JP3226065B2

JP3226065B2 - 単一波長半導体レーザ

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Publication number: JP3226065B2
Application number: JP18187393A
Authority: JP
Inventors: 夏彦水谷
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-06-28
Filing date: 1993-06-28
Publication date: 2001-11-05
Anticipated expiration: 2016-11-05
Also published as: JPH0715087A; DE69405480D1; EP0631354B1; US5444730A; DE69405480T2; EP0631354A1

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光通信、光交換、光記
録、光演算、光計測などに使用される単一波長半導体レ
ーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、へき開面を共振器として利用する
ファブリペロータイプの半導体レーザは、波長に比べて
数百から数千倍の長さの共振器を持ち、レーザの利得の
ピーク付近にいくつかの共振モードが存在するために、
多モード発振することが多く、特に高速変調時に多モー
ド発振が顕著である。多モード発振はファイバー光通信
に用いる際には、ファイバーの波長分散のために大きな
問題となる。そこで、高速変調時にも単一波長動作する
動的単一モード半導体レーザが盛んに研究開発されてい
る。

【０００３】動的単一モード半導体レーザとしては、一
つの共振モードの共振器損失だけを選択的に小さくする
ためにグレーティングからなる分布反射器を半導体レー
ザ共振器内部に導入し、その波長選択性を利用する構造
の分布帰還型（ＤＦＢ）レーザや分布反射型（ＤＢＲ）
レーザが提案されている。しかし、これらの動的単一モ
ードレーザに対し、出力された光の一部が反射して再び
レーザ共振器に帰還して戻り光となると、その帰還量が
わずかであってもレーザ特性に大きな変動を与える。戻
り光による変動は、静的特性としては、光出力、発振モ
ード、発振スペクトル幅の変動として現れる。動的特性
としては、外部共振器軸モード間のモードホッピングに
よる強度雑音の増大と、量子雑音に起因する変調時の応
答特性の変化などが戻り光によって生じる。

【０００４】戻り光の影響下での半導体レーザの動作
は、複合共振器モデルで説明される。このモデルでは外
部共振器での多重反射は無視し、レーザの端面から出射
された光が、戻り光の原因となる外部反射面で反射され
て帰ってきて、出射端面でレーザの共振器と光学的に結
合して複合共振器を形成すると考える。この複合共振器
レーザの動作はつぎの一般化されたファン・デア・ポー
ル方程式で記述できる（ＲｏｙＬａｎｇａｎｄＫ
ｏｈｒｏｈＫｏｂａｙａｓｈｉ， ”Ｅｘｔｅｒｎａ
ｌＯｐｔｉｃａｌＦｅｅｄｂａｃｋＥｆｆｅｃｔ
ｓｏｎＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＩｎｊｅｃｔ
ｉｏｎＬａｓｅｒＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓ”，ＩＥ
ＥＥＪ．ＱｕａｎｔｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖ
ｏｌＱＥ−１６，ｐｐ．３４７−３５５，Ｍａ
ｒ．１９８０参照）。

【０００５】

【数１、２】ここでΩは発振周波数、ωはレーザ共振器の一つの共振
周波数、またＧはモード利得である。またγは自然結合
によるキャリア寿命の逆数であり、Гは共振器損失を表
す。またＰは単位体積・時間あたりのキャリアの注入数
で注入電流に比例する。（１）式で第２項が戻り項の寄
与を表すが、τは外部共振器内の光の往復時間、またκ
_extは次式で定義される共振器間の結合の強さを表すパ
ラメータである。

【０００６】

【数３】ここでＲ₃およびＲ₂はそれぞれ、外部反射鏡およびこれ
に対向しているレーザ端面の反射率、Ｌ_dとηはレーザ
共振器長と内部屈折率を表す。このκ_extは、レーザ共
振器の端面から共振器内に帰っていく光を、端面で反射
された光と外部反射面で反射されて帰ってきた光との重
ね合わせとして記述したときに得られる量である。半導
体レーザにおいては、わずかな外部反射に対してもκ
_extの値が大きくなり、戻り光の影響が現れやすい。具
体的には、０．０１％以上の戻り光量で相対雑音強度
（ＲＩＮ）の増加が見られている。また、このＲＩＮの
増加は、外部共振器の軸モード間のホッピングによって
発生していることがわかっている（応用物理学会編，
“半導体レーザの基礎”，ｐｐ．１０２−１０５，
オーム社，１９８７参照）。

【０００７】このように、動的単一モードレーザが戻り
光によってレーザ特性に大きな変動を受けるのは、戻り
光が外部共振器モードとしてレーザの発振モードに結合
しているためである。よって、レーザ共振器内の単一モ
ード化だけでは光出力の安定化や強度雑音の抑圧は不十
分であり、これらのレーザをファイバー光通信システム
の光源として用いる際には光アイソレータの使用が不可
欠であった。

【０００８】

【発明が解決しようとしている課題】以上述べた様に、
従来の動的単一モードレーザにおいては、戻り光に対し
て不安定なためにアイソレータを使用する必要があり、
アイソレータの挿入に伴う結合損が生じたり、装置が大
型化したり、装置全体のコストが上がったりするという
欠点があった。

【０００９】従って、本発明の目的は、アイソレータを
使用しなくても戻り光に対して安定な動的単一波長半導
体レーザを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の動的単一波長半
導体レーザは、上記目的を達成するために、導波路と該
導波路に設けられた周期的摂動付加手段によりレーザ共
振器が構成され、該レーザ共振器は、伝播定数の絶対値
の異なっていて、主たる電界方向の異なるTEモードとTM
モードの２つのモード間にモード変換をともなった結合
を生じさせるモード(波長〉選択的反射鏡として機能
し、該２つの結合したモードで前進波と後退波となって
レーザ共振モードを構成し、主たる電界方向の異なるモ
ードに対して選択的に損失を与え、特定のレーザ共振モ
ードを選択的に出力するモード選択手段を有することを
特徴としたり、または、伝搬定数の異なる複数の横モー
ドを伝搬可能なマルチモード導波路と、該導波路におい
て特定の波長の光を導波するときに伝搬定数の絶対値の
異なる横モード間に逆方向結合を生じさせるための周期
的摂動を加える手段と、前記マルチモード導波路と周期
的摂動付加手段から構成されるレーザ共振器から特定の
横モードだけを空間的に分離して取り出すモード選択手
段とを有することを特徴としたり、または、導波路と、
該導波路に特定の波長の光を導波するときに伝搬定数の
絶対値の異なるTEモードとTMモードの間にモード変換を
ともなった結合を生じさせるための周期的摂動を加える
手段と、いずれか一方のモードに対して選択的に損失を
与え、前記導波路と周期的摂動付加手段から構成される
レーザ共振器から特定の偏波モードだけを取り出すモー
ド選択手段とを有することを特徴とする。

【００１１】また、本発明の動的単一波長半導体レーザ
では、上記目的を達成するために、導波路と該導波路に
設けられた周期的摂動付加手段によりレーザ共振器が構
成され、レーザ共振器は伝播定数の絶対値の異なってい
る２つの横モード間にモード変換をともなった結合を生
じさせるモード(波長〉選択的反射鏡として機能し、上
記２つの結合したモードで前進波と後退波となって逆方
向結合によるレーザ共振モードを構成し、異なる共振モ
ードを空間的に分離して特定のレーザ共振モードを選択
的に出力するモード選択手段を有することを特徴とす
る。

【００１２】具体的には、前記レーザ共振器が、端面で
の反射による絶対値が不変で符号のみが反転するモード
変換を抑圧するための損失構造を備えていたり、前記導
波路が２つあって非対称な方向性結合器を構成し、２つ
のモードが非対称な方向性結合器を導波する偶モードと
奇モードであったり、前記モード選択手段が、前記方向
性結合器の一方の導波路に連結して引き出した導波路で
あったり、前記損失構造が、レーザ共振器に隣接してあ
るいは共振器内部に設けられた吸収領域であったり、前
記損失構造が端面の無反射コーティングであったり、前
記損失構造が、導波路に対して垂直から傾けて形成され
た端面であったり、２つのモードがマルチモード導波路
を導波する０次横モードと１次横モードであったり、前
記モード選択手段がシングルモード導波路のカットオフ
であったりする。

【００１３】また、より具体的には、上記のマルチモー
ド導波路は、０次の横モードと１次の横モードの伝搬定
数差（Δβ）が、ブラッグ波長が利得ピークから充分遠
ざかっている様にする程充分大きくなるように、リッジ
幅を設計された屈折率導波路構造であったり、２つの導
波層とその間のクラッド層を積層した非対称な導波構造
や方向性結合器であったりする。周期的摂動を加える手
段は、微細なグレーティングによる複素屈折率の実部あ
るいは虚部の周期的変調であるが、モードを変換して結
合を生じるためには導波路に垂直な面内で一様な分布の
屈折率の周期的変調ではなく、レリーフ状のグレーティ
ングでなければならない。

【００１４】更に、周期的摂動を加える手段は、量子井
戸構造を用いたことでTEモードの光とTMモードの光の伝
搬定数が大きく異なる導波路に対して、比誘電率テンソ
ルの非対角成分に0ではない成分があることでモード変
換をともなった結合を生じさせるような誘電率すなわち
等価屈折率の周期的変調である。

【００１５】これらの手段で、伝搬定数の異なるモード
を結合させたとき、本発明によるレーザは縮退した２つ
の共振モードで発振するが、その共振モードの１つを出
力として取り出すことができる。このレーザに対する戻
り光は出力の共振モードではなくもう一つの共振モード
と結合するので、従来の半導体レーザに比べて戻り光に
よる影響が小さくなる。また、周期的摂動によるモード
間の結合が鋭い波数選択性を持つので単一波長レーザと
して動作する。

【００１６】

【実施例１】図１は本発明の第１の実施例を示す図であ
る。図１では、手前の半分は切り欠いて見やすい様にし
ている。まず、本実施例の原理・構成を説明する。本実
施例はレーザ共振部１とモード選択器部２からなってい
る。

【００１７】レーザ共振器部１においては、活性層３と
導波路層４とが積層方向に隔たって配置され、これらを
下側クラッド層５と中間クラッド層６と光ガイド層７、
上部クラッド層８で挟んで光閉じ込めをしている非対称
方向性結合器構造となっている。活性層３と導波路層４
は互いに屈折率、膜厚が異なっており、主として活性層
３を伝搬する奇モードと、主として導波路層４を伝搬す
る偶モードの２つのモードが伝搬できるように設計され
ている。非対称方向性結合器を伝搬する偶モードと奇モ
ードが相互に結合するいずれかの位置に（本実施例では
光ガイド層７内に）、グレーティング９が形成されてい
る。

【００１８】また、レーザ共振器部１に隣接したモード
選択器部２では導波路層１０がレーザ共振器部１の導波
路層４と接続されている。一方、レーザ共振器部１の活
性層３に対応する層は取り除かれていて、活性層３を伝
搬してきたモードはモード選択器部２を通り抜けること
ができない構造である。キャリアドーピングは活性層３
のみノンドープ（ｉ層）で、その上下はそれぞれｐ層、
ｎ層で構成されていて電流注入の可能なレーザ構造とな
っている。

【００１９】ここで、偶モードと奇モードとの結合でレ
ーザ発振することを説明する。レーザ共振器部１の非対
称方向性結合器部で、真空中での波長λ_aの光を、偶モ
ードと奇モードで伝搬させたときの伝搬定数を波長分散
を考慮に入れて、それぞれβ_e（λ_a）、β_o（λ_a）と表
す。伝搬定数の波長分散を図４に示す。活性層３と導波
路層４の非対称性の為に Δβ＝β_e（λ_a）−β_o（λ_a）で表される伝搬定数差がβ_e（λ_a）に比べて無視できな
い大きさとなる。すなわち、グレーティングのない状態
では、同じ方向に進行する（この式のマイナスの符号が
このことを表す）偶モードと奇モードの光の間に結合は
生じない。

【００２０】しかし、グレーティング９の周期Λが導波
路内での伝搬光の波長程度の短い周期である場合には、
次の式（４）を満たす波長で逆方向に伝搬する（（４）
式のプラスの符号がこのことを表す）偶モードと奇モー
ドの間の結合が生じる。 β_e（λ_a）＋β_o（λ_a）＝２ｍπ／Λ （４）ここでｍは正の整数（１、２、３、・・・）である。設
計の指針としては、導波路の形状を決めた上で発振波長
λ_aを決めて、この波長での伝搬定数を求め、これから
（４）式の右辺のΛを定めることになる。

【００２１】また、λ_aより短波長側に、次の式（５）
を満たす波長λ_oが存在し、逆方向に伝搬する奇モード
間の結合が生じる。２×β_o（λ_o）＝２ｍπ／Λ （５）また、λ_aより長波長側に、次の式（６）をみたす波長
λ_eが存在し、逆方向に伝搬する偶モード間の結合が生
じる。２×β_e（λ_e）＝２ｍπ／Λ （６）これらの波長λ_e、λ_a、λ_oの関係を図３に示す。

【００２２】ここで、偶モード・奇モード間の結合定数
は次の式（７）で表される。

【００２３】

【数７】同様に、奇モード・奇モード間の結合定数は次の式
（８）で表される。

【００２４】

【数８】また、偶モード・偶モード間の結合定数は次の式（９）
で表される。

【００２５】

【数９】ただし、２ｈはグレーティングの深さを、ｘ_oはグレー
ティングの位置を表す。Δε_qは誘電率のｑ次のフーリ
エ成分で波数がＫ＝２πｑ／Λとなる成分を持つものの
振幅を表している。これらの式は、（４）、（５）、
（６）式で示した位相整合条件を満たせば、それぞれの
モード間の結合が生じることを示している。また、
（７）式で表される偶モードと奇モードの結合を大きく
するためには、偶モードと奇モードのそれぞれの電界振
幅の大きい位置にグレーティングを形成する必要がある
ことも明らかである。

【００２６】ここで、偶モード間の結合（波長λ_e）あ
るいは奇モード間の結合（波長λ_o）で発振すれば、偶
モードあるいは奇モードにたいするブラッグ波長での発
振となるが、図３に示すようにλ_o、λ_eを利得ピークか
ら遠ざけ、一方、活性層３に発振しきいキャリア密度ま
で電流を注入したときの利得ピークがλ_a付近に来るよ
うに活性層３を設計しておけば、（７）式に示した偶モ
ードと奇モードとの結合でレーザ発振をさせることがで
きる。

【００２７】以上に述べたように逆方向に伝搬する偶モ
ードと奇モードを結合させて波長λ_aでレーザ発振させ
た場合、発振モードは縮退している。

【００２８】図２（ａ）、（ｂ）は波長λ_aの２つの発
振モード２７、２８を示したものである。周期Λのグレ
ーティング９をもつ非対称方向性結合器を右方向に伝搬
する波長λ_aの偶モードの光２１と左方向に伝搬する波
長λ_aの奇モードの光２２がそれぞれ結合して波長λ_aの
レーザの縦モード２７となる。

【００２９】同様に、右方向に伝搬する波長λ_aの奇モ
ードの光２３と左方向に伝搬する波長λ_aの偶モード２
４の光がそれぞれ結合して、これも波長λ_aのレーザの
縦モード２８となる。

【００３０】この２つの縦モード２７と２８との間に
は、グレーティング９を介した結合はない。この点をモ
ード２７を構成する２つの導波モードである右方向へ進
む偶モード２１と左方向へ進む奇モード２２とのそれぞ
れについて検討する。

【００３１】まず、はじめに右方向へ進む偶モード２１
で波長λ_aの光を考えると、右方向へ進む奇モード２３
との結合は伝搬定数が異なっているうえにグレーティン
グ９の波数もこの伝搬定数差に比べて十分大きいので結
合しない。右方向へ進む偶モード２１と左方向へ進む偶
モード２４との結合は波長λ_eでブラッグ波長となるの
で、波長λ_aの光に対しては δβ＝β_e（λ_a）−β_e（λ_e）（１０）だけブラッグ波長からデチューンされた結合となる。λ
_aとλ_eはしきい値付近での利得ピークの半値幅程度に離
れており、位相整合がとれないのでこの結合は無視でき
る。

【００３２】次に、左方向へ進む奇モード２２で波長λ
_aの光を考えると、左方向へ進む偶モード２４との結合
は伝搬定数が異なっているうえにグレーティング９の波
数もこの伝搬定数差に比べて十分大きいので結合しな
い。左方向へ進む奇モード２２と右方向へ進む奇モード
２３との結合は、波長λ_oでブラッグ波長となるので、
波長λ_aの光に対しては δβ＝β_o（λ_o）−β_o（λ_a）（１１）だけブラッグ波長からデチューンされた結合となる。こ
の場合もλ_oとλ_aはしきい値付近での利得ピークの半値
幅程度に離れており、位相整合がとれないので無視でき
る。

【００３３】また、この２つの縦モード２７と２８との
間に、端面での反射を介した結合がなくなるように、端
面に無反射コーティングを施してある。端面反射による
モードの結合を防ぐための手段であれば、不活性な吸収
領域を設ける構成や、端面を導波路に対して垂直の面か
ら傾けた角度に構成してやるなどの方法を用いても同様
の効果が期待できる。また、端面反射の影響を抑えるた
めには、レーザ共振器領域を長くして光を共振器内部に
閉じ込めても良い。

【００３４】次に、モード選択器部２について説明す
る。レーザ共振器１側の導波路を左から右に導波してき
たモードのうちでモード選択器部２を導波するモードは
偶モード２１のみであり、モード選択器部２を右から左
に導波したモードは、レーザ共振器部１を導波するモー
ドの中で右から左に導波する偶モード２４とだけ結合す
るように、モード選択器部２は作られている。本実施例
では、左から右に導波する奇モード２３の光はモード選
択器部２を導波せずに空間に放射されるだけであるが、
モード選択器部２に吸収領域としてレーザの活性層３を
残す構成であっても良い。

【００３５】また、活性層３の終端部を導波路に対して
垂直の面から傾けた斜めの端面をもたせることも有効で
ある。このようにして構成されたモード選択器部２から
取り出される出力光は、レーザ共振器部１の縮退した発
振モードのうち、モード２７とだけ、結合しており、モ
ード選択器部２に入射される戻り光やモード選択器部２
の出射端で反射された光は、レーザ共振器部１の縮退し
た発振モードのうちモード２８とだけ結合する。

【００３６】このように、戻り光や端面での反射光が出
力の共振モード２７と結合しないので、外部共振器が形
成されず、外部共振器軸モード間のモードホッピングに
よる強度雑音の増大のない、通信に適した半導体レーザ
が得られる。

【００３７】本実施例の半導体レーザは以下のようにし
て作製する。

【００３８】ｎ⁺−ＧａＡｓ基板１３上にＭＢＥもしく
はＭＯＣＶＤ法によって、ｎ−ＧａＡｓバッファ層１１
（キャリア密度ｎ＝２×１０¹⁸ｃｍ^-3）を０．５μｍ、
ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッド層５（キャリア密度ｎ
＝１×１０¹⁷ｃｍ^-3）を１．５μｍ、ｎ−Ａｌ_0.35Ｇａ
_0.65Ａｓ導波層４（キャリア密度ｎ＝１×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を０．０８μｍ、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓクラッ
ド層６（キャリア密度ｎ＝１×１０¹⁷ｃｍ^-3）を０．８
μｍ、ｉ−ＧａＡｓ（ノンドープ）活性層３を０．１μ
ｍ、ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓグレーティング層ないし光
ガイド層７（キャリア密度ｐ＝１×１０¹⁷ｃｍ^-3）を
０．２μｍ形成した。次に、レーザ共振器部１のみ、グ
レーティング層７上に周期０．１２５μｍのグレーティ
ング９を干渉露光法を用いたフォトリソグラフィーで形
成した。更にＭＯＣＶＤ法により、ｐ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5
Ａｓクラッド層８（キャリア密度ｐ＝１×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3）を１．５μｍ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１２
（ｐ＝５×１０¹⁸ｃｍ^-3）を０．５μｍ形成した。

【００３９】次に、グレーティング９と直交する方向に
ストライプマスクを形成し、ＧａＡｓ基板１３が露出す
るまでエッチングし、ストライプマスク剥離後、ｐ−Ａ
ｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ１４、ｉ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ１５
（ハッチングが施してある）、ｎ−Ａｌ_0.5Ｇａ_0.5Ａｓ
１６の順で再成長し、埋込み構造の横方向光閉じ込め構
造を形成した。続いて、レジストマスクを用いてレーザ
共振器部１を保護したうえで、モード選択器部２を活性
層３がなくなる深さまでエッチングした。

【００４０】続いて、全面にＳｉ₃Ｎ₄保護膜１７をプラ
ズマＣＶＤ法で成膜し、ストライプ上のＳｉ₃Ｎ₄を除去
した後、レーザ共振器部１の電極１８を蒸着した。基板
１３裏面のラッピング後、裏面電極１９を蒸着し合金化
をおこなって、電極１８、１９とｐ−コンタクト層１２
及びｎ⁺-基板１３とのオーミック接触を形成した。最後
に、レーザ共振器部１の長さが５００μｍ、モード選択
部２の長さが２００μｍになるように基板１３をへき開
し、モード選択部２の出射端とレーザ共振器部１の両端
に無反射コーティングを施した後、裏面電極１９及び表
面の電極１８間に電流注入できるように実装を行った。
以上述べた構成により、波長８３０ｎｍで、安定な単一
波長発振を示し、戻り光量１％以下ではモードホッピン
グのない単一波長半導体レーザが実現できた。

【００４１】

【実施例２】図５は本発明の第２の実施例を示す。図５
（ａ）では、上から見た様子が示され、横方向閉じ込め
を行う埋込み層などは透明な感じで描いてある。本実施
例でも、先の実施例と同様にレーザ共振器部３１とモー
ド選択器部３２から構成されている。

【００４２】レーザ共振器３１は、活性層としての単一
量子井戸３３を光閉じ込め層３４、３５で挟んだ分離閉
じ込め構造を、さらにクラッド層４３、３６で挟んだ層
厚方向の光導波路構成からなり、横方向の光閉じ込め構
造としてはリッジ３８の埋込み構造による閉じこめを用
いたマルチモード導波路構造である。基板４１に水平な
方向の横モードとしてＥ^x ₀₀モードとＥ^x ₁₀モード（図５
（ｂ）に示す）を伝搬可能であり、リッジ幅が波長λ_a
の光のＥ^x ₀₀モードのカットオフ近傍に設定されている
ために、波長λ_aの光のＥ^x ₀₀モードの伝搬定数と、Ｅ^x
₁₀の伝搬定数は比較的大きく異なる。導波路と結合する
いずれかの位置には（本実施例では光閉じ込め層３５上
に）グレーティング３７が形成されている。

【００４３】また、レーザ共振器３１に隣接したモード
選択器部３２はリッジ３８に接続して導波路のリッジ幅
がテーパ状に細くなっている部分３９と、これに接続し
た導波路部４０からなっている。導波路部４０は、波長
λ_aの光に対してはＥ^x ₀₀モードのみを伝搬するシングル
モード導波路構造からなっている。レーザ共振器部３
１、モード選択器部３２ともに、キャリアドーピングは
活性層である単一量子井戸３３のみノンドープ（ｉ層）
で、その上下はｐ層、ｎ層になるように構成されて電流
注入の可能なレーザ構造となっている。

【００４４】グレーティング３７によって、互いに逆方
向に伝搬するＥ^x ₀₀モードとＥ^x ₁₀モード間の結合が生じ
て、発振波長での共振器モードとなることは第１の実施
例と同様である。第１の実施例では、モード選択器部の
導波層はそのバンドキャップ波長よりも長波長の光を導
波していたので、モード選択器部における吸収損失は考
慮しなくて良かったが、本実施例では、モード選択器部
３２の導波層はレーザの活性層３３と同じ組成であるの
で、そのままでは吸収損失が生じてしまう。そこで、モ
ード選択器部３２においても電流注入を行い、吸収によ
る損失を導波路の利得で補うような構成としている。

【００４５】本実施例においても戻り光が出力の共振モ
ードと結合しないので、外部共振器が形成されず、外部
共振器軸モード間のモードホッピングによる強度雑音の
増大のない半導体レーザが得られる。

【００４６】第２実施例の層構成を以下に示す。ｎ⁺-Ｇ
ａＡｓ基板４１上に、ｎ-ＧａＡｓバッファ層４２（キ
ャリア密度ｎ＝２×１０¹⁸ｃｍ^-3）を０．５μｍ、ｎ−
Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層４３（キャリア密度ｎ＝
１×１０¹⁷ｃｍ^-3）を１．５μｍ、ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8
Ａｓ光閉じ込め層３４（キャリア密度ｎ＝１×１０¹⁶ｃ
ｍ^-3）を０．２５μｍ、ｉ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓバリア
層（ノンドープ）０．０５μｍ、ｉ−ＧａＡｓ井戸層
（ノンドープ）０．００６μｍ、ｉ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａ
ｓバリア層（ノンドープ）０．０５μｍからなる単一井
戸活性層３３、ｐ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ光閉じ込め層３
５（キャリア密度ｎ＝１×１０¹⁶ｃｍ^-3）を０．２５μ
ｍ形成した。次に、レーザ共振器部３１にのみ、周期
０．１２５８μｍのグレーティング３７を干渉露光法を
用いたフォトリソグラフィーで形成している。更に、ｐ
−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層３６（キャリア密度ｐ
＝１×１０¹⁷ｃｍ^-3）を１．５μｍ、ｐ−ＧａＡｓコン
タクト層３８（ｐ＝５×１０¹⁸ｃｍ^-3）を０．５μｍ形
成した。次にグレーティング３７と直交する方向にスト
ライプマスクを形成し、ＧａＡｓ基板４１が露出するま
でエッチングし、ストライプマスク剥離後、ｐ−Ａｌ
_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ、ｉ−Ａｌ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ、ｎ−Ａｌ
_0.7Ｇａ_0.3Ａｓの順で再成長し埋込み構造の横方向光閉
じ込め構造にしている。

【００４７】続いて、Ｓｉ₃Ｎ₄（不図示）をプラズマＣ
ＶＤ法で成膜し、ストライプ上のＳｉ₃Ｎ₄を除去した
後、レーザ共振器部３１、モード選択器部３２の電極
（不図示）を蒸着した。基板４１裏面のラッピング後、
裏面電極４４を蒸着し合金化をおこなって、電極とｐ-
コンタクト層３８及びｎ⁺-基板４１とのオーミック接触
を形成した。最後に、レーザ共振器部３１の長さが５０
０μｍで、モード選択部３１の長さが８００μｍになる
ように基板４１をへき開し、モード選択部３２の出射端
とレーザ共振器部３１の端面に無反射コーティングを施
したあと、レーザ共振器部３１、モード選択器部３２の
裏面電極４４及び表面の電極間に電流注入できるように
実装を行った。

【００４８】活性層部でのリッジ幅を０．３μｍとした
ところ、８３０ｎｍの光に対してＥ^x ₀₀モードの等価屈
折率が３．４０４、Ｅ^x ₁₀モードの等価屈折率が３．１
９３となってた。このとき、周期０．１２５８μｍのグ
レーティング３７によってＥ^x ₀₀モードとＥ^x ₁₀が結合
し、発振波長が８３０ｎｍとなっている。一方、周期
０．１２５８μｍのグレーティング３７のＥ^x ₀₀モード
に関するブラッグ波長は８５０ｎｍであり、Ｅ^x ₁₀に関
しては８０８ｎｍの光に対してブラッグ波長となる。い
ずれも利得のピークから離れているので、レーザ発振モ
ードとはならない。

【００４９】

【実施例３】次に、本発明の第３の実施例を示す。ＴＥ
モード、ＴＭモードという呼びかたは厳密には２次元的
取り扱いのできる無限に広がったスラブ導波路でのみ正
しいが、以下では主な電界成分が薄膜の面内の場合（Ｅ
^x _pqモード）をＴＥモード、主な電界成分が薄膜に垂直
の場合（Ｅ^y _pqモード）をＴＭモードと呼ぶ。

【００５０】図６に示した本実施例（見やすくする為
に、手前半分を切り欠いている）でも、先の実施例と同
様にレーザ共振器部６１とモード選択器部６２から構成
されている。レーザ共振器部６１は活性層としてのＧａ
Ａｓ／ＡｌＧａＡｓ多重量子井戸６３をＡｌＧａＡｓ光
閉じ込め層６４、６５で挟んだ分離閉じ込め構造を、さ
らにＡｌＧａＡｓクラッド層６６とＣｄＭｎＴｅクラッ
ド層６７で挟んだ層厚方向の光導波路構成からなり、横
方向の光閉じ込め構造としてはリッジ６８の埋込み構造
による閉じこめを用いた導波路構造であり、ＴＥモード
とＴＭモードを伝搬可能である。活性層６３として多重
量子井戸構造を採用しているためにＴＥモードとＴＭモ
ードの伝搬定数は大きく異なる。クラッド層６７は磁性
半導体であるＣｄＭｎＴｅより成っていて、導波方向に
沿った磁界Ｈの印加によってＴＥモードとＴＭモードの
間にモード変換を伴って結合を生じる（磁気光学効
果）。光閉じ込め層６５上にはグレーティング６９が形
成されていて、ＴＥモードとＴＭモードの結合の大きさ
は周期的摂動を受けている。

【００５１】レーザ共振器６１に隣接したモード選択器
部６２では、レーザ共振器部６１のクラッド層の磁性半
導体の代わりに金属クラッド７０が形成されていて、Ｔ
Ｍモードに対して選択的に大きな損失を与えてＴＥモー
ドだけを透過させるモード選択器である。

【００５２】レーザ共振器部６１のキャリアドーピング
は活性層である多重量子井戸６３のみノンドープ（ｉ
層）で、その上下はｐ層、ｎ層になるように構成され
て、電流注入の可能なレーザ構造となっている。

【００５３】本実施例においても、グレーティング６９
によってＴＥモードとＴＭモードの結合したモードが形
成され、このモードからのレーザ発振をモード選択器６
２を介して取り出すという動作の原理は先に述べた２つ
の実施例と同様である。

【００５４】ＴＥモードとＴＭモードを結合させる原理
は上に述べた磁気光学効果に限らず、電気光学効果や歪
みによる効果であってもよく、またモード選択器も金属
クラッドによるものに限定されないことは、本発明の動
作原理から考えて容易に理解できることである。

【００５５】本実施例においても戻り光が出力の共振モ
ードと結合しないので、外部共振器が形成されず、外部
共振器軸モード間のモードホッピングによる強度雑音の
増大のない半導体レーザが得られる。

【００５６】上記第１乃至第３実施例ではＧａＡｓ系の
短波長レーザのみを示したが、ＩｎＰ系の１．３μｍ
帯、１．５μｍ帯のレーザにおいても本発明は有効に適
用できる。

【００５７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
伝搬定数の異なるモード間を結合させてレーザ発振を起
こすことで、戻り光に対し影響されにくく、アイソレー
タを必要としない単一波長半導体レーザを提供すること
が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の構成を示す図。

【図２】本発明の第１実施例において構成される共振モ
ードを説明する図。

【図３】発振波長とその他の共振モードの波長の関係を
示す図。

【図４】伝播定数の波長分散を示す図。

【図５】本発明の第２実施例の構成と伝播モードを示す
図。

【図６】本発明の第３実施例の構成を示す図。

【符号の説明】

１，３１，６１レーザ共振器部２，３２，６２モード選択器部３ｉ−ＧａＡｓ活性層４ｎ−ＡｌＧａＡｓ導波路層５，６，８クラッド層７光ガイド層２１右方向に伝播する偶モード２２左方向に伝播する奇モード２３右方向に伝播する奇モード２４左方向に伝播する偶モード２７発振モード２８もう１つの発振モード３３，６３単一量子井戸活性層３４，３５，６４，６５光閉じ込め層９，３７，６９グレーティング３９テーパ導波路部４０単一モード導波路部７０金属クラッド

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】導波路と該導波路に設けられた周期的摂動
付加手段によりレーザ共振器が構成され、該レーザ共振
器は伝播定数の絶対値の異なっている２つの横モード間
にモード変換をともなった結合を生じさせるモード(波
長〉選択的反射鏡として機能し、該２つの結合したモー
ドで前進波と後退波となって逆方向結合によるレーザ共
振モードを構成し、異なる共振モードを空間的に分離し
て特定のレーザ共振モードを選択的に出力するモード選
択手段を有することを特徴とする単一波長半導体レー
ザ。
【請求項２】前記レーザ共振器が、端面での反射による
絶対値が不変で符号のみが反転するモード変換を抑圧す
るための損失構造を備えていることを特徴とする請求項
１記載の単一波長半導体レーザ。
【請求項３】前記導波路が２つあって非対称な方向性結
合器を構成し、２つのモードが該非対称な方向性結合器
を導波する偶モードと奇モードであることを特徴とする
請求項１記載の単一波長半導体レーザ。
【請求項４】前記モード選択手段が、前記方向性結合器
の一方の導波路に連結して引き出した導波路であること
を特徴とする請求項１記載の単一波長半導体レーザ。
【請求項５】前記損失構造が、レーザ共振器に隣接して
或は共振器内部に設けられた吸収領域であることを特徴
とする請求項２記載の単一波長半導体レーザ。
【請求項６】前記損失構造が端面の無反射コーティング
であることを特徴とする請求項２記載の単一波長半導体
レーザ。
【請求項７】前記損失構造が、導波路に対して垂直から
傾けて形成された端面であることを特徴とする請求項２
記載の単一波長半導体レーザ。
【請求項８】前記導波路がマルチモード導波路であり、
２つのモードが該マルチモード導波路を導波する０次横
モードと１次横モードであることを特徴とする請求項１
記載の単一波長半導体レーザ。
【請求項９】前記モード選択手段がシングルモード導波
路のカットオフであることを特徴とする請求項８記載の
単一波長半導体レーザ。
【請求項１０】導波路と該導波路に設けられた周期的摂
動付加手段によりレーザ共振器が構成され、該レーザ共
振器は、伝播定数の絶対値の異なっていて、主たる電界
方向の異なるTEモードとTMモードの２つのモード間にモ
ード変換をともなった結合を生じさせるモード(波長〉
選択的反射鏡として機能し、該２つの結合したモードで
前進波と後退波となってレーザ共振モードを構成し、主
たる電界方向の異なるモードに対して選択的に損失を与
え、特定のレーザ共振モードを選択的に出力するモード
選択手段を有することを特徴とする単一波長半導体レー
ザ。
【請求項１１】伝搬定数の異なる複数の横モードを伝搬
可能なマルチモード導波路と、該導波路において特定の
波長の光を導波するときに伝搬定数の絶対値の異なる横
モード間に逆方向結合を生じさせるための周期的摂動を
加える手段と、前記マルチモード導波路と周期的摂動付
加手段から構成されるレーザ共振器から特定の横モード
だけを空間的に分離して取り出すモード選択手段とを有
することを特徴とする単一波長半導体レーザ。
【請求項１２】導波路と、該導波路に特定の波長の光を
導波するときに伝搬定数の絶対値の異なるTEモードとTM
モードの間にモード変換をともなった結合を生じさせる
ための周期的摂動を加える手段と、いずれか一方のモー
ドに対して選択的に損失を与え、前記導波路と周期的摂
動付加手段から構成されるレーザ共振器から特定の偏波
モードだけを取り出すモード選択手段とを有することを
特徴とする単一波長半導体レーザ。