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外部共振器型波長可変半導体レーザ装置
JPH0548200A
Japan
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Kiyohiko Sano 清彦 佐野 Haruo Nakayama 晴雄 中山 Hiroshi Okamoto 紘 岡本 - Current Assignee
- Furukawa Electric Co Ltd
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Description
translated from
を行う光通信分野に用いられ、広帯域の波長変化が可能
な外部共振器型波長可変半導体レーザ装置に関するもの
である。
ト多重通信の要求が高い。このような分野で用いられる
光源としては、広い波長可変幅を有し、且つ発振スペク
トルが単一で、しかもスペクトル半値幅が狭いことが要
求される。このような要求に合致した半導体レーザ装置
としては、回折格子を用いた外部共振器型波長可変半導
体レーザ装置が一般的である。
半導体レーザ装置２９を図６に示すと、積層断面の一端
に無反射コーティング（ＡＲコーティング：アンチ，リ
フレクティブ，コーティング）が施されて無反射コーテ
ィング膜２６が形成されたファブリペロー共振器型半導
体レーザ素子２３と、このファブリペロー共振器型半導
体レーザ素子２３とは別に設けられたレンズ２４と、回
転軸２７を中心に回転自在な回折格子２５とから構成さ
れ、ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子２３から
の出射光をレンズ２４を用いて平行にすると共に、この
光を回折格子２５を用いて共振させ、さらに回折格子２
５の回転角を変えて波長を変化させるものである。尚、
２８は回折格子２５の格子軸である。
ピィーディに行う必要があるため、回折格子２５の回転
軸２７や格子軸２８の煽り角の微調にステッピングモー
ターやピエゾ素子が用いられている。
Ｗ（多重量子井戸）等の半導体レーザ素子の研究によっ
て、外部共振器型波長可変半導体レーザ装置の波長可変
幅が大幅に改善され、１００〜２５０ナノメートル幅で
波長変化が可能になっている。しかし、このように波長
可変幅が増大すると、回折格子２５の煽り角の微小なず
れ等によって生じる光路のずれが波長可変幅の中心部分
を除いて大きくなるので、回折格子２５からの反射光が
ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子２３の出射点
（活性層３０）に戻らない確率が高くなり、その結果、
光路調整に手間がかかると共に、回折格子２５を自動制
御するアリゴリズムが用いられなくなってしまう。
でその目的とするところは、短時間で、且つ精度良く波
長変化が行える外部共振器型波長可変半導体レーザ装置
を提供することにある。
の本発明の構成は、積層断面の一端が無反射コーティン
グ（ＡＲコーティング）されたファブリペロー共振器型
半導体レーザ素子と、レンズと、回折格子とから構成さ
れ、且つ該ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子が
前記レンズを介して前記回折格子と共振しうるように配
置されて成る外部共振器型波長可変半導体レーザ装置に
おいて、前記ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子
は、膜厚が一定で、且つ他面から前記積層断面に向かっ
て均一なストライプ幅からテーパー状に開口した形状、
又は、テーパー状に開口した後、再び均一のストライプ
幅に戻る形状の活性層を備え、しかも前記ファブリペロ
ー共振器型半導体レーザ素子のｐ−ｎ接合面と前記回折
格子の格子軸とが平行になるように配置されていること
を特徴とする。
の一端が無反射コーティング（ＡＲコーティング）され
たファブリペロー共振器型半導体レーザ素子２の活性層
１２が、膜厚は一定で、且つ他面から無反射コーティン
グ面に向かって均一なストライプ幅からテーパー状に開
口した形状、又はテーパー状に開口した後、再び均一の
ストライプ幅に戻る形状で形成され、しかもファブリペ
ロー共振器型半導体レーザ素子２のｐ−ｎ接合面と回折
格子４の格子軸５とが平行になるように配置されている
ので、大幅に波長を変化させた場合に仮に光路にずれが
生じても、回折格子４からファブリペロー共振器型半導
体レーザ素子２の活性層１２に何らかの戻り光が存在す
るため、光路調整に要する時間を著じるしく短縮するこ
とが可能となる。さらに、回折格子４の格子軸５と回転
軸６とを平行に、且つ回転軸６を活性層１２のｐ−ｎ接
合面と同一平面上に位置させる（図１においては点線で
示している。）ことにより、より精度良く、しかも短時
間で光路調整を行うことが可能となる。
する。
半導体レーザ装置１を示す正面図、図１(b) はその平面
図で、この外部共振器型波長可変半導体レーザ装置１
は、ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子２と、コ
リメートレンズ３と、回折格子４とで構成されており、
ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子２からの発振
光をコリメートレンズ３を用いて平行にすると共に、こ
の光を回折格子４で共振させ、さらに回折格子４の回転
角を変えて波長を変化させるものである。
振器型半導体レーザ素子２のｐ−ｎ接合面（本発明で
は、後述するファブリペロー共振器型半導体レーザ素子
２の活性層１２のストライプ方向（積層方向に対して垂
直）に対して平行に形成された面をいう。以下同じ。）
と回折格子４の格子軸５とが平行に配置されており、さ
らに、本実施例では回折格子４の回転軸６とｐ−ｎ接合
面とが点線７で示すように同一平面上に位置し、且つ図
１(b) に示すように、回折格子４の格子軸５と回転軸６
とが平行に形成されている。
２は図２に示すように、ｎ型のＩｎＰから成る半導体基
板８と、ｎ型のＩｎＰから成るクラッド層９と、禁制帯
幅が階段状に変化するノンドープのＧａＩｎＡｓＰから
成る光閉じ込め層１１（例えば、バンドギャップ波長に
換算して、１．３、１．２、１．１、１．０５マイクロ
メートル；厚さはそれぞれ３００オングストローム）
と、活性層１２と、禁制帯幅が階段状に変化するノンド
ープのＧａＩｎＡｓＰから成る光閉じ込め層１０（例え
ば、バンドギャップ波長に換算して、１．３、１．２、
１．１、１．０５マイクロメートル；厚さはそれぞれ３
００オングストローム）と、ｐ型のＩｎＰから成るクラ
ッド層１３，１４と、ｐ型のＧａＩｎＡｓＰから成るコ
ンタクト層１５と、ｐ型のＩｎＰ、およびｎ型のＩｎＰ
から成る埋め込み層１６，１７とで構成されている。
ノンドープのＧａＩｎＡｓから成る量子井戸層１８（例
えば、バンドギャップ波長１．６７マイクロメートル；
厚さ９０オングストローム）と、ノンドープのＧａＩｎ
ＡｓＰから成る障壁層１９，２０（例えば、バンドギャ
ップ波長１．３マイクロメートル；厚さ１５０オングス
トローム）とで構成された量子井戸構造で、量子井戸層
１８は障壁層１９に囲まれた状態で設けられている。こ
のように、量子井戸構造にすることにより波長可変幅を
広くすることが可能となるので有益である。
「岡本紘著、フォトニクスシリーズ４，超格子構造の光
物性と応用、第４章（昭和６２年１０月コロナ社発
行）」等に記載されているキャリアと光の閉じ込めを行
うための単独、もしくは複数の厚さ２０ナノメートル以
下の量子井戸層と、それを囲む障壁層から成る半導体の
層状構造をいう。また、発振波長の広帯域化のために
は、超格子の空間的量子サイズ効果によって生じるキャ
リアの量子準位間の複数の遷移が可能であるような量子
井戸構造であることが望ましい。また、量子井戸構造の
他の具体例としては、１．３，１．６マイクロメートル
帯のＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ−ＩｎＰ系、あるい
はＩｎＧａＡｓ−ＡｌＩｎＡｓ系、又は、０．９マイク
ロメートル帯のＧａＡｓ−ＡｌＧａＡｓ系、および可視
光領域のＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＰＡｓ、およびＡｌＧ
ａＩｎＰ系等が適用可能である。
２の一端面（ＡＲ端面）には無反射コーティングが施さ
れて、例えばシリコン窒化膜、又は、シリコン酸化膜等
より成る無反射コーティング膜２１が形成されており、
さらに活性層１２は図４に示すように、この一端面に向
かって均一なストライプ幅からテーパー状に開口した形
状で形成されている。尚、本実施例の活性層１２はテー
パー状に開口した後、再び均一なストライプ幅に戻る形
状で形成されている。
で、ｌ1 〜ｌ5 は活性層１２のそれぞれの寸法を示して
いる。ｌ1 はテーパー状に開口した後の均一なストライ
プ幅（以下、テーパ状の開口幅という。以下同じ。）、
ｌ2 はテーパー状に開口した後の均一なストライプの長
手方向の長さ、ｌ3 はテーパー状に開口したテーパー部
の長手方向の長さ、ｌ4 は均一なストライプの長手方向
の長さ、ｌ5 は均一なストライプ幅を示しており、均一
なストライプ幅 (＝ｌ5)は１〜５マイクロメートル、テ
ーパ状の開口幅（＝ｌ1）は１０〜１００マイクロメー
トル、活性層１２の共振器長（＝ｌ2 ＋ｌ3 ＋ｌ4）は
２００〜２０００マイクロメートルに形成される。
ロメートルよりも狭くするとエッチングの精度上、均一
な特性が得にくくなり、また５マイクロメートルよりも
大きくすると、出射光の横モードが単一にならなくな
る。また、テーパ状の開口幅（＝ｌ1）を１０マイクロ
メートルよりも狭くすると活性層１２への戻り光が少な
くなるので、光路調整時間の短縮効果が薄れてしまい、
１００マイクロメートルよりも広くすると発振しきい値
電流が著しく増大してしまう。さらに共振器長（＝ｌ2
＋ｌ3 ＋ｌ4）を２００マイクロメートルよりも短く、
あるいは２０００マイクロメートルよりも長くすると、
発振しきい値電流が著しく増大して発振駆動に支障をき
たしてしまう。
ザ素子２の製造方法を説明する。
上に、ｎ型のＩｎＰから成るクラッド層９と、ＧａＩｎ
ＡｓＰから成る光閉じ込め層１１と、量子井戸構造の活
性層１２と、ＧａＩｎＡｓＰから成る光閉じ込め層１０
と、ｐ型のＩｎＰから成るクラッド層１３，１４と、ｐ
型のＧａＩｎＡｓＰから成るコンタクト層１５とをＭＯ
ＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＭＢＥ法（分子線気
相成長法）等のエピタキシャル成長法により順次積層す
る。
チングを用いて、テーパ状に活性層１２の垂直メサを形
成した後、コンタクト層１５上にＳｉＯ2 膜を設け、し
かる後、２回目のＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）
等により埋め込み層１６，１７を選択成長する。
１５を除去した後、平坦化のために３回目のＭＯＣＶＤ
法（有機金属気相成長法）等で、クラッド層１３，１
４、およびコンタクト層１５を成長し、さらにコンタク
ト層１５上、および半導体基板８の下面に図示しない電
極を形成する。この電極を形成した後、予め予定してい
たファブリペロー共振器型半導体レーザ素子２の位置を
スクラブして壁開し、ファブリペロー共振器型半導体レ
ーザ素子２の一端面に、Ｎ2 ガスとＳｉＨ4 ガスとの混
合気体を用いると共に、プラズマＣＶＤ法（プラズマ気
相成長法）等にてシリコン窒化膜から成る無反射コーテ
ィング膜２１を形成する。尚このシリコン窒化膜の反射
率は１％以下に設定されている。
ペロー共振器型半導体レーザ素子２の光励起スペクトル
は、１．４０マイクロメートル、および１．５４マイク
ロメートルでピーク値を持ち（これは、量子井戸構造に
よって発生したサブバンド間の２つの遷移を意味してい
る）、キャリアーを高注入した時に両波長間で光強度が
比較的高く、且つプラトーであるゲインスペクトルが得
られるため、外部共振器型波長可変半導体レーザ装置１
に用いた場合、１６０ナノメートル以上の長い波長範囲
での単一波長発振が可能である。
変半導体レーザ装置１を駆動させた時の発振しきい値
と、光路調整に要した時間とを従来例１、および比較例
１と共に表１に示す。
層１２のぞれぞれの寸法を示し、Ｉthは波長１．５０マ
イクロメートルで発振させた時の発振しきい値、ｔ1 は
所定の波長から所望の波長に変化させた際に要した光路
調整時間である。
が行われた実施例１，２（本発明の外部共振器型半導体
レーザ装置１）の場合は、従来例１とほぼ同一のＩth値
を示し、実際の使用時に不都合がないことが確認でき
た。尚、テーパー状の開口幅（＝ｌ1 ）を異常に大きく
設定した比較例１では、非常に大きなＩth値になってし
まい、これは、導波路構造が異形になったことによる共
振効率の低下によるものと考えられる。
メートルの発振状態から、１．４０マイクロメートルに
至までに要した時間を測定した結果、従来例１に比べて
光路調整時間を著しく短縮できた。
ーザ装置１によれば、本装置を構成するファブリペロー
共振器型半導体レーザ素子２の活性層１２が、膜厚は一
定で、且つ無反射コーティング面に向かって均一なスト
ライプ幅からテーパ状に開口した形状、又は、テーパ状
に開口した後また均一のストライプ幅に戻る形状で形成
され、しかもファブリペロー共振器型半導体レーザ素子
２のｐ−ｎ接合面と回折格子４の格子軸５とが平行にな
るように配置されているので、大幅に波長を変化させた
場合に仮に光路にずれが生じても、図５に示すように回
折格子４からファブリペロー共振器型半導体レーザ素子
２の活性層１２に点線で示す何らかの戻り光２２が存在
するため、光路調整時間を著じるしく短縮することが可
能となる。さらに、本実施例のように、回折格子４の格
子軸５と回転軸６とを平行に、且つ回転軸６と活性層１
２のｐ−ｎ接合面とを同一平面上に位置させておけば、
より精度良く、光路調整を行うことができる。
ーザ装置によれば、本装置を構成するファブリペロー共
振器型半導体レーザ素子の活性層が、膜厚は一定で、且
つ無反射コーティング面に向かって均一なストライプ幅
からテーパ状に開口した形状で形成され、しかもファブ
リペロー共振器型半導体レーザ素子のｐ−ｎ接合面と回
折格子の格子軸とが平行になるように配置されているの
で、短時間で、且つ精度良く波長変化が行える外部共振
器型波長可変半導体レーザ装置を提供することができ
る。
る。 図１(b) は本発明の一実施例を示す平面図である。
Claims (3)
Hide Dependent
translated from
- 【請求項１】 積層断面の一端が無反射コーティング
（ＡＲコーティング）されたファブリペロー共振器型半
導体レーザ素子と、レンズと、回折格子とから構成さ
れ、且つ該ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子が
前記レンズを介して前記回折格子と共振しうるように配
置されて成る外部共振器型波長可変半導体レーザ装置に
おいて、前記ファブリペロー共振器型半導体レーザ素子
は、膜厚が一定で、且つ他面から前記積層断面に向かっ
て均一なストライプ幅からテーパー状に開口した形状の
活性層を備え、しかも前記ファブリペロー共振器型半導
体レーザ素子のｐ−ｎ接合面と前記回折格子の格子軸と
が平行になるように配置されていることを特徴とする外
部共振器型波長可変半導体レーザ装置。 - 【請求項２】 前記回折格子の格子軸と回転軸とが平行
で、且つ該回転軸が前記ファブリペロー共振器型半導体
レーザ素子のｐ−ｎ接合面と同一平面上に位置すること
を特徴とする請求項１記載の外部共振器型波長可変半導
体レーザ装置。 - 【請求項３】 前記活性層が量子井戸構造で、且つ均一
なストライプ幅が１〜５マイクロメートル、テーパー状
の開口幅が１０〜１００マイクロメートル、しかも長手
方向（共振器長）の長さが２００〜２０００マイクロメ
ートルであることを特徴とする請求項１、又は２記載の
外部共振器型波長可変半導体レーザ装置。