JP2010192528A - Semiconductor optical element and wavelength sweeping light source using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体光素子に関し、特に出射光の偏向を可能とする半導体光素子とそれを用いた波長掃引光源に関する。 The present invention relates to a semiconductor optical device, and more particularly to a semiconductor optical device capable of deflecting emitted light and a wavelength swept light source using the same.
光コヒーレンストモグラフィ(OCT)等の周波数領域干渉計測、光ファイバセンシングやガスセンサ等を用いた分光分析の分野では、広帯域の波長掃引ができる波長掃引光源が用いられている。その光源には、通常、高感度且つ高速な測定を行うためにシングルモード、モードホップフリー且つ高速な波長掃引が求められる。 In the fields of frequency domain interferometry such as optical coherence tomography (OCT), and spectroscopic analysis using optical fiber sensing, gas sensors, and the like, a wavelength swept light source capable of broadband wavelength sweeping is used. The light source usually requires single-mode, mode-hop-free and high-speed wavelength sweep in order to perform high-sensitivity and high-speed measurement.
高速且つモードホップフリーの光源の実現には高精度な光軸調整が必要である。このため、同光源には、組み立てた後で光源を構成する各光学部品の光軸を再調整するための修正機構が一般に用いられる。例えば、外部共振器を構成するレンズや回折格子といった光学部品の位置を圧電素子を用いて変化させ、光軸のずれを修正する方法が用いられている。 High-precision optical axis adjustment is necessary to realize a high-speed and mode-hop-free light source. For this reason, a correction mechanism for readjusting the optical axis of each optical component constituting the light source after assembly is generally used for the light source. For example, a method is used in which the position of an optical component such as a lens or a diffraction grating constituting an external resonator is changed using a piezoelectric element to correct an optical axis shift.
しかしながら、このような機構部品の追加は、光源の構造を複雑にし、組立精度を劣化させる原因となる。また、このような機械的機構は、振動や温度などの環境の影響を受け易く、一度光軸を修正しても光学部品の配置が経時的に変動してしまうと再び光軸がずれてしまうという問題もあった。 However, the addition of such mechanical parts complicates the structure of the light source and causes deterioration in assembly accuracy. In addition, such a mechanical mechanism is easily affected by environment such as vibration and temperature, and once the optical axis is corrected, the optical axis is shifted again if the arrangement of the optical components fluctuates with time. There was also a problem.
そこで、機械的な機構を利用せずに光軸の微調整を行うことが可能な半導体光素子が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 In view of this, a semiconductor optical device that can finely adjust the optical axis without using a mechanical mechanism has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に開示された半導体光素子は、へき開により形成された出射端面の法線と導波路を構成する活性層とが角度θ1を成して交わる斜め端面近傍に、金属薄膜抵抗で構成された部分加熱手段を備えている。そして、部分加熱手段からの熱により斜め端面近傍の屈折率を変化させることにより、半導体光素子から出射される光の偏向を実現している。
The semiconductor optical device disclosed in
また、この半導体光素子を外部共振器型波長掃引光源に利用すれば、半導体光素子から出射される光を偏向することで、光軸のずれを修正し、モードホップフリーな波長掃引光源を実現することができる。 Also, if this semiconductor optical device is used as an external resonator-type wavelength-swept light source, the light emitted from the semiconductor optical device is deflected to correct the optical axis shift and realize a mode-hop-free wavelength-swept light source can do.
しかしながら、特許文献1に開示された半導体光素子においては、熱によって屈折率を変化させているので出射光の偏光の応答速度が遅いという問題があった。従って、高速に波長を掃引する波長掃引光源にこの素子を用いたとしても、波長掃引時のモードホップをリアルタイムに抑制することが困難であった。
However, the semiconductor optical device disclosed in
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、出射光の偏向の応答速度が速い半導体光素子を提供するとともに、上記の半導体光素子を備え、波長掃引時のモードホップをリアルタイムに抑制することができる波長掃引光源を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve such a conventional problem, and provides a semiconductor optical device with a high response speed of deflection of emitted light, and also includes the semiconductor optical device described above, during wavelength sweeping. It is an object of the present invention to provide a wavelength-swept light source that can suppress the mode hop in real time.
本発明の半導体光素子は、n型半導体基板と、前記n型半導体基板上に形成され、光を発し該光を伝搬させる活性層と、前記n型半導体基板上で前記活性層と光学的に結合され、前記活性層から伝搬された光を伝搬させる導波路層と、を備える半導体光素子において、前記活性層を有する発光領域と、前記導波路層を有し、注入される屈折率調整領域注入電流に応じて前記活性層から伝搬された光に対する該導波路層の等価屈折率を調整する屈折率調整領域と、を備え、前記導波路層を伝搬された光を出射させる前記屈折率調整領域側の出射端面と前記導波路層の光軸との交差角が非直角であり、前記屈折率調整領域注入電流により前記導波路層の等価屈折率が調整されることにより、前記出射端面から出射された光の前記出射端面に対する出射角を変化させる構成を有している。 The semiconductor optical device of the present invention includes an n-type semiconductor substrate, an active layer formed on the n-type semiconductor substrate, emitting light and propagating the light, and the active layer optically on the n-type semiconductor substrate. In a semiconductor optical device comprising a waveguide layer that is coupled and propagates light propagated from the active layer, a light emitting region having the active layer, a refractive index adjustment region having the waveguide layer and injected A refractive index adjustment region for adjusting an equivalent refractive index of the waveguide layer with respect to light propagated from the active layer according to an injection current, and adjusting the refractive index to emit the light propagated through the waveguide layer. The intersection angle between the region-side emission end face and the optical axis of the waveguide layer is non-right angle, and the equivalent refractive index of the waveguide layer is adjusted by the refractive index adjustment region injection current. The emitted light with respect to the exit end face It has a structure of changing the elevation angle.
この構成により、注入される電流に応じて導波路層の等価屈折率を調整する屈折率調整領域を備えることにより、出射光の偏向の応答速度を速くすることができる。 With this configuration, by providing a refractive index adjustment region that adjusts the equivalent refractive index of the waveguide layer according to the injected current, the response speed of the deflection of the emitted light can be increased.
また、本発明の半導体光素子は、前記発光領域が、前記活性層の上に積層された第1p型クラッド層を有し、前記屈折率調整領域が、前記導波路層の上に積層された第2p型クラッド層を有し、前記屈折率調整領域の前記導波路層に接する前記第2p型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成された構成を有している。 Further, in the semiconductor optical device of the present invention, the light emitting region has a first p-type cladding layer laminated on the active layer, and the refractive index adjustment region is laminated on the waveguide layer. A second p-type cladding layer having a doping concentration in the thickness direction of the second p-type cladding layer in contact with the waveguide layer in the refractive index adjustment region is a maximum value within a predetermined distance from the upper end of the waveguide layer. It has the structure formed so that it may have.
この構成により、位相調整領域の導波路層に接する第2p型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、導波路層から所定距離の範囲で極大となるため、位相調整領域の導波路層と第2p型クラッド層との伝導帯バンド不連続ΔEcが小さいことによって生じる電子のオーバーフローを抑制することができ、これにより最大位相調整量を拡大することができる。 With this configuration, the doping concentration in the thickness direction of the second p-type cladding layer in contact with the waveguide layer in the phase adjustment region is maximized within a predetermined distance from the waveguide layer. Electron overflow caused by a small conduction band discontinuity ΔEc with the 2p-type cladding layer can be suppressed, and thereby the maximum phase adjustment amount can be increased.
また、本発明の半導体光素子は、前記所定距離の範囲が25〜150nmである構成を有している。 The semiconductor optical device of the present invention has a configuration in which the range of the predetermined distance is 25 to 150 nm.
この構成により、第2p型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、導波路層から25〜150nmの範囲で極大値をもつため、導波路層からオーバーフローする電子を効果的にブロックすることができ、最大位相調整量を大幅に拡大することができる。 With this configuration, since the doping concentration in the thickness direction of the second p-type cladding layer has a maximum value in a range of 25 to 150 nm from the waveguide layer, electrons overflowing from the waveguide layer can be effectively blocked. The maximum phase adjustment amount can be greatly expanded.
また、本発明の半導体光素子は、前記発光領域の前記第1p型クラッド層と前記屈折率調整領域の前記第2p型クラッド層の上に第3p型クラッド層が形成され、該第3p型クラッド層の前記発光領域と前記屈折率調整領域との境界部分に所定幅の分離溝が形成されている構成を有している。 In the semiconductor optical device of the present invention, a third p-type cladding layer is formed on the first p-type cladding layer in the light emitting region and the second p-type cladding layer in the refractive index adjustment region, and the third p-type cladding layer is formed. A separation groove having a predetermined width is formed at a boundary portion between the light emitting region and the refractive index adjustment region of the layer.
この構成により、第3p型クラッド層の発光領域と位相調整領域の境界部分に分離溝が設けられているため、領域間の分離抵抗を高くすることができ、発光領域から位相調整領域へのリーク電流を大幅に減少させることができる。 With this configuration, since the separation groove is provided at the boundary between the light emitting region and the phase adjustment region of the third p-type cladding layer, the separation resistance between the regions can be increased, and leakage from the light emission region to the phase adjustment region can be achieved. The current can be greatly reduced.
また、本発明の半導体光素子は、前記第3p型クラッド層の厚さ方向の終点におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点におけるドーピング濃度より大きく、且つ1.0×1018(/cm3)〜2.5×1018(/cm3)の範囲に設定された構成を有している。 In the semiconductor optical device of the present invention, the doping concentration at the end point in the thickness direction of the third p-type cladding layer is larger than the doping concentration at the start point in the thickness direction, and 1.0 × 10 18 (/ cm 3 ) to It has the structure set to the range of 2.5 * 10 < 18 > (/ cm < 3 >).
この構成により、第3p型クラッド層の厚さ方向の終点(活性層、導波路層から遠い上層側)におけるドーピング濃度が厚さ方向の始点(活性層、導波路層に近い下層側)におけるドーピング濃度より大きく、且つ1.0×1018(/cm3)〜2.5×1018(/cm3)の範囲に設定されているため、膜厚方向の直列抵抗を増加させることなく、導波路損失を低減することができる。 With this configuration, the doping concentration at the end point in the thickness direction of the third p-type cladding layer (the upper layer side far from the active layer and the waveguide layer) is doped at the start point in the thickness direction (the lower layer side close to the active layer and the waveguide layer). Since it is larger than the concentration and is set in the range of 1.0 × 10 18 (/ cm 3 ) to 2.5 × 10 18 (/ cm 3 ), it can be conducted without increasing the series resistance in the thickness direction. Waveguide loss can be reduced.
本発明の波長掃引光源は、上記のいずれかの半導体光素子と、前記半導体光素子の前記出射端面から出射された光を回折する回折格子と、前記回折格子によって回折された光を反射して逆光路で前記回折格子へ再入射させる回動可能な回動ミラーと、を含み、前記回折格子が前記再入射された光を回折して前記半導体光素子の前記出射端面に帰還させ、前記回動ミラーの回動により前記出射端面から出射される光の波長を掃引するリトマン型の波長掃引光源であって、前記半導体光素子の前記発光領域に光を発するための発光領域注入電流を供給する発光領域電流供給部と、前記半導体光素子の前記屈折率調整領域に前記導波路層の屈折率を調整するための前記屈折率調整領域注入電流を供給する屈折率調整領域電流供給部と、前記半導体光素子から出射された光の出力を検出する出力検知部と、前記出力検知部で検知された出力に基づき、モードホップに起因する出力の不連続点を検知するとともに、該不連続点を消失させるように前記屈折率調整領域注入電流を制御する制御部と、を備える構成を有している。 The wavelength swept light source of the present invention reflects any one of the semiconductor optical elements described above, a diffraction grating that diffracts light emitted from the emission end face of the semiconductor optical element, and light diffracted by the diffraction grating. A rotatable mirror that re-enters the diffraction grating in a reverse optical path, and the diffraction grating diffracts the re-incident light and feeds it back to the emission end face of the semiconductor optical device. A Litman-type wavelength sweeping light source that sweeps the wavelength of light emitted from the emitting end face by rotating a moving mirror, and supplies a light emitting region injection current for emitting light to the light emitting region of the semiconductor optical device. A light emitting region current supply unit; a refractive index adjustment region current supply unit that supplies the refractive index adjustment region injection current for adjusting the refractive index of the waveguide layer to the refractive index adjustment region of the semiconductor optical device; Semiconductor light An output detection unit that detects the output of light emitted from the child, and based on the output detected by the output detection unit, detects a discontinuous point of the output caused by the mode hop, and eliminates the discontinuous point And a controller for controlling the refractive index adjustment region injection current.
この構成により、出射光の偏向の応答速度が速い半導体光素子を備えるため、波長掃引時のモードホップをリアルタイムに抑制することができる。 With this configuration, since the semiconductor optical device having a high response speed of outgoing light deflection is provided, mode hops during wavelength sweeping can be suppressed in real time.
また、本発明の波長掃引光源は、前記制御部が、前記出力検知部で検知された出力の時間微分値を算出し、該時間微分値に基づいて前記屈折率調整領域注入電流を制御する構成を有している。 Further, in the wavelength swept light source of the present invention, the control unit calculates a time differential value of the output detected by the output detection unit, and controls the refractive index adjustment region injection current based on the time differential value. have.
この構成により、モードホップの発生を検知することができる。 With this configuration, the occurrence of a mode hop can be detected.
また、本発明の波長掃引光源は、前記制御部が、モードホップに起因する前記不連続点を検知するため、前記出力検知部で検知された出力の時間微分値を逐次算出し、前記時間微分値の絶対値が予め定められたモードホップ閾値以上となったときに、前記屈折率調整領域注入電流を連続的に増減させ、前記時間微分値の絶対値が予め定められたモードホップ閾値未満となったときに前記屈折率調整領域注入電流の増減を停止する構成を有している。 Further, in the wavelength swept light source of the present invention, the control unit detects the discontinuous point caused by the mode hop, so that the time differential value of the output detected by the output detection unit is sequentially calculated, and the time differential When the absolute value of the value is equal to or greater than a predetermined mode hop threshold, the refractive index adjustment region injection current is continuously increased or decreased, and the absolute value of the time differential value is less than a predetermined mode hop threshold. When this happens, the increase / decrease of the refractive index adjustment region injection current is stopped.
この構成により、屈折率調整領域注入電流の連続的な増減に応じて半導体光素子の出射光の出射角θ2が連続的に変化するため、光軸のずれを修正することができる。 With this configuration, the emission angle θ 2 of the emitted light of the semiconductor optical device continuously changes according to the continuous increase / decrease of the refractive index adjustment region injection current, so that the deviation of the optical axis can be corrected.
また、本発明の波長掃引光源は、前記半導体光素子の前記出射端面から出射された光を平行光に変換し、該平行光を前記回折格子に出射するコリメートレンズと、前記回動ミラーの反射面を延長した平面と前記回折格子の回折面を前記回動ミラーの回動中心位置側へ延長した平面とで挟まれる空間で、且つ前記回折格子の所定入射位置と前記回動ミラーの回動中心位置との間の位置に配置され、前記コリメートレンズから出射された平行光を前記回折格子の所定入射位置に向けて反射する固定ミラーと、をさらに備え、前記半導体光素子および前記コリメートレンズが、前記回動ミラーの反射面を延長した平面で区切られる2つの空間のうち前記回折格子を含む空間側に配置され、前記半導体光素子から前記回折格子までの光路が前記回動ミラーに対して非交差であり、前記回動中心位置から前記回折格子の回折面の所定入射位置までの距離r、前記回動中心位置から前記回動ミラーの反射面を延長した平面までの距離L2、前記半導体光素子の実効共振端面から前記固定ミラーまでの光路長L3、該固定ミラーから前記回折格子の回折面の所定入射位置までの光路長L4および前記固定ミラーから前記回折格子の回折面への光入射角αとの間に、r=(L3+L4−L2)/sin αの関係が成り立つ構成を有している。 The wavelength swept light source of the present invention converts the light emitted from the emission end face of the semiconductor optical device into parallel light, and emits the parallel light to the diffraction grating, and the reflection of the rotating mirror. A space sandwiched between a plane extending the surface and a plane extending the diffraction surface of the diffraction grating toward the rotation center position of the rotation mirror, and the predetermined incident position of the diffraction grating and the rotation of the rotation mirror A fixed mirror that is disposed at a position between the center position and reflects the parallel light emitted from the collimating lens toward a predetermined incident position of the diffraction grating, wherein the semiconductor optical element and the collimating lens are The optical path from the semiconductor optical element to the diffraction grating is disposed on the space side including the diffraction grating in two spaces separated by a plane obtained by extending the reflection surface of the rotation mirror. A distance r from the rotation center position to a predetermined incident position of the diffraction surface of the diffraction grating, and a distance from the rotation center position to a plane extending the reflection surface of the rotation mirror. L2, an optical path length L3 from the effective resonance end face of the semiconductor optical element to the fixed mirror, an optical path length L4 from the fixed mirror to a predetermined incident position of the diffraction plane of the diffraction grating, and a diffraction plane of the diffraction grating from the fixed mirror Between the light incident angle α and the light incident angle α, a relationship r = (L3 + L4−L2) / sin α is established.
この構成により、半導体光素子から回折格子までの光路が回動ミラーと交差しないため、高速な波長掃引を行うことができる。 With this configuration, since the optical path from the semiconductor optical element to the diffraction grating does not cross the rotating mirror, high-speed wavelength sweep can be performed.
本発明は、出射光の偏向の応答速度が速い半導体光素子と、該半導体光素子を備え、波長掃引時のモードホップをリアルタイムに抑制することができる波長掃引光源を提供するものである。 The present invention provides a semiconductor optical device having a fast response speed of outgoing light deflection, and a wavelength-swept light source that includes the semiconductor optical device and can suppress a mode hop at the time of wavelength sweep in real time.
以下、本発明に係る半導体光素子とそれを用いた波長掃引光源の実施形態について、図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of a semiconductor optical device according to the present invention and a wavelength swept light source using the same will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
本発明に係る半導体光素子の第1の実施形態を図1に示す。図1(a)は半導体光素子10の斜視図、図1(b)は上面図、図1(c)は図1(b)のA−A線断面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 shows a first embodiment of a semiconductor optical device according to the present invention. 1A is a perspective view of the semiconductor
即ち、半導体光素子10は、n型半導体基板21と、n型半導体基板21上に形成され、光を発し該光を伝搬させる活性層24と、n型半導体基板21上で活性層24と光学的に結合され、活性層24から伝搬された光を伝搬させる導波路層26と、を備える。
That is, the semiconductor
また、半導体光素子10は、活性層24を有する発光領域22と、導波路層26を有し、注入される屈折率調整領域注入電流Irに応じて活性層24から伝搬された光に対する導波路層26の等価屈折率を調整する屈折率調整領域23と、を備える。
Further, the semiconductor
半導体光素子10においては、導波路層26を伝搬された光を出射させる屈折率調整領域23側の出射端面20aと導波路層26の光軸との交差角θ1が非直角である。そして、屈折率調整領域注入電流Irにより導波路層26の等価屈折率n1が調整されることにより、出射端面20aから出射された光の出射端面20aに対する出射角θ2が変化される。
In the semiconductor
以下、半導体光素子10の構成についてさらに詳細に述べる。
半導体光素子10は、InP(インジウム・リン)からなるn型半導体基板21(以下、単に基板21と記す)を有している。基板21は、ほぼ一定のドーピング濃度(例えば1×1018/cm3)を有している。
Hereinafter, the configuration of the semiconductor
The semiconductor
基板21の上の一端側(図1(b)、(c)で右端側)には発光領域22が形成され、他端側(図1(b)、(c)で左端側)には屈折率調整領域23が形成されている。
A
活性層24は、InGaAsP(インジウム・ガリウム・砒素・リン)からなり、基板21の上の中央にほぼ一定幅(例えば5μm)で形成される。活性層24の上には、InPからなる第1p型クラッド層25が所定厚さ(例えば250nm)で形成されている。なお、ここで言う活性層24は、多重量子井戸層(MQW)とそれを挟む光分離閉じ込め(SCH)層を含むものとする。
The
一方、屈折率調整領域23側の基板21の上の中央には、InGaAsPからなる導波路層26が活性層24と光学的に結合されるように形成されている。ここで、活性層24は、ある波長範囲の光に対して利得を有しており、且つ長さ方向に光を導波させるように形成されている。一方、導波路層26はその光に対して主に導波作用を有しているが、その光に対して利得を有していてもよい。
On the other hand, a
導波路層26は、外部の電流源からの屈折率調整領域注入電流Irの印加によってキャリアが注入されると、プラズマ効果によりその屈折率が低下する。
なお、導波路層26のエネルギーギャップは、活性層24で生成された光のエネルギーより大きくなるように設定されており、導波路層での該光の吸収は生じない。
The energy gap of the
この導波路層26の上には、第2p型クラッド層27が第1p型クラッド層25とほぼ同じ厚さで連続するように形成されている。活性層24と導波路層26の接続位置と、第1p型クラッド層25と第2p型クラッド層27との接続位置は一致している。
A second p-
そして、第1p型クラッド層25と第2p型クラッド層27の上および側方には、InPからなる第3p型クラッド層28が形成されている。また、活性層24の側部の基板21の上部にはp型のInPからなる埋め込み層29が形成され、その埋め込み層29の上部にはn型のInPからなる埋め込み層30が形成されている。
A third p-
そして、第3p型クラッド層28の発光領域22と屈折率調整領域23の境界部分は、活性層24と導波路層26とが光学的に結合された橋渡部31と、その左右の側方の領域に設けられた分離溝32、33と、から構成されている。橋渡部31は、半導体光素子10のサイズ(例えば、長さ1000μm、幅400μm、厚さ100μm)に対して、例えば長さ50μm、幅15μm、深さ7.5μm程度を有している。
The boundary portion between the
この分離溝32、33は、第3p型クラッド層28だけでなく、埋め込み層29、30と基板21との界面よりも深くエッチング処理することにより形成されている。
The
橋渡部31の素子長方向の長さは、高い分離抵抗を得るために長い方が有利であるが、活性層24の長さが減少すると発光強度が低下するため、25μm〜100μmの範囲とすることが好ましい。
The length of the bridging
また、橋渡部31の幅は、狭い程高い分離抵抗が得られるが、活性層24や導波路層26の幅(例えば2μm)に対して余裕をもたせる必要があり、また光のスポットサイズの大きさなどを考慮して10μm〜20μmの範囲とすることが好ましい。深さについては、基板21と埋め込み層29、30の界面よりも深くエッチングすることで正孔のリークを制限することが可能となるため5μm〜10μmの範囲とすることが好ましい。
Further, the narrower the width of the bridging
分離溝32、33を境にして発光領域22側の第3p型クラッド層28の上には、InGaAs(インジウム・ガリウム・砒素)からなるコンタクト層34が形成され、屈折率調整領域23側の第3p型クラッド層28の上にも、同様にInGaAsからなるコンタクト層35が形成される。
A
それぞれのコンタクト層34、35の上には、金(Au)、白金(Pt)、チタン(Ti)からなる第1の上部電極36、第2の上部電極37が蒸着形成されている。また、基板21の下面側全体に、金(Au)、ゲルマニウム(Ge)、白金(Pt)からなる下部電極38が蒸着形成されている。
A first
ところで、従来の屈折率調整領域を有する半導体光素子では、屈折率調整領域の導波路層とp型クラッド層との伝導帯バンド不連続ΔEcが小さいために、電子のオーバーフローが生じ易く、このオーバーフローによって最大屈折率調整量が制限されてしまうという問題があった。 By the way, in the conventional semiconductor optical device having the refractive index adjustment region, since the conduction band discontinuity ΔEc between the waveguide layer and the p-type cladding layer in the refractive index adjustment region is small, an overflow of electrons easily occurs. As a result, the maximum refractive index adjustment amount is limited.
本出願人は、上記構造の半導体光素子10について種々の実験を行った結果、屈折率調整領域23における導波路層26上の第2p型クラッド層27のドーピング濃度にある特徴的な分布、即ち導波路層26から所定距離の範囲で極大をもつ分布を与えることでこの屈折率調整領域23におけるオーバーフローを抑制して無駄な電流を流すことなく最大屈折率調整範囲を拡大できることを見出した。
As a result of conducting various experiments on the semiconductor
この構成を表したのが図2である。各種実験を行った結果、特性Fのように屈折率調整領域23の導波路層26に接する第2p型クラッド層27の厚さ方向のドーピング濃度が、導波路層26の上端から所定範囲、特に25〜150nmの範囲内で極大値をもつように形成することで、屈折率調整領域23における注入キャリアのオーバーフローの抑制効果が高くなり、屈折率変化に寄与しない無駄な電流を流す必要がなくなり、その結果素子全体としての高効率化が実現できることがわかった。なお、特性F′は実際のドーピング濃度分布の一例である。
FIG. 2 shows this configuration. As a result of various experiments, the doping concentration in the thickness direction of the second p-
このように導波路層26に比較的近い位置に極大位置を設定することで無効電流として拡散するキャリア(電子)のブロッキングに効果的であることがわかった。特に高注入領域における効率の改善が確認された。
Thus, it has been found that setting the maximum position relatively close to the
また、第3p型クラッド層28のドーピングプロファイルは、直列抵抗と導波路損失を決定するため重要である。
The doping profile of the third p-
発光領域22の膜厚方向の直列(シリーズ)抵抗が高いと、半導体光素子10を外部共振器型のレーザ光源に用いた場合にモードホップが起こり易くなる。これは電流注入で生じるジュール熱により屈折率が変化して長波化するために起こる現象である。電流を注入しファブリペロモードの中の一つのモードから隣のモードに変わるまでの電流差分をモードホップ電流ΔIhopと呼ぶが、このモードホップ電流ΔIhopが高いほど、一つのモードにおける安定動作の範囲が広くなるため好ましい。
If the series resistance in the film thickness direction of the
つまりモードホップ電流ΔIhopを高くするために、ドーピング濃度を高く設定し直列抵抗を下げることが望まれる。その一方、活性層24、導波路層26に近い下層領域(厚さ方向の始点部分)のドーピング濃度を高く設定すると、活性層24と導波路層26近傍の光吸収損失が増加する。
That is, in order to increase the mode hop current ΔI hop , it is desirable to set the doping concentration high and lower the series resistance. On the other hand, if the doping concentration in the lower layer region (starting point portion in the thickness direction) close to the
よって、第3p型クラッド層28のドーピングプロファイルは、第3p型クラッド層28全体の直列抵抗をモードホップが発生しない所定値になるようにするとともに、活性層24、導波路層26に近い下層領域(厚さ方向の始点部分)では低くする必要がある。
Therefore, the doping profile of the third p-
その一つのドーピングプロファイルの特性を図3に示す。この特性Hでは、ドーピング濃度を、活性層24、導波路層26に近い下層領域(厚さ方向の始点部分)から活性層24、導波路層26から遠い上層領域(厚さ方向の終点部分)に向かって、3.0×1017、8.5×1017、1.8×1018(/cm3)と段階的に大きくなるようにしている。この結果、直列抵抗値0.5Ωが得られている。経験的に言えばこの直列抵抗としては0.7Ω以下が望ましく、そのためには、厚さ方向の終点におけるドーピング濃度を、1.0×1018(/cm3)〜2.5×1018(/cm3)の範囲にすればよいことを確認している。
The characteristic of one of the doping profiles is shown in FIG. In this characteristic H, the doping concentration is changed from the lower layer region (starting portion in the thickness direction) close to the
さらに、その層厚tを2μm〜3.2μmの範囲に制限することで、導波路層26近傍の損失を低減しつつ、発光領域22から屈折率調整領域23への分離抵抗を1kΩにすることができた。なお、第3p型クラッド層28の層厚tをより小さくすれば分離抵抗をさらに大きくできるが、出射端面のスポットサイズより小さくなってしまい、損失が増加したり、導波できなくなったりする。また、層厚を3.2μmより大きくすると第3p型クラッド層28の抵抗が減少して領域間の分離抵抗が小さくなってしまうので、上記層厚の範囲が好ましい。
Furthermore, by limiting the layer thickness t to a range of 2 μm to 3.2 μm, the separation resistance from the
なお、図3においては、ドーピング濃度を3段階で大きくする例を示したが、変化段数は2段でも4段以上でもよく、また、直線的に大きくしてもよく、段階的な変化と直線的変化を併用してもよい。 Although FIG. 3 shows an example in which the doping concentration is increased in three steps, the number of change steps may be two steps or four or more steps, or may be increased linearly. Changes may be used in combination.
次に、図4を用いて半導体光素子10の出射端面20aからの出射光の偏向について説明する。
屈折率調整領域23側の出射端面20aの法線と導波路層26の光軸とは交差角θ1を成しており、出射端面20aから出射される光は下記のスネルの法則に従い、出射端面20aの法線に対して出射角θ2を成す。
n1 sinθ1=n2 sinθ2 ・・・・・・(1)
Next, deflection of outgoing light from the
The optical axis of the normal to the
n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 (1)
ここで、n1は導波路層26の出射端面20a近傍の等価屈折率であり、n2は空気の屈折率である。また、交差角θ1は、出射端面20aの法線と導波路層26の光軸とが平行にならないよう、且つ出射光が出射端面20aで全反射されないよう0°<θ1<18°の値を取ればよい。
Here, n 1 is an equivalent refractive index in the vicinity of the
式(1)によると、出射角θ2は、導波路層26の出射端面20a近傍の等価屈折率n1に依存する。従って、屈折率調整領域23に屈折率調整領域注入電流Irを印加することでキャリア濃度が変化し、n1が変わるので、出射角θ2を変化させることができる。
According to Expression (1), the emission angle θ 2 depends on the equivalent refractive index n 1 in the vicinity of the emission end face 20 a of the
ここで、屈折率調整領域23の第2の上部電極37および下部電極38を介して屈折率調整領域注入電流Ir(順バイアス)が印加される場合は、等価屈折率n1が低下するため、出射角θ2が減少する。一方、屈折率調整領域23に逆バイアス電圧Vbが印加される場合は、等価屈折率n1が上昇するため、出射角θ2が増加する。
Here, when the refractive index adjustment region injection current I r (forward bias) is applied via the second
このように構成された本実施形態の半導体光素子は、印加される屈折率調整領域注入電流Irもしくは逆バイアス電圧Vbに応じて、出射角θ2の偏向の応答速度をマイクロ秒オーダー以下にすることができる。 The semiconductor optical device of the present embodiment configured as described above, in response to an applied refractive index adjustment region injection current I r or reverse bias voltage V b, the response speed of the deflection output angle theta 2 below the order of microseconds Can be.
ところで、本出願人は、屈折率調整領域23に印加される屈折率調整領域注入電流Irに対する等価屈折率n1および出射角θ2の変化量の計算を行っている。以下に、出射端面20aから出射される光の中心波長を1550nmとし、屈折率調整領域23の導波路層26の組成波長を1450nm、厚さ0.17μm、幅2μm、長さ100μm、交差角θ1を6°とした場合の結果を示す。
However, the applicant has carried out the calculation of the equivalent refractive index n 1 and output angle theta 2 of the variation to the refractive index adjustment region injection current I r which is applied to the refractive
図5は屈折率調整領域23に印加する屈折率調整領域注入電流Irと出射端面20a近傍の等価屈折率n1との関係を示すグラフである。屈折率調整領域23に屈折率調整領域注入電流Irを印加しないときの出射端面20a近傍の導波路層26の等価屈折率n1は3.21となる。屈折率調整領域23に屈折率調整領域注入電流Irを印加し、電流値を35mAまで上げると導波路層26のキャリア濃度が上昇して等価屈折率n1が下がり3.19となる。
Figure 5 is a graph showing the relationship between the effective refractive index n 1 of the refractive index adjustment region injection current I r and the
図6は屈折率調整領域23に印加する屈折率調整領域注入電流Irと光の出射角θ2との関係を示すグラフである。電流値0において光の出射角θ2は19.62°である。屈折率調整領域23に屈折率調整領域注入電流Irを印加し、電流値を35mAまで上げると出射角θ2は19.47°となり、0.15°の偏向が可能となる。
6 is a graph showing the relationship between the refractive index adjustment region injection current I r and exit angle theta 2 of the light applied to the refractive
また、屈折率調整領域23に逆バイアス電圧Vbを印加することによりキャリア濃度を逆に上げることができる。この場合は等価屈折率n1が上昇するため、図7に示すように出射角θ2を反対方向に偏向することも可能である。
Further, by applying a reverse bias voltage Vb to the refractive
導波路層26の等価屈折率n1の変化は出射端面20aの極近傍のみでよく、屈折率調整領域23の長さは、キャリアを効率よく閉じ込めることを考慮すると短いほうがよい。しかし、出射端面20aはへき開により形成するので、へき開工程の誤差を考慮すると、屈折率調整領域23の長さは50μm〜100μmが好適である。
The change in the equivalent refractive index n 1 of the
以下、図面を用いて半導体光素子10の製造方法の一例を説明する。図8、9は、半導体光素子10の製造工程の一部を示す斜視図である。
Hereinafter, an example of a method for manufacturing the semiconductor
始めに、ドーピング濃度1×1018(/cm3)のn型のInPからなる基板121を用意し、その上に、MOVPE法により、InGaAsPからなる活性層122を成長形成する。さらにその上にInPからなる第1p型クラッド層123を積層させる。なお、ここで言う活性層122は、MQWとそれを挟むSCH層を含むものとする。
First, an n-
また、第1p型クラッド層123の厚さは例えば250nmであり、そのドーピング濃度の厚さ方向の分布は一定であってもよいが、前述のように、ある範囲で極大となるような分布にして電流供給時のキャリア漏れ等を防ぐ構造であってもよい。
In addition, the thickness of the first p-
次に、第1p型クラッド層123の上にSiO2またはSiNxからなる絶縁膜125をプラズマCVD法等により数10nm堆積し、さらにその上にレジスト126を塗布する(図8(a))。
Next, an insulating
続いて、フォトリソグラフィにより、屈折率調整領域23の作製部分のレジスト126を取り除き、エッチング処理により、レジスト126′で覆われていない領域の絶縁膜125を除去する(図8(b))。
Subsequently, the resist 126 in the portion where the refractive
さらに、残っているレジスト126′を剥離して、絶縁膜125′をマスクとするエッチング処理により、絶縁膜125′に覆われていない領域の第1p型クラッド層123および活性層122を除去する(図8(c))。ここで、第1p型クラッド層123のInPに対しては例えば塩酸リン酸エッチャント、活性層122に対しては塩酸、過酸化水素および水を用いてエッチング処理する。
Further, the remaining resist 126 ′ is stripped, and the first p-
次に、上述のようにエッチング処理された部分の基板121の上に、InGaAsPからなる導波路層131を、活性層122′と連続するように成長形成し、その上にInPからなる第2p型クラッド層132を第1p型クラッド層123′とほぼ同一高さとなるように積層する。
Next, a
次に、残った絶縁膜125′を剥離してから、新たに絶縁膜140を全面に堆積させ、その上にレジスト141を塗布する(図8(d))。
Next, after the remaining insulating film 125 'is peeled off, a new
そして、メサ構造を作製するために、フォトリソグラフィによりレジスト141の中央部を残し、その両側を除去する。さらに、曲線部分を有する一定幅の線状に残ったレジスト141′をマスクとして、絶縁膜140の両側をエッチング処理により除去する(図9(a))。
Then, in order to produce a mesa structure, the central portion of the resist 141 is left by photolithography, and both sides thereof are removed. Further, using the resist 141 ′ that remains in a line having a constant width and having a curved portion as a mask, both sides of the insulating
続いて残ったレジスト141′を剥離除去して、絶縁膜140′をマスクとするエッチングを行い、図9(b)のように、断面がほぼ台形状(メサ構造)に連続した活性層122′(24)と導波路層131′(26)と、その上に台形状に連続した第1p型クラッド層123′(25)と第2p型クラッド層132′(27)を形成する。
Subsequently, the remaining resist 141 'is stripped and removed, and etching is performed using the insulating film 140' as a mask, and the active layer 122 'whose section is substantially trapezoidal (mesa structure) as shown in FIG. 9B. (24), a
次に、活性層24および導波路層26の両側にp型InPからなる埋め込み層142(29)とn型InPからなる埋め込み層143(30)を形成する(図9(b))。
Next, a buried layer 142 (29) made of p-type InP and a buried layer 143 (30) made of n-type InP are formed on both sides of the
そして、絶縁膜140′を剥離してから、埋め込み層143(30)および第2p型クラッド層132′(27)の上に、InPからなる第3p型クラッド層145(28)を成長形成し、さらにその上にInGaAsからなるコンタクト層146を形成する(図9(c))。
Then, after peeling off the insulating
そして、コンタクト層146の上で発光領域22を形成する部分に、Au、Ti、Ptからなる第1の上部電極36を蒸着し、屈折率調整領域23を形成する部分にも、Au、Ti、Ptからなる第2の上部電極37を蒸着し、さらに、基板121の下面側を研磨してAu、Ge、Ptからなる下部電極38を蒸着する(図9(d))。
Then, the first
そして、最後に、前記した橋渡部31、分離溝32、33を形成するためのエッチング処理を行う。ここで、コンタクト層146のInGaAsに対しては、例えば硫酸系エッチャント(選択エッチャント)を用いて第3p型クラッド層(InP)145(28)をエッチストップ層としてエッチングを行う。また、第3p型クラッド層145、各埋め込み層142、143および基板121に対しては、例えば塩酸リン酸エッチャントを用いてエッチングする。これにより、長さ1000μm、幅400μm、厚さ100μmの半導体光素子10が完成する(図1(a))。
Finally, an etching process for forming the bridging
以上説明したように、本実施形態の半導体光素子は、印加される屈折率調整領域注入電流に応じて導波路層の等価屈折率を調整する屈折率調整領域を備えることにより、出射光の偏向の応答速度をマイクロ秒オーダー以下にすることができる。 As described above, the semiconductor optical device of this embodiment includes the refractive index adjustment region that adjusts the equivalent refractive index of the waveguide layer according to the applied refractive index adjustment region injection current, thereby deflecting the outgoing light. Response speed can be reduced to the order of microseconds or less.
また、出射光を偏向させるために半導体光素子に熱を加える必要がないため、従来よりも消費電力を低減することができる。 Further, since it is not necessary to apply heat to the semiconductor optical element in order to deflect the emitted light, the power consumption can be reduced as compared with the prior art.
(第2の実施形態)
本発明に係る波長掃引光源の実施形態について図面を用いて説明する。即ち、図10に示すように、第2の実施形態の波長掃引光源は、第1の実施形態の半導体光素子10と、半導体光素子10の出射端面20aから出射された光を平行光に変換するコリメートレンズ11と、コリメートレンズ11から出射された平行光を回折する回折格子12と、回折格子12によって回折された光を反射して逆光路で回折格子12へ再入射させる回動可能な回動ミラー13と、を備え、回折格子12がその再入射された光を回折して半導体光素子10の出射端面20aに帰還させ、回動ミラー13の回動により出射端面20aから出射される光の波長を掃引するリトマン型の波長掃引光源の構造を有している。
(Second Embodiment)
An embodiment of a wavelength swept light source according to the present invention will be described with reference to the drawings. That is, as shown in FIG. 10, the wavelength swept light source of the second embodiment converts the light emitted from the semiconductor
回動ミラー13は、回動中心位置Oを中心に回動自在なアーム15に支持されている。アーム15は、バネ16および駆動装置17によって回動される。
The
さらに、本実施形態の波長掃引光源は、半導体光素子10の発光領域22に光を発するための発光領域注入電流Ieを供給する発光領域電流供給部41と、半導体光素子10の屈折率調整領域23に導波路層26の等価屈折率n1を調整させるための屈折率調整領域注入電流Irを供給する屈折率調整領域電流供給部42と、端面20bから出射された光の出力を検出する出力検知部43と、出力検知部43で検知された出力に基づいて屈折率調整領域注入電流Irを制御する制御部44と、を備える。
Further, the wavelength swept light source of the present embodiment includes a light emitting region
出力検知部43は、例えば受光素子(図示せず)によって半導体光素子10の端面20bからの出射光の光強度Pを検出する。
The
この構造の波長掃引光源では、半導体光素子10から出射され回折格子12の回折面12aで回折された光の波長成分のうち、回動ミラー13の反射面13aに直交する特定波長とその近傍の波長成分のみが半導体光素子10に戻る。これにより、半導体光素子10においてその特定波長とその近傍の波長を持つ光の誘導放出が生じるため、それらの波長(以下、掃引波長と記す)の光だけが共振し、出力されることになる。
In the wavelength swept light source having this structure, out of the wavelength components of the light emitted from the semiconductor
この掃引波長は、回折格子12の回折面12aと回動ミラー13の反射面13aの成す角度、回折格子12への入射光の入射角、回折格子12の刻線数、および半導体光素子10から回折格子12を経て回動ミラー13に至る光路長で規定され、回折面12aに対する反射面13aの角度(または距離)を調整すれば変化させることができる。
This sweep wavelength depends on the angle formed by the
本実施形態の波長掃引光源は、以下に説明するように、モードホップを抑制しながら連続波長掃引を行うことができるものである。ここで、図11に示すように、回折格子12の回折面12aを延長した平面をH1、半導体光素子10の実効共振端面20cを延長した平面をH2、回動ミラー13の反射面13aを延長した平面をH3とする。
As will be described below, the wavelength sweep light source of the present embodiment can perform continuous wavelength sweep while suppressing mode hopping. Here, as shown in FIG. 11, the plane obtained by extending the
回動ミラー13の回動中心位置Oは、平面H1に含まれ、且つ平面H1と平面H2とが交わる位置より回折格子12側に設けられる。平面H1と平面H3とは、回動ミラー13の回動中心位置Oと回折格子12の間で交わるように設定される。
The rotation center position O of the
ここで、所定入射位置Pから半導体光素子10の出射端面20aまでの距離をD1、半導体光素子10の出射端面20aから実効共振端面20cまでの光路長をD2とすると、所定入射位置Pから実効共振端面20cまでの実効光路長L1はL1=D1+D2で表わされる。
Here, when the distance from the predetermined incident position P to the
モードホップを抑制して連続波長掃引を行うためには、回動ミラー13の回動中心位置Oから回折格子12に入射する光の所定入射位置Pまでの距離r、上述の実効光路長L1、回動ミラー13の回動中心位置Oから平面H3までの距離L2および回折格子12に対する光の入射角αとの関係が下の式を満たすように各部を設定する必要がある。
r=(L1−L2)/sin α ・・・・・・(2)
In order to perform continuous wavelength sweep while suppressing mode hopping, the distance r from the rotation center position O of the
r = (L1-L2) / sin α (2)
しかしながら、本実施形態の波長掃引光源において実際にモードホップを抑制するためには、上式を満たすようにサブミクロンオーダーの精度で回動中心位置Oを合わせなければならない。このため、それに比べて非常に大きなミリメートルオーダー以上の光路長を有する一般的な外部共振器では、半導体光素子10の出射端面20aからの出射光の出射角θ2の僅かなずれがモードホップの原因となる。また、温度や経時変化などによる光軸のずれもモードホップを引き起こす要因となる。
However, in order to actually suppress the mode hop in the wavelength swept light source of this embodiment, it is necessary to match the rotation center position O with submicron order accuracy so as to satisfy the above equation. For this reason, in a general external resonator having a very large optical path length on the order of millimeters compared to that, a slight deviation of the outgoing angle θ 2 of the outgoing light from the
ここで、モードホップが生じるメカニズムを図12を用いて説明する。図12(a)はモードホップが生じていないとき、図12(b)はモードホップが生じているときの半導体光素子10の縦モードと回折格子12の透過率特性をそれぞれ模式的に示したグラフである。ここでは、ある掃引波長(図の上段)からさらに掃引波長を増加させる場合(図の下段)を示している。
Here, the mechanism by which the mode hop occurs will be described with reference to FIG. FIG. 12A schematically shows the longitudinal mode of the semiconductor
式(2)が満たされている場合(モードホップが生じない場合)は、特定の1つの縦モードmの変化に合わせて透過率特性のピークが変化することにより、常に縦モードmが選択されている状態となる(図12(a))。このときの掃引時刻t(掃引波長に対応)と波長掃引光源の出射光の光強度Pとの関係は、図12(c)に示すような滑らかな曲線を描く。なお、光強度Pが掃引時刻tに対して依存性をもつのは、波長掃引光源を構成する光学部品の特性に波長依存性があるためである。 When Expression (2) is satisfied (when no mode hop occurs), the longitudinal mode m is always selected by changing the peak of the transmittance characteristic in accordance with the change of one specific longitudinal mode m. (FIG. 12A). The relationship between the sweep time t (corresponding to the sweep wavelength) and the light intensity P of the emitted light from the wavelength sweep light source at this time draws a smooth curve as shown in FIG. The reason why the light intensity P is dependent on the sweep time t is that the characteristics of the optical components constituting the wavelength swept light source are wavelength dependent.
これに対して、光軸のずれなどにより式(2)が満たされない場合(モードホップが生じる場合)は、特定の1つの縦モードmの変化に透過率特性のピークの変化が対応せず、選択される縦モードが1つ隣りのモードm'に跳んでしまう(図12(b))。さらに、図からわかるように、このときの光強度Pは、ある特定の縦モードの波長と透過率特性のピークが一致している図12(c)の場合と比較して突然小さくもしくは大きく(図示せず)なる。従って、このときの掃引時刻tと光強度Pとの関係は、図12(d)に示すような不連続な跳びを有するものとなる。 On the other hand, when Equation (2) is not satisfied due to a shift of the optical axis or the like (when a mode hop occurs), the change in the peak of the transmittance characteristic does not correspond to the change in one specific longitudinal mode m, The selected vertical mode jumps to the next mode m ′ (FIG. 12B). Further, as can be seen from the figure, the light intensity P at this time is suddenly smaller or larger than the case of FIG. 12C in which the wavelength of a specific longitudinal mode and the peak of the transmittance characteristic coincide ( (Not shown). Accordingly, the relationship between the sweep time t and the light intensity P at this time has a discontinuous jump as shown in FIG.
このようなモードホップの発生を抑制するために、本実施形態の波長掃引光源は、以下に説明する制御部44を備える。
In order to suppress the occurrence of such mode hops, the wavelength swept light source of the present embodiment includes a
制御部44は、出力検知部43で検知された光強度Pの時間微分値の絶対値|dP/dt|が予め定められたモードホップ閾値以上となったときに、屈折率調整領域注入電流Irを連続的に増加させ、時間微分値の絶対値|dP/dt|がモードホップ閾値未満となった場合には、そのときの屈折率調整領域注入電流Irを維持する。
When the absolute value | dP / dt | of the time differential value of the light intensity P detected by the
ここで、モードホップ閾値とは、時間微分値の絶対値|dP/dt|がその値以上であるとモードホップが生じていると見なせる値である。一方、時間微分値の絶対値|dP/dt|がその値未満であるとモードホップが生じていないと見なせる。 Here, the mode hop threshold value is a value that can be regarded as a mode hop when the absolute value | dP / dt | of the time differential value is equal to or greater than that value. On the other hand, if the absolute value | dP / dt | of the time differential value is less than that value, it can be considered that no mode hop has occurred.
なお、モードホップ閾値は、掃引波長(あるいは掃引時刻t)ごとに異なる値をとるものであってもよい。 Note that the mode hop threshold value may take a different value for each sweep wavelength (or sweep time t).
上記では、時間微分値の絶対値|dP/dt|が予め定められたモードホップ閾値以上となったときに、制御部44が屈折率調整領域注入電流Irを連続的に増加させる例を挙げたが、逆に次のようにしてもよい。
In the above, the absolute value of the time differential value | dP / dt | when it becomes that the mode hopping threshold value above a predetermined, an example in which the
即ち、制御部44は、時間微分値の絶対値|dP/dt|が予め定められたモードホップ閾値以上となったときに、屈折率調整領域注入電流Irを連続的に減少させ、時間微分値の絶対値|dP/dt|がモードホップ閾値未満となった場合には、そのときの屈折率調整領域注入電流Irを維持するものであってもよい。なお、光強度Pの変化幅|ΔP|をもとにモードホップ閾値を定め、これらを用いてモードホップの発生を検知するようにしてもよい。
That is, the
このように構成された本実施形態の波長掃引光源では、出射光の偏向の応答速度がマイクロ秒オーダー以下である半導体光素子を備えるため、例えサブミリ秒程度の掃引周期であっても波長掃引時に生じるモードホップをリアルタイムに抑制することができる。 The wavelength swept light source according to the present embodiment configured as described above includes a semiconductor optical device having a response speed of the deflection of the emitted light of the order of microseconds or less. The generated mode hop can be suppressed in real time.
次に、以上のように構成された本実施形態の波長掃引光源の動作について説明する。
まず、発光領域電流供給部41によって半導体光素子10の発光領域22側の第1の上部電極36と下部電極38との間に発光領域注入電流Ie(数100mA〜1A)が印加されることにより、活性層24内部が発光状態となる。ここで、発光領域電流供給部41は、屈折率調整領域電流供給部42とは独立に制御されており、以下の説明では発光領域注入電流Ieを一定としている。
Next, the operation of the wavelength swept light source of the present embodiment configured as described above will be described.
First, a light emitting region injection current I e (several hundred mA to 1 A) is applied between the first
活性層24で生成された光は、活性層24と導波路層26に沿って伝搬し、端面20b、回折格子12、回動ミラー13で構成された共振器において、活性層24と導波路層26の屈折率等によって決まる実効的な光路長と、回折格子12の回折面12aと回動ミラー13の反射面13aの成す角度、回折格子12への入射光の入射角、および回折格子12の刻線数に応じた掃引波長λで発振する。
The light generated in the
なお、屈折率調整領域23側の出射端面20aの反射率を発光領域22側の端面20bの反射率よりも低いものとしている。
Note that the reflectance of the
半導体光素子10の端面20bから出力される波長λの光は、図10に示すようにハーフミラー18によって2つに分配され、1つが出力検知部43に入射される。出力検知部43へ入射された光は、出力検知部43によってその出力を検出される。
The light of wavelength λ output from the
次に、出力検知部43で検知された光強度Pの時間微分値の絶対値|dP/dt|が制御部44によって逐次算出される。予め定められたモードホップ閾値以上の|dP/dt|が算出された場合は、制御部44によって、屈折率調整領域電流供給部42が屈折率調整領域23に供給する屈折率調整領域注入電流Irが連続的に増加される。このとき、図6に示したように、屈折率調整領域注入電流Irの連続的な増加に応じて半導体光素子10の出射端面20aからの出射光の出射角θ2が連続的に減少する。
Next, the absolute value | dP / dt | of the time differential value of the light intensity P detected by the
そして、屈折率調整領域注入電流Irの上限値以下で、|dP/dt|がモードホップ閾値未満となった場合には、そのときの屈折率調整領域注入電流Irが制御部44によって維持されることにより、出射角θ2が固定される。
Then, not more than the upper limit of the refractive index adjustment region injection current I r, | maintained if is less than a mode hop threshold, the refractive index adjustment region injection current I r is the
一方、屈折率調整領域注入電流Irの上限値以下で、|dP/dt|がモードホップ閾値未満に到達しない場合には、|dP/dt|がモードホップ閾値未満となるまで制御部44によって屈折率調整領域注入電流Irが連続的に減少される。このときは、図6に示したように、屈折率調整領域注入電流Irの連続的な減少に応じて半導体光素子10の出射端面20aからの出射光の出射角θ2が連続的に増加し、|dP/dt|がモードホップ閾値未満となったときの屈折率調整領域注入電流Irが制御部44によって維持されることにより、出射角θ2が固定される。
Meanwhile, more than the upper limit of the refractive index adjustment region injection current I r, | dP / dt | if does not reach below the mode hopping threshold value, | by the
なお、屈折率調整領域注入電流Irの値が下限のゼロになっても|dP/dt|がモードホップ閾値未満にならない場合には、制御部44によって、屈折率調整領域電流供給部42から屈折率調整領域23に逆バイアス電圧Vbが供給される。このとき、図7に示したように、逆バイアス電圧Vbの連続的な増加に応じて出射角θ2を連続的にさらに減少させることができる。
The value of the refractive index adjustment region injection current I r is also reduced to zero lower limit | dP / dt | if does not become less than the mode hopping threshold value, the
(第3の実施形態)
本発明に係る波長掃引光源の第3の実施形態について図面を用いて説明する。第2の実施形態と同様の構成および動作については説明を省略する。図13は本実施形態の波長掃引光源の構成を示す斜視図、図14は本実施形態の波長掃引光源の構成の要部を示す模式図である。
(Third embodiment)
A third embodiment of the wavelength swept light source according to the present invention will be described with reference to the drawings. The description of the same configuration and operation as in the second embodiment is omitted. FIG. 13 is a perspective view showing the configuration of the wavelength swept light source of this embodiment, and FIG. 14 is a schematic diagram showing the main part of the configuration of the wavelength swept light source of this embodiment.
本実施形態の波長掃引光源は、例えばMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)スキャナを用いたリトマン型の外部共振型波長掃引光源であり、基台51上に、第1の実施形態の半導体光素子10と、半導体光素子10の低反射端面である出射端面20aから出射された光を平行光に変換するコリメートレンズ52と、コリメートレンズ52から出射された平行光を後述する回折格子54の回折面54aの所定入射位置Gに向けて反射する固定ミラー53と、固定ミラー53から反射された光を回折するための回折格子54と、回折格子54で回折された回折光を垂直に入射した波長成分のみの光を逆光路で回折格子54へと反射させる反射板62を有する回動ミラー60から構成されている。
The wavelength swept light source of the present embodiment is a Littman-type external resonance type wavelength swept light source using, for example, a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) scanner, and on the
ここで、図14に示すように、回折格子54の回折面54aを延長した平面をH1、半導体光素子10の内部の屈折率を考慮した実効共振端面20cを延長した平面をH2、反射板62の反射面62aを延長した平面をH3とする。
Here, as shown in FIG. 14, H1 is a plane obtained by extending the
固定ミラー53は、平面H3と平面H1で挟まれた空間内で、且つ回動中心位置Oと回折面54aの所定入射位置Gとの間に配置される。また、半導体光素子10とコリメートレンズ52は、平面H3で区切られてなる2つの空間のうち、回折格子54が含まれる方の空間に配置される。また、半導体光素子10から回折格子54までの光路は回動ミラー60に対して非交差である。
The fixed
この回動ミラー60は、図15の分解斜視図に示すように、導電性を有する基板(例えばシリコン基板)に対するエッチング処理等によって形成され、上板61a、下板61b、横板61c、61dで横長矩形枠状に形成されたフレーム61と、フレーム61の内側に同心状に配置され、少なくとも一面側に光を反射するための反射面62aが形成された横長矩形の反射板62と、フレーム61の上板61a、下板61bの互いに対向する内縁中央から反射板62の上縁中央および下縁中央まで上下に一直線上に並ぶようにそれぞれ延びてフレーム61の上板61a、下板61bと反射板62との間を連結し、捩れ変形して反射板62を回動させる一対の連結部63、64と、を有する。
As shown in the exploded perspective view of FIG. 15, the rotating
また、回動ミラー60のフレーム61の横板61c、61dの一方(ここでは横板61c)の両面には、反射板62に静電的に外力を与えるための電極板65、66がそれぞれ絶縁性を有するスペーサ67を介して取り付けられている。電極板65、66は、反射板62の一端側(ここでは左端側)の両面にスペーサ67の厚み分の隙間を開けた状態でオーバラップしている。
Further,
さらに、回動ミラー60は、反射板62に外力を与え、一対の連結部63、64の中心を結ぶ線を回動中心位置Oとして反射板62を所定角度範囲で往復回動させる図示しない駆動装置を有する。
Further, the
駆動装置(図示せず)は、回動ミラー60のフレーム61を基準電位として2つの電極板65、66に対して、例えば位相が180°ずれた駆動信号V1、V2を印加して、電極板65、66と反射板62の端部との間に静電的な吸引力を交互に生じさせ、反射板62を往復回動させる。
The drive device (not shown) applies drive signals V1 and V2 whose phases are shifted by 180 °, for example, to the two
この駆動信号V1、V2の周波数は、回動ミラー60の反射板62の形状、重さおよび連結部63、64の捩れバネ定数等によって決まる反射板62の固有振動数に等しくなるように設定されているので、少ない駆動電力で反射板62を大きな角度で往復回動させることができる。
The frequencies of the drive signals V1 and V2 are set to be equal to the natural frequency of the reflecting
この反射板62の往復回動により、本実施形態の波長掃引光源内の実効光路長、および、回折格子54の回折面54aに対する反射板62の反射面62aの角度が変化して、本実施形態の波長掃引光源から出力されるレーザ光の波長が連続的且つ周期的に変化する。
The reciprocating rotation of the
ここで、固定ミラー53から半導体光素子10の出射端面20aまでの距離をD1、半導体光素子10の出射端面20aから実効共振端面20cまでの実効光路長をD2とすると、固定ミラー53から実効共振端面20cまでの実効光路長L3はL3=D1+D2で表わされる。
Here, when the distance from the fixed
上述の実効光路長L3と、固定ミラー53から所定入射位置Gまでの光路長L4と、回動ミラー60の反射板62の回動中心位置Oから平面H3までの距離L2と、回動中心位置Oから回折格子54の所定入射位置Gまでの距離rと、回折格子54に対する光の入射角αとの関係が下の式を満たすように各部を設定することで、モードホップフリーで連続波長掃引を行うことが可能となる。
r=(L3+L4−L2)/sin α ・・・・・・(3)
The above-mentioned effective optical path length L3, the optical path length L4 from the fixed
r = (L3 + L4-L2) / sin α (3)
また、本実施形態の波長掃引光源は、固定ミラー53を介して回折格子54に光を入射して、反射板62と光路とを交差させない構成を有するため、反射板62に光通過用の穴などを設ける必要がなく、その剛性低下による変形が起こらず、安定で高速な波長掃引を行うことができる。
In addition, since the wavelength swept light source of the present embodiment has a configuration in which light is incident on the
従って、このように構成された本実施形態の波長掃引光源は、非常に高速な波長掃引が可能であり、例えば100nmの波長範囲を約1ミリ秒で掃引できる。つまり、モードホップを抑制するためにはマイクロ秒オーダー程度での光軸調整が必要となる。 Therefore, the wavelength swept light source of the present embodiment configured in this way can perform a very fast wavelength sweep, and can sweep a wavelength range of 100 nm in about 1 millisecond, for example. That is, in order to suppress the mode hop, it is necessary to adjust the optical axis on the order of microseconds.
本実施形態の波長掃引光源においてもモードホップを抑制するために、第2の実施形態と同様に、屈折率調整領域注入電流Irを制御することにより光軸調整が行われる。 To suppress the even mode hopping at a wavelength swept light source of the present embodiment, as in the second embodiment, the optical axis adjustment is performed by controlling the refractive index adjustment region injection current I r.
本実施形態の波長掃引光源においては、全ての部材が基台51上に固定されており、各光学部品の相対的位置が保存される。さらに回動ミラーの回転軸には、ねじれバネ機構が利用されているため、その軸位置が安定している。このため、回動ミラーの回動に伴う外部共振器内の光路の変動の再現性が非常に良く、その結果、モードホップが発生する波長の再現性もよい。このため、波長掃引が非常に高速であっても、Irを単に増減させるだけで、容易にモードホップを抑制できる。
In the wavelength swept light source of the present embodiment, all members are fixed on the
以上説明したように、本実施形態の波長掃引光源も、出射光の偏向の応答速度がマイクロ秒オーダー以下である半導体光素子を備えるため、例えサブミリ秒程度の掃引周期であっても波長掃引時に生じるモードホップをリアルタイムに抑制することができる。 As described above, the wavelength swept light source according to the present embodiment also includes a semiconductor optical device having a response speed of the deflection of the emitted light of the order of microseconds or less. The generated mode hop can be suppressed in real time.
10 半導体光素子
11、52 コリメートレンズ
12、54 回折格子
12a、54a 回折面
13、60 回動ミラー
13a 反射面
20a 出射端面
20b 端面
20c 実効共振端面
21 n型半導体基板(基板)
22 発光領域
23 屈折率調整領域
24 活性層
25 第1p型クラッド層
26 導波路層
27 第2p型クラッド層
28 第3p型クラッド層
32、33 分離溝
41 発光領域電流供給部
42 屈折率調整領域電流供給部
43 出力検知部
44 制御部
53 固定ミラー
DESCRIPTION OF
22
Claims (9)
前記n型半導体基板上に形成され、光を発し該光を伝搬させる活性層(24)と、
前記n型半導体基板上で前記活性層と光学的に結合され、前記活性層から伝搬された光を伝搬させる導波路層(26)と、を備える半導体光素子において、
前記活性層を有する発光領域(22)と、
前記導波路層を有し、注入される屈折率調整領域注入電流に応じて前記活性層から伝搬された光に対する該導波路層の等価屈折率を調整する屈折率調整領域(23)と、を備え、
前記導波路層を伝搬された光を出射させる前記屈折率調整領域側の出射端面(20a)と前記導波路層の光軸との交差角(θ1)が非直角であり、
前記屈折率調整領域注入電流により前記導波路層の等価屈折率が調整されることにより、前記出射端面から出射された光の前記出射端面に対する出射角(θ2)を変化させることを特徴とする半導体光素子。 an n-type semiconductor substrate (21);
An active layer (24) formed on the n-type semiconductor substrate for emitting light and propagating the light;
A semiconductor optical device comprising: a waveguide layer (26) optically coupled to the active layer on the n-type semiconductor substrate and propagating light propagated from the active layer;
A light emitting region (22) having the active layer;
A refractive index adjustment region (23) having the waveguide layer and adjusting an equivalent refractive index of the waveguide layer with respect to light propagated from the active layer according to an injected current of the refractive index adjustment region injected; Prepared,
The intersection angle (θ 1 ) between the exit end face (20a) on the refractive index adjustment region side for emitting the light propagated through the waveguide layer and the optical axis of the waveguide layer is non-right angle,
The exit angle (θ 2 ) of the light emitted from the exit end face with respect to the exit end face is changed by adjusting an equivalent refractive index of the waveguide layer by the refractive index adjustment region injection current. Semiconductor optical device.
前記屈折率調整領域が、前記導波路層の上に積層された第2p型クラッド層(27)を有し、
前記屈折率調整領域の前記導波路層に接する前記第2p型クラッド層の厚さ方向のドーピング濃度が、前記導波路層の上端から所定距離の範囲で極大値をもつように形成されたことを特徴とする請求項1に記載の半導体光素子。 The light emitting region has a first p-type cladding layer (25) laminated on the active layer;
The refractive index adjusting region has a second p-type cladding layer (27) laminated on the waveguide layer;
The doping concentration in the thickness direction of the second p-type cladding layer in contact with the waveguide layer in the refractive index adjustment region is formed to have a maximum value within a predetermined distance from the upper end of the waveguide layer. 2. The semiconductor optical device according to claim 1, wherein
前記半導体光素子の前記出射端面から出射された光を回折する回折格子(12、54)と、
前記回折格子によって回折された光を反射して逆光路で前記回折格子へ再入射させる回動可能な回動ミラー(13、60)と、を含み、前記回折格子が前記再入射された光を回折して前記半導体光素子の前記出射端面に帰還させ、前記回動ミラーの回動により前記出射端面から出射される光の波長を掃引するリトマン型の波長掃引光源であって、
前記半導体光素子の前記発光領域に光を発するための発光領域注入電流を供給する発光領域電流供給部(41)と、
前記半導体光素子の前記屈折率調整領域に前記導波路層の屈折率を調整するための前記屈折率調整領域注入電流を供給する屈折率調整領域電流供給部(42)と、
前記半導体光素子から出射された光の出力を検出する出力検知部(43)と、
前記出力検知部で検知された出力に基づき、モードホップに起因する出力の不連続点を検知するとともに、該不連続点を消失させるように前記屈折率調整領域注入電流を制御する制御部(44)と、を備えることを特徴とする波長掃引光源。 The semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 5,
A diffraction grating (12, 54) for diffracting light emitted from the emission end face of the semiconductor optical element;
A rotatable rotating mirror (13, 60) that reflects the light diffracted by the diffraction grating and re-enters the diffraction grating through a reverse optical path, and the light that the diffraction grating re-enters. A Littman-type wavelength sweeping light source that diffracts and feeds back to the emission end face of the semiconductor optical element, and sweeps the wavelength of light emitted from the emission end face by rotation of the rotating mirror,
A light emitting region current supply unit (41) for supplying a light emitting region injection current for emitting light to the light emitting region of the semiconductor optical device;
A refractive index adjustment region current supply unit (42) for supplying the refractive index adjustment region injection current for adjusting the refractive index of the waveguide layer to the refractive index adjustment region of the semiconductor optical device;
An output detector (43) for detecting the output of the light emitted from the semiconductor optical element;
Based on the output detected by the output detection unit, a control unit (44) detects a discontinuous point of the output due to the mode hop and controls the refractive index adjustment region injection current so as to eliminate the discontinuous point. And a wavelength-swept light source.
前記回動ミラーの反射面を延長した平面と前記回折格子の回折面を前記回動ミラーの回動中心位置側へ延長した平面とで挟まれる空間で、且つ前記回折格子の所定入射位置と前記回動ミラーの回動中心位置との間の位置に配置され、前記コリメートレンズから出射された平行光を前記回折格子の所定入射位置に向けて反射する固定ミラー(53)と、をさらに備え、
前記半導体光素子および前記コリメートレンズが、前記回動ミラーの反射面を延長した平面で区切られる2つの空間のうち前記回折格子を含む空間側に配置され、
前記半導体光素子から前記回折格子までの光路が前記回動ミラーに対して非交差であり、
前記回動中心位置から前記回折格子の回折面の所定入射位置までの距離r、前記回動中心位置から前記回動ミラーの反射面を延長した平面までの距離L2、前記半導体光素子の実効共振端面から前記固定ミラーまでの光路長L3、該固定ミラーから前記回折格子の回折面の所定入射位置までの光路長L4および前記固定ミラーから前記回折格子の回折面への光入射角αとの間に、
r=(L3+L4−L2)/sin α
の関係が成り立つことを特徴とする請求項6から請求項8のいずれか一項に記載の波長掃引光源。 A collimating lens (52) for converting light emitted from the emission end face of the semiconductor optical element into parallel light, and emitting the parallel light to the diffraction grating;
A space sandwiched between a plane extending the reflecting surface of the rotating mirror and a plane extending the diffraction surface of the diffraction grating toward the rotating center position of the rotating mirror, and a predetermined incident position of the diffraction grating and the A fixed mirror (53) that is arranged at a position between the rotation center position of the rotation mirror and reflects parallel light emitted from the collimating lens toward a predetermined incident position of the diffraction grating;
The semiconductor optical element and the collimating lens are arranged on the space side including the diffraction grating in two spaces separated by a plane obtained by extending the reflection surface of the rotating mirror,
The optical path from the semiconductor optical element to the diffraction grating is non-intersecting with the rotating mirror;
A distance r from the rotation center position to a predetermined incident position of the diffraction surface of the diffraction grating, a distance L2 from the rotation center position to a plane obtained by extending the reflection surface of the rotation mirror, and effective resonance of the semiconductor optical device Between the optical path length L3 from the end face to the fixed mirror, the optical path length L4 from the fixed mirror to a predetermined incident position of the diffraction surface of the diffraction grating, and the light incident angle α from the fixed mirror to the diffraction surface of the diffraction grating In addition,
r = (L3 + L4-L2) / sin α
The wavelength swept light source according to any one of claims 6 to 8, wherein the following relationship is established.
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