JP2004311994A - 外部共振器及びそれを用いた半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化、戻り光に対し、波長スペクトラム特性、出力が安定した半導体レーザモジュールを実現する外部共振器の実現。
【解決手段】ある特定の波長の光を回折反射するファイバブラッググレーテイングを内部に保持するフェルールにおいて、ファイバ内に構成された各位相格子がある角度βを有し、フェルールの片側端面にある機能を有する光学素子を取り付け、その取り付けた光学素子が光アイソレータ機能、光フィルタリング機能を有し、更に反対のファイバ端がレンズ機能を有することを特徴とする外部共振器及びそれを用いた半導体レーザモジュール。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を出力する半導体レーザモジュールに使用する外部共振器、及びそれを用いた半導体レーザモジュールに関するものである。

レーザ光を出力する半導体レーザは、使用環境条件においてその出力のみならずその波長が安定であることが望ましい。ファブリペロ型の半導体レーザは、レーザ素子長５００μｍ以下のチップ端面間で反射、マルチモード発振する。

その為、そのスペクトラム特性が広がってしまう。又、半導体レーザ素子の材料が熱膨張することにより、又活性領域の屈折率が変化することにより端面間の共振器長が変化、発振レーザ光の波長が変化する。それ押さえる為、反射率が数％程度のファイバブラッググレーテイング（以降ＦＢＧという。）を半導体レーザの外部に設置、それを外部共振器として用いることにより、レーザ発振を行うと、ＦＢＧの反射スペクトル特性による発振が主になり、発振波長スペクトラムはＦＢＧの反射波長特性にほぼ一致するようになる。

ＦＢＧは、ファイバコア内に周期的な屈折率変化を形成したもので、通常位相マスクの上から紫外線を照射して製作される。図１１はそのプロセスを示したもので
ＦＢＧ1の周期をΛ(ＦＢＧ)、使用する位相マスク１７の周期をΛ(ＭＡＳＫ)とすると、
Λ(ＭＡＳＫ)＝２×Λ(ＦＢＧ)
の関係にある。ＦＢＧ１は、紫外線をファイバコア２７の部分に照射することにより部分的に屈折率を上昇させた部分を形成したもので、その屈折率上昇分は０．００１〜０．０１程度である。製造時にファイバコ２７内の屈折率の変化量を増大させる為、紫外線照射プロセスの前にファイバに水素を高濃度で添加する手法が用いられる。それにより紫外線により生じた欠陥を光化学的に変化、屈折率変化を生じさせる反応を活性化させることができる。

このようにして製作されたＦＢＧ１の特性は、屈折率変化量の大きさ、グレーテイングの周期Λ(ＦＢＧ)、長さにより決まる。屈折率変化量、長さは反射率、バンド幅に影響する。グレーテイングの周期は、反射の中心波長を決定する。その中心波長λＢは、次式により示される。

λＢ＝２×ｎ_１×Λ(ＦＢＧ) ｎ_１：ファイバコアの屈折率
グレーテイングの周期Λ(ＦＢＧ)は、ファイバ２自体の温度変化による歪みにより変化することから、安定した波長の反射を得るには温度が一定な条件で使用した方がよい。従って半導体レーザ用の外部共振器２６として使用する場合においても、こうした部分の注意が不可欠である。

又、従来ＦＢＧを構成する各位相格子３３は、ファイバ光軸３６に対し垂直に構成されており、各位相格子３３間では、屈折率差によるフレネルの式に基づく反射が生じる。

一つは、両端の位相格子３３間で多重反射をおこし、ファブリペロ共鳴と呼ばれる現象が生じる。

その場合、反射回折光のスペクトラム特性に複数のピークを有するサイドロープがのり、ＬＥＤ光のような裾野に広がりのもつスペクトラム特性になる。

図１１において記録用のＵＶ光の強度をガウシアン状にすることで、屈折率分布に変動をもたせたアポタイズと呼ばれる設計手法を用い、ＦＢＧ１を構成する位相格子３３の屈折率に図１１に示したような分布を設けることで、ファブリペロ共振を抑制することができる。

図１７は、従来の半導体レーザモジュール１３に外部共振器として用いている場合のファイバブラッググレーテイングの実装形態を示したもので、フェルール３の内部にＦＢＧ１を実装した構成にしたものである。他の実施形態としてはフェルール３以外の出力用のファイバ２内にＦＢＧ１を製作したものもある。（図示せず）
そこで、半導体レーザ素子１０からの出射光１９の一部を反射、半導体レーザ素子１０との間で、ＦＢＧ１の反射波長で共振、外部共振器として作用する。

又、半導体レーザ素子１０への戻り光を防止する機能のある光学素子４として、光アイソレータ６がある。この光学素子4は、ファラデー回転子の両側に偏光子を設置したもので、各素子を積層状とし一体化したもの、球レンズ状にしたもの等がある（特許文献１参照）。
特許第２９１６９６０号公報

従来半導体レーザモジュール１３は、戻ってくる不要光２２、特にレーザの発振波長に近い波長の光が外部から半導体レーザ素子１０に入ると、それが発振波長と干渉、レーザ発振が不安定になる。

それを防ぐ為、通常半導体レーザ素子１０の出射側に前記光アイソレータ６を設置し、そこで戻ってくる不要光２２を遮断した。

しかし、ＦＢＧ１を外部共振器２６として使用する場合、半導体レーザ素子１０と外部共振器用のＦＢＧ１間に戻ってくる不要光２２を遮断する光アイソレータ６を設置すると、ＦＢＧ１が外部共振器２６として作用することが出来ない。この場合は、半導体レーザモジュール１３の出力用のファイバ２にインライン型光アイソレータを別途接続する必要性があった。

図１７の右側のインライン型光モジュール１８は、インライン型の光アイソレータ６で、半導体レーザモジュール１３からの出射光１９は通すが、反射戻り光等の不要光２２はそこで除去される。

しかしこの場合、高価なインライン型の光アイソレータ６を用意、別途実装しなければならず部品点数が多くなり、実装スペースも必要となった。

又、ＦＢＧ１部分に温度制御がかかっておらず、温度が変化するとそれに伴い、ファイバ２が伸縮、グレーテイング１の周期が変動する為、その反射波長のスペクトラム特性が変化、それにより半導体レーザモジュール１３の発振波長が変動、特性が不安定になった。

又、ファブリペロ共振を抑制するため、ＦＢＧ１を構成する位相格子３３の長さ方向に屈折率変調をガウシアン状にもたせることで抑制することはできるが、スペクトラム特性において図１１に示したように複数のピークを有するサイドロープを完全に除去することはできない。

又、ファイバ２を保持するフェルール３の長さが短い場合、クラッド３４側に入射した光がそのまま伝搬し、一部が戻ることで、ファイバコア２７内を伝搬する光と結合干渉し、周期的な強度を有する光出力となる場合がある。

本発明は、上記課題を解決する為、特定の波長の光を反射するファイバブラッググレーテイングを有するファイバを内部に保持したフェルールにより構成される外部共振器において、前記ファイバブラッググレーテイングを構成する各位相格子の内、少なくとも一部がファイバ光軸に対し傾斜していることを特徴とする。

さらに、前記位相格子とファイバ光軸のなす角度（傾斜角β）が
０°＜β≦θｃ／２
θｃ＝ｓｉｎ^―１（２△）^１／２
△＝（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）／（２×ｎ_１ ^２）
ｎ_１：ファイバコアの屈折率 ｎ_２：クラッドの屈折率 θｃ：伝播光が全反射する臨界角
を満足することを特徴とする。

さらに、前記ファイバのクラッドの外周に金属薄膜を有したことを特徴とする。

さらに、前記フェルール内に装着されたファイバの片側のファイバ端に先端加工をしたことを特徴とする。

さらに、上記フェルールの少なくとも片側の端面に光学素子を取り付けたことを特徴とする。

さらに、上記光学素子が光アイソレータ機能、光フィルタリング機能を有することを特徴とする。

さらに、上記フェルールの端面に結合用レンズを結合したことを特徴とする
さらに、上記ファイバがコア拡大ファイバであることを特徴とする。

さらに、上記ファイバが偏波面保持ファイバであることを特徴とする。

さらに、上記ファイバが希土類添加ファイバであることを特徴とする。

さらに、上記光学素子をレンズ機能を有する形状としたことを特徴とする。

さらに、上記外部共振器を半導体レーザ素子と出力用ファイバ端との間に、接続実装したことを特徴とする。

これにより上記に記載の外部共振器を半導体レーザ素子と出力用ファイバ端の間に、接続実装したことを特徴とする半導体レーザモジュールを実現する。

以上説明したように本発明によれば以下のような優れた効果がある。

ＦＢＧ内の位相格子をファイバ光軸に対しある角度β傾斜することにより、入射光との干渉、両端でのファブリペロ共鳴がなくなり、サイドロープ及び複数のピークが抑圧され、急峻なスペクトラム特性を実現することができる。

クラッド外周に金属薄膜を蒸着することにより、クラッド入射光のクラッドモードによるコア伝搬光との結合を防止、安定した出力の反射回折出力光を得ることができる。

外部共振器を半導体レーザモジュール内の温度調整用ペルチエ素子上に実装することができる為、温度変化によりＦＢＧの屈折率周期が変化せず、安定した波長・強度で、出力することができる。

外部共振器フェルールの片端に光アイソレータ等の光学素子を付けることにより半導体レーザの発振波長近傍の不要光がそこで除去され、半導体レーザが安定して発振、出力することができる。

光学素子に光アイソレータ、光フィルタ等の機能も付加することができる為、別途前記機能の光モジュールを接続実装する必要性がなく、部品点数の削減、実装スペースの削減を図ることができる。

高出力光源、可変波長光源等、各種半導体レーザモジュール、及びインライン型光モジュールに応用することができる。

以下、添付図面に基づき、本発明にかかる種々の実施形態について説明する。

図１は、本発明の外部共振器の実施形態で、内部にある特定波長の光の一部を反射するＦＢＧ１を構成したファイバ２をフェルール３内に装着、保持させたものである。

図２は、図１の本発明の外部共振器のＡ部の拡大詳細図である。

（ａ）はＦＢＧを構成している位相格子と入出射光の関係を示したもので、ファイバ光軸３６に対し角度をβ（以降傾斜角βという。）傾斜させたものである。

ファイバコア２７内で伝搬光が全反射する臨界角θｃは、次式で示される。

θｃ＝ｓｉｎ^―１（２△）^１／２
△＝（ｎ₁ ^２−ｎ_２ ^２）／（２×ｎ_１ ^２）
ｎ_１：ファイバコアの屈折率 ｎ_２：ファイバクラッドの屈折率
ブラッグ条件は、全反射条件に等しい為、コア・クラッド境界面で全反射する傾斜角βの条件は、以下の条件が満足すればよい。

β≦θｃ／２
この場合、ＦＢＧ１のあるファイバコア２７内の伝搬入射光と反射回折光は反射回折光が傾斜角βで反射伝搬するため、入射光と直接干渉することはなく戻っていく。

β＝０°の場合、即ちファイバ光軸３６にたいし垂直に位相格子３３を構成した場合、反射回折光（ＦＢＧ反射光２０）は、入射光（半導体レーザ出射光１９）と直接ぶつかり干渉する。

又、位相格子３３間で光が同じ光路間を何度も往復するファブリペロ共振が生じ、図１０に示したようにスペクトラム波形に複数のピークを有するサイドロープが生じ幅が広いノコギリ状の山谷のあるスペクトラム特性となる。

従って角度βの条件は０＜β≦θｃ／２となる。

即ち各位相格子３３を傾斜角βとすることにより、反射回折光（ＦＢＧ反射光２０）が戻ることができる。

尚、θｃ／２＜βの場合は、各反射回折光２０は、ファイバコア２７からファイバクラッド３４にしみ出す。

そうしたクラッド３４側に入射した光は、クラッド３４内をマルチモードで伝搬する。

ファイバコア２７は、クラッド３４の中心に位置しており、その屈折率ｎ_１は、クラッド３４の屈折率ｎ_２より僅かに大きく、クラッド３４内で伝搬光がその中に閉じこめられ、周期的にファイバコア２７内の光に結合して干渉する。

よって、クラッド３４内の伝搬光を除去する必要があり、クラッド３４周囲に高屈折率材料（＞ｎ_２）を付着し、そこで吸収するか、伝搬光を吸収減衰させるＡｕ、Ｃｏ，Ｎｉ、Ｃｒ等の金属薄膜３５を蒸着する。

それによりクラッド３４内を伝搬する不要光を除去することができる。

図１２は、図１に示したようなＦＢＧ１が記録されたファイバコア２７内の各位相格子３３が傾斜角βとしたものを製作するプロセスを示したもので、位相マスク１７から出射するＵＶ回折光に対し、記録するファイバ２を水平に対し、傾斜角βとして記録すればよい。

それによりファイバ光軸３６に対し各位相格子３３を傾斜角βとしたＦＢＧ１を構成することができる。

その場合は、図１２の下部に示したように図１１の場合と異なりノコギリ状のサイドロープのない急峻なスペクトラム特性を有するＦＢＧ１を実現することができる。

ファイバ２のフェルール３内の装着をするのに使用する固定部材８としては、クラッド３４の屈折率ｎ_２より大きな屈折率を有する接着剤により固定したり、接着剤以外にＦＢＧ１を記録したファイバ２の外周にＡｕ、Ｃｒ，Ｎｉ、Ｃｏ等をメタライズ加工により薄膜として形成し、金属ハンダにより固定してもよい。

又、薄膜状の高屈折率または光吸収特性を有する低融点ガラスを周囲に装着し、加熱固定してもよい。

それによりクラッド３４側に入射した光がクラッド３４内伝搬中に、ファイバコア２７内の伝搬光と結合することを防止することができる。

フェルール３の片側端面２４ａをＰＣ研磨により緩い球状にし、もう一方の片側端面２４Ｂは、端面反射を防止する為、ある角度の傾斜（３〜８度）を有するものである。

その使用方法は、図１５の半導体レーザモジュール１３内のペルチエ素子１２上の結合用レンズ１１の間に設置すればよい。ペルチエ素子１２上に外部共振器２６を取り付けることが可能な為、温度的に安定した状態にすることができる。

図３は、本発明の外部共振器の他の実施例で、この場合ＦＢＧ１を実装したフェルール３の片側ファイバ端２３のファイバ２に先端加工をしたものである。

先端加工の例としては、図２に示した（ａ）楔型（Ｂ）先球型（ｃ）円錐型があり、使用する半導体レーザ素子１０の種類により選択すればよい。例えば、波長９８０ｎｍの光ファイバ増幅器の励起用光源に使用する半導体レーザ素子１０は、半導体レーザ出射光１９のニアフィールドの形状が、通常１：５程度のアスペクト比の大きな楕円形状をしている。

その場合、ファイバ２の先端を図３（ａ）楔形状のレンズに先端加工したものを使用すればよい。

即ち、楔形レンズ効果により、レンズの収束点の形状が楕円状になり、半導体レーザ素子１０のニアフィールドとほぼ等しい形状になる。それらの形状を合わせることにより、高い結合効率を得ることが可能である。又、出射光１９のニアフィールドの形状が円形に近い場合は、図３（Ｂ）の先球型又は図３（ｃ）の円錐型を用いる。一般的にファイバ２の先端の曲率半径ｒが大きい場合、レンズ収束点の形状が大きく、曲率半径ｒが小さい場合はレンズ収束点の形状が小さい。その曲率半径ｒを選択することにより結合する半導体レーザ素子１０とのニアフィールドの形状を合わせ、高い結合効率を得ることができる。

図４（ａ）は、本発明による外部共振器の他の実施例で、その片側端面２４Ｂに光学素子４を設置したものである。光学素子４としては、光アイソレータ、フィルター、ファラデー回転子、偏光子等がある。又光学素子４のフェルール３の片側端面２４Ｂでの設置手法としては、接着剤によるフェルール３の片側端面２４Ｂへの密着固定の他に図４（Ｂ）のようにスペーサ１４により、フェルール３の片側端面２４Ｂと僅かに分離した状態で固定する方法もある。

そうした場合は、光路上で、接着剤フリーになる為、信頼性上好ましい。このタイプの外部共振器２６は、半導体レーザ素子１０とは結合用レンズ１１を介した接続をする必要性がある。

しかしファイバ２の片側ファイバ端２３を先端加工レンズ５加工すれば、半導体レーザ素子１０と直接接続することができる。ファイバ２をフェルール３に固定する方法は、ファイバ２の周囲に接着剤を塗布して固定する方法の他、金属ハンダ、低融点ガラスを使用した固定方法もある。特に後者の二つはファイバ２の固定用の接着剤から不要なガスが生じない分、半導体レーザモジュール１３内部で使用する場合に適した方法である。

金属ハンダ固定の場合は、ファイバ２の周囲にＡｕＣｒ等の材料による厚さ０．１μｍ程度の金属薄膜を真空蒸着により形成したものが使用され、通常のハンダ材料の他ＡｕＳｎが使用される。

次に図６は、本発明の図５の実施形態において、光学素子４として光アイソレータ６をフェルール３の片側端面２４Ｂに設置した場合の実施形態である。

光アイソレータ６は、ファラデー回転子の両側又は片側に偏光子を取り付けたもので、ＦＢＧ１側からの光は通過するが、ファイバ２からの光は遮断する。

光アイソレータ６の各素子の構成には、透光性の接着剤又は、低融点ガラス等で面接合したり、各素子の面の１部又は側面をハンダ接合したものがある。

又、真空常温接合により接合部材無しで、直接部材同士を密着接合したものも知られており、ラミネート構造にするのに種々の方法を用いることができる。

又、ファラデー回転子に飽和磁界を印加する磁石はフェルール３片側端面２４Ｂに取り付けなくてもよい。

又、図４（Ｂ）の実施形態にあるように、光アイソレータ６素子をスペーサ１４を介し取り付けることにより、フェルール３の片側端面２４Ｂと僅か離して取り付けてもよい。

図７は、図６の実施形態で構成した光アイソレータ付き外部共振器９を実際の半導体レーザモジュール１３に実装した実施形態である。ペルチエ素子１２上の表面実装用基板１６の上に載せ出力用のファイバ２と結合用レンズ１１を介して接続されている。

半導体レーザ素子１０からの出射光１９は、光アイソレータ付き外部共振器９のファイバ２の片側ファイバ端２３の先端加工レンズ５から入射、内部のＦＢＧ１により所定のＦＢＧ通過光２１の一部（入射光の１０％前後）を戻す。戻された所定の波長成分のＦＢＧ反射光２０と半導体レーザ素子１０との間で、共振を繰り返し、所定のＦＢＧ１の反射波長のスペクトラム特性で誘導放出をする。

その際、ＦＢＧ通過光２１は外部共振器９の片端に取り付けられた光アイソレータ６を透過、結合レンズ１１により、出力用のファイバ端２８に入射する。

出力用のファイバ２から戻る不要光２２は、光アイソレータ６により遮断される為、半導体レーザ素子１０には戻らない。

外部共振器９は、ペルチエ素子１２上に実装される事により温度調整される為、動作が安定しており、波長及び出力変動が殆どない。

図８は、本発明による外部共振器の他の実施形態で、この場合は、図６の実施形態の外部共振器９をスリーブ１５内に実装し、スリーブ１５の端面に球レンズ又は非球面レンズからなる結合用レンズ１１を取り付けたもので、より機能の集積化を図った構造のものであり、そのまま半導体レーザモジュールに実装することができる。

叉、結合用レンズ１１は、スリーブ１５内に取り付けず光アイソレータ６と共にフェルール３の片側端面２４Ｂに固定した構成でもよい。

又、フェルール３内のファイバ２自体を１５００℃程度に加熱、ファイバコア内の屈折率を増大させるＧｅ等の添加物を拡散、そのモードフィールド径（シングルモードファイバ内を伝搬する光の強度が、ピークの１／ｅ^２になる径）を２〜３倍に拡大したファイバ２にＦＢＧ１を記録したものを使用すると、半導体レーザ素子１０との結合特性の位置精度を緩和することができ、位置ズレに対する結合特性が向上する。

フェルール３内のファイバ２を偏波面保持ファイバとすると、例えば光ファイバ増幅器（図示せず）に使用する励起光源用の半導体レーザモジュール１３の出力用のファイバ２の偏波方向を維持することができ、その状態で、出力用のファイバ2に入射伝搬する。

特に励起光源（図示せず）の出力増強を図るには９０度直交した偏波同士による偏波結合方式が用いられる為、出力用のファイバ２に偏波面保存ファイバを使用する場合、半導体レーザ出射光１９の偏光度が劣化しないよう外部共振器２６にも偏波面保存ファイバを使用した方がよい。

又、ＦＢＧ反射光２０の偏光度が安定している為、半導体レーザのスペクトラム特性の安定化に寄与する。

フェルール３内のファイバ２に希土類添加ファイバを使用すると、その半導体レーザ素子１０からの励起用の出射光１９により、ファイバコア２７内に添加されている希土類元素が励起され、エネルギー準位が上がる。

しかし安定化する為エネルギー準位が落ちる。

その際、広帯域な自然放出光を放出する。その広帯域な自然放出光の内、ＦＢＧ１による反射光２０の成分が反射、その成分がＦＢＧ１内で反射しながら半導体レーザ素子１０からの出射励起光により増幅されながら往復、フェルール３の片側端面２４Ｂから誘導放出される。

それにより、出射励起光の波長と異なるＦＢＧ１の反射スペクトラム特性を有する光が放出される。この場合ペルチエ素子の温度を変えることにより、希土類添加ファイバの長さが変わり、内部のＦＢＧ１の周期Λ(ＦＢＧ)が変わる。

それにより増幅、誘導放出される光の波長も変化する。即ち、可変波長光源としての構成が可能である。

図９は、光アイソレータ６を構成する光学素子４を球レンズ状に構成したものを本発明による外部共振器２６のフェルール３の片側端面２４Ｂに取り付けたもので,図８の構成の更なる集積化を図った構成である。

その光アイソレータ６を２個連続して使用すれば、高アイソレーション化が可能であると同時に出力用のファイバ２との結合に用いる結合用レンズ１１が別途必要なくなる。

又、使用するファラデー回転子の両側の偏光子の屈折率は、１．７以上のもの、球の外径は１〜２ｍｍ程度のものを使用する。

それにより球レンズの収束点近傍の収差円直径が小さくなり、光ファイバ２との結合が容易かつ高結合になる。

図１０は、Ｓｉ又はセラミック材料等の表面実装用基板１６上に半導体レーザ素子１０を載せ、本発明による図９の実施形態の光アイソレータ付き外部共振器９を実装し、出力用のファイバ２と結合したものである。球状の光アイソレータ６を２個設置し、その内一つの光アイソレータ６を結合の最適位置調整用のフェルール３の片側端面２４Ｂに取り付け、それをスリーブ１５内に固定し、出力用のファイバ２のフェルール３の片側端面２４ａとスリーブ１５を介して結合される構造になっている。

尚出力用のファイバ２のフェルール３の片側端面２４ａとの接続は、コネクタ状に加工したものでもよい。

本発明による外部共振器を実際に製作、図７に示した半導体レーザモジュールに実装した。

反射光中心波長λＢが１４５０ｎｍのものを製作する為、モード実効屈折率ｎ_１＝１．５２５、ｎ_２＝１．５１、△＝０．００９７９、θｃ＝８°のファイバ２とΛ(ＭＡＳＫ)＝９５１（ｎｍ）の位相マスク１７を用いて、ＦＢＧ１を製作した。ここで
△＝（１．５２５^２―１．５１^２）／（２×１．５２５^２）＝０．００９７９
θｃ＝ｓｉｎ^―１（２×０．００９７９）^１／２＝８．０４°
位相マスク１７に照射するＵＶ光の強度は、５００ｍＷ程度のものを使用、強度分布はガウシアン形状とし、その強度分布によりＦＢＧ１の屈折率変化量の大きさをＦＢＧ１の中心軸方向にガウシアン状の分布を持たせるようにした。

更に記録する傾斜角βをβ＝３°（０°＜β≦θｃより）とした。

それで、ＦＢＧを構成する各位相格子３３にガウシアン状の屈折率分布をもたせ、更にファイバ光軸３６に対し傾斜角β＝３°の位相格子３３を構成することができ、ＦＢＧ１の両端間でのファブリペロ共振による不要な反射が抑えられ、反射光スペクトラムの複数のピークを有するサイドロープが抑制され、狭帯域な反射スペクトラム特性を実現することができる。

使用するファイバ２は、保護被覆を剥がしたクラッド径１２５μｍ、コア径８μｍのものを使用、事前に高圧水素環境（常温、２００ａｔｍ、１０日間）で加圧し、ファイバ２内に水素を充填した。加圧開放後、２０時間後に上記ファイバ２をΛ(ＭＡＳＫ)＝９５１（ｎｍ）の位相マスク１７を介してガウシアン状の強度分布を有するＵＶ光を４０分間照射し、Λ(ＦＢＧ)＝４７５ｎｍのＦＢＧ１を製作した。その反射スペクトラム特性は、図１２に示したように中心波長λＢが１４５０ｎｍのもので、
λＢ＝２×１．５２５×９５１／２＝１４５０（ｎｍ）
中心波長両側おサイドロープが抑えられた急峻な反射特性のものが得られている。

その長さを１０ｍｍに切断、クラッド３４の外周にＮｉＡｕによる金属薄膜３５のメタライズ加工をし、外径２．５ｍｍ、長さ５ｍｍのフェルール３内に挿入、ＦＢＧ固定部剤８としてＡｕ／Ｓｎハンダ材を用いて固定した。

ファイバ２の片側をフェルール３の片側端面２４から１ｍｍ飛び出させ、先端加工した。先端加工は、使用する半導体レーザ素子１０のニアフィールドのアスペクト比が１：２の為、図３（ａ）の楔型とし、先端を僅かに球状としたその楔角θは約９０度である。それにより、半導体レーザ素子１０との結合効率が７０〜８０％程度に納めることができる。

ファイバ２を先端加工せず、通常の結合用レンズ１１（集束点での収差円が円形）で結合した場合の結合効率は、その半分の４０％程度である。従って、ファイバ２に先端を加工し、直接半導体レーザ素子１０と結合させることにより、通常の結合用レンズ１１による結合と比較して結合効率が倍になる。

その後フェルール３のもう一方の端を８°の角度で研磨加工した。叉、光アイソレータ６は、Ｂｉ置換の厚さ約２５０μｍガーネット材をファラデー回転子にし、その両側を厚さ０．３ｍｍの吸収型偏光子で挟んだラミネート構成の素子で、φ1ｍｍ径に切断したものである。それを前記先球レンズ付きＦＢＧ１を内蔵したフェルール３の片側端に透光性の接着剤を介して取り付けた。ＦＢＧ１の反射波長は１４５０ｎｍ、反射率は、１３％程度のものである。そのような条件で製作した光アイソレータ付き外部共振器９をペルチエ素子内蔵の半導体レーザモジュール１３に実装した。それにより、半導体レーザ素子１０は、その発振波長１４５０±２０ｎｍの帯域における戻り光が除去される為、安定して発振動作する。

尚、本実施例の光学素子４は、光アイソレータ６に留まらず、光フィルタ素子、叉は光アイソレータ＋光フィルタ素子でもよい。

例えば光学素子が光フィルタの場合、ＦＢＧ１からの出射光のスペクトラム特性を波形整形により、更に急峻化したり、ＦＢＧ１への半導体レーザ素子１０からの出射光の波長は通過するが、それと異なる波長の不要光２２は除去するバンドパスフィルタとして使用することができる。

例えば波長１５５０ｎｍ帯のファイバ増幅器（図示せず）の場合、励起用光源の半導体レーザ素子１０の波長が１４８０ｎｍの場合、増幅器内のＥｒ添加ファイバから波長１５３０ｎｍ〜１５８０ｎｍの広帯域な自然放出光成分が半導体レーザ素子１０に戻り、それが半導体レーザ素子１０の発振と近い波長の為、その発振を不安定にさせる。それを防止するのにその波長帯域１５３０〜１５８０ｎｍの光を遮断するバンドパスフィルタをＦＢＧ１の片側端面に取り付けると、不要光２２が除去される為、半導体レーザ素子１０が安定に発振し、出力安定性が向上する。

このように光学素子４は、不要光２２を除去し、半導体レーザ素子１０を安定に発振動作させ、出力及びスペクトラム特性を安定化させる。

次に製作した半導体レーザモジュール１３の発振スペクトラム特性の測定系を図１３に示す。

前記半導体レーザモジュール１３をモジュール実装基板の上に載せ、恒温槽３０内に設置、レーザドライバ２９と接続、ＡＰＣ制御をした。レーザドライバ２９からの電流により発光させ、出力用のファイバ２を光スペクトラムアナライザ３１に入力し、恒温槽３０の温度を−２０℃〜＋７０℃の間で制御することによりその発振スペクトラムの温度特性を測定することができるものである。

その発振スペクトラム特性は、図１４の実線で示したもので、外部共振器を付けていない場合に広がっていた発振がＦＢＧ１に引き込まれ、それによる発振が主になり、中心波長は、使用した光アイソレータ付き外部共振器９のＦＢＧ１の反射中心波長１４５０ｎｍに殆ど一致している。それによりスペクトルの狭帯域化、高出力化が図られている。

又、図１５は本発明の光アイソレータ付き外部共振器９を発振波長１４５０ｎｍ半導体レーザ素子１０に直結して用いた場合の中心波長の温度に対する安定性を示したもので、従来の外部共振器を使用した場合と異なり温度が変化しても殆ど出力光の波長がシフトせず、外部の温度変化に対して極めて安定した波長特性を有している事が示された。即ち、温度変化に対し、高い波長安定性と出力特性が実現することが示された。

今回の実施例では、フェルール３内に保持するファイバ２が、通常のシングルモードファイバを使用したが、それに留まることなく他の種類のファイバを使用してもよい。

例えばシングルモードファイバを１５００℃程度に加熱、ファイバコア２７の屈折率を増大させる添加物を拡散させたコア拡大ファイバによるＦＢＧ１を用いれば、半導体レーザモジュール１３内でそれを用いた外部共振器２６を設置する際のアライメント精度が緩和される。

又、偏波面保存ファイバを使用すれば、外部共振器２６からのＦＢＧ反射光２の偏波面が、半導体レーザ素子１０からの半導体レーザ出射光１９の偏波面と完全に一致するため、安定した発振動作をする。外部の温度変化に対し、安定したスペクトラム特性が実現できる。特にペルチエ素子１２で温度制御しない図９に示したアンクールド型半導体レーザモジュール３２の場合の波長・出力特性の安定性を維持するのに有効なものである。

更にＥｒ、Ｔｍなどの希土類元素を添加した希土類添加ファイバを使用した場合、半導体レーザ素子１０を励起光源とすると、添加した希土類元素固有の波長で出力することができる。希土類元素にＥｒを使用し、励起光として、波長９８０ｎｍの半導体レーザ素子１０を用い励起する。その場合、Ｅｒ添加されたＦＢＧ１内でＦＢＧ１の固有のスペクトラム特性の１５５０ｎｍ帯の光が出力され、高出力光源になる。その波長及びスペクトラム特性は、ＦＢＧ１の特性に依存する。

逆にＦＢＧ１の温度を変化させることで、その熱膨張・収縮によりグレーテイング周期Λ(ＦＢＧ)を変化させることができる。それにより出力光のピーク波長が変化する為、波長可変光源としても利用できる。その応用は多岐の半導体レーザモジュールに応用することが可能である。

又、本発明は前記半導体レーザモジュール１３への応用に留まらず、インライン型光モジュール１８内に実装、光受動部品としての応用展開も可能である。

本発明による外部共振器の第一の実施形態を示した断面図である。 （ａ）は図１のＡ部を拡大した詳細図、（ｂ）はＦＢＧ内の入射光、反射回折光の光線軌跡を示した図である。 本発明の図１の片側ファイバ端を加工した場合の実施形態の断面図であり、（ａ）は先端が楔状の場合の実施形態の外観図、（ｂ）は、先端が球状の場合の実施形態の外観図、（ｃ）は、先端が円錐状の場合の実施形態の外観図である。 （ａ）は本発明による外部共振器の他の実施形態の断面図、（ｂ）は光学素子固定方法の他の実施形態の断面図である。 本発明の図４の外部共振器の片側を先球レンズにした場合の実施形態である。 本発明による外部共振器の片側の光学素子を光アイソレータにした場合の実施形態の断面図である。 本発明の図６の実施例の外部共振器を半導体レーザモジュールのペルチエ素子上に実装した場合の実施形態である。 本発明の外部共振器の片側に結合用レンズを取り付け、一体化して実装した場合の実施形態である。 本発明の外部共振器の片側に取り付けた光学素子にレンズ機能を持たせ、集積化を図った実施形態の断面図である。 本発明の外部共振器を表面実施型光モジュールに実装した場合の実施形態の上面図である。 従来の外部共振器に使用するＦＢＧの製法を示す断面図である。 本発明の外部共振器に使用するＦＢＧの製法を示す断面図である。 半導体レーザモジュール発振スペクトラム測定系を示す概観図である。 本発明の外部共振器付き半導体レーザモジュールの発振スペクトラム特性を示したグラフである。 本発明の外部共振器を半導体レーザモジュールに用いた場合の温度に対する中心波長シフト特性を示したグラフである。 従来使用しているインライン型光モジュールの構成を示す実施形態の断面図である。 従来使用しているＦＢＧ付き半導体レーザモジュールの実施形態の断面図である。

符号の説明

１：ＦＢＧ（ファイバブラッググレーテイング）
２：ファイバ
３：フェルール
４：光学素子
５：先端加工レンズ
６：光アイソレータ
７：磁石
８：固定部材
９：光アイソレータ付き外部共振器
１０：半導体レーザ素子
１１：結合用レンズ
１２：ペルチエ素子
１３：半導体レーザモジュール
１４：スペーサ
１５：スリーブ
１６：表面実装用基板
１７：位相マスク
１８：インライン型光モジュール
１９：半導体レーザ出射光
２０：ＦＢＧ反射光
２１：ＦＢＧ通過光
２２：不要光
２３：片側ファイバ端
２４ａ：片側端面
２４ｂ：片側端面
２５：フェルール端面側
２６：外部共振器
２７：ファイバコア
２８：出力用ファイバ端
２９：レーザドライバ
３０：恒温槽
３１：光スペクトラムアナライザ
３２：アンクールド型半導体レーザモジュール
３３：位相格子
３４：クラッド
３５：金属薄膜
３６：ファイバ光軸

Claims (12)

1. 特定の波長の光を反射するファイバブラッググレーテイングを有するファイバを内部に保持したフェルールにより構成される外部共振器において、前記ファイバブラッググレーテイングを構成する各位相格子の内、少なくとも一部がファイバ光軸に対し傾斜していることを特徴とする外部共振器。
2. 前記位相格子とファイバ光軸のなす角度（傾斜角β）が
   ０°＜β≦θｃ／２
   θｃ＝ｓｉｎ^―１（２△）^１／２
   △＝（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）／（２×ｎ_１ ^２）
   ｎ_１：ファイバコアの屈折率 ｎ_２：ファイバクラッドの屈折率 θｃ：伝播光が全反射する臨界角を満足することを特徴とする請求項１記載の外部共振器。
3. 前記ファイバのクラッドの外周に金属薄膜を有したことを特徴とする請求項１記載の外部共振器。
4. 前記フェルール内に装着されたファイバの片側のファイバ端に先端加工をしたことを特徴とする請求項１記載の外部共振器。
5. 上記フェルールの少なくとも片側の端面に光学素子を取り付けたことを特徴とする請求項１記載の外部共振器。
6. 上記光学素子が光アイソレータ機能、光フィルタリング機能を有することを特徴とする請求項５記載の外部共振器。
7. 上記フェルールの端面に結合用レンズを結合したことを特徴とする請求項６記載の外部共振器。
8. 上記ファイバがコア拡大ファイバであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の外部共振器。
9. 上記ファイバが偏波面保持ファイバであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の外部共振器。
10. 上記ファイバが希土類添加ファイバであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の外部共振器。
11. 上記光学素子をレンズ機能を有する形状としたことを特徴とする請求項５〜１０のいずれかに記載の外部共振器。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の外部共振器を半導体レーザ素子と出力用ファイバ端との間に、接続実装したことを特徴とする半導体レーザモジュール。

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