JPH04150083A

JPH04150083A - 半導体ラマンレーザ

Info

Publication number: JPH04150083A
Application number: JP27411190A
Authority: JP
Inventors: Junichi Nishizawa; 潤一西澤; Ken Sudo; 建須藤
Original assignee: Research Development Corp of Japan
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1990-10-13
Filing date: 1990-10-13
Publication date: 1992-05-22
Anticipated expiration: 2012-08-13
Also published as: JP2639394B2

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、光通信及び光計測に利用され得る半導体ラマ
ンレーザに関する。

［従来の技術］本発明者らは、特公昭５１−１７３９７号公報やｒエサ
キダイオードと長波長レーザー」と題する電子技術第７
巻第３号第１０２〜１０６頁（１９６５年発行）の論文
等により半導体ラマンレーザの提案を行っており、この
技術に基づいて小型化可能な導波路形半導体ラマンレー
ザを実現し、”　ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅ
ｔｔｅｒＪＶｏｌ、　５１（１８）第１４５７頁（１９
８７年発行）においてｒＬａｔｅｒａｌ　ｏｐｔｉｃａ
ｌ　ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｏｆ　　ｔｈｅ　　ｈｅｔ
ｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　　５ｅＩｌｉｃｏｎｄｕｃ
ｔｏｒ　　Ｒａｍａｎｌａｓｅｒ　Ｊと題する論文にて
発表している。

この導波路形半導体ラマンレーザは第３図に示すように
、ＧａＰ基板３上に、ＧａＰコア層１及びＡｌｘＧａ１
−０Ｐクラッド層２を形成すると共に、ＧａＰ補助層４
をこれらの上側に形成し、次いでこれらの一部に多層誘
電体反射膜６を形成し且つリソグラフィ技術により励起
光入射窓８を設けることにより構成されており、このラ
マンレーザに、ＧａＰに対して透明な領域の任意の周波
数ω、を持つレーザ光で励起することにより、ストーク
ス光ω、の発振を得ることができる。

ここで、ω、とω、の関係は光学フォノン周波数をω、
とすると ω１．−ωＳ＋ω、ｈ（１）の関係にある。

ところで、半導体ラマンレーザは、励起光の周波数を任
意に選択し、上記関係を満たす任意の周波数ω、を増幅
発振させることができる光の周波数選択形増幅発振器で
あり、本発明者らによる特開昭６２−２１９９９２号公
報で開示されているように、現在のｐｉｎホトダイオー
ドや雪崩ホトダイオードで直接検波できないテラヘルツ
帯に達するような広帯域変調された光波の光ヘテロダイ
ン検波の手段となる。

ストークス光の発振を得ようとする場合、コア部分に周
波数ω、のレーザ光を入射することが必要であるが、従
来の方式のものは、第１図に示ずごと（高反射率誘電膜
６を両端面に蒸着し、その一部分にリソグラフィ技術に
より励起光入射窓８を開口していた。この高反射率誘電
体膜６は上記ｒＬａｔｅｒａｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｃｏ
ｎｆｉｎｅｎ＋ｅｎｔｏｆ、ｔｈｅ　ｈｅｔｅｒ。

５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｒ
ａｍａｎ　１ａｓｅｒ　Ｊに記載しているように、Ｓｉ
Ｏ□とＴｉＯ□をλ／４ごとの厚さで１０〜１５層交互
に蒸着し、反射率９０〜９９％の間の適宜の値を実現し
ている。

〔発明が解決しようとする課題］ところで、レーザダイオードは種々任意の波長が得られ
るので、ラマンレーザの励起光源として最適であるが、
光強度が大きくない。

したがって、励起光のしきい値光強度を低くすることが
必要であるが、そのためにはコア断面積（ストライプの
輻×ストライプの厚み）を小さくすることが必要である
。すなわち、ラマンレーザ内の増幅度は励起光パワー密
度に比例するからである。

しかしながら、リソグラフィ技術をもってしては、励起
光入射窓８を５μ×５μ以下にすることは困難であり、
しかもストークス光に対しては、このような励起光入射
窓８を開口することは損失となることから、９０〜９９
％の高反射率を存するように該反射率膜を蒸着したとし
ても、実質反射率は７０％程度あるいはそれ以下にも低
下していたため、コア断面積を小さくすることによる効
果が得られず、励起光の低しきい値化が達成され得ない
という問題があった。

本発明は上記問題点に鑑み、簡単な構造で容易に製造す
ることができ、しかも励起光のしきい値を非常に小さく
することが可能な、半導体ラマンレーザを提供すること
を目的としている。

（課題を解決するための手段）上記目的は、本発明によれば、ＧａＰコア層とこのコア
層を囲む＾ｌうＧａ、−ＸＰクラッド層と少なくとも入
射側端面のコア部分に励起光に対して襄い透過率を存し
第一ストークス光に対して高い反射率を有する多層誘電
体膜とを含む半導体ラマンレーザにより、達成される。

本発明によれば、さらに、出力側端面のコア部分に、第
二ストークス光に対して高い透過率を有し且つ第一スト
ークス光に対して高い反射率を有する多層誘電体膜を形
成することができる。

前記ＧａＰ　コア層は、レンズ又は光ファイバによって
入射する励起レーザ光のビームの回折限界程度あるいは
それ以下の大きさの断面を有するものとする。

〔作　用〕本発明によれば、少なくとも励起光の入射端面に、励起
光ω、に対して高い透過率を有すると共に、ストークス
光ω、に対しては逆に高い反射率を有する選択波長形の
菓着膜が草着形成されていることから、これによって入
射光はコア断面積全体を照射すればよいので、該コア断
面積を従来のものに比べて非常に小さくすることができ
、レンズやファイバを使った入射ビームの絞り込みもご
く容易になる。即ち、従来の方式ではコア断面積が４０
μｍ×１０μｍが実質的な限界であったが、本発明によ
ればコア断面積を１　ｕｍＸ　１　ｐｍと小さくするこ
とができる。

マタ、従来型のラマンレーザのように、励起光の入射端
面に窓の開口を形成する必要もないので、リソグラフィ
を必要としないばかりでなく、レーザの製作が極めて容
易となる。

更に、本発明によれば、ストークス光に関して励起光入
射窓による損失がないことから、高い反射率が得られる
結果となり、しきい値光パワー密度を低くすることがで
きる。従来型のラマンレーザによれば、励起光入射窓を
形成していたため、しきい値パワー密度が大きく、少な
くとも】Ｗ以上の入射光強度を必要としていたが、本発
明によれば、ＩＷ以下の出力でよく、光パワー密度は上
記した従来型のものに比し同し入射強度に対して４００
倍にも達し得る。

なお、従来方式では入射光の多重内部反射効果があるの
で、実質入射光は内部を２〜３往復しており、これに対
して本発明では１往復であるから、実質的には２００倍
程度であるが、効果が著しいことは明白である。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する
。

第１図は、本発明のラマンレーザ１０の入射端面の構造
を示し、また第２図はその軸方向の断面の構造を示す模
式図である。

第１図及び第２図において、１１はＧａＰコア層、１２
はＡｌｘ　Ｇａ１−ｘ　Ｐクラッド層、１３はＧａＰ基
板、１４はＧａＰ補助層である。１６は、励起光に対し
て高い透過率を有し且つ第一ストークス光に対して高い
反射率を有する多層誘電体膜であり、５　Ｂ電体膜１６
はＧａＰコア層１１とこのコア層１１を囲むＡｌｘＧａ
１−アＰクラッド層１２及びコア１１部分の入射側端面
に莫着形成されている。

このような選択透過反射膜１６は従来知られている多層
誘電体膜により構成され得る。「レーザーハンドブック
」　（レーザー学会編、オーム社発行）にも記載されて
いるように、たとえばＴｉ０ｚと５ｉｏｚとをλ／４ず
つの厚さで中心波長λＬの多層膜を２組互いにλの間隔
で張り合わせた構成のものを、１５〜２０層積層するこ
とにより、λ、にて透過率Ｔ＝９０〜９５％、λ、で反
射率Ｒ＝９８〜９９％が得られる。

ここで、ＧａＰ結晶においては、光学フォノン周波数は
縦形光学フォノンの場合ωｐｈ＝１２　ＴＨ２であるか
ら、例えばωＬ　＝２８２７＋（ｚの場合、ω。

＝２７０７Ｈｚ、これを波長に換夏すると、λ、＝１．
０６４　μｍ、λｓ　＝１．１１２μｍ、すなわち波長
の差で４８ｎｍである。従ってλ、で９０％以上の透過
率を得、λ、で９９％の反射率を得ることは容易である
。

ラマンレーザへの入射手段としてはレンズによる集光又
は光ファイバの直結が採用され得る。

レンズによる集光の場合には、ビームの半径ｒ□７は、
回折限界においてｒ□、、〉（λ／Ｄ）・ｆであること
は一般光学書に述べられている。

ここで、Ｄは入射平行ビームの直径、ｆはレンズの焦点
距離である。たとえばｆ！：１ｌＯｓｓ＋Ｄさ２慨−の
場合、ｒ□、１ｚ４μｍであるから、ラマンレーザのコ
ア断面積は８４ｍＸ８μｍ程度あるいはそれ以下にでき
る。なお、入射レンズの線点距離を小さくしすぎると、
入射ビームの入射角度の広がりが大きくなりすぎるので
、コア内に光を閉し込められなくなってしまう。

限界の入射角とクランド層として要求されるＡ１組成と
の関係は、Ｋ、　５ｕｔｏ、　　Ｓ、　Ｏｇａｓａｗａ
ｒａ、　　Ｔ。

Ｋｉｍｕｒａ　　Ｊ、　ＮｉＮ１５ｈｉｚａによるｒｓ
ｅｔａｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＲａｍａｎ　　１ａｓｅｒ
　　ａｓ　　ａ　　ｔｏｏｌ　　ｆｏｒ　　ｗｉｄｅｂ
ａｎｄ　　ｏｐｔｉｃａｌｃｏｅｕ＋ｕｎｉｃａｔｉｏ
ｎｓ４　と題する論文（ＩＥＥＥ　ＰＩ？０ＣＥＥ［１
ＩＮＧＳ、　Ｖｏｌ、　１３７．　ＰｔＪ、　Ｎｏ、１
．第４３頁、１９９０年２月）に記載されているが、結
晶性を劣化させないためには、その範囲内でＡ１組組成
を小さくすることが必要である。また、コアの断面積を
入射ビームの回折限界程度あるいはそれ以下にしておく
ことにより、ラマンレーザのコアは一様に近い形で照射
されるから、コア内を導波する励起光は横方向最低次数
の基本モードとなり、ストークス光の基本モードを励起
するには最も望ましいこととなる。

光ファイバを直結することにより励起光を入射する場合
も同様である。ノングルモートコアイノ＼の場合、ファ
イバコア径は数μｍであるから、ラマンレーザのコア断
面を同程度の寸法あるいはそれ以下にし、直結、すなわ
ち極めて接近させ、マツチング用の液体をラマンレーザ
の端面とファイバ端面のすき間に侵入させることにより
、励起光はほとんどロスなく入射され得る。コアイノ＼
の端面に半球レンズを装着した場合については、レンズ
による入射の場合と同様に、励起光の入射が行われる。

さらに、入射側端面に選択透過・反射膜１６を用いると
同時に、出力側端面にも選択透過・反射膜１７を用いれ
ば、従来の半導体ラマンレーザでは得られない効果を有
する新規な半導体ラマンレザが得られる。

すなわち、出力側端面に関しては、ストークス光（第一
ストークス光）ω、１＝ω１−ω、においては高い反射
率を有し且つ第二ストークス光ω５□−ωＬ　　　２ω
ｐ６においては高い透過率を有するような誘電体膜が使
用される。その結果、第一ストークス光ω５Ｉは、両端
面が高い反射率を有するためにレーザ発振に至る。ここ
で、反射率が両端面とも９８〜９９％ある場合には、第
一ストークス光の光電異強度が入射光の強度と同程度に
達しても、両端面を通しての出力は入射光入力の数％に
も達しないことから、入射パワーの低下はほとんど生し
ない。

このことは、第一ストークス光の内部強度は容易に入射
光強度を上まわってしまうことを意味している。その結
果、第一ストークス光は入射光と同じメカニズムでしか
もより高い増幅率で、ωｓ２−ωｓＩ−ωｐｈ−ωし　
−２ω２ｈで与えられる第二ストークス光を励起する。

すなわち、第一ストークス光の発振している時は第二ス
トークス光に対しては第一ストークス光よりも高い増幅
度が得られることになる。

さらに、出力側端面を、第二ストークス光に対して高い
透過率を与える蒸着膜にしておけば、出力側端面（入射
側と反対側という意味）よりω。

２ω２．なる第二ストークス波長帯の信号光を入射する
と、第二ストークス光は第一ストークス発振光により増
幅されつつ、入射側端面（励起光を入射する側）で反射
され再び出力側端面にもどってくるから、この増幅され
た光をファラデー回転器を使用することにより分離して
取り出すことができる。すなわち光増幅器として作用す
ることになる。この方式によって、半導体ラマンレーザ
を光へテロゲイン復調器として使う場合、増幅度が第一
ストークス光を使った場合より高いだけ、帯域外の光に
対するアイソレーションも高いという効果が得られる。

またこのような構造にすることによって、第二ストーク
スの発振は生しないので、第一ストークス発振光のパワ
ーの飽和が生しるようなことはないという利点もある。

以下、本発明を具体例によりさらに説明する。

〔具体例１〕第１図に示すように、半導体ラマンレーザ本体の入射側
端面において、ＧａＰでなるコア層１１を、ストライプ
幅１０μｍ、ストライプ厚み１０μｍのほぼ矩形断面と
し、またＡ１．　Ｇａ１−０Ｐでなるクラット層１２は
、Ｘユ０２とする。

第２図はラマンレーザ本体の軸方向断面とレンズ１５に
よる励起光入射を示す。軸長は４■であり、レンズによ
る最小ビーム径の位置にラマンレーザ本体の入射端面の
コア部分が配置されている。

入射側多層蒸着膜１６は、約１５層からなっていて、波
長１．０６４　μ帯に対して透過率Ｔ＝９０％、第一ス
トークス光波長１．１１２　μ帯で反射率Ｒ≧９８％と
なる狭帯域透過形多層蒸着膜である。蒸着膜は屈折率の
低いＳｉＯ□のλ／４厚みの膜（Ｌ）と屈折率の高いＴ
ｉＯ□のλ／４厚みの膜（Ｈ）の多層構造を有している
。他方、出力側の蒸着膜１７は従来と同様の構成であり
、１．０６４〜１．１１μ帯で９８〜９９％の反射率を
有する。

入射レーザビームに関しては、直径２■のＣＷ。

ＹＡＧレーザビームと、角点距離ｆ＝１０ｍｍのレンズ
を使用することにより、実質的なビームの最小直径は約
８μｍとなり、コア断面積に近い径になっている。

本例の場合、入射光強度が８００１で発振する。

発振出力は数十１１−で、波長は１．１１２・μである
。

（具体例２）コア断面３μｍＸ３μｍ、長さ４■のラマンレーザを使
用し、誘電体膜は、透過波長８３０ｎ−で、透過率９０
％、第一ストークス光８６０ｎｍで反射率Ｒ〜９８％を
有している。

励起光として、ＧａＡｌＡｓ系レーザダイオード光をコ
ア径数μｍのシングルモードファイバの一端に対して通
常の手段で導入し、該ファイバの他端を前述した方法で
ラマンレーザのコアに直結する。

これにより、約１００ｍＷの入射強度（波長８３０ｎｍ
）で発振が行われる。出力は数Ｔａ−で、波長８６０ｒ
＋−である。

（具体例３〕コア断面２μ×２μとする他は、誘電体膜及び励起レー
ザは具体例２と同しである。

シングルモードファイバの出力端面に半球レンズを接続
し、回折限界約１μ半径のスポット位置にラマンレーザ
のコア端面を配置して入射する。

この場合、約５（）＋Ｗの入射光強度で発振が行われる
。出力は数１で、波長は８６０ｎ−である。

〔具体例４］入射側端面及び入射法は具体例１の場合と同一条件とし
、出力側端面ば入射側端面と同しＩＩ造であるが、中心
透過波長を、第二ストークス光波長１．１６４　μｍと
し、その透過率Ｔ−＝９０％を有している。この場合、
第一ストークス光１．１１２　μ及び入射光１．０６４
　μに対しては、反射率９８〜９９％となる。

出力側端面から波長１゜１６４　μを有する信号光を入
射すると、増幅度が１０倍となる。信号光としてはＹＡ
Ｇレーザで励起される別のラマンレーザの第二ストーク
ス発振光を利用する。

〔具体例５〕具体例４と同様であるが、励起光として波長１．３５　
μで出力１００ｍＷのレーザダイオードを利用する。第
一ストークス光波長は１．４４μ、第二ストークス光波
長は１．５１μである。信号光は、波長１．５１μのレ
ーザダイオード光であり、具体例４の場合と同様に増幅
度が１０倍となる。

［発明の効果］以上述べたように、本発明によれば、入射端面に窓を設
けずに、励起光に対して高い透過率を有し且つストーク
ス光に対して高い反射率を有する選択波長形の蒸着膜を
設けることにより、ストークス光に対する窓による損失
が排除され、従って高い反射率が得られることになるの
で、しきい値パワー密度を低くすることが可能となり、
これによりコア断面積をより小さくすることができると
共に、一定の入射強度に対してより高い光パワー密度が
得られることになる。

また、出力側端面にも選択透過・反射膜を用いた場合に
は、第一ストークス光が第二ストークス光に対して高い
透過率を有するようにしておけば、第二ストークス光を
取り出すことにより、光増幅器として作用し、帯域外の
光に対するアイソレーションを高くすることが可能で、
且つ第一ストークス光のパワー飽和も排除され得る等、
種々の効果が達成される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の半導体ラマンレーザの入射端面の構造
を示す概略断面図、第２図はその軸方向の断面の構造を
示す模式図である。第３Ｖは従来の半導体ラマンレーザの構造を示す概略断
面図である。１０・・・半導体ラマンレーザ；　１１・・・コア層；
１２・・・クラッド層：　１３・・・ＧａＰ基板；　１
４補助層：１５・・・レンズ；　　１６，１７・・・多
層誘電体膜（選択透過・反射膜）。：　断接：西：須人：弁理士：弁理士：弁理士

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ＧａＰコア層と、該コア層を囲むＡｌ＿ｘＧａ＿
１＿−＿ｘＰクラッド層と、少なくとも入射側端面のコ
ア部分に励起光に対して高い透過率を有し且つ第一スト
ークス光に対して高い反射率を有する多層誘電体膜と、
を含むこと特徴とする、半導体ラマンレーザ。
（２）出力側端面のコア部分に、第二ストークス光に対
して高い透過率を有し且つ第一ストークス光に対して高
い反射率を有する多層誘電体膜を有することを特徴とす
る、請求項１に記載の半導体ラマンレーザ。
（３）前記ＧａＰコア層が、レンズ又は光ファイバによ
って入射する励起レーザ光のビームの回折限界程度ある
いはそれ以下の大きさの断面を有することを特徴とする
、請求項１または２に記載の半導体ラマンレーザ。