半導体レーザ光源
【課題】狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源を提供する。
【解決手段】光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子１０１を導入したＤＦＢレーザ１０２と、このＤＦＢレーザ１０２の外部に設けた波長選択性を有する外部共振器としてのリング共振器１０３とを備えて、ＤＦＢレーザ１０２の共振器長を延伸し、リング共振器１０３からの戻り光がＤＦＢレーザ１０２へ負帰還する構成とする。ことによって、ＤＦＢレーザ１０２の共振器長延伸によるスペクトル線幅低減効果と、リング共振器１０３からＤＦＢレーザ１０２への戻り光による負帰還効果とが同時に得られる。
【解決手段】光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子１０１を導入したＤＦＢレーザ１０２と、このＤＦＢレーザ１０２の外部に設けた波長選択性を有する外部共振器としてのリング共振器１０３とを備えて、ＤＦＢレーザ１０２の共振器長を延伸し、リング共振器１０３からの戻り光がＤＦＢレーザ１０２へ負帰還する構成とする。ことによって、ＤＦＢレーザ１０２の共振器長延伸によるスペクトル線幅低減効果と、リング共振器１０３からＤＦＢレーザ１０２への戻り光による負帰還効果とが同時に得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信分野や光計測分野などに用いられる狭スペクトル線幅の半導体レーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムの大容量化、長距離化に向けて、光の位相を用いたデジタルコヒーレント光通信システムの研究開発が盛んに行われている。本システムでは、光の位相揺らぎを小さくする必要があり、位相揺らぎが小さく、スペクトル線幅の狭い、狭スペクトル線幅光源が必要不可欠である。
【０００３】
かかる狭線幅光源としては、従来、ファイバレーザ光源や外部共振器構成の半導体レーザ光源が用いられている。
【０００４】
ファイバレーザ光源では、A. Suzukiらによる、IEEE Photonics Technology Letters, vol. 19, no. 19, pp. 1463-1465, 2007（非特許文献１）の報告にあるように、図６に示すような構成、偏波保持ファイバー０３を用いた共振器をリング状に配置し、その一部に偏波保持型λ／４シフト回折格子を有するＥｒ3+ドープファイバＤＦＢレーザ０１を配備し、１４８０ｎｍの励起光源０２により励起することで特定の波長を選択的に発振できる構成とし、そのリング状の共振器長を長くすることでスペクトル線幅の狭い光（出力光０８）を発振することができる。なお、図６において０２は励起用１４８０ｎｍ半導体レーザ、０４は偏波保持ＷＤＭカプラ、０５は偏波保持カプラ、０６Ａ，０６Ｂは偏波保持光アイソレータ、０７は光バンドパスフィルタである。
【０００５】
外部共振器構成の半導体レーザ光源においては、光増幅媒体として半導体を用いており、外部共振器としては、J. O. Binderらによる、IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 26, no. 7, pp. 1191-1199, 1990（非特許文献２）の報告にあるように、図７に示すようなバルク回折格子ミラー１０を外部鏡として用いたものや、F. N. Timofeevらによる、IEE Electronics Letters, vol. 35, no.20, pp. 1737-1739, 1999 （非特許文献３）の報告にあるように、図８に示すようなファイバブラッグ回折格子１５を外部鏡として用いたものや、G. D. Maxwellらによる、IEE Electronics Letters, vol. 30, no. 18, pp. 1486-1487, 1994 (非特許文献４)の報告にあるように、図９に示すような導波路型回折格子１９を外部鏡として用いたものが実現されている。なお、図７において１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃはレンズ、１２は半導体利得媒体、１３は光アイソレータ、１４は光ファイバ、図８において１６は半導体利得媒体、１７は光アイソレータ、１８は光ファイバ、図９において２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃはレンズ、２１は半導体利得媒体、２２は光アイソレータ、２３は光ファイバである。
【０００６】
更に、T. Matsumotoらによる、Technical Digest in Conference on Optical Fiber Communication (OFC), OThQ5, 2010（非特許文献５）の報告にあるように、図１０のような半導体光増幅媒体２４と、外部共振器としての窒素添加シリカ（ＳｉＯＮ）をコアとする光導波路を用いた３段リングフィルタ２５とを、Ｓｉプラットフォーム２６上にハイブリッド集積したレーザ光源も実現されている。本構成では、半導体光増幅媒体２４は波長選択機能を持たず、発振光の単一モード化のために複数段構成のリング共振器（３段リングフィルタ２５）を用いる必要がある。なお、図１０において２７Ａ，２７Ｂはレンズ、２８は光アイソレータ、２９は光ファイバである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】IEEE Photonics Technology Letters, vol. 19, no. 19, pp. 1463-1465, 2007 “An Ultralow Noise and Narrow Linewidth λ/4-Shifted DFB Er-Doped Fiber Laser With a Ring Cavity Configuration” A. Suzuki. 他
【非特許文献２】IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 26, no. 7, pp. 1191-1199, 1990 “Intermodal Tuning Characteristics of an InGaAsP Laser with Optical Feedback from an External-Graing Reflector” J. O. Binder. 他
【非特許文献３】IEE Electronics Letters, vol. 35, no.20, pp. 1737-1739, 1999 “10Gbit/s directly modulated, high temperature-stability external fibre grating laser for dense WDM networks” F. N. Timofeev. 他
【非特許文献４】IEE Electronics Letters, vol. 30, no. 18, pp. 1486-1487, 1994 “Demonstration of a semiconductor external cavity laser using a UV written grating in a planar silica wavegude” G. D. Maxwell. 他
【非特許文献５】Technical Digest in Conference on Optical Fiber Communication (OFC), OThQ5, 2010 “Narrow Spectral Linewidth Full Band Tunable Laser Based on Waveguide Ring Resonators with Low Power Consumption” T. Matsumoto. 他
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上述したレーザ光源は外部共振器の波長選択特性を用いてスペクトル線幅を低減しており、波長選択特性を向上するために大きな外部共振器を用いているため、大型の光源になっていた。このため、狭スペクトル線幅を有するコンパクトなレーザ光源の実現が必要となっていた。
【０００９】
従って本発明は上記の事情に鑑み、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する第１発明の半導体レーザ光源は、光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子を導入した分布帰還型半導体レーザと、前記分布帰還型半導体レーザの外部に設けた波長選択性を有する外部共振器とを備えて、共振器長を延伸し、且つ、前記外部共振器からの戻り光が前記分布帰還型半導体レーザへ負帰還する構成としたことを特徴とする。
【００１１】
また、第２発明の半導体レーザ光源は、第１発明の半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザとして、共振器中央で位相がπだけ変化した回折格子を具備したλ／４シフト回折格子分布帰還型半導体レーザを用いたことを特徴とする。
【００１２】
また、第３発明の半導体レーザ光源は、第１発明又は第２発明の半導体レーザ光源において、
前記外部共振器として、光導波路により構成されたリング共振器を用いたことを特徴とする。
【００１３】
また、第４発明の半導体レーザ光源は、第３発明の半導体レーザ光源において、
前記リング共振器が、リング光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、前記分布帰還型半導体レーザに結合している直線光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、導波光を反射するための折り返し光導波路部を有する光導波路と、前記リング光導波路に形成された共振光周波数調整用のヒータとを備えた構成であることを特徴とする。
【００１４】
また、第５発明の半導体レーザ光源は、第３発明の半導体レーザ光源において、
前記リング共振器が、リング光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、前記分布帰還型半導体レーザに結合している第１の直線光導波路と、前記リング光導波路に隣接している第２の直線光導波路と、前記第２の直線光導波路の端に形成された高結合回折格子導波路と、前記リング光導波路に形成された共振光周波数調整用のヒータとを備えた構成であることを特徴とする。
【００１５】
また、第６発明の半導体レーザ光源は、第１発明〜第５発明の何れか１つの半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザと、前記外部共振器とがレンズにより結合していることを特徴とする。
【００１６】
また、第７発明の半導体レーザ光源は、第１発明〜第５発明の何れか１つの半導体レーザ光源において、
前記外部共振器がシリコン基板上に形成され、この同一シリコン基板上に前記分布帰還型半導体レーザがハイブリッド集積されていることを特徴とする。
【００１７】
また、第８発明の半導体レーザ光源は、第１発明〜第５発明の何れか１つの半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザと前記外部共振器とが、同一のInP基板上にモノリシック集積されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の半導体レーザ光源によれば、光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子を導入した分布帰還型半導体レーザと、前記分布帰還型半導体レーザの外部に設けた波長選択性を有する外部共振器とを備えて、共振器長を延伸し、前記外部共振器からの戻り光が前記分布帰還型半導体レーザへ負帰還する構成としたことを特徴としているため、共振器長延伸（増大）によるスペクトル線幅低減効果と、外部共振器から分布帰還型半導体レーザへの戻り光による負帰還効果とが同時に得られる。このため、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ光源の構造図である。
【図２】リング共振器の反射特性を示す図である。
【図３】光負帰還の原理図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ光源の構造図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ光源の構造図である。
【図６】従来のファイバレーザ光源の構成例を示す図である。
【図７】従来のバルク回折格子を用いた外部共振器レーザ光源の構成例を示す図である。
【図８】従来のファイバブラッグ回折格子を用いた外部共振器レーザ光源の構成例を示す図である。
【図９】従来の導波路型回折格子を用いた外部共振器レーザ光源の構成例を示す図である。
【図１０】従来のリングフィルタを用いた外部共振器レーザ光源の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
＜第１の実施例＞
図１〜図３に基づき、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ光源について説明する。
【００２２】
図１に示すように、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ光源１００は、素子共振器の中央に位相シフト領域１０１ａを有する（共振器中央で位相がπだけ変化した）λ／４シフト回折格子１０１を配した分布帰還型（Distributed FeedBack，DFB）レーザ１０２と、Ｓｉ基板上に作製されたＳｉＯＮをコアとする光導波路リング共振器１０３とを、レンズ１０４Ａで結合した構成となっている。
【００２３】
ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３は、リング光導波路１０５と、リング光導波路１０５に隣接し、ＤＦＢレーザ１０２にレンズ１０４Ａで結合している直線光導波路１０６と、リング光導波路１０５に隣接し、導波光を反射するための折り返し光導波路部１０７ａを有する光導波路１０７とから構成されている。直線光導波路１０６とリング光導波路１０５の隣接する部分１０６ａ，１０５ａは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。また、光導波路１０７とリング光導波路１０５の隣接する部分１０７ｂ，１０５ｂは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。
【００２４】
ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の両端面には、導波光の反射を防ぐために反射防止膜１０８Ａ，１０８Ｂを形成した。また、リング光導波路１０５上には、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の共振光周波数を調整するためのヒータ１０９が形成した。λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の共振器長は５００μｍ、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の大きさは、横３ｍｍ×縦３ｍｍであった。
【００２５】
ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の製造工程１〜６を、以下に記述する。
１．Ｓｉ基板上にプラズマ化学気相成長法により、ＳｉＯＮ／ＳｉＯ2層を堆積する。
２．フォトリソグラフィーにより、光導波路構造を基板上に描画する。
３．反応性イオンエッチングにより、光導波路１０５，１０６，１０７を形成する。
４．薄膜電極をリング光導波路１０５上に蒸着し、共振光周波数調整用ヒータ１０９を形成する。
５．素子（リング共振器１０３）を切り出し、この素子の端面を光学研磨する。
６．この素子の端面に反射防止膜１０８Ａ，１０８Ｂを蒸着する。
【００２６】
なお、作製した半導体レーザ光源１００の光出力は、ＤＦＢレーザ１０２側から順に配列したレンズ１０４Ｂ、光アイソレータ１１０、レンズ１０４Ｃ及び光ファイバ１１１を用いて取り出した。
【００２７】
ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の反射光強度の入力光周波数依存性を、図２に示す。この図２から、等間隔の光周波数で反射光強度が強くなることがわかる。リング光導波路１０５の長さをＬ、入力光の光周波数をｆとすると、反射光強度が強くなる光周波数は、以下の（１）式の関係を満たす。
【数１】
ここに、ｍは正の整数、ｃは光速、ｎはリング光導波路１０５の有効屈折率を表す。
【００２８】
λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の発振光周波数を、（１）式を満たすように設定することで、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３からの戻り光（反射光）がλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２へ帰還して、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３が外部共振器動作を行うこととなり、共振器長延伸（増大）効果によりスペクトル線幅が低減される。
【００２９】
更に、図３はＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の１つの共振ピークを拡大した図であるが、この図３に示すようにλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の発振光周波数を、共振周波数のピークよりわずかに低周波側に設定することで、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の発振光の光周波数揺らぎが、光強度揺らぎ（反射光量変動）に変換されて、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０３へ帰還される。λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の発振光周波数が高周波数側へシフトした時を考えると、戻り光（反射光）強度が増加するので、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の共振器内のキャリア密度が低下し、発振光周波数は低周波数側へシフトする。つまり周波数ノイズを打ち消すように動作し、光負帰還動作を行うことがわかる。
【００３０】
本原理を用いた半導体レーザ光源１００で、リング共振器１０３の共振周波数をヒータ１０９により調整し、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の出力光周波数とリング共振特性との関係を図３に示すように調整することで、５０ｋＨｚ以下のスペクトル線幅が確認できた。
【００３１】
以上説明したように、本第１の実施例の半導体レーザ光源１００によれば、光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子１０１を導入したＤＦＢレーザ１０２と、このＤＦＢレーザ１０２の外部に設けた波長選択性を有する外部共振器としてのリング共振器１０３とを備えて、ＤＦＢレーザ１０２の共振器長を延伸し、リング共振器１０３からの戻り光がＤＦＢレーザ１０２へ負帰還する構成としたことを特徴としているため、ＤＦＢレーザ１０２の共振器長延伸（増大）によるスペクトル線幅低減効果と、リング共振器１０３からＤＦＢレーザ１０２への戻り光による負帰還効果（光負帰還動作）とが同時に得られる。このため、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源１００を実現することができた。
【００３２】
＜第２の実施例＞
図４に基づき、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ光源について説明する。
【００３３】
図４に示すように、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ光源１２０は、Ｓｉプラットフォーム１２１を有するＳｉ基板上に作製されたＳｉＯＮをコアとする光導波路リング共振器１２２を用い、そのＳｉ基板のＳｉプラットフォーム１２１上に、素子共振器の中央に位相シフト領域を有する（共振器中央で位相がπだけ変化した）λ／４シフト回折格子を配した分布帰還型（Distributed FeedBack, DFB）レーザ１２３を実装することで、光導波路リング共振器１２２とＤＦＢレーザ１２３とを同一のＳｉ基板上にハイブリッド集積した構成の半導体レーザ光源を実現している。
【００３４】
ＤＦＢレーザ１２３は上記第１の実施例（図１）のＤＦＢレーザ１０１と同様の構成のものである。
また、リング光導波路１２１は上記第１の実施例（図１）のリング共振器１０３と同様の構成のものである。即ち、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１２３は、リング光導波路１２４と、リング光導波路１２４に隣接し、ＤＦＢレーザ１２３に結合している直線光導波路１２５と、リング光導波路１２４に隣接し、導波光を反射するための折り返し光導波路部１２６ａを有する光導波路１２６とから構成されている。直線光導波路１２５とリング光導波路１２４の隣接する部分１２５ａ，１２４ａは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。また、光導波路１２６とリング光導波路１２４の隣接する部分１２６ｂ，１２４ｂは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１２２の両端面には、導波光の反射を防ぐために反射防止膜１２７Ａ，１２７Ｂを形成した。また、リング光導波路１２４上には、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１２２の共振光周波数を調整するためのヒータ１２８を形成した。
【００３５】
リング共振器１２２は、上記第１の実施例で示したリング共振器１０３の製造工程と同様の製造工程で作製した。
但し、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３をマウントするためのＳｉプラットフォーム１２１を形成するために、リング共振器１２２の光入力端から５００μｍの領域のＳｉＯＮ／ＳｉＯ2膜を除去し、Ｓｉ基板のＳｉを露出させた。リング共振器１２２の入力光導波路１２５は、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザとの結合を容易にするように光結合部にスポットサイズ変換器１２５ｂを具備した構造となっている。スポットサイズ変換器１２５ｂは光導波路１２５の幅を徐々に減少していくことで伝搬光の閉じ込めを小さくし、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３からの出力光を効率的に結合できるよう設計した。ここでは光導波路１２５のλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３との結合端から５００μｍ離れた部分から前記結合端に向けて、光導波路１２５の幅を３μｍから０μｍへ徐々に減少することで、スポットサイズ変換器１２５ｂを作製した。これにより、パッシブアライメントでλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３とリング共振器１２２が容易に結合できる構成とした。
【００３６】
λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３はパッシブアラインメント法を用いて実装した。リング共振器１２２の素子サイズは、横３．５ｍｍ×縦３ｍｍであった。なお、作製した半導体レーザ光源１２０の光出力は、ＤＦＢレーザ１２３側から順に配列したレンズ１２９Ａ、光アイソレータ１３０、レンズ１２９Ｂ及び光ファイバ１３１を用いて取り出した。
【００３７】
本第２の実施例の半導体レーザ光源１２０は、上記第１の実施例の半導体レーザ光源１００と同じ動作原理を用いている。本半導体レーザ光源１２０で、リング共振器１２２の共振周波数をヒータ１２８により調整し、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３の出力光周波数とリング共振特性との関係を図３に示すように調整することで、２５ｋＨｚ以下のスペクトル線幅が確認できた。
【００３８】
以上説明したように、本第２の実施例の半導体レーザ光源１２０によれば、光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子を導入したＤＦＢレーザ１２３と、このＤＦＢレーザ１２３の外部に設けた波長選択性を有する外部共振器としてのリング共振器１２２とを備えて、ＤＦＢレーザ１２３の共振器長を延伸し、リング共振器１２２からの戻り光がＤＦＢレーザ１２３へ負帰還する構成としたことを特徴としているため、ＤＦＢレーザ１２３の共振器長延伸（増大）によるスペクトル線幅低減効果と、リング共振器１２２からＤＦＢレーザ１２３への戻り光による負帰還効果（光負帰還動作）とが同時に得られる。このため、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源１２０を実現することができた。
【００３９】
＜第３の実施例＞
図５に基づき、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ光源について説明する。
【００４０】
図５に示すように、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ光源１４０は、素子共振器の中央に位相シフト領域を有する（共振器中央で位相がπだけ変化した）λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１と、このλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１にバットジョイントされた第１の半導体直線光導波路１４２、半導体リング光導波路１４３、第２の半導体直線光導波路１４４、及び高結合回折格子導波路１４５を、同一のＩｎＰ基板上にモノリシック集積した構造を有している。
【００４１】
第１の半導体直線光導波路１４２と半導体リング光導波路１４３の隣接する部分１４２ａ，１４３ａは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。また、第１の半導体直線光導波路１４４と半導体リング光導波路１４３の隣接する部分１４４ａ，１４３ｂは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。高結合回折格子導波路１４５は、半導体直線光導波路１４４の端に形成されている。つまり、第１の半導体直線光導波路１４２、半導体リング光導波路１４３、第２の半導体直線光導波路１４４及び高結合回折格子導波路１４５により、半導体リング共振器１４６が構成されている。即ち、本第３の実施例の半導体レーザ光源１４０は、同一のＩｎＰ基板上に半導体リング共振器１４６とＤＦＢレーザ１４１をモノリシック集積した構成のものである。
【００４２】
半導体リング光導波路１４３上には、等価的な光の伝搬長を制御し、半導体リング共振器１４３の共振光周波数を調整するためのヒータ１４７が形成されている。半導体レーザ光源１４０の両端面には、導波光の反射を防ぐために反射防止膜１４８Ａ，１４８Ｂを形成した。
【００４３】
λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１の光出力は、ＤＦＢレーザ１４１にバットジョイントされた半導体直線光導波路１４６により伝搬し、半導体直線光導波路１４６に結合している半導体リング光導波路１４３へ入力される。このとき、半導体リング光導波路１４３で定在波の立つ光周波数を有する光のみが（１）式の条件を満たして周回し、半導体直線光導波路１４４へ結合して高結合回折格子導波路１４５へ導かれる。高結合回折格子１４５は、そのブラッグ波長をλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１のブラッグ波長と一致させており、結合係数を１００ｃｍ-1としている。これにより、高結合回折格子導波路１４５は、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１の発振波長に対して±２ｎｍの波長領域で１００％近い反射率を有する反射鏡として動作する。高結合回折格子導波路１４５へ到達した光は当該領域で反射され、再び半導体直線光導波路１４４、半導体リング光導波路１４３、半導体直線光導波路１４２を経由して、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１へ帰還される。
【００４４】
半導体レーザ光源１４０の製造工程１〜１５を、以下に記述する。
１．ｎ-ＩｎＰ基板上にｎ-ＩｎＰバッファー層及びｎ-ＩｎＰクラッド層を、有機金属化学気相蒸着法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）を用いて成長させる。
２．次に、１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ分離閉込（Separate Confinement Heterostructure, SCH）層（厚さ５ｎｍ）を成長させ、その上に１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ障壁層（厚さ１０ｎｍ）及びＩｎＧａＡｓ井戸層（厚さ５ｎｍ）を順次成長させる。障壁層は７層、井戸層は６層とした。
３．更に、１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層（厚さ５ｎｍ）、１．１μｍ組成ｐ-ＩｎＧａＡｓＰ回折格子形成層（厚さ１００ｎｍ）、ｐ-ＩｎＰクラッド層（厚さ２０ｎｍ）を成長する。上記工程２及び本工程３でλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０１部の活性層を形成する。
４．ｎ-ＩｎＰ基板を成長装置から取り出し、電子ビーム描画装置でλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ部１４１の５００μｍの範囲に周期１９７ｎｍで、中央に回折格子位相をπだけ変化させたλ／４シフト回折格子のパターンを描画し、ドライエッチングにより回折格子を形成する。
５．再度、結晶成長装置へｎ-ＩｎＰ基板を戻し、ｐ-ＩｎＰクラッド層（厚さ５００ｎｍ）、１．３μｍ組成ｐ-ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層（厚さ５０ｎｍ）を、順次成長する。
【００４５】
６．λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１部をＳｉＯ2膜でカバーし、それ以外の領域の１．２μｍ組成下部ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層までの結晶をエッチングで除去する。
７．再度、結晶成長装置へｎ-ＩｎＰ基板を戻し、結晶を除去した部分へ、１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層（厚さ５ｎｍ）、１．３ｍｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光導波層（厚さ１００ｎｍ）、１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層（厚さ５ｎｍ）、１．１μｍ組成ｐ-ＩｎＧａＡｓＰ層（厚さ１００ｎｍ）、ｐ-ＩｎＰクラッド層（厚さ２０ｎｍ）を、順次バットジョイント成長させる。
８．ｎ-ＩｎＰ基板を結晶成長装置から取り出し、高結合回折格子導波路１４５以外の領域をＳｉＯ2膜でカバーし、当該領域に周期１９７ｎｍで深さ５０ｎｍの回折格子を形成する。
９．ＳｉＯ2膜を除去して、再度、結晶成長装置へｎ-ＩｎＰ基板を戻し、ｐ-ＩｎＰクラッド層（厚さ５００ｎｍ）、１．３μｍ組成ｐ-ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層（厚さ５０ｎｍ）を、順次成長する。
１０．λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１、半導体光導波路１４２，１４３，１４４、及び高結合回折格子導波路１４５の素子ストライプ構造を電子ビーム描画装置で描画し、ドライエッチングによりメサストライプを形成する。
【００４６】
１１．λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１のエッチングにより除去した領域に、電流狭窄用埋込層として、半絶縁（Semi-insulating, SI）ＩｎＰを成長し、埋め込み構造を有する素子を形成する。
１２．λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１と半導体直線光導波路１４２の間のバットジョイント部分に素子分離溝を形成することで素子分離を行う。
１３．λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１部に電流注入用ｐ-電極を形成し、半導体リング光導波路１４３上に共振光周波数調整用ヒータ１４７を形成する。
１４．ｎ-ＩｎＰ基板側に素子のｎ-電極を形成する。
１５．チップ（素子）を劈開により取り出し、この素子の両端面に反射防止膜１４８Ａ，１４８Ｂを形成する。
【００４７】
なお、作製した半導体レーザ光源１４０の光出力は、ＤＦＢレーザ１０１側から順に配列したレンズ１４９Ａ、光アイソレータ１５０，レンズ１４９Ｂ及び光ファイバ１５１を用いて取り出した。
【００４８】
本第３の実施例の半導体レーザ光源１４０は、上記第１の実施例の半導体レーザ光源１００と同じ動作原理を用いている。本半導体レーザ光源１４０で、半導体直線光導波路１４２、半導体リング光導波路１４３、半導体直線光導波路１４４及び高結合回折格子導波路１４５により構成された半導体リング共振器１４６の共振周波数をヒータ１４７により調整し、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１の出力光周波数とリング共振特性との関係を図３に示すように調整することで、２５ｋＨｚ以下のスペクトル線幅が確認できた。
【００４９】
以上説明したように、本第３の実施例の半導体レーザ光源１４０によれば、光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子を導入したＤＦＢレーザ１４１と、このＤＦＢレーザ１４１の外部に設けた波長選択性を有する外部共振器としてのリング共振器１４６とを備えて、ＤＦＢレーザ１４１の共振器長を延伸し、リング共振器１４６からの戻り光がＤＦＢレーザ１４１へ負帰還する構成としたことを特徴としているため、ＤＦＢレーザ１４６の共振器長延伸（増大）によるスペクトル線幅低減効果と、リング共振器１４６からＤＦＢレーザ１４１への戻り光による負帰還効果（光負帰還動作）とが同時に得られる。このため、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源１４０を実現することができた。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は光通信分野や光計測分野などに用いられる狭スペクトル線幅の半導体レーザ光源に関するものであり、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源を実現する場合に適用して有用なものである。
【符号の説明】
【００５１】
１００ 半導体レーザ光源
１０１ λ／４シフト回折格子
１０１ａ 位相シフト領域
１０２ λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ
１０３ ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器
１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ レンズ
１０５ リング光導波路
１０５ａ リング光導波路の直線光導波路に隣接する部分
１０５ｂ リング光導波路の折り返し光導波路部を有する光導波路に隣接する部分
１０６ 直線光導波路
１０６ａ 直線光導波路のリング光導波路に隣接する部分
１０７ 折り返し光導波路部を有する光導波路
１０７ａ 折り返し光導波路部
１０７ｂ 折り返し光導波路部を有する光導波路のリング光導波路に隣接する部分
１０８Ａ，１０８Ｂ 反射防止膜
１０９ 共振光周波数調整用ヒータ
１１０ 光アイソレータ
１１１ 光ファイバ
１２０ ハイブリッド集積型の半導体レーザ光源
１２１ Ｓｉプラットフォーム
１２２ ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器
１２３ λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ
１２４ リング光導波路
１２４ａ リング光導波路の直線光導波路に隣接する部分
１２４ｂ リング光導波路の折り返し光導波路部を有する光導波路に隣接する部分
１２５ 直線光導波路
１２５ａ 直線光導波路のリング光導波路に隣接する部分
１２５ｂ スポットサイズ変換器
１２６ 折り返し光導波路部を有する光導波路
１２６ａ 折り返し光導波路部
１２６ｂ 折り返し光導波路部を有する光導波路のリング光導波路に隣接する部分
１２７Ａ，１２７Ｂ 反射防止膜
１２８ 共振光周波数調整用ヒータ
１２９Ａ，１２９Ｂ レンズ
１３０ 光アイソレータ
１３１ 光ファイバ
１４０ モノリシック集積型の半導体レーザ光源
１４１ λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ
１４２ 第１の半導体直線光導波路
１４２ａ 第１の半導体直線光導波路の半導体リング光導波路に隣接する部分
１４３ 半導体リング光導波路
１４３ａ 半導体リング光導波路の第１の半導体直線光導波路に隣接する部分
１４３ｂ 半導体リング光導波路の第２の半導体直線光導波路に隣接する部分
１４４ 第２の半導体直線光導波路
１４４ａ 第２の半導体直線光導波路の半導体リング光導波路に隣接する部分
１４５ 高結合回折格子導波路
１４６ 半導体リング共振器
１４７ 共振光周波数調整用ヒータ
１４８Ａ，１４８Ｂ 反射防止膜
１４９Ａ，１４９Ｂ レンズ
１５０ 光アイソレータ
１５１ 光ファイバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は光通信分野や光計測分野などに用いられる狭スペクトル線幅の半導体レーザ光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信システムの大容量化、長距離化に向けて、光の位相を用いたデジタルコヒーレント光通信システムの研究開発が盛んに行われている。本システムでは、光の位相揺らぎを小さくする必要があり、位相揺らぎが小さく、スペクトル線幅の狭い、狭スペクトル線幅光源が必要不可欠である。
【０００３】
かかる狭線幅光源としては、従来、ファイバレーザ光源や外部共振器構成の半導体レーザ光源が用いられている。
【０００４】
ファイバレーザ光源では、A. Suzukiらによる、IEEE Photonics Technology Letters, vol. 19, no. 19, pp. 1463-1465, 2007（非特許文献１）の報告にあるように、図６に示すような構成、偏波保持ファイバー０３を用いた共振器をリング状に配置し、その一部に偏波保持型λ／４シフト回折格子を有するＥｒ3+ドープファイバＤＦＢレーザ０１を配備し、１４８０ｎｍの励起光源０２により励起することで特定の波長を選択的に発振できる構成とし、そのリング状の共振器長を長くすることでスペクトル線幅の狭い光（出力光０８）を発振することができる。なお、図６において０２は励起用１４８０ｎｍ半導体レーザ、０４は偏波保持ＷＤＭカプラ、０５は偏波保持カプラ、０６Ａ，０６Ｂは偏波保持光アイソレータ、０７は光バンドパスフィルタである。
【０００５】
外部共振器構成の半導体レーザ光源においては、光増幅媒体として半導体を用いており、外部共振器としては、J. O. Binderらによる、IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 26, no. 7, pp. 1191-1199, 1990（非特許文献２）の報告にあるように、図７に示すようなバルク回折格子ミラー１０を外部鏡として用いたものや、F. N. Timofeevらによる、IEE Electronics Letters, vol. 35, no.20, pp. 1737-1739, 1999 （非特許文献３）の報告にあるように、図８に示すようなファイバブラッグ回折格子１５を外部鏡として用いたものや、G. D. Maxwellらによる、IEE Electronics Letters, vol. 30, no. 18, pp. 1486-1487, 1994 (非特許文献４)の報告にあるように、図９に示すような導波路型回折格子１９を外部鏡として用いたものが実現されている。なお、図７において１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃはレンズ、１２は半導体利得媒体、１３は光アイソレータ、１４は光ファイバ、図８において１６は半導体利得媒体、１７は光アイソレータ、１８は光ファイバ、図９において２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃはレンズ、２１は半導体利得媒体、２２は光アイソレータ、２３は光ファイバである。
【０００６】
更に、T. Matsumotoらによる、Technical Digest in Conference on Optical Fiber Communication (OFC), OThQ5, 2010（非特許文献５）の報告にあるように、図１０のような半導体光増幅媒体２４と、外部共振器としての窒素添加シリカ（ＳｉＯＮ）をコアとする光導波路を用いた３段リングフィルタ２５とを、Ｓｉプラットフォーム２６上にハイブリッド集積したレーザ光源も実現されている。本構成では、半導体光増幅媒体２４は波長選択機能を持たず、発振光の単一モード化のために複数段構成のリング共振器（３段リングフィルタ２５）を用いる必要がある。なお、図１０において２７Ａ，２７Ｂはレンズ、２８は光アイソレータ、２９は光ファイバである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】IEEE Photonics Technology Letters, vol. 19, no. 19, pp. 1463-1465, 2007 “An Ultralow Noise and Narrow Linewidth λ/4-Shifted DFB Er-Doped Fiber Laser With a Ring Cavity Configuration” A. Suzuki. 他
【非特許文献２】IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 26, no. 7, pp. 1191-1199, 1990 “Intermodal Tuning Characteristics of an InGaAsP Laser with Optical Feedback from an External-Graing Reflector” J. O. Binder. 他
【非特許文献３】IEE Electronics Letters, vol. 35, no.20, pp. 1737-1739, 1999 “10Gbit/s directly modulated, high temperature-stability external fibre grating laser for dense WDM networks” F. N. Timofeev. 他
【非特許文献４】IEE Electronics Letters, vol. 30, no. 18, pp. 1486-1487, 1994 “Demonstration of a semiconductor external cavity laser using a UV written grating in a planar silica wavegude” G. D. Maxwell. 他
【非特許文献５】Technical Digest in Conference on Optical Fiber Communication (OFC), OThQ5, 2010 “Narrow Spectral Linewidth Full Band Tunable Laser Based on Waveguide Ring Resonators with Low Power Consumption” T. Matsumoto. 他
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上述したレーザ光源は外部共振器の波長選択特性を用いてスペクトル線幅を低減しており、波長選択特性を向上するために大きな外部共振器を用いているため、大型の光源になっていた。このため、狭スペクトル線幅を有するコンパクトなレーザ光源の実現が必要となっていた。
【０００９】
従って本発明は上記の事情に鑑み、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する第１発明の半導体レーザ光源は、光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子を導入した分布帰還型半導体レーザと、前記分布帰還型半導体レーザの外部に設けた波長選択性を有する外部共振器とを備えて、共振器長を延伸し、且つ、前記外部共振器からの戻り光が前記分布帰還型半導体レーザへ負帰還する構成としたことを特徴とする。
【００１１】
また、第２発明の半導体レーザ光源は、第１発明の半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザとして、共振器中央で位相がπだけ変化した回折格子を具備したλ／４シフト回折格子分布帰還型半導体レーザを用いたことを特徴とする。
【００１２】
また、第３発明の半導体レーザ光源は、第１発明又は第２発明の半導体レーザ光源において、
前記外部共振器として、光導波路により構成されたリング共振器を用いたことを特徴とする。
【００１３】
また、第４発明の半導体レーザ光源は、第３発明の半導体レーザ光源において、
前記リング共振器が、リング光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、前記分布帰還型半導体レーザに結合している直線光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、導波光を反射するための折り返し光導波路部を有する光導波路と、前記リング光導波路に形成された共振光周波数調整用のヒータとを備えた構成であることを特徴とする。
【００１４】
また、第５発明の半導体レーザ光源は、第３発明の半導体レーザ光源において、
前記リング共振器が、リング光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、前記分布帰還型半導体レーザに結合している第１の直線光導波路と、前記リング光導波路に隣接している第２の直線光導波路と、前記第２の直線光導波路の端に形成された高結合回折格子導波路と、前記リング光導波路に形成された共振光周波数調整用のヒータとを備えた構成であることを特徴とする。
【００１５】
また、第６発明の半導体レーザ光源は、第１発明〜第５発明の何れか１つの半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザと、前記外部共振器とがレンズにより結合していることを特徴とする。
【００１６】
また、第７発明の半導体レーザ光源は、第１発明〜第５発明の何れか１つの半導体レーザ光源において、
前記外部共振器がシリコン基板上に形成され、この同一シリコン基板上に前記分布帰還型半導体レーザがハイブリッド集積されていることを特徴とする。
【００１７】
また、第８発明の半導体レーザ光源は、第１発明〜第５発明の何れか１つの半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザと前記外部共振器とが、同一のInP基板上にモノリシック集積されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の半導体レーザ光源によれば、光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子を導入した分布帰還型半導体レーザと、前記分布帰還型半導体レーザの外部に設けた波長選択性を有する外部共振器とを備えて、共振器長を延伸し、前記外部共振器からの戻り光が前記分布帰還型半導体レーザへ負帰還する構成としたことを特徴としているため、共振器長延伸（増大）によるスペクトル線幅低減効果と、外部共振器から分布帰還型半導体レーザへの戻り光による負帰還効果とが同時に得られる。このため、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ光源の構造図である。
【図２】リング共振器の反射特性を示す図である。
【図３】光負帰還の原理図である。
【図４】本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ光源の構造図である。
【図５】本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ光源の構造図である。
【図６】従来のファイバレーザ光源の構成例を示す図である。
【図７】従来のバルク回折格子を用いた外部共振器レーザ光源の構成例を示す図である。
【図８】従来のファイバブラッグ回折格子を用いた外部共振器レーザ光源の構成例を示す図である。
【図９】従来の導波路型回折格子を用いた外部共振器レーザ光源の構成例を示す図である。
【図１０】従来のリングフィルタを用いた外部共振器レーザ光源の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
＜第１の実施例＞
図１〜図３に基づき、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ光源について説明する。
【００２２】
図１に示すように、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ光源１００は、素子共振器の中央に位相シフト領域１０１ａを有する（共振器中央で位相がπだけ変化した）λ／４シフト回折格子１０１を配した分布帰還型（Distributed FeedBack，DFB）レーザ１０２と、Ｓｉ基板上に作製されたＳｉＯＮをコアとする光導波路リング共振器１０３とを、レンズ１０４Ａで結合した構成となっている。
【００２３】
ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３は、リング光導波路１０５と、リング光導波路１０５に隣接し、ＤＦＢレーザ１０２にレンズ１０４Ａで結合している直線光導波路１０６と、リング光導波路１０５に隣接し、導波光を反射するための折り返し光導波路部１０７ａを有する光導波路１０７とから構成されている。直線光導波路１０６とリング光導波路１０５の隣接する部分１０６ａ，１０５ａは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。また、光導波路１０７とリング光導波路１０５の隣接する部分１０７ｂ，１０５ｂは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。
【００２４】
ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の両端面には、導波光の反射を防ぐために反射防止膜１０８Ａ，１０８Ｂを形成した。また、リング光導波路１０５上には、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の共振光周波数を調整するためのヒータ１０９が形成した。λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の共振器長は５００μｍ、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の大きさは、横３ｍｍ×縦３ｍｍであった。
【００２５】
ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の製造工程１〜６を、以下に記述する。
１．Ｓｉ基板上にプラズマ化学気相成長法により、ＳｉＯＮ／ＳｉＯ2層を堆積する。
２．フォトリソグラフィーにより、光導波路構造を基板上に描画する。
３．反応性イオンエッチングにより、光導波路１０５，１０６，１０７を形成する。
４．薄膜電極をリング光導波路１０５上に蒸着し、共振光周波数調整用ヒータ１０９を形成する。
５．素子（リング共振器１０３）を切り出し、この素子の端面を光学研磨する。
６．この素子の端面に反射防止膜１０８Ａ，１０８Ｂを蒸着する。
【００２６】
なお、作製した半導体レーザ光源１００の光出力は、ＤＦＢレーザ１０２側から順に配列したレンズ１０４Ｂ、光アイソレータ１１０、レンズ１０４Ｃ及び光ファイバ１１１を用いて取り出した。
【００２７】
ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の反射光強度の入力光周波数依存性を、図２に示す。この図２から、等間隔の光周波数で反射光強度が強くなることがわかる。リング光導波路１０５の長さをＬ、入力光の光周波数をｆとすると、反射光強度が強くなる光周波数は、以下の（１）式の関係を満たす。
【数１】
ここに、ｍは正の整数、ｃは光速、ｎはリング光導波路１０５の有効屈折率を表す。
【００２８】
λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の発振光周波数を、（１）式を満たすように設定することで、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３からの戻り光（反射光）がλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２へ帰還して、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３が外部共振器動作を行うこととなり、共振器長延伸（増大）効果によりスペクトル線幅が低減される。
【００２９】
更に、図３はＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１０３の１つの共振ピークを拡大した図であるが、この図３に示すようにλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の発振光周波数を、共振周波数のピークよりわずかに低周波側に設定することで、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の発振光の光周波数揺らぎが、光強度揺らぎ（反射光量変動）に変換されて、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０３へ帰還される。λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の発振光周波数が高周波数側へシフトした時を考えると、戻り光（反射光）強度が増加するので、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の共振器内のキャリア密度が低下し、発振光周波数は低周波数側へシフトする。つまり周波数ノイズを打ち消すように動作し、光負帰還動作を行うことがわかる。
【００３０】
本原理を用いた半導体レーザ光源１００で、リング共振器１０３の共振周波数をヒータ１０９により調整し、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０２の出力光周波数とリング共振特性との関係を図３に示すように調整することで、５０ｋＨｚ以下のスペクトル線幅が確認できた。
【００３１】
以上説明したように、本第１の実施例の半導体レーザ光源１００によれば、光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子１０１を導入したＤＦＢレーザ１０２と、このＤＦＢレーザ１０２の外部に設けた波長選択性を有する外部共振器としてのリング共振器１０３とを備えて、ＤＦＢレーザ１０２の共振器長を延伸し、リング共振器１０３からの戻り光がＤＦＢレーザ１０２へ負帰還する構成としたことを特徴としているため、ＤＦＢレーザ１０２の共振器長延伸（増大）によるスペクトル線幅低減効果と、リング共振器１０３からＤＦＢレーザ１０２への戻り光による負帰還効果（光負帰還動作）とが同時に得られる。このため、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源１００を実現することができた。
【００３２】
＜第２の実施例＞
図４に基づき、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ光源について説明する。
【００３３】
図４に示すように、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ光源１２０は、Ｓｉプラットフォーム１２１を有するＳｉ基板上に作製されたＳｉＯＮをコアとする光導波路リング共振器１２２を用い、そのＳｉ基板のＳｉプラットフォーム１２１上に、素子共振器の中央に位相シフト領域を有する（共振器中央で位相がπだけ変化した）λ／４シフト回折格子を配した分布帰還型（Distributed FeedBack, DFB）レーザ１２３を実装することで、光導波路リング共振器１２２とＤＦＢレーザ１２３とを同一のＳｉ基板上にハイブリッド集積した構成の半導体レーザ光源を実現している。
【００３４】
ＤＦＢレーザ１２３は上記第１の実施例（図１）のＤＦＢレーザ１０１と同様の構成のものである。
また、リング光導波路１２１は上記第１の実施例（図１）のリング共振器１０３と同様の構成のものである。即ち、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１２３は、リング光導波路１２４と、リング光導波路１２４に隣接し、ＤＦＢレーザ１２３に結合している直線光導波路１２５と、リング光導波路１２４に隣接し、導波光を反射するための折り返し光導波路部１２６ａを有する光導波路１２６とから構成されている。直線光導波路１２５とリング光導波路１２４の隣接する部分１２５ａ，１２４ａは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。また、光導波路１２６とリング光導波路１２４の隣接する部分１２６ｂ，１２４ｂは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１２２の両端面には、導波光の反射を防ぐために反射防止膜１２７Ａ，１２７Ｂを形成した。また、リング光導波路１２４上には、ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器１２２の共振光周波数を調整するためのヒータ１２８を形成した。
【００３５】
リング共振器１２２は、上記第１の実施例で示したリング共振器１０３の製造工程と同様の製造工程で作製した。
但し、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３をマウントするためのＳｉプラットフォーム１２１を形成するために、リング共振器１２２の光入力端から５００μｍの領域のＳｉＯＮ／ＳｉＯ2膜を除去し、Ｓｉ基板のＳｉを露出させた。リング共振器１２２の入力光導波路１２５は、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザとの結合を容易にするように光結合部にスポットサイズ変換器１２５ｂを具備した構造となっている。スポットサイズ変換器１２５ｂは光導波路１２５の幅を徐々に減少していくことで伝搬光の閉じ込めを小さくし、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３からの出力光を効率的に結合できるよう設計した。ここでは光導波路１２５のλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３との結合端から５００μｍ離れた部分から前記結合端に向けて、光導波路１２５の幅を３μｍから０μｍへ徐々に減少することで、スポットサイズ変換器１２５ｂを作製した。これにより、パッシブアライメントでλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３とリング共振器１２２が容易に結合できる構成とした。
【００３６】
λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３はパッシブアラインメント法を用いて実装した。リング共振器１２２の素子サイズは、横３．５ｍｍ×縦３ｍｍであった。なお、作製した半導体レーザ光源１２０の光出力は、ＤＦＢレーザ１２３側から順に配列したレンズ１２９Ａ、光アイソレータ１３０、レンズ１２９Ｂ及び光ファイバ１３１を用いて取り出した。
【００３７】
本第２の実施例の半導体レーザ光源１２０は、上記第１の実施例の半導体レーザ光源１００と同じ動作原理を用いている。本半導体レーザ光源１２０で、リング共振器１２２の共振周波数をヒータ１２８により調整し、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１２３の出力光周波数とリング共振特性との関係を図３に示すように調整することで、２５ｋＨｚ以下のスペクトル線幅が確認できた。
【００３８】
以上説明したように、本第２の実施例の半導体レーザ光源１２０によれば、光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子を導入したＤＦＢレーザ１２３と、このＤＦＢレーザ１２３の外部に設けた波長選択性を有する外部共振器としてのリング共振器１２２とを備えて、ＤＦＢレーザ１２３の共振器長を延伸し、リング共振器１２２からの戻り光がＤＦＢレーザ１２３へ負帰還する構成としたことを特徴としているため、ＤＦＢレーザ１２３の共振器長延伸（増大）によるスペクトル線幅低減効果と、リング共振器１２２からＤＦＢレーザ１２３への戻り光による負帰還効果（光負帰還動作）とが同時に得られる。このため、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源１２０を実現することができた。
【００３９】
＜第３の実施例＞
図５に基づき、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ光源について説明する。
【００４０】
図５に示すように、本発明の第３の実施例に係る半導体レーザ光源１４０は、素子共振器の中央に位相シフト領域を有する（共振器中央で位相がπだけ変化した）λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１と、このλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１にバットジョイントされた第１の半導体直線光導波路１４２、半導体リング光導波路１４３、第２の半導体直線光導波路１４４、及び高結合回折格子導波路１４５を、同一のＩｎＰ基板上にモノリシック集積した構造を有している。
【００４１】
第１の半導体直線光導波路１４２と半導体リング光導波路１４３の隣接する部分１４２ａ，１４３ａは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。また、第１の半導体直線光導波路１４４と半導体リング光導波路１４３の隣接する部分１４４ａ，１４３ｂは、パワー結合比が１：１の方向性結合器を形成し、光学的に結合している。高結合回折格子導波路１４５は、半導体直線光導波路１４４の端に形成されている。つまり、第１の半導体直線光導波路１４２、半導体リング光導波路１４３、第２の半導体直線光導波路１４４及び高結合回折格子導波路１４５により、半導体リング共振器１４６が構成されている。即ち、本第３の実施例の半導体レーザ光源１４０は、同一のＩｎＰ基板上に半導体リング共振器１４６とＤＦＢレーザ１４１をモノリシック集積した構成のものである。
【００４２】
半導体リング光導波路１４３上には、等価的な光の伝搬長を制御し、半導体リング共振器１４３の共振光周波数を調整するためのヒータ１４７が形成されている。半導体レーザ光源１４０の両端面には、導波光の反射を防ぐために反射防止膜１４８Ａ，１４８Ｂを形成した。
【００４３】
λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１の光出力は、ＤＦＢレーザ１４１にバットジョイントされた半導体直線光導波路１４６により伝搬し、半導体直線光導波路１４６に結合している半導体リング光導波路１４３へ入力される。このとき、半導体リング光導波路１４３で定在波の立つ光周波数を有する光のみが（１）式の条件を満たして周回し、半導体直線光導波路１４４へ結合して高結合回折格子導波路１４５へ導かれる。高結合回折格子１４５は、そのブラッグ波長をλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１のブラッグ波長と一致させており、結合係数を１００ｃｍ-1としている。これにより、高結合回折格子導波路１４５は、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１の発振波長に対して±２ｎｍの波長領域で１００％近い反射率を有する反射鏡として動作する。高結合回折格子導波路１４５へ到達した光は当該領域で反射され、再び半導体直線光導波路１４４、半導体リング光導波路１４３、半導体直線光導波路１４２を経由して、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１へ帰還される。
【００４４】
半導体レーザ光源１４０の製造工程１〜１５を、以下に記述する。
１．ｎ-ＩｎＰ基板上にｎ-ＩｎＰバッファー層及びｎ-ＩｎＰクラッド層を、有機金属化学気相蒸着法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD）を用いて成長させる。
２．次に、１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ分離閉込（Separate Confinement Heterostructure, SCH）層（厚さ５ｎｍ）を成長させ、その上に１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ障壁層（厚さ１０ｎｍ）及びＩｎＧａＡｓ井戸層（厚さ５ｎｍ）を順次成長させる。障壁層は７層、井戸層は６層とした。
３．更に、１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層（厚さ５ｎｍ）、１．１μｍ組成ｐ-ＩｎＧａＡｓＰ回折格子形成層（厚さ１００ｎｍ）、ｐ-ＩｎＰクラッド層（厚さ２０ｎｍ）を成長する。上記工程２及び本工程３でλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１０１部の活性層を形成する。
４．ｎ-ＩｎＰ基板を成長装置から取り出し、電子ビーム描画装置でλ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ部１４１の５００μｍの範囲に周期１９７ｎｍで、中央に回折格子位相をπだけ変化させたλ／４シフト回折格子のパターンを描画し、ドライエッチングにより回折格子を形成する。
５．再度、結晶成長装置へｎ-ＩｎＰ基板を戻し、ｐ-ＩｎＰクラッド層（厚さ５００ｎｍ）、１．３μｍ組成ｐ-ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層（厚さ５０ｎｍ）を、順次成長する。
【００４５】
６．λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１部をＳｉＯ2膜でカバーし、それ以外の領域の１．２μｍ組成下部ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層までの結晶をエッチングで除去する。
７．再度、結晶成長装置へｎ-ＩｎＰ基板を戻し、結晶を除去した部分へ、１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層（厚さ５ｎｍ）、１．３ｍｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ光導波層（厚さ１００ｎｍ）、１．２μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ ＳＣＨ層（厚さ５ｎｍ）、１．１μｍ組成ｐ-ＩｎＧａＡｓＰ層（厚さ１００ｎｍ）、ｐ-ＩｎＰクラッド層（厚さ２０ｎｍ）を、順次バットジョイント成長させる。
８．ｎ-ＩｎＰ基板を結晶成長装置から取り出し、高結合回折格子導波路１４５以外の領域をＳｉＯ2膜でカバーし、当該領域に周期１９７ｎｍで深さ５０ｎｍの回折格子を形成する。
９．ＳｉＯ2膜を除去して、再度、結晶成長装置へｎ-ＩｎＰ基板を戻し、ｐ-ＩｎＰクラッド層（厚さ５００ｎｍ）、１．３μｍ組成ｐ-ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層（厚さ５０ｎｍ）を、順次成長する。
１０．λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１、半導体光導波路１４２，１４３，１４４、及び高結合回折格子導波路１４５の素子ストライプ構造を電子ビーム描画装置で描画し、ドライエッチングによりメサストライプを形成する。
【００４６】
１１．λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１のエッチングにより除去した領域に、電流狭窄用埋込層として、半絶縁（Semi-insulating, SI）ＩｎＰを成長し、埋め込み構造を有する素子を形成する。
１２．λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１と半導体直線光導波路１４２の間のバットジョイント部分に素子分離溝を形成することで素子分離を行う。
１３．λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１部に電流注入用ｐ-電極を形成し、半導体リング光導波路１４３上に共振光周波数調整用ヒータ１４７を形成する。
１４．ｎ-ＩｎＰ基板側に素子のｎ-電極を形成する。
１５．チップ（素子）を劈開により取り出し、この素子の両端面に反射防止膜１４８Ａ，１４８Ｂを形成する。
【００４７】
なお、作製した半導体レーザ光源１４０の光出力は、ＤＦＢレーザ１０１側から順に配列したレンズ１４９Ａ、光アイソレータ１５０，レンズ１４９Ｂ及び光ファイバ１５１を用いて取り出した。
【００４８】
本第３の実施例の半導体レーザ光源１４０は、上記第１の実施例の半導体レーザ光源１００と同じ動作原理を用いている。本半導体レーザ光源１４０で、半導体直線光導波路１４２、半導体リング光導波路１４３、半導体直線光導波路１４４及び高結合回折格子導波路１４５により構成された半導体リング共振器１４６の共振周波数をヒータ１４７により調整し、λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ１４１の出力光周波数とリング共振特性との関係を図３に示すように調整することで、２５ｋＨｚ以下のスペクトル線幅が確認できた。
【００４９】
以上説明したように、本第３の実施例の半導体レーザ光源１４０によれば、光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子を導入したＤＦＢレーザ１４１と、このＤＦＢレーザ１４１の外部に設けた波長選択性を有する外部共振器としてのリング共振器１４６とを備えて、ＤＦＢレーザ１４１の共振器長を延伸し、リング共振器１４６からの戻り光がＤＦＢレーザ１４１へ負帰還する構成としたことを特徴としているため、ＤＦＢレーザ１４６の共振器長延伸（増大）によるスペクトル線幅低減効果と、リング共振器１４６からＤＦＢレーザ１４１への戻り光による負帰還効果（光負帰還動作）とが同時に得られる。このため、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源１４０を実現することができた。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は光通信分野や光計測分野などに用いられる狭スペクトル線幅の半導体レーザ光源に関するものであり、狭スペクトル線幅を有し、且つ、コンパクトな半導体レーザ光源を実現する場合に適用して有用なものである。
【符号の説明】
【００５１】
１００ 半導体レーザ光源
１０１ λ／４シフト回折格子
１０１ａ 位相シフト領域
１０２ λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ
１０３ ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器
１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ レンズ
１０５ リング光導波路
１０５ａ リング光導波路の直線光導波路に隣接する部分
１０５ｂ リング光導波路の折り返し光導波路部を有する光導波路に隣接する部分
１０６ 直線光導波路
１０６ａ 直線光導波路のリング光導波路に隣接する部分
１０７ 折り返し光導波路部を有する光導波路
１０７ａ 折り返し光導波路部
１０７ｂ 折り返し光導波路部を有する光導波路のリング光導波路に隣接する部分
１０８Ａ，１０８Ｂ 反射防止膜
１０９ 共振光周波数調整用ヒータ
１１０ 光アイソレータ
１１１ 光ファイバ
１２０ ハイブリッド集積型の半導体レーザ光源
１２１ Ｓｉプラットフォーム
１２２ ＳｉＯＮコア光導波路リング共振器
１２３ λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ
１２４ リング光導波路
１２４ａ リング光導波路の直線光導波路に隣接する部分
１２４ｂ リング光導波路の折り返し光導波路部を有する光導波路に隣接する部分
１２５ 直線光導波路
１２５ａ 直線光導波路のリング光導波路に隣接する部分
１２５ｂ スポットサイズ変換器
１２６ 折り返し光導波路部を有する光導波路
１２６ａ 折り返し光導波路部
１２６ｂ 折り返し光導波路部を有する光導波路のリング光導波路に隣接する部分
１２７Ａ，１２７Ｂ 反射防止膜
１２８ 共振光周波数調整用ヒータ
１２９Ａ，１２９Ｂ レンズ
１３０ 光アイソレータ
１３１ 光ファイバ
１４０ モノリシック集積型の半導体レーザ光源
１４１ λ／４シフト回折格子ＤＦＢレーザ
１４２ 第１の半導体直線光導波路
１４２ａ 第１の半導体直線光導波路の半導体リング光導波路に隣接する部分
１４３ 半導体リング光導波路
１４３ａ 半導体リング光導波路の第１の半導体直線光導波路に隣接する部分
１４３ｂ 半導体リング光導波路の第２の半導体直線光導波路に隣接する部分
１４４ 第２の半導体直線光導波路
１４４ａ 第２の半導体直線光導波路の半導体リング光導波路に隣接する部分
１４５ 高結合回折格子導波路
１４６ 半導体リング共振器
１４７ 共振光周波数調整用ヒータ
１４８Ａ，１４８Ｂ 反射防止膜
１４９Ａ，１４９Ｂ レンズ
１５０ 光アイソレータ
１５１ 光ファイバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子を導入した分布帰還型半導体レーザと、前記分布帰還型半導体レーザの外部に設けた波長選択性を有する外部共振器とを備えて、共振器長を延伸し、且つ、前記外部共振器からの戻り光が前記分布帰還型半導体レーザへ負帰還する構成としたことを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザとして、共振器中央で位相がπだけ変化した回折格子を具備したλ／４シフト回折格子分布帰還型半導体レーザを用いたことを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体レーザ光源において、
前記外部共振器として、光導波路により構成されたリング共振器を用いたことを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体レーザ光源において、
前記リング共振器が、リング光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、前記分布帰還型半導体レーザに結合している直線光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、導波光を反射するための折り返し光導波路部を有する光導波路と、前記リング光導波路に形成された共振光周波数調整用のヒータとを備えた構成であることを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項５】
請求項３に記載の半導体レーザ光源において、
前記リング共振器が、リング光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、前記分布帰還型半導体レーザに結合している第１の直線光導波路と、前記リング光導波路に隣接している第２の直線光導波路と、前記第２の直線光導波路の端に形成された高結合回折格子導波路と、前記リング光導波路に形成された共振光周波数調整用のヒータとを備えた構成であることを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザと、前記外部共振器とがレンズにより結合していることを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項７】
請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ光源において、
前記外部共振器がシリコン基板上に形成され、この同一シリコン基板上に前記分布帰還型半導体レーザがハイブリッド集積されていることを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項８】
請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザと前記外部共振器とが、同一のＩｎＰ基板上にモノリシック集積されていることを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項１】
光増幅作用を有する半導体光増幅媒体中に波長選択性を有する回折格子を導入した分布帰還型半導体レーザと、前記分布帰還型半導体レーザの外部に設けた波長選択性を有する外部共振器とを備えて、共振器長を延伸し、且つ、前記外部共振器からの戻り光が前記分布帰還型半導体レーザへ負帰還する構成としたことを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザとして、共振器中央で位相がπだけ変化した回折格子を具備したλ／４シフト回折格子分布帰還型半導体レーザを用いたことを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体レーザ光源において、
前記外部共振器として、光導波路により構成されたリング共振器を用いたことを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項４】
請求項３に記載の半導体レーザ光源において、
前記リング共振器が、リング光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、前記分布帰還型半導体レーザに結合している直線光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、導波光を反射するための折り返し光導波路部を有する光導波路と、前記リング光導波路に形成された共振光周波数調整用のヒータとを備えた構成であることを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項５】
請求項３に記載の半導体レーザ光源において、
前記リング共振器が、リング光導波路と、前記リング光導波路に隣接し、前記分布帰還型半導体レーザに結合している第１の直線光導波路と、前記リング光導波路に隣接している第２の直線光導波路と、前記第２の直線光導波路の端に形成された高結合回折格子導波路と、前記リング光導波路に形成された共振光周波数調整用のヒータとを備えた構成であることを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザと、前記外部共振器とがレンズにより結合していることを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項７】
請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ光源において、
前記外部共振器がシリコン基板上に形成され、この同一シリコン基板上に前記分布帰還型半導体レーザがハイブリッド集積されていることを特徴とする半導体レーザ光源。
【請求項８】
請求項１〜５の何れか１項に記載の半導体レーザ光源において、
前記分布帰還型半導体レーザと前記外部共振器とが、同一のＩｎＰ基板上にモノリシック集積されていることを特徴とする半導体レーザ光源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−２５６６６７（Ｐ２０１２−２５６６６７Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２７９９０（Ｐ２０１１−１２７９９０）
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（５０４１５７０２４）国立大学法人東北大学 (2,297)
【Ｆターム（参考）】
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