JP7248119B2

JP7248119B2 - 波長可変レーザおよびその制御方法

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Publication number: JP7248119B2
Application number: JP2021529632A
Authority: JP
Inventors: 真下小園
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-07-03
Filing date: 2019-07-03
Publication date: 2023-03-29
Anticipated expiration: 2039-07-03
Also published as: US20220360046A1; WO2021001964A1; JPWO2021001964A1

Description

本発明は、波長が可変とされた半導体レーザからなる波長可変レーザおよびその製造方法に関する。

波長可変レーザは、波長多重伝送、光測定、光周波数掃引型ＯＣＴ（optical coherence tomography）、レーザ光分光、光感度計測などの幅広い分野に利用される有用な光源である。この中でも、利得媒体に半導体を用いた波長可変半導体レーザは、消費電力が低く小型で取り扱いが簡単であるため、様々な分野において広く用いられている。

波長可変半導体レーザは、構造の違いで主に３つの種類に分けられる。分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザ、分布反射型（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）レーザ、および外部共振器型レーザである。

ＤＦＢレーザは、活性層の上にグレーティング（回折格子）を備え、注入電流量もしくは素子の温度を調整することによって、波長変化を実現している。

ＤＢＲレーザは、活性領域の上にはグレーティングを配置せず、活性領域の両側もしくは片側にＤＢＲグレーティングを配置している。また通常、ＤＢＲレーザは、位相整合を行うために位相調整領域を具備している。ＤＢＲレーザは、活性領域とは独立なＤＢＲ領域に電流を注入することによって起こるキャリアプラズマ効果を用いて波長可変を実現する。

外部共振器型レーザは、活性領域の外側にミラーを配置してミラーを機械的に動かすことによって波長可変を実現している。半導体レーザの場合、通常は、フットプリント（素子サイズ）を縮小するために、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）によるミラーが用いられている。

次に、これらのレーザをガスセンシングに適用する際の特徴を記す。ガスセンシング用途として最も用いられているのは、ＤＦＢレーザである。ＤＦＢレーザは、狭線幅を実現できる構造であるため、ガスの吸収線に波長を合わせた形で使われる。前述のように、ＤＦＢレーザは、注入電流および素子の温度自体を変えることによって、波長を１ｎｍ程度の範囲で可変することができる。しかしながら、ＤＦＢレーザは、波長掃引した場合の掃引に１ｍｓ以上の時間がかかる。

ＤＢＲレーザは、ＤＢＲ電流と位相調整電流を同時に変化させることによって５ｎｍ程度の波長が可変できる。また、ＤＢＲレーザは、注入電流によって誘起された屈折率変化を原理として波長を可変するため、μｓ以下の高速な波長可変を実現できる。

外部共振器型レーザの特徴は、ＭＥＭＳミラーを用いることによる広帯域な波長可変幅であり、１００ｎｍにもおよぶ波長可変を原理的には実現できるが、半導体を利得媒体として用いる場合には、利得帯域に制限があるため実際には６０ｎｍ程度である。また、外部共振器型レーザでは、ＭＥＭＳミラーを機械的に動かすため、波長掃引にｍｓ程度の時間を要する。

上述のことを勘案すると、より高速な波長可変が実現できる、ＤＢＲレーザが、ガスセンシングに適しているものと考えられる。ここで、この種のセンシングにおいては、波長可変の範囲がより広いことが好ましい。例えば、ＤＢＲレーザにおいては、５ｎｍ以上の連続波長可変が実現されている（非特許文献１参照）。この技術では、同一の電源を抵抗分割し、ＤＢＲレーザのＤＢＲ領域と位相調整領域とに電流を同期して注入し、５．６ｎｍの波長可変を実現している。また、非特許文献２では、ＤＢＲレーザのＤＢＲ電流と位相調整電流とを同期させた、各々別々の電源によって制御を行っている。非特許文献１の制御方法と、非特許文献２の制御方法は、本質的には同じである。

T. Kanai et al., "First Demonstration of 2 μm Wavelength Tunable Distributed Bragg Reflector Laser Diode", International Semiconductor Laser Conference, TuB4, 2016. M. Abe et al., "4-nm continuous rapid sweeping spectroscopy in 2-μm band using distributed Bragg reflector laser", Applied Physics B, 123:260, 2017.

ここで、ＤＢＲレーザによる波長可変レーザの構造について図５を参照して説明する。この波長可変レーザは、導波方向に、後方ＤＢＲ領域３２１、位相調整領域３２２、レーザ活性領域３２３、前方ＤＢＲ領域３２４、増幅領域３２５が配列されている。

各領域は、半導体基板３０１を共通としている。後方ＤＢＲ領域３２１，位相調整領域３２２では、半導体基板３０１の上に、バルクの半導体からなるコア３０２が形成されている。また、後方ＤＢＲ領域３２１では、コア３０２の上に、グレーティング３０３が形成されている。

レーザ活性領域３２３では、半導体基板３０１の上に、多重量子井戸構造の活性層３０４が形成されている。

前方ＤＢＲ領域３２４では、半導体基板３０１の上に、バルクの半導体からなるコア３０５が形成され、コア３０５の上に、グレーティング３０６が形成されている。

増幅領域３２５では、半導体基板３０１の上に、多重量子井戸構造の活性層３０７が形成されている。

また、各領域おいて共通に、オーバークラッド３０８が形成されている。

また、半導体基板３０１の裏面には、共通電極３１０が形成されている。また、後方ＤＢＲ領域３２１のオーバークラッド３０８上には、第１電極３１１が形成されている。位相調整領域３２２のオーバークラッド３０８上には、第２電極３１２が形成されている。レーザ活性領域３２３のオーバークラッド３０８上には、第３電極３１３が形成されている。前方ＤＢＲ領域３２４のオーバークラッド３０８上には、第４電極３１４が形成されている。増幅領域３２５のオーバークラッド３０８上には、第５電極３１５が形成されている。

次に、レーザ発振および波長制御を行う際の、各領域の役割を説明する。第３電極３１３に電流３３３を注入することにより、レーザ活性領域３２３で発生した光は、後方ＤＢＲ領域３２１、位相調整領域３２２、前方ＤＢＲ領域３２４によって構成される共振器によってレーザ発振となる。また、このレーザは、第５電極３１５に電流３３４が注入されている増幅領域３２５によって増幅されて、図５の紙面右方から出射する。発振波長を決めるのは、第１電極３１１，第４電極３１４に電流３３１が注入されている前方ＤＢＲ領域３２４、後方ＤＢＲ領域３２１と、第２電極３１２に電流３３２が注入されている位相調整領域３２２からなる共振器である。

次に、波長マップについて説明を行う。図６に、ＤＢＲレーザによる波長可変レーザの波長マップの例を示す。この波長可変レーザにおける波長マップとは、横軸にＤＢＲ領域に注入した電流、縦軸に位相調整領域に注入した電流を取り、これら２つの電流の組み合わせによって得られる発振波長帯を、表示状態が識別可能に異なる領域によって表現している。図６に示す例では、各領域に文字（アルファベット）を割り当てて識別している。各領域の識別を色によって実施することもできる。ここでいうＤＢＲ電流とは、前方ＤＢＲ領域と後方ＤＢＲ領域を電気的に接続した時に流れる総電流量のことである。

波長マップにおいて、状態が連続的に変化する領域においてモードホップは起こらないが、波長が不連続に変化する境界線を超えるとモードホップが発生してしまう。この波長マップから、次のことがわかる。第１に、ＤＢＲ領域に単独で電流を注入することによっても、ある程度の波長可変を実現することは可能である。第２に、位相調整領域に単独で電流を注入しても、ある程度の波長可変を実現することができるが、すぐにモードホップが起こってしまうので、せいぜい１ｎｍ程度の範囲でしか連続的に発振波長を変えることができない。

しかしながら、非特許文献１に記載されているように、ＤＢＲ領域と位相調整領域との間に分割抵抗を挟むことにより電流を印加する、もしくは非特許文献２に記載されているように、別々の電源を同期させた形で電流を印加すると、図６に矢視線で示す軌跡に沿って５ｎｍ以上の波長を連続的に変化させることができる。

次に、サイドモード抑圧比（Side-mode supression ratio：ＳＭＳＲ）マップについて説明を行う。なお、サイドモード抑圧比とは、発振するレーザのスペクトルの単色性（縦モードの単一性）を表すパラメータであり、スペクトル強度が一番大きいピーク（主モード）と二番目に大きいピーク（サイドモード）との強度比である。

図７に、ＤＢＲレーザによる波長可変レーザのＳＭＳＲマップの例を示す。これは、上述した波長可変レーザに対して、横軸にＤＢＲ領域に注入した電流、縦軸に位相調整領域に注入した電流を取り、これら２つの電流の組み合わせによって出る発振光のＳＭＳＲを、表示状態が識別可能に異なる領域によって表現している。図７に示す例では、各領域に文字（アルファベット）を割り当てて識別している。各領域の識別を色によって実施することもできる。

図６の場合と同じ条件で軌跡（図７中の矢視線）を描くと、一部ＳＭＳＲが悪い点を通過していることがわかる。すなわち、前述した従来の技術では、比較的制御が簡単にできるが、矢視線に示すように、波長マップ上で直線的に制御されるので、必ずしもＳＭＳＲの良い状態を保つことができない。このため、従来の技術（発振制御）では、ＳＭＳＲが悪い所を通過するため、発振の状態が不安定になる場合があり、最悪の場合、モードホップが発生してしまうという問題点があった。

この事象を電気信号の観点から、図８Ａ、図８Ｂを参照して説明する。図８Ａ、図８Ｂは、従来方法による電気的制御方法をより詳細に示している。図８Ａの横軸は時間（もしくは位相）、縦軸は変調信号の強度を示す。図８Ａに示す、同一周波数で同位相の変調信号で変調した、ＤＢＲ電流と位相調整電流とをＤＢＲレーザに印加したとき、ＤＢＲ電流と位相調整電流との関係が描く軌跡は、図８Ｂに示すように直線を描く。これは所謂リサジュー図形に相当する。

図８Ａ、図８Ｂには電流幅が同じ場合の軌跡を描いたが、直線の傾きを変えたい場合は、ＤＢＲ電流と位相調整電流の比率を変えれば良い。また軌跡を描く位置をずらしたいときには、バイアス電流を印加すれば良い。前述のように、ＤＢＲ電流と位相調整電流との関係が、直線状に描かれる軌跡では、波長マップの形に沿っていないので、ＳＭＳＲが悪くなってしまう箇所が発生する。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、波長可変レーザにおけるＳＭＳＲの劣化を抑制することを目的とする。

本発明に係る波長可変レーザは、後方ＤＢＲ領域と、後方ＤＢＲ領域に続いて配置された位相調整領域と、位相調整領域に続いて配置されたレーザ活性領域と、レーザ活性領域に続いて配置された前方ＤＢＲ領域と、前方ＤＢＲ領域に続いて配置された増幅領域と、後方ＤＢＲ領域および前方ＤＢＲ領域に、ＤＢＲ電流を注入する第１電流注入部と、位相調整領域に、ＤＢＲ電流と同期して、ＤＢＲ電流の２倍の周波数で変化する位相調整電流を注入する第２電流注入部とを備え、第１電流注入部は、ＤＢＲ電流を変調する変調信号が負値を取る領域では、変調信号を反転する。

本発明に係る波長可変レーザの制御方法は、後方ＤＢＲ領域と、後方ＤＢＲ領域に続いて配置された位相調整領域と、位相調整領域に続いて配置されたレーザ活性領域と、レーザ活性領域に続いて配置された前方ＤＢＲ領域と、前方ＤＢＲ領域に続いて配置された増幅領域とを備える波長可変レーザの制御方法であって、位相調整領域には、後方ＤＢＲ領域および前方ＤＢＲ領域に注入されるＤＢＲ電流と同期し、ＤＢＲ電流の２倍の周波数で変化する位相調整電流を注入し、ＤＢＲ電流を変調する変調信号が負値を取る領域では、変調信号を反転する。

以上説明したように、本発明によれば、位相調整領域には、後方ＤＢＲ領域および前方ＤＢＲ領域に注入されるＤＢＲ電流と同期し、ＤＢＲ電流の２倍の周波数で変化する位相調整電流を注入するので、波長可変レーザにおけるＳＭＳＲの劣化が抑制される。

図１は、本発明の実施の形態に係る波長可変レーザの構成を示す構成図である。図２Ａは、本発明に係る波長可変レーザの時間変化に対するＤＢＲ電流の変調信号および位相調整電流の変調信号の変化を示す特性図である。図２Ｂは、本発明に係る波長可変レーザのＤＢＲ電流と位相調整電流との関係を示す特性図である。図３Ａは、従来の波長可変レーザの時間変化に対するＤＢＲ電流および位相調整電流の変化を示す特性図である。図３Ｂは、従来の波長可変レーザのＤＢＲ電流と位相調整電流との関係を示す特性図である。図４Ａは、実施の形態に係る波長可変レーザの時間変化に対するＤＢＲ電流および位相調整電流の変化を示す特性図である。図４Ｂは、実施の形態に係る波長可変レーザのＤＢＲ電流と位相調整電流との関係を示す特性図である。図５は、ＤＢＲレーザによる波長可変レーザの構成を示す断面図である。図６は、ＤＢＲレーザによる波長可変レーザの発振波長マップを示すコンピュータグラフィックスである。図７は、ＤＢＲレーザによる波長可変レーザのＳＭＳＲマップを示すコンピュータグラフィックスである。図８Ａは、時間変化に対するＤＢＲ電流の変調信号および位相調整電流の変調信号の変化を示す特性図である。図８Ｂは、ＤＢＲ電流と位相調整電流との関係を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態に係る波長可変レーザについて図１を参照して説明する。この波長可変レーザは、後方ＤＢＲ領域１０１と、後方ＤＢＲ領域１０１に続いて配置された位相調整領域１０２と、位相調整領域１０２に続いて配置されたレーザ活性領域１０３と、レーザ活性領域１０３に続いて配置された前方ＤＢＲ領域１０４と、前方ＤＢＲ領域１０４に続いて配置された増幅領域１０５とを備える。

各領域は、半導体基板を共通として形成されている。後方ＤＢＲ領域１０１，位相調整領域１０２では、半導体基板の上に、バルクの半導体からなるコアが形成されている。また、後方ＤＢＲ領域１０１では、コアの上に、グレーティングが形成されている。レーザ活性領域１０３では、半導体基板の上に、多重量子井戸構造の活性層が形成されている。前方ＤＢＲ領域１０４では、半導体基板の上に、バルクの半導体からなるコアが形成され、このコアの上に、グレーティングが形成されている。増幅領域１０５では、半導体基板の上に、多重量子井戸構造の活性層が形成されている。また、各領域おいて共通に、オーバークラッドが形成されている。これらの構成は、図５を用いて説明したＤＢＲレーザによる波長可変レーザと同様である。

また、この波長可変レーザは、後方ＤＢＲ領域１０１および前方ＤＢＲ領域１０４に、ＤＢＲ電流を注入する第１電流注入部１１１と、位相調整領域１０２に、位相調整電流を注入する第２電流注入部１１２とを備える。第１電流注入部１１１は、バイアス電流を変調信号で変調したＤＢＲ電流を、各ＤＢＲ領域に印加する。第２電流注入部１１２は、バイアス電流を変調信号で変調した位相調整電流を注入する。また、第１電流注入部１１１は、変調信号が負値を取る領域では、変調信号を反転する。また、レーザ活性領域１０３に電流を注入する第３電流注入部１１３、増幅領域１０５に電流を注入する第４電流注入部１１４を備える。

第３電流注入部１１３によりレーザ活性領域１０３に所定の電流を注入することにより、レーザ活性領域１０３で発生した光は、後方ＤＢＲ領域１０１、位相調整領域１０２、前方ＤＢＲ領域１０４によって構成される共振器によってレーザ発振となる。また、第４電流注入部１１４により所定の電流が注入されている増幅領域１０５によって増幅されて、図１の紙面右方から出射する。発振波長は、第１電流注入部１１１により注入されるＤＢＲ電流と、第２電流注入部１１２により注入される位相調整電流によって決定される。

実施の形態に係る波長可変レーザでは、第２電流注入部１１２が、位相調整領域１０２に、ＤＢＲ電流と同期して、ＤＢＲ電流の２倍の周波数で変化する位相調整電流を注入する。また、第１電流注入部１１１は、ＤＢＲ電流を変調するための変調信号が負値を取る領域では、変調信号を正値に反転する。

上述した制御について、図２Ａ、図２Ｂを参照して説明する。図２Ａの横軸は時間（もしくは位相）である。また、図２Ａの縦軸は、変調信号の強度を示す。図２Ａに示すように、ＤＢＲ電流の変調信号が負値を取る領域に関しては変調信号を反転した上で、位相調整電流の変調信号を、ＤＢＲ電流の変調信号の２倍の周波数で変化させる。このように各電流（の変調信号）を制御することによって、横軸にＤＢＲ電流、縦軸に位相調整電流を取った時に描く軌跡は、図２Ｂに示すようになる。ＤＢＲ電流の変調信号、位相調整電流の変調信号を制御することにより、波長マップ（図６参照）の形状に沿った形での掃引が可能となり、ＳＭＳＲの劣化を抑えることができる。このように、ＳＭＳＲの劣化を抑制することができれば、より高い信号雑音強度比（Signal-to-Noise Ratio：Ｓ／Ｎ）によって、レーザ光の発振が可能となる。

次に、従来の制御と本発明の制御とを比較して説明する。まず、従来の制御について、図３Ａ、図３Ｂを参照して説明する。ＤＢＲ構造を有する波長可変半導体レーザの、レーザ活性領域に対して１００ｍＡ、増幅領域に対して１００ｍＡの電流を印加する。また、各ＤＢＲ領域と位相制御領域に対しては、図３Ａに示すような、周期的に変化する電流をそれぞれ印加する。図３Ａに関係を示すように、時間に対して同位相で変化するＤＢＲ電流と位相調整電流を各々印加する。具体的には、ＤＢＲ電流はバイアス電流を４ｍＡ、振幅を３ｍＡに設定し、位相調整電流はバイアス電流を１０ｍＡ、振幅を９ｍＡに設定した上で、周期０．１ｍｓの余弦波として振動させる。このように設定したＤＢＲ電流と位相調整電流がたどる軌跡は、図３Ｂに示すように直線となる。この時のレーザ発振光のＳＭＳＲを測定したところ、最悪値が２０ｄＢであった。

次に本発明について、図４Ａ、図４Ｂを参照して説明する。ＤＢＲ構造を有する波長可変半導体レーザの、レーザ活性領域に対して１００ｍＡ、増幅領域に対して１００ｍＡの電流を印加する。また、各ＤＢＲ領域と位相制御領域に対しては、図４Ａに示すような周期的に変化する電流をそれぞれ印加する。具体的には、時間に対してＤＢＲ電流については、バイアス電流を０．５ｍＡ、振幅を３ｍＡに設定し、周期０．１ｍｓの余弦波で振動させた後に、位相が９０°～２７０°の部分については変調信号を反転させる。また、位相調整電流については、バイアス電流を１０ｍＡ、振幅を９ｍＡに設定し、周期０．０５１ｍｓの余弦波で振動させる。

このように設定したＤＢＲ電流と位相調整電流がたどる軌跡は、図４Ｂに示すように、曲線となる。この時のレーザ発振光のＳＭＳＲを測定したところ、最悪値が４０ｄＢであった。したがって、本発明によれば、信号のＳ／Ｎ比を十分に確保した上で、連続波長可変する光源として用いることが可能となる。このため、本発明に係る波長可変レーザを用いることで、複数のガスの吸収線を精度良く検出することが可能となる。なお、上述した実施の形態の説明では、各ＤＢＲ領域および位相制御領域に対して余弦波を印加したが、位相と振幅の関係が同じであれば三角波や鋸歯状波等の別の波形であっても、ＤＢＲ電流と位相調整電流が描く軌跡は変わらないので、同じ効果が得られる。

以上に説明したように、本発明によれば、位相調整領域には、後方ＤＢＲ領域および前方ＤＢＲ領域に注入されるＤＢＲ電流と同期し、ＤＢＲ電流の２倍の周波数で変化する位相調整電流を注入するので、波長可変レーザにおけるＳＭＳＲの劣化が抑制されるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…後方ＤＢＲ領域、１０２…位相調整領域、１０３…レーザ活性領域、１０４…前方ＤＢＲ領域、１０５…増幅領域、１１１…第１電流注入部、１１２…第２電流注入部、１１３…第３電流注入部、１１４…第４電流注入部。

Claims

後方ＤＢＲ領域と、
前記後方ＤＢＲ領域に続いて配置された位相調整領域と、
前記位相調整領域に続いて配置されたレーザ活性領域と、
前記レーザ活性領域に続いて配置された前方ＤＢＲ領域と、
前記前方ＤＢＲ領域に続いて配置された増幅領域と、
前記後方ＤＢＲ領域および前記前方ＤＢＲ領域に、ＤＢＲ電流を注入する第１電流注入部と、
前記位相調整領域に、前記ＤＢＲ電流と同期して、前記ＤＢＲ電流の２倍の周波数で変化する位相調整電流を注入する第２電流注入部と
を備え、
前記第１電流注入部は、前記ＤＢＲ電流を変調する変調信号が負値を取る領域では、前記変調信号を反転する波長可変レーザ。
後方ＤＢＲ領域と、
前記後方ＤＢＲ領域に続いて配置された位相調整領域と、
前記位相調整領域に続いて配置されたレーザ活性領域と、
前記レーザ活性領域に続いて配置された前方ＤＢＲ領域と、
前記前方ＤＢＲ領域に続いて配置された増幅領域と
を備える波長可変レーザの制御方法であって、
前記位相調整領域には、前記後方ＤＢＲ領域および前記前方ＤＢＲ領域に注入されるＤＢＲ電流と同期し、前記ＤＢＲ電流の２倍の周波数で変化する位相調整電流を注入し、
前記ＤＢＲ電流を変調する変調信号が負値を取る領域では、前記変調信号を反転する
ことを特徴とする波長可変レーザの制御方法。