JP2012156335A

JP2012156335A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2012156335A
Application number: JP2011014530A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Nunotani; 伸浩布谷; Hiroshi Watanabe; 啓渡辺; Kazuo Kasatani; 和生笠谷; Yusuke Nasu; 悠介那須
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-08-16

Abstract

【課題】共振器構造を有する半導体基板上の半導体レーザであって、単一モード特性を損なうことなく、光出力の使用割合を増大させることのできる半導体レーザを提供すること。
【解決手段】半導体レーザの共振器構造が、その両端面に関する対称軸を有する。そして、半導体レーザからの第１及び第２の光出力を半導体基板の単一の端面から取り出すため、共振器構造の第１の端面に第１の出力導波路、第２の端面に第２の出力導波路を接続する。第１及び第２の出力導波路からの第１及び第２の光出力を等しくするために、半導体レーザと第１及び第２の出力導波路の方位を９０度傾ける。半導体レーザとしてλ/４位相シフトを中央に設けたＤＦＢレーザを用いることができる。また、図６のような構成も考えられる。出力導波路を設けず、共振器構造を構成する導波路自体を曲げることで、共振器構造の両端面からの第１及び第２の光出力を同一方向から出射させる。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体レーザに関し、より詳細には、共振器構造を有する半導体基板上の半導体レーザに関する。

光ファイバ通信用の光源として、半導体レーザが使われている。半導体レーザは、不純物をドーピングしてｎ型およびｐ型とした半導体層により構成されるダイオード構造を有する。このダイオード構造に電流を注入することによって反転分布状態を作り、活性層の禁制帯幅（バンドギャップ）に応じた利得を光に対して生じさせるとともに、反射鏡等により共振器を構成することで発振が生じる。

図１は、半導体基板に水平な方向に共振器構造を有する、一般的な端面出射型の半導体レーザの上面図である。基本的なレーザの共振器として知られるファブリ・ペロー共振器は、光導波路の両側を光導波路と垂直な面方位でへき開し、両端面に反射鏡を作製することで形成される。半導体と空気の境界は約３０％の反射率を持つ反射面となる。

光通信用の光源としてよく用いられている分布帰還型（ＤＦＢ）レーザでは、活性層を含む導波路領域に回折格子を形成することにより、回折格子の周期に対応する光のみを選択的に帰還させることで共振器を構成している。ＤＦＢレーザを単一モードで発振させるためには、回折格子の中央付近にλ/４シフト構造を入れ、両端面には無反射（ＡＲ）コートを施す。これにより、回折格子のブラッグ波長で位相条件を満たすため、ブラッグ波長により単一モードで発振する。反射率は、回折格子の結合係数（κ）および回折格子の長さ（Ｌ）の積（κＬ）により決定される。また、活性層を有する導波路と直列に接続される活性層を含まない導波路に回折格子を形成した分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザも光源として用いられる。回折格子により選択される波長が選択的に反射されるため、単一モードで発振するレーザを構成できる。ＤＦＢレーザの場合と同様に、回折格子の反射率はκＬにより決定される。

半導体レーザを光ファイバ通信用の光源として用いる場合、通常は、レーザの前方の端面から出射される前方光出力を、レンズなどを用いて光ファイバに光学的に結合して信号光として用いる。半導体レーザから出射される光は共振器構造の両端面から出力されるため、信号光として用いる光量を大きくするために各種の非対称構造が用いられてきた。例えば、図１の前方光出力側の端面をＡＲコートし、後方光出力側の端面を高反射膜（ＨＲ）コートすることにより、前方光出力の割合を向上させることが可能である。また、ＤＦＢレーザにおいては、非特許文献１に示されるように、λ/４シフトの位置を前方寄りに配置したり、回折格子の結合係数を不均一にしたりするなどして、λ/４シフトより前方のκＬよりも後方のκＬを大きくすることで、後ろ側の反射率が大きくなるため、前方の光出力割合を向上させることが可能となる。

その他の各種半導体レーザにおいても、実効的に前方反射率よりも後方反射率を高くすることにより前方光出力を大きくすることが可能となる。

しかしながら、前方と後方の実効的な反射率を非対称とする構造としても、完全に前方のみから光を出力させることは困難である。そこで、後方から出力される光を有効利用するために、非特許文献２のように、半導体レーザの後方にフォトダイオードを集積することで光出力のモニタをする方法等が報告されている。

K. Utaka, S. Akiba, K. Sakai, Y. Matsushima, "l/4-Shifted InGaAsP/InP DFB Lasers," IEEE Journal of Quantum Electronics, 1986, vol. QE-22, No. 7, pp. 1042-1051. K. Iga, B. I. Miller, "GaInAsP/InP Laser with monolithically integrated monitoring detector," Electronics Letters, 1980, Vol. 16, No. 9, pp.342-343.

両端面へき開により構成したファブリ・ペローレーザや、共振器中央にλ/４シフトを有するＤＦＢレーザのように、半導体レーザの共振器構造が対称の場合、図１の半導体レーザにおける前方光出力と後方光出力は等しく出射される。また、各種非対称構造を導入して前方光出力を大きくしたとしても、後方からの光出力を完全に無くすことは不可能である。このように、半導体レーザでは必ず共振器の両側から光が出力される。後方に出力されてしまう光は、ＰＤを集積して光出力モニタ用として用いることも可能であるが、後方に出力される光の分だけ信号光として用いる前方光出力は低下してしまう。

さらには、光通信用光源として最も使われているλ/４シフトを有するＤＦＢレーザの場合、非対称構造とすることで単一モード特性が劣化する。良好な単一モード特性を得るためにλ/４シフトを共振器中央に配置すると対称構造となるため、前後均等に光が出力され、信号光として用いる前方光出力は低下してしまう。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、共振器構造を有する半導体基板上の半導体レーザであって、単一モード特性を損なうことなく、光出力の使用割合を増大させることのできる半導体レーザを提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、共振器構造を有する半導体基板上の半導体レーザにおいて、前記共振器構造が、前記共振器構造の両端面に関する対称軸を有し、前記共振器構造の両端面から出射される光出力が等しいことを特徴とする。

また、本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記共振器構造の前記両端面にそれぞれ第１及び第２の出力導波路が接続されており、前記第１及び第２の出力導波路は、前記半導体基板の単一の端面で、前記両端面から出射される第１及び第２の光出力をそれぞれ出力することを特徴とする。

また、本発明の第３の態様は、第１の態様において、前記共振器構造の前記両端面が、前記半導体基板の単一の端面に配置されていることを特徴とする。

また、本発明の第４の態様は、半導体基板上の共振器構造を有する半導体レーザにおいて、前記共振器構造の両端面にそれぞれ第１及び第２の出力導波路が接続されており、前記第１及び第２の出力導波路は、前記半導体基板の単一の端面で、前記両端面から出射される第１及び第２の光出力をそれぞれ出力し、前記第１及び第２の出力導波路の前記単一の端面における出力は等しいことを特徴とする。

また、本発明の第５の態様は、第１から第４のいずれかの態様において、前記半導体レーザが発振波長を変えることができる波長可変レーザであることを特徴とする。

また、本発明の第６の態様は、第２から第５のいずれかの態様において、前記単一の端面からの２つの光出力を合波するための合波器と、前記合波器が合波した光を出力するための第３の出力導波路とをさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の第７の態様は、第２又は第４の態様において、前記単一の端面からの２つの光出力を合波するための合波器と、前記合波器が合波した光を出力するための第３の出力導波路とをさらに備え、前記第１及び第２の出力導波路の少なくとも一方に位相制御領域をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の第８の態様は、第１の態様の半導体レーザと、前記両端面から出射される第１及び第２の光出力がそれぞれ光結合する第１及び第２の出力光ファイバとを備えることを特徴とする半導体レーザモジュールである。

また、本発明の第９の態様は、第２から第５のいずれかの態様の半導体レーザと、前記半導体レーザの前記同一の端面における２つの光出力がそれぞれ入力光として用いられる光回路とを接続したことを特徴とするハイブリット光集積回路である。

本発明によれば、共振器構造を有する半導体基板上の半導体レーザにおいて、当該共振器構造が、その両端面に関する対称軸を有し、当該両端面から出射される光出力が等しいことにより、単一モード特性を損なうことなく、光出力の使用割合を増大させることのできる半導体レーザを提供することができる。

半導体基板に水平な方向に共振器構造を有する、一般的な端面出射型の半導体レーザの上面図である。本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールを示す図である。図２の半導体レーザモジュールの第１及び第２の光出力がそれぞれ第１及び第２の入力光として用いられる光回路の例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザを示す図である。本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザを示す図である。第３の実施形態に係る半導体レーザの変形形態を示す図である。図５又は図６の半導体レーザの第１及び第２の光出力がそれぞれ第１及び第２の入力光として用いられる光回路の例を示す図である。本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザを示す図である。第４の実施形態に係る半導体レーザの変形形態を示す図である。本発明の第５の実施形態に係る半導体レーザを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールを示す図である。共振器構造を有する半導体基板上の半導体レーザと、共振器構造の両端面から出射される第１及び第２の光出力がそれぞれ光結合する第１及び第２の出力光ファイバとを備える。半導体レーザの共振器構造は、共振器構造の両端面に関する対称軸を有し、共振器構造の両端面から出射される光出力が等しい。

図面上、半導体レーザの共振器は左右方向に構成されており、第１の端面から出力される第１の光出力は、第１の出力光ファイバに、第２の端面から出力される第２の光出力は第２の出力光ファイバに光学的に結合される。例えば、それぞれ第１のレンズ及び第２のレンズを介して光学的に結合することができる。また、反射光が戻るのを防止するために、半導体レーザと第１又は第２の出力光ファイバとの間にアイソレータ等を挿入してもよい。

半導体レーザの例として、ＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓＰ多層量子井戸層を有する発振波長１．５５μｍの単一モードレーザを挙げることができる。ＤＦＢレーザにおいて、共振器構造の中央部にλ/4位相シフトを配置することで、単一モード特性を良好にし、かつ２つの出力を均等にすることができる。両端面は、端面反射位置により非対称性が生じるのを防止する目的で、ＡＲコートを施すことができる。また、結合係数と共振器長の積κＬは例えば１．３とすることができる。

半導体レーザの共振器構造がその両端面に関する対称軸を有することで、第１の出力光ファイバと第２の出力光ファイバの光出力を等しくすることができる。例えば、ファブリ・ペローレーザの場合、両端面の端面反射率を等しくすることで対称構造を実現できる。ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザの場合は、κＬの値を共振器前後で同一にすることで対称構造を実現できる。逆に、第１の出力光ファイバと第２の出力光ファイバの光出力に差を設けたい場合には、適切な非対称性を有する共振器構造を用いればよい。

ＤＦＢレーザを用いた場合、共振器中央部の位相シフトは必ずしもλ/４である必要は無い。左右均等出力を得るためには、位相シフト位置を中央にすれば、位相シフト量はλ/８や、３λ/８等他の位相シフトでも良い。

面発光レーザにおいては、共振器は基板垂直方向に形成され、光は基板の上下に出力されるが、出力光ファイバを基板上下に接続することで上記発明を適用可能である。

第１の実施形態の半導体レーザモジュールは、図３に示す光回路等の入力光として用いることができる。図３は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃：ＬＮ）のマッハツェンダー（ＭＺ）光変調器の模式図であり、差動４値位相変調（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ：ＤＱＰＳＫ）用の光変調器として用いられる。

本発明の半導体レーザモジュールから出力される第１の光出力および第２の光出力は、波長が等しく位相差を安定に保つこと容易である。図３で示されるようなＤＱＰＳＫ用の光変調器の場合、波長が同じで位相差が一定の光を第１のＭＺ変調器と第２のＭＺ変調器に導入する必要があるため、通常は一つの入力光を二つに分岐して第１の入力光と第２の入力光として用いる。しかし、本実施形態に係る半導体レーザモジュールを用いれば、半導体レーザの第１及び第２の光出力を、そのまま第１及び第２の入力光として用いることが可能となり、はじめに入力光を分岐するという手順を一段省くことができる。また、半導体レーザの両端面から出力される光を両方とも使うことができるため、光出力を有効に活用することが可能となる。なお、本実施形態に係る半導体レーザモジュールに接続する光回路は、必ずしも一つの光回路に二つの光入力ポートがある必要は無く、例えば、図３の第１のＭＺ変調器、第２のＭＺ変調器、及び第３の合波器が別々の基板上に構成されていてもよい。

本実施形態に係る半導体レーザモジュールは、図３の光回路だけでなく、波長が同一で、位相差が一定の二つの入力光が必要な光回路に対して有効に使うことができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザを示す図である。半導体レーザの共振器の両端にそれぞれ出力導波路を設け、光出力を半導体基板の単一の端面から出力させている。半導体レーザとしては、λ／４位相シフトを設けたＤＦＢレーザを用いることができ、κＬは例えば１．５とすることができる。第１の出力導波路よりも第２の出力導波路の方が長くなる構成であり、第２の光出力の導波路損失が大きくなる。そこで、位相シフト位置を若干第２の出力導波路の側に寄せることで、第２の出力導波路側への出力が大きくなるようにし、半導体レーザ外に出力される第１の光出力と第２の光出力が等しくなるようにする。位相シフト位置から見た共振器長の比は、第１の出力導波路側が０．５２、第２の出力導波路側が０．４８である。

第１の光出力と第２の光出力を半導体基板の同一方向から出すことで、光出力の方向による制限をなくすことができ、ファイバの引き回し距離を削減することができる。また、出力導波路の間隔を適切に設計することで、１枚のレンズを使用しファイバアレイに結合することも可能となるため、モジュールのコンパクト化や、部品点数の削減が可能となる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザを示す図である。半導体レーザからの出力を半導体基板の単一の端面から取り出し、かつ、半導体レーザの共振器の対称性を保ちつつ、第１の光出力と第２の光出力を等しくするために、半導体レーザと第１及び第２の出力導波路の方位を９０度傾ける。これにより、第１の出力導波路と第２の出力導波路を等しくすることが可能となる。

第３の実施形態では、半導体レーザとしてλ/４位相シフトを中央に設けたＤＦＢレーザを用いることができる。また、半導体基板をペルチェ素子により温度制御可能である。半導体は温度により屈折率が変わるため、回折格子により選択される波長も屈折率変化により変化する。つまり、温度を変えることでＤＦＢレーザの発振波長を変化させることができる。

本実施形態の構成であれば、半導体レーザを波長可変レーザとした場合であっても、第１の出力導波路と第２の出力導波路が等長であるため、第１の光出力と第２の光出力の位相差は常に一定となる。

波長可変レーザの構造は温度制御型のＤＦＢレーザに限らず、ＤＢＲレーザなどの電流注入型の波長可変レーザなどでもよい。

また、本実施形態の応用例として、図６のような構成も考えられる。つまり、出力導波路を設けず、共振器構造を構成する導波路自体を曲げることで、共振器構造の両端面からの第１及び第２の光出力を同一方向から出射させることができる。

本実施形態の半導体レーザは、単体で光ファイバを二本備えた半導体レーザモジュールとすることも可能であるが、図７に示すような光回路と接続することもできる。図７は、石英導波路による平面光回路（ＰＬＣ）であり、第１及び第２の入力導波路と、合波器と、第３の出力導波路とを備える。合波器に入力する第１の入力導波路と第２の入力導波路からの光の位相が反転するように設計することで、半導体レーザからの２つの出力を足し合わせ、第３の出力導波路から出力することができる。これにより、半導体レーザからの両端面からの第１及び第２の光出力を１つの光出力として有効に利用することが可能となる。こうすることによって、ＤＦＢレーザの単一モード性の課題は原理上発生しなくなり、エネルギー利用効率が高く、かつ、単一モード性に優れたレーザ光を得ることができる。

なお、本実施形態では光回路として石英導波路によるＰＬＣを用いて説明したが、Ｓｉ導波路等の他材料系、あるいは半導体レーザと同じ材料系で構成された光導波路によるＰＬＣでもよい。つまり、半導体レーザと光回路とを別々に作製し、これを組み合わせるハイブリッド集積であればよい。これにより半導体レーザと光回路それぞれに最適な製造方法を採用でき、また良品のみを選別して集積できることから、半導体レーザモジュールとしての性能を向上させやすい一方で、モジュールとしての歩留まりを向上させることが可能である。

（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザを示す図である。半導体レーザの共振器からの出力が第１及び第２の出力導波路を通り、合波器により合成され第３の出力導波路により出力される。図７で説明した第３の実施形態の適用例を半導体基板上に集積したものと言える。半導体基板上に集積するため結合損失をなくすことができる。また、石英等に比べると屈折率の大きな半導体で作製するため、回路面積を小さくすることができる。

本実施形態の半導体レーザは、図８中の合波器の左側、つまり合波器に入力する前で、共振器を構成する必要があり、半導体レーザと合波器は独立している必要がある。

また、合波器が合波した光を出力するための出力導波路は１つである必要はなく、例えば図９のように、２つの出力導波路を備える構造としてもよい。

（第５の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る半導体レーザを示す図である。第４の実施形態の第１の出力導波路側に位相制御部を設けた構造となっている。これにより、第１の出力導波路と第２の出力導波路から合波器に入力する光の位相差を制御することができるため、作製誤差等による光路長のずれを補正することが可能となる。

また、位相制御部を用いて光の位相を高速に変調することで、第３の出力導波路からの光出力を高速に変調することが可能となり、ＭＺ変調器と同様の効果を得ることができる。

位相制御部は第１の出力導波路に設けるだけでなく、第２の出力導波路に設置してもよいし、両方に設けることもできる。

このように、本実施形態に係る半導体レーザは、共振器の両端からの光をただ合波するのではなく、マッハツェンダー変調器等の位相制御部を介して変調してから合波することができるため、例えば、ＤＱＰＳＫ（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＱｕａｄｒａｃｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）用光変調器を従来型よりも分波器を省略して構成することできる。

Claims

共振器構造を有する半導体基板上の半導体レーザにおいて、
前記共振器構造が、前記共振器構造の両端面に関する対称軸を有し、前記共振器構造の両端面から出射される光出力が等しいことを特徴とする半導体レーザ。
前記共振器構造の前記両端面にそれぞれ第１及び第２の出力導波路が接続されており、
前記第１及び第２の出力導波路は、前記半導体基板の単一の端面で、前記両端面から出射される第１及び第２の光出力をそれぞれ出力することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
前記共振器構造の前記両端面は、前記半導体基板の単一の端面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
半導体基板上の共振器構造を有する半導体レーザにおいて、
前記共振器構造の両端面にそれぞれ第１及び第２の出力導波路が接続されており、
前記第１及び第２の出力導波路は、前記半導体基板の単一の端面で、前記両端面から出射される第１及び第２の光出力をそれぞれ出力し、
前記第１及び第２の出力導波路の前記単一の端面における出力は等しいことを特徴とする半導体レーザ。
前記半導体レーザは、発振波長を変えることができる波長可変レーザであることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の半導体レーザ。
前記単一の端面からの２つの光出力を合波するための合波器と、
前記合波器が合波した光を出力するための第３の出力導波路と
をさらに備えることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の半導体レーザ。
前記単一の端面からの２つの光出力を合波するための合波器と、
前記合波器が合波した光を出力するための第３の出力導波路と
をさらに備え、
前記第１及び第２の出力導波路の少なくとも一方に位相制御領域をさらに備えることを特徴とする請求項２又は４に記載の半導体レーザ。
請求項１に記載の半導体レーザと、
前記両端面から出射される第１及び第２の光出力がそれぞれ光結合する第１及び第２の出力光ファイバと
を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。
請求項２から５のいずれかに記載の半導体レーザと、
前記半導体レーザの前記同一の端面における２つの光出力がそれぞれ入力光として用いられる光回路と
を接続したことを特徴とするハイブリット光集積回路。