(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光増幅媒質として働く半導体光増幅素子（以下、ＳＯＡと称する）の活性層と該活性層の光導波方向において交わる一方の端面Ｍ１と、
前記ＳＯＡの活性層と前記活性層の光導波方向において交わる端面で、前記端面Ｍ１とは異なるもう一方の端面Ｍ２において、前記ＳＯＡの活性層光導波路部と光学的に結合した光導波路のコア部に形成したブラッグ回折格子（以下、ＢＧと称する）による光反射部Ｍ３と、
により光共振器を形成し、注入電流量変調によるＰＣＭ直接光強度変調（以下、ＰＣＭ_Ｍと称する）される外部共振器型半導体レーザー（ＥＣＤＬ）において、
レーザー発振に関与する波長帯域を制限する前記ＢＧの反射スペクトル帯域幅Ｒ_ＢＷと、
前記ＳＯＡの材料に主に依存して決まる非線形利得飽和の効果の及ぶ波長幅ｄＷ_ＳＨＢと、の間で、
Ｒ_ＢＷ＜ｄＷ_ＳＨＢ
を満足し、
且つ、
前記ＢＧの反射ピーク波長を挟むかたちで互いに隣接して位置する２つの縦モードの波長が前記ＰＣＭ_Ｍに伴う前記共振器の実効長の変動によって変動することにより、当該２つの縦モードにおける前記ＢＧによる損失が各々変動し、前記ＰＣＭ_Ｍに伴って前記２つの縦モード間の損失の大小が逆転して当該縦モード間での損失差が正負に丁度同じ振幅で変動する状態における前記縦モード間での損失差の振幅Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ（λ），Ｓ_ＬＭ，ｄＬ_ｅｆｆ）と、
前記ＰＣＭ_Ｍ時の光パワーが最小となっている状態において、既に発振状態にある縦モードにおける前記ＢＧによる損失量Ｌｏｓｓ_ＬＬと発振状態にない他縦モードのうち前記ＢＧによる損失量が最も小さい縦モードにおける前記ＢＧによる損失量Ｌｏｓｓ_ＮＬとの間でＬｏｓｓ_ＬＬ＞Ｌｏｓｓ_ＮＬとなっても、非線形利得飽和の効果により既に発振状態にある縦モードでの単一モードレーザー発振を維持する際のＬｏｓｓ_ＬＬからＬｏｓｓ_ＮＬを引いた値がとり得る最大の正の値である損失逆転許容量ｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）と、の間で、
ｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）＞Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ（λ）,Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）を満足する、
前記ＳＯＡの前記キャリアのバンド内電子緩和時間τ_ｉｎ、
前記非線形利得飽和の効果の及ぶ波長幅ｄＷ_ＳＨＢ、
前記光共振器実効長の変動量ｄＬ_ｅｆｆ、
前記ＥＣＤＬの前記縦モード波長間隔Ｓ_ＬＭ、
前記ＥＣＤＬの実効的光共振器長Ｌ_ｃａ、
前記ＢＧの反射スペクトルＲ（λ）、
前記ＰＣＭ_Ｍ時で光パワーが最低レベルとなっている際の前記ＳＯＡの活性層内の光子数Ｓ_ｉｎ_Ｉ、
および、前記ＢＧの特性によって決まる前記反射スペクトル帯域幅Ｒ_ＢＷ、
を有していることを特徴とする外部共振器型無温調半導体レーザー装置。
【請求項２】
前記ＢＧの反射ピーク波長をλｐとし、ｎ＝１或いはｎ＝２として、前記ＢＧのリニアスケールでの反射スペクトルＲ（λ）が、ｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）＜１０Ｌｏｇ10（Ｒ（λｐ＋ｎ×Ｓ_ＬＭ））−１０Ｌｏｇ10（Ｒ（λｐ））
を満足することを特徴とする請求項１に記載の外部共振器型無温調半導体レーザー装置。
【請求項３】
光共振器鏡を構成する端面Ｍ１または光反射部Ｍ３の何れかの外部光出力に用いる側の光共振器鏡Ｍ_ｏｕｔ側において、前記光共振器鏡Ｍ_ｏｕｔと光外部光出力ポートとの間に、前記光共振器鏡Ｍ_ｏｕｔから光外部光出力ポートヘ向かう方向に伝搬する光のみを透過させるように光アイソレー夕を配置したことを特徴とする請求項１又は２に記載の外部共振器型無温調半導体レーザー装置。
【請求項４】
前記ＢＧが光ファイバのコア部に形成されているか、或いは平面光導波路のコア部に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の外部共振器型無温調半導体レーザー装置。
【請求項５】
前記ＢＧが平面光導波路のコア部に形成されている温度無依存型のＢＧであることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の外部共振器型無温調半導体レーザー装置。
【請求項６】
前記端面Ｍ２に無反射コート（ＡＲコート）を施すか、或いは活性層の光導波路方向に対する端面Ｍ２の角度を垂直に交わる配置から６〜９度傾けるか、或いはその両方を施すことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の外部共振器型無温調半導体レーザー装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信用半導体レーザー装置に関し、特に、波長多重（ＷＤＭ）光伝送システムに用いられる半導体レーザ光源に適用して有効な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、波長多重（ＷＤＭ）光伝送システムに用いられる半導体レーザー光源としては、温度調整を行うことにより発振波長を安定化させた反射帰還型半導体レーザーダイオード（ＤＦＢＬＤ）が一般的に良く用いられている。
【０００３】
前記ＤＦＢＬＤをＷＤＭシステム用光源として用いる場合、温度調整を全く行わないと仮定すると、例えば、動作保証範囲としてＩＴＵ（Ｉnternational Ｔelecommunications Ｕnion）-Ｔ勧告の屋内設備動作保証温度範囲−５℃〜４５℃（ＩＴＵ-Ｔ,ＳＧ１５,Ｑ２／１５）を考えた場合、ＤＦＢＬＤの特性として、温度変化に伴う発振波長変動が０.１ｎｍ／℃程度であることから、発振波長変動幅、すなわち各波長チャンネルが占有してしまう波長幅が５ｎｍとなる。
【０００４】
このＤＦＢＬＤの温度特性に起因する各波長チャンネルの占有波長幅は、変調の帯域幅が１０Ｇｂ／ｓ、４０Ｇｂ／ｓにおいて、それぞれおよそ０.０８ｎｍ（１０ＧＨｚ）、０.３２ｎｍ（４０ＧＨｚ）であることから、原理的に最低限必要とされる占有波長幅の１５倍以上もの波長幅を占有してしまうこと、及び光通信で光増幅器としてよく用いられるエルビウムドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）の光増幅帯域幅が３０ｎｍ（Ｃ-ｂａｎｄ）程度に限られてしまうため、前記光増幅帯域に最大で６チャンネルしか波長チャンネルを配置できないことを考えあわせるとかなり大きな値であると言える。
【０００５】
すなわち、前記ＤＦＢＬＤは、温度調整による発振波長の安定化を行わないと、ＷＤＭシステム用光源としては、波長帯域の使用効率が著しく低い光源である。
従って、一般的に前記ＤＦＢＬＤをＷＤＭシステム用光源として用いる場合には、温度調整による発振波長の安定化が行われている。
【０００６】
しかしながら、温度調整による発振波長の安定化を行うためには、温度測定用のサーミスタ、温度調整用のペルチェ、及びフィードバック回路が必要となり、光源にこれら温度調整用の素子・回路を具備させることにより光源の価格が高価となり、全体の消費電力も増加し、且つ全体として大きくなってしまうという問題があった。
【０００７】
温度変化による発振波長の変動が小さく抑えられる半導体レーザー光源としては、半導体光増幅素子（ＳＯＡ）の活性層と前記活性層の光導波方向において交わる２つの端面Ｍ１，Ｍ２のうち、端面Ｍ１を一方の光共振器鏡として用い、端面Ｍ２の反射を抑え、前記端面Ｍ２側において前記ＳＯＡの活性層光導波路部と光学的に結合した光ファイバ或いは平面基盤型光導波路等の光導波路に形成されたブラッグ回折格子（ＢＧ）をもう一方の光共振器鏡とする外部共振器型半導体レーザー（ＥＣＤＬ）（参考文献１：R.J.Campbell,et al.,Proc.ECOC'95 We.A.3.4,pp.545-548）が挙げられる。
【０００８】
このＥＣＤＬにおいては、温度変化による発振波長の変動は、広い温度範囲を総じてみると、前記ＢＧの反射スペクトルの温度変化による変動（大まかに言うと、反射ピーク波長の温度変化による変動）によって決定され、前記ＢＧの反射ピーク波長の温度変化による変動が０.０１〜０.０２ｎｍ／℃程度となることから、およそ−５℃〜４５℃の動作温度範囲においては１ｎｍ程度に発振波長変動が抑えられるという特徴を有している。
【０００９】
しかしながら、温度変化に伴う発振縦モード波長の変動量と、前記ＢＧの温度変化に伴う反射ピーク波長の変動に差があるため、ある温度変動周期（およそ１０℃周期）で発振縦モードの跳びが生じ、この発振縦モードの跳びが生じる温度において著しく出力信号光に劣化が生じることが知られている（参考文献２：高木他、信学技報 0FT98-11,pp.7-12）。
【００１０】
従って、温度調整をせずにある温度幅（およそ１０℃程度）以上の温度変動のある環境で使用することはできないため、温度調整を行わない条件の下ではＥＣＤＬは実用的ではないという問題があった。
【００１１】
前記ＥＣＤＬの温度変動時に発生する発振縦モードの跳びを抑えることのできる半導体レーザー光源としては、ＳＯＡ、ＢＧを形成した平面基盤（ＰＬＣ）型光導波路、並びに前記ＳＯＡと前記ＢＧの間にシリコンを配置した構成で、発振縦モード波長の温度変化と前記ＢＧの反射ピーク波長の温度変化とを同等とすることにより、温度変化によるモードホッピングを起こさないように設計された外部共振器型半導体レーザー（ＥＣＤＬ）が提案されている（参考文献３：T.Tanaka,et al.,Electron Lett.pp.149-150,vol.35,N0.2,1999）。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実現された動作温度範囲は２０℃程度と未だ十分とは言えず、また光共振器内のＰＬＣ上に溝を刻みシリコンを挿入する構成であるため、光共振器内の損失の増加が免れないといった問題があった。
本発明の目的は、ＷＤＭ光通信システム用の半導体レーザー光源において、温度調整機構を使用せずに、ＰＣＭ（Pulse Code Modulation）直接光強度変調（ＰＣＭ_Ｍ）状態において単一縦モード発振動作をさせつつ、実用上要求される（５０℃程度以上の）広い動作温度範囲での発振波長安定化と、動作温度範囲内のある温度においてＰＣＭ_Ｍに伴い生じる持続的な発振縦モードの跳びによる、信号光品質の劣化の抑制との両方を同時に実現可能なＷＤＭ光通信システム用の無温調半導体レーザー装置を提供することにある。
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らかにする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本願において開示される発明の概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
（１）光増幅媒質として働く半導体光増幅素子（以下、ＳＯＡと称する）の活性層と該活性層の光導波方向において交わる一方の端面Ｍ１と、
前記ＳＯＡの活性層と前記活性層の光導波方向において交わる端面で、前記端面Ｍ１とは異なるもう一方の端面Ｍ２において、前記ＳＯＡの活性層光導波路部と光学的に結合した光導波路のコア部に形成したブラッグ回折格子（以下、ＢＧと称する）による光反射部Ｍ３と、
により光共振器を形成し、注入電流量変調によるＰＣＭ直接光強度変調（以下、ＰＣＭ_Ｍと称する）される外部共振器型半導体レーザー（ＥＣＤＬ）において、
レーザー発振に関与する波長帯域を制限する前記ＢＧの反射スペクトル帯域幅Ｒ_ＢＷと、
前記ＳＯＡの材料に主に依存して決まる非線形利得飽和の効果の及ぶ波長幅ｄＷ_ＳＨＢと、の間で、
Ｒ_ＢＷ＜ｄＷ_ＳＨＢ
を満足し、
且つ、
前記ＢＧの反射ピーク波長を挟むかたちで互いに隣接して位置する２つの縦モードの波長が前記ＰＣＭ_Ｍに伴う前記共振器の実効長の変動によって変動することにより、当該２つの縦モードにおける前記ＢＧによる損失が各々変動し、前記ＰＣＭ_Ｍに伴って前記２つの縦モード間の損失の大小が逆転して当該縦モード間での損失差が正負に丁度同じ振幅で変動する状態における前記縦モード間での損失差の振幅Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ（λ），Ｓ_ＬＭ，ｄＬ_ｅｆｆ）と、
前記ＰＣＭ_Ｍ時の光パワーが最小となっている状態において、既に発振状態にある縦モードにおける前記ＢＧによる損失量Ｌｏｓｓ_ＬＬと発振状態にない他縦モードのうち前記ＢＧによる損失量が最も小さい縦モードにおける前記ＢＧによる損失量Ｌｏｓｓ_ＮＬとの間でＬｏｓｓ_ＬＬ＞Ｌｏｓｓ_ＮＬとなっても、非線形利得飽和の効果により既に発振状態にある縦モードでの単一モードレーザー発振を維持する際のＬｏｓｓ_ＬＬからＬｏｓｓ_ＮＬを引いた値がとり得る最大の正の値である損失逆転許容量ｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）と、の間で、
ｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）＞Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ（λ）,Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）を満足する、
前記ＳＯＡの前記キャリアのバンド内電子緩和時間τ_ｉｎ、
前記非線形利得飽和の効果の及ぶ波長幅ｄＷ_ＳＨＢ、
前記光共振器実効長の変動量ｄＬ_ｅｆｆ、
前記ＥＣＤＬの前記縦モード波長間隔Ｓ_ＬＭ、
前記ＥＣＤＬの実効的光共振器長Ｌ_ｃａ、
前記ＢＧの反射スペクトルＲ（λ）、
前記ＰＣＭ_Ｍ時で光パワーが最低レベルとなっている際の前記ＳＯＡの活性層内の光子数Ｓ_ｉｎ_Ｉ、
および、前記ＢＧの特性によって決まる前記反射スペクトル帯域幅Ｒ_ＢＷ、
を有していることを特徴とする外部共振器型無温調半導体レーザー装置である。
【００１４】
（２）前記手段（１）の外部共振器型無温調半導体レーザー装置において、前記ＢＧの反射ピーク波長をλｐとし、ｎ＝１或いはｎ＝２として、前記ＢＧのリニアスケールでの反射スペクトルＲ（λ）が、ｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）＜１０Ｌｏｇ10（Ｒ（λｐ＋ｎ×Ｓ_ＬＭ））−１０Ｌｏｇ10（Ｒ（λｐ））
を満足する。
【００１５】
（３）前記手段（１）又は（２）の外部共振器型無温調半導体レーザー装置において、光共振器鏡を構成する端面Ｍ１または光反射部Ｍ３の何れかの外部光出力に用いる側の光共振器鏡Ｍ_ｏｕｔ側において、前記光共振器鏡Ｍ_ｏｕｔと光外部光出力ポートとの間に、前記光共振器鏡Ｍ_ｏｕｔから光外部光出力ポートヘ向かう方向に伝搬する光のみを透過させるように光アイソレー夕を配置した。
【００１６】
（４）前記手段（１）乃至（３）のうちいずれか１つの外部共振器型無温調半導体レーザー装置において、前記ＢＧが光ファイバのコア部に形成されているか、或いは平面光導波路のコア部に形成されている。
【００１７】
（５）前記手段（１）乃至（４）のうちいずれか１つの外部共振器型無温調半導体レーザー装置において、前記ＢＧが平面光導波路のコア部に形成されている温度無依存型のＢＧである。
【００１８】
（６）前記手段（１）乃至（５）のうちいずれか１つの外部共振器型無温調半導体レーザー装置において、前記端面Ｍ２に無反射コート（ＡＲコート）を施すか、或いは活性層の光導波路方向に対する端面Ｍ２の角度を垂直に交わる配置から６〜９度傾けるか、或いはその両方を施す。
【００１９】
すなわち、本発明のポイントは、光増幅媒質として働く半導体光増幅素子（以下、ＳＯＡと称する）の活性層と該活性層の光導波方向において交わる一方の端面Ｍ１と、前記ＳＯＡの活性層と前記活性層の光導波方向において交わる端面で、前記端面Ｍ１とは異なるもう一方の端面Ｍ２において、前記ＳＯＡの活性層光導波路部と光学的に結合した光導波路のコア部に形成したブラッグ回折格子（以下、ＢＧと称する）による光反射部Ｍ３とにより光共振器を形成する外部共振器型半導体レーザー（ＥＣＤＬ）、及びそのＥＣＤＬのＰＣＭ直接変調駆動法において、前記ブラッグ回折格子（ＢＧ）または温度無依存化を図ったＢＧを一方の光共振器鏡として用いる構成の外部共振器型半導体レーザー（ＥＣＤＬ）において、前記ＢＧの反射スペクトル帯域幅Ｒ_ＢＷと、前記ＥＣＤＬに光増幅媒質として使用されるＳＯＡの材料に主に依存して決まる非線形利得飽和の効果の及ぶ波長幅ｄＷ_ＳＨＢとの間で数１の式を満足できるように設定することにより、
【００２０】
【数１】
Ｒ_ＢＷ＜ｄＷ_ＳＨＢ
非線形利得飽和効果の及ぶ波長領域外の縦モードの発振を前記ＢＧの損失の効果で抑制し、同時に、非線形利得飽和効果の及ぶ波長領域内の縦モードに関しては、前記ＢＧの損失の効果及び非線形利得飽和効果の両方の効果で、前記波長領域内の何れか１つの発振縦モード以外の縦モードの発振を抑制し、総じて単一モード発振状態となるようにし、且つ前記ＢＧの反射スペクトルＲ（λ）と、前記ＥＣＤＬの縦モード波長間隔Ｓ_ＬＭと、注入電流量変調によるＰＣＭ直接光強度変調（ＰＣＭ_Ｍ）における、前記ＳＯＡの屈折率変動ｄｎによる光共振器実効長の変動量ｄＬ_ｅｆｆ_ｎ、及び前記ＳＯＡの熱変動に伴い発生する、前記ＳＯＡの共振器方向の熱伸縮ｄＬによる、光共振器実効長の変動量ｄＬ_ｅｆｆ_Ｔの総量であるところの、前記光共振器の光共振器実効長の変動量ｄＬ_ｅｆｆとに依存して決まるところの、前記ＢＧの反射ピーク波長を挟むかたちで互いに隣接して位置する２つの縦モードの、前記ＢＧにより被るｄＢ単位の損失Ｌｏｓｓ_ＬＭ１とＬｏｓｓ_ＬＭ２の差分Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２が、前記ＰＣＭ_Ｍに伴い丁度−Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂから＋Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂまで変動する状態における前記損失の差の振幅Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ（λ）,Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）と、使用されるＳＯＡのキャリアのバンド内電子緩和時間τ_ｉｎに代表される物理的特性と、前記ＰＣＭ_Ｍ時で光パワーが最小となっている際の光共振器内光子数Ｓ_ｉｎ_Ｉと、前記ＥＣＤＬの実効的光共振器長Ｌ_ｃａとに依存して決まるところの、前記ＰＣＭ_Ｍ時の光パワーが最小となっている状態において、既に発振状態にある縦モードが、前記ＢＧにより被るｄＢ単位の損失量Ｌｏｓｓ_ＬＬから、発振状態にない他縦モードのうち前記ＢＧにより被る損失量が最も小さい縦モードの前記ＢＧにより被るｄＢ単位の損失量Ｌｏｓｓ_ＮＬを引いた差分Ｌｏｓｓ_ＬＬ−Ｌｏｓｓ_ＮＬが、既に発振状態にある縦モードでの単一モードレーザー発振を維持しながらとり得る最大の正の値、すなわち損失逆転許容量ｄＬｏｓｓ（τ_Ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）との間で、数２の式を満足できるように設定することにより、ＰＣＭ_Ｍ時に、ある温度周期で現れる発振縦モードが持続的に跳ぶ状態、すなわちモードホッピング状態に陥ることによる出力信号光の品質劣化を抑制し、且つ数３の式を満足する特性を有するようにすることにより、発振縦モード波長が前記ＢＧの反射ピーク波長からｎ×縦モード波長間隔分離れた時点で、前記ＢＧの反射ピーク波長により近い縦モードでの発振に切り替わるようにして、この結果として発振波長を前記ＢＧまたは温度無依存化を図った前記ＢＧの反射ピーク波長の温度に対する変動幅とｎ×縦モード波長間隔の和程度の波長幅にまで温度に対して安定化させることである。
【００２１】
【数２】
ｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）＞Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ(λ),Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）
【００２２】
【数３】
ｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）＜１０Ｌｏｇ10（Ｒ(λｐ＋ｎ×Ｓ_ＬＭ)）−１０Ｌｏｇ10（Ｒ(λｐ)）
前記本発明の手段によれば、温度調整機構を使用せずに、ＰＣＭ_Ｍ状態において単一縦モ−ド発振動作をさせながら、実用上要求される（５０℃程度以上の）広い動作温度範囲での発振波長安定化と、動作温度範囲内のある温度においてＰＣＭ_Ｍに伴い生じる、持続的な発振縦モードの跳びによる、信号光品質の劣化の抑制との両方を同時に実現することができる。
【００２３】
以下に、本発明について、本発明による実施形態（実施例）とともに図面を参照して詳細に説明する。
前記実施形態を説明する全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の無温調半導体レーザー装置の基本となるＢＧミラーを用いた実施形態１のＥＣＤＬの構成を示す斜視図であり、図２は、ＰＬＣ型光導波路に形成させたＢＧを一方の光共振器鏡として用いる構成の実施形態２のＥＣＤＬを示す斜視図である。
【００２５】
図１において、１はＳＯＡ、１-１は活性層光導波路部、１-２は活性層光導波路部の光導波方向に面した端面Ｍ１、１-３は活性層光導波路部の光導波方向に面した端面Ｍ２、２は光ファイバ、２-１はコア、２-２はクラッド、２-３はＢＧ形成部、２-４は外部光出力ポートである。
【００２６】
光ファイバ２に光学的に結合される側の端面（Ｍ２）１-３は、ＡＲコートが施されるか、或いは活性層光導波路部１-１の光導波方向との角度を垂直な状態から６〜９度程度傾けるか、或いはその両方を施している。このように構成することにより前記端面（Ｍ２）１-３での反射が抑えられるようにする。
【００２７】
前記端面１-２が、本実施形態１のＥＣＤＬの一方の光共振器鏡Ｍ１として、また、光ファイバ２に形成した前記ＢＧ２-３が、前記ＥＣＤＬのもう一方の光共振器鏡Ｍ３として働く。前記光ファイバ２に形成された前記ＢＧ２-３は、ＳＯＡ１の光増幅波長帯域に比べ狭い反射スペクトル特性を有し、前記ＢＧ２-３の反射波長帯域からはずれた波長域での前記ＥＣＤＬの光共振器内で駆動時に被る実効的光利得を効果的に抑え、前記ＥＣＤＬの発振波長をＢＧ２-３の反射波長帯域内に制限する働きをする。
【００２８】
図２において、３はＰＬＣ型光導波路、３-１は光導波路部、３-２はＢＧ形成部、３-３は外部光出力ポートである。
前記ＰＬＣ型光導波路３に光学的に結合される側の端面（Ｍ２）１-３は、ＡＲコートが施されるか、或いは活性層光導波路部１-１の光導波方向との角度を６〜９度程度傾けるか、或いはその両方を施している。このように構成することにより前記端面（Ｍ２）１-３での反射が抑えられるようにする。
【００２９】
端面（Ｍ１）１-２が、本実施形態２のＥＣＤＬの一方の光共振器鏡Ｍ１として、また、ＰＬＣ型光導波路３に形成したＢＧ形成部３-２が、本実施形態２のＥＣＤＬのもう一方の光共振器鏡Ｍ３として働く。
【００３０】
前記ＰＬＣ型光導波路３に形成されたＢＧ形成部３-２は、前記ＳＯＡ１の光増幅波長帯域に比べ狭い反射スペクトル特性を有し、前記ＢＧ形成部３-２の反射波長帯域からはずれた波長域での前記ＥＣＤＬの光共振器内で駆動時に被る実効的光利得を効果的に抑え、前記ＥＣＤＬの発振波長を前記ＢＧ形成部３-２の反射波長帯域内に制限する働きをする。
【００３１】
ここで、光ファイバ２に形成されたＢＧ形成部３-２、ＰＬＣ型（Ｓｉ系平面基盤型）光導波路３に形成されたＢＧ形成部３-２の反射ピーク波長の温度依存性は０.０１〜０.０２ｎｍ／℃程度（参考文献４：指宿他、信学技報 OFT98-10,pp.1-6、参考文献５：Y.Hibino.et al.,Proc ECOC'99,PD1-5,pp.10-11）であることから、前記ＢＧの反射スペクトルが前記ＥＣＤＬの縦モード間隔に対して十分に狭いものと仮定し、動作温度範囲を−５℃〜４５℃の５０℃の範囲と仮定すると、前記ＥＣＤＬの発振波長の動作温度範囲における変動幅は０.０２ｎｍ／℃×５０℃＝１ｎｍ程度に抑えられる。
【００３２】
しかしながら、温度変化に伴う前記ＢＧの反射ピーク波長の変動と、温度変化に伴う前記ＥＣＤＬの縦モードの変動に差があるため、光共振器長の実効長がおよそ６ｍｍ程度、縦モード間隔がおよそ０.１５ｎｍ程度である場合、動作温度幅より短い１０℃程度の温度周期で現れる、ある温度で、前記ＰＣＭ_Ｍの際の前記ＳＯＡ１への注入電流変化に伴う熱的な変動、キャリア密度の変動により誘起される光共振器実効長変動、すなわち発振縦モード波長の変動により、光共振器内の損失が最小となる最適な発振条件を満たす縦モードが、頻繁に切り替わり、結果として発振縦モードが頻繁に切り替わってしまう状況、いわゆるモードホッピング状態に陥ることとなり、このようなモードホッピングが原因で、前記ＥＣＤＬからのＰＣＭ_Ｍ出力信号光の品質が著しく劣化してしまうことが広く知られている（前記参考文献２）。
【００３３】
以下に、本発明の無温調半導体レーザー装置の基本的な原理の理解を助けるために、先ず、レーザーの発振モードが跳ぶという現象の説明を行い、引き続き、本発明の基本的な原理を説明する。
【００３４】
レーザーの発振縦モードが跳ぶという現象は、通常の、高速の光通信に用いられるＥＣＤＬのように、単一モード発振動作とすることを目的に、縦モード波長間隔に比べ外部共振器鏡の反射帯域の波長幅が十二分に狭くなるよう設計されているＥＣＤＬにおいては、以下のように理解される。
【００３５】
（従来型ＥＣＤＬにおけるレーザーの発振モードが跳ぶという現象の説明）
レーザー発振開始当初は、前記ＳＯＡ１の利得から光共振器内部の損失を引いた差分の最も大きな縦モードが、特に、前記ＳＯＡ１の利得が一様と見なせる波長範囲に限定できる場合には光共振器内部の損失の最も小さな縦モードＬＭ２（図３の５-２）が、発振に最適な縦モードであり、この最適縦モードでレーザー発振を開始する（図３）。
【００３６】
レーザー発振を開始した後、何らかの要因により光共振器内部の損失の波長特性が変化するか、或いは縦モード波長が変動することにより、各々の縦モードの被る損失が変化することにより、発振縦モードと、発振縦モード以外の縦モードの被る損失が逆転した場合（図４）、発振縦モードが切り替わり、光共振器内部で被る損失が最小の縦モードＬＭ１（図４の５-１）でレーザー発振する。
【００３７】
従って、従来のＥＣＤＬを用いた場合、温度等の条件により、発振に最適な波長領域に存在し、互いに隣接する２つの縦モードのＢＧにより被る損失が拮抗するような状態となり、特に、ＰＣＭ_Ｍに伴いＢＧの中心波長に対する縦モードＬＭ１（図５の５-１）、ＬＭ２（図５の５-２）の波長位置関係が、ハイレベル信号光出力時においては５-１-Ｈ、５-２-Ｈ、（図５）に示すような位置関係となることによりＢＧにより被る損失が縦モードＬＭ２において最も小さくなり、ローレベル信号光出力時に於いては５-１-Ｌ、５-２-Ｌ（図５）に示すような位置関係となることによりＢＧにより被る損失が縦モードＬＭ１において、最も小さくなるような状態（図５）に陥ると、ハイレベル信号光出力時においては縦モードＬＭ２でレーザー発振し、ローレベル信号光出力時においては縦モードＬＭ１でレーザー発振する。
【００３８】
すなわちＰＣＭ_Ｍに追随するかたちで前記２つの縦モードＬＭ１、ＬＭ２が、交互に発振縦モードとなる、いわゆるモードホッピング状態となる。
【００３９】
しかしながら、光通信用に用いられている半導体レーザーにおいては、キャリアのバンド内電子緩和時間が０.７〜２.０×１０-13ｓ程度（参考文献６：M.Asada,et a1.,IEEE J.Quantum Electron,QE-21,5,pp.434-442,1985）と比較的ゆっくりとしているため、非線形利得飽和が誘起され、発振縦モード以外の縦モードが被る利得が発振縦モードの光共振器内の光強度に比例して抑圧を受け、結果として発振縦モード以外の縦モードの利得が、しきい値利得以下に保持されその発振が抑制される現象が起こることが報告されている（参考文献７：M.Nakamura,et a1.,J.Appl.Phys.49(9),pp.4644-4648,1978）。
【００４０】
このような、非線形利得飽和の効果を考慮すると、先に述べたようなＳＯＡ１の利得が一様と見なせる波長範囲に限定できる場合においても、先に述べた光共振器内部での損失の大小にのみ関係して発振する縦モードが決まるという説明は破綻する。
【００４１】
従って厳密にはレーザーの発振縦モードが跳ぶという現象は以下のように説明される。
すなわちレーザー発振を開始した後、何らかの要因により光共振器内部の損失の波長特性が変化するか、或いは縦モード波長が変動することにより、各々の縦モードの被る損失が変化することにより発振縦モードＬＭ１と、発振縦モードとは異なるある縦モードＬＭ２の被る損失が逆転する場合においても、前記損失の逆転量が、非線形利得飽和の効果により生じ、前記縦モードＬＭ１が被る実効的な損失量ｄＬｏｓｓ_ＬＭ１と、非線形利得飽和の効果により生じ、前記縦モードＬＭ２が被る実効的な損失量ｄＬｏｓｓ_ＬＭ２との差分ｄＬｏｓｓ（＝ｄＬｏｓｓ_ＬＭ２−ｄＬｏｓｓ_ＬＭ１）より大きくなるまで、発振縦モードが当初の発振縦モードＬＭ１のまま保持されて発振し続け、その後、前記非線形利得飽和の効果により生じる実効的損失量の差分ｄＬｏｓｓより大きな光共振器内損失量の逆転が生じた時点で、発振縦モードが切り替わり、先に発振状態にあった縦モードＬＭ１とは異なる、光共振器内部で被る損失が最小となっていた縦モードＬＭ２でレーザー発振することとなる。
【００４２】
従来型のＥＣＤＬにおいてのレーザーの発振モードが跳ぶという現象が、前記従来型ＥＣＤＬにおけるレーザーの発振モードが跳ぶという現象の説明によって十分に説明できるのは、従来型ＥＣＤＬが、単一モード発振動作とすることを目的に、縦モード波長間隔に比べ、外部共振器鏡の反射帯域の波長幅が十二分に狭くなるよう設計されていることから、レーザー発振の最適波長の最も近傍に位置する２つの縦モードの被る光共振器内部での損失が桔抗するような状況になった場合（図５）、ＰＣＭ_Ｍにより誘起される縦モード波長位置の僅かな変動により生じる損失差の変動量が、前記非線形利得飽和の効果により生じる実効的損失量の差分、すなわち損失逆転許容量ｄＬｏｓｓに比べて非常に大きくなり、前記ｄＬｏｓｓの量が十分に無視できる状況となっているためであると理解される。
【００４３】
また、先に記述した従来のＥＣＤＬのモードホッピング状態に関する説明は、厳密には、温度等の条件により、発振に最適な波長領域に存在し、互いに隣接する２つの縦モードのＢＧにより被る損失が桔抗するような状態となり、特に、ＰＣＭ_Ｍに伴いＢＧの中心波長に対する縦モードＬＭ１（図６の５-１）、ＬＭ２（図６の５-２）の波長位置関係がハイレベル信号光出力時において５-１-Ｈ、５-２-Ｈ、（図６）に示す様な位置関係となることにより、ＢＧにより被る損失が縦モードＬＭ２において最も小さくなり、同時にハイレベル信号光出力時における前記損失逆転許容量ｄＬｏｓｓ（図６の６-２）よりも前記縦モードＬＭ１、ＬＭ２のＢＧにより被る損失の差分ｄＬｏｓｓ（数４）が大きくなり、
【００４４】
【数４】
ｄＬｏｓｓ＝Ｌｏｓｓ（ＬＭ１,５-１-Ｈ）−Ｌｏｓｓ（ＬＭ２,５-２-Ｈ）
且つローレベル信号光出力時において、５-１-Ｌ、５-２-Ｌ（図６）に示すような位置関係となることにより、ＢＧにより被る損失が縦モードＬＭ１において最も小さくなり、同時にローレベル信号光出力時における前記損失逆転許容量ｄＬｏｓｓ（図６の６-２）よりも、前記縦モードＬＭ２、ＬＭ１のＢＧにより被る損失の差分Ｌｏｓｓ（ＬＭ２,５-２-Ｌ）−Ｌｏｓｓ（ＬＭ１,５-１-Ｌ）が大きくなるような状態（図６）に陥ると、ハイレベル信号光出力時においては縦モードＬＭ２でレーザー発振し、ローレベル信号光出力時においては縦モ−ドＬＭ１でレーザー発振する。
【００４５】
すなわちＰＭＣ_Ｍに追髄するかたちで、前記２つの縦モードＬＭ１、ＬＭ２が、交互に発振縦モードとなるいわゆるモードホッピング状態となる、と言うように言い換えられる。
【００４６】
（本発明の基本的な原理）
前記モードホッピング現象時のレーザー発振状態の挙動をふまえ、本発明においては、非線形利得飽和の効果を有効に活用して、モードの持続的な跳びを抑制できるようにする。
【００４７】
先ず、レーザー発振に関与する波長帯域を制限する前記ＢＧの反射スペクトル帯域幅Ｒ_ＢＷと、前記ＳＯＡの材料に主に依存して決まる非線形利得飽和の効果の及ぶ波長幅ｄＷ_ＳＨＢとの間で、Ｒ_ＢＷ＜ｄＷ_ＳＨＢを満足できるように設定することにより、非線形利得飽和効果の及ぶ波長領域外の縦モードの発振をＢＧの損失の効果で抑制し、同時に、非線形利得飽和効果の及ぶ波長領域内の縦モードに関しては、ＢＧの損失の効果及び非線形利得飽和効果の両方の効果で、前記波長領域内の何れか１つの発振縦モード以外の縦モードの発振を抑制し、総じて単一モード発振状態となるようにする。
【００４８】
更に、前記ＢＧの反射ピーク波長を挟むかたちで互いに隣接して位置する２つの縦モードの前記ＢＧにより被るｄＢ単位の損失Ｌｏｓｓ_ＬＭ１とＬｏｓｓ_ＬＭ２の差分Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２が、前記ＰＣＭ_Ｍに伴い丁度−Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂから＋Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂまで変動する状態における前記損失の差の振幅Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂを決定づける。
【００４９】
（１）前記ＥＣＤＬの
（１-１）外部共振器鏡として用いるＢＧの反射スペクトルＲ（λ）、
（１-２）光共振器長により決まる縦モード波長間隔Ｓ_ＬＭ、
（２）使用するＳＯＡの、前記ＰＣＭ_Ｍによる光共振器方向実効長の変動量ｄＬ_ｅｆｆといったパラメータと、前記ＰＣＭ_Ｍ時の光パワーが最小となっている状態において、既に発振状態にある縦モードが前記ＢＧにより被るｄＢ単位の損失量Ｌｏｓｓ_ＬＬから、発振状態にない他縦モードのうち前記ＢＧにより被る損失量が最も小さい縦モードの、前記ＢＧにより被るｄＢ単位の損失量Ｌｏｓｓ_ＮＬを引いた差分Ｌｏｓｓ_ＬＬ−Ｌｏｓｓ_ＮＬが、既に発振状態にある縦モードでの単一モードレーザー発振を維持しながらとり得る最大の正の値、すなわち損失逆転許容量ｄＬｏｓｓを決定づける。
【００５０】
（３）使用されるＳＯＡのキャリアのバンド内電子緩和時間τ_ｉｎに代表される物理的特性、
（４）前記ＰＣＭ_Ｍ時の光パワーが最小となっている状態における前記ＳＯＡの活性層内の光子数Ｓ_ｉｎ_Ｉ、
（５）実効的光共振器長Ｌ_ｃａ、
といったパラメータを、数５の式を満足するように設定する。
【００５１】
【数５】
ｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）＞Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ(λ),Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）
前記設定の結果、発振に最適な、すなわち前記ＢＧにより被る損失が最小となる、波長領域に互いに隣接して存在する２つの縦モードＬＭ１、ＬＭ２に関して、前記ＰＣＭ_Ｍに追随して発振縦モードがＬＭ１とＬＭ２との間で交互に切り替わる、いわゆるモードホッピング状態に陥ることが抑制される。
【００５２】
何故ならば、発振縦モードがＬＭ１とＬＭ２との間で交互に切り替わる状態となるためには、前記縦モードＬＭ１、ＬＭ２のＢＧにより被る損失Ｌｏｓｓ_ＬＭ１、Ｌｏｓｓ_ＬＭ２の大小関係が、ローレベル信号光出力時、ハイレベル信号光出力時において交互に切り替わる必要と、同時に前記損失の差の絶対値｜Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２｜が、ローレベル信号光出力時、ハイレベル信号光出力時の両方において、損失逆転許容量ｄＬｏｓｓより大きくなる必要がある訳であるが、ここで、前記損失の差Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２がＰＣＭ_Ｍに伴い丁度−Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂから＋Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂまで変動する状態で、前記損失差の絶対値｜Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２｜がローレベル信号光出力時において前記損失逆転許容量より小さいとすると（図７参照）、ＢＧのレーザー発振に関係のある波長領域の反射スペクトル特性として、反射中心波長から離れるほど反射率の波長に対しての微分値の絶対値が増大すること、及び前記損失逆転許容量が出力信号光パワーの増大に対応して増大する性質を有し、ローレベル信号光出力時における前記損失逆転許容量がハイレベル信号光出力時における前記損失逆転許容量にくらべ小さいことから、ＢＧの反射中心波長と各縦モード波長の相対位置関係が、前記損失の差Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２がＰＣＭ_Ｍに伴い丁度−Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂから＋Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂまで変動する状態にある時は、ハイレベル信号光出力時、ローレベル信号光出力時の両方において、前記損失差の絶対値｜Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２｜が前記損失逆転許容量より小さい状態が保持されるため発振縦モードがＬＭ１とＬＭ２との間で切り替わるということが起こり得ず、また、ＢＧの反射中心波長と各縦モード波長の相対位置が前記損失の差Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２が、ＰＣＭ_Ｍに伴い丁度−Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂから＋Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂまで変動する状態からシフトし、ローレベル信号光出力時の前記損失差の絶対値｜Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２｜が僅かでも増大すると、ハイレベル信号光出力時においては、前記損失差の絶対値｜Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２｜は逆に減少し、ハイレベル信号光出力時の前記損失逆転許容量より小さい状態が保持されるため、ハイレベル信号光出力時では既に発振状態にある縦モードでの発振が保持され、仮にローレベル信号光出力時の前記損失差の絶対値｜Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２｜がローレベル信号光出力時の前記損失逆転許容量より大きくなり、縦モードの切り替わりが起こることが可能な状態となったとしても発振縦モードがＬＭ１とＬＭ２との間で交互に切り替わるということが起こり得ず、またＢＧの反射中心波長と各縦モード波長の相対位置が前記損失の差Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２がＰＣＭ_Ｍに伴い丁度−Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂから＋Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂまで変動する状態からシフトし、ハイレベル信号光出力時の前記損失差の絶対値｜Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２｜が僅かでも増大すると、ローレベル信号光出力時においては、前記損失差の絶対値｜Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２｜は逆に滅少し、ローレベル信号光出力時の前記損失逆転許容量より小さい��態が保持されるため、ローレベル信号光出力時では既に発振状態にある縦モードでの発振が保持され、仮にハイレベル信号光出力時の前記損失差の絶対値｜Ｌｏｓｓ_ＬＭ１−Ｌｏｓｓ_ＬＭ２｜がハイレベル信号光出力時の前記損失逆転許容量より大きくなり、縦モードの切り替わりが起こることが可能な状態となったとしても発振縦モードがＬＭ１とＬＭ２との間で交互に切り替わるということが起こり得ず、総じて、ＢＧの反射スペクトルに対しての縦モードＬＭ１，ＬＭ２の波長位置関係に依らず前記ＰＣＭ_Ｍに追随して、発振縦モードがＬＭ１とＬＭ２との間で交互に切り替わるということが起こり得ないためである。
この結果、前記モードホッピング状態により発生する持続的な出力信号光の品質劣化を回避することができる。
【００５３】
さらに、前記ＢＧの反射スペクトルＲ（λ）が、反射ピーク波長をλｐとし、ｎ＝１、或いはｎ＝２として、前記数３の式を満足する特性を有するようにすることにより、発振縦モード波長が前記ＢＧの反射ピーク波長からｎ×縦モード波長間隔分離れた時点で、前記ＢＧの反射ピーク波長により近い縦モードでの発振に切り替わることとなり、その結果、発振波長をＢＧまたは温度無依存化を図ったＢＧの反射ピーク波長の温度に対する変動幅とｎ×縦モード波長間隔の和程度の波長幅にまで温度に対して安定化させることができるようになる。
【００５４】
次に具体的な数値を入れた例を示す。
まず、ＤＦＢ等の半導体レーザーのＰＣＭ_Ｍの際の注入電流変化に伴う熱的な変動、及びキャリア密度の変動により、誘起される発振縦モード波長の変動量は一般的に高速変調時のキャリア効果による変動が２００〜３００ＭＨｚ／ｍＡ、低速変調時の熱効果による変動が〜１０ＧＨｚ／ｍＡ（参考文献８：S.Kobayashi,et al.,IEEE,J.Quantum Electron.,QE-18,4（1982）,pp.582-595、参考文献９：Y.Kotaki,et a1.,Proc.0FC'90,THE3,p159,1990）であることが報告されている。
【００５５】
ここでは、高速ＰＣＭ_Ｍ応用を考え、ＤＦＢ等の半導体レーザーのＰＣＭ_Ｍの際の注入電流変化に伴う、キャリア密度の変動により誘起される発振縦モード波長の変動量が支配的な領域を考え、一般的なＳＯＡの光共振器方向の長さとして３.０×１０-4ｍ程度、屈折率として１５５０ｎｍ帯の半導体レーザー用の組成でのＩｎＧａＡｓＰで３.５程度と仮定すると、ＰＣＭ_Ｍ時の単位変調電流量当たりのＳＯＡの光共振器方向の実効長の変動量は、３.５×４.６６×１０-10ｍ／ｍＡと見積もられ、ＰＣＭ_Ｍ時の印加される電流の振幅を５０ｍＡとすると、使用するＳＯＡのＰＣＭ直接変調駆動による光共振器方向実効長の変動量ｄＬ_ｅｆｆは、３.５×２.３３×１０-8ｍ＝８.１５５×１０-8ｍと見積もられる。
【００５６】
前記ＢＧを光共振器鏡として用いる目的で反射率が５〜５０％程度として設計した場合、反射スペクトルの３ｄＢ帯域程度の波長帯域に限ると前記ＢＧの反射スペクトルＲ（λ）は、以下の数６の式に示すガウス関数でよく近似することが可能である。
【００５７】
【数６】
Ｒ(λ)＝ＲＲｅｘｐ(−Ｌｏｇ２(λ−λ0)2／(Ｃ_Ｗ×ＢＧ_ＦＷＨＭ／２)2)
ここで、ＲＲはピーク反射率、λ0は反射中心波長、ＢＧ_ＦＷＨＭは３ｄＢ反射帯域幅、Ｃ_Ｗは補正係数である。
ピーク反射率ＲＲが大きくなる程、補正係数Ｃ_Ｗは大きな値となり、且つ十分な近似が可能な帯域幅が狭くなる。
【００５８】
例えば、ピーク反射率ＲＲ＝０.５（５０％）においてＣ_Ｗ＝１.１という値をとることにより、０.７×ＢＧ_ＦＷＨＭ程度の反射帯域幅において、数値計算に基づくＢＧの反射スペクトルと、前記数６の近似式による反射スペクトルの波長に関しての微分値に関しての誤差を１５％未満に抑えることが可能となる。
【００５９】
このような近似は、レーザー発振に関してその反射スペクトル形状も重要なパラメータとなるのが反射ピーク波長近傍の比較的反射率の高い波長領域のみであることから、以下の議論では十分に妥当と考えられ、さらに、解析的な計算を可能とし、結果として見通しが良くなるので、以下ではこの近似を用いた議論を進める。
【００６０】
ただし、厳密には数値計算により算出されるＢＧの反射スペクトルに基づき、同様の計算を数値的に行うことにより前記損失の差の振幅Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ（λ）,Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）が求められる。
【００６１】
いま、前記の近似を用いると、前記損失の差の振幅Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ（λ）,Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）は、数７の式で表される。
【００６２】
【数７】
Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ(λ),Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）
＝Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ_ＦＷＨＭ,Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）
＝(１６０Ｌｏｇ２／Ｌｏｇ１０)(ｄＬ_ｅｆｆ／λ0)(Ｓ_ＬＭ／(Ｃ_Ｗ×  Ｒ_ＦＷＨＭ))2
図８に示すａ１，ａ２に前記ＥＣＤＬの縦モード波長間隔Ｓ_ＬＭに対する前記損失の差の振幅Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ_ＦＷＨＭ,Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）の数値計算例を示す。
【００６３】
パラメータとしては、λ0＝１５５２.５２ｎｍ，ｄＬ_ｅｆｆ＝８.１５５×１０-8ｍ，Ｒ_ＦＷＨＭ＝０.２ｎｍ（ａ１），０.４ｎｍ（ａ２）を用い、前記ＢＧのピーク反射率を１５％、このときの補正係数をＣ_Ｗ＝１.０とした。
前記数７の式からもわかる通り、前記損失の差の振幅は、前記ＥＣＤＬの縦モード波長間隔の２乗に比例するかたちで急激に増大してしまう。
【００６４】
以下では、問題とする、発振状態にある縦モードをｐ、競合する縦モードをｑと表記する。
これら問題となる２つの縦モードの実効光共振器長がＬ_ｃａであり、且つ競合縦モードｑにおけるＢＧにより生じる損失Ｌｏｓｓ_ｑと、発振縦モードｐにおけるＢＧにより生じる損失Ｌｏｓｓ_ｐとの差が、ｄＬｏｓｓ_ｐｑ＝Ｌｏｓｓ_ｐ−Ｌｏｓｓ_ｑで表される場合のしきい値利得をＧｔｈ_ｐ（ｄＬｏｓｓ_ｐｑ,Ｌ_ｃａ）,Ｇｔｈ_ｑ（０,Ｌ_ｃａ）とし、非線形利得飽和効果項を表す３次利得定数をＧ３（λｍ,λｎ,τ_ｉｎ,Ｌ_ｃａ）（参考文献１０：M.Yamada,et a1,,J.Apply.Phys.,52(4),pp.2653-2664.,1981）発振状態にある縦モードｐのバイアス電流値Ｉ_ｂにおける、前記ＳＯＡの活性層内の光子数をＳ_ｉｎ_Ｉ（Ｉ_ｂ）とすると、縦モードｑを非線形利得飽和効果により抑圧し、縦モードｐで発振し続けるための条件は、数８の式で表すことができる。
【００６５】
【数８】
Ｓ_ｉｎ_Ｉ(Ｉ_ｂ)＜｛Ｇｔｈ_ｐ（ｄＬｏｓｓ_ｐｑ，Ｌ_ｃａ）−Ｇｔｈ_ｑ（０，Ｌ_ｃａ）｝／｛Ｇ３(λｐ,λｑ,τ_ｉｎ,Ｌ_ｃａ)−Ｇ３(λｐ,λｐ,τ_ｉｎ,Ｌ_ｃａ)｝
ここで、光共振器長Ｌ_ｃａに対して、前記数８の式を満足できる最大のｄＬｏｓｓ_ｐｑ、すなわち許容損失逆転量ｄＬｏｓｓを数値的に求めることにより、縦モード波長間隔Ｓ_ＬＭに対しての許容損失逆転量ｄＬｏｓｓを求めることができる。
【００６６】
図８に示すｂ１，ｂ２に、キャリアのバンド内電子緩和時間τ_ｉｎが１.０×１０-13ｓ、ＰＣＭ_Ｍのバイアス電流値Ｉ_ｂがＩ_ｂ＝１.２Ｉ_ｔｈ（ｂ１）,１.４Ｉ_ｔｈ（ｂ２）の場合の数値計算例を示す。ただし、Ｉ_ｔｈはレーザー発振のしきい値電流であり、この数値計算においてはＩ_ｔｈ＝１２.４ｍＡであった。
【００６７】
図８に示すａ１，ａ２の各々でのＲ_ＦＷＨＭの値０.２ｎｍ、０.４ｎｍに対しては、Ｉ_ｂ＝１.２Ｉ_ｔｈにおいては、各々交点Ｃ１-１，Ｃ１-２での縦モード波長間隔０.０５３ｎｍ,０.０８４ｎｍよりもそれぞれ狭い縦モード波長間隔を選ぶことにより、Ｉ_ｂ＝１.４Ｉ_ｔｈにおいては、各々交点Ｃ２-１,Ｃ２-２での縦モード波長間隔０.０６６ｎｍ,０.１０５ｎｍよりもそれぞれ狭い縦モード波長間隔を選ぶことにより、数９の式が満足されることとなる。
【００６８】
【数９】
ｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎＩ,Ｌ_ｃａ）＞Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ(λ),Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）（前述の数２の式と同じ）
以上のような計算からＲ_ＦＷＨＭ,Ｉ_ｂ,Ｓ_ＬＭといったパラメータの組合せを、前記数９の式を満足するように、
例えば、前記計算例で言えば、（Ｃｎｄ-１）Ｒ_ＦＷＨＭ＝０.２ｎｍ、Ｉ_ｂ＝１.２Ｉ_ｔｈ、Ｓ_ＬＭ＜０.０５３ｎｍ、
或いは、（Ｃｎｄ-２）Ｒ_ＦＷＨＭ＝０.４ｎｍ、Ｉ_ｂ＝１.２×Ｉ_ｔｈ、Ｓ_ＬＭ＜０.０８４ｎｍ、
或いは、（Ｃｎｄ-３）Ｒ_ＦＷＨＭ＝０.２ｎｍ、Ｉ_ｂ＝１.４×Ｉ_ｔｈ、Ｓ_ＬＭ＜０.０６６ｎｍ、
或いは、（Ｃｎｄ-４）Ｒ_ＦＷＨＭ＝０.４ｎｍ、Ｉ_ｂ＝１.４×Ｉ_ｔｈ、Ｓ_ＬＭ＜０.１０５ｎｍ、
或いは、（Ｃｎｄ-５）Ｓ_ＬＭ＝０.０５３ｎｍ、Ｉ_ｂ＝１.２×Ｉ_ｔｈ、Ｒ_ＦＷＨＭ＞０.２ｎｍ、
或いは、（Ｃｎｄ-６）Ｓ_ＬＭ＝０.０８４ｎｍ、Ｉ_ｂ＝１.２×Ｉ_ｔｈ、Ｒ_ＦＷＨＭ＞０.４ｎｍ、
或いは、（Ｃｎｄ-７）Ｓ_ＬＭ＝０.０６６ｎｍ、Ｉ_ｂ＝１.４×Ｉ_ｔｈ、Ｒ_ＦＷＨＭ＞０.２ｎｍ
或いは、（Ｃｎｄ-８）Ｓ_ＬＭ＝０.１０５ｎｍ、Ｉ_ｂ＝１.４×Ｉ_ｔｈ、Ｒ_ＦＷＨＭ＞０.４ｎｍ
といったように、設定することにより非線形利得飽和効果を利用して、モードホッピング状態に陥ることを回避でき、この結果、前記モードホッピング状態により発生する持続的な出力信号光の品質劣化を回避することができる。
ここで、縦モード波長間隔Ｓ_ＬＭは光共振器の実効長Ｌ_ｃａを調整することにより調整することができる。
【００６９】
更に、非線形利得飽和の効果の及ぶ波長幅が〜３ｎｍ程度（前記参考文献１０）であることから、例えば、光共振器を一往復する間の実効利得からＢＧ光共振器鏡での損失を除いた値が３ｄＢ程となっている場合、ＢＧ光共振器鏡での損失が３ｄＢ以下となる帯域幅反射スペクトルの半値全幅Ｒ_ＦＷＨＭがレーザー発振に関与する波長帯域を制限する前記ＢＧの反射帯域幅Ｒ_ＢＷと一致し、Ｒ_ＦＷＨＭ＜３.０ｎｍとして、非線形利得飽和の効果の及ばない波長領域の縦モードの寄与を前記ＢＧによる損失の効果により抑制することが必要である。
【００７０】
さらに、数９の式（前述の数２の式と同じ）を満足しつつ、同時に、レーザー発振に関与し競合する縦モードをＢＧの反射ピーク波長近傍の２×ｎ個の縦モードに限定し、その他の縦モードの寄与をＢＧによる損失の効果により抑制することにより前記ＥＣＤＬのレーザー発振波長の安定化を図る場合、ＢＧの反射ピーク波長から”ｎ×縦モード波長間隔”分だけ発振モードが移動してしまった時点で、ＢＧの反射ピーク波長に最も近い位置にある縦モードヘ発振波長が切り替わるように、数１０の式（前述の数３の式と同じ）を満足できるようにＢＧの反射スペクトル幅を設定すればよい。
【００７１】
【数１０】
ｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）＜１０Ｌｏｇ10（Ｒ(λｐ＋ｎＳ_ＬＭ)）−１０Ｌｏｇ10（Ｒ(λｐ)）（前記述の数３の式と同じ）
ここで、λｐはＢＧの反射ピーク波長、ｎは１以上の整数であり、レーザー発振波長の安定化のためにはｎ＝１またはｎ＝２程度とすることが望ましい。
【００７２】
例えば、図８に示す計算例において、Ｉ_ｂ＝１.４×Ｉ_ｔｈ、且つＳ_ＬＭ＝０.０６６ｎｍの時、数１０の式の条件からＲ_ＦＷＨＭ＞０.２ｎｍが要求され、同時に、このとき許容損失逆転量ｄＬｏｓｓ〜０.２７７ｄＢであるので、数１１の式からＲ_ＦＷＨＭ＜０.４３５ｎｍが要求される。
【００７３】
【数１１】
０.２７７ｄＢ＜１０Ｌｏｇ10（Ｒ（λｐ＋ｎＳ_ＬＭ））−１０Ｌｏｇ10（Ｒ（λｐ））
総合すると、Ｉ_ｂ＝１.４×Ｉ_ｔｈ、且つＳ_ＬＭ＝０.０６６ｎｍの時、０.２ｎｍ＜Ｒ_ＦＷＨＭ≦〜０.４３５ｎｍという設計値が求められる。
【００７４】
また、ＥＣＤＬの高速ＰＣＭ_Ｍの応用を考える場合、変調帯域を確保するためＥＣＤＬの光共振器長は、短い方が光共振器内での光子寿命が短くなり有利となる。
従って、要求される変調帯域にあわせてＥＣＤＬの光共振器長をある決まった長さより短く設定する必要がある。
【００７５】
例えば、実効共振器長が６ｍｍ程度のＥＣＤＬで、３.５ＧＨｚ程度の変調帯域を有するものが報告されているので、（参考文献１１：T.Takagi,et al.,Proc.EC0C'98,pp81-82）、前記報告にあるＥＣＤＬに用いられたＳＯＡと同等の特性を有するＳＯＡを用いてＥＣＤＬを構成する場合、概算で、６２２Ｍｂ／ｓＮＲＺ変調では、実効共振器長Ｌ_ｃａ＜（２×３.５ＧＨｚ）／６２２Ｍｂ／ｓ×６ｍｍ〜６８ｍｍ未満、すなわち縦モード波長幅換算でＳ_ＬＭ〜０.０１８ｎｍより大きく、２.５Ｇｂ／ｓＮＲＺ変調では、実効共振器長Ｌ_ｃａ＜（２×３.５ＧＨｚ）／２．５Ｇｂ／ｓ×６ｍｍ〜１７ｍｍ未満、すなわち縦モード波長幅換算でＳ_ＬＭ〜０.０７１ｎｍより大きくすることが求められる。
【００７６】
また、他の例として、ＳＯＡのチップ長０.２ｍｍ，ファイバ型ＢＧ長８ｍｍ、すなわち概算実効共振器長０.２×３.５＋８×１.４５〜１３ｍｍのＥＣＤＬで直接変調帯域７.５〜８ＧＨｚを達成しているという報告もあり（参考文献１２：F.N.Timofeev,et al.,Electron Lett.vol.35,No20,pp.1737-1739,1999）、この報告にあるＳＯＡと同等の特性を有するＳＯＡを用いてＥＣＤＬを構成する場合、概算で、６２２Ｍｂ／ｓＮＲＺ変調では、実効共振器長Ｌ_ｃａ＜（２×７.５ＧＨｚ）／６２２Ｍｂ／ｓ×１３ｍｍ〜３１３.５ｍｍ未満、すなわち縦モード波長幅換算でＳ_ＬＭ〜０.００４ｎｍより大きく、２．５Ｇｂ／ｓＮＲＺ変調では、実効共振器長Ｌ_ｃａ＜（２×７.５ＧＨｚ）／２.５Ｇｂ／ｓ×１３ｍｍ〜７８ｍｍ未満、すなわち縦モード波長幅換算でＳ_ＬＭ〜０.０１６ｎｍより大きく１０Ｇｂ／ｓＮＲＺ変調では、実効共振器長Ｌ_ｃａ＜（２×７.５ＧＨｚ）／１０Ｇｂ／ｓ×１３ｍｍ〜１９.５ｍｍ未満、すなわち縦モード波長幅換算でＳ_ＬＭ〜０.０６２ｎｍより大きくすることが求められる。
【００７７】
さらに、光通信用光源として本発明のＥＣＤＬを用いる場合、光線路からの後方レーリー散乱光、コネクタからの反射戻り光等が、本発明のＥＣＤＬの光共振器内に戻ってきてしまい、これら反射戻り光が原因でレーザー発振状態が不安定となり、所望の特性が得られない状況に陥ることがある。
【００７８】
このような障害は、外部出力光の反射戻り光が前記ＥＣＤＬの光共振器内に戻らないように、外部出力光を取り出すために用いる側の光共振器鏡Ｍ３（図９（ａ）の２-３、または図１０（ａ）,（ｂ）の３-２）、或いはＭ１（図９（ｂ）の１-２、または図１０（ｃ）,（ｄ）の１-２）と光外部出力ボート（図９（ａ）,（ｂ）の８、または図１０（ａ）,（ｂ）,（ｃ）,（ｄ）の８）との間に光アイソレ一タ（図９（ａ）,（ｂ）の７、または図１０（ａ）,（ｂ）,（ｃ）,（ｄ）の７）を配置することにより取り除くことができる。
【００７９】
前記ＥＣＤＬのＳＯＡの活性層の光導波方向に垂直な端面で、前記ＥＣＤＬの光共振器鏡として用いる側の端面Ｍ１とは異なるもう一方の端面Ｍ２の反射が十分に抑圧されてない場合、端面Ｍ１と端面Ｍ２で形成される光共振器の縦モードと、前記ＥＣＤＬの縦モードとが競合し、所望の特性が得られない状況に陥ることがある。
【００８０】
このような障害は、端面Ｍ２にＡＲコートを施すか、或いは、劈開面の活性層の光導波路方向に対する角度を６〜９度傾けるか、或いは、その両方を施すかすることにより端面Ｍ２からの反射を十分に低減させることにより取り除くことができる。
【００８１】
光ファイバに形成されたＢＧ、Ｓｉ系平面基盤型光導波路に形成されたＢＧの反射ピーク波長の温度依存性は、通常０.０１〜０.０２ｎｍ／℃程度（前記参考文献４，５）であることが報告されている。
【００８２】
動作温度範囲を−５℃〜４５℃の５０℃の範囲と仮定すると、前記ＥＣＤＬの発振波長の動作温度範囲における変動幅は、ＢＧの波長変動幅０.０２ｎｍ／℃×５０℃＝１ｎｍと、前記ＥＣＤＬの縦モード間隔Ｓ_ＬＭの和、程度に抑えられ、Ｓ_ＬＭ＝０.０５ｎｍ程度とＢＧの波長変動幅に比べ十分に小さい場合、ＢＧの波長変動幅程度の１ｎｍにまで抑えられる。
【００８３】
光ファイバに形成されたＢＧ、Ｓｉ系平面基盤型光導波路に形成されたＢＧの反射ピーク波長の温度依存性は〜０.００１ｎｍ／℃程度（前記参考文献４，５）にまで温度無依存化されていることが報告されている。
【００８４】
このような温度無依存型のＢＧを用いた場合、動作温度範囲を−５℃〜４５℃の５０℃の範囲と仮定すると、前記ＥＣＤＬの発振波長の動作温度範囲における変動幅は、ＢＧの波長変動幅０.００１ｎｍ／℃×５０℃＝０.０５ｎｍと、前記ＥＣＤＬの縦モード間隔Ｓ_ＬＭの和、程度に抑えられるので、Ｓ_ＬＭ＝０.０５ｎｍ程度とすると０.１ｎｍにまで抑えられる。
【００８５】
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施形態（実施例）に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態（実施例）に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
【００８６】
【発明の効果】
本願において開示される発明によって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
本発明によれば、温度調整機構を使用せずに、実用上要求される（５０℃程度以上の）広い動作温度範囲での発振波長安定化と、出力信号光の温度変動により引き起こされる発振縦モードの跳びによる劣化の抑制との両方を実現可能なＷＤＭ光通信システム用無温調半導体レーザー装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の無温調半導体レーザー装置の基本となるＢＧミラーを用いた実施形態１のＥＣＤＬの構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の無温調半導体レーザー装置の基本となるＰＬＣ型光導波路に形成させたＢＧを一方の光共振器鏡として用いる構成の実施形態２のＥＣＤＬを示す斜視図である。
【図３】ＥＣＤＬのレーザー発振開始当初を説明するための概念図である。
【図４】通常型ＥＣＤＬの発振縦モードの切り替わりを説明するための概念図である。
【図５】通常型ＥＣＤＬで隣接縦モードのＢＧにより被る損失が拮抗している状態を説明するための概念図である。
【図６】通常型ＥＣＤＬで隣接縦モードのＢＧにより被る損失が拮抗しモードホッピングをしている状態を説明するための概念図である。
【図７】通常型ＥＣＤＬで隣接縦モードのＢＧにより被る損失が拮抗してはいるものの、モードホッピングは起こしていない状態を説明するための概念図である。
【図８】Ｌｏｓｓ_ＡＭＰ_Ｂ（Ｒ（λ）,Ｓ_ＬＭ,ｄＬ_ｅｆｆ）,｛ａ１,ａ２｝及びｄＬｏｓｓ（τ_ｉｎ,Ｓ_ｉｎ_Ｉ,Ｌ_ｃａ）,｛ｂ１，ｂ２｝の数値計算例を示す図である。
【図９】光ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＢＧ）を一方の光共振器鏡とした外部共振器型半導体レーザーで反射戻り光を取り除くため光アイソレータを配置した構成例を示す図である。
【図１０】平面基盤型光導波路に形成したブラッグ・グレーティング（ＢＧ）を一方の光共振器鏡とした外部共振器型半導体レーザーで反射戻り光を取り除くため光アイソレータを配置した構成例を示す図である。
【符号の説明】
１…ＳＯＡ                    １-１…活性層光導波路部
１-２…端面Ｍ１               １-３…端面Ｍ２
２…光ファイバ                ２-１…コア
２-２…クラッド               ２-３…ＢＧ形成部
２-４…外部光出力ポート       ３…ＰＬＣ型光導波路
３-１…光導波路部             ３-２…ＢＧ形成部
３-３…外部光出力ポート
４-１…ＢＧの反射スペクトル（波長-損失特性）
５-１…縦モードＬＭ１
５-２…縦モードＬＭ２
５-１-Ｈ…ハイレベル信号光出力時の波長位置
５-２-Ｈ…ハイレベル信号光出力時の波長位置
５-１-Ｌ…ローレベル信号光出力時の波長位置
５-２-Ｌ…ローレベル信号光出力時の波長位置
５-１-Ｗ…波長位置の変動
５-２-Ｗ…波長位置の変動
６-１…発振縦モードと非発振縦モード間の損失逆転許容量ｄＬｏｓｓ
６-２…発振縦モードと非発振縦モード間の損失逆転許容量ｄＬｏｓｓ
７…光アイソレータ
８…外部光出力ポート
【図１】
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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６】
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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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