JP2003533037A - サンプル格子分布型ブラッグ反射レーザー用のミラー及び空洞設計の改良 - Google Patents

サンプル格子分布型ブラッグ反射レーザー用のミラー及び空洞設計の改良

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Abstract

(57)【要約】 同調可能なレーザーは、ある帯域巾にわたり自発的放射により光ビームを形成するための利得区分と、上記帯域巾の中心周波数付近で光ビームを制御するための位相区分と、光ビームを誘導しそして反射するための空洞と、その空洞の端を境界定めする前部ミラーと、空洞の反対端を境界定めする後部ミラーとで構成される。上記後部ミラーは、κeffBがαTuneにほぼ等しく、但し、κeffBは、有効結合定数であり、そしてαTuneは、必要なピーク同調量に対して予想される最大伝播ロス量であり、そして上記後部ミラーの長さは、約８０％以上の反射率を生じるように構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願のクロスレファレンス】
本出願は、参考としてここに援用する２０００年５月４日出願のグレゴリーＡ
フィッシュ及びラリーＡコルドレン氏の「IMPROVED MIRROR AND CAVITY DESIGNS
FOR SGDBR LASERS」と題する共通に譲渡された出願中の米国プロビジョナル特
許出願第６０／２０３，０５２号の３５ＵＳＣセクション１１９（ｅ）の下で利
益を請求するものである。
【技術分野】
本発明は、一般に、広範囲に同調可能な半導体レーザーに係り、より詳細には
、サンプル格子分布型ブラッグ反射（ＳＧＤＢＲ）レーザーに係る。
【０００２】
【背景技術】
光通信、センサ及びコンピュータシステムのような分野では、ダイオードレー
ザーが使用されている。このような用途では、広い波長範囲にわたり出力周波数
に対して容易に調整できるレーザーを使用するのが非常に有用である。広い波長
範囲をカバーする選択的に可変な周波数において動作できるダイオードレーザー
は、非常に貴重なツールである。所与の波長範囲を使用できる個別チャンネルの
数は、このようなレーザーがないと著しく制限される。従って、このような範囲
限定されたレーザーを使用するシステムに同時に存在し得る個々の通信経路の数
も同様に著しく制限される。従って、ダイオードレーザーは、通信、センサ及び
コンピュータシステム設計における多数の問題の解決策を与えるが、光ベースシ
ステムにより与えられる使用可能な帯域巾に基づく潜在性を満足するものではな
い。多数の将来の用途に対する光学システムを実現するためには、チャンネルの
数を増加することが重要である。
【０００３】 種々の用途では、広範囲な波長のいずれかを選択できる同調可能な単一周波数
ダイオードレーザーをもつことが必要である。このような用途は、コヒレントな
光波通信システムにおけるソース及びローカル発振器、他のマルチチャンネル光
波通信システムのためのソース、及び周波数変調センサシステムに使用するため
のソースを含む。通常、ある波長範囲にわたり連続的な同調性が必要とされる。
この連続同調は、他の何らかの基準に対する波長ロック又は安定化に対して重要
であり、ある周波数シフトキーイング変調スキムにおいて望まれる。
【０００４】 サンプル格子分布型ブラッグ反射（ＳＧＤＢＲ）レーザーは、半導体の利得及
び位相区分を境界定めする２つのサンプル格子を使用することにより多数のこれ
ら所望の特徴を得る。ＳＧＤＢＲレーザーの基本的な機能及び構造は、参考とし
てここに援用する１９９０年１月２３日付のラリーＡコルドレン氏の「MULTI-SE
CTION TUNABLE LASER WITH DIFFERING MULTI-ELEMENT MIRRORS」と題する米国特
許第４，８９６，３２５号に開示されている。しかしながら、所与の用途に対し
て最適なＳＧＤＢＲレーザーを設計することは、複雑で時間浪費な反復プロセス
である。この分野では、アプリケーション指向の性能基準をベースとするＳＧＤ
ＢＲレーザーの簡単且つ製造容易な設計を可能にする方法及び装置が要望されて
いる。
【０００５】
【発明の開示】
上記問題に対処するために、本発明は、ある帯域巾にわたり自発的及び刺激式
放射により光ビームを形成するための利得区分と、上記帯域巾の中心周波数付近
で光ビームを制御するための位相区分と、光ビームを誘導しそして反射するため
の空洞と、その空洞の端を境界定めする前部ミラーと、空洞の反対端を境界定め
する後部ミラーとで構成された同調可能なレーザーを開示する。後部ミラーは、
κeffBがαTuneにほぼ等しく、但し、κeffBは、有効結合定数であり、そしてαTune は、必要なピーク同調量に対して予想される伝播ロスの量であり、そして後
部ミラーの長さは、約７０％（最小）以上の反射率（ないし最大約８０％の反射
率）を生じるようにされると共に、前部ミラーは、約２５％以下の反射率を生じ
るように意図される。
【０００６】
【発明を実施するための最良の形態】 以下、全体を通じて対応部分が同じ参照番号で示された添付図面を参照する。 本発明の実施形態を示した添付図面を参照して以下に説明する。本発明の範囲
から逸脱せずに、他の実施形態も使用できそして構造上の変更もなし得ることを
理解されたい。 本発明は、広範囲に同調可能なサンプル型格子半導体レーザーの設計に係る。
より詳細には、より広い同調範囲、より高い出力電力、より容易な制御を達成し
、最良のチャンネルと最悪のチャンネルとの間の出力電力変動が公知の設計より
も小さい空洞及び格子ミラーを設計することに向けられる。例えば、Ｖ．ヤナラ
マン氏等の「Theory, Design, and Performance of Extended Tuning Range in
Sampled Grating DBR Lasers」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃ．第
２９巻（第６号）、第１８２４−１８３４ページ（１９９３年６月）；Ｈ．イシ
イ氏等の「Quasicontinuous Wavelength Tuning in Super-Structure-Grating (
SSG) DBR Lasers」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃ．第３２巻（第
３号）、第４３３−４４１ページ（１９９６年３月）；及びＩ．アブルトスキー
氏等の「Design of Widely Tunable Semiconductor Lasers and the Concept of
Binary Superimposed Gratings (BSG's)」、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ
Ｅｌｅｃ．第３４巻（第４号）、第７２９−７４１ページ（１９９８年４月）を
参照されたい。これらは、全て、参考としてここに援用する。
【０００７】 図１Ａ及び１Ｂは、典型的なＳＧＤＢＲレーザーを示し、その独特の同調特性
を許す４つの区分を示している。このレーザー１００は、利得区分１０２と、位
相区分１０４と、前部ミラー１０８と、後部ミラー１１０とで構成され、これら
区分は、長さＬA、Ｌψ、ＬgF及びＬgBを各々有する。これら区分の下には、光
ビームを誘導しそして反射するための空洞１０６があり、一方、全デバイスは、
基体１１２上に形成される。使用中に、一般的なバイアス電圧が利得区分１０２
の上部に接続され、そして接地電位が下部の基体１１２に接続される。利得区分
１０２のバイアス電圧がレーザースレッシュホールドより高いときには、活性領
域１１８からレーザー出力が発生される。
【０００８】 前部及び後部ミラー１０８、１１０は、通常、サンプル型格子ミラーで、異な
るサンプリング周期１１４、１１６を各々含む。格子は、波長選択性反射器とし
て振舞い、空洞１０６に搬送される光信号の周期的波長間隔で部分反射が発生さ
れる。前部及び後部のサンプル型格子ミラーは、それらの有効長さＬeffF及びＬeffB と格子差とにより最小空洞ロスの波長を決定するが、レーザー波長は、光学
空洞１０６の長手方向モードでしか発生できない。それ故、ミラー１０８、１１
０及び空洞１０６のモードを一致するように調整し、所望の波長に対し空洞１０
６のロスを最小限にすることが重要である。図１に示すデバイスの位相区分１０
４は、空洞１０６の光学長さＬcavを調整して、空洞１０６のモードを位置設定
するように使用される。或いは又、前部及び後部ミラーは、当業者に知られた超
構造格子又は他の変調格子のような別の変調格子から形成されてもよい。
【０００９】 図２は、多数の設計に共通した反射率スペクトルを示す。前部及び後部のサン
プル型格子ミラーの反射率ピーク間のバーニヤ(Vernier)関係は、ＳＧＤＢＲレ
ーザーが従来のＤＢＲレーザーより改善された同調性を与えることを示す。同調
範囲内のいかなる波長も、適当な前部及び後部ミラーピークを選択しそしてそれ
らを位相区分に沿って同調することにより到達でき、所望波長でのレーザー作用
を得ることができる。
【００１０】 図３は、この状態のもとで空洞モードにより経験される反射率（即ち空洞ロス
）の一例を示す。複合反射率、即ち前部及び後部ミラー反射率の積が、レーザー
の空洞モードに重ねられている。レーザー波長は、最も高い反射率を有する空洞
モードにより決定される。空洞モード及びミラーが完全に整列したときに最適な
安定性が達成される。
【００１１】 バーニアサンプル型格子ミラーの特性は、同調範囲、出力電力及びモード抑制
を最適化するための複雑な設計空間を形成する。本発明は、サンプル型格子ミラ
ー設計の制約を伴い所与の性能目標を達成するための設計解決策及び仕様に係る
。公知技術で示されたものよりも簡単で且つ製造し易いやり方でサンプル型格子
ミラーの制約の幾つかを解消するための方法も提供される。
【００１２】 一般に、テレコミュニケーションの用途に意図されたデバイスの性能目標は、
同調範囲が４０ないし１００ｎｍであり、ファイバ接続された出力電力が数ミリ
ワットないし数十ミリワットであり、そしてサイドモード抑制比（ＳＭＳＲ）が
３０ｄＢ以上である。所与のＳＧＤＢＲ設計の同調範囲は、使用可能な利得−帯
域と、「反復モード間隔」（λR）とによって制限され、この間隔は、前部及び
後部バーニアサンプル型格子ミラーの反射率ピーク間に完全な整列が生じるポイ
ント間の波長のスパンである（即ち、２つの周期関数がそれらの周期の最小共通
整数倍に等しい周期に一致する）。非常に簡単な近似式は、次のように表わされ
る。
【数１】 但し、Δλb及びΔλfは、各々、後部及び前部ミラーのピーク間の分離であり、
そしてδλは、Δλf−Δλbである。
【００１３】 設計に共通した問題の１つは、所与の同調範囲をカバーするために使用されね
ばならない次の式で一般に示される同調エンハンスメントの量である（即ち、ピ
ークが少ないと、それらの間の同調が大きく、又はピークが多いと、必要とされ
るピーク同調が小さい）。
【数２】 本発明は、所与の同調範囲及びサイドモード抑制に対して最大の出力電力をもつ
デバイスを形成する設計空間と、これを達成するためにどんな同調エンハンスメ
ントを使用すべきかを識別することが意図される。
【００１４】 設計は、出力電力を達成することに向けられ、従って、ＳＭＳＲ及び同調範囲
の制限を適用しなければならない。ＳＧＤＢＲレーザーの公知の設計は、比較的
等しい反射率をもつ前部及び後部ミラーを使用した。空洞パラメータの範囲が自
由である場合には、当業者は、高い出力電力を発生するように非常に非対称的な
空洞を形成する最適化ルーチンを容易に適用することができる。
【００１５】 図４は、ＳＧＤＢＲレーザーにおいて実行されるこの種の空洞最適化の一例を
示す。輪郭プロットは、最小電流及び特定の出力電力に対する前部ミラー反射率
及び利得区分の長さ（Ｌg）の選択を示す。パラメータは、最悪のケースのロス
及び推定ミラー浸透深さ（１２０−１５０μｍ）を使用して選択される。後部ミ
ラーは、０．８５の固定反射率を有する。所与の出力電力は、前部ミラーの反射
率及び利得領域の長さを後部ミラーの固定反射率及び量子ウェルの数に対して調
整することにより最小の電流で達成することができる。実際に、実験では、最大
出力電力のＤＢＲレーザーは、後部ミラーＤＢＲ反射率が（ロスのない状態で）
８５％より高い状態で、非反射（ＡＲ）被覆ファセット（Ｒ〜１％）を前部ミラ
ーとして使用する。ＤＢＲにＳＭＳＲを維持するためには、隣接空洞モードを充
分に抑制するように空洞の長さ及び後部ＤＢＲのみを処理すればよい。この処理
は、約４０ないし５０ｃｍ-1の非常に高い格子結合定数、短い空洞長さ、及び多
数の量子ウェル（１０）を使用することを含む。当業者に明らかなように、ＤＢ
Ｒの反射率が、同調中にミラーに生じる光学的ロスの大きな変化に対してあまり
敏感でない（即ち低い浸透深さ）ようにするために、高いカッパ（κ）が選択さ
れている。
【００１６】 図５は、本来的に同調を達成するのに必要なインデックスの変化により、波長
同調のもとでＤＢＲに生じるモード伝播ロスを示している。この高いκの１つの
結果は、大きなＤＢＲ反射帯域巾（＞１ｎｍ）であり、これは、次いで、隣接空
洞モードにわたって３０ｄＢのＳＭＳＲ（１ｍＷの出力電力において）を維持す
るために短い利得区分長さ（＜４００μｍ）を必要とする。短い空洞長さで同調
ロスの存在中に高い出力電力を与えるには、活性領域において単位長さ当たり大
きな利得（多数の量子ウェル）を必要とする。
【００１７】 ＳＧＤＢＲレーザー設計においてこれらの同じ結果を達成することは、前部ミ
ラーが隣接スーパーモードのモード抑制において重要な役割を演じることにより
複雑化され、これは、図２において明らかである。前部ミラーの反射率が減少す
るにつれて、反射帯域巾が明らかに広くなり、従って、最大のモードインデック
ス変化Δｎmaxが得られる。必要なサイドモード抑制を維持するために、前部ミ
ラーの有効κ（即ち格子κとサンプリングデューティ比の積）を減少しなければ
ならず、そして小さな同調エンハンスメントＦが必要とされる（即ち、δλは、
同調エンハンスメントに逆比例する）。
【００１８】 図６Ａないし６Ｄは、使用する同調エンハンスメントの関数として種々の前部
ミラー反射率（即ちκＬ）に対して３０ｄＢのＳＭＳＲ（１ｍＷの出力電力にお
ける）について許された最大のκを示す。大きなκの前部ミラー（ひいては、短
い長さ）は、前部ミラー反射率が高く、同調エンハンスメントが低くそして同調
範囲が狭い（即ちピーク同調が小さい）設計に対して許される。
【００１９】 図７は、図６に示すミラーパラメータに対する同調エンハンスメントの関数と
して全反射率（Ｒf、Ｒb）の低下を示すミラー反射率に対する同調の影響を示し
ている。大きなδλ及び対応的に高いκのミラーは、空洞内において小さなミラ
ー反射率変化を招く。小さな同調エンハンスメントは、短くてκの大きな前部ミ
ラーを使用できるので、所与のロスに対して小さな反射率変化を与える。更に、
大きなκ（κＬ＝０．２及びκＬ＝０．３の場合に４５ｃｍ-1であるのに対して
κＬ＝０．４及びκＬ＝０．５の場合に３５ｃｍ-1）の後部ミラーは、それら後
部ミラーの浸透深さが小さいのでロスの増加が小さくなる。
【００２０】 図７は、同調エンハンスメントの低い設計が所与の同調量に対して低いロスを
与えることを示しているが、同じ全同調範囲を達成するためにより大きな同調も
必要とする。従って、所与の同調範囲をカバーするために、低いインデックス同
調を伴う多数のピークを使用するのが良いか、又は大きな同調を伴う少数の広く
離間されたピークを使用するのが良いかの問題が残される。ミラーのκが、所与
の同調エンハンスメントに対しＳＭＳＲ基準により許された最大値であるように
選択される場合には、低い同調エンハンスメントを選択するのが良い。
【００２１】 図８は、低い同調エンハンスメント設計に対し４５ｎｍの同調範囲を達成する
ために大きなピーク同調（ひいては、ミラーにおける伝播ロス）が必要とされる
にも関わらず、低い同調エンハンスメント設計に使用されるミラーが短くそして
浸透深さが小さいので、反射率の全低下が実際に小さくなる。これは、直感的に
逆であると思われるが、先に述べたＤＢＲレーザーは、制限ケースの一例を与え
る。１０ないし１５ｎｍのみの同調範囲が必要とされるときに最大の出力電力を
得るためには、前部ミラーが非常に低い反射率（１％）を有しそして後部ミラー
が４０ないし４５ｃｍ-1のκを有するようなＤＢＲレーザー（１の同調エンハン
スメント）を使用する見込みが最も高くなる。従って、所与の同調範囲を得るの
に低い同調誘起伝播ロスが必要とされるにも関わらず、高い同調エンハンスメン
トを伴う設計は、ＳＭＳＲ基準を満足するのに長くてκの低いミラーが必要とさ
れるために同調中に大きな反射率ロスを被る。
【００２２】 図６ないし８から得られる結論として、高い出力電力を発生するためのＳＧＤ
ＢＲレーザーの著しく非対称的な設計は、最小限のＳＭＳＲ基準が与えられると
、κの高いミラー（後部ミラーに対して４０ないし４５ｃｍ-1）及び低い同調エ
ンハンスメントの状態で最も良く達成できる。 特定の同調範囲及び出力電力に対する設計戦略を要約するためには、次の基準
を満足しなければならない。後部ミラーは、必要なピーク同調量（５ないし１０
ｎｍ又は３０ないし５０ｃｍ-1）に対して予想される伝播ロスの量に接近した有
効κをもつように選択されねばならない。前部ミラーの最大κは、同じ予想ロス
及びＳＭＳＲ基準を使用してある範囲の前部ミラーκＬ（即ち反射率）に対して
選択することができる。次いで、利得区分の最大長さを、各前部ミラーκＬに対
し、ミラー反射帯域巾内の隣接空洞モードを抑制するのに必要な空洞モード間隔
に基づいて決定することができる。（図３を参照されたい。）後部ミラーのパラ
メータが固定されそして利得区分の長さが制限された状態では、設計内の量子ウ
ェルの数が与えられると、どれが最小の電流で所望の出力電力を発生するか調べ
るために種々の前部ミラー選択を評価することができる。高い出力電力は、もち
ろん、低い反射率の前部ミラーに好都合であるガ、動作電流を最小にするために
高い利得を必要とする。当業者であれば、この基本的なスタートポイントから反
復を行って、同調のもとで経験される最大空洞ロスを伴い、最小電流で所望の出
力電力を達成し、そして同調範囲内で全てのチャンネルに対して最小限のＳＭＳ
Ｒ基準を満足する設計に迅速に到達することができる。
【００２３】 以上に述べた設計上の方法で達成できるものを越えてデバイスの性能を向上す
るためには、性能を限定する妥協をうまく処理することが必要となる。公知技術
により一貫して見逃されていたことは、サイドモードが空洞のモードにしか存在
し得ないことである。それ故、上述したＳＭＳＲ基準により許されたものより小
さなδλの値でも、空洞モードとミラー反射の組み合わせが適切に設計されれば
使用することが可能となる。適切な設計とは、空洞モードがピーク反射率に位置
設定されたとき、空洞モードが隣接ピークの最大反射率点に一致せず、従って、
サイドモードにより経験される反射率を低下するように、ミラーピーク及び空洞
モード間隔を選択することである。図３は、その一例を示す。明らかに、この設
計は、空洞モードの間隔を広げることにより達成が容易である。この目標に向か
って、位相区分は、ラウンドトリップ位相を依然２πだけ調整しそして最大許容
電流密度以下に留まるようにしながら、できるだけ短く形成されねばならない。
利得区分の長さは、活性領域の単位長さ当たりの利得を増加する（例えば、より
多くの量子ウェル）ことにより減少できる。更に、上述した方法は、ＳＧＤＢＲ
ミラーに対して最短の浸透深さ（即ち、ミラー長さ）を生じ、又、より広い空洞
モードを生じる。
【００２４】 以下の例は、設計目標を達成するのに使用される多数の設計を示するものであ
る。変更される主たるパラメータは、同調エンハンスメントファクタＦに逆比例
するδλである。設計目標は次の通りである。同調範囲が５０ｎｍ、出力電力が
６ｍＷ、そして１ｍＷにおけるＳＭＳＲが３３ｄＢ。 図９は、多数の前部ミラーピーク間隔に対する反復モード制限同調範囲を示す
。試験されるδλは、０．４ｎｍ、０．５ｎｍ、０．６ｎｍ及び０．７ｎｍであ
る。これらは、所望の同調範囲を達成するために４．８ｎｍないし６．２ｎｍの
ピーク同調要求を与える。
【００２５】 後部ミラーは、約２．５ないし３．０のκＬでできるだけ高い反射率をもつこ
とが所望され、これは、約８０ないし８５％の反射率を与える。有効κは、設計
に必要とされる同調範囲に基づいて選択されねばならない。同調のもとでの反射
率の過剰ロスを回避するには、κがαにほぼ等しくなければならない。 上述したケースでは、ロスが約３０ないし３５ｃｍ-1となり、従って、３３ｃ
ｍ-1のκが最適なスタート点となる。図５は、同調のもとでの受動的モード導波
管ロスの増加を示している。 前部ミラーは、κ及びＬの両方を選択する必要があるので、選択がより困難で
ある。レーザーは、前部ミラーの反射率及び利得領域の長さを自由に選択するフ
ァブリ−ペローのレーザーとして処理される。所望の出力電力に対して要求され
る電流を最小にすることにより、前部ミラーに対する反射率を見出すことができ
る。
【００２６】 前部ミラーの反射率を選択するための空洞最適化方程式は、次の通りである。
【数３】
【００２７】 式（２）を適用するためには、最大ピーク同調（３０ないし３５-1）を要求す
る波長チャンネルに対し導波管ロスを使用するのが重要である。これは、前部ミ
ラーの浸透深さが未知であり、即ち所望の前部ミラー反射率の推定を得るのに推
測値が使用されることにより複雑化される。前部ミラーの反射率は、後部ミラー
より小さく、従って、その浸透深さは、おおよそ後部ミラーの浸透深さの１倍と
０．５倍との間のどこかである。所望反射率のおおよその値が決定されると、よ
り正確な浸透深さで計算し直される。
【００２８】 例えば、ロスなし前部ミラー反射率が約０．２ないし０．２５（κＬf〜０．
５）であるのが望ましい（図４のように）と決定されると、前部ミラーの有効κ
が選択される。これは、ＳＭＳＲ基準と、設計に対して選択されたδλとに基づ
いて選択される。親指の法則では、（ロスを含む）前部ミラーの最大値の半分に
おける半分の幅（ＨＷＨＭ）がほぼδλ／２に等しくなければならない（即ち、
ピークサイドモード反射率と所望のピーク反射率との比が、１ｍＷにおける３０
ｄＢのＳＭＳＲと約８０％／２０％ミラーに対して０．７５ないし０．８でなけ
ればならない）。
【００２９】 図１０は、所望のレーザー波長に隣接するスーパーモードのＳＭＳＲと、前部
及び後部ミラーの反射率曲線との間の関係を概略的に示す。又、図１０は、前部
及び後部ミラーをＳＭＳＲの特性に関連付けするより厳密な方程式を使用してい
る。この関係式は、次の通りである。
【数４】 この式は、ここで、おおよそのκＬが知られている前部ミラーの有効κを選択
するように適用できる。
【００３０】 図１１は、計算された例を示すテーブルである。この設計例を使用することは
、最悪チャンネルの性能が最短の前部ミラーに対して最良であることを示す。こ
れは、設計空間を支配するロスの結果である。浸透深さが短い前部ミラーは、同
調のもとで経験される大きなロスによってあまり影響を受けない。前部ミラーを
短縮すると、その反射帯域巾が増加され、従って、ＳＭＳＲ及び同調範囲要件を
維持するのに大きなδλ（ひいては、大きな同調）を必要とする。余計な同調が
必要とされるのも関わらず、最悪ケースチャンネルの空洞ロスは、短いミラーを
伴う設計では低いことに注目されたい。このことは、ミラーに対しκ〜αを設定
することによりロスの増加に主として向けられた公知技術では認識されなかった
。これは、公知技術で使用された高い反射率のミラー（＞０．５）では有効であ
るが、浸透深さは、大きな出力電力に対して必要とされる低い反射率（＜０．３
）の場合にミラーの長さによって支配される。
【００３１】 高い出力電力が望まれるときには、前部ミラーの反射率を低くすることが要求
される（０．１ないし０．０５）。これらミラーの帯域巾が大きいと、ミラーの
長さが１２５μｍより小さい状態で大きなδλ（１ないし１．２ｎｍ）を必要と
する。この点において、ＳＭＳＲは、隣接スーパーモードにおける空洞モードに
よって決定されるだけでなく、主たる反射率ピークの反射帯域巾内の空洞モード
によっても決定される。これは、ミラー浸透深さの和が、所望のフィルタ作用を
達成するために必要とされる全空洞長さの２０ないし３０％より小さくなること
によるものである。従って、利得区分の長さが短縮すると、過剰なスレッシュホ
ールド電流密度（＞４ｋＡ／ｃｍ2）を招く。この問題に対する新規な解決策は
、前部ピークの２倍の数の後部ピークを使用して、所与の同調範囲をカバーする
ことである。図１２は、各前部ミラーに対して２つの後部ミラーピークを使用し
て、隣接空洞モードによるＳＭＳＲの問題を伴わずに大きな利得区分長さをもた
せることを示している。例えば、１２個の３．８ｎｍ離間の後部ミラーピークと
、６個の８．２ｎｍ離間の前部ミラーピークとを使用し、反復モード間隔がおお
よそ［(Δλb・Δλf)／(Δλf−２・Δλb)］であって、５０ｎｍの範囲をカバ
ーする。この構成の利点は、後部ミラーの浸透深さが２倍の長さであり（従って
、大きな利得区分長さ５００ないし６００μｍに対し停止帯域内に１つの空洞し
か許さない）、しかも、同調のもとで過剰なロスを受けないκ〜αを依然有する
（αは、必要とされるピーク同調が小さいので小さい）ことである。狭い後部ミ
ラーは、同じ前部ミラーが与えられた場合に小さなδλを使用することを考慮し
、反復モード間隔が１／２になることを補うものである。
【００３２】 図１３は、本発明の好ましい実施形態による設計プロセス１３００を示すフロ
ーチャートである。Δｎmax、Ｐout、Δλmax、ＭＳＲが設計パラメータとして
与えられると、高い効率の出力に対してＨＲ／ＡＲ設計を仮定し、そしてΔｎma x 、κ＝αbmaxからαbmaxを使用すると、設計プロセスの詳細は、次のようにな
る。 ・ 後部ミラー：後部ミラーは、同調のもとに存在する高いロスで動作できる
ような仕様で設計されねばならない（ブロック１３０２）。これを達成するため
に、κeffB〜αTuneである。ピーク曲率が平坦になり始めるまで長さを増加する
ことにより反射率Ｒbを増加する。平坦化は、小さな隣接モード抑制、即ち２＜
κeffBＬgB＜２．８及びＲb＝ｔａｎｈκeffBＬgBを与える。長さは、過剰に長
くならずに約７０％ないし８０％以上の充分に高い反射率を与え、従って、好ま
しくはκeffBＬgB〜２．０ないし３．０を与えるように構成されねばならない。
【００３３】 ・ 利得区分：利得区分の長さは、単一モード動作の必要性により制限される
（ブロック１３０４）。最小＜αi＞、Ｊth及びＲsp’に対して最大全有効空洞
長さＬtotを使用する。この最大Ｌtotは、後部ミラーピークの曲率及び反射レベ
ルそして前部ミラーの反射レベルＲfが与えられると、所望のＳＭＳＲに対する
最小モード間隔により決定され、好ましくは〜０．２と仮定する。Δλmode＝λ2 ／(２ｎＬtot)；Ｌtot≦ＫＬeffbであり、Ｋは約６であり、ＬeffB及びＬeffb
は、後部ミラーの浸透深さである。
【００３４】 ・ 前部ミラー：前部ミラーの設計は、ほとんどの制約を有する。しかしなが
ら、ＳＭＳＲ基準を維持できる最小反射率及び最短長さを有することが所望され
る（ブロック１３０６）。所望の同調範囲をカバーするために、図９に示すよう
に、達成できるピーク同調が与えられると、ミラーピーク反射率間隔の差を表わ
すΔλTotal；δλが選択されねばならない。δλが選択されると、前部ミラー
の帯域巾、即ち最大値の半分における全巾（ＦＷＨＭ）は、所望のＳＭＳＲを与
えるように選択されねばならない。維持すべき基準は、ＦＷＨＭがδλの２倍で
あることである。３０ｄＢのＳＭＳＲを達成するために（図１０）、前部ミラー
は、隣接スーパーモードにおける最大後部ミラー反射率の点においてそのピーク
値の約７０ないし８０％に丸めねばならない。明らかに、高い出力電力は、低い
反射率（それ故、広い帯域巾）の全部ミラーを必要とし、従って、δλをミラー
の帯域巾に応じて増加しなければならないので、ΔλTotalを得るには広いピー
ク同調が必要とされる。
【００３５】 前部ミラー反射率Ｒfの大きさは、計算された最大全空洞長さＬtot及び電力出
力Ｐｏに対し利得電流Ｉを最小化することにより計算される。長さは、Ｒf＝κ
Ｌgfにより与えられる。一般に、｜Ｒf｜は、実質的に合理的な電力出力に対し
約２５％以下である。 上記のように与えられると、差のスーパーモード間隔δλ及びエンハンスメン
トファクタＦは、全希望同調範囲Δλtotal及び使用可能なインデックスシフト
Δｎmaxから計算される。Ｆ＝Δλsuper／δλ；Δλsuper＝λΔｎmax／ｎ；Δ
λtotal＝ＦλΔｎmax／ｎと仮定する。それ故、δλ〜（Δｎmaxλ／ｎ）2／Δ
λtotalとなる。前部ミラーの長さは、小さなＲfに対して浸透深さの２倍である
ので、Ｌgf〜λ2／（２δλｎ）＝Δλtotal／２（Δｎmax）2となる。 ・ 位相区分：位相区分は、ミラーの下で２つのモード間隔だけ空洞モードを
シフトすることが要求される（ブロック１３０８）。又、長さは、電流密度が約
５ｋＡ／ｃｍ2より低くなるようなものでなければならない。
【００３６】 以上、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明した。要約すれば、本発明は、
同調可能なレーザーを形成する方法であって、同調のもとで高いロスで動作する
ように後部ミラーを設計し、この後部ミラーは、光ビームを誘導しそして反射す
る空洞の端を境界定めし、単一モード動作に対して制限された長さを有する利得
区分を設計し、この利得区分は、ある帯域巾にわたり自発的放射により光ビーム
を形成し、レーザーに対するＳＭＳＲ基準を維持できる最小反射率及び最短長さ
を有する前部ミラーを設計し、この前部ミラーは、上記空洞の反対端を境界定め
し、そして２つのモード間隔だけ空洞モードをシフトできる位相区分を設計し、
この位相区分は、上記帯域巾の中心周波数付近で光ビームを制御するという段階
を含む方法を開示する。
【００３７】 本発明の１つ以上の実施形態の上記説明は、単に本発明を例示するものに過ぎ
ない。本発明は、ここに開示した正確な形態に限定されるものではない。上記の
教示に鑑み多数の変更や修正が考えられる。本発明の範囲は、上述した詳細な説
明により限定されるものではなく、特許請求の範囲のみによって限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 レーザー放射の電力及び波長を制御するのに使用される４つの区分を示すＳＧ
ＤＢＲレーザーを示す図である。
【図１Ｂ】 レーザー放射の電力及び波長を制御するのに使用される４つの区分を示すＳＧ
ＤＢＲレーザーを示す図である。
【図２】 典型的なＳＧＤＢＲレーザーミラーの反射率対波長を示すグラフである。
【図３】 前部及び後部ミラーの複合反射率をレーザーの空洞モードに重ねたグラフであ
る。
【図４】 最小電流及び特定の出力電力に対し、前部ミラーの反射率及び利得区分の長さ
（Ｌｇ）の選択を示す輪郭グラフである。
【図５】 波長同調のもとでの分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）におけるモード伝播ロス
を示すグラフである。
【図６Ａ】 サイドモード抑制比基準を満足するための前部ミラーに対する最大許容κを示
すグラフである。
【図６Ｂ】 サイドモード抑制比基準を満足するための前部ミラーに対する最大許容κを示
すグラフである。
【図６Ｃ】 サイドモード抑制比基準を満足するための前部ミラーに対する最大許容κを示
すグラフである。
【図６Ｄ】 サイドモード抑制比基準を満足するための前部ミラーに対する最大許容κを示
すグラフである。
【図７】 同調エンハンスメントの関数として同調する状態のもとで空洞反射率（Ｒf・
Ｒb）の低下を示すグラフである。
【図８】 高い同調エンハンスメントをもつ設計が同調中に大きな反射率ロスを受けるこ
とを示すグラフである。
【図９】 多数の前部ミラーピーク間隔に対し反復モード制限同調範囲を示す図である。
【図１０】 所望のレーザー作用波長に隣接するスーパーモードのサイドモード抑制比間の
関係を概略的に示すグラフである。
【図１１】 計算例のテーブルである。
【図１２】 隣接空洞モードによるサイドモード抑制比（ＳＭＳＲ）問題を伴わずに大きな
利得区分長さをもつために各前部ミラーに対して２つの後部ミラーピークを使用
する場合を示すグラフである。
【図１３】 本発明の好ましい実施形態による設計プロセスを示すフローチャートである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ Ｆターム(参考） 5F073 AA41 AA65 BA02 EA04

Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ある帯域巾にわたり自発的及び刺激式放射により光ビームを
    形成するための利得区分と、 上記帯域巾の中心周波数付近で光ビームを制御するための位相区分と、 光ビームを誘導しそして反射するための空洞と、 その空洞の端を境界定めする前部ミラーと、 空洞の反対端を境界定めする後部ミラーとで構成され、 上記後部ミラーは、κeffBがαTuneにほぼ等しく、但し、κeffBは、有効結合定
    数であり、そしてαTuneは、必要なピーク同調量に対して予想される伝播ロスの
    量であり、そして上記後部ミラーの長さは、約７０％以上の反射率を生じるよう
    に構成された同調可能なレーザー。
  2. 【請求項２】 上記利得区分の長さは、全ての不所望な空洞モードに対する
    複合反射率を最小にするよう選択される請求項１に記載の同調可能なレーザー。
  3. 【請求項３】 上記前部ミラーは、サイドモード抑制比基準を維持できる最
    小反射率及び最短長さを有する請求項１に記載の同調可能なレーザー。
  4. 【請求項４】 上記位相区分は、レーザーの空洞モードを少なくとも２つの
    モード間隔だけシフトすることができる請求項１に記載の同調可能なレーザー。
  5. 【請求項５】 κeffBｘＬgBは、約２．０ないし３．０である請求項１に記
    載の同調可能なレーザー。
  6. 【請求項６】 上記利得区分の長さは、後部ミラーの浸透深さの約５倍以下
    である請求項１に記載の同調可能なレーザー。
  7. 【請求項７】 上記位相区分の長さは、２つのモード間隔の空洞モードシフ
    トを発生するのに必要な電流密度が５ｋＡ／ｃｍ2未満となるようなものである
    請求項１に記載の同調可能なレーザー。
  8. 【請求項８】 上記前部ミラーは、レーザーの同調範囲に基づく前部−後部
    ピーク間隔と、サイドモード抑制比基準に基づく帯域巾とを有する請求項１に記
    載の同調可能なレーザー。
  9. 【請求項９】 上記前部ミラーは、前部−後部ピーク間隔の約２倍の帯域巾
    を有する請求項１に記載の同調可能なレーザー。
  10. 【請求項１０】 上記後部ミラーの長さは、約８０％以上の反射率を生じる
    ようにされる請求項１に記載の同調可能なレーザー。
  11. 【請求項１１】 上記前部ミラーは、約２５％未満の反射率を生じるように
    意図される請求項１に記載の同調可能なレーザー。
  12. 【請求項１２】 上記前部ミラーは、その長さが後部ミラーの長さより短い
    か又は実質的にそれに等しい請求項１に記載の同調可能なレーザー。
  13. 【請求項１３】 同調可能なレーザーを設計する方法において、 同調のもとで高いロスで動作するように後部ミラーを設計し、この後部ミラー
    は、光ビームを誘導しそして反射する空洞の端を境界定めし、 単一モード動作に対して制限された長さを有する利得区分を設計し、この利得
    区分は、ある帯域巾にわたり自発的及び刺激式放射により光ビームを形成し、 レーザーに対するサイドモード抑制比（ＳＭＳＲ）基準を維持できる最小反射
    率及び最短長さを有する前部ミラーを設計し、この前部ミラーは、光ビームを誘
    導しそして反射する空洞の反対端を境界定めし、そして ２つのモード間隔だけ空洞モードをシフトできる位相区分を設計し、この位相
    区分は、上記帯域巾の中心周波数付近で光ビームを制御する、 という段階を含む方法。
  14. 【請求項１４】 上記後部ミラーは、κeffBがαTuneにほぼ等しく、但し、
    κeffBは、有効結合定数であり、そしてαTuneは、必要なピーク同調量に対して
    予想される伝播ロスの量である請求項１３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 上記後部ミラーの長さは、約８０％以上の反射率を生じる
    ように構成された請求項１３に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 κeffBｘＬgBは、約２．０ないし３．０である請求項１３
    に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 上記利得区分の長さは、後部ミラーの停止帯域内における
    空洞モードの数を制限するように選択される請求項１３に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 上記利得区分の長さは、上記後部ミラーの浸透深さの約５
    倍以下である請求項１３に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 上記位相区分は、５ｋＡ／ｃｍ2以下の電流密度が２つの
    モード間隔だけ空洞モードをシフトするような長さをもつよう設計される請求項
    １３に記載の方法。
  20. 【請求項２０】 上記前部ミラーは、レーザーの同調範囲に基づく前部−後
    部反射ピーク間隔と、サイドモード抑制比基準に基づく帯域巾とを有する請求項
    １３に記載の方法。
  21. 【請求項２１】 上記前部ミラーは、前部−後部ピーク間隔の約２倍の帯域
    巾を有する請求項１３に記載の方法。
  22. 【請求項２２】 上記前部ミラーは、２５％以下の反射率をもつように形成
    される請求項１３に記載の方法。
  23. 【請求項２３】 同調のもとで高いロスで動作できる後部ミラーを備え、こ
    の後部ミラーは、光ビームを誘導しそして反射する空洞の端を境界定めし、 単一モード動作に対して制限された長さを有する利得区分を更に備え、この利
    得区分は、ある帯域巾にわたり自発的刺激式放射により光ビームを形成し、 レーザーに対するサイドモード抑制比（ＳＭＳＲ）基準を維持できる最小反射
    率及び最短長さを有する前部ミラーを更に備え、この前部ミラーは、上記空洞の
    反対端を境界定めし、そして ２つのモード間隔だけ空洞モードをシフトできる位相区分を更に備え、この位
    相区分は、上記帯域巾の中心周波数付近で光ビームを制御するように構成された
    同調可能なレーザー。
  24. 【請求項２４】 上記後部ミラーは、κeffBがαTuneにほぼ等しく、但し、
    κeffBは、有効結合定数であり、そしてαTuneは、必要なピーク同調量に対して
    予想される伝播ロスの量の最大値である請求項２３に記載の同調可能なレーザー
    。
  25. 【請求項２５】 上記後部ミラーの長さは、約８０％以上の反射率を生じる
    ように構成された請求項２３に記載の同調可能なレーザー。
  26. 【請求項２６】 κeffBｘＬgBは、約２．０ないし３．０である請求項２３
    に記載の同調可能なレーザー。
  27. 【請求項２７】 上記利得区分の長さは、後部ミラーの停止帯域内における
    空洞モードを制限するよう選択される請求項２３に記載の同調可能なレーザー。
  28. 【請求項２８】 上記利得区分の空洞長さは、上記後部ミラーの浸透深さの
    約５倍以下である請求項２３に記載の同調可能なレーザー。
  29. 【請求項２９】 上記位相区分は、空洞モード波長の必要な調整に対してそ
    の電流密度が５ｋＡ／ｃｍ2より小さくなるような長さをもつ請求項２３に記載
    の同調可能なレーザー。
  30. 【請求項３０】 上記前部ミラーは、レーザーの同調範囲に基づく前部−後
    部反射ピーク間隔と、サイドモード抑制比基準に基づく帯域巾とを有する請求項
    ２３に記載の同調可能なレーザー。
  31. 【請求項３１】 上記前部ミラーは、前部−後部ミラー反射率ピーク間隔の
    約２倍の帯域巾を有する請求項２３に記載の同調可能なレーザー。
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