JP5524821B2 - 半導体レーザモジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザモジュールに関する。

半導体レーザの出力を向上させる方法の一つに、光増幅部を含む導波路の幅を拡げることがある。しかしながら、導波路の幅を拡げると高次横モードで発振してしまい、一般に通信用半導体レーザでは基本横モードのレーザ発振が要請されていることから、導波路の幅は高次横モードのカットオフ幅未満となるよう設計されている。

これに対して、下記の特許文献１では、光増幅部の導波路幅を高次横モード（例えば１次横モード）のカットオフ幅以上とした場合にも、多モード干渉導波路の特性を有するモードフィルタを設けると共に、当該モードフィルタに接合する導波路の幅を高次横モードカットオフ幅以下とすることで、光出力を向上させつつ高次横モードのレーザ発振を抑える技術を提案している。

特開２００３−２５８３６８号公報

しかしながら、上記の従来技術では多モード干渉導波路を用いたモードフィルタには比較的長い干渉長が必要であり、さらに上記モードフィルタに接合する導波路の幅は高次横モードカットオフ幅以下とする必要があることから、設計の自由度が小さく、レーザ素子の小型化が困難である。

本発明は上記課題に鑑みて為されたものであって、その目的は、設計自由度が高く、レーザ光の出力を向上させつつ基本横モードのレーザ光を出力することができる半導体レーザモジュールを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザモジュールは、レーザ光を励起する光増幅部と、前記光増幅部と結合し前記光増幅部で励起されたレーザ光を導波する第１の導波路と、当該第１の導波路から基本横モードのレーザ光を選択的に分岐して導波する第２の導波路とを含む光方向性結合器と、を含み、前記第１の導波路の少なくとも一部における導波路幅を高次横モードカットオフ幅以上としたことを特徴とする。

本発明の一態様では、前記第１の導波路と前記第２の導波路はそれぞれ等価屈折率が異なり、各導波路は前記基本横モードのレーザ光の略半波長の距離をおいて略平行に設けられることとする。

本発明の一態様では、前記第１の導波路のうち前記光増幅部の内部を通る部分の導波路幅を、前記高次横モードカットオフ幅以上としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザモジュール。

本発明の一態様では、前記第１の導波路のうち前記光増幅部の内部を通る部分と、それ以外の部分との接続部をテーパー形状としたこととする。

本発明の一態様では、前記第１の導波路は、前記光増幅部で励起されるレーザ光の波長を選択する波長選択フィルタを備えることとする。

本発明の一態様では、前記波長選択フィルタは、注入される電流に応じて透過する波長を変化させることとする。

本発明の一態様では、前記半導体レーザモジュールは、前記光増幅部と前記光方向性結合器との間に設けられた位相調整部と、前記光増幅部に対して前記位相調整部と反対の位置に設けられた、周期的な波長帯に反射ピークを有する反射型狭帯域フィルタとして機能するＤＢＲミラーと、をさらに含むこととする。

本発明の一態様によれば、レーザ光の出力を向上させつつ基本横モードのレーザ光を出力することができる。

第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成の概要図である。 図１に示した半導体レーザモジュールをII−IIの断面から見た斜視図である。 第１の実施形態に係る半導体レーザモジュールのシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成の概要図である。 第３の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成の概要図である。 第４の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成の概要図である。 図６に示した半導体レーザモジュールをVII−VIIの断面からみた斜視図である。 第５の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成の概要図である。 第６の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成の概要図である。 第７の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成の概要図である。 第８の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成の概要図である。 第９の実施形態に係る半導体レーザモジュールの構成の概要図である。

以下、本発明を実施するための実施の形態（以下、実施形態という）を、図面を参照しつつ説明する。

まず、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１について説明する。図１には、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１の構成の概要図を示した。

図１に示されるように、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、光増幅部３と光方向性結合器５を備える。

光増幅部３は、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層を含み、レーザを発光する活性層が導波路１０Ａとして機能する。

光方向性結合器５は、導波路１０Ａと物理的及び光学的に結合し、光増幅部３で励起されたレーザを導波する導波路１０Ｂ（入射側導波路）と、導波路１０Ｂと略平行に配置され導波路１０Ｂで導波する一部のレーザ光を分岐して導波する導波路２０（出射側導波路）とを備える。本実施形態では、導波路１０Ａ及び導波路１０Ｂを第１の導波路１０、導波路２０を第２の導波路２０とする。そして、導波路１０Ｂには、ストライプ長手方向に長周期回折格子１２が形成され、長周期回折格子１２の周期に応じた波長の光が光方向性結合器５から出力されるようになっている。すなわち、光方向性結合器５は、透過型広帯域波長フィルタとして機能する。なお、各導波路は、例えばＩｎＰ基板上にメサストライプ状の導波路として形成されることとしてよい。

図１に示されるように、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１では、第１の導波路１０の幅は光増幅部３で発振するレーザの高次横モードカットオフ幅を超える幅に構成され、第２の導波路２０の幅は高次横モードカットオフ幅以下に構成される。例えば、光増幅部３が１．５５μｍの波長のレーザを発振するとした場合に、第１の導波路１０の幅を２μｍ、第２の導波路２０の幅を１μｍに設定することとしてよい。

また、第１の導波路１０と第２の導波路２０とは、それぞれ等価屈折率が異なり、各導波路は光増幅部３で励起された基本横モードのレーザの半波長程度の距離を空けて配置することとする。こうすることで、第１の導波路１０と第２の導波路２０が生成する屈折率の空間分布において、第２の導波路２０内に電磁場強度の極大値が形成されるモードの一部が、第２の導波路２０に励起される基本横モードとして伝播する。すなわち、第２の導波路２０には第１の導波路１０から基本横モードのレーザが選択的に分岐して導波することとなる。そのため、第１の導波路１０幅が高次横モードカットオフ幅を超える幅としたことで、第１の導波路１０を導波するレーザに高次横モードのレーザが含まれていたとしても、第２の導波路２０（出射側導波路）には高次横モードのレーザは殆ど伝播させずに、基本横モードのレーザを選択的に伝播させることができる。

図２は、図１に示した半導体レーザモジュール１をII−IIの断面から見た斜視図である。

図２に示されるように、第１の導波路１０は、ＩｎＰ基板１００の上に、光導波路層１０２、ｎ型ＩｎＰ層１０４、光導波路層１０６、ｐ型ＩｎＰ層１０８を積層して構成されており、ストライプ長手方向にはメサ幅を変調した長周期回折格子１２が形成されている。例えば、光導波路層１０２のメサ幅は光増幅部３のメサ幅に等しくし、その組成波長を１．３μｍとしてよく、光導波路層１０６のメサ幅も光増幅部３のメサ幅に等しくし、その組成波長を１．４μｍとしてよい。そして、例えば長周期回折格子１２の１周期の長さＬを２５μｍとし、光方向性結合器５の透過波長を１．５５μｍに設定することとしてよい。

第２の導波路２０は、ＩｎＰ基板１００の上に、光導波路層２００を積層して構成されている。第１の導波路１０と第２の導波路２０はその周りを半絶縁ＩｎＰ層３００で囲まれており、上側表面にはパッシベーション膜４００が形成されている。上述したように、第１の導波路１０と第２の導波路２０との距離ｄは、第１の導波路１０から第２の導波路２０に導波する光の波長λに対して、ｄがλ／２程度の関係にある。例えば上記関係は、λ／２―α＜ｄ＜λ／２＋αとしてよく、αはλ／２未満の正数であり、第２の導波路２０の幅ｗ２とした場合に、０＜α＜ｗ２／２を満たすこととしてよい。一例としては、導波させる光の波長を１．５５μｍとした場合に、第１の導波路１０と第２の導波路２０との距離ｄを１μｍとすることとしてよい。

図３には、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１に搭載された光方向性結合器５における横モードに係る基本モード、１次モード、及び２次モードのシングルパス透過率のシミュレーション結果を示した。シミュレーションには、ＢＰＭ法（Beam Propagation Method）を用い、図３に示される透過率はそれぞれのモード毎に規格化した値を用いた。

図３に示されるように、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１では、波長１．５５μｍ帯において、基本モードの透過率が８０％以上であるのに対して、１次モードは１％以下、２次モードは１０％以下に抑えられており、光方向性結合器５が基本モードを選択的に透過するモードフィルタとして機能していることが明らかとなった。これにより、第１の導波路１０で高次横モードのレーザが導波されていても、第２の導波路２０により基本横モードのレーザを選択的に取り出すことができる。

以上説明した第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１によれば、光増幅部３に結合した第１の導波路１０のメサ幅を高次横モードのカットオフ幅より広くすることで光出力を向上させつつも、光方向性結合器５により、基本横モードのレーザを選択的に出力させることができる。本実施形態によれば、半導体レーザモジュール１にモード選択性を有する光方向性結合器５を搭載することで上記効果を実現できるため、設計自由度を高くすることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザモジュール１について説明する。図４には、第２の実施形態に係る半導体レーザモジュール１の構成の概要図を示した。図４に示されるように、第２の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１と第１の導波路１０の形状が異なっている。すなわち、第２の実施形態では、第１の導波路１０のうち、光増幅部３側の導波路幅を高次横モードのカットオフ幅よりも広くし、光方向性結合器５側の導波路幅は光増幅部３の導波路幅よりも狭くしている。例えば、レーザの波長を１．５５μｍとした場合に、光増幅部３の導波路幅は２μｍに設定することとしてよい。

次に、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザモジュール１について説明する。図５には、第３の実施形態に係る半導体レーザモジュール１の構成の概要図を示した。図５に示されるように、第３の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、第２の実施形態に係る半導体レーザモジュール１と、第１の導波路１０における光増幅部３側の導波路１０Ａと光方向性結合器５側の導波路１０Ｂとの接合部１０Ｃの形状において異なっている。すなわち、第３の実施形態では、光増幅部３側の導波路１０Ａと光方向性結合器５側の導波路１０Ｂとの接合部１０Ｃの形状をなだらかに導波路幅が変化するテーパー形状にした点に特徴がある。

次に、本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザモジュール１について説明する。図６には、第４の実施形態に係る半導体レーザモジュール１の構成の概要図を示した。第４の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、第１の実施形態に係る半導体レーザモジュール１と、光方向性結合器５が電流注入によって透過波長を変化させることができる透過型広帯域波長フィルタ（波長選択フィルタ）としての機能を有するようにした点で異なっている。そして、上記のように構成したことで、第４の実施形態に係る半導体レーザモジュール１では、発振波長を可変とすることができる。

図７は、図６に示した半導体レーザモジュール１をVII−VIIの断面からみた斜視図である。図７に示されるように、第４の実施形態に係る光方向性結合器５は、第１の実施形態に係る光方向性結合器５に加えて、ｐ側電極５００、ｐ型ＩｎＰ層５０２、及びｎ側電極５０４を備えている。

第４の実施形態に係る波長可変型の半導体レーザモジュール１に含まれる第１の導波路１０の形状は、図６に示した例に限られず、図４及び図５に示した形状を用いることとしてもよい。

次に、本発明の第５の実施形態に係る半導体レーザモジュール１について説明する。第５の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、単一縦モード及び単一横モードでの発振が可能な波長可変レーザに本発明を適用した例である。

図８には、第５の実施形態に係る半導体レーザモジュール１の構成の概要図を示した。図８に示されるように、第５の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、光増幅部３、光方向性結合器５、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）ミラー３０、位相調整部４０を備える。

光増幅部３は、ＤＢＲミラー３０と光方向性結合器５との間に挟まれており、ＤＢＲミラー３０の反射面と、光方向性結合器５の端面の反射面とによりレーザ共振器が構成されている。光方向性結合器５が透過型広帯域波長フィルタ（コースフィルタ）として、ＤＢＲミラー３０が反射型狭帯域波長フィルタ（ナローフィルタ）として機能する。そして、光方向性結合器５、ＤＢＲミラー３０、及び位相調整部４０にそれぞれ電流を注入することにより発振されるレーザの波長を変化させることができる。なお、光方向性結合器５の端面の反射面及びＤＢＲミラー３０の反射面は、劈開面又は多層誘電体膜のどちらとしてもよい。また、ＤＢＲミラー３０の種類は、均一回折格子、ＰＧ（Phased-Grating）、ＳＧ（Sampled-Grating）のいずれとしても構わない。

第５の実施形態に係る半導体レーザモジュール１における第１の導波路１０は、ＤＢＲミラー３０、光増幅部３、位相調整部４０、光方向性結合器５のそれぞれを貫いており、第２の導波路２０は光方向性結合器５を貫いている。ここで、第１の導波路１０は、光増幅部３で励起されるレーザに関する高次横モード（例えば１次モード）のカットオフ幅よりも広い幅を有することとし、第１の導波路１０の全般に渡って導波路幅は均一であることとする。このように構成することにより、光出力を向上させつつも、基本横モードのレーザを選択的に出力させることができる。

次に、本発明の第６の実施形態に係る半導体レーザモジュール１について説明する。図９には、第６の実施形態に係る半導体レーザモジュール１の構成の概要図を示した。図９に示されるように、第６の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、第５の実施形態に係る半導体レーザモジュール１と、第１の導波路１０の形状が異なっている。すなわち、第６の実施形態では、第１の導波路１０のうち、光増幅部３内の導波路幅を高次横モード（例えば１次モード）のカットオフ幅よりも広くし、その他の導波路幅は光増幅部３の導波路幅よりも狭くしている。例えば、レーザの波長を１．５５μｍとした場合に、光増幅部３の導波路幅は２μｍに設定することとしてよい。

次に、本発明の第７の実施形態に係る半導体レーザモジュール１について説明する。図１０には、第７の実施形態に係る半導体レーザモジュール１の構成の概要図を示した。図１０に示されるように、第７の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、第６の実施形態に係る半導体レーザモジュール１と、第１の導波路１０における光増幅部３内の導波路１０Ａと、それ以外の導波路部分との接合部の形状について異なっている。すなわち、第７の実施形態では、光増幅部３内の導波路１０Ａとそれ以外の導波路部分との接合部７００の形状をなだらかに導波路幅が変化するテーパー形状にした点に特徴がある。

次に、本発明の第８の実施形態に係る半導体レーザモジュール１について説明する。図１１には、第８の実施形態に係る半導体レーザモジュール１の構成の概要図を示した。図１１に示されるように、第８の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、第５の実施形態に係る半導体レーザモジュール１と、第１の導波路１０の形状が異なっている。すなわち、第８の実施形態では、第１の導波路１０のうち、光方向性結合器５以外の部分の導波路幅を高次横モード（例えば１次モード）のカットオフ幅よりも広くし、光方向性結合器５内の導波路との接合部８００の形状をなだらかに導波路幅が変化するテーパー形状としている。

次に、本発明の第９の実施形態に係る半導体レーザモジュール１について説明する。図１２には、第９の実施形態に係る半導体レーザモジュール１の構成の概要図を示した。図１２に示されるように、第９の実施形態に係る半導体レーザモジュール１は、第８の実施形態に係る半導体レーザモジュール１と、第１の導波路１０のうちＤＢＲミラー３０内の導波路部の形状が異なっている。すなわち、第９の実施形態では、第１の導波路１０のうち、ＤＢＲミラー３０における導波路の幅が光増幅部３内の導波路幅よりも広く、両者の接合部９００をテーパー形状とした点で、第８の実施形態における第１の導波路１０と異なっている。

以上説明したいずれの実施形態に記載の半導体レーザモジュール１においても、レーザ光を励起する光増幅部３と、光増幅部３と結合し光増幅部３で励起されたレーザ光を導波する第１の導波路１０と、第１の導波路１０から基本横モードのレーザ光を選択的に分岐して導波する第２の導波路２０とを含む光方向性結合器５と、を備え、第１の導波路１０の少なくとも一部における導波路幅を高次横モードカットオフ幅以上としたことで、レーザ光の出力を向上させつつ基本横モードのレーザ光を出力することができる。

もちろん本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、例えば半導体レーザの基板にはＩｎＰ以外にもＧａＡｓ、ＧａＮ、ＺｎＳｅ等の他の材料を用いることとしてもよい。また、レーザの発振波長は１．５５μｍに限られず他の波長帯を用いることとしてもよい。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、この分野の通常の知識を有する当業者によって多様な変更、変形又は置換が可能であることはもちろんである。

１ 半導体レーザモジュール、３ 光増幅部、５ 光方向性結合器、１０ 第１の導波路、１０Ａ，１０Ｂ 導波路、１０Ｃ 接合部、２０ 第２の導波路、１２ 長周期回折格子、１００ ＩｎＰ基板、１０２ 光導波路層、１０４ ｎ型ＩｎＰ層、１０６ 光導波路層、１０８ ｐ型ＩｎＰ層、２００ 光導波路層、３００ 半絶縁ＩｎＰ層、４００ パッシベーション膜、３０ ＤＢＲミラー、４０ 位相調整部、５００ ｐ側電極、５０２ ｐ型ＩｎＰ層、５０４ ｎ側電極５０４、７００，８００，９００ 接合部。

Claims (7)

1. レーザ光を励起する光増幅部と、光方向性結合器とを備える半導体レーザモジュールであって、
   前記光増幅部と前記光方向性結合器とのそれぞれに設けられた導波路が物理的及び光学的に結合されて構成された、前記光増幅部で励起されたレーザ光を導波する第１の導波路と、
   前記光方向性結合器の一部に前記第１の導波路と所定の距離離して設けられた、前記第１の導波路から基本横モードのレーザ光を選択的に分岐して導波する第２の導波路と、
   前記第１の導波路のうち少なくとも前記光増幅部に含まれる部分の導波路幅を高次横モードカットオフ幅以上とした
   ことを特徴とする半導体レーザモジュール。
2. 前記第１の導波路と前記第２の導波路はそれぞれ等価屈折率が異なり、各導波路は前記基本横モードのレーザ光の略半波長の距離をおいて略平行に設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザモジュール。
3. 前記光方向性結合器に含まれる前記第１の導波路の一部は、回折格子を備える
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザモジュール。
4. 前記第１の導波路において、前記光増幅部に設けられた導波路と、前記光方向性結合器に設けられた導波路との接続部をテーパー形状とした
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
5. 前記第１の導波路は、前記光増幅部で励起されるレーザ光の波長を選択する波長選択フィルタを備える
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。
6. 前記波長選択フィルタは、注入される電流に応じて透過する波長を変化させる
   ことを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザモジュール。
7. 前記光増幅部と前記光方向性結合器との間に設けられた位相調整部と、
   前記光増幅部に対して前記位相調整部と反対の位置に設けられた、周期的な波長帯に反射ピークを有する反射型狭帯域フィルタとして機能するＤＢＲミラーと、をさらに含む
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体レーザモジュール。

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