JP2007157888A - 発振波長温度無依存半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成により発振波長の温度依存性を制御し、半導体と半導体以外の材料を組み合わせる場合の材料選択の自由度をあげるとともに、単一モード性に優れた半導体レーザの構造を提供する。
【解決手段】発振波長温度無依存半導体レーザを、波長選択性を有するＤＦＢ領域１０１と、ＤＦＢ領域１０１に光学的に結合され、実効的な屈折率の温度依存性がＤＦＢ領域１０１と異なる位相シフト領域１０２と、位相シフト領域１０２に光学的に結合され、位相シフト領域１０２から伝搬する光を位相シフト領域１０２へ反射させるＤＦＢ領域１０３とを備え、少なくともＤＦＢ領域１０１又は１０３のいずれか一方が、光が導波する半導体メサ１１３と、半導体メサ１１３の少なくとも一方の側面に配置され、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を有する有機材料１１４とにより構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、発振波長温度無依存半導体レーザに関し、詳しくは、レーザの発振波長の温度による変化量の調整に適用して好適なものである。

一般的に、半導体レーザの発振波長および閾値電流、出力効率は、周囲の温度および素子の温度に依存する。例えば、一般的な分布帰還（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ：ＤＦＢ）型レーザの発振波長の温度依存性は０．１ｎｍ／Ｋ程度である。これは、半導体の屈折率ｎが温度依存性を有し、これにより回折格子のブラッグ波長λ_Bが、
ｍλ_B＝２ｎΛ （１）
に従って変化するためである。ここで、ｍは回折の次数、Λは回折格子の周期である。

半導体レーザの材料として用いられるＩｎＰ系やＧａＡｓ系の半導体は、温度上昇に伴って屈折率ｎが大きくなるとともに、発振波長が長波長側へと変化していく。また通常、温度上昇に伴い閾値電流は大きくなり、出力効率は低下する。従って、ある一定の出力を得る場合、温度が上昇すると必要な電流値は大きくなる。

例えば、光ファイバ通信の光源として半導体レーザを用いる場合、特にいくつかの異なる波長の信号光を一本のファイバに多重化して伝送する波長分割多重通信（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）を行う場合など、信号光波長の精度が重要である場合には、発光源である半導体レーザの発振波長を安定化することが必要不可欠である。このため、例えば、ペルチェ素子を用いて温度制御を行う必要があるが、この場合、素子構造や制御の複雑化、消費電力の増加などが問題となる。

上述したペルチェ素子などによる温度制御を用いることなく発振波長の温度依存性を低減する方法は、大きく分類して以下の二つの方法が考えられる。例えば、特許文献１に示されるように、従来とは異なる、屈折率の温度依存性が小さい半導体材料を開発するなど、半導体のみの構成により温度依存性を低減する方法と、例えば、特許文献２に示されるように、半導体レーザと半導体以外の材料よりなる外部導波路を組み合わせた半導体レーザ、又は特許文献３に示される、半導体と、半導体とは逆の屈折率温度依存性を有する、半導体以外の材料とを交互に縦列接続した構成など、半導体と半導体以外の材料による複合構成により温度依存性を低減する方法である。

図６〜図８に基づいて、従来の半導体と、半導体とは逆の屈折率温度依存性を有する、半導体以外の第二の材料とを組み合わせる例について説明する。図６は従来の半導体レーザの構成を示す図、図７は図６に示す半導体レーザの反射スペクトルおよび反射波の位相特性を示す図、図８は図６に示す半導体レーザの発振波長の温度依存性の補償原理を説明する図である（例えば、特許文献４参照）。

図６（ａ）に示すように、半導体基板上に、波長選択性を持ち利得を有する第一のＤＦＢ領域００１、位相シフト領域００２、および波長選択性を持ち利得を有する第二のＤＦＢ領域００３が設けられている。

第一および第二のＤＦＢ領域００１，００３は、ＩｎＰ基板００５上に積層された、ＧａＩｎＡｓＰからなる上部および下部分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層００６，００７に挟まれたＧａＩｎＡｓＰ活性層００８で構成されるコア層００９と、ＩｎＰクラッド層０１０とからなる。さらに、上部ＳＣＨ層００７を周期的に加工しＩｎＰで埋め込むことにより、回折格子が形成されている。また、上下に電流注入を行うための電極０１１，０１２が形成されている。図６（ｂ）に示すように、第一のＤＦＢ領域００１の光導波路に垂直な断面は、半導体０１３を幅Ｗのメサ形状にして、ＩｎＰ埋め込み層０１４により埋め込む構造となっている。なお、図６（ｂ）に示す構成は第二のＤＦＢ領域００３にも適用される。

また、位相シフト領域００２は、ＩｎＰ基板００５上に積層された、例えばポリイミドなどの有機材料からなるクラッド層０１５とコア層０１６から構成されている。図６（ｃ）に示すように、位相シフト領域００２の光導波路に垂直な断面は、コア層０１６をそれよりも屈折率の低いクラッド層０１５により囲みこむ構造となっている。

図６に示す、半導体と、半導体とは逆の屈折率温度依存性を有する、半導体以外の第二の材料とを組み合わせる方法としては、結合係数の大きい回折格子、すなわち反射帯域の広い回折格子を備えた分布帰還型レーザにおいて、中央部、すなわち位相シフト領域００２を例えば有機材料で構成することにより、発振波長の温度依存性を低減させている。

位相シフト領域００２がない、もしくは位相シフト領域００２を光が通過する際の位相遅れがない場合、第一の利得領域００１および第二の利得領域００２の位相遅れの和が０又は２πの整数倍、すなわち、第一の利得領域００１および第二の利得領域００３の位相遅れが０またはπであるとき、その波長は共振モードとなる。一方、位相シフト領域００２を光が通過する際に位相変化が生じる場合、これに応じて共振モードは、共振器全体での位相遅れが０または２πとなるようにストップバンドの間で変化する。

第一のＤＦＢ領域００１および第二のＤＦＢ領域００３においては、周囲温度が上昇すると屈折率も上昇するため、図７に示す反射スペクトルは全体的に長波長側へ移動し、位相シフト領域００２においては、コア層０１６が半導体とは逆の屈折率の温度依存性を有するため、周囲温度が上昇すると発振波長はストップバンド（ＳＢ）内を長波長側から短波長側へと移動する。

このため、図８に示すように、第一のＤＦＢ領域００１および第二のＤＦＢ領域００３での温度変化によるブラッグ波長の変動を、シフト領域００２での温度変化による位相の変動で補償することが可能となり、半導体レーザの発振波長の温度依存性を制御することができる。図８から、温度が上昇すると、回折格子のブラッグ波長λ_Bは長波長側にシフトするが、発振波長は変化しないことがわかる。

特開平１１−８４３２号公報 特開２００２−１９０６４３号公報 特開２００２−１４２４７号公報 ＷＯ ２００４／０８８８０号公報

しかしながら、屈折率の温度依存性が小さい半導体材料を用いることで、半導体のみの構成により温度依存性を低減する方法は、これまでに実用化された新材料の報告はなく、新しい半導体を開発することは、結晶成長や素子形成上、非常に困難であるという問題があった。

また、半導体と、半導体以外の材料とを組み合わせる方法では、光軸調整が必要ないなど、出来るだけ簡便に組み合わせできることが望ましく、さらに、半導体基板上に有機材料をスピンコートするなど、簡便な作成法であったとしても、例えば、半導体と有機材料を交互に縦列接続して分布反射器を構成するような場合、優れた特性の得られる一次の回折格子を作成するためには、半導体と有機材料を１／４波長程度の長さで交互に並べる必要があり、加工の難易度および信頼性に大きな問題があった。

さらに、図６に示したＤＦＢレーザの位相シフト領域００２を有機材料で構成する方法の場合、温度変化による半導体の屈折率変化の補償量を大きくとるために有機材料の導波路の長さを長くすると、共振器内で位相条件が満たされる縦モードの数が増加し、多モード発振してしまうという欠点があった。これにより、単一モード性を保ったまま使用できる材料を制限されるか、もしくは、発振波長の温度無依存化が可能な温度範囲が狭くなるなどの問題があった。

そこで、本発明は、簡単な構成により発振波長の温度依存性を制御し、半導体と半導体以外の材料を組み合わせる場合の材料選択の自由度をあげるとともに、単一モード性に優れた半導体レーザの構造を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の請求項１に係る発振波長温度無依存半導体レーザは、波長選択性を有する利得領域と、前記利得領域に光学的に結合され、実効的な屈折率の温度依存性が前記利得領域と異なる位相シフト領域と、前記位相シフト領域に光学的に結合され、前記位相シフト領域から伝搬する光を前記位相シフト領域へ反射させる反射領域とを備え、少なくとも前記利得領域又は前記反射領域のいずれか一方が、光が導波する半導体メサと、該半導体メサの少なくとも一方の側面に配置された半導体とは逆の屈折率の温度依存性を有する材料とにより構成されていることを特徴とする。

本発明の請求項２に係る発振波長温度無依存半導体レーザは、請求項１記載の発振波長温度無依存半導体レーザにおいて、前記反射領域が波長選択性を有する利得領域であることを特徴とする。

本発明の請求項３に係る発振波長温度無依存半導体レーザは、請求項１記載の発振波長温度無依存半導体レーザにおいて、前記反射領域が波長選択性を有し利得を有しない反射領域であることを特徴とする。

本発明の請求項４に係る発振波長温度無依存半導体レーザは、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発振波長温度無依存半導体レーザにおいて、前記波長選択性が回折格子によるものであることを特徴とする。

本発明の請求項５に係る発振波長温度無依存半導体レーザは、請求項４記載の発振波長温度無依存半導体レーザにおいて、前記回折格子の結合係数が１５０ｃｍ^-1であることを特徴とする。

本発明の請求項６に係る発振波長温度無依存半導体レーザは、請求項４又は請求項５記載の発振波長温度無依存半導体レーザにおいて、前記回折格子のストップバンド内には、縦モードが一つのみ存在することを特徴とする。

本発明の請求項７に係る発振波長温度無依存半導体レーザは、請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の発振波長温度無依存半導体レーザにおいて、前記波長選択性を有し利得を有しない反射領域に電流注入することによって屈折率を制御する構成であることを特徴とする。

上述した本発明に係る発振波長温度無依存半導体レーザよれば、利得領域又は反射領域又はその両方が、光の導波する半導体メサと、半導体と逆の屈折率温度依存性を有する材料とから構成されているため、利得領域（反射領域）における反射帯域の温度依存性が従来よりも小さくなり、そのため、位相シフト領域における補償量を低減することができる。これにより、位相シフト領域の長さを短縮することができるため、半導体レーザの縦モード間隔を反射帯域の幅よりも大きくすることができ、単一モードで発振する発振波長温度無依存半導体レーザを提供することが可能となる。なお、位相シフト領域は、波長選択性を有しない。

従って、本発明によれば、簡単な構成により発振波長の温度依存性を制御し、発振波長が温度に依存しない単一モード特性の優れた半導体レーザを提供することができる。

以下に、本発明の実施の形態を説明する。本実施形態は、利得領域としてのＤＦＢレーザ領域と、位相シフト領域を組み合わせて、ＤＦＢレーザ領域の半車体の温度依存性を位相シフト領域の位相変化で補償する発振波長温度無依存半導体レーザにおいて、ＤＦＢレーザ領域を、光の導波する半導体メサと、該半導体メサの少なくとも一方の側壁に配置され、半導体と逆の屈折率温度依存性を有する材料とから構成するものである。

本実施形態によれば、ＤＦＢレーザ領域が、光の導波する半導体メサと、半導体と逆の屈折率温度依存性を有する材料とから構成されているため、ＤＦＢレーザ領域における反射帯域の温度依存性が従来よりも小さくなり、そのため、位相シフト領域における補償量を低減することができる。その結果、位相シフト領域の長さを短縮することができるため、半導体レーザの縦モード間隔を反射帯域の幅よりも大きくすることができ、単一モードで発振する発振波長温度無依存半導体レーザを提供することが可能となる。

以下、本発明に係る発振波長温度無依存半導体レーザ（以下、単に半導体レーザという）の例を、図を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の第一の実施例に係る半導体レーザの構成を示す図であり、図１（ａ）は光導波路に沿った断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）中の光導波路と垂直なｂ−ｂ'断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）中の光導波路とは垂直なｃ−ｃ'断面図である。

本実施例に係る半導体レーザ構造の構成について詳細に説明する。

図１（ａ）に示すように、半導体基板（ＩｎＰ基板）１０５上には、波長選択性を持ち利得を有する第一の利得領域、すなわち第一のＤＦＢ領域１０１、位相シフト領域１０２、および波長選択性を持ち利得を有する第二の利得領域、すなわち第二のＤＦＢ領域１０３が設けられている。半導体レーザの両端面には、端面での反射を防止する無反射（ＡＲ）膜１０４が設けられている。

第一および第二のＤＦＢ領域１０１，１０３は、ＩｎＰ基板１０５上に積層された、ＧａＩｎＡｓＰからなる分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層１０６，１０７に挟まれたＧａＩｎＡｓＰ活性層１０８で構成されるコア層１０９と、ＩｎＰクラッド層１１０からなり、上部ＳＣＨ層１０７を周期的に加工し、ＩｎＰで埋め込むことにより回折格子が形成されている。また、上下に電流注入を行うための電極１１１，１１２が形成されている。

図１（ｂ）に示すように、第一のＤＦＢ領域１０１の光導波路に垂直な断面は、半導体１１３を幅Ｗのメサ形状にして、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ材料として、ポリイミドなどの有機材料１１４により挟み込む構造となっている。なお、第二のＤＦＢ領域１０３の光導波路に垂直な断面についても、同様の構成となっている。

位相シフト領域１０２は、ＩｎＰ基板１０５上に積層された、例えばポリイミドなどの有機材料からなるクラッド層１１５とコア層１１６から構成されている。図１（ｃ）に示すように、位相シフト領域１０２の光導波路に垂直な断面は、コア層１１６をそれよりも屈折率の低いクラッド層１１５により囲みこむ構造となっている。

本実施例は、波長選択性を持った第一の利得領域、すなわち第一のＤＦＢ領域１０１と、波長選択性を持った第二の利得領域、すなわち第二のＤＦＢ領域１０３との間に、有機材料などからなり利得を有しない位相シフト領域１０２を設けることにより、発振波長の温度依存性を制御するようにしたものであり、この点では、図６に示した従来例と同様である。しかしながら、本実施例では、図１（ｂ）に示すように、ＤＦＢ領域１０１，１０３が、半導体のメサ１１３を有機材料１１４により挟み込む構造となっている点で、図６（ｂ）に示した、ＤＦＢ領域００１，００３が半導体のメサ０１３を半導体であるＩｎＰ埋め込み層０１４により埋め込んでいる構造と相違する。

なお、第一のＤＦＢ領域１０１および第二のＤＦＢ領域１０３を構成する半導体は、上述したＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定するものではなく、ＩｎＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＡｌＧａＡｓ，ＡｌＧａＡｓＰ，ＧａＩｎＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓなどの任意の材料について適用が可能である。

活性層１０８の構造は、バルク、多重量子井戸（ＭＱＷ）、量子細線、量子ドットを問わず、また、ＳＣＨ層１０６，１０７も屈折率をステップまたは連続的に変化させた構造としてもよい。回折格子の形成方法も上記に限定することなく、下部ＳＣＨ層１０６へ形成したり、ＳＣＨ層とは別の層を設けて周期的に加工したりするようにしてもよい。

半導体の結晶成長方法、すなわち積層方法についても特に制約を設けるものではなく、例えば分子線エピタキシー法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ：ＭＢＥ）、有機金属気相成長法（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＭＯＣＶＤ）などの方法を用いることができる。

回折格子は、必ずしも活性層１０８の上の上部ＳＣＨ層１０７に形成する必要はなく、活性層１０８下部のＳＣＨ層１０６と下部のＩｎＰ層１０５との間に形成してもよい。また、回折格子は、導波路の等価屈折率の周期的摂動があればよいので、ＳＣＨ層１０６，１０７とは別に屈折率の周期的分布を設ける層を設けてもよい。

有機材料１１４は、ポリイミドに限定されるわけではなく、ベンゾシクロブテン（Ｂｅｎｚｏｃｙｃｌｏｂｕｔｅｎｅ：ＢＣＢ）やポリメタクリル酸メチル（Ｐｏｌｙ−Ｍｅｔｈｙｌｅ−Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ：ＰＭＭＡ）などの材料も用いることができる。また、コア層１１６とクラッド層１１５は、例えば非フッ素化ポリイミドとフッ素化ポリイミドなどの屈折率の異なる材料の組み合わせを用いればよい。有機材料は、スピンコートなどを用いれば容易に塗布することができ、積層することもできる。

また、本実施例では、半導体とは逆の屈折率の温度依存性を持つ材料として有機材料を用いているが、屈折率の温度依存性が半導体とは異なるのであれば、有機材料に限定することなく、その他の材料であってもよい。

続いて、本実施例における半導体レーザの動作原理について説明する。

第一のＤＦＢ領域１０１で発光もしくは反射された光は、位相シフト領域１０２を通り、第二のＤＦＢ領域１０３において増幅、反射される。そして、位相シフト領域１０２を再度通って第一のＤＦＢ領域１０１に戻り、再度反射される。こうして、帰還を生じさせつつ、元の位置に強めあう位相で戻ってきた波長についてのみ、レーザ発振を発生させることができる。これにより、第一のＤＦＢ領域１０１および第二のＤＦＢ領域１０３において温度変化により生じる、反射する波長およびその位相の変動を、位相シフト領域１０２における温度変化により生じる位相シフト量の変化により補償することが可能となる。

このため、位相シフト領域１０２に半導体とは屈折率の温度依存性が異なる材料を用いることで、半導体レーザの温度依存性を制御することが可能となる。ポリイミドなどの有機材料は、屈折率の温度依存性が半導体とは逆であるため、温度依存性を相殺し、発振波長の安定化を図ることが可能となる。

つまり、ＤＦＢ領域１０１，１０３においては、温度が上昇すると半導体の屈折率が上昇するため、回折格子の反射帯域、すなわちストップバンドは長波長側に移動する。一方、位相シフト領域の屈折率は温度上昇に伴い小さくなるので、強め合う位相の光の波長は、ストップバンド内で短波長側に移動する。そのため、ストップバンドの移動量とストップバンド内における強め合う光の波長の移動量の度合いを調整することにより発振波長は安定化される。

位相シフト量変化で波長変化が生じる最大の値は、ストップバンド幅により制限される。すなわち、温度上昇による発振波長の長波長化を位相シフト量変化により補償するためには、ストップバンド幅が広いことが必要である。通常のＤＦＢレーザにおける波長の温度による変化は０．１ｎｍ／℃程度であるので、２０−８０℃の範囲で波長を安定化するには６ｎｍの補償が必要である。すなわち、ストップバンド幅が６ｎｍ以上必要である。

図２は、回折格子の結合係数κと回折格子長Ｌの積κＬとに対するストップバンド幅（図中、実線で示す）とブラッグ波長における反射率（図中、破線で示す）を示す図である。図２から、ストップバンド幅を広げるためには、κを大きくするかＬを短くすれば良いことがわかる。しかしながら、Ｌを短くしすぎると反射率が小さくなってしまうため、閾値電流の増加や最悪の場合はレーザ発振に至らない可能性がある。

反射率は出力効率にも関わるパラメータであるため、閾値電流と出力効率などの関係から得ようとする特性によって決定されるべきである。具体的には、例えば、反射率９０％以上を得るためには、κＬを１．８以上としなければならず、反射率９５％以上を得るためには、κＬを２．２以上としなければならない。

このため、ストップバンドを６ｎｍ以上とし、反射率を９０％以上とするためには、κを１５０ｃｍ^-1以上としなければならない。なお、ストップバンドを６ｎｍ以上とし、反射率を９５％以上とするためには、κは１５０ｃｍ^-1では足りないが２００ｃｍ^-1程度であれば十分である。

温度補償範囲を広げたり、動作範囲に余裕を持たせたりするためには、ストップバンドを更に広げ１０ｎｍ程度とすればよい。ストップバンドを１０ｎｍ以上とし、反射率を９０％以上とするためには、κを２５０ｃｍ^-1以上としなければならない。なお、ストップバンドを１０ｎｍ以上とし、反射率を９５％以上とするためには、κは２５０ｃｍ^-1では足りないが３００ｃｍ^-1程度であれば十分である。

また、ＤＦＢ領域で強く反射される反射帯域、すなわちストップバンドの中で、位相が強めあう波長、つまり縦モードの数は、縦モード間隔に依存する。縦モード間隔は、ＤＦＢ領域の回折格子の実効長と、位相シフト領域の長さの和の逆数に比例する。

具体的には、縦モード間隔がストップバンド幅よりも広くなるように設定することにより一個の縦モードのみを回折格子のストップバンド内に存在させることが可能となり、ストップバンド外の他の縦モードは反射損失が大きくなるため、単一モード動作の安定性を高めることができる。しかし、逆に言えば、単一モード動作の安定性を高めるためには、縦モード間隔を広げる必要があり、回折格子の実効長と位相シフト領域の長さの和の逆数を大きくする必要があるため、位相シフト領域の長さが制限される。

位相シフトの大きさは、ＤＦＢ領域と位相シフト領域の屈折率の温度依存性の差と、位相シフト領域の長さに比例する。すなわち、ＤＦＢ領域と位相シフト領域の屈折率の温度依存性の差が大きいほど、また、位相シフト領域の長さが長いほど、温度変化に対して位相シフトの変化量が大きくなる。

まず、従来構造のように、ＤＦＢ領域のメサが半導体で埋め込まれた構造を考えてみると、温度に対して発振波長を完全に安定化（アサーマル化）させるためには、ストップバンドの長波長化を完全に打ち消す位相シフト量変化を起こさせる必要がある。ＤＦＢ領域の有効長および屈折率の温度依存性をそれぞれＬ_eff，ΔＮ_D、位相シフト領域の長さおよび屈折率の温度依存性をそれぞれＬ_p，ΔＮ_pとすると、
２Ｌ_eff×ΔＮ_D＋Ｌ_p×ΔＮ_p＝０ （２）
を満たす必要がある。ＤＦＢ領域と位相シフト領域の屈折率の温度依存性は材料によって固定されるために、補償範囲を決定し回折格子の結合係数を決定すると有効長が決まり、材料を決定すると位相シフト領域の長さが決定する。

本発明の第一の実施例では、ＤＦＢ領域の半導体メサの両脇を有機材料により挟み込む構造となっている。これにより、ＤＦＢ領域における屈折率の温度依存性が、光が半導体に閉じ込められる割合に従って変わることになる。一方、従来の構造では、前述のように位相シフト領域の長さを長くすると、単一モード動作の安定性が損なわれるため、長さによる制限から材料が制限されていた。

詳しくは、半導体部および有機材料の屈折率の温度依存性は、それぞれおおよそΔＮ_D，ΔＮ_pであると考えられるから、半導体に閉じ込められる光の割合をΓとすると、有機材料で挟まれた場合のＤＦＢ領域の屈折率の温度依存性ΔＮ_D'は、おおよそ
ΔＮ_D'＝ΓΔＮ_D＋（１−Γ）ΔＮ_p （３）
と考えることができる。このときのアサーマル条件は、（２）式におけるＤＦＢ領域の屈折率の温度依存性ΔＮ_DをΔＮ_D'で置き換え
２Ｌ_eff×ΔＮ_D'＋Ｌ_p×ΔＮ_p＝０ （４）
とすればよい。

図３は、メサ幅Ｗに対する、半導体部１１３に閉じ込められる光の割合を示す図である。半導体部１１３の屈折率は３．２４、有機材料１１４の屈折率は１．５２とした。通常、通信で用いられる１．５５μｍ程度の波長帯において半導体の屈折率は３以上であるのに対し、半導体とは屈折率の温度依存性が逆の有機材料の屈折率は２以下であり、屈折率の差が大きい。そのため、有機材料１１４で半導体のメサ部１１３を挟む構造の場合には、メサ部１１３の両脇をＩｎＰで埋め込む構造に比べ、メサ部１１３に閉じ込められる光の割合が大きくなる。

例えば、図３および（３）式から、半導体の屈折率の温度依存性と大きさが同じで正負の符号が逆の温度依存性を持つ材料を用いた場合、メサ幅Ｗを０．２２μｍ程度とすることにより、半導体に閉じ込められる光の割合が０．５程度となり、屈折率の温度依存性がなくなり、有機材料で作られた位相シフト領域がなくとも発振波長が安定する。しかしながら、メサ幅Ｗを小さくしすぎると、半導体側壁で生じる表面再結合の影響などのためにレーザ特性が劣化してしまう。

本発明のレーザ構造でアサーマル化を実現するためには、（２）式からわかるように、ＤＦＢ領域のみで屈折率の温度依存性を完全に補償する必要はなく、ＤＦＢ領域と位相シフト領域の双方を考慮し、全体として温度依存性を補償すればよい。つまり、ＤＦＢ領域における温度依存性の補償は、単一モード動作のための位相シフト領域の長さの制限を緩和するために行えばよく、位相シフト領域に用いる材料に応じてＤＦＢ領域における補償量を決定すればよい。

従来構造におけるＤＦＢ領域の屈折率の温度依存性ΔＮ_Dと、有機材料で挟まれた場合のＤＦＢ領域の屈折率の温度依存性ΔＮ_D'との関係は、ΔＮ_D＞ΔＮ_D'であるから、（２）式と（４）式を比較すると、位相シフト領域の長さＬ_pを短くすることが可能となることがわかる。例えば、ＤＦＢ領域においてメサ幅０．４μｍ程度であれば、５％程度以上の光が半導体以外にかかることとなり、（３）式に従ってＤＦＢ領域の屈折率の温度依存性が低下するため、その分、（２）から（４）式に従って位相シフト領域における必要な長さを短くすることができる。

図３から、ＤＦＢ領域で半導体以外の材料の影響（１−Γ）が０．１％程度であれば、半導体メサの幅を１．４μｍ程度とすればよい。０．１％程度では足りず、０．３％程度必要であれば、半導体メサ幅を１μｍ程度とすればよい。１％程度の補償が必要であれば、半導体メサ幅は０．７μｍ程度とすればよい。５％程度の補償が必要であれば、半導体メサ幅は０．４２μｍ程度とすればよい。ＤＦＢ領域でのみ、完全に温度依存性を補償する場合（メサ幅０．２２μｍ程度）に比べて、十分メサ幅を広くすることができ、レーザ特性に与える影響も抑えることが可能となる。

例えば、ＤＦＢ領域の半導体メサ部の温度による屈折率変化量ΔＮ_Dを３．０×１０^-4、位相シフト領域の温度による屈折率変化量ΔＮ_pを−１．６×１０^-4とすると、ＤＦＢ領域の半導体メサ部を、位相シフト領域を構成する材料で挟む構造とした場合、半導体メサ部の幅を０．４２μｍとすれば、半導体以外の材料から５％程度の寄与があり、ΔＮ_D'は２．７７×１０^-4となる。従って、ＤＦＢ領域の有効長が１０μｍとすると、本実施例の構造を用いた場合は、位相調整領域長は３４．６μｍでよい。一方、従来構造のＤＦＢ領域を用いた場合は、３７．５μｍ必要となるため、本実施例による構造を用いれば、位相調整領域長を約３μｍ短縮できることになる。

これにより、縦モード間隔は、従来構造の９．９ｎｍから、１０．４ｎｍに拡大する。１００度程度の温度範囲での波長安定性を考えた場合、回折格子のブラッグ波長は、１０度上昇につきおよそ１ｎｍの長波長化が起きるので、これを位相シフト量変化により補償するためには、およそ１０ｎｍのストップバンドが必要となる。ストップバンド幅が縦モード間隔と同程度であるため、本発明により縦モード間隔が広がることにより、拡大量がわずかであっても、単一モード特性が向上することになる。

また、本実施例では、屈折率１．５程度の有機材料で半導体メサを挟んでいるが、屈折率が１．５より大きい材料を用いることにより、半導体メサ以外にかかる光フィールドの割合が多くなるので、位相シフト領域をより短くすることができ、縦モード間隔をより広げることができる。

また、本実施例では、半導体領域の両側を有機材料により挟み込む構造としている。しかし、片側だけに有機材料を用いる構造とした場合であっても、両側を有機材料で挟み込む構造に比べて、効果は少なくなってしまうが、有機材料にかかる光フィールドの割合分だけは効果を得ることができる。

図４は、本発明の第二の実施例を説明する図であり、図４（ａ）は光導波路に沿った断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）中の光導波路と垂直なｂ−ｂ'断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）中の光導波路とは垂直なｃ−ｃ'断面図である。

図４に示すように、本実施例は、位相シフト領域２０２のＤＦＢ領域２０１の反対側、すなわち第一の実施例において第二のＤＦＢ領域であった箇所を、波長選択性を有し利得を有しない反射領域である高反射膜２１７に置き換えた構成となっている。つまり、第一の実施例では、波長選択のための回折格子を形成した利得を有する二つのＤＦＢ領域の間に、半導体以外の材料からなる位相シフト領域を設けたが、共振器を構成するための反射領域のどちらか一方に波長選択性があれば良い。

第二の実施例の半導体レーザ構造の構成について詳細に説明する。

図４（ａ）に示されるように、半導体基板上には、波長選択性を持ち利得を有するＤＦＢ領域２０１と位相シフト領域２０２が直列に接続されている。半導体レーザの共振器端面は、ＤＦＢ領域２０１側には、端面での反射を防止する無反射（ＡＲ）膜２０４が設けられており、位相シフト領域２０２側には、高反射（ＨＲ）膜２１７が設けられている。

ＤＦＢ領域２０１は、ＩｎＰ基板２０５上に積層された、ＧａＩｎＡｓＰからなる分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層２０６，２０７に挟まれたＧａＩｎＡｓＰ活性層２０８で構成されるコア層２０９と、ＩｎＰクラッド層２１０からなり、上部ＳＣＨ層２０７を周期的に加工し、ＩｎＰで埋め込むことにより回折格子が形成されている。また、上下に電流注入を行うための電極２１１，２１２が形成されている。

図４（ｂ）に示すように、ＤＦＢ領域２０１の光導波路に垂直な断面は、半導体２１３を幅Ｗのメサ形状にして、ポリイミドなどの有機材料２１４により挟み込む構造となっている。

位相シフト領域２０２は、ＩｎＰ基板２０５上に積層された、例えばポリイミドなどの有機材料からなるクラッド層２１５と、コア層２１６から構成されている。そして、図４（ｃ）に示すように、位相シフト領域２０２の光導波路に垂直な断面は、コア層２１６をそれよりも屈折率の低いクラッド層２１５により囲みこむ構造となっている。

第二の実施例は、第一の実施例のうち第二のＤＦＢ領域を高反射膜２１７に変更したものであるから、第二の実施例で用いる半導体材料や有機材料、製造方法、活性層やＳＣＨの構造などは、第一の実施例で説明したものを適用できる。

次に、第二の実施例の原理および利点について説明する。

ＤＦＢ領域２０１で発光もしくは反射された光は、位相シフト領域２０２を通り、高反射膜２１７で反射される。そして、位相シフト領域２０２を再度通ってＤＦＢ領域２０１に戻り、再度反射される。こうして、帰還を生じさせつつ、元の位置に強めあう位相で戻ってきた波長においてのみ、レーザ発振を発生させることができる。これにより、ＤＦＢ領域２０１において温度変化により生じる、反射する波長およびその位相の変動を、位相シフト領域２０２において温度変化により生じる位相シフト量の変化により補償することが可能となる。

このため、位相シフト領域２０２に半導体２１３とは屈折率の温度依存性が異なる材料を用いることで、半導体レーザの温度依存性を制御することが可能となる。ポリイミドなどの有機材料は、屈折率の温度依存性が半導体２１３とは逆であるため、温度依存性を相殺し、発振波長の安定化を図ることが可能となる。

つまり、ＤＦＢ領域２０１においては、温度が上昇すると半導体の屈折率が上昇するため、回折格子の反射帯域、すなわちストップバンドは長波長側に移動する。一方、位相シフト領域２０２の屈折率は温度上昇により小さくなるので、強め合う位相の光の波長は、ストップバンド内で短波長側に移動する。そのため、両者の移動量の度合いを調整することにより発振波長は安定化される。

第一の実施例で説明したように、縦モード間隔は、第一と第二のＤＦＢ領域の有効共振器長と位相シフト領域長の和の逆数に比例する。図４に示した第二の実施例のようにＤＦＢ領域を片側にだけ設けた構成とすることにより、ＤＦＢ領域の長さの分だけ共振器長を短縮し、縦モード間隔を広げることができる。さらに、ＤＦＢ領域で発光した光が位相シフト領域を通り、高反射膜で反射され、再度位相シフト領域を通りＤＦＢ領域に戻るため、第一の実施例と比べて位相シフトの量が２倍となる。従って、位相シフト領域を短縮することができ、さらに縦モード間隔を広げることができる。

図５は、本発明の第三の実施例を説明する図であり、図５（ａ）は光導波路に沿った断面図、図５（ｂ）、図５（ｃ）、図５（ｄ）はそれぞれ図５（ａ）中の光導波路と垂直な、ｂ−ｂ'断面図、ｃ−ｃ'断面図、ｄ−ｄ’断面図である。

本実施例は、図５に示すように、位相シフト領域３０２のＤＦＢ領域３０１の反対側、すなわち第一の実施例で第二のＤＦＢ領域であった箇所を分布反射器（ＤＢＲ）３０３に置き換えた構成となっている。つまり、第一の実施例において、波長選択のための回折格子を形成した利得を有する二つのＤＦＢ領域の間に、半導体以外の材料からなる位相シフト領域を設けたが、図４に示すように、位相シフト領域３０２に対してＤＦＢ領域３０１の反対側、すなわち、実施例１で第二のＤＦＢ領域であった箇所を分布反射器（以下、ＤＲＢ領域という）３０３に置き換えても良い。つまり、反射器の特性を有した利得を持たない領域としてもよい。

第三の実施例の半導体レーザ構造の構成について詳細に説明する。

図５（ａ）に示すように、半導体基板上には、波長選択性を持ち利得を有するＤＦＢ領域３０１、位相シフト領域３０２、ＤＢＲ領域３０３が設けられている。半導体レーザの共振器の両端面には、端面での反射を防止する無反射（ＡＲ）膜３０４が設けられている。

ＤＦＢ領域３０１は、ＩｎＰ基板３０５上に積層された、ＧａＩｎＡｓＰからなる分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）層３０６，３０７に挟まれたＧａＩｎＡｓＰ活性層３０８で構成されるコア層３０９と、ＩｎＰクラッド層３１０からなり、上部ＳＣＨ層３０７を周期的に加工し、ＩｎＰで埋め込むことにより回折格子が形成されている。また、上下に電流注入を行うための電極３１１，３１２が形成されている。

図５（ｂ）に示すように、ＤＦＢ領域３０１の光導波路に垂直な断面は、半導体３１３を幅Ｗのメサ形状にして、ポリイミドなどの有機材料３１４により挟み込む構造となっている。

位相シフト領域３０２は、ＩｎＰ基板３０５上に積層された、例えばポリイミドなどの有機材料からなるクラッド層３１５と、コア層３１６から構成されている。図５（ｃ）に示すように、位相シフト領域３０２の光導波路に垂直な断面は、コア層３１６をそれよりも屈折率の低いクラッド層３１５により囲みこむ構造となっている。

ＤＢＲ領域３０１は、ＩｎＰ基板３０５上に積層された、ＧａＩｎＡｓＰからなるコア層３１８、ＩｎＰクラッド層３１０から構成されている。コア層３１８とクラッド層３１０の間には、回折格子が形成されており、分布反射器となっている。図５（ｄ）に示すように、ＤＢＲ領域３０３の光導波路に垂直な断面は、半導体３１９を幅Ｗのメサ形状にして、ポリイミドなどの有機材料３１４によって挟み込む構造となっている。

また、本実施例ではＤＦＢ領域とＤＢＲ領域はどちらも同様に半導体メサ３１３、３１９の両脇を有機材料３１４により挟み込む構造となっているが、どちらか片方のみを有機材料３１４で挟む構造として、もう一方を半導体で埋め込む構造としてもよい。

第三の実施例は、第一の実施例のうち第二のＤＦＢ領域をＤＢＲ領域に変更したものであるから、第三の実施例で用いる半導体材料や有機材料、製造方法、活性層やＳＣＨの構造などは、第一の実施例で説明したものを適用できる。

ＤＦＢ領域３０１で発光もしくは反射された光は、位相シフト領域３０２を通り、ＤＢＲ領域３０３において反射される。そして、位相シフト領域３０２を再度通り、ＤＦＢ領域３０１に戻り、再度反射される。こうして、帰還を生じさせつつ、元の位置に強めあう位相で戻ってきた波長においてのみ、レーザ発振を発生させることができる。これにより、ＤＦＢ領域３０１およびＤＢＲ領域３０３において温度変化により生じる反射する波長およびその位相の変動を、位相シフト領域３０２において温度変化により生じる位相シフト量の変化により補償することが可能となる。

このため、位相シフト領域３０２に半導体３１３とは屈折率の温度依存性が異なる材料を用いることで、半導体レーザの温度依存性を制御することが可能となる。ポリイミドなどの有機材料は、屈折率の温度依存性が半導体とは逆であるため、温度依存性を相殺し、発振波長の安定化を図ることが可能となる。

つまり、ＤＦＢ領域３０１においては、温度が上昇すると半導体の屈折率が上昇するため、回折格子の反射帯域、すなわちストップバンドは長波長側に移動する。一方、位相シフト領域３０２の屈折率は温度上昇により小さくなるので、強め合う位相の光の波長は、ストップバンド内で短波長側に移動する。そのため、両者の度合いを調整することにより発振波長は安定化される。

加えて、第三の実施例では、利得を持たないＤＢＲ領域３０３に電流注入を行うことにより屈折率を変化させることができる。温度上昇により半導体３１３の屈折率は増加するが、電流注入により半導体３１３の屈折率は減少する。これにより、ＤＢＲ領域３０３において反射される光の波長や位相を変化させることが可能となる。

発振波長が温度に依存しないＤＢＲ領域３０３の素子は、発振波長が素子構造により決定されると、発振波長を所望の波長にすることができない。そこで、初期もしくは基準温度にてＤＢＲ領域に電流を注入して波長を調節し、発振波長の温度無依存動作中は、ＤＢＲ領域に流れる電流を一定にしておけばよい。このようにすることにより、発振波長のトリミングを行いつつ、温度無依存動作を行うことができる。

本発明は、発振波長温度無依存半導体レーザに利用可能であり、詳しくは、レーザの発振波長の温度による変化量の調整に適用して好適なものである。

図１（ａ）は本発明の実施例１に係る発振波長温度無依存半導体レーザの構成を光導波路に沿って模式的に示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるｂ−ｂ'断面図、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるｃ−ｃ'断面図である。 本発明の実施例１における回折格子の結合係数と長さの積とストップバンド幅および反射率の関係を説明するグラフである。 本発明の実施例１における半導体のメサ幅と光が半導体に閉じ込められる割合を説明するグラフである。 図４（ａ）は本発明の実施例２に係る発振波長温度無依存半導体レーザの構成を光導波路に沿って模式的に示す断面図、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるｂ−ｂ'断面図、図４（ｃ）は図４（ａ）におけるｃ−ｃ'断面図である。 図５（ａ）は本発明の実施例３に係る発振波長温度無依存半導体レーザの構成を光導波路に沿って模式的に示す断面図、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるｂ−ｂ'断面図、図５（ｃ）は図５（ａ）におけるｃ−ｃ'断面図、図５（ｄ）は図５（ａ）におけるｄ−ｄ'断面図である。 図６（ａ）は従来の半導体レーザの構成を光導波路に沿って模式的に示す断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）におけるｂ−ｂ'断面図、図６（ｃ）は図６（ａ）におけるｃ−ｃ'断面図である。 半導体レーザの反射スペクトルおよび反射波の位相特性を示す図である。 半導体レーザの発振波長の温度依存性の補償原理を説明する図である。

符号の説明

１０１，１０３，２０１，３０１ ＤＦＢ領域
１０２，２０２，３０２ 位相シフト領域
１１２，２１２，３１２ 有機材料
１１３，２１３，３１３ 半導体メサ
２１７ 高反射膜
３０３ ＤＢＲ領域
１１１，１１２，２１１，２１２，３１１，３１２ 電極

Claims (7)

1. 波長選択性を有する利得領域と、前記利得領域に光学的に結合され、実効的な屈折率の温度依存性が前記利得領域と異なる位相シフト領域と、前記位相シフト領域に光学的に結合され、前記位相シフト領域から伝搬する光を前記位相シフト領域へ反射させる反射領域とを備え、少なくとも前記利得領域又は前記反射領域のいずれか一方が、光が導波する半導体メサと、該半導体メサの少なくとも一方の側面に配置された半導体とは逆の屈折率の温度依存性を有する材料とにより構成されていることを特徴とする発振波長温度無依存半導体レーザ。
2. 前記反射領域が波長選択性を有する利得領域であることを特徴とする請求項１記載の発振波長温度無依存半導体レーザ。
3. 前記反射領域が波長選択性を有し利得を有しない反射領域であることを特徴とする請求項１記載の発振波長温度無依存半導体レーザ。
4. 前記波長選択性が回折格子によるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の発振波長温度無依存半導体レーザ。
5. 前記回折格子の結合係数が１５０ｃｍ^-1であることを特徴とする請求項４記載の発振波長温度無依存半導体レーザ。
6. 前記回折格子のストップバンド内には、縦モードが一つのみ存在することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の発振波長温度無依存半導体レーザ。
7. 前記波長選択性を有し利得を有しない反射領域に電流注入することによって屈折率を制御する構成であることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の発振波長温度無依存半導体レーザ。

Images