JP2003289169A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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JP2003289169A JP2002090181A JP2002090181A JP2003289169A JP 2003289169 A JP2003289169 A JP 2003289169A JP 2002090181 A JP2002090181 A JP 2002090181A JP 2002090181 A JP2002090181 A JP 2002090181A JP 2003289169 A JP2003289169 A JP 2003289169A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】複雑な波長制御回路がなくても高出力で波長安
定性に優れた波長可変レーザを実現する素子構造および
その光モジュールの構造および作製方法を提供する。 【解決手段】レーザ共振器長、波長可変時のレーザ電気
駆動条件、動作温度を適切な範囲に設定し、波長可変域
内で単一の電気信号により連続的に波長を可変にする。
また、特にレーザ共振器導波路の一部または全ての部位
において導波路の横幅を横多モードを許容する幅広の多
モード干渉導波路５５０とし、その幅とレーザ共振器長
とを適切な値射設定することにより、レーザ利得の向
上、電気抵抗、熱抵抗の低減を図る。この際、多モード
干渉効果による自己結像効果を用いることにより、レー
ザ共振器内でのモード変換損失を低減できる他、レーザ
の出射端における光強度分布が単峰な最低次モードとな
り、光ファイバ等との接続に好適な構造となる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザに係わ
り、特にレーザ共振器長が短く広範囲波長可変動作に適
した通信用半導体レーザとその光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】光の増幅作用を有する活性導波路と回折
格子を有し反射波長域を変化させることにより発振波長
を調節する導波型反射鏡とが光の進行方向に直列にモノ
リシック接続された波長可変型分布反射半導体レーザに
おいては、波長の変化に伴い、レーザ軸モードの跳びが
生じることが知られている。位相調整領域の無い分布反
射型レーザのモード飛び間隔Δλと活性領域長Laとの間
にはΔλ=λ2/2naLaなる関係があり、波長変化Δλによ
り2πの位相変化量が生じるためと説明できる。ここ
で、naはレーザ媒質の屈折率、λは発振波長である。こ
の種の半導体レーザとして第１７回半導体レーザ国際会
議テクニカルダイジェストペーパーTuB4が挙げられる。
この文献の場合、Laは約410μmであり上式から算出され
るΔλ=0.8nmで、縦モードホップが周期的に生じる。こ
のため、複雑なモード安定化回路を用いて発振モードは
常にモードホップが起こりにくいブラッグ波長近傍に設
定されるように制御している。また同時に、別途温度調
整回路を用いて、発振波長を高密度波長多重通信で用い
られる所望の規格化波長グリッドに合致するように制御
している。また、回折格子部にサンプル回折格子構造、
スーパーストラクチャー回折格子構造などを用いた類似
の改良型分布反射型レーザにおいては、さらに複雑な制
御回路が必要とされている。
【０００３】一方、波長の異なる分布帰還型レーザを横
方向や縦方向にアレイ化し、各レーザの光出力を一箇所
に集光させた光合波器集積型の多波長分布帰還型レーザ
アレイ素子が開発されている。この場合、分布帰還型レ
ーザはモード位相の作製バラツキを抑制させたλ／４位
相シフト型や利得結合型が採用されているため基本的に
安定な単一モード動作が得られる。但し、レーザチャン
ネルの切り替えによる数nmの波長制御に加え、レーザの
動作温度制御による波長の微調整が欠かせないため、波
G町切り替えの応答速度が数msecに制限される本質的改
善課題がある。
【０００４】またこれまでに実現例は無いが、分布帰還
型レーザより波長可変幅の広い上述の分布反射型レーザ
をアレイ化し波長域を拡大することは容易に考えられ
る。しかし、分布反射型レーザの場合は、個々のレーザ
が複数の制御端子を有しているため、アレイ数倍に制御
端子数が増えてしまう本質的問題がある。前記の多波長
分布帰還型レーザアレイ素子としてIEEE Photonics Tec
hnology Letters, vol.12, no. 3, pp. 242-244, Marc
h, 2000が挙げられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来の波長可変
レーザでは、非常に複雑な波長制御回路が不可欠であ
る。
【０００６】本発明の課題は、上記の問題を克服し簡易
構成の制御回路で高範囲波長可変動作可能で波長安定性
に優れた波長可変レーザを実現する素子構造およびその
作製方法を提供することを目的とする。特に波長可変時
の縦モードホップを抑制し、安定な縦モード動作が実現
される好適な波長可変レーザの素子構造およびその波長
制御手法を提供する。また、この実現に効果的な短共振
器レーザの導波路構造に改良を加えることにより、特に
光出力を改善した上記波長可変レーザを提供することを
目的とする。また、これらの光素子を搭載した低コスト
で高性能動作可能な光モジュールを提供することを目的
とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明者らは、レーザ共振器長、波長可変時のレーザ
電気駆動条件、動作温度を適切な範囲に設定することに
より、波長可変域内で単一の電気信号により連続的に波
長を可変できることを見出した。また、特にレーザ共振
器導波路の一部または全ての部位において導波路横幅を
横多モードを許容する幅広に設定し、その幅とレーザ共
振器長とを適切な値射設定することにより、レーザ利得
の向上、電気抵抗、熱抵抗の低減を図る素子構造を考案
した。この際、多モード干渉効果による自己結像効果を
用いることにより、レーザ共振器内でのモード変換損失
を低減できる他、レーザの出射端における光強度分布が
単峰な最低次モードとなり、光ファイバ等との接続に好
適な構造となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１〜図９を用いて説明する。 実施の形態１ 図１は本発明を用いて発振波長を電気信号により変化で
きる1.55μｍ帯の分布反射型レーザと光増幅器をモノリ
シック集積化した半導体レーザを作製した例である。分
布反射型レーザの連続波長可変特性は、レーザの縦モー
ド跳びにより決定される。レーザ縦モード跳び間隔△λ
DBRは領域長Lに依存し、 ΔλDBR=λ2/2(naLa + npLp) (1 ) で与えられる。ここで、λは発振波長、nはレーザ媒質
の光学屈折率であり、添え字のa、pはそれぞれ活性領
域、位相調整領域を表す。これは、Δλの波長変化に伴
う活性領域でのレーザ発振モードの位相変動量Δφ
tが、 Δφt＝2π(naLa + npLp)Δλ/λ2 (2) で与えられることに対応する。Δλの増大に伴い、Δφ
tは線形に増大し、２πの変化が起きると上記のレーザ
縦モード跳びが生じる。従って連続波長可変幅を拡大さ
せるためには、Δφtをできる限り小さな値に押さえる
ことが重要である。(2)式から明らかなように、波長帯
λが固定で材料の屈折率と波長帯が不変の場合にはΔλ
DBRの増大には、La、Lpの短縮が唯一の有効手段であ
る。La、Lpの短縮を図った場合のさらなる課題はレーザ
発振モードの初期位相φiの人為制御である。一般に、
活性領域と分布反射領域の光学屈折率が異なるため、発
振光に対する伝搬定数β(βa、βd)が異なる。このた
め、これらの差分に相当する位相変動が必然的に生じ
る。この位相シフト分は次式で与えられる。 φi=(βa-βd)La=ΔβLa (3) 実際のレーザ発振モードの位相φは、 φ=φi+Δφt (4) となる。φiを人為制御するためには、活性領域と分布
反射領域の伝搬定数差を所望の値に設定する事が必須で
ある。実際の素子作製では、活性領域と分布反射領域を
別々の結晶成長で形成するため、膜厚や結晶組成の僅か
なバラツキにより伝搬定数差に変動が生じる。図２はφ
iの理論計算結果であり、分布反射領域の結晶膜厚変動
に対するφiの変化量を示している。尚、分布反射領域
の結晶膜厚が0.3μmの時、活性領域と分布反射領域とが
位相整合する(βa=βd)ように設定した。ここで重要な
点は、φiはLaに比例するため、La短縮はφiの制御性向
上に対しても極めて有効なことである。例えば、膜厚誤
差として0.01μmを仮定すると、従来の数百μm長のLaの
場合、φiは容易に数πの変動が伴うため、位相制御が
全く不可能である。一方、例えばLaを50μm以下に設定
すると、φiは±0.3π程度以下に設定が可能となる。ま
た、レーザ素子の作製後、φiを微調整する手法とし
て、レーザの動作温度を適正化することも可能である。
【０００９】図１において、n型(100)InP半導体基板501
上に有機金属気相成長法により0.3μｍ厚のn型 InGaAlA
s屈折率制御層（組成波長1.40μｍ）503、0.02μｍ厚の
InAlAsエッチング停止層、0.02μｍ厚のp型InPスペーサ
層、30nm厚のInGaAsP（組成波長1.37μｍ）回折格子供
給層504を順次有機金属気相成長法により形成する。次
に、周期241nmの均一回折格子を公知の手法により回折
格子供給層504に刻印する。続いて、いずれも公知の選
択エッチングと異種導波路の直接結合技術を用いて、歪
InGaAlAs材料からなる5周期の多重量子井戸層502を後に
分布反射型レーザoおよび光増幅器の活性領域となる個
所近傍に選択的に成長する。続いて1.5μm厚のp型InPク
ラッド層505、0.2μｍ厚の高濃度p型InGaAsキャップ層
を順次有機金属気相成長法により形成する。多重量子井
戸活性層502の発光波長は約1.56μｍである。上述のInG
aAlAs屈折率制御層（組成波長1.40μｍ）503の有効屈折
率は、レーザ発振時の多重量子井戸層502でのキャリア
密度変動による屈折率変化を見越して僅かに小さめに設
定した。
【００１０】次に絶縁ストライプ形状のマスクを用いて
公知の選択的ドライエッチング技術によりリッジ導波路
を形成する。この際、幅1.6μmの直線形状の単一横モー
ド導波路を形成する。分布反射器、位相調整領域、レー
ザ活性領域、光増幅器活性領域の長さはそれぞれ250μ
m、45μm、45μm、600μmである。各領域の間には5μm
の分離領域を設けた。全素子長は905μmである。成長終
了後のウェハをこの後、公知のリッジ導波路レーザ構造
にウェハ加工した。素子長905μmに切り出した後、光増
幅器の前端面には反射率0.01%の低反射膜510、レーザ活
性領域の後端面には反射率95%の高反射膜511をそれぞれ
形成した。
【００１１】作製した分布反射型レーザは、1,550nm帯
で単一軸モード発振した。しきい値電流は約5mAであっ
た。レーザ電流30mA、光増幅器電流50mAでのチップ光出
力は約10mWと光通信用途に対し十分な出力を得た。レー
ザ電流、光増幅器電流を上記の値に保ったまま分布反射
器に電流を通電し発振波長をチューニングした。波長可
変特性を図３に示す。図３上側は分布反射器のみに電流
を通電した場合のチューニング特性である。レーザ活性
層と位相調整領域の長さの和である100μmに対応した約
3.2nmの波長間隔で縦モード跳びが生じている。この縦
モード跳びに伴い副モード抑圧比が大きく変動するた
め、約3.2nmの可変域の内使用可能な波長帯域は副モー
ド抑圧比が40dB以上となる約2.5nmである。一方図４
は、分布反射器に加え位相調整領域に電流を通電し、縦
モード跳びを削除した場合のチューニング特性であり、
この場合、容易に縦モード跳びを抑制する事ができる。
これは、活性領域と位相調整領域の長さの和が100μmに
低減したためであり、モード跳びを生じさせにくい共振
器構成とし結果であり連続チューニング実現の観点から
重要な改善である。
【００１２】このように、分布反射型レーザの活性領域
長を短縮化し、波長変化による活性領域での発進モード
の位相変動を低減することにより、波長可変時の単一ス
ペクトル性の安定化が図れることを示した。また、活性
層の短縮化に伴う光出力の低減は集積化した光増幅器に
より容易に補償できるため、活性層を短縮化した分布反
射型レーザと光増幅器の集積構成は基本性の高い構成要
素と言える。
【００１３】本発明の特性改善例を図５に示す。図示の
ようにレーザ活性層導波路中央部で横幅が広がった多モ
ード干渉導波路550を活性領域の中央に形成し、この多
モード干渉導波路部の横幅と導波路長を適切な値に設計
することにより、単一モード導波路と多モード干渉導波
路間の高い光結合が実現される。ここでは、横幅を4.5
μm、42.0μmとした。活性領域長の短縮化は電気抵抗を
増大させる。例えば、前述の多モード干渉導波路の無い
素子では、電気抵抗は約35Ωである。本実施の形態では
多モード干渉導波路を導入することで、レーザ部の電気
抵抗を約15Ωに低減できるため、レーザ部の出力特性が
改善される。この他、レーザ部で発生したジュール発熱
が分布反射領域に伝わるために生じる発振モードの不安
定化を低減することができる。また、レーザ活性領域で
の発振しきい値キャリア密度が低減するため、レーザ発
振モードの初期位相φiの人為制御がより容易になる特
長を有する。
【００１４】以上、本発明の典型的な実施の形態をInGa
AlAs材料を用いたリッジ導波路型レーザ構造を用いて説
明した。本発明は、InGaAsP、GaInNAs、InGaAs、InGaAl
P等全ての半導体レーザ材料にて同様に適用可能であ
る。また、リッジ導波路型レーザだけでなく、いわゆる
埋め込みヘテロ構造、埋め込みリッジ構造を用いたレー
ザにも同様に適用可能であることを付記する。
【００１５】以上分布反射型レーザの活性領域を短縮化
して、連続波長可変特性を改善することの有用性に関し
説明した。本効果は、サンプル回折格子構造、スーパー
ストラクチャー回折格子構造などを用いた類似の改良型
分布反射型レーザにも同様に適用可能であることを付記
する。 実施の形態２ 図６は実施の形態１と類似の形態のレーザにおいて、活
性領域長を33μｍまで短縮し、連続波長可変域を拡大し
た構造である。素子の基本構造・作製は実施の形態１の
構造とほぼ同様である。レーザ設計上の主な相違点は、
活性領域の短縮に伴うレーザ利得低下を補償する目的で
回折格子の光結合係数を200cm-1と大きくしたことと、
ブラッグ波長近傍での安定な単一軸モード発振のため、
活性層前後方の二領域の回折格子位相を反転させ、いわ
ゆるλ／４位相シフト型とした点である。
【００１６】本発明のレーザにて、連続波長可変幅8n
m、光増幅器出力10mWを得ることができた。本実施の形
態では、活性領域が短いため波長変化に伴う活性領域で
の光学位相変化はごく僅かである。この結果、縦モード
跳びが生じにくいくなったことが本発明の重要な点であ
る。また多モード干渉導波路の導入により、電気抵抗の
急激な増大や発振しきい値キャリア密度の低減に伴う、
レーザ発振モードの初期位相の変動抑制が発明の本質で
ある。 実施の形態３ 図７は、実施の形態２に示した構成で、波長帯の異なる
４ケの分布反射型レーザ805を横方向にアレイ化した構
成である。各レーザの光出力は多モード干渉導波路を用
いた公知の４×１光合波器804を用いて、その出力導波
路にモノリシック集積された光増幅器803へ導かれる。
本構成において、従来の分布帰還型レーザアレイの構成
と異なる点は、図示のように、各レーザ素子の波長制御
用端子807、位相制御用端子806をそれぞれ短絡し束ねた
点である。これは、同時に複数のレーザが動作すること
が無いこと、波長制御電流、位相制御電流がそれぞれ30
mA程度以下であるため無効電流は最大90mA程度以下であ
ることにより実現可能となる。各レーザに内蔵された回
折格子の周期を例えば電子ビーム露光法で制御すること
により、隣り合うレーザ間の初期波長（非チューニング
時の発振波長）を7nm間隔に設定した。実施の形態２に
示したように各図８に示すように、各レーザを約7nmの
範囲で連続波長チューニングし、４ケのレーザでリレー
動作させることにより、28nmの波長範囲をカバーする波
長可変動作が得られた。この場合、４ケのレーザ全てに
対し同一の波長・位相制御用端子と制御回路を用いるた
めレーザの構成のみならず制御回路が著しく簡素化され
る。
【００１７】
【発明の効果】本発明の実施例に係る半導体発光素子よ
れば、安定な単一モード、高出力で動作する波長可変型
分布反射型半導体レーザやこれを搭載した光モジュール
を容易な手法で実現できる。本発明の実施例を用いれ
ば、素子性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでな
く、この素子を適用した光通信システムの低価格化、大
容量化、長距離化を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を説明するための図である。
【図２】本発明の作用を説明するための図である。
【図３】本発明の効果を説明するための図である。
【図４】本発明の効果を説明するための図である。
【図５】本発明の実施例を説明するための図である。
【図６】本発明の実施例を説明するための図である。
【図７】本発明の実施例を説明するための図である。
【図８】本発明の効果を説明するための図である。
【符号の説明】
501…n型(100)InP半導体基板、502…多重量子井戸層、5
03…n型 InGaAlAs屈折率制御層、504…回折格子供給
層、505…p型InPクラッド層、506…分布反射領域上部電
極、507…位相調整領域上部電極、508…活性領域上部電
極、509…表面保護膜、510…前方低反射膜、511…後方
高反射膜、517…下部電極、531…分布反射領域、532…
位相調整領域、533…多モード干渉導波路活性領域、550
…多モード干渉導波路、901…n型(100)InP半導体基板、
902…後方分布反射器InGaAlAs屈折率制御層、903…前方
分布反射器InGaAlAs屈折率制御層、904…回折格子供給
層、905…レーザ活性領域多重量子井戸層、906…光増幅
器活性領域多重量子井戸層、907…p型InPクラッド層、9
08…前方分布反射器上部電極、909…多モード干渉導波
路レーザ活性領域上部電極、910…後方分布反射器上部
電極、911…光増幅器活性領域上部電極、912…表面保護
膜、913…前方低反射膜、914…後方低反射膜、917…下
部電極、931…前方分布反射器、932…活性領域、933…
後方分布反射器、934…光増幅器、801…レーザ/光増幅
器/光変調器活性領域多重量子井戸層、802…分布反射器
InGaAsP屈折率制御層、803…回折格子供給層、804…多
モード干渉導波路合分波器、805…レーザ電極、806…位
相調整領域電極、807…分布反射調整領域電極、808…光
増幅器領域電極、809…低反射膜、810…高反射膜。

Claims (14)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光の増幅作用を有する活性導波路と回折格
    子を有し反射波長域を変化させることにより発振波長を
    調節する導波型反射鏡とが光の進行方向に直列にモノリ
    シック接続された波長可変型分布反射半導体レーザにお
    いて、発振波長変化に伴い導波型反射鏡への単一波長で
    発振する入射モードに対する反射モードの位相φが0〜
    πとなるように、上記活性導波路の長さLa、上記回折格
    子の位相φG、レーザの動作温度TLD、波長可変域Δλを
    定めたことを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 【請求項２】前記活性導波路の長さLaが100μm以下で且
    つΔλが3nm以上であることを特徴とする請求項１に記
    載の半導体レーザ装置。
  3. 【請求項３】前記導波型反射鏡部に回折格子を形成した
    ブラッグ反射器を適用したことを特徴とする請求項１に
    記載の分布反射型半導体レーザ。
  4. 【請求項４】前記活性導波路の長さが18μm以上200μm
    以下であり、前記活性導波路はストライプ形状であり、
    そのストライプ形状の光軸方向と垂直で、かつ、基板表
    面と平行な方向に前記ストライプ幅が変調されており、
    前記活性導波路ストライプの両端近傍または導波型反射
    鏡と隣接する側で前記ストライプ幅は横モ−ドが単一と
    なるカットオフ幅よりも狭く設定され、前記活性導波路
    内に水平方向の横幅が横モ−ドが単一となるカットオフ
    幅よりも広く設定されている部分を有することを特徴と
    する請求項１に記載の半導体レーザ装置。
  5. 【請求項５】多横モ−ド導波路部の導波モードと横単一
    モード導波路部の導波モードと両導波路の接合部におい
    てモード変換に伴う変換損失が最小になるように、多横
    モード導波路の導波路の横幅、導波路長を定めたことを
    特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
  6. 【請求項６】多横モード導波路の導波路の横幅W、導波
    路長L、レーザ導波路の有効屈折率n、動作波長λとを、 0.9nW2/λ≦L≦1.1nW2/λ を満たすように定めたことを特徴とする請求項５に記載
    の半導体レーザ。
  7. 【請求項７】少なくとも光を外部に導く光ファイバと請
    求項１に記載の半導体レーザとを一体化した光モジュー
    ル。
  8. 【請求項８】光の増幅作用を有する活性導波路と回折格
    子を有し反射波長域を変化させることにより発振波長を
    調節する導波型反射鏡とが光の進行方向に直列にモノリ
    シック接続された波長可変型分布反射半導体レーザにお
    いて、上記活性導波路の長さLa、およびその光学屈折率
    na、中心波長λとを用いてΔφ＝2πnaLaΔλ/λ2で決
    定されるΔλの波長変化に伴う活性領域でのレーザ発振
    モードの位相変動量Δφが、所望の波長可変幅Δλに対
    しΔφが0〜πとなるようにnaLaの値を定めたことを特
    徴とする半導体レーザ装置。
  9. 【請求項９】前記活性導波路の長さLaが100μm以下で且
    つΔλが3nm以上であることを特徴とする請求項８に記
    載の半導体レーザ装置。
  10. 【請求項１０】前記導波型反射鏡部に回折格子を形成し
    たブラッグ反射器を適用したことを特徴とする請求項８
    に記載の分布反射型半導体レーザ。
  11. 【請求項１１】前記活性導波路の長さが18μm以上200μ
    m以下であり、前記活性導波路はストライプ形状であ
    り、そのストライプ形状の光軸方向と垂直で、かつ、基
    板表面と平行な方向に前記ストライプ幅が変調されてお
    り、前記活性導波路ストライプの両端近傍または導波型
    反射鏡と隣接する側で前記ストライプ幅は横モ−ドが単
    一となるカットオフ幅よりも狭く設定され、前記活性導
    波路内に水平方向の横幅が横モ−ドが単一となるカット
    オフ幅よりも広く設定されている部分を有することを特
    徴とする請求項８に記載の半導体レーザ装置。
  12. 【請求項１２】多横モ−ド導波路部の導波モードと横単
    一モード導波路部の導波モードと両導波路の接合部にお
    いてモード変換に伴う変換損失が最小になるように、多
    横モード導波路の導波路の横幅、導波路長を定めたこと
    を特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ。
  13. 【請求項１３】多横モード導波路の導波路の横幅W、導
    波路長L、レーザ導波路の有効屈折率n、動作波長λと
    を、 0.9nW2/λ≦L≦1.1nW2/λ を満たすように定めたことを特徴とする請求項１２に記
    載の半導体レーザ。
  14. 【請求項１４】少なくとも光を外部に導く光ファイバと
    請求項８に記載の半導体レーザとを一体化した光モジュ
    ール。
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