JP2001320127A

JP2001320127A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2001320127A
Application number: JP2000133740A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kato; 隆志加藤; Manabu Shiozaki; 学塩崎
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2000-05-02
Filing date: 2000-05-02
Publication date: 2001-11-16

Abstract

(57)【要約】【課題】光出力と発振波長とを独立に制御することが
可能な構造を有する半導体レーザを提供する。【解決手段】本発明の半導体レーザ１０は、多波長で
ほぼ同じ強度の回折ピークを有する多波長回折グレーテ
ィング１８を有する光学部品１２と、光学部品１２と光
学的に結合された一端１６、所定の反射率を有する他端
３６、一端１６と他端３６との間に設けられた光増幅部
２６およびマッハツェンダ型干渉部２８を有する光学デ
バイス１４と、を備え、光増幅部２６は半導体活性層３
２を含み、マッハツェンダ型干渉部２８は半導体活性層
３２に光学的に結合された光導波路３４の屈折率を変え
るための複数の電極３８を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発振波長を変化さ
せることが可能な半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の半導体レーザとして、例えば文
献１（"Step-tunable(100GHz) hybridlaser based on V
ernier effect between Fabry-Perot cavity and sampl
ed fibre Bragg grating", ELECTRONICS LETTERS 27th
May 1999 Vol.35 No.11, pp.904-906）に開示されてい
るものがある。この半導体レーザは、コア部に多波長回
折グレーティングが形成された光ファイバと、ファブリ
・ペロー（ＦＰ）型半導体レーザとを光学的に結合して
構成されている。

【０００３】そしてこの半導体レーザでは、ＦＰ型半導
体レーザに注入する注入電流によりＦＰモードを調整す
ることで、発振される光の波長をステップ的に変化させ
ている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た従来の半導体レーザでは、発振される光の波長のみな
らず発振される光の出力も注入電流に依存するため、注
入電流によってＦＰモードを調整して所望の波長の光を
得たとしても、所望の出力の光が得られるとは限らなか
った。

【０００５】そこで本発明は、光出力と発振波長とを独
立に制御することが可能な構造を有する半導体レーザを
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、多波長でほぼ同じ強度の回折ピークを有する多波長
回折グレーティングを有する光学部品と、光学部品と光
学的に結合された一端、所定の反射率を有する他端、一
端と他端との間に設けられた光増幅部およびマッハツェ
ンダ型干渉部を有する光学デバイスと、を備え、光増幅
部は半導体活性層を含み、マッハツェンダ型干渉部は半
導体活性層に光学的に結合された光導波路の屈折率を変
えるための複数の電極を有する。

【０００７】この半導体レーザでは、光学部品の多波長
回折グレーティングと光学デバイスの所定の反射率を有
する他端との間で共振器が構成される。ここで、光学部
品の多波長回折グレーティングの反射スペクトルはほぼ
同じ反射強度の複数の反射率ピーク波長を有する。また
マッハツェンダ型干渉部は、伝搬する光の強度に波長依
存性を生じさせ得る。そして、レーザ発振は多波長回折
グレーティングの反射率とマッハツェンダ型干渉部を通
る光の強度との積が最大となる波長で起こり得る。

【０００８】ここで、電極を介してマッハツェンダ型干
渉部に電圧あるいは電流を加えて光導波路の屈折率を変
更する。すると、光学的な光路差が変更され、マッハツ
ェンダ型干渉部を通る光の強度の波長依存性は変化す
る。その結果、多波長回折グレーティングの反射率とマ
ッハツェンダ型干渉部を通る光の強度との積が最大とな
る波長も変化し、レーザ発振される光の波長が変化す
る。

【０００９】また本発明の半導体レーザでは、光学デバ
イスは、光増幅部に含まれる半導体活性層と、マッハツ
ェンダ型干渉部に含まれる光導波路を構成する半導体層
とを有する半導体デバイスである、ことを特徴としても
よい。

【００１０】また本発明の半導体レーザでは、光学デバ
イスは、光増幅部を有する半導体光増幅器と、マッハツ
ェンダ型干渉部を有するマッハツェンダ型干渉器とを含
む、ことを特徴としてもよい。

【００１１】前者のようにすれば、光増幅部とマッハツ
ェンダ型干渉部とを有する光学デバイスは一つの半導体
デバイスとして構成され、光結合効率が向上される。ま
た後者のようにすれば、光学デバイスは別々に構成され
た半導体光増幅器とマッハツェンダ型干渉器とを光学的
に結合することで構成される。

【００１２】また本発明の半導体レーザは、多波長回折
グレーティングを有する光学部品と、光学部品と光学的
に結合された一端、一端と対向する他端、一端と他端と
の間に設けられた光増幅部および超周期グレーティング
が設けられた光導波路を含む光導波路部を有する光学デ
バイスと、を備え、光増幅部は半導体活性層を含み、光
導波路部は半導体活性層に光学的に結合された光導波路
の屈折率を変えるための複数の電極を有する。

【００１３】この半導体レーザでは、光学部品の多波長
回折グレーティングと光導波路部の超周期グレーティン
グとの間で共振器が構成される。ここで、光学部品の多
波長回折グレーティングの反射スペクトルは複数の反射
率ピーク波長を有する。また、光導波路部の超周期グレ
ーティングの反射スペクトルも複数の反射率ピーク波長
を有する。そしてレーザ発振は、光学部品の多波長回折
グレーティングの反射率と、光導波路部の超周期グレー
ティングの反射率との積が最大となる波長で起こり得
る。

【００１４】ここで、電極を介して光導波路部に電圧あ
るいは電流を加えて光導波路の屈折率を変更する。する
と、超周期グレーティングの反射スペクトルの反射率ピ
ーク波長は変化する。その結果、光学部品の多波長回折
グレーティングの反射率と光導波路部の超周期グレーテ
ィングの反射率との積が最大となる波長も変化し、レー
ザ発振される光の波長が変化する。

【００１５】また本発明の半導体レーザでは、光学デバ
イスは、光増幅部に含まれる半導体活性層と、光導波路
部に含まれる光導波路を構成する半導体層とを有する半
導体デバイスである、ことを特徴としてもよい。このよ
うにすれば、光増幅部と光導波路とを有する光学デバイ
スは一つの半導体デバイスとして構成され、光結合効率
が向上される。

【００１６】また本発明の半導体レーザでは、多波長回
折グレーティングは、等間隔に配置された所定周期の複
数のグレーティング部を有する、ことを特徴としてもよ
い。このようにすれば、多波長回折グレーティングの反
射率ピークを与える波長は、グレーティング部の所定周
期と、等間隔に配置された複数のグレーティング部の間
隔とにより規定される。

【００１７】また本発明の半導体レーザでは、多波長回
折グレーティングは、第１の屈折率を有する複数の第１
グレーティング部と、第２の屈折率を有する複数の第２
グレーティング部とを有し、該第１グレーティング部と
該第２グレーティング部とは交互に連続して配置されて
いる、ことを特徴としてもよい。このようにすれば、超
周期グレーティングの反射率ピークを与える波長は、第
１グレーティング部および第２グレーティング部が有す
る周期と、第１グレーティング部および第２グレーティ
ング部の繰り返し周期とにより規定される。

【００１８】また本発明の半導体レーザでは、多波長回
折グレーティングは、等間隔に配置されたチャープされ
た複数のグレーティング部を有する、ことを特徴として
もよい。このようにすれば、多波長回折グレーティング
の反射率ピークを与える波長は、チャープされたグレー
ティング部に含まれる周期と、等間隔に配置された複数
のグレーティング部の間隔とにより規定される。

【００１９】また本発明の半導体レーザでは、多波長回
折グレーティングは、それぞれ異なる周期の複数のグレ
ーティング部を有し、各々のグレーティング部は空間的
に重ねて配置されている、ことを特徴としてもよい。こ
のようにすれば、超周期グレーティングの反射率ピーク
を与える波長は、複数のグレーティング部のそれぞれ異
なる周期により規定される。そして、各々のグレーティ
ング部は空間的に重ねて配置されているため、多波長回
折グレーティングの長さを短くすることができる。ま
た、各波長のグレーティングを書き込む際、アポタイズ
をかけることにより、重ね書きの際の干渉を抑えること
ができる。

【００２０】また本発明の半導体レーザは、光学デバイ
スに光学的に結合され、光増幅部で発生された光を変調
するためのマッハツェンダ型変調器を更に備え、光学デ
バイスは、マッハツェンダ型変調器と光学部品との間に
配置されている、ことを特徴としてもよい。このように
すれば、マッハツェンダ型変調器によって光を変調する
ことができる。

【００２１】また本発明の半導体レーザでは、光学部品
は光ファイバを含み、多波長回折グレーティングは光フ
ァイバに設けられている、ことを特徴としてもよい。こ
のようにすれば、光ファイバに設けられた多波長回折グ
レーティングにより一方の反射器が構成される。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
による半導体レーザの実施形態について説明する。な
お、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を
省略する。

【００２３】図１は、本発明による半導体レーザの第１
実施形態の構成を模式的に示す平断面図であり、また図
２は、図１におけるII−II線に沿った断面図である。

【００２４】図示の通り、半導体レーザ１０は光ファイ
バ（光学部品）１２と半導体デバイス（光学デバイス）
１４とを備えている。これら光ファイバ１２と半導体デ
バイス１４とは、図示しない搭載部材に収納されてい
る。

【００２５】光ファイバ１２は２つの端部を有し、これ
らのうちレンズ形状を有する一方の端部１２ａは半導体
デバイス１４の第１の端面１６と対向していて、この端
部１２ａと第１の端面１６とが光学的に結合可能な位置
に光ファイバ１２が配置されている。この光ファイバ１
２には、一方の端部１２ａから所定距離離れたコア部内
の位置に多波長回折グレーティング１８が形成されてい
る。

【００２６】図３は、光ファイバ１２に設けられた多波
長回折グレーティング１８を説明するための説明図であ
る。図示の通り、多波長回折グレーティング１８は、周
期Λ _aのグレーティング部２０が周期Λ_bで等間隔に配置
されて構成されている。この多波長回折グレーティング
１８は、次のようにして形成することができる。

【００２７】まず、光ファイバ側面に所望の位相格子マ
スクを置き、このマスクにスペクトルの鋭い紫外線（通
常はエキシマレーザを用いる）を照射する。そして、位
相格子マスクを通過した光の干渉効果を利用し、周期Λ
_aに相当するビームの強弱によってグレーティング部２
０を作製する。これを間隔Λ_bで繰り返していくこと
で、図３に示される多波長回折グレーティング１８が形
成される。

【００２８】図４は、かかる多波長回折グレーティング
１８の反射特性を示すグラフである。図４において反射
スペクトルの個々のスペクトルピークは、周期Λ_aに起
因するスペクトルピークである。そして、個々のスペク
トルピーク列の間隔δλ_FGは周期Λ_bによって規定さ
れ、 δλ_FG ＝ λ₀ ²／２ｎΛ_b で表される。ここでλ₀は、周期Λ_aのグレーティングに
よるブラッグ回折波長、つまりλ₀＝２ｎΛ_aであり、ｎ
は光ファイバ１２中を伝搬するモードの実効屈折率であ
る。

【００２９】このような多波長回折グレーティング１８
として、例えば周期Λ_aが５３４nm、周期Λ_bが１mm、全
長が５０mmのものを用いた場合、多波長回折グレーティ
ング１８のそれぞれの反射ピークについて、反射率が１
０〜７０％、半値幅が０．１〜０．３nmとなる。

【００３０】また図５（ａ）は、多波長回折グレーティ
ング１８の他の例を説明するための説明図であり、図５
（ｂ）はこの多波長回折グレーティング１８の屈折率分
布を示す図である。この多波長回折グレーティング１８
は、第１の屈折率を有する複数の第１グレーティング部
１９ａと、第１の屈折率と比べて低い第２の屈折率を有
する複数の第２グレーティング部１９ｂとを有してい
る。そして、第１グレーティング部１９ａと第２グレー
ティング部１９ｂとは交互に連続して配置されている。
これら第１グレーティング部１９ａおよび第２グレーテ
ィング部１９ｂは、ぞれぞれ一定の周期Λ_aで形成され
ており、また第１グレーティング部１９ａと第２グレー
ティング部１９ｂとは周期Λ_bで交互に配置されてい
る。この多波長回折グレーティング１８は次のようにし
て形成することができる。

【００３１】まず、光ファイバ側面に所望の位相格子マ
スクを置き、このマスクにスペクトルの鋭い紫外線（通
常はエキシマレーザを用いる）を照射する。そして、位
相格子マスクを通過した光の干渉効果を利用し、周期Λ
_aに相当するビームの強弱により均一周期Λ_aのグレーテ
ィングを所望の長さ分だけ書き込む。次に、周期Λ_bの
屈折率変調を行うため、第１グレーティング部１９ａを
形成すべき領域にのみ追加光を照射し、第２グレーティ
ング部１９ｂを形成すべき領域には追加光を照射しな
い。これを間隔Λ_bごとに繰り返すことで、図５（ａ）
に示される多波長回折グレーティング１８が形成され
る。かかる多波長回折グレーティング１８においても、
図４に示される反射スペクトルと同様の反射スペクトル
を得ることができる。

【００３２】また図６は、多波長回折グレーティング１
８の他の例を説明するための説明図である。

【００３３】この多波長回折グレーティング１８は、図
３の多波長回折グレーティング１８の周期Λ_aの部分を
同一周期にせず、周期をΛ_s〜Λ_eに変化させたチャープ
構造を有する。そしてかかる多波長回折グレーティング
１８の反射特性を図７に示す。図７において、反射スペ
クトルの個々のスペクトルピークはそれぞれ周期Λ_s〜
Λ_eに起因するスペクトルピークであり、波長λ_s（＝２
ｎΛ_s）〜λ_e（＝２ｎΛ_e）の間に反射ピーク列が形成
される。

【００３４】更に、多波長回折グレーティング１８の他
の例を図８において説明する。この多波長回折グレーテ
ィング１８は、Λ_s〜Λ_eのそれぞれ異なる周期の複数の
グレーティング部２０を有し、各々のグレーティング部
２０は図３に示すような周期Λ_bの繰り返し周期を有し
ている。そして、これら各々のグレーティング部２０は
空間的に重ねて配置されている。この場合、隣接する回
折波長スペクトルに影響が出ないように、重ね書きする
個々のグレーティング部２０にガウシアンアポタイズを
施し、サイドローブを下げるようにすると好ましい。こ
のようにグレーティング部２０を空間的に重ねて配置す
れば、多波長回折グレーティング１８の長さ、ひいては
トータルの光ファイバ１２の長さを短くすることがで
き、モジュール実装ができなかったり、高周波特性が落
ちたりするおそれが少なくなる。例えば、前記した図３
に示す多波長回折グレーティング１８では全長が５０ｍ
ｍ程度であったが、図８に示すようにグレーティング部
２０を重ね書きすることで全長を３〜６mm程度に短くす
ることができる。なお、かかる多波長回折グレーティン
グ１８においても、図７に示される反射スペクトルと同
様の反射スペクトルを得ることができる。

【００３５】これらの多波長回折グレーティング１８に
より特定の波長の光が選択的に反射され、これによって
半導体レーザ１０の共振器における一方の反射器が構成
されている。

【００３６】半導体デバイス１４は、図１および図２に
示すように、光増幅部２６とマッハツェンダ型干渉部２
８とを備えている。

【００３７】光増幅部２６は、電極３０を介してキャリ
アが注入されると光を発生する半導体活性層３２を有す
る。またマッハツェンダ型干渉部２８は、半導体活性層
３２と光学的に結合された光導波路３４を構成する半導
体層を有する。

【００３８】光導波路３４としては、図１および図９に
示すように、分岐部３４ａにおいてＹ字状に分岐された
各光導波路が半導体デバイス１４の第２の端面３６まで
延びるタイプのもの（分岐型光導波路と呼ぶ）や、図１
０に示すように、分岐部３４ａにおいてＹ字状に分岐さ
れた各光導波路が結合部３４ｂにおいて再び一つに結合
され、半導体デバイス１４の第２の端面３６まで延びる
タイプのもの（分岐結合型光導波路と呼ぶ）のいずれを
用いてもよい。

【００３９】この半導体デバイス１４の第１の端面１６
には反射防止膜が形成されており、一方、これに対向す
る第２の端面３６には、第１の端面１６より高反射率を
有する反射膜が形成されている。この反射膜により、半
導体レーザ１０の共振器における他方の反射器が構成さ
れている。

【００４０】この半導体デバイス１４では、図１および
図２に示すように、光増幅部２６とマッハツェンダ型干
渉部２８とはそれぞれ個別の電極３０，３８を有してい
る。光増幅部２６では、電極３０を介して半導体活性層
３２に注入する注入電流を操作することで、発振される
光の出力を調整することが可能となる。一方、マッハツ
ェンダ型干渉部２８では、分岐された一対の光導波路の
うちの少なくとも一方に印加する電圧あるいは電流を操
作することで、一対の光導波路のうちの少なくとも一方
の光導波路の屈折率を変化させることが可能となる。な
お、本実施形態では、分岐された一対の光導波路のうち
の一方に印加する電圧あるいは電流を操作可能な構成を
備えている。そして、一対の光導波路３４間で屈折率差
が生じると、一対の光導波路３４間で光路差が生じて各
光に位相差が生じる。従って、分岐部３４ａにおいて分
岐されて一対の光導波路３４を伝搬し、半導体デバイス
１４の第２の端面３６において反射された後戻ってくる
各光を分岐部３４ａにおいて合波して得られる光の強度
は波長依存性を持つ。

【００４１】すなわち、図９および図１０に示すよう
に、マッハツェンダ型干渉部２８に入射する光の強度を
Ｐ_in、マッハツェンダ型干渉部２８からの戻り光の強度
をＰ_ou _tとすると、戻り光と入射光との光強度の比Ｐ_out
／Ｐ_inは、図１１に示すように波長依存性を持つ。

【００４２】この比Ｐ_out／Ｐ_inが１となる波長、つま
り位相差が０°となる波長λ₀は、 λ₀ ＝ δＬ_MZ／２ｍπ で表される。同様に比Ｐ_out／Ｐ_inが０となる波長、つ
まり位相差が１８０°となる波長λπは、 λπ ＝ δＬ_MZ／（２ｍ＋１）π で表される。ここで、δＬ_MZは一対の光導波路３４間で
の光路差であり、ｍは整数である。

【００４３】そして、その周期は、 δλ_MZ ＝ λ²／２ｎδＬ_MZ で表される。ここで、λはマッハツェンダ干渉部に入力
する光の波長であり、ｎは光導波路３４の伝搬モードの
屈折率である。

【００４４】このような光出力の波長依存性を有するマ
ッハツェンダ型干渉部２８において、電極３８を介して
光導波路３４のうち一方に印加する電圧あるいは電流を
操作し、一対の光導波路３４間の屈折率差を変更する
と、一対の光導波路間で光路差が更に変化する。そし
て、図１１において破線で示すように、マッハツェンダ
型干渉部２８を通った光の強度の波長依存性が変化す
る。すなわち、マッハツェンダ型干渉部２８を通った光
の強度の波長依存性は、図１１において実線で示される
波形をほぼ保った状態で短波長側へあるいは長波長側へ
シフトする。ここで、マッハツェンダ型干渉部２８を電
圧で制御する場合、位相を１８０°だけ変えるのに必要
な電圧は、当該干渉部２８を構成する材料にも依存する
が、逆バイアスで数ボルト程度である。なお、マッハツ
ェンダ型干渉部２８を電圧で制御した場合、電流や温度
で制御する場合よりも高速で制御することができる。

【００４５】かかる構成の半導体デバイス１４は、図２
を参照すると、例えばInP基板上にGaInAsP材料からなる
半導体活性層３２と、同じくGaInAsP材料からなる光導
波路３４を構成する半導体層とを反応性イオンエッチン
グで形成し、その後それらの層を埋め込むための層を成
長して形成することができる。

【００４６】次に、上記した構成の半導体レーザ１０に
おいて発振波長が可変となる原理、すなわち半導体レー
ザ１０の作用について図１２（ａ）〜（ｃ）を参照しな
がら説明する。

【００４７】図１２（ａ）は、光ファイバ１２の多波長
回折グレーティング１８が有する反射特性を示すグラフ
であり、図１２（ｂ）は、マッハツェンダ型干渉部２８
に所定の電圧Ｖ₁が印加されて分岐された一対の光導波
路間で所定の光路差が生じている場合のマッハツェンダ
型干渉部２８が有する光強度比Ｐ_out／Ｐ_inの波長依存
性を示すグラフである。

【００４８】レーザ発振は、光ファイバ１２の多波長回
折グレーティング１８の反射率Ｒ_FGとマッハツェンダ型
干渉部２８を通った光の強度Ｒ_MZ（光強度比Ｐ_out／Ｐ
_in）との積が最大となる縦モード波長で起こり得る。従
って、図１２（ｂ）に示す状態では、光ファイバ１２の
多波長回折グレーティング１８の反射率ピークと、マッ
ハツェンダ型干渉部２８を通った光の強度のピークとが
一致する波長λ₁においてレーザ発振が起こる。

【００４９】次に、マッハツェンダ型干渉部２８に印加
する電圧を所定の電圧Ｖ₂に変更し、一対の光導波路間
での屈折率差を変化させると、図１２（ｃ）に示すよう
にマッハツェンダ型干渉部２８を通った光の強度の波長
依存性が変化する。すなわち光強度Ｒ_MZを示すグラフ
は、図１２（ｂ）において示される波形をほぼ保った状
態で長波長側へシフトする。このとき、光ファイバ１２
の超周期グレーティング１８の反射率Ｒ_FGとマッハツェ
ンダ型干渉部２８を通った光の強度Ｒ_MZとの積は、波長
λ₂において最大となるため、レーザ発振はこの波長λ₂
で起こり得る。

【００５０】このように、電極３８を介して分岐された
一対の光導波路のうちの少なくとも一方に印加する電圧
あるいは電流を操作し、マッハツェンダ型干渉部２８を
通る光の強度の波長依存性を変化させることで、レーザ
発振する波長を変化させることが可能となる。

【００５１】この場合、光ファイバ１２の多波長回折グ
レーティング１８の個々の反射スペクトル幅を、マッハ
ツェンダ型干渉部２８を通る光の強度が最大となるピー
ク幅より狭くすると、発振波長が安定するため好まし
い。また、δλ_MZとδλ_FGとを適当に選ぶことで、バー
ニア効果により大きな波長ステップ可変幅を得ることも
可能となる。

【００５２】以上、本実施形態の半導体レーザ１０は、
光増幅部２６にキャリアを注入するための電極３０とは
別個に、マッハツェンダ型干渉部２８に印加する電圧あ
るいは電流を変化させるための電極３８を備えている。
そして、当該電極３８を介してマッハツェンダ型干渉部
２８に印加する電圧あるいは電流を変化させることで、
マッハツェンダ型干渉部２８を通る光の強度の波長依存
性を変化させることができる。その結果、多波長回折グ
レーティング１８の反射率Ｒ_FGとマッハツェンダ型干渉
部２８を通る光の強度Ｒ_MZとの積を最大とする波長を変
化させて、レーザ発振する光の波長を変化させることが
可能となる。このとき、発振する光の出力は光増幅部２
６の電極３０を介して独立に制御することができるた
め、光出力と発振波長とを独立に制御することができ
る。

【００５３】また本実施形態の半導体レーザ１０では、
光増幅部２６とマッハツェンダ型干渉部２８とを有する
光学デバイスを１つの半導体デバイス１４として構成し
たため、別々の部品として構成した場合に必要となる光
学的な結合を図るための位置決め作業が不要となり、製
造工程の簡略化を図ることができる。

【００５４】なお、波長多重（ＷＤＭ）光通信分野にお
いて波長多重用光送信機やそのバックアップ光源に本実
施形態の半導体レーザ１０を用いた場合、装置構成をコ
ンパクト化することが可能となる。すなわち、ｎ波長で
稼働しているＷＤＭシステムでは、通常バックアップと
して同じくｎ波のバックアップ光源が必要であるが、本
実施形態の半導体レーザ１０をバックアップ光源として
一台準備しておけば、残りの（ｎ−１）台分のバックア
ップ光源の実装部分とコストを節約することができる。

【００５５】現在、１．５５μｍ帯のＷＤＭ光源とし
て、１００GHz（約０．８nm）間隔の光源が用いられて
いるため、ＷＤＭ光源としては１００GHz間隔で発振波
長がステップ的に可変できる半導体レーザ１０を用いれ
ばよい。

【００５６】また、例えば波長ルーティング装置に本実
施形態の半導体レーザ１０を波長可変光源として用いる
ことにより、各ルーティング場所に対応した波長を選択
できるという選択の自由度が増し、また高速な処理が可
能となる。

【００５７】次に、本発明による半導体レーザの第２実
施形態について、図１３を参照しながら説明する。

【００５８】本実施形態の半導体レーザ１０は、光増幅
部２６で発生された光を変調するためのマッハツェンダ
型変調器４０を更に備えている。このマッハツェンダ型
変調器４０は、分岐部で２本に分岐された後に結合部で
再び１本に結合される光導波路４２と、分岐された一対
の光導波路のそれぞれの屈折率を変化させるための電極
４４とを有している。

【００５９】このマッハツェンダ型変調器４０は、光フ
ァイバ１２との間で半導体デバイス１４を挟むように配
置されており、半導体デバイス１４とマッハツェンダ型
変調器４０とは光学的に結合されている。

【００６０】なお、半導体デバイス１４とマッハツェン
ダ型変調器４０とは、それぞれ別個の部品として構成し
てもよいし、マッハツェンダ型変調器４０を半導体デバ
イス１４上に一体的に設けてもよい。

【００６１】半導体デバイス１４とマッハツェンダ型変
調器４０とを別個の部品として構成する場合は、両者の
光結合効率を上げるため、レンズ等を間に入れると好ま
しい。

【００６２】一方、マッハツェンダ型変調器４０を半導
体デバイス１４上に一体的に設ける場合は、例えばInP
基板上にGaInAsP材料からなる半導体活性層３２と、同
じくGaInAsP材料からなるマッハツェンダ型干渉部２８
の光導波路３４を構成する半導体層と、同じくGaInAsP
材料からなるマッハツェンダ型変調器４０の光導波路４
２を構成する半導体層とを反応性イオンエッチングで形
成する。そして、マッハツェンダ型干渉部２８とマッハ
ツェンダ型変調器４０との境界にあたる光導波路部分に
イオン注入を行い、光導波路３４とは屈折率の異なるミ
ラー部４４を形成する。あるいはマッハツェンダ型干渉
部２８の光導波路３４を構成する半導体層と、マッハツ
ェンダ型変調器４０の光導波路４２を構成する半導体層
とを、それぞれ層の厚さや組成を変えて別々に成長する
ことでも、両者の境界に光反射を生じるミラー部４４を
形成することができる。その後、それらの層を埋め込む
ための層を成長する。このようにすれば、ミラー部４４
により半導体レーザ１０の共振器における他方の反射器
が構成される。なお、この場合はミラー部４４が半導体
デバイス１４の所定の反射率を有する第２の端面３６と
して機能する。

【００６３】この半導体レーザ１０は、マッハツェンダ
型変調器４０の側から光を取り出すようになっている。
そしてこの半導体レーザ１０は、マッハツェンダ型変調
器４０から出射された光を平行光に調整するための第１
のレンズ４６と、平行光を集光するための第２のレンズ
４８と、集光された光が伝搬する他の光ファイバ５０と
を備えている。そして第１および第２のレンズ４６，４
８の間には、光アイソレータ５２が配置されている。

【００６４】このように、本実施形態の半導体レーザ１
０では、マッハツェンダ型変調器４０の側から光を取り
出すことにより、図示しない搭載部材内に光アイソレー
タ５２を実装することが可能となる。これに対し、第１
実施形態の半導体レーザ１０のように多波長回折グレー
ティング１８が設けられた光ファイバ１２の側から光を
取り出す場合は、搭載部材内に光アイソレータ５２を組
み込むことが難しいため、光アイソレータ５２を外付け
することになる。

【００６５】なお、マッハツェンダ型変調器４０の側か
ら光を取り出す場合、各波長での超周期グレーティング
１８の反射率は３０〜９０％程度であり、一方光ファイ
バ１２の側から光を取り出す場合、各波長での多波長回
折グレーティング１８の反射率は１〜７０％程度であ
る。

【００６６】また本実施形態の半導体レーザ１０では、
マッハツェンダ型変調器４０によって共振器の外部で発
振される光を変調することができるため、共振器内で変
調する場合に問題となるチャーピングの改善を図って、
単色性の高い発振光を得ることができる。

【００６７】次に、本発明による半導体レーザの第３実
施形態について、図１４および図１５を参照しながら説
明する。

【００６８】本実施形態の半導体レーザ１０では、半導
体デバイス１４の構成が第１実施形態の半導体レーザ１
０と相違する。すなわち、半導体デバイス１４は、図１
４および図１５に示すように、マッハツェンダ型干渉部
（図１の２８）の代わりに光増幅部２６と光学的に結合
された光導波路部６０を備えており、光導波路部６０は
超周期グレーティング６２が設けられた光導波路６４を
構成する半導体層を有している。

【００６９】光導波路部６０の超周期グレーティング６
２としては、図３、図５（ａ）、図６および図８に示さ
れる光ファイバ１２の多波長回折グレーティング１８と
同様のものを用いることができる。この場合、光導波路
部６０の超周期グレーティング６２の反射スペクトル幅
を、図４または図７に示される光ファイバ１２の多波長
回折グレーティング１８の反射スペクトル幅より広くす
ると発振波長が安定化するため好ましい。

【００７０】この半導体レーザ１０では、光ファイバ１
２の多波長回折グレーティング１８と光導波路部６０の
超周期グレーティング６２との間で半導体レーザの共振
器が構成される。

【００７１】この半導体デバイス１４では、光増幅部２
６と光導波路部６０とはそれぞれ個別の電極３０，６６
を有している。光増幅部２６では、電極３０を介して半
導体活性層３２に注入する注入電流を操作することで、
発振される光の出力を調整することが可能となる。一
方、光導波路部６０では、光導波路６４に印加する電圧
あるいは電流を操作することで、光導波路６４の屈折率
を変化させることが可能となる。そして光導波路６４の
屈折率が変化すると、超周期グレーティング６２の反射
スペクトルの反射率ピーク波長はピーク間隔をほぼ一定
に保ったまま短波長側あるいは長波長側へシフトする。

【００７２】従って、電極６６を介して光導波路部６０
に印加する電圧あるいは電流を操作することで、光ファ
イバ１２の多波長回折グレーティング１８の反射率ピー
ク波長と、光導波路部６０の超周期グレーティング６２
の反射率ピーク波長とが一致する波長を変化させること
ができる。その結果、レーザ発振される光の波長をステ
ップ的に変化させることが可能となる。

【００７３】以上、本実施形態の半導体レーザ１０は、
光増幅部２６にキャリアを注入するための電極３０とは
別に、光導波路部６０に印加する電圧あるいは電流を変
化させるための電極６６を備えている。そして、当該電
極６６を介して光導波路部６０に印加する電圧あるいは
電流を変化させることで、光導波路部６０の超周期グレ
ーティング６２の反射スペクトルの反射率ピーク波長を
ピーク間隔をほぼ一定に保ったままシフトさせることが
できる。その結果、光ファイバ１２の多波長回折グレー
ティング１８の反射率と光導波路部６０の超周期グレー
ティング６２の反射率との積を最大とする波長を変化さ
せて、レーザ発振する光の波長を変化させることが可能
となる。このとき、発振される光の出力は光増幅部２６
の電極３０を介して独立に制御することができるため、
光出力と発振波長とを独立に制御することができる。

【００７４】また本実施形態の半導体レーザ１０では、
光増幅部２６と光導波路部６０とを有する光学デバイス
を１つの半導体デバイス１４として構成したため、別々
の部品として構成した場合に必要となる光学的な結合を
図るための位置決め作業が不要となり、製造工程の簡略
化を図ることができる。

【００７５】次に、本発明による半導体レーザの第４実
施形態について、図１６を参照しながら説明する。

【００７６】本実施形態の半導体レーザ１０は、第３実
施形態の半導体レーザ１０と比較して、光増幅部２６で
発生された光を変調するためのマッハツェンダ型変調器
４０を更に備えている。このマッハツェンダ型変調器４
０は、分岐部で２本に分岐された後に結合部で再び１本
に結合される光導波路４２と、分岐された一対の光導波
路のそれぞれの屈折率を変化させるための電極４４とを
有している。

【００７７】このマッハツェンダ型変調器４０は、光フ
ァイバ１２との間で半導体デバイス１４を挟むように配
置されており、半導体デバイス１４とマッハツェンダ型
変調器４０とは光学的に結合されている。

【００７８】なお、半導体デバイス１４とマッハツェン
ダ型変調器４０とは、それぞれ別個の部品として構成し
てもよいし、マッハツェンダ型変調器４０を半導体デバ
イス１４上に一体的に設けてもよい。

【００７９】半導体デバイス１４とマッハツェンダ型変
調器４０とを別個の部品として構成する場合は、両者の
光結合効率を上げるため、レンズ等を間に入れると好ま
しい。

【００８０】一方、マッハツェンダ型変調器４０を半導
体デバイス１４上に一体的に設ける場合は、例えばInP
基板上にGaInAsP材料からなる半導体活性層３２と、同
じくGaInAsP材料からなる光導波路部６０の光導波路６
４を構成する半導体層と、同じくGaInAsP材料からなる
マッハツェンダ型変調器４０の光導波路４２を構成する
半導体層とを反応性イオンエッチングで形成する。そし
て、光導波路部６０の光導波路６４内に超周期グレーテ
ィング６２を形成する。その後、それらの層を埋め込む
ための層を成長する。

【００８１】この半導体レーザ１０は、マッハツェンダ
型変調器４０の側から光を取り出すようになっている。
そしてこの半導体レーザ１０は、マッハツェンダ型変調
器４０から出射された光を平行光に調整するための第１
のレンズ４６と、平行光を集光するための第２のレンズ
４８と、集光された光が伝搬する他の光ファイバ５０と
を備えている。そして第１および第２のレンズ４６，４
８の間には、光アイソレータ５２が配置されている。

【００８２】このように、本実施形態の半導体レーザ１
０では、マッハツェンダ型変調器４０の側から光を取り
出すことにより、図示しない搭載部材内に光アイソレー
タ５２を実装することが可能となる。これに対し、第３
実施形態の半導体レーザ１０のように多波長回折グレー
ティング１８が設けられた光ファイバ１２の側から光を
取り出す場合は、搭載部材内に光アイソレータ５２を組
み込むことが難しいため、光アイソレータ５２を外付け
することになる。

【００８３】また本実施形態の半導体レーザ１０では、
マッハツェンダ型変調器４０によって共振器の外部で発
振される光を変調することができるため、共振器内で変
調する場合に問題となるチャーピングの改善を図って、
単色性の高い発振光を得ることができる。

【００８４】なお、本発明は上記した実施形態に限定さ
れることなく種々の変形が可能である。

【００８５】例えば、光増幅部２６とマッハツェンダ型
干渉部２８、あるいは光増幅部２６と光導波路部６０を
半導体デバイス１４として一体的に設けることなく、光
増幅部２６とマッハツェンダ型干渉部２８、あるいは光
増幅部２６と光導波路部６０をそれぞれ別々にSi基板や
セラミクス基板（AlN、Al₂O₃等）上に実装し、得られる
光増幅器とマッハツェンダ型干渉器、あるいは光増幅器
と光導波路部材とにより光学デバイスを構成してもよ
い。この場合、光増幅器とマッハツェンダ型干渉器、あ
るいは光増幅器と光導波路材の光結合効率を上げるた
め、レンズ等を間に入れると好ましい。

【００８６】また、半導体デバイス１４と光学部品とし
ての光ファイバ１２とにより半導体レーザ１０を構成す
ることなく、光学部品として光導波路内に超周期グレー
ティングが設けられた光導波路部材を用いてもよい。そ
して、光導波路部材を半導体デバイス１４と一体的に設
けてもよい。なお、光学部品として光ファイバ１２を用
いる場合、光導波路部材を用いる場合に必要となる超周
期グレーティングを半導体基板上に作成するという難し
い作業を避けることができる。特に第１および第２実施
形態の半導体レーザ１０のように、光ファイバ１２とマ
ッハツェンダ型干渉部２８との組み合わせによれば、超
周期グレーティングを半導体基板上に作成するという難
しい作業を避けることができるため製作が容易である。

【００８７】また、光学部品として光ファイバ１２を用
いた場合、光増幅部２６とマッハツェンダ型干渉部２８
とに設けられた２箇所の電極３０，３８、あるいは光増
幅部２６と光導波路部６０とに設けられた２箇所の電極
３０，６６により光出力と発振波長と制御することがで
きるため、光学部品として３箇所の電極により制御する
ことが必要となる光導波路部材を用いる場合と比べて制
御が容易である。

【００８８】また、光学部品として光ファイバ１２を用
いた場合は２箇所の電極により制御を行うため、３箇所
の電極により制御する場合と比べて各電流のクロストー
ク（漏れ電流）や各電流注入に伴う発熱（温度変化）の
影響を抑えて、発振される光の波長のずれを抑えること
ができる。

【００８９】

【発明の効果】本発明の半導体レーザでは、マッハツェ
ンダ型干渉部または光導波路部は独自の電極を備えてい
る。従って、当該電極を介して印加する電圧あるいは電
流を変化させることで、レーザ発振される光の出力の制
御とは独立してレーザ発振される光の波長を変化させる
ことが可能となる。

【００９０】かかる半導体レーザは、例えばＷＤＭ光通
信分野において波長多重用光送信機やそのバックアップ
光源に好適に用いることができ、その場合は波長多重用
光送信機の装置構成のコンパクト化を図ることが可能と
なる。またかかる半導体レーザは、例えば波長ルーティ
ング装置における波長可変光源としても好適に用いるこ
とができ、かかる場合は各ルーティング場所に対応した
波長を選択できるという選択の自由度が増し、また高速
な処理を行うことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による半導体レーザの第１実施
形態の構成を模式的に示す平断面図である。

【図２】図２は、図１におけるII−II線に沿った断面図
である。

【図３】図３は、多波長回折グレーティングの具体例を
示す図である。

【図４】図４は、図３に示す多波長回折グレーティング
の反射特性を示すグラフである。

【図５】図５（ａ）は、多波長回折グレーティングの他
の具体例を示す図である。また、図５（ｂ）は、図５
（ａ）に示す多波長回折グレーティングの屈折率分布を
示す図である。

【図６】図６は、多波長回折グレーティングの他の具体
例を示す図である。

【図７】図７は、図６に示す多波長回折グレーティング
の反射特性を示すグラフである。

【図８】図８は、多波長回折グレーティングの他の具体
例を示す図である。

【図９】図９は、マッハツェンダ型干渉部の光導波路の
具体例を示す図である。

【図１０】図１０は、マッハツェンダ型干渉部の光導波
路の他の具体例を示す図である。

【図１１】図１１は、マッハツェンダ型干渉部からの戻
り光と、マッハツェンダ型干渉部に入射する入射光との
光強度の比Ｐ_out／Ｐ_inの波長依存性を示すグラフであ
る。

【図１２】図１２は、半導体レーザにおいて発振波長が
可変となる原理を説明するための説明図である。図１２
（ａ）は、光ファイバの多波長回折グレーティングの反
射特性を示している。図１２（ｂ）は、マッハツェンダ
型干渉部が有する光強度比の波長依存性を示している。
図１２（ｃ）は、マッハツェンダ型干渉部が有する光強
度比の波長依存性がシフトした状態を示している。

【図１３】図１３は、本発明による半導体レーザの第２
実施形態の構成を模式的に示す平断面図である。

【図１４】図１４は、本発明による半導体レーザの第３
実施形態の構成を模式的に示す平断面図である。

【図１５】図１５は、図１４のXV−XV線に沿った断面図
である。

【図１６】図１６は、本発明による半導体レーザの第４
実施形態の構成を模式的に示す平断面図である。

【符号の説明】

１０…半導体レーザ、１２…光ファイバ、１４…半導体
デバイス、１６…第１の端面、１８…多波長回折グレー
ティング、２０…グレーティング部、２６…光増幅部、
２８…マッハツェンダ型干渉部、３２…半導体活性層、
３４…光導波路、３６…第２の端面、３８…電極、４０
…マッハツェンダ型変調器、６０…光導波路部、６２…
超周期グレーティング、６４…光導波路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2H079 AA02 AA12 BA01 DA16 EA05 EA07 EA08 EB04 GA01 KA11 KA18 5F073 AA83 AB12 AB21 AB25 AB28 CA12 DA25 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多波長でほぼ同じ強度の回折ピークを有
する多波長回折グレーティングを有する光学部品と、前記光学部品と光学的に結合された一端、所定の反射率
を有する他端、前記一端と前記他端との間に設けられた
光増幅部およびマッハツェンダ型干渉部を有する光学デ
バイスと、を備え、前記光増幅部は半導体活性層を含み、前記マッハツェンダ型干渉部は前記半導体活性層に光学
的に結合された光導波路の屈折率を変えるための複数の
電極を有する、半導体レーザ。
【請求項２】前記光学デバイスは、前記光増幅部に含
まれる前記半導体活性層と、前記マッハツェンダ型干渉
部に含まれる前記光導波路を構成する半導体層とを有す
る半導体デバイスである、請求項１に記載の半導体レー
ザ。
【請求項３】前記光学デバイスは、前記光増幅部を有
する半導体光増幅器と、前記マッハツェンダ型干渉部を
有するマッハツェンダ型干渉器とを含む、請求項１に記
載の半導体レーザ。
【請求項４】多波長回折グレーティングを有する光学
部品と、前記光学部品と光学的に結合された一端、前記一端と対
向する他端、前記一端と前記他端との間に設けられた光
増幅部および超周期グレーティングが設けられた光導波
路を含む光導波路部を有する光学デバイスと、を備え、前記光増幅部は半導体活性層を含み、前記光導波路部は前記半導体活性層に光学的に結合され
た前記光導波路の屈折率を変えるための複数の電極を有
する、半導体レーザ。
【請求項５】前記光学デバイスは、前記光増幅部に含
まれる前記半導体活性層と、前記光導波路部に含まれる
前記光導波路を構成する半導体層とを有する半導体デバ
イスである、請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項６】前記多波長回折グレーティングは、等間
隔に配置された所定周期の複数のグレーティング部を有
する、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項７】前記多波長回折グレーティングは、第１
の屈折率を有する複数の第１グレーティング部と、第２
の屈折率を有する複数の第２グレーティング部とを有
し、該第１グレーティング部と該第２グレーティング部
とは交互に連続して配置されている、請求項１〜５のい
ずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項８】前記多波長回折グレーティングは、等間
隔に配置されたチャープされた複数のグレーティング部
を有する、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レー
ザ。
【請求項９】前記多波長回折グレーティングは、それ
ぞれ異なる周期の複数のグレーティング部を有し、各々
のグレーティング部は空間的に重ねて配置されている、
請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項１０】前記光学デバイスに光学的に結合さ
れ、前記光増幅部で発生された光を変調するためのマッ
ハツェンダ型変調器を更に備え、前記光学デバイスは、前記マッハツェンダ型変調器と前
記光学部品との間に配置されている、請求項１〜９のい
ずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項１１】前記光学部品は光ファイバを含み、前
記多波長回折グレーティングは前記光ファイバに設けら
れている、請求項１〜１０のいずれかに記載の半導体レ
ーザ。