JP7655404B2 - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ Download PDF

Info

Publication number
JP7655404B2
JP7655404B2 JP2023568777A JP2023568777A JP7655404B2 JP 7655404 B2 JP7655404 B2 JP 7655404B2 JP 2023568777 A JP2023568777 A JP 2023568777A JP 2023568777 A JP2023568777 A JP 2023568777A JP 7655404 B2 JP7655404 B2 JP 7655404B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
semiconductor laser
layer
waveguide
refractive index
wavelength
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2023568777A
Other languages
English (en)
Other versions
JPWO2023119366A1 (ja
Inventor
浩司 武田
慎治 松尾
拓郎 藤井
徹 瀬川
圭穂 前田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTT Inc
NTT Inc USA
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc USA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp, NTT Inc USA filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Publication of JPWO2023119366A1 publication Critical patent/JPWO2023119366A1/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP7655404B2 publication Critical patent/JP7655404B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1003—Waveguide having a modified shape along the axis, e.g. branched, curved, tapered, voids
    • H01S5/101—Curved waveguide
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/028—Coatings ; Treatment of the laser facets, e.g. etching, passivation layers or reflecting layers
    • H01S5/0287—Facet reflectivity
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
    • H01S5/0612—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature controlled by temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/0625—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in multi-section lasers
    • H01S5/06255—Controlling the frequency of the radiation
    • H01S5/06256—Controlling the frequency of the radiation with DBR-structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/0625—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in multi-section lasers
    • H01S5/06255—Controlling the frequency of the radiation
    • H01S5/06258—Controlling the frequency of the radiation with DFB-structure
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/065—Mode locking; Mode suppression; Mode selection ; Self pulsating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/1028—Coupling to elements in the cavity, e.g. coupling to waveguides adjacent the active region, e.g. forward coupled [DFC] structures
    • H01S5/1032—Coupling to elements comprising an optical axis that is not aligned with the optical axis of the active region
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/1206—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers having a non constant or multiplicity of periods
    • H01S5/1209—Sampled grating

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

本発明は、回折格子を有し、高温動作できる半導体レーザに関する。
近年、インターネットにおいて急激に増大する伝送容量に対応するため、光デバイスの省電力化が必要とされ、とくに、室温から高温の広い温度範囲で動作できる半導体レーザが必要とされている。
また、光電子デバイスのモジュール実装の高密度化にともない、デバイス温度が増加するので、高温で動作できる半導体レーザが必要とされている。
従来、半導体レーザは、例えば、ＤＦＢレーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ、分布帰還型レーザ）は、量子井戸構造の活性層と回折格子などの共振器構造からなる構成により、単一モードで発振できる（非特許文献１、２）。ここで、良好なレーザ特性を得るためには、活性層の利得波長と共振波長とが一致することが必要である。
T. Fujii et al., "Heterogeneously Integrated Membrane Lasers on Si Substrate for Low Operating Energy Optical Links," in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 24, no. 1, pp. 1-8, Jan.-Feb. 2018, Art no. 1500408, doi: 10.1109/JSTQE.2017.2778510. "Widely tunable laser with lattice filter on Si photonic platform," Takuma Aihara, Tatsurou Hiraki, Takuro Fujii, Koji Takeda, Tai Tsuchizawa, Takaaki Kakitsuka, Hiroshi Fukuda, Shinji Matsuo, Compound Semiconductor Week 2021 (CSW 2021) TuA2-5 2021年05月 M. Chacinski, M. Isaksson and R. Schatz,"High-speed direct Modulation of widely tunable MG-Y laser," in IEEE Photonics Technology Letters, vol. 17, no. 6, pp. 1157-1159, June 2005, doi: 10.1109/LPT.2005.846489. S. Paul et al., "10-Gb/s Direct Modulation of Widely Tunable 1550-nm MEMS VCSEL," in IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 21, no. 6, pp. 436-443, Nov.-Dec. 2015, Art no. 1700908, doi: 10.1109/JSTQE.2015.2418218. K. Hasebe, T. Sato, K. Takeda, T. Fujii, T. Kakitsuka and S. Matsuo, "High-Speed Modulation of Lateral p-i-n Diode Structure Electro-Absorption Modulator Integrated With DFB Laser," in Journal of Lightwave Technology, vol. 33, no. 6, pp. 1235-1240, 15 March15, 2015, doi: 10.1109/JLT.2014.2383385. Gladyshev, A.G., Novikov, I.I., Karachinsky, L.Y. et al., "Optical properties of InGaAs/InGaAlAs quantum wells for the 1520-1580 nm spectral range," Semiconductors 50, 1186-1190 (2016). https://doi.org/10.1134/S1063782616090098.
従来のＤＦＢレーザでは、利得波長の温度依存性と屈折率の温度依存性が異なるために、動作温度を変えると材料利得と発振波長の不一致が生じ、特性が劣化する。
そこで、従来のＤＦＢレーザでは、高温で良好な特性で動作させるために、温度コントローラを備えて低温で動作させる構成、又は半導体変調器や半導体光増幅器などを一体集積する構成、活性層に高温動作に優れる材料を用いる構成などが開示されている（非特許文献３～６）。
しかしながら、これらの構成は複雑であるため、製造プロセスの複雑化、製造コストの増加などが問題となっていた。
上述したような課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザは、半導体レーザであって、順に、第１の半導体層と、活性層と、第２の半導体層とを備える導波路構造と、前記活性層の一方の側面に接して配置されるｐ型半導体層と、前記活性層の他方の側面に接して配置されるｎ型半導体層と、前記活性層の導波方向の一端に光学的に結合される反射器と、前記活性層の導波方向の他端に光学的に結合される導波路層と、前記導波路層の下面と上面とのいずれか一方に配置される回折格子と、前記導波路層の屈折率を変化させる屈折率制御部とを備え、前記屈折率制御部により前記導波路層の屈折率が変化し、前記導波路層のブラッグ波長が長波長側にシフトし、前記導波路層のブラッグ波長と、前記反射器の長波長側の共振波長とが、前記半導体レーザの温度が増加するときに長波長側にシフトする前記活性層の利得ピークに一致し発振することを特徴とする。
また、本発明に係る半導体レーザの制御方法は、活性層と、前記活性層の導波方向の一端に光学的に結合される反射器と、前記活性層の導波方向の他端に光学的に結合され、回折格子を有する導波路層と、前記導波路層の屈折率を変化させる屈折率制御部とを備える半導体レーザの制御方法であって、前記屈折率制御部により前記導波路層の屈折率を変化させ、前記導波路層のブラッグ波長を長波長側にシフトさせ、前記導波路層のブラッグ波長と、前記反射器の長波長側の共振波長とを、前記半導体レーザの温度が増加するときに長波長側にシフトする前記活性層の利得ピークに一致させ発振させることを特徴とする。
本発明によれば、簡易な構成で良好な高温動作を実現できる半導体レーザを提供できる。
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す上面透視図である。 図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示すＩＢ－ＩＢ’断面図である。 図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示すＩＣ－ＩＣ’断面図である。 図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの動作を説明するための図である。 図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの動作を説明するための図である。 図２Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの動作を説明するための図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの動作を説明するための図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す上面透視図である。 図５は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの構成の一例を示す上面透視図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの構成の一例を示す上面透視図である。
＜第１の実施の形態＞
本発明の第１の実施の形態について図１Ａ～図３を参照して説明する。
＜半導体レーザの構成＞
本実施の形態に係る半導体レーザは、図１Ａに示すように、ＳｉＯ２１０１上に、利得領域１１と、リング共振器１２と、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域１３と備える。
ここで、ＳｉＯ２１０１は、ＳｉＯ２以外のＳｉＮ、ＳｉＮＯなどの誘電体を用いてもよい。また、ＳｉＯ２１０１は、基板上に形成される。基板には、Ｓｉが用いられ、Ｓｉ以外の半導体や誘電体を用いてもよい。
利得領域１１は、図１Ｂに示すように、ＳｉＯ２１０１上に、第１の半導体層（ＩｎＰ）１１２と、活性層として多重量子井戸（ＭＱＷ、ｍｕｌｔｉ ｑｕａｎｔｕｍ ｗｅｌｌ）１１３と、第２の半導体層（ＩｎＰ）１１４とが積層され、導波路構造に形成される。この導波路構造の幅方向（図中Ｘ方向）の一方の側面に、ｐ型ＩｎＰ層１１５＿１が接して配置され、その上にｐ型コンタクト層（例えば、ｐ型ＩｎＧａＡｓ）１１６＿１を介して、ｐ型電極（例えば、金）１１７＿１を備える。また、他方の側面に、ｎ型ＩｎＰ層１１５＿２が接して配置され、その上にｎ型コンタクト層（例えば、ｎ型ＩｎＧａＡｓ）１１６＿２を介して、ｎ型電極（例えば、金）１１７＿２を備える。
ここで、例えば、ＭＱＷ活性層１１３は、１．５５μｍ波長帯のＩｎＧａＡｓＰ井戸層とＩｎＧａＡｓＰ障壁層とからなり、６周期で厚さが１０５ｎｍ程度である。第１の半導体層（ＩｎＰ）１１２と第２の半導体層（ＩｎＰ）１１４との厚さはそれぞれ１６５ｎｍ、８０ｎｍである。また、ＳｉＯ２１０１の厚さは２μｍ、ｐ型ＩｎＰ層１１５＿１およびｎ型ＩｎＰ層１１５＿２の厚さは３５０ｎｍである。
ここで、ＭＱＷ活性層１１３は、１．３１μｍ波長帯でもよい。ＭＱＷには、ＩｎＧａＡｓＰ以外でもＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなどを用いてもよい。ＭＱＷの周期、厚さなどの構成は、他の構成でもよい。
リング共振器１２は、図１Ａに示すように、導波方向に、テーパ・光カプラ１４を介して、利得領域１１と光学的に結合する。
リング共振器１２では、リング導波路１２１に２本の導波路１２２＿１、１２２＿２が光学的に結合し、２本の導波路１２２＿１、１２２＿２がテーパ・光カプラ１４で合分波される。
ここで、リング導波路１２１とテーパ・光カプラ１４とは，ＩｎＰで構成される。
ＤＢＲ領域１３は、図１Ａに示すように、利得領域１１に、導波方向（図中、Ｙ方向）で、リング共振器１２と反対側に接続される。ここで、ＤＢＲ領域１３は、利得領域１１に光学的に結合されればよい。
ＤＢＲ領域１３は、図１Ｃに示すように、ＳｉＯ２１０１上に、ＩｎＰ導波路層１３２と、ＩｎＰ導波路層１３２を覆うＳｉＯ２クラッド１３３とを備え、ＳｉＯ２クラッド１３３の上面にヒータ１６を備える。
また、ＤＢＲ領域１３では、ＩｎＰ導波路層１３２の上面とＳｉＯ２クラッド１３３と境界にＤＢＲ回折格子１３１を備える。または、ＩｎＰ導波路層１３２の下面とＳｉＯ２１０１との境界に、ＤＢＲ回折格子１３１を備えてもよい。
ここで、ＤＢＲ回折格子１３１において、例えば、ピッチ（周期）は２００ｎｍ～３００ｎｍ程度であり、深さは１０ｎｍ～５０ｎｍ程度であり、所望の発光（発振）波長や結合係数によって設定される。結合係数は、ＤＢＲが有するストップバンド幅が、後述のリング共振器が有するＦＳＲ間隔と同程度となるように設定することが望ましい。
ＤＢＲ領域１３において、ヒータ１６によりＩｎＰ導波路層１３２の温度を変化させ、屈折率を変化させる。これにより、ＩｎＰ導波路層１３２の回折格子１３１の結合係数が変化して、ピーク波長が変化する。
ヒータ１６は、金属製でも樹脂製でもよい。また、ヒータ１６をＳｉＯ２クラッド１３３の上面に配置する例を示したが、これに限らず、ＳｉＯ２クラッド１３３またはＳｉＯ２１０１内に埋め込んでもよく、ＩｎＰ導波路層１３２の温度を変化させることができる構成であればよい。
ここで、例えば、利得領域１１とＤＢＲ領域１３の長さはそれぞれ７５μｍ、１０μｍであり、利得領域１１の活性層１１３の幅およびＤＢＲ領域１３のＩｎＰ導波路１２２の幅は１．０μｍ程度である。ここで、ＤＢＲ領域１３は光の出射側に配置されるので、長すぎると反射率が高くなり光が効率的に出射されない（取り出せない）。そこで、ＤＢＲ領域１３の反射率が５～５０％となるように設定することが望ましい。
リング導波路１２１の幅とリング導波路１２１に結合する導波路の幅は、０．４μｍ程度である。また、リング導波路１２１の直径は、５．０～１０．０μｍ程度である。
出力用導波路１５は、出力端に向けて幅が狭くなるテーパ形状を有する。先端（出射端）の幅は０．１μｍ程度である。これにより、例えば導波路１５の上部または下部に導波路を配置した導波路に対して光結合させ、レーザ光が出射される。
また、出力用導波路１５は単なる直線導波路として、この導波路を介してレーザ光を出射させても良い。
＜半導体レーザの動作＞
本実施の形態に係る半導体レーザ１０の動作を、以下に説明する。
半導体レーザ１０では、利得領域１１において電流注入により発光が生じ、リング共振器１２側に出射され、テーパ・光カプラ１４で分波され、リング共振器１２において、２本の導波路１２２＿１、１２２＿２それぞれを伝搬して、リング導波路１２１に結合する。
２本の導波路１２２＿１、１２２＿２のうち、一方の導波路１２２＿１を伝搬して、リング導波路１２１に結合される光は、リング導波路１２１を時計回りで周回したのち、他方の導波路１２２＿２と結合してテーパ・光カプラ１４へ戻っていく。また、他方の導波路１２２＿２を伝搬して、リング導波路１２１に結合される光は、リング導波路１２１を反時計回りで周回したのち、一方の導波路１２２＿１と結合して光カプラ１４へ戻っていく。
リング導波路１２から戻ってきた光は、テーパ・光カプラ１４で合波される。リング共振器では、リングが有する共振波長と一致する波長の光のみが利得領域に戻る。共振波長は１つではなく、リングの周回数に応じた複数の共振波長が存在する。
一方、利得領域１１からＤＢＲ領域１３方向に出射した光は、ＤＢＲ回折格子１３１が有する反射スペクトルと一致するモードが選択的に利得領域に戻る。反射スペクトルは、回折格子のブラッグ波長を中心とし、回折格子結合係数および回折格子長さで決まる有限のストップバンド幅を有する形状である。したがって、リング共振器１２が有する共振波長のうち、ＤＢＲ回折格子１３１で選択される波長において発振が起こり、レーザ光として出射する（図１Ａ中、矢印１７）。
図２Ａ、Ｂに、利得領域にリング共振器１２とＤＢＲ回折格子１３１が集積される半導体レーザにおける、リング共振器１２の共振波長Ｓ１１（図中、実線矢印と点線矢印）と、ＤＢＲ回折格子１３１の反射スペクトルＳ１２と、ＭＱＷ活性層の利得スペクトルＳ１１３とを示す。
図２Ａに、ヒータにより温度を制御しない場合における室温時の各波長・スペクトル（１＿１）と、高温時の各波長・スペクトル（１＿２）とを示す。
この場合、ＤＢＲ回折格子１３１が、リング共振器１２が有する共振波長のうち一つの波長（例えば、λ１＿１）を選択して発振する（図中、１＿１）。
高温では、ＭＱＷ活性層の利得ピークＳ１１３が長波長側にシフトして（波長λ１＿ａ）、強度が減少する。一方、リング共振器１２とＤＢＲ回折格子１３１による発振波長も長波長側にシフトするが、この波長（λ１＿１’）のシフト量は利得ピークのシフト量より小さい。その結果、ＭＱＷ活性層の利得ピーク（λ１＿ａ）と発振波長のピーク（λ１＿１’）には、ずれが生じる（図中、１＿２）。これにより、このレーザの高温時の特性は劣化する。
図２Ｂに、本実施の形態に係る半導体レーザ１０を用いて、ヒータにより温度を制御する場合における室温時の各波長・スペクトル（１＿３）と、高温時の各波長・スペクトル（１＿４）とを示す。
半導体レーザ１０では、室温では、ヒータ１６がオフの状態で、リング共振器１２とＤＢＲ回折格子１３１による発振波長と、ＭＱＷ活性層１１３の利得ピークの波長とが、波長λ１＿１で一致する（図中、１＿３）。
高温時には、ＤＢＲ回折格子１３１を有するＩｎＰ導波路層１３２の近傍に配置されるヒータ１６をＯＮにして昇温して（例えば、１００℃程度）、ＤＢＲ回折格子１３１のＩｎＰ導波路層１３２の温度を増加させる。これにより、ＤＢＲ回折格子１３１のＩｎＰ導波路層１３２の屈折率が増加して、ＤＢＲ回折格子１３１のブラッグ波長が長波長側にシフトする。
その結果、半導体レーザ１０では、ＤＢＲ回折格子１３１のブラッグ波長がリング共振器１２の長波長側の共振波長と一致して、長波長側の発光波長（λ１＿２）で発振する。
高温時には、ＭＱＷ活性層１１３の利得ピークも、上述の通り、長波長側にシフトする（図中、１＿４）。
このように、半導体レーザ１０では、高温時に、ＤＢＲ回折格子１３１のブラッグ波長と一致するリング共振器１２の長波長側の共振波長と、ＭＱＷ活性層１１３の利得ピークとが一致して発振するので、高温時の出力の低下が抑制され、良好な高温動作特性が得られる。
本実施の形態に係る半導体レーザによれば、高温時の出力の低下が抑制され、良好な高温動作特性が得られる。
半導体レーザ１０において、リング共振器１２では、周回長すなわち直径を小さくすることにより、自由スペクトル帯域幅（ＦＳＲ；ｆｒｅｅ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｒａｎｇｅ）を増加できる。さらに、リング共振器１２にＩｎＰやシリコンなどの半導体を、クラッドに空気やＳｉＯ２、ＳｉＮ、ＳｉＯＮなどの誘電体を用いれば、コアとクラッドとの屈折率差が大きく、光導波路内に強く光を閉じ込められるので、曲げ半径を小さくすることが可能となり、ＦＳＲの大きなリング共振器が得られる。このように、半導体レーザ１０はリング共振器１２を用いるので、広帯域で動作できる。
また、ＤＢＲ領域１３では、リング共振器１２の共振波長のうち１つを選択できればよい。ＤＢＲ共振器１３１のストップバンド幅が広すぎると２モード以上で発振する可能性があり、狭すぎるといずれのモードでも発振しない可能性があり、リング共振器のＦＳＲ間隔と同程度とすることで、安定して１つのモードを選択することが容易となる。ＤＢＲミラーの反射率は所望の特性に応じて決定すればよい。ストップバンド幅が約２０ｎｍとなる、回折格子結合係数κ=１０００ｃｍ－１の回折格子の反射率を計算した結果を図２Ｃに示す。所望の反射率は所望の特性によって異なるが、おおよそ５％～６０％程度とすればよく、このときのＤＢＲ領域長は２．５～１０．５μｍである。
＜半導体レーザの効果＞
図３に、半導体レーザにおける発振ピーク波長と利得ピーク波長との温度依存性の計算結果を示す。
計算では、利得の温度特性と発振波長の温度依存性に、半導体（ＤＦＢ）レーザで得られた実験データを用い、それぞれ０．４ｎｍ／Ｋ、０．０８５ｎｍ／Ｋとした。また、透過屈折率は、１．５５μｍ波長帯について２．７、１．３１μｍ波長帯について２．９とした。また、Κ・Ｌ＝５となるように活性層長を変化させて計算した。
図３に示すように、半導体レーザにおける１つの発振波長１＿５を利得ピーク波長１＿６と室温で一致させ温度を増加するとき、発振波長１＿５と利得ピーク波長１＿６ともに長波長側にシフトする。
ここで、利得ピーク波長１＿６のシフト量が発振波長１＿５のシフト量よりも大きく、その差は８０℃において１８．９ｎｍである（図中、矢印）。このとき、通常のＭＱＷ活性層１１３の利得スペクトルの半値全幅は４０ｎｍ程度なので、利得が半分程度まで低下すると推定される。
このように、半導体レーザにおいて、室温と高温（例えば、８０℃程度）で温度変化するときの動作を想定すると、発振波長を２０ｎｍ程度シフトできる構造にすることが望ましい。本発明では、リングの直径を変えることでＦＳＲ間隔を自由に設定できるため、所望の波長間隔での波長スイッチングが可能となる。
例えば、ＤＦＢレーザを用いてレーザ発振させる構成において、類似の波長スイッチング機能を実現する場合、ＤＦＢのストップバンド幅を広くした均一回折格子とすることで、２つの発振波長を得ることができる。室温で発振させる波長と高温で発振させる波長との差はＤＦＢ回折格子のストップバンド幅で決まる。ここで、ＤＦＢストップバンド幅は、ほぼ回折格子の結合係数に依存する。
そこで、レーザの動作波長範囲すなわちストップバンド幅を広くするためには、回折格子の結合係数を大きくする必要がある。
しかしながら、回折格子の結合係数を大きくする場合、活性層長との積κＬが大きくなり、空間ホールバーニング等の影響から安定的に単一モード発振させるのが難しくなる。この問題は、例えば３００μｍを超えるような長い活性層を有するレーザにおいて顕著である。
一方、本実施の形態に係る半導体レーザでは、リング共振器のＦＳＲ間隔により共振波長間隔が決まることから、回折格子の結合係数に関係なく、レーザの動作波長範囲を広くすることができる。したがって、活性層の長いレーザにおいても、容易に安定的に単一モードで、かつ広帯域で発振させることができる。
＜第２の実施の形態＞
本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザについて、図４を参照して説明する。
＜半導体レーザの構成＞
本実施の形態に係る半導体レーザ２０は、図４に示すように、ＳｉＯ２１０１上に、利得領域１１と、リング共振器２２と、ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域１３と、ループミラー２３とを備える。
リング共振器２２では、リング導波路２２１に２本の導波路２２２＿１、２２２＿２が光学的に結合し、２本の導波路２２２＿１、２２２＿２のうち、一方の導波路２２２＿１がテーパ１４を介して、利得領域１１と光学的に結合する。他方の導波路２２２＿２は、一端にループミラー２３を備える。ここで、リング導波路２２１とテーパ１４とループミラー２３とは，ＩｎＰで構成される。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。
半導体レーザ２０では、利得領域１１において電流注入により発光が生じ、リング共振器２２側にテーパ１４を介して出力される。リング共振器２２において、一方の導波路２２２＿１を伝搬して、リング導波路２２１に結合する。
リング導波路２２１に結合される光は、リング導波路２２１を時計回りで周回する。周回した光の一部は、他方の導波路２２２＿２へ結合し、他方の導波路２２２＿２を伝搬して、ループミラー２３で反射される。反射された光は、再びリング導波路２２１に結合し、リング導波路２２１を反時計回りに周回する。周回した光の一部は、一方の導波路２２２＿１と結合し、一方の導波路２２２＿１を伝搬して、テーパ１４を介して、利得領域１１に戻る。
一方、第１の実施の形態と同様に、利得領域からＤＢＲ領域１３方向に出射する光は、ＤＢＲ回折格子１３１が有する反射スペクトルと一致するモードが選択的に利得領域に戻る。したがって、リング共振器２２が有する共振波長のうち、ＤＢＲ回折格子１３１で選択される波長において発振が起こり、レーザ光として出射する。
本実施の形態では、ループミラー２３を用いる例を示したが、これに限らず、ループミラー２３の代わりに、図５に示すように、他方の導波路２２２＿２の端部にＤＢＲ回折格子３３を形成してもよく、リング共振器２２から出射される発振光を反射する構成（光反射部）であればよい。
本発明の実施の形態では、リング共振器２２を用いる例を示したが、これに限らず、図６に示すように、利得領域１１と光学的に結合する導波路４１にサンプルド・グレーティング４２を形成して用いてもよい。サンプルド・グレーティングも、リング共振器と同様に、多モードで利得領域１１の発光を反射して発振光を生成できるので、本発明の実施の形態と同様の効果を奏する。このように、利得領域１１と光学的に結合して、多モードで利得領域１１の発光を反射して発振光を生成して、反射器として機能すればよい。
本発明の実施の形態では、ヒータによりＤＢＲ領域の波長をシフトさせる例を示したが、これに限らない。電源に接続される電極をＤＢＲ領域の導波路層に配置して逆バイアスを印加してキャリアを引き抜いて、屈折率を変化させて、ＤＢＲ領域の波長をシフトさせてもよい。このように、ＤＢＲ領域の屈折率を変化させる構成（以下、「屈折率制御部」という。）を備えればよい。
ここで、屈折率制御部がヒータである場合には、ヒータをオンにしてＤＢＲ領域の温度を増加して、屈折率を増加できる。また、屈折率制御部をオンにしてＤＢＲ領域に逆バイアスを印加してキャリアを引き抜いて、屈折率を増加できる。このように、屈折率制御部がオンの状態で、ＤＢＲ領域の屈折率を増加させ、ＤＢＲ領域の波長を長波長側にシフトできる。
本発明の実施の形態では、リング共振器の発光波長とＤＢＲ回折格子のブラッグ波長等が一致する状態とは、例えば、図２Ａに示すように、リング共振器の発光スペクトルにおける発光ピークと、ＤＢＲ回折格子の反射スペクトルにおけるブロードなピークが重なる状態をいう。このとき、リング共振器の一の発光（例えば、短波長側）のみがＤＢＲ回折格子による帰還を受けるため、リング共振器において、短波長側の発光を取り出すことができる。
本発明の実施の形態では、リング共振器、ＤＢＲ領域が利得領域と光学的に結合する例を示したが、この場合、リング共振器、ＤＢＲ領域における導波路が、利得領域の活性層とが光学的に結合すればよい。
本発明の実施の形態では、１．５５μｍと１．３１μｍとの波長帯の半導体レーザの構成の一例を示したが、他の波長帯であってもよい。また、活性層、導波路層、ｐ型およびｎ型半導体層などの半導体レーザの層構成として、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いる構成の一例を示したが、他のＩｎＰ系の化合物半導体を用いてもよく、ＧａＡｓ系、Ｓｉ系などの他の半導体を用いてもよく、半導体レーザを構成できる材料を用いればよい。
本発明の実施の形態では、半導体レーザの構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。半導体レーザの機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
本発明は、インターネット通信システムやコンピュータシステム等における発光デバイスに適用することができる。
１０ 半導体レーザ
１１２ 第１の半導体層
１１３ 活性層
１１４ 第２の半導体層
１１５＿１ ｐ型半導体層
１１５＿２ ｎ型半導体層
１２ 反射器（リング共振器）
１３１ 回折格子
１３２ 導波路層
１６ 屈折率制御部

Claims (9)

  1. 半導体レーザであって、
    順に、第１の半導体層と、活性層と、第２の半導体層とを備える導波路構造と、
    前記活性層の一方の側面に接して配置されるｐ型半導体層と、
    前記活性層の他方の側面に接して配置されるｎ型半導体層と、
    前記活性層の導波方向の一端に光学的に結合される反射器と、
    前記活性層の導波方向の他端に光学的に結合される導波路層と、
    前記導波路層の下面と上面とのいずれか一方に配置される回折格子と、
    前記導波路層の屈折率を変化させる屈折率制御部と
    を備え、
    前記屈折率制御部により前記導波路層の屈折率が変化し、前記導波路層のブラッグ波長が長波長側にシフトし、前記導波路層のブラッグ波長と、前記反射器の長波長側の共振波長とが、前記半導体レーザの温度が増加するときに長波長側にシフトする前記活性層の利得ピークに一致し発振する
    ことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 前記反射器が複数のモードの発振光を発生させ、
    前記屈折率制御部がオフの状態で、前記複数のモードの発振光のうち、所定の波長の前記発振光が、前記回折格子により選択され発振し、
    前記屈折率制御部がオンの状態で、前記複数のモードの発振光のうち、所定の波長より長波長側の前記発振光が、前記回折格子により選択され発振する
    ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
  3. 前記反射器が、リング共振器である
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザ。
  4. 前記リング共振器に光学的に結合するループミラーを備える
    ことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ。
  5. 前記リング共振器に光学的に結合し、一方の端部に回折格子を有する導波路を備える
    ことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ。
  6. 前記反射器が、サンプルド・グレーティングを有する導波路である
    ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザ。
  7. 前記屈折率制御部が、ヒータである
    ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
  8. 前記屈折率制御部が、電源に接続され、前記導波路層に配置される電極であって、前記電極にバイアスを印加して、前記導波路層のキャリア密度を変化させる
    ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
  9. 活性層と、前記活性層の導波方向の一端に光学的に結合される反射器と、前記活性層の導波方向の他端に光学的に結合され、回折格子を有する導波路層と、前記導波路層の屈折率を変化させる屈折率制御部とを備える半導体レーザの制御方法であって、
    前記屈折率制御部により前記導波路層の屈折率を変化させ、前記導波路層のブラッグ波長を長波長側にシフトさせ、前記導波路層のブラッグ波長と、前記反射器の長波長側の共振波長とを、前記半導体レーザの温度が増加するときに長波長側にシフトする前記活性層の利得ピークに一致させ発振させる
    ことを特徴とする半導体レーザの制御方法。
JP2023568777A 2021-12-20 2021-12-20 半導体レーザ Active JP7655404B2 (ja)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/JP2021/047031 WO2023119366A1 (ja) 2021-12-20 2021-12-20 半導体レーザ

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPWO2023119366A1 JPWO2023119366A1 (ja) 2023-06-29
JP7655404B2 true JP7655404B2 (ja) 2025-04-02

Family

ID=86901569

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2023568777A Active JP7655404B2 (ja) 2021-12-20 2021-12-20 半導体レーザ

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20250055254A1 (ja)
JP (1) JP7655404B2 (ja)
WO (1) WO2023119366A1 (ja)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN120709817B (zh) * 2025-09-01 2025-11-28 苏州实验室 弯曲波导面发射半导体激光器

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100260220A1 (en) 2009-03-26 2010-10-14 Gideon Yoffe Semiconductor laser device and circuit for and method of driving same
JP2012256667A (ja) 2011-06-08 2012-12-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体レーザ光源
JP2016152360A (ja) 2015-02-18 2016-08-22 富士通株式会社 光半導体装置
JP2016178283A (ja) 2015-03-20 2016-10-06 古河電気工業株式会社 波長可変レーザ素子およびレーザモジュール
JP2017168545A (ja) 2016-03-15 2017-09-21 富士通株式会社 光モジュール
JP2017204601A (ja) 2016-05-13 2017-11-16 日本電信電話株式会社 半導体レーザ

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100260220A1 (en) 2009-03-26 2010-10-14 Gideon Yoffe Semiconductor laser device and circuit for and method of driving same
JP2012256667A (ja) 2011-06-08 2012-12-27 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 半導体レーザ光源
JP2016152360A (ja) 2015-02-18 2016-08-22 富士通株式会社 光半導体装置
JP2016178283A (ja) 2015-03-20 2016-10-06 古河電気工業株式会社 波長可変レーザ素子およびレーザモジュール
JP2017168545A (ja) 2016-03-15 2017-09-21 富士通株式会社 光モジュール
JP2017204601A (ja) 2016-05-13 2017-11-16 日本電信電話株式会社 半導体レーザ

Also Published As

Publication number Publication date
WO2023119366A1 (ja) 2023-06-29
JPWO2023119366A1 (ja) 2023-06-29
US20250055254A1 (en) 2025-02-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10193305B2 (en) Wavelength tunable laser device and laser module
US8615025B2 (en) Method and system for hybrid integration of a tunable laser
Spott et al. Heterogeneous integration for mid-infrared silicon photonics
US9318868B2 (en) Tunable hybrid laser with carrier-induced phase control
US8605766B2 (en) Method and system for hybrid integration of a tunable laser and a mach zehnder modulator
US8559470B2 (en) Method and system for hybrid integration of a tunable laser and a phase modulator
CN104937791B (zh) 激光装置、光调制装置以及光半导体元件
US8576472B2 (en) Optoelectronic device with controlled temperature dependence of the emission wavelength and method of making same
WO2016152274A1 (ja) 波長可変レーザ素子およびレーザモジュール
WO2005053124A1 (ja) 分布帰還型半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザアレイ及び光モジュール
JP5001239B2 (ja) 半導体波長可変レーザ
KR100216959B1 (ko) 레이저 구조
JP7719999B2 (ja) 半導体レーザ
WO2023119366A1 (ja) 半導体レーザ
JP2011086714A (ja) 波長可変レーザ
KR100626270B1 (ko) 광 대역 파장 가변 결합 링 반사기 레이저 다이오드
US20250047068A1 (en) Distributed feedback lasers and methods for fabricating such lasers
US20230296841A1 (en) Optical component
JP2004296560A (ja) 半導体レーザの製造方法および集積光回路の製造方法
US20050226283A1 (en) Single-mode semiconductor laser with integrated optical waveguide filter
JP5058087B2 (ja) 波長可変半導体レーザ
JP7294453B2 (ja) 直接変調レーザ
JP2018046144A (ja) 波長可変レーザ、波長可変レーザ装置及びその制御方法
WO2022130622A1 (ja) 光デバイス
US12603476B2 (en) Extended-cavity diode laser component and method for producing same

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20240531

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20241210

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20250206

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20250218

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20250303

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7655404

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S533 Written request for registration of change of name

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350