CN113394655A - 半导体激光元件 - Google Patents

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CN113394655A CN202110663288.0A CN202110663288A CN113394655A CN 113394655 A CN113394655 A CN 113394655A CN 202110663288 A CN202110663288 A CN 202110663288A CN 113394655 A CN113394655 A CN 113394655A
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Abstract

半导体激光元件是具备光谐振器的游标型且波长可变型的半导体激光元件，该光谐振器由具有在波长轴上大致周期性地配置有反射峰值的反射梳光谱、且所述周期彼此不同的第一反射要件、第二反射要件构成，所述第一反射要件、第二反射要件中的至少一个具备取样光栅结构，该取样光栅结构具有各反射峰值的反射相位一致、且设定好的激光振荡波段外的反射峰值的强度小于所述激光振荡波段内的反射峰值的强度的反射梳光谱。

Description

半导体激光元件
本申请是申请号为201780010513.2、申请日为2017年2月13日、发明名称为“半导体激光元件、衍射光栅结构以及衍射光栅”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及半导体激光元件、衍射光栅结构以及衍射光栅。
背景技术
以往，使用组合两个反射要件而成的波长可变激光元件，该两个反射要件具有在波长轴上大致周期性地配置有反射峰值的反射梳光谱。若组合反射峰值之间的波长间隔彼此稍微不同的两个反射梳光谱来使用，则通过被称作游标效应的效应，能够实现较宽的波段的波长可变。
所谓游标效应如下所述。由于两个反射要件中的反射梳光谱的反射峰值间的波长间隔不同，因此，两者所具有的多个反射峰值中的、同时一致的峰值仅为任意一个，由该波长形成光谐振器，产生激光振荡。而且，当通过折射率变化而从该状态起稍微改变一方的反射梳光谱的波长时，与另一方的反射梳光谱一致的反射峰值成为另外的波长的峰值。于是，由与之前的波长较大不同的波长形成光谐振器，产生激光振荡。通过折射率变化产生的波长特性的变化即使很小，根据以上的游标效应，也能得到比波长特性的变化大的激光振荡波长变化。由于实用上能得到的折射率变化量有限，因此，使用了这样的游标效应的波长可变技术是对具有较宽的波段的波长可变激光元件来说有效性非常高的技术。作为使用了这样的游标效应的波长可变激光元件的一种，提出了被称为CSG-DR激光器的方式(专利文献1、非专利文献1等)。
以往使用了游标效应的波长可变激光元件主要使用DBR激光器，该DBR激光器使用基于两个取样光栅(Sampled Grating：SG)的分布布拉格反射鏡(Distributed BraggReflector：DBR)。SG是利用在空间上周期性地(以后，将该周期称为取样周期)配置了较短的衍射光栅而成的衍射光栅来实现反射梳光谱的技术之一。
与这样的以往的DBR激光器相比，CSG-DR激光器的特征在于，将一方的SG作为包含活性层的有源区域。若为以往的DBR激光器，则有源区域(增益部)位于两个SG之间。因此，在两个SG之间需要具有某种程度的长度。于是，难以在两个SG之间使光的相位条件一致，因此，在SG之间需要进行相位调整的相位调整区域。该相位调整区域必须一边监控激光器的动作一边始终进行相位调整控制，因此，存在控制变得复杂、制造时的检查工序变得繁杂这样的问题。另一方面，CSG-DR激光器的有源区域包含在SG中，因此，不需要相位调整区域，具有不存在上述的问题的优点。
但是，理论上，通常的SG的反射梳光谱的各反射峰值的反射率不均匀，越为反射梳光谱整体的波段的中心的反射峰值则反射率越高，越为脱离波段的中心的反射峰值则反射率越低。通过缩短构成SG的各衍射光栅的长度(减少周期数)，能够降低反射梳光谱中的各反射峰值的反射率的偏差，从而使各反射峰值的反射率更均匀。但是，在如此减小了反射率的偏差的情况下，会导致期望的波段外的反射峰值的反射率也同样地变高。在此，期望的波段是欲使激光元件产生激光振荡的波段，以下称为激光振荡波段。如此，当激光振荡波段外的反射峰值变高时，可能由激光振荡波段外的反射峰值的波长产生激光振荡。例如，在波长可变激光器中，在欲使激光振荡波段即波长可变波段的短波长侧产生振荡时，可能由长波长侧的激光振荡波段外的波长产生振荡。这是由于，在两个反射梳光谱形成了游标时，产生被称为回归模式的、在期望的波段(激光振荡波段)外两个反射梳光谱的反射峰值一致的现象。
为了避免该回归模式中的振荡，在CSG-DR激光器中，使用专利文献2记载的技术。即，将SG中的、与有源区域不同的一侧的无源区域的SG做成为连结取样周期不同的多个SG而成的结构。将该结构称为CSG-DBR结构。这样，能够抑制回归模式。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-106664号公报
专利文献2：日本特许第4283869号公报
专利文献3：美国特许6,141,370号说明书
专利文献4：日本特许第5692330号公报
非专利文献
非专利文献1∶2013年7月，SEI Technical Review，第183号50页～
非专利文献2：IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS，VOL.34，NO.4，pp.729-
非专利文献3：IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS，VOL.10，NO.6，PP.842-
非专利文献4：古河电工时报第112号(平成15年7月)5页～
发明内容
发明要解决的课题
就CSG-DR激光器而言，如上述说明的那样，成为在无源区域的SG内部包含取样周期不同的多个SG的CSG-DBR结构。该取样周期不同的SG典型地如专利文献1记载那样使用三种。即，CSG-DR激光器是利用由四个反射梳光谱构成的游标的激光器，该四个反射梳光谱由有源区域的SG与无源区域的CSG-DBR所包含的三种SG构成。因此，通过以使这四种SG中的反射峰值完全一致的方式控制的波长而产生激光振荡。
但是，在该结构的情况下，需要像这样控制多个反射梳光谱，因此，难以进行控制，结果存在根据波长可变激光器的波长信道而使特性容易产生偏差这样的课题。在无法使各反射梳光谱的反射峰值完全一致的情况下，由于反射率比期望的值小，因此，激光器的振荡阈值增大。最近，就通信用的波长可变激光器而言，在相干传输用途中要求振荡频率线宽较窄，但若这样振荡阈值由于某信道而增大，则其频率线宽也增大，不适于相干传输。
因此，欲求代替由四个反射梳光谱构成的游标，而通过更少的反射梳光谱的种类来实现基于游标的波长可变。本来，在无源区域使用三种SG是为了抑制回归模式。即，若能用其他的手段解决回归模式的问题，则能够通过更少的反射梳光谱的种类来形成游标，从而控制变得容易，能够减少各信道的特性偏差。
作为代替以往的SG且抑制了反射梳光谱的激光振荡波段外的反射峰值的SG，有专利文献3及非专利文献2记载的BSG(Binary Superimposed Grating)。这是将通过加算将多个周期的衍射光栅重合而成的形状作为包含了多个相位偏移的衍射光栅来实现的。BSG通过设计而能够仅在期望的激光振荡波段内具有反射梳的峰值，能够具有抑制了波段外的反射峰值的特性。
若使用这样的BSG的特性，则由于原本就没有激光振荡波段外的反射峰值，因此，能够避免回归模式的问题。实际上，在专利文献4中公开了将认为是与BSG同样的结构的、称为PG的衍射光栅用于DR激光器的无源区域的构成。但是，专利文献4所记载的DR激光器的特征在于具有注入控制电流的相位偏移部。即，在使用了BSG(或PG)的激光器构成中，相位调整区域是必须的，虽然游标控制变得简单，但存在相位控制的繁杂度增大这样的问题。
在专利文献4中记载了通过设置相位调整区域而使竞争模式之间的阈值增益差变得良好的说明，但原本就没有进行为什么若使用BSG(或PG)则需要相位调整区域的考虑。即，使用BSG(或PG)那样的抑制了激光振荡波段外的反射峰值的反射梳光谱且不需要相位调整区域的构成尚不可知，且在什么样的条件下能够实现也尚不可知。
本发明是鉴于上述问题而做成的，其目的在于提供也可以不具备相位调整区域的半导体激光元件、及用于实现该半导体激光元件的衍射光栅结构以及衍射光栅。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题、达到目的，本发明的一方案涉及的半导体激光元件是具备光谐振器的游标型且波长可变型的半导体激光元件，该光谐振器由具有在波长轴上大致周期性地配置有反射峰值的反射梳光谱、且所述周期彼此不同的第一反射要件、第二反射要件构成，所述半导体激光元件的特征在于，所述第一反射要件、第二反射要件中的至少一个具备取样光栅结构，该取样光栅结构具有各反射峰值的反射相位一致、且设定好的激光振荡波段外的反射峰值的强度小于所述激光振荡波段内的反射峰值的强度的反射梳光谱。
本发明的一方案涉及的半导体激光元件是具备光谐振器的游标型且波长可变型的半导体激光元件，该光谐振器由具有在波长轴上大致周期性地配置有反射峰值的反射梳光谱、且所述周期彼此不同的第一反射要件、第二反射要件构成，所述半导体激光元件的特征在于，所述第一反射要件、第二反射要件中的至少一个为包含多个衍射光栅结构的取样光栅结构的衍射光栅，各所述衍射光栅结构具有在光的行进方向上大致中心对称的结构，并且，所述取样光栅结构具有设定好的激光振荡波段外的反射峰值的强度小于所述激光振荡波段内的反射峰值的强度的反射梳光谱。
本发明的一方案涉及的半导体激光元件是具备光谐振器的游标型且波长可变型的半导体激光元件，该光谐振器由具有在波长轴上大致周期性地配置有反射峰值的反射梳光谱、且所述周期彼此不同的第一反射要件、第二反射要件构成，所述半导体激光元件的特征在于，所述第一反射要件、第二反射要件中的至少一个为包含多个衍射光栅结构的取样光栅结构的衍射光栅，所述衍射光栅结构通过在规定的方向上交替地配置多组高折射率部与折射率比所述高折射率部低的低折射率部而成，若以周期性地交替配置多组所述高折射率部与所述低折射率部而成的结构为基本结构，则所述衍射光栅结构具有如下结构：该结构通过从所述基本结构中间隔剔除所述高折射率部的至少一个、间隔剔除所述低折射率部的至少一个、间隔剔除所述高折射率部与所述低折射率部的边界的至少一个、或组合这些间隔剔除而形成，并且，所述衍射光栅结构具有包含如下多个部分的结构：该多个部分是所述高折射率部与所述低折射率部的交替配置从所述基本结构相位偏移了1/2周期的部分。
本发明的一方案涉及的半导体激光元件的特征在于，所述第一反射要件、第二反射要件中的至少一个具有发光区域。
本发明的一方案涉及的半导体激光元件的特征在于，具备：第一反射膜；反射率比所述第一反射膜高的第二反射膜；配置于所述第一反射膜与所述第二反射膜之间的活性层；以及在所述活性层的附近沿着所述活性层设置的、包含衍射光栅结构的衍射光栅，所述衍射光栅结构通过在规定的方向上交替地配置多组高折射率部与折射率比所述高折射率部低的低折射率部而成，若以周期性地交替配置多组所述高折射率部与所述低折射率部而成的结构为基本结构，则所述衍射光栅结构具有如下结构：该结构通过从所述基本结构中间隔剔除所述高折射率部的至少一个、间隔剔除所述低折射率部的至少一个、间隔剔除所述高折射率部与所述低折射率部的边界的至少一个、或组合这些间隔剔除而形成，并且，所述衍射光栅结构具有包含如下多个部分的结构：该多个部分是所述高折射率部与所述低折射率部的交替配置从所述基本结构相位偏移了1/2周期的部分，所述半导体激光元件以多个纵模式产生激光振荡。
本发明的一方案涉及的半导体激光元件的特征在于，所述衍射光栅结构具有近似地得到通过对期望的反射率光谱进行傅里叶变换而得到的形状的结构。
本发明的一方案涉及的半导体激光元件的特征在于，所述衍射光栅结构具有近似地得到通过对矩形窗口函数进行傅里叶变换而得到的sinc函数形状的结构。
本发明的一方案涉及的半导体激光元件的特征在于，所述衍射光栅结构具有在所述规定的方向上大致中心对称的结构。
本发明的一方案涉及的半导体激光元件的特征在于，所述衍射光栅为包含多个所述衍射光栅结构的取样光栅结构的衍射光栅。
本发明的一方案涉及的衍射光栅结构的特征在于，所述衍射光栅结构通过在规定的方向上交替地配置多组高折射率部与折射率比所述高折射率部低的低折射率部而成，若以周期性地交替配置多组所述高折射率部与所述低折射率部而成的结构为基本结构，则所述衍射光栅结构具有如下结构：该结构通过从所述基本结构中间隔剔除所述高折射率部的至少一个、间隔剔除所述低折射率部的至少一个、间隔剔除所述高折射率部与所述低折射率部的边界的至少一个、或组合这些间隔剔除而形成，并且，所述衍射光栅结构具有包含如下多个部分的结构：该多个部分是所述高折射率部与所述低折射率部的交替配置从所述基本结构相位偏移了1/2周期的部分。
本发明的一方案涉及的衍射光栅结构的特征在于，所述衍射光栅结构具有近似地得到通过对期望的反射率光谱进行傅里叶变换而得到的形状的结构。
本发明的一方案涉及的衍射光栅结构的特征在于，所述衍射光栅结构具有近似地得到通过对矩形窗口函数进行傅里叶变换而得到的sinc函数形状的结构。
本发明的一方案涉及的衍射光栅结构的特征在于，所述衍射光栅结构具有在所述规定的方向上大致中心对称的结构。
本发明的一方案涉及的衍射光栅的特征在于，所述衍射光栅是取样光栅结构的衍射光栅，包含多个本发明的一方案涉及的衍射光栅结构。
发明效果
根据本发明，提供也可以不具备相位调整区域的半导体激光元件、及用于实现该半导体激光元件的衍射光栅结构以及衍射光栅。
附图说明
图1是沿光波导方向剖切实施方式1涉及的半导体激光元件而得到的示意性的剖视图。
图2是表示增益SG部与无源SG部的反射光谱的一例的图。
图3是表示SG的反射光谱与反射相位的一例的图。
图4是表示BSG的反射光谱与反射相位的一例的图。
图5是表示基于实施方式1涉及的半导体激光元件所采用的设计的SG的反射光谱与反射相位的一例的图。
图6是针对反射光谱的形状概念性地进行说明的图。
图7是针对反射光谱的形状概念性地进行说明的图。
图8是针对衍射光栅结构的设计方法进行说明的图。
图9是针对衍射光栅结构的设计方法进行说明的图。
图10A是针对衍射光栅结构的设计方法进行说明的图。
图10B是针对衍射光栅结构的设计方法进行说明的图。
图11是表示强度函数与衍射光栅结构的折射率结构的图。
图12A是针对衍射光栅结构的设计方法进行说明的图。
图12B是针对衍射光栅结构的设计方法进行说明的图。
图13是表示强度函数与衍射光栅结构的折射率结构的图。
图14是表示增益SG部与无源SG部的反射光谱的一例的图。
图15是表示增益SG部与无源SG部的反射光谱的一例的图。
图16是沿光波导方向剖切实施方式2涉及的半导体激光元件而得到的示意性的剖视图。
图17是表示衍射光栅结构的折射率结构与强度函数的图。
图18是表示衍射光栅层的反射光谱的图。
附图标记说明
100、200 半导体激光元件
101、201 n侧电极
102、202 n型半导体层
104 n型间隔层
106、204 p型上部包覆层
107、205 p侧电极
110 增益SG部
111、121、211、213 端面
113、123、206 衍射光栅层
113a、123a、123b 片段
115、125 波导路芯层
117 接触层
118 p侧电极
120 无源SG部
127 钝化膜
128a、128b 加热器
203 活性层
212 低反射率膜
214 高反射率膜
A、B、C 区域
G1、G2、G3 衍射光栅
L10 激光
WG1、WG2、WG3 波导路区域。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明涉及的半导体激光元件、衍射光栅结构以及衍射光栅的实施方式。需要说明的是，本发明不由该实施方式进行限定。另外，在各附图中，对相同或对应的要件适当标注相同的附图标记。而且，需要注意，附图是示意性的，存在各要件的尺寸关系、各要件的比率等与实际情况不同的情况。存在附图彼此间也包含相互的尺寸关系和比率不同的部分的情况。
(实施方式1)
图1是沿光波导方向(纸面左右方向)剖切本发明的实施方式1涉及的半导体激光元件而得到的剖视图。如图1所示，半导体激光元件100具备：作为SG-DFB部的增益SG部110，其具有通过电流注入而发光的作为活性层的波导路芯层115；作为CSG-DBR部的无源SG部120，其与增益SG部110相邻，具有作为无源波导路芯层的波导路芯层125。在增益SG部110、无源SG部120的各端面111、121形成有未图示的反射防止膜。
另外，半导体激光元件100具备：在背面形成有n侧电极101的n型半导体层102；在增益SG部110处形成在n型半导体层102上的衍射光栅层113；在无源SG部120处形成在n型半导体层102上的衍射光栅层123；形成在衍射光栅层113、123上的n型间隔层104；形成在增益SG部110的n型间隔层104上的波导路芯层115；形成在无源SG部120的n型间隔层104上的波导路芯层125；形成在波导路芯层115、125上的p型上部包覆层106；形成在增益SG部110的p型上部包覆层106上的接触层117；形成在接触层117上的p侧电极118；形成在无源SG部120的p型上部包覆层106上的由SiN构成的钝化膜127；形成在钝化膜127上的由Ti/Au构成的加热器128a、128b。
n型半导体层102具有在由n型InP构成的基板上形成有由n型InP构成的下部包覆层的构成。
作为反射要件的衍射光栅层113为SG结构，具有沿光波导方向排列多个片段113a而成的区域A，所述片段113a由衍射光栅G1和波导路区域WG1构成，该衍射光栅G1为以规定的周期离散地存在的、带隙波长为1.23μm(以下称为1.23Q)的n型GaInAsP层之间由与n型间隔层104相同的半导体材料(n型InP)填埋的分布布拉格反射区域，该波导路区域WG1在光波导路方向上与衍射光栅G1连接，由连续地存在的1.23Q的n型GaInAsP层构成。区域A具有6个片段113a。片段113a的长度约为160μm。但是，片段113a中的、与无源SG部120相邻的片段的波导路区域WG1比其他的片段的波导路区域WG1长，具有实质上省略了一个衍射光栅G1的结构。利用这样的省略衍射光栅的结构，具有抑制空间烧孔的公知的效果。
波导路芯层115由GaInAsP构成，是在光波导方向上连续地存在的波导路区域，具有由包含厚度5nm的四个阱层和厚度10nm的屏障层的MQW层与以夹着MQW层的方式配置的SCH层构成的MQW-SCH结构。MQW层的厚度例如为40nm～60nm，SCH层的厚度例如为30nm。衍射光栅层113以夹着n型间隔层104的方式在波导路芯层115的附近沿着波导路芯层115配置。需要说明的是，增益SG部110中的波导路芯层115也能够使用TDA结构，该TDA结构具有沿着光波导方向交替地配置具有增益的活性层和不具有增益的无源波导路芯层而成的结构。
波导路芯层125由1.23Q的GaInAsP构成。p型上部包覆层106由p型InP构成。接触层117由p型GaInAs构成。需要说明的是，位于无源SG部120的波导路芯层125的正上方的p型上部包覆层的一部分也可以置换为由i-InP构成的层。
作为反射要件的衍射光栅层123为CSG结构，具有区域B和区域C。在区域B，沿光波导方向排列有四个片段123a，该片段123a由衍射光栅G2和波导路区域WG2构成，该衍射光栅G2是以规定的周期离散地存在的、1.23Q的n型GaInAsP层之间由n型InP填埋的分布布拉格反射区域，该波导路区域WG2在光波导路方向上与衍射光栅G2连接，由连续地存在的1.23Q的n型GaInAsP层构成。在区域C，沿光波导方向排列有三个片段123b，该片段123b由衍射光栅G3和波导路区域WG3构成，该衍射光栅G3为1.23Q的n型GaInAsP层之间由n型InP填埋的分布布拉格反射区域，该波导路区域WG3在光波导路方向上与衍射光栅G3连接，由连续地存在的1.23Q的n型GaInAsP层构成。片段123a、123b的长度分别为约177μm和约184μm。加热器128a、128b分别配置于区域B、区域C的正上方。加热器128a、128b为了对无源SG部120进行加热而使其折射率发生变化而设置。
需要说明的是，半导体激光元件100的半导体层叠结构在与图1的纸面垂直的方向的剖面中具有用于沿光波导方向(纸面左右方向)引导光的作为波导路结构的公知的埋入式异质结构。
该半导体激光元件100作为波长可变激光器进行动作。图2是表示半导体激光元件100的增益SG部110与无源SG部120的反射光谱的图。SG结构具有在波长轴上大致周期性地配置有反射峰值、且反射峰值的波长间隔与片段的长度成反比例的反射梳光谱。如上述那样，在增益SG部110和无源SG部120，片段113a与片段123a、123b的长度不同，因此，如图2所示，两者的反射梳光谱的波长间隔(相邻的反射率的峰值之间的间隔)不同。因此，在半导体激光元件100中，通过在两个反射梳光谱之间产生的游标效应，能够仅由两个反射梳光谱中的反射峰值一致的波长产生激光振荡。与此同时，通过使无源SG部120的折射率变化，从而能够调整使哪个反射峰值一致来实现波长可变动作。需要说明的是，在图2中，示出波长1550nm处的两个反射梳光谱的反射峰值一致的状态。需要说明的是，关于得到图2那样的反射光谱的更具体的设计，后述详细说明。
作为具体的动作，首先，在增益SG部110中，向n侧电极101与p侧电极107之间施加电压，从而注入驱动电流。驱动电流被注入增益SG部110的波导路芯层115。于是，波导路芯层115作为活性层发挥功能，产生具有规定的波段的光。
另一方面，在无源SG部120，向加热器128a、128b供给电流而进行加热。由此，无源SG部120的衍射光栅层123被加热。其结果是，无源SG部120的波长梳光谱在波长轴上整体偏移。由此，在增益SG部110的波长梳光谱与无源SG部120的波长梳光谱，调整了反射峰值一致的波长。然后，在一致了的波长处，由增益SG部110的SG-DFB结构和无源SG部120的CSG-DBR结构形成光谐振器，半导体激光元件100主要仅从增益SG部110的端面111输出激光L10。
(制造方法)
简单地说明半导体激光元件100的制造方法的一例。首先，在半导体基板上，通过MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)等晶体生长法，形成下部包覆层及成为衍射光栅层113、123的衍射光栅层。接着，在衍射光栅层之上，通过电子线曝光装置进行图案化，并进行蚀刻，从而在衍射光栅层形成衍射光栅G1、G2、G3的图案。此时，以成为期望的衍射光栅的方式形成图案很重要。接着，在衍射光栅层之上，通过MOCVD等将蚀刻了的部分用n型InP填埋而成为衍射光栅层113、123，并且层叠n型间隔层104、作为活性层的波导路芯层115及p型上部包覆层106的一部分。接着，通过蚀刻去除成为无源SG部120的区域的活性层，从而在该区域，通过MOCVD埋入波导路芯层125以及由i-InP构成的上部包覆层的一部分。接着，通过公知的方法制作埋入式异质结构，而且通过MOCVD等在整体上层叠p型上部包覆层106的其余的部分与接触层117。
然后，进行不必要的部分的接触层117的去除、钝化膜127的形成、电流注入用的p侧电极118的形成、加热器128a、128b的形成、电流注入部分的钝化膜127的去除、p侧电极118、电极焊盘的形成、基板研磨和n侧电极101的形成等。而且，通过裂开形成端面111、121，并在端面111、121形成反射防止膜，进行元件分离后，半导体激光元件100完成。这些全部的工序都能够通过公知的方法实施。需要说明的是，在半导体激光元件内设置SOA、光吸收区域的情况下，也可以与这些工序同时形成，也可以通过其他的工序形成。
(衍射光栅的设计方法)
接着，关于本实施方式1中的衍射光栅G1、G2、G3的衍射光栅结构的设计进行说明，但在那之前，作为比较例，关于以往的SG及BSG的特性进行研究，研究本发明要解决的课题是由什么样的物理现象引起的。需要说明的是，关于反射光谱的计算，作为能够无限制地对任意形状的衍射光栅进行解析的手法，使用了分离法。分离法是将基于高折射率部和折射率比高折射率部低的低折射率部的反复结构的衍射光栅以一维的多层膜的多重反射的形式进行解析的方法。以往，在本发明那样的半导体光元件所使用的衍射光栅的解析中主要使用模式结合理论，但不适于一个一个地设计衍射光栅的各要件那样的详细的设计，那种复杂的设计合适使用分离法。
图3、4表示SG和BSG各自的反射光谱与反射相位的一例。
就活性层的增益而言，越脱离波段中心，增益越变小，越引起用于得到一定增益的电流值的增大、线宽增大系数(α参数)的增大。因此，反射率越脱离中央波长越小，在脱离了中央波长的波长信道，反射率和活性层都显示不优选的特性。因此，反射梳光谱的各峰值的反射率优选不显示波长依赖性。
如图3所示，关于SG，反射梳光谱的中央附近的反射峰值最高，越远离中央越小。为了减小该程度，缩短SG的各片段的内部所包含的衍射光栅的长度。于是，期望的波长可变波段外的反射峰值也变高。
另一方面，如图4所示，关于BSG，没有那样的制约，能得到规定的波段(例如，与设定好的激光振荡波段对应的波段)处的反射峰值的反射率的波长依赖性几乎没有、且抑制了波段外的反射峰值的反射梳光谱。在此，反射相位是指以相位零通过了某参照面的光在反射要件反射而返回到参照面时的相位。
另一方面，若观察反射相位，则如圆形记号所示，SG的各反射峰值处的反射相位在所有的峰值中几乎一致。与此相对，BSG的各反射峰值处的反射相位与SG不同，相对于波长而言无规则。BSG在其设计上通过将多个不同的周期的衍射光栅一边改变位置一边重合而得到。由此使多个波长的反射率一致，但各波长的衍射光栅的位置不同，因此，随之，反射相位在各波长不同。认为这是各反射峰值处的反射相位相对于波长无规则的原因。
相对于波长具有线性依赖性的反射相位能够通过某长度的波导路容易地补偿。即，通过光在某长度的波导路中传播，从而该光所带来的相位变化也相对于波长呈线性，因此，若以使将两个线性的相位相加的结果成为2π的整数倍的方式进行设计，则各反射峰值处的相位一致。因此，在本说明书中，将像这样各反射峰值处的反射相位相对于波长具有线性关系的反射梳光谱表现为反射相位一致。
另一方面，若如BSG那样各反射峰值处的反射相位相对于波长而言无规则，则不能通过波导路的插入进行补偿。特别是，在组合取样周期不同的两个反射梳光谱使用的情况下(为了得到游标效应当然是必要的构成)，不能对该相位偏移进行补偿。或者，即使为组合BSG与SG的构成，也同样地不能补偿相位偏移。因此，在使用BSG那样的具有各反射峰值处的反射相位相对于波长而言无规则的、换言之反射相位不一致的反射梳光谱的反射要件的情况下，为了实现游标型的波长可变型的激光元件，在光谐振器内对光的相位进行可变调整的相位调整机构是不可缺少的。另外，将取样周期不同的多个SG连结而成的CSG-DR激光器的无源区域也是组合取样周期不同的两个反射梳光谱来使用的构成，也不能应用BSG。
根据通过以上的研究新明确的情况，在使用了BSG的情况下需要相位调整区域的理由在于，在反射梳光谱的反射峰值波长之间，相位不一致。因此，若为具有反射相位一致的反射梳光谱的反射要件，则即便其抑制了波段外反射，也不需要相位调整区域。根据该构成，能够实现控制容易、按照波长信道而特性偏差较小的波长可变激光器。该见解是本发明的一个方面。
通过上述见解，就采用了本发明人研究出的衍射光栅结构的设计的sinc型SG而言，如图5所示，波段外的反射峰值被显著抑制，波段内的反射峰值的均匀性较高，且反射相位在所有的反射峰值处几乎一致。在本实施方式1涉及的半导体激光元件100中，衍射光栅层113、123具备设计为具有这样的特性的SG结构，从而来实现也可以不具备相位调整区域的半导体激光元件。
以下，对能得到反射相位一致、且抑制了波段外反射的反射梳光谱的衍射光栅结构进行研究。不极端强的(反射率不高的)衍射光栅能够通过傅里叶解析来设计。这是指形成衍射光栅的折射率分布的傅里叶变换近似地成为反射率光谱。需要说明的是，该反射率光谱严格来将是波数区域中的光谱，但视为与频率、波长一对一对应、且在较窄的范围内视为线性的对应。
首先，考虑相位一致这样的条件。根据傅里叶解析的理论，实际对称的构成的傅里叶变换是实际对称，折射率分布是实数，因此，相对于光的行进方向而言为大致中心对称的衍射光栅结构的反射光谱为实数，即，没有相位变化。因此，是大致中心对称的衍射光栅结构能够认为是相位一致的充分条件。例如，就公知的SG而言，作为其要件的衍射光栅是较短的均匀的衍射光栅且是大致中心对称的结构，因此是相位一致的衍射光栅。需要说明的是，BSG不满足该条件。
进而，考虑反射光谱。矩形窗口函数的傅里叶变换是sinc函数。以该事实为基础考虑，SG是将在较小的矩形窗口函数上乘以cos函数而得的结果与梳状函数(Comb函数、错切函数)卷积后进一步乘以较大的矩形窗口函数而得到的，因此，该傅里叶变换是在对较大的sinc函数进行频率移动后得到的结果(卷积了与原点不同的位置的脉冲得到的结果)上乘以梳状函数、再卷积较小的sinc函数而得到的(参照图6)。在该情况下，决定多个反射峰值整体的包络线的是作为较小的矩形窗口函数的傅里叶变换的较大的sinc函数。因此，在以往的SG中，反射峰值的强度相对于波长具有sinc函数的依赖性，虽然若缩短决定较小的窗口函数的要件的衍射光栅则包络线扩宽，但无法实现完全地均匀，相反地波段外的峰值超过sinc函数的形状而也无法抑制。
这样，反射光谱的整体的包络线由最小的窗口函数决定。因此，对于使作为SG的要件的衍射光栅为另外的形状进行研究。矩形窗口函数的傅里叶变换是sinc函数，相反地sinc函数的傅里叶变换是矩形窗口函数。利用该事实，若预先使作为SG的要件的衍射光栅为sinc函数状(将sinc函数与cos函数相乘得到的)，则SG的反射峰值的包络线成为矩形窗口函数。即，若使衍射光栅通过将在较小的sinc函数上乘以cos函数得到的结果与梳状函数卷积后进而乘以较大的矩形窗口函数而得到，则其傅里叶变换为在对较大的矩形窗口函数进行了频率移动后得到的结果(卷积了与原点不同的位置的脉冲得到的结果)上乘以梳状函数、再卷积较小的sinc函数而得到(参照图7)。作为结果而得到的反射光谱成为峰值之间的反射强度一致且波段外的反射峰值得到抑制的光谱。
这样的使用了sinc函数的衍射光栅结构的设计方法是公知的，在非专利文献3中有将其应用于光纤布拉格光栅的实例。但是，在非专利文献3中，也没有发现为了使反射相位一致而设为大致中心对称这样的动机，因此，详细地观察非专利文献3中的图1可知，sinc函数的内部的折射率分布未成为中心对称。
如以上说明的那样，使用sinc函数状的要件衍射光栅结构、且使sinc函数内部的折射率分布为大致中心对称的衍射光栅结构能够成为能得到反射相位一致、且抑制了波段外反射的反射梳光谱的衍射光栅的实现方法。
sinc函数是表示1与-1之间的连续的值的函数，因此，形成衍射光栅结构的折射率分布仅凭借高折射率部与低折射率部这两种不能完全地实现。半导体光元件通常为通过层叠结构的组合而制作的工艺，例如使用利用有衍射光栅层的部位和没有衍射光栅层的部位的折射率差来形成衍射光栅的结构等。为了实现这样的连续的各种各样的折射率，若以根据部位而使衍射光栅层的厚度稍微不同的方式进行加工就能实现，但这未必容易。因此，在得到sinc函数状的衍射光栅时，考虑对半导体工艺亲和性较高的方案很重要。
需要说明的是，方法之一是通过较小的Duty比的衍射光栅来实现欲减小折射率对比度的部分。但是，精密地控制并制作极微小的Duty比的衍射光栅是很困难的。
因此，本发明人考虑了通过后述的局部的间隔剔除来实现折射率的大小的这一新的方法。具体而言，在规定的方向(光的行进方向)上交替地配置多组高折射率部和折射率比该高折射率部低的低折射率部而成的衍射光栅结构中，若以周期性地交替配置多组高折射率部与低折射率部而成的结构为基本结构，则成为具有如下结构的衍射光栅结构：该结构通过从基本结构中间隔剔除高折射率部的至少一个、间隔剔除低折射率部的至少一个、间隔剔除高折射率部与所述低折射率部的边界的至少一个、或组合这些间隔剔除而形成。另外，衍射光栅结构具有包含高折射率部与所述低折射率部的交替配置从基本结构相位偏移了1/2周期而成的多个部分的结构。
即，在衍射光栅的反射强度较强的、sinc函数的绝对值接近1的部分不进行间隔剔除，在绝对值小于1的部分进行间隔剔除(例如，若为0.5则在两个中间隔剔除一个)。
一般而言，本发明的另一方面的衍射光栅结构的设计方法如以下所述。
首先，通过对期望的反射光谱进行傅里叶变换来决定衍射光栅的强度函数(例如，为了得到矩形的反射光谱而使用sinc函数形状的强度函数)。此时，若使该期望的反射光谱为实际对称的形状，则强度函数为实际函数。该强度函数包含正负的值。在强度函数为负的部分，进行相位的翻转(更换基本结构中的高折射率部与低折射率部的位置)。在强度函数的绝对值小于1的部分，根据其大小，若为1，则不进行间隔剔除，若为0，则完全地间隔剔除(在该部分，没有交替地配置高折射率部与低折射率部的衍射光栅结构)。
通过周期性地反复这样的衍射光栅结构，从而整体上形成SG是容易的应用。在该方法中，能够仅使用对半导体工艺亲和性高的两种折射率部，利用也不需要Duty的精密控制等的能容易地实现的结构来设计任意的反射光谱。
需要说明的是，在图3所示的SG与图5所示的sinc型的SG中，反射相位在所有的反射峰值几乎一致，但根据考虑反射的参照面的取得方法，存在不一致的情况。在该情况下，若为以相对于波长成为线性的方式排列的变化，则也没有问题。在大致中心对称结构的SG中，若在要件衍射光栅结构的中央放置参照面，则反射相位在所有的反射峰值处一致，若将参照面放置于要件衍射光栅结构与要件衍射光栅结构的中间，则反射相位在相邻的峰值之间翻转，若哪个都不是，则反射相位根据各反射峰值而逐渐成为不同的线性的关系。
若将参照面放置于要件衍射光栅结构与要件衍射光栅结构的中间、则各反射峰值的反射相位一致换言之是指，在由两个对置的SG形成游标的情况下，为了不需要进行相位调整，需要在将一方的端部的片段延长了大致整数周期的位置具有另一方的端部的片段。在该宏观的配置的基础上，在微观上做成夹着λ/4(衍射光栅周期的一半)的相位偏移的结构，从而无论在哪个反射峰值处产生振荡都不需要进行相位调整。
以下，更具体地说明衍射光栅结构的设计。
首先，如图8所示，考虑具有在光的行进方向上交替地配置多组折射率n为nH的高折射率部H与折射率n为nL的低折射率部L而成的基本结构的衍射光栅结构G。以下，使用衍射光栅结构G的折射率结构进行说明。需要说明的是，例如，高折射率部H由1.23Q的GaInAsP构成，低折射率部L由InP构成，但并不特别限定。
与此相对，关于相位翻转(与1/2周期的相位偏移的插入相同的意思)，如图9所示，相对于衍射光栅结构G的折射率结构，更换高折射率部与低折射率部。这与在未进行相位翻转的部位与进行相位翻转的部位之间插入1/2周期的相位偏移相同。
接着，关于间隔剔除进行说明，以下，说明两个实现方法(间隔剔除(A)和间隔剔除(B))。
在间隔剔除(A)中，以低折射率部为基本，将高折射率部视为一个衍射光栅。
并且，如图10A、B所示，相对于衍射光栅结构G的折射率结构，通过使高折射率部为低折射率部，能够进行由“×”表示的高折射率部的间隔剔除。例如，在强度函数为1/2的情况下，如图10A所示，以两个中间隔剔除一个的比例进行高折射率部的间隔剔除。在强度函数为1/3的情况下，如图10B所示，以三个中间隔剔除两个的比例进行高折射率部的间隔剔除。
需要说明的是，在上述间隔剔除(A)中，相对于衍射光栅结构G的折射率结构，通过使高折射率部为低折射率部来进行间隔剔除，但通过使低折射率部为高折射率部也能够进行与间隔剔除(A)同样的间隔剔除。
图11是表示从中心对称的sinc型的强度函数的中心起的一侧的部分与通过间隔剔除(A)来实现该强度函数的衍射光栅结构的折射率结构的图。根据图11可知，高折射率部的密度依赖于强度函数的绝对值的大小而变化。另外，在强度函数的符号发生变化的部分，折射率结构发生相位翻转。
另一方面，在间隔剔除(B)中，将折射率的变化视为一个衍射光栅。折射率从高折射率向低折射率变化的位置或折射率从低折射率向高折射率变化的位置、即高折射率部与所述低折射率部的边界为光的微小的反射点、且是构成衍射光栅的要件。基于该想法，如图12A、B所示，相对于衍射光栅结构G的折射率结构，通过如“×”所示那样删除高折射率部与所述低折射率部的边界来进行间隔剔除。但是，在删除了从高折射率部成为低折射率部的边界的情况下，需要必须删除与该边界相邻的从低折射率部成为高折射率部的边界。
此时，删除了的边界相对于衍射光栅结构G的折射率结构中的边界的数量的比例成为强度函数。如图12A所示，在强度函数为1/2的情况下，作为结果得到的折射率结构的图案与图10A所示的间隔剔除(A)的情况相同。但是，如图12B所示，在强度函数为1/3的情况下，得到的图案与图10B所示的间隔剔除(A)的图案不同。该差异是由于，在间隔剔除(A)中，仅将高折射率部置换为低折射率，而在间隔剔除(B)中，存在有将高折射率部置换为低折射率的部位与将低折射率部置换为高折射率的部位这两方。
因此，通过将高折射率部置换为低折射率或将低折射率部置换为高折射率的任一方或者适当组合两方，从而能够对间隔剔除(A)、(B)进行定义，且也能够考虑其他的间隔剔除方法。
图13是表示从中心对称的sinc型的强度函数的中心起的一侧的部分与通过间隔剔除(B)来实现该强度函数的衍射光栅结构的折射率结构的图。根据图13可知，高折射率部与低折射率部的边界的密度依赖于强度函数的绝对值的大小而变化。另外，在强度函数的符号发生变化的部分，折射率结构发生相位翻转。
需要说明的是，在衍射光栅的设计时，可以使用上述的两个间隔剔除中的任一个，但间隔剔除(B)在能表示更细的强度函数方面优异。特别是，强度函数在较短的周期数之间发生变化的设计的情况下，有效性较高。
为了实现通过上述的方法确定的折射率结构的图案，实际的衍射光栅结构将高折射率部与低折射率部分别以λ/4(激光的媒介内波长的1/4)的长度配置。此时，高折射率部与低折射率部的相当于λ/4的长度不同，因此，优选进行其补正。也就是说，优选高折射率部与其折射率相应地较短，低折射率部分比高折射率部长。特别是，在通过间隔剔除(A)生成了折射率结构的图案的情况下，具有低折射率部较长地连续的区域，因此，长度的些许的误差蓄积而成为相位起伏，因此，进行长度的补正容易变得重要。
需要说明的是，在本实施方式1涉及的半导体激光元件100的衍射光栅层113、123的衍射光栅G1、G2、G3的衍射光栅结构的设计中，强度函数由sinc(xπ/xwin)赋予。Xwin在所有的衍射光栅G1、G2、G3中为8.1μm。增益SG部110的衍射光栅层113中的片段113a的取样周期为衍射光栅G1的衍射光栅周期的666倍，片段数为六个。此外，如前述那样，存在一个没有衍射光栅的片段。无源SG部120的衍射光栅层123中的片段123a、123b的取样周期为衍射光栅G2、G3的衍射光栅周期的768倍。由此，能得到图2所示的反射梳光谱。
另外，在上述实施方式1的情况下，以使无源SG部120的衍射光栅层123成为适于使激光振荡波段的中心产生激光振荡的反射梳光谱的方式进行了设计，但如图14、图15所示，也可以设计为适于使激光振荡波段的长波长侧产生激光振荡的反射梳光谱，或设计为适于使短波长侧产生激光振荡的反射梳光谱。在使半导体激光元件以在长波长侧、短波长侧的任一侧产生激光振荡的方式进行动作的情况下，都通过CSG-DBR结构内部的游标效应来抑制回归模式，而且通过本发明的效果抑制激光振荡波段外的反射，因此能够良好地进行激光振荡波长的选择。通过将本发明的实施方式1涉及的衍射光栅用于波长可变激光器，能够在激光振荡波段内实现100kHz以下的振荡频率线宽。
(实施方式2)
基于本发明的一方面的设计方法的衍射光栅结构并不是仅能应用于CSG-DR激光器。在该衍射光栅结构中，若利用能够容易地实现任意的反射光谱这样的特性，则能够用以提高各种各样的半导体光元件的性能。
图16是沿光波导方向剖切实施方式2涉及的半导体激光元件得到的示意性的剖视图。该半导体激光元件200为在元件内部设置了部分衍射光栅的被称为多模式(iGM：innerGrating Multimode)激光器的元件(非专利文献4)。
半导体激光元件200具备：在背面形成有n侧电极201的n型半导体层202；形成在n型半导体层202上的活性层203；形成在活性层203上的p型上部包覆层204；形成在p型上部包覆层204上的p侧电极205；在p型上部包覆层204内在活性层203的附近沿着活性层203设置的衍射光栅层206；形成于端面211的作为第一反射膜的低反射率膜212；形成于端面213的、反射率比低反射率膜212高的作为第二反射膜的高反射率膜214。活性层203配置于低反射率膜212与高反射率膜214之间。
n型半导体层202具有在由n型InP构成的基板上形成有由n型InP构成的下部包覆层的构成。p型上部包覆层204由p型InP构成。衍射光栅层206具有离散地配置的1.23Q的p型GaInAsP层之间由与p型上部包覆层204相同的半导体材料(p型InP)填埋的衍射光栅结构。活性层203由GaInAsP构成，具有MQW-SCH结构。
如上所述，半导体激光元件200具有低反射率的端面211与高反射率的端面213，在端面211的附近设置较短的衍射光栅层206。并且，利用基于衍射光栅层206的衍射光栅结构的限制了反射波段的反射镜和基于高反射率的端面213的反射镜形成光谐振器，产生激光振荡。iGM激光器与DFB激光器的差异在于衍射光栅层206与高反射率的端面213之间的距离在一定程度上分开，由此，在衍射光栅层206的反射波段的范围，以多个纵模式进行多模式振荡。iGM激光器通过适当选择该振荡模式(纵模式)的数量，例如在用于光纤放大器的激励光源的用途的情况下，能够抑制由受激布里渊散射引起的来自光纤的返回光。
半导体激光元件200的整体的长度例如为2500μm。并且，衍射光栅层206的衍射结构通过上述的设计来设定。半导体激光元件200所相关的其他的设计值适当通过公知的方法决定即可。
在以往的iGM激光器中，仅使用了具有周期性地交替配置有多组高折射率部与低折射率部而成的衍射光栅结构的较短的衍射光栅。因此，衍射光栅的反射波段被限定，但在其波段内存在微小的反射率的偏差(较短的衍射光栅的反射光谱成为sinc函数状与在实施方式1中说明的相同)。这样，反射率根据波长而不同时，在多个模式之间，阈值增益产生偏差。在高电流注入时，通过光谱烧孔等的效果，阈值增益较高的模式也容易产生振荡，但在低电流注入时，首先从阈值增益较小的模式产生振荡，因此，成为根据驱动条件的不同而振荡模式的数量产生偏差的原因。
与此相对，在本实施方式2涉及的半导体激光元件200中，衍射光栅层206使用上述的衍射光栅的设计方法来设计，从而具有平顶的反射光谱。由此，与驱动条件无关，振荡模式的数量稳定。
具体而言，在衍射光栅层206的衍射光栅结构中，作为衍射光栅的强度函数，使用作为公知的平顶窗口函数的变形的(0.54+0.46cos(xπ/2.2w))×sinc(xπ/w)，其中，|x|＜2w。窗口函数的设计概括来说是基于通过傅里叶变换得到期望的形状这样的方针，因此，作为通过对期望的反射率光谱进行傅里叶变换而得到的形状的强度函数，适合使用这样的公知的窗口函数的方法。需要说明的是，w是48μm。将强度函数和与其对应的折射率结构(基于间隔剔除(A))示于图17中。该强度函数也是中心对称的，因此，仅显示从中心起的一侧的部分。另外，在强度函数的符号发生变化的部分，折射率结构发生相位翻转，换言之，在显示范围的中央存在1/2周期的相位偏移。
需要说明的是，在图16中，用箭头示出衍射光栅层206中的存在相位偏移的位置。
将实施方式2的衍射光栅层206的平顶的反射光谱与以往例的衍射光栅的反射光谱的计算结果示于图18中。与以往例相比，实施方式2的衍射光栅层206的反射光谱的反射峰值明显平坦。
在以往的衍射光栅中，在结合系数高、反射率接近1的设计区域，也能够得到平顶的反射率。这是由于，只要不考虑增幅，反射率就不会超过1，因此，当增强衍射光栅时，逐渐成为峰值饱和的形状。但是，在激光器的设计方面，衍射光栅所要求的反射率不一定高。例如，在作为iGM激光器的主用途的光纤放大器激励用高输出激光器中，为了实现高效率，优选反射率不太高。因此，在以往的衍射光栅中，通过设为高反射率而得到的平顶实际上不能利用。与此相比，在基于本说明书中公开的设计的衍射光栅中，能够以1％前后的适度低的反射率实现平顶的光谱形状，因此，适于iGM激光器那样的激光器。
需要说明的是，在实施方式2涉及的半导体激光元件200中，从低电流注入时到高电流注入时能够得到稳定的模式数量的多模式振荡。
需要说明的是，在上述实施方式中，光元件是半导体激光元件，但本发明不限定于半导体激光元件。例如，光元件也可以为不具有活性层、而作为将输入的光以较高的反射率反射的反射元件发挥功能的布拉格反射元件。此时，输入且被反射的光的波长是指布拉格反射元件的动作波长。因此，该布拉格反射元件以使要输入的光的波长比反射波段的中心波长长的方式设计。
另外，在上述实施方式涉及的半导体激光元件中，作为反射要件的衍射光栅层均由无源波导路芯层构成，但衍射光栅层也可以包含发光区域。
另外，本发明不由上述实施方式进行限定。适当组合上述的各结构要件而构成的部分也包含在本发明中。另外，本领域技术人员能够容易地导出更多的效果和变形例。由此，本发明的更广泛的方式不限于上述的实施方式，能够进行各种变更。
工业实用性
本发明涉及的半导体激光元件、衍射光栅结构以及衍射光栅主要适合利用于光通信的用途。

Claims (6)

1.一种半导体激光元件，其是具备光谐振器的游标型且波长可变型的半导体激光元件，该光谐振器由具有在波长轴上大致周期性地配置有反射峰值的反射梳光谱、且所述周期彼此不同的第一反射要件、第二反射要件构成，
所述半导体激光元件的特征在于，
所述第一反射要件、第二反射要件中的至少一个为包含多个衍射光栅结构的取样光栅结构的衍射光栅，
所述衍射光栅结构通过在规定的方向上交替地配置多组高折射率部与折射率比所述高折射率部低的低折射率部而成，
若以周期性地交替配置多组所述高折射率部与所述低折射率部而成的结构为基本结构，则所述衍射光栅结构具有如下结构：该结构通过从所述基本结构中间隔剔除所述高折射率部的至少一个、间隔剔除所述低折射率部的至少一个、间隔剔除所述高折射率部与所述低折射率部的边界的至少一个、或组合这些间隔剔除而形成，并且，
所述衍射光栅结构具有包含如下多个部分的结构：该多个部分是所述高折射率部与所述低折射率部的交替配置从所述基本结构相位偏移了1/2周期的部分。
2.根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述取样光栅结构具有沿光波导方向排列多个片段而成的区域，所述多个片段由衍射光栅和在所述光波导方向上与所述衍射光栅连接且连续地存在的波导路区域构成，
所述半导体激光元件不具备相位调整区域。
3.根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第一反射要件、第二反射要件中的至少一个具有发光区域。
4.根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅结构具有近似地得到通过对期望的反射率光谱进行傅里叶变换而得到的形状的结构。
5.根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅结构具有近似地得到通过对矩形窗口函数进行傅里叶变换而得到的sinc函数形状的结构。
6.根据权利要求5所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述衍射光栅结构具有在所述规定的方向上大致中心对称的结构。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017119400A1 (ja) 2016-01-08 2017-07-13 大日本印刷株式会社 回折光学素子、及び光照射装置
US11841270B1 (en) * 2022-05-25 2023-12-12 Visera Technologies Company Ltd. Spectrometer

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2836050B2 (ja) * 1989-12-04 1998-12-14 キヤノン株式会社 光波長フィルター及びそれを用いた装置
JP2004128372A (ja) * 2002-10-07 2004-04-22 Furukawa Electric Co Ltd:The 分布帰還型半導体レーザ素子
CN1886680A (zh) * 2003-12-24 2006-12-27 皮雷利&C.有限公司 可调谐振光栅滤光器
JP2011003886A (ja) * 2009-05-21 2011-01-06 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体レーザ素子及びその作製方法
EP2431775A1 (en) * 2010-09-16 2012-03-21 Alcatel Lucent Interleaved sampled gratings for multi-peaks reflectivity spectrum

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3053966B2 (ja) * 1992-06-01 2000-06-19 キヤノン株式会社 方向性結合器フィルタ
CA2228683C (en) 1998-02-20 2002-05-14 Ivan Avrutsky Superimposed grating wdm tunable lasers
US6937638B2 (en) 2000-06-09 2005-08-30 Agility Communications, Inc. Manufacturable sampled grating mirrors
KR100388485B1 (ko) * 2001-05-31 2003-06-25 한국전자통신연구원 다파장 단일모드 레이저 어레이 및 그 제조 방법
JP2003152274A (ja) 2001-11-13 2003-05-23 Furukawa Electric Co Ltd:The 半導体レーザ装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いたラマン増幅器
US7180930B2 (en) 2002-06-20 2007-02-20 The Furukawa Electric Co., Ltd. DFB semiconductor laser device having ununiform arrangement of a diffraction grating
KR100547897B1 (ko) * 2003-06-30 2006-01-31 삼성전자주식회사 파장 가변형 레이저 장치
EP1978612B1 (en) * 2007-04-05 2017-08-16 Sumitomo Electric Device Innovations, Inc. Optical semiconductor device and method of controlling the same
JP4283869B2 (ja) * 2007-04-05 2009-06-24 ユーディナデバイス株式会社 光半導体装置および光半導体装置の制御方法
JP5058087B2 (ja) * 2008-07-10 2012-10-24 三菱電機株式会社 波長可変半導体レーザ
JP5407526B2 (ja) * 2009-04-27 2014-02-05 住友電気工業株式会社 波長可変レーザ、波長可変レーザ装置、及び波長可変レーザ制御方法
JP5692330B2 (ja) 2013-10-18 2015-04-01 住友電気工業株式会社 波長可変レーザ、波長可変レーザ装置、及び波長可変レーザ制御方法
JP6382506B2 (ja) 2013-11-29 2018-08-29 住友電工デバイス・イノベーション株式会社 波長可変レーザの制御方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2836050B2 (ja) * 1989-12-04 1998-12-14 キヤノン株式会社 光波長フィルター及びそれを用いた装置
JP2004128372A (ja) * 2002-10-07 2004-04-22 Furukawa Electric Co Ltd:The 分布帰還型半導体レーザ素子
CN1886680A (zh) * 2003-12-24 2006-12-27 皮雷利&C.有限公司 可调谐振光栅滤光器
JP2011003886A (ja) * 2009-05-21 2011-01-06 Sumitomo Electric Ind Ltd 半導体レーザ素子及びその作製方法
EP2431775A1 (en) * 2010-09-16 2012-03-21 Alcatel Lucent Interleaved sampled gratings for multi-peaks reflectivity spectrum

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