(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ある帯域巾にわたり自発的及び刺激式放射により光ビームを形成するための利得区分と、
上記帯域巾の中心周波数付近で光ビームを制御するための位相区分と、
光ビームを誘導しそして反射するための空洞と、
その空洞の端を境界定めする前部ミラーと、
空洞の反対端を境界定めする後部ミラーとで構成され、
上記後部ミラーは、κeffBがαTuneにほぼ等しく、但し、κeffBは、有効結合定数であり、そしてαTuneは、必要なピーク同調量に対して予想される伝播ロスの量であり、そして上記後部ミラーの長さは、約７０％以上の反射率を生じるように構成された同調可能なレーザー。
【請求項２】
上記利得区分の長さは、全ての不所望な空洞モードに対する複合反射率を最小にするよう選択される請求項１に記載の同調可能なレーザー。
【請求項３】
上記前部ミラーは、サイドモード抑制比基準を維持できる最小反射率及び最短長さを有する請求項１に記載の同調可能なレーザー。
【請求項４】
上記位相区分は、レーザーの空洞モードを少なくとも２つのモード間隔だけシフトすることができる請求項１に記載の同調可能なレーザー。
【請求項５】
κeffBｘＬgBは、約２．０ないし３．０である請求項１に記載の同調可能なレーザー。
【請求項６】
上記利得区分の長さは、後部ミラーの浸透深さの約５倍以下である請求項１に記載の同調可能なレーザー。
【請求項７】
上記位相区分の長さは、２つのモード間隔の空洞モードシフトを発生するのに必要な電流密度が５ｋＡ／ｃｍ2未満となるようなものである請求項１に記載の同調可能なレーザー。
【請求項８】
上記前部ミラーは、レーザーの同調範囲に基づく前部−後部ピーク間隔と、サイドモード抑制比基準に基づく帯域巾とを有する請求項１に記載の同調可能なレーザー。
【請求項９】
上記前部ミラーは、前部−後部ピーク間隔の約２倍の帯域巾を有する請求項１に記載の同調可能なレーザー。
【請求項１０】
上記後部ミラーの長さは、約８０％以上の反射率を生じるようにされる請求項１に記載の同調可能なレーザー。
【請求項１１】
上記前部ミラーは、約２５％未満の反射率を生じるように意図される請求項１に記載の同調可能なレーザー。
【請求項１２】
上記前部ミラーは、その長さが後部ミラーの長さより短いか又は実質的にそれに等しい請求項１に記載の同調可能なレーザー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願のクロスレファレンス】
本出願は、参考としてここに援用する２０００年５月４日出願のグレゴリーＡフィッシュ及びラリーＡコルドレン氏の「IMPROVED MIRROR AND CAVITY DESIGNS FOR SGDBR LASERS」と題する共通に譲渡された出願中の米国プロビジョナル特許出願第６０／２０３，０５２号の３５ＵＳＣセクション１１９（ｅ）の下で利益を請求するものである。
【技術分野】
本発明は、一般に、広範囲に同調可能な半導体レーザーに係り、より詳細には、サンプル格子分布型ブラッグ反射（ＳＧＤＢＲ）レーザーに係る。
【０００２】
【背景技術】
光通信、センサ及びコンピュータシステムのような分野では、ダイオードレーザーが使用されている。このような用途では、広い波長範囲にわたり出力周波数に対して容易に調整できるレーザーを使用するのが非常に有用である。広い波長範囲をカバーする選択的に可変な周波数において動作できるダイオードレーザーは、非常に貴重なツールである。所与の波長範囲を使用できる個別チャンネルの数は、このようなレーザーがないと著しく制限される。従って、このような範囲限定されたレーザーを使用するシステムに同時に存在し得る個々の通信経路の数も同様に著しく制限される。従って、ダイオードレーザーは、通信、センサ及びコンピュータシステム設計における多数の問題の解決策を与えるが、光ベースシステムにより与えられる使用可能な帯域巾に基づく潜在性を満足するものではない。多数の将来の用途に対する光学システムを実現するためには、チャンネルの数を増加することが重要である。
【０００３】
種々の用途では、広範囲な波長のいずれかを選択できる同調可能な単一周波数ダイオードレーザーをもつことが必要である。このような用途は、コヒレントな光波通信システムにおけるソース及びローカル発振器、他のマルチチャンネル光波通信システムのためのソース、及び周波数変調センサシステムに使用するためのソースを含む。通常、ある波長範囲にわたり連続的な同調性が必要とされる。この連続同調は、他の何らかの基準に対する波長ロック又は安定化に対して重要であり、ある周波数シフトキーイング変調スキムにおいて望まれる。
【０００４】
サンプル格子分布型ブラッグ反射（ＳＧＤＢＲ）レーザーは、半導体の利得及び位相区分を境界定めする２つのサンプル格子を使用することにより多数のこれら所望の特徴を得る。ＳＧＤＢＲレーザーの基本的な機能及び構造は、参考としてここに援用する１９９０年１月２３日付のラリーＡコルドレン氏の「MULTI-SECTION TUNABLE LASER WITH DIFFERING MULTI-ELEMENT MIRRORS」と題する米国特許第４，８９６，３２５号に開示されている。しかしながら、所与の用途に対して最適なＳＧＤＢＲレーザーを設計することは、複雑で時間浪費な反復プロセスである。この分野では、アプリケーション指向の性能基準をベースとするＳＧＤＢＲレーザーの簡単且つ製造容易な設計を可能にする方法及び装置が要望されている。
【０００５】
【発明の開示】
上記問題に対処するために、本発明は、ある帯域巾にわたり自発的及び刺激式放射により光ビームを形成するための利得区分と、上記帯域巾の中心周波数付近で光ビームを制御するための位相区分と、光ビームを誘導しそして反射するための空洞と、その空洞の端を境界定めする前部ミラーと、空洞の反対端を境界定めする後部ミラーとで構成された同調可能なレーザーを開示する。後部ミラーは、κeffBがαTuneにほぼ等しく、但し、κeffBは、有効結合定数であり、そしてαTuneは、必要なピーク同調量に対して予想される伝播ロスの量であり、そして後部ミラーの長さは、約７０％（最小）以上の反射率（ないし最大約８０％の反射率）を生じるようにされると共に、前部ミラーは、約２５％以下の反射率を生じるように意図される。
【０００６】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、全体を通じて対応部分が同じ参照番号で示された添付図面を参照する。
本発明の実施形態を示した添付図面を参照して以下に説明する。本発明の範囲から逸脱せずに、他の実施形態も使用できそして構造上の変更もなし得ることを理解されたい。
本発明は、広範囲に同調可能なサンプル型格子半導体レーザーの設計に係る。より詳細には、より広い同調範囲、より高い出力電力、より容易な制御を達成し、最良のチャンネルと最悪のチャンネルとの間の出力電力変動が公知の設計よりも小さい空洞及び格子ミラーを設計することに向けられる。例えば、Ｖ．ヤナラマン氏等の「Theory, Design, and Performance of Extended Tuning Range in Sampled Grating DBR Lasers」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃ．第２９巻（第６号）、第１８２４−１８３４ページ（１９９３年６月）；Ｈ．イシイ氏等の「Quasicontinuous Wavelength Tuning in Super-Structure-Grating (SSG) DBR Lasers」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃ．第３２巻（第３号）、第４３３−４４１ページ（１９９６年３月）；及びＩ．アブルトスキー氏等の「Design of Widely Tunable Semiconductor Lasers and the Concept of Binary Superimposed Gratings (BSG's)」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃ．第３４巻（第４号）、第７２９−７４１ページ（１９９８年４月）を参照されたい。これらは、全て、参考としてここに援用する。
【０００７】
図１Ａ及び１Ｂは、典型的なＳＧＤＢＲレーザーを示し、その独特の同調特性を許す４つの区分を示している。このレーザー１００は、利得区分１０２と、位相区分１０４と、前部ミラー１０８と、後部ミラー１１０とで構成され、これら区分は、長さＬA、Ｌψ、ＬgF及びＬgBを各々有する。これら区分の下には、光ビームを誘導しそして反射するための空洞１０６があり、一方、全デバイスは、基体１１２上に形成される。使用中に、一般的なバイアス電圧が利得区分１０２の上部に接続され、そして接地電位が下部の基体１１２に接続される。利得区分１０２のバイアス電圧がレーザースレッシュホールドより高いときには、活性領域１１８からレーザー出力が発生される。
【０００８】
前部及び後部ミラー１０８、１１０は、通常、サンプル型格子ミラーで、異なるサンプリング周期１１４、１１６を各々含む。格子は、波長選択性反射器として振舞い、空洞１０６に搬送される光信号の周期的波長間隔で部分反射が発生される。前部及び後部のサンプル型格子ミラーは、それらの有効長さＬeffF及びＬeffBと格子差とにより最小空洞ロスの波長を決定するが、レーザー波長は、光学空洞１０６の長手方向モードでしか発生できない。それ故、ミラー１０８、１１０及び空洞１０６のモードを一致するように調整し、所望の波長に対し空洞１０６のロスを最小限にすることが重要である。図１に示すデバイスの位相区分１０４は、空洞１０６の光学長さＬcavを調整して、空洞１０６のモードを位置設定するように使用される。或いは又、前部及び後部ミラーは、当業者に知られた超構造格子又は他の変調格子のような別の変調格子から形成されてもよい。
【０００９】
図２は、多数の設計に共通した反射率スペクトルを示す。前部及び後部のサンプル型格子ミラーの反射率ピーク間のバーニヤ(Vernier)関係は、ＳＧＤＢＲレーザーが従来のＤＢＲレーザーより改善された同調性を与えることを示す。同調範囲内のいかなる波長も、適当な前部及び後部ミラーピークを選択しそしてそれらを位相区分に沿って同調することにより到達でき、所望波長でのレーザー作用を得ることができる。
【００１０】
図３は、この状態のもとで空洞モードにより経験される反射率（即ち空洞ロス）の一例を示す。複合反射率、即ち前部及び後部ミラー反射率の積が、レーザーの空洞モードに重ねられている。レーザー波長は、最も高い反射率を有する空洞モードにより決定される。空洞モード及びミラーが完全に整列したときに最適な安定性が達成される。
【００１１】
バーニアサンプル型格子ミラーの特性は、同調範囲、出力電力及びモード抑制を最適化するための複雑な設計空間を形成する。本発明は、サンプル型格子ミラー設計の制約を伴い所与の性能目標を達成するための設計解決策及び仕様に係る。公知技術で示されたものよりも簡単で且つ製造し易いやり方でサンプル型格子ミラーの制約の幾つかを解消するための方法も提供される。
【００１２】
一般に、テレコミュニケーションの用途に意図されたデバイスの性能目標は、同調範囲が４０ないし１００ｎｍであり、ファイバ接続された出力電力が数ミリワットないし数十ミリワットであり、そしてサイドモード抑制比（ＳＭＳＲ）が３０ｄＢ以上である。所与のＳＧＤＢＲ設計の同調範囲は、使用可能な利得−帯域と、「反復モード間隔」（λR）とによって制限され、この間隔は、前部及び後部バーニアサンプル型格子ミラーの反射率ピーク間に完全な整列が生じるポイント間の波長のスパンである（即ち、２つの周期関数がそれらの周期の最小共通整数倍に等しい周期に一致する）。非常に簡単な近似式は、次のように表わされる。
【数１】
0004989834.tif 000002
但し、Δλb及びΔλfは、各々、後部及び前部ミラーのピーク間の分離であり、そしてδλは、Δλf−Δλbである。
【００１３】
設計に共通した問題の１つは、所与の同調範囲をカバーするために使用されねばならない次の式で一般に示される同調エンハンスメントの量である（即ち、ピークが少ないと、それらの間の同調が大きく、又はピークが多いと、必要とされるピーク同調が小さい）。
【数２】
0004989834.tif 000003
本発明は、所与の同調範囲及びサイドモード抑制に対して最大の出力電力をもつデバイスを形成する設計空間と、これを達成するためにどんな同調エンハンスメントを使用すべきかを識別することが意図される。
【００１４】
設計は、出力電力を達成することに向けられ、従って、ＳＭＳＲ及び同調範囲の制限を適用しなければならない。ＳＧＤＢＲレーザーの公知の設計は、比較的等しい反射率をもつ前部及び後部ミラーを使用した。空洞パラメータの範囲が自由である場合には、当業者は、高い出力電力を発生するように非常に非対称的な空洞を形成する最適化ルーチンを容易に適用することができる。
【００１５】
図４は、ＳＧＤＢＲレーザーにおいて実行されるこの種の空洞最適化の一例を示す。輪郭プロットは、最小電流及び特定の出力電力に対する前部ミラー反射率及び利得区分の長さ（Ｌg）の選択を示す。パラメータは、最悪のケースのロス及び推定ミラー浸透深さ（１２０−１５０μｍ）を使用して選択される。後部ミラーは、０．８５の固定反射率を有する。所与の出力電力は、前部ミラーの反射率及び利得領域の長さを後部ミラーの固定反射率及び量子ウェルの数に対して調整することにより最小の電流で達成することができる。実際に、実験では、最大出力電力のＤＢＲレーザーは、後部ミラーＤＢＲ反射率が（ロスのない状態で）８５％より高い状態で、非反射（ＡＲ）被覆ファセット（Ｒ〜１％）を前部ミラーとして使用する。ＤＢＲにＳＭＳＲを維持するためには、隣接空洞モードを充分に抑制するように空洞の長さ及び後部ＤＢＲのみを処理すればよい。この処理は、約４０ないし５０ｃｍ-1の非常に高い格子結合定数、短い空洞長さ、及び多数の量子ウェル（１０）を使用することを含む。当業者に明らかなように、ＤＢＲの反射率が、同調中にミラーに生じる光学的ロスの大きな変化に対してあまり敏感でない（即ち低い浸透深さ）ようにするために、高いカッパ（κ）が選択されている。
【００１６】
図５は、本来的に同調を達成するのに必要なインデックスの変化により、波長同調のもとでＤＢＲに生じるモード伝播ロスを示している。この高いκの１つの結果は、大きなＤＢＲ反射帯域巾（＞１ｎｍ）であり、これは、次いで、隣接空洞モードにわたって３０ｄＢのＳＭＳＲ（１ｍＷの出力電力において）を維持するために短い利得区分長さ（＜４００μｍ）を必要とする。短い空洞長さで同調ロスの存在中に高い出力電力を与えるには、活性領域において単位長さ当たり大きな利得（多数の量子ウェル）を必要とする。
【００１７】
ＳＧＤＢＲレーザー設計においてこれらの同じ結果を達成することは、前部ミラーが隣接スーパーモードのモード抑制において重要な役割を演じることにより複雑化され、これは、図２において明らかである。前部ミラーの反射率が減少するにつれて、反射帯域巾が明らかに広くなり、従って、最大のモードインデックス変化Δｎmaxが得られる。必要なサイドモード抑制を維持するために、前部ミラーの有効κ（即ち格子κとサンプリングデューティ比の積）を減少しなければならず、そして小さな同調エンハンスメントＦが必要とされる（即ち、δλは、同調エンハンスメントに逆比例する）。
【００１８】
図６Ａないし６Ｄは、使用する同調エンハンスメントの関数として種々の前部ミラー反射率（即ちκＬ）に対して３０ｄＢのＳＭＳＲ（１ｍＷの出力電力における）について許された最大のκを示す。大きなκの前部ミラー（ひいては、短い長さ）は、前部ミラー反射率が高く、同調エンハンスメントが低くそして同調範囲が狭い（即ちピーク同調が小さい）設計に対して許される。
【００１９】
図７は、図６に示すミラーパラメータに対する同調エンハンスメントの関数として全反射率（Ｒf、Ｒb）の低下を示すミラー反射率に対する同調の影響を示している。大きなδλ及び対応的に高いκのミラーは、空洞内において小さなミラー反射率変化を招く。小さな同調エンハンスメントは、短くてκの大きな前部ミラーを使用できるので、所与のロスに対して小さな反射率変化を与える。更に、大きなκ（κＬ＝０．２及びκＬ＝０．３の場合に４５ｃｍ-1であるのに対してκＬ＝０．４及びκＬ＝０．５の場合に３５ｃｍ-1）の後部ミラーは、それら後部ミラーの浸透深さが小さいのでロスの増加が小さくなる。
【００２０】
図７は、同調エンハンスメントの低い設計が所与の同調量に対して低いロスを与えることを示しているが、同じ全同調範囲を達成するためにより大きな同調も必要とする。従って、所与の同調範囲をカバーするために、低いインデックス同調を伴う多数のピークを使用するのが良いか、又は大きな同調を伴う少数の広く離間されたピークを使用するのが良いかの問題が残される。ミラーのκが、所与の同調エンハンスメントに対しＳＭＳＲ基準により許された最大値であるように選択される場合には、低い同調エンハンスメントを選択するのが良い。
【００２１】
図８は、低い同調エンハンスメント設計に対し４５ｎｍの同調範囲を達成するために大きなピーク同調（ひいては、ミラーにおける伝播ロス）が必要とされるにも関わらず、低い同調エンハンスメント設計に使用されるミラーが短くそして浸透深さが小さいので、反射率の全低下が実際に小さくなる。これは、直感的に逆であると思われるが、先に述べたＤＢＲレーザーは、制限ケースの一例を与える。１０ないし１５ｎｍのみの同調範囲が必要とされるときに最大の出力電力を得るためには、前部ミラーが非常に低い反射率（１％）を有しそして後部ミラーが４０ないし４５ｃｍ-1のκを有するようなＤＢＲレーザー（１の同調エンハンスメント）を使用する見込みが最も高くなる。従って、所与の同調範囲を得るのに低い同調誘起伝播ロスが必要とされるにも関わらず、高い同調エンハンスメントを伴う設計は、ＳＭＳＲ基準を満足するのに長くてκの低いミラーが必要とされるために同調中に大きな反射率ロスを被る。
【００２２】
図６ないし８から得られる結論として、高い出力電力を発生するためのＳＧＤＢＲレーザーの著しく非対称的な設計は、最小限のＳＭＳＲ基準が与えられると、κの高いミラー（後部ミラーに対して４０ないし４５ｃｍ-1）及び低い同調エンハンスメントの状態で最も良く達成できる。
特定の同調範囲及び出力電力に対する設計戦略を要約するためには、次の基準を満足しなければならない。後部ミラーは、必要なピーク同調量（５ないし１０ｎｍ又は３０ないし５０ｃｍ-1）に対して予想される伝播ロスの量に接近した有効κをもつように選択されねばならない。前部ミラーの最大κは、同じ予想ロス及びＳＭＳＲ基準を使用してある範囲の前部ミラーκＬ（即ち反射率）に対して選択することができる。次いで、利得区分の最大長さを、各前部ミラーκＬに対し、ミラー反射帯域巾内の隣接空洞モードを抑制するのに必要な空洞モード間隔に基づいて決定することができる。（図３を参照されたい。）後部ミラーのパラメータが固定されそして利得区分の長さが制限された状態では、設計内の量子ウェルの数が与えられると、どれが最小の電流で所望の出力電力を発生するか調べるために種々の前部ミラー選択を評価することができる。高い出力電力は、もちろん、低い反射率の前部ミラーに好都合であるガ、動作電流を最小にするために高い利得を必要とする。当業者であれば、この基本的なスタートポイントから反復を行って、同調のもとで経験される最大空洞ロスを伴い、最小電流で所望の出力電力を達成し、そして同調範囲内で全てのチャンネルに対して最小限のＳＭＳＲ基準を満足する設計に迅速に到達することができる。
【００２３】
以上に述べた設計上の方法で達成できるものを越えてデバイスの性能を向上するためには、性能を限定する妥協をうまく処理することが必要となる。公知技術により一貫して見逃されていたことは、サイドモードが空洞のモードにしか存在し得ないことである。それ故、上述したＳＭＳＲ基準により許されたものより小さなδλの値でも、空洞モードとミラー反射の組み合わせが適切に設計されれば使用することが可能となる。適切な設計とは、空洞モードがピーク反射率に位置設定されたとき、空洞モードが隣接ピークの最大反射率点に一致せず、従って、サイドモードにより経験される反射率を低下するように、ミラーピーク及び空洞モード間隔を選択することである。図３は、その一例を示す。明らかに、この設計は、空洞モードの間隔を広げることにより達成が容易である。この目標に向かって、位相区分は、ラウンドトリップ位相を依然２πだけ調整しそして最大許容電流密度以下に留まるようにしながら、できるだけ短く形成されねばならない。利得区分の長さは、活性領域の単位長さ当たりの利得を増加する（例えば、より多くの量子ウェル）ことにより減少できる。更に、上述した方法は、ＳＧＤＢＲミラーに対して最短の浸透深さ（即ち、ミラー長さ）を生じ、又、より広い空洞モードを生じる。
【００２４】
以下の例は、設計目標を達成するのに使用される多数の設計を示するものである。変更される主たるパラメータは、同調エンハンスメントファクタＦに逆比例するδλである。設計目標は次の通りである。同調範囲が５０ｎｍ、出力電力が６ｍＷ、そして１ｍＷにおけるＳＭＳＲが３３ｄＢ。
図９は、多数の前部ミラーピーク間隔に対する反復モード制限同調範囲を示す。試験されるδλは、０．４ｎｍ、０．５ｎｍ、０．６ｎｍ及び０．７ｎｍである。これらは、所望の同調範囲を達成するために４．８ｎｍないし６．２ｎｍのピーク同調要求を与える。
【００２５】
後部ミラーは、約２．５ないし３．０のκＬでできるだけ高い反射率をもつことが所望され、これは、約８０ないし８５％の反射率を与える。有効κは、設計に必要とされる同調範囲に基づいて選択されねばならない。同調のもとでの反射率の過剰ロスを回避するには、κがαにほぼ等しくなければならない。
上述したケースでは、ロスが約３０ないし３５ｃｍ-1となり、従って、３３ｃｍ-1のκが最適なスタート点となる。図５は、同調のもとでの受動的モード導波管ロスの増加を示している。
前部ミラーは、κ及びＬの両方を選択する必要があるので、選択がより困難である。レーザーは、前部ミラーの反射率及び利得領域の長さを自由に選択するファブリ−ペローのレーザーとして処理される。所望の出力電力に対して要求される電流を最小にすることにより、前部ミラーに対する反射率を見出すことができる。
【００２６】
前部ミラーの反射率を選択するための空洞最適化方程式は、次の通りである。
【数３】
0004989834.tif 000004
【００２７】
式（２）を適用するためには、最大ピーク同調（３０ないし３５-1）を要求する波長チャンネルに対し導波管ロスを使用するのが重要である。これは、前部ミラーの浸透深さが未知であり、即ち所望の前部ミラー反射率の推定を得るのに推測値が使用されることにより複雑化される。前部ミラーの反射率は、後部ミラーより小さく、従って、その浸透深さは、おおよそ後部ミラーの浸透深さの１倍と０．５倍との間のどこかである。所望反射率のおおよその値が決定されると、より正確な浸透深さで計算し直される。
【００２８】
例えば、ロスなし前部ミラー反射率が約０．２ないし０．２５（κＬf〜０．５）であるのが望ましい（図４のように）と決定されると、前部ミラーの有効κが選択される。これは、ＳＭＳＲ基準と、設計に対して選択されたδλとに基づいて選択される。親指の法則では、（ロスを含む）前部ミラーの最大値の半分における半分の幅（ＨＷＨＭ）がほぼδλ／２に等しくなければならない（即ち、ピークサイドモード反射率と所望のピーク反射率との比が、１ｍＷにおける３０ｄＢのＳＭＳＲと約８０％／２０％ミラーに対して０．７５ないし０．８でなければならない）。
【００２９】
図１０は、所望のレーザー波長に隣接するスーパーモードのＳＭＳＲと、前部及び後部ミラーの反射率曲線との間の関係を概略的に示す。又、図１０は、前部及び後部ミラーをＳＭＳＲの特性に関連付けするより厳密な方程式を使用している。この関係式は、次の通りである。
【数４】
0004989834.tif 000005
この式は、ここで、おおよそのκＬが知られている前部ミラーの有効κを選択するように適用できる。
【００３０】
図１１は、計算された例を示すテーブルである。この設計例を使用することは、最悪チャンネルの性能が最短の前部ミラーに対して最良であることを示す。これは、設計空間を支配するロスの結果である。浸透深さが短い前部ミラーは、同調のもとで経験される大きなロスによってあまり影響を受けない。前部ミラーを短縮すると、その反射帯域巾が増加され、従って、ＳＭＳＲ及び同調範囲要件を維持するのに大きなδλ（ひいては、大きな同調）を必要とする。余計な同調が必要とされるのも関わらず、最悪ケースチャンネルの空洞ロスは、短いミラーを伴う設計では低いことに注目されたい。このことは、ミラーに対しκ〜αを設定することによりロスの増加に主として向けられた公知技術では認識されなかった。これは、公知技術で使用された高い反射率のミラー（＞０．５）では有効であるが、浸透深さは、大きな出力電力に対して必要とされる低い反射率（＜０．３）の場合にミラーの長さによって支配される。
【００３１】
高い出力電力が望まれるときには、前部ミラーの反射率を低くすることが要求される（０．１ないし０．０５）。これらミラーの帯域巾が大きいと、ミラーの長さが１２５μｍより小さい状態で大きなδλ（１ないし１．２ｎｍ）を必要とする。この点において、ＳＭＳＲは、隣接スーパーモードにおける空洞モードによって決定されるだけでなく、主たる反射率ピークの反射帯域巾内の空洞モードによっても決定される。これは、ミラー浸透深さの和が、所望のフィルタ作用を達成するために必要とされる全空洞長さの２０ないし３０％より小さくなることによるものである。従って、利得区分の長さが短縮すると、過剰なスレッシュホールド電流密度（＞４ｋＡ／ｃｍ2）を招く。この問題に対する新規な解決策は、前部ピークの２倍の数の後部ピークを使用して、所与の同調範囲をカバーすることである。図１２は、各前部ミラーに対して２つの後部ミラーピークを使用して、隣接空洞モードによるＳＭＳＲの問題を伴わずに大きな利得区分長さをもたせることを示している。例えば、１２個の３．８ｎｍ離間の後部ミラーピークと、６個の８．２ｎｍ離間の前部ミラーピークとを使用し、反復モード間隔がおおよそ［(Δλb・Δλf)／(Δλf−２・Δλb)］であって、５０ｎｍの範囲をカバーする。この構成の利点は、後部ミラーの浸透深さが２倍の長さであり（従って、大きな利得区分長さ５００ないし６００μｍに対し停止帯域内に１つの空洞しか許さない）、しかも、同調のもとで過剰なロスを受けないκ〜αを依然有する（αは、必要とされるピーク同調が小さいので小さい）ことである。狭い後部ミラーは、同じ前部ミラーが与えられた場合に小さなδλを使用することを考慮し、反復モード間隔が１／２になることを補うものである。
【００３２】
図１３は、本発明の好ましい実施形態による設計プロセス１３００を示すフローチャートである。Δｎmax、Ｐout、Δλmax、ＭＳＲが設計パラメータとして与えられると、高い効率の出力に対してＨＲ／ＡＲ設計を仮定し、そしてΔｎmax、κ＝αbmaxからαbmaxを使用すると、設計プロセスの詳細は、次のようになる。
・  後部ミラー：後部ミラーは、同調のもとに存在する高いロスで動作できるような仕様で設計されねばならない（ブロック１３０２）。これを達成するために、κeffB〜αTuneである。ピーク曲率が平坦になり始めるまで長さを増加することにより反射率Ｒbを増加する。平坦化は、小さな隣接モード抑制、即ち２＜κeffBＬgB＜２．８及びＲb＝ｔａｎｈκeffBＬgBを与える。長さは、過剰に長くならずに約７０％ないし８０％以上の充分に高い反射率を与え、従って、好ましくはκeffBＬgB〜２．０ないし３．０を与えるように構成されねばならない。
【００３３】
・  利得区分：利得区分の長さは、単一モード動作の必要性により制限される（ブロック１３０４）。最小＜αi＞、Ｊth及びＲsp’に対して最大全有効空洞長さＬtotを使用する。この最大Ｌtotは、後部ミラーピークの曲率及び反射レベルそして前部ミラーの反射レベルＲfが与えられると、所望のＳＭＳＲに対する最小モード間隔により決定され、好ましくは〜０．２と仮定する。Δλmode＝λ2／(２ｎＬtot)；Ｌtot≦ＫＬeffbであり、Ｋは約６であり、ＬeffB及びＬeffbは、後部ミラーの浸透深さである。
【００３４】
・  前部ミラー：前部ミラーの設計は、ほとんどの制約を有する。しかしながら、ＳＭＳＲ基準を維持できる最小反射率及び最短長さを有することが所望される（ブロック１３０６）。所望の同調範囲をカバーするために、図９に示すように、達成できるピーク同調が与えられると、ミラーピーク反射率間隔の差を表わすΔλTotal；δλが選択されねばならない。δλが選択されると、前部ミラーの帯域巾、即ち最大値の半分における全巾（ＦＷＨＭ）は、所望のＳＭＳＲを与えるように選択されねばならない。維持すべき基準は、ＦＷＨＭがδλの２倍であることである。３０ｄＢのＳＭＳＲを達成するために（図１０）、前部ミラーは、隣接スーパーモードにおける最大後部ミラー反射率の点においてそのピーク値の約７０ないし８０％に丸めねばならない。明らかに、高い出力電力は、低い反射率（それ故、広い帯域巾）の全部ミラーを必要とし、従って、δλをミラーの帯域巾に応じて増加しなければならないので、ΔλTotalを得るには広いピーク同調が必要とされる。
【００３５】
前部ミラー反射率Ｒfの大きさは、計算された最大全空洞長さＬtot及び電力出力Ｐｏに対し利得電流Ｉを最小化することにより計算される。長さは、Ｒf＝κＬgfにより与えられる。一般に、｜Ｒf｜は、実質的に合理的な電力出力に対し約２５％以下である。
上記のように与えられると、差のスーパーモード間隔δλ及びエンハンスメントファクタＦは、全希望同調範囲Δλtotal及び使用可能なインデックスシフトΔｎmaxから計算される。Ｆ＝Δλsuper／δλ；Δλsuper＝λΔｎmax／ｎ；Δλtotal＝ＦλΔｎmax／ｎと仮定する。それ故、δλ〜（Δｎmaxλ／ｎ）2／Δλtotalとなる。前部ミラーの長さは、小さなＲfに対して浸透深さの２倍であるので、Ｌgf〜λ2／（２δλｎ）＝Δλtotal／２（Δｎmax）2となる。
・  位相区分：位相区分は、ミラーの下で２つのモード間隔だけ空洞モードをシフトすることが要求される（ブロック１３０８）。又、長さは、電流密度が約５ｋＡ／ｃｍ2より低くなるようなものでなければならない。
【００３６】
以上、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明した。要約すれば、本発明は、同調可能なレーザーを形成する方法であって、同調のもとで高いロスで動作するように後部ミラーを設計し、この後部ミラーは、光ビームを誘導しそして反射する空洞の端を境界定めし、単一モード動作に対して制限された長さを有する利得区分を設計し、この利得区分は、ある帯域巾にわたり自発的放射により光ビームを形成し、レーザーに対するＳＭＳＲ基準を維持できる最小反射率及び最短長さを有する前部ミラーを設計し、この前部ミラーは、上記空洞の反対端を境界定めし、そして２つのモード間隔だけ空洞モードをシフトできる位相区分を設計し、この位相区分は、上記帯域巾の中心周波数付近で光ビームを制御するという段階を含む方法を開示する。
【００３７】
本発明の１つ以上の実施形態の上記説明は、単に本発明を例示するものに過ぎない。本発明は、ここに開示した正確な形態に限定されるものではない。上記の教示に鑑み多数の変更や修正が考えられる。本発明の範囲は、上述した詳細な説明により限定されるものではなく、特許請求の範囲のみによって限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  レーザー放射の電力及び波長を制御するのに使用される４つの区分を示すＳＧＤＢＲレーザーを示す図である。
【図１Ｂ】  レーザー放射の電力及び波長を制御するのに使用される４つの区分を示すＳＧＤＢＲレーザーを示す図である。
【図２】  典型的なＳＧＤＢＲレーザーミラーの反射率対波長を示すグラフである。
【図３】  前部及び後部ミラーの複合反射率をレーザーの空洞モードに重ねたグラフである。
【図４】  最小電流及び特定の出力電力に対し、前部ミラーの反射率及び利得区分の長さ（Ｌｇ）の選択を示す輪郭グラフである。
【図５】  波長同調のもとでの分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）におけるモード伝播ロスを示すグラフである。
【図６Ａ】  サイドモード抑制比基準を満足するための前部ミラーに対する最大許容κを示すグラフである。
【図６Ｂ】  サイドモード抑制比基準を満足するための前部ミラーに対する最大許容κを示すグラフである。
【図６Ｃ】  サイドモード抑制比基準を満足するための前部ミラーに対する最大許容κを示すグラフである。
【図６Ｄ】  サイドモード抑制比基準を満足するための前部ミラーに対する最大許容κを示すグラフである。
【図７】  同調エンハンスメントの関数として同調する状態のもとで空洞反射率（Ｒf・Ｒb）の低下を示すグラフである。
【図８】  高い同調エンハンスメントをもつ設計が同調中に大きな反射率ロスを受けることを示すグラフである。
【図９】  多数の前部ミラーピーク間隔に対し反復モード制限同調範囲を示す図である。
【図１０】  所望のレーザー作用波長に隣接するスーパーモードのサイドモード抑制比間の関係を概略的に示すグラフである。
【図１１】  計算例のテーブルである。
【図１２】  隣接空洞モードによるサイドモード抑制比（ＳＭＳＲ）問題を伴わずに大きな利得区分長さをもつために各前部ミラーに対して２つの後部ミラーピークを使用する場合を示すグラフである。
【図１３】  本発明の好ましい実施形態による設計プロセスを示すフローチャートである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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