(57)【要約】【課題】高出力動作時にも高い信頼性を確保できる波長可変光源を得る。【解決手段】利得媒体となる光半導体素子1、波長選択手段3およびリング共振器（例えばアイソレータ2、レンズ4および5、光ファイバ6から構成する）を備えてなり、共振器内部の光Ｌが光半導体素子1を一方向のみに通過するように構成された波長可変光源において、光半導体素子1の光が通過する両端面1ａ、1ｂのうち、少なくとも素子外部から光Ｌが入射する方の端面1ｂ側において、該素子1の端部に電流非注入領域を設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
利得媒体となる光半導体素子、波長選択手段およびリング共振器を備えてなり、共振器内部の光が前記光半導体素子を一方向のみに通過するように構成された波長可変光源において、
前記光半導体素子の光が通過する両端面のうち、少なくとも素子外部から光が入射する方の端面側において、該素子の端部に電流非注入領域が設けられていることを特徴とする波長可変光源。
【請求項２】
前記電流非注入領域が、前記素子外部から光が入射する方の端面側のみに設けられていることを特徴とする請求項１記載の波長可変光源。
【請求項３】
前記光半導体素子が、GaAsまたはGaN基板上に半導体層が積層されてなるものであることを特徴とする請求項１または２記載の波長可変光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長可変光源、特に詳細には、リングレーザ型の波長可変光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、計測や医療診断等の分野において、光半導体素子を用いた波長可変光源が注目されている。波長可変光源は、発振波長を変えることができるレーザで、Littman方式と称されるものや、Littrow方式と称されるものがよく知られている。また、それらの他に、例えば非特許文献１に記載が有るリングレーザ型のものも公知となっている。このリングレーザ型の波長可変光源は基本的に、利得媒体となる光半導体素子と、光の進行方向を一方向に決めるアイソレータを備えたリング共振器と、波長選択する波長フィルタと、リング共振器から光を外部に取り出す光カプラとから構成されたものである。
【０００３】
上記リングレーザ型の波長可変光源において、通常、各部品は光ファイバにより接続されるため、この波長可変光源は作製が容易で安定性に優れていることが特徴となっている。また、Littman方式のものやLittrow方式のものは外部共振器内部に発光素子を備え、発振光が発光素子内部を往復するのに対して、リングレーザ型の波長可変光源では光の進行方向がアイソレータで一方向に決まるため、発振光は発光素子を一方向にのみ通過するという特徴がある。
【０００４】
ここで図１を参照して、リングレーザの動作原理を説明する。まず、利得媒体となる光半導体素子である発光素子1の両端面から光が放出される。そして発光素子1の外部に配置されたアイソレータ2により、該素子1の片側端面から出射した光だけがリング共振器内を周回するようになる。そして発光素子1から出射した光は波長フィルタ3に入射し、特定の波長の光のみがそこを通過する。この波長選択された光は、途中に光カプラ7が介設された光ファイバ6を導波して、再び発光素子1へと戻される。発光素子1内に入射した光は誘導放出現象によって増幅される。これを繰り返し、リング共振器内部の損失とリング共振器から外部へ出て行く光の損失に利得がつり合うとレーザ発振が開始する。発振したレーザ光は、光カプラ7から共振器外に取り出される。そして、例えば波長フィルタ3にエタロンを用いた場合、それを矢印Ａ方向に揺動させることによりその選択波長が変化するので、その揺動位置の設定次第で、取り出されるレーザ光の波長を制御可能となる。
【０００５】
なお、ここで用いられる発光素子は、基本的には通常の半導体レーザから共振器を取り除いてレーザ発振を抑制した構造となっている。具体的には、端面における光反射を抑制するために、光反射防止膜を施したり、あるいは光導波路そのものを端面に対して斜めに形成することで、素子内部でのレーザ発振を抑制している。この種の波長可変光源の特性は発光素子の特性に大きく依存しており、利得スペクトルの幅が波長可変幅を決める他、発光素子の利得がその出力を決めている。
【非特許文献１】S. H. Yun, et al.“High-speed wavelength-swept semiconductor laser with a polygon-scanner-based wavelength filter”  Optics Letters, Vol. 28, Issue 20, pp. 1981-1983(2003)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したリングレーザ型の波長可変光源にあっては、今後、その波長可変幅の拡大とともに、高出力化の要求が高まることが予想される。この要求に応えるためには、波長可変光源に搭載される発光素子の出力を向上させる必要がある。
【０００７】
発光素子の高出力化のためには、活性層における光の閉じ込め率を上げることが有効な手法であるが、これにより光学損傷(COD)と呼ばれる特有の端面劣化が生じることがある。この現象はGaAsあるいはGaN基板上に半導体層を形成してなる発光素子において特に顕著であり、これが波長可変光源の高出力化、および高出力動作時の信頼性を阻害する大きな要因となっている。また、特に波長可変光源においては、発振波長が変わることにより発光素子内部の光閉じ込め率が変化し、この光閉じ込め率が高くなる波長領域で故障が発生しやすくなっている。
【０００８】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、高出力動作時にも高い信頼性を確保できる波長可変光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明による波長可変光源は、前述したように、利得媒体となる光半導体素子、波長選択手段およびリング共振器を備えてなり、共振器内部の光が前記光半導体素子を一方向のみに通過するように構成された波長可変光源において、
前記光半導体素子の光が通過する両端面のうち、少なくとも素子外部から光が入射する方の端面側において、該素子の端部に電流非注入領域が設けられていることを特徴とするものである。
【００１０】
ここで、上記構成を得るに至った知見について説明する。リング共振器においてアイソレータによって方向付けされる光の進行方向に対して、順方向の光を出射する側の光半導体素子端面は、自発光による発熱だけが問題になるのに対して、逆方向の光を出射する側の（つまり、外部から光が入射する方の）素子端面は自発光による発熱に加えて、リングレーザを周回してきた光が外部より素子内部に入射されるため、この分だけ光密度が増大し、発熱量が大きくなる。以上のことから、外部から光が入射する方の光半導体素子端面は劣化しやすいことを、本発明者は鋭意努力の末に見出した。さらに詳しく説明すると、外部から光半導体素子端面に入射して来る光は、その端面から出射して行く光と非線形相互作用による光の局在化現象を起こすため、素子端面の劣化を招きやすくなっていると考えられる。
【００１１】
上に述べた知見に基づいて本発明では、リング共振器内を周回した光が再び入射する側の端面において、光半導体素子の端部に電流非注入領域を設けたものである。
【００１２】
なお、それ自身が共振器を備えない利得媒体は半導体レーザと異なって、共振現象による出力増幅がないため、電流非注入領域を設けるとその領域での光吸収により光損失が増大する。そこで電流非注入構造は、光半導体素子の両端面のうち、外部から光が入射する方の端面側のみに設けることが望ましい。
【００１３】
上述の電流非注入領域とは、高出力化にともなう光半導体素子端面での発熱を低減するために、端面近傍での電流注入を抑制する構造を指し、一般的に窓構造と称されているものの1つである。この電流非注入構造については、特開平3-187284号公報や特開平5-29706号公報などで、半導体レーザに対する適用が提案されている。しかし、このような電流非注入領域を外部共振器内の利得媒体に適用することは、従来全く提案されていなかった。
【００１４】
より具体的な電流非注入構造としては、端面近傍の電極が除去されたものや、端面近傍の第二導電型コンタクト層が除去されたもの、第二導電型コンタクト層上を覆うように絶縁膜が形成されたものなどが有り、それらはいずれも本発明に好適に採用され得る。
【００１５】
ここで電流非注入領域は、素子端面から素子内部に向かって5μｍ以上50μｍ以下までの範囲であることが望ましい。その領域が5μｍよりも小さい場合には、広がった電流が端面まで達する可能性があり、そうなると実質的に電流非注入領域とはならないで端面劣化を招くため好ましくない。また電流非注入領域が50μｍよりも大きい場合には、この領域での光吸収による光損失が大きくなって光出力が低減するため、望ましくない。
【００１６】
また本発明は、GaAsまたはGaN基板上に半導体層が積層されてなる光半導体素子が用いられた波長可変光源に適用されることが特に好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の波長可変光源においては、上述の通りの電流非注入領域が設けられているので、高出力動作させた場合においても、共振器内部の光が入射する光半導体素子の端面が光密度増大により破壊することが防止され、高い信頼性が得られるようになる。そこで、前述したように、特に光閉じ込め率が高くなる波長領域で故障が発生しやすいという問題にも十分対処できるようになる。こうして本発明によれば、高出力で、高安定な波長可変光源を実現可能となる。
【００１８】
なお、前述したように光学損傷(COD)は、GaAsあるいはGaN基板上に半導体層を形成してなる光半導体素子において特に顕著に発生するので、本発明は、そのような光半導体素子を用いた波長可変光源に適用されると特に効果的である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態による波長可変光源を示すものである。図示の通りこの波長可変光源は、利得媒体となる光半導体素子である発光素子1と、後述のように構成されるリング共振器内の光Ｌの進行方向を一方向に規定するアイソレータ2と、リング共振器内を通過する光Ｌの波長を選択する波長フィルタ3と、発光素子1の一端面1ａから出射した光Ｌを平行光化するレンズ4と、平行光とされた光Ｌを集光するレンズ5と、上記一端面1ａから出射した光Ｌを発光素子1の他端面1ｂに戻すように光路が設定された光ファイバ6と、この光ファイバ6の途中に介設された光カプラ7とを有している。
【００２１】
また、発光素子1の他端面1ｂ側にも上記と同様のレンズ4、5が配設され、アイソレータ2はそれらのレンズ4、5の間に配設されている。他方、波長フィルタ3は、発光素子1の一端面1ａ側のレンズ4、5の間に配設されている。本実施形態では、以上のレンズ4、5および光ファイバ6によりリング共振器が構成されている。また波長フィルタ3は、矢印Ａ方向に手動あるいは自動で往復揺動可能とされており、その揺動位置が変えられると通過波長域が変化する。
【００２２】
以下、この波長可変光源の作用について説明する。発光素子1の一端面1ａ、他端面1ｂからはそれぞれ光Ｌが放出される。上記一端面1ａから出射した光Ｌは、レンズ4、波長フィルタ3およびレンズ5を通過して光ファイバ6に入射し、そこを導波して他端面1ｂから再度発光素子1に入射する。一方、発光素子1の他端面1ｂから出射した光Ｌはアイソレータ2により遮断されるので、リング共振器内の光の進行方向は一方向のみに限られる。
【００２３】
波長フィルタ3においては、入射した光Ｌのうち特定の波長の光のみが通過する。こうして波長選択されてから発光素子1内に入射した光Ｌは、誘導放出現象によって増幅される。これを繰り返し、リング共振器内部の損失とリング共振器から外部へ出て行く光の損失に利得がつり合うとレーザ発振が開始する。発振したレーザ光Ｌは、光カプラ7から共振器外に取り出される。このとき、波長フィルタ3の揺動位置を変えることによりそこを通過する光Ｌの波長が変化するので、波長フィルタ3の揺動位置を変えることにより、取り出されるレーザ光Ｌの波長を所望の値に制御可能となる。なおここでは、波長フィルタ3にエタロンを適用した場合について記載したが、回折格子からなる波長フィルタを用いても構わない。
【００２４】
ここで本実施形態においては、発光素子1の端面1ｂ側において、素子端部に前述の電流非注入領域が設けられている。以下、この発光素子1の層構成を、作製方法と併せて説明する。
【００２５】
まず図２Ａに示すように、一例として有機金属気相成長法によりn-GaAs基板11の(1 0 0)面上にn-GaAsバッファ層12、n-In0.48Ga0.52P下部クラッド層13、nあるいはi-Inx1Ga1-x1As1-y1Py1光導波層14、圧縮歪Inx3Ga1-x3As1-y3Py3量子井戸活性層15、pまたはi-Inx1Ga1-x1As1-y1Py1上部光導波層16、p-In0.48Ga0.52P第１上部クラッド層17、GaAsエッチングストップ層18、n-In0.48Ga0.52P狭窄層19、GaAsキャップ層20を成長させる。
【００２６】
その後、フォトリソグラフィ法を用いて基板11に対して順メサ方向に3μｍストライプの開口領域が形成されたレジストパターンを作成し、酒石酸混合溶液でGaAsキャップ層20をエッチングする。レジスト剥離後、開口が形成されたGaAsキャップ層20をマスクとして塩酸溶液でn-In0.48Ga0.52P狭窄層19をエッチングする。さらに酒石酸混合液で残りのGaAsキャップ層20、および狭窄層19のエッチングにより露出された部分のGaAsエッチングストップ層18を除去する。以上により図２Ｂに示す状態となる。
【００２７】
次に図２Ｃに示すように、再び有機金属気相成長法によりp-In0.48Ga0.52P第２上部クラッド層21、p-GaAsコンタクト層22を形成する。フォトリソグラフィ法を用いて、図中破線から奧側の部分が開口された（つまり端面から破線の位置までを覆う）レジストパターンを形成する。このレジストパターンの幅は例えば60μｍとされ、それにより、発光素子のへき開面位置から30μｍの距離に相当する位置と素子端面との間に、レジストが形成された状態となる。
【００２８】
次に、そのレジストパターン上に真空蒸着法によってTi/Pt/Au電極材を蒸着させ、レジスト上に蒸着した電極材をレジストごと剥離することにより、レジストパターンの開口部であった領域にp電極23を形成する。さらにこのp電極23をマスクとしてNH3:H2O2水溶液を用い、素子外周部のp-GaAsコンタクト層22をエッチング除去する。これにより図２Ｄに示す状態となる。
【００２９】
このコンタクト層22が除去された領域が電流非注入領域となる。その一方、コンタクト層22が残っていて、前記狭窄層19がエッチングされた領域のほぼ直上に当たる部分が電流注入領域となる。なおこの実施形態では、電流非注入領域を発光素子1の一方の端部のみに形成しているが、プロセス上の複雑さを緩和するため、発光素子1の両端部に電流非注入領域を形成しても構わない。
【００３０】
その後、500℃でアロイを行った後、n-GaAs基板11を100μｍ厚まで研磨し、AuGe/Ni/Auからなるn電極24を研磨面に真空蒸着し、400℃で再びアロイする。その後、試料を両端面設定位置でへき開して形成したバーの両端面（通常の半導体レーザならば共振器面となる端面で、素子完成後の前記端面1ａ、1ｂとなる面）に無反射膜コートを施す。本例では、１つの試料において前述のn-In0.48Ga0.52P狭窄層19がエッチングされた部分（電流注入領域）を複数形成するので、上記バーは複数の発光部を含んでいるものとなる。そこで、次にこのバーを、発光部が１つずつ含まれるようにへき開して複数にチップ化すると、発光素子1が完成する。
【００３１】
以上のようにして発光素子1は、端面1ｂの近傍の領域に、p-GaAsコンタクト層22が除去されてなる電流非注入領域が設けられたものとなる。本実施形態の波長可変光源では、このような電流非注入領域を有する発光素子1を用いていることにより、端面1ｂの近傍部分の電流密度を低減させることができ、該端面1ｂでの発熱を低減できる。よって、この波長可変光源を高出力で用いても、光密度増大による端面破壊等の不具合を防止可能で、高い信頼性を確保できる。このような波長可変光源は、例えば通信、計測、医療等の分野で広く応用可能となる。
【００３２】
なお、以上説明した実施形態は、光学損傷が発生しやすいGaAs基板11からなる発光素子1を適用したものであるが、本発明はその他、同様に光学損傷が発生しやすいGaN基板からなる光半導体素子を用いる場合に適用しても特に効果的である。さらに本発明は、上記２つの基板とは異なる基板からなる光半導体素子を用いる場合にも適用可能であり、その場合でも先に説明した効果を同様に得ることができる。
【００３３】
また、光半導体素子に形成する電流非注入領域としては、上記実施形態のように電極23を除去した構造に限らず、その他、端面近傍の第二導電型コンタクト層が除去された構造、第二導電型コンタクト層上を覆うように絶縁膜が形成された構造等を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の一実施形態による波長可変光源を示す概略構成図
【図２Ａ】図１の波長可変光源に適用された発光素子を作製する工程を説明する図
【図２Ｂ】図１の波長可変光源に適用された発光素子を作製する工程を説明する図
【図２Ｃ】図１の波長可変光源に適用された発光素子を作製する工程を説明する図
【図２Ｄ】図１の波長可変光源に適用された発光素子を作製する工程を説明する図
【符号の説明】
【００３５】
1    発光素子
2    アイソレータ
3    波長フィルタ
4、5    レンズ
6    光ファイバ
11    n-GaAs基板
12    n-GaAsバッファ層
13    n-In0.48Ga0.52P下部クラッド層
14    nあるいはi-Inx1Ga1-x1As1-y1Py1光導波層
15    圧縮歪Inx3Ga1-x3As1-y3Py3量子井戸活性層
16    pまたはi-Inx1Ga1-x1As1-y1Py1上部光導波層
17    p-In0.48Ga0.52P第１上部クラッド層
18    GaAsエッチングストップ層
19    n-In0.48Ga0.52P狭窄層
20    GaAsキャップ層
21    p-In0.48Ga0.52P第２上部クラッド層
22    p-GaAsコンタクト層
23    p電極
24    n電極
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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