JPH0437182A - 波長可変多重量子井戸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】 （産業上の利用分野） 本発明は、コヒーレント光通信等に用いられる広帯域波
長可変半導体レーザ光源装置に関する。

（従来の技術） 波長可変半導体レーザ光源装置に関する研究は、コヒー
レント光通信方式におけるキーデバイスとしての要望と
、測定器用等の光源としての要望から近年活発に行われ
ている。実現している波長可変半導体レーザ光源装置と
しては、外部回折格子により波長選択を行うもの（外部
回折型）と、波長選択部と増幅部をモノリシンクに一体
化したものくモノリシック型）が代表的には挙げられる
。

第４図に外部回折格子型波長可変半導体レーザ光源装置
の構成を示す。外部回折格子型では、半導体レーザ１の
一方の端面２に無反射コート膜３を施し、無反射コート
端面から出た光はレンズ４でコリメートされ、回折格子
５で反射され、半導体レーザ１へ戻るように設計されて
いる。回折格子５と半導体レーザ１の無反射コートを施
していない他方の端面６とで共振器を構成し、レーザ発
振を行う。その際、回折格子５の光軸に対する角度によ
って波長選択が行われ、レーザの発振波長を制御できる
。外部回折格子を用いた波長可変半導体レーザでは、回
折格子の機械的な回転により波長選択を行うので、波長
可変域は１．５μｍ帯で１１００ｎ以上とすることがで
きる。また共振器長が長くなるので、スペクトル線幅が
狭くなる　（すでに線幅１０ｋＨｚ以下のものが報告さ
れている）。従って、広い波長可変範囲を必要とする場
合や、狭いスペクトル線幅を必要とする場合には、外部
回折格子による波長可変半導体レーザ装置が用いられて
いる。

ところで、外部回折格子型波長可変半導体レーザ光源装
置では、無反射コートを施した端面２の反射率が、波長
可変光源としての性能に大きく影響する。端面２の反射
率が大きく残ってしまうと、系は端面２と端面６と外部
回折格子５で構成される複合共振器レーザになり、内部
縦モード（端面２と端面６で構成される共振器のファプ
リーペローモード）しか発振波長として選択できなくな
る。

良質な無反射コートを施した場合においても、端面２の
反射率を零にすることは不可能であり、有限の反射率（
４０ｄＢ程度）が残ってしまう。特に広帯域の波長可変
光源の場合には、広帯域にわたって端面２の反射率を下
げなければならないが、通常の無反射コートの帯域は多
層膜を用いて広帯域化しても数十ｎｌＩ程度であり、そ
れ以上の広帯域の波長可変光源を構成しようとする際に
は、端面の反射が問題となる。実際に従来の広帯域波長
可変半導体レーザでは、良質な無反射コートを施した場
合においても、この端面の有限の反射による内部モード
の影響で、波長を変化させた場合、周期的に選択できな
い波長領域が残存したり、周期的に出力パワーが変動し
たりするという現象を避けることができなかった。

このように広帯域の波長可変光源では、内部モードの影
響が必ず残ってしまう。この問題を回折するために、内
部モードを外部から制御してやることにより、所望の波
長から常に内部モードを離してしまい、内部モードの影
響が現れないようにすることが可能である。内部モード
の制御方法としては、一般的には半導体レーザの温度を
制御することにより、半導体レーザ内部の屈折率を変化
させ、内部モードを制御する方法や、増幅部への注入電
流を制御することにより、同じく半導体レーザ内部の屈
折率を変化させ、内部モードを制御する方法が考えられ
る。しかし、前者の方法では、制御の速度が非常に遅い
という問題があり、また後者の方法では、内部モード制
御と同時に出力パワーも大きく変わってしまうという問
題がある。

従って、良好に内部モードを制御する方法は、従来考え
られていなかった。

また外部回折格子型波長可変半導体レーザにおいて、多
重量子井戸構造を導入することによりゲイン帯域が広が
り、発振波長可変域が広がることが、Ｊ、Ｅ、Ｅｐｌｅ
ｒ等により＾ｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓＶｏｌ、４３　（１９８３）７４０にて報告され
ティる。

また多重量子井戸半導体レーザでは、発振スペクトル幅
が狭（なることも知られている。従って多重量子井戸半
導体レーザを波長可変レーザとして用いることにより、
線幅が狭く波長可変幅の広いレーザが作製可能である。

しかし多重量子井戸を導入することにより、波長可変域
が拡大した場合においても、内部モードの影響により発
振不可能な領域が存在するという問題点は、通常の半導
体レーザの場合と同じように依然として残っていた。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、外部回折格子と半導体レーザによる波長可変
半導体レーザ光源装置において、広い波長可変幅、狭い
スペクトル線幅を確保するとともに、内部モードの影響
を回避し、任意の波長で発振可能で、かつ出力パワーの
変動が小さい波長変化を可能とする波長可変多重量子井
戸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） 本発明は、外部回折格子によって波長選択を行いながら
、半導体レーザ素子内部の二つ以上の領域への注入電流
を独立に制御するという機構を採用することによって、
半導体レーザの内部モードを、出力パワーとは独立に制
御し、内部モードの影響を回避することを可能にすると
ともに、半導体レーザにおいて多重量子井戸構造を導入
することにより、波長可変域を拡大し、かつ内部モード
の制御性を向上させる０代表的な構成としては、多重量
子井戸構造を用いた位相調整領域と多重量子井戸構造を
用いた増幅領域がモノリシックに一体化した位相調整機
能内蔵多重量子井戸半導体レーザと、外部回折格子によ
る波長可変光源が考えられる。

本発明では、増幅領域に多重量子井戸構造を用いること
により、広い波長可変幅と狭いスペクトル線幅が確保で
きるとともに、位相調整領域に多重量子井戸構造を用い
ることにより、電界印加により量子閉じ込めシュタルク
効果または電流注入による励起子クエンチング効果によ
って、出力パワーとは独立に内部モードを制御すること
ができるので、従来、外部回折格子型の弧波長可変半導
体レーザで問題となっていた内部モードの影響を回避す
ることが可能になる。

（実施例） 以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

第１図は本発明の波長可変多重量子井戸半導体レーザ光
源装置の一実施例の構成図である。レーザ発振および波
長選択の方法は、第４図で説明した従来の技術と基本的
に同じである。

多重量子井戸半導体レーザの片端面に無反射コート膜２
を施し、外部回折格子５と半導体レーザの出力側の端面
６とで共振器を構成し、回折格子５の回転により波長選
択が行われる。本発明では、半導体レーザに多重量子井
戸を導入した位相調整機能を内蔵させていることが特徴
である。

第２図は、位相調整機能付き多重量子井戸半導体レーザ
１３の詳細な構成図である。レーザは、二つの領域で構
成されており、第２図の右側半分は光増幅機能を有する
領域であり、通常の多重量子井戸レーザと同じ構成であ
る。

第２図の左側半分は、位相調整機能を有する領域であり
、この６ＮＭｉの働きにより、位相調整が行われる。増
幅領域では、電極１０から光増幅領域７に電流が注入さ
れ、レーザ発振する。

一方、位相調整領域の動作については、以下の２通りの
方法が考えられる。

その一つの方法は、キャリア注入による屈折率変化を利
用したものである。これは位相調整領域９に電極１１よ
り電流を注入することにより、自由キャリアプラズマ効
果および量子井戸構造特有の励起子クエンチング効果に
より屈折率を変化させる。この屈折率変化により位相調
整領域９の実効的な光路長が変化し、それに伴って内部
縦モードも変化する。この機能により、電気的に内部モ
ードの制御を行うことができる。

他の一つの方法は、電界印加による屈折率変化を利用し
たものである。これは、位相調整領域９に逆バイアスを
印加することにより、量子閉じ込めシュタルク効果やフ
ランツケルデイツシュ効果、またはポッケルス効果によ
り屈折率を変化させる。

この屈折率変化によって、はじめの方法と同じように内
部モードを制御することができる。

次に実際に波長可変光源として用いる場合の動作につい
て説明する。

まず電極１０へ閾値電流以上の電流を流し、レーザ発振
を起こしておき、回折格子５の角度調整により発振波長
の選択を行う。このとき選択した発振波長と内部モード
との相対的な位置関係にょって、選択できない波長領域
が存在したり、出力が変動したりする。この時の内部モ
ードの位置は、半導体レーザ内部の光路長りで決まる。

このＬは次式のように、増幅領域の光路長ｎ１Ｌｌと位
相調整領域の光路長ｎｚＬｚの和で決まる（ｎ＋は増幅
領域の屈折率、口２は位相調整領域の屈折率である。Ｌ
、およびＬ２は第２図参照）。

Ｌ　＝ｎｌＬ＋　＋　ｎｚＬｚ　　　　　　　　　　　
（１）ここに位相調整領域に電流を注入する、または逆
バイアスを印加することにより、位相調整領域の屈折率
ｎ２が変化し、内部光路長りが変わり、その結果、内部
モードを変化させることができる。

この動作により、もし選択した発振波長が内部モードの
付近に存在し、内部モードの影響を受けている場合には
、位相調整領域への電流注入により内部モードをシフト
させ、選択した発振波長において内部モードの影響を受
けないようにすることができる。

半導体レーザの長さを６００　ｕ　ｒｍとし、屈折率を
３．２とすると、内部モード間隔は５．９人になる。

内部モード間隔の大きさ以上に内部モードを動かさなけ
ればならないから、１．５μ−の波長で考えると、半導
体レーザの全光路長を０．０４％変化させなければなら
ない。位相調整領域長Ｌ２を３００μｍとすると、これ
は位相調整領域の屈折率ｎ２を０．０８％変化させるこ
とを意味する。多重量子井戸光変調器で実現している逆
バイアス印加による屈折率変化は１％程度であるから、
ここで必要とされている変化は容易に実現できる。また
全共振器長り、＋Ｌ２＋Ｌ３で考えたときの、縦モード
の変化は、外部共振器長し、を１０ｃｍとしたとき０．
１１人であり、内部モード調整による発振波長の変化は
、はとんど無視できる。

この制御により、内部モードだけを出力パワーと発振波
長と独立に制御することが可能になり、内部モードの影
響を理想的に回避することができる。

以上の説明では、位相調整機能付き半導体レーザの構成
として、第２図に示したような構成に限っていたが、半
導体レーザに位相調整機能を持たせる構成としては、第
３図（ａ）〜（ｃ）のような構成が考えられる。第３図
（ａ）は位相調整領域９を出力側に位置させた場合であ
る。第３図（ｂ）は位相調整領域９も光増幅領域７と同
じく多重量子井戸活性層にした場合で、領域９と領域７
への注入電流を独立に制御することにより内部モードの
調整を行う。第３図（ｃ）は光増幅領域７の両側に位相
調整領域９を設けた場合である。いずれの場合において
も、第２図の構成と同等の機能を保持することは自明で
ある。また増幅領域のみに多重量子井戸構造を導入し、
位相調整領域には通常のバルクを用いた場合、および逆
に位相調整領域に多重量子井戸構造を導入し、増幅領域
には通常のバルクを用いた場合においても、同じような
効果が期待される０位相調整領域の光損失が問題となる
場合には位相調整領域のみを選択的に混晶化することに
よって損失を減らすことも可能である。

また多重量子井戸として量子細線や量子箱といった多次
元量子井戸を用いた場合には、増幅領域に用いた場合に
も位相調整領域に用いた場合にも、さらに効果が増強さ
れる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の波長可変多重量子井戸半
導体レーザ光源装置は、外部回折格子と位相調整領域付
きの多電極多重量子井戸半導体レーザを組み合わせた装
置であるので、広帯域波長可変で、かつ内部モードの影
響を回避することができる。

従来は、無反射コートの限界により、広帯域（＞　１０
Ｏｎ＋＋＋）の波長可変光源を実現しようとすると、内
部モードの影響により選択できない波長領域が存在した
り、内部モードの周期で出力パワーが変動したりする問
題点が生じるが、本発明の波長可変多重量子井戸半導体
レーザ光源装置では、位相調整領域への注入電流の調整
（または電界印加）により、内部モードの影響を、出力
パワーの変動や発振波長の変化を伴わずに避けることが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の波長可変多重量子井戸半導体レーザ光
源装置の一実施例の構成図、 第２図は波長可変半導体レーザ光源装置で使用される位
相調整機能付き多重量子井戸半導体レーザの模式図、 第３図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は本発明の波長
可変多重量子井戸半導体レーザ光源装置の他の実施例の
構成図、 第４図は従来技術で用いられている外部回折格子型波長
可変半導体レーザ光源装置の構成図である。 １・・・半導体レーザ　　　２・・・端面３・・・無反
射コート膜　　４・・・レンズ５・・・回折格子　　　
　　６・・・端面７・・・光増幅領域　　　　８・・・
リード線９・・・位相調整領域　　　１０．１１・・・
電極１２・・・電極（アース側） １３・・・位相調整機能付き多重量子井戸半導体レーザ
第！ 図 ４−ｍ−しンス゛ ５−−−ｆ！７鞠４ｔチ ｆ３−−−４ｆ＃ＢＢ−宵ヒイＪ”：　ＦｙＨ’ｒ＊ｆ
ＱｆｆＱ＃＆−Ｙ第３図 （ｂ） 第２図 ｔ２−−−１’極（アース＃１１） 第３図 （Ｃ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、波長選択性のある反射板と半導体レーザ素子によっ
   て構成された外部鏡型レーザ装置において、該半導体レ
   ーザ素子として、少なくとも一つの光増幅領域と、少な
   くとも一つの位相調整領域を有し、少なくともいずれか
   一方の領域が多重量子井戸構造をなし、かつそれぞれの
   領域を独立な電流によって制御することを特徴とする波
   長可変多重量子井戸半導体レーザ光源装置。