JP5074645B2 - 励起光源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ素子とそれを用いた励起光源装置に関し、更に詳しくは、高光出力であり、波長合成して光ファイバ増幅器用の励起光源装置を組み立てるときに用いて有効なファブリ・ペロー型半導体レーザ素子と、それを用いた高光出力の励起光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＷＤＭ (Dense-Wavelength Division Multiplexing) の進展により、光ファイバ増幅器の高光出力化の要求が強まっているが、このことに伴い、光ファイバ増幅器用の励起光源装置に対しても高光出力化への要求が強まっている。
とくに、最近では、ごく普通のシングルモード光ファイバを用いて極めて広い帯域で利得が得られるラマン増幅に関する研究開発が盛んに行われているが、このラマン増幅に使用される励起光源装置としては、信号波長に対してラマンシフトだけ短い種々の波長のレーザ光を発振する多数の半導体レーザモジュールの光出力を合成した高出力の励起光源装置が必要とされる。
【０００３】
励起光源装置の高出力化に関しては、米国特許第５,９３６,７６３号には次のような励起光源装置が開示されている。
この装置は、互いに異なる発振波長でレーザ光を発振する複数個の半導体レーザモジュールからの当該各発振波長のレーザ光を波長多重カプラで多重化して高光出力化する装置である。その具体例としては、図６で示したように、光出力が１００mWであり、かつ１４５０〜１４８５nmの波長帯域において５nm間隔の各波長で発振する８個の半導体レーザモジュールＭからの各発振波長のレーザ光を波長多重カプラＣで多重化して６８０mWの光出力を得る励起光源装置が開示されている。
【０００４】
上記した先行技術のように、各モジュールの光出力を波長多重化する場合、各モジュールに組み込まれているファブリ・ペロー型半導体レーザ素子からの発振レーザ光の発振波長は、当該半導体レーザ素子の駆動電流や環境温度と無関係に、一定の波長に固定されていることが好ましい。
このようなモジュールに組み込まれるファブリ・ペロー型半導体レーザ素子からの発振レーザ光の波長を固定する方法としては、従来から、当該レーザ素子に光結合させる光ファイバにファイバグレーティングを形成する方法が知られている。
【０００５】
ここで、ファイバグレーティングとは、光ファイバのコアの長手方向における屈折率分布を所定の周期で繰返し変化させたものであって、図７で示したように、特定波長、つまり中心波長（図では１４８０nm）を中心とした波長帯域にのみ反射率を有する反射スペクトルを示すという特性を備えている。そして、反射率がピーク反射率（Ｒ）の１／２になるときの反射率のスペクトル幅は反射帯域幅と呼ばれ、この反射帯域幅はピーク反射率とともにファイバグレーティングを特徴づけるパラメータの１つになっている。
【０００６】
このファイバグレーティングを半導体レーザ素子に光結合した状態で当該半導体レーザ素子を駆動すると、当該半導体レーザ素子から発振した各種波長のうち、前記特定波長を中心とする反射帯域幅内の波長のみが半導体レーザ素子に帰還するので、その半導体レーザ素子の発振レーザ光の波長が固定され、またその特定波長を中心とする狭い波長領域ではレーザ発振に必要な光出力利得を得ることができる。
【０００７】
しかしながら、半導体レーザ素子の駆動電流や周囲の温度が変化すると、当該半導体レーザ素子からの発振レーザ光における縦モードがシフトし、そのことにより、電流−光出力特性には図８で示したようなキンクが発生する。
そして、半導体レーザモジュールは、そこから出力する励起用レーザ光の強度をモニターしながらこれが一定値となるように制御して使用されるため、そのレーザモジュールに組み込まれている半導体レーザ素子の発振レーザ光に上記したようなキンクが発生して電流−光出力特性に負の微分係数が存在すると、その半導体レーザ素子が組み込まれているモジュールからの光出力を、自動光出力制御（ＡＰＣ：Automatic Power Control）することが困難になるという問題が生ずる。
【０００８】
このような問題を解決するために、米国特許第５,８４５,０３０号には次のような半導体レーザモジュールが開示されている。
このモジュールは、ファイバグレーティング付きのモジュールであって、ファイバグレーティングの反射帯域幅を、組み込まれている半導体レーザ素子の共振器長で定まる、発振レーザ光における縦モードの波長間隔よりも大きい値に設定するものである。具体的には、半導体レーザ素子として、共振器長が９００μｍで１４８０nmの波長帯域で発振する半導体レーザ素子を用い、ファイバグレーティングの反射帯域幅は２nm以上であるモジュールが例示されている。
【０００９】
ところで、半導体レーザ素子の発振レーザ光における縦モードの波長間隔（Δλ）は、次式：
Δλ＝λ2／２ｎ・Ｌ ……（１）
（ただし、λはレーザ光の発振波長、ｎは活性層の実効屈折率、Ｌは共振器長を表す。）
で与えられる。
【００１０】
上記米国特許第５,８４５,０３０号で例示されているファブリ・ペロー型半導体レーザ素子の場合、λ＝１４８０nm、ｎ＝３.５、Ｌ＝９００μｍであるから、その縦モードの波長間隔（Δλ）は（１）式から約０.３５nmになる。
ところで、このモジュールでは、ファイバグレーティングの反射帯域幅は、発振レーザ光における縦モードの波長間隔よりも大きくなるように設計されている。そのため、ファイバグレーティングの反射帯域幅（２nm以上）の中には、図９で示したように、半導体レーザ素子の縦モードが約５.８個含まれていることになる。
【００１１】
このような場合には、半導体レーザ素子の駆動電流や周囲の温度が変化して発振レーザ光の縦モードがシフトし、当該縦モードが反射帯域幅から出たり入ったりしても、反射帯域幅内には常に複数個の縦モードが存在しているので光出力に与える影響は小さくなり、その結果、電流−光出力特性におけるキンク発生は低減することになる。
【００１２】
ところで、上記したようなファイバグレーティング付きの半導体レーザモジュールからの発振レーザ光を波長多重化して高光出力の励起光源装置を組み立てる場合には、透過帯域が狭い波長多重カプラにおける損失を低減させるために、モジュールの光ファイバから出力されるレーザ光のスペクトル幅を狭くすることが必要になる。そのためには、ファイバグレーティングの反射帯域幅をできるだけ狭くすることが必要になる。
【００１３】
しかしながら、ファイバグレーティングの反射帯域幅を狭くすると、図９から明らかなように、この反射帯域幅内に、常時、含まれている縦モードの個数は減少することになる。その結果、電流−光出力特性にキンクが発生しやすくなり、モジュールからの光出力のＡＰＣ制御は困難になるという問題が生じてくる。
このようなことから、従来の励起光源装置においては、モジュールからの光出力の電流−光出力特性におけるキンク発生を抑制しつつ、しかもファイバグレーティングの反射帯域幅を狭くすることができないので、波長多重カプラにおける損失を抑制しながら同時に波長多重化度を高めることができず、高光出力化が制限を受けるという問題があった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来のファイバグレーティング付きの半導体レーザモジュールにおける上記した問題を解決し、高光出力であり、キンク発生が抑制されていて、しかも波長多重化度を高めることができるレーザ光を出力する半導体レーザモジュールの提供を目的とする。
【００１５】
また、本発明は、複数の上記したレーザモジュールからのレーザ光を波長多重化することにより、非常に高光出力の励起用レーザ光を出力することができ、光ファイバ増幅器用として有効な励起光源装置の提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、
ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子とファイバグレーティングが光結合されている半導体レーザモジュールにおいて、
前記ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子の共振器長は１８００μｍ以上であり、前記ファイバグレーティングの反射帯域幅は３nm以下、好ましくは２nm以下であり、しかも、前記ファブリ・ペロー型半導体素子からの発振レーザ光の縦モードの波長間隔よりも大きい値になっていることを特徴とする半導体レーザモジュール、または、
前記ファブリ・ペロー型半導体素子の共振器長は１８００μｍ以上であり、前記ファイバグレーティングの反射帯域幅内には、前記ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子からの発振レーザ光の縦モードが２〜２０個含まれていることを特徴とする半導体レーザモジュールが提供される。
【００１７】
好ましくは、前記半導体レーザ素子の発振レーザ光の波長が１０００〜１７００nm、好ましくは１２００〜１５５０ｎｍであり、前記半導体レーザ素子の活性層が歪量子井戸構造から成り、かつ前記量子井戸構造が歪量が０.５％以上の圧縮歪量子井戸構造であり、前記活性層における量子井戸の個数が１０個以下であり、前記半導体レーザ素子は、共振器長が１８００〜３５００μｍであり、一方の端面（前端面）の反射率が２％以下、他方の端面（後端面）の反射率は９０％以上であるファブリ・ペロー型半導体レーザ素子と、そのレーザ素子とファイバグレーティングとを組み合わせた半導体レーザモジュールが提供される。
【００１８】
更に、本発明においては、互いに異なる波長のレーザ光を出力する、上記半導体レーザモジュールの複数と、各半導体レーザモジュールから出力する複数のレーザ光を波長多重化する手段とを備えている励起光源装置が提供される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のモジュールの１例Ａを示す。
図１において、パッケージ１の中には、ペルチェモジュール２が配置され、そのペルチェモジュール２の上には、更に、後述する半導体レーザ素子３とサーミスタ４とレンズ５ａを固定した基板６が固定配置されている。そして、パッケージ１の側壁１ａに形成されている貫通孔１ｂには、レンズ５ｂと、後述するファイバグレーティング７ａを有する光ファイバ７が固定されている。
【００２０】
図１のモジュールＡにおいて、半導体レーザ素子３の前端面Ｓ1からの発振レーザ光はレンズ５ａ，５ｂで集光されて光ファイバ７の端面に入射し、光ファイバのコア内を導波していく。そして、導波するレーザ光のうち、特定波長のレーザ光のみがファイバグレーティング７ａで反射して半導体レーザ素子に帰還する。
【００２１】
このとき、レーザ素子３の駆動過程で、駆動電流によりレーザ素子３が発熱して素子温度が上昇し、そのことにより、レーザ素子３からの発振レーザ光の波長と光出力が変動する。そのため、レーザ素子３の近傍に配置されたサーミスタ４で素子温度を測定し、その測定値を用いて外部の制御回路（図示しない）を作動してペルチェモジュール２の動作電流を調整することにより、レーザ素子３の温度が一定となるように制御される。
【００２２】
このモジュールＡに組み込まれている半導体レーザ素子はファブリ・ペロー型のものであって、その１例を図２と図２のIII−III線に沿う断面図である図３に示す。
このレーザ素子３は、例えば有機金属気相成長法、液相法、分子線エピタキシャル成長法、ガスソース分子線エピタキシャル成長法、化学線エピタキシャル成長法などの公知のエピタキシャル成長法により、所定の半導体から成る基板１１の上に所定の半導体のエピタキシャル結晶成長を行って後述する積層構造を形成したのち、劈開を行って所定の共振器長（Ｌ）とし、更に一方の劈開面に後述する低反射膜を成膜して前端面Ｓ1を形成し、他方の劈開面に高反射膜を成膜して後端面Ｓ2を形成し、更に基板１１の裏面に下部電極１９、積層構造の上面に上部電極１８を形成した構造になっている。
【００２３】
図３で示した積層構造は埋込み型ＢＨ構造になっていて、例えばｎ−ＩｎＰから成る基板１１の上に、例えばｎ−ＩｎＰから成る下部クラッド層１２、例えばノンドープＧａＩｎＡｓＰから成る下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１３、例えばＧａＩｎＡｓＰから成る格子不整合系の多重量子井戸構造の活性層１４、例えばノンドープＧａＩｎＡｓＰから成る上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１５が順次積層されており、更に、上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１５の上に、例えばｐ−ＩｎＰから成る上部クラッド層１６、例えばｐ−ＧａＩｎＡｓＰから成るキャップ層１７が積層されている。そして、このキャップ層１７の上に上部電極１８が形成され、また基板１１の裏面には下部電極１９が形成されている。
【００２４】
また、上記した下部クラッド層１２、下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１３、活性層１４、および上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１５の側面に例えばｐ−ＩｎＰ層２１とｎ−ＩｎＰ層２２をこの順序で積層することにより、活性層１４への電流注入用の狭窄部が形成されている。
この積層構造において、活性層１４は歪み多重量子井戸構造で構成されている。具体的には、基板１１に対して格子不整合率が０.５％以上となるような圧縮歪み多重量子井戸構造になっている。
【００２５】
なお、ここでは、歪み量子井戸構造を採用したが、本発明は格子整合系の量子井戸構造を採用して実現することもできる。しかしながら、格子不整合系、すなわち歪み量子井戸構造を採用した方が、レーザ共振器内の内部吸収が小さくなるためレーザ素子の高出力化にとって好適であり、そして、この効果を得るには、格子不整合率が０.５％以上であることが好適である。
【００２６】
また、歪み量子井戸構造として、その障壁層を井戸層の歪みと反対の引張り歪みを導入して成る歪み補償構造にすれば、等価的に格子整合条件を満たすことができるため、井戸層の格子不整合率に対してはとくに上限を設けることは必要ではない。
しかしながら、歪み補償構造を使用しない場合は、活性層に蓄積される歪みエネルギーに起因する結晶性の劣化が問題となる。とくに、井戸数が多くなればなるほど、また井戸層が厚くなればなるほど、この歪みエネルギーは大きくなるので、結晶劣化は一層重要な問題となり、レーザ素子の高光出力化、高信頼性動作を妨げる原因になる。
【００２７】
したがって、歪み補償構造を使用しない場合には、レーザ素子の動作特性および長期信頼性実現の観点から、圧縮歪み量子井戸層の格子不整合率は２％以下、好ましくは１.５％以下にするのがよい。
また、本発明においては、井戸数は活性層の体積を大きく変えない範囲で適宜選択することができるが、実質的にその値は１０個以下にする。これは、活性層の体積が大きくなりすぎると、活性層において材料固有の内部損失の影響が大きくなり、高出力化の妨げとなるからである。
【００２８】
本発明による半導体レーザ素子においては、後述するように共振器長（Ｌ）は１８００μｍ以上と大きな値に設定されている。そのため、内部損失の影響が、共振器長が短いものよりも比較的大きい。しかし、とくに井戸層の厚みを１７ｎｍ以下にした場合、井戸数を５個以下とすることにより、より確実に前記内部損失の影響を無視できるようになる。したがって、井戸数は１０個以下であることが好適であり、１〜５個であることがより好適である。
【００２９】
このレーザ素子３において、共振器長（Ｌ）は１８００nm以上に設定される。
一般に共振器長（Ｌ）を長くすればするほど、素子の直列抵抗が小さくなり、放熱面積が大きくなる。そのため、素子の発熱に基づく光出力の飽和、すなわち熱飽和を抑制することができる。そして、そのことにより、駆動電流を大きくすることができ、レーザ素子の高光出力化が可能となる。
【００３０】
また、共振器長（Ｌ）を長くすると、（１）式で与えられる縦モードの波長間隔（Δλ）が狭くなり、そのことによって、波長多重化して励起光源装置を組み立てるときに、合波して得られる励起用レーザ光の高光出力化が可能になるという効果が得られる。
すなわち、レーザ素子３からの発振レーザ光における縦モードの波長間隔（Δλ）が狭くなっているので、後述する光ファイバに形成したファイバグレーティングの反射帯域幅を狭くしたとしても、その反射帯域幅内に多数個の縦モードを常時含ませることが可能になる。そのため、光ファイバから出力する励起用レーザ光のスペクトル幅は狭くなり、狭い反射帯域幅のファイバグレーティングを使用しても電流−光出力特性におけるキンク発生を抑制することができる。
【００３１】
一方、半導体レーザ素子の共振器長（Ｌ）を単純に長くしただけでは、ミラー損失が低減し、共振器の内部損失の影響が大きくなる。このため、外部微分量子効率が低下し、半導体レーザ素子の光出力は低くなる。このようなことから、この素子にファイバグレーティングを組み合わせてモジュールを構成したとしても、そのモジュールの高光出力動作は困難となる。
【００３２】
このようなことから、本発明のファイバグレーティング付き半導体レーザモジュールの場合、従来のレーザ素子における低反射膜の反射率が共振器長（Ｌ）の長さとは関係なくほぼ一定の値（例えば４％程度）であったことと異なり、素子３の低反射膜の反射率を、共振器長（Ｌ）が１８００μｍ以上の領域において従来の場合よりも低くし、更に共振器長（Ｌ）が長くなるにつれてより低くすることにより、上記したような問題を解決している。
【００３３】
すなわち、本発明のファイバグレーティング付き半導体レーザモジュールに使用される半導体レーザ素子３は、その共振器長（Ｌ）が１８００μｍ以上であり、かつ、前端面Ｓ1の反射率が２％以下、後端面Ｓ2の反射率が９０％以上となるように構成されている。このような構成を採ることにより、共振器長（Ｌ）を１８００μｍ以上とした場合であっても、半導体レーザ素子３の前端面Ｓ1から５００mW以上の光出力を得ることができる。これは、共振器長１０００μｍ程度の半導体レーザ素子の光出力が３００mW程度であることに比べれば、１.７倍程度の高出力化を達成したことになる。
【００３４】
更に、本発明においては、長共振器長化に伴ない、放熱面積が大きくなるので、優れた低消費電力のレーザ素子を実現することができる。
しかしながら、共振器長（Ｌ）を長くしすぎると、高光出力化にとっての上記した不都合な問題が生ずるとともに、素子３の製造時においてチップ化するときに、共振器の途中で割れや折損などが起こりはじめて製造歩留まりの低下を招くようになる。また、１枚のウエハから製造されるレーザ素子の個数も、共振器長（Ｌ）が長くなればなるほど減少する。このようなことを考慮して、本発明では共振器長（Ｌ）の上限を３５００μｍに設定することが好ましい。
【００３５】
したがって、このレーザ素子３をファイバグレーティング付き半導体レーザモジュールに組み込んだ場合、高光出力動作が可能なモジュールを製作できるとともに、反射帯域幅の狭いファイバグレーティングを使用しても、電流−光出力特性におけるキンク発生が抑制されるため、出力するレーザ光の発振スペクトル幅を狭くすることができる。すなわち、透過帯域の狭い波長多重カプラに接続した場合であっても、当該カプラにおける損失は抑制されるので、波長多重化度が高まり、高光出力の励起光源装置の組み立てが可能となる。
【００３６】
次に、図１で示したモジュールＡの場合、半導体レーザ素子３の前端面Ｓ1からの発振レーザ光はレンズ５ａ，５ｂで集光されて光ファイバ７の端面に入射し、光ファイバのコア内を導波していく。そして、導波するレーザ光のうち、特定波長のレーザ光のみがファイバグレーティング７ａで反射してレーザ素子に帰還する。
【００３７】
本発明のモジュールＡにおいては、上記したファイバグレーティング７ａは、そのピーク反射率が例えば２〜１０％になっていて、反射帯域幅が３nm以下、好ましくは２nm以下、更に好ましくは１.５nm以下、更により好ましくは１nm以下で、かつ、前記したレーザ素子３からの発振レーザ光における縦モードの波長間隔（Δλ）よりも大きい値に設定されている。
【００３８】
とくに、このモジュールＡをラマン増幅器用として使用する場合には、使用温度条件、使用駆動条件の全てにおいて、励起用レーザ光のスペクトル幅２nmの領域に光出力の大部分（例えば９０％）を含ませるということが必要になってくるが、この必要性を満たすためにも、ファイバグレーティングの反射帯域幅を２nm以下にすることが好適である。
【００３９】
ここで、例えば、レーザ素子の共振器長（Ｌ）が、１８００μｍ、２５００μｍ、３２００μｍ、３５００μｍである各場合につき、組合せるファイバグレーティングの反射帯域幅が１nm、１.５nm、２nm、３nmであると想定すると、レーザ素子からの発振レーザ光の縦モードの波長間隔（Δλ）、およびファイバグレーティングの反射帯域幅内に存在する縦モードの数は表１で示したようになる。
なお、表１の数値は、前記式（１）において、λ＝１４８０nm、ｎ＝３．５としたときの値である。
【００４０】
【表１】
【００４１】
例えば、共振器長（Ｌ）が１８００μｍのレーザ素子と、反射帯域幅が３nm以下のファイバグレーティングを組み合わせて使用した場合には、ファイバグレーティングの反射帯域幅の中に最大で１７.３個の縦モードを含ませることができる。
したがって、このモジュールの場合、レーザ素子３の駆動電流や周囲の温度が変化して縦モードが変動しても、上記反射帯域幅内には常に複数個の縦モードが存在しているので、電流−光出力特性におけるキンク発生の抑制が可能となる。
【００４２】
また、光ファイバからの発振レーザ光のスペクトル幅を狭くするために、ファイバグレーティングの反射帯域幅を２nm，１.５nm、更には１nmと狭く設定した場合であっても、ファイバグレーティングの反射帯域幅内には、少なくとも前記した米国特許第５,８４５,０３０号の場合と同じように、約５.８個の縦モードが含まれていることになり、電流−光出力特性におけるキンク発生が抑制されることになる。
【００４３】
更に、共振器長（Ｌ）を１８００μｍよりも長くすると、表１のようにファイバグレーティングの反射帯域幅内に含まれる縦モードの数を更に多くすることができるため、電流−光出力特性におけるキンク発生の防止効果を更に確実に得ることができる。
なお、上記した表１において説明した各例において、電流−光出力特性におけるキンクの発生を防止するという効果が発揮されるためには、ファイバグレーティングの反射帯域幅の大きさはレーザ素子の縦モード間隔よりも大きいこと、またはファイバグレーティングの反射帯域幅内に縦モードが２個以上存在することが必要であることは言うまでもない。
【００４４】
このように、本発明では、モジュールＡに組み込むレーザ素子３の共振器長（Ｌ）に基づいて反射帯域幅を適切に設計することにより、当該反射帯域幅内に複数個の縦モードを存在させて、電流−光出力特性におけるキンク発生の抑制が可能となる。
逆にいえば、共振器長（Ｌ）を適宜設計することにより、ファイバグレーティングの反射帯域幅を狭くしても、そこに複数個の縦モードを存在させることが可能になる。
【００４５】
なお、反射帯域幅内に存在する縦モードの個数が多いほど、電流−光出力特性におけるキンク発生は有効に抑制されることになるが、本発明においては、上記個数が２〜２０個となるように、共振器長（Ｌ）と反射帯域幅の大きさを設計することが好ましい。
例えば、半導体レーザ素子の共振器長（Ｌ）が１８００μｍである場合、縦モードの波長間隔（Δλ）は０.１７nmになる。したがって、ファイバグレーティング７ａの反射帯域幅を１.０nmとなるように形成すれば、その反射帯域幅内には、前記した米国特許第５,８４５,０３０号の場合と同じように、約５.８個の縦モードが含まれていることになり、電流−光出力特性におけるキンク発生が抑制されることになる。
【００４６】
また、共振器長（Ｌ）を例えば３２００μｍにすると、共振器長（Ｌ）が長くなることによってその半導体レーザ素子３の前端面Ｓ1からの発振レーザ光は高光出力化し、同時に、その縦モードの波長間隔（Δλ）は０.９８nmになる。したがって、ファイバグレーティング７ａの反射帯域幅を例えば１nmにすると、その反射帯域幅内には約１０個の縦モードが存在することになり、光ファイバ７から出力するレーザ光は高光出力化していると同時に、電流−光出力特性におけるキンク発生が抑制される。
【００４７】
また、ファイバグレーティング７ａの反射帯域幅を狭くすると、その光ファイバ７から出力するレーザ光のスペクトル幅は狭くなる。例えば、上記したように、反射帯域幅が１nmである場合には、光ファイバ７から出力するレーザ光（波長１４８０nm）のスペクトル幅は約１nmと狭くなる。したがって、このレーザ光を波長多重カプラで波長多重化した場合には、その損失が抑制されることになり、波長多重化度を高めることが可能となる。すなわち、このモジュールを用いることにより、波長多重化による高光出力の励起光源装置の組み立てが可能になる。
【００４８】
なお、上記したスペクトル幅とは、レーザ光のスペクトル曲線においてピーク強度から強度が１０dB低下する波長幅のことをいう。
次に、本発明の励起光源装置について説明する。
図４は、本発明の励起光源装置の１例Ｂ1を示す概略図である。
この装置Ｂ1は、既に説明した本発明の半導体レーザモジュールＡの複数個と、それらモジュールから出力するレーザ光の波長を波長多重化する手段（波長多重カプラ）Ｃ1で構成されている。
【００４９】
ここで、これらモジュールＡは、組込まれている各ファイバグレーティングの中心波長が互いに２.５nm間隔で異なるように設計されていて、それぞれが異なった波長のレーザ光を出力する。そして、各モジュールにおけるレーザ素子は、その共振器長（Ｌ）が１８００μｍ以上であり、ファイバグレーティングの反射帯域幅は３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下、更に好ましくは１．５ｎｍ以下、更により好ましくは１ｎｍ以下の値になっていて、反射帯域幅内には、電流−光出力特性におけるキンク発生を抑制するに充分な個数の縦モードが存在するように設計されている。
【００５０】
したがって、この装置Ｂ1の場合、各モジュールＡの光ファイバから出力されるレーザ光のスペクトル幅は狭くなるため、波長多重化手段Ｃ1における損失が抑制される。
そのため、この装置Ｂ1の場合、波長多重手段Ｃ1に接続可能なモジュールＡの台数を多くすることができるので、非常に高光出力の励起光源装置として機能することができる。
【００５１】
図５は本発明の別の励起光源装置の例Ｂ2を示す概略図である。
この装置Ｂ2は、同一波長で発振し、かつ互いに直交する偏光方向を有するレーザ光を出力する２個のモジュールＡ1，Ａ2と、これらモジュールから出力するレーザ光を合波する偏波多重化手段（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）Ｃ2と、その合波されたレーザ光を互いに波長をずらして複数組準備し、それらを波長多重化する前記した波長多重手段Ｃ1とで構成されている。
【００５２】
この装置Ｂ2の場合も、装置Ｂ1の場合と同じように、非常に高光出力の励起光源装置として機能する。
なお、前記した米国特許第５,９３６,７６３号で例示されている波長多重化励起光源装置の場合は、１４８０nm帯域で発振し、共振器長が９００μｍで、光出力が１００mWのＤＦＢレーザ素子を組み込んだモジュールが用いられている。
【００５３】
一方、本発明のモジュールの場合は、上記したＤＦＢレーザ素子に比べれば格段に安価に製造することができ、しかも共振器長（Ｌ）が１８００μｍ以上であって、５００mW程度の光出力を発振するファブリ・ペロー型半導体レーザ素子が組み込まれている。
そのため、このレーザ素子と光ファイバとの結合効率が約８５％であり、またファイバグレーティングによる挿入損失が約８％であると見込んだ場合でも、本発明のモジュールの光ファイバからは約３９０mWの光出力を得ることができる。
【００５４】
このように、本発明によれば、前記した先行技術のモジュールやそれを用いた励起光源装置に比べて、格段に安価で、かつ格段に高光出力のモジュールと励起光源装置を組み立てることができる。
逆にいえば、本発明の励起光源装置では、所定の光出力を得ようとする場合、組み込むモジュールと波長多重化手段の数を従来に比べて少なくすることができ、そのことにより、装置の低コスト化や小型化を実現することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の半導体レーザモジュールは、組み込まれている半導体レーザ素子の共振器長（Ｌ）を１８００μｍ以上とし、かつファイバグレーティングの反射帯域幅を３nm以下に設定しているので、反射帯域幅内には多数の縦モードを存在させながら、出力するレーザ光のスペクトル幅を狭くすることができる。
【００５６】
そのため、このモジュールは、電流−光出力特性におけるキンク発生が抑制されていて、同時に波長多重化に好適なレーザ光を出力する。
また、本発明の励起光源装置は、上記したモジュールが組み込まれているので、非常に高光出力であり、光ファイバ増幅器用の励起光源装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザモジュールの１例Ａを示す概略図である。
【図２】本発明のモジュールＡに組み込まれる半導体レーザ素子を示す側面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿う断面図である。
【図４】本発明の励起光源装置の１例Ｂ1を示す概略図である。
【図５】本発明の励起光源装置の別の例Ｂ2を示す概略図である。
【図６】米国特許第５,９３６,７６３号に例示されている波長多重化による励起光源装置を示す概略図である。
【図７】ファイバグレーティングの反射スペクトル例を示すグラフである。
【図８】レーザモジュールから出力したレーザ光の電流−光出力特性図である。
【図９】ファイバグレーティングの反射帯域幅と、半導体レーザ素子の発振レーザ光の縦モードとの関係を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
１ パッケージ
１ａ パッケージ１の側壁
１ｂ パッケージ１の貫通孔
２ ペルチェモジュール
３ 半導体レーザ素子
４ サーミスタ
５ａ，５ｂ レンズ
６ 基板
７ 光ファイバ
７ａ ファイバグレーティング
Ｓ1 前端面
Ｓ2 後端面
１１ 基板
１２ 下部クラッド層
１３ 下部Ｇｒｉｎ−ＳＣＨ層
１４ 活性層
１５ 上部Ｇｒｉｎ−ＳＣＨ層
１６ 上部クラッド層
１７ キャップ層
１８ 上部電極
１９ 下部電極
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ素子とそれを用いた励起光源装置に関し、更に詳しくは、高光出力であり、波長合成して光ファイバ増幅器用の励起光源装置を組み立てるときに用いて有効なファブリ・ペロー型半導体レーザ素子と、それを用いた高光出力の励起光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＷＤＭ (Dense-Wavelength Division Multiplexing) の進展により、光ファイバ増幅器の高光出力化の要求が強まっているが、このことに伴い、光ファイバ増幅器用の励起光源装置に対しても高光出力化への要求が強まっている。
とくに、最近では、ごく普通のシングルモード光ファイバを用いて極めて広い帯域で利得が得られるラマン増幅に関する研究開発が盛んに行われているが、このラマン増幅に使用される励起光源装置としては、信号波長に対してラマンシフトだけ短い種々の波長のレーザ光を発振する多数の半導体レーザモジュールの光出力を合成した高出力の励起光源装置が必要とされる。
【０００３】
励起光源装置の高出力化に関しては、米国特許第５,９３６,７６３号には次のような励起光源装置が開示されている。
この装置は、互いに異なる発振波長でレーザ光を発振する複数個の半導体レーザモジュールからの当該各発振波長のレーザ光を波長多重カプラで多重化して高光出力化する装置である。その具体例としては、図６で示したように、光出力が１００mWであり、かつ１４５０〜１４８５nmの波長帯域において５nm間隔の各波長で発振する８個の半導体レーザモジュールＭからの各発振波長のレーザ光を波長多重カプラＣで多重化して６８０mWの光出力を得る励起光源装置が開示されている。
【０００４】
上記した先行技術のように、各モジュールの光出力を波長多重化する場合、各モジュールに組み込まれているファブリ・ペロー型半導体レーザ素子からの発振レーザ光の発振波長は、当該半導体レーザ素子の駆動電流や環境温度と無関係に、一定の波長に固定されていることが好ましい。
このようなモジュールに組み込まれるファブリ・ペロー型半導体レーザ素子からの発振レーザ光の波長を固定する方法としては、従来から、当該レーザ素子に光結合させる光ファイバにファイバグレーティングを形成する方法が知られている。
【０００５】
ここで、ファイバグレーティングとは、光ファイバのコアの長手方向における屈折率分布を所定の周期で繰返し変化させたものであって、図７で示したように、特定波長、つまり中心波長（図では１４８０nm）を中心とした波長帯域にのみ反射率を有する反射スペクトルを示すという特性を備えている。そして、反射率がピーク反射率（Ｒ）の１／２になるときの反射率のスペクトル幅は反射帯域幅と呼ばれ、この反射帯域幅はピーク反射率とともにファイバグレーティングを特徴づけるパラメータの１つになっている。
【０００６】
このファイバグレーティングを半導体レーザ素子に光結合した状態で当該半導体レーザ素子を駆動すると、当該半導体レーザ素子から発振した各種波長のうち、前記特定波長を中心とする反射帯域幅内の波長のみが半導体レーザ素子に帰還するので、その半導体レーザ素子の発振レーザ光の波長が固定され、またその特定波長を中心とする狭い波長領域ではレーザ発振に必要な光出力利得を得ることができる。
【０００７】
しかしながら、半導体レーザ素子の駆動電流や周囲の温度が変化すると、当該半導体レーザ素子からの発振レーザ光における縦モードがシフトし、そのことにより、電流−光出力特性には図８で示したようなキンクが発生する。
そして、半導体レーザモジュールは、そこから出力する励起用レーザ光の強度をモニターしながらこれが一定値となるように制御して使用されるため、そのレーザモジュールに組み込まれている半導体レーザ素子の発振レーザ光に上記したようなキンクが発生して電流−光出力特性に負の微分係数が存在すると、その半導体レーザ素子が組み込まれているモジュールからの光出力を、自動光出力制御（ＡＰＣ：Automatic Power Control）することが困難になるという問題が生ずる。
【０００８】
このような問題を解決するために、米国特許第５,８４５,０３０号には次のような半導体レーザモジュールが開示されている。
このモジュールは、ファイバグレーティング付きのモジュールであって、ファイバグレーティングの反射帯域幅を、組み込まれている半導体レーザ素子の共振器長で定まる、発振レーザ光における縦モードの波長間隔よりも大きい値に設定するものである。具体的には、半導体レーザ素子として、共振器長が９００μｍで１４８０nmの波長帯域で発振する半導体レーザ素子を用い、ファイバグレーティングの反射帯域幅は２nm以上であるモジュールが例示されている。
【０００９】
ところで、半導体レーザ素子の発振レーザ光における縦モードの波長間隔（Δλ）は、次式：
Δλ＝λ2／２ｎ・Ｌ ……（１）
（ただし、λはレーザ光の発振波長、ｎは活性層の実効屈折率、Ｌは共振器長を表す。）
で与えられる。
【００１０】
上記米国特許第５,８４５,０３０号で例示されているファブリ・ペロー型半導体レーザ素子の場合、λ＝１４８０nm、ｎ＝３.５、Ｌ＝９００μｍであるから、その縦モードの波長間隔（Δλ）は（１）式から約０.３５nmになる。
ところで、このモジュールでは、ファイバグレーティングの反射帯域幅は、発振レーザ光における縦モードの波長間隔よりも大きくなるように設計されている。そのため、ファイバグレーティングの反射帯域幅（２nm以上）の中には、図９で示したように、半導体レーザ素子の縦モードが約５.８個含まれていることになる。
【００１１】
このような場合には、半導体レーザ素子の駆動電流や周囲の温度が変化して発振レーザ光の縦モードがシフトし、当該縦モードが反射帯域幅から出たり入ったりしても、反射帯域幅内には常に複数個の縦モードが存在しているので光出力に与える影響は小さくなり、その結果、電流−光出力特性におけるキンク発生は低減することになる。
【００１２】
ところで、上記したようなファイバグレーティング付きの半導体レーザモジュールからの発振レーザ光を波長多重化して高光出力の励起光源装置を組み立てる場合には、透過帯域が狭い波長多重カプラにおける損失を低減させるために、モジュールの光ファイバから出力されるレーザ光のスペクトル幅を狭くすることが必要になる。そのためには、ファイバグレーティングの反射帯域幅をできるだけ狭くすることが必要になる。
【００１３】
しかしながら、ファイバグレーティングの反射帯域幅を狭くすると、図９から明らかなように、この反射帯域幅内に、常時、含まれている縦モードの個数は減少することになる。その結果、電流−光出力特性にキンクが発生しやすくなり、モジュールからの光出力のＡＰＣ制御は困難になるという問題が生じてくる。
このようなことから、従来の励起光源装置においては、モジュールからの光出力の電流−光出力特性におけるキンク発生を抑制しつつ、しかもファイバグレーティングの反射帯域幅を狭くすることができないので、波長多重カプラにおける損失を抑制しながら同時に波長多重化度を高めることができず、高光出力化が制限を受けるという問題があった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来のファイバグレーティング付きの半導体レーザモジュールにおける上記した問題を解決し、高光出力であり、キンク発生が抑制されていて、しかも波長多重化度を高めることができるレーザ光を出力する半導体レーザモジュールの提供を目的とする。
【００１５】
また、本発明は、複数の上記したレーザモジュールからのレーザ光を波長多重化することにより、非常に高光出力の励起用レーザ光を出力することができ、光ファイバ増幅器用として有効な励起光源装置の提供を目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、
ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子とファイバグレーティングが光結合されている半導体レーザモジュールにおいて、
前記ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子の共振器長は１８００μｍ以上であり、前記ファイバグレーティングの反射帯域幅は３nm以下、好ましくは２nm以下であり、しかも、前記ファブリ・ペロー型半導体素子からの発振レーザ光の縦モードの波長間隔よりも大きい値になっていることを特徴とする半導体レーザモジュール、または、
前記ファブリ・ペロー型半導体素子の共振器長は１８００μｍ以上であり、前記ファイバグレーティングの反射帯域幅内には、前記ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子からの発振レーザ光の縦モードが２〜２０個含まれていることを特徴とする半導体レーザモジュールが提供される。
【００１７】
好ましくは、前記半導体レーザ素子の発振レーザ光の波長が１０００〜１７００nm、好ましくは１２００〜１５５０ｎｍであり、前記半導体レーザ素子の活性層が歪量子井戸構造から成り、かつ前記量子井戸構造が歪量が０.５％以上の圧縮歪量子井戸構造であり、前記活性層における量子井戸の個数が１０個以下であり、前記半導体レーザ素子は、共振器長が１８００〜３５００μｍであり、一方の端面（前端面）の反射率が２％以下、他方の端面（後端面）の反射率は９０％以上であるファブリ・ペロー型半導体レーザ素子と、そのレーザ素子とファイバグレーティングとを組み合わせた半導体レーザモジュールが提供される。
【００１８】
更に、本発明においては、互いに異なる波長のレーザ光を出力する、上記半導体レーザモジュールの複数と、各半導体レーザモジュールから出力する複数のレーザ光を波長多重化する手段とを備えている励起光源装置が提供される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明のモジュールの１例Ａを示す。
図１において、パッケージ１の中には、ペルチェモジュール２が配置され、そのペルチェモジュール２の上には、更に、後述する半導体レーザ素子３とサーミスタ４とレンズ５ａを固定した基板６が固定配置されている。そして、パッケージ１の側壁１ａに形成されている貫通孔１ｂには、レンズ５ｂと、後述するファイバグレーティング７ａを有する光ファイバ７が固定されている。
【００２０】
図１のモジュールＡにおいて、半導体レーザ素子３の前端面Ｓ1からの発振レーザ光はレンズ５ａ，５ｂで集光されて光ファイバ７の端面に入射し、光ファイバのコア内を導波していく。そして、導波するレーザ光のうち、特定波長のレーザ光のみがファイバグレーティング７ａで反射して半導体レーザ素子に帰還する。
【００２１】
このとき、レーザ素子３の駆動過程で、駆動電流によりレーザ素子３が発熱して素子温度が上昇し、そのことにより、レーザ素子３からの発振レーザ光の波長と光出力が変動する。そのため、レーザ素子３の近傍に配置されたサーミスタ４で素子温度を測定し、その測定値を用いて外部の制御回路（図示しない）を作動してペルチェモジュール２の動作電流を調整することにより、レーザ素子３の温度が一定となるように制御される。
【００２２】
このモジュールＡに組み込まれている半導体レーザ素子はファブリ・ペロー型のものであって、その１例を図２と図２のIII−III線に沿う断面図である図３に示す。
このレーザ素子３は、例えば有機金属気相成長法、液相法、分子線エピタキシャル成長法、ガスソース分子線エピタキシャル成長法、化学線エピタキシャル成長法などの公知のエピタキシャル成長法により、所定の半導体から成る基板１１の上に所定の半導体のエピタキシャル結晶成長を行って後述する積層構造を形成したのち、劈開を行って所定の共振器長（Ｌ）とし、更に一方の劈開面に後述する低反射膜を成膜して前端面Ｓ1を形成し、他方の劈開面に高反射膜を成膜して後端面Ｓ2を形成し、更に基板１１の裏面に下部電極１９、積層構造の上面に上部電極１８を形成した構造になっている。
【００２３】
図３で示した積層構造は埋込み型ＢＨ構造になっていて、例えばｎ−ＩｎＰから成る基板１１の上に、例えばｎ−ＩｎＰから成る下部クラッド層１２、例えばノンドープＧａＩｎＡｓＰから成る下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１３、例えばＧａＩｎＡｓＰから成る格子不整合系の多重量子井戸構造の活性層１４、例えばノンドープＧａＩｎＡｓＰから成る上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１５が順次積層されており、更に、上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１５の上に、例えばｐ−ＩｎＰから成る上部クラッド層１６、例えばｐ−ＧａＩｎＡｓＰから成るキャップ層１７が積層されている。そして、このキャップ層１７の上に上部電極１８が形成され、また基板１１の裏面には下部電極１９が形成されている。
【００２４】
また、上記した下部クラッド層１２、下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１３、活性層１４、および上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１５の側面に例えばｐ−ＩｎＰ層２１とｎ−ＩｎＰ層２２をこの順序で積層することにより、活性層１４への電流注入用の狭窄部が形成されている。
この積層構造において、活性層１４は歪み多重量子井戸構造で構成されている。具体的には、基板１１に対して格子不整合率が０.５％以上となるような圧縮歪み多重量子井戸構造になっている。
【００２５】
なお、ここでは、歪み量子井戸構造を採用したが、本発明は格子整合系の量子井戸構造を採用して実現することもできる。しかしながら、格子不整合系、すなわち歪み量子井戸構造を採用した方が、レーザ共振器内の内部吸収が小さくなるためレーザ素子の高出力化にとって好適であり、そして、この効果を得るには、格子不整合率が０.５％以上であることが好適である。
【００２６】
また、歪み量子井戸構造として、その障壁層を井戸層の歪みと反対の引張り歪みを導入して成る歪み補償構造にすれば、等価的に格子整合条件を満たすことができるため、井戸層の格子不整合率に対してはとくに上限を設けることは必要ではない。
しかしながら、歪み補償構造を使用しない場合は、活性層に蓄積される歪みエネルギーに起因する結晶性の劣化が問題となる。とくに、井戸数が多くなればなるほど、また井戸層が厚くなればなるほど、この歪みエネルギーは大きくなるので、結晶劣化は一層重要な問題となり、レーザ素子の高光出力化、高信頼性動作を妨げる原因になる。
【００２７】
したがって、歪み補償構造を使用しない場合には、レーザ素子の動作特性および長期信頼性実現の観点から、圧縮歪み量子井戸層の格子不整合率は２％以下、好ましくは１.５％以下にするのがよい。
また、本発明においては、井戸数は活性層の体積を大きく変えない範囲で適宜選択することができるが、実質的にその値は１０個以下にする。これは、活性層の体積が大きくなりすぎると、活性層において材料固有の内部損失の影響が大きくなり、高出力化の妨げとなるからである。
【００２８】
本発明による半導体レーザ素子においては、後述するように共振器長（Ｌ）は１８００μｍ以上と大きな値に設定されている。そのため、内部損失の影響が、共振器長が短いものよりも比較的大きい。しかし、とくに井戸層の厚みを１７ｎｍ以下にした場合、井戸数を５個以下とすることにより、より確実に前記内部損失の影響を無視できるようになる。したがって、井戸数は１０個以下であることが好適であり、１〜５個であることがより好適である。
【００２９】
このレーザ素子３において、共振器長（Ｌ）は１８００nm以上に設定される。
一般に共振器長（Ｌ）を長くすればするほど、素子の直列抵抗が小さくなり、放熱面積が大きくなる。そのため、素子の発熱に基づく光出力の飽和、すなわち熱飽和を抑制することができる。そして、そのことにより、駆動電流を大きくすることができ、レーザ素子の高光出力化が可能となる。
【００３０】
また、共振器長（Ｌ）を長くすると、（１）式で与えられる縦モードの波長間隔（Δλ）が狭くなり、そのことによって、波長多重化して励起光源装置を組み立てるときに、合波して得られる励起用レーザ光の高光出力化が可能になるという効果が得られる。
すなわち、レーザ素子３からの発振レーザ光における縦モードの波長間隔（Δλ）が狭くなっているので、後述する光ファイバに形成したファイバグレーティングの反射帯域幅を狭くしたとしても、その反射帯域幅内に多数個の縦モードを常時含ませることが可能になる。そのため、光ファイバから出力する励起用レーザ光のスペクトル幅は狭くなり、狭い反射帯域幅のファイバグレーティングを使用しても電流−光出力特性におけるキンク発生を抑制することができる。
【００３１】
一方、半導体レーザ素子の共振器長（Ｌ）を単純に長くしただけでは、ミラー損失が低減し、共振器の内部損失の影響が大きくなる。このため、外部微分量子効率が低下し、半導体レーザ素子の光出力は低くなる。このようなことから、この素子にファイバグレーティングを組み合わせてモジュールを構成したとしても、そのモジュールの高光出力動作は困難となる。
【００３２】
このようなことから、本発明のファイバグレーティング付き半導体レーザモジュールの場合、従来のレーザ素子における低反射膜の反射率が共振器長（Ｌ）の長さとは関係なくほぼ一定の値（例えば４％程度）であったことと異なり、素子３の低反射膜の反射率を、共振器長（Ｌ）が１８００μｍ以上の領域において従来の場合よりも低くし、更に共振器長（Ｌ）が長くなるにつれてより低くすることにより、上記したような問題を解決している。
【００３３】
すなわち、本発明のファイバグレーティング付き半導体レーザモジュールに使用される半導体レーザ素子３は、その共振器長（Ｌ）が１８００μｍ以上であり、かつ、前端面Ｓ1の反射率が２％以下、後端面Ｓ2の反射率が９０％以上となるように構成されている。このような構成を採ることにより、共振器長（Ｌ）を１８００μｍ以上とした場合であっても、半導体レーザ素子３の前端面Ｓ1から５００mW以上の光出力を得ることができる。これは、共振器長１０００μｍ程度の半導体レーザ素子の光出力が３００mW程度であることに比べれば、１.７倍程度の高出力化を達成したことになる。
【００３４】
更に、本発明においては、長共振器長化に伴ない、放熱面積が大きくなるので、優れた低消費電力のレーザ素子を実現することができる。
しかしながら、共振器長（Ｌ）を長くしすぎると、高光出力化にとっての上記した不都合な問題が生ずるとともに、素子３の製造時においてチップ化するときに、共振器の途中で割れや折損などが起こりはじめて製造歩留まりの低下を招くようになる。また、１枚のウエハから製造されるレーザ素子の個数も、共振器長（Ｌ）が長くなればなるほど減少する。このようなことを考慮して、本発明では共振器長（Ｌ）の上限を３５００μｍに設定することが好ましい。
【００３５】
したがって、このレーザ素子３をファイバグレーティング付き半導体レーザモジュールに組み込んだ場合、高光出力動作が可能なモジュールを製作できるとともに、反射帯域幅の狭いファイバグレーティングを使用しても、電流−光出力特性におけるキンク発生が抑制されるため、出力するレーザ光の発振スペクトル幅を狭くすることができる。すなわち、透過帯域の狭い波長多重カプラに接続した場合であっても、当該カプラにおける損失は抑制されるので、波長多重化度が高まり、高光出力の励起光源装置の組み立てが可能となる。
【００３６】
次に、図１で示したモジュールＡの場合、半導体レーザ素子３の前端面Ｓ1からの発振レーザ光はレンズ５ａ，５ｂで集光されて光ファイバ７の端面に入射し、光ファイバのコア内を導波していく。そして、導波するレーザ光のうち、特定波長のレーザ光のみがファイバグレーティング７ａで反射してレーザ素子に帰還する。
【００３７】
本発明のモジュールＡにおいては、上記したファイバグレーティング７ａは、そのピーク反射率が例えば２〜１０％になっていて、反射帯域幅が３nm以下、好ましくは２nm以下、更に好ましくは１.５nm以下、更により好ましくは１nm以下で、かつ、前記したレーザ素子３からの発振レーザ光における縦モードの波長間隔（Δλ）よりも大きい値に設定されている。
【００３８】
とくに、このモジュールＡをラマン増幅器用として使用する場合には、使用温度条件、使用駆動条件の全てにおいて、励起用レーザ光のスペクトル幅２nmの領域に光出力の大部分（例えば９０％）を含ませるということが必要になってくるが、この必要性を満たすためにも、ファイバグレーティングの反射帯域幅を２nm以下にすることが好適である。
【００３９】
ここで、例えば、レーザ素子の共振器長（Ｌ）が、１８００μｍ、２５００μｍ、３２００μｍ、３５００μｍである各場合につき、組合せるファイバグレーティングの反射帯域幅が１nm、１.５nm、２nm、３nmであると想定すると、レーザ素子からの発振レーザ光の縦モードの波長間隔（Δλ）、およびファイバグレーティングの反射帯域幅内に存在する縦モードの数は表１で示したようになる。
なお、表１の数値は、前記式（１）において、λ＝１４８０nm、ｎ＝３．５としたときの値である。
【００４０】
【表１】
例えば、共振器長（Ｌ）が１８００μｍのレーザ素子と、反射帯域幅が３nm以下のファイバグレーティングを組み合わせて使用した場合には、ファイバグレーティングの反射帯域幅の中に最大で１７.３個の縦モードを含ませることができる。
したがって、このモジュールの場合、レーザ素子３の駆動電流や周囲の温度が変化して縦モードが変動しても、上記反射帯域幅内には常に複数個の縦モードが存在しているので、電流−光出力特性におけるキンク発生の抑制が可能となる。
【００４２】
また、光ファイバからの発振レーザ光のスペクトル幅を狭くするために、ファイバグレーティングの反射帯域幅を２nm，１.５nm、更には１nmと狭く設定した場合であっても、ファイバグレーティングの反射帯域幅内には、少なくとも前記した米国特許第５,８４５,０３０号の場合と同じように、約５.８個の縦モードが含まれていることになり、電流−光出力特性におけるキンク発生が抑制されることになる。
【００４３】
更に、共振器長（Ｌ）を１８００μｍよりも長くすると、表１のようにファイバグレーティングの反射帯域幅内に含まれる縦モードの数を更に多くすることができるため、電流−光出力特性におけるキンク発生の防止効果を更に確実に得ることができる。
なお、上記した表１において説明した各例において、電流−光出力特性におけるキンクの発生を防止するという効果が発揮されるためには、ファイバグレーティングの反射帯域幅の大きさはレーザ素子の縦モード間隔よりも大きいこと、またはファイバグレーティングの反射帯域幅内に縦モードが２個以上存在することが必要であることは言うまでもない。
【００４４】
このように、本発明では、モジュールＡに組み込むレーザ素子３の共振器長（Ｌ）に基づいて反射帯域幅を適切に設計することにより、当該反射帯域幅内に複数個の縦モードを存在させて、電流−光出力特性におけるキンク発生の抑制が可能となる。
逆にいえば、共振器長（Ｌ）を適宜設計することにより、ファイバグレーティングの反射帯域幅を狭くしても、そこに複数個の縦モードを存在させることが可能になる。
【００４５】
なお、反射帯域幅内に存在する縦モードの個数が多いほど、電流−光出力特性におけるキンク発生は有効に抑制されることになるが、本発明においては、上記個数が２〜２０個となるように、共振器長（Ｌ）と反射帯域幅の大きさを設計することが好ましい。
例えば、半導体レーザ素子の共振器長（Ｌ）が１８００μｍである場合、縦モードの波長間隔（Δλ）は０.１７nmになる。したがって、ファイバグレーティング７ａの反射帯域幅を１.０nmとなるように形成すれば、その反射帯域幅内には、前記した米国特許第５,８４５,０３０号の場合と同じように、約５.８個の縦モードが含まれていることになり、電流−光出力特性におけるキンク発生が抑制されることになる。
【００４６】
また、共振器長（Ｌ）を例えば３２００μｍにすると、共振器長（Ｌ）が長くなることによってその半導体レーザ素子３の前端面Ｓ1からの発振レーザ光は高光出力化し、同時に、その縦モードの波長間隔（Δλ）は０.９８nmになる。したがって、ファイバグレーティング７ａの反射帯域幅を例えば１nmにすると、その反射帯域幅内には約１０個の縦モードが存在することになり、光ファイバ７から出力するレーザ光は高光出力化していると同時に、電流−光出力特性におけるキンク発生が抑制される。
【００４７】
また、ファイバグレーティング７ａの反射帯域幅を狭くすると、その光ファイバ７から出力するレーザ光のスペクトル幅は狭くなる。例えば、上記したように、反射帯域幅が１nmである場合には、光ファイバ７から出力するレーザ光（波長１４８０nm）のスペクトル幅は約１nmと狭くなる。したがって、このレーザ光を波長多重カプラで波長多重化した場合には、その損失が抑制されることになり、波長多重化度を高めることが可能となる。すなわち、このモジュールを用いることにより、波長多重化による高光出力の励起光源装置の組み立てが可能になる。
【００４８】
なお、上記したスペクトル幅とは、レーザ光のスペクトル曲線においてピーク強度から強度が１０dB低下する波長幅のことをいう。
次に、本発明の励起光源装置について説明する。
図４は、本発明の励起光源装置の１例Ｂ1を示す概略図である。
この装置Ｂ1は、既に説明した本発明の半導体レーザモジュールＡの複数個と、それらモジュールから出力するレーザ光の波長を波長多重化する手段（波長多重カプラ）Ｃ1で構成されている。
【００４９】
ここで、これらモジュールＡは、組込まれている各ファイバグレーティングの中心波長が互いに２.５nm間隔で異なるように設計されていて、それぞれが異なった波長のレーザ光を出力する。そして、各モジュールにおけるレーザ素子は、その共振器長（Ｌ）が１８００μｍ以上であり、ファイバグレーティングの反射帯域幅は３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下、更に好ましくは１．５ｎｍ以下、更により好ましくは１ｎｍ以下の値になっていて、反射帯域幅内には、電流−光出力特性におけるキンク発生を抑制するに充分な個数の縦モードが存在するように設計されている。
【００５０】
したがって、この装置Ｂ1の場合、各モジュールＡの光ファイバから出力されるレーザ光のスペクトル幅は狭くなるため、波長多重化手段Ｃ1における損失が抑制される。
そのため、この装置Ｂ1の場合、波長多重手段Ｃ1に接続可能なモジュールＡの台数を多くすることができるので、非常に高光出力の励起光源装置として機能することができる。
【００５１】
図５は本発明の別の励起光源装置の例Ｂ2を示す概略図である。
この装置Ｂ2は、同一波長で発振し、かつ互いに直交する偏光方向を有するレーザ光を出力する２個のモジュールＡ1，Ａ2と、これらモジュールから出力するレーザ光を合波する偏波多重化手段（ＰＢＳ：Polarization Beam Splitter）Ｃ2と、その合波されたレーザ光を互いに波長をずらして複数組準備し、それらを波長多重化する前記した波長多重手段Ｃ1とで構成されている。
【００５２】
この装置Ｂ2の場合も、装置Ｂ1の場合と同じように、非常に高光出力の励起光源装置として機能する。
なお、前記した米国特許第５,９３６,７６３号で例示されている波長多重化励起光源装置の場合は、１４８０nm帯域で発振し、共振器長が９００μｍで、光出力が１００mWのＤＦＢレーザ素子を組み込んだモジュールが用いられている。
【００５３】
一方、本発明のモジュールの場合は、上記したＤＦＢレーザ素子に比べれば格段に安価に製造することができ、しかも共振器長（Ｌ）が１８００μｍ以上であって、５００mW程度の光出力を発振するファブリ・ペロー型半導体レーザ素子が組み込まれている。
そのため、このレーザ素子と光ファイバとの結合効率が約８５％であり、またファイバグレーティングによる挿入損失が約８％であると見込んだ場合でも、本発明のモジュールの光ファイバからは約３９０mWの光出力を得ることができる。
【００５４】
このように、本発明によれば、前記した先行技術のモジュールやそれを用いた励起光源装置に比べて、格段に安価で、かつ格段に高光出力のモジュールと励起光源装置を組み立てることができる。
逆にいえば、本発明の励起光源装置では、所定の光出力を得ようとする場合、組み込むモジュールと波長多重化手段の数を従来に比べて少なくすることができ、そのことにより、装置の低コスト化や小型化を実現することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の半導体レーザモジュールは、組み込まれている半導体レーザ素子の共振器長（Ｌ）を１８００μｍ以上とし、かつファイバグレーティングの反射帯域幅を３nm以下に設定しているので、反射帯域幅内には多数の縦モードを存在させながら、出力するレーザ光のスペクトル幅を狭くすることができる。
【００５６】
そのため、このモジュールは、電流−光出力特性におけるキンク発生が抑制されていて、同時に波長多重化に好適なレーザ光を出力する。
また、本発明の励起光源装置は、上記したモジュールが組み込まれているので、非常に高光出力であり、光ファイバ増幅器用の励起光源装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザモジュールの１例Ａを示す概略図である。
【図２】本発明のモジュールＡに組み込まれる半導体レーザ素子を示す側面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿う断面図である。
【図４】本発明の励起光源装置の１例Ｂ1を示す概略図である。
【図５】本発明の励起光源装置の別の例Ｂ2を示す概略図である。
【図６】米国特許第５,９３６,７６３号に例示されている波長多重化による励起光源装置を示す概略図である。
【図７】ファイバグレーティングの反射スペクトル例を示すグラフである。
【図８】レーザモジュールから出力したレーザ光の電流−光出力特性図である。
【図９】ファイバグレーティングの反射帯域幅と、半導体レーザ素子の発振レーザ光の縦モードとの関係を説明するためのグラフである。
【符号の説明】
１ パッケージ
１ａ パッケージ１の側壁
１ｂ パッケージ１の貫通孔
２ ペルチェモジュール
３ 半導体レーザ素子
４ サーミスタ
５ａ，５ｂ レンズ
６ 基板
７ 光ファイバ
７ａ ファイバグレーティング
Ｓ1 前端面
Ｓ2 後端面
１１ 基板
１２ 下部クラッド層
１３ 下部Ｇｒｉｎ−ＳＣＨ層
１４ 活性層
１５ 上部Ｇｒｉｎ−ＳＣＨ層
１６ 上部クラッド層
１７ キャップ層
１８ 上部電極
１９ 下部電極
Claims (3)
- 互いに異なる波長のレーザ光を出力する複数の半導体レーザモジュールと、
前記半導体レーザモジュールのそれぞれから出力される互いに波長の異なる複数のレーザ光を波長多重化する手段と
を備え、
前記複数の半導体レーザモジュールのそれぞれは、
ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子とファイバグレーティングが光結合されている半導体レーザモジュールであって、
前記ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子の共振器長は１８００μｍ以上であり、
前記ファイバグレーティングの反射帯域幅は１ｎｍ以上、２ｎｍより小さく、
前記ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子の光出射端面である前端面の反射率は２％以下であり、
前記ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子の光反射端面である後端面の反射率は９０％以上であり、
前記ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子からの発振レーザ光の波長は１２００〜１５５０ｎｍであり、
前記ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子の活性層は量子井戸構造を有し、前記量子井戸構造は、歪量が０．５％以上である歪み量子井戸構造を含み、
前記活性層に含まれる量子井戸の個数は１０個以下である
ラマン増幅器用の励起光源装置。 - 前記ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子の共振器長は１８００〜３５００μｍである、
請求項１に記載の励起光源装置。 - 前記ファイバグレーティングの反射帯域幅内には、前記ファブリ・ペロー型半導体レーザ素子からの発振レーザ光の縦モードが２〜２０個含まれている、請求項１または２に記載の励起光源装置。
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