半導体レーザモジュール
【課題】広い強度範囲にわたってレーザ発振波長と出力光強度とが経時的に安定した半導体レーザモジュールを提供すること。
【解決手段】半導体レーザ素子が出力するレーザ光の一部を該半導体レーザ素子に向けて反射する光反射部を有する複屈折光ファイバは、半導体レーザ素子と光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに２０度以上４５度以下である第１角度をなすように接続した第１接続部と、第１接続部と光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに９０度から所定誤差の範囲である第２角度をなすように接続した第２接続部とを有し、複屈折軸間の屈折率差をΔｎ、レーザ発振波長をλ、第１接続部から第２接続部までの長さをＬ１、第２接続部から光反射部までの長さをＬ２、Ｎ１、Ｎ２を１以上の任意の整数とすると、Ｌ１＝Ｎ１λ／（２Δｎ）かつＬ２＝Ｎ２λ／（４Δｎ）が成り立つ。
【解決手段】半導体レーザ素子が出力するレーザ光の一部を該半導体レーザ素子に向けて反射する光反射部を有する複屈折光ファイバは、半導体レーザ素子と光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに２０度以上４５度以下である第１角度をなすように接続した第１接続部と、第１接続部と光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに９０度から所定誤差の範囲である第２角度をなすように接続した第２接続部とを有し、複屈折軸間の屈折率差をΔｎ、レーザ発振波長をλ、第１接続部から第２接続部までの長さをＬ１、第２接続部から光反射部までの長さをＬ２、Ｎ１、Ｎ２を１以上の任意の整数とすると、Ｌ１＝Ｎ１λ／（２Δｎ）かつＬ２＝Ｎ２λ／（４Δｎ）が成り立つ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば光ファイバ増幅器用の励起光源として用いられている半導体レーザモジュールは、光出力用の光ファイバの途中に、外部共振器を構成するため光反射部を備えている。このような半導体レーザモジュールは、光反射部によってレーザ光の一部を半導体レーザ素子に光帰還させることによって、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を安定させている。なお、光反射部としては、たとえばファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating:ＦＢＧ）が用いられる。
【０００３】
特許文献１に開示される半導体レーザモジュールは、光出力用の光ファイバとして複屈折光ファイバを用い、半導体レーザ素子と光反射部であるＦＢＧとの間に、複屈折光ファイバの対向する複屈折軸が互いに角度をなすように接続した接続部を有している。この半導体レーザモジュールは、このような接続部を有することによって、高いモード抑圧比であり、かつ光強度が安定したレーザ発振を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５４０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年の光通信システムの高機能化に伴い、光ファイバ増幅器に対して、その出力光強度を低強度から高強度まで広範囲に制御できることが要求されてきている。これに伴って、励起光源として用いられている半導体レーザモジュールにも、従来の高強度（数百ｍＷ）での動作だけでなく、低強度（数十ｍＷ）までの広範囲にわたる動作が必要とされてきている。したがって、広い強度範囲にわたって、レーザ発振波長が安定しているとともに、出力光強度が安定していることが要求されてきている。
【０００６】
しかしながら、半導体レーザモジュールを低強度で動作させた場合は、半導体レーザ素子のレーザ発振状態が、シングルモード発振状態とマルチモード発振状態とで時間的にランダムにスイッチングをおこすため、経時的な出力光強度が不安定になるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広い強度範囲にわたってレーザ発振波長と出力光強度とが経時的に安定した半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子に光学的に接続し、前記半導体レーザ素子が出力するレーザ光の一部を該半導体レーザ素子に向けて反射する光反射部を有する複屈折光ファイバと、を備え、前記複屈折光ファイバは、前記半導体レーザ素子と前記光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに２０度以上４５度以下である第１角度をなすように接続した第１接続部と、前記第１接続部と前記光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに９０度から所定誤差の範囲である第２角度をなすように接続した第２接続部とを有し、複屈折軸間の屈折率差をΔｎ、レーザ発振波長をλ、前記第１接続部から前記第２接続部までの長さをＬ１、前記第２接続部から前記光反射部までの長さをＬ２、Ｎ１、Ｎ２を１以上の任意の整数とすると、Ｌ１＝Ｎ１λ／（２Δｎ）かつＬ２＝Ｎ２λ／（４Δｎ）が成り立つことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記第１角度が４５度であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記第２角度が９０度であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記光反射部は、ファイバブラッググレーティングであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、広い強度範囲にわたってレーザ発振波長と出力光強度とが経時的に安定した半導体レーザモジュールを実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態に係る半導体レーザモジュールの模式的な構成図である。
【図２】図２は、図１に示す複屈折光ファイバの模式的な断面図である。
【図３】図３は、図１に示す第１接続部における対向する複屈折光ファイバの接続面を示す図である。
【図４】図４は、図１に示す第２接続部における対向する複屈折光ファイバの接続面を示す図である。
【図５】図５は、異なる角度θ１に対する、出力光強度と光強度変動との関係を示す図である。
【図６】図６は、比較例に係る半導体レーザモジュールの出力光強度スペクトルを示す図である。
【図７】図７は、実施例に係る半導体レーザモジュールの出力光強度スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザモジュールの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザモジュールの模式的な構成図である。図１に示すように、この半導体レーザモジュール１００は、筐体１に収容された半導体レーザ素子２と、筐体１に挿入され、半導体レーザ素子２と光学的に接続した光出力用の複屈折光ファイバ３と、複屈折光ファイバ３に接続部Ｃ３において接続し、先端に光コネクタ４ａが取り付けられた光ファイバ４と、を備えている。
【００１６】
半導体レーザ素子２は、たとえば９８０ｎｍ帯、または１４８０ｎｍ帯の波長においてレーザ発振する公知の半導体レーザ素子である。
【００１７】
複屈折光ファイバ３は、光反射部であるＦＢＧ３ａを有している。ＦＢＧ３ａは、反射中心波長が、レーザ発振をさせたい波長に設定されたものである。また、複屈折光ファイバ３は、半導体レーザ素子２とＦＢＧ３ａとの間に設けられた第１接続部Ｃ１と、第１接続部Ｃ１とＦＢＧ３ａとの間に設けられた第２接続部Ｃ２とを有している。また、複屈折光ファイバ３の半導体レーザ素子２に対向する端部はレンズ加工されている。なお、レンズ加工をせずに、またはレンズ加工とともに、複屈折光ファイバ３と半導体レーザ素子２との間に光結合のための光学系を設けてもよい。
【００１８】
ここで、複屈折光ファイバ３の、半導体レーザ素子２に対向する端部から第１接続部Ｃ１までの部分３ｂの長さをＬ０とする。第１接続部Ｃ１から第２接続部Ｃ２までの部分３ｃの長さをＬ１とする。第２接続部Ｃ２からＦＢＧ３ａまでの部分３ｄの長さをＬ２とする。なお、長さＬ２は、ＦＢＧ３ａの長さ方向中央部の位置までの長さとする。また、半導体レーザ素子２に対向する端部からＦＢＧ３ａまでの長さをＬとすると、Ｌ＝Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２である。
【００１９】
つぎに、複屈折光ファイバ３の断面構造について説明する。図２は、図１に示す複屈折光ファイバ３の模式的な断面図である。図２に示すように、複屈折光ファイバ３は、いわゆるＰＡＮＤＡ型の光ファイバであって、コア部３１と、コア部３１の周囲に形成されたクラッド部３２と、クラッド部３２内のコア部３１を挟む位置に形成された２つの応力付与部３３を有している。この複屈折光ファイバ３は、応力付与部３３の存在によって複屈折性が発生し、互いに直交する複屈折軸である遅相軸ＡＸ１、速相軸ＡＸ２が形成されている。
【００２０】
つぎに、複屈折光ファイバ３の接続部における接続状態について説明する。図１に示す第１接続部Ｃ１における対向する複屈折光ファイバ３の接続面、すなわち部分３ｂ、３ｃの接続面を示す図である。図４は、図１に示す第２接続部Ｃ２における対向する複屈折光ファイバ３の接続面、すなわち部分３ｃ、３ｄの接続面を示す図である。なお、図３、４においては、部分３ｂの遅相軸ＡＸ１がＸ軸、速相軸ＡＸ２がＹ軸になるようにＸＹ軸を定義している。
【００２１】
図３に示すように、第１接続部Ｃ１では、対向する部分３ｂ、３ｃの遅相軸ＡＸ１が、互いに第１角度であるθ１をなすように接続している。ここで、本実施の形態では、θ１は４５度であるとする。また、図４に示すように、第２接続部Ｃ２では、対向する部分３ｃ、３ｄの遅相軸ＡＸ１が、互いに第２角度であるθ２をなすように接続している。ここで、本実施の形態では、θ２は９０度であるとする。したがって、部分３ｂと部分３ｄの遅相軸ＡＸ１は、互いに（θ１＋θ２）をなすこととなる。
【００２２】
つぎに、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００の動作について説明する。はじめに、半導体レーザ素子２から略直線偏波のレーザ光を出力する。複屈折光ファイバ３は、レンズ加工された部分３ｂの端部においてレーザ光を受光し、伝搬させる。なお、このとき、複屈折光ファイバ３は、部分３ｂの遅相軸ＡＸ１が、入力されるレーザ光の直線偏波の向きと一致するように軸周りの回転角度が調整されているので、レーザ光は部分３ｂを直線偏波状態で伝搬する。
【００２３】
つぎに、複屈折光ファイバ３の部分３ｃ、３ｄは、部分３ｂを伝搬したレーザ光をさらに伝搬させる。上述したように、部分３ｃ、３ｄは、その遅相軸ＡＸ１が、部分３ｂの遅相軸ＡＸ１に対して角度をなして接続されているため、レーザ光は、接続部Ｃ１、Ｃ２において、偏波状態が変更されて、部分３ｃ、３ｄを伝搬する。
【００２４】
つぎに、ＦＢＧ３ａは、部分３ｃ、３ｄを伝搬したレーザ光の一部を半導体レーザ素子２に向けて反射する。反射したレーザ光は、複屈折光ファイバ３を介して半導体レーザ素子２に戻される。半導体レーザ素子２は、この反射したレーザ光の光帰還によって、ＦＢＧ３ａの反射中心波長に対応する波長でレーザ発振するため、そのレーザ発振波長が安定する。
【００２５】
ここで、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００では、複屈折光ファイバ３が、第１接続部Ｃ１において、遅相軸ＡＸ１が互いに４５度をなすように接続し、第２接続部Ｃ２において、遅相軸ＡＸ１が互いに９０度をなすように接続している。さらに、複屈折光ファイバ３の速相軸ＡＸ２と遅相軸ＡＸ１との屈折率差をΔｎ、レーザ発振波長をλとし、Ｎ１、Ｎ２を１以上の任意の整数とすると、部分３ｃの長さＬ１と、部分３ｄの長さＬ２とが、Ｌ１＝Ｎ１λ／（２Δｎ）かつＬ２＝Ｎ２λ／（４Δｎ）が成り立つように設定されている。これによって、半導体レーザモジュール１００は、広い強度範囲にわたってレーザ発振波長と経時的光出力強度とが安定化する。
【００２６】
以下、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００において広い強度範囲にわたってレーザ発振波長と経時的光出力強度とが安定化する作用を説明する。はじめに、複屈折光ファイバ３の遅相軸ＡＸ１に平行な直線偏波を有するレーザ光が、複屈折光ファイバ３を伝搬し、ＦＢＧ３ａにより反射する場合の反射率Ｒは、伝達行列法によって以下の式（１）で表すことができる。
【００２７】
【数１】
【００２８】
ここで、ＲFBG(λ)は、波長λにおけるＦＢＧ３ａの反射率である。なお、ＲFBG(λ)は、波長λを中心として、レーザ光の波長幅よりも広い反射帯域幅を有している。また、ｅｘｐ（)は自然対数のべき乗を表す記号である。また、ｎｘは、複屈折光ファイバ３の遅相軸ＡＸ１方向の屈折率である。また、波長λの単位は[ｎｍ]であり、長さＬ、Ｌ１、Ｌ２の単位は[ｍ]である。
【００２９】
式（１）に含まれる以下の式を式（２）、式（３）とする。
【数２】
【数３】
【００３０】
この半導体レーザモジュール１００においては、まず、複屈折光ファイバ３が、第１接続部Ｃ１において遅相軸ＡＸ１が互いに４５度をなすように接続している。これによって、遅相軸ＡＸ１と速相軸ＡＸ２との間の屈折率差によって伝搬するレーザ光に位相差が生じ、レーザ光のコヒーレンシが低下する。その結果、低強度で動作させた場合の半導体レーザ素子２は、マルチモード発振状態になりやすくなるため、シングルモード発振状態へのスイッチングが抑制される。また、高強度で動作させた場合には、半導体レーザ素子２のマルチモード発振状態がより安定する。このように、低強度および高強度の両方の動作において、より安定したマルチモード発振状態となるため、広い強度範囲にわたって経時的出力光強度が安定する。
【００３１】
しかしながら、この第１接続部Ｃ１のみがある場合は、反射率Ｒは、以下の式（４）となる。
【数４】
【００３２】
この場合、式（２）で表される光の干渉が生じるため、レーザ光の強度スペクトルのピークが分裂し、経時的出力光強度が安定するものの、レーザ発振波長は不安定となる。
【００３３】
そこで、この半導体レーザモジュール１００では、さらに、第２接続部Ｃ２において、遅相軸ＡＸ１が互いに９０度をなすように接続することによって、式（１）で表されるように、反射率Ｒにさらに式（３）が含まれるようにしている。
【００３４】
反射率Ｒが式（１）で表される場合、Ｎ１、Ｎ２を１以上の任意の整数として、Ｌ１＝Ｎ１λ／（２Δｎ）かつＬ２＝Ｎ２λ／（４Δｎ）が成り立つようにＬ１、Ｌ２を設定すると、式（１）において光の干渉を表す項である以下の式（５）が、絶対値が１の実数となるため、光の干渉の影響が無くなる。その結果、強度スペクトルのピークの分裂が防止され、レーザ発振波長が安定化する。
【数５】
【００３５】
なお、上記のように長さＬ１、Ｌ２を設定すると、たとえば複屈折光ファイバ３の製造ばらつきや環境温度の変化によって屈折率差Δｎが変動しても、Ｌ１とＬ２との比２Ｎ１／Ｎ２は常に一定に保たれる。したがって、屈折率差Δｎが変動しても式（５）の値に影響しないので、強度スペクトルのピークの分裂は抑制され、レーザ発振波長が安定化する。なお、Ｎ１＝Ｎ２とすれば、Ｌ１とＬ２との比は常に２であるため、長さの設定が容易である。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００は、広い強度範囲にわたってレーザ発振波長と経時的光出力強度とが安定化する。
【００３７】
つぎに、複屈折光ファイバ３の第１接続部Ｃ１における第１角度θ１の好ましい範囲について説明する。以下では、図１に示す半導体レーザモジュール１００において、複屈折光ファイバ３の接続部Ｃ２における第２角度θ２を０度に設定して実質的に第１接続部Ｃ１だけを設けた状態とし、第１角度θ１として０度から４５度の範囲で５度間隔で異なる角度に設定した半導体レーザモジュールを作製した。そして、これら半導体レーザモジュールにおいて、レーザ光の出力光強度と光強度変動との関係を測定する実験を行なった。
【００３８】
ここで、光強度変動は、以下の式（６）により定義する。
（光強度変動）［％］＝［(所定時間内での最大出力光強度)−（所定時間内での最小出力光強度)］/（所定時間内での平均出力光強度）×１００ ・・・ （６）
なお、本実験では、所定時間を６０秒に設定した。
【００３９】
図５は、異なる角度θ１に対する、出力光強度と光強度変動との関係を示す図である。図５に示すように、角度θ１が０度の場合、出力光強度を２０ｍＷとすると光強度変動は１％以下であったが、出力光強度を１１ｍＷとすると図中実線で示す約１７％に急激に増加し、出力光強度を低下するについて増加し続けた。
【００４０】
これに対して、角度θ１を２０度とすると、光強度変動が約１７％となる出力光強度が約９．５ｍＷに減少し、さらに角度θ１を４５度にした場合に、光強度変動が約１７％以上となる出力光強度が約６ｍＷに急激に減少し、広い強度範囲にわたって経時的出力光強度が安定することが確認された。このように、第１角度θ１は、２０度以上であることが好ましく、３０度以上４５度以下であることが特に好ましい。
【００４１】
また、複屈折光ファイバ３の第２接続部Ｃ２における第２角度θ２については、９０度が最適であるが、９０度から所定誤差αの範囲、すなわち、９０±α度の範囲であれば、強度スペクトルのピークの分裂を抑制する効果を奏する。所定誤差αは、たとえば製造誤差を勘案して５度〜１０度である。
【００４２】
つぎに、シミュレーション計算結果を用いて本発明の効果について説明する。まず、本発明の実施例として、上記の実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００の光出力強度を伝達行列法によるシミュレーション計算した。なお、第１接続部Ｃ１における角度θ１を４５度、第２接続部Ｃ２における角度θ２を９０度として、レーザ発振波長λを９８０ｎｍ、複屈折光ファイバ３の部分３ｂ、３ｃ、３ｄの各長さＬ０、Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ０．２ｍ、０．４ｍ、０．２ｍとした。また、複屈折光ファイバ３の遅相軸ＡＸ１方向の屈折率ｎｘは１．４５、屈折率差Δｎは３×１０−４とした。また、比較例として、第２接続部Ｃ２における角度θ２を０度に設定して実質的に第１接続部Ｃ１のみとした以外は、実施例と同様に各パラメータを設定して、光出力強度をシミュレーション計算した。
【００４３】
図６は、比較例に係る半導体レーザモジュールの出力光強度スペクトルを示す図である。図７は、実施例に係る半導体レーザモジュールの出力光強度スペクトルを示す図である。図６、７に示すように、比較例に係る半導体レーザモジュールの場合は、出力光強度スペクトルのピークが分裂しているが、実施例に係る半導体レーザモジュールの場合は、ピークの分裂がない好ましい形状の出力光強度スペクトルが得られた。
【００４４】
つぎに、長さＬ０、Ｌ１、Ｌ２の設定例について説明する。以下の設定例では、第１接続部Ｃ１を設けることによって長さＬ１の部分３ｃにおいて発生する光の干渉のモード間隔を、ＦＢＧ３ａの反射帯域以下に狭くすることによって、レーザ発振波長をより安定化することができる。
【００４５】
まず、部分３ｃにおいて発生する光干渉のモード間隔をΔλL1とすると、ΔλL1は、以下の式（７）で表される。
【数６】
【００４６】
したがって、ＦＢＧ３ａの反射帯域をΔλFBGとすると、ΔλL1≧ΔλFBGが成り立つように、すなわち以下の式（８）が成り立つようにすれば、レーザ発振波長をより安定化することができる。
【数７】
【００４７】
また、上記の式（２）から、外部共振器を構成するＦＢＧ３ａの存在により発生する縦モード間隔の狭い成分であるｅｘｐ（４ｎｘπＬ／λ)の縦モード間隔（ΔλLとする）は、半導体レーザ素子２の端面が構成する光共振器により発生する縦モード間隔（ΔλLDとする）以下に狭くすることが必要となる。
【００４８】
ここで、ΔλLは、以下の式（９）で表される。
【数８】
【００４９】
したがって、ΔλLD≧ΔλLが成り立つように、すなわち以下の式（１０）が成り立つようにする。
【数９】
【００５０】
したがって、上記式（８）とたとえばＬ１／Ｌ２＝２の関係を用いて長さＬ１、Ｌ２を決定することができる。また、式（１０）を用いて長さＬ０を決定することができる。
【００５１】
たとえば、ΔλFBG＝１ｎｍ、ｎｘ＝１．４５、Δｎ＝３×１０−４、ΔλLD＝０．００５ｎｍとすると、Ｌ１＝０．４ｍ、Ｌ２＝０．２ｍとできる。また、Ｌ０≧０．００６ｍとできる。なお、Ｌ０＝０．００６ｍ、すなわちＬ０が６ｍｍ以上であれば、第１接続部Ｃ１を筐体１の内部に収容することができる。
【００５２】
なお、上記実施の形態では、複屈折光ファイバとしてＰＡＮＤＡ型のものを用いているが、楕円コア型等の他の複屈折光ファイバを用いてもよい。また、反射部としてＦＢＧを用いているが、反射フィルタや光ファイバの端面によって反射部を実現してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１ 筐体
２ 半導体レーザ素子
３ 複屈折光ファイバ
３ａ ＦＢＧ
３ｂ、３ｃ、３ｄ 部分
４ 光ファイバ
４ａ 光コネクタ
３１ コア部
３２ クラッド部
３３ 応力付与部
１００ 半導体レーザモジュール
ＡＸ１ 遅相軸
ＡＸ２ 速相軸
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 接続部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば光ファイバ増幅器用の励起光源として用いられている半導体レーザモジュールは、光出力用の光ファイバの途中に、外部共振器を構成するため光反射部を備えている。このような半導体レーザモジュールは、光反射部によってレーザ光の一部を半導体レーザ素子に光帰還させることによって、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の波長を安定させている。なお、光反射部としては、たとえばファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating:ＦＢＧ）が用いられる。
【０００３】
特許文献１に開示される半導体レーザモジュールは、光出力用の光ファイバとして複屈折光ファイバを用い、半導体レーザ素子と光反射部であるＦＢＧとの間に、複屈折光ファイバの対向する複屈折軸が互いに角度をなすように接続した接続部を有している。この半導体レーザモジュールは、このような接続部を有することによって、高いモード抑圧比であり、かつ光強度が安定したレーザ発振を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１５４０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年の光通信システムの高機能化に伴い、光ファイバ増幅器に対して、その出力光強度を低強度から高強度まで広範囲に制御できることが要求されてきている。これに伴って、励起光源として用いられている半導体レーザモジュールにも、従来の高強度（数百ｍＷ）での動作だけでなく、低強度（数十ｍＷ）までの広範囲にわたる動作が必要とされてきている。したがって、広い強度範囲にわたって、レーザ発振波長が安定しているとともに、出力光強度が安定していることが要求されてきている。
【０００６】
しかしながら、半導体レーザモジュールを低強度で動作させた場合は、半導体レーザ素子のレーザ発振状態が、シングルモード発振状態とマルチモード発振状態とで時間的にランダムにスイッチングをおこすため、経時的な出力光強度が不安定になるという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広い強度範囲にわたってレーザ発振波長と出力光強度とが経時的に安定した半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子に光学的に接続し、前記半導体レーザ素子が出力するレーザ光の一部を該半導体レーザ素子に向けて反射する光反射部を有する複屈折光ファイバと、を備え、前記複屈折光ファイバは、前記半導体レーザ素子と前記光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに２０度以上４５度以下である第１角度をなすように接続した第１接続部と、前記第１接続部と前記光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに９０度から所定誤差の範囲である第２角度をなすように接続した第２接続部とを有し、複屈折軸間の屈折率差をΔｎ、レーザ発振波長をλ、前記第１接続部から前記第２接続部までの長さをＬ１、前記第２接続部から前記光反射部までの長さをＬ２、Ｎ１、Ｎ２を１以上の任意の整数とすると、Ｌ１＝Ｎ１λ／（２Δｎ）かつＬ２＝Ｎ２λ／（４Δｎ）が成り立つことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記第１角度が４５度であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記第２角度が９０度であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記の発明において、前記光反射部は、ファイバブラッググレーティングであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、広い強度範囲にわたってレーザ発振波長と出力光強度とが経時的に安定した半導体レーザモジュールを実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、実施の形態に係る半導体レーザモジュールの模式的な構成図である。
【図２】図２は、図１に示す複屈折光ファイバの模式的な断面図である。
【図３】図３は、図１に示す第１接続部における対向する複屈折光ファイバの接続面を示す図である。
【図４】図４は、図１に示す第２接続部における対向する複屈折光ファイバの接続面を示す図である。
【図５】図５は、異なる角度θ１に対する、出力光強度と光強度変動との関係を示す図である。
【図６】図６は、比較例に係る半導体レーザモジュールの出力光強度スペクトルを示す図である。
【図７】図７は、実施例に係る半導体レーザモジュールの出力光強度スペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザモジュールの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１５】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体レーザモジュールの模式的な構成図である。図１に示すように、この半導体レーザモジュール１００は、筐体１に収容された半導体レーザ素子２と、筐体１に挿入され、半導体レーザ素子２と光学的に接続した光出力用の複屈折光ファイバ３と、複屈折光ファイバ３に接続部Ｃ３において接続し、先端に光コネクタ４ａが取り付けられた光ファイバ４と、を備えている。
【００１６】
半導体レーザ素子２は、たとえば９８０ｎｍ帯、または１４８０ｎｍ帯の波長においてレーザ発振する公知の半導体レーザ素子である。
【００１７】
複屈折光ファイバ３は、光反射部であるＦＢＧ３ａを有している。ＦＢＧ３ａは、反射中心波長が、レーザ発振をさせたい波長に設定されたものである。また、複屈折光ファイバ３は、半導体レーザ素子２とＦＢＧ３ａとの間に設けられた第１接続部Ｃ１と、第１接続部Ｃ１とＦＢＧ３ａとの間に設けられた第２接続部Ｃ２とを有している。また、複屈折光ファイバ３の半導体レーザ素子２に対向する端部はレンズ加工されている。なお、レンズ加工をせずに、またはレンズ加工とともに、複屈折光ファイバ３と半導体レーザ素子２との間に光結合のための光学系を設けてもよい。
【００１８】
ここで、複屈折光ファイバ３の、半導体レーザ素子２に対向する端部から第１接続部Ｃ１までの部分３ｂの長さをＬ０とする。第１接続部Ｃ１から第２接続部Ｃ２までの部分３ｃの長さをＬ１とする。第２接続部Ｃ２からＦＢＧ３ａまでの部分３ｄの長さをＬ２とする。なお、長さＬ２は、ＦＢＧ３ａの長さ方向中央部の位置までの長さとする。また、半導体レーザ素子２に対向する端部からＦＢＧ３ａまでの長さをＬとすると、Ｌ＝Ｌ０＋Ｌ１＋Ｌ２である。
【００１９】
つぎに、複屈折光ファイバ３の断面構造について説明する。図２は、図１に示す複屈折光ファイバ３の模式的な断面図である。図２に示すように、複屈折光ファイバ３は、いわゆるＰＡＮＤＡ型の光ファイバであって、コア部３１と、コア部３１の周囲に形成されたクラッド部３２と、クラッド部３２内のコア部３１を挟む位置に形成された２つの応力付与部３３を有している。この複屈折光ファイバ３は、応力付与部３３の存在によって複屈折性が発生し、互いに直交する複屈折軸である遅相軸ＡＸ１、速相軸ＡＸ２が形成されている。
【００２０】
つぎに、複屈折光ファイバ３の接続部における接続状態について説明する。図１に示す第１接続部Ｃ１における対向する複屈折光ファイバ３の接続面、すなわち部分３ｂ、３ｃの接続面を示す図である。図４は、図１に示す第２接続部Ｃ２における対向する複屈折光ファイバ３の接続面、すなわち部分３ｃ、３ｄの接続面を示す図である。なお、図３、４においては、部分３ｂの遅相軸ＡＸ１がＸ軸、速相軸ＡＸ２がＹ軸になるようにＸＹ軸を定義している。
【００２１】
図３に示すように、第１接続部Ｃ１では、対向する部分３ｂ、３ｃの遅相軸ＡＸ１が、互いに第１角度であるθ１をなすように接続している。ここで、本実施の形態では、θ１は４５度であるとする。また、図４に示すように、第２接続部Ｃ２では、対向する部分３ｃ、３ｄの遅相軸ＡＸ１が、互いに第２角度であるθ２をなすように接続している。ここで、本実施の形態では、θ２は９０度であるとする。したがって、部分３ｂと部分３ｄの遅相軸ＡＸ１は、互いに（θ１＋θ２）をなすこととなる。
【００２２】
つぎに、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００の動作について説明する。はじめに、半導体レーザ素子２から略直線偏波のレーザ光を出力する。複屈折光ファイバ３は、レンズ加工された部分３ｂの端部においてレーザ光を受光し、伝搬させる。なお、このとき、複屈折光ファイバ３は、部分３ｂの遅相軸ＡＸ１が、入力されるレーザ光の直線偏波の向きと一致するように軸周りの回転角度が調整されているので、レーザ光は部分３ｂを直線偏波状態で伝搬する。
【００２３】
つぎに、複屈折光ファイバ３の部分３ｃ、３ｄは、部分３ｂを伝搬したレーザ光をさらに伝搬させる。上述したように、部分３ｃ、３ｄは、その遅相軸ＡＸ１が、部分３ｂの遅相軸ＡＸ１に対して角度をなして接続されているため、レーザ光は、接続部Ｃ１、Ｃ２において、偏波状態が変更されて、部分３ｃ、３ｄを伝搬する。
【００２４】
つぎに、ＦＢＧ３ａは、部分３ｃ、３ｄを伝搬したレーザ光の一部を半導体レーザ素子２に向けて反射する。反射したレーザ光は、複屈折光ファイバ３を介して半導体レーザ素子２に戻される。半導体レーザ素子２は、この反射したレーザ光の光帰還によって、ＦＢＧ３ａの反射中心波長に対応する波長でレーザ発振するため、そのレーザ発振波長が安定する。
【００２５】
ここで、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００では、複屈折光ファイバ３が、第１接続部Ｃ１において、遅相軸ＡＸ１が互いに４５度をなすように接続し、第２接続部Ｃ２において、遅相軸ＡＸ１が互いに９０度をなすように接続している。さらに、複屈折光ファイバ３の速相軸ＡＸ２と遅相軸ＡＸ１との屈折率差をΔｎ、レーザ発振波長をλとし、Ｎ１、Ｎ２を１以上の任意の整数とすると、部分３ｃの長さＬ１と、部分３ｄの長さＬ２とが、Ｌ１＝Ｎ１λ／（２Δｎ）かつＬ２＝Ｎ２λ／（４Δｎ）が成り立つように設定されている。これによって、半導体レーザモジュール１００は、広い強度範囲にわたってレーザ発振波長と経時的光出力強度とが安定化する。
【００２６】
以下、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００において広い強度範囲にわたってレーザ発振波長と経時的光出力強度とが安定化する作用を説明する。はじめに、複屈折光ファイバ３の遅相軸ＡＸ１に平行な直線偏波を有するレーザ光が、複屈折光ファイバ３を伝搬し、ＦＢＧ３ａにより反射する場合の反射率Ｒは、伝達行列法によって以下の式（１）で表すことができる。
【００２７】
【数１】
【００２８】
ここで、ＲFBG(λ)は、波長λにおけるＦＢＧ３ａの反射率である。なお、ＲFBG(λ)は、波長λを中心として、レーザ光の波長幅よりも広い反射帯域幅を有している。また、ｅｘｐ（)は自然対数のべき乗を表す記号である。また、ｎｘは、複屈折光ファイバ３の遅相軸ＡＸ１方向の屈折率である。また、波長λの単位は[ｎｍ]であり、長さＬ、Ｌ１、Ｌ２の単位は[ｍ]である。
【００２９】
式（１）に含まれる以下の式を式（２）、式（３）とする。
【数２】
【数３】
【００３０】
この半導体レーザモジュール１００においては、まず、複屈折光ファイバ３が、第１接続部Ｃ１において遅相軸ＡＸ１が互いに４５度をなすように接続している。これによって、遅相軸ＡＸ１と速相軸ＡＸ２との間の屈折率差によって伝搬するレーザ光に位相差が生じ、レーザ光のコヒーレンシが低下する。その結果、低強度で動作させた場合の半導体レーザ素子２は、マルチモード発振状態になりやすくなるため、シングルモード発振状態へのスイッチングが抑制される。また、高強度で動作させた場合には、半導体レーザ素子２のマルチモード発振状態がより安定する。このように、低強度および高強度の両方の動作において、より安定したマルチモード発振状態となるため、広い強度範囲にわたって経時的出力光強度が安定する。
【００３１】
しかしながら、この第１接続部Ｃ１のみがある場合は、反射率Ｒは、以下の式（４）となる。
【数４】
【００３２】
この場合、式（２）で表される光の干渉が生じるため、レーザ光の強度スペクトルのピークが分裂し、経時的出力光強度が安定するものの、レーザ発振波長は不安定となる。
【００３３】
そこで、この半導体レーザモジュール１００では、さらに、第２接続部Ｃ２において、遅相軸ＡＸ１が互いに９０度をなすように接続することによって、式（１）で表されるように、反射率Ｒにさらに式（３）が含まれるようにしている。
【００３４】
反射率Ｒが式（１）で表される場合、Ｎ１、Ｎ２を１以上の任意の整数として、Ｌ１＝Ｎ１λ／（２Δｎ）かつＬ２＝Ｎ２λ／（４Δｎ）が成り立つようにＬ１、Ｌ２を設定すると、式（１）において光の干渉を表す項である以下の式（５）が、絶対値が１の実数となるため、光の干渉の影響が無くなる。その結果、強度スペクトルのピークの分裂が防止され、レーザ発振波長が安定化する。
【数５】
【００３５】
なお、上記のように長さＬ１、Ｌ２を設定すると、たとえば複屈折光ファイバ３の製造ばらつきや環境温度の変化によって屈折率差Δｎが変動しても、Ｌ１とＬ２との比２Ｎ１／Ｎ２は常に一定に保たれる。したがって、屈折率差Δｎが変動しても式（５）の値に影響しないので、強度スペクトルのピークの分裂は抑制され、レーザ発振波長が安定化する。なお、Ｎ１＝Ｎ２とすれば、Ｌ１とＬ２との比は常に２であるため、長さの設定が容易である。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００は、広い強度範囲にわたってレーザ発振波長と経時的光出力強度とが安定化する。
【００３７】
つぎに、複屈折光ファイバ３の第１接続部Ｃ１における第１角度θ１の好ましい範囲について説明する。以下では、図１に示す半導体レーザモジュール１００において、複屈折光ファイバ３の接続部Ｃ２における第２角度θ２を０度に設定して実質的に第１接続部Ｃ１だけを設けた状態とし、第１角度θ１として０度から４５度の範囲で５度間隔で異なる角度に設定した半導体レーザモジュールを作製した。そして、これら半導体レーザモジュールにおいて、レーザ光の出力光強度と光強度変動との関係を測定する実験を行なった。
【００３８】
ここで、光強度変動は、以下の式（６）により定義する。
（光強度変動）［％］＝［(所定時間内での最大出力光強度)−（所定時間内での最小出力光強度)］/（所定時間内での平均出力光強度）×１００ ・・・ （６）
なお、本実験では、所定時間を６０秒に設定した。
【００３９】
図５は、異なる角度θ１に対する、出力光強度と光強度変動との関係を示す図である。図５に示すように、角度θ１が０度の場合、出力光強度を２０ｍＷとすると光強度変動は１％以下であったが、出力光強度を１１ｍＷとすると図中実線で示す約１７％に急激に増加し、出力光強度を低下するについて増加し続けた。
【００４０】
これに対して、角度θ１を２０度とすると、光強度変動が約１７％となる出力光強度が約９．５ｍＷに減少し、さらに角度θ１を４５度にした場合に、光強度変動が約１７％以上となる出力光強度が約６ｍＷに急激に減少し、広い強度範囲にわたって経時的出力光強度が安定することが確認された。このように、第１角度θ１は、２０度以上であることが好ましく、３０度以上４５度以下であることが特に好ましい。
【００４１】
また、複屈折光ファイバ３の第２接続部Ｃ２における第２角度θ２については、９０度が最適であるが、９０度から所定誤差αの範囲、すなわち、９０±α度の範囲であれば、強度スペクトルのピークの分裂を抑制する効果を奏する。所定誤差αは、たとえば製造誤差を勘案して５度〜１０度である。
【００４２】
つぎに、シミュレーション計算結果を用いて本発明の効果について説明する。まず、本発明の実施例として、上記の実施の形態に係る半導体レーザモジュール１００の光出力強度を伝達行列法によるシミュレーション計算した。なお、第１接続部Ｃ１における角度θ１を４５度、第２接続部Ｃ２における角度θ２を９０度として、レーザ発振波長λを９８０ｎｍ、複屈折光ファイバ３の部分３ｂ、３ｃ、３ｄの各長さＬ０、Ｌ１、Ｌ２をそれぞれ０．２ｍ、０．４ｍ、０．２ｍとした。また、複屈折光ファイバ３の遅相軸ＡＸ１方向の屈折率ｎｘは１．４５、屈折率差Δｎは３×１０−４とした。また、比較例として、第２接続部Ｃ２における角度θ２を０度に設定して実質的に第１接続部Ｃ１のみとした以外は、実施例と同様に各パラメータを設定して、光出力強度をシミュレーション計算した。
【００４３】
図６は、比較例に係る半導体レーザモジュールの出力光強度スペクトルを示す図である。図７は、実施例に係る半導体レーザモジュールの出力光強度スペクトルを示す図である。図６、７に示すように、比較例に係る半導体レーザモジュールの場合は、出力光強度スペクトルのピークが分裂しているが、実施例に係る半導体レーザモジュールの場合は、ピークの分裂がない好ましい形状の出力光強度スペクトルが得られた。
【００４４】
つぎに、長さＬ０、Ｌ１、Ｌ２の設定例について説明する。以下の設定例では、第１接続部Ｃ１を設けることによって長さＬ１の部分３ｃにおいて発生する光の干渉のモード間隔を、ＦＢＧ３ａの反射帯域以下に狭くすることによって、レーザ発振波長をより安定化することができる。
【００４５】
まず、部分３ｃにおいて発生する光干渉のモード間隔をΔλL1とすると、ΔλL1は、以下の式（７）で表される。
【数６】
【００４６】
したがって、ＦＢＧ３ａの反射帯域をΔλFBGとすると、ΔλL1≧ΔλFBGが成り立つように、すなわち以下の式（８）が成り立つようにすれば、レーザ発振波長をより安定化することができる。
【数７】
【００４７】
また、上記の式（２）から、外部共振器を構成するＦＢＧ３ａの存在により発生する縦モード間隔の狭い成分であるｅｘｐ（４ｎｘπＬ／λ)の縦モード間隔（ΔλLとする）は、半導体レーザ素子２の端面が構成する光共振器により発生する縦モード間隔（ΔλLDとする）以下に狭くすることが必要となる。
【００４８】
ここで、ΔλLは、以下の式（９）で表される。
【数８】
【００４９】
したがって、ΔλLD≧ΔλLが成り立つように、すなわち以下の式（１０）が成り立つようにする。
【数９】
【００５０】
したがって、上記式（８）とたとえばＬ１／Ｌ２＝２の関係を用いて長さＬ１、Ｌ２を決定することができる。また、式（１０）を用いて長さＬ０を決定することができる。
【００５１】
たとえば、ΔλFBG＝１ｎｍ、ｎｘ＝１．４５、Δｎ＝３×１０−４、ΔλLD＝０．００５ｎｍとすると、Ｌ１＝０．４ｍ、Ｌ２＝０．２ｍとできる。また、Ｌ０≧０．００６ｍとできる。なお、Ｌ０＝０．００６ｍ、すなわちＬ０が６ｍｍ以上であれば、第１接続部Ｃ１を筐体１の内部に収容することができる。
【００５２】
なお、上記実施の形態では、複屈折光ファイバとしてＰＡＮＤＡ型のものを用いているが、楕円コア型等の他の複屈折光ファイバを用いてもよい。また、反射部としてＦＢＧを用いているが、反射フィルタや光ファイバの端面によって反射部を実現してもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１ 筐体
２ 半導体レーザ素子
３ 複屈折光ファイバ
３ａ ＦＢＧ
３ｂ、３ｃ、３ｄ 部分
４ 光ファイバ
４ａ 光コネクタ
３１ コア部
３２ クラッド部
３３ 応力付与部
１００ 半導体レーザモジュール
ＡＸ１ 遅相軸
ＡＸ２ 速相軸
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 接続部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子に光学的に接続し、前記半導体レーザ素子が出力するレーザ光の一部を該半導体レーザ素子に向けて反射する光反射部を有する複屈折光ファイバと、
を備え、前記複屈折光ファイバは、前記半導体レーザ素子と前記光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに２０度以上４５度以下である第１角度をなすように接続した第１接続部と、前記第１接続部と前記光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに９０度から所定誤差の範囲である第２角度をなすように接続した第２接続部とを有し、複屈折軸間の屈折率差をΔｎ、レーザ発振波長をλ、前記第１接続部から前記第２接続部までの長さをＬ１、前記第２接続部から前記光反射部までの長さをＬ２、Ｎ１、Ｎ２を１以上の任意の整数とすると、Ｌ１＝Ｎ１λ／（２Δｎ）かつＬ２＝Ｎ２λ／（４Δｎ）が成り立つことを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記第１角度が４５度であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記第２角度が９０度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モジュール。
【請求項４】
前記光反射部は、ファイバブラッググレーティング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モジュール。
【請求項１】
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子に光学的に接続し、前記半導体レーザ素子が出力するレーザ光の一部を該半導体レーザ素子に向けて反射する光反射部を有する複屈折光ファイバと、
を備え、前記複屈折光ファイバは、前記半導体レーザ素子と前記光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに２０度以上４５度以下である第１角度をなすように接続した第１接続部と、前記第１接続部と前記光反射部との間に設けられ、対向する接続面における複屈折軸が互いに９０度から所定誤差の範囲である第２角度をなすように接続した第２接続部とを有し、複屈折軸間の屈折率差をΔｎ、レーザ発振波長をλ、前記第１接続部から前記第２接続部までの長さをＬ１、前記第２接続部から前記光反射部までの長さをＬ２、Ｎ１、Ｎ２を１以上の任意の整数とすると、Ｌ１＝Ｎ１λ／（２Δｎ）かつＬ２＝Ｎ２λ／（４Δｎ）が成り立つことを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２】
前記第１角度が４５度であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項３】
前記第２角度が９０度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モジュール。
【請求項４】
前記光反射部は、ファイバブラッググレーティング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モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−２３２００（Ｐ２０１２−２３２００Ａ）
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５９８１６（Ｐ２０１０−１５９８１６）
【出願日】平成２２年７月１４日（２０１０．７．１４）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月２日（２０１２．２．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１４日（２０１０．７．１４）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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