JP2708467B2 - 波長可変半導体レーザ - Google Patents
波長可変半導体レーザInfo
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/06243—Controlling other output parameters than intensity or frequency controlling the position or direction of the emitted beam
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- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、狭スペクトル線幅を有し、広い波長にわた
り波長可変とでき、コヒーレント通信用半導体レーザと
して用いて好適な半導体レーザに関する。
り波長可変とでき、コヒーレント通信用半導体レーザと
して用いて好適な半導体レーザに関する。
これまでに発表されている波長可変半導体レーザに関
する総論がオー・エフ・シー・テクニカルダイジエス
ト、テイー・エイチ・ケー・1,176頁（1988年）（OFC′
88Techinical Digest,THKI,P.176,1988）において論じ
られている。
する総論がオー・エフ・シー・テクニカルダイジエス
ト、テイー・エイチ・ケー・1,176頁（1988年）（OFC′
88Techinical Digest,THKI,P.176,1988）において論じ
られている。
上記前記文献に紹介されて波長可変半導体レーザは、
大きく分けて２つのタイプに分けられている。
大きく分けて２つのタイプに分けられている。
まず、第１のタイプは、DFB（分布帰還形）あるいはD
BR（分布反射形）半導体レーザにおいて、回折格子領域
に電流を注入することによりその領域の屈折率を変化さ
せ、その結果、ブラツグ反射波長を可変としているもの
である。一般的にブラツグ反射波長λＤはλＤ＝２Λｎ
（Λ：回折格子の周期,n:レーザ光が伝搬する領域の等
価屈折率）で表わされるが、このタイプでの可変波長幅
は、たかだか4nm程度である。また、波長を変化させる
ために回折格子領域に電流を注入すると、キヤリア密度
のゆらぎあるいは自然放出光の寄与によりスペクトル線
幅が著しく増大する点が問題であつた。
BR（分布反射形）半導体レーザにおいて、回折格子領域
に電流を注入することによりその領域の屈折率を変化さ
せ、その結果、ブラツグ反射波長を可変としているもの
である。一般的にブラツグ反射波長λＤはλＤ＝２Λｎ
（Λ：回折格子の周期,n:レーザ光が伝搬する領域の等
価屈折率）で表わされるが、このタイプでの可変波長幅
は、たかだか4nm程度である。また、波長を変化させる
ために回折格子領域に電流を注入すると、キヤリア密度
のゆらぎあるいは自然放出光の寄与によりスペクトル線
幅が著しく増大する点が問題であつた。
第２のタイプは、半導体レーザの外部に回折格子を設
けた外部共振器形構成である。すなわち、空間あるいは
光フアイバー内をレーザ光を伝送して外部の回折格子と
結合させ、その回折格子の角度あるいは周期を機械的に
変えることにより、ブラツグ反射波長を変化させるもの
である。このタイプでは、装置そのものが大がかり（数
cm〜数十cm）になり、かつ、光軸合わせに厳しい精度を
要求されるという問題があつた。
けた外部共振器形構成である。すなわち、空間あるいは
光フアイバー内をレーザ光を伝送して外部の回折格子と
結合させ、その回折格子の角度あるいは周期を機械的に
変えることにより、ブラツグ反射波長を変化させるもの
である。このタイプでは、装置そのものが大がかり（数
cm〜数十cm）になり、かつ、光軸合わせに厳しい精度を
要求されるという問題があつた。
以上のように従来のタイプの波長可変半導体レーザで
は、前記文献でも指摘しているように、「波長が変化し
ても、狭くかつ一定のスペクトル線幅を維持することが
問題である」との問題点が残つている。
は、前記文献でも指摘しているように、「波長が変化し
ても、狭くかつ一定のスペクトル線幅を維持することが
問題である」との問題点が残つている。
本発明の目的は、上述の如き従来技術の問題点を一掃
した波長可変半導体レーザを提供することにある。
した波長可変半導体レーザを提供することにある。
本発明者らは、長年の半導体レーザ研究の経験を生か
し、従来にない全く新しい構成の波長可変半導体レーザ
を実現した。すなわち、半導体基板上に、活性領域の後
方からのレーザ光の出射角度が可変とできるレーザ光発
生部と、回折格子を形成した光導波路部を設け、その両
領域の間を光導波路層を用いて接続した。さらに後方か
らのレーザ光が各々の出射角度において結合する回折格
子の周期を変化させた。
し、従来にない全く新しい構成の波長可変半導体レーザ
を実現した。すなわち、半導体基板上に、活性領域の後
方からのレーザ光の出射角度が可変とできるレーザ光発
生部と、回折格子を形成した光導波路部を設け、その両
領域の間を光導波路層を用いて接続した。さらに後方か
らのレーザ光が各々の出射角度において結合する回折格
子の周期を変化させた。
第１図を用いて動作原理を詳しく説明する。ストライ
プ状の活性層２から発生した光は、出射ビーム角度可変
制御領域により後方からの出射角度が制御される。出射
した光は光導波路層４を伝搬し、回折格子５領域に達す
るとブラツグ反射波長の光のみが選択的に分布帰還を受
け、反射されるこの回折格子の周期は、各々の出射角度
に対応する領域において変化させている。従つてレーザ
の出射角度を変化させることにより、ブラツグ反射波長
を変化させることができる（第１図（ａ）中のλ１，λ
２に対応する）。
プ状の活性層２から発生した光は、出射ビーム角度可変
制御領域により後方からの出射角度が制御される。出射
した光は光導波路層４を伝搬し、回折格子５領域に達す
るとブラツグ反射波長の光のみが選択的に分布帰還を受
け、反射されるこの回折格子の周期は、各々の出射角度
に対応する領域において変化させている。従つてレーザ
の出射角度を変化させることにより、ブラツグ反射波長
を変化させることができる（第１図（ａ）中のλ１，λ
２に対応する）。
レーザ発振は前端面のへき開面10での反射と回折格子
のブラツグ反射の帰還ループにより生じる。すなわち、
後方からの出射角度を変化させることにより、レーザ発
振波長を可変にできる。
のブラツグ反射の帰還ループにより生じる。すなわち、
後方からの出射角度を変化させることにより、レーザ発
振波長を可変にできる。
第１図においては出射ビームの角度を変化させる手段
として出射ビーム可変用電極７を用いた例を示してい
る。この例での出射ビームの角度変化の原理を第１図
（ａ）と（ｃ）を用いて説明する。今、電極7aへの電流
注入量が7bよりも多いと活性層２内でのキヤリア密度は
7a側（同図（ｃ）で右側）の方が大きくなる。屈折率は
キヤリア密度が大きいほど、小さくなるので、ストライ
プの左側（同図（ｃ）において）の屈折率が大きくな
る。するとレーザ光は左側に片よる。つまり、電流が小
さい方の電極の方に片より、その結果、出射角度もその
方向に引つぱられる。この現象を用いて、電極7a,7bへ
の電流注入量を調節することにより出射角度を変化でき
る。
として出射ビーム可変用電極７を用いた例を示してい
る。この例での出射ビームの角度変化の原理を第１図
（ａ）と（ｃ）を用いて説明する。今、電極7aへの電流
注入量が7bよりも多いと活性層２内でのキヤリア密度は
7a側（同図（ｃ）で右側）の方が大きくなる。屈折率は
キヤリア密度が大きいほど、小さくなるので、ストライ
プの左側（同図（ｃ）において）の屈折率が大きくな
る。するとレーザ光は左側に片よる。つまり、電流が小
さい方の電極の方に片より、その結果、出射角度もその
方向に引つぱられる。この現象を用いて、電極7a,7bへ
の電流注入量を調節することにより出射角度を変化でき
る。
また、スペクトル線幅に関しては、へき開面と回折格
子の共振器長を長く設定できるので、従来のレーザに比
べて狭帯化が可能となつた（スペクトル線幅は共振器長
に反比例する）。また、回折格子に第１図の如く曲線を
設け、その焦点を活性領域と光導波路領域の境界に設定
すると、レンズ効果により回折格子で反射された光は活
性層ストライプ内に自動的に帰還されるので結合が向上
する。
子の共振器長を長く設定できるので、従来のレーザに比
べて狭帯化が可能となつた（スペクトル線幅は共振器長
に反比例する）。また、回折格子に第１図の如く曲線を
設け、その焦点を活性領域と光導波路領域の境界に設定
すると、レンズ効果により回折格子で反射された光は活
性層ストライプ内に自動的に帰還されるので結合が向上
する。
また、本発明によると、半導体上にモノリシツク、あ
るいはハイブリツドに形成できるので、従来技術のタイ
プ２の如く厳しい光軸合わせは不要で、かつ、小型化で
きる。
るいはハイブリツドに形成できるので、従来技術のタイ
プ２の如く厳しい光軸合わせは不要で、かつ、小型化で
きる。
また、波長を連続的に変えるには、出射角度を連続的
に変化すればよいが、その際、回折格子から分布帰還さ
れる光の位相が微妙に変化し、縦モードのモードホツプ
が生じる例があつた。これを抑圧するためには、光導波
路４領域あるいは活性領域に位相調整機能を持たせれば
よいことも判明した。
に変化すればよいが、その際、回折格子から分布帰還さ
れる光の位相が微妙に変化し、縦モードのモードホツプ
が生じる例があつた。これを抑圧するためには、光導波
路４領域あるいは活性領域に位相調整機能を持たせれば
よいことも判明した。
以下、本発明の実施例を第１図〜第５図を用いて説明
する。
する。
実施例１ 第１図は本発明による一実施例のレーザ装置である。
ｎ−InP基板１上にInGaAsP活性層2,p−InPクラッド層３
を形成後、ストライプ状に（幅0.5〜３μｍ）活性層を
形成後、ｐ−InP層11,n−InP層12で埋めこむ（同図
（ｄ））。その後、光導波路領域の成長層を全て除去
後、その領域にInGaAsP光導波路層（活性層２よりも禁
制帯幅が大きい）４を成長する。次に活性領域から約50
0μｍ離れた光導波路上に曲率を持つた（曲率半径〜250
μｍ）回折格子５を形成した。回折格子の周期はストラ
イプ軸線上領域で238.5nm、ストライプ軸線から＋10
°，−10°ずれたところでは各々237nm,240nmとし、そ
の間の周期の変化はゆるやかに直線的に変化させた。回
折格子の本数は約2000本とした。
ｎ−InP基板１上にInGaAsP活性層2,p−InPクラッド層３
を形成後、ストライプ状に（幅0.5〜３μｍ）活性層を
形成後、ｐ−InP層11,n−InP層12で埋めこむ（同図
（ｄ））。その後、光導波路領域の成長層を全て除去
後、その領域にInGaAsP光導波路層（活性層２よりも禁
制帯幅が大きい）４を成長する。次に活性領域から約50
0μｍ離れた光導波路上に曲率を持つた（曲率半径〜250
μｍ）回折格子５を形成した。回折格子の周期はストラ
イプ軸線上領域で238.5nm、ストライプ軸線から＋10
°，−10°ずれたところでは各々237nm,240nmとし、そ
の間の周期の変化はゆるやかに直線的に変化させた。回
折格子の本数は約2000本とした。
次に出射ビーム可変領域のストライプの中央部に第１
図（ｃ）の如く、プロトンあるいはボロンのイオン注入
により絶縁領域13を設けた後、各電極6,7a,7b,8を図示
の如く形成した。活性領域の長さは200〜500μｍとし、
出射ビーム可変用電極7a,7bの長さ（軸方向）は活性領
域長の1/10〜2/3程度とした。
図（ｃ）の如く、プロトンあるいはボロンのイオン注入
により絶縁領域13を設けた後、各電極6,7a,7b,8を図示
の如く形成した。活性領域の長さは200〜500μｍとし、
出射ビーム可変用電極7a,7bの長さ（軸方向）は活性領
域長の1/10〜2/3程度とした。
試作したレーザは電流注入主電極６に10〜20mA注入す
るとレーザ発振した。さて、電極7aへの注入電流をIa,
電極7bへの注入電流をIbとし、その比率を変えた時の出
射角度と発振波長の変化を第２図に示す。Ia＋Ibは約３
〜20mAである。Ia/（Ia＋Ib）の値を０〜１と変えるこ
とにより、出射角度は−10°〜＋10°の間を連続的に変
化した。その結果、ブラツグ反射波長も変化し、発振波
長は1.557〜1.539μｍの間を連続的に変化した。可変波
長範囲は約18nmであり、この間にわたり、安定な単一縦
モード（サイドモード押圧比〜40dB）で、かつ、スペク
トル線幅は5mW光出力時で約1MHzと狭い値が得られた。
るとレーザ発振した。さて、電極7aへの注入電流をIa,
電極7bへの注入電流をIbとし、その比率を変えた時の出
射角度と発振波長の変化を第２図に示す。Ia＋Ibは約３
〜20mAである。Ia/（Ia＋Ib）の値を０〜１と変えるこ
とにより、出射角度は−10°〜＋10°の間を連続的に変
化した。その結果、ブラツグ反射波長も変化し、発振波
長は1.557〜1.539μｍの間を連続的に変化した。可変波
長範囲は約18nmであり、この間にわたり、安定な単一縦
モード（サイドモード押圧比〜40dB）で、かつ、スペク
トル線幅は5mW光出力時で約1MHzと狭い値が得られた。
実施例２ 本発明による別の実施例を第３図を用いて説明する。
本実施例では、実施例１の活性領域が全て第１図
（ｃ）の構造になつているものである。つまり、活性領
域全体が出射ビーム角度変化領域となつている。電極7
a,7bへの電流注入量を20mA程度にするとレーザ発振し
た。また、実施例１と同様に電極7a,7bへの電流注入量
の比率を変更することにより出射角度が変化し、発振波
長が可変となつた。その特性は実施例１とほぼ同様であ
つた。
（ｃ）の構造になつているものである。つまり、活性領
域全体が出射ビーム角度変化領域となつている。電極7
a,7bへの電流注入量を20mA程度にするとレーザ発振し
た。また、実施例１と同様に電極7a,7bへの電流注入量
の比率を変更することにより出射角度が変化し、発振波
長が可変となつた。その特性は実施例１とほぼ同様であ
つた。
以上の実施例において、電流注入量の比率を変えて発
振波長を変化する時に、ある素子において縦モードのホ
ツピングが生じ、連続的に変わらない場合があつた。こ
れは回折格子のブラツグ反射とへき開面との共振におい
てレーザ光の位相がずれることにより、生じることが判
明した。
振波長を変化する時に、ある素子において縦モードのホ
ツピングが生じ、連続的に変わらない場合があつた。こ
れは回折格子のブラツグ反射とへき開面との共振におい
てレーザ光の位相がずれることにより、生じることが判
明した。
実施例３ 本実施例は前記ホツピングの問題を解決した一例であ
る。
る。
第４図にレーザ光の位相調整機構を有した実施例を示
す。実施例１と基本構造は同一であるが、異なる点は光
導波路上にＰ−InP電流注入層14,位相調整用電極15を設
けた点である。この領域の軸方向の長さは20〜50μｍ程
度が適切である。この領域に電流を注入することにより
屈折率を調整できるので、この領域の伝搬定数を調整で
きる。従つてここへの電流注入量を調整することにより
レーザ光の位相を調節できた。本実施例でのレーザ特性
は実施例１とほぼ同様で、波長可変範囲も第２図とほぼ
同様であつた。また、波長を変化させるために出射ビー
ム角度可変用電極の電流注入量の比率を変化させた時
に、位相調整用電極15への電流注入量を適時、調整する
ことにより（０〜50mA程度）、縦モードのホツピングを
抑制することができた。
す。実施例１と基本構造は同一であるが、異なる点は光
導波路上にＰ−InP電流注入層14,位相調整用電極15を設
けた点である。この領域の軸方向の長さは20〜50μｍ程
度が適切である。この領域に電流を注入することにより
屈折率を調整できるので、この領域の伝搬定数を調整で
きる。従つてここへの電流注入量を調整することにより
レーザ光の位相を調節できた。本実施例でのレーザ特性
は実施例１とほぼ同様で、波長可変範囲も第２図とほぼ
同様であつた。また、波長を変化させるために出射ビー
ム角度可変用電極の電流注入量の比率を変化させた時
に、位相調整用電極15への電流注入量を適時、調整する
ことにより（０〜50mA程度）、縦モードのホツピングを
抑制することができた。
実施例４ 本発明による半導体レーザをコヒーレント光通信シス
テムのヘテロダイン検波の局発用光源として用いた実施
例を第５図を用いて説明する。
テムのヘテロダイン検波の局発用光源として用いた実施
例を第５図を用いて説明する。
検波システムはいわゆるヘテロダイン検波で、光フア
イバ16から入射した信号光は光カプラー17で局発光源の
波長可変レーザ25の光と合成され、レンズ18を通してホ
トダイオード19で電気信号に変換される。その中間周波
数を増幅器20で増幅して、識別回路21で復号化される。
また、中間周波数弁別器22と増幅器23を通して帰還され
た電気信号により、周波数安定器24により、波長可変半
導体レーザ25の発振波長を安定化させる。本検波システ
ムにより、波長間隔１Å,150チヤンネルの1Gbit/SFSK変
調光を検波することに成功した。
イバ16から入射した信号光は光カプラー17で局発光源の
波長可変レーザ25の光と合成され、レンズ18を通してホ
トダイオード19で電気信号に変換される。その中間周波
数を増幅器20で増幅して、識別回路21で復号化される。
また、中間周波数弁別器22と増幅器23を通して帰還され
た電気信号により、周波数安定器24により、波長可変半
導体レーザ25の発振波長を安定化させる。本検波システ
ムにより、波長間隔１Å,150チヤンネルの1Gbit/SFSK変
調光を検波することに成功した。
以上の実施例では、InGaAsP系半導体レーザの例を示
したが、本発明による波長可変半導体レーザは、GaAs
系、InGaP系等の室温連続発振の可能な他の材料系に適
用できることは言うまでもない。
したが、本発明による波長可変半導体レーザは、GaAs
系、InGaP系等の室温連続発振の可能な他の材料系に適
用できることは言うまでもない。
本発明によれば、狭スペクトル線幅で、かつ、縦単一
モードの可変波長幅の大きい波長可変半導体レーザを提
供できるので、コヒーレント光通信のヘテロダイン検波
用局発用光源として驚異的な効果がある。
モードの可変波長幅の大きい波長可変半導体レーザを提
供できるので、コヒーレント光通信のヘテロダイン検波
用局発用光源として驚異的な効果がある。
第１図（ａ）は本発明の実施例の半導体レーザの上面
図、（ｂ）はその側断面図、同図（ｃ），（ｄ）はそれ
ぞれ（ｂ）のＡ−Ａ′,B−Ｂ′線縦断面図、第２図は本
発明の実施例のレーザの波長可変特性、第３図は本発明
による別の実施例の半導体レーザの上面図、第４図は本
発明の別の実施例の半導体レーザの側断面図、第５図は
本発明のレーザを組みこんだ光通信システムの実施例の
ブロツク図である。 ２…活性層、４…光導波路層、５…回折格子、７…出射
ビーム可変用電極、９…後方出射レーザ光、10…へき開
面、13…絶縁領域、15…位相調整用電極、17…光カプラ
ー、19…ホトダイオード、24…周波数安定器、25…波長
可変半導体レーザ。
図、（ｂ）はその側断面図、同図（ｃ），（ｄ）はそれ
ぞれ（ｂ）のＡ−Ａ′,B−Ｂ′線縦断面図、第２図は本
発明の実施例のレーザの波長可変特性、第３図は本発明
による別の実施例の半導体レーザの上面図、第４図は本
発明の別の実施例の半導体レーザの側断面図、第５図は
本発明のレーザを組みこんだ光通信システムの実施例の
ブロツク図である。 ２…活性層、４…光導波路層、５…回折格子、７…出射
ビーム可変用電極、９…後方出射レーザ光、10…へき開
面、13…絶縁領域、15…位相調整用電極、17…光カプラ
ー、19…ホトダイオード、24…周波数安定器、25…波長
可変半導体レーザ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 茅根 直樹 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 昭61−198792（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−48981（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−92289（ＪＰ，Ａ)
Claims (1)
- 【請求項１】半導体基板と、該半導体基板上部にストラ
イプ状の活性層並びにクラッド層を積層してなり且つ一
方にレーザ光の出射端面となるへき開面を有する第１領
域と、該半導体基板上部に該活性層より禁制帯幅の大き
い光導波路層を活性層の該へき開面に対向する第１側面
で接するように形成してなる第２領域とを含めて構成さ
れ、 上記クラッド層は少なくとも上記第１側面側から上記ス
トライプ方向に該クラッド層の上面を絶縁するように形
成された絶縁領域と該絶縁領域で分離された夫々のクラ
ッド層上面に離間して形成された一対の電極を有し、 上記第２領域は上記光導波路層上に該第１側面を中心に
上記活性層のストライプ軸線に対して曲率を持って回折
格子を形成した回折格子部と該第１側面と該回折格子部
との間の該光導波路層上に電流注入層と位相調整用電極
とを積層してなる位相調整部を有し、 該回折格子部を構成する回折格子の周期は該ストライプ
軸線に対して一方の側から他方の側に向けて直線的に変
化していることを特徴とする波長可変半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63123835A JP2708467B2 (ja) | 1988-05-23 | 1988-05-23 | 波長可変半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63123835A JP2708467B2 (ja) | 1988-05-23 | 1988-05-23 | 波長可変半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01293683A JPH01293683A (ja) | 1989-11-27 |
| JP2708467B2 true JP2708467B2 (ja) | 1998-02-04 |
Family
ID=14870555
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63123835A Expired - Fee Related JP2708467B2 (ja) | 1988-05-23 | 1988-05-23 | 波長可変半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2708467B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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