JPH0373583A - 半導体レーザ光源装置 - 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Ｗ＞ 本発明は、発振スにクトルの線輻を決事化するとともに
、ＩＩｌ波数を安定化し、コに一しント光通信等に使用
し得る半導体レーザ光源装置・に関する。

〈従来の技術） 将来の大容嚢光通信方式の一つこして、コヒーレント光
通信方式に関する研究が近年活発に行なわれている。こ
の方式は、半導体レーザダイオードの出力光を注入電流
によって電接強度変調する従来の方式に比較して、大幅
に受信感度を改善できるεεもに、また光周波数の多重
を行なうここができる。：２に一しント光通信方式は、
充Ｉ［ａ＞時間的コ１；−レンスを積極的に利用するた
めに、出来ろ限り狭い、例えば１〜０．　Ｉ　ＭＨｚ　
Ｑ下の狭いスペクトル線幅を必要とする。しかしながら
、半導体レーザダイオード単位としては、スペクトル線
幅が数１０ＭＨｚの特性のものしか得られていないため
、スペクトル線幅を大幅に狭窄化するものが必要である
。また、この方式は、光受信系のヘテロダイン検波にお
いて中間周波数の変動を押えるために光源の周波数安定
度を十分高めることが必要である。

このスペクトル線幅の狭窄化および周波数の安定化を行
なうために反射鏡または回折格子を半導体レーザダイオ
ードの外部に設けた従来の外部共振器を使用した半導体
レーザ光源装置について第５図（ａ）および（ｂ）を参
照して説明する。

第５図（ａ）は反射鏡を使用した従来の半導体レーザ光
源装置の構成図である。同図に示すように、半導体レー
ザダイオード１の一端に対向して屈折率分布型レンズ３
が設けられている。半導体レーザダイオード１と対向す
る屈折率分布型レンズ３の一端には反射防止膜６が設け
られており、屈折率分布型レンズ３の他端には、反射鏡
４が設けられ、この反射鏡４を挾んで例えばピエゾ素子
等を用いた微動位置合わせ装置５が設けられている。そ
して、これら前記屈折率分布型レンズ３２反射！！４．
微動位置合わせ装置５および反射防止膜６によって外部
共ｌｉＩ器２が構成されている。

また、図において、７はレーザダイオード１の活性層、
８ば外部共振Ｎ２内を通るレーザダイオード１からの出
射光ビーム、９は前記出射光ビーム８の反射鏡４による
反射戻り光ビーム、１０はレーザダイオード１からの出
力光である。

このように構成された半導体レーザ光源装置において、
レーザダイオード１から出射光ビーム８を屈折率分布型
レンズ３に入射させろと、該レンズ３を通過して反射鏡
４にて反射し、反射戻り光ビーム９としてレーザダイオ
ード１に結合する。その電力比をη２、レーザダイオー
ド１の活性層７の一端面と反射鏡４との間との間隔をＬ
１レーザダイオード１単体時のスペクトルの線幅および
中心周波数をそれぞれδｆ、ｆ　とすると、この外部反
射鏡付半導体レーザ光源装置そのスペクトル線幅δｆお
よび発振周波数ｆは近似的には次式％式％ （１） （２） ここで、Ａ、Ｂ、Ｃはレーザダイオード１の材質、構造
等によって決る定数であり、Ｃは光速である。

式（１）、＋２）かられかるように、スペクトル線幅δ
ｆおよび中心周波数ｆは間隔りに対してに波長の周期で
変動し、ηＬの大きさを大きくする程、スペクトル線幅
δｆを狭くできろ。

例えば、１．５μｍ帯ＩｎＧ５ＡｓｐＨ分布帰還型半導
体レーザ素子を用いて、Ｌ、＝　−１０ａｍ。

η＝−１０％とした場合、スペクトル線幅δｆとして−
１００ｋＨｚの特性が得られろ。

第５図（ａ）の装置の場合、スペクトル線幅δｆわよび
中心周波数ｆを安定に保つために、ピエゾ素子等を用い
た微動位置合わせ装置５によって反射１［４を機械的に
最適な位置に調整している。しかしながら、間隔りの大
きさの変動を０．０１μｍ以下の極めて微細な量に抑え
る必要があるため微動位置合わせ装置５の制御機構が極
めて複雑になるとともに、更にわずかな機械的振動や温
度変動等によって屈折率分布型レンズ３および反射鏡４
が軸ずれを生じ、ηが変動して動作が不安定になり易く
なっている。

第５図（ｂ）は回折格子を使用した従来の半導体レーザ
光源装置の構成図である。同図の装置は、前述した第５
図（ａｌの装置におけろ屈折率分布型レンズ３および反
射鏡４の代りにそれぞれレンズ１１およびグレーテイン
グ板１２を使用するとともに、このグレーテイング板１
２が取り付けられる微動位置合わせ装置５の面を角度θ
傾斜させて構成しているものである。グレーテイング板
１２は波長フィルタ機能を持たせた反射鏡になっており
、その設置傾斜角度θを適当に設定することによりレー
ザダイオード１の出射光ビーム８のうち特定波長のもの
を選択して反射戻り光ビーム９としてレーザダイオード
１に戻している。

このように構成された第５図（ｂ）の半導体レーザ光源
装置においては、スペクトル中心周波数ｆを角度θによ
って可変できるとともに、更に第５図（ａ）の装置に比
較して、特定の周波ｆｉｆの光のみをレーザダイオード
１にフィードバックするようにしているので、スペクト
ル中心周波数ｆを安定化できるようになっている。なお
、この装置においても、スペクトル線幅δｆは式（１）
の関係で与えられる。しかしながら、ピエゾ素子等から
なろｗ！ｌｌ１１１位置合わせ装置５によってグレーテ
イング板１２の位置合わせ制御を機械的に行なっている
ので第５図（ａ）の装置の場合と同様に微動位置合わせ
装置５の制御機構が極めて複雑になっている。

〈発明が解決しようとする課題〉 上述したように、従来の半導体レーザ光源装置では、微
動位置合わせ装置の制御機構が極めて複雑になるととも
に、わずかな機械的振動や温度変動等により光学的軸ず
れが発生し、ηが変動して不安定になるという問題があ
る。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とす
るところは、発振スペクトルの線幅を狭窄化するととも
に、周波数を安定化した半導体レーザ光源装置を提供す
ることにある。

〈課題を解決するための手段〉 上記目的を達成する本発明の半導体レーザ光源装置にか
かる構成は、レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、
前記レーザ光発生手段に隣接して設置されている半導体
基板と、該半導体基板に形成され、一端が前記レーザ光
発生手段の出射端面に対向し光結合して配設されている
少なくとも１つの量子井戸構造半導体から成る光導波路
と、該光導波路に電圧を印加する電極と、前記半導体基
板に形成され、一端が前記光導波路の他端に接続されて
いる量子井戸構造半導体から成るグレーティング導波路
と、該グレーティング導波路に電圧を印加する電極とを
有することを要旨とする。

く作 用〉 本発明の半導体レーザ光源装置では、レーザ光発生手段
からの出射光は、半導体基板に形成されている光導波路
を通ってグレーティング導波路に達し、グレーティング
導波路のフィルタ機能によって選択された波長の光のみ
が反射され、光導波路を通ってレーザ光発生手段から出
射される。ここで、グレーティング導波路における反射
戻り光の波長選択およびレーザ光発生手段の出射端面か
らグレーティング導波路までの実効的光波長は、光導波
路、グレーティング導波路中に含まれる皿子井戸構造の
半導体の電気光学的効果を利用すれば電気的に＊ａする
ことができろ。即ち量子井戸構造の半導体に外部より電
界を印加すると、吸収端近傍の波長の光に対する吸収係
数が著しく変化することが知られており（Ｊ、　Ｅ、　
Ｚｎｅｋｅｒら人ｐｐ１．　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　
ｖｏｌ、　５２．　Ｐ９４５．１９８８）　　、これに
伴い屈折率も通常のバルク結晶に比べて大きな変化が生
じる（Ｈ，ＮａｇｉｉらＥｌｅｃｔ、　Ｌｅｔｔ、　、
　ｖｏｌ。

２２、　Ｐ２Ｓ５．１９８６　）。この外部電界による
屈折率変化分Δｎは吸収係数変化分Δａとは独立ではあ
り得ず、Ｋｒａｍｅｒｓ−Ｘ＋Ｑｉ　ｉ（の関係式で結
ばれている。第６図に、量子井戸構造半導体における外
部電界Ｆ印加による吸収係数の変化分Δａと屈折率変化
分Δｎの波長λ依存性を示す。

ここでは電界強度Ｆをパラメータにしている。

第６図に示すように、電界印加によりΔａの大きさは短
波長領域ではマイナス（吸収係数が減少）になり、長波
長領域ではプラス（吸収係数の増加）になる傾向を示す
。これに対しΔｎの大きさは、短波長および長波長領域
（第６図（ｂｌのａ、ｃ）では増大し、中間の領域（第
６図（ｂ）のｂ）の波長では、減少する傾向を示す。さ
らに、この特性の波長依存性（波長領域ａ、ｂ、ｃ）は
、量子井戸層の厚さにより制御でき、その厚さを薄くす
る程、波長領域ａ、ｂ、ｃは短波長側にシフトする傾向
を示す。

尚、量子井戸層に用いられろＧａＡｇやＧａＡｊＡｓ　
、　ＩｎＧａＡｓ　、　ＩｎＧａＡｓＰ　、　ＩｎＰ等
の半導体バルク結晶は、外部より電界を印加するとポッ
ケルス効果のｊ１４Ｊｃ光学効果により屈折率が変化す
ることが知られている（Ａ、Ｙａｒｔｖ著。

Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｔｏ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎｉｅｓ、　Ｈｏ１ｔ　Ｒｉｎｅｈａｒｔ
ａｎｄ　Ｗｉｎｓｔｏｎ社ＵＳ人）。この電気光学効果
による屈折率変化の大きさΔｎは半導体の材質により異
なり、また、結晶の方位によっても異なる。

例えばＧａＡｓやＩｎＰ等の立方晶系の結晶点群４３ｍ
の構造をもつ半導体では、第７図に示すように、Ｃ軸（
［００１］方向）に電界Ｆを印加すると、［１１０］方
位に伝搬するＴＥモードの光波【こ対しては、Δｎがプ
ラス（屈折率が増加）になり、［１１０］方位に伝搬す
るＴＥモード光波に対してはマイナス（屈折率が減少）
になる。その大きさは電界強度Ｆに比例して変化する。

この電気光学効果による屈折率変化の大きさは、第６図
（ｂｌの量子井戸効果とは異なり、光の波長依存性は比
較的小さい。ただし、バルク結晶の禁制帯幅に対応する
吸収端近傍の波長の光に対しては、この吸収作用にもと
ずいて、第６図と同様な特性の屈折率の外部電界による
変化があり、この効果は、波長依存性がある。

く実　施　例〉 第１図（ａ）、（ｂｌは本発明の−＊Ｍ！１例であり、
第１図（１）はその中央部断面図、第４図（ｂ）はその
斜視図を表わし、光の波長を１．５μｍ帯にする場合に
多重量子井戸層としてＩ　ｎＧａＡｇ層を用いたもので
ある。

第１図に示す半導体レーザ光源装置は、半導体レーザダ
イオード１は対向させて光学的に結合した外部共１ｔＭ
ｌ・３を有している。この外部共振器１３において、１
４はＰ側電極、１５はｐ−ＩｎＧａＡｓ層、１６はｐ−
１ｎＰクラッド層、１７はノンドープＩｎＰクラッド層
、１８は周期的なグレーティング構造をもつノンドープ
Ｉ　ｎＧａＡｓＰ導波層、１９はノンドープＩ　ｎＧａ
Ａｇ量子井戸層／ＩｎＧｉＡｓＰバリ１層からなる多重
量子井戸層、２０は表面が（００１）面になっているｎ
−ＩｎＰ基板、２１はｎ側電極である。ここで、長さり
、の光導波路２２および周期がΔの周期構造になってい
る長さり。

のグレーティング導波路２３はｎ−４ｎＰ基板上に半導
体結晶方位［１１０］の向きに形成されている。光導波
路２２およびグレーティング導波路２３の両端には電極
１４．２１を通して、電圧がそれぞれに−ＶＰ、　−Ｖ
、のマイナスの電圧が印加されている。

レーザダイオード１の活性層７と光導波路２２とは光軸
が合せられて構成され、レーザダイオード１からの出射
光が光導波路２２に効率良く結合できろようにしている
。またそれぞれの端面には反射防止１１１６が設けられ
ている。

グレーティング導波路２３は周期へで構成され、第２図
に示すように特定波長の光のみを反射する特性を有して
いる。このグレー−ティング導波路２３において、ブラ
ッグ波長、すなわちグレーティング導波路２３からなる
フィルタの中心波長λ、におけろ最大電力反射率Ｒｏわ
よび反射特性の帯域幅Δλはグレーティング導波路の損
失が充分小さい時、次式で与えられる。

Ｒ０＝ｔｍｈ”　ｋ　Ｌ、　　　　　　　　　　　−（
、（）λ５２ｎ、Ａ／ｑ　　　　　　　　　　　　・・
・（５）ここで、ｎ、！！グレーティング導波１１２３
の等価屈折率、ｑはブラッグ反射器の次数であり、整数
値をとる。ｋは結合係数であり、グレーティングの溝の
深さや導波路材料の屈折率の大きさ等により決まる定数
である。

従って、グレーティング導波ｌＩ２３の材質。

構造、すなわち長さＬ１局期Ａ１等価屈折率Ω１グレー
ティング溝の深さ等を適当に選択することにより、反射
特性の中心波長λ、を任意に設定することができる。更
に、電極に適当な電圧■３を印加することにより、導波
路の基板である多重量子井戸層１９におけろ第６図に示
した電気光学効果を利用して、等係属折率ｎ、を変化さ
せることができるので、式（６）の関係から反射特性の
中心波長λ、を電気的に変えることができる。

この場き、グレーティング導波路２３は、電圧印加によ
り屈折率の変化が生じると同時に、第６図（ａｌに示す
ように損失の変動が生じる。この損失変動はできる限り
小さい事が望しいので、光の波長λが１．５μ諏帯の時
、量子井戸層の厚さは、約７０五前後の値を選定すれば
良い。この場合、量子井戸効果による屈折率変化の特性
は、波長λの大きさが第６開山）のＣ領域に入ることに
なり、電界印加によりΔｎはプラスの値になり、屈折率
は増加する傾向を示す。また光導波Ｉｓは（ｉ　Ｉ　Ｏ
）方向に形成しているので、半導体バルク結晶の屈折率
も、第７図に示すように、電界印加により増加する。こ
のため、光導波路部の屈折率は量子井戸効果とバルク結
晶の電気光学効果成分が相重なるために大きく変化する
ことになる。

一方、レーザダイオード１の端面からグレーティング導
波路２３までの実効的光路長りは光導波路２２の屈折率
をｎｐとすると、次式の関係で与えられる。

Ｌ＝ｎＰ−ＬＰ　　　　　　　　　　　　・・・（６）
ここで、ＬＰは光導波ｌＩ２２の長さである。

そして、電極１４に適当な電圧Ｖｐを印加することによ
り、グレーティング導波路２３の場合こ同様に光導波路
２２の屈折率ｎＰを可変できるので、レーザダイオード
１の端面からグレーティング導波ｌＩ２３までの実効的
光路長りを電気的にＷ鰭することができろ。

以上説明したように、グレーティング導波路によって特
定の波長λ６を中心波長とした光のみを選択してレーザ
ダイオード１にフィードバックし、光導波Ｉ２２化よっ
て光路長りをａｈａすることにより、中心波長がほぼλ
、で、式（１）で与えられるスペクトル線幅δｆの狭ス
ペクトル線幅の半導体レーザ光源装置が構成されるので
ある。

上記実施例において、例えばグレーティング導波路にお
ける多重量子井戸層１９にＦ＝２００　ＫＶ／ａｘ１Ｍ
度の電界を印加すると、多重量子井戸層の屈折率は２％
程度変化するので、グレーティング導波路の実効的な屈
折率変化Δｎ、は〜１％＊＊になり、式（５）の関係よ
りλ。を〜１％程度変化させる事になり、半導体レーザ
１の発振波長を１０　ｎｍ以上電気的に可変できるので
、広帯域の波長可変半導体レーザ光源装置を実現できる
。

次に、本発明の第２．第３の実施例について、第３図、
第４図を参照して説明する。

第３図は半導体レーザダイオード１と外部共振器１３と
の間に光フアイバ２４を挿入し、これによりレーザダイ
オード１の端面からグレーティング導波Ｉ２３までの実
効的光路長りを長くした実施例である。２５ば光ファイ
バのコア部である。この場合、Ｌを長くできるので、式
（１）の関係より、半導体レーザ１からの出力光１０の
スペクトル線幅δｆを狭くでき、コヒーレントの優れた
半導体レーザ光源を実現できる。

第４図は、半導体レーザダイオード部２６と外部共振９
１１１３を同一の半導体基板２０上にモノリシックに形
成した実施例である。ここで２７は半導体レーザ部の電
極である。この場合、外部共ａｍと半導体レーザを一体
化しであるため、光導波路２２と活性層７との光結合が
安定になるため、高信頼な半導体レーザ光源を実現でき
ろ。なお、この実施例において、第４図に示す半導体レ
ーザ２６の電極部を電気的に２分割し、分割された一方
の活性層を位相！１１ｖｉ領域として動作させる事によ
り、特願平１−７０３４６号「波長可変半導体レーザ光
源装置」で述べられるように、発振波長がｆ！ｋｙ４１
！され活性層７と光導波路２２の接続部での反射もどり
光の影響による半導体レーザ発振の不安定性を除去でき
るので、広帯域な単一モード発振波長可変光源を実現で
きろ。

上記実施例では、半導体基板２０として、基板面が（０
０１）面であり、さらに光導波路の向きを［１１０］結
晶方位に形成した場合を説明したが、基板面として（１
１１）面等の半導体基板を用いても、光導波路の向きを
それに合せて適当に形成すれば、本発明の効果を同様に
利用できる。また、半導体材料として、上記では一例に
ついて説明したが、使用する光の波長に合せて、例えば
ＧａＡｓ、　Ｉ　ｎＧａＡｓ。

Ｉ　ｎＧａＡｊＡｓ、　Ｇａｒｂ等、多重量子井戸構造
の光デバイスに用いられている材料を用いても、上記と
同様の効果を利用できろ。

また、多重量子井戸構造としては、上記の多層化した量
子井戸構成に限らず、量子井戸ワイヤー、量子井戸ボッ
クスの構造を用いると　　（Ｄ、人、Ｂ、Ｍｉｌｌｅｒ
らＡｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、、ｖｏｌ、５２．ｎ
ｏ、２５゜ｐｐ２１５４〜２１５６．１９８８）　、第
６図（ｂ）に示した外部印加電圧による屈折率変化の効
果はさらに大きくなるので、上記実施例よりさらに高性
能な半導体レーザ光源を実現できろ。

〈発明の効果〉 以上説明したように、本発明によれば、レーザ光発生手
段からの出射光は半導体基板に形成されている量子井戸
構造の光導波路を通ってグレーティング導波路に達し、
グレーティング導波路のフィルタ機能によって選択され
た波長の光のみが反射され、光導波路を通ってレーザ光
発生手段から出射されることになる。ここで、グレーテ
ィング導波路における反射戻り光の波長選択およびレー
ザ光発生手段の出射端面からグレーティング導波路まで
の実効的光路長は電気的に制御することができ、これに
より極めて安定な狭スペクトル光を得ることができる。

このため、従来の機械的制御装置に比較して制御部の構
成が極めて簡単となるとともに、グレーティング導波路
によって特定波長の光のみをフィードバックしているの
でスペクトル中心周波数を安定化できる。また、半導体
基板に形成された光導波路およびグレーティング導波路
からなる外部共振器内の光路は導波路を使用しているの
で、従来のように光結合系における軸ずれがなく、極め
て安定に動作することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施例の中央部断面
図、斜視図、第２図は本発明におけるグレーティング導
波路における光の反射特性の波長依存性を示したグラフ
、第３図、第４図は本発明はよる他の実施例の中央部断
面図、第５図（ａ）。 山）は従来の半導体レーザ光源装置の構成図、第６図（
ａ）、　［ｂ）は量子井戸構造半導体の量子井戸効果に
もとすく吸収係数と屈折率の波長依存性及びその外部印
加電界依存性を示したグラフ、第７図は半導体バルク結
晶の電気光学効果（ポッケルス効果）にもとづく屈折率
の外部印加電界依存性を示したグラフである。 図　面　中、 １は半導体レーザダイオード、 ２は外部共振器、 ３は屈折率分布型レンズ、 ４は反射鏡、 ５は微動位置合わせ装置、 ６は反射防止膜、 ７はレーザダイオードの活性層、 ８は出射光ビーム、 ９は入射光ビーム、 １０は半導体レーザ光源！！電の出力光、１１はレンズ
、 １２はグレーテイング板、 １３は外部共振器、 １４はｐ側電極、 １５　（よ　ｐ−ＩｎＧａＡｓ１ｌ　、１６はｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層、 １７はノンドープ１ｎＰクラツド層、 １８はノンドープＩｒｈＧａＡｓＰ導波層、１９はノン
ドープＥ　ｎＧａＡｓ／　Ｉ　ｎ、Ｐ多重量子井戸層、 ２０はｎ−１ｎＰ基板、７ ２１はｎ側電極、 ２２は光導波路、 ２３はグレーティ・、グ導波路、 ２４１よ光ファイバ、 ２５は光ファイバのコア部、 ２６は半導体レーザダイオード、 ２７１よレーザダイオードの電極である。 （ａ） （ｂ） （ａ） 第 図 −・−Ｆ −一一一一一′″１犬 第 ア 図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光を発生するレーザ光発生手段と、前記レ
   ーザ光発生手段に隣接して設置されている半導体基板と
   、該半導体基板に形成され、一端が前記レーザ光発生手
   段の出射端面に対向し光結合して配設されている少なく
   とも１つの量子井戸構造をもつ半導体層で構成した光導
   波路と、該光導波路に電圧を印加する電極と、前記半導
   体基板に形成され、一端が前記光導波路の他端に接続さ
   れている量子井戸構造をもつ半導体層で構成したグレー
   ティング導波路と、前記光導波路、該グレーティング導
   波路にそれぞれ電圧を印加する電極とを有することを特
   徴とする半導体レーザ光源装置。
2. （２）前記レーザ光発生手段と前記光導波路の間におい
   て、一端が該レーザ光発生手段の出射端面に光結合され
   、他端が前記光導波路の一端に光結合された光ファイバ
   が配設されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の半導体レーザ光源装置。