JP4013394B2

JP4013394B2 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP4013394B2
Application number: JP08810299A
Authority: JP
Inventors: 雅樹野田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000284241A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられる半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、幹線系光通信システムの長距離・大容量化の研究開発が盛んに行われている。半導体レーザに電界吸収型半導体光変調器を集積化した変調器集積化半導体レーザは、変調時の波長チャープが小さいため長距離大容量光ファイバ通信システムのキーデバイスとして注目されている。図６には、その一例として、特開平１０−８４１６６記載の半導体レーザ装置の断面図を示す。図において、１は変調器集積化半導体レーザ素子であり、レーザ光を出射する半導体レーザ部２と、このレーザ光の強度変調を行う電界吸収型半導体光変調器部３を有し、半導体レーザ部２と電界吸収型半導体光変調器部３とはモノリシックに集積化されている。また、変調器集積化半導体レーザ素子１は光導波路層（活性層）４ａ、光導波路層（吸収層）４ｂ、半導体レーザ部２の電極５ａ、電界吸収型半導体光変調器部３の電極５ｂおよび接地電極６とを備えている。
【０００３】
以下、この従来の半導体レーザ装置の動作について説明する。図６において、半導体レーザ部２の電極５ａに直流電流を給電すると半導体レーザ部２からは連続光が出射され、光導波路層(活性層）４ａにより電界吸収型半導体光変調器部３に入射される。一方、電界吸収型半導体光変調器部３の光導波路層（吸収層）４ｂでは、電極５ｂに印加される電圧に応じてこのレーザ光の吸収が変化するため、電極５ｂに変調信号電圧を印加すれば、電界吸収型半導体光変調器部３の出射端面から出射されるレーザ光には信号電圧に対応した強度変調が施されることになる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記図６に示された従来の半導体レーザ装置においては、以下に述べるような問題点があった。すなわち、前記の変調器集積化半導体レーザ素子１の周波数応答特性は、電界吸収型半導体光変調器部３の電極５ｂと接地電極６との間に生じる寄生容量によって制限され、一般的に、この寄生容量が小さいときに高周波までの周波数応答特性が得られる、つまりより高速で変調が可能であるといった特性を有している。従って、寄生容量を低減するために、電界吸収型半導体光変調器部の光導波方向の変調器長を短くするといった手法が採られるが、変調器長を短くすると、電界吸収型半導体光変調器部３における光の吸収量が小さくなるため、電界吸収型半導体光変調器部３から出射される変調光波形の”０”、”１”の消光比が小さくなり光Ｓ／Ｎ特性が劣化し、伝送特性に悪影響を及ぼしてしまう。つまり、変調器長をパラメータとしたときの周波数応答特性と伝送特性とはトレードオフの関係に有るという問題点があった。特に、近年の長距離大容量光ファイバ通信システムにおいては、変調速度の高速化と長距離化に対応した伝送特性の改善とが最重要課題の一つであり、これらを両立させる技術開発が待たれていた。
【０００５】
この発明の目的は、従来の半導体レーザ装置の前記のような不具合点を解消するためになされたもので、電界吸収型半導体光変調器での光の吸収量を犠牲にすることなく寄生容量を低減できるよう構成することによて、長距離大容量光ファイバ通信システムに適した半導体レーザ装置を得ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる半導体レーザ装置は、前記の目的を達成するために、レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を直列に通して変調する複数の電界吸収型半導体光変調器素子と、複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子を電気的に直列に接続するための給電回路と、複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子で同期して変調が施されるように複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子に印加される信号電圧の遅延量を制御するための回路とを備えたものである。
【０００７】
また、この発明に係わる半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ素子と、複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子と、前記給電回路とを同一のケース内に収納したものである。
【０００８】
また、この発明に係わる半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ素子と前記電界吸収型半導体光変調器素子との間、または複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子同士の間に、一つまたは複数の結合光学系を配置したものである。
【０００９】
さらに、この発明に係わる半導体レーザ装置は、前記結合光学系に、前記半導体レーザ素子の発振中心波長近傍において低反射となる光学コーティングを施したものである。
【００１０】
また、この発明に係わる半導体レーザ装置は、前記結合光学系に、先球ファイバを用いたものである。
【００１１】
また、この発明に係わる半導体レーザ装置は、前記半導体レーザ素子と前記電界吸収型半導体光変調器素子との間、または複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子同士の間に、光アイソレータを配置したものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１である半導体レーザ装置の構成を表す断面図を示す。図１において、２は半導体レーザ素子であり、電極５ａ、光導波路層（活性層）４ａおよび接地電極６ａを備えている。また、３ｂ、３ｃは電界吸収型半導体光変調器素子であり、それぞれ電極５ｂ、５ｃ、光導波路層（吸収層）４ｂ、４ｃおよび裏面電極６ｂ、接地電極６ｃを備えている。なお、この実施の形態１においては、半導体レーザ素子２と電界吸収型半導体光変調器素子３ｂ、電界吸収型半導体光変調器素子３ｃはそれぞれ物理的、電気的に分離されている。さらに、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂの裏面電極６ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃの電極５ｃとを電気的に接続するために給電回路７を備えており、電界吸収型半導体光変調器３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃとは電気的に直列になるように実装されている。
【００１３】
以下、この実施の形態１の動作について説明する。図１において、半導体レーザ素子２の電極５ａに直流電流を給電すると半導体レーザ素子２の光導波路層(活性層）４ａから連続光が出射（図中矢印Ａ）され、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂの光導波路層(吸収層）４ｂに入射される。一方、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂでは、電極５ｂと裏面電極６ｂ間に印加される電圧に応じてこのレーザ光の吸収が変化するため、こうして電界吸収型半導体光変調器素子３ｂに入射されたレーザ光は電極５ｂと裏面電極６ｂ間に印加された信号電圧に対応して強度変調が施された後、出射端面から電界吸収型半導体光変調器素子３ｃにさらに入射（図中矢印Ｂ）される。電界吸収型半導体光変調器素子３ｃに入射されたレーザ光は電極５ｃと接地電極６ｃ間に印加された信号電圧に対応して強度変調が施された後、出射端面から出射（図中矢印Ｃ）される。なお、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃとの距離が光速に対して十分無視できるほど短ければ、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃとではほぼ同期して変調が施される。また、遅延量を制御するための回路を付加することにより、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃとの距離が長い場合でも同期して変調を施すことができる。
【００１４】
また、図２（ａ）に、この発明の実施の形態１である半導体レーザ装置の変調器部分の電気的等価回路モデル、図２（ｂ）に、従来の半導体レーザ装置の変調器部分の電気的等価回路モデルを示す。なお、１１は終端抵抗である。
このとき、図２に示すように、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃは同一構造とし、その変調器長をＬ（図示せず）、寄生容量をＣと仮定する。また、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂの電極５ｂと接地電極６ｃ間に印加する電圧をＶと仮定すると、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと３ｃにはそれぞれＶ／２の電界が印加される。従って、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃ両方によって得られる消光比は、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂもしくは３ｃにＶ／２の電界が印加されるときに得られる消光比の２倍（対数表示）であり、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂもしくは３ｃと等しい変調器長Ｌを有する電界吸収型半導体光変調器素子にＶの電界が印加されるときに得られる消光比と同等となる。一方、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃとは電気的に直列になるよう配置されているため、このときの寄生容量はＣ／２であり、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂもしくは３ｃと等しい寄生容量Ｃを有する電界吸収型半導体光変調器素子の寄生容量の半分となる。
【００１５】
以上のように、この実施の形態１によれば、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器３ｃとを電気的に直列に接続する給電回路を備えているため、電界吸収型半導体光変調器素子によって得られる消光比を犠牲にすることなく電界吸収型半導体光変調器素子の寄生容量を低減でき、高速性および伝送特性に優れ、長距離大容量光ファイバ通信システムに適した半導体レーザ装置を得ることができる。
【００１６】
なお、前記実施の形態１においては、電界吸収型半導体光変調器素子を２個使用した場合について示したが、複数個であっても良いことはもちろんであり、数が多いほど寄生容量を低減できる。
【００１７】
実施の形態２．
この発明による実施の形態２では、半導体レーザ素子２と電界吸収型半導体光変調器３ｂ、３ｃおよび電界吸収型半導体光変調器素子同士を直列に接続する給電回路７を同一ケース内に収納したため、半導体レーザ素子２や電界吸収型半導体光変調器素子３ｂ、３ｃおよび給電回路７の保護が図られるとともに、衝撃等によって互いに光学的に分離された半導体レーザ素子２と電界吸収型半導体光変調器素子３ｂ、３ｃの光軸がずれる心配が少なくなり、半導体レーザ装置の信頼性が向上するとともに、取り扱いや作業性に優れた半導体レーザ装置が得ることができる。
【００１８】
実施の形態３．
図３は、実施の形態３による半導体レーザ装置の構成を示す断面図を示す。図において、８ａ、８ｂはそれぞれ半導体レーザ素子２と電界吸収型半導体光変調器素子３ｂ間、および電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃ間の光軸上に配置された光学レンズであり、半導体レーザ素子２から出射されたレーザ光が光学レンズ８ａにより集光されて電界吸収型半導体光変調器素子３ｂに入射し、さらに電界吸収型半導体光変調器素子３ｂから出射されたレーザ光が光学レンズ８ｂにより集光されて電界吸収型半導体光変調器素子３ｃに入射するよう結合光学系を構成している。なお、以下、図１と同一または相当部分には同一の符号を付して説明を省略する。
【００１９】
以上のように、この実施の形態３によれば、半導体レーザ素子２と電界吸収型半導体光変調器素子３ｂとの間および電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃとの間に光学レンズ８ａ、８ｂを配置したため、半導体レーザ素子２から出射されたレーザ光が光学レンズ８ａにより効率良く電界吸収型半導体光変調器素子３ｂに結合され、さらに電界吸収型半導体光変調器素子３ｂから出射されたレーザ光が光学レンズ８ｂにより効率良く電界吸収型半導体光変調器素子３ｃに結合され、結果的に半導体レーザ装置から取り出せる光出力が増大するとともに、光出力の増大に伴って光Ｓ／Ｎ比が高くなるため、一層伝送特性の良好な半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２０】
なお、前記実施の形態３においては、結合光学系として、光学レンズを各素子間に１枚使用した場合について示したが、複数枚であっても良いことはもちろんである。
【００２１】
実施の形態４．
また、前記実施の形態３で示した光学レンズ８ａ、８ｂの端面に、半導体レーザ素子２の発振中心波長近傍において低反射となる光学コーティングを施すことにより、半導体レーザ素子２の出射光を低損失に光学レンズ８ａ、８ｂに入射および出射させることができるため、半導体レーザ素子２の出射光を効率良く電界吸収型半導体光変調器素子３ｂおよび電界吸収型半導体光変調器素子３ｃまで供給でき、半導体レーザ装置から取り出せる光出力が増大して光Ｓ／Ｎ比が高くなるため、伝送特性の良好な半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２２】
さらに、光学コーティングによって光学レンズ８ａ、８ｂの端面で生じる反射光が減少し、半導体レーザ素子２への戻り光が少なくなるため、半導体レーザ素子２を安定して発振させることができ、光出力および発振波長が安定するとともに、戻り光による発振条件の変化や半導体レーザ素子２の光導波路層（活性層）４ａの屈折率変化に伴う波長チャープが小さくなり、伝送特性に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２３】
実施の形態５．
図４には、この発明による実施の形態５である半導体レーザ装置の構成を表す断面図を示す。図４において、９ａ、９ｂは先端を球状に加工した先球ファイバであり、この先球ファイバ９ａを半導体レーザ素子２と電界吸収型半導体光変調器素子３ｂとの間、および先球ファイバ９ｂを電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃとの間の光軸上に配置することにより、半導体レーザ素子２からの出射光を効率良く電界吸収型半導体光変調器素子３ｂおよび電界吸収型半導体光変調器素子３ｃまで供給でき、半導体レーザ装置から取り出せる光出力が増大するように構成されている。こうして、この実施の形態５によれば、先球ファイバからなる結合光学系を、半導体レーザ素子２と電界吸収型半導体光変調器素子３ｂ、および電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃとの間の光軸上に配置したため、前記実施の形態３と同様に、光出力の増大にともなって光Ｓ／Ｎ比を大きくすることができ、良好な伝送特性を有する半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２４】
また、この実施の形態５で用いた先球ファイバ９ａ、９ｂは、実施の形態３で示した一般的な光学レンズ８ａ、８ｂに比較して径が小さいため、コンパクトな半導体レーザ装置が得られる。
【００２５】
実施の形態６．
また、前記実施の形態５で示した先球ファイバ９ａ、９ｂの端面に、半導体レーザ素子２の発振中心波長近傍において低反射となる光学コーティングを施すことにより、実施の形態４と同様に、半導体レーザ素子２の出射光を低損失に先球ファイバ９ａ、９ｂに入射および出射させることができ、半導体レーザ装置から取り出せる光出力が増大して光Ｓ／Ｎ比が高くなるため、いっそう良好な伝送特性を有する半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２６】
さらに、光学コーティングによって先球ファイバ９ａ、９ｂの端面で生じる反射光が減少し、半導体レーザ素子２への戻り光が少なくなるため、半導体レーザ素子２を安定して発振させることができ、光出力および発振波長が安定するとともに、戻り光による発振条件の変化や半導体レーザ素子２の光導波路層（活性層）４ａの屈折率変化に伴う波長チャープが小さくなり、伝送特性に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２７】
実施の形態７．
図５は、実施の形態７による半導体レーザ装置の構成を表す断面図を示す。図５において、１０ａ、１０ｂは、半導体レーザ素子２から電界吸収型半導体光変調器素子３ｂの方向、および電界吸収型半導体光変調器素子３ｂから電界吸収型半導体光変調器素子３ｃの方向にのみ透過損失が小さく、その逆方向に対しては透過損失が大きい特性を有する光アイソレータである。
【００２８】
以上のように、光アイソレータ１０ａを半導体レーザ素子２と電界吸収型半導体光変調器素子３ｂとの間、および光アイソレータ１０ｂを電界吸収型半導体光変調器素子３ｂと電界吸収型半導体光変調器素子３ｃとの間の光軸上に配置するので、電界吸収型半導体光変調器素子３ｂの端面および電界吸収型半導体光変調器素子３ｃの端面で生じる反射光が半導体レーザ素子２に再入射することを抑止でき、半導体レーザ素子２への戻り光が少なくなるため、半導体レーザ素子２を安定して発振させることができ、光出力および発振波長が安定するとともに、戻り光による発振条件の変化や半導体レーザ素子２の光導波路層（活性層）４ａの屈折率変化に伴う波長チャープが小さくなり、伝送特性に優れた半導体レーザ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１による半導体レーザ装置の構成を表す断面図を示す。
【図２】実施の形態１による半導体レーザ装置の変調器部分の電気的等価回路モデルを示す。
【図３】実施の形態３による半導体レーザ装置の構成を示す断面図を示す。
【図４】実施の形態５による半導体レーザ装置の構成を表す断面図を示す。
【図５】実施の形態７による半導体レーザ装置の構成を表す断面図を示す。
【図６】従来の半導体レーザ装置の断面図を示す。
【符号の説明】
１変調器集積化半導体レーザ素子
２半導体レーザ部
３電界吸収型半導体光変調器部
３b、３c 電界吸収型半導体光変調器素子
４a 光導波路層(活性層）
４b、４c 光導波路層（吸収層）
５a、５b、５c 電極
６、６a、６c 接地電極
６b 裏面電極
７給電回路
８a、８b 光軸上に配置された光学レンズ
９a、９b 先端を球状に加工した先球ファイバ
１０ａ、１０ｂ光アイソレータ

Claims

レーザ光を出射する半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を直列に通して変調する複数の電界吸収型半導体光変調器素子と、複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子を電気的に直列に接続するための給電回路と、複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子で同期して変調が施されるように複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子に印加される信号電圧の遅延量を制御するための回路とを備えたことを特徴とする半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ素子と、複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子と、前記給電回路とを同一のケース内に収納したことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ素子と前記電界吸収型半導体光変調器素子との間、または複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子同士の間に、一つまたは複数の結合光学系を配置したことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
前記結合光学系に、前記半導体レーザ素子の発振中心波長近傍において低反射となる光学コーティングを施したことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
前記結合光学系に、先球ファイバを用いたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の半導体レーザ装置。
前記半導体レーザ素子と前記電界吸収型半導体光変調器素子との間、または複数の前記電界吸収型半導体光変調器素子同士の間に、光アイソレータを配置したことを特徴とする請求項３、請求項４または請求項５のいずれかに記載の半導体レーザ装置。