CN101083385B - 分布反馈型半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

提供一种能以单一模式进行振荡的分布反馈型半导体激光器。该分布反馈型半导体激光器，在衍射光栅中具有相移部，其中，将相移部的相移量设定为(8/40)Λ～(9/40)Λ(Λ为衍射光栅间隔的2倍)。由此，在注入电流为阈值电流电平时，主模式从阻带中央向短波长侧偏离，而在注入电流为驱动电流电平时，主模式向阻带中央移动，并且抑制子模式的增大。

Description

分布反馈型半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种分布反馈型半导体激光器。
背景技术
在光通信技术的领域中，作为单一纵模式振荡的半导体激光器，使用分布反馈型半导体激光器(DFB-LD/Distributed FeedBack LaserDiode)。例如，在调制速度为1.0Gbps以上、距离为20km以上的光信号传送、特别是在调制速度为2.5Gbps以上、距离为50km以上的光信号传送中使用DFB-LD。
在DFB-LD中，为了实现单一模式振荡，一般在衍射光栅中设置相移量为Λ/4的相移部(例如参照非专利文献1)。另外，在本发明中，相移量不是用光的振荡波长“λ”表示，而使用表示衍射光栅间隔的2倍的“Λ”表示。
作为调节了该相移量的DFB-LD，公知有例如专利文献1～专利文献3所述的DFB-LD。在专利文献1中公开了如下DFB-LD：以稳定的单一轴模式下的动作为目的，将衍射光栅的相移量设定为Λ/16～3Λ/8(参照专利文献1)。在专利文献2中公开了如下DFB-LD：以抑制调制时的波长啁啾为目的，将相移量设定为(Λ/2-Λ/n，n＝4～16)。此外，在专利文献3中公开了如下DFB-LD：以在稳定的单一模式下提高发光效率为目的，例如形成两个相移量为Λ/8的相移部。
专利文献1：特开昭63-32988号公报
专利文献2：特开2003-204114号公报
专利文献3：特开2003-152272号公报
非专利文献1：稻叶文男监修「レ一ザ工学入門」(激光工学入门)，社团法人电位信息通信学会编，平成9年发行
在DFB-LD中，可激光振荡的波长具有两个(主模式和子模式)。因此，通过衍射光栅的相移，选择性地仅振荡一个波长。此时，在用于2.5Gbps以上的高频带通信的DFB-LD中，为了避免因不同波长的组延迟引起的传送不良，要求主模式和子模式的强度比(边模抑制比(SMSR/Side Mode Suppression Ratio))为30dB以上。
但是，在衍射光栅中设有相移量为Λ/4的相移部的DFB-LD中，随着注入电流的增加，例如如图9(b)所示，作为振荡模式的主模式向阻带的长波长侧移动，短波长侧的阻带端峰值变大。在这种状态下，如图10所示，无法形成主模式的单一振荡。
发明内容
在Λ/4相移的DFB-LD中，因电流增加而无法得到单一振荡的理由如下。激光振荡驱动时，在相移部中波导的光密度局部增大，与其他波导部分相比载波的消耗增多。由此，相移部的载波密度局部降低(空间孔燃烧/spatial hole burning)，相移部的光波导折射率相对增大。因此，相移部的光路长度实质上大于设定的Λ/4。因此，在本发明中，预估波导折射率的增大量来设定相移量。即设定为：如图1(a)所示，当注入电流为阈值电流电平(0.9Ith)时，主模式从阻带中央向短波长侧偏离，注入电流为驱动电流电平(例如30mA时)，主模式向阻带的中心移动。
根据本发明的第一方式，提供一种分布反馈型半导体激光器，在衍射光栅中具有相移部，其中，相移部的相移量为(8/40)Λ～(9/40)Λ(Λ为衍射光栅间隔的2倍)。
另外，在惯例上也存在将“Λ/2-(本发明所述的相移量)”称作相移量的文献。该相移量是指振荡的激光中产生的相移量。此时，大多利用“λ”来替代“Λ”。例如，如上文所述在专利文献2中使用该定义。如果在本发明中应用该定义，则相移量(8/40)Λ～(9/40)Λ表记为(11/40)λ～(12/40)λ。另外，该“λ”是指元件内的波长。即，表记为λ＝λ0/n(λ0为真空中的波长，n为子波导折射率)。
根据本发明，驱动电流较大时(例如通常激光振荡动作时)，可以使主模式的峰值向阻带的中央移动，并且可以增大主模式和子模式的抑制比。由此可以得到以单一模式进行振荡的DFB-LD。本发明的DFB-LD例如可以用于2.5Gbps以上的高频带通信。
附图说明
图1是用于说明本发明的DFB-LD中的动作的光谱图。
图2是表示DFB-LD的结构的简要俯视图。
图3是实施例1中的结合系数κL＝2.5、注入电流＝0.9Ith时的光谱图。
图4是实施例1中的结合系数κL＝2.5、注入电流＝30mA时的光谱图。
图5是实施例1中的结合系数κL＝3.5、注入电流＝0.9Ith时的光谱图。
图6是实施例1中的结合系数κL＝3.5、注入电流＝30mA时的光谱图。
图7是实施例1中的DFB-LD振荡时的光场分布图。
图8是实施例2中的模拟结果。
图9是相移量Λ/4的DFB-LD中的光谱图。
图10是在相移量Λ/4的DFB-LD中主模式单一振荡性崩溃的光谱例。
具体实施方式
对本发明的DFB-LD进行说明。图2是表示DFB-LD的结构的简要俯视图。DFB-LD1，在多量子阱结构(MQW，Multi-Quantum Well)的活性层4的下侧具有衍射光栅6，进而在两端面具有无反射膜(AR涂层、防反射膜)7a、7b。衍射光栅6具有相移部6a。本发明的相移部6a的相移量d为(8/40)Λ～(9/40)Λ。在此，Λ表示衍射光栅6的峰(或谷)的顶点间的间隔(衍射光栅的周期)d0的2倍。在本发明中，预先使相移量小于Λ/4，由此使主模式在阻带(stop band)的中央振荡。若相移量大于(9/40)Λ，则在注入了通常驱动时的电流时，主模式从阻带中央向长波长侧移动，并且短波长侧的峰值增大，得不到单一模式振荡。另一方面，若相移量小于(8/40)Λ，则在注入了通常驱动时的电流时，主模式从阻带中央向短波长侧移动。
在图2所示的DFB-LD1中，相移部6a形成于轴方向的中央，但本发明的有效性并不取决于相移部6a的位置。例如，为了改变输出前后比，可以从元件的中央偏离形成相移部6a。此时，相移部6a和元件的中央的距离越大，阻带端峰值越容易增大，但根据本发明，通过使相移量为Λ/4以下，可以抑制阻带端峰值的增大。
衍射光栅6及相移部6a，可以通过使用电子束(EB/Electron Beam)描画法来精密地形成。
实施例1
为了确认本发明的效果，制作相移量及结合系数不同的DFB-LD，对各个DFB-LD观察阈值电流电平时和通常驱动电平时的光谱。制作的DFB-LD，为图2所示的结构，即是在两端面具有无反射膜的MQW活性层的1.55μm波段DFB-LD。元件长度L为450μm，相移部形成在距离前方195μm(距离后方255μm)的位置。使相移部从元件中央向前方侧偏离少许，是为了在前方侧提高输出前后比。在作为光栅深度指标的结合系数κL为2.5及3.5的各衍射光栅中，相移量以电子束描画时的间距设定为(11/40)Λ、  (10/40)Λ(＝Λ/4)、  (9/40)Λ、及(8/40)Λ。
对于各DFB-LD，作为阈值电流电平的电流，使之为阈值电流的0.9倍的电流(0.9Ith)  (约10mA)；作为驱动电平的电流，使之为激光器振荡的30mA(光功率Po＝约5mW)。此时观测到的光谱如图3～图6所示。图3是在结合系数κL＝2.5的DFB-LD中流过0.9Ith的电流时的光谱，图4是在结合系数κL＝2.5的DFB-LD中流过30mA的电流时的光谱。此外，图5是在结合系数κL＝3.5的DFB-LD中流过0.9Ith的电流时的光谱，图6是在结合系数κL＝3.5的DFB-LD中流过30mA的电流时的光谱。在各图中，(a)是将电子束描画时的相移量设定为(11/40)Λ，(b)是将其设定为(10/40)Λ，(c)是将其设定为(9/40)Λ，(d)是将其设定为(8/40)Λ。
在结合系数为2.5及3.5的任意DFB-LD中，在电流值为阈值电流附近的情况下，当相移量为(10/40)Λ时(图3(b)及图5(b))，主模式位于阻带的中央。当相移量为(11/40)Λ时(图3(a)及图5(a))，主模式位于从中央向长波长侧偏离少许的位置，当相移量为(9/40)Λ、及(8/40)Λ时(图3(c)、(d)及图5(c)、(d))，主模式位于从中央向短波长侧偏离少许的位置。而当电流值为30mA时，在任一个DFB-LD中主模式均向长波长侧偏离。例如，在图4(b)及图6(b)所示的、相移量为(10/40)Λ的DFB-LD中，主模式从阻带中央向长波长侧移动，随之，阻带短波长侧的峰值增大。在κL＝3.5的DFB-LD中该特征尤为显著。实际上，在两端面具有无反射膜的DFB-LD中，阻带短波长侧峰值的增大是得不到单一模式振荡的主要原因。另一方面，在图4(c)、(d)及图6(c)、(d)所示的、相移量为(9/40)Λ及(8/40)Λ的DFB-LD中，在电流值为30mA时，主模式位于阻带的中央，此时阻带短波长侧峰值的增大得到抑制。因此可以确认：在电子束描画时的设定中，如果使相移量大于(10/40)Λ，则在注入驱动电平的电流时单一模式振荡容易崩溃，但如果使相移量为(8/40)Λ～(9/40)Λ，则利于注入驱动电平的电流时的稳定的单一模式振荡。
图7表示在实施例1中制作的κL＝2.5的DFB-LD中振荡时的光场分布。振荡时的光场分布在相移部的位置变得极大。在该光场大的位置，载波消耗因受激发射而变大。由此，相移部的载波密度与其他部分相比相对较低，波导折射率增大。光输出越高、即驱动电流越大该现象越显著。因此，随着电流注入的增大，相移部中的光路长度增大。从而，考虑该光路长度的增大量，而在形成衍射光栅时预先使相移量稍小于Λ/4，优选使相移量为(8/40)Λ～(9/40)Λ，由此可以实现单一模式的振荡。
实施例2
在实施例1中对相移量为(8/40)Λ～(1 1/40)Λ的DFB-LD观察了光谱，而在实施例2中，模拟了进一步使相移量小于(8/40)Λ时的光谱。对与实施例1同样的、结合系数κL＝3.5、相移量为(6/40)Λ的DFB-LD进行了光谱模拟。图8表示模拟结果。当注入电流＝0.9Ith时(图8(a))，主模式从阻带中央向短波长侧偏离，当注入电流＝0.95Ith时(图8(b))，长波长侧的峰值增大，主模式和子模式的差异消除。在该状态下，无法得到单一模式振荡，而变成双模式振荡。因此可以确认当相移量小于(8/40)Λ时难以得到单一模式振荡。
本发明的DFB-LD不限于上述实施方式及实施例，可以在本发明的范围内进行各种变形、变更及改良。例如，本发明的DFB-LD的适用，并不依赖于元件长度、波段、结合系数κL、DFB-LD的结构(活性层、金属包层、光导层、覆盖层、电极等构成)等要素。进而，本发明的DFB-LD也可以适用于在活性层的上侧具有衍射光栅的结构。

Claims (2)

1.一种分布反馈型半导体激光器，在衍射光栅中具有相移部，其特征在于，
上述相移部的相移量为(8/40)Λ～(9/40)Λ，其中Λ为衍射光栅间隔的2倍，
在注入电流为阈值电流电平时，使作为振荡模式的主模式从阻带中央向短波长侧偏离，在注入电流为驱动电流电平时，使主模式向阻带的中心移动。
2.根据权利要求1所述的分布反馈型半导体激光器，其特征在于，
在上述分布反馈型半导体激光器的两端面具有无反射膜。
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