(57)【要約】半導体レーザ源は、前方ファセット301および後方ファセット302を有するレーザダイオード300を備えている。このレーザダイオードは、１つの基板と、この基板上に配置された１つの下部クラッド層310とを有している。この下部クラッド層上には活性層330が配置され、この活性層上には上部クラッド層320が配置される。ダイオードの第１の外部層上には、少なくとも１個の電極が配置される。ダイオードの第２の外部層上には、１対の電極321および322が配置される。この電極対は、異なった電流がこの電極対の各電極に供給されることが可能となるように構成される。レーザダイオードの外部に配置されたレフレクタ341は、活性領域への光フィードバックを行うためにレーザダイオードの前方ファセットと光学的に結合している。
2006504273.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
前方ファセットおよび後方ファセットを有するレーザダイオードを備えている半導体レーザ源において、このレーザダイオードは、
基板と、
この基板上に配置され、第１の導電型でドープされた下部クラッド層と、
下部クラッド層上に配置された活性層と、
活性層上に配置され、第２の導電型でドープされた上部クラッド層と、
ダイオードの第１の外部層上に配置された少なくとも１個の電極と、
ダイオードの第２の外部層上に配置された１対の電極とを有しており、この第２の外部層は第１の外部層と反対側であるダイオードの一方の側に配置され、前記電極対は異なった電流がこの電極対の各電極に供給されることが可能となるように構成され、
さらに、レーザダイオードの外部に配置され、活性領域への光フィードバックを行うためにレーザダイオードの前方ファセットと光学的に連絡しているレフレクタを有している半導体レーザ源。
【請求項２】
前記少なくとも１個の電極と前記電極対中の第１の電極との間の活性領域の第１の部分は、光利得を生じさせるように順方向バイアスされ、前記少なくとも１個の電極と前記電極対中の第２の電極との間の活性領域の第２の部分は、光吸収を生じさせるように逆バイアスされている請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項３】
前記電極対の電極は、約１０オームより大きい電気抵抗によって互いから電気的に隔離されている請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項４】
前記レーザダイオードは、希土類でドープされた光増幅器をポンプするのに十分な波長の光エネルギを発生する請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項５】
前記活性領域は、多量子ウェル領域を含んでいる請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項６】
前記レフレクタは、光パワーの一部を反射して前記活性領域に戻すために前記出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項７】
前記レフレクタは、光パワーの一部を反射して前記活性領域に戻すために前記出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる請求項２記載の半導体レーザ源。
【請求項８】
前記活性領域の前記第２の部分は、セルフパルセーションを生成するシングルモードのレーザ動作の不安定性を生じさせるように逆バイアスされる請求項２記載の半導体レーザ源。
【請求項９】
第１の電極に供給される電流に対する第２の電極に供給される電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項２記載の半導体レーザ源。
【請求項１０】
第１の電極に供給される電流に対する第２の電極に供給される電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項７記載の半導体レーザ源。
【請求項１１】
前記電極対は、上部クラッド層上に配置されている請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項１２】
前記少なくとも１個の電極は基板上に配置されている請求項１１記載の半導体レーザ源。
【請求項１３】
前記少なくとも１個の電極は、単一の電気的に連続した電極である請求項１２記載の半導体レーザ源。
【請求項１４】
前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である請求項１１記載の半導体レーザ源。
【請求項１５】
レーザダイオードおよびレフレクタは、共通の平坦な光ガイド回路上に配置されている請求項１１記載の半導体レーザ源。
【請求項１６】
さらに、レフレクタをレーザダイオードの前方ファセットに結合する、共通の平坦な光学回路上に形成された平坦な導波体を備えている請求項１５記載の半導体レーザ源。
【請求項１７】
さらに、レーザダイオードからポンプエネルギを受取る、共通の平坦な光ガイド回路上に形成された希土類でドープされた平坦な導波体を備えている請求項１６記載の半導体レーザ源。
【請求項１８】
さらに、レーザダイオードからポンプエネルギを受取る希土類光増幅器を備えている請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項１９】
前記希土類光増幅器は、希土類でドープされたファイバ増幅器である請求項１８記載の半導体レーザ源。
【請求項２０】
前記希土類でドープされたファイバ増幅器は、エルビウムでドープされたファイバ増幅器である請求項１９記載の半導体レーザ源。
【請求項２１】
レーザダイオードの第１のセクションにおいて光利得を生じさせるためにそこに第１の電流を供給し、
レーザ動作のセルフパルセーションモードが発生するように、レーザダイオードの第２のセクションにおいて光吸収を生じさせるためにそこに第２の電流を供給し、
レイジング動作を発生させるために外部レフレクタからレーザダイオードへの光フィードバックを行うステップを含んでいる半導体レーザを動作させる方法。
【請求項２２】
前記レーザダイオードは、希土類でドープされた光増幅器をポンプするのに十分な波長の光エネルギを発生する請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記レーザダイオードは、多量子ウェル領域を含む活性領域を有している請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
前記外部レフレクタは、光パワーの一部を反射してレーザダイオードの活性領域に戻すためにレーザダイオードの出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる請求項２１記載の方法。
【請求項２５】
前記外部レフレクタは、光パワーの一部を反射してレーザダイオードの活性領域に戻すためにレーザダイオードの出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる請求項２２記載の方法。
【請求項２６】
第１の電流に対する第２の電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項２１記載の方法。
【請求項２７】
第１の電流に対する第２の電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項２４記載の方法。
【請求項２８】
光エネルギをレーザダイオードから希土類でドープされた光増幅器に供給するステップをさらに含んでいる請求項２１記載の方法。
【請求項２９】
前記希土類でドープされた光増幅器は、レーザダイオードと共通の平坦な光ガイド回路上に配置された希土類でドープされた平坦な導波体を備えている請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記希土類でドープされた光増幅器は、希土類でドープされたファイバ増幅器である請求項２８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長および強度が光ファイバ適用における希土類でドープされた増幅器の光ポンピングに十分であるように制御され、安定化された高パワー光放射を出力するレーザ源に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザダイオードは、高速および大容量の通信に対する増加し続ける要求を満足させると予想される種類の光増幅システムに対して最も重要なコンポーネントである。とくに、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）動作での通信チャンネルの密度の増加により、パワーの増加およびファイバ増幅器の利得の均一性のさらに厳しい制御が必要とされている。したがって、これは、電力容量、波長の安定性、およびポンプダイオードレーザの制御に関連する。これに関して、ダイオード性能の重要な構成部分は、それらの完全な動作範囲にわたって出力光強度Ｌが注入電流入力Ｉに滑らかに依存していることである。
【０００３】
非常に早い時期から、ダイオードレーザは、レーザ空洞の外側からの反射により誘導された光フィードバックの影響を非常に受け易いことは明らかであった。しかしながら、外部ミラーまたは格子を使用することにより制御された方法でレーザ空洞中にダイオード出力の一部分を戻すように結合するような適切な制御下において、この最初は望ましくなかった特性が有効に使用されることができることがすぐに判明した。電流変調およびフィードバック強度の関数として可能な動作範囲を完全に説明するのは極めて複雑であるが、安定した狭いライン幅のシングルモード動作は、弱いおよび強い両フィードバック状況において外部空洞レーザにおいて成功的に得られている。これらの両カテゴリーにおいて、数ｋＨｚの低いレーザライン幅を有すると同時に連続した波長同調が１００ｋＨｚを超えるいくつかの装置構造が開発されている。しかしながら、安定したシングルモードの安定性のこれら２つの範囲の間の中間強度フィードバック状況においては、ダイオード空洞フィールドと反射されたフィールドとの間にコヒーレンスの欠如が発生する。その結果、ライン幅が劇的に広くなり、また、レーザは、文献において“コヒーレンス崩壊”状態と呼ばれる状況への転移を受ける。
【０００４】
制御されたフィードバックがそれ自体の自立構造で立っているミラーまたは格子によって行われた場合、通常、付加的な光学素子が光を維持し、誘導するために必要とされる。これに関して、出力ファイバ自身の中に書込まれるファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）を反射素子として使用することにより大幅な簡単化が行われることができる。最大格子反射率の波長がダイオード帯域幅のピーク付近に位置するように選択された場合、ブラッグ格子はダイオード空洞出力をその格子のブラッグ波長にロックする。このロックの結果、出力雑音が減少し、サイドモードの抑制が増加し、レーザ安定性が高まる。理想的に、外部空洞フィードバックレーザは、強いフィードバック状況（このために、レーザの前方ファセットが反射防止被覆を設けられ、それによって格子フィードバックが前方ファセットフィードバック以上になることが可能になる）において動作された場合、効率的な高パワーのシングルモード光源として機能しなければならない。しかしながら、実際には、レーザのシングルモードの安定性は、注入電流のわずかな変調により劇的に消失する。この原因は、主として（単独ではないが）誘起された熱の発生およびその結果生じる温度Ｔの変化のためにダイオード材料の屈折率ｎが注入電流の値に敏感なためである。典型的なダイオードレーザの半導体材料の屈折率ｄｎ／ｄＴの温度依存性の大きさは、少なくともＦＢＧ材料（シリカ）の大きさより大きいため、レーザ空洞モードの温度依存性（約０．１ｎｍ／Ｃ）は、格子が全電流誘導温度変化を経験した場合でさえ、ブラッグ波長の温度依存性（約０．０１ｎｍ／Ｃ）をはるかに超える。その結果、電流変調によりモードロッキングは破壊される。シングルモードの強いフィードバック動作において、反射防止被覆を使用することにより、レーザは約０．１ｎｍの典型的なモード分離により動作する。このオーダーのモード間隔のために、上記のメカニズムでは、温度変化の約１Ｃごとに対して分離した不安定化モードホッピング事象が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
典型的な外部空洞ダイオードレーザにおいて、出力ファイバにスライスされたファイバブラッグ格子は、たとえば、波長λ0を中心とするレーザ空洞のほぼ５-６間隔に等しい反射スペクトルを有する。ＦＢＧとダイオードレーザ空洞との間の距離が、フィードバックなしのレーザのコヒーレンス長より短い場合、シングルモードのファブリ-ペロ（ＦＰ）動作は、レーザの前方ファセットからの反射と格子との間の構成的な干渉によって安定化されることができる。その後、ポンプ波長は、格子反射スペクトル範囲内のレーザのＦＰモードの１つと関連付けられる。しかしながら、注入電流の増加と共に活性領域の温度が上昇し、また、半導体とガラスとの間のｄｎ／ｄＴの大きな差の結果として、レーザＦＰモードはλ0に関して赤色方向に偏移し、１つのＦＰモードから別のＦＰモードへの一連のレーザ波長ジャンプを誘起する。これらのジャンプの結果、Ｌ-Ｉ曲線におけるキンクが発生する。図１［M.Achtenhagen，S.Mohrdiek，T.Pliska，K.Matuschek，C.C.HarderおよびA.Hardy氏等による論文（IEEE Photonics Technology Letters Vol.13,pp415-417）から引用された］には、その一例が示されている。この図１には、関連したパワー変動もまたＩの関数としての微分（すなわち、効率）ｄＬ／ｄＩとして詳細に示されている。
【０００６】
この種のキンクはレーザ動作には著しく有害であり、解決方法は駆動電流をディザー（ｄｉｔｈｅｒ）するか［M.Ziarri氏他による米国特許第 6,215,809号明細書（“Stabilization of Laser Sources with Closely-Coupled Optical Reflectors using an Internal Dither Circuit”）］、あるいはレーザのコヒーレンス長を超える距離にＦＢＧを移動するか［たとえば、B.F.VentrudoおよびG.Rogers氏等による米国特許第 6,044,093号明細書（“Fibre-Grating-Stabilized Diode Laser”）等を参照］のいずれかによって捜し求められている。距離が典型的にオーダー５０乃至１００ｃｍである後者の場合、反射はもはや構成的に干渉することができず、ＦＢＧからのフィードバックはダイオードレーザ放射のコヒーレンスを破壊する。いずれの場合も、ポンプレーザは、レーザを過渡的多重モード状態、すなわち、いわゆるコヒーレンス崩壊［H.Temkin，N.Anders Olssen，J.H.Abeles，R.A.LoganおよびM.B.Panish氏等による文献（“Reflection Noise in Index-Guided InGaAsP Lasers”,IEEE J.Quantum Electronics,Vol.22,pp.286-293 ）を参照］の状況にしておくパワー変動を経験する。この多重モード状況において、光の強度は連続的に電流に依存し、シングルモード動作のＬ-Ｉキンクを消去する。しかしながら、この状況において得られる最大光パワーはシングルモード動作のものより実質的に低い。図２には、ＦＢＧが離れて配置された外部空洞レーザによって示された従来技術の概略図が示されている。この図では、光ファイバ導波体206に前方ファセット201を介して光学的に結合された半導体レーザダイオードのようなレーザ源203が示されている。このレーザ源203は、電極204を介して供給電流205によりポンプされる活性領域202を有している。ファイバ導波体206中に書込まれたブラッグ格子207は、構成的な干渉が発生されることができないほどダイオード空洞前方ファセット201から十分に離れた距離に位置されている。反射防止被覆を与えられたファセット201により、ブラッグ格子はそのように形成された外部空洞レーザの前方ファセットを実効的に形成し、“コヒーレンス崩壊された”キンクのない状態で動作を誘導する。ポンプダイオードレーザに対するこの方法は、広く使用されている。しかしながら、それには多くの欠点がある。第１に、動作の最大パワーは依然としてキンクによる不安定性および低周波雑音によって制限されている。第２に、このような設計はコンパクトではなく、さらにそれは異なったレーザ設計に対して特別な格子構成を必要とする。
【０００７】
したがって、上述した欠点を克服するレーザ源を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によると、前方ファセットおよび後方ファセットを有するレーザダイオードを備えた半導体レーザ源が提供される。このレーザダイオードは、基板と、この基板上に配置された下部クラッド層とを備えている。この下部クラッド層は、第１の導電型のドーパントでドープされている。この下部クラッド層上には活性層が配置され、この活性層上には上部クラッド層が配置されている。この上部クラッド層は、第２の導電型のドーパントでドープされている。少なくとも１個の電極がダイオードの第１の外部層上に配置されている。ダイオードの第２の外部層上には１対の電極が配置されている。この第２の外部層は、第１の外部層と反対側であるダイオードの一方の側に配置されている。電極対は、異なった電流がこの電極対の各電極に供給されることが可能となるように構成されている。レフレクタはレーザダイオードの外部に配置されており、活性領域への光フィードバックを行うためにレーザダイオードの前方ファセットと光学的に連絡している。
【０００９】
本発明の１つの特徴によると、少なくとも１個の電極と電極対中の第１の電極との間に配置された活性領域の第１の部分は、光利得を生じさせるように順方向バイアスされ、一方その少なくとも１個の電極と電極対中の第２の電極との間に配置された活性領域の第２の部分は、光吸収を生じさせるように逆バイアスされている。
【００１０】
本発明の別の特徴によると、電極対の電極は、約１０オームより大きい電気抵抗によって互いから電気的に隔離されている。
【００１１】
本発明の別の特徴によると、レーザダイオードは、希土類でドープされた光増幅器をポンプするのに十分な波長の光エネルギを発生する。
【００１２】
本発明の別の特徴によると、活性領域は、多量子ウェル領域を含んでいる。
【００１３】
本発明の別の特徴によると、レフレクタは、光パワーの一部を反射して活性領域に戻すために出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる。
【００１４】
本発明の別の特徴によると、活性領域の第２の部分は、セルフパルセーションを生成するシングルモードのレーザ動作の不安定性を生じさせるように逆バイアスされる。
【００１５】
本発明の別の特徴によると、第１の電極に供給される電流に対する第２の電極に供給される電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている。
【００１６】
本発明の別の特徴によると、電極対は上部クラッド層上に配置され、少なくとも１個の電極は基板上に配置されている。
【００１７】
本発明の別の特徴によると、少なくとも１個の電極は、単一の、電気的に連続した電極である。
【００１８】
本発明の別の特徴によると、第１の導電型はｎ型であり、第２の導電型はｐ型である。
【００１９】
本発明の別の特徴によると、レーザダイオードおよびレフレクタは、共通の平坦な光ガイド回路上に配置されている。
【００２０】
本発明の別の特徴によると、レフレクタをレーザダイオードの前方ファセットに結合する平坦な導波体が共通の平坦な光学回路上に形成されている。
【００２１】
本発明の別の特徴によると、レーザダイオードからポンプエネルギを受取る希土類でドープされた平坦な導波体が共通の平坦な光ガイド回路上に形成されている。
【００２２】
本発明の別の特徴によると、希土類光増幅器は希土類でドープされたファイバ増幅器である。
【００２３】
本発明の別の特徴によると、希土類でドープされたファイバ増幅器はエルビウムでドープされたファイバ増幅器である。
【００２４】
本発明の別の特徴によると、半導体レーザを動作させる方法が提供される。この方法は、レーザダイオードの第１のセクションにおいて光利得を生じさせるためにそこに第１の電流を供給することによって開始される。第２の電流がレーザダイオードの第２のセクションに供給され、そこで光吸収を生じさせ、その結果レーザ動作のセルフパルセーションモードが発生する。最後に、レイジング動作を発生させるために外部レフレクタからレーザダイオードへの光フィードバックが行われる。
【００２５】
本発明の別の特徴によると、レーザダイオードは、希土類でドープされた光増幅器をポンプするのに十分な波長の光エネルギを発生する。
【００２６】
本発明の別の特徴によると、レーザダイオードは、多量子ウェル領域を含む活性領域を有している。
【００２７】
本発明の別の特徴によると、外部レフレクタは、光パワーの一部を反射してレーザダイオードの活性領域に戻すためにレーザダイオードの出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる。
【００２８】
本発明の別の特徴によると、第１の電流に対する第２の電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明は、多モードを維持しながら、図１に示されている従来技術の構成に課せられた低パワー制限を除去するレーザ源を提供し、したがって高パワーレベルでキンクのない動作を提供する。この効果は、分離した利得および吸収体セクションをレーザダイオードの活性領域に導入し、それによってセルフパルセーション［たとえば、G.PhamおよびG-H Duan氏等による文献（“Self-Pulsation in Two-Section DFB Semiconductor Lasers and its Synchronization to an External Signal”,IEEE J.Quantum Electronics Vol.34,pp1000-1008）を参照］によって誘導される多モード動作を生じさせることによって得られる。以下に説明するように、本発明はまた、レーザ源がコンパクトにパッケージされることを可能にする。たとえば、ポンプレーザは、１以上のエルビウムでドープされた導波体を備えている平坦な光ガイド回路（ＰＬＣ）チップ上に直接取付けられることができる。
【００３０】
本発明の原理
本発明において使用されるポンプダイオードレーザは、分離した利得および吸収体セクションとフィードバック格子から構成されている。ある条件下においては、以下説明するように、このレーザは、高パワーでのセルフパルセーションおよび多モード状況を生じる緩和振動に関する不安定性を有することが示される。２セクションレーザは、非常に高い周波数でロックする誘導モードに対して前から使用されているものであり、本発明に対して重要である緩和振動が観察されている［Kam Y.Lau氏による文献（“Dynamics of Quantum Well Lasers”, Chap.5 of“Quantum Well Lasers”,ed.Peter S.Zory,Academic Press Inc.1933）］。
【００３１】
２セクションレーザにおける不安定性の可能性を解析するために、利得セクションの活性層の内部でのレーザ力学の基本的な方程式からスタートし、この基本方程式は、利得セクション中の光子およびキャリア密度（それぞれＳおよびＮ）を以下のように支配する１対の定格方程式を伴う（上記のKam Y.Lau氏による文献を参照）：
【数１】
2006504273.tif 000003
【００３２】
ここで、Γは光学的閉込めファクタであり、Ｉgはポンプ電流であり、Ｖgは活性層の容積であり、τsは再結合寿命であり、ｖはポンプ速度であり、ｇ（Ｎ，Ｓ）は光利得である。すなわち、
ｇ（Ｎ，Ｓ）＝ｇ（Ｎ）／（１＋εＳ）        （３）
【００３３】
ここで、εは利得圧縮ファクタであり、τp(p)は光子寿命であり、次式によって与えられる： 
【数２】
2006504273.tif 000004
【００３４】
ここで、*は乗算を意味し、Ｒbはレーザ後方ファセットの反射係数であり、Ｒfは格子とレーザ前方ファセットの結合された反射係数であり、ＬgおよびＬaはそれぞれ利得および吸収セクションの長さであり、α（Ｐ）＝−ｇ（Ｐ）およびＰはそれぞれ、吸収セクションの活性層の吸収係数およびキャリア濃度であり、
【数３】
2006504273.tif 000005
【００３５】
である。
【００３６】
ここで、Ｖa＝ＶgＬa／Ｌgは吸収体活性層の容積である。Ｐは透明濃度より低いため、α（Ｐ）は正の量である。静的条件下において、ｄＮ／ｄｔ＝ｄＳ／ｄｔ＝ｄＰ／ｄｔ＝０であり、
【数４】
2006504273.tif 000006
【００３７】
である。
【００３８】
ここで、Ｉa0は、逆バイアスされた状態下での吸収体電気回路中の直流電流である。
【００３９】
これらの静的状態の安定性を実験するために、電流摂動ｉ（ω）＝ｉ*ｅｘｐ（ｊωｔ）に対する小信号応答特性ｓ、ｎおよびｐを以下の形態で考慮する：
【数５】
2006504273.tif 000007
【００４０】
式（９）を式（１）、（２）、（５）中に代入すると共に式（６）、（６ａ）、（７）および（８）を使用することにより、光およびキャリア密度の、それらの定常状態値からの小さいずれに対して式が以下のように得られる：
【数６】
2006504273.tif 000008
【００４１】
ここで、Ｃ1＝（ｄＵ／ｄＰ）-1*ｅＶa〜１００ｐＦであり、Ｕは電子とホールのフェルミレベルの間の差であり、Ｎ＝Ｎ0においてｇn（Ｎ0）＝ｄｇ／ｄＮであり、Ｎ＝Ｐ0においてｇn（Ｐ0）＝−ｄα（Ｐ）／ｄＰ＝ｄｇ／ｄＮである。
【００４２】
吸収体セクション中のキャリア濃度は利得セクション中のものよりはるかに小さいため、Ｎ0＞＞Ｐ0となる。また、ｇ（Ｎ）はＮの強サブリニア（ｓｔｒｏｎｇｌｙ  ｓｕｂ−ｌｉｎｅａｒ）関数であるため、ｖｇn（Ｐ0）Ｓ0＞＞ｖｇn（Ｎ0）Ｓ0＞１／τsとなる（上記のKam Y.Lau氏による文献を参照）。これらの関係および条件Ｃ／Ｃ1＝１、Ｉa(Ｐ0)／ｅＶa＞＞Ｐ0／τsを使用することにより、式（１１）、（１２）および（８）から次式の減衰された発振器の形態を得ることができる：
【数７】
2006504273.tif 000009
【００４３】
ここで、緩和振動ｆrの共振周波数は次式によって与えられる：
【数８】
2006504273.tif 000010
【００４４】
また、関連した減衰レートは次式によって与えられる：
【数９】
2006504273.tif 000011
【００４５】
γが負である場合、ポンプレーザはセルフパルセーションを示し、結果的に、多重縦方向（ｍｕｌｔｉ−ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ）モードのキンクのない状況で動作する。この場合、式（１５）から、吸収体によって消費される光パワーの一部分Ｉa0／Ｉg0は、光フィールドによる電子加熱による利得圧縮によって消費される光パワーの一部分を超える。すなわち、
【数１０】
2006504273.tif 000012
【００４６】
しかしながら、相対的なグレイン圧力量εＳ0は、非常に高い光パワーにおいてさえ１と比較して小さい（εＳ0＜＜０．１）。それ故、セルフパルセーション下で吸収体セクションにより生成されるポンプレーザ量子効率の低下は、比較的小さくされることが可能である。他方において、最大光パワーはヒートシンキングのみにより制限され、波長がＦＢＧによって安定化される任意の従来技術のポンプレーザのものを大幅に超えることができる。
【００４７】
本発明の例示的な実施形態
図３には、本発明の概略図が示されている。示されているように、レーザダイオードチップのようなレーザ源300は、その前方ファセットを介して外部導波体構造340に光学的に結合されており、この外部導波体構造340はブラッグ格子（ＢＧ）341を有している。レーザ源300は、ｎ型でドープされた下部クラッド層310と、ｐ型でドープされた上部クラッド層320と、および活性層330とを有している。上部クラッド層の電極は、利得セクション321および吸収体セクション322の２つの電気的に隔離されたセクションから構成されている。利得セクションは電気コンタクト321を介して順方向バイアスされ、吸収体セクションは電気コンタクト322を介して逆バイアスされる。コンタクト323および324からのＩg0およびＩa0はそれぞれ利得および吸収体セクションを通って流れている電流である。レーザ光空洞はレーザチップの後方ファセット302と、前方ファセット301およびＢＧ（ブラッグ格子）341により形成されている結合されたレフレクタとの間に延在する。ＢＧのスペクトル幅は、レーザチップのＦＰモードの５-６間隔であるように選択される。上述したように、このようなポンプレーザのキンクのない動作は、多重ＦＰモード動作で行われることが可能である。したがって、これは、レーザが緩和動作の不安定性によるセルフパルセーションを示したときに行われる。高い光パワーにおいては、緩和振動は利得圧縮効果によってほとんど減衰される。他方において、吸収体セクションの部分的漂白により逆の効果が発生され、それは、前に述べた部分の式（１６）によって表された条件下においてはじめの効果を上回る。キャパシタ340の値Ｃは、前述の記載中で説明されたように選択される。
【００４８】
キンクのない動作は、式（１６）が満足されている限り、維持される。したがって、本発明は、熱の影響だけが出力パワーを制限するようにＬＩ曲線に生じるキンクによって生じるパワー制限を除去する方法を提供する。第２に、本発明は、ＢＧ341がレーザチップの前方ファセット301に非常に近接して配置されることができるためにコンパクトなパッケージ化を可能にする。たとえば、ポンプレーザは、エルビウムでドープされた導波体が配置されている平坦な導波体回路（ＰＬＣ）チップ上に直接取付けられることができる。第３に、特別な波長安定化格子は本発明によるものではない。これは、提案された方法は広帯域外部レフレクタによってさえ作用するためである。本発明のいくつかの適用は、長いファイバピッグテールなしでコンパクトで安定化されたポンプパッケージ化されたレーザを組立てる能力、小さいパッケージ中におけるＰＬＣチップを有するパッケージ化されたポンプレーザダイオードの集積、ならびに外部レフレクタを安定化させる必要があるが、パッケージ化されていないレーザダイオードを直接ＰＬＣチップ上に取付けて結合する能力を含んでいる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】ＦＢＧ安定化されたレーザモジュールに対する典型的な光パワー対電流および微分効率曲線を示すグラフ。
【図２】“コヒーレンス崩壊”の状況で動作を可能にするように離されて位置された外部ファイバブラッグ格子に結合された従来技術のダイオードレーザの概略図。
【図３】本発明にしたがって構成された２セクション半導体ダイオードレーザの概略図。
【図１】
2006504273.tif 000013
【図２】
2006504273.tif 000014
【図３】
2006504273.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成17年6月29日(2005.6.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
希土類でドープされた光増幅器をポンプするのに十分な波長の光エネルギを発生し、前方ファセットおよび後方ファセットを有するレーザダイオードを備えている半導体レーザ源において、
このレーザダイオードは、
基板と、
この基板上に配置され、第１の導電型でドープされた下部クラッド層と、
下部クラッド層上に配置された活性層と、
活性層上に配置され、第２の導電型でドープされた上部クラッド層と、
ダイオードの第１の外部層上に配置された少なくとも１個の電極と、
ダイオードの第２の外部層上に配置された１対の電極とを有しており、この第２の外部層は第１の外部層と反対側であるダイオードの一方の側に配置され、前記１対の電極は、レーザダイオードの第１のセクションにおいて光学利得を発生させるために第１の電流がそこに供給され、第２の電流がレーザダイオードの第２のセクションに供給され、それによってシングルモードのレーザ動作において不安定性を生じさせ、その結果コヒーレンス崩壊を発生させることが可能となるように構成され、
さらに、レーザダイオードの外部に配置され、活性領域への光フィードバックを行うためにレーザダイオードの前方ファセットと光学的に連絡しているレフレクタを有している半導体レーザ源。
【請求項２】
少なくとも１個の電極と電極対中の第１の電極との間の活性領域の第１の部分は、光利得を生じさせるように順方向にバイアスされ、その少なくとも１個の電極と電極対中の第２の電極との間の活性領域の第２の部分は、光吸収を生じさせるように逆方向にバイアスされている請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項３】
電極対中の電極は、約１０オームより大きい電気抵抗によって互いから電気的に隔離されている請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項４】
前記活性領域は、多量子ウェル領域を含んでいる請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項５】
前記レフレクタは、光パワーの一部を反射して前記活性領域に戻すために前記出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項６】
前記レフレクタは、光パワーの一部を反射して前記活性領域に戻すために前記出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる請求項２記載の半導体レーザ源。
【請求項７】
第１の電極に供給される電流に対する第２の電極に供給される電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項２記載の半導体レーザ源。
【請求項８】
第１の電極に供給される電流に対する第２の電極に供給される電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項６記載の半導体レーザ源。
【請求項９】
前記電極対は、上部クラッド層上に配置されている請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項１０】
前記少なくとも１個の電極は基板上に配置されている請求項９記載の半導体レーザ源。
【請求項１１】
前記少なくとも１個の電極は、単一の電気的に連続した電極である請求項１０記載の半導体レーザ源。
【請求項１２】
前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である請求項９記載の半導体レーザ源。
【請求項１３】
レーザダイオードおよびレフレクタは、共通の平坦な光ガイド回路上に配置されている請求項９記載の半導体レーザ源。
【請求項１４】
さらに、レフレクタをレーザダイオードの前方ファセットに結合する、共通の平坦な光学回路上に形成された平坦な導波体を備えている請求項１３記載の半導体レーザ源。
【請求項１５】
さらに、レーザダイオードからポンプエネルギを受取る、共通の平坦な光ガイド回路上に形成された希土類でドープされた平坦な導波体を備えている請求項１４記載の半導体レーザ源。
【請求項１６】
さらに、レーザダイオードからポンプエネルギを受取る希土類光増幅器を備えている請求項１記載の半導体レーザ源。
【請求項１７】
前記希土類光増幅器は、希土類でドープされたファイバ増幅器である請求項１６記載の半導体レーザ源。
【請求項１８】
前記希土類でドープされたファイバ増幅器は、エルビウムでドープされたファイバ増幅器である請求項１７記載の半導体レーザ源。
【請求項１９】
利得セクションおよび吸収体セクションを有している活性多量子ウェル領域を備えた波長安定化された半導体レーザダイオード中の雑音を減少させる方法において、
レーザダイオードの利得セクションにおいて光利得を生じさせるためにそこに第１の電流を供給し、
シングルモードのレーザ動作において不安定性を生じさせて結果的にコヒーレンス崩壊を発生させるようにレーザダイオードの吸収体セクションに第２の電流を供給し、
レイジング動作を発生させるために外部レフレクタからレーザダイオードへの光フィードバックを行うステップを含んでいる方法。
【請求項２０】
前記レーザダイオードは、希土類でドープされた光増幅器をポンプするのに十分な波長の光エネルギを発生する請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
前記外部レフレクタは、光パワーの一部を反射してレーザダイオードの活性領域に戻すためにレーザダイオードの出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記外部レフレクタは、光パワーの一部を反射してレーザダイオードの活性領域に戻すためにレーザダイオードの出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
第１の電流に対する第２の電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
第１の電流に対する第２の電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項２１記載の方法。
【請求項２５】
光エネルギをレーザダイオードから希土類でドープされた光増幅器に供給するステップをさらに含んでいる請求項１９記載の方法。
【請求項２６】
前記希土類でドープされた光増幅器は、レーザダイオードと共通の平坦な光ガイド回路上に配置された希土類でドープされた平坦な導波体を備えている請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記希土類でドープされた光増幅器は、希土類でドープされたファイバ増幅器である請求項２５記載の方法。
【請求項２８】
前方ファセットおよび後方ファセットを有するレーザダイオードを備えており、このレーザダイオードは、
基板と、
この基板上に配置され、第１の導電型でドープされた下部クラッド層と、
下部クラッド層上に配置され、多量子ウェル領域を含む前記活性領域を含んでいる活性層と、
活性層上に配置され、第２の導電型でドープされた上部クラッド層と、
ダイオードの第１の外部層上に配置された少なくとも１個の電極と、
ダイオードの第２の外部層上に配置された１対の電極とを有しており、この第２の外部層は第１の外部層と反対側であるダイオードの一方の側に配置され、前記１対の電極は、レーザダイオードの第１のセクションにおいて光学利得を発生させるために第１の電流がそこに供給されると共に、第２の電流がレーザダイオードの第２のセクションに供給され、それによってシングルモードのレーザ動作において不安定性を生じさせ、その結果コヒーレンス崩壊を発生させることが可能となるように構成され、
さらに、レーザダイオードの外部に配置され、活性領域への光フィードバックを行うためにレーザダイオードの前方ファセットと光学的に連絡しているレフレクタを有している半導体レーザ源。
【請求項２９】
少なくとも１個の電極と電極対中の第１の電極との間の活性領域の第１の部分は、光利得を生じさせるように順方向にバイアスされ、その少なくとも１個の電極と電極対中の第２の電極との間の活性領域の第２の部分は、光吸収を生じさせるように逆方向にバイアスされている請求項２８記載の半導体レーザ源。
【請求項３０】
電極対中の電極は、約１０オームより大きい電気抵抗によって互いに電気的に隔離されている請求項２８記載の半導体レーザ源。
【請求項３１】
前記レーザダイオードは、希土類でドープされた光増幅器をポンプするのに十分な波長の光エネルギを発生する請求項２８記載の半導体レーザ源。
【請求項３２】
前記レフレクタは、光パワーの一部を反射して前記活性領域に戻すために前記出力ファセットに光学的に結合されているブラッグ格子を含んでいる請求項２８記載の半導体レーザ源。
【請求項３３】
前記レフレクタは、光パワーの一部を反射して前記活性領域に戻すために前記出力ファセットに光学的に結合されているブラッグ格子を含んでいる請求項２９記載の半導体レーザ源。
【請求項３４】
活性領域の前記第２の部分は、セルフパルセーションを生成するシングルモードのレーザ動作の不安定性を生じさせるように逆方向にバイアスされる請求項２９記載の半導体レーザ源。
【請求項３５】
第１の電極に供給される電流に対する第２の電極に供給される電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項２９記載の半導体レーザ源。
【請求項３６】
第１の電極に供給される電流に対する第２の電極に供給される電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項３３記載の半導体レーザ源。
【請求項３７】
前記電極対は、上部クラッド層上に配置されている請求項２８記載の半導体レーザ源。
【請求項３８】
前記少なくとも１個の電極は基板上に配置されている請求項３７記載の半導体レーザ源。
【請求項３９】
前記少なくとも１個の電極は、単一の電気的に連続した電極である請求項１０記載の半導体レーザ源。
【請求項４０】
前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である請求項３７記載の半導体レーザ源。
【請求項４１】
レーザダイオードおよびレフレクタは、共通の平坦な光ガイド回路上に配置されている請求項３７記載の半導体レーザ源。
【請求項４２】
さらに、レフレクタをレーザダイオードの前方ファセットに結合する、共通の平坦な光学回路上に形成された平坦な導波体を備えている請求項４１記載の半導体レーザ源。
【請求項４３】
さらに、レーザダイオードからポンプエネルギを受取る、共通の平坦な光ガイド回路上に形成された希土類でドープされた平坦な導波体を備えている請求項４２記載の半導体レーザ源。
【請求項４４】
さらに、レーザダイオードからポンプエネルギを受取る希土類光増幅器を備えている請求項２８記載の半導体レーザ源。
【請求項４５】
前記希土類光増幅器は、希土類でドープされたファイバ増幅器である請求項４４記載の半導体レーザ源。
【請求項４６】
前記希土類でドープされたファイバ増幅器は、エルビウムでドープされたファイバ増幅器である請求項４５記載の半導体レーザ源。
【請求項４７】
前方ファセットおよび後方ファセットを有するレーザダイオードを備えており、このレーザダイオードは、
基板と、
この基板上に配置され、第１の導電型でドープされた下部クラッド層と、
下部クラッド層上に配置された活性層と、
活性層上に配置され、第２の導電型でドープされた上部クラッド層と、
ダイオードの第１の外部層上に配置された少なくとも１個の電極と、
ダイオードの第２の外部層上に配置された１対の電極とを有しており、この第２の外部層は第１の外部層と反対側であるダイオードの一方の側に配置され、前記１対の電極は、レーザダイオードの第１のセクションにおいて光学利得を発生させるために第１の電流がそこに供給されると共に、第２の電流がレーザダイオードの第２のセクションに供給され、それによってシングルモードのレーザ動作において不安定性を生じさせ、その結果コヒーレンス崩壊を発生させることが可能となるように構成され、
さらに、レーザダイオードの外部に配置され、活性領域への光フィードバックを行うためにレーザダイオードの前方ファセットと光学的に連絡しており、光パワーの一部を反射して前記活性領域に戻すために前記出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいるレフレクタを有しており、
前記少なくとも１個の電極と電極対中の第１の電極との間の活性領域の第１の部分は、光利得を生じさせるように順方向にバイアスされ、その少なくとも１個の電極と電極対中の第２の電極との間の活性領域の第２の部分は、光吸収を生じさせるように逆方向にバイアスされている半導体レーザ源。
【請求項４８】
電極対中の電極は、約１０オームより大きい電気抵抗によって互いに電気的に隔離されている請求項４７記載の半導体レーザ源。
【請求項４９】
前記活性領域は、多量子ウェル領域を含んでいる請求項４７記載の半導体レーザ源。
【請求項５０】
前記レフレクタは、光パワーの一部を反射して前記活性領域に戻すために前記出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる請求項４７記載の半導体レーザ源。
【請求項５１】
活性領域の前記第２の部分は、結果的にセルフパルセーションを生成するシングルモードのレーザ動作の不安定性を生じさせるように逆方向にバイアスされている請求項４７記載の半導体レーザ源。
【請求項５２】
第１の電極に供給される電流に対する第２の電極に供給される電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項４７記載の半導体レーザ源。
【請求項５３】
第１の電極に供給される電流に対する第２の電極に供給される電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項５０記載の半導体レーザ源。
【請求項５４】
前記電極対は、上部クラッド層上に配置されている請求項４７記載の半導体レーザ源。
【請求項５５】
前記少なくとも１個の電極は基板上に配置されている請求項５４記載の半導体レーザ源。
【請求項５６】
前記少なくとも１個の電極は、単一の電気的に連続した電極である請求項５５記載の半導体レーザ源。
【請求項５７】
前記第１の導電型はｎ型であり、前記第２の導電型はｐ型である請求項５４記載の半導体レーザ源。
【請求項５８】
レーザダイオードおよびレフレクタは、共通の平坦な光ガイド回路上に配置されている請求項５４記載の半導体レーザ源。
【請求項５９】
さらに、レフレクタをレーザダイオードの前方ファセットに結合する、共通の平坦な光学回路上に形成された平坦な導波体を備えている請求項５８記載の半導体レーザ源。
【請求項６０】
さらに、レーザダイオードからポンプエネルギを受取る、共通の平坦な光ガイド回路上に形成された希土類でドープされた平坦な導波体を備えている請求項５９記載の半導体レーザ源。
【請求項６１】
さらに、レーザダイオードからポンプエネルギを受取る希土類光増幅器を備えている請求項４７記載の半導体レーザ源。
【請求項６２】
前記希土類光増幅器は、希土類でドープされたファイバ増幅器である請求項６１記載の半導体レーザ源。
【請求項６３】
前記希土類でドープされたファイバ増幅器は、エルビウムでドープされたファイバ増幅器である請求項６２記載の半導体レーザ源。
【請求項６４】
利得セクションおよび吸収体セクションを有している活性領域を備えた波長安定化された半導体レーザダイオード中の雑音を減少させる方法において、
レーザダイオードの利得セクションにおいて光利得を生じさせるためにそこに第１の電流を供給し、
シングルモードのレーザ動作において不安定性を生じさせて、それによりコヒーレンス崩壊を発生させるようにレーザダイオードの吸収体セクションに第２の電流を供給し、
レイジング動作を発生させるために外部レフレクタからレーザダイオードへの光フィードバックを行うステップを含んでおり、前記外部レフレクタは、光パワーの一部を反射してレーザダイオードの活性領域に戻すためにレーザダイオードの出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる雑音を減少させる方法。
【請求項６５】
前記レーザダイオードは、希土類でドープされた光増幅器をポンプするのに十分な波長の光エネルギを発生する請求項６４記載の方法。
【請求項６６】
前記活性領域は、多量子ウェル領域を含んでいる請求項６４記載の方法。
【請求項６７】
第１の電流に対する第２の電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項６４記載の方法。
【請求項６８】
第１の電流に対する第２の電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項６５記載の方法。
【請求項６９】
光エネルギをレーザダイオードから希土類でドープされた光増幅器に供給するステップをさらに含んでいる請求項６４記載の方法。
【請求項７０】
前記希土類でドープされた光増幅器は、レーザダイオードと共通の平坦な光ガイド回路上に配置された希土類でドープされた平坦な導波体を備えている請求項６９記載の方法。
【請求項７１】
前記希土類でドープされた光増幅器は、希土類でドープされたファイバ増幅器である請求項６９記載の方法。
【請求項７２】
利得セクションおよび吸収体セクションを有している領域を備えた波長安定化された半導体レーザダイオード中の雑音を減少させる方法において、
レーザダイオードの利得セクションにおいて光利得を生じさせるためにそこに第１の電流を供給し、
シングルモードのレーザ動作において不安定性を生じさせて、それによりコヒーレンス崩壊を発生させるようにレーザダイオードの吸収体セクションに第２の電流を供給し、
レイジング動作を発生させるために外部レフレクタからレーザダイオードへ光フィードバックを行い、
レーザダイオードから希土類でドープされた光増幅器に光エネルギを供給するステップを含んでいる方法。
【請求項７３】
前記レーザダイオードは、希土類でドープされた光増幅器をポンプするのに十分な波長の光エネルギを発生する請求項７２記載の方法。
【請求項７４】
前記外部レフレクタは、光パワーの一部を反射してレーザダイオードの活性領域に戻すためにレーザダイオードの出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる請求項７２記載の方法。
【請求項７５】
前記外部レフレクタは、光パワーの一部を反射してレーザダイオードの活性領域に戻すためにレーザダイオードの出力ファセットに光学的に結合されたブラッグ格子を含んでいる請求項７３記載の方法。
【請求項７６】
第１の電流に対する第２の電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項７２記載の方法。
【請求項７７】
第１の電流に対する第２の電流の割合は、レーザダイオード中で生じる利得圧縮の相対量を超えている請求項７４記載の方法。
【請求項７８】
前記希土類でドープされた光増幅器は、レーザダイオードと共通の平坦な光ガイド回路上に配置された希土類でドープされた平坦な導波体を備えている請求項７２記載の方法。
【請求項７９】
前記希土類でドープされた光増幅器は、希土類でドープされたファイバ増幅器である請求項７２記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
図３には、本発明の概略図が示されている。示されているように、レーザダイオードチップのようなレーザ源300は、その前方ファセットを介して外部導波体構造340に光学的に結合されており、この外部導波体構造340はブラッグ格子（ＢＧ）341を有している。レーザ源300は、ｎ型でドープされた下部クラッド層310と、ｐ型でドープされた上部クラッド層320と、および活性層330とを有している。上部クラッド層の電極は、利得セクション325および吸収体セクション326の２つの電気的に隔離されたセクションから構成されている。利得セクションは電気コンタクト321を介して順方向バイアスされ、吸収体セクションは電気コンタクト322を介して逆バイアスされる。コンタクト323および324からのＩg0およびＩa0はそれぞれ利得および吸収体セクションを通って流れている電流である。レーザ光空洞はレーザチップ後方ファセット302と、前方ファセット301およびＢＧ341により形成されている結合されたレフレクタとの間に延在する。ＢＧのスペクトル幅は、レーザチップＦＰモードの５-６間隔であるように選択される。上述したように、このようなポンプレーザのキンクのない動作は、多ＦＰモード動作で行われることが可能である。したがって、これは、レーザが緩和動作の不安定性によるセルフパルセーションを示したときに行われる。高い光パワーにおいては、緩和振動は利得圧縮効果によってほとんど減衰される。他方において、吸収体セクションの部分的漂白により逆の効果が発生され、それは、前の章の式（１６）によって表された条件下においてはじめの効果を上回る。キャパシタ342の値Ｃは、同じ章の中で説明されたように選択される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2006504273.tif 000016
【国際調査報告】
2006504273.tif 000017