JP6443955B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ光源に関する、より詳細には、中長距離の光ファイバ通信やガスなどの光センシングで用いられる単一モードで動作する半導体レーザ光源、半導体レーザ装置に関する。
近年、光通信システムが大容量化するのに伴って、多値位相振幅変調を用いたデジタル・コヒーレント通信方式が普及し始めている。この通信方式は、光の位相情報を用いてデジタル信号を伝達する方式であるため、キャリア光を供給する光源には、位相雑音が少なく、スペクトル線幅が狭いレーザ光源が必要とされる。
レーザ光源としては様々な種類のものがあるが、半導体レーザは、小型で低コストなため、光通信用の光源として広く普及している。特に中・長距離の光通信システムにおいては、単一モードで動作する分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）レーザなどが広く用いられている。また中・長距離の光通信システムでは、光ファイバ１本あたりの伝送容量を増大させるために、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）技術が一般に用いられている。したがって、デジタル・コヒーレント通信のための光源に対しては、任意の波長チャネルを出力することができる波長可変特性も必要とされている。
半導体レーザは、他の固体レーザやガス・レーザなどと比べると共振器サイズが小さいため、位相ノイズは相対的に大きい。例えば、通常の数百μｍの共振器サイズを持つ半導体レーザの線幅はＭＨｚオーダーとなっている。ここで、線幅はスペクトル線幅を意味しており、スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）で表される。現在、普及が進んでいる１００Ｇｂｉｔ／ｓのデジタル・コヒーレント通信システムにおいては、偏波多重四位相偏移（ＱＰＳＫ：Quadrature Phase Shift Keying）変調方式が用いられており、レーザ光源には数百ｋＨｚのスペクトル線幅が要求されている。このような用途には、共振器長を１ｍｍ程度まで長くしてスペクトルを狭線幅化した波長可変ＤＦＢレーザアレイや外部共振器型レーザなどが用いられている。多値度のより大きな変調方式を使用してより大容量の通信を実現するために、今後さらにスペクトル線幅の狭い光源の実現が期待されている。また、通信以外の光センシング応用などにおいても、狭い吸収線スペクトルを高感度に観測するために、光源のスペクトルの狭線幅化が求められている。
M. Finot, et al., "Thermally tuned external cavity laser with micromachined silicon etalons: design, process and reliability," Electronic Components and Technology Conference 2004 Proceedings, Vol.1, pp.818-823, 2004 K. Petermann, "External optical feedback phenomena in semiconductor lasers," IEEE J. Quantum Electron., vol.1, No.2, pp.480-489, 1995
半導体レーザにおいてスペクトル線幅を１０ｋＨｚ程度まで狭めることのできるものとして、半導体チップの外に光学共振器を構成する、いわゆる外部共振器型レーザがある。例えば非特許文献１では、半導体光増幅器、外部反射器、波長を選択するためのエタロン・フィルタ、およびレンズなどからなる外部共振器型レーザが開示されている。この構成によって、１５５０ｎｍのＣ帯全域をカバーする波長可変特性および数１０ｋＨｚの線幅特性が得られたことが報告されている。しかしながら、外部共振器型レーザは半導体チップ以外にも多数の部品を必要とし、さらにこれらを高精度に組み立てる必要があった。また、外部共振器型レーザでは、多数の共振モードの中から１つの波長を選択するために、少なくとも２個以上の波長フィルタを制御しなければならず、その制御回路が複雑になる問題があった。さらには半導体レーザ装置の製造工程において、波長特性の試験・検査が複雑となる問題もあった。
スペクトル線幅を狭める他の構成として、ＤＦＢレーザをベースとした波長可変レーザも知られている。この構成では、原理的に同じ発振モードを保ったまま温度制御などを用いて波長を変えることができる。このため、波長可変のための制御は簡単となる。共振器長を１ｍｍ程度まで長くすることによって、ＤＦＢレーザベースの波長可変レーザでは１００ｋＨｚ程度までの線幅が得られている。しかしながら、共振器をさらに長くしようとすると、回折格子のピッチの均一性および共振器を構成する光導波路の等価屈折率の均一性を維持することが難しくなる。したがって長い共振器では、製造ゆらぎにより均一な共振器を形成することが難しくなり、ＤＦＢレーザベースの波長可変レーザにおいても、スペクトルの狭線幅化には限界があった。
半導体レーザの発振光の一部を外部から帰還することによって、スペクトル狭線幅化の効果が得られることが知られている。例えば非特許文献２では、光ファイバを用いて半導体レーザに光を帰還する構成が示されている。非特許文献２の構成によれば、外部から一部の光を半導体レーザに帰還することによって、スペクトル線幅を２桁以上狭窄化することができる。しかしながら、光ファイバを用いる方法では、発振の安定性に難点があった。半導体レーザの発振状態は帰還光の位相に敏感であり、帰還光の位相状態が変化すると、外部共振モードによる波長跳びなどが生じていた。すなわち光ファイバを用いた帰還型の構成では、光ファイバの変位、応力、温度などの微小な変化に対して発振状態が不安定になってしまうため、実際の通信装置の環境において波長可変光源として使用することは困難であった。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、半導体レーザで構成され、小型で制御性が良く、スペクトルを狭線幅化した光源を実現することにある。
本発明の一態様は、単一モードで発振する半導体レーザが形成された第１の基板と、前記半導体レーザからの出力光の一部を一定の光路長を伝搬させた後で、前記半導体レーザへ帰還するように構成された光波回路が形成された第２の基板と、前記第１の基板および前記第２の基板を搭載した第３の基板とを備え、前記第１の基板の前記半導体レーザからの出力光と、前記第２の基板の前記光波回路の入力導波路とが光学的に結合していることを特徴とする半導体レーザ装置である。
好ましくは、前記第２の基板上の前記光波回路は、前記伝搬させた光を反射する反射器を含み、前記反射器で反射された光が、前記半導体レーザへ帰還するように構成されることができる。
また、前記第２の基板上の前記光波回路は、前記半導体レーザからの前記出力光を分岐して前記出力光の前記一部を生成する分岐手段を有することができる。また、前記第１の基板は、前記半導体レーザからの前記出力光を２つに分岐して、一方の分岐光として前記第２の基板の前記出力光の前記一部を生成し、他方の分岐光として当該半導体レーザ装置の出力光を生成する分岐手段を有し、前記分岐手段の前記一方の分岐光を増幅する第１の半導体光増幅器と、前記分岐手段の前記他方の分岐光を増幅する第２の半導体光増幅器とを有することもできる。
好ましくは、前記第１の基板の前記半導体レーザからの前記出力光と、前記第２の基板の前記光波回路の前記入力導波路とが、前記第１の基板の端面および当該端面と対向する前記第２の基板の端面の間で結合していることができる。
前記半導体レーザは、回折格子による波長選択機能を備えた分布帰還型（ＤＦＢ）レーザまたは分布反射型（ＤＢＲ）レーザであり得る。また好ましくは、前記半導体レーザは、Ｎ個の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザアレイ、前記Ｎ個のＤＦＢレーザアレイからの各出力光を合波するよう構成された光合波器および半導体光増幅器が集積され、波長可変レーザとして動作することができる。また、前記半導体レーザは、Ｎ個の分布反射型（ＤＢＲ）レーザアレイ、前記Ｎ個のＤＢＲレーザアレイからの各出力光を合波するよう構成された光合波器および半導体光増幅器が集積され、波長可変レーザとして動作することもできる。上述の光合波器は、Ｎ対１光合波器として構成することもできるし、Ｎ対２の光合分波器として構成することもできる。
本発明によれば、半導体レーザの出力光の一部を光帰還用の光波回路を用いて半導体レーザに戻すことにより、スペクトルを狭線幅化した動作が可能となる。半導体レーザチップと光波回路チップの組み合わせで構成され、小型で制御性が良く、スペクトルを狭線幅化した光源を実現する。
図１は、本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の概略を示す図である。 図２Ａは、本発明の半導体レーザ装置の波長可変半導体レーザチップのより詳細な構造を示す上面図である。 図２Ｂは、本発明の半導体レーザ装置の波長可変半導体レーザチップの発振器長さ方向に沿った断面図である。 図２Ｃは、本発明の半導体レーザ装置の波長可変半導体レーザチップの発振器長さ方向に垂直な断面図である。 図３は、本発明の半導体レーザ装置の光波回路チップのより詳細な構造を示す図である。 図４は、本発明の半導体レーザ装置のスペクトル線幅特性を説明する図である。 図５は、本発明の実施例２に係る半導体レーザ装置の概略を示す図である。 図６は、本発明の実施例３に係る半導体レーザ装置の概略を示す図である。
本発明の半導体レーザ光源では、半導体レーザの出力光の一部を光帰還用の光波回路を用いて半導体レーザに戻すことにより、スペクトルを狭線幅化した動作が可能となる。前述のように、非特許文献２における、光ファイバを用いて半導体レーザに光を帰還する構成では、光ファイバの変位、応力、温度などの微小な変化に対して発振状態が不安定になり、実際の通信装置の環境で使用することは困難であった。
これに対して本発明の半導体レーザ装置では、変形することのない光導波路によって光帰還用の光波回路を構成するとともに、光波回路を含む基板を、半導体レーザが保持される基板とともに、同一の基板上に配置している。このため、光帰還回路の動作環境の安定性を確保することが可能となる。また、本発明の半導体レーザ装置の光帰還の構成では、光波回路に波長選択フィルタの機能は含まれておらず、半導体レーザが持つ波長可変機能を用いる。このため、外部共振器レーザの構成のように、フィルタの波長を精密に調整する必要がない利点がある。このように、本発明の半導体レーザ装置の構成では、小型・安定で、波長制御性が良く、スペクトルの狭線幅化された光源を実現することができる。尚、以下の説明では、半導体レーザ光源および半導体レーザ装置は、同じ意味のものとして使用する。図面を参照しながら、本発明の様々な実施例について説明する。
図１は、本発明の実施例１に係る半導体レーザ装置の概略を示す図である。本実施例の半導体レーザ装置１００は、単一の基板１０１上に搭載された、波長可変半導体レーザチップ１０２および光帰還用の光波回路チップ１０３を備える。波長可変半導体レーザチップ１０２の出力端側には、出力光が光波回路チップ１０３の入力導波路に入射するように、レンズ１０４、１０５が配置される。基板１０１の材料としては、熱伝導性の良いタングステン銅合金（ＣｕＷ）などの金属材料が用いられる。図１には描かれていないが、基板１０１の裏面には、ＴＥＣ（Thermo-Electric Cooler）が配置され、基板１０１全体の温度を制御することができる。
波長可変半導体レーザチップ１０２からの出力光は、まずレンズ１０４によりコリメート・ビームに変換され、レンズ１０５により光波回路チップの入力導波路に集光される。後述するように、波長可変半導体レーザチップ１０２の光出力の一部が光波回路１０３から反射されて戻るように構成されている。この反射光は、光波回路１０３への往路とは逆の光路を辿って、波長可変半導体レーザチップの出力導波路に帰還される。光波回路１０３内では、帰還光以外の光は出力光として出力導波路に導かれる。光波回路１０３からの出力光は、レンズ１０６によりコリメート・ビームに変換され、光アイソレータ１０７を通して、半導体レーザ装置の出力光として使用される。光アイソレータ１０７は、半導体レーザ装置の外部からの戻り光によって、レーザ発振が不安定になるのを防ぐために用いられる。光ファイバに光を導きたい場合は、アイソレータ通過後のコリメート・ビームを、集光レンズを用いて光ファイバに入力させれば良い。
図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の半導体レーザ装置における波長可変半導体レーザチップのより詳細な構造を示す図である。図２Ａは波長可変半導体レーザチップ１０２の基板面を見た上面図である。図２Ｂは、共振器の長さ方向に沿って、図２Ａの上面図の線分ＩＩＢ−ＩＩＢで基板面に垂直に切って見た断面図である。図２Ｃは、図２Ａの上面図の線分ＩＩＣ−ＩＩＣで基板面に垂直にかつ共振器の長さ方向に垂直に切って見た断面図である。図２Ａの波長可変半導体レーザチップは、４つのＤＦＢレーザ２０１ａ〜２０１ｄ、光合波器２０３および半導体光増幅器２０４の各部分がＩｎＰ基板上に集積され、ＤＦＢレーザアレイ型の構成を持つ。各部分は、導波路２０２ａ、２０２ｂによって接続されている。図２Ｂのレーザ共振器に沿った断面図を参照すれば、１つのＤＦＢレーザでは、電流を注入することにより増幅作用を持つ活性層２１２の直上に、回折格子２１４が形成されたガイド層２１３を備える。これらの層２１２、２１３、２１４は、ｎ型ＩｎＰクラッド層２１６およびｐ型ＩｎＰクラッド層２１７によってさらに挟み込まれている。
レーザ発振動作は、ｎ側電極２１９を接地し、ｐ側電極２２０に正の電圧を加えて、活性層２１２に電流を注入することによって生じる。このとき、回折格子２１４の周期で定まる波長のみが強く帰還されるため、この波長付近で単一モード発振する。図２Ｃのレーザ共振器の光進行方向を見た断面図に示すように、１つのＤＦＢレーザは、活性層２１２およびガイド層２１３の周りがＩｎＰによって埋め込まれた、いわゆる埋め込み型の導波路構造を持つ。ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層２２１は、活性層２１２に効率良く電流を注入するために設けられている。
光合波器２０３は、４入力１出力の多モード干渉型導波路により構成される。ＤＦＢレーザから連続して形成された導波路の透明コア層２１５（図２Ａの導波路２０２ａに対応）は、発振光に対して透明な組成のＩｎＧａＡｓＰ混晶により形成されている。半導体光増幅器２０４は、ＤＦＢレーザ２０１ａ〜２０１ｄの各々と同様に利得を持つ導波路２１２によって構成されているが、回折格子２１４は形成されておらず、いわゆるＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）を構成している。尚、上述のＤＦＢレーザの各部の具体的な構造、材料、構成パラメータは例示的なものであって、多値位相振幅変調を用いたデジタル・コヒーレント通信方式に適用可能なレーザ光源として利用可能な半導体レーザであれば、上述の具体例だけには限定されない。
波長可変半導体レーザチップ１０２では、チップ内の導波路から出射する光がチップ端面で反射するのを防ぐため、導波路がチップ端面に対して垂直ではなく、やや斜めになるように形成されている。さらに、チップの端面上には、反射防止膜２１１ａ、２１１ｂが形成されている。半導体光増幅器２０４に流す電流量を制御することにより、光出力レベルを調整することができる。ＤＦＢレーザアレイの各ＤＦＢレーザ２０１ａ〜２０１ｄに形成されている回折格子は、それぞれ異なるピッチで形成されているため、各々が対応する異なる波長で発振するように動作する。ＤＦＢレーザアレイの中から、電流を流して発振させるＤＦＢレーザを１つ選択することによって、出力光の波長を変えることが可能となる。本実施例では、１５５０ｎｍ帯において、所定の温度で約４ｎｍの波長間隔となるようにＤＦＢレーザアレイ各々の発振波長が設定される。ＤＦＢレーザの発振波長は、チップ温度が１度変化すると、長波長側に約０．１ｎｍ変化する。したがって、レーザ温度を２０℃から６０℃の範囲で４０度変化させれば、発振波長を４ｎｍ変化させることができる。所定の温度における４つのＤＦＢレーザ２０１ａ〜２０１ｄの各発振波長の間で、任意の波長に連続的に変化さることができる。図２Ａ〜図２Ｃの本実施例の構成の場合、４×４ｎｍ＝１６ｎｍの波長範囲で、任意の波長で発振させることが可能となる。図２Ａ〜図２Ｃでは、４つのＤＦＢレーザを含むアレイ構成例を例示的に示したが、ＤＦＢレーザのアレイ数を増加すれば、アレイ数に応じて波長可変範囲をさらに広げることができる。
図３は、本発明の半導体レーザ装置の光波回路チップのより詳細な構造を示す図である。光波回路１０３は、Ｓｉ基板上にＳｉＯ２ガラス膜を堆積させることにより作製されている。光導波路３０１は、屈折率の高い矩形状のコア層のまわりを屈折率の低いクラッド層で埋め込んだ構造を持つ。本実施例では、コア層とクラッド層との間の屈折率差は、約２．５％とした。図２Ａに示した波長可変半導体レーザチップ１０２からの発振光は、レンズ１０４、１０５を経て、光導波路３０１の光入力部３０２へ入射する。入射光は光導波路３０１を伝搬し、方向性結合器３０６によって、光出力部３０３へ伝搬する光と光反射器３０５へ伝搬する光とに分けられる。発振光の一部を光反射器３０５導く導波路は、その光路長を一定程度長くするように設定される。スペクトル線幅は、光路長の二乗に反比例して狭まることが知られており、レーザ出力部から光反射器３０５までの光路長を一定程度長くした方が、スペクトル線幅の狭窄効果が高いからである。スペクトル線幅を１０ｋＨｚ以下にするためには１０ｃｍ以上が必要であって、安定動作のためには４０〜５０ｃｍ以下が好ましい。本実施例の光導波路３０１では、光入力部３０２から光反射器３０５までの光路長を約１３ｃｍと設定した。反射器３０５により反射した光は、光導波路を逆方向に伝搬し、光入力部３０２へ戻っていき、最終的には半導体レーザチップ１０３に帰還される。反射光の一部は方向性結合器３０６により、光モニタ出力部３０４へと伝搬する。
光波回路１０３の光入力部３０２、光出力部３０３および光モニタ出力部３０４では、チップの端面で光が反射しないようにするために、光導波路の伝搬方向がチップ端面に対して斜めになるように構成される。特に光入力部３０２および光出力部３０３では、光の反射を低く抑えるために、反射防止用のＡＲ膜３０７ａ、３０７ｂが端面上にそれぞれ形成されている。一方、光反射器３０５では、一定の光反射を得るために、光導波路はチップ端面に対して垂直となるように構成されており、反射器３０５の表面には高反射膜３０８がコーティングされている。
図３の光波回路チップの構成例では、反射光を得るためにチップの１つの端部に反射器３０５を有する例を示したが、必ずしもこの構成だけに限定されない。例えば、光波回路上にスプリッターと導波路を組み合わせて構成されるループ型の反射器を形成し、そのループ型反射器で、波長可変半導体レーザチップ１０２からの発振光を反射させても良い。
したがって、本発明の半導体レーザ装置は、単一モードで発振する半導体レーザ２０１ａ〜２０１ｄが形成された第１の基板１０２と、前記半導体レーザからの出力光の一部を一定の光路長を伝搬させた後で、前記半導体レーザへ帰還するように構成された光波回路が形成された第２の基板１０３と、前記第１の基板および前記第２の基板を搭載した第３の基板１０１とを備え、前記第１の基板の前記半導体レーザからの出力光と、前記第２の基板の前記光波回路の入力導波路とが光学的に結合していることを特徴とする半導体レーザ装置として実現できる。
好ましくは、前記光波回路は、前記分岐光を反射する反射器３０５を含み、前記反射器で反射された光が、前記半導体レーザへ帰還するように構成することができる。さらに好ましくは、前記第２の基板上の前記光波回路は、前記半導体レーザからの前記出力光を分岐して前記出力光の前記一部を生成する分岐手段３０６を有することができる。
図４は、本実施例の半導体レーザ装置のスペクトル線幅特性を説明する図である。図４では、ＤＦＢレーザアレイの中の１つのレーザに１５０ｍＡの電流を注入し、半導体光増幅器（ＳＯＡ）２０４に流す電流値を変化させたときのスペクトル線幅の変化を示している。このとき、半導体レーザ装置１００の温度を２５℃になるように制御した。スペクトル線幅は、遅延自己ヘテロダイン法によって測定した。ＳＯＡ電流が低い場合は、ＤＦＢレーザへの光帰還量が少ないためスペクトル線幅は太いが、ＳＯＡ電流値を６０ｍＡ程度まで増加させると、１０ｋＨｚ以下までスペクトル線幅が狭窄化されている。ＤＦＢレーザアレイ単体のスペクトル線幅は、２〜３ＭＨｚ程度であった。光帰還用の光波回路を備えた本発明の半導体レーザ装置の構成により、ＤＦＢレーザアレイ単体に対してスペクトル線幅が２桁以上狭窄化されていることを確認できた。図４に示したようにＳＯＡ電流値が１８０ｍＡ以上になると、光帰還量が多すぎることにより発振モードが不安定になり、スペクトル線幅はむしろ増大した。したがって、本実施例の構成の場合、ＳＯＡ電流値を１００ｍＡ前後で使用すれば、安定にスペクトル線幅を狭窄化した発振動作が可能となる。
本実施例では、半導体レーザの構造として、利得を持つ導波路上に回折格子が形成されたＤＦＢ構造を例に説明をしたが、回折格子が利得を持たない導波路に形成されたＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）型の構造を利用しても良い。また、図２Ａ〜図２Ｃに示したような複数のＤＦＢレーザからなるレーザアレイではなく、単体のＤＦＢレーザまたはＤＢＲレーザにも本発明を適用可能である。また、レーザを構成する導波路の構造として、図２Ｃに示したように埋め込み型を例に説明したが、リッジ型の構造の導波路を持つレーザにも本発明を適用可能である。本発明の半導体レーザ装置は、変形することのない光導波路によって光帰還用の光波回路を構成するとともに、半導体レーザが構成される基板と同一（共通）の基板上に配置することで、光帰還回路の動作環境の安定性を確保することができる。したがって、光帰還回路が単一の基板上に構成されていれば、帰還回路の構成も図３のものだけに限定されない。
また、図１の本発明の半導体レーザ装置の構成では、ＩｎＰ基板上に集積された半導体レーザチップ１０２を、共通の基板１０１上に直接搭載したものとして説明した。しかしながら、２つの基板が堅固に固定されていれば本発明の効果は同様に得られるので、２つの基板１０１、１０２の間の固定はどのような方法によっても良い。さらに、図１では半導体レーザチップ１０２を１つの基板として示したが、半導体レーザを含むチップおよび他の光学部品・電気部品を１つの別の基板に搭載し、その別の基板を共通基板１０１上に搭載しても良い。
同様に、光波回路チップ１０３についても、２つの基板１０１、１０３の間の固定はどのような方法も可能であって、直接固定したり、何らかの基材を挟んで固定したりしても良い。さらに、光波回路を含むチップおよび他の光学部品を１つの別の基板に搭載し、その別の基板を共通基板１０１上に搭載しても良い。
本実施例の半導体レーザ装置の構成では、光帰還用の光波回路を、変形することのない光導波路によって構成するとともに、半導体レーザが保持される基板と同一の基板上に配置している。これによって、光帰還回路の動作環境の安定性を確保することが可能となる。本発明の半導体レーザ装置の光帰還構成では、光波回路の中に波長選択フィルタの機能を持っておらず、半導体レーザが持つ波長可変機能を用いる。このため、外部共振器レーザの構成のように、フィルタの波長を精密に調整する必要もない。半導体レーザチップと光波回路チップの組み合わせによって構成され、小型で波長の制御性が良く、スペクトルを狭線幅化した光源を実現することができる。
図５は、本発明の実施例２に係る半導体レーザ装置の概略を示す図である。実施例１の半導体レーザ装置と比べると、半導体レーザチップ１０２および光波回路チップ１０３が接するように配置され、半導体レーザチップ１０２からの出力光が光波回路チップ１０３の光入力部に直接結合するようになっている点で相違する。その他の構成については、実施例１と同様である。光結合効率を高く保つため、半導体レーザチップ１０２の光出力部の光のスポットサイズ、および、光波回路チップ１０３の光入力部の光のスポットサイズがなるべく同一になるよう、チップ端部近傍の各々の導波路が最適に構成されている。例えば各チップの端部における導波路の傾斜角度は、光結合効率の低下なしにチップ端面同志を直接結合できるように設定される。
したがって、本実施例の半導体レーザ装置は、第１の基板１０２の前記半導体レーザの出力光と、第２の基板１０３の前記光波回路の入力導波路３０１とが、対向する前記第１の基板の端面および前記第２の基板の端面で、結合しているものとして実施できる。本実施例の構成では、半導体レーザチップ１０２および光波回路チップ１０３を、サブミクロンの精度で基板１０１上に搭載する必要がある。しかしながら、実施例１で備えていた２つのレンズ１０４、１０５を用いずにチップ間の光結合を直接に行っているため、レンズを搭載するための領域が不要となり、半導体レーザ装置のよりいっそうの小型化が可能となる。
本実施例の半導体レーザ装置でも、実施例１と同様に、ＳＯＡに適切な電流値を注入することにより、半導体レーザ単体の場合と比べて、スペクトル線幅を２桁〜３桁程度狭窄化することが可能となる。本実施例の半導体レーザ装置の構成でも、光帰還用の光波回路を、変形することのない光導波路によって構成するとともに、半導体レーザが構成・保持される基板と同一の基板上に配置している。これによって、光帰還回路の動作環境の安定性を確保できる。
尚、光波回路チップ１０３およびレンズ１０６の間にＳＯＡチップをさらに集積化する構成とすれば、ＳＯＡによって光を増幅して、光出力レベルをさらに高めることも可能である。
上述の実施例１および実施例２の半導体レーザ装置では、半導体レーザチップの発振光および光波回路チップからの帰還光が、いずれも共通の半導体光増幅器（ＳＯＡ）２０４を経由して伝播する。また図４で説明したように、ＳＯＡ電流を変化させることでスペクトル線幅を制御していた。このような構成では、スペクトル線幅のためにＳＯＡ電流を決定すると、これによって発振光の出力レベルも同時に変化するために、半導体レーザ装置からの光出力レベルを任意に設定することは難しい。そこで本実施例では、本発明の効果を維持したままで、光出力レベルおよびスペクトル線幅を独立して制御可能な別の構成例を提示する。
図６は、本発明の実施例３に係る半導体レーザ装置の概略を示す図である。本実施例の半導体レーザ装置５００も、単一の基板５０１上に半導体レーザチップ５０２および光波回路チップ５１０が構成され、２つのチップがレンズを介さずに直接光結合している点で、実施例２の構成と類似している。しかしながら、半導体レーザチップからの発振光の合波出力を、発振光の出力ルートおよび帰還光のルートの２つに分けていている点で実施例２の構成と相違する。
具体的には、本実施例の半導体レーザチップ５０２は、例えば４つのＤＦＢレーザ５０６ａ〜５０６ｄからの発振光を合波する光合波器として４入力２出力の光合分波器５０３を用いている。合分波器５０３によって、４つのＤＦＢレーザからの出力光は、第１のＳＯＡ５０８を経由して半導体レーザ装置の出力光として外部に出力する第１のルートと、第２のＳＯＡ５０７を経由して光波回路チップ５１０に出力する第２のルートとに分岐している。このように本実施例では、光合分波器５０３によって出力光を２つのルートに分岐して、それぞれのルートに別個のＳＯＡを設けている点で、実施例２の構成と相違している。光合分波器５０３は、スターカプラ、多モード干渉型光合波器などによって実現できる。光波回路チップ５１０は、光反射器５１１、ＡＲ膜５０９、所定の長さの光導波路５１２を備えており、実施例１および実施例２の構成と同様である。
したがって、本発明は、単一モードで発振する半導体レーザが形成された第１の基板５０２と、前記半導体レーザからの出力光の一部を一定の光路長を伝搬させた後で、前記半導体レーザへ帰還するように構成された光波回路が形成された第２の基板５１０と、前記第１の基板および前記第２の基板を搭載した第３の基板５０１とを備え、前記第１の基板の前記半導体レーザからの出力光と、前記第２の基板の前記光波回路の入力導波路とが光学的に結合している半導体レーザ装置であって、前記第１の基板は、前記半導体レーザからの前記出力光を２つに分岐して、一方の分岐光として前記第２の基板の前記出力光の前記一部を生成し、他方の分岐光として当該半導体レーザ装置の出力光を生成する分岐手段５０３を有し、前記分岐手段の前記一方の分岐光を増幅する第１の半導体光増幅器５０８と、前記分岐手段の前記他方の分岐光を増幅する第２の半導体光増幅器５０７とを有するものとして、実施できる。
図６に示した実施例３では、４つのＤＦＢレーザが構成されているので、光合分波器５０３としては４入力２出力の光合分波器を利用しているが、この構成だけに限定されない。すなわち、ＤＦＢレーザの数Ｎに応じて、Ｎ入力２出力の光合分波器とすることができる。また、光出力レベルのモニタ用のために、３出力の光合分波器としても良い。本実施例の構成によって、光帰還用の第２のＳＯＡ５０７に流す電流をスペクル線幅が狭くなる最適な値にしながら、光出力用の第１のＳＯＡ５０８に流す電流を独立に制御することで、光出力レベルを自由に設定することが可能になる。実施例１および実施例２のように光波回路チップ側に分岐回路（方向性結合器）がある場合、半導体レーザ装置の出力光は、ＳＯＡ２０４の出力の一部を方向性結合器３０６で分岐した出力であったので、光出力レベルはＳＯＡ２０４の出力より常に小さな値となる。本実施例の構成では、ＳＯＡ５０８の出力をそのまま光源の光出力として使うことができる。通信用光源としては、光出力レベルを任意に設定できることは大きな利点である。光源としての光出力レベルが固定されてしまうと、応用範囲が狭まってしまう。本実施例のように、合波出力を２つのルートに分岐する構成を採ることで、スペクトル線幅と光出力レベルを柔軟に設定可能な光源を実現することができる。尚、実施例２においても述べたように、光波回路チップ１０３およびレンズ１０６の間にＳＯＡチップをさらに集積化することによって、光出力レベルの調整が可能となる。しかしながら、この場合には半導体レーザ装置全体でチップが３つ必要となり、部材コストや組立コストの増加を招くため、半導体レーザからの出力光を発振光の出力ルートおよび帰還光のルートの２つに分けた本実施例の構成の方がより優れている。
以上詳細に述べたように、本発明の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザの出力光の一部を光帰還用の光波回路を用いて半導体レーザに戻すことにより、スペクトルの狭線幅動作が可能となる。半導体レーザチップと光波回路チップの組み合わせで構成され、小型で制御性が良く、スペクトルを狭線幅化した光源を実現することができる。
本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの送信器に利用できる。また、光センシング・システムにも利用できる。

Claims (8)

  1. 単一モードで発振する半導体レーザが形成された第１の基板と、
    前記半導体レーザからの出力光の一部を一定の光路長を伝搬させた後で、前記半導体レーザへ帰還するように構成された光波回路が形成された、Ｓｉからなる第２の基板と、
    前記第１の基板および前記第２の基板を搭載した第３の基板と
    を備え、
    前記第１の基板の前記半導体レーザからの出力光と、前記第２の基板の前記光波回路の入力導波路とが光学的に結合していることを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 前記第２の基板上の前記光波回路は、前記伝搬させた光を反射する反射器を含み、前記反射器で反射された光が、前記半導体レーザへ帰還するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  3. 前記第２の基板上の前記光波回路は、前記半導体レーザからの前記出力光を分岐して前記出力光の前記一部を生成する分岐手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記第１の基板は、前記半導体レーザからの前記出力光を２つに分岐して、一方の分岐光として前記第２の基板の前記出力光の前記一部を生成し、他方の分岐光として当該半導体レーザ装置の出力光を生成する分岐手段を有し、
    前記分岐手段の前記一方の分岐光を増幅する第１の半導体光増幅器と、前記分岐手段の前記他方の分岐光を増幅する第２の半導体光増幅器とを有すること
    を特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記第１の基板の前記半導体レーザからの前記出力光と、前記第２の基板の前記光波回路の前記入力導波路とが、前記第１の基板の端面および当該端面と対向する前記第２の基板の端面の間で結合していることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記半導体レーザは、回折格子による波長選択機能を備えた分布帰還型（ＤＦＢ）レーザまたは分布反射型（ＤＢＲ）レーザであることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記半導体レーザは、Ｎ個の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザアレイ、前記Ｎ個のＤＦＢレーザアレイからの各出力光を合波するよう構成された光合波器および半導体光増幅器が集積され、波長可変レーザとして動作することを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記半導体レーザは、Ｎ個の分布反射型（ＤＢＲ）レーザアレイ、前記Ｎ個のＤＢＲレーザアレイからの各出力光を合波するよう構成された光合波器および半導体光増幅器が集積され、波長可変レーザとして動作することを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の半導体レーザ装置。
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