JPH042190A

JPH042190A - モード同期半導体レーザ

Info

Publication number: JPH042190A
Application number: JP10245590A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Murata; 茂村田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-04-18
Filing date: 1990-04-18
Publication date: 1992-01-07
Anticipated expiration: 2016-11-12
Also published as: JP3227701B2

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、光計測、光情報処理に用いられるモ
ノリシック集積型モード同期半導体レーザに関する。

（従来の技術）モード同期半導体レーザは、比較的容易に数Ｌｏｐｓ以
下の超短光パルスを発生できる小型の光源として、将来
の超高速光通信や光計測の分野において重要である。モ
ード同期半導体レーザは、通常、活性領域であるレーザ
チップと外部に置かれた反射鏡およびレンズなどによっ
てレーザ共振器が構成される。そして光の共振器往復時
間にほぼ等しい時間周期で活性領域の駆動電流が変調さ
れることで、強制モード同期が行われ、光パルスが発生
する。しかしながら、このようなハイブリツド構成のモ
ード同期半導体レーザは機械的な安定性の点で実用的な
光源とは言えない。

そこで、活性領域と反射鏡とそれらを光学的に結合する
ための光導波路とを一つの半導体基板上にモノリシック
集積することが試みられている。

このようなモノリシック集積型モード同期半導体レーザ
の例として、第７図に示すようなＲ，Ｓ、タッカ−らに
よって報告されたレーザがある（Ｒ，Ｓ。

Ｔｕｃｋｅｒ　ｅｔ、　ａｌ、、エレクトロニクスレタ
ーズＥｌｅｃｔｒｏｎ。

Ｌｅｔｔ、　ｖｏｌ、　２５　ｐｐ、　６２１−６２３
（１９８９））。このレーザはＩｎＰ基板１０の上に活
性領域１００と光導波路領域２００とが集積化されてい
る。反射鏡３１０は結晶のへき開面を利用している。こ
のレーザでは活性領域１００と光導波路領域２００はレ
ーザ光に対して透明な共通の光ガイド層２０を通して光
学的に結合している。このレーザでは時間幅４ｐｓ、繰
り返し４０ＧＨｚの光パルスが得られている。この他の
モノリシック集積型モード同期半導体レーザの例として
は、Ｐ、　Ａ、モートンらにより報告されたような、光
導波路の一部に過飽和吸収領域を加えて光パルス幅を狭
くしたレーザがある（Ｐ、　Ａ、　Ｍａｒｔｏｎ　ｅｔ
、　ａｌ、、アブライドフイジンクスレターズＡｐｐ１
．　Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、　ｖｏｌ、　５６　ｐｐ、
　１１１−１１．３　（１９９０））。

（発明が解決しようとする課題）上述した従来例には以下のような問題点がある。まずレ
ーザ光のスペクトル幅を制御する機能がない点である。

そのために変調時にスペクトル幅が必要以上に広がって
しまい、トランスフオームリミットに近い、狭いスペク
トル幅を持った光パルスが得られない。よく知られてい
るように、スペクトル幅の広がりは、光パルスを分散の
ある光ファイバーで伝送する場合に大きな障害となる。

したがって必要とする光パルスの時間幅に対して最小の
スペクトル幅となように、スペクトル幅を制御すること
が重要である。また逆に光パルスの時間幅を制御するこ
とも応用上重要な機能である。これはスペクトル幅を制
御することで実現できる。

第２の問題点は、共振器周波数を制御する機能がない点
である。一般に強制モード同期レーザでは、超短光パル
スを発生させるために、光の共振器往復時間の逆数であ
る共振器周波数と極めて近い周波数（０，１％程度以下
の差）で変調を行う必要がある。一方、光通信において
は、通信システムのクロック周波数はあらかじめ厳密に
決まっている。

したがってモード同期レーザを光通信に用いる場合には
、レーザの共振器周波数をクロック周波数に厳密に合わ
せる必要がある。モノリシック集積化を行っても、製作
時に０，１％以下の精度で実際の共振器長を制御するこ
とは非常に困難である。したがって、なんらかの方法で
共振器周波数、つまり共振器長を制御する機能が重要に
なる。

以上、モード同期半導体レーザのスペクトル幅の制御と
共振器周波数の制御の必要性について述べた。モード同
期半導体レーザを光フアイバ通信に使用する場合、それ
ら以外の有効な機能として、波長チャープの制御がある
。光パルスの波長チャープとは、光パルスの中で中心波
長が時間的に変化することである。一般に光パルスを光
ファイバで伝送するときは、光ファイバの波長分散によ
り光パルスの時間幅の広がりが生じ伝送特性が劣化する
。このため伝送可能な距離が制限される。そこであらか
じめ光パルスに分散を打ち消すような波長チャープを与
えておけば、分散の影響が低減し伝送距離を拡大するこ
とができる。波長チャープの制御とは、モード同期半導
体レーザの光パルスに分散の影響を打ち消す様な波長チ
ャープを与える機能のことである。このような機能を持
ったモード同期半導体レーザはこれまでに報告されてい
ない。

本発明の目的は、上述の従来例における問題点を解決し
、スペクトル幅や共振器周波数または波長チャープを制
御する機能を有する、モノリシック集積型モード同期半
導体レーザを提供することである。

（課題を解決するための手段）本発明のモード同期半導体レーザは、（１）一つの半導体基板上に、利得を有する活性領域と
、発振光に対して透明な光導波路領域と、回折格子を有
する反射領域とが、光学的に結合して配置されており、
前記反射領域の反射波長幅が可変できることを特徴とす
る。

（２）一つの半導体基板上に、利得を有する活性領域と
、発振光に対して透明な光導波路領域と、回折格子を有
する反射領域とが、光学的に結合して配置されており、
前記光導波路領域の光学長が可変であることを特徴とす
る。

（３）一つの半導体基板上に、利得を有する活性領域と
、発振光に対して透明な光導波路領域と、回折格子を有
する反射領域と、発振光の強度によって屈折率の変化す
る非線形領域とが、゛光学的に結合して配置されている
ことを特徴とする。

（実施例）次に、本発明について図面を参照して説明する。

第１図（ａ）は本発明のモード同期半導体レーザの第１
の実施例を表す斜視図、第１図（ｂ）は（ａ）のＡＡ’
線での構造断面図である。第１の実施例は、特許請求の
範囲第１項に記された反射波長幅を制御できるモード同
期半導体レーザであり、発振光のスペクトル幅を制御す
る機能を持っている。このレーザは利得を有する活性領
域１００、光導波路領域２００、回折格子９０を有する
反射領域３００とから構成されている。いわゆる分布ブ
ラッグ反射型レーザを基本とした構造になっている。レ
ーザ共振器は２つの反射器、つまり反射領域３００の分
布ブラッグ反射器と活性領域１００のへき開端面を含む
。構造上の特徴は、（１）反射領域３００に電極８０が
設けられており、反射領域３００にある光ガイド層２０
に電流を注入することができること、（２）活性領域１
００と光導波路領域２００と合わせた共振器長に対応す
る共振器周波数が、必要とするモード同期光パルスの周
期に一致していることである。回折格子９０は、ブラッ
グ波長を中心としたある反射波長幅の光だけを選択的に
反射する。このためレーザ光のスペクトル幅は、この反
射波長幅程度になる。反射波長幅は回折格子９０の長さ
や結合効率、あるいは導波路損失（または利得）などの
パラメータによって変化する。したがって、これらのい
ずれかのパラメータを制御することでスペクトル幅を制
御することができる。またスペクトル幅を変化させるこ
とで光パルスの時間幅を制御できる。第１の実施例にお
いては、反射領域３００の光ガイド層２０を注入する電
流を制御することで導波路損失を変化させ、反射波長幅
を制御している。この様子を第２図に模式的に示した。

以下、製造手順を追いながら第１の実施例について詳し
く説明する。まずｎ型ＩｎＰ基板１０の一部に周期２４
０ｎｍの回折格子９０を形成する。次に１回目の結晶成
長によって、この基板１０の上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ
（λｇ＝１．３ｐｍ）光ガイド層２０、ｎ型ＩｎＰスト
ップ層３０、ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．５５ｐｍ）活
性層４０、ｐ型ＩｎＰクラッド層５０を順次形成する。

次に、光導波路領域２００と反射領域３００の活性層４
０を選択的に除去した後、２回目の結晶成長によってｐ
型ＩｎＰクラッド層５１、ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層
６０を順次形成する。横モードを制御するために、ここ
では埋め込み構造を適用する。すなわち、レーザの光軸
に沿ってメサ型のエツチングを行った後、３回目の結晶
成長で、ＩｎＰ高抵抗層７０を形成する。結晶成長はす
べて有機金属気相成長法を用いる。最後に、活性領域１
００と反射領域３００に電極８０を形成する。活性領域
１００と反射領域３００との電気的な分離のために、光
導波路領域２００のキャップ層を除去している。活性領
域１００、光導波路領域２００、反射領域３００の長さ
はそれぞれ２５０ｐｍ、１８００ｐｍ、５００ｐｍであ
る。このモード同期半導体レーザは活性領域１００の駆
動電流を変調することで２０ＧＨｚの繰り返しの光パル
スを発生する。反対領域３００の注入電流を制御するこ
とで、スペクトル幅を０．５ｎｍから２ｎｍまで制御す
る。

これにともなって光パルスの時間幅はＬｏｐｓがら３ｐ
ｓまで変化する。発振光の中心波長は１．５５ｐｍであ
る。

次に、第２の実施例について説明する。上述のように、
反射波長軸は反射領域の長さを変えることによっても制
御できる。第２の実施例は、反射領域の長さを実効的に
制御するモード同期半導体レーザであり、第１の実施例
と同様に、発振光のスペクトル幅を制御する機能を持っ
ている。第３図は、第２の実施例を示す断面図である。

構造上、第１の実施例と異なるのは、反射領域３００に
も活性領域１００と同様に活性層４０があることと、反
射領域３００の電極８０が共振器軸方向に沿って複数に
分かれていることである。第３図の例では反射領域３０
０を３つに分けている。他は第１の実施例とほとんど同
じである。実効的に反射領域３００の長さを制御する方
法は次の通りである。反射領域３００には活性層４０が
あるため、反射領域３００にまったく電流を流さない場
合は、活性領域１００で発光した光は反射領域３００で
すべて吸収されてしまうために、実効的な反射領域３０
０の長さはゼロとみなすことができる。そこで第３図に
おいて、反射領域３００の電極１だけに電流を流して、
この部分の利得と損失が等しいようにして、はぼ透明な
光導波路と見なせるようにした場合、実効的な反射領域
３００の長さはＬｌとなる。同様に、電極１と電極２と
に電流を流した場合、実効的な反射領域３００の長さは
Ｌｌ　＋　Ｌ２となる。このようにして、複数に分割し
た電極８０に部分的に電流を流すことで、実効的な反射
領域３００の長さを制御することができる。反射領域３
００の長さが変化すると反射波長幅が変化する。この様
子を第４図に模式的に示した。製造方法については第１
の実施例とほぼ同じであるため、ここでは繰り返さない
。反射領域３００の活性層４０を残す点が主な違いであ
る。第２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同様
の特性が得られる。

次に、第３の実施例について説明する。この実施例は、
特許請求の範囲第２項に記された、光導波路領域２００
の光学長を制御するモード同期半導体レーザであり、レ
ーザの共振器周波数を制御する機能を持っている。課題
のところで述べたように、モード同期半導体レーザを光
通信に用いる場合、共振器周波数をクロック周波数に極
めて厳密（０，１％程度以内）にあわせる必要がある。

第５図は、第３の実施例を示す断面図である。構造の上
で第１の実施例と異なるのは、光導波路領域２００に活
性領域の電極とは分離した電極８０が設けられているこ
とである。他の点では第１の実施例とほぼ同じである。

光導波路領域２００の光ガイド層２０へ電流を注入する
ことで、光ガイド層２０の屈折率を変え、光導波路領域
２００の光学長を制御することができる。電流注入によ
る屈折率変化は１％程度であるため、実効的な共振器長
をやはり１％程度変化させることができる。それによっ
て共振器周波数を制御できる。製造方法についても第１
の実施例とほぼ同じである。

光導波路領域３００への電極８０の形成が主な違いであ
る。各領域の長さを第１の実施例と同じにした場合、ク
ロック周波数２０ＧＨｚ±０．１ＧＨｚの範囲でモード
同期光パルスを発生させることが可能である。

なお、第３の実施例は第１または第２の実施例と組み合
せることも可能である。この場合の構造と製造方法は、
これまでの説明から容易に実現できる。

次に、第４の実施例について説明する。この実施例は、
特許請求の範囲第３項に記された、発振光の強度によっ
て屈折率の変化する非線形領域２００を有するモード同
期半導体レーザであり、波長チャープを制御する機能を
持っている。第６図は、第４の実施例を示す断面図であ
る。構造上、第１の実施例と異なるのは、非線形領域４
００と第２反射領域３１０が加わっている点である。こ
こでは非線形領域４００の端面は無反射コート膜が形成
されている。この非線形領域４００はいわゆる進行波型
の半導体光アンプと同じである。半導体光アンプに強い
光パルスを注入すると、自己位相変調が生じて、光パル
スの波長が長波長側から短波長側に時間的にシフトする
。この波長チャープの大きさを、光パルスの時間幅に応
じて制御することで、光パルスを光ファイバで伝送する
ときに、分散による光パルスの時間幅の広がりの影響を
低減することができる。波長チャープの大きさは、非線
形領域４００に注入する電流によって制御できる。半導
体光アンプにおける自己位相変調についてはＧ、　Ｐ、
アグロワルらが詳しく報告している。（Ｇ、　Ｐ、　Ａ
ｇｒａｗａｌ　ｅｔ、　ａｌ、、アイイーイーイージャ
ーナルオブカンタムエレクトロニクスＩＥＥＥ　Ｊ、　
Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、　ｖｏｌ、　２５
．　ｐｐ、　２２９７−２３０６（１９８９））。第２
反射領域３１０は反射領域３００と同じ層構造をしてい
る。しかし、この領域は、これまで述べた実施例におけ
る活性領域１００側のへき開端面と同じで、レーザ共振
器の一方の反射器の機能を果たしているだけである。第
２反射領域３１０での反射率は１０−２０％程度に低く
しであるために、この領域の反射波長幅はあまりスペク
トル幅に影響しない。第４の実施例の製造方法は、第１
の実施例とほぼ同じである。非線形領域４００と第２反
射領域３１０を形成すること、第２反射領域３１０にも
回折格子９０を作ること、無反射コート膜９５を形成す
ることなどが異なる。各領域の長さは、非線形領域４０
０が２００ｐｍ、第２反射領域３１０が１００１１ｍ、
活性領域１００が２５０ｐｍ、光導波路領域２００か３
９００１１ｍ、反射領域３００が５００ｐｍである。こ
のモード同期半導体レーザは活性領域１００の駆動電流
を変調することで時間幅Ｌｏｐｓ、繰ゆ返し１０ＧＨｚ
の光パルスを発生する。非線形領域４００の注入電流を
制御することで、波長チャーブを制御できる。非線形領
域４００がない場合と比べて、光パルスを伝送できる距
離を１．５倍以上拡大できる。なお、第４の実施例は第
１または第２、および第３の実施例と組み合せることも
可能である。

以下、上述の４つの実施例について若干の補足説明をす
る。これらの実施例は、いずれも発振波長が１．５５ｐ
ｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ系のモード同期半導体レーザにつ
いてであるが、他の波長帯、例えば０．８μｍ帯のＡｌ
ＧａＡｓ系のレーザについても、同様の効果が得られる
。レーザの横モード制御構造については、例えばリッジ
導波路型のような別の構造を適用することも可能である
。また製造工程については、例えば、光導波路領域２０
０の光力イト層２０を選択的に結晶成長する方法もある
。この場合には、活性領域１００の光ガイド層２０は必
ずしも必要でない。

（発明の効果）以上説明したように本発明によれば、スペクトル幅や共
振器周波数あるいは波長チャープが制御できるモノリシ
ック集積型モード同期半導体レーザが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明のモード同期半導体レーザの第１
の実施例を表す斜視図、第１図（ｂ）は（ａ）のＡＡ’
線での断面図、第２図と第４図は反射領域の反射率特性
を説明するための図、第３図は第２の実施例の素子の断
面図、第５図は第３の実施例の素子の断面図、第６図は
第４の実施例の素子の断面図、第７図は従来例の素子の
断面図である。図において、１００は活性領域、２００
は光導波路領域、３００は反射領域、３１０は第２反射
領域、４００は非線形領域、１０は半導体基板、２０は
光ガイド層、３０はエツチングストップ層、４０は活性
層、５０．５１はクラッド層、６０はキャップ層、７０
は高低抗層、８０は電極、９０は回折格子、９５は無反
射コート膜、１．２．３は電極である。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）一つの半導体基板上に、利得を有する活性領域と
、発振光に対して透明な光導波路領域と、回折格子を有
する反射領域とが、光学的に結合して配置されており、
前記反射領域の反射波長幅が可変であることを特徴とす
る、モード同期半導体レーザ。
（２）一つの半導体基板上に、利得を有する活性領域と
、発振光に対して透明な光導波路領域と、回折格子を有
する反射領域とが、光学的に結合して配置されており、
前記光導波路領域の光学長が可変であることを特徴とす
る、モード同期半導体レーザ。
（３）一つの半導体基板上に、利得を有する活性領域と
、発振光に対して透明な光導波路領域と、回折格子を有
する反射領域と、発振光の強度によって屈折率の変化す
る非線形領域とが、光学的に結合して配置されているこ
とを特徴とする、モード同期半導体レーザ。