JP2004165651A - コヒーレント光源とその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 安定な波長可変および変調特性を実現可能であり、構成が簡単で製造が容易なコヒーレント光源を提供する。
【解決手段】 電流注入により発光する活性層８を有する活性領域４、および活性層に連続して配置され電流注入により屈折率変化を生じる層を有する位相調整領域５が設けられた二電極半導体レーザ２と、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）領域７が形成された光導波路デバイス３とを備えたコヒーレント光源。二電極半導体レーザから出射したレーザ光が光導波路デバイスの光導波路６に光学的に結合されるように構成され、二電極半導体レーザから出射したレーザ光の一部分はＤＢＲ領域により反射して二電極半導体レーザに光帰還して、発振波長がロックされる。ＤＢＲ領域を半導体レーザ上に形成する必要がないため、低コストで安定な波長制御、変調制御を実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザを備えて構成され、光通信分野や光情報処理分野で用いられるコヒーレント光源に関する。

近年、光通信分野の用途や、非線形効果を用いた第２高調波発生の基本波発生用として、波長可変な半導体レーザが注目されている。半導体レーザ上にグレーティングが集積化された、分布帰還型（distributed feedback : DFB）半導体レーザ、あるいは分布反射型（distributed Bragg reflector : DBR）半導体レーザは、レーザ単体で単一縦モード発振が可能な半導体レーザである。波長可変方式としては、ＤＢＲ半導体レーザ上のＤＢＲ部に電流注入し、プラズマ効果や温度変化により屈折率変化を与えることで、発振波長をチューニングすることが提案されている。

波長可変機能を有するＤＢＲ半導体レーザについて、図８を参照して説明する。図８は、３電極構造のＡｌＧａＡｓ系波長可変ＤＢＲ半導体レーザの概略構成を示す。ｎ−ＧａＡｓ基板３０上に、活性層３３を含むＡｌＧａＡｓ系のダブルヘテロ構造が形成されている。ｎ側およびｐ側には各々、電流注入するためのｎ側電極４２ａ、ｐ側電極４２ｂが形成されている。この素子は共振器方向に、活性領域４３、位相調整領域４４およびＤＢＲ領域４５に区分され、ＤＢＲ領域４５と位相調整領域４４では、活性層３３がシリコン注入により無秩序化されている。また、ＤＢＲ領域４５には、グレーティング３６が形成されている。

このような３電極構造のＡｌＧａＡｓ系波長可変ＤＢＲ半導体レーザでは、例えば、しきい値が２５ｍＡで、活性領域３３への１５０ｍＡの注入電流（動作電流Ｉp）に対し、出力９０ｍＷが得られている。また、ＤＢＲ領域４５への注入電流（ＤＢＲ電流Ｉdbr）を変化させ、ＤＢＲ領域４５の屈折率を熱的に変化させることにより、２ｎｍ程度の波長可変が実現される。波長可変時においても、発振波長は単一縦モードに維持される。また、ＤＢＲ電流Ｉdbrと位相調整領域４４への注入電流（位相電流Ｉph）の間に、Ｉdbr／Ｉph＝０．６３の関係を保持して同時に制御すると、連続的な波長可変特性を実現できる（例えば、特許文献１参照）。

このＤＢＲ半導体レーザの製造工程について、図９を参照して説明する。ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vapor deposition）装置を用いた１回目のエピタキシャル成長により、ｎ−ＧａＡｓ基板３０上に、ｎ−ＧａＡｓバッファ層３１、第一クラッド層３２、活性層４４、第二クラッド層３４、第一光ガイド層３５、およびグレーティング３６を形成するための層（図示せず）を、順次作成する。次に、グレーティング３６を形成するための層上にレジスト（図示せず）を塗布し、干渉露光やＥＢ（電子ビーム）露光により周期構造を形成し、さらに、エッチングにより周期構造を転写してグレーティング３６を形成する。その後、イオン注入や熱拡散により、ＤＢＲ領域４５と位相調整領域４４の活性層３３を無秩序化し、パッシブな光導波路を形成する。

次に、２回目の成長により、第二光ガイド層３７、第三クラッド層３８、およびｐ−ＡｌＧａＡｓからなる電流ブロック層３９を順次作成する。次にフォトリソグラフィー技術により、電流ブロック層３９にストライプ状の窓３９ａを形成して、リブ構造の光導波路を形成する。次に、３回目の成長により、第四クラッド層４０とコンタクト層を順次作成する。さらにコンタクト層を、活性領域コンタクト層４１ａ、位相調整領域コンタクト層４１ｂおよびＤＢＲ領域コンタクト層４１ｃに分離する。図示しないが、最後に、ｎ側およびｐ側表面に、電流注入するための電極を形成する。
特開昭６３−１４７３８７号公報、第４頁、第３図および第５図

波長可変ＤＢＲ半導体レーザやＤＦＢ半導体レーザにおいては、単一モード性、およびその波長可変特性が重要である。この特性を満足するためには、半導体レーザ上に形成されたＤＢＲ領域の均一性が重要となる。ＤＢＲ領域の均一性は、反射特性に影響するからである。反射特性のうち、反射率は、半導体レーザの発振特性に大きく影響し、しきい値やスロープ効率を変化させる。また、反射スペクトラム特性は、単一モード特性に大きく影響し、２ピーク特性やブロードな反射特性はマルチ縦モード発振を引き起こす。

半導体レーザ上のＤＢＲ領域形成の問題は、２インチや３インチの大きなウェハー内に均一なグレーティング形成が困難なことである。また上述のとおり、通常、グレーティング形成に際しては、１回目の成長により作成された層上にレジストの周期構造を形成し、さらに、エッチングにより周期構造を転写する。グレーティング形成後、さらに種々の工程が施される。

したがって、グレーティングに関して、
１）レジストの周期構造におけるバラツキ
２）エッチングによる転写の制御性のバラツキ
３）再成長の制御性などのバラツキ
が、ＤＢＲ領域の反射率およびスペクトラム幅の特性に大きな影響を与える。結果として、波長可変ＤＢＲ半導体レーザのしきい値、スロープ効率、単一モード特性、波長可変特性などが劣化させられる場合がある。

その他の問題として、ＡｌＧａＡｓ系半導体レーザではプラズマ効果が小さく、波長可変速度が遅いことがある。また、通常のファブリペロー半導体に外部グレーティングを用いる方法も提案されているが、反射型のグレーティングやファイバーグレーティングなどを用いた構成では、連続的な波長可変特性、すなわち共振器内の位相状態の微調整が困難である。

本発明は上記の課題を解決し、安定な波長可変および変調特性を実現可能であり、構成が簡単で製造が容易なコヒーレント光源を提供することを目的とする。

本発明のコヒーレント光源は、電流注入により発光する活性層を有する活性領域、および前記活性層に連続して配置され電流注入により屈折率変化を生じる層を有する位相調整領域が設けられた二電極半導体レーザと、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）領域が形成された光導波路デバイスとを備える。前記二電極半導体レーザから出射したレーザ光が前記光導波路デバイスの光導波路に光学的に結合されるように構成され、前記二電極半導体レーザから出射したレーザ光の一部分は前記ＤＢＲ領域により反射し前記二電極半導体レーザに光帰還して、発振波長がロックされる。

上記構成によれば、活性領域および位相調整領域が設けられた二電極半導体レーザと、ＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）領域が形成された光導波路デバイスとを組み合わせて構成される。したがって、半導体レーザの構造による制約、あるいは製造工程による影響を受けることなく、安定した特性のＤＢＲ領域を得ることが容易である。その結果、半導体レーザの安定な波長制御、変調制御が可能となる。また、ＤＢＲ領域を半導体レーザ上に形成する必要がないため、低コストで安定なコヒーレント光源を提供出来る。

本発明のコヒーレント光源において好ましくは、前記二電極半導体レーザの出射端面と前記光導波路デバイスの入射端面が対向しており、前記二電極半導体レーザから出射したレーザ光が、前記光導波路デバイスの光導波路に直接光結合する構成とする。あるいは、前記二電極半導体レーザから出射したレーザ光が、前記光導波路デバイスの光導波路に、光ファイバーを介して光結合する構成とすることもできる。

前記位相調整領域は、前記活性領域の活性層と連続し、かつ無秩序化された活性層を有し、電流注入によるレーザ発振が生じず屈折率変化が生じる構成としてもよい。それにより、パッシブな光導波路を容易に形成することが出来る。また、前記光導波路デバイスとして、第２高調波発生を利用した波長変換デバイスを用いることができる。また、前記位相調整領域には電極が形成され、前記電極を介して電流または電圧を印加することにより、前記二電極半導体レーザの共振器内部の位相状態が変化する構成とすることができる。

好ましくは、前記ＤＢＲ領域が、前記半導体レーザの出射端面に実質的に隣接して配置される。それにより、半導体レーザの出射端面とＤＢＲ領域の反射面は実質的に同等に作用し、安定な共振器を構成出来る。

また好ましくは、前記二電極半導体レーザの端面部に、活性層が無秩序化された非活性領域が形成され、前記非活性領域には電流が注入されないように構成される。前記波長変換デバイスの位相整合波長と、前記ＤＢＲ領域のＤＢＲ波長との波長差は２ｎｍ以下であることが好ましい。また、動作温度範囲において、前記波長変換デバイスの位相整合波長が、前記ＤＢＲ領域のＤＢＲ波長よりも長波長側にあることが好ましい。前記光導波路デバイスとして、光変調器を用いてもよい。

上記構成のコヒーレント光源を駆動する方法において、前記ＤＢＲ領域および前記位相調整領域に注入する電流及び電圧を同時に変化させることにより、前記半導体レーザの発振波長を、離散的ではなく、連続的に可変とすることができる。

また、上記構成のコヒーレント光源を駆動する方法において、前記活性領域および前記位相調整領域に注入する電流及び電圧を逆位相で変化させることにより、前記半導体レーザの出力を強度変調する構成とすることができる。それにより、変調に伴う波長のゆらぎ等を抑制して、安定な単一モード発振が可能となる。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるコヒーレント光源の概略構成を示す。このコヒーレント光源は、Ｓｉサブマウント１上に搭載された二電極半導体レーザ２と、光導波路型のＳＨＧ（Second harmonic generation）デバイス３から構成された、短波長光源である。二電極半導体レーザ２は、活性領域４と位相調整領域５を有する。ＳＨＧデバイス３は、光導波路６を有するとともに、二電極半導体レーザ２に面した側にＤＢＲ領域７が設けられている。

二電極半導体レーザ２は、Ｓｉサブマウント１上にＦａｃｅ−ｄｏｗｎで固定されている。ＳＨＧデバイス３は、光導波路６面をＳｉサブマウント１に対向させて紫外線硬化剤で固定されている。二電極半導体レーザ２の活性層８とＳＨＧデバイス３の光導波路６の光軸が一致するように、二電極半導体レーザ２の出射端面とＳＨＧデバイス３の入射端面は対向し、両端面の距離は、実質的に互いに当接する、例えば１μｍ程度に設定されている。また、ＤＢＲ領域７の入射端は、ＳＨＧデバイス３の入射端面と一致している。従って、ＤＢＲ領域７の入射端が半導体レーザ２の出射端面と実質的に隣接している。

次に、上記のコヒーレント光源を構成する二電極半導体レーザ２について、図２（ａ）を参照して具体的に説明する。この二電極半導体レーザ２は、ｎ−ＧａＡｓ基板９上に形成された、活性層８を含むＡｌＧａＡｓ系のダブルへテロ構造が、共振器方向に活性領域４と位相調整領域５に分割された構造を有する。基板１の下面にｎ側電極１０ａが形成され、ダブルへテロ構造の上部には、活性領域４と位相調整領域５とに分割されたｐ側電極１０ｂが形成されている。位相調整領域５の活性層８は無秩序化されている。したがって、電極１０ａ、１０ｂから電流Ｉp、Ｉphを注入することにより、活性領域４の活性層８は発光するが、位相調整領域５の活性層８は発光せず、屈折率のみが変化する。図２（ａ）は、活性領域４側の端面からレーザ光を取り出す構造であるが、図２（ｂ）に示すように、位相調整領域５側の端面からレーザ光を取り出す構造としてもよい。

二電極半導体レーザ２の製造工程では、ＭＯＣＶＤを用いた１回目の成長でＧａＡｓ基板９上にＡｌＧａＡｓ系のダブルヘテロ構造を形成する。その上に電流ブロック層を形成し、その後エッチングにより導波路のストライプを形成する（図３に記載）。次に、イオン注入や不純物熱拡散により、位相調整領域５と端面の窓構造部Ｗの活性層８を無秩序化する。さらに、２回目の結晶成長を行い、クラッド層およびコンタクト層を形成し、最後に電極１０ａ、１０ｂを形成する。端面の窓構造部Ｗでは、電極が除去されて活性領域４および位相調整領域５と電気的に分離され、非電流注入部となる。

得られたウェハーは劈開され、端面をコーティングされ、さらに２次劈開してチップ化される。本実施の形態では端面の反射率を、例えば前端面５％、後端面９５％とする。上記製造方法は、通常の窓構造のみを有する赤外（ＡｌＧａＡｓ）あるいは赤色（ＡｌＧａＩｎＰ）半導体レーザの場合と同じ工程であり、量産化に適した作製工程である。

本実施の形態における二電極半導体レーザ２の製造工程について、図９に示した従来例のＤＢＲ半導体レーザの製造工程と比較するために、図３を参照して説明する。

まず、ｎ−ＧａＡｓ基板９上に、１回目の成長により、ｎ−ＧａＡｓバッファ層２０、第一クラッド層２１、活性層８、第二クラッド層２２、第一光ガイド層２３、第二光ガイド層２４、第三クラッド層２５、および電流ブロック層２６を順次作成する。電流ブロック層２６にストライプ状の窓２６ａを形成した後、２回目の成長により、第四クラッド層２７とコンタクト層を順次作成する。さらに、コンタクト層を活性領域コンタクト層２８ａおよび位相調整領域コンタクト層２８ｂに分離する。

以上のように、ＤＢＲ半導体レーザの製造工程と二電極半導体レーザの製造工程を比較すると、ＤＢＲ半導体レーザでは３回のエピタキシャル成長工程を要するのに対し、二電極半導体レーザでは内部にグレーティングを形成する必要がないため、エピタキシャル成長の工程は２回で済む。このため、プロセスを簡略化でき、低コスト化、高歩留まりプロセスに適している。

共振器長は、３電極のＤＢＲ半導体レーザでは、例えば活性領域が７００μｍ、位相調整領域が３００μｍ、ＤＢＲ領域が５００μｍで、チップ長さが１．５ｍｍ程度となる。これに対して、本実施の形態における二電極半導体レーザでは、ＤＢＲ領域がないため、活性領域および位相調整領域が同様の構成であれば、チップ長を１ｍｍに低減できる。したがって、１ウェハーから取れるチップ数も増加し、低コスト化に適している。

さらに、ＤＢＲ領域がないため、必要とされる特性もＤＢＲ領域に依存せず、電流−出力特性、遠視野特性、信頼性など、通常のＦＰレーザとほぼ同程度の歩留まりが得られる。

次に、光導波路型ＳＨＧデバイス３について、図４を参照して説明する。１１は基板であり、例えば、Ｍｇが５ｍｏｌ％ドープされた１．５度オフカットＭｇＯ：ＬｉＮｂＯ₃を用いることができる。基板１１の上面に、周期的分極反転領域１２と、それに直行する光導波路６が形成されている。周期的分極反転領域１２は、光導波路６の形成された全域に形成されている。光導波路６の一端部のＤＢＲ領域７には、レジストパターンにより形成されたＤＢＲグレーティング１３が設けられている。ＤＢＲグレーティング１３を覆って、屈折率の大きなＴａ₂Ｏ₅膜１４が光導波路６上に形成され、さらにその上に、薄膜ヒーター１５が形成されている。

周期的分極反転領域１２は、周知のどのような方法を用いて形成してもよい。例えば基板１１の＋ｘ面に櫛形電極と平行電極を形成し、櫛形電極（周期：２．８μｍ）をＧＮＤとし、平行電極にマイナス電界（５ｋＶ、２５ｍｓｅｃ）を印加する方法により形成することができる。光導波路６の形成方法としては、プロトン交換、イオン拡散、およびリッジ加工による方法がある。本実施の形態に基づく一実施例ではプロトン交換を用いた。すなわち、ピロリン酸中でのプロトン交換により、ＬｉとＨを交換し、屈折率を上昇させることで光導波路６を形成した。周期的分極反転領域１２に基づく擬似位相整合条件が満足され、基本波の波長が位相整合波長に一致すると、高効率の波長変換が実現される。

ＤＢＲグレーティング１３の周期とブラッグ波長の関係は、次の式で表される。

２ｎΛ＝ｍλ
ｎは実効屈折率（２．１６）、Λは分極反転周期、ｍは整数、λは波長である。したがって、例えば、波長８２０ｎｍに対する２次（ｎ＝２）のＤＢＲグレーティング１３を形成するためには、マスクの周期を３８０ｎｍに設計すればよい。ＤＢＲグレーティング１３を形成するために、周期的分極反転領域１２と光導波路６が形成された基板１１上にレジストを塗布し、マスクを介して露光し、レジストパターンによるグレーティングを形成する。さらに、ＤＢＲグレーティング１３を覆って、スパッタによるＴａ₂Ｏ₅膜１４を光導波路６上に作製する。

ＳＨＧデバイス３の端面は、二電極半導体レーザ２の光の波長に対して無反射コートが施されている方が望ましい。何故なら、ＬｉＮｂＯ₃基板は屈折率が２．１６であるため、その反射率は１４％程度となるからである。したがって、反射を低減させないと、ＤＢＲグレーティング１３からの反射と重なってしまい、その波長選択性を劣化させるからである。

ＤＢＲグレーティング１３の反射特性を測定したところ、反射率は、ＤＢＲ長０．５ｍｍに対して２０％程度が得られた。また、そのときの反射スペクトラムの半値全幅は、０．６ｎｍ程度と、狭い特性が得られた。半導体レーザの縦モード間隔も０．１ｎｍ程度であるが、半導体レーザは少しの損失差で発振するため、上記の反射率、スペクトラム幅は、単一縦モード特性を得るには十分な特性である。

次に、図１に示した本実施の形態におけるコヒーレント光源の動作について説明する。本実施の形態の特長は、二電極半導体レーザ２の出射端面とＳＨＧデバイス３の入射端面が互いに実質的に当接し、またＳＨＧデバイス３のＤＢＲ領域７の一端が二電極半導体レーザ２側の端面と一致していることである。

二電極半導体レーザ２から出射した光は、光導波路型ＳＨＧデバイス３の光導波路６に光結合する。光導波路６を伝搬した光は、ＤＢＲグレーティング１３により一部（実施例では２０％）が反射し、再び二電極半導体レーザ２に帰還する。この場合、二電極半導体レーザ２の活性領域４側の端面（後端面）と出射端面の間で第１の共振器が、二電極半導体レーザ２の後端面とＤＢＲグレーティング１３の入射端の間で第２の共振器が形成される。本実施の形態では、第１の共振器長と第２の共振器長は殆ど差がない。ＤＢＲ領域７が二電極半導体レーザ２の出射端面に極めて近接して配置されているため、二電極半導体レーザ２の出射端面と、ＤＢＲ領域７の反射面はほぼ同じものと考えることができるからである。その結果、安定な共振器が構成される。ＤＢＲ領域７で反射しない残りの光は、光導波路６の出射端面から出力光として得られる。

上述の効果を得るために、ＤＢＲ領域７の端面は、ＳＨＧデバイス３の端面と必ずしも一致する必要はない。すなわち、両者が多少離間していても、上述の効果に基づいて、二電極半導体レーザ２の端面とＤＢＲ領域７の端面が実用上同一の共振器を形成する範囲内で実質的に隣接すればよい。二電極半導体レーザ２の出射端面とＳＨＧデバイス３の入射端面の当接状態についても、同様である。

二電極半導体レーザ２は、ＤＢＲ領域７から帰還する光の波長にロックされ、単一縦モードの発振となる。このコヒーレント光源では、二電極半導体レーザ２の端面とＤＢＲ領域７の端面が近接しているため、二電極半導体レーザ２の縦モードは、二電極半導体レーザ２の後端面と光導波路６の入射端面（ＤＢＲ領域７端面）により決まる。したがって、縦モード間隔は、共振器長が１ｍｍに相当する値、すなわち０．１μｍ程度と広くなるので、安定した単一縦モードの発振となる。

また、二電極半導体レーザ２の位相調整領域５は、電流を注入しても発振には寄与せず、屈折率変化のみを生じる。これにより、位相変化を調整することが可能である。例えば、図１に示すＳＨＧデバイス３の光導波路６の薄膜ヒーター１５に印加する電流を可変とすることにより、ＤＢＲ領域７の屈折率が変化しＤＢＲ領域７から帰還する光の位相を可変とすることができ、したがって二電極半導体レーザ２の波長を可変とすることができる。通常の場合、図５（ａ）に示すように半導体レーザの波長は、縦モード間隔毎に離散的な波長可変特性となる。これに対して、本実施の形態では、二電極半導体レーザ２は位相調整領域５を有するため、図５（ｂ）のように、連続的な波長可変特性を実現できる。

以上のように、本実施の形態のコヒーレント光源は、位相調整領域を有する二電極半導体レーザとＤＢＲ領域を有する光導波路デバイスを組み合わせることを第１の特徴とする。望ましい第２の特徴は、両者を直接光結合させ、かつＤＢＲ領域の端面を光導波路デバイスの端面近傍に配置することである。第１の特徴と第２の特徴の組み合わせは、連続的に波長可変で、かつ変調動作に際しても波長の安定した特性を得ることを可能にする。すなわち、ＤＢＲ領域７が二電極半導体レーザ２から分離されながらも、十分に近接しているので、安定した単一縦モード発振が得られ、また、位相調整領域５の作用により連続的に波長を可変とすることができる。しかも、ＤＢＲ領域７は、二電極半導体レーザ２から熱的に十分に分離されるので、半導体レーザを直接変調する動作に伴って発生する熱は、ＤＢＲ領域７の動作に実質的な影響を与えない。その結果、変調動作に際しても波長を安定させることが可能である。

なお二電極半導体レーザが、図２（ｂ）に示したように、位相調整領域５側の端面からレーザ光を取り出す構造の場合、活性領域４とＤＢＲ領域７との間に位相調整領域５が介在する構成になる。活性領域４の方が位相調整領域５よりも熱量の変化が大きいので、ＤＢＲ領域７を二電極半導体レーザ２から熱的に分離する効果については、この構成の方が、図２（ａ）の構成よりも有利である。

本実施の形態では、波長変換可能なＳＨＧデバイス３を用いているため、ＳＨＧデバイス３上のＤＢＲ領域７および二電極半導体レーザ２上の位相調整領域へ注入する電流を変化させ、半導体レーザの波長を連続的に可変とすることが可能である。それにより、半導体レーザの波長をＳＨＧデバイス３の位相整合波長に一致させて、高効率な波長変換を実現でき、高出力の青紫色光が得られる。

ＬｉＮｂＯ₃結晶の温度に対する屈折率変化は４．５×１０^-5であり、温度に対する波長変動は０．０１７ｎｍ／℃である。得られた波長可変幅は０．９ｎｍ程度であり、それに対応するＤＢＲ領域７の温度変化は５０℃程度である。ＤＢＲ領域７へさらに電流を注入することで波長可変幅を２ｎｍ程度とすることが可能であるが、プロトン交換導波路や電極の信頼性を考えると、これが限界である。そのため、位相整合波長とＤＢＲ波長の波長差は、１ｎｍ以下であることが望ましい。

また、ＤＢＲ領域７による波長可変は、電流注入により屈折率が上昇することを利用しているため、長波長側への制御しかできない。したがって、ＳＨＧデバイス３のＤＢＲ波長と位相整合波長の関係は、動作温度において
ＤＢＲ波長＜位相整合波長
となるように設定することが望ましい。

上述のように、ＤＢＲ領域７の屈折率に変化を与え、同時に半導体レーザ部の位相調整領域５への注入電流を制御することにより、安定な連続波長可変を実現できる。本実施の形態で説明したような、擬似位相整合型のＳＨＧデバイス３では、位相整合に対する波長許容幅が半値全幅で０．１ｎｍと小さい。そのため、本実施の形態のように半導体レーザの波長が連続的に波長可変であることは、ＳＨＧデバイス３の位相整合波長に高精度に調整できることを意味し、高効率な波長可変を実現できる。

本実施の形態では、位相調整領域５を有する二電極半導体レーザ２と、ＤＢＲ領域７が形成されたＳＨＧデバイス３が直接光結合している。しかも、ＤＢＲ領域７が光導波路６の入射端面に形成されているため、半導体レーザの共振器長を短く設計することができる。これに対して、従来の反射型グレーティングなどから構成される外部共振器型半導体レーザでは、共振器長が長くなって縦モード間隔が狭くなり、縦モードの制御性が低下する。本実施の形態のように、半導体レーザとＤＢＲ領域が近接していることで、縦モード間隔を０．１ｎｍ程度まで大きくできるので、ＤＢＲ領域による単一縦モード化が容易である。

（実施の形態２）
本発明のコヒーレント光源の構成は、基本波を発生する半導体レーザを直接変調駆動して、波長変換により得られる高調波光を変調された状態で得る場合においても、実用的効果が大きい。実施の形態２におけるコヒーレント光源の駆動方法は、そのような駆動方法に関する。以下、図１に示した構成を有するコヒーレント光源に適用する場合を例として、本実施の形態の駆動方法について図６を参照して説明する。

この駆動方法においては、基本波であるレーザ光を直接変調するために、図１における二電極半導体レーザ２の活性領域４に、図６（ａ）に示すような変調された電流Ｉpを注入する。同時に位相調整領域５には、図６（ｂ）に示すように、動作電流Ｉpに対して逆位相である位相電流Ｉphを注入する。このように駆動を行うことによる作用について、以下に説明する。

一般に半導体レーザを変調駆動すると、活性領域に注入された電流の一部分が熱に変換される。発生した熱は活性領域の温度を上昇させるため、共振器内の位相状態が変化する。具体的には、注入する電流が増加すると発振波長は長波長側にシフトする。したがって、変調動作時において発振波長を特定の波長に固定するためには、半導体レーザの共振器内の位相（波長）シフトを補償する必要がある。

そのような波長シフトを補償する方法の一例が、特開２００２−４３６９８号公報に記載されている。すなわち、活性領域、位相調整領域およびＤＢＲ領域を有する３電極ＤＢＲ半導体レーザと、光導波路型ＳＨＧデバイスとを組み合わせたＳＨＧレーザの駆動において、活性領域と位相調整領域に印加する電流または電圧を相補的（Complementary）、すなわち逆位相で動作させる。それにより、発振波長の安定性を保持しながら半導体レーザ光を変調することが可能となり、結果として高調波光出力を安定に変調できる。

図１に示したコヒーレント光源の構成においても、活性領域４と位相調整領域５の二電極構造の半導体レーザを用いるので、同様の駆動方法を適用できる。すなわち、図６に示したように、動作電流Ｉｐと位相電流Ｉｐｈを逆位相の関係とすることにより、発振波長シフトを抑制することができる。変調動作時おいても発振波長をＳＨＧデバイスの位相整合波長許容幅内に維持することにより、光ディスクなどで要望されるランダムな変調波形においても、矩形の変調波形特性が得られる。

（実施の形態３）
本発明のコヒーレント光源において、位相調整領域を有する二電極半導体レーザと、ＤＢＲ領域が形成されたＳＨＧデバイスは、必ずしも直接光結合している必要はない。実施の形態３におけるコヒーレント光源は、図７に示すように、二電極半導体レーザ２とＳＨＧデバイス３が、直接光結合していない例である。

二電極半導体レーザ２とＳＨＧデバイス３は、光ファイバー１６およびレンズ１７ａ、１７ｂおよびにより光結合している。二電極半導体レーザ２とＳＨＧデバイス３の構造は、実施の形態１に示したものと同様である。また、実質的な動作も、実施の形態１の場合と同様である。このように、特性にあまり悪影響を与えない範囲において、レンズや光ファイバーを用いて光学的に結合することができる。

以上の実施の形態では、光導波路デバイスとして光導波路型ＳＨＧデバイスを用いた例について説明したが、ＳＨＧデバイスではない光導波路デバイスを用いる場合に、本発明を適用して同様の効果を得るようにすることができる。例えば、波長多重通信などで必要とされる波長可変ＤＢＲ半導体レーザの代替として、二電極半導体レーザと、ＤＢＲ領域を有する光導波路デバイスの組み合わせによるコヒーレント光源を構成して、良好な特性を得ることができる。この場合も、半導体レーザの作製方法が簡素化されるため、実用的に大きな効果が期待できる。

以上のように、二電極半導体レーザと、ＤＢＲ領域を有する光導波路デバイスから構成されるコヒーレント光源では、二電極半導体レーザが通常の窓構造ファブリペロー型レーザと同様に、３電極ＤＢＲ半導体レーザの作製プロセスよりも簡素化されているため、高い歩留まり、低コストなどが期待できる。また上述のように、二電極半導体レーザの位相調整領域により、安定な波長可変および変調特性を実現でき、光導波路デバイスを集積化したコヒーレント光源としては、その実用的効果が大きい。

以上の実施の形態に用いる二電極半導体レーザとしては、位相調整領域の活性層が無秩序化された構成のものについて説明したが、必ずしも活性層が無秩序化されている必要はない。例えば、位相調整領域のみを高抵抗化することにより、発振しきい値を増大させて、同様の機能を得ることができる。すなわち、この場合でも、電流注入により位相調整領域の屈折率を変化させることができるため、無秩序化させた位相調整領域と同様の機能が得られる。また、電流注入と共にバンドギャップが大きくなり、徐々に損失が低減するため、パルス発振および変調動作させることも可能である。したがって、無秩序化させた位相調整領域とは違った効果を得ることができる。

本発明のコヒーレント光源は、安定した特性のＤＢＲ領域を得ることが容易で、その結果、半導体レーザの安定な波長制御、変調制御を可能とし、また、ＤＢＲ領域を半導体レーザ上に形成する必要がないため、低コストで安定であるため、第２高調波発生の基本波発生用の波長可変な半導体レーザ等に好適である。

本発明の実施の形態１におけるコヒーレント光源を示す断面図 同コヒーレント光源を構成する二電極半導体レーザの例を示す断面図 同二電極半導体レーザの構造の詳細を示す斜視図 図１のコヒーレント光源を構成するＳＨＧデバイスを示す断面図 （ａ）は通常の半導体レーザの波長可変特性を示す図、（ｂ）は実施の形態１における二電極半導体レーザの波長可変特性を示す図 実施の形態２におけるコヒーレント光源の駆動方法を示す波形図 本発明の実施の形態３におけるコヒーレント光源を示す断面図 従来例の３電極構造のＤＢＲ半導体レーザを示す断面図 従来例の３電極構造のＤＢＲ半導体レーザを詳細に示す斜視図

符号の説明

１ Ｓｉサブマウント
２ 二電極半導体レーザ
３ ＳＨＧデバイス
４ 活性領域
５ 位相調整領域
６ 光導波路
７ ＤＢＲ領域
８ 活性層
９ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０ａ ｎ側電極
１０ｂ ｐ側電極
１１ 基板
１２ 周期的分極反転領域
１３ ＤＢＲグレーティング
１４ Ｔａ₂Ｏ₅膜
１５ 薄膜ヒーター
１６ 光ファイバー
１７ａ、１７ｂ レンズ
２０ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
２１ 第一クラッド層
２２ 第二クラッド層
２３ 第一光ガイド層
２４ 第二光ガイド層
２５ 第三クラッド層
２６ 電流ブロック層
２７ 第四クラッド層
２８ａ 活性領域コンタクト層
２８ｂ 位相調整領域コンタクト層
３０ ｎ−ＧａＡｓ基板
３１ ｎ−ＧａＡｓバッファ層
３２ 第一クラッド層
３３ 活性層
３４ 第二クラッド層
３５ 第一光ガイド層
３６ グレーティング
３７ 第二光ガイド層
３８ 第三クラッド層
３９ 電流ブロック層
３９ａ ストライプ状の窓
４０ 第四クラッド層
４１ａ 活性領域コンタクト層
４１ｂ 位相調整領域コンタクト層
４１ｃ ＤＢＲ領域コンタクト層
４２ａ ｎ側電極
４２ｂ ｐ側電極
４３ 活性領域
４４ 位相調整領域
４５ ＤＢＲ領域

Claims (13)

1. 電流注入により発光する活性層を有する活性領域、および前記活性層に連続して配置され電流注入により屈折率変化を生じる層を有する位相調整領域が設けられた二電極半導体レーザと、分布ブラッグ反射器（以下、ＤＢＲと略す）領域が形成された光導波路デバイスとを備え、
   前記二電極半導体レーザから出射したレーザ光が前記光導波路デバイスの光導波路に光学的に結合されるように構成され、前記二電極半導体レーザから出射したレーザ光の一部分は前記ＤＢＲ領域により反射し前記二電極半導体レーザに光帰還して、発振波長がロックされることを特徴とするコヒーレント光源。
2. 前記二電極半導体レーザの出射端面と前記光導波路デバイスの入射端面が対向しており、前記二電極半導体レーザから出射したレーザ光が、前記光導波路デバイスの光導波路に直接光結合する請求項１に記載のコヒーレント光源。
3. 前記二電極半導体レーザから出射したレーザ光が、前記光導波路デバイスの光導波路に、光ファイバーを介して光結合する構成を有する請求項１に記載のコヒーレント光源。
4. 前記位相調整領域は、前記活性領域の活性層と連続し、かつ無秩序化された活性層を有し、電流注入によるレーザ発振が生じず屈折率変化が生じる請求項１に記載のコヒーレント光源。
5. 前記光導波路デバイスが、第２高調波発生を利用した波長変換デバイスである請求項１に記載のコヒーレント光源。
6. 前記位相調整領域には電極が形成され、前記電極を介して電流または電圧を印加することにより、前記二電極半導体レーザの共振器内部の位相状態が変化する請求項１に記載のコヒーレント光源。
7. 前記ＤＢＲ領域が、前記半導体レーザ側の出射端面に実質的に隣接して配置されている請求項２に記載のコヒーレント光源。
8. 前記二電極半導体レーザの端面部に、活性層が無秩序化された非活性領域が形成され、前記非活性領域には電流が注入されないように構成された請求項１に記載のコヒーレント光源。
9. 前記波長変換デバイスの位相整合波長と、前記ＤＢＲ領域のＤＢＲ波長との波長差が２ｎｍ以下である請求項５に記載のコヒーレント光源。
10. 動作温度範囲において、前記波長変換デバイスの位相整合波長が、前記ＤＢＲ領域のＤＢＲ波長よりも長波長側にある請求項５に記載のコヒーレント光源。
11. 前記光導波路デバイスが、光変調器である請求項１に記載のコヒーレント光源。
12. 請求項１に記載のコヒーレント光源の駆動方法において、前記ＤＢＲ領域および前記位相調整領域に注入する電流及び電圧を同時に変化させることにより、前記半導体レーザの発振波長を連続的に可変とすることを特徴とするコヒーレント光源の駆動方法。
13. 請求項１に記載のコヒーレント光源の駆動方法において、前記活性領域および前記位相調整領域に注入する電流及び電圧を逆位相で変化させることにより、前記半導体レーザの出力を強度変調することを特徴とするコヒーレント光源の駆動方法。

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