JP2001133647A - 導波路型高次モードフィルタおよび半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高次モードや漏出モードを簡単かつ小さな構
造で除去し得る導波路型高次モードフィルタおよび比較
的簡易な構造で効率的に高出力化と単一モード動作を両
立し得る半導体レーザを提供する。 【解決手段】 導波路型高次モードフィルタは半導体光
導波路１の両側面の一部の凹凸構造領域３に周期性を有
する凹凸構造２が形成され、この凹凸構造２が入射光か
らの反射を縮小したり除去したりする反射防止構造とし
て機能し、高次モードを大幅に縮小または除去すること
ができ、また半導体レーザは帰還のためのミラーに隣接
した側壁に単一または複数の凹凸導波路構造を有し、凹
凸導波路構造が入射光線からの反射を縮小したり除去し
たりする高次モードに対する散乱体として機能してい
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、半導体光導波路に
おける高次または漏出モードの減少または除去を可能と
する導波路型高次モードフィルタと高出力および単一モ
ード動作を両立させる半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光導波路を用いた平面光集積回路
などがさかんに作製されるようになっている。このよう
な光集積回路においては、様々な形状の光導波路を複雑
に接続することにより、光回路を作製している。このよ
うな光導波路の接続点、例えば光の分岐回路などにおい
ては、本来設計者の予期しない高次モードや漏出モード
が発生してしまうために、素子の特性を劣化させてしま
うことが知られている。

【０００３】特に、平面光集積回路では、平面方向に導
波路の形状を変化させるために、平面（横）方向に高次
モードや漏出モードが発生しやすいことが問題点となっ
ていた。このため、このような高次モードや漏出モード
を除去することは、良好な特性の平面光集積回路を得る
上で非常に重要な課題となってきている。

【０００４】高次モードのフィルタリングや除去に対す
る従来の技術は、マルチモード干渉計、テーパー構造導
波路や導波路オフセットという手段が用いられていた。
しかしながら、これらの構造は、一般的に素子長が長く
なること、また素子パラメータによっては、逆に高次モ
ードを発生する原因になるなどの問題点を抱えていた
（「マルチモード干渉系」特開平１０−７３７３６号公
報「半導体光素子、ファイバー型光アンプおよび光伝送
装置」）。

【０００５】テーパ導波路については直接的な文献はな
いが、導波路幅を細くするとシングルモードとなるとい
う意味で、例えば以下のような参考文献があげられる。
末松安晴、「半導体レーザと光集積回路」、Ｐ５２〜５
５。

【０００６】導波路オフセットに関する参考文献として
はC.van Dam,et.al,"Elimination of ghost images in
the response of PHASAR-demultiplexers",in Proc.8th
Eur.Conf.on Int.Opt.(ECIO ^,97),pp.268-271,1997,お
よび T.Hirono,et.al, ^,"Optimized Offset to Elimina
te First-Order MOde Excitation at the Junction of
Straight and Curved Multimode Waveguides",IEEE Pho
ton,Technol,Lett.,vol.10,pp.982-984,1998．がある。

【０００７】更に、マルチモード干渉系はいゆわるＭＭ
Ｉ(Multi Mode Interferometer）と呼ばれるもので、適
切な導波路幅、導波路長をとることにより、１次の高次
モードを除去できる素子である。

【０００８】しかしながら、２次以上の高次モードや放
射モードを除去することは原理的に困難であり、素子の
パラメータによっては逆に高次モードを励振する可能性
があるなどの問題を有している。テーパ構造導波路は、
非常に細いシングルモードの導波路の部分を設けること
により、高次モードを除去することができる。

【０００９】問題点としては、テーパ構造により、高次
モードが発生する可能性があること、導波路幅が極めて
細くなるので、作製が困難なこと、比較的素子長が長く
なるなどの点が上げられる。導波路オフセットは特殊な
場合には高次モードの発生を抑制する効果があるが、一
般的には高次モードを除去する効果はほとんどなく、逆
に高次モードを発生する原因となる。

【００１０】また、導波路層の表面にグレーティングを
形成することにより、高次モードを除去できることが古
くから知られているが［参照：D.Fradin,J.of Opt.Soc.
Am.64,pp.1364 (1974)］、これにより除去できるのは、
層厚方向の高次モードならびに漏出モードのみであり、
上記で問題としている平面（横）方向の高次モードや漏
出モードの除去には効果がなかった。

【００１１】次に、半導体レーザダイオード、すなわち
半導体レーザを考えた場合、通信用の光源やファイバア
ンプの励起用の光源として、半導体レーザの高出力化が
重要な課題となっている。半導体レーザで、単一モード
と高出力動作の両方を達成するには、従来からいくつか
の方法がある。その１つの提案として、半導体レーザの
アクティブ層の設計において、反共振反射光学的導波路
(antiresonant reflecting optical waveguide）の特性
を利用することがある［参照：I.V.Goltser etal,"Sing
le-cladding antiresonant reflecting optical wavegu
ide-type diode laser,"Optics Letters,vol.20,no.21,
pp.2219, (1995)］。

【００１２】また、アクティブな部分に量子井戸や階段
状屈折率導波路構造を組み込んだりする他のアプローチ
も広く確立されている［参照：Chand et al,"Growth an
d fabrication of high-performance 980-nm strained
InGaAs quantum-well lasersfor erbium-doped fiber a
mplifiers,"IEEE Journal of Quantum Electronics,vo
l.30,no.2,pp.424(1994)］。

【００１３】しかしながら、依然として従来の技術にお
いては、単一モード動作を維持するには、半導体レーザ
の導波路コア層の幅を細く限定する必要がある。最大光
学的利得は、導波路コア層の面積に比例するため、単一
モード動作の必要条件は、しばしば、従来の半導体レー
ザに対する最大出力パワーへの上限を意味するものとな
っている。このため、高出力と単一モードを両立するこ
とは困難な課題であった。

【００１４】本発明と類似した構造として、従来ＤＦＢ
レーザ（分布帰還型レーザ）レーザもしくはＤＢＲレー
ザ（分布反射型レーザ）があげられる。特に、表面回析
型ＤＦＢレーザ［参照：杉山他P3 10行目の文献］［参
照：H.Abe et al,・・・・｝は類似点が多いので、これらの
素子の問題点について説明を行う。まず、これらの素子
においては導波路の側壁に凹凸構造を有している点で本
発明の構造と類似しているが、特定の波長の光を反射す
るために、一定周期のグレーティングを形成した物とな
っている。このため、特定の波長を反射するためには有
効であるが、必要な光が透過せず反射してしまうため、
高次モードフィルタとしては有効ではない。高出力用の
レーザとして見た場合には、レーザのシングルモード性
を確保するために、シングルモードの導波路を利用して
いることと、凹凸構造における反射の波長依存性を利用
することを目的としていたので、ＬＤの発振波長を安定
化させるために凹凸構造の周期をλeff またはその２倍
となるように設定している事である。これらの構造にお
いては、その構造上高出力化する上では問題点を有して
いる。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の高次モードのフィルタリングや除去を行い得るマルチ
モード干渉計、テーパ構造導波路等は、一般的に素子長
が長く、構造的に大きくなり過ぎるとともに、また素子
パラメータによっては高次モードを発生する原因になる
という問題がある。

【００１６】また、導波路層の表面にグレーティングを
形成して、高次モードを除去する従来の方法は、層厚方
向の高次モードおよび漏出モードのみを除去し得るもの
であり、問題としている平面（横）方向の高次モードや
漏出モードの除去には効果がないという問題がある。

【００１７】更に、従来の半導体レーザでは、上述した
ように、高出力と単一モードを両立することが困難であ
るという問題がある。

【００１８】本発明は、上記に鑑みてなされたもので、
その目的とするところは、高次モードや漏出モードを簡
単かつ小さな構造で除去し得る導波路型高次モードフィ
ルタを提供することにある。

【００１９】また、本発明の他の目的は、比較的簡易な
構造で効率的に高出力化と単一モード動作を両立し得る
半導体レーザを提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の本発明は、導波路の両側面に周期性
を有する凹凸構造を形成したことを要旨とする。

【００２１】請求項１記載の本発明にあっては、導波路
の両側面に周期性を有する凹凸構造を形成しているた
め、凹凸構造が入射光からの反射を縮小したり除去した
りする反射防止構造として機能して、入力光信号に混合
されたいくつかの不明なモードフィールドをフィルタす
ることができ、特に高次モードを大幅に縮小または除去
でき、低次モードのみを出力することができる。

【００２２】また、請求項２記載の本発明は、請求項１
記載の発明において、前記周期性が、前記導波路中を伝
播する光波の波長より短く、１／２よりも長い周期であ
ることを要旨とする。

【００２３】請求項２記載の本発明にあっては、凹凸構
造の周期が導波路中を伝播する光波の波長より短く、１
／２よりも長い周期であるため、高次モードを大幅に縮
小または除去できる。

【００２４】更に、請求項３記載の本発明は、請求項１
または２記載の発明において、前記凹凸構造の周期また
は形状が導波路中で一様でないことを要旨とする。

【００２５】請求項３記載の本発明にあっては、凹凸構
造の周期または形状が導波路中で一様でない。

【００２６】請求項４記載の本発明は、帰還のためのミ
ラーに隣接したマルチモードの活性領域に形成された導
波路型高次モードフィルタが請求項１乃至３に記載のい
ずれかであることを要旨とする。

【００２７】請求項４記載の本発明にあっては、帰還の
ためのミラーに隣接した側壁に単一または複数の凹凸導
波路構造を有するため、凹凸導波路構造が入射光線から
の反射を縮小したり除去したりする散乱体として機能し
て、高次モードでの光線は側壁からより頻繁に跳ね返さ
れ、急速に放散され、この結果基本モードは凹凸導波路
構造で高次の他のモードと比較して最小のモード損失と
なり、幅広のアクティブ層を有する半導体レーザにおい
ても単一モードを容易に実現できるとともに、非常に高
いレーザ出力パワーを実現し得る。また、凹凸導波路構
造の各凹凸構造の幅は光波の有効波長よりも短く、該有
効波長の１／２よりも長いように設定されているため、
高次モードを大幅に縮小または除去できる。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図面を用いて本発明の実施
の形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る
導波路型高次モードフィルタの構造を示す上面図であ
る。同図に示す導波路型高次モードフィルタは、一例と
してリッジ型半導体光導波路１を用いた場合を示してい
るが、本発明の導波路型高次モードフィルタはこれに限
定されるものでないことに注意されたい。

【００２９】図１に示す導波路型高次モードフィルタ
は、リッジ型半導体光導波路１の両側面の一部の凹凸構
造領域３に凹凸構造２が形成されている。なお、図１に
示す凹凸構造２はわかりやすくするために周期性を持っ
て図示されているが、本発明の導波路型高次モードフィ
ルタはこれに限定されるものでなく、いかなる周期性を
も有することができる。また、凹凸構造領域３の長さ
は、本実施形態では特に規定しないが、重要なフィルタ
の設計パラメータである。

【００３０】上述したように、本実施形態の導波路型高
次モードフィルタは、凹凸構造２を有しているが、この
凹凸構造は詳細には後述するように入射光からの反射を
縮小したり除去したりする反射防止構造として機能し、
高次モードを大幅に縮小または除去でき、低次モードの
みを出力することができるものである。

【００３１】次に、上述したように構成され作用する本
実施形態の導波路型高次モードフィルタの動作原理につ
いて光線光学を用いて誘電体導波路で説明する。典型的
な光線は導波路でジグザグの経路をたどる。図６は従来
のリッジ型導波路における上述した光経路を示す上面図
である（H.Kogelnik,"Theory of Dielectric Waveguide
s",in Integrated Optics,T.Tamir(Ed.),Vol.7,Topics
in Applied Physics,Springer-Verlag,New York (1982)
参照）。

【００３２】図６において、１１がリッジ型導波路であ
り、１２は空気であり、１１２はリッジ型導波路１１の
上面である。光線は、特定の伝搬モードでは符号１３で
示すようなジグザグ経路をたどり、導波路１１の内部で
伝播する。光線は空気／半導体の界面で全反射される
と、光線は導波路１１の側壁の垂直面に対して角度１４
で反射される。入射／反射角度１４は、高次モードに対
しては低次モードより小さいことがよく知られている。
すなわち、高次モードの光線は低次モードよりも頻繁に
側壁にあたることになる［参照：H.Kogelnik,"Theory o
f Dielectric Waveguides,"Integrated Optics,T.Tamir
(Ed.),Vol.7,Topics in Applied Physics,Springer-Ver
lag,New York(1982)］。

【００３３】上述したような導波路内での光線の経路を
考えた場合、図１に示した本実施形態の導波路型高次モ
ードフィルタにおける凹凸構造２は、反射防止構造とし
て機能し、入射光からの反射を縮小したり除去したりす
るように機能する。高次モードの光線は、より頻繁に側
壁から跳ね返されるため、より迅速に拡散する。フィル
タの効率は凹凸構造の構造に依存する。

【００３４】なお、本実施形態のリッジ型導波路構造と
従来の報告例のリッジ型ＤＦＢ−ＬＤとの大きな相違点
は、従来の素子が凹凸構造における反射の波長依存性を
利用することを目的としていたので、ＬＤの発振波長を
安定化させるために凹凸構造の周期をλneff／２または
その２倍となるように設定しているのに対して、本発明
においては凹凸構造２の周期Δを有効波長λeff の半分
より大きく、有効波長より小さく設定、すなわちλeff
／２＜Δ＜λeff のように設定していることであり、ま
た本発明の凹凸構造２は一定周期とするだけでなく、個
々の凹凸構造の周期または形状が異なってもよく、すな
わち任意の周期または形状をとることができることが特
徴となっている。なお、凹凸構造の周期Δがλeff ／２
またはλeff であるように設定した場合には、導波路の
進行方向の逆の方向に光の反射を生じてしまうため、光
集積回路を形成する上で問題を生じる。

【００３５】次に、一例としてマルチモード導波路を参
照して本発明の説明を行う。図７は従来のマルチモード
導波路の構造を示す上面図である。図７において、１５
は半導体導波路層、１６は空気、１７はシングルモード
導波路であり、マルチモード導波路への入力として機能
する。半導体導波路層１５の屈折率は３．１７であり、
幅は１μｍである。また、シングルモード導波路の幅は
０．２μｍである。なお、次に示す説明では一例として
波長が１．５５μｍであるものとして説明する。

【００３６】図８および図９は、それぞれ図７に示した
マルチモード導波路におけるフィールド振幅分布の等高
線プロット図および部分的三次元図である。導波路がマ
ルチモードであるので、フィールド分布は非常に複雑な
特性を示していることがわかる。

【００３７】次に、本発明における高次モードフィルタ
を設けた同様な構造のマルチモード導波路について検討
する。図１０はこのような導波路の構造を示す上面図で
ある。図１０において、１８は半導体導波路層、１９は
空気、２０はシングルモード導波路であり、マルチモー
ド導波路への入力として機能する。ここでは一例とし
て、半導体導波路層１５の屈折率は３．１７であり、幅
は１μｍである。また、シングルモード導波路の幅は
０．２μｍである。

【００３８】図１０に示す導波路に設けられている凹凸
構造２３は、周期２１が０．５μｍであり、高さ２２が
１μｍである周期構造を有している。図１０に示す凹凸
構造２３は、１００の周期を有している。これは、図１
に示した凹凸構造領域３の凹凸構造２の５０μｍの長さ
に相当する。なお、図１０では図面の簡単化のため１０
０の周期を表していない。

【００３９】図１１および図１２は、それぞれ図１０に
示した導波路構造におけるフィールド振幅分布を示す等
高線プロット図および部分的三次元図である。図１１に
おいて、２３で示す高次モードフィルタを超えた領域で
は、フィルタパターンの揺らぎが少なくなっていること
がわかる。複雑な図８に示したフィールド分布と比較し
て、非常にシンプルな形状となっていることがわかる。
これは、フィルタにより高次モードが大幅に縮小または
除去されていることを示すものである。

【００４０】図２は、図１に示す導波路型高次モードフ
ィルタの凹凸構造２の断面を示す斜視図である。この図
では、説明を簡略化するため、リッジ型導波路は３層の
半導体材料４から構成されているとしている。なお、こ
れは説明のためであり、本発明においては導波路構造は
３層以上の多層構造であってもよいものである。図２に
おいて、５は基板である。

【００４１】図３は、本発明の他の実施形態に係る導波
路型高次モードフィルタの構造を示す図である。同図に
示す導波路型高次モードフィルタの凹凸構造は、符号６
で示すように異なった不均一な形や大きさを持ったもの
を組み合わせて構成されている。このように異なった形
状や大きさの凹凸部からなる凹凸構造６でも図１の実施
形態と同様な機能を有するものである。

【００４２】図４は、本発明の別の実施形態に係る導波
路型高次モードフィルタの構造を示す斜視図である。同
図に示す導波路型高次モードフィルタは、浅いリッジ型
導波路構造に適用したものであり、７がリッジ側壁に形
成された凹凸構造であり、８は導波路のコア層である。
本実施形態に示すように、本発明の適用できる導波路構
造は図２のようなリッジ型導波路構造でなくてもよいも
のである。

【００４３】図５は、本発明の更に他の実施形態に係る
導波路型高次モードフィルタの構造を示す斜視図であ
る。同図に示す導波路型高次モードフィルタは、完全に
埋め込まれた導波路構造に適用したものであり、９が埋
め込み導波路側壁に形成された凹凸構造であり、１０は
埋め込み層である。図４の実施形態と同様に、本発明の
適用できる導波路構造は図２のようなリッジ型導波路構
造でなくてもよいものである。

【００４４】なお、導波路を構成する材料としては、半
導体だけでなく、ＳｉＯ₂ ガラスや有機導波路、ＬｉＮ
ｂＯ₃ などの種類の材料を使用することができるもので
ある。

【００４５】上述したように、本実施形態の導波路型高
次モードフィルタでは、いくつかの不明なモードフィー
ルドが混合された入力光信号はフィルタされ、これによ
り低次モードのみが出力として残される。通過できる低
次モードの数は、凹凸構造２の領域長や構造により規定
されるものである。

【００４６】図１３は、本発明の更に別の実施形態に係
る半導体レーザの構造を示す上面図である。同図に示す
半導体レーザ１００は、一例としてリッジ導波路型の半
導体レーザを用いた場合を示しているが、本発明はこの
導波路型に限定されるものでない。

【００４７】図１３に示す半導体レーザは、側壁に沿っ
て凹凸導波路構造１０２がミラー１０４の前に隣接して
形成されている。電流の注入によって光学的な利得を有
する能動的な部分であるアクティブ部分１０１が凹凸導
波路構造１０２の間に形成されている。凹凸導波路構造
１０２の長さが１０３で示されているが、この長さは本
実施形態では特に規定しないが、設計上の重要なパラメ
ータである。また、凹凸導波路構造１０２の領域にも電
流を注入して光学的な利得を有する能動的な領域とする
ことも可能である。図１３では、図面を見易くするため
に、凹凸導波路構造１０２は一定の周期を有する長方形
の凹凸構造に形成されているが、このような一定の周期
の構造に限られるものでなく、周期性や形状が一様でな
くてもよいものである。

【００４８】図１４は、図１３に示す半導体レーザに設
けられている凹凸導波路構造１０２の構造を示す斜視図
である。同図において、半導体コア層は、符号１０５で
示すように、基板１０６上に形成された２つのクラッド
層の間に挟まれて配設され、３層の半導体材料となって
いる。

【００４９】図１５は、図１３に示されている半導体レ
ーザに設けられている凹凸導波路構造１０２の他の凹凸
構造を示す図である。同図に示す凹凸導波路構造１０２
の凹凸構造は、符号１０６で示すように、周期的でない
配列、不規則な形状や大きさを持ったものを組み合わせ
て構成されている。このように異なった形状や大きさの
凹凸部からなる凹凸構造１０６でも図１３の実施形態と
同様な機能を有するものである。

【００５０】図１６は、本発明の他の実施形態に係る半
導体レーザの凹凸導波路構造を示す斜視図である。同図
においては、利得導波路型（ゲインガイド）の半導体レ
ーザに対して側壁に沿って形成された凹凸導波路構造１
０８が示されている。なお、１０９は導波路コア層であ
る。このように本発明の半導体レーザは、リッジ導波路
型の半導体レーザに限られるものでなく、利得導波路型
や屈折率導波路型（インデックスガイド）などの他の半
導体レーザ構造にも適用し得るものである。

【００５１】図１７は、本発明の更に他の実施形態に係
る半導体レーザの凹凸導波路構造を示す斜視図である。
同図に示す凹凸導波路構造は、屈折率導波路型の半導体
レーザ構造において側壁に沿って凹凸導波路構造１１０
が形成されるとともに、この凹凸導波路構造１１０はク
ラッド材質１１１の内部に完全に埋め込まれている。

【００５２】また、図１３に示す半導体レーザにおいて
は、ミラー１０４の前に形成された凹凸導波路構造１０
２は、入射光線からの反射を縮小または除去するための
散乱体として機能している。高次モードでの光線は、側
壁からより頻繁に跳ね返るため、それらは、より急速に
放散される［参照：K.Handa et al,"Improved perturba
tion analysis of dielectric gratings,"Applied Opti
cs,vol.5,pp.325 (1975)］。

【００５３】その結果、この構造では、基本モードは、
凹凸導波路構造１０２では、高次の他のモードと比較し
て最小のモード損失となる。レーザ構造を全体的に見る
と、このことは、基本モードが最大のモード利得を得る
ということを意味する。従って、凹凸導波路構造１０２
を注意深く設計して、基本的モードと高次モードの間の
モード利得の違いを際立たせることができる。

【００５４】この結果従来技術では困難であった、幅広
のアクティブ層を有するレーザにおいても、単一モード
動作を容易に実現することができる。なお、レーザの最
大光学的利得は、そのアクティブ層の面積に比例してい
るため、それと同時に、この設計で、非常に高いレーザ
出力パワーが実現されている。

【００５５】次に、凹凸導波路構造１０２の凹凸構造か
らなる部分について一例をあげて説明する。この導波路
の構造図が図１８に示されている。一例として、この構
造では、１１６の部分は、屈折率が３．１７の直線導波
路を示し、その幅は１ミクロンである。１１７の部分は
空気を示す。１１８の部分は、この導波路の入力ポート
を示している。更に、この例で使われている凹凸導波路
構造１０２は、０．２５ミクロンの一定幅１１９と１ミ
クロンの深さ１２０の長方形構造の配列から構成されて
いる。

【００５６】図１９に示されているように、実際に分析
された導波路構造では、１００周期の凹凸構造が使われ
ている。この例を通じて、１．５５ミクロンの波長が使
われている。凹凸導波路構造１０２の周期Δは、この場
合の導波路の有効波長λeffの半分より大きく、かつそ
れよりも短くなっていることに注目されたい。これは、
通常波長フィルタとして利用されるブラッグ反射型フィ
ルタの凹凸構造のサイズが、導波路の有効波長λeff の
半分とすることにより、特定の有効波長の光を共振器方
向に反射するのに比べ大きく特徴を異にしている点であ
る。

【００５７】いくつかの分析が行われた結果について説
明する。最初の場合、直線導波路の基本モードが入力と
して使われている。厳密にいうと、図１９を見てわかる
ように、基本モードは、点線１２１で示されている直線
導波路の断面に相当する。図２０に基本モードのモード
分布が示されている。光は導波路に沿って伝播する。

【００５８】双方向ビーム伝播法（bi-directional bea
m propagation method (BPM)）計算が行われている。計
算結果に基づいて、導波路に沿った光波伝播の方向にお
ける光子エネルギー束密度の大きさが図２１に示されて
いる。凹凸構造を有する側壁の部分では、散乱が発生す
るにもかかわらず、光パワーの約１ｄＢしか損失しない
ということが判明している。つまり、ほとんどの光パワ
ーは、通過するのである。図２２に示されているフィー
ルド振幅分布の等高線図では、更に、出力部において観
測されるビーティングは極めて少ない。このことは、出
力光波が実質的には単一モードであることを示す。

【００５９】次に、直線導波路の一次モードが入力とし
て使われている場合について説明する。一次モードのモ
ード分布が図２３に示されている。前のケースのよう
に、光は導波路に沿って伝播する。ことが可能となって
いる。双方向ＢＰＭ法により計算が行われている。導波
路に沿った光子のエネルギー束密度の大きさが図２４に
示されている。この場合、導波路の凹凸構造部分での散
乱は大きく、１１ｄＢ以上の光パワーが送信において損
失することが判明している。すなわち、ごくわずかの光
パワーしか通過しないことになる。図２５に示されてい
るフィールド振幅分布の等高線図がこの事実を証明して
いる。

【００６０】本発明者らが調査した最後のケースでは、
直線導波路の二次モードが入力として使われている。図
２６に二次モードのモード分布が示されている。前のケ
ースと同じように双方向ＢＰＭ法により計算が行われて
いる。導波路に沿った光子エネルギー束密度（図２７の
プロットから、凹凸構造部分での散乱は、送信において
１５ｄＢ以上の光パワーの損失があり、特に大きな損失
を有していることが判明している。これは、フィールド
振幅分布の等高線図で明確に示されている（図２８）。

【００６１】上記の結果から、基本モードのモード損失
は、図１９で示されている導波路構造の一次モードおよ
び二次モードの損失より極めて少ないと結論付けられ
る。これは、導波路の幾何学的光学から期待されるとお
りの結果である。このため、更に高次モードの損失は、
更に大きくなることは明らかである。

【００６２】図１３の半導体レーザダイオードの凹凸導
波路構造１０２が、図１９で示されているのと同じよう
な構造を持っている場合、上記の結果は、基本モード
は、最も大きな利得を持つことを示唆している。その結
果、基本モードが持続的発振モードとなる。

【００６３】以上の分析においては、簡単のため、深い
リッジ導波路型の特定なパラメータを例として、説明を
行ったが、導波路構造は図１７に示すような埋め込み導
波路型であっても構わないし、図４に示すような浅いリ
ッジ導波路型であっても構わない。また、素子のパラメ
ータ（凸凹構造の周期ならびに形状）としては、請求項
５もしくは請求項６を満たす範囲であれば、例示したパ
ラメータに限定されるものではない。

【００６４】以上の発明においては、反射ミラ−１０４
は、空気との境界面が反射面であるように図示をおこな
ったが、ミラーの構成方法としては、いわゆる分布反射
型もしくは分布帰還型のミラーであっても構わない。

【００６５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
導波路型高次モードフィルタは導波路の両側面に周期性
を有する凹凸構造を形成しているので、凹凸構造が入射
光からの反射を縮小したり除去したりする反射防止構造
として機能して、入力光信号に混合されたいくつかの不
明なモードフィールドをフィルタすることができ、特に
高次モードを大幅に縮小または除去でき、低次モードの
みを出力することができるとともに、構造的にも単に凹
凸構造を設けるというものであって、簡単かつ小型であ
るため、光集積回路に適し、コンパクトで効率的な素子
を提供することができる。

【００６６】また、本発明によれば、半導体レーザは帰
還のためのミラーに隣接した側壁に単一または複数の凹
凸導波路構造を有するため、凹凸導波路構造が入射光線
からの反射を縮小したり除去したりする散乱体として機
能して、高次モードでの光線は側壁からより頻繁に跳ね
返され、急速に放散され、この結果基本モードは凹凸導
波路構造で高次の他のモードと比較して最小のモード損
失となり、幅広のアクティブ層を有する半導体レーザに
おいても単一モードを容易に実現できるとともに、非常
に高いレーザ出力パワーを実現し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る導波路型高次モード
フィルタの構造を示す上面図である。

【図２】図１に示す導波路型高次モードフィルタの凹凸
構造の断面を示す斜視図である。

【図３】本発明の他の実施形態に係る導波路型高次モー
ドフィルタの構造を示す図である。

【図４】本発明の別の実施形態に係る導波路型高次モー
ドフィルタの構造を示す斜視図である。

【図５】本発明の更に他の実施形態に係る導波路型高次
モードフィルタの構造を示す斜視図である。

【図６】本発明の原理を説明するためのリッジ型導波路
における光経路を示す上面図である。

【図７】従来のマルチモード導波路の構造を示す上面図
である。

【図８】図７に示したマルチモード導波路におけるフィ
ールド振幅分布の解析結果を示す等高線プロット図であ
る。

【図９】図８に示したフィールド振幅分布の等高線プロ
ットの解析結果の部分的三次元図である。

【図１０】高次モードフィルタを有するマルチモード導
波路の構造を示す上面図である。

【図１１】図１０に示したマルチモード導波路構造にお
けるフィールド振幅分布の解析結果を示す等高線プロッ
ト図である。

【図１２】図１１に示したフィールド振幅プロファイル
の等高線プロットの部分的三次元図である。

【図１３】本発明の更に別の実施形態に係る半導体レー
ザの構造を示す上面図である。

【図１４】図１３に示す半導体レーザに設けられている
凹凸導波路構造の構造を示す斜視図である。

【図１５】図１３に示されている半導体レーザに設けら
れている凹凸導波路構造の他の凹凸構造を示す図であ
る。

【図１６】本発明の他の実施形態に係る半導体レーザの
凹凸導波路構造を示す斜視図である。

【図１７】本発明の更に他の実施形態に係る半導体レー
ザの凹凸導波路構造を示す斜視図である。

【図１８】図１３に示す実施形態における直線状の凹凸
導波路構造の一例を示す図である。

【図１９】図１３に示す実施形態の凹凸導波路構造の実
際に分析された例を示す図であり、水平軸および垂直軸
の単位はミクロンである。また、点線１２１はＢＰＭ計
算での光波が発せられる位置を示している。

【図２０】図１９での点線範囲１２１での直線導波路に
沿った基本モードの分布を示す図であり、水平軸はミク
ロン単位であり、垂直軸は任意の単位である。

【図２１】図１９に示した導波路に沿った光波伝播の方
向での光エネルギー束密度の大きさのＢＰＭ計算から得
られた結果を示す図であり、この計算では基本モードが
点線部分１２１に適用され、また水平軸はミクロン単位
であり、垂直軸はデシベル単位である。

【図２２】ＢＰＭ計算で得られた、図１９に示した導波
路内でのフィールド振幅分布の等高線図であり、この計
算では基本モードが点線部分１２１に適用されている。

【図２３】図１９に示した点線部分１２１の範囲におけ
る直線導波路に沿った一次モードの分布を示す図であ
り、水平軸はミクロン単位であり、垂直軸は任意の単位
である。

【図２４】ＢＰＭ計算から得られた、図１９に示した導
波路に沿った光波伝播の方向での光子のエネルギー束密
度の大きさを示す図であり、この計算では一次モードが
点線部分１２１に適用されている。また、水平軸はミク
ロン単位であり、垂直軸はデシベル単位である。

【図２５】ＢＰＭ計算から得られた、図１９に示した導
波路でのフィールド振幅分布の等高線図であり、この計
算では一次モードが点線部分１２１に適用されている。

【図２６】図１９での点線範囲１２１での直線導波路に
沿った二次モードのモード分布を示す図であり、水平軸
はミクロン単位であり、垂直軸は任意の単位である。

【図２７】ＢＰＭ計算から得られた、図１９に示した導
波路に沿った光波伝播の方向での光子エネルギー束密度
の大きさを示す図であり、この計算では二次モードが点
線部分１２１に適用されている。水平軸はミクロン単位
であり、垂直軸はデシベル単位である。

【図２８】ＢＰＭ計算から得られた、図１９に示した導
波路でのフィールド振幅分布の等高線図であり、この計
算では二次モードが点線部分１２１に適用されている。

【符号の説明】

１ リッジ型半導体光導波路 ２ 凹凸構造 ３ 凹凸構造領域 ４ リッジ型導波路を構成する３層の半導体材質 ５ 基板 ６ 不均一な形状の凹凸構造 １１ リッジ型導波路 １３ 特定の導波モードがたどるジグザグ経路 １００ 半導体レーザ １０２ 凹凸導波路構造 １０３ アクティブ部分 １０４ ミラー

フロントページの続き (72)発明者 ▲廣▼野 卓夫 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 吉国 裕三 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 2H047 KA04 KA05 KA11 LA03 LA21 QA02 TA00 5F073 AA02 AA13 AA65 EA29

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導波路の両側面に周期性を有する凹凸構
   造を形成したことを特徴とすると導波路型高次モードフ
   ィルタ。
2. 【請求項２】 前記周期性は、前記導波路中を伝播する
   光波の波長より短く、１／２よりも長い周期であること
   を特徴とする請求項１記載の導波路型高次モードフィル
   タ。
3. 【請求項３】 前記凹凸構造は、周期または形状が導波
   路中で一様でないことを特徴とする請求項１または２記
   載の導波路型高次モードフィルタ。
4. 【請求項４】 帰還のためのミラーに隣接したマルチモ
   ードの活性領域に形成された導波路型高次モードフィル
   タが請求項１乃至３に記載のいずれかであることを特徴
   とする半導体レーザ。