JP4297321B2 - 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier）やラマン増幅器などの励起用光源に適した半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットをはじめとする様々なマルチメディアの普及に伴って、光通信に対する大容量化の要求が大きくなっている。従来、光通信では、光ファイバによる光の吸収が少ない波長である１３１０ｎｍもしくは１５５０ｎｍの帯域において、それぞれ単一の波長による伝送が一般的であった。この方式では、多くの情報を伝達するためには伝送経路に敷設する光ファイバの芯数を増やす必要があり、伝送容量の増加に伴ってコストが増加するという問題点があった。
【０００３】
そこで、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Dense-Wavelength Division Multiplexing）通信方式が用いられるようになった。このＤＷＤＭ通信方式は、主にＥＤＦＡを用い、この動作帯域である１５５０ｎｍ帯において、複数の波長を使用して伝送を行う方式である。このＤＷＤＭ通信方式あるいはＷＤＭ通信方式では、１本の光ファイバを用いて複数の異なる波長の光信号を同時に伝送することから、新たな線路を敷設する必要がなく、ネットワークの伝送容量の飛躍的な増加をもたらすことを可能としている。
【０００４】
このＥＤＦＡを用いた一般的なＷＤＭ通信方式では、利得平坦化の容易な１５５０ｎｍ帯から実用化され、最近では、利得係数が小さいために利用されていなかった１５８０ｎｍ帯にまで拡大している。しかしながら、ＥＤＦＡで増幅可能な帯域に比して光ファイバの低損失帯域の方が広いことから、ＥＤＦＡの帯域外で動作する光増幅器、すなわちラマン増幅器への関心が高まっている。
【０００５】
エルビウムのような希土類イオンを媒体とした光増幅器がイオンのエネルギー準位によって利得波長帯が決まるのに対し、ラマン増幅器は、励起光の波長によって利得波長帯が決まるという特徴を持ち、励起光波長を選択することによって任意の波長帯を増幅することができる。
【０００６】
ラマン増幅では、光ファイバに強い励起光を入射すると、誘導ラマン散乱によって、励起光波長から約１００ｎｍ程度長波長側に利得が現れ、この励起された状態の光ファイバに、この利得を有する波長帯域の信号光を入射すると、この信号光が増幅されるというものである。したがって、ラマン増幅器を用いたＷＤＭ通信方式では、ＥＤＦＡを用いた通信方式に比して、信号光のチャネル数をさらに増加させることができる。
【０００７】
図３１は、ＷＤＭ通信システムに用いられる従来のラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図３１において、ファブリペロー型の半導体発光素子１８０ａ〜１８０ｄとファイバグレーティング１８１ａ〜１８１ｄとがそれぞれ対となった半導体レーザモジュール１８２ａ〜１８２ｄは、励起光のもとになるレーザ光を偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂに出力する。各半導体レーザモジュール１８２ａ，１８２ｂが出力するレーザ光の波長は同じであるが、偏波合成カプラ６１ａによって異なる偏波面をもった光を合成している。同様にして、各半導体レーザモジュール１８２ｃ，１８２ｄが出力するレーザ光の波長は同じであるが、偏波合成カプラ６１ｂによって異なる偏波面をもった光を合成している。偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂは、それぞれ偏波合成したレーザ光をＷＤＭカプラ６２に出力する。なお、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力されるレーザ光の波長は異なる。
【０００８】
ＷＤＭカプラ６２は、アイソレータ６０を介して偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力されたレーザ光を合波し、ＷＤＭカプラ６５を介し、励起光として増幅用ファイバ６４に出力する。この励起光が入力された増幅用ファイバ６４には、増幅対象の信号光が、信号光入力ファイバ６９からアイソレータ６３を介して入力され、励起光と合波してラマン増幅される。
【０００９】
増幅用ファイバ６４内においてラマン増幅された信号光（増幅信号光）は、ＷＤＭカプラ６５およびアイソレータ６６を介してモニタ光分配用カプラ６７に入力される。モニタ光分配用カプラ６７は、増幅信号光の一部を制御回路６８に出力し、残りの増幅信号光を出力レーザ光として信号光出力ファイバ７０に出力する。
【００１０】
制御回路６８は、入力された一部の増幅信号光をもとに各半導体発光素子１８０ａ〜１８０ｄの発光状態、たとえば光強度を制御し、ラマン増幅の利得帯域が平坦な特性となるようにフィードバック制御する。
【００１１】
図３２は、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールの概要構成を示す図である。図３２において、この半導体レーザモジュール２０１は、半導体発光素子２０２と光ファイバ２０３とを有する。半導体発光素子２０２は、活性層２２１を有する。活性層２２１は、一端に光反射面２２２が設けられ、他端に光出射面２２３が設けられる。活性層２２１内で生じた光は、光反射面２２２で反射して、光出射面２２３から出力される。
【００１２】
半導体発光素子２０２の光出射面２２３には、光ファイバ２０３が配置され、光出射面２２３と光結合される。光ファイバ２０３内のコア２３２には、光出射面２２３から所定位置にファイバグレーティング２３３が形成され、ファイバグレーティング２３３は、特性波長の光を選択的に反射する。すなわち、ファイバグレーティング２３３は、外部共振器として機能し、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間で共振器を形成し、ファイバグレーティング２３３によって選択された特定波長のレーザ光が増幅されて出力レーザ光２４１として出力される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した半導体レーザモジュール２０１（１８２ａ〜１８２ｄ）は、ファイバグレーティング２３３と半導体発光素子２０２との間隔が長いため、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間の共振によって相対強度雑音（ＲＩＮ：Relative Intensity Noise）が大きくなる。ラマン増幅では、増幅の生じる過程が早く起こるため、励起光強度が揺らいでいると、ラマン利得も揺らぐことになり、このラマン利得の揺らぎがそのまま増幅された信号強度の揺らぎとして出力されてしまい、安定したラマン増幅を行わせることができないという問題点があった。
【００１４】
また、上述した半導体レーザモジュール２０１は、ファイバグレーティング２３３を有した光ファイバ２０３と、半導体発光素子２０２とを光結合する必要があり、組立時の光軸合わせに時間と労力とがかかるとともに、共振器内における機械的な光結合であるために、レーザの発振特性が機械的振動などによって変化してしまうおそれがあり、安定した励起光を提供することができない場合が生じるという問題点があった。
【００１５】
なお、ラマン増幅器としては、図３１に示したラマン増幅器のように信号光に対して後方から励起する後方励起方式のほかに、信号光に対して前方から励起する前方励起方式および双方向から励起する双方向励起方式がある。現在、ラマン増幅器として多用されているのは、後方励起方式である。その理由は、弱い信号光が強い励起光とともに同方向に進行する前方励起方式では、励起光強度が揺らぐという問題があるからである。したがって、前方励起方式にも適用できる安定した励起光源の出現が要望されている。すなわち、従来のファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールを用いると、適用できる励起方式が制限されるという問題点があった。
【００１６】
また、ラマン増幅器におけるラマン増幅では、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とが一致することを条件としている。すなわち、ラマン増幅では、増幅利得の偏波依存性があり、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とのずれによる影響を小さくする必要がある。ここで、後方励起方式の場合、信号光は、伝搬中に偏波がランダムとなるため、問題は生じないが、前方励起方式の場合、偏波依存性が強く、励起光の直交偏波合成、デボラライズなどによって偏波依存性を小さくする必要がある。すなわち、偏光度（ＤＯＰ：Degree Of Polarization）を小さくする必要がある。
【００１７】
さらに、ラマン増幅は、得られる増幅率が比較的低いため、高出力のラマン増幅用励起光源の出現が望まれていた。
【００１８】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、安定し、高利得を得ることができるラマン増幅器用光源に適した半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体レーザ装置は、レーザ光を発光する活性層の出力側または反射側あるいは出力側および反射側の双方に回折格子を設け、前記活性層が形成する利得領域と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力することを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、レーザ光を発光する活性層の出力側または反射側あるいは出力側および反射側の双方に回折格子を設け、前記活性層が形成する利得領域と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力するようにしている。
【００２１】
この発明によれば、前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって、波長が安定化され、かつ発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上、好ましくは３本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力するようにしている。
【００２２】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記出力側あるいは反射側に設けられた回折格子の上部に設けられ、かつ前記活性層の上部に設けられた電極と空間的に分離された波長制御電極を備えたことを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、活性層の上部に設けられた電極とは独立して、波長制御電極から該波長制御電極の下部に設けられた回折格子に可変の電流注入を行うことができる。
【００２４】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記波長制御電極は、該波長制御電極に流入する電流を空間的に制限する櫛歯構造を有することを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、波長制御電極の内部に櫛歯構造をもたせ、波長制御電極に注入された電流を空間的に不均一な電流として回折格子に流入し、回折格子の波長選択性にチャープをかけることができるようにしている。
【００２６】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子と前記活性層との間に前記レーザ光の位相調整を行う位相調整部と、前記位相調整部の上部に設けられ、前記電極および前記波長調整部と空間的に分離された位相調整電極と、を備えたことを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、位相調整部が設けられることによって、活性層から出力されるレーザ光の出力低下の抑制や、縦モードホッピングによる電流−光出力特性に現れるキンクの抑制や、精度良く所望の発振波長を実現するなど発振安定動作の向上を図ることができる。
【００２８】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記発振波長の中心波長のシフト量に対応させて、前記出力側の回折格子の反射波長モード間隔と前記反射側の回折格子の反射波長モード間隔との差が設定されることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、いわゆるバーニア効果を利用し、回折格子の領域に電流を注入することによって、各反射波長モードがシフトし、各反射波長モードが一致した波長をもつマルチモード発振を行うようにしている。
【００３０】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、発振波長が１１００〜１５５０ｎｍであることを特徴とする。
【００３１】
この発明によれば、発振波長を１１００〜１５５０ｎｍとし、光ファイバの伝送帯域に適した波長帯域の信号光のラマン増幅を行うようにしている。
【００３２】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記発振波長スペクトルの半値幅は、３ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００３３】
この発明によれば、前記発振波長スペクトルの半値幅を、３ｎｍ以下とし、ラマン増幅時の波長合成を効率的に行うようにしている。
【００３４】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記活性層が形成する共振器長は、８００μｍ以上であることを特徴とする。
【００３５】
この発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、８００μｍ以上とし、発振縦モードのモード間隔を短くすることによって、前記発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数を増大するとともに、高出力動作を可能にしている。
【００３６】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記活性層が形成する共振器長は、３２００μｍ以下であることを特徴とする。
【００３７】
この発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、３２００μｍ以下とし、発振縦モードのモード間隔を０．１ｎｍ以上とし、ラマン増幅時における誘導ブリルアン散乱の影響を低減するようにしている。
【００３８】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたことを特徴とする。
【００３９】
この発明によれば、前記回折格子に、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたるようにし、これによって、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしている。
【００４０】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、前記グレーティング周期をランダムあるいは所定周期で変化させたグレーティングであることを特徴とする。
【００４１】
この発明によれば、前記回折格子を、前記グレーティング周期をランダムあるいは所定周期で変化させたグレーティングとし、これによって、回折格子に周期的揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしている。
【００４２】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、レーザ光の出射端面に設けた第１反射膜と、前記レーザ光の反射端面に設けた第２反射膜とをさらに備えたことを特徴とする。
【００４３】
この発明によれば、第１反射膜を、レーザ光の出射端面に設けて、ファブリペローモードの反射を抑制し、第２反射膜を、前記レーザ光の反射端面に設けることによって、回折格子と第２反射膜により、確実な反射を行わせ、レーザ光の出力効率を高めている。
【００４４】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記発振パラメータは、前記回折格子の結合係数を含むことを特徴とする。
【００４５】
この発明によれば、前記発振パラメータに、前記回折格子の結合係数を含めるようにし、該回折格子の結合係数を変化させることによって、発振波長スペクトルの半値幅を変化させ、該半値幅内に含まれる発振縦モードの複数化を行うようにするとともに、第１反射膜側の回折格子の結合係数と回折格子長との積を大きな値とすることによってレーザ光の効率的な反射をも行うことができる。
【００４６】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、この発明にかかる半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導波する光ファイバと、前記半導体レーザ装置と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系とを備えたことを特徴とする。
【００４７】
この発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いて該半導体レーザ装置の共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く、かつ安定して出力することができる。
【００４８】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記半導体レーザ装置の温度を制御する温度制御装置と、前記光結合レンズ系内に配置され、光ファイバ側からの反射戻り光の入射を抑制するアイソレータとをさらに備えたことを特徴とする。
【００４９】
この発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いているため、インライン式のファイバ型と異なり、偏波依存型のアイソレータを使用することができ、挿入損失の小さい半導体レーザモジュールを実現することができる。
【００５０】
また、この発明にかかるラマン増幅器は、この発明にかかる半導体レーザ装置、あるいはこの発明にかかる半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用いたことを特徴とする。
【００５１】
この発明によれば、この発明にかかる半導体レーザ装置、あるいはこの発明にかかる半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用い、上述した各半導体レーザ装置あるいは各半導体レーザモジュールの作用効果を奏するようにしている。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびラマン増幅器の好適な実施の形態について説明する。
【００５３】
(実施の形態１)
まず、この発明の実施の形態１について説明する。図１は、この発明の実施の形態１である半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。また、図２は、図１に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。さらに、図３は、図１に示した半導体レーザ装置のＢ−Ｂ線断面図である。図１〜図３において、この半導体レーザ装置２０は、反射膜１４側において、ｎ−ＩｎＰ基板１の（１００）面上に、順次、ｎ−ＩｎＰによるバッファ層と下部クラッド層とを兼ねたｎ−ＩｎＰクラッド層２、圧縮歪みをもつＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（Graded Index-Separate Confinement Heterostructure Multi Quantum Well）活性層３、およびｐ−ＩｎＰクラッド層６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７が積層された構造を有する。
【００５４】
また、半導体レーザ装置２０は、出射側反射膜１５側において、ｎ−ＩｎＰ基板１の（１００）面上に、順次、ｎ−ＩｎＰによるバッファ層と下部クラッド層とを兼ねたｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰの光導波路層４，５、およびｐ−ＩｎＰクラッド層６が積層された構造を有する。
【００５５】
ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層４内には、出射側反射膜１５から２５０μｍ延び、膜厚２０ｎｍを有したｐ−ＩｎＧａＡｓＰの回折格子１３が、ピッチ約２２０ｎｍで周期的に形成され、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の利得領域から、中心波長１．４８μｍのレーザ光を選択するようにしている。この回折格子１３は、出射側反射膜１５に接する配置にすることが望ましいが、必ずしも接する配置にしなくても、回折格子１３の機能を発揮する範囲内、たとえば２０μｍ〜１００μｍ程度の範囲内で出射側反射膜１５から離隔する配置としてもよい。ここで、回折格子長は、２５０μｍとしたが、実際にはこの限りではなく、回折格子長Ｌｇと回折格子の結合係数κとの積κＬｇを０．５よりも小さく、より好ましくは０．１程度になるように回折格子長および回折格子の材料が決定される。このことにより、縦多モード安定動作が可能になるとともに、レーザ光の出射効率が高まり、結果的に高効率のレーザ出力を実現することができる。
【００５６】
この回折格子１３を含む光導波路層４、光導波路層５、およびＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３は、順次長手方向（レーザ光出射方向）に隣接配置される。光導波路層４，５、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３、およびｎ−ＩｎＰクラッド層２の上部は、メサストライプ状に加工され、メサストライプの両側は、電流ブロッキング層として形成されたｐ−ＩｎＰブロッキング層８とｎ−ＩｎＰブロッキング層９によって埋め込まれている。また、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７の上面には、ｐ側電極１０が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面には、ｎ側電極１１が形成される。
【００５７】
半導体レーザ装置２０の長手方向の一端面である光反射端面には、反射率８０％以上、好ましくは９８％以上の高光反射率をもつ反射膜１４が形成され、他端面である光出射端面には、反射率が２％以下、好ましくは０．１％以下の低光反射率をもつ出射側反射膜１５が形成される。反射膜１４と出射側反射膜１５を含んだ回折格子１３とによって形成された光共振器のＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３内に発生した光は、反射膜１４によって反射し、光導波路層５，４および出射側反射膜１５を介し、レーザ光として出射されるが、この際、光導波路層４内に設けられた回折格子１３によって波長選択されて出射される。なお、光導波路層５は設けなくてもよい。
【００５８】
この実施の形態１における半導体レーザ装置２０は、ラマン増幅器の励起用光源として用いられることを前提とし、その発振波長λ0は、１１００ｎｍ〜１５５０ｎｍであり、共振器長Ｌは、８００μｍ以上３２００μｍ以下としている。ところで、一般に、半導体レーザ装置の共振器によって発生する縦モードのモード間隔Δλは、等価屈折率を「ｎ」とすると、次式で表すことができる。すなわち、
Δλ＝λ0 2／（２・ｎ・Ｌ）
である。ここで、発振波長λ0を１４８０μｍとし、実効屈折率を３．５とすると、共振器長Ｌが８００μｍのとき、縦モードのモード間隔Δλは、約０．３９ｎｍとなり、共振器長が３２００μｍのとき、縦モードのモード間隔Δλは、約０．１ｎｍとなる。すなわち、共振器長Ｌを長くすればするほど、縦モードのモード間隔Δλは狭くなり、単一縦モードのレーザ光を発振するための選択条件が厳しくなる。
【００５９】
一方、回折格子１３は、そのブラッグ波長によって縦モードを選択する。この回折格子１３による選択波長特性は、図４に示す発振波長スペクトル３０として表される。
【００６０】
図４に示すように、この実施の形態１では、回折格子１３を有した半導体レーザ装置２０による発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈで示される波長選択特性内に、発振縦モードを複数存在させるようにしている。従来のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflrector）半導体レーザ装置あるいはＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザ装置では、共振器長Ｌを８００μｍ以上とすると、単一縦モード発振が困難であったため、かかる共振器長Ｌを有した半導体レーザ装置は用いられなかった。しかしながら、この実施の形態１の半導体レーザ装置２０では、共振器長Ｌを積極的に８００μｍ以上とすることによって、発振波長スペクトルの半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードを含ませてレーザ出力するようにしている。図４では、発振波長スペクトルの半値幅Δλｈ内に３つの発振縦モード３１〜３３を有している。
【００６１】
複数の発振縦モードを有するレーザ光を用いると、単一縦モードのレーザ光を用いた場合に比して、レーザ出力のピーク値を抑えて、高いレーザ出力値を得ることができる。たとえば、この実施の形態１に示した半導体レーザ装置では、図５（ｂ）に示すプロファイルを有し、低いピーク値で高レーザ出力を得ることができる。これに対し、図５（ａ）は、同じレーザ出力を得る場合の単一縦モード発振の半導体レーザ装置のプロファイルであり、高いピーク値を有している。
【００６２】
ここで、半導体レーザ装置をラマン増幅器の励起用光源として用いる場合、ラマン利得を大きくするために励起光出力パワーを増大することが好ましいが、そのピーク値が高いと、誘導ブリルアン散乱が発生し、雑音が増加するという不具合が発生する。誘導ブリルアン散乱の発生は、誘導ブリルアン散乱が発生する閾値Ｐthを有し、同じレーザ出力パワーを得る場合、図５（ｂ）に示すように、複数の発振縦モードを持たせ、そのピーク値を抑えることによって、誘導ブリルアン散乱の閾値Ｐth内で、高い励起光出力パワーを得ることができ、その結果、高いラマン利得を得ることが可能となる。
【００６３】
また、発振縦モード３１〜３３の波長間隔（モード間隔）Δλは、０．１ｎｍ以上としている。これは、半導体レーザ装置２０をラマン増幅器の励起用光源として用いる場合、モード間隔Δλが０．１ｎｍ以下であると、誘導ブリルアン散乱が発生する可能性が高くなるからである。この結果、上述したモード間隔Δλの式によって、上述した共振器長Ｌが３２００μｍ以下であることが好ましいことになる。
【００６４】
このような観点から、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内に含まれる発振縦モードの本数は、複数であることが望ましい。ところで、ラマン増幅では、増幅利得に偏波依存性があるため、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とのずれによる影響を小さくする必要がある。このための方法として、励起光を無偏光化（デポラライズ）する方法があり、具体的には、２台の半導体レーザ装置２０からの出力光を方法のほか、デポラライザとして所定長の偏波面保持ファイバを用いて、１台の半導体レーザ装置２０から出射されたレーザ光を、この偏波面保持ファイバに伝搬させる方法がある。無偏光化の方法として、後者の方法を使用する場合には、発振縦モードの本数が増大するに従ってレーザ光のコヒーレンシーが低くなるので、無偏光化に必要な偏波面保持ファイバの長さを短くすることができる。特に、発振縦モードが４，５本となると、急激に、必要な偏波面保持ファイバの長さが短くなる。従って、ラマン増幅器に使用するために半導体レーザ装置２０から出射されるレーザ光を無偏光化する場合に、２台の半導体レーザ装置の出射光を偏波合成して利用しなくても、１台の半導体レーザ装置２０の出射レーザ光を無偏光化して利用することが容易となるので、ラマン増幅器に使用される部品数の削減、小型化を促進することができる。
【００６５】
ここで、発振波長スペクトル幅が広すぎると、波長合成カプラによる合波ロスが大きくなるとともに、発振波長スペクトル幅内における波長の動きによって、雑音や利得変動を発生させることになる。このため、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈは、３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下とする必要がある。
【００６６】
さらに、従来の半導体レーザ装置では、図３２に示したように、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールとしていたため、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間の共振によって相対強度雑音（ＲＩＮ）が大きくなり、安定したラマン増幅を行うことができないが、この実施の形態１に示した半導体レーザ装置２０では、ファイバグレーティング２３３を用いず、出射側反射膜１５から出射したレーザ光をそのまま、ラマン増幅器の励起用光源として用いているため、相対強度雑音が小さくなり、その結果、ラマン利得の揺らぎが小さくなり、安定したラマン増幅を行わせることができる。
【００６７】
また、図３２に示した半導体レーザモジュールでは、ファイバグレーティング２３３を有する光ファイバ２０３と半導体発光素子２０２とを光結合させる必要があり、半導体レーザ装置の組立時における光軸合わせを行う際、共振器内に機械的な結合を必要とするため、振動などによってレーザの発振特性が変化する場合が発生するが、この実施の形態１の半導体レーザ装置では、機械的な振動などによるレーザの発振特性の変化がなく、安定した光出力を得ることができる。
【００６８】
この実施の形態１によれば、半導体レーザ装置２０が回折格子１３によって波長選択を行い、発振波長を１１００ｎｍ〜１５５０ｎｍ帯とし、共振器長Ｌを８００μｍ〜３２００μｍ帯とすることによって、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モード、好ましくは４本以上の発振縦モードをもつレーザ光を出力するようにしているので、ラマン増幅器の励起用光源として用いた場合に、誘導ブリルアン散乱を発生せずに、安定し、かつ高いラマン利得を得ることができる。
【００６９】
また、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールのように、ファイバグレーティングをもつ光ファイバと半導体発光素子との光結合を共振器内において行わないので、機械的振動などによる不安定出力を回避することができる。
【００７０】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の出射側に回折格子１３を設け、共振器長Ｌを長くすることによって、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内の縦モード数が複数となるようにしていたが、この実施の形態２では、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の反射側にも回折格子を設けるようにしている。
【００７１】
図６は、この発明の実施の形態２である半導体レーザ装置の縦断面図である。この半導体レーザ装置は、図１〜図３に示した半導体レーザ装置２０の回折格子１３に対応する回折格子１３ａを有するとともに、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の反射膜１４側にも、光導波路４ｂを設け、この光導波路４ｂ内に回折格子１３ｂを設けている。その他の構成は、半導体レーザ装置２０と同じであり、同一構成部分には、同一符号を付している。
【００７２】
この場合、さらに各回折格子１３ａ，１３ｂの結合係数κと回折格子長Ｌｇａ，Ｌｇｂとの積を変化させることによって、所望の発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを得ることができ、この半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードをもったレーザ光を発振させることができる。また、回折格子１３ｂの結合係数κと回折格子長Ｌｇｂとの積を、回折格子１３ａの結合係数κと回折格子長Ｌｇａとの積に比して大きくすることによって、例えば積κ・Ｌｇｂ＝３程度とし、反射率を９９％とすることによって、回折格子１３ａ自体によってレーザ光のほとんどを反射することができ、高効率の半導体レーザ装置を実現することができる。さらに、回折格子１３ａの結合係数κと回折格子長Ｌｇａとの積を小さな値、たとえば積κ・Ｌｇａ＝０．１程度にすることによって、レーザ光の出射効率が高まり、結果的に高効率のレーザ出力を実現することができる。ここでは、結合係数と回折格子長との積κＬｇを反射側でκＬｇｂ＝３程度、出射側でκＬｇａ＝０．１程度としたが、反射側は、κＬｇｂ＞２、出射側はκＬｇａ＜０．５であってもよい。
【００７３】
これによって、回折格子１３ａ，１３ｂによる波長選択特性を満足させつつ、出射側反射膜１５を１％以下、より好ましくは０．１％以下にすることで、ファブリペロー型共振器の発振モードの影響を小さくすることができ、しかも高効率のレーザ出力を実現することができる。
【００７４】
なお、上述した実施の形態２では、反射膜１４側および出射側反射膜１５側の双方に回折格子１３ａ，１３ｂを設けた構成としたが、これに限らず、反射膜１４側のみに回折格子１３ａを設けた構成としても、この実施の形態２とほぼ同等な作用効果を奏することができる。
【００７５】
（実施の形態３）
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。上述した実施の形態１，２では、回折格子１３あるいは回折格子１３ａ，１３ｂが中心波長に対して揺らぎを持つ波長選択性によって、複数本の発振縦モードを出力するようにしていたが、この実施の形態３では、回折格子１３あるいは回折格子１３ａ，１３ｂに対して積極的に揺らぎをもたせ、発振縦モードの数を増やすことができる半導体レーザ装置を得るようにしている。
【００７６】
図７は、この発明の実施の形態３である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。図７において、この半導体レーザ装置では、実施の形態１に示した回折格子１３に代わって、回折格子４７を設けている。この回折格子４７は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の出射側反射膜１５側に設けられ、そのグレーティング周期を周期的に変化させたチャープドグレーティングであり、この回折格子４７の波長選択性に揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅Δλhを広げ、半値幅Δλh内の発振縦モードの本数を増大するようにしている。その他の構成は、実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。
【００７７】
図８は、回折格子４７のグレーティング周期の周期的変化を示す図である。図８に示すように、回折格子４７は、平均周期が２２０ｎｍであり、±０．０２ｎｍの周期揺らぎ（偏差）を周期Ｃで繰り返す構造を有している。この±０．０２ｎｍの周期揺らぎによって、発振波長スペクトルの半値幅Δλh内に３〜６本程度の発振縦モードをもたせることができる。
【００７８】
たとえば、図９は、異なる周期Λ1，Λ2の回折格子を有する半導体レーザ装置の発振波長スペクトルを示す図である。図９において、周期Λ1の回折格子は、波長λ１の発振波長スペクトルを形成し、この発振波長スペクトル内に３本の発振縦モードを選択する。一方、周期Λ2の回折格子は、波長λ２の発振波長スペクトルを形成し、この発振波長スペクトル内に３本の発振縦モードを選択する。したがって、周期Λ1，Λ2の回折格子による複合発振波長スペクトル４０は、この複合発振波長スペクトル４０内に４〜５本の発振縦モードが含まれることになる。この結果、単一の発振波長スペクトルを形成するときに比べ、一層多くの発振縦モードを容易に選択出力することができ、光出力の増大をもたらすことができる。
【００７９】
なお、回折格子４７の構成としては、一定の周期Ｃでグレーティング周期を変化させるチャープドグレーティングに限らず、グレーティング周期を、周期Λ1（２２０ｎｍ＋０．０２ｎｍ）と周期Λ2（２２０ｎｍ−０．０２ｎｍ）との間でランダムに変化させるようにしてもよい。
【００８０】
さらに、図１０（ａ）に示すように、周期Λ3と周期Λ4とを一回ずつ交互に繰り返す回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。また、図１０（ｂ）に示すように、周期Λ5と周期Λ6とをそれぞれ複数回、交互に繰り返す回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。さらに、図１０（ｃ）に示すように、連続する複数回の周期Λ7と連続する複数回の周期Λ8とをもつ回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。また、周期Λ1，Λ3，Λ5，Λ7と周期Λ2，Λ4，Λ6，Λ8のとの各間の離散的な異なる値をもつ周期を補完して配置するようにしてもよい。
【００８１】
この実施の形態３では、半導体レーザ装置に設けられる回折格子をチャープドグレーティングなどによって、平均周期に対して±０．０１〜０．２ｎｍ程度の周期ゆらぎをもたせ、これによって、反射帯域の半値幅を所望の値に設定し、最終的に発振波長スペクトルの半値幅Δλｈを決定し、半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードが含まれるレーザ光を出力するようにし、実施の形態１あるいは実施の形態２と同様な作用効果をもった半導体レーザ装置を実現することができる。
【００８２】
つぎに、この発明の実施の形態４について説明する。上述した実施の形態１〜３では、回折格子１３の上部にｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７およびｐ側電極１０を設けなかったが、この実施の形態４では、回折格子１３の上部にｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７およびｐ側電極１０にそれぞれ対応し、独立したｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ａおよびｐ側電極１０ａを設け、回折格子１３に対して積極的に電流注入制御を行うようにしている。
【００８３】
図１１は、この発明の実施の形態４である半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。また、図１２は、図１１に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。さらに、図１３は、図１１に示した半導体レーザ装置のＢ−Ｂ線断面図である。この実施の形態４である半導体レーザ装置２００は、回折格子１３の上部にｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ａおよびｐ側電極１０ａを設けており、その他の構成は実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。なお、光導波路層５は設けておらず、光導波路層５が設けられた部分にはＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３が延設されている。
【００８４】
ここで、回折格子１３への電流注入の増減は、この半導体レーザ装置２００の波長選択特性を変化させることができる。これは、半導体の屈折率が注入キャリア密度に関連して変化するというプラズマ効果のためである。さらに、電流注入の増減は、回折格子１３の温度変化を来たし、回折格子１３の屈折率を変化させる。この結果、回折格子１３への電流注入変化によって半導体レーザ装置２００の出力波長を変化させることができる。
【００８５】
なお、図１１に示すように、回折格子１３の領域をＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の領域から分離する構造とすることによって、一層安定かつ効率的なレーザ出力を達成することができる。特に、光導波路層４内に回折格子１３を設けることによって、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３への電流注入増減によって生じる、望まない波長シフトを抑制することができる。さらに、ｐ側電極１０，１０ａが分離されているため、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３に対する電流制御と回折格子１３に対する電流制御とを各別に行うことができる。すなわち、それぞれ、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３に対する電流注入変化によって光出力制御を行い、回折格子１３に対する電流注入変化によって波長選択制御を行うという波長可変レーザを実現できる。このため、光導波路層４と回折格子１３の材料は、電流注入変化による材料の屈折率変化に従って選択される。
【００８６】
ここで、図１４は、上述した波長可変レーザとしての半導体レーザ装置２００の反射特性を示している。図１４に示すように、反射膜１４は、８０％以上の反射率を有し、ほぼこの反射率は変化しない。これは、たとえば、高反射率を有する誘電体多層膜を反射側劈開面にコーティングすることによって実現できる。ところが、図１４に示すように、出射側反射膜１５の反射特性は、回折格子１３による波長選択特性を有する。この回折格子１３の物理特性は、回折格子１３が、図４に示すような多重モード発振を許容するに十分な帯域幅の光を反射するような選択がなされる。すなわち、図１４に示した反射曲線３０´は、図４に示した発振波長スペクトル３０に対応する。さらに、図１４において、反射曲線３０´は、ｐ側電極１０ａを介して回折格子１３に注入される電流値に対応して波長がシフトする。図１５は、注入電流の変化によって達成される波長変化の具体例を示している。図１５に示すように、回折格子１３への注入電流によって２ｎｍ以上波長可変することができる。
【００８７】
（実施の形態５）
つぎに、この発明の実施の形態５について説明する。図１６は、この発明の実施の形態５である半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。図１６において、この半導体レーザ装置２１０は、図１１に示した半導体レーザ装置２００の全ての構成を有し、同一構成部分には同一符号を付しているが、ｐ側電極１０ａ内に櫛歯構造の回折格子１３´を有する点が、半導体レーザ装置２００と異なる。回折格子１３´は、ｐ側電極１０から電気的に絶縁されてもよいし、破線で示すようにｐ側電極１０に電気的に接続されていてもよい。
【００８８】
ｐ側電極１０ａから注入される電流は、回折格子１３´の櫛歯構造の間隙から流入するため、光導波路層４内の回折格子１３の領域において、櫛歯構造に依存した不均一な電流分布となる。この結果、ｐ側電極１０ａに対する注入電流を変化させると、回折格子１３の光学的間隔は、効果的にチャープされる。換言すれば、注入電流の変化によって、回折格子１３の周期を変化させることができる。すなわち、ｐ側電極１０ａに対する注入電流を変化させることによって、可変波長レーザを実現することができる。
【００８９】
（実施の形態６）
つぎに、この発明の実施の形態６について説明する。図１７は、この発明の実施の形態６である半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。図１７において、この半導体レーザ装置は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３と、波長選択機能を有する回折格子１３が含まれる光導波路層４との間に、独立した位相制御層として機能する光導波路層５を設けている。
【００９０】
この位相制御層として機能する光導波路層５を含む位相制御領域は、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、光導波路層５、ｐ−ＩｎＰクラッド層６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ｂ、ｐ側電極１０ｂが順次積層された構造によって実現される。
【００９１】
この光導波路層５は、ｐ側電極１０を介したＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３に対する制御と、ｐ側電極１０ａを介した回折格子１３に対する制御とは、独立してｐ側電極１０ｂを介して電流注入がなされ、位相制御がなされる。位相制御の調整が悪い場合には出力低下、縦モードホップに起因するＩ−Ｌ曲線に発現するキンクや発振波長の設計波長からのシフトなどの発振状態の不安定動作を来すが、光導波路層５に注入される電流を変化させることによって、光導波路層５の屈折率が変化し、これによって、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３と光導波路層４との間における位相不整合を解消することができる。
【００９２】
（実施の形態７）
つぎに、この発明の実施の形態７について説明する。図１８は、この発明の実施の形態７である半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。図１８において、この半導体レーザ装置は、実施の形態６に示した半導体レーザ装置の構成に、さらに実施の形態６の光導波路層４に対応した光導波路層４ｂを反射膜１４側に設けている。この光導波路層４ｂには回折格子１３ｂが含まれる。光導波路層４ｂの上部に形成されたｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ｃおよびｐ側電極１０ｃは、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の上部に設けられたｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７およびｐ側電極１０と物理的に分離され、電気的に絶縁されている。なお、出射側反射膜１５側に設けられた実施の形態６の光導波路層４に対応する構成は、光導波路層４ａであり、回折格子１３ａが含まれる。回折格子１３ａの長さはＬｇａであり、回折格子１３ｂの長さはＬｇｂである。
【００９３】
ここで、回折格子１３ａ，１３ｂは物理的に分離された領域に形成され、かつｐ側電極１０ａ，１０ｃによってそれぞれ独立して電流注入を行うことができ、回折格子１３ａ，１３ｂの波長選択性を個別に制御することができる。これによって、さらに波長選択性を詳細かつ柔軟に設定することができる。さらに、破線で示すように、光導波路層４ｂに隣接した光導波路層５ａを形成することが可能であり、この場合、光導波路層５ａの上部には、独立したｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ｄおよびｐ側電極１０ｄが設けられる。
【００９４】
この実施の形態７に示すように、出射側反射膜１５側と反射膜１４側との双方に回折格子４ａ，４ｂを設けると、各回折格子４ａ，４ｂの離散的な反射モードのバーニア効果によって広い可変波長域を実現することができる。
【００９５】
図１９に示すように、回折格子１３ｂによって選択される波長がλ１〜λｎとし、回折格子１３ａによって選択される波長がλ１´〜λｎ´とすると、λ１´〜λｎ´の各波長間隔は、λ１〜λｎの各波長間隔に比してほんの少し異なるように設定される。この選択状態において、それぞれ電流注入の変化ΔＩを与えると、各波長λ１〜λｎおよび各波長λ１´〜λｎ´は、シフトする。バーニア効果は、この状態において、波長λ１〜λｎと波長λ１´〜λｎ´とが一致する波長のみが発振波長して選択出力される。図１９では、波長λ１と波長λ１´とが一致し、波長λ１（＝λ１´）が発振波長として選択される。例えば数十ｎｍ程度の波長シフトレンジを実現できる。なお、回折格子１３ａあるいは回折格子１３ｂの一方の選択波長のみを電流注入量変化によってシフトさせてもよいし、回折格子１３ａ，１３ｂの双方の選択波長を、それぞれ独立して電流注入量変化によってシフトさせるようにしてもよい。
【００９６】
図２０〜図２３は、この実施の形態７の具体例を示している。図２０は、この発明の実施の形態７の具体例である半導体レーザ装置の一部破断図である。図２０において、この半導体レーザ装置は、長さ１２００μｍの活性領域（３）と長さ２００μｍの前部回折格子領域（４ａ／１３ａ）と長さ７５０μｍの後部回折格子領域（４ｂ／１３ｂ）とを形成している。
【００９７】
図２１は、回折格子の周期構成を示す図である。図２１に示すよに、回折格子は、１４００ｎｍに一致する周期Λ１から１５００ｎｍに一致する周期Λｎまでリニアにチャープされている。このリニアなチャープ周期Δｓは各回折格子内の反射モード間隔を決定する。ここで、図２０に示した回折格子領域（４ａ／１３ａ）の反射モード間隔は９．７ｎｍであり、回折格子領域（４ｂ／１３ｂ）の反射モード間隔は８．７ｎｍである。このような回折格子構造は、上述したバーニア効果に要求されるモード間隔の違いを与える。
【００９８】
図２２は、図２０に示した半導体レーザ装置における前部回折格子領域と後部回折格子領域の反射モードの波長間隔を示している。図２２において波長λ１〜λｎは、反射率２％以下の前部回折格子領域における選択波長を示し、波長λ１´〜λｎ´は、反射率９５％以上の後部回折格子領域における選択波長を示している。図２２において、波長λ１と波長λ１´のみが一致し、その他の波長、たとえば、波長λ２と波長λ２´、波長λ３と波長λ３´、などは一致していない。この場合、前部回折格子領域あるいは後部回折格子領域のいづれか一方あるいは双方に対する電流注入量を変化させて反射モードをシフトさせることによって、他の波長、たとえば波長λ２と波長λ２´のみを一致させることができる。このようにして、広範囲の波長シフトを実現できる可変波長レーザとしての半導体レーザ装置が得られる。
【００９９】
図２３は、図２０に示した半導体レーザ装置のマルチモード可変波長範囲を示す図である。図２３では、電流変化量±８０ｍＡで、１０３ｎｍという広範囲の波長シフトを実現している。
【０１００】
さらに、この実施の形態７の変形例について説明する。この変形例では図２０に対応した半導体レーザ装置であるが、後部回折格子領域が電流注入変化されずに、固定されたやや平坦な反射特性を有する回折格子が含まれ波長選択特性はシフトしない。これに対し、前部回折格子領域には電流注入変化が与えられ、、離散的な反射モードλ１〜λｎが広範囲に出現している。図２４は、この変形例に対応した後部回折格子領域と前部回折格子領域の選択波長特性を示す図である。上述したように、後部回折格子領域の選択波長特性は固定であり、平坦な特性を有するため、この後部回折格子領域の選択波長領域に含まれる前部回折格子領域の反射モードの複数の波長が選択されることなる。したがって、マルチモードスペクトルの出力が複数選択されるが、この選択されたマルチモードスペクトルのうちの不要なマルチモードスペクトルは、選択的な減衰機構を用い、あるいは半導体レーザ装置の外部に波長減衰器を接続することによって排除すればよい。
【０１０１】
なお、上述した実施の形態６において示した回折格子１３に、実施の形態３で示した異なる周期Λ１，Λ２を有する回折格子４７を設け、チャーピングによって選択波長スペクトルを広げるようにしてもよい（図２５参照）。また、図２６に示すように、回折格子１３の構造を回折格子１３´のような構造としてもよい。回折格子１３は、光導波路層４内に設けられ、ｐ−ＩｎＰクラッド層６と分離された構造であったが、回折格子１３´は、光導波路層４とｐ−ＩｎＰクラッド層６との境界面にそれぞれの櫛歯構造によって形成している。これによって、回折格子の形成が容易になる。
【０１０２】
（実施の形態８）
つぎに、この発明の実施の形態８について説明する。この実施の形態４では、上述した実施の形態１〜３で示した半導体レーザ装置をモジュール化したものである。
【０１０３】
図２７は、この発明の実施の形態８である半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。図２７において、この半導体レーザモジュール５０は、上述した実施の形態１〜３で示した半導体レーザ装置に対応する半導体レーザ装置５１を有する。半導体レーザモジュール５０の筐体として、セラミックなどによって形成されたパッケージ５９の内部底面上に、温度制御装置としてのペルチェ素子５８が配置される。ペルチェ素子５８上にはベース５７が配置され、このベース５７上にはヒートシンク５７ａが配置される。ペルチェ素子５８には、図示しない電流が与えられ、その極性によって冷却および加熱を行うが、半導体レーザ装置５１の温度上昇による発振波長ずれを防止するため、主として冷却器として機能する。すなわち、ペルチェ素子５８は、レーザ光が所望の波長に比して長い波長である場合には、冷却して低い温度に制御し、レーザ光が所望の波長に比して短い波長である場合には、加熱して高い温度に制御する。この温度制御は、具体的に、ヒートシンク５７ａ上であって、半導体レーザ装置５１の近傍に配置されたサーミスタ５８ａの検出値をもとに制御され、図示しない制御装置は、通常、ヒートシンク５７ａの温度が一定に保たれるようにペルチェ素子５８を制御する。また、図示しない制御装置は、半導体レーザ装置５１の駆動電流を上昇させるに従って、ヒートシンク５７ａの温度が下がるようにペルチェ素子５８を制御する。このような温度制御を行うことによって、半導体レーザ装置５１の波長安定性を向上させることができ、歩留まりの向上にも有効となる。なお、ヒートシンク５７ａは、たとえばダイヤモンドなどの高熱伝導率をもつ材質によって形成することが望ましい。これは、ヒートシンク５７ａがダイヤモンドで形成されると、高電流注入時の発熱が抑制されるからである。
【０１０４】
ベース５７上には、半導体レーザ装置５１およびサーミスタ５８ａを配置したヒートシンク５７ａ、第１レンズ５２、および電流モニタ５６が配置される。半導体レーザ装置５１から出射されたレーザ光は、第１レンズ５２、アイソレータ５３、および第２レンズ５４を介し、光ファイバ５５上に導波される。第２レンズ５４は、レーザ光の光軸上であって、パッケージ５９上に設けられ、外部接続される光ファイバ５５に光結合される。なお、電流モニタ５６は、半導体レーザ装置５１の反射膜側から漏れた光をモニタ検出する。
【０１０５】
ここで、この半導体レーザモジュール５０では、他の光学部品などによる反射戻り光が共振器内に戻らないように、半導体レーザ装置５２と光ファイバ５５との間にアイソレータ５３を介在させている。このアイソレータ５３には、ファイバグレーティングを用いた従来の半導体レーザモジュールと異なり、インライン式のファイバ型でなく、半導体レーザモジュール５０内に内蔵できる偏波依存型のアイソレータを用いることができるため、アイソレータによる挿入損失を小さく、さらに低い相対強度雑音（ＲＩＮ）を達成することができ、部品点数も減らすことができる。
【０１０６】
この実施の形態８では、実施の形態１〜７で示した半導体レーザ装置をモジュール化しているため、偏波依存型のアイソレータを用いることができ、挿入損失を小さくすることができ、低雑音化および部品点数の減少を促進することができる。
【０１０７】
（実施の形態９）
つぎに、この発明の実施の形態９について説明する。この実施の形態９では、上述した実施の形態８に示した半導体レーザモジュールをラマン増幅器に適用したものである。
【０１０８】
図２８は、この発明の実施の形態９であるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。このラマン増幅器は、ＷＤＭ通信システムに用いられる。図２８において、このラマン増幅器は、上述した実施の形態８に示した半導体レーザモジュールと同一構成の半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄを用い、図３１に示した半導体レーザモジュール１８２ａ〜１８２ｄを、上述した半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄに置き換えた構成となっている。
【０１０９】
各半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂは、偏波面保持ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ａに出力し、各半導体レーザモジュール６０ｃ，６０ｄは、偏波面保持ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ｂに出力する。ここで、半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂが発振するレーザ光は、同一波長である、また、半導体レーザモジュール６０ｃ，６０ｄが発振するレーザ光は、同一波長であるが半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂが発振するレーザ光の波長とは異なる。これは、ラマン増幅が偏波依存性を有するためであり、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂによって偏波依存性が解消されたレーザ光として出力するようにしている。
【０１１０】
各偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力された異なる波長をもったレーザ光は、ＷＤＭカプラ６２によって合成され、合成されたレーザ光は、ＷＤＭカプラ６５を介してラマン増幅用の励起光として増幅用ファイバ６４に出力される。この励起光が入力された増幅用ファイバ６４には、増幅対象の信号光が入力され、ラマン増幅される。
【０１１１】
増幅用ファイバ６４内においてラマン増幅された信号光（増幅信号光）は、ＷＤＭカプラ６５およびアイソレータ６６を介してモニタ光分配用カプラ６７に入力される。モニタ光分配用カプラ６７は、増幅信号光の一部を制御回路６８に出力し、残りの増幅信号光を出力レーザ光として信号光出力ファイバ７０に出力する。
【０１１２】
制御回路６８は、入力された一部の増幅信号光をもとに各半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄのレーザ出力状態、たとえば光強度を制御し、ラマン増幅の利得帯域が平坦な特性となるようにフィードバック制御する。
【０１１３】
この実施の形態５に示したラマン増幅器では、たとえば図３２に示した半導体発光素子１８０ａとファイバグレーティング１８１ａとが偏波面保持ファイバ７１ａで結合された半導体レーザモジュール１８２ａを用いず、実施の形態１〜７で示した半導体レーザ装置が内蔵された半導体レーザモジュール６０ａを用いるようにしているので、偏波面保持ファイバ７１ａの使用を削減することができる。なお、上述したように、各半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄは、複数の発振縦モードを有しているため、偏波面保持ファイバ長を短くすることができる。この結果、ラマン増幅器の小型軽量化とコスト低減を実現することができる。
【０１１４】
なお、図２８に示したラマン増幅器では、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂを用いているが、図２９に示すように半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃから、それぞれ偏波面保持ファイバ７１を介して直接ＷＤＭカプラ６２に光出力するようにしてもよい。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃの偏波面は、偏波面保持ファイバ７１に対して４５度となるように入射する。これによって、偏波面保持ファイバ７１から出力される光出力の偏波依存性がなくすことができ、一層、小型かつ部品点数の少ないラマン増幅器を実現することができる。
【０１１５】
また、半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄ内に内蔵される半導体レーザ装置として実施の形態３に示した半導体レーザ装置を用いると、発振縦モード数が多いため、必要な偏波面保持ファイバ７１の長さを短くすることができる。特に、発振縦モードが４，５本になると、急激に、必要な偏波面保持ファイバ７１の長さが短くなるため、ラマン増幅器の簡素化と小型化を促進することができる。さらに、発振縦モードの本数が増大すると、コヒーレント長が短くなり、デポラライズによって偏光度（ＤＯＰ：Degree Of Polarization）が小さくなり、偏波依存性をなくすことが可能となり、これによっても、ラマン増幅器の簡素化と小型化とを一層促進することができる。
【０１１６】
また、上述した実施の形態１〜７が有する作用効果をラマン増幅器に与えることができる。たとえば、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールに比して相対強度雑音（ＲＩＮ）を低減することができるので、ラマン利得の揺らぎを抑えることができ、安定したラマン増幅を行うことができる。
【０１１７】
さらに、このラマン増幅器では、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールに比して光軸合わせが容易であり、共振器内に機械的な光結合がないため、この点からも、ラマン増幅の安定性、信頼性を高めることができる。
【０１１８】
さらに、上述した実施の形態１〜７の半導体レーザ装置では、複数の発振モードを有しているため、誘導ブリルアン散乱を発生させずに、高出力の励起光を発生することができるので、安定し、かつ高いラマン利得を得ることができる。
【０１１９】
また、図２８および図２９に示したラマン増幅器は、後方励起方式であるが、上述したように、半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄが安定した励起光を出力するため、前方励起方式であっても、双方向励起方式であっても、安定したラマン増幅を行うことができる。
【０１２０】
この図２８あるいは図２９に示したラマン増幅器は、上述したようにＷＤＭ通信システムに適用することができる。図３０は、図２８あるいは図２９に示したラマン増幅器を適用したＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【０１２１】
図３０において、複数の送信機Ｔｘ１〜Ｔｘｎから送出された波長λ1〜λnの光信号は、光合波器８０によって合波され、１つの光ファイバ８５に集約される。この光ファイバ８５の伝送路上には、図２８あるいは図２９に示したラマン増幅器に対応した複数のラマン増幅器８１，８３が距離に応じて配置され、減衰した光信号を増幅する。この光ファイバ８５上を伝送した信号は、光分波器８４によって、複数の波長λ１〜λｎの光信号に分波され、複数の受信機Ｒｘ１〜Ｒｘｎに受信される。なお、光ファイバ８５上には、任意の波長の光信号を付加し、取り出したりするＡＤＭ（Add/Drop Multiplexer）が挿入される場合もある。
【０１２２】
なお、上述した実施の形態９では、実施の形態１〜７に示した半導体レーザ装置あるいは実施の形態８に示した半導体レーザモジュールを、ラマン増幅用の励起光源に用いる場合を示したが、これに限らず、たとえば、９８０ｎｍ，１４８０ｎｍなどのＥＤＦＡ励起用光源として用いることができるのは明らかである。
【０１２３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、レーザ光を発光する活性層の出力側または反射側あるいは出力側および反射側の双方に回折格子を設け、前記活性層が形成する利得領域と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって波長が安定化され、かつ発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上、好ましくは３本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力するようにしているので、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザ装置に比して、共振器内に雑音が入り込む余地がないため、相対強度雑音が低減され、ラマン増幅器に用いた場合に安定したラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１２４】
また、共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、組立が容易になるとともに、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く出力することができ、ラマン増幅器に用いた場合に安定かつ信頼性の高いラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１２５】
さらに、複数の発振縦モードの存在によって光出力ピーク値を抑えて、光出力パワーを増大させることができ、ラマン増幅器に用いた場合に、誘導ブリルアン散乱を抑えつつ、高いラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１２６】
また、複数の発振縦モードの存在によって、偏光度が小さくなり、偏波面保存ファイバ長を短くすることができ、小型軽量化を促進できるとともに、コストを低減することができるという効果を奏する。
【０１２７】
さらに、当該半導体レーザ装置内の回折格子によって波長ロックを行うようにしているので、出力されたレーザ光を導く光ファイバからの反射戻り光の入射を防ぐためのアイソレータの組み込みが容易になるという効果を奏する。
【０１２８】
また、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザ装置に生じる注入電流−光出力特性上のキンクの発生を抑えることができ、安定したレーザ光を出力することができるという効果を奏する。
【０１２９】
また、この発明によれば、活性層の上部に設けられた電極とは独立して、波長制御電極から該波長制御電極の下部に設けられた回折格子に可変の電流注入を行うことができるので、活性層におけるレーザ光の出力に影響を与えずに発振波長の中心波長を可変にシフトすることができるという効果を奏する。
【０１３０】
また、この発明によれば、波長制御電極の内部に櫛歯構造をもたせ、波長制御電極に注入された電流を空間的に不均一な電流として回折格子に流入し、回折格子の波長選択性にチャープをかけることができるようにしているので、所望の帯域を有した複数の発振縦モードを出力することができるという効果を奏する。
【０１３１】
また、この発明によれば、位相調整部が設けられることによって、活性層から出力されるレーザ光の出力低下の抑制や、縦モードホッピングによる電流−光出力特性に現れるキンクの抑制や、精度良く所望の発振波長を実現するなど発振安定動作の向上を図ることができるという効果を奏する。
【０１３２】
また、この発明によれば、いわゆるバーニア効果を利用し、回折格子の領域に電流を注入することによって、各反射波長モードがシフトし、各反射波長モードが一致した波長をもつマルチモード発振を行うようにしているので、発振波長を広帯域にシフトする制御を行うことができるという効果を奏する。
【０１３３】
また、この発明によれば、発振波長を１１００〜１５５０ｎｍとしているので、光ファイバの伝送帯域に適した波長帯域の信号光のラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１３４】
また、この発明によれば、前記発振波長スペクトルの半値幅を、３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下としているので、ラマン増幅時の波長合成を効率的に行うことができるという効果を奏する。
【０１３５】
また、この発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、８００μｍ以上とし、発振縦モードのモード間隔を短くすることによって、前記発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数を増大するようにしているので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モードの複数化を容易に行うことができるとともに高出力動作を可能にするという効果を奏する。
【０１３６】
また、この発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、３２００μｍ以下とし、発振縦モードのモード間隔を０．１ｎｍ以上とし、ラマン増幅時における誘導ブリルアン散乱の影響を低減するようにしているので、安定したラマン利得を得ることができるという効果を奏する。
【０１３７】
また、この発明によれば、前記回折格子のグレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせ、これによって発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしているので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１３８】
また、この発明によれば、前記回折格子を、前記グレーティング周期をランダムまたは所定周期で変化させたグレーティングとし、これによって回折格子に周期揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしているので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１３９】
また、この発明によれば、第１反射膜を、レーザ光の出射端面に設けて、ファブリペローモードの反射を抑制し、第２反射膜を、前記レーザ光の反射端面に設けることによって、回折格子と第２反射膜により、確実な反射を行わせ、レーザ光の出力効率を高めているので、レーザ光を高効率に出力することができる半導体レーザ装置を実現することができるという効果を奏する。
【０１４０】
また、この発明によれば、前記発振パラメータに、前記回折格子の結合係数を含めるようにし、該回折格子の結合係数を変化させることによって、発振波長スペクトルの半値幅を変化させ、該半値幅内に含まれる発振縦モードの複数化を行うようにするとともに、第１反射膜側の回折格子の結合係数と回折格子長との積を大きな値とすることによってレーザ光の効率的な反射をも行うことができるので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を容易に行うことができるとともに、高効率のレーザ出力を可能にするという効果を奏する。
【０１４１】
また、この発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いて該半導体レーザ装置の共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く、かつ安定して出力することができる半導体レーザモジュールを実現することができるという効果を奏する。
【０１４２】
また、この発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いているため、インライン式のファイバ型と異なり、偏波依存型のアイソレータを使用することができ、挿入損失の小さい半導体レーザモジュールを実現することができるという効果を奏する。
【０１４３】
また、この発明によれば、この発明にかかる半導体レーザ装置、あるいはこの発明にかかる半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用い、上述した各半導体レーザ装置あるいは各半導体レーザモジュールの作用効果を奏するようにしているので、安定かつ信頼性の高いラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１に示した半導体レーザ装置のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】図１に示した半導体レーザ装置の発振波長スペクトルと発振縦モードとの関係を示す図である。
【図５】単一発振縦モードと複数発振縦モードとのレーザ光出力パワーの関係および誘導ブリルアン散乱の閾値を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図８】図７に示したチャープドグレーティングの構成を示す図である。
【図９】図７に示したチャープドグレーティングを適用した場合の発振波長スペクトルを示す図である。
【図１０】周期揺らぎのあるグレーティングの変形例を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態４である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図１２】図１１に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図１３】図１１に示した半導体レーザ装置のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１４】後部端面と前部回折格子領域における反射モードスペクトルを示す図である。
【図１５】回折格子に電流注入した場合における発振波長の注入電流依存性を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態５である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図１７】この発明の実施の形態６である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図１８】この発明の実施の形態７である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図１９】後部回折格子領域と前部回折格子領域における反射モードスペクトルを示す図である。
【図２０】この発明の実施の形態７である半導体レーザ装置の具体例を示す破断図である。
【図２１】回折格子の周期設定を示す図である。
【図２２】バーニア効果を説明する図である。
【図２３】回折格子への電流注入による発振波長の注入電流依存性を示す図である。
【図２４】この発明の実施の形態７の変形例を説明する図である。
【図２５】この発明の実施の形態７の応用例の構成を示す縦断面図である。
【図２６】回折格子を櫛歯構造にした一例を示す図である。
【図２７】この発明の実施の形態８である半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。
【図２８】この発明の実施の形態９であるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２９】この発明の実施の形態９の応用例を示す図である。
【図３０】図２８あるいは図２９に示したラマン増幅器を用いたＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【図３１】従来のラマン増幅器の概要構成を示すブロック図である。
【図３２】図３１に示したラマン増幅器に用いた半導体レーザモジュールの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−Ｉｎｐクラッド層
３ ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
４，５ 光導波路層
６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
８ ｐ−ＩｎＰブロッキング層
９ ｎ−ＩｎＰブロッキング層
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
１３，１３´１３ａ，１３ｂ，４７ 回折格子
１４ 反射膜
１５ 出射側反射膜
２０，５１，２００，２１０半導体レーザ装置
３０，３０´ 発振波長スペクトル
３１〜３３ 発振縦モード
４０ 複合発振波長スペクトル
５０，６０ａ〜６０ｄ 半導体レーザモジュール
５２ 第１レンズ
５３，６３，６６ アイソレータ
５４ 第２レンズ
５５ 光ファイバ
５６ 電流モニタ
５７ ベース
５７ａ ヒートシンク
５８ ペルチェ素子
５８ａ サーミスタ
５９ パッケージ
６１ａ，６１ｂ 偏波合成カプラ
６２，６５ ＷＤＭカプラ
６４ 増幅用ファイバ
６７ モニタ用光分配カプラ
６８ 制御回路
６９ 信号光入力ファイバ
７０ 信号光出力ファイバ
７１ 偏波面保存ファイバ
８１，８３ ラマン増幅器
Ｌ 共振器長
Ｌｇ，Ｌｇａ，Ｌｇｂ 回折格子長
Ｐth 閾値
【発明の属する技術分野】
この発明は、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Erbium Doped Fiber Amplifier）やラマン増幅器などの励起用光源に適した半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、インターネットをはじめとする様々なマルチメディアの普及に伴って、光通信に対する大容量化の要求が大きくなっている。従来、光通信では、光ファイバによる光の吸収が少ない波長である１３１０ｎｍもしくは１５５０ｎｍの帯域において、それぞれ単一の波長による伝送が一般的であった。この方式では、多くの情報を伝達するためには伝送経路に敷設する光ファイバの芯数を増やす必要があり、伝送容量の増加に伴ってコストが増加するという問題点があった。
【０００３】
そこで、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Dense-Wavelength Division Multiplexing）通信方式が用いられるようになった。このＤＷＤＭ通信方式は、主にＥＤＦＡを用い、この動作帯域である１５５０ｎｍ帯において、複数の波長を使用して伝送を行う方式である。このＤＷＤＭ通信方式あるいはＷＤＭ通信方式では、１本の光ファイバを用いて複数の異なる波長の光信号を同時に伝送することから、新たな線路を敷設する必要がなく、ネットワークの伝送容量の飛躍的な増加をもたらすことを可能としている。
【０００４】
このＥＤＦＡを用いた一般的なＷＤＭ通信方式では、利得平坦化の容易な１５５０ｎｍ帯から実用化され、最近では、利得係数が小さいために利用されていなかった１５８０ｎｍ帯にまで拡大している。しかしながら、ＥＤＦＡで増幅可能な帯域に比して光ファイバの低損失帯域の方が広いことから、ＥＤＦＡの帯域外で動作する光増幅器、すなわちラマン増幅器への関心が高まっている。
【０００５】
エルビウムのような希土類イオンを媒体とした光増幅器がイオンのエネルギー準位によって利得波長帯が決まるのに対し、ラマン増幅器は、励起光の波長によって利得波長帯が決まるという特徴を持ち、励起光波長を選択することによって任意の波長帯を増幅することができる。
【０００６】
ラマン増幅では、光ファイバに強い励起光を入射すると、誘導ラマン散乱によって、励起光波長から約１００ｎｍ程度長波長側に利得が現れ、この励起された状態の光ファイバに、この利得を有する波長帯域の信号光を入射すると、この信号光が増幅されるというものである。したがって、ラマン増幅器を用いたＷＤＭ通信方式では、ＥＤＦＡを用いた通信方式に比して、信号光のチャネル数をさらに増加させることができる。
【０００７】
図３１は、ＷＤＭ通信システムに用いられる従来のラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図３１において、ファブリペロー型の半導体発光素子１８０ａ〜１８０ｄとファイバグレーティング１８１ａ〜１８１ｄとがそれぞれ対となった半導体レーザモジュール１８２ａ〜１８２ｄは、励起光のもとになるレーザ光を偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂに出力する。各半導体レーザモジュール１８２ａ，１８２ｂが出力するレーザ光の波長は同じであるが、偏波合成カプラ６１ａによって異なる偏波面をもった光を合成している。同様にして、各半導体レーザモジュール１８２ｃ，１８２ｄが出力するレーザ光の波長は同じであるが、偏波合成カプラ６１ｂによって異なる偏波面をもった光を合成している。偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂは、それぞれ偏波合成したレーザ光をＷＤＭカプラ６２に出力する。なお、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力されるレーザ光の波長は異なる。
【０００８】
ＷＤＭカプラ６２は、アイソレータ６０を介して偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力されたレーザ光を合波し、ＷＤＭカプラ６５を介し、励起光として増幅用ファイバ６４に出力する。この励起光が入力された増幅用ファイバ６４には、増幅対象の信号光が、信号光入力ファイバ６９からアイソレータ６３を介して入力され、励起光と合波してラマン増幅される。
【０００９】
増幅用ファイバ６４内においてラマン増幅された信号光（増幅信号光）は、ＷＤＭカプラ６５およびアイソレータ６６を介してモニタ光分配用カプラ６７に入力される。モニタ光分配用カプラ６７は、増幅信号光の一部を制御回路６８に出力し、残りの増幅信号光を出力レーザ光として信号光出力ファイバ７０に出力する。
【００１０】
制御回路６８は、入力された一部の増幅信号光をもとに各半導体発光素子１８０ａ〜１８０ｄの発光状態、たとえば光強度を制御し、ラマン増幅の利得帯域が平坦な特性となるようにフィードバック制御する。
【００１１】
図３２は、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールの概要構成を示す図である。図３２において、この半導体レーザモジュール２０１は、半導体発光素子２０２と光ファイバ２０３とを有する。半導体発光素子２０２は、活性層２２１を有する。活性層２２１は、一端に光反射面２２２が設けられ、他端に光出射面２２３が設けられる。活性層２２１内で生じた光は、光反射面２２２で反射して、光出射面２２３から出力される。
【００１２】
半導体発光素子２０２の光出射面２２３には、光ファイバ２０３が配置され、光出射面２２３と光結合される。光ファイバ２０３内のコア２３２には、光出射面２２３から所定位置にファイバグレーティング２３３が形成され、ファイバグレーティング２３３は、特性波長の光を選択的に反射する。すなわち、ファイバグレーティング２３３は、外部共振器として機能し、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間で共振器を形成し、ファイバグレーティング２３３によって選択された特定波長のレーザ光が増幅されて出力レーザ光２４１として出力される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した半導体レーザモジュール２０１（１８２ａ〜１８２ｄ）は、ファイバグレーティング２３３と半導体発光素子２０２との間隔が長いため、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間の共振によって相対強度雑音（ＲＩＮ：Relative Intensity Noise）が大きくなる。ラマン増幅では、増幅の生じる過程が早く起こるため、励起光強度が揺らいでいると、ラマン利得も揺らぐことになり、このラマン利得の揺らぎがそのまま増幅された信号強度の揺らぎとして出力されてしまい、安定したラマン増幅を行わせることができないという問題点があった。
【００１４】
また、上述した半導体レーザモジュール２０１は、ファイバグレーティング２３３を有した光ファイバ２０３と、半導体発光素子２０２とを光結合する必要があり、組立時の光軸合わせに時間と労力とがかかるとともに、共振器内における機械的な光結合であるために、レーザの発振特性が機械的振動などによって変化してしまうおそれがあり、安定した励起光を提供することができない場合が生じるという問題点があった。
【００１５】
なお、ラマン増幅器としては、図３１に示したラマン増幅器のように信号光に対して後方から励起する後方励起方式のほかに、信号光に対して前方から励起する前方励起方式および双方向から励起する双方向励起方式がある。現在、ラマン増幅器として多用されているのは、後方励起方式である。その理由は、弱い信号光が強い励起光とともに同方向に進行する前方励起方式では、励起光強度が揺らぐという問題があるからである。したがって、前方励起方式にも適用できる安定した励起光源の出現が要望されている。すなわち、従来のファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールを用いると、適用できる励起方式が制限されるという問題点があった。
【００１６】
また、ラマン増幅器におけるラマン増幅では、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とが一致することを条件としている。すなわち、ラマン増幅では、増幅利得の偏波依存性があり、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とのずれによる影響を小さくする必要がある。ここで、後方励起方式の場合、信号光は、伝搬中に偏波がランダムとなるため、問題は生じないが、前方励起方式の場合、偏波依存性が強く、励起光の直交偏波合成、デボラライズなどによって偏波依存性を小さくする必要がある。すなわち、偏光度（ＤＯＰ：Degree Of Polarization）を小さくする必要がある。
【００１７】
さらに、ラマン増幅は、得られる増幅率が比較的低いため、高出力のラマン増幅用励起光源の出現が望まれていた。
【００１８】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、安定し、高利得を得ることができるラマン増幅器用光源に適した半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明にかかる半導体レーザ装置は、レーザ光を発光する活性層の出力側または反射側あるいは出力側および反射側の双方に回折格子を設け、前記活性層が形成する利得領域と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力することを特徴とする。
【００２０】
この発明によれば、レーザ光を発光する活性層の出力側または反射側あるいは出力側および反射側の双方に回折格子を設け、前記活性層が形成する利得領域と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力するようにしている。
【００２１】
この発明によれば、前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって、波長が安定化され、かつ発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上、好ましくは３本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力するようにしている。
【００２２】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記出力側あるいは反射側に設けられた回折格子の上部に設けられ、かつ前記活性層の上部に設けられた電極と空間的に分離された波長制御電極を備えたことを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、活性層の上部に設けられた電極とは独立して、波長制御電極から該波長制御電極の下部に設けられた回折格子に可変の電流注入を行うことができる。
【００２４】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記波長制御電極は、該波長制御電極に流入する電流を空間的に制限する櫛歯構造を有することを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、波長制御電極の内部に櫛歯構造をもたせ、波長制御電極に注入された電流を空間的に不均一な電流として回折格子に流入し、回折格子の波長選択性にチャープをかけることができるようにしている。
【００２６】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子と前記活性層との間に前記レーザ光の位相調整を行う位相調整部と、前記位相調整部の上部に設けられ、前記電極および前記波長調整部と空間的に分離された位相調整電極と、を備えたことを特徴とする。
【００２７】
この発明によれば、位相調整部が設けられることによって、活性層から出力されるレーザ光の出力低下の抑制や、縦モードホッピングによる電流−光出力特性に現れるキンクの抑制や、精度良く所望の発振波長を実現するなど発振安定動作の向上を図ることができる。
【００２８】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記発振波長の中心波長のシフト量に対応させて、前記出力側の回折格子の反射波長モード間隔と前記反射側の回折格子の反射波長モード間隔との差が設定されることを特徴とする。
【００２９】
この発明によれば、いわゆるバーニア効果を利用し、回折格子の領域に電流を注入することによって、各反射波長モードがシフトし、各反射波長モードが一致した波長をもつマルチモード発振を行うようにしている。
【００３０】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、発振波長が１１００〜１５５０ｎｍであることを特徴とする。
【００３１】
この発明によれば、発振波長を１１００〜１５５０ｎｍとし、光ファイバの伝送帯域に適した波長帯域の信号光のラマン増幅を行うようにしている。
【００３２】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記発振波長スペクトルの半値幅は、３ｎｍ以下であることを特徴とする。
【００３３】
この発明によれば、前記発振波長スペクトルの半値幅を、３ｎｍ以下とし、ラマン増幅時の波長合成を効率的に行うようにしている。
【００３４】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記活性層が形成する共振器長は、８００μｍ以上であることを特徴とする。
【００３５】
この発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、８００μｍ以上とし、発振縦モードのモード間隔を短くすることによって、前記発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数を増大するとともに、高出力動作を可能にしている。
【００３６】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記活性層が形成する共振器長は、３２００μｍ以下であることを特徴とする。
【００３７】
この発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、３２００μｍ以下とし、発振縦モードのモード間隔を０．１ｎｍ以上とし、ラマン増幅時における誘導ブリルアン散乱の影響を低減するようにしている。
【００３８】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたことを特徴とする。
【００３９】
この発明によれば、前記回折格子に、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたるようにし、これによって、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしている。
【００４０】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記回折格子は、前記グレーティング周期をランダムあるいは所定周期で変化させたグレーティングであることを特徴とする。
【００４１】
この発明によれば、前記回折格子を、前記グレーティング周期をランダムあるいは所定周期で変化させたグレーティングとし、これによって、回折格子に周期的揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしている。
【００４２】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、レーザ光の出射端面に設けた第１反射膜と、前記レーザ光の反射端面に設けた第２反射膜とをさらに備えたことを特徴とする。
【００４３】
この発明によれば、第１反射膜を、レーザ光の出射端面に設けて、ファブリペローモードの反射を抑制し、第２反射膜を、前記レーザ光の反射端面に設けることによって、回折格子と第２反射膜により、確実な反射を行わせ、レーザ光の出力効率を高めている。
【００４４】
また、この発明にかかる半導体レーザ装置は、上記の発明において、前記発振パラメータは、前記回折格子の結合係数を含むことを特徴とする。
【００４５】
この発明によれば、前記発振パラメータに、前記回折格子の結合係数を含めるようにし、該回折格子の結合係数を変化させることによって、発振波長スペクトルの半値幅を変化させ、該半値幅内に含まれる発振縦モードの複数化を行うようにするとともに、第１反射膜側の回折格子の結合係数と回折格子長との積を大きな値とすることによってレーザ光の効率的な反射をも行うことができる。
【００４６】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、この発明にかかる半導体レーザ装置と、前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導波する光ファイバと、前記半導体レーザ装置と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系とを備えたことを特徴とする。
【００４７】
この発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いて該半導体レーザ装置の共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く、かつ安定して出力することができる。
【００４８】
また、この発明にかかる半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記半導体レーザ装置の温度を制御する温度制御装置と、前記光結合レンズ系内に配置され、光ファイバ側からの反射戻り光の入射を抑制するアイソレータとをさらに備えたことを特徴とする。
【００４９】
この発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いているため、インライン式のファイバ型と異なり、偏波依存型のアイソレータを使用することができ、挿入損失の小さい半導体レーザモジュールを実現することができる。
【００５０】
また、この発明にかかるラマン増幅器は、この発明にかかる半導体レーザ装置、あるいはこの発明にかかる半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用いたことを特徴とする。
【００５１】
この発明によれば、この発明にかかる半導体レーザ装置、あるいはこの発明にかかる半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用い、上述した各半導体レーザ装置あるいは各半導体レーザモジュールの作用効果を奏するようにしている。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびラマン増幅器の好適な実施の形態について説明する。
【００５３】
(実施の形態１)
まず、この発明の実施の形態１について説明する。図１は、この発明の実施の形態１である半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。また、図２は、図１に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。さらに、図３は、図１に示した半導体レーザ装置のＢ−Ｂ線断面図である。図１〜図３において、この半導体レーザ装置２０は、反射膜１４側において、ｎ−ＩｎＰ基板１の（１００）面上に、順次、ｎ−ＩｎＰによるバッファ層と下部クラッド層とを兼ねたｎ−ＩｎＰクラッド層２、圧縮歪みをもつＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（Graded Index-Separate Confinement Heterostructure Multi Quantum Well）活性層３、およびｐ−ＩｎＰクラッド層６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７が積層された構造を有する。
【００５４】
また、半導体レーザ装置２０は、出射側反射膜１５側において、ｎ−ＩｎＰ基板１の（１００）面上に、順次、ｎ−ＩｎＰによるバッファ層と下部クラッド層とを兼ねたｎ−ＩｎＰクラッド層２、ＩｎＧａＡｓＰの光導波路層４，５、およびｐ−ＩｎＰクラッド層６が積層された構造を有する。
【００５５】
ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層４内には、出射側反射膜１５から２５０μｍ延び、膜厚２０ｎｍを有したｐ−ＩｎＧａＡｓＰの回折格子１３が、ピッチ約２２０ｎｍで周期的に形成され、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の利得領域から、中心波長１．４８μｍのレーザ光を選択するようにしている。この回折格子１３は、出射側反射膜１５に接する配置にすることが望ましいが、必ずしも接する配置にしなくても、回折格子１３の機能を発揮する範囲内、たとえば２０μｍ〜１００μｍ程度の範囲内で出射側反射膜１５から離隔する配置としてもよい。ここで、回折格子長は、２５０μｍとしたが、実際にはこの限りではなく、回折格子長Ｌｇと回折格子の結合係数κとの積κＬｇを０．５よりも小さく、より好ましくは０．１程度になるように回折格子長および回折格子の材料が決定される。このことにより、縦多モード安定動作が可能になるとともに、レーザ光の出射効率が高まり、結果的に高効率のレーザ出力を実現することができる。
【００５６】
この回折格子１３を含む光導波路層４、光導波路層５、およびＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３は、順次長手方向（レーザ光出射方向）に隣接配置される。光導波路層４，５、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３、およびｎ−ＩｎＰクラッド層２の上部は、メサストライプ状に加工され、メサストライプの両側は、電流ブロッキング層として形成されたｐ−ＩｎＰブロッキング層８とｎ−ＩｎＰブロッキング層９によって埋め込まれている。また、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７の上面には、ｐ側電極１０が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面には、ｎ側電極１１が形成される。
【００５７】
半導体レーザ装置２０の長手方向の一端面である光反射端面には、反射率８０％以上、好ましくは９８％以上の高光反射率をもつ反射膜１４が形成され、他端面である光出射端面には、反射率が２％以下、好ましくは０．１％以下の低光反射率をもつ出射側反射膜１５が形成される。反射膜１４と出射側反射膜１５を含んだ回折格子１３とによって形成された光共振器のＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３内に発生した光は、反射膜１４によって反射し、光導波路層５，４および出射側反射膜１５を介し、レーザ光として出射されるが、この際、光導波路層４内に設けられた回折格子１３によって波長選択されて出射される。なお、光導波路層５は設けなくてもよい。
【００５８】
この実施の形態１における半導体レーザ装置２０は、ラマン増幅器の励起用光源として用いられることを前提とし、その発振波長λ0は、１１００ｎｍ〜１５５０ｎｍであり、共振器長Ｌは、８００μｍ以上３２００μｍ以下としている。ところで、一般に、半導体レーザ装置の共振器によって発生する縦モードのモード間隔Δλは、等価屈折率を「ｎ」とすると、次式で表すことができる。すなわち、
Δλ＝λ0 2／（２・ｎ・Ｌ）
である。ここで、発振波長λ0を１４８０μｍとし、実効屈折率を３．５とすると、共振器長Ｌが８００μｍのとき、縦モードのモード間隔Δλは、約０．３９ｎｍとなり、共振器長が３２００μｍのとき、縦モードのモード間隔Δλは、約０．１ｎｍとなる。すなわち、共振器長Ｌを長くすればするほど、縦モードのモード間隔Δλは狭くなり、単一縦モードのレーザ光を発振するための選択条件が厳しくなる。
【００５９】
一方、回折格子１３は、そのブラッグ波長によって縦モードを選択する。この回折格子１３による選択波長特性は、図４に示す発振波長スペクトル３０として表される。
【００６０】
図４に示すように、この実施の形態１では、回折格子１３を有した半導体レーザ装置２０による発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈで示される波長選択特性内に、発振縦モードを複数存在させるようにしている。従来のＤＢＲ（Distributed Bragg Reflrector）半導体レーザ装置あるいはＤＦＢ（Distributed Feedback）半導体レーザ装置では、共振器長Ｌを８００μｍ以上とすると、単一縦モード発振が困難であったため、かかる共振器長Ｌを有した半導体レーザ装置は用いられなかった。しかしながら、この実施の形態１の半導体レーザ装置２０では、共振器長Ｌを積極的に８００μｍ以上とすることによって、発振波長スペクトルの半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードを含ませてレーザ出力するようにしている。図４では、発振波長スペクトルの半値幅Δλｈ内に３つの発振縦モード３１〜３３を有している。
【００６１】
複数の発振縦モードを有するレーザ光を用いると、単一縦モードのレーザ光を用いた場合に比して、レーザ出力のピーク値を抑えて、高いレーザ出力値を得ることができる。たとえば、この実施の形態１に示した半導体レーザ装置では、図５（ｂ）に示すプロファイルを有し、低いピーク値で高レーザ出力を得ることができる。これに対し、図５（ａ）は、同じレーザ出力を得る場合の単一縦モード発振の半導体レーザ装置のプロファイルであり、高いピーク値を有している。
【００６２】
ここで、半導体レーザ装置をラマン増幅器の励起用光源として用いる場合、ラマン利得を大きくするために励起光出力パワーを増大することが好ましいが、そのピーク値が高いと、誘導ブリルアン散乱が発生し、雑音が増加するという不具合が発生する。誘導ブリルアン散乱の発生は、誘導ブリルアン散乱が発生する閾値Ｐthを有し、同じレーザ出力パワーを得る場合、図５（ｂ）に示すように、複数の発振縦モードを持たせ、そのピーク値を抑えることによって、誘導ブリルアン散乱の閾値Ｐth内で、高い励起光出力パワーを得ることができ、その結果、高いラマン利得を得ることが可能となる。
【００６３】
また、発振縦モード３１〜３３の波長間隔（モード間隔）Δλは、０．１ｎｍ以上としている。これは、半導体レーザ装置２０をラマン増幅器の励起用光源として用いる場合、モード間隔Δλが０．１ｎｍ以下であると、誘導ブリルアン散乱が発生する可能性が高くなるからである。この結果、上述したモード間隔Δλの式によって、上述した共振器長Ｌが３２００μｍ以下であることが好ましいことになる。
【００６４】
このような観点から、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内に含まれる発振縦モードの本数は、複数であることが望ましい。ところで、ラマン増幅では、増幅利得に偏波依存性があるため、信号光の偏波方向と励起光の偏波方向とのずれによる影響を小さくする必要がある。このための方法として、励起光を無偏光化（デポラライズ）する方法があり、具体的には、２台の半導体レーザ装置２０からの出力光を方法のほか、デポラライザとして所定長の偏波面保持ファイバを用いて、１台の半導体レーザ装置２０から出射されたレーザ光を、この偏波面保持ファイバに伝搬させる方法がある。無偏光化の方法として、後者の方法を使用する場合には、発振縦モードの本数が増大するに従ってレーザ光のコヒーレンシーが低くなるので、無偏光化に必要な偏波面保持ファイバの長さを短くすることができる。特に、発振縦モードが４，５本となると、急激に、必要な偏波面保持ファイバの長さが短くなる。従って、ラマン増幅器に使用するために半導体レーザ装置２０から出射されるレーザ光を無偏光化する場合に、２台の半導体レーザ装置の出射光を偏波合成して利用しなくても、１台の半導体レーザ装置２０の出射レーザ光を無偏光化して利用することが容易となるので、ラマン増幅器に使用される部品数の削減、小型化を促進することができる。
【００６５】
ここで、発振波長スペクトル幅が広すぎると、波長合成カプラによる合波ロスが大きくなるとともに、発振波長スペクトル幅内における波長の動きによって、雑音や利得変動を発生させることになる。このため、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈは、３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下とする必要がある。
【００６６】
さらに、従来の半導体レーザ装置では、図３２に示したように、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールとしていたため、ファイバグレーティング２３３と光反射面２２２との間の共振によって相対強度雑音（ＲＩＮ）が大きくなり、安定したラマン増幅を行うことができないが、この実施の形態１に示した半導体レーザ装置２０では、ファイバグレーティング２３３を用いず、出射側反射膜１５から出射したレーザ光をそのまま、ラマン増幅器の励起用光源として用いているため、相対強度雑音が小さくなり、その結果、ラマン利得の揺らぎが小さくなり、安定したラマン増幅を行わせることができる。
【００６７】
また、図３２に示した半導体レーザモジュールでは、ファイバグレーティング２３３を有する光ファイバ２０３と半導体発光素子２０２とを光結合させる必要があり、半導体レーザ装置の組立時における光軸合わせを行う際、共振器内に機械的な結合を必要とするため、振動などによってレーザの発振特性が変化する場合が発生するが、この実施の形態１の半導体レーザ装置では、機械的な振動などによるレーザの発振特性の変化がなく、安定した光出力を得ることができる。
【００６８】
この実施の形態１によれば、半導体レーザ装置２０が回折格子１３によって波長選択を行い、発振波長を１１００ｎｍ〜１５５０ｎｍ帯とし、共振器長Ｌを８００μｍ〜３２００μｍ帯とすることによって、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モード、好ましくは４本以上の発振縦モードをもつレーザ光を出力するようにしているので、ラマン増幅器の励起用光源として用いた場合に、誘導ブリルアン散乱を発生せずに、安定し、かつ高いラマン利得を得ることができる。
【００６９】
また、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールのように、ファイバグレーティングをもつ光ファイバと半導体発光素子との光結合を共振器内において行わないので、機械的振動などによる不安定出力を回避することができる。
【００７０】
（実施の形態２）
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の出射側に回折格子１３を設け、共振器長Ｌを長くすることによって、発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈ内の縦モード数が複数となるようにしていたが、この実施の形態２では、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の反射側にも回折格子を設けるようにしている。
【００７１】
図６は、この発明の実施の形態２である半導体レーザ装置の縦断面図である。この半導体レーザ装置は、図１〜図３に示した半導体レーザ装置２０の回折格子１３に対応する回折格子１３ａを有するとともに、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の反射膜１４側にも、光導波路４ｂを設け、この光導波路４ｂ内に回折格子１３ｂを設けている。その他の構成は、半導体レーザ装置２０と同じであり、同一構成部分には、同一符号を付している。
【００７２】
この場合、さらに各回折格子１３ａ，１３ｂの結合係数κと回折格子長Ｌｇａ，Ｌｇｂとの積を変化させることによって、所望の発振波長スペクトル３０の半値幅Δλｈを得ることができ、この半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードをもったレーザ光を発振させることができる。また、回折格子１３ｂの結合係数κと回折格子長Ｌｇｂとの積を、回折格子１３ａの結合係数κと回折格子長Ｌｇａとの積に比して大きくすることによって、例えば積κ・Ｌｇｂ＝３程度とし、反射率を９９％とすることによって、回折格子１３ａ自体によってレーザ光のほとんどを反射することができ、高効率の半導体レーザ装置を実現することができる。さらに、回折格子１３ａの結合係数κと回折格子長Ｌｇａとの積を小さな値、たとえば積κ・Ｌｇａ＝０．１程度にすることによって、レーザ光の出射効率が高まり、結果的に高効率のレーザ出力を実現することができる。ここでは、結合係数と回折格子長との積κＬｇを反射側でκＬｇｂ＝３程度、出射側でκＬｇａ＝０．１程度としたが、反射側は、κＬｇｂ＞２、出射側はκＬｇａ＜０．５であってもよい。
【００７３】
これによって、回折格子１３ａ，１３ｂによる波長選択特性を満足させつつ、出射側反射膜１５を１％以下、より好ましくは０．１％以下にすることで、ファブリペロー型共振器の発振モードの影響を小さくすることができ、しかも高効率のレーザ出力を実現することができる。
【００７４】
なお、上述した実施の形態２では、反射膜１４側および出射側反射膜１５側の双方に回折格子１３ａ，１３ｂを設けた構成としたが、これに限らず、反射膜１４側のみに回折格子１３ａを設けた構成としても、この実施の形態２とほぼ同等な作用効果を奏することができる。
【００７５】
（実施の形態３）
つぎに、この発明の実施の形態３について説明する。上述した実施の形態１，２では、回折格子１３あるいは回折格子１３ａ，１３ｂが中心波長に対して揺らぎを持つ波長選択性によって、複数本の発振縦モードを出力するようにしていたが、この実施の形態３では、回折格子１３あるいは回折格子１３ａ，１３ｂに対して積極的に揺らぎをもたせ、発振縦モードの数を増やすことができる半導体レーザ装置を得るようにしている。
【００７６】
図７は、この発明の実施の形態３である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。図７において、この半導体レーザ装置では、実施の形態１に示した回折格子１３に代わって、回折格子４７を設けている。この回折格子４７は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の出射側反射膜１５側に設けられ、そのグレーティング周期を周期的に変化させたチャープドグレーティングであり、この回折格子４７の波長選択性に揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅Δλhを広げ、半値幅Δλh内の発振縦モードの本数を増大するようにしている。その他の構成は、実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。
【００７７】
図８は、回折格子４７のグレーティング周期の周期的変化を示す図である。図８に示すように、回折格子４７は、平均周期が２２０ｎｍであり、±０．０２ｎｍの周期揺らぎ（偏差）を周期Ｃで繰り返す構造を有している。この±０．０２ｎｍの周期揺らぎによって、発振波長スペクトルの半値幅Δλh内に３〜６本程度の発振縦モードをもたせることができる。
【００７８】
たとえば、図９は、異なる周期Λ1，Λ2の回折格子を有する半導体レーザ装置の発振波長スペクトルを示す図である。図９において、周期Λ1の回折格子は、波長λ１の発振波長スペクトルを形成し、この発振波長スペクトル内に３本の発振縦モードを選択する。一方、周期Λ2の回折格子は、波長λ２の発振波長スペクトルを形成し、この発振波長スペクトル内に３本の発振縦モードを選択する。したがって、周期Λ1，Λ2の回折格子による複合発振波長スペクトル４０は、この複合発振波長スペクトル４０内に４〜５本の発振縦モードが含まれることになる。この結果、単一の発振波長スペクトルを形成するときに比べ、一層多くの発振縦モードを容易に選択出力することができ、光出力の増大をもたらすことができる。
【００７９】
なお、回折格子４７の構成としては、一定の周期Ｃでグレーティング周期を変化させるチャープドグレーティングに限らず、グレーティング周期を、周期Λ1（２２０ｎｍ＋０．０２ｎｍ）と周期Λ2（２２０ｎｍ−０．０２ｎｍ）との間でランダムに変化させるようにしてもよい。
【００８０】
さらに、図１０（ａ）に示すように、周期Λ3と周期Λ4とを一回ずつ交互に繰り返す回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。また、図１０（ｂ）に示すように、周期Λ5と周期Λ6とをそれぞれ複数回、交互に繰り返す回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。さらに、図１０（ｃ）に示すように、連続する複数回の周期Λ7と連続する複数回の周期Λ8とをもつ回折格子として、周期揺らぎを持たせるようにしてもよい。また、周期Λ1，Λ3，Λ5，Λ7と周期Λ2，Λ4，Λ6，Λ8のとの各間の離散的な異なる値をもつ周期を補完して配置するようにしてもよい。
【００８１】
この実施の形態３では、半導体レーザ装置に設けられる回折格子をチャープドグレーティングなどによって、平均周期に対して±０．０１〜０．２ｎｍ程度の周期ゆらぎをもたせ、これによって、反射帯域の半値幅を所望の値に設定し、最終的に発振波長スペクトルの半値幅Δλｈを決定し、半値幅Δλｈ内に複数の発振縦モードが含まれるレーザ光を出力するようにし、実施の形態１あるいは実施の形態２と同様な作用効果をもった半導体レーザ装置を実現することができる。
【００８２】
つぎに、この発明の実施の形態４について説明する。上述した実施の形態１〜３では、回折格子１３の上部にｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７およびｐ側電極１０を設けなかったが、この実施の形態４では、回折格子１３の上部にｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７およびｐ側電極１０にそれぞれ対応し、独立したｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ａおよびｐ側電極１０ａを設け、回折格子１３に対して積極的に電流注入制御を行うようにしている。
【００８３】
図１１は、この発明の実施の形態４である半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。また、図１２は、図１１に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。さらに、図１３は、図１１に示した半導体レーザ装置のＢ−Ｂ線断面図である。この実施の形態４である半導体レーザ装置２００は、回折格子１３の上部にｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ａおよびｐ側電極１０ａを設けており、その他の構成は実施の形態１と同じであり、同一構成部分には同一符号を付している。なお、光導波路層５は設けておらず、光導波路層５が設けられた部分にはＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３が延設されている。
【００８４】
ここで、回折格子１３への電流注入の増減は、この半導体レーザ装置２００の波長選択特性を変化させることができる。これは、半導体の屈折率が注入キャリア密度に関連して変化するというプラズマ効果のためである。さらに、電流注入の増減は、回折格子１３の温度変化を来たし、回折格子１３の屈折率を変化させる。この結果、回折格子１３への電流注入変化によって半導体レーザ装置２００の出力波長を変化させることができる。
【００８５】
なお、図１１に示すように、回折格子１３の領域をＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の領域から分離する構造とすることによって、一層安定かつ効率的なレーザ出力を達成することができる。特に、光導波路層４内に回折格子１３を設けることによって、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３への電流注入増減によって生じる、望まない波長シフトを抑制することができる。さらに、ｐ側電極１０，１０ａが分離されているため、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３に対する電流制御と回折格子１３に対する電流制御とを各別に行うことができる。すなわち、それぞれ、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３に対する電流注入変化によって光出力制御を行い、回折格子１３に対する電流注入変化によって波長選択制御を行うという波長可変レーザを実現できる。このため、光導波路層４と回折格子１３の材料は、電流注入変化による材料の屈折率変化に従って選択される。
【００８６】
ここで、図１４は、上述した波長可変レーザとしての半導体レーザ装置２００の反射特性を示している。図１４に示すように、反射膜１４は、８０％以上の反射率を有し、ほぼこの反射率は変化しない。これは、たとえば、高反射率を有する誘電体多層膜を反射側劈開面にコーティングすることによって実現できる。ところが、図１４に示すように、出射側反射膜１５の反射特性は、回折格子１３による波長選択特性を有する。この回折格子１３の物理特性は、回折格子１３が、図４に示すような多重モード発振を許容するに十分な帯域幅の光を反射するような選択がなされる。すなわち、図１４に示した反射曲線３０´は、図４に示した発振波長スペクトル３０に対応する。さらに、図１４において、反射曲線３０´は、ｐ側電極１０ａを介して回折格子１３に注入される電流値に対応して波長がシフトする。図１５は、注入電流の変化によって達成される波長変化の具体例を示している。図１５に示すように、回折格子１３への注入電流によって２ｎｍ以上波長可変することができる。
【００８７】
（実施の形態５）
つぎに、この発明の実施の形態５について説明する。図１６は、この発明の実施の形態５である半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。図１６において、この半導体レーザ装置２１０は、図１１に示した半導体レーザ装置２００の全ての構成を有し、同一構成部分には同一符号を付しているが、ｐ側電極１０ａ内に櫛歯構造の回折格子１３´を有する点が、半導体レーザ装置２００と異なる。回折格子１３´は、ｐ側電極１０から電気的に絶縁されてもよいし、破線で示すようにｐ側電極１０に電気的に接続されていてもよい。
【００８８】
ｐ側電極１０ａから注入される電流は、回折格子１３´の櫛歯構造の間隙から流入するため、光導波路層４内の回折格子１３の領域において、櫛歯構造に依存した不均一な電流分布となる。この結果、ｐ側電極１０ａに対する注入電流を変化させると、回折格子１３の光学的間隔は、効果的にチャープされる。換言すれば、注入電流の変化によって、回折格子１３の周期を変化させることができる。すなわち、ｐ側電極１０ａに対する注入電流を変化させることによって、可変波長レーザを実現することができる。
【００８９】
（実施の形態６）
つぎに、この発明の実施の形態６について説明する。図１７は、この発明の実施の形態６である半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。図１７において、この半導体レーザ装置は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３と、波長選択機能を有する回折格子１３が含まれる光導波路層４との間に、独立した位相制御層として機能する光導波路層５を設けている。
【００９０】
この位相制御層として機能する光導波路層５を含む位相制御領域は、ｎ−ＩｎＰ基板１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層２、光導波路層５、ｐ−ＩｎＰクラッド層６、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ｂ、ｐ側電極１０ｂが順次積層された構造によって実現される。
【００９１】
この光導波路層５は、ｐ側電極１０を介したＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３に対する制御と、ｐ側電極１０ａを介した回折格子１３に対する制御とは、独立してｐ側電極１０ｂを介して電流注入がなされ、位相制御がなされる。位相制御の調整が悪い場合には出力低下、縦モードホップに起因するＩ−Ｌ曲線に発現するキンクや発振波長の設計波長からのシフトなどの発振状態の不安定動作を来すが、光導波路層５に注入される電流を変化させることによって、光導波路層５の屈折率が変化し、これによって、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３と光導波路層４との間における位相不整合を解消することができる。
【００９２】
（実施の形態７）
つぎに、この発明の実施の形態７について説明する。図１８は、この発明の実施の形態７である半導体レーザ装置の長手方向の縦断面図である。図１８において、この半導体レーザ装置は、実施の形態６に示した半導体レーザ装置の構成に、さらに実施の形態６の光導波路層４に対応した光導波路層４ｂを反射膜１４側に設けている。この光導波路層４ｂには回折格子１３ｂが含まれる。光導波路層４ｂの上部に形成されたｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ｃおよびｐ側電極１０ｃは、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の上部に設けられたｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７およびｐ側電極１０と物理的に分離され、電気的に絶縁されている。なお、出射側反射膜１５側に設けられた実施の形態６の光導波路層４に対応する構成は、光導波路層４ａであり、回折格子１３ａが含まれる。回折格子１３ａの長さはＬｇａであり、回折格子１３ｂの長さはＬｇｂである。
【００９３】
ここで、回折格子１３ａ，１３ｂは物理的に分離された領域に形成され、かつｐ側電極１０ａ，１０ｃによってそれぞれ独立して電流注入を行うことができ、回折格子１３ａ，１３ｂの波長選択性を個別に制御することができる。これによって、さらに波長選択性を詳細かつ柔軟に設定することができる。さらに、破線で示すように、光導波路層４ｂに隣接した光導波路層５ａを形成することが可能であり、この場合、光導波路層５ａの上部には、独立したｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７ｄおよびｐ側電極１０ｄが設けられる。
【００９４】
この実施の形態７に示すように、出射側反射膜１５側と反射膜１４側との双方に回折格子４ａ，４ｂを設けると、各回折格子４ａ，４ｂの離散的な反射モードのバーニア効果によって広い可変波長域を実現することができる。
【００９５】
図１９に示すように、回折格子１３ｂによって選択される波長がλ１〜λｎとし、回折格子１３ａによって選択される波長がλ１´〜λｎ´とすると、λ１´〜λｎ´の各波長間隔は、λ１〜λｎの各波長間隔に比してほんの少し異なるように設定される。この選択状態において、それぞれ電流注入の変化ΔＩを与えると、各波長λ１〜λｎおよび各波長λ１´〜λｎ´は、シフトする。バーニア効果は、この状態において、波長λ１〜λｎと波長λ１´〜λｎ´とが一致する波長のみが発振波長して選択出力される。図１９では、波長λ１と波長λ１´とが一致し、波長λ１（＝λ１´）が発振波長として選択される。例えば数十ｎｍ程度の波長シフトレンジを実現できる。なお、回折格子１３ａあるいは回折格子１３ｂの一方の選択波長のみを電流注入量変化によってシフトさせてもよいし、回折格子１３ａ，１３ｂの双方の選択波長を、それぞれ独立して電流注入量変化によってシフトさせるようにしてもよい。
【００９６】
図２０〜図２３は、この実施の形態７の具体例を示している。図２０は、この発明の実施の形態７の具体例である半導体レーザ装置の一部破断図である。図２０において、この半導体レーザ装置は、長さ１２００μｍの活性領域（３）と長さ２００μｍの前部回折格子領域（４ａ／１３ａ）と長さ７５０μｍの後部回折格子領域（４ｂ／１３ｂ）とを形成している。
【００９７】
図２１は、回折格子の周期構成を示す図である。図２１に示すよに、回折格子は、１４００ｎｍに一致する周期Λ１から１５００ｎｍに一致する周期Λｎまでリニアにチャープされている。このリニアなチャープ周期Δｓは各回折格子内の反射モード間隔を決定する。ここで、図２０に示した回折格子領域（４ａ／１３ａ）の反射モード間隔は９．７ｎｍであり、回折格子領域（４ｂ／１３ｂ）の反射モード間隔は８．７ｎｍである。このような回折格子構造は、上述したバーニア効果に要求されるモード間隔の違いを与える。
【００９８】
図２２は、図２０に示した半導体レーザ装置における前部回折格子領域と後部回折格子領域の反射モードの波長間隔を示している。図２２において波長λ１〜λｎは、反射率２％以下の前部回折格子領域における選択波長を示し、波長λ１´〜λｎ´は、反射率９５％以上の後部回折格子領域における選択波長を示している。図２２において、波長λ１と波長λ１´のみが一致し、その他の波長、たとえば、波長λ２と波長λ２´、波長λ３と波長λ３´、などは一致していない。この場合、前部回折格子領域あるいは後部回折格子領域のいづれか一方あるいは双方に対する電流注入量を変化させて反射モードをシフトさせることによって、他の波長、たとえば波長λ２と波長λ２´のみを一致させることができる。このようにして、広範囲の波長シフトを実現できる可変波長レーザとしての半導体レーザ装置が得られる。
【００９９】
図２３は、図２０に示した半導体レーザ装置のマルチモード可変波長範囲を示す図である。図２３では、電流変化量±８０ｍＡで、１０３ｎｍという広範囲の波長シフトを実現している。
【０１００】
さらに、この実施の形態７の変形例について説明する。この変形例では図２０に対応した半導体レーザ装置であるが、後部回折格子領域が電流注入変化されずに、固定されたやや平坦な反射特性を有する回折格子が含まれ波長選択特性はシフトしない。これに対し、前部回折格子領域には電流注入変化が与えられ、、離散的な反射モードλ１〜λｎが広範囲に出現している。図２４は、この変形例に対応した後部回折格子領域と前部回折格子領域の選択波長特性を示す図である。上述したように、後部回折格子領域の選択波長特性は固定であり、平坦な特性を有するため、この後部回折格子領域の選択波長領域に含まれる前部回折格子領域の反射モードの複数の波長が選択されることなる。したがって、マルチモードスペクトルの出力が複数選択されるが、この選択されたマルチモードスペクトルのうちの不要なマルチモードスペクトルは、選択的な減衰機構を用い、あるいは半導体レーザ装置の外部に波長減衰器を接続することによって排除すればよい。
【０１０１】
なお、上述した実施の形態６において示した回折格子１３に、実施の形態３で示した異なる周期Λ１，Λ２を有する回折格子４７を設け、チャーピングによって選択波長スペクトルを広げるようにしてもよい（図２５参照）。また、図２６に示すように、回折格子１３の構造を回折格子１３´のような構造としてもよい。回折格子１３は、光導波路層４内に設けられ、ｐ−ＩｎＰクラッド層６と分離された構造であったが、回折格子１３´は、光導波路層４とｐ−ＩｎＰクラッド層６との境界面にそれぞれの櫛歯構造によって形成している。これによって、回折格子の形成が容易になる。
【０１０２】
（実施の形態８）
つぎに、この発明の実施の形態８について説明する。この実施の形態４では、上述した実施の形態１〜３で示した半導体レーザ装置をモジュール化したものである。
【０１０３】
図２７は、この発明の実施の形態８である半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。図２７において、この半導体レーザモジュール５０は、上述した実施の形態１〜３で示した半導体レーザ装置に対応する半導体レーザ装置５１を有する。半導体レーザモジュール５０の筐体として、セラミックなどによって形成されたパッケージ５９の内部底面上に、温度制御装置としてのペルチェ素子５８が配置される。ペルチェ素子５８上にはベース５７が配置され、このベース５７上にはヒートシンク５７ａが配置される。ペルチェ素子５８には、図示しない電流が与えられ、その極性によって冷却および加熱を行うが、半導体レーザ装置５１の温度上昇による発振波長ずれを防止するため、主として冷却器として機能する。すなわち、ペルチェ素子５８は、レーザ光が所望の波長に比して長い波長である場合には、冷却して低い温度に制御し、レーザ光が所望の波長に比して短い波長である場合には、加熱して高い温度に制御する。この温度制御は、具体的に、ヒートシンク５７ａ上であって、半導体レーザ装置５１の近傍に配置されたサーミスタ５８ａの検出値をもとに制御され、図示しない制御装置は、通常、ヒートシンク５７ａの温度が一定に保たれるようにペルチェ素子５８を制御する。また、図示しない制御装置は、半導体レーザ装置５１の駆動電流を上昇させるに従って、ヒートシンク５７ａの温度が下がるようにペルチェ素子５８を制御する。このような温度制御を行うことによって、半導体レーザ装置５１の波長安定性を向上させることができ、歩留まりの向上にも有効となる。なお、ヒートシンク５７ａは、たとえばダイヤモンドなどの高熱伝導率をもつ材質によって形成することが望ましい。これは、ヒートシンク５７ａがダイヤモンドで形成されると、高電流注入時の発熱が抑制されるからである。
【０１０４】
ベース５７上には、半導体レーザ装置５１およびサーミスタ５８ａを配置したヒートシンク５７ａ、第１レンズ５２、および電流モニタ５６が配置される。半導体レーザ装置５１から出射されたレーザ光は、第１レンズ５２、アイソレータ５３、および第２レンズ５４を介し、光ファイバ５５上に導波される。第２レンズ５４は、レーザ光の光軸上であって、パッケージ５９上に設けられ、外部接続される光ファイバ５５に光結合される。なお、電流モニタ５６は、半導体レーザ装置５１の反射膜側から漏れた光をモニタ検出する。
【０１０５】
ここで、この半導体レーザモジュール５０では、他の光学部品などによる反射戻り光が共振器内に戻らないように、半導体レーザ装置５２と光ファイバ５５との間にアイソレータ５３を介在させている。このアイソレータ５３には、ファイバグレーティングを用いた従来の半導体レーザモジュールと異なり、インライン式のファイバ型でなく、半導体レーザモジュール５０内に内蔵できる偏波依存型のアイソレータを用いることができるため、アイソレータによる挿入損失を小さく、さらに低い相対強度雑音（ＲＩＮ）を達成することができ、部品点数も減らすことができる。
【０１０６】
この実施の形態８では、実施の形態１〜７で示した半導体レーザ装置をモジュール化しているため、偏波依存型のアイソレータを用いることができ、挿入損失を小さくすることができ、低雑音化および部品点数の減少を促進することができる。
【０１０７】
（実施の形態９）
つぎに、この発明の実施の形態９について説明する。この実施の形態９では、上述した実施の形態８に示した半導体レーザモジュールをラマン増幅器に適用したものである。
【０１０８】
図２８は、この発明の実施の形態９であるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。このラマン増幅器は、ＷＤＭ通信システムに用いられる。図２８において、このラマン増幅器は、上述した実施の形態８に示した半導体レーザモジュールと同一構成の半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄを用い、図３１に示した半導体レーザモジュール１８２ａ〜１８２ｄを、上述した半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄに置き換えた構成となっている。
【０１０９】
各半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂは、偏波面保持ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ａに出力し、各半導体レーザモジュール６０ｃ，６０ｄは、偏波面保持ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ｂに出力する。ここで、半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂが発振するレーザ光は、同一波長である、また、半導体レーザモジュール６０ｃ，６０ｄが発振するレーザ光は、同一波長であるが半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂが発振するレーザ光の波長とは異なる。これは、ラマン増幅が偏波依存性を有するためであり、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂによって偏波依存性が解消されたレーザ光として出力するようにしている。
【０１１０】
各偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂから出力された異なる波長をもったレーザ光は、ＷＤＭカプラ６２によって合成され、合成されたレーザ光は、ＷＤＭカプラ６５を介してラマン増幅用の励起光として増幅用ファイバ６４に出力される。この励起光が入力された増幅用ファイバ６４には、増幅対象の信号光が入力され、ラマン増幅される。
【０１１１】
増幅用ファイバ６４内においてラマン増幅された信号光（増幅信号光）は、ＷＤＭカプラ６５およびアイソレータ６６を介してモニタ光分配用カプラ６７に入力される。モニタ光分配用カプラ６７は、増幅信号光の一部を制御回路６８に出力し、残りの増幅信号光を出力レーザ光として信号光出力ファイバ７０に出力する。
【０１１２】
制御回路６８は、入力された一部の増幅信号光をもとに各半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄのレーザ出力状態、たとえば光強度を制御し、ラマン増幅の利得帯域が平坦な特性となるようにフィードバック制御する。
【０１１３】
この実施の形態５に示したラマン増幅器では、たとえば図３２に示した半導体発光素子１８０ａとファイバグレーティング１８１ａとが偏波面保持ファイバ７１ａで結合された半導体レーザモジュール１８２ａを用いず、実施の形態１〜７で示した半導体レーザ装置が内蔵された半導体レーザモジュール６０ａを用いるようにしているので、偏波面保持ファイバ７１ａの使用を削減することができる。なお、上述したように、各半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄは、複数の発振縦モードを有しているため、偏波面保持ファイバ長を短くすることができる。この結果、ラマン増幅器の小型軽量化とコスト低減を実現することができる。
【０１１４】
なお、図２８に示したラマン増幅器では、偏波合成カプラ６１ａ，６１ｂを用いているが、図２９に示すように半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃから、それぞれ偏波面保持ファイバ７１を介して直接ＷＤＭカプラ６２に光出力するようにしてもよい。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｃの偏波面は、偏波面保持ファイバ７１に対して４５度となるように入射する。これによって、偏波面保持ファイバ７１から出力される光出力の偏波依存性がなくすことができ、一層、小型かつ部品点数の少ないラマン増幅器を実現することができる。
【０１１５】
また、半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄ内に内蔵される半導体レーザ装置として実施の形態３に示した半導体レーザ装置を用いると、発振縦モード数が多いため、必要な偏波面保持ファイバ７１の長さを短くすることができる。特に、発振縦モードが４，５本になると、急激に、必要な偏波面保持ファイバ７１の長さが短くなるため、ラマン増幅器の簡素化と小型化を促進することができる。さらに、発振縦モードの本数が増大すると、コヒーレント長が短くなり、デポラライズによって偏光度（ＤＯＰ：Degree Of Polarization）が小さくなり、偏波依存性をなくすことが可能となり、これによっても、ラマン増幅器の簡素化と小型化とを一層促進することができる。
【０１１６】
また、上述した実施の形態１〜７が有する作用効果をラマン増幅器に与えることができる。たとえば、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールに比して相対強度雑音（ＲＩＮ）を低減することができるので、ラマン利得の揺らぎを抑えることができ、安定したラマン増幅を行うことができる。
【０１１７】
さらに、このラマン増幅器では、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザモジュールに比して光軸合わせが容易であり、共振器内に機械的な光結合がないため、この点からも、ラマン増幅の安定性、信頼性を高めることができる。
【０１１８】
さらに、上述した実施の形態１〜７の半導体レーザ装置では、複数の発振モードを有しているため、誘導ブリルアン散乱を発生させずに、高出力の励起光を発生することができるので、安定し、かつ高いラマン利得を得ることができる。
【０１１９】
また、図２８および図２９に示したラマン増幅器は、後方励起方式であるが、上述したように、半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄが安定した励起光を出力するため、前方励起方式であっても、双方向励起方式であっても、安定したラマン増幅を行うことができる。
【０１２０】
この図２８あるいは図２９に示したラマン増幅器は、上述したようにＷＤＭ通信システムに適用することができる。図３０は、図２８あるいは図２９に示したラマン増幅器を適用したＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【０１２１】
図３０において、複数の送信機Ｔｘ１〜Ｔｘｎから送出された波長λ1〜λnの光信号は、光合波器８０によって合波され、１つの光ファイバ８５に集約される。この光ファイバ８５の伝送路上には、図２８あるいは図２９に示したラマン増幅器に対応した複数のラマン増幅器８１，８３が距離に応じて配置され、減衰した光信号を増幅する。この光ファイバ８５上を伝送した信号は、光分波器８４によって、複数の波長λ１〜λｎの光信号に分波され、複数の受信機Ｒｘ１〜Ｒｘｎに受信される。なお、光ファイバ８５上には、任意の波長の光信号を付加し、取り出したりするＡＤＭ（Add/Drop Multiplexer）が挿入される場合もある。
【０１２２】
なお、上述した実施の形態９では、実施の形態１〜７に示した半導体レーザ装置あるいは実施の形態８に示した半導体レーザモジュールを、ラマン増幅用の励起光源に用いる場合を示したが、これに限らず、たとえば、９８０ｎｍ，１４８０ｎｍなどのＥＤＦＡ励起用光源として用いることができるのは明らかである。
【０１２３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、レーザ光を発光する活性層の出力側または反射側あるいは出力側および反射側の双方に回折格子を設け、前記活性層が形成する利得領域と前記回折格子の波長選択特性とを含む発振パラメータの組み合わせ設定によって波長が安定化され、かつ発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上、好ましくは３本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力するようにしているので、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザ装置に比して、共振器内に雑音が入り込む余地がないため、相対強度雑音が低減され、ラマン増幅器に用いた場合に安定したラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１２４】
また、共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、組立が容易になるとともに、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く出力することができ、ラマン増幅器に用いた場合に安定かつ信頼性の高いラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１２５】
さらに、複数の発振縦モードの存在によって光出力ピーク値を抑えて、光出力パワーを増大させることができ、ラマン増幅器に用いた場合に、誘導ブリルアン散乱を抑えつつ、高いラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１２６】
また、複数の発振縦モードの存在によって、偏光度が小さくなり、偏波面保存ファイバ長を短くすることができ、小型軽量化を促進できるとともに、コストを低減することができるという効果を奏する。
【０１２７】
さらに、当該半導体レーザ装置内の回折格子によって波長ロックを行うようにしているので、出力されたレーザ光を導く光ファイバからの反射戻り光の入射を防ぐためのアイソレータの組み込みが容易になるという効果を奏する。
【０１２８】
また、ファイバグレーティングを用いた半導体レーザ装置に生じる注入電流−光出力特性上のキンクの発生を抑えることができ、安定したレーザ光を出力することができるという効果を奏する。
【０１２９】
また、この発明によれば、活性層の上部に設けられた電極とは独立して、波長制御電極から該波長制御電極の下部に設けられた回折格子に可変の電流注入を行うことができるので、活性層におけるレーザ光の出力に影響を与えずに発振波長の中心波長を可変にシフトすることができるという効果を奏する。
【０１３０】
また、この発明によれば、波長制御電極の内部に櫛歯構造をもたせ、波長制御電極に注入された電流を空間的に不均一な電流として回折格子に流入し、回折格子の波長選択性にチャープをかけることができるようにしているので、所望の帯域を有した複数の発振縦モードを出力することができるという効果を奏する。
【０１３１】
また、この発明によれば、位相調整部が設けられることによって、活性層から出力されるレーザ光の出力低下の抑制や、縦モードホッピングによる電流−光出力特性に現れるキンクの抑制や、精度良く所望の発振波長を実現するなど発振安定動作の向上を図ることができるという効果を奏する。
【０１３２】
また、この発明によれば、いわゆるバーニア効果を利用し、回折格子の領域に電流を注入することによって、各反射波長モードがシフトし、各反射波長モードが一致した波長をもつマルチモード発振を行うようにしているので、発振波長を広帯域にシフトする制御を行うことができるという効果を奏する。
【０１３３】
また、この発明によれば、発振波長を１１００〜１５５０ｎｍとしているので、光ファイバの伝送帯域に適した波長帯域の信号光のラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【０１３４】
また、この発明によれば、前記発振波長スペクトルの半値幅を、３ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以下としているので、ラマン増幅時の波長合成を効率的に行うことができるという効果を奏する。
【０１３５】
また、この発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、８００μｍ以上とし、発振縦モードのモード間隔を短くすることによって、前記発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数を増大するようにしているので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モードの複数化を容易に行うことができるとともに高出力動作を可能にするという効果を奏する。
【０１３６】
また、この発明によれば、前記活性層が形成する共振器長を、３２００μｍ以下とし、発振縦モードのモード間隔を０．１ｎｍ以上とし、ラマン増幅時における誘導ブリルアン散乱の影響を低減するようにしているので、安定したラマン利得を得ることができるという効果を奏する。
【０１３７】
また、この発明によれば、前記回折格子のグレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせ、これによって発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしているので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１３８】
また、この発明によれば、前記回折格子を、前記グレーティング周期をランダムまたは所定周期で変化させたグレーティングとし、これによって回折格子に周期揺らぎを発生させ、発振波長スペクトルの半値幅を広げるようにしているので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を容易に行うことができるという効果を奏する。
【０１３９】
また、この発明によれば、第１反射膜を、レーザ光の出射端面に設けて、ファブリペローモードの反射を抑制し、第２反射膜を、前記レーザ光の反射端面に設けることによって、回折格子と第２反射膜により、確実な反射を行わせ、レーザ光の出力効率を高めているので、レーザ光を高効率に出力することができる半導体レーザ装置を実現することができるという効果を奏する。
【０１４０】
また、この発明によれば、前記発振パラメータに、前記回折格子の結合係数を含めるようにし、該回折格子の結合係数を変化させることによって、発振波長スペクトルの半値幅を変化させ、該半値幅内に含まれる発振縦モードの複数化を行うようにするとともに、第１反射膜側の回折格子の結合係数と回折格子長との積を大きな値とすることによってレーザ光の効率的な反射をも行うことができるので、発振波長スペクトルの半値幅内に含まれる発振縦モード数の複数化を容易に行うことができるとともに、高効率のレーザ出力を可能にするという効果を奏する。
【０１４１】
また、この発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いて該半導体レーザ装置の共振器が物理的に分離されていないため、光軸合わせなどを行う必要がなく、機械的振動などによってレーザの発振特性が変化しにくくなり、安定したレーザ光を信頼性高く、かつ安定して出力することができる半導体レーザモジュールを実現することができるという効果を奏する。
【０１４２】
また、この発明によれば、ファイバグレーティングを用いない半導体レーザ装置を用いているため、インライン式のファイバ型と異なり、偏波依存型のアイソレータを使用することができ、挿入損失の小さい半導体レーザモジュールを実現することができるという効果を奏する。
【０１４３】
また、この発明によれば、この発明にかかる半導体レーザ装置、あるいはこの発明にかかる半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用い、上述した各半導体レーザ装置あるいは各半導体レーザモジュールの作用効果を奏するようにしているので、安定かつ信頼性の高いラマン増幅を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１に示した半導体レーザ装置のＢ−Ｂ線断面図である。
【図４】図１に示した半導体レーザ装置の発振波長スペクトルと発振縦モードとの関係を示す図である。
【図５】単一発振縦モードと複数発振縦モードとのレーザ光出力パワーの関係および誘導ブリルアン散乱の閾値を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図７】この発明の実施の形態３である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図８】図７に示したチャープドグレーティングの構成を示す図である。
【図９】図７に示したチャープドグレーティングを適用した場合の発振波長スペクトルを示す図である。
【図１０】周期揺らぎのあるグレーティングの変形例を示す図である。
【図１１】この発明の実施の形態４である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図１２】図１１に示した半導体レーザ装置のＡ−Ａ線断面図である。
【図１３】図１１に示した半導体レーザ装置のＢ−Ｂ線断面図である。
【図１４】後部端面と前部回折格子領域における反射モードスペクトルを示す図である。
【図１５】回折格子に電流注入した場合における発振波長の注入電流依存性を示す図である。
【図１６】この発明の実施の形態５である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図１７】この発明の実施の形態６である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図１８】この発明の実施の形態７である半導体レーザ装置の構成を示す縦断面図である。
【図１９】後部回折格子領域と前部回折格子領域における反射モードスペクトルを示す図である。
【図２０】この発明の実施の形態７である半導体レーザ装置の具体例を示す破断図である。
【図２１】回折格子の周期設定を示す図である。
【図２２】バーニア効果を説明する図である。
【図２３】回折格子への電流注入による発振波長の注入電流依存性を示す図である。
【図２４】この発明の実施の形態７の変形例を説明する図である。
【図２５】この発明の実施の形態７の応用例の構成を示す縦断面図である。
【図２６】回折格子を櫛歯構造にした一例を示す図である。
【図２７】この発明の実施の形態８である半導体レーザモジュールの構成を示す縦断面図である。
【図２８】この発明の実施の形態９であるラマン増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２９】この発明の実施の形態９の応用例を示す図である。
【図３０】図２８あるいは図２９に示したラマン増幅器を用いたＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【図３１】従来のラマン増幅器の概要構成を示すブロック図である。
【図３２】図３１に示したラマン増幅器に用いた半導体レーザモジュールの構成を示す図である。
【符号の説明】
１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ ｎ−Ｉｎｐクラッド層
３ ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
４，５ 光導波路層
６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
７，７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
８ ｐ−ＩｎＰブロッキング層
９ ｎ−ＩｎＰブロッキング層
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ ｐ側電極
１１ ｎ側電極
１３，１３´１３ａ，１３ｂ，４７ 回折格子
１４ 反射膜
１５ 出射側反射膜
２０，５１，２００，２１０半導体レーザ装置
３０，３０´ 発振波長スペクトル
３１〜３３ 発振縦モード
４０ 複合発振波長スペクトル
５０，６０ａ〜６０ｄ 半導体レーザモジュール
５２ 第１レンズ
５３，６３，６６ アイソレータ
５４ 第２レンズ
５５ 光ファイバ
５６ 電流モニタ
５７ ベース
５７ａ ヒートシンク
５８ ペルチェ素子
５８ａ サーミスタ
５９ パッケージ
６１ａ，６１ｂ 偏波合成カプラ
６２，６５ ＷＤＭカプラ
６４ 増幅用ファイバ
６７ モニタ用光分配カプラ
６８ 制御回路
６９ 信号光入力ファイバ
７０ 信号光出力ファイバ
７１ 偏波面保存ファイバ
８１，８３ ラマン増幅器
Ｌ 共振器長
Ｌｇ，Ｌｇａ，Ｌｇｂ 回折格子長
Ｐth 閾値
Claims (11)
- 光増幅器の励起光源用の半導体レーザ装置において、
レーザ光を発光する活性層の出力側および反射側の双方に設けた回折格子と、
前記出力側あるいは反射側に設けられた回折格子の上部に設けられ、かつ前記活性層の上部に設けられた電極と空間的に分離された波長制御電極と、を備え、
前記活性層が形成する利得領域に対する共振器長と前記回折格子の波長選択特性と前記回折格子の結合係数との組み合わせ設定によって発振波長スペクトルの半値幅内に２本以上の発振縦モードを含むレーザ光を出力するとともに、前記波長制御電極から前記回折格子の少なくとも一方への電流注入によって、該電流注入した回折格子の選択波長をシフトさせることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 前記回折格子と前記活性層との間に前記レーザ光の位相調整を行う位相調整部と、
前記位相調整部の上部に設けられ、前記電極および前記波長調整部と空間的に分離された位相調整電極と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。 - 発振波長が１１００〜１５５０ｎｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
- 前記発振波長スペクトルの半値幅は、３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
- 前記活性層が形成する共振器長は、８００μｍ以上、３２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
- 前記回折格子は、グレーティング周期に所定の周期揺らぎを持たせたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。
- 前記回折格子は、前記グレーティング周期をランダムまたは所定周期で変化させたグレーティングであることを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ装置。
- レーザ光の出射端面に設けた第１反射膜と、
前記レーザ光の反射端面に設けた第２反射膜と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載の半導体レーザ装置。 - 請求項１〜８に記載の半導体レーザ装置と、
前記半導体レーザ装置から出射されたレーザ光を外部に導波する光ファイバと、
前記半導体レーザ装置と前記光ファイバと光結合を行う光結合レンズ系と、
を備えたことを特徴とする半導体レーザモジュール。 - 前記半導体レーザ装置の温度を制御する温度制御装置と、
前記光結合レンズ系内に配置され、光ファイバ側からの反射戻り光の入射を抑制するアイソレータと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項９に記載の半導体レーザモジュール。 - 請求項１〜８に記載の半導体レーザ装置、あるいは請求項９または１０に記載の半導体レーザモジュールを広帯域ラマン増幅用の励起光源として用いたことを特徴とするラマン増幅器。
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