JPH084179B2 - 半導体レ−ザ - Google Patents

半導体レ−ザ

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JPH084179B2
JPH084179B2 JP17989787A JP17989787A JPH084179B2 JP H084179 B2 JPH084179 B2 JP H084179B2 JP 17989787 A JP17989787 A JP 17989787A JP 17989787 A JP17989787 A JP 17989787A JP H084179 B2 JPH084179 B2 JP H084179B2
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和夫 堺
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国際電信電話株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明は、発振線幅が狭く、かつ単一波長発振する半
導体レーザに関するものである。
(従来の技術) 半導体レーザは、小型,高効率で信頼性が高いことな
どから、光ファイバ通信用光源として既に実用に供され
ている。これ迄に実用化されたシステムは、半導体レー
ザの大きな特長の1つである直接変調が可能であること
を利用したもので、半導体レーザへの注入電流量に応じ
た強度変調光を、光ファイバ伝搬後、フォトダイオード
もしくはなだれフォトダイオードで直接受光する、いわ
ゆる直接強度変調−直接検波(DIM−DD)方式がある。D
IM−DD方式においては、光源として高速変調時にも安定
に単一波長動作する分布帰還形(DFB)半導体レーザな
どの動的単一波長レーザが開発され、これにより単一モ
ードファイバの分散の影響を軽減し、中継器間隔の長延
化が図られている。
一方、光の持つ周波数や移送といった波動の性質を検
波に積極的に利用することにより受信感度が大幅に向上
し、従って、DIM−DD方式に比べ一層の中継器間隔を長
くすることが可能である。この方式はコヒーレント伝送
方式と呼ばれ、将来の光通信方式として近年、理論面ば
かりでなく、実験的にも盛んに研究が行われ、その有為
性が確認されつつある(例えばT.Okoshi;Journal of Li
ghtwave Technology,vol.LT−2,PP.341−346,1984参
照)。コヒーレント伝送方式は、その性質上、送信側の
光源及び受信側の局部発振器としての光源の線幅が狭い
ことが不可欠である。これ迄の実験室段階の研究では、
システムのポテンシャルを評価することが主たる課題で
あるため、発振線幅の極めて狭い基体レーザか、もしく
は、より実用的な通常の半導体レーザに外部回折格子を
設置し、特定の波長のみを半導体レーザに帰還すること
により、前記高コヒーレンス化及び発振波長のチューナ
ブル化を達成していた。しかしながら、半導体レーザの
発光領域は約1μm径と非常に小さいため、光源と外部
回折格子が一体化されていないこのような構造では、機
械的振動や熱変動に弱く、所望特性が不安定になり易い
ことや、装置が大がかりになることから、実用的でない
ことは明らかである。
発振線幅の低減にはレーザの共振器長を長くすること
が1つの有効な方法であり、図1に示すような発光領域
Aに導波路領域Bをモノリシックに集積化し、長共振器
構造とした一体形半導体レーザがT.Fujita等によって検
討され、約1.8mmの共振器長で900kHzという低い値が報
告されている(Electronics Letters,vol.21,pp.374−3
76,1985)。図1において、10はInGaAsP発光層、11はIn
GaAsP発光層10の延長上に設けられたInGaAsP導波路層、
12はへき開面での反射効率を上げる金属膜である。しか
し、一般的に共振器が長くなると、共振波長間隔もこれ
に応じて狭くなるため、多波長発振になり易く、狭線幅
特性も不安定になり易いという欠点があった。
(発明の目的と特徴) 本発明は、上述した従来技術の欠点に鑑みてなされた
もので、発振線幅が狭く、かつ安定な単一波長発振する
半導体レーザを提供することを目的とする。
本発明の特徴は、半導体レーザ共振器内にマッハツェ
ンダ干渉形導波路を設けることにより1本の共振波長の
みを選択し、その結果発振線幅の狭い単一波長で動作せ
しめることにある。
(発明の構成及び作用) 以下に図面を用いて本発明を詳細に説明する。
(実施例1) 図2は、本発明による第1の実施例であり、同図
(a)は半導体レーザの斜視図、同図(b)は上面図を
それぞれ示している。
図において、1は基板、2は発光層、3は発光層2と
同一半導体層もしくは組成がほぼ等しい半導体層か、も
しくは組成の異なる半導体層からなる同波路層、4は発
光層2および導波路層3の禁制帯幅よりも大なる禁制帯
幅を有するクラッド層、5及び6はレーザ共振器を構成
するための反射端面でここでは絶縁膜を介した金属膜も
しくは多層誘電帯薄膜から成る高反射膜、7は下部電
極、a,b1〜b6及びCはリッジ導波路であり、リッジ導波
路上部の斜線(a,b3,b4及びC)は上部電極(図示せ
ず)が配置される場所を示している。同図から明らかな
ように、本発明は光学利得を有する発光領域A、本発明
の特徴である互いに屈折率の異なる同波路I(b1−b3
b5)及び導波路II(b2−b4−b6)が分岐して合成(光学
的に合波される場合も含む)され、あたかもマッハツェ
ンダ干渉計の構成に似ているマッハツェンダ干渉形導波
路領域B(以下、「分岐導波路領域B」と称す)と、導
波路Iと導波路IIとの位相調整を同時に行う位相調整用
導波路領域Cとから構成され、分岐導波路領域Bの導波
路I,IIは、発光領域Aの発行層と光学的に結合した導波
路の一方の延長上に配置されている。発光領域Aには、
光学利得を得るためのキャリア注入が行われ、分岐導波
路領域Bには導波路層3の屈折率を変化させて波長を変
化させるために、注入キャリアもしくは印加電圧を変化
するようになっている。なお、説明を簡単化するため
に、基板1と発行層2(導波路層3)との間のバッファ
層等を省略してあるが、バッファ層等を積層しても良
い。
本発明によるレーザ構造は、図3(a)に示したマッ
ハツェンダ干渉形を構成する導波路I及びIIのそれぞれ
のルートを介して二重共振器構造であり、それぞれの共
振器による共振波長によって決まるモードが一致した波
長で発振する。その様子を図3(b)に示す。上段は導
波路Iを介して共振器による共振モードを、また、下段
は導波路IIの場合の共振モードを示している。各共振器
長は実際の導波路長の和で決まる全導波路長と、導波路
の等価屈折率によるが、共振器長1mmとするとそれぞれ
の共振モード波長間隔Δλは約3Åであり、両者の共
振モードが一致した波長λもしくはλで発振し得
る。なお、λとλの差Δλは分岐導波路長差及び等
価屈折率差により任意に選ぶことができ、発行の利得波
長幅内に一本例えばλだけ存在させ、従って、その波
長で単一波長発振させることができる。
次に、本実施例の波長チューナブル特性について説明
する。上述の導波路I及びIIを介したそれぞれの共振器
の共振波長は、次の位相条件を満たす。
但し、(nd,ld),(n1,l1),(n2,l2),(n3,
l3),(n4,l4),(n5,l5)はそれぞれ発行領域,導波
路Iの電極付設領域,導波路IIの電極付設領域,位相調
整用導波路領域,分岐導波路の等価屈折率,長さであ
り、m及びm′は整数である。いま、n2=n1+Δn1,l2
=l1とすると、(1),(2)式より、発振波長λは を満たし、例えばl1=1mm,Δn1=0.01とすることによ
り、m′−m13で上式を満足する。この条件下で、発
振波長λは次式で与えられる。
ここで、導波路Iおよび位相調整用導波路の屈折率差
をそれぞれδn1,δn3変化させた時の発振波長の変化δ
λは で与えられる。分岐導波路l4,l5は短いとして無視し、
例えばld=300μm,nd=3,3,l1=l3=1mm,δn1=δn3
0.01とすると、δλ40Åとなり、すなわちこの波長範
囲にわたって発振波長をチューニングすることができ
る。尚、モードジャンプを抑圧し、特定の波長のみ変化
させるために、導波路IIの屈折率は上述したように、導
波路Iの屈折率n1から(3)式を満たすΔn1だけずらし
ておく。また、Δnもしくはδn〜0.01の変化は、電流
注入の場合、キャリア密度の変化ΔN〜1×1018cm-3
対応し、十分実現し得る値である。
(実施例2) 本発明の第2の実施例を図4に示す。実施例1のマッ
ハツェンダ干渉形導波路領域Bの分岐点を1個にして分
岐損失の低減化を図った構造である。動作原理は実施例
1と同じであり、同様の機能を得ることができる。ま
た、右側の端面では、2本のそれぞれの導波路から同じ
出力光を取り出すことができる。
(実施例3) 本発明の第3の実施例を図5に示す。本実施例は、両
側にマッハツェンダ干渉形導波路領域Bが形成されてい
るため、複合共振器の効果をさら高めると共に、分岐導
波路のそれぞれに位相調整用の電極が設けられているた
め、調整の自由度が大きいという特徴を有する構造であ
る。
(実施例4) 本発明の第4の実施例を図6に示す。本実施例は、上
述の実施例において用いられた反射端面に代わって、共
振器形成用に回折格子8および9から成る分布反射器
(DBR)を用いたDBR領域Dを両端面側に配置したもの
で、物理的に半導体結晶を断ち切らずに共振器が形成で
きるため、導波路を通して光出力を得ることができる。
従って、他の機能素子を集積した光集積回路に適した構
造である。
尚、以上の実施例では特に触れなかったが、本発明は
inGaAsP/InP,AlGaAsSb/GaSb,InAlGaAs/InP等、半導体レ
ーザが作製できるいかなる半導体材料にも適応できる。
また、導波路構造についても埋め込み構造等を用いるこ
とができる。さらに、分岐構造としてY分岐導波路につ
いて示したが、方向性結合器であっても何ら問題ない。
(発明の効果) 以上説明したように、共振器内にマッハツェンダ干渉
形導波路を内包した本発明による半導体レーザは、発振
線幅を狭くするために、共振器長を長くした場合に生ず
る多波長発振が抑圧できるため、発振線幅が狭く、安定
に単一動作し、かつ発振波長もチューナブルな半導体レ
ーザが実現できる。従って、コヒーレント伝送,その多
光計測用光源として極めて有望であり、その効果は極め
て大きい。
【図面の簡単な説明】
図1は従来の長共振器長半導体レーザの模式図、図2
(a)(b)は本発明による半導体レーザの第1の実施
例の模式図及び上面図、第3(a)(b)は本発明に用
いる共振器構造及び波長選択図、図4は本発明による半
導体レーザの第2の実施例の上面図、図5は本発明によ
る半導体レーザの第3の実施例の上面図、図6は本発明
による半導体レーザの第4の実施例の上面図である。 1……基板、2,10……発光層、3,11……導波路層、4…
…クラッド層、5,6,12……高反射膜、7,8……電極、9
……回折格子。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】少なくとも光学的利得を有する発光領域
    と、該発光領域を内包するように設けられた共振器を構
    成する一対の反射器もしくは反射端面を具備した半導体
    レーザにおいて、前記発光領域の発光層と光学的に結合
    した導波路の延長上にマッハツェンダ干渉形導波路を少
    なくとも一方に形成したことを特徴とする半導体レー
    ザ。
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