JP6637490B2 - モノリシック集積された波長可変半導体レーザー - Google Patents
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Description
2つの主要な通信バンド、すなわちCバンド(191.6−196.2THz)、及び、Lバンド(186.4−191.6THz)は、国際電気通信連合(ITU)により定義された、100GHz(0.8nm)、50GHz(0.4nm)、あるいは25GHz(0.2nm)間隔の、標準波長チャンネルである。
このような波長多重システムは、送信波長の安定性が要求され、かつ送信レーザーの線幅が小さいことが要求されている。レーザーの線幅は、各伝送路の送信器及び受信器の双方にレーザーが設けられているコヒーレント伝送システムにおいて、特に重要である。
ハイ・レベルのサイドモードの抑制(つまり高いサイドモード抑圧比、SMSR)を提供するには、レーザーの光キャビティの長さを最小限にすることが必要とされてきた。電気的干渉を減少させるために、狭い電気的絶縁領域が、レーザーの隣接した領域上にある制御電極間に設けられている。そのような絶縁領域の(導波路に沿った)長さは、最小限に抑えられ、数μm(特に20μm未満)を超えないようになっている。
また、前記レーザーは、複数の受動領域を含んでいる。
前記受動領域あるいは1つの受動領域は、少なくとも400μmの長さを有している。
この電気的なフィードバックは、波長を安定させ、及び/または、線幅/位相雑音を活発に抑制する効果がある。
第1のDBR領域106は、反射ピークの光コムを有する反射スペクトルを生成す反射ブラッグ回折格子106Bを含んでいる。第2のDBR領域108は、単調な周波数チャープの回折格子ピッチを備えた反射ブラッグ回折格子108Bを含んでおり、光導波路に沿って配列された第2のDBR領域のセグメント上にそれぞれのサブ電極108A1、108A2、等を有している。
受動領域114上に対して、電極は形成されない(つまり、受動領域は、この受動領域を通過する光導波路の部分への注入電流により電気的に制御されないように構成されている。)
第1の材料130は、キャリアー注入による光子の放射、特に誘導放出、により電気的に駆動されるように構成されており、それにより、対応する領域112や104を通過する光を増幅する。
第2の材料132は、キャリアー注入により対応する領域106、108、110内の屈折率を変更するために、電気的に駆動されるように構成されている。
受動領域114の例外として、レーザー102及びSOA104には、第2のドーパント・タイプ(例えばpタイプ)の共通の第3の材料134を含む、過成長層124が設けられている。
DBR領域106及び108において、回折格子106B及び108Bは、1つの材料が異なる材料へ過剰成長する前に、エッチングで波状のパターンを形成してできる、異なる屈折率の材料間に形成された波状の境界によって構成されている。(例えば、図1Aにおいて、第3の材料134がその上の同じ第2のドーパント・タイプの材料135に過剰成長する前に、この第3の材料134に波状のパターンをエッチングする)。
過成長層124の材料136は、特に、電気的に駆動できる領域106、108、110及び112における過成長層の材料と異なる場合、選択的なエリア成長(SAG)エピタキシャル成長プロセスによって成長させてもよい。
図1Bは、第1、第2のDBR領域106、108の間の境にあるレーザー102の上記部分を示している。
図は模式図であり、正確な縮尺ではない。分かりやすくするために、エピタキシャル成長層の厚さ及び電気的絶縁ギャップ113の幅の両方ともに、誇張して表示されている。基板118に構築されたエピタキシャル層120、122及び124の厚さは、通常は数十ナノメートルであり、一方、レーザーキャビティは、通常は、数ミリメートルの長さがある。
従って、利得領域112及び位相制御領域110は、各々、レーザーキャビティ内の光導波路において、駆動領域及び非駆動部位113を含んでおり、同じ領域の駆動領域及び非駆動部位は、同じエピタキシャル構造を有しており、チップ100のエピタキシャル成長した側に、それぞれをカバーする電気的なコンタクト112A及び110A(駆動制御電極)が設けられたり、設けられていなかったりする。
電気的絶縁ギャップ113 (チップのエピタキシャル成長した側)上に電気的なコンタクトは設けられていないが、使用に際しては、利得領域電極110A及び位相制御領域電極112Aから光ガイド層122を経て共通の接地電極116へ向かう若干の電流が、光導波路に沿って広がる。電気的絶縁ギャップ113は、少なくとも駆動電極に隣接する1つの端部へ広がった電流が、(電極からの導波路に沿った) 他の側面で本質的に0になるような、十分な幅を有している。
従って、非駆動部位115'は、多くの電気的絶縁ギャップ113’を含んでおり、また、エピタキシャル的に別個の受動領域はない。そして、制御電極の下の隣接領域を電気的絶縁するのに必要な距離よりも長い少なくとも1つの電気的隔離ギャップを使用することにより、分離された受動領域の無しに、レーザー102’から狭い線幅の光出力を得るという利益がもたらされる。
レーザー102のレーザー光線を発するキャビティの内の非駆動部位115(受動領域114を含む)の長さの存在が、レーザーキャビティの光学距離を増大させ、それに伴って、キャビティ内の部分のラウンド・トリップ時間を増加させ、レーザー光線を発するモードに寄与する光子の自然放出割合を減少させ、レーザーキャビティ内の光子の数を増加させる。結果として、受動領域114を含むレーザーキャビティは、非駆動部位115が無く単に電気的な隔離を提供するのに必要以上に長い(例えば受動領域114無しの)比較例のレーザーキャビティと比較して、レーザーキャビティからの縮小されたローレンツ線幅の光の放射に帰着する。
第1のDBR領域(後部DBR領域)106は、米国特許US6345135に記載された回折格子のような、狭い反射ピークの光コムを含む反射スペクトルを生成する、相変化回折格子106Bを有している。第2のDBR領域(正面のDBR領域)108は、連続的に単調変化するピッチを備えたチャープされた回折格子108Bを含んでおり、それが調整されていない状態では、広く、比較的水平な反射スペクトルの反射ピークを生成する。
その比較的水平な反射スペクトルは、第2のDBR領域の異なるセグメントの全ての反射波から形成された複合反射波であり、それらの各々は、第1のDBR領域の反射ピークの各々より著しく広い、反射ピークである。
使用中、第2のDBR領域の1つのセグメントの反射ピークは、強化された反射ピークを生成するように、オーバーラップする別のセグメントの波長との関係で、チューニングされる。
第1のDBR領域の反射ピークが第2のDBR領域の強化された反射ピークの波長と一致するところで、往復光損失の少ない縦方向のキャビティが生成され、また、十分な光学利得が提供された場合、レーザーは、光学ロスの少ない波長範囲内の対応する基本モード上で、主たるレーザー光線を発する。
極微調整は、熱電冷却機/加熱要素(図示せず)によりチップ100の動作温度をコントロールし、レーザーキャビティの光学距離を調整するサーマルチューニングによってもたらされる。 極微調整は、代わりに、あるいはさらに、位相制御領域110の光学距離を合わせることによって行ってもよい。微調整は、第1のDBR106の反射する光コムの波長を調整して行ってもよい。また、粗調整は、(利得領域112に最も近い)第1のセグメントの波長をさらに調整するか、あるいは、第2のDBR 108のセグメントの異なるコンビネーションを有する強化された反射ピークを形成することによって、もたらされる。各ケースにおいて、レーザー102の各該当箇所、屈折率変更を引き起こすキャリアー注入によってチューニングされる。このチューニングのさらに詳細な構成に関しては、米国特許US7145923に記載されている。
高い周波数レスポンス帯域幅は、コントロールシステムからの急速に変化する補正信号に応答する、短い位相制御領域110を可能にする(例えば、コントロールシステムは、少なくとも50MHz、望ましくは100MHzの、補正信号を提供する)。
従って、可変補正信号の高速フィードバック制御は、電気的な駆動の信号の雑音の結果発生するレーザーの出力波長における変化を補償するために、特に、DBR領域106及び108への電気的な駆動信号(例えばIr、If n及びIf n+1)の雑音を補償するために使用してもよい。このような高速補正は、レーザー102からの出力光の、スペクトル線幅/位相のノイズを積極的に抑制する。
しかし、受動領域は、レーザーキャビティ内の他の場所でもよい(つまり、第1のDBR領域106と第2のDBR領域108の間以外の位置)。さらに、複数の受動領域を設けてもよい。例えば、受動領域は、第1のDBR領域と位相制御領域の間や、位相制御領域と利得領域の間に、置き換えて、あるいは追加して設けてもよい。
しかし、レーザーは、図3及び図4に、モノリシック集積された波長可変半導体レーザー302、402として示しているように、少なくとも100μmの長さの非駆動部位(例えば、少なくとも100μmの長さの受動領域314)だけを備えていてもよく、あるいは、高周波レスポンス帯域幅を有する長さ80μm未満の位相制御領域410だけを備えていてもよい。
このようなデザインは、チップ500の製造の複雑さを減少させる。例えば、位相制御領域に隣接して受動領域が設けられ、電気的絶縁層が受動領域上に形成され、その後、受動領域及び位相制御領域の両方を覆う、より長い位相制御領域の電極が設けられるが、この長い位相制御領域の電極は、位相制御領域のみでレーザーと電気的にコンタクトする。
レーザー602は、図1Aのレーザーに対して、第2のDBR領域608が、1個の制御電極608Aによってチューニング可能に構成されている点で、相違している。
この構成は、ヴェルニエ調整されたレーザー602に適しており、第1、第2のDBR領域606、608は、各々狭い反射ピークの光コムを提供している。しかし、それは異なった間隔であってもよく、相対的なチューニングによって、各DBR領域からの反射するピークが同じ波長に調整されるように、各DBR領域を調整することができる。そにより、レーザー発振キャビティをコントロールするために、利得領域612によって十分な光学利得が提供された場合、その波長のキャビティ内における少ない往復光学ロスをもたらす。また、非駆動部位は、電気的絶縁ギャップ613及び受動領域614によって提供される。
例えば、オプトエレクトロニクス半導体チップ700の共通の接地電極716は、基礎のタイル770の上にある電気的にアースされたタイル電極770Aに(例えば、ハンダ772で接合あるいは電気的伝導性のセメントで)接合される。
また、アースされた受動領域714の電極714Aは、ワイヤーボンド774、あるいは電気的導通孔(例えば「ビアホール」、図示略)によって、チップ700を経てタイル電極に電気的に接続してもよい。
この場合、それぞれの領域への電気的なコンタクトの程度は、それぞれの(光導波路に沿った)接触領域717の長さによって決められる。
レーザー702のレーザー光線を発するキャビティ内に、駆動されていない領域715(グランドされた受動領域714を含む)の長さの存在は、レーザーキャビティの光学距離を増加させる効果があり、従って、キャビティ内の光子の往復時間が増加し、それが、レーザー光線を発するモードに寄与する光子の自然放出の割合を減少させる。そして、(例えば、グランドされた受動領域714なしに)単に電気的な分離を提供するのに必要以上に長い、比較例である駆動領域715のないレーザーキャビティに対して、レーザーキャビティ内の光子の数を増加させ、縮小されたローレンツ線幅のあるレーザーキャビティの光の放射に有利であるということに帰着する。
第1のDBR領域(後部DBR領域)706は、米国特許US6345135に記載されている回折格子のように、狭い反射ピークの光コムを含む反射スペクトルを生成する、相変化回折格子706Bを含んでいる。
第2のDBR領域(正面のDBR領域)708は、連続的に単調変化するピッチを有するチャープされた回折格子708Bを含んでおり、そしてその調整されていない状態で、広く、比較的水平な反射スペクトルを備えた反射ピークを生成する。その比較的水平な反射スペクトルは、第2のDBR領域の異なるセグメントの全ての反射波から形成された複合反射波であり、それらの各々は、第1のDBR領域の各反射ピークよりも著しく広い、反射ピークを提供する。
使用中、第2のDBR領域の1つのセグメントの反射ピークは、強化された反射ピークを生成するために、別のセグメントのそれぞれの波長とオーバーラップする波長に関して、調整される。第1のDBR領域の反射ピークが第2のDBR領域の増強された反射ピークを備えた波長と一致するところで、より少ない光学ロスを有する縦のキャビティが形成され、光学利得が十分な場合、レーザーは、主として光学ロスの少ない波長範囲内の対応する基本モード上で、レーザー光線を発する。
非常に細かい調整が、チップ700の動作温度をコントロールしてレーザーキャビティの光学距離を調節する、熱電冷却機/加熱要素(図示せず)による熱的チューニングによって提供される。あるいは、
非常に細かい調整が、位相制御領域710の光学距離をコントロールすることにより提供される。
微調整は、第1のDBR 706の反射する光コムの波長をコントロールすることにより提供される。
また、粗調整は、(利得領域712に最も接近している)最初のセグメントを調整するか、あるいは、第2のDBR 708のセグメントの異なる組み合わせによる強化された反射ピークの形成によって、第2のDBR 708の強化されたピークの波長を、さらにチューニングすることにより提供される。
各ケース共に、レーザー702の該当箇所は、キャリアー注入により引き起こされる屈折率変更によって調整される。
光検出器上に検知されたビームの強度によって生成された電気的信号の相対強度が比較され、レーザーの電気的に駆動できる領域に駆動電流(例えばIr、Iφ、Iα、If n及びIf n+1)をコントロールする制御アルゴリズムで使用される。
米国特許US7161725及び同US7394838は、レーザーチップ及びレーザー・コントロールシステムからの出力光を光学上サンプリングするための、光学部品の既知の構成の詳細を開示している。
高い周波数レスポンスの帯域幅は、短い位相制御領域710を、コントロールシステムからのより急速に変わる補正信号、 (例えば、コントロールシステムが提供する、帯域幅が少なくとも50MHz、好ましくは帯域幅が少なくとも100MHzある補正信号)に対して応答可能にする。従って、可変補正信号の高速フィードバック制御は、電気的な駆動信号の雑音、特に、DBR領域706、708への電気的な駆動信号(例えばIr、Iφ、Iα、If n及びIf n+1)における雑音の結果発生するレーザーの出力波長の変化を補正するために、使用してもよい。そのような高速補正は、レーザー702からの出力光の線幅/位相雑音を積極的に抑える。
しかしながら、セグメント制御電極のないそのようなDBRセグメントは、対照的に、反射ブラッグ回折格子のセグメントを含むので、非駆動部位の一部を構成しない。
ここでも、電気的絶縁ギャップ913及び受動領域914によって、非駆動部位が提供される。
本発明は、先に述べたどの実施例の詳細により制限されない。本発明は、この明細書(任意の関連するクレーム、アブストラクト及び図面を含む)に示された特徴の任意の新しいもの、任意の新しいコンビネーション、あるいは任意の方法やプロセスのステップまで及ぶ。
102 波長可変半導体レーザー
104 半導体光増幅器(SOA)
104A 制御電極
106 第1の分布ブラッグ反射器(DBR)
106A 制御電極
106B 反射ブラッグ格子
108 第2の分布ブラッグ反射器(DBR)
108 基板電極
108B 反射ブラッグ格子
110 位相制御部
110A 制御電極
112 光利得部
112A 制御電極
113 狭い電気絶縁ギャップ
114 受動領域
115 非駆動部位
116 共通接地電極
117 コンタクト領域
118 共通の基板
119 電気誘電絶縁層
120 下層
122 光ガイド層
124 過成長層
130 第1の材料
132 第2の材料
134 共通の第2の材料
135 ドーパントのタイプ
138 出力ファセット
200 オプトエレクトロニクス半導体チップ
300 オプトエレクトロニクス半導体チップ
400 オプトエレクトロニクス半導体チップ
500 オプトエレクトロニクス半導体チップ
600 オプトエレクトロニクス半導体チップ
700 オプトエレクトロニクス半導体チップ
800 オプトエレクトロニクス半導体チップ
800’ オプトエレクトロニクス半導体チップ
900 オプトエレクトロニクス半導体チップ
Claims (15)
- 光導波路を有するモノリシック集積された波長可変半導体レーザーであって、
基板上にエピタキシャル層を有するレーザー・チップを含み、
光利得領域と、
受動領域と、
前記光利得領域と前記受動領域を間に挟む第1、第2の反射器とを有し、
前記反射器の少なくとも1つは、回折格子を含み、波長可変反射スペクトルを持つように構成された分布ブラッグ反射器領域であり、
前記レーザーには、使用時に電気的にグランドされるように構成された共通の接地電極が形成されており、
制御電極が、前記光導波路の上の少なくとも前記光利得領域及び少なくとも1つの前記分布ブラッグ反射器領域中に形成されており、
前記受動領域は、前記光導波路の前記基板とは反対の側と電気的に接触する受動領域電極を備え、
前記受動領域は、少なくとも100μmの長さを有しており、
前記受動領域は、電気的な制御信号によっては駆動されないように構成されており、前記受動領域内に回折格子は存在せず、
前記受動領域は、前記受動領域電極が使用時に電気的にグランドされ前記受動領域と電気的に接続されるグランドされた受動領域であり、
前記受動領域電極及び前記共通の接地電極は、電気的に前記光導波路の反対側に接触するように構成されているレーザー。 - 請求項1に記載のレーザーであって、
前記共通の接地電極は前記基板上に形成されており、前記共通の接地電極は、実装エレメント上に設けられた実装エレメント電極に接合され、前記受動領域電極は、前記実装エレメント電極に電気的に接続されるレーザー。 - 請求項1または2のいずれか1項に記載のレーザーであって、
前記グランドされた受動領域は、p−i−nドープされたエピタキシャル構造を含むレーザー。 - 請求項1に記載のレーザーであって、
前記レーザーは、前記基板上の下位層と、過成長層と、前記下位層と前記過成長層の間の光ガイド層とを含み、
前記光導波路は、前記第1、第2の反射器で挟まれた光位相制御領域を有し、
前記光位相制御領域と前記受動領域は、共通の前記過成長層及び又は前記下位層とを含むレーザー。 - 請求項1〜3のいずれか1つの請求項に記載のレーザーであって、
前記レーザーは、前記基板上の下位層と、過成長層と、前記下位層と前記過成長層の間の光ガイド層とを含み、
前記受動領域の前記光ガイド層は、電気的に駆動可能なレーザー領域の前記光ガイド層よりも高い屈折率を有するレーザー。 - 請求項1〜5のいずれか1つの請求項に記載のレーザーであって、
前記レーザーは複数の前記受動領域を含んでいるレーザー。 - 請求項1〜6のいずれか1つの請求項に記載のレーザーであって、
前記反射器は、前記レーザーからの光出力のために設けられた出力反射器であり、
前記受動領域あるいは1つの受動領域が、前記光利得領域と前記出力反射器の間に位置しているレーザー。 - 請求項1〜3のいずれか1つの請求項に記載のレーザーであって、
前記光導波路は、前記第1、第2の反射器に挟まれた光位相制御領域を有しており、
前記受動領域あるいは1つの受動領域が、前記光利得領域と前記光位相制御領域の間に位置しているレーザー。 - 請求項1〜8のいずれか1つの請求項に記載のレーザーであって、
前記受動領域あるいは1つの受動領域が、少なくとも150μmの長さを有しているレーザー。 - 請求項1〜9のいずれか1つの請求項に記載のレーザーであって、
前記受動領域あるいは1つの受動領域が、少なくとも200μmの長さを有しているレーザー。 - 請求項1〜10のいずれか1つの請求項に記載のレーザーであって、
前記受動領域あるいは1つの受動領域が、少なくとも400μmの長さを有しているレーザー。 - 請求項1〜3のいずれか1つの請求項に記載のレーザーであって、
光位相制御領域を含んでおり、
前記第1の反射器は、反射ピークの光コムを生成するのに適した分布ブラッグ反射器であり、
前記第2の反射器は、複数の波長の反射に適した調整可能な第2の分布ブラッグ反射器であり、
前記第1の分布ブラッグ反射器の1つもしくは複数の反射ピークの波長が、前記第1、第2の各分布ブラッグ反射器が調整される前の前記第2の分布ブラッグ反射器の1つもしくは複数の波長と実質的に一致し、
それにより、前記第2の分布ブラッグ反射器は、該第2の分布ブラッグ反射器の1つもしくは複数のセグメントを個別に調整し、第2の分布ブラッグ反射器のさらに他のセグメントをより低波長で反射させるように調整することができ、低波長での反射率を増強することができ、この低波長は、第1の分布ブラッグ反射器のピークと本質的に一致し、それにより、前記レーザーがより低波長でレーザー光線を発することができるようにしたレーザー。 - 共通の光出力に光学的に接続された請求項1〜12のいずれか1つの請求項に記載の複数のレーザーを含む、モノリシック集積された波長可変半導体レーザーアレイ。
- 請求項1〜13のいずれか1つの請求項に記載のモノリシック集積された波長可変半導体レーザーもしくは該レーザーのアレイと、前記レーザーもしくは前記レーザーアレイの動作を制御する制御電子回路を含む光発信器モジュール。
- 請求項14に記載のモジュールであって、
前記レーザーもしくは前記レーザーアレイからの光出力の波長をサンプリングし、かつ前記レーザーもしくは前記レーザーアレイの前記制御電極に電気的なフィードバックを行う制御ループを含むモジュール。
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