JPH0479287A

JPH0479287A - 波長可変半導体レーザ

Info

Publication number: JPH0479287A
Application number: JP19343390A
Authority: JP
Inventors: Hajime Sakata; 肇坂田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1992-03-12
Anticipated expiration: 2014-10-04
Also published as: JP2957240B2

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、光通信、光交換、光記録、光演算、光計測な
どに使用される波長可変半導体レーザに関する。

［従来の技術１従来、各種レーザを用いた波長可変レーザが知られてい
るが、半導体レーザを用いた波長可変レーザは、低電圧
、低電流駆動が可能で、装置が小型である。その為、光
通信を始め各種光応用分野で使用されており、将来も期
待されている。

従来の波長可変半導体レーザとしては、次の２つがよく
知られている。

１つは、第７区に示す様なりＦＢ　（分布帰還型）、Ｄ
ＢＲ（分布反射型）といったグレーティングから成る分
布反射器をレーザ共振器内部に有するタイプで、グレー
ティング７１を含む導波路（ガイド層）７２及び活性層
７３に注入する電流で屈折率を制御し、共振波長を変化
させる構造になっている（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　　
Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ、２３．ｐ、４０３〜４０５．
１９８７９照）。このタイプでは、グレーティング７１
の反射波長帯に生じる極めて狭帯域の通過波長帯に応じ
て発振波長が決まる為、波長可変時のモード飛びが生じ
に（い。その為、出力パワーの安定性、連続的波長可変
動作が得られるという利点を持つ。

しかし、波長可変範囲Δλは、グレーティング７１を含
む導波路７２もしくは活性層７３の屈折率変化を八〇と
すれば、以下で表わされる。

△え／え。＝Δｎ　／　ｎ　ｏ　　　　　・・・・　〔
１）ここで、）ｗ　Ｏ、ｎ　ｏは屈折量変化前の発振波
長、導波路屈折率である。△ｎは電流注入によるＧａＡ
ｓのプラズマ効果による屈折率変化であり、高々、５Ｘ
１０−’程度である。λ。を８５０ｎｍとすれば、Δえ
〜ｌｎｍとなる。更に、グレーティング領域以外に第２
図に示す如き位相制御領域を設けた波長可変レーザでは
、通過波長帯を反射波長帯内で移動可能で、Δえの値は
上記の２倍程度に拡張することもできる。しかし、それ
でも精々２ｎｍ程度である。

他の１つは、外部共振器型と呼ばれる波長可変レーザで
、第８図に示す様に半導体レーザ８１の出射端面の片側
を反射防止コーティングし、半導体レーザ外部に角度制
御可能なグレーティング８２を共振器ミラーとして使用
している。グレーティング８２の角度を制御することで
、グレーティング８２で回折され半導体レーザ８１に戻
る光の波長を制御する構成である。このタイプは共振波
長を広い範囲で制御できる為、半導体レーザ８１の利得
帯域にわたって広い範囲の発振波長チューニングが実行
できる。

しかし、この方法では、半導体レーザ８１自体が小型で
あるにも係らず、外部共振器及びその駆動制御器が大型
となる為、装置の使用範囲が限定され、装置全体のコス
トも高（なる難点があった［発明が解決しようとする課
題］以上述べた如く、従来の波長可変半導体レーザにおいて
は、ＤＢＲ，、ＤＦＢといった分布反射器を集積化した
タイプでは波長可変範囲が狭く、また外部共振器を用い
るタイプでは装置が大型化するといった欠点があった。

従って、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、波長可変
範囲が広く且つ小型である波長可変半導体レーザを提供
することにある。

［課題を解決する為の手段］上記目的を達成する本発明においては、レーザ共振器が
、光波伝搬方向に沿って直列的に配された（すなわち空
間的に分離された）利得領域と波長可変領域の少なくと
も２つの領域から構成される波長可変半導体レーザとな
っており、活性層と導波路層が中間クラッド層を挟んで
積層された層構成を有し、更に波長可変領域においては
活性層と導波路層の光学的に結合する位置にグレーティ
ングが形成されている。

より具体的には、グレーティンク周期が順方向伝搬モー
ド間結合を生じさせる様に比較的粗く設計されていたり
、また活性層の波長可変領域における出射端がレーザ共
振器軸にたいして斜めに切断されていたり一部非活性に
なっていたりして活性層の利得領域での出射端と導波路
層の波長可変領域での出射端との間で共振が起こる様に
形成されている。

本発明の構成によれば、利得領域にある活性層と波長可
変領域にある活性層とは異なる導波路層とがクレーティ
ングにより光学的に結合されてこれらによりレーザ共振
器が構成されているので、電圧印加による屈折率変化が
一定の関係を通して間接的に結合波長を変化させる。従
って、結合波長すなわち発振波長が比較的広い範囲で変
えられる。

［実施例］第１図は本発明の第１実施例を一部破断して示す図であ
る。

先ず、本実施例の原理、構成を説明する。第１図に示す
如（、本実施例においては、活性層１と導波路層２とが
積層方向に配置された方向性結合器を形成し、レーザ共
振器を成す領域が利得領域１５と波長可変領域１６から
構成され、波長可変領域１６では、活性層１と導波路層
２を伝搬する２つのモードが相互結合するいずれかの位
置に（本実施例では活性層１の上部に）グレーティング
３が形成されている。また、波長可変領域１６での活性
層１の出射端面は斜めに切断されて、活性層３を伝搬し
てきた光が反射光として共振器へ帰還しない構造となっ
ている。帰還させない為には活性層３の端面近（に非活
性領域を設けてもよい。キャリアドーピングは活性層１
のみノンドープ（ｉ層）で、その上下はｐ層、ｎＰＪと
なる様に構成されてｐｉｎ構造となっている。

上記方向性結合器において、活性層１と導波路層２は互
いに屈折率、層厚が異なる非対称方向性結合器を構成し
ている。この結合器は０次及び１次のモードが伝搬する
条件を成立させており、０次モードは主として活性層１
を、１次モードは主に導波路層２を伝搬する。

０次モードの伝搬定数を８０．１次モードの伝搬定数を
β１とすれば、活性層１と導波路層２の非対称性の為に
β。とβ、は値が太き（異なっている。従って、０次モ
ードと１次モードの光、すなわち活性層１を伝搬するモ
ード光と導波路層２を伝搬するモード光は互いに結合が
生じない。

し、かじ、波長可変領＠１６では、２つのモード光が結
合する位置にβ。とβ、の伝搬定数差を補償するグレー
ティング３が形成されているので、次の（２）式を満足
する波長えにおいて０次と１次のモードの結合が生じる
。

β０　（え）−βｌ　（ん）＝２π／Ａ・　・　（２）ここで、Ａはグレーティング３の周期である。また、左
辺のマイナスは順方向伝搬モード間結合における伝搬定
数差であることを示す。

ここで、波長可変領域１６において、上下電極４ｂ、５
間に順電界を印加するとｐｉｎ構造のｉ層である活性層
ｌ中にキャリアが増加し、その為にプラズマ効果が生じ
て活性層１の屈折率が減少する。その結果、０次モード
の伝搬定数β。（え）が変化し、（２）式を満足する波
長えの値が変わる。すなわち、屈折率変化が、直接、結
合波長を変えるのではなく（上記（１）式参照）、（２
）式の関係を経て結合波長を変えている。以上の動作原
理に従って、波長可変領域１６における活性層１、導波
路層２間の結合波長え（主に活性層１を伝搬する０次モ
ード光が、主に導波路層２を伝搬する１次モード光に移
行する波長）を電界印加により制御できることになる。

一方、利得領域１５においては、グレーティングが形成
されていない為に２つのモード間の結合は生じない。

本実施例の動作を第２図に沿って説明する・電極４ａ、
４ｂは利得領域１５と波長可変領域１６に２分されてお
り各々独立に電流注入が可能であり、利得領域１５へ注
入した電流により、活性層１中、でキャリア再結合によ
って自然発光が生じる。発生した光は活性層１を伝搬す
る０次モード２１となる。

一方、波長可変領域６では、電流注入により、制御され
た波長えにおいて０次と１次モードの結合が生じる。そ
の為、利得領域１５での自然発光のうち、波長えについ
てのみ波長可変領域１６で１次モード２２へ結合し、そ
の結果、導波路層２へ光が移行する。導波路層２の端面
ば結晶へき開面であり、従ってこの導波路層２へ移行し
た光は端面で反射し再び活性層ｌへ結合し帰還が生じる
。すなわち、活性層１の第２図右側の端面と導波路層２
の第２区左側の端面との間で共振が起こることになる。

以上の動作原理により、しきい値電流を越えると波長先
での発振光２３が出射する。このとき、発振波長えは、
波長可変領域１６への注入電流制御により結合波長２．
が変化する為、制御されることになる。

結合波長丸の制御範囲はｉ層である活性層ｌの屈折率変
化Δｎに依存するが、通常ＧａＡｓ系でΔｎｅ０．５％
とすると約５００人となり、Ｉｎ２系でΔｎ＝０．５％
とすると約１０００人である。この波長変化範囲は、活
性層１の１１１得波長範囲に匹敵する為、本発明による
波長可変半導体レーザによればレーザ活性層１の利得波
長範囲全域に亙る波長可変動作が得られる。

波長可変領域１６で結合しない波長（え以外）の光は、
波長可変類＠１６の端面（斜めに切断されているか非活
性領域となっている）で共振器の光軸と異なる方向に反
射もしくは数計もしくは吸収され、共振器への帰還光と
ならない。その為、レーザ発振光とならず、結局、波長
先の光のみが共振器で増幅、発振されることになる。

本実施例の波長可変レーザは以下の様にして作製される
。

（１−ＧａＡｓ基板６上に、ＭＢＥもしくはＭＯＣＶＤ
法により、ｎ−ＧａＡｓバッファ層（キャリア濃度ｎ＝
２ＸｌＯＩＱｃｍ−１不図示）を０５ｕｍ厚で、ｎ　　
Ａ　ｌ　ｏ、ｓ　Ｇ　ａｏ、ｓ　Ａ　Ｓクラッド層（ｎ
＝　ｌ　Ｘ　１０１７ｃｍ−’）　７を１．５ｕｍ厚で
、ｎ　　Ａ　ｌ　ｏ、ｉ　Ｇ　ａｏ、ｖ　Ａ　Ｓ導波路
層（ｎ：ＩＸ　１０　′？ｃｍ−３）　２を０．０８μ
ｍ厚で、ｎ−Ａｌ　ｏ、ｓ　Ｇ　ａｏ、ｓ　Ａ　Ｓクラ
ッド層（ｎ＝ＩＸｌ。

ｃｍ−”）８を０．８ｕｍ厚で、１−ＧａＡｓ活性Ｎ（
ノンドープ）■を０．１ｇｍ厚で、１−Ａｌ。ｘ　ＧＥ
ｌｏ、ａ　Ａｓグレーテイング層（ノンドープ）３′を
０．２ＬＬｍ厚で成長した。次に、波長可変領域１６の
みに、周期７μｍのグレーティング３をフォトリソグラ
フィー法でグレーテイング層３゛に食刻した。続いて、
ＭＯＣＶＤ法により、ｐ　　Ａ　１　ｏ、ｓ　Ｇ　ａｏ
、ｓ　Ａ　Ｓクラッド層（ｐ＝　ｌ　Ｘｌ　０　”Ｃｍ
−”）　９を１．５ｕｍ厚で、ｐ”　−ＧａＡｓコンタ
クト層（ｐ＝　ｌ　Ｘ　１０１Ｉ１ｃｍ−”）　１０を
０．５μｍ厚で成長した。

更に、グレーティング３と直交する方向にストライブマ
スクを形成し、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板６が露出するまでエ
ツチングし、ストライブマスク剥離後、ｐ　　Ａ　１　
ａ、ｓ　Ｇ　ａｏ、ｓ　Ａ　Ｓ　１１、ｉ　　Ａｌｏ、
５Ｇａｏ、ｓ　Ａ　Ｓ　１２、ｎ　　Ａ　１　ｏ、ｓ　
Ｇ　ａｏ、ｓ　Ａ　Ｓ　１３の順で再成長しレーザを横
埋め込み構成とした。

そして、波長可変領域１６の出射側を、ストライブに対
して３０度程斜めとしたレジストマスクを用いて活性層
１がなくなる深さまでエツチングした。続いて、５Ｌ３
Ｎ、１４をプラズマＣＶＤ法で成膜し、ストライブ上の
３１　ｘ　Ｎ　４を除去した後、電極４ａ、４ｂを蒸着
した。画電極４ａ、４ｂの分離は、フォトレジストマス
クにより両領域１５．１６間の電極及びコンタクト層１
０をエツチングで除去して行なった。基板６の裏面ラッ
ピング後、裏面電極５を蒸着し、アロイングを行なって
電極４ａ、４ｂとｐｏ−コンタクト層ｌＯ及びｎ″″一
基板６とのオーミックコンタクトを夫々汗三成した。

最後に、利得領域長１５が２００Ｌ１ｍ、波長可変領域
長１５が３００μｍ、全体で共振器長が５００ＬＬｍと
なるように基板６をへき関し、裏面電極５及び表面の２
電極４ａ、４ｂ間に電流注入できる様に実装を行なった
。

以上述べた構成により、波長可変領域１６への電流注入
量により発振波長を制御し、利得領域１５及び波長可変
類′ｒａ１６への電流注入量によって出力光を制御する
ことができる。その１例を第３図に示す。２電極４ａ、
４ｂへの注入電流の組み合わせによって出力光パワーを
３ｍＷと一定にして、発振波長を８２０ｎｍから８７０
ｎｍまで可変とすることができた。このとき、発振のモ
ードは単一であり、また安定であった。

第４区は第２実施例の断面を示す。第２実施例は第１実
施例と異なり、活性層４１を導波路層４２の下側（基板
６　ＩＩＩ　）とし、導波路層４２上にグレーティング
４３を形成している。そして、波長可変領域４５の外側
（出射端側）には、電極を設置しない領域として非活性
領域４６を設けている。各領域の長さは、利得領域４４
が２５０μｍ、波長可変領域４５が２５０μｍ、非活性
領域４６が２００ＬＬｍである。

また、各層構成は、活性層４１が１−ＧａＡｓ（ノンド
ープ）０．１５ｕｍ厚、導波路Ｎ４２がｐ−Ａｌｏ、ａ
　Ｇａｏ、ｙ　Ａｓｈ、２ｕｍ厚で、グレーティング４
３が導波路層４２に深さ０．１μｍで形成されている。

中間クラッド層ｐ　　Ａｌｏ、ｓＧ　ａ　ｏ、　ｓ　Ａ
　ｓの層厚は０．７μｍである。

それ以外は前実施例と同じである。

こうした構成において、活性層４１は非活性領域４６で
大きな吸収損失を持つ為、非活性領域４６の活性層出射
端は共振器の反射面とはならない。しかし、導波路層４
２は、非活性領＠４６でも他の傾城４４．４５と同様、
透過性である為に、出射端面ば共振器ミラーとなる。

従って、波長可変領域４５で決定される波長において、
利得領域４４の活性層４１と、波長可変領域４５及び非
活性領域４６の導波路層４２との間の行き来により共振
が発生し、発振が起こる。

動作原理は第１実施例と同じである。

本実施例は共振器が多少長くなるが、第１実施例の様な
活性層一部削除の工程が省ける利点がある。

波長可変範囲、出力光パワーについては第１支施例と同
様である。

第５図は本発明の第３実施例を示す。本実施例において
は、基板６上にバッファ層（不図示）、クラッド層７、
導波路層５２までを成長した後、利得領域５４の導波路
層を除去し、波長可変領域５５の導波路層５２上にグレ
ーティング５３を食刻した。

次いで、中間クラッド層５７、活性層５１、上部クラッ
ド層９、コンタクト層１０の順に成長し、以下、上記実
施例と同様の工程によりレーザを作製した。

コンタクト層１０、上部クラッド層９はｐ型にドーピン
グし、中間クラッド層５７、導波路層５２以下はｎ型に
ドーピングし、そして活性層５１はノンドーピングとし
ている。本実施例では活性層５１は井戸幅６０人、障壁
幅１００人の多重量子井戸構造であり、他の組成は上記
実施例と同様である。

利得領ｖｉ５４では順電界による電流注入で利得を与え
るが、波長可変領域５５では逆電界を印加し、活性層５
１の量子井戸構造を利用したＱＣＳＥ（量子閉じ込めシ
二タルク効果〕による屈折率変化を活性層５１に引き起
こす動作原理を用いている。

ＱＣＳＥを利用した場合、熱を発生しないので（キャリ
ア注入がないから）屈折率変化が安定的に大きく取れる
利点がある。更に、電流が注入されないので波長可変領
域Ｓ５の活性Ｆ！５２は吸収層となり、その為、先の実
施例と同様に波長可変領域５５では導波路Ｎ５２のみが
共振器形成に寄与できる。利得領域５４への電流注入量
は、波長可変！［５５が利得を持たないので、他の実施
例と比べて多くなる。その他の基本的動作原理は先の実
施例と同じである。

利得領域長５４を４００μｍ、波長可変領域長５５を２
００μｍとし、全体で６００μｍの素子を作製し、て特
性を測定した。その結果、利得領域５４への注入電流一
定の下に、波長可変領域５５への逆電圧を０から２■へ
変化させていった所、第６図の様な発振波長シフトが妓
♂１ｊされた。波長可変範囲は８０５ｎｍから８６０ｎ
ｍであった。

以上の実施例においては利得領域にはグレーティングが
形成されていないが、構成によっては利得領域にもグレ
ーティングが形成されていても上記動作原理に基本的に
従った波長可変レーザ動作が実行できる。

また、上記実施例ではＧａＡｓ系の短波長レーザのみを
例示したが、ＩｎＰ系の１．３μｍ帯、１．５μｍ帯の
レーザにおいても本発明は有効に適用されつる。

［発明の効果］以上説明した様に、本発明によれば、結合波長の制御可
能な積層型方向性結合器をレーザ共振器内に形成し、該
結合器はモード間結合をグレーティングで行なっている
ので、族長選択性が鋭くなり発振波長、発振モードが単
一で且つ駆動時に安定である効果が奏される。

更に、積層型方向性結合器における波長の選択は、順方
向伝搬モード間結合における導波路間伝搬定数差を利用
する様にすれば（上記（２）式で表わされる’）、ＤＢ
Ｒ，ＤＦＢといった細かいグレーティングを用いる逆方
回伝搬モード間結合における有効グレーティング周期の
変化を利用するタイプと異なり、極めて広い波長可変範
囲が得られると共にグレーティングの作製も比較的周期
が粗いので容易となる。

勿論、外部共振器などを用いない集積型レーザにできる
ので、小型で駆動電力も小さくできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の一部破断斜視図、第２図
は第１実施例の断面図、第３図は第１実施例の発振スペ
クトルを示す図、第４図は第２実施例の断面図、第５図
は第３実施例の断面図、第６図は第３実施例の発振スペ
クトルを示す図、第７図は従来例を示す図、第８図は他
の従来例を示す図である。１．４１．５１・・・活性層、２，４２．５２・・・導
波路層、３，４３．５３・・・グレーティング、４ａ、
４ｂ、５−・・電極、６・・一基板、７．８．９．４７
５７・・・クラッド層、１０・・・コンタクト層、１１
１２．１３−・−側面閉じ込めクラッド層、１４・・・
５ＩＮ４層、１５，４４．５４・・・利得領域、１６゜
４５．５５・・・波長可変領域、４６・・・非活性領域
、２１・・・０次モードの界分布、２２・・・１次モー
ドの界分布、２３−・・発振光

Claims

【特許請求の範囲】

１．レーザ共振器が、光波伝搬方向に沿って直列的に配
された利得領域と波長可変領域の少なくとも２つの領域
から構成される波長可変半導体レーザであって、活性層
と導波路層が中間クラッド層を挟んで積層された層構成
を有し、且つ、該波長可変領域においては該活性層と該
導波路層の光学的に結合する位置にグレーティングが形
成されていることを特徴とする波長可変半導体レーザ。
２．前記グレーティングはその周期が順方向伝搬モード
間結合を生じさせる様に調整されている請求項１記載の
波長可変半導体レーザ。
３．前記波長可変領域の活性層は出射端がレーザ共振器
軸に対して斜めに切断されている請求項１記載の波長可
変半導体レーザ。
４．前記波長可変領域の活性層の出射端側が一部非活性
部となっている請求項１記載の波長可変半導体レーザ。
５．前記導波路層が波長可変領域にのみ設けられている
請求項１記載の波長可変半導体レーザ。
６．前記活性層は多重量子井戸構造を有し、前記波長可
変領域には逆電圧が印加される請求頂１記載の波長可変
半導体レーザ。
７．前記層構成はｐｉｎ構造を有する請求項１記載の波
長可変半導体レーザ。