JP2021114525A - 波長可変レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】リークを抑制し、かつ高い利得を得ることが可能な波長可変レーザを提供する。【解決手段】活性層、前記活性層の上に設けられた第１コンタクト層および前記第１コンタクト層の上面に接触する第１電極を有する複数の利得領域と、波長調整層、前記波長調整層の上に設けられた第２コンタクト層、および前記第２コンタクト層の上面に接触する第２電極を有する複数の波長調整領域と、を具備し、光の伝搬方向において、前記利得領域と前記波長調整領域とは交互に配置され、前記光の伝搬する導波路を形成し、前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層との距離は、前記第１コンタクト層と前記活性層との距離、および前記第２コンタクト層と前記波長調整層との距離の４倍以上、２０μｍ以下である波長可変レーザ。【選択図】 図２

Description

本開示は波長可変レーザに関するものである。

光学デバイスとしてレーザ発振に対する利得機能と波長調整機能とを備える波長可変レーザが知られている。例えば利得を有する領域と波長調整のための領域とをレーザ素子の中で交互に配置する（特許文献１など）。

特開平４−１４７６８６号公報

各領域に電極、および電極に接触するコンタクト層を設ける。コンタクト層が長いほど高い利得を得ることができる。一方、コンタクト層同士の距離が小さくなると、領域間で電流のリークが発生する恐れがある。そこで、リークを抑制し、かつ高い利得を得ることが可能な波長可変レーザを提供することを目的とする。

本開示に係る波長可変レーザは、活性層、前記活性層の上に設けられた第１コンタクト層および前記第１コンタクト層の上面に接触する第１電極を有する複数の利得領域と、波長調整層、前記波長調整層の上に設けられた第２コンタクト層、および前記第２コンタクト層の上面に接触する第２電極を有する複数の波長調整領域と、光の伝搬方向において、前記利得領域と前記波長調整領域とは交互に配置された導波路と、を具備し、前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層との距離は、前記第１コンタクト層と前記活性層との距離、および前記第２コンタクト層と前記波長調整層との距離の４倍以上、２０μｍ以下である。

上記開示によれば、リークを抑制し、かつ高い利得を得ることが可能である。

図１Ａは実施例１に係る波長可変レーザを例示する平面図である。 図１Ｂは波長可変レーザを例示する断面図である。 図２は利得領域および波長調整領域を拡大した断面図である。

[本開示の実施形態の説明]
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。
本開示の一形態は、（１）活性層、前記活性層の上に設けられた第１コンタクト層および前記第１コンタクト層の上面に接触する第１電極を有する複数の利得領域と、波長調整層、前記波長調整層の上に設けられた第２コンタクト層、および前記第２コンタクト層の上面に接触する第２電極を有する複数の波長調整領域と、を具備し、光の伝搬方向において、前記利得領域と前記波長調整領域とは交互に配置され、前記光の伝搬する導波路を形成し、前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層との距離は、前記第１コンタクト層と前記活性層との距離、および前記第２コンタクト層と前記波長調整層との距離の４倍以上、２０μｍ以下である波長可変レーザである。第１コンタクト層と第２コンタクト層との距離を小さくすることで第１コンタクト層および第２コンタクト層の長さを大きくし、高い利得を得ることができる。第１コンタクト層と第２コンタクト層との距離を前記第１コンタクト層と前記活性層との距離、および前記第２コンタクト層と前記波長調整層との距離の４倍以上とすることで、第１コンタクト層および第２コンタクト層から隣の領域へと電流が流れることを抑制することができる。したがってリークを抑制することができる。第１コンタクト層と第２コンタクト層との距離を２０μｍ以下とすることで、波長の調整が可能である。
（２）前記第１コンタクト層と前記活性層との距離、および前記第２コンタクト層と前記波長調整層との距離は２μｍ以下でもよい。これによりリークを抑制することができる。
（３）前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層との距離は、前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層の長さおよび前記第２コンタクト層の長さの半分以下でもよい。これにより高い利得を得ることができ、また波長の調整が可能である。
（４）前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層の長さおよび前記第２コンタクト層の長さは３０μｍ以上でもよい。これにより高い利得を得ることができ、また波長の調整が可能である。
（５）前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層の長さおよび前記第２コンタクト層の長さと、前記利得領域と前記波長調整領域との並ぶ周期との比は０．３以上でもよい。これにより高い利得を得ることができ、また波長の調整が可能である。
（６）前記利得領域と前記波長調整領域との並ぶ周期は１００μｍ以下でもよい。これにより高い利得を得ることができ、また波長の調整が可能である。
（７）前記導波路の光出力側の前記光の伝搬方向に沿って設けられる減衰器、変調器および増幅器を具備してもよい。波長可変レーザが集積型のレーザ素子として機能する。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る波長可変レーザの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１Ａは実施例１に係る波長可変レーザ１００を例示する平面図であり、図１Ｂは波長可変レーザ１００を例示する断面図である。図２は利得領域１７および波長調整領域１８を拡大した断面図である。

図１Ａおよび図１Ｂに示すように、波長可変レーザ１００は波長可変光源１０、可変光減衰器（ＶＯＡ：Ｖａｒｉｏｕｓ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）１２、変調器（ＭＯＤ：Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）１４、半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）１６を備える電界吸収型変調器集積レーザ（ＥＭＬ：Ｅｌｅｃｔｒｏ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）である。図１Ａに示すように波長可変光源１０、ＶＯＡ１２、ＭＯＤ１４およびＳＯＡ１６は光導波路１１を含み、光導波路１１の延伸方向に沿って順に並ぶ。

波長可変光源１０は複数の利得領域１７および波長調整領域１８を含む。利得領域１７の数および波長調整領域１８の数はそれぞれ例えば７つである。複数の利得領域１７および複数の波長調整領域１８は光の伝搬方向に沿って交互に並ぶ。利得領域１７の活性層および波長調整領域１８の波長調整層２７などが光導波路１１を形成する。波長可変光源１０のＶＯＡ１２側の端部には利得領域１７が位置し、反対側の端部には波長調整領域１８が位置する。波長可変レーザ１００の一方の端部に波長調整領域１８が位置し、他方の端部にＳＯＡ１６が位置する。波長可変レーザ１００の端部に位置する波長調整領域１８の端面には不図示の反射防止膜を設けてもよい。

図１Ｂに示すように、波長可変光源１０、ＶＯＡ１２、ＭＯＤ１４およびＳＯＡ１６において、基板２０の下面に電極３１が設けられ、基板２０の上面に下クラッド層２２が積層される。下クラッド層２２および上クラッド層２８は波長可変光源１０、ＶＯＡ１２、ＭＯＤ１４およびＳＯＡ１６にわたって延伸する。下クラッド層２２にはガリウムインジウム砒素リン（ＧａＩｎＡｓＰ）層２４が埋め込まれる。ＶＯＡ１２、ＭＯＤ１４およびＳＯＡ１６にわたって、光導波路１１の延伸方向に沿って延伸するＧａＩｎＡｓＰ層２４が設けられている。波長可変光源１０には、例えば所定の周期で設けられた複数のＧａＩｎＡｓＰ層２４が設けられている。ＧａＩｎＡｓＰ層２４は下クラッド層２２とは異なる屈折率を有する。波長可変光源１０に配置された複数のＧａＩｎＡｓＰ層２４と下クラッド層２２とが光導波路１１の延伸方向に沿って並ぶ部分は、回折格子２３（コルゲーション）として機能する。

波長可変レーザ１００の表面は絶縁膜３８に覆われる。絶縁膜３８の複数の開口部からコンタクト層が露出し、後述のように電極は開口部から露出するコンタクト層に接触する。

ＶＯＡ１２において、下クラッド層２２の上に吸収層４０、上クラッド層２８、コンタクト層４４および電極５０が順に積層されている。電極５０はコンタクト層４４の上面に接触する。ＭＯＤ１４において、下クラッド層２２の上に吸収層４０、上クラッド層２８、コンタクト層４６および電極５２が順に積層されている。電極５２はコンタクト層４６の上面に接触する。吸収層４０はＶＯＡ１２およびＭＯＤ１４にわたっている。ＳＯＡ１６において、下クラッド層２２の上に活性層４２、上クラッド層２８、コンタクト層４８および電極５４が順に積層されている。電極５４はコンタクト層４８の上面に接触する。ＶＯＡ１２、ＭＯＤ１４およびＳＯＡ１６にわたって１つのＧａＩｎＡｓＰ層２４が延伸する。

図１Ｂおよび図２に示すように、利得領域１７において、下クラッド層２２の上に活性層２６、上クラッド層２８、コンタクト層３０（第１コンタクト層）および電極３２（第１電極）が順に積層されている。電極３２はコンタクト層３０の上面に接触する。波長調整領域１８において、下クラッド層２２の上に波長調整層２７、上クラッド層２８、コンタクト層３４（第２コンタクト層）および電極３６（第２電極）が順に積層されている。電極３６はコンタクト層３４の上面に接触する。波長可変光源１０においては、複数のＧａＩｎＡｓＰ層２４が互いに離間している。

基板２０は例えばｎ型インジウムリン（ＩｎＰ）で形成された半導体基板である。下クラッド層２２は例えばｎ型ＩｎＰで形成されている。上クラッド層２８は例えばｐ型ＩｎＰで形成されている。活性層２６は、例えばＧａＩｎＡｓＰの井戸層とＧａＩｎＡｓＰのバリア層とを有し、ＰＬ(Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ)波長１．５２７μｍのバンドギャップを有する多重歪み量子井戸である。波長調整層２７はＩｎＰに格子整合し、ＰＬ波長１．４２μｍのバンドギャップを有するＧａＩｎＡｓＰで形成される。吸収層４０はＧａＩｎＡｓＰの井戸層とＧａＩｎＡｓＰのバリア層とを有し、ＰＬ波長１．４７６μｍのバンドギャップを有する多重歪み量子井戸である。活性層４２は、ＧａＩｎＡｓＰの井戸層とＧａＩｎＡｓＰのバリア層を有し、ＰＬ波長１．５２７μｍのバンドギャップを有する多重歪み量子井戸である。活性層２６と波長調整層２７とは隣接する。吸収層４０と波長調整層２７および活性層４２とは隣接する。活性層２６、波長調整層２７、吸収層４０および活性層４２は同一の高さに位置し、光導波路１１を形成する。

コンタクト層３０、３４、４４、４６および４８は例えばｐ型ＧａＩｎＡｓによって形成されている。絶縁膜３８は例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）または酸化シリコン（ＳｉＯ_２）などの絶縁体で形成されている。電極３１は例えば金（Ａｕ）などの金属で形成されたｎ型電極である。電極３２、３６、５０、５２および５４は例えばＡｕなどの金属で形成されたｐ型電極である。

図２に示す光の伝搬方向における利得領域１７の長さＬ１、および波長調整領域１８の長さＬ２はそれぞれ例えば４０μｍである。利得領域１７と波長調整領域１８との配列の周期Ｔは８０μｍである。光の伝搬方向における、利得領域１７のコンタクト層３０の長さＬ３、および波長調整領域１８のコンタクト層３４の長さＬ４は例えば３０μｍである。これらのコンタクト層３０および３４の長さ（コンタクト長）は、光の伝搬方向における電極３２および３６の長さに等しい。光の伝搬方向におけるコンタクト層３０とコンタクト層３４との距離Ｄ１は例えば１０μｍである。距離Ｄ１は電極３２と電極３６との間の距離に等しい。電極３２の端部および電極３６の端部から、利得領域１７と波長調整領域１８との境界までの距離Ｄ２は例えば５μｍである。層の積層方向におけるコンタクト層３０と活性層２６との距離は、コンタクト層３４と波長調整層２７との距離に等しく、この距離Ｄ３は例えば１．６μｍなど、２μｍ以下である。

活性層２６は利得を有し、電極３２からコンタクト層３０を通じて電流が注入されると、光を出射する。回折格子２３により所定の波長の光が選択される。電極３６からコンタクト層３４を通じて波長調整層２７に電流を注入し、波長調整層２７の屈折率を変化させることで、波長を調整する。この結果、波長可変光源１０は例えば１５３２ｎｍ以上、１５３６ｎｍ以下の範囲の波長の光を出射する。吸収層４０は、電極５０および５２から電流が注入されることで光を吸収する。活性層４２は利得を有し、電極５４から電流が注入されると光を増幅する。下クラッド層２２および上クラッド層２８は光導波路１１を上下から挟み、光を光導波路１１に閉じ込める。光導波路１１を伝搬する光はＳＯＡ１６の端面から、波長可変レーザ１００の外部に出射される。

波長可変レーザ１００の利得を高めるためには、コンタクト長Ｌ３およびＬ４を大きくし、距離Ｄ２を小さくすることが好ましい。つまり、活性層２６とコンタクト層３０との重なる部分の長さが大きく、波長調整層２７とコンタクト層３４との重なる部分の長さが大きいほど利得が向上する。

その一方で、コンタクト長Ｌ３およびＬ４を大きくすると、コンタクト層３０とコンタクト層３４との距離Ｄ１が小さくなり、利得領域１７と波長調整領域１８との間でリークが発生する恐れがある。すなわち、利得領域１７の電流の一部はコンタクト層３０から波長調整領域１８に向けて流れ、波長調整領域１８の電流の一部はコンタクト層３４から利得領域１７に向けて流れる。これによりお互いの領域間での電流のリーク、いわゆるクロスリークが発生する可能性がある。

実施例１によれば、コンタクト層３０とコンタクト層３４との距離Ｄ１を、コンタクト層３０と活性層２６との距離およびコンタクト層３４と波長調整層２７との距離Ｄ３の４倍以上とする。距離Ｄ３が距離Ｄ１に比べて小さくなるため、利得領域１７の電流は波長調整領域１８に流れる前に、活性層２６に流れ込む。また、波長調整領域１８の電流は利得領域１７に流れる前に、波長調整層２７に流れ込む。この結果、利得領域１７と波長調整領域１８との間の電流のクロスリークを抑制することができる。電極間の距離も距離Ｄ３の４倍以上であるため、電極間のショートが抑制される。また、距離Ｄ１の下限を距離Ｄ３の４倍とすることでコンタクト長を大きくし、高い利得を得ることができる。

距離Ｄ１を大きくするほどクロスリークを抑制することはできるが、一方で活性領域および波長領域のうち、電流が供給されない領域が広くなる。このため、利得の低下、波長調整可能範囲の低下が生じる恐れがある。したがって距離Ｄ１は２０μｍ以下であることが好ましい。また、コンタクト層３０と電極３２との接触長、およびコンタクト層３４と電極３６との接触長が減少し、端子抵抗および駆動電圧の上昇が生じる恐れがある。この観点から接触長は最低１０μｍ、可能であれば２０μｍ以上であることが望ましい。これに対して長さＬ３および長さＬ４は、製造性確保のために１０μｍ以上などと長いことが望ましい。このため、距離Ｄ１は２０μｍ以下であることが有効である。

距離Ｄ３は例えば２μｍ以下であり、１．８μｍ以下、１．６μｍ以下、１．２μｍ以下、１．０μｍ以下などでもよい。距離Ｄ３が小さいほど、電極３２から注入される電流は活性層２６に流れやすく、電極３６から注入される電流は波長調整層２７に流れやすい。一方、距離Ｄ１は距離Ｄ３の４倍以上であり、例えば４μｍ、５μｍ以上、７μｍ以上、８μｍ以上などである。これにより電流が利得領域１７と波長調整領域１８との間で流れにくくなり、クロスリークを抑制することができる。

距離Ｄ１を、コンタクト層３０および３４の長さＬ３およびＬ４の半分以下とする。これにより利得領域および波長制御領域の少なくとも２／３以上の領域に電流を供給し、高い利得と広い波長の調整幅を実現することが可能になる。

コンタクト長Ｌ３およびＬ４を例えば２０μｍ以下に小さくすると距離Ｄ１をより大きくすることができ、クロスリークを抑制することができる。しかし利得が低下してしまう。高い利得を得て、かつ波長を調整するため、コンタクト長Ｌ３およびＬ４は２５μｍ以上であることが好ましく、３０μｍ以上、３５μｍ以上などとしてもよい。

コンタクト長Ｌ３およびＬ４と、利得領域１７と波長調整領域１８との周期Ｔとの比であるＬ３／ＴおよびＬ４／Ｔは、例えば０．３以上である。コンタクト長の比率を高めることで高い利得を得て、波長可変レーザ１００は例えば１５３２ｎｍ〜１５３６ｎｍの波長で発振が可能である。

周期Ｔは例えば１００μｍ以下とし、９０μｍ以下、８０μｍ以下などでもよい。これにより高い利得を得ることができ、かつ波長可変レーザ１００は例えば１５３２ｎｍ〜１５３６ｎｍの波長で発振が可能である。一例として周期Ｔを８０μｍ、コンタクト長Ｌ３およびＬ４を３０μｍとし、比Ｌ３／ＴおよびＬ４／Ｔを０．３７５とする。利得領域１７の数および波長調整領域１８の数は７以下でもよいし、７以上でもよい。

波長可変レーザ１００は、波長可変光源１０、ＶＯＡ１２．ＭＯＤ１４およびＳＯＡ１６を備える集積型のレーザ素子である。波長可変光源１０が出射する光の減衰、変調および増幅が可能である。波長可変レーザ１００は例えば１５３２ｎｍ〜１５３６ｎｍの波長で発振が可能であり、波長分割多重通信システムへの応用が可能である。なお、波長可変レーザ１００はＶＯＡ１２、ＭＯＤ１４およびＳＯＡ１６の少なくとも１つを有さずに、波長可変光源１０を有してもよい。

以上、本開示の実施例について詳述したが、本開示は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 波長可変光源
１１ 光導波路
１２ 可変光減衰器
１４ 変調器
１６ 半導体光増幅器
１７ 利得領域
１８ 波長調整領域
２０ 基板
２２ 下クラッド層
２３ 回折格子
２４ ＧａＩｎＡｓＰ層
２６、４２ 活性層
２７ 波長調整層
２８ 上クラッド層
３０、３４、４４、４６、４８ コンタクト層
３１、３２、３６、５０、５２、５４ 電極
３８ 絶縁膜
４０ 吸収層
１００ 波長可変レーザ

Claims (7)

1. 活性層、前記活性層の上に設けられた第１コンタクト層および前記第１コンタクト層の上面に接触する第１電極を有する複数の利得領域と、
   波長調整層、前記波長調整層の上に設けられた第２コンタクト層、および前記第２コンタクト層の上面に接触する第２電極を有する複数の波長調整領域と、を具備し、
   光の伝搬方向において、前記利得領域と前記波長調整領域とは交互に配置され、前記光の伝搬する導波路を形成し、
   前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層との距離は、前記第１コンタクト層と前記活性層との距離、および前記第２コンタクト層と前記波長調整層との距離の４倍以上、２０μｍ以下である波長可変レーザ。
2. 前記第１コンタクト層と前記活性層との距離、および前記第２コンタクト層と前記波長調整層との距離は２μｍ以下である請求項１に記載の波長可変レーザ。
3. 前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層と前記第２コンタクト層との距離は、前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層の長さおよび前記第２コンタクト層の長さの半分以下である請求項１または請求項２に記載の波長可変レーザ。
4. 前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層の長さおよび前記第２コンタクト層の長さは３０μｍ以上である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の波長可変レーザ。
5. 前記光の伝搬方向における前記第１コンタクト層の長さおよび前記第２コンタクト層の長さと、前記利得領域と前記波長調整領域との並ぶ周期との比は０．３以上である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の波長可変レーザ。
6. 前記利得領域と前記波長調整領域との並ぶ周期は１００μｍ以下である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の波長可変レーザ。
7. 前記導波路の光出力側の前記光の伝搬方向に沿って設けられる減衰器、変調器および増幅器を具備する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の波長可変レーザ。
   

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