JP2015109319A

JP2015109319A - 狭線幅レーザ

Info

Publication number: JP2015109319A
Application number: JP2013250613A
Authority: JP
Inventors: 真下小園; Makoto Shimokozono; 伸浩布谷; Nobuhiro Nunotani; 石井　啓之; Hiroyuki Ishii; 啓之石井; 拓也金井; Takuya Kanai
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-11

Abstract

【課題】新たに接地電極を導入することによって制御層へのリーク電流を抑制し、スペクトル線幅のブロード化を抑制することが出来る狭線幅レーザを提供すること。【解決手段】半導体基板１０１上に活性層１０２と制御層１０３を結晶成長させ、その上から埋込層１０４により埋込を行う。活性層１０２の埋込層１０４を挟んだ上部には活性層上部電極１０５を配置し、制御層１０３の埋込層１０４を挟んだ上部には制御層電極１０６を配置している。また半導体基板１０１の下部には活性層下部電極１０７を配置している。活性層上部電極１０５と制御層電極１０６の間に新たに接地電極１０８を配置することにより、活性層上部電極１０５から制御層１０３へのリーク電流を抑制することが出来る。【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザの発振波長線幅を狭線幅化する狭線幅レーザに関する。

波長可変レーザは、波長多重伝送、光測定、光周波数掃引型ＯＣＴ、レーザ光分光、光感度計測等の幅広い分野において利用されている有用な光源である。多種多様なレーザがこれまで開発されており、例えば発振媒体の種類によって分類すると、ガスレーザ（ＣＯ_２等）、液体（色素）レーザ（Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ、Ｃｏｕｍａｒｉｎ等）、固体レーザ（Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ等）、半導体レーザ（ＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ、ＩｎＧａＮ等）等の種類がある。要求される発振波長領域、出力光強度、波長安定性、スペクトル線幅等に応じて種々多様な波長可変レーザが開発されてきた。

いずれの種類の波長可変レーザも、基本的には励起エネルギー供給源（光、電気等）、利得（発振）媒体、共振器から構成されている。その中でも、利得媒体として半導体を用いた波長可変半導体レーザは低消費電力、小型化で取り扱いが簡単であるため、様々な分野で広く用いられている。そのため、今までに多くの種類の波長可変半導体レーザが開発されてきた。

波長可変半導体レーザの特性を決める性能指数としては、出力、波長可変幅、モード安定性、隣接モード抑制比（ＳＭＳＲ：ＳｉｄｅＭｏｄｅＳｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎＲａｔｉｏ）、寿命、発振線幅等がある。全ての性能において特性が秀でているレーザが望ましいが、通常は全てを同時に満たすことは難しいので、使い方に応じた性能を向上させるようにチューニングを行っていく。例えば高密度波長多重通信用光源としては、波長可変幅が大きく、長寿命でモード安定性の良いものが要求される。

高密度波長多重分割通信用光源としては、多くの波長可変半導体レーザが開発されてきた。１０Ｇｂｉｔ／ｓ程度のシステムにおいては、強度変調・直接検波（ＩＭ−ＤＤ：ＩｎｔｅｎｓｉｔｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ−ＤｉｒｅｃｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎ）方式が用いられてきた。この方式では、送信側の光源に対して強度変調を行い、受信側ではその強度の強弱を判定して複合するという方式を用いるため、光源に要求されることは単一波長で発振していることであった。

しかしながら、１０Ｇｂｉｔ／ｓを超えるレートの信号をそのままの体系で送ろうとすると、ファイバの分散、電子回路の速度制限、５０ＧＨｚグリッドによる光周波数帯域の制限などから難しいため、光の波としての位相情報を用いた変調方式が用いられる。

次世代１００Ｇｂｉｔ／ｓシステムで採用されるデジタルコヒーレント方式では、光の位相情報を用いた位相変調方式が用いられ、受信側ではローカル光と信号光をミキシングして信号光の強度・位相情報を検出するコヒーレント検波方式が用いられる。

さらに、偏波多重・偏波ダイバーシティ技術を用いて、伝送容量の拡大を行うことができる。検波後の波形は、高速のＡＤ（ＡｎａｌｏｇｔｏＤｉｇｉｔａｌ）コンバータによりデジタル信号に変換される。従来のＩＭ−ＤＤ方式では、光の位相情報は用いていないので、光源に要求されることは単一波長で発振していることで、位相ノイズに関しては問題とはならなかった。しかし、デジタルコヒーレント方式では、信号光源およびローカル光源の位相ノイズが問題となる。

具体的なスペクトル線幅に対する要求条件としては、１００Ｇｂｉｔ／ｓシステムでは、１ＭＨｚ以下の線幅、４０Ｇｂｉｔ／ｓシステムにおいても５ＭＨｚ程度以下が送信光源およびローカル光源に要求されると言われている（非特許文献１参照）。実際、市販されている製品についても数１００ＫＨｚ程度のものもあり、デジタルコヒーレント向け光源として市場が活況化しつつある。

代表的な波長可変半導体レーザの１つに分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザというものがある。図６に、ＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す。半導体基板６０１上に活性層６０２と制御層６０３を結晶成長させ、その上から埋込層６０４により埋込を行う。活性層６０２の埋込層６０４を挟んだ上部には活性層上部電極６０５が配置され、制御層６０３の埋込層６０４を挟んだ上部には制御層電極（ヒーター）６０６が配置されている。また半導体基板６０１の下部には活性層下部電極６０７が配置されている。

石井、笠谷、大橋著、「高速伝送用波長可変光源」、ＮＴＴ技術ジャーナル、２０１１年、Ｖｏｌ．２３、Ｎｏ．３

しかしながら、この構造では活性層上部電極６０５から制御層へのリーク電流が発生してしまうために、発振波長のスペクトル線幅がブロード化してしまうという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、新たに接地電極を導入することによって制御層へのリーク電流を抑制し、スペクトル線幅のブロード化を抑制することが出来る狭線幅レーザを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、基板の上面に活性層とＤＢＲ制御層を具備する分布ブラッグ反射型の狭線幅レーザであって、前記基板の下面に配置された下部電極と、前記活性層の上部に配置された活性層電極と、前記ＤＢＲ制御層の上部に配置されたＤＢＲ制御電極と、前記活性層の上部で、前記活性層電極と前記ＤＢＲ制御電極との間に配置された接地電極と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、基板の上面に活性層、位相制御層およびＤＢＲ制御層を具備し、前記位相制御層が前記活性層とＤＢＲ制御層との間に配置された分布ブラッグ反射型の狭線幅レーザであって、前記基板の下面に配置された下部電極と、前記活性層の上部に配置された活性層電極と、前記位相制御層の上部に配置された位相制御層電極と、前記ＤＢＲ制御層の上部に配置されたＤＢＲ制御電極と、前記活性層の上部で、前記活性層電極と前記位相制御電極との間に配置された接地電極と、を備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、基板の上面に活性層、位相制御層ならびに第１および第２のＤＢＲ制御層を具備し、前記第１および第２のＤＢＲ制御層の間に前記活性層および前記位相制御層が配置された分布ブラッグ反射型の狭線幅レーザであって、前記基板の下面に配置された下部電極と、前記第１のＤＢＲ制御層の上部に配置された第１のＤＢＲ制御電極と、前記活性層の上部に配置された活性層電極と、前記位相制御層の上部に配置された位相制御層電極と、前記第２のＤＢＲ制御層の上部に配置された第２のＤＢＲ制御電極と、前記活性層の上部で、前記第１のＤＢＲ制御電極と前記活性層電極との間に配置された第１の接地電極と、前記活性層の上部で、前記活性層電極と前記位相制御層電極との間に配置された第２の接地電極と、を備えたことを特徴とする。

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狭線幅レーザにおいて、前記位相制御電極および前記ＤＢＲ制御電極は、ヒーターであることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の狭線幅レーザにおいて、前記下部電極は、前記活性層の下部にのみに配置されたことを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、狭線幅レーザアレイであって、請求項１乃至５のいずれかに記載の狭線幅レーザをアレイ状に配置したことを特徴とする。

本発明は、新たに接地電極を導入することによって、制御層へのリーク電流を抑制し、スペクトル線幅のブロード化を抑制する効果を奏する。

本発明の実施形態１に係るＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す図である。本発明の実施形態２に係るＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す図である。本発明の実施形態３に係るＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す図である。本発明の実施形態４に係るＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す図である。本発明の実施形態５に係るＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す図である。従来のＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係るＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す。半導体基板１０１上に活性層１０２と制御層１０３を結晶成長させ、その上から埋込層１０４により埋込を行う。活性層１０２の埋込層１０４を挟んだ上部には活性層上部電極１０５を配置し、制御層１０３の埋込層１０４を挟んだ上部には制御層電極１０６を配置している。また半導体基板１０１の下部には活性層下部電極１０７を配置している。

活性層上部電極１０５と制御層電極１０６の間に新たに接地電極１０８を配置することにより、活性層上部電極１０５から制御層１０３へのリーク電流を抑制することが出来る。このような構造を取ることにより、従来の上部に接地電極の無い構造ではスペクトル線幅が２０ＭＨｚであったのに対し、本発明の実施形態１ではスペクトル線幅を８００ｋＨｚへと狭線幅化することが出来る。

（実施形態２）
図２に、本発明の実施形態２に係るＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す。半導体基板２０１上に活性層２０２と制御層２０３と位相制御層２０９を結晶成長させ、その上から埋込層２０４により埋込を行う。活性層２０２の埋込層２０４を挟んだ上部には活性層上部電極２０５を配置し、制御層２０３の埋込層２０４を挟んだ上部には制御層電極２０６を配置している。また位相制御層上部に位相制御層電極２１０を配置している。また半導体基板２０１の下部には活性層下部電極２０７を配置している。

活性層上部電極２０５と位相制御層電極２１０の間に新たに接地電極２０８を配置することにより、活性層上部電極２０５から位相制御層電極２１０および制御層２０３へのリーク電流を抑制することが出来る。このような構造を取ることにより、従来の上部に接地電極の無い構造ではスペクトル線幅が１５ＧＨｚであったのに対し、本発明の実施形態２ではスペクトル線幅を７００ｋＨｚへと狭線幅化することが出来る。

（実施形態３）
図３に、本発明の実施形態３に係るＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す。本ＤＢＲレーザでは活性層３０２と第１の制御層３０３の間に位相制御層３０９を配置し、また活性層３０２から見て位相制御層３０９の逆側には第２の制御層３１１を配置している。活性層３０２、第１の制御層３０３、第２の制御層３１１、位相制御層３０９の上部には埋込層３０４を配置した。埋込層３０４を挟んで活性層３０２の上部に活性層上部電極３０５、埋込層３０４を挟んで位相制御層３０９上部に位相制御層電極３１０、埋込層３０４を挟んで第１の制御層３０３の上部に第１の制御層電極３０６、埋込層３０４を挟んで第２の制御層３１１の上部に第２の制御層電極３１２を配置している。また、活性層上部電極３０５と位相制御層用電極３１０の間に第１の接地電極３０８を、活性層上部電極３０５と第２の制御層電極３１２間に第２の接地電極３１３を配置している。

このような構造を取ることにより、従来の上部に接地電極の無い構造ではスペクトル線幅が１６ＧＨｚであったのに対し、本発明の実施形態３ではスペクトル線幅を６５０ｋＨｚへと狭線幅化することが出来た。

（実施形態４）
図４に、本発明の実施形態４に係るＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す。本ＤＢＲレーザでは活性層４０２と第１の制御層４０３の間に位相制御層４０９を配置し、また活性層４０２から見て位相制御層４０９の逆側には第２の制御層４１１を配置している。活性層４０２、第１の制御層４０３、第２の制御層４１１、位相制御層４０９の上部には埋込層４０４を配置した。埋込層４０４を挟んで活性層４０２の上部に活性層上部電極４０５、埋込層４０４を挟んで位相制御層４０９上部に位相制御層電極４１０、埋込層４０４を挟んで第１の制御層４０３の上部に第１の制御層電極４０６、埋込層４０４を挟んで第２の制御層４１１の上部に第２の制御層電極４１２を配置している。また、活性層上部電極４０５と位相制御層用電極４１０の間に第１の接地電極４０８を、活性層上部電極４０５と第２の制御層電極４１２間に第２の接地電極４１３を配置している。

尚、本実施形態４は、実施形態３に対して第１の制御層電極４０６および第２の制御層電極４１２が高抵抗の金属を用いたヒーターとなっている点で異なる。

このような構造を取ることにより、従来の上部接地電極がない構造ではスペクトル線幅が２ＧＨｚであったのに対し、スペクトル線幅を４００ｋＨｚへと狭線幅化することが出来た。ここでは、実施形態３で取り上げた積層構造にのみ言及したが、実施形態１、２で取り上げた積層構造においても制御層電極に高抵抗の金属を用いたヒーターを用いた場合でも、スペクトル線幅の狭線幅化の効果が得られることは言うまでもない。

（実施形態５）
図５に、本発明の実施形態５に係るＤＢＲレーザの断面（光軸方向）を示す。本ＤＢＲレーザでは活性層５０２と第１の制御層５０３の間に位相制御層５０９を配置し、また活性層５０２から見て位相制御層５０９の逆側には第２の制御層５１１を配置している。活性層５０２の上部には埋込層５０４を挟んで活性層上部電極５０５、位相制御層５０９上部には埋込層５０４を挟んで位相制御層電極５１０、第１の制御層５０３の上部には埋込層５０４を挟んで第１の制御層電極５０６、第２の制御層５１１の上部には埋込層５０４を挟んで第２の制御層電極５１２を配置している。また、活性層上部電極５０５と位相制御層用電極５１０の間に第１の接地電極５０８を、活性層上部電極５０５と第２の制御層電極５１２間に第２の接地電極５１３を配置している。

尚、本実施形態５は、実施形態４と同様に第１の制御層電極５０６および第２の制御層電極５１２は高抵抗の金属を用いたヒーターになっている。

本実施形態５は、これに加え更に、活性層下部電極を活性層下部のみに限定配置する構成となっている。これにより、第１および第２の制御層５０３、５１１および位相制御層５０９への電界の回り込みを抑制することができる。

このような構造を取ることにより、従来の上部接地電極がない構造ではスペクトル線幅が１ＧＨｚであったのに対し、スペクトル線幅を３５０ｋＨｚへと狭線幅化することが出来る。この実施形態５においては、実施形態４で取り上げた積層構造にのみ言及したが、実施形態１〜３で取り上げた積層構造を用いた場合でも、スペクトル線幅の狭線幅化の効果が得られることは言うまでもない。

また、この実施形態１〜５においては単体のレーザについて言及したが、同様にアレイ状に配置されたレーザアレイにおいても、スペクトル線幅の狭線幅化の効果が得られることは言うまでもない。

１０１、２０１、３０１、４０１、５０１基板
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２活性層
１０３、２０３、３０３、３１１、４０３、４１１、５０３、５１１制御層
１０４、２０４、３０４、４０４、５０４埋込層
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５活性層上部電極
１０６、２０６、３０６、３１２、４０６、４１２、５０６、５１２制御層電極
１０７、２０７、３０７、４０７、５０７活性層下部電極
１０８、２０８、３０８、３１３、４０８、４１３、５０８、５１３接地電極
２０９、３０９、４０９、５０９位相制御層
２１０、３１０、４１０、５１０位相制御層用電極

Claims

基板の上面に活性層とＤＢＲ制御層を具備する分布ブラッグ反射型の狭線幅レーザであって、
前記基板の下面に配置された下部電極と、
前記活性層の上部に配置された活性層電極と、
前記ＤＢＲ制御層の上部に配置されたＤＢＲ制御電極と、
前記活性層の上部で、前記活性層電極と前記ＤＢＲ制御電極との間に配置された接地電極と、
を備えたことを特徴とする狭線幅レーザ。
基板の上面に活性層、位相制御層およびＤＢＲ制御層を具備し、前記位相制御層が前記活性層とＤＢＲ制御層との間に配置された分布ブラッグ反射型の狭線幅レーザであって、
前記基板の下面に配置された下部電極と、
前記活性層の上部に配置された活性層電極と、
前記位相制御層の上部に配置された位相制御層電極と、
前記ＤＢＲ制御層の上部に配置されたＤＢＲ制御電極と、
前記活性層の上部で、前記活性層電極と前記位相制御電極との間に配置された接地電極と、
を備えたことを特徴とする狭線幅レーザ。
基板の上面に活性層、位相制御層ならびに第１および第２のＤＢＲ制御層を具備し、前記第１および第２のＤＢＲ制御層の間に前記活性層および前記位相制御層が配置された分布ブラッグ反射型の狭線幅レーザであって、
前記基板の下面に配置された下部電極と、
前記第１のＤＢＲ制御層の上部に配置された第１のＤＢＲ制御電極と、
前記活性層の上部に配置された活性層電極と、
前記位相制御層の上部に配置された位相制御層電極と、
前記第２のＤＢＲ制御層の上部に配置された第２のＤＢＲ制御電極と、
前記活性層の上部で、前記第１のＤＢＲ制御電極と前記活性層電極との間に配置された第１の接地電極と、
前記活性層の上部で、前記活性層電極と前記位相制御層電極との間に配置された第２の接地電極と、
を備えたことを特徴とする狭線幅レーザ。
前記位相制御電極および前記ＤＢＲ制御電極は、ヒーター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狭線幅レーザ。
前記下部電極は、前記活性層の下部にのみに配置されたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の狭線幅レーザ。
請求項１乃至５のいずれかに記載の狭線幅レーザをアレイ状に配置したことを特徴とする狭線幅レーザアレイ。