JP3033517B2 - 半導体波長可変レーザ - Google Patents
半導体波長可変レーザInfo
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
- H01S5/0601—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium comprising an absorbing region
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
- H01S5/3412—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires quantum box or quantum dash
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理や光通
信などの分野で利用可能な、発振波長を可変制御可能な
波長可変半導体レーザの実現方法に関する。
信などの分野で利用可能な、発振波長を可変制御可能な
波長可変半導体レーザの実現方法に関する。
【０００２】
【従米の技術】波長可変半導体レーザは、簡単に所用の
波長のレーザ光を発生することができるために波長多重
通信や信号処理などの光周波数帯域利用光デバイスとし
て、光通信・光情報処理システムへの適用が期待されて
いる。また、波長可変半導体レーザは科学測定を含む光
計測システムにおいても有用である。
波長のレーザ光を発生することができるために波長多重
通信や信号処理などの光周波数帯域利用光デバイスとし
て、光通信・光情報処理システムへの適用が期待されて
いる。また、波長可変半導体レーザは科学測定を含む光
計測システムにおいても有用である。
【０００３】従来、波長可変半導体レーザを実現する方
式として、SPIE誌、第2690巻286-295ページにベルディ
エル（J.Verdiell）らによって示されるものや、応用物
理、第63巻2-13ページに岡井によって示されているもの
のような、 １．波長可変分布ブラッグ反射鏡半導体レーザ、 ２．外部共振器型半導体レーザ、 の２方式が主に考えられてきた。
式として、SPIE誌、第2690巻286-295ページにベルディ
エル（J.Verdiell）らによって示されるものや、応用物
理、第63巻2-13ページに岡井によって示されているもの
のような、 １．波長可変分布ブラッグ反射鏡半導体レーザ、 ２．外部共振器型半導体レーザ、 の２方式が主に考えられてきた。
【０００４】図３は、代表的な波長可変分布ブラッグ反
射鏡半導体レーザの原理的構造を示す図である。波長可
変分布ブラッグ反射鏡半導体レーザは、レーザ共振器中
で利得領域３１と受動的分布ブラッグ反射鏡領域３２の
２つの領域に電気的に分離されており、各領域について
はそれぞれ独立に電流を注入できるように構成されてい
る。利得領域３１についてはレーザ電極３４を通じて電
流が注入され、受動的分布ブラッグ反射鏡領域３２には
波長制御電極３５を通じて電流が注入される。
射鏡半導体レーザの原理的構造を示す図である。波長可
変分布ブラッグ反射鏡半導体レーザは、レーザ共振器中
で利得領域３１と受動的分布ブラッグ反射鏡領域３２の
２つの領域に電気的に分離されており、各領域について
はそれぞれ独立に電流を注入できるように構成されてい
る。利得領域３１についてはレーザ電極３４を通じて電
流が注入され、受動的分布ブラッグ反射鏡領域３２には
波長制御電極３５を通じて電流が注入される。
【０００５】受動的分布ブラッグ反射鏡領域３２は、プ
ラズマ効果によってレーザ発振波長に対する光学屈折率
が電流注入により変化する特性を有する。利得領域側の
端面は劈開などにより空気と接する境界面とされて３０
％程度の反射率を有する反射鏡として働き、分布ブラッ
グ反射鏡領域側の端面には誘電体多層膜による無反射コ
ーティング３３が施されている。
ラズマ効果によってレーザ発振波長に対する光学屈折率
が電流注入により変化する特性を有する。利得領域側の
端面は劈開などにより空気と接する境界面とされて３０
％程度の反射率を有する反射鏡として働き、分布ブラッ
グ反射鏡領域側の端面には誘電体多層膜による無反射コ
ーティング３３が施されている。
【０００６】レーザ共振器の実効的共振器長は分布ブラ
ッグ反射鏡領域３２の屈折率変化により変化し、同時に
ブラッグ波長が変化するために分布ブラッグ反射鏡の反
射特性が変化し、これら両方の効果によってレーザ発振
光３６の波長が変化する。従って、このレーザは反射ブ
ラッグ反射鏡領域への電流注入量を調整することにより
レーザ発振光３６の波長を可変できることが知られてい
る。
ッグ反射鏡領域３２の屈折率変化により変化し、同時に
ブラッグ波長が変化するために分布ブラッグ反射鏡の反
射特性が変化し、これら両方の効果によってレーザ発振
光３６の波長が変化する。従って、このレーザは反射ブ
ラッグ反射鏡領域への電流注入量を調整することにより
レーザ発振光３６の波長を可変できることが知られてい
る。
【０００７】一方、図４は外部共振器型半導体レーザの
原理的構造を示す図である。図４に示す外部共振器型半
導体レーザは、半導体レーザ４１の一方の端面を高反射
コーティング４７とし、他方の端面を無反射コーティン
グ４６とし、半導体レーザ４１の活性領域４５で発生
し、無反射コーティング４６側の端面から出射される光
をコリメートレンズ４２で回折格子４４に結合し、高反
射コーティング４６とされた端面と回折格子４４により
レーザ共振器を構成するものである。
原理的構造を示す図である。図４に示す外部共振器型半
導体レーザは、半導体レーザ４１の一方の端面を高反射
コーティング４７とし、他方の端面を無反射コーティン
グ４６とし、半導体レーザ４１の活性領域４５で発生
し、無反射コーティング４６側の端面から出射される光
をコリメートレンズ４２で回折格子４４に結合し、高反
射コーティング４６とされた端面と回折格子４４により
レーザ共振器を構成するものである。
【０００８】回折格子４４はよく知られているように入
射角度に応じた波長選択的反射特性を有するため、回折
格子４４を回転させることによりレーザ発振波長を可変
することができる。
射角度に応じた波長選択的反射特性を有するため、回折
格子４４を回転させることによりレーザ発振波長を可変
することができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら以上に示
したような波長可変半導体レーザには以下に示すような
問題点があった。
したような波長可変半導体レーザには以下に示すような
問題点があった。
【００１０】図３に示した波長可変分布ブラッグ反射鏡
半導体レーザにおいては、可変できる波長帯域が狭く、
かつ、分布ブラッグ反射鏡領域２２の屈折率変化による
レーザ共振器の実効的共振器長の変化と分布ブラッグ反
射鏡の反射特性の変化の両方の効果がレーザの発振波長
変化に関与するという原理上の理由から、波長可変時に
縦モード間のジャンプが起こり、連続的に可変できる波
長帯域が小さいという問題がある。
半導体レーザにおいては、可変できる波長帯域が狭く、
かつ、分布ブラッグ反射鏡領域２２の屈折率変化による
レーザ共振器の実効的共振器長の変化と分布ブラッグ反
射鏡の反射特性の変化の両方の効果がレーザの発振波長
変化に関与するという原理上の理由から、波長可変時に
縦モード間のジャンプが起こり、連続的に可変できる波
長帯域が小さいという問題がある。
【００１１】上記の問題を解決するために、利得領域と
分布ブラッグ反射鏡領域の間に位相調整領域を設け、こ
の位相調整領域に電流を流すことにより分布ブラッグ反
射鏡領域２２の屈折率変化分をキャンセルする３電極型
波長可変分布ブラッグ反射鏡半導体レーザも試みられて
いるが、この場合でも連続可変可能な波長幅は数ｎｍの
オーダにとどまっており、また構造が複雑になるため製
造が難しくなると言う問題点がある。
分布ブラッグ反射鏡領域の間に位相調整領域を設け、こ
の位相調整領域に電流を流すことにより分布ブラッグ反
射鏡領域２２の屈折率変化分をキャンセルする３電極型
波長可変分布ブラッグ反射鏡半導体レーザも試みられて
いるが、この場合でも連続可変可能な波長幅は数ｎｍの
オーダにとどまっており、また構造が複雑になるため製
造が難しくなると言う問題点がある。
【００１２】図４に示した外部共振器型半導体レーザに
おいては、連続可変波長幅は大きいが、モノリシックな
デバイスでないためサイズや取り扱いの点で利用が難し
いという問題点があった。
おいては、連続可変波長幅は大きいが、モノリシックな
デバイスでないためサイズや取り扱いの点で利用が難し
いという問題点があった。
【００１３】本発明は、上述した従来技術が有する様々
な問題点に鑑みてなされたものであって、連続可変波長
幅が大きく、構造が簡便かつ製造が容易で、モノリシッ
クで小型かつ取り扱いの簡易な可変波長半導体レーザを
提供することを目的とする。
な問題点に鑑みてなされたものであって、連続可変波長
幅が大きく、構造が簡便かつ製造が容易で、モノリシッ
クで小型かつ取り扱いの簡易な可変波長半導体レーザを
提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の半導体波長可変レーザは、利得スペクトルが
所用の可変波長領域をカバーするようにサイズのばらつ
きが制御された、熱的ド・ブロイ波長程度のサイズを有
する３次元的キャリア閉じ込め構造により構成され電流
を注入することにより光を発生し増幅する光利得領域
と、注入電流量により光吸収係数が変化する光吸収制御
領域と、前記光利得領域および光吸収制御領域を内包す
る光共振器と、前記光利得領域および光吸収制御領域に
注入する電流量または電圧値を独立に制御する制御手段
とを有する。
の本発明の半導体波長可変レーザは、利得スペクトルが
所用の可変波長領域をカバーするようにサイズのばらつ
きが制御された、熱的ド・ブロイ波長程度のサイズを有
する３次元的キャリア閉じ込め構造により構成され電流
を注入することにより光を発生し増幅する光利得領域
と、注入電流量により光吸収係数が変化する光吸収制御
領域と、前記光利得領域および光吸収制御領域を内包す
る光共振器と、前記光利得領域および光吸収制御領域に
注入する電流量または電圧値を独立に制御する制御手段
とを有する。
【００１５】また、利得スペクトルが所用の可変波長領
域をカバーするようにサイズのばらつきが制御された、
熱的ド・ブロイ波長程度のサイズを有する３次元的キャ
リア閉じ込め構造により構成され電流を注入することに
より光を発生し増幅する光利得領域と、注入電流量によ
り光吸収係数が変化する光吸収制御領域と、前記光利得
領域および光吸収制御領域を内包する光共振器と、入力
された発振波長を示す信号に応じて前記光利得領域およ
び光吸収制御領域に注入する電流量または電圧値を制御
する発振波長制御手段を有する。
域をカバーするようにサイズのばらつきが制御された、
熱的ド・ブロイ波長程度のサイズを有する３次元的キャ
リア閉じ込め構造により構成され電流を注入することに
より光を発生し増幅する光利得領域と、注入電流量によ
り光吸収係数が変化する光吸収制御領域と、前記光利得
領域および光吸収制御領域を内包する光共振器と、入力
された発振波長を示す信号に応じて前記光利得領域およ
び光吸収制御領域に注入する電流量または電圧値を制御
する発振波長制御手段を有する。
【００１６】この場合、発振波長制御手段が、光利得領
域への電流量または電圧値を決定する第１の制御手段
と、光吸収制御領域への電流量または電圧値を決定する
第２の制御手段と、発振波長と該発振波長に応じて異な
る光吸収制御領域および利得領域それぞれへの電流注入
量または印加電圧値を格納するテーブルと制御入力端子
とを備え、該制御入力端子に入力される信号に示される
発振波長に対して、前記テーブルに格納されている光吸
収制御領域および利得領域それぞれへの電流注入量また
は印加電圧値を読み出して前記第１の制御手段および第
２の制御手段を介して光利得領域および光吸収制御領域
への電流量または電圧値を制御するプログラマブルコン
トローラにより構成されることとしてもよい。
域への電流量または電圧値を決定する第１の制御手段
と、光吸収制御領域への電流量または電圧値を決定する
第２の制御手段と、発振波長と該発振波長に応じて異な
る光吸収制御領域および利得領域それぞれへの電流注入
量または印加電圧値を格納するテーブルと制御入力端子
とを備え、該制御入力端子に入力される信号に示される
発振波長に対して、前記テーブルに格納されている光吸
収制御領域および利得領域それぞれへの電流注入量また
は印加電圧値を読み出して前記第１の制御手段および第
２の制御手段を介して光利得領域および光吸収制御領域
への電流量または電圧値を制御するプログラマブルコン
トローラにより構成されることとしてもよい。
【００１７】「作用」次に、本発明の基本的な作用を説
明する。
明する。
【００１８】近年、量子細線や量子ドットなどと呼ばれ
る微小サイズの低次元キャリア閉じ込め構造の電子デバ
イスや光デバイスへの応用研究が盛んである。これらの
低次元キャリア閉じ込め構造は閉じ込めサイズがキャリ
ア系の熱的ド・ブロイ波長
る微小サイズの低次元キャリア閉じ込め構造の電子デバ
イスや光デバイスへの応用研究が盛んである。これらの
低次元キャリア閉じ込め構造は閉じ込めサイズがキャリ
ア系の熱的ド・ブロイ波長
【００１９】
【数１】 程度であることが特徴であり、このためにいわゆる量子
効果と呼ばれる効果が発現するものと期待されている。
効果と呼ばれる効果が発現するものと期待されている。
【００２０】光デバイスにとって、これら量子力学的サ
イズの低次元キャリア閉じ込め構造（以下量子閉じ込め
構造と呼ぶ）のメリットは、その状態密度が急峻になる
ということである。これは、物理的に言えば媒質中に存
在しうる双極子（電子−ホール対）を、ある離散的な遷
移エネルギー状態に集中できるということを意味してい
る。このようなことが可能になるのは、キャリアを空間
的に閉じ込めることによってキャリアの非個別性が失わ
れ、その結果パウリの排他律が緩和されるためである
（パウリの排他律が効かないと、交換相互作用が生じな
いためにエネルギー準位の縮退が解けない）。
イズの低次元キャリア閉じ込め構造（以下量子閉じ込め
構造と呼ぶ）のメリットは、その状態密度が急峻になる
ということである。これは、物理的に言えば媒質中に存
在しうる双極子（電子−ホール対）を、ある離散的な遷
移エネルギー状態に集中できるということを意味してい
る。このようなことが可能になるのは、キャリアを空間
的に閉じ込めることによってキャリアの非個別性が失わ
れ、その結果パウリの排他律が緩和されるためである
（パウリの排他律が効かないと、交換相互作用が生じな
いためにエネルギー準位の縮退が解けない）。
【００２１】本発明は、第一に閉じ込めサイズを人工的
に自由に設計／制御可能であるという量子閉じ込め構造
の特徴を利用する。量子閉じ込め構造においては各量子
構造のサイズを制御することにより遷移エネルギーを制
御することができ、従って、系全体として見たときの状
態密度スペクトルの形状を自在にコントロール出来る。
このことを利用すれば、量子閉じこめ系の利得スペクト
ルを自由に設計することができる。
に自由に設計／制御可能であるという量子閉じ込め構造
の特徴を利用する。量子閉じ込め構造においては各量子
構造のサイズを制御することにより遷移エネルギーを制
御することができ、従って、系全体として見たときの状
態密度スペクトルの形状を自在にコントロール出来る。
このことを利用すれば、量子閉じこめ系の利得スペクト
ルを自由に設計することができる。
【００２２】いま、サイズＲを持つ量子ドット構造の数
をＮ（Ｒ）、遷移エネルギーをＥ（Ｒ）とすると、これ
に対応する系の状態密度は
をＮ（Ｒ）、遷移エネルギーをＥ（Ｒ）とすると、これ
に対応する系の状態密度は
【数2】 で与えられる。Ｎ（Ｒ）（サイズ分布）は制御可能な量
であり、これを制御することにより任意の状態密度スペ
クトルを作り出すことができる。隣り合う量子構造間の
距離が十分に離れている場合には量子構造間での励起移
動は無視することができ、これら量子構造に等確率で均
一にキャリアが注入されるはずであるから、状態密度ス
ペクトル形状に直接比例した利得スペクトルが得られ
る。
であり、これを制御することにより任意の状態密度スペ
クトルを作り出すことができる。隣り合う量子構造間の
距離が十分に離れている場合には量子構造間での励起移
動は無視することができ、これら量子構造に等確率で均
一にキャリアが注入されるはずであるから、状態密度ス
ペクトル形状に直接比例した利得スペクトルが得られ
る。
【００２３】本発明では、第一の要素として上記原理を
利用してサイズ分布を制御した量子閉じこめ系により広
い利得スペクトルを有する利得媒質を作製し、波長可変
半導体レーザの利得媒質として利用する。このために
は、量子構造のサイズのばらつきを大きくすればよい。
実際に、現状の技術で作製される半導体量子ドット構造
の発光スペクトルは、状態密度スペクトルの狭小化によ
り期待されるほどには狭小化されていないが、これは量
子ドット系のサイズのばらつきによって生じるものと理
解されている。従ってサイズばらつきの大きい量子構造
系からは十分広い発光スペクトルおよび十分広い利得ス
ペクトルが得られる。
利用してサイズ分布を制御した量子閉じこめ系により広
い利得スペクトルを有する利得媒質を作製し、波長可変
半導体レーザの利得媒質として利用する。このために
は、量子構造のサイズのばらつきを大きくすればよい。
実際に、現状の技術で作製される半導体量子ドット構造
の発光スペクトルは、状態密度スペクトルの狭小化によ
り期待されるほどには狭小化されていないが、これは量
子ドット系のサイズのばらつきによって生じるものと理
解されている。従ってサイズばらつきの大きい量子構造
系からは十分広い発光スペクトルおよび十分広い利得ス
ペクトルが得られる。
【００２４】次に本発明の第二番目の要素について実験
により得られた事実を指摘しながら説明する。レーザは
光共振器の結合損失とその他の光損失の和が利得媒質の
光利得とが釣り合ったときに発振する。このためには利
得媒質に損失によって定まるある値以上の状態密度が必
要となる。これは、少なくともその状態密度で存在する
双極子のポピュレーションが完全に反転したときの光利
得が光損失を上回る必要があるためである。これを満た
さない場合、利得媒質をどれだけ励起してもレーザ発振
は起こりえない。
により得られた事実を指摘しながら説明する。レーザは
光共振器の結合損失とその他の光損失の和が利得媒質の
光利得とが釣り合ったときに発振する。このためには利
得媒質に損失によって定まるある値以上の状態密度が必
要となる。これは、少なくともその状態密度で存在する
双極子のポピュレーションが完全に反転したときの光利
得が光損失を上回る必要があるためである。これを満た
さない場合、利得媒質をどれだけ励起してもレーザ発振
は起こりえない。
【００２５】一方、半導体量子構造中のエネルギー準位
は量子化のため離散的であるが、一般に高エネルギー側
に位置する準位（高次の準位と称する）ほどエネルギー
縮重度が高くなるため状態密度が大きくなる。このよう
な半導体量子構造からなる利得媒質にキャリアを注入す
ると、量子構造中の各エネルギー準位間をキャリアが移
動して、熱平衡状態ではフェルミーディラック分布とな
り、その結果、キャリア注入量を増やすにつれて状態密
度の低エネルギー側の状態から順次占有されていく（ス
テート・フィリング）。
は量子化のため離散的であるが、一般に高エネルギー側
に位置する準位（高次の準位と称する）ほどエネルギー
縮重度が高くなるため状態密度が大きくなる。このよう
な半導体量子構造からなる利得媒質にキャリアを注入す
ると、量子構造中の各エネルギー準位間をキャリアが移
動して、熱平衡状態ではフェルミーディラック分布とな
り、その結果、キャリア注入量を増やすにつれて状態密
度の低エネルギー側の状態から順次占有されていく（ス
テート・フィリング）。
【００２６】半導体量子構造を利得媒質とするレーザに
おいて光損失が大きくなるとレーザ発振に必要な注入キ
ャリア密度が増加するが、このとき活性領域中の量子構
造の数密度がある程度小さな場合には、低エネルギー側
の状態が完全に占有されても利得が損失を上まれないた
め、より大きな状態密度を有する高エネルギー側で発振
するようになる。状態密度が高エネルギー側ほど大きい
ことから、半導体量子構造を利得媒質とするレーザにお
いて量子構造の数密度がある程度小さな場合に、光損失
が大きくなればなるほどレーザ発振波長が短波長化する
という特徴がみられることがある。実際にエレクトロニ
クス・レター誌（Electronics Letter）、第32巻1732‐
1734ページにミリン（R.Mirin）らや、エレクトロニク
ス・レター誌（Electronics Letter）、第32巻2023-202
4ページに東海林（H.Shoji）らによりこのことが確認さ
れている。これらの報告では、レーザしきい値決定にお
いて光共振器の結合損失が支配的であるような条件（共
振器ミラー反射率が小さい）下において、共振器長を減
少するにつれて（光損失は共振器長に逆比例する）レー
ザ発振波長が短波長化し、その波長変化幅が５０nm程度
に達することが観測されている。
おいて光損失が大きくなるとレーザ発振に必要な注入キ
ャリア密度が増加するが、このとき活性領域中の量子構
造の数密度がある程度小さな場合には、低エネルギー側
の状態が完全に占有されても利得が損失を上まれないた
め、より大きな状態密度を有する高エネルギー側で発振
するようになる。状態密度が高エネルギー側ほど大きい
ことから、半導体量子構造を利得媒質とするレーザにお
いて量子構造の数密度がある程度小さな場合に、光損失
が大きくなればなるほどレーザ発振波長が短波長化する
という特徴がみられることがある。実際にエレクトロニ
クス・レター誌（Electronics Letter）、第32巻1732‐
1734ページにミリン（R.Mirin）らや、エレクトロニク
ス・レター誌（Electronics Letter）、第32巻2023-202
4ページに東海林（H.Shoji）らによりこのことが確認さ
れている。これらの報告では、レーザしきい値決定にお
いて光共振器の結合損失が支配的であるような条件（共
振器ミラー反射率が小さい）下において、共振器長を減
少するにつれて（光損失は共振器長に逆比例する）レー
ザ発振波長が短波長化し、その波長変化幅が５０nm程度
に達することが観測されている。
【００２７】本発明は、以上に示した第一および第二の
要素を利用したものである。本発明においては半導体量
子ドット、量子細線構造など量子閉じこめ効果を有する
微細構造からなる媒質を利得媒質として採用する。この
際、量子構造のサイズのばらつきを大きくすることによ
って十分広い利得波長幅を確保する。現状の半導体量子
構造製造技術においては、特別にサイズ制御を行った製
造を行わなければ自然にサイズのばらつきを持った量子
構造が作製されるので、サイズばらつきの大きな半導体
量子構造を作製することは容易である。
要素を利用したものである。本発明においては半導体量
子ドット、量子細線構造など量子閉じこめ効果を有する
微細構造からなる媒質を利得媒質として採用する。この
際、量子構造のサイズのばらつきを大きくすることによ
って十分広い利得波長幅を確保する。現状の半導体量子
構造製造技術においては、特別にサイズ制御を行った製
造を行わなければ自然にサイズのばらつきを持った量子
構造が作製されるので、サイズばらつきの大きな半導体
量子構造を作製することは容易である。
【００２８】次に、本発明ではレーザ共振器中に利得領
域に加えて、外部から吸収係数が制御可能な吸収領域を
設ける。この制御可能な吸収領域としては、例えば、利
得領域と全く同じ媒質・電極構造であって利得領域より
も注入電流を小さくすることにより利得をもたないよう
にしたものを利用することができる。この場合、ステー
ト・フィリングにより吸収領域への注入電流量の大小に
応じて吸収係数を制御することが可能である。この際、
吸収領域への電流注入と利得領域への電流注入を独立に
制御できるようにしておき、吸収領域への電流注入量減
少に伴う吸収係数増を補償するように利待領域への注入
電流を増やせば、先に述べた原埋により吸収領域の吸収
係数制御によってレーザ発振波長を制御できる。
域に加えて、外部から吸収係数が制御可能な吸収領域を
設ける。この制御可能な吸収領域としては、例えば、利
得領域と全く同じ媒質・電極構造であって利得領域より
も注入電流を小さくすることにより利得をもたないよう
にしたものを利用することができる。この場合、ステー
ト・フィリングにより吸収領域への注入電流量の大小に
応じて吸収係数を制御することが可能である。この際、
吸収領域への電流注入と利得領域への電流注入を独立に
制御できるようにしておき、吸収領域への電流注入量減
少に伴う吸収係数増を補償するように利待領域への注入
電流を増やせば、先に述べた原埋により吸収領域の吸収
係数制御によってレーザ発振波長を制御できる。
【００２９】また、あらかじめ吸収領域への電流注入量
減少に伴う吸収係数増を補償するのに必要な利得領域へ
の注入電流量を測定しておき、両者の関係を記録し、そ
の記録に従って外部から与えたひとつのパラメータによ
り吸収領域への電流注入量および利得領域への注入電流
量を同時に制御すれば、レーザ発振波長を外部から与え
たひとつのパラメータによって制御できる簡便な波長可
変半導体レーザを実現することができる。
減少に伴う吸収係数増を補償するのに必要な利得領域へ
の注入電流量を測定しておき、両者の関係を記録し、そ
の記録に従って外部から与えたひとつのパラメータによ
り吸収領域への電流注入量および利得領域への注入電流
量を同時に制御すれば、レーザ発振波長を外部から与え
たひとつのパラメータによって制御できる簡便な波長可
変半導体レーザを実現することができる。
【００３０】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。
て説明する。
【００３１】図１は本発明による第１の実施例としての
波長可変ＩｎＧａＡｓＰ半導体レーザの構成を示す図で
あり、その結晶面に垂直な方向の断面図である。
波長可変ＩｎＧａＡｓＰ半導体レーザの構成を示す図で
あり、その結晶面に垂直な方向の断面図である。
【００３２】本実施例は量子構造として量子ドットを用
いた例である。本実施例の波長可変半導体レーザは、半
導体の成長層に平行な方向に光を出射する端面発光型レ
ーザであって、ｐ型電極、ｎ型電極のうちエピタキシャ
ル成長面側に位置する電極を２つ以上に分割した構造と
なっており、低損失の導波路領域を挟んで互いに電気的
に分離されている。
いた例である。本実施例の波長可変半導体レーザは、半
導体の成長層に平行な方向に光を出射する端面発光型レ
ーザであって、ｐ型電極、ｎ型電極のうちエピタキシャ
ル成長面側に位置する電極を２つ以上に分割した構造と
なっており、低損失の導波路領域を挟んで互いに電気的
に分離されている。
【００３３】本実施例は最も簡単な２電極のものであ
る。図１において、利得領域１は光を発生増幅する領域
であり、光吸収制御領域２は利得領域１において発生し
た光を吸収する領域である。本実施例の構造は、MOVPE
などの薄膜成長装置を用いて、まず、n-InP基板３の上
にn-InPクラッド層４を成長し、Stranski-Krastanow成
長法（半導体歪層成長時２次元成長から３次元成長へ成
長モードが変化することを利用する量子ドット構造成長
法）などによりInGaAsP量子ドット構造を作製し、i-InP
で埋め込むことを繰り返し、多層のInGaAsP量子ドット
層を含む活性層５を作製する。しかるのち、p-InPクラ
ッド層６を成長させる。続いて、利得領域１に電流注入
するためのｐ型レーザ電流注入電極７、および、光吸収
制御領域２に電流注入するためのｐ型吸収制御電極８を
形成し、基板を研磨した後に基板裏面にｎ型電極９を形
成する。素子の両端面は劈開により３０％程度の反射率
を有する反射鏡として機能し、光共振器を構成する。
る。図１において、利得領域１は光を発生増幅する領域
であり、光吸収制御領域２は利得領域１において発生し
た光を吸収する領域である。本実施例の構造は、MOVPE
などの薄膜成長装置を用いて、まず、n-InP基板３の上
にn-InPクラッド層４を成長し、Stranski-Krastanow成
長法（半導体歪層成長時２次元成長から３次元成長へ成
長モードが変化することを利用する量子ドット構造成長
法）などによりInGaAsP量子ドット構造を作製し、i-InP
で埋め込むことを繰り返し、多層のInGaAsP量子ドット
層を含む活性層５を作製する。しかるのち、p-InPクラ
ッド層６を成長させる。続いて、利得領域１に電流注入
するためのｐ型レーザ電流注入電極７、および、光吸収
制御領域２に電流注入するためのｐ型吸収制御電極８を
形成し、基板を研磨した後に基板裏面にｎ型電極９を形
成する。素子の両端面は劈開により３０％程度の反射率
を有する反射鏡として機能し、光共振器を構成する。
【００３４】本実施例の波長可変InGaAsP半導体レーザ
は光吸収制御領域２に形成された活性層５は吸収制御用
電源１１から注入される電流量により光吸収係数が変化
するもので、ｐ型レーザ電流注入電極７を介してレーザ
電流注入用電源１０から注入される電流および吸収制御
用電源１１から注入される電流によりその発振波長が可
変とされるものである。
は光吸収制御領域２に形成された活性層５は吸収制御用
電源１１から注入される電流量により光吸収係数が変化
するもので、ｐ型レーザ電流注入電極７を介してレーザ
電流注入用電源１０から注入される電流および吸収制御
用電源１１から注入される電流によりその発振波長が可
変とされるものである。
【００３５】本実施例においては活性層５を作製する際
に、その各位断面図に示すように量子ドットのサイズを
そろえるような制御は行わず、むしろサイズばらつきが
大きくなるような条件下で成長を行った。量子ドット構
造を半径Ｒの球形と近似したとき、最低次の遷移エネル
ギーは、近似的に
に、その各位断面図に示すように量子ドットのサイズを
そろえるような制御は行わず、むしろサイズばらつきが
大きくなるような条件下で成長を行った。量子ドット構
造を半径Ｒの球形と近似したとき、最低次の遷移エネル
ギーは、近似的に
【００３６】
【数３】 で与えられる。ここで、Ｅgはバンドギャップエネルギ
ー、ｍe、ｍhは電子およびホールの有効質量である。従
って、サイズばらつきの大きい量子ドットを多数作製す
ることで、利得波長幅の大きい活性層を作製することが
可能である。
ー、ｍe、ｍhは電子およびホールの有効質量である。従
って、サイズばらつきの大きい量子ドットを多数作製す
ることで、利得波長幅の大きい活性層を作製することが
可能である。
【００３７】上記のように構成されたレーザの光吸収制
御領域２に60mAの電流を注入し、利得領域１に100mAの
電流を注入すると、波長1550nmで発振した。光吸収制御
領域２への注入電流量を50mAに減らすと、いったんレー
ザ発振は停止したが利得領域１への電流注入量を110mA
に増加させることにより再度レーザ発振し、このときの
発振波長は1500nmに短波長化した。以下、順次光吸収制
御領域への電流注入量を減少させ、同時にレーザ発振を
保つように利得領域への電流注入量を増加させると連続
的にレーザ発振波長は短波長方向へシフトしてゆき、15
50-1400nmの150nmの幅で発振波長が連続的に可変できる
ことを確認した。
御領域２に60mAの電流を注入し、利得領域１に100mAの
電流を注入すると、波長1550nmで発振した。光吸収制御
領域２への注入電流量を50mAに減らすと、いったんレー
ザ発振は停止したが利得領域１への電流注入量を110mA
に増加させることにより再度レーザ発振し、このときの
発振波長は1500nmに短波長化した。以下、順次光吸収制
御領域への電流注入量を減少させ、同時にレーザ発振を
保つように利得領域への電流注入量を増加させると連続
的にレーザ発振波長は短波長方向へシフトしてゆき、15
50-1400nmの150nmの幅で発振波長が連続的に可変できる
ことを確認した。
【００３８】なお、本実施例におけるレーザ電流注入用
電源１０および光吸収制御用電源１１のいずれも単体で
注入電流（または電圧）を供給するものではなく、外部
に設けられた電源（不図示）と協働してこれを行うもの
であり、注入電流量（または印加電圧値）を制御するた
めの制御手段として動作を行うものである。具体的には
電圧制御可能な可変抵抗により構成されており、それぞ
れに設けられた不図示の制御端子へ入力される制御電圧
により注入電流量（または印加電圧値）が決定される。
電源１０および光吸収制御用電源１１のいずれも単体で
注入電流（または電圧）を供給するものではなく、外部
に設けられた電源（不図示）と協働してこれを行うもの
であり、注入電流量（または印加電圧値）を制御するた
めの制御手段として動作を行うものである。具体的には
電圧制御可能な可変抵抗により構成されており、それぞ
れに設けられた不図示の制御端子へ入力される制御電圧
により注入電流量（または印加電圧値）が決定される。
【００３９】次に、本発明の第２の実施例について図２
を参照して説明する。
を参照して説明する。
【００４０】本発明の第２の実施例は、図１に示した第
１の実施例について制御系を設けたものである。光吸収
制御領域２への注入電流量と利得領域１への電流注入量
と発振波長の関係を予め測定しておき、このデータをマ
イクロコンピュータのようにプログラム可能な制御装置
にプログラムしておけば、外部からただひとつの制御パ
ラメータとして発振波長を与えることにより簡便に発振
波長の制御が可能になる。
１の実施例について制御系を設けたものである。光吸収
制御領域２への注入電流量と利得領域１への電流注入量
と発振波長の関係を予め測定しておき、このデータをマ
イクロコンピュータのようにプログラム可能な制御装置
にプログラムしておけば、外部からただひとつの制御パ
ラメータとして発振波長を与えることにより簡便に発振
波長の制御が可能になる。
【００４１】本実施例は上記の考えに基づくものであ
り、図２に示したようにレーザ電流注入用電源１０およ
び光吸収制御用電源１１を上記測定値をプログラムした
プログラマブルコントローラ１２（発振波長制御手段）
によって一括制御するものである。プログラマブルコン
トローラ１２には、発振波長と、該発振波長に応じて異
なる光吸収制御領域２への注入電流量（または印加電圧
値）と利得領域１への電流注入量（または印加電圧値）
を実現するためのレーザ電流注入用電源１０および光吸
収制御用電源１１それぞれに対する制御値を格納するテ
ーブルと、制御入力端子（不図示）とを備えるものであ
り、該制御入力端子に入力される信号に示される発振波
長に対して、内蔵するテーブルに格納されているレーザ
電流注入用電源１０および光吸収制御用電源１１それぞ
れに対する制御値を読み出してレーザ電流注入用電源１
０および光吸収制御用電源１１それぞれを制御する。こ
れにより、制御用入力端子に発振波長を示す信号を入力
するだけで光吸収制御領域２への注入電流量と利得領域
１への電流注入量が決定されて入力した発振波長が得ら
れる。
り、図２に示したようにレーザ電流注入用電源１０およ
び光吸収制御用電源１１を上記測定値をプログラムした
プログラマブルコントローラ１２（発振波長制御手段）
によって一括制御するものである。プログラマブルコン
トローラ１２には、発振波長と、該発振波長に応じて異
なる光吸収制御領域２への注入電流量（または印加電圧
値）と利得領域１への電流注入量（または印加電圧値）
を実現するためのレーザ電流注入用電源１０および光吸
収制御用電源１１それぞれに対する制御値を格納するテ
ーブルと、制御入力端子（不図示）とを備えるものであ
り、該制御入力端子に入力される信号に示される発振波
長に対して、内蔵するテーブルに格納されているレーザ
電流注入用電源１０および光吸収制御用電源１１それぞ
れに対する制御値を読み出してレーザ電流注入用電源１
０および光吸収制御用電源１１それぞれを制御する。こ
れにより、制御用入力端子に発振波長を示す信号を入力
するだけで光吸収制御領域２への注入電流量と利得領域
１への電流注入量が決定されて入力した発振波長が得ら
れる。
【００４２】本実施例の構成により所要の発振波長が簡
便な操作により再現性よく得られる。
便な操作により再現性よく得られる。
【００４３】以上説明した各実施例による波長可変半導
体レーザを用いれば、連続可変波長幅が大きく、構造が
簡便、かつ、製造が容易で、モノリシックで小型かつ取
り扱いの簡易な可変波長半導体レーザを実現することが
できる。本実施例で作製した波長可変半導体発光レーザ
の場合、従来の外部鏡波長可変レーザ並に波長可変幅が
広い半導体レーザが、モノリシックで小型な形態で、か
つ、難しい製造技術なしに得られることが判明した。
体レーザを用いれば、連続可変波長幅が大きく、構造が
簡便、かつ、製造が容易で、モノリシックで小型かつ取
り扱いの簡易な可変波長半導体レーザを実現することが
できる。本実施例で作製した波長可変半導体発光レーザ
の場合、従来の外部鏡波長可変レーザ並に波長可変幅が
広い半導体レーザが、モノリシックで小型な形態で、か
つ、難しい製造技術なしに得られることが判明した。
【００４４】以上の実施例ではある半導体材料を例に上
げて説明したが、本発明の方法はこれらの実施例に限定
されるものではない。本例ではInGaAsPを量子閉じ込め
構造に、InPをバリア層に用いたレーザを一例として説
明したが、GaAs、InP、InGaAs、InGaAsPなど他の半導体
材料を用いた波長可変半導体レーザに適用することも可
能である。
げて説明したが、本発明の方法はこれらの実施例に限定
されるものではない。本例ではInGaAsPを量子閉じ込め
構造に、InPをバリア層に用いたレーザを一例として説
明したが、GaAs、InP、InGaAs、InGaAsPなど他の半導体
材料を用いた波長可変半導体レーザに適用することも可
能である。
【００４５】また、本実施例では２電極端面発光型波長
可変半導体レーザの例について示したが、他の構造、例
えば面発光型レーザや多電極レーザなど別種の構造を用
いた場合にも適用できることはいうまでもない。本実施
例は量子ドット構造により構成する場合について述べた
が量子細線構造によりこれを構成してもよい。
可変半導体レーザの例について示したが、他の構造、例
えば面発光型レーザや多電極レーザなど別種の構造を用
いた場合にも適用できることはいうまでもない。本実施
例は量子ドット構造により構成する場合について述べた
が量子細線構造によりこれを構成してもよい。
【００４６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明による波長
可変半導体レーザを用いれば、連続可変波長幅が大き
く、構造が簡便かつ製造が容易で、モノリシックで小型
かつ取り扱いの簡便な可変波長半導体レーザを実現でき
る。
可変半導体レーザを用いれば、連続可変波長幅が大き
く、構造が簡便かつ製造が容易で、モノリシックで小型
かつ取り扱いの簡便な可変波長半導体レーザを実現でき
る。
【図１】本発明の第１の実施例を説明するための波長可
変半導体レーザの断面図である。
変半導体レーザの断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例を説明するための波長可
変半導体レーザの断面図である。
変半導体レーザの断面図である。
【図３】波長可変半導体レーザの従来技術である二電極
型波長可変分布ブラッグ反射鏡レーザを説明する図であ
る。
型波長可変分布ブラッグ反射鏡レーザを説明する図であ
る。
【図４】波長可変半導体レーザの従来技術である外部鏡
波長可変レーザを説明する図である。
波長可変レーザを説明する図である。
【符号の説明】 １ 利得領域 ２ 光吸収制御領域 ３ｎ−ＩｎＰ基板 ４ｎ−ＩｎＰクラッド層 ５ 活性層 ６ｐ−ＩｎＰクラッド層 ７ｐ型レーザ電流注入電極 ８ｐ型吸収制御電極 ９ｎ型電極 １０ レーザ電流注入用電源 １１ 光吸収制御用電源 １２ プログラマブルコントローラ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−218577（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−221403（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−110987（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−18167（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−236869（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/34 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (3)
- 【請求項１】 利得スペクトルが所用の可変波長領域を
カバーするようにサイズのばらつきが大きくなるように
制御された、熱的ド・ブロイ波長程度のサイズを有する
３次元的キャリア閉じ込め構造により構成され電流を注
入することにより光を発生し増幅する光利得領域と、 注入電流量により光吸収係数が変化する光吸収制御領域
と、 前記光利得領域および光吸収制御領域を内包する光共振
器と、 前記光利得領域および光吸収制御領域に注入する電流量
または電圧値を独立に制御する制御手段とを有する半導
体波長可変レーザ。 - 【請求項２】 利得スペクトルが所用の可変波長領域を
カバーするようにサイズのばらつきが大きくなるように
制御された、熱的ド・ブロイ波長程度のサイズを有する
３次元的キャリア閉じ込め構造により構成され電流を注
入することにより光を発生し増幅する光利得領域と、 注入電流量により光吸収係数が変化する光吸収制御領域
と、 前記光利得領域および光吸収制御領域を内包する光共振
器と、 入力された発振波長を示す信号に応じて前記光利得領域
および光吸収制御領域に注入する電流量または電圧値を
制御する発振波長制御手段を有する半導体波長可変レー
ザ。 - 【請求項３】 請求項２記載の半導体波長可変レーザに
おいて、 発振波長制御手段が、 光利得領域への電流量または電圧値を決定する第１の制
御手段と、 光吸収制御領域への電流量または電圧値を決定する第２
の制御手段と、 発振波長と該発振波長に応じて異なる光吸収制御領域お
よび利得領域それぞれへの電流注入量または印加電圧値
を格納するテーブルと制御入力端子とを備え、該制御入
力端子に入力される信号に示される発振波長に対して、
前記テーブルに格納されている光吸収制御領域および利
得領域それぞれへの電流注入量または印加電圧値を読み
出して前記第１の制御手段および第２の制御手段を介し
て光利得領域および光吸収制御領域への電流量または電
圧値を制御するプログラマブルコントローラにより構成
される半導体波長可変レーザ。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9100332A JP3033517B2 (ja) | 1997-04-17 | 1997-04-17 | 半導体波長可変レーザ |
| US09/052,654 US6052400A (en) | 1997-04-17 | 1998-03-31 | Variable wavelength semiconductor laser |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9100332A JP3033517B2 (ja) | 1997-04-17 | 1997-04-17 | 半導体波長可変レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10294523A JPH10294523A (ja) | 1998-11-04 |
| JP3033517B2 true JP3033517B2 (ja) | 2000-04-17 |
Family
ID=14271202
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9100332A Expired - Fee Related JP3033517B2 (ja) | 1997-04-17 | 1997-04-17 | 半導体波長可変レーザ |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6052400A (ja) |
| JP (1) | JP3033517B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6768754B1 (en) * | 2000-09-13 | 2004-07-27 | National Research Council Of Canada | Quantum dot tunable external cavity lasers (QD-TEC lasers) |
| US6816525B2 (en) | 2000-09-22 | 2004-11-09 | Andreas Stintz | Quantum dot lasers |
| US6600169B2 (en) * | 2000-09-22 | 2003-07-29 | Andreas Stintz | Quantum dash device |
| US6653662B2 (en) * | 2000-11-01 | 2003-11-25 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Semiconductor light-emitting device, method for fabricating the same, and method for driving the same |
| DE10058444A1 (de) * | 2000-11-24 | 2002-06-06 | Infineon Technologies Ag | Halbleiterlaserelement und Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterlaserelements |
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| AU2002309809A1 (en) * | 2001-05-15 | 2002-11-25 | Agility Communications, Inc. | Sampled grating distributed bragg reflector laser controller |
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| WO2003081733A2 (en) * | 2002-03-19 | 2003-10-02 | Bookham Technology Plc | Tunable laser |
| GB0206441D0 (en) * | 2002-03-19 | 2002-05-01 | Bookham Technology Plc | Tuneable laser |
| GB2386965B (en) * | 2002-03-27 | 2005-09-07 | Bookham Technology Plc | Electro-optic modulators |
| GB2388706A (en) * | 2002-05-15 | 2003-11-19 | Bookham Technology Plc | Tunable laser |
| AU2003234002A1 (en) * | 2002-05-15 | 2003-12-02 | Bookham Technology Plc | Tuneable laser |
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| US7282732B2 (en) * | 2003-10-24 | 2007-10-16 | Stc. Unm | Quantum dot structures |
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| US7561607B2 (en) * | 2005-12-07 | 2009-07-14 | Innolume Gmbh | Laser source with broadband spectrum emission |
| JP2009518833A (ja) | 2005-12-07 | 2009-05-07 | インノルメ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 広帯域スペクトル発光を有するレーザ光源 |
| US7835408B2 (en) * | 2005-12-07 | 2010-11-16 | Innolume Gmbh | Optical transmission system |
| GB0805786D0 (en) * | 2008-03-31 | 2008-04-30 | Filtronic Plc | Methods of modulating a quantum dot laser and a multisection dot laser |
| EP2371044B1 (en) * | 2008-12-03 | 2019-08-28 | Innolume GmbH | Semiconductor laser with low relative intensity noise of individual longitudinal modes and optical transmission system incorporating the laser |
| US9494734B1 (en) * | 2012-07-27 | 2016-11-15 | Faquir Chand Jain | Article and method for implementing electronic devices on a substrate using quantum dot layers |
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|---|---|---|---|---|
| JPS6332985A (ja) * | 1986-07-25 | 1988-02-12 | Mitsubishi Electric Corp | 半導体レ−ザ |
| JPS63213384A (ja) * | 1987-02-27 | 1988-09-06 | Nec Corp | 多波長半導体レ−ザ |
| JPH0693531B2 (ja) * | 1987-03-20 | 1994-11-16 | 日本電気株式会社 | 半導体超格子 |
| JPH02110987A (ja) * | 1988-10-19 | 1990-04-24 | Canon Inc | 多波長半導体レーザ |
| JPH0555701A (ja) * | 1991-08-22 | 1993-03-05 | Mitsubishi Electric Corp | 波長可変型半導体レーザ装置 |
| US5200969A (en) * | 1991-10-18 | 1993-04-06 | Xerox Corporation | Switchable multiple wavelength semiconductor laser |
| JPH0817264B2 (ja) * | 1992-12-24 | 1996-02-21 | 松下電器産業株式会社 | 量子箱及び量子細線の作製方法並びにそれを用いた半導体光増幅素子 |
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