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JP7147611B2 - 高出力直接変調型レーザ - Google Patents

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Description

本発明は、高出力直接変調型レーザに関し、より詳細には、直接変調型レーザと光増幅器とが集積された高出力直接変調型レーザに関する。
直接変調型レーザである分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）または分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）は、回折格子により制御された狭い発振線幅を有しており、高密度な波長多重通信に適した光デバイスである。近年、通信トラヒックの増大により伝送容量の大容量化が望まれており、直接変調型レーザにおいては、さらなる変調速度の高速化が求められている。一方、同時に通信インフラ設備の低コスト化のために伝送距離の長延化、多分岐化が求められており、レーザの高出力化も必要とされている。一般的な半導体レーザでは、出力パワーは共振器の長さに依存しており、高出力化には長い共振器を有する光デバイスが必要となる。
しかしながら、共振器が長くなると半導体の接合容量が増大するため、高速な変調が困難となる。そのため出力パワーと変調速度とはトレードオフの関係にある。そこで高出力化の手法として、直接変調型レーザの出力側に、半導体光増幅器（ＳＯＡ）を縦続接続し、光増幅することが行われている。また、ＤＦＢレーザと電界吸収（ＥＡ）型光変調器を一体に集積したＥＡ－ＤＦＢレーザの高出力化として、光増幅器をさらに集積した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
図１は、従来のＤＦＢレーザとＳＯＡとを集積した直接変調型レーザの光軸方向の断面図である。直接変調型レーザ１０２は、ＤＦＢレーザ１２１とＳＯＡ１２３とを備え、ＤＦＢレーザ１２１、ＳＯＡ１２３のそれぞれは、光を閉じ込める導波路（４０，４２）構造を有しており、各構成要素の主な機能はそれぞれの導波路部に集約されている。ＬＤ導波路４０およびＳＯＡ導波路４２は、接続導波路４３により互いに光学的に接続されており、導波路を伝搬した光は前方導波路出力端１２０より出力される。前方導波路出力端１２０から出射される光パワーを高めるため、後方導波路出力端１１９には高反射膜３２が施されている。前方導波路出力端１２０には、戻り光の抑制のため無反射膜３１が施されている。
直接変調型レーザ１０２の各構成要素であるＤＦＢレーザ１２１およびＳＯＡ１２３は、同一のｎ型ＩｎＰ基板３８上に作成されている。導波路構造の下部クラッドがｎ型ＩｎＰ基板３８、上部クラッドがｐ型ＩｎＰ層３９である。上下クラッドの屈折率は、導波路コア部よりも低く設計されており、光閉じ込めを実現している。直接変調型レーザ１０２の各構成要素の正電極は、上部電極３３、３５であり、グラウンドは下部電極３６である。直接変調型レーザ１０２の上面の電極を除く領域は、絶縁膜３７で保護されている。
特開２０１３－２５８３３６号公報
ＤＦＢレーザとＳＯＡとを集積した直接変調型レーザの課題として、ＳＯＡ部でのレーザ発振（寄生発振）があげられる。ＳＯＡ１２３の上部電極３３には一定電流、ＤＦＢレーザ１２１の上部電極３４には、バイアスされた変調電流が注入される。変調信号が最小値の場合、ＤＦＢレーザ１２１から出力される光パワーは小さいため、ＳＯＡ１２３では誘導放出が弱く活性領域にキャリアが蓄積された状態となる。これにより強い増幅自然放出光（ＡＳＥ）がＳＯＡ１２３から出力される。ＳＯＡ１２３の後方、つまり－Ｚ方向へ出射されたＡＳＥは、ＤＦＢレーザ１２１へ入射する。ＤＦＢレーザ１２１では回折格子による反射があるため光の一部は、ＳＯＡ１２３へと再び帰還され、これによりＳＯＡ１２３がレーザ発振する。
現在のところ、直接変調型レーザおよびＳＯＡと共に、半導体基板上にモノリシックに形成可能な光アイソレータが無い。このため、直接変調型ＤＦＢレーザとＳＯＡとを集積したレーザでは、光の伝搬方向をＤＦＢ部からＳＯＡ部への一方向のみに限定することは困難である。ＳＯＡ１２３に光の一部が帰還することにより、ＳＯＡ１２３でのレーザ発振閾値が低下するため、ある一定以上の電流をＳＯＡ１２３に注入したときに寄生発振が発生する。
図２に、従来の直接変調型レーザのＩＬ特性を示す。直接変調型レーザ１０２においてＳＯＡ１２３への注入電流を変化させたときの出力パワーとの関係（ＩＬ特性）を表している。このときＤＦＢレーザ１２１に対して、駆動電流を流していない。ＳＯＡ長は５００μｍである。ＳＯＡ電流が約９２ｍＡのとき出力パワーの急激な増加が見られ、レーザ発振していることがわかる。
図３に、従来の直接変調型レーザの発振閾値前後の光スペクトルを示す。図３（ａ）に示した注入電流８０ｍＡ（発振閾値前）の場合、櫛状のリップルを含む発振スペクトルが見られる。図３（ｂ）に示した注入電流１００ｍＡ（発振閾値後）では、波長１４９７ｎｍ付近の単一のスペクトルピークが、他のピークより卓越していることから、レーザ発振していることがわかる。
図３（ｂ）に示したように、光通信の波長帯において、直接変調型レーザの出力は、マルチ縦モード発振により乱れるため、直接変調型レーザをＳＯＡの寄生発振閾値以下で動作させる必要がある。そのため、直接変調型レーザの出力パワーが制限されることが課題となっている。
本発明の目的は、ＳＯＡ部の発振を抑制した高出力直接変調型レーザを提供することにある。
本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、変調信号が印加された駆動信号により駆動される直接変調型レーザと、半導体光増幅器（ＳＯＡ）とを含む高出力直接変調型レーザであって、前記直接変調型レーザと前記ＳＯＡとの間に挿入された光吸収素子であって、電極間を短絡、開放またはバイアス電圧を印加することにより光損失量を制御する電界吸収型減衰器（ＥＡ減衰器）である、光吸収素子を備え、前記直接変調型レーザ、前記ＳＯＡ、前記光吸収素子は、同一の歪多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、同一基板上にモノリシックに集積されたことを特徴とする。
本発明によれば、直接変調型レーザとＳＯＡとの間に光吸収素子を備えたので、ＳＯＡの発振を抑制することができ、モノリシックに集積することによりコンパクト性を維持したまま高出力化を図ることが可能となる。
従来のＤＦＢレーザとＳＯＡとを集積した直接変調型レーザの光軸方向の断面図である。 従来の直接変調型レーザのＩＬ特性を示す図である。 従来の直接変調型レーザの発振閾値前後の光スペクトルを示す図である。 本発明の一実施形態にかかる高出力直接変調型レーザの構造を示す鳥瞰図である。 本実施形態の高出力直接変調型レーザの光軸方向の断面図である。 本実施形態の高出力直接変調型レーザのＩＬ特性を示す図である。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図４に、本発明の一実施形態にかかる高出力直接変調型レーザの構造を示す。図５は、高出力直接変調型レーザの光軸方向のＹＺ断面の断面図である。高出力直接変調型レーザ１０１は、変調信号が印加された駆動信号により駆動される直接変調型レーザ（ＬＤ）１１１と、その出射端側に光吸収素子としての電界吸収型減衰器（ＥＡ減衰器）１１２および半導体光増幅器（ＳＯＡ）１１３とを備えている。
ＬＤ１１１は、ＩｎＧａＡｓＰ系またはＩｎＧａＡｌＡｓ系材料による歪多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）または分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）である。光通信の波長帯（波長１５７０ｎｍ等）を出力する。本実施形態のＬＤ１１１は、均一な回折格子を有するＤＦＢレーザを例に説明する。
前方導波路出力端１１０から出射される光パワーを高めるため、後方導波路出力端１０９には高反射膜２が施されている。ＬＤ１１１が、回折格子に１／４λシフト構造を付加したＤＦＢレーザまたはＤＢＲレーザである場合には、高反射膜２は無反射膜に置き換えられる。
ＳＯＡ１１３の活性領域の材料、ＭＱＷ構造は、通常の場合ＬＤ１１１と同じであるが、それらが異なる場合でも本発明の効果は有効である。
ＬＤ１１１、ＥＡ減衰器１１２、ＳＯＡ１１３のそれぞれは、光を閉じ込める導波路（２０，２１，２２）構造を有しており、各構成要素の主な機能はそれぞれの導波路部に集約されている。ＬＤ導波路２０、ＥＡ減衰器導波路２１およびＳＯＡ導波路２２は、接続導波路２３，２４により互いに光学的に接続されており、導波路を伝搬した光は前方導波路出力端１１０より出力される。前方導波路出力端１１０には、戻り光の抑制のため無反射膜１が施されている。なお、図５では、それぞれの構成要素は、接続導波路２３，２４を介して接続されているが、これら光導波路を介すことなく互いに直接接続されていてもよい。また、後方導波路出力端１０９においては出力端と高反射膜２との間に、前方導波路出力端１１０においては導波路端と無反射膜１との間に、スポットサイズ変換器などの新たな導波路構造が挿入されている場合でも本発明は有効である。
高出力直接変調型レーザ１０１の各構成要素であるＬＤ１１１、ＥＡ減衰器１１２およびＳＯＡ１１３は、同一のｎ型ＩｎＰ基板８上にモノリシックに集積されている。高出力直接変調型レーザ１０１のＸＹ断面上での構造は、埋め込みヘテロ（Buried Hetero：ＢＨ）構造である。導波路構造の下部クラッドがｎ型ＩｎＰ基板８、上部クラッドがｐ型ＩｎＰ層９である。横方向のクラッドは、埋め込み再成長されたＦｅ添加のSemi-insulating（ＳＩ）層１０である。
上下クラッドの屈折率は、導波路コア部よりも低く設計されており、光閉じ込めを実現している。高出力直接変調型レーザ１０１の各構成要素の正電極は、上部電極３、４、５であり、グラウンドは下部電極６である。高出力直接変調型レーザ１０１の上面の電極を除く領域は、絶縁膜７で保護されている。
光吸収素子としてのＥＡ減衰器１１２は、ＬＤ１１１と同様に、ＩｎＧａＡｓＰ系またＩｎＧａＡｌＡｓ系材料によるＭＱＷ構造を有する。上部電極４と下部電極６との間を、短絡、開放またはバイアス電圧を印加することにより、ＥＡ減衰器の光損失量を制御することができる。
このような構成により、ＳＯＡ１１３からＬＤ１１１へ出射されたＡＳＥが、ＬＤ１１１内の回折格子で反射され、ＳＯＡ１１３に再帰還する際に、ＥＡ減衰器１１２を往復する。このため、ＳＯＡ１１３に帰還する光に大きな損失を与えることができ、ＳＯＡの寄生発振を抑制することができる。
図６に、本実施形態の高出力直接変調型レーザのＩＬ特性を示す。高出力直接変調型レーザ１０１においてＳＯＡ１１３への注入電流を変化させたときの出力パワーとの関係（ＩＬ特性）を表している。このときＬＤ１１１に対して、駆動電流を流していない。ＥＡ減衰器１１２の上部電極４と下部電極６とは短絡されている。ＬＤ１１１の構成は、上述した従来のＤＦＢレーザ１２１に同じであり、ＬＤ１１１の出力＝波長１５５０ｎｍ、４ｍＷである。ＳＯＡ１１３のＳＯＡ長も従来と同じ５００μｍであり、ＳＯＡ１１３の利得＝１０ｄＢである。ＥＡ減衰器１１２の長さは１００μｍであり、ＥＡ減衰器１１２の光損失量は、上部電極４に印加する逆バイアス電圧で制御でき、印加電圧値０～－２Ｖの範囲で、片方向－１～－１０ｄＢの損失を与える。
図６には、比較のため図２の結果を点線として挿入している。ＳＯＡ１１３への電流値が１００ｍＡ以上であっても急峻な出力パワー変動が見られず、レーザ発振が抑制されていることがわかる。
本実施形態によれば、ＥＡ減衰器１１２をＬＤ１１１とＳＯＡ１１３の間に設けることにより、ＬＤ１１１の注入電流または印加電圧を直接変調したとき、変調信号が最小値の場合であっても、ＳＯＡ１１３で発生する寄生発振を抑制することができる。
１，３１ 無反射膜
２，３２ 高反射膜
３～５，３３，３５ 上部電極
６，３６ 下部電極
７，３７ 絶縁膜
８，３８ ｎ型ＩｎＰ基板
９，３９ ｐ型ＩｎＰ層
１０ ＳＩ層
２０，４０ ＬＤ導波路
２１ ＥＡ減衰器導波路
２２，４２ ＳＯＡ導波路
２３，２４，４３ 接続導波路
１０１ 高出力直接変調型レーザ
１０２ 直接変調型レーザ
１０９，１１９ 後方導波路出力端
１１０，１２０ 前方導波路出射端
１１１， 直接変調型レーザ（ＬＤ）
１１２ ＥＡ減衰器
１１３，１２３ ＳＯＡ
１２１ ＤＦＢレーザ

Claims (2)

  1. 変調信号が印加された駆動信号により駆動される直接変調型レーザと、半導体光増幅器（ＳＯＡ）とを含む高出力直接変調型レーザであって、
    前記直接変調型レーザと前記ＳＯＡとの間に挿入された光吸収素子であって、電極間を短絡、開放またはバイアス電圧を印加することにより光損失量を制御する電界吸収型減衰器（ＥＡ減衰器）である、光吸収素子を備え、
    前記直接変調型レーザ、前記ＳＯＡ、前記光吸収素子は、同一の歪多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有し、同一基板上にモノリシックに集積されたことを特徴とする高出力直接変調型レーザ。
  2. ｎ型ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓＰ系またはＩｎＧａＡｌＡｓ系材料によるＭＱＷ構造が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高出力直接変調型レーザ。
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