JP3528684B2 - 外部共振器型半導体レーザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は外部共振器型半導体
レーザに関する。より詳細には、本発明は、半導体光増
幅器（以下、「ＳＯＡ」と記載する）とレーザ共振器を
備えた半導体レーザであって、特にレーザ共振器の一部
が光ファイバに形成されたファイバグレーティング（以
下、「ＦＧ」と記載する）によりなる半導体レーザの新
規な構成に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザは、活性層を含む特定の層
構造を有する半導体発光素子と、この半導体発光素子の
出射光を一定の間隔で相互に反射する１対の反射器で構
成されたレーザ共振器とを少なくとも備えている。

【０００３】図４は、外部共振器型半導体レーザの典型
的な構成を示す図である。

【０００４】図４(a) に示す半導体レーザは、発光素子
でもあるＳＯＡ１と、出射ポートを兼ねた光ファイバ２
とを組み合わせて構成されている。

【０００５】ここで、ＳＯＡ１は、その内部に形成され
た活性層と、活性層への注入電流を供給するための１対
の電極とを備えており、電極を介して供給された駆動電
流により活性層から水平に光を放射するように構成され
ている。更に、ＳＯＡ１の両側面には、それぞれ誘電体
多層膜１ａ、１ｂが形成されているが、後述する光ファ
イバ２が配置された側の端面に形成された誘電体多層膜
１ｂは反射防止膜である。光ファイバ２とは反対側の端
面に形成された誘電体多層膜１ａは高反射率を有し、レ
ーザ共振器の一方の反射器を構成している。

【０００６】一方、光ファイバ２は、上記誘電体多層膜
１ａとは反対の側でＳＯＡ１から出射された放射光を注
入されるようにその端面が配置されている。また、光フ
ァイバ２のコアの端部近傍にはＦＧ２ａが形成されてい
る。尚、光ファイバ２の先端24は、少なくともコア21の
端面が球面状になるように成形されており、伝播光を収
束させる機能を有している。

【０００７】図４(b) に示す半導体レーザは、基本的に
は図４(a)に示したものと同じ構成を有しているが、レ
ーザ共振器の構成が異なっている。

【０００８】即ち、この半導体レーザでは、ＳＯＡ１の
出射側端面に形成された反射膜としての誘電体多層膜１
ａと、出射用光ファイバ２とは別の光ファイバ３に形成
した回折格子３ａとによってレーザ共振器が形成されて
いる。なお、この半導体レーザでは、ＳＯＡ１の後側の
端面に、反射防止膜としての誘電体多層膜１ｂを備えて
いる。

【０００９】図４(c) に示す半導体レーザも、基本的に
は図４(a)、（b）に示したものと同じ構成を有している
が、ここでもレーザ共振器の構成が異なっている。

【００１０】即ち、この半導体レーザでは、ＳＯＡ１の
出射側端面と光ファイバ２の入射端面の間に配置された
回折格子素子５を用いてレーザ共振器を構成している。
尚、回折格子素子５は、平面導波路上に回折格子５ａを
形成したものである。また、この半導体レーザでは、Ｓ
ＯＡ１とその両端面に形成された誘電体多層膜１ａ、１
ｂの構成は同じである。即ち、誘電体多層膜１ａは反射
膜であり、誘電体多層膜１ｂは反射防止膜である。

【００１１】上記のような外部共振器型半導体レーザで
は、何れも回折格子２ａ、３ａ、５ａがレーザ共振器の
一部として用いられている。この回折格子を形成された
光路では、図２(a) に示すように、屈折率が周期的に変
化するように分布しており、特定の周波数の光が反射さ
れる。このとき、回折格子の特性により反射される光の
周波数を設定することができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、媒質内での
キャリア密度は、その媒質の屈折率に影響し、キャリア
密度の変化は等価的なレーザ共振器長を変化ことにな
る。レーザ共振器長が変化した場合、当然に半導体レー
ザとしての発振波長も変化することになる。

【００１３】図５に示すように、半導体レーザでは、Ｄ
Ｃ動作においてＳＯＡに対する駆動電流を増加させてい
くと、特定の閾値までは注入量に応じて注入キャリアが
増加し、そして、閾値を越えると注入キャリアは順次光
子に変化するので媒質内に存在するキャリアの総数は実
質的に変化しなくなる。従って、熱的な効果を無視すれ
ば、ＤＣ動作においては、上記のようなキャリア密度の
変化に起因する発振波長の変化は無視することができ
る。

【００１４】一方、特に高速に変調された駆動電流によ
りＳＯＡを駆動すると、図６に示すように、注入キャリ
ア数の変化と得られる光子数の変化が一致しなくなる。
即ち、キャリア濃度は入力信号に対して特定の時定数を
もって増加していく。これに対して、光子濃度は閾値電
流までは応答せず、閾値を越えた瞬間から急激に立ち上
がる。しかしながら、このときのキャリア濃度変化の位
相と光子濃度の変化の位相とは一致せず、特定の遅延を
もって光子濃度が追従するようになるので、いわゆる緩
和振動が生じる。このため、キャリア濃度は不断に変化
し、最終的に発振波長の変動を引き起こす。

【００１５】より具体的に説明すると、駆動電流の立ち
上がり時には、キャリア密度のオーバーシュートにより
余剰キャリアが生じる（斜線で塗りつぶした領域）。こ
のためキャリア密度が増加すると媒質の屈折率は低下
し、等価的な共振器長が短縮される。その結果、半導体
レーザの発振波長は短波長側にずれる。逆にキャリア密
度がアンダーシュートした場合は屈折率が増加し、等価
的な共振器長も長くなる。従って、発振波長は長波長側
にずれることになる。

【００１６】このような発振波長の変動はチャープと呼
ばれ、長距離伝送時に光ファイバの波長分散の影響受け
て信号が歪むので、この現象を回避することが求められ
ている。

【００１７】そこで、上記のようなチャープを回避する
ために、外部共振器型半導体レーザにおいて共振器の一
部をなすＦＧの構成を工夫することが提案されている。
即ち、図２(b)に示すように、回折格子の特性に連続的
な変化を持たせることが提案されている。

【００１８】上記のような特性を有する回折格子をレー
ザ共振器に用いた場合、その屈折率の周期が光の進行方
向に沿ってしだいに短くなる場合には、長波長の光に対
しては共振器長が短く、短波長の光に対しては長くなる
ように作用する。従って、前記したような緩和振動を打
ち消す効果があると考えられる。

【００１９】ただし、発振波長のチャープを、実際上の
許容限界である３ＧHz程度の幅に実際に押さえようとす
ると、回折格子の最大周期と最短周期の差を25pm程度に
しなければならない。しかしながら、このような小さな
周期分布を有する回折格子を作成する方法は知られてい
ない。

【００２０】そこで、本発明は、上記従来技術の問題点
を解決し、発振波長のチャープを効果的に抑制でき、且
つ、実際に製造が可能な半導体レーザの新規な構成を提
供することをその目的としている。

【００２１】

【課題を解決するための手段】本発明に従うと、半導体
光増幅器と、該半導体光増幅器のｌ方の端面と結合する
端面近傍に回折格子が形成された光ファイバとで構成さ
れ、該半導体光増幅器の他方の端面を第１の反射器と
し、該回折格子を第２の反射器とする外部レーザ共振器
を備えた外部共振器型半導体レーザであって、該光ファ
イバの該回折格子を形成された区間の屈折率が、該光フ
ァイバの端面から遠ざかるに従って減少する包絡線を描
くように分布してい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。

【００２２】なお、上記本発明に係る半導体レーザにお
ける特定の屈折率分布を有する光ファイバは、光ファイ
バに対して、透過率に分布を有するフィルタを介して紫
外線を照射することにより製造できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明に係る外部共振器型半導体
レーザは、その共振器の一方の反射器を構成するＦＧが
形成された区間において、光ファイバの屈折率にも特定
の傾斜が設けられている点にその主要な特徴がある。

【００２４】即ち、回折格子の周期と回折波長の関係
は、下記の式で表すことができる。

【００２５】λ_G＝２ｎ_iΛ （ここで、λ_Gは回折波長を、ｎ_iは平均の屈折率、Λは
回折格子の周期をそれぞれ表す。）

【００２６】ここで、前述のように、回折格子の周期を
変化させて必要な特性を実現することは非常に困難であ
る。そこで、本発明に係る半導体レーザでは、平均屈折
率に傾斜を与えることにより、ＦＧに所期の特性を形成
したものである。

【００２７】尚、後述するように、本発明の好ましい態
様によると、回折格子の両端で、光ファイバの平均屈折
率の差は3.0×10^-5以下とすることが好ましい。

【００２８】以下、図面を参照して本発明をより具体的
に説明するが、以下の開示は本発明の１実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。

【００２９】

【実施例】図１は、本発明に係る外部共振器型半導体レ
ーザにおいて使用する光ファイバで、ＦＧの形成された
領域に付与された屈折率分布を示す図である。

【００３０】同図に示すように、波長1.5μｍの光の周
波数は約200ＴHzに相当する。この光に対する３ＧHzの
変化は、1.5×10^-5に相当する。このような屈折率分布
は、屈折率が通常1.5以下であるガラスファイバにおい
て、Δｎ_AVとして1.5×10^-5〜2.3×10^-5の変化を与えれ
ばよいことになる。

【００３１】なお、コアにGeを添加した光ファイバに紫
外線を照射した際に生じる屈折率の変化を利用して任意
の屈折率分布を形成することができる。この場合に生じ
る屈折率の変化は、添加するGe濃度、照射する紫外線パ
ワー、照射時間等を変更することにより制御できる。具
体的には、10重％以下のGeＯ₂を添加した光ファイバ
に、10ｍＷ以上200ｍＷ以下程度の紫外線を１〜1000秒
程度照射することにより、所望の屈折率分布を形成する
ことができる。

【００３２】図３は、上記のような屈折率の変化を光フ
ァイバに形成する具体的な方法を示す図である。

【００３３】光ファイバにＦＧを形成する際には、波長
488nmのArレーザの第2高調波光やエキシマレーザ光を干
渉させる2光束干渉法により形成された干渉光を照射す
る方法が知られている他、位相マスクを用いる方法もあ
り、これらを適宜選択することができる。更に、図３に
示すように、透過率が連続的に変化するようなフィルタ
20を介して紫外光30を照射することにより、言わば上書
きするように屈折率分布を付与することができる。尚、
この際に使用するフィルタとしては、石英ガラス板中
に、所望の屈折率分布に対応した濃度分布で吸収材料を
分散させることにより作製することができる。また、石
英ガラス板に、厚さの分布のある誘電体多層膜や金属膜
を被着させ、反射率分布を形成することによりフィルタ
としすることもできる。

【００３４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係
る外部共振器型半導体レーザは、そのＦＧの独特の構成
により、環境温度の変化等に対しても電流／光特性が安
定している。また、このような独特の構成は、比較的簡
単な方法で実際に製造することが可能である。従って、
光通信通信における波長多重システムやファイバ増幅器
の励起に用いる発振波長の安定した光源として好適に利
用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る外部共振器型半導体レーザにおけ
る、ＦＧ形成区間の光ファイバのの屈折率分布を示す図
である。

【図２】種々の半導体レーザにおけるＦＧの特性の相違
を説明するためのグラフである。

【図３】本発明に係る半導体レーザで使用できる光ファ
イバの屈折率分布を形成する方法を模式的に示す図であ
る。

【図４】外部共振器型半導体レーザの基本的な構成を示
す図である。

【図５】外部共振器型半導体レーザのＤＣ駆動における
キャリア濃度の変化を示すグラフである。

【図６】外部共振器型半導体レーザの高速駆動における
チャープの発生を説明するためのグラフである。

【符号の説明】 １・・・半導体光増幅器（ＳＯＡ）、 １ａ・・誘電体多層膜（反射膜）、 １ｂ・・誘電体多層膜（反射防止膜）、 ２、３・・・光ファイバ、 ２ａ、３ａ・・・回折格子（ＦＧ）、 ５ａ・・・回折格子、

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 G02B 6/00 - 6/02 G02B 6/10 G02B 6/16 - 6/22

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体光増幅器と、該半導体光増幅器のｌ
   方の端面と結合する端面近傍に回折格子が形成された光
   ファイバとで構成され、該半導体光増幅器の他方の端面
   を第１の反射器とし、該回折格子を第２の反射器とする
   外部レーザ共振器を備えた外部共振器型半導体レーザで
   あって、 該光ファイバの該回折格子を形成された区間の屈折率
   が、該光ファイバの端面から遠ざかるに従って減少する
   包絡線を描くように分布していることを特徴とする外部
   共振器型半導体レーザ。
2. 【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、前記光ファイバに形成された回折格子
   の両端で、該光ファイバの平均屈折率の差が3.0×10^-5
   以下であることを特徴とする外部共振器型半導体レー
   ザ。