JP2009059729A - 半導体発光素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザ発振波長における光パワーの波長依存性を低減可能な半導体発光素子を提供する。
【解決手段】レーザ発振波長を変更可能な半導体発光素子11では、光反射器13は、チャープ回折格子21と電極23a〜23iとを含む。電極23a〜23iは、チャープ回折格子21の一部分をなすチャープ回折格子部分21a〜21iのためにそれぞれ設けられる。反射端面15は半導体発光素子11の一端面11aに設けられている。利得導波路17は電極25からキャリア注入による光学的利得を有する。リング共振器19は、複数の極大値を含む透過スペクトルを有する。光反射器13及び反射端面15の各々は半導体発光素子11のレーザキャビティのための反射鏡である。リング共振器19及び利得導波路17は、半導体光源27を構成しており、またレーザキャビティ内で直列に配置される。
【選択図】図1
【解決手段】レーザ発振波長を変更可能な半導体発光素子11では、光反射器13は、チャープ回折格子21と電極23a〜23iとを含む。電極23a〜23iは、チャープ回折格子21の一部分をなすチャープ回折格子部分21a〜21iのためにそれぞれ設けられる。反射端面15は半導体発光素子11の一端面11aに設けられている。利得導波路17は電極25からキャリア注入による光学的利得を有する。リング共振器19は、複数の極大値を含む透過スペクトルを有する。光反射器13及び反射端面15の各々は半導体発光素子11のレーザキャビティのための反射鏡である。リング共振器19及び利得導波路17は、半導体光源27を構成しており、またレーザキャビティ内で直列に配置される。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体発光素子に関する。
非特許文献1には、波長可変レーザが記載されている。この波長可変レーザは、2個以上のリング共振器を備える。詳しくは、波長可変レーザの構造では、レーザ共振器はチップの両端面からなる。この半導体レーザは、波長可変機能を持たせるために2つの異なる半径のリング共振器を使った波長可変フィルタを共振器内に形成している。これらのリングに流す電流を変えることによりリングの屈折率が変わる。リングへの注入電流を変えることにより、リング共振器を透過する光の波長を変えることができ、2個のリング共振器は、波長可変フィルタの役割を果たす。半径の異なる2つのリング共振器はそれぞれ異なる透過スペクトル間隔を持ち、2つのリング共振器の透過波長が一致したときに高い透過率が提供される。したがって、リング共振器への少ない注入電流により、ピーク透過波
長の波長位置を大幅に変化させることができる(バーニア効果)。
長の波長位置を大幅に変化させることができる(バーニア効果)。
特許文献1には、広い範囲の波長で同調可能な集積化された半導体装置が記載されている。この半導体装置では、反射器は、活性セクションと、リング共振器と、サンプルド回折格子(SG)−反射器とを含む。SG−反射器は、不均一回折格子の一種であり、一定周期の回折格子と回折格子が形成されていない部分が複数個、一定の間隔で配置されたものである。SG−反射器の反射スペクトルは、所定の波長間隔で並んだ多数の反射ピークを含む。この半導体装置における発振波長は、バーニア効果により決定される。
IEEE International Semiconductor Laser Conference 2006 TuB2 Widely tunable laser using microring resonators, S.Matsuo et. al. 特開2001−7439号公報
IEEE International Semiconductor Laser Conference 2006 TuB2 Widely tunable laser using microring resonators, S.Matsuo et. al.
非特許文献1に記載されているような、複数のリング共振器を用いた波長可変レーザでは、リング共振器と導波路との光結合は、方向性結合器やMMI(Multi Mode Interference)結合器が用いられるが、一結合点あたり数dBの光ロスが生じる。このため、レーザの発振閾値電流の増加、光出力対注入電流比(スロープ効率)の低下が生じる。
一方、特許文献1に記載されているような半導体装置では、リング共振器の数を少なくする一方で、レーザキャビティのために不均一回折格子を用いる。不均一回折格子の反射ピーク波長の一つが、バーニア効果により、リング共振器の透過ピーク波長の一つに一致する。不均一回折格子の反射スペクトルは、所定の波長間隔で並んだ多数の反射ピークを有しており、反射ピーク群のピーク強度は、不均一回折格子のセンタ波長から離れるに従って小さくなる。このため、レーザ発振の強度は、不均一回折格子のピーク反射率に応じて変動する。また、不均一回折格子の反射スペクトルにおける反射ピークの反射率の低下は比較的大きいので、レーザ発振波長の可変範囲が制限される。
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、レーザ発振波長における光パワーの波長依存性を低減可能な半導体発光素子を提供することを目的とする。
本発明の一側面は、レーザ発振波長を変更可能な半導体発光素子である。半導体発光素子は、(a)チャープ回折格子および前記チャープ回折格子の屈折率分布を制御するために設けられた複数の電極を含む光反射器と、(b)前記半導体発光素子の一端面に設けられた反射端面と、(c)キャリア注入による光学的利得を有する利得導波路と、(d)複数の極大値を含む透過スペクトルを有するリング共振器と
を備える。前記光反射器および前記反射端面は、当該半導体発光素子のレーザキャビティのための反射鏡であり、前記リング共振器および前記利得導波路は前記レーザキャビティ内において直列に配置されて半導体光源を構成している。
を備える。前記光反射器および前記反射端面は、当該半導体発光素子のレーザキャビティのための反射鏡であり、前記リング共振器および前記利得導波路は前記レーザキャビティ内において直列に配置されて半導体光源を構成している。
この半導体発光素子によれば、チャープ回折格子の変化する周期に対応づけて配置された一又は複数の電極に信号を印加する。この印加により、チャープ回折格子の反射スペクトルは変更される。このため、バーニア効果を用いること無く、リング共振器の透過スペクトルにおける複数の極大値の列の一つが光反射器のチャープ回折格子を用いて選択される。また、光反射器は不均一回折格子を用いないので、不均一回折格子のような反射率ピーク強度の不揃いが生じない。
本発明に係る半導体発光素子では、前記光反射器は、前記チャープ回折格子に光学的に結合され所定の軸の方向に延びる光導波路を含み、前記チャープ回折格子は、前記光導波路に沿って設けられており、前記チャープ回折格子の反射スペクトルが、前記複数の電極のうち所望の発振波長に対応する電極への電気信号に応答して変更されて、前記光反射器の前記反射スペクトルの反射率が、前記所望の発振波長を含む波長領域において増大される。
この半導体発光素子によれば、電極へ印加する電気信号に応じて、所望の発振波長を含む波長領域における反射スペクトルのピーク強度を調整可能である。
本発明に係る半導体発光素子は、前記レーザキャビティ外において前記光反射器に光学的に結合されており、前記光反射器からのレーザ光を処理する光処理素子を更に備えることができる。前記光処理素子は、前記レーザ光を変調するための光変調器および前記レーザ光を増幅する光増幅器の少なくともいずれか一方を含む。
この半導体発光素子によれば、光変調器および光増幅器といった光処理素子とレーザ光源との集積が容易になる。
本発明に係る半導体発光素子では、前記チャープ回折格子は、固有の反射スペクトルを有しており、前記チャープ回折格子は、前記複数の電極にそれぞれ対応する回折格子部分を有しており、前記光反射器における反射スペクトルの最大値は、前記電極への信号印加に応答して、前記固有の反射スペクトルの最大値よりも増大された値であり、前記光増幅器は、前記固有の反射スペクトルの幅より広い波長幅において光学利得を有する半導体光増幅器を含む。
この半導体発光素子によれば、光反射器は不均一回折格子を用いること無くチャープ回折格子を用いると共に半導体光増幅器を用いることによって広い可変範囲が提供される。
本発明に係る半導体発光素子では、当該半導体発光素子からの光出射は前記反射端面から行われることができる。この半導体発光素子によれば、光反射器を介すること無く光出射が行われるので、光反射器の透過光を出射することがない。
本発明に係る半導体発光素子では、前記レーザキャビティ内に設けられた光導波路の位相調整のための信号を印加するための電極を含む位相調整器を更に備えることができる。この半導体発光素子によれば、レーザ発振波長の可変に伴いレーザ発振条件を満たす位相の調整が可能になる。
本発明に係る半導体発光素子は、前記半導体光源および前記光反射器の一方を他方に光学的に結合するための第1の半導体光導波路と、前記リング共振器および前記利得導波路の一方を他方に光学的に結合するための第2の半導体光導波路とを更に備えることができる。前記第1の半導体光導波路は、前記光反射器に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記半導体光源に光学的に結合する光結合部とを含み、前記第2の半導体光導波路は、前記半導体光源の前記利得導波路に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記リング共振器に光学的に結合された光結合部とを含む。
前記第1の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面に到達しており、前記第2の半導体光導波路の前記他端は、前記別の端面に到達しており、前記別の端面にはARコートされている。この半導体発光素子によれば、レーザキャビティ内に2個の光結合部が用いられるので、2個のリング共振器を用いる半導体レーザに比べて、光結合部による光学損失が少ない。また、ARコートにより終端することにより、光導波路の端部における反射を低減される。
また、本発明に係る半導体発光素子では、前記第1の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面に到達しており、前記第2の半導体光導波路の前記他端は、前記別の端面に到達しており、前記第1および第2の半導体光導波路の前記他端は、前記別の端面に向けて屈曲されており、前記別の端面にはARコートされている。この半導体発光素子によれば、レーザキャビティ内に2個の光結合部が用いられるので、2個のリング共振器を用いる半導体レーザに比べて、光結合部による光学損失が少ない。また、光導波路の屈曲およびARコートにより終端することにより、光導波路の端部における反射を低減される。
本発明に係る半導体発光素子では、前記第1の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面から離れており、前記第2の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面から離れており、前記第1および第2の半導体光導波路の前記他端は、半導体光導波路の幅が徐々に狭くなる導波路終端を有する。この半導体発光素子によれば、レーザキャビティ内に2個の光結合部が用いられるので、2個のリング共振器を用いる半導体レーザに比べて、光結合部による光学損失が少ない。また、光導波路の幅を徐々に狭くするように終端することによって、光導波路の端部における反射を低減される。
本発明に係る半導体発光素子では、リング共振器が石英基板上の光導波路により形成されていることが好ましい。また、本発明に係る半導体発光素子では、リング共振器を形成する光導波路の温度を制御するための電極が形成されていることが好ましい。
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
以上説明したように、本発明によれば、レーザ発振波長における光パワーの波長依存性を低減可能な半導体発光素子が提供される。
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体発光素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
図1は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子を示す図面である。半導体発光素子11は、レーザ発振波長を変更可能である。以下に説明された構成物が、半導体基板といった基板上に設けられている。半導体発光素子11は、光反射器13と、反射端面15と、利得導波路17と、リング共振器19とを備える。光反射器13は、チャープ回折格子21と、複数の電極23a、23b、23c、23iとを含む。図1には、I−I線に沿って取られた、チャープ回折格子21の断面が模式的に示されている。複数の電極23a、23b、23c、23iはチャープ回折格子21に沿って配置されている。チャープ回折格子21は、位置に関する一次関数で変化する周期を有しており、例えば回折格子の一周期Λaの部分21a、回折格子の一周期Λb(Λb<Λa)の部分21b、回折格子の一周期Λi(Λi<Λb)の部分21iを含む。レーザ発振波長帯域をλs以上λeとすると、チャープ回折格子21では、一周期の最小値は2×ns×λs以下であり、
一周期の最大値は2×ne×λeである。ここで、ns、neは、それぞれ波長λs、λeでの実効屈折率を示す。電極23a、23b、23iは、チャープ回折格子21上に順に配置されている。反射端面15は、半導体発光素子11の一端面11aに設けられている。利得導波路17は、電極25からキャリア注入による光学的利得を有する。リング共振器19は、複数の極大値を含む透過スペクトルを有する。光反射器13および反射端面15の各々は、半導体発光素子11のレーザキャビティのための反射鏡である。リング共振器19および利得導波路17は、半導体光源27を構成しており、またレーザキャビティ内において直列に配置されている。
一周期の最大値は2×ne×λeである。ここで、ns、neは、それぞれ波長λs、λeでの実効屈折率を示す。電極23a、23b、23iは、チャープ回折格子21上に順に配置されている。反射端面15は、半導体発光素子11の一端面11aに設けられている。利得導波路17は、電極25からキャリア注入による光学的利得を有する。リング共振器19は、複数の極大値を含む透過スペクトルを有する。光反射器13および反射端面15の各々は、半導体発光素子11のレーザキャビティのための反射鏡である。リング共振器19および利得導波路17は、半導体光源27を構成しており、またレーザキャビティ内において直列に配置されている。
この半導体発光素子11によれば、部分的なチャープ回折格子部分21a、21b、21c、21iのためにそれぞれ対応づけられた電極23a、23b、23c、23iに信号を印加する。この印加により、光反射器13のチャープ回折格子21の反射スペクトルが変更される。このため、バーニア効果を用いること無く、リング共振器19の透過スペクトルにおける一連のピークの一つが光反射器内のチャープ回折格子21を用いて選択される。また、光反射器13は不均一回折格子を用いないので、不均一回折格子のような反射率ピーク強度の不揃いが生じ難い。
図2は、本実施の形態に係る半導体発光素子における一例の光反射器の反射スペクトルを示す図面である。発振可能なレーザ光の波長の最小値は、例えば波長λB1であり、最大値は波長λBiである。理解を容易にするための具体例として光反射器は、光導波路に沿って配置されたチャープ回折格子21と、9個の電極23a〜23iとを含む。電極23a〜23iは、それぞれ、チャープ回折格子21の部分(以下、「回折格子部分」と呼ぶ)21a〜21iに対応付けられている。回折格子部分21a〜21iの各々は、可変範囲の波長域内のBragg回折波長に対応する一周期を有する。半導体発光素子11では、図2(a)に示されるように、例えば、電極23a〜23iに信号が印加されていないとき、回折格子部分21a〜21iにそれぞれ対応する波長領域は、反射スペクトル値26a〜26iを有する。半導体発光素子11では、電極23a〜23iのうち該回折格子部分(例えば、回折格子部分21e)に対応する電極への電気信号に応答して、図2(b)に示されるように、チャープ回折格子21の反射スペクトル26において所望の発振波長を含む波長領域(例えば回折格子部分21dの一周期に対応する波長領域)の反射スペクトル値が、残りの回折格子部分21a〜21c、21e〜21iに対応する波長領域の反射スペクトル値26a〜26c、26e〜26iの最大値と比較して増大される。図2(b)に示されるように、電極へ印加する電気信号に応じて、選択された回折格子の反射スペクトルのピーク波長および/またはピーク強度を調整可能である。
回折格子反射境の反射率調整について説明する。回折格子部分の波長λg(1次回折波長)は、
屈折率n0、その回折格子部分の周期Λを用いて、
λg(0)=2×n0×Λ
と表される。電流注入すると、キャリア密度増加によるプラズマ効果で屈折率は下がる。このため、回折格子部分の波長は短波長にシフトする。低下した屈折率nINJ(<n0)を用いて、シフト波長は
λg(INJ)=2×nINJ×Λ
と表される。所望のレーザ発振波長λLDの回折格子反射率を上げるためには、信号印加前のブラッグ波長λgに対して、
λg>λLD
を満たしている回折波長の回折格子部分を選択する。この回折格子部分に電流を注入すると、屈折率変化により回折波長λgはλLDに近づき、λLDでの反射率が高くなる。
屈折率n0、その回折格子部分の周期Λを用いて、
λg(0)=2×n0×Λ
と表される。電流注入すると、キャリア密度増加によるプラズマ効果で屈折率は下がる。このため、回折格子部分の波長は短波長にシフトする。低下した屈折率nINJ(<n0)を用いて、シフト波長は
λg(INJ)=2×nINJ×Λ
と表される。所望のレーザ発振波長λLDの回折格子反射率を上げるためには、信号印加前のブラッグ波長λgに対して、
λg>λLD
を満たしている回折波長の回折格子部分を選択する。この回折格子部分に電流を注入すると、屈折率変化により回折波長λgはλLDに近づき、λLDでの反射率が高くなる。
光反射器13のチャープ回折格子21は、レーザ発振波長可能な波長グリッドに対するBraggの回折条件をもつ回折格子部分を有している。チャープ回折格子21は、例えば、媒質内の屈折率分布により実現される。チャープ回折格子21の波数又は屈折率分布の周期が、光導波路の延在方向に関する座標に線型に光導波路に沿って変化している。
図2を参照しながら説明すると、回折格子部分21dに対応する信号印加前のブラッグ波長帯の反射率を高くするためには、電極23dに電流注入せずに電極23eに電流を注入する。電極23eに対応する回折格子部分の回折波長が短波長にシフトして、反射スペクトル値26dの反射スペクトルに近づく。このような現象により、電流注入によりシフトした回折格子部分21eの反射スペクトルと回折格子部分21dの反射スペクトルとの反射率が加算されて、光反射器の合成反射スペクトルでは、周囲よりも大きな反射ピークが現れる。つまり、複数の回折格子部分21a〜21iのうち、所望の発振波長λgのための回折格子部分に対応する反射スペクトル値が、複数の電極23a〜23iのうち所望の発振波長λLDよりも長波長の回折格子部分21eのための電極23eへの電気信号に応答して、残りの回折格子部分21a〜21c、21e〜21iの反射スペクトルの最大値と比較して増大される。
故に、所望の発振波長付近に回折波長を持つ回折格子部分のための電極に電気信号を加えてその回折波長を所望の発振波長に近づけて、光反射器内の回折格子の反射スペクトルの重なりにより所望の発振波長での反射率を高めている。上記の説明は、電流注入による調整について行われた。回折格子部分に電圧を加えて屈折率を変化させる電圧調整では、電圧印加に伴うバンドギャップエネルギー変化による影響で屈折率が高くなる場合がある。
チャープ回折格子をレーザ共振器の反射鏡として用いた場合、図2(a)に示されるように、回折格子に電流を注入しないとき、幅広い平坦な反射率を有する反射スペクトルになる。このため、レーザの出力光や自然放出光を観測することにより、リング共振器の特性(透過スペクトル周期など)を検査できる。
半導体発光素子11の利得導波路17からの光は、リング共振器19の透過スペクトルによりフィルタリングされると共に、レーザキャビティを往復する。図3(a)は、本実施の形態に係る半導体発光素子におけるレーザ発振可能な波長グリットとグリットの一つを選択するための反射スペクトルを示す図面である。半導体光素子11では、図3(a)に示される波長グリッドλB1〜λBiにおいて、レーザ発振が可能である。この波長グリッドは、リング共振器19のフリー・スペクトラル・レンジ(FSR)によって規定される。波長グリッドλB1〜λBiからの選択は、光反射器13の電極23a〜23iへの信号印加により行われる。半導体発光素子11は、電極23a〜23iへの信号印加に応じて形成されたスペクトルのピーク反射率に従って、レーザ発振条件を満たす位相(縦モード)調整の後に、最も高利得の波長λLDを有するレーザ光を生成する。
図3(b)は、本実施の形態に係る半導体発光素子における一例のリング共振器の透過スペクトルを示す図面である。リング共振器19では、光導波路は、閉じた曲線に沿って延びている。リング共振器19の直径は、例えば100〜1100μmであり、フォトリソグラフィや電子ビームリソグラフィを用いて作製可能である。リング共振器19の透過スペクトルでは、リング共振器19の光路長に応じて規定されるFSRの間隔で透過率のピークが配列されている。FSRは、リング共振器19の光導波路上に設けられた電極31に印加される信号に応じて変更される。例えば、信号の印加としては、電圧の印加または電流印加が行われる。
図4(a)は、チャープ回折格子の一構造例を示す図面である。図4(a)に示されるように、チャープ回折格子20の周期は、その一端から他端に向けて、Λ1<Λ2<Λ3<・・・<Λnというように一周期毎に順に大きくなる。m個の電極24a〜24mは、光導波路上に順に配置されている。例えば、電極24aが周期Λa+1からΛa+100近傍までの100個の周期に対応する回折格子上に位置しており、電極24bが周期Λb+1からΛb+100近傍上に位置しており、電極24mが周期Λm+1からΛm+100近傍上に位置している。ここで、Λa+100とΛb+1は隣り合う周期である必要はなく、また、近傍の意味は回折格子数周期分の長さ程度、回折格子と電極位置がずれていても良いことを示している。このようにチャープ回折格子の周期を連続的に変えることにより、電極の位置ずれがチャープ回折格子の反射スペクトル形状に及ぼす影響を小さくできる。また、電極24aはチャープ回折格子の端から間隔を離れた位置に設けられており、電極24mはチャープ回折格子の端から間隔を離れた位置に設けられている。
図4(b)は、チャープ回折格子の別の構造例を示す図面である。図4(b)に示されるように、チャープ回折格子22の周期は、その一端から他端に向けて、Λ1<Λ2<Λ3<・・・<Λnというようにいくつかの周期毎に順に大きくなる。チャープ回折格子22では、例えば、周期Λ1の3周期分の部分に続けて周期Λ2の3周期分の部分が続く。m個の電極28a〜28mは、光導波路上に順に配置されている。例えば、電極28aが周期Λa+1からΛa+50近傍上に位置しており、電極28bが周期Λb+1からΛb+50近傍までの50個の周期に対応する回折格子上に位置しており、電極24mが周期Λm+1からΛm+50近傍上に位置している。ここで、Λa+50とΛb+1は隣り合う周期である必要はなく、また、近傍の意味は回折格子数周期分の長さ程度、回折格子と電極位置がずれていても良いことを示している。このようにチャープ回折格子の周期をステップ状に変えることにより、作成が容易になる。ただし、周期をステップ状にすることによる電極の位置ずれがチャープ回折格子の反射スペクトル形状に及ぼす影響が少ない範囲内でステップ状に周期を変えている。また、電極28aはチャープ回折格子の端から間隔を離れた位置に設けられており、電極28mはチャープ回折格子の端から間隔を離れた位置に設けられている。
半導体発光素子11では、当該半導体発光素子11からの光出射は反射端面15から行われることができる。光反射器13を介すること無く、半導体発光素子11からの光の出射が行われるので、出射光は光反射器13の透過光でない。
また、図1に示されるように、半導体発光素子11は、位相調整器29を更に備えることができる。位相調整器29は、位相調整のための信号を光導波路に印加するための電極30を含む。この光導波路は、レーザキャビティのための反射鏡の間に位置する。この位相調整器29によれば、レーザ発振波長の可変に伴い位相の調整が可能になる。例えば、信号の印加としては、電圧の印加または電流印加が行われる。
半導体発光素子11において、光反射器13の一端は半導体光源27に光学的に結合されており、光反射器13の他端は、光導波路の余長35を有する。光導波路の余長35の端部は、光導波路幅を徐々に狭くすることにより終端されている。
半導体発光素子11では、光反射器13、反射端面15、利得導波路17、リング共振器19および位相調整器29は、単一の基板33上に形成される。半導体発光素子11の構成物(例えば、半導体積層、光導波路、電極等)は、例えば、半導体素子を作製するための工程(結晶成長、エッチング、電極形成等)の組み合わせにより作製される。
続いて、半導体発光素子11をより詳細に説明する。半導体発光素子11は、第1〜第2の半導体光導波路37、41を更に備えることができる。第1の半導体光導波路37は、半導体光源27および光反射器13の一方を他方に光学的に結合する。第1の半導体光導波路37は、光反射器13に光学的に結合された一端37aと、他端37bと、一端37aと他端37bとの間に設けられ半導体光源27(例えば、リング共振器19)に光学的に結合する光結合部37cとを含む。他端37bは、半導体発光素子11の別の端面11bから離れている。
第2の半導体光導波路41は、リング共振器19および利得導波路17の一方を他方に光学的に結合する。第2の半導体光導波路41は、半導体光源27の位相調整器29を介して利得導波路17に光学的に結合された一端41aと、他端41bと、一端41aと他端41bとの間に設けられリング共振器19に光学的に結合された光結合部41cとを含む。第1および第2の半導体光導波路37、41の他端37b、41bは、半導体光導波路の幅が徐々に狭くなる導波路終端を有する。幅を狭くすることにより光が光導波路外へ放射され、或いは導波路を曲げることにより光導波路への反射が抑制されることによって、実効的な無反射終端が実現される。また、光導波路の端部に吸収層を形成することもできる。
この半導体発光素子11によれば、レーザキャビティ内に2個の光結合部37c、41cが用いられるので、レーザ共振器のために2個のリング共振器を用いる(4個の光結合部を含む)半導体レーザに比べて、光結合部による光学損失が少ない。また、光導波路37b、41bの幅を徐々に狭くするように終端することによって、光導波路の端部における反射を低減される。半導体発光素子11の別の端面11b、11c、11dにARコートが不要である。
図5は、本実施の形態に係る半導体発光素子の光出力特性を示す図面である。横軸は、利得導波路への印加電流を示し、縦軸は、電流に印加により得られた光パワー出力を示す。図5には、この実施の形態に係る一例の波長可変レーザAの発光特性DAだけでなく、SG−回折格子を用いる波長可変レーザBの発光特性DBおよび2個のリング共振器を用いる波長可変レーザCの発光特性DCが示されている。波長可変レーザAの波長可変のために1個のリング共振器を用いているので、2個のリング共振器を含む波長可変レーザに比べて共振器内部の光吸収が小さく、閾値電流が小さい。さらに、スロープ効率も優れる。また、レーザ光の出力を反射端面から取り出せば、大きな光出力を得ることができる。
図6は、本実施の形態に係る半導体発光素子の変形例を概略的に示す図面である。半導体発光素子43は、第1〜第2の半導体光導波路45、47を含む。第1の半導体光導波路45は、半導体光源27および光反射器13の一方を他方に光学的に結合する。第2の半導体光導波路47は、リング共振器19および利得導波路17の一方を他方に光学的に結合する。光反射器13の他端は、光導波路の余長35を有する。光導波路の余長35の端部は、光導波路幅を屈曲することにより終端されている。第1の半導体光導波路45は、光反射器13に光学的に結合された一端45aと、反射端面15が設けられた端面43aとは反対側の別の端面43bに到達する他端45bと、一端45aと他端45bとの間に設けられ半導体光源27(例えば、リング共振器19)に光学的に結合する光結合部45cとを含む。第2の半導体光導波路47は、位相調整器29に光学的に結合された一端47aと、別の端面43bに到達する他端47bと、一端47aと他端47bとの間に設けられリング共振器19に光学的に結合された光結合部47cとを含む。別の端面43bにはARコート49が形成されている。
この半導体発光素子43によれば、レーザキャビティ内に2個の光結合部45a、47cが用いられるので、2個のリング共振器を用いる半導体レーザに比べて、光結合部による光学損失が少ない。また、ARコート49により終端することにより、光導波路の端部における反射を低減される。
或いは、他端45b、47bは、反射端面15が設けられた端面43aとは反対側の別の端面43bにおいて、該端面43bの垂線に対して屈曲されることが好ましい。光導波路の屈曲およびARコートにより終端することにより、光導波路の端部における反射を低減される。
図7は、本実施の形態に係る半導体発光素子の変形例を概略的に示す図面である。半導体発光素子51は、光処理素子53および出射端面55を更に備えることができる。光処理素子53は、レーザキャビティ外において光反射器13に光学的に結合されており、光反射器13からのレーザ光を処理する。光処理素子53は、処理のための信号を受けるための電極54を含む。一例では、光処理素子53は、レーザ光を変調するための光変調器を含むことができる。例えば、利得導波路17は多重量子井戸構造57を含む活性層を有する。多重量子井戸構造57は、交互に配列された井戸層57aおよび障壁層57bを含む。井戸層57aはバンドギャップE1を有する。また、光処理素子53の光変調器は多重量子井戸構造59を有する。光変調器は、例えば電界吸収型光変調器である。この電界
吸収型光変調器は多重量子井戸構造59を含む吸収層を有する。多重量子井戸構造59は、交互に配列された井戸層59aおよび障壁層59bを含む。井戸層59aは、バンドギャップE1より大きいバンドギャップE2を有する。また、光変調器は、電界吸収型光変調器に限定されるものではなく、マッハツェンダ型の光変調器も光変調器として用いることができる。
吸収型光変調器は多重量子井戸構造59を含む吸収層を有する。多重量子井戸構造59は、交互に配列された井戸層59aおよび障壁層59bを含む。井戸層59aは、バンドギャップE1より大きいバンドギャップE2を有する。また、光変調器は、電界吸収型光変調器に限定されるものではなく、マッハツェンダ型の光変調器も光変調器として用いることができる。
半導体発光素子51では、レーザ光源(13、15、27、29)からの光は、光処理素子53によって処理され、また、処理されたレーザ光LPは出射端面55から出射される。
図8は、図7に示されたVII−VII線に沿って取られた半導体発光素子の縦断面を概略的に示す図面である。利得導波路17は、基板33上に順に形成されたn型クラッド層61、光ガイド層63、量子井戸構造57の活性層65a、光ガイド層67a、p型クラッド層69およびコンタクト層71aを含む。利得導波路17では、コンタクト層71a上には電極25が設けられている。光反射器13は、基板33上に順に形成されたn型クラッド層61、光ガイド層63、コア導波路層65b、光ガイド層67b、チャープ回折格子構造68、各電極に対応して分離されたコンタクト層71b(711b、712b、713b)、およびp型クラッド層69を含む。光反射器13では、コンタクト層71b上には電極群23が設けられている。チャープ回折格子構造68は、光ガイド層67bの表面に設けられたチャープされた周期構造から構成されており、異なる半導体の屈折率差により構成される。位相調整器29は、基板33上に順に形成されたn型クラッド層61、光ガイド層63、コア導波路層65c、光ガイド層67c、p型クラッド層69およびコンタクト層71cを含む。位相調整器29では、コンタクト層71c上には電極30が設けられている。リング共振器19は、基板33上に順に形成されたn型クラッド層61、光ガイド層63、コア導波路層65c、光ガイド層67c、p型クラッド層69およびコンタクト層71cを含む。リング共振器19では、コンタクト層71e上には電極31が設けられている。光処理素子53は、基板33上に順に形成されたn型クラッド層61、光ガイド層63、量子井戸構造59を有する活性層65d、光ガイド層67d、p型クラッド層69およびコンタクト層71dを含む。光処理素子53では、コンタクト層71d上には電極54が設けられている。半導体光導波路構造75は、基板33上に順に形成されたn型クラッド層61、光ガイド層63、コア導波路層65c、光ガイド層67cおよびp型クラッド層69を含む。
縦方向の光閉じ込めはクラッド層61、69により行われる。また、横方向の光閉じ込めはストライプ状の導波路構造と、この導波路構造を埋め込む埋め込み層73とによって提供される。
例示すれば、利得領域の活性層は、1.25μm〜1.65μm帯に利得を持つGaInAsP/GaInAsP量子井戸構造を有することができる。光導波層は、量子井戸構造のバンドギャップ波長より短い波長のGaInAsP半導体からなることができ、n型およびp型クラッド層はInP半導体からなることができる。コンタクト層は、高濃度ドープされたGaInAs層からなることができる。埋込層としては、半絶縁性InPから成ることができる。
また、利得導波路17の活性層は、互いに異なるバンドギャップを有する複数の井戸層と、これらの複数の井戸層の間に位置する障壁層とを含む多重量子井戸構造とすることができる。井戸層が、互いに異なるバンドギャップを有する複数の井戸層から形成される場合、レーザ発振可能な活性層の利得バンド幅を拡大することが可能であり、広い波長範囲でレーザの発振波長を可変にすることができる。また、利得導波路17の活性層の利得バンド幅を拡大するための方法として、互いに異なるバンドギャップエネルギを有する複数の井戸層を積層すること以外に、互いに異なる厚み(幅)の井戸層を備えるようにしてもよいし、あるいは量子井戸層の材料組成および厚みの両方を変更することもできる。
再び図7を参照すると、半導体発光素子51は半導体光導波路81、83を含む。半導体光導波路81は、反射端面15に光学的に結合された一端81aと、他端81b、一端81aと他端81bとの間に位置する光結合部81cとを含む。光結合部81cは、リング共振器19に光学的に結合されている。半導体光導波路81は、一端81aから光結合部81cに至る経路で屈曲された屈曲部81dを含む。半導体光導波路83は、光共振器13に光学的に結合された一端83aと、他端83b、一端83aと他端83bとの間に位置する光結合部83cとを含む。光結合部81cは、リング共振器19に光学的に結合されている。半導体光導波路81、83は、半導体光導波路構造75を含む。反射端面15は、端面51aに設けられた高反射(HR)膜77を含む。
また、図7に示すように、半導体発光素子51をリング共振器部分51dとその他の部分51cに分離して、リング共振器部分51dを石英基板上に光導波路を形成して作成することができる。石英基板上にリング共振器を作製することは半導体で作製するより容易であり、しかも温度変化に対して安定である。この場合は、半導体基板上に形成された51cの光導波路83と、石英基板上に形成されたリング共振器51dにつながる光導波路83を直接光結合(バットジョイント)あるいはレンズを介して光結合する。リング共振器の透過スペクトル波長位置やFSRの制御は、リング共振器を加熱するための電極を石英基板上のリング共振器近傍に形成し、温度制御することにより行う。
図9は、本実施の形態に係る半導体発光素子の別の変形例を概略的に示す図面である。半導体発光素子87は、光処理素子53として、レーザ光を増幅するための光増幅器を含むことができる。光増幅器は、半導体光増幅素子85を含むことができる。半導体光増幅素子85の活性層は、互いに異なるバンドギャップを有する井戸層85a〜85eと、井戸層85a〜85eの間に位置する障壁層85fとを含む。活性層が様々なバンドギャップの井戸層を含むので、図10に示すように、活性層の全体によって提供される光学利得の幅が広げられる。この構造による利得スペクトルVは、同じ構造の井戸層を用いる活性層の利得スペクトルUよりも広い利得帯域を有する。
図10に示されるような、広い利得帯域を有する量子井戸活性層を実現するための構造としては、上記ように、互いに異なるバンドギャップエネルギを有する複数の井戸層を積層すること以外に以下の構造が例示される。互いに異なる厚み(幅)の井戸層を備えるようにしてもよいし、あるいは量子井戸層の材料組成および厚みの両方を変更することもできる。
図2(a)に示されるように、光反射器13のチャープ回折格子21は、固有の反射スペクトル26を有している。回折格子部分21a〜21iの各々における反射スペクトルの最大値は、電極23a〜23iへの信号印加に応答して、図2(b)に示されるように、対応する回折格子部分の固有の反射スペクトルの最大値よりも増大される。光処理素子53の光増幅器は、チャープ回折格子21の固有の反射スペクトル26の幅(例えば、半値全幅)W0より広い波長幅において十分な光学利得を有する半導体光増幅器を含むことが好ましい。
この半導体発光素子11によれば、光反射器13が、サンプルド回折格子(SG)などの不均一回折格子を用いること無くチャープ回折格子を用いるので、レーザ発振波長の可変範囲を広めることが可能であり、上記のような広い光学利得幅の半導体光増幅器を光増幅器として用いることによって、半導体発光素子11の発振波長が広い波長範囲で可変になる。
図11は、本実施の形態に係る半導体発光素子を含んでおり発振波長を変更可能な光源装置を概略的に示す図面である。光源装置89は、半導体発光素子91および光モニタ90を含む。光モニタ90は、半導体発光素子91からのレーザ光を受けて、モニタ信号IMONを生成する。光モニタ90としては、例えばフォトダイオードを用いることができる。
半導体発光素子91は、光反射器13と、反射端面15と、利得導波路17と、リング共振器19とを備える。半導体発光素子91は、光処理素子として、光モニタ用フィルタ素子を含むことができる。このために、半導体発光素子91は、レーザキャビティ外において光反射器13に光学的に結合されたリング共振器93を更に含むことができる。リング共振器93は、閉じた半導体光導波路を含み、また必要な場合には、リング共振器93の吸収スペクトルの波長を変更するための電極92を含むことができる。反射端面15は、半導体発光素子91aの出射端面91bに設けられている。半導体発光素子91では、光反射器13、反射端面15、利得導波路17、リング共振器19、位相調整器29、およびリング共振器93が単一の半導体基板といった基板上に設けられている。半導体発光
素子91は、出射光LOUTを反射端面15から提供する。光モニタ90は、リング共振器93を介して光反射器13からの光LMONを受ける。
素子91は、出射光LOUTを反射端面15から提供する。光モニタ90は、リング共振器93を介して光反射器13からの光LMONを受ける。
半導体発光素子91では、半導体光導波路95、97、99、101が設けられている。第1の半導体光導波路97は、半導体光源27および光反射器13の一方を他方に光学的に結合する。半導体光導波路97は、光反射器13に光学的に結合された一端97aと、他端97bと、一端97aと他端97bとの間に設けられ半導体光源27(例えば、リング共振器19)に光学的に結合する光結合部97cとを含む。
半導体光導波路99は、半導体光源27およびリング共振器93の一方を他方に光学的に結合する。半導体光導波路99は、光反射器13に光学的に結合された一端99aと、他端99bと、一端99aと他端99bとの間に設けられリング共振器93に光学的に結合する光結合部99cとを含む。
半導体光導波路95は、リング共振器19および利得導波路17の一方を他方に光学的に結合する。半導体光導波路95は、半導体光源27に光学的に結合された一端95aと、他端95bと、一端95aと他端95bとの間に設けられリング共振器19に光学的に結合された光結合部95cとを含む。
半導体光導波路101は、リング共振器93からのモニタ光を半導体発光素子91aのモニタ光出射端面91cに導く。半導体光導波路101は、モニタ光出射端面91cに光学的に結合された一端101aと、他端101bと、一端101aと他端101bとの間に設けられリング共振器93に光学的に結合された光結合部101cとを含む。半導体光導波路95、97、99、101の他端95b、97b、99b、101bは、対応する端面に向けて屈曲された屈曲部を有する。この屈曲部により実効的な無反射端を実現している。
リング共振器93は、FSRにより規定される間隔で配列された透過スペクトルピーク列を有する。あるレーザ発振波長における光反射器13からのレーザ光の波長は、透過スペクトルピーク列のうちの一ピークに対応しており、光モニタ90は、リング共振器93によってフィルタリングされたレーザ光LMONを受ける。レーザ光の波長の変動は、レーザ光LMONの変化としてモニタ信号IMONに反映される。故に、光モニタ90を用いて、レーザ光LOUTの波長ロックが可能になる。
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
以上説明したように、電流注入又は電界効果や温度効果などを利用してリング共振器の少なくとも一部分の屈折率を変化させることによって、リング共振器の透過波長ピーク位置とFSRを所望の波長グリッド(例えば、WDMシステムで使用される波長グリッド)に合わせる。
次に、チャープ回折格子の一部分に電流注入して、所望の波長グリッドの一つの反射率を高くする。これによって、半導体利得領域の利得帯域において、ある波長グリッドのひとつにリング共振器の透過ピークの一つと、チャープ回折格子の反射ピーク波長が一致する。
次に、位相調整領域に電流を注入、あるいは電圧を印加することにより、この部分の光導波の屈折率を変化させてレーザの縦モード波長を、既に前述のように一致させたピーク波長(リング共振器の透過ピークとチャープ回折格子の反射ピーク波長を一致させた波長)に合わせる。
以上のように調整することにより、リング共振器とチャープ回折格子の小さい屈折率変化でも、広い波長範囲において所望の波長でレーザ発振が得られる。
リング共振器の一つの透過ピークスペクトル全半値幅内に少なくとも1本の縦モードが含まれることが好ましく、全半値幅内にあまり多くの縦モードを含むと単一モード性が悪くなる。例えば、全半値幅内に1〜5本程度の縦モード数が含まれる好ましい。
レーザ光の出力光がチャープ回折格子を介して出力されないので、大きな光出力を得ることができる。また、波長可変レーザが共振器内に含まれる1個のリング共振器を用いるので、従来の2個以上のリング共振器を用いる波長可変レーザに比べて、共振器内部の光吸収が小さく、閾値電流が小さく、スロープ効率も良くなる。
チャープ回折格子をレーザ共振器の反射鏡として用いるので、チャープ回折格子に電流を注入していないとき、チャープ回折格子の反射スペクトルは平坦になる。故に、レーザ出力光や自然放出光を観測することによりリング共振器の特性(吸収スペクトル周期など)評価が容易にできる。
チャープ回折格子をレーザ共振器の反射鏡として用いるので、チャープ回折格子に電流を注入していないとき、チャープ回折格子の反射スペクトルは平坦になる。故に、レーザ出力光や自然放出光を観測することによりリング共振器の特性(吸収スペクトル周期など)評価が容易にできる。
共振器の一方の反射鏡としてレーザ光出射端面を用いないので、同一半導体基板上に、光変調器や光増幅器などと集積化できる。また、同一半導体基板上に、光変調器や光増幅器などと集積化できるので、半導体発光素子を小型化できる。光変調器としては、例えば半導体マッハツエンダー変調器や、電界吸収型の半導体光変調器などを用いることができる。
11…半導体発光素子、11a、11b、11c、11d…半導体発光素子の端面、13…光反射器、15…反射端面、17…利得導波路、19…リング共振器、20、21、22…チャープ回折格子、21a、21c、21i…部分チャープ回折格子、23a、23b、23c、23i…電極、26a〜26i…反射スペクトルの反射率値、27…半導体光源、29…位相調整器、30…位相調整器のための電極、31…リング共振器のための電極、33…基板、λ1〜λ9…波長グリッド、35…光導波路の余長、37、41…半導体光導波路、37a、41a…半導体光導波路の一端、37c、41c…半導体光導波路の光結合部、37b、41b…半導体光導波路の他端
Claims (11)
- レーザ発振波長を変更可能な半導体発光素子であって、
チャープ回折格子および前記チャープ回折格子の屈折率分布を制御するために設けられた複数の電極を含む光反射器と、
前記半導体発光素子の一端面に設けられた反射端面と、
キャリア注入による光学的利得を有する利得導波路と、
複数の極大値を含む透過スペクトルを有するリング共振器と
を備え、
前記光反射器および前記反射端面は、当該半導体発光素子のレーザキャビティのための反射鏡であり、
前記リング共振器および前記利得導波路は前記レーザキャビティ内において直列に配置されて半導体光源を構成している、ことを特徴とする半導体発光素子。 - 前記光反射器は、前記チャープ回折格子に光学的に結合され所定の軸の方向に延びる光導波路を含み、
前記チャープ回折格子は、前記光導波路に沿って設けられており、
前記チャープ回折格子の反射スペクトルが、前記複数の電極のうち所望の発振波長に対応する電極への電気信号に応答して変更されて、前記光反射器の前記反射スペクトルの反射率が、前記所望の発振波長を含む波長領域において増大される、ことを特徴とする請求項1に記載された半導体発光素子。 - 前記レーザキャビティ外において前記光反射器に光学的に結合されており、前記光反射器からのレーザ光を処理する光処理素子を更に備え、
前記光処理素子は、前記レーザ光を変調するための光変調器および前記レーザ光を増幅する光増幅器の少なくともいずれか一方を含む、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載された半導体発光素子。 - 前記チャープ回折格子は、固有の反射スペクトルを有しており、
前記チャープ回折格子は、前記複数の電極にそれぞれ対応する回折格子部分を有しており、
前記光反射器における反射スペクトルの最大値は、前記電極への信号印加に応答して、前記固有の反射スペクトルの最大値よりも増大された値であり、
前記光増幅器は、前記固有の反射スペクトルの幅より広い波長幅において光学利得を有する半導体光増幅器を含む、ことを特徴とする請求項3に記載された半導体発光素子。 - 当該半導体発光素子からの光出射は前記反射端面から行われる、ことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
- 前記レーザキャビティ内に設けられた光導波路の位相調整のための信号を印加するための電極を含む位相調整器を更に備える、ことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
- 前記半導体光源および前記光反射器の一方を他方に光学的に結合するための第1の半導体光導波路と、
前記リング共振器および前記利得導波路の一方を他方に光学的に結合するための第2の半導体光導波路と
を更に備え、
前記第1の半導体光導波路は、前記光反射器に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記半導体光源に光学的に結合する光結合部とを含み、
前記第2の半導体光導波路は、前記半導体光源の前記利得導波路に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記リング共振器に光学的に結合された光結合部とを含み、
前記第1および第2の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面に到達しており、
前記別の端面にはARコートされている、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された半導体発光素子。 - 前記半導体光源および前記光反射器の一方を他方に光学的に結合するための第1の半導体光導波路と、
前記リング共振器および前記利得導波路の一方を他方に光学的に結合するための第2の半導体光導波路と
を更に備え、
前記第1の半導体光導波路は、前記光反射器に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記半導体光源に光学的に結合する光結合部とを含み、
前記第2の半導体光導波路は、前記半導体光源の前記利得導波路に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記リング共振器に光学的に結合された光結合部とを含み、
前記第1および第2の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面に到達しており、
前記第1および第2の半導体光導波路の前記他端は、前記別の端面に向けて屈曲されており、
前記別の端面にはARコートされている、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された半導体発光素子。 - 前記半導体光源および前記光反射器の一方を他方に光学的に結合するための第1の半導体光導波路と、
前記リング共振器および前記利得導波路の一方を他方に光学的に結合するための第2の半導体光導波路と
を更に備え、
前記第1の半導体光導波路は、前記光反射器に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記半導体光源に光学的に結合する光結合部とを含み、
前記第2の半導体光導波路は、前記半導体光源の前記利得導波路に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記リング共振器に光学的に結合された光結合部とを含み、
前記第1の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面から離れており、
前記第2の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面から離れており、
前記第1および第2の半導体光導波路の前記他端は、半導体光導波路の幅が徐々に狭くなる導波路終端を有する、ことを特徴とする請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載された半導体発光素子。 - 前記リング共振器が石英基板上の光導波路により形成されたことを特徴とする請求項1〜請求項6のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
- 前記リング共振器を形成する光導波路の温度を制御するための電極を更に備えることを特徴とする請求項10に記載の半導体発光素子。
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