JP3394445B2 - 波長可変半導体レーザ - Google Patents

波長可変半導体レーザ

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JP3394445B2 JP13341898A JP13341898A JP3394445B2 JP 3394445 B2 JP3394445 B2 JP 3394445B2 JP 13341898 A JP13341898 A JP 13341898A JP 13341898 A JP13341898 A JP 13341898A JP 3394445 B2 JP3394445 B2 JP 3394445B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、波長多重光伝送方
式において、発振波長の揺らぎが極めて少なく広範囲に
可変である連続光を発生させる技術に関する。
【0002】
【従来の技術】波長多重光伝送方式では、多重数を大き
くして伝送容量を増大させるため、絶対波長が制御され
た連続光をキャリアとして使用することが必須の要素技
術である。
【0003】従来より、半導体導波路にグレーティング
を付与したDFBレーザや、図4に示したようなDBR
レーザが伝送用光源として検討されていた。これらのレ
ーザでは、グレーティングにより、発振波長λ0は、次
式に示すように制御することができる。
【0004】
【数1】
【0005】ここで、nは半導体導波路の実効屈折率、
ΛGはグレーティングの空間周期、mBは回折次数であ
る。この式(1)はまた、実効屈折率を制御することに
よりレーザの発振波長を変えることが可能であることを
示す。実効屈折率はキャリア密度の関数であり、注入電
流制御によりわずかにチューニング可能である。また、
このような貧弱な注入電流制御による発振波長可変性を
改善するため、それぞれ異なる周期のいくつかのグレー
ティングを導波路中に付与したSSGレーザが提案され
ている。このレーザを用いれば、100nmに及ぶ可変
性を単一素子で実現することが可能である。
【0006】一方、パッシブな導波路にグレーティング
を付与してレーザの外部ミラーとする複合共振器型レー
ザがある。この具体的な例の一つは、図5に示したよう
なファイバグレーティングで、無反射コーティングをし
た半導体レーザと組み合わせて外部共振器レーザを形成
することにより発振波長制御が容易に達成される。ま
た、ファイバを伸張してグレーティングのピッチを変え
ることにより、波長可変性を付与することも可能であ
る。
【0007】また、図6に示すように、ファイバのコア
部分を除去して伝播モードの電界の一部を外部にしみだ
させ、その領域にグレーティングを近接配置することに
より、同様の波長選択機能を実現できる。さらに、図7
に示すように、場所によりピッチの異なるグレーティン
グを用意すれば、グレーティングの位置制御により大き
くブラッグ波長を制御することが可能となり、その結
果、大きな波長可変性が実現できる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】半導体レーザ媒質で
は、2つの光の衝突(波束の重なり)により光子密度は
局所的に時間揺らぎをもつ。その結果、局所的なキャリ
ア密度変動が生じる。このため、グレーティングが半導
体導波路中に存在すると、式(1)が示すとおり、グレ
ーティングにより選択される波長に揺らぎが生じる。こ
のような揺らぎは数百MHzにおよぶため、高密度にキ
ャリアを制御する必要がある高密度波長多重(DWD
M)伝送方式では許容されない。
【0009】一方、ファイバグレーティングの場合に
は、伸張による可変性が大きく制限されるほか、機械的
信頼性を保証することが現状では困難である。また、平
面基板上のグレーティングの場合には、導波路からの近
接場を利用するためにグレーティング部での回折効率が
スペーシングに大きく依存するが、機械的にスペーシン
グを一定に保持しながらグレーティングを移動させるこ
とは困難である。また、平面度のよいガラス導波路を物
理的に密着させると、界面でガラス表面の原子(シリコ
ン)のダングリングボンド間で結合が生じ、その結果、
可変機構が不能となる問題がある。これに対し、屈折率
が整合した潤滑油をスペーサとして使用することにより
この問題を除去することは可能であるが、潤滑油の温度
依存性、経時劣化等が新たな問題となる。
【0010】本発明の目的は、グレーティングを外部ミ
ラーとして発振波長を制御する波長可変半導体レーザを
実現するため、一定のスペーシングを保持しながら外部
グレーティングを移動させてグレーティングのピッチを
変える技術を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明は特許請求の範囲に記載するような構成とす
るものである。
【0012】すなわち、請求項1に記載のように、グレ
ーティングのブラッグ波長の制御により発振波長を制御
する波長可変半導体レーザにおいて、半導体導波路が利
得領域と受動導波路領域とからなり、かつ受動導波路が
伝播モードの電界の一部の空間へのしみだしを許容する
しみだし領域を有し、該しみだし領域に外部グレーティ
ングを空気浮上により近接させる構成の複合共振器型の
半導体レーザであって、グレーティングの周期を選択す
る手段を具備し、グレーティングの周期を選択すること
により発振波長を制御する構成とするものである。
【0013】また、請求項2に記載のように、グレーテ
ィングの周期を選択する手段が、表面にグレーティング
を書き込んだディスクに浮上スライダによりしみだし領
域に近接させ、該ディスクの回転数と導波路がトレース
する円の半径とによりグレーティングの周期を選択する
構成とするものである。
【0014】また、請求項3に記載のように、加圧機構
により空気浮上のスペーシングを常に一定に制御する手
段を具備する構成とするものである。
【0015】また、請求項4に記載のように、複合共振
器型の半導体レーザとして、利得を有する半導体導波路
の一部の上に、導波モードが吸収されない受動導波路
を、該受動導波路と前記利得を有する半導体導波路とが
光学的に結合できる範囲でレーザ基板上に付与し、前記
受動導波路の有するしみだし領域に外部グレーティング
を近接配置する構成のものを用いるものである。
【0016】空気浮上技術では、平面基板と回転ディス
クとの間に発生するスクイズド力を利用する。スクイズ
ド力は空気流の非線形性に起因するもので、平面基板と
ディスクとの間の仮想弾性体として記述できる。スペー
シングは平面基板のディスクへの押しつけ力とスクイズ
ド力との釣り合いにより一義的に決定される。発生する
スクイズド力は、空気流の速度、すなわちディスクの回
転速度により決まる。一定の押しつけ力のもとでは、図
8に示すように、ディスクの回転数の平方根に比例して
浮上スペーシングが増大する。スペーシングの変動を抑
圧するためには、ディスク側の平面にスリットを入れる
などの構造的な工夫が必要である。安定に浮上する平面
基板は浮上スライダとしてハードディスク等に広く用い
られているが、このような浮上スライダを用いると、ガ
ラスディスク等の平滑な面を有するディスクに対して
は、浮上量変動は10%以下に抑圧できる。浮上量の設
定を100nmとすると、変動量は10nm以下であ
る。
【0017】上記のような浮上スライダのディスク側の
面に導波路を配置し、これを、図9に示すような放射状
にグレーティングを書き込んだディスク上に浮上させる
と、導波路中を伝播する光はグレーティングにより回折
される。そして、安定浮上によりスペーシングが一定に
保持されるので、回折効率の変動は抑圧される。このた
め、利得媒質と組み合わせた複合共振器レーザは、グレ
ーティングにより選択される波長で安定に発振すること
が可能である。
【0018】グレーティングのピッチは、スライダの半
径方向の位置および速度に依存する。いま、光の伝播方
向とグレーティングの移動方向が同じであるとし、移動
に伴うドップラシフト周波数をΔωとすると、
【0019】
【数2】
【0020】である。ここで、vはグレーティングの移
動速度、cは光速、ωは発振光角周波数である。このド
ップラシフトを考慮したグレーティングの選択波長は、
【0021】
【数3】
【0022】となる。線速度66m/s(約6000r
pm)までの可変範囲で、中心波長1.55μmに対し
て85MHzの光周波数の可変性が達成される。
【0023】スライダの半径方向の位置およびディスク
の回転速度によりスライダとディスクとの相対速度が変
化するので、浮上量も変化する。そこで、浮上量を一定
に保持するために、本発明では、上記のように、スライ
ダをディスクに押しつける力(加圧力)を制御する機構
を設けている。
【0024】
【発明の実施の形態】図1は、請求項1〜3に基づいて
本発明を実施した場合の波長可変半導体レーザの実施の
形態の例を示したものである。図において、放射状のグ
レーティングディスク2と、半導体レーザ1をマウント
する浮上スライダ3とが配置され、複合共振器レーザが
形成される。グレーティングディスク2の回転は、サー
ボモータ4により行われ、設定により厳密に回転数を制
御する。位相周期ループ型のモータ制御回路5を用いる
ことにより、外部信号の位相に同期した回転制御が可能
である。浮上スライダ3は、それを保持するジンバルバ
ネ6の付け根にリニアアクチュエータ7を配置し、ディ
スク半径方向にシークして位置制御を行う。また、浮上
スライダ3の上面には、加圧アクチュエータ8が配置さ
れ、スライダの浮上量を制御する。このために磁気アク
チュエータを用いれば、遠隔的に加圧制御が可能であ
る。ディスク回転数、スライダの位置及び加圧力をすべ
てグレーティング設定回路9により設定し、最適化を図
る。このようなシステムでは、外部から設定波長を指示
してレーザの波長が制御される。
【0025】図2は図1に示した浮上スライダ近傍の拡
大図であり、複合共振器半導体レーザの構成を説明する
ための図である。図において、浮上スライダ3にモノシ
リックに設けられた受動導波路11と半導体レーザ12
が直接狭い隙間を介して結合されている。受動導波路1
1では、閉じこめ率が低く設定され(モードは広がって
いる)、空気中への電界のしみだし量を大きくしてい
る。このような受動導波路と半導体導波路との結合率を
向上させるため、モード拡大レーザを利用することが望
ましい。このような簡易な構成では結合用レンズ系が不
要のため、超小型・軽量化が達成され、浮上スライダへ
の実装を可能にしている。
【0026】図3は、二つの導波路層をもった半導体を
用いる請求項4に基づいた本発明の実施の形態の例を示
したものである。図において、下層は利得を有する活性
層15であり、この領域にのみ電流が注入される。上層
は受動導波路16で、これは電流非注入とする。損失低
減のため、バンドギャップ波長を1.3μmとするよう
に導波路の材料が選択(例えば、InGaAsP)され
る。また、この受動導波路16は、空気中へ電界をしみ
ださせるために低い閉じこめ係数を有している。これら
二つの導波路(活性層15と受動導波路16)を伝播す
る光はクラッド部で重なり、両者は光学的に結合する
(結合領域17)。このため、活性層15を伝播する光
は、間接的にグレーティングの影響を受けるが、グレー
ティングのピッチは受動導波路の実効屈折率をnuとす
るとλG/nu(λG:バンドギャップ波長)であり、活
性層15におけるキャリア密度変動の影響を直接受ける
ことはない。このため、安定な波長選択性能が発揮され
る。このような半導体レーザを浮上スライダに取り付
け、グレーティングディスクに近接配置する。そして、
図1に示した例と同じシステム構成で、この複合共振器
半導体レーザの波長を制御することができる。
【0027】
【発明の効果】本発明によれば、レーザ媒質による発振
波長の揺らぎがなく、かつ可変範囲の広い波長可変半導
体レーザを低コストで提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による波長可変半導体レーザの一つの実
施の形態を示すシステム構成図である。
【図2】図1に示す波長可変半導体レーザにおける半導
体レーザを搭載した浮上スライダとグレーティングディ
スクとの配置を示した説明図である。
【図3】本発明による波長可変半導体レーザで用いる二
層の導波路を有する半導体レーザの構造を示す説明図で
ある。
【図4】従来のDBRレーザの構成を示す説明図であ
る。
【図5】従来のファイバグレーティングと無反射コート
付き半導体レーザからなる複合共振器レーザの構成を示
す説明図である。
【図6】従来の、受動導波路からの電界のしみだし領域
(近接場領域)に外部グレーティングを配置する構成を
示す説明図である。
【図7】ピッチが異なるグレーティングを有する平面基
板に導波路を近接させる複合共振器レーザの構成を示す
説明図である。
【図8】浮上スライダの回転数とスペーシング(浮上
量)との関係を示す曲線図である。
【図9】放射状にグレーティングを書き込んだグレーテ
ィングディスクにスライダを配置した状態を示す説明図
である。
【符号の説明】
1 半導体レーザ 2 グレーティングディスク 3 浮上スライダ 4 サーボモータ 5 モータ制御回路 6 ジンバルバネ 7 リニアアクチュエータ 8 加圧アクチュエータ 9 グレーティング設定回路 10 リニアアクチュエータ制御回路 11 受動導波路 12 半導体レーザ 13 ディスク基板 14 グレーティング 15 活性層 16 受動導波路 17 結合領域 18 レーザ基板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平10−107370(JP,A) 特開 平3−145174(JP,A) 浮田 宏生,浮上型光集積ヘッド,応 用物理,1992年,第61巻 第1号 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 H01S 3/30 - 3/30 JICSTファイル(JOIS)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】グレーティングのブラッグ波長の制御によ
    り発振波長を制御する波長可変半導体レーザにおいて、
    半導体導波路が利得領域と受動導波路領域とからなり、
    かつ受動導波路が伝播モードの電界の一部の空間へのし
    みだしを許容するしみだし領域を有し、該しみだし領域
    に外部グレーティングを空気浮上により近接させる構成
    の複合共振器型の半導体レーザであって、グレーティン
    グの周期を選択する手段を具備し、グレーティングの周
    期を選択することにより発振波長を制御することを特徴
    とする波長可変半導体レーザ。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の波長可変半導体レーザに
    おいて、グレーティングの周期を選択する手段が、表面
    にグレーティングを書き込んだディスクに浮上スライダ
    によりしみだし領域を近接させ、該ディスクの回転数と
    導波路がトレースする円の半径とによりグレーティング
    の周期を選択するものであることを特徴とする波長可変
    半導体レーザ。
  3. 【請求項3】請求項1または2に記載の波長可変半導体
    レーザにおいて、加圧機構により前記空気浮上のスペー
    シングを常に一定に制御する手段を具備することを特徴
    とする波長可変半導体レーザ。
  4. 【請求項4】請求項1ないし3のいずれか1項に記載の
    波長可変半導体レーザにおいて、複合共振器型の半導体
    レーザとして、利得を有する半導体導波路の一部の上
    に、導波モードが吸収されない受動導波路を、該受動導
    波路と前記利得を有する半導体導波路とが光学的に結合
    できる範囲でレーザ基板上に付与し、前記受動導波路の
    有するしみだし領域に外部グレーティングを近接配置す
    る構成のものを用いることを特徴とする波長可変半導体
    レーザ。
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EP3076500B1 (en) * 2013-11-27 2018-10-10 NGK Insulators, Ltd. External-resonator-type light emitting device
US9331454B2 (en) 2013-11-27 2016-05-03 Ngk Insulators, Ltd. External resonator type light emitting system

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浮田 宏生,浮上型光集積ヘッド,応用物理,1992年,第61巻 第1号

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