(57)【要約】【課題】  容易な製造プロセスを用いて歩留まり良く製造可能であって、大電流注入時においても安定した単一縦モード発振を実現でき、高いスロープ効率を有する分布帰還型半導体レーザを提供する。【解決手段】  分布帰還型半導体レーザは、レーザ共振器の軸方向に沿って回折格子１０が設けられ、レーザ共振器の一方の端面２１が低反射面で構成され、レーザ共振器の他方の端面２２が該低反射面より高い光反射率を有する高反射面で構成され、レーザ共振器の両端面間の中央２３から高反射面である端面２２までの領域において、２箇所以上の位相シフト部１１が設けられる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ共振器の軸方向に沿って回折格子が設けられた分布帰還型半導体レーザであって、
レーザ共振器の一方の端面が低反射面で構成され、レーザ共振器の他方の端面が該低反射面より高い光反射率を有する高反射面で構成され、
レーザ共振器の両端面間の中央から高反射面までの領域において、２箇所以上の位相シフト部が設けられることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２】
各位相シフト部の位相シフト量の総和が、ｍ×Λ＋Λ／２（ｍは０以上の整数、Λは回折格子の周期）であることを特徴とする請求項１記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項３】
各位相シフト部の位相シフト量の総和が、ｍ×Λ＋Λ／２（ｍは０以上の整数、Λは回折格子の周期）より大きく、（ｍ＋１）×Λより小さいことを特徴とする請求項１記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項４】
各位相シフト部の位相シフト量の総和が、ｍ×Λ（ｍは０以上の整数、Λは回折格子の周期）より大きく、ｍ×Λ＋Λ／２より小さいことを特徴とする請求項１記載の分布帰還型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光ファイバ通信や光計測などの光源として好適な分布帰還型半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
分布帰還型半導体レーザ(DFB-LD:distributed feedback laser diode)は、レーザ内部の光進行方向に沿って屈折率または利得に周期的な変化を与える構造を有し、一般にはレーザ共振器の軸方向に沿って回折格子が設けられる。
【０００３】
下記非特許文献１（「半導体レーザー工学の基礎」沼居著・丸善、ｐ．１６６〜１６７）には、単純な周期構造が続いている均一回折格子を有する分布帰還型半導体レーザにおいて、レーザ両端面が無反射面である場合、波長が異なる２つの縦モードで発振することが記載されている。そのため実用上は、レーザ共振器の一方の端面を無反射面または低反射面で構成し、他方の端面を高反射面で構成することが多い。こうした構成により、単一縦モードの発振が得られ易くなり、しかもレーザ光の大部分が一方の端面から放射されるようになり、スロープ効率の高いレーザ素子を実現することができる。なお、関連する先行技術として、下記のものが挙げられる。
【０００４】
【特許文献１】特開昭６１−２１６３８３号公報（第２頁、第１図〜第３図）
【特許文献２】特開２０００−２８６５０２号公報（図１〜図３、図８、図９）
【非特許文献１】沼居貴陽著「半導体レーザー工学の基礎」丸善、ｐ．８６〜８８、ｐ．１６６〜１７１
【非特許文献２】IEEE Journal of Lightwave Technology, vol.7(1989), pp.2072-2077
【非特許文献３】応用物理学会編「半導体レーザ」オーム社、ｐ．２７８〜２７９
【非特許文献４】IEEE Photonics Technology Letters, Vol.13, pp.245-247
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、均一回折格子を有する分布帰還型半導体レーザにおいて、両端面の反射率を異ならせただけでは全ての素子で単一縦モード発振が得られるわけではない。単一縦モード発振の可否は、端面における光の位相によって決定される。
レーザ端面における光の位相は、回折格子の位相（以下、端面位相）に依存するため、端面位相を精度よく制御すれば、単一縦モード発振は実現可能である。しかし、回折格子の周期は一般に２００ｎｍ程度であり、端面位相をｎｍオーダーの高い精度で制御しなければならず、実際の製造プロセスでは不可能に近い。例えば、レーザ端面を劈開工程で形成する場合、所望の端面位相が得られるか否かはランダムな事象になり、このことが分布帰還型半導体レーザの歩留まり向上の妨げとなっている。
【０００６】
さらに、均一回折格子を有する分布帰還型半導体レーザにおいて、レーザ共振器の軸方向に沿って空間的ホールバーニングと呼ばれる現象が起こる。この現象は、レーザ共振器の軸方向における光強度分布（光子密度分布）が不均一になることに起因する。光強度分布の不均一が大きくなると、光子の多い領域では誘導放射が盛んになって、該領域に存するキャリアがより多く消費される。これによりキャリア密度が減少して、プラズマ効果と呼ばれる現象により該領域での屈折率が局所的に増大する。光は、屈折率の高い領域により集中するようになって誘導放射がますます盛んになり、正の帰還効果が作用して、光強度分布、キャリア密度および屈折率の不均一がいっそう助長され、端面における光の位相も大きく変化する。
【０００７】
こうしたホールバーニング現象は、大電流注入時においてより顕著に現れる。従って、注入電流が小さいときには単一縦モード発振が得られていても、注入電流が大きくなると多モード発振になってしまい、こうした点も分布帰還型半導体レーザの歩留まり向上の妨げとなっている。
【０００８】
この対策として、λ／４位相シフト回折格子が提案されている（例えば、非特許文献１（「半導体レーザー工学の基礎」沼居著・丸善、ｐ．１６７〜１７１））。この回折格子構造では、レーザ共振器の両端面を無反射面で構成しているため、端面位相とは無関係に単一縦モード発振が得られる。
【０００９】
しかし、レーザ両端面ともに無反射面であるため、レーザの前方および後方に同じ光量が放射されるため、光利用効率が低くなる。また、位相シフト部において光強度分布が局所的に集中するため、大電流注入時に実効的に位相シフトがλ／４からずれてしまい、単一縦モードの安定性が低下してしまう。
【００１０】
上記特許文献１では、このλ／４位相シフト回折格子を基本にスロープ効率の改善を図った構造が提案されている。しかし、この構造においても位相シフト部で光強度分布が局所的に集中するため、大電流注入時において単一縦モードの安定性は充分には達成されない。
【００１１】
上記特許文献２では、レーザ共振器内で格子周期が一定である第１の領域と、格子周期が異なったり変動している第２領域とを有する構造が提案されている。しかし、この構造では、回折格子周期が異なる領域間における回折格子の位相シフト量も制御しなければならず、格子周期および位相シフト量の両方を同時に制御することは製造プロセス上極めて困難である。
【００１２】
本発明の目的は、容易な製造プロセスを用いて歩留まり良く製造可能であって、大電流注入時においても安定した単一縦モード発振を実現でき、高いスロープ効率を有する分布帰還型半導体レーザを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明に係る分布帰還型半導体レーザは、
レーザ共振器の軸方向に沿って回折格子が設けられた分布帰還型半導体レーザであって、
レーザ共振器の一方の端面が低反射面で構成され、レーザ共振器の他方の端面が該低反射面より高い光反射率を有する高反射面で構成され、
レーザ共振器の両端面間の中央から高反射面までの領域において、２箇所以上の位相シフト部が設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レーザ共振器の両端面間の中央から高反射面までの領域において２箇所以上の位相シフト部を設けることによって、レーザ共振器の軸方向に沿った光強度分布が平坦化され、軸方向の空間的ホールバーニングを抑制することができる。その結果、大電流注入時においても安定した単一縦モード発振が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図である。この分布帰還型半導体レーザは、キャリア再結合によって光を発生する活性層２と、活性層２の下方に設けられたクラッド層３と、活性層２の上方に設けられた光ガイド層４と、光ガイド層４の上方に設けられたクラッド層５と、活性層２で発生した光の一部を素子内部へ反射するための端面２１，２２などで構成され、さらには外部からキャリアを供給するための電極（不図示）、電極の下地となるコンタクト層（不図示）、素子全体を支持するための基板（不図示）などを備える。
【００１６】
２つの端面２１，２２はレーザ共振器を構成するものであり、各端面２１，２２において所望の材料、膜厚、層数で誘電体膜を形成することによって、所望の光反射率に制御することができる。
【００１７】
本実施形態では、端面２１を反射率３％の低反射面で構成し、端面２２を反射率９０％の高反射面で構成した例を説明するが、端面反射率０％−９５％の組合せや端面反射率１％−７０％の組合せなどのように、一方の端面反射率が他方の端面反射率より低い組合せであれば本発明は適用可能である。
【００１８】
回折格子１０は、レーザ共振器の軸方向に沿って設けられ、ここでは活性層２から上方に隔てて配置されるように、光ガイド層４とクラッド層５との界面に周期構造を形成している。
【００１９】
本実施形態では、回折格子１０の断面形状を三角波状としているが、その他に矩形波や正弦波など周期的に変化する断面形状であれば光分布帰還を実現できる。また、非特許文献２(IEEE Journal of Lightwave Technology, vol.7(1989), pp.2072-2077)の図６等に示すように、埋め込み型の回折格子であっても本発明は適用可能である。
【００２０】
本実施形態において、レーザ共振器の両端面２１，２２間の中央２３から高反射面である端面２２までの領域において、複数（図１では５箇所）の位相シフト部１１を設けている。位相シフト部１１は、回折格子１０の周期構造において位相の変化が生じている部分であり、一般には、図１に示すように、回折格子１０の断面形状の位相をずらすことによって容易に実現できる。位相シフト部１１を持つ回折格子１０を形成する手法として、電子ビーム露光法、Ｘ線露光法、ネガ・ポジ法、位相シフト法、レプリカ法などが採用できる（非特許文献１：「半導体レーザー工学の基礎」沼居著・丸善、ｐ．８６〜８８）。あるいは、レーザの活性層を含む導波路の厚さや幅などを局所的に変化させて、等価屈折率が局所的に変化した構造によっても実効的な位相シフト部１１を形成することが可能である。
【００２１】
図１に示すように、端面２１，２２の間のレーザ共振器長をＬとして、高反射面である端面２２から距離０．１Ｌの位置に第１の位相シフト部１１を設け、ここから距離０．０５Ｌの間隔で第２〜第５の位相シフト部１１をそれぞれ設けている。
【００２２】
また本実施形態では、回折格子１０の周期をΛとして、各位相シフト部１１の位相シフト量の総和φが、Λ／２となるように設定している。なお、位相シフト量の総和φが、一般式としてｍ×Λ＋Λ／２（ｍは０以上の整数）となるように設定した場合は、φ＝Λ／２の場合と光学的に等価となる。
【００２３】
図２は、規格化しきい値利得差の計算結果の一例を示すグラフである。縦軸は規格化しきい値利得差（ΔαthL）で、横軸は規格化結合係数（κＬ）であり、ここでは位相シフト量の総和φ＝０Λ，０．２Λ，０．５Λ，０．７Λについて示している。具体的に計算方法は、文献（電子通信学会技術研究報告ＯＱＥ８４−７９、ｐ．１〜６）において詳細に記述されている。また、規格化しきい値利得差は端面位相によって変化することから、端面位相を１６通り×１６通りについて計算し、これらの平均値を図示している。
【００２４】
図２のグラフに示すように、実用的な規格化結合係数の範囲１．０〜２．０において、均一回折格子（φ＝０Λ）と比較して、位相シフト部を有する回折格子（φ＝０．２Λ，０．５Λ，０．７Λ）は高い規格化しきい値利得差を有するようになる。規格化しきい値利得差は単一縦モード発振の安定性を示すパラメータであるため、回折格子に位相シフト部を設けることによって、この数値が高くなって、単一縦モードで発振し易くなる。
【００２５】
また、回折格子に複数の位相シフト部を設けることによって、レーザ共振器の軸方向に沿った光強度分布が平坦化される（非特許文献３：「半導体レーザ」応用物理学会編・オーム社、ｐ．２７８〜２７９）。
【００２６】
本実施形態では、図１に示すように、端面２１，２２間の中央２３から高反射面である端面２２までの右領域において複数の位相シフト部１１を設け、一方、中央２３から低反射面である端面２１までの左領域には位相シフト部を設けていない。端面２１，２２の光反射率が異なるため、右領域は、左領域と比べて光強度分布が高くなり、空間的ホールバーニングが生じ易くなる。従って、光強度分布が比較的高くなる右領域において、複数の位相シフト部１１を集中的に配置することによって、軸方向の空間的ホールバーニングを確実に抑制することができる。その結果、大電流注入時においても安定した単一縦モード発振を実現でき、高いスロープ効率を達成できる。
【００２７】
実施の形態２．
本実施形態では、図１の構成において、回折格子１０の周期をΛとして、各位相シフト部１１の位相シフト量の総和φが、ｍ×Λ＋Λ／２＜φ＜（ｍ＋１）×Λ（但し、ｍは０以上の整数）の関係を満たすように設定している。
【００２８】
上述したように、回折格子に複数の位相シフト部を設けることによって、軸方向の空間的ホールバーニングを抑制できるが、例えば高出力用途など、非常に大きな電流を注入する必要がある場合、大電流域において多モード発振となりやすい。これは空間的ホールバーニングを完全に抑制しきれていないためと考えられる。光は位相シフト部に集中しやすい傾向があるため、空間的ホールバーニングが生じた場合、位相シフト部では屈折率が増加する。このことは光学的に見ると、位相シフト部での位相シフト量が実効的に変化することに相当し、大電流域において実質的な位相シフト量の総和φが、ｍ×Λ＋Λ／２からずれることを意味する。
【００２９】
こうした対策として、本実施形態では、大電流域における位相シフト量の変化分を予め見込んでおいて、各位相シフト部１１の位相シフト量の総和φを、ｍ×Λ＋Λ／２から当該変化分を相殺する量だけ意識的にずらすようにして回折格子１０を形成している。そのため大電流動作時において、位相シフト部での空間的ホールバーニングにより屈折率が増加した状態で、位相シフト量の総和φがｍ×Λ＋Λ／２となり、その結果、高出力動作においても安定した単一縦モード発振を実現できる。
【００３０】
実施の形態３．
本実施形態では、図１の構成において、回折格子１０の周期をΛとして、各位相シフト部１１の位相シフト量の総和φが、ｍ×Λ＜φ＜ｍ×Λ＋Λ／２（但し、ｍは０以上の整数）の関係を満たすように設定している。
【００３１】
レーザの直接変調によって長距離光伝送を行う場合、チャーピングと呼ばれる発振波長の動的変動量を抑制する必要がある。チャーピングを抑制するには、レーザ発振波長を回折格子のブラッグ波長よりも長く設定し、すなわち離調量δβＬを負に設定すればよい（非特許文献４：IEEE Photonics Technology Letters, Vol.13, pp.245-247）。ブラッグ波長は、回折格子の周期Λによって決定され、２×ｎ×Λ／ｍで与えられる。但し、ｎは回折格子近傍の屈折率であり、ｍは０以上の整数である。
【００３２】
図３は、離調量δβＬの計算結果の一例を示すグラフである。ここでは、図１の構成において、規格化結合係数κＬ＝１．４と設定した条件で、位相シフト部１１の位相シフト量の総和φ＝０Λ（均一回折格子），０．２Λ，０．５Λ，０．７Λについて計算した結果を示している。また、上述した規格化しきい値利得差と同様に、離調量δβＬについても端面位相によって変化することから、両端面の端面位相を１６通り×１６通りについて計算し、これらの平均値を図示している。
【００３３】
図３のグラフに示すように、φ＝０Λ，０．５Λ，０．７Λの場合、離調量δβＬは正の値となるのに対して、φ＝０．２Λとした場合、離調量δβＬは負の値を示しており、上述したようにレーザ直接変調におけるチャーピングを抑制できることが判る。一般に、各位相シフト部１１の位相シフト量の総和φが、ｍ×Λ＜φ＜ｍ×Λ＋Λ／２を満たすことによって、離調量δβＬは負の値になることから、チャーピング抑制が可能になる。
【００３４】
また本実施形態では、規格化結合係数κＬ＝１．４の場合、図２に示したように、均一回折格子よりも高いしきい値利得差が得られるため、大電流注入時においても安定した単一縦モード発振を実現できる。従って、単一縦モード発振の安定性に優れ、かつレーザ直接変調による長距離光伝送に好適な分布帰還型半導体レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】規格化しきい値利得差の計算結果の一例を示すグラフである。
【図３】離調量δβＬの計算結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
２  活性層、  ３，５  クラッド層、  ４  光ガイド層、  １０  回折格子、  １１  位相シフト部、  ２１，２２  端面、  ２３  中央。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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