JP6730868B2

JP6730868B2 - 波長可変半導体レーザ

Info

Publication number: JP6730868B2
Application number: JP2016140503A
Authority: JP
Inventors: 拓也金井; 藤原　直樹; 直樹藤原; 石井　啓之; 啓之石井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-07-15
Filing date: 2016-07-15
Publication date: 2020-07-29
Anticipated expiration: 2036-07-15
Also published as: JP2018011023A

Description

本発明は、波長可変半導体レーザに関し、より詳細には、中赤外の分布ブラッグ反射型半導体レーザに関する。

近年、環境ガスセンシング向けの光源として、中赤外領域で動作する単一縦モード半導体レーザ(LD: Laser Diode)が注目されている。ガスセンシングシステムの光源としてLDを用いることで、システムの大幅な小型化、低消費電力化、そして低コスト化が実現できるとして、大きく期待されている。

LDはこれまでに、主に通信用として研究開発が行われてきた。従来、通信用としては、InP基板を用いて作製され、1.6μｍよりも短波長側の近赤外領域で動作するLDが用いられてきた。この技術を中赤外領域のLDへ応用することで、高い品質と高い信頼性を有するガスセンシング向けLDの実現が期待されている。

これまでに、中赤外領域のLDとして、InP基板を用いた2μｍ帯のLDがいくつか報告されている（例えば、非特許文献１参照）。ここで、2μｍ帯とは光通信で使用されている波長帯よりも長波長側の1.7〜2.4μｍの波長帯のことである。

図１は、非特許文献１に記載されている2μｍ帯で発振する分布帰還型（DFB：Distributed Feedback-)LDの断面模式図である。図１に示すように、DFB-LD１００は、半導体基板（InP基板+ n-InPクラッド層）１０２の上に形成されたに光利得を有する活性層（導波路層）１０４と、活性層１０４の上部に形成された回折格子と、回折格子の上に形成されたクラッド層（p-InPクラッド）１０６と、を形成し、クラッド層１０６の上に形成された活性層電極１０８と、半導体基板１０２の裏面に活性層電極１０８に対向して形成された裏面電極１１０とを備える。DFB-LD１００は、活性層電極１０８から活性層１０６に電流を注入することで光利得が生じ、活性層１０４の上部に形成された回折格子の周期に応じた波長のみが選択的に反射され、当該波長においてレーザ発振が起きる。

回折格子が形成された光導波路においては、光導波路の等価屈折率をｎ、回折格子の周期をΛとすると、その反射波長λ_Bは以下の(1)式で表される。

上記(1)式より、光導波路の等価屈折率ｎを変化させることで反射波長を変化させることができることがわかる。例えば、DFB-LD１００では、活性層（導波路層）１０４におけるキャリア密度が発振閾値電流密度に到達してクランプされるまで活性層電流（利得電流）が注入された状態で、図１のDFB-LD１００に備えられたヒーター（不図示）により、活性層１０４の温度を制御することで、等価屈折率ｎを変化させ、発振波長を変化させることができる。

M, Mitsuhara et al, " 2.05-mm Wavelength InGaAs-InGaAs Distributed-Feedback Multiquantum-Well Lasers with 10-mW Output Power ", IEEE Photonics Technology Letters, 11(1), pp. 33-35 (1999)

しかしながら、温度制御による波長可変の応答速度は、熱の応答速度により律速されるため、数10msec〜数secと遅い。

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、2μｍ帯で高速に動作する波長可変レーザを実現することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、2μｍ帯でレーザ発振する分布ブラッグ反射型半導体レーザである。分布ブラッグ反射型半導体レーザは、半導体基板の上に形成された、光利得を有する活性層であり、下部障壁層、歪多重量子井戸層および上部障壁層を含み、バンドギャップ波長が1.7〜2.4μｍの歪多重量子井戸構造を有する活性層と、光の導波方向に活性層を挟んで配置された第１の制御層および第２の制御層であり、回折格子が構成され、制御電流の注入により屈折率が変化する第１の制御層および第２の制御層とを備えた、ことを特徴とする。活性層への電流注入とは別個に、第１の制御層部および第２の制御層に電流を注入することで、発振波長の高速切替動作が可能になる。

以上説明したように、本発明によれば、2μｍ帯で高速に動作する波長可変レーザを実現することが可能となる。

2μｍ帯で発振する分布帰還型半導体レーザ（DFB-LD）の断面模式図である。本発明の一実施形態にかかる2μｍ帯でレーザ発振する分布ブラッグ反射型半導体レーザ（DBR-LD）の断面模式図である。図２のDBR-LDの活性層の断面模式図である。図２のDBR-LDの制御層の断面模式図である。本発明の一実施形態にかかる2μｍ帯でレーザ発振する分布ブラッグ反射型半導体レーザ（DBR-LD）の断面模式図である。図５のDBR-LDの制御層に注入する電流と発振波長の関係を説明するための図である。

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。以下に説明する実施形態は本発明の一例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。図面中の同一または類似の符号は、同一または類似の要素を示し、繰り返しの説明は省略する。
（第１の実施形態）
図２は、本発明の一実施形態にかかる2μｍ帯でレーザ発振する分布ブラッグ反射型半導体レーザ（Distributed Bragg Reflector（DBR）-LD）の断面模式図である。DBR-LD２００は、半導体基板（InP基板およびn-InPクラッド層）２０２の上に形成された制御層（導波路）２０３、活性層（導波路）２０４および制御層（導波路）２０５と、該制御層２０３、活性層２０４および制御層２０５の上に形成されたクラッド層（p-InPクラッド層）２０６およびコンタクト層（不図示）と、該コンタクト層の上に形成された制御層（DBR）電極２０７、活性層電極（利得電極）２０８および制御層（DBR）電極２０９と、半導体基板２０２の裏面に該制御電極２０７、活性層電極２０８および制御電極２０９に対向して形成された裏面電極２１０とを備える。DBR-LD２００の光の導波方向の端面には、無反射コート２１１および２１２が形成されている。

2μｍ帯の光利得を有する活性層２０２、並びに活性層２０２の両側（前後）に形成された、電流注入により光に対する屈折率を変化させることができる制御層２０３および２０５は、光共振器を形成している。制御層２０３および２０５の上部には回折格子を構成する溝（溝周期が270~380ｎｍ、等価屈折率ｎ＝3.23）が形成されており、2μｍ帯におけるある特定の波長を選択的に反射するミラーとして動作する。活性層２０４並びに制御層２０３および２０５は、それぞれ活性層電極２０８並びに制御層電極２０７および２０９に接続されていて、個別に制御できるようになっている。活性層２０４のバンドギャップ波長は、制御層２０３および２０５のバンドギャップ波長に比べて短波長であることが望ましい（例えば、活性層２０４が2μｍ、制御層（DBR層）２０３および２０５が1.65μｍ）。

制御層２０３および制御層２０５の長さは、一方が高反射率になるように長くし、他方は十分な光の透過率を得られるように短くしてもよい。

DBR-LD２００の発振波長の可変レンジは、10数ｎｍ程度まで広くすることが可能である。したがって、制御層２０３および２０５の溝の周期、ならびに活性層２０４、制御層２０３および２０５のバンドギャップ波長は、DBR-LD２００における所望の発振波長に応じて設定される。複数のDBR-LD２００を１つのチップに集積して、DBR-LDアレイを構成することでより広範囲の可変レンジを有するレーザ光源を実現することもできる。

制御層２０３と活性層２０４および活性層２０４と制御層２０３は、バットジョイント法により光学的に接合している。また、両制御層２０３および２０５の端面は、それぞれ無反射コート（反射防止膜）２１１および２１２が形成されている。

図３を参照して活性層２０４の詳細を説明する。図３は、図２のDBR-LD２００の活性層２０４を光の伝搬方向から見た断面模式図である。半導体基板（InP基板およびn-InPクラッド層）２０２の上に形成された活性層（導波路）２０４は、n-InPクラッド層上に形成された、下部閉じ込め層（Separeted Confinement Hetero structure（SCH））層３０２と、多重量子井戸（Multiple Qantam Well（MQW））層３０４と、上部SCH層３０６とを備える。該上部SCH層３０６には、リッジ構造（装荷型）のクラッド層（p-InPクラッド層）２０６およびコンタクト層３０８と、該リッジ構造（該コンタクト層３０８の上面の一部を除く）および上部SCH層３０６の上面を被覆する絶縁体層３１０と、絶縁体層３１０の上に形成された、コンタクト層３０８の上面の一部と接する活性層電極２０８とが形成されている。半導体基板２０２の裏面には裏面電極２１０が形成されている。

例えば、MQW層３０４は、InGaAsの歪量子井戸層およびInGaAsの障壁層で歪多重量子井戸を構成している。InGaAsの歪量子井戸層およびInGaAsの障壁層の組成、膜厚、InGaAsの歪量子井戸層およびInGaAsの障壁層の積層数、InGaAsの歪量子井戸層の歪の割合は、DBR-LD２００の発振波長（2μｍ帯における所望の特定の波長）、所望の利得（パワー）に応じて設計される。例えば、１．６５％の歪みを持つIn_0.77Ga_0.23Asの組成の井戸層（歪量子井戸層）とInGaAs障壁層とでMQW層３０４を構成することができる。歪量子井戸層の積層数は必要に応じて設計される。しかし、これは一例であり、本願発明は、この数値例に限定されるものではない。

活性層２０４の上方に形成されたコンタクト層３０８と接するように活性層電極２０８を形成しているため、活性層電極２０８から電流は、活性層２０４のみに注入される。

図４は、図２のDBR-LD２００を光の伝搬方向から見た制御層２０７および２０９の断面模式図である。半導体基板（InP基板およびn-InPクラッド層）２０２の上に形成された制御層２０３および２０５は、n-InPクラッド層上に形成された、パッシブ層４０２と、上面の一部に回折格子を構成する溝が形成された回折格子層４０４とを備える。回折格子層４０４の該上面の一部（回折格子）の上には、リッジ構造（装荷型）のクラッド層（p-InPクラッド層）２０６およびコンタクト層３０８と、該リッジ構造（該コンタクト層３０８の上面の一部を除く）および回折格子層４０４の上面（回折格子を除く）を被覆する絶縁体層３１０と、絶縁体層３１０の上に形成された、コンタクト層３０８の上面の一部と接する制御層電極２０７および２０９とが形成されている。半導体基板２０２の裏面には裏面電極２１０が形成されている。

例えば、パッシブ層４０２は、無歪のInGaAsのバルク結晶で構成されている。回折格子層４０４は、活性層よりもバンドギャップ波長が短波長の層で構成されている。

制御層２０３および２０５の上方に形成されたコンタクト層３０８と接するように制御層電極２０７および２０９を形成しているため、制御層電極２０７および２０９から電流は、制御層２０３および２０５のみに注入される。

以上の構成によりDBR-LD２００は、活性層２０４に電流（利得電流）を注入することで、レーザ発振する。電流を注入して活性層２０４におけるキャリア密度を発振閾値電流に到達させてクランプすることで、発振周波数は安定に保持される。その状態で、制御層部２０３および２０４に電流（制御電流）を注入する。活性層２０４への電流（利得電流）注入とは別個に、制御層部２０３および２０５に電流密度が等しくなるように電流（制御電流）を注入することで、制御層部２０３および２０５におけるキャリア密度を、クランプさせることなく、制御することで、制御層２０３および２０５における等価屈折率ｎを変化させ反射波長λ_Bを変化させて、DBR-LD２００の発振波長を、高速に（例えば、数nsecオーダーで）制御することができる。また、発振波長の可変レンジは、温度制御による等価屈折率および発振波長の制御に比べ、制御電流の注入を制御する方がよりダイナミックになる。

本実施形態では、リッジ導波路型LDを例示しているが、本願発明は埋込導波路型LDにも適用可能である。
（第２の実施形態）
図５を参照して、本発明の他の実施形態について説明する。図５は、本実施形態にかかる2μｍ帯でレーザ発振する分布ブラッグ反射型半導体レーザ（Distributed Bragg Reflector（DBR）-LD）の断面模式図である。

DBR-LD５００は、半導体基板（InP基板およびn-InPクラッド層）２０２の上に形成された半導体光増幅器（SOA：Semiconductor Optical Amplifier）５０４、制御層（導波路）２０３、活性層（導波路）２０４、位相調整層５０２および制御層（導波路）２０５と、該SOA５０４、制御層２０３、活性層２０４、位相調整層５０２および制御層２０５の上に形成されたクラッド層（p-InPクラッド層）２０６およびコンタクト層（不図示）と、該コンタクト層の上に形成されたSOA電極５０８、制御層（前側DBR）電極２０７、活性層電極（利得電極）２０８、位相電極５０６および制御層（後側DBR）電極２０９と、半導体基板２０２の裏面に該制御電極２０７、SOA電極５０８、制御層電極２０７、活性層電極２０８、位相電極５０６および制御層電極２０９に対向して形成された裏面電極２１０とを備える。DBR-LD５００の光の導波方向の端面には、無反射コート２１１および２１２が形成されている。

SOA５０４、制御層２０３、活性層２０４、位相調整層５０２および制御層２０５は、バットジョイント法により光学的に接合している。

制御層２０３及び２０５並びに位相調整層５０２のバンドギャップ波長は、活性層２０４のバンドギャップ波長よりも短波長である（例えば、活性層２０４が2μｍ、制御層（DBR層）２０３および２０５並びに位相調整層５０２が1.65μｍ）。

制御層（後側DBR）２０５の長さは高反射率になるように長くし、制御層（前側DBR）２０３の長さは、十分な光の透過率を得られるように短くするのが望ましい。

SOA５０４および活性層２０４は、図３に示した層構造であり、下部SCH層３０２と、MQW層３０４と、上部SCH層３０６とを備える。MQW層３０４は、InGaAsの歪量子井戸層およびInGaAsの障壁層で構成され、InGaAsの歪量子井戸層およびInGaAsの障壁層の組成、InGaAsの歪量子井戸層およびInGaAsの障壁層の積層数、膜厚、InGaAsの歪量子井戸層の歪の割合は、DBR-LD５００の発振波長（2μｍ帯における所望の特定の波長）、所望の利得（パワー）に応じて設計される。InGaAsの歪量子井戸層の代替としてInAsの歪量子井戸層を用いて、InAsの歪量子井戸層およびInGaAsの障壁層でMQW層３０４を構成してもよい。例えば、１．６５％の歪みを持つIn_0.77Ga_0.23Asの組成の井戸層（歪量子井戸層）とInGaAs障壁層とでMQW層３０４を構成することができる。歪量子井戸層の積層数は必要に応じて設計される。しかし、これは一例であり、本願発明は、この数値例に限定されるものではない。

制御層２０３および２０５は、図５に示した積層構造であり、無歪のInGaAsのバルク結晶で構成されたパッシブ層４０２と、上面の一部に回折格子を構成する溝が形成された回折格子層４０４とを備える。

位相調整層５０２は、図５に示した積層構造と同様の積層構造であり、無歪のInGaAsのバルク結晶で構成されている。制御層２０３および２０５回折格子層４０４と異なり、位相調整層５０２は、回折格子層４０４を含まない。

活性層２０４に電流（I_ACT）を注入することでレーザ発振する。その状態で、制御層２０３および２０５に電流を注入すると発振波長が変化する。このとき、制御層（前側DBR）２０３と制御層（後側DBR）２０５に注入する電流密度が等しくなるように制御する。

位相調整層５０２に電流（位相調整電流）を注入することで、制御層２０５における反射ピーク波長の変化と位相の変化が一致するように、位相を調整する。

図６は、DBR-LD５００の制御層２０３および２０５に注入する電流と発振波長の関係を説明するための図である。図６に示すように、制御層（DBR）２０３および２０５に注入する電流を徐々に増加させると、発振波長が大きく変化するモードホップという現象が発生してしまう。

そこで、本実施形態のDBR-LD５００では、制御層（DBR）２０３および２０５に注入する電流（制御電流）と共に位相領域層に注入する電流（位相調整電流）を制御することで、モードホップを抑え、連続波長可変動作が可能となる。

したがって制御層２０３および２０５に注入する電流と位相領域層に注入する電流とを、ある比例係数のもとで比例関係にすることで、制御層２０３および２０５に注入する電流の増加に伴う発振波長の変化が抑制され、モードホップが抑えられる。

より具体的に説明すると、制御層２０３および２０５に注入する電流と位相領域層に注入する電流とを個別に制御する場合に、位相領域層に注入する電流を一定に保った上で、制御層２０３および２０５に注入する電流を徐々に増加させると、上述したように、発振波長が大きく変化するモードホップが生じる。他方、制御層（DBR）２０３および２０５に注入する電流（制御電流）と共に位相領域層に注入する電流（位相調整電流）を、制御電流に対してある比例係数のもとで比例関係となるように徐々に増加させると、発振波長の変化が穏やかになり、モードホップが抑えられる。

したがって、図５に示すように、DBR-LD５００では、制御層電極（DBR）電極２０７および２０９と位相電極５０６との間に上記比例係数に対応した抵抗５１０を設け、同一端子からの電流（Ituning）が抵抗５１０により比例関係の制御電流と位相調整電流と変換され、制御層電極２０７および２０９と位相電極５０６とにそれぞれ注入されるようにした。

１００分布帰還型レーザ（DFB-LD）
１０２半導体基板（InP基板+ n-InPクラッド層）
１０４活性層
１０６クラッド層（p-InPクラッド）
１０８活性層電極
１１０裏面電極
２００，５００分布ブラッグ反射型レーザ（Distributed Bragg Reflector（DBR）-LD）
２０２半導体基板（InP基板+n-InPクラッド層）
２０３，２０５制御層
２０４活性層
２０６クラッド層（p-InPクラッド層）
２０７，２０９制御層電極（DBR）電極
２０８活性層電極（極利得電極）
２１０裏面電極
２１１，２１２無反射コート
３０２下部閉じ込め（SCH）層
３０４多重量子井戸（MQW）層
３０６上部SCH層
３０８コンタクト層
３１０絶縁体層
４０２パッシブ層
４０４回折格子層
５０２位相調整層
５０４半導体増幅器（Semiconductor Optical Amplifier（SOA））
５０６位相電極
５０８ SOA電極
５１０抵抗

Claims

２μｍ帯の分布ブラッグ反射型波長可変半導体レーザであって、
半導体基板の上に形成された、
光利得を有する活性層であり、下部障壁層、歪多重量子井戸層および上部障壁層を含み、バンドギャップ波長が1.7〜2.4μｍの歪多重量子井戸構造を有する活性層と、
光の導波方向に前記活性層を挟んで配置された第１の制御層および第２の制御層であり、回折格子が構成され、制御電流の注入により屈折率が変化する第１の制御層および第２の制御層と
を備え、
前記歪多重量子井戸層が、InGaAsの歪量子井戸層およびInGaAsの障壁層、またはInAsの歪量子井戸層およびInGaAsの障壁層からなり、
前記第１の制御層および前記第２の制御層が、等価屈折率が３．２３である無歪のInGaAs結晶からなり、
前記回折格子の溝周期が２７０〜３８０ｎｍである、ことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
２μｍ帯の分布ブラッグ反射型波長可変半導体レーザであって、
半導体基板の上に形成された、
光利得を有する活性層であり、下部障壁層、歪多重量子井戸層および上部障壁層を含み、バンドギャップ波長が1.7〜2.4μｍの歪多重量子井戸構造を有する活性層と、
光の導波方向に前記活性層を挟んで配置された第１の制御層および第２の制御層であり、回折格子が構成され、制御電流の注入により屈折率が変化する第１の制御層および第２の制御層と、
前記活性層と前記第１の制御層の間に配置された位相調整層であり、位相調整電流の注入により光の位相が変化する位相調整層と、
前記第２の制御層の前記光の導波方向の前記活性層の反対側の位置に配置された半導体増幅器と
を備え、
前記歪多重量子井戸層が、InGaAsの歪量子井戸層およびInGaAsの障壁層、またはInAsの歪量子井戸層およびInGaAsの障壁層からなり、
前記第１の制御層および前記第２の制御層が、等価屈折率が３．２３である無歪のInGaAs結晶からなり、
前記回折格子の溝周期が２７０〜３８０ｎｍである、ことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
前記第１の制御層および前記第２の制御層に注入される制御電流と比例関係にある前記位相調整電流が前記位相調整層に注入される、ことを特徴とする請求項２に記載の波長可変半導体レーザ。
前記光の導波方向の長さは、前記第２の制御層よりも前記第１の制御層の方が長い、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
前記上部障壁層の上にクラッド層およびコンタクト層が形成されたリッジ導波路構造を有する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。