JP2014192248A

JP2014192248A - 多波長半導体レーザ光源

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Publication number: JP2014192248A
Application number: JP2013064777A
Authority: JP
Inventors: Ryoko Yoshimura; 了行吉村; Tomonari Sato; 具就佐藤; Manabu Mitsuhara; 学満原; Nobuhiro Nunotani; 伸浩布谷; Masaki Kamitoku; 正樹神徳
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-03-26
Filing date: 2013-03-26
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】歩留が高い、同一チップ上に集積した複数の半導体レーザの発振波長を調整可能な多波長半導体レーザ光源を提供する。
【解決手段】発振波長の異なる複数の半導体レーザ素子が同一チップ上に集積された多波長半導体レーザ光源において、複数の半導体レーザ素子のうちの少なくとも一つに隣接した領域に、ヒーター電極（１６，１７）を備えた。複数の半導体レーザ素子は同一の層に形成された発光層を有し、発光層の量子井戸構造は、井戸層がInAsであり、障壁層がInGaAsである。少なくとも１つの半導体レーザ素子の発光層（９）の量子井戸構造が無秩序化されており、無秩序化された量子井戸構造の発光層が発する光の波長が無秩序化されていない量子井戸構造の発光層（８）が発する光の波長より短い。
【選択図】図３

Description

本発明は、分光・計測等の分野で用いられる半導体レーザ光源に関する。

半導体レーザを分光用光源として用い、ガス分析計等に応用する波長可変レーザ吸光分光法（Tunable Diode Laser Spectroscopy（以下、TDLSと記す。））（例えば、非特許文献１参照。）と呼ばれる技術が近年注目されている。

図１を参照して、TDLSの大まかな動作原理を説明する。図１（ａ）に示すように、レーザ光源１から出射し被検査物３へ入射したレーザ光２を光検出器４で受光する。図１（ｂ）に示すように、レーザ光源１の発振波長を繰り返し掃引する。図１（ｃ）に示すように、掃引した波長範囲内に被検査物３の吸収線がある場合、光検出器４が受光する受光強度には被検査物３の吸収線に対応したディップが現れる。このディップの位置と深さにより被検査物のガス種と濃度を測定・分析するというのがTDLSの基本的な動作原理である。

実際の応用では、図１（ｂ）に示すような鋸波の上に、より繰り返し周波数の高い正弦波を重畳させレーザを駆動し、受光した信号をロックイン検波する波長変調分光法（Wavelength Modulation Spectroscopy（以下、WMSと記す。））、または周波数変調分光法（Frequency Modulation Spectroscopy）（例えば、非特許文献２参照。）と呼ばれる高感度化手法が多く用いられている。

このようにレーザ光の波長を変化させてガスの吸収線を検出する場合、レーザ光には、ガスの吸収線よりも狭い線幅が求められる。半導体レーザにおいては、分布帰還型（DFB：Distributed Feedback）構造や分布反射型（DBR：Distributed Bragg Reflector）構造などを採用することにより、単一縦モード発振が可能となり、吸収線よりも狭い線幅を容易に実現することができる。

また、高感度にガス分析を行うためには、波長の選択も重要である。多くのガスは、その分子構造に起因して、中赤外領域に大きな吸収線があることが知られている。しかしながら、3μm以上の波長域では、室温動作する半導体レーザ（光源）、受光器の実現が困難であり、実用的とは言えない。それに対し、3μm以下の波長域では、光通信用InP系半導体デバイスの技術をベースとした室温動作する半導体レーザや受光器を用いることが可能である。たとえば、2μm波長帯（1.9〜2.8μm）に発振波長を持つ、InAsを量子井戸層に用いた半導体レーザが特許文献１に記載されている。また、図２に示すように、2μm波長帯には多数のガスの吸収線が存在している。つまり、実用性や高感度化の観点から、吸収分光法によるガスセンシングには2μm波長帯を用いると多くのメリットがある。

TDLSによるガス分析は、分子選択性に優れることから、多種類のガスが混在している状況下でも所望のガスのみを高感度に検出できる利点がある。そのため、多種類のガスの中から、同時に複数のガスを検出することも可能である。しかしながら、TDLSでは、ガス種に固有の吸収線を用いるため、ガス毎に発振波長の異なる半導体レーザが必要となる。つまり、たとえば、同一箇所を測定する場合においても、３種類のガスを検出するためには、発振波長の異なる３つの半導体レーザモジュールが必要となる。さらに、それぞれのレーザ光を別々の光路で用いる場合には、それに準じた数の受光器も必要となる。また、複数のレーザ光を１つの受光器で受光する場合においても、複数のレーザ光を合波する機構が必要となる。

また、発振波長が異なる複数の半導体レーザチップを１つのモジュール内に搭載する場合においても、レンズ配置などの光学系の複雑化を避けることはできない。

つまり、複数のガスを吸収分光法で検出する場合、半導体レーザや受光器などの部品点数の増加や装置構造の複雑化により、システムが大型かつ高価になってしまうという課題があった。

この課題を解決する有効な手段として、InP基板上に作製したInAs/InGaAs多重量子井戸構造から成る発光層を熱処理することにより生じる量子井戸無秩序化という現象を利用し、その発光波長を短波長化するという技術が報告されている（例えば、非特許文献３参照。）。この手段を局所的に用いれば、局所的に発光波長を短波長化することが可能であるため、従来の技術では困難であった大きな波長差を有する複数の半導体レーザを同一チップ上に集積することが可能となる。

特開２００９−５９８４３公報

M. G. Allen, "Diode laser absorption sensors for gas-dynamic and combustion flows", Measurement Science and Technology, 9(4), pp. 545-562 (1998) G. C. Bjorklund, "Frequency-modulation spectroscopy: a new method for measuring weak absorption and dispersion," Opt. Lett. 5(1), pp. 15-17 (1980) 佐藤他、「量子井戸無秩序化を用いて作製したInP系2μm波長帯レーザ」、第59回応用物理学関係連合講演会、16a-F3-4、2012年

しかしながら、複数の半導体レーザを同一チップ上に集積するという方法は、それぞれの半導体レーザの発振波長の差を極めて高い精度で合わせこまなくてはならないという問題がある。

TDLSへの応用の場合、半導体レーザの発振波長を所望のガスの吸収線と一致させる必要がある。InP系の半導体レーザの場合、その発振波長はチップの温度に対し概ね0.1nm/℃程度の係数を持ち長波長側にシフトするので、例えばチップの温度を25±10℃の範囲で制御すれば、発振波長を25℃における発振波長に対し、概ね±1nmの範囲にある任意の波長に合わせることができる。単体の半導体レーザの場合は、この性質を利用することにより発振波長を所望のガスの吸収線と一致させることができるので、基準となる温度（25℃が一般的）における発振波長は、所望の波長±1nm程度になっていれば十分実用的である。これは作製精度、歩留りの観点からも十分実用的であり問題はない。

しかしながら、複数の半導体レーザを同一チップ上に集積する場合は、すべての半導体レーザの発振波長をある同一のチップ温度で、それぞれのガスの吸収線の波長に合わせなくてはならないため、発振波長の差は極めて高精度に作りこまれていることが必要になる。

半導体レーザの発振波長は注入電流で制御することもできるが、発振波長の電流係数はレーザの構造によっても異なるが、一般的な構造の半導体DFBレーザの場合、概ね0.01nm/mA程度である。電流を変えれば出力も変動するので、波長制御のために調整できる電流の範囲は通常大きくはなく、一般的な目安としては10mA程度であるので、電流によって調整可能な発振波長の範囲は、概ね0.1nm程度ということになる。従って、同一チップ上に集積した半導体レーザをTDLSへ応用するためには、それぞれの半導体レーザの発振波長の差を概ね0.1nm程度以下という極めて高い精度で作りこむことが必要である。それを実現するためには、極めて高度な作製精度が必要とされるが、現在の技術では難しく、結果として著しく歩留りを悪化させるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、複数の半導体レーザを同一チップ上に集積した多波長半導体レーザ光源を提供することにある。また、歩留まりが高く、同一チップ上に集積した複数の半導体レーザの発振波長を微調整可能な多波長半導体レーザ光源を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、発振波長の異なる複数の半導体レーザ素子が同一チップ上に集積された多波長半導体レーザ光源であって、
前記半導体レーザ素子のうちの少なくとも一つに隣接した領域にヒーター電極を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の多波長半導体レーザ光源であって、前記複数の半導体レーザ素子は同一の層に形成された発光層を有し、前記複数の半導体レーザ素子の少なくとも１つの量子井戸構造が無秩序化されており、無秩序化された量子井戸構造の発光層が発する光の波長が無秩序化されていない量子井戸構造の発光層が発する光の波長より短いことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の多波長半導体レーザ光源であって、前記発光層の量子井戸構造は、井戸層がInAsであり、障壁層がInGaAsであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載の多波長半導体レーザ光源であって、前記半導体レーザ素子が半導体DFBレーザ素子であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、温度調整用ヒーターにより半導体レーザの発振波長を微調整することができるため、半導体レーザの発振波長の差が狙いより多少ずれた場合でも補正して使用することができる。その結果、発振波長の差を概ね0.1nm程度以下という極めて高い精度が要求されることはなくなり、現実的な製法を用いても高い歩留りで多波長半導体レーザ光源を作製することが可能となる。

TDLSの動作原理を説明するための図であり、（ａ）はTDLSの構成の概要構成を示す図を、（ｂ）は光源の駆動方法（時間と波長の関係）を説明する図を、（ｃ）は光検出器が受光する受光強度を説明する図である。主なガスの代表的な吸収線が存在する波長帯を示す図である。本発明にかかる多波長半導体DFBレーザ光源の一つの実施例を示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図３は、本発明の一実施形態にかかる多波長半導体DFBレーザ光源の斜視図である。簡単化のため、被検査物や目標とする発振波長等を示して本実施形態を説明するが、これらは一例に過ぎず、本願発明はこれらの具体的数値に限定されるものではない。本実施形態においては、2331.93nmにある一酸化炭素の吸収線と2054.96nmにある二酸化炭素の吸収線を同時に測定するため、この２波長で発振させることを目的として作製した多波長半導体DFBレーザ光源を例として説明する。

図３に示す本実施形態の多波長半導体DFBレーザ光源は、同一チップ上に集積した第一の半導体DFBレーザ素子（目標波長2331.93nm）と、第二の半導体DFBレーザ素子（目標波長2054.96nm）とを備える。また、本実施形態の多波長半導体DFBレーザ光源は、第一及び第二の半導体DFBレーザ素子に隣接した領域にそれぞれ作製されたヒーター電極１６及び１７を備える。

本実施形態の多波長半導体DFBレーザ光源は、n-InPクラッド層６と、ノンドープのバンドギャップ波長1.3μmのInGaAsP光閉じ込め層７と、６層のInAs井戸層（膜厚：5nm）及び７層のInGaAs障壁層（膜厚：20nm）からなるInAs/InGaAs多重量子井戸構造（MQW）発光層８及び９と、ノンドープのバンドギャップ波長1.3μmのInGaAsP光閉じ込め層１０と、ノンドープのバンドギャップ波長1.1μmのInGaAsP光閉じ込め層１１とが順次形成されている。多波長半導体DFBレーザ光源は、InGaAsP光閉じ込め層１１の上に、ストライプ状に複数のp-InPクラッド層１２及びInGaAsPコンタクト層１３が形成されている。注入電流を分離するため、ストライプの脇にはSiO₂層１４が形成され、その上にp型電極１５が形成されている。また、n-InPクラッド層６の下にはn型電極５が形成されている。２本のストライプの脇の部分にはそれぞれSiO₂層１４の上にヒーター電極１６、１７が形成されている。ヒーター電極としては抵抗加熱線となる単層、及び多層の種々の金属薄膜が利用できるが、ここでは熱的に安定なPtを主成分とする金属薄膜を用いた。半導体DFBレーザ素子とヒーター電極との距離は近いほど半導体DFBレーザ素子に対する熱制御の効果は高い。したがって、半導体DFBレーザ素子のp型電極とヒーター電極とが接しない程度に互いに隣接することが望ましい。

結晶成長直後のMQW発光層８及び９のPLピーク波長は2350nmであったが、右半分１８の領域は量子井戸無秩序化を起こすための熱処理が施され、MQW発光層９を含む第二の半導体DFBレーザ素子のPLピーク波長は2060nmに短波長化されている。また熱処理後のMQW発光層８を含む第一の半導体DFBレーザ素子のPLピークは2350nmのまま変化はなかった。

単一縦モード発振するDFBレーザとするため、バンドギャップ波長1.1μmのInGaAsP光閉じ込め層１１の左側のストライプ（ストライプ１）、右側のストライプ（ストライプ２）を含む部分には、それぞれ発振波長が2331.93nm、2054.96nmとなるように設計されたパラメータを持つ回折格子が電子ビーム露光及びウエットエッチングを用いて形成されている。

作製した上記の２本のストライプを有するリッジ型DFBレーザの発振波長を基準の動作条件であるチップ温度25℃、注入電流120mAにおいて測定したところ、ストライプ１の（第一の半導体DFBレーザ素子）方が2332.52nm、ストライプ２（第二の半導体DFBレーザ素子）は2054.15nmであった。発振波長を目標値に合せるため、注入電流120mAは変えずにチップ温度を20.1℃にしたところ、ストライプ１の発振波長は2331.93nmと目標値に合せることができたが、ストライプ２の方は2053.60nmとなり目標値からさらにずれてしまったが、ヒーター電極１７に電流を注入することにより目標とする2054.96nmに合せることができた。

本実施形態では、活性層に5nm厚のInAs量子井戸層を用いたため、熱処理前の波長は2350nmであったが、波長を長くするためには、InAs量子井戸層の厚さを厚くすれば良い。逆に短くするにはInAs量子井戸層の厚さを薄くすれば良い。InAs量子井戸層の厚さを2nmとすると2.0μm、7nmとすると2.5μm、10nmとすると2.7μmでの発光を得ることができる。また、量子井戸無秩序化による波長シフト量は量子井戸層膜厚に依らず、熱処理条件を制御することにより、300nm程度までの範囲で制御することができる。そのため、本実施形態では、第一の半導体DFBレーザ素子及び第二の半導体DFBレーザ素子の目標発振波長をそれぞれ2331.93nm及び2054.96nmとしたが、InAs量子井戸層の厚さ、および量子井戸無秩序化条件を選択することで、概ね1900nmから2700nmの任意の波長を実現することができる。

本実施例では、2331.93nmと2054.96nmの２波長の半導体DFBレーザ光源を作製したが、量子井戸無秩序化により発光波長を制御する領域、およびレーザストライプ数を変えることで、任意の波長数の半導体DFBレーザ光源を実現できることは明らかである。

本実施形態では、リッジ構造のDFBレーザを作製したが、本発明は、活性層の発光波長が制御できていれば良く、その効果はレーザの構造に依らないことは明らかである。すなわち、p-InPとn-InPで交互に埋め込んだpn埋め込み構造や、半絶縁性InPで埋め込んだ埋め込み構造DFBレーザでも適用できることは明らかである。また、本実施形態では直線導波路を用いたが、各レーザの出射端を近接させた湾曲した導波路、別途導波路層を設けて合波器（カプラ）により単一の出射端とする構造でも適用できることは明らかである。

本発明のポイントは、ヒーター電極より隣接する半導体レーザ素子を局所的に加熱しその発振波長を微調整するというものであるので、DFBレーザだけでなくFPレーザやDBRレーザ等様々な構造の半導体レーザに適用することができる。しかしながら、TDLSに応用する場合、レーザの線幅は検出するガスの吸収線幅よりも十分狭い単一縦モード発振するレーザでないと高分解能測定をすることが難しいので、単一縦モードレーザであるDFBレーザやDBRレーザに適応した方がより高い効果が期待できる。また、DBRレーザはモードホップしやすい等の問題があり、制御が難しい上に、TDLS応用で必要とされる波長などの電気光学的特徴を満足するものを入手することが現時点では難しいことから、現実にはTDLSの分野ではあまり利用されてはいない。それに比べ、DFBレーザは制御性が良く、信頼性にも優れ、TDLS応用で必要とされる様々な波長のものが入手可能であるなど多くの利点があるため、TDLSの分野でよく利用されており、制御法など様々な技術、ノウハウの蓄積がある。そのため、本発明はDFBレーザに適用した場合、最も高い効果をあげることができる。

以上、説明したように本発明を用いれば、ヒーター電極により個々の半導体レーザの発振波長を微調整することができるため、半導体レーザの発振波長の差が狙いより多少ずれた場合でも補正して使用することができる。その結果、発振波長の差を概ね0.1nm程度以下という極めて高い精度が要求されることはなくなり、現実的な製法を用いても高い歩留りで、同一のチップ温度でそのすべてのレーザの発振波長が所望の複数のガスの吸収線の波長と一致する、ワンチップ上に集積された多波長半導体DFBレーザを作製することが可能となる。それにより、TDLSに応用可能な多波長半導体DFBレーザを低コストで作製することができるようになるため、複数のガスの吸収線を測定可能なガス分析計の小型化、低コスト化が期待できる。

１レーザ光源
２レーザ光
３被検査物
４光検出器
５ n型電極
６ n-InPクラッド層
７ InGaAsP光閉じ込め層
８多重量子井戸構造（MQW）発光層
９無秩序化された多重量子井戸構造（MQW）発光層
１０ InGaAsP光閉じ込め層
１１ InGaAsP光閉じ込め層
１２ p-InPクラッド層
１３ InGaAsPコンタクト層
１４ SiO2層
１５ p型電極
１６ヒーター電極
１７ヒーター電極
１８無秩序化領域

Claims

発振波長の異なる複数の半導体レーザ素子が同一チップ上に集積された多波長半導体レーザ光源であって、
前記半導体レーザ素子のうちの少なくとも一つに隣接した領域にヒーター電極を備えたことを特徴とする多波長半導体レーザ光源。
前記複数の半導体レーザ素子は同一の層に形成された発光層を有し、前記複数の半導体レーザ素子の少なくとも１つの量子井戸構造が無秩序化されており、無秩序化された量子井戸構造の発光層が発する光の波長が無秩序化されていない量子井戸構造の発光層が発する光の波長より短いことを特徴とする請求項１に記載の多波長半導体レーザ光源。
前記発光層の量子井戸構造は、井戸層がInAsであり、障壁層がInGaAsであることを特徴とする請求項１又は２に記載の多波長半導体レーザ光源。
前記半導体レーザ素子が半導体DFBレーザ素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の多波長半導体レーザ光源。