JP2003318483A - 波長可変半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 波長安定性に優れた波長可変半導体レーザを
得る。 【解決手段】 波長可変半導体レーザを、半導体基板４
と、半導体基板４上に形成されたクラッド層５と、クラ
ッド層５上に形成された光導波路３と、光導波路３の一
部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回
折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複
数周期繰り返されたＳＧミラーからなる前方光導波領域
１と、光導波路３の一部でレーザ光出射方向に対して後
方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端か
ら他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数
周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光
導波領域２で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、幹線系の電話交
換網等で利用される光ファイバー通信技術、特に異なる
波長のレーザ光を同時に信号伝送に利用する波長多重光
通信技術で必要とされる広帯域の波長可変半導体レーザ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の多電極ＤＢＲ（Distributed Brag
g Reflectors）構造を具備した波長可変半導体レーザの
一例として、回折格子部にいわゆる超周期構造回折格子
(ＳＳＧ：Super-Structure-Grating)ＤＢＲを用いたＳ
ＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザについて説明する。
図１１は、非特許文献１で報告された従来のＳＳＧ−Ｄ
ＢＲ波長可変半導体レーザの構成を示した模式図であっ
て、波長可変半導体レーザの光軸に平行方向の断面図を
示す。

【０００３】図１１中、１０１は活性領域、１０２は前
方光導波領域、１０３は後方光導波領域、１０４は位相
制御領域、１０５はＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路、
１０６はｎ型ＩｎＰ基板、１０７はｎ型ＩｎＰクラッド
層、１０８はｐ型ＩｎＰクラッド層、１０９はｐ型Ｉｎ
ＧａＡｓＰコンタクト層、１１３はｎ型電極、１１４
ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄはｐ型電極、１１５
は光共振器の前方端面（レーザ光出射端面）から出射す
るレーザ光、１２１および１２２は前方ＳＳＧ−ＤＢＲ
ミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子ピッ
チ変化、つまり変調の一周期、をそれぞれ示す。

【０００４】ここで、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーとは、所定
の距離間の一端から他端へと回折格子のピッチをΛ_ａか
らΛ_ｂまで線形に連続的に変化(リニアチャーピング)さ
せた部分を一周期Λ_ｓとして複数周期繰り返した周期構
造を指す。ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクト
ルは波長λ_ａ=２ｎ_eq×Λ_ａからλ_ｂ=２ｎ_eq×Λ_ｂまで
の波長域にわたって波長間隔δλ=λ_０ ^２/(２ｎ_eq×Λ
_ｓ)、で複数の反射ピークを有する。ここで、ｎ_eqは光
導波路の等価屈折率、λ_０は中心波長である。

【０００５】従来の波長可変半導体レーザにおける前方
光導波領域１０２を構成する前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー
および後方光導波領域１０３を構成する後方ＳＳＧ−Ｄ
ＢＲミラーでは、上述の前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー中の
一周期１２１および後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー中の一周
期１２２がそれぞれ複数周期繰り返されている（繰り返
しについては図示せず）。ＳＳＧ-ＤＢＲ波長可変半導
体レーザでは、上述の一周期１２１の距離に対して一周
期１２２の距離を変える方法によって、前後のＳＳＧ−
ＤＢＲミラーの反射ピークの波長間隔を互いにわずかに
異なるように設計している。

【０００６】次に、図１１に示した従来のＳＳＧ−ＤＢ
Ｒ波長可変半導体レーザの動作について説明する。図１
１に示すように、光導波路１０５は、活性領域１０１、
前方光導波領域１０２、後方光導波領域１０３および位
相制御領域１０４を合わせて一体となるよう構成してい
る。各領域の上部には、それぞれ電気的に分離されたｐ
型電極１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄが設け
られている。活性領域１０１上に設置されたｐ型電極１
１４ｂと半導体基板１０６の裏面側に設けられたｎ型電
極１１３の間に順方向バイアス電圧を印加することによ
り、活性層電流が活性領域１０１に注入され、活性領域
１０１において広い波長範囲にわたる自然放出光が発生
する。

【０００７】かかる自然放出光は光共振器内に形成され
ている光導波路１０５を伝播しながら、前方光導波領域
１０２に形成された前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーおよび後
方光導波領域１０３に形成された後方ＳＳＧ−ＤＢＲミ
ラーによって繰返し反射、増幅されるとともに、前方光
導波領域１０２あるいは後方光導波領域１０３と、さら
に位相制御領域１０４への電流注入による各領域毎の屈
折率制御によって最終的に任意の一波長が選択、制御さ
れ、ある閾値電流において単一波長でレーザ発振する。

【０００８】従来の波長可変半導体レーザのレーザ発振
波長制御について、さらに詳細に説明する。図１２
（ａ）は、前方光導波領域１０２および後方光導波領域
１０３に電流注入を行わない場合の各領域内にそれぞれ
形成された前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペ
クトルと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペク
トルを示し、図１２（ｂ）は、後方光導波領域１０３に
電流注入を行った場合の後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反
射ピークスペクトルを、電流注入していない前方光導波
領域１０２の前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークス
ペクトルと比較して示したものである。図において、横
軸は波長、縦軸は反射率を示し、λ_１は前方光導波領域
１０２および後方光導波領域１０３のいずれにも電流注
入を行わない場合に前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射
ピークが一致する波長を、また、λ_２は後方光導波領域
１０３に電流注入を行った場合に前後のＳＳＧ−ＤＢＲ
ミラーの反射ピークが一致する波長をそれぞれ示してい
る。これらの反射ピークスペクトルは、一般にＳＳＧ−
ＤＢＲ波長可変半導体レーザの特徴である互いに強度の
異なる複数の極めて線幅の狭い反射ピークから成ってい
る。

【０００９】上述したように、前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラ
ー制御電流と後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー制御電流が共に
ゼロである初期状態では、前方光導波領域１０２および
後方光導波領域１０３にそれぞれ形成された前方および
後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長
はλ_１となる。この結果、波長λ_１の光は前後のＳＳＧ
−ＤＢＲミラーで強い反射を受けるので、波長λ_１にお
ける損失は他の波長光に比べて極めて小さくなる。すな
わち、波長λ_１における光の利得が他の波長と比較して
相対的に増大し、この結果、波長可変半導体レーザは波
長λ_１でレーザ発振に至る。なお、前方および後方ＳＳ
Ｇ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長がλ_１の
みで近傍の他の反射ピークとは一致しないのは、両者の
一周期１２１，１２２それぞれの距離の相違に基づいた
回折格子のピッチの相違に起因した前後ミラー間におけ
る反射ピークスペクトルの波長間隔の微妙なずれのた
め、あたかもバーニアの目盛りのように特定箇所だけで
しか一致しないからである。ＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半
導体レーザのレーザ発振波長を変化させるには、図１２
（ｂ）に例示したように、前方光導波領域１０２または
後方光導波領域１０３のどちらか一方あるいは両方に順
方向バイアス電圧を印加して、かかる領域に電流注入を
行ない、この電流注入によって前方光導波領域１０２お
よび／または後方光導波領域１０３の屈折率を等価的に
変化させる。電流注入により屈折率を変化させることに
よって相対的に利得の大きな波長が短波長側にシフト
し、この光が光導波路１０５内を伝播、増幅して、最終
的に前方および後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピーク
が一致する波長λ_２でレーザ発振する。このような手
段、つまりＳＳＧ−ＤＢＲミラーが形成された光導波領
域に電流を注入し、かかる電流注入レベルを制御して光
導波領域の屈折率を意図的に変化させることにより、波
長可変半導体レーザのレーザ発振波長を制御性良く変化
させることが可能となる。ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの特徴
としては、各反射ピーク強度が比較的高くとれる点にあ
る。特に後述するＳＧ−ＤＢＲミラーに対してかかる効
果は顕著である。

【００１０】また、ＳＳＧ-ＤＢＲと類似した波長可変
半導体レーザ用ミラーとして、例えば、非特許文献２に
報告されているサンプルド・グレーティング−ＤＢＲ、
つまりＳＧ−ＤＢＲがある。ＳＧ−ＤＢＲとは一対の回
折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複
数周期繰り返した構造を指す。なお、回折格子部の回折
格子は通常の均一ピッチのものである。

【００１１】図１３にＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レー
ザのレーザ光軸に沿った素子断面図を示す。ＳＧ−ＤＢ
Ｒ波長可変半導体レーザは、上述のＳＳＧ−ＤＢＲ波長
可変半導体レーザに対して、前後の光導波領域１０２，
１０３を構成するミラーがＳＧ−ＤＢＲである点でのみ
相違する。ＳＧ−ＤＢＲミラーの特徴としては、一対の
回折格子部と非回折格子部を一周期とし、かかる部分を
複数周期繰り返して光導波領域を形成した結果、反射ピ
ークスペクトルに周期的な反射ピークが発生する点にあ
る。因みに、通常の均一ピッチのみの回折格子からなる
光導波領域、すなわちＤＢＲミラーでは反射ピークは一
つだけであり、この点で両者は顕著に相違する。しかし
ながら、ＳＧ−ＤＢＲミラーでは各反射ピーク強度が高
くとれず、また、各強度自体がそれぞれの反射ピークで
異なっている。具体的には、ＳＧ−ＤＢＲミラーの反射
ピークスペクトルは、中央の反射ピークから両側に向か
って単調に減少するスペクトル形状を呈している。

【００１２】

【非特許文献１】H．Ishii他, 量子エレクトロニクスジ
ャーナル（IEEE Journal of Quantum Electronics）, 3
2巻, 3号, 1996年, p. 433-441

【非特許文献２】V. Jayaraman他, 量子エレクトロニク
スジャーナル（IEEE Journal of Quantum Electronic
s）, 29巻, 6号, 1993年, p. 1624-1834

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】図１２では、上述した
ように、従来のＳＳＧ-ＤＢＲ波長可変半導体レーザに
おける前後のＳＳＧ-ＤＢＲミラーの反射ピークの波長
依存性を示している。ＳＳＧ-ＤＢＲ波長可変半導体レ
ーザでは、上述したように、前方光導波領域１０２の一
周期１２１の距離に対して後方光導波領域１０３の一周
期１２２の距離を変える方法等によって、前後のＳＳＧ
−ＤＢＲミラーの反射ピークの波長間隔を互いにわずか
に異なるように設計している。前後のＳＳＧ−ＤＢＲミ
ラー領域、すなわち前方光導波領域１０２や後方光導波
領域１０３に電流を注入して屈折率を低下させて反射ピ
ークを短波長側にシフトさせ、前後のＳＳＧ−ＤＢＲミ
ラーの反射ピークが一致する波長を変える方法、つまり
いわゆるバーニア効果を適用した方法によってレーザ発
振波長を変化させていた。

【００１４】しかしながら、ＳＳＧモード毎に反射ピー
ク強度がランダムに変動しているため、上述のバーニア
効果を適用してレーザ発振波長を変える際に、本来意図
していない他のＳＳＧモードでのレーザ発振とのモード
間競合が起こり得た。したがって、前方ＳＳＧ−ＤＢＲ
ミラーへの注入電流（i_f）と後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー
への注入電流（i_r）を変えた場合に、レーザ発振波長が
素子温度や注入電流の変動によって不規則に変動する可
能性が高かった。また、かかる反射ピーク強度のランダ
ムな変動により、一部の波長域において連続的に変化し
にくい問題も生じた。

【００１５】従来のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レー
ザにおいて、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーをなす回折格子の一
周期１２１、１２２の繰り返し周期を増加して反射率を
十分に高めることにより、反射ピーク強度の均一化を図
ることも可能であるが、この場合、前方ＳＳＧ-ＤＢＲ
ミラーの反射率を高くすると外部へ取り出すことのでき
るレーザ光出力１１５が低下し、微分量子効率も低下す
る問題が生じた。また、前方光導波領域１０２を長くす
ると、電流注入を行った際にフリーキャリア吸収やキャ
リア再結合の影響によって、レーザ発振線幅が広がる問
題も新たに発生した。 一方、前後の光導波領域がＳＧ
−ＤＢＲミラーの場合、ＳＳＧ−ＤＢＲミラー構造に比
べて各反射ピークの反射ピーク強度が高く取れず、さら
に中央の反射ピークから両側に向かって反射ピーク強度
は単調に減少にしているので、反射ピークスペクトルが
波長全体として平坦ではないため、ＳＳＧ−ＤＢＲミラ
ーに比べて波長可変域が狭いという問題があった。

【００１６】この発明は、上述のような従来の波長可変
半導体レーザで発生した問題点を解決するためになされ
たものであり、波長可変時の波長安定性や低閾値電流等
の素子特性に優れた波長可変半導体レーザを提供するこ
とを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る波長可変半
導体レーザは、半導体基板と、上記半導体基板上に形成
されたクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光
導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対
して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部か
らなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミ
ラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、
上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後
方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端か
ら他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数
周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光
導波領域と、を備えることとした。

【００１８】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
は、第１導電型の半導体基板と、上記半導体基板上に形
成された第１導電型のクラッド層と、上記クラッド層上
に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ
光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と
非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り
返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方
光導波領域と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射
方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の
距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一
周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラー
からなる後方光導波領域と、上記光導波路上に形成され
た高抵抗層と、上記前方光導波領域上の高抵抗層中に上
記光導波路に沿って形成された屈折率制御層と、上記前
方光導波領域上の高抵抗層の上部に形成された第１導電
型の第１コンタクト層と、上記光導波路の両側面にそれ
ぞれ形成された第２導電型の埋め込み層と、上記第２導
電型の埋め込み層上に形成された第２導電型の第２コン
タクト層と、上記前方光導波領域と上記後方光導波領域
の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、上記半導
体基板の裏面側に形成された第１電極と、上記第１コン
タクト層上に形成された第２電極と、上記第２コンタク
ト層上に形成された第３電極と、を備えることとした。

【００１９】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
は、上記分離溝の深さ方向に上記分離溝底部から上記第
１導電型のクラッド層に達するイオン注入による高抵抗
領域を設けることとした。

【００２０】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
は、上記屈折率制御層が、さらに上記後方光導波領域上
の高抵抗層中にも設けられることとした。

【００２１】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
は、半絶縁性の半導体基板と、上記半導体基板上に形成
された半絶縁性のクラッド層と、上記クラッド層上に形
成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出
射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回
折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返さ
れたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導
波領域と、上記光導波路上に形成された高抵抗層と、上
記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方
に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から
他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周
期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導
波領域と、上記光導波路の両側面にそれぞれ形成された
第１導電型の埋め込み層および第２導電型の埋め込み層
と上記第１導電型の埋め込み層上に形成された第１電極
と、上記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２電
極と、上記前方光導波領域および上記後方光導波領域上
部の上記高抵抗層上に絶縁膜を介してそれぞれ形成され
た薄膜ヒータと、上記前方光導波領域と上記後方光導波
領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、を備
えることとした。

【００２２】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
は、上記半導体基板、上記クラッド層および埋め込み層
がインジウム燐（ＩｎＰ）からなることとした。

【００２３】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
は、上記前方光導波領域の結合定数が上記後方光導波領
域の結合定数より小さいこととした。

【００２４】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
は、前方光導波領域と後方光導波領域の間に屈折率制御
領域を設けることとした。

【００２５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．実施の形態１の波
長可変半導体レーザについて、図１に基づき説明する。
図１（ａ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザの
レーザ光軸に沿った素子断面図、（ｂ）はレーザ光軸に
垂直方向で前方光導波領域を含む部分における断面図、
（ｃ）は上面図、をそれぞれ示す。図中、１は活性領域
を兼ねたＳＧミラーを具備する前方光導波領域、１ａは
前方光導波領域に設けられたＳＧミラー中の回折格子
部、１ｂはＳＧミラー中の一対の回折格子部と非回折格
子部を併せて一単位とした場合の一周期、２はＳＳＧ−
ＤＢＲミラーを具備する後方光導波領域、２ａはＳＳＧ
−ＤＢＲミラーの回折格子のピッチ変化、つまり変調に
対する一周期、３はＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路、
４はｎ型ＩｎＰ基板、５はｎ型ＩｎＰクラッド層、６は
ｐ型ＩｎＰ埋め込み層、７は屈折率制御層、７ａ、ｂ、
ｃは高抵抗ＩｎＰ層、８ａはｎ型ＩｎＰ第１コンタクト
層、８ｂはｐ型ＩｎＧａＡｓＰ第２コンタクト層、９は
第１のｎ型電極（第１電極）、１０はｐ型電極（第３電
極）、１１は第２のｎ型電極（第２電極）、１２は分離
溝、１３は波長可変半導体レーザの出射端面から外部に
出射されたレーザ光、をそれぞれ示す。ＳＧミラーある
いはＳＳＧ−ＤＢＲミラーはＩｎＧａＡｓＰからなる光
導波路３に所望の形状の回折格子をエッチング等の方法
によって形成することにより設けられる。なお、図１
（ｃ）から分かるように、ｐ型電極１０は前方光導波領
域１側上部と後方光導波領域２側上部の各領域毎に設け
られているが、第２のｎ型電極１１は前方光導波領域１
側上部のみに設けられている。

【００２６】なお、上述の波長可変半導体レーザの構成
材料としては、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓ
Ｐ系の化合物半導体を用いている。かかる化合物半導体
を構成材料とすると、光通信の光源として重要な長波長
帯の波長可変半導体レーザが得られる。

【００２７】次に、本発明に係る実施の形態１の波長可
変半導体レーザの動作について説明する。活性領域を兼
ねたＳＧミラーを有する前方光導波領域１側上部に電気
的に分離して設置されたｐ型電極１０と半導体基板４の
裏面側に形成されたｎ型電極９との間に順方向バイアス
電圧を印加することにより、活性層電流が活性領域を兼
ねた前方光導波領域１に注入され、前方光導波領域１中
で、広い波長範囲にわたる自然放出光が発生する。かか
る自然放出光はＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路３を伝
播しながら、前方光導波領域１に設けられたＳＧミラー
および後方光導波領域２に設けられたＳＳＧ−ＤＢＲミ
ラーによって繰返し反射、増幅されるとともに、前方光
導波領域１と後方光導波領域２への電流注入の制御によ
って、最終的に任意の一つの波長が選択、制御され、あ
る閾値電流において単一波長でレーザ発振する。

【００２８】次いで本発明に係る実施の形態１における
波長可変半導体レーザのレーザ発振波長制御について、
詳細に説明する。

【００２９】まず、前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢ
Ｒミラーの機能について説明する。図２（ａ）は、前方
光導波領域１および後方光導波領域２に電流注入を行わ
ない場合の各光導波領域１、２内にそれぞれ生じる前方
ＳＧミラーの反射ピークスペクトルと後方ＳＳＧ−ＤＢ
Ｒミラーの反射ピークスペクトルであり、図２（ｂ）
は、後方光導波領域２に電流注入を行った場合の後方Ｓ
ＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを、電流注
入していない前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルと
比較して示したものである。図において、横軸は波長、
縦軸は反射率を示す。図からわかるように、極めて線幅
の狭い個々の反射ピークが一定の波長間隔で並んでいる
様相を呈している。図中、λ₁は前方光導波領域１およ
び後方光導波領域２のいずれも電流注入を行わない場合
に前後のミラーの反射ピークスペクトルが一致する波長
を、また、λ₂は後方光導波領域２に電流注入を行った
場合に前後のミラーの反射ピークスペクトルが一致する
波長をそれぞれ表している。前方光導波領域１における
反射ピークスペクトルは、ＳＧミラーに特有の反射ピー
クスペクトル、すなわち、反射ピーク強度が中央の反射
ピークから両側に向かって単調に減少する形状を呈して
いる。

【００３０】上述したように、図２（ａ）は、前方ＳＧ
ミラー注入電流と後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー注入電流が
共にゼロである初期状態の反射ピークスペクトルを表
す。この場合、前方光導波領域１および後方光導波領域
２にそれぞれ設けられた前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−
ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルが一致する波長は
λ₁となる。波長λ₁における損失は、他の波長の光に比
べて極めて小さくなるので、波長λ₁の光の利得が相対
的に増大し、この結果、本実施の形態の波長可変半導体
レーザは波長λ₁でレーザ発振に至る。

【００３１】本実施の形態における波長可変半導体レー
ザのレーザ発振波長を意図的に変化させるには、前方光
導波領域１側または後方光導波領域２側のどちらか一方
あるいは両方に順方向バイアス電圧を印加して各領域に
電流注入を行い、フリーキャリア・プラズマ効果によっ
て前方光導波領域１および／または後方光導波領域２の
屈折率を等価的に変化させる。但し、前方光導波領域１
には、レーザ発振に寄与する活性層電流を流しておく必
要がある。

【００３２】図２（ｂ）に一例として示したのは、後方
光導波領域２にのみ電流注入を行った場合である。後方
ＳＳＧ−ＤＢＲミラーにおける電流注入による屈折率の
低下によって、後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピーク
スペクトルは短波長側にシフトし、前方ＳＧミラーと後
方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルが一致
する波長は電流注入の無い場合の波長λ_１から波長λ₂
へとシフトし、波長λ₂の光が光導波路３内を伝播、増
幅されて最終的にかかる波長λ₂でレーザ発振に至る。
前方光導波領域１のみに電流注入を行った場合や、前方
光導波領域１および後方光導波領域２の両方に電流注入
を行った場合も同様にしてレーザ発振波長を変えること
ができる。以上の如く、前後の光導波領域１、２の一方
あるいは両方に電流注入し、電流注入レベルを制御して
屈折率を変化させることによって、任意にレーザ発振波
長を変えることが可能となる。

【００３３】図２（ｂ）は上述した如く、実施の形態１
に係る波長可変半導体レーザの前後のミラーの回折格子
の反射ピークの波長依存性を示しているが、前方ＳＧミ
ラーの場合には、反射ピークは中央モードを極大値とし
て両側で単調に減少しているのに対し、後方ＳＳＧ-Ｄ
ＢＲミラーに関してはＳＳＧの周期を所定回数以上設け
て反射率をなるべく大きく設定することより、中央付近
の複数の反射ピーク強度をほぼ一定に揃えている。

【００３４】前方光導波領域１側では、電流注入方法は
２通りある。すなわち、ｐ型電極１０と第１のｎ型電極
９間に順方向のバイアス電圧を印加する方法と、ｐ型電
極１０と第２のｎ型電極１１間に順方向のバイアス電圧
を印加する方法である。前者による屈折率変化は注入電
流密度が発振閾値電流密度に到達して前方光導波領域中
のキャリア密度がクランプされるまで継続し、後者は前
者とは独立に当該領域の屈折率変化に寄与できる。かか
る２通りの電流注入方法を併用することにより、レーザ
発振に寄与する電流と屈折率変化に寄与する電流を独立
に制御でき、より安定な波長制御が可能となる。この結
果、電流注入による波長制御性が向上し、波長可変半導
体レーザの制御回路が簡素化される効果も併せて生じ
る。

【００３５】次に、実施の形態１の波長可変半導体レー
ザにおけるＳＣＨ（Separate-Confinement-Heterostruc
ture）構造について説明する。

【００３６】上述の波長可変半導体レーザにおける前方
光導波領域１側の部分では、ｎ型ＩｎＰ基板４に対して
垂直方向には、ｎ型ＩｎＰ基板４、ｎ型ＩｎＰクラッド
層５、多重量子井戸からなるＩｎＧａＡｓＰからなる光
導波路３、高抵抗ＩｎＰ層７ａ、屈折率制御層７、高抵
抗ＩｎＰ層７ｂ、という層構成となっている。かかる層
構成では、図３のような屈折率プロファイルが得られ
（多重量子井戸部分については図示せず）、いわゆるＳ
ＣＨ構造をなしている。なお、屈折率の変化は各層にお
ける化合物半導体の構成元素の組成比が異なることに起
因する。ここで、屈折率制御層７は、屈折率を変えるこ
とで光の閉じ込め係数を意図的に変化させて、ＳＣＨ構
造の等価屈折率を本来の値からシフトさせる機能を果た
している。

【００３７】上述のＳＣＨ構造を適用することにより、
縦モードの安定性に優れ、かつ高出力動作時に狭線幅で
ある波長可変半導体レーザが得られる。

【００３８】実施の形態１の波長可変半導体レーザの前
方光導波領域１に設けられたＳＧミラーによって、前方
光導波領域１の結合定数κ_１が決定される。結合定数κ
_１は、回折格子部分１ａのピッチや高さ、ＳＧミラー中
の一対の回折格子部と非回折格子部を併せて一単位とし
た場合の一周期１ｂによって値を変えることができる。

【００３９】一方、後方光導波領域２に設けられたＳＳ
Ｇ-ＤＢＲミラーによって、後方光導波領域２の結合定
数κ_２が決定される。結合定数κ_２は、結合定数κ_１と
同様、回折格子のピッチ等によって値を変えることがで
きる。

【００４０】実施の形態１の波長可変半導体レーザで
は、結合定数κ_１と結合定数κ_２は、 κ_１＜κ_２ の関係を満たすように回折格子のピッチ等を予め設定す
る。かかる関係が成立すれば、前方ミラーの反射率に比
べて後方ミラーの反射率を高めることが可能となり、ま
た、反射ピーク波長位置を調整して前後ミラー領域にお
ける光の伝搬定数がほぼ一致する波長でレーザ発振させ
ることができるので、ＢＩＧレーザの場合と同様に前面
からの光出力割合を多くすることができ、この結果、高
出力かつ高効率動作の波長可変半導体レーザが得られ
る。

【００４１】前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラ
ーの回折格子間には、さらにλ／４の位相シフトが設け
られている。この結果、前進波と後退波とを回折格子の
ブラッグ波長において位相整合させることができ、安定
した単一縦モード動作が可能となる。

【００４２】以上、本実施の形態の波長可変半導体レー
ザでは、前方ＳＧミラーには、上述したように、その性
質上波長に対して反射ピーク強度の極大が存し、かかる
極大値の両側では反射ピーク強度は単調に減少している
ため、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーのような反射ピークスペク
トルのランダムな変動がない結果、従来のＳＳＧ−ＤＢ
Ｒミラーのみで構成された波長可変半導体レーザと比較
して安定にレーザ発振波長を制御することが可能とな
る。また、従来のＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された
波長可変半導体レーザに比べて、後方がＳＳＧ−ＤＢＲ
ミラーで構成されている分、後方反射率を高くとれるの
で、より低い閾値電流でレーザ発振し、かつ、効率の高
い波長可変半導体レーザが得られ、さらに、ＳＣＨ構造
の適用により、縦モードの安定性に優れ、かつ高出力動
作時に狭線幅の波長可変半導体レーザが得られる。

【００４３】また、本実施の形態の波長可変半導体レー
ザでは、前方光導波領域に電流を注入することによりか
かる領域の屈折率と光出力を、後方光導波領域に電流を
注入することによりかかる領域の屈折率をそれぞれ独立
に制御できる結果、電流注入による波長制御性が向上
し、波長可変半導体レーザの制御回路が簡素化される効
果が生じる。さらに、本実施の形態の波長可変半導体レ
ーザでは、前方光導波領域がＳＧミラーと活性領域の両
方の機能を兼ね備えているので、両者を別個に形成する
素子構造より、素子面積の減少や注入電流の低減といっ
た効果が生じる。

【００４４】実施の形態２．本発明の実施の形態２にお
ける波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断
面を図４（ａ）に、レーザ光軸に垂直方向で前方光導波
領域を含む部分における素子断面を（ｂ）に示す。図
中、図１と同様の部分は同一符号で示す。１５はイオン
注入による高抵抗領域を示す。

【００４５】実施の形態１の波長可変半導体レーザにお
いては、前方光導波領域１と後方光導波領域２に注入さ
れる電流を別個に制御すべく、両者の間には分離溝１２
が設けられていた。しかしながら、分離溝１２部分は高
抵抗ＩｎＰ層７ｂが薄くなっているものの、前方光導波
領域１から後方光導波領域２の境界上で未だ高抵抗Ｉｎ
Ｐ層７ｂが連続的に形成されているため、分離溝１２を
設けているにもかかわらず前方光導波領域１と後方光導
波領域２間は必ずしも完全に電気的に分離されている訳
ではない。

【００４６】そこで、実施の形態２による波長可変半導
体レーザでは、かかる電気的分離の度合いを一層高める
ため、前方光導波領域１と後方光導波領域２の境界上の
高抵抗層７ｂ中に設けられた分離溝１２の底部からｎ型
クラッド層５中に達するイオン注入による高抵抗領域１
５を設けた。イオン注入された高抵抗領域１５は本来の
結晶の抵抗より高い抵抗値を示す。これは、イオン注入
により結晶内部に結晶欠陥あるいは深い準位が形成さ
れ、かかる結晶欠陥等がキャリアの捕獲中心として機能
するからである。このような効果をもたらすイオン種と
しては、例えばプロトン（Ｈ^＋）、酸素（Ｏ）、鉄（Ｆ
ｅ）等が挙げられる。イオン注入による高抵抗領域１５
の存在によって、前方光導波領域１側から後方光導波領
域２側の高抵抗層７ｂへ、あるいはその逆方向へ流れる
電流は著しく制限されるため、前方光導波領域１と後方
光導波領域２の注入電流に対する独立性が向上する結
果、電流注入による波長制御性がさらに向上し、波長可
変半導体レーザの制御回路が一層簡素化される効果が生
じる。なお、図４（ａ）中で、屈折率制御層７は、実施
の形態１の場合と異なって後方光導波領域２側にも設け
られている。しかしながら、実施の形態１の場合と同
様、屈折率制御層７が後方光導波領域２側に設けられて
いない素子構造であっても同一の機能を発揮することは
いうまでもない。

【００４７】実施の形態３．本発明の実施の形態３にお
ける波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断
面を図５（ａ）に、レーザ光軸に垂直方向で前方光導波
領域を含む部分における素子断面を（ｂ）に示す。ま
た、素子の上面図を図６に示す。実施の形態１の波長可
変半導体レーザは、前方光導波領域１では表面側のｐ型
電極１０から裏面側の第１のｎ型電極９へと素子に対し
て垂直方向に電流が流れることも可能な素子構造である
のに対して、実施の形態３の波長可変半導体レーザで
は、基板が半絶縁性ＩｎＰ基板３１で構成され光導波路
３下部のクラッド層としての機能もこの半絶縁性ＩｎＰ
層が兼ねており、また、光導波路３の両側面にそれぞれ
ｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２およびｎ型ＩｎＰ埋め込み層
３３が、光導波路３上部には高抵抗ＩｎＰ層３４が、さ
らに、前方光導波領域１におけるｐ型ＩｎＰ埋め込み層
３２上にはｐ型電極３５（第１電極）、ｎ型ＩｎＰ埋め
込み層３３上にはｎ型電極３６（第２電極）がそれぞれ
設けられ、素子上部のｐ型電極３５とｎ型電極３６間に
順方向のバイアス電圧を印加することにより、素子に対
して水平方向に電流が流れる構造となっている。

【００４８】また、前方光導波領域１上方の主に高抵抗
ＩｎＰ層３４上に、シリコン酸化膜ＳｉＯ_２等からなる
絶縁膜３７ａを介して白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等の金
属薄膜からなる薄膜ヒータ３８ａが、後方光導波領域２
上方の高抵抗ＩｎＰ層３４上に、シリコン酸化膜ＳｉＯ
_２等からなる絶縁膜３７ｂを介して白金（Ｐｔ）や金
（Ａｕ）等の金属薄膜からなる薄膜ヒータ３８ｂが、そ
れぞれ設けられている。なお、薄膜ヒータ３８ａの一部
がｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２あるいはｎ型ＩｎＰ埋め込
み層３３上に形成されても何ら問題なく、この場合も所
望の機能を発揮する。

【００４９】次に、本実施の形態における波長可変半導
体レーザの特徴的な部分である薄膜ヒータ３８ａ、３８
ｂによる波長制御動作について詳述する。図７は初期状
態（薄膜ヒータ３８ａをオフとし、後方光導波領域２に
電圧を印加していない場合）における前方ＳＧミラーお
よび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーのそれぞれの反射ピーク
スペクトルを表し、図７において、４３は前方ＳＧミラ
ーの反射ピークスペクトル、４４は後方ＳＳＧ−ＤＢＲ
ミラーの反射ピークスペクトルをそれぞれ表す。また、
図８は、波長可変時の前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ
−ＤＢＲミラーの各反射ピークスペクトルを表し、４５
は前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル、４６は後方
ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル、４７は
前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルの波長シフト
量、４８は後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペ
クトルの波長シフト量を示す。

【００５０】初期状態において、図７に示すように前方
ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークは
波長λ_１において一致しているものとすると、レーザ発
振波長もλ_１となる。レーザ発振波長を意図的に変化さ
せるには、前方ＳＧミラーまたは後方ＳＳＧ−ＤＢＲミ
ラーの反射ピークを波長軸上で移動させる必要がある。
半導体からなるＤＢＲミラーの反射ピーク波長は、例え
ば、雑誌フォトニクス・テクノロジー・レターズ（S.
L. Woodward et al. IEEE Photonics Technology Lette
rs, vol. 4, No. 12, 1992, pp. 1330-1332）に報告さ
れているように、ＤＢＲ部分に通電加熱して屈折率を変
えることによって、最大で１０ｎｍ程度、長波長側にシ
フトさせることが可能である。

【００５１】本実施の形態の波長可変半導体レーザにお
いて、前方光導波領域１側の薄膜ヒータ３８ａに通電す
ることにより前方光導波領域１を加熱すると、図８に示
すように、前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル４５
は長波長側にシフトする。図８において、この場合にお
ける前方ＳＧミラーの波長シフト４７の大きさと向きを
矢印で示す。

【００５２】一方、この場合にさらに後方光導波領域２
側の薄膜ヒータ３８ｂに通電することにより、後方光導
波領域２を加熱すると、図８に示すように、後方ＳＳＧ
−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル４６も長波長側
にシフトする。この時の後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの波
長シフトの大きさ４８と向きを同じく矢印で示す。その
結果、前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反
射ピークが一致する波長はλ_２に変化し、レーザ発振波
長もλ_２となる。薄膜ヒータの加熱による波長シフト量
は加熱の度合いに比例的に変化するので、両者の通電量
を別個に制御することにより、所望の長波長シフト量を
得ることが可能となる。

【００５３】以上説明したように、薄膜ヒータ３８ａへ
の通電加熱によって前方ＳＧミラーの反射ピークスペク
トルは波長軸上で長波長側に移動し、同様な方法によっ
て、後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル
も波長軸上で長波長側に移動する。これにより、本実施
の形態３の波長可変半導体レーザでは、前方光導波領域
１、２に対する加熱の相乗効果によって、より安定かつ
制御性良くレーザ発振波長を所望の値に変えることがで
きる。

【００５４】実施の形態４．本発明の実施の形態４にお
ける波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断
面を図９に示す。図中、図５と同様の部分は同一符号で
示す。３８ｃは薄膜ヒータ、６０は屈折率制御領域を示
す。また、図１０は、本発明の実施の形態４における波
長可変半導体レーザ動作時の前方ＳＧミラーおよび後方
ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの各反射ピークスペクトルを表
す。

【００５５】実施の形態４の波長可変半導体レーザで
は、実施の形態３の波長可変半導体レーザの前方光導波
領域１と後方光導波領域２の間に屈折率制御領域６０を
設けた点に特徴がある。本実施の形態の波長可変半導体
レーザでは、上述のように後方光導波領域２と独立に屈
折率可変な位相制御領域６０を設けることによってセル
フパルセーション動作と波長可変動作の両立を可能とし
たものである。すなわち、位相制御領域６０に所定の電
流を注入あるいは薄膜ヒータ３８ｃによる加熱のいずれ
か一方または両方の手段によって位相制御領域６０の屈
折率を微調整することにより、セルフパルセーション動
作の開始と停止を行わせることができる。

【００５６】ここで、セルフパルセーション動作につい
て説明する。光ファイバ通信技術は、現代の情報化社会
を支える重要なインフラストラクチャーである。従来、
海底光ケーブルや都市間を結ぶ陸上幹線通信ネットワー
クを始めとして整備が進められ、急速な発展を遂げてき
た。現在では、幹線系の１チャネル当たりの通信速度は
１０〜４０Ｇｂｐｓに及び、将来的には８０〜１６０Ｇ
ｂｐｓ以上の超高速・大容量通信の実現も期待されてい
る。

【００５７】現状のシステム構成では、ネットワークの
ノード部分において光信号を一旦電気信号に変換（Ｅ−
Ｏ変換）して、リタイミング、波形整形を行った後に、
再度光信号に変換（Ｏ−Ｅ変換）して送出している。し
かしながら、数１０Ｇｂｐｓを超えるような超高速光通
信システムでは、このような電気信号を介した制御で光
信号を処理するのはもはや困難であった。すなわち、ノ
ードにおける信号処理速度が次第にネットワーク全体の
信号処理速度を制限するボトルネックになりつつあっ
た。かかる問題点を解決し、超高速・大容量通信を実現
するためのキー技術が全光信号処理である。

【００５８】全光信号処理では、技術的および経済的観
点からネットワークノードに送られてきた光信号を電気
信号に変換することなく光信号のままで波形整形や増幅
を行った後に送り出す処理が求められている。光―光制
御方式を用いた場合の利点として、電気回路のＣＲ時定
数により動作速度が制限されないこと、超短パルスの発
生が可能な光パルスが直接利用可能な点が挙げられる。

【００５９】かかる全光信号処理の実現には各種光素子
が必要となるが、特に短い光パルスを一定の周波数で持
続させた光クロックパルスは必須であり、安定でジッ
タ、つまり時間軸での信号の揺らぎの少ない光クロック
パルス発生素子の実現が求められている。半導体素子に
よる光クロックパルスの発生は、ネットワークシステム
の小型化や振動に対する堅牢さの観点からも重要であ
る。

【００６０】高速動作可能な光クロックパルスを発生さ
せる半導体レーザとして、パルセーション動作を行うセ
ルフパルセーティングＤＦＢレーザ（self-pulsating d
istributed feedback laser）が知られている。光クロ
ックパルスを発生する半導体レーザでは、単にセルフパ
ルセーション動作可能であるだけでなく、波長可変機能
を具備することが望ましい。光通信で用いられる波長は
いわゆるＣバンドと呼ばれる幅３０ｎｍ程度の範囲から
選択されるので、異なる波長の入力信号光を波長可変範
囲内の任意の波長に変換する波長変換機能をも一つの半
導体レーザで受け持たせることができると、波長変換素
子面積の縮小や低コスト化が可能となるからである。し
かしながら、従来のセルフパルセーティングＤＦＢレー
ザでは波長可変機能は実用上充分ではなく、波長可変範
囲は極めて狭かった。

【００６１】実施の形態４の波長可変半導体レーザの動
作を以下に説明する。なお、波長可変半導体レーザとし
ての動作は実施の形態３の波長可変半導体レーザとほぼ
同一なので、本実施の形態の半導体レーザで特徴的なセ
ルフパルセーション動作を主に説明する。

【００６２】実施の形態４の波長可変半導体レーザのよ
うな３電極構成では、上述したように、回折格子を設け
た前方光導波領域１および後方光導波領域３の２つの活
性領域が両者の間に設けられた位相制御領域６０を挟ん
で集積されている。各領域はエッチングによる分離溝１
２で電気的に分離されており、独立に電流注入可能であ
る。

【００６３】実施の形態４の波長可変半導体レーザのセ
ルフパルセーションの繰り返し周波数は、ＳＧミラーか
ら成る前方光導波領域１、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーから成
る後方光導波領域２への直流的な注入電流によって調整
可能である。

【００６４】実施の形態４の波長可変半導体レーザは、
以下に説明する分散性自己Qスイッチング（dispersive
self Q-switching）の原理に基づき動作する。一般に、
Qスイッチレーザでは、活性層内で強い励起による高い
反転分布が生成されているが、初期状態では高い共振器
損失が存在するため、レーザ動作が妨げられている。一
旦共振器損失が打ち消されると、高いインパルス強度の
短パルスが放出される。上記Qスイッチング動作を達成
するには、外部に設けた共振器反射ミラーの損失を高い
状態から低い状態へ急激に変化させる方法、あるいは初
期的に共振器中に内部損失を形成した後、その内部損失
を取り除くようにする方法がある。

【００６５】前方光導波領域１はレーザ閾値電流を十分
に上回るように強く励起し、後方光導波領域２はレーザ
閾値電流付近でほぼ透明の状態になる程度に弱く励起す
る。このとき、前方光導波領域１はレーザの活性領域と
して機能し、後方光導波領域２は分散性の強い、すなわ
ち反射率の波長依存性が大きい、いわゆる反射ミラーと
して機能する。前方光導波領域１と後方光導波領域２そ
れぞれのブラッグ（Ｂｒａｇｇ）波長は、当該領域内に
注入されたキャリア密度に依存して変化する。前方光導
波領域１と後方光導波領域２間で強く非対称励起する
と、２つの領域のブラッグ波長がわずかにずれるデチュ
ーニング（離調）状態が発生する。ストップバンドの長
波長側では、後方光導波領域２からの光反射、つまりフ
ィードバックによって光密度が増大するのでレーザ発振
が生じやすい。

【００６６】後方光導波領域２の反射率が高いとレーザ
の閾値電流は低減し、逆に後方光導波領域２の反射率が
低いとレーザの閾値電流は上昇する。ストップバンドの
長波長側では分散性反射ミラーの急峻な反射ピークの裾
付近のわずかな波長の変化により、レーザ閾値電流は非
常に効率的に変調される。

【００６７】例えば、後方光導波領域２の反射率が低く
て結果的にレーザ閾値電流が上昇すると、共振器内部の
キャリア密度も増加して屈折率が低下するため、レーザ
発振波長は短波長側にシフトする。そのとき、後方光導
波領域２の反射率は高くなり、レーザ閾値電流が急減す
る結果、Qスイッチレーザと同様に短パルスが出力され
る。レーザ発振によって消費された活性領域中のキャリ
アが再び電流注入で補充されるまでには時間遅れがあ
り、この間レーザ発振は停止する。このように後方光導
波領域２からのフィードバックの最小点付近では、キャ
リア密度の揺らぎによって後方光導波領域２からのフィ
ードバック、すなわち共振器のＱ値が大きく変化する。
以上の過程を繰り返すことにより、直流の励起電流を用
いているにもかかわらずセルフパルセーション動作を持
続させることができる。

【００６８】本素子構造では、位相制御領域６０は前方
光導波領域１と後方光導波領域２で構成された共振器中
の光波の位相を、電流注入あるいは薄膜ヒータ３８ｃに
よる加熱のいずれか一方または両方の手段によって調整
してセルフパルセーション動作のオン・オフを制御する
ことにより、セルフパルセーション動作を安定化させ
る。

【００６９】本実施の形態の波長可変半導体レーザの動
作の一例を以下に説明する。後方光導波領域２の反射ス
ペクトルは１〜２ｎｍの波長幅を有する複数のブラッグ
反射ピークを伴う。一方、活性な前方光導波領域１の利
得ピークは、各ブラッグ反射ピークの両側に一つずつ存
在する。図１０（ａ）に示すように、そのうち一つの反
射ピークの長波長側の傾斜した裾に前方領域の利得スペ
クトルの短波長側のピークを合わせることによって、波
長λ_１においてセルフパルセーション動作が可能とな
る。

【００７０】後方光導波領域２の薄膜ヒータ３８ｂに電
流を注入して発熱によりかかる領域の光導波層３の屈折
率が高くなると、図１０（ｂ）のように、別の波長λ_２
においてもセルフパルセーション動作が可能となる。波
長可変半導体レーザの波長可変動作時における後方光導
波領域２の任意の反射ピークの組み合わせ毎に、上述の
ようなセルフパルセーション動作が可能であるから、結
果として一つの波長可変半導体レーザで、レーザ発振波
長を変えると同時にセルフパルセーション動作を行わせ
ることが可能となる効果がある。

【００７１】なお、実施の形態１または２の波長可変半
導体レーザにおいて、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層６の下部、
つまりＩｎＰ基板４側に高抵抗の電流狭窄層を設ける
と、光導波路３に一層効率良く電流を注入できるので、
高効率で動作する波長可変半導体レーザが得られる効果
がある。

【００７２】

【発明の効果】本発明に係る波長可変半導体レーザで
は、半導体基板と、上記半導体基板上に形成されたクラ
ッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、
上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に
設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分
を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからな
りかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波
路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けら
れ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと
規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返
されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域
と、を備えることとしたので、従来のＳＳＧ−ＤＢＲミ
ラーのみで構成された波長可変半導体レーザと比較して
安定にレーザ発振波長を制御することが可能となり、ま
た、従来のＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可
変半導体レーザに比べて後方導波領域がＳＳＧ−ＤＢＲ
ミラーで構成されている分、後方反射率を高くとれるた
め、より低い閾値電流でレーザ発振し、高効率でかつ高
出力動作時に狭線幅の波長可変半導体レーザが得られ
る。

【００７３】本発明に係る波長可変半導体レーザでは、
第１導電型の半導体基板と、上記半導体基板上に形成さ
れた第１導電型のクラッド層と、上記クラッド層上に形
成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出
射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回
折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返さ
れたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導
波領域と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向
に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離
間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期
として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーから
なる後方光導波領域と、上記光導波路上に形成された高
抵抗層と、上記前方光導波領域上の高抵抗層中に上記光
導波路に沿って形成された屈折率制御層と、上記前方光
導波領域上の高抵抗層の上部に形成された第１導電型の
第１コンタクト層と、上記光導波路の両側面にそれぞれ
形成された第２導電型の埋め込み層と、上記第２導電型
の埋め込み層上に形成された第２導電型の第２コンタク
ト層と、上記前方光導波領域と上記後方光導波領域の境
界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、上記半導体基
板の裏面側に形成された第１電極と、上記第１コンタク
ト層上に形成された第２電極と、上記第２コンタクト層
上に形成された第３電極と、を備えることとしたので、
従来のＳＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変
半導体レーザと比較して安定にレーザ発振波長を制御す
ることが可能となり、また、従来のＳＧ−ＤＢＲミラー
のみで構成された波長可変半導体レーザに比べて後方導
波領域がＳＳＧ−ＤＢＲミラーで構成されている分、後
方反射率を高くとれるため、より低い閾値電流でレーザ
発振し、かつ高効率で、さらに、ＳＣＨ構造の適用によ
り、縦モードの安定性に優れ、かつ高出力動作時に狭線
幅の波長可変半導体レーザが得られる。

【００７４】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
では、上記分離溝の深さ方向に上記分離溝底部から上記
第１導電型のクラッド層に達するイオン注入による高抵
抗領域を設けることとしたので、かかるイオン注入によ
る高抵抗領域の存在によって、前方光導波領域側から後
方光導波領域側へ、あるいはその逆方向へ流れる電流は
著しく制限されるため、前方光導波領域と後方光導波領
域の注入電流に対する独立性が向上する結果、電流注入
による波長制御性がさらに向上し、波長可変半導体レー
ザの制御回路が一層簡素化される効果が生じる。

【００７５】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
では、上記屈折率制御層がさらに上記後方光導波領域上
の高抵抗層中にも設けられることとしたので、縦モード
の安定性に優れ、かつ高出力動作時に狭線幅の波長可変
半導体レーザが得られる。

【００７６】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
では、半絶縁性の半導体基板と、上記半導体基板上に形
成された半絶縁性のクラッド層と、上記クラッド層上に
形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光
出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非
回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返
されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光
導波領域と、上記光導波路上に形成された高抵抗層と、
上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後
方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端か
ら他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数
周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光
導波領域と、上記光導波路の両側面にそれぞれ形成され
た第１導電型の埋め込み層および第２導電型の埋め込み
層と上記第１導電型の埋め込み層上に形成された第１電
極と、上記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２
電極と、上記前方光導波領域および上記後方光導波領域
上部の上記高抵抗層上に絶縁膜を介してそれぞれ形成さ
れた薄膜ヒータと、上記前方光導波領域と上記後方光導
波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、を
備えることとしたので、より安定かつ制御性良くレーザ
発振波長を所望の値に変えることができる。また、本発
明に係る波長可変半導体レーザでは、上記半導体基板、
上記クラッド層および埋め込み層がインジウム燐（Ｉｎ
Ｐ）からなることとしたので、長波長帯の波長可変半導
体レーザが得られる。

【００７７】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
では、上記前方光導波領域の結合定数が上記後方光導波
領域の結合定数より小さいこととしたので、かかる関係
を満たすことにより、前方ミラーの反射率に比べて後方
ミラーの反射率を高めることが可能となり、また反射ピ
ーク波長位置を調整して前後ミラー領域における光の伝
搬定数がほぼ一致する波長で発振させることができるの
で、前面からの光出力割合を多くすることができ、高出
力かつ高効率動作の半導体レーザが得られる効果があ
る。

【００７８】また、本発明に係る波長可変半導体レーザ
では、前方光導波領域と後方光導波領域の間に屈折率制
御領域を設けることとしたので、波長可変機能に加えて
セルフパルセーション動作も可能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、実施の形態１の波長可変半導体レー
ザのレーザ光軸に沿った素子断面図、（ｂ）はレーザ光
軸に垂直方向で前方光導波領域における断面図、（ｃ）
は波長可変半導体レーザの上面図、をそれぞれ示す。

【図２】 （ａ）は、実施の形態１の波長可変半導体レ
ーザにおける前方および後方光導波領域に電流を注入し
ない場合の前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルと、
後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを示
した図であり、（ｂ）は、実施の形態１の波長可変半導
体レーザにおける後方光導波領域に電流注入を行った場
合の後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル
を、電流注入していない前方ＳＧミラーの反射ピークス
ペクトルと比較して示した図である。

【図３】 実施の形態１の波長可変半導体レーザにおけ
るＳＣＨ構造の屈折率プロファイルである。

【図４】 （ａ）は、実施の形態３の波長可変半導体レ
ーザのレーザ光軸に沿った素子断面図，（ｂ）はレーザ
光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における断
面図、をそれぞれ示す。

【図５】 （ａ）は、実施の形態３の波長可変半導体レ
ーザのレーザ光軸に沿った素子断面図，（ｂ）はレーザ
光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における断
面図、をそれぞれ示す。

【図６】 実施の形態３の波長可変半導体レーザの上面
図である。

【図７】 実施の形態３の波長可変半導体レーザにおけ
る初期状態における前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−
ＤＢＲミラーのそれぞれの反射スピークペクトルであ
る。

【図８】 実施の形態３の波長可変半導体レーザにおけ
る波長可変時における前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ
−ＤＢＲミラーの各反射ピークスペクトルである。

【図９】 実施の形態４の波長可変半導体レーザのレー
ザ光軸に沿った素子断面図である。

【図１０】 実施の形態４の波長可変半導体レーザ動作
時の前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの
各反射ピークスペクトルである。

【図１１】 従来のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レー
ザの構成を示した模式図である。

【図１２】 （ａ）は、前方光導波領域および後方光導
波領域に電流注入を行わない場合における前方ＳＳＧ−
ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルと後方ＳＳＧ−Ｄ
ＢＲミラーの反射ピークスペクトル、（ｂ）は、後方光
導波領域に電流注入を行った場合における後方ＳＳＧ−
ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルをそれぞれ示す。

【図１３】 従来のＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザ
のレーザ光軸に沿った素子断面図である。

【符号の説明】

１ 活性領域を兼ねたＳＧミラーを有する前方光導波領
域、 １ａ 前方光導波領域に設けられたＳＧミラー中
の回折格子部、 １ｂ ＳＧミラー中の一対の回折格子
部と非回折格子部を併せて一単位とした場合の一周期、
２ ＳＳＧ−ＤＢＲミラーを有した後方光導波領域、
２ａ ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子のピッチ変
化、つまり変調に対する一周期、 ３ ＩｎＧａＡｓＰ
からなる光導波路、 ４ ｎ型ＩｎＰ基板、 ５ ｎ型
ＩｎＰクラッド層、 ６ ｐ型ＩｎＰ埋め込み層、 ７
屈折率制御層、 ７ａ、ｂ、ｃ高抵抗ＩｎＰ層、 ８
ａｎ型ＩｎＰ第１コンタクト層、 ８ｂ ｐ型ＩｎＧａ
ＡｓＰ第２コンタクト層、９ 第１のｎ型電極、 １０
ｐ型電極、 １１ 第２のｎ型電極、 １２分離溝、
１３ 波長可変半導体レーザの出射端面から外部に出
射されたレーザ光、 １５ イオン注入による高抵抗領
域、 ３１ 半絶縁性のＳＩ−ＩｎＰ基板、 ３２ ｐ
型ＩｎＰ埋め込み層、 ３３ ｎ型ＩｎＰ埋め込み層、
３４高抵抗ＩｎＰ層、 ３５ ｐ型電極、 ３６ ｎ
型電極、 ３７ａ，ｂ シリコン酸化膜ＳｉＯ_２等から
なる絶縁膜、 ３８ａ，ｂ，ｃ 薄膜ヒータ、 ４３前
方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル、 ４４ 後方Ｓ
ＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル、 ４５
前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル、 ４６ 後方
ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル、 ４７
前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルの波長シフト
量、 ４８ 後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークス
ペクトルの波長シフト量、 ６０ 屈折率制御領域、
１０１活性領域、 １０２ 前方光導波領域、 １０３
後方光導波領域、 １０４位相制御領域、 １０５
ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路、 １０６ ｎ型Ｉｎ
Ｐ基板、 １０７ ｎ型ＩｎＰクラッド層、 １０８
ｐ型ＩｎＰクラッド層、 １０９ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ
コンタクト層、 １１３ ｎ型電極、 １１４ａ、１１
４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ ｐ型電極、 １１５ レー
ザ光、 １２１前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子ピ
ッチ変化つまり変調の一周期、 １２２ 後方ＳＳＧ−
ＤＢＲミラーの回折格子ピッチ変化つまり変調の一周
期。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板と、前記半導体基板上に形成
   されたクラッド層と、前記クラッド層上に形成された光
   導波路と、前記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対
   して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部か
   らなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミ
   ラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、
   前記光導波路の一部で前記レーザ光出射方向に対して後
   方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端か
   ら他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数
   周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光
   導波領域と、を備えたことを特徴とする波長可変半導体
   レーザ。
2. 【請求項２】 第１導電型の半導体基板と、前記半導体
   基板上に形成された第１導電型のクラッド層と、前記ク
   ラッド層上に形成された光導波路と、前記光導波路の一
   部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回
   折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複
   数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を
   兼ねる前方光導波領域と、前記光導波路の一部で前記レ
   ーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッ
   チを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させ
   た部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−Ｄ
   ＢＲミラーからなる後方光導波領域と、前記光導波路上
   に形成された高抵抗層と、前記前方光導波領域上の高抵
   抗層中に前記光導波路に沿って形成された屈折率制御層
   と、前記前方光導波領域上の高抵抗層の上部に形成され
   た第１導電型の第１コンタクト層と、前記光導波路の両
   側面にそれぞれ形成された第２導電型の埋め込み層と、
   前記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２導電型
   の第２コンタクト層と、前記前方光導波領域と前記後方
   光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝
   と、前記半導体基板の裏面側に形成された第１電極と、
   前記第１コンタクト層上に形成された第２電極と、前記
   第２コンタクト層上に形成された第３電極と、を備えた
   ことを特徴とした波長可変半導体レーザ。
3. 【請求項３】 前記分離溝の深さ方向に前記分離溝底部
   から前記第１導電型のクラッド層に達するイオン注入に
   よる高抵抗領域が設けられたことを特徴とする請求項２
   記載の波長可変半導体レーザ。
4. 【請求項４】 前記屈折率制御層が、さらに前記後方光
   導波領域上の前記高抵抗層中にも設けられていることを
   特徴とする請求項３記載の波長可変半導体レーザ。
5. 【請求項５】 半絶縁性の半導体基板と、前記半導体基
   板上に形成された半絶縁性のクラッド層と、前記クラッ
   ド層上に形成された光導波路と、前記光導波路の一部で
   レーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格
   子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周
   期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ね
   る前方光導波領域と、前記光導波路上に形成された高抵
   抗層と、前記光導波路の一部で前記レーザ光出射方向に
   対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間
   の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期と
   して複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからな
   る後方光導波領域と、前記光導波路の両側面にそれぞれ
   形成された第１導電型の埋め込み層および第２導電型の
   埋め込み層と前記第１導電型の埋め込み層上に形成され
   た第１電極と、前記第２導電型の埋め込み層上に形成さ
   れた第２電極と、前記前方光導波領域および前記後方光
   導波領域上部の前記高抵抗層上に絶縁膜を介してそれぞ
   れ形成された薄膜ヒータと、前記前方光導波領域と前記
   後方光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離
   溝と、を備えたことを特徴とする波長可変半導体レー
   ザ。
6. 【請求項６】 前記半導体基板、前記クラッド層および
   前記埋め込み層が、インジウム燐（ＩｎＰ）からなるこ
   とを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項記載の
   波長可変半導体レーザ。
7. 【請求項７】 前記前方光導波領域の結合定数が、前記
   後方光導波領域の結合定数より小さいことを特徴とする
   請求項１ないし６のいずれか１項記載の波長可変半導体
   レーザ。
8. 【請求項８】 前記前方光導波領域と前記後方光導波領
   域の間に屈折率制御領域が設けられていることを特徴と
   する請求項１ないし７のいずれか１項記載の波長可変半
   導体レーザ。