JP2732604B2 - 分布帰還型レーザ - Google Patents

分布帰還型レーザ

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は光導波路に沿って形成された回折格子によっ
て光帰還を行なう分布帰還型レーザに関する。
(従来の技術) 近年、光通信や光ディスク装置の光源として、各種の
半導体発光素子が盛んに使用されている。この中でも光
導波路に沿って周期的摂動(回折格子)を設けた分布帰
還型半導体レーザ(DFB(Distributed Feedbacck) las
er)は、この回折格子の波長選択性により、単一波長
(単一縦モード)での発振が容易に実現できる。現在、
この素子は長距離高速光通信用の光源としてGaInAsP/In
P系材料を用いて実用化されている。
この分布帰還型半導体レーザの構造として、第4図に
示すような、両劈開端面40をAR(無反射)コート等によ
ってその反射率を低下させ、かつその共振器の中央に回
折格子42の周期の不連続部43(管内波長λの1/4に相当
する位相だけシフトしている)を有する構造がよく知ら
れている。この素子は、ブラグ波長(the Bragg wavele
ngth)での発振が可能で、かつまた他の縦モードとのゲ
イン差も大きいため、単一縦モード動作に極めて有利で
ある。
また、このλ/4位相シフト構造と等価的に同様の効果
を持つ等価λ/4位相シフト構造も知られている(例え
ば、H.Soda et al.Electronics Letters,vol.20,pp.101
6−1018 1984)。これは、第5図にその導波路構造の一
例を示すように、光導波路52をその軸方向に沿って一部
分を変形させたものである。この場合、導波路の厚さは
一定で、中央部54の幅を1μmから2μmと変化させて
いる。変化の途中のテーパは急激な不連続による不要反
射を防ぐためのものである。幅の変化は、その部分の等
価屈折率の相対変化を引き起こす作用がある。従って、
導波光の位相速度が変わり、その部分の通過前後で導波
光の感じる回折格子の位相が変化する。これにより、回
折格子の周期の不連続を導入したこと等価な作用を生じ
る。
(発明が解決しようとする課題) ところで、半導体レーザでは偏波の異なる2つのモー
ドが存在する。つまり、TEモードとTMモードである。両
端面を劈開によって形成したいわゆるファブリペロー
(Fabry−Perot)型のレーザでは、劈開面が、TEモード
に対して反射が大きくなるように働くため、このモード
のしきい値が小さくなり、TEモードで発振する。
これに対して、両端面の反射を0に近付けたλ/4位相
シフト構造では、その機構は働かない。従って、原理的
には、TEとTMの2つのモードのしきい値差がなく、単一
縦モード動作が不可能となる。但し、結合係数κがTEモ
ードとTMモードとで異なるため、辛うじてTEモードで発
振する。しかし、このときのしきい値ゲイン差はせいぜ
い3〜4cm-1である。結合係数κを大きくすると、TE,T
Mモード間でのゲイン差ももっと大きくできる(例え
ば、S.Akiba et al.,The Transaction of the IEC of J
apan,vol.E69pp.389−391,1986)が、軸方向ホールバー
ニングのため、縦モードの安定性が悪くなる(例えば、
H.Soda et al.IEEE Journal of Quantum Electronics,Q
E−23,pp.804−814,1987)。従って、この値が事実上の
限界である。
高速のビットレートでDFBレーザを変調し、長距離用
に適用する場合には、6cm-1以上のゲイン差が望まれる
が、現状では十分なゲイン差が得られていない。両端面
の反射を0に近付けたλ/4位相シフト構造では、同じ偏
波の副モードとは20cm-1程度のゲイン差とれているだけ
に、TMモードに対する抑圧が不十分であることが致命的
であると言って良い。
本発明は、上記従来技術の欠点を克服し、TMモードを
抑え安定な単一縦モード動作が実現でき、更に高速、高
効率の変調が可能な分布帰還型レーザを提供するもので
ある。即ち、本発明は、次の特性を示す分布帰還型レー
ザを提供するものである。
同一偏波(TE)の他の縦モード(副モード)とのしき
い値ゲイン差(Δα)が大きい。
他の偏波(TM)のモードとのしきい値ゲイン差(Δα
TM)も大きい。
軸方向ホールバーニングの影響が少ない。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明は、分布帰還型レーザにおいて、特に導波路構
造の等価屈折率が他の部分と相対的に変化している部分
構造を1個または2個以上有し、その等価位相不シフト
部の位相シフト量をTEモードで最適化し、TMモードでは
しきい値が上昇するようにしたものである。
(作用) 回折格子による位相シフトでは位相の不連続部のほぼ
1点が作用するが、等価位相シフト部はある一定の長さ
があるため、TEモードとTMモードで位相シフト量に差を
つけることができる。これにより、位相シフト量をTEモ
ードで最適化し、TMモードではしきい値が上昇するよう
にし、TMモードを抑え安定な単一縦モード動作をする分
布帰還型レーザが実現できる。
より概略的に言えば、本発明では、例えば、TEモード
ではシフト量がλ/4、TMモードではシフト量がλ/10以
下とする等価位相シフト部を設けたものである。これに
より、結合係数によるTMモード抑圧3〜4cm-1に対し
て、2cm-1以上のゲイン差を上積みし、最低限の6cm-1
を達成することができる。
さて、第2図はTEモードの規格化副モードゲイン差Δ
αLとTMモードとの規格化ゲイン差ΔαLTM(負の値は
TMモードの方がしきい値が低いことを示す。)を計算
し、位相シフト領域長さLCを横軸にしてプロット図であ
る。但し、TEモードとTMモードのκLの違いによる差は
考慮していない。
同図(a)は、共振器長Lが300μm、導波路幅が1
μm、位相シフト部の幅が0.5μm、また共振器両端面
無反射としたものである。この図から、LC=40μm付近
で、ΔαLとΔαLTMの両方をともに大きくできること
が分かる。即ち、このときΔαL=0.5、ΔαLTM=0.1
5である。αに換算すると、それぞれ17cm-1、5cm-1
ある。特に、κLの違いを加味すると、ΔαTMは、8〜
9cm-1にも達し、安全圏の6cm-1を上回る。
また、第2図(b)のように、中央部の位相シフト部
の幅幅を2μmとした場合には、活性層厚みを0.05μm
としても、ΔαLTMは大きくても0.05程度しか得られ
ず、また、そのときのLCの値はΔαLの極大値からも離
れている。従って、所望の目的を果たすことができな
い。活性層厚みが0.10μmのときにはほとんど効果がな
い。
要するに、TEモードの感じる位相シフト量が副モード
とゲイン差の大きいときに、TEモードの位相シフト量と
TMモードの感じる位相シフト量との差Δφが±π/2(λ
/4)に近いものが、TMモードとのゲイン差を大きくでき
る。つまり、理想的には、TEモードでλ/4、TMモードで
0のシフトであることが望ましい。
第1図は、TEモードの位相シフト量とTMモードの感じ
る位相シフト量との差Δφの値を、活性層幅、活性層厚
みをパラメータとしてプロットしたのである。同図
(a)は中央部の幅がその他の部分よりも0.5μm小さ
い場合で、同図(b)は中央部の幅が0.5μm大きい場
合である。中央部の幅が0.5μm小さい場合では、かな
り広い範囲で0.3π以上のΔφが得られ、3cm-1以上の
ゲイン差が確保できる。これに対し、中央部の幅が0.5
μm大きい場合では、活性層幅は0.6μm以下、活性層
厚み0.15μm以上必要である。
TMモード抑圧に対して効果的な導波路パラメータは、
個々のDFB構造に依存し、一該には記述できない。即
ち、等価位相シフト部以外の部分とも相対的に関連して
いるため、その導波路構造は総合的に設計しなくてはい
けない。導波路とその位相シフト構造に関しては、幅、
厚さ、屈折率を含めた層構造等、多数の組み合わせが考
えられる。しかし、InGaAsP/InP系の等価λ/4シフトDFB
レーザに限定すれば、活性層を含めた導波路構造層の厚
さの合計が0.3μm以下、且つ活性層の厚さが0.1μm以
下、且つ導波路構造層主要部(周辺の通常部)の幅が1
μm以下であるとき、中央の位相シフト領域長の幅は主
要部より0.5μm以上小さくすれば、楽な精度でTMモー
ドとのゲイン差を大きくできる。なお、前半の、寸法の
規定は、安定な基本横モードを得るための必要条件であ
る。これに絡んで第1図には、高次横モードのカットオ
フ条件も示してある。
(実施例) 以下、本発明をGaInAsP/InP系材料を用いたλ/4位相
シフト型分布帰還型レーザに適用した一実施例について
図面を参照して説明する。
第3図は実施例の分布帰還型レーザの水平、垂直断面
図および平面図を示す。
まず、n型InP基板上11に2次の回折格子12を形成
し、その上にn型GaInAsP光導波層13(λ=1.27μm帯
組成、0.1μm厚)、アンドーブGaInAsP活性層14(λ=
1.55μm帯組成、0.1μm厚)、p型GaInAsPアンチメル
トバック層15(λ=1.27μm帯組成、0.05μm厚)、p
型InPクラッド層16、p+型GaInAsPオーミックコンタクト
層17(λ=1.15μm帯組成)を順次積層する。
その後、エッチングにより、メサ・ストライプ部を形
成する。このとき、導波路構造は、厚さを均一とし、中
央部は長さLCに渡って幅を狭くした。外側の均一部22の
幅は1μmで、狭い幅の位相シフト部30の幅は0.5μm
とした。また、位相シフト部30の長さLCは40μmとし
た。
次に、その周囲を、p型InP層18、n型InP層19、アン
ドープGaInAsPキャップ層20(λ=1.15μm帯組成)を
連続成長して埋め込む。このとき、埋め込み領域ではp
−n逆バイアス接合21によって電流がブロックされるた
め、活性層ストライプ14にのみ、電流が効率良く注入さ
れる。
共振器長Lは、300μmとし、また共振器の端面は無
反射コートを施した。また規格化結合係数κLの値は、
軸方向ホールバーニングの影響の最も少ない1.25付近に
なるように調整した。
この実施例の分布帰還型レーザによれば、十分にTMモ
ードを抑えて安定な単一縦モード動作が得られた。
上述の実施例では1つの等価位相シフト部がある場合
について説明したが、本発明はこれに限ることなく、2
つ以上の位相シフト領域を持つ場合にも、同様に適用で
きる。また、位相シフト領域が形状的変化を持たず、外
部からの注入励起を独立に制御することによってその部
分の屈折率を変える方式にも適用可能である。
[発明の効果] 本発明によれば、TMモードを抑え安定な単一縦モード
動作が実現できる。さらに、これによって高速、高効率
の変調が可能な分布帰還型レーザが得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図はTEモードの位相シフト量とTMモードの感じる位
相シフト量との差Δφの値を活性層幅、活性層厚みをパ
ラメータとしてプロットした図で、同図(a)は導波路
構造の中央部の幅が他よりも0.5μm小さい場合、また
同図(b)は導波路構造の中央部の幅が他よりも0.5μ
m大きい場合をそれぞれ示す図、第2図はTEモードの規
格化副モードゲイン差ΔαLとTMモードとの規格化ゲイ
ン差ΔαLTMを、位相シフト領域長さLCを横軸にしてプ
ロットした図で、同図(a)は導波路構造の中央部の幅
が他よりも0.5μm小さい場合、また同図(b)は導波
路構造の中央部の幅が他よりも0.5μm大きい場合をそ
れぞれ示す図、第3図は実施例の分布帰還型レーザの水
平、垂直断面図および平面図を示す図、第4図はλ/4位
相シフト構造の導波路構造の断面構造模式図、第5図は
等価λ/4位相シフト構造の導波路構造の一例を示す平面
図である。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光導波路にそって設けた回析格子によって
    光帰還を行ない、導波路構造の等価屈折率が他の部分と
    相対的に変化している等価位相シフト部を有する分布帰
    還型レーザにおいて、前記等価位相シフト部により、こ
    の等価位相シフト部を伝搬する偏波の異なる2つの発振
    モードの位相シフト量に差を設け、一方の偏波を抑制す
    ることを特徴とする分布帰還型レーザ。
  2. 【請求項2】前記位相シフトの差を、TEモードのしきい
    値が相対的に下がるように設定したことを特徴とする特
    許請求の範囲第1項記載の分布帰還型レーザ。
  3. 【請求項3】TEモードの最適位相シフト量とTMモードの
    位相シフト量との差を0.3π以上とすることにより、TM
    モードの偏波を抑制することを特徴とする特許請求の範
    囲第2項記載の分布帰還型レーザ。
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