(57)【要約】  分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）加熱素子がＤＢＲ区画内の導波路に重ねて配置されて交互転移温度プロファイルを定め、交互転移温度プロファイルが温度プロファイルにともなう異なる温度依存ブラッグ波長に対応する複数の異なる反射ピークを発生する、多波長ＤＢＲ半導体レーザが提供される。ＤＢＲ区画内の導波路に重ねて配置されたＤＢＲ加熱素子の隣り合う加熱素子対は、交互転移温度プロファイルの異なる温度領域間の熱クロストークの影響を最小限に抑えるため、光伝搬軸の方向に沿ってレーザチップ厚ｂ以上の距離で隔てられる。
2014532999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多波長分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）半導体レーザであって、光伝搬軸を定める導波路、波長選択ＤＢＲ区画、複数のＤＢＲ加熱素子、利得区画及びレーザ基板を有するＤＢＲ半導体レーザにおいて、
前記導波路の前記光伝搬軸が、前記レーザダイオードの前面ファセットと背面ファセットの間に延び、前記レーザの前記ＤＢＲ区画及び前記利得区画を通過する、
前記ＤＢＲ加熱素子が、前記ＤＢＲ区画において前記導波路に重ねて配置され、前記ＤＢＲ区画内の１つ以上の熱賦活回折格子領域及び前記ＤＢＲ区画内の１つ以上の非熱賦活回折格子領域を定めるために前記光伝搬軸に沿って回折格子内間隔ｄで次々に隔てられる、
前記熱賦活回折格子領域が前記熱賦活回折格子領域の回折格子周期の関数である温度依存ブラッグ波長を定める、
前記非熱賦活回折格子領域が前記非熱賦活回折格子領域の回折格子周期の関数である温度依存ブラッグ波長を定める、
前記波長選択ＤＢＲ区画の前記導波路及び前記レーザ基板がレーザチップ厚ｂを定めるに寄与する、及び
前記回折格子内間隔ｄが前記レーザチップ厚ｂとほぼ同じ桁の値である、
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記ＤＢＲ加熱素子が、前記レーザチップ厚ｂ及び前記回折格子内間隔ｄより小さい回折格子内間隙ｇで前記光伝搬軸に沿って隔てられることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記ＤＢＲ加熱素子が回折格子内間隙ｇで前記光伝搬軸に沿って隔てられる、
前記波長選択ＤＢＲ区画がほぼ０.５ｍｍとほぼ０.５２ｍｍの間のＤＢＲ長を定める、
前記回折格子内間隔ｄがほぼ１４８μｍとほぼ１５０μｍの間にある、及び
前記回折格子内間隙ｇがほぼ１０４μｍとほぼ１１０μｍの間にある、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記ＤＢＲ加熱素子が前記ＤＢＲ区画に局限されることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記ＤＢＲ加熱素子が複数の組の独立加熱素子として構成される、及び
それぞれの組の独立加熱素子の個々の加熱素子が複数の独立加熱素子回路を定めるために加熱素子回路において直列に接続される、
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
多波長分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）半導体レーザであって、光伝搬軸を定める導波路、波長選択ＤＢＲ区画、複数のＤＢＲ加熱素子、利得区画及びレーザ基板を有するＤＢＲ半導体レーザにおいて、
前記導波路の前記光伝搬軸が、前記レーザダイオードの前面ファセットと背面ファセットの間に延び、前記レーザの前記ＤＢＲ区画及び前記利得区画を通過する、
前記ＤＢＲ加熱素子が、前記ＤＢＲ区画において前記導波路に重ねて配置され、前記ＤＢＲ区画内の１つ以上の熱賦活回折格子領域及び前記ＤＢＲ区画内の１つ以上の非熱賦活回折格子領域を定めるために前記光伝搬軸に沿って回折格子内間隔ｄで次々に隔てられる、
前記熱賦活回折格子領域が前記熱賦活回折格子領域の回折格子周期の関数である温度依存ブラッグ波長を定める、
前記非熱賦活回折格子領域が前記非熱賦活回折格子領域の回折格子周期の関数である温度依存ブラッグ波長を定める、
前記熱賦活回折格子領域及び前記非熱賦活回折格子領域が前記ＤＢＲ加熱素子の下の前記レーザの上部層内に埋め込まれる、
前記波長選択ＤＢＲ区画の前記導波路及び前記レーザ基板がレーザチップ厚ｂを定めるに寄与する、及び
前記回折格子内間隔ｄが前記レーザチップ厚ｂと少なくとも同じ程度の大きさである、及び
前記ＤＢＲ加熱素子が、前記レーザチップ厚ｂ及び前記回折格子内間隔ｄより小さい回折格子内間隙ｇで前記光伝搬軸に沿って隔てられる
ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項７】
多波長分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）半導体レーザであって、光伝搬軸を定める導波路、波長選択ＤＢＲ区画、複数のＤＢＲ加熱素子、利得区画及びレーザ基板を有するＤＢＲ半導体レーザにおいて、
前記導波路の前記光伝搬軸が、前記レーザダイオードの前面ファセットと背面ファセットの間に延び、前記レーザの前記ＤＢＲ区画及び前記利得区画を通過する、
前記ＤＢＲ加熱素子が、前記ＤＢＲ区画において前記導波路に重ねて配置され、交互転移温度プロファイルを定める、
前記交互転移温度プロファイルが前記温度プロファイルにともなう異なる温度依存ブラッグ波長に対応する複数の異なる反射ピークを発生させる、
前記波長選択ＤＢＲ区画の前記導波路及び前記レーザ基板がレーザチップ厚ｂを定めるに寄与する、及び
前記ＤＢＲ区画において前記導波路に重ねて配置された前記ＤＢＲ加熱素子の隣り合う加熱素子対が、前記交互転移温度プロファイルの異なる温度領域間の熱クロストークの影響を最小限に抑えるため、前記光伝搬軸の方向に沿ってレーザチップ厚b以上の距離で隔てられる、
ことを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２０１１年９月９日に出願された米国特許出願第１３/２９２３８５号の米国特許法第１２０条の下の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記特許出願の明細書に依存し、上記特許出願の明細書はその全体が本明細書に含められる。
【技術分野】
【０００２】
本開示は多波長発光を特徴とする半導体レーザに関し、特に多波長分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザに関する。本開示の概念は多波長レーザが用いられる様々な分野において広汎な適用可能性を有する。
【背景技術】
【０００３】
本開示は、いくつかの波長を同時に発生するように動作させることができる、多波長ＤＢＲレーザに向けられる。多波長レーザは、大パワーで、スペックルが減じられた、合成緑色レーザを含むがこれには限定されない、多くの重要な用途のため、かなり注目されている。大パワー多波長半導体ＤＢＲレーザは、光通信、光測定、データ処理及びリモートセンシングのような、様々な分野において既存の及び未だ開発中の他の用途にとっても魅力的であり得る。大パワー多波長半導体ＤＢＲレーザは、光ファイバ無線ネットワーク、広帯域無線アクセス、レーダー及びセンサネットワークの分野において用いられ得る、マイクロ波信号のフォトニック発生にも用いることができる。
【０００４】
多波長レーザの別の重要な用途は、分光、撮像、通信、信号処理及び量子情報分野に関わる、テラヘルツ（ＴＨｚ）波発生である。二波長ダイオードレーザは、小型、比較的低コスト及び高信頼性になり得るから、ＴＨｚ波発生に対する優れた候補である。二波長レーザの他のいくつかの用途には、超高速光通信及び信号処理のためのソリトンパルス列発生、遠距離測定のためのヘテロダイン干渉法、及び光センシングがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本開示の一実施形態にしたがえば、多波長分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）半導体レーザが提供される。ＤＢＲ加熱素子がＤＢＲ区画内の導波路に重ねて配置され、ＤＢＲ区画内の１つ以上の熱賦活回折格子領域及びＤＢＲ区画内の１つ以上の非熱賦活回折格子領域を定めるために光伝搬軸に沿って回折格子内間隔dで隔てられて次々に配置される。熱賦活回折格子領域は熱賦活回折格子領域の回折格子周期の関数である温度依存ブラッグ波長を定める。非熱賦活回折格子領域は非熱賦活回折格子領域の回折格子周期の関数である温度依存ブラッグ波長を定める。回折格子内間隔dはレーザチップ厚とほぼ同じ桁の値である。
【０００６】
本開示の別の実施形態にしたがえば、ＤＢＲ加熱素子がＤＢＲ区画において導波路に重ねて配置されて交互転移温度プロファイルを定め、交互転移温度プロファイルが温度プロファイルにともなう異なる温度依存ブラッグ波長に対応する複数の異なる反射ピークを発生する、多波長分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）半導体レーザが提供される。ＤＢＲ区画において導波路に重ねて配置されたＤＢＲ加熱素子の隣り合う加熱素子対は、交互転移温度プロファイルの異なる温度領域間の熱クロストークの影響を最小限に抑えるため、光伝搬軸の方向に沿ってレーザチップ厚b以上の距離で隔てられる。
【０００７】
本発明の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照数字で示される、以下の図面とともに読まれたときに最善に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は本開示にしたがう多波長分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザの略図である。
【図２】図２は本開示にしたがうＤＢＲレーザに用いるための加熱素子構成を示す。
【図３】図３は本開示にしたがうＤＢＲレーザに用いるための別の加熱素子構成を示す。
【図４】図４は本開示にしたがうＤＢＲレーザに用いるための別の加熱素子構成を示す。
【図５】図５は本開示にしたがうＤＢＲレーザに用いるための別の加熱素子構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明にしたがう多波長ＤＢＲレーザ１０の概略の構造が図１に簡略に示されるが、必ずしも比例尺で描かれてはいない。図１において、ＤＢＲレーザ１０は、光伝搬軸を定める導波路２０，波長選択ＤＢＲ区画３０，複数のＤＢＲ加熱素子３５，利得区画４０，必要に応じて設けられる受動位相区画５０及びレーザ基板６０を有する。導波路２０は概ねレーザ１０の前面ファセット１２及び背面ファセット１４の間を延びる。一般に、ＤＢＲレーザがパルスモードで動作される場合、受動位相区画５０は用いられない。
【００１０】
ＤＢＲレーザに詳しい当業者には当然であろうように、ＤＢＲレーザのＤＢＲ区画はブラッグ回折格子、すなわち周期構造によるブラッグ反射に基づく光反射素子を有する。ＤＢＲ区画の周期構造は温度依存ブラッグ波長λＢを定める。本開示はＤＢＲ加熱素子及びＤＢＲ区画３０の詳細に向けられる。単コンポーネントコアまたは多コンポーネントコア及び付随する導波路層を有する導波路２０，利得区画４０及び位相区画５０並びに前面ファセット１２及び背面ファセット１４の反射防止膜を有するそれぞれの構造は、当該技術において容易に入手できる教示から学ぶことができる。例えば、前面ファセット１２には反射率がほぼ１％より大きい被覆が施されるべきであることに注意されたい。レーザ１０の導波路２０はユニポーラ量子カスケードコアスタックまたは単量子カスケードコアを有することができる。あるいは、導波路コアは光子を発生するため、ユニポーラコアのサブバンド間遷移とは対照的に、バンド間遷移を用いるバイポーラ構成を有することができる。
【００１１】
ＤＢＲ区画３０は、温度依存ブラッグ波長λＢに対応する、与えられた回折格子周期Λを定める波長選択回折格子区画を有する。図１及び２に簡略に示されるように、ＤＢＲ加熱素子３５はＤＢＲ区画３０に極限され、ＤＢＲ加熱素子３５のそれぞれにおける双方向加熱電流に対して構成されたインターデジタル加熱素子制御ノードを有する。ＤＢＲ加熱素子３５はＤＢＲ区画３０において導波路２０に重ねて配置され、光伝搬軸に沿って回折格子内間隙ｇで次々に隔てられる。この態様で隔てられたＤＢＲ加熱素子３５は、ＤＢＲ区画３０内の熱賦活回折格子領域及び非熱賦活回折格子領域を定める。これらの回折格子領域は図２において参照文字Ｔ１及びＴ２で示される。語「重ねて」は本明細書において、ＤＢＲ区画において加熱素子３５が、ＤＢＲ区画上に直接に、ＤＢＲ区画に載る介在層の上に、またはＤＢＲ区画に載る介在層の内に、形成される場合を包含するために用いられる。
【００１２】
熱賦活回折格子領域Ｔ１は、温度及び付随ＤＢＲ回折格子周期の関数である、温度依存ブラッグ波長を定める。同様に、非熱賦活回折格子領域Ｔ２は、温度及び付随ＤＢＲ回折格子周期の関数である、別の温度依存ブラッグ波長を定める。動作において、加熱素子３５，例えば、高濃度ドープｐ型半導体コンタクト層、を通って流れる電流が付随ＤＢＲ回折格子領域に熱を加え、コンタクト層下の熱賦活回折格子領域の温度Ｔ１を高めるであろう。そのような温度上昇は長波長側へのブラッグ回折格子のスペクトルシフトを制御するために用いることができる。補助レーザ冷却源が設けられていれば、レーザに加えられる熱量を制御することによって温度を調整するために加熱素子を用いることができるとも考えられる。したがって、加熱素子は短波長側へのブラッグ回折格子のスペクトルシフトも制御するための手段として述べることができる。加熱素子３５を適切な間隔で隔てれば、ＤＢＲ区画３０の熱賦活領域Ｔ１及び非熱賦活領域Ｔ２に有意な熱誘起ブラッグ波長シフトを生じさせることができる。屈折率が異なるＤＢＲ回折格子領域をつくりだす、この周期的加熱の結果、２つの実質的に等強度の反射ピークを発生することができるＤＢＲ区画が得られる。この結果、二波長発光を達成することができる。
【００１３】
得られるレーザダイオード１０の発光線の間隔はＤＢＲ区画３０の熱密度を制御することによって調節することができると考えられる。それぞれの加熱素子３５の抵抗値は個々の加熱素子３５に電流を供給する電圧制御ノードの間隔を変えることによって調整することができる。それぞれの発光線はヒータ電流を変えることによって調節することもできる。上述した調節手法の全ては、赤外（ＩＲ）ＤＢＲレーザの発光線を非線形結晶またはその他の波長変換素子の変換効率ピークに整合させることができる、合成緑色レーザ源の文脈において特に有用であり得る。最後に、図２及び残りの図面に示される加熱素子極性は説明の目的のために与えられているに過ぎず、本明細書に説明される技術の様々な用途の必要に合わせるために反転または調整できることに注意されたい。
【００１４】
図１及び２は、レーザチップ厚ｂを定めるに寄与する導波路２０及びレーザ基板６０を含む、波長選択ＤＢＲ区画３０の様々な層を示す。いくつかの実施形態において、回折格子内間隔ｄはレーザチップ厚ｂとほぼ同じ桁の値である。得られる構造は、温度プロファイルにともなう異なる温度依存ブラッグ波長に対応する複数の異なる反射ピークを発生する、交互転移温度プロファイルを定めると説明することができる。隣り合う加熱素子対は、交互転移温度プロファイルの異なる温度領域間の熱クロストークの影響を最小限に抑えるため、光伝搬軸の方向に沿ってレーザチップ厚b以上の距離で隔てられる。
【００１５】
特定の実施形態において、回折格子内間隔dは少なくともレーザチップ厚b程度の大きさである。図１及び２はさらに、ＤＢＲ加熱素子３５が光伝搬軸に沿い、レーザチップ厚ｂ及び回折格子内間隔dより小さく、例えばレーザチップ厚bの約２/３に、することができる回折格子内間隙ｇで隔てられることを示す。さらに特定の実施形態において回折格子内間隙ｇは回折格子内間隔ｄのほぼ７０％からほぼ７５％である。
【００１６】
限定ではなく説明として、波長選択ＤＢＲ区画３０がほぼ０.５ｍｍとほぼ０.５２ｍｍの間のＤＢＲ長を定める場合、回折格子内間隔ｄはほぼ１４８μｍとほぼ１５０μｍの間にあり、回折格子内間隙ｇはほぼ１０８μｍとほぼ１１０μｍの間にあるであろう。
【００１７】
一実施形態において、ＤＢＲインターデジタル加熱素子は半導体ＤＢＲレーザのＤＢＲ区画導波路に重ねて一体形成される。加熱素子はレーザチップ厚と同等であるかまたはさらに大きい距離で隔てられる。２５℃におけるＣＷ動作において安定な二波長発光が、図２に示される構成と同様の４区画インターデジタルヒータ構成を有するＤＢＲレーザを用いて達成された。１.３９ｎｍ隔てられた１０５９.５ｎｍ及び１０６０.８９ナノの２つの単波長ピークが４４ｄＢより大きいサイドモード抑圧比で得られる。２つのピークの強度差は１.２ｄＢより小さい。３５０ｍＡまでのＣＷ利得電流において、最大光パワーが２００.３ｍＷの二波長発光が見られる。利得スイッチング動作の下で、ＤＣバイアス電流に重畳された４２６ＭＨｚ正弦波信号を用い、それぞれ５０〜２５０ｍＡ及び１０〜４５℃の、広いＤＣバイアス電流範囲及び温度範囲にわたって安定な二波長発光が見られた。２５０ｍＡのＤＣバイアス電流において１２５.３ｍＷの二波長平均出力パワーが達成される。２つのスペクトルピークの間の強度差は５０ｍＡから２５０ｍＡのＤＣバイアス電流範囲において０.７５ｄＢより小さく、約１.３５ｎｍの対応する波長間隔が全動作範囲にわたって維持される。
【００１８】
ＤＢＲレーザの同じ０.５ｍｍ長のＤＢＲ区画上の異なるインターデジタルヒータ構成について対照実験を実施した。実験結果を表１に要約してある。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
高濃度ドープ半導体コンタクト層内を電流が流れるインターデジタル加熱素子または導波路の上面上の金属薄膜層の形態にあるインターデジタル加熱素子を用いることができる。上述したように、図２はＤＢＲ加熱素子のそれぞれ内に加熱電流を双方向に流すために構成されたインターデジタル加熱素子制御ノードを示す。図２の実施形態及び他の同様の実施形態において、それぞれの加熱素子に付帯する加熱素子制御ノードは複数の独立加熱素子回路として構成することができ、あるいは共通の加熱素子回路に並列に接続することができると考えられる。図３を参照すれば、ＤＢＲ加熱素子３５はＤＢＲ加熱素子３５のそれぞれ内を加熱電流が一方向に流れるように構成することができるとも考えられる。さらに、図４を参照すれば、単加熱素子回路または複数の独立加熱素子回路に直列に接続された複数の独立加熱素子として構成することができる。
【００２１】
最後に、図５を参照すれば、ＤＢＲ加熱素子３５は、２つの熱賦活領域Ｔ１，Ｔ２及び１つの非熱賦活領域Ｔ３を形成し、２つより多くの波長を発生するように調整された複数の組の独立加熱素子として構成することができる。さらに詳しくは、図５において、個々の加熱素子３５は２組の個別加熱素子に配列される。それぞれの組の加熱素子は、熱賦活回折格子領域Ｔ１，Ｔ２及び非熱賦活回折格子領域Ｔ３の形成を可能にするように複数の独立加熱素子回路を定めるため、加熱素子回路において直列に接続される。
【００２２】
特定の加熱素子及び制御ノード構成にかかわらず、熱賦活回折格子領域及び非熱賦活回折格子領域はＤＢＲ加熱素子の下の半導体レーザの上部層内に埋め込まれ得ると考えられる。熱賦活回折格子領域及び非熱賦活回折格子領域のそれぞれの回折格子周期は、ほぼ等しくするかまたは実質的に異ならせることができるとも考えられる。さらに、熱賦活回折格子領域及び非熱賦活回折格子領域のそれぞれの回折格子周期は、本開示の範囲を逸脱することなく、相互に同相関係にあることができるかまたは互いに対して移相され得ると考えられる。
【００２３】
「好ましい」、「普通に」及び「一般に」のような語は、本明細書に用いられる場合、確言される実施形態の範囲を限定するために、あるいは確言される実施形態の構造または機能にとっていくつかの特徴が必須であるか、肝要であるかまたは重要であることさえも意味するために用いられてはいないことに注意されたい。むしろ、これらの語は、本開示の実施形態の特定の態様の識別または本開示の特定の実施形態に用いられていることも用いられていないこともあり得る別のまたは追加の特徴の強調が目的とされているに過ぎないことに注意されたい。
【００２４】
本開示の目的のため、語「実質的に」及び「ほぼ」は本明細書において、いかなる量的比較、値、測定またはその他の表現にも帰因させ得る本質的な不確定性の度合いを表すために用いられることに注意されたい。語「実質的に」及び「ほぼ」は本明細書において、当該主題の基本機能を変化させずに、量的表現が言明された基準から変わり得る度合いを表すためにも用いられる。
【００２５】
本開示の主題を詳細に、またその特定の実施形態を参照して、説明したが、本明細書に開示された様々な詳細が、本明細書に添付される図面のそれぞれに特定の要素が示されている場合であっても、本明細書に説明される様々な実施形態の基本コンポーネントである要素にそのような詳細が関係していることを意味するととられるべきではないことに注意されたい。むしろ、本明細書に添付される特許請求の範囲は本開示の範囲及び、対応する、本明細書に説明される様々な実施形態の範囲の唯一の表現としてとられるべきである。さらに、本開示を逸脱することなく改変及び変形が可能であることは明らかであろう。さらに詳しくは、本開示のいくつかの態様は本明細書において好ましいかまたは特に有利であるとして識別されるが、本開示は必ずしもそのような態様に限定されることはないと考えられる。
【００２６】
添付される特許請求項の１つ以上において「〜を特徴とする(wherein)」が転換句として用いられていることに注意されたい。実施形態の目的のため、この語は構造の一連の特徴の叙述を導入するために用いられる制約の無い転換句として特許請求項に導入されており、より普通に用いられる制約の無い前置語「含む(comprising)」と同様の態様で解されるべきであることに注意されたい。
【符号の説明】
【００２７】
１０    多波長ＤＢＲレーザ
１２    前面ファセット
１４    背面ファセット
２０  導波路
３０    波長選択ＤＢＲ区画
３５    ＤＢＲ加熱素子
４０    利得区画
５０  受動位相区画
６０    レーザ基板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2014532999.tif 000008
【国際調査報告】
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