JP2004273644A - Semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザに関し、より詳細には、波長多重光ネットワークにおいて波長可変幅の大きい波長可変レーザに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、通信用の光源としては、主にDFB(distributed Feedback;分布帰還型)レーザが用いられてきたが、近年、波長多重通信(WDM;Wavelength Division multiplexing)システムの発展にともない、発振波長を可変できる波長可変光源が求められるようになった。通信用の波長可変レーザとしては、以下の図1に示すようなDBR型レーザが知られている(例えば、非特許文献1参照)。
【0003】
図1は、従来のDBRレーザを示す断面図で、図中符号101は半導体基板、102は利得を有する活性層、103は導波路コア、104は分布ブラッグ反射器(DBR;Distributed Bragg Reflector)、105は活性層電極、106はDBR制御用電極、107は裏面電極、108は反射防止膜、109は導波路端面を示している。
【0004】
活性層102に連続して形成された導波路コア103には、周期的な摂動が形成され、分布ブラッグ反射器(DBR)104を構成している。この分布ブラッグ反射器104の端面には、反射防止膜108が形成されている。DBRレーザでは端面10と活性層102とDBR104により構成されるキャビティで発振し、その発振波長は、活性層102とDBR104と導波路端面109により構成されるキャビティの共振器長による縦モード波長のうちの一つがDBR104のブラッグ波長により選択されて決定される。
【0005】
DBRレーザにおける発振波長の可変機構は、以下のように説明される。つまり、DBR制御用電極106からDBR104へ制御電流IDBRを注入すると、導波路コア103の屈折率が変化する。このとき、DBR104の等価屈折率が変化するため、DBRのブラッグ波長が変化する。また、屈折率変化に伴い実効的に共振器長が変化するため、縦モード波長も変化する。縦モード波長とブラッグ波長は、電流注入に伴って共に短波にシフトするため、電流注入に伴って発振波長は短波長側にシフトする。ただし、DBR104への制御電流IDBRに対する感度は、ブラッグ波長の方が敏感で、より短波にシフトするため、注入電流の増加にともないブラッグ波長と選択されている縦モードとのずれが大きくなる。
【0006】
したがって、DBR104への制御電流IDBRが増加するにつれ、最初は連続的に発振波長が短波へシフトするが、縦モード波長の変化がブラッグ波長の変化に追従できなくなると、隣の縦モードに発振が跳ぶ(モードホップ)。このDBRレーザのモードホップ現象を図2に示す。DBRレーザには、原理的に発振不可能な波長帯が存在する。また、連続的に波長変化が可能な波長帯は連続波長可変幅と呼ばれ、連続波長可変幅の広いものが要求される。
【0007】
DBRレーザ連続波長可変幅の拡大には、2つの方法がある。この2つの方法については、以下に説明する。
上述したように、DBRレーザの発振波長は、ブラッグ波長と共振器の縦モードとの関係で決定される。連続波長可変幅の拡大のための第1の方法は、共振器の縦モード間隔を拡げることである。隣の縦モードまでの周波数(または波長)間隔が広くなれば、隣の縦モードまでモードホップするために必要なブラッグ波長と縦モードのずれが大きくなるため、連続的に波長変化できる領域が拡大される。縦モード間隔を広げる最も一般的な方法は、活性領域長を短縮することである。したがって、連続波長可変幅の拡大のための第1の方法としては、活性領域長を短縮することがあげられる。
【0008】
図3は、従来の他のDBRレーザを示す断面図で、連続波長可変幅を拡大するための第2の方法を説明するための図である。図中符号401は半導体基板、402は利得を有する活性層、403は導波路コア、404は分布ブラッグ反射器(DBR)、405は活性層電極、406はDBR制御用電極、407は裏面電極、408は反射防止膜、409は導波路端面、410は利得を有しない導波路コア(位相制御領域)、411は位相制御用電極を示している。
【0009】
活性層402とDBR404の間に導波路コア410を設け、DBR制御電流IDBRに加えて、さらに位相制御電流IPCにより伝播光の位相を調整してモードホップを回避する方法である。活性層402に連続して形成された導波路コア403には周期的な摂動が形成され、DBR404を構成している。DBR404の端面には、反射防止膜408が形成されている。導波路端面409は、反射ミラーとして作用する。導波路コア410で位相制御領域を形成している。伝播光の位相調整を行うため、厳密には連続波長可変幅の拡大ではないが、擬似的に広帯域の連続波長シフトが可能である。
【0010】
しかし、その場合には、波長の制御項目は、DBR制御電流IDBRと位相制御電流IPCの2つとなり、それらを同時にかつ複雑に制御しなくてはならない。実際の使用時には、DBR注入電流IDBRと位相制御電流IPCに対する波長マップをもとに波長制御を行わなくてはならず、そのため制御が難しいという問題があった。また、信頼性の観点からは、素子の劣化により、DBR制御電流IDBRおよび位相制御電流IPCの電流注入条件の変化を予想することは難しく実用化における問題となっている。
【0011】
図1に示すような位相制御領域を持たない構造の波長可変DBRレーザは、その制御の簡便で、素子が時間的に劣化しても波長のオンライン観察による電流値へのフィードバックが可能であり、劣化への対応が容易であるため、理想的なDBRレーザであるが、以下に挙げるような問題がある。
【0012】
【非特許文献1】
池上徹彦監修、土屋治彦、三上修編著、「半導体フォトニクス工学」(コロナ社)ISBN4−339−00623−8、1995年、306ページ
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
連続波長可変幅の広く、かつ位相調整を行わないDBRレーザにおいて、活性領域を短縮化するため、その分、単位長さあたりに要求される利得は倍増する。また、波長シフト時、すなわち、DBR電流注入時は、DBR領域の導波路増大に伴い実効的な反射率が低下し、閾値利得は1〜2桁上昇し、さらに光出力の低下も問題となる。すなわち、波長シフト時に利得不足によって途中で発振が停止し、発振しても利得飽和により低出力となるため、実用化そのものが困難となっている。
【0014】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、モードホップが無く、制御が容易で波長可変域が大きく、素子劣化へ対応が容易である半導体レーザを提供することにある。
【0015】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、波長選択性を有する利得領域(502)と、利得および波長選択性を有しない導波路領域(503)と、利得を有しない反射領域(509)とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段(506)を備えていることを特徴とする。(図4に示す実施例1に相当)
【0016】
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記利得領域(502)が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第1の利得を有する回折格子(510)を備えていることを特徴とする。
【0017】
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載の発明において、前記反射領域(509)が、ミラーにより形成されていることを特徴とする。
【0018】
また、請求項4に記載の発明は、波長選択性を有する利得領域(602)と、利得および波長選択性を有しない第1の導波路領域(603)と、利得を有しない第2の導波路領域(609)とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段(606)を備えていることを特徴とする。(図6に示す実施例2に相当)
【0019】
また、請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記利得領域(602)が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第1の利得を有する回折格子(613)を備えていることを特徴とする。
【0020】
また、請求項6に記載の発明は、請求項4又は5に記載の発明において、前記第2の導波路領域(609)が、周期構造を有する回折格子(614)により形成されていることを特徴とする。
【0021】
また、請求項7に記載の発明は、波長選択性を有する第1の利得領域(702)と、利得および波長選択性を有しない導波路領域(703)と、波長選択性を有する第2の利得領域(709)とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段(706)を備えていることを特徴とする。(図7に示す実施例3に相当)
【0022】
また、請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の発明において、前記第1の利得領域(702)が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第1の利得を有する回折格子(713)を備え、前記第2の利得領域(709)が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第2の利得を有する回折格子(714)を備えていることを特徴とする。
【0023】
また、請求項9に記載の発明は、請求項2,5又は8に記載の発明において、前記第1の利得を有する回折格子(510,613,713)又は前記第2の利得を有する回折格子(714)の結合係数が300cm−1よりも大きいことを特徴とする。
【0024】
また、請求項10に記載の発明は、請求項1乃至9いずれかに記載の発明において、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段として、導波路の少なくともコアまたはクラッドの一部に電流を注入もしくは電圧を印加するための電極(506,606,706)が設けられていることを特徴とする。
【0025】
また、請求項11に記載の発明は、請求項1乃至10いずれかに記載の発明において、前記導波路領域の長さが10μmよりも短いことを特徴とする。
【0026】
本発明は、このような構成により、モードホップが無く、広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを得ることができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
図4は、本発明に係る半導体レーザの実施例1を示す断面図で、図中符号501は半導体基板、502は利得を有する活性層、503は利得を有しない導波路コア、504は分布ブラッグ反射器(DBR)、505は活性層電極、506は位相制御用電極(光学的実効長を変化させるための手段)、507は裏面電極、508は反射防止膜、509は導波路端面、510は回折格子を示している。
【0028】
この実施例1による半導体レーザは、波長選択性を有する活性層(利得領域)502と、利得および波長選択性を有しない有しない導波路コア(導波路領域)503と、利得を有しない反射領域(導波路端面)509とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路コア503の光学的実効長を変化させるための位相制御用電極506を備えている。
【0029】
また、活性層502が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第1の利得を有する回折格子510を備えている。この第1の利得を有する回折格子510の結合係数は、300cm−1よりも大きいように構成されている。
【0030】
また、導波路端面509が、波長選択性を有しない反射ミラーを構成していて、位相制御用電極506は、導波路の少なくともコアまたはクラッドの一部に電流を注入もしくは電圧を印加するための電極であり、導波路コア503の長さは、10μmよりも短いように構成されている。
【0031】
また、活性層502には周期的な摂動が形成され、DBR504を構成している。DBR504の端面には、反射防止膜508が形成されている。導波路端面509は、反射ミラーとして作用する。導波路端面509と利得を有しない導波路コア503と活性層502を含むDBR504により構成されるキャビティで発振する。一般的に利得を有するDBR構造を含む素子としては、いわゆる、DFBレーザが挙げられるが、DFBレーザでは利得を有するDBR構造のみでキャビティを構成するのに対し、本発明の半導体レーザは、DBRのみでは発振せず、利得を有しない導波路コア503を経て導波路端面509で反射された光が、再びDBR504に入射するフィードバックがあることにより初めて発振することができる点で根本的に発振原理がDFBレーザとは異なっている。
【0032】
本発明の半導体レーザにおいて、利得を有するDBR504の結合係数、長さ、および利得を有しない導波路コア503の長さの関係は、次のように設定する。すなわち、DBR504の長さは、DBRのみでは発振しない長さとし、導波路コア503の長さは、DBR504の実効長と利得を有しない導波路コア503の長さの和により決定される共振器長で、決定される縦モード間隔がDBR504のストップバンド幅よりも広くなるような長さとする。
【0033】
以下に、その発振原理および発振波長について詳細に説明する。
活性層502を含むDBR504は、波長選択性と光学利得をあわせもつ。従って、利得を有するDBR(反射領域)504では、ある特定の波長の光のみが増幅される。増幅される波長は、DBR504のBragg波長を中心とし、波長帯域は、DBR504のストップバンド幅で決定される。本実施例では、DBR504の結合係数kを300cm−1、長さを70μmに設定したため、ストップバンド幅は約10nm、DBR504の実効長は約30μmであった。発振波長は、活性層502を含むDBR504と利得を有しない導波路コア503と導波路端面509とにより構成されるキャビティの共振器長による縦モード波長のうちの一つがDBR504のブラッグ波長により選択され決定される。縦モード間隔は
【0034】
【数1】
【0035】
で与えられる。ここで、λ0は発振波長、neffは波長分散を考慮した実効屈折率、LeffはDBRの実効長、Lpは利得を有しない導波路コア503の長さである。本実施例1では利得を有しない導波路コア503の長さLpを10μmとした。その結果縦モード間隔は、発振波長が約1.55μm、実効屈折率が約3.5であることを考慮すると(1)式より約11.5nmとなり、縦モード間隔がストップバンド幅よりも広くなっていることがわかる。発振波長は前述のとおり、幅広いストップバンドの中に含まれる、キャビティの共振器長による縦モード波長で生じる。縦モード間隔がストップバンド幅よりも広いため、ストップバンド内には縦モードは一本しか存在しない。この様子を図5に示す。図5において、実線は利得を有するDBRの反射率、細い破線はキャビティの縦モードの透過スペクトルを示している。発振波長は、図中の一点鎖線で示される、ストップバンドと縦モードが一致した点λ0で行われる。
【0036】
波長チューニングは次のように行われる。利得を有しない導波路コア503に制御電流を注入すると、導波路コアの屈折率が変化する。そのため、導波路コア503の実効的光学長が変化し、縦モードの波長および間隔が変化する。この様子を図5の太い破線で示す。その結果、発振波長は、図5の実線と太い破線のピークが一致した点、すなわちλ1にシフトする。共振器長により決定される縦モード間隔がストップバンド幅よりも広いために、ストップバンドと縦モード波長が一致する点は一点しかなく、これが電流注入により連続的に変化するので、発振は必ずこのストップバンドと縦モード波長が一致する点で生じ、モードホップすることはない。したがって、この半導体レーザの連続波長可変幅は、ストップバンド幅により決定される。すなわち、本実施例1の場合、ストップバンド幅は約10nmであり、連続可変幅は約10nmが得られる。
【0037】
本実施例1で用いる活性層502の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本実施例1の構成をとることにより、上述した説明のような効果が期待できる。すなわち、活性層に関しては、InGaAsP、GaAs、AlGaAs、InGaAs、GaInNAs等任意の材質について適用が可能であり、活性層の構造に関してもバルク、MQW、量子細線、量子ドットを問わず、また、活性層領域の導波路構造に関してもpn埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもn型基板に限定されるものではなく、p型、半絶縁型などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【0038】
また、周期的摂動は、活性層502上の直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造(SCH構造)のSCH層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成しても全く同様な効果が期待できる。
【0039】
[実施例2]
図6は、本発明に係る半導体レーザの実施例2を示す断面図で、図中符号601は半導体基板、602は利得を有する活性層、603は利得を有しない導波路コア、604は分布ブラッグ反射器(DBR)、605は活性層電極、606は位相制御用電極(光学的実効長を変化させるための手段)、607は裏面電極、608は反射防止膜、609は利得を有しない導波路コア、610は分布ブラッグ反射器(DBR)、611はブラッグ波長制御用電極、612は反射防止膜、613,614は回折格子を示している。
【0040】
この実施例2による半導体レーザは、波長選択性を有する活性層(利得領域)602と、利得および波長選択性を有しない第1の導波路コア(導波路領域)603と、利得を有しない導波路コア(導波路領域)609とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路コアの光学的実効長を変化させるための位相制御用電極606を備えている。
【0041】
また、活性層602が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第1の利得を有する回折格子613を備えている。さらに、第2の導波路コア609は、周期構造を有する回折格子614により形成されていて、反射領域となっている。
【0042】
また、活性層602には周期的な摂動が形成され、DBR604を構成している。DBR604の端面には、反射防止膜608が形成されている。利得を有しない導波路コア609は、周期的な摂動が形成されてDBR610を形成している。ブラッグ波長制御用電極611は、必要に応じてDBR604と610の反射波長を一致させるために、あるいは言い方を変えれば反射スペクトルにおけるストップバンドに重なりを持たせるために用いる。ただし、DBR604と610のブラッグ波長をほぼ一致させ、DBR604と610のストップバンドに重なりがあるように作製すれば、または、より具体的には、DBR604と610がお互いの反射スペクトルのストップバンドの少なくとも一部が重なり合う様に、そのBragg波長および結合係数が設定されていればブラッグ波長制御用電極611は必ずしも必要ではない。
【0043】
動作原理ならびに波長チューニング原理は、レーザのキャビティが利得を有しないDBR610と利得を有しない導波路コア603と活性層602を含むDBR604とにより構成されることを除けば、図4に示した実施例1と同様である。ただし、縦モード間隔はDBR610,604の実効長をそれぞれLeff 1,Leff 2として
【0044】
【数2】
【0045】
で与えられ、波長可変帯域は両側に存在するDBR604と610のストップバンドの重なりの幅で決定されることになる。
【0046】
本実施例2の場合も、活性層602の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本実施例2の構成をとることにより、上述した説明のような効果が期待できる。すなわち、活性層に関しては、InGaAsP、GaAs、AlGaAs、InGaAs、GaInNAs等任意の材質について適用が可能であり、活性層の構造に関してもバルク、MQW、量子細線、量子ドットを問わず、また、活性層領域の導波路構造に関してもpn埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもn型基板に限定されるものではなく、p型、半絶縁型などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【0047】
また、周期的摂動は活性層602上の直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造(SCH構造)のSCH層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成しても全く同様な効果が期待できる。
【0048】
[実施例3]
図7は、本発明に係る半導体レーザの実施例3を示す断面図で、図中符号701は半導体基板、702は利得を有する第1の活性層、703は利得を有しない導波路コア、704は分布ブラッグ反射器(DBR)、705は活性層電極、706は位相制御用電極(光学的実効長を変化させるための手段)、707は裏面電極、708は反射防止膜、709は利得を有する第2の活性層、710は分布ブラッグ反射器(DBR)、711は活性層電極、712は反射防止膜、713,714は回折格子を示している。
【0049】
この実施例3による半導体レーザは、波長選択性を有する第1の活性層(利得領域)702と、利得および波長選択性を有しない導波路コア(導波路領域)703と、波長選択性を有する第2の活性層(利得領域)709とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路コアの光学的実効長を変化させるための位相制御用電極706を備えている。
【0050】
また、第1の活性層702が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第1の利得を有する回折格子713を備え、第2の活性層709が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第2の利得を有する回折格子714を備えている。
【0051】
また、活性層702には周期的な摂動が形成され、DBR704を構成している。DBR704の端面には、反射防止膜708が形成されている。利得を有する活性層709は、周期的な摂動が形成されてDBR710を形成している。利得を有するDBR704および710は、お互いの反射スペクトルのストップバンドの少なくとも一部が重なり合う様に、そのBragg波長および結合係数が設定されている。
【0052】
動作原理ならびに波長チューニング原理は、レーザのキャビティが活性層709を含むDBR710と利得を有しない導波路コア703と活性層702を含むDBR704とにより構成されることを除けば、図4に示した実施例1と同様である。ただし、縦モード間隔はDBR710,704の実効長をそれぞれLeff 1,Leff 2として(2)式で与えられ、波長可変帯域は両側に存在するDBR704と710のストップバンドの重なりの幅で決定されることになる。
【0053】
本実施例3の場合も、活性層702,709の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本実施例3の構成をとることにより、上述した説明のような効果が期待できる。すなわち、活性層に関しては、InGaAsP、GaAs、AlGaAs、InGaAs、GaInNAs等任意の材質について適用が可能であり、活性層の構造に関してもバルク、MQW、量子細線、量子ドットを問わず、また、活性層領域の導波路構造に関してもpn埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもn型基板に限定されるものではなく、p型、半絶縁型などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【0054】
また、周期的摂動は活性層702,709上に直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造(SCH構造)のSCH層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成しても全く同様な効果が期待できる。
【0055】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、波長選択性を有する利得領域と、利得および波長選択性を有しない導波路領域と、利得を有しない反射領域とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段を備えているので、モードホップなく広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを提供することができる。
【0056】
また、波長選択性を有する利得領域と、利得および波長選択性を有しない第1の導波路領域と、利得および波長選択性を有しない第2の導波路領域とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段を備えているので、モードホップなく広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを提供することができる。
【0057】
さらに、波長選択性を有する第1の利得領域と、利得および波長選択性を有しない導波路領域と、波長選択性を有する第2の利得領域とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段を備えているので、モードホップなく広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のDBRレーザを示す断面図である。
【図2】DBRレーザのモードホップ現象を示す図である。
【図3】従来の他のDBRレーザを示す断面図である。
【図4】本発明に係る半導体レーザの実施例1を示す断面図である。
【図5】本発明の実施例1の動作原理を説明するための図で、DBRの反射スペクトルと縦モードスペクトルの関係を示した図である。
【図6】本発明に係る半導体レーザの実施例2を示す断面図である。
【図7】図7は、本発明に係る半導体レーザの実施例3を示す断面図である。
【符号の説明】
101 半導体基板
102 利得を有する活性層
103 導波路コア
104 分布ブラッグ反射器(DBR)
105 活性層電極
106 DBR制御用電極
107 裏面電極
108 反射防止膜
109 導波路端面
401 半導体基板
402 利得を有する活性層
403 導波路コア
404 分布ブラッグ反射器(DBR)
405 活性層電極
406 DBR制御用電極
407 裏面電極
408 反射防止膜
409 導波路端面
410 利得を有しない導波路コア(位相制御領域)
411 位相制御用電極
501 半導体基板
502 利得を有する活性層
503 利得を有しない導波路コア
504 分布ブラッグ反射器(DBR)
505 活性層電極
506 位相制御用電極(光学的実効長を変化させるための手段)
507 裏面電極
508 反射防止膜
509 導波路端面
510 回折格子
601 半導体基板
602 利得を有する活性層
603 利得を有しない導波路コア
604 分布ブラッグ反射器(DBR)
605 活性層電極
606 位相制御用電極(光学的実効長を変化させるための手段)
607 裏面電極
608 反射防止膜
609 利得を有しない導波路コア
610 分布ブラッグ反射器(DBR)
611 ブラッグ波長制御用電極
612 反射防止膜
613,614 回折格子
701 半導体基板
702 利得を有する活性層
703 利得を有しない導波路コア
704 分布ブラッグ反射器(DBR)
705 活性層電極
706 位相制御用電極(光学的実効長を変化させるための手段)
707 裏面電極
708 反射防止膜
709 利得を有する活性層
710 分布ブラッグ反射器(DBR)
711 活性層電極
712 反射防止膜
713,714 回折格子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly, to a tunable laser having a large tunable width in a wavelength division multiplexing optical network.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a distributed feedback (DFB) laser has been mainly used as a light source for communication. However, in recent years, with the development of a wavelength division multiplexing (WDM) system, the oscillation wavelength has been changed. There has been a demand for a wavelength tunable light source that can. As a wavelength tunable laser for communication, a DBR laser as shown in FIG. 1 below is known (for example, see Non-Patent Document 1).
[0003]
FIG. 1 is a sectional view showing a conventional DBR laser, in which
[0004]
A periodic perturbation is formed in a
[0005]
The mechanism for changing the oscillation wavelength in the DBR laser is described as follows. That is, the control current I flows from the
[0006]
Therefore, the control current I to
[0007]
There are two methods for expanding the DBR laser continuous wavelength variable width. These two methods will be described below.
As described above, the oscillation wavelength of the DBR laser is determined by the relationship between the Bragg wavelength and the longitudinal mode of the resonator. A first method for increasing the continuous wavelength variable width is to increase the longitudinal mode interval of the resonator. If the frequency (or wavelength) interval to the next longitudinal mode becomes wider, the difference between the Bragg wavelength and the longitudinal mode required for mode hopping to the next longitudinal mode becomes larger, thus expanding the region where the wavelength can be continuously changed. Is done. The most common way to increase the longitudinal mode spacing is to reduce the active area length. Therefore, a first method for increasing the continuous wavelength variable width is to shorten the active region length.
[0008]
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another conventional DBR laser, and is a view for explaining a second method for expanding the continuous wavelength variable width. In the figure,
[0009]
A
[0010]
However, in that case, the control item of the wavelength is the DBR control current IDBRAnd the phase control current IPCWhich must be controlled simultaneously and in a complicated manner. In actual use, the DBR injection current IDBRAnd the phase control current IPCWavelength control must be performed on the basis of the wavelength map corresponding to this, and there is a problem that control is difficult. From the viewpoint of reliability, the DBR control current IDBRAnd the phase control current IPCIt is difficult to predict a change in the current injection condition of the above, which is a problem in practical use.
[0011]
The wavelength tunable DBR laser having no phase control region as shown in FIG. 1 is simple to control, and even if the element is deteriorated with time, it is possible to feed back the current value by online observation of the wavelength, Although it is an ideal DBR laser because it can easily cope with deterioration, it has the following problems.
[0012]
[Non-patent document 1]
Edited by Tetsuhiko Ikegami, edited by Haruhiko Tsuchiya and Osamu Mikami, "Semiconductor Photonics Engineering" (Corona) ISBN4-339-00623-8, 1995, p.306.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In a DBR laser having a wide continuous wavelength variable width and not performing phase adjustment, the gain required per unit length is doubled in order to shorten the active region. Also, at the time of wavelength shift, that is, at the time of DBR current injection, the effective reflectivity decreases as the waveguide in the DBR region increases, the threshold gain increases by one or two digits, and the optical output also decreases. . That is, when the wavelength shifts, the oscillation stops halfway due to lack of gain, and even if it oscillates, the output becomes low due to gain saturation, making practical use itself difficult.
[0014]
The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor laser that has no mode hop, is easy to control, has a large tunable range, and can easily cope with element deterioration. Is to do.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the present invention provides a gain region having wavelength selectivity (502) and a waveguide region having no gain and wavelength selectivity (503). And a reflection region (509) having no gain are connected in series with respect to the traveling direction of light, and a means (506) for changing the optical effective length of the waveguide region is provided. It is characterized by the following. (Corresponding to Example 1 shown in FIG. 4)
[0016]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the gain region (502) includes a gain medium having a gain in a core of the waveguide, and forms a core or a clad of the waveguide. And a diffraction grating having a first gain in which at least one of the thickness and the width of the medium to be changed is periodically changed.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect, the reflection area (509) is formed by a mirror.
[0018]
In addition, the invention according to claim 4 provides a gain region having wavelength selectivity, a first waveguide region having no gain and wavelength selectivity, and a second waveguide region having no gain. The waveguide region (609) is connected in series with the traveling direction of light, and includes a means (606) for changing the optical effective length of the waveguide region. . (Corresponding to Example 2 shown in FIG. 6)
[0019]
According to a fifth aspect of the present invention, in the fourth aspect of the present invention, the gain region (602) includes a gain medium having a gain in a core of the waveguide, and forms a core or a clad of the waveguide. And a diffraction grating (613) having a first gain in which at least one of the thickness and the width of the medium to be changed is periodically changed.
[0020]
According to a sixth aspect of the present invention, in the fourth or fifth aspect, the second waveguide region (609) is formed by a diffraction grating (614) having a periodic structure. Features.
[0021]
The invention according to claim 7 provides a first gain region having wavelength selectivity (702), a waveguide region having no gain and wavelength selectivity (703), and a second gain region having wavelength selectivity. The gain region (709) is connected in series with the traveling direction of light, and includes means (706) for changing the optical effective length of the waveguide region. . (Corresponding to Example 3 shown in FIG. 7)
[0022]
The invention according to claim 8 is the invention according to claim 7, wherein the first gain region (702) includes a gain medium having a gain in a core of the waveguide, and A diffraction grating (713) having a first gain in which at least one of a thickness and a width of a medium constituting the cladding is periodically changed, and the second gain region (709) is provided with a gain medium having a gain. Is included in the core of the waveguide, and a diffraction grating (714) having a second gain in which at least one of a thickness and a width of a medium forming the core or the cladding of the waveguide is periodically changed is provided. It is characterized by.
[0023]
According to a ninth aspect of the present invention, in the second, fifth or eighth aspect, the diffraction grating having the first gain (510, 613, 713) or the diffraction grating having the second gain is provided. The coupling coefficient of (714) is 300 cm-1It is characterized by being larger than.
[0024]
According to a tenth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, at least one of a core and a clad of the waveguide is provided as means for changing the optical effective length of the waveguide region. An electrode (506, 606, 706) for injecting a current or applying a voltage to the portion is provided.
[0025]
The invention according to claim 11 is the invention according to any one of
[0026]
According to the present invention, with such a configuration, it is possible to obtain a wavelength tunable laser capable of obtaining a wide continuous wavelength tunable region without a mode hop.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Example 1]
FIG. 4 is a sectional view showing a first embodiment of a semiconductor laser according to the present invention. In the drawing,
[0028]
The semiconductor laser according to the first embodiment includes an active layer (gain region) 502 having wavelength selectivity, a waveguide core (waveguide region) 503 having no gain and wavelength selectivity, and a reflection region having no gain. (Waveguide end face) 509 are connected in series with respect to the traveling direction of light, and are provided with a
[0029]
Further, the
[0030]
Further, the
[0031]
Further, a periodic perturbation is formed in the
[0032]
In the semiconductor laser of the present invention, the relationship between the coupling coefficient and length of the
[0033]
Hereinafter, the oscillation principle and oscillation wavelength will be described in detail.
The
[0034]
(Equation 1)
[0035]
Given by Where λ0Is the oscillation wavelength, neffIs the effective refractive index taking into account wavelength dispersion, LeffIs the effective length of the DBR, LpIs the length of the
[0036]
Wavelength tuning is performed as follows. When a control current is injected into the
[0037]
There is no particular limitation on the structure of the
[0038]
Further, even if the periodic perturbation is not formed directly on the
[0039]
[Example 2]
FIG. 6 is a sectional view showing a second embodiment of the semiconductor laser according to the present invention. In the figure,
[0040]
The semiconductor laser according to the second embodiment includes an active layer (gain region) 602 having wavelength selectivity, a first waveguide core (waveguide region) 603 having no gain and wavelength selectivity, and a waveguide having no gain. A waveguide core (waveguide region) 609 is connected in series with the traveling direction of light, and includes a
[0041]
Further, the
[0042]
In addition, a periodic perturbation is formed in the
[0043]
The operating principle and the wavelength tuning principle are the same as those of the embodiment shown in FIG. 4 except that the laser cavity is constituted by the
[0044]
(Equation 2)
[0045]
The wavelength tunable band is determined by the overlap width of the stop bands of the
[0046]
Also in the case of the second embodiment, there is no particular restriction on the structure of the
[0047]
Even if the periodic perturbation is not formed directly on the
[0048]
[Example 3]
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the semiconductor laser according to the present invention. In the drawing,
[0049]
The semiconductor laser according to the third embodiment has a first active layer (gain region) 702 having wavelength selectivity, a waveguide core (waveguide region) 703 having no gain and wavelength selectivity, and a wavelength selectivity. The second active layer (gain region) 709 is connected in series with the light traveling direction, and has a
[0050]
Further, the first
[0051]
In addition, a periodic perturbation is formed in the
[0052]
The operating principle and the wavelength tuning principle are the same as those of the embodiment shown in FIG. Same as Example 1. However, the effective length of the
[0053]
Also in the case of the third embodiment, the structure of the
[0054]
Even if the periodic perturbation is not formed directly on the
[0055]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a gain region having wavelength selectivity, a waveguide region having no gain and wavelength selectivity, and a reflection region having no gain are connected in series with the traveling direction of light. And a means for changing the optical effective length of the waveguide region is provided, so that it is possible to provide a tunable laser capable of obtaining a wide continuous tunable region without mode hopping.
[0056]
Further, a gain region having wavelength selectivity, a first waveguide region having no gain and wavelength selectivity, and a second waveguide region having no gain and wavelength selectivity are formed in a light traveling direction. And a means for changing the optical effective length of the waveguide region, so that it is possible to provide a wavelength tunable laser capable of obtaining a wide continuous wavelength tunable region without mode hopping.
[0057]
Further, a first gain region having wavelength selectivity, a waveguide region having no gain and wavelength selectivity, and a second gain region having wavelength selectivity are connected in series in the light traveling direction. And a means for changing the optical effective length of the waveguide region, so that it is possible to provide a wavelength tunable laser capable of obtaining a wide continuous wavelength tunable region without mode hopping.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a conventional DBR laser.
FIG. 2 is a diagram illustrating a mode hop phenomenon of a DBR laser.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing another conventional DBR laser.
FIG. 4 is a sectional view showing Example 1 of the semiconductor laser according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining an operation principle of the first embodiment of the present invention, and is a diagram illustrating a relationship between a reflection spectrum of a DBR and a longitudinal mode spectrum.
FIG. 6 is a sectional view showing a second embodiment of the semiconductor laser according to the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a third embodiment of the semiconductor laser according to the present invention.
[Explanation of symbols]
101 semiconductor substrate
102 Active layer having gain
103 waveguide core
104 Distributed Bragg reflector (DBR)
105 Active layer electrode
106 DBR control electrode
107 Back electrode
108 Anti-reflective coating
109 Waveguide end face
401 semiconductor substrate
402 Active layer having gain
403 waveguide core
404 Distributed Bragg reflector (DBR)
405 Active layer electrode
406 DBR control electrode
407 Back electrode
408 Anti-reflective coating
409 Waveguide end face
410 Waveguide core without gain (phase control region)
411 Phase control electrode
501 semiconductor substrate
502 Active Layer with Gain
503 Waveguide core without gain
504 Distributed Bragg reflector (DBR)
505 Active layer electrode
506 Phase control electrode (means for changing optical effective length)
507 Back electrode
508 Anti-reflective coating
509 Waveguide end face
510 diffraction grating
601 Semiconductor substrate
602 Active layer having gain
603 Waveguide core without gain
604 Distributed Bragg reflector (DBR)
605 Active layer electrode
606 Phase control electrode (means for changing optical effective length)
607 Back electrode
608 Anti-reflective coating
609 Waveguide core without gain
610 Distributed Bragg reflector (DBR)
611 Bragg wavelength control electrode
612 Anti-reflective coating
613,614 diffraction grating
701 Semiconductor substrate
702 Active layer having gain
703 Waveguide core without gain
704 Distributed Bragg reflector (DBR)
705 Active layer electrode
706 Phase control electrode (means for changing optical effective length)
707 Back electrode
708 Anti-reflective coating
709 Active layer having gain
710 Distributed Bragg reflector (DBR)
711 Active layer electrode
712 Anti-reflective coating
713,714 diffraction grating
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