(57)【要約】【目的】より安価でかつ簡単な構成を持つ外部共振器型半導体レーザを提供する。【構成】駆動電流が供給されることによってゲインチップから光が発生する。ゲインチップからの光は，２本の光ファイバ２，３の対向する端面同士が互いに平行に向合い，かつ端面同士が所定間隔をあけて配置されたファイバファブリペローエタロン１に入射する。ゲインチップの後方端面およびファイバファブリペローエタロン１とによって光反射が繰返されてレーザ発振する。【選択図】図２
2010034280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層が後方端面から出射端面にかけて設けられており，駆動電流が供給されることによって前記活性層において発生する光を前記出射端面から出射するゲインチップ，および
前記ゲインチップの前記出射端面から出射された光が入射する，２本の光ファイバの対向する端面同士が互いに平行に向合い，かつ端面同士が所定間隔をあけて配置されたファイバファブリペローエタロンを備え，
前記ゲイン・チップの後方端面および前記ファイバファブリペローエタロンによって光共振器が構成されている，
外部共振器型半導体レーザ。
【請求項２】
前記２本の光ファイバのそれぞれの対向する先端部分の周囲にフェルールが設けられており，前記フェルールを円筒状スリーブの両側から挿入することによって，２本の光ファイバが，それらの対向する端面同士が互いに平行に向合い，かつ端面同士に所定間隔があくように配置されている，
請求項１に記載の外部共振器型半導体レーザ。
【請求項３】
前記２本の光ファイバは，シングルモードファイバまたは偏波保持ファイバである，
請求項１または２に記載の外部共振器型半導体レーザ。
【請求項４】
前記ゲインチップの出射端面に反射防止膜が設けられている，
請求項１から３のいずれか一項に記載の外部共振器型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は，外部共振器型半導体レーザに関し，特に発振波長を安定化させる構造を有する外部共振器型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
外部共振器型半導体レーザ（外部共振器型レーザダイオード）（External Cavity Laser Diode ）（ＥＣＬＤ）として，ゲインチップ（レーザチップまたは半導体光アンプと呼ばれることもある）から出射される光を，ゲインチップの外部に配置されたＦＢＧ（Fiber Bragg Grating ）を有する光ファイバに入射させ，ＦＢＧからの反射光をゲインチップに帰還させ，ゲインチップの後方端面において反射光を反射させて再びＦＢＧに入射させることを繰返すことによって，特定波長でレーザ発振させるものが知られている（たとえば，特許文献１）。ＦＢＧは光ファイバの一部に紫外レーザ光を照射することによって得られ，これにより光ファイバの長手方向に周期的な屈折率変調が生じ，特定波長（λ＝２ｎΛ）（ｎは平均屈折率，Λはグレーティング周期）の光のみがＦＢＧで反射される。所望の波長のレーザ発振が生じるように，ゲインチップおよびＦＢＧは設計される。ＦＢＧを用いた外部共振器型半導体レーザは，たとえば，光ファイバ増幅器，ラマンアンプなどの励起光源として使用される。
【特許文献１】国際特許公開公報ＷＯ９６／２７９２９
【０００３】
近年，光通信の需要の増大に伴い，時分割多重方式に代えて波長分割多重方式が多く採用されている。波長分割多重方式では波長の異なる複数の信号光が１本の光ファイバで同時に送信される。波長の異なる複数の信号光をＦＢＧを利用した外部共振器型半導体レーザを用いて増幅する場合，増幅すべき信号光の波長（外部共振器型半導体レーザが出射すべきレーザ光の波長）に応じてＦＢＧを作製する必要がある。ＦＢＧは，上述のように，光ファイバに紫外レーザ光を照射することによって形成されるので，増幅すべき波長（出射すべきレーザ光の発振波長）に応じてＦＢＧをそれぞれ作製しなければならず，時間とコストがかかってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この発明は，安定した発振波長のレーザ光を出射することができる外部共振器型半導体レーザであって，より安価でかつ簡単な構成を持つ外部共振器型半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明による外部共振器型半導体レーザは，活性層が後方端面から出射端面にかけて設けられており，駆動電流が供給されることによって前記活性層において発生する光を前記出射端面から出射するゲインチップ，および前記ゲインチップの前記出射端面から出射された光が入射する，２本の光ファイバの対向する端面同士が互いに平行に向合い，かつ端面同士が所定間隔をあけて配置されたファイバファブリペローエタロンを備え，前記ゲインチップの後方端面および前記ファイバファブリペローエタロンによって光共振器が構成されていることを特徴とする。２本の光ファイバには，好ましくはシングルモードファイバまたは偏波保持ファイバが用いられる。
【０００６】
ゲインチップに駆動電流を供給することによって，ゲインチップに含まれる活性層において光が発生する。発生した光は，ゲインチップの出射端面からゲインチップの外部に出射される。
【０００７】
ゲインチップの出射端面から出射された光は，ファイバファブリペローエタロン（以下，ファイバエタロンと呼ぶ）に入射する。ゲインチップからの光は，ファイバエタロンを構成する２本の光ファイバのうちの１本の一端（前記対向端面とは反対側）から光ファイバに入射するのは言うまでもない。ファイバエタロンにおいて反射した光はゲインチップに帰還する。ゲインチップの後方端面において，ファイバエタロンからの反射光が再び反射される。ゲインチップの後方端面とファイバエタロンとの間で光反射が繰返されて，レーザ発振が生じる。一実施態様では，ゲインチップの出射端面における光反射を抑制するために，前記ゲインチップの出射端面に反射防止膜が設けられる。もちろん，ファイバエタロンからの戻り光を反射するゲインチップの後方端面には反射膜を設けるようにしてもよい。
【０００８】
エタロンは，一般に特定波長の光を通過させるフィルタ（光周波数フィルタ）として用いられている。この発明では，２本の光ファイバの端面によって構成されるエタロン（ファイバエタロン）が，光周波数フィルタとしてではなく，特定波長の光を反射する光反射器として用いられる。
【０００９】
この発明によると，ファイバエタロンが外部共振器の光反射器として用いられ，ファイバエタロンと，ファイバエタロンに入射する光を発生するゲインチップの後方端面とによって光共振器が構成される。ファイバエタロンは，２本の光ファイバの端面配置（端面同士を互いに平行に向合わせ，かつ端面同士を間隔をあけて配置する）によって構成されるので，光ファイバに紫外レーザ光を照射することによってつくられるＦＢＧ（Fiber Bragg Grating ）を光反射器とする外部共振器型半導体レーザに比べて，簡単にかつ安価に，外部共振器型半導体レーザを作製することができる。
【００１０】
また，発明者による実験結果によれば，この発明による外部共振型半導体レーザから出射されるレーザ光は，ＦＢＧを光反射器として用いた外部共振器型半導体レーザとほぼ同様に安定した発振波長のレーザ光を出射することが分かった。この発明による外部共振型半導体レーザは，より簡単に，かつ安価に，安定した発振波長のレーザ光を出射することができる。
【００１１】
２本の光ファイバの端面同士は，それらの光軸が精密に一致するように配置する必要がある。一実施態様では，前記２本の光ファイバのそれぞれの対向する先端部分の周囲に，フェルールが設けられ，前記フェルールを円筒状スリーブの両側から挿入することによって，２本の光ファイバが，それらの対向する端面同士が互いに平行に向合い，かつ端面同士に所定間隔があくように配置される。２本の光ファイバの光軸を精密に一致させることができる。
【００１２】
円筒状スリーブへの挿入の程度を調節することによって，２本の光ファイバの端面間の距離（間隙の幅）を調節することができ，２本の光ファイバの端面間の距離を調節することによって外部共振器型半導体レーザから出射するレーザ光の発振波長が変動する。簡単に所望の発振波長を持つレーザ光を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１は，外部共振器型半導体レーザを備えた半導体レーザモジュールのブロック図を示している。
【００１４】
半導体レーザモジュールは，ゲインチップ11，ゲインチップ11から出射される光を集光するレンズ12，前記ゲインチップ11およびレンズ12をパッケージングするパッケージ13，ファイバファブリペローエタロン（Fiber Fabry-Perot Etalon）（以下，ファイバエタロンと呼ぶ）１，コネクタ４，ならびにパッケージ13とファイバエタロン１の間，およびファイバエタロン１とコネクタ４の間をそれぞれ光接続する光ファイバ２，３を備えている。光ファイバ２，３には，シングルモードファイバ（偏波を保持しないもの）または偏波保持ファイバが用いられる。パッケージ13はバタフライ型，円筒型のいずれであってもよい。
【００１５】
詳細な図示は省略するが，ゲインチップ11は，半導体基板上に，組成，不純物の種類と量等の異なる複数の半導体層が積層されて構成されている。ゲインチップ11は活性層11ａを内包し，活性層11ａから生じる光が一または複数の半導体層に閉込められるようにゲインチップ11は形成されている。図１において，分かりやすくするために，ゲインチップ11に内包されている活性層11ａが実線で描かれている。
【００１６】
ゲインチップ11に駆動電流を供給すると活性層11ａにおいて光が発生する。活性層11ａにおいて発生した光は，ゲインチップ11の出射端面11ｂから出射されてレンズ12に入射する。レンズ12において集光された光は光ファイバ２を介してファイバエタロン１に入射する。
【００１７】
ファイバエタロン１は，２本の光ファイバ２，３を，それらの端面同士を互いに平行に向き合わせ，かつ端面同士の間に間隙（ギャップ）を設けて配置したもので，ファイバエタロン１において特定波長の光が反射される。ファイバエタロン１の構造の詳細は後述する。
【００１８】
ファイバエタロン１において反射された光は，光ファイバ２，レンズ12を介して再びゲインチップ11に戻り，ゲインチップ11の後方端面11ｃにおいて反射される。ゲインチップ11の後方端面11ｃとファイバエタロン１との間で光反射が繰返されると，特定波長でレーザ発振が生じる。レーザ光が光ファイバ３を介してコネクタ４に到達する。このように，光を発生するゲインチップ11の後方端面11ｃと，光反射器として機能するファイバエタロン１とによって，外部共振器型半導体レーザが構成される。なお，ファイバエタロン１によって反射された光をゲインチップ11に戻す必要があるので，パッケージ13中にアイソレータは設けない。また，ゲインチップ11の出射端面11ｂには反射防止膜を，後方端面11ｃには反射膜をそれぞれ設けてもよい。
【００１９】
図２は，外部共振器の光反射器として機能するファイバエタロン１の構造を，ファイバエタロン１を構成するスリーブの一部を破断して示している。
【００２０】
上述したように，ファイバエタロン１では２本の光ファイバ２，３の端面同士が互いに平行に向かい合わせられ，かつ端面同士の間に間隙（ギャップ）24が設けられる。この実施例では，光ファイバ２，３の先端部分の周囲にフェルール21，22がそれぞれ取付けられており，フェルール21，22の中心に光ファイバ２，３が位置している。フェルール21，22が円筒状スリーブ23の両端からそれぞれスリーブ23内に挿入されることによって，光ファイバ２，３の端面同士が互いに平行に向かい合わせられ，かつ端面同士の間に間隙（ギャップ）24が存在する状態で固定される。スリーブ23内の光ファイバ２，３のコアは，一直線上に位置する。
【００２１】
円筒状スリーブ23の長手方向に１本のスリット23ａが形成されている。スリット23ａによって円筒状スリーブ23の径（内径および外径）がわずかに広がるので，フェルール21，22の外径が円筒状スリーブ23の内径とほぼ等しい，またはフェルール21，22の外径が円筒状スリーブ23の内径よりもわずかに大きくても，フェルール21，22を円筒状スリーブ23内にきつく挿入することができる。また，スリット23ａは，フェルール21，22を円筒状スリーブ23内にきつく挿入するときの空気の逃げに役立ち，さらに光ファイバ２，３の端面間の間隙24の存在の確認，および間隙24の間隔（光ファイバ２，３の端面同士の間隔（距離））の確認にも役立つ。
【００２２】
一般にエタロンは，様々な波長を含む光のうちの特定波長の光のみを通過（透過）させるフィルタ（光周波数フィルタ）として用いられる。２つの部分透過ミラーを間隔ｄをあけて互いに平行に配置したエタロンに，角度θで光が入射したときの光の透過率Ｔ（λ）は次式によって表される。
【００２３】
【数１】
2010034280.tif 000003
【００２４】
式１におけるδは，次式によって表される。
【数２】
2010034280.tif 000004
【００２５】
式１において，Ａ1，Ａ2は２つの部分透過ミラーのそれぞれの光吸収率を，Ｒ1，Ｒ2は２つの部分透過ミラーの光反射率を表す。式２において，ｎは２つの部分透過ミラーの間の媒質に基づく屈折率を，ｄは２つの部分透過ミラーの間の間隔（距離）を，λは入射光の波長を，それぞれ表す。θは，上述のようにエタロンへの光の入射角度である。
【００２６】
図２に示すファイバエタロン１の反射率Ｒ（λ）は，上述した透過率Ｔ（λ）を用いて次式のように表される。
【００２７】
Ｒ（λ）＝１−Ｔ（λ）      ・・・式３
【００２８】
式１におけるＲ1，Ｒ2は，ファイバエタロン１の場合，光ファイバ２，３の端面の反射率となるのでＲ1＝Ｒ2＝Ｒとされ，光ファイバ２，３の端面における光吸収率Ａ1＝Ａ2＝０とされる。さらに式２における屈折率ｎは間隙24がエアギャップであるとしてｎ＝１とし，光の入射角度θは０度とする。このようにして，式１，２，３に基づいて，ファイバエタロン１の反射率Ｒ（λ）は算出される。
【００２９】
図３は，ファイバエタロン１の上記反射率Ｒ（λ）に基づく反射特性を，横軸をファイバエタロン１への入射光の波長（ｎｍ），縦軸を反射率（％）とするグラフ上に示すものである。図３において，実線が光ファイバ２，３の端面間の間隙24の間隔（距離）ｄ（以下，単に間隔ｄと言う）を３０μｍとした場合の反射特性を，破線が間隔ｄを６０μｍとした場合の反射特性を，それぞれ示している。
【００３０】
図３および式３（式１）から分かるように，間隔ｄを変化させることによってファイバエタロン１の反射特性は変化する。図３を参照して，間隔ｄに応じて比較的高い反射率でファイバエタロン１において反射する光の波長は変化する。また，間隔ｄが広くなるとサイドモード間隔Ｓおよび半値幅Ｈが狭くなる。したがって，ゲインチップ11の後方端面11ｃとファイバエタロン１との間で光反射が繰返されることによって得られる，外部共振器型半導体レーザ（半導体レーザモジュール）から出射されるレーザ光のスペクトル特性（発振波長）も間隔ｄに応じて変化する。すなわち，間隔ｄを調整することによって，所望の発振波長のレーザ光を外部共振器型半導体レーザ（半導体レーザモジュール）から出射させることができる。もちろん，外部共振器型半導体レーザ（半導体レーザモジュール）では，上述のように，ファイバエタロン１は，フィルタ（光周波数フィルタ）ではなく光反射器として用いられるので，ファイバエタロン１の反射率が高い波長の近傍に光学利得のピークを有するゲインチップを用いることが好ましい。
【００３１】
図４（Ａ）〜図１１（Ｂ）は，半導体レーザモジュール（図１参照）のコネクタ４に光スペクトラムアナライザを接続し，半導体レーザモジュールから出射されるレーザ光の発振スペクトルを測定した結果を示している。
【００３２】
図４（Ａ）〜図７（Ｂ）は，間隔ｄを３０μｍとしたファイバエタロン１を用いた実施例である。図４（Ａ）〜図７（Ｂ）のうち，図４（Ａ）〜図５（Ｂ）はゲインチップ11の温度を一定温度（ＴLD＝２５℃）とし，ゲインチップ11に供給する駆動電流値ＩOPを変化させたときの発振スペクトルを示している。図６（Ａ）〜図７（Ｂ）はゲインチップ11に供給する駆動電流を一定駆動電流ＩOP（６００ｍＡ）とし，ゲインチップ11の温度ＴLDを変化させたときの発振スペクトルを示している。
【００３３】
まず，図４（Ａ）〜図５（Ｂ）を参照する。図４（Ａ）〜図５（Ｂ）は，それぞれ駆動電流値ＩOPが４００，６００，８００，１０００ｍＡであるときの発振スペクトルを示している。ゲインチップ11の温度ＴLDは一定（２５℃）である。
【００３４】
間隔ｄが３０μｍで，ゲインチップ11の温度ＴLDが２５℃である場合，駆動電流ＩOPを変動させても，すなわち，外部共振器型半導体レーザ（半導体レーザモジュール）から出射されるレーザ光のパワーを変動させても，スペクトルが長波長側に移動することはなく，レーザ光のスペクトルに大きな変動は現れなかった。駆動電流（出力パワー）に関わらず，安定した発振波長のレーザ光が出力されることが分かる。
【００３５】
次に，図６（Ａ）〜図７（Ｂ）を参照して，図６（Ａ）〜図７（Ｂ）は，それぞれゲインチップ11の温度ＴLDが２５，３０，４５，５０℃であるときの発振スペクトルを示している。駆動電流ＩOPは一定（Ｉop＝６００ｍＡ）である。
【００３６】
間隔ｄが３０μｍで，駆動電流ＩOPが６００ｍＡである場合，ゲインチップ11の温度ＴLDを変動させても，レーザ光のスペクトルに大きな変動は現れなかった。半導体レーザモジュールの使用環境が変動しても，安定した発振波長のレーザ光が出力されることが分かる。
【００３７】
すなわち，図４（Ａ）〜図７（Ｂ）の測定結果から，間隔ｄが３０μｍであれば駆動電流（出力パワー）および使用環境のいずれにも影響を受けることなく，外部共振器型半導体レーザ（半導体レーザモジュール）からは安定した発振波長のレーザ光が出射されることが確認された。
【００３８】
図８（Ａ）〜図１１（Ｂ）は，間隔ｄを６０μｍとしたファイバエタロン１を用いた実施例である。図８（Ａ）〜図１１（Ｂ）のうち，図８（Ａ）〜図９（Ｂ）はゲインチップ11の温度を一定温度（ＴLD＝２５℃）とし，ゲインチップ11に供給する駆動電流値ＩOPを変化させたときの発振スペクトルを示している。図１０（Ａ）〜図１１（Ｂ）はゲインチップ11に供給する駆動電流を一定駆動電流ＩOP（６００ｍＡ）とし，ゲインチップ11の温度ＴLDを変化させたときの発振スペクトルを示している。
【００３９】
図８（Ａ）〜図９（Ｂ）を参照する。図８（Ａ）〜図９（Ｂ）はそれぞれ，駆動電流値ＩOPが４００，６００，８００，１０００ｍＡであるときの発振スペクトルを示している。ゲインチップ11の温度ＴLDは一定（２５℃）である。
【００４０】
間隔ｄが６０μｍで，ゲインチップ11の温度ＴLDが２５℃である場合，駆動電流値ＩOPを１０００ｍＡ程度の比較的大きい電流値まで上昇させると（図９（Ｂ）），低い駆動電流の供給時（たとえば，図８（Ａ）参照（駆動電流ＩOP＝４００ｍＡ））には現れないスペクトルが長波長側に現れることが確認された（図９（Ｂ））。外部共振器型半導体レーザに対して所定波長のレーザ光のみの出射が要求されている場合，１０００ｍＡ程度の比較的大きい駆動電流を供給した状態における外部共振器型半導体レーザは，その要求を満たさないことになる（もっとも，使用可能な駆動電流ＩOPを低く設定しておけばよいのは言うまでもない）。
【００４１】
次に，図１０（Ａ）〜図１１（Ｂ）を参照して，図１０（Ａ）〜図１１（Ｂ）は，それぞれ，ゲインチップ11の温度ＴLDが２５，３０，４５，５０℃であるときの発振スペクトルを示している。駆動電流ＩOPは一定（Ｉop＝６００ｍＡ）である。
【００４２】
間隔ｄが６０μｍで，駆動電流ＩOPが６００ｍＡである場合，ゲインチップ11の温度ＴLDが５０℃程度まで上昇すると（図１１（Ｂ）），比較的低い温度（たとえば，図１０（Ａ）参照（ＴLD＝２５℃））には現れないスペクトルが長波長側に現れることが確認された。５０℃は外部共振器型半導体レーザが使用される可能性のある温度（気温，室温）である。外部共振器型半導体レーザに対して所定波長のレーザ光のみの出射が要求されている場合，高い温度のもとで外部共振器型半導体レーザが使用されると，その要求を満たさないことになる（もっとも，クーラー（ペルチェ素子など）を併用してゲインチップ11の温度ＴLDを一定以下に保つことはできる）。
【００４３】
以上の計測結果から，高出力パワーのレーザ光が求められ，または高い温度の下での使用が求められる場合，一の発振波長を持つレーザ光を得るにはファイバエタロン１の間隔ｄに制限（上限）があることが分かる。
【００４４】
要求される仕様および使用環境次第でファイバエタロン１の間隔ｄに制限は存在するものの，ファイバエタロン１を光反射器として用いた外部共振器型半導体レーザは，安定した発振波長のレーザ光を出射することができる。また，光ファイバ２，３の端面を近づける，または遠ざけることによって間隔ｄを簡単に調整でき，簡単に所望の発振波長のレーザ光を出射させることができる。
【００４５】
上述した実施例では，ファイバエタロン１における光ファイバ２，３の対向する端面に特段のコーティングを施していないが，光ファイバ２，３の対向する端面に，反射膜または反射防止膜をコーティングしてもよい。ファイバエタロン１における反射率Ｒ（λ）が変化するので（式１および式３参照），外部共振器型半導体レーザ（半導体レーザモジュール）から出射されるレーザ光のスペクトル半値幅を制御することができる。
【００４６】
また，上述した実施例では，光ファイバ２，３の対向する端面の間の間隙24をエアギャップ（空気）（屈折率ｎ＝１）としているが，間隙24に空気の屈折率と異なる屈折率を持つ媒体（屈折率の温度依存性が負の媒体を含む）を充填することによって，レーザ光のスペクトル半値幅を制御するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】半導体レーザモジュールの全体的構成を示すブロック図である。
【図２】ファイバエタロンの構造を示す。
【図３】間隔ｄが３０μｍおよび６０μｍである場合のファイバエタロンの反射特性を示す。
【図４】（Ａ）および（Ｂ）は，レーザ光の発振スペクトルの測定結果を示す。
【図５】（Ａ）および（Ｂ）は，レーザ光の発振スペクトルの測定結果を示す。
【図６】（Ａ）および（Ｂ）は，レーザ光の発振スペクトルの測定結果を示す。
【図７】（Ａ）および（Ｂ）は，レーザ光の発振スペクトルの測定結果を示す。
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は，レーザ光の発振スペクトルの測定結果を示す。
【図９】（Ａ）および（Ｂ）は，レーザ光の発振スペクトルの測定結果を示す。
【図１０】（Ａ）および（Ｂ）は，レーザ光の発振スペクトルの測定結果を示す。
【図１１】（Ａ）および（Ｂ）は，レーザ光の発振スペクトルの測定結果を示す。
【符号の説明】
【００４８】
１  ファイバファブリペローエタロン
２，３  光ファイバ
11  ゲインチップ
11ａ  活性層
11ｂ  出射端面
11ｃ  後方端面
21，22  フェルール
23  スリーブ
24  間隙
【図１】
2010034280.tif 000005
【図２】
2010034280.tif 000006
【図３】
2010034280.tif 000007
【図４】
2010034280.tif 000008
【図５】
2010034280.tif 000009
【図６】
2010034280.tif 000010
【図７】
2010034280.tif 000011
【図８】
2010034280.tif 000012
【図９】
2010034280.tif 000013
【図１０】
2010034280.tif 000014
【図１１】
2010034280.tif 000015