以上の多項式として光
ファイバに作り込むためには、屈折率分布の周期Λに座
標依存性を持たせる方法と、中心屈折率ｎavに座標依存
性を持たせる方法とが考えられる。前者を実現する方法
では、図２７(ａ)に示されるようなδλB(Z)の変化に対
応したパターン、すなわちパターンの周期Λm(Z)が２Λ
(Z)となる位相マスク６４を使用し、さらにｎavが一定
となるように２回目の光照射を行うことによって、図２
７(ｂ)に示すようなδλB(Z)を実現する方法がある。後
者を実現するための方法では、位相マスク５６を取り外
して行う追加照射の光量を調節し中心屈折率ｎavを変更
する方法がある。

【００９７】これまでの説明では、δλB(Z)をZの２次
以上の多項式として実現する方法を示したが、図２３
(ｂ)に示されるステップ状のδλB(Z)も同様な方法で実
現できる。

【００９８】上記の方法は、光ファイバに回折格子を形
成する方法について説明したが、石英基板の導波路を形
成する場合についても同様に適用可能である。

【００９９】ガラス基板もしくは半導体基板の導波路に
回折格子を形成するためには、ＤＦＢ(分布帰還型)半導
体レーザのように、導波路または導波路の近傍に屈折率
の異なる部分を周期的に埋め込み、導波路と光学的に結
合させる方法がある。これらの方法においても、位相反
転の実現、および２次以上の多項式であるδλB(Z)の実
現は、それらに対応するマスクを採用することによって
行う。また、光軸方向に沿ってドーパント濃度に分布を
持たせることによっても、中心屈折率分布および屈折率
の振幅分布を備えた回折格子を作製可能になる。

【０１００】

【発明の効果】以上説明したように本発明の発光デバイ
スに従えば、使用される回折格子の反射スペクトルに関
して、理想的には矩形スペクトルばかりでなく、実用的
に重要な矩形状反射スペクトルにも適用できレーザの出
力を安定させることができる条件を導き出した。また、
その条件に従う矩形状反射スペクトルを実現できる屈折
率分布を明らかにした。このような反射スペクトルを得
るための回折格子の作製方法では、露光の回数は、数回
程度と少ない回数で実用的な反射スペクトルを得ること
ができる。したがって、レーザ出力の安定性を改善でき
る発光デバイスが提供された。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１(ａ)は、思考実験のための外部共振器型レ
ーザの主要部を示す模式図である。図１(ｂ)は、図１
(ａ)の外部共振器型レーザに含まれる回折格子の反射ス
ペクトルと、縦モードのうちのメイン縦モードλmと、
メイン縦モードλmに隣接するサイド縦モードλs1、λs
2とを示す模式図である。

【図２】図２は、ファイバグレーティング光モジュール
の斜視図である。

【図３】図３は、ファイバグレーティング光モジュール
の主要部を表し図１にＩ−Ｉ断面における断面図であ
る。

【図４】図４は、図１および図２に示された光モジュー
ルの光学的に結合の状態を示した模式図である。

【図５】図５は、別の構造を有する光モジュール主要部
の光学的に結合の状態を示した模式図である。

【図６】図６は、別の構造を有する光モジュール主要部
の光学的に結合の状態を示した斜視図である。

【図７】図７(ａ)および図７(ｂ)は、縦モードを反射ス
ペクトルと共に示した図面である。

【図８】図８は、光反射面の反射率Ｒ1を０．１から
０．９まで０．１ステップで順次変化させて描かれた特
性図である。

【図９】図９(ａ)は、光ファイバのコア部に形成された
回折格子を示す図面である。図９(ｂ)は、図９(ａ)に示
されたような一様な屈折率分布の回折格子の反射スペク
トルを示す図面である。

【図１０】図１０(ａ)は、式(10)と式(13)とを共に満た
す波長領域が縦モード間隔の７５％である外部共振器型
半導体レーザの発振波長の温度依存性を示す図面であ
る。図１０(ｂ)は、式(10)と式(13)とを共に満たす波長
領域が縦モード間隔の７５％であある外部共振器型半導
体レーザのピーク光出力の温度依存性を示す図面であ
る。

【図１１】図１１は、種々の割合に関してｌおよびＲma
xの関係を示す特性図である。

【図１２】図１２(ａ)は、ガウシアン・アポタイズ型の
屈折率分布を示す特性図である。図１２(ｂ)は、図１２
(ａ)に示された屈折率分布関数の反射スペクトルを示し
た図面である。

【図１３】図１３(ａ)は、一定のチャープ型の屈折率分
布を示す特性図である。図１３(ｂ)は、図１３(ａ)に示
された屈折率分布関数形の反射スペクトルを示した図面
である。

【図１４】図１４(ａ)は、sinc(X)＝sin(X)／Xの概形を
示す図面である。図１４(ｂ)は、矩形の反射スペクトル
を有する回折格子を実現するために、sinc関数を適用し
た屈折率分布を示す図面である。図１４(ｃ)は、sinc関
数を適用して得られる矩形反射スペクトルを示す特性図
である。

【図１５】図１５(ａ)〜図１５(ｆ)は、それぞれ、Ｌg
＝２Ｌs、４Ｌs、１０Ｌsに対応した振幅関数Ｍ(Z)の屈
折率分布と、それによって実現される反射スペクトルを
示す図面である。

【図１６】図１６(ａ)は、振幅関数Ｍ(Z)と屈折率分布
とを関連付けて示した図面である。図１６(ｂ)は、δλ
Bの特性を示した図面である。図１６(ｃ)は、このよう
な屈折率分布関数が示す反射スペクトルを示す図面であ
る。

【図１７】図１７(ａ)は、振幅関数Ｍ(Z)と屈折率分布
とを関連付けて示した図面である。図１７(ｂ)は、δλ
Bの特性を示した図面である。図１７(ｃ)は、このよう
な屈折率分布関数が示す反射スペクトルを示す図面であ
る。

【図１８】図１８(ａ)は、振幅関数Ｍ(Z)を示した図面
である。図１８(ｂ)は、δλBの特性を示した図面であ
る。図１８(ｃ)は、このような屈折率分布関数が示す反
射スペクトルを示す図面である。

【図１９】図１９(ａ)は、振幅関数Ｍ(Z)を示した図面
である。図１９(ｂ)は、δλBの特性を示した図面であ
る。図１９(ｃ)は、このような屈折率分布関数が示す反
射スペクトルを示す図面である。

【図２０】図２０(ａ)は、振幅関数Ｍ(Z)を示した図面
である。図２０(ｂ)は、δλBの特性を示した図面であ
る。図２０(ｃ)は、このような屈折率分布関数が示す反
射スペクトルを示す図面である。

【図２１】図２１(ａ)は、振幅関数Ｍ(Z)を示した図面
である。図２１(ｂ)は、δλBの特性を示した図面であ
る。図２１(ｃ)は、このような屈折率分布関数が示す反
射スペクトルを示す図面である。

【図２２】図２２(ａ)は、振幅関数Ｍ(Z)を示した図面
である。図２２(ｂ)は、δλBの特性を示した図面であ
る。図２２(ｃ)は、このような屈折率分布関数が示す反
射スペクトルを示す図面である。

【図２３】図２３(ａ)は、振幅関数Ｍ(Z)を示した図面
である。図２３(ｂ)は、δλBの特性を示した図面であ
る。図２３(ｃ)は、このような屈折率分布関数が示す反
射スペクトルを示す図面である。

【図２４】図２４は、回折格子の作製方法の概略を示す
図面である。

【図２５】図２５(ａ)は、位相マスクを介して一定のス
リット速度でレーザ光を照射した後の屈折率分布を示す
図面である。図２５(ｂ)は、スリット速度を調整して、
振幅に分布を施した屈折率分布を示す中心屈折率ｎavが
一定になるように追加照射を行った屈折率分布を示す図
面である。図２５(ｃ)は、中心屈折率ｎavが一定になる
ように追加照射を行った屈折率分布を示す図面である。

【図２６】図２６(ａ)は、振幅関数Ｍ(Z)が符号を反転
するような点を有する屈折率分布を形成するための位相
マスクを示す図面である。図２６(ｂ)は、図２６(ａ)の
位相マスクによって実現される振幅関数Ｍ(Z)を示す図
面である。

【図２７】図２７(ａ)は、δλB(Z)に変化を与えるよう
に設けられたパターンの位相マスクを示す図面である。
図２７(ｂ)は、図２７(ａ)の位相マスクによって実現さ
れるδλB(Z)を示す図面である。

【符号の説明】

１…ファイバグレーティング光モジュール、１２…ハウ
ジング、１０…光モジュール主要部、１４…光ファイ
バ、１６、１８…半導体光学素子、２２、２４、２６…
搭載部材、２８…ペルチェ素子、３０…位置合わせ機構
部、３２…フェルール、３４…第１の支持部材、３６…
第２の支持部材、３８…第３の支持部材、５０…レーザ
装置、５２…レーザ光、５４…反射鏡、５６、６２、６
４…位相マスク、５８…スリット、６０…光ファイバ、
６２…位相マスク

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者加藤隆志神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内 (72)発明者茂原政一神奈川県横浜市栄区田谷町１番地住友電気工業株式会社横浜製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端部および他端部を有する光導波路、
および前記光導波路に設けられた回折格子を含む光学部
品と、前記光学部品の前記一端部に光学的に結合された光放出
面、および光反射面を有する半導体光増幅器と、を備
え、前記光学部品および前記半導体光増幅器の相対的な配置
は固定されており、光共振器は、前記半導体光増幅器の光反射面と前記光学
部品の回折格子とを含み、縦モードの間隔は、前記光共
振器の光学的な長さと関連しており、前記光共振器における隣接する縦モード間の縦モード間
隔は、前記回折格子の反射スペクトルの反射率Ｒに関す
る【数１】を満たす連続した波長領域の幅より大きく、前記回折格
子は、最大反射率がＲmaxの反射スペクトルを有し、前記波長領域に含まれる縦モードのうちのメイン縦モー
ドの波長における前記回折格子の反射率Ｒm、前記メイ
ン縦モードに隣接するサイド縦モードの各波長における
前記回折格子の反射率Ｒs1、Ｒs2、および前記半導体光
増幅器の光反射面と光放出面との距離をミリメートル単
位で表したｌに関して、【数２】【数３】が満たされ、さらに前記波長領域の幅が、前記縦モード
間隔の０．７５倍以上である、発光デバイス。
【請求項２】前記光共振器の外側に配置され、前記光
反射面および前記光導波路の前記他端部のいずれかと光
学的に結合するように設けられた受光素子を更に備え
る、請求項１に記載の発光デバイス。
【請求項３】前記受光素子は、前記半導体光増幅器を
制御するための電気信号を受けた光から生成することが
でき、前記半導体光増幅器は前記電気信号に基づいて制
御されることができ、これによってＰ２／Ｐ１≦１．１・ｆmax の関係が満たされ、Ｐ１は前記受光素子が受ける光パワ
ーであり、Ｐ２は当該発光デバイスからの出力パワーで
あり、ｆmaxは、Ｒmaxに対応する波長において発光する
ときのＰ１に対するＰ２の比である、請求項２に記載の
発光デバイス。
【請求項４】前記回折格子の最大反射率Ｒmaxは０．
０５以上である、請求項１から３のいずれかに記載の発
光デバイス。
【請求項５】前記半導体光増幅器の光反射面と光放出
面との間の長さｌは０．３５ミリメートル以下であり、
前記回折格子の最大反射率Ｒmaxおよび前記半導体増幅
器の長さｌは、Ｒmax≦−２．４×ｌ＋０．８４の関係を満たす、請求項１から４のいずれかに記載の発
光デバイス。
【請求項６】前記回折格子は、第１の位相で設けられ
た第１の回折格子部、および前記第１の位相とπだけシ
フトされた第２の位相で設けられた第２の回折格子部を
含む、請求項１から５のいずれかに記載の発光デバイ
ス。
【請求項７】前記回折格子は、前記第２の位相とπだ
けシフトされた第３の位相で設けられた第３の回折格子
部を更に含む、請求項１から５のいずれかに記載の発光
デバイス。
【請求項８】前記光導波路の光軸に沿った屈折率分布
ｎ(Z)は、前記回折格子が設けられた回折格子部におい
て前記光軸に沿った座標Zに関して、ｎ(Z)＝ｎav＋ｎg＋Ｍ×sin(2πZ／Λ＋θ) で表され、ここで、ｎgは光導波路の絶対屈折率であ
り、ｎavは回折格子部の中心屈折率であり、Ｍは振幅関
数であり、θは位相であり、Λは座標Zに関する２次以
上の多項式である、請求項１から５のいずれかに記載の
発光デバイス。
【請求項９】前記光導波路の光軸に沿った屈折率分布
ｎ(Z)は、前記回折格子が設けられた回折格子部におい
て前記光軸に沿った座標Zに関して、ｎ(Z)＝ｎav＋ｎg＋Ｍ×sin(2πZ／Λ＋θ) で表され、ここで、ｎgは光導波路の絶対屈折率であ
り、Λは回折格子の周期であり、Ｍは振幅関数であり、
θは位相であり、ｎavは回折格子部の中心屈折率であ
り、座標Zに関して２次以上の多項式である、請求項１
から５のいずれかに記載の発光デバイス。
【請求項１０】前記回折格子は、前記光導波路の光軸
に沿って設けられ屈折率変化の周期が異なる複数の回折
格子部を有する、請求項１から５のいずれかに記載の発
光デバイス。
【請求項１１】前記光導波路の光軸に沿った屈折率分
布ｎ(Z)は、前記回折格子が設けられた回折格子部にお
いて前記光軸に沿った座標Zに関して、ｎ(Z)＝ｎav＋ｎg＋Ｍ×sin(2πZ／Λ＋θ) で表され、ここで、ｎgは光導波路の絶対屈折率であ
り、Ｍは振幅関数であり、Λは前記回折格子の周期であ
り、θは位相であり、前記回折格子が設けられた回折格
子領域は複数の回折格子部を有し、中心屈折率ｎavは一
定値であって、前記複数の回折格子部の各々においてそ
れぞれ異なる、請求項１から５のいずれかに記載の発光
デバイス。
【請求項１２】前記振幅関数Ｍは、その絶対値におい
て少なくとも１個の極小点を有する、請求項８、９、及
び１１のいずれかに記載の発光デバイス。