JP2009518833A - 広帯域スペクトル発光を有するレーザ光源 - Google Patents
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Abstract
Description
レーザ動作を達成するために、活性領域は、レーザ空洞内の総光学損失の釣り合いをとるのに十分な光学利得を提供するべきである。半導体媒質において、光学利得は典型的には、光学利得スペクトルと呼ばれる特定のスペクトル範囲全体にわたって分布される。特定の利得スペクトル形状は、半導体の状態密度によって、そして或る程度、ポンプレベルによって決定される。
本発明は、量子ドット活性領域の最適化方法、及び発光スペクトルの帯域幅を最大化するレーザ設計を提供し、そして好ましくは、十分に高いスペクトルパワー密度を同時に達成する。従って、本発明のレーザは好ましくは、スペクトル帯域幅及び光学パワーを制御する制御手段を含む。これらの手段の一例としては、最大有効ポンプレベルの制御、レーザ活性領域内の量子ドット総数の制御、量子ドット基底状態へのキャリヤ緩和、及び量子ドット基底状態からのキャリヤ励起の制御が挙げられる。
空洞幅:5μm
ファセット反射率:100%/10%
ポンプレベル:CWレジームにおける300mA駆動電流と等価
飽和利得:1量子ドット平面当たり6cm-1
内部損失:3cm-1
基底状態レベルまでのキャリヤ緩和時間:2ps
基底状態レベルからのキャリヤ励起時間:20ps
キャリヤ放射寿命:1ns
フォトンエネルギー:0.95eV
面内量子ドット密度:5x1010cm-2
量子ドット平面数:7
基底状態レベルの不均一な広がり:50nm
これらのパラメータのうちのいくつかは、スペクトル特性及びパワー特性に対する効果を実証するために、変化させられる。
レーザの特性に対するポンプレベル(I)の効果が、図5に示されており、この図において、スペクトルパワー密度ρが帯域幅Δの関数として示されている。ρ−Δ曲線の異なる点は、ポンプレベルが曲線の左手端部から右手端部へ向かって増大する異なるポンプレベルに相当する。図5の斜線領域は、所期パラメータ(Δ≧15nm、ρ≧10mW/nm)を満たすレーザ特性のフィールドを表す。
前述のように、活性領域内の量子ドット総数は、活性領域面積と、量子ドットの有効表面密度(量子ドットの面内表面密度を、レーザの活性領域における量子ドット平面数で掛け算したもの)との積である。活性領域内の量子ドット総数は、レーザの特性の多くに影響を与えることができ、その結果、スペクトルパワー密度及び帯域幅を変化させることができる。従って、本発明のレーザは活性領域内の量子ドット総数を制御するので、スペクトルパワー蜜度及び帯域幅は好ましくは同時に最適化される。
量子ドット基底状態へのキャリヤ緩和時間(τ0)がレーザの特性に与える効果が、図7に示されており、この図において、スペクトルパワー密度ρが帯域幅Δの関数として示されている。ρ−Δ曲線の個々の点は、時間が曲線の左手端部から右手端部へ向かって増大する個々のキャリヤ緩和時間に相当する。斜線領域は、好ましい仕様(Δ≧15nm、ρ≧10mW/nm)を満たすレーザ特性のフィールドを表す。
図10aは、本発明の一実施態様において、n−ドープ型第1クラッド層103、導波路層104、p−ドープ型第2クラッド層105、p+コンタクト層106の順序で層を含む、好ましくはn+ドープ型基板102上で成長させられた、量子ドットレーザの層状構造101を示している。一例において、層はそれぞれ、好ましくはn+ドープ型GaAs基板102、n−AlGaAs第1クラッド層103、GaAs導波路層104、p−AlGaAs第2クラッド層105、及びp+GaAsコンタクト層106である。導波路層104はまた、活性層107が埋め込まれたマトリックスの役割を演じる。図10bに示されているように、活性層107は好ましくは、スペーサ層109によって分離された量子ドットのいくつかの平面108の連続堆積によって形成され、これらのスペーサ層はこの例ではGaAsから形成される。各量子ドット平面は好ましくは、この例ではInGaAs材料系内に埋め込まれたStranski-Krastanow自己組織化量子ドットの平面を表す。各平面は好ましくは、同じ成長条件下で堆積される。
WDMシステムのための光源は量子ドットレーザを含む。本発明の方法に従って、レーザの活性領域、レーザ設計、及びレーザ動作条件は、量子ドットレーザが、少なくとも15nmの発光スペクトル帯域幅及び少なくとも100mWの光学パワーを有する広帯域高出力放射線を放出することができるように最適化される。好ましい実施態様において、光学パワーは少なくとも150mWである。別の好ましい実施態様の場合、スペクトルパワー密度は少なくとも7mW/nmであり、より好ましくは少なくとも10mW/nmである。
図15(a)に示された一実施態様の場合、量子ドットレーザ1500は、波長の関数である反射率を有する複数の波長選択素子1501を含む。波長選択素子1501の総数Nは、好ましくは少なくとも2、そして典型的には約10である。波長選択素子は図15(b)に示されているように、レーザ1500の光学損失スペクトル1502が、レーザ活性領域の光学利得スペクトル1504内にスペクトル位置λ1,λ2...λNを有する複数の最小値1503を有するように設計される。
図19(a)に示された一実施態様の場合、量子ドットレーザ1900もまた、波長の関数である反射率を有する波長選択素子1901を含む。波長選択素子は図19(b)に示されているように、その反射率スペクトル1902が、レーザ活性領域の光学利得スペクトル1904内にスペクトル位置を有する拡張最大値1903を有するように設計される。
Claims (80)
- 半導体マトリックス内に配置された複数の量子ドットを含む半導体量子ドット活性領域を含むレーザであって、
前記レーザが、量子ドットの不均一に広げられた基底状態光学遷移時に動作することが可能で、
前記レーザの出力レーザ発振スペクトルのスペクトル帯域幅が、少なくとも15nmであり、かつ前記レーザの光学パワーが少なくとも100mWである、
ことを特徴とするレーザ。 - 前記光学パワーが少なくとも150mWである、請求項1に記載のレーザ。
- 前記スペクトルパワー密度が少なくとも10mW/nmである、請求項2に記載のレーザ。
- 前記スペクトル帯域幅、及び前記スペクトルパワー密度が、
最大有効ポンプレベルと、
前記レーザの活性領域内の量子ドット総数と、
前記量子ドット基底状態へのキャリヤ緩和及び前記量子ドット基底状態からのキャリヤ励起とから成る群から選択された少なくとも1つの特性を制御することによって制御される、請求項3に記載のレーザ。 - 前記最大有効ポンプレベルが、前記出力パワーのサーマル・ロールオーバーを抑制することによって制御される、請求項4に記載のレーザ。
- 前記サーマル・ロールオーバーが、
前記レーザのパワー変換効率を高めることと、
前記レーザの活性領域の温度を安定化することと、
温度不感性閾値及び微分効率を有する前記活性領域を製造することから成る群から選択された方法によって抑制される、請求項5に記載のレーザ。 - 前記最大有効ポンプレベルが、壊滅的光学ミラー損傷を抑制することにより制御される、請求項4に記載のレーザ。
- 前記壊滅的光学ミラー損傷が、
前記レーザのファセットを保護することと、
結果として損傷をもたらすのに十分な光学パワー密度を有する材料から前記活性領域を製造することと、
有効光学モードサイズを増大させることから成る群から選択された方法によって抑制される、請求項7に記載のレーザ。 - 前記最大有効ポンプレベルが、量子ドット励起状態光学遷移時のポンプ誘導レーザ発振を抑制することにより制御される、請求項4に記載のレーザ。
- さらに、量子ドット励起状態光学遷移時のポンプ誘導レーザ発振を抑制するために、スペクトル選択損失を提供するスペクトル選択素子を含む、請求項9に記載のレーザ。
- 量子ドット状態の総数が、
前記マトリックス内に順次形成される量子トッド平面の数を制御することと、
量子ドットの面内表面密度を制御することと、
前記活性領域の面積を制御することから成る群から選択された方法によって制御される、請求項4に記載のレーザ。 - 前記スペクトルパワー密度が少なくとも7mW/nmである、請求項1に記載のレーザ。
- 前記スペクトル帯域幅及び前記スペクトルパワー密度が、
最大有効ポンプレベルと、
前記レーザの活性領域内の量子ドット総数と、
前記量子ドット基底状態へのキャリヤ緩和及び前記量子ドット基底状態からのキャリヤ励起とから成る群から選択された少なくとも1つの特性を制御することによって制御される、請求項12に記載のレーザ。 - 前記最大有効ポンプレベルが、前記出力パワーのサーマル・ロールオーバーを抑制することによって制御される、請求項13に記載のレーザ。
- 前記サーマル・ロールオーバーが、
前記レーザのパワー変換効率を高めることと、
前記レーザの活性領域の温度を安定化することと、
温度不感性閾値及び微分効率を有する前記活性領域を製造することから成る群から選択された方法によって抑制される、請求項14に記載のレーザ。 - 前記最大有効ポンプレベルが、壊滅的光学ミラー損傷を抑制することにより制御される、請求項13に記載のレーザ。
- 前記壊滅的光学ミラー損傷が、
前記レーザのファセットを保護することと、
結果として損傷をもたらすのに十分な光学パワー密度を有する材料から前記活性領域を製造することと、
有効光学モードサイズを増大させることから成る群から選択された方法によって抑制される、請求項16に記載のレーザ。 - 前記最大有効ポンプレベルが、量子ドット励起状態光学遷移時のポンプ誘導レーザ発振を抑制することにより制御される、請求項13に記載のレーザ。
- さらに、量子ドット励起状態光学遷移時のポンプ誘導レーザ発振を抑制するために、スペクトル選択損失を提供するスペクトル選択素子を含む、請求項18に記載のレーザ。
- 量子ドット状態の総数が、
前記マトリックス内に順次形成される量子トッド平面の数を制御することと、
量子ドットの面内表面密度を制御することと、
前記活性領域の面積を制御することから成る群から選択された方法によって制御される、請求項13に記載のレーザ。 - さらに、前記量子ドット活性領域に近接したマトリックス内に配置された複数のエネルギーバリヤを含み、少なくとも1つのタイプの電荷キャリヤの緩和が、前記エネルギーバリヤの幅及び高さによって制御される、請求項1に記載のレーザ。
- さらに、前記量子ドット活性領域に近接したマトリックス内に配置された量子井戸を含み、少なくとも1つのタイプの電荷キャリヤの緩和が、量子ドットレベルと量子井戸レベルとの間のエネルギー分離によって制御される、請求項1に記載のレーザ。
- 少なくとも1つのタイプの電荷キャリヤの励起が、マトリックス・バンドエッジに対する基底状態エネルギーレベルの局在化エネルギーによって制御される、請求項1に記載のレーザ。
- さらに、前記レーザの発光スペクトル内のモード・グルーピングを抑制することを含む、請求項1に記載のレーザ。
- 前記抑制が、レーザが成長させられる基板の裏側表面を粗面化することにより生じる、請求項24に記載のレーザ。
- 半導体マトリックス内に配置された複数の量子ドットを含む半導体量子ドット活性領域を含むレーザを含む、波長分割多重システムのための光源であって、
前記レーザが、量子ドットの不均一に広げられた基底状態光学遷移時に動作することが可能で、
前記レーザの出力レーザ発振スペクトルのスペクトル帯域幅が少なくとも15nmであり、前記レーザの光学パワーが少なくとも100mWであり、かつ
前記レーザが、異なる波長で複数の光学信号を提供する、
ことを特徴とする波長分割多重システムのための光源。 - さらに、外部光学素子として製造されたスペクトル・スプリッタを含む、請求項26に記載の光源。
- 前記スペクトル・スプリッタが、
光学プリズムと、
光学格子と、
アレイ導波路格子とから成る群から選択される、請求項27に記載の光源。 - さらに、単一キャリヤ基板内で前記レーザと一体化されたスペクトル・スプリッタを含む、請求項26に記載の光源。
- 前記スペクトル・スプリッタが、
光学プリズムと、
光学格子と、
アレイ導波路格子とから成る群から選択される、請求項29に記載の光源。 - 少なくとも1つのスペクトル・チャネル内の出力パワーが少なくとも10mWとなるように、前記レーザの発光スペクトルが少なくとも2つの独立したスペクトル・チャネルにスペクトル分割される、請求項26に記載の光源。
- 前記光学パワーが少なくとも150mWである、請求項26に記載のレーザ。
- 前記スペクトルパワー密度が少なくとも10mW/nmである、請求項32に記載のレーザ。
- 前記スペクトルパワー密度が少なくとも7mW/nmである、請求項26に記載のレーザ。
- 広帯域スペクトルを有するレーザの動作方法であって、
半導体マトリックス内に配置された複数の量子ドットを含む半導体量子ドット活性領域を含むレーザを、量子ドットの不均一に広げられた基底状態光学遷移時に動作させるステップを含み、
前記レーザの出力レーザ発振スペクトルのスペクトル帯域幅が、少なくとも15nmであり、前記レーザの光学パワーが少なくとも100mWである、
ことを特徴とするレーザの動作方法。 - さらに、前記レーザの発光スペクトル内のモード・グルーピングを抑制するステップを含む、請求項35に記載の方法。
- 前記モード・グルーピングが、レーザが成長させられる基板の裏側表面を粗面化することにより抑制される、請求項36に記載の方法。
- さらに、少なくとも1つのスペクトル・チャネル内の出力が少なくとも10mWとなるように、前記レーザの発光スペクトルを少なくとも2つの独立したスペクトル・チャネルにスペクトル分割するステップを含む、請求項35に記載の方法。
- さらに、量子ドット励起状態光学遷移時のレーザ発振を抑制するために、スペクトル選択損失を前記レーザの共振器内に導入するステップを含む、請求項35に記載の方法。
- 前記光学パワーが少なくとも150mWである、請求項35に記載の方法。
- 前記スペクトルパワー密度が少なくとも10mW/nmである、請求項40に記載の方法。
- 前記スペクトルパワー密度が少なくとも7mW/nmである、請求項35に記載の方法。
- レーザであって、
波長の関数である反射率と、半導体マトリックス内に配置された複数の量子ドットを含む半導体量子ドット活性領域とを有する、少なくとも2つの波長選択素子を含み、
前記レーザの光学損失スペクトルが、前記活性領域の光学利得スペクトル内にスペクトル位置を有する複数の最小値を有し、
前記レーザが、量子ドットの不均一に広げられた基底状態光学遷移時に動作することが可能で、
前記レーザの発光スペクトルは、光学損失最小値のスペクトル位置によって決定されるスペクトル位置を有するいくつかの発光バンドから成る櫛状であり、
2つの最外発光バンドの間の波長分離として決定される発光スペクトルの全スペクトル帯域幅が、少なくとも15nmであり、かつ
前記レーザの光学パワーが少なくとも100mWである、
ことを特徴とするレーザ。 - 前記光学パワーが少なくとも150mWである、請求項43に記載のレーザ。
- 各発光バンドが、少なくとも1つの縦モードを含む、請求項43に記載のレーザ。
- 各発光バンドのスペクトル幅が、隣接する発光バンド間の波長分離を超えない、請求項43に記載のレーザ。
- 前記発光バンドが均一な間隔を有している、請求項43に記載のレーザ。
- 隣接するバンド間の波長分離が略2nmである、請求項47に記載のレーザ。
- 前記発光バンドの数が少なくとも8である、請求項43に記載のレーザ。
- 全スペクトル帯域幅が少なくとも30nmである、請求項43に記載のレーザ。
- 前記発光バンドの数が少なくとも16である、請求項50に記載のレーザ。
- 利得スペクトルの最大値に近接する光学損失最小値が、前記最大値に近接する光学損失最小値よりも前記利得スペクトルの最大値から遠い光学損失最小値よりも高い損失を有する、請求項43に記載のレーザ。
- 各発光バンドが、略等しい強度を有する、請求項52に記載のレーザ。
- 前記波長選択素子が、レーザ共振器のミラーを形成する一連の分布ブラッグ反射器を含む、請求項43に記載のレーザ。
- 前記レーザが、モノリシック集積構造として製造されている、請求項54に記載のレーザ。
- 各分布ブラッグ反射器が、周期的なエッチングによって形成されている、請求項55に記載のレーザ。
- 各分布ブラッグ反射器が、レーザ・ストライプの各側に製造された金属格子構造によって形成されている、請求項55に記載のレーザ。
- 前記共振器が外部共振器である、請求項54に記載のレーザ。
- 前記共振器の第1ミラーが半導体劈開ファセットであり、前記第2ミラーが一連の外部分布ブラッグ反射器である、請求項58に記載のレーザ。
- 各外部分布ブラッグ反射器が、ファイバー格子として形成されている、請求項59に記載のレーザ。
- 各外部分布ブラッグ反射器が、平面導波路格子として形成されている、請求項59に記載のレーザ。
- 前記レーザが、波長分割多重システムのための光源の一部である、請求項43に記載のレーザ。
- 波長選択素子と、半導体マトリックス内に配置された複数の量子ドットを含む半導体量子ドット活性領域とを含むレーザであって、
前記波長選択素子の反射率スペクトルが、前記レーザ活性領域の光学利得スペクトル内部にスペクトル位置を有する拡張最大値を有し、
前記レーザが、量子ドットの不均一に広げられた基底状態光学遷移時に動作することが可能で、
レーザ発光スペクトルが、前記波長選択素子の反射率スペクトルの拡張最大値に近接するスペクトル位置を有する複数の縦モードを含み、
前記レーザ発光スペクトルの半値全幅が、少なくとも15nmの予め決められた幅を有し、
前記レーザ発光スペクトルの半値全幅が、隣接する縦モード間の波長分離を超え、
前記レーザの光学パワーが少なくとも100mWである、
ことを特徴とするレーザ。 - さらに活性領域を含み、前記レーザ発光スペクトルが、半導体マトリックス内に配置された複数の量子ドットを含む半導体量子ドット活性領域を含むがしかし波長選択素子を欠いている第2のレーザの発光スペクトル幅よりも狭いように、波長選択素子と前記活性領域とが選択される、請求項63に記載のレーザ。
- 前記レーザ発光スペクトル幅が、前記第2のレーザの発光スペクトル幅の2分の1より狭い、請求項64に記載のレーザ。
- 前記レーザ発光スペクトルの半値全幅の幅が20nm以下である、請求項63に記載のレーザ。
- 前記レーザ発光スペクトルが40〜100個の縦モードを含み、かつ隣接する縦モード間の波長分離はほぼ0.2〜0.3nmである、
請求項66に記載のレーザ。 - 前記波長選択素子が、レーザ共振器のミラーを形成する分布ブラッグ反射器である、請求項63に記載のレーザ。
- 前記レーザが、モノリシック集積構造として製造されている、請求項68に記載のレーザ。
- 各分布ブラッグ反射器が、周期的なエッチングによって形成されている、請求項69に記載のレーザ。
- 各分布ブラッグ反射器が、レーザ・ストライプの各側に製造された少なくとも1つの金属格子構造によって形成されている、請求項69に記載のレーザ。
- 前記分布ブラッグ反射器が、反射率スペクトル内の付加的なサイド最大値を抑制することになる、周期性の少なくとも1つの予め決められた変動を有する、請求項68に記載のレーザ。
- 前記分布ブラッグ反射器の周期性の予め決められた変動は、前記分布ブラッグ反射器の長さに沿って前記分布ブラッグ反射器の周期を変化させることにより達成される、請求項72に記載のレーザ。
- 前記レーザが、モードロック型レーザとして駆動される、請求項63に記載のレーザ。
- 前記レーザが、受動的モードロック型レーザとして駆動される、請求項74に記載のレーザ。
- 前記レーザが、能動的モードロック型レーザとして駆動される、請求項74に記載のレーザ。
- 前記レーザが、ハイブリッド・モードロック型レーザとして駆動される、請求項74に記載のレーザ。
- さらに、少なくとも2つの電気的に絶縁されたセクションに分けられたレーザキャビティを含み、前記レーザがハイブリッド・モードロック型レーザとして動作するように、第1セクションが順方向電流によって駆動され、第2セクションが負バイアス及び高周波信号によって駆動される、請求項63に記載のレーザ。
- 半導体マトリックス内に配置された複数の量子ドットを含む半導体量子ドット活性領域を含むレーザを含む、波長分割多重システムであって、
前記レーザが、量子ドットの不均一に広げられた基底状態光学遷移時に動作することが可能で、
前記レーザの出力レーザ発振スペクトルのスペクトル帯域幅が、少なくとも15nmであり、前記レーザの光学パワーが少なくとも100mWであり、
前記レーザが、異なる波長で複数の光学信号を提供する、
ことを特徴とする波長分割多重システム。 - 前記スペクトルパワー密度が少なくとも7mW/nmである、請求項79に記載のシステム。
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