JP6083644B2

JP6083644B2 - 集積型半導体光源

Info

Publication number: JP6083644B2
Application number: JP2013127800A
Authority: JP
Inventors: 小林　亘; 亘小林; 洋八坂
Original assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: JP2015002335A

Description

本発明は、光通信分野や光計測分野に用いられる、狭線幅半導体光源に関するものである。

光通信システムの大容量化、長距離化に向けて、光の位相を用いたデジタルコヒーレント光通信システムの研究開発が盛んに行われている。デジタルコヒーレント光通信システムでは、光の位相揺らぎを小さくする必要があり、位相揺らぎが小さく、スペクトル線幅の狭い、狭線幅光源が必要不可欠である。狭線幅光源としては、ファイバレーザや外部共振器構成の半導体レーザが用いられている。

図１に、非特許文献１に報告されているファイバレーザの構成を示す。図１のファイバレーザにおいては、偏波保持ファイバ３を用いた共振器をリング状に配置し、その一部に偏波保持型λ/4シフト回折格子を有するEr³⁺ドープファイバレーザ１を配備し、1480nmの励起光源２により励起することで特定の波長を選択的に発振できる構成とし、そのリング状の共振器長を長くすることで線幅の狭い光を発振する光源を実現している。

図２に、非特許文献２に報告されている外部ファイバリングキャビティ型半導体レーザの構成を示す。図２の半導体レーザにおいては、上記Er³⁺ドープファイバレーザ１（図１）をλ/4シフトDFBレーザモジュール10に置き換えた外部ファイバリングキャビティ構成の狭線幅光源を実現している。

図３に、非特許文献３に報告されているバルク回折格子を用いた外部共振器レーザの構成を示す。図３の外部共振器構成の半導体レーザにおいては、光増幅媒体として半導体を用いており、外部共振器として、バルク回折格子ミラー13を外部鏡として用いた光源を実現している。

図４に、非特許文献４に報告されているファイバブラッグ回折格子を用いた外部共振器レーザの構成例を示す。図４の外部共振器レーザでは、ファイバブラッグ回折格子16を外部鏡として用いた光源を実現している。

図５に、非特許文献５に報告されている導波路型回折格子を用いた外部共振器レーザの構成例を示す。図５の外部共振器レーザでは、導波路型回折格子17を外部鏡として用いて光源を実現している。

図６に、非特許文献６に報告されている導波路型回折格子を用いた外部共振器レーザの構成例を示す。さらに、図６の外部共振器レーザは、半導体光増幅媒体12と、外部共振器としての窒素添加シリカ（SiON）をコアとする光導波路を用いた３段リングフィルタ18をSiプラットフォーム19上にハイブリッド集積して実現されている。

A. Suzuki et al., "An Ultralow Noise and Narrow Linewidth λ/4-Shifted DFB Er-Doped Fiber Laser With a Ring Cavity Configuration," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 19, no. 19, pp. 1463-1465, October 1, 2007 K. Kasai et al., "1.5-μm Frequency-Stabilized λ/4-Shifted DFB LD Employing an External Fiber Ring Cavity With a Linewidth of 2.6 kHz and an RIN of 135 dB/Hz," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 23, no. 15, pp. 1046-1048, August 1, 2011 J. O. Binder et al., "Intermodal Tuning Characteristics of an InGaAsP Laser with Optical Feedback from an External-Grating Reflector," IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 26, no. 7, pp. 1191-1199, July 1990 F. N. Timofeev et al., "10Gbit/s directly modulated, high temperature-stability external fibre grating laser for dense WDM networks," IEE Electronics Letters, vol. 35, no.20, pp. 1737-1739, September 30, 1999 G. D. Maxwell et al., "Demonstration of a semiconductor external cavity laser using a UV written grating in a planar silica waveguide" IEE Electronics Letters, vol. 30, no. 18, pp. 1486-1487, September 1, 1994 T. Matsumoto et al., "Narrow Spectral Linewidth Full Band Tunable Laser Based on Waveguide Ring Resonators with Low Power Consumption," Technical Digest in Conference on Optical Fiber Communication (OFC), OThQ5, 2010 Y. Yoshikuni et al. "Multielectrode Distributed Feedback Laser for Pure Frequency Modulation and Chirping Suppressed Amplitude Modulation," Journal of Lightwave Technology, vol. LT-5, no. 4, pp. 516-522, April, 1987

しかし、図１乃至６に示した従来のレーザ光源は、比較的大きな外部共振器を用いる必要があり、光源が大型になり、特に図１乃至３の従来のレーザ光源では機械的振動や温度変動により不安定な動作を示していた。また、図２乃至６の半導体利得媒体を用いる従来のレーザ光源の構成では、外部共振器構造と半導体活性層もしくは半導体レーザと外部共振器との結合には、レンズ結合あるいはバッドカップリングによるハイブリッド構成を採用しており、作製上の歩留まりが悪いという問題や、小型化が困難という問題があった。このため、狭スペクトル線幅を有するコンパクトなレーザ光源の実現が必要となっていた。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、コンパクトでかつスペクトル幅の狭い半導体光源を提供することにある。また、機械的振動や温度変動による影響を受け難く、作製上の歩留まりの良い半導体光源を提供することにある。

上記課題を解決するために、同一半導体基板上に単一モード半導体レーザとその出力光を再び当該半導体レーザへ導くためのリング状光導波路をモノリシック集積することでレーザ光源共振器の共振特性（Ｑ値）を向上した集積型半導体光源を設計・作製し、コンパクトで狭スペクトル線幅を有する集積型半導体光源を実現する。

本発明の一実施形態では、単一モード半導体レーザとリング状半導体光導波路とを同一の半導体基板上に集積した集積型半導体光源が提供される。単一モード半導体レーザは２つの出射端から発振光を出射する。リング状半導体光導波路の一端は単一モード半導体レーザの２つの出射端の一方に接続され、リング状半導体光導波路の他端は単一モード半導体レーザの２つの出射端の他方に接続される。単一モード半導体レーザの２つの出射端からの発振光が互いに逆方向にリング状半導体光導波路を周回して単一モード半導体レーザに帰還する。

一実施形態では、光合分波器と光出力導波路とが、単一モード半導体レーザとリング状半導体光導波路と共に半導体基板上に集積される。光合分波器は、リング状半導体光導波路を周回した発振光を、光出力導波路に光学的に結合する。光出力導波路を伝搬した発振光は半導体基板の端面（光出力導波路の端）から出力する。一実施形態では、InP基板を半導体基板として用いてものよい。

一実施形態では、分布帰還型半導体レーザを、単一モード半導体レーザとて用いてもよい。共振器の中央で位相がπだけ変化した回折格子を具備したλ/4シフト回折格子分布帰還型半導体レーザを分布帰還型半導体レーザとして用いても良い。

一実施形態では、波長可変半導体レーザを単一モード半導体レーザとて用いても良い。多電極構造半導体レーザを波長可変半導体レーザとして用いても良い。あるいは、分布反射鏡型半導体レーザを波長可変半導体レーザとて用いても良い。

以上説明したように、本発明によりコンパクトでかつスペクトル幅の狭い半導体光源を提供することができる。また、本発明により機械的振動や温度変動による影響を受け難く、作製上の歩留まりの良い半導体光源を提供することができる。

従来のファイバレーザの構成例を示す図である。従来の外部ファイバリングキャビティ型半導体レーザの構成例を示す図である。従来のバルク回折格子を用いた外部共振器レーザの構成例を示す図である。ファイバブラッグ回折格子を用いた外部共振器レーザの構成例を示す図である。導波路型回折格子を用いた外部共振器レーザの構成例を示す図である。リングフィルタを用いた外部共振器レーザの構成例を示す図である。本発明の第１の実施例による集積型半導体光源の構造図である。本発明の第２の実施例による集積型半導体光源の構造図である。リング状光導波路が構成するリング共振器の透過特性を示す図である。本発明の第２の実施例による集積型半導体光源の発振光周波数を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の実施形態の集積型半導体光源は、１つの半導体基板上に形成された単一モード半導体レーザ及びリング状半導体導波路を備える。単一モード半導体レーザの両端からそれぞれ光が出力される。リング状半導体導波路の一端は単一モード半導体レーザの一端に接続され、リング状半導体導波路の他端は単一モード半導体レーザの他端に接続されている。また、集積型半導体光源は、半導体基板上に形成された光合分波器と光出力導波路とを備える。光合分波器は、リング状導波路を周回した発振光を光出力導波路に光学的に結合する。

本実施形態の集積型半導体光源の構成では、単一モード半導体レーザの両端からの出力光は、互いに逆向きにリング状導波路を周回して、半導体レーザに帰還する。また、リング状導波路を周回した出力光は、光出力導波路から出力される。これにより、半導体レーザからの１つの出力光が一方向に周回する従来の光源に比べ、本実施形態の集積型半導体光源の共振器の共振特性を向上させることができ、光源の小型化が可能となる。

図７に、本発明の第１の実施例の集積型半導体光源を示す。
図７に示す集積型半導体光源100は、InP基板101上に作製された素子共振器の中央に位相シフト領域を有するλ/4シフト回折格子を配する分布帰還型(Distributed FeedBack, DFB)レーザ102と、その光出力を再度DFBレーザ102へ帰還するために該InP基板101上に作製されたリング状光導波路103とを備える。本構成ではDFBレーザ102の両端からの出力光を自身へ帰還できる構造となっている。従来技術の図２に示すアイソレータ6を挿入することで片側端からの出力光のみを帰還する構成に比べて、本構成では、共振器の共振特性を大きく向上することができる。このためリング状光導波路の長さを短縮化でき、半導体基板101へ集積可能なサイズとすることができる。本集積型半導体光源100では、光出力導波路104を更に配備し、本導波路104とリング状光導波路103を光合分波器105により結合することで光出力導波路104から光出力を得る構成となっている。光出力導波路104の両端、集積型半導体光源100の両光出力端面は発振光の反射による不安定動作を防止するために反射防止膜106が形成されている。DFBレーザ102は、電極107からの電流注入で発振を行う。DFBレーザ102の発振光はリング状光導波路103を伝搬し、再び自身に戻ってくる構成となり、DFBレーザ102及びリング状光導波路103が本光源の共振器を構成することとなる。このため長共振器構成が実現できる。

素子の製造工程を以下に記述する。
１．n-InP基板101上にn-InPバッファー層及びn-InPクラッド層を、有機金属化学気相蒸着法(Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)を用いて成長する。
２．次に1.2μm組成InGaAsP分離閉込(Separate Confinement Heterostructure, SCH)層(厚さ5nm)を成長し、その上に1.3μm組成のInGaAsP障壁層(厚さ10nm)及びInGaAs井戸層(厚さ5nm)を順次成長する。障壁層は7層、井戸層は6層とした。
３．さらに1.2μm組成InGaAsP SCH層(厚さ5nm)、1.1μm組成p-InGaAsP回折格子形成層(厚さ100nm）、p-InPクラッド層(厚さ20nm)を成長する。工程２及び本工程３でDFBレーザ部102の活性層を形成する。
４．基板を成長装置から取り出し、電子ビーム描画装置でDFBレーザ部102のみに周期220nmの回折格子パターンを描画し、ドライエッチングにより回折格子を形成する。
５．再度結晶成長装置へ基板を戻し、p-InPクラッド層(厚さ500nm)、1.3μm組成p-InGaAsPコンタクト層(厚さ50nm)を、順次成長する。
６．DFBレーザ部102をSiO2膜でカバーし、それ以外の1.2μm組成InGaAsP SCH層までの結晶をエッチングで除去する。
７．結晶を除去した部分へ、1.2μm組成InGaAsP SCH層(厚さ5nm)、1.3μm組成InGaAsP光導波層(厚さ100nm)、1.2μm組成InGaAsP SCH層(厚さ5nm)、1.1μm組成p-InGaAsP層(厚さ100nm）、p-InPクラッド層を順次バットジョイント成長し、リング状光導波路部103の光導波層を形成する。
１１．素子ストライプ構造を電子ビーム描画装置で描画し、ドライエッチングによりメサストライプを形成する。
１２．エッチングにより除去したDFBレーザ102領域に、電流狭窄用埋込層として、半絶縁(Semi-insulating, SI)InPを成長し、埋め込み構造を有する素子を形成する。
１３．他のリング状光導波路部103は素子平坦化のため及び光導波路側壁保護のため、誘電体材料Benzocyclobutene（BCB）で埋め込む。
１４．基板側に素子の共通n-電極、DFBレーザ部102上にp-電極を形成する。
１５．チップを劈開により取り出し、素子出射端面に反射防止膜106を形成する。

ここで、DFBレーザ102の共振器長は300μm、リング状光導波路の長さは1.8mm、光合分波器105の結合量は10:1とした（リング103からリング103へ伝搬する光量：リング103から光出力導波路104へ結合する光量 = 10:1）。集積型半導体光源100のチップサイズは1.0mm×0.6mm であった。

以上により作製された集積型半導体光源100をAlNヒートシンク上に半田固定しそれを銅ブロック上に半田固定しペルチェ素子上に配置することで、チップ温度を25℃一定となるように調整した。この状態で本集積型半導体光源のスペクトル特性を評価し、DFBレーザ102への注入電流が100mAの時、スペクトル線幅が10kHzとなったことが確認できた。

また、発振光の注入電流変化時の光周波数変動量は0.05GHz/mAと従来のDFBレーザの光周波数変動量の1/20程度であることが確認できた。

図８に、本発明の第２の実施例の集積型半導体光源を示す。
図８に示す集積型半導体光源110は、DFBレーザとして波長可変半導体レーザをInP基板101上に集積することで構成されている。製造工程は第１の実施例と同様である。ここでは非特許文献７に報告されている電極を分離した多電極構造DFBレーザ111を集積した集積型半導体光源に関して記載する。分割された電流注入電極112へ注入する電流量の比を調整することで、本レーザ111の発振光波長は制御可能となっている。リング状光導波路103により構成されるリング共振器ではその共振器長に起因した飛び飛びの光周波数のみが存在できる。この様子をリング状光導波路103の透過光強度の光周波数依存性として図９に示す。この飛び飛びの光周波数の間隔（Free Spectral Range; FSR)は以下の式で表される。

ここに、cは光速、n及びLはリング光導波路の有効屈折率及び長さをそれぞれ表す。
nを3.4、Lを1.8mm程度としたとき、FSRを50GHzに設定することができる。本集積型半導体光源110では、波長可変半導体レーザ111の波長を変えようとした場合、このリング共振器に存在可能な光周波数の発振光のみが存在できるため、本光源の発振光の光周波数は50GHz間隔の飛び飛びの値となる。つまり本構成の光源で、発振光周波数間隔が一定な状態で波長を切り替えることのできる波長可変光源が実現できる。また、発振スペクトルの測定から、スペクトル線幅が10kHzとなっていることが確認できた。

図１０に、分割された電流注入電極112へ注入する電流量の比と、発振光周波数との関係を示す。

以上説明したように、本発明の第２の実施例による半導体光源110によって、スペクトル線幅が狭く、かつ発振光周波数間隔が一定な状態で波長を切り替えることのできる集積型半導体光源が実現できた。

本実施例においては、波長可変半導体レーザとして分布反射鏡(Distributed Bragg reflector; DBR)レーザを用いても同じ効果が得られることは言うまでもない。

１偏波保持l/4シフト回折格子型Er³⁺ドープファイバDFBレーザ
２励起用1480nm半導体レーザ
３偏波保持ファイバ
４偏波保持WDMカプラ
５偏波保持カプラ
６偏波保持光アイソレータ
７光バンドパスフィルタ
８光出力
９ λ/4シフト分布帰還(DFB)レーザ
１０ λ/4シフト分布帰還(DFB)レーザモジュール
１１レンズ
１２半導体利得媒体
１３バルク回折格子
１４光アイソレータ
１５光ファイバ
１６先球テーパーレンズ付ファイバブラッグ回折格子
１７導波路型回折格子
１８３段リングフィルタ
１９Ｓｉプラットフォーム
１００本発明第１の実施例による集積型半導体光源
１０１ InP基板
１０２ λ/4シフト回折格子DFBレーザ
１０３リング状光導波路
１０４光出力導波路
１０５光合分波器
１０６反射防止膜
１０７電流注入電極
１１０本発明第２の実施例による集積型半導体光源
１１１多電極DFBレーザ
１１２分割された電流注入電極

Claims

単一モード半導体レーザとリング状半導体光導波路と光合分波器と光出力導波路とを同一の半導体基板上に集積した集積型半導体光源であって、
前記単一モード半導体レーザは２つの出射端から発振光を出射し、
前記リング状半導体光導波路の一端は前記２つの出射端の一方に接続され、前記リング状半導体光導波路の他端は前記２つの出射端の他方に接続され、
前記２つの出射端からの発振光が互いに逆方向に前記リング状半導体光導波路を周回して前記２つの出射端の両端から前記単一モード半導体レーザに帰還し、
前記光合分波器は、前記リング状半導体光導波路を周回した発振光を、前記光出力導波路に光学的に結合し、
前記光出力導波路を伝搬し前記光出力導波路の両端から出力される発振光を、前記半導体基板の２つの端面からそれぞれ出力する集積型半導体光源。
前記半導体基板をInP基板とした請求項１に記載の集積型半導体光源。
前記単一モード半導体レーザを分布帰還型半導体レーザとした請求項１または２に記載の集積型半導体光源。
前記分布帰還型半導体レーザを、共振器の中央で位相がπだけ変化した回折格子を具備したλ/4シフト回折格子分布帰還型半導体レーザとした請求項３に記載の集積型半導体光源。
前記単一モード半導体レーザを、波長可変半導体レーザとした請求項１または２に記載の集積型半導体光源。
前記波長可変半導体レーザを、多電極構造半導体レーザとした請求項５に記載の集積型半導体光源。
前記波長可変半導体レーザを、分布反射鏡型半導体レーザとした請求項５に記載の集積型半導体光源。