JP2015115367A - Surface emission laser array - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体基板と垂直に光が出射する構造の面発光レーザアレイに関する。 The present invention relates to a surface emitting laser array having a structure in which light is emitted perpendicular to a semiconductor substrate.
垂直共振器面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)は、低消費電力および高速伝送などの点で優れた特性を有するデバイスである。このデバイスは、例えばパーソナルコンピュータ用のマウスや、イーサネット(登録商標)系の短距離通信用の光源などに適用されている。 A vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) is a device having excellent characteristics in terms of low power consumption and high-speed transmission. This device is applied to, for example, a mouse for a personal computer or a light source for Ethernet (registered trademark) short-range communication.
また、VCSELでは、レーザ共振器長が、従来の導波型のものに比べて2桁程度短くなるため、フォトンのライフタイムが短く、高速変調動作に有利である。しかし、VCSELは、短共振器であるとともに、光利得長についても極端に短くなるため、レーザ発振のためには、出射面の反射率をきわめて高くする必要があり、結果として、高出力を得難いという問題がある。一般に、高出力を得るために、VCSELの出射面積を大きくすることが多い。 In VCSEL, the laser resonator length is about two orders of magnitude shorter than that of a conventional waveguide type, so that the lifetime of photons is short, which is advantageous for high-speed modulation operation. However, since the VCSEL is a short resonator and the optical gain length is extremely shortened, it is necessary to make the reflectance of the exit surface extremely high for laser oscillation, and as a result, it is difficult to obtain a high output. There is a problem. In general, in order to obtain a high output, the emission area of the VCSEL is often increased.
一方、VCSELを長距離光伝送用光源として用いる場合には、高出力を得ることに加え、さらに単一横モードとする必要がある。この場合、仮にVCSELの素子サイズを大きくしても、VCSELの出射形状の近視野像がマルチモードになり、伝搬常数がそのモードに対応して変わることになる。そのため、縦モードがマルチモード化して、長距離高速光伝送が実現できない。そこで、単一横モードとするために、VCSELの素子サイズを小さくすると、発光径が小さくなることにより光出力が低下し、結果的に、VCSELが長距離光通信に適さないようになってしまう。 On the other hand, when a VCSEL is used as a light source for long-distance light transmission, it is necessary to set a single transverse mode in addition to obtaining high output. In this case, even if the element size of the VCSEL is increased, the near-field image of the VCSEL emission shape becomes a multimode, and the propagation constant changes corresponding to the mode. For this reason, the longitudinal mode becomes a multi-mode, and long-distance high-speed optical transmission cannot be realized. Therefore, if the VCSEL element size is reduced in order to achieve the single transverse mode, the light output is reduced due to the reduced emission diameter, and as a result, the VCSEL is not suitable for long-distance optical communication. .
上記の観点から、従来、単一横モードを実現するためのVCSEL素子をアレイ化し、素子間同士の位相を同期するようにした位相同期レーザが知られている(非特許文献1)。このレーザでは、VCSEL素子間に光結合を行うことにより、素子同士の位相をロック(phase-lock)させるようにしている。すべての素子間の位相が同相(in-phase)でロックすると、遠視野像の出射ビームが単峰性を有するようになり、光出力も素子数に応じて増加する。これにより、アレイ素子全体としてみると、1つの素子で単一モードのレーザ発振を実現しているようになり、コヒーレンス性を失わずに高出力を得ることができる。さらに、この場合の出射光は干渉光となるので、遠視野像が数度以下の半値全幅となり、ほぼ100%の出射光が光ファイバに伝搬し得る。しかしながら、単にVCSEL素子間で光結合するようにしたとしても、隣接する素子同士が逆相(anti-phase)となることによりロックされ、高出力が得られるものの、出射ビームの形状は多峰性を有してしまい、光伝送に適さない。 From the above viewpoint, a phase-locked laser in which VCSEL elements for realizing a single transverse mode are arrayed and the phases between the elements are synchronized is known (Non-Patent Document 1). In this laser, the phases of the elements are phase-locked by optical coupling between the VCSEL elements. When the phase between all the elements is locked in-phase, the outgoing beam of the far-field image has a single peak, and the light output increases with the number of elements. As a result, when viewed as a whole array element, single element laser oscillation is realized by one element, and high output can be obtained without losing coherence. Furthermore, since the emitted light in this case becomes interference light, the far-field image has a full width at half maximum of several degrees or less, and almost 100% of the emitted light can propagate to the optical fiber. However, even if the optical coupling is simply performed between the VCSEL elements, the neighboring elements are locked by being anti-phase, and high output can be obtained, but the shape of the output beam is multimodal. It is not suitable for optical transmission.
また、同相(in-phase)の遠視野像を実現するため、従来のGaAs系VCSELでは、出射面の半導体DBR(Distributed Bragg Reflector)を1ペア取り除いたり、フォトニック結晶を用いたりするように構成されている(非特許文献2)。 In addition, in order to realize an in-phase far-field image, a conventional GaAs-based VCSEL is configured such that a pair of semiconductor DBRs (Distributed Bragg Reflectors) on the emission surface is removed or a photonic crystal is used. (Non-Patent Document 2).
しかしながら、従来のVCSELでは、DBRを取り除く分、高出力が得られず、また、精密な加工精度が要求されるフォトニック結晶の作製が容易ではないという問題があった。また、長距離伝送用のVCSELの場合、光ファイバの伝送損失が最小となるように、例えば1.3−1.55μmの長波長を有する発光材料であるInP系材料が使用されることが多い。 However, the conventional VCSEL has a problem that a high output cannot be obtained by removing DBR, and that it is not easy to produce a photonic crystal that requires precise processing accuracy. Further, in the case of a VCSEL for long-distance transmission, an InP-based material that is a light emitting material having a long wavelength of, for example, 1.3 to 1.55 μm is often used so that transmission loss of the optical fiber is minimized. .
本発明は、上記の状況下においてなされたものであり、その目的は、同相の位相同期を有する高出力の面発光レーザアレイを提供することである。 The present invention has been made under the above circumstances, and an object thereof is to provide a high-power surface emitting laser array having in-phase phase synchronization.
上記の課題を解決するための本発明は、複数の面発光レーザと、前記複数の面発光レーザの各々と光学的に接続され、各面発光レーザから出射される光信号を周回させるための光導波路とを含み、前記各面発光レーザは、各面発光レーザおよび前記光導波路からなる共振器内で生じる光定状波の腹の位置に形成される。 The present invention for solving the above-described problems includes a plurality of surface-emitting lasers and an optical device that is optically connected to each of the plurality of surface-emitting lasers and circulates an optical signal emitted from each surface-emitting laser. Each of the surface emitting lasers includes a waveguide, and is formed at an antinode of an optical regular wave generated in a resonator including each of the surface emitting lasers and the optical waveguide.
ここで、前記面発光レーザの各々は、前記光信号が周回するよう同心円上に配置するようにしてもよい。 Here, each of the surface emitting lasers may be arranged on a concentric circle so that the optical signal circulates.
本発明によれば、同相の位相同期を有する高出力の光を発振することができる。 According to the present invention, it is possible to oscillate high-power light having in-phase phase synchronization.
以下、本発明の面発光レーザアレイ(周回レーザ)の構成について説明する。 Hereinafter, the configuration of the surface emitting laser array (circular laser) of the present invention will be described.
[面発光レーザの構成]
先ず、本実施形態の周回レーザに含まれる面発光レーザ10の構成について図1を参照して説明する。図1は、本実施形態における面発光レーザ10の断面構造の一例を示す図である。
[Configuration of surface emitting laser]
First, the structure of the
この面発光レーザ10は、活性層の側面から入射する励起光によって、例えば1.3μm帯の長波長レーザ光を実現するようになっている。図1に示すように、面発光レーザ10は、InP基板1を備え、この基板1上に、第1の反射層2と、活性層3を含むスペーサ層4a,4bと、第2の反射層5とが順次積層される。この積層は、例えばMOCVD法(有機金属気相法)により形成される。
The
図1において、p型電極7は、第2の反射層5上に設けられる。また、n型電極8は、基板1上に設けられ、この基板1上にはさらにSiO層9が形成される。
In FIG. 1, the p-
第1の反射層2は、λ=1.3 μmの発振波長に対してλ/4 に相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なるn型InAlGaAs (λg=1.2μm)とInP層とをペアとする繰り返し多層層として成長したものである(例えば56ペア成長)。
The first
活性層3は、圧縮性歪を有するInAlGaAsからなる量子井戸構造を含む。
The
第1のスペーサ層4aとしては、n型InP層で構成される。第2のスペーサ層4bとしては、p型InP層で構成される。本実施形態において、活性層3および各スペーサ層4a,4bで構成されるレーザキャビティ長は、3/(2λ)の厚さに設定する。
The first spacer layer 4a is composed of an n-type InP layer. The second spacer layer 4b is composed of a p-type InP layer. In the present embodiment, the laser cavity length constituted by the
第2の反射層5は、トンネル接合上のp型InAlGaAs層とn型InGaAs層とを備える。これらのp型およびn型の層は、高濃度にドープされて成長させる。
The second
[周回レーザの構成]
次に、上述した面発光レーザ10を複数備えて構成される円周レーザ30の構成について図2を参照して説明する。
[Configuration of circular laser]
Next, the configuration of the
図2は、複数の面発光レーザ10を含む周回レーザ30の平面構成の一例を示す図である。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a planar configuration of the circulating
図2に示すように、周回レーザ30は、10個の面発光レーザ10と、各面発光レーザ10と光学的に接続される光導波路20とを備える。
As shown in FIG. 2, the
光導波路20は、ドーナツ状(円状)の円周部を有する。光導波路20は、上部クラッドとしての第1の反射層2と、コアとしての活性層3と、下部クラッドとしての第2の反射層5とを備える。なお、光導波路20としては、スラブ構造およびリッジ構造などの構成を適用することができる。
The
面発光レーザ10の各々は、光信号が周回するよう同心円上に配置される。本実施形態の各面発光レーザ10は、周回レーザ30(共振器)内で生じる光の定在波の腹の位置に対応する部分に配置される。これにより、周回レーザ30では、信号光が共振器内を周回する。
Each of the
次に、本実施形態の周回レーザ30の作製方法について再度図1および図2を参照して説明する。
Next, a method for manufacturing the
この周回レーザ30では、面発光レーザ10の第2の反射層5、すなわちトンネル接合は、フォトリソグラフィ技術でパターニングする。この場合、面発光レーザ10の素子部分の直径は6μm、素子の中間光利得領域は1μmの円形、隣接する面発光レーザ10の素子間隔は6μm(面発光レーザ10の各円形エッジ間の距離)とする。上記以外の部分は、エッチングで取り除き、同心円上に10個の面発光レーザ10を配置する。
In the
次に、再度結晶成長を行い、InP層で素子全体を覆う。最後に、λ=1.3μmの光学波長に対して1/4λに相当する膜厚で交互に積層された屈折率の異なるメタモルフィック(metamorphic)なGaAs/Al0.98Ga0.02As層を順次、エピタキシャル成長させる。 Next, crystal growth is performed again, and the entire device is covered with an InP layer. Finally, metamorphic GaAs / Al0.98Ga0.02As layers with different refractive indexes, which are alternately stacked with a thickness corresponding to 1 / 4λ for an optical wavelength of λ = 1.3 μm, are epitaxially grown sequentially. .
デバイス形成工程では、基板1上面に絶縁膜で直径が100μmの円形マスクを作製する。その後、SiCl4ガスを用いて、RIE(Reactive Ion Etching)でメタモルフィックDBR層をエッチングする。そして、面発光レーザ10自体の円形メサと、同心円上の光導波路20とを形成する。
In the device forming process, a circular mask having a diameter of 100 μm is formed on the upper surface of the substrate 1. Thereafter, the metamorphic DBR layer is etched by RIE (Reactive Ion Etching) using SiCl 4 gas. Then, a circular mesa of the
上下に発振ビームに当たらないように、素子上面にAuGeNiの電極8を蒸着し、素子下面は出射光を取り出すため、円形状に電極を取り除く。そして、レーザ発振した光が、活性層3に戻るのを防ぐために、反射防止膜としてSiO2膜9を形成した。
An
本実施形態の周回レーザ30においては、光導波路20内に、面発光レーザ10に注入された電流の一部または全部が注入される。また、光導波路20内において、利得領域である活性層3を設ける。これにより、光導波路20が利得導波型の円形導波路となり、周回レーザ30の共振器内に生じる定在波の節および腹の位置が固定することになる。
In the
次に、周回レーザ30の光特性について図3を参照して説明する。図3は、電流と光出力との関係の一例を示す図である。
Next, the optical characteristics of the circulating
図3では、周回レーザ30は熱伝導性の良いメタモルフィック層を下面にして基板1面から測定した。
In FIG. 3, the
例えば、20℃の場合には、閾値は30mA、周回レーザ30の素子全体の最大電流は100mAとなった。このとき、光出力は40mWとなった。レーザ発振は、図3に示すように、最高で60℃まで確認できた。
For example, in the case of 20 ° C., the threshold is 30 mA, and the maximum current of the entire device of the circulating
ここで、図3の測定時において、周回レーザ10の発振スペクトルを観察すると、位相がロックした場合の発振波長が統合したことが観測された。すなわち、各面発光レーザ10の位相が同期していることが確認できた。
Here, in the measurement of FIG. 3, when the oscillation spectrum of the circulating
図4は、周回レーザ30の光出射方向の遠視野像の一例を示す図である。なお、図4において、横軸は電流、縦軸は相対比を示す。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a far-field image in the light emission direction of the
従来の場合、隣接する素子が逆相のときの遠視野像は、4つの多峰性が観測された(相対比=1.0程度)が、本実施形態の場合は、単峰性を有している(相対比=13程度)。このことから、隣接する面発光レーザ10の位相が逆相でロックされていることがわかる。すなわち、面発光レーザ10間に設けられている光利得層の効果が確認できた。
In the conventional case, four multimodality was observed in the far-field image when the adjacent elements are in reverse phase (relative ratio = about 1.0), but in this embodiment, the farfield image has unimodality. (Relative ratio = about 13). From this, it can be seen that the phases of the adjacent
以上説明したように、本実施形態の周回レーザ30によると、各面発光レーザ10は、各面発光レーザ10および光導波路20からなる共振器内で生じる光定状波の腹の位置に形成される。これにより、同相の位相同期を有する高出力が実現できる。
As described above, according to the
以上、各実施形態について詳述してきたが、構成要素の材料などは変更するようにしてもよい。例えば構成要素の材料としてAlGaAsなどを適用してもよい。 As mentioned above, although each embodiment was explained in full detail, you may make it change the material of a component, etc. FIG. For example, AlGaAs or the like may be applied as a constituent material.
面発光レーザ10の数は、共振器内に生じる定在波の腹の位置に面発光レーザ10を形成するようにすれば、10個以外の数に変更してもよい。また、面発光レーザ10は、共振器内に生じる定在波の腹の近傍に設けるようにしてもよい。
The number of the
面発光レーザ10は、1.3μm帯以外の波長を発振することもできる。
The
1 InP基板
2 第1の反射鏡
3 活性層
4a 第1のスペーサ層
4b 第2のスペーサ層
5 第2の反射鏡
10 面発光レーザ
20 光導波路
30 周回レーザ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 InP board |
Claims (2)
前記複数の面発光レーザの各々と光学的に接続され、各面発光レーザから出射される光信号を周回させるための光導波路と
を含み、
前記各面発光レーザは、各面発光レーザおよび前記光導波路からなる共振器内で生じる光定状波の腹の位置に形成されることを特徴とする面発光レーザアレイ。 A plurality of surface emitting lasers;
An optical waveguide optically connected to each of the plurality of surface emitting lasers for circulating an optical signal emitted from each surface emitting laser,
The surface-emitting laser array, wherein each surface-emitting laser is formed at an antinode of an optical regular wave generated in a resonator including each surface-emitting laser and the optical waveguide.
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