JP3411324B2

JP3411324B2 - 導波路付半導体レーザ

Info

Publication number: JP3411324B2
Application number: JP07779293A
Authority: JP
Inventors: 克明曲; 正宏湯田; 安弘鈴木; 泰夫柴田; 和生笠谷; 充永沼
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1993-04-05
Filing date: 1993-04-05
Publication date: 2003-05-26
Anticipated expiration: 2018-05-26
Also published as: JPH06291419A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光伝送又は光計測・光
交換等に用いられる導波路付半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】光伝送分野、特に光加入者網を構成する
には受光素子と発光素子を集積化した安価な送受信モジ
ュールが必要となる。そこで用いられる光集積回路用の
半導体レーザは、作製が容易で且つ低閾値で大きな光出
力が取り出されることが望まれる。

【０００３】半導体レーザを発振させるには共振器を構
成する必要があり、劈開面又は回折格子の導入が不可欠
である。回折格子の導入は、作製が複雑となるため、結
晶端面を用いたファブリペローレーザが望ましい。劈開
ではなく、エッチングによってファブリペローレーザの
共振器端面を作製した従来構造を図１１に示す。

【０００４】図１１に示すように、半導体基板上におい
て、半導体レーザの活性槽（コア）１と導波路２は、溝
３を介して結合している。活性槽１は、導波路２よりも
バンドギャップ波長が長い。レーザ発振は、半導体レー
ザの一方の端面７と、溝３で構成される端面と間で行わ
れる。

【０００５】半導体材料は屈折率が３以上と空気のそれ
に比べて大きいため、半導体材料を伝播するビーム径が
小さいほど、空気中に出射した際により大きな回折効果
を受け、放射状に広がる。例えば、溝幅５μｍでは多く
の光が散乱し、半導体レーザから導波路への結合効率は
１０％以下になってしまう。また、活性槽１と導波路２
の間の溝３で結合されず散乱される光は、基板上に迷光
として存在することとなり、例えば、モノリシック集積
された受光素子への雑音になるという問題がある。

【０００６】図１２は図１１の改良された従来例であ
る。同図に示すように、活性層１と導波路コア２の両方
は、溝３に近づくに従って、コア幅が細まるテーパコア
４となって、微小コアに接続されている。活性層１の幅
が徐々に細くなっていくことにより、顕著な伝搬損失の
増大を招くことなく、溝３端面で導波路光のビーム形状
が拡大される。

【０００７】ビーム形状が拡大されていることにより、
溝３に出射した光の溝３伝搬中の回折効果が小さく、溝
３の導波路側におけるビーム形状は溝３への出射前のビ
ーム形状と殆ど変化しない。一方、導波路２の幅が溝３
から離れるに従い徐々に広がるため、溝３端面で拡大さ
れていたビーム形状は、再び導波路２の大きさで決まる
大きさに戻る。従って、溝３の近傍では、拡大されたビ
ーム同士の結合となるため、結合効率が改善される。

【０００８】しかし、活性槽１と導波路２の間の溝３の
間で結合されずに散乱される光は、基板上に迷光として
存在することとなり、例えばモノリシック集積された受
光素子への雑音になるという問題が生じる。更に、活性
層と導波路とのテーパ状の突き合わせ部において、サブ
ミクロンオーダーの合わせ精度が必要となるので作製が
非常に難しい。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように集積回路に
おいて結晶面を作製するというとこは、半導体レーザの
導波路との間に溝が生じるためにレーザ発振光が空気中
に放射され、導波路中への光の取り出しが悪くなる、溝
部で反射した光の一部が迷光としてデバイス内に放射さ
れる、マスク合わせが難しい等という問題が生じる。

【００１０】本発明は、上記従来技術に鑑みてなされた
ものであり、ファブリペローレーザと導波路との結合を
改善するために、光の取り出し用の合分岐回路をレーザ
ーの共振器構造の内部に導入することにより、導波路か
ら大きな光出力の取り出せるモノリシック集積回路を提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】斯かる目的を達成する本
発明の半導体レーザの構成は、従来の構造が導波路と活
性層との結合面と共振器構造端面とを同一とするのに対
し、光出力を取り出すための合分岐回路をレーザー共振
器の内部に導入し、半導体レーザが発振するために必要
となるレーザー共振器と、活性層と導波路との結合面を
別にすることを特徴とする。

【００１２】

【作用】本発明の導波路付半導体レーザは、光出力を取
り出すための導波路部を分岐構造によって新たに構成
し、半導体レーザが発振するために必要となる共振器構
造端面と導波路との結合面を別にすることにより大きな
光出力が導波路から得られることを特徴としている。こ
れにより光導波路から取り出せる光出力の大きなモノリ
シック光集積回路を提供することができる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明について、図面に示す実施例を
参照して詳細に説明する。図１〜７に本発明の実施例を
示す。これらは、何れもＩnＰ系の材料を使用したもの
である。これらの実施例は、次の三つの種類に分類する
ことができる。タイプＡ：レーザ共振器端面の一方と導波路の端面が同
一となっているものタイプＢ：レーザ共振器両端面と導波路が垂直となって
いるものタイプＣ：レーザ共振器両端面が同一端面で構成されて
おり、分岐導波路の端面とは対向する反対側の端面とな
っているもの図１，図２，図３に示す実施例１，２，３はタイプＡに
属し、図４，図５に示す実施例４，５はタイプＢに属
し、図６，図７はタイプＣに属する。

【００１４】〔実施例１〕図１に本発明の実施例１を示
す。即ち、図１に示すように、半導体基板上において、
活性層１と導波路２とが直線状に結合され、導波路２中
に合分岐回路として非対称合分岐構造１０が挿入されて
いる。この非対称合分岐構造１０は、導波路２と平行な
分岐導波路５と接続している。分岐導波路５は、光出力
を取り出すために設けられるものである。

【００１５】非対称合分岐構造１０としては、図８に示
すミラーを用いた非対称合分岐構造、図９に示す非対称
Ｙ分岐構造が用いられる。また、非対称合分岐構造１０
に代えて図１０に示す方向性結合器を用いても良い。活
性層１の図中左方の端面は導波路１との結合面であり、
活性層１の図中右方の端面７は結晶の劈開面を利用した
ものである。また、導波路２の図中右方の端面は活性層
１との接合面であり、導波路２の図中右方の端面６は、
結晶の劈開面を利用したものである。

【００１６】本実施例においては、レーザ共振器は活性
層１の図中右方の端面（劈開面）７と導波路２の図中左
方の端面（劈開面）６により構成され、活性層１と導波
路２との結合面は、レーザ共振器を構成しない。従っ
て、活性層１で発光した光は、活性層１と導波路２との
結合面を透過し、導波路２、非対称合分岐構造１０を経
て導波され、導波路２の図中左方の端面６で反射され、
更に、導波路２、非対称合分岐構造１０を経て導波さ
れ、活性層１と導波路２との結合面を透過し、活性層１
の図中右方の端面７との間で反射することを繰り返し、
レーザ発振を起こす。また、レーザ発振光は、非対称合
分岐構造１０により分岐されて、分岐導波路５により取
り出される。

【００１７】このように、本実施例においては、活性層
１と導波路２との結合面は、レーザ共振器を構成しない
ため、非対称合分岐構造１０は、レーザ共振器内部に存
在することになる。この為、レーザ共振器内のフィード
バック効率が低減することとなるが、溝を介した場合よ
りも導波路２に効率よく結合するので、分岐導波路５か
ら取り出せる光出力を大きくすることができる。

【００１８】ここで、非対称合分岐構造１０としては、
図８に示すように、導波路１１，１２，１３のサイズを
異ならせると共に反射ミラー１４を用いてその分岐比を
変化させることができる。即ち、図８に示すように、第
一の入出力導波路１１は、図中右方へ行くに従って、幅
が広がる形状であり、左側から第一の入出力導波路１１
へ入射したビームは導波路幅が広がることに基づいて、
そのビーム径を広げながら、分岐部に到達する。

【００１９】分岐部において、第一の入出力導波路１１
は第二、第三の入出力導波路１２，１３に分岐され、第
三の入出力導波路１３は、第一の入出力導波路１１と平
行であるのに対し、第二の入出力導波路１２は、図中斜
め右下へ延びている。

【００２０】ここで、分岐部の図中上半分においては、
反射ミラー１４が斜めに配置されているため、反射ミラ
ー１４で反射した光は、第二の入出力導波路１２に出射
することになる一方、反射ミラー１４で反射しない分岐
部の図中下半分へ伝搬する光は、そのまま直進して、第
三の入出力導波路１３へ出射することになる。ここで
は、モード変換は徐々に行われるので、原理的にはモー
ド変換ロスは起こらない。

【００２１】図８に示す非対称合分岐構造１０は、反射
ミラー１４を用いて分岐角を自由に設定することができ
るので、例えば、二つの入出力導波路のなす角を９０°
にすることができ、分岐回路サイズのコンパクト化が可
能となり、集積化に大きな利点を有する。尚、反射ミラ
ー１４の位置を分岐部の図中上半分、つまり、第一の入
出力導波路１１の図中上半分としていたため、入出力導
波路１２，１３の出射光量は等しいが、反射ミラー１４
の図中右端の位置を上下させることにより、入出力導波
路１２，１３の出力光量を加減することができる。

【００２２】例えば、反射ミラー１４の図中右端の位置
を中央より上側へ移動させることにより、第三の入出力
導波路１３への出射光量を第二の入出力導波路１２への
出射光量に比べて大きくすることができ、逆に、反射ミ
ラー１４の図中右端の位置を中央より下側へ移動させる
ことにより、第二の入出力導波路１２への出射光量を第
三の入出力導波路１３への出射光量に比べて大きくする
ことができる。ここでは、分岐の場合について説明した
が、合波の場合も分岐の場合と逆過程として同様に考え
ることができる。

【００２３】尚、活性層１の端面７に金属又は誘電体多
層膜からなる高反射膜を設けることにより、レーザの閾
値低減を行うことができる。本実施例の半導体レーザと
従来の半導体レーザについて実際の特性について調べた
ところ、波長１．３μｍ帯の半導体レーザについては、
図１１に示す従来の半導体レーザでは、発振閾値１５ｍ
Ａ、電流５０ｍＡにおいて、導波路２から光出力０．３
Ｗが得られたのに対し、図１に示す本実施例において
は、分岐導波路５からの取り出し光量を増加するために
分岐導波路５への分岐比を７０％としたとき、同一基板
上で発振閾値２０ｍＡ、電流５０ｍＡにおいて、導波路
５からの光出力１ｍＷが得られた。

【００２４】このように、共振器内のフィードバック効
率が非対称合分岐構造の導入によって、発振閾値の僅か
な上昇がみられたが、分岐導波路５から取り出せる光出
力は大きく増大していることが判る。更に、分岐導波路
５の図中左側における導波路端近傍で、分岐導波路５が
端面６に近づくにしたがって、テーパ状に導波路幅を細
くすることで、光ファイバとも良好な結合を行うことも
可能である。

【００２５】〔実施例２〕本発明の実施例２を図２に示
す。本実施例は、実施例１における導波路２の図中左側
部分を活性層１′に置換したものであり、その他の構成
は、実施例１と同様である。

【００２６】本実施例は、実施例１に比較して、活性層
領域が長くなるため、増幅領域が増大し、発振閾値が低
減する効果がある。尚、活性層１′の位置は、導波路２
の中間にしてもよく、また、二つ以上に分割しても良
い。尚、活性層１の端面７に金属又は誘電体多層膜から
なる高反射膜を設けることにより、更に、レーザの閾値
低減を行うことができる。

【００２７】〔実施例３〕本発明の実施例３を図３に示
す。本実施例は、レーザ共振器の一方の端面を、エッチ
ングによる溝３で構成するものである。即ち、実施例１
において、導波路２の図中左方部分を削除し、その削除
した導波路２の端面にエッチングによる溝３を設けたも
のであり、その他の構成は、実施例１と同様である。

【００２８】従って、本実施例では、レーザ共振器は、
レーザ共振器は活性層１の図中右方の端面（劈開面）７
と導波路２の図中左方の端面である溝３により構成さ
れ、図中左方の端面（劈開面）８はレーザ共振器を構成
しない。この為、劈開面を用いることのできない集積用
半導体レーザの作製において優れている。尚、実施例２
と同様に、導波路２の一部を活性層１′と置換しても良
く、また、活性層１の端面７に金属又は誘電体多層膜か
らなる高反射膜を設けることにより、更に、レーザの閾
値低減を行うことができる。

【００２９】〔実施例４〕本発明の実施例４を図４に示
す。本実施例は、図３に示す実施例１において、導波路
２と分岐導波路５とを平行ではなく、直角に配置したも
のであり、従って、導波路２と分岐導波路５とは異なる
出射端面を有する。また、分岐導波路５の出射端面８に
は、光ファイバとの結合を良くするため、反射防止膜を
被覆することが望ましい。尚、その他の構成は、実施例
１と同様である。

【００３０】図１，２に示す実施例では、端面６はレー
ザ共振器端面をも構成するので、低閾値レーザを実現す
るためには、端面６の反射率が高い程好ましい。しか
し、端面６は、分岐導波路５の出射端面を構成するの
で、端面６の反射率を高めると、閾値が高くなる欠点が
ある。これに対し、本実施例では、レーザ共振器を構成
する端面６，７には金属又は誘電体多層膜よりなる高反
射膜を被覆し、分岐導波路５の出射端面８には反射防止
膜を被覆することができるので、分岐導波路５からの取
り出し光の増大とレーザの低閾値とを同時に実現するこ
とができる。

【００３１】例えば、端面６，７に高反射膜を、端面８
に反射防止膜を被覆することにより、発振閾値７ｍＷ、
電流５０ｍＷにおいて分岐導波路５から光出力８ｍＷの
良好な結果が得られた。尚、高反射膜、反射防止膜は、
必ず必要なものではなく、これらの被覆を行わずに使用
することも可能である。

【００３２】〔実施例５〕本発明の実施例５を図５に示
す。本実施例は、図４に示す実施例４において、導波路
２の一部を、活性層１′で置換したものであり、その他
の構成は実施例４と同様である。

【００３３】本実施例においても、レーザ共振器を構成
する端面６，７には金属又は誘電体多層膜よりなる高反
射膜を被覆し、分岐導波路５の出射端面８には反射防止
膜を被覆することができるので、分岐導波路５からの取
り出し光の増大とレーザの低閾値とを同時に実現するこ
とができる。尚、高反射膜、反射防止膜の被覆を行わず
に使用することも可能である。

【００３４】尚、実施例４，５においても、図３に示す
実施例３と同様にエッチングによる溝３を形成してレー
ザ共振器の一方を構成しても良い。このようにすると、
レーザ発振は、溝３で構成される端面と、活性層の一方
の端面７との間で起こり、非対称合分岐構造１０を介し
て分岐導波路５から光を取り出すことができる。更に、
レーザ共振器の両方の端面を、エッチングによる溝３で
構成しても良い。

【００３５】〔実施例６〕本発明の実施例６を図６に示
す。本実施例は、コ字状に折れ曲がった導波路２を用い
るものである。即ち、図６に示すように、半導体基板上
においては、コ字状に折れ曲がった導波路２と活性層１
とが結合されると共に導波路２中には非対称合分岐構造
１０が挿入され、その折曲部には全反射ミラー９が配置
されている。この非対称合分岐構造１０は、導波路２と
平行な分岐導波路５と接続している。分岐導波路５は、
光出力を取り出すために設けられるものである。

【００３６】本実施例では、半導体レーザとしての共振
器端面は、活性層１と導波路２とを介して一つの端面７
で構成されるので、端面７に高反射膜を被覆することに
より、一度に共振器の両端面に高反射膜を設けることが
できるという利点がある。

【００３７】〔実施例７〕本発明の実施例７を図７に示
す。本実施例は、図６に示す実施例６において、導波路
２の一部を活性層１′で置換した構成であり、その他の
構成は、実施例６と同様である。本実施例においても、
半導体レーザとしての共振器端面は、活性層１と導波路
２とを介して一つの端面７で構成されるので、一度に共
振器の両端面に高反射膜を設けることができるという利
点がある。

【００３８】尚、実施例６，７において、図３に示す実
施例３のように同様にエッチングによる溝３を形成して
レーザ共振器の一方の端面を構成しても良い。このよう
にすると、レーザ発振は、溝３で構成される端面と、活
性層の一方の端面７との間で起こり、非対称合分岐構造
１０を介して分岐導波路５から光を取り出すことができ
る。更に、レーザ共振器の両方の端面を、エッチングに
よる溝３で構成しても良い。レーザ共振器を構成する端
面６，７には金属又は誘電体多層膜よりなる高反射膜を
被覆し、分岐導波路５の出射端面８には反射防止膜を被
覆することができる。

【００３９】尚、上述した実施例１〜７において非対称
合分岐構造１０としては、他に、図９に示すように導波
路のサイズを異ならせることにより、分岐比を変化させ
ることのできる非対称Ｙ分岐構造を用いることができ
る。この構造では、図９中左側から第一の入出力導波路
１１へ入射したビームは分岐部で緩やかにモード変換さ
れ、第二、第三の入出力導波路１２，１３へ分岐して出
射する。合波の場合も同様である。第二、第三の入出力
導波路１２，１３の幅、分岐角、高さを変化させること
により、分岐比を調整することができる。分岐導波路へ
の結合を考慮すると、分岐角はあまり大きく取ることが
できない。

【００４０】更に、非対称合分岐構造１０に代えて、図
１０に示すように方向性結合器を利用したものも考えら
れる。この構造では、導波路は四つあるが、どれかを未
使用とすると、図９と同様な効果が得られる。合波の場
合も同様である。二つの導波路長を調整することによ
り、その分岐比を任意に設定することができる。この実
施例でも、方向性結合器を構成する二つの導波路から分
岐させてゆく上での分岐角をあまり大きくとることがで
きない。

【００４１】上記実施例では、レーザからの光の取り出
しを多くするため、合分岐回路として非対称合分岐構造
を用いた構成となっているが、合分岐回路として対称合
分岐構造を用いることも可能である。本発明は、ＧaＡs
系の他の半導体材料に対しても有効であり、波長につい
ても任意の構成が可能である。また、本発明は、ファブ
リペローレーザに限るものではなく、ＤＦＢレーザ、Ｄ
ＢＲレーザ及びリングレーザにも有効である。更に、２
分岐に限るものではなく、それを越える分岐数を持つ場
合や多段に分岐する場合でも同様の効果が得られる。

【００４２】

【発明の効果】以上、実施例に基づいて具体的に説明し
たように、本発明によれば、光の取り出すための合分岐
回路をレーザ共振器内部に導入することにより、レーザ
共振器を構成する端面と導波路との光結合部が別にな
り、分岐導波路から大きな光出力を取り出すことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る導波路付半導体レーザ
の模式図である。

【図２】本発明の実施例２に係る導波路付半導体レーザ
の模式図である。

【図３】本発明の実施例３に係る導波路付半導体レーザ
の模式図である。

【図４】本発明の実施例４に係る導波路付半導体レーザ
の模式図である。

【図５】本発明の実施例５に係る導波路付半導体レーザ
の模式図である。

【図６】本発明の実施例６に係る導波路付半導体レーザ
の模式図である。

【図７】本発明の実施例７に係る導波路付半導体レーザ
の模式図である。

【図８】非対称合分岐導波路の一例を示す模式図であ
る。

【図９】非対称合分岐導波路の他の例を示す模式図であ
る。

【図１０】方向性結合器の一例を示す模式図である。

【図１１】従来技術に係る半導体レーザと導波路との溝
を介した結合を模式的に示す説明図である。

【図１２】従来技術に係る半導体レーザと導波路との溝
を介した結合を模式的に示す説明図である。

【符号の説明】

１、１′ 活性層（半導体レーザコア）２導波路（コア）３溝４テーパコア５分岐導波路６，７，８端面９全反射ミラー１０非対称合分波構造１１第一の入出力導波路１２第二の入出力導波路１３第三の入出力導波路１４反射ミラー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者柴田泰夫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 (72)発明者笠谷和生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 (72)発明者永沼充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２−188981（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−25588（ＪＰ，Ａ) 特開平２−159786（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】半導体基板上に作成された導波路と、該
導波路に結合され、前記導波路よりもバンドギャップ波
長の長い活性層とを有する導波路付半導体レーザにおい
て、前記導波路中に合分岐回路を挿入することにより、
一つ又は二つ以上の分岐導波路に分岐することを特徴と
する導波路付半導体レーザ。
【請求項２】請求項１において、前記合分岐回路とし
て非対称合分岐構造又は方向性結合器を用いることを特
徴とする導波路付半導体レーザ。
【請求項３】請求項１又は２において、前記導波路、
活性層の端面のうち、レーザ共振器を構成する端面に
は、金属又は誘導体多層膜からなる高反射膜が設けられ
ていることを特徴とする導波路付半導体レーザ。
【請求項４】請求項１，２又は３において、前記分岐
導波路の前記合分岐回路と結合している端面と異なる端
面近傍は導波路端に近づくに従ってテーパ状に導波路幅
が細くなることを特徴とする導波路付半導体レーザ。