JP3151755B2 - 分布帰還型半導体レーザ - Google Patents

分布帰還型半導体レーザ

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JP3151755B2
JP3151755B2 JP09928493A JP9928493A JP3151755B2 JP 3151755 B2 JP3151755 B2 JP 3151755B2 JP 09928493 A JP09928493 A JP 09928493A JP 9928493 A JP9928493 A JP 9928493A JP 3151755 B2 JP3151755 B2 JP 3151755B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、高出力動作時でも単一
モードで発振し、歩留まり良く生産できる分布帰還型半
導体レーザに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、活性層とそれに隣接するガイド層
から形成される光導波路に回折格子を有し、両端面に無
反射コートを施してなる分布帰還型半導体レーザにおい
て、上部電極と下部電極間に電圧を印加し、活性層に電
流を流すことによって、電子と正孔を注入し、それらの
再結合によって光を発生させ、その光をガイド層に形成
された回折格子によって、波長選択性をさらに高めるこ
とにより単一モードで発振させるようにした分布帰還型
半導体レーザが知られている。
【0003】例えば、InGaAsP/InP系の分布帰還型半導
体レーザは、特開平5−48197号公報、特開平5−
48214号公報等に記載されるように、上部電極、p
形InGaAsPキャップ層、P形InPクラッド層、InGaAsPガイ
ド層、InGaAsP活性層、n形InPクラッド層、下部電
極、端面の無反射コーティング層で構成される。
【0004】そして、歩留まり良く生産できる分布帰還
型半導体レーザとして、活性層とそれに隣接するガイド
層から形成される光導波路に回折格子を有し、光導波路
の中央部で回折格子の位相が回折格子の凹凸の周期の2
分1(光導波路内を伝播する光の波長の4分の1)だけ
シフトしており、両端面に無反射コートを施した構造の
ものが良く用いられている。この構造の分布帰還型半導
体レーザは、発振モードが端面での反射の影響を受けな
いため、歩留まり良く生産できる、単一モードで発振す
る等の利点を有する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の分布帰還型半導体レーザでは、活性層とそれに隣接
するガイド層から形成される光導波路に回折格子を有
し、光導波路の中央部で回折格子の位相が回折格子の凹
凸の周期の2分1(光導波路内を伝播する光の波長の4
分の1)だけシフトしており、両端面に無反射コートを
施した構造の分布帰還型半導体レーザは、両端面からの
反射が無いため、回折格子の結合定数を高くしないと端
面からの光損失が高くなり、発振閾値が上昇するため、
回折格子の結合定数を高くする必要があった。
【0006】ところが、光導波路の中央部で回折格子の
位相が回折格子の凹凸の周期の2分1(光導波路内を伝
播する光の波長の4分の1)だけシフトしており、両端
面に無反射コートを施した構造の分布帰還型半導体レー
ザは、回折格子の結合定数を高くすると、光導波路内の
光強度分布が位相シフト部分に向かって指数関数的に増
大するようになり、そのため、高出力動作時には光導波
路中央部のキャリア数が減少し、屈折率が増加して、発
振の単一モード性が低下する問題があった。
【0007】この発振の単一モード性が低下するような
光強度分布の集中を、空間的ホールバーニングと呼んで
いる。
【0008】そこで、本発明者は、活性層とそれに隣接
するガイド層から形成される光導波路に回折格子を有
し、両端面に無反射コートを施してなる分布帰還型半導
体レーザについて、詳細に検討した結果,下記の知見を
得た。
【0009】(a)光導波路中央領域の回折格子の周期
λg,cと、端面に近い2つの領域での回折格子の周期
λg,sとを異ならせても、光導波路の回折格子の中央領
域の長さが全光導波路長の20%以下であれば、分布帰
還型半導体レーザの発振波長は光導波路端面に近い2つ
の領域の回折格子により定まる波長となる。
【0010】そして、中央領域の長さを長くすればする
ほど空間的ホールバーニングは抑制されるが、中央領域
の長さを20%以上とすると発振波長を定めている端面
に近い2つの領域の長さが短くなり過ぎ、波長選択性が
低下し、低出力時でも単一モード発振が困難になる。逆
に、中央部領域の長さを10%以下とすると空間的ホー
ルバーニングは抑制しきれない。
【0011】(b)光導波路中央領域の回折格子の周期
λg,cと端面に近い2つの領域での回折格子の周期λ
g,sとが5%以上離れていると、発振している光と中央
領域の回折格子は殆ど相互作用しない。したがって、光
導波路中央領域の回折格子の周期λg,cと端面に近い2
つの領域での回折格子の周期λg,sとが5%以上離れて
いると、発振している光にとって光導波路中央領域には
回折格子が無いのと同様であり、回折格子の結合定数を
増加しても、光導波路中央領域への光強度の集中は生じ
ず、そのため、高出力時でも単一モード性は維持され
る。しかしながら、5%以上離れていても、周期λg,c
の自然数分の1がλg,sに等しいと、光導波路中央領域
の回折格子の高周波成分と発振している光が強く相互作
用する場合がある。従って、周期λg,cの自然数分の1
とλg,sが等しくなる条件をさける必要がある。
【0012】(c)単一モード発振を行わせるためには
端面に近い2つの領域の回折格子の位相が回折格子の凹
凸の周期の2分1(光導波路内を伝播する光の波長の4
分の1)だけシフトしていることが厳密に守られている
必要がある。
【0013】本発明は、前記知見に基づいてなされたも
のであって、本発明の目的は、回折格子の設計が容易
で、低閾値であり、高出力動作時でも単一モードで発振
し、かつ、歩留まり良く生産することが可能な技術を提
供することにある。
【0014】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。
【0015】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明は、活性層とそれに隣接するガイド層から形
成される光導波路に回折格子を有し、両端面に無反射コ
ートを施してなる分布帰還型半導体レーザにおいて、両
端面に近い2つの両側領域の回折格子の周期をλg,s、
中央領域での回折格子の周期をλg,c、中央領域の長さ
をLcとしたときに、
【0016】
【数1】 λg,c={(2i+1)/2m}λ
g,s (1)
【0017】
【数2】 Lc/λg,c=m×k
(2)
【0018】
【数3】 |(2i+1)/2m−1|>0.
05 (3) (但し、iとmは自然数、kは正の奇数)
【0019】
【数4】 0.1≦Lc/光導波路長≦0.2
(4) なる条件を満足することを特徴とする。
【0020】すなわち、分布帰還型半導体レーザにおい
て、光導波路中央領域の回折格子の周期λg,cと、端面
に近い2つの領域での回折格子の周期λg,sとを異なら
せると共に、光導波路中央領域の回折格子の周期λg,
c、長さLc、端面に近い2つの領域での回折格子の周期
λg,sの最適な組み合わせを定める。
【0021】
【作用】前記の手段によれば、活性層とそれに隣接する
ガイド層から形成される光導波路に回折格子を有し、両
端面に無反射コートを施してなる分布帰還型半導体レー
ザにおいて、その結合定数を高くしても、光導波路中央
領域への光強度の集中は生じず、そのため、高出力時で
も単一モード性は維持される空間的ホールバーニングが
起こらないようにすることができ、これにより、分布帰
還型半導体レーザにおいて、回折格子の設計が容易にな
り、発振閾値を低くでき、高出力動作時でも単一モード
発振を維持し、かつ、歩留まり良く生産できる。
【0022】つまり、分布帰還型半導体レーザにおけ
る、光導波路中央領域の回折格子の周期λg,c、長さL
c、端面に近い2つの領域での回折格子の周期λg,sの
最適な組み合わせを定めることは一般に煩雑で有るが、
前述した条件式(1)(2)(3)(4)によれば、光導波
路中央領域の回折格子の周期λg,c、長さLc、端面に
近い2つの領域での回折格子の周期λg,sの最適な組み
合わせを自動的に与えてくれる。すなわち、本発明の分
布帰還型半導体レーザは、回折格子の設計が容易である
と言える。
【0023】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
【0024】(実施例1)図1は本発明の実施例1であ
る分布帰還型半導体レーザの構成を示す断面図である。
【0025】図1において、1は上部電極、2はキャッ
プ層、3は上方クラッド層、4は左端面に近い領域の周
期λg,sの回折格子、5は中央領域の周期λg,cの回折
格子、6は右端面に近い領域の周期λg,sの回折格子、
7はガイド層、8は活性層、9はバッファ層、10は下
方クラッド層、11は下部電極、12は端面無反射コー
ティング層である。
【0026】図1に示す分布帰還型半導体レーザは、従
来の分布帰還型半導体レーザと同様の材料系あるいは同
様の製造方法で製造される。例えば、キャップ層2とし
てはp形InGaAsPを用い、上方クラッド層3及び下方ク
ラッド層10としてはp形InPを用いる。ガイド層7と
してはInGaAsPを用い、活性層8としてはガイド層7よ
りバンドギャップの小さいInGaAsPを用いる。
【0027】本実施例1の分布帰還型半導体レーザにお
いて、光導波路長は約600μmであり、回折格子は、
一方の端面から240μmまでは周期242nmとし、
240μmから358.701μmまでは周期217.8
nmとし、358.701μmからもう一方の端面まで
は周期242nmとしてある。光導波路中央領域の回折
格子長さは全光導波路長の19.8%であり、10%以
上で20%より小さい。
【0028】前記条件式の記載法に合わせると、光導波
路端面に近い2つの領域での回折格子の周期はλg,s=
242nm,光導波路中央領域の回折格子の周期はλ
g,c=217.8nmであり、i=4,m=5,(λg,
c/λg,s)=0.9に相当している。
【0029】また、|(2i+1)/2m−1|=0.
1である。光導波路中央領域の回折格子のピッチ数は5
45個で、これはm×109(正の奇数)に等しい。回
折格子の深さは31nmであり、結合定数は50cm-1
である。このレーザの結合定数と光導波路長の積は約3
となり、通常の分布帰還型レーザの結合定数と光導波路
長の積が、1〜2であるのに較べると高い。それを反映
して、閾値は10mAと低い値が得られた。また、本実
施例1では、空間的ホールバーニングを充分抑圧してい
るため、20mWの高出力においても、単一モード発振
を維持することができた。
【0030】(実施例2)本発明の実施例2の分布帰還
型半導体レーザの素子構造は、図1に示した実施例1の
分布帰還型半導体レーザと同じで、光導波路長、回折格
子の周期及び回折格子の深さが異なっている。
【0031】実施例2の分布帰還型半導体レーザにおい
て、光導波路長は約300μmであり、回折格子は、一
方の端面から127μmまでは周期244nmとし、1
27μmから172.018μmまでは周期366nm
とし、172.018μmからもう一方の端面までは周
期244nmとしてある。
【0032】光導波路中央領域の回折格子長さは全光導
波路長の15.0%であり、10%以上で20%より小
さい。前記条件式の記載法に合わせると、光導波路端面
に近い2つの領域での回折格子の周期はλg,s=244
nm,光導波路中央領域の回折格子の周期はλg,c=3
66nmであり、i=1,m=1,λg,c/λg,s=
1.5に相当している。
【0033】また、|(2i+1)/2m−1|=0.
5である。光導波路中央領域の回折格子のピッチ数は1
23個で、これはm×123(正の奇数)に等しい。回
折格子の深さは51nmであり、結合定数は83cm-1
である。このレーザの結合定数と光導波路長の積は約
2.5となり、通常の分布帰還型レーザの結合定数と光
導波路長の積が、1〜2であるのに較べると高い。それ
を反映して、閾値は6mAと低い値が得られた。また、
本実施例2においても、空間的ホールバーニングが充分
抑圧されているため、15mWの高出力においても、単
一モード発振を維持することができた。
【0034】また、実施例1及び2では、回折格子をガ
イド層7に形成してあるが、活性層8に形成しても良
く、その場合においても、その作用効果において何等変
わるものではない。
【0035】以上、本発明を実施例に基づき具体的に説
明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものでは
なく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能
であることは勿論である。
【0036】
【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、分布帰還型半導体レーザにおいて、その結合定数を
高くしても、空間的ホールバーニングが起こらないよう
にすることができる。これにより、分布帰還型半導体レ
ーザにおいて、回折格子の設計が容易になり、発振閾値
を低くでき、高出力動作時でも単一モード発振を維持
し、かつ、歩留まり良く生産できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施例である分布帰還型半導体レ
ーザの構成を示す断面図。
【符号の説明】
1…上部電極、2…キャップ層、3…上方クラッド層、
4…左端面に近い領域の周期のλg,s回折格子、5…中
央領域の周期λg,cの回折格子、6…右端面に近い領域
の周期λg,sの回折格子、7…ガイド層、8…活性層、
9…バッファ層、10…下方クラッド層、11…下部電
極、12…端面無反射コーティング層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中野 純一 東京都千代田区内幸町一丁目1番6号 日本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特開 平1−313984(JP,A) 特開 平2−25086(JP,A) 特開 平4−100287(JP,A) 特開 昭61−125187(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 活性層とそれに隣接するガイド層から形
    成される光導波路に回析格子を有し、両端面に無反射コ
    ートを施してなる分布帰還型半導体レーザにおいて、前
    記両端面に近い2つの両側領域の回析格子の周期をλ
    g,s、中央領域での回析格子の周期をλg,c、中央領域
    の長さをLcとしたときに、 λg,c={(2i+1)/2m}λg,s (iとmは自
    然数) Lc/λg,c=m×k (kは正の奇数) |(2i+1)/2m−1|>0.05 なる条件を満足し、かつ、中央領域の長さLcが光導波
    路長の10%以上で20%以下であることを特徴とする
    分布帰還型半導体レーザ。
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JP6657537B2 (ja) * 2014-04-25 2020-03-04 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 半導体レーザ素子及び半導体レーザ素子の製造方法
CN108808443B (zh) * 2018-07-10 2023-06-09 中国科学院福建物质结构研究所 一种基于正交光栅结构的单纵横模激光器及其制备方法

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