JP6341713B2 - 外部共振器レーザ - Google Patents

Description

本発明は、外部共振器を有する半導体レーザに関する。

図１は、従来の外部共振器型半導体レーザを示す。図１（Ａ）では、ヒートシンク２０２上の半導体利得チップ２０１Ａの一方の端面にミラーコーティング２０３が施され、他方の端面に低反射コーティング２０４が施されてる。ミラーコティング２０３と回折格子２０６の間で共振器が構成され、レンズ系２０５によって帰還光が導かれる。半導体利得チップ２０１Ａに電流が注入され利得が高くなると、回折格子２０６によって選択された波長でレーザ発振が起こり、ミラーコーティング２０３側からレーザ光が出力される。

図１（Ｂ）では、ヒートシンク２０２上の半導体利得チップ２０１Ｂの一方の端面に低反射コーティング２０４が施され、他方の端面に高反射ミラーコーティング２０７が施されている。先球光ファイバ２０８の中に、グレーティング構造２０９が形成されている。この構成では、高反射ミラーコーティング２０７とグレーティング構造２０９の間で共振器が構成される。半導体利得チップ２０１Ｂに電流が注入され利得が高くなると、グレーティング構造２０９によって選択された波長でレーザ発振が起こり、レーザ光が出力される。

図１（Ｃ）では、ＩｎＰ基板２１０上に、ＩｎＧａＡｓＰをコア層とする単一モード導波路２１１と、スラブ導波路２１３と、導波路アレイ２１２と、分光出力導波路２１４と、ＩｎＧａＡｓＰを活性槽とする半導体光増幅器２１５が形成されている。スラブ導波路２１３の間に延びる導波路アレイ２１２は、隣接する導波路の光路長が一定の長さだけ変化する単一モード導波路アレイである。導波路アレイ２１２とスラブ導波路２１３で、アレイ導波路解説講師が構成される。ＩｎＰ基板２１０の半導体光増幅器２１５側に高反射ミラーコーティング２１６が施され、導波路２１１側にミラーコーティング２１７が施されている。この構成では、高反射ミラーコーティング２１６とミラーコーティング２１７の間で共振器が構成される。半導体光増幅器２１５に電流が注入され利得が高くなると、アレイ導波路回折格子によって選択された波長でレーザ発振が起こり、レーザ光が出力される。複数の半導体光増幅器を配置してそれぞれに電流を注入すると、複数の波長でレーザ発振する。

図１（Ａ）の構成では、回折格子２０６の波長選択性能が不十分なので、単一縦モード発振が困難である。この構成では、波長分解能の高いエタロン板などを共振器内に配置して回折格子２０６と連動して動作させる必要があり、装置の大型化、発光効率の低下、動作が不安定になりやすいなどの問題がある。

図１（Ｂ）の構成では、グレーティング構造２０９の波長設定精度が低いため、所望の波長でのレーザ発振が困難である。また、可変波長動作ができない。

図１（Ｃ）の構成は、ＩｎＰ基板２１０上に導波路や光素子が集積されているので小型であり、安定性にも優れる。しかしながら、共振器内の損失が大きく、高出力にできない。

「レーザ入門」、p111、著者：多幸敏治／大井みさほ 出版社：共立出版、ISBN4-320-03224-1 「FTTHを支える光受動部品」金森弘雄、2011年7月、SEIテクニカルレビュー、第179号、p17-24 "An Integrated Coupled-Cavity 16-Wavelength Digitally Tunable Laser", J.H. den Besten, et al. IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 14, NO. 12, D3eceiber, 2002

従来の外部共振器型半導体レーザにおける問題点に鑑みて、本発明では、波長選択性率に優れ小型化に適した高出力の外部共振器レーザを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の外部共振器レーザでは、半導体利得チップと、前記半導体利得チップの外部に配置される外部光学系と、を有し、前記外部光学系の波長選択素子がアレイ導波路回折格子であることを特徴とする。

良好な構成例では、半導体利得チップの活性層はＩｎＡｓ量子ドットまたはＩｎＧａＡｓ量子ドットを有する。

波長選択性に優れかつ小型化に適した高出力の外部共振器レーザが実現される。

従来の外部共振器型半導体レーザの構成例を示す図である。 第１実施形態の外部共振器レーザの概略構成図である。 図２の半導体利得チップの拡大図である。 図２の結合導波路の基板端部近傍の状態を示す図である。 図４のＸ−Ｘ'断面図である。 半導体利得チップのｘ方向およびｙ方向のモードフィールド径と、結合導波路のｘ方向およびｙ方向のモードフィールド径の関係を示す図である。 波長選択の仕組みを説明する図である。 波長選択の仕組みを説明する図である。 第２実施形態の外部共振器レーザの概略構成図である。 第３実施形態の外部共振器レーザの概略構成図である。 第４実施形態の外部共振器レーザの概略構成図である。 波長選択の仕組みを説明する図である。 第５実施形態の外部共振器レーザの概略構成図である。

以下で、図面を参照して発明の実施形態を説明する。実施形態では、利得チップに高利得で利得帯域幅の広い量子ドット活性層を利用して発振可能波長帯域を拡大し、波長選択性に優れるアレイ導波路回折格子を用いて小型化を実現する。また、利得チップと外部光学系の結合導波路端面のモードフィールド形状を一致させることで、結合損失を低減して発振閾値をさげ、高出力を実現する。さらに、発振波長の制御と同時に、複数の波長での発振を可能とする。

以下の実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
［第１実施形態］
図２は、第１実施形態の外部共振器レーザ１０Ａの概略構成図である。外部共振器レーザ１０Ａは、半導体利得チップ１０１Ａと、波長選択素子１１０を有する外部光学系３０Ａを有する。半導体利得チップ１０１Ａと外部光学系３０の間に配置されるレンズ系１０５も外部光学系３０Ａの一部に含めてもよい。

半導体利得チップ１０１Ａは、後述するように量子ドットを用いた利得チップであり、ヒートシンク１０２上に配置されている。半導体利得チップ１０１Ａの光出射側の端面にミラーコーティング１０３が施され、反対側の端面に反射防止コーティング１０４が施されている。

外部光学系３０は、導波路基板１０６に形成された結合導波路１１１、第１スラブ導波路１０７、第２スラブ導波路１０９、第１スラブ導波路１０７と第２スラブ導波路１０９の間に延びる導波路アレイ１０８、および分光出力導波路１１２を有する。第１スラブ導波路１０７と、第２スラブ導波路１０９と、導波路アレイ１０８で、アレイ導波路回折格子１１０を構成する。アレイ導波路回折格子１１０は、波長選択素子として機能する。

導波路基板１０６の半導体利得チップ１０１Ａと対向する（レンズ系１０５を介して）側の端面には、反射防止コーティング１１３が施され、反対側の端面にはミラーコーティング１１４が施されている。

ミラーコーティング１０３とミラーコーティング１１４を反射器とする外部共振器レーザ１０Ａが構成される。半導体利得チップ１０１Ａに電流が注入されて反転分布が生じ、ミラーコーティング１０３から反射防止コーティング１０４に至る損失を上回る利得が生じると、アレイ導波路回折格子１１０により選択された波長でレーザ発振が起こる。レーザ光は、ミラーコーティング１０３が施された端面から出力される。

図３は、半導体利得チップ１０１Ａの拡大図である。光の進行方向をｚ方向、半導体利得チップ１０１Ａの高さ方向をｙ方向としている。半導体利得チップ１０１Ａは、ＧａＡｓのｎ型基板１１５上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層１１６、活性層１１７、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１８、ＧａＡｓコンタクト層１１９がこの順に積層された積層体で構成される。基板１１５の底面と積層体の上面に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極１２０と１２１がそれぞれ形成されている。

活性層１１７は、図示はしないが、量子ドット、量子ドットをカバーするカバー層とで構成される。量子ドットは、たとえばＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓなどの量子ドットである。カバー層は、たとえばＧａＡｓのカバー層である。ＩｎＡｓ量子ドットを形成する場合は、ＩｎＡｓ量子ドットへのキャリア注入効率の低下を抑制するために、ＩｎＡｓ量子ドットとＧａＡｓカバー層の間にＩｎＧａＡｓ緩和層を挿入してもよい。

量子ドット活性層１１７を用いることで、発振可能波長帯域を拡大することができる。

図４は、結合導波路１１１の導波路端の近傍での拡大図である。この例では、結合導波路１１１−ａ、１１１−ｂ、１１１−ｃ（適宜、「結合導波路１１１」と総称する）が形成されているが、結合導波路１１１の数は３本に限定されず、目的、用途に応じて適切な数の結合導波路１１１が形成される。

各結合導波路１１１の導波路基板１０６のエッジ側の端部は、その幅がテーパ状に広げられている。矢印で示すように、半導体利得チップ１０１Ａのミラーコーティング１０３で反射された光は、レンズ系１０５によって結合導波路１１１に導かれる。

導波路基板１０６の端面は、端面での反射光Ｌrefが外部光学系３０Ａから外れるように、入射光Ｌinの方向に対して垂直から角度θだけ傾けてある。通常はθの値は８度程度である。結合導波路１１１の光軸も、入射光Ｌinの方向から僅かに傾けて屈折光の伝搬方向と合うように設定されている。

図５は、図４のＸ−Ｘ'断面であり、結合導波路１１１の導波路端近傍での配置構成を示す。結合導波路１１１はＧｅ等がドープされた石英導波路であり、ドープされていない石英の導波路クラッド１２２の中に配置されている。導波路クラッド１２２は、シリコン（Ｓｉ）あるいは石英の基板１２３上に配置され、基板１２３と導波路クラッド１２２で導波路基板１０６が構成される。

結合導波路１１１は導波路基板１０６の端面近くで導波路幅をテーパ状に広げているが、半導体利得チップ１０１Ａからの放射光のモードフィールドの楕円率と、結合導波路１１１の基板端面における基本モードの楕円率は、ほぼ等しくなっている。

図６は、半導体利得チップ１０１Ａの端面と、結合導波路１１１の端面のモードフィールド径の調整を示す図である。半導体利得チップ１０１Ａや石英導波路の基本モードをガウスビームで近似することができる。図６に示すように、半導体利得チップ１０１Ａのｘ方向（幅方向）のモードフィールド径をＧ_x、ｙ方向（高さ方向）のモードフィールド径をＧ_y、導波路基板１０６に形成された結合導波路１１１端面のｘ方向のモードフィールド径をＳ_x、y方向モードフィールド径をＳ_yとすると、式（１）が成立する。

また、レンズ系１０５の像倍率をｍ（ｍ＞１）とすると、式（２）が成立する。

すなわち、半導体利得チップ１０１Ａの出力面のモードフィールド形状をレンズ系１０５によってｍ倍に拡大し、結合導波路１１１の端面のモードフィールド形状と一致させて結合損失を低減する。これによって、共振器内損失が低減し、結果として、外部共振器レーザの発振しきい値を下げ、高出力化することが可能である。

導波路基板１０６は、微動可能な状態で配置されている。図示しない駆動装置により導波路基板１０６を微動して、半導体利得チップ１０１Ａに光学的に結合する結合導波路１１１（１１１−ａ、１１１−ｂ、１１１−ｃなど）を選択する。これにより、アレイ導波路回折格子１１０で分光及び集光された異なる波長での発振が可能となる。

図７及び図８は、波長選択の仕組みを説明するための図である。図７において、アレイ導波路回折格子１１０のフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）を、半導体利得チップ１０１Ａの利得帯域幅と同程度以上にして、利得帯域幅内の発振波長選択を可能とする。

たとえば、半導体利得チップ１０１Ａの利得帯域幅（半値全幅）が１００ｎｍとすれば、ＦＳＲを１００ｎｍ以上に設定する。これにより、結合導波路１１１−ａ、１１１―ｂ、１１１−ｃのスペクトルの組がひとつだけ、半導体利得チップ１０１Ａの半値全幅の範囲内に出現する。結合導波路１１１−ａ、１１１―ｂ、１１１−ｃのいずれかの導波路が光学的に接続されることで、対応する発振波長が選択される。

図８は、図７の波長スペクトルの拡大図である。図８では、結合導波路１１１−ａの透過スペクトルＡの近傍の共振器縦モードにおいてレーザ発振する。共振器縦モード間隔は０．０２ｎｍ程度、結合導波路１１１−ａの透過スペクトルの半値全幅は０．２ｎｍ程度である。

このように隣接する次数のスペクトルとの干渉を防止して、半導体利得チップ１０１Ａの利得帯域幅内で、複数の波長から所望の波長を選択することができる。
［第２実施形態］
図９は、第２実施形態の外部共振器レーザ１０Ｂの概略構成図である。第２実施形態では、レーザ出力光を、導波路基板１０６側から取り出す。

外部共振器レーザ１０Ｂは、半導体利得チップ１０１Ｂと、外部光学系３０Ｂを含む。、半導体利得チップ１０１Ｂの導波路基板１０６側の端面に反射防止コーティング１０４が施され、反対側の端面にミラーコーティング１２４が施されている。導波路基板１０６の半導体利得チップ１０１Ｂ側の端面に、反射防止コーティング１１３が施され、反対側の端面にミラーコーティング１２５が施されている。

導波路基板１０６の分光出力導波路１１２は、光りファイバ接続台１２６を介して光ファイバ１２７に接続されている。光ファイバ１２７に挿入された光アイソレータ１２８により一方向の出力光が取り出される。

第２実施形態の構成は、第１実施形態と比較して、光出力を取り出す光学系が簡易になる。

第１実施形態と同様に、導波路基板１０６の半導体利得チップ１０１Ｂに対向する端面は、入射光に対する垂直面から一定角度で斜めに形成され、各結合導波路１１１の端部のテーパ状部分も、入射光の方向からわずかに角度をなして形成されている。波長選択動作やその他の構成は第１実施形態と同様である。
［第３実施形態］
図１０は、第３実施形態の外部共振器レーザ１０Ｃの概略構成図である。第３実施形態では、結合導波路１１１を１本にして、第１スラブ導波路１０７への入力導波路１２９を複数にしている。また、結合導波路１１１と入力導波路１２９の間に、結合導波路１１１に光学的に結合する入力導波路１２９を選択する光スイッチ１３０が配置されている。光スイッチ１３０は、既知の熱光学効果を用いたマッハツェンダー干渉型光スイッチを組み合わせて構成可能である。半導体利得チップ１０１Ｃの構成は、第１実施形態の半導体利得チップ１０１Ａと同じである。

第３実施形態では、導波路基板１０６を駆動せずに、光スイッチ１３０を用いて波長選択できるので、安定な動作と小型化が可能となる。
［第４実施形態］
図１１は、第４実施形態の外部共振器レーザ１０Ｄの概略構成図である。第４実施形態では、結合導波路１１１を１本にして、分光出力導波路１３１を複数にしている。

外部共振器レーザ１０Ｄは、半導体利得チップ１０１Ｄと、外部光学系３０Ｄを含む。半導体利得チップ１０１Ｄの活性層の量子ドットは、第１〜第３実施形態で用いた量子ドットと同様である。第４実施形態では、分光出力導波路１３１−ａ、１３１−ｂ、１３１−ｂに対応する複数の波長が選択されると、複数の波長で独立にレーザ発振する。分光出力導波路１３１の数は３本に限られず、目的、用途に応じて適切な数の分光出力導波路１３１を形成することができる。

図１２は、第４実施形態での波長選択の仕組みを示す図である。各分光出力導波路を伝搬する光の透過スペクトルＤ、Ｅ、Ｆのピークが３箇所有り、その透過ピークの波長近傍でレーザ発振する。
［第５実施形態］
図１３は、第５実施形態の外部共振器レーザ１０Ｅの概略構成図である。第５実施形態の構成は、第４実施形態の構成で、出力光を導波路基板１０６側から取り出す。複数の分光出力導波路１３１は、ファイバアレイ接続第１３２を介して光ファイバ１２７に接続され、光アイソレータ１２８から一方向の光が取り出される。

第５実施形態の構成は、第４実施形態と比較して、光出力を取り出す光学系が簡易である。

以上の実施形態で開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。
（１）波長選択素子としてアレイ導波路回折格子１１０を利用しているため、導波路基板１０６内で屈曲して回折格子を構成できるので、外部共振器レーザ１０Ａ〜１０Ｅを小型に構成できる。
（２）量子ドット活性層１１７を利用し、アレイ導波路回折格子１１０の複数波長選択性を用いて、同時に複数の波長でレーザ発振することが可能であり、また、各々のレーザ発振は互いに影響しない。
（３）半導体利得チップ１０１とアレイ導波路回折格子１１０の結合導波路１１１端でのモードフィールド形状を相似形とするように、結合導波路１１１にテーパ構造を設けている。さらに、半導体利得チップ１０１とアレイ導波路回折格子１１０を結合するレンズ系１０５の像倍率を調整して、共振器内損失を低減し、外部共振器レーザ１０Ａ〜１０Ｅの発振しきい値を下げ、高出力化することができる。
（４）導波路基板１０６を微動して、半導体利得チップ１０１と結合する結合導波路１１１を選択することによって発振波長を選択することが可能である。
（５）石英導波路による光スイッチ１３０を集積して、光スイッチ１３０によって共振器構成を変更し、発振波長を選択することが可能である。

本発明の外部共振器レーザは、光伝送システムや光計測システムに利用される。

１０Ａ〜１０Ｅ 外部共振器レーザ
３０Ａ〜３０Ｅ 外部光学系
１０１ 半導体利得チップ
１０３、１１４ ミラーコーティング
１０５ レンズ系
１０６：導波路基板
１１０ アレイ導波路回折格子
１１１ 結合導波路
１１２、１３１ 分光出力導波路
１１７ 活性層

Claims (5)

1. 半導体利得チップと、
   前記半導体利得チップの外部に配置される外部光学系と、
   を有し、
   前記外部光学系の波長選択素子はアレイ導波路回折格子であり、
   前記アレイ導波路回折格子を前記半導体利得チップに光学的に結合する複数の結合導波路と、
   前記半導体利得チップに対する前記結合導波路の配列の相対位置を前記結合導波路の配列方向に沿って変える駆動装置、
   と、をさらに有し、
   前記半導体利得チップに対する前記配列方向に沿った前記結合導波路の相対位置を変えることにより、前記複数の結合導波路の中から前記半導体利得チップと光学的に結合する結合導波路を選択することを特徴とする外部共振器レーザ。
2. 前記半導体利得チップの活性層は、ＩｎＡｓ量子ドットないしＩｎＧａＡｓ量子ドットを含むことを特徴とする請求項１に記載の外部共振器レーザ。
3. 前記アレイ導波路回折格子に接続される複数の分光出力導波路、
   をさらに有し、
   前記半導体利得チップは、複数の波長で同時に発振することを特徴とする請求項１または２に記載の外部共振器レーザ。
4. 前記半導体利得チップと前記外部光学系の間に配置されるレンズ系、
   をさらに有し、
   前記半導体利得チップの前記外部光学系と対向する側の端面のモードフィールド径は、前記レンズ系の像倍率により、前記外部光学系の前記半導体利得チップと対向する側の端面のモードフィールド径と近似するように調節されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の外部共振器レーザ。
5. 前記外部光学系の前記半導体利得チップと対向する側の端面は、前記アレイ導波路回折格子が形成される面内で、前記半導体利得チップからの入射光の方向に対する垂線から一定の角度で傾斜していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の外部共振器レーザ。

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