JP2007073819A

JP2007073819A - 半導体レーザおよび光送受信装置

Info

Publication number: JP2007073819A
Application number: JP2005260697A
Authority: JP
Inventors: Mitsunobu Gotoda; 光伸後藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2007-03-22

Abstract

【課題】反射戻り光に対する耐性を向上することのできる半導体レーザおよび光送受信装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ３０は、活性領域１０とＤＢＲ領域８とを有している。活性領域１０は、レーザ共振器を構成する活性層１１と、活性層１１に近接した複素結合回折格子７とを有している。ＤＢＲ領域８は、活性領域１０よりも出射側に設けられており、かつ波長選択性を有している。複素結合回折格子７は、ＤＢＲ領域８に隣接しており、かつ活性層１１の利得または損失と、屈折率との両方が周期的に変調するように調整されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体レーザに関し、より特定的には、光アイソレータなしでも反射戻り光に対する耐性を向上することのできる半導体レーザおよび光送受信装置に関する。

分布帰還型の半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）は、活性層内に回折格子が形成された半導体レーザである。ＤＦＢレーザにおいては、回折格子のピッチで決まる特定波長の光のみを発生させることができるので、単一モード発振を安定的に得ることができる。このため、ＤＦＢレーザは今日の光ファイバ通信システム用の光源として広く用いられている。

しかし、従来のＤＦＢレーザにおいては、出射された後に素子内部へ再び戻ってくる光（以下、反射戻り光）によって発振線幅が増大したり相対雑音強度が増大したりし、反射戻り光に対する耐性が低いという問題があった。ＤＦＢレーザを光ファイバに連結して光通信用途で使用する場合には、出射されたレーザ光の一部が光ファイバの分岐用または結合用の光学部品で反射されて素子内部へ戻ってくる。ＤＦＢレーザでは出射されるレーザ光のコヒーレンスが高いがゆえに、反射戻り光によって発振波長の変動や発振モードの不安定化などが特に起こりやすい。その結果、発振線幅が増大したり相対雑音強度が増大したりする。

反射戻り光の影響を受けないようにするために、ＤＦＢレーザの出力端に光アイソレータが配置されることもある。光アイソレータは光を一方向だけに透過する性質を有しているので、反射戻り光が素子内部へ入射することを防止することができる。

また、特許文献１および非特許文献１には、共振器内の出射端側の一部にのみ回折格子が形成された半導体レーザが開示されている。
特許第２５３６３９０号公報 Y.Huang, et al., "External optical feedback resistant characteristics in partially corrugated waveguide laser diodes ", ELECTRONICS LETTERS, vol.32, No.11, pp1008-1009, 23rd May 1996

しかしながら、ＤＦＢレーザの出力端に光アイソレータを配置する場合には、光アイソレータを新たな構成要素とする分だけ製造コストが増加し、また半導体レーザモジュールの構成が複雑化する。

また、非特許文献１のＦｉｇ．３を参照して、非特許文献１の半導体レーザでは、強度が０．０１％（１０^-4）以下である弱い反射戻り光に対しては通常のＤＦＢレーザよりも相対雑音強度（ＲＩＮ）が低減されているものの、強度が０．１％（１０^-3）以上である強い反射戻り光に対しては相対雑音強度が増大しており、通常のＤＦＢレーザと同等になっている。このように、特許文献１および非特許文献１の半導体レーザでは、強い反射戻り光に対してはＲＩＮが増大するので、反射戻り光に対する耐性が低いという問題があった。

したがって、本発明の目的は、反射戻り光に対する耐性を向上することのできる半導体レーザおよび光送受信装置を提供することである。

本発明の半導体レーザは、活性領域と受動反射鏡領域とを有している。活性領域は、レーザ共振器を構成する光導波路と、光導波路に近接した複素結合回折格子とを有している。受動反射鏡領域は、活性領域よりも出射側に設けられており、かつ波長選択性を有している。複素結合回折格子は、受動反射鏡領域に隣接しており、かつ光導波路の利得または損失と、屈折率との両方が周期的に変調するように調整されている。

本発明の半導体レーザおよび光送受信装置によれば、反射戻り光は受動反射鏡領域において外方へ反射されるのに加えて、複素結合回折格子の周期的な屈折率の変化の影響を受けて外方へ反射される。これにより、反射戻り光が活性領域へ到達し難くなる。また、複素結合回折格子の利得または損失の周期的な変化によって、半導体レーザから出射される出射光のモードが安定する。これにより、出射光のモードが反射戻り光によって乱され難くなる。その結果、反射戻り光に対する耐性を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における光送受信装置の構成の一例を示す図である。図１を参照して、光送受信装置は、半導体レーザ３０を内部に含む半導体レーザモジュール３０’と、電源３２と、光ファイバ３１とを備えている。電源３２は半導体レーザ３０の電極に電気的に接続されており、光ファイバ３１は半導体レーザ３０から発振される光を伝搬できるように半導体レーザ３０に光学的に接続されている。電源３２によって半導体レーザ３０の電極に電圧を印加すると、半導体レーザ３０から光が発振される。発振された光は光ファイバ３１を介して外部へ伝達される。また、光ファイバ３１を介して外部からの光が、半導体レーザ３０とは別に設けられた受光素子で受信されてもよい。

図２は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す概観図である。図３は、図２の半導体レーザにおけるレーザ共振器の長手方向の断面図（図２中のＩＩＩで表された面）である。

図２および図３を参照して、本実施の形態の半導体レーザ３０は、活性領域１０と、受動反射鏡領域としてのＤＢＲ（分布ブラッグ反射鏡）領域８とを備えている。ＤＢＲ領域８は活性領域１０の出射側（図３中左側）に隣接して配置されており、外部から素子内部へ進入する光に対して波長選択性を有している。活性領域１０におけるｐ型インジウム燐（ＩｎＰ）クラッド層５上には光導波路としての活性層１１が形成されており、活性層１１に近接して複素結合回折格子７が形成されている。複素結合回折格子７はＤＢＲ領域８に隣接して形成されている。活性層１１はレーザ共振器を構成している。また、ＤＢＲ領域８におけるｐ型ＩｎＰクラッド層５上には受動導波路９が形成されており、受動導波路９に近接して回折格子６が形成されている。受動導波路９は発振波長の光の吸収量が無視できる導波路である。活性層１１および受動導波路９の側面には電流を狭窄するための高抵抗ＩｎＰ電流閉じ込め層４が形成されている。複素結合回折格子７および回折格子６を埋め込むように、活性層１１および受動導波路９上にｎ型ＩｎＰクラッド層３が形成されている。さらに、ｎ型ＩｎＰクラッド層３上にはｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２が形成されている。

なお、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２およびｐ型ＩｎＰクラッド層５の各々にはｎ型電極２１およびｐ型電極２２の各々が取り付けられている。また、半導体レーザ３０における出射側の端面には低反射コーティング膜１２が形成されており、出射側とは反対側の端面には高反射コーティング膜１３が形成されている。

図４は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの共振器長方向における屈折率の分布および利得または損失の分布を示す図である。（ａ）は屈折率の分布を示す図であり、（ｂ）は利得または損失の分布を示す図である。図４（ａ）を参照して、ＤＢＲ領域８の回折格子６の屈折率および活性領域１０の複素結合回折格子７の屈折率は周期的に変調しているため、共振器長方向の屈折率は、ＤＢＲ領域８および出射側の活性領域１０において周期的に変化している。複素結合回折格子７の配置されていない活性領域１０においては、屈折率が一定になっている。図４（ｂ）を参照して、ＤＢＲ領域８の受動導波路９は利得および損失の両方が無視できるほど小さいので、ＤＢＲ領域の利得（または損失）はほぼゼロになっている。一方、活性領域１０の複素結合回折格子７は利得（または損失）が周期的に変化するので、出射側の活性領域１０の利得（または損失）は周期的に変化している。複素結合回折格子７の配置されていない活性領域１０においては、利得が一定になっている。

このように、複素結合回折格子７は、活性層１１の利得または損失と、屈折率との両方が周期的に変調するように調整されている。複素結合回折格子７は、たとえば活性層１１の厚みを変調したり、ｎ型ＩｎＰクラッド層３とは導電性の異なる回折格子層を埋め込んだりすることによって形成される。複素結合回折格子７は、結合係数と回折格子長との積を通常よりも小さめ（たとえば１程度）に調節されていることが好ましい。

なお、図４では、ＤＢＲ領域と活性領域との境界において屈折率が連続している場合について示したが、この境界において屈折率は連続していなくてもよい。また、出射側の活性領域１０において屈折率の位相と、利得または損失の位相とが一致する場合について示したが、これらの位相がずれていてもよい。

図２および図３を参照して、ＤＢＲ領域８の回折格子６の中心ブラッグ波長は、発振波長と一致していてもよく、また発振波長の主たる発振モードに隣接する縦モードと一致しない範囲で、発振波長とわずかに異なっていてもよい。中心ブラッグ波長における反射率は、たとえば２０％〜３０％の低い値であることが好ましい。ＤＢＲ領域８は、バットジョイント成長などの通常の通信用半導体レーザで採用されている作製プロセスによって精度良く作製することができる。また、ＤＢＲ領域８と活性領域１０との屈折率差やモード分布形状の差に関しては、適切なエピタキシャル層の設計によって小さくすることができる。これにより、ＤＢＲ領域８と活性領域１０との境界における出射光の反射量を小さくすることができる。

本実施の形態の半導体レーザは以下のように動作する。ｎ型電極２１およびｐ型電極２２の各々に電圧を印加することによって、ｎ型ＩｎＰクラッド層３およびｐ型ＩｎＰクラッド層５の各々から活性層１１にキャリアが注入される。これにより、活性層１１においてキャリアが結合して発光が起こる。活性層１１で発生した光は、複素結合回折格子７および回折格子６によって波長が規定されて、出射光Ｌ１として出射される。出射光Ｌ１はたとえば光ファイバ３１（図１）の内部を伝搬する。

本実施の形態の半導体レーザ３０およびこれを用いた光送受信装置によれば、反射戻り光に対する耐性を向上することができる。これについて以下に詳細に説明する。

反射戻り光Ｌ２の大部分は、回折格子６および複素結合回折格子７の屈折率成分によってブラッグ反射する。これにより、出射側端面を外部から見た場合の等価的な結合定数と回折格子長との積の値が、ＤＢＲ領域のみを形成した半導体レーザの倍以上に増大する。その結果、反射戻り光Ｌ２は、出射側端面に入射したときの強度のたとえば１０％以下まで減衰して活性領域１０に到達する。このように、反射戻り光Ｌ２は活性領域へ到達し難くなる。ここで、出射光Ｌ１は外部へ出射される前に回折格子６で一部が反射するために、ＤＢＲ領域を形成しない半導体レーザに比べてその強度が低下する。しかし、出射光Ｌ１の強度の低下分を補う量の反射戻り光Ｌ２の減少が得られるので、ＲＩＮを低減することができる。

また、複素結合回折格子を含まない半導体レーザにおける発振波長の波数ｋとモード伝搬係数βとの間には図５（ａ）のような関係があり、複素結合回折格子を含まない半導体レーザでは、発振が起こらない波数領域Ｉが通常存在している。この波数領域Ｉを禁止帯という。これにより、複素結合回折格子を含まない半導体レーザでは禁止帯Ｉの両端にある波数ｋ１およびｋ２の２つのモードで発振し得るため、戻り光量や戻り光位相によっては出射光の発振モードが不安定である。一方、本実施の形態のように複素結合回折格子を含む半導体レーザにおける発振波長の波数ｋとモード伝搬係数βとの間には、図５（ｂ）のような関係があり、図５（ａ）において禁止帯Ｉに相当する波数範囲でも発振が起こる。したがって、本実施の形態の半導体レーザは複素結合回折格子を含んでいるので、波数ω_0/ｃ近傍の１つのみの発振モードで発振し得るため、出射光の発振モードが安定する。これにより、出射光Ｌ１のモードが反射戻り光によって乱され難くなる。

特に、ＤＢＲ領域８の回折格子６のブラッグ波長を複素結合回折格子７のブラッグ波長と一致させれば、戻り光Ｌ２の影響を最小限に抑えることができる。

なお、受動反射鏡領域としてＤＢＲ領域が形成されることが好ましいが、受動反射鏡領域としてＤＢＲ領域の代わりに出射側端部に多層反射膜が形成されていてもよい。

また、本実施の形態ではｐ型ＩｎＰクラッド層５が下層に形成されており、かつｎ型ＩｎＰクラッド層３が上層に形成されている場合について示したが、ｐ型ＩｎＰクラッド層５が上層に形成されており、かつｎ型ＩｎＰクラッド層が下層に形成されていてもよい。

さらに、本実施の形態では出射側とは反対側の端面に高反射コーティング膜１３が形成されている場合について示したが、高反射コーティング膜１３が形成される代わりに、へき開した端面がそのまま使用されてもよい。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す断面図である。図７は本発明の実施の形態２における他の半導体レーザの構成を示す断面図であって、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面に相当する断面図である。図６および図７を参照して、本実施の形態の半導体レーザ３０は、実施の形態１の半導体レーザと比較して、活性領域とＤＢＲ領域との境界面の構造が異なっている。本実施の形態の半導体レーザ３０では、活性領域１０とＤＢＲ領域８との境界面Ｓ１が、レーザ共振器の長手方向を垂線とする面Ｓ（図２）に対して傾斜している（平行でない）。境界面Ｓ１は面Ｓに対してたとえば４５°傾斜している。図６の構成では境界面Ｓ１は上下方向で傾斜しており、図７の構成では境界面Ｓ１は左右方向（端部方向）で傾斜している。

なお、これ以外の半導体レーザ３０の構成は、実施の形態１の半導体レーザの構成とほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明は繰り返さない。

活性領域とＤＢＲ領域との境界において屈折率が急激に変化する場合には、境界で導波光が反射したり導波光の位相がずれたりすることがある。これに対して、本実施の形態の半導体レーザ３０によれば、活性領域１０とＤＢＲ領域８との境界において見かけの屈折率が徐々に変化するので、活性領域とＤＢＲ領域との境界での導波光の反射や導波光の位相のずれを抑止することができる。その結果、境界での反射が低減され、ＲＩＮの劣化を防止することができる。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明の実施の形態１における光送受信装置の構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す概観図である。図２の半導体レーザにおけるレーザ共振器の長手方向の断面図（図２中のＩＩＩで表された面）である。本発明の実施の形態１における半導体レーザの共振器長方向における屈折率の分布および利得または損失の分布を示す図である。（ａ）は屈折率の分布を示す図であり、（ｂ）は利得または損失の分布を示す図である。発振波長の波数ｋとモード伝搬係数βとの関係を示す図である。（ａ）は複素結合回折格子を含まない半導体レーザであり、（ｂ）は複素結合回折格子を含む半導体レーザである。本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す断面図である。本発明の実施の形態２における他の半導体レーザの構成を示す断面図であって、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う断面に相当する断面図である。

符号の説明

２ｎ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、３ｎ型ＩｎＰクラッド層、４高抵抗ＩｎＰ電流閉じ込め層、５ｐ型ＩｎＰクラッド層、６回折格子、７複素結合回折格子、８ＤＢＲ領域、９受動導波路、１０活性領域、１１活性層、１２低反射コーティング膜、１３高反射コーティング膜、２１ｎ型電極、２２ｐ型電極、３０半導体レーザ、３０’ 半導体レーザモジュール、３１光ファイバ、３２電源、Ｌ１出射光、Ｌ２反射戻り光、Ｓ，Ｓ１面。

Claims

レーザ共振器を構成する光導波路と、前記光導波路に近接した複素結合回折格子とを有する活性領域と、
前記活性領域よりも出射側に設けられ、かつ波長選択性を有する受動反射鏡領域とを備え、
前記複素結合回折格子は、前記受動反射鏡領域に隣接しており、かつ前記光導波路の利得または損失と、屈折率との両方が周期的に変調するように調整されていることを特徴とする、半導体レーザ。
前記受動反射鏡領域は分布ブラッグ反射鏡領域であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ。
前記活性領域と前記分布ブラッグ反射鏡領域との境界面は、前記レーザ共振器の長手方向を垂線とする面に対して傾斜していることを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ。
請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザを用いたことを特徴とする、光送受信装置。