JP4606271B2

JP4606271B2 - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP4606271B2
Application number: JP2005222762A
Authority: JP
Inventors: 智志西川; 光伸後藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2005-08-01
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-08-01
Also published as: JP2007042737A

Description

本発明は光ファイバ通信、特に全光信号処理技術の分野で用いられる超高速光パルスを発生させる半導体レーザに関する。

光ファイバ通信技術は、現代の情報化社会を支える重要なインフラストラクチャーである。従来、海底光ケーブルや都市間を結ぶ陸上幹線通信ネットワークを始めとして整備が進められ、光ファイバ通信技術は急速な発展を遂げてきた。現在では、幹線系の１チャネル当たりの通信速度は１０〜４０Ｇｂｐｓに及び、将来的には８０〜１６０Ｇｂｐｓ以上の超高速・大容量通信の実現も期待されている。

現状のシステム構成では、ネットワークのノード部分において光信号が一旦電気信号に変換（Ｏ−Ｅ変換）されて、リタイミング、波形整形された後に、再度光信号に変換（Ｅ−Ｏ変換）されて送り出されている。しかしながら、数１０Ｇｂｐｓを超えるような超高速光通信システムでは、このような電気信号を介した制御で光信号を処理することはもはや困難であった。すなわち、ノードにおける信号処理速度が次第にネットワーク全体の信号処理速度を制限するボトルネックになりつつあった。かかる問題点を解決し、超高速・大容量通信を実現するためのキー技術が全光信号処理である。

全光信号処理では、技術的および経済的観点からネットワークノードに送られてきた光信号を電気信号に変換することなく光信号のままで波形整形や増幅を行った後に送り出す処理が求められている。光−光制御方式を用いた場合の利点として、電気回路のＣＲ時定数により動作速度が制限されないこと、超短パルスの発生が可能な光パルスが直接利用可能なことが挙げられる。

かかる全光信号処理の実現には各種光素子が必要となるが、特に短い光パルスを一定の周波数で持続させた光クロックパルスは必須であり、安定でジッタ、つまり時間軸での信号の揺らぎの少ない光クロックパルス発生素子の実現が求められている。半導体素子による光クロックパルスの発生は、ネットワークシステムの小型化や振動に対する堅牢さの観点からも重要である。

高速動作可能な光クロックパルスを発生させる従来の半導体素子として、米国特許第６２１５８０５号（特許文献１）あるいは米国特許第６１２２３０６号（特許文献２）に開示されたセルフパルセーティングＤＦＢレーザ（self-pulsating distributed feedback laser）があった。特許文献１の図１に示すように、従来のセルフパルセーティングＤＦＢ（分布帰還型）レーザはリッジ導波路型構造で、少なくとも２つの電気的に分離された電極を有している。３電極構成の場合は、均一な回折格子を設けた前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域の２つの活性領域が両者の間に設けられた位相制御領域を挟んで集積されている。各領域はエッチング溝で電気的に分離されており、独立に電流注入可能である。また、両端面には反射防止（ＡＲ）コーティングが施されている。

セルフパルセーティングＤＦＢレーザの繰り返し周波数は、前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域の各々への直流的な注入電流によって調整可能である。位相制御領域は前方分布帰還型活性領域と後方分布帰還型活性領域で構成された共振器中の光波の位相を調整してセルフパルセーションのオン・オフを制御し、セルフパルセーション動作を安定させるために設けられている。

次に、上述の非特許文献１に開示された従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザの駆動方法について説明する。上記のセルフパルセーティングＤＦＢレーザにおいて、前方分布帰還型活性領域のブラッグ波長および後方分布帰還型活性領域のブラッグ波長は、相互にストップバンド幅程度の波長だけ離調されている。これら２つの分布帰還型活性領域の各々では、ストップバンドの両端（短波長端、長波長端）の波長で発振モードが生じる。その結果、前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域のうちブラッグ波長が短い方の分布帰還型活性領域（以下、短波長側の分布帰還型活性領域と記す）におけるストップバンドの長波長端の波長と、前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域のうちブラッグ波長が長い方の分布帰還型活性領域（以下、長波長側の分布帰還型活性領域と記す）におけるストップバンドの短波長端の波長とが近接するようになる。

このような前方ＤＢＲ領域および後方ＤＢＲ領域の各々に同程度の電流を注入し、位相制御領域の位相を適切に調整すると、短波長側の分布帰還型活性領域におけるストップバンドの長波長端近傍の波長と、長波長側の分布帰還型活性領域におけるストップバンドの短波長端近傍の波長とで２つの発振モードが生じる。そして、これら２つの発振モードが互いに干渉することによりビート振動が生じ、２つの発振モードの間隔に対応した周波数のパルス発振が得られる。上記方式では、たとえば４０ＧＨｚ帯のパルス発振が確認されている。

また、従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザにおいては、上述のように光クロックパルスを発生するのに加えて、発振周波数に近い信号が入力されると、その入力信号と同期動作し、光クロックパルスを再生する。すなわち、セルフパルセーティングＤＦＢレーザへの入力信号が活性領域で吸収される際に、レーザ領域におけるキャリア密度に変動が生じる。これにより、セルフパルセーション動作が影響を受け、周波数の引き込みが生じる。この場合、偏波依存性のない引張り歪みバルク結晶で活性領域を構成しておけば入力信号光に対して偏波無依存となり、かつ入力信号の波長が光クロックパルスの波長とずれていても光クロックパルスを再生することが可能である。

なお、従来の半導体レーザは、たとえば特表平１１−５０２６７６号公報（特許文献３）および特表２０００−５０７７４４号公報（特許文献４）にも開示されている。
米国特許第６２１５８０５号明細書米国特許第６１２２３０６号明細書特表平１１−５０２６７６号公報特表２０００−５０７７４４号公報 M.Mohrle, et al., "Detuned Grating Multisection-RW-DFB Lasers for High-Speed Optical Signal Processing", IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.7, No.2, March/April (2001), pp.217-222.

しかしながら、従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザにおいて、フリーランニング条件下で出力されるパルス光には周波数雑音が多く含まれていた。このため、外部信号光を入力してセルフパルセーティングＤＦＢレーザクロックパルスを再生させる（クロック再生動作させる）場合には、０ｄＢｍ程度以上の比較的高い強度の外部信号光を入力する必要があった。その結果、クロック再生感度が低いという問題があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、フリーランニング条件下でのパルス光出力の周波数雑音を低減し、クロック再生感度が高い半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザは、第１導電型の半導体基板と、半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層と、第１導電型クラッド層上に形成された光導波層と、光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して前方に位置し前記光導波層に近接した回折格子を具備する前方分布帰還型活性領域と、光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して後方に位置し光導波層に近接した回折格子を具備し、前方分布帰還型活性領域とは電気的に分離された後方分布帰還型活性領域と、回折格子を埋め込むように形成された第２導電型クラッド層とを備えている。前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域の各々のストップバンド端近傍でのレーザ発振によってパルス光を出力し、かつ前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域のうちいずれか一方のレーザ発振の発振波長がいずれか他方のストップバンドの最近接のサイドバンドに属する波長範囲にあり、かついずれか他方の前記レーザ発振の発振波長がいずれか一方のストップバンドの最近接のサイドバンドに属する波長範囲にあり、かつ素子駆動条件下における前方分布帰還型活性領域のサイドバンドの反射率の最大値の平方根と、後方分布帰還型活性領域のサイドバンドの反射率の最大値の平方根との差の絶対値が０．２５以下になるように、前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域の回折格子が調整されている。

本発明の半導体レーザによれば、フリーランニング条件下でのパルス光出力の周波数雑音を低減し、クロック再生感度を高めることができる。

以下、本発明の一実施の形態について図に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態における半導体レーザの構成を示す概観図である。図１を参照して、本実施の形態の半導体レーザでは、ｎ型インジウム燐（ＩｎＰ）基板（第１導電型の半導体基板）１上にｎ型ＩｎＰクラッド層（第１導電型クラッド層）２が形成されている。このｎ型ＩｎＰクラッド層２にインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）光導波層３が形成されている。また、光導波層３上にｐ型ＩｎＰクラッド層（第２導電型クラッド層）４が形成されている。このｐ型ＩｎＰクラッド層４には均一な間隔の回折格子５が埋め込まれるように設けられている。ｐ型ＩｎＰクラッド層４上にはｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７が形成されている。光導波層３側面には電流を狭窄するための高抵抗ＩｎＰ電流閉じ込め層８が形成されている。エッチングによって形成された分離溝９ａ、９ｂによって各領域が電気的に分離されている。ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側にはｎ型電極２０が設けられている。ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７上にはｐ型電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃのそれぞれが、分離溝９ａ、９ｂによって互いに隔てられかつ電気的に分離されるように設けられている。このように本実施の形態の半導体レーザは多電極構造のレーザである。

本実施の形態の半導体レーザでは、光導波層３として０．２％程度の引張歪みバルク結晶層を用いており、入力された外部信号光に対して偏波無依存かつ広い波長範囲にわたって同期動作させることができるようにしている。

図２は、図１の半導体レーザの共振器方向の断面図（図１中のＩＩで表された面）である。図２を参照して、半導体レーザの両端面の各々に低反射率（ＡＲ）膜３０が形成されている。半導体レーザは、前方分布帰還型活性領域１０１と、位相制御領域（前方−後方間位相制御領域）１０２と、後方分布帰還型活性領域１０３とを有している。前方分布帰還型活性領域１０１は、光導波層３を一部に含んでおり、レーザ光出射方向に対して前方（図２中左方）に位置している。後方分布帰還型活性領域１０３は、光導波層３を一部に含んでおり、レーザ光出射方向に対して後方（図２中右方）に位置している。位相制御領域１０２は、前方分布帰還型活性領域１０１と後方分布帰還型活性領域１０３との間に位置している。位相制御領域１０２に注入される電流の量によって、セルフパルセーション動作のオン・オフが制御される。前方分布帰還型活性領域１０１と、位相制御領域１０２と、後方分布帰還型活性領域１０３との各々は、互いに電気的に分離されている。

前方分布帰還型活性領域１０１および後方分布帰還型活性領域１０３の各々には、光導波層面３ａに近接し、かつｐ型ＩｎＰクラッド層４に埋め込まれた回折格子５が設けられている。本実施の形態においては、前方分布帰還型活性領域１０１および後方分布帰還型活性領域１０３の各々の回折格子５を調節することによって、後方分布帰還型活性領域１０３のブラッグ波長が前方分布帰還型活性領域１０１のブラッグ波長よりも長波長側に離調されている。また、前方分布帰還型活性領域１０１および後方分布帰還型活性領域１０３の各々のストップバンド端近傍でのレーザ発振によってパルス光が出力される。また、前方分布帰還型活性領域１０１のレーザ発振の発振波長が後方分布帰還型活性領域１０３のストップバンドの最近接のサイドバンドに属する波長範囲にあり、かつ後方分布帰還型活性領域１０３のレーザ発振の発振波長が前方分布帰還型活性領域１０１のストップバンドの最近接のサイドバンドに属する波長範囲にある。また、素子駆動条件下における前方分布帰還型活性領域１０１のサイドバンドの反射率の最大値の平方根と、後方分布帰還型活性領域１０３のサイドバンドの反射率の最大値の平方根との差の絶対値が０．２５以下になっている。

また、本実施の形態においては、ブラッグ波長が長波長側に離調している回折格子５を具備する分布帰還型活性領域（後方分布帰還型活性領域１０３）の領域長をＬ、その分布帰還型活性領域の回折格子結合係数をκとした場合に、κＬ≦３．０となるように回折格子が調整されている。

次に、本実施の形態における半導体レーザの動作を説明する。本実施の形態の半導体レーザでは、上述したようにｐ型電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃが分離溝９ａ、９ｂによって電気的に分離された３つの領域に分割され、前方分布帰還型活性領域１０１、位相制御領域１０２、および後方分布帰還型活性領域１０３のそれぞれの光導波層３に独立に電流を注入できる構成を有している。すなわち、ｐ型電極２１ａから前方分布帰還型活性領域１０１へ動作電流Ｉｌａｓ１が注入され、ｐ型電極２１ｂから位相制御領域１０２へ位相制御用電流Ｉｐが注入され、ｐ型電極２１ｃから後方分布帰還型活性領域１０３へ動作電流Ｉｌａｓ２が注入される。

前方分布帰還型活性領域１０１と後方分布帰還型活性領域１０３とへ同程度の電流が注入されると、それぞれの光導波層３で強い励起状態が生じる。前方分布帰還型活性領域１０１では、前方分布帰還型活性領域１０１のストップバンドＳ１の長波長端付近の波長λ１で発振モードが生じる。後方分布帰還型活性領域１０３では、後方分布帰還型活性領域１０３のストップバンドＳ２の短波長端付近の波長λ２で発振モードが生じる。その結果、２つの発振モードの間隔Δλに対応した周波数でのビート振動によるパルス光が出力される。

２つの発振モードの間隔Δλは、位相制御領域で与える位相を変えることにより調整できるので、これによりパルス光の周波数を調整することができる。したがって、半導体レーザが所定の繰返し周波数の近傍で動作するように回折格子を調節しておけば、位相制御領域で与える位相を調整することにより半導体レーザを所定の繰返し周波数で動作させることができる。たとえば、光ファイバ通信の搬送波周波数で半導体レーザを動作させ、光注入同期をさせることにより、ノードにおけるクロック再生機能が実現できる。

本実施の形態における半導体レーザによれば、フリーランニング条件下でのパルス光出力の周波数雑音を低減し、クロック再生感度を高めることができる。

本願発明者らは本実施の形態における半導体レーザの上記効果を確認するために、以下の実験を行なった。

始めに、素子Ａ（比較例）および素子Ｂ（本発明例）を作製した。素子Ａ（比較例）として、回折格子結合係数κ＝１５０ｃｍ^-1、前方および後方分布帰還型活性領域の長さＬ＝３００μｍ、位相制御領域長２７０μｍである半導体レーザを作製した。素子Ｂとして、回折格子結合係数κ＝９０ｃｍ^-1、前方および後方分布帰還型活性領域の長さＬ＝３００μｍ、位相制御領域長２７０μｍである半導体レーザを作製した。また、素子Ａおよび素子Ｂにおいては、後方分布帰還型活性領域１０３のブラッグ波長を前方分布帰還型活性領域１０１のブラッグ波長よりも長波長側に離調した。ブラッグ波長が長波長側に離調した回折格子の属する分布帰還型活性領域（後方分布帰還型活性領域１０３）の長さＬと、その分布帰還型活性領域における回折格子５の回折格子定数κとの積κＬは、素子Ａでは４．５、素子Ｂでは２．７であった。

次に、シミュレーション解析により、素子Ａおよび素子Ｂの各々の発振スペクトルおよび反射スペクトルを求めた。そして、素子駆動条件下における前方分布帰還型活性領域１０１のサイドバンドの反射率の最大値の平方根と、後方分布帰還型活性領域１０３のサイドバンドの反射率の最大値の平方根との差の絶対値を求めた。

シミュレーションでは、分布帰還型活性領域を多数のセクションに分割し、各セクション内部でのキャリア密度と電場密度を一様と近似すると共に、時間の刻み幅に応じた空間的な刻み幅を適切に選択して、前進波と後退波の複素電場の時間発展を数値計算し、最終的に出力光強度の時間変化を求めた。また、出力光強度のフーリエ変換を行い、発振スペクトルを求めた。反射スペクトルについては、キャリア不均一分布を考慮した。なお、線幅増大係数αはα＝−４と仮定した。得られた計算結果を図３に示す。（ａ）が素子Ａの発振スペクトルおよび反射スペクトルであり、（ｂ）が素子Ｂの発振スペクトルおよび反射スペクトルである。なお、図３では、短波長側に離調させた分布帰還型活性領域（前方分布帰還型活性領域１０１）の反射スペクトルを破線で、長波長側に離調させた分布帰還型活性領域（後方分布帰還型活性領域１０３）の反射率を実線で表示している。

図３（ａ）、（ｂ）を参照して、素子Ａおよび素子Ｂいずれの場合にも、前方分布帰還型活性領域１０１のストップバンドＳ１の長波長端付近の波長λ１においてモード１で示されるレーザ発振が起こっており、後方分布帰還型活性領域１０３のストップバンドＳ２の短波長端付近の波長λ２においてモード２で示されるレーザ発振が起こっている。そして、２つの波長λ１およびλ２の間隔Δλに対応した周波数である４０ＧＨｚ程度で２モード発振が得られ、モード間のビートによりパルス発振が生じている。また、モード１のレーザ発振は、後方分布帰還型活性領域１０３のストップバンドＳ２の最近接のサイドバンドに属する波長範囲にある。モード２のレーザ発振は、前方分布帰還型活性領域１０１のストップバンドＳ１の最近接のサイドバンドに属する波長範囲にある。

素子Ａの反射スペクトルと素子Ｂの反射スペクトルとを比較すると、素子Ａの反射スペクトルでは、後方分布帰還型活性領域１０３のストップバンドＳ２の最近接のサイドバンドの反射率Ｒ２（最大値）が、前方分布帰還型活性領域１０１のストップバンドＳ１の最近接のサイドバンドの反射率Ｒ１（最大値）よりも著しく大きくなっている。一方、素子Ｂの反射スペクトルでは、反射率Ｒ２が抑制されており、反射率Ｒ２と反射率Ｒ１との差は小さい。素子Ａの反射率Ｒ２が大きくなっているのは、キャリア密度が分布帰還型活性領域中央部で減少して不均一分布となり、空間的ホールバーニングが生じているためであると考えられる。具体的には、反射率Ｒ１の平方根と反射率Ｒ２の平方根との差の絶対値は、素子Ａでは０．４４であるのに対し、素子Ｂでは０．２２である。この結果から、素子Ｂは本発明の半導体レーザであることが分かる。また、積κＬが大きい程、反射率Ｒ１の平方根と反射率Ｒ２の平方根との差の絶対値が増大することが分かる。

次に、素子Ａおよび素子Ｂの各々について、前方分布帰還型活性領域１０１と後方分布帰還型活性領域１０３にそれぞれ６０ｍＡの駆動電流を注入し、位相制御領域の駆動電流（位相調整電流）を変化させた場合の出力光のパルス発振周波数を測定した。得られた位相調整電流とパルス発振周波数との関係を図４に示す。図４を参照して、素子Ａと素子Ｂのいずれもが４０ＧＨｚを含む周波数可変範囲を有しており、素子Ｂよりも素子Ａの方がより広い周波数可変範囲を有していることが分かる。

図５は、素子Ａおよび素子Ｂの各々で測定されたＲＦ（radio frequency）スペクトルを示す図である。図５を参照して、素子Ｂにおける３ｄＢＲＦバンド幅（ＲＦスペクトルのピークよりも３ｄＢ低い位置での周波数幅）は約１０ＭＨｚであるが、素子ＡにおけるＲＦバンド幅は約５０ＭＨｚであり、素子Ｂの幅よりも広くなっている。なお、ほとんどすべての駆動条件で、素子Ｂが素子ＡよりもＲＦバンド幅が狭い傾向にあった。

図４および図５の結果から、以下のことが分かる。すなわち、位相調整電流が変化すると位相制御領域の屈折率が変化することから、素子Ａよりも素子Ｂの方が、位相制御領域の屈折率変化に対する発振周波数の変化量が小さいことが分かる。その結果、素子Ａよりも素子Ｂの方が、屈折率の揺らぎに伴う発振周波数の揺らぎが小さく、周波数雑音が少ないことが分かる。

次に、素子Ａおよび素子Ｂの各々にパルス状の外部信号光を入力し、注入同期動作が可能か否かを調べた。その結果、素子Ａおよび素子Ｂのいずれも注入同期動作が可能であった。そこで、外部信号光の入力時の出力信号波形を光サンプリングオシロにより計測し、時間ジッタを評価した。素子Ａおよび素子Ｂの各々における時間ジッタの外部入力光強度依存性を図６に示す。

図６を参照して、素子Ａおよび素子Ｂのいずれの場合にも、入力光強度が増大するほど出力信号光の時間ジッタが減少し、ある強度以上で時間ジッタの減少が飽和している。特に素子Ｂでは、素子Ａに比べて約３ｄＢｍ程度低い光強度で同程度の時間ジッタとなっていることがわかる。注入同期の同期周波数範囲は、入力光強度におおよそ比例すると考えられるので、この結果は、図５に示すフリーランニング条件下でのＲＦバンド幅の結果と整合する。

次に、素子Ａおよび素子Ｂの各々について、主要な２つの発振モードの波長の位相調整電流依存性を調べた。この結果を図７に示す。図７を参照して、モード１は、長波長側に離調させた分布帰還型活性領域（前方分布帰還型活性領域１０１）のストップバンドＳ１の長波長端付近の波長λ１における発振モードであり、モード２は、短波長側に離調させた分布帰還型活性領域（後方分布帰還型活性領域１０３）のストップバンドＳ２の短波長端付近の波長λ２における発振モードである。モード２では、素子Ａと素子Ｂとの間で波長の位相調整電流依存性に大きな差は見られない。一方、モード１では、素子Ｂよりも素子Ａの方が大きな波長変化を示している。モード１とモード２の波長間隔Δλに対応した周波数がパルス発振の周波数に相当するため、モード１での素子Ａと素子Ｂの波長変化の違いが、発振周波数可変範囲の違い、あるいは、フリーランニング条件下のＲＦバンド幅の違いに反映されていると考えられる。なお、モード１およびモード２のいずれの場合でも位相調整電流が増加するほど発振波長が短波長化しているが、これは、位相調整電流の増加により位相制御領域の屈折率が減少した結果、レーザ内の光路長が減少したことによるものである。

図４〜図７の結果から、本発明例である素子Ｂによれば、フリーランニング条件下でのパルス光出力の周波数雑音を低減でき、クロック再生感度を高められることが分かる。

本願発明者らは、素子駆動条件下における前方分布帰還型活性領域１０１のサイドバンドの反射率の最大値の平方根と、後方分布帰還型活性領域１０３のサイドバンドの反射率の最大値の平方根との差の絶対値が０．２５以下とすることにより、フリーランニング条件下でのパルス光出力の周波数雑音を低減でき、クロック再生感度を高められることを見出した。これについて以下に説明する。

上記半導体レーザ素子の動作については、分布帰還型レーザが分布ブラッグ反射鏡からの遅延帰還を受けて複合共振器を形成している状態と考えることが可能である。そのような場合、帰還位相および帰還強度が変化すると発振閾値が変化するために、レーザ発振波長が変化する。ここで、帰還位相および帰還強度とは、前方分布帰還型活性領域１０１および後方分布帰還型活性領域１０３のうちいずれか一方から伝搬した光が位相制御領域を通っていずれか他方において反射し、位相制御領域を通って再びいずれか一方に帰還した場合の光の位相および強度を意味している。帰還強度が大きい程、帰還位相の変化に対して発振波長が大きく変化するようになる。このうち帰還位相に及ぼす反射率差の影響は少ないが、帰還強度は反射率差が大きくなるほど大きくなる。したがって、反射率差を０．２５以下とすることにより、帰還強度が小さくなり、レーザ発振波長の変化を抑制することができる。その結果、フリーランニング条件下でのパルス光出力の周波数雑音を低減でき、クロック再生感度を高められる。

また、本願発明者らは、ブラッグ波長が長波長側に離調している回折格子を具備する分布帰還型活性領域（後方分布帰還型活性領域１０３）の領域長をＬ、その分布帰還型活性領域の回折格子結合係数をκとした場合に、κとＬとの積κＬが大きい程、その分布帰還型活性領域のストップバンド（ストップバンドＳ２）の短波長側にある最近接のサイドバンドの反射率（反射率Ｒ２）が増大することを見出した。さらに、前方分布帰還型活性領域１０１および後方分布帰還型活性領域１０３の各々の回折格子５がいずれも均一な回折格子である場合に、κＬ≦３．０となるように回折格子を調整することにより、反射率差を０．２５以下とすることができることを見出した。なお、複数モードが競合して発振する上述のような場合に、各発振モード波長での反射率の違いに着目してパルス発振周波数の安定性を検討することは、これまで報告されていなかった。良好な注入同期感度を示すような、κＬの値の範囲およびκＬの値に依存して変化するサイドバンド反射率の範囲も従来知られておらず、上記の解析によって初めて明らかになった。

半導体レーザが適用される光通信システムでは、少なくとも０ｄＢｍよりも小さい強度の外部入力光に対してクロック再生できることが求められている。時間ジッタの減少が飽和する光強度をクロック再生の感度と考えると、図６からわかるように、κＬ＝２．７である素子Ｂでは入力光強度が０ｄＢｍよりもわずかに小さい値（−１ｄＢｍ）でクロック再生が可能になる。本願発明者らはさらなる検討をした結果、入力光強度が０ｄＢｍでクロック再生が可能になるのは、κＬ＝３．０の場合であった。κＬ＝３．０の場合には、上記反射率差は０．２５となる。したがって、フリーランニング条件下でのパルス光出力の周波数雑音を低減し、クロック再生感度を高めるためには、κＬ≦３．０となるようにして上記反射率差を０．２５以下とすればよい。

また、半導体レーザをクロック再生させる場合のみならず、ＲＦ電気信号を印加して動作させる低ジッタの短パルスレーザ光源として使用する場合にも、本実施の形態の半導体レーザによりＲＦバンド幅を低減することができ、印加するＲＦ電気信号を低減することができる。

本実施の形態の半導体レーザは、光導波層３の共振器方向のストライプ形状をエッチングで形成した後に、光導波層３の両側面部分を電流閉じ込め層８で埋め込み成長することによって製造される。このため、電流閉じ込め層８によって電流狭窄が行なわれるので、光導波層３に効率良く電流を注入可能となる。これに加えて、共振器方向にわたって光導波層３内でレーザ発振に寄与する活性な領域と、反射ミラーや位相調整等の非活性な領域との結合損失が顕著に低減される結果、低損失な光導波路を形成することができ、高効率でセルフパルセーション動作を行なうことが可能となる。

また、ｐ型ＩｎＰクラッド層４としてたとえば多重量子井戸構造のような線幅増大係数の小さい構造を用いると、ｐ型ＩｎＰクラッド層４としてバルクの活性層を用いた場合よりも線幅増大係数αを低減することができる。この場合には、線幅増大係数αをたとえば｜α｜≦２．５の範囲内に低減することができる。これにより、キャリアの不均一な分布に起因する屈折率の変化を低減することができる。その結果、長波長側のストップバンドにおける短波長側端部のサイドバンドの反射率増大が抑制され、バルクの活性層の場合よりも高感度なクロック再生が可能になる。

なお、本実施の形態においては、κＬ≦３．０となるように回折格子を調整することにより、反射率差を０．２５以下とする場合について示した。しかし、本発明では少なくとも反射率差を０．２５以下であればよく、たとえば前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域に注入する電流を小さくすることによって反射率差を０．２５以下にしてもよい。

また、本実施の形態においては、後方分布帰還型活性領域１０３のブラッグ波長が前方分布帰還型活性領域１０１のブラッグ波長よりも長波長側に離調されている場合について示した。しかし本発明はこのような場合の他、後方分布帰還型活性領域１０３のブラッグ波長が前方分布帰還型活性領域１０１のブラッグ波長よりも短波長側に離調されていてもよい。

また、本実施の形態の半導体レーザでは、活性領域の両側面部分に電流閉じ込め層８を形成して電流狭窄を行っているが、従来の半導体レーザと同様にリッジ導波路の構成にしてもほぼ同様の効果が得られる。

さらに、本実施の形態の半導体レーザでは光導波層３として０．２％程度の引張歪みバルクを用いているが、外部入力信号光に対して応答可能な波長範囲が狭くなり、偏波依存性が生じることを許容すれば、光導波層３を多重量子井戸（ＭＱＷ：multiple quantum well）や無歪のバルクで構成してもよい。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明は、光ファイバ通信、特に全光信号処理技術の分野で用いられる超高速光パルスを発生させる半導体レーザおよびその半導体レーザの駆動方法に有利に適用できる。

本発明の一実施の形態における半導体レーザの構成を示す概観図である。図１の半導体レーザの共振器方向の断面図（図１中のＩＩで表された面）である。（ａ）は素子Ａの発振スペクトルおよび反射スペクトルであり、（ｂ）は素子Ｂの発振スペクトルおよび反射スペクトルである。素子Ａおよび素子Ｂの各々における位相調整電流とパルス発振周波数との関係を示す図である。素子Ａおよび素子Ｂの各々におけるＲＦスペクトルを示す図である。素子Ａおよび素子Ｂの各々における時間ジッタの外部注入光強度依存性を示す図である。素子Ａおよび素子Ｂの各々における主要な２つの発振モードの波長の位相調整電流依存性を示す図である。

符号の説明

１ｎ型ＩｎＰ基板、２ｎ型ＩｎＰクラッド層、３ＩｎＧａＡｓＰ光導波層、３ａ光導波層面、４ｐ型ＩｎＰクラッド層、５回折格子、７ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、８高抵抗ＩｎＰ電流閉じ込め層、９ａ，９ｂ分離溝、２０ｎ型電極、２１ａ，２１ｂ，２１ｃｐ型電極、３０低反射率（ＡＲ）膜、１０１前方分布帰還型活性領域、１０２位相制御領域、１０３後方分布帰還型活性領域。

Claims

第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された光導波層と、
前記光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して前方に位置し前記光導波層に近接した回折格子を具備する前方分布帰還型活性領域と、
前記光導波層を一部に含み前記レーザ光出射方向に対して後方に位置し前記光導波層に近接した回折格子を具備し、前記前方分布帰還型活性領域とは電気的に分離された後方分布帰還型活性領域と、
前記回折格子を埋め込むように形成された第２導電型クラッド層と、を備え、
前記前方分布帰還型活性領域および前記後方分布帰還型活性領域の各々のストップバンド端近傍でのレーザ発振によってパルス光を出力し、かつ前記前方分布帰還型活性領域および前記後方分布帰還型活性領域のうちいずれか一方の前記レーザ発振の発振波長がいずれか他方のストップバンドの最近接のサイドバンドに属する波長範囲にあり、かついずれか他方の前記レーザ発振の発振波長がいずれか一方のストップバンドの最近接のサイドバンドに属する波長範囲にあり、かつ素子駆動条件下における前記前方分布帰還型活性領域の前記サイドバンドの反射率の最大値の平方根と、前記後方分布帰還型活性領域の前記サイドバンドの反射率の最大値の平方根との差の絶対値が０．２５以下になるように、前記前方分布帰還型活性領域および前記後方分布帰還型活性領域の前記回折格子が調整されていることを特徴とする、半導体レーザ。
前記前方分布帰還型活性領域および前記後方分布帰還型活性領域の前記回折格子はいずれも均一な回折格子であり、かつ前記前方分布帰還型活性領域および前記後方分布帰還型活性領域のうちブラッグ波長が長波長側に離調している前記回折格子を具備する分布帰還型活性領域の領域長をＬ、その分布帰還型活性領域の回折格子結合係数をκとした場合に、κＬ≦３．０となるように回折格子が調整されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ。