JP4884081B2 - 分布帰還型半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、分布帰還型半導体レーザに関する。

光通信技術の分野においては、使用される単一縦モード発振する半導体レーザとして、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ（Distributed FeedBack Laser Diode））が使用されている。例えば、ＤＦＢ−ＬＤは、変調速度１．０Ｇｂｐｓ以上、距離２０ｋｍ以上の光信号伝送、特に２．５Ｇｂｐｓ以上、５０ｋｍ以上の光信号伝送、において使用されている。

ＤＦＢ−ＬＤにおいては、単一モード発振を実現するために、一般的に、位相シフト量がΛ／４の位相シフト部を回折格子に設けている（例えば、非特許文献１参照）。なお、本発明においては、位相シフト量は、光の発振波長「λ」ではなく、回折格子間隔の２倍を示す「Λ」で表記してある。

この位相シフト量を調節したＤＦＢ−ＬＤとして、例えば特許文献１〜特許文献３に記載されたＤＦＢ−ＬＤが知られている。特許文献１においては、安定な単一軸モードでの動作を目的として、回折格子の位相シフト量をΛ／１６〜３Λ／８に設定したＤＦＢ−ＬＤを開示している（特許文献１参照）。特許文献２においては、変調時の波長チャープを抑制することを目的として、位相シフト量を（Λ／２−Λ／ｎ、ｎ＝４〜１６）に設定したＤＦＢ−ＬＤを開示している。また、特許文献３においては、安定な単一モードで発光効率を上げることを目的として、例えば位相シフト量Λ／８の位相シフト部を２つ形成したＤＦＢ−ＬＤを開示している。

特開昭６３−３２９８８号公報 特開２００３−２０４１１４号公報 特開２００３−１５２２７２号公報 稲葉文男監修、「レーザ工学入門」、社団法人電位情報通信学会編、平成９年発行

ＤＦＢ−ＬＤにおいては、レーザ発振可能な波長が２つ（主モードとサブモード）ある。そこで、回折格子の位相シフトによって、一方の波長のみが選択的に発振される。このとき、２．５Ｇｂｐｓ以上の高帯域通信に利用されるＤＦＢ−ＬＤにおいては、異なる波長の群遅延による伝送不良を回避するために、主モードとサブモードとの強度比（サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ；Side Mode Suppression Ratio））が３０ｄＢ以上のものが要求されている。

しかしながら、回折格子に、位相シフト量がΛ／４の位相シフト部を設けたＤＦＢ−ＬＤにおいては、注入電流の増加に伴い、例えば、図９（ｂ）に示すように、発振モードである主モードがストップバンドの長波長側に移動し、短波長側のストップバンド端ピークが大きくなることがある。このような状態においては、図１０に示すように、主モードの単一発振が形成されない。

Λ／４シフトＤＦＢ−ＬＤにおいて、電流増加により単一発振が得られない理由は、以下のように考えられる。レーザ発振駆動時に、位相シフト部において、導波路の光密度が局所的に増大し、他の導波路部分よりもキャリアの消費が多くなる。これにより、位相シフト部のキャリア密度が局所的に低くなり（スペーシャル（空間的）ホールバーニング）、位相シフト部の導光波路屈折率が相対的に増大することになる。このため、位相シフト部の光学路長が、設定のΛ／４より実質的に大きくなってしまう。そこで、本発明においては、導波路屈折率の増大量を予め見込んで位相シフト量を設定する。すなわち、図１（ａ）に示すように、注入電流が閾値電流レベル（０．９Ｉ_ｔｈ）の時には、主モードがストップバンド中央より短波長側にあるようにしておき、注入電流が駆動電流レベル（例えば３０ｍＡ）の時に、主モードがストップバンドの中心にくるように設定する。

本発明の第１視点によれば、位相シフト部を有する回折格子と、両端面に無反射膜を有する多重量子井戸型活性層と、を備える１．５５μｍ帯の分布帰還型半導体レーザであって、素子長は４５０μｍであり、結合係数は２．５又は３．５であり、位相シフト部は端部から１９５μｍの位置に形成され、位相シフト部の位相シフト量は、（８／４０）Λ〜（９／４０）Λ（Λは回折格子間隔の２倍）である分布帰還型半導体レーザを提供する。

なお、慣例的に「Λ／２−（本発明でいう位相シフト量）」を位相シフト量として呼ぶ文献も存在する。この位相シフト量は、発振するレーザ光に生ずる位相シフト量を意味している。この場合、「Λ」の代わりに「λ」を用いて記載される場合が多い。例えば、上記で説明したように、特許文献２においては、この定義が使用されている。本発明にこの定義を適用すると、位相シフト量（８／４０）Λ〜（９／４０）Λは、（１１／４０）λ〜（１２／４０）λという表記となる。なお、この「λ」は素子内における波長を意味している。すなわち、λ＝λ_０／ｎ（λ_０：真空中の波長λ０、ｎ：子導波路屈折率）と表記される。

本発明によれば、駆動電流が大きいとき（例えば通常レーザ発振動作時）に、主モードのピークをストップバンドの中央に移動させることができると共に、主モードとサブモードの抑圧比を大きくすることができる。これにより、単一モードで発振するＤＦＢ−ＬＤを得ることができる。本発明のＤＦＢ−ＬＤは、例えば、２．５Ｇｂｐｓ以上の高帯域通信に利用することができる。

本発明に係るＤＦＢ−ＬＤについて説明する。ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す概略平面図を図２に示す。ＤＦＢ−ＬＤ１は、多重量子井戸型（ＭＱＷ；Multi-Quantum Well）の活性層４の下側に回折格子６を有し、さらに両端面に無反射膜（ＡＲコート、反射防止膜）７ａ、７ｂを有する。回折格子６は、位相シフト部６ａを有する。本発明における位相シフト部６ａの位相シフト量ｄは、（８／４０）Λ〜（９／４０）Λである。ここで、Λは、回折格子６の山（又は谷）の頂点間の間隔（回折格子の周期）ｄ_０の２倍を示す。本発明においては、位相シフト量を予めΛ／４より小さくしておくことで、主モードをストップバンドの中央で発振させる。位相シフト量が（９／４０）Λより大きいと、通常駆動時の電流を注入した際に、主モードがストップバンド中央より長波長側に移動すると共に、短波長側のピークが成長し単一モード発振が得られなくなる。一方、位相シフト量が（８／４０）Λより小さいと、通常駆動時の電流を注入した際に、主モードがストップバンド中央より短波長側になる。

図２に示すＤＦＢ−ＬＤ１においては、位相シフト部６ａは、軸方向の中央に形成してあるが、本発明の有効性は位相シフト部６ａの位置によらない。例えば、出力前後比を変更するために、位相シフト部６ａを素子の中央からずらして形成することができる。このとき、位相シフト部６ａと素子の中央との距離が大きくなるほど、ストップバンド端ピークが成長しやすくなるが、本発明によれば、位相シフト量をΛ／４以下にすることにより、ストップバンド端ピークの成長を抑制することができる。

回折格子６及び位相シフト部６ａは、電子ビーム（ＥＢ；Electron Beam）描画法を使用することにより、精密に形成することができる。

本発明による効果を確認するために、位相シフト量及び結合係数が異なるＤＦＢ−ＬＤを作製し、それぞれのＤＦＢ−ＬＤについて閾値電流レベル時と通常駆動レベル時のスペクトルを観察した。作製したＤＦＢ−ＬＤは、図２に示すような構造であって、両端面に無反射膜を有するＭＱＷ活性層の１．５５μｍ帯ＤＦＢ−ＬＤである。素子長Ｌは、４５０μｍであり、位相シフト部は、前から１９５μｍ（後ろから２５５μｍ）の位置に形成した。位相シフト部を素子中央から若干前方側にずらしてあるのは、出力前後比を前方側に上げるためである。位相シフト量は、グレーティング深さの指標である結合係数κＬ＝２．５及び３．５のそれぞれの回折格子において、電子ビーム描画時のピッチで（１１／４０）Λ、（１０／４０）Λ（＝Λ／４）、（９／４０）Λ、及び（８／４０）Λに設定した。

各ＤＦＢ−ＬＤについて、閾値電流レベルの電流として、閾値電流の０．９倍の電流（０．９Ｉ_ｔｈ）（約１０ｍＡ）、及び駆動レベルの電流としてレーザ発振している３０ｍＡ（光電力Ｐｏ＝約５ｍＷ）を流した。このとき観測したスペクトルを図３〜図６に示す。図３は、結合係数κＬ＝２．５のＤＦＢ−ＬＤに、０．９Ｉ_ｔｈの電流を流したときのスペクトルであり、図４は、結合係数κＬ＝２．５のＤＦＢ−ＬＤに、３０ｍＡの電流を流したときのスペクトルである。また、図５は、結合係数κＬ＝３．５のＤＦＢ−ＬＤに、０．９Ｉ_ｔｈの電流を流したときのスペクトルであり、図６は、結合係数κＬ＝３．５のＤＦＢ−ＬＤに、３０ｍＡの電流を流したときのスペクトルである。各図において、（ａ）は、電子ビーム描画時の位相シフト量の設定が（１１／４０）Λ、（ｂ）は（１０／４０）Λ、（ｃ）は（９／４０）Λ、そして（ｄ）は（８／４０）Λである。

結合係数が２．５及び３．５のどちらのＤＦＢ−ＬＤにおいても、電流値が閾値電流付近である場合には、位相シフト量が（１０／４０）Λの時に（図３（ｂ）及び図５（ｂ））、主モードがストップバンドの中央に位置している。位相シフト量が（１１／４０）Λの時は（図３（ａ）及び図５（ａ））、主モードは中央より若干長波長側に位置し、（９／４０）Λ、及び（８／４０）Λの時は（図３（ｃ）、（ｄ）及び図５（ｃ）、（ｄ））、主モードは中央より若干短波長側に位置している。ところが、電流値を３０ｍＡにすると、いずれのＤＦＢ−ＬＤにおいても主モードは長波長側にずれている。例えば、図４（ｂ）及び図６（ｂ）に示す、位相シフト量が（１０／４０）ΛのＤＦＢ−ＬＤにおいては、主モードがストップバンド中央より長波長側に移動し、これに伴い、ストップバンド短波長側のピークが増大している。特に、κＬ＝３．５のＤＦＢ−ＬＤにおいてこの特徴は顕著になっている。実際に、両端面に無反射膜を有するＤＦＢ−ＬＤにおいては、ストップバンド短波長側ピークの成長が、単一モード発振が得られない主要因となっている。一方、図４（ｃ）、（ｄ）及び図６（ｃ）、（ｄ）に示す、位相シフト量が（９／４０）Λ及び（８／４０）ΛのＤＦＢ−ＬＤにおいては、電流値３０ｍＡ時で主モードがストップバンドの中央となっており、このとき、ストップバンド短波長側ピークの成長が抑制されている。したがって、電子ビーム描画時の設定において、位相シフト量を（１０／４０）Λより大きくすると、駆動レベルの電流注入時に単一モード発振を崩しやすいが、位相シフト量を（８／４０）Λ〜（９／４０）Λにすると、駆動レベルの電流注入時の安定な単一モード発振に有効であることができることが確認された。

実施例１において作製したκＬ＝２．５のＤＦＢ−ＬＤにおける発振時の光Ｆｉｅｌｄ分布を図７に示す。発振時の光Ｆｉｅｌｄ分布は、位相シフト部の位置で極大となる。この光Ｆｉｅｌｄの大きいところでは誘導放出によりキャリア消費が大きくなる。これにより、位相シフト部のキャリア密度は他の部分に対して相対的に低くなり、導波路屈折率は増大する。この現象は、光出力が高いとき、すなわち駆動電流が大きいほど顕著となる。したがって、電流注入の増大に伴い、位相シフト部における光学路長が増大する。そこで、この光学路長の増大分を考慮し、回折格子形成時に位相シフト量をΛ／４より予め若干小さくすることで、好ましくは位相シフト量を（８／４０）Λ〜（９／４０）Λにすることで、単一モードの発振を実現することが可能になると考察される。

実施例１においては位相シフト量が（８／４０）Λ〜（１１／４０）ΛのＤＦＢ−ＬＤについてスペクトルを観察したが、実施例２においては、位相シフト量を（８／４０）よりさらに小さくしたときのスペクトルをシミュレーションした。実施例１と同様のＤＦＢ−ＬＤであって、結合係数κＬ＝３．５、位相シフト量（６／４０）ΛのＤＦＢ−ＬＤについてスペクトルシミュレーションを行った。図８にシミュレーション結果を示す。注入電流＝０．９Ｉ_ｔｈ時においては（図８（ａ））、主モードはストップバンド中央より短波長側にあり、注入電流＝０．９５Ｉ_ｔｈ時においては（図８（ｂ））、長波長側のピークが成長し、主モードとサブモードの差がなくなっている。この状態では、単一モード発振は得られず、２モード発振に至ることになる。したがって、位相シフト量を（８／４０）Λよりさらに小さくすると、単一モード発振が得にくいことが確認された。

本発明のＤＦＢ−ＬＤは、上記実施形態及び実施例に限定されることなく、本発明の範囲内において、種々の変形、変更及び改良が可能であることは言うまでもない。例えば、本発明のＤＦＢ−ＬＤは、素子長、波長帯、結合係数κＬ、ＤＦＢ−ＬＤの構造（活性層、クラッド層、光ガイド層、キャップ層、電極等の構成）等の要素に依存することなく適用することができる。さらに、本発明のＤＦＢ−ＬＤは、活性層の上側に回折格子を有する構造にも適用することが可能である。

本発明のＤＦＢ−ＬＤにおける動作を説明するためのスペクトル図。 ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す概略平面図。 実施例１における結合係数κＬ＝２．５、注入電流＝０．９Ｉ_ｔｈ時のスペクトル図。 実施例１における結合係数κＬ＝２．５、注入電流＝３０ｍＡ時のスペクトル図。 実施例１における結合係数κＬ＝３．５、注入電流＝０．９Ｉ_ｔｈ時のスペクトル図。 実施例１における結合係数κＬ＝３．５、注入電流＝３０ｍＡ時のスペクトル図。 実施例１におけるＤＦＢ−ＬＤ発振時の光Ｆｉｅｌｄ分布図。 実施例２におけるシミュレーション結果。 位相シフト量Λ／４のＤＦＢ−ＬＤにおけるスペクトル図。 位相シフト量Λ／４のＤＦＢ−ＬＤにおいて主モード単一発振性が崩れたスペクトル例。

符号の説明

１ 分布帰還型半導体レーザ
２ａ、２ｂ 電極
３ａ、３ｂ クラッド層
４ 活性層
５ 光ガイド層
６ 回折格子
６ａ 位相シフト部
７ａ、７ｂ 無反射膜

Claims (1)

1. 位相シフト部を有する回折格子と、
   両端面に無反射膜を有する多重量子井戸型活性層と、を備える１．５５μｍ帯の分布帰還型半導体レーザであって、
   素子長は４５０μｍであり、
   結合係数は２．５又は３．５であり、
   前記位相シフト部は端部から１９５μｍの位置に形成され、
   前記位相シフト部の位相シフト量は、（８／４０）Λ〜（９／４０）Λ（Λは回折格子間隔の２倍）であることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。

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