JPH10229252A - 光パルス発生素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超短パルスで高ピーク出力の光パルスを発生
できる光パルス発生素子を提供することを課題とする。 【解決手段】 ｎ型クラッド層３７とｐ型クラッド層４
０の間にノンドープ活性層３８を挟んだダブルヘテロ構
造の光パルス発生素子において、ノンドープ活性層３８
とｐ型クラッド層４０の間にノンドープクラッド層３９
を挟み込み、２つのｐ型電極４２、４３によってレーザ
共振器は長手方向に３つに分割され、２つの利得領域３
１が１つの可飽和吸収領域３２を挟んだ構造になってい
る。利得領域３１にＲＦ変調信号、可飽和吸収領域３２
にＤＣ逆バイアスを印加することにより、吸収領域の応
答速度を向上させ、パルス幅が短く高出力の超短パルス
を発生させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザを用
いて超短パルスを発生させる光パルス発生素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】小型、軽量で直接変調が可能な半導体レ
ーザは超短パルス発生に広く用いられている。

【０００３】P.P.Vasil'evらは、半導体レーザの共振器
中に可飽和吸収領域を設け、逆バイアス電圧を印加する
ことにより、パルス幅１．６５ピコ秒、ピーク出力１０
Ｗの光パルスを得た（P.P.Vasil'ev, I.H.White, D.Bur
ns and W.Sibbett, CLEO'93,Baltimore, 1993, Paper C
ThC8）。この可飽和吸収と利得スイッチング法を併用し
た受動Ｑスイッチング法は、他のモード同期法等に比べ
て数十倍のピーク出力が得られるのが特徴である。

【０００４】図７は、この受動Ｑスイッチング法を用い
た半導体レーザの構造を示す斜視図、図８は図７のＡ−
Ａ断面図である。まず図８により、半導体レーザの積層
構造について説明する。ＧａＡｓからなるｎ型基板２０
の底面にｎ電極２８を蒸着し、上面にＧａＡｓからなる
ｎ型バッファ層２１、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなるｎ型
クラッド層２２、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＜０．４）から
なる活性層２３、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなるｐ型クラ
ッド層２４及びＧａＡｓからなるｐ型キャップ層２５が
順次積層されている。このようにｐ型、ｎ型若しくは中
性の活性層をｐ型とｎ型のクラッド層で挟みこんだ構造
をダブルヘテロ（ＤＨ）構造と呼ぶ。

【０００５】図７に示すように、ｐ型キャップ層２５に
は、共振器の長手方向に沿って、ストライプ状の突起部
１０があり、突起部１０は長手方向に３分割されてい
る。ｐ型キャップ層２５上には、凸字形状と凹字形状の
２つのｐ電極２６、２７が積層されており、２つのｐ電
極２６、２７は凸部と凹部を向かい合わせにして、この
部分が突起部１０で組み合わさるような形で配置されて
いる。したがって、３つの突起部１０のうち中央の突起
部１０には、凸字形状のｐ電極２６が、両端の突起部１
０には、凹字形状のｐ電極２７が積層されている。２つ
のｐ電極２６、２７は接触していないため、両電極２
６、２７とｎ電極２８との間には異なる電界を印加する
ことができる。この結果、図８が示している共振器部分
は電気的に３つの領域に分割され、中心に可飽和吸収領
域１１、両側に利得領域１２が配置される。

【０００６】利得領域１２に変調電流を印加すると、光
パルスが変調される。また、吸収領域１１にＤＣ逆バイ
アスを印加すると、可飽和吸収現象が強調される。この
ため、両者の併用により光パルスの高出力化、短パルス
化を実現している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ＤＨ構造の半導体レーザでは、光パルス幅を１ピコ秒以
下に短縮するのは困難であった。これは、以下に挙げる
理由による。吸収領域の応答速度は空乏層の厚さと残留
キャリア濃度に依存し、空乏層が厚く、残留キャリア濃
度が低いほど、応答速度は短縮され、光パルス幅を短く
できる。一方、従来のＤＨ構造の半導体レーザでは、可
飽和吸収部への逆バイアス電圧の印加によって形成され
る空乏層の厚みは、活性層の厚さにより制限されてい
た。活性層を厚くすると、しきい値の上昇や効率の低下
を招くため、活性層の厚さは０．３μｍ程度が限界であ
った。従って、吸収領域の応答速度を上げることができ
ず、光パルス幅を十分に短縮できなかった。

【０００８】本発明では、超短パルスで高ピーク出力の
光パルスを発生できる光パルス発生素子を提供すること
を課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、活性層を第１
導電型クラッド層と第２導電型クラッド層とで挟むよう
に積層したＤＨ構造を有する光パルス発生素子におい
て、活性層と第１導電型クラッド層との間又は活性層と
第２導電型クラッド層との間の少なくとも一方にノンド
ープクラッド層を介在させ、積層方向と直交方向にレー
ザ光共振器を構成すると共に、第１クラッド層を介して
活性層に電流を供給する電極層をレーザ光共振器の長手
方向に少なくとも二つに分割し、分割された電極層のう
ち少なくとも一つの電極層に逆方向のＤＣバイアスを印
加すると共に、他の少なくとも一つの電極層に順方向の
ＲＦバイアスを印加することを特徴とする。

【００１０】これによれば、活性層厚さに依存せずに空
乏層の厚さを増すことができるため、吸収領域の応答速
度を向上させることができる。また、吸収領域に逆方向
のＤＣバイアスを印加することで、吸収領域の応答速度
を向上させ、利得領域にＲＦバイアスを印加することで
立ち上がりの俊敏なパルス光を得ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の一
実施形態を説明する。図１は、本発明の第１の実施形態
に係る光パルス発生素子の構造を示す斜視図、図２、図
３はそれぞれそのＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線断面図である。

【００１２】まず、図２、図３を参照して、本実施形態
の積層構造を説明する。本実施形態はＤＨ構造を有して
おり、ＧａＡｓからなるｎ型基板３５の底面にｎ電極４
４が蒸着され、上面にはＧａＡｓからなるｎ型バッファ
層３６、Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓによるｎ型クラッド層３
７、Ａｌ_xＧａ_1-xＡｓからなるノンドープ活性層３８、
Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓからなるノンドープクラッド層３９、
Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓからなるｐ型クラッド層４０及びＧ
ａＡｓからなるｐ型キャップ層４１が順次、ＭＯ−ＣＶ
Ｄ法により積層されている。ここで、ｘ＜ｙ＜０．４の
関係がある。

【００１３】ここで、活性層３８とノンドープクラッド
層３９の両方の層の厚さは、厚くすると光のパルス幅を
短くできるが、同時にレーザー発振のしきい値が上昇す
るため、あまり厚くすることは好ましくない。また、活
性層３８は薄いほうが光が効果的に閉じ込められ、高出
力化が図れる。したがって、活性層３８厚が約０．０１
〜０．３μｍ、ノンドープクラッド層３９厚が約０．１
〜０．６μｍの範囲で設定することが好ましい。また、
クラッド層３７、４０の厚さは、活性層３９への光の閉
じ込めに十分な厚さであり、約２μｍとすることが好ま
しい。ｎ型バッファ層３６、ｐ型キャップ層４１は１μ
ｍ程度の厚さが好ましい。

【００１４】さらに、ｐ型キャップ層４１上には図１に
示すように、共振器の全長方向に沿ってストライプ状の
突起部３０が形成されている。この突起部３０は長手方
向の２ヶ所でｐ型キャップ層４１の上半分が除去され
て、三つに分割されている。図３に示すように、突起部
３０の頂面部分を除くｐ型キャップ層４１の表面には、
絶縁性のＳｉＮ膜４５が堆積されている。ＳｉＮ膜４５
上には、凹字形状のｐ電極４２と凸字形状のｐ電極４３
が、突起部３０で凹部と凸部を組み合わせるような形に
積層されている。したがって、３つの突起部３０のう
ち、中央の突起部３０には凸字形状のｐ電極４３が、両
端の突起部３０には凹字形状のｐ電極４２が積層されて
いる。

【００１５】これらのｐ電極４２、４３は突起部３０の
頂面部分でのみ、ｐ型キャップ層４１に直接接触してい
る。その他の部分では、ｐ型キャップ層４１との間に絶
縁性のＳｉＮ膜４５が介在しているため、電流を注入す
る領域はストライプ状の突起部３０直下の部分のみに制
限され、しきい値電流を低減すると同時に、活性層３８
においてストライプ状の領域にレーザ光を閉じ込める導
波性を持たせ、発振する横モードを安定させている。ｐ
電極４２、４３が接触していないため、ｎ電極との間に
異なる電界を印加することで、半導体部分３４を電気的
に分割することができる。この結果、図２に断面を示す
共振器部分でみると、両側のｐ電極４２直下の利得領域
３１が表面にｐ電極のない分離部３３を介して真ん中の
ｐ電極４３直下の可飽和吸収領域３２を挟み込む構造に
なっている。

【００１６】次に、この半導体素子の動作について説明
する。利得領域３１のｐ電極４２とｎ電極４４間にＲＦ
変調信号を印加し、可飽和吸収領域３２のｐ電極４３と
ｎ電極４４間にＤＣ逆バイアスを印加する。

【００１７】まず、ＲＦ変調信号が印加された利得領域
３２では、入力電流はパルス電流となる。入力電流が大
きくなるにつれて、活性層３８には電子が次第に蓄積さ
れ、電子密度が発振しきい値を超えた時点で、光子密度
が急速に上昇してレーザ発振が起こる。これによって蓄
積された電子正孔対が急速に消費されて、発振しきい密
度を下回った時点から光子密度は急速に減少して、レー
ザ発振は停止する。これによりＲＦ変調信号自体のパル
ス幅よりパルス幅の短いレーザ光パルスが得られる。

【００１８】この光パルスが吸収領域３２を通過する
と、パルス前縁の光は吸収領域３２に吸収されるが、光
出力があるしきい値を超えると吸収が急激に減少し、こ
の吸収領域３２は透明化して光パルスは透過する。これ
は、光励起された電子が吸収領域３２の伝導体を埋めつ
くし、遷移の行く先がなくなるためである。その後、吸
収領域３２内の光励起された電子は他の領域等に遷移し
て、吸収領域３２内の吸収率は再び上昇し、光パルスが
吸収される。この結果、光パルスを圧縮することにな
る。

【００１９】ここで、吸収領域３２にバイアス電圧をか
けていない場合には、光吸収がなくなってから復活する
までに、１００ナノ秒程度の時間が必要になる。しか
し、逆バイアスを印加すると、光吸収により発生した少
数キャリアを掃き出すことができ、最短では０．１ピコ
秒程度で光吸収を回復させることができる。また、吸収
領域３２では空乏層が厚く残留キャリア濃度が薄いほど
光励起された電子の遷移が早くなり、吸収回復が早くな
る。本実施形態では、ノンドープクラッド層３９を形成
することにより、活性層３８のみの場合に比べて空乏層
の厚さを厚くしているため、可飽和吸収領域３２の応答
速度が早くなり、光パルス幅を短くできる。さらに、共
振器の全長方向に沿って見ると、２つの利得領域３１で
可飽和吸収領域３２を挟み込む構造になっているため、
レーザパルスが吸収領域３１において正面衝突し、飽和
効果が高められる特徴がある。

【００２０】次に、第１の実施形態により発生させた光
パルスの特性を図４、図５により説明する。図４は発生
した光パルスのスペクトル特性線図であり、図５はこの
光パルスの高調波自己相関測定結果の図である。図４よ
り波長の半値全幅は２．６ｎｍであり、パルス波形がSe
ch²であると仮定するとパルス幅の半値全幅は０．４ピ
コ秒に相当する。図５よりパルス幅の半値全幅は０．５
ピコ秒であることがわかる。パルスのピーク出力は３０
Ｗ程度が得られた。従来例に比べるとパルス幅は約１／
３に短縮され、ピーク出力は逆に３倍に上昇しており、
ノンドープ層形成により可飽和吸収を強化する効果が確
認できた。

【００２１】なお、このようにｐ型あるいはｎ型のクラ
ッド層と活性層の間にノンドープ層を設ける発明として
は、特開昭６３−１４０５９０号公報に記載されている
発明が挙げられる。しかし、この公報記載の発明は、約
０．１〜０．２μｍの厚さのノンドープ層を設けること
により、ドープクラッド層から活性層へのドープ不純物
の拡散を防止することを目的としたものである。本発明
はノンドープ層の厚さが約０．１〜０．６μｍと上記の
発明に比べて厚い領域を含んでおり、ノンドープ層を設
けることにより、空乏層を厚くして、主として可飽和吸
収特性を向上させる効果を狙ったものである。活性層へ
のドープ不純物の拡散防止は２次的な効果であり、上記
の発明とは構成、目的、効果が異なる。

【００２２】続いて、本発明の第２の実施形態について
説明する。図６は本実施形態の半導体素子の構造を示す
斜視図である。断面構造は基本的に図２、図３に示す第
１の実施形態の断面構造と同じであるため、ここでは断
面図を省略する。

【００２３】図６に示すように、第２の実施形態ではｐ
電極側の構造が、図１に示す第１の実施形態と異なって
いるのが特徴である。具体的にみると、まず、ｐ型キャ
ップ層４１上の３つの突起部３０のうち、一方の端と中
央部分の突起部３０は幅が一定のストライプ状構造をし
ているが、他方の端の突起部３０は端に向かって線形的
に幅が大きくなるフレア構造をしている。

【００２４】この突起部の一部をフレア構造とすること
については、J.M.VerdiellらがＭＯＰＡ(Master Oscill
ator Power Amplifier)に採用した報告（J.M.Verdiell,
K.Dzurko, D.F.Welch and D.R.Scifres,"1-W diffract
ion-limited semiconductorMOPA with a monolithicall
y integrated 5-GHz electroabsorption modurator",CL
EO'95, Baltimore, 1995, Paper CThP4）があり、突起
部をフレア構造としたことにより高出力化を実現したと
報告している。

【００２５】さらに、ｐ型キャップ層４１の表面上に
は、鍵括弧型のｐ電極５７、５８と長方形のｐ電極５９
が積層されている。鍵括弧型のｐ電極５７と５８は２つ
のストライプ状の突起部３０をそれぞれ個別に覆うよう
に２つの対応する鍵括弧が向かい合わせた形（「」）で
配置されており、また、長方形のｐ電極５９はフレア構
造の突起部を覆うように配置されている。３つのｐ電極
５７、５８、５９は接触していないので、３つのｐ電極
５７、５８、５９とｎ電極４４の間に異なる電界を印加
することができる。これにより、突起部の下の共振器部
分は長手方向に沿って電気的に複数の領域に分割され
る。この場合は、幅の狭い一端から幅の広い一端に向か
って、第１利得領域５１、分離部５４、可飽和吸収領域
５２、分離部５４、第２利得領域５３の順に並んだ構造
となる。

【００２６】次に、第２の実施形態の動作について説明
する。第１利得領域５１にＲＦ変調信号を印加し、第２
利得領域５３にＤＣバイアス信号を印加する。また、可
飽和吸収領域５２にはＤＣ逆バイアス信号を印加する。
第１の実施形態と同様に、可飽和吸収領域５２における
可飽和吸収現象が強化され、第１利得領域５１と第２利
得領域５３で発生した光パルスがこの可飽和吸収領域５
２で衝突する構造となっているため、高出力で光パルス
幅の短い光パルスを得ることができる。

【００２７】さらに、共振部の利得領域部が直線部（第
１利得領域５１）とフレア部（第２利得領域５３）の結
合した構造となっていることにより、高出力が得られ
る。一般に利得領域をフレア部とした場合、利得を得ら
れる幅が広いため、同一幅の場合に比較して多モード化
しやすいという欠点がある。しかしながら、本実施形態
の場合は、利得を得た光は共振器の両端面間、すなわち
第１利得領域５１と第２利得領域５３の全長間を往復す
ることにより、レーザ発振する。したがって、直線部で
ある第１利得領域５１が回析スリットとして単一モード
光のみを発振させるフィルタとして働き、他モード光は
除去される。その結果、フレア部である第２利得領域５
３においても単一モード発振に寄与する光のみが利得を
得て、他のモードの光の発生は抑制され、発振に寄与し
ない。一方、第２利得領域５３においては単一モード光
も回析限界まで幅が広がるため、この広がりによる面積
増加分だけ、フレア部を設けず、全体の幅を一定にした
場合よりも多くの利得を得ることができ、高出力の単一
モード光を得ることが可能になる。

【００２８】また、第１利得領域５１と第２利得領域５
３に同じＲＦ変調信号を印加して、第１の実施形態と同
様に利得スイッチングによる光パルス発生を行うことも
可能である。

【００２９】ここでは、実施形態としてｐ型クラッド層
とノンドープ活性層の間にノンドープクラッド層を設け
る場合について説明したが、ノンドープクラッド層はｎ
型クラッド層とノンドープ活性層の間に設けても良い。
また、両方のクラッド層と活性層の間の２ヶ所に設けて
も良い。

【００３０】また、ここではｐ型電極を分割して単独又
は複数の利得領域と可飽和吸収領域を設ける場合につい
て説明したが、分割する電極はｎ型電極であってもよ
い。

【００３１】さらに、本発明ではストライプ状の突起を
設けるリッジストライプ構造の場合について説明した
が、ストライプ構造はこれに限定されるものではなく、
他のストライプ構造の場合にも適用可能である。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ＤＨ構造の光パルス発生素子において、ｐ型又はｎ型の
クラッド層とノンドープ活性層の間の少なくともいずれ
か一方にノンドープクラッド層を設け、さらに、一方の
電極をレーザ光共振器の長手方向に沿って複数に分割
し、そのうち利得領域となる領域の少なくとも一つの電
極にＲＦ変調信号を印加し、可飽和吸収領域となる領域
にＤＣ逆バイアス信号を印加している。

【００３３】これにより、まず、利得領域では、立ち上
がりの俊敏な光パルスを得ることができる。さらに、吸
収領域では、空乏層厚さが増すことと、ＤＣ逆バイアス
印加の相乗効果で、吸収と透過のスイッチングの高速応
答性が向上してパルス幅の短く高出力の光パルスを得る
ことができる。また、ノンドープクラッド層には、ｐ型
又はｎ型のクラッド層から活性層に不純物が拡散するの
を防止する２次的な効果もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る構造を示す斜視
図である。

【図２】図１に係るＡ−Ａ線断面図である。

【図３】図１に係るＢ−Ｂ線断面図である。

【図４】図１の光パルス発生素子により発生した光パル
スのスペクトル特性線図である。

【図５】図４に係る光パルスの高調波自己相関測定結果
の図である。

【図６】本発明の第２の実施形態に係る構造斜視図であ
る。

【図７】従来例に係る構造斜視図である。

【図８】図７に係るＡ−Ａ線断面図である。

【符号の説明】

１０…突起部、１１…利得領域、１２…可飽和吸収領
域、２０…ｎ型基板、２１…ｎ型バッファ層、２２…ｎ
型クラッド層、２３…ノンドープ活性層、２４…ｐ型ク
ラッド層、２５…ｐ型キャップ層、２６、２７…ｐ電
極、２８…ｎ電極、３０…突起部、３１…利得領域、３
２…可飽和吸収領域、３３…分離部、３４…半導体部
分、３５…ｎ型基板、３６…ｎ型バッファ層、３７…ｎ
型クラッド層、３８…ノンドープ活性層、３９…ノンド
ープクラッド層、４０…ｐ型クラッド層、４１…ｐ型キ
ャップ層、４２、４３…ｐ電極、４４…ｎ電極、４５…
ＳｉＮ膜、５１…第１利得領域、５２…可飽和吸収領
域、５３…第２利得領域、５４…分離部、５７、５８、
５９…ｐ電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 活性層を第１導電型クラッド層と第２導
   電型クラッド層とで挟むように積層したダブルヘテロ構
   造を有する光パルス発生素子において、 前記活性層と前記第１導電型クラッド層との間又は前記
   活性層と前記第２導電型クラッド層との間の少なくとも
   一方にノンドープクラッド層を介在させ、前記ダブルヘ
   テロ構造の積層方向と直交方向にレーザ光共振器を構成
   すると共に、前記第１クラッド層を介して前記活性層に
   電流を供給する電極層を前記レーザ光共振器の長手方向
   に少なくとも二つに分割し、分割された前記電極層のう
   ち少なくとも一つの前記電極層に逆方向のＤＣバイアス
   を印加すると共に、他の少なくとも一つの前記電極層に
   順方向のＲＦバイアスを印加することを特徴とする光パ
   ルス発生素子。