JP7112387B2 - 分布帰還型レーザーダイオード - Google Patents

Description

本発明は、光源としての発明によるレーザーダイオードを含む分布帰還型レーザーダイオード及び電気通信デバイスに関するものである。

分布帰還型レーザーダイオードは、特にそのスペクトル純度により光ファイバー接続の光源として用いられる。スペクトル純度は、長いファイバー距離で高帯域を得るのに重要なパラメーターである。

このタイプのレーザーのシングルモードスペクトル動作は、利得媒質を含むアクティブガイドの周りに分布する周期格子により取得される。格子の役割は、ガイドの実効屈折率ｎ_ｅｆｆの実際または架空の部分の周期的変調を得ること、単周期レーザー動作のブラッグ条件の下で選択的フィードバック条件を得ることである。

ブラッグ条件は、いわゆる一次フィードバックのΛ＝２・ｎ_ｅｆｆ・λ、またはまれに、メリットは少ないが、ありえる選択として、いわゆるより高次の、Λ＝２・ｍ・ｎ_ｅｆｆ・λ（ｍは整数）で表され、周期Λ，発振波長λ，光周波数ｆによる光速ｃの商、およびモードの実効屈折率ｎ_ｅｆｆを相関させたものである。

フィードバックに流れる光量を制御するパラメーターは結合係数と呼ばれ、通常ｃｍ^－１で表される、単位長当たりの結合である。その値と構造の正確なパラメーターは、前述のブラッグ条件から若干逸脱した、レーザーの周波数、または単周波数動作が得られない場合には２つの周波数の正確な値を決定する。

これらレーザーの動作に関する主な問題のひとつは、光通信線の寄生光フィードバックの感度である。臨界閾値より大きい光フィードバックは、スペクトル幅の増大、光通信の品質とスループットの大きな障害につながり、これらレーザーのコヒーレンス障害の原因となる。

この問題を解決するため、モジュール値の著しい増加につながるレーザーモジュールにおける光アイソレータが統合された。

光アイソレータなしの動作が可能な解決法の研究は長年行われてきた。

この解決法のひとつは、特に非特許文献１にある、損失変調格子のレーザーを用いたものである。

このタイプのレーザーの発光は、光フィードバックに関し大きいことがわかっている。クロムベースの金属製格子ではカップリング係数５～２０ｃｍ^－１が可能である。これらの値を超えたブラッグ格子の強度の増加を図るのはレーザー動作の悪影響をもたらすため技術的には難しいことがわかっている。

格子は吸収性が高いため、中間損失値の増加につながり、ノイズレベルまたは相対強度雑音ＲＩＮの増加となる。

最終的に、利得との部分結合、例えば、量子ウエルの一部をエッチングし、複数の量子ウエルにより形成される特に導波層の活性部分を部分的にエッチングすることによる利得との部分結合に関する試みが、特に非特許文献２の中でなされている。

R. Hui、M. Kavehrad、T. マキノ、「部分利得結合DFBレーザーダイオードの外部フィードバック感度」、IEEE Photon. Technol. Lett. 6、1994、pp. 897-899 G. P. Li、T. マキノ、R. Moore、N. Puetz、「ひずみ層マルチ量子活性格子での1.55 mu m 指数/利得結合DFBレーザー」、Electron. Lett. 28、1992、pp. 1726-1727

本発明の目的は、先行技術の短所を示さないレーザーダイオードを提案することである。

本発明は、導波路の軸に沿って分布するローカライズドレゾネータを含むサブセットを含む要素の分布により形成された格子により補助される利得媒体付きの導波路を含み、この要素の空間的分布により導波路上で誘起されるフィードバックの特性周波数が、上記ローカライズドレゾネータの共鳴周波数に対して５０％未満の差異がある分布帰還型レーザーダイオードに関するものである。

本発明に関するレーザーダイオードの構造は、単周波数出力、出力の強度、レーザーの感度を大幅に高める誘起透明化効果を得ることができる。

本発明によるレーザーダイオードは、個々に、又は技術的に実現可能な組み合わせに従って考慮される、以下のひとつまたは複数の特徴を有する。
－ レーザーダイオードは、上記ローカライズドレゾネータを備える導波路の光閉じ込め係数が、誘起透明化現象を可能にするように調整されるように、設定される。及び／又は
－ 上記要素は、上記導波路の主軸に沿った周期格子の形で分布する。及び／又は
－ 上記分布する要素により形成される格子により誘起されるフィードバックの特性周波数は、上記ローカライズドレゾネータの共鳴周波数に対して２０％未満の差異がある。及び／又は、
－ 上記ローカライズドレゾネータは、上記導波路の主軸に実質的に垂直な方向において、光速ｃとレーザー発光周波数ｆとの比において１／５～１／２０の間の寸法を有する少なくとも１つの要素を含む。及び／又は、
－ 上記共鳴ローカライズドレゾネータを形成する要素は、その最大辺が導波の非ヌル型電界のうちのひとつにおける方向に配向するように配置されている。及び／又は、
－ 上記共鳴ローカライズドレゾネータを形成する要素は、その最大辺が導波の支配電界の方向、例えば導波軸に垂直な方向に配向するように、配置されている。及び／又は、
－ 上記共鳴ローカライズドレゾネータを形成する要素は、その最大辺が導波軸に垂直な方向に配向するように、配置されている。及び／又は、
－ 上記ローカライズドレゾネータは、上記導波路の主軸に実質的に垂直な方向に沿って配置されており、上記方向に沿うローカライズドレゾネータの長さ以下の間隔、例えばｃ／ｆにおいて１／１０から１／５０の間である間隔で離隔されている。及び／又は、
－ 上記導波路に最も近いローカライズドレゾネータと、上記導波路の側面との間の距離は、ｃ／ｆにおいて１／１０以下であり、好ましくは、上記導波路の一側縁に接触している。及び／又は、
－ 上記ローカライズドレゾネータは、少なくとも一部が上記導波路の内側にあること。及び／又は、
－ 上記周期格子の各周期は、１～１０個の上記ローカライズドレゾネータを含む。及び／又は、
－ 上記ローカライズドレゾネータは、絶縁性、金属性、または金属絶縁性等のメタマテリアルからなっている。及び／又は、
－ 上記ローカライズドレゾネータの品質係数は、金属のような、レーザー発光周波数にて散逸性の物質を用いて１０～１００の間で調節される。

本発明は光源としての発明によるレーザーダイオードを含む電気通信デバイスに関するものでもある。

本発明による電気通信デバイスは光アイソレータを含まない。

本発明は、図を伴って、発明を限定することを意図するものではない、単に例示として与えられる以下の説明に照らしてより明確に理解されるであろう。
図１は本発明による格子付の分布帰還型レーザーダイオードの概略図である。 図２は誘起透明化効果を示す本発明による格子付の導波路の伝達スペクトルを表す。

これらの図は、説明文の図解のみの目的のためであり、発明の範囲を制限するものではない旨注記する。

異なる図では、発明への理解を容易にするため、異なる要素は必ずしも記載されない。

図１は、本発明の一態様によるレーザーダイオード１０の構造について図示したものである。図１に表されている通り、発明によるレーザーダイオード１０は下記を含む。
－ 半導体基板１２、
－ 横方向ガイド構造体１３、
－ 半導体基板１２上に並んだ活性層１４、
－ いわゆる分離閉じ込めヘテロ構造「ＳＣＨ」を形成する薄い層１６と１６’に囲まれている活性層１４、
－ 層１６’上に並んだ半導体層１８、
－ 層１２，１４，１６，１６’，１８の組み合わせと、横方向ガイド構造体１３による導波と電流の横方向の制限により形成される導波路（構造体１３は、典型的には、周りの材料をエッチングして得られるが、それが唯一の方法ではない）、及び
－ 導波路の両側に並んだ格子２０。

一般に、異なる層は、例えば、エピタキシ法により半導体基板１２上に配置される。

半導体基板１２の材料は、当業者に周知のエピタキシ法により、レーザーダイオード波長により定義される。

活性層１４は、例えば約０．２μｍの薄い層として調製できる。その組成は、電気的注入下で、３～３００ｎｍの典型的なスペクトル幅Δλ＝Δ（ｃ／ｆ）の、求められる波長の周辺で光学利得を得ることを可能にする。

半導体基板上に並んだ活性層１４は、少なくとも1部の反転分布が可能な層である。自然放出により作られたフォトンが、特に縦方向に放出され、誘導放出により増幅される。これらは分布帰還しやすく、レーザーの端部のミラー上で反射されやすいためである。

横方向結合するレーザーダイオードは、正味利得変調（すなわち、内部吸収により減少した誘導放出による純粋増幅）がレーザー空胴の単一横方向の固有モードの選択により伝達される。これは周期表面構造上のフォトンの選択的最少吸収の結合反射が起きる周波数のためである。

ダイオードを形成するｐｉｎ接合をもたらし、技術的制約上、オーム抵抗の最小化をもたらすように、半導体基板１２は概してｎ－ドープされており、活性層１６上に並んでいる半導体層１８は概してｐ－ドープされている。

半導体層１８と半導体基板１２の厚さとドーピング量は、概して比較できる規模のものである。

図１に示すように、エピタキシプロセスが完了するとき、レーザーのミラー１７，１９の間の半導体層１８は、例えばエッチング段階中に、導波路の端部付近で除去される。半導体層１８の残りの中央部分１３は、導波路の端部を形成する。後者は、図示するように、直線または導波を可能にする他の形状をしている。

図１に示すように、本発明によるレーザーダイオードは、導波路の端部の各々の側に配置された格子２０を含む。

格子２０は、導波路の軸に沿って分布する要素２２の分布によって形成される。

格子の閉じ込め係数Γは、導波路内を伝搬する光モードの強度プロファイルと周期格子の要素の横断面における断面との間の重なり比として定義される。

格子２０の要素２２のサブセットの少なくとも１つがローカライズドレゾネータ２４を含む。

導波路に沿った要素２２の分布は、この分布による導波上で誘起したフィードバックの特性周波数が、ローカライズドレゾネータ２４の共鳴周波数に対して５０％未満、例えば４０％未満の差異があるようになっている。

本発明の一態様によれば、格子と導波路は、要素２２で形成される格子により誘起したフィードバックの特性周波数が、ローカライズドレゾネータ２４それ自体の共鳴周波数に対して３０％未満、例えば２０％未満の差異をもって、設定される。

図１に示す通り、要素２２は導波路の主軸に沿った周期格子の形状にて分布する。

図１に示した具体例では、格子の各要素２２は、２つのローカライズドレゾネータをもっている。しかし、本発明はこの実施態様に限定されない。特にネットワークの要素２２のサブセットのみが、２つか３つの要素のうち１つ、といったローカライズドレゾネータをもっている。更に、要素２２当たりのローカライズドレゾネータ２４の数は、例えば１～１０の間で２つより多く、この数は要素によって異なる。

導波路に最も近いローカライズドレゾネータの一端と導波路の側面の間の距離は、典型的には比ｃ／ｆにおいて１／１０以下である。ここで、ｃは光速で、ｆはレーザー発光周波数である。導波路に近いローカライズドレゾネータは導波路の側面に接触しているのが望ましい。

図１には示されていないが、ローカライズドレゾネータの少なくとも一部、例えばすべては、導波路の内側にある。これは、導波モードとの相互作用を補うという利点がある。

ローカライズドレゾネータは、導波路の主軸に実質に対して垂直方向に、光速ｃとレーザー発光周波数ｆとの間の比において１／５～１／２０の寸法をもった少なくとも１つの要素を含んでいる。

図１に示すように、ローカライズドレゾネータの要素は実質上平行六面体である。

一実施態様によれば、共鳴ローカライズドレゾネータを形成している要素は、その最大辺が導波の非ヌル型電界のうちの一つにおける方向、特に導波の支配電界の方向に配向するように配置されている。

更に、図１に示すように、ローカライズドレゾネータは導波路の主軸に対して実質上垂直方向に、その方向に沿うローカライズドレゾネータの寸法より小さい間隔、例えば比ｃ／ｆにおいて１／１０～１／５０の間隔で離隔されている。ここで、Ｃは光速で、ｆはレーザー発光周波数である。

ローカライズドレゾネータは、例えば絶縁性、金属性、または金属絶縁性のメタマテリアルからなっている。好都合なことに、メタマテリアルの共鳴性質は、ブラッグ格子フィードバック強度を、一桁増大させることができる。

また、本発明の一態様によれば、ローカライズドレゾネータの品質係数は、金属のようなレーザー発光周波数において散逸性の材料を用いて、１０～１００の間で調整される。この場合、レゾネータのフィードバック周波数と自然周波数は、一方が、もう一方のスペクトル幅となるよう調整される必要がある。

好ましい実施態様では、格子と導波路は、ローカライズドレゾネータを備える導波路の光閉じ込め係数が、誘起透明化現象を可能にするように調整されるように、設定される。

結合された共振発振器間の相殺的干渉効果に相当する誘起透明化現象は、吸収帯の中央に狭いウインドウの透明度が現れる結果をもたらす。この現象は、原子物理に見られる誘起透明化効果と通常の類似性がある。

プラズモンレゾネータの場合、共鳴プラズモン要素間のエバネセント結合による局在表面プラズモンの相殺的干渉効果は、吸収帯の中央に狭いウインドウの透明度が現れる結果をもたらす。

特に、局部共振器の近接度および／または屈折率に作用することが可能である。

誘起透明化モードには多くの利点がある。

ブラッグ格子ガイドの通常例とは異なり、レーザーの作用を促進する高密度の量子状態もまた最大透過を伴う。

プラズモンナノレゾネータの低品質係数は、波面の位相乱れに関し、特に強い透明性をもたらす。

特にこの目指すべき特性は、光通信の寄生フィードバックで１．５μｍと、レーザーを非常に許容度の高いものとする。

本発明によるレーザーのシングルモードスペクトル動作は、誘起透明化現象と関連した高密度状態の直接的結果である。

誘起透明化モードにおけるレーザーの動作により、実質的に金属吸収に関連するロスが減少し、利得のレベルとレーザー発光閾値を得るために用いられる注入電流を減少させる。

図２に示すように、誘起透明化モードに関連したスペクトルウインドウは非常に良好で、極めて高い単周波数出力を可能とする。

更に、誘起透明化モードでの動作によるオームの損失の低減により、周期的なブラッグ格子の乱れを伴ったガイドモードの閉じ込め要素Γを一桁増加させることができる。

より大きなブラッグ格子強度により、デバイス長を減らし、光ファイバー通信用に供することのできるレーザー源のさらなる小型化を可能にする。

メタマテリアルの共鳴特性は、光学モード極性に大きく依存する。本発明者は、誘起透明化モードにおいて、１５ｄＢという、光フィードバックに対して高い耐性を検知できた。１９ｄＢの耐性は、多くの用途、特に基準ＩＥＥＥ８０２．３による用途を満足すると考えられる。

本発明は、光源としての本発明によるレーザーダイオードを含む電気通信デバイスに関する。

有利なことに、本発明によるレーザーダイオードの使用により、光アイソレータを省略することができる。

本発明によるレーザーダイオードはまた、フォトニック集積回路（ＰＩＣ）、センサーや光学機器に取付可能である。

本発明は、一般的な発明概念に制約を与えることなく、図示する態様を用いて説明されている。

この出願において示された異なる態様を考慮すれば、当業者にとって、他の多くの修正や変更を加えることは自明である。これらの用途は、例として示されたものであり、本発明の範囲を制限するものではない。その制限は後述の請求の範囲によってのみ決定される。

請求の範囲において、「含む」という文言は、他の要素や手順を除くものではなく、不定冠詞「ａ」は複数であることを除外しない。異なる特徴が互いに従属請求項に挙げられているという単なる事実は、これらの特徴の組み合わせが有利に利用され得ないことを示すものではない。最後に、請求の範囲に用いられる符号は、本発明の範囲を制限する目的で解釈されてはならない。

１０・・・レーザーダイオード
１２・・・半導体基板
１３・・・横方向ガイド構造体
１４・・・活性層
１６、１６’・・・薄い層
１７・・・レーザーのミラー
１８・・・半導体層
１９・・・レーザーのミラー
２０・・・格子
２２・・・要素
２４・・・ローカライズドレゾネータ

Claims (13)

1. メタマテリアルからなっており、導波路の主軸に沿って分布するローカライズドレゾネータ（２４）を含むサブセットを含む要素（２２）の周期的分布により形成された格子により補助される利得媒体付きの導波路を含む分布帰還型レーザーダイオード（１０）であって、
   前記要素の空間分布により前記導波路上で誘起されるフィードバックの特性周波数は、前記ローカライズドレゾネータの共鳴周波数に対して５０％未満の差異があり、
   前記要素は、前記導波路の主軸に沿って周期格子の形で分布しており、
   前記格子は、前記導波路の各々の側縁側に配置されており、
   前記ローカライズドレゾネータを備える導波路の光閉じ込め係数は、誘起透明化現象を可能にするように調整されており、
   結合された共振発振器間の相殺的干渉効果に相当する前記誘起透明化現象は、吸収帯の中央に狭いウインドウの透明度が現れる結果をもたらす、
   ことを特徴とする分布帰還型レーザーダイオード（１０）。
2. 前記分布する要素により形成された格子により誘起されるフィードバックの特性周波数は、前記ローカライズドレゾネータ自体の共鳴周波数に対して２０％未満の差異がある、請求項１に記載のレーザーダイオード。
3. 前記ローカライズドレゾネータは、前記導波路の主軸に実質的に垂直な方向において、光速ｃとレーザー発光周波数ｆとの比において１／５～１／２０の間の寸法を有する少なくとも１つの要素を含む、請求項１又は２に記載のレーザーダイオード。
4. 共鳴した前記ローカライズドレゾネータを形成する要素は、その最大辺が導波の非ヌル型電界のうちのひとつにおける方向に配向するように配置されている、請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザーダイオード。
5. 共鳴した前記ローカライズドレゾネータを形成する要素は、その最大辺が導波の支配電界の方向に配向するように配置されている、請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザーダイオード。
6. 前記ローカライズドレゾネータは、前記導波路の主軸に実質的に垂直な方向に沿って配置されており、前記方向に沿うローカライズドレゾネータの寸法以下の間隔で離隔されている、請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザーダイオード。
7. 前記導波路に最も近いローカライズドレゾネータと、前記導波路の側面との間の距離は、光速ｃとレーザー発光周波数ｆとの比ｃ／ｆにおいて１／１０以下である、請求項５又は６に記載のレーザーダイオード。
8. 前記ローカライズドレゾネータは、少なくとも一部が前記導波路の内側にある、請求項５又は６に記載のレーザーダイオード。
9. 前記周期格子の各周期は、１～１０個の前記ローカライズドレゾネータを含む、請求項５～７のいずれか１項に記載のレーザーダイオード。
10. 前記メタマテリアルは、絶縁性、金属性または金属絶縁性の性質を有している、請求項１～９のいずれか１項に記載のレーザーダイオード。
11. 前記ローカライズドレゾネータの品質係数は、レーザー発光周波数にて散逸性の物質を用いて１０～１００の間で調節される、請求項１～１０のいずれか１項に記載のレーザーダイオード。
12. 光源として、請求項１～１１のいずれか１項に記載のレーザーダイオードを含む電気通信デバイス。
13. 光アイソレータを含まない、請求項１２に記載の電気通信デバイス。

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