JP2622062B2 - 光カプラと半導体レーザ - Google Patents
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Description
に関する。特に、利得媒体と一体化させて可同調レーザ
を形成することができるモノリシックな可同調波長選択
性カプラに関する。
は、波長分割多重化網およびスイッチングシステムのよ
うな多数の用途で重要な部品である。可同調波長選択性
カプラの他の用途は、光増幅器用のノイズフィルタおよ
びモノリシック拡大空洞レーザ用の空洞内波長選択性カ
プラなどである。更に、モノリシック波長選択性カプラ
を光検出器、光増幅器、レーザなどと一体化させること
ができれば、更に有望な結果が得られる。
(DBR)デバイスのような現在の殆どのモノリシック
可同調レーザの同調範囲は、電気的に誘発される最大屈
折率変化をもたらす電流注入を使用した場合、約10n
mに限定される。この約10nmの限界により、微細ピ
ッチブラッグ格子波長選択反射器の分数同調範囲,Δλ
/λは、正規化実効屈折率変化ΔN/Nに比例すること
になる。
向カップリングに基づく導波バンドパス伝送フィルタ
は、ΔN/Nよりもかなり高率の波長同調を示す。アッ
プライド・フィジックス・レタース(Appl. Phys. Lette
rs.),51,164〜166頁(1987年)に掲載さ
れたエフ・ヘイズマン(F.Heismann)らの論文では、適度
な屈折率変化を有する広範囲レーザ同調を実証するため
に、初期混成拡大空洞レーザにおける空洞内フィルタと
して、リチウム・ニオブ導波路で周期的結合モード変換
に基づく電子的−光学的に同調可能なフィルタが使用さ
れている。
ppl. Phys. Letters.),59,2573〜2575頁
(1991年)に掲載されたアール・シー・アルフェル
ネス(R.C.Alferness) の論文には、格子補助垂直双方向
カプラはバンドパスフィルタを形成できると報告されて
いる。1991年4月9日〜11日にわたって米国カリ
フォルニア州のモンタレーで開催された「集積ホトニク
ス研究会議」の技術ダイジェストの研究論文PDP8
で、アール・シー・アルフェルネス(R.C.Alferness) ら
は、このタイプのバンドパスフィルタは、同一の誘導屈
折率変化用の格子反射器よりもかなり広い範囲にわたっ
て同調させることができると報告している。
Letts. ) ,27,2207〜2209頁(1991年
11月21日)で、エス・イレック(S.Illek) らは、2
個の接近同調ガイド間に垂直カプラ構造体を有する可同
調ガイドレーザを報告している。同調範囲拡大の証拠は
認められたが、同調は案外不規則であり、例えば、波長
変化の符合逆転などを起こす。
は、高信頼性の可同調レーザを形成するために例えば、
拡大空洞利得手段のようなその他のデバイスと集積させ
ることのできる広範囲可同調波長選択性カプラのモノリ
シック実装を実現することである。
広範囲可同調レーザを形成できる本発明の新規な広範囲
可同調モノリシック波長選択性カプラにより様々な光学
作用が発生される。可同調波長選択性カプラは、粗位相
整合格子と共同して一対の非同期導波路(上部導波路お
よび下部導波路)を支持し、前記導波路間に光エネルギ
ーを結合する。下部導波路の一端は出力ファセットであ
る。
媒体内で終わる。下部導波路の他の端部は、光エネルギ
ーが導波路内に進入することを防止するように遮られて
いる。また、上部導波路の対応する端部は入力ファセッ
トである。利得区画とモノリシック可同調波長選択性カ
プラとの組み合わせにより、波長分割多重化網およびス
イッチングシステムなどのような多くの用途に適した重
要な光エネルギー源となる広範囲可同調レーザが形成さ
れる。
グ位相整合条件λg =Λ|N2 −N1 |(ここで、Λは
粗格子周期であり、N1 ,N2 は2個の導波路の実効屈
折率である)を満たす波長λ0 により決定される。上部
導波から下部導波路に結合されない波長は光信号吸収手
段により減衰される。レーザ波長の同調は、上部導波路
に電流を注入するか、または、逆バイアスの電圧を印加
することにより、その屈折率を減少または増大させ、結
合波長を変化させることにより行われる。
に説明する。
ば、増幅器−フィルタ,脱マルチプレクサ−検出器,可
同調レーザなどを含むことのできる幾つかの重要な光子
集積回路用の必須部品である。
的斜視図である。このカプラ10は、利得手段12と結
合し、レーザ15を形成した場合、可同調空洞間フィル
タとして動作する。
相エピタキシャル(MOVPE)成長により製造され、
そして、1988年米国テキサス州のヒューストンで開
催された「集積および導波光学会議」の技術ダイジェス
ト、研究論文MDD2,68〜71頁に掲載された“大
規模格子集積回路の加工”と題する論文に記載された方
法と同様な方法により加工される。
導波路はλg =1.4μm,膜厚0.3μmのInGa
AsP材料により生成された埋込ヘテロ構造である。こ
の場合、λg の範囲は1.25〜1.45μmである。
図2は、図1のA−A線に沿った垂直カプラフィルタ1
0の断面図である。導波路16も連続埋込リブ導波路を
形成する。この上に多重量子井戸(MQW)活性層が成
長され、利得区画12を形成する。MQW活性層は、厚
さが80オングストローム(以下「A」という)のIn
GaAsP障壁層により分離された厚さ60Aの6個の
InGaAs量子井戸からなる。MQW活性層は受動区
画でエッチング除去される。
フィルタ10との間の能動−受動遷移は、エレクトロン
・レタース,24,1431〜1432頁(1988
年)に掲載されたティー・エル・コッホ(T.L.Koch)らの
論文に記載された、可同調ブラッグ反射型レーザ増幅器
の能動−受動遷移と同様である。
4を有する。この区画14には上部導波路16は存在せ
ず、完全にエッチング除去されている。モードストリッ
パ区画14の長さは600μmであり、垂直カプラフィ
ルタ10のフィルタ区画の長さは1.3mmである。垂
直カプラフィルタ10の下部導波路18は、膜厚500
AのInP層で分離された、コア厚さが0.26μmで
リブ高さが275Aの、λg =1.1μm(ここで、λ
g の範囲は1.0〜1.2μmである)の材料で形成さ
れた、埋込リブガイドである。下部垂直カプラ導波路1
8は、後部ファセット20にまで延び、Si/SiO2
高反射膜を有する。利得区画12には、下部埋込リブは
形成されていない。従って、下部導波路18は、利得区
画12で終わっている。
(5〜100ミクロンの範囲内の周期を有することがで
きる)の周期Λは、16μmであり、上部埋込へテロ構
造導波路16の上面の厚さ350Aのλg =1.4μm
層にエッチングされている。この点については、エッチ
・サダタ(H.Sadata)らのIEEE Photon.Tech.Letts.,3,8
99-901頁(1991年)に詳細に説明されている。上部
および下部導波路16、18間の間隔は、0.8μmで
ある。垂直カプラフィルタ10の上部導波路16の幅
は、3μmであり、下部導波路18の幅は、3.2μm
である。利得区画およびフィルタに電位を印加するか、
または、これらに電流を注入するために、電気接点を配
設する。
面の走査型電子顕微鏡による観察像を図4および図5に
示す。
囲にわたって同調可能なレーザ15を形成する。垂直カ
プラフィルタ10は、一対の上部非同期導波路16およ
び下部非同期導波路18からなる。各導波路16、18
は、別々のInGaAsP組成から構成されている。実
効屈折率が異なるために、他の導波路との各導波路のモ
ードの重畳は小さい。このため、光線は通常、2個の導
波路間で消光的な結合をしない。しかし、波長λ0 に中
心がある効率的な双方向カップリングを、2個の導波路
間で、周期Λの周期的カップリング係数により得ること
ができる。
ΛΔNにより定義される。前記式中のΔN(λ)=|N
2 −N1 |は2個の導波路間の実効屈折率差である。完
全な導波路内カップリングに必要な相互作用長さは導波
路分離および格子深さにより左右される。
路内カップリングの帯域幅は次の数1の関係式により示
される。
ness) らにより、アップライド・フィジックス・レター
ス(Appl.Phys.Letters) ,55,2011〜2013頁
(1989年)の論文に開示されているように、γは、
動作波長における2個の導波路の材料分散の差によって
生じる帯域幅狭量化係数である。Λが一定の場合、フィ
ルタ中心波長λ0 は、2個の導波路間の屈折率差を変更
することにより変化させることができる。1991年4
月9日〜11日まで米国カリフォルニア州のモンタレー
で開催された、集積光電子研究会議の技術ダイジェスト
のアール・シー・アルフェルネス(R.C.Alferness) らに
よる論文PDP8から決定されるように、2個の導波路
間の屈折率差の誘導変化δ(ΔN)に対する波長変化δ
λの関係は次の数2で示される。
垂直カプラフィルタ10の波長シフトが2個の導波路間
の初期屈折率変化に対する誘導屈折率変化に左右される
という事実から生じる。これは、反射格子の場合のよう
な導波路屈折率には関係しない。フィルタ同調の符合
は、ΔNの値が増大するか、または減少するかどうかに
依存する。キャリア注入により誘導された負屈折率変化
の場合、ΔNおよびλの両方とも、低または高屈折率導
波路に電流を注入することにより、それぞれ、増大また
は減少させることができる。
屈折率変化が同一である場合、分布反射型同調レーザに
比較した垂直カプラフィルタの同調の向上は次の数3の
関係式で示される。
の向上は約12である。この向上は、初期ΔNを低下
し、ΛVCF を増大させることにより更に増大させること
ができるが、フィルタ帯域幅は所望の縦方向モード選択
性が得られるように十分に狭くなければならない。2個
の導波路間の極めて大きな屈折率差を選択すると、空洞
内フィルタ帯域幅が狭まると共に、反射格子型レーザの
同調向上よりも遥かに高い同調向上が得られる。長さ
1.3mmの垂直カプラフィルタが単一のカップリング
長さを有するものと仮定すると、予想ダブルパス(ラウ
ンドトリップ)実効フィルタ帯域幅は25Aである。
の端部における上部導波路の反射ファセット19から波
長選択垂直カプラフィルタ10を通り下部導波路の高反
射ファセット20にまで延びている。レーザ動作波長は
同調垂直カプラフィルタのフィルタ中心波長の重畳およ
びレーザ空洞のFPモードにより決定される。この波長
の光は上部導波路16から下部導波路18に結合され、
次いで、復行のために下部導波路18の端部で高反射フ
ァセット20により反射される。上部導波路16から下
部導波路18に結合されなかった波長は、上部導波路1
6の端部21から出て行き、モードストリッパー区画1
4で回折することにより強力に消滅される。この消滅は
吸収によっても行うことができる。
プリング効率を達成するのは困難である。この特許明細
書に開示した設計では、利得区画12下の下部導波路1
8のリブによる光信号の横方向局限は除去されている。
これは潜在的な望ましからざる三鏡空洞作用を避けるた
めである。この作用は、上部導波路16に完全に戻され
て結合されていない光が下部導波路18の端部ファセッ
トにより反射されて下部導波路18に戻される場合に発
生することがある。フィルタが空洞内の主な波長選択素
子であるとすると、上部(λg =1.4μm)導波路1
6に対する電流注入または逆バイアスの何れかを使用
し、垂直カプラフィルタを同調し、かつ、レーザ動作波
長を変化させることができる。
CW光/電流特性を図6に示す。約7%の外部量子効率
による閾値電流85mAと、6mWよりも高い最大出力
が認められた。図7に示された、同調電流ゼロにおける
閾値以下スペクトルは、垂直カプラフィルタパスバンド
に対応する自然発光スペクトルに重畳されるピーク幅が
約30A(FWHM)である垂直カプラフィルタ応答を
示す。上部導波路16に逆バイアスをかけるか、また
は、電流注入を行うと、この閾値以下フィルタピークは
それぞれ長波長または短波長に移動する。
ィルタピークで観察された。このことは、これが主な波
長選択素子であることを示している。単一の逆バイアス
値および幾つかの同調電流に対する閾値以上スペクトル
を図8に示す。全長2.6mmの空洞のファブリ・ペロ
モード間隔はたったの約1.2Aであるが、比較的狭い
帯域の垂直カプラフィルタは、大抵の同調電流で維持さ
れるような単一モード動作が可能である。
する同調電流(および推定電流密度)の関数として図9
に示す。図9には、2.5ボルトの逆バイアスにより得
られた最長波長動作も示されている。0.95アンペア
ほどの高いCW同調電流が使用されたが、フィルタ区画
は長さが1.3mmなので、異常に高い電流密度にはな
らない。レーザ区画は大抵の同調範囲についてCWで動
作されたが、最短波長については、パルス動作を使用
し、レーザ動作のための十分な利得を得た。この特許明
細書に開示されたデバイスの全同調範囲は57nmであ
った。
0%カップリング効率のための格子強さを入念に設計す
ることにより減少させることができる。単一波長動作の
鍵になる相対的な波長選択性は、空洞の全長に対するフ
ィルタの長さを増大することにより改善することができ
る。
よび便利な制御可能な方法でレーザ波長を固定する能力
ならびに集積された広範囲可同調垂直カプラ空洞内フィ
ルタに基づく多重量子井戸可同調レーザについて説明し
た。1.55μm領域で動作するレーザの測定同調範囲
は57nmであり、可同調垂直カプラフィルタにより明
白に制御される。
拡大空洞利得手段のようなその他のデバイスと集積させ
ることのできる広範囲可同調波長選択性カプラのモノリ
シック実装を実現することができる。尚、特許請求の範
囲に記載した参照番号は、発明の容易なる理解の為のも
ので、その権利解釈に影響を与えるものではないと理解
されたい。
に、利得区画と結合されたモノリシック垂直カプラフィ
ルタの模式的な部分切欠き斜視図である。
る。
写真の線図である。
(Ig)に対する光出力(mw)対電流(mA)の関係
を示すグラフ図である。
のグラフ図である。
密度の関数としての測定レーザ動作波長のグラフ図であ
る。
Claims (15)
- 【請求項1】 モノリシック平坦構造支持体と、 それぞれ第1端部および第2端部を有する上部導波路
(16)および下部導波路(18)と、 或る波長で上部導波路および下部導波路間で光カップリ
ングを起こすように配置された光カップリング手段(n
−InP)とからなり、 前記上部導波路および前記下部導波路は前記波長の光エ
ネルギーに対して透過的であり、 前記光カップリング手段により前記下部導波路(18)
に結合されなかった光エネルギーが、前記上部導波路
(16)に再入することを防止するために、前記上部導
波路(16)の第1端部は終端形成(21)されてお
り、 前記下部導波路(18)の対応する第1端部は、第1フ
ァセット(20)において終端しており、 前記上部導波路(16)の第2端部は、光信号を通過さ
せる第2ファセット(19)で終端していることを特徴
とする光カプラ。 - 【請求項2】 前記上部導波路の第1端部および第2端
部は、モードストリッパ手段(14)で終端しているこ
とを特徴とする請求項1の光カプラ。 - 【請求項3】 前記モードストリッパ手段(14)は、
吸収または回折により光エネルギーを消滅させることを
特徴とする請求項2の光カプラ。 - 【請求項4】 前記光カップリング手段は、モノリシッ
ク平坦構造における縦方向の周期的な屈折率変化からな
ることを特徴とする請求項2の光カプラ。 - 【請求項5】 前記縦方向の周期的な屈折率変化は、前
記上部導波路上に配置されていることを特徴とする請求
項4の光カプラ。 - 【請求項6】 前記縦方向の周期的な屈折率変化は、前
記上部導波路と下部導波路の間に配置されていることを
特徴とする請求項4の光カプラ。 - 【請求項7】 前記上部導波路(16)は、横方向に限
定されており、そして、第1屈折率材料から形成されて
おり、 前記下部導波路(18)は、第2屈折率材料から形成さ
れていることを特徴とする請求項4の光カプラ。 - 【請求項8】 前記上部導波路(16)は、バンドギャ
ップ波長λg (ここで、λg =1.25〜1.45μm
の範囲内に存在する)のコア材料を有する埋込へテロ構
造形状を有し、 前記下部導波路(18)は、バンドギャップ波長λg
(ここで、λg =1.0〜1.2μmの範囲内に存在す
る)のコア材料を有する埋込リブ構造形状を有すること
を特徴とする請求項7の光カプラ。 - 【請求項9】 前記縦方向の周期的な屈折率変化は、5
〜100μmの範囲内の周期を有する粗位相整合格子か
らなることを特徴とする請求項7の光カプラ。 - 【請求項10】 前記光カップリング手段により前記下
部導波路から上部導波路(16)に結合されなかった光
エネルギーが、前記下部導波路(18)に反射されて戻
ることを防止するために、前記下部導波路(18)の第
2端部は、終端形成されていることを特徴とする請求項
1の光カプラ。 - 【請求項11】 電流を上部導波路または下部導波路の
何れかに注入し、その屈折率を変化させ、結合波長を変
化させることを特徴とする請求項10の光カプラ。 - 【請求項12】 逆バイアス電圧を上部導波路(16)
または下部導波路(18)の何れかに印加し、その屈折
率を変化させることを特徴とする請求項10の光カプ
ラ。 - 【請求項13】 請求項1の光カプラ(10)に結合さ
れた利得手段を有し、 前記下部導波路(18)の前記第1ファセット(20)
は反射性であることを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項14】 上部導波路は、前記利得手段(12)
を通して延び、前記上部導波路の第2ファセットは光信
号を通過させ、 レーザ用の空洞は前記上部導波路の前記第2ファセット
と前記下部導波路の前記高反射性の第1ファセットとの
間に存在することを特徴とする請求項13の半導体レー
ザ。 - 【請求項15】 前記光カップリング手段により前記下
部導波路から上部導波路に結合されなかった光エネルギ
ーが前記下部導波路に反射されて戻ることを防止するた
めに、前記下部導波路の第2端部は終端形成されている
ことを特徴とする請求項14の半導体レーザ。
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