JP2732604B2 - 分布帰還型レーザ - Google Patents
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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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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で
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。
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で
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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-
1988
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| １９８８年（昭和６３年）秋季応物学会予稿集６ｐ−ＺＣ−１８ ｐ．８８２ |
| ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．ＱＥ−２３［６］（１９８７）ｐ．８０４−８１４ |
Also Published As
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| JPH0269983A (ja) | 1990-03-08 |
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