JP2006019541A

JP2006019541A - 波長可変半導体モード同期レーザ

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Publication number: JP2006019541A
Application number: JP2004196248A
Authority: JP
Inventors: Jun Miyatsu; 純宮津; Shinji Matsuo; 慎治松尾; Toru Segawa; 徹瀬川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2004-07-02
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-07-02
Also published as: JP4444742B2

Abstract

【課題】光スペクトル強度のばらつきを抑え、正確に中心波長を選択可能な波長可変半導体モード同期レーザを提供する。
【解決手段】所定の波長域に対して利得を有する半導体利得部１と、電圧又は電流を加えることにより前記波長域に対する光吸収係数又は光利得係数が変化する半導体光変調器部２と、半導体利得部１と半導体変調器部２とを挟むように２箇所に配設され、グレーティングを有するＤＢＲ部３、４とが同一基板上に形成されており、ＤＢＲ部３、４のグレーティングの周期が位置の関数として変化するチャープトグレーティングからなり、且つ、グレーティングの結合係数を入射光の進行方向に沿って徐々に増加させ、ＤＢＲ部３、４の中心付近で最も大きくし、その後徐々に減少させるアポダイゼーションが施された波長可変半導体モード同期レーザ。
【選択図】図４

Description

本発明は、波長可変半導体モード同期レーザに関し、例えば、光パルスの繰り返し周波数と中心波長を、所定の範囲内で独立に、且つ、正確に制御したい場合に有用である。

波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信システムの多チャンネル化に伴い、多波長を同時に発振可能な多波長光源として、波長可変モード同期レーザヘの期待が高まっている。

従来のチャープトグレーティングを用いた波長可変モード同期レーザにおいては、ファイバあるいは半導体導波路に作製されたチャープトグレーティングを用いて、共振器長に波長依存性を持たせることにより縦モード間隔が波長依存性を有するが、共振器内に設けられた光変調器部あるいは利得部へ直接加えられる変調周波数と共振器の縦モード間隔が一致するような波長が中心波長として選択されるため、変調周波数を変化させることで中心波長を変化させることが可能となる（例えば、非特許文献１、２、３参照）。

J. Yu, D. Huhse, M. Schell, M. Schulze, D. Bimberg, J. A. R. Williams, L. Zhang, and I. Bennion, "Fourier-transform-limited 2.5ps light pulses with electrically tunable wavelength(15nm) by hybridly modelocking a semiconductor laser in a chirped Bragggrating fibre external cavity," Electron. Lett., vol. 31, pp. 2008-2009, 1995. S. Li and K. T. Chan, "Electrical wavelength-tunable actively mode-locked fiber ring laser with a linearly chirped fiber Bragg grating," IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 10, pp. 799-801, 1998. K. Sato, H. Ishii, I. Kotaka, Y. Kondo, and M. Yamamoto, "Frequency Range Extension of Actively Mode-Locked Lasers Integrated with Electroabsorption Modulators Using Chirped Gratings," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron, vol. 3, no. 2, pp. 250-252, 1997.

このような場合、中心波長を変化させるには変調周波数を変化させなければならないことから、中心波長と変調周波数を独立に制御することは困難であったが、２個のチャープトグレーティングを用い、それぞれのグレーティング領域の屈折率を変化させる手段を持たせることで、変調周波数および中心波長を独立に制御でき、且つ、中心波長の可変域を大きくすることが、原理的には可能となる。しかしながら、このような構成を有する波長可変半導体モード同期レーザにおいても、２個のチャープトグレーティングにおける反射率及び有効長にリップル（変動）があるため、光スペクトル強度にばらつきがあり、且つ、正確に中心波長を選択することが困難であった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、光スペクトル強度のばらつきを抑え、正確に中心波長を選択可能な波長可変半導体モード同期レーザを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明に係る波長可変半導体モード同期レーザは、次の点を特徴とする。

１）所定の波長域に対して利得を有する半導体利得部と、電圧又は電流を加えることにより前記波長域に対する光吸収係数又は光利得係数が変化する半導体光変調器部と、グレーティングを有する分布ブラッグ反射器部（以降、ＤＢＲ部と呼ぶ）とが同一基板上に形成された波長可変半導体モード同期レーザにおいて、
前記ＤＢＲ部が前記半導体利得部と前記半導体変調器部を挟むように２箇所に配設されるとともに、いずれのＤＢＲ部もそのグレーティングの周期が位置の関数として変化するチャープトグレーティングからなり、且つ、グレーティングの結合係数を入射光の進行方向に沿って徐々に増加させ、ＤＢＲ部の中心付近で最も大きくし、その後徐々に減少させる、いわゆる、アポダイゼーションが施されていることを特徴とする。

２）１）記載の波長可変半導体モード同期レーザにおいて、
ＤＢＲ部に施されたアポダイゼーションが、グレーティングにおける凹凸の大きさを変化させることにより実現されることを特徴とする。

３）２）記載の波長可変半導体モード同期レーザにおいて、
ＤＢＲ部を、導波路の側面に垂直にグレーティングを形成する垂直グレーティングを用いて、所謂、垂直グレーティング型ＤＢＲとして、凹凸の大きさを変化させることを特徴とする。

４）１）記載の波長可変半導体モード同期レーザにおいて、
ＤＢＲ部に施されたアポダイゼーションが、単位長さあたりの凹凸の数を変化させることにより実現されることを特徴とする。

５）１）記載の波長可変半導体モード同期レーザにおいて、
ＤＢＲ部に施されたアポダイゼーションが、グレーティングの周期とグレーティングの凸部の長さの比を変化させることにより実現されることを特徴とする。

本発明によれば、分布ブラッグ反射器部のチャープトグレーティングにアポダイゼーションを施すことにより、光スペクトル強度のばらつきを抑え、正確に中心波長を選択可能な波長可変半導体モード同期レーザが実現可能となる。

本発明に係る波長可変半導体モード同期レーザは、半導体利得部と、半導体光変調部と、これらの半導体利得部と半導体変調部とを挟むように２カ所に配設されたＤＢＲ部とを備え、このＤＢＲ部がチャープトグレーティングからなり、さらに、グレーティングの結合係数が入射光の進行方向に沿って徐々に変化し、ＤＢＲ部の中心付近で最も大きくなる、所謂、アポダイゼーションが施されたものである。
以下、本発明に係る実施形態を図面に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る波長可変半導体モード同期レーザの基本構成を示す概略の構造図である。
図１に示すように、本発明に係る波長可変半導体モード同期レーザは、所定の波長域に対して利得を有する半導体利得部（以降、利得部と略す）１と、電圧を加えることにより前記波長域に対する光吸収係数が増大する半導体光変調器部（以降、変調器部と略す）２と、グレーティングを有する分布ブラッグ反射器部（以降、ＤＢＲ部と呼ぶ）３、４とを同一の半導体基板上に形成したものであり、ＤＢＲ部３、４が利得部１と変調器部２を挟むように２箇所に配設されている。これらの両端面には無反射膜５、６が配設されている。なお、変調器部２は、電流を加えることにより所定の波長域に対する光利得係数が変化するものでもよい。

ＤＢＲ部３、４では、グレーティングの周期が位置の関数として変化するチャープトグレーティングとなっている。具体的には、一方のＤＢＲ部３では、その端面側へ行くに従いグレーティングの周期が減少するように構成されたチャープトグレーティングよりなり、他方のＤＢＲ部４では、その端面側に行くに従いグレーティングの周期が増大するように構成されたチャープトグレーティングよりなっている。このようなチャープトグレーティングは、例えば、一方のＤＢＲ部３では、一定の負の位相シフトを複数挿入するとともに、位相シフトの挿入間隔をその端面側へ行くに従い減少するように構成することで形成され、他方のＤＢＲ部４では、一定の正の位相シフトを複数挿入するとともに、位相シフトの挿入間隔をその端面側へ行くに従い減少するように構成することで形成できる。

さらにＤＢＲ部３、４では、グレーティングの結合係数を入射光の進行方向に沿って徐々に増加させ、ＤＢＲ部３、４の中心付近で最も大きくし、その後徐々に減少させるアポダイゼーションが施されている。具体的には、グレーティングにおける凹凸の大きさを入射光の進行方向に沿って徐々に増加させ、ＤＢＲ部３、４の中心付近で最も大きくし、その後徐々に減少させること、或いは、単位長さあたりの凹凸の数を入射光の進行方向に沿って徐々に増加させ、ＤＢＲ部の中心付近で最も多くし、その後徐々に減少させること、などにより実現される。

図２は、アポダイゼーションを施した場合と施さない場合の、チャープトグレーティングにおける反射率及び有効長の波長依存性の計算例である。有効長はグレーティングの実効的な長さを表しており、有効長の波長依存性は、後述する共振器長の波長依存性と対応している。図２から明らかなように、アポダイゼーションを施すことにより、チャープトグレーティングにおける反射率及び有効長のリップルが著しく低減されることがわかる。

図３（ａ）は、アポダイゼーションを施したチャープトグレーティングを用いて共振器を構成した場合のミラー損失と縦モード間隔の波長依存性の計算例であり、図３（ｂ）は、アポダイゼーションを施さないチャープトグレーティングを用いて共振器を構成した場合のミラー損失と縦モード間隔の波長依存性の計算例である。

ミラー損失及び縦モード間隔は次式のように表される。
ミラー損失：α_DBR＝（１／Ｌ_act）ｌｎ（１／（Ｒ₁Ｒ₂）^1/2）（１）
縦モード間隔：Δｆ＝ｃ／２ｎ_gＬ（２）
ここでＬ_actは利得領域の長さ、Ｒ₁Ｒ₂は２つのＤＢＲ部における反射率の積、ｃは光速、ｎ_gは群屈折率、Ｌは共振器長である。Ｒ₁Ｒ₂及びＬは波長依存性を有するため、ミラー損失、及び、縦モード間隔も波長依存性を有している。

図３（ａ）、（ｂ）の１５３５ｎｍから１５６５ｎｍの波長域においては、ミラー損失がほぼ一定値をとることから、前記波長域においては変調器部にかける変調周波数と縦モード間隔が一致するような波長が中心波長として選択される。例えば、図３（ａ）では、変調周波数を２５．５ＧＨｚとすると、中心波長は約１５５０ｎｍとなる。一方、図３（ｂ）では、変調周波数を２５．５ＧＨｚとすると、チャープトグレーティングにおける有効長のリップルの影響により、選択される波長が約１５５０ｎｍの周辺に不規則に複数存在することから、光スペクトル強度のばらつきが顕著に現れ、且つ、中心波長を正確に選択することもできない。

以上を踏まえると、チャープトグレーティングにアポダイゼーションを施すことにより、光スペクトル強度のばらつきを抑え、正確に中心波長を選択可能な波長可変半導体モード同期レーザが実現可能となる。

図４は、本発明の実施形態に係る波長可変半導体モード同期レーザの一例を示す概略の構造図である。これは、本実施例の波長可変半導体モード同期レーザを、基板に垂直上方から見た概略である。本実施例では、１．５５μｍ波長帯、変調周波数が２５ＧＨｚ前後のモード同期レーザの例を示すが、半導体の組成比あるいは組成を変えることにより波長帯を変えること、又、共振器の長さを変えることにより変調周波数帯を変えることは容易である。

本実施例の波長可変半導体モード同期レーザは、図１に示した構成、具体的には、利得部１と、変調器部２と、利得部１と変調器部２とを挟むように２箇所に配設されたＤＢＲ部３、４を有し、ＤＢＲ部３、４が、アポダイゼーションを施したチャープトグレーティングからなっている。具体的には、ＤＢＲ部３、４は、導波路の側面に垂直にグレーティングが形成される垂直グレーティング型ＤＢＲとされており、そのグレーティングの凹凸の大きさを変化させることで、アポダイゼーションが実現されている。

利得部１は、井戸層がInGaAs又はInGaAsP、障壁層がInGaAsPの多重量子井戸よりなり、そのフォトルミネッセンス波長は１．５５μｍ近傍である。変調器部２及びＤＢＲ部３、４は、井戸層がInGaAs又はInGaAsP、障壁層がInGaAsPの多重量子井戸よりなり、そのフォトルミネッセンス波長は１．４９μｍ近傍である。

利得部１はリッジ導波路とされ、長さは約１０００μｍである。変調器部２及びＤＢＲ部３、４はハイメサ導波路とされ、変調器部２の長さは１００μｍ、ＤＢＲ部３の長さは３３０μｍ、ＤＢＲ部４の長さは５００μｍである。導波路幅を徐々に変化させるテーパをリッジ導波路及びハイメサ導波路、あるいはどちらか一方に施すことによって、リッジ導波路とハイメサ導波路の結合効率を高めることが可能である。ここでは利得部１をリッジ導波路としたが、埋め込み導波路としてもよい。又、変調器部２をハイメサ導波路としたが、リッジ導波路あるいは埋め込み導波路としてもよい。

ＤＢＲ部３には、図４に示すように、負の位相シフト７、８、９を多数挿入することにより、その端面側へ行くに従い、グレーティングの周期が減少するよう構成されており、そのチャープ率は１．１５ｎｍ／（１００μｍ）である。ここでチャープ率はＤＢＲ部において、１００μｍあたりのグレーティングの周期の変化量に換算して表した。ＤＢＲ部４には、正の位相シフト１０、１１、１２を多数挿入することにより、その端面側へ行くに従いグレーティングの周期が増大するよう構成されており、そのチャープ率は０．７３ｎｍ／（１００μｍ）である。

又、ＤＢＲ部３、４は、グレーティングの凹凸の大きさを変化させることにより、結合係数κが次式に従うよう変化させ、アポダイゼーションを実現した。
κ＝κ₀ｓｉｎ（πｚ／Ｌ）（３）
ここでκ₀は結合係数の最大値、ｚは光の入射側からの距離、ＬはＤＢＲの長さであり、κ₀は８０ｃｍ^-1とした。結合係数の変調関数は、上記三角関数以外でもＤＢＲ部の中心が最大となるようなガウス関数、Ｓｉｎｃ関数等でもよい。

次に波長可変特性について述べる。
図５にミラー損失及び共振器の縦モード間隔の波長依存性を示す。図５（ａ）はＤＢＲ部３、４への電流注入を行なわない場合、図５（ｂ）はＤＢＲ部３へ電流注入を行い、ＤＢＲ部３の屈折率が０．３％程度小さくなった場合、図５（ｃ）はＤＢＲ部４へ電流注入を行い、ＤＢＲ部４の屈折率が０．３％程度小さくなった場合である。

変調器部２へ２５ＧＨｚの変調周波数をかけると、ＤＢＲ部３、４への電流注入を行なわない場合は、図５（ａ）より中心波長は約１５４６ｎｍとなり、ＤＢＲ部３へ電流注入を行った場合は、図５（ｂ）より中心波長は約１５５７ｎｍとなり、ＤＢＲ部４へ電流注入を行った場合は図５（ｃ）より中心波長は約１５３０ｎｍとなる。この場合、リップルの影響は見られず、２５〜３０ｎｍの波長域に渡って中心波長を正確に変化させることが可能である。

光スペクトル特性についても、アポダイゼーションを施さない場合とは異なり、ある特定の縦モード間隔をもつ波長が複数存在するようなことがないため、中心波長から波長が離れるに従って一様に強度が減少していくような、ばらつきのない光スペクトルが得られる。

図６は、本発明の実施形態に係る波長可変半導体モード同期レーザの他の一例を示す概略の構造図である。これは、本実施例の波長可変半導体モード同期レーザの断面概略図を示すものである。本実施例も実施例１と同様、１．５５μｍ波長帯、変調周波数が２５ＧＨｚ前後のモード同期レーザの例を示す。

本実施例の波長可変半導体モード同期レーザも、図１に示した構成、つまり、利得部１と、変調器部２と、利得部１と変調器部２とを挟むように２箇所に配設されたＤＢＲ部３、４を有し、ＤＢＲ部３、４が、アポダイゼーションを施したチャープトグレーティングからなっている。具体的には、ＤＢＲ部３、４に施されたアポダイゼーションは、単位長さあたりの凹凸の数を変化させることにより実現されている。

利得部１、変調器部２、ＤＢＲ部３、４は半絶縁性InP埋め込み構造とし、長さは利得部１が１０００μｍ、変調器部２が１００μｍ、ＤＢＲ部３が３３０μｍ、ＤＢＲ部４が５００μｍである。ここでは導波路は埋め込み導波路としたが、リッジ導波路としてもよい。

ＤＢＲ部３には、図６に示すように、負の位相シフト７、８、９を多数挿入することにより、その端面側へ行くに従いグレーティングの周期が減少するよう構成されており、そのチャープ率は１．１５ｎｍ／（１００μｍ）である。ＤＢＲ部４には、正の位相シフト１０、１１、１２を多数挿入することにより、その端面側へ行くに従いグレーティングの周期が増大するよう構成されており、そのチャープ率は０．７３ｎｍ／（１００μｍ）である。又、ＤＢＲ部３、４には、図６に示すようなグレーティングのない部分１３、１４を挿入し、単位長さあたりのグレーティングの凹凸の数を変化させることにより、結合係数κが、実効的に式（３）に従うよう変化させ、アポダイゼーションを実現した。なお、結合係数の最大値κ₀は、実施例１と同様、８０ｃｍ^-1とした。

上記条件にて、波長可変半導体モード同期レーザを構成し、実施例１の図５と同様に波長依存性を調べたところ、波長可変特性及び光スペクトル特性については、本実施例においても実施例１と同様の特性が得られた。

図７は、本発明の実施形態に係る波長可変半導体モード同期レーザの更なる他の一例を示す構造図である。これは、本実施例の波長可変半導体モード同期レーザにおけるＤＢＲ部の構成、具体的には、アポダイゼーションの概要を説明するためのものである。

本実施例の波長可変半導体モード同期レーザは、上記実施例２とＤＢＲ部以外は同様の構造である。従って、ここでは、重複する説明を省略し、本実施例の特徴点について、主に説明する。

図７では、光の入射位置から端面方向への向きをｚの正の方向として、図７（ａ）はグレーティングの概略形状を示し、図７（ｂ）は領域Ａ１〜Ａ６毎の屈折率の平均値を示し、図７（ｃ）は領域Ａ１〜Ａ６毎の結合係数の平均値を表している。図７に示すように、本実施例の波長可変半導体モード同期レーザでは、ＤＢＲ部３、４において、グレーティングの周期とグレーティングの凸部の長さの比を変化させることにより、ＤＢＲ部３、４に施すアポダイゼーションを実現している。ここで、結合係数をκ、グレーティングのピッチをΛ、図７（ａ）のグレーティングの凸部Ａ７〜Ａ１２の長さをＷとすると、κとΛとＷの間には次のような関係がある。
κ∝ｓｉｎ（πＷ／Λ）（４）

例えば、Ｗ／Λを、領域Ａ１〜Ａ６でそれぞれ、２／１４、１２／１４、４／１４、１０／１４、６／１４、８／１４などとすることにより、図７（ｃ）に示したように、領域Ａ１とＡ２、領域Ａ３とＡ４、領域Ａ５とＡ６は、それぞれ結合係数κは同じ値になり、且つ、式（４）から明らかなように、位置の変化に伴い、κは式（３）に従うように変化をするため、アポダイゼーションが実現されていることがわかる。

ここでは、図７（ｂ）に示したように、屈折率は大小を繰り返しているが、このことによって、領域Ａ１とＡ２、領域Ａ３とＡ４、領域Ａ５とＡ６で、平均した屈折率は同一の値をとっており、屈折率の分布に伴うグレーティングの実効的な周期の変化を回避している。

本発明の実施形態に係る波長可変半導体モード同期レーザの基本構成を示す概略図である。アポダイゼーションを施した場合と施さない場合の、チャープトグレーティングにおける反射率及び有効長の波長依存性の計算例である。（ａ）はアポダイゼーションを施したチャープトグレーティングを用いて共振器を構成した場合のミラー損失と縦モード間隔の波長依存性の計算例であり、（ｂ）はアポダイゼーションを施さないチャープトグレーティングを用いて共振器を構成した場合のミラー損失と縦モード間隔の波長依存性の計算例である。本発明の実施形態に係る波長可変半導体モード同期レーザの一例（実施例１）を示す概略図である。実施例１の波長可変半導体モード同期レーザのミラー損失と縦モード間隔の波長依存性を示すグラフである。（ａ）はＤＢＲ部３、４への電流注入を行なわない場合、（ｂ）はＤＢＲ部３へ電流注入を行い、ＤＢＲ部３の屈折率が０．３％程度小さくなった場合、（ｃ）はＤＢＲ部４へ電流注入を行い、ＤＢＲ部４の屈折率が０．３％程度小さくなった場合である。本発明の実施形態に係る波長可変半導体モード同期レーザの他の一例（実施例２）を示す概略図である。本発明の実施形態に係る波長可変半導体モード同期レーザの更なる他の一例（実施例３）を示し、アポダイゼーションの概要を説明する図である。（ａ）はグレーティングの概略形状、（ｂ）は領域Ａ１〜Ａ６毎の屈折率の平均値、（ｃ）は領域Ａ１〜Ａ６毎の結合係数の平均値である。

符号の説明

１半導体利得部
２半導体光変調器部
３、４ＤＢＲ部（分布ブラッグ反射器部）
５、６無反射膜
７、８、９負の位相シフト
１０、１１、１２正の位相シフト
１３、１４グレーティングのない部分

Claims

所定の波長域に対して利得を有する半導体利得部と、電圧又は電流を加えることにより前記波長域に対する光吸収係数又は光利得係数が変化する半導体光変調器部と、グレーティングを有する分布ブラッグ反射器部とが同一基板上に形成された波長可変半導体モード同期レーザにおいて、
前記分布ブラッグ反射器部が前記半導体利得部と前記半導体変調器部を挟むように２箇所に配設されると共に、いずれの前記分布ブラッグ反射器部もそのグレーティングの周期が位置の関数として変化するチャープトグレーティングからなり、且つ、グレーティングの結合係数を入射光の進行方向に沿って徐々に増加させ、前記分布ブラッグ反射器部の中心付近で最も大きくし、その後徐々に減少させるアポダイゼーションが施されていることを特徴とする波長可変半導体モード同期レーザ。
請求項１記載の波長可変半導体モード同期レーザにおいて、
前記分布ブラッグ反射器部に施されたアポダイゼーションが、グレーティングにおける凹凸の大きさを変化させることにより実現されることを特徴とする波長可変半導体モード同期レーザ。
請求項２記載の波長可変半導体モード同期レーザにおいて、
前記分布ブラッグ反射器部を、導波路の側面に垂直にグレーティングを形成する垂直グレーティングを用いて、凹凸の大きさを変化させることを特徴とする波長可変半導体モード同期レーザ。
請求項１記載の波長可変半導体モード同期レーザにおいて、
前記分布ブラッグ反射器部に施されたアポダイゼーションが、単位長さあたりの凹凸の数を変化させることにより実現されることを特徴とする波長可変半導体モード同期レーザ。
請求項１記載の波長可変半導体モード同期レーザにおいて、
前記分布ブラッグ反射器部に施されたアポダイゼーションが、グレーティングの周期とグレーティングの凸部の長さの比を変化させることにより実現されることを特徴とする波長可変半導体モード同期レーザ。