JP2004349692A - レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 波長選択型の波長可変レーザ装置に含まれるＤＦＢレーザ（又はＤＢＲレーザ）の個数を１０以上、装置の光出力強度を２０ｍＷ以上にし、且つ、出力光のスペクトル線幅を１０ＭＨｚ以下に抑える。
【解決手段】 レーザ装置１０は、１２個のＤＦＢレーザ１１と、ＤＦＢレーザ１１の出力光を合流する光合流器（ＭＭＩカプラ）１３と、光合流器１３の出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）１４とを有する。ＳＯＡ１４の信号利得を１６ｄＢ以下に抑えることにより、２０ｍＷ以上の高い光出力強度が得られるレーザ装置の光出力についても、スペクトル線幅の狭線幅化を達成できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ装置に関し、更に詳しくは、複数の波長選択機能を有するレーザを有するレーザアレイのうち少なくとも１つの波長選択機能を有するレーザを駆動して出力する型式の波長選択型のレーザ装置（以下、単に波長選択型のレーザ装置と呼ぶ）に関する。

ＷＤＭ（波長分割多重）光通信用のデバイスとして、出力レーザ光の波長を可変とする波長可変レーザ装置が知られている。従来の波長可変レーザ装置のなかでも、図１１に示す構造を有する波長選択型のレーザ装置は、波長安定性に優れていること、動作温度を変化させることにより広帯域の波長可変特性が得られること等から、特に注目を集めている。この型式の波長可変レーザ装置３０は、複数の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ３１がアレイ状に配設されたレーザアレイと、複数のＤＦＢレーザ３１の出力光を、各導波路３２を介して入力し、これを合流する光合流器(ＭＭＩカプラ)３３と、光合流器３３の出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）３４とを備え、複数のＤＦＢレーザ３１の出力波長の内からその１つを選択して出力する。

現在実用化されている波長選択型のレーザ装置として、図１１に示した８個のＤＦＢレーザ３１を有するものが挙げられる。ＤＦＢレーザ３１の共振器長は４００μｍ程度、ＳＯＡの活性層の長さとして６００〜８００μｍ程度が採用される。このレーザ装置３０の光出力強度は常温で４０ｍＷ程度である。ＤＦＢレーザの信頼性等の観点から、一般に、波長選択素子におけるＤＦＢレーザの駆動電流として５０〜１００ｍＡ程度の値が採用される。

実用化されている波長選択型のレーザ装置の別の例では、１６個のＤＦＢレーザをレーザアレイとして有するものも知られており、このレーザ装置では、光ファイバへの光出力強度が１０ｍＷと報告されている。ＤＦＢレーザの駆動電流は５０ｍＡである。

波長選択型のレーザ装置では、選択できる波長の増加による広帯域化と、レーザ装置の光出力強度の増大とが特に望まれている。例えば、波長選択型のレーザ装置をＷＤＭ光通信システムのＣ−ｂａｎｄ（波長１．５３〜１．５６μｍ）、Ｌ−ｂａｎｄ（波長１．５７〜１．６０μｍ）等をカバーする予備光源として利用するためには、その装置構成として、レーザアレイ中のＤＦＢレーザの個数が１０以上であることが望まれ、また、その出力特性として、光出力強度が２０ｍＷ以上であること、出力波長のスペクトル線幅が１０ＭＨｚ以下であること等が望まれている。

"Effect of Mirror Facets on Lasing Characteristics of Distributed Feedback InGaAsP/InP Laser Diodes at 1.5 μｍ Range" (IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS VOl.QE-20, NO3. MARCH 1984, Katsuyuki Utaka et al．) "High-Gain Array of Semiconductor Optical Amplifier Integrated With Bent Spot-Size Converter (BEND SS-SOA)" (JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOl.19, NO11, NOVEMBER 2001,Yasumasa Suzaki et al.) Journal of Quantum Electronics, Vol.138, Mo11, November 2002, p1493-1502 Journal of Quantum Electronics,QE-22,7(19861042-1051) Journal of lightwave technology vol7,Ｎo.2 Feb.,1989,p336-339 特開２００３−６９１４９号公報

ところで、上記型式のレーザ装置では、レーザアレイに含まれるＤＦＢレーザの個数を増やし光合流器の入力ポート数を増加させるにつれて、光合流器における結合損失が増大し、ＳＯＡの光入力強度が減少するという問題がある。この問題は、ＤＢＲレーザについても同様である。このため、光合流器の入力ポート数が１０を越えるような広帯域のレーザ装置では、ＳＯＡの信号利得を大きくすることが、充分な光出力強度を得るために不可欠となる。ところが、ＳＯＡの信号利得を大きくすると、ＳＯＡにおける雑音特性やスペクトル線幅への影響が特に懸念される。しかし、従来は、波長選択型のレーザ装置におけるこのような問題については、詳しい報告が成されておらず、また、前述の装置構成を持ち且つ前述の出力特性を満足するレーザ装置についての報告もない。

そこで、発明者らは、種々の特性を有する波長選択型のレーザ装置を試作し、上記の観点からそのスペクトル線幅を調べた。試作したレーザ装置の各ＤＦＢレーザは、従来のＤＦＢレーザの標準的なものであり、共振器長Ｌが４００μｍ、回折格子の結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬが１．３、ＤＦＢレーザの個数Ｎが１２、ＳＯＡのレーザ出射面の光反射率が５×１０^-4であった。

測定されたスペクトル線幅特性を図１２に示す。同図では、選択したＤＦＢレーザの駆動電流と、ＳＯＡの出力におけるスペクトル線幅との関係を、ＳＯＡの駆動電流が１００ｍＡの場合（実線）と３００ｍＡの場合（点線）の双方について示している。ＳＯＡの駆動電流は、その信号利得に大きく関係するものである。同図の結果から、従来の波長選択型のレーザ装置では、ＤＦＢレーザの駆動電流の大きさに依存して、スペクトル線幅に大きな振動が生じていることが判明した。また、レーザ装置の出力として２０ｍＷ以上の光出力強度を得るために、ＳＯＡの駆動電流を３００ｍＡに上げてその信号利得を大きくすると、出力光のスペクトル線幅が大きく拡がることも判明した。

従来の波長選択素子におけるＤＦＢレーザは、一般に駆動電流が１００ｍＡ以下で使用されるものであるが、この条件下では、上記のように、ＳＯＡの駆動電流を１００ｍＡ以下としても、スペクトル線幅が１０ＭＨｚを越えることがあった。ここで、ＳＯＡの駆動電流の増加は、ＳＯＡにおけるノイズの増加につながり、スペクトル線幅の絶対値を増大させるものである。また、ＳＯＡの出射端面から反射する戻り光がＳＯＡ内で増幅され、ＤＦＢレーザ内での安定な発振に影響を及ぼすことによって、ＤＦＢレーザの駆動電流とスペクトル線幅との関係に振動を与えることも判明した。

上記に鑑み、本発明は、従来の波長選択型のレーザ装置について、そのレーザアレイ内のＤＦＢレーザの個数を増大させても、所望の光出力強度及びスペクトル線幅が得られるように出力特性を改善し、もって、ＷＤＭ光通信の分野で利用可能な広帯域波長可変レーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者らは、ＤＦＢレーザの個数が１２の波長選択型のレーザ装置を試作し、その出力光の強度を２０ｍＷ以上にし、且つ、出力光のスペクトル線幅を所望の狭線幅に抑えるために必要なレーザ装置の構造について鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。本発明の波長選択型のレーザ装置は以下の構成を有する。

本発明の第１の視点に係るレーザ装置は、複数の波長選択機能を有するレーザと、該複数の波長選択機能を有するレーザの出力光を合流する光合流器と、該光合流器の出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）とを備え、前記波長選択機能を有するレーザの出力波長の１つを選択して出力する型式の波長可変レーザ装置において、
前記光合流器と前記波長選択機能を有するレーザとを結合する結合ポート数Ｎが１０以上であり、
前記ＳＯＡの光出力強度が２０ｍＷ以上で且つ信号利得が１６ｄＢ以下であることを特徴とする。

本発明の第１の視点に係るレーザ装置では、光合流器と波長選択機能を有するレーザの結合ポート数が１０以上の広帯域のレーザ装置についても、ＳＯＡの信号利得を１６ｄＢ以下に選定することにより、光出力強度が２０ｍＷ以上と充分に高いレーザ装置についても、ＷＤＭ光通信の分野に使用する際に良好な狭線幅のスペクトルが得られる。

また、本発明の第２の視点に係るレーザ装置は、複数の波長選択機能を有するレーザと、該複数の波長選択機能を有するレーザの出力光を合流する光合流器と、該光合流器の出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）とを備え、前記波長選択機能を有するレーザの少なくとも１つを駆動して出力する型式のレーザ装置において、
前記光合流器と前記波長選択機能を有するレーザとを結合する結合ポート数Ｎが１０以上であり、
前記ＳＯＡの光出力強度が２０ｍＷ以上で且つ光出射端部における出力光のスペクトル線幅が１０ＭＨｚ以下であることを特徴とする。

本発明の第２の視点に係るレーザ装置では、光合流器とＤＦＢレーザの結合ポート数が１０以上の広帯域のレーザ装置についても、光出射端部における出力光のスペクトル線幅を１０ＭＨｚ以下と狭くした構成により、本発明の第１の視点に係るレーザ装置と同様に、光出力強度が２０ｍＷ以上と充分に高いレーザ装置についても、ＷＤＭ光通信の分野に使用する際に良好な狭線幅のスペクトルが得られる。

更に、本発明の第３の視点に係るレーザ装置は、複数の波長選択機能を有するレーザと、該複数の波長選択機能を有するレーザの出力光を合流する光合流器と、該光合流器の出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）とを備え、前記波長選択機能を有するレーザの少なくとも１つを駆動して出力する型式のレーザ装置において、
前記光合流器と前記ＤＦＢレーザとを結合する結合ポート数Ｎが１０以上であり、
前記ＳＯＡの光出力強度が２０ｍＷ以上で且つ光出射端部における光反射率が１０^-4以下であることを特徴とする。

本発明の第３の視点に係るレーザ装置では、光合流器と波長選択機能を有するレーザの結合ポート数が１０以上の広帯域のレーザ装置についても、ＳＯＡの光出射端部における光反射率を１０^-4以下と低くした構成により、出力光が波長選択機能を有するレーザに戻る戻り光の強度が低く抑えられ、本発明の第１の視点に係るレーザ装置と同様に、光出力強度が２０ｍＷ以上と充分に高いレーザ装置についても、ＷＤＭ光通信に使用する際に良好な狭線幅のスペクトルが得られる。

本発明の第３の視点のレーザ装置での好ましい態様では、前記光出射端部に窓構造及び曲げ構造を有し、前記窓構造の窓長Ｌwindowが５０μｍ以下であり、
前記窓長Ｌwindowと、前記曲げ構造と光出射端面との成す角度θとが、以下の関係
Ｌwindow＞0.4464×θ²−13.161θ＋87.４64
を満たし、且つ
前記光出射端部の等価的な反射率が３×１０^-5以下である。

更に本発明の第４の視点に係るレーザ装置は、複数の波長選択機能を有するレーザと、該複数の波長選択機能を有するレーザの出力光を合流する光合流器と、該光合流器の出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）とを備え、前記波長選択機能を有するレーザの少なくとも１つを駆動して出力する型式のレーザ装置において、
前記光合流器と前記ＤＦＢレーザとを結合する結合ポート数Ｎが１０以上であり、
前記ＳＯＡの光出力強度が２０ｍＷ以上であり、
前記波長選択機能を有するレーザの回折格子の結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬが１．５以上であることを特徴とする。

本発明の第４の視点に係るレーザ装置では、光合流器と波長選択機能を有するレーザの結合ポート数が１０以上の広帯域のレーザ装置についても、波長選択機能を有するレーザの回折格子における結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬを１．５以上とした構成により、スペクトル線幅の増大が抑えられ、本発明の第１の視点に係るレーザ装置と同様に、光出力強度が２０ｍＷ以上と充分に高いレーザ装置についても、ＷＤＭ光通信に使用する際に良好な狭線幅のスペクトルが得られる。

上記本発明のレーザ装置について、上記作用効果は、波長選択機能を有するレーザの光出力強度を大きくすることによって、特に効果的に得られる。所望の狭線幅は、例えば、１０ＭＨｚ以下のスペクトル線幅である。

本発明のレーザ装置が上記作用効果を奏するように、波長選択機能を有するレーザの光出力強度を大きくするには、
（１）波長選択機能を有するレーザの共振器長を５００μｍ以上とすること、
（２）波長選択機能を有するレーザの回折格子構造が非対称な構造をもち光軸方向前方の光出力が光軸方向後方の光出力より大きい構造とすること、
（３）波長選択機能を有するレーザの後端面に反射率が５０％以上の反射構造を設けること、
（４）波長選択機能を有するレーザの活性層幅を１．５μｍ以上とすること、
などが挙げられる。

本発明のレーザ装置は、広い帯域幅、高い波長安定性、高い光出力、及び、狭いスペクトル線幅を持つ優れた出力特性を有し、特にＷＤＭ光通信の分野で好適に使用できる。

本発明の実施形態例の説明に先立って、本発明の理解を容易にするために本発明の原理を説明する。図１０は、試作した種々のレーザ装置について、ＳＯＡの信号利得（光出力Ｐｏｕｔと光入力Ｐｉｎの比のデシベル値）と、出力光のスペクトル線幅との関係を調べた結果を示すグラフである。なお、信号利得を示すＰｏｕｔ／Ｐｉｎ（ｄＢ）は、Ｐｏｕｔ及びＰｉｎのそれぞれを種々に変えてその比（ｄＢ）をとったものである。

図１０から理解できるように、レーザ装置の出力光のスペクトル線幅は、増幅器利得の大きさにほぼ依存しており、増幅器利得が１６ｄＢ以上では、スペクトル狭線幅化、ここでは、１０ＭＨｚ以下を達成できなかった。そこで、本発明では、波長選択機能を有するレーザの個数Ｎが１０以上のレーザアレイを有する波長選択型のレーザ装置について、ＳＯＡの信号利得として１６ｄＢ以下を採用することによって、出力光スペクトルの狭線幅化を達成するものである。好ましくは、信号光源の増幅器利得は１３ｄＢ以下であり、スペクトル線幅は５ＭＨｚ以下である。

本発明では、上記のように、信号利得を１６ｄＢ以下に抑えるために、波長選択機能を有するレーザの光出力強度を大きくする。例えば、
（１）波長選択機能を有するレーザの共振器長を５００μｍ以上とすること、
（２）波長選択機能を有するレーザの回折格子が光軸方向中心に関して非対称な構造をもち、光軸方向前方の光出力が光軸方向前方の光出力が光軸方向後方の光出力より大きい構造とすること、
（３）波長選択機能を有するレーザの光出射端面と逆側の後端面に、反射率が５０％以上の反射構造を設けること、
（４）波長選択機能を有するレーザの活性層幅を１．５μｍ以上とすること、
などを採用し、波長選択機能を有するレーザの光出力強度を大きくする。これによって、レーザ装置の光出力として２０ｍＷ以上、信号利得１６ｄＢ以下を達成する波長選択型のレーザ装置を提供する。

また、本発明では、好ましくは、信号利得を１３ｄＢ以下に抑えるために、波長選択機能を有するレーザの出力強度を大きくする。例えば、
（１）波長選択機能を有するレーザの共振器長を６００μｍ以上とすること、
（２）波長選択機能を有するレーザの回折格子が光軸方向中心に関して非対称な構造をもち、光軸方向前方の光出力が光軸方向後方の光出力より３０％程度大きい構造とすること、
（３）波長選択機能を有するレーザの光出射端面と逆側の後端面に、反射率が８０％以上の反射構造を設けること、
（４）波長選択機能を有するレーザの活性層幅を１．８μｍ以上とすること、
などを採用し、波長選択機能を有するレーザの光出力強度を大きくする。これによって、レーザ装置の光出力として２０ｍＷ以上、信号利得１３ｄＢ以下を達成する波長選択型のレーザ装置を提供する。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置を構成する半導体光集積装置を示している。レーザ装置１０は、１２個のＤＦＢレーザ１１を光軸と直交方向に並べて集積したレーザアレイと、これらＤＦＢレーザ１１の出力光を導く光導波路１２と、この光導波路１２を介してＤＦＢレーザ１１の出力光を受光し、これを合流する光合流器（ＭＭＩカプラ）１３と、ＭＭＩカプラ１３の出力を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）１４とから構成され、これらは１つのチップ上に集積形成される。

各ＤＦＢレーザ１１は、λ／４の位相シフト領域を回折格子の中央に有しており、レーザ発振のしきい値電流Ｉthが２０ｍＡである。ＭＭＩカプラ１３は、入力数（結合数）が１２で出力数が１のカプラであり、導波路１２を介して受光する１２個のＤＦＢレーザ１１の出力光を合流してＳＯＡ１３に与える。ＭＭＩカプラ１３における合流により、選択されるＤＦＢレーザ１１によるレーザ装置の光強度は、ＳＯＡ１４の入力値で約１／１２に低下する。

ＳＯＡ１４は、８００μｍ長さの活性層を有しており、ＭＭＩカプラ１３の光出力を増幅して、レーザ装置１０の光出射端部から外部に向けて出力光を出射する。

図２は、本実施形態例の波長選択型のレーザ装置における出力特性を、ＤＦＢレーザの駆動電流（ｍＡ）との関係で示している。測定した出力特性は、スペクトル線幅（ＭＨｚ）を実線で、光出力強度（ｍＷ）を破線で、ＳＯＡの信号利得（Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎ（ｄＢ））を点線でそれぞれ示している。図２において、ＤＦＢレーザの駆動電流を０から上昇させていき、ＳＯＡの駆動電流は一定の１５０ｍＡとした。ＤＦＢレーザの駆動電流Ｉdfbがしきい値を越えるとＤＦＢレーザの発振が始まり、その駆動電流の増加と共にレーザ装置の出射端の光出力強度が増加する。ＤＦＢレーザの駆動電流がある程度大きくなると、光出力強度の飽和が始まり、その結果、ＳＯＡの信号利得が小さくなる。

図２から、点線で示したＳＯＡの信号利得が１６ｄＢ以下となる、ＤＦＢレーザの駆動電流Ｉdfbが１４０ｍＡ以上では、実線で示した出力光のスペクトル線幅は１０ＭＨｚ以下であり、スペクトル線幅の振動が特に抑制されていることが示されている。また、破線で示すように、このとき２０ｍＷ以上の大きな光出力が得られることが示されている。

図３は、本発明の第２の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置の構成を示している。本実施形態例のレーザ装置１０Ａは、ＤＦＢレーザ１１Ａの共振器長が４００μｍであること、ＤＦＢレーザ１１Ａの回折格子が、共振器の光軸方向前方部分で周期的に間引かれた構造を有することにおいて、第１の実施形態例と異なり、その他の構成は第１の実施形態例と同様である。

図４は、本実施形態例におけるＤＦＢレーザ１１Ａの断面構造を示している。ＤＦＢレーザ１１Ａは、ｎ−ＩｎＰ基板２１上に順次に形成されたｎ−ＩｎＰバッファ層２２、ｎ−ＩｎＰクラッド層２３、ＭＱＷ活性層２４、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５、及び、ＩｎＧａＡｓコンタクト層２６を有し、ｐ−ＩｎＰクラッド層２５中に埋め込まれた回折格子２７を有する。ｎ−ＩｎＰ基板２１の底面及びＩｎＧａＡｓコンタクト層の上面には、それぞれｎ型電極２８及びｐ型電極２９が形成されている。

回折格子２７の中央部には、λ／４の位相シフト領域２７Ａが設けてある。その位相シフト領域２７Ａよりも光軸方向前方側の回折格子２７が、周期的に間引かれた構造を有している。掛かる構造を採用することによって、回折格子２７の光軸方向前方側のフィードバック量が低下し、光軸方向前方の光出力が光軸方向後方の光出力よりも大きくなり、その結果、第１の実施形態例で使用した通常の位相シフトＤＦＢレーザよりも大きな光出力が得られる。

図５は、本実施形態例のレーザ装置の出力特性を図２と同様に示している。ＳＯＡの駆動電流は、図２と同様に１５０ｍＡに設定した。点線で示したＳＯＡの信号利得が１６ｄＢ以下となる、ＤＦＢレーザの駆動電流Ｉdfbが１００ｍＡ以上の領域では、実線で示したスペクトル線幅は１０ＭＨｚ以下であり、その振動が良好に抑制されていることが判る。また、破線で示したレーザ装置の光出力Ｐｏｕｔとして、２０ｍＷ以上の大きな値が得られている。

図６は、本発明の第３の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置を示している。本実施形態例に係るレーザ装置１０Ｂは、ＤＦＢレーザ１１Ｂの共振器長が４００μｍであること、回折格子の結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬが１．４であること、及び、ＳＯＡ１４Ｂの光出射側の端面の反射率が１０^-4以下であることにおいて、第１の実施形態例と異なり、その他の構成は第１の実施形態例と同様である。

本実施形態例では、ＳＯＡ１４Ｂの光出射側の端面には、低屈折率の半導体層からなる窓構造をＳＯＡの活性層の延長上に形成してあり、その窓構造に２層のコーティング膜を形成することで、６０ｎｍの帯域で１０^-4以下の低光反射率を実現している。窓構造は、例えば、特許文献１及び非特許文献１に記載されている。本実施形態例における好ましい窓構造の長さは、５０μｍ以下、更に好ましくは、３０μｍ以下である。

図７は、上記レーザ装置におけるＤＦＢレーザの駆動電流と出力光のスペクトル線幅との関係を、ＳＯＡ１４Ｂの出射側端面の反射率が１０^-4（実施例）と１０^-3（比較例）の双方の場合について示している。ＳＯＡの駆動電流は１５０ｍＡとした。本実施形態例では、ＳＯＡの出射側端面の光反射率を１０^-4以下と低く抑えることにより、スペクトル線幅の振動が低く抑えられることが理解できる。出射側端面の光反射率は、好ましくは３×１０^-5である。

上記実施形態例のレーザ装置におけるＳＯＡ１４Ｂの窓構造に代えて、曲げ構造を採用し、その窓構造に無反射コーティングを塗布した場合にも同様な効果が得られた。また、これに、３層及び４層の無反射コーティングを塗布した場合にも同様な効果が得られた。曲げ構造は、例えば非特許文献１に記載されているように、ＳＯＡの出射側端面近傍の導波路構造をなだらかに曲げることにより、出射側端面への光の入射に角度を付けた構造である。本実施形態例における好ましい曲げ構造の曲げ角度は１５度以下、更に好ましくは１０度以下である。

ＳＯＡの出射側端面に窓構造及び曲げ構造を採用する場合について、ＤＦＢレーザを例として説明する。図１のレーザ装置において、ＤＦＢレーザ１１の素子温度を変えることにより、１素子あたり３〜４ｎｍ程度の波長可変が可能である。素子数を１２個とすれば、３６〜４８nmの範囲で波長可変が可能となり、ＷＤＭ通信システムにおけるＣ−ｂａｎｄを一つの素子でカバーでき、次世代のシステムである波長プロビジョニングなどの応用が考えられる。この素子において、チップ端面の光出力が３０ｍＷ（ファイバへの結合係数を２／３とすると、ファイバ端出力で２０ｍＷ）のときの、線幅の振幅率と端面反射率の関係を、非特許文献１の理論に基づいて計算した結果を図１３に示す。

非特許文献３では、ＤＦＢレーザとＳＯＡが一つずつ直接に接続されているモデルに対して計算が行われているが、図１のような素子においては、ＭＭＩカプラ１３による損失、導波損失を考慮した解析が必要となる。解析に際して、ＤＦＢレーザ１１からの光出力を１５ｍＷ、アレイ素子数を１２個、ＭＭＩカプラ１３での損失を１／１２、導波損失を１ｄＢとし、ＳＯＡ１４を通過したチップ端面からの光出力が３０ｍＷとなる利得をＳＯＡが持っているとした。ここでいう線幅の振動率とは、ＤＦＢレーザの発振波長が変化した際に起きるスペクトル線幅の振動の振幅と本来のＤＦＢレーザが持つスペクトル線幅の比である。例えばＤＦＢレーザ本来のスペクトル線幅が８ＭＨ_Zの時、振幅が８ＭＨ_Zであれば、振動率は１００％である。一般的にＷＤＭ通信システムのＬｏｎｇｈａｕｌ系において必要とされるスペクトル線幅は１０ＭＨ_Z以下といわれている。ＤＦＢレーザ単体のスペクトル線幅が５〜１０ＭＨ_Zであり、駆動条件によりばらつきがあることを考えると、振幅の振動率は５０％以下がよい。この場合、図１３から理解できるように、端面の反射率を３×１０^-5程度以下にする必要がある。

ＡＲ膜を端面に形成することにより、出射側端面の反射率を低減することができる。この場合、１０^-5オーダーの極低反射率を実現するには、膜の屈折率及び膜厚を高精度に制御する必要がある。しかし、膜形成中のｉｎ−ｓｉｔｕモニタ等を用いて能動的な制御を行ったとしても、ＰＣＶＤ装置やスパッタ装置等の成膜装置の面内バラツキや、超低反射膜の波長帯域を考慮すると、そのようなＡＲ膜の形成は現実的ではなく、実際のＡＲ膜は３×１０^-3程度の反射率である。

そこで、端面付近の導波構造をなくす窓構造（非特許文献４)や、端面への導波路の入射角を傾ける曲がり導波構造（非特許文献５）、或いは、それらを組み合わせた構造が知られている。

図１４に、曲がり導波路＋窓構造による反射率低減の効果と、スポットサイズの関係の計算結果を示す。計算に際して、低減効果だけを見積もるために、端面の反射率を１とした。図１４から理解できるように、スポットサイズを大きくすればするほど、反射率の低減効果は大きくなる。しかし、ファイバへの結合とＳＯＡの効率から、導波路を単一横モードとする必要があるので、光通信用の光半導体素子において、ＳＯＡの活性層幅は２．３μｍ程度が上限である。また、また素子の電気抵抗や、光出力の観点から、活性層幅を１．２μｍ以下にすることは実用的でない。この活性層幅の範囲は、スポットサイズに換算すると、おおよそ１．０〜１．３μｍに対応する。

図１５に、曲がり導波路＋窓構造による反射率の低減効果と窓長Ｌwindowとの関係を、曲げ角度が４度から１２度の範囲である場合について示す。ここで、この構造による低減効果のみを見積もるために、チップ端面での反射率を１とする。また、図１４に示すように、スポットサイズが小さいときに反射率が高くなるので、実用的なスポットサイズの範囲において、最も高い反射率が得られるスポットサイズである１．０μｍを選定した。

図示した曲げ角度の範囲において、必要な極低反射率３×１０^-5以下を得るためには、ＡＲの反射率が３×１０^-3程度であるので、１０^-2以下の反射率低減効果が必要である。図１５から、１０^-2以下の反射率低減効果を得るための曲げ角度と反射率の関係を導くことができ、その関係を図１６に示す。図１６から、必要な反射率を得るための条件は、窓長をＬwindow、曲げ角度をθとして、
Ｌwindow＞0.4464×θ²−13.161θ＋87.464
となる。

窓長Ｌwindowを長くすればするほど反射率低減効果が得られるが、窓が長すぎると、窓の近傍を伝播する際に光が広がり、チップ上部に当たりＦＦＰが乱れるという現象が起こり、ファイバへの結合係数を下げる要因となる（特許文献１）。したがって、窓長は５０μｍ以下が良い。

７度曲がり波路構造＋窓構造の反射率低減効果を計算した。図１７に、７度曲げ＋窓構造の模式図を示す。反射率を低減するために、図１７（ｂ）に示すように、導波路の延長線上をクラッドと同じ屈折率の材料で埋め込んでいる。この構造によって、窓部で光が回析してモードが広がるため、端面からの反射光と導波路との結合係数を小さくすることができる。端面に対して導波路を傾けておくことにより、図１７（ａ）に示すように、反射光の進行方向が導波路の軸方向とずれるため、窓構造のみに比べ更に反射率の低減を図ることができる。

計算を簡単にするため、伝播光をガウシアンビームとし、その結合効率を求めることにより計算を行う。この計算モデルを図８に示す。素子の水平方向をｘ、垂直（紙面に垂直）方向をｙ、端面に垂直な方向をｚとする。図１８は水平断面を表している。ＳＯＡの導波路がチップ端面に対して角度θ曲がっており、端面に光が斜めに入射する構造である。端面からの反射光のＳＯＡ導波路への結合係数を求めることでη_xを求め、これから反射率の低減効果を見積もる。

結合係数を求めるには、端面で折り返した位置から出射する仮想的なガウシアンビームＥ₂を考え、Ｅ₂とＳＯＡ導波路の結合係数を求めればよい。実際には、出射光Ｅ₁と仮想的なビームＥ₂の結合を求めることになる。二つのビームの結合を考える場合には、ビーム間の任意の面で積分を行うことで求めることができる。図１８に示すように、それぞれのビーム出射点を原点として、進行方向をｚｉ＝１，２軸、水平方向をｘｉ＝１，２軸と座標系を考える。このときビームの電解分布は以下のように表現される。

ただし、あるｚでのスポットサイズω、曲率半径Ｒはビームウェストでのスポットサイズω₀（電界強度１／ｅでの半幅）を用いて以下のように表される。

この積分を行うために、ｘ₁，ｚ₁，ｘ₂，ｚ₂をｘで表現する必要がある。

図８からｘ₁，ｚ₁，ｘ₂，ｚ₂をｘ，ｚで表すと以下のようになる。
ｘ₁＝ｃｏｓθ （６）
ｚ₁＝Ｌwindow＋ｘ・ｓｉｎθ （７）
ｘ₂＝ｘ・ｃｏｓ(-θ) （８）
ｚ₂＝−Ｌwindow＋ｘ・ｓｉｎ（−θ） （９）
チップ端面での水平方向の結合効率は式（１）−（８）を式（５）に代入してη_xを求めることができる。また垂直方向の結合効率η_yは通常の窓構造と同様に求めることができる。これより等価的な端面の反射率Ｒ_fはＡＲコーティング膜の反射率をＲ_ARとすると
Ｒ_f＝η_x・η_y・Ｒ_AR （１０）
となり、これにより七度曲げ＋窓構造の効果を見積もることができる。

上記において、曲げ角度の上限を特に設けなかったが、組立や、小型化の観点からは、曲げ角度を１２度以下とすることが好ましい。この１２度以下は、必要な角度に曲げる際の曲がり導波路部における放射損失の観点からも好ましい角度である。

効果の検証は以下のように行われる。まず、出力光の遠視野像（ＦＦＰ）の半値全幅からスポットサイズが求められる。窓長Lwindowは、ＦＩＢ加工し、電子望遠鏡にて撮影することにより求められる。また、端面への入射角は容易に求められる。

図８は、本発明の第４の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置を示す。本実施形態例に係るレーザ装置１０Ｃは、ＤＦＢレーザ１１Ｃの共振器長が４００μｍであること、及び、回折格子の結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬが３であることにおいて第１の実施形態例と異なり、その他の構成は第１の実施形態例と同様である。

図９は、上記レーザ装置におけるＤＦＢの駆動電流と出力光のスペクトル線幅との関係を、κＬが３．０（実施例）と１．０（比較例）の双方の場合について示している。本実施形態例では、κＬを３．０に選定したことにより、出力光のスペクトル線幅の平均値及び振動が大幅に改善されている。

以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明のレーザ装置は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。上記実施形態例では、ＤＦＢレーザを用いているが、本発明は、波長選択機能を有するレーザ、例えば分布反射型（ＤＢＲ）レーザ等であっても同様な効果が得られる。

本発明の第１の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置の平面図。 第１の実施形態例におけるＤＦＢレーザの駆動電流と光出力特性との関係を示すグラフ。 本発明の第２の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置の平面図。 図３のレーザ装置におけるＤＦＢレーザの波長回折格子の詳細を示す断面図。 第２の実施形態例におけるＤＦＢレーザの駆動電流と光出力特性との関係を示すグラフ。 本発明の第３の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置の平面図。 第３の実施形態例におけるＤＦＢレーザの駆動電流とスペクトル線幅との関係を示すグラフ。 本発明の第４の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置の平面図。 第４の実施形態例におけるＤＦＢレーザの駆動電流とスペクトル線幅との関係を示すグラフ。 試作した波長選択型のレーザ装置におけるＳＯＡの信号利得とスペクトル線幅との関係を示すグラフ。 従来の波長選択型のレーザ装置の平面図。 従来の波長選択型のレーザ装置におけるＤＦＢレーザの駆動電流とスペクトル線幅との関係を示すグラフ。 計算で得られた線幅の振幅率と端面反射率の関係を示すグラフ。 曲げ構造＋窓構造におけるスポットサイズと、反射率の低減効果との関係を示すグラフ。 曲げ構造＋窓構造における窓長と、反射率の低減効果との関係を示すグラフ。 窓長と曲げ角度の関係を示すグラフ。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、７度曲げ＋窓構造における導波路及びＳＯＡを模式的に示す平面図。 ７度曲げ構造＋窓構造における反射光の結合係数を求めるための模式的水平方向断面図。

符号の説明

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ：波長選択型のレーザ装置
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ：ＤＦＢレーザ
１２：導波路
１３：光合流器（ＭＭＩカプラ）
１４、１４Ｂ：半導体光増幅器（ＳＯＡ）

Claims (15)

1. 複数の波長選択機能を有するレーザと、該複数の波長選択機能を有するレーザの出力光を合流する光合流器と、該光合流器の出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）とを備え、前記波長選択機能を有するレーザの少なくとも１つを駆動して出力する型式のレーザ装置において、
   前記光合流器と前記波長選択機能を有するレーザとを結合する結合ポート数Ｎが１０以上であり、
   前記ＳＯＡの光出力強度が２０ｍＷ以上で且つ信号利得が１６ｄＢ以下であることを特徴とするレーザ装置。
2. 複数の波長選択機能を有するレーザと、該複数の波長選択機能を有するレーザの出力光を合流する光合流器と、該光合流器の出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）とを備え、前記波長選択機能を有するレーザの少なくとも１つを駆動して出力する型式のレーザ装置において、
   前記光合流器と前記波長選択機能を有するレーザとを結合する結合ポート数Ｎが１０以上であり、
   前記ＳＯＡの光出力強度が２０ｍＷ以上で且つ光出射端部における出力光のスペクトル線幅が１０ＭＨｚ以下であることを特徴とするレーザ装置。
3. 前記波長選択機能を有するレーザの共振器長が５００μｍ以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザ装置。
4. 前記波長選択機能を有するレーザの回折格子が共振器の軸方向中心に関して非対称な構造を持ち、該波長選択機能を有するレーザの軸方向前方の光出力が軸方向後方の光出力よりも大きいことを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザ装置。
5. 前記波長選択機能を有するレーザの後端面に、反射率が５０％以上の反射構造が形成されることを特徴とする、請求項１乃至４の何れかに記載のレーザ装置。
6. 前記波長選択機能を有するレーザの活性層幅が１．５μｍ以上であることを特徴とする、請求項１乃至５の何れかに記載のレーザ装置。
7. 複数の波長選択機能を有するレーザと、該複数の波長選択機能を有するレーザの出力光を合流する光合流器と、該光合流器の出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）とを備え、前記波長選択機能を有するレーザの少なくとも１つを駆動して出力する型式のレーザ装置において、
   前記光合流器と前記波長選択機能を有するレーザとを結合する結合ポート数Ｎが１０以上であり、
   前記ＳＯＡの光出力強度が２０ｍＷ以上で且つ光出射端部における光反射率が１０^-4以下であることを特徴とするレーザ装置。
8. 前記光出射端部における出力光のスペクトル線幅が１０ＭＨｚ以下である、請求項７に記載のレーザ装置。
9. 前記ＳＯＡの信号利得が１６ｄＢ以下であることを特徴とする、請求項７又は８に記載のレーザ装置。
10. 前記光出射端部に窓構造が形成されることを特徴とする、請求項７乃至９の何れかに記載のレーザ装置。
11. 前記光出射端部に曲げ構造が形成されることを特徴とする、請求項７乃至９の何れか一に記載のレーザ装置。
12. 前記光出射端部に窓構造及び曲げ構造を有し、前記窓構造の窓長Ｌwindowが５０μｍ以下であり、
    前記窓長Ｌwindowと、前記曲げ構造と光出射端面との成す角度θとが、以下の関係
    Ｌwindow＞0.4464×θ²−13.161θ＋87.４64
    を満たし、且つ
    前記光出射端部の等価的な反射率が３×１０^-5以下であることを特徴とする、請求項７〜９の何れか一に記載のレーザ装置。
13. 複数の波長選択機能を有するレーザと、該複数の波長選択機能を有するレーザの出力光を合流する光合流器と、該光合流器の出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）とを備え、前記波長選択機能を有するレーザの少なくとも１つを駆動して出力する型式のレーザ装置において、
    前記光合流器と前記波長選択機能を有するレーザとを結合する結合ポート数Ｎが１０以上であり、
    前記ＳＯＡの光出力強度が２０ｍＷ以上であり、
    前記波長選択機能を有するレーザの回折格子の結合係数（κ）と共振器長（Ｌ）との積（κＬ）が１．５以上であることを特徴とするレーザ装置。
14. 前記波長選択機能を有するレーザの回折格子の結合係数（κ）と共振器長（Ｌ）との積（κＬ）が
    １．８≦κＬ≦３．０
    の範囲にあることを特徴とする、請求項１３に記載のレーザ装置。
15. 光出射端部における出力光のスペクトル線幅が１０ＭＨｚ以下である、請求項１３又は１４に記載のレーザ装置。

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