JP4946439B2 - 偏光変調レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ装置に関し、特にレーザ光の偏光方向を高速に変調できる偏光変調レーザ装置に関する。
近年の技術の発展に伴い、実用的な面発光レーザ装置が開発され、様々な光通信用途への適用が検討されている。面発光レーザは、従来の端面発光レーザに比べて集積化が容易であり、低消費電力や安価である等のメリットがある。また、そのような特性によって、面発光レーザは、コンピュータのボード間あるいはチップ間光通信である光インタコネクションにおいても重要な発光素子と位置づけられている。特にチップ間光通信では、小さい領域に密に光送信モジュールを実装する必要があるので、低消費電力の特性をもつ面発光レーザを用いることが必須と考えられている。面発光レーザを光インタコネクションに用いる場合、低消費電力性や光出力を低下させることなく、変調帯域を更に拡大させることが求められる。
面発光レーザをレーザ光強度の変調方式によって分類すると、電流直接変調型と変調器集積型とに分類される。電流直接変調型の面発光レーザでは、注入電流量を大きく変化させるので、レーザ光共振器内の光密度及びキャリア密度が大きく変動する。そのため、電流直接変調型の面発光レーザでは、変調帯域が制限されてしまう。
特公平7−93473号公報(段落0004参照)には、光共振器外部に電界印加による吸収型変調器を備えた変調器集積型の面発光レーザが記載されている。しかし、この変調器集積型の面発光レーザ素子は、光共振器内の光密度やキャリア密度の大きな変動はないが、充分な消光比を得るために厚い吸収層あるいは多くの吸収層数を要するので、大きな変調電圧が必要になる。
大きな変調電圧が必要になるという問題を回避するために、特開平5−152674号公報(段落0005参照)には、光共振器外部に設けた吸収型変調器にも光共振器構造を設け、実効的な光吸収量を増強して光変調器の低電圧動作化を図った面発光半導体レーザが記載されている。しかし、この面発光半導体レーザは、複合共振器構造を採用しているので、レーザ発振自体が不安定になる。
また、電流直接変調型や変調器集積型等の強度変調方式の面発光レーザに対して、入力信号に応じてレーザ光の偏光方向を切り替える偏光変調面発光レーザもある。偏光変調面発光レーザは、電流直接変調型の面発光レーザや、共振器外部や共振器内部に吸収型変調器を設けた変調器集積型の面発光レーザと比べて、変調時の注入電流量の変化が小さく、レーザ共振器内の光密度やキャリア密度を殆ど一定にすることができる。そのため、偏光変調面発光レーザを用いれば、強度変調方式の面発光レーザを用いる場合と比較して、より大きな変調速度が得られる。すなわち、偏光変調型の面発光レーザを用いれば、低電流又は低電圧変調、高速変調及び安定したレーザ発振の3つの特性を同時に実現することが可能である。
特開平10−261842号公報(段落0007−0011および図2参照)には、偏光変調型の面発光レーザを用いた面型光デバイスが記載されている。図1Aおよび図1Bを参照して、この偏光変調面発光レーザ装置の構造を説明する。
図1Aは、特開平10−261842号公報に記載された偏光変調面発光レーザ装置の構造を示す断面図である。図1Aに示すように、偏光変調面発光レーザ装置は、n型基板201上に、第1のnクラッド層202、第1の量子細線活性層203、pクラッド層204、第2の量子細線活性層205、第2のnクラッド層206、コンタクト層207及び第1の誘電体多層膜ミラー208が順次形成された構造を有する。第1のnクラッド層202に対してn型基板201の反対面側では、n型基板201をくり貫いて第2の誘電体多層膜ミラー209が第1のnクラッド層202に接するように形成されている。
また、偏光変調面発光レーザ装置は、電極として、n型基板201に接するように第1のn電極210が、pクラッド層204に接するようにp電極211が、コンタクト層207に接するように第2のn電極212がそれぞれ形成されている。
図1Bは、図1Aに示す偏光変調面発光レーザ装置の量子細線活性層の構造を示す斜視図である。図1Bに示すように、偏光変調面発光レーザ装置において、第1の量子細線活性層203と第2の量子細線活性層205とは、量子細線が互いに直交する向きに配置されている。
図1Aおよび図1Bに示した偏光変調面発光レーザ装置では、2つの誘電体多層膜ミラー208,209によってレーザ共振器が形成されている。この偏光変調面発光レーザ装置を動作させる場合、第1のn電極210とp電極211との間、及び第2のn電極212とp電極211との間にそれぞれ独立に電流を流すことによって、第1の量子細線活性層203及び第2の量子細線活性層205の利得をそれぞれ独立に制御できる。この場合、量子細線のバンド端での利得は、量子細線に平行な直線偏光に対して最大となる。
また、図1Aおよび図1Bに示した偏光変調面発光レーザ装置では、2つの量子細線活性層203,205のDCバイアス電流を調節し、レーザ変調電流を第1の量子細線活性層203又は第2の量子細線活性層205のいずれかに注入したり、2つの量子細線活性層203,205の両方に注入したりする。そのようにすることによって、第1の量子細線活性層203の量子細線に平行な偏光のレーザ光と、それに直交する第2の量子細線活性層205の量子細線に平行な偏光のレーザ光との切り替えが可能となり、これによりレーザ光の偏光方向を変調する。
特開平6−232501号公報(段落0012−0016および図3参照)には、偏光変調型の面発光レーザを用いた偏光スイッチングレーザが記載されている。図2は、特開平6−232501号公報に記載された偏光変調面発光レーザ装置の構造を示す断面図である。図2に示すように、偏光変調面発光レーザ装置は、第1のp型ブラッグ反射ミラー301と、i−AlGaAs層302と、分数層超格子303と、n+−AlGaAs層、i−AlGaAs層及びn+−AlGaAs層から成るnコンタクト/高抵抗層304と、光路長可変媒質305と、第2のp型ブラッグ反射ミラー306とが順次形成された構造を有する。
分数層超格子303は、Al0.5Ga0.5As/GaAs超格子をブラッグ反射ミラー面に垂直に立てた構造を有する。電極として、第1のp型ブラッグ反射ミラー301に接するように第1のp電極307が、第2のp型ブラッグ反射ミラー306に接するように第2のp電極308がそれぞれ形成されている。nコンタクト/高抵抗層304の2つのn+−AlGaAs層に接するように、それぞれn電極(図示せず)が形成されている。
図2に示した偏光変調面発光レーザ装置では、2つのブラッグ反射ミラー301,306によってレーザ共振器が形成されている。光路長可変媒質305は、電界印加によって屈折率が変化する媒質である。例えば、光路長可変媒質305として、i−AlGaAsが用いられる。
図2に示した偏光変調面発光レーザ装置を動作させる場合、p電極307とnコンタクト/高抵抗層304の分数層超格子303側のn+−AlGaAs層との間に順方向バイアス電圧310を印加することよって、DCバイアス電流を流してレーザ発振させることができる。この場合、p電極308とnコンタクト/高抵抗層304の光路長可変媒質305側のn+−AlGaAs層との間に変調用のバイアス電圧309を印加する。そのようにすることによって、レーザ共振器の共振ピーク波長を変動させることができる。
分数層超格子303の超格子層面に垂直な直線偏光に対する利得ピーク波長は、超格子層に平行な直線偏光に対する利得ピーク波長よりも相対的に短い。そのため、共振ピーク波長を相対的に短波長側に変動させた場合、偏光変調面発光レーザ装置は、分数層超格子303の超格子層面に垂直な偏光をもつレーザ光を出射する。また、共振ピーク波長を相対的に長波長側に変動させた場合、偏光変調面発光レーザ装置は、分数層超格子303の超格子層面に平行な偏光をもつレーザ光を出射する。このように共振ピーク波長を変動させることによって、レーザ光の偏光方向を変調する。
特開平10−261842号公報や特開平6−232501号公報に記載された偏光変調面発光レーザ装置を用いる場合、活性層の光学的利得を得るために面内偏光異方性が必要である。この様な異方性を有する活性層を具体的に実現するために、面内構造寸法の最小値が10nmオーダである量子細線や、分数層超格子、面内形状に異方性のある量子ドット等が用いられる。しかし、このような量子微細構造を高品質且つ高密度に形成し、量子井戸と同等の面発光レーザ性能を実現することは一般に困難である。そのため、特開平10−261842号公報や特開平6−232501号公報に記載された偏光変調面発光レーザ装置では、実用的な低閾値電流で高効率のレーザ光を出力する高性能な面発光レーザを実現するのは困難である。
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、作製が容易でありながら、低閾値電流で高効率且つ出力強度の安定したレーザ光を出力できる偏光変調面発光レーザ装置を提供することを目的とする。
本発明による偏光変調レーザ装置は、レーザ光を偏光変調して出力する偏光変調レーザ装置であって、第1の反射ミラー(例えば、図3に示すn型ブラッグ反射ミラー2によって実現される)と、光学的利得を得るための利得媒質を含む層(例えば、図3に示す量子井戸活性層9によって実現される)と、第2の反射ミラー(例えば、図3に示すp型ブラッグ反射ミラー13によって実現される)と、第1の反射ミラーと第2の反射ミラーとによって形成される共振器と利得媒質を含む層とによって発振したレーザ光を、第1の反射ミラー又は第2の反射ミラーの面に対して垂直方向に出力する出力部(例えば、図3に示す開口14によって実現される)と、出力するレーザ光を、電気的な手段によって第1の偏光方向に固定する第1の偏光制御構造(例えば、図3に示す量子細線吸収変調層4によって実現される)と、出力するレーザ光を、第1の偏光方向とは別の第2の偏光方向に向ける第2の偏光制御構造(例えば、図3に示す量子井戸活性層9、p型AlGaAs層12及びp型ブラッグ反射ミラー13が積層されている部分を所定のポスト構造に形成することによって実現される)とを備え、第1の偏光制御構造は、レーザ光に対する光吸収係数を電気的な手段によって変化させる吸収変調構造(例えば、量子細線や量子ドット、分数層超格子によって実現される)を含み、吸収変調構造は、レーザ光の出力方向に垂直な面に対して平行な面内における光吸収係数に光学的な異方性を有し、吸収変調構造と利得媒質を含む層とが電気的に分離していることを特徴とする。
また、吸収変調構造は、電気的な手段として、電界の印加によってレーザ光に対する光吸収係数を変化させるものであってもよい。
また、第2の偏光制御構造は、光導波路(例えば、図3に示す量子井戸活性層9、p型AlGaAs層12及びp型ブラッグ反射ミラー13が積層されている部分が、矩形や楕円形の断面形状を有するポスト構造に形成されることによって実現される)を含み、光導波路は、レーザ光の進行方向に対して垂直な面の断面が矩形であり、矩形の長辺側の光導波損失が短辺側の光導波損失より大きく、長辺方向が第1の偏光方向と平行にならない向きに配置されているものであってもよい。
また、吸収変調構造は、レーザ光の出力方向に垂直な面に対して平行な面内における最小寸法が50nm以下であるものであってもよい。
また、吸収変調構造は、量子細線、量子ドット又は分数層超格子を含むものであってもよい。
また、第1の反射ミラー及び第2の反射ミラーは、多層膜構造を有し、利得媒質を含む層及び第1の偏光制御構造が有する吸収変調構造は、半導体層であり、偏光変調レーザ装置は、第1の反射ミラーと、第2の反射ミラーと、利得媒質を含む層と、吸収変調構造とが、基板上に積層されているものであってもよい。
また、第1の反射ミラー及び第2の反射ミラーは、半導体多層膜構造を有するものであってもよい。
また、第1の反射ミラーと、第2の反射ミラーと、利得媒質を含む層と、吸収変調構造とが積層される基板は、半導体基板であるものであってもよい。
本発明による偏光変調レーザ装置は、2つの反射ミラーに挟まれた活性媒質を有するレーザ共振器内部に、電気的な手段によってレーザ光に対する光吸収係数を変化させる吸収変調構造が設けられている。そして、偏光変調レーザ装置は、吸収変調構造の光吸収係数を変調することによって、レーザ光の偏光変調を行う。この場合、吸収変調構造として、レーザ光の出力方向に垂直な面に対して平行な面内における光吸収係数に異方性を有する構造を用いる。例えば、吸収変調構造として量子細線を用いる。
上記の構成によって、偏光変調レーザ装置は、2つの反射ミラーと、2つの反射ミラーに挟まれた活性媒質とによってレーザ光を発生する。また、仮に偏光変調レーザ装置の他のレーザ構成要素にレーザ光に対する光学的異方性が無いとすると、発生したレーザ光の偏光方向は、吸収変調構造への電界印加によって、吸収変調構造の光吸収係数が最も小さい第1の偏光方向に固定される。
しかし、上記の構成のみでは、電界印加がない場合の偏光方向が電界印加のある場合の偏光方向と偶然に一致してしまう可能性がある。そこで、本発明による偏光変調レーザ装置は、上記のレーザ構造に、電界印加のない場合に、電界印加時に偏光方向を固定する方向とは別の偏光方向にレーザ光を制御する第2の偏光制御構造を導入する。例えば、偏光変調レーザ装置は、第2の偏光制御構造として、矩形断面形状を有し、その断面の長辺側の光導波損失が短辺側の光導波損失より適度に大きく、長辺方向が第1の偏光方向と平行とならない向きに配置された光導波路を含む。
偏光変調レーザ装置は、第2の偏光制御構造を導入することによって、吸収変調構造に電界を印加した場合だけその偏光方向となるような、ある特定の偏光固定方向を存在させることができる。この場合、偏光固定方向は、第1の偏光方向と、第2の偏光制御構造による偏光制御特性との関係によって決定される。従って、第2の偏光制御構造を導入した場合、吸収変調構造に電界を印加した時の偏光固定方向は、第2の偏光制御構造を導入しない場合の第1の偏光方向と必ずしも同一ではない。
また、本発明による偏光変調レーザ装置は、活性媒質と吸収変調構造とが電気的に分離されているので、吸収変調層に変調電圧を加えても、活性媒質中のキャリア数の変動を低く抑えることができる。従って、レーザ光の平均出力強度の変動を少なくすることができる。
本発明によれば、偏光変調レーザ装置のレーザの利得媒質として、多重量子井戸等の一般に用いられる高品質で形成の容易な材料及び構造を用いる。また、偏光変調レーザ装置は、活性層よりも高品質である必要のない吸収変調構造を含む。また、利得媒質を含む層と吸収変調構造とが電気的に分離されており、利得媒質中のキャリアの変動を低く抑えることができる。従って、偏光変調レーザ装置の作製が容易でありながら、偏光変調レーザ装置が低閾値電流で高効率且つ出力強度の安定したレーザ光を出力することができる。
従来の偏光変調面発光レーザ装置の構造の一例を示す説明図である。 従来の偏光変調面発光レーザ装置の構造の一例を示す説明図である。 従来の偏光変調面発光レーザ装置の他の構造例を示す断面図である。 本発明による偏光変調レーザ装置の構造の一例を示す説明図である。 本発明による偏光変調レーザ装置の構造の一例を示す説明図である。
符号の説明
1 高抵抗GaAs基板
2 n型ブラッグ反射ミラー
3 第1のnクラッド層
4 量子細線吸収変調層
5 バリア層
6 第1のpクラッド層
7 高抵抗AlGaAs層
8 第2のnクラッド層
9 量子井戸活性層
10 第2のpクラッド層
11 高抵抗層
12 p型AlGaAs層
13 p型ブラッグ反射ミラー
14 開口
15,17 p電極
16,18 n電極
201 n型基板
202 第1のnクラッド層
203 第1の量子細線活性層
204 pクラッド層
205 第2の量子細線活性層
206 第2のnクラッド層
207 コンタクト層
208 第1の誘電体多層膜ミラー
209 第2の誘電体多層膜ミラー
210 第1のn電極
211 p電極
212 第2のn電極
301 第1のp型ブラッグ反射ミラー
302 i−AlGaAs層
303 分数層超格子
304 nコンタクト/高抵抗層
305 光路長可変媒質
306 第2のp型ブラッグ反射ミラー
307 p電極
308 p電極
309 バイアス電圧
310 バイアス電圧
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図3Aおよび図3Bは、本発明による偏光変調レーザ装置の構造の一例を説明するための図である。図3Aは、偏光変調レーザ装置の構造の一例を示す断面図である。なお、本実施の形態では、偏光変調レーザ装置が偏光変調型の面発光レーザ装置である場合を説明する。
図3Aに示すように、偏光変調レーザ装置は、高抵抗GaAs基板1、n型ブラッグ反射ミラー2、第1のnクラッド層3、量子細線吸収変調層4、バリア層5、第1のpクラッド層6、高抵抗AlGaAs層7、第2のnクラッド層8、量子井戸活性層9、第2のpクラッド層10、p型AlGaAs層12及びp型ブラッグ反射ミラー13を積層した構造を含む。
p型ブラッグ反射ミラー13は、レーザ光を放射する開口14を含む。量子井戸活性層9、p型AlGaAs層12及びp型ブラッグ反射ミラー13が積層されている部分は、開口14側(図3Aに示すX方向)から見た場合に矩形形状に加工されている。以下、開口14側から見た場合に矩形形状に形成されている、量子井戸活性層9、p型AlGaAs層12及びp型ブラッグ反射ミラー13が積層されている部分の形状を矩形ポストともいう。本実施の形態では、量子井戸活性層9、p型AlGaAs層12及びp型ブラッグ反射ミラー13が積層されている部分は、矩形断面形状を有することによって、その断面の長辺側の光導波損失が短辺側の光導波損失よりも適度に大きい光導波路を形成している。p型AlGaAs層12の外側には高抵抗層11が形成されている。
また、偏光変調レーザ装置は、電極として、p型ブラッグ反射ミラー13表面に接するように設けられたp電極15、第2のnクラッド層8に接するように設けられたリング状のn電極16、第1のpクラッド層6に接するように設けられたリング状のp電極17、および第1のnクラッド層3に接するように設けられたリング状のn電極18の、計4つの電極を含む。
図3Bは、図3Aに示す偏光変調レーザ装置を、開口14側(図3Aに示すX方向)から見た場合の平面図である。図3Bには、矩形形状に加工された量子井戸活性層9、p型AlGaAs層12及びp型ブラッグ反射ミラー13とが積層されている部分の矩形ポスト構造と、量子細線吸収変調層4との方向の関係が示されている。矩形ポストの矩形の縦及び横の寸法は、例えば6ミクロン×4ミクロン程度である。
本実施の形態において、量子細線吸収変調層4は、2つのブラッグ反射ミラー2,13の間で光強度が極大になる位置に配置されている。量子細線吸収変調層4の吸収変調構造は、レーザ光の進行方向に垂直な面に対して平行な面内における最小寸法が50nm以下である。例えば、吸収変調構造である量子細線の細線幅は10nmであり、図3Bに示すように、量子細線吸収変調層4は、量子細線の延長方向が矩形ポストの矩形の長辺方向と平行になるように配置されている。
次に、本実施の形態の偏光変調レーザ装置の動作について説明する。図3Aに示す構造の偏光変調レーザ装置において、p電極15とn電極16との間にDCバイアス電圧を順バイアスとして印加することによって、量子井戸活性層9が発光する。また、n型ブラッグ反射ミラー2とp型ブラック反射ミラー13とによって共振器が形成されており、偏光変調レーザ装置は、発振閾値電流以上の電流を印加するとレーザ発振する。
また、p電極17とn電極18との間に逆電圧Vmを印加することによって、偏光変調レーザ装置は、量子細線吸収変調層4のレーザ光に対する光吸収係数を変化させる。本実施の形態では、量子細線吸収変調層4は、Vm=0の時にレーザ光に対する光吸収係数がほぼ0になり、Vm≠0の時に光吸収が起こるように、形状、寸法及び組成が調整されている。
例えば、Vm=0にするとレーザ光の偏光方向は、矩形ポストの矩形の長辺に平行になる。これは、この偏光方向で導波損失が最も小さいためである。また、Vm≠0にすると量子細線吸収変調層4の延長方向の吸収係数が最大となり、量子細線に対して垂直方向の吸収係数が最小となる。そのため、Vm≠0にすると、レーザ光の偏光方向は、矩形ポストの矩形の短辺方向に平行になる。この場合、矩形ポストの矩形の長辺に平行な偏光とする場合と短辺に平行な偏光とする場合とを比較すると、偏光に対する損失及び閾値電流の差が小さい。従って、変調電圧Vmが小さくて済み、レーザ共振器内の光密度とキャリア密度とが殆ど変化しないので、大きな偏光変調速度が得られる。
以上のように動作することによって、偏光変調レーザ装置は、偏光変調したレーザ光を放射する。また、開口14の上部に偏光子を配置することによって、偏光変調レーザ装置によって偏光変調されたレーザ光を、強度変調されたレーザ光として取り出すことができる。この場合、偏光子の配置の仕方によって、矩形ポストの矩形の長辺に平行な偏光をもつレーザ光と、短辺に平行な偏光をもつレーザ光とのいずれかを適宜選択して取り出すことができる。
以上のように、本実施の形態によれば、偏光変調レーザ装置において、量子井戸活性層9のレーザの利得媒質として、例えば多重量子井戸等の一般に用いられる高品質で形成の容易な材料及び構造を用いることができる。また、本実施の形態によれば、偏光変調レーザ装置は、吸収変調構造として量子細線吸収変調層4を含む。一般に光学的異方性のある吸収変調構造として最小寸法が10nmオーダの量子細線等を用いる必要があるが、本実施の形態によれば、量子細線吸収変調層4は活性層ではないので、量子細線吸収変調層4が高品質である必要はない。よって、本実施の形態によれば、偏光変調レーザ装置を半導体面発光レーザに適用した場合、作製が容易且つ低閾値電流で高効率な偏光変調面発光レーザ装置を実現することができる。
また、本実施の形態によれば、量子井戸活性層9の活性媒質と量子細線吸収変調層4の吸収変調構造とが電気的に分離されている。そのため、吸収変調層に変調電圧を加えても、活性媒質中のキャリア数の変動を低く抑えることができ、レーザ光の平均出力強度の変動を少なくすることができる。よって、安定した出力強度の偏波変調レーザ光を得ることができる。従って、偏光変調レーザ装置の作製が容易でありながら、偏光変調レーザ装置が低閾値電流で高効率且つ出力強度の安定したレーザ光を出力することができる。
なお、本実施の形態では、吸収変調構造として量子細線を含む量子細線吸収変調層4を用いる場合を説明したが、レーザ光の出力方向に垂直な面に対して平行な面内における光吸収係数に異方性があるものであれば他の構造を用いてもよい。例えば、吸収変調構造として、分数層超格子を用いてもよく、面内の形状や歪分布に異方性のある量子ドット等を用いてもよい。
また、Vm=0の時に偏光方向を制御できる構造として、矩形ポスト構造に限らず、中心対称性のない形状であれば楕円型ポスト(すなわち、量子井戸活性層9、p型AlGaAs層12及びp型ブラッグ反射ミラー13が積層されている部分が、楕円形の断面形状を有する)等他のポスト構造を用いてもよい。また、矩形ポストの高さも、本実施の形態で示した場合に限られない。例えば、量子井戸活性層9、p型AlGaAs層12及びp型ブラッグ反射ミラー13の部分の全てを矩形にするのでなく、p型ブラッグ反射ミラー13の途中までの部分を矩形にする等、適宜矩形ポストの高さを調節してもよい。
また、Vm=0の時に偏光方向を制御できる構造として、(311)B面や(311)A面等に代表される面内で吸収異方性のある基板を用いて、その基板上にポスト形状を形成した構造を用いてもよい。また、面内形状に異方性のある電極や高抵抗層、活性層を用いた構造としてもよい。また、量子細線吸収変調層4とは別に電気的に分離された吸収変調構造を設けた構造を用いてもよい。そのように異方性のある基板、電極、高抵抗層又は活性層を用いたり、別の吸収変調構造を設けた構造とすれば、ポスト形状を円柱形にしてレーザ光とファイバ等の外部光学系との結合率を高めることができる。
また、量子細線吸収変調層4が自発的な内部電界を有するようにしてもよい。そのようにすれば、偏光変調レーザ装置は、Vm=0で吸収係数が大きく、V≠0で吸収係数が小さくなるように変調動作することができる。
また、本実施の形態で示したように、量子細線吸収変調層4については、2つのブラッグ反射ミラー2,13の間で光強度が極大になる位置に配置することが好ましいが、他の位置に配置してもよい。例えば、量子細線吸収変調層4を、n型ブラッグ反射ミラー2又はp型ブラッグ反射ミラー13の内部に配置するようにしてもよい。
また、量子細線吸収変調層4と量子井戸活性層9との直流的な分離が可能なものであれば、高抵抗AlGaAs層7をn型又はp型半導体層にしたり、n型層とp型層との積層構造(下層がn型)や絶縁層にしてもよく、高抵抗AlGaAs層7を無くしてもよい。この場合、高抵抗AlGaAs層7として、例えば、FeドープのAlGaAs層を用いることができる。また、FeドープのAlGaAs層に代えて、高抵抗AlGaAs層7として、例えば、AlAs層やAlリッチAlGaAs層を酸化して形成される絶縁層を用いてもよい。
また、本実施の形態では、基板として高抵抗GaAs基板1を用いたが、基板としてn型基板を用いてもよい。また、基板上の半導体層の導電型ついて適当な置換を行うことを条件に、基板としてp型基板を用いてもよい。また、基板として導電型基板を用いる場合、n電極18を基板裏面に形成するようにしてもよい。
また、本実施の形態で示した量子井戸活性層9、量子細線吸収変調層4及びブラッグ反射ミラー2,13の特性を実現する材料であれば、量子井戸活性層9、量子細線吸収変調層4及びブラッグ反射ミラー2,13の材料として種々の材料を用いることができる。例えば、n型ブラッグ反射ミラー2やp型ブラッグ反射ミラー13を半導体多層膜構造等の多層膜構造を有するように構成してもよい。また、例えば、量子井戸活性層9や量子細線吸収変調層4を半導体層として構成してもよい。
例えば、量子井戸活性層9の材料としてGaAs又はInGaAsを用いて、レーザ装置を近赤外用の面発光レーザ構造に構成してもよいし、InGaPやAlGaInP等の可視面発光レーザ構造に構成してもよい。また、InP基板上のInGaAsP又はInAlGaAsや、GaAs基板上のGaAsSb、GaInNAs又はInAs量子ドット等の活性層を用いて、長波帯の面発光レーザ構造を構成してもよい。また、GaN系やZnSe系等の材料を用いて、青色又は紫外線用の面発光レーザ構造を構成するようにしてもよい。更に、Si系及びSi化合物系材料や有機材料を活性層に用いて、面発光レーザ構造を構成するようにしてもよい。
また、量子井戸活性層9に用いた活性層材料に応じて、量子細線吸収変調層4の吸収変調構造やブラッグ反射ミラー2,13等の材料や組成を、量子井戸活性層9と同様な化合物半導体や誘電体、元素半導体、有機材料から適宜選択してもよい。また、量子井戸活性層9や量子細線吸収変調層4、ブラッグ反射ミラー2,13の構造厚さや面内形状/層数についても適宜選択し設定するようにしてもよい。
また、本実施の形態では、偏光変調レーザ装置が面発光レーザ装置である場合を説明したが、本実施の形態で示した偏光変調レーザ装置の構成は、面発光レーザ装置以外の他の形態のレーザ装置が偏光変調を行う場合にも適用可能である。
本発明は、レーザ光を面発光し偏光変調して出力する偏光変調レーザ装置の用途に適用できる。特に、本発明による偏光変調レーザ装置を用いることによって、偏光変調レーザ装置の作製が容易でありながら、偏光変調レーザ装置が低閾値電流で高効率且つ出力強度の安定したレーザ光を出力することができる。

Claims (7)

  1. レーザ光を偏光変調して出力する偏光変調レーザ装置であって、
    第1の反射ミラーと、
    光学的利得を得るための利得媒質を含む層と、
    第2の反射ミラーと、
    前記第1の反射ミラーと前記第2の反射ミラーとによって形成される共振器と前記利得媒質を含む層とによって発振したレーザ光を、前記第1の反射ミラー又は前記第2の反射ミラーの面に対して垂直方向に出力する出力部と、
    前記出力するレーザ光を、電気的な手段によって第1の偏光方向に固定する第1の偏光制御構造と、
    前記出力するレーザ光を、前記第1の偏光方向とは別の第2の偏光方向に向ける第2の偏光制御構造とを備え、
    前記第1の偏光制御構造は、前記レーザ光に対する光吸収係数を電気的な手段によって変化させる吸収変調構造を含み、
    前記吸収変調構造は、前記レーザ光の出力方向に垂直な面に対して平行な面内における光吸収係数に光学的な異方性を有し、
    前記吸収変調構造と前記利得媒質を含む層とが電気的に分離しており、
    前記第2の偏光制御構造は、前記レーザ光の出力方向において前記吸収変調構造と対向する位置に設けられた光導波路を含み、
    前記光導波路は、前記レーザ光の進行方向に対して垂直な面の断面が矩形であり、当該矩形の長辺側の光導波損失が短辺側の光導波損失より大きく、前記長辺方向が前記第1の偏光方向と平行にならない向きに配置されていることを特徴とする偏光変調レーザ装置。
  2. 吸収変調構造は、電気的な手段として、電界の印加によってレーザ光に対する光吸収係数を変化させる請求項1に記載の偏光変調レーザ装置。
  3. 吸収変調構造は、レーザ光の出力方向に垂直な面に対して平行な面内における最小寸法が50nm以下である請求項1または請求項2に記載の偏光変調レーザ装置。
  4. 吸収変調構造は、量子細線、量子ドット又は分数層超格子を含む請求項1から請求項のうちのいずれか1項に記載の偏光変調レーザ装置。
  5. 第1の反射ミラー及び第2の反射ミラーは、多層膜構造を有し、
    利得媒質を含む層及び第1の偏光制御構造が有する吸収変調構造は、半導体層であり、 前記第1の反射ミラーと、前記第2の反射ミラーと、前記利得媒質を含む層と、前記吸収変調構造とが、基板上に積層されている請求項1から請求項のうちのいずれか1項に記載の偏光変調レーザ装置。
  6. 第1の反射ミラー及び第2の反射ミラーは、半導体多層膜構造を有する請求項記載の偏光変調レーザ装置。
  7. 第1の反射ミラーと、第2の反射ミラーと、利得媒質を含む層と、吸収変調構造とが積層される基板は、半導体基板である請求項記載の偏光変調レーザ装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015079831A (ja) 2013-10-16 2015-04-23 セイコーエプソン株式会社 発光装置および原子発振器
US9843160B1 (en) * 2016-12-29 2017-12-12 X Development Llc Integrated digital laser
US11575246B2 (en) * 2018-11-09 2023-02-07 Meta Platforms Technologies, Llc Wafer level optic and zoned wafer

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09260765A (ja) * 1996-03-18 1997-10-03 Olympus Optical Co Ltd 面発光半導体レーザ

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04144183A (ja) * 1990-10-04 1992-05-18 Seiko Epson Corp 面発光型半導体レーザ
JPH05308173A (ja) * 1992-04-30 1993-11-19 Nec Corp 半導体レーザ
JP2875929B2 (ja) * 1992-10-09 1999-03-31 シャープ株式会社 半導体レーザ素子およびその製造方法
JP2891133B2 (ja) * 1994-10-24 1999-05-17 日本電気株式会社 面発光レーザ及び面発光レーザアレイ及び光情報処理装置
JP3541539B2 (ja) * 1996-02-01 2004-07-14 富士通株式会社 面発光半導体レーザ
JPH1022571A (ja) * 1996-07-02 1998-01-23 Canon Inc Teモード損失選択制御偏波変調半導体レーザ
JP4010095B2 (ja) * 1999-10-01 2007-11-21 富士ゼロックス株式会社 面発光型半導体レーザ及びレーザアレイ

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09260765A (ja) * 1996-03-18 1997-10-03 Olympus Optical Co Ltd 面発光半導体レーザ

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