JP2013243291A - Ｓｏａを備えた波長可変レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】ＳＯＡの利得スペクトルの形状そのものではなく、ＳＯＡ全体で得られる利得スペクトルの形状を制御し、レーザの光出力の変動を抑制することが可能となるＳＯＡを備えた波長可変レーザを提供する。
【解決手段】波長を選択して反射する波長選択機構と、
第一の端面から入射した光を、該第一の端面と反対側の第二の端面で反射し、再び前記第一の端面側から活性層で増幅された光を出射するように構成された光を増幅する半導体光アンプであるＳＯＡと、
前記ＳＯＡの外部に備えられ、前記入射した光を反射する前記第二の端面と対をなして共振器を形成する反射部材と、
を有するＳＯＡを備えた波長可変レーザであって、
前記ＳＯＡにおける前記光を反射する側の前記第二の端面に、反射率が波長依存性を有する多層膜が形成され、前記ＳＯＡ全体で得られる利得スペクトルの形状の制御が可能に構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光を増幅する半導体光アンプであるＳＯＡを備えた波長可変レーザに関する。
光を増幅する半導体光アンプ（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｉｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）は、光通信などでの信号の増幅に主に使用されている。
それ以外の用途として、光学部品や光ファイバにより構成される共振器構造の中にＳＯＡを組み入れて使用する用途がある。
この場合、レーザ発振のための誘導増幅に使用されている。このような半導体光アンプであるＳＯＡの外部に共振器を設けてレーザ動作させる構造のレーザを、以下では外部共振器型レーザと記す。
一般的な端面発光型レーザは小型・低コストである。そしてＳＯＡの半導体チップの構造は一般的な端面発光レーザと同様な構造である。そのため、レーザ発振を実現するだけであれば、端面発光型レーザの方が、大きさ・コストの点で有利である。
一方、外部共振器型レーザは端面発光型レーザと比較し、比較的容易に波長可変動作が実現できるという特長がある。
そして、外部共振器に波長選択の光学系を設けることができ、その設計の自由度が半導体内部に作り込める機構で構成するよりも大きい。そのため、外部共振器型レーザは波長可変範囲の大きさや波長可変の安定性、再現性という点で優れている。
例えば、特許文献１では、外部に波長選択する機構を用いた波長走査型レーザ光源（波長可変レーザ）が開示されている。
この波長可変レーザでは、波長を選択する機構は、グレーティング、集光レンズ、回転円板、および回転円板の一部に形成されている穴を透過した光を反射する反射鏡で構成されている。
波長可変機構は、グレーティングにより回折する光の回折角が波長により異なることを利用しており、グレーティングである角度で回折した光のみ反射されグレーティングに戻るように上記部材が配置されている。
このようにして、ある波長のみをＳＯＡに戻らせることで、波長可変レーザを動作するように構成されている。
また、このようなＳＯＡにおいて、単一または同じ構造の量子井戸を複数導入した構造のものが、非特許文献等において知られている。
特開２００８−９８３９５号公報
Ａ．Ｔ．Ｓｅｍｅｎｏｖ，ら、ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．３２，Ｎｏ．３，ｐｐ２５５，１９９６
ところで、波長可変レーザを応用するシステムにおいては、波長変化時の光出力などが変動しないことが望まれる場合がある。
例えば、ＯＣＴ応用の例では、波長掃引中に干渉系を通して得られる光出力の時間変化から断層像を出しているため、出射光量をモニターしてその出力変動をキャンセルする場合においても、レーザの光出力変化が小さいほうがＳ／Ｎ比などの点で好ましい。
一方、それに用いるＳＯＡの利得の波長依存性は十分に小さくはなく、掃引する波長範囲が比較的広帯域（３０ｎｍ以上）の場合には、活性層での誘導増幅の大きさ、つまり利得の波長依存性が顕著になる。その結果、外部共振器により波長掃引した場合に、その光出力が大きく変動するという問題が生じる。
このような課題に関連して、ＳＯＡにおいて、利得スペクトル形状が決まるメカニズムについて、更に説明する。
上記非特許文献１の様な単一または同じ構造の量子井戸を複数導入した構造では、量子井戸の利得スペクトルは、量子井戸内のキャリアのエネルギー分布、いわゆるフェルミ―ディラック分布と、量子井戸の状態密度、具体的には矩形の状態密度の形状の掛け算で決まる。
これら２つは量子力学と材料の物性により決まっているため、人工的に自由に形状を制御することは不可能である。
そのため、発光波長や利得の大きさを材料や層構造により変えることができても、ＳＯＡの利得スペクトルの形状を自由に変えることはできない。
本発明は、上記課題に鑑み、ＳＯＡに用いられる量子井戸の利得スペクトルの形状そのものではなく、ＳＯＡデバイス全体で得られる利得スペクトルの形状を制御し、波長変化時のレーザの光出力の変動を抑制することが可能となるＳＯＡを備えた波長可変レーザの提供を目的とする。
本発明の半導体光アンプを備えた波長可変レーザは、波長を選択して反射する波長選択機構と、
第一の端面から入射した光を、該第一の端面と反対側の第二の端面で反射し、再び前記第一の端面側から活性層で増幅された光を出射するように構成された光を増幅する半導体光アンプであるＳＯＡと、
前記ＳＯＡの外部に備えられ、前記入射した光を反射する前記第二の端面と対をなして共振器を形成する反射部材と、
を有するＳＯＡを備えた波長可変レーザであって、
前記ＳＯＡにおける前記光を反射する側の前記第二の端面に、反射率が波長依存性を有する多層膜が形成され、前記ＳＯＡ全体で得られる利得スペクトルの形状の制御が可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の半導体光アンプを備えた波長可変レーザは、所定の波長を選択して透過する波長選択機構と、
一方向にのみ光を透過するアイソレータと、
第一の端面から入射した光を活性層で増幅し、該増幅された光を第二の端面から出射するように構成された光を増幅する半導体光アンプであるＳＯＡと、
前記ＳＯＡにおける第二の端面から出射した光を前記第一の端面から入射するように接続するリング型の光導波路と、
を有するＳＯＡを備えた波長可変レーザであって、
前記ＳＯＡにおける前記第二の端面に、反射率が波長依存性を有する多層膜が形成され、前記ＳＯＡ全体で得られる利得スペクトルの形状の制御が可能に構成されていることを特徴とする。
本発明によれば、ＳＯＡの利得スペクトルの形状そのものではなく、ＳＯＡ全体で得られる利得スペクトルの形状を制御し、レーザの光出力の変動を抑制することが可能となるＳＯＡを備えた波長可変レーザを実現することができる。
本発明の実施例１における反射型のＳＯＡの構成例を説明する図であり、（ａ）はその縦方向の層構成を示す図、（ｂ）はその素子形状を示す図である。 本発明の実施例１におけるＳＯＡの後端面における多層膜で実現される反射率スペクトルを示す図である。 本発明の実施例１における量子井戸の利得スペクトルのキャリア密度依存性を示す図である。 従来例と実施例１のＳＯＡ利得のスペクトルの比較図である。 本発明の実施例１におけるＳＯＡを備えた外部共振器型レーザの構成例を説明する図である。 本発明の実施例２における透過型のＳＯＡを備えた外部共振器型レーザの構成例を説明する図である。 本発明の実施例２における透過型のＳＯＡの素子形状を示す図である。 本発明の実施例２におけるＳＯＡに施す端面コートの反射率スペクトルを示す図である。 従来例と実施例２のＳＯＡ利得のスペクトルの比較図である。 本発明の実施例３における透過型のＳＯＡの素子形状を示す図である。 本発明の実施例３におけるＳＯＡの活性層の利得スペクトルと反射率を示す図である。 従来例と実施例３のＳＯＡ利得のスペクトルの比較図である。
本発明は、光を増幅する半導体光アンプであるＳＯＡの利得スペクトルの形状そのものを制御するのではなく、ＳＯＡ全体で得られる利得スペクトルの形状を制御し、レーザの光出力の変動を抑制することが可能に構成される。
以上で説明したように、ＳＯＡは外部共振器型レーザなどで使用されているが、この様な応用では、ＳＯＡの利得スペクトルの平坦化が求められる。しかし、ＳＯＡのスペクトル形状は、活性層内のキャリア密度分布などの物性により決まるため、外部からその形状を自由に制御できない。
そのため、本発明では、ＳＯＡの量子井戸の利得スペクトルの形状そのものを制御するのではなく、それ以外のデバイス構造として、ＳＯＡの駆動条件において反転分布が生じている波長帯内に、反射率が波長依存性をもつ多層膜をＳＯＡの片方の端面に形成する。
すなわち、ＳＯＡの片方の端面に多層膜構造を装荷し、反射率の波長依存性を持たせることで、デバイス全体の増幅率（これを、以下ではＳＯＡ利得と記す）を平坦化する。
その際、端面に形成する多層膜の反射率を、ＳＯＡを駆動する条件での利得スペクトルの形状を相殺するように設計することで、より平坦なＳＯＡ利得を得ることができる。
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１として、本発明を適用した反射型のＳＯＡを備えた波長可変レーザの構成例について説明する。
まず、図１を用いて、本実施例における反射型のＳＯＡについて説明する。
図１（ａ）は、本実施例における反射型ＳＯＡの構造を示す図である。
図１（ａ）において、５００は本実施例における反射型のＳＯＡを示している。本実施例におけるＳＯＡ５００の縦方向の層構成は、つぎのように構成されている。
ＧａＡｓ基板５０１の上部には、Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓで構成されるｎ−クラッド層５０２が配置されている。
ｎ−クラッド層５０２の上には、１つのＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子井戸（図示せず）を含む活性層５０３が配置されている。
活性層５０３は１つの量子井戸層で構成されており、基底準位からの発光波長は１０５０ｎｍである。
活性層５０３の上には、ｐ型Ａｌ０．５ＧａＡｓ層で構成されるｐ−クラッド層５０４が配置されている。
ｐ−クラッド層５０４の上には厚さ１０ｎｍの高ドープｐ型ＧａＡｓで構成されるコンタクト層５０７が配置されている。
コンタクト層５０７の上部には、コンタクト層５０７と電気的接触が確保されている上部電極５１０が設けられている。
また、基板５０１の下には基板５０１と電気的接触が確保されている基板裏面の下部電極５１１が設けられている。
図１（ｂ）は、本実施例におけるＳＯＡの素子形状を示す図である。
図１（ｂ）に示すように、ＳＯＡ５００の素子形状は、ｐ−クラッド層５０４およびコンタクト層５０７はｐ−クラッド層の途中まで部分的に除去され、残った部分は幅が４μｍのリッジ形状部５２０が形成されている。
そして素子長は０．４ｍｍであり、リッジ形状部５２０の上部には上部電極５１０が形成されている。
リッジ端面はＧａＡｓ結晶の劈開面であり、リッジ構造で決まる光の導波方向とＧａＡｓ劈開面両は垂直になっている。
そして、前端面（第一の端面）には反射率を低くするための、いわゆるＡＲコート（反射防止コート）が施されており、後端面（第二の端面）には反射率スペクトルを制御するための多層膜５２１が付加されている。
ここで、前端面とは、本実施例でのＳＯＡの使用方法のような、片方の端面から入射した光を同じ端面から取り出して使用する場合において、光を入射する側の端面を指す。そして、もう片方の端面が、後端面を指している。
多層膜５２１は屈折率が１．５のＳｉＯ2と１．７のＳｉＮが中心波長９００ｎｍのＤＢＲとして５．５ペア積層されて形成されている。
そして、その上に金薄膜（１０ｎｍ）が積層されている。この多層膜５２１で実現される反射率スペクトルを図２に示す。
図３に、本実施例の活性層の利得スペクトルを、そのキャリア密度依存性と共に示す。
これより、キャリア密度が低い状態では基底準位の１０５０ｎｍ付近の長波長側からの発光が見られるが、キャリア密度の増加とともに９３０ｎｍ付近の１次準位からの発光が増大する。
そして、キャリア密度が６〜８ｘ１０18ｃｍ-3付近で、これら２つの発光が同程度となる。
本実施例では、このＳＯＡの駆動条件であるキャリア密度６ｘ１０18ｃｍ-3で駆動した場合において、ＳＯＡが出力するスペクトルがより平坦な利得スペクトルに近づくように、図２に示す反射率スペクトルを持つ後端面に多層膜５２１が装荷されている。具体的な設計指針については以下で説明する。
このような素子構造のＳＯＡにおいて、後端面の反射率が波長依存性を持たないような構成の反射鏡（反射率は０．５で波長無依存）の場合と、本実施例の多層膜５２１により実現される反射率スペクトルを持っている場合でのＳＯＡ利得の計算結果を図４に示す。
図４（ａ）は後端面の反射率は波長によらず０．５である。
一方、図４（ｂ）は先ほど述べた多層膜５２１を装荷した場合である。
図４（ａ）では基底準位付近の波長にＳＯＡ利得の最大値が位置しており、それより短波長側および長波長側ではＳＯＡ利得が低い。
これは、図３に示す利得スペクトルが反映されている。そして、利得ピークから−３ｄＢとなる利得帯域は６０ｎｍである。
一方、図４（ｂ）には、端面の反射率分布の影響を取り入れたＳＯＡ利得を示す。
多層膜５２１を装荷した場合には、ＳＯＡ利得がより平坦化されている。−３ｄＢ帯域幅は１３０ｎｍである。
これより、本発明の反射膜をＳＯＡに装荷することにより、ＳＯＡ利得の平坦化と帯域幅の拡大が可能であることが分かる。
ここで、ＳＯＡの発光スペクトル形状制御に使用した多層膜５２１の設計指針を説明する。基本的な指針としては、量子井戸固有の利得スペクトル形状で基底準位や一次準位など、駆動条件において利得の極大となる波長の反射率を低くすることである。
さらに、利得（誘導増幅）は生じているが、その値が極大値と比較して低い波長領域の反射率を相対的に高くすることが好ましい。より好ましくは１００％に近づける。
これにより、ＳＯＡデバイス全体で得られるＳＯＡ利得を平坦化できる。
さらに、ＤＢＲの反射スペクトルの極大値から下がってくるスペクトル帯域も利用することで、さらに形状を平坦化できる。
この、反射率が変化するスペクトル帯域の広さは、装荷する多層膜の屈折率差に依存する。屈折率差を大きくすることで、より広い波長帯域で反射率差を変動することができる。
本発明で効果を奏する反射率スペクトルの条件としては、吸収ではなく誘導増幅作用が生じる波長帯域内において、後端面の反射率が１０％以上の変動があることである。
反射率の変動が無い場合、すべての波長において増幅してしまうため、前端面でのスペクトル形状を制御することはできない。
さらに、反射率の極大値は１００％に近いことが好ましい。それは、極大値は量子井戸の利得が低い波長であるためできるだけ効率よくＳＯＡ利得を上げる必要があり、極大値が１００％から下がると、その波長におけるＳＯＡ利得が下がることになるためである。
また、前端面のＡＲコートはレーザ発振を抑制するため、５％以下であることが望ましい。端面の共振器効果スペクトルのリップルを減らす場合には、さらに低い値が必要である。
ＳＯＡ利得の極大値は駆動条件により変化するため、一意に決まらないが、本実施例の様な単一または同一の構造を持つ複数の量子井戸では、熱飽和などの制限より、基底準位またはその上の１次準位に極大値が生じることが多い。
そのため、基底準位や１次準位の波長付近に後端面の反射率の極小値を持ってくることは有用である。
この様にすることで、量子井戸の基底準位の波長を中心とした１０ｎｍ以内に、後端面に形成された多層膜の反射率の極小値を位置させ、ＳＯＡ利得を平坦化することができる。
本実施例でも基底準位の波長に後端面の反射率の極小値が位置している。
具体的には、図３に示されるように、利得スペクトルは基底準位の１０５０ｎｍ付近にピークを持っており、また反射率は図２に示されるように、１０５０ｎｍ付近で極小値となっている。
図５に、本実施例における上記ＳＯＡ５００を備えた外部共振器型レーザの構成例を示す。
図５には、ＳＯＡ５００、コリメータレンズ７０１、グレーティング７０２、集光レンズ７０３、反射部材を備えた回転盤７０４、ミラー７０５で構成される。ＳＯＡ５００から出た光はコリメータ７０１によって並行光となりグレーティング７０２に入射する。
７０２で波長依存性を持って回折された光は集光レンズ７０３で回転盤７０４上に集光する。
反射部材を備えた回転盤７０４は一部分のみ反射率分布がついており、一部分の反射部材７０４１のみ反射率が高くなっている。
そのため、グレーティング７０２で回折した光の集光位置は波長によって異なる。
そして、回転盤７０４は一部のみ反射率が高くなっているため、一部の波長のみ反射することになる。そして、その反射された光は集光レンズ７０３とグレーティング７０２を通りＳＯＡ５００に戻る。
このようにして光が帰還し、共振器を形成し、ＳＯＡ５００の利得を利用してレーザ動作している。
そして、グレーティング７０２で回折せずに直進した光は、ミラー（反射鏡）７０５および集光レンズ７０６を通して、光ファイバ７０７に入射する。この光がレーザからの出力光として使用される。
本実施例では波長選択フィルタとして動作する部分はグレーティング７０２、集光レンズ７０３、回転盤７０４で構成されているが、他の波長選択の構成でも良い。
つぎに、本実施例のＳＯＡの製造方法について説明する。
実際の素子作製手順を以下に示す。
まず、ＧａＡｓ基板５０１上に半導体層構成を有機金属気相成長法や分子線エピタキシー法により、ｎ−クラッド層５０２、活性層５０３、ｐ−クラッド層５０４、コンタクト層５０７を成長させる。
そのウエハにスパッタ法を用いて誘電体膜を形成する。その後、半導体リソグラフィー法を用いてフォトレジストでリッジ形成のためのストライプ形成マスクを形成する。
ドライエッチング法を用いて、ストライプ形成マスク以外の部分の半導体を選択的に除去し、高さが０．５μｍのリッジ形状を作成する。
その後ＳｉＯ2を半導体表面に形成し、フォトリソグラフィー法によって、リッジ上部のＳｉＯ2を部分的に除去する。
次に、真空蒸着法およびリソグラフィー法を用いてｐ側およびｎ側電極５１０、５１１を形成する。
良好な電気特性を得るため、高温窒素雰囲気中で電極と半導体を合金化する。
最後に、劈開により端面に結晶面を出し、反射率を調整するための誘電体膜を両端面にコーティングする。
前端面には一般的なＡＲコート、後端面には反射率スペクトルを制御するための屈折率１．５のＳｉＯ2と屈折率１．７のＳｉＮが中心波長９００ｎｍのＤＢＲとして５．５ペア積層で構成された多層膜５２１が形成されている。
これらの誘電体膜を前後の劈開面に施し、ＳＯＡのデバイスが完成する。
本実施例ではＳＯＡの後端面での反射鏡は端面に積層されている。
これとは別な構成として、ＳＯＡチップとは別の硝子板などに積層された光学薄膜を反射鏡とし、レンズを用いて光学的に結合する構成も考えられる。
このような構成でも、本発明と同様に、反射鏡の反射率スペクトルによるＳＯＡの増幅率の波長依存性を制御することはできる。
しかし、このような場合、積層膜の反射率を１００％まで高めたとしても、ＳＯＡの導波路への結合効率は１００％にすることは、現実的には難しい。
その理由は、出射される光の横モードが楕円形であり、これをレンズの有効径内に１００％近く入射させることが難しいことと、その後のモード形状をＳＯＡの導波モードと同様な形状にしてＳＯＡに戻し、モードの結合を１００％に近づけることが難しいためである。そのため、現実的には、最大でも８０％程度である。
そして、本発明ではＳＯＡの導波路に戻すことのできる反射率によって、本発明の効果は大きく異なる。
例えば、結合効率も含めて１００％導波路に結合する場合と比較して、結合効率が５０％に落ちる場合では、ＳＯＡで得られる利得が５０％減少したのと同じになってしまう。つまり、ＳＯＡチップの本来持っている利得をそのまま発揮できないことになる。
また、このような外部に反射鏡を設けた場合、ＳＯＡ端面の低反射コートが不十分であると反射鏡の間で共振器が形成され、本来の共振器とこの共振器がいわゆる結合共振器となるため、波長可変時の動作が不安定になる。
さらに、コストの点や機械的な安定性の点からも、ＳＯＡ端部に反射コートを設ける構造が望ましい。
［実施例２］
本発明の実施例２における透過型のＳＯＡを備えた外部共振器型レーザの構成例について説明する。
実施例１では、ＳＯＡは前端面から入射した光が後端面で反射し、それを再び前端面で取り出すようにした反射型のＳＯＡとして動作をしている。
一方、本実施例のＳＯＡでは、片方の端面から入射した光をもう片方の端面から出射するようにした透過型のＳＯＡを構成したものであり、実施例１とは光の入射・取り出しの方法が異なる。
この反射型と透過型との違いにより、本実施例では実施例１とは端面につける反射率スペクトルが異なる。
図６に、本実施例と同様な透過型のＳＯＡを備えた外部共振器型レーザの構成例を示す。
本実施例では、非特許文献２（Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．１４，Ｉｓｓｕｅ ２０、ｐｐ。９２９９−９３０６、２００６）などに開示されている波長分散の大きなファイバを用いた波長可変レーザが構成される。
このようなレーザは、リング型波長可変レーザとして知られており、つぎのような構成を備える。
すなわち、所定の波長を選択して透過する波長選択機構と、一方向にのみ光を透過するアイソレータと、第一の端面から入射した光を活性層で増幅し、該増幅された光を第二の端面から出射するように構成された光を増幅するＳＯＡと、を備える。そして、ＳＯＡにおける第二の端面から出射した光を第一の端面から入射するように光導波路によって接続されている。
本実施例では、これらが透過型ＳＯＡ９００、分散ファイバ９０１、アイソレータ９０２、ファイバ９０３、ＳＯＡ駆動回路９０４、ファイバとＳＯＡを光学的に結合するレンズ９０５、９０６により構成される。
本実施例の動作原理は、非特許文献２などに開示されている様に、共振器を１周する時間が波長ごとに異なることを利用している。
そして、その周回時間に合わせてＳＯＡなどでの利得や損失を周期的に変えることで、その周期に対応した波長のみで発振するようにしている。
図７を用いて、本実施例のＳＯＡの構成例につい説明する。
本実施例のＳＯＡの半導体層構成は実施例１と同じである。そのため、層構成の詳細な説明は省略する。しかし、端面に装荷されている多層膜９２１が実施例１とは異なる。
多層膜９２１は、屈折率１．５のＳｉＯ2と１．６のＳｉＯＮの２種類の光学薄膜で構成される中心波長１０３０ｎｍで５ペアのＤＢＲ構造である。それぞれの光学的膜厚は中心波長の１／４である。
この構成で実現される反射率スペクトルを図８に示す。そして、図９に本実施例でのＳＯＡ利得の計算結果を示す。
本実施例のＳＯＡの駆動条件は、実施例１と同じキャリア密度が６ｘ１０18ｃｍ-3である。
図９（ａ）は両端面とも反射率が０の場合の動作条件でのＳＯＡの利得である。一方、図９（ｂ）は先ほど述べた多層膜９２１を装荷した場合である。
図９（ａ）では基底準位付近の波長に利得の最大値が位置しており、それより短波長側および長波長側では利得が低い。
これは、図３に示す利得スペクトルが反映されている。そして、利得ピークから−３ｄＢとなる利得帯域は６０ｎｍである。
一方、図９（ｂ）には、動作条件での端面の反射率分布の影響を取り入れた利得を示す。
多層膜９２１を装荷した場合には、ＳＯＡの利得がより平坦化されている。−３ｄＢ帯域幅は１３０ｎｍである。これより、本発明の反射膜をＳＯＡに装荷することにより、ＳＯＡ利得の平坦化と帯域幅の拡大が可能であることが分かる。
本実施例のような透過型のＳＯＡにおいては、活性層利得の大きい波長で端面コートの反射率を高くする。
これは、活性層利得の高い波長では、ＳＯＡ端面から光が入射する際に、ＳＯＡ内部に透過する光量を減らすことで、ＳＯＡ透過後の増幅率が活性層利得の低い波長と近づくようにするためである。
その結果、ＳＯＡ利得の波長依存性を小さくする。そして、反射した光はアイソレータ９０２で吸収される。これにより、反射により逆方向へ進行する光による発振を抑えることができる。
本実施例では、ＳＯＡに光を入射する側（アイソレータに近い側）の端面に反射率分布を持たせた多層膜９２１があり、反対側の出射側端面はＡＲコートである。
これとは逆の構成、具体的には入射側端面にＡＲコート、出射側端面に反射率分布コートを持たせた場合、その効果が異なる。
具体的には、出射側端面に反射率分布を持たせると、反射率の高い波長の光は、一度ＳＯＡを往復してからアイソレータへ入ることになる。
そして、ＳＯＡがいわゆるスペクトルホールバーニングが起きる状態で駆動している場合、この反射光により、反射される波長付近のキャリアが消費され、その波長の利得も低下する。そのため、上記と比較して、同じ反射率の反射コートを装荷した場合でも、より大きな増幅率の変化を生じさせることができる。
実施例１でも述べたように、端面に反射率スペクトルを持たせるための多層膜コートをする代わりに、多層膜を積層したフィルタに通してからＳＯＡに入射する方法や、光ファイバ中に屈折率分布を生じさせて反射率分布を生じさせることでも、ある程度の効果を奏する。
しかし、多層膜フィルタを硝子板などに積層した場合、ファイバから光を出射し、フィルタ通過後に再び光ファイバやＳＯＡ端面に光を結合する必要がある。その場合、実施例１でも述べたように、光の結合効率を１００％近くまで高めることは現実的には難しい。そのため、量子井戸の利得の小さい波長帯でも光の損失が出てしまうため、本実施例の様な端面に多層膜ミラーを装荷した場合と比較して、ＳＯＡ利得が全体的に下がってしまう。
一方、光ファイバ中に屈折率分布を生じさせ、それを反射率分布に利用する場合、このような光結合での損失は生じない。
しかし、光ファイバ中に生じさせることができる屈折率差が小さい為、反射率を制御できる波長帯域は狭い。具体的には、２ｎｍ以下である。
一方、本発明で必要な帯域は図２や図８より分かるように、数十ｎｍの帯域にわたって反射率を変化させることで、初めて本発明の課題である、広い帯域にわたっての安定した波長可変が可能となる。
そのため、一般的なファイバグレーティングをそのまま適用することは難しい。また、本発明ではＳＯＡチップと多層膜が一体になっているため、機械的なずれやそれによる特性不安定化は起きないことと、低コスト化が図れるというメリットもある。
［実施例３］
実施例３として、量子井戸層の構造が実施例１と異なる構成例について説明する。
本実施例においては、半導体層構成は量子井戸層として、非対称量子井戸、または変調量子井戸と呼ばれる構造を用いている点が実施例１と異なる。
ＳＯＡが反射型ＳＯＡとして設計されている点は実施例１と同一である。
本実施例では基底準位の発光波長が異なる２つの量子井戸を用いている。それぞれの量子井戸の発光波長は１０５０ｎｍと９３０ｎｍである。
そして、１０５０ｎｍの量子井戸にキャリア密度５ｘ１０18ｃｍ-3が蓄積されるような注入電流値において９３０ｎｍの量子井戸に３ｘ１０18ｃｍ-3が蓄積されるような構造となっている。本実施例ではこの状態が素子の駆動条件である。
また、図１０に示す後端面の多層膜１０２１は中心波長が９８０ｎｍとなっている。多層膜はＤＢＲ構成であり、屈折率が１．５と１．５１の２種類の膜から構成されている。屈折率１．５はＳｉＯ2、屈折率１．５１はＳｉＯＮで実現されている。
非対称量子井戸において短波長側の量子井戸のキャリアを長波長側の量子井戸と比較して小さくする制御は、量子井戸幅を狭くすることで、基底準位の上昇とバリア層から井戸層への遷移レートが下がるという現象を利用して実現している。
本素子の駆動条件において、非対称量子井戸層の利得と、上記多層膜の反射率を図１１に示す。
図１１（ａ）は非対称量子井戸の利得スペクトルである。２つのピークはそれぞれの量子井戸の基底準位に対応している。
そして、図１１（ｂ）に多層膜の反射率スペクトルを示す。
これより、利得の極大値に反射率の小さい領域を配置している。この視点は、実施例１や２と同様である。
しかし、本実施例では、同程度の利得を持つ複数のピークがあるため、これらの両方で反射率が小さくなるように、ＤＢＲを構成する２種類の膜の屈折率差を小さくしている。
後端面の反射率が波長依存性を持たないような構成の反射鏡の場合と、本実施例の多層膜１０２１により実現される反射率スペクトルを持っている場合でのＳＯＡ利得スペクトルの計算結果を図１２に示す。
図１２（ａ）は後端面の反射率が波長によらず一定の場合、（ｂ）は中心波長が９８０ｎｍとなっている多層膜１０２１を用いた場合である。
図１２（ａ）および図１２（ｂ）を比較すると、図１２（ｂ）の方がピークとディップの差が小さい。
図１２（ａ）では、波長９７０ｎｍのピークと波長１０００ｎｍのディップの差は６．４ｄＢである。一方、図１２（ｂ）では、３．９ｄＢである。
このように、非対称量子井戸を導入したＳＯＡにおいても、端面コートの反射率スペクトルを制御することでＳＯＡの出射する光のスペクトル形状を制御することができ、各応用が要求するスペクトル形状へと近づけることができる。
本実施例のような非対称量子井戸を用いた場合でも、それぞれの量子井戸の準位の付近の発光は強くでき、単一または同一の複数の量子井戸層を使用した構造と比較して、活性層の利得をより平坦化できる。
しかし、それらの準位の間の発光を選択的に強くすることはできない。
これは、上述のように各量子井戸の利得スペクトル形状が決まっており、その重ねあわせでＳＬＤのスペクトル形状が決まるためである。
そのため、このような場合にさらに利得スペクトルを平坦化するために、本発明が特に効果を奏する。
なお、本実施例では非対称量子井戸を用いているため、それぞれの量子井戸の０次準位からの発光のみで広い波長帯域をカバーできている。
そのため、駆動条件のキャリア密度は実施例１と比較して低レベルであり、これは素子の寿命や信頼性を大きくすることにつながる。
本実施例では２つの基底準位の間に反射率の最大値が位置している。
しかし、３つ以上の異なる波長を持つ基底準位の量子井戸を導入している場合にも、最も短い波長の基底準位と、最も長い波長の基底準位の間の波長帯に、後端面の反射率の最大値や極小値を設けることが望ましい。
これは、この間の波長帯に主に反転分布が形成されることで誘導増幅が生じているため、この間に反射率変化を大きくすることで、誘導増幅の生じている波長帯内に反射率の波長依存性を設けることができ、ＳＯＡの利得スペクトル制御が効果的に行われるためである。活性層が量子井戸構造である場合には、上記、誘導増幅が発生する波長範囲は、活性層を構成する量子井戸の各基底準位のうち最も長波長な準位の波長と、各量子井戸の１次準位のうち、最も短波な準位の波長の間と言い換えることができる。
これは、図３より分かるように、量子井戸構造においては、１次準位までであればキャリアを蓄積し、反転分布を起こさせることが現実的なキャリア密度で可能であるためである。
一方、２次以上の準位は存在したとしても、その波長で反転分布を生じさせ、誘導増幅を生じさせることは現実的ではない。
そのため、量子井戸構造の活性層の場合、上記の波長範囲、具体的には、最も短波長な１次準位の波長と最も長波長な基底準位の波長の間に反射率が大きく変化する領域が存在すればＳＯＡ利得を制御することができる。
好ましくはこの範囲において、最大値から２０％以上の反射率変化があればＳＯＡの出射スペクトルを効果的に変化させることができる。
また、実施例１から実施例３ではＧａＡｓ基板上でＳＯＡを形成しているが、本発明の効果はＩｎＰ基板上やＧａＮ基板上に形成する他の材料系を用いたＳＯＡにおいても同様に効果を奏する。
そのため、本発明はＧａＡｓ基板上に形成されたＳＬＤに限定されるものではなく、また活性層の発光波長帯についても１０５０ｎｍに限定されるものではない。
また、活性層構造は、ＳＯＡに対して最も効果的な量子井戸構造であるが、これに限定されるものではない。
バルクや量子細線、量子ドットなど量子井戸以外の閉じ込め構造であっても良い。
この場合、後端面の反射率スペクトルの最大値は、ＳＯＡ駆動条件において活性層に利得が生じている波長範囲にあることが必要である。
５００：ＳＯＡ
５０１：ＧａＡｓ基板
５０２：ｎ−クラッド層
５０３：活性層
５０４：ｐ−クラッド層
５０７：コンタクト層
５１０：上部電極
５１１：下部電極
５２０：リッジ形状部
５２１：多層膜

Claims (15)

  1. 波長を選択して反射する波長選択機構と、
    第一の端面から入射した光を、該第一の端面と反対側の第二の端面で反射し、再び前記第一の端面から活性層で増幅された光を出射するように構成された光を増幅する半導体光アンプであるＳＯＡと、
    前記ＳＯＡの外部に備えられ、前記入射した光を反射する前記第二の端面と対をなして共振器を形成する反射部材と、
    を有するＳＯＡを備えた波長可変レーザであって、
    前記ＳＯＡにおける前記光を反射する側の前記第二の端面に、反射率が波長依存性を有する多層膜が形成され、前記ＳＯＡ全体で得られる利得スペクトルの形状の制御が可能に構成されていることを特徴とするＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  2. 前記多層膜は、光の導波方向に積層された多層膜ミラーによって構成され、
    前記多層膜ミラーにより実現される反射率が、前記ＳＯＡにおける活性層が駆動条件において発生する誘導増幅作用が生じる波長帯域内で、１０％以上の反射率変化を有していることを特徴とする請求項１に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  3. 前記多層膜ミラーにより実現される反射率が、誘導増幅作用が大きい波長領域よりも小さい波長領域において、相対的に高くされていることを特徴とする請求項２に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  4. 前記第一の端面には、反射率が５％以下の反射防止コートが施されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  5. 前記活性層は、量子井戸で構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  6. 前記活性層は、単一の量子井戸または同じ構成の複数の量子井戸で構成され、
    前記量子井戸の基底準位の波長を中心とした１０ｎｍ以内に、前記第二の端面に形成された多層膜の反射率の極小値が位置していることを特徴とする請求項５に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  7. 前記活性層は、複数の基底準位の波長の異なる量子井戸で構成され、
    前記複数の基底準位のうち、少なくとも１つの準位の波長における１０ｎｍ以内に、前記第二の端面に形成された多層膜の反射率の極小値が位置していることを特徴とする請求項５に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  8. 前記ＳＯＡは、ＧａＡｓ基板上に形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  9. 所定の波長を選択して透過する波長選択機構と、
    一方向にのみ光を透過するアイソレータと、
    第一の端面から入射した光を活性層で増幅し、該増幅された光を第二の端面から出射するように構成された光を増幅する半導体光アンプであるＳＯＡと、
    前記ＳＯＡにおける第二の端面から出射した光を前記第一の端面から入射するように接続するリング型の光導波路と、
    を有するＳＯＡを備えた波長可変レーザであって、
    前記ＳＯＡにおける前記第二の端面に、反射率が波長依存性を有する多層膜が形成され、前記ＳＯＡ全体で得られる利得スペクトルの形状の制御が可能に構成されていることを特徴とするＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  10. 前記多層膜は、光の導波方向に積層された多層膜ミラーによって構成され、
    前記多層膜ミラーにより実現される反射率が、前記半導体光アンプにおける活性層が駆動条件において発生する誘導増幅作用が生じる波長帯域内で、１０％以上の反射率変化を有していることを特徴とする請求項９に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  11. 前記多層膜ミラーにより実現される反射率が、誘導増幅作用が大きい波長領域よりも小さい波長領域において、相対的に高いことを特徴とする請求項１０に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  12. 前記第一の端面には、反射率が５％以下の反射防止コートが施されていることを特徴とする請求項９から１１のいずれか１項に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  13. 前記活性層は、量子井戸で構成されていることを特徴とする請求項９から１２のいずれか１項に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  14. 前記活性層は、単一の量子井戸または同じ構成の複数の量子井戸で構成され、
    前記量子井戸の基底準位の波長を中心とした１０ｎｍ以内に、前記第二の端面に形成された多層膜の反射率の極大値が位置していることを特徴とする請求項１３に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
  15. 前記活性層は、複数の基底準位の波長の異なる量子井戸で構成され、
    前記複数の基底準位のうち、少なくとも１つの準位の波長における１０ｎｍ以内に、前記第二の端面に形成された多層膜の反射率の極大値が位置していることを特徴とする請求項１３に記載のＳＯＡを備えた波長可変レーザ。
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