JPH0269983A - 分布帰還型レーザ - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は光導波路に沿って形成された回折格子によって
光帰還を行なう分布帰還型レーザに関する。

（従来の技術） 近年、光通信や光デイスク装置の光源として、各種の半
導体発光素子が盛んに使用されている。

この中でも光導波路に沿って周期的摂動（回折格子）を
設【プた分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｃｋ）　　ｌ　ａ　ｓ　
ｅ　ｒ　）は、この回折格子の波長選択性により、単一
波長（単−縦モード）での発振が容易に実現できる。現
在、この素子は長距離高速光通信用の光源としてＧａＩ
ｎＡｓＰ／ＩｎＰ系材料を用いて実用化されている。

この分布帰還型半導体レーザの構造として、第４図に示
ずような、固装開端面４０をＡＲ（無反射）］−ト等に
よってその反制率を低下させ、かつその共振器の中央に
回折格子４２の周期の不連続部４３（管内波長λの１／
４に相当する位相だけシフトしている）を有する構造が
よく知られている。この素子は、プラグ波長（ｔｈｅ　
Ｂｒａｇｇ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ）での発振が可能で
、かつまた他の縦モードとのゲイン差も大きいため、単
一縦モード動作に極めて有利である。

また、このλ／４位相シフ１〜構造と等価的に同様の効
果を持つ等価λ／４位相シフト構造も知られている（例
えば、Ｈ，５ｏｄａ　ｅｔ　ａｌ、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ
ｃｓＬｅｔｔｅｒｓ、　ｖｏｌ、２０．ｐｐ、１０１６
−１０１８１９８４）　。これは、第５図にその導波路
構造の一例を示すように、光導波路５２をその軸方向に
沿って一部分を変形させたものである。この場合、導波
路の厚さは一定で、中央部５４の幅を１μｍから２μｍ
と変化させている。変化の途中のテーパは急激な不連続
による不要反射を防ぐためのものである。幅の変化は、
その部分の等価屈折率の相対変化を引き起こず作用があ
る。従って、導波光の位相速度が変わり、その部分の通
過前後で導波光の感じる回折格子の位相が変化する。こ
れにより、回折格子の周期の不連続を導入したこと等価
な作用を生じる。

（発明が解決しようとする課題） ところで、半導体レーザでは偏波の異なる２つのモード
が存在する。つまり、丁ＦモードとＴＭ副モードある。

両端面を襞間によって形成したいわゆるファブリペｏ　
−（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ　）型のレーザでは、襞聞
面が、ＴＥモードに対して反則が大きくなるように働く
ため、このモードのしきい値が小さくなり、ＴＥモード
で発振する。

これに対して、両端面の反射をＯに近付けたλ／４位相
シフト構造では、その機構は働かない。

従って、原理的には、丁ＥとＴＭの２つのモードのしき
い値差がなく、単一縦モード動作が不可能となる。但し
、結合係数にが丁Ｅモードと丁Ｍモトとで異なるため、
辛うじてＴＥモードで発振する。しかし、このときのし
きい値ゲイン差はせいぜい３〜４　ｃｍ−１である。結
合係数にを大きくすると、ＴＥ、ＴＭモモ−間でのゲイ
ン差ももつと大きくできる（例えば、Ｓ、Ａｋｉｂａ　
ｅｔ　ａｌ。

、Ｔｈｅ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉ
ＥＣｏｆ　Ｊａｐａｎ、ｖｏｌ、Ｅ６９ｐｐ、３８９−
３９１．１９８６　）が、軸方向ホールバーニングのた
め、縦モードの安定性か悪くなる（例えば、Ｈ，５ｏｄ
ａ　ｅｔ　ａｌ、　ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　
ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ＱＥ−２３，
ｐｐ、８０４−８１４．１９８７）。従って、この値が
事実上の限界である。

高速のピッ１〜レー１〜でＤＦＢレーザを変調し、長距
離用に適用する場合には、６ｃｍ−１以上のゲイン差が
望まれるが、現状では十分なゲイン差が得られていない
。両端面の反射を○に近付けたλ／４位相シフト構造で
は、同じ偏波の副モードとは２０ｃｍ−１程度のゲイン
差とれているだ（プに、ＴＭモトに対する抑圧が不十分
であることが致命的であると言って良い。

本発明は、上記従来技術の欠点を克服し、ＴＭ副モード
抑え安定な単一縦モード動作が実現でき、更に高速、高
効率の変調が可能な分布帰還型レーザを提供するもので
ある。即ち、本発明は、次の特性を示す分布帰還型レー
ザを提供するものである。

■同一偏波（ＴＥ）の伯の縦モード（副モード）とのし
きい値ゲイン差（Δα）が大きい。

■他の偏波（ＴＭ＞のモードとのしきい値ゲイン差（△
αＴＭ＞も大きい。

■軸方向ホールバーニングの影響が少ない。

Ｕ発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は、分布帰還型レーザにおいて、特に導波路構造
の等価屈折率が他の部分と相対的に変化している部分構
造を１個または２個以上有し、その等価位相不シフト部
の位相シフト量を丁Ｅモードで最適化し、ＴＭ副モード
はしきい値が上昇するようにしたものである。

（作　用） 回折格子による位相シフトでは位相の不連続部のほぼ１
点で作用するが、等価位相シフト部はある一定の長さが
あるため、Ｔ「モードとＴＭ副モード位相シフト量に差
をつけることができる。これにより、位相シフト量を丁
Ｆモードで最適化し、ＴＭ副モードはしきい値が上昇す
るようにし、ＴＭ副モード抑え安定な単一縦モード動作
をする分布帰還型レーザが実現できる。

より概略的に言えば、本発明では、例えば、ＴＥモード
ではシフト量がλ／４、ＴＭ副モードはシフト量がλ／
１０以下とする等価位相シフト部を設けたものでおる。

これにより、結合係数によるのゲイン差を上積みし、最
低限の５ｃｍ−１を達成することができる。

さて、第２図はＴＥモードの規格化副モードゲイン差Δ
αＬとＴＭ副モードの規格化ゲイン差ΔαＬＴＭ（負の
値はＴＭ副モード方がしきい値が低いことを示す。）を
計算し、位相シフト領域長ざＬｏを横軸にしてプロン１
〜図である。但し、丁ＥモードとＴ　Ｍ　”Ｅ−ドのに
Ｌの違いによる差は考慮していない。

同図（ａ）は、共振器長りが３００μｍ、導波路幅が１
μｍ１位相シフト部の幅が０．５μｍ、また共振器両端
面無反射としたものである。この図から、Ｌ　−４０μ
ｍ付近で、ΔαＬとΔαＬＴ）ｌの両方をともに大ぎく
できることが分かる。即ち、このときΔαＬ＝０．５、
ΔαＬ、、＝　０．１５である。

αに換算すると、それぞれ１７ｃｍ　　、５ｃｍ’でお
る。

特に、にＬの違いを加味すると、△αＴＭは、８〜９ｃ
ｍ　　にも達し、安全圏の６　ｃｍ”を上回る。

また、第２図（ｂ）のように、中央部の位相シフト部の
輻幅を２μｍとした場合には、活性層厚みを０．０５μ
ｍとしても、△αｔ−ｒｑは大きくても０．０５程度し
か得られず、また、そのときのり。

の値は△αＬの極大値からも離れている。従って、所望
の目的を果たすことができない。活性層厚みが０．１０
μｍのときにはほとんど効果がない。

要するに、ＴＥモードの感じる位相シフト量が副モード
とゲイン差の大きいときに、ＴＥモードの位相シフト量
とＴＭ副モード感じる位相シフト量との差Δφが±π／
２（λ／４）に近いものが、丁Ｍ七−ドとのゲイン差を
大きくできる。つまり、理想的には、ＴＥモードでλ／
４、ＴＭ副モード○のシフ１〜であることが望ましい。

第１図は、丁Ｆモードの位相シフト量とＴＭ七ドの感じ
る位相シフト量との差Δφの値を、活性層幅、活性層厚
みをパラメータとしてプロットしたのである。同図（ａ
）は中央部の幅がその他の部分よりも０．５μｍ小さい
場合で、同図（ｂ）は中央部の幅が０．５μｍ大きい場
合である。中央部の幅か０．５μｍ小さい場合では、か
なり広い範囲で０．３π以上の△φが得られ、３　ｃｍ
−１以上のゲイン差か確保できる。これに対し、中央部
の幅が０．５μｍ大きい場合では、活性層幅は０．６μ
ｍ以下、活性層厚み０，１５μｍ以上必要である。

丁Ｍモード抑圧に対して効果的な導波路パラメータは、
個々のＤＦＢ構造に依存し、−該には記述できない。即
ち、等何位相シフト部以外の部分とも相対的に関連して
いるため、その導波路構造は総合的に設計しなくてはい
けない。導波路とその位相シフト構造に関しては、幅、
厚さ、屈折率を含めた層構造等、多数の組み合わせが考
えられる。しかし、ＩｎＧａＡＳＰ／ＩｎＰ系の等価λ
／４シフｌ−Ｄ　Ｆ　Ｂシー１アに限定すれば、活性層
を含めた導波路溝造層の厚さの合計が０．３μｍ以下、
且つ活性層の厚さが０．１μｍ以下、且つ導波路構造層
主要部（周辺の通常部）の幅が１μｍ以下であるとき、
中央の位相シフト領域長の幅は主要部より０．５μ…以
上小さくすれば、楽な精度で丁Ｍモードとのゲイン差を
大ぎくできる。なお、前半の、寸法の規定は、安定な基
本横モードを得るための必要条件である。これに絡んで
第１図には、高次横モードのカッｌ−オフ条件も示して
おる。

（実施例〉 ｉＸ下、本発明をＧａＩｎＡＳＰ／ＩｎＰ系材料を用い
たλ／４位相シフト型分布帰還型レーザに適用した一実
施例について図面を参照して説明する。

第３図は実施例の分布帰還型レーザの水平、垂直断面図
および平面図を示す。

まず、ｎ型ＩｎＰ基板上１１に２次の回折格子１２を形
成し、その上にｎ型Ｇａ１ｎＡＳＰ光導波層１３（λ−
１，２７μｍ帯組成、０．１μｍ厚）、アンドープＧａ
ＩｎＡＳＰ活性層１４（λ−１，５５μｍ帯組成、０．
１μｍ厚）、ｐ型ＧａＩｒ１ＡＳＰアンヂメルトバック
層１５（λ−１．２７μｍ帯組成、０．０５　μｍ厚）
、ｐ型ＩｎＰクラッド層１６、ｐ＋型ＧａＩｎＡＳＰオ
ーミックコンタクト層１７（λ−１，１５μｍ帯組成）
を順次積層する。

その後、エツチングにより、メサ・ストライプ部を形成
する。このとき、導波路構造は、厚さを均一とし、中央
部は長さし。に渡って幅を狭くした。外側の均一部２２
の幅は１μｍで、狭い幅の位相シフト部３０の幅は０．
５μｍとした。また、位相シフト部３０の長さり。は４
０μｍとした。

次に、その周囲を、ｐ型ＩｎＰ層１８、ｎ型Ｉｎ２層１
９、アンドープＧａＩｎＡＳＰキャップ層２０（λ−１
，１５μｍ帯組成）を連続成長して埋め込む。このとき
、埋め込み領域ではｐ−ｎ逆バイアス接合２１によって
電流がブロックされるため、活性層ストライプ１４にの
み、電流が効率良く注入される。

共振器長りは３００μｍとし、また共振器の端面は無反
射コー１〜を施した。また規格化結合係数にＬの値は、
軸方向ホールバーニングの影響の最も少ない１．２５付
近になるように調整した。

この実施例の分布帰還型レーザによれば、十分にＴＭ副
モード抑えて安定な単一縦モード動作が得られた。

上述の実施例では１つの等何位相シフト部かある場合に
ついて説明したが、本発明はこれに限ることなく、２つ
以上の位相シフト領域を持つ場合にも、同様に適用でき
る。また、位相シフト領域が形状的変化を持たず、外部
からの注入励起を独立に制御することによってその部分
の屈折率を変える方式にも適用可能である。

［発明の効果］ 本発明によれば、ＴＭ副モード抑え安定な単一縦モード
動作が実現できる。さらに、これによって高速、高効率
の変調が可能な分布帰還型レーザが得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はＴＥモードの位相シフト量とＴＭ副モード感じ
る位相シフト量との差Δφの値を活性層幅、活性層厚み
をパラメータとしてプロットした図で、同図（ａ）は導
波路構造の中央部の幅が他よりも０．５μｍ小さい場合
、また同図（ｂ）は導波路構造の中央部の幅が他よりも
０．５μｍ人きい場合をそれぞれ示す図、第２図はＴＥ
モードの規格化副モードゲイン差ΔαＬとＴＭ副モード
の規格化ゲイン差△αＬＴＭを、位相シフト領域長さり
。を横軸にしてプロットした図で、同図（ａ）は導波路
構造の中央部の幅が仙よりも０．５μｍ小さい場合、ま
た同図（ｂ）は導波路構造の中央部の幅が他よりも０．
５μｍ大きい場合をそれぞれ示す図、第３図は実施例の
分布帰還型レーザの水平、垂直断面図および平面図を示
す図、第４図はλ／４位相シフト構造の導波路構造の断
面構造模式図、第５図は等価λ／４位相シフト構造の導
波路構造の一例を示す平面図である。 代理人　弁理士　則　近　憲　佑 同　　　　竹　花　喜久男

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光導波路に沿って設けた回折格子によつて光帰還を行な
   う分布帰還型レーザにおいて、導波路構造の等価屈折率
   が他の部分と相対的に変化している部分構造を１個また
   は２個以上有し、かつこの部分構造を伝搬する偏波の異
   なる２つの発振モードのうち、発振させたい一方のモー
   ドと他方のモードとのしきい値ゲイン差が大きくなるよ
   うに、前記部分構造を設定したことを特徴とする分布帰
   還型レーザ。