JPH0461183A - 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、キャリア注入により発振波長を制御できる。

光通信用の波長可変半導体レーザに関するものである。

〔従来の技術〕

波長可変半導体レーザの構造どしては、従来、エレクト
ロニクス・レターズ、２３巻８（］、９９８７年　　（
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　Ｖｏｌ、２
３．　Ｒ（１９８７）第４０３頁から第４０５頁に記載
されているように、光増幅領域、位相調節領域および回
折格子領域の３領域からなる分布ブラッグ反射（ＤＢＲ
）レーザのそれぞれの電極を独立させ、光増幅領域で光
学的な利得をもたせ、他の２領域で波長制御を行ってい
た。半導体レーザの発振は、光が共振器内、すなわち、
上記構造で、ＤＢＲ領域の反射と光増＠器側のへき開端
面の反射で構成した共振器内を、往復するときの光の利
得と損失勘定がＯであり、かつ、２πの整数倍の位相条
件を滴たす波長で行われる。波長を変えるときには、上
記構成ではＤＢＲ領域の反射利得と同時に、位相調節領
域で光の共振器内の往復位相を制御することにより、連
続的に波長を変えることができる。

上記文献では、この制御により３　、１．　ｎｍ単一モ
ードを保ちながら波長を変えることができた。

また、別の構成としては、エレクトロニクス・レターズ
、２５巻、１９８９年（Ｅ　１ｅｅｔｒｏｎｉｃｓＬｅ
ｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、　２５　（１９８９））第９９
０頁から第９９１頁に記載のように、光軸方向に設けら
れた回折格子の中央で、回折格子の位相を反転させた以
外は内部構造を均一な活性層で構成し、電極を３分割し
た構成を有する３電極分布帰還型（ＤＦＢ）レーザで、
中央の電極へ大きな電流を流すことで２．２ｎ菖の可変
幅を得ていた。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記第１の従来例では、ＤＢＲ領域領域流電流したとき
は１．５５６μ塵の波長に対して４　、４　ｒｉｍ程度
の屈折率変化が得られているにもかかわらず、位相調節
領域に電流を流して、連続的な波長可変幅は３．］、ｒ
＋ａ＋Ｌか得られていない。これは下記の式で表わされ
るＤＢＲ領域と増幅領域の存在による障害のためである
。光増幅領域の屈折率変化がないとすると、波長変化Δ
λは ここでλは発振波長、Δｎｐｃは位相調節領域の屈折率
変化、Ｑ　ｐｃ、　Ｑ　ＡＭＰ、　Ｑ　ＤＢＲは位相調
節領域、光増幅領域および実効的なりＢＲ領領域長さで
あり、　ｎｐｅ、　ｎＡＭＰ、’　ｎＤＢＲは実効的な
各領域の屈折率である。上記式から判るように、Ｑ　＋
＋＋Ｍｒ＋、Ｑ　ＤＲＲが位相調節領域の屈折率変化の
波長変化への貢献を抑圧している。実際の特性としては
、位相調節領域に電流を流すことで自由キャリア吸収を
生じ。

光増幅領域の閾キャリア密度を高めること＆Ｊなる。

その結果、連続的な可変幅を拡げることになるのである
が、閾キャリア密度が高まるだけレーザの特性は劣化す
る。

また、上記第２の従来例では、注入電流のバランスによ
り均質な光増幅導波路の増幅率と、各領域の増幅率の変
化に付随する屈折率変化の微妙な関係を調節するため、
発振状態の制御が難し２いという問題があった。

本発明の目的は、安定に広い波長可変幅を有する波長可
変レーザを得ることにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、第１の結合係数を有する回折格子を内部に
もつ第１の活性層を含む光導波路からなる第１の領域と
、第２の結合係数を有する回折格子を内部にもつ第２の
活性層を含む光導波路からなる第２の領域とを有し、上
記第１の光導波路のキャリア密度に対する屈折率変化と
利得変化との比が、第２の光導波路のそれらの比よりも
小さく、第１の領域の回折格子と第２の領域の回折格子
の凹凸の位相が、上記２つの領域の接合部が反転するこ
とにより達成される。すなわち、分布帰還型（ＤＦＢ）
レーザの回折格子の位相を反転した部分、いわゆる位相
シフト部の左右で、構造を非対称にするものである。

左右の領域において、片方は注入キャリア密度に対して
屈折率変化の割合が利得変化に比べて大きな材料に、小
さな結合係数を組合わせ、他方には、注入キャリア密度
に対して屈折率変化の割合が利得変化に比べて小さな材
料に、大きな結合係数を組合わせる。また、左右の領域
における同程度の結合係数を有する組合わせにおいても
、あるいは上記構成でも屈折率変化の割合が利得変化に
比べて大きい材料を有する領域のブラッグ波長を、反射
の領域のブラッグ波長よりも、２つの領域のストップバ
ンド波長幅の和の半分以上を長波長にずらして、初期設
定することにより目的は達成できる。

〔作用〕

上記問題点を解決するための手段を第１図を用いてつぎ
に説明する。第１図は本発明の基本構成を有するレーザ
構造の、光軸に平行な方向の断面図である。ｎ　（ｐ）
型の導電性をもつ基板９」−に回折格子６が形成されて
いる。上記回折格子６は、一部でその凹凸の位相が反転
した、いわゆる位相シフト構造５を取っている。上記位
相シフト点５を境界に、左の領域は結合係数が大きい領
域１１−であり、基板９と屈折率差が大きなガイド層２
と、注入キャリアに対し利得が大きな活性層１とによっ
て光導波路が形成されている。一方、右の領域は結合係
数が小さくなるようにした領域１２である。結合係数を
小さくする方法としては、例えば回折格子の凹凸の高さ
を低くしたり、図示のように、基板９と屈折率差が小さ
い材料４とで回折格子６を埋めたりする方法があり、そ
の上に、注入キャリアに対して利得が小さい材料、ある
いは、利得がなくて屈折率の変化が得られる材料からな
る光導波層３を設けている。上記注入キャリア密度に対
する屈折率変化の割合と利得変化の割合とを調整する方
法としては、材料の設定と構造の設定があり、材料の設
定は活性層の利得波長を発信波長より短い方に設定する
ことによって、屈折率がほとんど変化なく利得を減少さ
せることができ、構造の設定としては、活性層の幅を狭
くすることにより電荷が上記活性層を溢れ出マガイド層
に溜るため、利得は変わらないが屈折率だけを変化させ
ることができる。上記左右の内領域］１および１２の光
導波路をｐ　（ｎ）型の導電性をクラッド層１ｏで埋め
たのち、埋込みへテロ構造どして電極を設ける。上記電
極７−１−１７−２は１記左右の領域で独立している。

光の出射端面は端面反射による影響を生じないように、
無反射コーティング１３を行っている。第１、図に示す
位相シフト点５から各領域１１．１２をみたときの反射
利得と位相の波長依存性を第２図に示す。第２図（ａ）
はレーザ共振器内利得を示し、第２図（ｂ）はレーザ共
振器内位相を示すが、上記（ａ）および（ｂ）において
、破線２１．３１は結合係数が大きな領域１１を見たと
きの、また、破線２２．３２は結合係数が小さな領域１
２を見たときの特性である。さらに実線２３．３３は、
上記２領域を光が往復するときに感じる利得と位相であ
る。高反射利得域の中央位置で、位相がπとなる点が回
折格子の光学的ピッチに対応するブラッグ波長である。

上記往復時の合計利得２３が１となり、かつ、全位相３
３が２πの整数倍になる波長λて発振する。全域１１の
利得および反射率は、その係数が大きな材料を使用して
いるため、利得の変化に対しブラッグ波長λＢ１の変化
は少ない。

これに対して領域１２には、利得と屈折率の係数が小さ
な材料に使用しているため、注入電流に対し利得の変化
に対するブラッグ波長λＢ２は変化が大きく、領域２１
の高反射域内を矢印２４および３４のように動く。この
領域１２は結合係数が小さく、位相の波長に対する勾配
が大きいため、発振位相λは、結合係数が大きい領域を
組合わせた場合と異なり、はとんど上記領域のブラッグ
波長λＢ２で決まる。その結果、キャリア注入による屈
折率変化が有効に波長可変特性に反映されるようになる
。このため、公知例に示したような増幅領域による位相
調節領域の屈折率変化の波長変化への貢献に対する抑圧
や、公知例に示す等質光導波路での不安定な制御を行う
必要がなく、結合係数を広くした、領域が広い高反射波
長域を有効に利用できる。

また、領域１２のブラッグ波長は、注入電流の増加によ
り短波長へ移動する。領域１２への注入電流が低い条件
で、領域１２のブラッグ波長を領域１１のブラッグ波長
に対し、内領域の高反射波長＠（ストップバンド波長幅
）の和の半分よりも長波長へ設定することにより、領域
１１のストップバンド全域を領域１２の高反射域がよぎ
るため、ストップバンド波長幅を波長変化幅へ有効に生
かすことができる。上記波長設定は、２つの領域の結合
係数が同程度でも有効な方法である。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による波長可変半導体レーザの一実施例
を示す光軸方向の断面図、第２図は上記実施例の位相シ
フト点から見た特性で、（ａ）は利得特性を示す図、（
ｂ）は位相特性を示す図である。第１図において、ｎ型
のＩｎＰ基板９上に０．０６μ厘の凹凸をもった回折格
子６を形成する。

上記回折格子６はレーザの中程でその位相が反転した位
相シフト点５を有する位相シフト型である。

全面にバンドギャップ波長が１．３μ履の）、’　ｎ　
Ｇ　ａＡ、　ｓ　Ｐ層２．および利得ピーク波長が１．
５４μｍとなる多重量子井戸１１１を気相成長法で形成
する。

その後、選択性エツチングにより、位相シフト点５で分
かれる領域の一方を、上記回折路Ｊ’−６の表面が出る
まで結晶成長層を取り除く。その後、バンドギャップ波
長λ１が１．、　、１μｉｉのＸｎＧａＡｓＰｆ＠４を
０．０７　μｍ、λ、が１．３５μｍのＩｎＧａＡｓＰ
層３を０．２μｍ、およびλ、＝１．．５３μ目の活性
層１４を０．０４μ■、上記回折格子６が露出した領域
１２に選択的に結晶成長させる。その後、ｐ−ＩｎＰク
ラッド層１０を結晶成長させたのち、メサエッチングや
埋込み結晶成長等の従来の半導体レーザ製作過程を経て
、波長可変半導体レーザを作製した。領域１１および領
域１２における光導波路の実効屈折率は、単原子層の厚
さまで制御できる気相成長法を用いることで、その整合
をとることができる。ｐ電極は領域１１゜と領域１２と
で分離し、７−１および７−２で示すように独立させて
設ζブる。両へき開端面は無反射コーティング１３がな
されている。領域〕〕８の長さは、領域内で自己発振す
るのを抑えるために】５０μ謙とする。他方、領域１２
ではこの領域の反射率をより高めるため６００μｍとす
る。上記実施例の特性は、領域１１の注入電流を一定値
１．．ＯＯ＋ｍＡとして、領域１２の注入電流を増加さ
せると、連続的に４ｎｍ波長を移動させることができる
。さらに、領域〕］の実効屈折率を０．００５程度人き
くするように設定することにより、はとんとの素子で安
定に波長変化４ｎ＠を得ることができる。

〔発明の効果〕

Ｌ記のように本発明による波長可変半導体レーザは、第
１の結合係数を有する回折格子を内部にもつ第１の活性
層を含む光導波路からなる第１の領域と、第２の結合係
数を有する回折格子を内部にもつ第２の活性層を含む光
導波路からなる第２の領域とを有し、上記第１−の光導
波路のキャリア密度に対する屈折率変化と利得変化との
比が、第２の光導波路のイわらの比よりも小さく、第１
の領域の回折格子と第２の領域の回折路ｆ・の凹凸の位
相が、」−記２つの領域の接合部で反転することにより
、材料がもつ屈折率変化を波長可変特性に有効に生かせ
るので、波長可変半導体レーザの波長可変幅を拡げるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による波長可変半導体レーザの一実施例
を示す光軸方向の断面図、第２図は上記実施例の位相シ
フト点から見た特性で、（ａ）は利得特性を示す図、（
ｂ）は位相特性を示す図である。 ■・・・屈折率変化と利得変化との比が小さな活性層５
・・・回折格子の位相シフト点 ６・・・回折格子 １１・・・第１の領域 １２・・・第２の領域 １４・・・ガイド層にキャリアオーパフロウを生じる活
性層 代理人弁理士　　中　村　純之助 ！−−−−”　　”””　　”７−”””””−−−ノ
　”　−”””’　　　”−”　　’１””””　　　
　−”−−−−−−一ノ屈ｐＬ千変化と十″ｌ惜変づし
ｔｙ＋５ヒ叡小さ鱈占杓９１トＤオ１イ各ぐ予めイ立相
　ミ７７ト車、回折格子 を１の領域 案２の４′Ｎ！九ζ 力゛イド層にＮ臂すアオーバ７ＤＩ′７と生Ｕる〕沓戊
層第１２図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 　１．第１の結合係数を有する回折格子を内部にもつ第
   １の活性層を含む光導波路からなる第１の領域と、第２
   の結合係数を有する回折格子を内部にもつ第２の活性層
   を含む光導波路からなる第２の領域とを有し、上記第１
   の光導波路のキャリア密度に対する屈折率変化と利得変
   化との比が、第２の光導波路のそれらの比よりも小さく
   、第１の領域の回折格子と第２の領域の回折格子の凹凸
   の位相が、上記２つの領域の接合部で反転する波長可変
   半導体レーザ。
2. 　２．上記第１の結合係数は、上記第２の結合係数より
   も大きいことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   した波長可変半導体レーザ。
3. 　３．上記第２の領域は、その注入電流が低い状態で、
   第２の領域のブラッグ波長は、第１の領域のブラッグ波
   長に、上記第１と第２の領域のストップバンド波長の半
   分を加えた波長よりも長波長であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項に記載した波長可変半導体レーザ。