(57)【要約】【課題】電流−光出力特性のキンク発生を防止することができる分布帰還形半導体レーザを提供すること。【解決手段】分布帰還形半導体レーザ１００は、半導体積層構造体、反射膜１１及び１２を有する。反射膜１１は一方の端面に設けられ、３％以上６％以下の反射率を有する。反射膜１２は他方の端面に設けられ、反射膜１１よりも高い反射率を有する。半導体積層構造体は、半導体基板１、回折格子２１、ｎ型ガイド層３、活性層４を有する。回折格子２１は、反射膜１１側に形成された、回折格子周期が短い領域２１ａを有する。【選択図】図２
2013229357.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体積層構造体と、
前記半導体積層構造体の導波方向の第１の端面に設けられ、導波される光に対して３％以上６％以下の反射率を有する第１の反射膜と、
前記半導体積層構造体の導波方向の前記第１の端面の反対側の第２の端面に形成され、前記導波される光に対して前記第１の反射膜よりも高い反射率を有する第２の反射膜と、を備え、
前記半導体積層構造体は、
半導体基板の上部に形成された活性層と、
前記半導体基板の上部に前記活性層と隣接して積層された第１の半導体層と、
前記第１の半導体層と隣接して積層された第２の半導体層と、
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間の境界面の前記第１の端面側の一部に形成された第１の回折格子と、を備える、
分布帰還形半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間の前記境界面の前記第２の端面側の一部に形成され、前記第１の回折格子よりも格子周期が長い第２の回折格子を更に備える、
請求項１に記載の分布帰還形半導体レーザ。
【請求項３】
前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子は、連続して形成されている、
請求項２に記載の分布帰還形半導体レーザ。
【請求項４】
前記第１の回折格子が形成されている領域以外の前記第１の半導体層と前記第２の半導体層との間の前記境界面には、回折格子が形成されていない、
請求項１に記載の分布帰還形半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１の回折格子は、
前記第１の端面から、前記第１の端面と前記第２の端面との間の共振器の長さの１／３以下の領域に形成されている、
請求項４に記載の分布帰還形半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１の回折格子は、
前記第１の端面から、前記第１の端面と前記第２の端面との間の共振器の長さの１／４の領域に形成されている、
請求項５に記載の分布帰還形半導体レーザ。
【請求項７】
前記導波される光に対する前記第１の反射膜の前記反射率は４％である、
請求項１に記載の分布帰還形半導体レーザ。
【請求項８】
前記導波される光に対する前記第２の反射膜の前記反射率は９０％である、
請求項１に記載の分布帰還形半導体レーザ。
【請求項９】
前記第２の半導体層、前記半導体基板であり、
前記第１の半導体層は、前記第２の半導体層上に形成され、
前記活性層は、前記第１の半導体層上に形成される、
請求項１に記載の分布帰還形半導体レーザ。
【請求項１０】
前記活性層上に形成されたクラッド層と、
前記クラッド層上に形成されたコンタクト層と、
前記コンタクト層上に形成された第１の電極と、
前記半導体基板の前記第２の半導体層が形成された面と反体側の面上に形成された第２の電極と、を更に備える、
請求項９に分布帰還形半導体レーザ。
【請求項１１】
請求項１に記載の前記分布帰還形半導体レーザを光源として有する、
ＯＴＤＲ計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は分布帰還型半導体レーザ及びＯＴＤＲ(Optical Time Domain Reflectometer)装置に関し、例えばＯＴＤＲに用いられる分布帰還型半導体レーザと、これを用いたＯＴＤＲ装置と、に関する。
【背景技術】
【０００２】
分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢ（Distributed FeedBack）レーザと記載する）は、単一軸モード安定性に優れ、これまで長距離通信に用いられてきた。また、近年では、ＤＦＢレーザは、短距離の高速光通信にも用いられている。更に、ＤＦＢレーザの新たな応用として、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）のような計測器やモーションセンサなどへの導入が進んでいる。こうした用途では、単一軸モード安定性よりも、波長の制御性が高いこと、スペクトル幅が狭いこと、波長の温度依存性が小さいことが重要視されている。
【０００３】
こうしたＯＴＤＲ用途には、これまでＦＰ（Fabry-Perot）レーザが用いられてきた。しかし、ＯＴＤＲにおける測定精度向上などを考慮すると、ＦＰレーザと比較して波長の制御性が高く、スペクトル幅が狭く、かつ、波長の温度依存性が小さいＤＦＢレーザの適用が望ましい。ところが、ＤＦＢレーザは単一波長性に優れるものの、ＦＰレーザに比べて光出力が小さい。そのため、ＤＦＢレーザを意図的に数モード程度の多モード発振をさせることにより、光出力を増加させることが考え得る。
【０００４】
多モード発振するＤＦＢレーザの一例として、例えば、ファイバアンプ励起用光源への適用を目的として、一方の端面近傍に複数の位相シフタを設けたＤＦＢレーザが提案されている（特許文献１）。このＤＦＢレーザは、両端面が２％以下の反射率であり、κＬを大きくして、空間的ホールバーニングによる２モード発振を引き起こす。また、電界強度分布を大きく変化させないために、位相シフタを複数設けている。
【０００５】
また、テラヘルツ波の発生を目的として、横高次モードを立たせることによりＤＦＢレーザを２モード発振させているＤＦＢレーザが提案されている（非特許文献１）。このＤＦＢレーザでは、横高次モードが立つように、リッジ幅を７．５ｕｍと広くして、その透過屈折率の差により２モード発振を実現している。
【０００６】
他にも、高出力で動作する半導体レーザと単一波長で動作する半導体レーザとを光学的に結合した結合モード型半導体レーザが提案されている（特許文献２）。この結合モード型半導体レーザは、広い周波数範囲及び光出力範囲で安定に制御が可能であるとしている。また、回折格子の形成位置を工夫することにより、１枚のウェハから作製される複数の半導体光素子の特性のばらつきを抑制し、歩留まりが向上する半導体光素子が提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１４５１９４号公報
【特許文献２】特開平４−３４９６８２号公報
【特許文献３】特開２０１１−１４２２３９号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Andreas Klehr et al., "High-Power Monolithic Two-Mode DFB LaserDiodes for the Generation of THz Radiation", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 14, NO. 2, MARCH/APRIL 2008, p.289-294
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところが、発明者は、上述の方法では、以下に示す問題点が有ることを見出した。特許文献１にかかるＤＦＢレーザでは、空間的ホールバーニングの効果を利用して２モード発振を実現しているため、電流−光出力特性にキンクが発生してしまう。また、非特許文献１にかかるＤＦＢレーザでは、横高次モードが発振することにより２モード発振を実現している。そのため、電流注入によりモードが不安定になり、キンクの発生を招来する。
【００１０】
ところが、ＯＴＤＲ計測装置では、電流−光出力特性にキンクが発生してしまうと、測定波形にゆがみなどが生じ、測定異常を誤って検出するなどの悪影響が生じる。
【００１１】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
一実施の形態によれば、分布帰還形半導体レーザは、半導体積層構造体と、導波方向の第１の端面に設けられ、導波される光に対して３％以上６％以下の反射率を有する第１の反射膜と、導波方向の前記第１の端面の反対側の第２の端面に形成され、前記導波される光に対して前記第１の反射膜よりも高い反射率を有する第２の反射膜と、を有し、前記半導体積層構造体は、半導体基板の上部に形成された活性層と、前記活性層と隣接して積層された第１の半導体層と、前記第１の半導体層と隣接して積層された第２の半導体層と、前記第１の端面側の一部に形成された第１の回折格子と、を備えるものである。
【発明の効果】
【００１３】
一実施の形態によれば、電流−光出力特性のキンク発生を防止することができる分布帰還形半導体レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施の形態１にかかるＤＦＢレーザ１００の構成を模式的に示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線断面におけるＤＦＢレーザ１００の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】実施の形態１にかかるＤＦＢレーザ１００の発振スペクトルを示すスペクトル図である。
【図４】実施の形態１にかかるＤＦＢレーザ１００の反射率スペクトルを示すスペクトル図である。
【図５】実施の形態１にかかるＤＦＢレーザ１００の反射膜１１の反射率と多モード発振する素子の割合(歩留まり)との関係を理論計算により求めた結果を示すグラフである。
【図６】実施の形態２にかかるＤＦＢレーザ２００の構成を模式的に示す断面図である。
【図７】実施の形態３にかかるＯＴＤＲ計測装置３００の構成を模式的に示すブロック図である。
【図８】実施の形態３にかかるＯＴＤＲ計測装置３００における測定波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
【００１６】
実施の形態１
まず、実施の形態１にかかる分布帰還型（Distributed-FeedBack、以下ＤＦＢと表記する）レーザ１００について説明する。図１は、実施の形態１にかかるＤＦＢレーザ１００の構成を模式的に示す斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線断面におけるＤＦＢレーザ１００の構成を模式的に示す断面図である。ＤＦＢレーザは、ｎ型半導体基板１、回折格子２１、ｎ型ガイド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５及びｐ型コンタクト層６からなる半導体積層構造体を有する。ｎ型半導体基板１の上面には、回折格子２１が形成されている。回折格子２１の上部には、ｎ型ガイド層３が形成される。ｎ型ガイド層３の上部には、活性層４が形成される。活性層４は、例えば、ウェル層とバリア層の積層体からなる量子井戸（Multi Quantum Well、ＭＱＷ）構造を有する。活性層４の上部には、ｐ型クラッド層５が形成されている。ｐ型クラッド層５の上部には、ｐ型コンタクト層６が形成される。ｐ型コンタクト層６の上部には、ｐ電極７が形成される。また、ｎ型半導体基板１の下面には、ｎ電極８が形成される。
【００１７】
ｎ型半導体基板１、回折格子２１、ｎ型ガイド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５及びｐ型コンタクト層６は、例えばＩｎＰあるいはＩｎＧａＡｓＰにより構成される。なお、ｎ型半導体基板１の一部と、回折格子２１、ｎ型ガイド層３、活性層４、ｐ型クラッド層５、ｐ型コンタクト層６及びｐ電極７とは、例えばエッチングで成形されることで、メサ９を構成する。
【００１８】
メサ９の両側は、埋め込み層１０により埋め込まれる。埋め込み層１０は、例えばＦｅドープＩｎＰにより、高抵抗を有し、かつ半絶縁性を示すように構成される。よって、ＤＦＢレーザ１００は、いわゆる埋め込みヘテロ（Buried Hetero：以下、ＢＨと称する）構造を有する。
【００１９】
ＤＦＢレーザ１００の導波方向の端面の一方には、反射膜１１が形成される。ＤＦＢレーザ１００の導波方向の端面の他方には、反射膜１２が形成される。反射膜１１は、反射膜１２よりも反射率が小さくなるように構成される。本実施の形態では、反射膜１１として窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を用い、その反射率は４％である。反射膜１２は、シリコン（Ｓｉ）とアモルファスシリコンとの多層膜を用い、その反射率は９０％である。
【００２０】
ここで、回折格子２１に着目する。回折格子２１は、回折格子周期が短い領域２１ａ及び回折格子周期が長い領域２１ｂを有する。本実施の形態では、回折格子周期が短い領域２１ａの回折格子周期を２４１ｎｍとし、回折格子周期が長い領域２１ｂの回折格子周期を２４２ｎｍとした。回折格子周期が短い領域２１ａは、反射率が低い反射膜１１側に形成される。回折格子周期が長い領域２１ｂは、反射率が高い反射膜１２側に形成される。
【００２１】
次いで、ＤＦＢレーザ１００の動作について説明する。図３は、実施の形態１にかかるＤＦＢレーザ１００の発振スペクトルを示すスペクトル図である。図３では、温度２５℃、注入電流が１００ｍＡ（パルス電流）の場合を示している。図３に示すように、ＤＦＢレーザ１００は、１５５０ｎｍ付近で、安定的な２モード発振をしていることが理解できる。ＤＦＢレーザ１００は、回折格子２１の周期を共振器内部で変調することにより、回折格子２１の反射スペクトルが、単一の周期の回折格子に比べて広がる。そのため、図３に示すような安定的な２モード発振が可能となる。
【００２２】
図４は、実施の形態１にかかるＤＦＢレーザ１００の反射率スペクトルを示すスペクトル図である。図４では、ＤＦＢレーザ１００の反射率スペクトルを実線Ｌ１で示す。また、比較例として、均一な周期の回折格子を有する一般的な半導体レーザの反射率スペクトルを破線Ｌ２で示す。
【００２３】
一般に、ＤＦＢレーザは、回折格子の反射率スペクトルと共振器端面で決定されるＦＰモード位置λＦＰとが一致したポイントで発振する。一般的なＤＦＢレーザでは、回折格子の反射率スペクトルが狭いために、サブモードとメインモードとの間で適当な反射率の差がつく。その結果、良好な単一軸モード発振が得られる。
【００２４】
これに対し、ＤＦＢレーザ１００は、一般的な半導体レーザに比べて、ピーク反射率が低くなると同時に、ブラッグ波長が変調されている効果により、反射率スペクトルが広がる。これにより、ＤＦＢレーザ１００では、メインモードとサブモードとの間の回折格子の反射率の差が小さくなり、一般的な半導体レーザよりもサブモードが発振しやすくなる。
【００２５】
また、ＤＦＢレーザ１００では、さらにサブモードの発振を促進するために、反射膜１１の反射率を４％と高く設計している。これにより、よりサブモードとメインモードとが同時に発振しやすくなり、安定的な多モード発振が可能となる。図５は、実施の形態１にかかるＤＦＢレーザ１００の反射膜１１の反射率と多モード発振する素子の割合(歩留まり)との関係を理論計算により求めた結果を示すグラフである。
【００２６】
図５に示すように、反射膜１１の反射率が低い場合には、単一軸モードで発振するため、多モード発振する素子の歩留まりが低くなる。一方、反射膜１１の反射率が高くなるとＦＰモードが発振しやすくなる。そのため、反射膜１１の反射率が高くなるに伴い、単一軸モード歩留まりが悪くなり、サブモードで発振する確率が高くなる。
【００２７】
一般的なＤＦＢレーザでは、単一軸モード安定性が求められるために、反射膜１１の反射率は、典型的には２％以下の反射率に設定される。一方、ＤＦＢレーザ１００では、多モード発振させる必要があるので、反射膜１１の反射率は３％以上が望ましい。反射膜１１の反射率を３％とすることで、多モード発振する素子の歩留まりは、５０％となる。反射膜１１の反射率をさらに高くすることで、多モード発振する素子の歩留まりを高くすることはできる。しかし、多モード発振する素子の歩留は、９０％程度で飽和する。
【００２８】
また、反射膜１１から出射する光の出力を考慮すると、高出力用途などにおいて十分な光出力を確保するには、反射膜１１の反射率を過度に高くすることは望ましくない。計算結果から、光出力の観点からは、多モード発振する素子の歩留まりが飽和する６％の反射率が設計の上限と見積もられる。さらには、多モード発振する素子の歩留まりと光出力との均衡を考慮すると、反射膜１１の反射率は、４％が好適と考えられる。
【００２９】
実施の形態２
次に、実施の形態２にかかるＤＦＢレーザ２００について説明する。図６は、実施の形態２にかかるＤＦＢレーザ２００の構成を模式的に示す断面図である。ＤＦＢレーザ２００では、実施の形態１にかかるＤＦＢレーザ１００と異なり、光の導波方向の反射膜１１側の一部にしか回折格子２２が形成されていない。すなわち、ｎ型半導体基板１とｎ型ガイド層３との間の境界面には、回折格子２２が形成されていない領域２３が存在する。本実施の形態では、共振器帳（反射膜１１と反射膜１２との間の距離）を６００μｍとして、反射膜１１側端面から１５０μｍの範囲に、回折格子２２が形成されている。ＤＦＢレーザ２００のその他の構成は、ＤＦＢレーザ１００と同様であるので、説明を省略する。
【００３０】
一般に、ＤＦＢレーザでは、回折格子が形成されている領域の長さと反射スペクトル幅とは、反比例の関係にある。よって、回折格子が形成されている領域の長さを短くすると、反射スペクトルが広がる。すなわち、ＤＦＢレーザ２００のように、導波方向の一部分にのみ回折格子を形成する構造でも、ＤＦＢレーザ１００のように反射スペクトルを広げることが可能であることが理解できる。
【００３１】
ＤＦＢレーザ２００では、回折格子を形成する領域の長さを、共振器長の１／４に設定している。本構成と、回折格子を共振器の全体にわたって形成した一般的なＤＦＢレーザと、を比較すると、本構成では、回折格子による反射率スペクトルが４倍に広がる。その結果、実施の形態１において、図４に示したのと同様の反射率スペクトルを得ることができる。また、３本のモードでレーザ発振させるためには、回折格子が形成されている領域の長さは、共振器長の１／３以下でなければならない。
【００３２】
本構成では、共振器の導波方向の一部にのみ回折格子を形成するので、電子ビーム露光法などの回折格子パタンを描画する場合の描画時間を短縮することができる。よって、製造スループットを向上させ、安定的に多モード発振するＤＦＢレーザを低コストで製造することができる。
【００３３】
実施の形態３
次に、実施の形態３にかかるＯＴＤＲ計測装置３００について説明する。図７は、実施の形態３にかかるＯＴＤＲ計測装置３００の構成を模式的に示すブロック図である。ＯＴＤＲ計測装置３００は、上述のＤＦＢレーザ１００又は２００をモジュール化して組み込んだ応用装置の具体例である。ＯＴＤＲ計測装置３００は、半導体レーザモジュール３１、光サーキュレータ３２、受光モジュール３３、増幅器３４及び信号処理部３５を有する。
【００３４】
半導体レーザモジュール３１は、上述のＤＦＢレーザ１００又は２００が組み込まれている。半導体レーザモジュール３１は、光サーキュレータ３２を介して、検査対象である光ファイバ３６に検査光３７を出力する。
【００３５】
光ファイバから戻ってくる反射光３８は、光サーキュレータ３２を介して、受光モジュール３３に入射する。受光モジュール３３は、反射光３８を光電変換した信号を、増幅器３４に出力する。受光モジュール３３は、例えばアバランシェフォトダイオードが組み込まれて構成される。
【００３６】
増幅器３４は、受光モジュール３３からの信号を増幅して、信号処理部３５に出力する。信号処理部３５は、増幅器３４からの信号を処理し、反射光３８の強度を検出する。
【００３７】
図８は、実施の形態３にかかるＯＴＤＲ計測装置３００における測定波形を示すグラフである。図８のグラフの縦軸は反射光３８の光強度を示し、横軸は光ファイバ３６の長さを示す。図８の実線Ｌ３は、ＯＴＤＲ計測装置３００での測定波形を示し、破線Ｌ４は後述する比較例での測定波形を示す。ＯＴＤＲ計測装置３００では、雑音が０．２ｄＢｐ−ｐまで低減することができた。これは、ＤＦＢレーザ１００又は２００は多モード発振するために、光の干渉性が弱く、多重反射が発生した場合でも雑音が発生しにくいためである。また、反射膜１１の反射率を一般的なＤＦＢレーザの数倍程度と高く設計しているため、外部から戻り光が入射する場合に、反射膜１１によって反射される効果もある。
【００３８】
比較例として、共振器方向に均一な回折格子を形成したＤＦＢレーザを用いたＯＴＤＲ装置についても評価した。比較例では、測定波形の雑音が０．８ｄＢｐ−ｐと比較的高くなり、測定感度は不十分であった。これは、一般的なＤＦＢレーザは単一軸モード性が高く、干渉性が強いために、ファイバ内での多重反射による雑音発生が大きくなるためである。また、ＤＦＢレーザ自体が反射耐性に敏感であることも原因である。
【００３９】
以上のように、ＤＦＢレーザ１００又は２００を用いてＯＴＤＲ計測装置を構成することにより、ＯＴＤＲ計測装置の測定波形に含まれる雑音成分を低減することが可能となる。
【００４０】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、上述の実施の形態では、ＤＦＢレーザ１００及び２００は、ＩｎＰにより構成されるものとして説明したが、これは例示に過ぎない。例えば、ＧａＡｓやＧａＮなどの他の化合物半導体混晶を用いてＤＦＢレーザを構成することも可能である。
【００４１】
ＤＦＢレーザ１００及び２００における半導体の積層構造は例示に過ぎない。例えば、他のクラッド層や電流狭窄層などの、半導体レーザに適用される他の層を必要に応じて適宜追加できることは言うまでもない。
【００４２】
ＤＦＢレーザ１００及び２００は、メサが半絶縁性材料で埋め込まれるＢＨ構造を有するものとして説明したが、これは例示に過ぎない。例えばリッジ構造などの他の半導体レーザの構造を適用することも可能である。
【００４３】
また、ＤＦＢレーザ１００及び２００における半導体の積層構造の各半導体層の導電型は例示に過ぎない。すなわち、ｐ型とｎ型とを適宜入れ換えた構成とすることも可能である。
【００４４】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００４５】
１  ｎ型半導体基板
３  ｎ型ガイド層
４  活性層
５  ｐ型クラッド層
６  ｐ型コンタクト層
７  ｐ電極
８  ｎ電極
９  メサ
１０  埋め込み層
１１  反射膜
１２  反射膜
２１、２２  回折格子
２１ａ  回折格子周期が短い領域
２１ｂ  回折格子周期が長い領域
２３  回折格子２２が形成されていない領域
３１  半導体レーザモジュール
３２  光サーキュレータ
３３  受光モジュール
３４  増幅器
３５  信号処理部
３６  光ファイバ
３７  検査光
３８  反射光
１００、２００  ＤＦＢレーザ
３００  ＯＴＤＲ計測装置
【図１】
2013229357.tif 000003
【図２】
2013229357.tif 000004
【図３】
2013229357.tif 000005
【図４】
2013229357.tif 000006
【図５】
2013229357.tif 000007
【図６】
2013229357.tif 000008
【図７】
2013229357.tif 000009
【図８】
2013229357.tif 000010