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zoom RSS 単一縦モードレーザ

<<   作成日時 : 2008/03/02 19:04   >>

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 ファブリ−ペロー型、つまり2枚の反射鏡で挟まれた光共振器を使ったタイプの半導体レーザは縦モードが多モードになりやすく、とくに電流をオン、オフするとほとんど多モード発振になってしまいます。べつにそれでも構わない使用目的なら気にしなくてよいのですが、光通信などの目的ではわずかでも波長が変化しては困ります。
 そこで前回説明した回折格子を反射鏡の代わりに使うという考えが出てきました。まず分かりやすいのは、活性層の両端の反射鏡をそのまま回折格子に置き換える構造です。ただ回折格子の場合、反射鏡があった面に凹凸を作り、その面に垂直に光を当てても回折の効果は出ません。画像
 そこで活性層の導波路の延長の導波路面に凹凸を作ることが考えられました。この場合は回折格子の真横から光が入射しますが、この光を反射して元へ戻すことができます。このタイプの半導体レーザは図Aのような構造となります。この構造のレーザに関するもっとも早い特許出願は1973年出願の特開昭49-128689号と思われますが、図面がわかりにくいので、少し後の出願(特開昭56-148880)の図面を参考にしています。
 図で活性層は4で、そのすぐ下に光導波層3があり、活性層4と光導波層3の両側にクラッド層2と5があります。中央部にはストライプ状に不純物が拡散されて電極50と51に電源をつなぐとこのストライプ状の部分11に電流が流れて発光が起こります。光導波層の両端の表面には回折格子31、41が設けられているので、活性層で発光した光は光導波層を伝搬し、この回折格子で一部が反射され電流注入部に戻り増幅されることになります。前節で説明したように回折格子から決められた方向に反射するのは一定の波長の光だけですから、レーザ光の波長は一定になります。
 このようなレーザを分布反射型レーザと呼びます。反射鏡のようにある面で反射されるのでなく、回折格子の全体にわたって反射が起きるので「分布」という言葉がついています。
 このレーザは別名DBRレーザとも呼ばれます。これは”Distributed Bragg Reflector”の略で、直訳すれば「分布ブラッグ反射」となります。上記特許のなかにもブラッグ反射型という言葉が見えます。「ブラッグ」は人名でブラッグの法則で知られています。この法則は結晶に光(X線)を当てたときの回折角に関するもので、これは回折格子の場合にも
当てはまるため、回折格子による反射をブラッグ反射と呼んでいます。日本語ではあえて「ブラッグ」を入れずに分布反射型と呼ぶのが標準的です。
 もう一つ別のタイプの単一縦モードレーザがあります。DBRレーザは電流を注入し発光を起こさせる部分と回折格子による反射を起こさせる部分が別々でした。これに対し、図B(特開昭50-2884号より)のように電流を注入する活性層の部分全体に回折格子を設けたタイプがあります。活性層3の表面に回折格子が設けられています。原理的にはこれでよいのですが、活性層の表面を加工することはその部分に欠陥がはいりやすくレーザの特性に悪影響を及ぼすことも多いので、実用的なDFBレーザでは活性層の隣に光導波層(ガイド層)を設け、その活性層とは反対側の表面に回折格子を設けるといった構造になっているものが多いと思います。
 またこの例では上のDBRレーザとはちがって活性層を含む導波路部分をリッジ状に加工しています。この違いは本質的なものでなく、この場合もストライプ状に不純物を拡散した構造にしてもよいですし、上のDBRレーザの方をリッジ状に加工したものにしても構いません。
 DFBレーザの動作原理は直感的にはわかりにくいかもしれませんが、活性層内で発生した光のうち決められた波長の光だけがつねに回折格子の作用を受け、反射されて行ったり来たりすると考えればよいでしょう。このため、一定の波長の光だけが活性層内に長く留まり増幅されることになります。両端での反射はなくてもレーザ発振が起き、しかもその波長は一定になります。
 このようなレーザを分布帰還型(DFB型)と呼びます。DFBは”Distributed Feedback”の略です。フィードバックは電子回路などで帰還という意味に使いますが、ここでは光を戻してやるという意味です。
 単一縦モードのレーザとして現状ではDBRレーザよりDFBレーザの方がよく使われています。DBRレーザは利得のない領域に回折格子を設けるためどうしてもその部分での損失が気になります。また回折格子を部分的に作るのも工程としては複雑になるので、そのようなことも原因していると思います。しかしDBR型は意外なところで活躍しています。これについては次回以降に。

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