JPH06338659A - レ−ザ素子 - Google Patents
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Abstract
を含めた各種パラメータを制御性よく容易に製作できる
レ−ザ素子を提供しようとするものである。 【構成】光導波路13に沿って第一の周期構造12を有し、
この第一の周期構造12によって光帰還を行うレ−ザ素子
において、光導波路13の幅、厚さ、および屈折率の少な
くともいずれかの構造因子、レ−ザ媒質の組成、もしく
は第一周期構造である回折格子周期の連続的な変化が、
共振器軸方向の一部、あるいは全部にわたって第一の周
期構造より、第二、第三のあるいはそれ以上の次数の周
期構造で変化していることを特徴としている。この構成
であると、レーザ素子を製作する際、上記各種パラメー
タの良好な制御性を備えて、位相シフト量を自由に制御
できる。しかも位相シフト領域への光の集中が抑えら
れ、共振器で平坦な光の分布を得ることもできる。
Description
り、光導波路に沿って第一の周期構造を有し、この第一
の周期構造によって光帰還を行う分布帰還型および分布
反射型等のレ−ザ素子に関する。
(回折格子)を持つ分布帰還型レ−ザダイオ−ド(以
下、DFB−LDという)は、長距離大容量光通信等に
おいて、既に必須のものになっている。
ザ共振器両端面の反射率を最適に調節しない場合、必ず
しも単一モ−ドで発振しないことが当初より指摘されて
いる。(参考文献:William Streifer, Robert D. Burn
ham and Donald R. ScifresIEEE J. Quantum Electroni
cs, vol. QE-11, pp.154-161, April, 1975)そこで、
確実に単一縦モ−ドで発振させる方法として、レ−ザ共
振器内で導波光の位相を変化させる位相シフトの構造が
提案されている。(参考文献:“Antisymmetric taper
of distributed feedback lasers”H.A.Haus and C.V.S
hank IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-12,pp.
532-539, 1975)実際に単一モ−ド発振の効果が確認さ
れている構造は、レ−ザ共振器中央近傍において回折格
子の位相をπ(発振波長の位相にしてπ/2)だけ変化
させて両端面の反射を抑えた、λ/4(λ:素子の発振
波長)シフト型DFBレ−ザである。(参考文献:Utak
a et al. Electronics Letters, vol. 20, No.24, 198
4,pp.1008-1010)また、レ−ザ共振器中央近傍において
導波路の幅を変えて活性媒質の実効屈折率を変化させ
た、等価屈折率型λ/4シフト型DFBレ−ザも提案さ
れている。これは、実効屈折率を変化させた部分の前後
で導波光が位相の変化を経験するものである。つまり、
この構造では、通常の位相シフト型DFBレ−ザが回折
格子で集中的にシフトさせるのに対し、分布的に導波光
の位相をシフトさせるものである。(参考文献:Soda e
t al. IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-23, N
o.6pp.804-814, June, 1987)以上、回折格子自身の位
相を不連続とする方法および導波路の幅、並びに厚さを
変化させる二つが、現在公知とされている、主な位相シ
フト方法である。
題点を考察する。まず、回折格子をシフトさせるλ/4
シフト型DFBレ−ザについて述べる。λ/4シフト型
DFBレ−ザでは、光波の帰還量を示す結合係数κが大
きい場合、軸方向の光強度は、図6中のII線に示すよう
に、伝搬光が回折格子のシフト部に集中しやすい。これ
によって、軸方向ホ−ルバ−ニングを引き起こし、単一
モ−ド性を崩す等、レ−ザの性能を大きく損なってい
た。この原因の一つとしては、前述したように回折格子
で集中的に導波光の位相を変化させていることがあげら
れる。(参考文献:Soda et al. IEEE Journual of Q
uantum Electronics,vol. QE-23, No.6 June, 1987)
逆に、結合係数κが小さい場合には、図6中のIII 線に
示すように、共振器内の光が端面付近に集中して、やは
り軸方向の光強度分布が不均一になり、しきい値電流の
上昇や隣接モ−ドの抑圧比の低下を招いていた。
ザは、結合係数κの調節が非常に難しいものである。ま
た、製作工程においては、回折格子をシフトさせる方法
として、ネガレジストとポジレジストを用いる方法(参
考文献A)や、位相シフト膜を用いる方法(参考文献
B)等、種々の方法が提案されているが、歩留りの良い
確実な方法というものではない。(参考文献A:Electr
onics Letters, vol. 20, No.24, 1984, pp.1008-101
0)(参考文献B:電子情報通信学会研究報告 OQE86-
150)また、これらの回折格子を直接シフトさせる方法
は、回折格子シフト部で段差を生じたり、シフト部を境
に回折格子形状が違う等の問題も抱えている。
る位相シフト構造には、多くの問題点が、依然としてあ
る。次に、導波路の幅を変化させる等価位相シフト構造
について述べる。
る場合、通常、位相シフト領域は数十μmにわたるの
で、前述した回折格子位相を不連続とする方法に比べ、
位相シフト領域への導波光の集中はかなり抑えることが
できる。
むために、製作上の困難も無い。従って、回折格子を直
接シフトさせる位相シフト構造よりは、優れた位相シフ
ト構造であるといえる。
さえ、その幅の寸法の制御に精度が必要なのに、位相シ
フト部の幅、形状を正確に制御することは至難の技であ
る。従って、位相のシフト量の正確な調整が難しかっ
た。
変化部で、活性層の等価屈折率が急激に変化するため、
導波モ−ドと、等価屈折率変化部からの放射モ−ドとの
緩衝のため、図8に示すように、激しい凹凸を有するこ
とが多かった。この放射モ−ドの放射角度も予想がつき
にくく、制御するのが困難であった。素子の遠視野像
は、ファイバ等、他の光学素子への結合を考えると、凹
凸が少なく、かつ広がり角が小さいことが望ましい。
の分布帰還型レ−ザ素子で、単一モ−ドで発振させる構
造として、共振器内において、回折格子の周期が連続的
に変化した構造や、導波路の幅がテ−パ状に連続的に変
化した構造も提案されている。これにより、ファ−フィ
−ルドパタ−ンの乱れの問題は解決できる。
では、連続的に周期の変化した回折格子(チャ−プド回
折格子)の製作および素子上の所望の回折格子周期の特
定が製造上の難点であり、導波路の幅が連続的に変化し
た構造でも、やはり導波路の幅の制御性の困難さが依然
として残っている。
的に位相シフトを形成する方法としては、導波層の厚さ
を変化させる方法も考えられている(特開昭61−88
584)。
すなわち、基板に位相シフトに対応する溝をつけ、次に
成長する導波路の厚さを変化させるとすると、基板に形
成した回折格子は、従来のエッチング方法では平坦にな
ってしまう。従って、位相シフト領域中にも回折格子を
残すことは難しい。
分では、露出している部分の結晶の方位が異なるため
に、次に成長する導波層の結晶性が異なるばかりか、同
じ厚さに結晶成長しないため、活性層に段差を生じてい
た。
の位相シフトを得ることができなかった。このため、上
記の構造は、とても現実的なものとはいえなかった。ま
た、導波層を成長してから、回折格子を形成する方法
は、層構造が決定されているために、位相シフトり量は
制御しやすい。
化させてから回折格子を形成する場合、段差凹部にはフ
ォトレジストが凸部に比べて厚く塗布されるので、凹部
では回折格子形状、深さが違ったり、あるいは回折格子
が全く形成されなかったりした。
の回折格子形状、深さの制御性は著しく悪かった。とこ
ろで、コヒ−レント光通信等に用いるために、狭スペク
トル線幅を得る方法として、共振器内に複数の位相シフ
トを設ける方法も提案されている。(参考文献:Kimura
et al., Electron. Lett., vol. 23, 1987 pp.1014)
この素子構造を実現するために、従来の位相シフト方法
を用いた場合には、さらに製作が困難となっていた。
は勿論のこと、共振器に沿った一定の範囲に等価的に位
相シフト領域を設ける方法にも、その効果、制御性、生
産性に難点があった。
に、従来の構造では、次のような欠点があった。 (1)分布帰還型および分布反射型等のレ−ザ素子にお
ける結合係数κ等、共振器方向他の構造パラメ−タの制
御が困難であること。
影響、すなわち、放射モ−ドによる遠視野像の乱れがあ
ること、並びに位相シフト領域の精度および段差部の加
工が難しいこと。
とする軸方向ホ−ルバ−ニングの発生によって、素子の
性能が低下すること。本発明の目的は、上記欠点を克服
し、共振器方向に沿った結合係数をκを含めた各種パラ
メータを制御性よく容易に製作できるレ−ザ素子を提供
することにある。
するために、光導波路に沿って第一の周期構造を有し、
この第一の周期構造によって光帰還を行うレ−ザ素子に
おいて、光導波路の幅、厚さ、および屈折率の少なくと
もいずれかの構造因子、レ−ザ媒質の組成、もしくは第
一周期構造である回折格子周期の連続的な変化が、共振
器軸方向の一部、あるいは全部にわたって第一の周期構
造より、第二、第三のあるいはそれ以上の次数の周期構
造で変化していることを特徴としている。
二、第三あるいはそれ以上の次数の周期構造の構造因子
の変化の程度が、共振器軸方向の一部、あるいは全部に
わたって変調されていることを特徴としている。
回折格子よりも大きな周期で共振器方向に導波路構造パ
ラメータ(例えば幅,厚さ,等の幾何構造,レーザ媒質
の組成及び等価屈折率等)を変化させる二重の周期構造
を設けるものである。さらに場合によっては二重の周期
構造に加え同様に導波路構造パラメータを変化させた三
重,四重あるいはそれ以上の次数の周期構造を設けるも
のである。
制御が容易である大きい方の構造の変化の程度を共振器
方向に沿って変調するものである。第二の周期構造、及
びここで言う変調とは、例えば厚さを変化させた場合は
その厚い部分と薄い部分の比率を軸方向の場所によって
任意に変化させるような事をいう。
い周期を第二の周期構造とすれば、第二の周期構造によ
って導波路から放射される放射モードの出射の方向が予
測可能であると共に、導波される光波の帰還に寄与する
ことで放射モードの割合を少なくし遠視野像の乱れを抑
えることができる。
フト型レーザ素子の位相シフト領域の段差の変化の割合
が少なくて放射モードの影響が少ない場合、あるいは吸
収帯等を設けて放射光が導波光と干渉しないように工夫
されている場合等には、第二の周期構造が第一の周期構
造の整数倍であることにはこだわらない。このとき、共
振器内の任意の位置に任意量の位相シフトを設けること
もできる。
めには例えば少なくとも第二の周期構造を変調する訳で
あるが、その変化の割合は構造パラメータの周期的変化
を基本として、変調の程度によって制御することにな
る。つまり構造パラメータの変化の精度によるものでは
なく、変調の程度によって等価位相シフト構造が実現す
る。第二の周期構造は従来の等価位相シフト構造の位相
シフト領域長よりも小さいが、第一の周期構造よりも十
分大きいので制御が容易である。従って変調により設計
どおりの緩やかな等価位相シフト構造を得ることのでき
る素子構造である。
トもある。つまり第二の周期構造の変化は結合係数κ等
の共振器軸方向での変化も制御可能となることである。
また例えば第二の周期構造が第一の周期構造の整数倍の
場合は、活性層そのものの変調により、ゲイン/ロスの
周期構造による光帰還も実現できる。従って単一縦モー
ドでの発振能力を向上させることもできる。
ーザ素子を製作する際、上記各種パラメータの良好な制
御性を備えて、位相シフト量を自由に制御できる。しか
も位相シフト領域への光の集中を抑えて、共振器で平坦
な光の分布を得ることもできる。
は同一の参照符号を付し、重複する説明を避けることに
する。まず、この発明の第1の実施例に係わるレ−ザ素
子について説明する。
レ−ザ素子の断面構造を示す図で、(a)図は共振器中
央近傍にて結合係数κが位相シフト領域以外よりも小さ
くした例を示す断面図、(b)図は共振器中央近傍にて
結合係数κが位相シフト領域以外よりも大きくした例を
示す断面図である。
凸を設ける第一の構造を有するものである。図1におい
て、参照符号11はInP基板、参照符号12はInP
基板11上に形成された回折格子、参照符号13はIn
GaAs導波層、参照符号14はInGaAsP活性
層、参照符号15はInPクラッド層である。
一の周期的凹凸(回折格子12)にフォトリソグラフィ
で約2μm周期の第二の周期的凹凸を設ける。図1
(a)に示す例では、共振器中央近傍の位相シフト領域
で結合係数κが位相シフト領域以外の領域よりも小とな
る場合を示してある。結合係数κは回折格子が活性層に
近い程大きく、離れている場合には小さい。
(a)とは逆の結合係数κの配置としてある。基板に設
けた2μm程度の比較的浅い周期的凹凸は導波層の結晶
成長の際に十分に平坦に埋め込む事ができる。このよう
に、第二の周期的凹凸を変調して素子を製作する。
−ザ素子について説明する。図2は、この発明の第2の
実施例に係わるレ−ザ素子の平面図である。第2の実施
例は、共振器の幅を変調するものである。
方向の平面図を示してある。幅の広い部分では回折格子
12による導波光の帰還が大きく、狭い部分に比べゲイ
ン(レーザ利得)を大きくとることができる。よって、
幅の周期的変化に対応する等価屈折率による帰還だけで
なく、ゲインの周期化による帰還も可能である。これら
の構造がフォトリソグラフィでのパターニングのみで得
られる。
−ザ素子について説明する。図3は、この発明の第3の
実施例に係わるレ−ザ素子の断面図である。第3の実施
例は、第二の周期構造で活性層に周期的変調を設けるも
のである。
造パラメ−タを深くすると、第二の周期構造は、もはや
平坦に埋め込まれなくなり、活性層にも第二の周期と同
じ周期構造が生じる。この構造により回折格子による帰
還に加え、導波層,そして活性層の周期構造による光帰
還も実現できる。
−ザ素子について説明する。図4は、この発明の第4の
実施例に係わるレ−ザ素子の断面図である。第4の実施
例は、共振器内の複数ヶ所に位相シフト領域を設ける第
四の構造を有するものである。
調する構造は、前述した三つの実施例で明らかなように
共振器内の任意の位置に任意の位相シフト量で設けるこ
とができる。図4には、共振器内に厚さを変調する構造
を三ヶ所設けた実施例を示してある。
−ザ素子について説明する。図5は、この発明の第5の
実施例に係わるレ−ザ素子の断面図である。第5の実施
例は、周期が連続的変化した回折格子(チャープド回折
格子)のチャープを第二の周期で変調するものである。
図5に示すように、第5の実施例の場合、第二の周期構
造は、チャープド回折格子のチャープの周期である。
ト型の素子として用いる場合には、図1〜図5ではそれ
ぞれ、省略してあるが、素子の両端面に無反射膜を付着
することにより反射率を低下させ、最大の位相シフトの
効果が得られるようにしている。
線、またはIII 線に示されるように、結合係数κの変化
に対し、共振器内の光強度分布が非常に敏感であった
が、本発明によれば、光強度分布の偏りを自由に制御で
きる。例えば共振器中央部に第一の構造を用いて位相シ
フトを設けると、図6中のI線に示されるように、平坦
な光強度分布を得ることができる。
の特性を示す図で、(a)図はしきい値以下及びしきい
値以上の代表的な発振スペクトルを示す図、(b)図は
代表的な遠視野像の例を示す図である。
クトルでは、λ/4シフト型の特徴である阻止帯(スト
ップバンド)中央での共振ピークが見られる。また、図
7(a)に示されるしきい値以上のスペクトルでは、十
分に隣接モードの抑圧された単一縦モードで発振してい
ることがわかる。
を広げる構造での遠視野像が図8に示すように激しい凹
凸を持っていたのに対し、本発明の構造では図7(b)
のように滑らかで広がり角の小さなパターンを得てい
る。また、この素子は高出力,高速変調動作時にも十分
に隣接モードの抑圧のとれた単一縦モードで発振した。
しかも、このような優れた性能を持つ素子が同一半導体
基板から歩留り良く得られた。
でも第一の構造と製造方法を用いた素子と同様の性能お
よび歩留りが得られた。次に、第四の構造を用いて共振
器長を1.0mm,位相シフト領域を三ヶ所持つ素子を
製作した素子において、狭いスペクトル線幅が得られ
た。この様な通常よりも長い共振器では単一モード発振
とスペクトル線幅の狭搾のためには結合係数κを厳密に
制御する必要があるが、本発明を用いた場合比較的容易
にこれを制御することができた。
を用いた素子のみにでなく、AlGaAsや他の材料を
用いた素子にももちろん適用できる。さらに、光導波路
に沿って第一の周期構造を有し、この第一の周期構造に
よって光帰還を行う分布帰還型、あるいは分布反射型等
のレ−ザ素子であれば、この発明は、その効果を失うこ
となく有効に適用でき、そして、光通信の分野に、有効
に用いることが可能である。
共振器方向に沿った結合係数をκを含めた各種パラメー
タを制御性よく容易に製作できるレ−ザ素子を提供でき
る。
素子の断面構造を示す図で、(a)図は共振器中央近傍
にて結合係数κが位相シフト領域以外よりも小さくした
例を示す断面図、(b)図は共振器中央近傍にて結合係
数κが位相シフト領域以外よりも大きくした例を示す断
面図。
素子の平面図。
素子の断面図。
素子の断面図。
素子の断面図。
す図で、(a)図は代表的な発振スペクトルを示す図、
(b)図は代表的な遠視野像の例を示す図。
野像の例を示す図。
s導波層、14…InGaAsP活性層、15…InP
クラッド層。
Claims (2)
- 【請求項1】 光導波路に沿って第一の周期構造を有
し、前記第一の周期構造によって光帰還を行うレ−ザ素
子において、 前記光導波路の幅、厚さ、および屈折率の少なくともい
ずれかの構造因子、レ−ザ媒質の組成、もしくは第一周
期構造である回折格子周期の連続的な変化が、共振器軸
方向の一部、あるいは全部にわたって前記第一の周期構
造より、第二、第三のあるいはそれ以上の次数の周期構
造で変化していることを特徴とするレ−ザ素子。 - 【請求項2】 前記第一の周期構造より大きい第二、第
三あるいはそれ以上の次数の周期構造の構造因子の変化
の程度が、共振器軸方向の一部、あるいは全部にわたっ
て変調されていることを特徴とする請求項1に記載のレ
−ザ素子。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP05129420A JP3086767B2 (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | レ−ザ素子 |
US08/224,305 US5392311A (en) | 1993-05-31 | 1994-04-07 | Laser element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP05129420A JP3086767B2 (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | レ−ザ素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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