JPH08503820A - リングレーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 リングレーザが述べられ、そしてそれはレーザ放射が発生されるリング（１）を有している。カップラ（４）は、放射の一部を２個の導波路（５，６）への２つの波（７，８）の形態に結合する。結合器（１１）は、２つの波を結合して出力導波路（１３）の出力波（１２）にする。反射器（１６）を出力導波路中に設けることにより、出力波の一部が結合器、２個の導波路およびカップラを経由してリングヘ反射される。リング中を進行する放射波は反射波と結合し、そしてそれによって明確な位相差を得る。結果として生じる結合器の入力端における２つの波（７，８）の位相の等しいことが、波のパワーについて同位相で加算されることを確かにし、その結果、リングレーザは最大の可能なパワーを供給する。

Description

【発明の詳細な説明】 リングレーザ 本発明は、レーザ放射を発生させるための半導体材料のリング、リングからの 放射を結合させるためのカップラ、カップラに接続された２個の導波路、２個の 入力端が前記導波路に接続されている結合器、および結合器の出力端に接続され た出力導波路を具えてなるリングレーザに関する。 この種類のリングレーザは、論文“Very low threshold current operation o f semiconductor ring lasers”，IEEE Proceedings-J, vol. 139, no. 6, Dece mber 1992 by T. Kraus and P. J. R．Layboumから既知である。その既知の半導 体リングレーザにおいては、リング中を反対の方向に進行する２つの波の放射が 、２個のＹ接合部によって２個の導波路に結合されている。２個の導波路におけ る放射は、Ｙ接合部によって出力導波路において結合されている。このリングレ ーザの欠点は、それが比較的低い効率を有すること、すなわち、供給される光パ ワーが与えられる入力電力において低いことである。 本発明の目的は、とりわけ、より効率的なリングレーザを提供することにある 。 この目的のために、本発明によるリングレーザは、リングレーザが、結合器の ２個の入力端に印加される放射の位相差に、結合器の特性を示していて最大出力 パワーになる値を与えるための手段を具えていることを特徴としている。 本発明は、既知のリングレーザのリングにおいて反対の方向に進行する２つの 放射波は明確な位相差をもたない、という認識に基づいている。理想的なリング においては、位相差は完全に任意であり、そして時間とともに変化している。理 想的でないリングにおいては、位相差はリング中における汚れに基づく波の散乱 によって、そして、リングの屈折率の変化によって決定される。位相差はまた、 幾分かはリングの温度、それ故屈折率の値を決定するリングレーザの入力電力に 依存している。２個の導波路における波の位相はリング中の２つの波の位相に結 合され、その結果、結合器の２個の入力端における放射波もまた明確な位相差を もっていない。結合器において、波は位相差に依存して構成的または破壊的に干 渉する。結合器の出力端における光学パワーは、そのときまた位相差に依存する であろう。理想的なリングに対しては、時間平均パワーはとり得る最大パワーの ほぼ半分である。理想的でないリングに対しては、パワーは、とりわけ温度と供 給電力に依存して、ゼロと最大パワー間のある値を有している。結合器は、もし 入力端に供給された放射の位相差が結合器の構造によって決まる特性根を有する ならば、唯一出力端に結合している最大パワーを与えるであろう。本発明によれ ば、波間の位相差にこの特性根を指定することによって、結合器中の波は構成的 に干渉し、そしてそれは出力パワーの増加に導き、そしてリングレーザをより効 率的にする。構成的な干渉のため、位相差は特性根から３０゜より小さく偏移す べきである。 波の必要とされる位相差をなし遂げる第１のモードは、その手段が、リングか ら出てくる放射の幾分かは、リングに反射される反射器を含んでいることを特徴 としているリングレーザにおいて実現される。リング中を進行する２つの放射波 は、２つの波の位相差がもはや汚れによってでなく、反射された放射によって決 められるように、リングに反射された放射と結合するであろう。明確な反射に対 しては、２つの波の位相差もまた明確である。 本発明によるリングレーザの好ましい実施例は、反射器が出力導波路中に在る ことを特徴としている。反射器は出力導波路の材料の屈折率の変化、または、出 力導波路の横断面の変化で構成することができる。反射器で反射された波は、こ の波に対してスプリッタとして動作する結合器によって２つのサブ波に分割され 、そしてその２つのサブ波は結合器の特性を示している位相を有している。２つ のサブ波は２個の導波路を通してリングに進行し、そこでそれらはリング中に進 行している波と結合する。２つのサブ波間の位相差により、リングにおいて発生 した２つの波もまた、結合器の入力端におけると同じ位相差を有している。出力 導波路に反射器を設けることは、レーザからの放射が、最大の可能な出力パワー を得るように一層最小の可能な反射損失で導かれなければならないという慣習的 仮定に反する方法である。 本発明によるリングレーザの他の好ましい実施例は、反射器が結合器中に在る ことを特徴としている。反射器はそのとき、結合器の大きさや屈折率について小 さな修正によって構成され、そしてその修正は必要な位相差に導く反射を実現す る。 結合器の入力端における波の必要な位相差をなし遂げる第２のモードは、位相 を等化するための手段が電気光学位相シフタを含んでいることを特徴とするリン グレーザにおいて実現される。結合器の入力端における波の位相は、リングと結 合器間の１個または両方の導波路中の位相シフタ手段によって等しくされる。位 相シフタはリングレーザの出力パワーの測定から引き出される電気信号によって 駆動される。 本発明によるリングレーザの好ましい実施例は、リング、カップラ、導波路、 結合器および出力導波路が単一の基板上に集積化されていることを特徴としてい る。リングレーザの素子は集積化のために非常に適していて、そしてコンパクト でハイパワーのレーザが集積化によって得られる。 本発明によるリングレーザの好ましい実施例は、結合器がマルチモードのイメ ージング素子であることを特徴としている。マルチモードのイメージング素子は Ｙ接合部よりも小さな損失を有するから、マルチモードのイメージング素子は出 力パワーの増加を生じさせる。 本発明によるリングレーザの好ましい実施例は、カップラがマルチモードのイ メージング素子であることを特徴としている。リングレーザにおける損失の一層 の減少が、そしてそれ故大きな出力パワーがそれによって得られる。マルチモー ドのイメージングカップラの一層の利点は、結合効率がリングから結合される波 の伝搬モードにおいて放射の分布に対して比較的鈍感なことである。これらのモ ードは、温度のそれ故屈折率変化に変わる。Ｙ接合部の結合効率はモードにおけ る放射の分布の正確な形に非常に敏感で、その結果、小さな温度変化が出力パワ ーに思い切った影響を与える。しかしながら、マルチモードのイメージングカッ プラを有するリングレーザの出力パワーは温度変化に対して比較的鈍感である。 本発明のこれらおよび他の要旨は、以下に記述される実施例から明らかになり 、そして実施例に関して説明されよう。 図面において、 図１は、本発明によるリングレーザの第１の実施例を示している。 図２は、くびれを有するＭＭＩ結合器を示している。 図３は、リングレーザの第２の実施例を示している。 図１は、本発明によるリングレーザの第１の実施例を示している。リングレー ザは、それぞれ時計方式および反時計方式に進行する放射波２および３が発生さ せられるリング１の形態による導波路が設けられている。カップラ４は、導波路 ５の方向への波７としてリングから時計方式に進行する波２の一部と導波路６の 方向への波８として反時計方式に進行する波３の一部とを結合する。導波路５お よび６は結合器１１のそれぞれ入力端９および１０に接続されている。結合器は それぞれ導波路５および６中の波７および８を結合して、結合器の出力端１４に 接続されている出力導波路１３中に伝搬する出力波１２にする。図示の結合器の ための特性位相差は０°であり、すなわち、入力端９，１０に供給される放射は 出力端１４の方向に進行する最大の出力結合を得るように同相であるべきである 。 リングレーザの素子は、単一のＩｎＰ基板上に集積され深くエッチングされた 半導体構造物である。レーザ層パケットは、０．１５μmの厚さでそして１．６ μmの放出波長を有するＩｎＧａＡｓＰの第４半導体層と、ｐ−ＩｎＰの１．９ μmの厚い層と、ｐ−ＩｎＧａＡｓの０．２μmの厚い接触層とからなり、すベて はメタルオーガニック ベイパーフェース エピタキシー（Ｍｏ−ＶＰＥ）によ って提供される。パケット中の導波路は２．５μmの幅を有し、そして導波路の 両側において３μmの深さの溝によって規定さる。溝はＣｌ₂を用いてリアクティ ブ イオンエッチングによってつくられる。次に、SiNの層がプラズマケミカル ベイパーデポジション（plasma−ＣＶＤ）によって全体構造上に成長し、その 後、この層は素子の位置において除去される。メタル層はスパッタリングによっ て全体のリングレーザ上に設けられる。本発明によれば、出力導波路には、反射 器として働くほぼ０．５μmのくびれ１６が両側に設けられている。基板を切り 開いて後、出力導波路１３の終端における面１５は、リングレーザのパワー測定 ができるように反射防止コーティングが施される。大部分の応用においては、し かしながら、リングレーザは、出力導波路１５が半導体材料と大気間の移行なし に回路の他の素子の方向に放射を導く集積回路中に組み込まれるであろう。 リングレーザの実現した実施例においては、リング１の曲がりの半径は１５０ μmであり、そしてそれは、できるだけ小さいリングレーザとリングにおける最 小の可能な放射損失との間の妥協である。カップラ４は、低損失でそして製造上 の広い許容度を有する３ｄＢマルチモードイメージング（ＭＭＩ）カップラであ る。ＭＭＩ素子は、とりわけドイツ連邦共和国特許明細書ＤＥ 25 06 272から既 知である。ＭＭＩカップラは２０８μmの長さと７μmの幅を有している。結合器 １１はまた６８μmの長さと８μmの幅を有するＭＭＩ素子であり、一方、２個の 入力端９および１０間の間隔は１．５μmに等しい。 面１５を通してもたらされる出力パワーの測定は、リングレーザのスペクトラ ムがリングレーザをとおして０．５Ａの電流において９ｍＷのパワーまでシング ルモードを含んでいることを示している。リングレーザの高効率と出力パワーの 安定性は、くびれ１６における出力パワーの一部の反射に依存する。反射波はス プリッタとして働く結合器１１によって同じ位相を有する２つのサブ波１７，１ ８に分割される。２つのサブ波は２個の導波路５，６を通してリング１の方向に 進行し、そこ（リング）でそれらはリング中を進行している波と結合し、そして そのうえに位相を加える。２つのサブ波が等位相であるため、リング中で発生し た２つの波２，３もまた、それらがリングから結合されてのち結合器の入力端９ ，１０において等しい位相を有している。その入力端における０゜の位相差のた め、結合器はパワー加算器として働きその結果、最大パワーが出力端１４におい て求められる。 すでにリング中を反対の方向に進行している２つの波２，３の位相結合は０． ０１％の反射において生じる。リングレーザの安定な動作は０．１％以上の反射 において観察された。反射は、好ましくは２５％以下であるべきで、その理由は 、大きな反射は出力パワーを減少させることになるからである。もし反射が大き いならば、導波路５，６，１３は終端ミラーとしての反射鏡１６を有するファブ リペロレーザとしてふるまう。ファブリペロレーザはリングと結合し、そしてそ れはファブリペロとリングの結合モードになる。これら結合したモードは順番に 過度のモードのはね跳びになり、その結果、リングレーザは不安定になり、そし て出力が減少する。 反射は、代案として、出力導波路の上方にトランスバース構造をもうけること によって実現される。波が主に伝搬するＩｎＧａＡＳＰ層のためのクラッディン グ層として機能するＩｎＰ層は、そのとき短い長さにわたって例えば０．５μm の厚さに減少される。反射器の他の実行は、出力導波路の縦軸の例えば０．２μ mのオフセットである。異なった屈折率を有する領域間の転移はまた反射器とし て機能し得る。そのような転移は、出力導波路または結合器１１の出力端１４の 位置における導波路の材料を変えることによって容易になされる。好ましい範囲 内の反射を得るために、転移について特別の転移層を設けることがある場合には 必要であろう。そして、その特別の転移層は隣接する材料間の屈折率を有してい る。反射器は可能な集積化された格子またはリング反射器であってもよい。 ＭＭＩ結合器１１は反射器として働き得る。出力端１４からよく設計されたＭ ＭＩ結合器の入力端９，１０への反射は０．０１％より小さい。異なった方法で この設計からわずかにずらすことによって、本発明による反射は容易に実現され る。第１の実施例においては、図２に示すように、結合器の出力端１４の位置に 導波路のくびれ２０がある。出力端の面に突き当たる放射の一部が、それによっ て結合器の入力端９，１０に反射される。第２の実施例においてはＭＭＩ結合器 の長さが設計値に関してほぼ５％変えられ、その結果、結合器における反射が増 加する。第３の実施例においては、結合器の幅が設計値に関してほぼ２％だけ変 えられる。これら３つの方法の組み合わせが代案として可能である。 図３は、結合器１１の入力端９，１０における波７，８の位相が第２の方法に おいて等しくなされているリングレーザを示している。導波路５，６は、それぞ れの導波路における波の位相を位相シフタの入力における電圧に依存して変える ことのできる２個の電気光学位相シフタ２３，２４を具えている。そのような位 相シフタは、とりわけ論文“Miniature Mach-Zehnder InGaAsP quantum well wa veguide interferometers for 1.3μmμ”，IEEE Photonics Technology Letter s, vol. 2, no．1, January 1990，pp.32-34 by J.E. Zucker et alである。 位相シフタの電圧を変え、同時にリングレーザの出力パワーの変化を測定するこ とよっで、出力パワーが最大である電圧を決定することが可能である。これらの 電圧において、入力端９，１０における２つの波７，８は同位相である。電圧の 正しい制御によって、リングレーザの出力パワーはすべての状況のもとに最大値 に維持される。リングレーザの出力パワーは、位相シフタの特別の駆動によって 変調され得ることに留意されるべきである。 結合器の入力端９，１０に到達する波間の位相差は最大パワー結合のために零 に等しくあるべきことが、前述において仮定された。これは、図１〜３に見られ るような左右対称の結合器１１に適応する。もし、出力端１４が図１〜３におけ る対称位置に関して左又は右にオフセットしている結合器のような、非対称の結 合器が使用されているならば、位相差は例えば９０゜であるべきである。そのよ うな位相差はまた先に述べた方法において実現され、それ故出力導波路または結 合器中の同じ反射器を用いて、またはカップラと結合器間の一方または双方の導 波路中の電気光学位相シフタによって実現される。 ＭＭＩ素子はＹ接合部より良好な効率を有しているが、本発明による方法はま た、カップラ４と結合器１１がＭＭＩ素子でなくＹ接合部であるリングレーザに も適用できる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザ放射を発生させるための半導体材料のリング、リングからの放射を結 合させるためのカップラ、カップラに接続された２個の導波路、２個の入力端が 前記導波路に接続さないる結合器、および結合器の出力端に接続された出力導波 路を具えてなるリングレーザにおいて、リングレーザは、結合器の２個の入力端 に印加される放射の位相差に、結合器の特性を示していて最大出力パワーになる 値を与えるための手段を具えていることを特徴とするリングレーザ。 ２．請求の範囲第１項記載のリングレーザにおいて、前記手段は、リングから出 てくる放射の幾分かはリングに反射される反射器を含んでいることを特徴とする リングレーザ。 ３．請求の範囲第２項記載のリングレーザにおいて、反射器が出力導波路中に在 ることを特徴とするリングレーザ。 ４．請求の範囲第２項記載のリングレーザにおいて、反射器が結合器中に在るこ とを特徴とするリングレーザ。 ５．請求の範囲第１項記載のリングレーザにおいて、前記手段は２個の導波路の うちの少なくとも１個中の電気光学位相フシタによって構成されていることを特 徴とするリングレーザ。 ６．請求の範囲第１項乃至第５項のいずれか１項記載のリングレーザにおいて、 リング、カップラ、導波路、結合器および出力導波路が単一の基板上に集積化さ れていることを特徴とするリングレーザ。 ７．請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか１項記載のリングレーザにおいて、 結合器はマルチモードのイメージング素子であることを特徴とするリングレー ザ。 ８．請求の範囲第１項乃至第７項のいずれか１項記載のリングレーザにおいて、 カップラはマルチモードのイメージング素子であることを特徴とするリングレー ザ。