JP4162905B2 - 光ファイバ増幅器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送システムにおいて、高出力動作時においても誘導ブリルアン散乱の発生を抑制できる光ファイバ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの急速な普及や企業内ＬＡＮ間接続の急増等によって、データトラヒックの増大が問題となっている。そこで、その問題を解決すべく、ＷＤＭ（波長多重伝送）システムがめざましい発展を遂げ普及している。ＷＤＭシステムでは、複数の信号光をそれぞれ異なる波長に乗せることにより１本のファイバで従来の１００倍にも及ぶ大容量伝送を実現している。特に、ＷＤＭシステムは、エルビウム添加ファイバアンプ（以下、ＥＤＦＡ）やラマン増幅器等の光ファイバ増幅器による光増幅が必須であり、この光増幅により広帯域・長距離伝送を可能としている。ここで、ＥＤＦＡは、エルビウムという元素を添加した特殊な光ファイバ（以下、ＥＤＦ）内に、波長１４８０ｎｍあるいは波長９８０ｎｍの励起光を出射する励起用レーザで通光した際に、伝送信号である波長１５５０ｎｍ帯の光が上記ＥＤＦの中で増幅されるという原理を応用した光ファイバ増幅器である。
【０００３】
また、ＥＤＦＡの形態として、海底に敷設された伝送用光ファイバの途中で信号光の増幅を行なう場合に、励起用レーザを陸上に配置し、その励起用レーザから出射された励起光を伝送用の光ファイバを介してＥＤＦに入射させる、いわゆるリモートポンプ式が提案されている。リモートポンプ式のＥＤＦＡでは、励起用レーザを陸上に配置することで、励起用レーザの保守・交換を容易に行なうことができる。
【０００４】
一方、ラマン増幅器は、ＥＤＦＡのようにエルビウム添加ファイバといった特殊なファイバを必要とせずに、通常の伝送路ファイバを利得媒体とする分布型の光ファイバ増幅器であり、従来のＥＤＦＡをベースとしたＷＤＭ伝送システムに比べ広帯域で平坦な利得を有する伝送帯域を実現することができるという特徴を有している。なお、ラマン増幅器においては、その増幅利得がＥＤＦＡよりも小さいために、その励起用レーザにＥＤＦＡ以上の高出力特性が要求されている。
【０００５】
よって、ＷＤＭシステムの安定性向上や中継数の低減を実現するためには、励起用レーザに対し、安定した高い光出力能力が求められる。励起用レーザとしては、埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造等の種々の構造の半導体レーザ装置が用いられており、現在、上記した理由から特に高出力半導体レーザ装置の開発が盛んに行なわれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、励起用レーザを構成する半導体レーザ装置の高出力化にともなって、新たな問題が生じている。上記したように、励起用レーザから出射された励起光は光ファイバに入射するが、一定の閾値よりも高い強度を有する光がある程度長距離の光ファイバに入射した場合、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）が発生する。誘導ブリルアン散乱は、入射した光が音響波（フォノン）と相互作用することによって散乱（反射）が生ずる非線形光学現象である。フォノンのエネルギー相当を吸収・放出することにより、約１１ＧＨｚ低い周波数の光が入射光と逆方向に反射される現象として観測される。
【０００７】
ここで、光ファイバ増幅器、特にラマン増幅器において用いられる半導体レーザ装置は、各モード１本あたりのスペクトル線幅がＳＢＳスペクトルのスペクトル線幅よりも広く、モード１本あたりの強度も上記した一定の閾値よりも小さいことが望ましい。
【０００８】
光ファイバ増幅器において光誘導ブリルアン散乱が生じると、光ファイバに入射した励起光の一部は散乱光として後方に反射されるため、結果的に光ファイバに導波される励起光の強度は低下してしまう。これにより、ラマン増幅器において、所望の増幅利得が実現困難となる。また、誘導ブリルアン散乱により生じた後方散乱光が戻り光として半導体レーザ装置に入射されるため、励起光に意図しない雑音が生じる可能性がある。
【０００９】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、本発明は、誘導ブリルアン散乱の発生を抑制することでより安定した高出力を実現する光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体レーザ装置は、活性層を具備し、所定の発振波長のレーザ光を出射する半導体レーザ装置において、前記活性層の近傍に配置され、前記活性層で生成されたフォトンの一部を吸収する吸収層を備え、前記レーザ光は、発振波長スペクトルが複数の縦モードからなるマルチモードスペクトルであることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、前記発振波長のエネルギーよりも低いエネルギーギャップを有する材料で形成されたことを特徴としている。
【００１２】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、可飽和吸収特性を有することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、前記発振波長のエネルギーに略等しいエネルギーギャップを有する材料で形成されたことを特徴としている。
【００１４】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、埋め込みヘテロ構造を有することを特徴としている。
【００１５】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、自己整合構造（ＳＡＳ）を有することを特徴としている。
【００１６】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、電流ブロック層で実現されることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、波長選択を行なうための回折格子としても機能することを特徴としている。
【００１８】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、ファブリ・ペロー構造であることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記活性層の近傍に波長選択を行なうための回折格子を備えたことを特徴としている。
【００２０】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１）またはＧａＩｎＡｓで形成されたことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明にかかる半導体レーザモジュールは、本発明のいずれか一つの半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置の温度を制御する温調モジュールと、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を光結合する光結合レンズ系と、を備えたことを特徴としている。
【００２２】
また、本発明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光出力を測定する光検出器と、アイソレータと、をさらに備えたことを特徴としている。
【００２３】
また、本発明にかかる光ファイバ増幅器は、本発明のいずれか一つの半導体レーザ装置若しくは本発明の半導体レーザモジュールを備えた励起光源と、信号光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバと接続された増幅用光ファイバと、前記励起光源から出射される励起光を増幅用光ファイバに入射させるためのカプラと、を備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、本発明にかかる光ファイバ増幅器は、本発明のいずれか一つの半導体レーザ装置若しくは本発明の半導体レーザモジュールを備えた励起光源と、信号光を伝送する光ファイバと、前記励起光源から出射される励起光を前記光ファイバに入射させるためのカプラと、を備え、ラマン増幅により光増幅を行なうことを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本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光ファイバ増幅器の好適な実施の形態について説明する。なお、図面の記載において同一または類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは必ずしも一致せず、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる場合がある。
【００２６】
（実施の形態１）
実施の形態１にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態１にかかる半導体レーザ装置は、励起用レーザとして用いられる高出力の埋め込みヘテロ構造の半導体レーザ装置であって、活性層の近傍に、発振波長が示すエネルギー近傍のエネルギーギャップを有する吸収層を備えることにより、フォトンの寿命を短くし、モード一本あたりのスペクトル幅を広げたことを特徴としている。
【００２７】
図１は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線で切断される長手方向の断面図である。図１および図２に示す半導体レーザ装置は、いわゆる埋め込みヘテロ構造のファブリ・ペロー型レーザであり、ｎ−ＩｎＰ基板１上に順次ｎ−ＩｎＰバッファ層２、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（Graded Index-Separate Confinement Hetero structure Multi Quantum Well：分布屈折率分離閉じこめ多重量子井戸）活性層３、吸収層１２が積層されている。
【００２８】
ｎ−ＩｎＰバッファ層２の上部領域、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３は光出射方向に長手方向を有するメサストライプ状の構造となっており、この構造に隣接してｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９が順に積層されている。ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９上にはｐ−ＩｎＰクラッド層６、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層７が積層されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層７上には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が形成されている。さらに、図２で示すように、レーザ光出射端面に出射側反射膜１５が形成され、その出射側反射膜１５と対向する反射端面に反射側反射膜１４が形成されている。
【００２９】
以下に、上記した各層の機能について簡単に説明する。まず、ｎ−ＩｎＰバッファ層２は、バッファ層としての機能の他に、クラッド層としての機能を有する。具体的には、ｎ−ＩｎＰバッファ層２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の実効屈折率よりも低い屈折率を有することでＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３から発生する光を縦方向に閉じ込める機能を有する。
【００３０】
ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９は、注入された電流を内部で狭窄するとともに、高次の水平横モードを抑制した水平単一横モード動作を実現する機能を担う。本実施の形態１にかかる半導体レーザ装置においては、ｐ側電極１０が陽極として機能するため、電圧が印加された際にはｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９とｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８との間には逆バイアスが印加される。そのため、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９からｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８に向けて電流が流れることはなく、ｐ側電極１０から注入された電流は、狭窄されてＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３に流入する。反射側反射膜１４と出射側反射膜１５は、共振器を形成するためのミラーであり、それらの光反射率は、共振器長に応じて最適化される。なお、ここでは、反射側反射膜１４の反射率を９５％とし、出射側反射膜１５の反射率を１．５％とした。また、高出力化には、共振器長Ｌが８００μｍ以上であることが望ましいが、ここではＬ＝１５００μｍとした。
【００３１】
ここまで説明した各層で形成される構造は、従来の埋め込みヘテロ構造と何ら変わらず、上述した材料や導電型以外にも、同構造を形成する既知の材料で置換することができる。本実施の形態１において特徴的なことは、このような従来の埋め込みヘテロ構造において、活性層（ここではＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３）の上部に上記した吸収層１２を設けたことである。以下に、この吸収層１２の機能と効果について説明する。
【００３２】
吸収層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍に配置され、発振波長相当のエネルギー以下のバンドギャップエネルギーを有する材料で形成される。換言すれば、吸収層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトン、特に誘導放出によって生成されたフォトンを吸収する機能を担い、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンの一部分は、誘導放出に寄与する前または外部に放出される前にこの吸収層１２に吸収される。吸収層１２にフォトンが吸収されることによって吸収層１２に電子−正孔対が生成されるが、キャリアの再結合により、再度フォトンとして放出される。結果的に、吸収層１２は、本来ならば誘導放出に寄与するかレーザ光として出射されるはずのフォトンを一部自然放出光に変換する。自然放出光の増大は、出射光の各モードのスペクトル線幅を増大させる要因となるため、上記吸収層１２は、吸収層１２が存在しない従来構造において同量の電流が注入された場合と比較して、スペクトル線幅を広げるとともに、誘導ブリルアン散乱を小さくし、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を増大させる。
【００３３】
また、吸収層１２によるフォトンの吸収は、フォトンの寿命を短くさせると表現することもできる。ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンは、共振器内を往復することで他のフォトンを次々に誘導放出させる。換言すれば、フォトンは、共振器内を往復している間は、高コヒーレンスのフォトンの生成に寄与し、線幅の狭いスペクトルをもたらす。よって、逆に、フォトンが誘導放出に寄与する回数、すなわち同一のフォトンの共振器内での寿命を小さくすることができれば、スペクトル線幅を広げることが可能になる。
【００３４】
このように、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍に吸収層１２を設けることで、各モード１本あたりのスペクトル線幅を広げ、そのスペクトルピークを小さくすることが可能になる。吸収層１２の存在よってスペクトルピークが小さくなることは、その吸収層１２の設計によって、光強度を誘導ブリルアン散乱の発生閾値以下に制御できることを意味する。また、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００３５】
図３は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の効果を説明するための説明図である。吸収層１２を備えていない従来のファブリ・ペロー型の半導体レーザ装置、または仮に吸収層１２が備えられていても適切な設計がなされていないファブリ・ペロー型の半導体レーザ装置では、図３（ａ）に示すように、複数の縦モードのうち最もスペクトルピークの大きい主モードが、注入電流の増大によって、容易に誘導ブリルアン散乱の発生閾値Ｐthを超えてしまう。これにより、実効的に励起光強度が小さくなる。
【００３６】
一般に、誘導ブリルアン散乱は、レーザ発振モードの光強度の大きさが所定値を超えたときに発生するが、その値は、各モードのスペクトル線幅、使用する光ファイバの特性および条件に依存する。スペクトル線幅が誘導ブリルアン散乱光のスペクトル線幅以下のときは、この線幅で決定される光出力を超えたときに誘導ブリルアン散乱が発生する。具体的には、波長帯域が１１００〜１５５０ｎｍでは、誘導ブリルアン散乱のスペクトル線幅は、数十ＭＨｚ（例えば２０ＭＨｚ）であり、長さ５５ｋｍのＤＳＦ（Dispersion Shifted Fiber）を用いた場合には、各モードのスペクトル線幅が２０ＭＨｚ以下の時に各モードの光出力が約４ｍＷを越えると、誘導ブリルアン散乱が発生する。また、各発振モードのスペクトル線幅が２０ＭＨｚを超えたレーザでは、誘導ブリルアン散乱が生じる条件は、モード１本あたりの光出力は４ｍＷよりも大きい値となる。
【００３７】
ここで、単純に誘導ブリルアン散乱の発生を抑制するためには、全体の光強度を抑制すればよい。しかし、光ファイバ増幅器で用いられる半導体レーザ装置は、高い光出力が求められる。したがって、出射する光の強度を高めながらも誘導ブリルアン散乱を回避する必要がある。そこで、本実施の形態１にかかる半導体レーザ装置では、適切に設計された吸収層１２を備えることにより、図３（ａ）の場合と同じ注入電流によって駆動した場合であっても、図３（ｂ）に示すように、各モードのスペクトル線幅を広がることができ、主モードのスペクトルピークも誘導ブリルアン散乱の発生閾値Ｐthを超えない。換言すれば、各周波数における光強度を低減しながらも、広い周波数帯で光発振させることで、全体として光強度を高めている。すなわち、本実施の形態１にかかる半導体レーザ装置は、誘導ブリルアン散乱の発生を防止するとともに、高出力化を実現する。なお、高出力化のためには、吸収層の材料が発振波長近傍であることが望ましい。
【００３８】
吸収層１２は、上記したように、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で発生したフォトンを吸収することが求められるが、その吸収の程度によって、吸収層、可飽和吸収層などの形態を取り得る。吸収層とは、発振波長が示すエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有する材料で形成された層であり、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンを高い割合で吸収する。
【００３９】
可飽和吸収層とは、光強度の増加とともに、フォトンの吸収が小さくなる材料である。なお、ここでは、発振波長が示すエネルギーにほぼ等しいバンドギャップエネルギーを有する材料で形成した。すなわち、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンを吸収する割合がフォトンの増大とともに減少する特性を示す。例えば、発振波長が１４８０ｎｍである場合、１４８０ｎｍに相当するエネルギーギャップを有する材料を用いることができる。
【００４０】
なお、上記した吸収層、可飽和吸収層を形成する材料としては、上記した各範囲のエネルギーギャップを有するように適当に組成比制御された混晶半導体（ＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰ等）を用いることができる。
【００４１】
また、図１および図２では、吸収層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の上部に隣接した位置に配置されているが、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍であれば、ｐ−ＩｎＰクラッド層６中に配置したり、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の下部のｎ−ＩｎＰバッファ層２中に配置してもよい。さらに、図２では、吸収層１２が、反射側反射膜１４から出射側反射膜１５に至るまでの共振器長に相当する範囲に亘って形成されているが、その範囲の一部分のみに形成されていてもよい。
【００４２】
以上に説明したとおり、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置によれば、埋め込みヘテロ構造のファブリ・ペロー型半導体レーザ装置において、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍に、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンの短命化を実現する吸収層１２を備えているので、従来の半導体レーザ装置と比較して、同じ光強度を得る場合にも、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を超えないようにスペクトルピークを小さくすることができる。これにより、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力化の実現と、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００４３】
（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態２にかかる半導体レーザ装置は、内部に回折格子を備えることで波長選択を可能にした埋め込みヘテロ構造において、実施の形態１で説明した種々の吸収層を備えたことを特徴としている。
【００４４】
図４は、実施の形態２にかかる半導体レーザ装置について、その出射面に平行な断面図であり、図５は、図４のＡ−Ａ線で切断される長手方向の断面図である。なお、図４および図５において、図１および図２と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図４および図５に示す半導体レーザ装置は、いわゆる埋め込みヘテロ構造の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザであり、図１および図２と異なるのは、吸収層１２の上部に回折格子１３を備える点である。
【００４５】
実施の形態１では、ファブリ・ペロー型レーザであったため、その光出力は、図３に示したように複数の縦モードを有するが、実施の形態２にかかる半導体レーザ装置では、上記した回折格子１３の存在によって、より狭線幅の単一モードのスペクトルが得られる。すなわち、実施の形態１で説明したように、吸収層１２の存在によって、その単一モードのスペクトル線幅を広げることができるとともに誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができ、そのスペクトルピークを誘導ブリルアン散乱の発生閾値以下にすることができる。
【００４６】
図６は、実施の形態２にかかる他の半導体レーザ装置について、その光出射方向の断面図である。なお、図６において、図５と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図６に示す半導体レーザ装置は、いわゆる埋め込みヘテロ構造の分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザであり、図５と異なるのは、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の出射側に配置された光導波路１６上に、上述した吸収層１２が形成され、さらにその吸収層１２の上に回折格子１３を備える点である。
【００４７】
また、図７は、実施の形態２にかかる他の半導体レーザ装置について、その光出射方向の断面図である。なお、図７において、図６と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図７に示す半導体レーザ装置もまた、いわゆる埋め込みヘテロ構造の分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザであり、図６と異なるのは、吸収層１２がＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３上に形成されている点である。なお、回折格子１３は、従来のＤＢＲレーザと同様に光導波路１６上に形成される。
【００４８】
なお、回折格子１３の近傍に吸収層を付与したこの形態は、吸収性回折格子を有した従来の利得結合型ＤＦＢレーザや吸収機能を有する従来のＤＢＲレーザと類似した構造となるが、本実施の形態２にかかる半導体レーザ装置は、その用途を高出力の励起用とすることに加え、上記した吸収層１２が、誘導ブリルアン散乱の発生閾値以下のスペクトルを有するように設計される点で異なる。
【００４９】
また、図４〜７では、吸収層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の上部に隣接した位置または光導波路１６の上部に隣接した位置に配置されているが、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍であれば、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３からわずかに離間したｐ−ＩｎＰクラッド層６中や回折格子１３の上部に配置したり、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の下部のｎ−ＩｎＰバッファ層２中に配置してもよい。さらに、図５および図７では、吸収層１２が、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の両端面間に亘って形成されているが、その範囲の一部分のみに形成されていてもよい。同様に、図６では、吸収層１２が、光導波路１６の両端面間に亘って形成されているが、その範囲の一部分のみに形成されていてもよい。
【００５０】
以上に説明したとおり、実施の形態２にかかる半導体レーザ装置によれば、回折格子１３を備えた埋め込みヘテロ構造においても、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍に吸収層１２を配置することで、実施の形態１と同様に、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力の実現と、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００５１】
（実施の形態３）
つぎに、実施の形態３にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態３にかかる半導体レーザ装置は、内部に回折格子を備えることで波長選択を可能にした埋め込みヘテロ構造において、その回折格子が実施の形態１で説明した種々の吸収層の機能を有することを特徴としている。
【００５２】
図８は、実施の形態３にかかる半導体レーザ装置について、その出射面に平行な断面図であり、図９は、図８のＡ−Ａ線で切断される長手方向の断面図である。なお、図８および図９において、図１および図２と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図８および図９に示す半導体レーザ装置は、いわゆる埋め込みヘテロ構造のＤＦＢレーザであり、従来のＤＦＢレーザと異なるのは、回折格子１７が実施の形態１で説明した吸収層１２と同様な材料で形成されている点である。
【００５３】
なお、回折格子に吸収機能を付与したこの形態は、吸収性回折格子を有した利得結合型ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザと同様な構造となるが、本実施の形態３にかかる半導体レーザ装置は、その用途を高出力の励起用とすることに加え、上記した種々の吸収層が、誘導ブリルアン散乱の発生閾値以下のスペクトルを有する点で異なる。
【００５４】
よって、図８および図９に示した実施の形態３にかかる半導体レーザ装置においても、実施の形態２で説明したように、吸収層１２によって、その単一モードのスペクトル線幅を広げることができるとともに、そのスペクトルピークを誘導ブリルアン散乱の発生閾値以下にすることができる。
【００５５】
図１０は、実施の形態３にかかる他の半導体レーザ装置について、その光出射方向の断面図である。なお、図１０において、図２と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図１０に示す半導体レーザ装置は、いわゆる埋め込みヘテロ構造のＤＢＲレーザであり、従来のＤＦＢレーザと異なるのは、回折格子１７が実施の形態１で説明した吸収層１２と同様な材料で形成されている点である。
【００５６】
以上に説明したとおり、実施の形態３にかかる半導体レーザ装置によれば、回折格子１３を備えた埋め込みヘテロ構造においても、回折格子１７に吸収機能を付与することにより、実施の形態１と同様に、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力化と低雑音の光出射を実現することが可能になる。
【００５７】
（実施の形態４）
つぎに、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態４にかかる半導体レーザ装置は、埋め込みヘテロ構造において、電流ブロック層に吸収機能を付加したことを特徴としている。
【００５８】
図１１は、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図である。なお、図１１において、図１と共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図１１に示す半導体レーザ装置は、従来の埋め込みヘテロ型レーザと同様の構造であり、従来と異なるのは、電流ブロック層として、実施の形態１で説明した種々の吸収層と同様な特性を有するｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１８とｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１９を採用している点である。すなわち、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の両脇に吸収層が配置されている。
【００５９】
ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンは、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１８とｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１９とが配置されている位置の一部にも分布しているため、その位置に吸収機能を付与すれば、実施の形態１で説明したようなフォトンの短命化を実現することができる。
【００６０】
特にこの吸収機能は、電流狭窄を実現するｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１８とｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１９の付加機能として実現されるため、実施の形態１に説明したような種々の吸収層を新たに設ける必要がない。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１８とｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１９の領域では比較的フォトンの密度の低いことから、吸収による誘導放出光の減少も最小限に抑えられ、結果的に高い光出力が維持される。
【００６１】
図１２は、実施の形態４にかかる他の半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図である。なお、図１２において、図１と共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図１２に示す半導体レーザ装置は、吸収機能を有しない従来の構成のｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８とｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９に加え、第３層目として、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８の下に、実施の形態１で説明した種々の吸収層と同様な特性を有するｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１８を配置したことを特徴としている。この場合も、図１１の説明で述べた同様の効果を享受することができる。
【００６２】
図１３は、実施の形態４にかかる他の半導体レーザ装置について、その出射面に平行な断面図である。なお、図１３において、図１と共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図１３に示す半導体レーザ装置は、吸収機能を有しない従来の構成のｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８とｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９に加え、第３層目として、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８とｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９の間に、実施の形態１で説明した種々の吸収層と同様な特性を有するｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１９を配置したことを特徴としている。この場合も、図１１の説明で述べた同様の効果を享受することができる。
【００６３】
以上に説明したとおり、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置によれば、埋め込みヘテロ構造を形成する電流ブロック層として、吸収機能を有する材料を採用したので、実施の形態１と同様に、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力の実現と、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００６４】
なお、回折格子が付加されることでＤＦＢレーザやＤＢＲレーザを構成する埋め込みヘテロ構造の半導体レーザ装置に対しても、図１１〜１３に示したように、電流ブロック層に吸収機能を付加することで、上記した効果を享受することができるのは明らかである。
【００６５】
（実施の形態５）
つぎに、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態５にかかる半導体レーザ装置は、励起用レーザとして用いられる高出力のいわゆるＳＡＳ（Self Aligned Structure：自己整合構造）型レーザであって、活性層の近傍に、発振波長が示すエネルギー近傍のエネルギーギャップを有する吸収層を備えることにより、フォトンの寿命を短くし、モード一本あたりのスペクトル幅を広げたことを特徴としている。
【００６６】
図１４は、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図であり、図１５は、図１４のＡ−Ａ線で切断される長手方向の断面図である。図１４に示す半導体レーザ装置は、基板２１上に順次下部クラッド層２２、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ層２４、第１上部クラッド層２６を積層した構造を有する。第１上部クラッド層２６上の一部領域上には、レーザ光出射方向に長手方向を有するストライプ形状の第２上部クラッド層２８が積層され、第１上部クラッド層２６上であって、第２上部クラッド層２８が積層されていない領域には、電流ブロック層２９が積層されている。第２上部クラッド層２８および電流ブロック層２９の上には順次第３上部クラッド層３０、コンタクト層３１が積層され、コンタクト層３１上にはｐ側電極３２が配置されている。また、基板２１裏面にはｎ側電極３３が配置されている。さらに、図１５で示すように、光出射側端面上には出射側反射膜３５が形成され、その出射側反射膜３５と対向した反射側端面上には反射側反射膜３６が形成されている。
【００６７】
以下に、上記した各層の機能について簡単に説明する。まず、基板２１および下部クラッド層２２は、ｎ型の不純物がドープされたＩｎＰからなり、下部クラッド層２２は、クラッド層としての機能の他に、バッファ層としての機能も有する。具体的には、ｎ−ＩｎＰバッファ層２２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の実効屈折率よりも低い屈折率を有することでＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４から発生する光を縦方向に閉じ込める機能を有する。ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４は、その名の示す通り、ＭＱＷ構造によって効果的なキャリア閉じ込めを実現し、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造によって効果的なフォトン閉じ込めを実現する。
【００６８】
第１上部クラッド層２６、第２上部クラッド層２８、第３上部クラッド層３０はそれぞれ上部クラッド層として機能する。また、本実施の形態５にかかる半導体レーザ装置において、第１上部クラッド層２６、第２上部クラッド層２８、第３上部クラッド層３０はいずれもｐ型の導電型を有するＩｎＰからなる。コンタクト層３１は、高い不純物濃度を有し、第３上部クラッド層３０とｐ側電極３２との間をオーミック接合させる機能を担う。反射側反射膜３６と出射側反射膜３５は、共振器を形成するためのミラーであり、それらの光反射率は、共振器長に応じて最適化される。なお、ここでは、反射側反射膜１４の反射率を９５％とし、出射側反射膜１５の反射率を１．５％とした。また、高出力化には、共振器長Ｌが８００μｍ以上であることが望ましいが、ここではＬ＝１３００μｍとした。
【００６９】
電流ブロック層２９は、ｐ側電極３２から注入された電流を狭窄し、横方向に関してＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４におけるキャリア密度を向上させる機能を担う。なお、ｐ側電極３２から注入された電流が内部を通過するのを防止するため、電流ブロック層２９の導電型はｎ型である。よって、第１上部クラッド層２６、電流ブロック層２９、第３上部クラッド層３０による積層構造はｐｎｐ接合となり、電流ブロック層２９への電流の流入が防止される。また、電流ブロック層２９は、発振波長に対して完全に透明となる組成で形成されたＧａＩｎＡｓＰを材料とする。
【００７０】
ここまで説明した各層で形成される構造は、従来の自己整合構造と何ら変わらず、上述した材料や導電型以外にも、同構造を形成する既知の材料で置換することができる。本実施の形態５において特徴的なことは、このような従来の自己整合構造において、活性層（ここではＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４）の上部に、実施の形態１において説明した同様の特性を有する吸収層１２を設けたことである。
【００７１】
すなわち、自己整合構造を有する半導体レーザ装置においても、活性層の近傍に上記した吸収層１２を設けることで、実施の形態１と同様に、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力の実現と、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００７２】
図１６〜１９は、実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図である。図１４および図１５に示す半導体レーザ装置では、吸収層１２が、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の上部全体の隣接した位置に配置されているが、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の上部の一部のみに配置されてもよいし、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の近傍であれば、図１６に示すように、第１上部クラッド層２６中に配置されてもよい。また、吸収層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の近傍であれば、図１７や図１８に示すように、第２上部クラッド層２８を挟んだ両脇の電流ブロック層２９の下部や電流ブロック層２９中にそれぞれ分離して配置されていてもよい。さらに、図１９に示すように、電流狭窄領域を挟んだＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４中にそれぞれ分離して配置されていてもよい。
【００７３】
以上に説明したとおり、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置によれば、自己整合構造のファブリ・ペロー型半導体レーザ装置において、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の近傍に、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４で生成されたフォトンの短命化を実現する吸収層１２を備えているので、従来の半導体レーザ装置と比較して、同じ光強度を得る場合にも、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を超えないようにスペクトルピークを小さくすることができる。これにより、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力の実現と、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００７４】
なお、回折格子が付加されることでＤＦＢレーザやＤＢＲレーザを構成する自己整合構造の半導体レーザ装置に対しても、図１４〜１９に示したような位置に吸収層１２を備えることで、上記した効果を享受することができるのは明らかである。また、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザ自己整合構造のＤＦＢレーザやＤＢＲレーザにおいて、回折格子を図１４〜１９で示された吸収層１２の位置に配置し、その回折格子に実施の形態３で説明したような吸収機能を付与することによっても上記した効果を享受することができる。
【００７５】
（実施の形態６）
つぎに、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態６にかかる半導体レーザ装置は、自己整合構造において、電流ブロック層に吸収機能を付加したことを特徴としている。図２０は、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図であり、図２１は、図２０のＢ−Ｂ線で切断される長手方向の断面図である。なお、図２０および図２１において、図１４および図１５と共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７６】
図２０に示す半導体レーザ装置は、従来の自己整合構造レーザと同様の構造であり、従来と異なるのは、電流ブロック層として、実施の形態１で説明した種々の吸収層と同様な特性を有する電流ブロック層３７を採用している点である。すなわち、第２上部クラッド層２８の両脇に吸収層が配置されている。
【００７７】
ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４で生成されたフォトンは、電流ブロック層３７が配置されている位置の一部にも分布しているため、その位置に吸収機能を付与すれば、実施の形態１で説明したようなフォトンの短命化を実現することができる。なお、電流ブロック層３７は、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ等の混晶半導体を組成制御することで、実施の形態１で説明した吸収層、可飽和吸収層等の形態で実現することができる。
【００７８】
特にこの吸収機能は、電流狭窄を実現する電流ブロック層３７の付加機能として実現されるため、実施の形態５に説明したような吸収層を新たに設ける必要がない。また、電流ブロック層３７の領域では比較的フォトンの密度の低いことから、吸収による誘導放出光の減少も最小限に抑えられ、結果的に高い光出力が維持される。
【００７９】
図２２は、実施の形態６にかかる他の半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図である。なお、図２２において、図２０と共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図２２に示す半導体レーザ装置は、吸収機能を有しない従来の構成の電流ブロック層２９に加え、第２層目として、電流ブロック層２９の下に、実施の形態１で説明した種々の吸収層と同様な特性を有するｐ型またはｎ型の電流ブロック層３７を配置したことを特徴としている。この場合も、図２０の説明で述べた同様の効果を享受することができる。
【００８０】
以上に説明したとおり、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置によれば、自己整合構造を形成する電流ブロック層として、吸収機能を有する材料を採用したので、実施の形態５と同様に、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力化と低雑音の光出射を実現することが可能になる。
【００８１】
なお、回折格子が付加されることでＤＦＢレーザやＤＢＲレーザを構成する自己整合構造の半導体レーザ装置に対しても、図２０〜２２に示したように、電流ブロック層に吸収機能を付加することで、上記した効果を享受することができるのは明らかである。
【００８２】
（実施の形態７）
つぎに、実施の形態７にかかる半導体レーザモジュールについて説明する。本実施の形態７では、実施の形態１〜６にかかる半導体レーザ装置を用いて半導体レーザモジュールを構成したことを特徴としている。
【００８３】
図２３は、実施の形態７にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す側面断面図である。本実施の形態７にかかる半導体レーザモジュールは、上述した実施の形態１〜６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５２を有する。なお、この半導体レーザ装置５２は、ｐ側電極がレーザマウント４８に接合されるジャンクションダウン構成としている。半導体レーザモジュールの筐体として、セラミックなどによって形成されたパッケージ５１の内部底面上に、温度制御装置としての温調モジュール５０が配置される。
【００８４】
温調モジュール５０上にはベース４７が配置され、このベース４７上にはレーザマウント４８が配置される。温調モジュール５０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なうが、半導体レーザ装置５２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、温調モジュール５０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。
【００８５】
この温度制御は、具体的に、レーザマウント４８上であって、半導体レーザ装置５２の近傍に配置されたサーミスタ４９の検出値をもとに制御され、図示しない制御装置は、通常、レーザマウント４８の温度が一定に保たれるように温調モジュール５０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５２の駆動電流を上昇させるに従って、レーザマウント４８の温度が下がるように温調モジュール５０を制御する。このような温度制御を行なうことによって、半導体レーザ装置５２の出力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、レーザマウント４８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、レーザマウント４８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。
【００８６】
ベース４７上には、半導体レーザ装置５２およびサーミスタ４９を配置したレーザマウント４８、第１レンズ５３、および光モニタ用受光素子４６が配置される。半導体レーザ装置５２から出射されたレーザ光は、第１レンズ５３、アイソレータ５４、および第２レンズ４４を介し、光ファイバ４５上に導波される。第２レンズ４４は、レーザ光の光軸上であって、パッケージ５１上に設けられ、外部接続される光ファイバ４５に光結合される。なお、光モニタ用受光素子４６は、半導体レーザ装置５２の高反射膜側から漏れた光をモニタ検出する。
【００８７】
ここで、この半導体レーザモジュールでは、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５２と光ファイバ４５との間にアイソレータ５４を介在させている。なお、ここでは消光比−２０ｄＢのアイソレータを用いたが、モジュールまたは、システムを構成する部品からの反射を抑制するには、−２０ｄＢ以下のアイソレータを用いることが好ましい。
【００８８】
また、半導体レーザ装置５２を図１および図２に示す構造からなるとした場合、光ファイバ４５内部にはファイバグレーティングを配置し、半導体レーザ装置５２の反射側端面と共振器を形成する構造とする。この場合、アイソレータ５４は半導体レーザモジュール内に配置するのではなく、ファイバグレーティングの後段に配置するインライン式にする必要がある。
【００８９】
以上に説明したとおり、実施の形態７にかかる半導体レーザモジュールによれば、半導体レーザ装置５２に実施の形態１〜６のいずれかに記載された半導体レーザ装置を用いている。したがって、本実施の形態５にかかる半導体レーザ装置は、高電流注入時であっても誘導ブリルアン散乱が発生することを抑制することが可能となる。
【００９０】
（実施の形態８）
つぎに、実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器について説明する。本実施の形態８は、上述した実施の形態７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ことを特徴としている。
【００９１】
図２４は、実施の形態８にかか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２４において、実施の形態８によるラマン増幅器は、上述した実施の形態７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を用いた構成となっている。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
以上に説明したとおり、実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器によれば、実施の形態１〜６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を用いてラマン増幅器を構成しているので、半導体レーザモジュールから出射されるレーザ光の強度を高めることができる。
【００９７】
なお、図２４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２５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。
【００９８】
また、図２４および図２５に示したラマン増幅器は、後方励起方式であるが、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なうことができる。
【００９９】
たとえば、図２６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２６に示したラマン増幅器は、図２４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なう。
【０１００】
同様に、図２７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２７に示したラマン増幅器は、図２５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なう。
【０１０１】
また、図２８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２８に示したラマン増幅器は、図２４に示したラマン増幅器の構成に、図２６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なう。
【０１０２】
同様に、図２９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２９に示したラマン増幅器は、図２５に示したラマン増幅器の構成に、図２７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なう。
【０１０３】
上述した図２４〜図２９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３０は、図２４〜図２９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。
【０１０４】
図３０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２６〜図２９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。
【０１０５】
なお、上述した実施の形態８では、実施の形態１〜６に示した半導体レーザ装置あるいは実施の形態７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。
【０１０６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる半導体レーザ装置によれば、活性層の近傍に、活性層で生成されたフォトンを吸収することでフォトンの短命化を実現する吸収層を備えているので、従来の半導体レーザ装置と比較して、同じ光強度を得る場合にも、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を超えないようにスペクトルピーク強度を小さくするとともに、モード１本あたりのスペクトル幅を大きくすることができ、これにより、誘導ブリルアン散乱の発生が防止されて高出力化を実現することが可能になり、さらには、雑音特性に関しても、吸収層を用いないレーザとほぼ同等のものが実現できるという効果を奏する。
【０１０７】
また、本発明にかかる半導体レーザモジュールによれば、上記した半導体レーザ装置を用いているため、同様の理由により誘導ブリルアン散乱の発生を抑制した半導体レーザモジュールを提供できるという効果を奏する。
【０１０８】
また、本発明にかかる光ファイバ増幅器によれば、上記した半導体レーザ装置または半導体レーザモジュールを使用することで増幅利得が安定し、かつ高利得の光ファイバ増幅器を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる半導体レーザ装置についての長手方向の断面図である。
【図３】実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の効果を説明するための説明図である。
【図４】実施の形態２にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図５】実施の形態２にかかる半導体レーザ装置についての長手方向の断面図である。
【図６】実施の形態２にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図７】実施の形態２にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図８】実施の形態３にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図９】実施の形態３にかかる半導体レーザ装置についての長手方向の断面図である。
【図１０】実施の形態３にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１１】実施の形態４にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１２】実施の形態４にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１３】実施の形態４にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１４】実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１５】実施の形態５にかかる半導体レーザ装置についての長手方向の断面図である。
【図１６】実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１７】実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１８】実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１９】実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図２０】実施の形態６にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図２１】実施の形態６にかかる半導体レーザ装置についての長手方向の断面図である。
【図２２】実施の形態６にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図２３】実施の形態７にかかる半導体レーザモジュールの構造を示す側面断面図である。
【図２４】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２５】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の応用例を示すブロック図である。
【図２６】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の変形例であって、前方励起方式を採用した光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２７】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の応用例を示すブロック図である。
【図２８】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の変形例であって、双方向励起方式を採用した光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２９】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の変形例の応用例を示すブロック図である。
【図３０】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器を用いたＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
３，２４ ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７ ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
８ ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
９ ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層
１０，３２ ｐ側電極
１１，３３ ｎ側電極
１２ 吸収層
１３，１７ 回折格子
１４ 反射側反射膜
１５ 出射側反射膜
１６ 光導波路
１８ ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層
１９ ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層
２１ 基板
２２ 下部クラッド層
２６ 第１上部クラッド層
２８ 第２上部クラッド層
２９ 電流ブロック層
３０ 第３上部クラッド層
３１ コンタクト層
４４ 第２レンズ
４５ 光ファイバ
４６ 光モニタ用受光素子
４７ ベース
４８ レーザマウント
４９ サーミスタ
５０ 温調モジュール
５１ パッケージ
５２ 半導体レーザ装置
５３ 第１レンズ
５４，６３，６６ アイソレータ
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ 半導体レーザモジュール
６１ａ、６１ｂ 偏波合成カプラ
６２，６５ 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
７０ 信号光出力ファイバ
７１，７１ａ 偏波面保持ファイバ
８０ 光合波器
８１，８３ ラマン増幅器
８４ 光分波器
８５ 光ファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、光伝送システムにおいて、高出力動作時においても誘導ブリルアン散乱の発生を抑制できる光ファイバ増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットの急速な普及や企業内ＬＡＮ間接続の急増等によって、データトラヒックの増大が問題となっている。そこで、その問題を解決すべく、ＷＤＭ（波長多重伝送）システムがめざましい発展を遂げ普及している。ＷＤＭシステムでは、複数の信号光をそれぞれ異なる波長に乗せることにより１本のファイバで従来の１００倍にも及ぶ大容量伝送を実現している。特に、ＷＤＭシステムは、エルビウム添加ファイバアンプ（以下、ＥＤＦＡ）やラマン増幅器等の光ファイバ増幅器による光増幅が必須であり、この光増幅により広帯域・長距離伝送を可能としている。ここで、ＥＤＦＡは、エルビウムという元素を添加した特殊な光ファイバ（以下、ＥＤＦ）内に、波長１４８０ｎｍあるいは波長９８０ｎｍの励起光を出射する励起用レーザで通光した際に、伝送信号である波長１５５０ｎｍ帯の光が上記ＥＤＦの中で増幅されるという原理を応用した光ファイバ増幅器である。
【０００３】
また、ＥＤＦＡの形態として、海底に敷設された伝送用光ファイバの途中で信号光の増幅を行なう場合に、励起用レーザを陸上に配置し、その励起用レーザから出射された励起光を伝送用の光ファイバを介してＥＤＦに入射させる、いわゆるリモートポンプ式が提案されている。リモートポンプ式のＥＤＦＡでは、励起用レーザを陸上に配置することで、励起用レーザの保守・交換を容易に行なうことができる。
【０００４】
一方、ラマン増幅器は、ＥＤＦＡのようにエルビウム添加ファイバといった特殊なファイバを必要とせずに、通常の伝送路ファイバを利得媒体とする分布型の光ファイバ増幅器であり、従来のＥＤＦＡをベースとしたＷＤＭ伝送システムに比べ広帯域で平坦な利得を有する伝送帯域を実現することができるという特徴を有している。なお、ラマン増幅器においては、その増幅利得がＥＤＦＡよりも小さいために、その励起用レーザにＥＤＦＡ以上の高出力特性が要求されている。
【０００５】
よって、ＷＤＭシステムの安定性向上や中継数の低減を実現するためには、励起用レーザに対し、安定した高い光出力能力が求められる。励起用レーザとしては、埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造等の種々の構造の半導体レーザ装置が用いられており、現在、上記した理由から特に高出力半導体レーザ装置の開発が盛んに行なわれている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、励起用レーザを構成する半導体レーザ装置の高出力化にともなって、新たな問題が生じている。上記したように、励起用レーザから出射された励起光は光ファイバに入射するが、一定の閾値よりも高い強度を有する光がある程度長距離の光ファイバに入射した場合、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）が発生する。誘導ブリルアン散乱は、入射した光が音響波（フォノン）と相互作用することによって散乱（反射）が生ずる非線形光学現象である。フォノンのエネルギー相当を吸収・放出することにより、約１１ＧＨｚ低い周波数の光が入射光と逆方向に反射される現象として観測される。
【０００７】
ここで、光ファイバ増幅器、特にラマン増幅器において用いられる半導体レーザ装置は、各モード１本あたりのスペクトル線幅がＳＢＳスペクトルのスペクトル線幅よりも広く、モード１本あたりの強度も上記した一定の閾値よりも小さいことが望ましい。
【０００８】
光ファイバ増幅器において光誘導ブリルアン散乱が生じると、光ファイバに入射した励起光の一部は散乱光として後方に反射されるため、結果的に光ファイバに導波される励起光の強度は低下してしまう。これにより、ラマン増幅器において、所望の増幅利得が実現困難となる。また、誘導ブリルアン散乱により生じた後方散乱光が戻り光として半導体レーザ装置に入射されるため、励起光に意図しない雑音が生じる可能性がある。
【０００９】
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、本発明は、誘導ブリルアン散乱の発生を抑制することでより安定した高出力を実現する光ファイバ増幅器を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体レーザ装置は、活性層を具備し、所定の発振波長のレーザ光を出射する半導体レーザ装置において、前記活性層の近傍に配置され、前記活性層で生成されたフォトンの一部を吸収する吸収層を備え、前記レーザ光は、発振波長スペクトルが複数の縦モードからなるマルチモードスペクトルであることを特徴としている。
【００１１】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、前記発振波長のエネルギーよりも低いエネルギーギャップを有する材料で形成されたことを特徴としている。
【００１２】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、可飽和吸収特性を有することを特徴としている。
【００１３】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、前記発振波長のエネルギーに略等しいエネルギーギャップを有する材料で形成されたことを特徴としている。
【００１４】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、埋め込みヘテロ構造を有することを特徴としている。
【００１５】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、自己整合構造（ＳＡＳ）を有することを特徴としている。
【００１６】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、電流ブロック層で実現されることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、波長選択を行なうための回折格子としても機能することを特徴としている。
【００１８】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、ファブリ・ペロー構造であることを特徴としている。
【００１９】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記活性層の近傍に波長選択を行なうための回折格子を備えたことを特徴としている。
【００２０】
また、本発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記吸収層は、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１）またはＧａＩｎＡｓで形成されたことを特徴としている。
【００２１】
また、本発明にかかる半導体レーザモジュールは、本発明のいずれか一つの半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置の温度を制御する温調モジュールと、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を光結合する光結合レンズ系と、を備えたことを特徴としている。
【００２２】
また、本発明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光出力を測定する光検出器と、アイソレータと、をさらに備えたことを特徴としている。
【００２３】
また、本発明にかかる光ファイバ増幅器は、本発明のいずれか一つの半導体レーザ装置若しくは本発明の半導体レーザモジュールを備えた励起光源と、信号光を伝送する光ファイバと、前記光ファイバと接続された増幅用光ファイバと、前記励起光源から出射される励起光を増幅用光ファイバに入射させるためのカプラと、を備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、本発明にかかる光ファイバ増幅器は、本発明のいずれか一つの半導体レーザ装置若しくは本発明の半導体レーザモジュールを備えた励起光源と、信号光を伝送する光ファイバと、前記励起光源から出射される励起光を前記光ファイバに入射させるためのカプラと、を備え、ラマン増幅により光増幅を行なうことを特徴としている。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本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光ファイバ増幅器の好適な実施の形態について説明する。なお、図面の記載において同一または類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、層の厚みと幅との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは必ずしも一致せず、図面の相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる場合がある。
【００２６】
（実施の形態１）
実施の形態１にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態１にかかる半導体レーザ装置は、励起用レーザとして用いられる高出力の埋め込みヘテロ構造の半導体レーザ装置であって、活性層の近傍に、発振波長が示すエネルギー近傍のエネルギーギャップを有する吸収層を備えることにより、フォトンの寿命を短くし、モード一本あたりのスペクトル幅を広げたことを特徴としている。
【００２７】
図１は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ線で切断される長手方向の断面図である。図１および図２に示す半導体レーザ装置は、いわゆる埋め込みヘテロ構造のファブリ・ペロー型レーザであり、ｎ−ＩｎＰ基板１上に順次ｎ−ＩｎＰバッファ層２、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（Graded Index-Separate Confinement Hetero structure Multi Quantum Well：分布屈折率分離閉じこめ多重量子井戸）活性層３、吸収層１２が積層されている。
【００２８】
ｎ−ＩｎＰバッファ層２の上部領域、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３は光出射方向に長手方向を有するメサストライプ状の構造となっており、この構造に隣接してｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９が順に積層されている。ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９上にはｐ−ＩｎＰクラッド層６、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層７が積層されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層７上には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が形成されている。さらに、図２で示すように、レーザ光出射端面に出射側反射膜１５が形成され、その出射側反射膜１５と対向する反射端面に反射側反射膜１４が形成されている。
【００２９】
以下に、上記した各層の機能について簡単に説明する。まず、ｎ−ＩｎＰバッファ層２は、バッファ層としての機能の他に、クラッド層としての機能を有する。具体的には、ｎ−ＩｎＰバッファ層２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の実効屈折率よりも低い屈折率を有することでＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３から発生する光を縦方向に閉じ込める機能を有する。
【００３０】
ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９は、注入された電流を内部で狭窄するとともに、高次の水平横モードを抑制した水平単一横モード動作を実現する機能を担う。本実施の形態１にかかる半導体レーザ装置においては、ｐ側電極１０が陽極として機能するため、電圧が印加された際にはｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９とｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８との間には逆バイアスが印加される。そのため、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９からｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８に向けて電流が流れることはなく、ｐ側電極１０から注入された電流は、狭窄されてＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３に流入する。反射側反射膜１４と出射側反射膜１５は、共振器を形成するためのミラーであり、それらの光反射率は、共振器長に応じて最適化される。なお、ここでは、反射側反射膜１４の反射率を９５％とし、出射側反射膜１５の反射率を１．５％とした。また、高出力化には、共振器長Ｌが８００μｍ以上であることが望ましいが、ここではＬ＝１５００μｍとした。
【００３１】
ここまで説明した各層で形成される構造は、従来の埋め込みヘテロ構造と何ら変わらず、上述した材料や導電型以外にも、同構造を形成する既知の材料で置換することができる。本実施の形態１において特徴的なことは、このような従来の埋め込みヘテロ構造において、活性層（ここではＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３）の上部に上記した吸収層１２を設けたことである。以下に、この吸収層１２の機能と効果について説明する。
【００３２】
吸収層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍に配置され、発振波長相当のエネルギー以下のバンドギャップエネルギーを有する材料で形成される。換言すれば、吸収層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトン、特に誘導放出によって生成されたフォトンを吸収する機能を担い、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンの一部分は、誘導放出に寄与する前または外部に放出される前にこの吸収層１２に吸収される。吸収層１２にフォトンが吸収されることによって吸収層１２に電子−正孔対が生成されるが、キャリアの再結合により、再度フォトンとして放出される。結果的に、吸収層１２は、本来ならば誘導放出に寄与するかレーザ光として出射されるはずのフォトンを一部自然放出光に変換する。自然放出光の増大は、出射光の各モードのスペクトル線幅を増大させる要因となるため、上記吸収層１２は、吸収層１２が存在しない従来構造において同量の電流が注入された場合と比較して、スペクトル線幅を広げるとともに、誘導ブリルアン散乱を小さくし、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を増大させる。
【００３３】
また、吸収層１２によるフォトンの吸収は、フォトンの寿命を短くさせると表現することもできる。ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンは、共振器内を往復することで他のフォトンを次々に誘導放出させる。換言すれば、フォトンは、共振器内を往復している間は、高コヒーレンスのフォトンの生成に寄与し、線幅の狭いスペクトルをもたらす。よって、逆に、フォトンが誘導放出に寄与する回数、すなわち同一のフォトンの共振器内での寿命を小さくすることができれば、スペクトル線幅を広げることが可能になる。
【００３４】
このように、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍に吸収層１２を設けることで、各モード１本あたりのスペクトル線幅を広げ、そのスペクトルピークを小さくすることが可能になる。吸収層１２の存在よってスペクトルピークが小さくなることは、その吸収層１２の設計によって、光強度を誘導ブリルアン散乱の発生閾値以下に制御できることを意味する。また、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００３５】
図３は、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の効果を説明するための説明図である。吸収層１２を備えていない従来のファブリ・ペロー型の半導体レーザ装置、または仮に吸収層１２が備えられていても適切な設計がなされていないファブリ・ペロー型の半導体レーザ装置では、図３（ａ）に示すように、複数の縦モードのうち最もスペクトルピークの大きい主モードが、注入電流の増大によって、容易に誘導ブリルアン散乱の発生閾値Ｐthを超えてしまう。これにより、実効的に励起光強度が小さくなる。
【００３６】
一般に、誘導ブリルアン散乱は、レーザ発振モードの光強度の大きさが所定値を超えたときに発生するが、その値は、各モードのスペクトル線幅、使用する光ファイバの特性および条件に依存する。スペクトル線幅が誘導ブリルアン散乱光のスペクトル線幅以下のときは、この線幅で決定される光出力を超えたときに誘導ブリルアン散乱が発生する。具体的には、波長帯域が１１００〜１５５０ｎｍでは、誘導ブリルアン散乱のスペクトル線幅は、数十ＭＨｚ（例えば２０ＭＨｚ）であり、長さ５５ｋｍのＤＳＦ（Dispersion Shifted Fiber）を用いた場合には、各モードのスペクトル線幅が２０ＭＨｚ以下の時に各モードの光出力が約４ｍＷを越えると、誘導ブリルアン散乱が発生する。また、各発振モードのスペクトル線幅が２０ＭＨｚを超えたレーザでは、誘導ブリルアン散乱が生じる条件は、モード１本あたりの光出力は４ｍＷよりも大きい値となる。
【００３７】
ここで、単純に誘導ブリルアン散乱の発生を抑制するためには、全体の光強度を抑制すればよい。しかし、光ファイバ増幅器で用いられる半導体レーザ装置は、高い光出力が求められる。したがって、出射する光の強度を高めながらも誘導ブリルアン散乱を回避する必要がある。そこで、本実施の形態１にかかる半導体レーザ装置では、適切に設計された吸収層１２を備えることにより、図３（ａ）の場合と同じ注入電流によって駆動した場合であっても、図３（ｂ）に示すように、各モードのスペクトル線幅を広がることができ、主モードのスペクトルピークも誘導ブリルアン散乱の発生閾値Ｐthを超えない。換言すれば、各周波数における光強度を低減しながらも、広い周波数帯で光発振させることで、全体として光強度を高めている。すなわち、本実施の形態１にかかる半導体レーザ装置は、誘導ブリルアン散乱の発生を防止するとともに、高出力化を実現する。なお、高出力化のためには、吸収層の材料が発振波長近傍であることが望ましい。
【００３８】
吸収層１２は、上記したように、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で発生したフォトンを吸収することが求められるが、その吸収の程度によって、吸収層、可飽和吸収層などの形態を取り得る。吸収層とは、発振波長が示すエネルギーよりも小さなバンドギャップエネルギーを有する材料で形成された層であり、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンを高い割合で吸収する。
【００３９】
可飽和吸収層とは、光強度の増加とともに、フォトンの吸収が小さくなる材料である。なお、ここでは、発振波長が示すエネルギーにほぼ等しいバンドギャップエネルギーを有する材料で形成した。すなわち、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンを吸収する割合がフォトンの増大とともに減少する特性を示す。例えば、発振波長が１４８０ｎｍである場合、１４８０ｎｍに相当するエネルギーギャップを有する材料を用いることができる。
【００４０】
なお、上記した吸収層、可飽和吸収層を形成する材料としては、上記した各範囲のエネルギーギャップを有するように適当に組成比制御された混晶半導体（ＧａＩｎＡｓやＧａＩｎＡｓＰ等）を用いることができる。
【００４１】
また、図１および図２では、吸収層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の上部に隣接した位置に配置されているが、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍であれば、ｐ−ＩｎＰクラッド層６中に配置したり、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の下部のｎ−ＩｎＰバッファ層２中に配置してもよい。さらに、図２では、吸収層１２が、反射側反射膜１４から出射側反射膜１５に至るまでの共振器長に相当する範囲に亘って形成されているが、その範囲の一部分のみに形成されていてもよい。
【００４２】
以上に説明したとおり、実施の形態１にかかる半導体レーザ装置によれば、埋め込みヘテロ構造のファブリ・ペロー型半導体レーザ装置において、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍に、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンの短命化を実現する吸収層１２を備えているので、従来の半導体レーザ装置と比較して、同じ光強度を得る場合にも、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を超えないようにスペクトルピークを小さくすることができる。これにより、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力化の実現と、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００４３】
（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態２にかかる半導体レーザ装置は、内部に回折格子を備えることで波長選択を可能にした埋め込みヘテロ構造において、実施の形態１で説明した種々の吸収層を備えたことを特徴としている。
【００４４】
図４は、実施の形態２にかかる半導体レーザ装置について、その出射面に平行な断面図であり、図５は、図４のＡ−Ａ線で切断される長手方向の断面図である。なお、図４および図５において、図１および図２と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図４および図５に示す半導体レーザ装置は、いわゆる埋め込みヘテロ構造の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザであり、図１および図２と異なるのは、吸収層１２の上部に回折格子１３を備える点である。
【００４５】
実施の形態１では、ファブリ・ペロー型レーザであったため、その光出力は、図３に示したように複数の縦モードを有するが、実施の形態２にかかる半導体レーザ装置では、上記した回折格子１３の存在によって、より狭線幅の単一モードのスペクトルが得られる。すなわち、実施の形態１で説明したように、吸収層１２の存在によって、その単一モードのスペクトル線幅を広げることができるとともに誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができ、そのスペクトルピークを誘導ブリルアン散乱の発生閾値以下にすることができる。
【００４６】
図６は、実施の形態２にかかる他の半導体レーザ装置について、その光出射方向の断面図である。なお、図６において、図５と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図６に示す半導体レーザ装置は、いわゆる埋め込みヘテロ構造の分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザであり、図５と異なるのは、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の出射側に配置された光導波路１６上に、上述した吸収層１２が形成され、さらにその吸収層１２の上に回折格子１３を備える点である。
【００４７】
また、図７は、実施の形態２にかかる他の半導体レーザ装置について、その光出射方向の断面図である。なお、図７において、図６と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図７に示す半導体レーザ装置もまた、いわゆる埋め込みヘテロ構造の分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザであり、図６と異なるのは、吸収層１２がＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３上に形成されている点である。なお、回折格子１３は、従来のＤＢＲレーザと同様に光導波路１６上に形成される。
【００４８】
なお、回折格子１３の近傍に吸収層を付与したこの形態は、吸収性回折格子を有した従来の利得結合型ＤＦＢレーザや吸収機能を有する従来のＤＢＲレーザと類似した構造となるが、本実施の形態２にかかる半導体レーザ装置は、その用途を高出力の励起用とすることに加え、上記した吸収層１２が、誘導ブリルアン散乱の発生閾値以下のスペクトルを有するように設計される点で異なる。
【００４９】
また、図４〜７では、吸収層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の上部に隣接した位置または光導波路１６の上部に隣接した位置に配置されているが、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍であれば、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３からわずかに離間したｐ−ＩｎＰクラッド層６中や回折格子１３の上部に配置したり、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の下部のｎ−ＩｎＰバッファ層２中に配置してもよい。さらに、図５および図７では、吸収層１２が、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の両端面間に亘って形成されているが、その範囲の一部分のみに形成されていてもよい。同様に、図６では、吸収層１２が、光導波路１６の両端面間に亘って形成されているが、その範囲の一部分のみに形成されていてもよい。
【００５０】
以上に説明したとおり、実施の形態２にかかる半導体レーザ装置によれば、回折格子１３を備えた埋め込みヘテロ構造においても、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の近傍に吸収層１２を配置することで、実施の形態１と同様に、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力の実現と、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００５１】
（実施の形態３）
つぎに、実施の形態３にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態３にかかる半導体レーザ装置は、内部に回折格子を備えることで波長選択を可能にした埋め込みヘテロ構造において、その回折格子が実施の形態１で説明した種々の吸収層の機能を有することを特徴としている。
【００５２】
図８は、実施の形態３にかかる半導体レーザ装置について、その出射面に平行な断面図であり、図９は、図８のＡ−Ａ線で切断される長手方向の断面図である。なお、図８および図９において、図１および図２と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図８および図９に示す半導体レーザ装置は、いわゆる埋め込みヘテロ構造のＤＦＢレーザであり、従来のＤＦＢレーザと異なるのは、回折格子１７が実施の形態１で説明した吸収層１２と同様な材料で形成されている点である。
【００５３】
なお、回折格子に吸収機能を付与したこの形態は、吸収性回折格子を有した利得結合型ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザと同様な構造となるが、本実施の形態３にかかる半導体レーザ装置は、その用途を高出力の励起用とすることに加え、上記した種々の吸収層が、誘導ブリルアン散乱の発生閾値以下のスペクトルを有する点で異なる。
【００５４】
よって、図８および図９に示した実施の形態３にかかる半導体レーザ装置においても、実施の形態２で説明したように、吸収層１２によって、その単一モードのスペクトル線幅を広げることができるとともに、そのスペクトルピークを誘導ブリルアン散乱の発生閾値以下にすることができる。
【００５５】
図１０は、実施の形態３にかかる他の半導体レーザ装置について、その光出射方向の断面図である。なお、図１０において、図２と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。図１０に示す半導体レーザ装置は、いわゆる埋め込みヘテロ構造のＤＢＲレーザであり、従来のＤＦＢレーザと異なるのは、回折格子１７が実施の形態１で説明した吸収層１２と同様な材料で形成されている点である。
【００５６】
以上に説明したとおり、実施の形態３にかかる半導体レーザ装置によれば、回折格子１３を備えた埋め込みヘテロ構造においても、回折格子１７に吸収機能を付与することにより、実施の形態１と同様に、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力化と低雑音の光出射を実現することが可能になる。
【００５７】
（実施の形態４）
つぎに、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態４にかかる半導体レーザ装置は、埋め込みヘテロ構造において、電流ブロック層に吸収機能を付加したことを特徴としている。
【００５８】
図１１は、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図である。なお、図１１において、図１と共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図１１に示す半導体レーザ装置は、従来の埋め込みヘテロ型レーザと同様の構造であり、従来と異なるのは、電流ブロック層として、実施の形態１で説明した種々の吸収層と同様な特性を有するｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１８とｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１９を採用している点である。すなわち、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の両脇に吸収層が配置されている。
【００５９】
ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３で生成されたフォトンは、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１８とｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１９とが配置されている位置の一部にも分布しているため、その位置に吸収機能を付与すれば、実施の形態１で説明したようなフォトンの短命化を実現することができる。
【００６０】
特にこの吸収機能は、電流狭窄を実現するｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１８とｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１９の付加機能として実現されるため、実施の形態１に説明したような種々の吸収層を新たに設ける必要がない。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１８とｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１９の領域では比較的フォトンの密度の低いことから、吸収による誘導放出光の減少も最小限に抑えられ、結果的に高い光出力が維持される。
【００６１】
図１２は、実施の形態４にかかる他の半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図である。なお、図１２において、図１と共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図１２に示す半導体レーザ装置は、吸収機能を有しない従来の構成のｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８とｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９に加え、第３層目として、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８の下に、実施の形態１で説明した種々の吸収層と同様な特性を有するｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１８を配置したことを特徴としている。この場合も、図１１の説明で述べた同様の効果を享受することができる。
【００６２】
図１３は、実施の形態４にかかる他の半導体レーザ装置について、その出射面に平行な断面図である。なお、図１３において、図１と共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図１３に示す半導体レーザ装置は、吸収機能を有しない従来の構成のｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８とｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９に加え、第３層目として、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８とｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９の間に、実施の形態１で説明した種々の吸収層と同様な特性を有するｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層１９を配置したことを特徴としている。この場合も、図１１の説明で述べた同様の効果を享受することができる。
【００６３】
以上に説明したとおり、実施の形態４にかかる半導体レーザ装置によれば、埋め込みヘテロ構造を形成する電流ブロック層として、吸収機能を有する材料を採用したので、実施の形態１と同様に、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力の実現と、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００６４】
なお、回折格子が付加されることでＤＦＢレーザやＤＢＲレーザを構成する埋め込みヘテロ構造の半導体レーザ装置に対しても、図１１〜１３に示したように、電流ブロック層に吸収機能を付加することで、上記した効果を享受することができるのは明らかである。
【００６５】
（実施の形態５）
つぎに、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態５にかかる半導体レーザ装置は、励起用レーザとして用いられる高出力のいわゆるＳＡＳ（Self Aligned Structure：自己整合構造）型レーザであって、活性層の近傍に、発振波長が示すエネルギー近傍のエネルギーギャップを有する吸収層を備えることにより、フォトンの寿命を短くし、モード一本あたりのスペクトル幅を広げたことを特徴としている。
【００６６】
図１４は、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図であり、図１５は、図１４のＡ−Ａ線で切断される長手方向の断面図である。図１４に示す半導体レーザ装置は、基板２１上に順次下部クラッド層２２、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ層２４、第１上部クラッド層２６を積層した構造を有する。第１上部クラッド層２６上の一部領域上には、レーザ光出射方向に長手方向を有するストライプ形状の第２上部クラッド層２８が積層され、第１上部クラッド層２６上であって、第２上部クラッド層２８が積層されていない領域には、電流ブロック層２９が積層されている。第２上部クラッド層２８および電流ブロック層２９の上には順次第３上部クラッド層３０、コンタクト層３１が積層され、コンタクト層３１上にはｐ側電極３２が配置されている。また、基板２１裏面にはｎ側電極３３が配置されている。さらに、図１５で示すように、光出射側端面上には出射側反射膜３５が形成され、その出射側反射膜３５と対向した反射側端面上には反射側反射膜３６が形成されている。
【００６７】
以下に、上記した各層の機能について簡単に説明する。まず、基板２１および下部クラッド層２２は、ｎ型の不純物がドープされたＩｎＰからなり、下部クラッド層２２は、クラッド層としての機能の他に、バッファ層としての機能も有する。具体的には、ｎ−ＩｎＰバッファ層２２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の実効屈折率よりも低い屈折率を有することでＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４から発生する光を縦方向に閉じ込める機能を有する。ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４は、その名の示す通り、ＭＱＷ構造によって効果的なキャリア閉じ込めを実現し、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造によって効果的なフォトン閉じ込めを実現する。
【００６８】
第１上部クラッド層２６、第２上部クラッド層２８、第３上部クラッド層３０はそれぞれ上部クラッド層として機能する。また、本実施の形態５にかかる半導体レーザ装置において、第１上部クラッド層２６、第２上部クラッド層２８、第３上部クラッド層３０はいずれもｐ型の導電型を有するＩｎＰからなる。コンタクト層３１は、高い不純物濃度を有し、第３上部クラッド層３０とｐ側電極３２との間をオーミック接合させる機能を担う。反射側反射膜３６と出射側反射膜３５は、共振器を形成するためのミラーであり、それらの光反射率は、共振器長に応じて最適化される。なお、ここでは、反射側反射膜１４の反射率を９５％とし、出射側反射膜１５の反射率を１．５％とした。また、高出力化には、共振器長Ｌが８００μｍ以上であることが望ましいが、ここではＬ＝１３００μｍとした。
【００６９】
電流ブロック層２９は、ｐ側電極３２から注入された電流を狭窄し、横方向に関してＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４におけるキャリア密度を向上させる機能を担う。なお、ｐ側電極３２から注入された電流が内部を通過するのを防止するため、電流ブロック層２９の導電型はｎ型である。よって、第１上部クラッド層２６、電流ブロック層２９、第３上部クラッド層３０による積層構造はｐｎｐ接合となり、電流ブロック層２９への電流の流入が防止される。また、電流ブロック層２９は、発振波長に対して完全に透明となる組成で形成されたＧａＩｎＡｓＰを材料とする。
【００７０】
ここまで説明した各層で形成される構造は、従来の自己整合構造と何ら変わらず、上述した材料や導電型以外にも、同構造を形成する既知の材料で置換することができる。本実施の形態５において特徴的なことは、このような従来の自己整合構造において、活性層（ここではＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４）の上部に、実施の形態１において説明した同様の特性を有する吸収層１２を設けたことである。
【００７１】
すなわち、自己整合構造を有する半導体レーザ装置においても、活性層の近傍に上記した吸収層１２を設けることで、実施の形態１と同様に、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力の実現と、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００７２】
図１６〜１９は、実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図である。図１４および図１５に示す半導体レーザ装置では、吸収層１２が、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の上部全体の隣接した位置に配置されているが、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の上部の一部のみに配置されてもよいし、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の近傍であれば、図１６に示すように、第１上部クラッド層２６中に配置されてもよい。また、吸収層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の近傍であれば、図１７や図１８に示すように、第２上部クラッド層２８を挟んだ両脇の電流ブロック層２９の下部や電流ブロック層２９中にそれぞれ分離して配置されていてもよい。さらに、図１９に示すように、電流狭窄領域を挟んだＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４中にそれぞれ分離して配置されていてもよい。
【００７３】
以上に説明したとおり、実施の形態５にかかる半導体レーザ装置によれば、自己整合構造のファブリ・ペロー型半導体レーザ装置において、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４の近傍に、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４で生成されたフォトンの短命化を実現する吸収層１２を備えているので、従来の半導体レーザ装置と比較して、同じ光強度を得る場合にも、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を超えないようにスペクトルピークを小さくすることができる。これにより、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力の実現と、スペクトル線幅が広がることで、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を大きくすることができる。
【００７４】
なお、回折格子が付加されることでＤＦＢレーザやＤＢＲレーザを構成する自己整合構造の半導体レーザ装置に対しても、図１４〜１９に示したような位置に吸収層１２を備えることで、上記した効果を享受することができるのは明らかである。また、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザ自己整合構造のＤＦＢレーザやＤＢＲレーザにおいて、回折格子を図１４〜１９で示された吸収層１２の位置に配置し、その回折格子に実施の形態３で説明したような吸収機能を付与することによっても上記した効果を享受することができる。
【００７５】
（実施の形態６）
つぎに、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置について説明する。実施の形態６にかかる半導体レーザ装置は、自己整合構造において、電流ブロック層に吸収機能を付加したことを特徴としている。図２０は、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図であり、図２１は、図２０のＢ−Ｂ線で切断される長手方向の断面図である。なお、図２０および図２１において、図１４および図１５と共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７６】
図２０に示す半導体レーザ装置は、従来の自己整合構造レーザと同様の構造であり、従来と異なるのは、電流ブロック層として、実施の形態１で説明した種々の吸収層と同様な特性を有する電流ブロック層３７を採用している点である。すなわち、第２上部クラッド層２８の両脇に吸収層が配置されている。
【００７７】
ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層２４で生成されたフォトンは、電流ブロック層３７が配置されている位置の一部にも分布しているため、その位置に吸収機能を付与すれば、実施の形態１で説明したようなフォトンの短命化を実現することができる。なお、電流ブロック層３７は、ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ等の混晶半導体を組成制御することで、実施の形態１で説明した吸収層、可飽和吸収層等の形態で実現することができる。
【００７８】
特にこの吸収機能は、電流狭窄を実現する電流ブロック層３７の付加機能として実現されるため、実施の形態５に説明したような吸収層を新たに設ける必要がない。また、電流ブロック層３７の領域では比較的フォトンの密度の低いことから、吸収による誘導放出光の減少も最小限に抑えられ、結果的に高い光出力が維持される。
【００７９】
図２２は、実施の形態６にかかる他の半導体レーザ装置について、出射面に平行な断面図である。なお、図２２において、図２０と共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略する。図２２に示す半導体レーザ装置は、吸収機能を有しない従来の構成の電流ブロック層２９に加え、第２層目として、電流ブロック層２９の下に、実施の形態１で説明した種々の吸収層と同様な特性を有するｐ型またはｎ型の電流ブロック層３７を配置したことを特徴としている。この場合も、図２０の説明で述べた同様の効果を享受することができる。
【００８０】
以上に説明したとおり、実施の形態６にかかる半導体レーザ装置によれば、自己整合構造を形成する電流ブロック層として、吸収機能を有する材料を採用したので、実施の形態５と同様に、誘導ブリルアン散乱の発生が防止され、高出力化と低雑音の光出射を実現することが可能になる。
【００８１】
なお、回折格子が付加されることでＤＦＢレーザやＤＢＲレーザを構成する自己整合構造の半導体レーザ装置に対しても、図２０〜２２に示したように、電流ブロック層に吸収機能を付加することで、上記した効果を享受することができるのは明らかである。
【００８２】
（実施の形態７）
つぎに、実施の形態７にかかる半導体レーザモジュールについて説明する。本実施の形態７では、実施の形態１〜６にかかる半導体レーザ装置を用いて半導体レーザモジュールを構成したことを特徴としている。
【００８３】
図２３は、実施の形態７にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す側面断面図である。本実施の形態７にかかる半導体レーザモジュールは、上述した実施の形態１〜６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５２を有する。なお、この半導体レーザ装置５２は、ｐ側電極がレーザマウント４８に接合されるジャンクションダウン構成としている。半導体レーザモジュールの筐体として、セラミックなどによって形成されたパッケージ５１の内部底面上に、温度制御装置としての温調モジュール５０が配置される。
【００８４】
温調モジュール５０上にはベース４７が配置され、このベース４７上にはレーザマウント４８が配置される。温調モジュール５０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なうが、半導体レーザ装置５２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、温調モジュール５０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。
【００８５】
この温度制御は、具体的に、レーザマウント４８上であって、半導体レーザ装置５２の近傍に配置されたサーミスタ４９の検出値をもとに制御され、図示しない制御装置は、通常、レーザマウント４８の温度が一定に保たれるように温調モジュール５０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５２の駆動電流を上昇させるに従って、レーザマウント４８の温度が下がるように温調モジュール５０を制御する。このような温度制御を行なうことによって、半導体レーザ装置５２の出力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、レーザマウント４８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、レーザマウント４８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。
【００８６】
ベース４７上には、半導体レーザ装置５２およびサーミスタ４９を配置したレーザマウント４８、第１レンズ５３、および光モニタ用受光素子４６が配置される。半導体レーザ装置５２から出射されたレーザ光は、第１レンズ５３、アイソレータ５４、および第２レンズ４４を介し、光ファイバ４５上に導波される。第２レンズ４４は、レーザ光の光軸上であって、パッケージ５１上に設けられ、外部接続される光ファイバ４５に光結合される。なお、光モニタ用受光素子４６は、半導体レーザ装置５２の高反射膜側から漏れた光をモニタ検出する。
【００８７】
ここで、この半導体レーザモジュールでは、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５２と光ファイバ４５との間にアイソレータ５４を介在させている。なお、ここでは消光比−２０ｄＢのアイソレータを用いたが、モジュールまたは、システムを構成する部品からの反射を抑制するには、−２０ｄＢ以下のアイソレータを用いることが好ましい。
【００８８】
また、半導体レーザ装置５２を図１および図２に示す構造からなるとした場合、光ファイバ４５内部にはファイバグレーティングを配置し、半導体レーザ装置５２の反射側端面と共振器を形成する構造とする。この場合、アイソレータ５４は半導体レーザモジュール内に配置するのではなく、ファイバグレーティングの後段に配置するインライン式にする必要がある。
【００８９】
以上に説明したとおり、実施の形態７にかかる半導体レーザモジュールによれば、半導体レーザ装置５２に実施の形態１〜６のいずれかに記載された半導体レーザ装置を用いている。したがって、本実施の形態５にかかる半導体レーザ装置は、高電流注入時であっても誘導ブリルアン散乱が発生することを抑制することが可能となる。
【００９０】
（実施の形態８）
つぎに、実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器について説明する。本実施の形態８は、上述した実施の形態７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ことを特徴としている。
【００９１】
図２４は、実施の形態８にかか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２４において、実施の形態８によるラマン増幅器は、上述した実施の形態７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を用いた構成となっている。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
以上に説明したとおり、実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器によれば、実施の形態１〜６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を用いてラマン増幅器を構成しているので、半導体レーザモジュールから出射されるレーザ光の強度を高めることができる。
【００９７】
なお、図２４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２５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。
【００９８】
また、図２４および図２５に示したラマン増幅器は、後方励起方式であるが、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なうことができる。
【００９９】
たとえば、図２６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２６に示したラマン増幅器は、図２４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なう。
【０１００】
同様に、図２７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２７に示したラマン増幅器は、図２５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なう。
【０１０１】
また、図２８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２８に示したラマン増幅器は、図２４に示したラマン増幅器の構成に、図２６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なう。
【０１０２】
同様に、図２９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２９に示したラマン増幅器は、図２５に示したラマン増幅器の構成に、図２７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なう。
【０１０３】
上述した図２４〜図２９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３０は、図２４〜図２９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。
【０１０４】
図３０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２６〜図２９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。
【０１０５】
なお、上述した実施の形態８では、実施の形態１〜６に示した半導体レーザ装置あるいは実施の形態７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。
【０１０６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明にかかる半導体レーザ装置によれば、活性層の近傍に、活性層で生成されたフォトンを吸収することでフォトンの短命化を実現する吸収層を備えているので、従来の半導体レーザ装置と比較して、同じ光強度を得る場合にも、誘導ブリルアン散乱の発生閾値を超えないようにスペクトルピーク強度を小さくするとともに、モード１本あたりのスペクトル幅を大きくすることができ、これにより、誘導ブリルアン散乱の発生が防止されて高出力化を実現することが可能になり、さらには、雑音特性に関しても、吸収層を用いないレーザとほぼ同等のものが実現できるという効果を奏する。
【０１０７】
また、本発明にかかる半導体レーザモジュールによれば、上記した半導体レーザ装置を用いているため、同様の理由により誘導ブリルアン散乱の発生を抑制した半導体レーザモジュールを提供できるという効果を奏する。
【０１０８】
また、本発明にかかる光ファイバ増幅器によれば、上記した半導体レーザ装置または半導体レーザモジュールを使用することで増幅利得が安定し、かつ高利得の光ファイバ増幅器を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図２】実施の形態１にかかる半導体レーザ装置についての長手方向の断面図である。
【図３】実施の形態１にかかる半導体レーザ装置の効果を説明するための説明図である。
【図４】実施の形態２にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図５】実施の形態２にかかる半導体レーザ装置についての長手方向の断面図である。
【図６】実施の形態２にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図７】実施の形態２にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図８】実施の形態３にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図９】実施の形態３にかかる半導体レーザ装置についての長手方向の断面図である。
【図１０】実施の形態３にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１１】実施の形態４にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１２】実施の形態４にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１３】実施の形態４にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１４】実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１５】実施の形態５にかかる半導体レーザ装置についての長手方向の断面図である。
【図１６】実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１７】実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１８】実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図１９】実施の形態５にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図２０】実施の形態６にかかる半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図２１】実施の形態６にかかる半導体レーザ装置についての長手方向の断面図である。
【図２２】実施の形態６にかかる他の半導体レーザ装置についての出射面に平行な断面図である。
【図２３】実施の形態７にかかる半導体レーザモジュールの構造を示す側面断面図である。
【図２４】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２５】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の応用例を示すブロック図である。
【図２６】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の変形例であって、前方励起方式を採用した光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２７】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の応用例を示すブロック図である。
【図２８】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の変形例であって、双方向励起方式を採用した光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２９】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器の変形例の応用例を示すブロック図である。
【図３０】実施の形態８にかかる光ファイバ増幅器を用いたＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
３，２４ ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７ ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
８ ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
９ ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層
１０，３２ ｐ側電極
１１，３３ ｎ側電極
１２ 吸収層
１３，１７ 回折格子
１４ 反射側反射膜
１５ 出射側反射膜
１６ 光導波路
１８ ｐ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層
１９ ｎ−ＧａＩｎＡｓＰ電流ブロック層
２１ 基板
２２ 下部クラッド層
２６ 第１上部クラッド層
２８ 第２上部クラッド層
２９ 電流ブロック層
３０ 第３上部クラッド層
３１ コンタクト層
４４ 第２レンズ
４５ 光ファイバ
４６ 光モニタ用受光素子
４７ ベース
４８ レーザマウント
４９ サーミスタ
５０ 温調モジュール
５１ パッケージ
５２ 半導体レーザ装置
５３ 第１レンズ
５４，６３，６６ アイソレータ
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ 半導体レーザモジュール
６１ａ、６１ｂ 偏波合成カプラ
６２，６５ 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
７０ 信号光出力ファイバ
７１，７１ａ 偏波面保持ファイバ
８０ 光合波器
８１，８３ ラマン増幅器
８４ 光分波器
８５ 光ファイバ
Claims (9)
- 活性層を具備し、所定の発振波長のレーザ光を出射する半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置の温度を制御する温調モジュールと、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を光結合する光結合レンズ系と、を有する半導体レーザモジュールを備えた励起光源と、
前記光ファイバと接続された増幅用光ファイバと、
前記励起光源から出射される励起光を前記増幅用光ファイバに入射させるためのカプラと、を備え、ラマン増幅により光増幅を行なう光ファイバ増幅器において、
前記半導体レーザ装置は、前記出射するレーザ光の発振波長スペクトルが複数の縦モードからなるマルチモードスペクトルであるとともに、前記活性層の近傍に配置され、前記活性層で生成されたフォトンの一部を吸収することによって、前記レーザ光の発振波長スペクトルの線幅を広げて、該スペクトルのピークが前記増幅用光ファイバで発生する誘導ブリルアン散乱の発生閾値Ｐthを超えないように設計された吸収層を有することを特徴とする光ファイバ増幅器。 - 前記吸収層は、前記発振波長のエネルギーよりも低いエネルギーギャップを有する材料で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
- 前記吸収層は、可飽和吸収特性を有することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
- 前記吸収層は、前記発振波長のエネルギーに略等しいエネルギーギャップを有する材料で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ増幅器。
- 前記半導体レーザ装置は、埋め込みヘテロ構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバ増幅器。
- 前記半導体レーザ装置は、自己整合構造（ＳＡＳ）を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバ増幅器。
- 前記吸収層は、電流ブロック層で実現されることを特徴とする請求項５または６に記載の光ファイバ増幅器。
- 前記半導体レーザ装置は、ファブリ・ペロー構造であることを特徴とする請求項５〜７のいずれか一つに記載の光ファイバ増幅器。
- 前記吸収層は、ＧａxＩｎ1-xＡｓyＰ1-y（０≦ｘ≦１，０≦ｙ＜１）またはＧａＩｎＡｓで形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載の光ファイバ増幅器。
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