JP2003332680A - レーザモジュール - Google Patents
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- semiconductor laser
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- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/14—External cavity lasers
- H01S5/146—External cavity lasers using a fiber as external cavity
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光出力の低周波域の安定化とＳＭＳＲとを満
足した特性を備えたレーザモジュールを提供すること。 【解決手段】 図４は高周波域１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚま
でのＲＩＮを積算した値（以下、高周波ＲＩＮ）とレー
ザ光の出力パワーとの関係を、レーザモジュールごとに
示している。図４に示すように、高周波域１０ＭＨｚ〜
１ＧＨｚの範囲で積算したＲＩＮが、−４０ｄＢ以上と
なるようにレーザモジュールを設計する。なお、レーザ
モジュールの活性層構造としては、完全分離閉じ込め構
造（Decoupled Confinement Heterostructure：ＤＣＨ
構造）や分離閉じ込め構造（Separated Confinement He
terostructure：ＳＣＨ構造）を採用することができ
る。
足した特性を備えたレーザモジュールを提供すること。 【解決手段】 図４は高周波域１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚま
でのＲＩＮを積算した値（以下、高周波ＲＩＮ）とレー
ザ光の出力パワーとの関係を、レーザモジュールごとに
示している。図４に示すように、高周波域１０ＭＨｚ〜
１ＧＨｚの範囲で積算したＲＩＮが、−４０ｄＢ以上と
なるようにレーザモジュールを設計する。なお、レーザ
モジュールの活性層構造としては、完全分離閉じ込め構
造（Decoupled Confinement Heterostructure：ＤＣＨ
構造）や分離閉じ込め構造（Separated Confinement He
terostructure：ＳＣＨ構造）を採用することができ
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ファブリ・ペロー
型の半導体レーザ素子と光学帰還部品とによって外部共
振器を構成するレーザモジュールに関し、特に光増幅器
用の励起光源として最適なレーザモジュールに関するも
のである。
型の半導体レーザ素子と光学帰還部品とによって外部共
振器を構成するレーザモジュールに関し、特に光増幅器
用の励起光源として最適なレーザモジュールに関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】インターネットの急速な普及や企業内Ｌ
ＡＮ間接続の急増等によって、データトラヒックの増加
が問題となっており、通信パフォーマンスの低下を防止
するためにも、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Dense-
Wavelength Division Multiplexing）伝送システムがめ
ざましい発展を遂げ普及している。
ＡＮ間接続の急増等によって、データトラヒックの増加
が問題となっており、通信パフォーマンスの低下を防止
するためにも、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Dense-
Wavelength Division Multiplexing）伝送システムがめ
ざましい発展を遂げ普及している。
【０００３】ＤＷＤＭ伝送システムでは、複数の光信号
をそれぞれ異なる波長に乗せることにより１本のファイ
バで従来の１００倍にも及ぶ大容量伝送を実現してい
る。また、ＤＷＤＭ伝送システムでは、広帯域伝送およ
び長距離伝送を実現するために光増幅装置の使用が必須
となっている。特に、ＤＷＤＭ伝送システムで使用され
る光増幅装置としては、エルビウム添加ファイバアンプ
（以下、ＥＤＦＡ）がよく知られている。ＥＤＦＡは、
エルビウムという元素を添加した特殊な光ファイバに波
長１４８０ｎｍ帯または波長９８０ｎｍ帯の励起用レー
ザ光を通光させ、この通光により、伝送信号光である波
長１５５０ｎｍ帯の光が上記した特殊な光ファイバの中
で増幅されるという原理を応用した光ファイバ増幅装置
である。
をそれぞれ異なる波長に乗せることにより１本のファイ
バで従来の１００倍にも及ぶ大容量伝送を実現してい
る。また、ＤＷＤＭ伝送システムでは、広帯域伝送およ
び長距離伝送を実現するために光増幅装置の使用が必須
となっている。特に、ＤＷＤＭ伝送システムで使用され
る光増幅装置としては、エルビウム添加ファイバアンプ
（以下、ＥＤＦＡ）がよく知られている。ＥＤＦＡは、
エルビウムという元素を添加した特殊な光ファイバに波
長１４８０ｎｍ帯または波長９８０ｎｍ帯の励起用レー
ザ光を通光させ、この通光により、伝送信号光である波
長１５５０ｎｍ帯の光が上記した特殊な光ファイバの中
で増幅されるという原理を応用した光ファイバ増幅装置
である。
【０００４】よって、このような光ファイバ増幅装置
は、励起用レーザ光を生成するためのレーザモジュール
を備えている。ＤＷＤＭ伝送システムにおいて高品質か
つ高信頼な光通信を実現するには、伝送信号光に対して
安定した光増幅を行なう必要があり、結局これは、上記
したレーザモジュールに高品質性が要求されることを意
味する。
は、励起用レーザ光を生成するためのレーザモジュール
を備えている。ＤＷＤＭ伝送システムにおいて高品質か
つ高信頼な光通信を実現するには、伝送信号光に対して
安定した光増幅を行なう必要があり、結局これは、上記
したレーザモジュールに高品質性が要求されることを意
味する。
【０００５】励起光源用のレーザモジュールにおいて高
品質を満たす条件の一つとして、単一縦モードによる単
色性が高いことが挙げられる。レーザモジュールの光源
としては通常、半導体レーザ素子が採用されているが、
ファブリ・ペロー型の半導体レーザ素子は、複数の縦モ
ードで発振しており、単色性を十分に満たしていない。
単色性の要求は信号光源用のレーザモジュールについて
も同様であるが、特に励起光源用のレーザモジュールに
おいて単色性が満たされていないと、伝送信号光に対す
る利得帯域が変動し、波長多重化された信号光を設計ど
おりに増幅することが困難となる。
品質を満たす条件の一つとして、単一縦モードによる単
色性が高いことが挙げられる。レーザモジュールの光源
としては通常、半導体レーザ素子が採用されているが、
ファブリ・ペロー型の半導体レーザ素子は、複数の縦モ
ードで発振しており、単色性を十分に満たしていない。
単色性の要求は信号光源用のレーザモジュールについて
も同様であるが、特に励起光源用のレーザモジュールに
おいて単色性が満たされていないと、伝送信号光に対す
る利得帯域が変動し、波長多重化された信号光を設計ど
おりに増幅することが困難となる。
【０００６】そこで、単色性を満たすため、換言すれば
単一縦モードでの発振を実現するために、半導体レーザ
素子の出射端面（前端面）側において、所定の反射帯域
幅を有するファイバブラッググレーティング（Fiber Br
agg Grating：ＦＢＧ）と光結合した構成が実用化され
ている。
単一縦モードでの発振を実現するために、半導体レーザ
素子の出射端面（前端面）側において、所定の反射帯域
幅を有するファイバブラッググレーティング（Fiber Br
agg Grating：ＦＢＧ）と光結合した構成が実用化され
ている。
【０００７】ＦＢＧを用いた構成の動作を簡単に説明す
ると、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光のうち
ＦＢＧの反射帯域幅で特定される波長帯域の部分が反射
して戻り光となり、この戻り光が再び半導体レーザ素子
に帰還する。すなわち、半導体レーザ素子の反射端面
（後端面）とＦＢＧとの間で外部共振器が形成される。
これにより、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光
の波長、すなわちレーザモジュールから出射される励起
用のレーザ光の波長は、特定の値で安定化する。
ると、半導体レーザ素子から出射されたレーザ光のうち
ＦＢＧの反射帯域幅で特定される波長帯域の部分が反射
して戻り光となり、この戻り光が再び半導体レーザ素子
に帰還する。すなわち、半導体レーザ素子の反射端面
（後端面）とＦＢＧとの間で外部共振器が形成される。
これにより、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光
の波長、すなわちレーザモジュールから出射される励起
用のレーザ光の波長は、特定の値で安定化する。
【０００８】また、上記したＥＤＦＡの場合、レーザモ
ジュールの要求仕様として、低周波域（１００ＫＨｚ以
下程度）での応答周波数特性が安定していることが求め
られる。すなわち、低周波雑音の小さい光出力が可能な
レーザモジュールが望まれる。そのため、レーザモジュ
ールの光源として通常採用されている半導体レーザ素子
では、低周波雑音を低減させるための処置が施されてい
る。
ジュールの要求仕様として、低周波域（１００ＫＨｚ以
下程度）での応答周波数特性が安定していることが求め
られる。すなわち、低周波雑音の小さい光出力が可能な
レーザモジュールが望まれる。そのため、レーザモジュ
ールの光源として通常採用されている半導体レーザ素子
では、低周波雑音を低減させるための処置が施されてい
る。
【０００９】半導体レーザ素子において光出力に低周波
雑音が生じる原因としては、発振波長の変動とモードホ
ッピングがよく知られている。発振波長の変動は、主に
温度変化を起因とした共振器長の変化により生じる。発
振波長の強度は、半導体レーザ素子の利得スペクトルに
従うため、発振波長に変動があるとその光出力強度も変
化する。この光出力強度の変化が、上記した低周波雑音
として現われる。ここで、上記したＦＢＧの屈折率の温
度変化率や線膨張係数は、半導体のそれと比べて低いた
め、ＦＢＧを採用すれば、上記した共振器長の変化によ
る発振波長の変動はある程度防ぐことができる。
雑音が生じる原因としては、発振波長の変動とモードホ
ッピングがよく知られている。発振波長の変動は、主に
温度変化を起因とした共振器長の変化により生じる。発
振波長の強度は、半導体レーザ素子の利得スペクトルに
従うため、発振波長に変動があるとその光出力強度も変
化する。この光出力強度の変化が、上記した低周波雑音
として現われる。ここで、上記したＦＢＧの屈折率の温
度変化率や線膨張係数は、半導体のそれと比べて低いた
め、ＦＢＧを採用すれば、上記した共振器長の変化によ
る発振波長の変動はある程度防ぐことができる。
【００１０】一方、ＦＢＧを採用したとしても、上記し
たモードホッピングの問題は残る。半導体レーザ素子の
利得ピーク（利得スペクトルの中心波長）は通常、温度
変化や注入電流の変化によって変化する。そのため、こ
の利得ピークが、共振器長で規定される隣接した２つの
縦モードのほぼ中間に位置する場合があり、その場合、
両縦モードが交互に発振波長として入れ替わる。これが
上記したモードホッピングと呼ばれる現象であるが、通
常、異なる縦モード間では発振強度が異なるため、発振
波長が入れ替わった際にその強度差に応じた雑音が生じ
る。この雑音が、上記した低周波雑音として現われる。
たモードホッピングの問題は残る。半導体レーザ素子の
利得ピーク（利得スペクトルの中心波長）は通常、温度
変化や注入電流の変化によって変化する。そのため、こ
の利得ピークが、共振器長で規定される隣接した２つの
縦モードのほぼ中間に位置する場合があり、その場合、
両縦モードが交互に発振波長として入れ替わる。これが
上記したモードホッピングと呼ばれる現象であるが、通
常、異なる縦モード間では発振強度が異なるため、発振
波長が入れ替わった際にその強度差に応じた雑音が生じ
る。この雑音が、上記した低周波雑音として現われる。
【００１１】モードホッピングによる低周波雑音の発生
を抑えるには、上記した単色性の要求とは逆に、複数の
縦モードで発振させることが有効なことが知られている
（IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol. QE-18,N
o.4,April 1982）。具体的には、光帰還、温度変化、ま
たは半導体レーザ素子への注入電流変化によって半導体
レーザ素子内部のキャリアの状態を変化させて単一縦モ
ードによる時間的コヒーレンシーを破壊させ、縦モード
のコヒーレンス長を極端に短くする。このように、光帰
還、温度変化、または半導体レーザ素子への注入電流変
化によって複数の縦モードで発振する現象を一般に「コ
ヒーレンス・コラップス」と呼んでいる。よって、この
コヒーレンス・コラップスを発生させれば、モードホッ
ピングが起こり難くなり、光出力の低周波域を安定させ
ることができる。
を抑えるには、上記した単色性の要求とは逆に、複数の
縦モードで発振させることが有効なことが知られている
（IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol. QE-18,N
o.4,April 1982）。具体的には、光帰還、温度変化、ま
たは半導体レーザ素子への注入電流変化によって半導体
レーザ素子内部のキャリアの状態を変化させて単一縦モ
ードによる時間的コヒーレンシーを破壊させ、縦モード
のコヒーレンス長を極端に短くする。このように、光帰
還、温度変化、または半導体レーザ素子への注入電流変
化によって複数の縦モードで発振する現象を一般に「コ
ヒーレンス・コラップス」と呼んでいる。よって、この
コヒーレンス・コラップスを発生させれば、モードホッ
ピングが起こり難くなり、光出力の低周波域を安定させ
ることができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、コヒー
レンス・コラップスがどの程度起これば光出力の低周波
域が安定化することについては明確になっていなかっ
た。現状では、レーザモジュールの完成後に、光出力を
ある一定時間出射させてその時間変動を観測し、光出力
の低周波域の安定度が所定範囲内にあるかどうかを検査
しているだけであり、コヒーレンス・コラップスによる
低周波域での安定度を決定する指標が得られていなかっ
た。そのため、安定度の検査は、完成したレーザモジュ
ールに対して行なう必要があり、生産段階早期において
の良品選別が困難であるとともに、検査にも時間がかか
っていた。
レンス・コラップスがどの程度起これば光出力の低周波
域が安定化することについては明確になっていなかっ
た。現状では、レーザモジュールの完成後に、光出力を
ある一定時間出射させてその時間変動を観測し、光出力
の低周波域の安定度が所定範囲内にあるかどうかを検査
しているだけであり、コヒーレンス・コラップスによる
低周波域での安定度を決定する指標が得られていなかっ
た。そのため、安定度の検査は、完成したレーザモジュ
ールに対して行なう必要があり、生産段階早期において
の良品選別が困難であるとともに、検査にも時間がかか
っていた。
【００１３】また、上記した複数の縦モードでの発振に
加えて、ＦＢＧを用いて単色性を満たそうとする場合に
は、ＦＢＧ（主モード）以外の縦モード、特に半導体レ
ーザ素子の発振波長（サイドモード）の強度が小さいこ
とが好ましい。換言すれば、主モードとサイドモードと
の比（サイドモード抑圧比：ＳＭＳＲ）が重要な指標と
なる。レーザモジュールにおいて各々の設計パラメータ
は独立ではなく、パラメータ同士が密接に関係を持って
いる。そのためある特性を向上させるためにあるパラメ
ータを変えると、それによって他の特性が悪くなってし
まうという場合が多い。このような理由から、光ファイ
バの様々な偏光状態に対し常にある一定以上のＳＭＳＲ
と上記したコヒーレンス・コラップスによる低周波域の
安定化を同時に満足する設計パラメータを見出すことは
困難であった。
加えて、ＦＢＧを用いて単色性を満たそうとする場合に
は、ＦＢＧ（主モード）以外の縦モード、特に半導体レ
ーザ素子の発振波長（サイドモード）の強度が小さいこ
とが好ましい。換言すれば、主モードとサイドモードと
の比（サイドモード抑圧比：ＳＭＳＲ）が重要な指標と
なる。レーザモジュールにおいて各々の設計パラメータ
は独立ではなく、パラメータ同士が密接に関係を持って
いる。そのためある特性を向上させるためにあるパラメ
ータを変えると、それによって他の特性が悪くなってし
まうという場合が多い。このような理由から、光ファイ
バの様々な偏光状態に対し常にある一定以上のＳＭＳＲ
と上記したコヒーレンス・コラップスによる低周波域の
安定化を同時に満足する設計パラメータを見出すことは
困難であった。
【００１４】本発明は上記に鑑みてなされたものであっ
て、光出力の低周波域の安定化とＳＭＳＲとを満足した
特性を備えたレーザモジュールを提供することを目的と
する。
て、光出力の低周波域の安定化とＳＭＳＲとを満足した
特性を備えたレーザモジュールを提供することを目的と
する。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１にかかるレーザモジュールは、半導体レー
ザ素子と、前記半導体レーザ素子との間で外部共振器を
構成する帰還光学部品と、を備えたレーザモジュールに
おいて、前記外部共振器の共振器長に応じて定まる少な
くともレーザ光の利用帯域以上の第１周波数と当該第１
周波数に所定数乗算して算出される第２周波数との間に
亘って生じる相対雑音強度の積算値が−４０ｄＢ以上と
なることを特徴としている。
に、請求項１にかかるレーザモジュールは、半導体レー
ザ素子と、前記半導体レーザ素子との間で外部共振器を
構成する帰還光学部品と、を備えたレーザモジュールに
おいて、前記外部共振器の共振器長に応じて定まる少な
くともレーザ光の利用帯域以上の第１周波数と当該第１
周波数に所定数乗算して算出される第２周波数との間に
亘って生じる相対雑音強度の積算値が−４０ｄＢ以上と
なることを特徴としている。
【００１６】また、請求項２にかかるレーザモジュール
は、上記発明において、前記共振器長が１ｍである場合
に、前記第１周波数は１０ＭＨｚであり、前記第２周波
数は１ＧＨｚであることを特徴としている。
は、上記発明において、前記共振器長が１ｍである場合
に、前記第１周波数は１０ＭＨｚであり、前記第２周波
数は１ＧＨｚであることを特徴としている。
【００１７】また、請求項３にかかるレーザモジュール
は、上記発明において、前記半導体レーザ素子から出射
されたレーザ光と前記帰還光学部品を通過したレーザ光
の両方または一方が光ファイバに光結合されていること
を特徴としている。
は、上記発明において、前記半導体レーザ素子から出射
されたレーザ光と前記帰還光学部品を通過したレーザ光
の両方または一方が光ファイバに光結合されていること
を特徴としている。
【００１８】また、請求項４にかかるレーザモジュール
は、上記発明において、前記帰還光学部品は、ファイバ
ブラッググレーティングであることを特徴としている。
は、上記発明において、前記帰還光学部品は、ファイバ
ブラッググレーティングであることを特徴としている。
【００１９】また、請求項５にかかるレーザモジュール
は、上記発明において、所定温度範囲において前記光フ
ァイバを伝播するレーザ光の偏光角度がいずれの場合で
あっても、サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）が０ｄＢよ
り大きいことを特徴としている。
は、上記発明において、所定温度範囲において前記光フ
ァイバを伝播するレーザ光の偏光角度がいずれの場合で
あっても、サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）が０ｄＢよ
り大きいことを特徴としている。
【００２０】また、請求項６にかかるレーザモジュール
は、上記発明において、前記半導体レーザ素子は、量子
井戸構造からなる活性層を有する層構造を備えたファブ
リ・ペロー型であり、複数の縦モードで発振するととも
に前記外部共振器の作用によって単色性を満たしたレー
ザ光を出射することを特徴としている。
は、上記発明において、前記半導体レーザ素子は、量子
井戸構造からなる活性層を有する層構造を備えたファブ
リ・ペロー型であり、複数の縦モードで発振するととも
に前記外部共振器の作用によって単色性を満たしたレー
ザ光を出射することを特徴としている。
【００２１】また、請求項７にかかるレーザモジュール
は、上記発明において、前記活性層の両側に光閉じ込め
層が形成され、前記活性層と前記光閉じ込め層の間に、
前記活性層の障壁層と前記光閉じ込め層の各伝導帯にお
けるバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャ
ップエネルギーを有するキャリアブロック層が形成され
たことを特徴としている。
は、上記発明において、前記活性層の両側に光閉じ込め
層が形成され、前記活性層と前記光閉じ込め層の間に、
前記活性層の障壁層と前記光閉じ込め層の各伝導帯にお
けるバンドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャ
ップエネルギーを有するキャリアブロック層が形成され
たことを特徴としている。
【００２２】また、請求項８にかかるレーザモジュール
は、上記発明において、前記活性層の両側に、前記活性
層の障壁層の伝導帯におけるバンドギャップエネルギー
以上のバンドギャップエネルギーを有する光閉じ込め層
が形成されたことを特徴としている。
は、上記発明において、前記活性層の両側に、前記活性
層の障壁層の伝導帯におけるバンドギャップエネルギー
以上のバンドギャップエネルギーを有する光閉じ込め層
が形成されたことを特徴としている。
【００２３】また、請求項９にかかるレーザモジュール
は、上記発明において、前記活性層がＩｎＧａＡｓの歪
量子井戸からなることを特徴としている。
は、上記発明において、前記活性層がＩｎＧａＡｓの歪
量子井戸からなることを特徴としている。
【００２４】また、請求項１０にかかるレーザモジュー
ルは、上記発明において、前記光閉じ込め層はＡｌを含
まないＧａＡｓからなることを特徴としている。
ルは、上記発明において、前記光閉じ込め層はＡｌを含
まないＧａＡｓからなることを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下に、本発明にかかるレーザモ
ジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、この実施の形態により本発明が限定されるも
のではない。
ジュールの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明す
る。なお、この実施の形態により本発明が限定されるも
のではない。
【００２６】（実施の形態１）まず、実施の形態１にか
かるレーザモジュールについて説明する。実施の形態１
にかかるレーザモジュールは、後述する完全分離閉じ込
め構造（Decoupled Confinement Heterostructure：Ｄ
ＣＨ構造）を採用した半導体レーザ素子を励起光源とし
て備えるとともに、光出力の高周波域の相対雑音強度
（ＲＩＮ）が所定値以上であることを特徴としている。
特に、発明者らは、その高周波域の所定値以上のＲＩＮ
が、コヒーレンス・コラップス現象の発現による低周波
域の安定性をもたらすものであると見出し、実施の形態
１にかかるレーザモジュールは、高周波域のＲＩＮと光
出力の低周波域での安定性との関連性に基づいて設計さ
れたものである。
かるレーザモジュールについて説明する。実施の形態１
にかかるレーザモジュールは、後述する完全分離閉じ込
め構造（Decoupled Confinement Heterostructure：Ｄ
ＣＨ構造）を採用した半導体レーザ素子を励起光源とし
て備えるとともに、光出力の高周波域の相対雑音強度
（ＲＩＮ）が所定値以上であることを特徴としている。
特に、発明者らは、その高周波域の所定値以上のＲＩＮ
が、コヒーレンス・コラップス現象の発現による低周波
域の安定性をもたらすものであると見出し、実施の形態
１にかかるレーザモジュールは、高周波域のＲＩＮと光
出力の低周波域での安定性との関連性に基づいて設計さ
れたものである。
【００２７】図１は、実施の形態１にかかるレーザモジ
ュールの縦断面図である。図１において、実施の形態１
にかかるレーザモジュールは、パッケージ２０の底板の
上に半導体レーザ素子１００を冷却するためのペルチェ
モジュール２１が配置され、さらにペルチェモジュール
２１の上にはベース２２が配置されている。ベース２２
の上には、キャリア２３を介して半導体レーザ素子１０
０が配置され、この半導体レーザ素子１００は、ＦＢＧ
２４ａを有するとともに先端がレンズ状となっている光
ファイバ２４と光結合される。
ュールの縦断面図である。図１において、実施の形態１
にかかるレーザモジュールは、パッケージ２０の底板の
上に半導体レーザ素子１００を冷却するためのペルチェ
モジュール２１が配置され、さらにペルチェモジュール
２１の上にはベース２２が配置されている。ベース２２
の上には、キャリア２３を介して半導体レーザ素子１０
０が配置され、この半導体レーザ素子１００は、ＦＢＧ
２４ａを有するとともに先端がレンズ状となっている光
ファイバ２４と光結合される。
【００２８】光ファイバ２４はフェルール２５によって
ベース２２の上に固定され、また、その出射端側はパッ
ケージ２０の筒状孔部内に気密に取付けられたスリーブ
２６を介してパッケージ２０から引き出されている。ま
た、半導体レーザ素子１００の背面側にはフォトダイオ
ード２７が配置され、レーザモジュールの光出力の大小
をモニタできるようになっている。
ベース２２の上に固定され、また、その出射端側はパッ
ケージ２０の筒状孔部内に気密に取付けられたスリーブ
２６を介してパッケージ２０から引き出されている。ま
た、半導体レーザ素子１００の背面側にはフォトダイオ
ード２７が配置され、レーザモジュールの光出力の大小
をモニタできるようになっている。
【００２９】なお、光ファイバ２４に代えて、ＦＢＧ２
４ａを有した、先端がレンズ状となっていない光ファイ
バを用いてもよい。その場合、半導体レーザ素子１００
と光ファイバとの光結合効率を高めるために、半導体レ
ーザ素子１００と光ファイバとの間にレンズを介在させ
る。
４ａを有した、先端がレンズ状となっていない光ファイ
バを用いてもよい。その場合、半導体レーザ素子１００
と光ファイバとの光結合効率を高めるために、半導体レ
ーザ素子１００と光ファイバとの間にレンズを介在させ
る。
【００３０】次に、上記した半導体レーザ素子の構造に
ついて説明する。図２は、上記した半導体レーザ素子１
００の構造を示す断面図であり、特に出射端面に平行な
断面を示している。図２に示す半導体レーザ素子１００
は、いわゆるＳＡＳ構造（Self-aligned Structure）で
あり、長手方向においては所定の共振器長を有するファ
ブリ・ペロー型の半導体レーザ素子と同様な構造を有す
る。
ついて説明する。図２は、上記した半導体レーザ素子１
００の構造を示す断面図であり、特に出射端面に平行な
断面を示している。図２に示す半導体レーザ素子１００
は、いわゆるＳＡＳ構造（Self-aligned Structure）で
あり、長手方向においては所定の共振器長を有するファ
ブリ・ペロー型の半導体レーザ素子と同様な構造を有す
る。
【００３１】この半導体レーザ素子１００は、図２に示
すように、例えばｎ−ＧａＡｓからなる基板１の上に、
ｎ−ＧａＡｓからなる下部クラッド層２Ａが形成され、
さらにその上に、後述する層構造Ｄが形成されている。
そして、その層構造Ｄの上にｐ−ＡｌＧａＡｓからなる
上部クラッド層２Ｂ、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト
層３が順次形成され、基板１の裏面にはｎ型電極４Ａ
が、コンタクト層３の上にはｐ型電極４Ｂがそれぞれ形
成されている。
すように、例えばｎ−ＧａＡｓからなる基板１の上に、
ｎ−ＧａＡｓからなる下部クラッド層２Ａが形成され、
さらにその上に、後述する層構造Ｄが形成されている。
そして、その層構造Ｄの上にｐ−ＡｌＧａＡｓからなる
上部クラッド層２Ｂ、ｐ−ＧａＡｓからなるコンタクト
層３が順次形成され、基板１の裏面にはｎ型電極４Ａ
が、コンタクト層３の上にはｐ型電極４Ｂがそれぞれ形
成されている。
【００３２】上記した層構造Ｄは、機能材料vol.17,No.
8,pp26-33（１９９７年、８月号）において、完全分離
閉じ込め構造（Decoupled Confinement Heterostructur
e：ＤＣＨ構造）として提案されている層構造である。
すなわち、層構造Ｄは、図２に示すように、量子井戸構
造の活性層５を有し、活性層５は、ＩｎＧａＡｓで形成
される２つの井戸層５Ａ1，５Ａ2と、ＡｌＧａＡｓで形
成されるとともに各井戸層の両側に配置される３つの障
壁層５Ｂ0，５Ｂ1，５Ｂ2とで構成される。
8,pp26-33（１９９７年、８月号）において、完全分離
閉じ込め構造（Decoupled Confinement Heterostructur
e：ＤＣＨ構造）として提案されている層構造である。
すなわち、層構造Ｄは、図２に示すように、量子井戸構
造の活性層５を有し、活性層５は、ＩｎＧａＡｓで形成
される２つの井戸層５Ａ1，５Ａ2と、ＡｌＧａＡｓで形
成されるとともに各井戸層の両側に配置される３つの障
壁層５Ｂ0，５Ｂ1，５Ｂ2とで構成される。
【００３３】そして、活性層５の最下層に位置している
障壁層５Ｂ1の外側には、他の層に比べてそのバンドギ
ャップエネルギーが大きなｎ−ＡｌＧａＡｓで形成され
た下部キャリアブロッキング層６Ａが配置され、同様
に、活性層５の最上層に位置している障壁層５Ｂ2の外
側には、他の層に比べてそのバンドギャップエネルギー
が大きなｐ−ＡｌＧａＡｓで形成された上部キャリアブ
ロッキング層６Ｂが配置される。さらに、下部キャリア
ブロッキング層６Ａの外側には、ｎ−ＧａＡｓからなる
下部光閉じ込め層７Ａが配置され、上部キャリアブロッ
キング層６Ｂの外側には、ｐ−ＧａＡｓからなる上部光
閉じ込め層７Ｂが配置されている。なお、以下の説明に
おいては、活性層５の両端に位置する障壁層５Ｂ1，５
Ｂ2のことをそれぞれサイド障壁と呼ぶ。
障壁層５Ｂ1の外側には、他の層に比べてそのバンドギ
ャップエネルギーが大きなｎ−ＡｌＧａＡｓで形成され
た下部キャリアブロッキング層６Ａが配置され、同様
に、活性層５の最上層に位置している障壁層５Ｂ2の外
側には、他の層に比べてそのバンドギャップエネルギー
が大きなｐ−ＡｌＧａＡｓで形成された上部キャリアブ
ロッキング層６Ｂが配置される。さらに、下部キャリア
ブロッキング層６Ａの外側には、ｎ−ＧａＡｓからなる
下部光閉じ込め層７Ａが配置され、上部キャリアブロッ
キング層６Ｂの外側には、ｐ−ＧａＡｓからなる上部光
閉じ込め層７Ｂが配置されている。なお、以下の説明に
おいては、活性層５の両端に位置する障壁層５Ｂ1，５
Ｂ2のことをそれぞれサイド障壁と呼ぶ。
【００３４】上部光閉じ込め層７Ｂの中（図では厚みの
中間の位置）には、ｎ−ＡｌＧａＡｓで形成された電流
ブロッキング層８が配置されており、これにより、ｐ型
電極４Ｂから活性層５への高効率な注入が実現されてい
る。
中間の位置）には、ｎ−ＡｌＧａＡｓで形成された電流
ブロッキング層８が配置されており、これにより、ｐ型
電極４Ｂから活性層５への高効率な注入が実現されてい
る。
【００３５】図３は、上記した層構造Ｄに関するバンド
構造図の一例を示す概略図である。図３のバンド構造図
で示される層構造Ｄの場合、活性層５に注入されたキャ
リアは両側に位置するキャリアブロッキング層６Ａ，６
Ｂの高いバンドギャップによって外側に拡散することな
く効率よく活性層５の中に閉じ込められてレーザ光の発
振に寄与する。そして、レーザ光は、全体としてこのＤ
ＣＨ構造に閉じ込められて導波していく。すなわち、こ
のＤＣＨ構造において、キャリアブロッキング層６Ａ，
６Ｂの両側に位置する光閉じ込め層７Ａ，７Ｂは、光導
波層としても機能する。
構造図の一例を示す概略図である。図３のバンド構造図
で示される層構造Ｄの場合、活性層５に注入されたキャ
リアは両側に位置するキャリアブロッキング層６Ａ，６
Ｂの高いバンドギャップによって外側に拡散することな
く効率よく活性層５の中に閉じ込められてレーザ光の発
振に寄与する。そして、レーザ光は、全体としてこのＤ
ＣＨ構造に閉じ込められて導波していく。すなわち、こ
のＤＣＨ構造において、キャリアブロッキング層６Ａ，
６Ｂの両側に位置する光閉じ込め層７Ａ，７Ｂは、光導
波層としても機能する。
【００３６】次に、以上のようなＤＣＨ構造を有する半
導体レーザ素子１００の設計パラメータについて説明す
る。まず、井戸層５Ａ1，５Ａ2のそれぞれの厚みをいず
れもｄ（ｎｍ）とし、また井戸層１つ当たりの光閉じ込
め係数をΓとすると、それら厚みｄと光閉じ込め係数Γ
は、 Γ／ｄ≦１．３×１０-3ｎｍ-1 ・・・（１） で示される関係が成立するような値に設計される。この
関係が成立しているときにはじめて、後述するように、
半導体レーザ素子１００を備えたレーザモジュールは、
半導体レーザ素子１００への注入電流のすべてに対し
て、複数の縦モードで発振し、その光出力が時間的に安
定化する。
導体レーザ素子１００の設計パラメータについて説明す
る。まず、井戸層５Ａ1，５Ａ2のそれぞれの厚みをいず
れもｄ（ｎｍ）とし、また井戸層１つ当たりの光閉じ込
め係数をΓとすると、それら厚みｄと光閉じ込め係数Γ
は、 Γ／ｄ≦１．３×１０-3ｎｍ-1 ・・・（１） で示される関係が成立するような値に設計される。この
関係が成立しているときにはじめて、後述するように、
半導体レーザ素子１００を備えたレーザモジュールは、
半導体レーザ素子１００への注入電流のすべてに対し
て、複数の縦モードで発振し、その光出力が時間的に安
定化する。
【００３７】また、井戸層５Ａ1，５Ａ2の厚みｄは、
８．５ｎｍ以上に設計される。厚みｄが厚くなればなる
ほど、戻り光とのコヒーレンス・コラップス現象が発現
しやすくなり、複数の縦モードで発振させることができ
るからである。なお、井戸層の厚みの上限は井戸層の形
成に用いる半導体材料の臨界膜厚で規定されるが、その
臨界膜厚より薄い場合であっても、あまり厚くすると第
２量子準位の発振が起こり始めてレーザ光の劣化を招く
ので、１２ｎｍ程度の厚みを上限とすることが好まし
い。
８．５ｎｍ以上に設計される。厚みｄが厚くなればなる
ほど、戻り光とのコヒーレンス・コラップス現象が発現
しやすくなり、複数の縦モードで発振させることができ
るからである。なお、井戸層の厚みの上限は井戸層の形
成に用いる半導体材料の臨界膜厚で規定されるが、その
臨界膜厚より薄い場合であっても、あまり厚くすると第
２量子準位の発振が起こり始めてレーザ光の劣化を招く
ので、１２ｎｍ程度の厚みを上限とすることが好まし
い。
【００３８】この井戸層の厚みｄが決定されると、その
値に応じて、井戸層における光閉じ込め係数Γが上記し
た（１）式を満足するような適宜な値として決定され、
さらに井戸層の成膜時に用いる半導体材料の種類や組成
などが選定される。
値に応じて、井戸層における光閉じ込め係数Γが上記し
た（１）式を満足するような適宜な値として決定され、
さらに井戸層の成膜時に用いる半導体材料の種類や組成
などが選定される。
【００３９】また、層構造Ｄの活性層５内では、図３に
示すように、障壁層５Ｂ0（５Ｂ1，５Ｂ2）の伝導帯の
バンドギャップエネルギーと井戸層５Ａ1（５Ａ2）の伝
導帯バンドギャップエネルギーの差ΔＥｃが１７０ｍｅ
Ｖ以下となるように設計される。
示すように、障壁層５Ｂ0（５Ｂ1，５Ｂ2）の伝導帯の
バンドギャップエネルギーと井戸層５Ａ1（５Ａ2）の伝
導帯バンドギャップエネルギーの差ΔＥｃが１７０ｍｅ
Ｖ以下となるように設計される。
【００４０】この伝導帯バンドギャップエネルギーの差
ΔＥｃの値が小さいほど戻り光とのコヒーレンス・コラ
ップス現象が発現しやすくなり、複数の縦モードで発振
させることができる。しかし、ΔＥｃの値が小さすぎる
と注入キャリアが溢れ出すので、ΔＥｃ値の下限は９５
ｍｅＶ程度に設定することが好ましい。
ΔＥｃの値が小さいほど戻り光とのコヒーレンス・コラ
ップス現象が発現しやすくなり、複数の縦モードで発振
させることができる。しかし、ΔＥｃの値が小さすぎる
と注入キャリアが溢れ出すので、ΔＥｃ値の下限は９５
ｍｅＶ程度に設定することが好ましい。
【００４１】なお、半導体レーザ素子１００の共振器長
Ｌは格別限定されるものではないが、高出力化を意図し
て、その共振器長Ｌを１５００μｍ以上に設計すること
が好ましい。
Ｌは格別限定されるものではないが、高出力化を意図し
て、その共振器長Ｌを１５００μｍ以上に設計すること
が好ましい。
【００４２】よって、半導体レーザ素子１００の製作に
関しては、以上に列記した設計項目を満足するように、
各層を形成する半導体材料が選定される。使用可能な半
導体材料としては、例えば、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａ系、
ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＮＡｓ系などを挙げることが
できる。また、これら材料の種類、組成、成膜時の厚み
を適宜選定することで、上記した各設計項目を充足させ
ることができる。
関しては、以上に列記した設計項目を満足するように、
各層を形成する半導体材料が選定される。使用可能な半
導体材料としては、例えば、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａ系、
ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＮＡｓ系などを挙げることが
できる。また、これら材料の種類、組成、成膜時の厚み
を適宜選定することで、上記した各設計項目を充足させ
ることができる。
【００４３】例えば、活性層５内におけるサイド障壁層
５Ｂ1，５Ｂ2として、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘは０以上
０．１未満の数）を用いると、複数の縦モードでの発
振、すなわち光出力の安定化を実現することができる。
特に、ＧａＡｓでサイド障壁層を形成することが好適で
ある。
５Ｂ1，５Ｂ2として、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘは０以上
０．１未満の数）を用いると、複数の縦モードでの発
振、すなわち光出力の安定化を実現することができる。
特に、ＧａＡｓでサイド障壁層を形成することが好適で
ある。
【００４４】次に、本発明の特徴となる高周波域でのＲ
ＩＮと低周波域での出力変動との関係について説明す
る。図４は、高周波域でのＲＩＮと注入電流との関係を
示すグラフである。特に、図４（ａ）は高周波域１０Ｍ
Ｈｚ〜１ＧＨｚまでのＲＩＮを積算した値（以下、高周
波ＲＩＮ）と半導体レーザ素子への注入電流との関係
を、レーザモジュールごとに示し、なお、図４におい
て、Ｍ２（Ｍ２−ａとＭ２−ｂ）、Ｍ３（Ｍ３−ａとＭ
３−ｂ）、Ｍ４（Ｍ４−ａとＭ４−ｂ）は、同じ設計パ
ラメータで作製されたレーザモジュールであるが、Ｍ１
（Ｍ１−ａとＭ１−ｂ）は、上記レーザモジュールとは
異なる設計パラメータで作製されたレーザモジュールで
ある。また、Ｍ１−ａとＭ１−ｂの違いはモジュールの
ＦＢＧと半導体レーザ素子間の偏光状態の違いである。
具体的には、Ｍ１−ａはＦＢＧの偏光状態と半導体レー
ザ素子の偏光状態が一致している場合であり、Ｍ１−ｂ
はそれが最もずれた状態である。Ｍ２−ａとＭ２−ｂ、
Ｍ３−ａとＭ３−ｂ、Ｍ４−ａとＭ４−ｂについても同
様である。
ＩＮと低周波域での出力変動との関係について説明す
る。図４は、高周波域でのＲＩＮと注入電流との関係を
示すグラフである。特に、図４（ａ）は高周波域１０Ｍ
Ｈｚ〜１ＧＨｚまでのＲＩＮを積算した値（以下、高周
波ＲＩＮ）と半導体レーザ素子への注入電流との関係
を、レーザモジュールごとに示し、なお、図４におい
て、Ｍ２（Ｍ２−ａとＭ２−ｂ）、Ｍ３（Ｍ３−ａとＭ
３−ｂ）、Ｍ４（Ｍ４−ａとＭ４−ｂ）は、同じ設計パ
ラメータで作製されたレーザモジュールであるが、Ｍ１
（Ｍ１−ａとＭ１−ｂ）は、上記レーザモジュールとは
異なる設計パラメータで作製されたレーザモジュールで
ある。また、Ｍ１−ａとＭ１−ｂの違いはモジュールの
ＦＢＧと半導体レーザ素子間の偏光状態の違いである。
具体的には、Ｍ１−ａはＦＢＧの偏光状態と半導体レー
ザ素子の偏光状態が一致している場合であり、Ｍ１−ｂ
はそれが最もずれた状態である。Ｍ２−ａとＭ２−ｂ、
Ｍ３−ａとＭ３−ｂ、Ｍ４−ａとＭ４−ｂについても同
様である。
【００４５】なお、図４以降の図番で示されるグラフは
すべて、反射率４％、反射帯域幅０．５ｎｍ、中心波長
９７５ｎｍの波長選択特性を有するように設計されたＦ
ＢＧを有したレーザモジュールに対しての測定結果であ
る。また、図４に示すグラフは、半導体レーザモジュー
ルからの光出力をＰＤ（Discovery semiconductor社製
PIN diode DSC40S）で検出し、１０ＭＨｚから１ＧＨｚ
までのＡＣ成分の光出力をパワーメータ（Agilent製 E4
418 EPM series power meter, E4412A E series CW pow
er senser）で、ＤＣ成分の光出力をデジタル・マルチ
メータ（Advantest社製 TR6846）でそれぞれ読み取るこ
とによってＲＩＮ（相対雑音強度）の値を算出した結果
である。
すべて、反射率４％、反射帯域幅０．５ｎｍ、中心波長
９７５ｎｍの波長選択特性を有するように設計されたＦ
ＢＧを有したレーザモジュールに対しての測定結果であ
る。また、図４に示すグラフは、半導体レーザモジュー
ルからの光出力をＰＤ（Discovery semiconductor社製
PIN diode DSC40S）で検出し、１０ＭＨｚから１ＧＨｚ
までのＡＣ成分の光出力をパワーメータ（Agilent製 E4
418 EPM series power meter, E4412A E series CW pow
er senser）で、ＤＣ成分の光出力をデジタル・マルチ
メータ（Advantest社製 TR6846）でそれぞれ読み取るこ
とによってＲＩＮ（相対雑音強度）の値を算出した結果
である。
【００４６】図５および図６は、図４の各レーザモジュ
ールに対応する低周波域での出力光の変動率と注入電流
との関係を示すグラフである。特に、図５および図６に
示すグラフは、半導体レーザモジュールからの光出力を
ＰＤで検出し、その光出力及び図１のフォトダイオード
２７のモニター電流をそれぞれオシロスコープでモニタ
ーしながら出力の時間変動を測定した結果であり、Ｐｆ
（ｔ）、Ｉｍ（ｔ）は光出力変動、モニター電流変動を
それぞれ表している。なお、偏光状態は偏波面コントロ
ーラ（General Photonics社製 Pola RITE）をＦＢＧと
半導体レーザ素子間に設置し調整した。
ールに対応する低周波域での出力光の変動率と注入電流
との関係を示すグラフである。特に、図５および図６に
示すグラフは、半導体レーザモジュールからの光出力を
ＰＤで検出し、その光出力及び図１のフォトダイオード
２７のモニター電流をそれぞれオシロスコープでモニタ
ーしながら出力の時間変動を測定した結果であり、Ｐｆ
（ｔ）、Ｉｍ（ｔ）は光出力変動、モニター電流変動を
それぞれ表している。なお、偏光状態は偏波面コントロ
ーラ（General Photonics社製 Pola RITE）をＦＢＧと
半導体レーザ素子間に設置し調整した。
【００４７】まずここで、コヒーレンス・コラップス現
象がおきている場合、半導体レーザ素子とＦＢＧとの間
の距離に依存した高周波雑音が発生することが知られて
いる。すなわち、高周波雑音が大きいほどコヒーレンス
・コラップス現象がおきている程度が大きいと判断する
ことができる。この知見から、図４は、コヒーレンス・
コラップス現象の程度を表わしたものであるともいえ
る。
象がおきている場合、半導体レーザ素子とＦＢＧとの間
の距離に依存した高周波雑音が発生することが知られて
いる。すなわち、高周波雑音が大きいほどコヒーレンス
・コラップス現象がおきている程度が大きいと判断する
ことができる。この知見から、図４は、コヒーレンス・
コラップス現象の程度を表わしたものであるともいえ
る。
【００４８】一方、図５および図６は、低周波域での光
出力及びモニター電流の時間変動を表わしているが、光
出力の時間変動の許容範囲を０．５％以下及びモニタ電
流の時間変動を１％以下とすると、図６（ａ）、（ｂ）
に示すようにレーザモジュールＭ２のいかなる偏光状態
においても１００ｍＡ付近以上であれば変動の小さい安
定した動作になっている。Ｍ３およびＭ４のモジュール
はＭ２のモジュールと同じ設計パラメータを用いている
ためＭ２と同様の特性である。しかしながら、モジュー
ルＭ１については、図５（ａ）に示すように偏光状態を
合わせたＭ１−ａの場合は安定性を満たすものの、偏光
状態をずらしたＭ１−ｂの場合は要求仕様を満たさない
ことが図５（ｂ）から分かる。再び、図４を見ると、図
５および図６において許容範囲に収まるＭ１−ａ、Ｍ２
−ａ、Ｍ２−ｂ、Ｍ３−ａ、Ｍ３−ｂ、Ｍ４−ａ、Ｍ４
−ｂはいずれも高周波ＲＩＮが−４０以上となってい
る。この結果から、発明者らは、高周波域１０ＭＨｚ〜
１ＧＨｚまでのＲＩＮを積算した値が−４０ｄＢ以上で
あれば、安定した低周波域の光出力が得られることを見
出した。
出力及びモニター電流の時間変動を表わしているが、光
出力の時間変動の許容範囲を０．５％以下及びモニタ電
流の時間変動を１％以下とすると、図６（ａ）、（ｂ）
に示すようにレーザモジュールＭ２のいかなる偏光状態
においても１００ｍＡ付近以上であれば変動の小さい安
定した動作になっている。Ｍ３およびＭ４のモジュール
はＭ２のモジュールと同じ設計パラメータを用いている
ためＭ２と同様の特性である。しかしながら、モジュー
ルＭ１については、図５（ａ）に示すように偏光状態を
合わせたＭ１−ａの場合は安定性を満たすものの、偏光
状態をずらしたＭ１−ｂの場合は要求仕様を満たさない
ことが図５（ｂ）から分かる。再び、図４を見ると、図
５および図６において許容範囲に収まるＭ１−ａ、Ｍ２
−ａ、Ｍ２−ｂ、Ｍ３−ａ、Ｍ３−ｂ、Ｍ４−ａ、Ｍ４
−ｂはいずれも高周波ＲＩＮが−４０以上となってい
る。この結果から、発明者らは、高周波域１０ＭＨｚ〜
１ＧＨｚまでのＲＩＮを積算した値が−４０ｄＢ以上で
あれば、安定した低周波域の光出力が得られることを見
出した。
【００４９】次に、上記したレーザモジュールＭ２、Ｍ
３、Ｍ４のように、コヒーレンス・コラップス現象の発
現とともに低周波域で安定した光出力を実現するレーザ
モジュールについて、その光出力と光ファイバ２４へ入
射されるレーザ光の偏光角度との関係について説明す
る。
３、Ｍ４のように、コヒーレンス・コラップス現象の発
現とともに低周波域で安定した光出力を実現するレーザ
モジュールについて、その光出力と光ファイバ２４へ入
射されるレーザ光の偏光角度との関係について説明す
る。
【００５０】図７は、半導体レーザ素子１００の閾値電
流（Ｉth）と光ファイバに入射されたレーザ光の偏光角
度との対応関係を示すグラフである。図７に示すよう
に、光ファイバ２４に入射されたレーザ光の偏光角度
は、半導体レーザ素子１００の閾値電流の違いとして現
われることが一般的に知られている。特に図７は、いく
つかの偏光角度と閾値電流の実測値から作成されたマッ
ピングデータであり、以下においては、偏光角度が０
°、３５°、４５°について順に対応する閾値電流６
４．９ｍＡ、７１．０ｍＡ、７８．１ｍＡを偏光角度と
みなして解析を行なう。
流（Ｉth）と光ファイバに入射されたレーザ光の偏光角
度との対応関係を示すグラフである。図７に示すよう
に、光ファイバ２４に入射されたレーザ光の偏光角度
は、半導体レーザ素子１００の閾値電流の違いとして現
われることが一般的に知られている。特に図７は、いく
つかの偏光角度と閾値電流の実測値から作成されたマッ
ピングデータであり、以下においては、偏光角度が０
°、３５°、４５°について順に対応する閾値電流６
４．９ｍＡ、７１．０ｍＡ、７８．１ｍＡを偏光角度と
みなして解析を行なう。
【００５１】図８は、光出力の低周波域の変動率と注入
電流との関係を異なる偏光角度ごとに示したグラフであ
る。図８に示すように、閾値電流が６４．９ｍＡの時、
すなわち偏光角度が０°の時以外では、どの注入電流に
おいても光出力の変動率は０．５％以内に収まってお
り、非常に安定したレーザ光が得られていることがわか
る。なお、偏光角度が０°の時であっても、注入電流が
１００ｍＡ以上の時は安定しており、これはレーザモジ
ュールの高出力時には、いずれの偏光角度でも低周波域
において安定した光出力が得られることを意味する。
電流との関係を異なる偏光角度ごとに示したグラフであ
る。図８に示すように、閾値電流が６４．９ｍＡの時、
すなわち偏光角度が０°の時以外では、どの注入電流に
おいても光出力の変動率は０．５％以内に収まってお
り、非常に安定したレーザ光が得られていることがわか
る。なお、偏光角度が０°の時であっても、注入電流が
１００ｍＡ以上の時は安定しており、これはレーザモジ
ュールの高出力時には、いずれの偏光角度でも低周波域
において安定した光出力が得られることを意味する。
【００５２】図９は、上記した各偏光角度について、注
入電流と温度とＳＭＳＲの相互の関係を示すグラフであ
る。特に、図９（ａ）は、閾値電流が６４．９ｍＡの
時、すなわち偏光角度が０°の時のＳＭＳＲを表わし、
図９（ｂ）は、閾値電流が７１．０ｍＡの時、すなわち
偏光角度が３５°の時のＳＭＳＲを表わし、図９（ｃ）
は、閾値電流が７８．１ｍＡの時、すなわち偏光角度が
４５°の時のＳＭＳＲを表わす。
入電流と温度とＳＭＳＲの相互の関係を示すグラフであ
る。特に、図９（ａ）は、閾値電流が６４．９ｍＡの
時、すなわち偏光角度が０°の時のＳＭＳＲを表わし、
図９（ｂ）は、閾値電流が７１．０ｍＡの時、すなわち
偏光角度が３５°の時のＳＭＳＲを表わし、図９（ｃ）
は、閾値電流が７８．１ｍＡの時、すなわち偏光角度が
４５°の時のＳＭＳＲを表わす。
【００５３】図９に示すように、いずれの偏光状態にお
いても、実用的な環境温度範囲ではＳＭＳＲが０ｄＢよ
りも大きい。ゆえに本発明のレーザモジュールにおいて
は、偏光状態が異なる場合であっても、図８および図９
から光出力の低周波域の安定化とＦＢＧを主モードとし
た発振が同時に実現されている。
いても、実用的な環境温度範囲ではＳＭＳＲが０ｄＢよ
りも大きい。ゆえに本発明のレーザモジュールにおいて
は、偏光状態が異なる場合であっても、図８および図９
から光出力の低周波域の安定化とＦＢＧを主モードとし
た発振が同時に実現されている。
【００５４】以上に説明したとおり、実施の形態１によ
れば、少なくともＤＣＨ構造の半導体レーザ素子１００
とＦＢＧ２４ａとを備えたレーザモジュールにおいて、
高周波域のＲＩＮの積算値が所定値以上であるという条
件を満たすことで、コヒーレンス・コラップス現象の発
現と十分な単色化とを同時に実現することができ、低周
波域の光出力を十分に安定して得ることができる。さら
に、同条件で作製されたレーザモジュールは、ＳＭＳＲ
までも満足した特性を有することができる。
れば、少なくともＤＣＨ構造の半導体レーザ素子１００
とＦＢＧ２４ａとを備えたレーザモジュールにおいて、
高周波域のＲＩＮの積算値が所定値以上であるという条
件を満たすことで、コヒーレンス・コラップス現象の発
現と十分な単色化とを同時に実現することができ、低周
波域の光出力を十分に安定して得ることができる。さら
に、同条件で作製されたレーザモジュールは、ＳＭＳＲ
までも満足した特性を有することができる。
【００５５】なお、上述した実施の形態１の説明では、
ＦＢＧ２４ａと半導体レーザ素子１００との間の共振器
長ｆｄを１ｍとした場合の測定結果を示している。よっ
て、その共振器長ｆｄが異なる場合には、光出力の低周
波域の安定を実現する条件は異なる。例えば、上記した
例では、ＲＩＮを高周波域１０ＭＨｚから１ＧＨｚまで
積算した値が−４０ｄＢ以上であるレーザモジュールを
示したが、共振器長が２ｍの場合には、ＲＩＮを高周波
域５ＭＨｚ〜５００ＭＨｚまで積算した値が−４０ｄＢ
以上であることが条件となる。このように、共振器長に
応じてＲＩＮを積算する高周波範囲を変更する必要はあ
るが、いずれにしても所定の高周波域でのＲＩＮの積算
値が−４０ｄＢ以上であれば、低周波域において安定し
た光出力が得られるという相関は変わらない。但し、上
記した高周波範囲の下限は、少なくとも出射されるレー
ザ光の利用帯域に影響がない程度に高い周波数である必
要がある。
ＦＢＧ２４ａと半導体レーザ素子１００との間の共振器
長ｆｄを１ｍとした場合の測定結果を示している。よっ
て、その共振器長ｆｄが異なる場合には、光出力の低周
波域の安定を実現する条件は異なる。例えば、上記した
例では、ＲＩＮを高周波域１０ＭＨｚから１ＧＨｚまで
積算した値が−４０ｄＢ以上であるレーザモジュールを
示したが、共振器長が２ｍの場合には、ＲＩＮを高周波
域５ＭＨｚ〜５００ＭＨｚまで積算した値が−４０ｄＢ
以上であることが条件となる。このように、共振器長に
応じてＲＩＮを積算する高周波範囲を変更する必要はあ
るが、いずれにしても所定の高周波域でのＲＩＮの積算
値が−４０ｄＢ以上であれば、低周波域において安定し
た光出力が得られるという相関は変わらない。但し、上
記した高周波範囲の下限は、少なくとも出射されるレー
ザ光の利用帯域に影響がない程度に高い周波数である必
要がある。
【００５６】（実施の形態２）つぎに、実施の形態２に
かかるレーザモジュールについて説明する。実施の形態
２にかかるレーザモジュールは、実施の形態１にかかる
レーザモジュールが、ＤＣＨ構造の半導体レーザ素子を
備えていたのに対し、ＳＣＨ構造の半導体レーザ素子を
備えて構成されることを特徴とする。特に、実施の形態
２においても、上述したように、所定の高周波域でのＲ
ＩＮの積算値が−４０ｄＢ以上であれば、低周波域にお
いて安定した光出力が得られるという相関は維持され、
そのために必要な設計パラメータは実施の形態１で詳述
した範囲で容易に決定することができる。よって、ここ
ではＳＣＨ構造の説明のみを行ない、効果等については
実施の形態１に従うものとする。
かかるレーザモジュールについて説明する。実施の形態
２にかかるレーザモジュールは、実施の形態１にかかる
レーザモジュールが、ＤＣＨ構造の半導体レーザ素子を
備えていたのに対し、ＳＣＨ構造の半導体レーザ素子を
備えて構成されることを特徴とする。特に、実施の形態
２においても、上述したように、所定の高周波域でのＲ
ＩＮの積算値が−４０ｄＢ以上であれば、低周波域にお
いて安定した光出力が得られるという相関は維持され、
そのために必要な設計パラメータは実施の形態１で詳述
した範囲で容易に決定することができる。よって、ここ
ではＳＣＨ構造の説明のみを行ない、効果等については
実施の形態１に従うものとする。
【００５７】図１０は、実施の形態２にかかるレーザモ
ジュールのＳＣＨ構造を説明するための斜視図である。
図１０に示すように、実施の形態２にかかるレーザモジ
ュールに備えられる半導体レーザ素子２００は、上部が
リッジ導波路形状であり、全体は所定の共振器長Ｌを有
している。そして、ｎ−ＧａＡｓからなる基板１０の上
に、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層１１Ａが
形成され、さらにその上に後述する層構造Ｅが形成さ
れ、基板１０の裏面にはｎ型電極１２Ａが形成され、層
構造Ｅの上面には窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）等からなる保
護膜１３を介してｐ型電極１２Ｂが形成されている。
ジュールのＳＣＨ構造を説明するための斜視図である。
図１０に示すように、実施の形態２にかかるレーザモジ
ュールに備えられる半導体レーザ素子２００は、上部が
リッジ導波路形状であり、全体は所定の共振器長Ｌを有
している。そして、ｎ−ＧａＡｓからなる基板１０の上
に、ｎ−ＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層１１Ａが
形成され、さらにその上に後述する層構造Ｅが形成さ
れ、基板１０の裏面にはｎ型電極１２Ａが形成され、層
構造Ｅの上面には窒化ケイ素（ＳｉＮｘ）等からなる保
護膜１３を介してｐ型電極１２Ｂが形成されている。
【００５８】層構造Ｅは、ＩｎＧａＡｓからなる３個の
井戸層１４Ａ0，１４Ａ1，１４Ａ2、と各井戸層の両側
に位置してＧａＡｓＰからなる４個の障壁層１４Ｂ1，
１４Ｂ2，１４Ｂ3，１４Ｂ4とで構成された量子井戸構
造の活性層１４を有する。そして、活性層１４の両端に
位置する障壁層１４Ｂ1，１４Ｂ4の両側には、ＡｌＧａ
Ａｓからなる下部光閉じ込め層１５ＡとＡｌＧａＡｓか
らなる上部光閉じ込め層１５Ｂがそれぞれ配置されてい
る。
井戸層１４Ａ0，１４Ａ1，１４Ａ2、と各井戸層の両側
に位置してＧａＡｓＰからなる４個の障壁層１４Ｂ1，
１４Ｂ2，１４Ｂ3，１４Ｂ4とで構成された量子井戸構
造の活性層１４を有する。そして、活性層１４の両端に
位置する障壁層１４Ｂ1，１４Ｂ4の両側には、ＡｌＧａ
Ａｓからなる下部光閉じ込め層１５ＡとＡｌＧａＡｓか
らなる上部光閉じ込め層１５Ｂがそれぞれ配置されてい
る。
【００５９】この層構造Ｅは分離閉じ込め構造（Separa
ted Confinement Heterostructure：ＳＣＨ構造）と呼
ばれるものである。図１１は、上記した層構造Ｅに関す
るバンド構造図の一例を示す概略図である。なお、本実
施の形態においては、このＳＣＨ構造を有する半導体レ
ーザ素子２００の場合であってもそのＳＣＨ構造は実施
の形態１で説明した設計項目を充足するように設計され
ている。
ted Confinement Heterostructure：ＳＣＨ構造）と呼
ばれるものである。図１１は、上記した層構造Ｅに関す
るバンド構造図の一例を示す概略図である。なお、本実
施の形態においては、このＳＣＨ構造を有する半導体レ
ーザ素子２００の場合であってもそのＳＣＨ構造は実施
の形態１で説明した設計項目を充足するように設計され
ている。
【００６０】なお、以上に説明した実施の形態１および
２においては、外部共振器を構成する帰還光学部品をＦ
ＢＧとしたが、同様な機能を有すれば、ハーフミラー等
の他の帰還光学部品を採用してもよい。
２においては、外部共振器を構成する帰還光学部品をＦ
ＢＧとしたが、同様な機能を有すれば、ハーフミラー等
の他の帰還光学部品を採用してもよい。
【００６１】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明にかかる
レーザモジュールによれば、半導体レーザ素子と、外部
共振器を構成するＦＢＧ等の帰還光学部品とを備えたレ
ーザモジュールにおいて、高周波域のＲＩＮの積算値が
−４０ｄＢ以上であるという条件を満たすことで、コヒ
ーレンス・コラップス現象の発現と十分な単色化とを同
時に実現することができ、低周波域の光出力を十分に安
定して得ることが可能になり、さらには、ＳＭＳＲまで
も満足した特性を得ることができるという効果を奏す
る。
レーザモジュールによれば、半導体レーザ素子と、外部
共振器を構成するＦＢＧ等の帰還光学部品とを備えたレ
ーザモジュールにおいて、高周波域のＲＩＮの積算値が
−４０ｄＢ以上であるという条件を満たすことで、コヒ
ーレンス・コラップス現象の発現と十分な単色化とを同
時に実現することができ、低周波域の光出力を十分に安
定して得ることが可能になり、さらには、ＳＭＳＲまで
も満足した特性を得ることができるという効果を奏す
る。
【図１】実施の形態１にかかるレーザモジュールの縦断
面図である。
面図である。
【図２】実施の形態１にかかるレーザモジュールの半導
体レーザ素子の構造を示す断面図である。
体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図３】ＤＣＨ構造に関するバンド構造図の一例を示す
概略図である。
概略図である。
【図４】高周波域でのＲＩＮと注入電流との関係を示す
グラフである。
グラフである。
【図５】低周波域での出力光の変動率と注入電流との関
係を示すグラフである。
係を示すグラフである。
【図６】低周波域での出力光の変動率と注入電流との関
係を示すグラフである。
係を示すグラフである。
【図７】半導体レーザ素子の閾値電流と光ファイバに入
射されたレーザ光の偏光角度との対応関係を示すグラフ
である。
射されたレーザ光の偏光角度との対応関係を示すグラフ
である。
【図８】光出力の低周波域の変動率と注入電流との関係
を異なる偏光角度ごとに示したグラフである。
を異なる偏光角度ごとに示したグラフである。
【図９】異なる偏光角度ごとについての注入電流と温度
とＳＭＳＲの相互の関係を示すグラフである。
とＳＭＳＲの相互の関係を示すグラフである。
【図１０】実施の形態２にかかるレーザモジュールのＳ
ＣＨ構造を説明するための斜視図である。
ＣＨ構造を説明するための斜視図である。
【図１１】ＳＣＨ構造に関するバンド構造図の一例を示
す概略図である。
す概略図である。
１ 基板
２Ｂ 上部クラッド層
２Ａ 下部クラッド層
３ コンタクト層
４Ａ，１２Ａ ｎ型電極
４Ｂ，１２Ｂ ｐ型電極
５ 活性層
５Ａ1，５Ａ2 井戸層
５Ｂ0 障壁層
５Ｂ1，５Ｂ2 サイド障壁層
６Ｂ 上部キャリアブロッキング層
６Ａ 下部キャリアブロッキング層
７Ａ，１５Ａ 下部光閉じ込め層
７Ｂ，１５Ｂ 上部光閉じ込め層
８ 電流ブロッキング層
１０ 基板
１１Ａ 下部クラッド層
１３ 保護膜
１４ 活性層
１４Ａ0，１４Ａ1，１４Ａ2 井戸層
１４Ｂ1，１４Ｂ2，１４Ｂ3，１４Ｂ4 障壁層
２０ パッケージ
２１ ペルチェモジュール
２２ ベース
２３ キャリア
２４ 光ファイバ
２４ａ ＦＢＧ
２５ フェルール
２６ スリーブ
２７ フォトダイオード
１００，２００ 半導体レーザ素子
Ｄ，Ｅ 層構造
ｆｄ，Ｌ 共振器長
フロントページの続き
(72)発明者 大木 泰
東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古
河電気工業株式会社内
(72)発明者 青柳 秀雄
東京都千代田区丸の内２丁目６番１号 古
河電気工業株式会社内
(72)発明者 小磯 武
千葉県袖ヶ浦市長浦580−32 エムシー・
ファイテル株式会社内
(72)発明者 山形 友二
千葉県袖ヶ浦市長浦580−32 エムシー・
ファイテル株式会社内
(72)発明者 室 清文
千葉県市原市桜台３−９−１
Ｆターム(参考） 5F073 AA11 AA13 AA20 AA45 AA62
AA66 AA74 AB28 AB29 BA09
CA07 CA13 EA15 EA29 FA02
FA06 FA25
Claims (10)
- 【請求項１】 半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ
素子との間で外部共振器を構成する帰還光学部品と、を
備えたレーザモジュールにおいて、 前記外部共振器の共振器長に応じて定まる少なくともレ
ーザ光の利用帯域以上の第１周波数と当該第１周波数に
所定数乗算して算出される第２周波数との間に亘って生
じる相対雑音強度の積算値が−４０ｄＢ以上となること
を特徴とするレーザモジュール。 - 【請求項２】 前記共振器長が１ｍである場合に、前記
第１周波数は１０ＭＨｚであり、前記第２周波数は１Ｇ
Ｈｚであることを特徴とする請求項１に記載のレーザモ
ジュール。 - 【請求項３】 前記半導体レーザ素子から出射されたレ
ーザ光と前記帰還光学部品を通過したレーザ光の両方ま
たは一方が光ファイバに光結合されていることを特徴と
する請求項１または２に記載のレーザモジュール。 - 【請求項４】 前記帰還光学部品は、ファイバブラッグ
グレーティングであることを特徴とする請求項３に記載
のレーザモジュール。 - 【請求項５】 所定温度範囲において前記光ファイバを
伝播するレーザ光の偏光角度がいずれの場合であって
も、サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）が０ｄＢより大き
いことを特徴とする請求項３または４に記載のレーザモ
ジュール。 - 【請求項６】 前記半導体レーザ素子は、量子井戸構造
からなる活性層を有する層構造を備えたファブリ・ペロ
ー型であり、複数の縦モードで発振するとともに前記外
部共振器の作用によって単色性を満たしたレーザ光を出
射することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに
記載のレーザモジュール。 - 【請求項７】 前記活性層の両側に光閉じ込め層が形成
され、前記活性層と前記光閉じ込め層の間に、前記活性
層の障壁層と前記光閉じ込め層の各伝導帯におけるバン
ドギャップエネルギーよりも大きなバンドギャップエネ
ルギーを有するキャリアブロック層が形成されたことを
特徴とする請求項６に記載のレーザモジュール。 - 【請求項８】 前記活性層の両側に、前記活性層の障壁
層の伝導帯におけるバンドギャップエネルギー以上のバ
ンドギャップエネルギーを有する光閉じ込め層が形成さ
れたことを特徴とする請求項６に記載のレーザモジュー
ル。 - 【請求項９】 前記活性層がＩｎＧａＡｓの歪量子井戸
からなることを特徴とする請求項６〜８のいずれか一つ
に記載のレーザモジュール。 - 【請求項１０】 前記光閉じ込め層はＡｌを含まないＧ
ａＡｓからなることを特徴とする請求項７または８に記
載のレーザモジュール。
Priority Applications (6)
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|---|---|---|---|
| JP2002133219A JP2003332680A (ja) | 2002-05-08 | 2002-05-08 | レーザモジュール |
| DE60328278T DE60328278D1 (de) | 2002-05-08 | 2003-05-08 | Lasermodul |
| EP03723259A EP1503467B1 (en) | 2002-05-08 | 2003-05-08 | Laser module |
| PCT/JP2003/005766 WO2003100930A1 (fr) | 2002-05-08 | 2003-05-08 | Module laser |
| CNB038104059A CN100397734C (zh) | 2002-05-08 | 2003-05-08 | 激光器组件 |
| US10/982,855 US7649921B2 (en) | 2002-05-08 | 2004-11-08 | Laser module |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002133219A JP2003332680A (ja) | 2002-05-08 | 2002-05-08 | レーザモジュール |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=29561163
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002133219A Pending JP2003332680A (ja) | 2002-05-08 | 2002-05-08 | レーザモジュール |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
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| JP (1) | JP2003332680A (ja) |
| CN (1) | CN100397734C (ja) |
| DE (1) | DE60328278D1 (ja) |
| WO (1) | WO2003100930A1 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| WO2008050537A1 (fr) * | 2006-10-20 | 2008-05-02 | Ntt Electronics Corporation | Dispositif laser à semi-conducteur, et son procédé de commande |
| JP2013229638A (ja) * | 2013-08-12 | 2013-11-07 | Toshiba Corp | 半導体発光素子および発光装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN105429004A (zh) * | 2015-12-30 | 2016-03-23 | 中国科学院半导体研究所 | 多有源区外延结构、采用其的半导体激光器及其制造方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3225699B2 (ja) * | 1992-12-15 | 2001-11-05 | ソニー株式会社 | 半導体レーザ及びこれを用いた光学装置 |
| EP0883919B1 (de) * | 1996-03-01 | 2000-05-17 | Agfa-Gevaert Aktiengesellschaft | Verfahren und vorrichtung zum betrieb einer laserdiode |
| JPH10200195A (ja) | 1997-01-13 | 1998-07-31 | Sony Corp | 半導体レーザ |
| JP3710313B2 (ja) * | 1999-02-01 | 2005-10-26 | シャープ株式会社 | 半導体レーザ素子 |
| CA2329810A1 (en) * | 1999-02-26 | 2000-09-08 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor light-emitting device |
| JP2001068789A (ja) | 1999-08-26 | 2001-03-16 | Fuji Photo Film Co Ltd | 半導体レーザ |
| JP4329978B2 (ja) * | 2001-02-06 | 2009-09-09 | 古河電気工業株式会社 | 半導体レーザモジュールと、光帰還機能を有する半導体レーザ素子 |
| DE60222450T2 (de) * | 2001-09-28 | 2008-06-12 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Halbleiterlaserelement und lasermodul mit diesem element |
-
2002
- 2002-05-08 JP JP2002133219A patent/JP2003332680A/ja active Pending
-
2003
- 2003-05-08 WO PCT/JP2003/005766 patent/WO2003100930A1/ja active Application Filing
- 2003-05-08 EP EP03723259A patent/EP1503467B1/en not_active Expired - Lifetime
- 2003-05-08 CN CNB038104059A patent/CN100397734C/zh not_active Expired - Lifetime
- 2003-05-08 DE DE60328278T patent/DE60328278D1/de not_active Expired - Lifetime
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