JP3765117B2 - 外部共振器半導体レーザ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信分用における信号用光源やファイバ増幅器の励起用光源などに用いられる外部共振器半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバに形成した回折格子を外部共振器とする外部共振器半導体レーザでは、その半導体発光素子の活性領域の構造は、図１０に示すように、同じバンドキャップエネルギーを持つ複数の量子井戸層からなる多重量子井戸構造が用いられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
光ファイバに形成した回折格子を外部共振器とする外部共振器半導体レーザの場合、回折格子の回折波長λｓは、半導体レーザのゲインがピークとなる波長に合わせていた。
【０００４】
ところが、外部温度が変化すると、図１１に示すように半導体レーザのゲインがピークとなる波長が変化するが、回折波長λｓは変化しない。このため、外部温度が変化した状況では、回折波長λｓでのゲインは小さくなり、回折波長λｓで発振しなくなる場合も生じるという問題点があった。
【０００５】
本発明は、このような課題を解決すべくなされたものであり、その目的は、外部温度が変化した場合にも、安定して発振動作を行い得る外部共振器半導体レーザを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この問題を解決する手段としては、半導体発光素子のゲインの温度依存性を小さくすれば、温度変化が生じてもゲインの低下は防ぐことができる。
【０００７】
そこで、本発明に係る外部共振器半導体レーザは、高い反射率を有する反射面及びこの反射面に比べて低い反射率を有する出射面を有する半導体発光素子と、出射面から出射された光が入射すると共に、この入射した光のうち特定波長の光を反射する回折格子が形成された光ファイバとを備え、この特定波長の光が反射面と回折格子との間で繰り返し反射することで、レーザ発振を行う外部共振器半導体レーザにおいて、この半導体発光素子は、外部温度の変化によって発光波長帯域が変動した場合にも、発光波長帯域が回折格子の回折波長を含むような帯域幅を有するように、バンドギャップエネルギーの相異なる活性領域を備え、回折波長は、外部温度の変化に対してほぼ一定の波長を有しており、各活性領域から発せられる光のゲインが、回折波長に対してほぼ一定となる発光波長帯域を有するように構成する。このようにバンドギャップエネルギーの異なる活性領域を備えることで、各活性領域から発光中心波長の異なる光が発せられるため、トータルでのゲイン幅を広げることができる。
【０００８】
また、各活性領域から発せられる光のゲインが重合されることで、ゲインがほぼ一定となる発光波長帯域を有しているので、外部温度の変化によってゲインが変化し、発光波長帯域が変動しても、ほぼ一定のゲインが得られる。
【００１０】
本発明に係る外部共振器半導体レーザは、半導体発光素子を、異なるバンドギャップエネルギーを持った複数の量子井戸からなる多重量子井戸構造で構成する。
【００１１】
本発明にかかる外部共振器半導体レーザは、各バンドギャップエネルギーの大小関係が、結晶積層方向に沿って順に単調増加或は単調減少しないように配置して構成する。このように不規則に配置することで、ゲインがより均一になりやすい利点がある。
【００１２】
本発明に係る外部共振器半導体レーザは、半導体発光素子をダブルヘテロ構造で構成する。
【００１３】
本発明に係る外部共振器半導体レーザでは、ダブルヘテロ構造における活性領域を、バンドギャップエネルギーが結晶積層方向に沿って次第に増加又は減少する領域を少なくとも一部に含んで構成する。これは、例えば、バンドギャップエネルギーが結晶積層方向に沿って単調に増加又は減少する場合や、キャリアの注入を均一にすべく、鋸歯状に増減を繰り返す場合を含むものである。このようにバンドギャップエネルギーを変化させることで、発光中心波長を分散させる。
【００１４】
本発明に係る外部共振器半導体レーザは、活性領域が４元混晶で形成されており、格子定数の整合を保ったままこの混晶の比率を変化させることで、バンドギャップエネルギーを変化させて構成する。
【００１５】
本発明に係る外部共振器半導体レーザは、活性領域が４元混晶で形成されており、かつ、転位が生じない範囲で格子不整合を形成することで、バンドギャップエネルギーを変化させて構成する。
【００１６】
本発明に係る外部共振器半導体レーザは、バンドギャップエネルギーの異なる複数のダブルヘテロ構造を有して構成する。
【００１７】
本発明に係る外部共振器半導体レーザは、高い反射率を有する反射面及びこの反射面に比べて低い反射率を有する出射面を有する半導体発光素子と、出射面から出射された光が入射すると共に、この入射した光のうち特定波長の光を反射する回折格子が形成された光ファイバとを備え、特定波長の光が反射面と回折格子との間で繰り返し反射することで、レーザ発振を行う外部共振器半導体レーザにおいて、半導体発光素子は、複数の量子井戸からなる多重量子井戸構造又は超格子構造を有すると共に、隣接する量子井戸の電子波が結合してミニバンドを形成した活性領域を有しており、半導体発光素子の発光波長帯域は、導電帯のミニバンドと価電子帯のミニバンドとの間における電子及び正孔の遷移エネルギーによって決定されており、外部温度の変化によって当該発光波長帯域が変動した場合にも、この発光波長帯域内に前記回折格子の回折波長を含むような帯域幅を有し、回折波長は、外部温度の変化に対してほぼ一定の波長を有しており、各活性領域から発せられる光のゲインが、回折波長に対してほぼ一定となる発光波長帯域を有するように構成する。
【００１８】
このようにミニバンドを形成することで、電子−正孔遷移エネルギーの幅を広げてゲイン幅を広げることもできる。
【００１９】
また、活性領域から発せられる光のゲインが重合されることで、ゲインがほぼ一定となる発光波長帯域を有して構成する。
【００２１】
本発明に係る外部共振器半導体レーザは、半導体発光素子の反射面は、誘電体多層膜による低反射コートが施されており、この低反射コートにおける最も反射率の低い波長が回折格子の回折波長に一致するように構成する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
【００２３】
図１に、外部共振器半導体レーザを示す。この外部共振器半導体レーザは、半導体発光素子（半導体アンプ）１０の出射面１０ａ側に光ファイバ２０の入射端を相対して配置しており、光ファイバ２０のコア部には、その実効屈折率を、光軸に沿った位置に応じて最小屈折率と最大屈折率との間で周期的に変化させた回折格子２１を形成している。半導体発光素子１０の出射面１０ａには誘電体多層膜による低反射コートが形成されており、その低反射コートの最も反射率の低くなる波長が回折格子２１の回折波長に一致させている。
【００２４】
出射面１０ａから出射された光が光ファイバ２０内に入射すると、回折格子２１では、その回折波長に等しい波長成分の光が反射される。この反射光は、光ファイバ２０内を戻り、半導体発光素子１０の反射面１０ｂで再び反射される。このようにして、回折格子２１の回折波長と同じ波長成分の光が、この間で繰り返して反射されることでレーザ発振する。この強められた光は、図示に出射光として示す向きに出射される。
【００２５】
ここで使用される半導体発光素子１０の構造の一例を示す。この半導体発光素子１０の活性領域（活性層）として多重量子井戸構造を使用している。量子井戸層としてはＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどが挙げられ、また、バリア層としてはＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどが挙げられる。
【００２６】
この半導体発光素子１０では、図２に示すように、多重量子井戸構造の各量子井戸層では、それぞれバンドギャップエネルギーＥｇを任意に変えて形成している。各バンドギャップエネルギーＥｇの大きさに応じて発光する光の中心波長が定まるため、各量子井戸層からは、バンドギャップエネルギーＥｇの大きさに応じ、発光中心波長の異なる光が発せられる。そして、各量子井戸層から発せられる光のゲインが重合されることで、半導体発光素子１０全体では、ゲインピークがほぼ一定となる発光波長帯域が形成されるように（図３にトータルのゲイン曲線として示す）、各バンドギャップエネルギーの値を振り分けて形成している。従って、回折格子２１の回折波長に相当するバンドギャップエネルギーが、各量子井戸層のバンドギャップエネルギー中で最も小さいバンドギャップエネルギーと最も大きいバンドギャップエネルギーとの間に存在していることになる。
【００２７】
このように構成することで、結果的にゲイン幅を広げることができる。このため、外部温度が室温から高温に変化した場合には、発光波長帯域が、図４（ａ）から同図（ｂ）に示すように変動するが、回折格子２１の回折波長λｓに対応する発光中心波長域では、ゲインはほぼ一定に推移しており、温度変化によってゲイン（発光波長帯域）がシフトした場合にも、安定した発振動作を確保できる。
【００２８】
なお、必ずしも全ての量子井戸層のバンドギャップエネルギーが異なっている必要はなく、トータルでのゲインを均一にするために、各量子井戸層へのキャリア注入の不均一等を考慮して、量子井戸層の幾つかについては同一のバンドギャップエネルギーであってもよい。
【００２９】
また、隣り合うバンドギャップエネルギーＥｇの大小関係については、図５に示すように、バンドギャップエネルギーＥｇが結晶積層方向に対して単調に減少したり、単調に増加するように各量子井戸層を配置しても良い。ただし、キャリアが必ずしも各量子井戸に均等に注入されるとは限らないため、図２に示すように、隣り合うバンドギャップエネルギーＥｇの大小関係が、一定の増大傾向或は減少傾向とならないように配置することが好ましい。このように、バンドギャップエネルギーＥｇの大小が不規則となるように量子井戸層を配置することで、トータルのゲインはより均一になりやすくなる。
【００３０】
図６に他の実施形態を示す。この例では半導体発光素子の活性領域にダブルヘテロ構造を用いている。ダブルへテロ構造は量子井戸構造よりもゲイン幅が広いので、半導体発光素子１０におけるゲインの温度依存性を低減させる上で有効である。活性領域としてはＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどを用いることができる。
【００３１】
図７に他の実施態様を示す。この例では、半導体発光素子１０の活性領域としてダブルへテロ構造を用いており、活性領域のバンドギャップエネルギーを、活性領域内において結晶積層方向に沿った位置で次第に増加（減少）させている。この例では、ＩｎＰ系のダブルヘテロ構造の活性領域に、４元混晶ＧａＩｎＡｓＰを用いており、格子定数の整合を保ったままこの混晶の比率を変化させることで、バンドギャップエネルギーを位置に応じて順に変化させている。
【００３２】
具体的には、Ｇａ_x Ｉｎ_1-x Ａｓ_y Ｐ_1-y （０＜ｘ、ｙ＜１）において、ｙ≒２．２ｘの関係をみたすとき、ＩｎＰの格子定数とほぼ整合する。このとき、Ｇａ_x Ｉｎ_1-x Ａｓ_y Ｐ_1-y は、Ｇａ_y/2.2 Ｉｎ_1-y/2.2 Ａｓ_y Ｐ_1-y となり、バンドギャップエネルギー（Ｅｇ）は、室温で
Ｅｇ＝０．２５ｙ² −０．８８ｙ＋１．３５［ｅＶ］
と表される。従って、ｙ≒２．２ｘの関係を満たしつつ“ｙ”の値を変えることで、格子整合を保ったまま、バンドギャップエネルギー（Ｅｇ）を変えることができる。
【００３３】
また、転位が生じない範囲で格子整合からずらすことで、活性領域内に任意に格子不整合を形成し、これによって、活性領域のバンドギャップエネルギーを結晶積層方向に沿った位置で次第に変化させることもできる。この場合、適度な格子不整合を活性領域に持たせることにより、ゲインを上げる効果があることが知られており、格子不整が入った場合には、格子整合をとった場合に比べてバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）が変るので、これを考慮してバンドギャップエネルギー（Ｅｇ）の変化を設計すればよい。前述の例では、ｙ≒２．２ｘの条件から転位が生じない範囲でずらす（ｙ＞２．２ｘ、或は、ｙ＜２．２ｘ）ことになる。
【００３４】
このように構成した場合にも、各バンドギャップエネルギーに対応した波長を有する光が発せられるため、ゲインピークがほぼ一定となる発光波長帯域を形成することができる。また、図７中に点線で示したように、キャリアの注入を均一にするために、位置に応じてバンドギャップエネルギーが鋸歯状に増減を繰り返す構造としてもよい。
【００３５】
なお、活性領域としてはＧａＩｎＡｓＰの他に、ＡｌＧａＩｎＡｓなどを用いることができる。
【００３６】
図８に他の実施形態を示す。この例では、半導体発光素子１０の活性領域として２個のダブルへテロ構造を用いている。２つのダブルへテロ構造のバンドキャップエネルギーを変えることで、トータルでゲイン幅を広げている。活性領域としてはＧａＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどを用いることができる。なお、この場合にもバンドギャップエネルギーが鋸歯状に増減を繰り返す構造を組合せて用いることもできる。
【００３７】
図９に他の実施例を示す。この例では、半導体発光素子１０の活性領域として、複数の量子井戸で電子波が結合してミニバンドを形成している多重量子井戸構造を用いている。この場合、回折格子２１の回折波長に相当するバンドキャップエネルギーは、導電帯のミニバンド中の電子と価電子帯のミニバンド中の正孔の結合エネルギー中で最も小さい遷移エネルギーと最も大きい遷移エネルギーとの間にある。この場合にはミニバンドのエネルギー幅によって、半導体発光素子１０のゲイン幅が広がることになる。量子井戸層としてはＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどが挙げられ、また、バリア層としてはＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなどが挙げられる。また、多重量子井戸構造の代りに超格子構造を用い、このようなミニバンドを形成してもよい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、各請求項にかかる外部共振器半導体レーザによれば、半導体発光素子における異なるバンドギャップエネルギーから異なる発光中心波長の光が発せされるため、半導体発光素子からはこれらの光が重合されて出射されることとなる。このため、この半導体発光素子のトータルのゲイン幅が広がることとなり、ゲインの波長依存性を低減することができる。
【００３９】
従って、外部温度が変化して発光波長帯域が変動した場合にも、安定して発振動作を行い得る外部共振器半導体レーザを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る外部共振器半導体レーザの構成を概略的に示す図である。
【図２】活性領域に多重量子井戸構造を用いた場合のエネルギー構造を示す図である。なお、各量子井戸層のバンドギャップエネルギーが変化している状態を示している。
【図３】個々の光のゲイン曲線が重合されることで、トータルでゲイン幅が広がった状態を示すグラフである。
【図４】外部温度が室温（ａ）から高温（ｂ）に変化した場合に、発光波長帯域がシフトする状態を示すグラフである。
【図５】隣り合う量子井戸層のバンドギャップエネルギーが単調に変化するように配置された状態を示す説明図である。
【図６】活性領域にダブルヘテロ構造を採用した場合のエネルギー構造を示す図である。
【図７】活性領域のバンドギャップエネルギーが位置によって順に変化した状態を示す図である。
【図８】２個のダブルヘテロ構造を採用した場合のエネルギー構造を示す図である。
【図９】複数の量子井戸での電子波が結合してミニバンドを形成した状態のエネルギー構造を示す図である。
【図１０】従来の活性領域のエネルギー構造を示す図である。
【図１１】外部温度が室温（ａ）から高温（ｂ）に変化した場合に、発光波長帯域がシフトする状態を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…半導体発光素子、２０…光ファイバ、２１…回折格子
代理人弁理士 長谷川 芳樹

Claims (10)

1. 高い反射率を有する反射面及びこの反射面に比べて低い反射率を有する出射面を有する半導体発光素子と、
   前記出射面から出射された光が入射すると共に、この入射した光のうち特定波長の光を反射する回折格子が形成された光ファイバとを備え、
   前記特定波長の光が前記反射面と前記回折格子との間で繰り返し反射することで、レーザ発振を行う外部共振器半導体レーザにおいて、
   前記半導体発光素子は、外部温度の変化によって発光波長帯域が変動した場合にも、前記発光波長帯域が前記回折格子の回折波長を含むような帯域幅を有するように、バンドギャップエネルギーの相異なる活性領域を備え、
   前記回折波長は、外部温度の変化に対してほぼ一定の波長を有しており、前記各活性領域から発せられる光のゲインが、前記回折波長に対してほぼ一定となる発光波長帯域を有することを特徴とする外部共振器半導体レーザ。
2. 前記半導体発光素子は、異なるバンドギャップエネルギーを持った複数の量子井戸からなる多重量子井戸構造を有する請求項１に記載の外部共振器半導体レーザ。
3. 前記各バンドギャップエネルギーの大小関係が、結晶積層方向に沿って順に単調増加或は単調減少しないように配置したことを特徴とする請求項２記載の外部共振器半導体レーザ。
4. 前記半導体発光素子は、ダブルヘテロ構造を有する請求項１記載の外部共振器半導体レーザ。
5. 前記ダブルヘテロ構造における前記活性領域は、前記バンドギャップエネルギーが結晶積層方向に沿って次第に増加又は減少する領域を少なくとも一部に含む請求項４記載の外部共振器半導体レーザ。
6. 前記活性領域は４元混晶で形成されており、格子定数の整合を保ったまま当該混晶の比率を変化させることで、前記バンドギャップエネルギーを変化させた請求項５記載の外部共振器半導体レーザ。
7. 前記活性領域は４元混晶で形成されており、かつ、転位が生じない範囲で格子不整合を形成することで、前記バンドギャップエネルギーを変化させた請求項５記載の外部共振器半導体レーザ。
8. バンドギャップエネルギーの異なる複数のダブルヘテロ構造を有する請求項４記載の外部共振器半導体レーザ。
9. 高い反射率を有する反射面及びこの反射面に比べて低い反射率を有する出射面を有する半導体発光素子と、
   前記出射面から出射された光が入射すると共に、この入射した光のうち特定波長の光を反射する回折格子が形成された光ファイバとを備え、
   前記特定波長の光が前記反射面と前記回折格子との間で繰り返し反射することで、レーザ発振を行う外部共振器半導体レーザにおいて、
   前記半導体発光素子は、複数の量子井戸からなる多重量子井戸構造又は超格子構造を有すると共に、隣接する量子井戸の電子波が結合してミニバンドを形成した活性領域を有しており、
   前記半導体発光素子の発光波長帯域は、前記導電帯のミニバンドと前記価電子帯のミニバンドとの間における電子及び正孔の遷移エネルギーによって決定されており、外部温度の変化によって当該発光波長帯域が変動した場合にも、この発光波長帯域内に前記回折格子の回折波長を含むような帯域幅を有し、
   前記回折波長は、外部温度の変化に対してほぼ一定の波長を有しており、前記各活性領域から発せられる光のゲインが、前記回折波長に対してほぼ一定となる発光波長帯域を有する外部共振器半導体レーザ。
10. 前記半導体発光素子の出射面は、誘電体多層膜による低反射コートが施されており、この低反射コートにおける最も反射率の低い波長が前記回折格子の回折波長に一致する請求項１〜９のいずれかに記載の外部共振器半導体レーザ。

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