JPH06125138A - レーザ装置 - Google Patents
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Abstract
かつ単一モード選択性の高いレーザ装置を得ることを目
的とする。 【構成】複数の分布型反射器4a、4bと出力端部20
とが結合器を介して共振器を構成し、共振モードを制御
する位相制御手段17a、17bを設けた。
Description
よび光計測の光源として有用な、広帯域波長可変機能を
有する高出力単一モード発振半導体レーザに関する。
にむけて、コヒーレント光伝送方式の実用化が待ち望ま
れている。光を周波数レベルで制御するこの新しい技術
のキーデバイスとなる、コヒーレント光源としての半導
体レーザには非常に大きな期待が寄せられているが、今
後解決していかなければならない課題もいまだ山積して
いるのが現状である。コヒーレント光伝送方式の一つと
して有望視されている光ヘテロダイン方式では、送信側
の信号光と受信側の局発光とを干渉させその干渉成分か
ら信号を取出すことから、1本のファイバで周波数の異
なった複数の信号を同時に転送することが可能である。
そこで、光源として使用されるレーザには高出力の単一
縦モード発振を行えること、周波数チューニングを十分
高速で行えること、1つのチャンネルで送られる信号が
より正確且つ高密度となるようにスペクトル線幅ができ
るだけ狭いこと、1つの光源で送信できるチャンネルが
多数確保できるように波長の可変幅ができるだけ広いこ
と等の要求がある。これらの要求は、半導体レーザが光
計測用の光源として用いられる場合でも、分解能、測定
帯域、測定速度といった名目に置換えられるだけで、同
様に求められることには変りはない。
る半導体レーザを述べる。波長可変単一縦モード発振レ
ーザとしてよく知られているものに、発光領域と結合さ
れた波長制御領域に一様ピッチΛの回折格子が設けられ
た分布ブラッグ反射型レーザ(以下、DBRレーザとい
う。)がある。ピッチΛの回折格子はλ=2nΛ(nは
導波路の等価屈折率)の波長のみを反射するので、これ
を利用して単一縦モード発振を得ることができ、さらに
波長制御領域にキャリアを注入してプラズマ効果によっ
て波長を変化させることができる。しかし、一様のピッ
チの回折格子によって生じる反射では回折波長は1つの
値だけに限られてしまい、プラズマ効果による等価屈折
率の変化量も高々数%であることから、波長の可変幅は
最大でも10nm程度とされている。
単一モード選択を行う方法として、図7に上面図を示す
Y字型の導波路を有するいわゆる複合共振器レーザがあ
る。このレーザは1つの発光領域3の導波路で発せられ
た光を結合器16を経由して波長制御領域21の2つの
導波路へと導き、2つの共振手段を形成するものであ
る。2つの共振手段により2種類のファブリペローモー
ドを得て、それらのモードうちで波長が重なるモードだ
けが発振するようにしたものである。波長の変化は、波
長制御領域21中の導波路に電流を流し、それぞれの実
効共振器長を変化させてモードの重なる波長を変えるこ
とで行うことができる。このレーザによれば広い範囲の
モード選択が可能でかつ十分な出力が得られるが、ファ
ブリペローモードの隣接モード間隔は極めて小さく(通
常では数オングストローム程度である。)、複数のモー
ドで同時に発振してしまうことが多い。
一波長選択性を備えながら、広い範囲でのモード選択を
得る方法として、分布型反射器に、回折格子のピッチを
一様とせず、ピッチをピッチΛaからピッチΛbまでチ
ャープ状に変化させ、それが超周期Λsで繰返す超周期
構造回折格子22(以下、SSGという。)を使用する
SSG−DBRレーザがある。これは図8に斜視図を示
すように互いに超周期の異なる2種類のSSGを発光領
域3の両側に結合したもので、各々のSSG内部には、
最大ピッチΛaに対応する発振モード波長λaから最小
ピッチΛbに対応する発振モード波長λbまでの間に複
数の反射モードが拮抗する反射率で存在する。反射モー
ド間隔は超周期Λsの逆数に比例して決るので、2種類
のSSGの超周期Λsを変えておくことで、ただ1つの
モードだけが一致して発振に至る。さらに、SSGに電
流を注入して実効ピッチを一様に変化させると、今度は
別のモードが一致して発振波長が変化する。この方式に
よれば半導体レーザの通常の利得帯域である100nm
のほぼ全域にわたる波長掃引が可能だとされている。し
かし、2つのSSGが発光領域の両側にあって1つの共
振器を構成する構造では、レーザ光の出射は2つのSS
Gのうちのいずれか一方をとおして行われるため、SS
Gの高い反射率によって出力は抑えられてしまい、数m
Wが限界となっている。
域での波長掃引は望めないものの、ほぼ同様の効果が得
られる反射器として、サンプルドグレーティングを使用
したDBRレーザも考えられる。しかし、この場合もレ
ーザとしての構造は図8のSSGを用いたDBRレーザ
とほぼ同じで、分布ブラッグ反射器がSSGからサンプ
ルドグレーティングに置き代わっただけであり、光は反
射器を経由して出射されるためやはり出力が小さいとい
う欠点は免れない。
た、単一の反射ピークしか持たない分布型反射器を利用
した分布反射型レーザでは、出力は大きく、単一モード
性も良好であるが、波長変化量は屈折率変化量に比例す
るだけなので、数10nmにおよぶような広帯域可変は
期待できない。また、従来の技術2で述べた、回折格子
を持たないY字型の導波路を有するいわゆる複合共振器
レーザでは、広帯域波長変化が可能で出力も大きいもの
の、単一モード選択性は不十分である。さらに、従来の
技術3及び4で述べた、SSGまたはサンプルドグレー
ティングを反射器として発光領域の両側に備えたDBR
レーザでは、広い波長可変範囲にわたってサイドモード
抑圧比の大きい単一モード発振を得ることができるが、
光の出射が反射器を透過する形で行われるため出力が不
十分である、という問題がある。すなわち、広帯域の波
長可変特性を有し、出力が大きく、かつ単一モード選択
性の高いレーザを得ることが本発明の目的である。
るための手段を述べる。
の選択性を向上させるため、二つのモードを発生する共
振手段を、出力端部20と回折格子5a、5bを備えた
二つの分布型反射器4a、4bとで構成する。出力端部
20は素子の一方の端面に存し、別の端面側には分布型
反射器があり、二つの分布型反射器4a、4bは並列に
配置される。これら分布型反射器と出力端部で構成され
る共振手段により発生する二つの共振モードを内部で結
合させるため、Y分岐を作る結合器16を備える。さら
にそれら2つの共振モードを一致させるために、結合器
と2つの分布型反射器との間にそれぞれ位相制御手段1
7a、17bを並列して配し、位相を調整する。
記載した2つの分布型反射器4a、4bにおいて、それ
ぞれが適当な間隔を持って複数の回折波長を有するよう
に、それぞれの分布型反射器の導波路にそれぞれ異なっ
た周期を有し、かつその周期が2回以上繰り返される温
度分布を生成させる手段を備えた。
記載した2つの分布型反射器4a、4bにおいて、それ
ぞれが適当な間隔を持って複数の回折波長を有するよう
に、分布型反射器の回折格子がそれぞれ異なった周期を
持って繰り返すチャープ状のピッチを有する。
記載した2つの分布型反射器において、それぞれが適当
な間隔を持って複数の回折波長を有するように、分布型
反射器が、回折格子の存在する導波路部分と存在しない
導波路部分とがそれぞれ異なった周期をもって2回以上
繰り返される構造を有する。
する位相制御手段と分布型反射器の屈折率を変化させる
波長制御手段に加熱手段を用いた。
発明では、発光領域に注入される電流によって発した光
は、結合器によって2つに分岐され、それぞれが第1お
よび第2の分布型反射器によってそれぞれ特定のモード
を選択されて回折され、さらに結合器を通過することで
再び1つの光に結合される。このとき、第1および第2
の分布型反射器の回折光のなかから、両者の波長が一致
する波長でレーザ発振が起る。各分布型反射器の屈折率
をそれぞれの波長制御手段によって適当に変化させる
と、各分布型反射器の回折波長がシフトし、先程とは異
なる波長で一致が生じて発振波長が変化する。ただし、
コヒーレントな光の結合に際しては、2つの共振器での
ファブリペローモードの一致が必要であるが、これはそ
れぞれの位相制御領域に第1及び第2の分布型反射器に
より回折される光の位相をそれぞれ制御するための第1
及び第2の位相制御手段を備えることで調整している。
をもつ回折格子を有する分布型反射器を加熱手段により
加熱し、導波路内に周期的な温度分布をつくり、回折格
子の実効的周期を変調させて、1つの反射器に適当な間
隔をもつ複数の回折波長を持たせることができる。ピッ
チΛの回折格子のブラッグ波長はλ=2nΛであり、等
価屈折率nが温度により変化するので、それぞれの回折
格子のブラッグ波長は温度分布中の最大温度Taに対応
するλaから最小温度Tbに対応するλbまでの帯域に
複数のピークとして分布する。温度分布がΛsの周期を
持っているとすれば、回折格子の有する回折のピークは
Δλ=λ02 /2nΛsの間隔で分布することになる。
2つの反射器の回折ピークが同時に2つ以上一致してし
まうと単一モード発振にならないので、2つの反射器の
Λsは異なる大きさでなければならない。
4a、4bの内部の回折格子自体がチャープ構造を持つ
ことによって複数の回折波長を有し、かつチャープの周
期(超周期)Λsが第1の分布型反射器と第2の分布型
反射器とで互いに異なるため、双方の複数の反射モード
のなかで波長の一致するモードのみで発振が起きる。さ
らに波長制御手段を駆使してこの波長の一致するモード
を変えてやることで、発振波長は大きく変化する。
4a、4bの内部に、回折格子のある領域とない領域と
が一定の周期Λsを持って交互に連続し、かつ第1の分
布ブラッグ反射器内部のΛsと第2の分布ブラッグ反射
器内部のΛsとが異なる値を持つことで、請求項2の発
明と同様の作用を有する。
4a、4bと位相制御領域11a、11bの導波路の屈
折率を加熱することによりおこなっているので、プラズ
マ効果を利用した方式では不可避な損失の低下やスペク
トル線幅の劣化は生じない。
装置は部分透過・部分反射特性を有する出力端部20を
有しているので、出射光は充分な強度を持って出射され
る。
実施例を図1および図2を用いて説明する。図1(A)
は上面図、図1(B)はイ−ロでの断面図である。ま
ず、製造方法を述べる。p型InPの基板1上に、1.
55μmのエネルギーギャップをもつInGaAsPの
活性層2(図示せず。)を成長し、これをエッチングに
よって発光領域3の導波路部分を残してすべて除去す
る。続いて、分布型反射器4aとなる部分にピッチが6
7.5μm周期で2460Åから2380Åまでチャー
プする回折格子5aを、分布型反射器4bとなる部分に
ピッチが75μm周期で2460Åから2380Åまで
チャープする回折格子5bを、ともに電子ビーム描画法
を用いて形成し、先程の活性層2を除去した部分に1.
3μm帯のエネルギーギャップを持つInGaAsPの
ガイド層6を成長したあと全面にInPのクラッド層7
を成長する。
を模式的に表したのが図2である。超周期構造回折格子
は、最大ピッチΛaに対応する回折波長λaから最小ピ
ッチΛbに対応する回折波長Λbまでの間の波長領域
に、Λsに反比例する間隔で複数の回折波長を有する。
その後、メサエッチングによって結合部16によって結
合されたY字型導波路を形成し、この導波路をn型In
Pの電流阻止層およびp型の電流阻止層(図示せず。)
によって埋め込み、電流狭窄と光の横方向閉じ込めを行
う。さらに、発光領域3に電流を注入するためのn型の
電極10aと、分布型反射器4a、4b及び位相制御領
域11a、11bの屈折率を変化させる波長制御手段1
8a、18b、位相制御手段17a、17bのための電
流を流すために必要なn型の電極10b、10cをそれ
ぞれのクラッド層上面に蒸着によって形成する。このあ
と基板を厚さ100μmまで研磨し、研磨面にp型の電
極10dを蒸着およびアロイングによって形成する。分
布型反射器4a、4bを共振器の片側の反射面とし、出
力端部20を反対側の反射面とする共振手段の場合、共
振手段の実効的な光学長は分布型反射器4a、4bの反
射効率によって異なるため、分布型反射器を2つ使用し
て共振手段を複数形成する場合には、2つの共振手段に
固有のファブリペローモードを一致させる必要がある。
この実施例では、位相制御領域の導波路の上面に電極を
設け、位相制御手段17a、17bとして電流を注入し
て位相制御領域11a、11bの導波路の屈折率を変化
させているが、後述する請求項5に記載の発明のように
Au薄膜抵抗により加熱して位相制御領域11a、11
bの導波路の屈折率を変えることもできる。
2の発明の実施例を図3を用いて説明する。図3(A)
は上面図、図3(B)はイ−ロでの断面図である。請求
項1に記載の発明の分布型反射器4a、4bはそれぞれ
一様ピッチΛの回折格子を有するとし、これらの導波路
にそれぞれ異なった周期を有し、且つその周期が2回以
上繰り返される温度分布を生成するため、分布型反射器
4a、4bの上面に、それぞれ波長制御手段18a、1
8bのための電極10cおよび絶縁のためのSiO2の
絶縁膜12を介して、Au薄膜抵抗13を形成する。A
u薄膜抵抗13は、電流を流すためのワイアを結線する
ための2つのパッド部と発熱するストライプ部分とから
なる。ただし、第1の分布型反射器4aと第2の分布型
反射器4bでは、生成される温度分布の周期が異なるよ
うに、Au薄膜抵抗13の発熱量分布の周期を変えてお
く必要がある。ここに図示した例では、多数のAu薄膜
抵抗13をそれぞれ異なる間隔で配置することで、発熱
量分布を異なる間隔にしている。
分布型反射器4a、4bの導波路の温度分布の一例とし
て、Au薄膜抵抗13を厚さ1000Å、ストライプ幅
10μm、長さ100μmとして、それぞれ0.2Wま
たは0.4Wずつ電力を与えたときの数値解析によるシ
ミュレーション結果を示す。横軸の座標は相対的位置を
示す。温度差が10℃あると、実効ブラッグ反射波長は
約1.1nm異なる。
例を図5を用いて説明する。分布型反射器の内部の回折
格子を図5(A)に模式図を示すサンプルドグレーティ
ングとして形成することでも、請求項2に記載の発明と
同様の機能が得られる。図5(B)は図5(A)に示す
サンプルドグレーティングにおいてΛ=2350Å、等
価屈折率n=3.6875、Λs=45μm、Z=5μ
m、分布型反射器の領域長を500μmとしたときの分
布型反射器の反射特性の計算値を示した図である。1.
55μmを中心として全体で約60nmのモード選択が
可能であることを示している。この回折格子の超周期Λ
sを互いに変えた第1および第2の分布型反射器を形成
する。
よび請求項5の発明の実施例を図6を用いて説明する。
図6(A)は分布型反射器と位相制御領域の上面図、図
6(B)はイ−ロでの断面図である。分布型反射器4b
の上部は見やすくするため、Au薄膜抵抗13は記載し
ていない。以上述べてきた実施例では、分布型反射器4
a、4bと位相制御領域11a、11bの導波路の屈折
率を制御するため、電流注入用の電極を導波路の上部に
形成し、電流を注入することにより行なってきた。しか
し、この場合、損失の増大や屈折率の揺らぎによるスペ
クトル線幅の劣化という問題が残る。そこで、位相制御
領域11a、11bおよび分布型反射器4a、4bの上
面には、絶縁のためのSiO2膜の絶縁膜12を介して
加熱手段14としてAu薄膜抵抗14a、14bを形成
する。この実施例では実施例2と同様に、SiO2の絶
縁膜12を介してさらにAu薄膜抵抗13を設け、加熱
して、導波路に温度分布を生成している。Au薄膜抵抗
14aは、分布型反射器の屈折率を変えて波長を制御す
る分布型反射器の屈折率を変えて波長を制御する波長制
御手段18a、18bとなる。また、Au薄膜抵抗14
bは、分布型反射器により回折される光の位相をそれぞ
れ制御するための位相制御手段17a、17bとなる。
その結果、実際に作製した素子では、しきい値電流15
mA、100mA時で10mWの高出力が得られ、可変
幅も40nm以上が確保された。しかも熱による屈折率
変化は導波路の損失がほとんど増大しないため、定出力
動作での波長掃引においても、駆動電流の増大は高々2
割程度に抑えられた。また、サイドモード抑圧比も常に
30dB以上であり、良好な単一モード特性が得られ
た。以上、いずれの図においてもスケールは明記してい
ない限りは任意であり、導波路の幅、回折格子の形状、
薄膜抵抗のストライプ幅など微細な部分は強調して描い
ている。また複合共振器の形成方法は、Y字型結合器に
よらずとも、結晶面を利用するなどして半導体基板上に
反射面を形成して結合させる方法や、ハイブリッド方式
にする方法なども、本発明の請求項の範疇に含まれるも
のとする。
記載の発明では、半導体レーザの利得帯域全体に匹敵す
る広帯域発振波長モード選択が可能となるうえ、出力も
通常の半導体レーザと遜色のない高出力が得られる。請
求項5に記載の発明では、波長制御手段、位相制御手段
として加熱手段を用いたので、損失の増大やスペクトル
線幅の劣化といった問題は生じない。
上面図及び断面図である。
構造を説明する模式図である。
上面図、及び断面図である。
布のシミュレーション結果の一例である。
模式図、及び計算値を示した図である。
実施例の上面図、及び断面図である。
Claims (5)
- 【請求項1】発光領域から発せられた光を共振手段を介
して出射するレーザ装置において、部分透過・部分反射
特性を有する出力端部(20)と;第1のモードの光を
共振する共振手段を前記出力端部とともに構成する第1
の回折格子を備えた第1の分布型反射器(4a)と;第
2のモードの光を共振する共振手段を前記出力端部とと
もに構成する第2の回折格子を備えた第2の分布型反射
器(4b)と;前記第1及び第2のモードの光を結合す
るための結合器(16)と;前記第1及び第2の分布型
反射器により回折される光の位相をそれぞれ制御するた
めの第1及び第2の位相制御手段(17a、17b)
と;前記第1及び第2の分布型反射器の屈折率を変えて
波長を制御する波長制御手段(18a、18b)とを有
することを特徴とするレーザ装置。 - 【請求項2】第1の分布型反射器が導波路上に第1の周
期を有し、かつ該周期が2回以上繰り返される温度分布
を生成する手段を備え、第2の分布型反射器が導波路上
に第2の周期を有し、かつ該周期が2回以上繰り返され
る温度分布を生成する手段を備えたことを特徴とする請
求項1記載のレーザ装置。 - 【請求項3】第1の回折格子が第1の周期を持って繰り
返すチャープ状のピッチを有し、第2の回折格子が第2
の周期を持って繰り返すチャープ状のピッチを有するこ
とを特徴とする請求項1記載のレーザ装置。 - 【請求項4】第1の分布型反射器が回折格子の存在する
導波路部分と存在しない導波路部分とが第1の周期をも
って2回以上繰り返される構造を有し、第2の分布型反
射器が回折格子の存在する導波路部分と存在しない導波
路部分とが第2の周期をもって2回以上繰り返される構
造を有することを特徴とする請求項1記載のレーザ装
置。 - 【請求項5】請求項1、請求項2、請求項3または請求
項4に記載の発明において、前記位相制御手段と前記波
長制御手段に加熱手段を用いたことを特徴とするレーザ
装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29797192A JP3220259B2 (ja) | 1992-10-10 | 1992-10-10 | レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29797192A JP3220259B2 (ja) | 1992-10-10 | 1992-10-10 | レーザ装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06125138A true JPH06125138A (ja) | 1994-05-06 |
JP3220259B2 JP3220259B2 (ja) | 2001-10-22 |
Family
ID=17853466
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP29797192A Expired - Lifetime JP3220259B2 (ja) | 1992-10-10 | 1992-10-10 | レーザ装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3220259B2 (ja) |
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