JP3752171B2 - 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
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 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ラマン増幅用励起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、主にエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier）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帯から実用化され、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においては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２６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２６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によって各レーザ光の偏波面を９０°異ならせている。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によって各レーザ光の偏波面を９０°異ならせている。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、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２７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２７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が対向配置され、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、特定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。これは、ＲＩＮスペクトルにおいて、半導体発光素子２０２の光反射面２２２とファイバグレーティング２３３との間の光の往復時間に対応した周波数毎にピーク値が発生するからである。ここで、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】
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。
【００１５】
なお、ラマン増幅器としては、図２６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、励起光強度のゆらぎが信号光に移りやすく、また、４光波混合などの非線形効果が起こりやすく、さらに、励起光の偏光依存性が現れやすい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。
【００１６】
また、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】
さらに、ラマン増幅は、得られる増幅率が比較的低いため、高出力のラマン増幅用励起光源の出現が望まれていた。
【００１８】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、安定し、高利得を得ることができるラマン増幅器用光源に適した半導体レーザ装置および半導体レーザモジュール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に回折格子を設け、前記活性層が形成する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に回折格子を設け、前記活性層が形成する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、波長が安定化され、かつ発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上、好ましくは３本以上、より好ましくは４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、発振波長が１２００〜１５５０ｎｍであることを特徴とする。
【００２２】
この請求項２の発明によれば、発振波長を１２００〜１５５０ｎｍとし、光ファイバの伝送帯域に適した波長帯域の信号光のラマン増幅を行うようにしている。具体的に、発振波長が１２００〜１５５０ｎｍの場合、ラマン増幅の利得波長帯域は１３００〜１６５０ｎｍとなる。
【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、前記発振波長スペクトルの半値幅は、３ｎｍ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、前記発振波長スペクトルの半値幅を、３ｎｍ以下とし、波長合成する際の合波ロスを小さくするようにしている。
【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、前記活性層が形成する共振器長は、８００μｍ以上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、前記活性層が形成する共振器長を、８００μｍ以上とし、発振縦モードのモード間隔を短くすることによって、前記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を増大するようにしている。
【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、前記活性層が形成する共振器長は、３２００μｍ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、前記活性層が形成する共振器長を、３２００μｍ以下とし、発振縦モードのモード間隔を０．１ｎｍ以上とし、ラマン増幅時における誘導ブリルアン散乱の影響を低減するようにしている。
【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、前記回折格子のグレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせ、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また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また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、前記回折格子は、前記活性層に沿って、前記共振器長と同じ長さを有することを特徴とする。
【００３４】
この請求項８の発明によれば、前記回折格子を、前記活性層に沿って、前記共振器長と同じ長さとし、当該半導体レーザ装置の製造を容易にしている。
【００３５】
また、請求項９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、前記活性層に沿った一部に設けられることを特徴とする。
【００３６】
この請求項９の発明によれば、前記回折格子を、前記活性層に沿った一部に設けることによって、回折格子の長さを変化させ、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。
【００３７】
また、請求項１０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、レーザ光の前記第１反射膜近傍から前記第２反射膜側方向にあるいは前記第２反射膜近傍から前記第１反射膜側方向に、前記活性層に沿って一定長延びた部分回折格子であることを特徴とする。
【００３８】
この請求項１０の発明によれば、前記回折格子を、レーザ光の前記第１反射膜近傍から前記第２反射膜側方向にあるいは前記第２反射膜近傍から前記第１反射膜側方向に、前記活性層に沿って一定長延びた部分回折格子とし、部分回折格子の長さによる該部分回折格子の反射帯域の半値幅を変化させることによって発振波長スペクトルの半値幅を変化し、該半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を行うとともに、このときの反射率の高低に対応して第１反射膜側あるいは第１反射膜側に部分回折格子を設けるようにしている。
【００３９】
また、請求項１１にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記発振パラメータは、前記回折格子の結合係数を含むことを特徴とする。
【００４０】
この請求項１１の発明によれば、前記発振パラメータに、前記回折格子の結合係数を含めるようにし、該回折格子の結合係数を変化させることによって、発振波長スペクトルの半値幅を変化させ、該半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を行うようにしている。
【００４１】
また、請求項１２にかかる半導体レーザモジュールは、請求項１〜１１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。
【００４２】
この請求項１２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。
【００４３】
また、請求項１３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。
【００４４】
この請求項１３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、インライン式の偏波無依存型と異なり、小型の偏波無依存型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。
【００４５】
また、請求項１４にかかるラマン増幅器は、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３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。
【００４６】
この請求項１４の発明によれば、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３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。
【００４７】
また、請求項１５にかかるラマン増幅器は、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３に記載の半導体レーザモジュールは、広帯域ラマン増幅用の励起光源であって、前方励起用光源あるいは双方向励起方式における前方励起用光源として用いられることを特徴とする。
【００４８】
この請求項１５の発明によれば、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３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であって、前方励起用光源あるいは双方向励起方式における前方励起用光源として用い、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。
【００４９】
【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および半導体レーザモジュールの好適な実施の形態について説明する。
【００５０】
(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、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（Graded Index-Separate Confinement Heterostructure Multi Quantum Well：分布屈折率分離閉込め多重量子井戸）活性層３、ｐ−ＩｎＰスペーサ層４、およびｐ−ＩｎＰクラッド層６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７が積層された構造を有する。
【００５１】
ｐ−ＩｎＰスペーサ層４内には、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コンタクト層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。
【００５２】
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５％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。
【００５３】
この実施の形態１における半導体レーザ装置２０は、発振波長λ0が、１２００ｎｍ〜１５５０ｎｍであり、共振器長Ｌを、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１４８０ｎｍとし、等価屈折率を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Ｌ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。
【００５４】
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４に示す発振波長スペクトル３０として表される。
【００５５】
図４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。図４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。
【００５６】
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、各発振縦モードのレーザ出力のピーク値を抑えつつ、発振波長スペクトル全体で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５（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５（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。
【００５７】
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５（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。
【００５８】
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以上であると、誘導ブリルアン散乱が抑えられる。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。なお、誘導ブリルアン散乱のスペクトルは、約０．１ｎｍであり、この誘導ブリルアン散乱のスペクトル内に複数の発振縦モードが存在すると、個々の発振縦モードが誘導ブリルアン散乱の閾値Ｐｔｈを超えなくても、このスペクトル幅内に存在する複数の発振縦モードの強度の和で、誘導ブリルアン散乱の閾値Ｐｔｈを超えてしまう場合がある。このため、０．１ｎｍの範囲内には、他の発振縦モードが存在しないことが望ましい。
【００５９】
このような観点から、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、複数であることが望ましい。ところで、ラマン増幅では、増幅利得に偏波依存性があるため、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。このための方法として、励起光を無偏光化（デポラライズ）する方法があり、具体的には、２台の半導体レーザ装置２０からの出力光を方法のほか、デポラライザとして所定長の偏波面保持ファイバを用いて、１台の半導体レーザ装置２０から出射されたレーザ光を、この偏波面保持ファイバに伝搬させる方法がある。無偏光化の方法として、後者の方法を使用する場合には、発振縦モードの本数が増大するに従ってレーザ光のコヒーレンシーが低くなるので、無偏光化に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。従って、ラマン増幅器に使用するために半導体レーザ装置２０から出射されるレーザ光を無偏光化する場合に、２台の半導体レーザ装置の出射光を偏波合成して利用しなくても、１台の半導体レーザ装置２０の出射レーザ光を無偏光化して利用することが容易となるので、ラマン増幅器に使用される部品数の削減、小型化を促進することができる。
【００６０】
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発振縦モードの動きによって、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。
【００６１】
さらに、従来の半導体レーザ装置では、図１５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。
【００６２】
また、図２７に示した半導体レーザモジュールでは、半導体発光素子２０２の光反射面２２２と光出射面２２３とが形成する共振器構造によって増幅された微弱なレーザ光が出力され、本来、光反射面２２２とファイバグレーティング２３３とによって選択されるレーザ光に影響を与え、注入電流−光出力特性上にキンクを生じさせ、光出力を不安定なものにするという不具合があったが、この実施の形態１の半導体レーザ装置２０では、ファイバグレーティング２３３を用いていないため、安定した光出力を得ることができる。この結果、ラマン増幅器の励起用光源として用いる場合に、安定したラマン増幅を行わせることができる。
【００６３】
さらに、図２７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２７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。
【００６４】
この実施の形態１によれば、半導体レーザ装置２０が回折格子１３によって波長選択を行い、発振波長を１２００〜１５５０μｍ帯とし、共振器長Ｌを８００〜３２００μｍ帯とすることによって、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モード、好ましくは４本以上の発振縦モードをもつレーザ光を出力するようにしているので、ラマン増幅器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、安定し、かつ高いラマン利得を得ることができる。
【００６５】
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。
【００６６】
（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、共振器長Ｌを長くすることによって、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内の縦モード数が複数となるようにしていたが、この実施の形態２では、回折格子１３のグレーティング長ＬＧあるいは結合係数を変化させることによって、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを変化させ、これによって半値幅Δλｈ内の縦モード数が相対的に複数となるようにしている。
【００６７】
図６は、この発明の実施の形態２である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。この半導体レーザ装置は、図１〜図３に示した半導体レーザ装置２０の回折格子１３に対応する回折格子４３の構成が、半導体レーザ装置２０と異なるとともに、出射側反射膜１５の反射率が異なる。その他の構成は、半導体レーザ装置２０と同じであり、同一構成部分には、同一符号を付している。
【００６８】
回折格子４３は、反射率０．１〜２％の低光反射率をもつ出射側反射膜１５から反射率８０％以上の高光反射率をもつ反射膜１４側に向けて所定長ＬＧ１分、形成され、所定長ＬＧ１以外のｐ−ＩｎＰスペーサ層４には、回折格子４３が形成されない。
【００６９】
また、図７は、この発明の実施の形態２の変形例である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。この半導体レーザ装置は、図６に示した回折格子４３に代えて、反射膜１４側に設けた回折格子４４を有するとともに、反射膜１４の反射率を低光反射率としている。すなわち、回折格子４４は、反射率０．１〜２％の低光反射率をもつ反射膜１４から反射率１〜５％の低光反射率をもつ出射１５側に向けて所定長ＬＧ２分、形成され、所定長ＬＧ２以外のｐ−ＩｎＰスペーサ層４には、回折格子４４が形成されない。
【００７０】
さらに、図８は、この発明の実施の形態２の変形例である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。この半導体レーザ装置は、図６に示した回折格子４３および図７に示した回折格子４４の構成を適用したものである。
【００７１】
すなわち、この半導体レーザ装置は、反射率０．１〜２％の低光反射率をもつ出射側反射膜１５から反射率０．１〜２％の低光反射率をもつ反射膜１４側に向けて所定長ＬＧ３分、形成された回折格子４５と、この反射膜１４から出射側反射膜１５側に向けて所定長ＬＧ４分、形成された回折格子４６とを有する。
【００７２】
図６〜図８に示した回折格子４３〜４６の所定長ＬＧ１〜ＬＧ４を変化させることによって、発振縦モードのモード間隔Δλが固定的であっても、図４に示した発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを変化させることができる。
【００７３】
すなわち、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを広くするためには、回折格子の長さを短くすることも有効である。このため、実施の形態１に示したように、回折格子を共振器（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３）の長さ全体に施すのではなく、この共振器の一部に形成するようにする。
【００７４】
この場合、共振器に対する回折格子の位置によっては、位相発振条件がずれ、これによってレーザ発振特性が悪化するおそれがあるため、図６に示したように、回折格子４３を、出射側反射膜１５を起点として反射膜１４方向に、共振器の途中まで延ばして形成する場合、出射側反射膜１５として０．１〜２％の反射率をもつ低光反射コートを施し、反射膜１４として８０％以上の反射率をもつ高反射コートを施すようにする。また、図７に示したように、回折格子４４を、反射膜１４を起点として出射側反射膜１５方向に、共振器の途中まで延ばして形成する場合、反射膜１４として０．１〜２％の反射率をもつ低光反射コートを施し、出射側反射膜１５として反射率１〜５％の反射率をもと低反射コートを施すようにする。さらに、図８に示したように、回折格子４５，４６をそれぞれ出射側反射膜１５側および反射膜１４側に形成する場合、出射側反射膜１５および反射膜１４として、ともに反射率０．１〜２％の低光反射コートを施す。
【００７５】
また、図６に示したように、回折格子を出射側反射膜１５側に形成する場合、回折格子４３自体の反射率を低めに設定し、図７に示したように、回折格子を反射膜１４側に形成する場合、回折格子４４自体の反射率を高めに設定することが好ましい。また、図８に示したように、回折格子を出射側反射膜１５側および反射膜１４側の双方に形成する場合、回折格子４５自体の反射率を低めに設定し、回折格子４６自体の反射率を高めに設定する。これによって、回折格子４３〜４６による波長選択特性を満足させつつ、反射膜１４および出射側反射膜１５によるファブリペロー型共振器の影響を小さくすることができる。
【００７６】
具体的に、図６に示した半導体レーザ装置では、発振波長λ0が１４８０ｎｍであり、共振器長Ｌが１３００μｍであり、回折格子４３のグレーティング長ＬＧ１が２２０μｍ、結合係数κLG（ｃｍ-1）とグレーティング長ＬＧ１との積κLG・ＬＧ１が０．０９３である。また、図７に示した半導体レーザ装置では、共振器長Ｌが１３００μｍであり、回折格子４４のグレーティング長ＬＧ２が４００μｍ、結合係数κLGとグレーティング長ＬＧ２との積κLG・ＬＧ２が２．９７である。このような回折格子４３，４４を適用した場合、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈは、１〜２ｎｍとなり、半値幅Δλｈ内に３〜５本程度の発振縦モードを含ませることができる。
【００７７】
ここで、図９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９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９に示したスペクトルは、図６に示した半導体レーザ装置の構成に対応し、グレーティング長ＬＧ１＝１００μｍ、共振器長Ｌ＝１３００μｍ、回折格子の結合係数κLGとグレーティング長ＬＧ１との積κLG・ＬＧ１＝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。
【００７８】
さらに、図１０は、図６に示した半導体レーザ装置の構成に対応し、グレーティング長ＬＧ１＝３０μｍ、共振器長Ｌ＝１３００μｍ、回折格子の結合係数κLG＝２０ｃｍ-1、結合係数κLGとグレーティング長ＬＧ１との積κLG・ＬＧ１＝０．０６のＩ−Ｌ（駆動電流Ｉopに対する光出力Ｐo）特性を示す図である。図１１に示されたＩ−Ｌ特性は、十数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安定して行うことができることを示している。
【００７９】
なお、図６〜図８では、回折格子４３〜４６を、出射側反射膜１５側または反射膜１４側、あるいは出射側反射膜１５側および反射膜１４側に設けたが、これに限らず、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３に沿い、共振器長Ｌに対して部分的な長さをもつ回折格子を形成するようにしてもよい。ただし、回折格子の反射率を考慮することが好ましい。
【００８０】
この実施の形態２では、共振器長Ｌに対する回折格子の長さを部分的なものとし、この回折格子のグレーティング長ＬＧおよび結合係数κLGを適切に変化させることによって、所望の発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを得ることができ、この半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードをもったレーザ光を発振させることができ、実施の形態１と同様な作用効果をもった半導体レーザ装置を実現することができる。
【００８１】
（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。上述した実施の形態１では、回折格子１３のグレーティング周期は一定であったが、この実施の形態３では、回折格子１３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を用い、これによって、回折格子の波長選択特性に揺らぎを発生させ、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを広げて、半値幅Δλｈ内の発振縦モード数が相対的に複数となるようにしている。すなわち、図１１に示すように、半値幅Δλｈを半値幅ｗｃに広げて、半値幅ｗｃ内に含まれる発振縦モードの本数を増大するようにしている。
【００８２】
図１２は、この発明の実施の形態３である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。この半導体レーザ装置では、図１〜図３に示した半導体レーザ装置２０の回折格子１３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る回折格子４７を有している。その他の構成は、半導体レーザ装置２０と同じであり、同一構成部分には、同一符号を付している。
【００８３】
図１３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１３に示すように、この回折格子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±０．０２ｎｍの周期揺らぎによって回折格子４７の反射帯域は、約２ｎｍの半値幅を有し、これによって、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持たせることができる。
【００８４】
上述した実施の形態３では、共振器長Ｌに等しいチャープドグレーティングを形成するようにしていたが、これに限らず、実施の形態２に示したようにチャープドグレーティングの回折格子を、共振器長Ｌに対して部分的に配置するようにしてもよい。すなわち、上述した実施の形態３に示したチャープドグレーティングを実施の形態２に適用するようにしてもよい。
【００８５】
また、上述した実施の形態３では、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としたが、これに限らず、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。
【００８６】
さらに、図１４（ａ）に示すように、周期Λ1周期Λ2とを１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１４（ｂ）に示すように、周期Λ3と周期Λ4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１４（ｃ）に示すように、連続する複数回の周期Λ5と連続する複数回の周期Λ6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，Λ3，Λ5と周期Λ2，Λ4，Λ6との間の離散的な異なる値をもつ周期をそれぞれ補完して配置するようにしていもよい。
【００８７】
この実施の形態３では、半導体レーザ装置に設けられる回折格子をチャープドグレーティングなどによって、平均周期に対して±０．０１〜０．２ｎｍ程度の周期揺らぎをもたせ、これによって、反射帯域の半値幅を所望の値に設定し、最終的に発振波長スペクトルの半値幅Δλｈを決定し、半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードが含まれるレーザ光を出力するようにし、実施の形態１あるいは実施の形態２と同様な作用効果をもった半導体レーザ装置を実現することができる。
【００８８】
（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１〜３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。
【００８９】
図１５は、この発明の実施の形態４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１５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１〜３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、Ｃｕ−Ｗ合金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モジュール５８が配置される。ペルチェモジュール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。ペルチェモジュール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、ペルチェモジュール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モジュール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モジュール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、高電流注入時の発熱が抑制されるからである。この場合、波長安定性がさらに向上し、しかも温度制御も容易になる。
【００９０】
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、およびモニタフォトダイオード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、モニタフォトダイオード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。
【００９１】
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再入力しないように、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、インライン式の偏波無依存型でなく、小型の偏波依存型アイソレータを用いることができるため、さらに低い相対強度雑音（ＲＩＮ）を達成することができ、アイソレータによる挿入損失を小さくすることができる。
【００９２】
さらに、この実施の形態４の半導体レーザモジュールによる温度制御の具体例について説明する。図１６は、駆動電流Ｉopとサーミスタ５８ａの温度Ｔｓとの関係を示す図である。図１６において、直線Ｌ１は、駆動電流Ｉopの増減にかかわらず、サーミスタ５８ａが検出する温度Ｔｓを一定の温度、たとえば２５℃に制御する場合を示している。これに対し、この実施の形態では、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の温度Ｔｊが、常に一定となる（直線Ｌ２参照）サーミスタ５８ａの温度Ｔｓの関係である制御関数ＦＳ１〜ＦＳ３、たとえば制御関数ＦＳ２を求め、駆動電流Ｉopの値を制御関数ＦＳ２に入力した場合の温度が、サーミスタ５８ａの温度Ｔｓとなるように、ペルチェモジュール５８を制御するようにしている。たとえば、制御関数ＦＳ２による温度制御を行うことによって、発振波長は波長λ２に一定となることから、発振波長のシフトに伴う発振波長のジャンプがなくなり、Ｉ−Ｌ特性上のキンクが減少し、発振波長の動的安定性が得られることになる。また、制御関数ＦＳ１，ＦＳ３に基づいた温度制御を行うことによって、それぞれ一定の発振波長λ１，λ３に波長制御することができる。
【００９３】
図１７は、制御関数ＦＳ１〜ＦＳ３に基づいた波長制御結果を示す図である。図１７において、特性Ｌ３は、直線Ｌ１に基づいて温度制御を行った場合における発振波長λの変化を示しており、駆動電流Ｉopが１００ｍＡ〜１２００ｍＡに増大するに従って発振波長λが長波長側にシフトし、約２ｎｍシフトしている。これに対して、制御関数ＦＳ１〜ＦＳ３に基づいて温度制御を行った場合には、駆動電流Ｉopが１００ｍＡ〜１２００ｍＡに増大しても、それぞれ一定の発振波長λ１〜λ３を維持している。たとえば、制御関数ＦＳ２に基づいた温度制御を行った場合における波長は、駆動電流Ｉopの増減にかかわらず、λ２±０．５ｎｍの精度を維持し、ラマン増幅用光源として好適な安定した波長のレーザ光を出力することができる。なお、図１６および図１７に示した黒い四角印および黒い菱形印は、それぞれ実測値である。
【００９４】
この実施の形態４では、実施の形態１〜３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、大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。
【００９５】
（実施の形態５）
つぎに、この発明の実施の形態５について説明する。この実施の形態５では、上述した実施の形態４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。
【００９６】
図１８は、この発明の実施の形態５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１８において、このラマン増幅器は、上述した実施の形態４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２６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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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光として信号光出力ファイバ７０に出力する。
【０１００】
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。
【０１０１】
この実施の形態５に示したラマン増幅器では、たとえば図２６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１〜３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削減を実現することができる。
【０１０２】
なお、図１８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１９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。ここで、上述したように、各半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃ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７１を短くすることができる。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をなくすことができ、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。
【０１０３】
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発振縦モード数が多い半導体レーザ装置を用いると、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。
【０１０４】
また、上述した実施の形態１〜３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、ラマン増幅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２０は、図６に示した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２０に示すように、相対強度雑音（ＲＩＮ）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。
【０１０５】
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、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。
【０１０６】
さらに、上述した実施の形態１〜３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。
【０１０７】
また、図１８および図１９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。
【０１０８】
たとえば、図２１は、前方励起方式を採用したらラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図２１に示したラマン増幅器は、図１８に示したラマン増幅器にＷＤＭカプラ６５´をアイソレータ６３の近傍に設けている。このＷＤＭカプラ６５´には、半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄ、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂおよびＷＤＭカプラ６２にそれぞれ対応した半導体レーザモジュール６０ａ´〜６０ｄ´、偏波合成カプラ６１ａ´，６１ｂ´およびＷＤＭカプラ６２´を有した回路が接続され、ＷＤＭカプラ６２´から出力される励起光を信号光と同じ方向に出力する前方励起を行う。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ´〜６０ｄ´は、上述した実施の形態１〜４で用いられる半導体レーザ装置を用いているため、ＲＩＮが小さく、前方励起を効果的に行うことができる。
【０１０９】
同様に、図２２は、前方励起方式を採用したラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図２２に示したラマン増幅器は、図１９に示したラマン増幅器にＷＤＭカプラ６５´をアイソレータ６３の近傍に設けている。このＷＤＭカプラ６５´には、半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃおよびＷＤＭカプラ６２にそれぞれ対応した半導体レーザモジュール６０ａ´，６０ｃ´およびＷＤＭカプラ６２´を有した回路が接続され、ＷＤＭカプラ６２´から出力される励起光を信号光と同じ方向に出力する前方励起を行う。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ´，６０ｃ´は、上述した実施の形態１〜４で用いられる半導体レーザ装置を用いているため、ＲＩＮが小さく、前方励起を効果的に行うことができる。
【０１１０】
また、図２３は、双方向励起方式を採用したらラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図２３に示したラマン増幅器は、図１８に示したラマン増幅器の構成に、図２１に示したＷＤＭカプラ６５´、半導体レーザモジュール６０ａ´〜６０ｄ´、偏波合成カプラ６１ａ´，６１ｂ´およびＷＤＭカプラ６２´をさらに設け、後方励起と前方励起とを行う。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ´〜６０ｄ´は、上述した実施の形態１〜４で用いられる半導体レーザ装置を用いているため、ＲＩＮが小さく、前方励起を効果的に行うことができる。
【０１１１】
同様に、図２４は、双方向励起方式を採用したラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図２４に示したラマン増幅器は、図１９に示したラマン増幅器の構成に、図２２に示したＷＤＭカプラ６５´、半導体レーザモジュール６０ａ´，６０ｃ´およびＷＤＭカプラ６２´をさらに設け、後方励起と前方励起とを行う。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ´，６０ｃ´は、上述した実施の形態１〜４で用いられる半導体レーザ装置を用いているため、ＲＩＮが小さく、前方励起を効果的に行うことができる。
【０１１２】
なお、上述した前方励起方式あるいは双方向励起方式における前方励起に用いられるラマン増幅用光源は、共振器長Ｌが８００μｍ未満であってもよい。共振器長Ｌを８００μｍ未満とすると、上述したように発振縦モードのモード間隔Δλが狭くなり、ラマン増幅用光源として用いる場合に発振縦モードの本数が少なくなり、大きな光出力を得ることができなくなるが、前方励起は後方励起に比較して低出力で済むため、必ずしも共振器長Ｌが８００μｍ以上である必要はない。
【０１１３】
上述した図１８，図１９，図２１〜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２５は、図１８，図１９，図２１〜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。
【０１１４】
図２５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１８，図１９，図２１〜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。
【０１１５】
なお、上述した実施の形態５では、実施の形態１〜３に示した半導体レーザ装置あるいは実施の形態４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、０．９８μｍ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。
【０１１６】
【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に回折格子を設け、前記活性層が形成する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波長が安定化され、かつ発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上、好ましくは３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、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。また、ファイバグレーティングを用いず、第１反射膜からの出射光をそのままラマン増幅器用の励起用光源として用いているため、従来の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、相対強度雑音が低減され、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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
また、複数の発振縦モードの存在によって、デポラライズのために使用する偏波面保持ファイバ長を短くすることができるという効果を奏する。
【０１１９】
さらに、当該半導体レーザ装置内の回折格子によって波長ロックを行うようにしているので、出力されたレーザ光を導く光ファイバからの反射戻り光の入射を防ぐためのアイソレータの組み込みが容易になるという効果を奏する。
【０１２０】
また、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザ装置に生じる注入電流−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。
【０１２１】
また、請求項２の発明によれば、発振波長を１２００〜１５５０ｎｍとしているので、光ファイバの伝送帯域に適した波長帯域の信号光のラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１２２】
また、請求項３の発明によれば、前記発振波長スペクトルの半値幅を、３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下としているので、ラマン増幅時の波長合成を効率的に行うことができるという効果を奏する。
【０１２３】
また、請求項４の発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、８００μｍ以上とし、発振縦モードのモード間隔を短くすることによって、前記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を増大す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の複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１２４】
また、請求項５の発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、３２００μｍ以下とし、発振縦モードのモード間隔を０．１ｎｍ以上とし、ラマン増幅時における誘導ブリルアン散乱の影響を低減するようにしているので、安定したラマン利得を得ることができるという効果を奏する。
【０１２５】
また、請求項６の発明によれば、前記回折格子のグレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせ、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複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１２６】
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また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複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１２７】
また、請求項８の発明によれば、前記回折格子を、前記活性層に沿って、前記共振器長と同じ長さとしているので、当該半導体レーザ装置の製造を容易にすることができるという効果を奏する。
【０１２８】
また、請求項９の発明によれば、前記回折格子を、前記活性層に沿った一部に設けることによって、回折格子の長さを変化させ、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複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１２９】
また、請求項１０の発明によれば、前記回折格子を、レーザ光の前記第１反射膜近傍から前記第２反射膜側方向にあるいは前記第２反射膜近傍から前記第１反射膜側方向に、前記活性層に沿って一定長延びた部分回折格子とし、部分回折格子の長さによる該部分回折格子の反射帯域の半値幅を変化させることによって発振波長スペクトルの半値幅を変化し、該半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を行うとともに、このときの反射率の高低に対応して第１反射膜側あるいは第１反射膜側に部分回折格子を設け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の複数化を適切に行うことができるという効果を奏する。
【０１３０】
また、請求項１１の発明によれば、前記発振パラメータに、前記回折格子の結合係数を含めるようにし、該回折格子の結合係数を変化させることによって、発振波長スペクトルの半値幅を変化させ、該半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を行う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複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１３１】
また、請求項１２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。
【０１３２】
また、請求項１３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、大型の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という効果を奏する。
【０１３３】
また、請求項１４の発明によれば、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３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。
【０１３４】
また、請求項１５の発明によれば、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３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であって、前方励起用光源あるいは双方向励起方式における前方励起用光源として用い、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、特にＲＩＮが低いという作用効果を有効利用し、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。
【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１に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】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５】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６】この発明の実施の形態２である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７】この発明の実施の形態２の第１変形例である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８】この発明の実施の形態２の第２変形例である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９】図６に示した半導体レーザ装置に対応する半導体レーザ装置の発振波長スペクトルの計測結果を示す図である。
【図１０】図６に示した半導体レーザ装置に対応する半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を示す図である。
【図１１】回折格子にチャープドグレーティングを適用した場合における発振波長スペクトルを示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態３である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１３】図１２に示した回折格子の周期揺らぎを示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態３における回折格子の周期揺らぎを実現する変形例を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態４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１６】温度制御に用いられる制御関数の一例を示す図である。
【図１７】図１６に示した制御関数を用いた場合における発振波長の駆動電流依存性を示す図である。
【図１８】この発明の実施の形態５であるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図１９】図１８に示したラマン増幅器の応用例を示すブロック図である。
【図２０】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２１】図１８に示したラマン増幅器の変形例であって、前方励起方式を採用したラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２２】図２１に示したラマン増幅器の応用例を示すブロック図である。
【図２３】図１８に示したラマン増幅器の変形例であって、双方向励起方式を採用したラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２４】図２３に示したラマン増幅器の応用例を示すブロック図である。
【図２５】図１８，図１９，図２１〜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２６】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２７】図２６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
４ ｐ−ＩｎＰスペーサ層
６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７ ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
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
１３，４３〜４７ 回折格子
１４ 反射膜
１５ 出射側反射膜
２０，５１ 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
５０，６０ａ〜６０ｄ，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 モニタフォトダイオード
５７ ベース
５７ａ ヒートシンク
５８ ペルチェモジュール
５８ａ サーミスタ
５９ パッケージ
６１ａ，６１ｂ，６１ａ´，６１ｂ´ 偏波合成カプラ
６２，６５，６２´，６５´ ＷＤＭカプラ
６４ 増幅用ファイバ
６７ モニタ光分配用カプラ
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
ＬＧ グレーティング長
κLG 結合係数
Ｐｔｈ 閾値
【発明の属する技術分野】
この発明は、ラマン増幅用励起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、主にエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier）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帯から実用化され、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においては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２６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２６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によって各レーザ光の偏波面を９０°異ならせている。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によって各レーザ光の偏波面を９０°異ならせている。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、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２７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２７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が対向配置され、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、特定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。これは、ＲＩＮスペクトルにおいて、半導体発光素子２０２の光反射面２２２とファイバグレーティング２３３との間の光の往復時間に対応した周波数毎にピーク値が発生するからである。ここで、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】
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。
【００１５】
なお、ラマン増幅器としては、図２６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、励起光強度のゆらぎが信号光に移りやすく、また、４光波混合などの非線形効果が起こりやすく、さらに、励起光の偏光依存性が現れやすい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。
【００１６】
また、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】
さらに、ラマン増幅は、得られる増幅率が比較的低いため、高出力のラマン増幅用励起光源の出現が望まれていた。
【００１８】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、安定し、高利得を得ることができるラマン増幅器用光源に適した半導体レーザ装置および半導体レーザモジュール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に回折格子を設け、前記活性層が形成する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に回折格子を設け、前記活性層が形成する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、波長が安定化され、かつ発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上、好ましくは３本以上、より好ましくは４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、発振波長が１２００〜１５５０ｎｍであることを特徴とする。
【００２２】
この請求項２の発明によれば、発振波長を１２００〜１５５０ｎｍとし、光ファイバの伝送帯域に適した波長帯域の信号光のラマン増幅を行うようにしている。具体的に、発振波長が１２００〜１５５０ｎｍの場合、ラマン増幅の利得波長帯域は１３００〜１６５０ｎｍとなる。
【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、前記発振波長スペクトルの半値幅は、３ｎｍ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、前記発振波長スペクトルの半値幅を、３ｎｍ以下とし、波長合成する際の合波ロスを小さくするようにしている。
【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、前記活性層が形成する共振器長は、８００μｍ以上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、前記活性層が形成する共振器長を、８００μｍ以上とし、発振縦モードのモード間隔を短くすることによって、前記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を増大するようにしている。
【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、前記活性層が形成する共振器長は、３２００μｍ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、前記活性層が形成する共振器長を、３２００μｍ以下とし、発振縦モードのモード間隔を０．１ｎｍ以上とし、ラマン増幅時における誘導ブリルアン散乱の影響を低減するようにしている。
【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、前記回折格子のグレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせ、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また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また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、前記回折格子は、前記活性層に沿って、前記共振器長と同じ長さを有することを特徴とする。
【００３４】
この請求項８の発明によれば、前記回折格子を、前記活性層に沿って、前記共振器長と同じ長さとし、当該半導体レーザ装置の製造を容易にしている。
【００３５】
また、請求項９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、前記活性層に沿った一部に設けられることを特徴とする。
【００３６】
この請求項９の発明によれば、前記回折格子を、前記活性層に沿った一部に設けることによって、回折格子の長さを変化させ、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。
【００３７】
また、請求項１０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、レーザ光の前記第１反射膜近傍から前記第２反射膜側方向にあるいは前記第２反射膜近傍から前記第１反射膜側方向に、前記活性層に沿って一定長延びた部分回折格子であることを特徴とする。
【００３８】
この請求項１０の発明によれば、前記回折格子を、レーザ光の前記第１反射膜近傍から前記第２反射膜側方向にあるいは前記第２反射膜近傍から前記第１反射膜側方向に、前記活性層に沿って一定長延びた部分回折格子とし、部分回折格子の長さによる該部分回折格子の反射帯域の半値幅を変化させることによって発振波長スペクトルの半値幅を変化し、該半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を行うとともに、このときの反射率の高低に対応して第１反射膜側あるいは第１反射膜側に部分回折格子を設けるようにしている。
【００３９】
また、請求項１１にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記発振パラメータは、前記回折格子の結合係数を含むことを特徴とする。
【００４０】
この請求項１１の発明によれば、前記発振パラメータに、前記回折格子の結合係数を含めるようにし、該回折格子の結合係数を変化させることによって、発振波長スペクトルの半値幅を変化させ、該半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を行うようにしている。
【００４１】
また、請求項１２にかかる半導体レーザモジュールは、請求項１〜１１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。
【００４２】
この請求項１２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。
【００４３】
また、請求項１３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。
【００４４】
この請求項１３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、インライン式の偏波無依存型と異なり、小型の偏波無依存型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。
【００４５】
また、請求項１４にかかるラマン増幅器は、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３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。
【００４６】
この請求項１４の発明によれば、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３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。
【００４７】
また、請求項１５にかかるラマン増幅器は、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３に記載の半導体レーザモジュールは、広帯域ラマン増幅用の励起光源であって、前方励起用光源あるいは双方向励起方式における前方励起用光源として用いられることを特徴とする。
【００４８】
この請求項１５の発明によれば、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３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であって、前方励起用光源あるいは双方向励起方式における前方励起用光源として用い、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。
【００４９】
【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および半導体レーザモジュールの好適な実施の形態について説明する。
【００５０】
(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、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（Graded Index-Separate Confinement Heterostructure Multi Quantum Well：分布屈折率分離閉込め多重量子井戸）活性層３、ｐ−ＩｎＰスペーサ層４、およびｐ−ＩｎＰクラッド層６、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７が積層された構造を有する。
【００５１】
ｐ−ＩｎＰスペーサ層４内には、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コンタクト層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。
【００５２】
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５％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。
【００５３】
この実施の形態１における半導体レーザ装置２０は、発振波長λ0が、１２００ｎｍ〜１５５０ｎｍであり、共振器長Ｌを、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１４８０ｎｍとし、等価屈折率を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Ｌ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。
【００５４】
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４に示す発振波長スペクトル３０として表される。
【００５５】
図４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。図４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。
【００５６】
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、各発振縦モードのレーザ出力のピーク値を抑えつつ、発振波長スペクトル全体で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５（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５（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。
【００５７】
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５（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。
【００５８】
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以上であると、誘導ブリルアン散乱が抑えられる。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。なお、誘導ブリルアン散乱のスペクトルは、約０．１ｎｍであり、この誘導ブリルアン散乱のスペクトル内に複数の発振縦モードが存在すると、個々の発振縦モードが誘導ブリルアン散乱の閾値Ｐｔｈを超えなくても、このスペクトル幅内に存在する複数の発振縦モードの強度の和で、誘導ブリルアン散乱の閾値Ｐｔｈを超えてしまう場合がある。このため、０．１ｎｍの範囲内には、他の発振縦モードが存在しないことが望ましい。
【００５９】
このような観点から、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、複数であることが望ましい。ところで、ラマン増幅では、増幅利得に偏波依存性があるため、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。このための方法として、励起光を無偏光化（デポラライズ）する方法があり、具体的には、２台の半導体レーザ装置２０からの出力光を方法のほか、デポラライザとして所定長の偏波面保持ファイバを用いて、１台の半導体レーザ装置２０から出射されたレーザ光を、この偏波面保持ファイバに伝搬させる方法がある。無偏光化の方法として、後者の方法を使用する場合には、発振縦モードの本数が増大するに従ってレーザ光のコヒーレンシーが低くなるので、無偏光化に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。従って、ラマン増幅器に使用するために半導体レーザ装置２０から出射されるレーザ光を無偏光化する場合に、２台の半導体レーザ装置の出射光を偏波合成して利用しなくても、１台の半導体レーザ装置２０の出射レーザ光を無偏光化して利用することが容易となるので、ラマン増幅器に使用される部品数の削減、小型化を促進することができる。
【００６０】
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発振縦モードの動きによって、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。
【００６１】
さらに、従来の半導体レーザ装置では、図１５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。
【００６２】
また、図２７に示した半導体レーザモジュールでは、半導体発光素子２０２の光反射面２２２と光出射面２２３とが形成する共振器構造によって増幅された微弱なレーザ光が出力され、本来、光反射面２２２とファイバグレーティング２３３とによって選択されるレーザ光に影響を与え、注入電流−光出力特性上にキンクを生じさせ、光出力を不安定なものにするという不具合があったが、この実施の形態１の半導体レーザ装置２０では、ファイバグレーティング２３３を用いていないため、安定した光出力を得ることができる。この結果、ラマン増幅器の励起用光源として用いる場合に、安定したラマン増幅を行わせることができる。
【００６３】
さらに、図２７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２７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。
【００６４】
この実施の形態１によれば、半導体レーザ装置２０が回折格子１３によって波長選択を行い、発振波長を１２００〜１５５０μｍ帯とし、共振器長Ｌを８００〜３２００μｍ帯とすることによって、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モード、好ましくは４本以上の発振縦モードをもつレーザ光を出力するようにしているので、ラマン増幅器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、安定し、かつ高いラマン利得を得ることができる。
【００６５】
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。
【００６６】
（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、共振器長Ｌを長くすることによって、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内の縦モード数が複数となるようにしていたが、この実施の形態２では、回折格子１３のグレーティング長ＬＧあるいは結合係数を変化させることによって、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを変化させ、これによって半値幅Δλｈ内の縦モード数が相対的に複数となるようにしている。
【００６７】
図６は、この発明の実施の形態２である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。この半導体レーザ装置は、図１〜図３に示した半導体レーザ装置２０の回折格子１３に対応する回折格子４３の構成が、半導体レーザ装置２０と異なるとともに、出射側反射膜１５の反射率が異なる。その他の構成は、半導体レーザ装置２０と同じであり、同一構成部分には、同一符号を付している。
【００６８】
回折格子４３は、反射率０．１〜２％の低光反射率をもつ出射側反射膜１５から反射率８０％以上の高光反射率をもつ反射膜１４側に向けて所定長ＬＧ１分、形成され、所定長ＬＧ１以外のｐ−ＩｎＰスペーサ層４には、回折格子４３が形成されない。
【００６９】
また、図７は、この発明の実施の形態２の変形例である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。この半導体レーザ装置は、図６に示した回折格子４３に代えて、反射膜１４側に設けた回折格子４４を有するとともに、反射膜１４の反射率を低光反射率としている。すなわち、回折格子４４は、反射率０．１〜２％の低光反射率をもつ反射膜１４から反射率１〜５％の低光反射率をもつ出射１５側に向けて所定長ＬＧ２分、形成され、所定長ＬＧ２以外のｐ−ＩｎＰスペーサ層４には、回折格子４４が形成されない。
【００７０】
さらに、図８は、この発明の実施の形態２の変形例である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。この半導体レーザ装置は、図６に示した回折格子４３および図７に示した回折格子４４の構成を適用したものである。
【００７１】
すなわち、この半導体レーザ装置は、反射率０．１〜２％の低光反射率をもつ出射側反射膜１５から反射率０．１〜２％の低光反射率をもつ反射膜１４側に向けて所定長ＬＧ３分、形成された回折格子４５と、この反射膜１４から出射側反射膜１５側に向けて所定長ＬＧ４分、形成された回折格子４６とを有する。
【００７２】
図６〜図８に示した回折格子４３〜４６の所定長ＬＧ１〜ＬＧ４を変化させることによって、発振縦モードのモード間隔Δλが固定的であっても、図４に示した発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを変化させることができる。
【００７３】
すなわち、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを広くするためには、回折格子の長さを短くすることも有効である。このため、実施の形態１に示したように、回折格子を共振器（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３）の長さ全体に施すのではなく、この共振器の一部に形成するようにする。
【００７４】
この場合、共振器に対する回折格子の位置によっては、位相発振条件がずれ、これによってレーザ発振特性が悪化するおそれがあるため、図６に示したように、回折格子４３を、出射側反射膜１５を起点として反射膜１４方向に、共振器の途中まで延ばして形成する場合、出射側反射膜１５として０．１〜２％の反射率をもつ低光反射コートを施し、反射膜１４として８０％以上の反射率をもつ高反射コートを施すようにする。また、図７に示したように、回折格子４４を、反射膜１４を起点として出射側反射膜１５方向に、共振器の途中まで延ばして形成する場合、反射膜１４として０．１〜２％の反射率をもつ低光反射コートを施し、出射側反射膜１５として反射率１〜５％の反射率をもと低反射コートを施すようにする。さらに、図８に示したように、回折格子４５，４６をそれぞれ出射側反射膜１５側および反射膜１４側に形成する場合、出射側反射膜１５および反射膜１４として、ともに反射率０．１〜２％の低光反射コートを施す。
【００７５】
また、図６に示したように、回折格子を出射側反射膜１５側に形成する場合、回折格子４３自体の反射率を低めに設定し、図７に示したように、回折格子を反射膜１４側に形成する場合、回折格子４４自体の反射率を高めに設定することが好ましい。また、図８に示したように、回折格子を出射側反射膜１５側および反射膜１４側の双方に形成する場合、回折格子４５自体の反射率を低めに設定し、回折格子４６自体の反射率を高めに設定する。これによって、回折格子４３〜４６による波長選択特性を満足させつつ、反射膜１４および出射側反射膜１５によるファブリペロー型共振器の影響を小さくすることができる。
【００７６】
具体的に、図６に示した半導体レーザ装置では、発振波長λ0が１４８０ｎｍであり、共振器長Ｌが１３００μｍであり、回折格子４３のグレーティング長ＬＧ１が２２０μｍ、結合係数κLG（ｃｍ-1）とグレーティング長ＬＧ１との積κLG・ＬＧ１が０．０９３である。また、図７に示した半導体レーザ装置では、共振器長Ｌが１３００μｍであり、回折格子４４のグレーティング長ＬＧ２が４００μｍ、結合係数κLGとグレーティング長ＬＧ２との積κLG・ＬＧ２が２．９７である。このような回折格子４３，４４を適用した場合、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈは、１〜２ｎｍとなり、半値幅Δλｈ内に３〜５本程度の発振縦モードを含ませることができる。
【００７７】
ここで、図９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９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９に示したスペクトルは、図６に示した半導体レーザ装置の構成に対応し、グレーティング長ＬＧ１＝１００μｍ、共振器長Ｌ＝１３００μｍ、回折格子の結合係数κLGとグレーティング長ＬＧ１との積κLG・ＬＧ１＝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。
【００７８】
さらに、図１０は、図６に示した半導体レーザ装置の構成に対応し、グレーティング長ＬＧ１＝３０μｍ、共振器長Ｌ＝１３００μｍ、回折格子の結合係数κLG＝２０ｃｍ-1、結合係数κLGとグレーティング長ＬＧ１との積κLG・ＬＧ１＝０．０６のＩ−Ｌ（駆動電流Ｉopに対する光出力Ｐo）特性を示す図である。図１１に示されたＩ−Ｌ特性は、十数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安定して行うことができることを示している。
【００７９】
なお、図６〜図８では、回折格子４３〜４６を、出射側反射膜１５側または反射膜１４側、あるいは出射側反射膜１５側および反射膜１４側に設けたが、これに限らず、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３に沿い、共振器長Ｌに対して部分的な長さをもつ回折格子を形成するようにしてもよい。ただし、回折格子の反射率を考慮することが好ましい。
【００８０】
この実施の形態２では、共振器長Ｌに対する回折格子の長さを部分的なものとし、この回折格子のグレーティング長ＬＧおよび結合係数κLGを適切に変化させることによって、所望の発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを得ることができ、この半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードをもったレーザ光を発振させることができ、実施の形態１と同様な作用効果をもった半導体レーザ装置を実現することができる。
【００８１】
（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。上述した実施の形態１では、回折格子１３のグレーティング周期は一定であったが、この実施の形態３では、回折格子１３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を用い、これによって、回折格子の波長選択特性に揺らぎを発生させ、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを広げて、半値幅Δλｈ内の発振縦モード数が相対的に複数となるようにしている。すなわち、図１１に示すように、半値幅Δλｈを半値幅ｗｃに広げて、半値幅ｗｃ内に含まれる発振縦モードの本数を増大するようにしている。
【００８２】
図１２は、この発明の実施の形態３である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。この半導体レーザ装置では、図１〜図３に示した半導体レーザ装置２０の回折格子１３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る回折格子４７を有している。その他の構成は、半導体レーザ装置２０と同じであり、同一構成部分には、同一符号を付している。
【００８３】
図１３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１３に示すように、この回折格子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±０．０２ｎｍの周期揺らぎによって回折格子４７の反射帯域は、約２ｎｍの半値幅を有し、これによって、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持たせることができる。
【００８４】
上述した実施の形態３では、共振器長Ｌに等しいチャープドグレーティングを形成するようにしていたが、これに限らず、実施の形態２に示したようにチャープドグレーティングの回折格子を、共振器長Ｌに対して部分的に配置するようにしてもよい。すなわち、上述した実施の形態３に示したチャープドグレーティングを実施の形態２に適用するようにしてもよい。
【００８５】
また、上述した実施の形態３では、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としたが、これに限らず、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。
【００８６】
さらに、図１４（ａ）に示すように、周期Λ1周期Λ2とを１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１４（ｂ）に示すように、周期Λ3と周期Λ4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１４（ｃ）に示すように、連続する複数回の周期Λ5と連続する複数回の周期Λ6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，Λ3，Λ5と周期Λ2，Λ4，Λ6との間の離散的な異なる値をもつ周期をそれぞれ補完して配置するようにしていもよい。
【００８７】
この実施の形態３では、半導体レーザ装置に設けられる回折格子をチャープドグレーティングなどによって、平均周期に対して±０．０１〜０．２ｎｍ程度の周期揺らぎをもたせ、これによって、反射帯域の半値幅を所望の値に設定し、最終的に発振波長スペクトルの半値幅Δλｈを決定し、半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードが含まれるレーザ光を出力するようにし、実施の形態１あるいは実施の形態２と同様な作用効果をもった半導体レーザ装置を実現することができる。
【００８８】
（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１〜３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。
【００８９】
図１５は、この発明の実施の形態４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１５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１〜３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、Ｃｕ−Ｗ合金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モジュール５８が配置される。ペルチェモジュール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。ペルチェモジュール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、ペルチェモジュール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モジュール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モジュール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、高電流注入時の発熱が抑制されるからである。この場合、波長安定性がさらに向上し、しかも温度制御も容易になる。
【００９０】
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、およびモニタフォトダイオード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、モニタフォトダイオード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。
【００９１】
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再入力しないように、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、インライン式の偏波無依存型でなく、小型の偏波依存型アイソレータを用いることができるため、さらに低い相対強度雑音（ＲＩＮ）を達成することができ、アイソレータによる挿入損失を小さくすることができる。
【００９２】
さらに、この実施の形態４の半導体レーザモジュールによる温度制御の具体例について説明する。図１６は、駆動電流Ｉopとサーミスタ５８ａの温度Ｔｓとの関係を示す図である。図１６において、直線Ｌ１は、駆動電流Ｉopの増減にかかわらず、サーミスタ５８ａが検出する温度Ｔｓを一定の温度、たとえば２５℃に制御する場合を示している。これに対し、この実施の形態では、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の温度Ｔｊが、常に一定となる（直線Ｌ２参照）サーミスタ５８ａの温度Ｔｓの関係である制御関数ＦＳ１〜ＦＳ３、たとえば制御関数ＦＳ２を求め、駆動電流Ｉopの値を制御関数ＦＳ２に入力した場合の温度が、サーミスタ５８ａの温度Ｔｓとなるように、ペルチェモジュール５８を制御するようにしている。たとえば、制御関数ＦＳ２による温度制御を行うことによって、発振波長は波長λ２に一定となることから、発振波長のシフトに伴う発振波長のジャンプがなくなり、Ｉ−Ｌ特性上のキンクが減少し、発振波長の動的安定性が得られることになる。また、制御関数ＦＳ１，ＦＳ３に基づいた温度制御を行うことによって、それぞれ一定の発振波長λ１，λ３に波長制御することができる。
【００９３】
図１７は、制御関数ＦＳ１〜ＦＳ３に基づいた波長制御結果を示す図である。図１７において、特性Ｌ３は、直線Ｌ１に基づいて温度制御を行った場合における発振波長λの変化を示しており、駆動電流Ｉopが１００ｍＡ〜１２００ｍＡに増大するに従って発振波長λが長波長側にシフトし、約２ｎｍシフトしている。これに対して、制御関数ＦＳ１〜ＦＳ３に基づいて温度制御を行った場合には、駆動電流Ｉopが１００ｍＡ〜１２００ｍＡに増大しても、それぞれ一定の発振波長λ１〜λ３を維持している。たとえば、制御関数ＦＳ２に基づいた温度制御を行った場合における波長は、駆動電流Ｉopの増減にかかわらず、λ２±０．５ｎｍの精度を維持し、ラマン増幅用光源として好適な安定した波長のレーザ光を出力することができる。なお、図１６および図１７に示した黒い四角印および黒い菱形印は、それぞれ実測値である。
【００９４】
この実施の形態４では、実施の形態１〜３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、大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。
【００９５】
（実施の形態５）
つぎに、この発明の実施の形態５について説明する。この実施の形態５では、上述した実施の形態４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。
【００９６】
図１８は、この発明の実施の形態５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１８において、このラマン増幅器は、上述した実施の形態４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２６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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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光として信号光出力ファイバ７０に出力する。
【０１００】
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。
【０１０１】
この実施の形態５に示したラマン増幅器では、たとえば図２６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１〜３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削減を実現することができる。
【０１０２】
なお、図１８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１９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。ここで、上述したように、各半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃ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７１を短くすることができる。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をなくすことができ、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。
【０１０３】
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発振縦モード数が多い半導体レーザ装置を用いると、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。
【０１０４】
また、上述した実施の形態１〜３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、ラマン増幅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２０は、図６に示した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２０に示すように、相対強度雑音（ＲＩＮ）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。
【０１０５】
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、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。
【０１０６】
さらに、上述した実施の形態１〜３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。
【０１０７】
また、図１８および図１９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。
【０１０８】
たとえば、図２１は、前方励起方式を採用したらラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図２１に示したラマン増幅器は、図１８に示したラマン増幅器にＷＤＭカプラ６５´をアイソレータ６３の近傍に設けている。このＷＤＭカプラ６５´には、半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄ、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂおよびＷＤＭカプラ６２にそれぞれ対応した半導体レーザモジュール６０ａ´〜６０ｄ´、偏波合成カプラ６１ａ´，６１ｂ´およびＷＤＭカプラ６２´を有した回路が接続され、ＷＤＭカプラ６２´から出力される励起光を信号光と同じ方向に出力する前方励起を行う。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ´〜６０ｄ´は、上述した実施の形態１〜４で用いられる半導体レーザ装置を用いているため、ＲＩＮが小さく、前方励起を効果的に行うことができる。
【０１０９】
同様に、図２２は、前方励起方式を採用したラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図２２に示したラマン増幅器は、図１９に示したラマン増幅器にＷＤＭカプラ６５´をアイソレータ６３の近傍に設けている。このＷＤＭカプラ６５´には、半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃおよびＷＤＭカプラ６２にそれぞれ対応した半導体レーザモジュール６０ａ´，６０ｃ´およびＷＤＭカプラ６２´を有した回路が接続され、ＷＤＭカプラ６２´から出力される励起光を信号光と同じ方向に出力する前方励起を行う。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ´，６０ｃ´は、上述した実施の形態１〜４で用いられる半導体レーザ装置を用いているため、ＲＩＮが小さく、前方励起を効果的に行うことができる。
【０１１０】
また、図２３は、双方向励起方式を採用したらラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図２３に示したラマン増幅器は、図１８に示したラマン増幅器の構成に、図２１に示したＷＤＭカプラ６５´、半導体レーザモジュール６０ａ´〜６０ｄ´、偏波合成カプラ６１ａ´，６１ｂ´およびＷＤＭカプラ６２´をさらに設け、後方励起と前方励起とを行う。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ´〜６０ｄ´は、上述した実施の形態１〜４で用いられる半導体レーザ装置を用いているため、ＲＩＮが小さく、前方励起を効果的に行うことができる。
【０１１１】
同様に、図２４は、双方向励起方式を採用したラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図２４に示したラマン増幅器は、図１９に示したラマン増幅器の構成に、図２２に示したＷＤＭカプラ６５´、半導体レーザモジュール６０ａ´，６０ｃ´およびＷＤＭカプラ６２´をさらに設け、後方励起と前方励起とを行う。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ´，６０ｃ´は、上述した実施の形態１〜４で用いられる半導体レーザ装置を用いているため、ＲＩＮが小さく、前方励起を効果的に行うことができる。
【０１１２】
なお、上述した前方励起方式あるいは双方向励起方式における前方励起に用いられるラマン増幅用光源は、共振器長Ｌが８００μｍ未満であってもよい。共振器長Ｌを８００μｍ未満とすると、上述したように発振縦モードのモード間隔Δλが狭くなり、ラマン増幅用光源として用いる場合に発振縦モードの本数が少なくなり、大きな光出力を得ることができなくなるが、前方励起は後方励起に比較して低出力で済むため、必ずしも共振器長Ｌが８００μｍ以上である必要はない。
【０１１３】
上述した図１８，図１９，図２１〜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２５は、図１８，図１９，図２１〜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。
【０１１４】
図２５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１８，図１９，図２１〜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。
【０１１５】
なお、上述した実施の形態５では、実施の形態１〜３に示した半導体レーザ装置あるいは実施の形態４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、０．９８μｍ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。
【０１１６】
【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に回折格子を設け、前記活性層が形成する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波長が安定化され、かつ発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上、好ましくは３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、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。また、ファイバグレーティングを用いず、第１反射膜からの出射光をそのままラマン増幅器用の励起用光源として用いているため、従来の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、相対強度雑音が低減され、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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
また、複数の発振縦モードの存在によって、デポラライズのために使用する偏波面保持ファイバ長を短くすることができるという効果を奏する。
【０１１９】
さらに、当該半導体レーザ装置内の回折格子によって波長ロックを行うようにしているので、出力されたレーザ光を導く光ファイバからの反射戻り光の入射を防ぐためのアイソレータの組み込みが容易になるという効果を奏する。
【０１２０】
また、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザ装置に生じる注入電流−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。
【０１２１】
また、請求項２の発明によれば、発振波長を１２００〜１５５０ｎｍとしているので、光ファイバの伝送帯域に適した波長帯域の信号光のラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１２２】
また、請求項３の発明によれば、前記発振波長スペクトルの半値幅を、３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下としているので、ラマン増幅時の波長合成を効率的に行うことができるという効果を奏する。
【０１２３】
また、請求項４の発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、８００μｍ以上とし、発振縦モードのモード間隔を短くすることによって、前記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を増大す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の複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１２４】
また、請求項５の発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、３２００μｍ以下とし、発振縦モードのモード間隔を０．１ｎｍ以上とし、ラマン増幅時における誘導ブリルアン散乱の影響を低減するようにしているので、安定したラマン利得を得ることができるという効果を奏する。
【０１２５】
また、請求項６の発明によれば、前記回折格子のグレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせ、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複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１２６】
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また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複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１２７】
また、請求項８の発明によれば、前記回折格子を、前記活性層に沿って、前記共振器長と同じ長さとしているので、当該半導体レーザ装置の製造を容易にすることができるという効果を奏する。
【０１２８】
また、請求項９の発明によれば、前記回折格子を、前記活性層に沿った一部に設けることによって、回折格子の長さを変化させ、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複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１２９】
また、請求項１０の発明によれば、前記回折格子を、レーザ光の前記第１反射膜近傍から前記第２反射膜側方向にあるいは前記第２反射膜近傍から前記第１反射膜側方向に、前記活性層に沿って一定長延びた部分回折格子とし、部分回折格子の長さによる該部分回折格子の反射帯域の半値幅を変化させることによって発振波長スペクトルの半値幅を変化し、該半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を行うとともに、このときの反射率の高低に対応して第１反射膜側あるいは第１反射膜側に部分回折格子を設け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の複数化を適切に行うことができるという効果を奏する。
【０１３０】
また、請求項１１の発明によれば、前記発振パラメータに、前記回折格子の結合係数を含めるようにし、該回折格子の結合係数を変化させることによって、発振波長スペクトルの半値幅を変化させ、該半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を行う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複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１３１】
また、請求項１２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。
【０１３２】
また、請求項１３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、大型の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という効果を奏する。
【０１３３】
また、請求項１４の発明によれば、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３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。
【０１３４】
また、請求項１５の発明によれば、請求項１〜１１に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項１２または１３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であって、前方励起用光源あるいは双方向励起方式における前方励起用光源として用い、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、特にＲＩＮが低いという作用効果を有効利用し、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。
【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１に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図４】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５】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６】この発明の実施の形態２である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７】この発明の実施の形態２の第１変形例である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８】この発明の実施の形態２の第２変形例である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９】図６に示した半導体レーザ装置に対応する半導体レーザ装置の発振波長スペクトルの計測結果を示す図である。
【図１０】図６に示した半導体レーザ装置に対応する半導体レーザ装置のＩ−Ｌ特性を示す図である。
【図１１】回折格子にチャープドグレーティングを適用した場合における発振波長スペクトルを示す図である。
【図１２】この発明の実施の形態３である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１３】図１２に示した回折格子の周期揺らぎを示す図である。
【図１４】この発明の実施の形態３における回折格子の周期揺らぎを実現する変形例を示す図である。
【図１５】この発明の実施の形態４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１６】温度制御に用いられる制御関数の一例を示す図である。
【図１７】図１６に示した制御関数を用いた場合における発振波長の駆動電流依存性を示す図である。
【図１８】この発明の実施の形態５であるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図１９】図１８に示したラマン増幅器の応用例を示すブロック図である。
【図２０】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２１】図１８に示したラマン増幅器の変形例であって、前方励起方式を採用したラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２２】図２１に示したラマン増幅器の応用例を示すブロック図である。
【図２３】図１８に示したラマン増幅器の変形例であって、双方向励起方式を採用したラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２４】図２３に示したラマン増幅器の応用例を示すブロック図である。
【図２５】図１８，図１９，図２１〜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２６】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２７】図２６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
４ ｐ−ＩｎＰスペーサ層
６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７ ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
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
１３，４３〜４７ 回折格子
１４ 反射膜
１５ 出射側反射膜
２０，５１ 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
５０，６０ａ〜６０ｄ，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 モニタフォトダイオード
５７ ベース
５７ａ ヒートシンク
５８ ペルチェモジュール
５８ａ サーミスタ
５９ パッケージ
６１ａ，６１ｂ，６１ａ´，６１ｂ´ 偏波合成カプラ
６２，６５，６２´，６５´ ＷＤＭカプラ
６４ 増幅用ファイバ
６７ モニタ光分配用カプラ
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
ＬＧ グレーティング長
κLG 結合係数
Ｐｔｈ 閾値
Claims (12)
- 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た一部に回折格子を設け、
前記活性層が形成する共振器長は８００μｍ以上であり、該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縦モードのピークの包絡線として定義される発振波長スペクトルの半値幅内に前記共振器の発振縦モード間隔だけ離れて隣接する２本以上の発振縦モードを含むことにより、誘導ブリルアン散乱を低減できる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。 - 発振波長が１２００〜１５５０ｎｍ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。
- 前記発振波長スペクトルの半値幅は、３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
- 前記活性層が形成する共振器長は、３２００μｍ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また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。
- 前記回折格子は、レーザ光の前記第１反射膜近傍から前記第２反射膜側方向にあるいは前記第２反射膜近傍から前記第１反射膜側方向に、前記活性層に沿って一定長延びた部分回折格子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。
- 前記発振パラメータは、前記回折格子の結合係数を含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
- 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９に記載の半導体レーザモジュール。 - 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ラマン増幅器。
- 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は、広帯域ラマン増幅用の励起光源であって、前方励起用光源あるいは双方向励起方式における前方励起用光源として用いられることを特徴とするラマン増幅器。
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