JP2001144370A - 外部共振器型半導体レーザ - Google Patents
外部共振器型半導体レーザInfo
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Abstract
導体レーザを提供する。 【解決方法】互いに対向する1対の端面のうちの一方を
高反射面1aとし他方を低反射面1bとした発光素子1
と、発光素子1の低反射面1bに光学的に結合され反射
器として機能する回折格子3aを端部近傍に形成された
光ファイバ3とを備え、発光素子1の高反射面1aと光
ファイバ3に形成された回折格子3aによりレーザ共振
器を形成するように構成された外部共振器型半導体レー
ザにおいて、更に、光ファイバ3内に、レーザ共振器に
対して反射光を戻す戻し光生成用反射器3bを備える。
Description
ーザに関する。より詳細には、発光素子の端面に形成さ
れた反射面と光ファイバに形成された回折格子とを組み
合せて形成されるレーザ共振器を備えた外部共振器型半
導体レーザの新規な構成に関する。
ての発光素子と、この発光素子の出射光を相互に反射す
る1対の反射器をからなるレーザ共振器とから主に構成
されている。
ザ共振器を構成する1対の反射器のうちの一方は、発光
素子そのものの端面あるいは端面に形成された誘電体反
射膜であることが多い。これに対して、レーザ共振器の
他方の反射器は、同様に発光素子の端面に形成する場合
の他に、発光素子に光学的に結合した光ファイバの端部
近傍に設けた回折格子を利用する場合がある。
的な屈折率分布を形成することにより、特定の回折波長
の光を反射する反射器として使用することができる。こ
のような光ファイバに形成した回折格子はファイバグレ
ーティング(以下、「FG」と記載する)と呼ばれるこ
とから、このような構成のレーザ共振器を備えた半導体
レーザをファイバグレーティングレーザ(FGL)と呼
ばれている。また、反射器の一方が発光素子の外部にあ
ることから、外部共振器型半導体レーザと分類されてい
る。
Gの回折波長と縦モード波長とによって発振波長が決定
される。従って、FGを干渉露光法等により極めて精度
良く作製することができるので、所望の発振波長を比較
的容易に実現できるという利点があることが知られてい
る。
ーザの基本的な構成を模式的に示す図である。
ーザは、光源である半導体光増幅器1と、半導体光増幅
器1の出射光を集光する一連の光学系2a、2bと、光
学系2a、2bを介して半導体光増幅器1に光学的に結
合された光ファイバ3とから主に構成される。
は高反射膜1aが被着されており、半導体光増幅器1自
身が発生した光を、理想的には完全に反射する。一方、
高反射膜1aと対向する面には、極低反射膜1bが被着
されており、半導体光増幅器1の発生した光はこの面か
ら出射される。
折格子3aが形成されている。この回折格子3aは、周
期的な屈折率分布を有し、特定の波長の光を反射する。
従って、前述の半導体光増幅器1に形成された高反射膜
1aと回折格子3aが相互に光を反射してレーザ発振を
生じさせる。なお、通常は、光ファイバ3の端面で生じ
る反射光が半導体光増幅器1に戻らないように、光ファ
イバ1の端面は斜めに研磨されていたり、低反射膜が被
着されている。
ザにおいては、レーザ共振器を構成する反射器の一方
(FG3a)を半導体光増幅器1の外部に配置すること
から、レーザ共振器の物理的な長さが大きくならざるを
得ない。このため、レーザ共振器内に光が導入されてか
らコヒーレント光が発生するまでにかかる緩和振動時間
が長くなり、変調周波数を高くする場合に制限があるこ
とが判っている。このため、例えば、光ファイバ3の端
面を球状に加工して光学系の挿入を省略する等、種々の
工夫が提案され、また、実施もされている。
おいて、その発振波長は、半導体光増幅器の利得特性、
回折格子の反射帯域幅、レーザ共振器の縦モードおよび
半導体光増幅器の縦モードによって決定される。尚、半
導体光増幅器1の無反射面1bの反射率が完全に零なら
ば半導体光増幅器の縦モードを考慮する必要はない。し
かしながら、実際には不可避に有限の値をとるので無視
できない。
ザにおける発振波長を狭くするために回折格子の反射帯
域幅を狭くしていくと、この帯域内に存在する縦モード
の数が次第に減少していく。ところが、この縦モードが
数本程度の状態で、半導体光増幅器を駆動する電流が変
化したり、素子温度が変化したりすると、縦モード波長
が変化する。このため、回折格子の反射帯域内で、ある
縦モードから他の縦モードにジャンプする「モードホッ
ピング」と呼ばれる現象が生じる。このようなモードホ
ッピングが生じた場合、半導体レーザのI−L特性(駆
動電流−発光出力特性)にキンクと呼ばれる不連続性が
生じるので好ましくない。
用する際に、半導体レーザモジュールの中に温度制御素
子や回路を組み込んで温度管理を行う等する必要がある
が、レーザ装置の規模が大きくなる上に、製造工数や調
整が多く必要になり、半導体レーザのコストを上昇させ
る原因のひとつとなっている。
ことにより、帯域内に常に複数の縦モードが含まれるよ
うに構成することでモードホッピングを抑制することも
できる。しかしながら、この場合は、発振スペクトルも
広くなるので、特に干渉型の合波器で波長合成を行うシ
ステムでは、合波器における損失が著しく大きくなって
しまうので実用的な使用には耐えない。
子を光ファイバの端面から離れた位置に形成することに
より共振器長を大きくして縦モード間隔を狭くし、回折
格子の反射スペクトル内に存在する縦モードの数を多く
することも考えられている。しかしながら、この場合
は、回折格子の特性が外部からの影響を受け易くなり、
例えば、光ファイバに応力が印加されたような場合に発
振波長がシフトしてしまう等の慮外の問題が生じる。
を解決し、回路規模を拡大することなく十分に狭帯域な
発振波長を有する新規な半導体レーザを提供することを
その目的としている。
対向する一対の端面のうちの一方を高反射面とし、他方
を低反射面とした半導体光増幅素子と、反射器として機
能する回折格子が形成され、該増幅素子の該低反射面側
に光学的に結合された光ファイバとを備え、該半導体増
幅素子の高反射面と該回折格子とが光共振器を形成する
ように構成された外部共振器型半導体レーザであって、
該光ファイバ内の該光共振器よりも外側に、該光共振器
内に反射光を戻す戻り光生成用反射器を備えることを特
徴とする外部共振器型半導体レーザが提供される。
器の一部として機能している回折格子とは別に形成した
第2の回折格子を用いることができる。あるいは、光フ
ァイバのコア内に、屈折率が特異的に変化する領域を形
成し、この領域で生じる反射を戻り光として利用するこ
ともできる。
発振波長λにおける戻り光生成用反射器の反射率rは、
前記光共振器を形成する回折格子の該発振波長における
反射率Rよりも小さく、10-4/(1−R)よりも大きい
ことが好ましい。即ち、戻り光生成用反射器の反射率が
回折格子の反射率Rよりも大きい場合には、この反射器
での反射が支配的となり、その結果レーザ共振器の一方
の端面が回折格子ではなく実効的にこの第2の反射器と
なってしまう。また10-4/(1−R)よりも小さい場合
には、反射戻り光量が不足して戻り光の効果を期待でき
なくなってしまう。
ファイバの光軸に対し傾斜させることにより、第2の回
折格子とレーザ共振器の一端面として機能している回折
格子との間の多重反射を抑制することができる。即ち、
光共振器を形成する回折格子の反射面と戻り光生成用反
射器の反射面の少なくともいずれか一方の法線が、光フ
ァイバの光軸に対して2°以下の範囲で傾斜しているこ
とが好ましい。
にして決定された。即ち、石英系光ファイバのコアの波
長1.55μmの光に対する屈折率は1.448、クラッドの屈
折率は1.444である。このような材料で形成された光導
波路において光が全反射する角度θtは、θt=sin
-1(1.444/1.448)から4°であることが判っている。
そこで、伝播光を光ファイバ内で伝播させるためには、
コア/クラッド界面における伝播光の入射角が上記角度
θtよりも小さいことが求められる。一方、戻り光生成
用反射器の法線と光ファイバのなす角度をθrとする
と、反射光は光ファイバの伝播光軸に対して2θrの角
度をなすことになる。従って、伝播光が反射器で反射さ
れ且つ光ファイバ中を伝播していくためには、2θrが
上記θtよりも小さいという条件が必須となる。即ち、
[2θr<θt=4°]であり、θr<2°という条件が
満たされることが必要である。
り具体的に説明するが、以下の記載は本発明の一実施例
に過ぎず、本発明の技術的範囲を何等限定するものでは
ない。
半導体レーザの典型的な構成を示す一部切り欠き図であ
る。
半導体光増幅器31、モニタ用受光素子32、半導体光増幅
器温調素子(ペルチェ効果素子)等を、いわゆるバタフ
ライ型パッケージ10の中に収納して構成されている。ま
た、回折格子を形成されたシングルモード光ファイバ20
が、一連の部材41、42、43を介して半導体光増幅器31に
結合されており、これらの部材41、42、43は、両者の良
好な光学的結合が得られるようにそれぞれ位置決めされ
ている。
光軸を含む垂直面で切った断面図である。
良熱伝導体材料で形成されたサブマウント31a上に搭載
されており、このサブマウント31aは基台30上に載置さ
れている。モニタ用受光素子32は、これも良熱伝導体材
料で形成された別のサブマウント32a上に搭載されてお
り、このサブマウント32aも共通の基台30上にある。さ
らに、基台30はペルチェ効果素子34上に搭載されてい
る。
上がっていて、この立ち上がり部に光軸調整用の部材群
41〜43が固定されている。
は、フェルール21に挿通された後、Z軸方向の位置調整
(半導体光増幅器との相対距離を決定する操作であり、
通常は両者の間隔を0.1mm以内とする)が行われ、その
状態を維持するように接着点21aにおいて部材41に固定
される。次に、基台立上り部30b上で部材41をスライド
させ、ファイバ20と半導体光増幅器31とのX−Y方向の
光軸合わせを行い、調整後に接着点41aで固定する。さ
らに、部材41上に部材42を置き、接着点42aで固定す
る。ここで、部材43は、まず、接着点21aにおいてフェ
ルール21と固定され、この後でファイバ20と半導体光増
幅器31の光軸調整が再度行われる。これは接着点41aを
溶接する際に生じる位置ズレのために必要になる再調整
である。
とし、接着点21bを力点とし、光ファイバ20先端を作用
点とすることになり、いわゆるてこの原理により、接着
点21bの変位は、光ファイバ20先端では小さな変位とな
ってな現れるので、微細な調節が可能になる。
いた溶接による。従って、部材41〜43、フェルール21、
基台30等の材料は、YAG溶接が可能な金属製(例えば
SUS等)が好ましい。もっとも、樹脂製材料を用いた
場合には、接着材で固定することもできる。
いて、反射器として用いる回折格子や屈折率不連続部
は、ファイバ20の、フェルール21内に収容されている領
域に形成される。即ち、回折格子は、ファイバの被覆を
剥がした後、位相格子マスクを用いて形成した後にフェ
ルールに挿通される。
て、集光レンズの作用を与える場合もある。これは、半
導体光増幅器後端と半導体光増幅器側回折格子との間で
形成される外部光共振器の長さを短くするためであり、
光ファイバの先端に光学的な機能を与えることにより光
学部品の一部を省略することが可能になる。特に、外部
共振器型半導体レーザを高速で動作させる時には、共振
器長さに依存する緩和時間を短縮するためにこのような
構成とすることが好ましい。一方、光増幅器の励起光源
などのように高速変調を必要としない場合は、このよう
な配慮は不要である。尚、本発明は、そのいずれの用途
においても有効である。
したような物理的な構成で作成した本発明に係る外部共
振器型半導体レーザの機能的な構成を模式的に示す図で
ある。
は、図5で示した従来の半導体レーザに対して、光ファ
イバ3内に、第2の回折格子3bを備えている点で異な
っている。その余の構成は、図5に示した従来の半導体
レーザと共通である。
は、レーザ共振器を構成するために従来より設けられて
いた回折格子3aを「主回折格子」、戻り光を生成する
ために本発明において新規に設けられた回折格子3bを
「副回折格子」と記載するものとする。
光波長を0.98μmとする光ファイバ増幅器のポンプ光源
として使用し得る半導体レーザである。ここで、各回折
格子(主回折格子および副回折格子)として、回折波長
0.98μmの回折格子を、それぞれ位相シフトマスクを用
いて光ファイバに紫外線を照射することにより形成し
た。ここで、主回折格子の反射帯域幅(半値幅:FWH
M=Full Width at HalfMaxima)は1nmであり、最大
反射率は5%とした。一方、副回折格子は、半値幅を5
nm、最大反射率を1%とした。両者の間隔は1mmと
した。試料1の仕様を表1にまとめて示す。また、測定
した試料1の特性を図6に示す。
5nmが許容される。また、主/副の回折波長をこの範
囲内で異ならせることも可能である。更に、主回折格子
の最大反射率は、取出したい光強度との関係で決定され
(反射率を大とすると光強度は小さくなる)、その半値
幅は光増幅器に用いられる活性物質(この場合はEr:
エルビウム)の量子準位の特性で決定される(回折波長
も同様)。
プ光源用に使用し得る半導体レーザとして作製した。二
つの回折格子は共に1.48μmの回折波長を有し、主回折
格子は半値幅1nm、最大反射率3%、副回折格子は半
値幅5nm、最大反射率1%とした。両者の間隔は0.
5mmとした。試料2の仕様を表2にまとめて示す。ま
た、測定した試料2の特性を図7に示す。
±10nm以上の幅が許容され(エルビウムの励起準位の
幅が広くなっているため)、主/副で回折波長を異なら
せることもこの範囲において可能である。
に仕様を変えて、試料3および試料4も作製した。これ
らの試料の特性を図8および図9に示す。
においては、半導体光増幅器の注入電流600mA以下の領
域におけるキンクの最大値として、0.01〜0.1W/Aの
値が得られた。これに対して、戻り光生成手段を有しな
い通常の半導体レーザにおいてはこの値は0.5W/A以
上であり、本願発明による構成が出力安定性に寄与する
ことが確認された。ここで、キンクの値とは、I−L
(印加電流−出力光強度)曲線を一次微分した時のdL
/dIの最大値をいう。
には特に限定されない。但し、副回折格子がフェルール
外に設けられた場合には、光ファイバに印加された応力
の影響を直接的に受けるので、回折特性、反射率等が変
化する恐れがある。一方、副回折格子の実効的な反射位
置が共振器の外部にあるならば、主/従の回折格子を同
一の領域の形成しても同じ効果を得ることができる。
等屈折率面の法線と副回折格子の等屈折率面光軸とが一
致しないように、その何れかを傾斜させた試料を作製し
た。傾斜した回折格子は、位相シフトマスクをファイバ
光軸に対し斜めに置いて紫外線を照射するだけで形成す
ることができる。その余の構成は図3に示した半導体レ
ーザと共通である。
線が光軸に対し0.5°傾斜して形成されている。このよ
うな構成により、主−副の回折格子間での多重反射が抑
制される。このような構成の試料5の仕様を表5にまと
めて示す。
クラッドの界面での全反射の条件を満足させるために、
下記の式を満たすように選択することが好ましい。
(1.444/1.448)≒86°
ッドの屈折率をそれぞれ示す。
件から70μm以上とする必要があるが、通常の位相シフ
トマスクを用いて回折格子を作製すれば後者の条件は問
題なく満足される。
率面を、光ファイバの光軸に対して1°傾斜させた。ま
た、試料7では、主/副の回折格子の双方を光軸に対し
て互いに反対方向へ1°傾斜させた。これら試料試料
6、7の仕様を、表6、表7にそれぞれ示す。
12、図13にそれぞれ示す。図11〜図13から判るように、
回折格子の等屈折率面を傾斜させた場合、各半導体レー
ザのキンクの最大値は、0.01〜0.05W/Aの値が得られ
た。主/副の回折格子を傾斜させない試料と比較してキ
ンクの値に改善が認められるのは、両回折格子間の多重
反射の影響が回避されたためであると考えられる。
振器型半導体レーザの他の例における機能的な構成を模
式的に示す図である。
示した半導体レーザに対して、光ファイバ3内に屈折率
不連続領域3cを形成して、これを戻り光生成用の反射
器として用いるように構成されている。その余の構成は
図3に示した半導体レーザと共通である。
試料8〜試料14を実際に作製した。なお、屈折率不連続
部3cは、光ファイバ上に紫外線マスクを置き、このマ
スクを介して特定の部位にのみ紫外線を照射することで
形成することができる。屈折率不連続部3cの位置や特
性は、用いるマスクの開口部の寸法や形状を適宜選択す
ることにより任意に設定することができる。
11は、主回折格子としてその等屈折率面がファイバ光軸
に対して垂直な、通常の回折格子の場合を示す。この時
には屈折率不連続面はこの主回折格子により形成される
外部光共振器の外側であればどこにでも配置することが
できる。そこで、試料8〜試料10では主回折格子との間
隔を数mm程度としているが、試料11では主回折格子と重
ねて形成した。試料8〜試料11の各仕様を表8〜表11に
それぞれ示す。
2の場合と同様に、主回折格子の等屈折率面、あるい
は、屈折率不連続面の少なくとも一方を、光ファイバの
伝播光軸に対して傾斜させた。この時の傾斜角度は、前
記と同様に2°以内が必要条件となる。試料12〜試料14
の各仕様を表12〜表14にそれぞれ示す。
19にそれぞれ示す。図14〜図19に示す結果から判るよう
に、本実施例の試料のI−L曲線のキンクの値は、反射
面に傾斜の無い試料8〜試料10の場合で0.01〜0.2W/
A、反射面に傾斜を与えた試料12〜試料14の場合で0.01
〜0.1W/Aと、いずれも非常に良好であった。
テムにおいては、その光路上には屈折率の不連続点が必
ず存在する。即ち、例えば、コネクタの接続点、ファイ
バ−ファイバの接続点等において不可避に形成された屈
折率不連続点においても伝播光の反射は生じてしまう。
しかしながら、このような不連続点で光の反射は、結局
は単なる雑音源となってしまう。その理由は、その様な
不連続点に起因する反射戻り光では、その偏光方向がラ
ンダムで、偏光依存性を有する光共振器内に戻された場
合に、その影響にばらつきが生じてしまうためである。
これに対して、本発明に係る外部共振器型半導体レーザ
では、戻り光生成用反射器を共振器の近傍に設けること
により戻り光の偏光方向を一定にし、I−L曲線におけ
るキンク値を減少させて光出力の安定化を実現してい
る。
る外部共振器型半導体レーザは、温度制御をした場合の
ような付加的素子や回路を用いることなく、キンクの発
生を抑制して安定したI−L特性を実現している。ま
た、このような作用は、FGの形成位置と関係なく得ら
れるので、半導体レーザの仕様を制限することもない。
うFGLの基本的な特徴はそのまま維持しており、波長
分割多重光通信システム等において有利に使用すること
ができる。
的な構成例を示す一部きり欠き図である。
図である。
的な構成例を模式的に示す図である。
的な構成例を模式的に示す図である。
成を模式的に示す図である。
の特性を示すグラフである。
の特性を示すグラフである。
の特性を示すグラフである。
の特性を示すグラフである。
5の特性を示すグラフである。
6の特性を示すグラフである。
7の特性を示すグラフである。
8の特性を示すグラフである。
9の特性を示すグラフである。
10の特性を示すグラフである。
11の特性を示すグラフである。
12の特性を示すグラフである。
13の特性を示すグラフである。
14の特性を示すグラフである。
Claims (5)
- 【請求項1】互いに対向する一対の端面のうちの一方を
高反射面とし、他方を低反射面とした半導体光増幅素子
と、反射器として機能する回折格子が形成され、該増幅
素子の該低反射面側に光学的に結合された光ファイバと
を備え、該半導体増幅素子の高反射面と該回折格子とが
光共振器を形成するように構成された外部共振器型半導
体レーザであって、 該光ファイバ内の該光共振器よりも外側に、該光共振器
内に反射光を戻す戻り光生成用反射器を備えることを特
徴とする外部共振器型半導体レーザ。 - 【請求項2】請求項1に記載された外部共振器型半導体
レーザにおいて、前記戻り光生成用反射器が、前記光フ
ァイバに形成された第2の回折格子であることを特徴と
する外部共振器型半導体レーザ。 - 【請求項3】請求項1に記載された外部共振器型半導体
レーザにおいて、前記戻り光生成用反射器が、前記光フ
ァイバのコア内で屈折率が特異的に変化した領域である
ことを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。 - 【請求項4】請求項1から請求項3までの何れか1項に
記載された外部共振器型半導体レーザにおいて、前記戻
り光生成用反射器のこの外部共振器型半導体レーザの発
振波長における反射率rが、前記光共振器を形成する回
折格子の該発振波長における反射率Rよりも小さく、10
-4/(1−R)よりも大きいことを特徴とする外部共振
器型半導体レーザ。 - 【請求項5】請求項1から請求項4までの何れか1項に
記載された外部共振器型半導体レーザにおいて、前記光
共振器を形成する回折格子の反射面もしくは前記戻り光
生成用反射器の反射面の少なくともいずれか一方の法線
が、前記光ファイバの光軸に対して2°以下で0°より
も大きな角度を為していることを特徴とする外部共振器
型半導体レーザ。
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JP32284299A JP3412584B2 (ja) | 1999-11-12 | 1999-11-12 | 外部共振器型半導体レーザ |
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