(57)【要約】【課題】安定した発振波長のレーザ光を出射するとともに、より安価でかつ簡単な構造を有する外部共振器型半導体レーザとそれを用いたラマン増幅器を提供する。【解決手段】劈開によって形成された後方端面１１ａおよび出射端面１１ｂと、後方端面１１ａから出射端面１１ｂにかけて設けられ、駆動電流が供給されることによって光を発生させる活性層１１０とを有し、活性層１１０において発生した光を該出射端面から出射するゲインチップ１１と、出射端面１１ｂと光軸方向に所定間隔を設けて対向する端面１ａを有してゲインチップ１１と直接光結合された光ファイバ１と、を備え、後方端面１１ａと端面１ａとの間に光共振器が形成される。【選択図】図１
2011108682.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
劈開によって形成された後方端面（１１ａ）および出射端面（１１ｂ）と、該後方端面から該出射端面にかけて設けられ、駆動電流が供給されることによって光を発生させる活性層（１１０）とを有し、該活性層において発生した光を該出射端面から出射するゲインチップ（１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ）と、
前記出射端面と光軸方向に所定間隔を設けて対向する端面（１ａ）を有して前記ゲインチップと直接光結合された光ファイバ（１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）と、を備え、
前記後方端面と前記端面との間に光共振器が形成されることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ。
【請求項２】
前記出射端面に低反射膜が形成されており、前記後方端面に高反射膜が形成されている請求項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または請求項２のいずれか一項に記載の外部共振器型半導体レーザ。
【請求項４】
前記ゲインチップが、ＩｎＰからなる半導体基板（１１１）と、該半導体基板上に前記活性層を挟んで形成されるｎ型クラッド層（１１２）およびＩｎＰからなるｐ型クラッド層（１１７）と、をさらに有し、
前記活性層が多重量子井戸構造を含み、
前記ｎ型クラッド層がＩｎＧａＡｓＰで構成され、かつ前記活性層の幅が７〜１４μｍであり、横高次モードが発生することなく基本横モードのみで発振する請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の外部共振器型半導体レーザ。
【請求項５】
前記ｎ型クラッド層を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長が０．９８μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の外部共振器型半導体レーザ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の外部共振器型半導体レーザ（１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ）と、
前記光ファイバの前記ゲインチップと対向する端面と反対側の端面から出射されたレーザ光が励起光として入射され、誘導ラマン増幅を生じさせる増幅用光ファイバ（５１）と、を備えたラマン増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部共振器型半導体レーザとそれを用いたラマン増幅器に関し、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とそれを用いたラマン増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネット上で提供されるサービスの多様化に伴い、光ファイバ通信の通信容量の一層の拡大が必要となっている。
【０００３】
光ファイバ通信の長距離化および大容量化に大きな役割を果たしているのが光ファイバ増幅器であり、エルビウム添加ファイバ増幅器（Erbium Doped Fiber Amplifier、以下、ＥＤＦＡと記す）の実用化によって長距離光ファイバ通信技術が大きく前進した。
【０００４】
さらに、ＥＤＦＡの増幅帯域が１．５５μｍ付近である程度の広がりを持っていたため、波長の異なる信号光を１本の光ファイバに同時に通すことで通信容量を飛躍的に拡大する波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing、以下、ＷＤＭと記す）通信技術が注目され、急激に発展した。
【０００５】
しかしながら、ＥＤＦＡの増幅帯域は光ファイバの低損失帯域よりも狭いため、最近では、ＥＤＦＡの増幅帯域よりもさらに広い波長帯域の信号光を増幅できるラマン増幅器がＥＤＦＡとともに併用されている。
【０００６】
ラマン増幅器は、励起光を出射する増幅用光源と、該増幅用光源から出射された励起光が入射される増幅用光ファイバと、を備えており、励起光の波長を変化させることによって任意の波長帯の信号光を増幅することが可能な光増幅器である。
【０００７】
励起光が増幅用光ファイバに入射されると、増幅用光ファイバにおいて誘導ラマン散乱が生じ、励起光の中心波長（以下、励起光波長と記す）から１００ｎｍ程度長波長側に利得が生じる。このとき、信号光が増幅用光ファイバに入射されると、上述の増幅用光ファイバ中に生じた利得によって励起光波長から１００ｎｍ程度長い波長の信号光が増幅される。従って、ラマン増幅器は、励起光波長が変動すると、増幅用光ファイバにおいて増幅される信号光の利得も変動するため、増幅すべき波長を適切に増幅できなくなってしまう。
【０００８】
従って、信号光の増幅率を安定させるためには、励起光波長が正確に制御される必要がある。このため、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）を用いた外部共振器型半導体レーザ（External Cavity Laser Diode、以下、ＥＣＬＤと記す）が増幅用光源として実用化された。
【０００９】
このようなＥＣＬＤとして、従来、ゲインチップの前方端面から出射される光を、ＦＢＧが形成された光ファイバに入射させ、ＦＢＧにより反射された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よりこの光を反射させて再びＦＢＧに入射させることを繰り返すことによって、特定波長でレーザ発振させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【００１０】
この特許文献１に記載のＥＣＬＤにおいては、ＦＢＧは、ゲルマニウムがドープされたコア部を有する光ファイバの一部に紫外レーザ光を照射させることにより、光ファイバの所定長さの範囲のコア部の屈折率を長手方向に周期的に変化させてなるものである。このＦＢＧが形成された光ファイバに入射された光のうち、特定波長（λ＝２ｎΛ）（ｎは光ファイバコアの実効屈折率、Λはグレーティング周期）の光のみがＦＢＧで反射される。
【００１１】
さらに、ラマン増幅器の利得特性の広帯域化および平坦化を実現するためには、増幅すべき波長帯域に応じた複数の中心波長を有する励起光が増幅用光ファイバに入射される必要がある。このため従来は、複数の励起光波長それぞれに対応するＦＢＧが光ファイバに形成されていた（例えば、特許文献２参照）。
【００１２】
図１５は、特許文献２に開示されたような従来のラマン増幅器の構成の模式図である。従来のラマン増幅器は、例えば中心波長λ1、λ2の励起光を出射する半導体レーザ１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄと、ＦＢＧ１０１Ａ、１０１Ｂ、１０１Ｃ、１０１Ｄと、偏波合成カプラ１０２、１０３と、ＷＤＭカプラ１０４、１０５と、増幅用光ファイバ１０６と、を備えている。
【００１３】
半導体レーザ１００Ａ〜１００Ｄで発生される励起光は、その中心波長λ1、λ2毎に偏波合成カプラ１０２、１０３で偏波合成され、各偏波合成カプラ１０２、１０３の出力光がＷＤＭカプラ１０４で合波され、ＷＤＭカプラ１０５を介して増幅用光ファイバ１０６に入射される。半導体レーザ１００Ａ〜１００Ｄから各偏波合成カプラ１０２、１０３の間は偏波保持ファイバ１０７で接続され、偏波面が異なる２つの励起光が各偏波合成カプラ１０２、１０３で合成されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】国際公開第９６／２７９２９号パンフレット
【特許文献２】特開２０００−９８４３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、特許文献１、２に示されたＦＢＧを用いたＥＣＬＤにおいては、上述のように増幅すべき波長帯域に対応する複数のＦＢＧが光ファイバに形成されなければならないため、作製に対する時間およびコストがかかるという問題があった。
【００１６】
本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、安定した発振波長のレーザ光を出射するとともに、より安価でかつ簡単な構造を有する外部共振器型半導体レーザとそれを用いたラマン増幅器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】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の外部共振器型半導体レーザは、劈開によって形成された後方端面および出射端面と、該後方端面から該出射端面にかけて設けられ、駆動電流が供給されることによって光を発生させる活性層とを有し、該活性層において発生した光を該出射端面から出射するゲインチップと、前記出射端面と光軸方向に所定間隔を設けて対向する端面を有して前記ゲインチップと直接光結合された光ファイバと、を備え、前記後方端面と前記端面との間に光共振器が形成されることを特徴とする。
【００１８】
この構成により、本発明の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できるとともに、より安価でかつ簡単に製造することができる。
【００１９】
本発明の外部共振器型半導体レーザは、前記出射端面に低反射膜が形成されており、前記後方端面に高反射膜が形成されていることを特徴とする。
【００２０】
この構成により、本発明の外部共振器型半導体レーザは、ゲインチップの出射端面と光ファイバの端面との間にエタロンが形成されるため、エタロンの間隔を調整することにより、所望の中心波長のレーザ光を出射することができる。
【００２１】
本発明の外部共振器型半導体レーザは、前記光ファイバが、シングルモードファイバまたは偏波保持ファイバであってもよい。
【００２２】
本発明の外部共振器型半導体レーザは、前記ゲインチップが、ＩｎＰからなる半導体基板と、該半導体基板上に前記活性層を挟んで形成されるｎ型クラッド層およびＩｎＰからなるｐ型クラッド層と、をさらに有し、前記活性層が多重量子井戸構造を含み、前記ｎ型クラッド層がＩｎＧａＡｓＰで構成され、かつ前記活性層の幅が７〜１４μｍであり、横高次モードが発生することなく基本横モードのみで発振することを特徴とする。
【００２３】
この構成により、本発明の外部共振器型半導体レーザは、レンズレスでも基本横モードを維持しながらシングルモードファイバと十分な結合効率を得ることができる。
【００２４】
本発明の外部共振器型半導体レーザは、前記ｎ型クラッド層を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長が０．９８μｍ以下であることを特徴とする。
【００２５】
この構成により、本発明の外部共振器型半導体レーザは、横高次モードを抑圧できる活性層幅を７〜１４μｍ程度の幅に拡大することができる。
【００２６】
本発明のラマン増幅器は、上記の外部共振器型半導体レーザと、前記光ファイバの前記ゲインチップと対向する端面と反対側の端面から出射されたレーザ光が励起光として入射され、誘導ラマン増幅を生じさせる光ファイバと、を備えたことを特徴とする。
【００２７】
この構成により、本発明のラマン増幅器は、ラマン増幅の利得特性の安定化、広帯域化および平坦化を実現することができる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明は、ゲインチップの出射端面と光ファイバの端面との間にエタロンが形成されることにより、安定した発振波長のレーザ光を出射するとともに、より安価でかつ簡単な構造を有する外部共振器型半導体レーザとそれを用いたラマン増幅器を提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る外部共振器型半導体レーザの上面図および断面図
【図２】ゲインチップと光ファイバとの光結合部分の拡大図
【図３】ゲインチップの全体の構成を示す斜視図
【図４】ゲインチップの一部拡大断面図
【図５】ゲインチップの各層の屈折率特性を示すグラフ
【図６】光スポットの偏平率をパラメータとした、出射光の水平方向スポット径と光ファイバへの光結合効率の関係図
【図７】水平方向スポット径およびゲインチップの活性層幅とレーザ出射光の遠視野像の広がり角度との関係図
【図８】同一活性層構造における、ｎ型クラッド層に用いるＩｎＧａＡｓＰの組成波長に対する、横高次モードを抑圧できる最大の活性層幅の関係図
【図９】ゲインチップの光の分布特性を示すグラフ
【図１０】ゲインチップの出射端面の反射率とエタロンの反射率との関係を示すグラフ
【図１１】エタロンの透過率が最小となる場合の中心波長λcと間隔Δとの関係を示すグラフ
【図１２】外部共振器型半導体レーザまたはゲインチップ単体から出射された光の中心波長λcの駆動電流依存性を示すグラフ
【図１３】本発明に係る外部共振器型半導体レーザを備えたラマン増幅器の構成を示すブロック図
【図１４】励起光波長と利得との関係を模式的に示すグラフ
【図１５】従来のラマン増幅器の構成を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の実施形態の外部共振器型半導体レーザについて、図面を用いて説明する。
【００３１】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の外部共振器型半導体レーザを図１乃至図１３を用いて説明する。図１（ａ）は外部共振器型半導体レーザ１０の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００３２】
外部共振器型半導体レーザ１０は、光ファイバ１と、光ファイバ１の一方の端部の端面１ａに向かって光を出射するゲインチップ１１と、周囲温度を検出するサーミスタ１２と、サーミスタ１２によって検出された周囲温度に基づいてゲインチップ１１の温度制御を行うＴＥＣ（Thermo Electrical Cooler）１３と、ゲインチップ１１、サーミスタ１２、ＴＥＣ１３を内部に格納する直方体状のパッケージ２と、を備える。
【００３３】
パッケージ２は、本体部２ａと、光ファイバ１が挿通される光ファイバ挿通パイプ２ｂと、蓋部材２ｃ（図１（ａ）には図示せず）と、を備えている。光ファイバ１は、例えばフェルール、接着剤、金属封止剤、または樹脂封止剤等の固定部材１４によって光ファイバ挿通パイプ２ｂに固定されている。
【００３４】
光ファイバ１は、シングルモードファイバ（偏波を保持しないもの）またはパンダファイバ等の偏波保持ファイバからなっている。光ファイバ１はコア部１ｂおよびクラッド部１ｃを有しており、クラッド部１ｃの外周の少なくとも一部は被覆１ｄによって覆われていてもよい。なお、図１は被覆１ｄの一部を破断して示している。また、光ファイバ１の他方の端部には光出力用のコネクタ１５が形成されている。
【００３５】
さらに、外部共振器型半導体レーザ１０は、パッケージ２の内部に、ゲインチップ１１を載置するためのサブマウント１６と、サーミスタ１２およびサブマウント１６を固定する基板１７と、を備えている。基板１７は、パッケージ２の内部の底面に固定された上述のＴＥＣ１３上に固定されている。基板１７は、例えば、銅タングステン（ＣｕＷ）等の材料により形成されている。
【００３６】
ゲインチップ１１は、複数の半導体層が積層されることにより構成されており、これらの半導体層は、組成や、ドープされる不純物の種類、量が互いに異なっている。また、ゲインチップ１１は、劈開によって形成された後方端面１１ａおよび出射端面１１ｂと、後方端面１１ａから出射端面１１ｂにかけて設けられ、駆動電流が供給されることによって光を発生させ、かつ導波させるストライプ状の活性層１１０とを有し、活性層１１０において発生した光を出射端面１１ｂから出射する構成を有している。
【００３７】
ＴＥＣ１３は、吸熱側基板１３ａと、放熱側基板１３ｂと、これらの基板１３ａ、１３ｂに挟まれた半導体素子１３ｃにより構成されており、基板１７と吸熱側基板１３ａとが密着されることにより、ゲインチップ１１から発生した熱を吸熱し、ゲインチップ１１の温度を一定に保つようになっている。
【００３８】
図２はゲインチップ１１と光ファイバ１との光結合部分の拡大図である。光ファイバ１の端面１ａとゲインチップ１１の出射端面１１ｂが、光軸方向に所定間隔Δ（以下、単に間隔Δと記す）を設けて対向することにより、エタロン３が構成される。端面１ａおよび出射端面１１ｂは光軸に対して垂直な平面である。
【００３９】
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）として用いられるが、エタロン３は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機能する。
【００４０】
図２に示すように、ゲインチップ１１の出射端面１１ｂから出射される光の中心軸と、光ファイバ１のコア部１ｂの中心軸とは近接して配置されている。ゲインチップ１１の活性層１１０から出射された光は、光ファイバ１の端面１ａを介してコア部１ｂに入射されるようになっている。
【００４１】
光ファイバ１がシングルモードファイバである場合には、光ファイバ１とゲインチップ１１とは、基本横モードを保ったまま高効率な結合効率で光結合されることが好ましい。このような条件を満たすゲインチップ１１の詳細な構成について図３乃至図９を用いて説明する。図３はゲインチップ１１の全体の構成を示す斜視図、図４はゲインチップ１１の一部拡大断面図である。
【００４２】
図３に示すように、ゲインチップ１１は、ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１１１の上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層１１２、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１１３、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１１０、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１１４が順番に積層されている。
【００４３】
図３において、ｎ型クラッド層１１２、ＳＣＨ層１１３、活性層１１０、ＳＣＨ層１１４はメサ型に形成されており、このメサ型の両側にｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１１５およびｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１１６が形成されている。
【００４４】
また、ＳＣＨ層１１４の上側および上部埋込層１１６の上面には、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１１７が形成されている。ｐ型クラッド層１１７の上面には、ｐ型コンタクト層１１８が形成されている。さらに、ｐ型コンタクト層１１８の上面には、ｐ電極１１９が設けられている。また、半導体基板１１１の下面にはｎ電極１２０が設けられている。
【００４５】
本実施形態において、活性層１１０としては、図４に示すように、４層の井戸層１１０ａと、この各井戸層１１０ａの両側に位置する５層の障壁層１１０ｂとを積層した４層のＭＱＷ（多重量子井戸）構造が採用されている。この４層のＭＱＷ構造を有した活性層１１０の下側に位置するＳＣＨ層１１３を複数の層１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃからなる多層構造とし、同様に、活性層１１０の上側に位置するＳＣＨ層１１４を複数の層１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃからなる多層構造としている。
【００４６】
図４に示すように、活性層１１０における障壁層１１０ｂの屈折率をｎs、ｎ型クラッド層１１２の屈折率をｎa、ｐ型クラッド層１１７の屈折率をｎbとする。また、ＳＣＨ層１１３を構成する各層１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃの屈折率および厚さをそれぞれｎ1、ｎ2、ｎ3、ｔ1、ｔ2、ｔ3とし、同様に、ＳＣＨ層１１４を構成する各層１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの屈折率および厚さをｎ1、ｎ2、ｎ3、ｔ1、ｔ2、ｔ3とする。
【００４７】
そして、各屈折率の大小関係は、次のように、活性層１１０から遠ざかる程小さくなるように設定され、かつ、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層１１２の屈折率ｎaは、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１１７の屈折率ｎbより高い。
【００４８】
ｎs＞ｎ1＞ｎ2＞ｎ3＞ｎa＞ｎb
【００４９】
さらに、このゲインチップ１１においては、図５に示すように、各ＳＣＨ層１１３、１１４を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、活性層１１０からクラッド層１１２、１１７へ向かう程小さくなるように設定されている。
【００５０】
即ち、
ｎs−ｎ1＞ｎ1−ｎ2＞ｎ2−ｎ3＞ｎ3−ｎb＞ｎ3−ｎa
となるように設定されている。
【００５１】
また、ＳＣＨ層１１３、１１４を構成する各層１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ、１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの厚みｔ1、ｔ2、ｔ3は等しく設定されている。
【００５２】
このように構成されたゲインチップ１１では、ｐ電極１１９とｎ電極１２０との間に直流電圧を印加すると、活性層１１０で光Ｐが生起され、その光Ｐが図３に示したゲインチップ１１の後方端面１１ａ、出射端面１１ｂから外部へ出射される。
【００５３】
ここで、横高次モードの発生を抑制しつつ、光ファイバ１と十分な結合効率を得ることができる活性層幅について説明する。ここで、光ファイバ１のスポット径は１０μｍ程度であるとする。
【００５４】
ゲインチップ１１においては前述の通り光が後方端面１１ａおよび出射端面１１ｂから外部へ出射されるが、その際、所定の大きさのスポット径で光は外部へ出射される。このスポット径とは、活性層端から出射される光の、その端部での光強度分布において、最大光強度の１／ｅ2（ｅは自然対数の底）となる部分の直径を意味するものとする。
【００５５】
図６に、光スポットの偏平率をパラメータとした、出射光の水平方向スポット径と光ファイバ１への光結合効率の関係図を示す。光スポットの偏平率は、スポット径の水平方向：垂直方向の割合比であり、それぞれ（１：１．３５）、（１：１．２）、（１：１）、（１：０．８）、（１：０．６５）の割合比を示している。
【００５６】
なお、ゲインチップ１１は基本横モードで発振しており、既に述べたように、光ファイバ１はゲインチップ１１に近接配置され、レンズレスで光結合している。図６からも分かるように、どの光スポットの偏平率においても約７５％以上の高い光結合効率を得るためには、水平方向スポット径が７〜１４μｍであれば良いことが分かる。
【００５７】
次に、図７（ａ）に、水平方向スポット径とレーザ出射光の遠視野像の広がり角度との関係図を示す。一方、図７（ｂ）には、ゲインチップ１１の活性層幅とレーザ出射光の遠視野像の広がり角度との関係図を示す。図７（ａ）、（ｂ）を比較して分かるように、同一広がり角度が得られる際の、活性層幅と水平方向スポット径がほぼ同等となっている。従って、ゲインチップ１１においては、活性層幅＝スポット径と見なすことができる。従って、光ファイバ１との光結合において、約７５％以上の高い光結合効率を得るためには、活性層幅が７〜１４μｍであれば良いこととなる。
【００５８】
ところで、単純に活性層幅を拡大させただけでは、レーザの発振モードに横高次モードが存在する事となり、レーザ特性が悪化するばかりでなく、光ファイバ１への光結合効率が低下してしまうこととなる。そこで、ゲインチップ１１では、前述したように、ｎ型クラッド層１１２をＩｎＧａＡｓＰで構成している。このような構成とすることにより、横高次モードの発生を抑えつつ広い活性層幅のゲインチップを実現することができる。
【００５９】
図８に、同一活性層構造における、ｎ型クラッド層１１２に用いるＩｎＧａＡｓＰの組成波長に対する、横高次モードを抑圧できる最大の活性層幅（＝カットオフ幅）の関係図の一例を示す。これによれば、通常のＩｎＰクラッド層を用いたゲインチップでは、カットオフ幅は約３．５μｍである。それに対し、組成波長を０．９６μｍとするとカットオフ幅は約７μｍとなり、さらに組成波長を０．９８μｍとすれば、カットオフ幅は約１４μｍまで拡大することができる。
【００６０】
次に、図５に基づいて各層の屈折率について説明する。図５の屈折率特性に示すように、ＳＣＨ層１１３、１１４を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、活性層１１０から各クラッド層１１２、１１７へ向かう程小さくなるように設定されているので、ＳＣＨ層１１３、１１４内における活性層１１０の近傍領域の屈折率の高い領域においては屈折率が急激に低下し、両クラッド層１１２、１１７の近傍領域の屈折率の低い領域においては、屈折率が緩慢に低下する。
【００６１】
このため、活性層１１０およびＳＣＨ層１１３、１１４における光の集中度を緩和する、即ち、光閉じ込め係数を低くすることができ、内部損失が低下する。
【００６２】
また、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層１１２の屈折率ｎaは、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１１７の屈折率ｎbより高いので、図９に示すように、光の分布が、両クラッド層１１２、１１７を同一屈折率にしたときの対称な特性Ａ'に対して、特性Ａのようにｎ型クラッド層１１２側に偏って分布する。
【００６３】
このため、活性層１１０およびＳＣＨ層１１３、１１４における光閉じ込め係数を低くしたことによるｐ型クラッド層１１７における価電子帯間光吸収による光損失の増加を抑制することができ、高出力なレーザ光を得ることができる。
【００６４】
また、ｎ型クラッド層組成波長を０．９６〜０．９８μｍの範囲で設定することにより、横高次モードを抑圧できる活性層幅を７〜１４μｍ程度の幅に拡大できる。これにより、素子抵抗値の増加による光出力の低下も防止できるだけでなく、光スポットサイズを拡大する事ができるため、レンズレスでも光ファイバ１へ結合することが可能となる。
【００６５】
また、ｐ型クラッド層１１７の厚さを増加させる必要がなく、素子抵抗値の増加による光出力の低下を招く恐れもない。
【００６６】
なお、ＩｎＧａＡｓＰの組成波長を０．９６〜０．９８μｍの範囲で選択すれば、基本横モードを保ったままゲインチップ１１からの高出力のレーザ光を光ファイバ１に入射することができる。この構成により、基本横モードを保ったまま活性層幅を広くしてゲインチップ１１と光ファイバ１を高効率な結合効率で光結合することができる。
【００６７】
次に、エタロン３の機能について説明する。既に述べたように、エタロン３は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機能する。
【００６８】
エタロン３に、中心波長λの光が光軸に対して角度θで入射したときの光の透過率Ｔ（λ）は近似的に次式によって表される。
【数１】
2011108682.tif 000003
【００６９】
［数１］において、Ａ1、Ａ2は２つの部分透過ミラーとしての出射端面１１ｂ、端面１ａそれぞれの光吸収率を、Ｒ1、Ｒ2は出射端面１１ｂ、端面１ａそれぞれの反射率を表す。さらに、［数１］におけるδは、次式によって表される。
【数２】
2011108682.tif 000004
【００７０】
［数２］において、ｎはエタロン３の間隔Δの間隙に含まれる媒質に基づく屈折率を表す。θは、上述のようにエタロン３への光の入射角度である。また、エタロン３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。
【数３】
2011108682.tif 000005
【００７１】
［数２］における屈折率ｎはエタロン３の間隔Δの間隙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、［数１］〜［数３］に基づいて、エタロン３の透過率Ｔ（λ）および反射率Ｒ（λ）はそれぞれ［数４］、［数５］のように表される。
【数４】
2011108682.tif 000006
【数５】
2011108682.tif 000007
【００７２】
図１０は、ゲインチップ１１の出射端面１１ｂの反射率と、光ファイバ１の端面１ａの反射率が３％である場合のエタロン３の反射率との関係を示すグラフである。実線はエタロン３の最大反射率を、破線はエタロン３の最小反射率をそれぞれ示している。
【００７３】
図１０から分かるように、光ファイバ１の端面１ａの反射率が一定の場合には、ゲインチップ１１の出射端面１１ｂの反射率を変化させることによりエタロン３の反射率を自由に選ぶことができる。
【００７４】
さらに、［数５］から分かるように、間隔Δを変化させることによってエタロン３の反射特性は変化する。所望の中心波長λに対するエタロン３の反射率Ｒ（λ）を最大にするには（即ち、透過率Ｔ（λ）を最小にするには）、［数５］において（２πΔ／λ）を（π／２）の整数倍とすればよく、このときの中心波長λcと間隔Δの関係は次式で与えられる。
【数６】
2011108682.tif 000008
【００７５】
図１１は、透過率Ｔ（λ）が最小となる場合の中心波長λcと間隔Δとの関係を示すグラフである。各実線は異なるｍの値に対応している。このグラフから所望の中心波長λcを実現するための間隔Δを得ることができる。図中の破線は中心波長λcが１．４６μｍである場合を示すものであり、透過率Ｔ（λc）が最小となる間隔Δが離散的に複数点存在することが分かる。
【００７６】
また、間隔Δを変化させることによって、エタロン３の反射特性のサイドモード間隔（ＦＳＲ）および半値幅も変化する。間隔Δが広くなるとＦＳＲおよび半値幅は狭くなる。
【００７７】
しかしながら、ＦＳＲおよび半値幅が狭すぎると、ゲインチップ１１の後方端面１１ａとエタロン３との間で光共振器が構成される本実施形態の外部共振器型半導体レーザ１０において、複数の発振波長（中心波長）のレーザ発振が起こりやすくなる。即ち、単一の中心波長を持つレーザ光を得るための間隔Δの値には制限（上限）がある。
【００７８】
従って、エタロン３において、［数６］から得られる所望の中心波長λcを実現する間隔Δのうち、上記の上限以下の間隔Δを採用することにより、単一の中心波長λcのレーザ光が選択的に反射されることとなる。
【００７９】
図１２は、外部共振器型半導体レーザ１０またはゲインチップ１１単体から出射された光の中心波長λcの駆動電流依存性を示すグラフである。図１２中の白丸（○）は本実施形態の外部共振器型半導体レーザ１０から出射された光の中心波長λcの駆動電流依存性を示している。さらに、比較例としてゲインチップ１１単体から出射された光の中心波長λcの駆動電流依存性を黒丸（●）で示している。なお、図１２においては、ゲインチップ１１の出射端面１１ｂの反射率が１．０％、光ファイバ１の端面１ａの反射率が３．４％の場合のデータを示している。
【００８０】
図１２から分かるように、駆動電流Ｉopの増大に伴う中心波長λcの変動Δλcを駆動電流Ｉopの変化量ΔＩopで規格化した値は、２００ｍＡ≦Ｉop≦８００ｍＡの範囲において、本実施形態の外部共振器型半導体レーザ１０（○）についてはΔλc／ΔＩop＝−０．００９ｎｍ／ｍＡ、ゲインチップ１１単体（●）についてはΔλc／ΔＩop＝０．０２１ｎｍ／ｍＡとなった。
【００８１】
即ち、本実施形態の外部共振器型半導体レーザ１０は、光反射器として機能するエタロン３を有することにより、ゲインチップ１１単体と比較して中心波長λcを安定化することができる。
【００８２】
次に、以上のように構成された外部共振器型半導体レーザ１０の動作を説明する。
ゲインチップ１１に駆動電流が供給されると活性層１１０において光が発生する。活性層１１０において発生した光は、ゲインチップ１１の出射端面１１ｂから出射されて光ファイバ１の端面１ａに入射される。
【００８３】
光ファイバ１の端面１ａに入射された光のうち、特定の中心波長λcの光がエタロン３の端面（出射端面１１ｂ、端面１ａ）で選択的に繰り返し反射された後に、再びゲインチップ１１に戻り、ゲインチップ１１の後方端面１１ａにおいて反射される。
【００８４】
ゲインチップ１１の後方端面１１ａと光ファイバ１との間で光反射が繰り返されると、特定の中心波長λcでレーザ発振が生じる。このようにして生じたレーザ光は光ファイバ１を介してコネクタ１５に到達する。なお、この中心波長λcのレーザ光は、複数の縦モードの波長成分を含んでいる。
【００８５】
既に述べたように、間隔Δを変化させることによってエタロン３の反射特性は変化するため、ゲインチップ１１の後方端面１１ａと光ファイバ１の端面１ａとの間で光反射が繰り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１０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Δに応じて変化する。即ち、間隔Δ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１０から出射させることができる。
【００８６】
また、既に述べたように、間隔Δが広すぎる（ＦＳＲおよび半値幅が狭すぎる）と複数の中心波長でレーザ発振が起こりやすくなる。間隔Δが２０〜３０μｍ程度であると、ゲインチップ１１の温度が例えば７０℃程度の高温においてＴＥＣ１３による制御なしでも単一の中心波長を持つレーザ光を得られるため好ましい。
【００８７】
以上説明したように、本実施形態の外部共振器型半導体レーザは、ゲインチップの出射端面と光ファイバの端面との間にエタロンが形成されるため、間隔Δを調整することにより、所望の中心波長のレーザ光を出射することができる。
【００８８】
また、本実施形態の外部共振器型半導体レーザは、ゲインチップの出射端面と光ファイバの端面との間にエタロンが形成されるため、ゲインチップに対する駆動電流の増大に伴う中心波長の変動を抑制することができる。
【００８９】
また、本実施形態の外部共振器型半導体レーザは、ゲインチップと光ファイバとの間にレンズを必要としない簡単な構造を有しているため、安価でかつ簡易に製造することができる。
【００９０】
（第２の実施形態）
次に、本発明に関する第２の実施形態のラマン増幅器について図１３、図１４を用いて説明する。図１３は第１の実施形態の外部共振器型半導体レーザを励起光用光源として用いたラマン増幅器５０のブロック図を示している。ここでは、励起光波長（励起光の中心波長）として２つの波長λ1、λ2を用いた例を説明する。
【００９１】
ラマン増幅器５０は、偏波面が互いに異なる波長λ1の励起光をそれぞれ出射する２つの外部共振器型半導体レーザ１０Ａ、１０Ｂと、偏波面が互いに異なる波長λ2の励起光をそれぞれ出射する２つの外部共振器型半導体レーザ１０Ｃ、１０Ｄと、外部共振器型半導体レーザ１０Ａ〜１０Ｄからの出射光が励起光として入射され、誘導ラマン増幅により信号光を増幅する増幅用光ファイバ５１と、を備えている。
【００９２】
さらに、ラマン増幅器５０は、外部共振器型半導体レーザ１０Ａ、１０Ｂからの出射光を偏波合成する偏波合成カプラ５２と、外部共振器型半導体レーザ１０Ｃ、１０Ｄからの出射光を偏波合成する偏波合成カプラ５３と、偏波合成カプラ５２、５３からの出力光を合波するＷＤＭカプラ５４と、増幅用光ファイバ５１で増幅された信号光とＷＤＭカプラ５４からの出力光を合波するＷＤＭカプラ５５と、を備えている。
【００９３】
外部共振器型半導体レーザ１０Ａ、１０Ｂは、ゲインチップ１１Ａ、１１Ｂおよび偏波保持ファイバである光ファイバ１Ａ、１Ｂを有し、偏波面が互いに異なる中心波長λ1の励起光をコネクタ（図１３においては図示せず）を介してそれぞれ出射する。
【００９４】
また、外部共振器型半導体レーザ１０Ｃ、１０Ｄは、ゲインチップ１１Ｃ、１１Ｄおよび偏波保持ファイバである光ファイバ１Ｃ、１Ｄを有し、偏波面が互いに異なる中心波長λ2の励起光をコネクタ（図１３においては図示せず）を介してそれぞれ出射する。
【００９５】
外部共振器型半導体レーザ１０Ａ〜１０Ｄで発生された励起光は、その中心波長λ1、λ2毎に偏波合成カプラ５２、５３で偏波合成され、各偏波合成カプラ５２、５３の出力光がＷＤＭカプラ５４で合波され、ＷＤＭカプラ５４および増幅用光ファイバ５１と結合されたＷＤＭカプラ５５を介して増幅用光ファイバ５１に入射される。
【００９６】
なお、これらの中心波長λ1、λ2の励起光は、第１の実施形態で述べたように複数の縦モードの波長成分を含んでいる。これにより、増幅用光ファイバ５１における誘導ブリルアン散乱が抑制され、信号光を長距離にわたってファイバ伝送させることが可能となる。
【００９７】
図１４は、励起光波長λ1、λ2と利得との関係を模式的に示すグラフである。増幅用光ファイバ５１に入射された励起光により、増幅用光ファイバ５１において誘導ラマン散乱が生じ、図１４に示すように、励起光波長λ1、λ2から１００ｎｍ程度長波長側に利得ｇが生じる。この状態で増幅用光ファイバ５１に信号光が入射されると、増幅用光ファイバ５１中に生じた利得ｇによって信号光が増幅される。
【００９８】
なお、本実施形態のように、複数の励起光波長λ1〜λn（λ1＜...＜λn）（ｎ≧２）を用いる構成にあっては、最小の励起光波長λ1と最大の励起光波長λnとの波長差を１００ｎｍ以内とすることが好ましい。これは、励起光と信号光とが重複することによる信号光の波形劣化を防止するためである。
【００９９】
以上説明したように、本実施形態のラマン増幅器は、第１の実施形態の外部共振器型半導体レーザを備えるため、ラマン増幅の利得特性の安定化、広帯域化および平坦化を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
以上のように、本発明に係る外部共振器型半導体レーザとそれを用いたラマン増幅器は、ゲインチップの出射端面と光ファイバの端面との間にエタロンが形成されるため、安定した発振波長のレーザ光を出射できるとともに、より安価でかつ簡単に製造することができるという効果を有し、ＷＤＭ通信用の光増幅器として有用である。
【符号の説明】
【０１０１】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ  光ファイバ
１ａ  端面
３  エタロン
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ  外部共振器型半導体レーザ
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、１１Ｄ  ゲインチップ
１１ａ  後方端面
１１ｂ  出射端面
１５  コネクタ
５０  ラマン増幅器
５１  増幅用光ファイバ
１１０  活性層
１１０ａ  井戸層
１１０ｂ  障壁層
１１１  半導体基板
１１２  ｎ型クラッド層
１１７  ｐ型クラッド層
【図１】
2011108682.tif 000009
【図２】
2011108682.tif 000010
【図３】
2011108682.tif 000011
【図４】
2011108682.tif 000012
【図５】
2011108682.tif 000013
【図６】
2011108682.tif 000014
【図７】
2011108682.tif 000015
【図８】
2011108682.tif 000016
【図９】
2011108682.tif 000017
【図１０】
2011108682.tif 000018
【図１１】
2011108682.tif 000019
【図１２】
2011108682.tif 000020
【図１３】
2011108682.tif 000021
【図１４】
2011108682.tif 000022
【図１５】
2011108682.tif 000023