高線形出力のレーザシステム
傾斜歪像ファイバレンズ（２８）を利用することにより光ファイバ（１４）に光学的に結合された半導体利得素子（１２）を有し、波長選択式前面反射器（２６）を含む、レーザ装置。そのレーザ装置は、出力特性が向上しており、例えば、増幅部が高利得量を生成する際でも、レーザ発光が高い線形性で出力される。そのようなレーザ源は、ファイバ増幅器又は周波数２倍システム用の励起レーザ等の、様々な用途にも利用することができる。半導体利得素子（１２）は、内部共振器端面（１８）を備えた曲がった導波路と実質的に平行な傾斜ファイバレンズ先端（３０）とを有し、外部共振器ＬＤの波長及び強度の不安定性を防止する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１０年１月８日に出願され、本明細書に参照としてそのまま組み込まれている、米国暫定特許出願第６１／２９３，２３６号の便宜を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に、レーザ、特に、光エレクトロニクスに通常利用される種類の半導体レーザ装置の安定性に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体レーザダイオードは、特に、そのようなレーザダイオードを利用して、光手段により光信号を即座に増幅することができるので、光通信技術で重要な部品になっている。これにより、全光ファイバ通信システムの設計が可能になり、伝送されるべき信号の複雑な変換が回避される。その信号変換の回避により、そのような通信システム内の速度並びに信頼性が向上する。
【０００４】
１つの種類の光ファイバ通信システムでは、レーザを利用して、エルビウム添加ファイバ増幅器、所謂、レーザ分野の当業者に周知の様々な特許及び公報に記載されているＥＤＦＡを励起する。技術的にある程度重要な１つの実例は、波長が９８０ｎｍのエルビウム吸収線に整合し、それにより増幅が低雑音で得られる、出力が１００ｍＷ以上のレーザである。
【０００５】
図１には、レーザ装置１の従来の設計が示されている。ここでは、半導体レーザ１１は、導波路２０、後端面１６、及び前端面１８を含む。半導体レーザ１１は、光ファイバ１４と結合され、部分的に反射する波長選択式反射器２６を通じて、光を光増幅器（図示されず）に効率的に誘導する。光ファイバ１４は、ファイバレンズ２２とそのレンズ先端２４とを含む。導波路２０からの光は、ファイバレンズ２２上にレンズ先端２４で入射される。光ファイバ１４は、僅かな割合の帰還を作り出し、レーザ装置１を、波長選択式反射器２６の前述の波長に固定する。そのような設計の記述は、例えば、米国特許第７，０９９，３６１号、米国特許出願公報第２００８／０１２３７０３号に見出され得る。この設計により、ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）として構成される波長選択式反射器２６で安定させることにより、温度による波長移動の感受性が低くなり、通常、半導体レーザ１１（ＤＢＲ又はＤＦＢ）内の回折格子では達成することができない、約７ｐｍ／°Ｋになるような、動作温度安定素子を必要としないレーザが提供される。
【０００６】
レーザ前端面１８の残留反射とファイバレンズ２２の残留反射との間の強め合う干渉及び弱め合う干渉の影響は、以前、図１に示されるレーザ装置１について調査されたが、「高出力励起用レーザのスペクトル能への近位端残留反射の影響」（ＩＥＥＥ量子エレクトロニクス会誌、２００４年４月、第４０巻、第４号、３５４〜３６３頁）では、波長選択式反射器２６がなかった。その研究で明らかにされたのは、ＡＲコーティングが１％未満である標準レンズとレーザ端面の両方についても、それらの組み合わせ反射からの有効レーザ前面反射率が、異なる動作条件で変化する、つまり、温度とレーザ電流で変化することである。その結果、レーザスペクトルの非連続性が観測され得る。共振器長の短い、即ち、往復利得が小さく干渉性が少ない、その研究時点での従来技術のレーザでは、ＦＢＧによる波長安定性が付与された場合、これらの効果は無視できるものであった。
【０００７】
しかし、本発明者によりわかっていることは、共振器がより長い（例えば、３ｍｍを超える）半導体レーザ１１を有し、利得量を高くする、図１に示されるような従来のレーザ装置１は、光経路内のいずれかの反射器の残留反射及び／又は帰還からの影響、並びに、多重反射器間に形成される追加のファブリ・ペロー（ＦＰ）共振器の影響をより受けやすいことである。図６Ａに示されるように、そのような影響は、光出力対電流特性に於いて、望まれないリップル量を高くし得る。大きな影響があり得るのは、利得量を高くする、ＡＲ被膜レンズ先端２４又はＡＲ被膜前端面１８から半導体レーザ１１内への少量の後方反射である。レーザ出力は、光結合の僅かな変化にも極めて鋭敏になり得る。
【０００８】
前端面の面に対して、例えば２°より大きな傾き角で曲がった導波路は、導波路への後方反射を抑止できることが知られている。そのような配置により、前端面１８から反射された放射線は、活性導波路２０自体に結合しないので、前端面１８からの光帰還（即ち、後方反射）が低減される。従って、他の従来の設計では、半導体レーザ１１ではなく、前端面からの帰還がない半導体利得素子１２が有効に形成された、曲がった導波路２０が組み込まれる。図２に示される従来のレーザ装置５では、レーザ共振器は、この場合、波長選択式反射器２６である追加の帰還素子を光経路内に与えることによってのみ設定される。ここでは、半導体利得素子１２は、従来のファイバレンズ２２を有する光ファイバ１４と結合される。従来のファイバレンズ２２は、光ファイバ１４の長手軸に直交するレンズ先端２４を含む。ファイバレンズは、半導体利得素子２２から発される光放射がレンズ先端２４に直交するように（即ち、半導体利得素子２２からの光放射の伝搬方向に）配置される。
【０００９】
図２のレーザ装置５は、図１のレーザ装置１をある程度向上させ（図６Ｂを参照すること）、以前、適用され、半導体利得素子の利得を低くするのに、ある程度成功している（例えば、「全光ＷＤＭアクセスネットワークに利用される波長安定非冷却ファイバ回折格子半導体レーザ」ＩＥＥＥ電子レター、１９９６年１月１８日、第３２巻、第２号、１１９〜１２０頁）。しかしながら、出力対電流特性に於けるリップルを完全に抑止することはできない。即ち、図２の後端面１６と前端面１８との間に形成されるＦＰ共振器は、曲がった導波路２０を利用することにより無用になり、ファイバレンズ２２と前端面１６との間に現れる追加の共振器は、発される光放射とファイバレンズの両方を傾けることにより十分に抑制されるが、後端面１６とファイバレンズ２２との間に形成されるＦＰ共振器は、そのままであり、それは、ＡＲ被膜がファイバレンズ先端２４上に付与される場合でも、出力対電流特性に於ける望まれないリップルの一原因である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、レーザ共振器内の帰還源を取り除くことにより、出力特性が向上したレーザ装置を提供する。線形性の高いレーザ発光出力が得られることにより、光ファイバからの高出力でのレーザ発振操作が可能になる。レーザ装置は、利得リップルの影響を実質的に抑止する一方で、波長選択式反射器を用いて、波長安定性が得られる。加えて、ファイバレンズの構成により、半導体利得素子のすぐ近くに、ファイバレンズの位置を定めることができ、一方では、ファイバが半導体端面に接触するという潜在的な危険が克服される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様によれば、レーザ装置は、利得素子を含み、且つ、半導体導波路の後端面及び前端面により範囲が定められる、半導体導波路と、光ファイバと半導体導波路の前端面との間の放射を結合させるファイバレンズを備えた光ファイバ導波路と、後端面と波長選択式反射器との間にレーザ共振器を形成するように光ファイバ内に配置され、且つ、半導体導波路の前端面の面とレーザモードの伝搬方向に直交しないように配置されるファイバレンズの面の両方を有する、波長選択式反射器とを含む。
【００１２】
一実施形態によれば、半導体導波路は、湾曲部分を含み、前端面の法線に対してある角度で、後端面の法線に平行に、光放射を誘導するように設定される。
【００１３】
別の実施形態によれば、ファイバレンズは、光放射の双方向伝搬を可能にするモード整合素子として設定される。
【００１４】
別の実施形態によれば、ファイバレンズは、前端面の面とレンズ先端の面との間の角度（ω）が、以下の関係式により定められるように設定され、
ω＝ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（α）×ｎ１／ｎ２］−φ、
式中、ｎ１及びｎ２は、それぞれ、光ファイバ及び周辺媒体の屈折率であり、φは、前端面の面での光放射の屈折角であり、αは、レンズ先端の面での光放射の屈折角である。
【００１５】
別の実施形態によれば、φの範囲は、約４．５°〜約６０°である。別の実施形態によれば、αの範囲は、約２°〜約３５°である。別の実施形態によれば、ωの範囲は、約−３０°〜約３０°である。別の実施形態によれば、レンズは、レンズ先端から反射される光放射の一部が、角度γ＝φ＋２ωで反射されるように設定され、式中、γは、約２°よりも大きい。
【００１６】
別の実施形態によれば、レンズ先端の面は、光入射面内の前端面の面に平行である。別の実施形態によれば、前記利得素子の前端面での光放射の屈折角の範囲は、約４．５°〜約２０°である。別の実施形態によれば、レンズの面を通過する光放射の屈折角の範囲は、約３°〜約１３．３°である。
【００１７】
別の実施形態によれば、前端面は、反射防止膜を含む。
【００１８】
別の実施形態によれば、ファイバレンズは、反射防止膜を含む。
【００１９】
別の実施形態によれば、波長選択式反射器は、レーザ装置をある波長に固定する。
【００２０】
別の実施形態によれば、波長選択式反射器の帯域幅は、約１０ｐｍ〜約５ｎｍである。
【００２１】
別の実施形態によれば、波長選択式反射器の反射率は、約０．５％〜約２０％である。
【００２２】
別の実施形態によれば、導波路の非直交部分は、前端面の面の法線に対して約１．５°〜約１５°の角度に配置される。
【００２３】
別の実施形態によれば、光ファイバは、エルビウム添加ファイバ増幅器とラマン増幅器のうちの少なくとも１つに結合される。
【００２４】
上記のこと及び本発明の他の特性は、本明細書の後で、付属の図面を参照しながら、より詳しく記載される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来のレーザ装置の上面概略図である。
【図２】従来のレーザ装置の上面概略図である。
【図３】本発明による模範的レーザ装置の上面概略図である。
【図４】本発明による模範的レーザ装置の光結合を示す上面概略図である。
【図５Ａ】本発明による模範的レーザ装置の３次元斜視図である。
【図５Ｂ】本発明による模範的レーザ装置の３次元斜視図である。
【図６Ａ】本発明による模範的レーザ装置への最適出力対電流特性の影響（６Ｃ）を、図１及び図２の従来のレーザ装置への最適ではない影響（それぞれ、６Ａ及び６Ｂ）と比較しながら示すグラフである。
【図６Ｂ】本発明による模範的レーザ装置への最適出力対電流特性の影響（６Ｃ）を、図１及び図２の従来のレーザ装置への最適ではない影響（それぞれ、６Ａ及び６Ｂ）と比較しながら示すグラフである。
【図６Ｃ】本発明による模範的レーザ装置への最適出力対電流特性の影響（６Ｃ）を、図１及び図２の従来のレーザ装置への最適ではない影響（それぞれ、６Ａ及び６Ｂ）と比較しながら示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下の記述では、同じ部品には、異なる実施形態で示されていても、同じ参照番号が与えられている。本発明の実施形態を明確に且つ正確に示すためには、図面は、必ずしも縮尺合わせしなくてもよく、幾つかの特徴は、ある程度、概略の形態で示され得る。一実施形態に対して記述される及び／又は図示される特徴は、１つ以上の他の実施形態に於いて同じ方法で又は類似の方法で、並びに／若しくは、他の実施形態の特徴と組み合わせて又はそれらの特徴の代わりに利用され得る。
【００２７】
ここで、図面を、最初に図３を詳しく参照して、模範的レーザ装置の概略図は、一般に、１０で示される。レーザ装置１０は、歪像ファイバレンズ２８を含む光ファイバ１４に光学的に結合する半導体利得素子１２を含む。そのファイバレンズ２８は、半導体利得素子１２と光ファイバ１４との間のモード整合素子（又は、モード変換器）として機能する傾斜レンズ先端３０を含む。したがって、半導体利得素子１２から発される光放射は、所望の帰還量が、波長選択式反射器２６のために光ファイバ１４から半導体利得素子１２へ反射して戻るように、ファイバレンズ２８を通り光ファイバ１４に進む。この後方向の光経路が、レーザ装置の性能に不可欠であるので、この帰還は、半導体利得素子１２に到達しなければならない（即ち、この帰還は、レーザ装置１０を上記の波長選択式反射器２６の波長に固定する）。その２方向光経路としての機能性に加えて、本発明によるファイバレンズ２８により、レーザ共振器内の有意な帰還源が取り除かれる（レーザ共振器は、半導体利得素子１２の後端面１６と光ファイバ１４に沿って形成される波長選択式反射器２６との間の光経路により定められる）。ファイバレンズ２８の特徴は、以下に詳細に記載される。
【００２８】
半導体利得素子１２は、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）から構成され得る。ＩｎＧａＡｓは、レーザ等の光学装置がその上に容易に構成、集積され得る半導体材料であるので、本明細書では、模範的材料として利用される。例えば、歪み量子井戸ＩｎＧａＡｓレーザは、通常、約９８０ｎｍのエルビウム吸収波長でエルビウム増幅に利用される。従って、レーザ装置１０は、例えば、ＥＤＦＡに利用される９８０ｎｍ励起レーザであってもよい。そのような実施形態では、半導体利得素子１２は、約９７４ｎｍの中心波長を生成し得る。しかしながら、本発明は、ＩｎＧａＡｓレーザに、又は、そのようなＥＤＦＡの吸収波長に限定されず、なぜなら、半導体利得素子１２は、インジウムガリウム砒素燐、アルミニウムガリウム砒素等のような、いずれかの他の適切な基板材料から構成されてもよく、（例えば、ラマン増幅器等の他の種類の増幅器を励起するために）約１４８０ｎｍ、８２０ｎｍ等で利用され得るからである。
【００２９】
半導体利得素子１２は、いずれかの適切な長さであり得る。一実施形態では、半導体利得素子の長さは、高利得を確保するために３ｍｍよりも大きい。別の実施形態では、半導体利得素子は、約３．６ｍｍである。別の実施形態では、半導体利得素子は、４ｍｍよりも大きい。
【００３０】
半導体利得素子１２は、後端面１６と前端面１８とを有する光導波路２０を含む。導波路２０は、半導体導波路とも呼ばれ得る。後端面１６は、設定された波長付近で高く反射する被膜を含む。後端面１６上のその被膜は、レーザ発光のための帰還を生成するのに適したいずれかの量の反射率を与え得る。一実施形態では、後端面１６上の被膜の反射率は、９５％よりも大きくてもよい。レーザ発振を可能にするのには、少なくとも１％の反射率が必要である。前端面１８上の被膜は、いずれかの適切な量の反射率を与え得る。曲がった導波路を用いて、前端面１８の有効反射率は（例えば、約１０００の割合で）低減され得るが、前端面１８のＡＲ被膜は、反射率が約１％未満で塗布され得る。
【００３１】
導波路２０は、後端面１６と前端面１８との間に配置され、後端面１６と前端面１８との間に光放射を誘導するように、半導体利得素子１２の上に配置され、その素子を含む。ゆえに、本明細書で用いられる場合、導波路は、波、この場合、光波を誘導するための構造である。導波路２０は、当該分野で周知のいずれかの方法を用いて、半導体利得素子２０上に形成され得る。例えば、導波路２０は、エピタキシー成長及び半導体エッチングの周知の方法により作製され得る。
【００３２】
導波路２０は、導波路２０の長手軸と前端面１８の面が、少なくとも導波路の前端面１８付近の部分で直交しないように、曲げられる。従来技術に関して上に考察されたように、そのような配置により、前端面１８から反射される放射は、導波路２０自体に結合しないので、前端面１８からの光帰還（即ち、後方反射）が低減される。導波路２０の曲率は、曲げ損失が最小になるように設計される。導波路２０は、本明細書では、曲がった導波路と呼ばれているが、導波路２０の１つ以上の直線部分があり得る。例えば、導波路２０は、長手軸が後端面１６の面に直交する（即ち、後端面１６の法線に平行である）直線部分２０ａと、長手軸が前端面１８の面に対して直交しない（前端面１８の法線に対してある角度である）直線部分２０ｃと、２つの直線部分を繋ぐ湾曲部分２０ｂとを含み得る。
【００３３】
図４を更に参照して、導波路２０の直線部分２０ｃは、前端面１８の面の法線から、いずれかの適切な角度（σ）で配置され得る。一実施形態では、前端面１８での導波路２０の非直交部分は、前端面１８の面の法線から約１．５°〜約１５°であり得る。別の実施形態では、前端面１８での導波路２０の非直交部分は、前端面１８の面の法線から約１．５°〜約５°であり得る。別の実施形態では、前端面１８での導波路２０の非直交部分は、前端面１８の面の法線から約３°であり得る。
【００３４】
導波路２０に沿って通る光放射は、前端面１８を通過し、半導体利得素子１２から発される。前端面１８から発される光放射は、スネルの法則に従う屈折角（φ）で屈折する。即ち、前端面の面は、導波路と光ファイバとの間を通過する光放射の伝搬方向（即ち、レーザモードのその伝搬方向；レーザモードの伝搬方向）に直交しない。例えば、前端面１８での導波路２０の非直交部分が、前端面１８の面の法線から約３°（前端面１８での入射角）である実施形態では、導波路から空気中へ発される光放射の屈折角（φ）は、前端面１８の面の法線から約１０°である。当然、屈折角（φ）は、入射角及び屈折率等の変数の関数である。従って、屈折角（φ）の範囲は、例えば、約４．５°〜約６０°であり得ると考えられる。別の実施形態では、屈折角（φ）の範囲は、例えば、約４．５°〜約２０°であり得る。
【００３５】
上述のように、半導体利得素子１２は、光ファイバ１４に光学的に結合する。光ファイバ１４は、光ファイバ導波路とも呼ばれ得る。光ファイバ１４は、光放射が、半導体利得素子１２と光ファイバ１４との間を通過し得るように、半導体利得素子１２の前端面１８の近くに配置される。即ち、前端面１８から発される光放射は、ファイバレンズ２８を通り、いずれかの適切な極性保持（polarization maintaining（ＰＭ））ファイバ又は非ＰＭファイバであり得る光ファイバ１４に進む。光ファイバ１４に沿って配置された波長選択式反射器２６からの所望の帰還量は、光ファイバ１４から半導体利得素子１２へ反射して戻る。
【００３６】
歪像ファイバレンズ２８は、半導体利得素子１２と光ファイバ１４とを光学的に結合させるように、前端面１８に隣接する光ファイバ１４の末端部の上に配置される。ファイバレンズ２８は、レンズ先端３０を含み、そのレンズ先端は、レンズ先端３０の面がファイバレンズ２８で光ファイバ１４の長手軸に直交しないような角度に配置される。図示されるように、ファイバレンズ２８は、鑿（のみ）の形を有する場合があり、その形には、具体的に、レーザ場の楕円率が考慮されている。
【００３７】
歪像ファイバレンズ２８の具体的な形は、レーザ装置１０の３次元斜視図である図５Ａ及び図５Ｂでより良く理解することができる。図示されるように、ファイバレンズ２８は、面３２及び３４を定めるようにファイバ末端を先細にすることにより形成される。
【００３８】
一実施形態では、ファイバレンズ２８は、ＡＲ被膜がなく、それにより、最大で約３．５％のフレネル反射になる。ファイバレンズ２８は、導波路２０への反射率が、特定の角度に対して約１００の割合で削減され得る。従って、導波路への反射を低くするために、別の実施形態では、ファイバレンズ２８上のＡＲ被膜は、約１％以下の反射率に低減され得る。図３〜５に示されるように、光ファイバ１４は、前端面１８の面に直交せず、半導体利得素子１２から発される光放射の方向に直交しないのに対し、傾斜レンズ先端３０は、レンズ先端３０の面が、前端面１８の面に平行であり、半導体利得素子１２から発される光放射の方向に直交しない（即ち、導波路と光ファイバとの間を通過する光放射の伝搬方向に直交しない）ように整えられ得る。レンズ２８は、前端面１８の近くの導波路２０の一部に対して横方向にも（例えば、約１μｍ）移動される。
【００３９】
続いて図４を参照して、ファイバレンズは、半導体利得素子１２から発される光放射が、直交しない角度でレンズ先端３０に入り、更に、同様にスネルの法則に従う屈折角（α）で屈折するように設定される。例えば、レンズ先端３０に対する光放射の入射角が約１０°であり、ファイバコアの屈折率が１．５であるような実施形態では、レンズ先端３０の面に対する光放射の屈折角（α）は、スネルの法則に従って、約６．６°である。図示されるように、ファイバレンズ２８及びファイバレンズ３０での光ファイバ１４の一部分は、長手方向に、屈折された光放射の方向と同じ方向又はほぼ同じ方向に延長され得る。従って、ファイバ先端上への光放射の入射角（前端面１８から発される光放射の屈折角（φ）として上に与えられる）の範囲から、屈折角（α）の範囲は、例えば、約２°〜約３５°であり得ると考えられる。別の実施形態では、屈折角（α）の範囲は、例えば、約３°〜約１３．３°であり得る。
【００４０】
レンズ先端３０の面は、前端面１８の面と平行であってもよいが、面レンズ先端３０は、前端面１８の面に対して僅かに平行でなくてもよいとも考えられる。前端面１８の面に対するレンズ先端３０の面の角度関係は、ω＝ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（α）×ｎ１／ｎ２］−φと定義され得る。式中、ｎ１及びｎ２は、それぞれ、光ファイバ及び周辺媒体の屈折率であり、φは、前端面の面での光放射の屈折角である。この場合、光が、スネルの法則に従って、それぞれ、導波路２０の光軸と光ファイバ１４（導波路としても機能する）の光軸に沿って、前後両方向に伝搬することが確保される。従って、前端面１８の法線に対する、導波路を通過する光放射の所与の屈折角（φ）では、前端面１８の面に対するレンズ先端３０の面の角度関係（ω）は、レンズ先端３０の面での屈折角（α）を設定することにより確定され得る。当然、レンズ先端３０の面での屈折角（α）は、前端面１８の面に対するレンズ先端３０の面の角度関係（ω）を設定することにより見出されてもよい。更に、前端面１８の面の法線に対する、ファイバレンズ２８での光ファイバ１４の長手軸の角度は、ζ ＝ α−ωと定義される。表１では、屈折角（φ）が約１０°である場合の、半導体利得素子１２の前端面１８に対する光ファイバ１４の様々な配置が例示されている。
【表１】
【００４１】
実際の配置では、角度（ω）は、約−３０°〜約３０°の間で変化し得る。この場合、それぞれ、（α）に対する角度の範囲は、約２°〜約３５°であり、角度（φ）の極値の範囲は、約４．５〜約６０°である。
【００４２】
レンズ先端３０の配置により、導波路２０への望まれない後方反射が最小になる。光放射は、レンズ先端３０からγ＝φ＋２ωの角度で反射される。ゆえに、屈折角φ＝１０°及びω＝０°の模範的実施形態では、光放射は、レンズ先端３０で、１０°の角度（γ）で反射する。別の実施形態では、光放射は、レンズ先端３０で、２°よりも大きな角度（γ）で反射する。図４に示されるように、レンズ先端３０から反射される放射は、導波路２０に結合しない。
【００４３】
ファイバレンズ２８での光ファイバ１４の長手軸は、前端面１８の面の法線に対して比較的小さな角度（ζ）（例えば、６．６°）で配置されるので、アセンブリと心合わせの手順が簡略化され得る。更に、レンズ先端３０の面は、前端面１８の面に平行又は実質的に平行である。レンズ先端３０は、半導体利得素子１２の前端面１８の近くに導かれてもよく、ファイバレンズ２８の縁を切り取る必要はない、又は、図２の従来の設計の事例であり得るように、ファイバレンズ２８の一部が半導体利得素子１２に接触するように、ファイバレンズ２８を付随的に置くことはない。
【００４４】
前端面１８の焦点面は、ファイバレンズ２８の焦点面と実質的に同じであるので、光結合も最適化される。一実施形態では、ファイバレンズ２８は、結合効率が、約５０％よりも大きい。別の実施形態では、ファイバレンズ２８は、結合効率が、約８０％よりも大きい。
【００４５】
ＦＢＧにより形成される波長選択式反射器２６は、光ファイバ１４内に配置される。ＦＢＧは、製造を簡略化するために、少なくとも約１０ｃｍの長さで、通常のレーザパッケージの外の光ファイバ１４内に配置されてもよい。しかし、波長選択式反射器２６は、半導体利得素子１２から、いずれかの適切な長さで配置されてもよい。
【００４６】
波長選択式反射器２６は、いずれかの周知のプロセスを利用して、光ファイバ１４に沿って形成され得る。例えば、波長選択式反射器２６は、例えば、「ファイバブラッグ回折格子」（アカデミック・プレス、１９９９年）のラマン・カシャプにより記載されるように、光ファイバの部品に沿って強度が周期的であるＵＶ線への露光をもとに形成されてもよい。
【００４７】
ファイバ内の波長選択式反射器２６は、所望の割合の帰還を作り出し、レーザ装置１０をある波長に固定する。波長選択式反射器２６の反射率の範囲は、約０．５％〜約２０％であり得る。一実施形態では、波長選択式反射器２６の反射率は、約３％である。波長選択式反射器２６の帯域の範囲は、約１０ｐｍ〜約５ｎｍであり得る。一実施形態では、波長選択式反射器２６の帯域の範囲は、約２０ｐｍである。波長選択式反射器２６の中心波長は、波長選択式反射器２６が対応し得る、いずれかの波長であり得る。一実施形態では、波長選択式反射器２６の中心波長は、約９７４ｎｍである。ゆえに、波長選択式反射器２６は、レーザ前面反射が著しく低減し、同時に、波長選択レーザ発光が可能になる。従って、本発明で考えられる構成では、波長選択式反射器２６は、高反射後方鏡としての後端面１６と組み合わせて、前面鏡として利用され、レーザ装置１０の動作を可能にする。
【００４８】
安定化されたファイバ出力ビームは、光ファイバ１４を離れ、ファイバ増幅器、例えば、エルビウム添加ファイバ増幅器（図示されず）内に供給され得る。出力は、通常、約０．６Ｗであり得るが、例えば、約０．１ｍＷ〜約３Ｗの範囲であってもよい。
【００４９】
図６Ｃは、本発明による模範的レーザ装置１０への最適出力対電流特性とその導関数の影響を示す。この図は、図１及び図２の従来のレーザ装置１及び５への非最適出力対電流特性とその導関数の影響をそれぞれ示す、図６Ａ及び６Ｂと比較される。図６Ｃに示されるように、本発明の装置１０は、線形性の高いレーザ発光を作り出す。比較として、図６Ａは、図１の従来の装置１ではリップル量が高くなり、雑音レベルが高くなることを示す。図６Ａは、図２の従来の装置５で、ある程度向上するが、出力対電流特性の影響が完全には抑止されていないことを示す。
【００５０】
本発明は、ある実施形態（単数）又は実施形態（複数）に対して示され、記載されたが、当業者が、この明細書と付属の図面とを読み、理解した後に、等価的に変更及び修正するものであることは明らかである。特に、上記の素子（部品、アセンブリ、装置、組成物等）により実現される様々な機能に関して、そのような素子を記述するのに利用される用語（「手段」への言及を含む）は、特に指定のない限り、本明細書に示される本発明の模範的な実施形態（単数）又は実施形態（複数）に於いて機能を実現する開示構造に構造的に等価ではなくても、記載された素子の特定の機能を実現するいずれかの素子（即ち、機能的に等価なもの）に対応することを意図している。加えて、本発明の特徴は、幾つかの示された実施形態のうちの１つのみ又はそれ以上について上に記載されているが、そのような特徴は、いずれかの所与の又は特定の用途に望まれ、有利であり得るように、他の実施形態の１つ以上の他の特徴と組み合わされてもよい。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１０年１月８日に出願され、本明細書に参照としてそのまま組み込まれている、米国暫定特許出願第６１／２９３，２３６号の便宜を主張する。
【０００２】
本発明は、一般に、レーザ、特に、光エレクトロニクスに通常利用される種類の半導体レーザ装置の安定性に関する。
【背景技術】
【０００３】
半導体レーザダイオードは、特に、そのようなレーザダイオードを利用して、光手段により光信号を即座に増幅することができるので、光通信技術で重要な部品になっている。これにより、全光ファイバ通信システムの設計が可能になり、伝送されるべき信号の複雑な変換が回避される。その信号変換の回避により、そのような通信システム内の速度並びに信頼性が向上する。
【０００４】
１つの種類の光ファイバ通信システムでは、レーザを利用して、エルビウム添加ファイバ増幅器、所謂、レーザ分野の当業者に周知の様々な特許及び公報に記載されているＥＤＦＡを励起する。技術的にある程度重要な１つの実例は、波長が９８０ｎｍのエルビウム吸収線に整合し、それにより増幅が低雑音で得られる、出力が１００ｍＷ以上のレーザである。
【０００５】
図１には、レーザ装置１の従来の設計が示されている。ここでは、半導体レーザ１１は、導波路２０、後端面１６、及び前端面１８を含む。半導体レーザ１１は、光ファイバ１４と結合され、部分的に反射する波長選択式反射器２６を通じて、光を光増幅器（図示されず）に効率的に誘導する。光ファイバ１４は、ファイバレンズ２２とそのレンズ先端２４とを含む。導波路２０からの光は、ファイバレンズ２２上にレンズ先端２４で入射される。光ファイバ１４は、僅かな割合の帰還を作り出し、レーザ装置１を、波長選択式反射器２６の前述の波長に固定する。そのような設計の記述は、例えば、米国特許第７，０９９，３６１号、米国特許出願公報第２００８／０１２３７０３号に見出され得る。この設計により、ファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）として構成される波長選択式反射器２６で安定させることにより、温度による波長移動の感受性が低くなり、通常、半導体レーザ１１（ＤＢＲ又はＤＦＢ）内の回折格子では達成することができない、約７ｐｍ／°Ｋになるような、動作温度安定素子を必要としないレーザが提供される。
【０００６】
レーザ前端面１８の残留反射とファイバレンズ２２の残留反射との間の強め合う干渉及び弱め合う干渉の影響は、以前、図１に示されるレーザ装置１について調査されたが、「高出力励起用レーザのスペクトル能への近位端残留反射の影響」（ＩＥＥＥ量子エレクトロニクス会誌、２００４年４月、第４０巻、第４号、３５４〜３６３頁）では、波長選択式反射器２６がなかった。その研究で明らかにされたのは、ＡＲコーティングが１％未満である標準レンズとレーザ端面の両方についても、それらの組み合わせ反射からの有効レーザ前面反射率が、異なる動作条件で変化する、つまり、温度とレーザ電流で変化することである。その結果、レーザスペクトルの非連続性が観測され得る。共振器長の短い、即ち、往復利得が小さく干渉性が少ない、その研究時点での従来技術のレーザでは、ＦＢＧによる波長安定性が付与された場合、これらの効果は無視できるものであった。
【０００７】
しかし、本発明者によりわかっていることは、共振器がより長い（例えば、３ｍｍを超える）半導体レーザ１１を有し、利得量を高くする、図１に示されるような従来のレーザ装置１は、光経路内のいずれかの反射器の残留反射及び／又は帰還からの影響、並びに、多重反射器間に形成される追加のファブリ・ペロー（ＦＰ）共振器の影響をより受けやすいことである。図６Ａに示されるように、そのような影響は、光出力対電流特性に於いて、望まれないリップル量を高くし得る。大きな影響があり得るのは、利得量を高くする、ＡＲ被膜レンズ先端２４又はＡＲ被膜前端面１８から半導体レーザ１１内への少量の後方反射である。レーザ出力は、光結合の僅かな変化にも極めて鋭敏になり得る。
【０００８】
前端面の面に対して、例えば２°より大きな傾き角で曲がった導波路は、導波路への後方反射を抑止できることが知られている。そのような配置により、前端面１８から反射された放射線は、活性導波路２０自体に結合しないので、前端面１８からの光帰還（即ち、後方反射）が低減される。従って、他の従来の設計では、半導体レーザ１１ではなく、前端面からの帰還がない半導体利得素子１２が有効に形成された、曲がった導波路２０が組み込まれる。図２に示される従来のレーザ装置５では、レーザ共振器は、この場合、波長選択式反射器２６である追加の帰還素子を光経路内に与えることによってのみ設定される。ここでは、半導体利得素子１２は、従来のファイバレンズ２２を有する光ファイバ１４と結合される。従来のファイバレンズ２２は、光ファイバ１４の長手軸に直交するレンズ先端２４を含む。ファイバレンズは、半導体利得素子２２から発される光放射がレンズ先端２４に直交するように（即ち、半導体利得素子２２からの光放射の伝搬方向に）配置される。
【０００９】
図２のレーザ装置５は、図１のレーザ装置１をある程度向上させ（図６Ｂを参照すること）、以前、適用され、半導体利得素子の利得を低くするのに、ある程度成功している（例えば、「全光ＷＤＭアクセスネットワークに利用される波長安定非冷却ファイバ回折格子半導体レーザ」ＩＥＥＥ電子レター、１９９６年１月１８日、第３２巻、第２号、１１９〜１２０頁）。しかしながら、出力対電流特性に於けるリップルを完全に抑止することはできない。即ち、図２の後端面１６と前端面１８との間に形成されるＦＰ共振器は、曲がった導波路２０を利用することにより無用になり、ファイバレンズ２２と前端面１６との間に現れる追加の共振器は、発される光放射とファイバレンズの両方を傾けることにより十分に抑制されるが、後端面１６とファイバレンズ２２との間に形成されるＦＰ共振器は、そのままであり、それは、ＡＲ被膜がファイバレンズ先端２４上に付与される場合でも、出力対電流特性に於ける望まれないリップルの一原因である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、レーザ共振器内の帰還源を取り除くことにより、出力特性が向上したレーザ装置を提供する。線形性の高いレーザ発光出力が得られることにより、光ファイバからの高出力でのレーザ発振操作が可能になる。レーザ装置は、利得リップルの影響を実質的に抑止する一方で、波長選択式反射器を用いて、波長安定性が得られる。加えて、ファイバレンズの構成により、半導体利得素子のすぐ近くに、ファイバレンズの位置を定めることができ、一方では、ファイバが半導体端面に接触するという潜在的な危険が克服される。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様によれば、レーザ装置は、利得素子を含み、且つ、半導体導波路の後端面及び前端面により範囲が定められる、半導体導波路と、光ファイバと半導体導波路の前端面との間の放射を結合させるファイバレンズを備えた光ファイバ導波路と、後端面と波長選択式反射器との間にレーザ共振器を形成するように光ファイバ内に配置され、且つ、半導体導波路の前端面の面とレーザモードの伝搬方向に直交しないように配置されるファイバレンズの面の両方を有する、波長選択式反射器とを含む。
【００１２】
一実施形態によれば、半導体導波路は、湾曲部分を含み、前端面の法線に対してある角度で、後端面の法線に平行に、光放射を誘導するように設定される。
【００１３】
別の実施形態によれば、ファイバレンズは、光放射の双方向伝搬を可能にするモード整合素子として設定される。
【００１４】
別の実施形態によれば、ファイバレンズは、前端面の面とレンズ先端の面との間の角度（ω）が、以下の関係式により定められるように設定され、
ω＝ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（α）×ｎ１／ｎ２］−φ、
式中、ｎ１及びｎ２は、それぞれ、光ファイバ及び周辺媒体の屈折率であり、φは、前端面の面での光放射の屈折角であり、αは、レンズ先端の面での光放射の屈折角である。
【００１５】
別の実施形態によれば、φの範囲は、約４．５°〜約６０°である。別の実施形態によれば、αの範囲は、約２°〜約３５°である。別の実施形態によれば、ωの範囲は、約−３０°〜約３０°である。別の実施形態によれば、レンズは、レンズ先端から反射される光放射の一部が、角度γ＝φ＋２ωで反射されるように設定され、式中、γは、約２°よりも大きい。
【００１６】
別の実施形態によれば、レンズ先端の面は、光入射面内の前端面の面に平行である。別の実施形態によれば、前記利得素子の前端面での光放射の屈折角の範囲は、約４．５°〜約２０°である。別の実施形態によれば、レンズの面を通過する光放射の屈折角の範囲は、約３°〜約１３．３°である。
【００１７】
別の実施形態によれば、前端面は、反射防止膜を含む。
【００１８】
別の実施形態によれば、ファイバレンズは、反射防止膜を含む。
【００１９】
別の実施形態によれば、波長選択式反射器は、レーザ装置をある波長に固定する。
【００２０】
別の実施形態によれば、波長選択式反射器の帯域幅は、約１０ｐｍ〜約５ｎｍである。
【００２１】
別の実施形態によれば、波長選択式反射器の反射率は、約０．５％〜約２０％である。
【００２２】
別の実施形態によれば、導波路の非直交部分は、前端面の面の法線に対して約１．５°〜約１５°の角度に配置される。
【００２３】
別の実施形態によれば、光ファイバは、エルビウム添加ファイバ増幅器とラマン増幅器のうちの少なくとも１つに結合される。
【００２４】
上記のこと及び本発明の他の特性は、本明細書の後で、付属の図面を参照しながら、より詳しく記載される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来のレーザ装置の上面概略図である。
【図２】従来のレーザ装置の上面概略図である。
【図３】本発明による模範的レーザ装置の上面概略図である。
【図４】本発明による模範的レーザ装置の光結合を示す上面概略図である。
【図５Ａ】本発明による模範的レーザ装置の３次元斜視図である。
【図５Ｂ】本発明による模範的レーザ装置の３次元斜視図である。
【図６Ａ】本発明による模範的レーザ装置への最適出力対電流特性の影響（６Ｃ）を、図１及び図２の従来のレーザ装置への最適ではない影響（それぞれ、６Ａ及び６Ｂ）と比較しながら示すグラフである。
【図６Ｂ】本発明による模範的レーザ装置への最適出力対電流特性の影響（６Ｃ）を、図１及び図２の従来のレーザ装置への最適ではない影響（それぞれ、６Ａ及び６Ｂ）と比較しながら示すグラフである。
【図６Ｃ】本発明による模範的レーザ装置への最適出力対電流特性の影響（６Ｃ）を、図１及び図２の従来のレーザ装置への最適ではない影響（それぞれ、６Ａ及び６Ｂ）と比較しながら示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下の記述では、同じ部品には、異なる実施形態で示されていても、同じ参照番号が与えられている。本発明の実施形態を明確に且つ正確に示すためには、図面は、必ずしも縮尺合わせしなくてもよく、幾つかの特徴は、ある程度、概略の形態で示され得る。一実施形態に対して記述される及び／又は図示される特徴は、１つ以上の他の実施形態に於いて同じ方法で又は類似の方法で、並びに／若しくは、他の実施形態の特徴と組み合わせて又はそれらの特徴の代わりに利用され得る。
【００２７】
ここで、図面を、最初に図３を詳しく参照して、模範的レーザ装置の概略図は、一般に、１０で示される。レーザ装置１０は、歪像ファイバレンズ２８を含む光ファイバ１４に光学的に結合する半導体利得素子１２を含む。そのファイバレンズ２８は、半導体利得素子１２と光ファイバ１４との間のモード整合素子（又は、モード変換器）として機能する傾斜レンズ先端３０を含む。したがって、半導体利得素子１２から発される光放射は、所望の帰還量が、波長選択式反射器２６のために光ファイバ１４から半導体利得素子１２へ反射して戻るように、ファイバレンズ２８を通り光ファイバ１４に進む。この後方向の光経路が、レーザ装置の性能に不可欠であるので、この帰還は、半導体利得素子１２に到達しなければならない（即ち、この帰還は、レーザ装置１０を上記の波長選択式反射器２６の波長に固定する）。その２方向光経路としての機能性に加えて、本発明によるファイバレンズ２８により、レーザ共振器内の有意な帰還源が取り除かれる（レーザ共振器は、半導体利得素子１２の後端面１６と光ファイバ１４に沿って形成される波長選択式反射器２６との間の光経路により定められる）。ファイバレンズ２８の特徴は、以下に詳細に記載される。
【００２８】
半導体利得素子１２は、インジウムガリウム砒素（ＩｎＧａＡｓ）から構成され得る。ＩｎＧａＡｓは、レーザ等の光学装置がその上に容易に構成、集積され得る半導体材料であるので、本明細書では、模範的材料として利用される。例えば、歪み量子井戸ＩｎＧａＡｓレーザは、通常、約９８０ｎｍのエルビウム吸収波長でエルビウム増幅に利用される。従って、レーザ装置１０は、例えば、ＥＤＦＡに利用される９８０ｎｍ励起レーザであってもよい。そのような実施形態では、半導体利得素子１２は、約９７４ｎｍの中心波長を生成し得る。しかしながら、本発明は、ＩｎＧａＡｓレーザに、又は、そのようなＥＤＦＡの吸収波長に限定されず、なぜなら、半導体利得素子１２は、インジウムガリウム砒素燐、アルミニウムガリウム砒素等のような、いずれかの他の適切な基板材料から構成されてもよく、（例えば、ラマン増幅器等の他の種類の増幅器を励起するために）約１４８０ｎｍ、８２０ｎｍ等で利用され得るからである。
【００２９】
半導体利得素子１２は、いずれかの適切な長さであり得る。一実施形態では、半導体利得素子の長さは、高利得を確保するために３ｍｍよりも大きい。別の実施形態では、半導体利得素子は、約３．６ｍｍである。別の実施形態では、半導体利得素子は、４ｍｍよりも大きい。
【００３０】
半導体利得素子１２は、後端面１６と前端面１８とを有する光導波路２０を含む。導波路２０は、半導体導波路とも呼ばれ得る。後端面１６は、設定された波長付近で高く反射する被膜を含む。後端面１６上のその被膜は、レーザ発光のための帰還を生成するのに適したいずれかの量の反射率を与え得る。一実施形態では、後端面１６上の被膜の反射率は、９５％よりも大きくてもよい。レーザ発振を可能にするのには、少なくとも１％の反射率が必要である。前端面１８上の被膜は、いずれかの適切な量の反射率を与え得る。曲がった導波路を用いて、前端面１８の有効反射率は（例えば、約１０００の割合で）低減され得るが、前端面１８のＡＲ被膜は、反射率が約１％未満で塗布され得る。
【００３１】
導波路２０は、後端面１６と前端面１８との間に配置され、後端面１６と前端面１８との間に光放射を誘導するように、半導体利得素子１２の上に配置され、その素子を含む。ゆえに、本明細書で用いられる場合、導波路は、波、この場合、光波を誘導するための構造である。導波路２０は、当該分野で周知のいずれかの方法を用いて、半導体利得素子２０上に形成され得る。例えば、導波路２０は、エピタキシー成長及び半導体エッチングの周知の方法により作製され得る。
【００３２】
導波路２０は、導波路２０の長手軸と前端面１８の面が、少なくとも導波路の前端面１８付近の部分で直交しないように、曲げられる。従来技術に関して上に考察されたように、そのような配置により、前端面１８から反射される放射は、導波路２０自体に結合しないので、前端面１８からの光帰還（即ち、後方反射）が低減される。導波路２０の曲率は、曲げ損失が最小になるように設計される。導波路２０は、本明細書では、曲がった導波路と呼ばれているが、導波路２０の１つ以上の直線部分があり得る。例えば、導波路２０は、長手軸が後端面１６の面に直交する（即ち、後端面１６の法線に平行である）直線部分２０ａと、長手軸が前端面１８の面に対して直交しない（前端面１８の法線に対してある角度である）直線部分２０ｃと、２つの直線部分を繋ぐ湾曲部分２０ｂとを含み得る。
【００３３】
図４を更に参照して、導波路２０の直線部分２０ｃは、前端面１８の面の法線から、いずれかの適切な角度（σ）で配置され得る。一実施形態では、前端面１８での導波路２０の非直交部分は、前端面１８の面の法線から約１．５°〜約１５°であり得る。別の実施形態では、前端面１８での導波路２０の非直交部分は、前端面１８の面の法線から約１．５°〜約５°であり得る。別の実施形態では、前端面１８での導波路２０の非直交部分は、前端面１８の面の法線から約３°であり得る。
【００３４】
導波路２０に沿って通る光放射は、前端面１８を通過し、半導体利得素子１２から発される。前端面１８から発される光放射は、スネルの法則に従う屈折角（φ）で屈折する。即ち、前端面の面は、導波路と光ファイバとの間を通過する光放射の伝搬方向（即ち、レーザモードのその伝搬方向；レーザモードの伝搬方向）に直交しない。例えば、前端面１８での導波路２０の非直交部分が、前端面１８の面の法線から約３°（前端面１８での入射角）である実施形態では、導波路から空気中へ発される光放射の屈折角（φ）は、前端面１８の面の法線から約１０°である。当然、屈折角（φ）は、入射角及び屈折率等の変数の関数である。従って、屈折角（φ）の範囲は、例えば、約４．５°〜約６０°であり得ると考えられる。別の実施形態では、屈折角（φ）の範囲は、例えば、約４．５°〜約２０°であり得る。
【００３５】
上述のように、半導体利得素子１２は、光ファイバ１４に光学的に結合する。光ファイバ１４は、光ファイバ導波路とも呼ばれ得る。光ファイバ１４は、光放射が、半導体利得素子１２と光ファイバ１４との間を通過し得るように、半導体利得素子１２の前端面１８の近くに配置される。即ち、前端面１８から発される光放射は、ファイバレンズ２８を通り、いずれかの適切な極性保持（polarization maintaining（ＰＭ））ファイバ又は非ＰＭファイバであり得る光ファイバ１４に進む。光ファイバ１４に沿って配置された波長選択式反射器２６からの所望の帰還量は、光ファイバ１４から半導体利得素子１２へ反射して戻る。
【００３６】
歪像ファイバレンズ２８は、半導体利得素子１２と光ファイバ１４とを光学的に結合させるように、前端面１８に隣接する光ファイバ１４の末端部の上に配置される。ファイバレンズ２８は、レンズ先端３０を含み、そのレンズ先端は、レンズ先端３０の面がファイバレンズ２８で光ファイバ１４の長手軸に直交しないような角度に配置される。図示されるように、ファイバレンズ２８は、鑿（のみ）の形を有する場合があり、その形には、具体的に、レーザ場の楕円率が考慮されている。
【００３７】
歪像ファイバレンズ２８の具体的な形は、レーザ装置１０の３次元斜視図である図５Ａ及び図５Ｂでより良く理解することができる。図示されるように、ファイバレンズ２８は、面３２及び３４を定めるようにファイバ末端を先細にすることにより形成される。
【００３８】
一実施形態では、ファイバレンズ２８は、ＡＲ被膜がなく、それにより、最大で約３．５％のフレネル反射になる。ファイバレンズ２８は、導波路２０への反射率が、特定の角度に対して約１００の割合で削減され得る。従って、導波路への反射を低くするために、別の実施形態では、ファイバレンズ２８上のＡＲ被膜は、約１％以下の反射率に低減され得る。図３〜５に示されるように、光ファイバ１４は、前端面１８の面に直交せず、半導体利得素子１２から発される光放射の方向に直交しないのに対し、傾斜レンズ先端３０は、レンズ先端３０の面が、前端面１８の面に平行であり、半導体利得素子１２から発される光放射の方向に直交しない（即ち、導波路と光ファイバとの間を通過する光放射の伝搬方向に直交しない）ように整えられ得る。レンズ２８は、前端面１８の近くの導波路２０の一部に対して横方向にも（例えば、約１μｍ）移動される。
【００３９】
続いて図４を参照して、ファイバレンズは、半導体利得素子１２から発される光放射が、直交しない角度でレンズ先端３０に入り、更に、同様にスネルの法則に従う屈折角（α）で屈折するように設定される。例えば、レンズ先端３０に対する光放射の入射角が約１０°であり、ファイバコアの屈折率が１．５であるような実施形態では、レンズ先端３０の面に対する光放射の屈折角（α）は、スネルの法則に従って、約６．６°である。図示されるように、ファイバレンズ２８及びファイバレンズ３０での光ファイバ１４の一部分は、長手方向に、屈折された光放射の方向と同じ方向又はほぼ同じ方向に延長され得る。従って、ファイバ先端上への光放射の入射角（前端面１８から発される光放射の屈折角（φ）として上に与えられる）の範囲から、屈折角（α）の範囲は、例えば、約２°〜約３５°であり得ると考えられる。別の実施形態では、屈折角（α）の範囲は、例えば、約３°〜約１３．３°であり得る。
【００４０】
レンズ先端３０の面は、前端面１８の面と平行であってもよいが、面レンズ先端３０は、前端面１８の面に対して僅かに平行でなくてもよいとも考えられる。前端面１８の面に対するレンズ先端３０の面の角度関係は、ω＝ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（α）×ｎ１／ｎ２］−φと定義され得る。式中、ｎ１及びｎ２は、それぞれ、光ファイバ及び周辺媒体の屈折率であり、φは、前端面の面での光放射の屈折角である。この場合、光が、スネルの法則に従って、それぞれ、導波路２０の光軸と光ファイバ１４（導波路としても機能する）の光軸に沿って、前後両方向に伝搬することが確保される。従って、前端面１８の法線に対する、導波路を通過する光放射の所与の屈折角（φ）では、前端面１８の面に対するレンズ先端３０の面の角度関係（ω）は、レンズ先端３０の面での屈折角（α）を設定することにより確定され得る。当然、レンズ先端３０の面での屈折角（α）は、前端面１８の面に対するレンズ先端３０の面の角度関係（ω）を設定することにより見出されてもよい。更に、前端面１８の面の法線に対する、ファイバレンズ２８での光ファイバ１４の長手軸の角度は、ζ ＝ α−ωと定義される。表１では、屈折角（φ）が約１０°である場合の、半導体利得素子１２の前端面１８に対する光ファイバ１４の様々な配置が例示されている。
【表１】
【００４１】
実際の配置では、角度（ω）は、約−３０°〜約３０°の間で変化し得る。この場合、それぞれ、（α）に対する角度の範囲は、約２°〜約３５°であり、角度（φ）の極値の範囲は、約４．５〜約６０°である。
【００４２】
レンズ先端３０の配置により、導波路２０への望まれない後方反射が最小になる。光放射は、レンズ先端３０からγ＝φ＋２ωの角度で反射される。ゆえに、屈折角φ＝１０°及びω＝０°の模範的実施形態では、光放射は、レンズ先端３０で、１０°の角度（γ）で反射する。別の実施形態では、光放射は、レンズ先端３０で、２°よりも大きな角度（γ）で反射する。図４に示されるように、レンズ先端３０から反射される放射は、導波路２０に結合しない。
【００４３】
ファイバレンズ２８での光ファイバ１４の長手軸は、前端面１８の面の法線に対して比較的小さな角度（ζ）（例えば、６．６°）で配置されるので、アセンブリと心合わせの手順が簡略化され得る。更に、レンズ先端３０の面は、前端面１８の面に平行又は実質的に平行である。レンズ先端３０は、半導体利得素子１２の前端面１８の近くに導かれてもよく、ファイバレンズ２８の縁を切り取る必要はない、又は、図２の従来の設計の事例であり得るように、ファイバレンズ２８の一部が半導体利得素子１２に接触するように、ファイバレンズ２８を付随的に置くことはない。
【００４４】
前端面１８の焦点面は、ファイバレンズ２８の焦点面と実質的に同じであるので、光結合も最適化される。一実施形態では、ファイバレンズ２８は、結合効率が、約５０％よりも大きい。別の実施形態では、ファイバレンズ２８は、結合効率が、約８０％よりも大きい。
【００４５】
ＦＢＧにより形成される波長選択式反射器２６は、光ファイバ１４内に配置される。ＦＢＧは、製造を簡略化するために、少なくとも約１０ｃｍの長さで、通常のレーザパッケージの外の光ファイバ１４内に配置されてもよい。しかし、波長選択式反射器２６は、半導体利得素子１２から、いずれかの適切な長さで配置されてもよい。
【００４６】
波長選択式反射器２６は、いずれかの周知のプロセスを利用して、光ファイバ１４に沿って形成され得る。例えば、波長選択式反射器２６は、例えば、「ファイバブラッグ回折格子」（アカデミック・プレス、１９９９年）のラマン・カシャプにより記載されるように、光ファイバの部品に沿って強度が周期的であるＵＶ線への露光をもとに形成されてもよい。
【００４７】
ファイバ内の波長選択式反射器２６は、所望の割合の帰還を作り出し、レーザ装置１０をある波長に固定する。波長選択式反射器２６の反射率の範囲は、約０．５％〜約２０％であり得る。一実施形態では、波長選択式反射器２６の反射率は、約３％である。波長選択式反射器２６の帯域の範囲は、約１０ｐｍ〜約５ｎｍであり得る。一実施形態では、波長選択式反射器２６の帯域の範囲は、約２０ｐｍである。波長選択式反射器２６の中心波長は、波長選択式反射器２６が対応し得る、いずれかの波長であり得る。一実施形態では、波長選択式反射器２６の中心波長は、約９７４ｎｍである。ゆえに、波長選択式反射器２６は、レーザ前面反射が著しく低減し、同時に、波長選択レーザ発光が可能になる。従って、本発明で考えられる構成では、波長選択式反射器２６は、高反射後方鏡としての後端面１６と組み合わせて、前面鏡として利用され、レーザ装置１０の動作を可能にする。
【００４８】
安定化されたファイバ出力ビームは、光ファイバ１４を離れ、ファイバ増幅器、例えば、エルビウム添加ファイバ増幅器（図示されず）内に供給され得る。出力は、通常、約０．６Ｗであり得るが、例えば、約０．１ｍＷ〜約３Ｗの範囲であってもよい。
【００４９】
図６Ｃは、本発明による模範的レーザ装置１０への最適出力対電流特性とその導関数の影響を示す。この図は、図１及び図２の従来のレーザ装置１及び５への非最適出力対電流特性とその導関数の影響をそれぞれ示す、図６Ａ及び６Ｂと比較される。図６Ｃに示されるように、本発明の装置１０は、線形性の高いレーザ発光を作り出す。比較として、図６Ａは、図１の従来の装置１ではリップル量が高くなり、雑音レベルが高くなることを示す。図６Ａは、図２の従来の装置５で、ある程度向上するが、出力対電流特性の影響が完全には抑止されていないことを示す。
【００５０】
本発明は、ある実施形態（単数）又は実施形態（複数）に対して示され、記載されたが、当業者が、この明細書と付属の図面とを読み、理解した後に、等価的に変更及び修正するものであることは明らかである。特に、上記の素子（部品、アセンブリ、装置、組成物等）により実現される様々な機能に関して、そのような素子を記述するのに利用される用語（「手段」への言及を含む）は、特に指定のない限り、本明細書に示される本発明の模範的な実施形態（単数）又は実施形態（複数）に於いて機能を実現する開示構造に構造的に等価ではなくても、記載された素子の特定の機能を実現するいずれかの素子（即ち、機能的に等価なもの）に対応することを意図している。加えて、本発明の特徴は、幾つかの示された実施形態のうちの１つのみ又はそれ以上について上に記載されているが、そのような特徴は、いずれかの所与の又は特定の用途に望まれ、有利であり得るように、他の実施形態の１つ以上の他の特徴と組み合わされてもよい。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
利得素子を含み、且つ、半導体導波路の後端面及び前端面により範囲が定められる、半導体導波路と、光ファイバと前記半導体導波路の前記前端面との間の放射を結合させるファイバレンズを備えた光ファイバ導波路と、前記後端面と波長選択式反射器との間にレーザ共振器を形成するように光ファイバ内に配置され、且つ、前記半導体導波路の前記前端面の面とレーザモードの伝搬方向に直交しないように配置される前記ファイバレンズの面の両方を有する、波長選択式反射器とを含む、レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体導波路が、湾曲部分を含み、前記前端面の法線に対して一の角度で、前記後端面の法線に平行に、光放射を誘導するように設定される、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記ファイバレンズが、光放射の双方向伝搬を可能にするモード整合素子として設定される、請求項１及び２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記前端面の面と前記レンズ先端の面との間の角度（ω）が、以下の関係式により定められるように、前記ファイバレンズが設定され、
ω＝ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（α）×ｎ１／ｎ２］−φ、
式中、ｎ１及びｎ２は、それぞれ、前記光ファイバ及び周辺媒体の屈折率であり、φは、前記前端面の面での光放射の屈折角であり、αは、前記レンズ先端の面での光放射の屈折角である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
φの範囲が、約４．５〜約６０°である、請求項４に記載のレーザ装置。
【請求項６】
αの範囲が、約２°〜約３５°である、請求項４及び５に記載のレーザ装置。
【請求項７】
ωの範囲が、約−３０°〜約３０°である、請求項４〜６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記レンズ先端から反射される光放射の一部が、角度γ＝φ＋２ωで反射されるように、前記レンズが設定され、式中、γは、約２°よりも大きい、請求項４〜７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記レンズ先端の面が、光入射面内の前記前端面の面に平行である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記利得素子の前記前端面での前記光放射の屈折角の範囲が、約４．５°〜約２０°である、請求項９に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記レンズの面での前記光放射の屈折角の範囲が、約３°〜約１３．３°である、請求項９及び１０のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
前記前端面が、反射防止膜を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記ファイバレンズが、反射防止膜を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１４】
前記波長選択式反射器が、前記レーザ装置を、一の波長に固定する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１５】
前記波長選択式反射器の帯域が、約１０ｐｍ〜約５ｎｍである、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１６】
前記波長選択式反射器の反射率の範囲が、約０．５％〜約２０％である、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１７】
前記導波路の非直交部分が、前記前端面の面の法線に対して約１．５°〜約１５°の角度で配置される、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１８】
前記光ファイバが、エルビウム添加ファイバ増幅器とラマン増幅器のうちの少なくとも１つに結合される、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１】
利得素子を含み、且つ、半導体導波路の後端面及び前端面により範囲が定められる、半導体導波路と、光ファイバと前記半導体導波路の前記前端面との間の放射を結合させるファイバレンズを備えた光ファイバ導波路と、前記後端面と波長選択式反射器との間にレーザ共振器を形成するように光ファイバ内に配置され、且つ、前記半導体導波路の前記前端面の面とレーザモードの伝搬方向に直交しないように配置される前記ファイバレンズの面の両方を有する、波長選択式反射器とを含む、レーザ装置。
【請求項２】
前記半導体導波路が、湾曲部分を含み、前記前端面の法線に対して一の角度で、前記後端面の法線に平行に、光放射を誘導するように設定される、請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記ファイバレンズが、光放射の双方向伝搬を可能にするモード整合素子として設定される、請求項１及び２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記前端面の面と前記レンズ先端の面との間の角度（ω）が、以下の関係式により定められるように、前記ファイバレンズが設定され、
ω＝ａｒｃｓｉｎ［ｓｉｎ（α）×ｎ１／ｎ２］−φ、
式中、ｎ１及びｎ２は、それぞれ、前記光ファイバ及び周辺媒体の屈折率であり、φは、前記前端面の面での光放射の屈折角であり、αは、前記レンズ先端の面での光放射の屈折角である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項５】
φの範囲が、約４．５〜約６０°である、請求項４に記載のレーザ装置。
【請求項６】
αの範囲が、約２°〜約３５°である、請求項４及び５に記載のレーザ装置。
【請求項７】
ωの範囲が、約−３０°〜約３０°である、請求項４〜６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項８】
前記レンズ先端から反射される光放射の一部が、角度γ＝φ＋２ωで反射されるように、前記レンズが設定され、式中、γは、約２°よりも大きい、請求項４〜７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項９】
前記レンズ先端の面が、光入射面内の前記前端面の面に平行である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１０】
前記利得素子の前記前端面での前記光放射の屈折角の範囲が、約４．５°〜約２０°である、請求項９に記載のレーザ装置。
【請求項１１】
前記レンズの面での前記光放射の屈折角の範囲が、約３°〜約１３．３°である、請求項９及び１０のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１２】
前記前端面が、反射防止膜を含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１３】
前記ファイバレンズが、反射防止膜を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１４】
前記波長選択式反射器が、前記レーザ装置を、一の波長に固定する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１５】
前記波長選択式反射器の帯域が、約１０ｐｍ〜約５ｎｍである、請求項１〜１４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１６】
前記波長選択式反射器の反射率の範囲が、約０．５％〜約２０％である、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１７】
前記導波路の非直交部分が、前記前端面の面の法線に対して約１．５°〜約１５°の角度で配置される、請求項１〜１６のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【請求項１８】
前記光ファイバが、エルビウム添加ファイバ増幅器とラマン増幅器のうちの少なくとも１つに結合される、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【公表番号】特表２０１３−５１６７７９（Ｐ２０１３−５１６７７９Ａ）
【公表日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５４７５５５（Ｐ２０１２−５４７５５５）
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２０１０／００２０４７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８３３５９
【国際公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５０５３１８６０６）オクラロ テクノロジー リミテッド (17)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＩＢ２０１０／００２０４７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０８３３５９
【国際公開日】平成２３年７月１４日（２０１１．７．１４）
【出願人】（５０５３１８６０６）オクラロ テクノロジー リミテッド (17)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]