WO2000045482A1 - Module laser a semi-conducteur - Google Patents

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WO2000045482A1
WO2000045482A1 PCT/JP1999/007062 JP9907062W WO0045482A1 WO 2000045482 A1 WO2000045482 A1 WO 2000045482A1 JP 9907062 W JP9907062 W JP 9907062W WO 0045482 A1 WO0045482 A1 WO 0045482A1
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semiconductor laser
wavelength
laser module
gain
gain peak
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PCT/JP1999/007062
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French (fr)
Inventor
Akira Mugino
Takeo Shimizu
Original Assignee
The Furukawa Electric Co., Ltd.
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/14—External cavity lasers
    • H01S5/146—External cavity lasers using a fiber as external cavity

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser module that outputs laser light, and more particularly, to a semiconductor laser module for pumping an Er3 + , A13 + dope fiber amplifier (EDFA).
  • EDFA Er3 + , A13 + dope fiber amplifier
  • Examples of such a laser include a distributed feedback (DFB) laser in which a diffraction grating is formed in an active layer of a semiconductor laser device, and a laser along a longitudinal direction of a waveguide portion made of a semiconductor medium of a semiconductor laser device.
  • a distributed Bragg reflector (DBR) laser that reflects (feeds back) the light to the active layer by forming a reflective diffraction grating that has a transparent reflection characteristic for outgoing light different from the Bragg wavelength Etc.
  • DBR distributed Bragg reflector
  • the IEICE Technical Report OPE97-1 has a “fiber-grating external-cavity multi-wavelength laser array” by Kato et al., And the OPE97-2 by Tanaka et al. Waveguide dating and its application to integrated external cavity lasers "are disclosed.
  • a 1480 nm band pump laser was wavelength-converted by an optical fiber grating (FBG) at the 2nd Optoelectronics & Communications Conference (OECC '97) Technical Digest, July 1997, Seoul, Korea. Stabilizing technology has been reported by Atsushi Hamakawa et. Al. (Preliminary Classification 9 D 2-5, pp. 224 to 225, “1480 nm pump fiber-grating external-cavity-laser with two fiber gratings ]).
  • FBG optical fiber grating
  • DFB lasers and DBR lasers disclosed in the above documents have a single mode oscillation spectrum and are exclusively used as light sources for optical communication, and are not suitable for amplification of EDFAs.
  • the external cavity laser is a single mode oscillation laser. If the operating temperature changes by more than a certain number, a mode hop occurs in which the center wavelength of the oscillation mode changes, and the stability of the oscillation wavelength to temperature change is poor.
  • the external cavity laser is difficult to manufacture because the reflectance of the antireflection film on the front end face needs to be extremely small.
  • the external cavity laser often has a structure in which the emission angle of the laser light is inclined with respect to the cleavage plane of the laser in order to equivalently reduce the reflectance of the antireflection film. For this reason, the external cavity laser having such a structure has a problem that the coupling efficiency of the laser light to the optical fiber is reduced, and it is extremely difficult to align and fix the laser light to the optical fiber.
  • the above-mentioned external cavity laser has low output power and is not suitable as a light source for EDFA pumping.
  • the technology reported by Atsushi Hamakawa et. Al. Is suitable for exciting high-power EDFAs with a wavelength of 1480 nm using InGaAsP / lnP-based semiconductor thin films, but has the following problems.
  • the technique must use a special optical fiber bag that reflects two wavelengths as a diffraction grating.
  • the amount of change in oscillation wavelength due to changes in operating temperature is about 2.6 nm, though small.
  • a GaAs / AlGaAs based multimode oscillation semiconductor laser with no gain ripple and random wavelength characteristics is stabilized by combining it with an optical fiber grating (FBG) to form a module.
  • FBG optical fiber grating
  • the polarization state of the optical fiber constantly changes due to the bending state of the externally attached FBG, acting stress and strain, and the like. For this reason, in a module using such a semiconductor laser, even if the optical output and the monitor output current seem stable, the monitor output current value can be obtained by touching the optical fiber slightly. Changes by one digit. That is, in such a semiconductor laser module, there is a problem that the operating characteristics are greatly changed depending on the polarization state of the optical fiber, the fiber shape, and the like.
  • a monitor output current is used to automatically control an optical output.
  • the monitor output current of the semiconductor laser temporally changes in a rectangular or spike shape, so that automatic control cannot be performed.
  • the monitor output current is reduced in a rectangular shape, a large current flows into the semiconductor laser in order to maintain a constant optical output, and the semiconductor laser may be destroyed. This has a serious problem in operational reliability.
  • the present invention has been made in view of the above points, and has excellent stability of an oscillation wavelength with respect to an operating current injected into a semiconductor laser and a change in temperature, and is suitable for a light source for EDFA excitation or a light source for high output and low noise. It is intended to provide a semiconductor laser module. Disclosure of the invention
  • the semiconductor laser module of the present invention focuses on the relationship between the reflection center wavelength A BG of the Bragg grating and the operating current injected into the semiconductor laser, that is, the gain peak wavelength A LD (I) with respect to the injection current (I).
  • Mode hop-mode mode This is to suppress fluctuations in optical output and fluctuations in monitor output current caused by competition, etc., within a practically negligible range and use the following means.
  • a pump laser for an optical fiber amplifier which has a resonance mode shape in a spontaneous emission region shown in FIG. 1A and a pure gain shape shown in FIG. 1B in the wavelength characteristic of gain.
  • As-based semiconductor lasers When a semiconductor laser module of an external resonator type is configured using optical feedback means such as a Ragg grating, the reflection center wavelength of the Bragg grating ⁇
  • the module has the following characteristics in relation to the BG and the gain peak wavelength of the semiconductor laser.
  • the maximum operating current l op usually means the maximum injection current at which the oscillation of the semiconductor laser is guaranteed.
  • the injection current exceeds a certain value, the light output is saturated, and the relationship between the light output and the injection current deviates from a linear relationship. In this case, a so-called kink phenomenon occurs.
  • the refractive index of each constituent layer constituting the semiconductor laser decreases due to a plasma effect, a band filling effect, and the like. For this reason, the semiconductor laser cannot confine the light generated in the active layer, the light output radiation angle changes, and the light output greatly changes.
  • the injection current at which such a kink phenomenon occurs is usually called a kink current.
  • the maximum operating current I op of the semiconductor laser is usually set to a current value corresponding to a value about 15% to 20% lower than the output power at the kink current in consideration of the reliability of the module. (See dotted line in Fig. 12).
  • the pull-in width ⁇ is the difference between the reflection center wavelength ⁇ BG of Bragg grating and the gain peak wavelength when the oscillation mode of the semiconductor laser module changes from the Bragg grating mode to the Fabry-Bello mode.
  • the gain peak wavelength AFP particularly when the Fabry-Perot oscillation occurs is referred to as a limit value of the pull-in width ⁇ PULL on the short wavelength side where the Bragg grating mode oscillation can be maintained;
  • the semiconductor laser module of the present invention provides a stable laser output, a narrow-band oscillation wavelength (for example, 5 nm or less), and a monitor output current characteristic.
  • An external-cavity type semiconductor in which a GaAs semiconductor laser and an optical transmission medium having Bragg gratings are optically coupled by an optical coupling means.
  • the gain peak wavelength ⁇ (Ith) when the modularized semiconductor laser is driven with the threshold current I th is set to a shorter wavelength side than the reflection center wavelength of the Bragg grating.
  • the wavelength ⁇ (Ith) is set to be longer than the limit value ⁇ ⁇ ⁇ below.
  • the pull-in width APULL of the semiconductor laser module is the reflection center wavelength ABG of the Bragg grating, and the gain peak when the oscillation mode of the semiconductor laser module changes from the Bragg grating mode to Fabry-Velo mode. It refers to the difference from the wavelength.
  • the detuning width Adetun refers to the wavelength range from the limit value LIMIT on the short wavelength side of the pull-in width ⁇ PULL to the gain peak wavelength ⁇ (lop).
  • the optical output of the semiconductor laser and the monitor output current can be stabilized.
  • the threshold current Ith (LD) of the semiconductor laser alone is larger than the threshold current Ith when the module is modularized, and the oscillation wavelength ALD ( Ith) is made shorter than the oscillation wavelength of the modularized semiconductor laser.
  • FIG. 2A shows the reflection center wavelength ⁇ BG of the Bragg grating for stabilizing the optical output Pf of the semiconductor laser and the monitor output current Im, the pull-in width ⁇ PULL, the detuning width Adetun, and the short wavelength of the pull-in width ⁇ PULL.
  • Side limit value ⁇ BG the reflection center wavelength of the Bragg grating for stabilizing the optical output Pf of the semiconductor laser and the monitor output current Im
  • the pull-in width ⁇ PULL the detuning width Adetun
  • FIG. 9 is a gain-wavelength characteristic diagram showing an optimal relationship between LIMIT and gain peak wavelengths ⁇ ( ⁇ ) and ⁇ (Ith).
  • FIG. 2B shows the reflection center wavelength ABG, pull-in width ⁇ PULL, de-tuning width Adetuiu pull-in width ⁇ PULL short wavelength of the Bragg damping when the monitor output current Im of the semiconductor laser is extremely unstable.
  • FIG. 6 is a gain-wavelength characteristic diagram showing a relationship between a limit value ⁇ LIMIT on the side and gain peak wavelengths ⁇ ( ⁇ ) and ⁇ (Ith). In this case, in Fig.
  • ALD the gain peak wavelength
  • the detuning width detun is 1, the semiconductor laser competes within the full width at half maximum ⁇ ABG of the reflection center wavelength ABG of the Bragg grating, and the monitor output current Im fluctuates by more than several%.
  • the temporal change of the oscillation mode is spike or rectangular.
  • the detuning width ⁇ detun is 2
  • the oscillation mode of the semiconductor laser is based on the reflection center wavelength ABG. It exists in the neighborhood. That is, since the reflection center wavelength ABG is located within the region where the gain difference is small, the oscillation mode of the semiconductor laser changes between the peak wavelength ⁇ LD (Iopl), ⁇ (Iop2) of the gain ripple and the reflection center wavelength of the Bragg grating. And the monitor output current Im fluctuates by several percent or more, and the temporal change of the oscillation mode becomes a spike or rectangular shape.
  • FIG. 3A and 3B correspond to the state of FIG. 2B where the monitor output current Im of the semiconductor laser is extremely unstable.
  • FIG. 3A is a spectrum distribution diagram of optical output in two oscillation states measured when mode competition occurs and mode hobbing occurs temporally.
  • FIG. 3B is an output characteristic diagram showing a time change of the monitor output current Im measured when mode hopping occurs, which is converted into a voltage.
  • FIGS. 4A and 4B show output characteristic diagrams converted into voltages.
  • the scales of the vertical axis and the horizontal axis of FIGS. 3B and 4B are different.
  • the threshold current I th (LD) in a single state is larger than the threshold current when the module is formed.
  • the semiconductor laser has a smaller threshold current I th (I th ⁇ I th (LD)) as compared to the threshold current I th (LD) in a single state.
  • semiconductor lasers One approach is to compensate for the decrease in optical output due to being combined with the optical transmission medium by the optical coupling means to form a module by injecting the same operating current as the threshold current I th (LD) in the state of the semiconductor laser alone. Can be.
  • the semiconductor laser module of the present invention deterioration of characteristics and a decrease in reliability due to the optical damage (COD) due to an increase in optical power density at the end face of the semiconductor laser are suppressed, and the threshold current I th is reduced. It is possible to widen the injection current width up to the maximum operating current l op.
  • the oscillation wavelength A LD (I th) of the semiconductor laser alone at the threshold current I th (LD) is shorter than the oscillation wavelength of the modularized semiconductor laser. For this reason, the semiconductor laser module is more stable than the case where the semiconductor laser oscillates independently.
  • Fig. 1B or Fig. 7 when comparing the gain peaks of the semiconductor lasers showing the gain ripple, the sub-peak on the short wavelength side with respect to the peak gain ripple Is higher than the sub-peak on the long wavelength side.
  • the semiconductor laser module of the present invention minor laser oscillation is less likely to occur when the reflection center wavelength A BG is set to the longer wavelength side than the peak wavelength of the gain ripple than when the reflection center wavelength A BG is set to the shorter wavelength side. . That is, in the semiconductor laser module of the present invention, the Bragg grating mode and the Fabry-Perot mode are better when the reflection center wavelength A BG is not set in the wavelength region where the gain ripple is large but is set in the wavelength region where the gain ripple is small. Competition with the Internet can be reduced.
  • the semiconductor laser module of the present invention has a Bragg grating mode because the oscillation mode of the semiconductor laser at the reflection center wavelength A BG selected in this way is apart from other Fabry-Perot modes that easily oscillate.
  • the oscillation state of one node is stable.
  • the semiconductor laser module according to the present invention has a full width at half maximum ⁇ A BG of the reflection center wavelength A BG in Bragg grating which causes the optical output P f of the semiconductor laser and the monitor output current Im to be unstable. Mode competition is unlikely to occur As a result, the competition between the Bragg grating mode and the Fabry-Perot mode can be effectively reduced.
  • the reflection center wavelength A BG of the Bragg grating is compared with the gain peak wavelength ⁇ (lop) of the semiconductor laser at least on the wavelength side corresponding to one gain ripple shown in FIG. 1B. (Eg, 3 nm long wavelength side from Fig. 1B).
  • the semiconductor laser module can further stabilize the optical output Pf and the monitor output current Im of the semiconductor laser.
  • a semiconductor laser having a ripple in the gain wavelength characteristic may oscillate even at a sub-peak wavelength on the wavelength side of one gain ripple having a gain close to the main gain peak wavelength. Otherwise, if the Fabry-Perot mode oscillates at this sub-peak wavelength, such a semiconductor laser will compete with the Bragg grating mode oscillating in the full width at half maximum AA BG of the reflection center wavelength A BG, This is because the output P f and the monitor output current Im change.
  • the gain ripple interval of the semiconductor laser is set to 3.5 nm or less, and when mode hopping is performed, the mode hop amount is set to 3.5 nm or less. As a result, the semiconductor laser module does not have to forcibly increase the drawing width.
  • the pull-in width can be increased by increasing the reflectance of the Bragg grating. However, if the reflectance increases, a decrease in optical output cannot be avoided.
  • the pull-in width can be increased by lowering the reflectance of the anti-reflection film coated on the front end face of the semiconductor laser.
  • the pull-in width can be increased by increasing the coupling efficiency between the optical transmission medium and the semiconductor laser. it can.
  • the semiconductor laser since the semiconductor laser has different longitudinal mode fields and transverse mode fields from the mode fields of the optical transmission medium, it is difficult to easily obtain a high coupling efficiency with the optical transmission medium.
  • the reflection center wavelength of the Bragg grating is represented by [ABG- ⁇ LD (Ith)]> Set as large as AsX (I op-I th).
  • the semiconductor laser module can easily select the semiconductor laser to be used. Because it can be.
  • the difference between the reflection center wavelength ABG of the Bragg grating and the gain peak wavelength ⁇ (Ith) is set to 7 nm or more.
  • the semiconductor laser module can use a general GaAs-based GaAs-based semiconductor laser exhibiting ripples in the gain wavelength characteristic.
  • a semiconductor laser has a band-filling effect in which the gain peak wavelength ⁇ (Ith) shifts to the short wavelength side when the injection current is increased, and a shift to the long wavelength side. Temperature rising effect. At this time, it is known that the band-filling effect appears remarkably on the low current value side, and the temperature rise effect appears remarkably on the high current value side. Although these two effects are complicatedly intertwined, based on empirical rules, the average value of the shift ratio As when the gain peak wavelength ⁇ (Ith) shifts to the longer wavelength side as the injection current increases is 0.02. ⁇ 0.03 (nm / mA).
  • the oscillation threshold current is about 40 mA, and from 4 OmA to 24 OmA
  • FIG. 5 will be described in more detail in an embodiment of the present invention.
  • the light output power shows that 60% or more of the spectral component is the reflection center wavelength ABG of the Bragg grating. It is set so that it is concentrated within the full width at half maximum and 40% or less of the spectrum component is within the gain gain interval of the gain peak wavelength ⁇ LD (I) with respect to the injection current I in the case of the semiconductor laser alone. . That is, the semiconductor laser module having such a power distribution can stabilize both the optical output Pf and the monitor output current Im.
  • the power ratio between the optical output power at the reflection center wavelength and the optical output power at the gain peak wavelength ALD (I) is 10 dB or more.
  • the semiconductor laser module can be used as a guide for screening.
  • the full width at half maximum of the gain spectrum of the semiconductor laser is 1 5 nm or more.
  • the semiconductor laser has an absorption coefficient of 15 cm- 1 or less.
  • the coupling efficiency between the semiconductor laser and the optical transmission medium by the optical coupling means is 60% or more.
  • the semiconductor laser module can reduce the optical output due to coupling the optical transmission medium having the Bragg grating to the semiconductor laser, and can attain the minimum necessary conditions for the pull-in width.
  • the optical coupling means for coupling the optical transmission medium and the semiconductor laser may use either a wedge-shaped lensed fiber or an asymmetric two-lens system.
  • the semiconductor laser has a front end face coated with an antireflection film having a reflectance of 6% or less.
  • the semiconductor laser module has a pull-in width determined from parameters such as the reflectance of the antireflection film, the full width at half maximum of the gain spectrum of the semiconductor laser, the absorption coefficient, the feedback coupling efficiency, and the reflectance of the Bragg grating.
  • a PULL is set to 4 nm or more, stable characteristics can be exhibited in a narrow wavelength region.
  • the semiconductor laser is provided with a temperature control means so that a desired gain peak wavelength A LD (I) is output for a predetermined injection current I.
  • a temperature control means for example, a Peltier element can be used.
  • the control temperature is set to room temperature or the operating temperature of the semiconductor laser, for example, 25 in the case of a semiconductor laser in a 980 nm band used in a normal erbium-doped fiber amplifier (EDFA).
  • EDFA normal erbium-doped fiber amplifier
  • changing the control temperature is equivalent to changing the gain peak wavelength of the semiconductor laser, and the setting of the reflection center wavelength ⁇ BG and the gain peak wavelength of the Bragg grating is, of course, at a constant temperature. It is assumed that it will be done below.
  • the oscillation wavelength is changed by changing the temperature. It is known that This is because the gain peak wavelength of the semiconductor laser changes depending on the temperature Ta or Tc.
  • the temperature Ta indicates the temperature of the active layer of the semiconductor laser
  • the temperature Tc indicates the package temperature of the semiconductor laser.
  • the oscillation wavelength is locked by the Bragg grating reflection center wavelength A BG, and the gain peak wavelength and the reflection center If the difference from the wavelength A BG is within the pull-in width ⁇ PULL, the oscillation wavelength is always at the position of the reflection center wavelength A BG. At this time, if the relationship between the reflection center wavelength A BG and the gain peak wavelength and these setting conditions are not satisfied in the semiconductor laser module, fluctuations in optical output and monitor output current become remarkable, which is not preferable. .
  • the semiconductor laser module sets the oscillation wavelength by the Bragg grating reflection center wavelength of the optical transmission medium, and controls the temperature of the semiconductor laser.
  • the gain peak wavelength is controlled by controlling the temperature by means. This allows the semiconductor laser module to satisfy the above-described relationship between the reflection center wavelength and the gain peak wavelength and the set conditions, which is advantageous in further facilitating the selection of the semiconductor laser.
  • it is also effective to control the gain peak wavelength of the semiconductor laser by the temperature and to set the oscillation wavelength by the reflection center wavelength ABG.
  • the optical transmission medium has a reflectivity at the reflection center wavelength ABG of the Bragg grating of 3% or more.
  • FIG. 1A schematically illustrates a semiconductor laser module of the present invention.
  • FIG. 1B is a graph showing a spectral distribution of a resonance mode shape in a wavelength characteristic of gain in a GaAs / A1 GaAs semiconductor laser in a pump laser for an optical fiber amplifier.
  • Fig. 2A shows the reflection center wavelength ABG of the Bragg grating for stabilizing the optical output Pf of the semiconductor laser and the monitor output current Im, the pull-in width APULL, and the de-tuning width Adetun.
  • the gain vs. wavelength characteristic diagram showing the optimal relationship between the limit value ⁇ LIMIT of the pull-in width ⁇ PULL on the short wavelength side and the gain peak wavelengths ⁇ ( ⁇ ) and ⁇ (Ith).
  • FIG. 3A shows the measurement when mode competition occurs and mode hopping occurs temporally.
  • Fig. 3B is a spectral distribution diagram of the optical output
  • Fig. 3B is an output characteristic diagram showing the time change of the monitor output current Im measured when mode hopping occurs, converted to voltage.
  • Fig. 4B is a spectrum distribution diagram measured when the optical output Pf of the semiconductor laser and the monitor output current Im are stable
  • Fig. 4B is the time change of the monitor output current Im converted to voltage.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram relating to the oscillation wavelength with respect to the injection current of the semiconductor laser element used alone in the semiconductor laser module
  • FIG. 5 is a characteristic diagram relating to the oscillation wavelength with respect to the injection current of the semiconductor laser element used alone in the semiconductor laser module, and FIG.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of the semiconductor laser module of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing the spectrum characteristics when the semiconductor laser is in a Fabry-Perot resonance state in the semiconductor laser module.
  • FIG. 8 is a diagram showing the semiconductor laser used in the semiconductor laser module of the present invention.
  • FIG. 9A to FIG. 9C show the current dependence characteristics of the variation ⁇ Im of the monitor output current Im with respect to the injection current If in the state of the laser alone.
  • 9D shows the optical output (mW) versus the injection current (mA)
  • FIG. 10 shows the optical output (mW) versus the injection current (mA).
  • Fig. 11 shows the current dependence of the variation ⁇ Im of the monitor output current Im with respect to the injection current If (mA) of the semiconductor laser.
  • Fig. 11 shows the light used in the semiconductor laser module of Fig. 6.
  • Figure 12 shows the spectral characteristics of the grating formed in the fiber, and Fig. 12 shows the relationship between the optical output (mW) and the injection current I (mA).
  • FIG. 9 is an output characteristic diagram showing a range of an operating current I op at IB0L and IE0L considered. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • the semiconductor laser module 1 is provided with a semiconductor laser element 2, an optical fiber 3 arranged to face the semiconductor laser element 2 at a predetermined distance, and between the laser element 2 and the optical fiber 3.
  • Optical coupling means 4 is provided.
  • the semiconductor laser module 1 has the above characteristics and the like unless otherwise specified.
  • the semiconductor laser element 2 has an emission surface (front end surface) 2a for the excitation light and a reflection surface (rear end surface) 2b facing the emission surface 2a.
  • a low-reflection film having a reflectance of 1% is formed on the emission surface 2a, and a high-reflection multilayer film having a reflectance of 92% is formed on the reflection surface 2b.
  • the semiconductor laser element 2 is a GaAs / A1 GaAs-based semiconductor laser exhibiting a ripple in the gain wavelength characteristic, and has an element length of 800 m in a single state and a refractive index of the waveguide.
  • the active layer has a double quantum well (DQW) structure with a width of 4.3 j ⁇ m, a thickness of 14 nm, and a confinement coefficient of the active layer of 2.5 X It was used in the 1 0 2.
  • DQW double quantum well
  • the semiconductor laser device 2 is provided with a Peltier device 5 so that a desired gain peak wavelength A LD (I) is output for a predetermined injection current I. ⁇
  • the Luce element 5 is used at room temperature or the operating temperature of the semiconductor laser element 2, for example, 980 ⁇ used in a normal erbium-doped fiber amplifier (EDFA).
  • EDFA normal erbium-doped fiber amplifier
  • 25 is used.
  • the optical fiber 3 is an optical transmission medium having a core 3a and a clad 3b, and the core 3a is formed with a grating 3c made of Bragg darting.
  • the grating section 3c returns the optical output emitted from the emission surface 2a of the semiconductor laser element 2 to the semiconductor laser element 2 based on a predetermined coupling efficiency, and outputs the optical output to the right of the optical fiber 3 as the optical output.
  • the optical coupling means 4 optically couples the semiconductor laser element 2 and the optical fiber 3, and uses, for example, a wedge-lensed fiber in which the fiber tip is formed in a wedge shape.
  • the optical coupling means 4 is disposed at a distance of about 10 // m from the semiconductor laser element 2 and has a coupling efficiency of 60% or more between the semiconductor laser element 2 and the optical fiber 3. I do.
  • the optical coupling means 4 measured about 75% of the coupling efficiency when the wedge lensed fiber was used.
  • the oscillation wavelength gain peak wavelength
  • the horizontal axis represents the injection current If (m A)
  • the left vertical axis represents the oscillation wavelength (nm), that is, the gain peak wavelength A LD (I)
  • the right vertical axis represents the monitor output current I Di (m A).
  • the oscillation wavelength was read 10 times by a spectrum analyzer while increasing the injection current If to the semiconductor laser element 2 in steps of 2 mA.
  • 10 square marks are plotted as oscillation wavelengths for each injection current value.
  • the laser oscillation of the semiconductor laser element 2 started when the injection current was 42.4 mA, so if the threshold current I th (LD) of the semiconductor laser element 2 alone was 42.4 mA, In this case, the gain peak wavelength ⁇ LD (I th) can be read from FIG. 5 to be about 970.6 to 971.3 nm.
  • the average value of the gain peak wavelength ALD (Ith) was calculated from the values of the 10 oscillation wavelengths measured when the injection current If was 42.4 mA. It became.
  • the pull-in width ⁇ PULL of the semiconductor laser module 1 defined in claim 1 is performed from the above-mentioned physical property parameters of the semiconductor laser 2, and
  • the embedded width APULL is about 10.74 nm.
  • the detuning width Adetun defined in claim 1 is from the limit value ⁇ LIMIT on the short wavelength side of the pull-in width ⁇ PULL to the gain peak wavelength ⁇ (lop) of the semiconductor laser at the maximum operating current I op. Value.
  • the distance between the element 2 and the grating portion 3c was set to about 1 m, and the semiconductor laser 2 and the optical fiber 3 were arranged to face each other via the optical coupling means 4.
  • the semiconductor laser module 1 when the threshold current I th of the semiconductor laser 2 was measured, it was 36.5 mA.
  • the optical characteristics (dBm) with respect to the injection current (mA) were measured with a spectrum analyzer, and the optical output (mW) with respect to the injection current (mA) was converted into an optical fiber.
  • the light output characteristics measured by the power meter on the output side of No. 3 are shown in FIGS. 9A to 9D, respectively.
  • the injection current If in each figure is 30 mA (spontaneous emission region below the threshold current Ith of the semiconductor laser 2) in FIG. 9A and 36.5 mA in FIG. 9B equal to the threshold current Ith.
  • FIG. 8 shows the injection current I f (m This is the result of measuring the current dependence of the variation ⁇ I m (%) of the monitor output current Im with respect to A).
  • FIG. 10 shows the change ⁇ I m (%) of the monitor output current Im with respect to the injection current If (m A) of the semiconductor laser 2 in a state where the semiconductor laser module 1 is modularized. This is the result of measuring the current-dependent characteristics of).
  • the optical fiber 3 having the Bragg grating 3c is used as the optical transmission medium having the Bragg grating.
  • a planar optical waveguide is used. Needless to say, it may be.
  • a semiconductor laser module which is excellent in stability of an oscillation wavelength with respect to an injection current or a temperature change, and is suitable for a light source for EDFA excitation or a high-output, low-noise light source.
  • the decrease in optical output due to the semiconductor laser being combined with the optical transmission medium by the optical coupling means to form a module is reduced by the threshold current I th ( It can be supplemented by injecting the same operating current as LD). Therefore, in the semiconductor laser module, the deterioration of characteristics and the decrease in reliability due to the optical damage (COD) due to the increase in the optical power density at the semiconductor laser end face are suppressed, and the maximum operation from the threshold current I th It is possible to extend the width of the injection current to the current l op.
  • the threshold current I th It can be supplemented by injecting the same operating current as LD. Therefore, in the semiconductor laser module, the deterioration of characteristics and the decrease in reliability due to the optical damage (COD) due to the increase in the optical power density at the semiconductor laser end face are suppressed, and the maximum operation from the threshold current I th It is possible to extend the width of the injection current to the current l op.
  • the second invention Is that the oscillation wavelength A LD (I th) at the threshold current I th (LD) of the semiconductor laser alone is shorter than the oscillation wavelength of the modularized semiconductor laser. For this reason, the semiconductor laser module is more stable than the case where the oscillation state of the semiconductor laser is single.
  • the semiconductor laser module can further stabilize the optical output P f and the monitor output current Im of the semiconductor laser.
  • the semiconductor laser module does not have to forcibly increase the pull-in width, and can increase the pull-in width by increasing the coupling efficiency between the optical transmission medium and the semiconductor laser. it can.
  • the semiconductor laser module can easily know what characteristics a semiconductor laser should be used based on data on the semiconductor laser.
  • the semiconductor laser module can use a general GaAs / A1 GaAs semiconductor laser exhibiting ripples in gain wavelength characteristics.
  • the semiconductor laser module can stabilize both the optical output P f and the monitor output current I ra.
  • the semiconductor laser module can be used as a guide for screening by utilizing the power ratio.
  • the semiconductor laser module suppresses a decrease in optical output caused by coupling an optical transmission medium having a Bragg grating to the semiconductor laser, and provides a pull-in width.
  • the minimum required conditions can be achieved.
  • the semiconductor laser module comprises: a reflectance of the antireflection film, a full width at half maximum of a gain spectrum of the semiconductor laser, an absorption coefficient, a feedback coupling efficiency, and a reflection center wavelength A of the Bragg grating.
  • the pull-in width A PULL determined by parameters such as the reflectance of BG is 4 nm or more, Stable oscillation characteristics can be exhibited within a long region.
  • the gain peak wavelength can be appropriately controlled.

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Description

明 細 書 半導体レーザモジュール 技 術 分 野
本発明は、 レーザ光を出力する半導体レーザモジュールに関し、 更に詳 しくは E r 3 +、 A 1 3 +ド一プファイバ増幅器（EDFA: Erbium Doped Fiber Amplifier)の励起用半導体レーザモジュールに関する。 背 景 技 術
従来、 発光素子から出射される光の波長を安定させるためには、 マルチ モード発振レーザの光を何らかの手段によって光帰還させることにより、 レーザの発振波長を単一モード化する手段が用いられてきた。
このようなレーザとして、 例えば、 半導体レーザ素子の活性層に回折格 子を形成した分布帰還型 （DFB: Distributed Feed Back)レーザや、 半導体 レーザ素子の半導体媒質からなる導波路部分の長手方向に沿って、 ブラッ グ波長と異なる出射光に対して透明な反射特性を有する反射回折格子を形 成することにより、 活性層に光を反射 （帰還） させる分布ブラッグ反射型 (DBR: Distributed Bragg Reflector)レーザ等がある。
また、 近年、 コア内の屈折率を軸方向に沿って変化させることにより、 光ファイバに光の回折機能を付与した光ファイバグレーティ ング（FBG: fiber Bragg grating)の急激な発展に伴い、 各種光ファイバグレーティン グ付きレーザ技術が開示されている。 例えば、 電子情報通信学会の信学技 報 OPE97— 1 号には、 加藤他によって 「ファイバグレーティング外部共振器 型多波長レーザアレイ」 が、 同 OPE97 - 2号には、 田中他によって 「UV誘 起導波路ダレ一ティングとその集積化外部共振器レ一ザへの応用」 が、 そ れぞれ開示されている。 更に、 EDFA 励起用 の光源と しては、 2 nd Optoelectronics & Communications Conference (OECC ' 97) Technical Digest, July 1997, Seoul, Korea において、 1480 n m帯域のポンプレーザを光ファイバグレー ティング（FBG)によって波長安定化する技術が Atsushi Hamakawa et. al.に よって報告されている （予稿集分類 9 D 2— 5 , 第 224〜225 ページ， 「 1480 nm pump fiber - grating external-cavi ty-laser with two fiber gratings」 ） 。
しかしながら、 上記文献に開示された、 例えば、 DFBレーザや DBRレーザ は、 発振スペクトルが単一モードで、 専ら光通信用の光源に用いられてい るため、 EDFAの増幅用には適していない。
また、 前記信学技報で加藤他や田中他が開示した外部共振器型レーザに は、 以下のような問題がある。
1) 上記外部共振器型レーザは、 単一モード発振レーザで、 使用温度が 数 以上変化すると、 発振モードの中心波長が変化するモードホップが生 じ、 発振波長の温度変化に対する安定度が悪い。
2) 上記外部共振器型レーザは、 前端面の反射防止膜の反射率を極端に小 さくする必要があるため、 製造が難しい。 また、 上記外部共振器型レーザ は、 前記反射防止膜の反射率を等価的に小さくするため、 レーザ光の出射 角度をレーザの劈開面に対して傾斜させた構造とする場合が多い。 このた め、 このような構造の外部共振器型レーザでは、 レーザ光の光ファイバに 対する結合効率の低下や、 光ファイバに対する調芯固定が非常に難しいと いう問題があった。
3) 上記外部共振器型レーザは、 外部共振器を構成するレーザ素子の出射 面と光帰還を行う回折格子との間隔が小さいため、 モジュールを組み立て る工程が煩雑で、 平面実装等の特殊な手段を用いる必要がある。
4) 上記外部共振器型レーザは、 出力パワーが小さく、 EDFA の励起用光源 として不適である。 また、 Atsushi Hamakawa et. al.が報告した技術は、 InGaAsP/lnP系の半 導体薄膜を用いた波長 1480nmの大パワーの EDFAの励起には適しているが、 以下のような問題がある。
1) 前記技術は、 回折格子として、 2つの波長を反射する特殊な光フアイ バグレーティングを使用しなければならない。
2) 前記技術は、 使用温度の変化による発振波長の変化量が、 少ないとは いえ 2. 6 nm程度ある。
3) 前記技術は、 同様の構造で GaAs/AlGaAs 系の半導体レーザに応用する ことができない。 これは、 InGaAsP/InP 系の半導体レーザは、 光学損傷 (COD: catastrophic optical damage)による劣化が生じなく、 出射光のモ —ドフィールドパターンが円形である。 これに対し、 GaAs/AlGaAs系の半導 体レーザは、 前記 COD に伴う劣化があるうえ、 モードフィールドパターン が楕円形状となるため、 2レンズ系による光ファイバとのモ一ド結合効率 が非常に悪いからである。
4) 一方、 GaAs/AlGaAs系で、 利得リプルのない波長特性がランダムなマル チモ一ド発振の半導体レーザは、 光ファイバグレーティング（FBG)を結合し てモジュール化することにより、 発振波長の安定化を図ることができる。 しかし、 この半導体レーザは、 外付けした F B Gの曲げ状態、 作用する応 力や歪み等により、 光ファイバの偏波状態が常に変化する。 このため、 こ のような半導体レ一ザを用いたモジュールでは、 光出力やモニタ出力電流 がー見安定しているように見えても、 光ファイバに僅かに触れるだけで、 モニタ出力電流の値が一桁変化してしまう。 即ち、 このような半導体レー ザモジュールでは、 光ファイバの偏波状態やファイバ形状等によって作動 特性が大きく変化してしまうという問題がある。
5) 更に、 光ファイバグレーティング（FBG)を結合した半導体レーザモジュ —ルでは、 F B Gのモードで発振する光と、 フアブリ 'ペロー （FP: Fabry Perot) モードで発振する光との間におけるモード競合により、 モードホッ プによって生じた半導体レーザ前端面での光出力のパワー変動と、 光出力 のモニタリングに用いられる後端面での光出力のパワー変動が問題となる。 特に、 この場合、 半導体レーザ後端面のモニタ側におけるパワー変動 (半導体レーザモジュールでは、 後端面側の光出力がフォトダイォードに よって電流に変換されている） またはモニタ出力電流の変動は、 半導体レ 一ザの前端面に比べて敏感である。
ところで、 半導体レーザは、 光出力を自動制御するためにモニタ出力電 流が使用されている。 このとき、 半導体レーザは、 モードホップやモード 競合等が発生すると、 モニタ出力電流が時間的に矩形状あるいはスパイク 状に変化するので、 自動制御ができなくなる。 しかも、 半導体レーザは、 モニタ出力電流が矩形状に小さくなると、 一定の光出力を保とうとして大 きな電流が流れ込んで、 破壊するおそれがあり、 作動上の信頼性に大きな 問題があった。
本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、 半導体レーザに注入される 動作電流や温度変化に対する発振波長の安定度に優れ、 EDFA 励起用の光源 や高出力で低雑音の光源に適した半導体レーザモジュールを提供すること を目的とする。 発 明 の 開 示
本発明の半導体レーザモジュールは、 ブラッググレーティングの反射中 心波長 A BG と半導体レーザに注入される動作電流、 即ち、 注入電流 （ I ) に対する利得ピーク波長 A LD (I)との関係に着目し、 モードホップゃモ一ド 競合等によって生ずる光出力の変動やモニタ出力電流の変動等を実用上問 題のない無視し得る範囲に抑えるもので、 以下の手段を用いる。
即ち、 光ファイバアンプ用のポンプレーザで、 利得の波長特性において 第 1 A図に示す自然放出領域における共振モード形状及び第 1 B図に示す 純利得形状を有する G a A s / A 1 G a A s系半導体レーザにおいて、 ブ ラッググレーティング等の光帰還手段を用いて外部共振器型の半導体レー ザモジュールを構成する場合、 ブラッググレーティングの反射中心波長 λ
BG と半導体レーザの利得ピーク波長との関係において、 以下に説明する特 徴を有しているモジュールとする。
ここで、 最大の動作電流 I op及び引込み幅 APULL の意味について説明し ておく。
最大の動作電流 l op とは、 通常、 半導体レーザの発振が保証される最大 の注入電流をいう。 半導体レーザは、 注入電流がある値を越えると、 光出 力が飽和し、 注入電流に対する光出力の関係が線形的な関係から外れるが、 この場合はいわゆるキンク現象である。 また、 大きな電流を注入してキン ク現象が生じた場合、 半導体レーザを構成する各構成層の屈折率がプラズ マ効果やバンドフイリング（band- filling)効果等によって小さくなる。 こ のため、 半導体レーザは、 活性層で生ずる光を閉じ込めることができなく なり、 光出力放射角度が変わり、 光出力が大きく変化してしまう。 このよ うなキンク現象が発生する注入電流は、 通常、 キンク電流と呼ばれる。 従 つて、 半導体レーザモジュールにおいては、 通常、 モジュールの信頼性を 考慮して、 半導体レーザの最大の動作電流 I op をキンク電流における出力 パワーの 1 5〜 2 0 %程度低い値に相当する電流値に設定している （第 1 2図点線参照） 。
更に、 第 1 2図に示した注入電流 I (mA) に対する光出力 （mW) の 出力特性図に基づいて詳しく説明する。 第 1 2図において、 キンク現象が 生じる光出力を P kink とし、 光出力 P kinkから 20 %ダウンしたときの光 出力を Popとした場合、 光出力 Popに対応する動作電流値が lopである。 このとき、 第 1 2図において、 実線は劣化が始まっていない半導体レーザ の初期特性で、 光出力 Pop に対応する注入電流値は I B0L(begin of life) となる。 一方、 半導体レーザを使い始めると、 経時劣化が起き、 劣化が進 んでも一定の出力を保っために、 半導体レーザはある所定の動作電流以上 にならないことを保証する必要がある。 このときの注入電流の最大値を I EOLCend of life)とする。 すると、 本発明でいう最大の動作電流 I op は、 第 1 2図に矢印で示す Δ lopの範囲に設定する必要がある。
一方、 引込み幅 λΡΙΠ とは、 ブラッググレ一ティングの反射中心波長 λ BG と、 前記半導体レーザモジュールの発振モードが前記ブラッググレーテ ィングモードからフアブリ · ベロ一モ一ドに変わるときの利得ピーク波長 との差をいう。 例えば、 半導体レ一ザモジュールにおいて、 ブラッグダレ 一ティングの反射中心波長 ABG と半導体レーザにフアブリ 'ペロー発振が 生じたときの利得ピーク波長 との差 （==ABG— の値が引込み幅 APULL となる。 本明細書においては、 特にこのフアブリ 'ペロー発振が生 じたときの利得ピーク波長 AFP を、 ブラッググレーティングモード発振が 持続できる短波長側における引込み幅 λ PULLの限界値； I LIMITという。 そして、 本発明の半導体レーザモジュールは、 半導体レーザの安定した 光出力と狭帯域発振波長 （例えば、 5 nm以下の） 及びモニタ出力電流特 性を得るため、 利得波長特性にリプルを示す G a A s ZA 1 G a A s系の 半導体レーザとブラッググレ一ティングを有する光伝送媒体とが光結合手 段によって光結合された外部共振器型の半導体レーザモジュールにおいて、 モジュール化された前記半導体レーザが閾値電流 I th で駆動されている場 合の利得ピーク波長 λ (Ith)が、 前記ブラッググレーティングの反射中心波 長 よりも短波長側に設定され、 最大の動作電流 I op における前記半導 体レーザの利得ピーク波長 λ (lop)は利得ピーク波長 λ (Ith)よりも長波長 側で、 下記に定義される半導体レーザモジュールの引込み幅 APULL 及び デ ·チューニング幅 Adetun に関し、 デ 'チューニング幅； de tunが引込み 幅 λ PULLよりも小さく、 その差 （=APULL— Adetun) が前記ブラッググレ —ティングの反射スペク トルの半値全幅よりも大きく、 かつ、 利得ピーク 波長 λ (Ith)が下記限界値 λ ΜΙΤ よりも長波長に設定された構成としたの である。 このとき、 半導体レーザモジュールの引込み幅 APULL とは、 前記ブラッ ググレーティングの反射中心波長 ABG と、 前記半導体レーザモジュールの 発振モードが前記ブラッググレーティングモードからフアブリ 'ベロ一モ —ドに変わるときの利得ピーク波長との差をいう。 また、 デ 'チューニン グ幅 Adetunとは、 引込み幅 λ PULLの短波長側の限界値え LIMITから利得ピ —ク波長 λ (lop)までの波長範囲をいう。
半導体レーザモジュールは、 上記のように構成することにより半導体レ 一ザの光出力及びモニタ出力電流を安定化させることができる。
好ましくは、 半導体レーザモジュールは、 前記半導体レーザ単独の閾値 電流 I th(LD)を、 モジュール化されたときの閾値電流 I th よりも大きく、 かつ、 閾値電流 I th(LD)における発振波長 ALD(Ith)を、 モジュール化され た前記半導体レーザの発振波長に比べて短くする。
ここで、 第 2A図は、 半導体レーザの光出力 Pf 及びモニタ出力電流 Im を安定化させるブラッググレーティングの反射中心波長 λ BG、 引込み幅 λ PULL, デ ·チューニング幅 Adetun、 引込み幅 λ PULLの短波長側の限界値 λ
LIMIT及び利得ピーク波長 λ (Ιορ), λ (Ith)の最適な関係を示す利得対波長 特性図である。
一方、 第 2 B図は、 半導体レーザのモニタ出力電流 I mが著しく不安定な 場合における、 ブラッグダレ一ティングの反射中心波長 ABG、 引込み幅 λ PULL, デ 'チューニング幅 Adetuiu 引込み幅 λ PULLの短波長側の限界値 λ LIMIT及び利得ピーク波長 λ (Ιορ), λ (Ith)の関係を示す利得対波長特性図 である。 このとき、 第 2 B図において、 それぞれ、 ①は、 ブラッググレー ティングの反射中心波長 ABG に関し反射スぺクトルの半値全幅を Δ ABG と すると、 利得ピーク波長 ALD(Iopl)が波長 （= APULL—△ よりも大 きくなつた場合、 ②は、 利得ピーク波長 λ (Iop2)が反射中心波長 ABG (= APULL+ λ LIMIT) よりも大きくなつた場合のデ 'チューニング幅 λ detun である。 デ ·チューニング幅え detunが①の状態においては、 半導体レーザは、 発 振モードがブラッググレーティングの反射中心波長 ABG の半値全幅△ ABG 内で競合し、 モニタ出力電流 Imが数％以上変動するうえ、 発振モードの時 間的な変化はスパイクまたは矩形状となる。
また、 デ 'チューニング幅 λ detunが②の状態においては、 ブラッグダレ 一ティングの反射中心波長 の近傍に点線で示す多くの利得リプルピ一 クが存在し、 半導体レーザの発振モードは、 反射中心波長 ABG の近傍領域 に存在する。 即ち、 利得差の少ない領域範囲内に反射中心波長 ABG が位置 するため、 半導体レーザの発振モードが利得リプルのピーク波長 λ LD(Iopl), λ (Iop2)とブラッググレーティングの反射中心波長 との間 で競合し、 モニタ出力電流 Imが数％以上変動するうえ、 発振モードの時間 的な変化はスパイク又は矩形状となる。
第 3A， 3 B図は、 半導体レーザのモニタ出力電流 I mが著しく不安定な 場合である第 2 B図の状態に対応する。 第 3 A図は、 モード競合が発生し、 時間的にモードホッビングが発生している場合に測定された 2つの発振状 態における光出力のスペクトル分布図である。 第 3 B図は、 モードホッピ ングが発生した場合に測定されたモニタ出力電流 I mの時間変化を電圧に換 算して示した出力特性図である。
一方、 比較のため、 半導体レーザの光出力 Pf 及びモニタ出力電流 I inが 安定した第 2 A図に示す状態のときに測定されたスペクトル分布図と、 モ 二夕出力電流 I mの時間変化を電圧に換算して示した出力特性図とを第 4 A 図及び第 4 B図に示す。 ここで、 第 3 B図と第 4 B図は、 縦軸と横軸の目 盛りが異なることに注意されたい。
また、 半導体レーザは、 単独の状態における閾値電流 I th(LD)が、 モジ ユール化されたときの閾値電流よりも大きい。 言い換えると、 半導体レー ザは、 単独の状態における閾値電流 I th(LD)に比べると、 モジュール化さ れた方が閾値電流 I th が小さい （ I th< I th(LD)) 。 このため、 半導体レ 一ザは、 光結合手段によって光伝送媒体と結合されてモジュール化される ことによる光出力の低下を、 半導体レーザ単独の状態における閾値電流 I th (LD)と同じ動作電流を注入すれば補うことができる。
従って、 本発明の半導体レーザモジュールは、 半導体レーザ端面におけ る光パワー密度の増大による前記光学損傷（COD)に起因した特性の劣化や信 頼性の低下等が抑制され、 閾値電流 I th から最大の動作電流 l op まで注入 電流の幅を広げることが可能となる。
また、 本発明の半導体レーザモジュールは、 半導体レーザ単独の閾値電 流 I th (LD)における発振波長 A LD (I th)が、 モジュール化された半導体レ一 ザの発振波長に比べて短い。 このため、 半導体レーザモジュールは、 半導 体レーザの発振状態が単独の場合よりも安定し易い。 これは、 第 1 B図又 は第 7図からも明らかなように、 利得リプルを示す半導体レーザの利得ピ ーク同士を比較した場合、 ピークの利得リプルに対して短波長側にあるサ ブピークの方が、 長波長側のサブピークよりも高さが高いからである。
このため、 本発明の半導体レーザモジュールは、 反射中心波長 A BG を利 得リプルのピーク波長よりも長波長側に設定した方が、 短波長側に設定す るよりもマイナーなレーザ発振が起き難い。 即ち、 本発明の半導体レーザ モジュールは、 反射中心波長 A BG を利得リプルが多く存在する波長領域に 設定せず、 利得リプルの少ない波長領域に設定した方が、 ブラッググレ一 ティングモードとフアブリ ·ペローモードとの競合を低減させることがで きる。 言い換えると、 本発明の半導体レーザモジュールは、 このように選 定した反射中心波長 A BG における半導体レーザの発振モ一ドが他の発振し 易いフアブリ ·ペローモ一ドと離れているため、 ブラッググレーティング モ一ドの発振状態が安定している。
従って、 本発明の半導体レーザモジュールは、 半導体レーザの光出力 P f やモニタ出力電流 I m等を不安定にさせる原因であるブラッググレーティン グにおける反射中心波長 A BGの半値全幅 Δ A BG内でのモード競合が起き難 くなり、 ブラッググレーティングモードとフアブリ 'ペローモードとの競 合作用を効果的に低減させることができるのである。
好ましくは、 半導体レーザモジュールは、 前記ブラッググレーティング の反射中心波長 A BGを、 前記半導体レーザの利得ピーク波長 λ (l op)に比べ て、 少なくとも第 1 B図に示した 1利得リプル分長波長側 （例えば、 第 1 B図から 3 n m長波長側） に設定する。 これにより、 半導体レーザモジュ ールは、 半導体レーザの光出力 P f 及びモニタ出力電流 I m をより安定させ ることができる。
これは、 利得波長特性にリプルを有する半導体レーザは、 主利得ピーク 波長と近い利得を有する 1利得リプル分長波長側にあるサブピーク波長で も発振する可能性がある。 上述のように設定しないと、 このような半導体 レーザは、 このサブピーク波長でフアブリ ·ペローモードが発振した場合、 反射中心波長 A BG の半値全幅 A A BG内で発振するブラッググレーティング モードと競合し、 光出力 P f やモニタ出力電流 I m等に変動が生じるからで ある。
また好ましくは、 半導体レーザモジュールは、 前記半導体レーザの利得 リプル間隔を 3. 5 n m以下とし、 モードホッピングする場合には、 モード ホップ量を 3. 5 n m以下とする。 これにより、 半導体レーザモジュールは、 引込み幅を無理に広げないで済む。
即ち、 半導体レーザモジュールは、 前記ブラッググレーティングの反射 率を増加させることで引込み幅を広くすることができるが、 反射率が増加 すると光出力の低下が避けられないからである。 一方、 半導体レーザモジ ユールは、 半導体レ一ザの前端面にコートされた反射防止膜の反射率を下 げることで引込み幅を広くすることができる。 しかし、 半導体レーザモジ ユールは、 前記反射防止膜の反射率を 1 %以下に下げることは、 製造工程 上非常に難しいからである。 更に、 半導体レーザモジュールは、 光伝送媒 体と半導体レーザとの結合効率を高めることで引込み幅を広くすることが できる。 しかし、 半導体レーザは、 その縦モードフィールドや横モードフ ィールドが光伝送媒体のモードフィ一ルドと異なるので、 簡単に光伝送媒 体との間で高い結合効率を得ることが難しい。
更に好ましくは、 半導体レーザモジュールは、 前記半導体レーザにおけ る注入電流当たりの利得ピーク波長の長波長側へのシフト量の比をシフト 比 As (nmZmA) としたとき、 前記ブラッググレーティングの反射中心 波長 と利得ピーク波長 λ (Ith)との差を、 前記シフト比 As と、 前記最 大の動作電流 l op と閾値電流 I th との差との積に関し、 [ ABG— λ LD(Ith)] >AsX ( I op- I th) のように大きく設定する。 これにより、 半導体レ一ザモジュールは、 半導体レーザに関するデータに基づき、 どの ような特性を有する半導体レーザを用いればよいかを簡単に知ることがで さる。
これは、 半導体レーザの製造過程においては、 仕様を満足するうえで、 各製造ロッ 卜の経験及び製造データの累積により、 完成した半導体レーザ における注入電流によるシフ卜比 ASをほぼ再現性よく管理することができ るからである。 しかも、 半導体レーザにおいて、 AsX ( I op— I th) の値 は常にコントロールされている。 このため、 半導体レーザモジュールは、 半導体レーザの閾値電流 I thにおける利得ピーク波長 λ (Ith)と、 前記ブラ ッググレーティングの反射中心波長 とが分かれば、 使用すべき半導体 レーザを容易に選択することができるからである。
好ましくは、 半導体レーザモジュールは、 前記ブラッググレーティング の反射中心波長 ABGと利得ピーク波長 λ (Ith)との差を 7 nm以上に設定す る。 これにより、 半導体レーザモジュールは、 利得波長特性にリプルを示 す GaA s ZA 1 G a A s系の一般的な半導体レーザを用いることができ る。
一般に、 半導体レーザは、 注入電流を増加させると利得ピーク波長 λ (Ith)が短波長側にシフ卜するバンドフイリング効果と、 長波長側にシフ卜 する温度上昇効果とを有している。 このとき、 バンドフィリング効果は、 低い電流値側で顕著に現われ、 温度上昇効果は高い電流値側で顕著に現わ れることが知られている。 この二つの効果は、 複雑に絡み合っているが、 経験則に基づけば、 注入電流の増加に伴って利得ピーク波長 λ (Ith)が長波 長側にシフトするときのシフト比 Asの平均値は 0.02〜0.03 (nm/ mA) となっている。
このため、 例えば、 1 0 OmW級の出力を有する 980 nm帯域の半導 体レーザ単独の場合には、 第 5図に示すように、 発振閾値電流が約 40m Aで、 4 OmAから 24 OmAまでの注入電流 I f の増加量は 20 OmAで、 注入電流 I f による発振波長のシフト量は 5 nm ( = 976- 971 nm) 程度で ある。 従って、 半導体レーザモジュールは、 リプル量も考慮すると、 反射 中心波長 ABGと利得ピーク波長 λ (Ith)との差 （= ABG— ALD(Ith)) が 7 nm以上となるように、 反射中心波長 ABGを選定すれば良いことが分かる。 第 5図については、 後の発明の実施形態で更に詳しく説明する。
更に詳しくは、 上記のように設定した半導体レーザモジュールは、 光出 力の波長特性に注目してみると、 光出力パワーは、 スペクトル成分の 6 0 %以上が前記ブラッググレーティングの反射中心波長 ABGの土半値全幅 内に集中され、 かつ、 スペクトル成分の 40 %以下が、 前記半導体レーザ 単独の場合の注入電流 Iに対する利得ピーク波長 λ LD(I)の士 1利得リプル 間隔内にあるように設定する。 即ち、 このようなパワー分布を有する半導 体レーザモジュールは、 光出力 Pf及びモニタ出力電流 Imともに安定にす ることができる。
このとき、 好ましくは、 前記反射中心波長 における光出力パワーと、 前記利得ピーク波長 ALD(I)における光出力パワーとのパワー比を 1 0 d B 以上とする。 このパワー比により、 半導体レーザモジュールは、 スクリ一 ニングの目安とすることができる。
また好ましくは、 前記半導体レーザの利得スペクトルの半値全幅は、 1 5 n m以上とする。
更に好ましくは、 前記半導体レーザは、 吸収係数を 1 5 c m— 1以下とす る。
好ましくは、 前記光結合手段による前記半導体レーザと前記光伝送媒体 との結合効率を 6 0 %以上とする。 このようにすると、 半導体レーザモジ ユールは、 ブラッググレーティングを有する光伝送媒体を半導体レーザに 結合することによる光出力の低下や、 引込み幅に最低限必要な条件等を達 成することができる。
このとき、 光伝送媒体と半導体レーザとを結合する光結合手段は、 楔型 レンズドファイバあるいは非対称 2レンズ系のいずれを用いてもよい。 また好ましくは、 前記半導体レーザは、 前端面に反射率 6 %以下の反射 防止膜をコーティングする。 このとき、 半導体レーザモジュールは、 前記 反射防止膜の反射率、 半導体レーザの利得スペクトルの半値全幅、 吸収係 数、 帰還結合効率及び前記ブラッググレーティングの反射中心波長 の 反射率等のパラメータから決まる引込み幅 A PULL を 4 n m以上にすると、 狭波長領域内で安定な特性を発揮することができる。
更に好ましくは、 前記半導体レーザは、 所定の注入電流 Iに対して所望 の利得ピーク波長 A LD (I)が出力されるように温度制御手段を設ける。 温度 制御手段としては、 例えば、 ペルチェ素子を使用することができる。 制御 温度としては、 室温あるいは半導体レーザの使用温度、 例えば、 通常のェ ルビゥムドープファイバ増幅器（EDFA)に使用されている 9 8 0 n m帯域の 半導体レーザの場合には、 2 5 とする。
このとき、 制御温度を変えることは、 半導体レーザの利得ピーク波長を 変化させることと等価で、 前記ブラッググレーティングの反射中心波長 λ BG 及び利得ピーク波長の設定は、 当然のことであるが一定温度の下で行う ことが前提である。
ところで、 半導体レーザにおいては、 温度を変えることで発振波長を変 化させることが知られている。 これは、 半導体レーザは、 温度 T a 又は T c によって利得ピーク波長が変化するからである。 ここで、 温度 T aは半導体 レーザの活性層温度を、 温度 T cは半導体レーザのパッケージ温度を、 それ ぞれ示す。
しかし、 ブラッググレーティングを有する光伝送媒体が結合された半導 体レーザの場合、 利得ピーク波長が変化しても発振波長はブラッググレー ティングの反射中心波長 A BG によってロックされ、 利得ピーク波長と反射 中心波長 A BG との差が引込み幅 λ PULL の範囲内であれば、 発振波長は常に 反射中心波長 A BG の位置にある。 このとき、 半導体レーザモジュールにお いて、 反射中心波長 A BG と利得ピーク波長との関係並びにこれらの設定条 件が満足されていないと、 光出力やモニタ出力電流の変動が著しくなるの で好ましくない。
従って、 半導体レーザモジュールは、 半導体レーザをある規定された波 長内で発振させたいときには、 その発振波長を光伝送媒体のブラッググレ —ティングの反射中心波長によって設定し、 かつ、 半導体レーザを温度制 御手段によって温度制御することで利得ピーク波長を制御する。 これによ り、 半導体レーザモジュールは、 前記した反射中心波長 と利得ピーク 波長との関係並びに設定条件を満足させることも可能で、 半導体レーザの 選定をより一層容易にするうえで有利である。 本発明の半導体レーザモジ ユールは、 このようにして半導体レーザの利得ピーク波長を温度によって 制御し、 かつ、 発振波長を反射中心波長 A BG によって設定することも有効 である。
好ましくは、 前記光伝送媒体は、 ブラッググレーティングの反射中心波 長 A BGにおける反射率を 3 %以上とする。 図面の簡単な説明
第 1 A図は、 本発明の半導体レーザモジュールの概略を説明するもので、 光ファイバアンプ用のポンプレ一ザで G a A s /A 1 G a A s系半導体レ 一ザにおける、 利得の波長特性における共振モード形状に関するスぺクト ル分布図、 第 1 B図は、 純利得形状に関するスペクトル分布図、 第 2 A図 は、 半導体レーザの光出力 Pf 及びモニタ出力電流 I m を安定化させるブラ ッググレーティングの反射中心波長 ABG、 引込み幅 APULL、 デ 'チュー二 ング幅 Adetun、 引込み幅 λ PULL の短波長側の限界値 λ LIMIT 及び利得ピー ク波長 λ (Ιορ)， λ (Ith)の最適な関係を示す利得対波長特性図、 第 2 B図 は、 半導体レーザのモニタ出力電流 Imが著しく不安定な場合における、 前 記各要素の関係を示す利得対波長特性図、 第 3 A図は、 モード競合が発生 し、 時間的にモードホッピングが発生している場合に測定された 2つの発 振状態における光出力のスペク トル分布図、 第 3 B図は、 モードホッピン グが発生した場合に測定されたモニタ出力電流 I mの時間変化を電圧に換算 して示した出力特性図、 第 4 A図は、 半導体レ一ザの光出力 Pf 及びモニタ 出力電流 I mが安定した状態のときに測定されたスぺクトル分布図、 第 4 B 図は、 モニタ出力電流 I mの時間変化を電圧に換算して示した出力特性図、 第 5図は、 半導体レーザモジュールに使用された、 半導体レ一ザ素子単独 の注入電流に対する発振波長に関する特性図、 第 6図は、 本発明の半導体 レーザモジュールの概略構成図、 第 7図は、 半導体レーザモジュールにお いて、 半導体レーザがフアブリ ·ペロー共振状態にあるときのスぺクトル 特性図、 第 8図は、 本発明の半導体レーザモジュールで使用した半導体レ
—ザ単独の状態における注入電流 I f に対するモニタ出力電流 I mの変化量 Δ I mの電流依存特性図、 第 9 A図〜第 9 C図は、 本発明の半導体レーザモ ジュールにおける、 注入電流 （mA) に対する光出力 （d Bm) のスぺク トル特性図、 第 9 D図は、 注入電流 （mA) に対する光出力 （mW) の光 出力特性図、 第 1 0図は、 半導体レーザモジュールにおける半導体レーザ の注入電流 I f (mA) に対するモニタ出力電流 I m の変化量 Δ I m の電流 依存特性図、 第 1 1図は、 第 6図の半導体レーザモジュールで使用する光 ファイバに形成されたグレーティング部のスぺク トル特性図、 及び第 1 2 図は、 光出力 （mW) と注入電流 I (m A ) との関係により、 半導体レー ザの初期特性及び経時劣化を考慮した I B0L， I E0L における動作電流 I op の範囲を示した出力特性図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 本発明の一実施形態を第 5図乃至第 1 1図に基づいて詳細に説明 する。
半導体レーザモジュール 1は、 第 6図に示すように、 半導体レーザ素子 2、 半導体レーザ素子 2と所定間隔離して対向配置される光ファイバ 3及 びレーザ素子 2と光ファイバ 3の間に配置される光結合手段 4を備えてい る。
ここで、 半導体レーザモジュール 1は、 特に断らない限り前記の特性等 を有している。
半導体レーザ素子 2は、 励起光の出射面 （前端面） 2 aと、 出射面 2 a と対向する反射面 （後端面） 2 bとを有している。 半導体レーザ素子 2は、 出射面 2 aに反射率 1 %の低反射膜が、 反射面 2 bに反射率 9 2 %の高反 射多層膜が、 それぞれ形成されている。
ここで、 半導体レーザ素子 2は、 利得波長特性にリプルを示す G a A s / A 1 G a A s系の半導体レーザで、 単独の状態における素子長が 8 0 0 m、 導波路の屈折率が約 3. 4、 吸収係数が 8 c m_ 活性層はダブル量 子井戸 （D Q W) 構造で、 幅 4. 3 j^ m、 厚さ 1 4 n m、 活性層の閉込係数 が 2. 5 X 1 0 2のものを使用した。
また、 半導体レーザ素子 2は、 所定の注入電流 Iに対して所望の利得ピ ーク波長 A LD (I)が出力されるようにペルチェ素子 5が設けられている。 ぺ ルチェ素子 5は、 室温あるいは半導体レーザ素子 2の使用温度、 例えば、 通常のエルビウムドープファイバ増幅器（EDFA)に使用されている 9 8 0 η m帯域の半導体レーザの場合には、 2 5でとする。
光ファイバ 3は、 コア 3 aとクラッド 3 bとを有する光伝送媒体で、 コ ァ 3 aにはブラッグダレ一ティングからなるグレ一ティング部 3 cが形成 されている。
グレーティング部 3 cは、 半導体レーザ素子 2の出射面 2 aから出射さ れた光出力を所定の結合効率に基づいて半導体レーザ素子 2へ戻すと共に、 光出力として光ファイバ 3の右方へと出力する光帰還媒体である。 グレー ティング部 3 cは、 コア 3 a内に光軸に沿って屈折率を変化させることに より形成され、 第 1 1図に示すスペクトル特性のように、 反射中心波長 λ BG ( = 9 7 8. 9 5 n m) における反射率が 1 1. 2 %、 反射中心波長 A BG の 半値全幅 Δ A BGが 0. 5 1 n mとなるように形成されている。 従って、 ダレ 一ティング部 3 cは、 第 1 1図からはユニフォームグレーティングである が、 光ファイバ 3に形成するブラッググレーティングは、 例えば、 チヤ一 ブトグレ一ティングゃ長周期グレーティング等、 他のタイプのものを使用 しても良いことは言うまでもない。
光結合手段 4は、 半導体レーザ素子 2と光ファイバ 3とを光結合するも ので、 例えば、 ファイバ先端が楔形状に成形された楔レンズドファイバを 使用する。 光結合手段 4は、 半導体レーザ素子 2との間に約 1 0 // mの距 離をおいて配置され、 半導体レーザ素子 2と光ファイバ 3との結合効率が 6 0 %以上のものを使用する。 光結合手段 4は、 前記楔レンズドファイバ を使用した時の結合効率を測定したところ約 7 5 %であった。
ここで、 半導体レーザ素子 2単独の注入電流に対する発振波長 （利得ピ —ク波長） を測定したところ第 5図に示す結果が得られた。 第 5図におい て、 横軸は注入電流 I f (m A ) 、 左縦軸は発振波長 （n m) 、 即ち、 利得 ピーク波長 A LD (I)、 右縦軸はモニタ出力電流 I Di (m A ) である。 この測 定に当たっては、 半導体レーザ素子 2への注入電流 I f を 2 mA刻みで増加 しながらスぺク トルアナライザで発振波長を 1 0回ずつ読み取った。 従つ て、 第 5図は、 各注入電流値当たり 1 0個の四角いマークが発振波長とし て打点されている。
第 5図から明らかなように、 注入電流が 42.4 m Aのときに半導体レー ザ素子 2のレーザ発振が開始したので、 半導体レーザ素子 2単独の閾値電 流 I th(LD)を 42.4mAとすると、 そのときの利得ピーク波長 λ LD(I th)は 第 5図から約 9 70.6〜 9 71.3 nmと読み取れる。 このとき、 第 5図に おいて、 注入電流 I f が 42.4 m Aのときに測定された 1 0個の発振波長の 値から利得ピーク波長 ALD(Ith)の平均値を算出すると、 約 970.8 nmと なった。
また、 第 5図から、 注入電流 I fが 1 20〜 1 3 OmAの間では、 発振波 長（利得ピーク波長） λ LD(Ith)は 9 70.2〜 972. 8 nmにホッビングする ことが分かる。 更に、 注入電流 I fが 1 80 mAでは、 発振波長が 972.4 〜 9 75.4 nmにホッピングし、 2 3 OmAでは 9 74.8〜 9 77.2 n m の間でホッビングする特性を示すことが分かる。
このとき、 第 5図に示す測定値を、 半導体レーザ 2がフアブリ 'ペロー 共振状態にあるときのスぺクトル特性図である第 7図に示す利得リプルと 比較してみると、 利得リプルがあるところで波長跳びが発生し易いことが 分かる。
従って、 第 5図及び第 7図から、 半導体レーザ 2単独の閾値電流 I th(LD) ( = 42.4mA) から最大の動作電流 I op (ここでは、 経時劣化をも 考慮して、 前記 I E0Lにおける電流値を 30 OmAとすると、 注入電流の上 限、 即ち、 前記 I E0Lにおける電流値を最大の動作電流 I opとする） までの 電流範囲 I shiftは約 2 58mA ( = 300-42.4mA) であることが分かる。 このため、 第 5図から、 電流範囲 I shiftにおける発振波長の差 λ shiftは、 λ (I=300mA)一 λ (I=42mA) = 978 - 970.8 nm = 7.2 nmとなる。
ここで、 半導体レーザ 2の上記した物性パラメータから、 請求項 1で定 義した半導体レーザモジュール 1の引込み幅 λ PULLを理論計算すると、 引 込み幅 APULLは約 10.74 nmとなる。 一方、 反射中心波長は λ BG= 978. 9 5 nmである。 従って、 利得ピーク波長は AFP= 9 68.2 1 nm、 引込 み幅 APULLは約 10.74 nmとなる。
これにより、 請求項 1に定義したデ ·チューニング幅 Adetunは、 引込み 幅 λ PULLの短波長側の限界値 λ LIMITから最大の動作電流 I opにおける半導 体レーザの利得ピーク波長 λ (lop)までの値となる。 このとき、 第 1 2図に おいて、 例えば、 注入電流値 I B0Lを 250 mAとすると、 デ 'チューニン グ幅 Adetunは、 I op= 25 0 m Aであるから、 λ ( I op) = 9 76.8 n mと ALIMIT= 9 68.2 1 nmから計算すると、 Adetun= 976.8 - 968.2 1 n m = 8.5 9 n mとなる。
一方、 注入電流値 I E0L== 3 0 0 mAとすると、 デ 'チューニング幅 λ detunは、 I op= 30 OmAであるから、 λ ( I op) = 9 78 n mであるので、 λ detun= 9 7 8— 9 68.2 1 nm = 9. 7 9 nmとなる。 よって、 注入電流 値 I BOLから注入電流値 I E0Lまでの範囲の動作電流を考慮すると、 デ ·チ ユーニング幅 λ detunは、 8.5 9〜9.7 9 n mの間になることが分かる。 な お、 反射中心波長 ^BGと反射中心波長 の半値全幅 Δ ABGとの差 （=λ BG- Δ ABG=978.44nm) より、 注入電流値 I BOL及び注入電流値 I EOLに おける λ (lop)の値が短波長側にあることから、 本実施形態は課題を解決す るための手段に記載した設定に従っていることが分かる。
ここで、 引込み幅 APULLを実験で求めたい場合、 最大の動作電流 l opで 利得ピーク波長 λ ( l op) を有する半導体レーザモジュールを、 ブラッグ グレーティングの反射中心波長 λ BGで発振させ、 ペルチェ素子で室温から 温度を上げて行く。 すると、 半導体レーザモジュールは、 ある温度で発振 波長が波長 ABGから波長 AFPに変化する。 このときの波長 FPが、 引込み幅 APULLの短波長側の限界値 ALIMITであるから、 引込み幅 APULLは、 λριιΗ = ABG— ALIMITで与えられる。
以上のように構成される半導体レーザモジュール 1において、 半導体レ 一ザ素子 2とグレーティング部 3 cとの間の距離を 1 m程度離し、 光結合 手段 4を介して半導体レーザ 2と光ファイバ 3とを対向配置した。
このとき、 半導体レーザモジュール 1において、 半導体レーザ 2の閾値 電流 I thを測定したところ、 36.5mAであった。 また、 半導体レーザモ ジュール 1において、 注入電流 （mA) に対する光出力 （d Bm) をスぺ ク卜ルアナライザで測定したスペク トル特性及び注入電流 （mA) に対す る光出力 （mW) を光ファイバ 3の出射側でパワーメータで測定した光出 力特性を、 それぞれ第 9 A図〜第 9 D図に示す。
各図における注入電流 I fは、 それぞれ、 第 9 A図が 3 0mA (半導体レ 一ザ 2の閾値電流 I th以下の自然放出領域） 、 第 9 B図が閾値電流 I thに 等しい 36. 5mA、 第 9 C図が最大の動作電流 I op= 3 0 0 mA、 であつ た。
第 9 A図〜第 9 C図に示す結果から、 各注入電流における半導体レーザ 2の発振波長は、 共にグレーティング部 3 cの反射中心波長 ABG (= 9 78. 9 5 nm) の近傍であることが分かった。 また、 第 9 B図からは、 閾値電 流 I thにおける半導体レーザ 2の発振モ一ドは、 ブラッググレーティング モードで、 フアブリ ' ペローモードではないことが明らかなため、 利得ピ ーク波長 λ (Ith)が引込み幅 APULLの短波長側の限界値 ALIMITよりも大き くなつていることが分かる。 更に、 注入電流 I fが最大の動作電流 I ορ== 3 0 OmAである第 9 C図に示す場合において、 スペク トルアナライザのス キヤニングモ一ドをリピートモ一ドに設定して光出力を測定しても、 測定 値には全く変化がなく、 光出力が非常に安定であることも分かった。
一方、 第 9 D図に示す結果からは、 半導体レーザモジュール 1において は、 注入電流が閾値電流 I th (= 36. 5 mA) と最大の動作電流 I op (= 3 00 mA) の間であれば、 半導体レーザ 2の注入電流 （mA) と光出力 (mW) との間にはリニァな関係にあることが分かった。
また、 第 8図は、 半導体レーザ 2単独の状態における注入電流 I f (m A ) に対するモニタ出力電流 I m の変化量 Δ I m ( % ) の電流依存特性を測 定した結果である。 これに対して、 第 1 0図は、 半導体レ一ザモジュール 1としてモジュール化された状態における半導体レーザ 2の注入電流 I f (m A ) に対するモニタ出力電流 I m の変化量 Δ I m ( % ) の電流依存特性 を測定した結果である。
第 1 0図に示す結果から、 引込み幅 λ PULLとデ ·チューニング幅 λ de tun とを、 光出力 P f 及びモニタ出力電流 I m を安定させる第 2 A図に示す最適 な関係に設定すると、 グレーティング部 3 cの反射中心波長 と半導体 レーザ 2の利得ピーク波長 λ (I th)において、 注入電流 I f の全ての領域に おけるモニタ出力電流 I m の変化量 Δ I m ( % ) の変動を ± 0. 5 %以内に抑 えられることが分かった。
尚、 上記実施形態においては、 ブラッグダレ一ティングを有する光伝送 媒体として、 ブラッググレーティングからなるグレーティング部 3 cが形 成された光ファイバ 3を使用したが、 ブラッググレーティングを有してい れば平面光導波路であってもよいことは言うまでもない。 産業上の利用可能性
本発明の第 1の発明によれば、 注入電流や温度変化に対する発振波長の 安定度に優れ、 EDFA 励起用の光源や高出力で低雑音の光源に適した半導体 レーザモジュールを提供することができる。
本発明の第 2の発明によれば、 半導体レーザが、 光結合手段によって光 伝送媒体と結合されてモジュール化されることによる光出力の低下を、 半 導体レーザ単独の状態における閾値電流 I th (LD)と同じ動作電流を注入す れば補うことができる。 このため、 半導体レーザモジュールは、 半導体レ —ザ端面における光パワー密度の増大による前記光学損傷（COD)に起因した 特性の劣化や信頼性の低下等が抑制され、 閾値電流 I th から最大の動作電 流 l op まで注入電流の幅を広げることが可能となる。 しかも、 第 2の発明 は、 半導体レーザ単独の閾値電流 I t h (LD)における発振波長 A LD (I th)が、 モジュール化された半導体レーザの発振波長に比べて短い。 このため、 半 導体レーザモジュールは、 半導体レーザの発振状態が単独の場合よりも安 定し易い。
本発明の第 3の発明によれば、 半導体レーザモジュールは、 半導体レー ザの光出力 P f 及びモニタ出力電流 I mをより安定させることができる。 本発明の第 4， 5の発明によれば、 半導体レーザモジュールは、 引込み 幅を無理に広げないで済むし、 光伝送媒体と半導体レーザとの結合効率を 高めることで引込み幅を広くすることができる。
本発明の第 6の発明によれば、 半導体レーザモジュールは、 半導体レー ザに関するデータに基づき、 どのような特性を有する半導体レーザを用い ればよいかを簡単に知ることができる。
本発明の第 7の発明によれば、 半導体レーザモジュールは、 利得波長特 性にリプルを示す G a A s / A 1 G a A s系の一般的な半導体レーザを用 いることができる。
本発明の第 8の発明によれば、 半導体レーザモジュールは、 光出力 P f 及 びモニタ出力電流 I raともに安定させることができる。
本発明の第 9の発明によれば、 半導体レーザモジュールは、 パワー比を 利用することにより、 スクリーニングの目安とすることができる。
本発明の第 1 0乃至第 1 2及び第 1 5の発明によれば、 半導体レーザモ ジュールは、 ブラッググレーティングを有する光伝送媒体を半導体レーザ に結合することによる光出力の低下を抑制し、 引込み幅に最低限必要な条 件等を達成することができる。
本発明の第 1 3の発明によれば、 半導体レーザモジュールは、 前記反射 防止膜の反射率、 半導体レーザの利得スペク トルの半値全幅、 吸収係数、 帰還結合効率及び前記ブラッググレーティングの反射中心波長 A BG の反射 率等のパラメータから決まる引込み幅 A PULL を 4 n m以上にすると、 狭波 長領域内で安定な発振特性を発揮することができる。
本発明の第 1 4の発明によれば、 利得ピーク波長を適正に制御すること ができる。

Claims

W° 00/45482 PC蘭画 62 24 請 求 の 範 囲
1. 利得波長特性にリプルを示す G a A s /A 1 G a A s系の半導体レ 一ザとブラッググレーティングを有する光伝送媒体とが光結合手段によ つて光結合された外部共振器型の半導体レーザモジュールにおいて、 モジュール化された前記半導体レーザが閾値電流 （ I th) で駆動されて いる場合の利得ピーク波長 （A (Ith)) が、 前記ブラッググレーティング の反射中心波長 （ABG) よりも短波長側に設定され、 最大の動作電流 ( l op) における前記半導体レーザの利得ピーク波長 （λ (Ιορ)) は利得 ピーク波長 （A (Ith)) よりも長波長側で、 下記に定義される半導体レ一 ザモジュールの引込み幅 （APULL) 及びデ 'チューニング幅 （Adetun) に関し、 デ *チューニング幅 （Adetun) が引込み幅 （APULL) よりも小 さく、 その差 （= APULL— λ detun) が前記ブラッググレーティングの反 射スペク トルの半値全幅よりも大きく、 かつ、 利得ピーク波長 （λ (Ith)) が下記限界値 （ALIMIT) よりも長波長であることを特徴とする 半導体レーザモジュール。
半導体レーザモジュールの引込み幅 （APULL) とは、 前記ブラッググ レーティングの反射中心波長 （ABG) と、 前記半導体レーザモジュール の発振モードが前記ブラッググレーティングモ一ドからフアブリ 'ベロ —モードに変わるときの利得ピーク波長との差をいい、
デ ·チューニング幅 （Adetun) とは、 引込み幅 （APULL) の短波長側の 限界値 （ALIMIT) から利得ピーク波長 （λ (Ιορ)) までの波長範囲をい
Ό。
2. 前記半導体レーザ単独の閾値電流 （ I th(LD)) が、 モジュール化さ れたときの閾値電流 （ I th) より も大きく、 かつ、 閾値電流 （ I th(LD)) における発振波長 （ALD(Ith)) が、 モジュール化された前記半 導体レーザの発振波長に比べて短い、 請求の範囲第 1項記載の半導体レ 一ザモンュ一リレ。
3. 前記ブラッググレーティングの反射中心波長 （ABG) を、 前記半導 体レーザの利得ピーク波長 （λ (Ιορ)) に比べて少なくとも 1利得リプル 分長波長側に設定した、 請求の範囲第 1項又は第 2項記載の半導体レー ザモジユー Jレ。
4. 前記半導体レーザは利得リプル間隔が 3.5 nm以下である、 請求の 範囲第 1項乃至第 3項いずれかに記載の半導体レーザモジュール。
5. 前記半導体レーザは、 モードホッピングする場合には、 モードホッ プ量が 3. 5 nm以下である、 請求の範囲第 1項乃至第 3項いずれかに記 載の半導体レーザモジュール。
6. 前記半導体レーザにおける注入電流当たりの利得ピーク波長の長波 長側へのシフト量の比をシフト比 （As (nm/mA) ) としたとき、 前 記ブラッググレーティ ングの反射中心波長 （ABG) と利得ピーク波長
(λ (Ith)) との差を、 前記シフ ト比 （As) と、 前記最大の動作電流 ( l op) と閾値電流 （ I th) との差との積に関し次式で示すように大き く設定する、 請求の範囲第 1項乃至第 5項いずれかに記載の半導体レー ザモジュール。
[入 BG— λ (Η1 ] >AsX ( l op - I th)
7. 前記ブラッググレーティングの反射中心波長 （ABG) と利得ピーク 波長 （A (Uh)) との差を 7 nm以上に設定する、 請求の範囲第 1項乃至 第 6項いずれかに記載の半導体レーザモジュール。
8. 前記半導体レーザモジュールの光出力パワーは、 スペクトル成分の 6 0 %以上が前記ブラッググレーティングの反射中心波長 （ABG) の土 半値全幅内に集中され、 かつ、 スペク トル成分の 40 %以下が、 前記半 導体レーザ単独の場合の注入電流 （ I ) に対する利得ピーク波長 （λ LD(D) の ± 1利得リプル間隔内にある、 請求の範囲第 1項乃至第 7項い ずれかに記載の半導体レーザモジュール。
9. 前記反射中心波長 （ABG) における光出力パワーと、 前記利得ピー ク波長 （ALD(I)) における光出力パワーとのパワー比が 1 0 d B以上で ある、 請求の範囲第 8項記載の半導体レーザモジュール。
1 0. 前記半導体レーザは、 利得スペクトルの半値全幅が 1 5 nm以上 である、 請求の範囲第 1項乃至第 9項いずれかに記載の半導体レーザモ シュール。
1 1. 前記半導体レーザは、 吸収係数が 1 5 c m—1以下である、 請求の 範囲第 1項乃至第 1 0項いずれかに記載の半導体レーザモジュール。
1 2. 前記光結合手段による前記半導体レーザと前記光伝送媒体との結 合効率が 6 0 %以上である、 請求の範囲第 1項乃至第 1 1項いずれかに 記載の半導体レーザモジュール。
1 3. 前記半導体レーザは、 前端面に反射率 6 %以下の反射防止膜がコ —ティングされている、 請求の範囲第 1項乃至第 1 2項いずれかに記載 の半導体レーザモジュール。
1 4. 前記半導体レーザは、 所定の注入電流 （ I ) に対して所望の利得 ピーク波長 （ALD(I)) が出力されるように温度制御手段が設けられてい る、 請求の範囲第 1項乃至第 1 3項いずれかに記載の半導体レーザモジ ユール。
1 5. 前記光伝送媒体は、 ブラッググレーティングの反射中心波長 （λ BG) における反射率が 3 %以上である、 請求の範囲第 1項乃至第 14項 いずれかに記載の半導体レーザモジュール。
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