CN102637997A - 波长可调半导体激光元件及其控制装置、控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种防止波长漂移的波长可调半导体激光元件及其控制装置、控制方法。就具有振荡激光的活性区域、和移位振荡的激光的波长的波长可调区域的波长可调半导体激光元件而言，相邻于波长可调区域，设置将投入的功率的大部分变换为热的热补偿区域，使投入波长可调区域的功率与投入热补偿区域的功率之和始终恒定。

Description

波长可调半导体激光元件及其控制装置、控制方法
本申请是2008年3月7日递交的题为“波长可调半导体激光元件及其控制装置、控制方法”的申请No.200880006573.8的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用作波长可调光源的波长可调半导体激光元件及其控制装置、控制方法。
背景技术
分布反射型激光器(后面称为DBR激光器。DBR：Distributed BraggReflector)通过向构成分布反射器的DBR区域或相位调整区域注入电流，用作高速波长可调激光器(非专利文献1)。若向DBR区域或相位调整区域注入电流，则由于等离子体效应，波导路径核心层的折射率减少，可将振荡波长移位到短波长侧。基于等离子体效应的波长调谐的响应速度非常高，原理上为10-9秒级。但是，随着电流注入，由于半导体元件具有的电阻部分产生的发热，振荡波长会慢慢变化，振荡波长稳定需要10-3秒左右。10-3秒级的热造成的波长漂移与基于等离子体效应的响应速度相比，非常慢，成为使波长可调速度下降的大问题，为了解决该问题，提议多种方案(专利文献1、2、非专利文献2、3)。
为了解决上述问题，在非专利文献2中，计算使注入元件的电流变化时元件表面的温度上升，但不能直接监视结(junction)电压，另外，还必需调查元件表面的光波导路径与下表面的热沉(heat sink)的热阻，不利于批量生产。
另外，在非专利文献3中，为了防止波长漂移，使用由分光器和延迟光纤构成的装置，执行细微的时间上的控制。实际上，在切出波长稳定的部分后，再分波后，使分波的一方延迟，在最终级合成分支后的光的彼此。为了利用该方法使温度恒定，必需事先求出被称为投入热量、热容量和热阻的排热速度等参数，为了正确控制，必需多做准备。另外，为了构成光源，必需分光器或延迟光纤等装置，不利于成本节约。
另外，在专利文献1中，利用热补偿控制用电极执行热补偿，使用补正系数，确定热补偿区域的电流值。在专利文献1的段落0024中，记载有利用装置来自动确定该补正系数，但为了确定补正系数，必须边使热补偿电流细微变化，边监视静态驱动时和高速波长切换时的激光振荡波长，根据监视到的结果，求出参数，补正系数的确定花费大量的时间。另外，控制用的拟合(fitting)式中不包含1次项或常数项，不能正确拟合。
另外，在专利文献2中也利用热补偿控制用电极执行热补偿，但在专利文献2中，控制要素中不包含波长可调区域与热补偿区域的元件电阻。因此，该热补偿区域需要具有与波长可调区域同等的电阻，因此，热补偿用区域与波长可调区域必须具有相同的形状和相同的电阻。由此，该控制方法仅能对应于特定元件，若元件电阻不同，则存在不能防止波长漂移的问题。另外，就元件制作过程而言，必需高精度、高均匀性和高再现性，产生元件制作过程中合格率低下、成本增加的问题。另外，控制用的拟合式中不包含2次项与常数项，不能正确拟合。
这样，此前提出的方案中存在种种问题，没有能够提出关系实用化的方法。
这里，在示出现有DBR激光器的构成的同时，示出成为问题的热所引起的波长漂移的实测结果。作为现有的DBR激光器，图27中示出简化了活性区域与DBR区域共计两个区域的构造的2-section DBR激光器的顶视图，沿图27的XXVIIIA-XXVIIIA线、XXVIIIB-XXVIIIB线、XXVIIIC-XXVIIIC线的截面图分别示于图28A、图28B和图28C中。
图27、图28A、图28B和图28C所示的现有的DBR激光器由振荡激光的活性区域173和移位激光波长的DBR区域175构成。活性区域173具有在构成下部包层171的基板上形成为直线状的活性层172、和在活性层172的上部形成为凸状的上部包层177。DBR区域175具有形成于下部包层171上的非活性层174、在与活性层172构成同一直线的部分的非活性层174的上面形成的衍射光栅176、和在衍射光栅176上形成为凸状的上部包层177。另外，利用这种构成，活性区域173和DBR区域175的光波导路径由台面构造构成。
另外，现有的DBR激光器去除了上部包层177的上表面，具有活性层172、非活性层174和上部包层177的表面中形成的绝缘膜178，作为电极，具有构成活性区域173的部分的上部包层177的上表面中形成的活性区域电极179a、构成DBR区域175的部分的上部包层177的上表面中形成的DBR区域电极179b、和下部包层171的下表面中形成的下部电极180。另外，在构成DBR区域175的非活性层174的侧端面，形成反射防止膜(后面称为AR膜。)181。
这样，现有的DBR激光器由活性区域173与DBR区域175构成，由活性区域173侧的劈开端面持有的约30％的反射率与DBR区域175的反射构造，形成激光振荡器。另外，通过向活性区域电极179a注入电流，激光振荡，通过向DBR区域电极179b注入电流，进行激光的波长移位。
图29中示出通过切换向现有DBR激光器的DBR区域电极179b注入的电流值、切换波长时的波长(频率)动作。
这里，通过将向DBR区域电极179b注入的电流值每隔4毫秒切换为20mA和53mA，分别交替输出192.75THz和193.15THz的波长。为了明确示出由热引起的波长漂移的状态，图30A和图30B中示出将图29的纵轴扩大到10GHz的情况。图30A中，产生约2GHz的波长漂移，图30B中，产生约6GHz的波长漂移，从电流低的状态切换到高的状态时的图30B与图30A相比，由热引起的波长漂移大。
专利文献1：特许第3168855号公报
专利文献2：特许第3257185号公报
非专利文献1：池上微彦，‘半导体フオトニクスエ学’，コロナ社，1995年1月10日，p.306-311
非专利文献2：NUNZIO P.CAPONIO et al.，“Analysis and DesignCriteria of Three-Section DBR Tunable Lasers，”IEEE JOUNAL ONSELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS，AUGUST 1990，VOL.8，NO.6，pp.1203-1213
非专利文献3：Osamu Ishida et al.，“Fast and Stable FrequencySwitching Employing a Delayed Self-Duplex(DSD)Light Source，”IEEEPHOTONICS THECHNOLOGY LETTERS，JANUARY 1994，VOL.6，NO.1，pp13-16
非专利文献4：石井启之，‘博士论文：关于波长可调半导体激光器的高性能化的研究’，1999年3月，第4章
发明内容
本发明鉴于上述问题，其目的在于提供一种波长可调半导体激光元件及其控制装置、控制方法，当使用等离子体效应执行波长调谐时，防止因附属产生的发热生成的波长漂移。
涉及解决上述问题的第1发明的波长可调半导体激光元件就具有振荡激光的活性区域、和移位振荡的激光波长的波长可调区域的波长可调半导体激光元件而言，其特征在于：
与所述波长可调区域相邻来设置热补偿区域，对所述热补偿区域投入功率，对所述热补偿区域投入的功率与对所述波长可调区域投入的功率之和始终恒定，并且将投入所述热补偿区域的功率的大部分变换为热。
涉及解决上述问题的第2发明的波长可调半导体激光元件就具有振荡激光的活性区域、和移位振荡的激光波长的多个波长可调区域的波长可调半导体激光元件而言，其特征在于：
对应于所述多个波长可调区域每个，相邻于所述多个波长可调区域每个，设置热补偿区域，对所述热补偿区域投入功率，对所述热补偿区域投入的功率与对所述波长可调区域投入的功率之和始终恒定，并且将投入所述热补偿区域的功率的大部分变换为热。
涉及解决上述问题的第3发明的波长可调半导体激光元件就具有振荡激光的活性区域、移位振荡的激光波长的第1波长可调区域、移位振荡的激光波长的第2波长可调区域、和调整激光相位的相位调整区域的波长可调半导体激光元件而言，其特征在于：
相邻所述第1波长可调区域，设置第1热补偿区域，对所述第1热补偿区域投入功率，对所述第1热补偿区域投入的功率与对所述第1波长可调区域投入的功率之和始终恒定，并且将投入所述第1热补偿区域的功率的大部分变换为热，
相邻所述第2波长可调区域，设置第2热补偿区域，对所述第2热补偿区域投入功率，对所述第2热补偿区域投入的功率与对所述第2波长可调区域投入的功率之和始终恒定，并且将投入所述第2热补偿区域的功率的大部分变换为热，
相邻所述相位调整区域，设置第3热补偿区域，对所述第3热补偿区域投入功率，对所述第3热补偿区域投入的功率与对所述相位调整区域投入的功率之和始终恒定，并且将投入所述第3热补偿区域的功率的大部分变换为热。
涉及解决上述问题的第4发明的波长可调半导体激光元件就第1-第3之一发明中记载的波长可调半导体激光元件而言，其特征在于：
在由电阻构成所述热补偿区域的同时，通过向所述电阻注入电流或施加电压，将投入的功率的大部分变换为热。
涉及解决上述问题的第5发明的波长可调半导体激光元件就第1-第3之一发明中记载的波长可调半导体激光元件而言，其特征在于：
在由非活性波导路径构成所述热补偿区域的同时，通过向所述非活性波导路径注入电流或施加电压，将投入的功率的大部分变换为热。
涉及解决上述问题的第6发明的波长可调半导体激光元件就第5发明中记载的波长可调半导体激光元件而言，其特征在于：
将构成所述热补偿区域的非活性波导路径设为台面构造。
涉及解决上述问题的第7发明的波长可调半导体激光元件就第6发明中记载的波长可调半导体激光元件而言，其特征在于：
在所述台面构造的两侧面，形成掺杂钌而绝缘化的半导体绝缘层。
涉及解决上述问题的第8发明的波长可调半导体激光元件就具备多个具有振荡激光的活性区域、和移位振荡的激光波长的波长可调区域的激光器区域的同时、具备与所述多个激光器区域光连接、执行光合波的光合波器的波长可调半导体激光元件而言，其特征在于：
彼此相邻并排配置所述多个激光器区域，
投入所述多个激光器区域的所述波长可调区域的功率之和始终恒定。
涉及解决上述问题的第9发明的波长可调半导体激光元件就第1-第8之一发明中记载的波长可调半导体激光元件而言，其特征在于：
将构成所述活性区域和所述波长可调区域的波导路径设为其它台面构造。
涉及解决上述问题的第10发明的波长可调半导体激光元件就第9发明中记载的波长可调半导体激光元件而言，其特征在于：
在所述其它台面构造的两侧面，形成掺杂钌而绝缘化的半导体绝缘层。
涉及解决上述问题的第11发明的波长可调半导体激光元件就第1-第10之一发明中记载的波长可调半导体激光元件而言，其特征在于：
所述波长可调区域的一部分或全部由形成分布反射型衍射光栅的非活性波导路径构成，或由构成相位调整区域的非活性波导路径构成。
涉及解决上述问题的第12发明的波长可调半导体激光元件的控制方法，就具有振荡激光的活性区域、移位振荡的激光波长的波长可调区域、和相邻所述波长可调区域、将投入的功率的大部分变换为热的热补偿区域之波长可调半导体激光元件的控制方法而言，其特征在于：
当从所述波长可调半导体激光元件振荡激光时，控制对所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流或电压，使投入所述波长可调区域的功率与投入所述热补偿区域的功率之和始终恒定。
涉及解决上述问题的第13发明的波长可调半导体激光元件的控制方法，就具有振荡激光的活性区域、移位振荡的激光波长的波长可调区域、和相邻所述波长可调区域、将投入的功率的大部分变换为热的热补偿区域之波长可调半导体激光元件的控制方法而言，其特征在于：
当从所述波长可调半导体激光元件振荡激光时，
计测所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流-电压特性，
根据所述电流-电压特性，求出所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流-功率特性，
根据所述电流-电压特性、所述电流-功率特性，确定对所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流或电压，进行控制，使投入所述波长可调区域的功率与投入所述热补偿区域的功率之和始终恒定。
涉及解决上述问题的第14发明的波长可调半导体激光元件的控制方法就第13发明中记载的波长可调半导体激光元件的控制方法而言，其特征在于：
当确定对所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流或电压时，
根据在投入所述波长可调区域的功率与投入所述热补偿区域的功率之和始终恒定的条件下，使所述波长可调区域的电流-功率特性与所述热补偿区域的电流-功率特性联立的方程式，确定对所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流或电压。
涉及解决上述问题的第15发明的波长可调半导体激光元件的控制方法就第12-第14之一发明中记载的波长可调半导体激光元件的控制方法而言，其特征在于：
事先求出所述波长可调区域和所述热补偿区域中自然放出光的电流依赖性或电压依赖性，
从投入所述波长可调区域的功率与投入所述热补偿区域的功率之和中，减去所述波长可调区域中因自然放出光损失的功率与所述热补偿区域中因自然放出光损失的功率，
控制对所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流或电压，以使减法运算后的功率始终恒定。
涉及解决上述问题的第16发明的波长可调半导体激光元件的控制装置，就具有振荡激光的活性区域、移位振荡的激光波长的波长可调区域、和与所述波长可调区域相邻、将投入的功率的大部分变换为热的热补偿区域之波长可调半导体激光元件的控制装置而言，其特征在于：
具有控制部，当从所述波长可调半导体激光元件振荡激光时，控制对所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流或电压，使投入所述波长可调区域的功率与投入所述热补偿区域的功率之和始终恒定。
涉及解决上述问题的第17发明的波长可调半导体激光元件的控制装置，就具有振荡激光的活性区域、移位振荡的激光波长的波长可调区域、和相邻所述波长可调区域、将投入的功率的大部分变换为热的热补偿区域之波长可调半导体激光元件的控制装置而言，其特征在于：
具有输入部，向所述活性区域、所述波长可调区域和所述热补偿区域输入电流或电压；
计测部，计测所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流-电压特性；
存储部，存储计测的所述电流-电压特性；
处理部，根据存储的所述电流-电压特性，计算所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流-功率特性，同时，根据所述电流-电压特性和所述电流-功率特性，确定对所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流或电压，使投入所述波长可调区域的功率与投入所述热补偿区域的功率之和始终恒定；和
控制部，进行控制，将确定的所述电流或所述电压输入到所述波长可调区域和所述热补偿区域。
涉及解决上述问题的第18发明的波长可调半导体激光元件的控制装置就第17发明中记载的波长可调半导体激光元件的控制装置而言，其特征在于：
当所述处理部确定对波长可调区域和所述热补偿区域的电流或电压时，
在投入所述波长可调区域的功率与投入所述热补偿区域的功率之和始终恒定的条件下，根据使所述波长可调区域的电流-功率特性与所述热补偿区域的电流-功率特性联立的方程式，确定对所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流或电压。
涉及解决上述问题的第19发明的波长可调半导体激光元件的控制装置就第17或第18发明中记载的波长可调半导体激光元件的控制装置而言，其特征在于：
所述存储部事先存储所述波长可调区域和所述热补偿区域中自然放出光的电流依赖性或电压依赖性，
所述处理部从投入所述波长可调区域的功率与投入所述热补偿区域的功率之和中，减去所述波长可调区域中因自然放出光损失的功率与所述热补偿区域中因自然放出光损失的功率，确定对所述波长可调区域和所述热补偿区域的电流或电压，以使减法运算后的功率始终恒定。
附图说明
图1是表示本发明的波长可调半导体激光元件一例的顶视图。
图2A是沿图1所示波长可调半导体激光元件的IIA-IIA线的截面图。
图2B是沿图1所示波长可调半导体激光元件的IIB-IIB线的截面图。
图2C是沿图1所示波长可调半导体激光元件的IIC-IIC线的截面图。
图3是表示本发明的波长可调半导体激光元件的控制方法一例的流程图。
图4A是表示本发明的波长可调半导体激光元件的DBR区域I-V特性的曲线。
图4B是表示本发明的波长可调半导体激光元件的热补偿区域I-V特性的曲线。
图5A是表示本发明的波长可调半导体激光元件的DBR区域I-P特性的曲线。
图5B是表示本发明的波长可调半导体激光元件的热补偿区域I-P特性的曲线。
图6是本发明的波长可调半导体激光元件中、根据波长可调电流求出热补偿电流用的曲线。
图7是表示本发明的波长可调半导体激光元件中的波长切换动作的曲线。
图8A是图7所示曲线的192.747THz附近的放大图。
图8B是图7所示曲线的193.146THz附近的放大图。
图9A是表示本发明的波长可调半导体激光元件的控制装置一例的示意图。
图9B是本发明的波长可调半导体激光元件的控制装置的框图。
图10是表示图1所示波长可调半导体激光元件的变形例的顶视图。
图11是表示图1所示波长可调半导体激光元件的其它变形例的顶视图。
图12A是表示图11所示波长可调半导体激光元件的热补偿区域I-V特性的曲线。
图12B是表示图11所示波长可调半导体激光元件的热补偿区域I-P特性的曲线。
图13是表示本发明波长可调半导体激光元件另一例的顶视图。
图14A是沿图13所示波长可调半导体激光元件的XIVA-XIVA线的截面图。
图14B是沿XIVB-XIVB线的截面图。
图14C是沿XIVC-XIVC线的截面图。
图15A是表示本发明的波长可调半导体激光元件中波长扫描的动作结果的曲线。
图15B是表示每个信道下与设定频率的偏离量的曲线。
图16是表示现有波长可调半导体激光元件的顶视图。
图17A是沿图16所示现有波长可调半导体激光元件的XVIIA-XVIIA线的截面图。
图17B是沿XVIIB-XVIIB线的截面图。
图17C是沿XVIIC-XVIIC线的截面图。
图18A是表示图17所示现有的波长可调半导体激光元件中波长扫描动作的结果的曲线。
图18B是表示每个信道下与设定频率的偏离量的曲线。
图19是表示本发明的波长可调半导体激光元件的再一例的顶视图。
图20A是沿图19所示波长可调半导体激光元件的XXA-XXA线的截面图。
图20B是沿XXB-XXB线的截面图。
图21是表示本发明的波长可调半导体激光元件的又一例的顶视图。
图22A是沿图21所示现有波长可调半导体激光元件的XXIIA-XXIIA线的截面图。
图22B是沿XXIIB-XXIIB线的截面图。
图22C是沿XXIIC-XXIIC线的截面图。
图23是表示本发明的波长可调半导体激光元件的又一例的顶视图。
图24A是沿图23所示现有波长可调半导体激光元件的XXIVA-XXIVA线的截面图。
图24B是沿XXIVB-XXIVB线的截面图。
图24C是沿XXIVC-XXIVC线的截面图。
图25是表示本发明的波长可调半导体激光元件的又一例的顶视图。
图26A是沿图25所示波长可调半导体激光元件的XXVIA-XXVIA线的截面图。
图26B是沿XXVIB-XXVIB线的截面图。
图27是表示现有波长可调半导体激光元件的顶视图。
图28A是沿图27所示现有波长可调半导体激光元件的XXVIIIA-XXVIIIA线的截面图。
图28B是沿XXVIIIB-XXVIIIB线的截面图。
图28C是沿XXVIIIC-XXVIIIC线的截面图。
图29是表示图27所示现有波长可调半导体激光元件中的波长切换动作的曲线。
图30A是图29所示曲线的192.75THz附近的放大图。
图30B是图29所示曲线的193.15THz附近的放大图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细说明本发明的实施方式。
首先，简单说明以DBR激光器为首的等离子体效应型波长可调半导体激光元件中，向波长可调区域注入电流时如何向波长可调区域分配、削减功率。
若向构成波长可调型半导体激光元件的PIN构造半导体施加正向偏压，则当施加电压超过一定值(称为内置电压)时，电流开始流动。半导体的电阻值与通常的电子电路中使用的电阻的阻值或白炽灯等的灯丝电阻相比，其特性大不相同。半导体的阻值构成正向偏置电流值的函数，对应于正向偏置电流值，时刻变化。
若绘制半导体的电流-电压值，则如后述的图4A所示的曲线。表1示出对应于图4A的电流值10mA、20mA和30mA的电压值，同时，求出各电流值下的电阻值。
[表1]
  电流值(mA)   电压(V)   电阻(Ω)
  10   0.851   85.087
  20   0.925   46.256
  30   0.987   32.813
从表1可知，电流(或电压值)变化，电阻值也变化。因此，因向半导体施加电流而施加的能量必需通过实际驱动状态的电流值I(A：安培)与电压值V(V：伏特)的积P(P＝I×V)来求出。
以某个电流值驱动时的投入功率取实际在该状态下施加的电压值与电流值的积，每次求出即可，或事先测定电压-电流特性，根据其数据利用拟合求出近似式，将电流值或电压值代入其中求出。由该方法求出的功率被实际投入半导体激光元件中，但其能量的一部分因发光再结合(下面称为自然放出)变换为光后，放出到外部，剩余的能量变换为热。
这里应注意的是投入到波长可调区域的功率与对活性区域或半导体光放大器(下面称为SOA。SOA：Semiconductor Optical Amplifier)投入的功率不同，由于不伴随光的感应放出，所以作为光的能量，基本上不放出到外部。虽然一部分会作为光的自然放出而放出到外部，但因自然放出而损失的能量相对投入功率而言非常少(至多为5％左右)，投入功率的大部分变换为热。只要施加正向偏压时半导体不产生不可逆变化(只要不消耗使半导体损伤的能量)，则可肯定地认为基于电的投入能量变换为光或热能量之
因此，由于投入功率的大部分变换为热，所以为了使波长可调区域附近的温度始终恒定，只要使将对其附近的投入功率始终设为恒定即可。另外，若从投入功率中减去自然放出中损失的功率，则剩余的是变换为热的功率，若执行控制，以使变换为热的功率始终恒定，则元件的温度进一步稳定。
并且，这里，说明发生的热与其放出的过程。发生的热经半导体激光元件背面的热沉或元件周围存在的空气，放出到外部，但其排热速度取决于称为热电阻的参数。因此，当半导体激光元件内发生热量产生变化时，热的稳定状态会与其之前的状态发生偏离，实际上元件温度变化。
半导体激光元件容纳于对电极进行布线的金属或塑料的外壳等称为模块的容器中使用，模块内的温度由珀尔贴元件控制为恒定。但是，由于温度测定用的热敏电阻元件设置在半导体激光元件周边的热沉等中，所以不能计测半导体激光元件自身的温度。因此，即便是利用珀尔贴元件执行热控制的模块，半导体激光元件自身也不能避免热引起的波长漂移(非专利文献2)。
另外，即便将完全相同构成的半导体激光元件组装在模块中，也由于基于焊接的粘结部的粘接程度不同，热阻会分别变化。因此，通过计算将热的过渡响应反馈到元件温度的现有方法是不现实的。在本发明中，即便不计算、反馈使用热阻值的热的过渡响应，也由于可防止波长漂移，所以是极实用的方法。
根据本发明，由于将投入波长可调区域的功率与投入热补偿区域的功率之和始终保持恒定，所以波长可调半导体激光元件的温度始终保持恒定，当向波长可调区域注入电流时，可大宽度降低附属产生的元件内的发热量的变化，结果，可大宽度降低以前成为问题的伴随发热量变化的波长漂移。另外，当计算投入波长可调区域和热补偿区域的功率来进行控制时，由于将元件电阻用作控制要素，所以计算或控制不受元件自身的加工上的精度、均匀性和再现性左右，结果，可实现元件制作上的合格率的提高、成本降低。
下面，就本发明的波长可调半导体激光元件及其控制装置、控制方法示出几个实施方式实例，详细说明本发明。
实施例1
<波长可调半导体激光元件>
图1、图2A、图2B和图2C表示本发明波长可调半导体激光元件的实例方式一例，图1中示出其顶视图，图2A中示出沿图1的IIA-IIA线的截面图，图2B中示出沿图1的IIB-IIB线的截面图，图2C中示出沿图1的IIC-IIC线的截面图。
如图1、图2A、图2B和图2C所示，本实施例的波长可调半导体激光元件具有激光器区域和热补偿区域。激光器区域由活性区域3和串联连接于活性区域3的DBR区域5构成。活性区域3具有在构成下部包层1的基板上形成直线状的活性层2、和在活性层2上部形成为凸状的上部包层7a。DBR区域5具有形成于下部包层1上的非活性层4、在与活性层2构成同一直线的部分的非活性层4上面形成的衍射光栅6、和在衍射光栅6的上部形成凸状的上部包层7a。另外，利用这种构成，激光器区域的光波导路径由台面构造8构成。
另外，热补偿区域具有形成于下部包层1上的非活性层4、和按照与激光器区域的上部包层7a平行相邻的方式在非活性层4的上部形成为凸状的上部包层7b。利用这种构成，热补偿区域的光波导路径由台面构造9构成，另外，与激光器区域的台面构造8平行相邻，配置热补偿区域的台面构造9。
并且，本实施例的波长可调半导体激光元件去除了上部包层7a和上部包层7b的一部分上面，具有形成于活性层2、非活性层4和上部包层7a、7b表面中的绝缘膜10，作为电极，具有构成活性区域3的部分的上部包层7a的上面形成的活性区域电极11a、构成DBR区域5的部分的上部包层7a的上面形成的DBR区域电极11b、构成热补偿区域的部分的上部包层7b的上面形成的热补偿区域电极11c、和下部包层1的下面形成的下部电极12。另外，本实施例的波长可调半导体激光元件在构成DBR区域5的非活性层4的侧端面，形成AR膜13。
即，本实施例的波长可调半导体激光元件中，为了热补偿，而相邻于激光器区域的台面构造8，来形成热补偿区域的台面构造9，同时，对热补偿区域的台面构造9的一部分，通过后述的控制方法、控制装置，执行电压施加或电流注入。之后，通过对热补偿区域的电压施加或电流注入，将其大部分变换为热，抑制元件内的发热量变化，使元件温度始终保持恒定，降低以前成为问题的波长漂移。
这里，如下示出本实施例的波长可调半导体激光元件的制作方法。
(1)首先，在n型InP基板即下部包层1上生长活性层2，通过硫酸系湿选择蚀刻去除活性层2中构成活性区域3的区域以外的区域。
(2)接着，利用对接(butt joint)再生长，生长非活性层4，在非活性层4中构成分布反射器的DBR区域5中，利用湿蚀刻，形成图2A所示的凹凸形状的衍射光栅6。
(3)接着，再生长由p型InP构成的上部包层之后，利用盐酸系湿选择蚀刻去除构成激光器区域和热补偿区域的部分以外的上部包层层。结果，上部包层层仅残存构成激光器区域的上部包层7a与构成热补偿区域的上部包层7b，构成宽度为2μm的台面构造8、9。之后，在热补偿区域中，上部包层7b及其下部的非活性波导路径区域用作发热部件。
(4)之后，在元件表面的整面中形成由SiO2构成的绝缘膜10，仅去除绝缘膜10中、激光器区域的台面构造8和热补偿区域的台面构造9顶上部的绝缘膜10，如图2B、图2C所示，向激光器区域的台面构造8和热补偿区域的台面构造9通电，所以形成活性区域电极11a、DBR区域电极11b、热补偿区域电极11c。
(5)之后，为了安装，实施研磨，以使包含基板的激光元件的厚度变为150μm，形成背面电极12。劈开后，在DBR区域5侧的侧端面施加AR膜13。
在本实施例的波长可调半导体激光元件中，构成为将基板(下部包层1)设为n型半导体、将活性层2和非活性层4设为带隙比包层层小的未掺杂半导体、将上部包层7设为p型半导体的PIN构造。活性区域3与DBR区域5的长度均设为400μm。从图1和图2C可知，由热补偿用非活性波导路径与热补偿用电极11c形成热补偿区域，与激光器区域的台面带之间的间隔为20μm。另外，作为该配置间隔，期望下限为3μm以上，以便接近平行配置的波导路径彼此中光能量不移动，期望上限为基板的厚度以下、例如150μm以下，以便易于利用热补偿区域将元件温度始终保持恒定。
在本实施例的波长可调半导体激光元件中，通过在图2A和图2B所示的活性区域电极11a与下面电极12之间流过电流，激光振荡。此时的振荡波长为与由图2所示DBR区域区域5确定的布拉格波长基本对应的波长。另外，通过图1、图2A和图2C所示的DBR区域电极11b向DBR区域5注入电流，从而可使布拉格波长移位到短波长侧，与此相伴，振荡波长也移位到短波长侧。此时，如后所述，执行使投入DBR区域5与热补偿用非活性波导路径的功率之和始终恒定的控制。
<控制方法>
下面，用图3所示的流程图来说明本实施例的波长可调半导体激光元件的控制方法、具体而言是确定热补偿电流用的步骤。
(1)首先，对DBR区域5与热补偿区域分别执行图4A、图4B所示的I-V测定(步骤S1)。
(2)通过根据步骤S1求出的I-V特性取电流与电压的积，求出功率，求出图5A、图5B所示的I-P特性(步骤S2)。
(3)对步骤S2求出的I-P特性，在本实施例中实施2次函数近似(最小自乘法(2次))，得到下述(式1)和(式2)(步骤S3)。另外，(式1)和(式2)中，PDBR和PTH分别表示对DBR区域5和热补偿区域的投入功率(mW)，IDBR和ITH分别表示对DBR区域5和热补偿区域的正偏置电流(mA)。
(4)之后，如(式3)所示，作为一例，将对DBR区域5与热补偿区域的投入功率之和PTOTAL设为70mW(步骤S4)。当确定PTOTAL时，将IDBR的最大值代入(式1)时，将此时的PDBR的值设定为与PTOTAL相等或其之上。这里，若确定DBR区域电流IDBR，则由(式1)求出对DBR区域的投入功率PDBR，通过将该PDBR代入式(3)，求出应投入热补偿区域的功率PTH。
(5)最后，将PTH代入式(2)，求出以ITH为变量的二次方程式的解，求出的解中具有正值的解成为热补偿区域电流ITH(步骤S5)。
PDBR＝0.0049IDBR 2+0.848IDBR-0.381  ...(式1)
PTH＝0.0047ITH 2+0.8385ITH-0.3556  ...(式2)
PTOTAL＝PTH+PDBR＝70  ...(式3)
实际上，若事先通过计算求出IDBR与PTH的相关，根据表示该相关的图6的曲线，确定DBR区域电流IDBR，则能够简单地求出热补偿区域电流ITH。图6所示的曲线也可基于拟合近似，例如(式4)示出以6次多项式拟合(最小自乘法(6次))并近似(精度为99％以上)的公式。
ITH＝-6×10-10IDBR 6+1×10-7IDBR 5-8×10-6IDBR 4+0.0003IDBR 3-0.01141IDBR 2+0.5222IDBR+62.262  …(式4)
若使用该近似式，确定DBR区域电流IDBR时，则能够简单地求出热补偿区域电流ITH。由此，如表2所示，确定成对的DBR区域电流和热补偿区域电流。另外，近似式即便不是6次多项式、但只要是可正确拟合的公式均无妨。
[表2]
  DBR区域电流   热补偿区域电流
  20mA   48.6mA
  53mA   13.3mA
表2所示的DBR区域电流20mA-热补偿区域电流48.6mA、和DBR区域电流53mA-热补偿区域电流13.3mA的对均调整成投入功率之和为70mW。
图7中示出通过将对DBR区域的电流值每隔4毫秒切换为20mA和53mA、与之同步将对热补偿区域的电流值切换为48.6mA与13.3mA，分别交替输出192.747THz和193.146THz波长时的波长动作。另外，为了明显示出基于热补偿的波长漂移的抑制效果，图8A、图8B中示出相对于192.747THz和193.146THz附近的频率、将纵轴刻度扩大为10GHz后的情况。在未执行热补偿的情况下，如图30A、图30B所示，观测到2GHz和6GHz的波长漂移，相反，在本发明中，通过执行热补偿，如图8A、图8B所示，波长漂移被抑制到1GHz以内，可实现稳定且高速的波长切换。并且，通过在波长切换时不给予热干扰，可大宽度抑制波长漂移。
<控制装置>
下面，用图9A、图9B来说明控制本实施例的波长可调半导体激光元件、执行上述控制方法的控制装置。
控制本实施例的波长可调半导体激光元件的控制装置21(下面称为波长可调激光器控制装置)例如控制本实施例或后述的其它实施例的波长可调半导体激光元件22，具备波长可调激光器控制板26和PC(计算机)27，波长可调激光器控制板26具有连接到波长可调半导体激光元件22的各区域(活性区域、DBR区域、热补偿区域等)的电流控制电路(或电压控制电路)23、存储数据的存储器24、和执行上述各部件的设定、控制等的CPU(中央处理单元)25，PC27用于改写对波长可调激光器控制板26的数据或设定条件。
在波长可调激光器控制板26中，电流控制电路23具备可测定I1-I14所示的电流的电源，同时，控制注入各区域的电流。在使用电压控制电路来代替电流控制电路的情况下，电压控制电路具备可测定电压的电源，同时，控制施加于各区域的电压。另外，存储器24存储由电流控制电路(或电压控制电路)23测定的电流-电压测定数据(I-V测定数据)，CPU25根据存储器24中存储的I-V测定数据，执行电流设定(或电压设定)，控制电流控制电路(或电压控制电路)23。PC27改写波长可调激光器控制板26内的存储器24的I-V测定数据，控制CPU25，从而取得I-V测定数据，或可拟合或自动算出、输出热补偿电流。图9A中，用I1-I14示出电流控制电路23中的测定、控制电流，但该数不限于图9A所示的数，也可对应于适用的波长可调半导体激光元件来变更为适当的数。
波长可调激光器控制板25当用框图说明时，为图9B所示的构成。具体而言，具有输入对波长可调半导体激光元件22各区域的电流(或电压)的输入部31；计测DBR区域与热补偿区域的电流-电压特性的计测部32；存储计测输入的电流(或电压)的电流-电压特性数据、即I-V测定数据的存储部33(＝存储器24)；处理部34(＝CPU25)，从存储部33中取出I-V测定数据，计算DBR区域与热补偿区域的电流-功率特性(或电压-功率特性)，并根据I-V测定数据来确定向DBR区域与热补偿区域注入的电流(或施加的电压)，以使DBR区域的功率与热补偿区域的功率之和始终恒定；和执行控制的控制部35，以将确定的电流(或电压)输入到DBR区域与热补偿区域。
在本实施例中，在上述波长可调激光器控制装置21上搭载图1、图2所示的波长可调半导体激光元件，在波长可调激光器控制板25的电流控制电路23中，将I1连接于活性区域电极11a上，将I2连接于DBR区域电极11b上，将I8连接于热补偿区域电极11c上。之后，可自动执行上述控制方法中的I-V测定，根据其结果，求出I-P曲线，执行控制，使投入DBR区域5与热补偿区域的功率之和始终恒定。即，波长可调激光器控制装置21若能够确定波长可调电流，则可自动算出热补偿电流并输出。
(本实施例的波长可调半导体元件的变形例)
另外，在本实施例中，将热补偿区域的构成设为与激光器区域侧相同的构造，但如上所述，在本实施例的控制方法中，由于包含热补偿区域的电阻值作为控制要素，所以即便热补偿区域的构造为不同的形状，也可实现同样的效果。
例如，图10是本实施例的变形例，示出波长可调半导体元件的顶视图。图10所示的波长可调半导体元件为与图1所示的波长可调半导体元件大致相同的构造，但热补偿区域电极11d的波导路径方向的长度不同。这样，热补偿区域电极11d的波导路径方向的长度也可为与对应的DBR区域电极11b的波导路径方向的长度不同的长度，例如，比DBR区域电极11b的长度短、与其一部分相邻配置也无妨。
另外，图11是本实施例的另一变形例，示出波长可调半导体元件的顶视图。图11所示的波长可调半导体元件也为与图1所示的波长可调半导体元件大致相同的构造，但热补偿区域中的台面构造14的宽度不同。图1所示的波长可调半导体元件中，将激光器区域和热补偿区域中的台面构造8、9的宽度均设为2μm，但在图11所示的波长可调半导体元件中，将热补偿区域中的台面构造14的宽度设为比其窄的宽度，1μm。图12A示出这种构造的波长可调半导体元件中的I-V特性，图12B中示出利用该I-V特性求出的I-P特性。根据图12A、图12B所示的特性图，适用上述控制方法，可降低波长漂移，同时，缩窄台面构造14的宽度，减小台面构造14的面积的结果，热补偿区域的电阻值上升，结果，也可降低发热所需的电流值。
另外，作为本实施例的再一变形例，还考虑将台面构造9的波导路径方向的长度设为比激光器区域中的台面构造8的波导路径方向的长度短的构成，例如仅在热补偿区域电极11c的部分中形成台面构造9的构成。
实施例2
本实施例示出波长可调半导体激光元件的另一控制方法。具体而言，就实施例1所示的控制方法，示出将投入功率分为有助于发热的功率与电流注入时作为自然放出光损失的相应功率，更正确地进行热补偿的控制方法。
在实施例1所示的控制方法中的(式1)中，PDBR可如下(式5)表述。
PDBR＝PREGISTANT+PSPON  ...(式5)
这里，PREGISTANT是变换为发热能量的功率，PSPON是由半导体的自然放出变为光而损失到外部的功率。作为PSPON，可事先调查DBR区域的电流-发光输出特性。由于来自DBR区域的自然放出光一过5mA就缓慢增加，所以实际上当IDBR为5mA以下时，使用(式6)近似，为5mA以上时，使用(式7)近似。
PSPON＝0  ...(式6)
PSPON＝IDBR/55-1/11  ...(式7)
(式7)是对本发明的波长可调半导体激光元件的发光特性有效的拟合式，但若正确记载作为对象的波长可调半导体激光元件的发光特性，则不言而喻不管式的形式或次数、近似方法等。
在IDBR为5mA以上时，即因来自DBR区域的发光而损失功率的情况下，将(式5)和(式7)代入(式1)，将PREGISTANT变形为左边时，求出(式8)。
PREGISTANT＝0.0049IDBR 2+0.848IDBR-0.381-(IDBR/55-1/11)  ...(式8)
即便热补偿区域，若执行电流注入，则与DBR区域一样放出自然放出光，所以与热补偿区域电流ITH为5mA以上的情况相对，与上述(式8)一样，求出(式9)。
PREGISTANT_TH＝0.0047ITH 2+0.8385ITH-0.3556-(ITH/55-1/11)  ...(式9)
这里，PREGISTANT_TH是变换为热补偿区域中的发热的功率。
即便在本实施例中，在图9所示的波长可调激光器控制装置21上搭载波长可调半导体激光元件，在电流控制电路23中，将I1连接于活性区域电极上，将I2连接于DBR区域电极上，将I8连接于热补偿区域电极上。之后，作为控制方法，如上所述，在IDBR与ITH为5mA以上的情况下，将(式1)和(式2)替换为(式8)和(式9)，另外，将(式3)替换为下述(式10)，求出热补偿电流，在波长可调电流20mA-热补偿电流49.4mA、波长可调电流53mA-热补偿电流14.4mA的条件下，执行波长切换。上述两个电流对均满足(式10)的PTOTAL为70mW的条件。
PTOTAL＝PREGISTANT+PREGISTANT_TH  ...(式10)
结果，实现了波长漂移量为1GHz以内的高速波长切换。在本实施例中，相对实施例1，虽然未见波长漂移的大幅度改善，但是其理由是由于最初的自然放出光PSPON小。PSPON的大小极大地受到构成DBR区域的非活性区域的构造或结晶性的左右，在自然放出光强度强的情况下，本实施例极为有效。
实施例3
图13、图14A、图14B和图14C示出本发明的波长可调半导体激光元件的实施方式的另一例，图13中示出其顶视图，图14A中示出沿图13的XIVA-XIVA线的截面图，图14B中示出沿图13的XIVB-XIVB线的截面图，图14C中示出沿图13的XIVC-XIVC线的截面图。
如图13、图14A、图14B和图14C所示，本实施例的波长可调半导体激光元件也具有激光器区域与热补偿区域。激光器区域由SOA区域44、前DBR区域46、活性区域43、相位调整区域49、后DBR区域47构成，从图中右侧开始，以该顺序串联连接。活性区域43、SOA区域44具有在在构成下部包层1的基板上形成直线状的活性层42、和在活性层42上部形成为凸状的上部包层50a。前DBR区域46、后DBR区域47具有形成于下部包层1上的非活性层45、与活性层42构成同一直线的部分的非活性层45上面形成的衍射光栅48、和在衍射光栅48的上部形成为凸状的上部包层50a。相位调整区域49具有形成于下部包层1上的非活性层45、和与活性层42构成同一直线的部分的非活性层45的上部形成为凸状的上部包层50a。另外，利用这种构成，激光器区域的光波导路径由台面构造51构成。
另外，热补偿区域具有形成于下部包层41上的非活性层45、和按照与激光器区域的上部包层50a平行相邻的方式在非活性层45的上部形成为凸状的上部包层50b。利用这种构成，热补偿区域的光波导路径由台面构造52构成，另外，与激光器区域的台面构造51平行相邻来配置热补偿区域的台面构造52。
并且，本实施例的波长可调半导体激光元件去除了上部包层50a和上部包层50b的一部分上面，具有形成于活性层42、非活性层45和上部包层50a、50b表面中的绝缘膜53。另外，作为电极，具有构成SOA区域44的部分的上部包层50a的上面形成的SOA区域电极54a、构成前DBR区域46的部分的上部包层50a的上面形成的前DBR区域电极54b、构成活性区域43的部分的上部包层50a的上面形成的活性区域电极54c、构成相位调整区域49的部分的上部包层50a的上面形成的相位调整区域电极54d、构成后DBR区域47的部分的上部包层50a的上面形成的后DBR区域电极54e、构成前DBR用热补偿区域的部分的上部包层50b的上面形成的热补偿区域电极54f、构成相位调整用热补偿区域的部分的上部包层50b的上面形成的热补偿区域电极54g、构成后DBR用热补偿区域的部分的上部包层50b的上面形成的热补偿区域电极54h、和下部包层41的下面形成的下部电极55。另外，本实施例的波长可调半导体激光元件在构成SOA区域44的活性层42的侧端面和构成后DBR区域47的非活性层45的侧端面，形成AR膜56。
如图13所示，本实施例的波长可调半导体激光元件是多电极型，前DBR区域46与后DBR区域47为分别持有7条不同反射峰值的SSG-DBR激光器。激光器区域如图14A所示，从图中右侧开始，按SOA区域44、前DBR区域46、活性区域43、相位调整区域49、后DBR区域47的顺序配置，各区域的长度分别为400μm、300μm、350μm、80μm、600μm。本实施例的波长可调半导体激光元件持有前DBR区域46、相位调整区域49和后DBR区域47共3个波长可调区域，注入到这些区域的电流分别作为前DBR电流、相位调整电流、后DBR区域电流而被控制。
之后，如图13所示，平行相邻于激光器区域的台面构造51的台面带，来设置20μm的间隔，形成热补偿用台面构造52的台面带，对上述3个波长可调区域(前DBR区域46、相位调整区域49和后DBR区域47)，分别形成热补偿区域。即，本实施例的波长可调半导体激光元件也相邻于激光器区域的台面构造51，来形成热补偿用的台面构造52，同时，在热补偿用的台面构造52的部分中，利用上述控制方法、控制装置，由此执行电压施加或电流注入。之后，通过向热补偿区域施加电压或注入电流，将其大部分变换为热，抑制元件内的发热量变化，将元件温度始终保持恒定，降低以前成为问题的波长漂移。
这里，如下示出本实施例的波长可调半导体激光元件的制作方法。
(1)首先，在n型InP基板即下部包层41上生长活性层42，通过硫酸系湿选择蚀刻去除活性层42中构成活性区域43与SOA区域44的区域以外的区域。
(2)接着，利用对接再生长，生长非活性层45，在非活性层45中构成前DBR区域46与后DBR区域47的区域中，利用湿蚀刻，形成图14A所示的凹凸形状的衍射光栅48。虽然未图示，但与现有的SSG-DBR激光器一样，衍射光栅48包含多个相位移位(参照非专利文献4)。另外，在构成相位调整区域49的区域的非活性层45中，不设置凹凸，为平坦的形状。
(3)接着，再生长基于p型InP的上部包层50之后，利用盐酸系湿选择蚀刻，与实施例1一样，形成构成激光器区域与热补偿区域的宽度为2μm的台面构造51、52。
(4)之后，在元件表面的整面中形成由SiO2构成的绝缘膜53，仅去除绝缘膜53中、激光器区域的台面构造51和热补偿区域的台面构造52顶上部的绝缘膜53，如图14B、图14C所示，向激光器区域的台面构造51和热补偿区域的台面构造52通电，所以形成SOA区域电极54a、前DBR区域电极54b、活性区域电极54c、相位调整区域电极54d、后DBR区域电极54e、前DBR用热补偿区域电极54f、相位调整区域用热补偿区域电极54g、后DBR区域用热补偿区域电极54h。
(5)之后，对基板实施研磨，使厚度变为150μm，形成背面电极55。劈开后，在SOA区域44侧与后DBR区域47侧的侧端面施加AR膜56。
在本实施例中，也构成将基板(下部包层41)设为n型半导体、将活性层42和非活性层45设为带隙比包层层小的未掺杂半导体、将上部包层50设为p型半导体的PIN构造。
在本实施例的波长可调半导体激光元件中，与实施例1所示的波长可调半导体激光元件一样，通过向活性区域43注入电流，振荡激光器，通过向SOA区域44注入电流，进行输出光的放大或衰减，可调整输出强度。另外，通过向多个DBR区域46、47注入正向偏置电流，具有可使布拉格波长移位的波长可调功能，通过向调整相位用的相位调整区域49注入电流，具有可在最大0.5nm以内的范围内执行振荡波长的微调的微调功能(非专利文献4)。
在本实施例中，也在图9所示的波长可调激光器控制装置21上搭载本实施例的波长可调半导体激光元件，在电流控制电路23中，分别将I1连接于SOA区域电极54a上，将I2连接于前DBR区域电极54b上，将I3连接于活性区域电极54c上，将I4连接于相位调整区域电极54d上，将I5连接于后DBR区域电极54e上，将I13连接于对应于后DBR区域的热补偿区域电极54f上，将I11连接于对应于相位调整区域的热补偿区域电极54g上，将I10连接于对应于后DBR区域的热补偿区域电极54h上。
在本实施例的波长可调半导体激光元件中，如上所述，由于具有3个波长可调区域，所以与各波长可调区域对应的热补偿区域的控制方法对各个波长可调区域执行实施例1所示的控制方法(参照图3-图6，表1-2等)，验证由热引起的波长漂移的防止效果。另外，就输出光的频率(波长)而言，在从
Figure BDA0000147751030000231
至
Figure BDA0000147751030000232
的范围内，以6.25GHz间隔在静态驱动状态下设定700点。使用静态状态下设定的电流值，将1点的频率保持时间作为500ns，高速重复执行波长扫描动作的结果如图15A所示。从图15A可知，无波长跳动，得到良好的扫描结果。另外，对每个信道调查与静态驱动状态下的设定频率的偏离量，如图15B所示。从图15B可知，偏离量大约在±5GHz以内。
为了比较，制作从本实施例的波长可调半导体激光元件(SSG-DBR激光器)中去除了热补偿区域的构造之波长可调半导体激光元件，即现有的SSG-DBR激光器。图16示出现有SSG-DBR激光器的顶视图，图17A示出沿图16的XVIIA-XVIIA线的截面图，图17B示出沿图16的XVIIB-XVIIB线的截面图，图17C示出沿图16的XVIIC-XVIIC线的截面图。另外，现有的SSG-DBR激光器的构成除热补偿区域外，与本实施例的波长可调半导体激光元件重复的部分多，所以省略其详细说明。
使用图16、图17所示的现有SSG-DBR激光器，在静态驱动状态下设定频格(frequency grid)，为了变为上述频率范围、频率间隔(191.2265-195.6015THz、6.25GHz间隔、700ch)，将1点的频率保持时间同样作为500ns，执行高速的重复波长扫描动作。图18A示出现有的SSG-DBR激光器的波长扫描动作的结果，与图15A不同，可知产生大的波长跳动。另外，图18B示出与每个信道的设定频率的偏离量，偏离量大约为±20GHz，通过与图15B比较，其差异明显。
另外，在本实施例的波长可调半导体激光元件中，在前DBR区域46和后DBR区域47中使用SSG-DBR，但即便是均匀形成凹凸的分布反射器，只要使用上述热补偿区域，不言而喻，也可得到同样的效果。另外，还包含其它实施例所示的波长可调半导体激光元件，DBR区域的一部分或全部既可由形成分布反射型衍射光栅的非活性波导路径构成，也可由构成相位调整区域的非活性波导路径构成。
实施例4
图19、图20A和图20B示出本发明的波长可调半导体激光元件的实施方式的再一例，图19中示出其顶视图，图20A中示出沿图19的XXA-XXA线的截面图，图20B中示出沿图19的XXB-XXB线的截面图。
如图19、图20A、图20B所示，本实施例的波长可调半导体激光元件也具有激光器区域与热补偿区域，但热补偿区域的构成与其它实施例不同。激光器区域与实施例1所示的波长可调半导体激光元件一样，由活性区域83和串联连接于活性区域83的DBR区域85构成。活性区域83具有在构成下部包层81的基板上形成直线状的活性层82、和在活性层82上部形成为凸状的上部包层87。DBR区域85具有形成于下部包层81上的非活性层84、与活性层82构成同一直线的部分的非活性层84上面形成的衍射光栅86、和在衍射光栅86的上部形成为凸状的上部包层87。另外，利用这种构成，激光器区域的光波导路径由台面构造88构成。
另外，本实施例的波长可调半导体激光元件去除了上部包层87的上面，具有形成于活性层82、非活性层84和上部包层87表面中的绝缘膜89，另外，作为热补偿区域，具有平行相邻于上部包层87、形成于绝缘膜89上的电阻91，由此，构成了平行相邻于激光器区域的台面构造88的热补偿区域。并且，作为电极，具有构成活性区域83的部分的上部包层87的上面形成的活性区域电极90a、构成DBR区域85的部分的上部包层87的上面形成的DBR区域电极90b、连接构成热补偿区域的部分的电阻91而形成的热补偿区域电极90c、和下部包层81的下面形成的下部电极92。另外，本实施例的波长可调半导体激光元件在构成DBR区域85的非活性层84的侧端面，形成AR膜93。
即，本实施例的波长可调半导体激光元件中，与其它实施例不同，代替平行相邻于激光器区域的台面构造而形成的热补偿区域的台面构造，如图19所示，平行相邻于DBR区域的台面构造88而形成作为热补偿区域的电阻91。之后，对热补偿用的电阻91的一部分，通过上述的控制方法、控制装置，执行电压施加或电流注入，将其大部分变换为热，抑制元件内的发热量变化，使元件温度始终保持恒定，降低以前成为问题的波长漂移。
电阻91利用铂(Pt：电气传导率＝9.4×106S/m)，形成厚度500nm、宽度2.5μm、长度400μm的大小，由此，得到30Ω的电阻值。另外，电阻91中使用的金属只要是电气传导率为107S/m以下、稳定附着的金属即可，例如也可以是铬(Cr：电气传导率为7.5×106S/m)等。
在本实施例的波长可调半导体激光元件中，激光器区域的构造如图20A所示，为与实施例1相同的2-section DBR激光器构造。另外，其控制与实施例1一样，在图9所示的波长可调半导体激光器控制装置21上搭载本实施例的波长可调半导体激光元件。此时，本实施例的波长可调半导体激光元件中的两个热补偿区域电极90c中，将图19中左侧电极接地，右侧电极连接于电流控制电路23的I8上。另外，分别将活性区域电极90a连接于I1上，将DBR区域电极90b连接于I2上使用。
这里，将实施例1的控制方法中的(式2)转换为下示的(式11)，根据图3所示的流程图，执行波长替换。另外，(式11)中，PTH与ITH的单位分别是mW和mA，为了修正单位，在(式11)的右边乘以1/1000的系数。例如，当ITH＝10mA时，若将数值10代入(式11)的ITH，则求出PTH＝3(mW)。
PTH＝30×ITH 2/1000  ...(式11)
在本实施例的波长可调半导体激光元件中，也通过使用实施例1所示的控制方法、控制装置，抑制元件内的发热量变化，将元件温度始终保持恒定，结果，波长漂移量变为1GHz以内，得到与实施例1一样的效果。
实施例5
图21、图22A、图22B和图22C示出本发明的波长可调半导体激光元件的实施方式的再一例，图21中示出其顶视图，图22A中示出沿图21的XXIIA-XXIIA线的截面图，图22B中示出沿图21的XXIIB-XXIIB线的截面图，图22C中示出沿图21的XXIIC-XXIIC线的截面图。
如图21、图22A、图22B和图22C所示，本实施例的波长可调半导体激光元件也具有激光器区域与热补偿区域。激光器区域由活性区域103和串联连接于活性区域103的DBR区域105构成。活性区域103具有在构成下部包层101的基板上形成直线状的活性层102、在活性层102上部形成为凸状的上部包层107a、和按照埋入下部包层101的一部分、活性层102和上部包层107a的方式形成于其周围的横包层110。DBR区域105具有与活性层102构成同一直线地形成于下部包层101上的非活性层104、形成于非活性层104上面的衍射光栅106、在衍射光栅106上形成为凸状的上部包层107a、和按照埋入下部包层101的一部分、非活性层104和上部包层107a的方式形成于其周围的横包层110。另外，利用这种构成，激光器区域的光波导路径由台面构造108构成。
另外，热补偿区域具有按照与激光器区域的活性层102和非活性层104平行相邻的方式在下部包层101上形成为直线状的非活性层104、在非活性层104的上部形成为凸状的上部包层107b、和按照埋入下部包层101的一部分、非活性层104和上部包层107b的方式形成于其周围的横包层110。另外，利用这种构成，热补偿区域的光波导路径由台面构造109构成，另外，平行相邻于激光器区域的台面构造108来配置热补偿区域的台面构造109。
并且，本实施例的波长可调半导体激光元件去除了上部包层107a的上面和上部包层107b的上面的一部分，具有形成于横包层110和上部包层107b表面中的绝缘膜110，作为电极，具有构成活性区域103的部分的上部包层107a的上面形成的活性区域电极112a、构成DBR区域105的部分的上部包层107a的上面形成的DBR区域电极112b、构成热补偿区域的部分的上部包层107b的上面形成的热补偿区域电极112c、和下部包层101的下面形成的下部电极113。另外，本实施例的波长可调半导体激光元件在构成DBR区域105的非活性层104的侧端面，形成AR膜114。
即，本实施例的波长可调半导体激光元件如实施例1那样，相邻于激光器区域的台面构造108来形成热补偿用的台面构造109，但在将台面构造108、109设为高台面构造，并且由横包层110埋入台面构造108、109。另外，对热补偿用的台面构造109的一部分，通过上述的控制方法、控制装置，执行电压施加或电流注入，由此将其大部分变换为热，抑制元件内的发热量变化，使元件温度始终保持恒定，降低以前成为问题的波长漂移。
这里，如下示出本实施例的波长可调半导体激光元件的制作方法。
(1)首先，在n型InP基板即下部包层101上生长活性层102，通过硫酸系湿选择蚀刻去除活性层102中构成活性区域103的区域以外的区域。
(2)接着，利用对接再生长，生长非活性层104，在非活性层104中构成分布反射器的DBR区域105中，利用湿蚀刻，形成图22A所示的凹凸形状的衍射光栅106。
(3)接着，再生长1.5μm的由p型InP构成的上部包层之后，利用半导体干蚀刻，将激光器区域波导路径与热补偿用非活性波导路径加工为高度为3μm的高台面构造。
(4)之后，沿波导路径横向以3μm的高度再生长通过掺杂钌(Ru)来实施绝缘化的InP，在图22B、图22C所示的形状下埋入波导路径。
(5)之后，在元件表面的整面中形成由SiO2构成的绝缘膜111，仅去除绝缘膜111中、激光器区域的台面构造108和热补偿区域的台面构造109顶上部的绝缘膜111，如图22B、图22C所示，向激光器区域的台面构造108和热补偿区域的台面构造109通电，所以形成活性区域电极112a、DBR区域电极112b、热补偿区域电极112c。
(6)之后，为了安装，对基板实施研磨，使厚度变为150μm，形成背面电极113。劈开后，如图21和图22B所示，在DBR区域105侧的侧端面施加AR膜104。
在本实施例的波长可调半导体激光元件中，构成将基板(下部包层1)设为n型半导体、将活性层102和非活性层104设为带隙比包层层小的未掺杂半导体、将上部包层107设为p型半导体的PIN构造，是以掺杂钌的半绝缘横包层110埋入波导路径的横向的形状。另外，活性区域103与DBR区域105长度均为400μm。
另外，将本实施例的波长可调半导体激光元件搭载在图9所示的波长可调激光器控制装置21上，在电流控制电路23中，将I1连接于活性区域电极112a上，将I2连接于DBR区域电极112b上，将I8连接于热补偿区域电极112c上，根据图3所示的流程图，以与实施例1相同的方法执行波长的切换，观察波长漂移量。结果，将波长漂移抑制在1GHz以内，实现无由热引起的波长漂移的良好特性。另外，在本实施例中，采用2-sectionDBR激光器构造，但不用说也可由图13所示的多电极型DBR激光器来实现。
实施例6
图23、图24A、图24B和图24C示出本发明的波长可调半导体激光元件的实施方式的又一例，图23中示出其顶视图，图24A中示出沿图23的XXIVA-XXIVA线的截面图，图24B中示出沿图23的XXIVB-XXIVB线的截面图，图24C中示出沿图23的XXIVC-XXIVC线的截面图。
如图23、图24A、图24B和图24C所示，本实施例的波长可调半导体激光元件也具有激光器区域与热补偿区域。激光器区域由活性区域123和串联连接于活性区域123的DBR区域125构成。活性区域123具有在构成下部包层121的基板上形成直线状的活性层122、在埋入下部包层121的一部分、活性层122的同时、比活性层122的上面高、形成于其周围的横包层130、和在活性层122和横包层130的上部形成的上部包层127a。DBR区域125具有与活性层122构成同一直线地形成于下部包层121上的非活性层124、形成于非活性层124上面的衍射光栅126、埋入下部包层121的一部分和非活性层124的同时、比非活性层124的上面高、形成于其周围的横包层130、和形成于非活性层124和横包层130的上部的上部包层127a。另外，利用这种构成，激光器区域的光波导路径由台面构造128构成。
另外，热补偿区域具有按照激光器区域的活性层122和非活性层124平行相邻的方式在下部包层121上形成为直线状的非活性层124、在埋入下部包层121的一部分和非活性层124的同时、比非活性层124的上面高、形成于其周围的横包层130、和形成于非活性层124和横包层130的上部的上部包层127b。另外，利用这种构成，热补偿区域的光波导路径由台面构造129构成，并且，平行相邻于激光器区域的台面构造128来配置热补偿区域的台面构造129。另外，上部包层127a与上部包层127b在配置于激光器区域与热补偿区域之间的横包层130中，由形成于其上部的分离沟131和后述的绝缘膜132电分离。
并且，本实施例的波长可调半导体激光元件去除了上部包层127a和上部包层127b的部分上面，具有形成于这些表面中的绝缘膜132，作为电极，具有构成活性区域123的部分的上部包层127a的上面形成的活性区域电极133a、构成DBR区域125的部分上部包层127a的上面形成的DBR区域电极133b、构成热补偿区域的部分的上部包层127b的上面形成的热补偿区域电极133c、和下部包层121的下面形成的下部电极134。另外，本实施例的波长可调半导体激光元件在构成DBR区域125的非活性层124的侧端面，形成AR膜135。
即，本实施例的波长可调半导体激光元件如实施例1那样，相邻于激光器区域的台面构造128，形成热补偿用的台面构造129，但在将台面构造128、129设为低台面构造的同时，由横包层130埋入台面构造128、129的周围，同时，由上部包层127a、127b埋入它们的上部来构成。另外，对热补偿用的台面构造129的一部分，通过上述的控制方法、控制装置，执行电压施加或电流注入，由此将其大部分变换为热，抑制元件内的发热量变化，使元件温度始终保持恒定，降低以前成为问题的波长漂移。
这里，如下示出本实施例的波长可调半导体激光元件的制作方法。
(1)首先，在构成n型InP基板的下部包层121上生长活性层122，通过硫酸系湿选择蚀刻去除活性层122中构成活性区域123的区域以外的区域。
(2)接着，利用对接再生长，生长非活性层124，在非活性层124中构成分布反射器的DBR区域125中，利用湿蚀刻，形成图24A所示的凹凸形状的衍射光栅126。
(3)接着，再生长0.1μm的由p型InP构成的上部包层之后，利用半导体干蚀刻，将激光器区域波导路径与热补偿用非活性波导路径加工为高度为1.5μm的低台面构造。
(4)之后，沿波导路径横向以3μm的高度再生长通过掺杂钌(Ru)来实施绝缘化的InP之后，利用p型InP生长2μm的上部包层层，埋入波导路径。
(5)之后，通过干蚀刻，形成图24B、图24C所示的电流分离用分离沟131。该分离沟131用于防止DBR区域125与热补偿区域之间的电流泄漏，实施蚀刻，直到到达形成于DBR区域125的核心层与热补偿区域的核心层之间的钌掺杂绝缘层(横包层130)。
(6)接着，在元件表面的整面中形成由SiO2构成的绝缘膜132，以20μm宽度仅去除绝缘膜132中、激光器区域的台面构造128和热补偿区域的台面构造129顶上附近的绝缘膜132，如图24B、图24C所示，向激光器区域的台面构造128和热补偿区域的台面构造129通电，所以形成活性区域电极133a、DBR区域电极133b、热补偿区域电极133c。
(7)之后，为了安装，对基板实施研磨，使厚度变为150μm，形成背面电极134。劈开后，如图23和图24A所示，在DBR区域125侧的侧端面施加AR膜135。
在本实施例的波长可调半导体激光元件中，也构成将基板(下部包层1)设为n型半导体、将活性层122和非活性层124设为带隙比包层层小的未掺杂半导体、将上部包层127a、127b设为p型半导体的PIN构造，是以掺杂钌的半绝缘横包层130埋入波导路径的横向的形状。另外，活性区域123与DBR区域125长度均为400μm。
另外，将本实施例的波长可调半导体激光元件搭载在图9所示的波长可调激光器控制装置21上，在电流控制电路23中，将I1连接于活性区域电极133a上，将I2连接于DBR区域电极133b上，将I8连接于热补偿区域电极133c上，根据图3的流程图，以与实施例1相同的方法执行波长的切换，观察波长漂移量。结果，将波长漂移抑制在1GHz以内，实现无由热引起的波长漂移的良好特性。另外，在本实施例中，也采用2-sectionDBR激光器构造，但不言而喻也可由图13所示的多电极型DBR激光器来实现。
实施例7
图25、图26A和图26B示出本发明的波长可调半导体激光元件的实施方式的又一例，图25中示出其顶视图，图26A中示出图25的XXVIA-XXVIA线的部分截面图，图26B中示出沿图25的XXVIB-XXVIB线的截面图。
本实施例的波长可调半导体激光元件如图25所示，从图中左侧开始，顺序由振荡波长不同的6个DBR激光器构成的6信道DBR激光器阵列161、将其输出光合波为一个的光合波器162、和最终级调整输出光的强度的SOA区域163构成。
首先，说明6信道DBR激光器阵列161中集成的DBR激光器的基本构造。
DBR激光器如图26A所示，从图中右侧开始，依次由前DBR区域145、活性区域143、后DBR区域146构成，串联连接上述区域。活性区域143具有在构成下部包层141的基板上形成直线状的活性层142、和在活性层142的上部形成为凸状的上部包层148。前DBR区域145和后DBR区域146具有形成于下部包层141上的非活性层144、形成于与活性层142构成同一直线的部分的非活性层144上面的衍射光栅147、和在衍射光栅147上形成为凸状的上部包层148。在前DBR区域145、后DBR区域146中，衍射光栅147形成完全相同的结构。另外，利用这种构成，DBR激光器的光波导路径由台面构造构成。
另外，DBR激光器去除了上部包层148的上面，具有活性层142、非活性层144和上部包层148的表面中形成的绝缘膜149，作为电极，具有构成前DBR区域145和后DBR区域146的部分的上部包层148的上面形成的DBR区域电极150a、构成活性区域143的部分的上部包层148的上面形成的活性区域电极150b、和下部包层141的下面形成的下部电极151。另外，就前DBR区域145、后DBR区域146而言，如图25所示，通过元件表面形成的相同电极(DBR区域电极150a)电连接，所以若向DBR区域电极150a注入电流，则在两个区域中以相同的电流密度流过电流。
并且，在DBR激光器中，在构成后DBR区域146的非活性层144的侧端面，形成AR膜152。
当驱动激光器时，通过向活性区域143注入电流，激光振荡，通过向前DBR区域145、后DBR区域146注入电流，可移位振荡波长。集成的6个DBR激光器的波长可调宽度为6nm，振荡波长彼此相差6nm。因此，通过选择6个DBR激光器中期望波长带的一个，向选择的一个DBR激光器活性区域143注入电流来进行驱动，和通过使注入到选择的一个DBR激光器的前DBR区域145、后DBR区域146的电流变化，能够在共计36nm(6个×6nm＝36nm)的范围输出期望的波长。
集成的6个DBR激光器如图26B所示，制作成相邻并排配置，DBR激光器彼此的间隔分别为20μm。制作方法与实施例1的方法相同，但衍射光栅147的凹凸周期对每个DBR激光器不同。另外，不具有仅在热补偿中使用的专用热补偿区域，将此时未驱动的DBR激光器的前DBR区域145、后DBR区域146作为热补偿区域代用。
这里，说明实际的驱动例。
将本实施例的波长可调半导体激光元件搭载在图9所示的波长可调激光器控制装置21上，在电流控制电路23中，分别将I1连接于SOA区域电极153上，将I2连接于LD4波长可调区域电极150a4上，将I3连接于LD4活性区域电极150b4上，将I4连接于LD5波长可调区域电极150a5上，将I5连接于LD5活性区域电极150b5上，将I6连接于LD6波长可调区域电极150a6上，将I7连接于LD6活性区域电极150b6上，将I14连接于LD3波长可调区域电极150a3上，将I13连接于LD3活性区域电极150b3上，将I12连接于LD2波长可调区域电极150a2上，将I11连接于LD2活性区域电极150b2上，将I10连接于LD1波长可调区域电极150a1上，将I9连接于LD1活性区域电极150b1上。另外，各DBR激光器LD1-LD6为LD1：1530-1536nm，LD2：1536-1542nm，LD3：1542-1548nm，LD4：1548-1554nm，LD5：1554-1560nm，LD6：1560-1566nm，可输出共计36nm中的期望波长。
根据LD1-LD6的各DBR区域(前DBR区域145和后DBR区域146)的I-V测定，求出(式12)-(式17)的I-P特性拟合曲线。
PDBR1＝0.0048IDBR1 2+0.845IDBR1-0.383  ...(式12)
PDBR2＝0.0049IDBR2 2+0.838IDBR2-0.357  ...(式13)
PDBR3＝0.005IDBR3 2+0.83IDBR3-0.3556  ...(式14)
PDBR4＝0.0049IDBR4 2+0.843IDBR4-0.365  ...(式15)
PDBR5＝0.0048IDBR5 2+0.839IDBR5-0.376  ...(式16)
PDBR6＝0.0047IDBR6 2+0.842IDBR6-0.368  ...(式17)
PTOTAL＝PDBR1+PDBR2+PDBR3+PDBR4+PDBR5+PDBR6  ...(式18)
对LD1-LD6的DBR区域的投入功率总和PTOTAL如(式18)所示，作为一例，为70mW。在本实施例中，当输出1546nm的激光时，向LD3的活性区域143注入电流使之发光，向LD3的DBR区域注入IDBR3＝5.6mA的电流，另外，当输出1556nm的激光时，向LD5的活性区域143注入电流使之发光，向LD5的DBR区域注入IDBR5＝22.3mA。在发光的LD以外的LD中，不向活性区域143注入电流，仅向它们的DBR区域注入电流，进行热补偿。
例如，当输出1546nm的激光时，求出以IDBR3＝5.6mA驱动LD3的DBR区域时的条件。通过向(式14)中代入IDBR3＝5.6mA，求出PDBR3＝4.45mW。对不执行光振荡的LD1、LD2、LD4、LD5、LD6的DBR区域的投入功率设定成按照分别相等的方式来分派投入所需的剩余的功率。此时，对各LD的DBR区域的投入功率为13.11mW，将该值代入(式12)、(式13)、(式15)、(式16)、(式17)，若取二次方程式解中的正值，则求出IDBR1＝14.7mA、IDBR2＝14.8mA、IDBR4＝14.7mA、IDBR5＝14.8mA、IDBR6＝14.8mA。
另外，当输出1556nm的激光时，求出以IDBR5＝22.3mA驱动LD5的DBR区域时的条件，与上述情况一样，注入剩余的LD的DBR区域的电流求出为IDBR1＝11.3mA、IDBR2＝11.4mA、IDBR3＝11.4mA、IDBR4＝11.4mA、IDBR6＝11.4mA。
使用以上驱动条件，将波长从振荡波长1546nm(LD3：IDBR3＝5.6mA)切换为振荡波长1556nm(LD5：IDBR5＝22.3mA)，同时，设投入6信道DBR激光器阵列161的区域的DBR区域中的功率总和始终恒定(例如70mW)。结果，作为热补偿用，通过对发光LD以外的DBR区域也注入电流(或施加电压)，将其大部分变换为热，抑制元件内的发热量变化，使元件温度始终保持恒定，降低波长漂移，此时也得到波长切换时的波长漂移量为1GHz以内的良好结果。
产业上的可利用性
本发明适用于以DBR激光器为主的等离子体效应型波长可调半导体激光元件。

Claims (2)

1.一种波长可调半导体激光元件，具备：
多个具有振荡激光的活性区域和移位激光的波长的波长可调区域的激光器区域，以及
与所述多个激光器区域光连接来执行多个激光器区域之间的光合波的光合波器，其中彼此相邻地并排配置所述多个激光器区域，并且投入所述多个激光器区域的所述波长可调区域的功率之和始终恒定，
其中，每一个激光器区域具有单个台面构造；
将未被驱动的激光器区域的波长可调区域用作热补偿区域；
所述波长可调区域由形成有分布反射型衍射光栅的非活性波导路径构成；
所述分布反射型衍射光栅的周期根据激光器区域而不同；
通过向所述热补偿区域注入电流或施加电压，将投入的功率的大部分变换为热，
所述波长可调半导体激光元件的控制器具备：
输入部，向所述多个激光器区域的所述活性区域和所述波长可调区域的每一个输入电流或电压；
计测部，计测所述波长可调区域的每一个的电流-电压特性；
存储部，存储计测的所述电流-电压特性；
处理部，根据存储的所述电流-电压特性，计算所述波长可调区域的每一个的电流-功率特性，并且根据所述电流-电压特性和所述电流-功率特性，确定对所述波长可调区域的每一个施加的电流或电压，使投入所述波长可调区域的功率的和始终恒定；和
控制部，进行控制，将确定的所述电流或所述电压输入到所述波长可调区域。
2.根据权利要求1所述的波长可调半导体激光元件，其特征在于：
所述波长可调区域的每一个的一部分或全部由形成有分布反射型衍射光栅的非活性波导路径构成，或由成为相位调整区域的非活性波导路径构成。
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