JP2010153451A - 半導体レーザ，およびこれを備えたラマン増幅器 - Google Patents

Abstract

【目的】量子ドット構造によって得られる良好な特性を有しつつ，高出力のレーザ光を得る。
【構成】半導体レーザ１は，半導体基板11の上方に，量子ドット層14を含む発振器部１Ａおよび量子井戸層15を含む増幅器部１Ｂが，光軸方向に連なって反射端面から出射端面にかけて形成されている。発振器部１Ａにおいて生成されたレーザ光が増幅器部１Ｂにおいて増幅された後，出射される。
【選択図】図１

Description

この発明は，半導体レーザ，特に量子ドット構造の活性層を有する半導体レーザ，およびこの半導体レーザを備えたラマン増幅器に関する。

活性層に量子ドット構造を用いた半導体レーザが知られている（たとえば，特許文献１）。量子ドットには３次元的に電子が閉じ込められ，離散的なエネルギー準位が形成される。量子ドット構造を半導体レーザに用いることによって，発振しきい値の低減，温度安定性，高速かつ波長ぶれの小さい変調といった，従来の半導体レーザよりも優れた特性が得られることが期待されている。
特開２００５−２９４５１０号公報

量子ドット構造によって半導体レーザの特性改善が期待されるが，他方，量子ドット構造を用いると高出力のレーザ光を得るのが難しいという欠点も指摘されている。

この発明は，量子ドット構造によって得られる良好な特性を有しつつ，高出力のレーザ光を得ることを目的とする。

この発明による半導体レーザは，半導体基板の上方に，第１の活性層を含む発振器部と，前記第１の活性層と連続して形成された第２の活性層を含む増幅器部とが光軸方向に並んで形成され，前記第１の活性層が量子ドット構造を有しており，前記発振器部において生成されたレーザ光を前記増幅器部において増幅させ，増幅されたレーザ光を出射端面から出射させることを特徴とする。

第１の活性層を含む発振器部においてレーザ光が生成される。第１の活性層は量子ドット構造を有しているので，低い発振しきい値によってレーザ発振が生じ，温度安定性が高く，高速かつ波長ぶれの小さい変調が可能である。

増幅器部の第２の活性層は，発振器部の第１の活性層とは異なり，レーザ発振を生じさせるのではなく，発振器部において発生したレーザ光の増幅に用いられる。前記第２の活性層は，量子井戸構造であっても，量子ドット構造であってもよい。第２の活性層は第１の活性層と連続して形成されているので，発振器部（第１の活性層）において発生したレーザ光は，増幅器部（第２の活性層）を通過してその後半導体レーザの出射端面から出射される。増幅器部（第２の活性層）の通過中にレーザ光が増幅される。

この発明によると，上述のように，量子ドット構造を有する発振器部において得られるレーザ光が，増幅器部において増幅された後に出射される。量子ドット構造を採用したことによる良好な特性（低い発振しきい値，温度安定性等）を有しつつ，高出力のレーザ光を得ることができる。

一実施態様では，前記第１の活性層および前記第２の活性層の境界位置に，反射端面との間で光反射を繰返すための反射用溝が，前記第１の活性層および前記第２の活性層の近傍に至る深さを持って形成される。第１の活性層において発生した光は，半導体レーザの反射端面と反射用溝との間で反射が繰返され，これによりレーザ発振が生じる。もちろん，半導体レーザの反射端面には高光反射率の光反射膜を形成しておいてもよい。発振器部（第１の活性層）において発生したレーザ光のほとんどを，半導体レーザの反射端面から出射させることなく，増幅器部（第２の活性層）へ向かわせることができる。

前記第１の活性層の上方または下方に回折格子を形成してもよい。回折格子によって規定される特定波長のレーザ光を，前記発振器部において生成することができる。

好ましくは，前記第１の活性層および前記第２の活性層のそれぞれに独立に電流を注入するための電極が備えられる。第１の活性層および第２の活性層のそれぞれに注入する電流量を，独立に制御することができる。

一実施態様では，前記第２の活性層の幅が，前記出射端面に向かうにしたがって広がっている。より高出力のレーザ光を半導体レーザから出射させることができる。

前記第２の活性層を導波する光の光軸線と前記出射端面とを直角でない角度で交差させてもよい。第２の活性層をカーブさせる，または出射端面を斜めに形成することによって，前記第２の活性層を導波する光の光軸線と前記出射端面とを直角でない角度で交差させることができる。出射端面から出射するレーザ光は空気層に斜めに入射することなるので，出射端面と空気層との間（境界）におけるレーザ光の反射率を低くすることができる。

この発明は，前記半導体レーザ，および前記半導体レーザからのレーザ光が励起光として入射し，誘導ラマン増幅を生じさせる光ファイバを備えたラマン増幅器も提供している。

［第１実施形態］
図１は第１実施形態の半導体レーザをその出射端面側から見た斜視図により示している。図２は図１のII−II線に沿う断面図を示している。図２において，分かりやすくするために，ハッチングの図示が省略されている。また，図１および図２において，図示の便宜上，各半導体層の厚さが強調して描かれている。

半導体レーザ１は端面出射型の半導体レーザである。半導体レーザ１の両端面（出射端面および反射端面）は互いに平行に劈開されている。半導体レーザ１の反射端面には高光反射率（たとえば，９０％以上）の反射膜25が形成されている。他方，半導体レーザ１の出射端面には反射防止膜24が形成されている。

また，半導体レーザ１は，発振器部１Ａおよび増幅器部１Ｂが一体に（モノリシックに）形成された，いわゆるＭＯＰＡ（Master Oscillator and Power Amplifier ）型の半導体レーザでもある。詳細は後述するが，発振器部１Ａには量子ドット構造を有するストライプ状活性層14が，増幅器部１Ｂには量子井戸構造を有するストライプ状かつフレア状の活性層15が形成されており，これらの２つの活性層14，15は光共振軸方向（半導体レーザ１の長手方向）に連なっている。発振器部１Ａと増幅器部１Ｂの境界に反射用溝30が形成されており，発振器部１Ａの活性層14において発生した光は，後方端面（反射膜25）と反射用溝30との間で反射され，これにより光が共振してレーザ光となる。レーザ光は増幅器部１Ｂの活性層15に入射し，ここで光増幅される。活性層15における光増幅の後，レーザ光は出射端面（反射防止膜24）から出射される。

以下，半導体レーザ１の構造を詳細に説明する。

下面に下面電極23が形成されたｎ型ＩｎＰ（インジウム−リン）基板11の上に，ＩｎＰからなるｎ型クラッド層12，およびＩｎＧａＡｓＰ（インジウム−ガリウム−ヒ素−リン）からなる下側ＳＣＨ層（Separated Confinement Heterostructure ）（導波路層）（光ガイド層）13が積層されている。

下側ＳＣＨ層13の上層に，ＩｎＧａＡｓＰからなるストライプ状の活性層14，15が積層されている。ストライプ状の活性層14，15は，上述した発振器部１Ａおよび増幅器部１Ｂで異なる構造を持つ。

発振器部１Ａの活性層14は，量子ドット（quantum dot ）構造を有しているものである（以下，量子ドット層14と呼ぶ）。量子ドット層14は，たとえばＳ−Ｋ成長モード（Stranski-Krastanov Growth Mode）を用いて作成される。

増幅器部１Ｂの活性層15は，量子井戸（quantum well）構造を有しているものである（以下，量子井戸層15と呼ぶ）。量子井戸層15はＭＢＥ（分子線エピタキシー法）（Molecular Beam Epitaxy）やＭＯＣＶＤ（有機金属気相成長法）（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ）などの結晶成長によって作成することができる。量子井戸層15は，半導体レーザ１の出射端面に向かうにしたがって広がりを持って形成されている（フレア状）。

量子ドット層14および量子井戸層15の上層に，ＩｎＧａＡｓＰからなる上側ＳＣＨ層16およびｐ型クラッド層17が積層されている。量子ドット層14および量子井戸層15，その上下のＳＣＨ層13，16ならびにｎ型クラッド層12およびｐ型クラッド層17の一部は，ｐ型ＩｎＰ電流阻止層18およびｎ型ＩｎＰ電流阻止層19によって，その両側（左右）から挟まれている。

ｐ側クラッド層17の上面に２つの上面電極21，22が形成されている。上面電極21は発振器部１Ａに形成されており，その形状は下層に存在する量子ドット層14に対応するストライプ状の形状を持つ。上面電極22は増幅器部１Ｂに形成されており，その形状は下層に存在する量子井戸層15に対応する，ストライプ状かつフレア状の形状を持つ。

発振器部１Ａと増幅器部１Ｂの境界に，反射用溝30が形成されている。反射用溝30によって上面電極21と上面電極22とが分断され，これにより上面電極21と上面電極22は電気的に絶縁されている。反射用溝30は，ストライプ状の量子ドット層14と同じ程度の幅を持ち，量子ドット層14および量子井戸層15の近傍（わずかに上層）に達する程度の深さを持つ。すなわち，反射用溝30は量子ドット層14および量子井戸層15にまでは達していず，したがって，量子ドット層14および量子井戸層15は光共振軸方向（半導体レーザ１の長手方向）に連続している。反射用溝30はエッチングによって形成され，エッチング時間を制御することによって反射用溝30の深さは制御される。反射用溝30は，次に説明するように，量子ドット層14において発生した光の反射器として機能する。なお，反射用溝30はポリイミド等の光学材料によって埋め込まれてもよい。

発振器部１Ａに形成されている上面電極21と，ｎ型ＩｎＰ基板11の下面に形成されている下面電極23との間に電流を通電すると，発振器部１Ａに形成されている量子ドット層14において光が発生する。発生した光は量子ドット層14およびその上下のＳＣＨ層13，16に沿って（さらに電流阻止層18，19によって左右から挟まれて）進行し，半導体レーザ１の後方端面（反射膜25）と反射用溝30との間で反射が繰り返され，これにより光が共振してレーザ光となる。レーザ光は反射用溝30を超えて増幅器部１Ｂに達する。増幅器部１Ｂにおいて，レーザ光は量子井戸層15およびその上下のＳＣＨ層13，16に沿って進行し，半導体レーザ１の出射端面（反射防止膜24）から外部に出射される。

増幅器部１Ｂに形成されている上面電極22と，ｎ型ＩｎＰ基板11の下面に形成されている下面電極23との間に電流を通電すると，増幅器部１Ｂに形成されている量子井戸層15において利得が生じる。発振器部１Ａ（量子ドット層14）において発生したレーザ光は，半導体レーザ１の出射端面から出射されるまでの間に，量子井戸層15において光増幅を受けることになる。光増幅されたレーザ光が半導体レーザ１の出射端面（反射防止膜24）から出射される。

発振器部１Ａの量子ドット層14において生じる光によってレーザ光が得られるので，発振しきい値が低く，温度安定性も高い。高速かつ波長ぶれの小さい変調も可能である。さらに，量子ドット層14を用いて得られるレーザ光は出力が比較的小さいが，増幅器部１Ｂにおいて増幅された後にレーザ光は出射されるので，量子ドット層14をレーザ発振に用いたデメリットも解消される。発振しきい値，温度安定性および変調に優れ，かつ比較的高出力のレーザ光を得ることができる。

［第２実施形態］
図３は第２実施形態の半導体レーザ２を，図２に相当する断面図によって示している。次に説明するように，第１実施形態の半導体レーザ１（図１，図２）とは発振器部２Ａの構成が異なっている。半導体レーザ１と同じ構成部分には同一符号を付し，重複説明を避ける。

発振器部２Ａの量子ドット層14の上方のｐ型クラッド層17内に，ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子35が形成されている。回折格子35は量子ドット層14の上方において周期的な凹凸を形成しており，分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed FeedBack）構造を構成している。なお，第１実施形態の半導体レーザ１とは異なり，発振器部２Ａと増幅器部２Ｂの境界に反射用溝30は存在しない。

発振器部２Ａに形成されている上面電極21と，ｎ型ＩｎＰ基板11の下面に形成されている下面電極23との間に電流を通電すると，量子ドット層14において光が発生する。発生した光は，回折格子35と反射端面（光反射膜25）との間で反射が繰り返される。回折格子35において周期的に反射される光の位相が合ったところの波長でレーザ発振が生じる。

発振器部２Ａにおいて発生したレーザ光が，増幅器部２Ｂに形成されている量子井戸層15において光増幅を受けた後，半導体レーザ２の出射端面（反射防止膜24）から出射されるのは，上述した第１実施態様の半導体レーザ１と同様である。

半導体レーザ２においても，半導体レーザ１と同様に，発振しきい値，温度安定性および変調に優れ，かつ比較的高出力のレーザ光を得ることができる。さらに，半導体レーザ２はいわゆるＤＦＢレーザでもあるので，シングルモードのコヒーレンシーのよいレーザ光を，出射させることができる。

もちろん，回折格子35のピッチをチャープさせる，回折格子と隙間との間（凹凸）の体積比を変動させる，回折格子と隙間の相対屈折率を調節する，回折格子35の伝播方向の長さを調節する等によって，多モードのレーザ光を出射させるようにすることもできる。

半導体レーザ２において回折格子35は量子ドット層14の上方のｐ型クラッド層17に形成されているが，これに代えて下方のｎ型クラッド層12に形成するようにしてもよい。

上述した第１実施形態および第２実施形態の半導体レーザ１，２では，増幅器部１Ｂ，２Ｂに量子井戸層15が形成されているが，増幅器部１Ｂ，２Ｂにも量子ドット層を形成するようにしてもよい。

さらに，上述した第１実施形態および第２実施形態の半導体レーザ１，２では，増幅器部１Ｂ，２Ｂの量子井戸層15は，量子井戸層15を導波する光の光軸線が半導体レーザ１，２の出射端面に対して直交になるように形成されているが（図１参照），図４（上面電極21，22の図示が省略されている）に示すように，量子井戸層15が出射端面に対して斜めに接するように，量子井戸層15をカーブさせて形成してもよい。量子井戸層15を導波する光の光軸線と出射端面とが直角でない角度で交差する。直角に交差する場合と比べて，出射端面と空気層との間（境界）におけるレーザ光の反射率を低めることができ，出射端面から量子井戸層15への戻り光を低減することができる。この場合，出射端面には必ずしも反射防止膜24を形成しなくてもよい。

［第３実施形態］
図５は，上述した半導体レーザ１または２を励起光用光源として用いたラマン増幅器のブロック図を示している。

ラマン増幅器40では，半導体レーザ１，２から出射されたレーザ光は，励起光としてカプラ41を通じて増幅用光ファイバ42に入力する。増幅用光ファイバ42において誘導ラマン散乱が生じ，レーザ光の波長（励起光波長）から約１００ｎｍ程度長波長側に利得が生じる。増幅用光ファイバ42に信号光が入射すると，増幅用光ファイバ42中に生じた利得によって信号光が増幅される（ラマン増幅）。半導体レーザ１，２は，比較的パワーの高いレーザ光を出射することができるので，信号光を長距離にわたって伝送することができる。

第１実施形態の半導体レーザの斜視図である。 図１のII−II線に沿う半導体レーザの断面図である。 第２実施形態の半導体レーザの断面図である。 変形例の半導体レーザの平面図である。 第３実施形態のラマン増幅器のブロック図である。

符号の説明

１，２ 半導体レーザ
１Ａ，２Ａ 発振器部
１Ｂ，２Ｂ 増幅器部
14 量子ドット層
15 量子井戸層
21，22 上面電極
23 下面電極
30 反射用溝
35 回折格子
40 ラマン増幅器
42 増幅用光ファイバ

Claims (8)

1. 半導体基板の上方に，第１の活性層を含む発振器部と，前記第１の活性層と連続して形成された第２の活性層を含む増幅器部とが光軸方向に並んで形成され，
   前記第１の活性層が量子ドット構造を有しており，
   前記発振器部において生成されたレーザ光を前記増幅器部において増幅させ，増幅されたレーザ光を出射端面から出射させる，
   半導体レーザ。
2. 前記第１の活性層と前記第２の活性層の境界位置に，反射端面との間で光反射を繰返すための反射用溝が，前記第１の活性層および前記第２の活性層の近傍に至る深さを持って形成されている，
   請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記発振器部は，前記第１の活性層の上方または下方に形成された回折格子を有している，
   請求項１に記載の半導体レーザ。
4. 前記第２の活性層が量子井戸構造または量子ドット構造を有している，
   請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
5. 前記第１の活性層および前記第２の活性層のそれぞれに独立に電流を注入するための電極を備えている，請求項１から４のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
6. 前記第２の活性層の幅が，前記出射端面に向かうにしたがって広がっている，
   請求項１から５のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
7. 前記第２の活性層を導波する光の光軸線と前記出射端面とが，直角でない角度で交差している，請求項１から６のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の半導体レーザ，および
   前記半導体レーザからのレーザ光が励起光として入射し，誘導ラマン増幅を生じさせる光ファイバ，
   を備えたラマン増幅器。

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