JP6245656B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、中長距離の光ファイバ通信用光源として用いられる単一モードで動作する半導体レーザ素子に関するものである。

近年、光通信システムの大容量化に伴い、多値位相振幅変調を用いたデジタル・コヒーレント通信方式が普及し始めている。この通信方式は、光の位相情報を用いてデジタル信号を伝達する方式であるため、光源としては、位相雑音が少なく、スペクトル線幅が狭いレーザ光源が必要になる。

半導体レーザは小型で低コストなため、光通信用光源として広く普及しているが、特に中・長距離の光通信システムでは、単一モードで動作する分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザなどが広く用いられている。また、中・長距離の光通信システムでは、光ファイバ１本あたりの伝送容量を増大させるために、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）技術を用いることが一般的であり、光源にはどの波長チャネルでも出力できるような、波長可変特性も必要とされている。一般に、半導体レーザは、他の固体レーザやガス・レーザなどと比べると、共振器サイズが小さいため、位相ノイズは相対的に大きい。通常の数百μｍの共振器サイズの半導体レーザのスペクトル線幅はＭＨｚオーダーとなっている。

現在、普及が進んでいる１００Ｇｂｉｔ／ｓのデジタル・コヒーレント通信システムにおいては、偏波多重ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）変調方式が用いられており、数百ｋＨｚのスペクトル線幅が要求されている。そこでは、共振器長を１ｍｍ程度まで長くして狭線幅化した波長可変ＤＦＢレーザアレイや外部共振器型レーザなどが用いられている。今後、より多値度の大きな大容量通信を実現するためには、よりスペクトル線幅の狭い光源の実現が期待されている。

スペクトル線幅を１０ｋＨｚ程度まで狭める構成としては、半導体チップの外側に光学共振器を構成する、いわゆる外部共振器型レーザがある。例えば、半導体アンプと外部反射器と波長を選択するためのエタロン・フィルタとレンズなどで構成される外部共振器型レーザにより、１５５０ｎｍのＣ帯全域をカバーする波長可変特性と数１０ｋＨｚのスペクトル線幅特性が得られている（非特許文献１）。

M.Finot，et al.，"Thermally tuned external cavity laser with micromachined silicon etalons：design，process and reliability"，Electronic Components and Technology Conference 2004 Proceedings，Vol.1，pp.818-823，2004

外部共振器型レーザは、半導体チップ以外にも多数の部品を必要とし、なおかつ、高精度に組み立てる必要があるという課題があった。また、多数の共振モードの中から一つの波長を選択するために、少なくとも２以上の波長フィルタを制御しなければならず、制御回路が複雑になり、また波長特性の検査が複雑になるという課題があった。

一方、ＤＦＢレーザをベースとした波長可変レーザでは、原理的に同じ発振モードを保ったまま、温度制御などを用いてより波長を変えることができるため、制御は簡単であるが、狭スペクトル線幅化には限界があるという課題があった。１ｍｍ程度までの長共振器化により、１００ｋＨｚ程度までのスペクトル線幅は得られているが、これ以上共振器長を長くすると、製造ゆらぎにより均一な共振器を形成することが難しくなるという課題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、外部に共振器を構成する部品を用いることなく、半導体チップのみで構成される小型の狭スペクトル線幅の半導体レーザ素子を実現するものである。

本発明の半導体レーザ素子は、単一モードで発振する半導体レーザ部と、この半導体レーザ部の発振光を２つに分岐させる光分岐回路部と、この光分岐回路部で分岐させた一方の光を増幅して出力する第１の半導体増幅器を備えた光出力導波路部と、前記光分岐回路部で分岐させた他方の光を増幅する第２の半導体増幅器、および第２の半導体増幅器で増幅された光を反射させる反射器を備えた光帰還導波路部とを、同一半導体基板上に形成し、前記第２の半導体増幅器で増幅され前記反射器で反射された光を前記光分岐回路部を介して前記半導体レーザ部に帰還させることを特徴とするものである。
また、本発明の半導体レーザ素子の１構成例において、前記半導体レーザ部は、分布帰還型の半導体レーザもしくは分布反射型の半導体レーザである。
また、本発明の半導体レーザ素子の１構成例において、前記半導体レーザ部は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の半導体レーザが並列に形成されたレーザアレイであり、前記光分岐回路部は、入力が前記レーザアレイと接続され、出力が前記光出力導波路部および光帰還導波路部と接続された、Ｎ入力２出力の光合分波器である。
また、本発明の半導体レーザ素子の１構成例において、前記光帰還導波路部は、さらに、前記半導体レーザ部に帰還させる光の位相を制御することが可能な位相調整領域を備えることを特徴とするものである。

本発明によれば、半導体レーザ部と光分岐回路部と光出力導波路部と光帰還導波路部とを同一半導体基板上に形成し、光帰還導波路部の第２の半導体増幅器で増幅され反射器で反射された光を光分岐回路部を介して半導体レーザ部に帰還させることにより、外部共振器を用いずに、半導体チップのみの小型な構成で狭スペクトル線幅の半導体レーザ素子を実現することができる。また、本発明では、第２の半導体増幅器に注入する電流により、第２の半導体増幅器の利得を調整することによって、半導体レーザ部を最適な動作状態にすることが可能である。

また、本発明では、半導体レーザ部をＮ個の半導体レーザが並列に形成されたレーザアレイとし、光分岐回路部をＮ入力２出力の光合分波器とすることにより、レーザの発振波長を変えることが可能となる。

また、本発明では、光帰還導波路部に位相調整領域を設けることにより、半導体レーザ部に戻す光の強度と位相を独立に制御することが可能となるので、レーザの発振状態をより最適な状態にすることが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す平面図および断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子のスペクトル線幅特性を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す平面図である。

［発明の原理］
本発明では、半導体レーザの出力光の一部を光帰還用の導波路を用いて半導体レーザ自体に戻すことにより、狭スペクトル線幅動作を可能とする。以下に、動作原理について示す。半導体レーザの発振光の一部を外部から帰還することによって、狭スペクトル線幅化の効果が得られることは、よく知られている。

例えば、文献「K.Petermann，“External optical feedback phenomena in semiconductor lasers”，IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics，vol.1，No.2，pp.480-489，1995」では、光ファイバを用いて、半導体レーザに光を帰還する構成が示されている。外部から一部の光を帰還することにより、２桁程度スペクトル線幅を狭窄化することが可能である。但し、光の帰還量には最適値があり、帰還量が大きすぎると、半導体レーザの発振が不安定になってしまう。

本発明の構成では、光帰還用導波路に増幅作用を持つ半導体アンプを設けるようにしており、半導体アンプの利得を調整することによって、半導体レーザを最適な動作状態にすることが可能である。

［第１の実施の形態］
以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す平面図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の半導体レーザ素子のＡ−Ａ’線断面図、図１（Ｃ）は図１（Ａ）の半導体レーザ素子のＢ−Ｂ’線断面図である。なお、図１（Ａ）の平面図では、半導体レーザ素子の構造を分かり易くするため、半導体レーザ素子の内部を透視して、導波路のコア層（半導体レーザの活性層および半導体増幅器の活性層）の平面形状を記載している。

本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、半導体レーザ部１と、レーザ光を２つの導波路に分岐するための光分岐回路部２と、光を増幅して出力するための光出力導波路部３と、光を半導体レーザ部１に戻すための光帰還導波路部４とから構成されている。

半導体レーザ部１は、導波路構造５により構成されている。この導波路構造５には、電流を注入することにより増幅作用を持つ活性層１２の直上に、回折格子１４が形成されているガイド層１３が設けられている。活性層１２の材料は例えばＩｎＧａＡｓＰである。ガイド層１３には、例えばＩｎＧａＡｓＰ層が活性層１２に沿って所定の周期で離散的に配置されることで回折格子１４が形成されている。これら活性層１２とガイド層１３とがｎ型ＩｎＰクラッド層１６（半導体基板）とｐ型ＩｎＰクラッド層１７で挟み込まれた構成となっている。

ｎ型ＩｎＰクラッド層１６の下面にはｎ側電極１９が形成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層１７の上面には、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓＰからなるｐ型コンタクト層１８を介してｐ側電極２０が形成されている。ｎ側電極１９を接地し、ｐ側電極２０に正の電圧を加えることによって、活性層１２に電流を注入し、レーザ発振を得ることができる。その際、回折格子１４の周期で定まる波長のみが強く帰還されるため、この波長付近で単一モード発振する。

なお、導波路構造５は、図１（Ｃ）に示すように、活性層１２とガイド層１３の周りがＩｎＰで埋め込まれた、いわゆる埋め込み型の構造となっている。ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層２１は、活性層１２に効率よく電流を注入するために設けられている。また、半導体レーザ部１の一方の端面（図１（Ａ）、図１（Ｂ）の半導体チップの左側の端面）には、例えば誘電体多層膜からなる反射防止膜１０−１が形成されている。

光分岐回路部２は、１入力２出力の多モード干渉型光合分波器７を構成する導波路構造になっている。この導波路構造の透明コア層１５は、半導体レーザ部１のレーザ発振光に対して透明な組成のＩｎＧａＡｓＰ混晶により形成されている。半導体レーザ部１の導波路構造５と同様に、透明コア層１５は、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６とｐ型ＩｎＰクラッド層１７で挟み込まれた構成となっている。透明コア層１５の入力側（図１（Ａ）、図１（Ｂ）の左側）の端面は半導体レーザ部１の活性層１２の端面と接している。この光分岐回路部２は、半導体レーザ部１のレーザ発振光を２つに分岐させ、また後述のように光帰還導波路部４で増幅された光を半導体レーザ部１に戻す役割を果たす。

光出力導波路部３は、半導体増幅器８を構成する導波路構造になっている。この導波路構造は、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）に示した半導体レーザ部１を構成する導波路構造５と同様である。ただし、回折格子１４が形成されるガイド層１３がない点が導波路構造５と異なる。光が半導体チップ端面で反射するのを防ぐために、導波路が半導体チップ端面（図１（Ａ）の右側の端面）に対して斜めになるように形成されており、なおかつ半導体チップの端面には、例えば誘電体多層膜からなる反射防止膜１０−２が形成されている。

半導体レーザ部１と同様に、半導体増幅器８の活性層はｎ型ＩｎＰクラッド層１６とｐ型ＩｎＰクラッド層１７で挟み込まれた構成となっている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１６の下面にはｎ側電極１９が形成され、半導体増幅器８の活性層上のｐ型ＩｎＰクラッド層１７の上部にはｐ型コンタクト層１８を介してｐ側電極（不図示）が形成されている。このｐ側電極は、半導体レーザ部１のｐ側電極２０とは別個に設けられている。

この半導体増幅器８のｐ側電極に正の電圧を印加し、ｎ側電極１９を接地して、半導体増幅器８の活性層に電流を注入することにより、半導体レーザ部１からのレーザ発振光を増幅する作用を得ることができる。したがって、半導体増幅器８に流す電流量を制御することにより、半導体増幅器８の光出力を調整することが可能となっている。

多モード干渉型光合分波器７と半導体増幅器８との間は、透明導波路６−１によって接続され、半導体レーザ部１から放射され多モード干渉型光合分波器７によって分岐されたレーザ発振光を半導体増幅器８に導くようになっている。透明導波路６−１は、多モード干渉型光合分波器７を構成する導波路構造と同様に、透明コア層１５とｎ型ＩｎＰクラッド層１６とｐ型ＩｎＰクラッド層１７とからなる。透明導波路６−１の透明コア層１５は多モード干渉型光合分波器７の透明コア層１５と一体で形成されている。透明導波路６−１の透明コア層１５の出力側（図１（Ａ）の右側）の端面は半導体増幅器８の活性層の端面と接している。

光帰還導波路部４は、半導体増幅器９を構成する導波路構造と、透明導波路６−３と、反射器１１とから構成される。半導体増幅器９を構成する導波路構造は、半導体増幅器８を構成する導波路構造と同じである。半導体増幅器８と同様に、半導体増幅器９の活性層はｎ型ＩｎＰクラッド層１６とｐ型ＩｎＰクラッド層１７で挟み込まれた構成となっている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１６の下面にはｎ側電極１９が形成され、半導体増幅器９の活性層上のｐ型ＩｎＰクラッド層１７の上部にはｐ型コンタクト層１８を介してｐ側電極（不図示）が形成されている。このｐ側電極は、半導体レーザ部１のｐ側電極２０および半導体増幅器８のｐ側電極とは別個に設けられている。この半導体増幅器９のｐ側電極に正の電圧を印加し、ｎ側電極１９を接地して、半導体増幅器９の活性層に電流を注入することにより、半導体レーザ部１からのレーザ発振光を増幅する作用を得ることができる。

透明導波路６−３は、透明導波路６−１と同じ構造である。透明導波路６−３の透明コア層の入力側の端面は半導体増幅器９の活性層の端面と接しており、この透明コア層の出力側の端面は半導体チップの側面に露出する劈開面となっており、この劈開面が反射器１１として機能する。半導体レーザ部１からのレーザ発振光は、半導体増幅器９で増幅され、反射器１１で反射される。

多モード干渉型光合分波器７と半導体増幅器９との間は、透明導波路６−２によって接続され、半導体レーザ部１から放射され多モード干渉型光合分波器７によって分岐されたレーザ発振光を半導体増幅器９に導き、また半導体増幅器９で増幅され反射器１１で反射された光を多モード干渉型光合分波器７に戻すようになっている。

透明導波路６−２は、透明導波路６−１と同じ構造である。透明導波路６−２の透明コア層１５は多モード干渉型光合分波器７の透明コア層１５と一体で形成されている。透明導波路６−２の透明コア層１５の出力側（図１（Ａ）の右側）の端面は半導体増幅器９の活性層の端面と接している。上記のとおり、半導体増幅器９に電流を流すことで、半導体レーザ部１からのレーザ発振光を増幅することができるので、半導体増幅器９に流す電流量を調整することにより、半導体レーザ部１に戻す光の量を制御することが可能である。

図２は、本実施の形態の半導体レーザ素子において、光帰還導波路部４の半導体増幅器９に流す電流を変えたときの半導体レーザ素子のスペクトル線幅を示す図である。なお、このとき、半導体レーザ部１に流す電流の値を１５０ｍＡ、光出力導波路部３の半導体増幅器８に流す電流の値を２００ｍＡ、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）の半導体チップの温度を２５℃とし、半導体チップの端面からおよそ４０ｍＷの光出力が出ている状態とする。回折格子１４の周期は２４０ｎｍ前後に設定されており、光通信で用いられる１５５０ｎｍ帯で発振動作している。

半導体増幅器９の電流が０の場合、すなわち、半導体レーザ部１へ光が全く戻らない場合、スペクトル線幅は半導体レーザ部１のもともとのスペクトル線幅となっており、およそ１．５ＭＨｚとなっている。半導体増幅器９の電流値を増していくと、半導体レーザ部１への光帰還量が増していくため、スペクトル線幅は減少していき、半導体増幅器９の電流値が３５ｍＡの場合で１０ｋＨｚにまでスペクトル線幅が狭窄化されていることが分かる。半導体増幅器９の電流値が４０ｍＡ以上の領域では、光帰還量が大き過ぎるため、レーザ発振が不安定な状態となる。

よって、本実施の形態では、最適な半導体増幅器９の電流値は３５ｍＡ付近となっている。なお、本実施の形態においては、光出力導波路部３の光増幅器８への電流値を制御することにより、スペクトル線幅特性を一定にしたまま光出力を変化させることが可能である。これは、光出力導波路部３と光帰還導波路部４がそれぞれ独立した機能を持っていることによるものである。

本実施の形態では、半導体レーザ部１の構造として、利得を持つ導波路上に回折格子が形成された構造、いわゆるＤＦＢ構造を用いているが、回折格子が、利得を持たない導波路に形成された、いわゆるＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）型の構造を用いてもよい。また、本実施の形態では、光分岐回路部２を多モード干渉型としているが、Ｙ分岐型や方向性結合器などでもよい。また、導波路の構造としては、埋め込み型の構造となっているが、リッジ型の構造にも、本発明は適用可能である。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図３は本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ素子の構造を示す平面図であり、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）と同一の構成には同一の符号を付してある。図１（Ａ）と同様に、図３では、半導体レーザ素子の内部を透視して、導波路のコア層（半導体レーザの活性層および半導体増幅器の活性層）の平面形状を記載している。

本実施の形態に係る半導体レーザ素子は、半導体レーザ部１ａと、光分岐回路部２ａと、光出力導波路部３と、光帰還導波路部４ａとから構成されている。
第１の実施の形態の半導体レーザ素子と異なる点は、半導体レーザ部１ａが４つのＤＦＢレーザが並列に形成されたレーザアレイになっている点と、光分岐回路部２ａが４入力２出力の光合分波器になっている点と、光帰還導波路部４ａに位相調整領域２２が設けられている点である。

半導体レーザ部１ａの４つのＤＦＢレーザは、独立した４つの導波路構造５−１，５−２，５−３，５−４により構成されている。この導波路構造５−１〜５−４は、導波路構造５と同様である。ただし、４つの導波路構造５−１〜５−４には、それぞれ異なる周期の回折格子が設けられている。そのため、ＤＦＢレーザによって発振波長が異なるように設計されている。また、ｎ側電極は各導波路構造５−１〜５−４に共通に設けられているが、ｐ側電極については、導波路構造５−１〜５−４ごとに別個に設けられている。したがって、どのＤＦＢレーザを光らせるかを任意に選択することができ、どのＤＦＢレーザを光らせるかを選択することにより、発振波長を変えることが可能となる。

光分岐回路部２ａには、スラブ導波路を用いた４入力２出力の光合分波器７ａが設けられている。この光合分波器７ａの透明コア層は、４つのＤＦＢレーザの発振光に対して透明な組成のＩｎＧａＡｓＰ混晶により形成されており、多モード干渉型光合分波器７と同様に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６とｐ型ＩｎＰクラッド層１７で挟み込まれた構成となっている。

導波路構造５−１〜５−４と光合分波器７ａとの間は、透明導波路６−４，６−５，６−６，６−７によって接続されている。透明導波路６−４〜６−７は、透明導波路６−１〜６−３と同じ構造である。透明導波路６−４〜６−７の透明コア層は、光合分波器７ａの透明コア層と一体で形成されている。透明導波路６−４〜６−７の透明コア層の入力側（図３の左側）の端面は、それぞれ導波路構造５−１〜５−４の活性層の端面と接している。光出力導波路部３は、第１の実施の形態で説明したとおりである。

光帰還導波路部４ａは、位相調整領域２２と、半導体増幅器９を構成する導波路構造と、透明導波路６−３と、反射器１１とから構成される。位相調整領域２２のコア層は、レーザ発振光に対して透明な組成となるＩｎＧａＡｓＰで形成されている。このコア層は、ｎ型ＩｎＰクラッド層１６とｐ型ＩｎＰクラッド層１７で挟み込まれた構成となっている。ｎ型ＩｎＰクラッド層１６の下面にはｎ側電極１９が形成され、位相調整領域２２のコア層上のｐ型ＩｎＰクラッド層１７の上部にはｐ型コンタクト層１８を介してｐ側電極（不図示）が形成されている。このｐ側電極は、半導体レーザ部１ａのｐ側電極および半導体増幅器８，９のｐ側電極とは別個に設けられている。

この位相調整領域２２のｐ側電極に正の電圧を印加し、ｎ側電極１９を接地して、位相調整領域２２のコア層に電流を注入することにより、光の位相を制御することが可能となる。位相調整領域２２のコア層の入力側の端面は透明導波路６−２の透明コア層の端面と接しており、位相調整領域２２のコア層の出力側の端面は半導体増幅器９の活性層の端面と接している。

第１の実施の形態のように、半導体レーザ部に光を帰還させた場合、半導体レーザ部に戻す光の位相状態によってレーザの発振モードの状態が変化する。最悪の場合、レーザの発振状態が不安定になることがあるため、位相調整領域２２に流す電流により、光の位相を制御し、最適な発振状態にすることが可能となる。

なお、第１の実施の形態のように、位相調整領域２２がなくても、半導体増幅器９の電流値によっても光の位相は変化するので、必ずしも位相調整領域２２がなくてもよい。しかし、位相調整領域２２があると、半導体レーザ部１ａに戻す光の量を半導体増幅器９で制御し、半導体レーザ部１ａに戻す光の位相を位相調整領域２２で制御するというように、光の強度と位相を独立に制御することが可能となるので、レーザの発振状態をより最適な状態にすることが可能となる。

本実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、半導体増幅器９と位相調整領域２２に適切な電流値を注入することにより、スペクトル線幅を２桁程度狭窄化することが可能となる。

なお、本実施の形態では、半導体レーザ部１ａを４つのＤＦＢレーザが並列に形成されたレーザアレイとし、光分岐回路部２ａを４入力２出力の光合分波器としているが、これに限るものではなく、半導体レーザ部１ａをＮ個（Ｎは２以上の整数）のＤＦＢレーザまたはＮ個のＤＢＲレーザが並列に形成されたレーザアレイとし、光分岐回路部２ａをＮ入力２出力の光合分波器としてもよい。

本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの送信器に利用できる。

１，１ａ…半導体レーザ部、２，２ａ…光分岐回路部、３…光出力導波路部、４，４ａ…光帰還導波路部、５…導波路構造、６−１〜６−７…透明導波路、７…多モード干渉型光合分波器、７ａ…光合分波器、８，９…半導体増幅器、１０−１，１０−２…反射防止膜、１１…反射器、１２…活性層、１３…ガイド層、１４…回折格子、１５…透明コア層、１６…ｎ型ＩｎＰクラッド層、１７…ｐ型ＩｎＰクラッド層、１８…ｐ型コンタクト層、１９…ｎ側電極、２０…ｐ側電極、２１…ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層、２２…位相調整領域。

Claims (4)

1. 単一モードで発振する半導体レーザ部と、
   この半導体レーザ部の発振光を２つに分岐させる光分岐回路部と、
   この光分岐回路部で分岐させた一方の光を増幅して出力する第１の半導体増幅器を備えた光出力導波路部と、
   前記光分岐回路部で分岐させた他方の光を増幅する第２の半導体増幅器、および第２の半導体増幅器で増幅された光を反射させる反射器を備えた光帰還導波路部とを、同一半導体基板上に形成し、
   前記第２の半導体増幅器で増幅され前記反射器で反射された光を前記光分岐回路部を介して前記半導体レーザ部に帰還させることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 請求項１記載の半導体レーザ素子において、
   前記半導体レーザ部は、分布帰還型の半導体レーザもしくは分布反射型の半導体レーザであることを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 請求項１または２記載の半導体レーザ素子において、
   前記半導体レーザ部は、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の半導体レーザが並列に形成されたレーザアレイであり、
   前記光分岐回路部は、入力が前記レーザアレイと接続され、出力が前記光出力導波路部および光帰還導波路部と接続された、Ｎ入力２出力の光合分波器であることを特徴とする半導体レーザ素子。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子において、
   前記光帰還導波路部は、さらに、前記半導体レーザ部に帰還させる光の位相を制御することが可能な位相調整領域を備えることを特徴とする半導体レーザ素子。