JPH0332090A - 可変波長レーザ - Google Patents

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〕 本発明はコヒーレント光通信またはコヒーレント光計測
の光源に利用する。特に、分布ブラッグ反射器（Ｄ　Ｂ
　ＲＳｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｂｒａｇｇ　ｒｅｆｌ
ｅｃｔｏｒ）を用いた外部共振器形の可変波長レーザに
関する。

〔概　要〕

本発明は、外部共振器として分布ブラッグ反射器を備え
た可変波長レーザにおいて、 上記分布ブラッグ反射器の導波路を活性層に比較して低
損失の材料で形成することにより、共振器のＱ値を高め
てレーザ発振のスペクトル線幅を狭帯域化するとともに
、波長可変範囲を拡大するものである。

〔従来の技術〕

コヒーレント光通信用あるいはコヒーレント光計測用の
光源として、スペクトル線幅がＩＭＨｚ以下と狭く、か
つ波長可変な半導体レーザが注目されている。スペクト
ル線幅を狭帯域化するためには、基本的に、 （１−１）外部ミラーまたは光ファイバを取り付けて共
振器長を長くすることにより、レーザ共振器のＱ値を増
加させる、 （１−２）分布帰還レーザのような注入電流により発振
周波数を制御できる半導体レーザにおいて、その発振周
波数変動を検出して注入電流に負帰還させることにより
、発振周波数を元に戻す などの方法が用いられる。

また、波長を可変とするには、 （２−１）外部ミラーとして回折格子を用い、これを回
転させる、 （２−２）量子井戸分布帰還レーザに複数の独立した電
極を設け、回折波長と位相を制御するなどの方法が知ら
れている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上述の（１−１）、（２−１）の方法では、レ
ーザ発振素子と外部ミラーまたは光ファイバとの位置関
係を機械的に保持しているため、機械的な振動その他の
外乱に弱い欠点がある。また、波長を可変とする場合に
、レーザ発振素子と外部ミラーとの間で位相を調整する
ことが困難であった。

これを解決するため、レーザ発振素子と回折格子とをモ
ノリシックに形成したものも知られている。この場合に
波長を可変とするには、回折格子に電界または電流を印
加して実効的な屈折率を変化させる方法が用いられてい
る。しかし、光導波路の損失が大きいため、共振器長を
長くすることができず、大きなＱ値を得ることはできな
かった。

また、（１−２）　、（２−１）　、（２−２）の方法
では、スペクトル線幅の狭帯域化と波長可変範囲との双
方を十分に満足するものは現在までのところ得られてい
ない。

本発明は、以上の課題を解決し、スペクトル線幅が狭く
、波長可変範囲が広く、しかも安定に動作する可変波長
レーザを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の可変波長レーザは、導波路が半導体レーザの活
性層に比較して低損失の材料で形成された分布ブラッグ
反射器が半導体レーザとは別体に形成され、この分布ブ
ラッグ反射器が半導体レーザとともにひとつの台に取り
付けられたことを特徴とする。

分布ブラッグ反射器は、導波路上に回折格子が形成され
た回折格子部と、この回折格子部と半導体レーザとの間
に設けられた位相変調部と、回折格子部および位相変調
部のそれぞれの等偏屈折率を制御する電極とを含むこと
が望ましい。

半導体レーザの活性層は、通常はＡＬＧａＡｓまたはＩ
ｎＧａＡｓＰで形成される。これらの材料に対して低損
失の材料として、Ｔｉ拡散ＬｉＮｂ０．またはプロトン
交換１ｉＴａｏｓを用いることができる。

半導体レーザの端面、特に分布ブラッグ反射器に面した
側の端面には、反射防止被膜を設けることが望ましい。

〔作　用〕

分布ブラッグ反射器の導波路が低損失であることから、
比較的小さい反射器でも大きなＱ値が得られ、レーザ発
振のスペクトル線幅を狭帯域化することができる。また
、分布ブラッグ反射器の波長選択性を利用して、半導体
レーザを単一縦モードで動作させることができる。さら
に、導波路の電気光学効果を利用して回折格子部および
位相変調部の屈折率を制御することにより、波長を広範
囲かつ連続的に変化させることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明実施例可変波長レーザの平面図を示し、
第２図はその断面図を示す。

この可変波長レーザは、ファブリ・ペロー形の半導体レ
ーザｌと、この半導体レーザ１の出射光に含まれる特定
波長の光を反射する分布ブラッグ反射器２とを備える。

ここで本実施例の特徴とするところは、分布ブラッグ反
射器２の導液路２１が半導体レーザＩの活性層に比較し
て低損失の材料により半導体レーザ１とは別体に形成さ
れ、この分布ブラッグ反射器２が半導体レーザ１ととも
にひとつの台３に取り付けられたことにある。

半導体レーザｌの一方の端面１１は臂開面となっており
、他方の端面■２には反射防止膜が設けられる。分布ブ
ラッグ反射器２は反射防止膜が設けられた端面１２側に
配置される。半導体レーザ１と分布ブラッグ反射器２は
インバー製またはセラミック製の台３上に固定される。

分布ブラッグ反射器２は、導波路２■上に回折格子２２
が形成された回折格子部と、この回折格子部と半導体レ
ーザとの間に設けられた位相変調部と、位相変調部およ
び回折格子部のそれぞれの等価屈折率をＭ御する制御電
極２５．２６および接地電極２７とを備える。分布ブラ
ッグ反射器２の端面２３．２４には、それぞれ反射防止
被膜が設けられる。制御電極２５．２６には端子２８．
２９が接続される。

半導体レーザｌの活性層はＡｊＧａＡｓ系またはＩｎＧ
ａＡｓＰ系の材料により形成され、分布ブラッグ反射器
２の導波路２１はチタンＴｉを拡散したニオブ酸リチウ
ムＬ＋Ｎｂ０ａ、またはプロトン交換されたタンタル酸
リチウムＬｉＴａＯ３により形成される。

し１ＮｂＯ，またはＬｉＴａ０．の導波路２１に回折格
子２２を形成する方法としては、例えば反応性イオンエ
ツチングを用いることができる。反応性イオンエツチン
グによる場合には、ＬｉＴａ０．の方が加工が容易であ
る。

また、導波路２１の表面にシリコン酸化物ＳｉＯオ、シ
リコン窒化物ＳｉＮ、、フォトレジストその他の誘電体
を周期的に堆積させても回折格子２２を得ることができ
る。さらには、導波路２１をエツチングして形成した格
子と、表面に堆積させた誘電体とを組み合わせて使用す
ることもできる。

この実施例の動作条件、スペクトル線幅、単一モード発
振のための条件、波長可変特性、位相変調特性、位相変
調部による位相制御について順に説明する。

動作条件を求めるために、 Ｌ　：半導体レーザ１単体の共振器長 ｇ　：半導体レーザ１の利得係数 αＬ　：半導体レーザｌの損失係数 β　：半導体レーザ１の伝搬定数 ｎｉ：半導体レーザ１の等偏屈折率 αｗ　：導波路２１の損失係数 ８ｗ　：導波路２１の伝搬定数 Ｎ　：導波路２１の等価屈折率 Ｌ　　：位相変調部の導波路長、すなわち導波路２１の
端面２３から回折格子２２の等価的な反射面までの距離 １２　：回折格子部の導波路長、すなわち回折格子２２
の等価的な反射面から端面２４までの距離 ｅ３　：半導体レーザ１と分布ブラッグ反射器２との間
隔 ψ「７　：端面１１の電界反射率 何ｈ：端面１２の電界反射率 １コー：端面２３の電界反射率 ｖ丁巳−：端面２４の電界反射率 何Ｕｅｘｐ（−ｊφ〉　：回折格子２２の開始面から右
（回折格子２２）をみた電界反射率 云コニ半導体レーザ１と導波路２１との結合効率とする
。ただし、回折格子２２の等価的な反射面を回折格子２
２の開始面とする。以上のパラメータを第３図に示す。

ここで、動作の解析を容易にするため、電界反射率ｑ、
ｑおよび間隔ｆ！３が無視できるものとする。電界反射
率−、Ｈ、何ｎについては、例えば端面２３には反射防
止膜を設け、端面２４を斜め（数度〉にカットすること
により、その値を無視できる程度に小さくすることがで
きる。

このとき半導体レーザｌ単体の発振条件および利得条件
は、 −ＩＴ’；　　帽ｎｅｘｐ［−Ｊ２βＬ＋（ｇ−αｔ）
　Ｌ］−１（１） と表される。また、半導体レーザ１の端面１１と回折格
子２２の等価的な反射面とで光共振器を構成するものと
し、この光共振器を含む外部共振器形レーザの発振条件
および利得条件を求めると、４２ψ７ｅｘｐ［−Ｊ（２
βＬ＋２βｗｉ＋＋φ）＋（ｇ−αｔ）Ｌ−α、ｆ、］ ＝ｌ　　　　　　　　　　　　　　・−・・−（３）・
・　・　　（４） となる。

半導体レーザ１内のレーザ媒質中で発生するパワーＰは
、 −（５） となる。ただし、 ηｉ　：内部量子効率 ｈ　ニブランク定数 ν　：発振周波数 ｅ　：電子電荷 ■、Ｊ：注入電流、注入電流密度 Ｉ＊ｈＳＪｔｈ：　Ｌきい電流、しきい電流密度Ｗ　：
半導体レーザ１の活性層幅 である。

しきい値利得は、経験的に、 で表される。ただし、 β。、Ｊｏ　：定数 ｄ：活性層の厚さ である。

（２）式および（４）式の利得条件において、真の利得
は、活性層への閉じ込め係数Ｆを用い、それぞれＦｇと
表す必要がある。このため、半導体レーザ１単体および
外部共振器形レーザのしきい値電流は、（２）、（４）
、（６）式を用いて、（７） ■。

（外部共振器形ＬＤ） ・・・・・　（８） となる。

したがって、半導体レーザ１単体より外部共振器形レー
ザの発振の方がより支配的になるためには、 １ｔｈ　（ＬＤ単体）　＞　Ｉｔｈ　（ＬＤ単体〉とな
ればよい。すなわち、 ｔｎＲｌ＞ＬｎＲ２−１ｎｃｏ２＋　２１１＋αｗ（９
） を満足すればよい。

第４図は（９）式を満足するための反射率Ｒ９と結合効
率Ｃ０との関係の一例を示す。この図では、Ｉ！、　＝
１０ｍｍ、　ａ、　＝０．０１１５ネ一パ／ｍｍとし、
反射率Ｒ２をパラメータとして示した。この図に示した
まうに、Ｒ２〈１％であれば、Ｃｏ　＝３０％、Ｒ４＝
２０％程度で（９）式を十分に満たすことがわかる。

実用的には、反射被膜を設けることにより反射率Ｒ２を
０．１％以下にすることが可能である。また、導波路損
失は通常ｄＢ／ｃｍで表され、１　ｄＢ／ｃｍの損失が
α、　＝０．０１１５１ネ一バ／ｍｍに対応する。

次にスペクトル線幅について説明する。

半導体レーザの発振スペクトル幅（半値全幅）Δν。。

は、線輻増大係数α（αパラメータ）を考慮したシャウ
ロウ・タウンズの式、 πｈνｎ、、（Δνｃ）２ Δν。ｓｃ　＝　　　　　　　　　　　　（１＋α２）
・・・−・−００ により与えられる。ただし、 ｎ□　：自然放出光係数、通常は１〜２ΔνＣ：光共振
器のスペクトル幅 δ　　： λ。　： Ａ　　： である。

周波数離調（＝２πＮ（１／λ−１７λｏ））ブラッグ
波長（＝２ＮＡ） 回折格子のピッチ したがってパワー反射率は、 ・−００ となる。結合定数には回折格子の形状および導波路の構
造により決まる。例えば、回折格子の深さを大きくする
と結合定数にが増加する。

第７図は分布ブラッグ反射特性のに依存性を示す。この
図は、中心波長（ブラッグ波長）λｏ−１，５５μｍ５
ｊ７２＝　１ｃｍとし、λ。からの離調Δλに対する反
射率Ｒ７を示す。結合係数に＝Ｑ、５　ｃｍ−’ｌｃ＋
ｙｒ’、　２ｃｍ−’に対し、半値半幅はそれぞれ０．
２６人、０．３２人、０．４８人であり、中心波長での
反射率Ｒ７はそれぞれ２１％、５８％、９３％である。

これに対して外部共振器形レーザの縦モード間隔Δν（
は、 λ２ であるから、に＝１ｃｍ−’程度にしておけば、単一モ
ード動作が十分に可能である。

次に、波長可変特性について説明する。

分布ブラッグ反射器のブラッグ波長λ。は、λＯ＝Ａ／
２Ｎ　　　　　　　　　　・・・・−■であるから、波
長を変化させるには、等偏屈折率Ｎを変化させればよい
。λ。を±２．５ｎｍ変化させるためには、Ｎを±３．
５　Ｘｌ０−”変化させる。例えばＬｉＮｂ０．の電気
光学効果ｒ３３を利用する場合には、等価屈折￥−Ｎを
ΔＮだけ変化させるために、の電圧Ｖが必要となる。こ
こで、 ｄｗ　：第１図に示した制御電極２６と接地電極２７と
の間隔 ξ　：電界補正係数 である。ｄ、　＝１０μｍ、ξ＝０．４、ΔＮ＝３．５
　ｘｌＯ−’とすると、Ｖ＝５５０　Ｖとなる。

次に、位相変調部による位相制御について説明する。

（３）の発振条件から、位相条件は、 ２βＬ＋２β、（１＋φ＝２πｒｎ （ｍ＝０．１，２・・・）　　　　　−・　−・−・・
■となり、１往復の位相変化が２πの整数倍になればよ
い。すなわち、回折格子部と同様に位相変調部の等偏屈
折率を電圧により制御すればよい。位相変調部での電圧
による位相変化分Δψは、Δψ＝（２π／λ）・２ΔＮ
−１゜ ＝（２π／λ）　　Ｎ’　　ｒ３３　（Ｖ／ｄｗ）　　
Ｉｌ＋　　ξとなる。例えばΔψ＝πだけ変化させるに
は、１１＝ｌＱｍｍＳｄｗ　＝１０μｍ、ξ＝０．４と
して、Ｖ＝６Ｖとなる。ただし、このときのｄ、は制御
電極２５と接地電極２７との間隔である。この間隔は、
実用上は制御電極２６と接地電極２７との間隔に等しい
。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の可変波長レーザは、スペ
クトル線幅が１００ｋＨｚ以下と狭く、分布ブラッグ反
射器の波長選択性により単一モード発振し、位相制御部
および回折格子部の等偏屈折率制御より波長を変化させ
ることができる。しかも、半導体レーザと外部反射器と
をファイバやレンズなどを介在させることなく直接に結
合するので、機械的に安定で小型化が可能となる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例可変波長レーザの平面図。 第２図は断面図。 第３図は動作条件を求めるためのパラメータを示す図。 第４図は反射率Ｒ９と総合効率ｃｏとの関係の一例を示
す図。 第５図は発振スペクトル幅Δν。。と位相変調部の導波
路長１１との関係の一例を示す図。 第６図は発振スペクトル幅Δν。、Ｃと結合効率ｃｏと
の関係の一例を示す図。 第７図は分布ブラッグ反射特性のに依存性を示す図。 ■・・・半導体レーザ、２・・・分布ブラッグ反射器、
３・・・台、１１．１２．２３．２４・・・端面、２１
・・・導波路、２２・・・回折格子、２５．２６・・・
制御電極、２７・・・接地電極、２８．２９・・・端子
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ファブリ・ペロー形の半導体レーザと、この半導体
   レーザの出射光に含まれる特定波長の光を反射する分布
   ブラッグ反射器と を備えた可変波長レーザにおいて、 上記分布ブラッグ反射器は、その導波路が上記半導体レ
   ーザの活性層に比較して低損失の材料により上記半導体
   レーザとは別体に形成され、上記半導体レーザとともに
   ひとつの台に取り付けられた ことを特徴とする可変波長レーザ。 ２、分布ブラッグ反射器は、 導波路上に回折格子が形成された回折格子部と、この回
   折格子部と半導体レーザとの間に設けられた位相変調部
   と、 上記回折格子部および上記位相変調部のそれぞれの等価
   屈折率を制御する電極と を含む 請求項１記載の可変波長レーザ。 ３、低損失の材料はＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ＿３、を含む請
   求項１記載の可変波長レーザ。 ４、低損失の材料はプロトン交換ＬｉＴａＯ＿３を含む
   請求項１記載の可変波長レーザ。