JP3072123B2

JP3072123B2 - 光集積型波長可変半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP3072123B2
Application number: JP2312557A
Authority: JP
Inventors: 敏彦尾内; 肇坂田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 2000-07-31
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JPH04186690A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は波長可変半導体レーザ装置に関し、特に、光
出力と発振周波数ないし波長を安定化しながら発振波長
可変である光集積型半導体レーザ装置に関する。

［従来の技術］従来、単一モード光ファイバを用いた長距離、大容量
の光通信システムにおいて、光周波数多重通信を実現す
る伝送方式としてヘテロダイン方式が提案されている。
このヘテロダイン検波を行なう為には、発信光源である
レーザの発振波長の安定化、発振光のスペクトル純度の
向上が不可欠となる。

この為、動的単一モード（DSM）発振を実現した分布
帰還型（DFB）半導体レーザや分布反射型（DBR）レーザ
においては、従来、周波数の安定化及びスペクトル純度
の向上の方法として次の如き技術が提案されている。

（１）周波数ないし波長安定化の方法第１に、レーザへの注入電流、レーザの温度を精密に
安定化する方法がある。

次に、外部周波数基準を用いて、レーザへの注入電流
に電気的に負帰還を施す方法がある。詰まり、レーザの
発振光の一部をファブリペローエタロンや分子ガス（Rb
ガス、Csガス、NH₃など）のセルに入射し、レーザの発
振周波数の変動をその透過光の強度の変動に変換して受
光器で受光し、その受光器の信号を低周波（DC〜0kHz）
でレーザの注入電流に帰還する。即ち、この注入電流に
この低周波の電流を加えてレーザの注入電流とする。

（２）スペクトル純度向上の方法第１に、レーザ外部に反射鏡を置いて光学的負帰還を
施す方法がある。この反射鏡としては、回折格子の様な
波長選択性のあるものが使われたり、ファイバ共振器を
用いてレーザの共振器長を長くしてＱ値を高めたりする
方法がある。

次に、上記周波数安定化の方法と同様に、外部周波数
基準を用いてレーザの注入電流に電気的に高周波（10kH
z〜100MHz）で負帰還を施す方法がある。

更に、通常のレーザの共振器長は300μｍ程度である
が、これを1mm程度まで長くしてＱ値を高める方法もあ
る。

これらの方法で、スペクトル線幅として、数10kHz〜
数100kHz程度のものが現在得られている。

一方、発振波長を変化できる光源として、ブラッグ波
長制御器付きBIG−DBR型DSMレーザが提案されている（1
986春季第33回応用物理学関係連合講演会予稿集1p
−ｋ−８参照）。

この発光素子は、利得を持つ活性層と、これに結合さ
れた導波路の伝搬定数が変化することによりブラッグ波
長を制御できる可変分布反射器とを有する。即ち、第７
図にこの発光素子の光軸上の縦断面図を示す様に、ブラ
ッグ波長近傍に利得を持つ活性層40と、その両側にブラ
ッグ波長を制御できる可変分布反射器41を備える。可変
分布反射器41は、コラゲーション42が形成された半導体
導波路層43から成り、ここに電流を注入しキャリア密度
を変化させることにより、導波路層43のバンド間吸収と
プラズマ吸収の分散の為に媒質の屈折率が変化し、導波
路の伝搬定数が変化して、ブラッグ波長を制御できる。
第７図において、44は、可変分布反射器41のブラッグ波
長を電気的に制御する為の電極であり、45は、活性層40
に電流を通電する電極である。

このブラッグ波長制御器付きBIG−DBR型DSM半導体レ
ーザは、可変分布反射器用電極44に電流を注入すること
により、発振波長を電気的に制御でき、高精度の波長制
御を必要とするへテロダイン方式、波長多重方式には好
適である。

更に、これに対し、システム全体の小型化を図ったブ
ラッグ波長制御器付きDBR型DSMレーザが提案されている
（特開昭63−160391参照）。

この素子は、第８図に示す様に、ブラッグ波長の僅か
に異なる（即ち、ピッチの異なる）２つの分布反射器5
1、52を具備し、利得領域48と可変分布反射器46、49と
位相調整領域47から成るレーザ発光部からのレーザ光が
これらの分布反射器51、52を透過した後の夫々の光強度
を光検出器53、54で検出して、その差の信号を引算器56
で求めてレーザ発光部に帰還することで発振光の波長制
御を実現している。第８図において、55は加算器、57は
光出力制御回路、58は位相制御回路、59は上記差信号が
入力される波長制御回路である。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、従来の波長可変半導体レーザの発振波
長を検出して波長制御を正確に行なう為には、上記周波
数安定化の従来例と同じ方法で外部周波数基準などを用
いなければならず、システム全体が大型化する欠点があ
るのみならず、従来の方法で周波数ないし波長制御（可
変波長の安定化、スペクトル純度の向上）する場合、次
の様な問題点がある。

（１）外部周波数基準を用いて電気的負帰還を行なう場
合レーザ発振光の一部を受けるファブリペロー干渉計、
分子セルなどがある為、上記の如くシステム全体の小型
化が困難であると共に、高周波の負帰還を施す場合に
は、この帰還ループの光行路が長いので光の位相遅れか
ら制御帯域に制限が生じるという問題がある。例えば、
フィードバックループの全長が30cmであるとすれば、10
0MHz程度（波長は60cm程度）の帯域で位相遅れが180度
程度となって負帰還ではなく正帰還になるなどして発振
してしまう。従って、スペクトル純度の向上が難しくな
る。

（２）外部に回折格子、ファイバ共振器などを置く場合これらは機械的振動などに弱く、必ずしも安定に制御
することが出来ない。また、この方法ではスペクトル純
度の向上は出来ても中心周波数を安定化することが出来
ない。更に、波長可変レーザにおいて発振波長を変化さ
せる場合の外部鏡の制御が難しくなる。

また、第７図に示す如きブラッグ波長制御器付きDBR
型DSMレーザの場合、コラゲーションなどのピッチの制
御が難しく、スペクトル純度の向上を図るには、上記の
如き従来例の方法を採用せねばならず、結局、システム
が大型化してしまう。

従って、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、光出
力、発振周波数が安定しスペクトル線幅の狭い小型に出
来うる構成を有する波長可変半導体レーザ装置を提供す
ることにある。

［課題を解決する為の手段］上記目的を達成する本発明においては、光集積型波長
可変半導体レーザ装置は、波長可変半導体レーザと、該
半導体レーザに電流を注入する手段と、前記半導体レー
ザと同一の基板上にモノリシックに形成され、前記半導
体レーザから出射した光を伝搬する光導波路及び該光導
波路に設けられたグレーテイングから成る周波数基準装
置と、前記半導体レーザ及び周波数基準装置の間に設け
られ、半導体レーザから出射した光の一部を周波数基準
装置に入射させると共に、周波数基準装置によって反射
された光を前記周波数基準装置への入射光と分離する集
積カップラと、前記周波数基準装置を透過した光を検出
する第１の受光器と、前記集積カップラによって分離さ
れた周波数基準装置からの反射光を検出する第２の受光
器と、前記第１の受光器の出力信号を前記半導体レーザ
に注入される電流に負帰還することによって前記半導体
レーザの発振周波数を制御する帰還回路と、前記第２の
受光器の出力信号を用いて半導体レーザから出射した光
の波長をモニタする手段とから成る。このような構成を
採用することによって、半導体レーザの出射光を有効に
利用し、簡単な構成で波長モニタ及び周波数制御を共に
行うことができる。また、周波数基準装置の反射光を用
いて波長をモニタしているため、正確な結果を得られ
る。これは、通常、グレーティングの反射光と透過光と
では、反射光の方が散乱等の影響を受けにくいからであ
る。一方、透過光の検出信号は、半導体レーザの注入電
流に負帰還されるだけなので、このような影響はそれほ
ど問題にならない。

より具体的には、周波数基準としては光の進行方向に
選択波長の可変なグレーティングを有する導波路を設
け、波長可変レーザの片端から出射される発振光を、基
板上に形成された光導波路を導波させてこのグレーティ
ング領域に入射させ、グレーティングは波長選択性を有
するのでレーザ発振光の波長の変化はグレーティングの
透過光或は反射光の強度の変化に変換され、この信号を
同じ基板上に形成された受光器で検出し、これを増幅器
で増幅して波長可変レーザの注入電流に帰還する。こう
した構成であるので、フィードバックループの長さが非
常に短くなって、光の位相遅れが問題にならなくなり、
広帯域の制御が可能となる。この場合、周波数基準とな
るグレーティング領域の波長選択領域は電流注入などに
より変化することが出来る。そこで、波長可変レーザの
発振波長を変化させるのに同期して、グレーティング領
域の選択波長を変化させれば、簡単に波長可変できて周
波数安定化、スペクトル純度の向上が可能な小型の光集
積型波長可変半導体レーザ装置が実現できる。

［実施例］第１図は本発明の実施例の構成を示す図である。同図
において、１は動的単一モード発振し、位相調整領域16
とその両側にある活性領域17を持つ３電極タイプの分岐
帰還型（DFB）半導体レーザであり、左端面から光出力
を取り出す様になっている。この半導体レーザ１は両側
の活性領域17にのみグレーテイングを具備し、位相調整
領域16にはグレーティングはない。この半導体レーザ１
は右端面からもレーザ光を射出し、このレーザ光は基板
（不図示）上に構成された光導波路８に結合して光アイ
ソレータ２に入射する。光アイソレータ２は光を第１図
左から右の方向へのみ導波せしめ、右から左への光は導
波しない様になっている。

レーザ１から入射し光アイソレータ２を透過した光は
集積カップラ７に入射して２つに分割され、そのうち透
過して直進する成分は導波路８中を導波して、光の進行
方向に沿ってグレーティングを有する分布反射器３に入
射する。この入射した光のうち、或る波長（ブラッグ波
長以外の波長）の光は分布反射器３をそのまま透過し、
或る波長（ブラッグ波長）の光は反射されて集積カップ
ラ７に戻ってここで反射されて、受光器４で受光され
る。よって、レーザ発振光の波長とブラッグ波長との関
係により、各受光器４、５で受光される光量が決定され
る。

このときの分布反射器３の波長特性を第２図、第３図
に示す。即ち、第２図は分布反射器３の反射光強度（受
光器４で受光されるもの）の波長依存性を示し、第３図
は透過光強度（受光器５で受光されるもの）の波長依存
性を示している。

また、アイソレータ２から集積カップラ７に入射して
ここで反射されたもう一方の分割光は受光器６で受光さ
れる。よって、この受光器６にはレーザ発振光の出力に
応じた光量が入ることになる。

次に、本実施例の駆動方法について説明する。

上記構成の波長可変分布帰還型半導体レーザ１は、グ
レーティングのある活性領域17にバイアスT14を通じて
電流注入する定電流源９で駆動する。グレーティングの
ない位相調整領域16は、定電流源18で駆動するが、この
注入電流の制御によってレーザ１の発振波長を変化でき
る。第５図には、利得領域17への注入電流I_aと位相調整
領域16への注入電流I_bとの比（正確にはI_b/I_a＋I_b）と
レーザ１の発振波長の関係が示され、これに従って必要
な時は発振波長λを変化させればよい。

また、分布反射器３は定電流源10で駆動する。この分
布反射器３への注入電流により、第２図、第３図に示し
た中心波長λ_１を変化せしめ、レーザ１の発振波長の変
化（これは位相調整領域16への注入電流I_bを変えて行な
う）と同期させて、レーザ光の周波数変動を検出できる
様にする。

第１図の実施例では、分布反射器３の透過光（受光器
５で受ける。第３図参照）を周波数基準として用いる。
第３図に示す受光器５で受光する光の波長依存性の曲線
の微分波形（微分器19で得られる）は第４図の様になる
ので、受光器５で検出した信号を微分器19を通して利用
し、第４図の波長λ_１のところにレーザ光の発振波長の
中心を固定する様にレーザ１の活性領域17に負帰還を施
せば周波数の安定化、スペクトル純度の向上が図れる。
即ち、レーザ１の発振波長の中心が第２図、第３図の中
心波長λ_１に一致すればする程、受光器５で受ける光量
は減り受光器４で受ける光量は増すので、この信号（い
ずれでもよい）を用いて上記負帰還を施す。

分布反射器３の選択波長λ_１をレーザ発振波長と同期
させるに当たっては、受光器５の検出信号の微分波形
（微分器19で得られる）のDC成分を定電流源10に帰還し
て、このDC成分の信号が０になる様に分布反射器３を制
御すればよい。すなわち、選択波長λ_１がレーザ発振波
長と一致すれば、上記微分波形は第４図のλ_１を中心と
して点対称になってDC成分が０となるので、上記の様に
帰還をかければよいのである。

レーザ１の周波数制御（波長安定、スペクトル純度向
上）について更に具体的に説明する。

受光器５の微分信号は、レーザ１の周波数変動を検出
したものなので、これを増幅器12で増幅して、適当な帰
還率によって、バイアスT14を通じてレーザ１の活性領
域17に負帰還する。増幅器12の帯域は発振光の中心波長
を安定化するならば、DC〜10kHz程度とし、スペクトル
純度の向上の為には10KHz〜100MHz程度とする。増幅器
を多段にして両方を同時に制御することも出来る。

受光器４で検出する光は、第２図に示す如き波長依存
性を持つので、分布反射器３の駆動電流（これで第２図
のλ_１が決まる）と受光器４の検出信号を合わせてレー
ザ１の発振波長をモニタすることができる。

一方、受光器６の信号はレーザ光のパワー変動を検出
したものなので、同様に、増幅器11、バイアスT14を通
じてレーザ１の活性領域17に負帰還を施せば、光出力の
安定化が同時に行える。

以上の方法により、小型（受光器、分布反射器等がレ
ーザ発光部と集積化されているから）で且つ光出力安定
化（受光器６の信号を負帰還させているから）、周波数
安定化（受光器５の信号を負帰還させているから）を達
成した波長可変分布帰還型レーザが実現でき、波長可変
幅として約2nm、スペクトル線幅としては数100kHzのも
のが得られた。

次に、第６図を参照して本実施例の製造工程を説明す
る。この実施例では、GaAs系リッジレーザ構造を採用し
ている。第６図（ａ）において、GaAs基板20の上に、Ai
GaAsの下部クラッド層21、活性層22、光ガイド層23、上
部クラッド層24、キャップ層25の順にエピタキシャル成
長し、フォトレジストのパターニングとエッチングによ
り、レーザ１、受光部４、５、６となる部分のみ残して
該エピタキシャル層を除去する。

次に、第６図（ｂ）において、除去された部分に、下
部クラッド層、光ガイド層、上部クラッド層、キャップ
層の順にエピタキシャル成長し、再成長領域26を形成
し、分布帰還型レーザ１の活性領域17及び分布反射器３
に対する部分のみ光ガイド層までエッチングしてから所
定のピッチのグレーティング27を形成する。このとき２
つの領域のグレーティングピッチは同じにする。

第６図（ｃ）において、グレーティング27上に上部ク
ラッド層、キャップ層を再成長し領域28を形成する。続
いて、第６図（ｄ）において、アイソレータ２に対する
位置のみ基板20までエッチングして、CdTeクラッド層2
9、CdTe/CdMnTe多重量子井戸（MQW）導波路30、CdTeク
ラッド層31の順に成長する。

次に、第６図（ｅ）において、リッジ構造にメサエッ
チングを、上部クラッド層24を僅かに残して行ない、FI
B（集束イオンビーム）によりエッチングして集積カッ
プラ32（45度ミラーを形成した部分）を形成し、SiO₂膜
を成膜する。この後、リッジ上部のSiO₂を除去し、電極
を蒸着して更に電極の分離を行なって第１図の構造が完
成する。

上記の構造に第１図の回路を接続すればよいが、使用
に際して磁気光学効果を利用する光アイソレータの機能
を発揮する為、マグネットが必要となる。

第１図の実施例は、レーザ１への帰還制御を外付けの
電子回路によって行なっていたが、受光器５、６の後段
に増幅器を集積化してもよい。この増幅器は、GaAs系の
FETなどが適している。

この様に増幅器も集積化することで、フィードバック
ループの長さが更に短くなり、レーザ１への帰還制御を
更に広帯域にできる。また、システム全体を更に小型化
することが出来る。

ところで、以上の実施例は、GaAs/AlGaAs系リッジ型
波長可変半導体レーザについて説明したが、他の導波路
構造（埋め込み型、リブ型等）やInP系等の半導体を用
いた半導体レーザにも本発明は適用できる。

また、周波数基準の分布反射器３は、電流を注入して
プラズマ効果により選択波長を変化させたが、その他の
方法（逆バイアス印加による量子閉じ込めシュタルク効
果（QCSE）等を利用する方法）でもよい。

更に、波長可変レーザの方式も、他の方法、例えば、
活性領域のみを持つ２電極型分布帰還型レーザ、活性領
域にグレーティングがなくグレーティング領域で伝搬定
数を変化せしめる分布反射型レーザなどでもよい。

［発明の効果］上記に説明した如く、本発明によれば、簡単な電子回
路で駆動するだけで周波数が安定しスペクトル線幅が狭
く更には光出力も安定させられ得る小型の光集積型波長
可変レーザ装置が実現される。

システム全体が小型化されているので、光の位相遅れ
から帰還制御の制御帯域に制限が生じてレーザ発振光の
周波数制御が十分に行なえないということがなくなり、
コヒーレント光通信などに適用できる波長可変半導体レ
ーザが提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光集積型波長可変半導体レーザ装
置の構造と駆動システムを示す図、第２図は分布反射器
の反射光の波長依存性を示す図、第３図は分布反射器の
透過光の波長依存性を示す図、第４図は第３図の微分波
形を示す図、第５図は波長可変レーザの注入電流と発振
波長の関係を示す図、第６図（ａ）〜（ｅ）は本発明に
よる波長可変半導体レーザ装置の製造工程を示す図、第
７図と第８図は従来例を示す図である。１……分布帰還型レーザ、２……光アイソレータ、３…
…分布反射器、４、５、６……受光器、７……集積カッ
プラ、８……光導波路、９……レーザ駆動用定電流源、
10……分布反射器駆動用定電流源、11……光出力安定用
増幅器、12……周波数制御用増幅器、14……バイアス
Ｔ、16……分布帰還型レーザの位相調整領域、17……分
布帰還型レーザの活性領域、18……位相調整領域駆動用
定電流源、19……微分器、20……GaAs基板、21……AlGa
Asクラッド層、22……AlGaAs活性層、23……AlGaAs光ガ
イド層、24……AlGaAsクラッド層、25……GaAsキャップ
層、26……クラッド層、光ガイド層、クラッド層の順に
再成長した領域、27……グレーティング、28……グレー
ティング上にクラッド層、キャップ層を再成長した領
域、29……CdTeクラッド層、30……CdMnTe/CdTeMQW、31
……CdTeクラッド層、32……45度ミラーを形成した部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−262366（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−158927（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−64380（ＪＰ，Ａ) 特開平２−97914（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−195985（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−55985（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−58982（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】波長可変半導体レーザと、該半導体レーザ
に電流を注入する手段と、前記半導体レーザと同一の基
板上にモノリシックに形成され、前記半導体レーザから
出射した光を伝搬する光導波路及び該光導波路に設けら
れたグレーテイングから成る周波数基準装置と、前記半
導体レーザ及び周波数基準装置の間に設けられ、半導体
レーザから出射した光の一部を周波数基準装置に入射さ
せると共に、周波数基準装置によって反射された光を前
記周波数基準装置への入射光と分離する集積カップラ
と、前記周波数基準装置と透過した光を検出する第１の
受光器と、前記集積カップラによって分離された周波数
基準装置からの反射光を検出する第２の受光器と、前記
第１の受光器の出力信号を前記半導体レーザに注入され
る電流に負帰還することによって前記半導体レーザの発
振周波数を制御する帰還回路と、前記第２の受光器の出
力信号を用いて半導体レーザから出射した光の波長をモ
ニタする手段とから成る光集積型波長可変半導体レーザ
装置。
【請求項２】前記帰還回路は、第１の受光器の出力信号
を微分する微分器を有し、該微分器で微分された信号を
前記半導体レーザに注入される電流に負帰還する請求項
１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】前記集積カップラは、半導体レーザから出
射した光の内、周波数基準装置に入射させる部分を除く
残りの部分を第３の受光器に入射させ、該第３の受光器
の出力信号を前記半導体レーザに注入される電流に負帰
還することによって前記半導体レーザの光出力を制御す
る請求項１又は２のいずれかに記載の半導体レーザ装
置。
【請求項４】前記半導体レーザと集積カップラとの間
に、周波数基準装置によって反射された光が半導体レー
ザに入射することを防止するアイソレータが設けられて
いる請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザ装
置。
【請求項５】前記半導体レーザが３電極型の分布帰還型
レーザから成る請求項１乃至４のいずれかに記載の半導
体レーザ装置。