JP7071646B2 - 波長可変レーザ - Google Patents

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Description

本発明は波長可変レーザに関する。
インターネット等における通信トラフィックの増加に伴い、光ファイバ伝送の高速・大容量化が求められている。コヒーレント光通信技術及びディジタル信号処理技術を利用したディジタルコヒーレント通信技術の開発が進展し、１００Ｇシステムが実用化されている。このような通信システムでは、通信用及び受信用局発光源として、発振波長を容易に調整できる波長可変光源が必要とされる。
波長可変光源として、半導体利得部と発振波長を決める光フィルタとが同一基板内に集積された波長可変レーザ、半導体利得部と光フィルタとがレンズなどを介して空間的に光結合された外部共振器型レーザが実現されている。システムの小型化や発振モードの安定性の観点から、前者の波長可変レーザが優れ、現在、研究開発が進められている。
波長可変レーザとして、分布反射型（DBR）レーザ（非特許文献１）、多電極分布帰還型（DFB）レーザ（非特許文献２）、二重導波路型（DFB）レーザ（非特許文献３）などが報告されている。
S. Murata, et al.,"TUNING FOR 1・5μm WAVELENGTH TUNABLE DBR LASERS"ELECTRONICS LETTER 12th May 1988 Vol.24 No.10 pp577. M. Fukuda, et al.,"Continuously Tunable Thin Active Layer and Multisection DFB Laser with Narrow Linewicth and High Power"JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 7 NO.10, OCTOBER 1989. M. C, Amann, et al.,"CONTINUOUSLY TUNABLE SINGLE-FREQUENCY LASER DIODE UTILISING TRANSVERSE TUNING SCHEME"ELECTRONICS LETTERS 22nd June 1989 Vol. 25 No.13.
半導体レーザの発振波長の制御方法の一つとして、電流注入構造が用いられる。従来の半導体レーザの電流注入構造は、ｐ型ＩｎＰ及びｎ型ＩｎＰのIII-Ｖ族半導体からなるダイオード構造を用いている。この場合、直接遷移型であるIII-Ｖ族半導体に電流が注入され、キャリアが再結合することで発光が生じる。この発光は、半導体レーザのノイズ源として作用するため、電流注入による発振波長制御に伴いレーザのスペクトル線幅が劣化する。
また、屈折率変化を生じさせる導波路の一部として光吸収損失の大きなｐ型ＩｎＰを用いるため、共振器の内部損失が増加する。このように、従来のIII-Ｖ族半導体を用いた電流注入型の発振波長の制御は、レーザの光出力及び線幅といった基本特性の劣化を伴うという課題がある。
また、半導体レーザの発振波長の制御方法の一つとして、導波路の一部をヒータによって熱し、熱光学効果に基づく屈折率変化により、発振波長を変化させる方法もある。この方法は、半導体レーザの基本特性の劣化は少ないが、高速な波長制御が困難であり、高速な応答が必要な光パケットスイッチ等への適用が難しいという課題がある。
本発明は、これらの課題に鑑みてなされたものであり、レーザの基本特性の劣化を防ぐと共に発振波長の制御を高速に行える波長可変レーザを提供することを目的とする。
本発明の一態様に係る波長可変レーザは、III-Ｖ族化合物半導体からなる半導体利得部と、前記半導体利得部で生成された光を回折させて前記半導体利得部に帰還させる光帰還部と、間接遷移型のドーピングされたシリコンを含んだ光導波路を含む光変調部とを備え、前記半導体利得部と前記光変調部は、光モードをオーバーラップさせて配置されることを要旨とする。
本発明によれば、レーザの基本特性の劣化を防ぐと共に発振波長の制御を高速に行える波長可変レーザを提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。 図１に示す波長可変レーザを回路シンボルで表した図である。 本発明の第２実施形態に係る波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。 図３に示す波長可変レーザの光強度分布の計算結果の例を示す図である。 図３に示す活性層を含むIII-Ｖ族層の膜厚と閉じ込め係数の関係を示す図である。 図３に示した波長可変レーザの変形例の断面を模式的に示す図である。 図３に示した波長可変レーザの変形例の断面を模式的に示す図である。 図７に示した波長可変レーザの変形例の断面を模式的に示す図である。 図８に示した波長可変レーザの変形例の断面を模式的に示す図である。 図１に示した波長可変レーザの変形例の断面を模式的に示す図である。 図１０に示した波長可変レーザの変形例の断面を模式的に示す図である。 図３に示した波長可変レーザの変形例の断面を模式的に示す図である。 図１２に示した波長可変レーザの変形例の断面を模式的に示す図である。 図３に示す半導体利得部を縦方向電流注入型で構成した波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。 ＤＢＲミラーを用いた波長可変レーザの構成例を模式的に示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものには同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。図１は、波長可変レーザの表面をｘ－ｙ平面とする模式的な断面図であり、図の奥行き方向をｘ、左右方向をｙ、厚さ方向をｚと定義する。
図１に示す波長可変レーザ１００は、ｚ方向の下層から、Ｓｉ基板１０１、ＳｉＯ２膜１０２、光変調部１０、半導体利得部２０、及び光帰還部３０を積層したものである。光変調部１０及び光利得部２０は、ｘ方向に長い形状である。
ＳｉＯ２膜１０２は3μm程度の厚さであり下部クラッド層を構成する。ＳｉＯ２膜１０２の上には、光変調部１０が配置される。光変調部１０は、電極１０Ｃ、拡散電極１１、及び変調拡散部１２を備える。拡散電極１１、及び変調拡散部１２は、間接遷移型のドーピングされたシリコン半導体である。
電極１０Ｃと拡散電極１１はオーミック接続される。そして、拡散電極１１の電極１０Ｃと反対側は、拡散電極１１よりも不純物ドープ量の少ない変調拡散部１２を形成する。
半導体利得部２０は、不純物ドープされたIII-Ｖ族半導体のｐ型ＩｎＰ（ｐ－ＩｎＰ）２１とｎ型ＩｎＰ（ｎ－ＩｎＰ）２３の間にＩ層２２を備える。Ｉ層２２は、真性半導体であり、活性層２２ａを含む。活性層２２ａの材質は、例えばＩｎＧａＡｓＰである。
ｐ型ＩｎＰ２１は、アノード電極２０Ａとオーミック接続される。また、ｎ型ＩｎＰ２３は、カソード電極２０Ｋとオーミック接続される。
図１に示す半導体利得部２０は、例えば横方向電流注入型の埋め込み活性層薄膜を構成する。なお、半導体利得部２０は、電流を厚さ方向に流すように構成しても良い。電流を厚さ方向に流す構成については後述する。
Ｉ層２２、活性層２２ａ、ｐ型ＩｎＰ２１、及びｎ型ＩｎＰ２３は、それぞれｘ方向に長い形状である。
Ｉ層２２は、活性層薄膜構造の上部クラッド層を構成する。上部クラッド層の上に、例えばλ/4位相シフト型の光を回折させて半導体利得部２０に帰還させる光帰還部３０が形成される。光帰還部３０によって単一モード発振が実現される。
光変調部１０の変調拡散部１２の一部分は、Ｉ層２２と絶縁膜（ＳｉＯ２）を挟んで対向し、当該対向部分はキャパシタンス２４を形成する。キャパシタンス２４が形成されるＩ層２２及び変調拡散部１２の範囲は、間接遷移型のドーピングされたシリコンを含んだ光導波路２５を構成する。
光導波路２５の屈折率は、カソード電極２０Ｋと電極１０Ｃの間に電圧を印加することでキャパシタンス２４にキャリアを蓄積させることで変化させることができる。光は光導波路２５に閉じ込められる。
キャパシタンス２４を形成する絶縁膜（ＳｉＯ２）の厚さは、効率的なキャリア蓄積のため、例えば10nm程度であると好ましい。また、活性層２２ａと光変調部１０は、光モードがオーバーラップする間隔に配置される。光モードがオーバーラップするとは、活性層２２ａで生じた光が光変調部１０に影響を与えることを意味する。活性層２２ａで生じた光が光導波路２５に閉じこめられる現象については後述する。
図２は、波長可変レーザ１００を回路シンボルで表した図である。図２に示すように、キャリア蓄積型の波長可変レーザ１００は、カソード電極２０Ｋと電極１０Ｃの間をキャパシタンス２４で接続した回路で表せる。後述する電流注入型の波長可変レーザは、キャパシタンス２４の部分が、半導体利得部２０のＰＮ接合（ダイオード）と独立したダイオードで表せる。
以上説明したように波長可変レーザ１００は、III-Ｖ族化合物半導体からなる半導体利得部２０と、半導体利得部２０で生成された光を回折させて半導体利得部２０に帰還させる光帰還部３０と、間接遷移型のドーピングされたシリコンを含んだ光導波路２５を含む光変調部１０とを備え、半導体利得部２０と光変調部１０は、光モードをオーバーラップさせて配置される。
このように波長可変レーザ１００は、活性層２２ａへの電流注入と、光導波路２５へのキャリア蓄積を分離して行える構造である。本実施形態に係るキャリア蓄積は、発光を伴わないのでキャリア蓄積による波長制御が半導体レーザのノイズ源にならない。また、光導波路２５は、間接遷移型のシリコン半導体であるので損失を少なくできる。また、多数キャリア密度の変化に基づいた屈折率変化のため、高速な屈折率変化、すなわち高速な波長制御を可能にする。
〔第２実施形態〕
図３は、本発明の第２実施形態に係る波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。図３に示す波長可変レーザ２００は、電流注入型のキャリア蓄積を行って光導波路２５の屈折率を可変するものである。
その為に、波長可変レーザ２００は、電流注入型のキャリア蓄積を行う光変調部１０を備える点で、波長可変レーザ１００（図１）と異なる。図２に示す光変調部１０は、間接遷移型のドナーがドーピングされた拡散電極１３（ｎ＋＋－Ｓｉ）と変調拡散部１４（ｎ－－Ｓｉ）を備える。ｎ＋＋とｎ－は、ｎ＋＋はドナー濃度が濃い領域、ｎ－はドナー濃度が薄い領域を表す。拡散電極１３は電極１０Ｋとオーミック接続される。
参照符号から明らかなように、電極１０Ｃ、拡散電極１１、及び変調拡散部１２は、波長可変レーザ１００（図１）と同じ物である。但し、変調拡散部１２の電極１０Ｃと反対側の端部は、変調拡散部１４とＰＮ接合を形成する。ＰＮ接合部分はリブ形状であり、ｘ方向に延伸され、光導波路２５の一部を構成する。
図３に示す光変調部１０は、シリコンフォトニクスの分野で知られているシリコン光変調器である。光変調部１０の上部には、波長可変レーザ１００と同様に半導体利得部２０が配置される。半導体利得部２０は、波長可変レーザ１００（図１）と同じ物である。
光変調部１０と、半導体利得部２０のＩ層１２との間の間隔は、活性層１２ａ及び光変調部１０の両方に光モードがオーバーラップする例えば100nm程度とする。
図４は、波長可変レーザ２００の光強度分布の計算結果を示す図である。図４中にグレースケールで光の強度を表す。白い部分が光の強度が高い領域である。
図４に示すように、変調拡散部１２と変調拡散部１４が接合するＰＮ接合部分の光の強度が高い。変調拡散部１２と変調拡散部１４は、間接遷移型の半導体であるので、その間に電流を流（電流注入）しても発光しない領域である。
また、光変調部１０に電流注入することで光導波路２５の屈折率を変化させることで、光導波路２５の実効屈折率を変化させることができる。波長可変レーザ２００の光導波路２５の光閉じ込め率は凡そ50%、活性層２２ａの光閉じ込め率は凡そ12%である。このように間接遷移型のＰＮ接合部分に光が分布し、半導体利得部２０と光変調部１０の光モードがオーバーラップしていることが分かる。
光変調部１０への電流注入によって、光導波路２５の屈折率を変化させつつ、利得を確保してレーザ発振させることができる。したがって、レーザの波長を制御することができる。
なお、シリコンにおけるキャリア密度変化ΔＮに対する屈折率変化Δｎは、例えば参考文献（A. Singh,”Free charge carrier induced refractive index modulation of crystalline Silicon”,7th IEEE International Conference on Group IV Photonics, P1. 13, 2010.）に開示されている。その値は、波長λ＝1550nmにおいて、ΔＮ＝1.0×1019cm-3の場合にΔｎ＝－1.1×10-2程度である。
次式から、シリコンへの光閉じ込め率を考慮したブラッグ波長変化ΔλＢを見積もると、ΔλＢ＝6nmが得られる。
Figure 0007071646000001
ここでｎeffは光導波路２５の実効屈折率、Λは光帰還部３０の回折格子の周期である。
つまり、光変調部１０に電流を注入することにより、発振課長を6nm程度変化させることができる。発振波長の変化量を大きくしたい場合は、光導波路２５への光閉じ込め率を高めれば良い。
光導波路２５の光閉じ込め率を高めるためには、その断面積を大きくすれば良い。すなわち、光導波路２５の厚膜化（リブ形状の高さを高く）及び幅広化が有効である。
図５は、半導体利得部２０の膜厚と光閉じ込め率の関係を示す図である。横軸は半導体利得部２０の膜厚（μm）、縦軸は光導波路２５に光が閉じ込められる係数（閉じ込め係数）である。
図５に示すように、半導体利得部２０の膜厚が薄いほど閉じ込め係数は大きくなる特性を示す。よって、半導体利得部２０は、埋め込み活性層薄膜構造とするのが好ましい。
高出力・狭線幅のＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザは共振器の長さが長く設計される。結合係数が高いままＤＦＢの共振器を長くすることは、空間的ホールバーニングの観点から好ましくない。
そのため、一般に高出力・狭線幅のＤＦＢレーザには、低い結合係数の回折格子が用いられる。一方、波長変化の観点からは、光導波路２５への光閉じ込め率を高めるのが良い。
したがって、回折格子は、光閉じ込めの比較的弱い半導体利得部２０の埋め込み活性層薄膜構造の上に形成し、低い結合係数にするのが良い。低い結合係数を実現するため、低誘電率の薄膜であるＳｉＮ膜又はＳｉＯＮ膜を用いて回折格子を形成すると良い。
この場合、成膜温度を低くできるＥＣＲプラズマＣＶＤ方を用いて回折格子を形成する。また、光通信波長帯でのＮ－Ｈ基吸収を抑えるために原料ガスとして重水素シランガスを用いると良い。
つまり、半導体利得部２０の上に形成された回折格子は、重水素を含むＳｉＮ膜又はＳｉＯＮ膜で構成される。これにより光通信波長帯でのＮ－Ｈ基吸収を抑えることができる。
（変形例１）
図６は、波長可変レーザ２００（図３）を変形した波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。図５に示す波長可変レーザ３００は、変調拡散部１２と変調拡散部１４が接合するＰＮ接合部分を真性半導体（ｉ－Ｓｉ）２６で構成したものである。
真性半導体２６は、不純物を含まないので光導波路２５の損失を少なくでき、レーザ光の強度を高くすることができる。
（変形例２）
図７は、波長可変レーザ２００（図３）を変形した波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。図７に示す波長可変レーザ４００は、変調拡散部１２と変調拡散部１４が接合するＰＮ接合部分を縦方向に形成したものである。このように、光変調部１０に注入する電流を縦方向に流しても良い。波長可変レーザ２００（図３）と同じ作用効果が得られる。
（変形例３）
図８は、波長可変レーザ４００（図７）を変形した波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。図８に示す波長可変レーザ５００は、縦方向に形成された変調拡散部１２と変調拡散部１４の間に絶縁膜５０を設けたものである。このように光変調部１０は、波長可変レーザ１００（図１）と同様にキャリア蓄積型の変調器で構成しても良い。
（変形例４）
図９は、波長可変レーザ５００（図８）を変形した波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。図９に示す波長可変レーザ６００は、波長可変レーザ５００（図８）の絶縁膜５０を電気光学材料６０で構成したものである。
このように電気光学効果（例えばボッケルス効果）を用いた変調器で構成しても良い。電気光学材料としては、例えばＫＤＰ（リン酸二水素カリウム）、ＬｉＮＢＯ３、及びＬｉＴａＯ３等を用いることができる。
（変形例５）
図１０は、波長可変レーザ１００（図１）を変形した波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。図１０に示す波長可変レーザ７００は、活性層２２ａと対向する変調拡散部１２の部分をリブ形状としたものである。
変調拡散部１２の部分をリブ形状とすることで光導波路２５への光の閉じ込め係数を（波長可変レーザ１００（図１）より）高くすることができる。
（変形例６）
図１１は、波長可変レーザ７００（図１０）を変形した波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。図１１に示す波長可変レーザ８００は、波長可変レーザ７００（図１０）のリブ形状とした変調拡散部１２とＩ層２２の間の絶縁膜（ＳｉＯ２）を、電気光学材料６０に置き換えたものである。
このようにキャリア蓄積型の波長可変レーザ８００を、電気光学効果（例えばボッケルス効果）を用いた変調器で構成しても良い。
（変形例７）
図１２は、波長可変レーザ２００（図３）を変形した波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。図１２に示す波長可変レーザ９００は、変調拡散部１２と変調拡散部１４の間に絶縁膜５０を挿入したものである。
図１２に示すように、ｙ方向のＰＮ接合の間に絶縁膜５０を設けてキャリア蓄積型の波長可変レーザ９００を構成しても良い。
（変形例８）
図１３は、波長可変レーザ９００（図１２）を変形した波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。図１３に波長可変レーザ１０００は、変調拡散部１２と変調拡散部１４の間の絶縁膜５０を、電気光学材料６０に置き換えたものである。
（変形例９）
図１４は、半導体利得部２０を縦方向電流注入型で構成した波長可変レーザの断面を模式的に示す図である。図１４に示すように不純物ドープされたIII-Ｖ族半導体のｐ型ＩｎＰ（ｐ－ＩｎＰ）２１、Ｉ層２２、及びｎ型ＩｎＰ（ｎ－ＩｎＰ）２３を縦方向に積層させて半導体利得部２０を構成しても良い。
この場合、アノード電極２０Ａでの光吸収を防ぐため、ｐ型ＩｎＰ（ｐ－ＩｎＰ）２１の厚さを1～2μm程度にする。また、光導波路２５内にｎ型ＩｎＰ（ｎ－ＩｎＰ）２３が在るため、光導波路２５への光閉じ込めが弱くなる。よって、光導波路２５の断面積を大きくする必要がある。
なお、光変調部１０は、上記の実施形態及び変形例の何れかに置き換えても構わない。
以上説明した実施形態及び変形例に係る波長可変レーザの半導体利得部２０と光変調部１０のそれぞれの電極１０Ｃ、１０Ｋ、２０Ａ（アノード電極）、及び２０Ｋ（カソード電極）は、半導体利得部２０側の表面に配置される。これにより波長可変レーザの実装を容易にすることができる。
上記の実施形態は、ＤＦＢレーザを用いた例で説明したが、本発明はこの例に限定されない。例えば。図１５に示すようにＤＢＲミラーを用いた構成としても良い。この場合、活性層２２ａと位相調整部８０はｘ方向に配列され、その前後に前方ＤＢＲ８１と後方ＤＢＲ８２が配置される。位相調整部８０は回折格子を持たない。
前方ＤＢＲ８１及び後方ＤＢＲ８２は、シリコン光変調器の導波路に回折格子を形成することにより実現する。ＤＢＲ領域のシリコン光変調器に電流を注入することにより、ブラッグ波長を変えることができるので発振波長を変えられる。回折格子は、光導波路２５の上面、又は側面、又は光学的に結合可能なその他の位置に形成する。
また、ミラーはＤＢＲミラーに限られない。例えば、ループミラーを用いても良い。また、ラティスフィルタ（図示せず）とリングフィルタ（図示せず）を組合せた構成としても良い。この場合、ラティスフィルタとリングフィルタを構成する導波路の屈折率を変えることにより、それらフィルタの波長特性を変えることで発振スペクトルを変えることができる。
なお、上記の実施形態では、光変調部１０に電流を注入する例で説明したが、逆バイアスに電圧を印加し、キャリアを引き抜いて屈折率を変えても良い。この場合のキャリア密度の変化量は、電流を注入する場合よりも劣るものの高速な動作が可能である。
また、回折格子は、半導体利得部２０の上に形成する例で説明したが、この例に限られない。回折格子は、光導波路２５の上面、側面、及び光学的に結合可能な他の位置の何れに形成しても構わない。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
１００～１１００：波長可変レーザ
１０：光変調部
１０Ｃ、１０Ｋ：電極
２０：半導体利得部
２０Ａ：アノード電極
２０Ｋ：カソード電極
２１：ｐ型ＩｎＰ（ｐ－ＩｎＰ）
２２：Ｉ層
２２ａ：活性層
２３：ｎ型ＩｎＰ（ｎ－ＩｎＰ）
２４：キャパシタンス
２５：光導波路
２６：真性半導体（ｉ－Ｓｉ）
３０：光帰還部
５０：絶縁膜
６０：電気光学材料

Claims (7)

  1. III-Ｖ族化合物半導体からなる半導体利得部と、
    前記半導体利得部で生成された光を回折させて前記半導体利得部に帰還させる光帰還部と、
    間接遷移型のドーピングされたシリコンを含んだ光導波路を含む光変調部と
    を備え、
    前記半導体利得部と前記光変調部は、光モードをオーバーラップさせて配置されることを特徴とする波長可変レーザ。
  2. 前記半導体利得部は、
    横方向電流注入型の埋め込み活性層薄膜で構成される
    ことを特徴とする請求項１に記載の波長可変レーザ。
  3. 前記光変調部は、
    前記光導波路がリブ構造を備えるシリコン光変調器で構成される
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の波長可変レーザ。
  4. 前記光帰還部は、
    前記半導体利得部の上に形成された回折格子で構成される
    ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の波長可変レーザ。
  5. 前記回折格子は、
    重水素を含むＳｉＮ膜又はＳｉＯＮ膜で構成される
    ことを特徴とする請求項４に記載の波長可変レーザ。
  6. 単結晶Ｓｉ基板の上に形成されたＳｉＯ２からなる下部クラッド層を備え、当該下部クラッド層の上に前記光変調部が配置される
    ことを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の波長可変レーザ。
  7. 前記半導体利得部と前記光変調部のそれぞれの電極は、前記半導体利得部側の表面に配置される
    ことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の波長可変レーザ。
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