JP4592914B2 - 保持部材付光ファイバ、半導体レーザモジュール及びラマン増幅器 - Google Patents
保持部材付光ファイバ、半導体レーザモジュール及びラマン増幅器 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、保持部材付光ファイバ、その保持部材付光ファイバを備えた半導体レーザモジュール及びその半導体レーザモジュールを備えたラマン増幅器に関し、特に、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating：ファイバブラッググレーティング）などの回折格子が形成された光ファイバを保持する保持部材付光ファイバ、半導体レーザモジュール及びラマン増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅器の励起光源などに用いられる半導体レーザモジュールの分野では、半導体レーザ素子の端部から出射されるレーザ光と光学的に結合される光ファイバの内部にＦＢＧなどの回折格子を形成し、外部共振器を構成し、発振波長を回折格子できまる波長に制御しているものが広く知られている。この種の半導体レーザモジュールは、例えば特開平８−２８６０７７号公報に開示されている。
【０００３】
図６（Ａ）は従来の半導体レーザモジュールの構成を模式化して示す断面図、（Ｂ）はフェルールの内部構造を示す断面図である。図６（Ａ）に示すように、従来の半導体レーザモジュールは、レーザ光を出射する半導体レーザ素子５０と、半導体レーザ素子５０の前側（図６（Ａ）では右側）端部から出射されたレーザ光が入射され、所定の波長帯のレーザ光を反射するＦＢＧなどの回折格子Ｋが形成された光ファイバ５１と、半導体レーザ素子の後側（図６（Ａ）では左側）端部から出射されたモニタ用のレーザ光を受光するフォトダイオード５２とを有する。
【０００４】
半導体レーザ素子５０の前側には、半導体レーザ素子５０の前側端部から出射されたレーザ光を平行にする第１レンズ（平行レンズ）５３と、当該平行になったレーザ光を集光する第２レンズ（集光レンズ）５４が設置されている。
【０００５】
半導体レーザ素子５０の前側端部から出射されたレーザ光は、第１レンズ５３によって平行になり、第２レンズ５４によって集光され、光ファイバ５１に入射され外部に送出される。また、光ファイバ５１の回折格子Ｋによってレーザ光の一部が反射され、反射された光は、第２レンズ５４、第１レンズ５３を介して半導体レーザ素子５０に戻り、半導体レーザ素子と回折格子Ｋとの間で外部共振器が構成されるので、回折格子Ｋによって決定される波長帯でのレーザ発振が可能となる。
【０００６】
一方、半導体レーザ素子５０の後側から出力されたモニタ用のレーザ光は、フォトダイオード５２によって受光され、フォトダイオード５２の受光量等を算出することにより半導体レーザ素子５０の光出力を調整する。
【０００７】
従来の半導体レーザモジュールでは、ノイズスペクトルにおいて、外部共振器の長さで決まる周波数（共振器内を光が往復する時間の逆数）おきにピークがあらわれる。そのため、従来の半導体レーザモジュールでは、雑音特性（ＲＩＮ（Relative Intensity Noise））が悪くなるという問題があった。
【０００８】
上記の課題は、信号光源としてはもちろんのことであるが、特にラマン増幅においても問題となるので、以下、詳細に説明する。ラマン増幅は、光ファイバに励起光を入射したときに発生する誘導ラマン散乱により、励起光波長から約１００ｎｍ程度波長側に利得が現れ、このように励起された状態の光ファイバに、上記利得を有する波長帯域の信号光を入力すると、その信号光が増幅されるという現象を利用した光信号の増幅方法である。このラマン増幅は、
（１）エルビウムドープファイバのような特殊なファイバではなく、既設の光ファイバを増幅媒体として使用できる点、
（２）光ファイバに入射する励起光の波長を変えれば、任意の波長において増幅利得を得ることができ、ＷＤＭ（Wavelength Demultiple Multiple：波長分離多重）において、信号光のチャンネル数を増加できる点、
を特徴としている。
【０００９】
その反面、ラマン増幅は得られる利得が小さいため、半導体レーザモジュールに対して高い光出力が要求される。また、発振波長が変動すると、利得波長帯域が変動するので、回折格子などにより波長を安定化させることが必要とされる。その際、半導体レーザ素子と回折格子との間隔をできるだけ短くして、例えば励起光のノイズ（ＲＩＮ）を０〜２ＧＨｚ（場合によっては０〜２２ＧＨｚ）の範囲で−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下になるように小さくすることが必要とされる。
【００１０】
従来の半導体レーザモジュールでは、例えば図６（Ｂ）に示すように、光ファイバ５１の先端部に回折格子Ｋを形成するとともに、光ファイバ５１を保持するフェルール５５の半導体レーザ素子５０側の内部に回折格子Ｋを配置することにより、半導体レーザ素子５０と回折格子Ｋとの間隔を短縮している。よって、この構成は、ノイズの低減という観点から見れば好ましい態様といえる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図６（Ｂ）に示すように、回折格子Ｋを備えた光ファイバ５１は、熱膨張率の大きい接着剤又は半田５６によってフェルール５５の内部に固定されるので、環境温度の変化による接着剤又は半田５６の熱膨張によって回折格子Ｋの部分に応力がかかり、それによってレーザ光の発振波長が変動する。そのため、例えば従来の半導体レーザモジュールをラマン増幅器の励起光源に用いた場合には、環境温度の変化によってラマン利得が変化し、安定した利得が得られないという課題がある。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、環境温度の変化によるレーザ光の波長の変動を低減することができる保持部材付光ファイバ、半導体レーザモジュール及びラマン増幅器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の保持部材付光ファイバは、所定の波長帯の光を反射する回折格子が端部に形成された光ファイバと、その光ファイバを内部に挿通して保持する光ファイバ保持部材とを有する保持部材付光ファイバにおいて、前記光ファイバの回折格子形成部分を、前記光ファイバ保持部材の端部より外側に突出させており、前記光ファイバ保持部材の端部には、前記光ファイバの突出部分の外周面との間に隙間を形成して、前記光ファイバの回折格子形成部分の揺れ幅を規制する揺れ幅規制部材が設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
前記揺れ幅規制部材の基端部の内壁には、前記光ファイバの突出部分の基端部に当接するのを防止するための切り欠き部が形成されていてもよい。
【００１５】
本発明の半導体レーザモジュールは、レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、その半導体レーザ素子の一方の端部から出射された光を入射する前記保持部材付光ファイバとを有し、前記半導体レーザ素子と前記保持部材付光ファイバに形成された回折格子とにより、共振器を形成してなることを特徴とするものである。
【００１６】
前記半導体レーザ素子の他方の端部から出射されたレーザ光を入射して外部に送出する光ファイバを有してもよい。
【００１７】
本発明のラマン増幅器は、前記半導体レーザモジュールと、信号光が伝送される増幅用光ファイバとを有し、前記半導体レーザモジュールから出射される励起光と前記増幅用光ファイバに伝送される信号光とを合波して前記信号光にラマン利得を与えることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡを示す断面図である。
【００１９】
図１に示すように、第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡは、光ファイバ２と、その光ファイバ２を保持する光ファイバ保持部材としてのフェルール（又はスリーブ）１とからなる。フェルール１は、例えばステンレス鋼、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金又はセラミック及びそれらの複合体として作られている。フェルール１の内部には光ファイバ２を挿入するための挿通孔３が形成されている。
【００２０】
光ファイバ２の先端部には半導体レーザ素子７（図３参照）から出射されたレーザ光のうち所定の波長帯のレーザ光を反射する回折格子Ｋが軸線方向に形成される。回折格子Ｋは、例えばフェーズマスクを介して干渉縞となった紫外光を光ファイバ２のコア部に照射することによって周期的に屈折率の変化を生じさせて形成される。
【００２１】
光ファイバ２の先端部には回折格子Ｋ形成後、さらに先端側で光ファイバカッタなどを用いた劈開によって端面２’が形成される。端面２’はこのように劈開によって得られる平坦面であり、通常、光ファイバ長手方向に対して垂直な面である。ただし、半導体レーザ素子７への戻り光を防止するために光ファイバ長手方向に対して斜めにカットされた面とすることが好ましい。
【００２２】
光ファイバ２は、フェルール１の内部に形成された挿通孔３に挿入され、接着剤又は半田４によって固定して保持される。なお、半田を用いる場合には、光ファイバ２の外周にメッキ層を形成しておく。光ファイバ２の回折格子Ｋ形成部分を含む先端部は、フェルール１の半導体レーザ素子７側の端部より外側に突出させる。フェルール１の端部と光ファイバ２の端面２’との間の突出した距離Ｌは、光結合の安定性の観点から３ｍｍ以下であるのが好ましい。また、光ファイバ２の半導体レーザ素子７側の端面２’は、反射防止コート（ＡＲコート）をコーティングしているのが好ましい。
【００２３】
本発明の第１の実施の形態によれば、光ファイバ２の回折格子Ｋ形成部分をフェルール１の半導体レーザ素子７側の端部より外側に突出させているので、環境温度の変化によって光ファイバ２を固定する接着剤又は半田４が熱膨張して、光ファイバ２に応力がかかっても、光ファイバ２の回折格子Ｋ形成部分にはその影響を受けることはなく、レーザ光の発振波長の変動を防止することができる。
【００２４】
なお、従来では、フェルール１及び光ファイバ２の先端面の端面２’を平坦になるように研磨していたが、本発明の実施の形態では光ファイバ２の端面２’を劈開によって形成し、研磨工程は不用となるので、製造時間（製造工程）を短縮できる。
【００２５】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡを示す断面図である。図２に示すように、第２の実施の形態では、半導体レーザ素子７側の端部に、光ファイバ２の回折格子Ｋ形成部分の先端部の揺れ幅を規制する揺れ幅規制部材５が設けられている。揺れ幅規制部材５は金属又はセラミック及びその複合体として作られており、フェルール１の端部にＹＡＧ溶接又は半田、接着剤などにより固定される。
【００２６】
揺れ幅規制部材５の内壁と光ファイバ２の外周面との間には所定の隙間が形成されている。また、揺れ幅規制部材５の基端部の内壁には、揺れ幅規制部材５がずれたときに、光ファイバ２の突出部分の基端部に当接するのを防止するための切り欠き部５ａが形成されていてもよい。
【００２７】
第２の実施の形態によれば、半導体レーザ素子７側の端部に、光ファイバ２の回折格子Ｋ形成部分の先端部の揺れ幅を規制する揺れ幅規制部材５が設けられているので、光ファイバ２の先端部の大幅な揺れがあった場合でも、安定したレーザ発振を維持することができる。
【００２８】
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザモジュールを示す断面図である。図３に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザモジュールＭ１は、内部を気密封止するパッケージ６と、そのパッケージ６内に設けられ、レーザ光を出射する半導体レーザ素子７と、その半導体レーザ素子７の前側（図３では右側）端部から出射されたレーザ光を入射して外部に送出し、所定の波長帯のレーザ光を反射する回折格子Ｋが形成された光ファイバ２及びその光ファイバ２を保持するフェルール１を備えた前記第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡと、半導体レーザ素子７の後側（図３では左側）端部から出射されたモニタ用のレーザ光を受光するフォトダイオード８とを有する。なお、第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡの代わりに、端部に揺れ幅規制部材５が設けられた第２の実施の形態の保持部材付光ファイバＡを用いてもよい。
【００２９】
半導体レーザ素子７は、ヒートシンク９上に固定して取り付けられており、そのヒートシンク９はチップキャリア１０上に固定して取り付けられている。
【００３０】
フォトダイオード８は、フォトダイオードキャリア１１に固定して取り付けられている。チップキャリア１０及びフォトダイオードキャリア１１は基台１２に取り付けられ、その基台１２の下方にはペルチェ素子からなる冷却装置１３が設けられる。半導体レーザ素子７からの発熱による温度上昇はチップキャリア１０上に設けられたサーミスタ１４によって検出され、サーミスタ１４により検出された温度が一定温度になるように、冷却装置１３が制御される。これによって、半導体レーザ素子７のレーザ出力を安定化させることができる。
【００３１】
基台１２上の半導体レーザ素子７の前側には半導体レーザ素子７から出射されたレーザ光を平行にする第１レンズ１５が設置されている。第１レンズ１５は、基台１２上に設けられた第１のレンズホルダ１６によって保持されている。
【００３２】
パッケージ６の側部に形成されたフランジ部６ａの内部には、第１レンズ１５を通過した光が入射する窓部１７と、レーザ光を集光する第２レンズ１８が設けられている。第２レンズ１８は、フランジ部６ａの端部にＹＡＧ溶接により固定された第２のレンズ保持部材１９によって保持され、第２のレンズ保持部材１９の端部には金属製のスライドリング３１がＹＡＧレーザ溶接により固定される。なお、スライドリング３１は、第２のレンズ保持部材１９の端面において、光ファイバ２の光軸と垂直な面内（ＸＹ平面）で位置調整後、両者の境界部においてＹＡＧ溶接される。
【００３３】
光ファイバ２はフェルール１によって保持され、そのフェルール１は、スライドリング３１の内部にＹＡＧレーザ溶接により固定されている。これにより光ファイバ２の光軸方向（Ｚ軸方向）の位置が固定される。
【００３４】
半導体レーザ素子７の前側端部から出射されたレーザ光は、第１レンズ１５によって平行になり、第２レンズ１８によって集光され、フェルール１によって保持された光ファイバ２の端面２’に入射され外部に送出される。また、光ファイバ２の回折格子Ｋによってレーザ光の一部が反射され、反射された光は、第２レンズ１８、第１レンズ１５を介して半導体レーザ素子７に戻り、半導体レーザ素子７と回折格子Ｋとの間で外部共振器が構成されるので、回折格子Ｋによって決定される波長帯でのレーザ発振が可能となる。
【００３５】
一方、半導体レーザ素子７の後側端部から出射されたモニタ用のレーザ光は、フォトダイオード８によって受光され、フォトダイオード８の受光量等を算出することにより半導体レーザ素子７の光出力などを調整する。
【００３６】
なお、半導体レーザ素子７の前側端部から出射されるレーザ光を光ファイバ２に光結合される光学系は、ここで述べている２レンズ系に限定されるものではなく、集光１レンズ系で構成してもよい。
【００３７】
第３の実施の形態によれば、回折格子Ｋ形成部分をフェルール１の端部より外側に突出させた第１の実施の形態又は第２の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡを用いているので、環境温度の変化によってもレーザ光の発振波長の変動を防止することができ、出力されるレーザ光の波長の安定化を図ることができる。
【００３８】
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザモジュールを示す断面図である。図４に示すように、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザモジュールＭ２では、先端部がレンズ加工され、半導体レーザ素子７の後側（図４では左側）の端部から出射されたレーザ光を入射し、所定の波長帯のレーザ光を反射する回折格子Ｋが形成された第１の光ファイバ２ａ及び第１の光ファイバ２ａを保持するフェルール１を備えた第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡと、半導体レーザ素子７の前側（図４では右側）の端部から出射されたレーザ光を入射して外部に送出する第２の光ファイバ２ｂとを有する。なお、第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡの代わりに、端部に揺れ幅規制部材５が設けられた第２の実施の形態の保持部材付光ファイバＡを用いてもよい。第２の光ファイバ２ｂはフェルール２０によって保持され、そのフェルール２０は、スライドリング３１の内部にＹＡＧレーザ溶接により固定されている。
【００３９】
回折格子Ｋを備えた第１の光ファイバ２ａは、半導体レーザ素子７とフォトダイオード８との間に配置されているので、半導体レーザ素子７の前側端面と第１の光ファイバ２ａの回折格子Ｋとの間で光共振を発生させ、半導体レーザ素子７の前側端面から所定の波長のレーザ光を出射する。
【００４０】
また、半導体レーザ素子７と送出用の第２の光ファイバ２ｂとの間に、第２の光ファイバ２ｂ側からの反射戻り光を阻止するための光アイソレータ２１が設けられる。
【００４１】
第４の実施の形態によれば、回折格子Ｋを備えた第１の光ファイバ２ａを半導体レーザ素子７の後側に配置し、第１の光ファイバ２ａの先端に形成されたレンズを介して半導体レーザ素子７と光結合するので、半導体レーザ素子７と回折格子Ｋとの間隔を大幅に短縮することができ、半導体レーザ素子７から出射されるレーザ光のノイズスペクトルにおけるピークを高周波側にシフトさせることができる。
【００４２】
また、半導体レーザ素子７と送出用の第２の光ファイバ２ｂとの間に、第２の光ファイバ２ｂ側からの反射戻り光を阻止するための光アイソレータ２１を挿入することができるので、半導体レーザ素子７の動作を安定化することができる。
【００４３】
図５は、本発明の第５の実施の形態に係るラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図５に示すように、本発明の第５の実施の形態に係るラマン増幅器２２は、信号光が入力される入力部２３と、信号光が出力される出力部２４と、入力部２３と出力部２４の間で信号光を伝送する増幅用光ファイバ２５と、励起光を発生させる励起光発生部２６と、励起光発生部２６によって発生された励起光と増幅用光ファイバ２５に伝送される信号光とを合波するＷＤＭカプラ２７とを有する。入力部２３とＷＤＭカプラ２７との間及び出力部２４とＷＤＭカプラ２７との間には、入力部２３から出力部２４への方向の信号光だけを透過させる光アイソレータ２８がそれぞれ設けられている。
【００４４】
励起光発生部２６は、上記説明された本発明の第３又は第４の実施の形態に係る半導体レーザモジュールＭ１（Ｍ２）と、半導体レーザモジュールＭ１（Ｍ２）から出射されたレーザ光を同じ波長ごとに直交偏波合成する偏波合成カプラ２９と、各偏波合成カプラ２９の出力光を合成するＷＤＭカプラ３０とを有する。偏波合成カプラ２９により直交偏波合成するのは、ラマン増幅利得に偏波依存性があるため、偏光度（ＤＯＰ（Degree Of Polarization)）を小さくするためである。
【００４５】
半導体レーザモジュールＭ１（Ｍ２）から出射された励起光は、偏波合成カプラ２９によって同じ波長ごとに偏波合成され、各偏波合成カプラ２９の出力光はＷＤＭカプラ３０によって合成され、励起光発生部２６の出力光となる。
【００４６】
励起光発生部２６で発生した励起光は、ＷＤＭカプラ２７により増幅用光ファイバ２５に結合され、一方、入力部２３から入力された信号光は、増幅用光ファイバ２５で励起光と合波されてラマン増幅され、ＷＤＭカプラ２７を通過し、出力部２４から出力される。
【００４７】
本発明の第５の実施の形態に係るラマン増幅器２２は、ノイズが小さく環境温度が変化しても励起光の波長が安定している半導体レーザモジュールＭ１（Ｍ２）を用いているので、低雑音で環境温度が変化しても安定した所望のラマン利得を得ることができる。
【００４８】
本発明は、上記実施の形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内において、種々の変更が可能である。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、光ファイバの回折格子形成部分を光ファイバ保持部材の半導体レーザ素子側の端部より外側に突出させているので、環境温度の変化によって光ファイバを固定する接着剤又は半田が熱膨張して、光ファイバに応力がかかっても、光ファイバの回折格子形成部分にはその影響を受けることはなく、レーザ光の発振波長の変動を防止することができる。
【００５０】
請求項２に係る発明によれば、光ファイバ保持部材の端部に、光ファイバの回折格子形成部分の先端部の揺れ幅を規制する揺れ幅規制部材が設けられているので、光ファイバの先端部の大幅な揺れがあった場合でも安定したレーザ発振を維持することができる。
【００５１】
請求項３に係る発明によれば、回折格子形成部分を光ファイバ保持部材の端部より外側に突出させた保持部材付光ファイバを用いているので、環境温度の変化によってもレーザ光の発振波長の変動を防止することができ、出力されるレーザ光の波長の安定化を図ることができる。
【００５２】
請求項４に係る発明によれば、回折格子を備えた光ファイバを半導体レーザ素子の後側に配置し、光ファイバの先端に形成されたレンズを介して半導体レーザ素子と光結合するので、半導体レーザ素子と回折格子との間隔を大幅に短縮することができ、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光のノイズスペクトルにおけるピークを高周波側にシフトさせることができる。
【００５３】
また、半導体レーザ素子と送出用の光ファイバとの間に、光ファイバ側からの反射戻り光を阻止するための光アイソレータを挿入することができるので、半導体レーザ素子の動作を安定化することができる。
【００５４】
請求項５に係る発明によれば、ノイズが小さく環境温度が変化しても励起光の波長が安定している半導体レーザモジュールを用いているので、低雑音で環境温度が変化しても安定した所望のラマン利得を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバを示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る保持部材付光ファイバを示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザモジュールを示す断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザモジュールを示す断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係るラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図６】（Ａ）は従来の半導体レーザモジュールの構成を模式化して示す断面図、（Ｂ）はフェルールの内部構造を示す断面図である。
【符号の説明】
Ａ：保持部材付光ファイバ
Ｋ：回折格子
Ｍ１：半導体レーザモジュール
Ｍ２：半導体レーザモジュール
１：フェルール（光ファイバ保持部材）
２：光ファイバ
２’：端面
２ａ：第１の光ファイバ
２ｂ：第２の光ファイバ
３：挿通孔
４：接着剤又は半田
５：揺れ幅規制部材
５ａ：切り欠き部
６：パッケージ
６ａ：フランジ部
７：半導体レーザ素子
８：フォトダイオード
９：ヒートシンク
１０：チップキャリア
１１：フォトダイオードキャリア
１２：基台
１３：冷却装置
１４：サーミスタ
１５：第１レンズ
１６：第１のレンズホルダ
１７：窓部
１８：第２レンズ
１９：第２のレンズホルダ
２０：フェルール
２１：光アイソレータ
２２：ラマン増幅器
２３：入力部
２４：出力部
２５：増幅用光ファイバ
２６：励起光発生部
２７：ＷＤＭカプラ
２８：光アイソレータ
２９：偏波合成カプラ
３０：ＷＤＭカプラ
３１：スライドリング
【発明の属する技術分野】
本発明は、保持部材付光ファイバ、その保持部材付光ファイバを備えた半導体レーザモジュール及びその半導体レーザモジュールを備えたラマン増幅器に関し、特に、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating：ファイバブラッググレーティング）などの回折格子が形成された光ファイバを保持する保持部材付光ファイバ、半導体レーザモジュール及びラマン増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光増幅器の励起光源などに用いられる半導体レーザモジュールの分野では、半導体レーザ素子の端部から出射されるレーザ光と光学的に結合される光ファイバの内部にＦＢＧなどの回折格子を形成し、外部共振器を構成し、発振波長を回折格子できまる波長に制御しているものが広く知られている。この種の半導体レーザモジュールは、例えば特開平８−２８６０７７号公報に開示されている。
【０００３】
図６（Ａ）は従来の半導体レーザモジュールの構成を模式化して示す断面図、（Ｂ）はフェルールの内部構造を示す断面図である。図６（Ａ）に示すように、従来の半導体レーザモジュールは、レーザ光を出射する半導体レーザ素子５０と、半導体レーザ素子５０の前側（図６（Ａ）では右側）端部から出射されたレーザ光が入射され、所定の波長帯のレーザ光を反射するＦＢＧなどの回折格子Ｋが形成された光ファイバ５１と、半導体レーザ素子の後側（図６（Ａ）では左側）端部から出射されたモニタ用のレーザ光を受光するフォトダイオード５２とを有する。
【０００４】
半導体レーザ素子５０の前側には、半導体レーザ素子５０の前側端部から出射されたレーザ光を平行にする第１レンズ（平行レンズ）５３と、当該平行になったレーザ光を集光する第２レンズ（集光レンズ）５４が設置されている。
【０００５】
半導体レーザ素子５０の前側端部から出射されたレーザ光は、第１レンズ５３によって平行になり、第２レンズ５４によって集光され、光ファイバ５１に入射され外部に送出される。また、光ファイバ５１の回折格子Ｋによってレーザ光の一部が反射され、反射された光は、第２レンズ５４、第１レンズ５３を介して半導体レーザ素子５０に戻り、半導体レーザ素子と回折格子Ｋとの間で外部共振器が構成されるので、回折格子Ｋによって決定される波長帯でのレーザ発振が可能となる。
【０００６】
一方、半導体レーザ素子５０の後側から出力されたモニタ用のレーザ光は、フォトダイオード５２によって受光され、フォトダイオード５２の受光量等を算出することにより半導体レーザ素子５０の光出力を調整する。
【０００７】
従来の半導体レーザモジュールでは、ノイズスペクトルにおいて、外部共振器の長さで決まる周波数（共振器内を光が往復する時間の逆数）おきにピークがあらわれる。そのため、従来の半導体レーザモジュールでは、雑音特性（ＲＩＮ（Relative Intensity Noise））が悪くなるという問題があった。
【０００８】
上記の課題は、信号光源としてはもちろんのことであるが、特にラマン増幅においても問題となるので、以下、詳細に説明する。ラマン増幅は、光ファイバに励起光を入射したときに発生する誘導ラマン散乱により、励起光波長から約１００ｎｍ程度波長側に利得が現れ、このように励起された状態の光ファイバに、上記利得を有する波長帯域の信号光を入力すると、その信号光が増幅されるという現象を利用した光信号の増幅方法である。このラマン増幅は、
（１）エルビウムドープファイバのような特殊なファイバではなく、既設の光ファイバを増幅媒体として使用できる点、
（２）光ファイバに入射する励起光の波長を変えれば、任意の波長において増幅利得を得ることができ、ＷＤＭ（Wavelength Demultiple Multiple：波長分離多重）において、信号光のチャンネル数を増加できる点、
を特徴としている。
【０００９】
その反面、ラマン増幅は得られる利得が小さいため、半導体レーザモジュールに対して高い光出力が要求される。また、発振波長が変動すると、利得波長帯域が変動するので、回折格子などにより波長を安定化させることが必要とされる。その際、半導体レーザ素子と回折格子との間隔をできるだけ短くして、例えば励起光のノイズ（ＲＩＮ）を０〜２ＧＨｚ（場合によっては０〜２２ＧＨｚ）の範囲で−１３０ｄＢ／Ｈｚ以下になるように小さくすることが必要とされる。
【００１０】
従来の半導体レーザモジュールでは、例えば図６（Ｂ）に示すように、光ファイバ５１の先端部に回折格子Ｋを形成するとともに、光ファイバ５１を保持するフェルール５５の半導体レーザ素子５０側の内部に回折格子Ｋを配置することにより、半導体レーザ素子５０と回折格子Ｋとの間隔を短縮している。よって、この構成は、ノイズの低減という観点から見れば好ましい態様といえる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図６（Ｂ）に示すように、回折格子Ｋを備えた光ファイバ５１は、熱膨張率の大きい接着剤又は半田５６によってフェルール５５の内部に固定されるので、環境温度の変化による接着剤又は半田５６の熱膨張によって回折格子Ｋの部分に応力がかかり、それによってレーザ光の発振波長が変動する。そのため、例えば従来の半導体レーザモジュールをラマン増幅器の励起光源に用いた場合には、環境温度の変化によってラマン利得が変化し、安定した利得が得られないという課題がある。
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、環境温度の変化によるレーザ光の波長の変動を低減することができる保持部材付光ファイバ、半導体レーザモジュール及びラマン増幅器を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の保持部材付光ファイバは、所定の波長帯の光を反射する回折格子が端部に形成された光ファイバと、その光ファイバを内部に挿通して保持する光ファイバ保持部材とを有する保持部材付光ファイバにおいて、前記光ファイバの回折格子形成部分を、前記光ファイバ保持部材の端部より外側に突出させており、前記光ファイバ保持部材の端部には、前記光ファイバの突出部分の外周面との間に隙間を形成して、前記光ファイバの回折格子形成部分の揺れ幅を規制する揺れ幅規制部材が設けられていることを特徴とするものである。
【００１４】
前記揺れ幅規制部材の基端部の内壁には、前記光ファイバの突出部分の基端部に当接するのを防止するための切り欠き部が形成されていてもよい。
【００１５】
本発明の半導体レーザモジュールは、レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、その半導体レーザ素子の一方の端部から出射された光を入射する前記保持部材付光ファイバとを有し、前記半導体レーザ素子と前記保持部材付光ファイバに形成された回折格子とにより、共振器を形成してなることを特徴とするものである。
【００１６】
前記半導体レーザ素子の他方の端部から出射されたレーザ光を入射して外部に送出する光ファイバを有してもよい。
【００１７】
本発明のラマン増幅器は、前記半導体レーザモジュールと、信号光が伝送される増幅用光ファイバとを有し、前記半導体レーザモジュールから出射される励起光と前記増幅用光ファイバに伝送される信号光とを合波して前記信号光にラマン利得を与えることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡを示す断面図である。
【００１９】
図１に示すように、第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡは、光ファイバ２と、その光ファイバ２を保持する光ファイバ保持部材としてのフェルール（又はスリーブ）１とからなる。フェルール１は、例えばステンレス鋼、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ合金又はセラミック及びそれらの複合体として作られている。フェルール１の内部には光ファイバ２を挿入するための挿通孔３が形成されている。
【００２０】
光ファイバ２の先端部には半導体レーザ素子７（図３参照）から出射されたレーザ光のうち所定の波長帯のレーザ光を反射する回折格子Ｋが軸線方向に形成される。回折格子Ｋは、例えばフェーズマスクを介して干渉縞となった紫外光を光ファイバ２のコア部に照射することによって周期的に屈折率の変化を生じさせて形成される。
【００２１】
光ファイバ２の先端部には回折格子Ｋ形成後、さらに先端側で光ファイバカッタなどを用いた劈開によって端面２’が形成される。端面２’はこのように劈開によって得られる平坦面であり、通常、光ファイバ長手方向に対して垂直な面である。ただし、半導体レーザ素子７への戻り光を防止するために光ファイバ長手方向に対して斜めにカットされた面とすることが好ましい。
【００２２】
光ファイバ２は、フェルール１の内部に形成された挿通孔３に挿入され、接着剤又は半田４によって固定して保持される。なお、半田を用いる場合には、光ファイバ２の外周にメッキ層を形成しておく。光ファイバ２の回折格子Ｋ形成部分を含む先端部は、フェルール１の半導体レーザ素子７側の端部より外側に突出させる。フェルール１の端部と光ファイバ２の端面２’との間の突出した距離Ｌは、光結合の安定性の観点から３ｍｍ以下であるのが好ましい。また、光ファイバ２の半導体レーザ素子７側の端面２’は、反射防止コート（ＡＲコート）をコーティングしているのが好ましい。
【００２３】
本発明の第１の実施の形態によれば、光ファイバ２の回折格子Ｋ形成部分をフェルール１の半導体レーザ素子７側の端部より外側に突出させているので、環境温度の変化によって光ファイバ２を固定する接着剤又は半田４が熱膨張して、光ファイバ２に応力がかかっても、光ファイバ２の回折格子Ｋ形成部分にはその影響を受けることはなく、レーザ光の発振波長の変動を防止することができる。
【００２４】
なお、従来では、フェルール１及び光ファイバ２の先端面の端面２’を平坦になるように研磨していたが、本発明の実施の形態では光ファイバ２の端面２’を劈開によって形成し、研磨工程は不用となるので、製造時間（製造工程）を短縮できる。
【００２５】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡを示す断面図である。図２に示すように、第２の実施の形態では、半導体レーザ素子７側の端部に、光ファイバ２の回折格子Ｋ形成部分の先端部の揺れ幅を規制する揺れ幅規制部材５が設けられている。揺れ幅規制部材５は金属又はセラミック及びその複合体として作られており、フェルール１の端部にＹＡＧ溶接又は半田、接着剤などにより固定される。
【００２６】
揺れ幅規制部材５の内壁と光ファイバ２の外周面との間には所定の隙間が形成されている。また、揺れ幅規制部材５の基端部の内壁には、揺れ幅規制部材５がずれたときに、光ファイバ２の突出部分の基端部に当接するのを防止するための切り欠き部５ａが形成されていてもよい。
【００２７】
第２の実施の形態によれば、半導体レーザ素子７側の端部に、光ファイバ２の回折格子Ｋ形成部分の先端部の揺れ幅を規制する揺れ幅規制部材５が設けられているので、光ファイバ２の先端部の大幅な揺れがあった場合でも、安定したレーザ発振を維持することができる。
【００２８】
図３は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザモジュールを示す断面図である。図３に示すように、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザモジュールＭ１は、内部を気密封止するパッケージ６と、そのパッケージ６内に設けられ、レーザ光を出射する半導体レーザ素子７と、その半導体レーザ素子７の前側（図３では右側）端部から出射されたレーザ光を入射して外部に送出し、所定の波長帯のレーザ光を反射する回折格子Ｋが形成された光ファイバ２及びその光ファイバ２を保持するフェルール１を備えた前記第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡと、半導体レーザ素子７の後側（図３では左側）端部から出射されたモニタ用のレーザ光を受光するフォトダイオード８とを有する。なお、第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡの代わりに、端部に揺れ幅規制部材５が設けられた第２の実施の形態の保持部材付光ファイバＡを用いてもよい。
【００２９】
半導体レーザ素子７は、ヒートシンク９上に固定して取り付けられており、そのヒートシンク９はチップキャリア１０上に固定して取り付けられている。
【００３０】
フォトダイオード８は、フォトダイオードキャリア１１に固定して取り付けられている。チップキャリア１０及びフォトダイオードキャリア１１は基台１２に取り付けられ、その基台１２の下方にはペルチェ素子からなる冷却装置１３が設けられる。半導体レーザ素子７からの発熱による温度上昇はチップキャリア１０上に設けられたサーミスタ１４によって検出され、サーミスタ１４により検出された温度が一定温度になるように、冷却装置１３が制御される。これによって、半導体レーザ素子７のレーザ出力を安定化させることができる。
【００３１】
基台１２上の半導体レーザ素子７の前側には半導体レーザ素子７から出射されたレーザ光を平行にする第１レンズ１５が設置されている。第１レンズ１５は、基台１２上に設けられた第１のレンズホルダ１６によって保持されている。
【００３２】
パッケージ６の側部に形成されたフランジ部６ａの内部には、第１レンズ１５を通過した光が入射する窓部１７と、レーザ光を集光する第２レンズ１８が設けられている。第２レンズ１８は、フランジ部６ａの端部にＹＡＧ溶接により固定された第２のレンズ保持部材１９によって保持され、第２のレンズ保持部材１９の端部には金属製のスライドリング３１がＹＡＧレーザ溶接により固定される。なお、スライドリング３１は、第２のレンズ保持部材１９の端面において、光ファイバ２の光軸と垂直な面内（ＸＹ平面）で位置調整後、両者の境界部においてＹＡＧ溶接される。
【００３３】
光ファイバ２はフェルール１によって保持され、そのフェルール１は、スライドリング３１の内部にＹＡＧレーザ溶接により固定されている。これにより光ファイバ２の光軸方向（Ｚ軸方向）の位置が固定される。
【００３４】
半導体レーザ素子７の前側端部から出射されたレーザ光は、第１レンズ１５によって平行になり、第２レンズ１８によって集光され、フェルール１によって保持された光ファイバ２の端面２’に入射され外部に送出される。また、光ファイバ２の回折格子Ｋによってレーザ光の一部が反射され、反射された光は、第２レンズ１８、第１レンズ１５を介して半導体レーザ素子７に戻り、半導体レーザ素子７と回折格子Ｋとの間で外部共振器が構成されるので、回折格子Ｋによって決定される波長帯でのレーザ発振が可能となる。
【００３５】
一方、半導体レーザ素子７の後側端部から出射されたモニタ用のレーザ光は、フォトダイオード８によって受光され、フォトダイオード８の受光量等を算出することにより半導体レーザ素子７の光出力などを調整する。
【００３６】
なお、半導体レーザ素子７の前側端部から出射されるレーザ光を光ファイバ２に光結合される光学系は、ここで述べている２レンズ系に限定されるものではなく、集光１レンズ系で構成してもよい。
【００３７】
第３の実施の形態によれば、回折格子Ｋ形成部分をフェルール１の端部より外側に突出させた第１の実施の形態又は第２の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡを用いているので、環境温度の変化によってもレーザ光の発振波長の変動を防止することができ、出力されるレーザ光の波長の安定化を図ることができる。
【００３８】
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザモジュールを示す断面図である。図４に示すように、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザモジュールＭ２では、先端部がレンズ加工され、半導体レーザ素子７の後側（図４では左側）の端部から出射されたレーザ光を入射し、所定の波長帯のレーザ光を反射する回折格子Ｋが形成された第１の光ファイバ２ａ及び第１の光ファイバ２ａを保持するフェルール１を備えた第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡと、半導体レーザ素子７の前側（図４では右側）の端部から出射されたレーザ光を入射して外部に送出する第２の光ファイバ２ｂとを有する。なお、第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバＡの代わりに、端部に揺れ幅規制部材５が設けられた第２の実施の形態の保持部材付光ファイバＡを用いてもよい。第２の光ファイバ２ｂはフェルール２０によって保持され、そのフェルール２０は、スライドリング３１の内部にＹＡＧレーザ溶接により固定されている。
【００３９】
回折格子Ｋを備えた第１の光ファイバ２ａは、半導体レーザ素子７とフォトダイオード８との間に配置されているので、半導体レーザ素子７の前側端面と第１の光ファイバ２ａの回折格子Ｋとの間で光共振を発生させ、半導体レーザ素子７の前側端面から所定の波長のレーザ光を出射する。
【００４０】
また、半導体レーザ素子７と送出用の第２の光ファイバ２ｂとの間に、第２の光ファイバ２ｂ側からの反射戻り光を阻止するための光アイソレータ２１が設けられる。
【００４１】
第４の実施の形態によれば、回折格子Ｋを備えた第１の光ファイバ２ａを半導体レーザ素子７の後側に配置し、第１の光ファイバ２ａの先端に形成されたレンズを介して半導体レーザ素子７と光結合するので、半導体レーザ素子７と回折格子Ｋとの間隔を大幅に短縮することができ、半導体レーザ素子７から出射されるレーザ光のノイズスペクトルにおけるピークを高周波側にシフトさせることができる。
【００４２】
また、半導体レーザ素子７と送出用の第２の光ファイバ２ｂとの間に、第２の光ファイバ２ｂ側からの反射戻り光を阻止するための光アイソレータ２１を挿入することができるので、半導体レーザ素子７の動作を安定化することができる。
【００４３】
図５は、本発明の第５の実施の形態に係るラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図５に示すように、本発明の第５の実施の形態に係るラマン増幅器２２は、信号光が入力される入力部２３と、信号光が出力される出力部２４と、入力部２３と出力部２４の間で信号光を伝送する増幅用光ファイバ２５と、励起光を発生させる励起光発生部２６と、励起光発生部２６によって発生された励起光と増幅用光ファイバ２５に伝送される信号光とを合波するＷＤＭカプラ２７とを有する。入力部２３とＷＤＭカプラ２７との間及び出力部２４とＷＤＭカプラ２７との間には、入力部２３から出力部２４への方向の信号光だけを透過させる光アイソレータ２８がそれぞれ設けられている。
【００４４】
励起光発生部２６は、上記説明された本発明の第３又は第４の実施の形態に係る半導体レーザモジュールＭ１（Ｍ２）と、半導体レーザモジュールＭ１（Ｍ２）から出射されたレーザ光を同じ波長ごとに直交偏波合成する偏波合成カプラ２９と、各偏波合成カプラ２９の出力光を合成するＷＤＭカプラ３０とを有する。偏波合成カプラ２９により直交偏波合成するのは、ラマン増幅利得に偏波依存性があるため、偏光度（ＤＯＰ（Degree Of Polarization)）を小さくするためである。
【００４５】
半導体レーザモジュールＭ１（Ｍ２）から出射された励起光は、偏波合成カプラ２９によって同じ波長ごとに偏波合成され、各偏波合成カプラ２９の出力光はＷＤＭカプラ３０によって合成され、励起光発生部２６の出力光となる。
【００４６】
励起光発生部２６で発生した励起光は、ＷＤＭカプラ２７により増幅用光ファイバ２５に結合され、一方、入力部２３から入力された信号光は、増幅用光ファイバ２５で励起光と合波されてラマン増幅され、ＷＤＭカプラ２７を通過し、出力部２４から出力される。
【００４７】
本発明の第５の実施の形態に係るラマン増幅器２２は、ノイズが小さく環境温度が変化しても励起光の波長が安定している半導体レーザモジュールＭ１（Ｍ２）を用いているので、低雑音で環境温度が変化しても安定した所望のラマン利得を得ることができる。
【００４８】
本発明は、上記実施の形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的事項の範囲内において、種々の変更が可能である。
【００４９】
【発明の効果】
請求項１に係る発明によれば、光ファイバの回折格子形成部分を光ファイバ保持部材の半導体レーザ素子側の端部より外側に突出させているので、環境温度の変化によって光ファイバを固定する接着剤又は半田が熱膨張して、光ファイバに応力がかかっても、光ファイバの回折格子形成部分にはその影響を受けることはなく、レーザ光の発振波長の変動を防止することができる。
【００５０】
請求項２に係る発明によれば、光ファイバ保持部材の端部に、光ファイバの回折格子形成部分の先端部の揺れ幅を規制する揺れ幅規制部材が設けられているので、光ファイバの先端部の大幅な揺れがあった場合でも安定したレーザ発振を維持することができる。
【００５１】
請求項３に係る発明によれば、回折格子形成部分を光ファイバ保持部材の端部より外側に突出させた保持部材付光ファイバを用いているので、環境温度の変化によってもレーザ光の発振波長の変動を防止することができ、出力されるレーザ光の波長の安定化を図ることができる。
【００５２】
請求項４に係る発明によれば、回折格子を備えた光ファイバを半導体レーザ素子の後側に配置し、光ファイバの先端に形成されたレンズを介して半導体レーザ素子と光結合するので、半導体レーザ素子と回折格子との間隔を大幅に短縮することができ、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光のノイズスペクトルにおけるピークを高周波側にシフトさせることができる。
【００５３】
また、半導体レーザ素子と送出用の光ファイバとの間に、光ファイバ側からの反射戻り光を阻止するための光アイソレータを挿入することができるので、半導体レーザ素子の動作を安定化することができる。
【００５４】
請求項５に係る発明によれば、ノイズが小さく環境温度が変化しても励起光の波長が安定している半導体レーザモジュールを用いているので、低雑音で環境温度が変化しても安定した所望のラマン利得を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る保持部材付光ファイバを示す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る保持部材付光ファイバを示す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザモジュールを示す断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザモジュールを示す断面図である。
【図５】本発明の第５の実施の形態に係るラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図６】（Ａ）は従来の半導体レーザモジュールの構成を模式化して示す断面図、（Ｂ）はフェルールの内部構造を示す断面図である。
【符号の説明】
Ａ：保持部材付光ファイバ
Ｋ：回折格子
Ｍ１：半導体レーザモジュール
Ｍ２：半導体レーザモジュール
１：フェルール（光ファイバ保持部材）
２：光ファイバ
２’：端面
２ａ：第１の光ファイバ
２ｂ：第２の光ファイバ
３：挿通孔
４：接着剤又は半田
５：揺れ幅規制部材
５ａ：切り欠き部
６：パッケージ
６ａ：フランジ部
７：半導体レーザ素子
８：フォトダイオード
９：ヒートシンク
１０：チップキャリア
１１：フォトダイオードキャリア
１２：基台
１３：冷却装置
１４：サーミスタ
１５：第１レンズ
１６：第１のレンズホルダ
１７：窓部
１８：第２レンズ
１９：第２のレンズホルダ
２０：フェルール
２１：光アイソレータ
２２：ラマン増幅器
２３：入力部
２４：出力部
２５：増幅用光ファイバ
２６：励起光発生部
２７：ＷＤＭカプラ
２８：光アイソレータ
２９：偏波合成カプラ
３０：ＷＤＭカプラ
３１：スライドリング
Claims (4)
- 所定の波長帯の光を反射する回折格子が端部に形成された光ファイバと、その光ファイバを内部に挿通して保持する光ファイバ保持部材とを有する保持部材付光ファイバにおいて、
前記光ファイバの回折格子形成部分を、前記光ファイバ保持部材の端部より外側に突出させており、
前記光ファイバ保持部材の端部には、前記光ファイバの突出部分の外周面との間に隙間を形成して、前記光ファイバの回折格子形成部分の揺れ幅を規制する揺れ幅規制部材が設けられ、
前記揺れ幅規制部材の基端部の内壁には、前記光ファイバの突出部分の基端部に当接するのを防止するための切り欠き部が形成されている、
ことを特徴とする保持部材付光ファイバ。 - レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、その半導体レーザ素子の一方の端部から出射された光を入射する前記請求項１に記載の保持部材付光ファイバとを有し、前記半導体レーザ素子と保持部材付光ファイバに形成された回折格子とにより、共振器を形成してなることを特徴とする半導体レーザモジュール。
- 前記半導体レーザ素子の他方の端部から出射されたレーザ光を入射して外部に送出する光ファイバを有することを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザモジュール。
- 前記請求項２又は３に記載の半導体レーザモジュールと、信号光が伝送される増幅用光ファイバとを有し、前記半導体レーザモジュールから出射される励起光と前記増幅用光ファイバに伝送される信号光とを合波して前記信号光にラマン利得を与えることを特徴とするラマン増幅器。
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Publications (2)
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