JP2004140240A - 半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】半導体レーザ10は、活性領域12及びブラッグ回折格子14を挟んで対向する光反射面16と光出射面18とを備える。そして、FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲において、FPモードの利得ピーク波長λFPで光反射率が最低となるように光出射面18の光反射率が調整されている。そして、光出射面18の光反射率が最低となるときの光反射率は0.3%以下とされている。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】
長距離・高速光ファイバー通信では、単一モード発振を得るために、ブラッグ回折格子を有する半導体レーザ(分布帰還型(DFB)レーザ、分布反射型(DBR)レーザ、外部共振器型レーザ)が使用される。
【0003】
かかる半導体レーザとして、例えば特許文献1には、DFBレーザが開示されている。この半導体レーザは、光反射率の高い反射膜を含む光反射面と、光反射率を低減するための反射防止膜を含む光出射面とを備え、これら光反射面及び光出射面は活性領域及びブラッグ回折格子を挟むように対向配置されている。なお、反射膜及び反射防止膜については、例えば特許文献2及び特許文献3にも開示がなされている。
【0004】
かかる従来の半導体レーザは、一般にペルチェ素子を備え、温度一定に保たれた条件で使用される。これにより環境温度が大きく変動しても、光出射面からブラッグ回折格子により選択された波長の光が単一モードで出射される。
【0005】
【特許文献1】
特開平10−51072号公報
【特許文献2】
特開平10−190139号公報
【特許文献3】
特開平9−326531号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、半導体レーザにペルチェ素子を設けると、部品点数及び組立コストが増大し、また消費電力も増大してしまうという問題がある。そこで、ペルチェ素子を設けることなく無温調の半導体レーザを構成することが考えられる。しかしながら、上記した従来の半導体レーザを無温調で使用すると、環境温度がマイナス40℃程度の低温領域において、FPモード(ファブリーペローモード)の利得ピーク値がブラッグ回折格子(BG)により規定されるBGモード(DFBモード)の利得ピーク値よりも大きくなり、その結果、FPモードで発振してしまうという問題があることを発明者は見出した。
【0007】
本発明は、上記した課題を解決するために為されたものであり、ブラッグ回折格子により規定される単一モード発振を、広い温度範囲で無温調で得ることが可能な半導体レーザを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザは、活性領域及びブラッグ回折格子を挟んで対向する光反射面と光出射面とを備える半導体レーザであって、FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲に含まれる所定温度において、FPモードの利得ピーク波長で光反射率が最低となるように光出射面の光反射率が調整されていることを特徴とする。
【0009】
また本発明に係る半導体レーザは、活性領域を挟んで対向する光反射面と光出射面とを有する半導体光増幅素子と、半導体光増幅素子の光出射面と光結合されると共に、光導波領域にブラッグ回折格子が形成された光学部品と、を備える半導体レーザであって、FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲に含まれる所定温度において、FPモードの利得ピーク波長で光反射率が最低となるように光出射面の光反射率が調整されていることを特徴とする。
【0010】
このように、本発明に係る半導体レーザでは、FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲に含まれる所定温度において、FPモードの利得ピーク波長で光反射率が最低となるように光出射面の光反射率が調整されている。したがって、このような温度においては、FPモードの光出射面からのロスが大きくなり、FPモードが低減される。その結果、ブラッグ回折格子により規定されるBGモードでの単一モード発振を得ることができる。このように、この半導体レーザによれば、ブラッグ回折格子により規定される単一モード発振を、広い温度範囲で無温調で得ることが可能となる。
【0011】
本発明に係る半導体レーザでは、光出射面の光反射率が最低となるときの光反射率が0.3%以下であることを特徴としてもよい。このようにすれば、FPモードの光出射面からのロスが大きくなり、FPモードが低減される。その結果、ブラッグ回折格子により規定されるBGモードでの単一モード発振を得ることができる。
【0012】
本発明に係る半導体レーザでは、室温において、BGモードの利得ピーク波長がFPモードの利得ピーク波長よりも大きいことを特徴としてもよい。このようにすれば、室温よりも高温側のより広い温度範囲で、ブラッグ回折格子により規定される単一モード発振を無温調で得ることができる。
【0013】
本発明に係る半導体レーザでは、光出射面は誘電体多層膜を含むことを特徴としてもよい。かかる誘電体多層膜は、FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲において、FPモードの利得ピーク波長における光出射面の光反射率を0.3%以下とするのに好適である。
【0014】
本発明に係る半導体レーザの製造方法は、活性領域及びブラッグ回折格子を挟んで対向する光反射面と光出射面とを備える半導体レーザを製造する方法であって、FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲に含まれる所定温度において、FPモードの利得ピーク波長で光反射率が最低となるように光出射面の光反射率を調整する工程を有することを特徴とする。
【0015】
また本発明に係る半導体レーザの製造方法は、活性領域を挟んで対向する光反射面と光出射面とを有する半導体光増幅素子と、半導体光増幅素子の光出射面と光結合されると共に、光導波領域にブラッグ回折格子が形成された光学部品と、を備える半導体レーザを製造する方法であって、FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲に含まれる所定温度において、FPモードの利得ピーク波長で光反射率が最低となるように光出射面の光反射率を調整する工程を有することを特徴とする。
【0016】
このように、上記した半導体レーザの製造方法は、FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲に含まれる所定温度において、FPモードの利得ピーク波長で光反射率が最低となるように光出射面の光反射率を調整する工程を有する。したがって、このようにして製造された半導体レーザでは、かかる温度においてFPモードの光出射面からのロスが大きくなり、FPモードが低減される。その結果、ブラッグ回折格子により規定されるBGモードでの単一モード発振を得ることができる。このように、この半導体レーザの製造方法によれば、ブラッグ回折格子により規定される単一モード発振を、広い温度範囲で無温調で得ることが可能な半導体レーザを得ることが可能となる。なお、本発明はFPモードの利得ピーク波長に基づいて光出射面の光反射率を調整している点で、DFBレーザの単一モード発振を実現するために、DFBレーザの発振波長に合わせて光出射面の光反射率を調整していた従来の方法とは思想的に全く異なるものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【0018】
図1は、本実施形態に係る半導体レーザの構成を模式的に示す断面図である。図1に示すように、半導体レーザ10は分布帰還型(DFB)レーザと呼ばれるものであり、1200nm〜1625nmの波長帯域において使用される。この半導体レーザ10は、活性領域12、ブラッグ回折格子14、光反射面16、光出射面18、及び電極24を備えている。
【0019】
活性領域12の構成は周知なものでよく、例えばGaInAsPの多重量子井戸構造を有している。
【0020】
ブラッグ回折格子14は、活性領域12に隣接して設けられている。このブラッグ回折格子14のピッチをΛとし、実効屈折率をneffとすると、
λBG=2neff・Λ ・・・ (1)
で表されるブラッグ波長λBGの光が選択され、光出射面18から出射される。
【0021】
光反射面16は、半導体レーザ10の後端側に設けられている。この光反射面16は、光反射率の高い反射膜20を含んでいる。反射膜20の構成としては周知のものを用いることができ、例えばアモルファスシリコン(α−Si)とシリコンナイトライド(SiN)との誘電体多層膜から形成されている。かかる反射膜20を含むことにより、光反射面16は80%〜95%程度の光反射率を有する。
【0022】
光出射面18は、光反射面16とは反対側の半導体レーザ10の前端側に設けられている。この光出射面18は、光反射率を低減するための反射防止膜22を含んでいる。この反射防止膜22を含む光出射面18の光反射率は、FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲において、FPモードの利得ピーク波長λFPで光反射率が最低となるように調整されている。そして、光出射面18の光反射率が最低となるときの光反射率は0.3%以下、好ましくは0%〜0.1%とされている。
【0023】
ここで、FPモードとは、半導体レーザ10の光反射面16と光出射面18とで形成される共振器により発振するモードのことをいう。FPモードの利得は、活性領域12の利得として与えられ、FPモードは、活性領域12の利得ピーク波長で発振する。
【0024】
また、BGモードとは、ブラッグ回折格子14により規定されるモードで発振するモードのことをいう。そして、BGモードは、ブラッグ回折格子14のピッチΛにより決定される波長λBGで発振する。特に、DFBレーザについては、BGモードのことをDFBモードと呼ぶ。
【0025】
このような反射防止膜22は、誘電体多層膜により構成することができる。このような誘電体多層膜としては、例えばAl2O3/TiO2、SiO2/TiO2、Al2O3/Ta2O5、SiO2/Ta2O5、α−Si/Al2O3が挙げられる。これらの誘電体多層膜は、イオン照射蒸着あるいはECR−CVD(Electron Cyclotron Resonance Plasma CVD)により形成することができる。
【0026】
また本実施形態に係る半導体レーザ10では、室温において、BGモードの利得ピーク波長λBGがFPモードの利得ピーク波長λFPよりも大きいと好ましい。ここで本明細書において「室温」とは25℃のことをいう。このようにすれば、室温よりも高温側のより広い温度範囲で、ブラッグ回折格子14により規定されるBGモードでの単一モード発振を無温調で得ることができる。
【0027】
ここで、以上の構成について、図を参照して説明する。図2は、室温RT(25℃)、低温LT(例えば、−40℃)、及び高温HT(例えば、85℃)における、BGモードの利得とFPモードの利得(活性領域12の利得)との関係を示すグラフである。図2のグラフにおいて、真中、左下、及び右上のグラフは、それぞれ室温RT、低温LT、及び高温HTにおけるBGモードの利得gBGとFPモードの利得gFP(太線で示す)との関係を示している。図2に示すように、FPモード及びBGモードの利得は温度依存性を示し、FPモードの利得ピーク波長λFP及びBGモードの利得ピーク波長λBGは、温度に応じてシフトする。なお、FPモードの利得ピーク波長λFPの単位温度当たりのシフト量は0.4nm/℃程度であり、0.1nm/℃程度であるBGモードの利得ピーク波長λBGの単位温度当たりのシフト量よりも大きい。
【0028】
図2に示すように、室温RTにおいては、BGモードの利得gBG−RTのピーク値は、FPモードの利得gFP−RTのピーク値よりも大きく、BGモードでの単一モード発振がなされる。ここで、使用する全温度範囲においてDFBモードで単一モード発振させるためには、全温度範囲でBGモードの利得gBG−RTのピーク値が、FPモードの利得gFP−RTのピーク値よりも大きくなければならない。
【0029】
しかしながら、低温LTにおいては、図2の左下のグラフに示すように、FPモードの利得gFP−LTが大きくなり、そのピーク値はBGモードの利得gBG−LTのピーク値よりも大きくなる。このとき、本実施形態に係る半導体レーザ10では、FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲において、FPモードの利得ピーク波長λFPで光反射率が最低となるように反射防止膜22が形成され、光出射面18の光反射率が調整されている。そして、光出射面18の光反射率が最低となるときの光反射率は0.3%以下とされている。したがって、FPモードの光出射面18からのロスが大きくなり、図2の左下のグラフにおいて破線で示すように、FPモードが低減されて、BGモードでの単一モード発振を得ることができる。
【0030】
また、本実施形態に係る半導体レーザ10では、図2の真中のグラフに示すように、室温RTにおいて、BGモードの利得ピーク波長λBGがFPモードの利得ピーク波長λFPよりも大きいと好ましい。ここで、ディチューニング量ΔDETを以下の(2)式で定義する。
【0031】
ΔDET=λBG−λFP ・・・ (2)
このディチューニング量ΔDETは、使用する温度範囲における両端LT,HTにおいて、BGモードの利得ピーク波長λBGとFPモードの利得ピーク波長λFPとの差の絶対値|λFP−λFP|が、発振限界を示す最大離調幅ΔλLT、ΔλHTを越えない範囲で規定される。これは、BGモードの利得ピーク波長λBGとFPモードの利得ピーク波長λFPとが離れすぎていると、レーザ発振が困難になるからである。
【0032】
このことを、図3を参照して説明する。図3において、ラインL0はFPモードの利得ピーク波長λFPが温度に依存してシフトする様子を示し、ラインL1、L2、及びL3はBGモードの利得ピーク波長λBGが温度に依存してシフトする様子を示す。特に、ラインL1は室温RTでのディチューニング量ΔDETが0のときを示し、ラインL2は室温RTでのディチューニング量ΔDETが正の値αのときを示し、ラインL3は室温RTでのディチューニング量ΔDETが負の値βのときを示している。図3に示すように、室温RTにおけるディチューニング量ΔDETがβからαの範囲に規定されることで、使用する温度範囲における両端LT,HTにおいてもBGモードでの単一モード発振を得ることができる。一般に、使用温度範囲が−40℃から85℃のとき、最大離調幅ΔλLT、ΔλHTは22nm程度であるため、ディチューニング量ΔDETは−10nm〜+8nmの範囲に規定されると好ましい。ただし、ディチューニング量ΔDETが−10nm〜−7nmの範囲では、高温領域での閾値電流が増加したり発光効率が低下したりしてI(電流)−L(光出力)特性が劣化するおそれがあるため、高温領域でのI−L特性の観点からは、ディチューニング量ΔDETは−7nm〜+8nmであるとより好ましい。
【0033】
CWDM光ファイバ通信で長波長(波長λ>1580nm)のチャネルの信号光を発生するDFBレーザでは、室温RTにおけるディチューニング量ΔDETをプラス側へ可能な限り大きくすることで、高温特性の向上を図ることができる。なお、室温RTにおけるディチューニング量ΔDETをプラス側へ大きくすると、低温LTでFPモードの増大によりサイドモード抑圧比SMSRが大きく劣化するが、本実施形態に係る半導体レーザ10は、前述した光出射面18を備えるため、低温領域でもBGモードでの単一モード発振を得ることができる。
【0034】
このように、本実施形態に係る半導体レーザ10によれば、ブラッグ回折格子14により規定されるBGモードでの単一モード発振を、広い温度範囲で無温調で得ることが可能となる。
【0035】
次に、上記した本実施形態に係る半導体レーザ10の一実施例について説明する。この実施例では、使用温度範囲が−40℃〜+85℃であり、室温RTにおけるBGモードの発振波長λBGが1590nmである仕様について考える。
【0036】
活性領域12は、GaInAsPの多重量子井戸構造を有する。ブラッグ回折格子14のピッチΛは、室温RTにおけるBGモードの発振波長λBGが1590nmとなるように設定されている。ディチューニング量ΔDETは、+2nmに設定されている。したがって、室温RTにおけるFPモードの利得ピーク波長λFPは、(2)式より1588nmに設定されている。このとき、光出射面18が含む反射防止膜22は、図4に示すように、室温RTにおけるFPモードの利得ピーク波長λPLよりも45nm小さい1543nmで、最低反射率が0.05%となっている。このような反射防止膜22として、内側からAl2O3(180nm)とTiO2(50nm)との2層からなる誘電体多層膜が、イオン照射蒸着により形成されている。なお、図4において破線は、−40℃でのFPモードの利得を示している。ここで、反射防止膜22を含む光出射面18の光反射率は、例えば、半導体レーザ10をレーザ発振させ、FPモードを含む発振スペクトルを測定してFPモードの光ピーク強度から求めたり、あるいはレーザの光出射面18及び光反射面16から出射される光の強度比から求めたりすることができる。
【0037】
図5(a)〜(c)は、それぞれ温度が−40℃、25℃、及び85℃のときの半導体レーザ10の発振スペクトルを示している。図5に示すように、この実施例に係る半導体レーザ10では、−40℃〜85℃のいずれの温度においてもBGモードでの単一モード発振を得ることができることが分かる。
【0038】
これに対し、図6(a)〜(c)は、比較例として波長1590nmで最低反射率が0.5%である反射防止膜を備える従来の半導体レーザ(反射防止膜以外は上記した実施例と同一の構成を有する)について、それぞれ温度が−40℃、25℃、及び85℃のときの発振スペクトルを示している。比較例に係る半導体レーザでは、−40℃の低温でSMSRが大幅に劣化してFPモードの利得が大きくなり、そのピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きくなって、FPモードでの発振が生じることが分かる。
【0039】
このように、図5及び図6を参照すると、実施例に係る半導体レーザ10では、光出射面18に上記した特徴的な反射防止膜22を含むため、低温領域でのFPモードの低減が図られ、全ての温度範囲でBGモードでの単一モード発振を得ることが可能となることが確かめられた。
【0040】
図7は、低温領域(−40℃)で実施例に係る半導体レーザ(白棒で示す)と比較例にかかる半導体レーザ(斜線棒で示す)とのSMSRを評価し、良品と不良品とに分けた結果を示している。比較例に係る半導体レーザでは、SMSRの劣化により不良品とされるものが多いのに対し、実施例に係る半導体レーザではSMSRは良好で良品が多く得られることが確かめられた。
【0041】
なお、上記した実施形態では半導体レーザ10としてDFBレーザについて説明したが、図8に示すように、半導体レーザ10は分布反射型半導体レーザ(DBRレーザ)であってもよい。
【0042】
また、半導体レーザは、図9及び図10に示すように、外部共振器型の半導体レーザ30であってもよい。図9及び図10に示す半導体レーザ30は、半導体光増幅素子32と、光学部品34とを備えている。
【0043】
半導体光増幅素子32は、活性領域12、光反射面16、光出射面18、及び電極24を有している。光反射面16は、反射膜20を含んでいる。光出射面18は、前述したような特徴的な構成の反射防止膜22を含んでいる。光反射面16及び光出射面18は、活性領域12を挟んで対向配置されている。
【0044】
光学部品34は、半導体光増幅素子32と光結合されている。図9に示す半導体レーザ30では、この光学部品34としてファイバグレーティングを含んでいる。ファイバグレーティングは、コア36とこのコア36を覆うクラッド38とを含む光ファイバから構成されており、コア36の所定領域にブラッグ回折格子14が形成されている。一方、図10に示す半導体レーザ30では、この光学部品34として平面光導波路(PLC)グレーティングを含んでいる。PLCグレーティングは、平面基板上に設けられた光導波領域としてのコア36の所定領域に、ブラッグ回折格子14が形成されたものである。
【0045】
このような外部共振器型の半導体レーザ30においても、前述した特徴的な構成の反射防止膜22を含む光出射面18を備えることで、前述した半導体レーザ10と同様の作用効果を奏することができる。
【0046】
【発明の効果】
本発明によれば、ブラッグ回折格子により規定される単一モード発振を、広い温度範囲で無温調で得ることが可能な半導体レーザが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態に係る半導体レーザ(DFBレーザ)の構成を模式的に示す断面図である。
【図2】室温RT(25℃)、低温LT(例えば、−40℃)、及び高温HT(例えば、85℃)における、BGモードの利得とFPモードの利得(活性領域の利得)との関係を示すグラフである。
【図3】FPモードの利得ピーク波長λFP、及びBGモードの利得ピーク波長λBGが温度に依存してシフトする様子を示すグラフである。
【図4】実施例に係る半導体レーザが備える反射防止膜の反射スペクトルを示す図である。
【図5】図5(a)〜(c)は、それぞれ温度が−40℃、25℃、及び85℃のときの実施例に係る半導体レーザの発振スペクトルを示している。
【図6】図6(a)〜(c)は、それぞれ温度が−40℃、25℃、及び85℃のときの比較例に係る半導体レーザの発振スペクトルを示している。
【図7】低温領域(−40℃)で実施例に係る半導体レーザ(白棒で示す)と比較例にかかる半導体レーザ(斜線棒で示す)とのSMSRを評価し、良品と不良品とに分けた結果を示すグラフである。
【図8】実施形態に係る半導体レーザ(DBRレーザ)の構成を模式的に示す断面図である。
【図9】実施形態に係る半導体レーザ(外部共振器型レーザ)の構成を模式的に示す断面図である。
【図10】実施形態に係る半導体レーザ(外部共振器型レーザ)の構成を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
10,30…半導体レーザ、12…活性領域、14…ブラッグ回折格子、16…光反射面、18…光出射面、20…反射膜、22…反射防止膜、32…半導体光増幅素子、34…光学部品、36…コア、38…クラッド。
Claims (5)
- 活性領域及びブラッグ回折格子を挟んで対向する光反射面と光出射面とを備える半導体レーザであって、
FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲に含まれる所定温度おいて、該FPモードの利得ピーク波長で光反射率が最低となるように前記光出射面の光反射率が調整されていることを特徴とする半導体レーザ。 - 活性領域を挟んで対向する光反射面と光出射面とを有する半導体光増幅素子と、
前記半導体光増幅素子の前記光出射面と光結合されると共に、光導波領域にブラッグ回折格子が形成された光学部品と、
を備える半導体レーザであって、
FPモードの利得ピーク値がBGモードの利得ピーク値より大きい温度範囲に含まれる所定温度において、該FPモードの利得ピーク波長で光反射率が最低となるように前記光出射面の光反射率が調整されていることを特徴とする半導体レーザ。 - 前記光出射面の前記光反射率が最低となるときの光反射率が0.3%以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ。
- 室温において、前記BGモードの利得ピーク波長が前記FPモードの利得ピーク波長よりも大きいことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ。
- 前記光出射面は誘電体多層膜を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ。
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