JP6862658B2 - Optical amplifier, driving method of optical amplifier and optical amplification method - Google Patents

Optical amplifier, driving method of optical amplifier and optical amplification method Download PDF

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Description

本発明は、光増幅器、光増幅器の駆動方法及び光増幅方法に関する。 The present invention relates to an optical amplifier, a method for driving an optical amplifier, and a method for optical amplification.

近年レーザー発振器の高出力化が著しく進展し、それを用いた加工機分野の研究が盛んに行われている。レーザー加工は材料の切断・溶接などに用いられており、レーザー加工の特徴である高エネルギー密度を利用し、従来の機械的な加工では不可能であった炭素繊維などの特殊な材料の切断や、熱の影響を抑制した良好な溶接を可能としている。
一方では、加工速度向上のためには更なるレーザーの高出力化が求められ、高出力レーザー光源はもとより、レーザー光を増幅するための光増幅器についても盛んな研究が行われている。 In recent years, the output of laser oscillators has been remarkably increased, and research in the field of processing machines using them has been actively conducted. Laser processing is used for cutting and welding materials, and by utilizing the high energy density that is characteristic of laser processing, it is possible to cut special materials such as carbon fiber, which was not possible with conventional mechanical processing. , It enables good welding that suppresses the influence of heat.
On the other hand, in order to improve the processing speed, it is required to further increase the output of the laser, and not only the high-power laser light source but also the optical amplifier for amplifying the laser light is being actively researched.

化合物半導体を光励起によってキャリア注入し、二つの反射鏡間で共振させることでレーザー発振をする半導体レーザーが知られている（例えば特許文献１）。化合物半導体の内部に多くの利得媒質を導入することで高出力化を実現している。 A semiconductor laser that oscillates a compound semiconductor by injecting a carrier by photoexcitation and resonating between two reflectors is known (for example, Patent Document 1). High output is realized by introducing many gain media inside the compound semiconductor.

しかしながら、化合物半導体において多くの利得媒質にキャリアを注入するには光励起によらねばならず、励起光源の光軸調整等が必須となり、簡便に高い光利得を得ることができない。 However, in order to inject carriers into many gain media in compound semiconductors, it is necessary to use photoexcitation, and adjustment of the optical axis of the excitation light source is indispensable, so that a high light gain cannot be easily obtained.

本発明は、このような現状に鑑みて創案されたもので、簡便な構造で高い光利得を得ることができる光増幅器の提供を目的とする。 The present invention has been devised in view of such a current situation, and an object of the present invention is to provide an optical amplifier capable of obtaining a high optical gain with a simple structure.

上記目的を達成するために、本発明の光増幅器は、第１の発光体と、第２の発光体とが交互に配置された列同士が、第１の発光体と第２の発光体とが対向するように配置され、第１の発光体は、第一の多層膜反射鏡と、第一の活性層と、第二の多層膜反射鏡と、第三の多層膜反射鏡と、第二の活性層とがこの順序で積層方向に積層され、且つ、第一の多層膜反射鏡に直接若しくは間接的に接続された第一の電極と、第二の多層膜反射鏡若しくは第三の多層膜反射鏡のいずれかに直接若しくは間接的に接続された第二の電極と、を有し、第二の活性層はメサ状をなし、その発振波長は第一の活性層の発振波長より大きく、第２の発光体は、第１の発光体の第二の活性層を前記積層方向の外側から励起する構成を有している。 In order to achieve the above object, in the optical amplifier of the present invention, the rows in which the first illuminant and the second illuminant are alternately arranged are arranged with the first illuminant and the second illuminant. The first illuminants are the first multilayer reflector, the first active layer, the second multilayer reflector, the third multilayer reflector, and the first The first electrode in which the two active layers are laminated in this order in the stacking direction and directly or indirectly connected to the first multilayer mirror, and the second multilayer reflector or the third It has a second electrode directly or indirectly connected to either of the multilayer mirrors, the second active layer has a mesa shape, and its oscillation wavelength is higher than the oscillation wavelength of the first active layer. Largely, the second illuminant has a configuration in which the second active layer of the first illuminant is excited from the outside in the stacking direction.

本発明によれば、簡便な構造で高い光利得を得ることができる光増幅器を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical amplifier capable of obtaining a high optical gain with a simple structure.

本発明の一実施形態に係る光増幅器の概要構成図である。It is a schematic block diagram of the optical amplifier which concerns on one Embodiment of this invention. 第１の発光体の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the 1st light emitting body. 第２の発光体の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the 2nd light emitting body. 第１の発光体と第２の発光体との一組の対向構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the pair | facing structure of the 1st light emitting body and the 2nd light emitting body. 第１の発光体と第２の発光体の熱の移動経路を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the heat transfer path of a 1st light emitting body and a 2nd light emitting body. 実施例における第１の発光体と第２の発光体との一組の対向構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the pair | facing structure of the 1st light emitting body and the 2nd light emitting body in an Example. 第１の発光体を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図である。It is a figure which shows the 1st light emitting body, (a) is a plan view, (b) is a sectional view. 第１の発光体の第二の活性層における量子井戸層の積層構成を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the laminated structure of the quantum well layer in the 2nd active layer of the 1st light emitter.

以下、本発明の一実施形態を図を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る光増幅器の構成を示す図である。光増幅器１は、発光体アレイ２と、発光体アレイ３とを有している。第１の発光体と、第２の発光体とが交互に配置された列同士としての発光体アレイ２、３は、それぞれ別の一つの基板４に第１の発光体５と第２の発光体６とが交互に配置されてそれぞれ複数一体に固定された構成を有し、第１の発光体５と第２の発光体６とがそれぞれ対向するように配置されている。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical amplifier according to the present embodiment. The optical amplifier 1 has a light emitting body array 2 and a light emitting body array 3. The illuminant arrays 2 and 3 as rows in which the first illuminant and the second illuminant are alternately arranged are formed on a separate substrate 4 with the first illuminant 5 and the second illuminant. has a structure in which the body 6 is fixed to each of the plurality integrally are arranged alternately, the first light-emitting element 5 and the second light emitter 6 is arranged so as to face, respectively.

すなわち、発光体アレイ２は、第１の発光体５と第２の発光体６が一方向に交互に配置された構成であり、発光体アレイ３もまた、第１の発光体５と第２の発光体６が一方向に交互に配置された構成である。そして、光増幅器１は、発光体アレイ２が備える第１の発光体５と発光体アレイ３が備える第２の発光体６とが対向するように、また発光体アレイ２が備える第２の発光体６と発光体アレイ３が備える第１の発光体５とが対向するように、それぞれ配置されている。 That is, the illuminant array 2 has a configuration in which the first illuminant 5 and the second illuminant 6 are alternately arranged in one direction, and the illuminant array 3 also has the first illuminant 5 and the second illuminant. The light emitters 6 of the above are arranged alternately in one direction. Then, in the optical amplifier 1, the first light emitting body 5 included in the light emitting body array 2 and the second light emitting body 6 included in the light emitting body array 3 face each other, and the second light emitting body included in the light emitting body array 2 is emitted. The body 6 and the first light emitting body 5 included in the light emitting body array 3 are arranged so as to face each other.

図２に示すように、第１の発光体５は、第一の多層膜反射鏡７上に、第一の活性層８と、第二の多層膜反射鏡９と、第三の多層膜反射鏡１０と、メサ状をなす第二の活性層１１とがこの順序でＺ方向に積層された構成を有している。以下、Ｚ方向を積層方向ともいう。
第一の多層膜反射鏡７には、第一の電極１２が直接若しくは間接的に接続され、第三の多層膜反射鏡１０には第二の電極１３が直接若しくは間接的に接続されている。
第二の電極１３は、第二の多層膜反射鏡９に直接若しくは間接的に接続されていてもよい。図２において、符号１４、１５は、第一の活性層８を積層方向で挟むクラッド層を示している。
第一の電極１２は第二の活性層１１よりもＺ方向（積層方向）から見たときのＸＹ平面における面積が小さい。 As shown in FIG. 2, the first light emitter 5 has a first active layer 8, a second multilayer reflector 9, and a third multilayer reflector on the first multilayer reflector 7. The mirror 10 and the mesa-shaped second active layer 11 are laminated in this order in the Z direction. Hereinafter, the Z direction is also referred to as a stacking direction.
The first electrode 12 is directly or indirectly connected to the first multilayer film reflector 7, and the second electrode 13 is directly or indirectly connected to the third multilayer film reflector 10. ..
The second electrode 13 may be directly or indirectly connected to the second multilayer film reflector 9. In FIG. 2, reference numerals 14 and 15 indicate clad layers that sandwich the first active layer 8 in the stacking direction.
The area of the first electrode 12 in the XY plane when viewed from the Z direction (stacking direction) is smaller than that of the second active layer 11.

第一の多層膜反射鏡７、第一の活性層８及び第二の多層膜反射鏡９の発振波長はλ１で、第三の多層膜反射鏡１０と第二の活性層１１の発振波長はλ２である。
第一の多層膜反射鏡７〜第二の多層膜反射鏡９の構成は、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）として機能する。
それぞれの活性層の発振波長の関係を、λ１＜λ２を満たすように設定すると、第二の活性層１１はλ１に対して吸収体として機能し、ＶＣＳＥＬより放出されるレーザー光は、第二の活性層１１によって吸収される。 The oscillation wavelengths of the first multilayer reflector 7, the first active layer 8 and the second multilayer reflector 9 are λ1, and the oscillation wavelengths of the third multilayer reflector 10 and the second active layer 11 are λ1. It is λ2.
The configuration of the first multilayer reflector 7 to the second multilayer reflector 9 functions as a surface emitting laser (VCSEL).
When the relationship between the oscillation wavelengths of each active layer is set so as to satisfy λ1 <λ2, the second active layer 11 functions as an absorber with respect to λ1, and the laser light emitted from the VCSEL is the second. It is absorbed by the active layer 11.

吸収されたレーザー光は第二の活性層１１の内部に電子・正孔対を生成し、レーザー光の出力に応じたキャリア密度で蓄積される。
一定以上のキャリア密度に到達すると反転分布となり、その状態の第二の活性層１１に、波長λ２のレーザー光が照射されると、誘導放出によって該レーザー光が増幅される。
このときレーザー光は吸収体としての第二の活性層１１の下部より照射されるので、キャリア密度は第二の活性層１１の下部ほど高い。
一方、第二の活性層１１の上部のキャリア密度は下部に比べて低いため、上部に存在する量子井戸には十分なキャリアが蓄積されない。このため、反転分布に到達せず光増幅が観察できない虞がある。 The absorbed laser light generates electron-hole pairs inside the second active layer 11, and is accumulated at a carrier density corresponding to the output of the laser light.
When the carrier density reaches a certain level or higher, a population inversion is formed, and when the second active layer 11 in that state is irradiated with a laser beam having a wavelength of λ2, the laser beam is amplified by stimulated emission.
At this time, since the laser light is emitted from the lower part of the second active layer 11 as an absorber, the carrier density is higher toward the lower part of the second active layer 11.
On the other hand, since the carrier density in the upper part of the second active layer 11 is lower than that in the lower part, sufficient carriers are not accumulated in the quantum well existing in the upper part. Therefore, there is a possibility that the optical amplification cannot be observed because the population inversion is not reached.

その場合、キャリア密度が不十分な量子井戸に到達したキャリアは、発光前に非発光再結合により消滅し、該キャリアの生成に使用されたレーザー光は増幅に寄与することなく失われる。
その結果、第二の活性層１１の内部において熱が発生し、増幅特性の低下や信頼性の低下を引き起こす虞がある。 In that case, the carriers that reach the quantum well with insufficient carrier density are extinguished by non-emission recombination before light emission, and the laser light used to generate the carriers is lost without contributing to amplification.
As a result, heat is generated inside the second active layer 11, which may cause deterioration of amplification characteristics and reliability.

図３に示すように、第２の発光体６は、第一の多層膜反射鏡１６上に、第一の活性層１７と、第二の多層膜反射鏡１８と、第三の多層膜反射鏡とがこの順序でＺ方向に積層された構成を有している。なお、ここでは第三の多層膜反射鏡の図示を省略している。
第一の多層膜反射鏡１６には、第一の電極１９が直接若しくは間接的に接続され、第三の多層膜反射鏡には第二の電極２０が直接若しくは間接的に接続されている。
第二の電極２０は、第二の多層膜反射鏡１８に直接若しくは間接的に接続されていてもよい。図３において、符号２１、２２は、第一の活性層１７を積層方向で挟むクラッド層を示している。 As shown in FIG. 3, the second light emitter 6 has a first active layer 17, a second multilayer reflector 18, and a third multilayer reflector on the first multilayer reflector 16. The mirrors are stacked in this order in the Z direction. It should be noted that the illustration of the third multilayer film reflector is omitted here.
The first electrode 19 is directly or indirectly connected to the first multilayer film reflector 16, and the second electrode 20 is directly or indirectly connected to the third multilayer film reflector.
The second electrode 20 may be directly or indirectly connected to the second multilayer film reflector 18. In FIG. 3, reference numerals 21 and 22 indicate clad layers that sandwich the first active layer 17 in the stacking direction.

図３に示すように、第２の発光体６は、第１の発光体５において吸収体としての第二の活性層１１を除いた構成と同様の構成を有している。
第２の発光体６において、第一の多層膜反射鏡１６〜第二の多層膜反射鏡１８の構成は、面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）として機能する。
第一の多層膜反射鏡１６、第一の活性層１７及び第二の多層膜反射鏡１８の設計波長はλ１で、第三の多層膜反射鏡の設計波長はλ２である。λ１＜λ２なる関係が満たされている。 As shown in FIG. 3, the second illuminant 6 has the same configuration as that of the first illuminant 5 excluding the second active layer 11 as an absorber.
In the second light emitter 6, the configurations of the first multilayer reflector 16 to the second multilayer reflector 18 function as a surface emitting laser (VCSEL).
The design wavelength of the first multilayer reflector 16, the first active layer 17, and the second multilayer reflector 18 is λ1, and the design wavelength of the third multilayer reflector is λ2. The relationship λ1 <λ2 is satisfied.

図４は、図１における第１の発光体５と第２の発光体６と対向構成の１組を示している。第２の発光体６は、第三の多層膜反射鏡側が第１の発光体５の第二の活性層１１に対向するように配置されている。
第１の発光体５と第２の発光体６はそれぞれ対向しているので、第２の発光体６より放出されたレーザー光は、第１の発光体５の第二の活性層１１の上部より照射される。
すなわち、第１の発光体５のＶＣＳＥＬ構成により下部より励起された第二の活性層１１の、励起強度が低い上部を第２の発光体６によって励起することによって、第二の活性層１１全体を均一に励起することができる。 FIG. 4 shows a set of the first illuminant 5 and the second illuminant 6 in FIG. 1 facing each other. The second light emitter 6 is arranged so that the third multilayer film reflector side faces the second active layer 11 of the first light emitter 5.
Since the first illuminant 5 and the second illuminant 6 face each other, the laser light emitted from the second illuminant 6 is the upper part of the second active layer 11 of the first illuminant 5. More irradiated.
That is, the entire second active layer 11 is excited by the second illuminant 6 to excite the upper part of the second active layer 11 excited from the lower part by the VCSEL configuration of the first illuminant 5, which has a low excitation intensity. Can be uniformly excited.

換言すれば、第２の発光体６は、第１の発光体５の第二の活性層１１を積層方向の外側から励起する構成を有している。
すなわち、第２の発光体６は、第１の発光体の第二の活性層１１を該第二の活性層１１に隣接する第三の多層膜反射鏡１０とは反対の側から励起するように配置されている（光増幅方法における第一の工程）。 In other words, the second illuminant 6 has a configuration in which the second active layer 11 of the first illuminant 5 is excited from the outside in the stacking direction.
That is, the second illuminant 6 excites the second active layer 11 of the first illuminant from the side opposite to the third multilayer film reflector 10 adjacent to the second active layer 11. (First step in the optical amplification method).

これによって、生成したキャリアを効率的に光増幅に用いることが可能となり、吸収体としての第二の活性層１１の諸特性を向上させることができる。
レーザー光（種光２３）の増幅は、図１に示すような手順（光増幅方法）で行われる。第１の発光体５の第一の電極１２と第二の電極１３とにより第一の活性層８にキャリア注入を行い、レーザー発振させる（第二の工程）。該レーザー光は第二の活性層１１によって吸収され、第二の活性層１１は励起状態となる。 As a result, the generated carriers can be efficiently used for optical amplification, and various properties of the second active layer 11 as an absorber can be improved.
Amplification of the laser light (seed light 23) is performed by a procedure (optical amplification method) as shown in FIG. Carrier injection is performed into the first active layer 8 by the first electrode 12 and the second electrode 13 of the first illuminant 5, and laser oscillation is performed (second step). The laser light is absorbed by the second active layer 11, and the second active layer 11 is in an excited state.

一方、第２の発光体６の第一の電極１９と第二の電極２０とにより第一の活性層１７にキャリア注入を行い、同様にレーザー発振させる。第２の発光体６から放出されたレーザー光によって第１の発光体５の第二の活性層１１を、その表面側から励起させる（第三の工程）。
以上の結果、第１の発光体５の第二の活性層１１は、レーザー光によって両側から励起されるため、活性層内部に均一にキャリアが生成する。
このような状態の第二の活性層１１に種光２３を照射すると、図１に示すように、誘導放出によって種光２３が増幅される（第四の工程）。種光２３の増幅度は、図１の右側へいくに従って大きくなる。 On the other hand, carriers are injected into the first active layer 17 by the first electrode 19 and the second electrode 20 of the second illuminant 6, and laser oscillation is performed in the same manner. The laser light emitted from the second illuminant 6 excites the second active layer 11 of the first illuminant 5 from the surface side thereof (third step).
As a result of the above, since the second active layer 11 of the first light emitter 5 is excited from both sides by the laser light, carriers are uniformly generated inside the active layer.
When the second active layer 11 in such a state is irradiated with the seed light 23, the seed light 23 is amplified by stimulated emission as shown in FIG. 1 (fourth step). The amplification degree of the seed light 23 increases toward the right side of FIG.

図４に示すように、第１の発光体５の第二の活性層１１に対して、第１の発光体５と第２の発光体６とにより励起光Ｌ１、Ｌ２が照射されている。
ここで、第１の発光体５の第一の電極１２の径をａ、第２の発光体６の第一の電極１９の径をｂ、第１の発光体５より放出されるレーザー光の第二の活性層１１でのビーム径をａ’、第２の発光体６より放出されるレーザー光の第二の活性層１１でのビーム径をｂ’、第１の発光体５の第一の活性層８と第二の活性層１１との間の距離をＡ、第２の発光体６の第一の活性層１７と第１の発光体５の第二の活性層１１との間の距離をＢとすると、Ａ＜Ｂなる関係が成立している。 As shown in FIG. 4, the second active layer 11 of the first illuminant 5 is irradiated with the excitation lights L1 and L2 by the first illuminant 5 and the second illuminant 6.
Here, the diameter of the first electrode 12 of the first light emitting body 5 is a, the diameter of the first electrode 19 of the second light emitting body 6 is b, and the diameter of the laser light emitted from the first light emitting body 5 is The beam diameter in the second active layer 11 is a', the beam diameter in the second active layer 11 of the laser light emitted from the second illuminant 6 is b', and the first of the first illuminant 5. The distance between the active layer 8 and the second active layer 11 is A, between the first active layer 17 of the second illuminant 6 and the second active layer 11 of the first illuminant 5. Assuming that the distance is B, the relationship A <B is established.

発光体からのレーザー光は一定の発散角を有しているため、ａ＜ａ’及びｂ＜ｂ’なる関係が成立している。すなわちＺ方向（積層方向）から見たときのＸＹ平面における第１の発光体５の第一の電極１２は第二の活性層１１において照射されるレーザー光のビーム径より面積が小さく、第２の発光体６の第一の電極１９は第二の活性層１１において照射されるレーザー光のビーム径より面積が小さい。
従って、第１の発光体５の第一の電極１２と、第２の発光体６の第一の電極１９とを同一形状（ａ＝ｂ）とした場合、ａ’＜ｂ’なる関係が成立する。
ａ’≠ｂ’の場合、第１の発光体５あるいは第２の発光体６のいずれかのみで励起される領域が存在する。該領域は二つの発光体で励起される領域と比較するとキャリア密度が低く、種光が照射された場合であっても増幅効率が低いかあるいは増幅効果が得られない虞がある。
そのような領域に照射されたレーザー光は、種光の増幅への寄与が低く、発光体の駆動効率を低下させる。 Since the laser light from the illuminant has a constant divergence angle, the relationship of a <a'and b <b'is established. That is, the area of the first electrode 12 of the first illuminant 5 in the XY plane when viewed from the Z direction (stacking direction) is smaller than the beam diameter of the laser beam irradiated in the second active layer 11, and the area is second. The area of the first electrode 19 of the light emitter 6 is smaller than the beam diameter of the laser beam emitted in the second active layer 11.
Therefore, when the first electrode 12 of the first illuminant 5 and the first electrode 19 of the second illuminant 6 have the same shape (a = b), the relationship a'<b'is established. To do.
When a'≠ b', there is a region excited only by either the first illuminant 5 or the second illuminant 6. The carrier density of this region is lower than that of the region excited by the two light emitters, and there is a possibility that the amplification efficiency is low or the amplification effect cannot be obtained even when the seed light is irradiated.
The laser light irradiated to such a region has a low contribution to the amplification of the seed light and lowers the driving efficiency of the illuminant.

従ってａ’≒ｂ’となるように第１の発光体５の第一の電極１２と第２の発光体６の第一の電極１９との形状を設定した場合、第二の活性層１１の内部で生成したキャリアは効率的に光増幅に利用され、発光体の駆動効率を向上させることができる。 Therefore, when the shapes of the first electrode 12 of the first illuminant 5 and the first electrode 19 of the second illuminant 6 are set so that a'≈b', the second active layer 11 The internally generated carriers are efficiently used for optical amplification, and the driving efficiency of the light emitting body can be improved.

図５は、第１の発光体５において発生した熱の移動経路を示している。第１の発光体５は図示しない接合剤によってヒートシンク２４に固定されている。
図５において、第１の発光体５に注入されたキャリアは第一の活性層８において発光し消費される。しかし一部は非発光再結合によって熱に変換される。ここで発生した熱は、破線の矢印で示すように、ヒートシンク２４を介して外部へ排出される。
第２の発光体６においても同様に、第一の活性層１７で発生した熱は、破線の矢印で示すように、ヒートシンク２５を介して外部へ排出される。 FIG. 5 shows a heat transfer path generated in the first light emitting body 5. The first light emitter 5 is fixed to the heat sink 24 by a bonding agent (not shown).
In FIG. 5, the carriers injected into the first illuminant 5 emit light and are consumed in the first active layer 8. However, some are converted to heat by non-luminescent recombination. The heat generated here is discharged to the outside via the heat sink 24 as shown by the broken line arrow.
Similarly, in the second light emitting body 6, the heat generated in the first active layer 17 is discharged to the outside through the heat sink 25 as shown by the broken line arrow.

一方、第１の発光体５から放出されたレーザー光は第二の活性層１１に吸収され、キャリアを生成する。吸収過程において、格子間原子などの欠陥に吸収され、熱に変換される場合がある。
また、キャリアに変換された場合であっても、非発光再結合によって熱に変換される場合がある。このように発生した熱についても、実線の矢印で示すように、ヒートシンク２４を介して外部へ排出される。 On the other hand, the laser light emitted from the first illuminant 5 is absorbed by the second active layer 11 to generate carriers. In the absorption process, it may be absorbed by defects such as interstitial atoms and converted into heat.
Further, even when it is converted into a carrier, it may be converted into heat by non-emission recombination. The heat generated in this way is also discharged to the outside via the heat sink 24 as shown by the solid arrow.

図５において明らかなように、第二の活性層１１で発生した熱は、第１の発光体５の第一の活性層８を通過しなければならない。すなわち、第一の活性層８は第二の活性層１１の熱の影響を受けるため、第２の発光体６の第一の活性層１７と比較して特性が低下する。
従って、同等の構成である第１の発光体５と第２の発光体６の発光効率には差異が存在するため、等しい注入電流密度で同等に駆動することはできない。上述のように第二の活性層１１で発生した熱は、第一の活性層８を通過しなければ外部へ排出することはできないため、第１の発光体５の第一の活性層８へのキャリア注入と、第２の発光体６の第一の活性層１７へのキャリア注入を比較すると、前者の注入量を低減し発熱を抑制することによって、第二の活性層１１での発熱を効果的に排出することができる。 As is clear in FIG. 5, the heat generated in the second active layer 11 must pass through the first active layer 8 of the first illuminant 5. That is, since the first active layer 8 is affected by the heat of the second active layer 11, the characteristics of the first active layer 6 are deteriorated as compared with the first active layer 17 of the second illuminant 6.
Therefore, since there is a difference in the luminous efficiencies of the first illuminant 5 and the second illuminant 6 having the same configuration, they cannot be driven equally with the same injection current density. As described above, the heat generated in the second active layer 11 cannot be discharged to the outside unless it passes through the first active layer 8, and therefore the heat is transferred to the first active layer 8 of the first illuminant 5. When the carrier injection of the second luminescent material 6 and the carrier injection of the second luminescent material 6 into the first active layer 17 are compared, heat generation in the second active layer 11 is generated by reducing the injection amount of the former and suppressing heat generation. It can be discharged effectively.

一般に、ＶＣＳＥＬの光強度は注入する電流密度に比例するので、同一のＶＣＳＥＬにおいてより高い光強度を得るためには、より高い電流密度を注入しなければならない。
従って、第１の発光体５に注入する電流密度以上の電流を、第２の発光体６に注入することによって、上記のように第１の発光体５以上の光出力を第２の発光体６より得ることができる。 In general, the light intensity of a VCSEL is proportional to the current density to be injected, so a higher current density must be injected in order to obtain a higher light intensity in the same VCSEL.
Therefore, by injecting a current equal to or higher than the current density to be injected into the first light emitting body 5 into the second light emitting body 6, the light output of the first light emitting body 5 or more is output to the second light emitting body as described above. Can be obtained from 6.

［実施例］
図６は、本実施例における面型半導体光増幅器の具体的な構成を示している。
発光体を構成する部材はＡｌＧａＩｎＰＡｓ系化合物半導体より構成され、デバイス表面は、（１１１）方向に（１００）面が１５°傾斜した（５１１）面で構成されている。図６において、ｎはｎ型半導体を、ｐはｐ型半導体を、ＤＢＲは多層膜反射鏡を示している。 [Example]
FIG. 6 shows a specific configuration of the planar semiconductor optical amplifier in this embodiment.
The member constituting the light emitting body is composed of an AlGaInPAs-based compound semiconductor, and the device surface is composed of a (511) plane whose (100) plane is inclined by 15 ° in the (111) direction. In FIG. 6, n indicates an n-type semiconductor, p indicates a p-type semiconductor, and DBR indicates a multilayer film reflector.

第１の発光体５の構成について記述する。
Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＡｌＡｓ ２５ペアよりなる第一の多層膜反射鏡７が積層され、Ｃが１Ｅ１７／ｃｍ３でドーピングされている。第一の多層膜反射鏡７上に、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓ ３ＱＷよりなる第一の活性層８が積層されており、さらに中心波長８０８ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＡｌＡｓ １８ペアよりなる第二の多層膜反射鏡９が積層され、Ｓｅが２Ｅ１８／ｃｍ３でドーピングされている。
第二の多層膜反射鏡９上には中心波長１０６４ｎｍのＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／ＡｌＡｓ １９ペアよりなる第三の多層膜反射鏡１０が積層され、Ｓｅが２Ｅ１８／ｃｍ３でドーピングされている。 The configuration of the first light emitter 5 will be described.
Al 0.2 Ga 0.8 As / AlAs 25 first multilayer reflector 7 made of pairs are stacked, C is doped with 1E17 / cm 3. The first active layer 8 made of AlGaInAs / AlGaAs 3QW is laminated on the first multilayer film reflector 7, and further, the first active layer 8 made of Al 0.2 Ga 0.8 As / AlAs 18 pairs having a center wavelength of 808 nm is formed. second multilayer mirror 9 are stacked, Se is doped with 2E18 / cm 3.
Second third multilayer film reflector 10 of made of Al 0.2 Ga 0.8 As / AlAs 19 pairs of center wavelength 1064nm is stacked on the multilayer film reflecting mirror 9, doped with Se is 2E18 / cm 3 Has been done.

第三の多層膜反射鏡１０上には、ＧａＡｓコンタクト層２５ｎｍが積層されており、Ｓｅが２Ｅ１９／ｃｍ３でドーピングされている。
上記コンタクト層上には、厚さ５ｎｍに設定されたＧａＩｎＡｓよりなる量子井戸活性層２６（波長１０６４ｎｍ、歪み：＋１．９％）の両側を歪み−１．４％を有する厚さ５．５ｎｍのＧａＰＡｓよりなる障壁層２７で隔てられた構造を一組として、量子井戸層が６０層積層されており（図８参照）、第二の活性層１１を構成している。
これらの積層体上下にオーミック電極が形成されており、半導体基板に第一の電極１２、第三の多層膜反射鏡１０に第二の電極１３がそれぞれ接続されている。 On the third multilayer film reflector 10 of, GaAs contact layer 25nm are stacked, Se is doped with 2E19 / cm 3.
On the contact layer, a quantum well active layer 26 (wavelength 1064 nm, strain: + 1.9%) made of GaInAs set to a thickness of 5 nm has a strain of −1.4% on both sides and a thickness of 5.5 nm. A set of structures separated by a barrier layer 27 made of GaPAs is a set of 60 quantum well layers (see FIG. 8), which constitutes a second active layer 11.
Ohmic electrodes are formed above and below these laminated bodies, and the first electrode 12 is connected to the semiconductor substrate and the second electrode 13 is connected to the third multilayer film reflector 10.

第一の電極１２からはホールが注入され、半導体基板としての第一の多層膜反射鏡７を伝導し、電流狭窄層によって高いキャリア密度で第一の活性層８に注入される。
一方、第二の電極１３からは電子が注入され、第三の多層膜反射鏡１０、第二の多層膜反射鏡９を伝導し、第一の活性層８に注入される。
図７に示すように、第二の電極１３は環状をなしており、第三の多層膜反射鏡１０、第二の多層膜反射鏡９を伝導する間に拡散し、均一な注入を実現している。
一般に、電子はホールと比較して材料中の移動度が遥かに高いため、非常に拡散しやすい性質を有している。 Holes are injected from the first electrode 12, conduct the first multilayer film reflector 7 as a semiconductor substrate, and are injected into the first active layer 8 at a high carrier density by the current constriction layer.
On the other hand, electrons are injected from the second electrode 13, conduct through the third multilayer film reflector 10 and the second multilayer film reflector 9, and are injected into the first active layer 8.
As shown in FIG. 7, the second electrode 13 has an annular shape and diffuses while conducting the third multilayer film reflector 10 and the second multilayer film reflector 9 to realize uniform injection. ing.
In general, electrons have a much higher mobility in a material than holes, and therefore have a property of being extremely easily diffused.

一般的な面発光レーザーにおいては、ｐｎ構造が図６及び７とは逆の構造で、ｐ電極が環状をなしている場合が多い。しかしそのような構造においてはホールの移動度が低く、均一なキャリア注入を実現できるのは直径が１０〜２０μｍ程度であるとされており、それ以上の注入領域の場合不均一な注入となる（例えば、非特許文献４）。
しかし、本実施形態で示すように、ｎ電極が環状をなしている場合においては、上記のように電子の移動度が高いため、より大径の注入領域においても均一なキャリア注入が可能となる。 In a general surface emitting laser, the pn structure is the opposite of that shown in FIGS. 6 and 7, and the p electrode is often annular. However, in such a structure, the mobility of holes is low, and it is said that uniform carrier injection can be realized with a diameter of about 10 to 20 μm, and in the case of an injection region larger than that, non-uniform injection occurs ( For example, Non-Patent Document 4).
However, as shown in this embodiment, when the n electrode has an annular shape, the electron mobility is high as described above, so that uniform carrier injection is possible even in a larger diameter injection region. ..

第一の活性層８に注入されたキャリアによりレーザー発振し、ｐＤＢＲ・ｎＤＢＲ（８０８ｎｍ）の反射率を適切に設定することによって光増幅器側（第二の活性層１１側）へ導くことができる。第二の活性層１１の発振波長は１０６４ｎｍに設定されており、上記のようにレーザー光が照射されることにより、ＧａＩｎＡｓよりなる量子井戸層が励起され、該量子井戸層のキャリア密度が高められる。
本実施形態の構成を半導体光増幅器として用いる場合、レーザーの光出力を徐々に高めることによって、量子井戸内部のキャリア密度は更に高められ、反転分布に到達する。この状態の第二の活性層１１に種光（波長：１０６４ｎｍ）が照射されることによって誘導放出が発生し、種光の増幅を実現することができる。
本発明により、高信頼性、高効率且つ高い光増幅機能を有する光増幅器を提供することができる。 Laser oscillation is performed by the carriers injected into the first active layer 8, and by appropriately setting the reflectance of pDBR · nDBR (808 nm), it can be guided to the optical amplifier side (second active layer 11 side). The oscillation wavelength of the second active layer 11 is set to 1064 nm, and by irradiating the laser beam as described above, the quantum well layer made of GaInAs is excited, and the carrier density of the quantum well layer is increased. ..
When the configuration of this embodiment is used as a semiconductor optical amplifier, the carrier density inside the quantum well is further increased by gradually increasing the light output of the laser, and the population inversion is reached. By irradiating the second active layer 11 in this state with seed light (wavelength: 1064 nm), stimulated emission occurs, and amplification of the seed light can be realized.
INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide an optical amplifier having high reliability, high efficiency and high optical amplification function.

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to such a specific embodiment, and unless otherwise specified in the above description, the present invention described in the claims. Various modifications and changes are possible within the scope of the purpose.
The effects described in the embodiments of the present invention merely exemplify the most preferable effects arising from the present invention, and the effects according to the present invention are limited to those described in the embodiments of the present invention. is not it.

１ 光増幅器
２、３ 発光体アレイ
５ 第１の発光体
６ 第２の発光体
７、１６ 第一の多層膜反射鏡
８、１７ 第一の活性層
９、１８ 第二の多層膜反射鏡
１０ 第三の多層膜反射鏡
１１ 第二の活性層
１２、１９ 第一の電極
１３、２０ 第二の電極 1 Optical amplifier 2, 3 Light emitter array 5 First light emitter 6 Second light emitter 7, 16 First multilayer film reflector 8, 17 First active layer 9, 18 Second multilayer film reflector 10 Third multilayer reflector 11 Second active layer 12, 19 First electrode 13, 20 Second electrode

特表２００２−５２３８８９号公報Special Table 2002-523889

IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.24, NO.16, (2012) p1409-1411IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.24, NO.16, (2012) p1409-1411 APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL.97, 021101(2010)APPLIED PHYSICS LETTERS, VOL.97, 021101 (2010) IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.37, NO.1, (2012) p127-134IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.37, NO.1, (2012) p127-134 M.Grabherr et.al.;IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUAMTUM ELECTRONICS,VOL.5,NO.3,(1999)495M.Grabherr et.al .; IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUAMTUM ELECTRONICS, VOL.5, NO.3, (1999) 495

Claims (9)

第１の発光体と、第２の発光体とが交互に配置された列同士が、第１の発光体と第２の発光体とが対向するように配置され、
第１の発光体は、
第一の多層膜反射鏡と、第一の活性層と、第二の多層膜反射鏡と、第三の多層膜反射鏡と、第二の活性層とがこの順序で積層方向に積層され、且つ、
第一の多層膜反射鏡に直接若しくは間接的に接続された第一の電極と、
第二の多層膜反射鏡若しくは第三の多層膜反射鏡のいずれかに直接若しくは間接的に接続された第二の電極と、
を有し、
第二の活性層はメサ状をなし、その発振波長は第一の活性層の発振波長より大きく、
第２の発光体は、第１の発光体の第二の活性層を前記積層方向の外側から励起する構成を有している光増幅器。 Rows in which the first illuminant and the second illuminant are alternately arranged are arranged so that the first illuminant and the second illuminant face each other.
The first illuminant is
The first multilayer reflector, the first active layer, the second multilayer reflector, the third multilayer reflector, and the second active layer are laminated in this order in the stacking direction. and,
With the first electrode directly or indirectly connected to the first multilayer reflector,
With a second electrode directly or indirectly connected to either the second multilayer reflector or the third multilayer reflector,
Have,
The second active layer has a mesa-like shape, and its oscillation wavelength is larger than the oscillation wavelength of the first active layer.
The second light emitter is an optical amplifier having a configuration in which a second active layer of the first light emitter is excited from the outside in the stacking direction. 請求項１に記載の光増幅器において、
第２の発光体は、
第１の発光体の第一の多層膜反射鏡と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第一の多層膜反射鏡と、第１の発光体の第一の活性層と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第一の活性層と、第１の発光体の第二の多層膜反射鏡と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第二の多層膜反射鏡と、第１の発光体の第三の多層膜反射鏡と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第三の多層膜反射鏡とがこの順序で積層されて、第２の発光体の第三の多層膜反射鏡側が第１の発光体の第二の活性層に対向し、且つ、
第２の発光体の第一の多層膜反射鏡に直接若しくは間接的に接続された第一の電極と、
第２の発光体の第二の多層膜反射鏡若しくは第２の発光体の第三の多層膜反射鏡のいずれかに直接若しくは間接的に接続された第二の電極と、
を有する光増幅器。 In the optical amplifier according to claim 1,
The second illuminant is
The first multilayer mirror having substantially the same material composition and thickness as the first multilayer reflector of the first illuminant, and the first active layer of the first illuminant are substantially the same. A first active layer having a material composition and a thickness, and a second multilayer reflector having a material composition and a thickness substantially the same as those of the second multilayer mirror of the first illuminant. , The third multilayer film reflector of the first illuminant and the third multilayer film reflector having substantially the same material composition and thickness are laminated in this order, and the second illuminant of the second illuminant. The third multilayer mirror side faces the second active layer of the first illuminant, and
With the first electrode directly or indirectly connected to the first multilayer film reflector of the second illuminant,
With a second electrode directly or indirectly connected to either the second multilayer reflector of the second emitter or the third multilayer reflector of the second emitter.
Optical amplifier with. 請求項２に記載の光増幅器において、
第１の発光体の第一の電極は、第１の発光体の第二の活性層よりも前記積層方向から見たときの該積層方向と直交するＸＹ平面における面積が小さい光増幅器。 In the optical amplifier according to claim 2,
The first electrode of the first light emitter is an optical amplifier having a smaller area in the XY plane orthogonal to the stacking direction when viewed from the stacking direction than the second active layer of the first light emitter. 請求項２又は３に記載の光増幅器において、
第１の発光体の第二の電極、第２の発光体の第二の電極は共に環状をなす光増幅器。 In the optical amplifier according to claim 2 or 3.
The second electrode of the first light emitter and the second electrode of the second light emitter are both annular optical amplifiers. 請求項４に記載の光増幅器において、
第１の発光体の第一の電極は、第２の発光体の第一の電極よりも前記積層方向から見たときの該積層方向と直交するＸＹ平面における面積が大きい光増幅器。 In the optical amplifier according to claim 4,
The first electrode of the first illuminant is an optical amplifier having a larger area in the XY plane orthogonal to the stacking direction when viewed from the stacking direction than the first electrode of the second illuminant. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の光増幅器において、
前記各列が、一つの基板と該一つの基板とは別の一つの基板に第１の発光体と第２の発光体とがそれぞれ複数一体に固定された発光体アレイとしてなり、
各前記発光体アレイにおける第１の発光体と第２の発光体とがそれぞれ対向して配置されている光増幅器。 In the optical amplifier according to any one of claims 1 to 5.
Each row becomes a light emitter array in which a plurality of first light emitters and second light emitters are integrally fixed to one substrate and one substrate different from the one substrate.
An optical amplifier in which a first light emitter and a second light emitter in each of the light emitter arrays are arranged so as to face each other. 第一の多層膜反射鏡と、第一の活性層と、第二の多層膜反射鏡と、第三の多層膜反射鏡と、第二の活性層とがこの順序で積層された第１の発光体と、
第１の発光体の第一の多層膜反射鏡と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第一の多層膜反射鏡と、第１の発光体の第一の活性層と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第一の活性層と、第１の発光体の第二の多層膜反射鏡と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第二の多層膜反射鏡と、第１の発光体の第三の多層膜反射鏡と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第三の多層膜反射鏡とがこの順序で積層された第２の発光体と、を有し、
第２の発光体は、第１の発光体の第二の活性層を該第二の活性層に隣接する第三の多層膜反射鏡とは反対の側から励起するように配置されている光増幅器。 The first multilayer reflector, the first active layer, the second multilayer reflector, the third multilayer reflector, and the second active layer are laminated in this order. Luminous body and
The first multilayer mirror having substantially the same material composition and thickness as the first multilayer reflector of the first illuminant and the first active layer of the first illuminant are substantially the same. A first active layer having a material composition and a thickness, and a second multilayer mirror having a material composition and a thickness substantially the same as those of the second multilayer mirror of the first illuminant. , A second illuminant in which a third multilayer reflector having substantially the same material composition and thickness as the third multilayer reflector of the first illuminant is laminated in this order. Have and
The second light emitter is light arranged so as to excite the second active layer of the first light emitter from the side opposite to the third multilayer film reflector adjacent to the second active layer. amplifier. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の光増幅器の駆動方法において、
第１の発光体へ注入される電流密度よりも第２の発光体へ注入される電流密度を高くする光増幅器の駆動方法。 The method for driving an optical amplifier according to any one of claims 1 to 7.
A method for driving an optical amplifier in which the current density injected into the second illuminant is higher than the current density injected into the first illuminant. 第一の多層膜反射鏡と、第一の活性層と、第二の多層膜反射鏡と、第三の多層膜反射鏡と、第二の活性層とがこの順序で積層された第１の発光体に対し、第１の発光体の第一の多層膜反射鏡と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第一の多層膜反射鏡と、第１の発光体の第一の活性層と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第一の活性層と、第１の発光体の第二の多層膜反射鏡と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第二の多層膜反射鏡と、第１の発光体の第三の多層膜反射鏡と略同一の材料組成及び厚さからなる構成の第三の多層膜反射鏡とがこの順序で積層された第２の発光体を、第１の発光体の第二の活性層を該第二の活性層に隣接する第三の多層膜反射鏡とは反対の側から励起するように配置する第一の工程と、
第１の発光体の第一の活性層にキャリア注入を行ってレーザー発振させ、第１の発光体の第二の活性層を該第二の活性層に隣接する第三の多層膜反射鏡の側から励起させる第二の工程と、
第２の発光体の第一の活性層にキャリア注入を行ってレーザー発振させ、第１の発光体の第二の活性層を該第二の活性層に隣接する第三の多層膜反射鏡とは反対の側から励起させる第三の工程と、
第１の発光体の第二の活性層に光を照射し、前記光を増幅させる第四の工程と、
を有する光増幅方法。 The first multilayer mirror, the first active layer , the second multilayer reflector , the third multilayer reflector, and the second active layer are laminated in this order. With respect to the illuminant, the first multilayer reflector having substantially the same material composition and thickness as the first multilayer reflector of the first illuminant, and the first activity of the first illuminant. A first active layer having a material composition and thickness substantially the same as the layer, and a second active layer having a material composition and thickness substantially the same as the second multilayer mirror of the first illuminant . A second multilayer mirror in which a multilayer mirror and a third multilayer reflector having substantially the same material composition and thickness as the third multilayer reflector of the first illuminant are laminated in this order. The first step of arranging the illuminant so that the second active layer of the first illuminant is excited from the side opposite to the third multilayer mirror reflecting the second active layer.
Carrier injection is performed into the first active layer of the first illuminant to oscillate the laser, and the second active layer of the first illuminant is made of a third multilayer film reflector adjacent to the second active layer. The second step of exciting from the side,
Carrier injection is performed into the first active layer of the second illuminant to oscillate the laser, and the second active layer of the first illuminant is formed with a third multilayer film reflector adjacent to the second active layer. Is the third step of exciting from the opposite side,
The fourth step of irradiating the second active layer of the first illuminant with light and amplifying the light,
Optical amplification method having.
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