JPH01293683A - 波長可変半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、狭スペクトル線幅を有し、広い波長にわたり
波長可変とでき、コヒーレント通信用半導体レーザとし
て用いて好適な半導体レーザに関する。

〔従来の技術〕

これまでに発表されている波長可変手厚体レーザに関す
る総論がオー・エフ・シー・テクニカルダイジェスト、
ティー・エイチ・ケー・１，１７６頁（１９８８年）（
○Ｆ　Ｃ’　８８　ＴａｃｈｉｎｉｃａｌＤｉｇｅｓｔ
、ＴＨＫＩ、Ｐ、１７６．１９８８）において論じられ
ている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記前記文献に紹介され波長可変半導体レーザは、大き
く分けて２つのタイプに分けられている。

まず、第１のタイプは、ＤＦＢ　（分布帰還形）あるい
はＤＢＲ（分布反射形）半導体レーザにおいて、回折格
子領域に電流を注入することによりその領域の屈折率を
変化させ、その結果、ブラッグ反射波長を可変としてい
るものである。一般的にブラッグ反射波長λＤはλＢ＝
２Ａｎ（Δ：回折格子の周期、ｎ：レーザ光が伝搬する
領域の等側屈折率）で表わされるが、このタイプでの可
変波長幅は、たかだか４ｎｍ程度である。また、波長を
変化させるために回折格子領域に電流を注入すると、キ
ャリア密度のゆらぎあるいは自然放出光の寄与によりス
ペクトル線幅が著しく増大する魚が問題であった。

第２のタイプは、半導体レーザの外部に回折格子を設け
た外部共振樹形構成である。すなわち、空間あるいは光
フアイバー内をレーザ光を伝送して外部の回折格子と結
合させ、その回折格子の角度あるいは周期を機械的に変
えることにより、ブラッグ反射波長を変化させるもので
ある。このタイプでは、装置そのものが大がかり（数Ｑ
ｍ〜数士Ｃ１１）になり、かつ、光軸合わせに厳しい精
度を要求されるという問題があった。

以上のように従来のタイプの波長可変半導体レーザでは
、前記文献でも指摘しているように、「波長が変化して
も、狭くかつ一定のスペクトル線幅を維持することが問
題である」との問題点が残っている。

本発明の目的は、上述の如き従来技術の問題点を一掃し
た波長可変半導体レーザを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、長年の半導体レーザ研究の経験を生かし
、従来にない全く新しい構成の波長可変半導体レーザを
実現した。すなわち、半導体基板上に、活性領域の後方
からのレーザ光の出射角度が可変とできるレーザ光発生
部と、回折格子を形成した先導波路部を設け、その両領
域の間を光導波路層を用いて接続した。さらに後方から
のレーザ光が各々の出射角度において結合する回折格子
の周期を変化させた。

〔作用〕

第１図を用いて動作原理を詳しく説明する。ストライプ
状の活性Ｍ２から発生した光は、出射ビーム角度可変制
御領域により後方からの出射角度が制御される。出射し
た光は光導波路層４を伝搬し、回折格子５領域に達する
とブラッグ反射波長の光のみが選択的に分布帰還を受け
、反射される。

この回折格子の周期は、各々の出射角度に対応する領域
において変化させている。従ってレーザの出射角度を変
化させることにより、ブラッグ反射波長を変化させ・る
ことができる（第１図（ａ）中のλ工、λ２に対応する
）。

レーザ発振は前端面のへき開面１０での反射と回折格子
のブラッグ反射の帰還ループにより生じる。すなわち、
後方からの出射角度を変化させることにより、レーザ発
振波長を可変にできる。

第１図においては出射ビームの角度を変化させる手段と
して出射ビーム可変用電極７を用いた例を示している。

この例での出射ビームの角度変化の原理を第１図（ａ）
と（ｃ）を用いて説明する。

今、電極７ａへの電流注入量が７ｂよりも多いと活性層
２内でのキャリア密度は７ａ側（同図（ｃ）で右側）の
方が大きくなる。屈折率はキャリア密度が大きいほど、
小さくなるので、ストライプの左側（同図（Ｑ）におい
て）の屈折率が大きくなる。するとレーザ光は左側に片
よる。つまり、電流が小さい方の電極の方に片より、そ
の結果、出射角度もその方向に引っばられる。この現象
を用いて、電極７ａ、７ｂへの電流注入量を調節するこ
とにより出射角度を変化できる。

また、スペクトル線幅に関しては、へき開面と回折格子
の共振器長を長く設定できるので、従来のレーザに比べ
て狭帯化が可能となった（スペクトル線幅は共振器長に
反比例する）、また、回折格子に第１図の如く曲線を設
け、その焦点を活性領域と光導波路領域の境界に設定す
ると、レンズ効果により回折格子で反射された光は活性
層ストライブ内に自動的に帰還されるので結合が向上す
る。

また１本発明によると、半導体上にモノリシック、ある
いはハイブリッドに形成できるので、従来技術のタイプ
２の如く厳しい光軸合わせは不要で、かつ、小型化でき
る。

また、波長を連続的に変えるには、出射角度を連続的に
変化すればよいが、その際１回折格子から分布帰還され
る光の位相が微妙に変化し、縦モードのモードホップが
生じる例があった。これを抑圧するためには、光導波路
４領域あるいは活性領域に位相調整機能を持たせればよ
いことも判明した。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図〜第５図を用いて説明す
る。

実施例１ 第１図は本発明による一実施例のレーザ装置である。ｎ
−ＩｎＰ基板１上にＩｎＧａＡｓＰ活性層２゜ｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層３を形成後、ストライプ状に（幅０．５〜
３μｍ）活性層を形成後、ｐ−ＩｎＰ層１１．ｎ−Ｉｎ
Ｐ層１２で埋めこむ（同図（ｄ））、その後、光導波路
領域の成長層を全て除去後、その領域にＩｎＧａＡｓＰ
光導波路層（活性層２よりも禁制帯幅が大きい）４を成
長する。次に活性領域から約５００μｍ離れた先導波路
上に曲率を持った（曲率半径〜２５０μｍ）回折格子５
を形成した１回折格子の周期はストライプ軸線上領域で
２３８．５ｎｍ、ストライプ軸線から＋１０’　、−１
０’ずれたところでは各々２３７ｎｍ、２４０ｎｍとし
、その間の周期の変化はゆるやかに直線的に変化させた
０回折格子の本数は約２０００本とした。

次に出射ビーム可変領域のストライプの中央部に第１図
（Ｑ）の如く、プロトンあるいはボロンのイオン注入に
より絶縁領域１３を設けた後、容重１１ｉ６，７ａ、７
ｂ、８を図示の如く形成した。

活性領域の長さは２００〜５００μｍとし、出射ビーム
可変用電極７ａ、７ｂの長さ（Ｉｌ１１方向）は試作し
たレーザは電流注入主電極６に１０〜２０　ｍ　Ａ注入
するとレーザ発振した。さて、電極７ａへの注入電流を
Ｉａ、電極７ｂへの注入電流をＩｂとし、その比率を変
えた時の出射角度と発振波長の変化を第２図に示す、Ｉ
ａ＋Ｉｂは約３〜２０ｍＡである。　Ｉ　ａ／　（Ｉ　
ａ十Ｉ　ｂ）の値を０〜１と変えることにより、出射角
度は−１０”〜＋１０°の間を連続的に変化した。その
結果、ブラッグ反射波長も変化し１発振波長は１．５５
７〜１．５３９μｍの間を連続的に変化した。可変波長
範囲は約１８ｎｍであり、この間にわたり、安定な単一
縦モード（サイドモード押圧比〜４０ｄＢ）で、かつ、
スペクトル線幅は５ｍＷ光出力時で約Ｉ　Ｍ　Ｈｚと狭
い値が得られた。

実施例２ 本発明による別の実施例を第３図を用いて説明する。

本実施例では、実施例１の活性領域が全て第１図（ｃ）
の構造になっているものである。つまり。

活性領域全体が出射ビーム角度変化領域となっている。

電極７ａ、７ｂへの電流注入量を２０ｍＡ程度にすると
レーザ発振した。また、実施例１と同様に電極７ａ、７
ｂへの電流注入量の比率を変更することにより出射−度
が変化し１発振波長が可変となった。その特性は実施例
１とほぼ同様であった。

以上の実施例において、電流注入量の比率を変えて発振
波長を変化する時に、ある素子において縦モードのホッ
ピングが生じ、連続的に変わらない場合があった。これ
は回折格子のブラッグ反射とへき開面との共振において
レーザ光の位相がず九ることにより、生じることが判明
した。

実施例３ 本実施例は前記ホッピングの問題を解決した一例である
。

第４図にレーザ光の位相調整機構を有した実施例を示す
。実施例１と基本構造は同一であるが、異なる点は光導
波路上にＰ−ＩｎＰ電流注入層１４、位相調整用電極１
５を設けた点である。この領域の軸方向の長さは２０〜
５０μｍ程度が適切である。この領域に電流を注入する
ことにより屈折率を調整できるので、この領域の伝搬定
数を調整できる。従ってここへの電流注入量をＭ整する
ことによりレーザ光の位相を調節できた。本実施例での
レーザ特性は実施例１とほぼ同様で、波長可変範囲も第
２図とほぼ同様であった。また、波長を変化させるため
に出射ビーム角度可変用電極の電流注入量の比率を変化
させた時に１位相調整用電極１５への電流注入量を適時
、調整することにより（０〜５０　ｍ　Ａ程度）、縦モ
ードのホッピングを抑制することができた。

実施例４　　・ 本発明による半導体レーザをコヒーレント光通信システ
ムのヘテロダイン検波の局発用光源として用いた実施例
を第５図を用いて説明する。

検波システムはいわゆるヘテロダイン検波で、光ファイ
バ１６から入射した信号光は光カプラ−１７で局発光源
の波長可変レーザ２５の光と合成され、レンズ１８を通
してホトダイオード１９で電気信号に変換される。その
中間周波数を増幅器２０で増幅して、識別回路２１で復
号化される。

また、中間周波数弁別器２２と増幅器２３を通して帰還
された電気信号により、周波数安定器２４により、波長
可変半導体レーザ２５の発振波長を安定化させる。本検
波システムにより、波長間隔１人、１５０チャンネルの
Ｉ　０ｂｉｔ／　Ｓ　Ｆ　Ｓ　Ｘ変調光を検波すること
に成功した。

以上の実施例では、　ＩｎＧａＡｓＰ系半導体レーザの
例を示したが１本発明による波長可変生塩体レーザは、
ＧａＡｓ系、ＩｎＧａＰ系等の室温連続発振の可能な他
の材料系に適用できることは゛言゛うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、狭スペクトル線幅で、かつ、縦単一モ
ードの可変波長幅の大きい波長可変半導体レーザを提供
できるので、コヒーレント光通信のヘテロダイン検波用
励発用光源として驚異的な効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の実施例の半導体レーザの上面図
、（ｂ）はその側断面図、同図（Ｃ）。 （ｄ）はそれぞれ（ｂ）のＡ−Ａ’　、Ｂ−Ｂ’線線断
断面図第２図は本発明の実施例のレーザの波長可変特性
、第３図は本発明による別の実施例の半導体レーザの上
面図、第４図は本発明の別の実施例の半導体レーザの側
断面図、第５図は本発明のレーザを組みこんだ光通信シ
ステムの実施例のブロック図である６ ２・・・活性層、４・・・光導波路層、５・・・回折格
子、７・・・出射ビーム可変用電極、９・・・後方出射
レーザ光。 １０・・・へき開面、１３・・・絶縁領域、１５・・・
位相調整用電極、１７・・；光カプラ−，１９・・・ホ
トダイオード、２４・・・周波数安定器、２５・・・波
長可変半導−３′ｌ 寥　ｌ　口 （α） ′ｉ４　１　　の （Ｃ） 第　Ｚａ ０　　　　　　　　　　　６、　ｓ　　　　　　　　　
　　ｒ、。 第　３　口

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、半導体基板上に、少なくともレーザ光を生じ、かつ
   、少なくとも出射ビームの角度が可変できる活性領域と
   、格子ベクトルの方向には周期が一定であるが、溝方向
   には周期の異なる回折格子を有する外部光導波路を形成
   し、上記出射ビームの角度を変化することにより、可変
   波長とした波長可変半導体レーザ。 ２、上記活性領域全体が出射ビームの角度を変化させる
   特許請求の範囲第１項記載の波長可変半導体レーザ。 ３、上記回折格子が曲率を有し、上記活性領域から出射
   したレーザ光が回折格子でブラッグ反射される際に集束
   されて反射された光が活性領域に自動的に帰還されるこ
   とを特徴とした特許請求の範囲第１項〜第２項記載の波
   長可変半導体レーザ。 ４、特許請求の範囲第１項〜第３項記載の波長可変半導
   体レーザにおいて、その共振器内にレーザ光の位相を調
   整する領域を設けたことを特徴とする波長可変半導体レ
   ーザ。 ５、特許請求の範囲第１項〜第４項記載の波長可変半導
   体レーザを局発用光源として用いたヘテロダイン形コヒ
   ーレント光通信システム。