(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ラマン増幅用の励起光源に用いられ、
半導体発光部と該半導体発光部が出力する光を反射する第一反射手段を有する光共振器とを備えた半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子のレーザ光出力側に設けられた第二反射手段と、を備えた半導体レーザ装置の設計方法であって、
前記第一反射手段は、前記レーザ光出力側に設けられた出力側反射手段と、前記レーザ光出力側とは反対側に設けられた後端側反射手段と、からなり、
前記出力側反射手段から前記第二反射手段までの距離と、
前記半導体レーザ素子中における光の周回時間τと前記出力側反射手段の反射率Ｒ１と前記第二反射手段の反射率Ｒ２とを含む下記（１）式で定義される前記半導体レーザ素子への実効的な戻り光量κと、
を制御することによって、ＬＦＦ周期が２０ｎｓ以下になった半導体レーザ装置を、ＦＢＧモードとＦＰモードとの高速スイッチングが生じている半導体レーザ装置として選択し、コヒーレントコラプスモードで発振する半導体レーザ装置として使用し、
ＦＢＧモードとＦＰモードとの高速スイッチングが生じている半導体レーザ装置を見つけて前記選択を行うために、
前記半導体レーザ装置から出力されるレーザ光の強度と時間との関係を測定しながら前記制御を行い、
前記半導体レーザ装置から出力されるレーザ光の強度と時間との関係を測定する際は、
所定の時間の間において、強度低下が最も大きいところを基準ピークとし、強度の絶対値が前記基準ピークの６０％以上の最隣接のピークとの間隔を前記ＬＦＦ周期と規定し、
前記規定されたＬＦＦ周期が２０ｎｓ以下になった時のものを使用すべき半導体レーザ装置として決定して選択することを特徴とする半導体レーザ装置の設計方法。
κ＝（１／τ）×（１−Ｒ１）×（Ｒ２／Ｒ１）１/２・・・・・（１）
【請求項２】
前記半導体レーザ装置から出力されるレーザ光の強度を５０ｍＷ以下に設定することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置の設計方法。
【請求項３】
前記半導体レーザ装置から出力されるレーザ光の強度を２０ｍＷ以上に設定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の設計方法。
【請求項４】
前記半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長が１．３μｍ以上１．６μｍ以下の範囲であり、
前記出力側反射手段から前記第二反射手段までの物理的な距離Ｌ（ｃｍ）と、前記実効的な戻り光量κ（１/ｐｓ）との関係が、
Ｌ＞５３３３×κ−３３
の関係を満たすことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置の設計方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置の設計方法によって製造された半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置から出力されるレーザ光が入力されるラマン増幅用の光ファイバとを備えたラマンアンプの設計方法において、
前記レーザ光により前記光ファイバ内で発生する誘導ブリルアン散乱による、前記レーザ光の反射量の変動率を１０％以下に設定することを特徴とするラマンアンプの設計方法。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置の設計方法を用いて半導体レーザ装置を製造することを特徴する半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項７】
ラマン増幅用の励起光源に用いられ、
半導体発光部と該半導体発光部が出力する光を反射する第一反射手段を有する光共振器とを備えた半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子のレーザ光出力側に設けられた第二反射手段と、を備えた半導体レーザ装置であって、
前記第一反射手段は、前記レーザ光出力側に設けられた出力側反射手段と、前記レーザ光出力側とは反対側に設けられた後端側反射手段と、からなり、
前記半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長が１．３μｍ以上１．６μｍ以下の範囲であり、
当該半導体レーザ装置は、前記出力側反射手段から前記第二反射手段までの距離Ｌ（ｃｍ）と、前記半導体レーザ素子中における光の周回時間τと前記出力側反射手段の反射率Ｒ１と前記第二反射手段の反射率Ｒ２とを含む下記（１）式で定義される前記半導体レーザ素子への実効的な戻り光量κ（１/ｐｓ）との関係が、
Ｌ＞５３３３×κ−３３
の関係を満たすように、
前記出力側反射手段から前記第二反射手段までの距離Ｌと、前記半導体レーザ素子への実効的な戻り光量κと、
を制御することによって、ＬＦＦ周期が２０ｎｓ以下になった半導体レーザ装置を、ＦＢＧモードとＦＰモードとの高速スイッチングが生じている半導体レーザ装置として選択したものであり、コヒーレントコラプスモードで発振させ、
ＦＢＧモードとＦＰモードとの高速スイッチングが生じている半導体レーザ装置を見つけて前記選択を行うために、
前記半導体レーザ装置から出力されるレーザ光の強度と時間との関係を測定しながら前記制御を行い、
前記半導体レーザ装置から出力されるレーザ光の強度と時間との関係を測定する際は、
所定の時間の間において、強度低下が最も大きいところを基準ピークとし、強度の絶対値が前記基準ピークの６０％以上の最隣接のピークとの間隔を前記ＬＦＦ周期と規定し、
前記規定されたＬＦＦ周期が２０ｎｓ以下になった時のものを使用すべきレーザ装置として決定して選択したことを特徴とする半導体レーザ装置。
κ＝（１／τ）×（１−Ｒ１）×（Ｒ２／Ｒ１）１/２・・・・・（１）
【請求項８】
出力されるレーザ光の強度が５０ｍＷ以下に設定されていることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
出力されるレーザ光の強度が２０ｍＷ以上に設定されていることを特徴とする請求項７または８に記載の半導体レーザ装置。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置から出力されるレーザ光が入力されるラマン増幅用の光ファイバと、を備え、
前記レーザ光により前記光ファイバ内で発生する誘導ブリルアン散乱による、前記レーザ光の反射量の変動率が１０％以下とされていることを特徴とするラマンアンプ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のラマンアンプを備えることを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラマン増幅用の励起光源に用いられる半導体レーザ装置の設計方法、ラマンアンプの設計方法、半導体レーザ装置の製造方法、半導体レーザ装置、ラマンアンプ、及び光通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信においては、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ
Ｄｏｐｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いることによって、伝送距離、伝送容量の拡大がなされてきた。最近では、ＥＤＦＡを用いることに加えて、ラマンアンプを活用することによって、さらなる伝送距離の長距離化、大容量化、高出力化などが図られている。
【０００３】
前述のラマンアンプとして、例えば特許文献１、２に示すように、半導体レーザ素子及びファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）を有する半導体レーザ装置と、この半導体レーザ装置から出力されたレーザ光が励起光として入力され、信号光をラマン増幅する光ファイバとを備えたものが使用されている。ここで、半導体レーザ素子は、活性層を備える半導体発光部と、この半導体発光部が出力する光を反射する第一反射手段（反射膜）を有する光共振器と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５０７４６４５号公報
【特許文献２】特開２００２−５０８２８号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｔｋａｃｈ，Ｒ．Ｗ．ｅｔ  ａｌ．，  Ｌｉｈｇｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，  Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｖｏｌｕｍｅ４，  Ｉｓｓｕｅ１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前述の光共振器を有する半導体レーザが出力するレーザ光は、例えば５０ｍＷ以下の低出力側では、スペクトル領域（縦モード）において、一時的にシングルモード発振の状態になる場合がある。このようなシングルモード発振時では、縦モード１本当たりの光強度が強くなり、光ファイバ中で非線形光学効果により誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ：Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｂｒｉｌｌｏｕｎｉｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｒｉｎｇ)が発生し、誘導ブリルアン散乱光が半導体レーザから出力される光とは逆方向に、戻り光として伝播するという問題が生じる。この戻り光は、光通信システムの安定な動作を妨げる要因となってしまう。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ラマン増幅用の励起光源に用いられる半導体レーザ装置が出力するレーザ光に起因する光ファイバ中での誘導ブリルアン散乱を抑制可能な半導体レーザ装置の設計方法、ラマンアンプの設計方法、半導体レーザ装置の製造方法、半導体レーザ装置、ラマンアンプ、及び光通信システム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】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の半導体レーザ装置の設計方法は、ラマン増幅用の励起光源に用いられ、半導体発光部と該半導体発光部が出力する光を反射する第一反射手段を有する光共振器とを備えた半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子のレーザ光出力側に設けられた第二反射手段と、を備えた半導体レーザ装置の設計方法であって、前記第一反射手段は、前記レーザ光出力側に設けられた出力側反射手段と、前記レーザ光出力側とは反対側に設けられた後端側反射手段と、からなり、前記出力側反射手段から前記第二反射手段までの距離と、前記出力側反射手段の反射率と、前記第二反射手段の反射率とを調節して前記半導体レーザ素子への実効的な戻り光量を制御することによって、前記半導体レーザ装置のＬＦＦ周期を２０ｎｓ以下にすることを特徴としている。
【０００９】
また、本発明の半導体レーザ装置の設計方法の一態様は、前記半導体レーザ装置から出力されるレーザ光の強度を５０ｍＷ以下に設定することを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の半導体レーザ装置の設計方法の一態様は、前記半導体レーザ装置から出力されるレーザ光の強度を２０ｍＷ以上に設定することを特徴としている。
【００１１】
また、本発明の半導体レーザ装置の設計方法の一態様は、前記半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長が１．３μｍ以上１．６μｍ以下の範囲であり、前記出力側反射手段から前記第二反射手段までの物理的な距離Ｌ（ｃｍ）と、前記実効的な戻り光量κ（１/ｐｓ）との関係が、  Ｌ＞５３３３×κ−３３  の関係を満たすことを特徴としている。
【００１２】
本発明のラマンアンプの設計方法は、前述の半導体レーザ装置の設計方法によって製造された半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置から出力されるレーザ光が入力されるラマン増幅用の光ファイバとを備えたラマンアンプの設計方法であって、前記レーザ光により前記光ファイバ内で発生する誘導ブリルアン散乱による、前記レーザ光の反射量の変動率を１０％以下に設定することを特徴としている。
【００１３】
本発明の半導体レーザ装置の製造方法は、前述の半導体レーザ装置の設計方法を用いて半導体レーザ装置を製造することを特徴としている。
【００１４】
本発明のレーザ装置は、ラマン増幅用の励起光源に用いられ、半導体発光部と該半導体発光部が出力する光を反射する第一反射手段を有する光共振器とを備えた半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子のレーザ光出力側に設けられた第二反射手段と、を備えた半導体レーザ装置であって、前記第一反射手段は、前記レーザ光出力側に設けられた出力側反射手段と、前記レーザ光出力側とは反対側に設けられた後端側反射手段と、からなり、
前記半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長が１．３μｍ以上１．６μｍ以下の範囲であり、前記出力側反射手段から前記第二反射手段までの距離Ｌ（ｃｍ）と、前記半導体レーザ素子への実効的な戻り光量κ（１/ｐｓ）との関係が、  Ｌ＞５３３３×κ−３３  の関係を満たすように、前記出力側反射手段から前記第二反射手段までの距離と、前記出力側反射手段の反射率と、前記第二反射手段の反射率と、を調節して実効的な戻り光量を制御することによって、前記半導体レーザ装置のＬＦＦ周期が２０ｎｓ以下とされていることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明のレーザ装置の一態様は、出力されるレーザ光の強度が５０ｍＷ以下に設定されていることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明のレーザ装置の一態様は、出力されるレーザ光の強度が２０ｍＷ以上に設定されていることを特徴としている。
【００１７】
本発明のラマンアンプは、前述の半導体レーザ装置と、該半導体レーザ装置から出力されるレーザ光が入力されるラマン増幅用の光ファイバと、を備え、前記レーザ光により前記光ファイバ内で発生する誘導ブリルアン散乱による、前記レーザ光の反射量の変動率が１０％以下とされていることを特徴としている。
【００１８】
本発明の光通信システムは、前述のラマンアンプを備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ラマン増幅用の励起光源に用いられる半導体レーザ装置が出力するレーザ光に起因する光ファイバ中での誘導ブリルアン散乱を抑制可能な半導体レーザ装置の設計方法、ラマンアンプの設計方法、半導体レーザ装置の製造方法、半導体レーザ装置、ラマンアンプ、及び光通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の実施形態に係る光通信システム及びラマンアンプの概略説明図である。
【図２】図２は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置の概略説明図である。
【図３】図３は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置に用いられる半導体レーザ素子の概略説明図である。
【図４】図４は、図３の半導体発光部の断面を示す概略図である。
【図５】図５は、図３の半導体レーザ装置において、半導体レーザ素子と光ファイバとの位置関係を説明するための概略図である。
【図６】図６は、半導体レーザ装置から出力されるレーザ光の誘導ブリルアン散乱による反射量の変動率を測定する実験装置の概略説明図である。
【図７】図７は、図６の反射量の変動率を測定する方法において、瞬時時間波形を計測するための方法の概略説明図である。
【図８】図８は、本発明例１の実験結果を示す図である。
【図９】図９は、図８の実験結果の一部の拡大図である。
【図１０】図１０は、本発明例６の実験結果を示す図である。
【図１１】図１１は、図１０の実験結果の一部の拡大図である。
【図１２】図１２は、実施例２の実験結果を示す図である。
【図１３】図１３は、実施例３に係る半導体レーザ装置の発振モードにおけるＬとＲＦＢＧとの関係を示す図である。
【図１４】図１４は、実施例３に係る半導体レーザ装置の発振モードにおけるＬとκとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ装置２０の設計方法、ラマンアンプ１０の設計方法、半導体レーザ装置２０の製造方法、半導体レーザ装置２０、ラマンアンプ１０、及び光通信システム１００の実施の形態を説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
【００２２】
まず、本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置２０を備えた光通信システム１００及びラマンアンプ１０について説明する。図１は、本発明の実施形態に係る光通信システム１００及びラマンアンプ１０の概略説明図である。図１に示すように、光通信システム１００は、信号光Ｓ１を送信する送信機１と、信号光Ｓ１をラマン増幅するためのラマンア
ンプ１０と、ラマンアンプ１０によって信号光Ｓ１がラマン増幅されたものである信号光Ｓ２を受信する受信機２と、を備えている。
【００２３】
ラマンアンプ１０は、複数の半導体レーザ装置２０と、半導体レーザ装置２０から出力されるレーザ光が入力されるラマン増幅用の光ファイバ１１と、複数の半導体レーザ装置２０から出力されたレーザ光を合波することができる波長合波器１２と、この波長合波器１２によって合波されたレーザ光と信号光Ｓ１とを合波する、または波長合波器１２によって合波されたレーザ光と信号光Ｓ２とを分波することができる光合分波器１３とを備えている。この光波長合波器１２と送信機１、及び光波長合波器１２と受信機２との間には、光アイソレータ３が設けられている。なお、光ファイバ１１は、送信機１と受信機２との間を接続し、信号光Ｓ１、Ｓ２を伝送する光伝送路としても機能している。
【００２４】
半導体レーザ装置２０は、ラマン増幅用の励起光源として用いられるものであり、図２に示すように、電子冷却素子であるペルチェモジュール２１と、基板２２と、第一反射手段を有する光共振器３３を備えた半導体レーザ素子３０と、サーミスタ２３と、レンズ２４，２５と、第二反射手段２８（ファイバブラッググレーティング）を有する光ファイバ２６（１１）とを備えており、これらはパッケージ２７中に収容されている。
【００２５】
基板２２は、ペルチェモジュール２１の一方の面（図２において上面）に設けられており、この基板２２の一方の面（図２において上面）には、半導体レーザ素子３０と、サーミスタ２３と、レンズ２４とが設けられている。そして、パッケージ２７の側壁には、貫通孔２９が形成されている。この貫通孔２９には、レンズ２５と、光ファイバ２６とが設けられ、この光ファイバ２６は、パッケージ２７の外方へ向けてさらに延在している。
【００２６】
この半導体レーザ装置２０においては、半導体レーザ素子３０が出力したレーザ光がレンズ２４，２５で集光されて光ファイバ２６の端面に入力され、光ファイバ２６のコア内を導波していく。そして、コア内を導波するレーザ光の一部が、第二反射手段２８（ファイバグレーティング）によって反射されて半導体レーザ素子３０に帰還する。
本実施形態において、第二反射手段２８の反射率ＲＦＢＧは、例えば０．１％〜７．０％の範囲内とされている。また、第二反射手段２８の反射帯域幅Δλは、例えば０．１ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内とされている。
【００２７】
半導体レーザ素子３０の駆動過程で、駆動電流により半導体レーザ素子３０が発熱して素子温度が上昇し、レーザ光の波長が変動してしまうことがある。そのため、半導体レーザ素子３０の近傍に設けられたサーミスタ２３によって半導体レーザ素子３０の温度を測定し、その測定値に応じてペルチェモジュール２１を動作させ、半導体レーザ素子３０の温度が一定となるように制御されている。
【００２８】
半導体レーザ素子３０は、図３に示すように、半導体発光部４０と、この半導体発光部４０が出力する光を反射する第一反射手段を有する光共振器３３とを備えている。第一反射手段は、レーザ光出力側（図２及び図３において右側）に設けられた出力側反射手段３１と、レーザ光出力側とは反対側（図２及び図３において左側）に設けられた後端側反射手段３２と、から構成されている。本実施形態において、出力側反射手段３１及び後端側反射手段３２は、具体的には反射膜とされており、これらの出力側反射手段３１及び後端側反射手段３２は、ファブリーペロー型の光共振器として機能する。また、本実施形態においては、半導体レーザ素子３０から出力される光の波長は、１．３μｍ以上１．６μｍ以下の範囲とされている。また、出力側反射手段３１及び後端側反射手段３２の間の距離（共振器長）は、例えば０．２ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内に設定されている。
【００２９】
半導体発光部４０は一方向（図３の左右方向）に延在しており、半導体発光部４０の端
面である一端（右端）及び他端（左端）に、それぞれ、出力側反射手段３１及び後端側反射手段３２が形成されている。これらの出力側反射手段３１及び後端側反射手段３２は、出力側反射手段３１の反射率ＲＡＲよりも、後端側反射手段３２の反射率ＲＨＲの方が、反射率が高く設定されている（ＲＨＲ＞ＲＡＲ）。
【００３０】
すなわち、半導体レーザ素子３０の出力側反射手段３１の反射率ＲＡＲの方が、その反対側に設けられた後端側反射手段３２の反射率ＲＨＲよりも反射率が低く設定されているのである。より具体的には、後端側反射手段３２の反射率ＲＨＲの反射率は９０〜１００％、出力側反射手段３１の反射率ＲＡＲの反射率は０．１〜１０％の範囲内とされている。
したがって、半導体レーザ装置２０においては、主に一端側（図３において右側）からレーザ光が出力されるようになっている。
【００３１】
半導体発光部４０は、図４に示すように、埋め込み型ヘテロ（ＢＨ：Ｂｕｒｉｅｄ  Ｈｅｔｅｒｏ）構造になっている。この半導体発光部４０は、例えば、ｎ−ＩｎＰから成る基板４１の一方の面に、ｎ−ＩｎＰから成る下部クラッド層４２、ノンドープＧａＩｎＡｓＰから成る下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ（ＧＲａｄｅｄ  ＩＮｎｄｅｘ  Ｓｅｐａｒａｔｅ  Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層４３、ＧａＩｎＡｓＰから成る格子不整合系の多重量子井戸構造を有する活性層４４、ノンドープＧａＩｎＡｓＰから成る上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４５が順次積層されており、更に、上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４５を覆うように、ｐ−ＩｎＰから成る上部クラッド層４６、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰから成るコンタクト層４７が順次積層されている。そして、このコンタクト層４７を覆うようにｐ側電極である上部電極４８が形成されている。また、基板４１の他方の面にはｎ側電極である下部電極４９が形成されている。
【００３２】
また、上記した下部クラッド層４２、下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４３、活性層４４、及び上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層４５の側面に、ｐ−ＩｎＰ層５１とｎ−ＩｎＰ層５２をこの順序で積層することにより、活性層４４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４４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４１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。
【００３３】
なお、ここでは、歪み多重量子井戸構造を採用したが、格子整合系の量子井戸構造を採用することもできる。
また、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、光共振器内の内部吸収が小さくなるため半導体レーザ素子３０の高出力化にとって好ましい。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ましい。
【００３４】
次いで、この半導体発光部４０の製造方法について説明する。半導体発光部４０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を用いることによって製造することができる。
【００３５】
具体的には、所定の半導体から成る基板４１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上述した積層構造を形成したのち、劈開を行って所定の共振器長とし、更に一方の劈開面に後述する低反射膜を成膜して出力側反射手段３１（反射膜）を形成し、他方の劈開面に高反射膜を成膜して後端側反射手段３２を形成し、更に基板４１の裏面に下部電極４９、積層構造の上面に上部電極４８を形成することによって製造される。
【００３６】
次に、本実施の形態に係る半導体レーザ装置２０の設計方法について、さらに詳細に説
明する。
ラマン増幅用の半導体レーザ装置が出力するレーザ光（励起光）は、光ファイバ中、特にラマン増幅用の光ファイバ中で誘導ブリルアン散乱されることがある。この誘導ブリルアン散乱を抑制するために、本発明者らは、ラマン増幅用の半導体レーザ装置の設計方法について鋭意検討した。
【００３７】
光共振器、及び後端側反射手段と第二反射手段とが構成する外部光共振器を有する半導体レーザ装置には、発振モードがいくつか存在する。これらの発振モードとして、具体的には、外部光共振器のみで発振するＦＢＧモード、光共振器のみで発振するＦＰチップモード、ＦＢＧモードとＦＰ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）チップモードを交互に高速（数１０ＭＨｚ）にスイッチングするモード（ＬＦＦ（Ｌｏｗ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ）モード）、ＦＢＧモードとＬＦＦモードを低速（数ｍｓ）でスイッチングする共存状態モードがある。
さらに、光共振器及び外部共振器を有する半導体レーザ装置には、ＦＢＧモードとＦＰチップモードが同程度の利得で、インコヒーレントな状態で共存するコヒーレント・コラプスモードが存在する。
【００３８】
このコヒーレント・コラプスモードで発振している状態では、レーザ光出力が安定で、安定なマルチモード(スペクトル領域)になる。本発明者らは、ラマン増幅用の半導体レーザ装置において、出力側反射手段から第二反射手段までの距離と、出力側反射手段の反射率ＲＡＲと、第二反射手段の反射率ＲＦＢＧとを調節することによって、実効的な戻り光量を制御して半導体レーザ装置のＬＦＦ周期を所定の時間以下とし、半導体レーザ装置をコヒーレント・コラプス状態で発振させることができることを見出した（図５参照）。
なお、出力側反射手段から第二反射手段までの距離は、具体的には、図５に示すように、出力側反射手段３１から第二反射手段２８までの物理的な距離Ｌを意味している。また、第二反射手段２８がファイバブラッググレーティングのように分布型の反射手段の場合は、第二反射手段２８までの距離とは長手方向中央までの距離である。
【００３９】
ここで、ＬＦＦ周期とは、半導体レーザ装置２０から出力されるレーザ光の強度と時間との関係を測定した場合に、所定の時間の間において、強度低下が最も大きいところ（強度が最も低い極小点）を基準ピークとし、強度の絶対値（強度低下の大きさ）が前述の基準ピークの６０％以上の最隣接のピークとの間隔のことを意味している。たとえば、レーザ光の強度を光検出器で測定してその強度を電圧に換算する際には、電圧と時間との関係を測定した場合に、所定の時間の間において、電圧降下が最も大きいところ（電圧が最も低い極小点）を基準ピークとし、電圧値の絶対値（電圧降下の大きさ）が前述の基準ピークの６０％以上の最隣接のピークとの間隔のことを意味している（後述する図９及び図１１参照）。なお、基準ピークの両隣にピークがある場合は、時間間隔の狭い方のピークをＬＦＦ周期とすれば良い。また、基準ピークと、基準ピークと前述の最隣接のピーク（２つのピーク間で、電圧が正方向に最も高い部分)との電圧差は、３０ｍＶ（光検出器への平均入力パワーの５％）以上とする。後述する実験系では、３０ｍＶは、光出力に換算すると０．１ｍＷであり、パワーメータなどの測定器で検出される光出力の５％に相当する。
【００４０】
本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置２０は、上述の知見に基づいてなされたものであり、次のような構成に設計されている。すなわち、半導体レーザ装置２０は、出力側反射手段３１から第二反射手段２８までの距離と、出力側反射手段３１の反射率と、第二反射手段２８の反射率と、を調節して実効的な戻り光量を制御することによって、半導体レーザ装置２０のＬＦＦ周期が２０ｎｓ以下とされている。
【００４１】
ここで、本実施形態において、半導体レーザ装置２０のＬＦＦ周期は、１５ｎｓ以下で
あることが好ましく、５ｎｓ以下であることがさらに好ましい。
また、半導体レーザ装置２０のＬＦＦ周期の下限は特にないが、０ｎｓであれば理想的なコヒーレント・コラプス状態であり、０ｎｓより大きく２０ｎｓ以下であれば、コヒーレント・コラプス状態と規定することができる。
【００４２】
さらに、本実施形態においては、出力側反射手段３１から第二反射手段２８までの物理的な距離Ｌ（ｃｍ）と、半導体レーザ素子３０が出力したレーザ光が再度半導体レーザ素子３０に帰還する実効的な戻り光量κ（１/ｐｓ）との関係が、  Ｌ＞５３３３×κ−３３  を満たすことが好ましい。
ここで、κ（１/ｐｓ）は、κ＝（１／τ）×（１−ＲＡＲ）×（ＲＦＢＧ／ＲＡＲ）１/２である。また、τは、半導体レーザ素子３０中の光の周回時間であり、  τ＝２×（半導体レーザ素子長）×（群屈折率）／（光速）  で表される。
上述の式の導出については、後述する実施例で詳細を説明する。
【００４３】
以上のような構成とされた本実施形態に係る半導体レーザ装置２０の設計方法、及びこの半導体レーザ装置２０の設計方法を用いた半導体レーザ装置２０によれば、出力側反射手段３１から第二反射手段２８までの距離と、出力側反射手段３１の反射率と、第二反射手段２８の反射率と、を調節して実効的な戻り光量を制御することによって、前記半導体レーザ装置２０のＬＦＦ周期が２０ｎｓ以下とされているので、半導体レーザの発振モードがコヒーレント・コラプスモードとなり、光ファイバ１１中での誘導ブリルアン散乱を抑制することができる。
したがって、この半導体レーザ装置２０を備えたラマンアンプ１０及び光通信システム１００は、より信頼性が向上する。
【００４４】
また、本実施形態において、半導体レーザ装置２０は、  Ｌ＞５３３３×κ−３３  を満たすように設計されているので、より確実に半導体レーザ素子３０をコヒーレント・コラプス状態で発振させることができ、半導体レーザ装置２０が出力する光が、光ファイバ１１中において誘導ブリルアン散乱されることを確実に抑制することができる。
【００４５】
また、本実施形態において、半導体レーザ装置２０は、出力されるレーザ光の強度が２０ｍＷ以上５０ｍＷ以下の範囲内で用いられることが好ましい。半導体レーザ装置２０は、上述のようにＬＦＦ周期が２０ｎｓ以下とされているので、５０ｍＷ以下のような光強度が低い場合であっても、出力されるレーザ光が光ファイバ１１中で誘導ブリルアン散乱されることを抑制できる。
【００４６】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
【実施例】
【００４７】
（実施例１）
次に、本発明の実施例について説明する。以下では、本発明の実施形態に係る半導体レーザ装置における誘導ブリルアン散乱の抑制効果の確認実験について説明する。まず、実施例１について説明する。
【００４８】
図６に、半導体レーザ装置が出力した光が誘導ブリルアン散乱されたかどうかを確認するための実験装置の概略図を示す。この実験装置は、図６に示すように、ラマン増幅用の励起光を出力する半導体レーザ装置１２０と、この半導体レーザ装置１２０が出力するレーザ光を伝播する光ファイバ１１と、半導体レーザ装置１２０の出力側に設けられた光ア
イソレータ６１と、戻り光の強度を測定するパワーメータ６２と、半導体レーザ装置１２０が出力するレーザ光を光ファイバ１１に入力させるとともに、戻り光をパワーメータ６２に入力させる光カプラ６３とを備えている。
【００４９】
半導体レーザ装置１２０は、前述の実施形態で説明した半導体レーザ装置２０と同様の基本構成とした。ただし、半導体レーザ装置１２０は、以下に示すそれぞれの本発明例及び比較例の条件に、設計されている。具体的には、第二反射手段の反射率ＲＦＢＧ、及び出力側反射手段から第二反射手段までの物理的な距離Ｌなどを種々の値に設定して実験を行った。また、本実施例においては、光出力２０ｍＷ時で、ＦＢＧが付いていない光共振器単体時での発振波長＜ＦＢＧ中心波長（第二反射手段の反射中心波長）となる半導体レーザ装置１２０を用いている。
【００５０】
光ファイバ１１は、ラマン増幅用の光ファイバであり、半導体レーザ装置１２０から出力されるレーザ光（励起光）が入力されると誘導ブリルアン散乱などが発生し、戻り光としてアイソレータ６１やパワーメータ６２に帰還することになる。なお、光アイソレータ６１は、半導体レーザ装置１２０に戻り光が帰還することを防止するために設けられている。
【００５１】
本実施例では、上述の実験装置を用いて反射量の変動率を求めることによって、誘導ブリルアン散乱の発生の有無を確認した。以下に、反射量の変動率の測定方法を説明する。
本実施例では、反射量の最大値Ｐｍａｘ、反射量の最小値Ｐｍｉｎ、反射量の平均値Ｐａｖｅを測定し、以下の式によって、反射量の変動率を算出した。
（反射量の変動率）＝（Ｐｍａｘ−Ｐｍｉｎ）／Ｐａｖｅ
ここで、反射量の最大値Ｐｍａｘ及び反射量の最小値Ｐｍｉｎはパワーメータ６２によって測定される最大及び最小の測定値であり、反射量の平均値Ｐａｖｅはパワーメータ６２によって測定される平均値である。
なお、レーザ光（励起光）が光増幅用の光ファイバ１１に入力されると、通常レイリー散乱光などが観測されるが、誘導ブリルアン散乱が発生した場合には、反射量の変動率が大きくなる。
【００５２】
ここで、コヒーレント・コラプスモード、ＦＢＧモード、ＦＰモードでは、反射量の変動率がほぼ一定となる。このとき、ＲＡＲとＲＦＢＧとの関係が、
１／１００×ＲＡＲ＜ＲＦＢＧ＜１００×ＲＡＲ
の関係を満たすとき、反射量の変動率が一定であれば、コヒーレント・コラプス状態であると判断することができる。
【００５３】
上述のようにして反射量の変動率を、本発明例１〜６及び比較例１について測定し、反射量の変動率が１０％以下のものを誘導ブリルアン散乱が防止されているとして「○」、反射量の変動率が１０％超のものを誘導ブリルアン散乱が発生しているとして「×」の評価とした。
【００５４】
さらに、実施例１では、半導体レーザ装置１２０の発振モードがコヒーレント・コラプス状態となっているかどうかを判断するために、図７に示す瞬時時間波形を計測する方法を採用した。ここでは、オシロスコープ６４によって、電圧−時間波形を評価して、発振モードの確認を行った。また、半導体レーザ装置１２０からの出力を把握するために、パワーメータ６４も使用した。また、半導体レーザ装置１２０と光検出器６５との間には、光減衰器６６を設けた。光検出器６５はフォトダイオードを備えており、光減衰器６６で減衰されたレーザ光を受光してその強度に応じた値の電流をオシロスコープ６４に出力する。オシロスコープ６４は入力された電流を電圧値に変換する。
【００５５】
なお、光検出器６５及びオシロスコープ６４は、ＬＦＦモードの振動周期である数１０ＭＨｚよりも十分高い応答周波数ものを使用した。また、オシロスコープ６４のトリガとしては、内部トリガを使用した。また、オシロスコープ６４の測定時には、ＤＣ成分を除外して電圧−時間波形を５分間測定した。また、光検出器６５の光・電気変換効率は、３００Ｖ／Ｗであり、光検出器６５へのパワーは、２ｍＷで一定とした。また、時間分解能は、１ｎｓ以下に設定した。
このようにして、本発明例１〜６及び比較例１について表１に示す条件で実験を行い、それぞれのＬＦＦ周期を求めた。
上記の実験の結果を表１に示す。表１には、κの値も示した。また、電圧−時間波形の測定結果の一例として、本発明例１の結果を図８及び図９に、本発明例６の結果を図１０及び図１１に示す。
【００５６】
【表１】
0005639256.tif 000002
【００５７】
表１に示すように、本発明例１〜６では、ＬＦＦ周期が２０ｎｓ以下となっており、反射量の変動率が小さく誘導ブリルアン散乱が防止されていることが確認された。
一方、比較例１では、ＬＬＦ周期が２５ｎｓとなっており、反射量の変動率が大きく誘導ブリルアン散乱が発生した。
【００５８】
（実施例２）
実施例２では、実施例１で説明したものと同様の実験装置（図６、７参照）を用いて半導体装置の電流値（駆動電流値）を１００ｍＡ〜２００ｍＡに設定してＬＦＦ周期及び反射量の変動率を測定した。
実験条件は以下のように設定した。
【００５９】
＜本発明例７の実験条件＞
光共振器長：２．０ｍｍ
出力側反射手段から第二反射手段までの物理的な距離Ｌ：１８０ｃｍ
ＲＦＢＧ：１．８％
ＲＡＲ：１．５％
【００６０】
＜比較例２の実験条件＞
光共振器長：２．０ｍｍ
出力側反射手段から第二反射手段までの物理的な距離Ｌ：１００ｃｍ
ＲＦＢＧ：３．６％
ＲＡＲ：１．５％
【００６１】
反射量の変動率の評価の結果を図１２に示す。
図１２に示すように、本発明例７は、電流値が１００ｍＡ〜２００ｍＡの範囲内において、反射量の変動率が１０％以下と小さく、誘導ブリルアン散乱が抑制されていることが確認された。また、本発明例７は、ＬＦＦ周期が２０ｎｓ以下であることが確認された。
一方、比較例２では、電流値が１３０〜２００ｍＡの範囲に比べて、電流値が１００〜１２０ｍＡの範囲では、反射量の変動率が約１０００倍と大きくなっており、誘導ブリルアン散乱が生じていることが確認された。また、比較例２は、ＬＦＦ周期が２０ｎｓ超であることが確認された。
なお、電流値１００ｍＡは、レーザ光強度２０ｍＷに相当する。また、電流値１２０ｍＡは、レーザ光強度５０ｍＷに相当する。
【００６２】
（実施例３）
図１３に、半導体レーザ装置１２０における第二反射手段の反射率ＲＦＢＧと、出力側反射手段から第二反射手段までの距離Ｌとに対する半導体レーザ素子の発振モードの関係を示す。この図１３のそれぞれのプロット点は、実施例１のように種々の実験を行い、その実験結果をまとめたものである。
【００６３】
図１３より、半導体レーザ装置１２０の発振モードが、コヒーレント・コラプス状態となるのは、
Ｌ（ｃｍ）＞２３×ＲＦＢＧ（％）＋８９
のときであることがわかる。
ただし、ＲＦＢＧは、１．８％以上でないと、波長引き込みができないといった制限がある。ここで、波長引き込みとは、半導体レーザ装置１２０のレーザ発振波長が、第二反射手段の反射中心波長に引き込まれることを意味する。
なお、半導体レーザ装置１２０のコストを考慮すると、出力側反射手段から第二反射手段までの距離Ｌは、できるだけ短い方が望ましい。
【００６４】
ここで、図１３における反射率ＲＦＢＧを実効的な戻り光量κに置き換える。
κ＝（１／τ）×（１−ＲＡＲ）×（ＲＦＢＧ／ＲＡＲ）１／２
ここで、τは半導体レーザ素子中の光の周回時間である。本実施例で用いた半導体レーザ素子の光共振器長は２．０ｍｍ、群屈折率は３．４であるため、τは４５ｐｓとなる。また、ＲＡＲは１．２％のものを使用している。
このような実効的な戻り光量κで図１３に示す関係を置き換えた、半導体レーザ装置１２０における第二反射手段の反射率ＲＦＢＧと実効的な戻り光量κとに対する半導体レーザ素子の発振モードの関係を図１４に示す。
【００６５】
なお、上述の  κ＝（１／τ）×（１−ＲＡＲ）×（ＲＦＢＧ／ＲＡＲ）１／２  の関
係は、例えば、非特許文献１に詳細に記載されている。
【００６６】
図１４より、半導体レーザ素子をコヒーレント・コラプス状態で発振させるための条件は、
Ｌ＞５３３３×κ−３３
として求められる。
この線形近似式は、実効的な戻り光量κ（１／ｐｓ）が０．０以上０．０５３以下、出力側反射手段の反射率ＲＡＲ（％）が０％以上７％以下、半導体レーザ素子の光共振器長が０．２ｍｍ以上１０ｍｍ以下の範囲内において成立する。なお、κは、０．０２７（１／ｐｓ）以上でないと、波長引き込みができないといった制限がある。
以上のようにして、前述の実施形態で説明した  Ｌ＞５３３３×κ−３３  の関係を導出することができ、Ｌとκがこの関係を満たす場合、半導体レーザ装置１２０の発振モードは、確実にコヒーレント・コラプス状態にすることができ、誘導ブリルアン散乱の発生を抑制することができる。
【符号の説明】
【００６７】
１  送信機
２  受信機
３、６１  光アイソレータ
１０  ラマンアンプ
１１、２６  光ファイバ
１２  波長合波器
１３  光合分波器
２０、１２０  半導体レーザ装置
２１  ペルチェモジュール
２２  基板
２３  サーミスタ
２４、２５  レンズ
２７  パッケージ
２８  第二反射手段
２９  貫通孔
３０  半導体レーザ素子
３１  出力側反射手段
３２  後端側反射手段
３３  光共振器
４０  半導体発光部
４１  基板
４２  下部クラッド層
４３  下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
４４  活性層
４５  上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
４６  上部クラッド層
４７  コンタクト層
４８  上部電極
４９  下部電極
５１  ｐ−ＩｎＰ層
５２  ｎ−ＩｎＰ層
６２  パワーメータ
６３  光カプラ
６４  オシロスコープ
６５  光検出器
６６  光減衰器
【要約】
【課題】ラマン増幅用の励起光源に用いられる半導体レーザ装置が出力するレーザ光に起因する光ファイバ中での誘導ブリルアン散乱を抑制可能な半導体レーザ装置の設計方法を提供する。
【解決手段】出力側反射手段３１から第二反射手段２８までの距離と、出力側反射手段３１の反射率と、第二反射手段２８の反射率とを調節して半導体レーザ素子３０への実効的な戻り光量を制御することによって、半導体レーザ装置２０のＬＦＦ周期を２０ｎｓ以下にすることを特徴とする。
【選択図】図２【図１】
0005639256.tif 000003
【図２】
0005639256.tif 000004
【図３】
0005639256.tif 000005
【図４】
0005639256.tif 000006
【図５】
0005639256.tif 000007
【図６】
0005639256.tif 000008
【図７】
0005639256.tif 000009
【図８】
0005639256.tif 000010
【図９】
0005639256.tif 000011
【図１０】
0005639256.tif 000012
【図１１】
0005639256.tif 000013
【図１２】
0005639256.tif 000014
【図１３】
0005639256.tif 000015
【図１４】
0005639256.tif 000016