JP2011253977A

JP2011253977A - Ｄｂｒレーザ

Info

Publication number: JP2011253977A
Application number: JP2010127536A
Authority: JP
Inventors: Mitsunobu Gotoda; 光伸後藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-06-03
Filing date: 2010-06-03
Publication date: 2011-12-15

Abstract

【課題】高出力状態でも安定して単一モード発振動作が可能で、かつ狭発振線幅を有するＤＢＲレーザの提供を目的とする。
【解決手段】本発明のＤＢＲレーザは、活性導波層を有する活性領域と、活性領域に隣接して設けられ、活性導波層の延長上に受動導波層を有するＤＢＲミラー領域とを備えたＤＢＲレーザであって、ＤＢＲミラー領域への光の侵入長と活性領域長との和である実効共振器長の整数分の一だけ、実効共振器長の領域の光出力側の端部から離れた活性領域中の領域に、光の屈折率又はモードの利得を変調する変調領域を複数備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、光ファイバ通信、とりわけコヒーレント光通信での使用に適した発振線幅の狭い単一モード半導体レーザに関するものである。

現在、多くの光ファイバ通信システムでは、送信側でレーザ光の強度変調を行い、受信側で直接検波する強度変調・直接検波方式を採用している。本方式は、送受信装置が簡便な構成で済む反面、受信感度や周波数利用効率の面で改善の余地がある。そこで近年では、システムの大容量化や伝送速度の増大に適したＤＰＳＫ（Differential Phase Shift Keying）等の位相変調を用いた光通信システムの採用が始まっている。それに伴い、光の周波数および位相情報を用いる通信方式であるコヒーレント光通信技術が再び注目されるに至っている。

コヒーレント光通信では、ヘテロダイン又はホモダイン検波方式の採用により、受信感度と周波数利用効率を高めることが出来るため、１９８０年代を中心に多くの研究開発がなされた。本方式の実用化に必須なデバイスは、受信側の局部発振光源として用いられる安定に単一縦モード発振が可能で、発振線幅が１ＭＨｚ以下と狭い半導体レーザ光源である。

従来の単一モード半導体レーザとしては、活性層又は受動導波層の近傍に回折格子を設け、その周期に対応する特定の波長で発振する分布帰還型（ＤＦＢ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ）半導体レーザや、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）半導体レーザなどが代表的である。これらのレーザは、３０ｄＢ以上のサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ：ＳｉｄｅＭｏｄｅＳｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎＲａｔｉｏ）が容易に得られるため、コヒーレント通信用の単一縦モード光源として期待されている。

このような従来の単一モード半導体レーザでは、数１０ｍＡ以下の低い電流注入レベルにおいて安定な単一モード発振が可能である。また単一モード半導体レーザの発振線幅Δｆは、

で与えられる（非特許文献１参照）。ここで、Ｒは自然放出レート、Ｉは光出力、αはキャリア密度の変化量に対する屈折率の実部と虚部の変化量の比を表すαパラメータである。この式から半導体レーザの発振線幅は、理想的には光出力に逆比例して狭くなる。

チャールズ・Ｈ・ヘンリー（C.H.Henry）著, "半導体レーザの線幅理論（Theory of the Linewidth of Semiconductor Lasers）", IEEE Journal of Quantum Electronics,（米国）, Vol.18, No.2, 1982, pp.259-264.

しかしながら、従来のλ／４シフトＤＦＢレーザでは、位相シフト領域で光子密度が高くなり、キャリア密度が低くなる。この傾向は活性層への電流注入レベルが高くなるとさらに顕著になり、その結果、共振器の長手方向にキャリア密度分布（すなわち屈折率分布）が出来る。このような空間的ホールバーニング効果の影響により、発振モードが不安定になるという問題点がある。

また、ＤＢＲレーザにおいても同様に活性層への電流注入レベルが高くなると、活性領域の温度上昇等により、活性層の利得ピーク位置がシフトしたり、利得スペクトル形状に変化が生じ、発振している縦モードとＤＢＲ反射ピークとの波長位置がずれる。その結果、隣接する縦モードとの競合が起こってＳＭＳＲが劣化するため、発振線幅が増大する。従って、ＳＭＳＲの変化をモニタしながら位相電流を調整する複雑で高コストのフィードバック制御機構が必要になる。さらに、高出力化のために活性層領域長を増大させると、縦モード間隔が狭まるため、安定した単一モード発振が困難になるという問題がある。

そこで、本発明は上述の問題点に鑑み、高出力状態でも安定して単一モード発振動作が可能で、かつ狭発振線幅を有するＤＢＲレーザの提供を目的とする。

本発明のＤＢＲレーザは、活性導波層を有する活性領域と、活性領域に隣接して設けられ、活性導波層の延長上に受動導波層を有するＤＢＲミラー領域とを備えたＤＢＲレーザであって、ＤＢＲミラー領域への光の侵入長と前記活性領域長との和である実効共振器長の整数分の一だけ、実効共振器長の領域の光出力側の端部から離れた活性領域中の領域に、光の屈折率又はモードの利得を変調する変調領域を複数備えることを特徴とする。

本発明のＤＢＲレーザは、ＤＢＲミラー領域への光の侵入長と前記活性領域長との和である実効共振器長の整数分の一だけ、実効共振器長の領域の光出力側の端部から離れた活性領域中の領域に、光の屈折率又はモードの利得を変調する変調領域を複数備えることにより、実効共振器長が長く発振モード間隔が狭まる場合でも、安定して単一モード発振が可能である。

実施の形態１のＤＢＲレーザの構造を示す断面図である。実施の形態２のＤＢＲレーザの構造を示す断面図である。実施の形態３のＤＢＲレーザの構造を示す断面図である。従来のＤＢＲレーザの動作を示す図である。本発明のＤＢＲレーザの動作を示す図である。従来のλ／４シフトＤＦＢレーザの動作を示す断面図である。従来のＤＢＲレーザの構造を示す断面図である。従来の単一モード半導体レーザの発振線幅と光出力の関係を示す図である。

＜前提技術＞
図６に、本発明の前提技術に係る単一モード半導体レーザとしてλ／４位相シフトＤＦＢレーザの素子構造の断面図を示す。λ／４位相シフトＤＦＢレーザは、ＤＦＢレーザの中でも狭発振線幅動作に適するとされる。図６（ａ）は、前方光出力側からみた正面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。簡単のため、上下の電極やコンタクト層、配線は図示を省略している。

λ／４位相シフトＤＦＢレーザは、活性層１と活性層１の上下に配設された光閉じ込め層２で構成される活性導波路７を備えている。活性導波路７は、上クラッド層４および下クラッド層５で挟まれており、側面は電流ブロック層６で覆われている。長波帯通信用素子の場合、クラッド層４，５および電流ブロック層６はＩｎＰ、活性層１はＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸、光閉じ込め層２はバルクのＩｎＧａＡｓＰで構成されるのが一般的である。活性層１を含む活性導波路７は、素子の長手方向全体（長さＬ）に存在し、その両端面には無反射コート８が施されている。また活性導波路７に近接して、所望の波長に対応した回折格子９が設けられ、さらにその中央部に半導体中の1／４波長相当の位相シフト領域１０が設けられている。

活性層１への電流注入によってレーザ発振が起こると、前方および後方端面から等量の出力光１１が出射する（後方出力光は図示を省略）。

次に、図７にＤＢＲレーザの構成の一例を示す。前方出力側から見た正面図は図６（ａ）と同様であるため省略しており、図７は図６（ｂ）と同様の長手方向断面図である。図６と同様に簡単のため、上下の電極やコンタクト層、配線は図示を省略しており、図６と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。ＤＦＢレーザと異なり、活性導波路７は素子の前方出力側の活性領域にのみ存在している。活性領域の後方には、位相調整領域とＤＢＲミラー領域が設けられ、これらは共に受動導波路１５から成る。素子の前方端面は劈開端面であり、後方端面には無反射コート８が施されている。ＤＢＲミラー領域の近傍には回折格子９が設けられ、ＤＢＲ反射鏡を構成している。

ＤＢＲレーザは、基本的には劈開端面とＤＢＲ反射鏡で構成されるファブリ・ペロー共振器型半導体レーザであり、活性層１への電流注入によってレーザ発振が起こる。ＤＢＲミラー領域に入った導波光の大半は、侵入長Ｌ_penと呼ばれる距離で反射され、活性領域、位相調整領域、Ｌ_penを合わせた長さが実効共振器長Ｌ_effになる。ファブリ・ペロー共振器型半導体レーザではｎ_effを実効屈折率として、波長間隔Δλ= λ²/（２×ｎ_eff×Ｌ_eff）の縦モード１８が多数存在するが、回折格子のブラッグ波長で決まるＤＢＲ反射スペクトル１９のピーク近傍の縦モードのみが選択される。ＤＢＲ反射スペクトル１９のピーク幅や高さ（反射率）およびＬ_penは、回折格子の結合係数κとＤＢＲミラー領域長の積できまる。ＤＢＲ反射鏡の反射率が高ければ、大半の出力光１１が前方から出射するが、反射率を高めるほどピーク幅も広がるため、適切な値に設定する必要がある。位相調整領域への注入電流を制御して位相調整を行う事により、一つの縦モードを選択的に発振させる事ができ、ＤＦＢレーザと同程度の発振線幅が得られる。さらに、ＤＢＲミラー領域に電流注入を行うと、バンドフィリング効果による屈折率の低下が生じ、位相調整電流の調整と組み合わせる事により、発振波長を最大で数ｎｍ短波長側にシフトさせる事も可能である。

このような単一モード半導体レーザでは、（１）式から、理想的には半導体レーザの発振線幅が光出力に逆比例して狭くなることが期待される。

しかしながら、従来のλ／４シフトＤＦＢレーザでは、図６に示すように位相シフト領域で光子密度が高くなり、キャリア密度が低くなる。この傾向は活性層への電流注入レベルが高くなるとさらに顕著になり、その結果、共振器の長手方向にキャリア密度分布（すなわち屈折率分布）が出来る。このような空間的ホールバーニング効果の影響により、発振モードが不安定になる。

また、ＤＢＲレーザでも、高出力化のために活性層領域長を増大させると、縦モード間隔が狭まるため、安定した単一モード発振が困難になるという問題がある。

以上の効果により、従来の単一モード半導体レーザでは、図７に示すように光出力レベルが上昇すると共に発振線幅は狭くなるが、ある出力レベルを超えると発振線幅は再び上昇する傾向を示し、１ＭＨｚ以下の最小線幅を得ることが困難であった。

そこで、本発明では以下に示すように、ＤＢＲレーザにおいて活性領域に変調領域を形成することにより、高出力時にも安定して単一モード発振でき、発振線幅を狭くした。

（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、実施の形態１のＤＢＲレーザの素子構造を簡略的に示したものである。図１（ａ）は、素子前方の出力側からみた正面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図である。簡単のため、上下の電極は図示を省略している。材料系としては、長波光通信で一般的に用いられる、ＩｎＰ基板の上にＩｎＧａＡｓＰ導波層を形成した場合において以下の説明を行う。

ＤＢＲレーザは、活性領域と、その後方にＤＢＲミラー領域を備える。ＤＢＲレーザは、活性領域においてＩｎＧａＡｓＰからなる活性導波層７と、活性導波層７を上下から挟み込むｐ−ＩｎＰからなる上クラッド層４およびｎ−ＩｎＰからなる下クラッド層５と、活性導波層７の側面を覆うｐ−ＩｎＰ及びｎ−ＩｎＰの堆積構造である電流ブロック層６を備える。活性導波層７は、活性層１と活性層１の上下に配設される光閉じ込め層２を備える。

また、ＤＢＲレーザは、ＤＢＲミラー領域において、活性導波層の延長上に配設される受動導波層１５と、受動導波層１５の上部近傍に配設される回折格子９とを備える。受動導波層１５の周囲の構成は活性領域と同様で、受動導波層１５の上下を上クラッド層４および下クラッド層５で挟み込み、側面を電流ブロック層６が覆っている。

発振光を出力する素子前方の端面は劈開端面であり、後方のＤＢＲミラー領域端面は無反射コート８が施される。回折格子９で形成されたＤＢＲミラーと劈開端面によってファブリ・ペロー共振器が構成され、ＤＢＲミラー領域への導波光の侵入長Ｌ_penと活性領域を合わせた長さが実効共振器長Ｌ_effになる。

活性層１へ電流注入することによってレーザ発振が生じるが、前方から出射する出力光の強度を高めるため、ＤＢＲミラーの反射率が９０％以上になるように回折格子９の結合係数κとＤＢＲミラー領域長が選ばれる。このときＤＢＲ反射スペクトル１９のピーク幅は、最大で３〜５nm程度まで広がる。

一方、ＤＢＲレーザの最大出力を高めるためには、導波モードを保ったままで活性層体積を大きくする事が有効であり、具体的には活性領域長を数１００μm以上と長くする必要がある。このときＬ_effも長くなるので、縦モード１８の間隔Δλも狭くなる。従って図７に示した従来のＤＢＲレーザに比べ、反射スペクトル１９のピーク幅の内側にさらに多数の縦モードが存在する状況になる。

そこで本実施の形態のＤＢＲレーザは、活性領域中の劈開端面からＬ_eff／Ｎ（Ｎ：整数）離れた変調位置に、活性導波層７とはＩｎＰ層を介して近接し、ＩｎＧａＡｓＰから成る屈折率を変調する変調領域２２を設ける。あるいは、変調領域は縦モードの利得を変調する領域としても良いが、以下では屈折率を変調する屈折率変調領域２２として説明する。

屈折率変調領域２２は、ＩｎＧａＡｓＰ層をフォトリソグラフィによるパターニングとドライエッチングを終えた後、ＩｎＰで埋め込み成長する作製プロセスで形成できる。各屈折率変調領域２２の長さは１０μｍ以下、例えば５μｍに選べばよい。

すなわち、本実施の形態のＤＢＲレーザは、活性導波層７を有する活性領域と、活性領域に隣接して設けられ、活性導波層７の延長上に受動導波層１５を有するＤＢＲミラー領域とを備えたＤＢＲレーザであって、ＤＢＲミラー領域への光の侵入長Ｌ_penと活性領域長の和である実効共振器長Ｌ_effの整数分の一だけ、実効共振器長の領域の光出力側の端部から離れた活性領域中の領域に、光の屈折率又はモードの利得を変調する変調領域２２を複数備えることにより、高い光出力まで安定に単一モード発振し、狭い発振線幅を得るものである。

＜動作＞
次に、縦モード選択動作について説明する。図４、図５は、屈折率変調領域２２による発振モードの変調効果の説明図である。例えば実効共振器長をＬ_eff＝６００μｍとすると、長波帯での縦モード間隔は約０．５ｎｍであり、図４（ａ）のようになる。ＤＢＲ反射スペクトル１９のピーク幅が３．５ｎｍとすれば、図４（ａ）に示した縦モードのうち、計７本がフィルタリングにより選択される（図４（ｂ））。

ここで、活性領域中に屈折率変調領域２２を設けると、導波モードにわずかな反射が生じるため、共振器中での反射を繰り返す間に対応する波長位置の縦モードの利得がその他の縦モードに比べて大きくなり、モード利得変調を受ける。例えば、中心位置が劈開端面からＬ_eff／５の位置にある屈折率変調領域２２により変調された縦モードは図５（ａ）のようになり、元の縦モード間隔の５倍にモード利得が変調される。同様に、中心位置が劈開端面からＬ_eff／２の位置にある屈折率変調領域２２により変調された縦モードは図５（ｂ）のようになり、元の縦モード間隔の２倍にモード利得が変調される。そこで、これら中心位置がＬ_eff／５、Ｌ_eff／２の屈折率変調領域２２を二つ組み合わせた場合には、基準波長に対してこれらの効果を足し合わされ、同図（ｃ）に示すような変調スペクトルが得られる。こうした屈折率変調領域２２の作用による縦モード選択機構を、前述のＤＢＲフィルタと組み合わせる事により、特定の縦モードのみを選択でき、従来のＤＢＲレーザのように位相調整電流制御を行うことなく、高出力時でも単一縦モード発振させる事が可能になる。

このように本発明によれば、従来のλ／４シフトＤＦＢレーザやＤＢＲレーザと比べ、高い光出力まで安定に単一モード発振する事が可能となり、狭い発振線幅が得られる。

＜効果＞
本実施の形態のＤＢＲレーザによれば、既に述べた通り以下の効果を奏する。すなわち、実施の形態１のＤＢＲレーザは、活性導波層７を有する活性領域と、活性領域に隣接して設けられ、活性導波層７の延長上に受動導波層１５を有するＤＢＲミラー領域とを備えたＤＢＲレーザであって、ＤＢＲミラー領域への光の侵入長Ｌ_penと活性領域長の和である実効共振器長Ｌ_effの整数分の一だけ、実効共振器長の領域の光出力側の端部から離れた活性領域中の領域に、光の屈折率又はモードの利得を変調する変調領域２２を複数備える。これにより、高出力を実現すべく実効共振器長さＬ_effを長くして縦モード間隔が狭まった状態でも、安定に単一モード発振し、狭い発振線幅を得ることが可能である。

また、ＤＢＲミラー領域は、活性領域の一端側にのみ設けられ、活性領域の他端は劈開端面である。このような構成によっても、高出力時まで安定に単一モード発振し、狭い発振線幅を得ることが可能である。

（実施の形態２）
実施の形態１では、活性領域の後方にのみＤＢＲミラー領域を設けることとしたが、実施の形態２では図２に示すように、活性領域の前方と後方にＤＢＲミラー領域を設けることとする。それ以外の構成は実施の形態１と同様であるため説明を省略する。図１に示した実施の形態１と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。

この場合、実効共振器長Ｌ_effは、前方ＤＢＲの侵入長と、活性領域長と、後方ＤＢＲの侵入長を合わせたものになる。従って、図２に示すように、中心位置が実効共振器領域の前方端部からそれぞれＬ_eff／５、Ｌ_eff／２の位置に屈折率変調領域２２を設けることにより、実施の形態１と同様に、高出力時まで単一縦モード発振させる事が可能になり、狭い発振線幅が得られる。

＜効果＞
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。すなわち、ＤＢＲミラー領域は、活性領域の両端に隣接してそれぞれ形成されるものとする。このような構成によっても、高出力時まで単一縦モード発振させる事が可能になり、狭い発振線幅が得られる。

（実施の形態３）
図３に、本実施の形態のＤＢＲレーザの構成を示す。実施の形態３のＤＢＲレーザは、実施の形態１の構成に加えて、ＤＢＲミラー領域を加熱する薄膜ヒータ２３を設けたものである。これ以外の構成については実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

薄膜ヒータ２３を通電加熱することにより、ＤＢＲミラー領域に電流注入を行うことなくＤＢＲ反射スペクトル１９のピーク波長を可変制御することができる。ＤＢＲミラー領域の損失が増大せず、ＤＢＲミラー領域のピーク反射率やＬ_effが変化しないため、より安定に単一モード発振を維持することが可能となる。

＜効果＞
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。すなわち、実施の形態３のＤＢＲレーザは、実施の形態１の構成に加えてＤＢＲミラー領域を加熱する薄膜ヒータ２３を備えることにより、ＤＢＲミラー領域に電流注入を行うことなくＤＢＲ反射スペクトル１９のピーク波長を可変制御することができる。そのため、ＤＢＲミラー領域の損失が増大せず、ＤＢＲミラー領域のピーク反射率やＬ_effが変化しないため、より安定に単一モード発振を維持することが可能となる。

１活性層、２光閉じ込め層、４上クラッド層、５下クラッド層、６電流ブロック層、８無反射コート、９回折格子、１０位相シフト領域、１５受動導波層、１８発振縦モード、１９ＤＢＲ反射スペクトル、２２変調領域、２３薄膜ヒータ。

Claims

活性導波層を有する活性領域と、
前記活性領域に隣接して設けられ、前記活性導波層の延長上に受動導波層を有するＤＢＲミラー領域とを備えたＤＢＲレーザであって、
前記ＤＢＲミラー領域への光の侵入長と前記活性領域長との和である実効共振器長の整数分の一だけ、前記実効共振器長の領域の光出力側の端部から離れた前記活性領域中の領域に、光の屈折率又はモードの利得を変調する変調領域を複数備えることを特徴とする、ＤＢＲレーザ。
前記ＤＢＲミラー領域は、前記活性領域の一端にのみ設けられ、
前記活性領域の他端は劈開端面である、請求項１に記載のＤＢＲレーザ。
前記ＤＢＲミラー領域は、前記活性領域の両端に隣接してそれぞれ形成されることを特徴とする、請求項１に記載のＤＢＲレーザ。
前記ＤＢＲミラー領域を加熱するヒータをさらに備える、請求項１〜３のいずれかに記載のＤＢＲレーザ。