JPH04284684A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は発振波長を変化させるこ
とが可能な波長可変半導体レーザに関する。光通信や光
交換等において伝送する信号量を多くするために波長多
重度を増加させる必要がある。波長多重度を増加させる
ためには透過波長幅の狭い波長フィルタと可変波長幅が
広い半導体レーザが必要である。

【０００２】

【従来の技術】従来の波長可変半導体レーザとしては次
のようなものがある。例えば、ＤＦＢ（分布帰還型）半
導体レーザやＤＢＲ（分布反射型）レーザを用い、注入
電流を変化させることにより回折格子の屈折率を変化さ
せ、発振波長を変化させて波長可変半導体レーザを実現
する方法がある。

【０００３】しかしながら、この方法では、注入電流を
変化させても屈折率はわずかにしか変化せず、波長変化
が注入電流値による屈折率変化に直接比例するため、波
長可変幅が約１０ｎｍ程度以上に広くすることが困難で
あるという問題があった。また、半導体レーザの出力光
側に回折格子を設け、この回折格子を回転させることに
より出力光の波長を変化させて波長可変半導体レーザを
実現する方法がある。

【０００４】しかしながら、この方法では回折格子を回
転させるための機械的可動部分があるため、波長を変化
させるための波長スイッチング速度が遅く、しかも出力
光の波長が不安定になるという問題があった。さらに、
複数の共振器を有する複合共振器型半導体レーザを用い
て波長可変半導体レーザを実現する方法がある。

【０００５】複合共振器型半導体レーザは、図７に示す
ように、３つの半導体レーザ１１０、１２０、１３０と
、これら半導体レーザ１１０、１２０、１３０に結合す
る光分岐路１４０とから構成されている。半導体レーザ
１１０には活性層１１２が設けられ、活性層１１２に電
流を注入するための電極１１４が設けられている。半導
体レーザ１１０の光分岐路１４０側の端面には無反射コ
ーティング膜１１６が形成されている。半導体レーザ１
２０には活性層１２２が設けられ、活性層１２２に電流
を注入するための電極１２４が設けられている。半導体
レーザ１２０の光分岐路１４０側の端面には無反射コー
ティング膜１２６が形成されている。半導体レーザ１３
０には活性層１３２が設けられ、活性層１３２に電流を
注入するための電極１３４が設けられている。半導体レ
ーザ１３０の光分岐路１４０側の端面には無反射コーテ
ィング膜１３６が形成されている。

【０００６】光分岐路１４０は第１の光路１４２が第２
の光路１４４と第３の光路１４６に分岐されている。光
分岐路１４０の第１の光路１４２は半導体レーザ１１０
の活性層１１２に光結合され、第２の光路１４２は半導
体レーザ１２０の活性層１２２に光結合され、第３の光
路１４２は半導体レーザ１３０の活性層１３２に光結合
されている。

【０００７】半導体レーザ１１０の反射端面１１８と半
導体レーザ１２０の反射端面１２８により共振器Ａが構
成され、半導体レーザ１１０の反射端面１１８と半導体
レーザ１３０の反射端面１３８により共振器Ｂが構成さ
れている。図８に示すように、共振器Ａの損失と共振器
Ｂの損失が重畳されて全体の損失が形成される。共振器
Ａの損失と極小ピークと共振器Ｂの損失の極小ピークが
重なりあって全体の損失の極小ピークが形成され、利得
に全体の損失を重ねた正味の利得のピークのの波長が発
振波長となる。

【０００８】発振波長を変化させるには、半導体レーザ
１１０、１２０、１３０の電極１１４、１２４、１３４
から活性層１１２、１２２、１３２に注入する電流を変
化させ、共振器Ａ又は共振器Ｂの損失スペクトルをシフ
トさせて損失の極小ピークが再び重なりあうようにする
。しかしながら、複合共振器型半導体レーザを用いた方
法は、波長可変幅が２０ｎｍ以上と広くすることが可能
であるが、波長変化が連続的でなく離散的になるという
問題があった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の波
長可変半導体レーザは、波長可変幅を広くすることが困
難であったり、波長スイッチング速度が遅かったり、波
長変化が離散的になるという問題があった。本発明の目
的は、波長可変幅が広く、波長変化が高速であり、しか
も準連続的に波長を変化させることができる波長可変半
導体レーザを提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の原理を図１乃至
図４を用いて説明する。本発明による波長可変半導体レ
ーザを図１に示す。本発明による波長可変半導体レーザ
は、３つの半導体レーザ１０、２０、３０と、これら半
導体レーザ１０、２０、３０に結合する光分岐路４０と
から構成された複合共振器型半導体レーザである。

【００１１】半導体レーザ１０には活性層１２が設けら
れ、活性層１２に電流を注入するために２つの電極１４
ａ、１４ｂが設けられている。半導体レーザ１０の光分
岐路４０側は無反射コーティング膜１６により無反射端
面となり、反対側は反射端面である。半導体レーザ２０
には活性層２２が設けられ、活性層２２に電流を注入す
るために２つの電極２４ａ、２４ｂが設けられている。 半導体レーザ２０の光分岐路４０側は無反射コーティン
グ膜２６により無反射端面となり、反対側は反射端面で
ある。半導体レーザ３０には活性層３２が設けられ、活
性層３２に電流を注入するために２つの電極３４ａ、３
４ｂが設けられている。半導体レーザ３０の光分岐路４
０側は無反射コーティング膜３６により無反射端面とな
り、反対側は反射端面である。光分岐路４０は第１の光
路４２が第２の光路４４と第３の光路４６に分岐されて
いる。光分岐路４０の第１の光路４２は半導体レーザ１
０の活性層１２に光結合され、第２の光路４２は半導体
レーザ２０の活性層２２に光結合され、第３の光路４２
は半導体レーザ３０の活性層３２に光結合されている。

【００１２】本発明における半導体レーザ１０、２０、
３０の活性層１２、２２、３２は、量子井戸幅の異なる
複数の量子井戸を有する多重量子井戸構造である。この
ため、２つの電極１４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３
４ａ、３４ｂによる活性層１２、２２、３２への注入電
流密度の比を変化させることにより利得スペクトルのピ
ーク波長を広い波長範囲で変化させることができる。す
なわち、図２（ａ）　に示すように、第１準位が優勢で
ある第１準位利得スペクトルと第２準位が優勢である第
２準位利得スペクトルのピークが異なるので、注入電流
密度の比を変化させることにより、一方の準位の方を強
くして混合された利得スペクトルのピークを左右にシフ
トすることができる。したがって、図２（ｂ）に示すよ
うに、半導体レーザ１０、２０、３０の発振波長の最大
可変幅を、第１準位利得スペクトルのピークと第２準位
利得スペクトルのピーク間の広い範囲とすることができ
る。

【００１３】共振器Ａは、半導体レーザ１０の反射端面
１８と半導体レーザ２０の反射端面２８により構成され
、共振器Ｂは、半導体レーザ１０の反射端面１８と半導
体レーザ３０の反射端面３８により構成されている。 共振器Ａの損失スペクトルは、半導体レーザ１０、２０
の活性層１２、２２への電極１４ａ、１４ｂ、２４ａ、
２４ｂからの各注入電流によりシフトさせることが可能
である。同様に、共振器Ｂの損失スペクトルは、半導体
レーザ１０、３０の活性層１２、３２への電極１４ａ、
１４ｂ、３４ａ、３４ｂからの注入電流の総和によりシ
フトさせることが可能である。

【００１４】このように、本発明では各注入電流を変化
させることにより共振器Ａの損失スペクトルと共振器Ｂ
の損失スペクトルをシフトさせることができ、注入電流
密度の比を変化させることにより利得スペクトルをシフ
トさせることができるので、損失スペクトルと利得スペ
クトルを広い範囲に亘って共振波長を準連続的に変化さ
せることができる。

【００１５】本発明による波長可変半導体レーザの共振
波長を準連続的に変化させた場合について図３及び図４
を用いて説明する。図３では、共振器Ａの損失の極小ピ
ークと共振器Ｂの損失の極小ピークが波長λ０で一致す
るように、半導体レーザ１０、２０、３０における注入
電流の総和を制御し、かつ、利得スペクトルのピークが
波長λ０になるように、半導体レーザ１０、２０、３０
における注入電流密度の比を制御している。これにより
、図３に示すように、正味の利得スペクトルは波長λ０
でピークとなり、波長可変半導体レーザは波長λ０で発
振する。

【００１６】これに対し、図４では、共振器Ａの損失ス
ペクトルはシフトせず、共振器Ｂの損失スペクトルを短
波長側にΔλだけシフトするように、半導体レーザ１０
、２０、３０における各注入電流を制御し、かつ、利得
スペクトルのピークが波長λ０−Δλになるように、半
導体レーザ１０、２０、３０における注入電流密度の比
を制御している。これにより、図４に示すように、正味
の利得スペクトルは波長λ０−Δλでピークとなり、波
長可変半導体レーザは波長λ０−Δλで発振する。

【００１７】

【作用】このように本発明による波長可変半導体レーザ
は、活性層を量子井戸幅の異なる複数の量子井戸を有す
る多重量子井戸構造とし、活性層に電流を注入するため
の電流注入用電極を複数個に分割したので、活性層への
注入電流の総和と注入電流密度の比を制御することによ
り、発振波長を準連続的に広い波長範囲で変化させるこ
とができる。

【００１８】

【実施例】本発明の第１の実施例による波長可変半導体
レーザを図５を用いて説明する。図５（ａ）　は波長可
変半導体レーザの斜視図、図５（ｂ）　は活性層のエネ
ルギバンド図である。ｎ−ＩｎＰ基板５０全面にｎ−Ｉ
ｎＰ下部クラッド層５２が形成され、Ｙ字型の多重量子
井戸活性層５４が形成されている。多重量子井戸活性層
５４は、５ｎｍ厚でλｇ＝１．５５μｍのＩｎＧａＡｓ
Ｐ層５４ａと、１３ｎｍ厚でλｇ＝１．１μｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ層５４ｂ、７ｎｍ厚でλｇ＝１．５３μｍのＩ
ｎＧａＡｓＰ層５４ｃが順次積層され、図５（ｂ）　に
示すエネルギバンド構造をしており、２つの準位を形成
している。多重量子井戸層活性層５４上にｐ−ＩｎＰ上
部クラッド層５６が形成されている。

【００１９】メサ型に形成されたＹ字型のｎ−ＩｎＰ下
部クラッド層５２、多重量子井戸活性層５４、ｐ−Ｉｎ
Ｐ上部クラッド層５６は、半絶縁性ＩｎＰ埋込み層５８
により埋め込まれている。半絶縁性ＩｎＰ埋込み層５８
上にはシリコン酸化膜６０が形成されている。Ｙ字型の
多重量子井戸活性層５４上方のｐ−ＩｎＰ上部クラッド
層５６上にはｐ＋　−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６１
を介して、複数個に分割された電極６２ａ、６２ｂ、６
４、６６ａ、６６ｂ、６８ａ、６８ｂが形成され、独立
に電流を注入することが可能である。

【００２０】電極６２ａ、６２ｂはＹ字型の共通ストラ
イプ部分に設けられ、これら電極６２ａ、６２ｂ下に２
つの共振器Ａ、共振器Ｂに共通の第１の半導体レーザが
形成される。電極６６ａ、６６ｂはＹ字型の分岐したサ
ブストライプ部分の一方に設けられ、これら電極６６ａ
、６６ｂ下に一方の共振器Ａを構成する第２の半導体レ
ーザが形成される。

【００２１】電極６８ａ、６８ｂはＹ字型の分岐したサ
ブストライプ部分の他方に設けられ、これら電極６８ａ
、６８ｂ下に他方の共振器Ｂを構成する第３の半導体レ
ーザが形成される。電極６４はＹ字型であり、この電極
６４下に光分岐路が形成される。この光分岐路は、第１
の半導体レーザ、第２の半導体レーザ、第３の半導体レ
ーザに連続しており、これらの境界は光が反射しない無
反射端面となっている。第１の半導体レーザ、第２の半
導体レーザ、第３の半導体レーザの無反射端面と反対側
は反射端面であり、共振器Ａと共振器Ｂを構成している
。

【００２２】各半導体レーザにおける電極への注入電流
の比を変えることにより、利得スペクトルのピーク波長
を変えることができる。例えば、電極６６ａ、６６ｂへ
の注入電流Ｉａ、Ｉｂの比（Ｉａ／（Ｉａ＋Ｉｂ））を
変えることにより利得スペクトルのピーク波長を変える
ことができる。また、各半導体レーザにおける注入電流
の総和を変えることにより、損失スペクトルをシフトし
て、全体の損失の極小ピークの波長を変えることができ
る。例えば、電極６６ａ、６６ｂの注入電流Ｉａ、Ｉｂ
の総和（Ｉａ＋Ｉｂ）を変えることにより損失スペクト
ルの極小ピークの波長を変えることができる。

【００２３】本発明の第２の実施例による波長可変半導
体レーザを図６を用いて説明する。図６（ａ）　は波長
可変半導体レーザの斜視図、図６（ｂ）　はＡ−Ａ′線
断面図である。図５に示す第１の実施例と同一の構成要
素には同一の符号を付して説明を省略する。本実施例に
よる波長可変半導体レーザは、第１の半導体レーザにお
ける電極６２ａと電極６２ｂとの間を離して、これら電
極６２ａ、６２ｂ下の多重量子井戸活性層５４に電流が
注入されない可飽和吸収領域５４′を形成した点に特徴
がある。

【００２４】このように多重量子井戸活性層中に可飽和
吸収領域を設けることにより、光の注入による光双安定
動作が可能な波長可変半導体レーザを実現できる。本発
明は上記実施例に限らず種々の変形が可能である。例え
ば、上記実施例は波長可変半導体レーザであったが、バ
イアス電流を発振しきい値直前の値に固定しておき、波
長多重された光信号を入力させ、共振波長に合致した光
信号のみを選択的に透過させる波長可変半導体光フィル
タとして機能させてもよい。

【００２５】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、活性層を
量子井戸幅の異なる複数の量子井戸を有する多重量子井
戸構造とし、活性層に電流を注入するための電流注入用
電極を複数個に分割したので、波長可変幅が広く、波長
変化が高速であり、しかも準連続的に波長を変化させる
ことができる。したがって、波長多重分割や時間波長多
重分割を利用した光信号処理における大容量化に寄与す
るところが大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による波長可変半導体レーザを示す図で
ある。

【図２】本発明による波長可変半導体レーザの利得波長
特性を示すグラフである。

【図３】本発明による波長可変半導体レーザの特性を示
すグラフである。

【図４】本発明による波長可変半導体レーザの特性を示
すグラフである。

【図５】本発明の第１の実施例による波長可変半導体レ
ーザを示す図である。

【図６】本発明の第２の実施例による波長可変半導体レ
ーザを示す図である。

【図７】従来の波長可変半導体レーザを示す図である。

【図８】従来の波長可変半導体レーザの特性を示すグラ
フである。

【符号の説明】

１０、２０、３０…半導体レーザ １２、２２、３２…活性層 １４ａ、１４ｂ、２４ａ、２４ｂ、３４ａ、３４ｂ…電
極 １６、２６、３６…無反射コーティング膜１８、２８、
３８…反射端面 ４０…光分岐路 ４２…第１の光路 ４４…第２の光路 ４６…第３の光路 ５０…ｎ−ＩｎＰ基板 ５２…ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層 ５４…多重量子井戸活性層 ５４ａ…ＩｎＧａＡｓＰ層（λｇ＝１．５５μｍ）５４
ｂ…ＩｎＧａＡｓＰ層（λｇ＝１．１μｍ）５４ｃ…Ｉ
ｎＧａＡｓＰ層（λｇ＝１．５３μｍ）５４′…可飽和
吸収領域 ５６…ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層 ５８…半絶縁性ＩｎＰ埋込み層 ６０…シリコン酸化膜 ６１…ｐ＋　−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層６２ａ、６
２ｂ、６４、６６ａ、６６ｂ、６８ａ、６８ｂ…電極 １１０、１２０、１３０…半導体レーザ１１２、１２２
、１３２…活性層 １１４、１２４、１３４…電極 １１６、１２６、１３６…無反射コーティング膜１１８
、１２８、１３８…反射端面 １４０…光分岐路 １４２…第１の光路 １４４…第２の光路 １４６…第３の光路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　一方が反射端面で他方が無反射端面で
   ある第１の半導体レーザと、一方が反射端面で他方が無
   反射端面である第２の半導体レーザと、一方が反射端面
   で他方が無反射端面である第３の半導体レーザと、前記
   第１の半導体レーザの無反射端面に光結合された第１の
   光路が、前記第２の半導体レーザの無反射端面に光結合
   された第２の光路と、前記第３の半導体レーザの無反射
   端面に光結合された第３の光路とに分岐された光分岐路
   とを有し、前記第１の半導体レーザの反射端面と前記第
   ２の半導体レーザの反射端面との間で第１の共振器を構
   成し、前記第１の半導体レーザの反射端面と前記第３の
   半導体レーザの反射端面との間で第２の共振器を構成す
   る波長可変半導体レーザにおいて、前記第１の半導体レ
   ーザ、前記第２の半導体レーザ及び前記第３の半導体レ
   ーザのうち、少なくともひとつの半導体レーザが、量子
   井戸幅の異なる複数の量子井戸を有する多重量子井戸構
   造の活性層と、前記活性層に電流を注入するための複数
   個の電流注入用電極とを有することを特徴とする波長可
   変半導体レーザ。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の波長可変半導体レーザ
   において、前記半導体レーザの活性層の一部が、電流の
   注入されない電流非注入領域となるように、前記複数個
   の電流注入用電極が互いに離れていることを特徴とする
   波長可変半導体レーザ。