JPH08340152A

JPH08340152A - 半導体パルスレーザ装置

Info

Publication number: JPH08340152A
Application number: JP14611395A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Matsui; 康浩松井; Shin Arataira; 慎荒平; Satoko Kutsuzawa; 聡子沓澤; Hiroshi Ogawa; 洋小川
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1995-06-13
Filing date: 1995-06-13
Publication date: 1996-12-24

Abstract

(57)【要約】【目的】素子を切り出す長さの精度を考慮する必要が
ない、繰り返し周波数が変化可能な半導体パルスレーザ
装置を提供する。【構成】可飽和吸収領域２１はｐ側オーミック電極８
を通して、電圧源３１から逆バイアス電圧を印加するこ
とで、受動モード同期を起こさせる作用をする。利得領
域２２はｐ側オーミック電極９を通して電流源３２から
電流を注入することで利得媒体として働き、光の発生及
びレーザ発振に必要な光の増幅作用をする。ブラッグ反
射鏡領域２３は、回折格子７の働きにより、共振器内に
組み込まれた波長フィルタとして働く。そのため、発振
波長のコントロール及び発振波長域を制限する役割を
し、屈折率分散の影響を抑えて受動モード同期が起こり
やすくする働きを持つ。グラッグ反射鏡領域２３は４分
割されており、それぞれに独立に電流源３２〜３６から
の電流の注入を行えるようになっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光計測や光通信に用い
る、超短光パルス列を発生する半導体パルスレーザ装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、このような分野の技術としては、
例えば、文献（１）として、『Ｐ．Ｂ．Ｈａｎｓｅｎ，
Ｇ．Ｒａｙｂｏｎ，Ｕ．Ｋｏｒｅｎ，Ｂ．Ｉ．Ｍｉｌｌ
ｅｒ，Ｍ．Ｇ．Ｙｏｕｎｇ，Ｍ．Ｃｈｉｅｎ，Ｃ．Ａ．
Ｂｕｒｒｕｓ，ａｎｄＲ．Ｃ．Ａｌｆｅｒｎｅｓｓ，
“５．５−ｍｍＬｏｎｇＩｎＧａＡｓＰＭｏｎｏ
ｌｉｔｈｉｃＥｘｔｅｎｄｅｄ−ＣａｖｉｔｙＬａｓ
ｅｒｗｉｔｈａｎＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＢｒａ
ｇｇ−ＲｅｆｌｅｃｔｏｒｆｏｒＡｃｔｉｖｅＭ
ｏｄｅ−Ｌｏｃｋｉｎｇ”ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎ．Ｔ
ｅｃｈ．Ｌｅｔｔ．ＶｏＬ４，Ｎｏ．３，Ｐ．２１５〜
２１７（１９９２）』文献（２）として、『半導体レーザと光集積回路、末松
安晴著、オーム社、３２５〜３３９頁』に記載されたも
のがあった。

【０００３】上記文献（１）で述べられている半導体パ
ルスレーザ装置は、能動モード同期法により、素子の周
回周波数と一致した繰り返しを持つ光パルス列を発生す
るものである。この文献では同一のＩｎＰ基板上に、光
の発生と増幅を行なう利得領域、バンドギャップ波長が
利得領域よりも短い組成からなる受動導波路、受動導波
路と同じバンドギャップ組成からなり、回折格子を有す
るブラッグ反射鏡領域を集積化した素子を用いた能動モ
ード同期法について述べている。

【０００４】各領域長はそれぞれ、利得領域が７００μ
ｍ、受動導波路が４２００μｍ、ブラッグ反射鏡領域が
６００μｍである。各領域の長さの合計は５５００μｍ
である。利得領域に素子の周回周波数（８．１ＧＨｚ）
と一致した変調電流を流すことで、能動モード同期法に
より光パルス列を発生する。この文献ではパルス幅２０
ｐｓの変換リミットな光パルス列の発生に成功してい
る。

【０００５】上記素子の発生する光パルスの繰り返し周
波数、８．１ＧＨｚ（１２０ｐｓ）は、光パルスが素子
の構成する共振器内を一往復する時間に対応している。
この場合、光パルスが実際に往復している空間的な長さ
を計算する場合、ブラッグ反射鏡の長さを実効的な光の
侵入長に置き換えてから、各領域の合計を求めればよ
い。

【０００６】ブラッグ反射鏡への光の侵入長の計算の例
は、上記文献（２）に開示されている。侵入長とは、ブ
ラッグ反射鏡へ侵入してきた光が、入射光強度の１／ｅ
に減衰するまでの距離で表され、ブラッグ反射鏡は等価
的にこの位置にミラーを置いていることと等しい。上記
文献の場合、ブラッグ反射鏡領域長６００μｍは、等価
的に２００μｍの長さに等しく、繰り返し周波数は、利
得領域が７００μｍと受動導波路が４２００μｍを加え
た５１００μｍに対応して決定されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記文
献に開示された従来例では、繰り返し周波数は、作製し
た素子の長さで決定されており、応用上実際に必要とな
る繰り返し周波数を得るためには、繰り返し周波数の精
度を満足するように、素子を切り出す長さの精度を要求
する必要があった。

【０００８】従って、本発明は、上記問題点を除去し、
素子を切り出す長さの精度を考慮する必要がない、繰り
返し周波数が変化可能な半導体パルスレーザ装置を提供
することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、（１）同一組成の半導体導波路からなる可飽和吸収領
域、利得領域、ブラッグ反射鏡領域を集積化した半導体
パルスレーザ装置において、前記ブラッグ反射鏡領域を
分割して、これらの領域間の屈折率および吸収係数を変
化させることで、入射光の侵入長を変化させ、モード同
期レーザの繰り返し周波数を変化可能にしたものであ
る。

【００１０】（２）上記（１）記載の半導体パルスレー
ザ装置において、前記ブラッグ反射鏡領域を第１から第
４の反射領域に４分割し、この第１から第４のブラッグ
反射鏡領域の全ては電流注入を行わず、これらのブラッ
グ反射鏡領域でのブラッグ波長λｂで決定される発振波
長でレーザ発振が起きる状態となし、次に、前記第２か
ら第４のブラッグ反射鏡領域に対してチューニングを行
うことで、前記レーザの発振波長λｂに対する前記第２
から第４のブラッグ反射鏡領域が透過するようにしたも
のである。

【００１１】（３）上記（１）又は（２）記載の半導体
パルスレーザ装置において、前記ブラッグ反射鏡領域を
構成する導波路の組成を、発振波長と同等かあるいは長
波長のものを用いるようにしたものである。（４）上記（１）又は（２）記載の半導体パルスレーザ
装置において、前記ブラッグ反射鏡領域を構成する導波
路の組成を、発振波長よりも５０ｎｍ程度短波長のバル
クあるいは量子井戸構造を用いるようにしたものであ
る。

【００１２】

【作用】本発明の半導体パルスレーザ装置は、上記した
ように、可飽和吸収領域、利得領域、ブラッグ反射鏡領
域を同一の基板に集積化したものであり、各領域は同一
組成の導波路を持つ。各領域間は十分な電気的アイソレ
ーションを持ち、電気的な干渉効果は持たないものとす
る。さらに、可飽和吸収領域として働く導波路には、外
部から逆バイアス電圧を印加するための電極を持ち、ま
た、逆バイアス電圧を印加するための電源を持ってい
る。

【００１３】また、いくつかに分割されたブラッグ反射
鏡領域には、それぞれ外部から電流注入、又は順バイア
スにするための電極を持ち、また、電流注入あるいは逆
バイアスを印加するための電源を有している。ブラッグ
反射鏡領域は発振波長に対応したピッチ（Λ１）を持つ
回折格子と、この回折格子が形成された領域（Ｌ１）
と、形成されていない領域（Ｌ２）を一周期（Λ２）と
する二重の周期を持つサンプルドグレーティングを有し
ている。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
ながら説明する。図１は本発明の実施例の半導体パルス
レーザ装置の構造を概略的に示した側面図である。図１
において、可飽和吸収領域２１はｐ側オーミック電極８
を通して、電圧源３１から逆バイアス電圧を印加するこ
とで、受動モード同期を起こさせる作用をする。また、
利得領域２２はｐ側オーミック電極９を通して、電流源
３２から電流を注入することで利得媒体として働き、光
の発生及びレーザ発振に必要な光の増幅作用をする。

【００１５】更に、ブラッグ反射鏡領域２３は、回折格
子７の働きにより、共振器内に組み込まれた波長フィル
タとして働く。そのため、発振波長のコントロール及び
発振波長域を制限する役割をし、屈折率分散の影響を抑
えて、受動モード同期が起こりやすくする働きを持つ。
図１では、グラッグ反射鏡領域２３は４分割されてお
り、それぞれに独立に電流源３３〜３６からの電流注入
を行えるようになっている。

【００１６】一様な回折格子を有するブラッグ反射器の
光の侵入長に対する計算結果は、前記文献（２）に記さ
れた通りであるが、この侵入長は、回折格子の導波路損
失、回折格子の結合係数に依存し、なお、かつ、入射光
の波長に大きく依存する。前記文献（２）の計算例で
は、入射光の波長は回折格子のピッチに一致した波長
（ブラッグ波長λｂ）を仮定しており、例えば、通常こ
のような構造に用いられる回折格子の結合係数は、回折
格子の作製プロセスの精度上、２０ｃｍ^-1かそれ以上で
あるが、この場合、侵入長はブラッグ反射器の長さに応
じて長くなるものの、上限が存在し、最大でも２００μ
ｍ程度にとどまることが分かる。

【００１７】更に、導波路の吸収損失が大きな場合は、
侵入長はいくらでも小さくなる。いま、モードロックレ
ーザの繰り返し周波数を大きく変化させるために、最大
限侵入できる侵入長を増大させる方法を考える。この方
法の第一は、サンプルドグレーティングを用いることに
より実現できる。サンプルドグレーティングに対する光
の侵入長は、回折格子が形成された領域をＬ１、回折格
子が形成されていない領域をＬ２として、一様なグレー
ティングが有るとした場合の侵入長の（Ｌ１＋Ｌ２）／
Ｌ１倍に増大することができるので、この比を所望の値
に設定しておくことで、２００μｍ以上の侵入長を得る
ことが可能である。例えば、回折格子が形成された領域
をＬ１として１０μｍ、回折格子が形成されていない領
域Ｌ２として７０μｍとする全長１６００μｍのサンプ
ルドグレーティングに対する侵入長は、１６００μｍの
うちグレーティングのある領域長の総計が２００μｍ
で、２００μｍのグレーティングに対する侵入長８０μ
ｍの８倍の６００μｍとなる。

【００１８】次に、光の侵入長を変化させる方法につい
て述べる。侵入長の波長依存性は、前記文献（２）図１
１．１８から推察される。すなわち、図２に示すよう
に、入射光はブラッグ波長に丁度一致している場合、最
も強い反射（反射係数Ｒが最大）を受けているが、その
すぐ近傍（１〜２ｎｍ）で完全に透過される波長がある
ことが分かる。この波長で入射された光は、ブラッグ反
射器に反射されることなく侵入することが可能であり、
侵入長はブラッグ反射器の長さに一致することになる。
なお、図２において、長さＬ_Bの分布反射器の反射係数
Ｒと透過係数Ｔの波長特性を示しており、δはブラッグ
波長λｂからの離調を表している。

【００１９】この様な、ブラッグ波長と侵入光の波長の
波長差の制御方法（チューニング）としては、ブラッグ
反射鏡領域への電流注入による、プラズマ効果を用いた
屈折率変化を利用する方法がある。プラズマ効果による
屈折率変化の大きさは、約１％程度有り、５ｎｍ程度の
波長変化を与えることが可能である。また、その他の方
法としては、ブラッグ反射鏡領域へ逆バイアスを加える
ことにより流れる電流によって、ブラッグ反射鏡領域近
傍で発熱を起こさせて、この温度変化によってブラッグ
波長を長波側に変化させる方法がある。

【００２０】この方法による波長シフト量としても、数
ナノメートルの変化が得られることが知られており、実
施可能な方法といえる。本発明において、光の侵入長を
大幅に変化させる方法を実施する具体的な第１の例とし
て、例えば、ブラッグ反射鏡領域１６００μｍを４分割
して、ブラッグ反射鏡領域１〜４は電流注入を行わず、
これらのブラッグ反射鏡領域でのブラッグ波長λｂで決
定される発振波長でレーザ発振が起きる状態を実現して
おく。この場合の光の侵入長が例えば６００μｍ程度に
なるように設計しておく。次に、ブラッグ反射鏡領域２
〜４に対してチューニングを行うことで、レーザの発振
波長λｂに対するブラッグ反射鏡領域２〜４が透過する
ように設定する。

【００２１】これにより、入射光は大部分劈開端面まで
侵入する。また、ブラッグ反射鏡領域２〜４への注入電
流を大幅に増やした場合、自由電子による光の吸収の影
響で光の侵入長を大幅に低減することができ、最小でブ
ラッグ反射鏡領域１の領域長にまで低減できる。これら
の方法により、この場合、侵入長は４００μｍ〜１６０
０μｍまで変化可能となる。この変化量は、活性層領域
及び可飽和吸収領域の合計が８００μｍで有るような素
子においては、繰り返し周波数を３５〜７０ＧＨｚまで
制御可能となることを示している。

【００２２】第２の例では、ブラッグ反射鏡領域を構成
する導波路の組成を発振波長と同等かあるいは長波長の
ものを用いる。この場合、電流注入を行うことで媒質は
入射光波長に対して透明になり、電流注入を行わない場
合に吸収となる。例えば、ブラッグ反射鏡領域１に媒質
が透明になる程度に電流注入を行い、ブラッグ反射鏡領
域２〜４には注入をしないようにすれば、実効的な侵入
長は２００μｍ程度になり、また、均一に注入した場合
６００μｍ、ブラッグ反射鏡領域２〜４への注入量を加
減することで屈折率を変化させ、レーザの発振波長λｂ
に対するブラッグ反射鏡領域２〜４が透過するように設
定すれば、１６００μｍまで侵入長を増やすことが可能
である。

【００２３】第３の例では、ブラッグ反射鏡領域を構成
する導波路の組成を、発振波長よりも５０ｎｍ程度短波
長のバルクあるいは量子井戸構造を用いる。この場合、
逆バイアスを印加することで、バルクの場合はポッケル
ス効果により、量子井戸構造の場合は量子閉じ込め効果
により、屈折率を変化させ、レーザの発振波長λｂに対
するブラッグ反射鏡領域２〜４が透過するように設定す
れば、１６００μｍまで侵入長を増やすことが可能であ
る。

【００２４】次に、本発明の実施例に基づいて作製した
素子の動作について説明する。この実施例においては、
導波路としてバンドギャップ波長が１．５５μｍ近傍の
半導体量子井戸構造を採用した。１はｎ側オーミック電
極、２は厚さ１５０μｍ程度のｎ−ＩｎＰクラッド層、
３は厚さ６００Å程度のＩｎＧａＡｓＰガイド層、４は
半導体多重量子井戸構造、５は厚さ１２００Å程度のＩ
ｎＧａＡｓＰガイド層、６は厚さ２μｍ程度のｐ−Ｉｎ
Ｐクラッド層、８〜１３はｐ側オーミック電極である。

【００２５】また、回折格子７はＩｎＧａＡｓＰガイド
層５上に、振り幅が５００Å程度で、周期が２４００Å
の正弦波状の凸凹を形成することで得た。横方向の埋め
込みはｐ−ＩｎＰ、ｎ−ＩｎＰによる埋め込みへテロ構
造とした。サンプルドグレーティングの作製方法として
は、最初に一様グレーティングを作製し、部分的に化学
エッチングにより除去すればよい。

【００２６】半導体多重量子井戸構造４はウエルを７０
Å厚さのＩｎＧａＡｓ（バンドギャップ波長１．６７μ
ｍ）、その間のバリアを１４０Å厚さのＩｎＧａＡｓＰ
（バンドギャップ波長１．３μｍ）で形成し５層構造と
した。電極８〜１１は一旦Ａｕを全面に蒸着した後、化
学エッチングで電極分離部をエッチングして得た。各領
域の長さは可飽和吸収領域２１を５０μｍ、利得領域２
２を８００μｍ、ブラッグ反射鏡領域２３を１６００μ
ｍとした。全長は２４５０μｍである。

【００２７】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。

【００２８】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏することができる。（１）請求項１記載の発明によれば、可飽和吸収領域、
利得領域、ブラッグ反射鏡領域を集積化した半導体パル
スレーザ装置において、ブラッグ反射鏡領域を分割し
て、これらの領域間の屈折率および吸収係数を変化させ
ることで、入射光の侵入長を変化させることができ、モ
ードロックレーザの繰り返し周波数を大幅に変化させる
ことができる。

【００２９】（２）請求項２記載の発明によれば、前記
ブラッグ反射鏡領域を第１から第４の反射鏡領域に４分
割し、この第１から第４のブラッグ反射鏡領域の全てに
電流注入を行わず、これらのブラッグ反射鏡領域でのブ
ラッグ波長λｂで決定される発振波長でレーザ発振が起
きる状態となし、次に、前記第２から第４のブラッグ反
射鏡領域に対してチューニングを行うことで、前記レー
ザの発振波長λｂに対する前記第２から第４のブラッグ
反射鏡領域が透過するようにしたので、入射光は大部分
が劈開端面まで侵入する。また、第２から第４のブラッ
グ反射鏡領域への注入電流を大幅に増やした場合、自由
電子による光の吸収の影響で光の侵入長を大幅に低減す
ることができ、最小で前記第１のブラッグ反射鏡領域の
領域長にまで低減できる。

【００３０】（３）請求項３記載の発明によれば、前記
ブラッグ反射鏡領域を構成する導波路の組成を、発振波
長と同等かあるいは長波長のものを用いるようにしたの
で、電流注入を行うことで媒質は入射光波長に対して透
明になり、電流注入を行わない場合に吸収となるように
することができ、例えば、前記第１のブラッグ反射鏡領
域に媒質が透明になる程度に電流注入を行い、前記第２
から第４のブラッグ反射鏡領域には注入をしないように
すれば、実効的な侵入長は２００μｍ程度になり、ま
た、均一に注入した場合６００μｍ、第２から第４のブ
ラッグ反射鏡領域への注入量を加減することで屈折率を
変化させ、前記レーザの発振波長λｂに対する前記第２
から第４のブラッグ反射鏡領域が透過するように設定す
れば、１６００μｍまで侵入長を増やすことが可能であ
る。

【００３１】（４）請求項４記載の発明によれば、前記
ブラッグ反射鏡領域を構成する導波路の組成を、発振波
長よりも５０ｎｍ程度短波長のバルクあるいは量子井戸
構造を用いるようにしたので、逆バイアスを印加するこ
とで、バルクの場合はポッケルス効果により、量子井戸
構造の場合は量子閉じ込め効果により、屈折率を変化さ
せ、前記レーザの発振波長λｂに対する前記第２から第
４のブラッグ反射鏡領域が透過するように設定すれば、
１６００μｍまで侵入長を増やすことが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の半導体パルスレーザ装置の構
造を概略的に示した側面図である。

【図２】分布反射器の反射係数Ｒと透過係数Ｔの波長特
性を示す図である。

【符号の説明】

１ｎ側オーミック電極２ｎ−ＩｎＰクラッド層３，５ＩｎＧａＡｓＰガイド層４半導体多重量子井戸構造６ｐ−ＩｎＰクラッド層７回折格子８〜１３ｐ側オーミック電極２１可飽和吸収領域２２利得領域２３ブラッグ反射鏡領域３１電圧源３２〜３６電流源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小川洋東京都港区虎ノ門１丁目７番12号沖電気工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一組成の半導体導波路からなる可飽和
吸収領域、利得領域、ブラッグ反射鏡領域を集積化した
半導体パルスレーザ装置において、前記ブラッグ反射鏡領域を分割して、これらの領域間の
屈折率および吸収係数を変化させることで、入射光の侵
入長を変化させ、モード同期レーザの繰り返し周波数を
変化可能にしたことを特徴とする半導体パルスレーザ装
置。
【請求項２】請求項１記載の半導体パルスレーザ装置
において、前記ブラッグ反射鏡領域を第１から第４の反
射領域に４分割し、該第１から第４のブラッグ反射鏡領
域の全てに電流注入を行わず、これらのブラッグ反射鏡
領域でのブラッグ波長λｂで決定される発振波長でレー
ザ発振が起きる状態となし、次に、前記第２から第４の
ブラッグ反射鏡領域に対してチューニングを行うこと
で、前記レーザの発振波長λｂに対する前記第２から第
４のブラッグ反射鏡領域が透過するようにしたことを特
徴とする半導体パルスレーザ装置。
【請求項３】請求項１又は２記載の半導体パルスレー
ザ装置において、前記ブラッグ反射鏡領域を構成する導
波路の組成を、発振波長と同等かあるいは長波長のもの
を用いることを特徴とする半導体パルスレーザ装置。
【請求項４】請求項１又は２記載の半導体パルスレー
ザ装置において、前記ブラッグ反射鏡領域を構成する導
波路の組成を、発振波長よりも５０ｎｍ程度短波長のバ
ルクあるいは量子井戸構造を用いることを特徴とする半
導体パルスレーザ装置。