JP4284718B2 - レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モード同期型のレーザ装置では，モード相互間の周波数間隔を揃えるとともにモード間の相互位相を一定に保つことによって，レーザ共振器内に存在する多数の縦モードの規則的な干渉が実現される。モード同期型のレーザ装置は，時間間隔が狭い高速の繰り返し光パルス（光パルス列）を生成できるため，高速化・大容量化が著しい近年の光通信用光源として有用である。
【０００３】
従来，モード同期型のレーザ装置としては，例えば，Ｓ．Ａｒａｈｉｒａ ｅｔ．ａｌ．，”Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｌｉｍｉｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｔ ｈｉｇｈ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｖｅｒ ４０ＧＨｚ ｆｒｏｍ ａ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃｐａｓｓｉｖｅ ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｅｄ ＤＢＲ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ”，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．５，ｐｐ１３６２−１３６５（１９９３）に開示された受動モード同期型のレーザ装置があった。
【０００４】
ここで，上記文献に記載されたレーザ装置について，図７を参照しながら略述する。なお，図７には，上記文献にかかる一のレーザ装置であるＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ；レーザダイオード）３００の構成を模式的に示す。図７に示すように，従来のＬＤ３００は，第１端面３００ａと第２端面３００ｂとに渡る光導波路３１０でレーザ光を生成する受動モード同期型のＤＢＲレーザである。
【０００５】
ＬＤ３００において，光導波路３１０は，個々独立に電流注入が実施できる４の領域に分けられている。第１端面３００ａ側から順に挙げると，ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ；分布ブラッグ反射）領域３１０ａと位相調整領域３１０ｂと活性領域３１０ｃと可飽和吸収領域３１０ｄとである。かかる構成を有するＬＤ３００においては，活性領域３１０ｃでの発光とＤＢＲ領域３１０ａでの波長選択的な光の反射と可飽和吸収領域３１０ｄでの各モード間の位相関係の調整とによって，短パルス状のレーザ光の発振が実現される。
【０００６】
かかるレーザ発振においては，位相調整領域３１０ｂへ注入する電流を調節することによって，共振動作のための光の位相調整が実現される。また，ＤＢＲ領域３１０ａへ注入する電流を調節することによって，ＤＢＲ領域３１０ａに形成された均一ブラッグ回折格子３２０ａの格子周期を均一に伸張させ，発振波長の調整が実現される。さらに，活性領域３１０ｃへ注入するバイアス電流と可飽和吸収領域３１０ｄへ注入するバイアス電流とを制御することによって，モード同期動作が実現され，発振レーザパルス列のパルス周期が調整される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来のレーザ装置は，特にＬＤ３００のように光素子化をした場合に，共振器長に依存するモード同期動作の周波数調節が精度良く実施できず，所望の周期のレーザパルス列を得ることは困難であった。その一因としては，通常レーザ素子は劈開によって共振器長が決まるが，この劈開プロセスでは数十μｍ以下の精度での調整が難しいことが挙げられる。また，実効的な共振器長を決めるレーザ素子の光導波路の屈折率が発振閾値等によって容易に変化することも，他の一因として挙げられる。
【０００８】
本発明は，従来のレーザ装置が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，レーザパルス列の周期を高精度に調整可能な，新規かつ改良されたレーザ装置を提供することを目的とする。さらに，本発明の他の目的は，発振されるレーザ光の波長を広い範囲で変化させることができる，新規かつ改良されたレーザ装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，請求項１に記載の発明は，実効的な格子周期が実質的に均一な第１のブラッグ回折格子が形成された反射領域と，光が入出射される導波路端面と，少なくとも活性領域を有し反射領域と導波路端面とを相互に接続する中継領域とが，形成された光導波路と；実効的な格子周期が不均一な第２のブラッグ格子が形成され導波路端面に光を入出射する光ファイバと；を備える構成を採用する。
【００１０】
かかる構成を有する請求項１に記載の発明においては，第２のブラッグ回折格子の実効的な格子周期が不均一であるために，反射領域での光の反射位置は波長依存性を示す。したがって，反射領域での反射位置と光ファイバでの反射位置との間に形成されレーザ共振器として機能する光の周回経路は，共振する光の波長によってその長さが変化する。結果として，請求項２に記載の発明によれば，共振器長の異なる複数のレーザ共振器の機能が一の光経路上で実現される。これによって，まず，レーザ光の発振条件の自由度が向上し，レーザ装置の優れた波長可変特性が実現される。
【００１１】
かかる請求項１に記載の発明は，請求項２に記載の発明のように，中継領域は可飽和吸収領域をも有する構成を採用することによって，受動モード同期型のレーザ装置に適用することができる。かかる構成を有する請求項２に記載の発明においては，光強度が増加すると光吸収量が減少する可飽和吸収領域が設けられることによって，自己パルセーション（ｓｅｌｆ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ）現象が起こり，受動モード同期型のレーザ短パルス発振が可能となる。
【００１２】
モード同期型のレーザ発振では，レーザ装置での共振器長によってモード同期動作の周波数が決まる。したがって，請求項２に記載の発明によれば，一の光経路上に実質的に複数のレーザ共振器長が実現されているため，優れた発振波長の可変特性を持つことと相俟って，非常に大きなモード同期動作の周波数変化が実現される。結果として，所望の周期のレーザ光パルス列を生成することができるレーザ装置を提供することが可能となる。
【００１３】
さらに，請求項２に記載の発明においては，周回光経路の一部が光ファイバ内に形成されている。一般に光ファイバは基板上に形成された光導波路よりも光の閉じ込め効果が高く伝搬損失が小さいため，請求項２に記載の発明では，光損失の低減とともに効果的な自己パルセーションが実現される。
【００１４】
なお，上記請求項１又は２に記載の発明において，光導波路は，請求項３に記載の発明のように，半導体光素子に形成されている構成とすることが可能である。請求項３に記載の発明で採用されているかかる構成は，従来のレーザ装置に大幅な変更を加えなくても形成することができる。例を挙げるならば，従来から提案されているＤＢＲレーザ素子を表面実装する際に，該ＤＢＲレーザ素子と接続される光ファイバの端部分に不均一な格子周期を持つブラッグ回折格子を形成することによって，形成することができる。
【００１５】
また，上記課題を解決するために，請求項４に記載の発明は，実効的な格子周期が実質的に均一な第１のブラッグ回折格子が形成された第１の反射導波路と，実効的な格子周期が不均一な第２のブラッグ回折格子が形成された第２の反射導波路と，活性領域と可飽和吸収領域とを有し第１の反射導波路と第２の反射導波路とを相互に接続する中継導波路と，を備える構成を採用する。
【００１６】
かかる構成を有する請求項４に記載の発明は，例えば，第１及び第２の反射導波路と中継導波路とを同一基板上に形成した場合に，所望のパルス間隔を持つパルス列の生成と発振波長の優れた可変性とが実現されたレーザ装置を光素子化することができる。したがって，他の光学素子との同一基板上への集積が可能となり，例えばコストの上昇や装置規模の拡大等を引き起こさずに，発振波長の可変機能とパルス列周期の可変機能との自由度が高いレーザ装置の光通信機器への適用が容易になる。
【００１７】
ここで，第２のブラッグ回折格子は，請求項５に記載の発明のように，実効的な格子周期が一定の変化量で順次変化するものである構成とすることが好適である。かかる構成を有する請求項５に記載の発明においては，一定の変化量を適宜変化させることによってモード飛びが防止され，発振波長の連続的な波長チューニングが可能となるからである。
【００１８】
なお，第２のブラッグ回折格子の実効的な格子周期の調整は，請求項６に記載の発明のように，さらに，発熱手段を備える構成を採用したり，請求項７に記載の発明のように，さらに，電流注入手段を備える構成を採用することによって，実現することができる。また，第１のブラッグ回折格子の実効的な格子周期の調整も，請求項８に記載の発明のように，さらに，発熱手段を備える構成や，請求項９に記載の発明のように，さらに，電流注入手段を備える構成を採用することによって，実現することができる。
【００１９】
ここで，発熱手段を設けた場合にはＴＯ効果（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ；熱光学効果）によって，電流注入手段を設けた場合にはＥＯ効果（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ；電気光学効果）によって，それぞれ導波路構造内のコアの屈折率を変化させ，実効的な格子周期を調整することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に，添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，以下の説明及び添付図面において，略同一の機能及び構成を有する構成要素については，同一符号を付することにより，重複説明を省略する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
まず，第１の実施の形態について，図１〜図３を参照しながら説明する。ここで，図１は，本実施の形態にかかるレーザ装置の一例であるレーザ共振器１００の概略構成を示す断面図であり，図２は，レーザ共振器１００に適用されるＤＢＲレーザ素子１５０の概略構成を示す平面図である。また，図３は，レーザ共振器１００の発振動作についての説明図である。
【００２２】
図１に示すように，本実施の形態にかかるレーザ共振器１００は，主な構成要素として，半導体光素子に相当するＤＢＲレーザ素子１５０と光ファイバに相当するグレーティングファイバ１６０とを備えている。ＤＢＲレーザ素子１５０について説明すると，ＤＢＲレーザ素子１５０には，無反射膜がコーティングされた第２端面１５０ｂと第２端面１５０ｂの対向面である第１端面１５０ａとに渡り，積層導波路である光導波路１１０が形成されている。かかる光導波路１１０では，素子裏面１５０ｄ側の層である下部クラッド層１２０ｄ表面にコア層１３０と上部クラッド層１２０ｃとを順次積層する構成を採用することによって，コア層１３０への光閉じ込めが実現されている。
【００２３】
ＤＢＲレーザ素子１５０において，かかる光導波路１１０には，３の領域が形成されている。３の領域の内で最も第１端面１５０ａ側に形成されているのは，反射領域に相当するＤＢＲ領域１１０ａである。かかるＤＢＲ領域１１０ａは，コア層１３０として光導波層１３０ａが適用された受動導波路領域である。ＤＢＲ領域１１０ａにおいて，光導波層１３０ａと下部クラッド層１２０ｄとの境界部分には，第１のブラッグ回折格子に相当する均一格子１３２が形成されており，かかる構成によって逆方向結合に基づくブラッグ反射による波長選択的な光の反射が実現される。なお，後述する抵抗膜１８０ａに電流を流していない場合には，かかるＤＢＲ領域１１０ａのブラッグ波長λはλ１である。
【００２４】
３の領域の内で最も第２端面１５０ｂ側に形成されているのは，中継領域の可飽和吸収領域に相当する可飽和吸収領域１１０ｃである。かかる可飽和吸収領域１１０ｃには，コア層１３０として可飽和吸収層１３０ｃが適用されており，光強度の増加とともに光吸収が減少する可飽和吸収特性が実現されている。レーザ共振器１００では，かかる可飽和吸収領域１１０ｃの可飽和吸収特性によって自己パルセーション現象が起こり，レーザ光のパルス発振が実現される。
【００２５】
さらに，ＤＢＲ領域１１０ａと可飽和吸収領域１１０ｃとの間に形成されているのは，中継領域の活性領域に相当する活性領域１１０ｂである。かかる活性領域１１０ｂには，コア層１３０として活性層１３０ｂが適用されており，発光機能と利得機能とが実現されている。
【００２６】
なお，本実施の形態においては，例えば，下部クラッド層１２０ｄをｐ−ＩｎＰから形成し上部クラッド層１２０ｃをｎ−ＩｎＰから形成することが可能である。また，光導波層１３０ａは，例えば，バンドギャップ波長が約１．２μｍ付近の組成からなる非活性材料から形成することが可能である。さらに，活性層１３０ｂは，例えば，バンドギャップ波長が約１．５５μｍの組成からなるＩｎＧａＡｓＰから形成することが可能である。さらにまた，可飽和吸収層１３０ｃは，活性層１３０ｂ同様に，例えば，バンドギャップ波長が約１．５５μｍの組成からなるＩｎＧａＡｓＰから形成することが可能である。
【００２７】
以上説明した光導波路１１０を有するＤＢＲレーザ素子１５０には，素子裏面１５０ｄ全面を覆うように共通電極１４０が設置されている。また，図２に示すように，ＤＢＲレーザ素子１５０には，素子表面１５０ｃの活性領域１１０ｂ上に当たる部分を覆うように第１電極１４０ｂが設置されており，素子表面１５０ｃの可飽和吸収領域１１０ｃ上に当たる部分を覆うように第２電極１４０ｃが設置されている。ＤＢＲレーザ素子１５０においては，かかる構成によって，活性層１３０ｂと可飽和吸収層１３０ｃとのそれぞれへの相互に独立な電流注入が可能となり，受動モード同期型のレーザ光パルス発振が可能となる。
【００２８】
また，ＤＢＲレーザ素子１５０においては，素子表面１５０ｃのＤＢＲ領域１１０ａ上に当たる部分に，絶縁膜１７０ａを介して発熱手段に相当する抵抗膜１８０ａが設置されている。図１に示すように，かかる抵抗膜１８０ａは，電流が流れると発熱して，絶縁膜１７０ａと上部クラッド層１２０ｃとを介して光導波層１３０ａを加熱し，ＴＯ効果によって光導波層１３０ａの屈折率を変化させる。かかる屈折率変化の結果，ＤＢＲ領域１１０ａのブラッグ波長λは，λ１からλ２へと変化する。ここで，絶縁膜１７０ａは，抵抗膜１８０ａと素子表面１５０ｃとを電気的に隔離するためのものである。
【００２９】
なお，本実施の形態において，共通電極１４０，第１電極１４０ｂ及び第２電極１４０ｃは，例えば，Ａｕから形成することができる。また，抵抗膜１８０ａは，例えば，Ｐｔから形成することができる。さらに，絶縁膜１７０ａは，例えば，ＳｉＯ２から形成することができる。
【００３０】
レーザ共振器１００を形成する他の主構成要素であるグレーティングファイバ１６０について説明すると，グレーティングファイバ１６０には，第２ブラッグ回折格子に相当するチャープグレーティング（図示せず。）が形成されている。かかるチャープグレーティングは，その格子間隔がグレーティングファイバ１６０の進行方向に沿って連続的に変化するように形成されている。かかる構成によって，グレーティングファイバ１６０では，その進行方向に沿ってブラッグ波長がλ１からλ２（λ１＜λ２）へ連続的に変化する特性が実現されている。
【００３１】
本実施の形態にかかるレーザ共振器１００は，以上説明したＤＢＲレーザ素子１５０とグレーティングファイバ１６０とが光学レンズ１９０を介して相互にアラインメントされて形成される。かかるアラインメントでは，ＤＢＲレーザ素子１５０の第２端面１５０ｂとグレーティングファイバ１６０のブラッグ波長がλ１である位置側の端面１６０ａとが相互に光学的に接続される。
【００３２】
なお，本実施の形態においては，光学レンズ１９０の代わりに，例えば先球ファイバ等の他の光結合デバイスを適用することができる。また，グレーティングファイバ１６０のブラッグ波長がλ２である位置側の端面は，例えばレーザ光パルスの受光装置や伝送装置等の他の光学要素に接続することが可能である。
【００３３】
以上説明した構成を有するレーザ共振器１００の動作について，図３を参照しながら説明する。図３に示すように，ＤＢＲ領域１１０ａとグレーティングファイバ１６０とは，共に，ブラッグ反射による逆方向結合によって光を反射する機能を備えている。したがって，レーザ共振器１００では，ＤＢＲ領域１１０ａでの光の反射位置とグレーティングファイバ１６０での光の反射位置との間に，可飽和吸収領域１１０ｃと活性領域１１０ｂとが介挿された周回光経路が形成される。結果として，周回光経路の往復伝搬による光波パワーの蓄積と可飽和吸収領域１１０ｃでの可飽和吸収動作によるモード同期とによって，活性領域１１０ｂで発生した光のうち所定の共振条件を満たす成分からレーザ光パルスが形成される。
【００３４】
ここで，まず，抵抗膜１８０ａに電流が流れていない場合を想定すると，上述のようにＤＢＲ領域１１０ａのブラッグ波長λはλ１である。したがって，周回光経路は，ＤＢＲ領域１１０ａでの光の反射位置とグレーティングファイバ１６０のブラッグ波長がλ１の位置（図３中の点Ｐ）との間に形成される。結果として，レーザ共振器１００に形成される共振器長は，Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｌ１で表され，レーザ共振器１００のモード同期周波数ｆは，ｆ１＝ｃ／２（ｎａＬａ＋ｎｂＬｂ＋ｎ１Ｌ１）で表される。
【００３５】
なお，Ｌａは，ＤＢＲレーザ素子１５０におけるＤＢＲ領域１１０ａでの光の反射位置と第２端面１５０ｂとの実際の距離を示し，ｎａは，同距離領域の平均的な屈折率を示す。また，Ｌｂは，レーザ共振器１００におけるＤＢＲレーザ素子１５０の第２端面１５０ｂとグレーティングファイバ１６０の端面１６０ａとの実際の距離を示し，ｎｂは，同距離領域の平均的な屈折率を示す。さらに，Ｌ１は，グレーティングファイバ１６０における端面グレーティングファイバ１６０ｂとブラッグ波長がλ１の位置（点Ｐ）との実際の距離を示し，ｎ１は，グレーティングファイバ１６０のコアの平均的な屈折率を示す。さらにまた，ｃは，光速を示す。
【００３６】
次に，抵抗膜１８０ａに電流が流れている場合を想定すると，ＤＢＲ領域１１０ａのブラッグ波長λはλ１からλ２へ変化する。したがって，周回光経路は，ＤＢＲ領域１１０ａでの光の反射位置とグレーティングファイバ１６０のブラッグ波長がλ２の位置（図３中の点Ｑ）との間に形成される。結果として，レーザ共振器１００に形成される共振器長は，Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｌ２で表され，レーザ共振器１００のモード同期周波数ｆは，ｆ２＝ｃ／２（ｎａＬａ＋ｎｂＬｂ＋ｎ１Ｌ２）で表される。なお，Ｌ２は，グレーティングファイバ１６０における端面１６０ａとブラッグ波長がλ２の位置（点Ｑ）との実際の距離を示す。
【００３７】
レーザ共振器１００において，端面１６０ａとグレーティングファイバ１６０での光の反射位置との距離であるＬ１とＬ２とは，グレーティングファイバ１６０に形成されたチャープグレーティングの格子周期の変調量を大きくすることによって，大きな値を得ることができる。したがって，レーザ共振器１００においては，外部から電流を抵抗膜１８０ａに注入することによって，モード同期周波数を大きく変化させ，所望のパルス周波数のレーザ光パルス列が得られることが分かる。
【００３８】
なお，レーザ共振器１００においては，パルス周期を変調させるために抵抗膜１８０ａに電流を流すと，同時に，パルス列を構成するレーザ光の波長をも調整することができる。すなわち，レーザ共振器１００は，発振波長のチューニングを行うことができるのである。
【００３９】
以上説明したように，本実施の形態によれば，抵抗膜に流す電流を調整することによって，モード同期周波数を変化させて，所望のパルス周波数を有するレーザ光パルスを生成することができる。また，損失の小さい光ファイバをレーザ共振器の一部に使用することによって，モード同期周波数を非常に大きく変化させることができる。なお，本実施の形態においては，発熱手段に相当する抵抗膜の代わりに電極を適用して，キャリア注入や電界印加等によるＥＯ効果を利用して，ＤＢＲ領域の屈折率変化を実現することも可能である。
【００４０】
（第２の実施の形態）
次に，本発明の第２の実施の形態について，図４〜図６を参照しながら説明する。なお，図４は，本実施の形態にかかるレーザ装置の一例であるレーザ素子２００の概略構成を示す断面図である。また，図５は，レーザ素子２００の概略構成を示す平面図であり，図６は，レーザ素子２００の発振動作についての説明図である。
【００４１】
図４に示すように，本実施の形態にかかるレーザ素子２００は，ワンチップ型のレーザ素子であり，図１に示す上記第１の実施の形態にかかるレーザ共振器１００の機能と実質的に等価な機能が実現されている。詳細に説明すると，本実施の形態にかかるレーザ素子２００には，相互に対向する第１端面２００ａと第２端面２００ｂとに渡り光導波路２１０が形成されている。かかる光導波路２１０は，下部クラッド層２２０ｄとコア層２３０と上部クラッド層２２０ｃとが順次積層された積層構造で形成されており，第１ＤＢＲ領域２１０ａと活性領域２１０ｂと可飽和吸収領域２１０ｃと第２ＤＢＲ領域２１０ｄとの４の領域に分かれている。
【００４２】
光導波路２１０において，最も第１端面２００ａ側に位置する第１ＤＢＲ領域２１０ａは，コア層２３０として光導波層２３０ａを適用した受動導波路であり，第１の反射導波路に相当する。かかる第１ＤＢＲ領域２１０ａにおいて，光導波層２３０ａと下部クラッド層２２０ｄとの境界部には，均一な格子周期で第１のブラッグ回折格子に相当する均一格子２３２ａが形成されている。第１ＤＢＲ領域２１０ａでは，かかる均一格子２３２ａが形成されているために，ブラッグ反射条件を満たす所定の波長の光が所定の位置で選択的に反射される。
【００４３】
また，最も第２端面２００ｂ側に位置する第２ＤＢＲ領域２１０ｄは，コア層２３０として光導波層２３０ｄが適用された受動導波路であり，第２の反射導波路に相当する。かかる第２ＤＢＲ領域２１０ｄにおいて，光導波層２３０ｄと下部クラッド層２２０ｄとの境界部には，第２端面２００ｂに近付くに連れて格子周期が短くなる不均一格子２３２ｄが形成されている。第２ＤＢＲ領域２１０ｄでは，第２のブラッグ回折格子に相当するかかる不均一格子２３２ｄが形成されているために，波長毎に異なる位置において光がブラッグ反射される。
【００４４】
さらに，光導波路２１０において，第１ＤＢＲ領域２１０ａと第２ＤＢＲ領域２１０ｄとの間には，活性領域２１０ｂと可飽和吸収領域２１０ｃとから中継導波路に相当する領域が形成されている。第１ＤＢＲ領域２１０ａ側に位置する活性領域２１０ｂは，コア層２３０として活性層２３０ｂが適用されており，活性領域に相当する。かかる活性領域２１０ｂでは，電流注入によって，活性層２３０ｂでの発光機能及び利得機能が実現される。一方，第２ＤＢＲ領域２１０ｄ側に位置する可飽和吸収領域２１０ｃは，コア層２３０として可飽和吸収層２３０ｃが適用されており，可飽和吸収領域に相当する。かかる可飽和吸収領域２１０ｃは，可飽和吸収特性を示す。したがって，光導波路２１０では，自己パルセーション現象が生じて，受動モード同期動作が実現される。
【００４５】
なお，本実施の形態において，例えば，下部クラッド層２２０ｄをｐ−ＩｎＰから形成し上部クラッド層２２０ｃをｎ−ＩｎＰから形成することが可能である。また，光導波層２３０ａと光導波層２３０ｄとは，例えば，バンドギャップ波長が約１．２μｍ付近の組成からなる非活性材料から形成することが可能である。さらに，活性層２３０ｂと可飽和吸収層２３０ｃとは，例えば，バンドギャップ波長が約１．５５μｍの組成からなるＩｎＧａＡｓＰから形成することが可能である。
【００４６】
レーザ素子２００には，以上説明した光導波路２１０でのレーザ光パルス発振動作，発振波長の変調動作及び発振パルスのパルス変調動作を行うために，素子表面２００ｃと素子裏面２００ｄとに電極及び加熱膜が設置されている。より詳細に説明すると，レーザ素子２００において，素子裏面２００ｄには全面に共通電極２４０が設置されている。また，素子表面２００ｃには，素子表面２００ｃの活性領域２１０ｂ上に当たる部分を覆うように第１電極２４０ｂが設置されており，素子表面２００ｃの可飽和吸収領域２１０ｃ上に当たる部分を覆うように第２電極２４０ｃが設置されている。
【００４７】
さらに，図５に示すように，素子表面２００ｃの第１ＤＢＲ領域２１０ａ上に当たる部分には，第１絶縁膜２７０ａを介して，発熱手段に相当する第１加熱膜２８０ａが設置されている。かかる第１加熱膜２８０ａは，その両端部に形成された電極パッド２８２ａと電極パッド２８４ａとに電位差を与えることによって，その発熱部に電流が流れてジュール熱が発生するようになっている。同様に，素子表面２００ｃの第２ＤＢＲ領域２１０ｄ上に当たる部分には，第２絶縁膜２７０ｄを介して，発熱手段に相当する第２加熱膜２８０ｄが設置されている。かかる第２加熱膜２８０ｄも，第１加熱膜２８０ａ同様に，その両端部に形成された電極パッド２８２ｄと電極パッド２８４ｄとに電位差を与えることによって，その発熱部に電流が流れてジュール熱が発生するようになっている。ここで，第１絶縁膜２７０ａと第２絶縁膜２７０ｄとは，第１加熱膜２８０ａ及び第２加熱膜２８０ｄと素子表面２００ｃとを電気的に絶縁するためのものである。
【００４８】
なお，本実施の形態において，共通電極２４０，第１電極２４０ｂ及び第２電極２４０ｃは，例えば，Ａｕから形成することができる。また，第１加熱膜２８０ａ及び第２加熱膜２８０ｄは，例えば，Ｐｔから形成することができる。さらに，絶縁膜第１絶縁膜２７０ａは，例えば，ＳｉＯ２から形成することができる。
【００４９】
図４に示すように以上説明した構成を有するレーザ素子２００は，図１に示す上記第１の実施の形態にかかるレーザ共振器１００と原理的に同一な動作を実施することができる。すなわち，レーザ素子２００では，第１ＤＢＲ領域２１０ａでの光の反射位置と第２ＤＢＲ領域２１０ｄでの光の反射位置との間に活性領域２１０ｂと可飽和吸収領域２１０ｃとが介挿された周回光経路が形成されて，受動モード同期動作によるレーザ光パルス発振が行われる。さらに，第１加熱膜２８０ａの発熱による第１ＤＢＲ領域２１０ａのブラッグ波長λを変化させることによって，周回光経路に規定される共振器長が調整され，発振パルスの周期変調が行われる。
【００５０】
かかる動作において，本実施の形態にかかるレーザ素子２００は，図１に示すレーザ共振器１００と相違する特徴を有している。それは，発振パルス列の波長チューニングとパルス周期の変調とを制御可能なことである。以下，本実施の形態にかかるレーザ素子２００のかかる動作の特徴について，図４と図６とを共に参照しながら説明する。
【００５１】
図６においては，縦軸に光の波長が示してあり，横軸に光導波路２１０内の位置が示してある。図６中，第２ＤＢＲ領域２１０ｄの実線は，不均一格子２３２ｄの格子周期の変化をそのまま表しているのではなく，光の損失や回折効率の結果で定まる第２ＤＢＲ領域２１０ｄへの光の侵入長の波長依存性を示している。
【００５２】
（１）第１の場合として，第１加熱膜２８０ａと第２加熱膜２８０ｄとのどちらにも電流を流していない場合を考える。かかる場合，第１ＤＢＲ領域２１０ａのブラッグ波長は，位置と無関係にλｃで一定であり，発振波長はλｃである。他方，第２ＤＢＲ領域２１０ｄのブラッグ波長は，第２端面第２端面２００ｂに近付くに連れて長くなる特性を示す。図５中には，かかる第２ＤＢＲ領域２１０ｄのブラッグ波長の特性の例として，位置の一次関数として表せるものを示してある。かかる場合，共振器長がＬｃであるとすると，モード同期周波数ｆはｆ＝ｃ／２ｎＬｃである。
【００５３】
（２）次に，第２の場合として，第２加熱膜２８０ｄには電流を流さないが第１加熱膜２８０ａに電流を流す場合を考える。かかる場合，第１ＤＢＲ領域２１０ａのブラッグ波長は，上記第１の場合でのλｃよりも長いλｄで一定となるため，発振波長は上記第１の場合よりも長いλｄである。他方，第２ＤＢＲ領域２１０ｄのブラッグ波長は，上記第１の場合と同様の特性のままである。結果として，共振器長は，上記第１の場合のＬｃより長いＬｄとなり，モード同期周波数ｆはｆ＝ｃ／２ｎＬｄとなる。
【００５４】
（３）さらに，第３の場合として，第１加熱膜２８０ａだけでなく第２加熱膜２８０ｄにも電流を流す場合を考える。かかる場合，第１ＤＢＲ領域２１０ａのブラッグ波長は，上記第２の場合と同様，λｄで一定となるため，発振波長は上記第２の場合と同様λｄである。しかし，第２ＤＢＲ領域２１０ｄのブラッグ波長は，上記第１及び第２の場合の特性よりも長波長側にシフトする。結果として，共振器長は，上記第１の場合のＬｃよりは長いが第２の場合のＬｄよりは短いＬｄとなり，モード同期周波数ｆはｆ＝ｃ／２ｎＬｃ’となる。
【００５５】
以上の第１の場合〜第３の場合の考察から，本実施の形態にかかるレーザ素子２００において，モード同期周波数ｆは，第１加熱膜２８０ａに流す電流と第２加熱膜２８０ｄに流す電流との関係によって調整されることが分かる。これに対して，発振波長は，第１加熱膜２８０ａに流す電流のみによって調整されることができる。
【００５６】
したがって，レーザ素子２００では，発振波長を固定した状態，すなわち第１加熱膜２８０ａに流す電流を一定に保った状態でも，第２加熱膜２８０ｄに流す電流を調節することによって，モード同期周波数ｆを変調することができる。また，モード同期周波数を固定した状態でも，第１加熱膜２８０ａに流す電流と第２加熱膜２８０ｄに流す電流との所定の関係を維持しておけば，発振波長を変化させることができる。
【００５７】
以上説明したように，本実施の形態によれば，上記第１の実施の形態同様，所望のパルス周波数を有するレーザ光パルスを生成することができる。さらに，本実施の形態によれば，発振レーザ光パルスの波長とパルス周期とを実質的に独立に制御することが可能となる。なお，本実施の形態においても，発熱手段に相当する抵抗膜の代わりに電極を適用して，キャリア注入や電界印加等によるＥＯ効果を利用して，ＤＢＲ領域の屈折率変化を実現することも可能である。
【００５８】
以上，本発明の好適な実施の形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において，当業者であれば，各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり，それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５９】
例えば，上記実施の形態においては，Ａｕから成る電極及びＰｔから成る加熱膜及びＳｉＯ２から成る絶縁膜を適用したレーザ装置を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な材料からなる電極及び加熱膜及び絶縁膜を適用したレーザ装置に対しても適用することができる。
【００６０】
また，上記実施の形態においては，ＧａＡｓ系及びＩｎＰ系の半導体材料を適用したレーザ装置を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な材料，例えばＬｉＮｂＯ３やＳｉ系等を適用したレーザ装置に対しても適用することができる。
【００６１】
さらに，上記実施の形態においては，発熱手段として抵抗膜を適用したレーザ装置を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な発熱手段を適用した半導体装置に対しても適用することができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば，光パルス生成装置として使用可能なレーザ装置において，ファセットミラーとして機能する均一周期ブラッグ回折格子を有するＤＢＲ反射鏡と周期変調ブラッグ回折格子を有するＤＢＲ反射鏡とを活性領域の両側に形成する構成によって，高い発振波長の可変能力及び高いパルス周期の可変能力を実現している。したがって，本発明を適用したレーザ装置を使用することによって，所望の周波数及び所望のパルス周期を持つレーザ光パルス列を得ることができる。すなわち，本発明によれば，高速化・大容量化の著しい光通信システムに適した搬送波等の発信源の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用可能なレーザ共振器の概略構成を示す断面図である。
【図２】 図１示すレーザ共振器に適用されるＤＢＲレーザ素子の概略構成を示す平面図である。
【図３】 図１に示すレーザ共振器の発振動作についての説明図である。
【図４】 本発明を適用可能なレーザ素子の概略構成を示す断面図である。
【図５】 図４に示すレーザ素子の概略構成を示す平面図である。
【図６】 図４に示すレーザ素子の発振動作についての説明図である。
【図７】 従来のレーザ装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１００ レーザ共振器
１１０，２１０ 光導波路
１１０ａ，２１０ａ，２１０ｄ ＤＢＲ領域
１１０ｂ，２１０ｂ 活性領域
１１０ｃ，２１０ｃ 可飽和吸収領域
１３２，２３２ａ，２３２ｄ ブラッグ回折格子
１５０ ＤＢＲレーザ素子
１５０ｂ 第２端面
１６０ グレーティングファイバ
１８０ａ，２８０ｄ 抵抗膜
２００ レーザ素子
【発明の属する技術分野】
本発明は，レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
モード同期型のレーザ装置では，モード相互間の周波数間隔を揃えるとともにモード間の相互位相を一定に保つことによって，レーザ共振器内に存在する多数の縦モードの規則的な干渉が実現される。モード同期型のレーザ装置は，時間間隔が狭い高速の繰り返し光パルス（光パルス列）を生成できるため，高速化・大容量化が著しい近年の光通信用光源として有用である。
【０００３】
従来，モード同期型のレーザ装置としては，例えば，Ｓ．Ａｒａｈｉｒａ ｅｔ．ａｌ．，”Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｌｉｍｉｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｔ ｈｉｇｈ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ ｏｖｅｒ ４０ＧＨｚ ｆｒｏｍ ａ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃｐａｓｓｉｖｅ ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｅｄ ＤＢＲ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ”，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．５，ｐｐ１３６２−１３６５（１９９３）に開示された受動モード同期型のレーザ装置があった。
【０００４】
ここで，上記文献に記載されたレーザ装置について，図７を参照しながら略述する。なお，図７には，上記文献にかかる一のレーザ装置であるＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ；レーザダイオード）３００の構成を模式的に示す。図７に示すように，従来のＬＤ３００は，第１端面３００ａと第２端面３００ｂとに渡る光導波路３１０でレーザ光を生成する受動モード同期型のＤＢＲレーザである。
【０００５】
ＬＤ３００において，光導波路３１０は，個々独立に電流注入が実施できる４の領域に分けられている。第１端面３００ａ側から順に挙げると，ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ；分布ブラッグ反射）領域３１０ａと位相調整領域３１０ｂと活性領域３１０ｃと可飽和吸収領域３１０ｄとである。かかる構成を有するＬＤ３００においては，活性領域３１０ｃでの発光とＤＢＲ領域３１０ａでの波長選択的な光の反射と可飽和吸収領域３１０ｄでの各モード間の位相関係の調整とによって，短パルス状のレーザ光の発振が実現される。
【０００６】
かかるレーザ発振においては，位相調整領域３１０ｂへ注入する電流を調節することによって，共振動作のための光の位相調整が実現される。また，ＤＢＲ領域３１０ａへ注入する電流を調節することによって，ＤＢＲ領域３１０ａに形成された均一ブラッグ回折格子３２０ａの格子周期を均一に伸張させ，発振波長の調整が実現される。さらに，活性領域３１０ｃへ注入するバイアス電流と可飽和吸収領域３１０ｄへ注入するバイアス電流とを制御することによって，モード同期動作が実現され，発振レーザパルス列のパルス周期が調整される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，上記従来のレーザ装置は，特にＬＤ３００のように光素子化をした場合に，共振器長に依存するモード同期動作の周波数調節が精度良く実施できず，所望の周期のレーザパルス列を得ることは困難であった。その一因としては，通常レーザ素子は劈開によって共振器長が決まるが，この劈開プロセスでは数十μｍ以下の精度での調整が難しいことが挙げられる。また，実効的な共振器長を決めるレーザ素子の光導波路の屈折率が発振閾値等によって容易に変化することも，他の一因として挙げられる。
【０００８】
本発明は，従来のレーザ装置が有する上記問題点に鑑みてなされたものであり，レーザパルス列の周期を高精度に調整可能な，新規かつ改良されたレーザ装置を提供することを目的とする。さらに，本発明の他の目的は，発振されるレーザ光の波長を広い範囲で変化させることができる，新規かつ改良されたレーザ装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，請求項１に記載の発明は，実効的な格子周期が実質的に均一な第１のブラッグ回折格子が形成された反射領域と，光が入出射される導波路端面と，少なくとも活性領域を有し反射領域と導波路端面とを相互に接続する中継領域とが，形成された光導波路と；実効的な格子周期が不均一な第２のブラッグ格子が形成され導波路端面に光を入出射する光ファイバと；を備える構成を採用する。
【００１０】
かかる構成を有する請求項１に記載の発明においては，第２のブラッグ回折格子の実効的な格子周期が不均一であるために，反射領域での光の反射位置は波長依存性を示す。したがって，反射領域での反射位置と光ファイバでの反射位置との間に形成されレーザ共振器として機能する光の周回経路は，共振する光の波長によってその長さが変化する。結果として，請求項２に記載の発明によれば，共振器長の異なる複数のレーザ共振器の機能が一の光経路上で実現される。これによって，まず，レーザ光の発振条件の自由度が向上し，レーザ装置の優れた波長可変特性が実現される。
【００１１】
かかる請求項１に記載の発明は，請求項２に記載の発明のように，中継領域は可飽和吸収領域をも有する構成を採用することによって，受動モード同期型のレーザ装置に適用することができる。かかる構成を有する請求項２に記載の発明においては，光強度が増加すると光吸収量が減少する可飽和吸収領域が設けられることによって，自己パルセーション（ｓｅｌｆ ｐｕｌｓａｔｉｏｎ）現象が起こり，受動モード同期型のレーザ短パルス発振が可能となる。
【００１２】
モード同期型のレーザ発振では，レーザ装置での共振器長によってモード同期動作の周波数が決まる。したがって，請求項２に記載の発明によれば，一の光経路上に実質的に複数のレーザ共振器長が実現されているため，優れた発振波長の可変特性を持つことと相俟って，非常に大きなモード同期動作の周波数変化が実現される。結果として，所望の周期のレーザ光パルス列を生成することができるレーザ装置を提供することが可能となる。
【００１３】
さらに，請求項２に記載の発明においては，周回光経路の一部が光ファイバ内に形成されている。一般に光ファイバは基板上に形成された光導波路よりも光の閉じ込め効果が高く伝搬損失が小さいため，請求項２に記載の発明では，光損失の低減とともに効果的な自己パルセーションが実現される。
【００１４】
なお，上記請求項１又は２に記載の発明において，光導波路は，請求項３に記載の発明のように，半導体光素子に形成されている構成とすることが可能である。請求項３に記載の発明で採用されているかかる構成は，従来のレーザ装置に大幅な変更を加えなくても形成することができる。例を挙げるならば，従来から提案されているＤＢＲレーザ素子を表面実装する際に，該ＤＢＲレーザ素子と接続される光ファイバの端部分に不均一な格子周期を持つブラッグ回折格子を形成することによって，形成することができる。
【００１５】
また，上記課題を解決するために，請求項４に記載の発明は，実効的な格子周期が実質的に均一な第１のブラッグ回折格子が形成された第１の反射導波路と，実効的な格子周期が不均一な第２のブラッグ回折格子が形成された第２の反射導波路と，活性領域と可飽和吸収領域とを有し第１の反射導波路と第２の反射導波路とを相互に接続する中継導波路と，を備える構成を採用する。
【００１６】
かかる構成を有する請求項４に記載の発明は，例えば，第１及び第２の反射導波路と中継導波路とを同一基板上に形成した場合に，所望のパルス間隔を持つパルス列の生成と発振波長の優れた可変性とが実現されたレーザ装置を光素子化することができる。したがって，他の光学素子との同一基板上への集積が可能となり，例えばコストの上昇や装置規模の拡大等を引き起こさずに，発振波長の可変機能とパルス列周期の可変機能との自由度が高いレーザ装置の光通信機器への適用が容易になる。
【００１７】
ここで，第２のブラッグ回折格子は，請求項５に記載の発明のように，実効的な格子周期が一定の変化量で順次変化するものである構成とすることが好適である。かかる構成を有する請求項５に記載の発明においては，一定の変化量を適宜変化させることによってモード飛びが防止され，発振波長の連続的な波長チューニングが可能となるからである。
【００１８】
なお，第２のブラッグ回折格子の実効的な格子周期の調整は，請求項６に記載の発明のように，さらに，発熱手段を備える構成を採用したり，請求項７に記載の発明のように，さらに，電流注入手段を備える構成を採用することによって，実現することができる。また，第１のブラッグ回折格子の実効的な格子周期の調整も，請求項８に記載の発明のように，さらに，発熱手段を備える構成や，請求項９に記載の発明のように，さらに，電流注入手段を備える構成を採用することによって，実現することができる。
【００１９】
ここで，発熱手段を設けた場合にはＴＯ効果（Ｔｈｅｒｍｏ−Ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ；熱光学効果）によって，電流注入手段を設けた場合にはＥＯ効果（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ；電気光学効果）によって，それぞれ導波路構造内のコアの屈折率を変化させ，実効的な格子周期を調整することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に，添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，以下の説明及び添付図面において，略同一の機能及び構成を有する構成要素については，同一符号を付することにより，重複説明を省略する。
【００２１】
（第１の実施の形態）
まず，第１の実施の形態について，図１〜図３を参照しながら説明する。ここで，図１は，本実施の形態にかかるレーザ装置の一例であるレーザ共振器１００の概略構成を示す断面図であり，図２は，レーザ共振器１００に適用されるＤＢＲレーザ素子１５０の概略構成を示す平面図である。また，図３は，レーザ共振器１００の発振動作についての説明図である。
【００２２】
図１に示すように，本実施の形態にかかるレーザ共振器１００は，主な構成要素として，半導体光素子に相当するＤＢＲレーザ素子１５０と光ファイバに相当するグレーティングファイバ１６０とを備えている。ＤＢＲレーザ素子１５０について説明すると，ＤＢＲレーザ素子１５０には，無反射膜がコーティングされた第２端面１５０ｂと第２端面１５０ｂの対向面である第１端面１５０ａとに渡り，積層導波路である光導波路１１０が形成されている。かかる光導波路１１０では，素子裏面１５０ｄ側の層である下部クラッド層１２０ｄ表面にコア層１３０と上部クラッド層１２０ｃとを順次積層する構成を採用することによって，コア層１３０への光閉じ込めが実現されている。
【００２３】
ＤＢＲレーザ素子１５０において，かかる光導波路１１０には，３の領域が形成されている。３の領域の内で最も第１端面１５０ａ側に形成されているのは，反射領域に相当するＤＢＲ領域１１０ａである。かかるＤＢＲ領域１１０ａは，コア層１３０として光導波層１３０ａが適用された受動導波路領域である。ＤＢＲ領域１１０ａにおいて，光導波層１３０ａと下部クラッド層１２０ｄとの境界部分には，第１のブラッグ回折格子に相当する均一格子１３２が形成されており，かかる構成によって逆方向結合に基づくブラッグ反射による波長選択的な光の反射が実現される。なお，後述する抵抗膜１８０ａに電流を流していない場合には，かかるＤＢＲ領域１１０ａのブラッグ波長λはλ１である。
【００２４】
３の領域の内で最も第２端面１５０ｂ側に形成されているのは，中継領域の可飽和吸収領域に相当する可飽和吸収領域１１０ｃである。かかる可飽和吸収領域１１０ｃには，コア層１３０として可飽和吸収層１３０ｃが適用されており，光強度の増加とともに光吸収が減少する可飽和吸収特性が実現されている。レーザ共振器１００では，かかる可飽和吸収領域１１０ｃの可飽和吸収特性によって自己パルセーション現象が起こり，レーザ光のパルス発振が実現される。
【００２５】
さらに，ＤＢＲ領域１１０ａと可飽和吸収領域１１０ｃとの間に形成されているのは，中継領域の活性領域に相当する活性領域１１０ｂである。かかる活性領域１１０ｂには，コア層１３０として活性層１３０ｂが適用されており，発光機能と利得機能とが実現されている。
【００２６】
なお，本実施の形態においては，例えば，下部クラッド層１２０ｄをｐ−ＩｎＰから形成し上部クラッド層１２０ｃをｎ−ＩｎＰから形成することが可能である。また，光導波層１３０ａは，例えば，バンドギャップ波長が約１．２μｍ付近の組成からなる非活性材料から形成することが可能である。さらに，活性層１３０ｂは，例えば，バンドギャップ波長が約１．５５μｍの組成からなるＩｎＧａＡｓＰから形成することが可能である。さらにまた，可飽和吸収層１３０ｃは，活性層１３０ｂ同様に，例えば，バンドギャップ波長が約１．５５μｍの組成からなるＩｎＧａＡｓＰから形成することが可能である。
【００２７】
以上説明した光導波路１１０を有するＤＢＲレーザ素子１５０には，素子裏面１５０ｄ全面を覆うように共通電極１４０が設置されている。また，図２に示すように，ＤＢＲレーザ素子１５０には，素子表面１５０ｃの活性領域１１０ｂ上に当たる部分を覆うように第１電極１４０ｂが設置されており，素子表面１５０ｃの可飽和吸収領域１１０ｃ上に当たる部分を覆うように第２電極１４０ｃが設置されている。ＤＢＲレーザ素子１５０においては，かかる構成によって，活性層１３０ｂと可飽和吸収層１３０ｃとのそれぞれへの相互に独立な電流注入が可能となり，受動モード同期型のレーザ光パルス発振が可能となる。
【００２８】
また，ＤＢＲレーザ素子１５０においては，素子表面１５０ｃのＤＢＲ領域１１０ａ上に当たる部分に，絶縁膜１７０ａを介して発熱手段に相当する抵抗膜１８０ａが設置されている。図１に示すように，かかる抵抗膜１８０ａは，電流が流れると発熱して，絶縁膜１７０ａと上部クラッド層１２０ｃとを介して光導波層１３０ａを加熱し，ＴＯ効果によって光導波層１３０ａの屈折率を変化させる。かかる屈折率変化の結果，ＤＢＲ領域１１０ａのブラッグ波長λは，λ１からλ２へと変化する。ここで，絶縁膜１７０ａは，抵抗膜１８０ａと素子表面１５０ｃとを電気的に隔離するためのものである。
【００２９】
なお，本実施の形態において，共通電極１４０，第１電極１４０ｂ及び第２電極１４０ｃは，例えば，Ａｕから形成することができる。また，抵抗膜１８０ａは，例えば，Ｐｔから形成することができる。さらに，絶縁膜１７０ａは，例えば，ＳｉＯ２から形成することができる。
【００３０】
レーザ共振器１００を形成する他の主構成要素であるグレーティングファイバ１６０について説明すると，グレーティングファイバ１６０には，第２ブラッグ回折格子に相当するチャープグレーティング（図示せず。）が形成されている。かかるチャープグレーティングは，その格子間隔がグレーティングファイバ１６０の進行方向に沿って連続的に変化するように形成されている。かかる構成によって，グレーティングファイバ１６０では，その進行方向に沿ってブラッグ波長がλ１からλ２（λ１＜λ２）へ連続的に変化する特性が実現されている。
【００３１】
本実施の形態にかかるレーザ共振器１００は，以上説明したＤＢＲレーザ素子１５０とグレーティングファイバ１６０とが光学レンズ１９０を介して相互にアラインメントされて形成される。かかるアラインメントでは，ＤＢＲレーザ素子１５０の第２端面１５０ｂとグレーティングファイバ１６０のブラッグ波長がλ１である位置側の端面１６０ａとが相互に光学的に接続される。
【００３２】
なお，本実施の形態においては，光学レンズ１９０の代わりに，例えば先球ファイバ等の他の光結合デバイスを適用することができる。また，グレーティングファイバ１６０のブラッグ波長がλ２である位置側の端面は，例えばレーザ光パルスの受光装置や伝送装置等の他の光学要素に接続することが可能である。
【００３３】
以上説明した構成を有するレーザ共振器１００の動作について，図３を参照しながら説明する。図３に示すように，ＤＢＲ領域１１０ａとグレーティングファイバ１６０とは，共に，ブラッグ反射による逆方向結合によって光を反射する機能を備えている。したがって，レーザ共振器１００では，ＤＢＲ領域１１０ａでの光の反射位置とグレーティングファイバ１６０での光の反射位置との間に，可飽和吸収領域１１０ｃと活性領域１１０ｂとが介挿された周回光経路が形成される。結果として，周回光経路の往復伝搬による光波パワーの蓄積と可飽和吸収領域１１０ｃでの可飽和吸収動作によるモード同期とによって，活性領域１１０ｂで発生した光のうち所定の共振条件を満たす成分からレーザ光パルスが形成される。
【００３４】
ここで，まず，抵抗膜１８０ａに電流が流れていない場合を想定すると，上述のようにＤＢＲ領域１１０ａのブラッグ波長λはλ１である。したがって，周回光経路は，ＤＢＲ領域１１０ａでの光の反射位置とグレーティングファイバ１６０のブラッグ波長がλ１の位置（図３中の点Ｐ）との間に形成される。結果として，レーザ共振器１００に形成される共振器長は，Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｌ１で表され，レーザ共振器１００のモード同期周波数ｆは，ｆ１＝ｃ／２（ｎａＬａ＋ｎｂＬｂ＋ｎ１Ｌ１）で表される。
【００３５】
なお，Ｌａは，ＤＢＲレーザ素子１５０におけるＤＢＲ領域１１０ａでの光の反射位置と第２端面１５０ｂとの実際の距離を示し，ｎａは，同距離領域の平均的な屈折率を示す。また，Ｌｂは，レーザ共振器１００におけるＤＢＲレーザ素子１５０の第２端面１５０ｂとグレーティングファイバ１６０の端面１６０ａとの実際の距離を示し，ｎｂは，同距離領域の平均的な屈折率を示す。さらに，Ｌ１は，グレーティングファイバ１６０における端面グレーティングファイバ１６０ｂとブラッグ波長がλ１の位置（点Ｐ）との実際の距離を示し，ｎ１は，グレーティングファイバ１６０のコアの平均的な屈折率を示す。さらにまた，ｃは，光速を示す。
【００３６】
次に，抵抗膜１８０ａに電流が流れている場合を想定すると，ＤＢＲ領域１１０ａのブラッグ波長λはλ１からλ２へ変化する。したがって，周回光経路は，ＤＢＲ領域１１０ａでの光の反射位置とグレーティングファイバ１６０のブラッグ波長がλ２の位置（図３中の点Ｑ）との間に形成される。結果として，レーザ共振器１００に形成される共振器長は，Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｌ２で表され，レーザ共振器１００のモード同期周波数ｆは，ｆ２＝ｃ／２（ｎａＬａ＋ｎｂＬｂ＋ｎ１Ｌ２）で表される。なお，Ｌ２は，グレーティングファイバ１６０における端面１６０ａとブラッグ波長がλ２の位置（点Ｑ）との実際の距離を示す。
【００３７】
レーザ共振器１００において，端面１６０ａとグレーティングファイバ１６０での光の反射位置との距離であるＬ１とＬ２とは，グレーティングファイバ１６０に形成されたチャープグレーティングの格子周期の変調量を大きくすることによって，大きな値を得ることができる。したがって，レーザ共振器１００においては，外部から電流を抵抗膜１８０ａに注入することによって，モード同期周波数を大きく変化させ，所望のパルス周波数のレーザ光パルス列が得られることが分かる。
【００３８】
なお，レーザ共振器１００においては，パルス周期を変調させるために抵抗膜１８０ａに電流を流すと，同時に，パルス列を構成するレーザ光の波長をも調整することができる。すなわち，レーザ共振器１００は，発振波長のチューニングを行うことができるのである。
【００３９】
以上説明したように，本実施の形態によれば，抵抗膜に流す電流を調整することによって，モード同期周波数を変化させて，所望のパルス周波数を有するレーザ光パルスを生成することができる。また，損失の小さい光ファイバをレーザ共振器の一部に使用することによって，モード同期周波数を非常に大きく変化させることができる。なお，本実施の形態においては，発熱手段に相当する抵抗膜の代わりに電極を適用して，キャリア注入や電界印加等によるＥＯ効果を利用して，ＤＢＲ領域の屈折率変化を実現することも可能である。
【００４０】
（第２の実施の形態）
次に，本発明の第２の実施の形態について，図４〜図６を参照しながら説明する。なお，図４は，本実施の形態にかかるレーザ装置の一例であるレーザ素子２００の概略構成を示す断面図である。また，図５は，レーザ素子２００の概略構成を示す平面図であり，図６は，レーザ素子２００の発振動作についての説明図である。
【００４１】
図４に示すように，本実施の形態にかかるレーザ素子２００は，ワンチップ型のレーザ素子であり，図１に示す上記第１の実施の形態にかかるレーザ共振器１００の機能と実質的に等価な機能が実現されている。詳細に説明すると，本実施の形態にかかるレーザ素子２００には，相互に対向する第１端面２００ａと第２端面２００ｂとに渡り光導波路２１０が形成されている。かかる光導波路２１０は，下部クラッド層２２０ｄとコア層２３０と上部クラッド層２２０ｃとが順次積層された積層構造で形成されており，第１ＤＢＲ領域２１０ａと活性領域２１０ｂと可飽和吸収領域２１０ｃと第２ＤＢＲ領域２１０ｄとの４の領域に分かれている。
【００４２】
光導波路２１０において，最も第１端面２００ａ側に位置する第１ＤＢＲ領域２１０ａは，コア層２３０として光導波層２３０ａを適用した受動導波路であり，第１の反射導波路に相当する。かかる第１ＤＢＲ領域２１０ａにおいて，光導波層２３０ａと下部クラッド層２２０ｄとの境界部には，均一な格子周期で第１のブラッグ回折格子に相当する均一格子２３２ａが形成されている。第１ＤＢＲ領域２１０ａでは，かかる均一格子２３２ａが形成されているために，ブラッグ反射条件を満たす所定の波長の光が所定の位置で選択的に反射される。
【００４３】
また，最も第２端面２００ｂ側に位置する第２ＤＢＲ領域２１０ｄは，コア層２３０として光導波層２３０ｄが適用された受動導波路であり，第２の反射導波路に相当する。かかる第２ＤＢＲ領域２１０ｄにおいて，光導波層２３０ｄと下部クラッド層２２０ｄとの境界部には，第２端面２００ｂに近付くに連れて格子周期が短くなる不均一格子２３２ｄが形成されている。第２ＤＢＲ領域２１０ｄでは，第２のブラッグ回折格子に相当するかかる不均一格子２３２ｄが形成されているために，波長毎に異なる位置において光がブラッグ反射される。
【００４４】
さらに，光導波路２１０において，第１ＤＢＲ領域２１０ａと第２ＤＢＲ領域２１０ｄとの間には，活性領域２１０ｂと可飽和吸収領域２１０ｃとから中継導波路に相当する領域が形成されている。第１ＤＢＲ領域２１０ａ側に位置する活性領域２１０ｂは，コア層２３０として活性層２３０ｂが適用されており，活性領域に相当する。かかる活性領域２１０ｂでは，電流注入によって，活性層２３０ｂでの発光機能及び利得機能が実現される。一方，第２ＤＢＲ領域２１０ｄ側に位置する可飽和吸収領域２１０ｃは，コア層２３０として可飽和吸収層２３０ｃが適用されており，可飽和吸収領域に相当する。かかる可飽和吸収領域２１０ｃは，可飽和吸収特性を示す。したがって，光導波路２１０では，自己パルセーション現象が生じて，受動モード同期動作が実現される。
【００４５】
なお，本実施の形態において，例えば，下部クラッド層２２０ｄをｐ−ＩｎＰから形成し上部クラッド層２２０ｃをｎ−ＩｎＰから形成することが可能である。また，光導波層２３０ａと光導波層２３０ｄとは，例えば，バンドギャップ波長が約１．２μｍ付近の組成からなる非活性材料から形成することが可能である。さらに，活性層２３０ｂと可飽和吸収層２３０ｃとは，例えば，バンドギャップ波長が約１．５５μｍの組成からなるＩｎＧａＡｓＰから形成することが可能である。
【００４６】
レーザ素子２００には，以上説明した光導波路２１０でのレーザ光パルス発振動作，発振波長の変調動作及び発振パルスのパルス変調動作を行うために，素子表面２００ｃと素子裏面２００ｄとに電極及び加熱膜が設置されている。より詳細に説明すると，レーザ素子２００において，素子裏面２００ｄには全面に共通電極２４０が設置されている。また，素子表面２００ｃには，素子表面２００ｃの活性領域２１０ｂ上に当たる部分を覆うように第１電極２４０ｂが設置されており，素子表面２００ｃの可飽和吸収領域２１０ｃ上に当たる部分を覆うように第２電極２４０ｃが設置されている。
【００４７】
さらに，図５に示すように，素子表面２００ｃの第１ＤＢＲ領域２１０ａ上に当たる部分には，第１絶縁膜２７０ａを介して，発熱手段に相当する第１加熱膜２８０ａが設置されている。かかる第１加熱膜２８０ａは，その両端部に形成された電極パッド２８２ａと電極パッド２８４ａとに電位差を与えることによって，その発熱部に電流が流れてジュール熱が発生するようになっている。同様に，素子表面２００ｃの第２ＤＢＲ領域２１０ｄ上に当たる部分には，第２絶縁膜２７０ｄを介して，発熱手段に相当する第２加熱膜２８０ｄが設置されている。かかる第２加熱膜２８０ｄも，第１加熱膜２８０ａ同様に，その両端部に形成された電極パッド２８２ｄと電極パッド２８４ｄとに電位差を与えることによって，その発熱部に電流が流れてジュール熱が発生するようになっている。ここで，第１絶縁膜２７０ａと第２絶縁膜２７０ｄとは，第１加熱膜２８０ａ及び第２加熱膜２８０ｄと素子表面２００ｃとを電気的に絶縁するためのものである。
【００４８】
なお，本実施の形態において，共通電極２４０，第１電極２４０ｂ及び第２電極２４０ｃは，例えば，Ａｕから形成することができる。また，第１加熱膜２８０ａ及び第２加熱膜２８０ｄは，例えば，Ｐｔから形成することができる。さらに，絶縁膜第１絶縁膜２７０ａは，例えば，ＳｉＯ２から形成することができる。
【００４９】
図４に示すように以上説明した構成を有するレーザ素子２００は，図１に示す上記第１の実施の形態にかかるレーザ共振器１００と原理的に同一な動作を実施することができる。すなわち，レーザ素子２００では，第１ＤＢＲ領域２１０ａでの光の反射位置と第２ＤＢＲ領域２１０ｄでの光の反射位置との間に活性領域２１０ｂと可飽和吸収領域２１０ｃとが介挿された周回光経路が形成されて，受動モード同期動作によるレーザ光パルス発振が行われる。さらに，第１加熱膜２８０ａの発熱による第１ＤＢＲ領域２１０ａのブラッグ波長λを変化させることによって，周回光経路に規定される共振器長が調整され，発振パルスの周期変調が行われる。
【００５０】
かかる動作において，本実施の形態にかかるレーザ素子２００は，図１に示すレーザ共振器１００と相違する特徴を有している。それは，発振パルス列の波長チューニングとパルス周期の変調とを制御可能なことである。以下，本実施の形態にかかるレーザ素子２００のかかる動作の特徴について，図４と図６とを共に参照しながら説明する。
【００５１】
図６においては，縦軸に光の波長が示してあり，横軸に光導波路２１０内の位置が示してある。図６中，第２ＤＢＲ領域２１０ｄの実線は，不均一格子２３２ｄの格子周期の変化をそのまま表しているのではなく，光の損失や回折効率の結果で定まる第２ＤＢＲ領域２１０ｄへの光の侵入長の波長依存性を示している。
【００５２】
（１）第１の場合として，第１加熱膜２８０ａと第２加熱膜２８０ｄとのどちらにも電流を流していない場合を考える。かかる場合，第１ＤＢＲ領域２１０ａのブラッグ波長は，位置と無関係にλｃで一定であり，発振波長はλｃである。他方，第２ＤＢＲ領域２１０ｄのブラッグ波長は，第２端面第２端面２００ｂに近付くに連れて長くなる特性を示す。図５中には，かかる第２ＤＢＲ領域２１０ｄのブラッグ波長の特性の例として，位置の一次関数として表せるものを示してある。かかる場合，共振器長がＬｃであるとすると，モード同期周波数ｆはｆ＝ｃ／２ｎＬｃである。
【００５３】
（２）次に，第２の場合として，第２加熱膜２８０ｄには電流を流さないが第１加熱膜２８０ａに電流を流す場合を考える。かかる場合，第１ＤＢＲ領域２１０ａのブラッグ波長は，上記第１の場合でのλｃよりも長いλｄで一定となるため，発振波長は上記第１の場合よりも長いλｄである。他方，第２ＤＢＲ領域２１０ｄのブラッグ波長は，上記第１の場合と同様の特性のままである。結果として，共振器長は，上記第１の場合のＬｃより長いＬｄとなり，モード同期周波数ｆはｆ＝ｃ／２ｎＬｄとなる。
【００５４】
（３）さらに，第３の場合として，第１加熱膜２８０ａだけでなく第２加熱膜２８０ｄにも電流を流す場合を考える。かかる場合，第１ＤＢＲ領域２１０ａのブラッグ波長は，上記第２の場合と同様，λｄで一定となるため，発振波長は上記第２の場合と同様λｄである。しかし，第２ＤＢＲ領域２１０ｄのブラッグ波長は，上記第１及び第２の場合の特性よりも長波長側にシフトする。結果として，共振器長は，上記第１の場合のＬｃよりは長いが第２の場合のＬｄよりは短いＬｄとなり，モード同期周波数ｆはｆ＝ｃ／２ｎＬｃ’となる。
【００５５】
以上の第１の場合〜第３の場合の考察から，本実施の形態にかかるレーザ素子２００において，モード同期周波数ｆは，第１加熱膜２８０ａに流す電流と第２加熱膜２８０ｄに流す電流との関係によって調整されることが分かる。これに対して，発振波長は，第１加熱膜２８０ａに流す電流のみによって調整されることができる。
【００５６】
したがって，レーザ素子２００では，発振波長を固定した状態，すなわち第１加熱膜２８０ａに流す電流を一定に保った状態でも，第２加熱膜２８０ｄに流す電流を調節することによって，モード同期周波数ｆを変調することができる。また，モード同期周波数を固定した状態でも，第１加熱膜２８０ａに流す電流と第２加熱膜２８０ｄに流す電流との所定の関係を維持しておけば，発振波長を変化させることができる。
【００５７】
以上説明したように，本実施の形態によれば，上記第１の実施の形態同様，所望のパルス周波数を有するレーザ光パルスを生成することができる。さらに，本実施の形態によれば，発振レーザ光パルスの波長とパルス周期とを実質的に独立に制御することが可能となる。なお，本実施の形態においても，発熱手段に相当する抵抗膜の代わりに電極を適用して，キャリア注入や電界印加等によるＥＯ効果を利用して，ＤＢＲ領域の屈折率変化を実現することも可能である。
【００５８】
以上，本発明の好適な実施の形態について，添付図面を参照しながら説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において，当業者であれば，各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり，それら変更例及び修正例についても本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５９】
例えば，上記実施の形態においては，Ａｕから成る電極及びＰｔから成る加熱膜及びＳｉＯ２から成る絶縁膜を適用したレーザ装置を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な材料からなる電極及び加熱膜及び絶縁膜を適用したレーザ装置に対しても適用することができる。
【００６０】
また，上記実施の形態においては，ＧａＡｓ系及びＩｎＰ系の半導体材料を適用したレーザ装置を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な材料，例えばＬｉＮｂＯ３やＳｉ系等を適用したレーザ装置に対しても適用することができる。
【００６１】
さらに，上記実施の形態においては，発熱手段として抵抗膜を適用したレーザ装置を例に挙げて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な発熱手段を適用した半導体装置に対しても適用することができる。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば，光パルス生成装置として使用可能なレーザ装置において，ファセットミラーとして機能する均一周期ブラッグ回折格子を有するＤＢＲ反射鏡と周期変調ブラッグ回折格子を有するＤＢＲ反射鏡とを活性領域の両側に形成する構成によって，高い発振波長の可変能力及び高いパルス周期の可変能力を実現している。したがって，本発明を適用したレーザ装置を使用することによって，所望の周波数及び所望のパルス周期を持つレーザ光パルス列を得ることができる。すなわち，本発明によれば，高速化・大容量化の著しい光通信システムに適した搬送波等の発信源の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を適用可能なレーザ共振器の概略構成を示す断面図である。
【図２】 図１示すレーザ共振器に適用されるＤＢＲレーザ素子の概略構成を示す平面図である。
【図３】 図１に示すレーザ共振器の発振動作についての説明図である。
【図４】 本発明を適用可能なレーザ素子の概略構成を示す断面図である。
【図５】 図４に示すレーザ素子の概略構成を示す平面図である。
【図６】 図４に示すレーザ素子の発振動作についての説明図である。
【図７】 従来のレーザ装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１００ レーザ共振器
１１０，２１０ 光導波路
１１０ａ，２１０ａ，２１０ｄ ＤＢＲ領域
１１０ｂ，２１０ｂ 活性領域
１１０ｃ，２１０ｃ 可飽和吸収領域
１３２，２３２ａ，２３２ｄ ブラッグ回折格子
１５０ ＤＢＲレーザ素子
１５０ｂ 第２端面
１６０ グレーティングファイバ
１８０ａ，２８０ｄ 抵抗膜
２００ レーザ素子
Claims (5)
- 実効的な格子周期が実質的に均一な第１のブラッグ回折格子が形成された第１の反射導波路と，
実効的な格子周期が不均一な第２のブラッグ回折格子が形成された第２の反射導波路と，
活性領域と可飽和吸収領域とを有し前記第１の反射導波路と前記第２の反射導波路とを相互に接続する中継導波路と，
前記第２のブラッグ回折格子の実効的な格子周期を調整するための発熱手段と、
を備えることを特徴とする，レーザ装置。 - 実効的な格子周期が実質的に均一な第１のブラッグ回折格子が形成された第１の反射導波路と，
実効的な格子周期が不均一な第２のブラッグ回折格子が形成された第２の反射導波路と，
活性領域と可飽和吸収領域とを有し前記第１の反射導波路と前記第２の反射導波路とを相互に接続する中継導波路と，
前記第２のブラッグ回折格子の実効的な格子周期を調整するための電流注入手段と、
を備えることを特徴とする，レーザ装置。 - 前記第２のブラッグ回折格子は，前記実効的な格子周期が一定の変化量で順次変化するものであることを特徴とする，請求項１又は２に記載のレーザ装置。
- さらに，前記第１のブラッグ回折格子の実効的な格子周期を調整するための発熱手段を備えることを特徴とする，請求項１，２又は３のいずれかに記載のレーザ装置。
- さらに，前記第１のブラッグ回折格子の実効的な格子周期を調整するための電流注入手段を備えることを特徴とする，請求項１，２，３又は４のいずれかに記載のレーザ装置。
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