(57)【要約】【課題】半導体レーザの前端面と後端面との光出力比を大きくすれば、主軸モードと副軸モードのしきい値利得差が小さくなり、高速変調時に副軸モードが発振し易くなった。【解決手段】活性層６の上に屈折率結合性の回折格子８、９を有するΛ／２位相シフト型分布帰還構造の屈折率結合型分布半導体レーザにおいて、光の分布帰還方向で見た場合に、後端面側領域１にある回折格子における（高屈折率部分８のデューティ）／（低屈折率部分９のデューティ）の値を、前端面側領域２における値と比較してより大きくすることで、通常の半導体レーザで前端面側領域２が有する程度の結合係数κ２の値よりも、後端面側領域１での結合係数κ１を大きくする。【選択図】　　　　図１
2004111709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相シフト構造を有し、回折格子が形成された領域において光の分布帰還方向のほぼ中央部から見て、一方の端面側にある回折格子の平均的な結合係数κ２が、他方の端面側にある回折格子の平均的な結合係数κ１よりも小さく、かつκ２が１００ｃｍ−１を超えることを特徴とした屈折率結合型分布帰還半導体レーザ。
【請求項２】
結合係数の実部の絶対値が虚部の絶対値の４倍以上である複素結合タイプのものにおいて、位相シフト構造を有し、回折格子が形成された領域において光の分布帰還方向のほぼ中央部から見て、一方の端面側の回折格子の平均的な結合係数κ２が、他方の端面側の回折格子の平均的な結合係数κ１よりも小さく、かつκ２が１００ｃｍ−１を超えることを特徴とした複素結合型分布帰還半導体レーザ。
【請求項３】
複数の位相シフト構造が、回折格子の形成された領域において光の分布帰還方向の中央部を中心としてほぼ対称な位置に形成されている請求項１もしくは２記載の分布帰還半導体レーザ。
【請求項４】
位相シフト構造が、回折格子の形成された領域において光の分布帰還方向のほぼ中央部に一つ形成される請求項１もしくは２記載の分布帰還半導体レーザ。
【請求項５】
回折格子の周期をΛとした場合に、全ての位相シフト構造が与える位相シフト量の和がほぼΛ／２である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の分布帰還半導体レーザ。
【請求項６】
回折格子の周期構造を光の分布帰還方向でみた場合に、結合係数κ１の領域における（屈折率の高い部分のデューティ）／（屈折率の低い部分のデューティ）の値を、結合係数κ２の領域における値よりも大きくした請求項１〜請求項５のいずれかに記載の分布帰還半導体レーザ。
【請求項７】
回折格子の屈折率の高い部分の層構造において、結合係数κ１の領域の高屈折率層の層数を結合係数κ２の領域の高屈折率層の層数よりも多くした請求項１〜請求項５のいずれかに記載の分布帰還半導体レーザ。
【請求項８】
回折格子の屈折率の高い層と活性層の間に存在する低屈折率の層の層厚を、結合係数κ２の領域よりも結合係数κ１の領域において薄くした請求項１〜請求項５のいずれかに記載の分布帰還半導体レーザ。
【請求項９】
光が結合係数κ２の領域を伝播する際に作用する等価屈折率をｎ２、結合係数κ１の領域を伝播する際に作用する等価屈折率をｎ１とし、結合係数κ２の領域の回折格子の平均的な周期をΛ２、結合係数κ１の領域の回折格子の平均的な周期をΛ１とした場合に、ｎ２・Λ２がｎ１・Λ１にほぼ等しくなる請求項１〜請求項８のいずれかに記載の分布帰還半導体レーザ。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれかの分布帰還半導体レーザを集積化したことを特徴とする集積型デバイス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信に用いる半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバ通信用の位相シフト型分布帰還半導体レーザは、回折格子の周期をΛとすると、Λ／２位相シフト構造等により、単一軸モード発振を実現してきた。しかしながら、同構造では、前後の端面から出力されるレーザ光の強度が概ね等しいため、前端面から大きな光出力を得るには、大きな駆動電流を与えなければならなかった。
【０００３】
このような課題を解決するため、回折格子の非対称構成とすることにより活性分布反射型レーザの高効率を得るものがある（例えば非特許文献１）。
【０００４】
これは、後端面側の領域と前端面側の領域との間に例えばΛ／２の位相シフト構造等を設けて単一軸モード化を図ることによって高効率を達成しようとするものである。後端面側領域にある回折格子の結合係数をκ１、前端面側領域にある回折格子の結合係数をκ２とすると、前端面側領域の回折格子は、後端面側領域と比較してコルゲーションが浅く形成されており、そのため、前端面側領域の前端面側からの光出力Ｐ２は、後端面側領域の後端面側からの光出力Ｐ１よりも大きくなる。これは、非対称なコルゲーション深さにより、位相シフト領域から前端面へ向かう光波の電力Ａ２と後端面に向かう光波の電力Ａ１の比（Ａ２／Ａ１）が大きくなるからである。このレーザに寸法などの具体的なパラメータを与えると、１〜１６もしくは１〜２７のごとき大きな光出力比（Ｐ２／Ｐ１）が得られた。
【０００５】
【非特許文献１】
江田氏ほか、昭和５９年１０月の電子通信学会・電波部門全国大会講演論文集第２分冊Ｎｏ．２７１
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のレーザでは、前端面と後端面との光出力比（Ｐ２／Ｐ１）を大きくするべく、κ１／κ２の比を大きくすればするほど、主軸モードと副軸モードのしきい値利得差Δｇｔｈが小さくなり、高速変調時に副軸モードが発振し易くなるという課題が生じた。
【０００７】
この発明は、軸モードの安定性を損なうことなく高効率を達成できる分布帰還型半導体レーザを提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、位相シフト構造を有し、回折格子が形成された領域において光の分布帰還方向のほぼ中央部から見て、一方の端面側にある回折格子の平均的な結合係数κ２が、他方の端面側にある回折格子の平均的な結合係数κ１よりも小さく、かつκ２が１００ｃｍ−１を超えることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１を示した半導体レーザの断面図であり、半導体レーザは、活性層６の上に屈折率結合性の回折格子８、９を有するΛ／２位相シフト型分布帰還構造のものである。ブラック波長λｇで見ると、位相シフト構造３によるΛ／２位相シフトが後端面側領域１の右方向に進行する光の波の反射の位相と、前端面側領域２の左方向へ進行する光の波の反射の位相とが合致するので、波長λｇの強い共振（発振）が生じる。
図において、光の分布帰還方向で見た場合に、後端面側領域１にある回折格子における（高屈折率部分８のデューティ）／（低屈折率部分９のデューティ）の値を、前端面側領域２における値と比較してより大きくすることで、通常の分布帰還型半導体レーザで前端面側領域２が有する程度の結合係数κ２の値よりも、後端面側領域１での結合係数κ１を大きくする。ここで“結合”とは、前進波と後進波との結合を言う。また、低屈折率部分９は、ｎ−ＩｎＰ第二クラッド層１０と実質的に同一のものである。
このような構成にすれば、光の進行方向において、素子中央への光のフィードバック量は前端面側領域２においてよりも、後端面側領域１においての方が大きくなり、結果として、前端面側領域２の端面からより大きな光出力が得られる。
【００１０】
今、図２に示すように、具体的なパラメータとして、後端面側領域１の長さＬ１および前端面側領域２の長さＬ２を共に１００μｍ、前端面及び後端面の反射率Ｒ１、Ｒ２をゼロ、前端面側領域２の結合係数κ２を１７５ｃｍ−１とした場合に、後端面側領域１の結合係数κ１を１７５ｃｍ−１〜３２５ｃｍ−１まで増していくと、前端面と後端面よりの光出力比Ｐ２／Ｐ１は１倍から２８倍まで増大する。
【００１１】
また、図２に示されているように、結合係数κ１が１７５ｃｍ−１〜３１５ｃｍ−１までの範囲では、光出力比Ｐ２／Ｐ１の増大に伴い、主軸モードの副軸モードに対するしきい値利得差Δｇｔｈ（１次の副軸モードとの利得差ｇｔｈ（１）、２次の副軸モードとの利得差ｇｔｈ（２）の内小さい方の値）はむしろ大きくなり、軸モードの安定性が良好となる。この点で従来の半導体レーザと大きく異なる。
【００１２】
また、κ１が３１５ｃｍ−１を超えるとκ１が、κ２に等しい１７５ｃｍ−１である場合よりも主軸モードの副軸モードに対するしきい値利得差は小さくなるが、κ１が３５０ｃｍ−１の場合でも依然として、そのしきい値利得差は、良好な単一モード性を示す、５５ｃｍ−１以上の値が得られている。
【００１３】
本実施形態では、後端面側領域１および前端面側領域２の長さＬ１、Ｌ２を共に１００μｍとしたが、単一軸モード特性を損なわない限り他の長さの組み合わせでもよい。また、説明を簡単にするために、前端面、後端面の反射率Ｒ１、Ｒ２をゼロとしたが、単一軸モード特性を損なわない程度の反射率を有している場合にも本発明は有効である。
【００１４】
更に本実施形態では、κ２が１７５ｃｍ−１、κ１が１７５ｃｍ−１〜３５０ｃｍ−１の場合を示したが、κ２は、通常の分布帰還型半導体レーザが有する程度の係合係数、例えば１００ｃｍ−１を超えた他の値の場合でも同様の効果を得ることができる。また、本実施形態では、活性層６の上に回折格子８、９を備えるものを示したが、回折格子が活性層の下にあるものに対しても本発明を適用できる。
【００１５】
実施の形態２．
実施の形態１では、回折格子が屈折率結合性の場合について示したが、単一軸モード性を損なわない程度の利得結合性をも併せ持つ回折格子、例えば結合係数の実部の絶対値が虚部の絶対値の４倍以上である回折格子を用いた複素結合型の回折格子を用いてもよい。
【００１６】
実施の形態３．
また、実施の形態１では、回折格子の形成された領域において、光の分布帰還方向のほぼ中央部に、位相シフト構造３が一つ形成されていたが、図３に示すように、複数の位相シフト構造３１が、回折格子の形成された領域において光の分布帰還方向の中央部を中心として、ほぼ対称な位置に形成した構造に対しても本発明を適用できる。
【００１７】
実施の形態４．
また、実施の形態１では、位相シフト構造３が一つであり、その位相シフト量がΛ／２のものを示したが、図４のように、位相シフト構造３２が一つであり、その位相シフト量がΛ／２でなくても、単一軸モード性が損なわれないシフト量であれば、本発明を適用できる。また、図５のように、複数個の位相シフト構造３３があり、それらのすべての位相シフト構造３３が与える位相シフト量の和がΛ／２でなくても、単一軸モード性が損なわれないシフト量であれば、本発明を適用できる。
【００１８】
実施の形態５．
また、実施の形態１では、光の分布帰還方向でみた場合に、後端面側領域１にある回折格子における（屈折率の高い部分８のデューティ）／（屈折率の低い部分９のデューティ）の値を、前端面領域２にある回折格子における値よりも大きくすることで、通常の分布帰還型半導体レーザが有する程度の結合係数κ２を有する前端面側領域２に対し、後短面側領域１に大きな結合係数κ１を与えるようにしたが、図６のように、後端面側領域１の回折格子における高屈折率の部分８の層数（図６では２層）を、前端面側領域２の回折格子における低屈折率の部分９の層数（図６では１層）よりも多くしたものに対しても本発明を適用できる。従って図６では上記の（屈折率の高い部分８のデューティ）／（屈折率の低い部分９のデューティ）の値は、後端面側領域１と前端面領域２とで等しい。
【００１９】
実施の形態６．
図７では、回折格子の高屈折率部分８の層と、活性層６との間に存在する低屈折率の層７の層厚を、前端面側領域２よりも後端面側領域１で薄くしており、これにより、実施の形態４（図４、５）および実施の形態５（図６）と同様の効果が得られる。
【００２０】
実施の形態７．
上述の実施の形態１〜６では、後端面側領域１における回折格子の周期Λ１と、前端面側領域２における回折格子の周期Λ２とは等しく、そしてκ２＜κ１なる構造を用いて光出力を非対称としいたが、その場合には、光が前端面側領域２を伝播する際に作用する等価屈折率をｎ２、後端面側領域１を伝播する際に作用する等価屈折率をｎ１とすると、ｎ１＞ｎ２なる関係が発生し、図８に示すように、単一軸モード性Δｇｔｈが低下し、かつ、基本幅モードのしきい値利得ｇｔｈが増大しがちである。そこで、ｎ２・Λ２がｎ１・Λ１にほぼ等しくなるように、κ２とκ１の関係を調整することにより、単一軸モード性が極めて良好でかつ低しきい値を実現することができる。
【００２１】
実施の形態８．
以上の実施の形態１〜８で示した半導体レーザを他の光デバイスもしくは電子デバイスと集積化しても本発明の効果が得られることはいうまでもない。
【００２２】
【発明の効果】
この発明は、一方の端面側の回折格子の平均的な結合係数κ２が、他方の端面側の回折格子の平均的な結合係数κ１よりも小さく、かつκ２が１００ｃｍ−１を超えるようにしたものであり、軸モードの安定性を損なうことなく高効率を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による半導体レーザの断面図
【図２】結合係数の変化に対するしきい値利得差および光出力を示した図
【図３】本発明の実施の形態３による半導体レーザの断面図
【図４】本発明の実施の形態４による半導体レーザの断面図
【図５】本発明の実施の形態４による半導体レーザの断面図
【図６】本発明の実施の形態５による半導体レーザの断面図
【図７】本発明の実施の形態６による半導体レーザの断面図
【図８】等価屈折率の違いによるしきい値利得およびしきい値利得差の変化を示した図
【符号の説明】
１　後端面側領域、２　前端面側領域、３　位相シフト構造、８　回折格子の高屈折率部分、９　回折格子の低屈折率部分、３１〜３３　位相シフト構造
【図１】
2004111709.tif 000003
【図２】
2004111709.tif 000004
【図３】
2004111709.tif 000005
【図４】
2004111709.tif 000006
【図５】
2004111709.tif 000007
【図６】
2004111709.tif 000008
【図７】
2004111709.tif 000009
【図８】
2004111709.tif 000010