JP3682417B2 - 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier）やラマン増幅器などの励起用光源に適した半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットをはじめとする様々なマルチメディアの普及に伴って、光通信に対する大容量化の要求が大きくなっている。従来、光通信では、光ファイバによる光の吸収が少ない波長である１３１０ｎｍもしくは１５５０ｎｍの帯域において、それぞれ単一の波長による伝送が一般的であった。この方式では、多くの情報を伝達するためには伝送経路に敷設する光ファイバの芯数を増やす必要があり、伝送容量の増加に伴ってコストが増加するという問題点があった。
【０００３】
そこで、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Dense-Wavelength Division Multiplexing）通信方式が用いられるようになった。このＤＷＤＭ通信方式は、主にＥＤＦＡを用い、この動作帯域である１５５０ｎｍ帯において、複数の波長を使用して伝送を行う方式である。このＤＷＤＭ通信方式あるいはＷＤＭ通信方式では、１本の光ファイバを用いて複数の異なる波長の光信号を同時に伝送することから、新たな線路を敷設する必要がなく、ネットワークの伝送容量の飛躍的な増加をもたらすことを可能としている。
【０００４】
このＥＤＦＡを用いた一般的なＷＤＭ通信方式では、利得平坦化の容易な１５５０ｎｍから実用化され、最近では、利得係数が小さいために利用されていなかった１５８０ｎｍ帯にまで拡大している。しかしながら、ＥＤＦＡで増幅可能な帯域に比して光ファイバの低損失帯域の方が広いことから、ＥＤＦＡの帯域外で動作する光増幅器、すなわちラマン増幅器への関心が高まっている。
【０００５】
ラマン増幅器は、エルビウムのような希土類イオンを媒体とした光増幅器がイオンのエネルギー準位によって利得波長帯が決まるのに対し、励起光の波長によって利得波長帯が決まるという特徴を持ち、励起光波長を選択することによって任意の波長帯を増幅することができる。
【０００６】
ラマン増幅では、光ファイバに強い励起光を入射すると、誘導ラマン散乱によって、励起光波長から約１００ｎｍ程度長波長側に利得が現れ、この励起された状態の光ファイバに、この利得を有する波長帯域の信号光を入射すると、この信号光が増幅されるというものである。したがって、ラマン増幅器を用いたＷＤＭ通信方式では、ＥＤＦＡを用いた通信方式に比して、信号光のチャネル数をさらに増加させることができる。
【０００７】
図２７は、ＷＤＭ通信システムに用いられる従来のラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図２７において、ファブリペロー型の半導体発光素子１８０ａ〜１８０ｄとファイバグレーティング１８１ａ〜１８１ｄとがそれぞれ対となった半導体レーザモジュール１８２ａ〜１８２ｄは、励起光のもとになるレーザ光を偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂに出力する。各半導体レーザモジュール１８２ａ，１８２ｂが出力するレーザ光の波長は同じであるが、偏波合成カプラ６１ａによって異なる偏波面をもった光を合成している。同様にして、各半導体レーザモジュール１８２ｃ，１８２ｄが出力するレーザ光の波長は同じであるが、偏波合成カプラ６１ｂによって異なる偏波面をもった光を合成している。偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂは、それぞれ偏波合成したレーザ光をＷＤＭカプラ６２に出力する。なお、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力されるレーザ光の波長は異なる。
【０００８】
ＷＤＭカプラ６２は、アイソレータ６０を介して偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力されたレーザ光を合波し、ＷＤＭカプラ６５を介し、励起光として増幅用ファイバ６４に出力する。この励起光が入力された増幅用ファイバ６４には、増幅対象の信号光が、信号光入力ファイバ６９からアイソレータ６３を介して入力され、励起光と合波してラマン増幅される。
【０００９】
増幅用ファイバ６４内においてラマン増幅された信号光（増幅信号光）は、ＷＤＭカプラ６５およびアイソレータ６６を介してモニタ光分配用カプラ６７に入力される。モニタ光分配用カプラ６７は、増幅信号光の一部を制御回路６８に出力し、残りの増幅信号光を出力レーザ光として信号光出力ファイバ７０に出力する。
【００１０】
制御回路６８は、入力された一部の増幅信号光をもとに各半導体発光素子１８０ａ〜１８０ｄの発光状態、たとえば光強度を制御し、ラマン増幅の利得帯域が平坦な特性となるようにフィードバック制御する。
【００１１】
図２８は、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールの概要構成を示す図である。図２８において、この半導体レーザモジュール２０１は、半導体発光素子２０２と光ファイバ２０３とを有する。半導体発光素子２０２は、活性層２２１を有する。活性層２２１は、一端に光反射面２２２が設けられ、他端に光出射面２２３が設けられる。活性層２２１内で生じた光は、光反射面２２２で反射して、光出射面２２３から出力される。
【００１２】
半導体発光素子２０２の光出射面２２３には、光ファイバ２０３が配置され、光出射面２２３と光結合される。光ファイバ２０３内のコア２３２には、光出射面２２３から所定位置にファイバグレーティング２３３が形成され、ファイバグレーティング２３３は、特性波長の光を選択的に反射する。すなわち、ファイバグレーティング２３３は、外部共振器として機能し、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間で共振器を形成し、ファイバグレーティング２３３によって選択された特定波長のレーザ光が増幅されて出力レーザ光２４１として出力される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した半導体レーザモジュール２０１（１８２ａ〜１８２ｄ）は、ファイバグレーティング２３３と半導体発光素子２０２との間隔が長いため、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間の共振によって相対強度雑音（ＲＩＮ：Relative Intensity Noise）が大きくなる。ラマン増幅では、増幅の生じる過程が早く起こるため、励起光強度が揺らいでいると、ラマン利得も揺らぐことになり、このラマン利得の揺らぎがそのまま増幅された信号強度の揺らぎとして出力されてしまい、安定したラマン増幅を行わせることができないという問題点があった。
【００１４】
ここで、ラマン増幅器としては、図２７に示したラマン増幅器のように信号光に対して後方から励起する後方励起方式のほかに、信号光に対して前方から励起する前方励起方式および双方向から励起する双方向励起方式がある。現在、ラマン増幅器として多用されているのは、後方励起方式である。その理由は、弱い信号光が強い励起光とともに同方向に進行する前方励起方式では、励起光強度が揺らぐという問題があるからである。したがって、前方励起方式にも適用できる安定した励起光源の出現が要望されている。すなわち、従来のファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールを用いると、適用できる励起方式が制限されるという問題点があった。
【００１５】
また、上述した半導体レーザモジュール２０１は、ファイバグレーティング２３３を有した光ファイバ２０３と、半導体発光素子２０２とを光結合する必要があり、組立時の光軸合わせに時間と労力とがかかり、結果的にコストが高くなるとともに、共振器内における機械的な光結合であるために、レーザの発振特性が機械的振動などによって変化してしまうおそれがあり、安定した励起光を提供することができない場合が生じるという問題点があった。
【００１６】
さらに、ラマン増幅器におけるラマン増幅では、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とが一致することを条件としている。すなわち、ラマン増幅では、増幅利得の偏波依存性があり、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とのずれによる影響を小さくする必要がある。ここで、後方励起方式の場合、信号光は、伝搬中に偏波がランダムとなるため、問題は生じないが、前方励起方式の場合、偏波依存性が強く、励起光の直交偏波合成、デボラライズなどによって偏波依存性を小さくする必要がある。すなわち、偏光度（ＤＯＰ：Degree Of Polarization）を小さくする必要がある。
【００１７】
なお、ラマン増幅などでは、ＷＤＭ通信方式に用いられるため、入力される信号光の波長数などに応じて増幅利得特性を変化させる場合があり、このために広いダイナミックレンジをもった高出力動作が要求され、この場合に、駆動範囲の全域にわたり、所望の発振スペクトルが維持されることが要求される。すなわち、駆動電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ）特性の線形性が要求される。
【００１８】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、ラマン増幅器などの励起用光源に適し、低雑音特性と広いダイナミックレンジとを有し、安定かつ高利得増幅を可能とする半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる半導体レーザ装置は、レーザ光の出射端面に設けた第１反射膜と該レーザ光の反射端面に設けた第２反射膜との間に形成された活性層の近傍であって前記第１反射膜側に部分的に設けられた回折格子を有し、前記活性層を挟む前記第１反射膜と前記第２反射膜とによって形成される光共振器の共振器長と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力することを特徴とする。
【００２０】
この請求項１の発明によれば、レーザ光の出射端面に設けた第１反射膜と該レーザ光の反射端面に設けた第２反射膜との間に形成された活性層の近傍であって前記第１反射膜側に回折格子を部分的に設け、前記活性層を挟む前記第１反射膜と前記第２反射膜とによって形成される光共振器の共振器長と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力するようにしている。
【００２１】
また、請求項２にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子の第１反射膜側端面は、該第１反射膜に接合されることを特徴とする。
【００２２】
この請求項２の発明によれば、前記回折格子の第１反射膜側端面は、該第１反射膜に接合するようにしている。
【００２３】
また、請求項３にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、回折格子長が３００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２４】
この請求項３の発明によれば、前記回折格子の回折格子長を３００μｍ以下としている。
【００２５】
また、請求項４にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子の回折格子長は、前記共振器長の（３００／１３００）倍の値以下であることを特徴とする。
【００２６】
この請求項４の発明によれば、前記回折格子の回折格子長を、前記共振器長の（３００／１３００）倍の値以下としている。
【００２７】
また、請求項５にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、該回折格子の結合係数と回折格子長との乗算値が０．３以下であることを特徴とする。
【００２８】
この請求項５の発明によれば、前記回折格子の結合係数と回折格子長との乗算値を０．３以下の小さな値として駆動電流−光出力特性の線形性を良好にしている。
【００２９】
また、請求項６にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたことを特徴とする。
【００３０】
この請求項６の発明によれば、前記回折格子に、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたるようにし、これによって、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしている。
【００３１】
また、請求項７にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、前記グレーティング周期をランダムあるいは所定周期で変化させたグレーティングであることを特徴とする。
【００３２】
この請求項７の発明によれば、前記回折格子を、前記グレーティング周期をランダムあるいは所定周期で変化させたグレーティングとし、これによって、回折格子に周期的揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしている。
【００３３】
また、請求項８にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記共振器長は、８００μｍ以上であることを特徴とする。
【００３４】
この請求項８の発明によれば、前記共振器長を、８００μｍ以上とし、高出力動作を可能としている。
【００３５】
また、請求項９にかかる半導体レーザモジュールは、請求項１〜８に記載の半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導波する光ファイバと、前記半導体レーザ装置と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系とを備えたことを特徴とする。
【００３６】
この請求項９の発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いて該半導体レーザ装置の共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、半導体レーザモジュールの組立が容易になるとともに、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く、かつ安定して出力することができる。
【００３７】
また、請求項１０にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記半導体レーザ装置の温度を制御する温度制御装置と、前記光結合レンズ系内に配置され、光ファイバ側からの反射戻り光の入射を抑制するアイソレータとをさらに備えたことを特徴とする。
【００３８】
この請求項１０の発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いているため、インライン式のファイバ型と異なり、偏波無依存アイソレータを使用することができ、挿入損失の小さい半導体レーザモジュールを実現することができる。
【００３９】
また、請求項１１にかかるラマン増幅器は、請求項１〜８に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項９または１０に記載の半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用いたことを特徴とする。
【００４０】
この請求項１１の発明によれば、請求項１〜８に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項９または１０に記載の半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用い、上述した各半導体レーザ装置あるいは各半導体レーザモジュールの作用効果を奏するようにしている。
【００４１】
また、請求項１２にかかるラマン増幅器は、上記の発明において、前記半導体レーザモジュールを用いて、増幅対象媒体の光ファイバに対して信号光の入射側から励起する前方励起あるいは信号光の出力側から励起する後方励起あるいは信号光の入射側および出力側の双方向から励起する双方向励起のいずれかを行うことを特徴とする。
【００４２】
この請求項１２の発明によれば、安定した励起光を出力する前記半導体レーザモジュールを用いているので、増幅対象媒体の光ファイバに対して信号光の入射側から励起する前方励起あるいは信号光の出力側から励起する後方励起あるいは信号光の入射側および出力側の双方向から励起する双方向励起のいずれかをも行うことができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびラマン増幅器の好適な実施の形態について説明する。
【００４４】
(実施の形態１)
まず、この発明の実施の形態１について説明する。図１は、この発明の実施の形態１である半導体レーザ装置の概要構成を示す斜めからみた破断図である。また、図２は、図１に示した半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。さらに、図３は、図２に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。図１〜図３において、この半導体レーザ装置２０は、ｎ−ＩｎＰ基板１の（１００）面上に、順次、ｎ−ＩｎＰによるバッファ層と下部クラッド層とを兼ねたｎ−ＩｎＰバッファ層２、圧縮歪みをもつＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（Graded Index-Separate Confinement Heterostructure Multi Quantum Well）活性層３、ｐ−ＩｎＰスペーサ層４、およびｐ−ＩｎＰクラッド層６、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層７が積層された構造を有する。
【００４５】
ｐ−ＩｎＰスペーサ層４内には、出射側反射膜１５から１００μｍ延び、膜厚２０ｎｍを有したｐ−ＩｎＧａＡｓＰの回折格子１３が、ピッチ約２２０ｎｍで周期的に形成され、中心波長１．４８μｍのレーザ光を選択するようにしている。この回折格子１３は、出射側反射膜１５に接する配置にすることが望ましいが、必ずしも接する配置にしなくても、回折格子１３の機能を発揮する範囲内、たとえば２０μｍ〜１００μｍ程度の範囲内で出射側反射膜１５から離隔する配置としてもよい。また、半導体レーザ装置２０の製造時における半導体レーザ装置２０の劈開位置のばらつきなどによって、回折格子１３が反射膜１４側に残っていてもよい。
【００４６】
図４は、半導体レーザ装置２０の劈開位置ばらつきによる回折格子１３の配置ばらつきを示す図である。図４に示した劈開は、ウェハなどの半導体基板上においてマトリクス状に形成された複数の半導体レーザ装置から、一連の半導体レーザ装置が隣接したレーザバーを生成する場合である。なお、レーザバーは、一連の半導体レーザ装置の長手方向側面が隣接した半導体レーザ装置群である。このレーザバーの劈開に際し、それぞれ正確な劈開位置Ｃｔによって劈開される場合、半導体レーザ装置２０のように、各半導体レーザ装置の回折格子１３−１〜１３−３は、各半導体レーザ装置の出射側反射膜１５に接することになる。しかし、レーザバーの劈開位置が劈開位置Ｃｔ−１，Ｃｔ―２となった場合、すなわち劈開位置が正確な劈開位置Ｃｔから出射側にシフトした場合、この劈開によって切り出される半導体レーザ装置２１の回折格子１３−１は、その後成膜される出射側反射膜１５との間に距離Δｄ離隔することになる。また、レーザバーの劈開位置が劈開位置Ｃｔ−２，Ｃｔ−３のように正確な劈開位置Ｃｔ間の間隔を広げるような場合、この劈開によって切り出される半導体レーザ装置２２の回折格子１３−２は、その後成膜される出射側反射膜１５との間に距離Δｄ離隔するとともに、反射膜１４側に隣接する半導体レーザ装置の回折格子１３−３の一部の回折格子１３−３ａが残って配置されてしまう。このように回折格子１３−１，１３−２が出射側反射膜１５から離隔する場合あるいは反射膜１４側に回折格子１３−３ａとして残る場合であっても、半導体レーザ装置２０とほぼ同じ機能を発揮することができる。
【００４７】
この回折格子１３を含むｐ−ＩｎＰスペーサ層４、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３、およびｎ−ＩｎＰバッファ層２の上部は、メサストライプ状に加工され、メサストライプの両側は、電流ブロッキング層として形成されたｐ−ＩｎＰブロッキング層８とｎ−ＩｎＰブロッキング層９によって埋め込まれている。また、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層７の上面には、ｐ側電極１０が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面には、ｎ側電極１１が形成される。
【００４８】
半導体レーザ装置２０の長手方向の一端面である光反射端面には、反射率８０％以上の高光反射率をもつ反射膜１４が形成され、他端面である光出射端面には、反射率が２％以下、好ましくは１％以下の低光反射率をもつ出射側反射膜１５が形成される。反射膜１４と出射側反射膜１５とによって形成された光共振器のＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３内に発生した光は、反射膜１４によって反射し、出射側反射膜１５を介し、レーザ光として出射される。
【００４９】
この実施の形態１における半導体レーザ装置２０は、ラマン増幅器の励起用光源として用いられることを前提とし、その発振波長λ0は、１１００ｎｍ〜１５５０ｎｍであり、共振器長Ｌは、８００μｍ以上３２００μｍ以下としている。ところで、一般に、半導体レーザ装置の共振器によって発生する縦モードのモード間隔Δλは、等価屈折率を「ｎ」とすると、次式で表すことができる。すなわち、
Δλ＝λ0 2／（２・ｎ・Ｌ）
である。ここで、発振波長λ0を１４８０μｍとし、実効屈折率を３．５とすると、共振器長Ｌが８００μｍのとき、縦モードのモード間隔Δλは、約０．３９ｎｍとなり、共振器長が３２００μｍのとき、縦モードのモード間隔Δλは、約０．１ｎｍとなる。すなわち、共振器長Ｌを長くすればするほど、縦モードのモード間隔Δλは狭くなり、単一縦モードのレーザ光を発振するための選択条件が厳しくなる。
【００５０】
一方、回折格子１３は、そのブラッグ波長によって縦モードを選択する。この回折格子１３による選択波長特性は、図５に示す発振波長スペクトル３０として表される。
【００５１】
図５に示すように、この実施の形態１では、回折格子１３を有した半導体レーザ装置２０による発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈで示される波長選択特性内に、発振縦モードを複数存在させるようにしている。従来のＤＦＢ半導体レーザ装置では、共振器長Ｌを８００μｍ以上とすると、単一縦モード発振が困難であったため、かかる共振器長Ｌを有した半導体レーザ装置は用いられなかった。しかしながら、この実施の形態１の半導体レーザ装置２０では、共振器長Ｌを積極的に８００μｍ以上とすることによって、発振波長スペクトルの半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードを含ませてレーザ出力するようにしている。図５では、発振波長スペクトルの半値幅Δλｈ内に３つの発振縦モード３１〜３３を有している。
【００５２】
複数の発振縦モードを有するレーザ光を用いると、単一縦モードのレーザ光を用いた場合に比して、レーザ出力のピーク値を抑えて、高いレーザ出力値を得ることができる。たとえば、この実施の形態１に示した半導体レーザ装置では、図６（ｂ）に示すプロファイルを有し、低いピーク値で高レーザ出力を得ることができる。これに対し、図６（ａ）は、同じレーザ出力を得る場合の単一縦モード発振の半導体レーザ装置のプロファイルであり、高いピーク値を有している。
【００５３】
ここで、半導体レーザ装置をラマン増幅器の励起用光源として用いる場合、ラマン利得を大きくするために励起光出力パワーを増大することが好ましいが、そのピーク値が高いと、誘導ブリルアン散乱が発生し、雑音が増加するという不具合が発生する。誘導ブリルアン散乱の発生は、誘導ブリルアン散乱が発生する閾値Ｐthを有し、同じレーザ出力パワーを得る場合、図６（ｂ）に示すように、複数の発振縦モードを持たせ、そのピーク値を抑えることによって、誘導ブリルアン散乱の閾値Ｐth内で、高い励起光出力パワーを得ることができ、その結果、高いラマン利得を得ることが可能となる。
【００５４】
また、発振縦モード３１〜３３の波長間隔（モード間隔）Δλは、０．１ｎｍ以上としている。これは、半導体レーザ装置２０をラマン増幅器の励起用光源として用いる場合、モード間隔Δλが０．１ｎｍ以下であると、誘導ブリルアン散乱が発生する可能性が高くなるからである。この結果、上述したモード間隔Δλの式によって、上述した共振器長Ｌが３２００μｍ以下であることが好ましいことになる。
【００５５】
一方、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内に含まれる発振縦モードの本数は、３本以上であることが好ましい。これは、半導体レーザ装置２０をラマン増幅器の励起用光源として用いる場合、ラマン増幅が、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とを一致させた状態で生じるという偏波依存性を有しているため、半導体レーザ装置２０から出力された励起光を偏波面保持ファイバを用いて偏波合成し、偏光がない励起光とする必要があるが、一般に、発振縦モードの本数が増大するに従って、必要な偏波面保持ファイバの長さを短くすることができる。特に、発振縦モードが４，５本となると、急激に、必要な偏波面保持ファイバの長さが短くなる。したがって、発振縦モードの本数を３本以上、特に４本以上とすることによって、ラマン増幅器に用いる偏波面保持ファイバの長さを短くすることができ、ラマン増幅器を簡素化し、小型化を促進する。さらに、発振縦モードの本数が増大すると、コヒーレント長が短くなり、デボラライズによって偏光度（ＤＯＰ：Degree Of Polarization）が小さくなり、偏波依存性をなくすことが可能となり、これによっても、ラマン増幅器の簡素化と小型化とを促進することができる。
【００５６】
ここで、発振波長スペクトル幅が広すぎると、波長合成カプラによる合波ロスが大きくなるとともに、発振波長スペクトル幅内における波長の動きによって、雑音や利得変動を発生させることになる。このため、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈは、３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下とする必要がある。
【００５７】
さらに、従来の半導体レーザ装置では、図２８に示したように、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールとしていたため、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間の共振によって相対強度雑音（ＲＩＮ）が大きくなり、安定したラマン増幅を行うことができないが、この実施の形態１に示した半導体レーザ装置２０では、ファイバグレーティング２３３を用いず、出射側反射膜１５から出射したレーザ光をそのまま、ラマン増幅器の励起用光源として用いているため、相対強度雑音が小さくなり、その結果、ラマン利得の揺らぎが小さくなり、安定したラマン増幅を行わせることができる。
【００５８】
また、図２８に示した半導体レーザモジュールでは、ファイバグレーティング２３３を有する光ファイバ２０３と半導体発光素子２０２とを光結合させる必要があるため、半導体レーザ装置の組立時における光軸合わせが必要となり、そのための時間と労力とがかかるが、この実施の形態１の半導体レーザ装置では、共振器ではなく、光出力のための光軸合わせであるため、その組立が容易となる。また、図２８に示した半導体レーザモジュールでは、共振器内に機械的な結合を必要とするため、振動などによってレーザの発振特性が変化する場合が発生するが、この実施の形態１の半導体レーザ装置では、機械的な振動などによるレーザの発振特性の変化がなく、安定した光出力を得ることができる。
【００５９】
たとえば、図７は、複数の発振縦モードが出力されたスペクトル図であり、図７では、安定した３本の発振縦モードをもつレーザ光を出力している。なお、図７に示したスペクトルは、回折格子長Ｌg＝１００μｍ、共振器長Ｌ＝１３００μｍ、回折格子の結合係数κiと共振器長Ｌとの積κi・Ｌg＝０．１１、出射側反射膜１５の反射率が０．１％、反射膜１４の反射率が９７％、駆動電流Ｉoｐ＝７００ｍＡのときに、１４８０ｎｍ近傍において３本の発振縦モード出力で２１０ｍＷの光出力を得、半値幅Δλhは、０．５〜０．６ｎｍとなっている。この場合におけるファーフィールドパターン（ＦＦＰ：Far Field Pattern）の半値幅（ＦＷＨＭ：Full Width Half Maximum）は、水平方向の半値幅が１６〜１８度であり、垂直方向の半値幅が２１〜２４度となる。
【００６０】
ここで、この実施の形態１における回折格子１３の構成について詳述する。上述したように、発振縦モード数は複数であることがラマン増幅器の励起用光源として適切である。そこで、回折格子１３の長さが発振縦モード数に与える影響について考察した。図８は、共振器長Ｌが１３００μｍのときにおける回折格子長Ｌgに対する発振縦モード数の関係を示す図である。図８では、回折格子長Ｌgが４００μｍのときに、１本の発振縦モード数で発振（単一縦モード発振）を行っており、回折格子長Ｌgが２００μｍのときに、１〜３本の発振縦モード数で発振し、回折格子長Ｌgが３００μｍのときに、２〜４本の発振縦モード数で発振している。したがって、回折格子長Ｌgが１００μｍのときに、確実に２本以上の発振縦モードで発振しているが、傾向として回折格子長Ｌgが２００μｍ以下で２本以上の発振縦モード数となることを示している。
【００６１】
この場合、図８では、回折格子１３の結合係数κiの値を、１１ｃｍ-1と２０ｃｍ-1とのときに求めているが、回折格子長Ｌgに対する発振縦モード数は、結合係数κiには無関係であり、ともに一致した特性を示している。したがって、共振器長Ｌが１３００μｍのとき、回折格子長Ｌgを３００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以下とすることによって、複数本の発振縦モードを得ることができる。
【００６２】
ところで、共振器長Ｌの長短に比例して発振縦モード間隔も変化するため、回折格子長Ｌgは、共振器長Ｌに比例した値となる。すなわち、回折格子長Ｌg：共振器長Ｌ＝３００：１３００の関係を維持するため、回折格子長Ｌgが３００μｍ以下で複数の発振縦モードが得られる関係は、
Ｌg×（１３００（μｍ）／Ｌ）≦３００（μｍ）
として拡張することができる。
【００６３】
さらに、この実施の形態１では、結合係数κiと回折格子長Ｌgとの関係について考察した。まず、図９は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３と回折格子１３との配置関係を示しており、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３は、ＭＱＷ層３ｂがＧＲＩＮ−ＳＣＨ層３ａ，３ｃに挟まれた構造となっている。図８において、回折格子１３の回折格子長は「Ｌg」（μｍ）であり、回折格子の厚さは「ｔgr」（ｎｍ）であり、回折格子１３とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層３ａとの間の厚さは「ｄsp」（ｎｍ）であり、回折格子１３の結合係数は「κi」（ｃｍ-1）であり、回折格子組成波長は「λgr」（μｍ）である。なお、回折格子組成波長λgrは、ｎ−ＩｎＰ基板１にほぼ格子整合するために、回折格子１３を組成する材料のバンドギャップエネルギーに対応した波長である。
【００６４】
ここで、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp、回折格子の厚さｔgr、回折格子組成波長λgr、結合係数κiを変化させた組み合わせに対して、回折格子長Ｌgを３０μｍ、６０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、４００μｍと変化させた場合における電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を調べてみた。すなわち、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp＝２００ｎｍ、回折格子の厚さｔgr＝２０ｎｍ、回折格子組成波長λgr＝１．１μｍ、結合係数κi＝１１ｃｍ-1のときに、回折格子長Ｌgrを３０μｍ、６０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、４００μｍと変化させた場合と、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp＝２００ｎｍ、回折格子の厚さｔgr＝２０ｎｍ、回折格子組成波長λgr＝１．２５μｍ、結合係数κi＝２０ｃｍ-1のときに、回折格子長Ｌgrを３０μｍ、６０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、４００μｍと変化させた場合と、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp＝１００ｎｍ、回折格子の厚さｔgr＝２５ｎｍ、回折格子組成波長λgr＝１．３５μｍ、結合係数κi＝４４ｃｍ-1のときに、回折格子長Ｌgrを１００μｍ、２００μｍ、４００μｍと変化させた場合とについて考察した。なお、共振器長Ｌは、１３００μｍである。
【００６５】
図１０は、この場合におけるＩ−Ｌ（駆動電流Ｉoｐに対する光出力Ｐo）特性の判定結果を示す図である。結果として、結合係数κi＝１１ｃｍ-1のときにおいて回折格子長Ｌgが６０μｍおよび１００μｍのときに、良好なＩ−Ｌ特性を示し、結合係数κi＝２０ｃｍ-1のときにおいて回折格子長Ｌgが３０μｍおよび６０μｍのときに良好なＩ−Ｌ特性を示し、その他の場合においては、良好なＩ−Ｌ特性は得られなかった。なお、結合係数κi＝１１ｃｍ-1のときにおいて回折格子長Ｌgが２００μｍのときと、結合係数κi＝２０ｃｍ-1のときにおいて回折格子長Ｌgが１００μｍのときには、やや良好なＩ−Ｌ特性が得られた。
【００６６】
ここで、良好なＩ−Ｌ特性が得られないときは、キンクが多いことと高出力動作ができないことである。たとえば、図１１は、結合係数κiが２０ｃｍ-1であって回折格子長Ｌgが３０μｍのときのＩ−Ｌ特性であり、Ｉ−Ｌ特性が良好な場合を示し、図１２は、結合係数κiが２０ｃｍ-1であって回折格子長Ｌgが１００μｍのときのＩ−Ｌ特性であり、Ｉ−Ｌ特性がやや良好な場合を示し、図１３は、結合係数κiが１１ｃｍ-1であって回折格子長Ｌgが４００μｍのときのＩ−Ｌ特性であり、Ｉ−Ｌ特性が不良な場合を示している。なお、図１１〜図１３では、各Ｉ−Ｌ特性の変化をわかりやすくするため、Ｉ−Ｌ曲線ＬＰ１〜ＬＰ３の１次微分である微分曲線ＳＥ１〜ＳＥ３も併せて示している。
【００６７】
図１１に示した良好はＩ−Ｌ特性は、数十ｍＡから１５００ｍＡ程度まで、大きなキンクが発生しておらず、駆動電流Ｉopが１２００ｍＡ近傍で約４００ｍＷの高出力かつ高効率動作を可能としている。これに対し、図１２に示したやや良好でないＩ−Ｌ特性は、駆動電流Ｉopが９００ｍＡおよび１２００ｍＡ近傍でキンクＫ１，Ｋ２を発生し、不安定な発振動作を示している。さらに、図１３に示した不良なＩ−Ｌ特性は、駆動電流が９００ｍＡ近傍で大きなキンクＫ３を発生し、非常に不安定な発振動作を示している。
【００６８】
ここで注目すべきことは、結合係数κiが、回折格子１３の屈折率変化と回折格子層での光閉じ込め係数Γgとの関数で表され、さらに光閉じ込め係数Γgは、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp、回折格子の厚さｔgr、回折格子組成波長λgrなどをパラメータとする関数で表され、結果的に、結合係数κiは、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp、回折格子の厚さｔgr、回折格子組成波長λgrなどをパラメータとする関数で表されることである。すなわち、結合係数κiは、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp、回折格子の厚さｔgr、回折格子組成波長λgrなどによって依存する値であり、逆に、これらを代表する値であるとも言える。
【００６９】
そこで、図９に示した結果を考察すると、結合係数κiと回折格子長Ｌgとの積である無次元の「κi・Ｌg」によってＩ−Ｌ特性を評価できることになる。図１０では、積κi・Ｌgが「０．０６」と「０．１」と「０．１２」のときにＩ−Ｌ特性が良好であり、積κi・Ｌgが「０．２」のときに、やや良好でないＩ−Ｌ特性が得られ、積κi・Ｌgが「０．４」以上のときに、不良なＩ−Ｌ特性が得られている。この結果から、積κi・Ｌgが「０．３」程度以下のときに良好なＩ−Ｌ特性が得られ、特に積κi・Ｌgが「０．１」のときに最適なＩ−Ｌ特性が得られ、低雑音特性と広いダイナミックレンジが得られる。ここで、積κi・Ｌgが「０．２」のときに、やや良好でないＩ−Ｌ特性であり、キンクの発生によって発振波長がシフトするなどによって波長安定性が阻害されるが、このような波長不安定性は、たとえば温度制御などを行って波長安定制御を行うことによって解消される。このような波長安定制御を行うことによって、Ｉ−Ｌ曲線ＬＰ２から、キンクＫ１，Ｋ２がなくなり、良好なＩ−Ｌ特性を示すことになる。なお、積κi・Ｌgが「０．０３」と非常に小さい場合には、波長の引き込みが十分に行えず、波長選択性が劣化するため、実用に耐えない。
【００７０】
図１４は、良好なＩ−Ｌ特性を示した半導体レーザ装置の積κi・Ｌgに対する光出力の関係を示し、各プロットは、駆動電流Ｉopを６００ｍＡ与えたときの積κi・Ｌgに対する光出力の関係を示している。ここで、積κi・Ｌgが「０．１」のときに光出力が最大値「２６０」ｍＷを示し、つぎに、大きな値を示すのは積κi・Ｌgが「０．０６」のときであり、このときの光出力は「２４３」ｍＷである。また、積κi・Ｌgが「０．１」以上になると、積κi・Ｌgが大きくなるに従って、順次光出力が低下する傾向がある。したがって、積κi・Ｌgが「０．１」のときが最適であるといえ、安定し、かつ高効率動作が実現される。
【００７１】
逆に、このことから、積κi・Ｌgの値が一定値を満足するのであれば、結合係数κiと回折格子長Ｌgとを任意に設定することができる。また、上述したように、結合係数κiは、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp、回折格子の厚さｔgr、回折格子組成波長λgrなどによって依存する値であるため、これらの値も任意に設定することができる。たとえば、図１５に示すように、これらの各パラメータを適切に設定した回折格子１３を構成することができる。この場合、積κi・Ｌgの値は、最適な「０．１」あるいは準最適な「０．０５」となるように設定している。
【００７２】
たとえば、結合係数κiを「２４．４」（ｃｍ-1）、回折格子長Ｌgを「４０」（μｍ）とし、積κi・Ｌgを「０．０９７６≒０．１０」に設定すると良好なＩ−Ｌ特性が得られる。この場合、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄspを「５０」（ｎｍ）、回折格子の厚さｔgrを「３０」（ｎｍ）、回折格子組成波長λgrを「１．１」（μｍ）としている。
【００７３】
この実施の形態１によれば、回折格子１３をＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍であって、出射側反射膜１５側に設け、発振波長が１１００〜１５５０μｍの場合であって、共振器長Ｌが１３００μｍの場合、回折格子長Ｌgを３００μｍ以下とすることによって、発振波長スペクトル内に複数本の発振縦モードを得ることができるので、ラマン増幅器用の励起用光源として用いた場合に、誘導ブリルアン散乱を発生せずに、安定かつ高いラマン利得を得ることができる。
【００７４】
特に、結合係数κiと回折格子長Ｌgとの積κi・Ｌgの値を０．３以下、好ましくは０．２以下、さらに好ましくは０．１以下とすることによって、大きなキンクが少なく、広いダイナミックレンジをもつＩ−Ｌ特性を得ることができ、高効率かつ高出力動作の半導体レーザ装置を実現できる。
【００７５】
また、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールのように、ファイバグレーティングをもつ光ファイバと半導体発光素子との光結合を共振器内において行わないので、組立が容易となり、機械的振動などによる不安定出力を回避することができる。
【００７６】
なお、活性層に沿って、回折格子が形成されている半導体レーザ装置に限らず、活性層に隣接する光導波路を有する半導体レーザ装置においても、同様に適用することができるのは明らかである。
【００７７】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、回折格子１３が中心波長に対して揺らぎを持つ波長選択性によって、複数本の発振縦モードを出力するようにしていたが、この実施の形態２では、回折格子１３に対して積極的に揺らぎをもたせ、発振縦モードの数を増やすことができる半導体レーザ装置を得るようにしている。
【００７８】
図１６は、この発明の実施の形態２である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。また、図１７は、異なる周期Λ1，Λ2の回折格子を有する半導体レーザ装置の発振波長スペクトルを示す図である。図１７において、回折格子１３ａは、波長λ１の発振波長スペクトルを形成し、この発振波長スペクトル内に３本の発振縦モードを選択する。一方、回折格子１３ｂは、波長λ２の発振波長スペクトルを形成し、この発振波長スペクトル内に３本の発振縦モードを選択する。したがって、回折格子１３ａ，１３ｂによる複合発振波長スペクトル４０は、個々の発振波長スペクトルの半値幅Δλｈよりも広がった半値幅Δλｈ’を有し、この複合発振波長スペクトル４０内に４〜５本の発振縦モードが含まれることになる。この結果、単一の発振波長スペクトルを形成するときに比べ、一層多くの発振縦モードを容易に選択出力することができ、光出力の増大をもたらすことができる。
【００７９】
具体的には、図１６に示した半導体レーザ装置によって実現される。図１６において、この半導体レーザ装置では、実施の形態１に示した回折格子１３に代わって、２つの回折格子１３ａ，１３ｂが設けられる。なお、共振器長Ｌは、１３００μｍである。その他の構成は、実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。回折格子１３ａは、活性層３に沿って長さ５０μｍであって波長λ１の波長選択性を有し、回折格子１３ｂは、活性層３に沿って長さ５０μｍであって波長λ２の波長選択性を有する。回折格子１３ａは、出射側反射膜１５近傍に設けられ、回折格子１３ｂは、回折格子１３ａの反射膜１４側端面と距離１μｍをおいて反射膜１４側に設けられる。波長λ１を選択する回折格子１３ａの周期Λ1と、波長λ２を選択する回折格子１３ｂの周期Λ2との関係は、
Λ1＝Λ2＋０．２（ｎｍ）
であり、周期Λ1，Λ2は、１４８０ｎｍ近傍の値である。なお、回折格子１３ａの出射側反射膜１５側端面と出射側反射膜１５との間は、接することが望ましいが、必ずしも接する配置にしなくても、回折格子１３ａ，１３ｂの機能を発揮する範囲内、たとえば２０μｍ〜１００μｍ程度の範囲内で出射側反射膜１５から離隔する配置としてもよい。また、半導体レーザ装置２０の製造時における半導体レーザ装置２０の劈開位置のばらつきなどによって、回折格子１３ｂの一部が反射膜１４側に残っていてもよい。
【００８０】
また、図１８は、図１６に示した回折格子１３ａ，１３ｂを設けた場合におけるＩ−Ｌ特性の結果を示す図である。なお、ここでは、各回折格子１３ａ，１３ｂの長さが５０μｍであるため、回折格子長Ｌgが１００μｍの場合と比較している。図１８において、結合係数κiと回折格子長Ｌgとの積κi・Ｌgが「０．２」のとき、Ｉ−Ｌ特性はやや良好であったが、この回折格子１３ａ，１３ｂを用いると、Ｉ−Ｌ特性が良好になり、キンクの発生がなく、安定した発振動作と高効率動作とを確実にすることができる。なお、この場合における発振縦モード本数は、４本であった。
【００８１】
なお、回折格子に大きな揺らぎを与える態様には次のようなものがある。図１９は、この発明の実施の形態２である半導体レーザ装置の応用例の構成を示す縦断面図である。図１９において、回折格子４７は、活性層３に沿って、出射側反射膜１５側に設けられ、そのグレーティング周期を周期的に変化させたチャープドグレーティングであり、この回折格子４７の波長選択性に揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅Δλhを広げ、半値幅Δλh内の発振縦モードの本数を増大するようにしている。その他の構成は、実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。
【００８２】
図２０は、回折格子４７のグレーティング周期の周期的変化を示す図である。図２０に示すように、回折格子４７は、平均周期が２２０ｎｍであり、±０．０２ｎｍの周期揺らぎ（偏差）を周期Ｃで繰り返す構造を有している。この±０．０２の周期揺らぎによって、発振波長スペクトルの半値幅Δλh内に３〜６本程度の発振縦モードをもたせることができる。
【００８３】
なお、回折格子４７の構成としては、一定の周期Ｃでグレーティング周期を変化させるチャープドグレーティングに限らず、グレーティング周期を、周期Λ1（２２０ｎｍ＋０．０２ｎｍ）と周期Λ2（２２０ｎｍ−０．０２ｎｍ）との間でランダムに変化させるようにしてもよい。
【００８４】
さらに、図２１（ａ）に示すように、周期Λ1と周期Λ2とを一回ずつ交互に繰り返す回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。また、図２１（ｂ）に示すように、周期Λ1と周期Λ2とをそれぞれ複数回、交互に繰り返す回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。さらに、図２１（ｃ）に示すように、連続する複数回の周期Λ1と連続する複数回の周期Λ2とをもつ回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。また、周期Λ1と周期Λ2との間の離散的な異なる値をもつ周期を補完して配置するようにしてもよい。
【００８５】
この実施の形態２では、実施の形態１と同様に、適切な回折格子長Ｌgと、積κi・Ｌgとを持たせることによって良好なＩ−Ｌ特性をもたせるとともに、回折格子４７に大きな揺らぎを設け、複合発振波長スペクトルの半値幅Δλhを広げ、さらに多くの発振縦モードを持たせるようにし、高出力かつ安定した半導体レーザ装置を実現している。
【００８６】
（実施の形態３）
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。この実施の形態３では、上述した実施の形態１，２で示した半導体レーザ装置をモジュール化したものである。
【００８７】
図２２は、この発明の実施の形態３である半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。図２２において、この半導体レーザモジュール５０は、上述した実施の形態１，２で示した半導体レーザ装置に対応する半導体レーザ装置５１を有する。半導体レーザモジュール５０の筐体として、セラミックなどによって形成されたパッケージ５９の内部底面上に、温度制御装置としてのペルチェ素子５８が配置される。ペルチェ素子５８上にはベース５７が配置され、このベース５７上にはヒートシンク５７ａが配置される。ペルチェ素子５８には、図示しない電流が与えられ、その極性によって冷却および加熱を行うが、半導体レーザ装置５１の温度上昇による発振波長ずれを防止するため、主として冷却器として機能する。すなわち、ペルチェ素子５８は、レーザ光が所望の波長に比して長い波長である場合には、冷却して低い温度に制御し、レーザ光が所望の波長に比して短い波長である場合には、加熱して高い温度に制御する。この温度制御は、具体的に、ヒートシンク５７ａ上であって、半導体レーザ装置５１の近傍に配置されたサーミスタ５８ａの検出値をもとに制御され、図示しない制御装置は、通常、ヒートシンク５７ａの温度が一定に保たれるようにペルチェ素子５８を制御する。また、図示しない制御装置は、半導体レーザ装置５１の駆動電流を上昇させるに従って、ヒートシンク５７ａの温度が下がるようにペルチェ素子５８を制御する。このような温度制御を行うことによって、半導体レーザ装置５１の波長安定性を向上させることができ、歩留まりの向上にも有効となる。なお、ヒートシンク５７ａは、たとえばダイヤモンドなどの高熱伝導率をもつ材質によって形成することが望ましい。これは、ヒートシンク５７ａがダイヤモンドで形成されると、高電流印加時の発熱が抑制されるからである。
【００８８】
ベース５７上には、半導体レーザ装置５１およびサーミスタ５８ａを配置したヒートシンク５７ａ、第１レンズ５２、および電流モニタ５６が配置される。半導体レーザ装置５１から出射されたレーザ光は、第１レンズ５２、アイソレータ５３、および第２レンズ５４を介し、光ファイバ５５上に導波される。第２レンズ５４は、レーザ光の光軸上であって、パッケージ５９上に設けられ、外部接続される光ファイバ５５に光結合される。なお、電流モニタ５６は、半導体レーザ装置５１の反射膜側から漏れた光をモニタ検出する。
【００８９】
ここで、この半導体レーザモジュール５０では、他の光学部品などによる反射戻り光が共振器内に戻らないように、半導体レーザ装置５１と光ファイバ５５との間にアイソレータ５３を介在させている。このアイソレータ５３には、ファイバグレーティングを用いた従来の半導体レーザモジュールと異なり、インライン式のファイバ型でなく、半導体レーザモジュール５０内に内蔵できる偏波無依存型のアイソレータを用いることができるため、アイソレータによる挿入損失を小さく、さらに低い相対強度雑音（ＲＩＮ）を達成することができ、部品点数も減らすことができる。
【００９０】
この実施の形態３では、実施の形態１，２で示した半導体レーザ装置をモジュール化しているため、偏波無依存型のアイソレータを用いることができ、挿入損失を小さくすることができ、低雑音化および部品点数の減少を促進することができる。
【００９１】
（実施の形態４）
つぎに、この発明の実施の形態４について説明する。この実施の形態４では、上述した実施の形態３に示した半導体レーザモジュールをラマン増幅器に適用したものである。
【００９２】
図２３は、この発明の実施の形態４であるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。このラマン増幅器は、ＷＤＭ通信システムに用いられる。図２３において、このラマン増幅器は、上述した実施の形態３に示した半導体レーザモジュールと同一構成の半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄを用い、図２７に示した半導体レーザモジュール１８２ａ〜１８２ｄを、上述した半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄに置き換えた構成となっている。
【００９３】
各半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂは、偏波面保持ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ａに出力し、各半導体レーザモジュール６０ｃ，６０ｄは、偏波面保持ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ｂに出力する。ここで、半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂが発振するレーザ光は、同一波長である、また、半導体レーザモジュール６０ｃ，６０ｄが発振するレーザ光は、同一波長であるが半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂが発振するレーザ光の波長とは異なる。これは、ラマン増幅が偏波依存性を有するためであり、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂによって偏波依存性が解消されたレーザ光として出力するようにしている。
【００９４】
各偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力された異なる波長をもったレーザ光は、ＷＤＭカプラ６２によって合成され、合成されたレーザ光は、ＷＤＭカプラ６５を介してラマン増幅用の励起光として増幅用ファイバ６４に出力される。この励起光が入力された増幅用ファイバ６４には、増幅対象の信号光が入力され、ラマン増幅される。
【００９５】
増幅用ファイバ６４内においてラマン増幅された信号光（増幅信号光）は、ＷＤＭカプラ６５およびアイソレータ６６を介してモニタ光分配用カプラ６７に入力される。モニタ光分配用カプラ６７は、増幅信号光の一部を制御回路６８に出力し、残りの増幅信号光を出力レーザ光として信号光出力ファイバ７０に出力する。
【００９６】
制御回路６８は、入力された一部の増幅信号光をもとに各半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄのレーザ出力状態、たとえば光強度を制御し、ラマン増幅の利得帯域が平坦な特性となるようにフィードバック制御する。
【００９７】
この実施の形態３に示したラマン増幅器では、たとえば図２７に示した半導体発光素子１８０ａとファイバグレーティング１８１ａとが偏波面保持ファイバ７１ａで結合された半導体レーザモジュール１８２ａを用いず、実施の形態１，２で示した半導体レーザ装置が内蔵された半導体レーザモジュール６０ａを用いるようにしているので、偏波面保持ファイバ７１ａの使用を削減することができる。なお、上述したように、各半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄは、複数の発振縦モードを有しているため、偏波面保持ファイバ長を短くすることができる。この結果、ラマン増幅器の小型軽量化とコスト低減を実現することができる。
【００９８】
なお、図２３に示したラマン増幅器では、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂを用いているが、図２４に示すように半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃから、それぞれ偏波面保持ファイバ７１を介して直接ＷＤＭカプラ６２に光出力するようにしてもよい。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃの偏波面は、偏波面保持ファイバ７１に対して４５度となるように入射する。これによって、偏波面保持ファイバ７１から出力される光出力の偏波依存性がなくすことができ、一層、小型かつ部品点数の少ないラマン増幅器を実現することができる。
【００９９】
また、半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄ内に内蔵される半導体レーザ装置として実施の形態２に示した半導体レーザ装置を用いると、発振縦モード数が多いため、必要な偏波面保持ファイバ７１の長さを短くすることができる。特に、発振縦モードが４，５本になると、急激に、必要な偏波面保持ファイバ７１の長さが短くなるため、ラマン増幅器の簡素化と小型化を促進することができる。さらに、発振縦モードの本数が増大すると、コヒーレント長が短くなり、デポラライズによって偏光度（ＤＯＰ：Degree Of Polarization）が小さくなり、偏波依存性をなくすことが可能となり、これによっても、ラマン増幅器の簡素化と小型化とを一層促進することができる。
【０１００】
また、上述した実施の形態１，２が有する作用効果をラマン増幅器に与えることができる。たとえば、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールに比して相対強度雑音（ＲＩＮ）を低減することができるので、ラマン利得の揺らぎを抑えることができ、安定したラマン増幅を行うことができる。たとえば、図２５は、半導体レーザ装置に対する駆動電流Ｉopが３００ｍＡ以上のときに、周波数０．１〜１５ＧＨｚの信号光を増幅した場合の相対強度雑音を示す雑音スペクトル図である。図２５に示すように、相対強度雑音は、−１５０ｄＢ／Ｈｚ以下であり、低雑音化が促進されたラマン増幅器を実現している。
【０１０１】
さらに、このラマン増幅器では、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールに比して光軸合わせが容易であり、組立性が向上し、共振器内に機械的な光結合がないため、この点からも、ラマン増幅の安定性、信頼性を高めることができる。
【０１０２】
さらに、上述した実施の形態１，２の半導体レーザ装置では、複数の発振モードを有しているため、誘導ブリルアン散乱を発生させずに、高出力の励起光を発生することができるので、安定し、かつ高いラマン利得を得ることができる。
【０１０３】
また、図２３および図２４に示したラマン増幅器は、後方励起方式であるが、上述したように、半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄが安定した励起光を出力するため、前方励起方式であっても、双方向励起方式であっても、安定したラマン増幅を行うことができる。
【０１０４】
この図２３あるいは図２４に示したラマン増幅器は、上述したようにＷＤＭ通信システムに適用することができる。図２６は、図２３あるいは図２４に示したラマン増幅器を適用したＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【０１０５】
図２６において、複数の送信機Ｔｘ１〜Ｔｘｎから送出された波長λ1〜λnの光信号は、光合波器８０によって合波され、１つの光ファイバ８５に集約される。この光ファイバ８５の伝送路上には、図２３あるいは図２４に示したラマン増幅器に対応した複数のラマン増幅器８１，８３が距離に応じて配置され、減衰した光信号を増幅する。この光ファイバ８５上を伝送した信号は、光分波器８４によって、複数の波長λ１〜λｎの光信号に分波され、複数の受信機Ｒｘ１〜Ｒｘｎに受信される。なお、光ファイバ８５上には、任意の波長の光信号を付加し、取り出したりするＡＤＭ（Add/Drop Multiplexer）が挿入される場合もある。
【０１０６】
なお、上述した実施の形態４では、実施の形態１，２に示した半導体レーザ装置あるいは実施の形態３に示した半導体レーザモジュールを、ラマン増幅用の励起光源に用いる場合を示したが、これに限らず、たとえば、９８０ｎｍ，１４８０ｎｍなどのＥＤＦＡ励起用光源として用いることができるのは明らかである。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、レーザ光の出射端面に設けた第１反射膜と該レーザ光の反射端面に設けた第２反射膜との間に形成された活性層の近傍であって前記第１反射膜側に回折格子を部分的に設け、前記活性層を挟む前記第１反射膜と前記第２反射膜とによって形成される光共振器の共振器長と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力するようにしているので、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザ装置に比して、共振器内に雑音が入り込む余地がないため、相対強度雑音が、周波数０．１〜１０ＧＨｚにおいて−１５０ｄＢ／Ｈｚ程度まで低減され、ラマン増幅器に用いた場合に安定したラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１０８】
また、共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、組立が容易になるとともに、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く出力することができ、ラマン増幅器に用いた場合に安定かつ信頼性の高いラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１０９】
さらに、複数の発振縦モードの存在によって光出力ピーク値を抑えて、光出力パワーを増大させることができ、ラマン増幅器に用いた場合に、誘導ブリルアン散乱を抑えつつ、高いラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１１０】
また、複数の発振縦モードの存在によって、偏光度が小さくなり、偏波面保存ファイバ長を短くすることができ、小型軽量化を促進できるとともに、コストを低減することができるという効果を奏する。
【０１１１】
また、請求項２の発明によれば、前記回折格子の第１反射膜側端面は、該第１反射膜に接合するようにしているので、レーザ光出射時の波長選択を確実かつ効率的に行うことができるという効果を奏する。
【０１１２】
また、請求項３の発明によれば、前記回折格子の回折格子長を３００μｍ以下としているので、複数の発振縦モードを容易に生成でき、かつ光出力の効率を向上させることができるという効果を奏する。
【０１１３】
また、請求項４の発明によれば、前記回折格子の回折格子長を、前記共振器長の（３００／１３００）倍の値以下としているので、任意の共振器長に対しても、複数の発振縦モードを容易に生成でき、かつ高出力の光出力効率を向上させることができるという効果を奏する。
【０１１４】
また、請求項５の発明によれば、前記回折格子の結合係数と回折格子長との乗算値を０．３以下の小さな値として駆動電流−光出力特性の線形性を良好にしているので、駆動電流−光出力特性上のキンクの発生を抑えることができ、安定したレーザ光を出力することができるという効果を奏する。
【０１１５】
また、請求項６の発明によれば、前記回折格子に、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたるようにし、これによって、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしているので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数の増大を容易に行うことができ、安定かつ高効率の半導体レーザ装置を実現することができるという効果を奏する。
【０１１６】
また、請求項７の発明によれば、前記回折格子を、前記グレーティング周期をランダムあるいは所定周期で変化させたグレーティングとし、これによって、回折格子に周期的揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしているので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数の増大を容易に行うことができ、安定かつ高効率の半導体レーザ装置を実現することができるという効果を奏する。
【０１１７】
また、請求項８の発明によれば、前記共振器長を、８００μｍ以上とし、高出力動作を可能としているので、上述した低雑音特性および駆動電流−光出力特性の良好な線形性を、広いダイナミックレンジで得ることができるという効果を奏する。
【０１１８】
また、請求項９の発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いて該半導体レーザ装置の共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、半導体レーザモジュールの組立が容易になるとともに、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く、かつ安定して出力することができる半導体レーザモジュールを実現することができるという効果を奏する。
【０１１９】
また、請求項１０の発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いているため、インライン式のファイバ型と異なり、偏波面無依存型のアイソレータを、ファイバの導波口の前段に挿入することができ、挿入損失の小さい半導体レーザモジュールを実現することができるという効果を奏する。
【０１２０】
また、請求項１１の発明によれば、請求項１〜８に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項９または１０に記載の半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用い、上述した各半導体レーザ装置あるいは各半導体レーザモジュールの作用効果を奏するようにし、安定かつ光利得のラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１２１】
また、請求項１２の発明によれば、安定した励起光を出力する前記半導体レーザモジュールを用いているので、増幅対象媒体の光ファイバに対して信号光の入射側から励起する前方励起あるいは信号光の出力側から励起する後方励起あるいは信号光の入射側および出力側の双方向から励起する双方向励起のいずれかをも行うことができるので、ラマン増幅器を適用するシステムに応じて、励起方式を柔軟に選択することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１である半導体レーザ装置を斜めからみた破断図である。
【図２】図１に示した半導体レーザ装置の概要構成を示す長手方向の縦断面図である。
【図３】図２に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】半導体レーザ装置の劈開位置ばらつきによる回折格子位置の変化を示す図である。
【図５】図１に示した半導体レーザ装置の発振波長スペクトルと発振縦モードとの関係を示す図である。
【図６】単一発振縦モードと複数発振縦モードとのレーザ光出力パワーの関係および誘導ブリルアン散乱の閾値を示す図である。
【図７】発振波長スペクトルの計測結果を示す図である。
【図８】共振器長１３００μｍのときの回折格子長と発振縦モード本数との関係を示す図である。
【図９】活性層と回折格子との配置関係を示す図である。
【図１０】回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さ、回折格子の厚さ、回折格子組成波長、結合係数と、回折格子長とを組み合わせた場合における駆動電流−光出力特性の線形性結果を示す図である。
【図１１】良好なＩ−Ｌ特性を示す図である。
【図１２】やや良好なＩ−Ｌ特性を示す図である。
【図１３】不良なＩ−Ｌ特性を示す図である。
【図１４】結合係数と回折格子長との積に対する光出力との関係を示す図である。
【図１５】良好な駆動電流−光出力特性を示す場合における回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さ、回折格子の厚さ、回折格子組成波長、結合係数と、回折格子長との組み合わせの一例を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態２である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図１７】図１６に示した半導体レーザ装置の発振波長スペクトルを示す図である。
【図１８】図１６に示した半導体レーザ装置に実施の形態１で示した条件を適用した場合のＩ−Ｌ特性の線形性結果を示す図である。
【図１９】図１６に示した半導体レーザ装置の回折格子にチャープドグレーティングを適用した場合の半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図２０】図１９に示したチャープドグレーティングの構成を示す図である。
【図２１】周期揺らぎのあるグレーティングの変形例を示す図である。
【図２２】この発明の実施の形態３である半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。
【図２３】この発明の実施の形態４であるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２４】この発明の実施の形態４の応用例を示す図である。
【図２５】駆動電流３００ｍＡを加えた場合における周波数０．１〜１５ＧＨｚの相対強度雑音の雑音スペクトルを示す図である。
【図２６】図２３あるいは図２４に示したラマン増幅器を用いたＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【図２７】 従来のラマン増幅器の概要構成を示すブロック図である。
【図２８】 図２７に示したラマン増幅器に用いた半導体レーザモジュールの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
３ ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
３ａ ＳＣＨ層
３ｂ ＧＲＩＮ−ＭＱＷ層
３ｃ ＳＣＨ層
４ ｐ−ＩｎＰスペーサ層
６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７ ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
８ ｐ−ＩｎＰブロッキング層
９ ｎ−ＩｎＰブロッキング層
１０ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
１３，１３ａ，１３ｂ，１３−１〜１３−３，４７ 回折格子
１４ 反射膜
１５ 出射側反射膜
２０〜２２，５１ 半導体レーザ装置
３０ 発振波長スペクトル
３１〜３３ 発振縦モード
４０ 複合発振波長スペクトル
５０，６０ａ〜６０ｄ 半導体レーザモジュール
５２ 第１レンズ
５３，６３，６６ アイソレータ
５４ 第２レンズ
５５ 光ファイバ
５６ 電流モニタ
５７ ベース
５７ａ ヒートシンク
５８ ペルチェ素子
５８ａ サーミスタ
５９ パッケージ
６１ａ，６１ｂ 偏波合成カプラ
６２，６５ ＷＤＭカプラ
６４ 増幅用ファイバ
６７ モニタ用光分配カプラ
６８ 制御回路
６９ 信号光入力ファイバ
７０ 信号光出力ファイバ
７１ 偏波面保持ファイバ
８１，８３ ラマン増幅器
Ｌr 共振器長
Ｌg 回折格子長
κi 結合係数
ｄsp 回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さ
ｔgr 回折格子の厚さ
λgr 回折格子組成波長
Γg 光閉じ込め係数
Ｋ１〜Ｋ３ キンク
Ｐth 閾値
Ｃｔ，Ｃｔ−１〜Ｃｔ−３ 劈開位置
【発明の属する技術分野】
この発明は、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier）やラマン増幅器などの励起用光源に適した半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットをはじめとする様々なマルチメディアの普及に伴って、光通信に対する大容量化の要求が大きくなっている。従来、光通信では、光ファイバによる光の吸収が少ない波長である１３１０ｎｍもしくは１５５０ｎｍの帯域において、それぞれ単一の波長による伝送が一般的であった。この方式では、多くの情報を伝達するためには伝送経路に敷設する光ファイバの芯数を増やす必要があり、伝送容量の増加に伴ってコストが増加するという問題点があった。
【０００３】
そこで、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Dense-Wavelength Division Multiplexing）通信方式が用いられるようになった。このＤＷＤＭ通信方式は、主にＥＤＦＡを用い、この動作帯域である１５５０ｎｍ帯において、複数の波長を使用して伝送を行う方式である。このＤＷＤＭ通信方式あるいはＷＤＭ通信方式では、１本の光ファイバを用いて複数の異なる波長の光信号を同時に伝送することから、新たな線路を敷設する必要がなく、ネットワークの伝送容量の飛躍的な増加をもたらすことを可能としている。
【０００４】
このＥＤＦＡを用いた一般的なＷＤＭ通信方式では、利得平坦化の容易な１５５０ｎｍから実用化され、最近では、利得係数が小さいために利用されていなかった１５８０ｎｍ帯にまで拡大している。しかしながら、ＥＤＦＡで増幅可能な帯域に比して光ファイバの低損失帯域の方が広いことから、ＥＤＦＡの帯域外で動作する光増幅器、すなわちラマン増幅器への関心が高まっている。
【０００５】
ラマン増幅器は、エルビウムのような希土類イオンを媒体とした光増幅器がイオンのエネルギー準位によって利得波長帯が決まるのに対し、励起光の波長によって利得波長帯が決まるという特徴を持ち、励起光波長を選択することによって任意の波長帯を増幅することができる。
【０００６】
ラマン増幅では、光ファイバに強い励起光を入射すると、誘導ラマン散乱によって、励起光波長から約１００ｎｍ程度長波長側に利得が現れ、この励起された状態の光ファイバに、この利得を有する波長帯域の信号光を入射すると、この信号光が増幅されるというものである。したがって、ラマン増幅器を用いたＷＤＭ通信方式では、ＥＤＦＡを用いた通信方式に比して、信号光のチャネル数をさらに増加させることができる。
【０００７】
図２７は、ＷＤＭ通信システムに用いられる従来のラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図２７において、ファブリペロー型の半導体発光素子１８０ａ〜１８０ｄとファイバグレーティング１８１ａ〜１８１ｄとがそれぞれ対となった半導体レーザモジュール１８２ａ〜１８２ｄは、励起光のもとになるレーザ光を偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂに出力する。各半導体レーザモジュール１８２ａ，１８２ｂが出力するレーザ光の波長は同じであるが、偏波合成カプラ６１ａによって異なる偏波面をもった光を合成している。同様にして、各半導体レーザモジュール１８２ｃ，１８２ｄが出力するレーザ光の波長は同じであるが、偏波合成カプラ６１ｂによって異なる偏波面をもった光を合成している。偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂは、それぞれ偏波合成したレーザ光をＷＤＭカプラ６２に出力する。なお、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力されるレーザ光の波長は異なる。
【０００８】
ＷＤＭカプラ６２は、アイソレータ６０を介して偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力されたレーザ光を合波し、ＷＤＭカプラ６５を介し、励起光として増幅用ファイバ６４に出力する。この励起光が入力された増幅用ファイバ６４には、増幅対象の信号光が、信号光入力ファイバ６９からアイソレータ６３を介して入力され、励起光と合波してラマン増幅される。
【０００９】
増幅用ファイバ６４内においてラマン増幅された信号光（増幅信号光）は、ＷＤＭカプラ６５およびアイソレータ６６を介してモニタ光分配用カプラ６７に入力される。モニタ光分配用カプラ６７は、増幅信号光の一部を制御回路６８に出力し、残りの増幅信号光を出力レーザ光として信号光出力ファイバ７０に出力する。
【００１０】
制御回路６８は、入力された一部の増幅信号光をもとに各半導体発光素子１８０ａ〜１８０ｄの発光状態、たとえば光強度を制御し、ラマン増幅の利得帯域が平坦な特性となるようにフィードバック制御する。
【００１１】
図２８は、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールの概要構成を示す図である。図２８において、この半導体レーザモジュール２０１は、半導体発光素子２０２と光ファイバ２０３とを有する。半導体発光素子２０２は、活性層２２１を有する。活性層２２１は、一端に光反射面２２２が設けられ、他端に光出射面２２３が設けられる。活性層２２１内で生じた光は、光反射面２２２で反射して、光出射面２２３から出力される。
【００１２】
半導体発光素子２０２の光出射面２２３には、光ファイバ２０３が配置され、光出射面２２３と光結合される。光ファイバ２０３内のコア２３２には、光出射面２２３から所定位置にファイバグレーティング２３３が形成され、ファイバグレーティング２３３は、特性波長の光を選択的に反射する。すなわち、ファイバグレーティング２３３は、外部共振器として機能し、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間で共振器を形成し、ファイバグレーティング２３３によって選択された特定波長のレーザ光が増幅されて出力レーザ光２４１として出力される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した半導体レーザモジュール２０１（１８２ａ〜１８２ｄ）は、ファイバグレーティング２３３と半導体発光素子２０２との間隔が長いため、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間の共振によって相対強度雑音（ＲＩＮ：Relative Intensity Noise）が大きくなる。ラマン増幅では、増幅の生じる過程が早く起こるため、励起光強度が揺らいでいると、ラマン利得も揺らぐことになり、このラマン利得の揺らぎがそのまま増幅された信号強度の揺らぎとして出力されてしまい、安定したラマン増幅を行わせることができないという問題点があった。
【００１４】
ここで、ラマン増幅器としては、図２７に示したラマン増幅器のように信号光に対して後方から励起する後方励起方式のほかに、信号光に対して前方から励起する前方励起方式および双方向から励起する双方向励起方式がある。現在、ラマン増幅器として多用されているのは、後方励起方式である。その理由は、弱い信号光が強い励起光とともに同方向に進行する前方励起方式では、励起光強度が揺らぐという問題があるからである。したがって、前方励起方式にも適用できる安定した励起光源の出現が要望されている。すなわち、従来のファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールを用いると、適用できる励起方式が制限されるという問題点があった。
【００１５】
また、上述した半導体レーザモジュール２０１は、ファイバグレーティング２３３を有した光ファイバ２０３と、半導体発光素子２０２とを光結合する必要があり、組立時の光軸合わせに時間と労力とがかかり、結果的にコストが高くなるとともに、共振器内における機械的な光結合であるために、レーザの発振特性が機械的振動などによって変化してしまうおそれがあり、安定した励起光を提供することができない場合が生じるという問題点があった。
【００１６】
さらに、ラマン増幅器におけるラマン増幅では、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とが一致することを条件としている。すなわち、ラマン増幅では、増幅利得の偏波依存性があり、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とのずれによる影響を小さくする必要がある。ここで、後方励起方式の場合、信号光は、伝搬中に偏波がランダムとなるため、問題は生じないが、前方励起方式の場合、偏波依存性が強く、励起光の直交偏波合成、デボラライズなどによって偏波依存性を小さくする必要がある。すなわち、偏光度（ＤＯＰ：Degree Of Polarization）を小さくする必要がある。
【００１７】
なお、ラマン増幅などでは、ＷＤＭ通信方式に用いられるため、入力される信号光の波長数などに応じて増幅利得特性を変化させる場合があり、このために広いダイナミックレンジをもった高出力動作が要求され、この場合に、駆動範囲の全域にわたり、所望の発振スペクトルが維持されることが要求される。すなわち、駆動電流−光出力特性（Ｉ−Ｌ）特性の線形性が要求される。
【００１８】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、ラマン増幅器などの励起用光源に適し、低雑音特性と広いダイナミックレンジとを有し、安定かつ高利得増幅を可能とする半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１にかかる半導体レーザ装置は、レーザ光の出射端面に設けた第１反射膜と該レーザ光の反射端面に設けた第２反射膜との間に形成された活性層の近傍であって前記第１反射膜側に部分的に設けられた回折格子を有し、前記活性層を挟む前記第１反射膜と前記第２反射膜とによって形成される光共振器の共振器長と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力することを特徴とする。
【００２０】
この請求項１の発明によれば、レーザ光の出射端面に設けた第１反射膜と該レーザ光の反射端面に設けた第２反射膜との間に形成された活性層の近傍であって前記第１反射膜側に回折格子を部分的に設け、前記活性層を挟む前記第１反射膜と前記第２反射膜とによって形成される光共振器の共振器長と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力するようにしている。
【００２１】
また、請求項２にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子の第１反射膜側端面は、該第１反射膜に接合されることを特徴とする。
【００２２】
この請求項２の発明によれば、前記回折格子の第１反射膜側端面は、該第１反射膜に接合するようにしている。
【００２３】
また、請求項３にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、回折格子長が３００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２４】
この請求項３の発明によれば、前記回折格子の回折格子長を３００μｍ以下としている。
【００２５】
また、請求項４にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子の回折格子長は、前記共振器長の（３００／１３００）倍の値以下であることを特徴とする。
【００２６】
この請求項４の発明によれば、前記回折格子の回折格子長を、前記共振器長の（３００／１３００）倍の値以下としている。
【００２７】
また、請求項５にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、該回折格子の結合係数と回折格子長との乗算値が０．３以下であることを特徴とする。
【００２８】
この請求項５の発明によれば、前記回折格子の結合係数と回折格子長との乗算値を０．３以下の小さな値として駆動電流−光出力特性の線形性を良好にしている。
【００２９】
また、請求項６にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたことを特徴とする。
【００３０】
この請求項６の発明によれば、前記回折格子に、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたるようにし、これによって、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしている。
【００３１】
また、請求項７にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、前記グレーティング周期をランダムあるいは所定周期で変化させたグレーティングであることを特徴とする。
【００３２】
この請求項７の発明によれば、前記回折格子を、前記グレーティング周期をランダムあるいは所定周期で変化させたグレーティングとし、これによって、回折格子に周期的揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしている。
【００３３】
また、請求項８にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記共振器長は、８００μｍ以上であることを特徴とする。
【００３４】
この請求項８の発明によれば、前記共振器長を、８００μｍ以上とし、高出力動作を可能としている。
【００３５】
また、請求項９にかかる半導体レーザモジュールは、請求項１〜８に記載の半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導波する光ファイバと、前記半導体レーザ装置と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系とを備えたことを特徴とする。
【００３６】
この請求項９の発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いて該半導体レーザ装置の共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、半導体レーザモジュールの組立が容易になるとともに、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く、かつ安定して出力することができる。
【００３７】
また、請求項１０にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記半導体レーザ装置の温度を制御する温度制御装置と、前記光結合レンズ系内に配置され、光ファイバ側からの反射戻り光の入射を抑制するアイソレータとをさらに備えたことを特徴とする。
【００３８】
この請求項１０の発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いているため、インライン式のファイバ型と異なり、偏波無依存アイソレータを使用することができ、挿入損失の小さい半導体レーザモジュールを実現することができる。
【００３９】
また、請求項１１にかかるラマン増幅器は、請求項１〜８に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項９または１０に記載の半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用いたことを特徴とする。
【００４０】
この請求項１１の発明によれば、請求項１〜８に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項９または１０に記載の半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用い、上述した各半導体レーザ装置あるいは各半導体レーザモジュールの作用効果を奏するようにしている。
【００４１】
また、請求項１２にかかるラマン増幅器は、上記の発明において、前記半導体レーザモジュールを用いて、増幅対象媒体の光ファイバに対して信号光の入射側から励起する前方励起あるいは信号光の出力側から励起する後方励起あるいは信号光の入射側および出力側の双方向から励起する双方向励起のいずれかを行うことを特徴とする。
【００４２】
この請求項１２の発明によれば、安定した励起光を出力する前記半導体レーザモジュールを用いているので、増幅対象媒体の光ファイバに対して信号光の入射側から励起する前方励起あるいは信号光の出力側から励起する後方励起あるいは信号光の入射側および出力側の双方向から励起する双方向励起のいずれかをも行うことができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびラマン増幅器の好適な実施の形態について説明する。
【００４４】
(実施の形態１)
まず、この発明の実施の形態１について説明する。図１は、この発明の実施の形態１である半導体レーザ装置の概要構成を示す斜めからみた破断図である。また、図２は、図１に示した半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。さらに、図３は、図２に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。図１〜図３において、この半導体レーザ装置２０は、ｎ−ＩｎＰ基板１の（１００）面上に、順次、ｎ−ＩｎＰによるバッファ層と下部クラッド層とを兼ねたｎ−ＩｎＰバッファ層２、圧縮歪みをもつＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（Graded Index-Separate Confinement Heterostructure Multi Quantum Well）活性層３、ｐ−ＩｎＰスペーサ層４、およびｐ−ＩｎＰクラッド層６、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層７が積層された構造を有する。
【００４５】
ｐ−ＩｎＰスペーサ層４内には、出射側反射膜１５から１００μｍ延び、膜厚２０ｎｍを有したｐ−ＩｎＧａＡｓＰの回折格子１３が、ピッチ約２２０ｎｍで周期的に形成され、中心波長１．４８μｍのレーザ光を選択するようにしている。この回折格子１３は、出射側反射膜１５に接する配置にすることが望ましいが、必ずしも接する配置にしなくても、回折格子１３の機能を発揮する範囲内、たとえば２０μｍ〜１００μｍ程度の範囲内で出射側反射膜１５から離隔する配置としてもよい。また、半導体レーザ装置２０の製造時における半導体レーザ装置２０の劈開位置のばらつきなどによって、回折格子１３が反射膜１４側に残っていてもよい。
【００４６】
図４は、半導体レーザ装置２０の劈開位置ばらつきによる回折格子１３の配置ばらつきを示す図である。図４に示した劈開は、ウェハなどの半導体基板上においてマトリクス状に形成された複数の半導体レーザ装置から、一連の半導体レーザ装置が隣接したレーザバーを生成する場合である。なお、レーザバーは、一連の半導体レーザ装置の長手方向側面が隣接した半導体レーザ装置群である。このレーザバーの劈開に際し、それぞれ正確な劈開位置Ｃｔによって劈開される場合、半導体レーザ装置２０のように、各半導体レーザ装置の回折格子１３−１〜１３−３は、各半導体レーザ装置の出射側反射膜１５に接することになる。しかし、レーザバーの劈開位置が劈開位置Ｃｔ−１，Ｃｔ―２となった場合、すなわち劈開位置が正確な劈開位置Ｃｔから出射側にシフトした場合、この劈開によって切り出される半導体レーザ装置２１の回折格子１３−１は、その後成膜される出射側反射膜１５との間に距離Δｄ離隔することになる。また、レーザバーの劈開位置が劈開位置Ｃｔ−２，Ｃｔ−３のように正確な劈開位置Ｃｔ間の間隔を広げるような場合、この劈開によって切り出される半導体レーザ装置２２の回折格子１３−２は、その後成膜される出射側反射膜１５との間に距離Δｄ離隔するとともに、反射膜１４側に隣接する半導体レーザ装置の回折格子１３−３の一部の回折格子１３−３ａが残って配置されてしまう。このように回折格子１３−１，１３−２が出射側反射膜１５から離隔する場合あるいは反射膜１４側に回折格子１３−３ａとして残る場合であっても、半導体レーザ装置２０とほぼ同じ機能を発揮することができる。
【００４７】
この回折格子１３を含むｐ−ＩｎＰスペーサ層４、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３、およびｎ−ＩｎＰバッファ層２の上部は、メサストライプ状に加工され、メサストライプの両側は、電流ブロッキング層として形成されたｐ−ＩｎＰブロッキング層８とｎ−ＩｎＰブロッキング層９によって埋め込まれている。また、ＩｎＧａＡｓＰキャップ層７の上面には、ｐ側電極１０が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面には、ｎ側電極１１が形成される。
【００４８】
半導体レーザ装置２０の長手方向の一端面である光反射端面には、反射率８０％以上の高光反射率をもつ反射膜１４が形成され、他端面である光出射端面には、反射率が２％以下、好ましくは１％以下の低光反射率をもつ出射側反射膜１５が形成される。反射膜１４と出射側反射膜１５とによって形成された光共振器のＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３内に発生した光は、反射膜１４によって反射し、出射側反射膜１５を介し、レーザ光として出射される。
【００４９】
この実施の形態１における半導体レーザ装置２０は、ラマン増幅器の励起用光源として用いられることを前提とし、その発振波長λ0は、１１００ｎｍ〜１５５０ｎｍであり、共振器長Ｌは、８００μｍ以上３２００μｍ以下としている。ところで、一般に、半導体レーザ装置の共振器によって発生する縦モードのモード間隔Δλは、等価屈折率を「ｎ」とすると、次式で表すことができる。すなわち、
Δλ＝λ0 2／（２・ｎ・Ｌ）
である。ここで、発振波長λ0を１４８０μｍとし、実効屈折率を３．５とすると、共振器長Ｌが８００μｍのとき、縦モードのモード間隔Δλは、約０．３９ｎｍとなり、共振器長が３２００μｍのとき、縦モードのモード間隔Δλは、約０．１ｎｍとなる。すなわち、共振器長Ｌを長くすればするほど、縦モードのモード間隔Δλは狭くなり、単一縦モードのレーザ光を発振するための選択条件が厳しくなる。
【００５０】
一方、回折格子１３は、そのブラッグ波長によって縦モードを選択する。この回折格子１３による選択波長特性は、図５に示す発振波長スペクトル３０として表される。
【００５１】
図５に示すように、この実施の形態１では、回折格子１３を有した半導体レーザ装置２０による発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈで示される波長選択特性内に、発振縦モードを複数存在させるようにしている。従来のＤＦＢ半導体レーザ装置では、共振器長Ｌを８００μｍ以上とすると、単一縦モード発振が困難であったため、かかる共振器長Ｌを有した半導体レーザ装置は用いられなかった。しかしながら、この実施の形態１の半導体レーザ装置２０では、共振器長Ｌを積極的に８００μｍ以上とすることによって、発振波長スペクトルの半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードを含ませてレーザ出力するようにしている。図５では、発振波長スペクトルの半値幅Δλｈ内に３つの発振縦モード３１〜３３を有している。
【００５２】
複数の発振縦モードを有するレーザ光を用いると、単一縦モードのレーザ光を用いた場合に比して、レーザ出力のピーク値を抑えて、高いレーザ出力値を得ることができる。たとえば、この実施の形態１に示した半導体レーザ装置では、図６（ｂ）に示すプロファイルを有し、低いピーク値で高レーザ出力を得ることができる。これに対し、図６（ａ）は、同じレーザ出力を得る場合の単一縦モード発振の半導体レーザ装置のプロファイルであり、高いピーク値を有している。
【００５３】
ここで、半導体レーザ装置をラマン増幅器の励起用光源として用いる場合、ラマン利得を大きくするために励起光出力パワーを増大することが好ましいが、そのピーク値が高いと、誘導ブリルアン散乱が発生し、雑音が増加するという不具合が発生する。誘導ブリルアン散乱の発生は、誘導ブリルアン散乱が発生する閾値Ｐthを有し、同じレーザ出力パワーを得る場合、図６（ｂ）に示すように、複数の発振縦モードを持たせ、そのピーク値を抑えることによって、誘導ブリルアン散乱の閾値Ｐth内で、高い励起光出力パワーを得ることができ、その結果、高いラマン利得を得ることが可能となる。
【００５４】
また、発振縦モード３１〜３３の波長間隔（モード間隔）Δλは、０．１ｎｍ以上としている。これは、半導体レーザ装置２０をラマン増幅器の励起用光源として用いる場合、モード間隔Δλが０．１ｎｍ以下であると、誘導ブリルアン散乱が発生する可能性が高くなるからである。この結果、上述したモード間隔Δλの式によって、上述した共振器長Ｌが３２００μｍ以下であることが好ましいことになる。
【００５５】
一方、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内に含まれる発振縦モードの本数は、３本以上であることが好ましい。これは、半導体レーザ装置２０をラマン増幅器の励起用光源として用いる場合、ラマン増幅が、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とを一致させた状態で生じるという偏波依存性を有しているため、半導体レーザ装置２０から出力された励起光を偏波面保持ファイバを用いて偏波合成し、偏光がない励起光とする必要があるが、一般に、発振縦モードの本数が増大するに従って、必要な偏波面保持ファイバの長さを短くすることができる。特に、発振縦モードが４，５本となると、急激に、必要な偏波面保持ファイバの長さが短くなる。したがって、発振縦モードの本数を３本以上、特に４本以上とすることによって、ラマン増幅器に用いる偏波面保持ファイバの長さを短くすることができ、ラマン増幅器を簡素化し、小型化を促進する。さらに、発振縦モードの本数が増大すると、コヒーレント長が短くなり、デボラライズによって偏光度（ＤＯＰ：Degree Of Polarization）が小さくなり、偏波依存性をなくすことが可能となり、これによっても、ラマン増幅器の簡素化と小型化とを促進することができる。
【００５６】
ここで、発振波長スペクトル幅が広すぎると、波長合成カプラによる合波ロスが大きくなるとともに、発振波長スペクトル幅内における波長の動きによって、雑音や利得変動を発生させることになる。このため、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈは、３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下とする必要がある。
【００５７】
さらに、従来の半導体レーザ装置では、図２８に示したように、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールとしていたため、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間の共振によって相対強度雑音（ＲＩＮ）が大きくなり、安定したラマン増幅を行うことができないが、この実施の形態１に示した半導体レーザ装置２０では、ファイバグレーティング２３３を用いず、出射側反射膜１５から出射したレーザ光をそのまま、ラマン増幅器の励起用光源として用いているため、相対強度雑音が小さくなり、その結果、ラマン利得の揺らぎが小さくなり、安定したラマン増幅を行わせることができる。
【００５８】
また、図２８に示した半導体レーザモジュールでは、ファイバグレーティング２３３を有する光ファイバ２０３と半導体発光素子２０２とを光結合させる必要があるため、半導体レーザ装置の組立時における光軸合わせが必要となり、そのための時間と労力とがかかるが、この実施の形態１の半導体レーザ装置では、共振器ではなく、光出力のための光軸合わせであるため、その組立が容易となる。また、図２８に示した半導体レーザモジュールでは、共振器内に機械的な結合を必要とするため、振動などによってレーザの発振特性が変化する場合が発生するが、この実施の形態１の半導体レーザ装置では、機械的な振動などによるレーザの発振特性の変化がなく、安定した光出力を得ることができる。
【００５９】
たとえば、図７は、複数の発振縦モードが出力されたスペクトル図であり、図７では、安定した３本の発振縦モードをもつレーザ光を出力している。なお、図７に示したスペクトルは、回折格子長Ｌg＝１００μｍ、共振器長Ｌ＝１３００μｍ、回折格子の結合係数κiと共振器長Ｌとの積κi・Ｌg＝０．１１、出射側反射膜１５の反射率が０．１％、反射膜１４の反射率が９７％、駆動電流Ｉoｐ＝７００ｍＡのときに、１４８０ｎｍ近傍において３本の発振縦モード出力で２１０ｍＷの光出力を得、半値幅Δλhは、０．５〜０．６ｎｍとなっている。この場合におけるファーフィールドパターン（ＦＦＰ：Far Field Pattern）の半値幅（ＦＷＨＭ：Full Width Half Maximum）は、水平方向の半値幅が１６〜１８度であり、垂直方向の半値幅が２１〜２４度となる。
【００６０】
ここで、この実施の形態１における回折格子１３の構成について詳述する。上述したように、発振縦モード数は複数であることがラマン増幅器の励起用光源として適切である。そこで、回折格子１３の長さが発振縦モード数に与える影響について考察した。図８は、共振器長Ｌが１３００μｍのときにおける回折格子長Ｌgに対する発振縦モード数の関係を示す図である。図８では、回折格子長Ｌgが４００μｍのときに、１本の発振縦モード数で発振（単一縦モード発振）を行っており、回折格子長Ｌgが２００μｍのときに、１〜３本の発振縦モード数で発振し、回折格子長Ｌgが３００μｍのときに、２〜４本の発振縦モード数で発振している。したがって、回折格子長Ｌgが１００μｍのときに、確実に２本以上の発振縦モードで発振しているが、傾向として回折格子長Ｌgが２００μｍ以下で２本以上の発振縦モード数となることを示している。
【００６１】
この場合、図８では、回折格子１３の結合係数κiの値を、１１ｃｍ-1と２０ｃｍ-1とのときに求めているが、回折格子長Ｌgに対する発振縦モード数は、結合係数κiには無関係であり、ともに一致した特性を示している。したがって、共振器長Ｌが１３００μｍのとき、回折格子長Ｌgを３００μｍ以下、好ましくは２００μｍ以下、さらに好ましくは１００μｍ以下とすることによって、複数本の発振縦モードを得ることができる。
【００６２】
ところで、共振器長Ｌの長短に比例して発振縦モード間隔も変化するため、回折格子長Ｌgは、共振器長Ｌに比例した値となる。すなわち、回折格子長Ｌg：共振器長Ｌ＝３００：１３００の関係を維持するため、回折格子長Ｌgが３００μｍ以下で複数の発振縦モードが得られる関係は、
Ｌg×（１３００（μｍ）／Ｌ）≦３００（μｍ）
として拡張することができる。
【００６３】
さらに、この実施の形態１では、結合係数κiと回折格子長Ｌgとの関係について考察した。まず、図９は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３と回折格子１３との配置関係を示しており、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３は、ＭＱＷ層３ｂがＧＲＩＮ−ＳＣＨ層３ａ，３ｃに挟まれた構造となっている。図８において、回折格子１３の回折格子長は「Ｌg」（μｍ）であり、回折格子の厚さは「ｔgr」（ｎｍ）であり、回折格子１３とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層３ａとの間の厚さは「ｄsp」（ｎｍ）であり、回折格子１３の結合係数は「κi」（ｃｍ-1）であり、回折格子組成波長は「λgr」（μｍ）である。なお、回折格子組成波長λgrは、ｎ−ＩｎＰ基板１にほぼ格子整合するために、回折格子１３を組成する材料のバンドギャップエネルギーに対応した波長である。
【００６４】
ここで、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp、回折格子の厚さｔgr、回折格子組成波長λgr、結合係数κiを変化させた組み合わせに対して、回折格子長Ｌgを３０μｍ、６０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、４００μｍと変化させた場合における電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性を調べてみた。すなわち、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp＝２００ｎｍ、回折格子の厚さｔgr＝２０ｎｍ、回折格子組成波長λgr＝１．１μｍ、結合係数κi＝１１ｃｍ-1のときに、回折格子長Ｌgrを３０μｍ、６０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、４００μｍと変化させた場合と、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp＝２００ｎｍ、回折格子の厚さｔgr＝２０ｎｍ、回折格子組成波長λgr＝１．２５μｍ、結合係数κi＝２０ｃｍ-1のときに、回折格子長Ｌgrを３０μｍ、６０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、４００μｍと変化させた場合と、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp＝１００ｎｍ、回折格子の厚さｔgr＝２５ｎｍ、回折格子組成波長λgr＝１．３５μｍ、結合係数κi＝４４ｃｍ-1のときに、回折格子長Ｌgrを１００μｍ、２００μｍ、４００μｍと変化させた場合とについて考察した。なお、共振器長Ｌは、１３００μｍである。
【００６５】
図１０は、この場合におけるＩ−Ｌ（駆動電流Ｉoｐに対する光出力Ｐo）特性の判定結果を示す図である。結果として、結合係数κi＝１１ｃｍ-1のときにおいて回折格子長Ｌgが６０μｍおよび１００μｍのときに、良好なＩ−Ｌ特性を示し、結合係数κi＝２０ｃｍ-1のときにおいて回折格子長Ｌgが３０μｍおよび６０μｍのときに良好なＩ−Ｌ特性を示し、その他の場合においては、良好なＩ−Ｌ特性は得られなかった。なお、結合係数κi＝１１ｃｍ-1のときにおいて回折格子長Ｌgが２００μｍのときと、結合係数κi＝２０ｃｍ-1のときにおいて回折格子長Ｌgが１００μｍのときには、やや良好なＩ−Ｌ特性が得られた。
【００６６】
ここで、良好なＩ−Ｌ特性が得られないときは、キンクが多いことと高出力動作ができないことである。たとえば、図１１は、結合係数κiが２０ｃｍ-1であって回折格子長Ｌgが３０μｍのときのＩ−Ｌ特性であり、Ｉ−Ｌ特性が良好な場合を示し、図１２は、結合係数κiが２０ｃｍ-1であって回折格子長Ｌgが１００μｍのときのＩ−Ｌ特性であり、Ｉ−Ｌ特性がやや良好な場合を示し、図１３は、結合係数κiが１１ｃｍ-1であって回折格子長Ｌgが４００μｍのときのＩ−Ｌ特性であり、Ｉ−Ｌ特性が不良な場合を示している。なお、図１１〜図１３では、各Ｉ−Ｌ特性の変化をわかりやすくするため、Ｉ−Ｌ曲線ＬＰ１〜ＬＰ３の１次微分である微分曲線ＳＥ１〜ＳＥ３も併せて示している。
【００６７】
図１１に示した良好はＩ−Ｌ特性は、数十ｍＡから１５００ｍＡ程度まで、大きなキンクが発生しておらず、駆動電流Ｉopが１２００ｍＡ近傍で約４００ｍＷの高出力かつ高効率動作を可能としている。これに対し、図１２に示したやや良好でないＩ−Ｌ特性は、駆動電流Ｉopが９００ｍＡおよび１２００ｍＡ近傍でキンクＫ１，Ｋ２を発生し、不安定な発振動作を示している。さらに、図１３に示した不良なＩ−Ｌ特性は、駆動電流が９００ｍＡ近傍で大きなキンクＫ３を発生し、非常に不安定な発振動作を示している。
【００６８】
ここで注目すべきことは、結合係数κiが、回折格子１３の屈折率変化と回折格子層での光閉じ込め係数Γgとの関数で表され、さらに光閉じ込め係数Γgは、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp、回折格子の厚さｔgr、回折格子組成波長λgrなどをパラメータとする関数で表され、結果的に、結合係数κiは、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp、回折格子の厚さｔgr、回折格子組成波長λgrなどをパラメータとする関数で表されることである。すなわち、結合係数κiは、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp、回折格子の厚さｔgr、回折格子組成波長λgrなどによって依存する値であり、逆に、これらを代表する値であるとも言える。
【００６９】
そこで、図９に示した結果を考察すると、結合係数κiと回折格子長Ｌgとの積である無次元の「κi・Ｌg」によってＩ−Ｌ特性を評価できることになる。図１０では、積κi・Ｌgが「０．０６」と「０．１」と「０．１２」のときにＩ−Ｌ特性が良好であり、積κi・Ｌgが「０．２」のときに、やや良好でないＩ−Ｌ特性が得られ、積κi・Ｌgが「０．４」以上のときに、不良なＩ−Ｌ特性が得られている。この結果から、積κi・Ｌgが「０．３」程度以下のときに良好なＩ−Ｌ特性が得られ、特に積κi・Ｌgが「０．１」のときに最適なＩ−Ｌ特性が得られ、低雑音特性と広いダイナミックレンジが得られる。ここで、積κi・Ｌgが「０．２」のときに、やや良好でないＩ−Ｌ特性であり、キンクの発生によって発振波長がシフトするなどによって波長安定性が阻害されるが、このような波長不安定性は、たとえば温度制御などを行って波長安定制御を行うことによって解消される。このような波長安定制御を行うことによって、Ｉ−Ｌ曲線ＬＰ２から、キンクＫ１，Ｋ２がなくなり、良好なＩ−Ｌ特性を示すことになる。なお、積κi・Ｌgが「０．０３」と非常に小さい場合には、波長の引き込みが十分に行えず、波長選択性が劣化するため、実用に耐えない。
【００７０】
図１４は、良好なＩ−Ｌ特性を示した半導体レーザ装置の積κi・Ｌgに対する光出力の関係を示し、各プロットは、駆動電流Ｉopを６００ｍＡ与えたときの積κi・Ｌgに対する光出力の関係を示している。ここで、積κi・Ｌgが「０．１」のときに光出力が最大値「２６０」ｍＷを示し、つぎに、大きな値を示すのは積κi・Ｌgが「０．０６」のときであり、このときの光出力は「２４３」ｍＷである。また、積κi・Ｌgが「０．１」以上になると、積κi・Ｌgが大きくなるに従って、順次光出力が低下する傾向がある。したがって、積κi・Ｌgが「０．１」のときが最適であるといえ、安定し、かつ高効率動作が実現される。
【００７１】
逆に、このことから、積κi・Ｌgの値が一定値を満足するのであれば、結合係数κiと回折格子長Ｌgとを任意に設定することができる。また、上述したように、結合係数κiは、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄsp、回折格子の厚さｔgr、回折格子組成波長λgrなどによって依存する値であるため、これらの値も任意に設定することができる。たとえば、図１５に示すように、これらの各パラメータを適切に設定した回折格子１３を構成することができる。この場合、積κi・Ｌgの値は、最適な「０．１」あるいは準最適な「０．０５」となるように設定している。
【００７２】
たとえば、結合係数κiを「２４．４」（ｃｍ-1）、回折格子長Ｌgを「４０」（μｍ）とし、積κi・Ｌgを「０．０９７６≒０．１０」に設定すると良好なＩ−Ｌ特性が得られる。この場合、回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さｄspを「５０」（ｎｍ）、回折格子の厚さｔgrを「３０」（ｎｍ）、回折格子組成波長λgrを「１．１」（μｍ）としている。
【００７３】
この実施の形態１によれば、回折格子１３をＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍であって、出射側反射膜１５側に設け、発振波長が１１００〜１５５０μｍの場合であって、共振器長Ｌが１３００μｍの場合、回折格子長Ｌgを３００μｍ以下とすることによって、発振波長スペクトル内に複数本の発振縦モードを得ることができるので、ラマン増幅器用の励起用光源として用いた場合に、誘導ブリルアン散乱を発生せずに、安定かつ高いラマン利得を得ることができる。
【００７４】
特に、結合係数κiと回折格子長Ｌgとの積κi・Ｌgの値を０．３以下、好ましくは０．２以下、さらに好ましくは０．１以下とすることによって、大きなキンクが少なく、広いダイナミックレンジをもつＩ−Ｌ特性を得ることができ、高効率かつ高出力動作の半導体レーザ装置を実現できる。
【００７５】
また、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールのように、ファイバグレーティングをもつ光ファイバと半導体発光素子との光結合を共振器内において行わないので、組立が容易となり、機械的振動などによる不安定出力を回避することができる。
【００７６】
なお、活性層に沿って、回折格子が形成されている半導体レーザ装置に限らず、活性層に隣接する光導波路を有する半導体レーザ装置においても、同様に適用することができるのは明らかである。
【００７７】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、回折格子１３が中心波長に対して揺らぎを持つ波長選択性によって、複数本の発振縦モードを出力するようにしていたが、この実施の形態２では、回折格子１３に対して積極的に揺らぎをもたせ、発振縦モードの数を増やすことができる半導体レーザ装置を得るようにしている。
【００７８】
図１６は、この発明の実施の形態２である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。また、図１７は、異なる周期Λ1，Λ2の回折格子を有する半導体レーザ装置の発振波長スペクトルを示す図である。図１７において、回折格子１３ａは、波長λ１の発振波長スペクトルを形成し、この発振波長スペクトル内に３本の発振縦モードを選択する。一方、回折格子１３ｂは、波長λ２の発振波長スペクトルを形成し、この発振波長スペクトル内に３本の発振縦モードを選択する。したがって、回折格子１３ａ，１３ｂによる複合発振波長スペクトル４０は、個々の発振波長スペクトルの半値幅Δλｈよりも広がった半値幅Δλｈ’を有し、この複合発振波長スペクトル４０内に４〜５本の発振縦モードが含まれることになる。この結果、単一の発振波長スペクトルを形成するときに比べ、一層多くの発振縦モードを容易に選択出力することができ、光出力の増大をもたらすことができる。
【００７９】
具体的には、図１６に示した半導体レーザ装置によって実現される。図１６において、この半導体レーザ装置では、実施の形態１に示した回折格子１３に代わって、２つの回折格子１３ａ，１３ｂが設けられる。なお、共振器長Ｌは、１３００μｍである。その他の構成は、実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。回折格子１３ａは、活性層３に沿って長さ５０μｍであって波長λ１の波長選択性を有し、回折格子１３ｂは、活性層３に沿って長さ５０μｍであって波長λ２の波長選択性を有する。回折格子１３ａは、出射側反射膜１５近傍に設けられ、回折格子１３ｂは、回折格子１３ａの反射膜１４側端面と距離１μｍをおいて反射膜１４側に設けられる。波長λ１を選択する回折格子１３ａの周期Λ1と、波長λ２を選択する回折格子１３ｂの周期Λ2との関係は、
Λ1＝Λ2＋０．２（ｎｍ）
であり、周期Λ1，Λ2は、１４８０ｎｍ近傍の値である。なお、回折格子１３ａの出射側反射膜１５側端面と出射側反射膜１５との間は、接することが望ましいが、必ずしも接する配置にしなくても、回折格子１３ａ，１３ｂの機能を発揮する範囲内、たとえば２０μｍ〜１００μｍ程度の範囲内で出射側反射膜１５から離隔する配置としてもよい。また、半導体レーザ装置２０の製造時における半導体レーザ装置２０の劈開位置のばらつきなどによって、回折格子１３ｂの一部が反射膜１４側に残っていてもよい。
【００８０】
また、図１８は、図１６に示した回折格子１３ａ，１３ｂを設けた場合におけるＩ−Ｌ特性の結果を示す図である。なお、ここでは、各回折格子１３ａ，１３ｂの長さが５０μｍであるため、回折格子長Ｌgが１００μｍの場合と比較している。図１８において、結合係数κiと回折格子長Ｌgとの積κi・Ｌgが「０．２」のとき、Ｉ−Ｌ特性はやや良好であったが、この回折格子１３ａ，１３ｂを用いると、Ｉ−Ｌ特性が良好になり、キンクの発生がなく、安定した発振動作と高効率動作とを確実にすることができる。なお、この場合における発振縦モード本数は、４本であった。
【００８１】
なお、回折格子に大きな揺らぎを与える態様には次のようなものがある。図１９は、この発明の実施の形態２である半導体レーザ装置の応用例の構成を示す縦断面図である。図１９において、回折格子４７は、活性層３に沿って、出射側反射膜１５側に設けられ、そのグレーティング周期を周期的に変化させたチャープドグレーティングであり、この回折格子４７の波長選択性に揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅Δλhを広げ、半値幅Δλh内の発振縦モードの本数を増大するようにしている。その他の構成は、実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。
【００８２】
図２０は、回折格子４７のグレーティング周期の周期的変化を示す図である。図２０に示すように、回折格子４７は、平均周期が２２０ｎｍであり、±０．０２ｎｍの周期揺らぎ（偏差）を周期Ｃで繰り返す構造を有している。この±０．０２の周期揺らぎによって、発振波長スペクトルの半値幅Δλh内に３〜６本程度の発振縦モードをもたせることができる。
【００８３】
なお、回折格子４７の構成としては、一定の周期Ｃでグレーティング周期を変化させるチャープドグレーティングに限らず、グレーティング周期を、周期Λ1（２２０ｎｍ＋０．０２ｎｍ）と周期Λ2（２２０ｎｍ−０．０２ｎｍ）との間でランダムに変化させるようにしてもよい。
【００８４】
さらに、図２１（ａ）に示すように、周期Λ1と周期Λ2とを一回ずつ交互に繰り返す回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。また、図２１（ｂ）に示すように、周期Λ1と周期Λ2とをそれぞれ複数回、交互に繰り返す回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。さらに、図２１（ｃ）に示すように、連続する複数回の周期Λ1と連続する複数回の周期Λ2とをもつ回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。また、周期Λ1と周期Λ2との間の離散的な異なる値をもつ周期を補完して配置するようにしてもよい。
【００８５】
この実施の形態２では、実施の形態１と同様に、適切な回折格子長Ｌgと、積κi・Ｌgとを持たせることによって良好なＩ−Ｌ特性をもたせるとともに、回折格子４７に大きな揺らぎを設け、複合発振波長スペクトルの半値幅Δλhを広げ、さらに多くの発振縦モードを持たせるようにし、高出力かつ安定した半導体レーザ装置を実現している。
【００８６】
（実施の形態３）
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。この実施の形態３では、上述した実施の形態１，２で示した半導体レーザ装置をモジュール化したものである。
【００８７】
図２２は、この発明の実施の形態３である半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。図２２において、この半導体レーザモジュール５０は、上述した実施の形態１，２で示した半導体レーザ装置に対応する半導体レーザ装置５１を有する。半導体レーザモジュール５０の筐体として、セラミックなどによって形成されたパッケージ５９の内部底面上に、温度制御装置としてのペルチェ素子５８が配置される。ペルチェ素子５８上にはベース５７が配置され、このベース５７上にはヒートシンク５７ａが配置される。ペルチェ素子５８には、図示しない電流が与えられ、その極性によって冷却および加熱を行うが、半導体レーザ装置５１の温度上昇による発振波長ずれを防止するため、主として冷却器として機能する。すなわち、ペルチェ素子５８は、レーザ光が所望の波長に比して長い波長である場合には、冷却して低い温度に制御し、レーザ光が所望の波長に比して短い波長である場合には、加熱して高い温度に制御する。この温度制御は、具体的に、ヒートシンク５７ａ上であって、半導体レーザ装置５１の近傍に配置されたサーミスタ５８ａの検出値をもとに制御され、図示しない制御装置は、通常、ヒートシンク５７ａの温度が一定に保たれるようにペルチェ素子５８を制御する。また、図示しない制御装置は、半導体レーザ装置５１の駆動電流を上昇させるに従って、ヒートシンク５７ａの温度が下がるようにペルチェ素子５８を制御する。このような温度制御を行うことによって、半導体レーザ装置５１の波長安定性を向上させることができ、歩留まりの向上にも有効となる。なお、ヒートシンク５７ａは、たとえばダイヤモンドなどの高熱伝導率をもつ材質によって形成することが望ましい。これは、ヒートシンク５７ａがダイヤモンドで形成されると、高電流印加時の発熱が抑制されるからである。
【００８８】
ベース５７上には、半導体レーザ装置５１およびサーミスタ５８ａを配置したヒートシンク５７ａ、第１レンズ５２、および電流モニタ５６が配置される。半導体レーザ装置５１から出射されたレーザ光は、第１レンズ５２、アイソレータ５３、および第２レンズ５４を介し、光ファイバ５５上に導波される。第２レンズ５４は、レーザ光の光軸上であって、パッケージ５９上に設けられ、外部接続される光ファイバ５５に光結合される。なお、電流モニタ５６は、半導体レーザ装置５１の反射膜側から漏れた光をモニタ検出する。
【００８９】
ここで、この半導体レーザモジュール５０では、他の光学部品などによる反射戻り光が共振器内に戻らないように、半導体レーザ装置５１と光ファイバ５５との間にアイソレータ５３を介在させている。このアイソレータ５３には、ファイバグレーティングを用いた従来の半導体レーザモジュールと異なり、インライン式のファイバ型でなく、半導体レーザモジュール５０内に内蔵できる偏波無依存型のアイソレータを用いることができるため、アイソレータによる挿入損失を小さく、さらに低い相対強度雑音（ＲＩＮ）を達成することができ、部品点数も減らすことができる。
【００９０】
この実施の形態３では、実施の形態１，２で示した半導体レーザ装置をモジュール化しているため、偏波無依存型のアイソレータを用いることができ、挿入損失を小さくすることができ、低雑音化および部品点数の減少を促進することができる。
【００９１】
（実施の形態４）
つぎに、この発明の実施の形態４について説明する。この実施の形態４では、上述した実施の形態３に示した半導体レーザモジュールをラマン増幅器に適用したものである。
【００９２】
図２３は、この発明の実施の形態４であるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。このラマン増幅器は、ＷＤＭ通信システムに用いられる。図２３において、このラマン増幅器は、上述した実施の形態３に示した半導体レーザモジュールと同一構成の半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄを用い、図２７に示した半導体レーザモジュール１８２ａ〜１８２ｄを、上述した半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄに置き換えた構成となっている。
【００９３】
各半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂは、偏波面保持ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ａに出力し、各半導体レーザモジュール６０ｃ，６０ｄは、偏波面保持ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ｂに出力する。ここで、半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂが発振するレーザ光は、同一波長である、また、半導体レーザモジュール６０ｃ，６０ｄが発振するレーザ光は、同一波長であるが半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂが発振するレーザ光の波長とは異なる。これは、ラマン増幅が偏波依存性を有するためであり、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂによって偏波依存性が解消されたレーザ光として出力するようにしている。
【００９４】
各偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力された異なる波長をもったレーザ光は、ＷＤＭカプラ６２によって合成され、合成されたレーザ光は、ＷＤＭカプラ６５を介してラマン増幅用の励起光として増幅用ファイバ６４に出力される。この励起光が入力された増幅用ファイバ６４には、増幅対象の信号光が入力され、ラマン増幅される。
【００９５】
増幅用ファイバ６４内においてラマン増幅された信号光（増幅信号光）は、ＷＤＭカプラ６５およびアイソレータ６６を介してモニタ光分配用カプラ６７に入力される。モニタ光分配用カプラ６７は、増幅信号光の一部を制御回路６８に出力し、残りの増幅信号光を出力レーザ光として信号光出力ファイバ７０に出力する。
【００９６】
制御回路６８は、入力された一部の増幅信号光をもとに各半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄのレーザ出力状態、たとえば光強度を制御し、ラマン増幅の利得帯域が平坦な特性となるようにフィードバック制御する。
【００９７】
この実施の形態３に示したラマン増幅器では、たとえば図２７に示した半導体発光素子１８０ａとファイバグレーティング１８１ａとが偏波面保持ファイバ７１ａで結合された半導体レーザモジュール１８２ａを用いず、実施の形態１，２で示した半導体レーザ装置が内蔵された半導体レーザモジュール６０ａを用いるようにしているので、偏波面保持ファイバ７１ａの使用を削減することができる。なお、上述したように、各半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄは、複数の発振縦モードを有しているため、偏波面保持ファイバ長を短くすることができる。この結果、ラマン増幅器の小型軽量化とコスト低減を実現することができる。
【００９８】
なお、図２３に示したラマン増幅器では、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂを用いているが、図２４に示すように半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃから、それぞれ偏波面保持ファイバ７１を介して直接ＷＤＭカプラ６２に光出力するようにしてもよい。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃの偏波面は、偏波面保持ファイバ７１に対して４５度となるように入射する。これによって、偏波面保持ファイバ７１から出力される光出力の偏波依存性がなくすことができ、一層、小型かつ部品点数の少ないラマン増幅器を実現することができる。
【００９９】
また、半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄ内に内蔵される半導体レーザ装置として実施の形態２に示した半導体レーザ装置を用いると、発振縦モード数が多いため、必要な偏波面保持ファイバ７１の長さを短くすることができる。特に、発振縦モードが４，５本になると、急激に、必要な偏波面保持ファイバ７１の長さが短くなるため、ラマン増幅器の簡素化と小型化を促進することができる。さらに、発振縦モードの本数が増大すると、コヒーレント長が短くなり、デポラライズによって偏光度（ＤＯＰ：Degree Of Polarization）が小さくなり、偏波依存性をなくすことが可能となり、これによっても、ラマン増幅器の簡素化と小型化とを一層促進することができる。
【０１００】
また、上述した実施の形態１，２が有する作用効果をラマン増幅器に与えることができる。たとえば、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールに比して相対強度雑音（ＲＩＮ）を低減することができるので、ラマン利得の揺らぎを抑えることができ、安定したラマン増幅を行うことができる。たとえば、図２５は、半導体レーザ装置に対する駆動電流Ｉopが３００ｍＡ以上のときに、周波数０．１〜１５ＧＨｚの信号光を増幅した場合の相対強度雑音を示す雑音スペクトル図である。図２５に示すように、相対強度雑音は、−１５０ｄＢ／Ｈｚ以下であり、低雑音化が促進されたラマン増幅器を実現している。
【０１０１】
さらに、このラマン増幅器では、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールに比して光軸合わせが容易であり、組立性が向上し、共振器内に機械的な光結合がないため、この点からも、ラマン増幅の安定性、信頼性を高めることができる。
【０１０２】
さらに、上述した実施の形態１，２の半導体レーザ装置では、複数の発振モードを有しているため、誘導ブリルアン散乱を発生させずに、高出力の励起光を発生することができるので、安定し、かつ高いラマン利得を得ることができる。
【０１０３】
また、図２３および図２４に示したラマン増幅器は、後方励起方式であるが、上述したように、半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄが安定した励起光を出力するため、前方励起方式であっても、双方向励起方式であっても、安定したラマン増幅を行うことができる。
【０１０４】
この図２３あるいは図２４に示したラマン増幅器は、上述したようにＷＤＭ通信システムに適用することができる。図２６は、図２３あるいは図２４に示したラマン増幅器を適用したＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【０１０５】
図２６において、複数の送信機Ｔｘ１〜Ｔｘｎから送出された波長λ1〜λnの光信号は、光合波器８０によって合波され、１つの光ファイバ８５に集約される。この光ファイバ８５の伝送路上には、図２３あるいは図２４に示したラマン増幅器に対応した複数のラマン増幅器８１，８３が距離に応じて配置され、減衰した光信号を増幅する。この光ファイバ８５上を伝送した信号は、光分波器８４によって、複数の波長λ１〜λｎの光信号に分波され、複数の受信機Ｒｘ１〜Ｒｘｎに受信される。なお、光ファイバ８５上には、任意の波長の光信号を付加し、取り出したりするＡＤＭ（Add/Drop Multiplexer）が挿入される場合もある。
【０１０６】
なお、上述した実施の形態４では、実施の形態１，２に示した半導体レーザ装置あるいは実施の形態３に示した半導体レーザモジュールを、ラマン増幅用の励起光源に用いる場合を示したが、これに限らず、たとえば、９８０ｎｍ，１４８０ｎｍなどのＥＤＦＡ励起用光源として用いることができるのは明らかである。
【０１０７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明によれば、レーザ光の出射端面に設けた第１反射膜と該レーザ光の反射端面に設けた第２反射膜との間に形成された活性層の近傍であって前記第１反射膜側に回折格子を部分的に設け、前記活性層を挟む前記第１反射膜と前記第２反射膜とによって形成される光共振器の共振器長と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力するようにしているので、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザ装置に比して、共振器内に雑音が入り込む余地がないため、相対強度雑音が、周波数０．１〜１０ＧＨｚにおいて−１５０ｄＢ／Ｈｚ程度まで低減され、ラマン増幅器に用いた場合に安定したラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１０８】
また、共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、組立が容易になるとともに、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く出力することができ、ラマン増幅器に用いた場合に安定かつ信頼性の高いラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１０９】
さらに、複数の発振縦モードの存在によって光出力ピーク値を抑えて、光出力パワーを増大させることができ、ラマン増幅器に用いた場合に、誘導ブリルアン散乱を抑えつつ、高いラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１１０】
また、複数の発振縦モードの存在によって、偏光度が小さくなり、偏波面保存ファイバ長を短くすることができ、小型軽量化を促進できるとともに、コストを低減することができるという効果を奏する。
【０１１１】
また、請求項２の発明によれば、前記回折格子の第１反射膜側端面は、該第１反射膜に接合するようにしているので、レーザ光出射時の波長選択を確実かつ効率的に行うことができるという効果を奏する。
【０１１２】
また、請求項３の発明によれば、前記回折格子の回折格子長を３００μｍ以下としているので、複数の発振縦モードを容易に生成でき、かつ光出力の効率を向上させることができるという効果を奏する。
【０１１３】
また、請求項４の発明によれば、前記回折格子の回折格子長を、前記共振器長の（３００／１３００）倍の値以下としているので、任意の共振器長に対しても、複数の発振縦モードを容易に生成でき、かつ高出力の光出力効率を向上させることができるという効果を奏する。
【０１１４】
また、請求項５の発明によれば、前記回折格子の結合係数と回折格子長との乗算値を０．３以下の小さな値として駆動電流−光出力特性の線形性を良好にしているので、駆動電流−光出力特性上のキンクの発生を抑えることができ、安定したレーザ光を出力することができるという効果を奏する。
【０１１５】
また、請求項６の発明によれば、前記回折格子に、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたるようにし、これによって、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしているので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数の増大を容易に行うことができ、安定かつ高効率の半導体レーザ装置を実現することができるという効果を奏する。
【０１１６】
また、請求項７の発明によれば、前記回折格子を、前記グレーティング周期をランダムあるいは所定周期で変化させたグレーティングとし、これによって、回折格子に周期的揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしているので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数の増大を容易に行うことができ、安定かつ高効率の半導体レーザ装置を実現することができるという効果を奏する。
【０１１７】
また、請求項８の発明によれば、前記共振器長を、８００μｍ以上とし、高出力動作を可能としているので、上述した低雑音特性および駆動電流−光出力特性の良好な線形性を、広いダイナミックレンジで得ることができるという効果を奏する。
【０１１８】
また、請求項９の発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いて該半導体レーザ装置の共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、半導体レーザモジュールの組立が容易になるとともに、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く、かつ安定して出力することができる半導体レーザモジュールを実現することができるという効果を奏する。
【０１１９】
また、請求項１０の発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いているため、インライン式のファイバ型と異なり、偏波面無依存型のアイソレータを、ファイバの導波口の前段に挿入することができ、挿入損失の小さい半導体レーザモジュールを実現することができるという効果を奏する。
【０１２０】
また、請求項１１の発明によれば、請求項１〜８に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項９または１０に記載の半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用い、上述した各半導体レーザ装置あるいは各半導体レーザモジュールの作用効果を奏するようにし、安定かつ光利得のラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１２１】
また、請求項１２の発明によれば、安定した励起光を出力する前記半導体レーザモジュールを用いているので、増幅対象媒体の光ファイバに対して信号光の入射側から励起する前方励起あるいは信号光の出力側から励起する後方励起あるいは信号光の入射側および出力側の双方向から励起する双方向励起のいずれかをも行うことができるので、ラマン増幅器を適用するシステムに応じて、励起方式を柔軟に選択することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１である半導体レーザ装置を斜めからみた破断図である。
【図２】図１に示した半導体レーザ装置の概要構成を示す長手方向の縦断面図である。
【図３】図２に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】半導体レーザ装置の劈開位置ばらつきによる回折格子位置の変化を示す図である。
【図５】図１に示した半導体レーザ装置の発振波長スペクトルと発振縦モードとの関係を示す図である。
【図６】単一発振縦モードと複数発振縦モードとのレーザ光出力パワーの関係および誘導ブリルアン散乱の閾値を示す図である。
【図７】発振波長スペクトルの計測結果を示す図である。
【図８】共振器長１３００μｍのときの回折格子長と発振縦モード本数との関係を示す図である。
【図９】活性層と回折格子との配置関係を示す図である。
【図１０】回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さ、回折格子の厚さ、回折格子組成波長、結合係数と、回折格子長とを組み合わせた場合における駆動電流−光出力特性の線形性結果を示す図である。
【図１１】良好なＩ−Ｌ特性を示す図である。
【図１２】やや良好なＩ−Ｌ特性を示す図である。
【図１３】不良なＩ−Ｌ特性を示す図である。
【図１４】結合係数と回折格子長との積に対する光出力との関係を示す図である。
【図１５】良好な駆動電流−光出力特性を示す場合における回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さ、回折格子の厚さ、回折格子組成波長、結合係数と、回折格子長との組み合わせの一例を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態２である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図１７】図１６に示した半導体レーザ装置の発振波長スペクトルを示す図である。
【図１８】図１６に示した半導体レーザ装置に実施の形態１で示した条件を適用した場合のＩ−Ｌ特性の線形性結果を示す図である。
【図１９】図１６に示した半導体レーザ装置の回折格子にチャープドグレーティングを適用した場合の半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図２０】図１９に示したチャープドグレーティングの構成を示す図である。
【図２１】周期揺らぎのあるグレーティングの変形例を示す図である。
【図２２】この発明の実施の形態３である半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。
【図２３】この発明の実施の形態４であるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２４】この発明の実施の形態４の応用例を示す図である。
【図２５】駆動電流３００ｍＡを加えた場合における周波数０．１〜１５ＧＨｚの相対強度雑音の雑音スペクトルを示す図である。
【図２６】図２３あるいは図２４に示したラマン増幅器を用いたＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【図２７】 従来のラマン増幅器の概要構成を示すブロック図である。
【図２８】 図２７に示したラマン増幅器に用いた半導体レーザモジュールの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
３ ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
３ａ ＳＣＨ層
３ｂ ＧＲＩＮ−ＭＱＷ層
３ｃ ＳＣＨ層
４ ｐ−ＩｎＰスペーサ層
６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７ ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
８ ｐ−ＩｎＰブロッキング層
９ ｎ−ＩｎＰブロッキング層
１０ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
１３，１３ａ，１３ｂ，１３−１〜１３−３，４７ 回折格子
１４ 反射膜
１５ 出射側反射膜
２０〜２２，５１ 半導体レーザ装置
３０ 発振波長スペクトル
３１〜３３ 発振縦モード
４０ 複合発振波長スペクトル
５０，６０ａ〜６０ｄ 半導体レーザモジュール
５２ 第１レンズ
５３，６３，６６ アイソレータ
５４ 第２レンズ
５５ 光ファイバ
５６ 電流モニタ
５７ ベース
５７ａ ヒートシンク
５８ ペルチェ素子
５８ａ サーミスタ
５９ パッケージ
６１ａ，６１ｂ 偏波合成カプラ
６２，６５ ＷＤＭカプラ
６４ 増幅用ファイバ
６７ モニタ用光分配カプラ
６８ 制御回路
６９ 信号光入力ファイバ
７０ 信号光出力ファイバ
７１ 偏波面保持ファイバ
８１，８３ ラマン増幅器
Ｌr 共振器長
Ｌg 回折格子長
κi 結合係数
ｄsp 回折格子とＧＲＩＮ−ＳＣＨ層との間の厚さ
ｔgr 回折格子の厚さ
λgr 回折格子組成波長
Γg 光閉じ込め係数
Ｋ１〜Ｋ３ キンク
Ｐth 閾値
Ｃｔ，Ｃｔ−１〜Ｃｔ−３ 劈開位置
Claims (11)
- レーザ光の出射端面に設けた第１反射膜と該レーザ光の反射端面に設けた第２反射膜との間に形成された活性層に沿って前記第１反射膜側に部分的に設けられた回折格子を有し、
前記回折格子は、回折格子長が、前記活性層を挟む前記第１反射膜と前記第２反射膜とによって形成される光共振器の共振器長の（３００／１３００）倍の値以下であり、
前記共振器長と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に前記光共振器の発振縦モード間隔で並んだ２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力することを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記回折格子の第１反射膜側端面は、該第１反射膜に接合されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
- 前記回折格子は、回折格子長が３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
- 前記回折格子は、該回折格子の結合係数と回折格子長との乗算値が０．３以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
- 前記回折格子は、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
- 前記回折格子は、前記グレーティング周期をランダムあるいは所定周期で変化させたグレーティングであることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ装置。
- 前記共振器長は、８００μｍ以上であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
- 請求項１〜７に記載の半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導波する光ファイバと、前記半導体レーザ装置と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系と、を備えたことを特徴とする半導体レーザモジュール。
- 前記半導体レーザ装置の温度を制御する温度制御装置と、前記光結合レンズ系内に配置され、光ファイバ側からの反射戻り光の入射を抑制するアイソレータと、をさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の半導体レーザモジュール。
- 請求項１〜７に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項８または９に記載の半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用いたことを特徴とするラマン増幅器。
- 前記半導体レーザモジュールを用いて、増幅対象媒体の光ファイバに対して信号光の入射側から励起する前方励起あるいは信号光の出力側から励起する後方励起あるいは信号光の入射側および出力側の双方向から励起する双方向励起のいずれかを行うことを特徴とする請求項１０に記載のラマン増幅器。
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