JP3706164B2

JP3706164B2 - 半導体レーザとその調整方法

Info

Publication number: JP3706164B2
Application number: JP00969995A
Authority: JP
Inventors: − ピエールウェーバージャン
Original assignee: テレフオンアクチーボラゲツトエルエムエリクソン
Priority date: 1994-01-31
Filing date: 1995-01-25
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2020-10-12
Also published as: JPH07263817A; CA2137596C; US5379318A; EP0665617A1; DE69500401D1; DE69500401T2; EP0665617B1; CA2137596A1

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は波長分割多重と光通信に関するものであり、特にその種のシステムで用いるレーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在および将来のオプティカルファイバ線の容量を増やすのに、波長多重方式は望ましい方法である。なぜならばこの方式は異なるチャネルに異なる波長を割り当てることによって、オプティカルで利用可能な巨大な周波数領域を利用するからである。このシステムに更にもっと柔軟性をもたせるには、各チャネル毎に固定波長のレーザ１個を用いる代わりに、異なるチャネルの波長に調整することができるレーザを用いることが望ましい。全波長範囲にわたって連続的に調整することは必要でないかもしれないが、各チャネルに合わせて正確に波長を調整することができるように、各チャネルの近傍に連続的な調整範囲があることが望ましい。
【０００３】
外部空洞共振器レーザはある種の応用に実用的でないのでこれを除くと、調整可能な半導体レーザには２種類の基本型がある。第１の型には調整可能なブラッグ格子を用いるレーザが含まれ、第２の型には干渉の原理を用いるレーザが含まれ、この第１の型には例えば、２部および３部分布型ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザ、多数部分布帰還型（ＤＦＢ）レーザおよびサンプル格子型ＤＢＲレーザが含まれる。第２の型には例えばＣ³レーザとＹ接合レーザが含まれる。これらの型のレーザには各々光通信システムで使う場合にいろいろな問題点がある。例えば、多数部ＤＢＲレーザとＤＦＢレーザは調整範囲が狭い。Ｃ³レーザは再現性に乏しく制御が複雑だし、Ｙ接合レーザもまた制御問題を抱えている。
【０００４】
別の解決方法はいくつかのレーザを用意して、その各々に異なる波長でレーザ発振させ、それらの出力を結合して異なるチャネルの波長を含む１個の光信号をつくることである。しかしながらこの解決法は問題がある。それは、各レーザ毎に駆動用電子回路が必要であるから比較的高価になること、低損失でレーザの出力を結合するのは難しいこと、および装置の寸法が比較的大きくなることである。
【０００５】
従来のＤＢＲレーザの調整範囲は単一のブラッグ格子の調整範囲により制限がある。すなわち最大１０〜１５ナノ／メートルである。いわゆるサンプル格子型ＤＢＲレーザは格子を改造して２個の側帯を生じさせることにより、この制限を回避している。ある格子から生じる所定の側帯と他の格子から生じる側帯とを整合させることによって、レーザ波長を選択することができる。しかしながら調整が連続的でなくとびとびになるから、すべての所望のチャネルの波長を得るのは難しい。これらのとびとびの値をチャネルの間隔に一致させるのは設計上も製造上も難しい問題である。また、制御電流と出力波長との関係は概して単調でない（電流を増したとき波長が長くなったり短くなったりする）ので、制御が複雑になる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、例えば光通信の応用における従来のレーザの欠点を克服するために、調整範囲の広い、例えばＤＢＲレーザを得ることが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の半導体レーザは、
空洞共振器と、
前記空洞共振器内の実質的に中央に配置されていて、前記空洞共振器を第１と第２の領域に分割している利得部と、
前記利得制御部の隣りに配置されている位相制御部と、
第１と第２と第３と第４の格子部であって、２個ずつ前記第１と第２の領域とに配置されていて、各格子部は中心波長を有する反射スペクトルを有し、第１の格子部の中心波長は最も長く、第２の格子部の中心波長は次に長く、第３の格子部の中心波長は３番目に長く、第４の格子部の中心波長は最も短くなっており、第１と第３の格子部は前記第１の領域に配置され、第２と第４の格子部は前記第２の領域に配置されている、格子部と、
前記各格子部の実効屈折率を独立に変える手段と、
を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、光通信システムに用いられている従来のレーザが有する上記およびその他の欠点や問題点が解決される。本発明の実施例によれば、利得部の両側にいくつかの調整可能な格子を有する改良型ＤＢＲレーザが提供される。これらの調整可能な格子では、レーザ波長に対していくつかの連続的な調整範囲があって、各々が異なる格子対に対応している。
【０００９】
【実施例】
以下図面を参照しながら説明する。
本発明の実施例により、レーザ波長の調整範囲を広げるためにいくつかの改良点を有するＤＢＲレーザを開示する。本発明によるレーザの一実施例を図１に示す。図１において、基板の発光層を含む利得部分がレーザの中心部に配置されている。利得部分の隣りに位相制御部がある。位相制御部はレーザ内における光の往復位相を調節することにより、レーザ波長の微調整を可能にするものである。このことを実行するには、電流注入を行うことにより、位相部の実効屈折率を変える。波長の微調整が必要ないときには、位相制御部分を省略することができる。
【００１０】
利得部分の両側に複数個の格子部Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４が配置されている。図１の実施例には４個の格子部を示してあるが、当業者なら容易に気づくように、所望のレーザの同調範囲次第で数を増減することができる。このことについては後でもっと明らかにする。図１において、利得部と位相部はそれぞれ電気的接点１０と２０とを有し、各格子部はそれぞれ電流注入用の電気的接点３０を有する。すべての部分に対する共通のアース接点４０も設けてある。更に、レーザ装置５０の両側には非反射性の被覆が施してある。これは端面のせいでファブリペローモードのレーザ発振が起こるのを避けるためである。
【００１１】
格子部Ｇ１からＧ４の各々の周期（すなわち中心波長）と強度（すなわち結合係数）は、格子に電流が全く加えられないときに、それぞれの反射帯のスペクトルが全く重ならないように選ぶことができる。このとき、フィードバックが全くないから、レーザ発振は起きない。格子部と利得部との位置関係は以下のようにすることができる。中心波長が最も長い（すなわち中心周波数が最も低い）格子部を格子Ｇ１とし、中心波長がその次に長い格子部を格子Ｇ２とし、中心波長が３番目に長い格子部を格子Ｇ３とし、中心波長が最も短い格子部を格子Ｇ４と名づける。それから、奇数番号の格子を利得部の片側に配置し、偶数番号の格子を利得部の反対側に配置する。その結果、図１に示すような配置になる。図１の実施例では格子Ｇ１とＧ４はそれぞれ格子Ｇ３とＧ２よりも利得部から離れているが、当業者なら気づくように、それぞれの側における格子の順番はさほど重要ではなく、要は両側に適当な格子を配置しさえすればよい。
【００１２】
図２に格子Ｇ１−Ｇ４のスペクトルの順番を示す。図２に示した格子の反射スペクトルは長方形をしているが、当業者が知っているように、実際の反射スペクトルの形はもっと複雑である。図２に長方形で示したのは、単に格子を波長の長い順に（すなわち周波数の低い順に）並べたにすぎない。すなわち、本発明の好ましい実施例では、格子は波長の長い順に交互に利得部の両側に配置される。
【００１３】
電極３０からキャリアを格子部に注入することにより、実効屈折率を小さく、したがって屈折格子の中心波長を短くすることができる。格子の屈折率（ｎ_eff）が小さくなると、反射帯が短波長側に移る。中心周波数はλo ＝２ｎ_effλで表わされるからである。ここでλは格子の物理的周期である。このようにして、各格子は自分の反射帯を利得部の向こう側の格子の反射帯と一致するように調整して、レーザ発振を起こすようにすることができる。レーザ発振波長の調整は関係する両方の格子の調整およびまたは位相調整部を使うことにより行うことができる。両格子のそれぞれの反射帯の中心周波数を同じにすることによって、レーザ発振波長を調整することができる。レーザ発振はフィードバック（格子により提供される）がある波長においてのみ起こるものだからである。格子のフィードバックが行われる周波数の範囲内で、位相部はレーザ発振波長を微調整するのに用いることができる。このことを行うには、キャリアを注入することによって位相部の実効屈折率を変える。屈折率が変わるとレーザ装置内における光の往復の位相が変わるので、レーザ発振波長が変わる。
【００１４】
本発明による調整操作の例を図３に示す。それぞれの電極３０を経由して格子Ｇ１とＧ２に電流を加えることによって、Ｇ１とＧ２の中心波長を所望の位置に動かすことができる。それから位相部を使ってレーザ波長を調整することができる。各格子について調整可能な程度に応じて、両格子の中心波長の間の全範囲にわたって連続的にレーザ波長を調整することができる。図１の例の場合、図４に示すように３種類の同調範囲がつくられる。
【００１５】
以上の例では各格子の中心周波数は等間隔であったが、当業者なら容易に理解されるように、本発明は不等間隔の中心波長を有する格子をもつレーザをつくるのに用いることもできる。例えば、比較的離れた２個の波長範囲を実現したい場合には、図５に示すような配置にすることができる。図５では短い波長を有する２個の格子部Ｇ１とＧ２が接近してひとつのグループを形成しており、他方長い波長を有する２個の格子部Ｇ３とＧ４が他方のグループを形成している。このように２個の調整範囲、すなわちＧ１とＧ２を用いた範囲と、Ｇ３とＧ４を用いた範囲とがつくられている。
【００１６】
格子部、利得部、位相部の構造は従来の技術を用いて実現することができるので、ここでは詳しく述べない。背景の材料として次の文献を参照されたい。「Semiconductor Lasers for Coherent Optical Fiber Communications（コヒーレント光ファイバー通信用半導体レーザ）」T.L.Koch and U.Koren（コッホとコーレン共著）、（J.Lightwave Technology（光波技術誌）第８巻（３号）、１９９０年３月、頁２７４−２９３）。本発明によるレーザは、例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓとＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰのようなヘテロ構造半導体レーザ用の半導体材料を用いて作ることができる。位相部と格子部とが有するコア（バルクまたは量子井戸）はコア材料の吸収端の波長がレーザ光よりも短く、クラッドのバンドギャップはそれより大きいようにする。利得部には、電流が注入されたときに通過光を増幅することができる材料を用いる。
【００１７】
例示のために具体例を挙げる。ＩｎＰ基板の上にＩｎＧａＡｓＰが使われていて、レーザは１．５５μｍ（すなわちオプティカルファイバの最少損失波長）付近で動作するものとする。代表的な導波コアの大きさはすべての部分とも幅が０．６〜２ミクロンで、厚さが０．１〜０．５ミクロンである。位相部と格子部にバルク材料を用いると、コアの材料のバンドギャップは典型的に１．３〜１．４２ミクロンの範囲になる。この数字が好ましい理由は、バンドギャップエネルギーが小さいほど（バンドギャップ波長が長いほど）格子の調整範囲が広くなるからである。この例における各格子の調整範囲は約７〜１２ｎｍになる。
【００１８】
短い格子部を使えるようにするには、格子の強さの尺度となる格子の結合係数Ｋ_iを大きくすべきである（例えば約１００ｃｍ^-1以上）。このことが望ましい理由はいくつかある。例えば、電子ビームリソグラフィ期間中のスティッチ問題を避け、吸収損失を少くし、空洞共振器の全長を短くして縦モードの区別を改善するためである。他方、格子の反射帯の幅が結合係数に比例するから、結合係数を大きくしすぎてはいけない。Ｌ_iを格子の長さとすると、最大反射力（中心波長における）は概ねｔａｎｈ²（Ｋ_iＬ_i）で与えられる。Ｋ_iＬ_iの積を約１にすると、最大反射力は約０．５８という適当な値が得られる。Ｋ＝１００ｃｍ^-1とすると、格子長は約１００ミクロンになる。位相部は短くすることができ（約１００ミクロン）、利得部の長さは約３００〜５００ミクロンにすることができる。各部の間の電気的絶縁領域の長さは５０ミクロンくらいにすべきである。したがって、図１の装置の場合、最短の長さは約１．３ｍｍとなる。比較的短いので製造歩留りが良くなるという利点がある。
【００１９】
ほかの例として、本発明によるレーザを４チャネルの波長を有するＷＤＭ（波長分割多重）に使う場合をとりあげる。チャネル１から４の波長はそれぞれ１５６０，１５５６，１５５２，１５４８ｎｍである（すなわち４ｎｍ間隔）。また、調整範囲が８ｎｍよりも広く、Ｋ＝１００ｃｍ^-1で、格子部の実効屈折率がｎ_eff＝３．２５である（これは代表的な値であって、正確な値は各装置ごとに計算することができる）、１個の装置を用いて、４チャネルすべてを実現することを設計の目標とする。これらの設計目標によれば、反射帯は約２．４ｎｍのフルウィドス・ハーフマクシマム（Full-Width Half Maximum ：全幅半最大）（ＦＷＨＭ）となる。かくして、不要な発振を避けるために、格子の中心波長は２．４ｎｍからかなり離すべきであり、例えば少なくとも３ｎｍにすべきである。
【００２０】
これらの目標を達成するための本発明によるレーザの構造例は図１に示す通りであり、４個の格子が以下の中心波長を有する。１５６４ｎｍ（Ｇ１），１５６０ｎｍ（Ｇ２），１５５２ｎｍ（Ｇ３），１５４８ｎｍ（Ｇ４）。格子を少なくとも８ｎｍ調整することができれば、以下のようにしてすべてのチャネルの波長を実現することができる。（１）Ｇ１を調整してＧ２に一致させる、（２）Ｇ１とＧ２を１５５６ｎｍに調整する、（３）Ｇ２を調整してＧ３に一致させる、（４）Ｇ３を調整してＧ４に一致させる。
【００２１】
以上説明した実施例は本発明を限定するものではなく、例示にすぎない。本発明は具体的実施例において多くの変形が可能であり、それらは当業者なら本明細書の説明を読めば導き出すことができよう。そうした変形例や修正例は特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲内に含まれると考えるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による格子交互配置型ＤＢＲレーザの一実施例。
【図２】図１のレーザの格子反射帯の例。
【図３】例示レーザの連続調整範囲の例。
【図４】図１のレーザの調整範囲の例。
【図５】図１のレーザの調整範囲の他の例。
【符号の説明】
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４格子部
１０，２０，３０電気的接点
４０アース接点
５０レーザ装置

Claims

空洞共振器と、
前記空洞共振器内の実質的に中央に配置されていて、前記空洞共振器を第１と第２の領域に分割している利得部と、
前記利得部の隣りに配置されている位相制御部と、
第１と第２と第３と第４の格子部であって、２個ずつ前記第１と第２の領域とに配置されていて、各格子部は中心波長を有する反射スペクトルを有し、第１の格子部の中心波長は最も長く、第２の格子部の中心波長は次に長く、第３の格子部の中心波長は３番目に長く、第４の格子部の中心波長は最も短くなっており、第１と第３の格子部は前記第１の領域に配置され、第２と第４の格子部は前記第２の領域に配置されている、格子部と、
前記各格子部の実効屈折率を独立に変える手段と、
を含むことを特徴とする、半導体レーザ。
空洞共振器と、
前記空洞共振器内に配置されている利得部と、
少なくとも３個の格子部であって、そのうちの少なくとも２個は異なる中心波長を有して、前記利得部の両側に配置されており、各格子部は中心波長を有する反射スペクトルを有し、それぞれの中心波長の順番に基づいて配置されている、格子部と、
前記少なくとも３個の各格子部の実効屈折率を相互に独立に変える手段と、
を含むことを特徴とする、半導体レーザ。
第２項記載の装置において、前記少なくとも３個の格子部は前記利得部の両側に交互に配置され、その順番は波長の長いものから短いものへとなっていることを特徴とする、半導体レーザ。
第２項記載の装置において、更に位相制御部を含むことを特徴とする、半導体レーザ。
第２項記載の装置において、前記中心波長は等間隔になっていることを特徴とする、半導体レーザ。
第２項記載の装置において、前記中心波長のうち少なくともいくつかは不等間隔になっていることを特徴とする、半導体レーザ。
通信チャネルの付近に連続的な調整範囲を実現するために、空洞共振器内に利得部を有する半導体レーザの調整方法であって、
前記空洞共振器内に少なくとも３個の格子部を設けるステップと、
前記利得部の両側に前記少なくとも３個の格子部のうちいくつかを配置するステップと、
前記少なくとも３個の格子部のうち少なくとも１個の格子部の屈折率を調整するために前記少なくとも１個の格子部に電流を注入するステップであって、前記少なくとも１個の格子部の中心波長が、前記利得部をはさんで反対側にある、前記少なくとも３個の格子部の他の一つの格子部の中心波長と同じになるようにする、電流の注入ステップと、
を含むことを特徴とする、半導体レーザの調整方法。
第７項記載の方法において、前記配置ステップは更に、
前記少なくとも３個の格子部を中心波長の長い方から短い方に順番をつけるステップと、
前記順番に従って前記格子部を前記利得部の両側に交互に配置するステップと、
を含むことを特徴とする、半導体レーザの調整方法。