JP3710077B2

JP3710077B2 - 外部共振器型半導体レーザ

Info

Publication number: JP3710077B2
Application number: JP34400397A
Authority: JP
Inventors: 隆志加藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-11-28
Filing date: 1997-11-28
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2017-11-28
Also published as: JPH11163471A

Description

【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、光増幅器（以下、「ＳＯＡ」と記載する）と共振器を備えた半導体レーザであって、特に共振器の一部がファイバグレーティング（以下、「ＦＧ」と記載する）により形成された反射器を備えた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共振器とを少なくとも含んでいる。
【０００３】
図７は、外部共振器型半導体レーザの１つの典型的な構成を示す図である。
【０００４】
図７(a) に示すように、この半導体レーザは、発光素子であり、且つ、増幅作用を有するＳＯＡ10と、出射ポートを兼ねた光ファイバ20とを組み合わせて構成されている。
【０００５】
ここで、ＳＯＡ10は、その内部に形成された活性層11と、活性層11への注入電流を供給するための１対の電極12、13とを備えており、電極12、13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、ＳＯＡ10の側面には、それぞれ誘電体多層膜16ａ、16ｂが形成されている。これら誘電体多層膜16ａ、16ｂのうち、後述する光ファイバ20が配置された側の端面に形成された誘電体多層膜16ｂは反射防止膜である。一方、光ファイバ20とは反対側の端面に形成された誘電体多層膜16ａは高反射率を有し、半導体レーザの共振器における一方の反射器を構成している。
【０００６】
一方、光ファイバ20は、上記誘電体多層膜16とは反対の側でＳＯＡ10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20のコア21の端部近傍にはＦＧ23が形成されている。即ち、ＦＧ23の部分では、図７(b) 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。従って、このＦＧ23と前述の誘電体多層膜16とによって共振器が形成される。尚、光ファイバ20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】
【発明が解決しようとする課題】
図８は、上記のような構成を有する外部共振器型半導体レーザにおけるミラーロスと発振位相条件の関係を示すグラフである。
【０００８】
図８(a) に示すように、半導体レーザにおいては、共振器を１往復したときの位相が元の位相と一致するという共振条件を満たし、且つ、ミラーロスが最も小さい波長で発振が生じる（説明を簡単にするために、ここでは利得の波長依存性は無視して考える）。その結果、図中に示すように、ひとつのメインピークａに対して、その両翼にサイドローブｂ、ｃと呼ばれる複数のピークが生じる。
【０００９】
このような特性の半導体レーザにおいて、環境温度の変化等の何らかの要因によってＳＯＡや共振器の特性が変化すると、図８(b) に示すように共振発振条件が変化するので、反射器のメインピーク波長付近の縦モードａからサイドローブ付近の縦モードｂあるいはｃに波長のホッピングが生じる。更に、発振波長とミラーロスが不連続に大きく変化するので電流／光特性にキンクが生じる。
【００１０】
また、ＦＧの反射率を低下させた場合、メインピークａ付近のミラーロスとサイドローブｂ、ｃにおけるミラーロスとの差が小さくなるので、例えば図９(b) に示すように、一定の共振条件の幅δＲの範囲で複数のレーザ発振が生じ得るようになる。このため、図９(a) に示すように、いわゆる多モード発振が生じて、発振波長域が広くなるという問題もある。
【００１１】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、環境温度の変化等に対しても電流／光特性が安定し、低反射率のＦＧを用いた場合でも発振波長の安定した外部共振器型半導体レーザを提供することをその目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に従うと、光を発生し且つ増幅する半導体光増幅器と、該半導体光増幅器の光出力を相互に反射する１対の反射器により形成された共振器とを備えた半導体レーザであって、該共振器を構成する反射器の少なくとも一方が、周期的な屈折率分布を有し、特定の波長のみを反射するするファイバグレーティングであり、且つ、該ファイバグレーティングの屈折率分布が、伝播光の進行方向に沿って包絡線を描くように、光ファイバの入射端近傍に形成されており、該共振器の縦モードの一つが前記ファイバグレーティングからなる反射器のメインピーク波長付近に含まれ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。
【００１３】
【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の独特の屈折率分布にその主要な特徴がある。すなわち、本発明に係る半導体レーザでは、ＦＧにおける屈折率の分布が、伝播光の進行方向に沿って包絡線を描くように構成されている。このような屈折率分布を有するＦＧを用いて共振器を構成した外部共振器型半導体レーザでは、後述するように、その反射特性においてサイドローブが非常に小さくなる。
【００１４】
即ち、通常のＦＧでは、ＦＧ形成部分の長さが有限であるために、ＦＧが形成されていない部分の屈折率とＦＧ形成部分の屈折率の変化が急峻であり、前記したような大きなサイドローブを発生する原因となっている。これに対して屈折率分布が包絡線を描くようなＦＧでは、急峻な屈折率の変化が生じないのでサイドローブが小さくなる。尚、ここで言う包絡線としては、三角形やガウス型を何れも含んでいる。
【００１５】
更に、本発明の好ましい態様によると、ＦＧとＳＯＡの間に光学部品を挿入して反射器の効率を向上させることができる。このような光学部品としては、単独の部品として供給される光学レンズを使用することもできるが、外部反射器並びに出射ポートとして利用される光ファイバの端面を凸面状に加工して代えることもできる。更に、両者を併用してもよい。
【００１６】
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。
【００１７】
【実施例】
図１は、本発明に係る外部共振器型半導体レーザの具体的な構成例を示す図である。尚、図８に示した従来の半導体レーザと共通の構成要素には共通は参照番号を付している。
【００１８】
同図に示すように、この半導体レーザは、図８に示した従来の半導体レーザと基本的な構成は同じである。但し、光ファイバ10に形成されたＦＧ26における屈折率分布が異なっている。
【００１９】
図２は、本発明に係る半導体レーザで使用するＦＧにおける屈折率分布を示すグラフである。
【００２０】
図２(a) に示すように、この半導体レーザでは、ＦＧの屈折率分布が、その伝播光の進行方向に沿って包絡線（アポタイズ曲線）を描いている。このような屈折率分布を有するＦＧでは、後述するように、ミラーロスのメインピークとサイローブの差が充分に大きいので、多モード発振が生じ難い。従って、図２(b) に示すように、発振波長には単一の突出したピークが現れる。
【００２１】
尚、本発明の好ましい１態様に因ると、実際のＦＧにおける屈折率分布は、図２(c) に示すように、各区間毎の平均屈折率が一定になるように形成することが好ましい。このような屈折率分布を形成することによりＦＧ内でのファブリペロー共振を回避でるのでメインピークａとサイドローブｂ、ｃの差は更に広がり、サイドローブｂ、ｃのピークは共振条件の幅δＲの範囲外になる。従って、多モード発振が生じることがない。
【００２２】
図３は、上記のような特性を有するＦＧを備えた半導体レーザにおけるミラーロスと位相条件との関係を示すグラフである。
【００２３】
図３(a) に示すように、本発明に従って構成された半導体レーザでは、共振条件を満たし且つミラーロスが最も小さい特定の波長に生じるメインピークが、その両翼に生じるサイドローブに対して極めて大きな落差を有している。
【００２４】
従って、この半導体レーザにおいて、ＳＯＡや共振器の特性が変化した場合、図３(b) に示すように共振発振条件が変化しても、波長のホッピングが生じることがない。また、そのために、電流／光特性のキンクの原因となるような発振波長やミラーロスの不連続な変化が生じない。
【００２５】
図４は、本発明に係る外部共振器型半導体レーザの他の実施態様を示す図である。尚、同図において、他の図面と共通の構成要素には共通の参照番号を付して重複する説明は省略している。
【００２６】
同図に示すように、この半導体レーザでは、ＳＯＡ10と光ファイバ20との間の光路上に光学レンズ31が配されている。この光学レンズ31でＳＯＡ10と光ファイバ20との間で往復する光を集光させることにより、光結合効率を向上させて効率良くレーザ光を発生させることが可能になる。また、光ファイバ20の端面25を斜めに形成することにより、光ファイバの端面の端面反射を排除することができる。
【００２７】
図５は、本発明に係る外部共振器型半導体レーザの更に他の実施態様を示す図である。同図においても他の図面と共通の構成要素には共通の参照番号を付して重複する説明は省略している。
【００２８】
同図に示すように、この半導体レーザでは、ＳＯＡ10と光ファイバ20との間の光路上に複数の光学レンズ31、32が配されている。この光学レンズ31、32でＳＯＡ10と光ファイバ20との間で往復する光を集光させることにより、効率良くレーザを発生させることが可能になる。また、図４に示した実施例と同様に、光ファイバ20の端面25を斜めに形成して端面反射を排除することができる。また、複数のレンズを用いることによりトレランスが緩やかになり、光ファイバの軸ずれ等による光結合効率の劣化を低減できる。
【００２９】
図１に示した構造を有し、図２(c) に示すようなでガウシアンカーブを描く屈折率分布を有するファイバグレーティングを備えた本発明に係る外部共振器型半導体レーザを作製した。InＰ基板上にInGaAsＰ薄膜を成長させて、４元結晶からなる量子井戸構造の活性層を有する発光素子を形成した。この発光素子の前端面に誘電体多層膜としてSiＮ薄膜を被着させ、光ファイバ側の反射率が１％以下になるようにした。光ファイバとしては、コア径10μｍのシングルモードファイバを用い、その入射端近傍のコアに、長さ６mmにわたってファイバグレーティングを形成した。ファイバグレーティングにおける最大屈折率差は10^-4から０までの範囲で、ファイバグレーティング全体の平均屈折率が1.46となるようにした。また、比較のために、最大屈折率差10^-4で単調な屈折率分布を有するファイバグレーティングを別途作製した。
【００３０】
上記のファイバグレーティングを用いて外部共振器型半導体レーザを組立て、それぞれの出力を温度を変化させながらスペクトルメータで測定した。測定結果を図６に示す。同図に示す通り、従来の構成の外部共振器型半導体レーザでは、ある温度を境にして発信波長が変化する。これに対して、本発明に係る外部共振器型半導体レーザは、大幅な温度の変化に対しても発信波長が安定していることが確認された。
【００３１】
【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の独特の屈折率分布により、環境温度の変化等に対しても電流／光特性が安定しており、更に、低反射率のＦＧを用いた場合でも発振波長が安定している。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の構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る外部共振器型半導体レーザにおける、ＦＧの屈折率分布と発振波長とを示す図である。
【図３】本発明に係る外部共振器型半導体レーザにおける、ミラーロスと発振の位相条件との関係を、特に位相条件が変化した場合について説明するグラフである。
【図４】本発明に係る外部共振器型半導体レーザの他の構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る外部共振器型半導体レーザの他の構成例を示す図である。
【図６】実際に作製した外部共振器型半導体レーザの特性を測定した結果を示すグラフである。
【図７】従来の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。
【図８】ミラーロスと発振の位相条件との関係を、特に位相条件が変化した場合について説明するグラフである。
【図９】従来の外部共振器型半導体レーザのＦＧ反射率の変化と発振波長の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
10・・・ＳＯＡ、 11・・・活性層、 12、13・・・電極、
14・・・回折格子（分布帰還型反射器）、
15、17、18・・・回折格子( 分布反射型反射器) 、
16ａ、16ｂ・・・誘電体多層膜、 20・・・光ファイバ層、 21・・・コア、 22・・・クラッド、 23・・・ファイバグレーティング

Claims

光を発生し且つ増幅する半導体光増幅器と、該半導体光増幅器の出力光を反射する１対の反射器により形成された共振器とを備えた半導体レーザであって、該共振器を構成する反射器の少なくとも一方が、周期的な屈折率分布を有し、特定の波長のみを反射するファイバグレーティングであり、且つ、該ファイバグレーティングの屈折率分布が、伝播光の進行方向に沿って包絡線を描くように、光ファイバの入射端近傍に形成されており、該共振器の縦モードの一つが前記ファイバグレーティングからなる反射器のメインピーク波長付近に含まれていることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
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、前記ファイバグレーティングにおける屈折率分布が、該ファイバグレーティングの任意の区間において屈折率の平均が一定になるように形成されていることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
請求項１または請求項２に記載された外部共振器型半導体レーザにおいて、前記半導体光増幅器と前記ファイバグレーティングを含む光ファイバとの間の光路上に、少なくとも１個の光学レンズを備えることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
請求項３に記載された外部共振器型半導体レーザにおいて、前記光学レンズが凸面状に成形された光ファイバの端面であることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。