半导体激光装置的设计方法、拉曼放大器的设计方法、半导体激光装置的制造方法、半导 ...的制作方法
【专利摘要】在半导体激光装置的设计方法中，通过控制从输出侧反射单元到第二反射单元的距离、和用包含半导体激光元件中的光的环绕时间τ、输出侧反射单元的反射率R1以及第二反射单元的反射率R2的κ＝(1/τ)×(1?R1)×(R2/R1)1/2的式定义的向半导体激光元件的有效的返回光量κ，来使LFF周期成为20ns以下，选择该LFF周期成为20ns以下的半导体激光装置，作为出现FBG模式和FP模式的高速切换的半导体激光装，作为在相干崩溃模式下进行振荡的半导体激光装置使用。
【专利说明】
半导体激光装置的设计方法、拉曼放大器的设计方法、半导体 激光装置的制造方法、半导体激光装置、拉曼放大器、以及光 通信系统
技术领域
[0001]本发明涉及用在拉曼放大用的激发光源中的半导体激光装置的设计方法、拉曼放 大器的设计方法、半导体激光装置的制造方法、半导体激光装置、拉曼放大器、以及光通信 系统。
【背景技术】
[0002] 在光纤通信中，通过使用掺铒光纤放大器（EDFA:Erbium Doped Optical Fiber Ampl if ier)来进行传输距离、传输容量的扩大。最近，除了使用EDFA意外，还运用拉曼放大 器，来谋求进一步的传输距离的长距离化、大容量化、高输出化等。
[0003] 作为前述的拉曼放大器，例如如专利文献1、2所示那样，使用具备半导体激光装置 和光纤的拉曼放大器，所述半导体激光装置具有半导体激光元件以及光纤布拉格光栅 (FBG:Fiber Bragg Grating)，所述光纤将从该半导体激光装置输出的激光作为激发光而 输入，将信号光拉曼放大。在此，半导体激光元件具备:具有活性层的半导体发光部;和具有 将该半导体发光部输出的光反射的第一反射单元(反射膜)的光谐振器。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献I JP专利第5074645号公报 [0007] 专利文献2 JP特开2002-50828号公报 [0008]非专利文献
[0009] 非专利文献 I: Tkach，R.W. et al ·，Lihgtwave Technology ,Journal Volume4， Issuell
【发明内容】
[0010] 发明要解决的课题
[0011] 然而，具有前述的光谐振器的半导体激光器输出的激光例如在50mW以下的低输出 侦I在光谱区域(纵模）中，有暂时成为单模振荡的状态的情况。在这样的单模振荡时，纵模 每1条的光强度变强，在光纤中由于非线性光学效果而发生受激布里渊散射（SBS : Stimulated Brillounin Scatterring)，会出现受激布里渊散射光向着与从半导体激光器 输出的光相反方向作为返回光传播这样的问题。该返回光会成为妨碍光通信系统的稳定的 动作的要因。
[0012] 本发明鉴于上述状况而提出，目的在于，提供能抑制拉曼放大用的激发光源中所 用的半导体激光装置输出的激光引起的光纤中的受激布里渊散射的半导体激光装置的设 计方法、拉曼放大器的设计方法、半导体激光装置的制造方法、半导体激光装置、拉曼放大 器、以及光通信系统。
[0013] 用于解决课题的手段
[0014] 为了解决上述的课题，达成目的，在本发明的1个方式所涉及的半导体激光装置的 设计方法中，所述半导体激光装置用在拉曼放大用的激发光源中，所述半导体激光装置具 备:半导体激光元件，其具备半导体发光部、和有将该半导体发光部输出的光反射的第一反 射单元的光谐振器;和第二反射单元，其设置在该半导体激光元件的激光输出侧，所述半导 体激光装置的设计方法的特征在于，所述第一反射单元由设置在所述激光输出侧的输出侧 反射单元、和设置在与所述激光输出侧相反侧的后端侧反射单元构成，通过控制从所述输 出侧反射单元到所述第二反射单元的距离、和用包含所述半导体激光元件中的光的环绕时 间τ、所述输出侧反射单元的反射率心以及所述第二反射单元的反射率R 2的下述（1)式定义 的向所述半导体激光元件的有效的返回光量κ，来使LFF周期成为20ns以下，选择LFF周期成 为20ns以下的半导体激光装置作为出现FBG模式和FP模式高速切换的半导体激光装置，作 为在相干崩溃模式(coherent collapse mode)进行振荡的半导体激光装置使用，为了找到 出现FBG模式和FP模式的高速切换的半导体激光装置而进行所述选择，一边测定从所述半 导体激光装置输出的激光的强度与时间的关系一边进行所述控制，在测定从所述半导体激 光装置输出的激光的强度与时间的关系时，在给定的时间内将强度降低最大处作为基准峰 值，将与强度的绝对值为所述基准峰值的60%以上的最相邻的峰值的间隔规定为所述LFF 周期，选择所述规定的LFF周期成为20ns以下时的半导体激光装置，决定为要使用的半导体 激光装置。
[0015] k = (1/t)X(1-Ri)X(R2/Ri)1/2.....(1)
[0016] 另外，本发明的1个方式所涉及的半导体激光装置的设计方法的特征在于，将从所 述半导体激光装置输出的激光的强度设定为50mW以下。
[0017] 另外，本发明的1个方式所涉及的半导体激光装置的设计方法的特征在于，将从所 述半导体激光装置输出的激光的强度设定为20mW以上。
[0018] 另外，本发明的1个方式所涉及的半导体激光装置的设计方法的特征在于，从所述 半导体激光元件输出的激光的波长为1.3μηι以上1.6μηι以下的范围，从所述输出侧反射单元 到所述第二反射单元的物理距离L(crn)、与所述有效的返回光量k(1/ ps)的关系满足L> 5333XK-33 的关系。
[0019] 本发明的1个方式所涉及的拉曼放大器的设计方法的特征在于，所述拉曼放大器 具备：用前述的半导体激光装置的设计方法制造的半导体激光装置;和被输入从该半导体 激光装置输出的激光的拉曼放大用的光纤，该拉曼放大器的设计方法将因所述激光而在所 述光纤内发生的受激布里渊散射所引起的所述激光的反射量的变动率设定为10%以下。
[0020] 本发明的1个方式所涉及的半导体激光装置的制造方法的特征在于，使用前述的 半导体激光装置的设计方法来制造半导体激光装置。
[0021] 本发明的1个方式所涉及的半导体激光装置用在拉曼放大用的激发光源中，具备： 半导体激光元件，其具备半导体发光部、和有将该半导体发光部输出的光反射的第一反射 单元的光谐振器;和第二反射单元，其设置在该半导体激光元件的激光输出侧，所述半导体 激光装置的特征在于，所述第一反射单元由设置在所述激光输出侧的输出侧反射单元、和 设置在与所述激光输出侧相反侧的后端侧反射单元构成，从所述半导体激光元件输出的激 光的波长为1.3μπι以上1.6μπι以下的范围，该半导体激光装置通过控制从所述输出侧反射单 元到所述第二反射单元的距离L(cm)、和用包含所述半导体激光元件中的光的环绕时间τ、 所述输出侧反射单元的反射率心以及所述第二反射单元的反射率R2的下述（1)式定义的向 所述半导体激光元件的有效的返回光量K(l/ps)，使从所述输出侧反射单元到所述第二反 射单元的距离L、与向所述半导体激光元件的有效的返回光量κ的关系满足L>5333Xk-33 的关系，来使LFF周期成为20ns以下，选择LFF周期成为20ns以下的半导体激光装置作为出 现FBG模式和FP模式的高速切换的半导体激光装置，使其在相干崩溃模式下进行振荡，为了 找到出现FBG模式和FP模式的高速切换的半导体激光装置而进行所述选择，一边测定从所 述半导体激光装置输出的激光的强度与时间的关系一边进行所述控制，在测定从所述半导 体激光装置输出的激光的强度与时间的关系时，在给定的时间内，将强度降低最大处作为 基准峰值，将与强度的绝对值为所述基准峰值的60%以上的最相邻的峰值的间隔规定为所 述LFF周期，选择所述规定的LFF周期成为20ns以下时的半导体激光装置，决定为要使用的 半导体激光装置。
[0022] k = (1/t)X(1-Ri)X(R2/Ri)1/2.....(1)
[0023] 另外，本发明的1个方式所涉及的半导体激光装置的特征在于，输出的激光的强度 被设定为50mW以下。
[0024]另外，本发明的1个方式所涉及的半导体激光装置的特征在于，输出的激光的强度 被设定为20mW以上。
[0025] 本发明的1个方式所涉及的拉曼放大器特征在于，具备:前述的半导体激光装置； 和被输入从该半导体激光装置输出的激光的拉曼放大用的光纤，使因所述激光而在所述光 纤内发生的受激布里渊散射所引起的所述激光的反射量的变动率为10%以下。
[0026] 本发明的1个方式所涉及的光通信系统的特征在于，具备前述的拉曼放大器。
[0027]发明的效果
[0028] 根据本发明，能提供能抑制拉曼放大用的激发光源中所用的半导体激光装置输出 的激光所引起的光纤中的受激布里渊散射的半导体激光装置的设计方法、拉曼放大器的设 计方法、半导体激光装置的制造方法、半导体激光装置、拉曼放大器、以及光通信系统。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的实施方式所涉及的光通信系统以及拉曼放大器的概略说明图。
[0030] 图2是本发明的实施方式所涉及的半导体激光装置的概略说明图。
[0031]图3是本发明的实施方式所涉及的半导体激光装置中所用的半导体激光元件的概 略说明图。
[0032]图4是表示图3的半导体发光部的截面的概略图。
[0033]图5是用于说明在图3的半导体激光装置中半导体激光元件与光纤的位置关系的 概略图。
[0034] 图6是测定从半导体激光装置输出的激光的受激布里渊散射所引起的反射量的变 动率的实验装置的概略说明图。
[0035] 图7是用于在图6的测定反射量的变动率的方法中测定瞬时时间波形的方法的概 略说明图。
[0036] 图8是表示本发明例1的实验结果的图。
[0037] 图9是图8的实验结果的一部分的放大图。
[0038] 图10是表示本发明例6的实验结果的图。
[0039] 图11是图10的实验结果的一部分的放大图。
[0040] 图12是表示实施例2的实验结果的图。
[0041]图13是表示实施例3所涉及的半导体激光装置的振荡模式下的L与Rfbg的关系的 图。
[0042]图14是表示实施例3所涉及的半导体激光装置的振荡模式下的L与κ的关系的图。
【具体实施方式】
[0043]以下参考附图来说明本发明所涉及的半导体激光装置20的设计方法、拉曼放大器 10的设计方法、半导体激光装置20的制造方法、半导体激光装置20、拉曼放大器10、以及光 通信系统100的实施方式。另外，并不通过本实施方式限定发明。另外，在附图的记载中，对 同一或对应的要素适宜标注同一标号。另外，需要留意的是，附图是示意的图，各要素的尺 寸的关系、各要素的比率等有和现实不同的情况。有时在附图的相互间，也包含彼此的尺寸 的关系、比率不同的部分的情况。
[0044]首先说明具备本发明的实施方式所涉及的半导体激光装置20的光通信系统100以 及拉曼放大器10。图1是本发明的实施方式所涉及的光通信系统100以及拉曼放大器10的概 略说明图。如图1所示那样，光通信系统100具备:发送信号光Sl的发送机1;用于将信号光Sl 拉曼放大的拉曼放大器10;和接收由拉曼放大器10将信号光Sl拉曼放大而得到的信号光S2 的接收机2。
[0045]拉曼放大器10具备：多个半导体激光装置20;被输入从半导体激光装置20输出的 激光的拉曼放大用的光纤11;波长合波器12;和光合分波器13。波长合波器12将从多个半导 体激光装置20输出的激光合波。光合分波器13将由波长合波器12合波的激光和信号光Sl合 波，或者将由波长合波器12合波的激光和信号光S2分波。在该光波长合波器12与发送机1之 间、以及光波长合波器12与接收机2之间设置光隔离器3。另外，光纤11还作为将发送机1与 接收机2之间连接、传输信号光S1、S2的光传输路而发挥功能。
[0046]半导体激光装置20用作拉曼放大用的激发光源。半导体激光装置20如图2所示那 样具备:作为电子冷却元件的帕耳帖模块21;基板22;具备有第一反射单元的光谐振器33的 半导体激光元件30;热敏电阻23;透镜24、25;和有第二反射单元28 (光纤布拉格光栅）的光 纤26( 11)。它们被收容在封装27中。
[0047]基板22设置在帕耳帖模块21的一方的面（图2中为上表面），在该基板22的一方的 面（图2中为上表面)设置半导体激光元件30、热敏电阻23、和透镜24。并且在封装27的侧壁 形成贯通孔29。在该贯通孔29设置透镜25、和光纤26,该光纤26进一步向封装27的外方延 伸。
[0048]在该半导体激光装置20中，半导体激光元件30输出的激光在透镜24、25汇聚而输 入到光纤26的端面，在光纤26的芯内导波。然后，在芯内导波的激光的一部分被第二反射单 元28 (光纤布拉格光栅)反射而返回到半导体激光元件30。
[0049]在本实施方式中，第二反射单元28的反射率Rfbg例如在0.1 %~7.0 %的范围内。另 外，第二反射单元28的反射频带宽度Δ λ例如在〇· Inm~30nm的范围内。
[0050]在半导体激光元件30的驱动过程中，因驱动电流让而半导体激光元件30发热，从 而元件温度上升，有时激光的波长会出现变动。为此，用设于半导体激光元件30的近旁的热 敏电阻23测定半导体激光元件30的温度，根据其测定值使帕耳帖模块21动作，并进行控制 使半导体激光元件30的温度成为恒定。
[0051 ]半导体激光元件30如图3所示那样，具备:半导体发光部40;和有将该半导体发光 部40输出的光反射的第一反射单元的光谐振器33。第一反射单元由设于激光输出侧（图2以 及图3中为右侧）的输出侧反射单元31、和设于与激光输出侧相反侧（图2以及图3中为左侧） 的后端侧反射单元32构成。在本实施方式中，输出侧反射单元31以及后端侧反射单元32具 体设为反射膜，这些输出侧反射单元31以及后端侧反射单元32作为法布里珀罗型的光谐振 器发挥功能。另外，在本实施方式中，从半导体激光元件30输出的光的波长为1.3μπι以上1.6 μπι以下的范围。另外，输出侧反射单元31以及后端侧反射单元32的间的距离(谐振器长度） 例如设定在〇. 2mm~IOmm的范围内。
[0052]半导体发光部40在1个方向（图3的左右方向）上延伸，在作为半导体发光部40的端 面的一端(右端）以及另一端（左端），分别形成输出侧反射单元31以及后端侧反射单元32。 这些输出侧反射单元31以及后端侧反射单元32中，将后端侧反射单元32的反射率Rhr设定得 高于输出侧反射单元31的反射率Rar(Rhr>R AR)。
[0053] 即，将半导体激光元件30的输出侧反射单元31的反射率Rar设定得低于设置在其相 反侧的后端侧反射单元32的反射率Rhr。更具体的，后端侧反射单元32的反射率Rhr的反射率 为90~100%的范围内，输出侧反射单元31的反射率Rar的反射率为0.1~10%的范围内。 [0054]因此，在半导体激光装置20中，变得主要从一端侧（图3中为右侧)输出激光。
[0055] 半导体发光部40如图4所示那样成为掩埋型异质结(BH:Buried Hetero)结构。该 半导体发光部40例如在n-InP所构成的基板41的一方的面依次层叠 n-InP所构成的下部包 覆层42、无惨杂GaInAsP所构成的下部GRIN_SCH(GRaded INndex Separate Confinement Heterostructure，梯度折射率分别限制异质结构)层43、GaInAsP所构成的有晶格失配系的 多重量子阱结构的活性层44、无掺杂GaInAsP所构成的上部GRIN-SCH层45,进而覆盖上部 GRIN-SCH层45地依次层叠 p-InP所构成的上部包覆层46、p-GaInAsP所构成的接触层47。然 后，覆盖该接触层47地形成作为p侧电极的上部电极48。另外，在基板41的另一方的面形成 作为η侧电极的下部电极49。
[0056]另外，通过在上述的下部包覆层42、下部GRIN-SCH层43、活性层44、以及上部GRIN-SCH层45的侧面按照p-InP层51和n-InP层52的顺序将它们层叠，来形成向活性层44的电流 注入用的狭窄部。在该层叠结构，活性层44以应变多重量子阱结构构成。具体地，成为相对 于基板41晶格失配率成为0.5%以上那样的压缩应变多重量子阱结构。
[0057]另外，虽然在此采用应变多重量子阱结构，但还能采用晶格匹配系的量子阱结构。 [0058]另外，由于采用晶格失配系、即应变量子阱结构会使光谐振器内的内部吸收变小， 因此对半导体激光元件30的高输出化而言优选。并且，为了得到该效果，优选晶格失配率为 0.5%以上。
[0059]接下来说明该半导体发光部40的制造方法。半导体发光部40例如能使用有机金属 气相生长法、液相法、分子束外延生长法、气态源分子束外延生长法、光化射线外延生长法 等公知的外延生长法制造。
[0060] 具体地，在半导体发光部40的制造方法中，首先在给定的半导体所构成的基板41 上进行给定的半导体的外延结晶生长而形成上述的层叠结构，之后进行解理而做出给定的 谐振器长度，进行在一方的解理面成膜后述的低反射膜来形成输出侧反射单元31 (反射 膜）。然后，在另一方的解理面成膜高反射膜来形成后端侧反射单元32,进而在基板41的背 面形成下部电极49,在层叠结构的上表面形成上部电极48,由此制造半导体发光部40。
[0061] 接下来进一步详细说明本实施方式所涉及的半导体激光装置20的设计方法。
[0062]拉曼放大用的半导体激光装置输出的激光(激发光)在光纤中、特别在拉曼放大用 的光纤中有时会受激布里渊散射。为了抑制该受激布里渊散射，本发明的
【发明人】们对拉曼 放大用的半导体激光装置的设计方法进行了锐意研讨。
[0063]在具有光谐振器、以及后端侧反射单元和第二反射单元所构成的外部光谐振器的 半导体激光装置中，存在数个振荡模式。作为这些振荡模式，具体有仅外部光谐振器进行振 荡的FBG模式、仅光谐振器进行振荡的FP芯片模式、将FBG模式和FP (Fabry-Perot，法布里-?白罗）芯片模式交替高速(数IOMHz)切换的模式(LFF(Low Frequency Fluctuation，低频波 动)模式）、将FBG模式和LFF模式以低速(数ms)进行切换的共存状态模式。
[0064] 进而，在具有光谐振器以及外部光谐振器的半导体激光装置中，存在FBG模式和FP 芯片模式以同程度的增益在不连贯的状态下共存的相干崩溃模式。
[0065] 在该相干崩溃模式下进行振荡的状态中，激光输出稳定，成为稳定的多模(光谱区 域）。本发明的
【发明人】们发现，在拉曼放大用的半导体激光装置中，控制从输出侧反射单元 到第二反射单元的距离、和由输出侧反射单元的反射率Rm以及第二反射单元的反射率Rfbg 调节的有效的返回光量，来使半导体激光装置的LFF周期为给定的时间以下，能使半导体激 光装置在相干崩溃状态下振荡(参考图5)。
[0066] 另外，从输出侧反射单元到第二反射单元的距离具体如图5所示那样，是指从输出 侧反射单元31到第二反射单元28的物理距离L。另外，在第二反射单元28是光纤布拉格光栅 那样分布型的反射单元的情况下，到第二反射单元28的距离是到长边方向中央的距离。 [0067]在此，所谓LFF周期，在测定从半导体激光装置20输出的激光的强度与时间的关系 的情况下，在给定的时间内将强度降低最大之处(强度最低的极小点)作为基准峰值，LFF周 期是指与强度的绝对值(强度降低的大小）为前述的基准峰值的60%以上的最相邻的峰值 的间隔。例如，在用光检测器测定激光的强度并将该强度换算成电压时，在测定电压与时间 的关系的情况下，在给定的时间内，将电压降最大之处（电压最低的极小点)作为基准峰值， 是指与电压值的绝对值（电压降的大小）为前述的基准峰值的60%以上的最相邻的峰值的 间隔（参考后述的图9以及图11)。另外，在基准峰值的两邻有峰值的情况下，将时间间隔窄 的一方的峰值设为LFF周期即可。另外，基准峰值、与基准峰值和前述的最相邻的峰值(2个 峰值间电压在正方向上最高的部分）的电压差为30mV(向光检测器的平均输入功率的5%) 以上。在后述的实验系统中，30mV若换算成光输出则为O.lmW，相当于用功率计等测定器检 测的光输出的5%。
[0068]本发明的实施方式所涉及的半导体激光装置20基于上述的见解而提出，设计成如 下那样的构成。即，半导体激光装置20通过控制从输出侧反射单元31到第二反射单元28的 距离、和用输出侧反射单元31的反射率以及第二反射单元28的反射率调节的有效的返回光 量，来使半导体激光装置20的LFF周期为20ns以下。
[0069] 在此，在本实施方式中，半导体激光装置20的LFF周期优选为15ns以下，进一步优 选为5ns以下。
[0070] 另外，半导体激光装置20的LFF周期没有特别的下限，但若是Ons则为理想的相干 崩溃状态，若Ons且20ns以下，则能规定为相干崩溃状态。
[0071]进而在本实施方式中，优选从输出侧反射单元31到第二反射单元28的物理距离L (cm)、与半导体激光元件30输出的激光再度返回到半导体激光元件30的有效的返回光量κ (Ι/ps)的关系满足 L>5333Xk-33。
[0072] 在此，K(l/ps)为 κ=(1/τ) X (I-Rar) X (Rfbg/Rar)1/2 · · · (1)。另外，τ 是半导体激 光元件30中的光的环绕时间，以τ = 2Χ(半导体激光元件长度）X (群折射率)/(光速)表征。
[0073] 关于上述的式的导出，在后述的实施例说明详细。
[0074] 即，在本发明的实施方式所涉及的半导体激光装置20的设计方法的优选的方式 中，通过控制从输出侧反射单元31到第二反射单元28的距离、和用包含半导体激光元件30 中的光的环绕时间τ、输出侧反射单元31的反射率Rar以及第二反射单元28的反射率Rfbg的前 述的（1)式定义的向半导体激光元件30的有效的返回光量κ，来使LFF周期成为20ns以下，选 择该LFF周期成为20ns的半导体激光装置作为出现FBG模式和FP模式的高速切换的半导体 激光装置，作为在相干崩溃模式下进行振荡的半导体激光装置使用。而且，为了找到出现 FBG模式和FP模式的高速切换的半导体激光装置而进行前述的选择，一边测定从半导体激 光装置输出的激光的强度与时间的关系一边进行前述的控制。在测定从半导体激光装置输 出的激光的强度与时间的关系时，在给定的时间内，将强度降低最大处作为基准峰值，将与 强度的绝对值为基准峰值的60%以上的最相邻的峰值的间隔规定为LFF周期，选择前述那 样规定的LFF周期成为20ns以下时的半导体激光装置，决定为要使用的半导体激光装置。
[0075] 另外，在本发明的实施方式所涉及的半导体激光装置20的优选的方式中，从半导 体激光元件30输出的激光的波长为1.3μπι以上1.6μπι以下的范围，该半导体激光装置20通过 控制从输出侧反射单元31到第二反射单元28的距离U和向半导体激光元件30的有效的返 回光量κ，从而让从输出侧反射单元31到第二反射单元28的距离L(crn)、与用包含半导体激 光元件30中的光的环绕时间τ、输出侧反射单元31的反射率Rar以及第二反射单元28的反射 率Rfbg的前述的（1)式定义的向半导体激光元件30的有效的返回光量k(1/ ps)的关系满足L >5333 X κ-33的关系，由此选择LFF周期成为20ns以下的半导体激光装置，作为出现FBG模 式和FP模式的高速切换的半导体激光装置，在相干崩溃模式下进行振荡。并且，为了找到出 现FBG模式和FP模式高速切换的半导体激光装置而进行前述的选择，一边测定从半导体激 光装置输出的激光的强度与时间的关系一边进行前述的控制。在测定从半导体激光装置输 出的激光的强度与时间的关系时，在给定的时间内，将强度降低最大处作为基准峰值，将与 强度的绝对值为基准峰值的60%以上的最相邻的峰值的间隔规定为LFF周期，选择规定的 LFF周期成为20ns以下时的半导体激光装置，决定为要使用的半导体激光装置。
[0076] 在以上那样的构成的本实施方式所涉及的半导体激光装置20的设计方法、以及利 用了该半导体激光装置20的设计方法的半导体激光装置20中，通过控制从输出侧反射单元 31到第二反射单元28的距离、和用输出侧反射单元31的反射率以及第二反射单元28的反射 率调节的有效的返回光量，半导体激光装置20的LFF周期成为20ns以下。由此，半导体激光 装置的振荡模式成为相干崩溃模式，能抑制在光纤11中的受激布里渊散射。
[0077]因此，具备该半导体激光装置20的拉曼放大器10以及光通信系统100更加提升了 可靠性。
[0078]另外，在本实施方式中，半导体激光装置20由于满足L>5333Xk-33而设计，因此 能更确实地使半导体激光元件30在相干崩溃状态下振荡。由此，能抑制半导体激光装置20 输出的光在光纤11中进行受激布里渊散射。
[0079]另外，在本实施方式中，半导体激光装置20优选在输出的激光的强度为20mW以上 50mW以下的范围内使用。半导体激光装置20由于如上述那样将LFF周期设为20ns以下，因此 在50mW以下那样的光强度低的情况下，也能抑制输出的激光在光纤11中进行受激布里渊散 射。
[0080] 另外，并不由上述实施方式限定本发明。将上述的各构成要素适宜组合而构成的 方案也包含在本发明中。另外，进一步的效果和变形例能由本领域技术人员容易地导出。因 而，本发明的更广泛的方式并不限定于上述的实施方式，能进行各种变更。
[0081] (实施例1)
[0082]接下来说明本发明的实施例。以下说明本发明的实施方式所涉及的半导体激光装 置中的受激布里渊散射的抑制效果的确认实验。首先说明实施例1。
[0083] 在图6示出用于确认半导体激光装置输出的光是否进行了受激布里渊散射的实验 装置的概略图。该实验装置如图6所示那样，具备:输出拉曼放大用的激发光的半导体激光 装置120;传播该半导体激光装置120输出的激光的光纤11;设置在半导体激光装置120的输 出侧的光隔离器61;测定返回光的强度的功率计62;使半导体激光装置120输出的激光输入 到光纤11并使返回光输入到功率计62的光耦合器63。
[0084] 半导体激光装置120和前述的实施方式中说明的半导体激光装置20为同样的基本 构成。其中，半导体激光装置120设计成以下所示的各个本发明例以及比较例的条件。具体 地，将第二反射单元的反射率Rfbg、以及从输出侧反射单元到第二反射单元的物理距离L等 设定为各种值来进行实验。另外，在本实施例中，使用在光输出20mW时成为未附带FBG的光 谐振器单体时的振荡波长<FBG中心波长(第二反射单元的反射中心波长)的半导体激光装 置 120。
[0085] 光纤11是拉曼放大用的光纤，若被输入从半导体激光装置120输出的激光（激发 光)就会发生受激布里渊散射等，作为返回光返回到隔离器61、功率计62。另外，光隔离器61 为了防止返回光返回到导体激光装置120而设。
[0086] 在本实施例中，通过使用上述的实验装置求得反射量的变动率，来确认有无发生 受激布里渊散射的。以下说明反射量的变动率的测定方法。
[0087] 在本实施例中，测定反射量的最大值Pmax、反射量的最小值Pmin、反射量的平均值 Ρ_，通过以下的式来算出反射量的变动率。
[0088](反射量的变动率）=(Pmax-Pmin)A3ave
[0089 ]在此，反射量的最大值Pmax以及反射量的最小值Pmin是用功率计62测定的最大以及 最小的测定值，反射量的平均值是用功率计62测定的平均值。
[0090]另外，若激光(激发光)输入到光放大用的光纤11，则观测到通常瑞利散射光等，而 在发生受激布里渊散射的情况下，反射量的变动率变大。
[0091 ]在此，在相干崩溃模式、FBG模式、FP模式下，反射量的变动率变得大致恒定。这时， 若在Rar与Rfbc的关系满足
[0092] 1/100XRar<Rfbg<100XRar
[0093] 时，反射量的变动率为恒定，则能判断为是相干崩溃状态。
[0094] 如上述那样对本发明例1~6以及比较例1测定反射量的变动率。将反射量的变动 率为10%以下的设为防止了受激布里渊散射，评价为「〇」，将反射量的变动率超过的10% 设为发生了受激布里渊散射，评价为「X」。
[0095] 进而在实施例1中，为了判断半导体激光装置120的振荡模式是否成为相干崩溃状 态而采用图7所示的测量瞬时时间波形的方法。在此，用示波器64评价电压-时间波形，来进 行振荡模式的确认。另外，为了掌握来自半导体激光装置120的输出，还使用功率计62。另 外，在半导体激光装置120与光检测器65之间设置光衰减器66。光检测器65具备光电二极 管，接受在光衰减器66衰减的激光并将与其强度相应的值的电流输出给不波器64。不波器 64将所输入的电流变换成电压值。
[0096]另外，光检测器65以及示波器64使用比LFF模式的振动周期即数IOMHz充分高的响 应频率的设备。另外，作为示波器64的触发而使用内部触发。另外，在示波器64的测定时，将 DC分量除外来测定5分钟的电压-时间波形。另外，光检测器65的光电变换效率为300V/W，向 光检测器65的功率恒定在2mW。另外，时间分辨率设定为Ins以下。
[0097] 如此，对本发明例1~6以及比较例1在表1所示的条件下进行实验，求取各自的LFF 周期。
[0098] 在表1示出上述的实验的结果。在表1中还示出κ的值。另外，作为电压-时间波形的 测定结果的一例，在图8以及图9示出本发明例1的结果，在图10以及图11示出本发明例6的 结果。
[0099] [表1]
[0100] (表 1)
[0102]如表1所示那样，在本发明例1~6中，LFF周期成为20ns以下，反射量的变动率较 小，确认防止了受激布里渊散射。
[0103] 另一方面，在比较例1中，LLF周期成为25ns，反射量的变动率较大，发生了受激布 里渊散射。
[0104] (实施例2)
[0105]在实施例2中，用和实施例1中说明同样的实验装置(参考图6、7)将半导体激光装 置的电流值(驱动电流值)设定为IOOmA~200mA，来测定LFF周期以及反射量的变动率。
[0106]实验条件如以下那样设定。
[0107]〈本发明例7的实验条件〉
[0108] 光谐振器长度:2. Omm
[0109]从输出侧反射单元到第二反射单元的物理距离L: 180cm
[0110] Rfbg :1.8%
[0111] Rar：1.5%
[0112] 〈比较例2的实验条件〉
[0113] 光谐振器长度:2. Omm
[0114]从输出侧反射单元到第二反射单元的物理距离L:100cm
[0115] Rfbg ： 3.6 %
[0116] Rar：1.5%
[0117] 在图12示出反射量的变动率的评价的结果。
[0118] 如图12所示那样，本发明例7确认到电流值I OOmA~200mA的范围内反射量的变动 率小到10%以下，抑制了受激布里渊散射。另外，本发明例7确认到LFF周期为20ns以下。
[0119] 另一方面，在比较例2中，和电流值130~200mA的范围相比，在电流值100~120mA 的范围内，反射量的变动率大到约1000倍，确认出现了受激布里渊散射。另外，比较例2确认 LFF周期超过20ns。
[0120] 另外，电流值IOOmA相当于激光强度20mW。另外，电流值120mA相当于激光强度 50mW〇
[0121] (实施例3)
[0122] 在图13示出相对于半导体激光装置120中的第二反射单元的反射率RFBC、和从输出 侧反射单元到第二反射单元的距离L的半导体激光元件的振荡模式的关系。该图13的各个 描绘点是如实施例1那样进行各种实验，汇总其实验结果而得到的。
[0123] 根据图13可知，半导体激光装置120的振荡模式成为相干崩溃状态是
[0124] L(ciii)>23XRfbg(%)+89
[0125] 时。
[0126] 其中，Rfbc若不为1.8%以上，就有不能波长缩减的限制。在此，所谓波长缩减，是指 半导体激光装置120的激光器振荡波长缩减到第二反射单元的反射中心波长。
[0127] 另外，若考虑半导体激光装置120的成本，则从输出侧反射单元到第二反射单元的 距离L期望尽可能短。
[0128] 在此，将图13中的反射率Rfbg置换为有效的返回光量κ。
[0129] k = (1/t)X(1-Rar)X(Rfbg/Rar)1/2
[0130] 在此，τ是半导体激光元件中的光的环绕时间。由于本实施例中所用的半导体激光 元件的光谐振器长度为2.0mm，群折射率为3.4,因此τ成为45ps。另外，Rar使用1.2%。
[0131] 在图14示出以这样的有效的返回光量κ置换图13所示的关系得到的、相对于半导 体激光装置120中的第二反射单元的反射率R fbc和有效的返回光量κ的半导体激光元件的振 荡模式的关系。
[0132] 另外，上述的K = (IA)X(I-Rar) X (RFBC/RAR)1/2的关系例如详细记载在非专利文 献1中。
[0133] 根据图14,使半导体激光元件在相干崩溃状态下振荡的条件求出为
[0134] L>5333Xk-33。
[0135] 该线性近似式在有效的返回光量k(1/ps)为〇.〇以上0.053以下、输出侧反射单元 的反射率R AR( % )为〇%以上7%以下、半导体激光元件的光谐振器长度为0.2mm以上IOmm以 下的范围内成立。另外，κ若不为0.027(l/ps)以上，则有不能波长缩减的限制。
[0136] 如以上那样，在能导出前述的实施方式中说明的L>5333Xk-33的关系、L和κ满足 该关系的情况下，半导体激光装置120的振荡模式能确实地为相干崩溃状态，能抑制受激布 里渊散射的发生。
[0137] 产业上的利用可能性
[0138] 本发明所涉及的半导体激光装置的设计方法、拉曼放大器的设计方法、半导体激 光装置的制造方法、以及半导体激光装置适于利用在拉曼放大用的激发光源中所用的半导 体激光装置中。另外，本发明所涉及的拉曼放大器、以及光通信系统适于利用在光通信的用 途中。
[0139] 标号的说明
[0140] 1发送机
[0141] 2接收机
[0142] 3、61光隔离器
[0143] 10拉曼放大器
[0144] 11、26 光纤
[0145] 12波长合波器
[0146] 13光合分波器
[0147] 20、120半导体激光装置
[0148] 21帕耳帖模块
[0149] 22 基板
[0150] 23热敏电阻
[0151] 24、25 透镜
[0152] 27 封装
[0153] 28第二反射单元
[0154] 29贯通孔
[0155] 30半导体激光元件
[0156] 31输出侧反射单元
[0157] 32后端侧反射单元
[0158] 33光谐振器
[0159] 40半导体发光部
[0160] 41 基板
[0161] 42下部包覆层
[0162] 43 下部GRIN-SCH层
[0163] 44活性层
[0164] 45 上部GRIN-SCH层
[0165] 46上部包覆层
[0166] 47接触层
[0167] 48上部电极
[0168] 49下部电极
[0169] 51 p-InP层
[0170] 52 n-InP层
[0171] 62功率计
[0172] 63光親合器
[0173] 64示波器
[0174] 65光检测器
[0175] 66光衰减器
【主权项】
1. 一种半导体激光装置的设计方法， 所述半导体激光装置用在拉曼放大用的激发光源中， 所述半导体激光装置具备:半导体激光元件，其具备半导体发光部、和有将该半导体发 光部输出的光反射的第一反射单元的光谐振器;和第二反射单元，其设置在该半导体激光 元件的激光输出侧， 所述半导体激光装置的设计方法的特征在于， 所述第一反射单元由设置在所述激光输出侧的输出侧反射单元、和设置在与所述激光 输出侧相反侧的后端侧反射单元构成， 通过控制从所述输出侧反射单元到所述第二反射单元的距离、和用包含所述半导体激 光元件中的光的环绕时间τ、所述输出侧反射单元的反射率心以及所述第二反射单元的反 射率R2的下述（1)式定义的向所述半导体激光元件的有效的返回光量，来使LFF周期成为 20ns以下，选择LFF周期成为20ns以下的半导体激光装置作为出现FBG模式和FP模式的高速 切换的半导体激光装置，作为在相干崩溃模式下进行振荡的半导体激光装置使用， 为了找到出现FBG模式和FP模式的高速切换的半导体激光装置而进行所述选择，一边 测定从所述半导体激光装置输出的激光的强度与时间的关系一边进行所述控制， 在测定从所述半导体激光装置输出的激光的强度与时间的关系时，在给定的时间内， 将强度降低最大处作为基准峰值，将与强度的绝对值为所述基准峰值的60%以上的最相邻 的峰值的间隔规定为所述LFF周期， 选择所述规定的LFF周期成为20ns以下时的半导体激光装置，决定为要使用的半导体 激光装置， 其中，K= (IA)X(I-R1)X(RVR1)1/2.....(1)。2. 根据权利要求1所述的半导体激光装置的设计方法，其特征在于， 将从所述半导体激光装置输出的激光的强度设定为50mW以下。3. 根据权利要求1所述的半导体激光装置的设计方法，其特征在于， 将从所述半导体激光装置输出的激光的强度设定为20mW以上。4. 根据权利要求1所述的半导体激光装置的设计方法，其特征在于， 从所述半导体激光元件输出的激光的波长为1.3μηι以上1.6μηι以下的范围， 从所述输出侧反射单元到所述第二反射单元的物理距离L(crn)、与所述有效的返回光 量K(l/ps)的关系满足 L>5333Xk-33 的关系。5. -种拉曼放大器的设计方法，其特征在于，所述拉曼放大器具备： 用权利要求1所述的半导体激光装置的设计方法制造出的半导体激光装置、和被输入 从该半导体激光装置输出的激光的拉曼放大用的光纤， 将因所述激光而在所述光纤内发生的受激布里渊散射所引起的所述激光的反射量的 变动率设定在10%以下。6. -种半导体激光装置的制造方法，其特征在于， 使用权利要求1所述的半导体激光装置的设计方法来制造半导体激光装置。7. -种半导体激光装置，用在拉曼放大用的激发光源中，具备： 半导体激光元件，其具备半导体发光部、和有将该半导体发光部输出的光反射的第一 反射单元的光谐振器;和第二反射单元，其设置在该半导体激光元件的激光输出侧， 所述半导体激光装置的特征在于， 所述第一反射单元由设置在所述激光输出侧的输出侧反射单元、和设置在与所述激光 输出侧相反侧的后端侧反射单元构成， 从所述半导体激光元件输出的激光的波长为1.3μηι以上1.6μηι以下的范围， 该半导体激光装置通过控制从所述输出侧反射单元到所述第二反射单元的距离L (cm)、和用包含所述半导体激光元件中的光的环绕时间τ、所述输出侧反射单元的反射率心 以及所述第二反射单元的反射率R 2的下述（1)式定义的向所述半导体激光元件的有效的返 回光量K(l/ps)，使从所述输出侧反射单元到所述第二反射单元的物理距离U与向所述半 导体激光元件的有效的返回光量κ的关系满足 L>5333Xk-33 的关系，来使LFF周期成为20ns以下，选择LFF周期成为20ns以下的半导体激光装置，作 为出现FBG模式和FP模式的高速切换的半导体激光装置，使其在相干崩溃模式下进行振荡， 为了找到出现FBG模式和FP模式的高速切换的半导体激光装置而进行所述选择，一边 测定从所述半导体激光装置输出的激光的强度与时间的关系一边进行所述控制， 在测定从所述半导体激光装置输出的激光的强度与时间的关系时，在给定的时间内， 将强度降低最大处作为基准峰值，将与强度的绝对值为所述基准峰值的60%以上的最相邻 的峰值的间隔规定为所述LFF周期， 选择所述规定的LFF周期成为20ns以下时的半导体激光装置，决定为要使用的半导体 激光装置， 其中，K= (IA)X(I-R1)X(RVR1)1/2.....(1)。8. 根据权利要求7所述的半导体激光装置，其特征在于， 输出的激光的强度被设定为50mW以下。9. 根据权利要求7所述的半导体激光装置，其特征在于， 输出的激光的强度被设定为20mW以上。10. -种拉曼放大器，其特征在于，具备： 权利要求7所述的半导体激光装置;和被输入从该半导体激光装置输出的激光的拉曼 放大用的光纤， 使因所述激光而在所述光纤内发生的受激布里渊散射所引起的所述激光的反射量的 变动率为10%以下。11. 一种光通信系统，其特征在于，具备： 权利要求10所述的拉曼放大器。
【文档编号】H01S5/14GK105917534SQ201480070638
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年12月4日
【发明人】长谷川英明, 横内则之, 泽村壮嗣, 入野聪, 吉田顺自
【申请人】古河电气工业株式会社