JP2004259924A - 複素結合型分布帰還型半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
【課題】複素結合型ＤＦＢレーザにおいて、高い単一波長発振特性を保ち、出射光を前方と後方で非対称化し、且つ、ホールバーニングを抑制する。
【解決手段】例えば、位相シフト領域２０より前方の第１の回折格子１８の長さをＬ１、後方の第２の回折格子１９の長さをＬ２とした場合、第１の回折格子の複素結合係数を、屈折率結合係数をｋｉ１、利得結合係数をｋｇ１としてｋ１＝ｋｉ１＋ｉｋｇ１と定義し、第２の回折格子の複素結合係数を、屈折率結合係数をｋｉ２、利得結合係数をｋｇ２としてｋ２＝ｋｉ２＋ｉｋｇ２と定義したとき、ｋｉ１≠０，ｋｇ１≠０，ｋｉ２≠０，ｋｇ２≠０ 、｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０であって、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘを満たすように｜ｋ１｜及びＬ１と｜ｋ２｜及びＬ２の大きさを調節する。
【選択図】 図６
【解決手段】例えば、位相シフト領域２０より前方の第１の回折格子１８の長さをＬ１、後方の第２の回折格子１９の長さをＬ２とした場合、第１の回折格子の複素結合係数を、屈折率結合係数をｋｉ１、利得結合係数をｋｇ１としてｋ１＝ｋｉ１＋ｉｋｇ１と定義し、第２の回折格子の複素結合係数を、屈折率結合係数をｋｉ２、利得結合係数をｋｇ２としてｋ２＝ｋｉ２＋ｉｋｇ２と定義したとき、ｋｉ１≠０，ｋｇ１≠０，ｋｉ２≠０，ｋｇ２≠０ 、｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０であって、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘを満たすように｜ｋ１｜及びＬ１と｜ｋ２｜及びＬ２の大きさを調節する。
【選択図】 図６
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布帰還型半導体レーザに関し、特に、屈折率と利得の両方の摂動により構成される回折格子を備えた複素結合型分布帰還型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザ）は、活性領域に作製された回折格子によるブラック反射を利用することにより、変調時においても単一波長で発振動作が得られるため、光ファイバ通信用の光源として用いられている。ＤＦＢレーザは、その回折格子によりいくつかの種類に分類することができ、一般的に複素屈折率の実部すなわち屈折率の摂動よりなる回折格子を有するＤＦＢレーザを屈折率結合型（Ｉｎｄｅｘ−ｃｏｕｐｌｅｄ）ＤＦＢレーザ、複素屈折率の虚部すなわち利得もしくは損失の摂動よりなる回折格子を有するＤＦＢレーザを利得結合型（Ｇａｉｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ） ＤＦＢレーザ、複素屈折率の実部と虚部の両方の摂動よりなる回折格子を有するＤＦＢレーザを複素結合型（Ｃｏｍｐｌｅｘ−ｃｏｕｐｌｅｄ）ＤＦＢレーザと称する。また、回折格子の周期や位相などから分類でき、共振器全体に渡り均一な周期および結合係数を有する回折格子を備えたＤＦＢレーザを均一回折格子ＤＦＢレーザ、または、共振器の途中でλ／４分の位相をシフトさせたＤＦＢレーザをλ／４シフトＤＦＢレーザと称する。
【０００３】
レーザにおいて、共振器構造により決定されるレーザ発振が始まる光導波路の利得を閾値利得と言うが、ＤＦＢレーザにおいては異なる波長で発振するそれぞれのモードで異なる閾値利得を有し、最も低い閾値利得を有するモードで発振する。一般に、回折格子を有する光導波路において、光の透過が著しく妨げられる、すなわち反射率が高い波長帯を阻止帯（ストップバンド）と呼ぶが、屈折率結合型均一回折格子ＤＦＢレーザにおいては、ストップバンドに最も近い長波長側のモードとストップバンドに最も近い短波長側のモードで同等な閾値利得を有するため、単一波長発振動作が得られないか、もしくは、端面反射の回折格子に対する位相の非対称性や温度などの周囲環境の非対称性や作製誤差による非対称性により単一波長動作が得られたとしても、最も低い閾値利得を有するモードと次に低い閾値利得を有するモードとの閾値利得の差が小さいため、変調動作などにより容易にモードが移り変わるため安定な単一波長動作が得られない。従って、屈折率結合型均一回折格子においては、一般に、その単一波長発振動作を得るために、図９（ａ）に示すように、非対称性を作り出すために共振器の片端面もしくは両端面に反射率の異なるコーティング膜（例えば、無反射（ＡＲ）コーティング膜１７と高反射（ＨＲ）コーティング膜２２）が施されている。また、非対称性反射率コーティング膜によれば、両端面から出射されるレーザ出力も非対称となり、低反射率端面側から大きな出力が得られる。しかしながら、例えば、非特許文献１に述べられているように、レーザ発振が起こる波長が、ストップバンドの長波長側波長であるか短波長側波長であるかは回折格子に対する端面の位相により決定され、これを制御することは、１．５５μｍ波長帯の一次の回折格子周期は２４０ｎｍと非常に小さく困難であるため、発振波長を制御することは難しい。
【０００４】
一方、屈折率結合型λ／４シフトＤＦＢレーザにおいては、通常、共振器軸方向の中央部に位相シフト領域があり、共振器の両端面は無反射コーティングを施し、導波路の等価屈折率をｎｅｑ 、回折格子の周期をΛとし、回折格子の次数をｑとすると、λ／４シフトにより
λＢ＝２ｎｅｑΛ／ｑ
で定義され、ストップバンドの中に生じるブラック波長において最も閾値利得が小さくなり単一波長動作し、次に低い閾値利得を有するモードとの閾値利得差も前述の非対称反射率コーティング膜を施した屈折率結合型均一回折格子ＤＦＢレーザに比べて大きく取れるため単一波長動作特性が優れている。しかしながら、λ／４シフト部を共振器中央に備えた屈折率結合型λ／４シフトＤＦＢレーザでは、両端面からの光出力が同等であり、一般に前述の非対称反射率コーティング膜を施した屈折率結合型均一回折格子ＤＦＢレーザに比べて前方より取り出せる光出力が小さくなる。
【０００５】
上述の屈折率結合型λ／４シフトＤＦＢレーザの短所を改善するため、例えば、非特許文献２では、屈折率結合型λ／４シフトＤＦＢレーザにおいて、両端面にそれぞれ無反射（ＡＲ）コーティングと高反射（ＨＲ）コーティングを施し、位相シフト位置を後方のＨＲ側にずらすことによって、発振するモードであるブラック波長と次のモードとの閾値利得差をある程度の値に保持しながら前方光出力を大きく取り出す方法が提案されている。しかしながら、この方法の場合も高反射膜を施した端面の回折格子に対する位相に影響を受け、単一波長動作特性および閾値電流などの発振特性が劣化する。
【０００６】
また、λ／４位相シフトを備え、ブラック波長で位相条件が満たされて発振波長となる場合、ｋＬの大きい回折格子の反射率が高くなるため、位相シフトを挟んで存在する２つの回折格子のうちｋＬの小さい回折格子側へ出力される割合が大きくなる。例えば、非特許文献３では、両端面に無反射コーティングを施したλ／４位相シフトＤＦＢレーザにおいて、図９（ｂ）に示すように、λ／４位相シフト点２０を共振器軸方向の中央から前方にずらす、つまり位相シフト点２０より前方の第１の回折格子１８のｋＬを位相シフト点２０より後方の第２の回折格子１９のｋＬよりも小さくすることにより、単一波長特性を大きく劣化させること無く、前方光出力を向上する方法が述べられている。この例においても発振波長はブラック波長である。しかしながら、出力の非対称性を大きくするに従い、発振波長の閾値利得が上昇し、発振が始まる電流値である閾値電流が上昇するとともに、次に低い閾値利得を有する波長との閾値利得差が小さくなり、よって単一波長特性が劣化するため、ある一定以上非対称性を大きくできない。
【０００７】
上述の例では、第１，第２の回折格子１８，１９のＬを変えることでｋＬを非対称にしているが、図９（ｃ）に示すように、特許文献１などでは、第１，第２の回折格子１８，１９のｋもしくは、ｋとＬの両方を変化させることでｋＬを非対称にしている。これにより、閾値利得差は改善される。
【０００８】
ところで、共振器内部に生じる共振器軸方向での光のフィールド分布により活性層のキャリア濃度分布が生じ、これに応じて導波路の等価屈折率が変化する現象、すなわち空間的軸方向ホールバーニング現象が起きるため、これによっても最も低い閾値利得を持つ発振波長と次に低い閾値利得を持つ波長との閾値利得差が小さくなり単一波長動作特性が劣化するが、λ／４位相シフトＤＦＢレーザにおいてブラッグ波長で発振する場合に大きな問題となっている。空間的軸方向ホールバーニングは、ｋＬが大きいほど反射率が大きくなり、位相シフト部への光の集中が顕著になるため大きな問題となり、レーザの低閾値電流動作化、短共振器化が制限される。従って、これまで例示した図９（ｂ）や図９（ｃ）に示した構造はブラック波長での発振を用いるものであり、空間的軸方向ホールバーニングが問題となる。また、位相シフト量がλ／４のときブラッグ波長で位相条件が完全に整合するが、位相シフト量がλ／４からずれても、そのずれた位相量だけブラッグ波長からずれた波長で共振可能なモードが生じ、λ／４の場合が最も顕著ではあるが、位相シフトにより共振可能となったモードでの発振の場合には、空間的軸方向ホールバーニングの問題が生じる。
【０００９】
一方、例えば、非特許文献４などに述べられているように、複素結合型ＤＦＢレーザは、均一回折格子であっても単一波長で動作することが可能である。その発振波長は、屈折率の摂動と利得の摂動が同位相の場合、つまり、屈折率の高い部分と利得の高い部分、屈折率の低い部分と利得の低い部分が一致している場合は、ストップバンドの長波長側でストップバンドに最近接の共振モードであり、屈折率の摂動と利得の摂動が逆位相の場合、つまり、屈折率の高い部分と利得の低い部分、屈折率の低い部分と利得の高い部分が一致している場合は、ストップバンドの短波長側でストップバンドに最近接の共振モードである。しかしながら、均一回折格子であるため共振器の両端面からの出射光は基本的に等しい。従って、例えば、異なる反射率を有するコーティング膜をそれぞれの端面に施さなければならず、よって、前記屈折率結合ＤＦＢレーザの場合と同様に、発振波長の不確定性や単一波長動作の歩留まりの劣化が生じてしまう。また、λ／４位相シフト領域を回折格子中に導入した場合において、ブラッグ波長が発振波長となる場合、前記ホールバーニング現象の問題が生じる。
【００１０】
【非特許文献１】
“Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｍｉｒｒｏｒ Ｆａｃｅｔｓ ｏｎ Ｌａｓｉｎｇ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ａｔ １．５ μｍ Ｒａｎｇｅ， ”Ｋ． Ｕｔａｋａ ｅｔ ａｌ （ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， ＱＥ−２０， Ｎｏ． ３， ｐｐ． ２３６−２４５， Ｍａｒｃｈ １９８４）
【非特許文献２】
“Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ λ／４−ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｄ ＤＦＢ ＬＤ ”Ｍ． Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．（ｉｎ １９８５ Ｎａｔ． Ｃｏｎｖ． Ｒｅｃ．， ＩＥＣＥ Ｊａｐａｎ， ｐ． ３１０）
【非特許文献３】
“Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ λ／４−Ｓｈｉｆｔ ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ ＤＦＢ Ｌａｓｅｒｓ ”Ｍ． Ｕｓａｍｉ ｅｔ ａｌ，（ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， ＱＥ−２３， ｐ．８１５−８２１，Ｊｕｌｙ １９８７）
【非特許文献４】
“Ｈｉｇｈ Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ｙｉｅｌｄ １．５５ μｍ ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ ＢＨ−ＤＦＢ Ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｗｉｒｅｌｉｋｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｒｅｇｉｏｎｓ，”Ｎ． Ｎｕｎｏｙａ ｅｔ ａｌ，（Ｔｈｅ １７ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｐｐ．４５−４６， ９月 ２０００）
【特許文献１】
特開平１１−１６３４６４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来の屈折率結合ＤＦＢレーザおよび複素結合ＤＦＢレーザでは、単一波長動作かつ前方出力と後方出力を非対称化する場合、次のような問題点があった。均一回折格子ＤＦＢレーザにおいて非対称コーティング膜による方法、つまり前方端面に低反射率コーティング膜、後方端面に高反射率コーティング膜を施した場合においては、端面の回折格子に対する位相により、単一波長特性の劣化および発振波長が不確定となる問題が生じる。また、非対称コーティング膜とした上で、λ／４位相シフト位置を共振器軸方向中心より後方の高反射率端面に置く方法であっても、やはり均一回折格子の場合と同様に、反射端面の回折格子に対する位相によって単一波長特性の劣化および発振波長が不確定となる問題が生じる。
【００１２】
一方、両端面を低反射化して位相シフト領域の位置を共振器中央より前方に置く方法においては、非対称性の増大に伴い、閾値電流の上昇および単一波長特性が劣化する。また、位相シフトを導入し、その位相シフトによりストップバンド内に生じる共振モードで発振する場合には、軸方向ホールバーニングが問題となる。
【００１３】
本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、ＤＦＢレーザにおいて、非対称端面コーティングによらず、高い単一波長発振特性を保ち、かつ共振器の端面からの出射光を前方と後方で非対称化するとともに、位相シフトの導入によるホールバーニングを抑制することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明（請求項１）の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、位相シフト点もしくは領域を挟む複素屈折率の実部すなわち屈折率と虚部すなわち利得または損失の両方の摂動により構成される２つの回折格子を備えた分布帰還型レーザダイオードにおいて、主レーザ光を出射する方向を前方とし、前記位相シフト点もしくは領域より前方の第１の回折格子の長さをＬ１、前記位相シフト点もしくは領域より後方の第２の回折格子の長さをＬ２とした場合、前記位相シフト点もしくは領域より前方の第１の回折格子の複素結合係数を、屈折率結合係数をｋｉ１、利得結合係数をｋｇ１としてｋ１＝ｋｉ１＋ｉｋｇ１と定義し、前記位相シフト点もしくは領域より後方の第２の回折格子の複素結合係数を、屈折率結合係数をｋｉ２、利得結合係数をｋｇ２としてｋ２＝ｋｉ２＋ｉｋｇ２と定義したとき、
ｋｉ１≠０，ｋｇ１≠０，ｋｉ２≠０，ｋｇ２≠０
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
であって、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを調節したことを特徴とする。
【００１５】
また、第２発明（請求項２）の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明の複素結合型分布帰還型レーザであって、長さＬ１の第１の回折格子の複素結合係数ｋ１と、長さＬ２の第２の回折格子の複素結合係数ｋ２が同じであって、
Ｌ１＞Ｌ２
を満たし、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、Ｌ１とＬ２の大きさを調節したことを特徴とする。
【００１６】
また、第３発明（請求項３）の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明の複素結合型分布帰還型レーザであって、第１の回折格子の次数をｐとし、第２の回折格子の次数をｑとしたとき、
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
の関係を満たすために、
ｐ＜ｑ
とし、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを調節したことを特徴とする。
【００１７】
また、第４発明（請求項４）の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明もしくは第３発明の複素結合型分布帰還型レーザであって、第１の回折格子もしくは第２の回折格子のどちらか一方もしくは両方の回折格子が、回折格子の山をｍ個中ｎ個の割合で残す（ｍ＞ｎ）ことによって、平均的な結合係数をｎ／ｍと減少させた回折格子により構成され、平均的な結合係数が請求項１もしくは請求項３に記載の条件を満たし、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ 、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを調節したことを特徴とする。
【００１８】
また、第５発明（請求項５）の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明から第４発明のいずれか１つの複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が多重量子井戸活性層の一部もしくは全部をエッチングすることによって作製されたことを特徴とする。
【００１９】
また、第６発明の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明から第４発明のいずれか１つの複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子がパターン基板上に活性層を成長することによって作製されたことを特徴とする。
【００２０】
また、第７発明の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明から第４発明のいずれか１つの複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が活性層の上方または下方に光吸収層を周期的に設けることによって作製されたことを特徴とする。
【００２１】
また、第８発明の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明から第４発明のいずれか１つの複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が活性層の上方もしくは下方に電流阻止層を周期的に設けることによって作製されたことを特徴とする。
【００２２】
また、第９発明の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明から第４発明のいずれか１つの複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が素子表面に金属膜を周期的に設けることによって作製されたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。本発明の実施の形態のＤＦＢレーザ構造は、次の回折格子構造により課題を解決する。
【００２４】
本実施の形態のＤＦＢレーザの回折格子は複素屈折率の実部と虚部の摂動よりなり、屈折率結合と利得結合を同時に有する複素結合型とし、位相シフト領域を有する。複素結合型の回折格子を形成するには、図１に示す共振器軸方向断面の模式図のように、例えば、“１．５５μｍ ｉｎｄｅｘ／ｇａｉｎ ｃｏｕｐｌｅｄ ＤＦＢ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ｓｔｒａｉｎｅｄ ｌａｙｅｒ ｍｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ａｃｔｉｖｅ ｇｒａｔｉｎｇ， ”Ｇ．Ｐ．Ｌｉ ｅｔ ａｌ，（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２８，ｎｏ．１８，ｐｐ． １７２６−１７２７， Ａｕｇ． １９９２．）に示されている▲１▼活性層（例えば図示のＧａＩｎＡｓＰ ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層１２における活性層１２ａ）の一部もしくは全部をエッチングする方法や、例えば、“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｇａｉｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ａ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ， ”Ｙ． Ｌｕｏ ｅｔ ａｌ，（ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ， ｖｏｌ． ＱＥ−２７， ｎｏ． ６， ｐｐ． １７２４−１７３１，Ｊｕｎｅ １９９１．）に示されている▲２▼パターン基板（例えば図示のｎ−ＩｎＰ基板１１）上に活性層（例えば図示のＧａＩｎＡｓＰ ＭＱＷ２３における活性層２３ａ）を形成する方法や、例えば、“１．５５μｍ Ｇａｉｎ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｙｉｅｌｄ ａｎｄ Ｎａｒｒｏｗ Ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ， ”Ｂ．Ｂｏｒｃｈｅｒｔ ｅｔ ａｌ，（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ３， ｎｏ． １１， ｐｐ． ９５５−９５７， Ｎｏｖ． １９９１．） に示されている▲３▼活性層（例えば図示のＧａＩｎＡｓＰ ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層１２における活性層１２ａ）の上方もしくは下方に光吸収層（例えば図示のｐ−ＧａＩｎＡｓ光吸収層２４）を周期的に設ける方法や、例えば、“Ｖｅｒｙ−ｌｏｗ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ， ａｎｄ ｌｏｗ−ｃｈｉｒｐ １．５５μｍ ｃｏｍｐｌｅｘ−ｃｏｕｐｌｅｄ ＤＦＢ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ａ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｇｒａｔｉｎｇ， ”Ｚ． Ｍ． Ｃｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ，（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ８， ｎｏ． １１， ｐｐ． １４３８−１４４０， Ｎｏｖ． １９９６．） に示されている▲４▼活性層（例えば図示のＧａＩｎＡｓＰ ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層１２における活性層１２ａ）の上方もしくは下方に電流阻止層（例えば図示のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ電流阻止層２５）を周期的に設ける方法や、例えば、“Ｃａｉｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ ＤＦＢ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ａ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｓｕｒｆａｃｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ．”Ｔ．Ｗ．Ｊｏｈａｎｎｅｓ ｅｔ ａｌ，（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ３１， ｎｏ． ５， ｐｐ． ３７０−３７１， Ｍａｒ． １９９５．） に示されている▲５▼素子表面に金属による回折格子（例えば図示の金属回折格子２７）を設ける方法などがある。
【００２５】
位相シフト領域より前方、つまりレーザ光を取り出す端面方向の第１の回折格子の長さをＬ１、その複素結合係数を屈折率結合係数をｋｉ１、利得結合係数をｋｇ１としてｋ１＝ｋｉ１＋ｉｋｇ１とし、後方の第２の回折格子の長さをＬ２とし、後方の第１の回折格子のブラック波長に対しての複素結合係数を屈折率結合係数をｋｉ２、利得結合係数をｋｇ２としてｋ２＝ｋｉ２＋ｉｋｇ２としたとき、
ｋｉ１≠０，ｋｇ１≠０，ｋｉ２≠０，ｋｇ２≠０
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
とする。さらに、上述の構造において、｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを位相シフトにより生じた共振モードの閾値利得αｔｈ＿ｓｈよりもストップバンドの外側かつストップバンドに最近接の共振モードの閾値利得αｔｈ＿ｅｘを小さくするように、すなわち、
αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘ
となるように｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを調節する。閾値利得は、例えば、“Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒｓ”Ｈ． Ｋｏｇｅｌｎｉｋ ｅｔ ａｌ，（Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， ｖｏｌ． ４３， ｎｏ． ５， ｐｐ． ２３２７−２３３５， Ｍａｙ １９７２） や“Ａ ｎｅｗ ｅｘａｃｔ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍａｔｒｉｘ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｌａｓｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ： Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｅｄ ＤＦＢ ｌａｓｅｒｓ，”Ｇ． Ｂｊｏｒｋ ｅｔ ａｌ，（Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． ＬＴ−５， ｐｐ． １４０−１４６， Ｊｐｎ． １９８７） などに記載の、結合波方程式や伝播行列法などにより求めることが可能である。また、結合係数を調節する方法としては、▲１▼回折格子の山と谷の比を変える、▲２▼回折格子の山の高さを変える、▲３▼導波路幅を変えて等価屈折率を変える、▲４▼導波路厚（上下の層の厚さ）を変えて等価屈折率を変えるなどが挙げられる。
【００２６】
このとき、最も小さい閾値利得を持つモードは、屈折率と利得の摂動が同相である場合には、ストップバンドの長波長側のモードであり、屈折率と利得の摂動が逆相である場合には、ストップバンドの短波長側のモードである。
【００２７】
＜作用＞
後端面への高反射率膜のコーティングは、その回折格子に対する位相により出来上がるレーザの特性が変化する。しかしながら、例えば、“Ｈｉｇｈ Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ｙｉｅｌｄ １．５５ μｍ ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ ＢＨ−ＤＦＢ Ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｗｉｒｅｌｉｋｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｒｅｇｉｏｎｓ，”Ｎ． Ｎｕｎｏｙａ ｅｔ ａｌ， （Ｔｈｅ １７ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｐｐ． ４５−４６， Ｓｅｐ． ２０００）で述べられている活性層をエッチングすることによって作製した利得変化と屈折率変化が同相である回折格子を備えた複素結合型均一回折格子ＤＦＢレーザにおいては、均一回折格子であっても非対称端面反射率コーティングによらずストップバンドの長波長側の共振モードで発振し、単一波長動作の指標である発振モードと次モードの出力比である副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が３０ｄＢ以上の単一波長動作が得られる。また、へき開による反射率３０％程度以下の端面反射率であれば、その回折格子に対する位相によらず、発振波長は常にストップバンドの長波長側の波長となる。
【００２８】
次に、非対称化を行うため、複素結合型ＤＦＢレーザの回折格子への位相シフトの導入を考える。位相シフトにより共振可能となるストップバンドの中に生じるモード、例えば、λ／４位相シフトの場合においてはブラッグ波長が発振波長となると、位相シフト部への光の集中が極端に増加しホールバーニングが生じるため、それに伴う局所的な屈折率の変化によりやはり特性の劣化を招く。このことを逆に考えると、位相シフトを導入しても、それにより存在可能となったストップバンド内の共振モードが発振モードとはならず、他の波長が発振するのであれば、共振器内部の光強度分布も滑らかとなり、空間的軸方向ホールバーニングを抑制できる。位相シフトにより生じたストップバンド内の共振モードでの発振を抑制するためには、位相シフト領域の前方、もしくは、後方の複素結合係数（ｋ１＝ｋｉ１＋ｉｋｇ１，ｋ２＝ｋｉ２＋ｉｋｇ２）と共振器長との積、すなわち、｜ｋ１｜・Ｌ１もしくは｜ｋ２｜・Ｌ２を小さくする。このとき、位相シフトによるモードは、発振に必要な光の帰還が十分得られず閾値利得が上昇し、ｋｉ１とｋｇ１、もしくは、ｋｉ２とｋｇ２、が同符号のときは、ストップバンドの長波長側の波長が最低閾値利得を有する波長となって発振が起こり、ｋｉ１とｋｉ２、もしくは、ｋｉ２とｋｇ２、が異符号のときは、ストップバンドの短波長側の波長が最低閾値利得を有する波長となって発振が起こる。これは、あたかも｜ｋ１｜・Ｌ１もしくは｜ｋ２｜・Ｌ２のうち大きな値を有する回折格子による均一回折格子ＤＦＢレーザのようであり、共振器内部の光分布も均一回折格子ＤＦＢレーザのそれと似た傾向となるため、位相シフト領域への光の集中は起きず、ホールバーニングは抑制される。
【００２９】
以上のことを図２に示す本発明の原理の図を用いて説明する。座標Ｚは共振器軸方向に沿って共振器前端面を０とした。簡単化のために両端面はＡＲコーティング膜１７を施して無反射とし、第１の回折格子１８と第２の回折格子１９の周期および結合係数は同じである場合を考える。まず、回折格子が屈折率結合型の場合を考える。図３に屈折率結合型ＤＦＢレーザの場合のスペクトルの計算例を示す。２０の位相シフト位置がＬ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．５の位置にあるとき、λ／４位相シフトによるモードがストップバンドの中央にできるが、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．８とすることで、ｋ２・Ｌ２が小さくなり、ブラッグ波長の閾値利得が上昇し、ストップバンドの両側のモードの閾値利得が最小となるため、ブラッグ波長では発振しない。ただし、屈折率結合の場合、ストップバンドの両側のモードの閾値利得がほぼ同等となるので、スペクトルの計算結果からも明らかなように単一モード動作が得られない。次に、回折格子が屈折率と利得の摂動が同相である複素結合型の場合を考える。図４に、複素結合型ＤＦＢレーザの場合のスペクトル計算結果を示す。位相シフト２０がＬ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．５の位置にあるとき、λ／４位相シフトによるモードがストップバンドの中央にできるのは、前述の屈折率結合型ＤＦＢレーザの場合と同様である。しかしながら、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．８とすることで、ｋ２・Ｌ２が小さくなると、均一回折格子の場合と同じようにストップバンドの長波長側のモードの閾値利得が最小となり単一モード動作する。すなわち、本発明の動作原理は複素結合型回折格子によるＤＦＢレーザに特徴的な現象を用いたものである。
【００３０】
図５に示した複素結合型ＤＦＢレーザにおける位相シフト位置を変えた場合の共振器内部の光パワー密度分布の計算例を見ると、同じ前方出力を得ようとした場合、λ／４位相シフトを中央部に入れたＬ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．５や前方出力を大きくするためにλ／４位相シフト部を前方に置いたＬ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．４の場合、λ／４位相シフトにより生じるストップバンド内のモード、すなわちブラック波長が共振モードとなるため、位相シフト部への光の集中が大きくなる。これは、屈折率結合型ＤＦＢレーザの場合も同様である。一方で、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．８の場合は、図４で示したようにストップバンドの外側の波長で発振するため、位相シフト部への極端な光の集中は起きず起伏の緩やかな平坦に近い分布となる。このとき、位相シフトを前方よりに挿入した場合の前後端面の出力比とほぼ同じ出力比が得られる。また、図５からわかるように、前方端面からの出力を後方端面からの出力よりも大きくする場合には、位相シフト位置を後方に置く、すなわち、｜ｋ２｜・Ｌ２を｜ｋ１｜・Ｌ１よりも小さくする。
【００３１】
前述のように、複素結合型回折格子の場合、均一回折格子の場合でも単一波長動作が可能であり、端面反射の影響を受けにくいため、端面の無反射（ＡＲ）コーティング膜は、必ずしも完全である必要は無く、へき開面程度以下の反射率であれば良い。加えて位相シフトが存在するため、共振器構造は非対称となり、複素結合係数と共振器長との積を小さくした側とは反対の端面から光が出射する割合が増大する。位相シフトは、共振構造を非対称化するためのものであり、位相シフトによる共振モードは発振させないため、位相シフト量は必ずしもλ／４である必要は無い。
【００３２】
次に、回折格子の構造について述べる。第２の回折格子１９の結合係数と回折格子長さの積を小さくする、特に、結合係数を小さくする場合を考える。第１の方法は、第１の回折格子１８よりも第２の回折格子１９側の回折格子の山の高さを低くすることによって結合係数を小さくすることができる。ただし、２つの領域を別々に作製しなければ精度良く作製することは難しいと考えられる。第２の方法は、回折格子の山谷の比を１：１からずらすことで結合係数を小さくすることが可能である。この方法によれば、同時に異なる結合係数を有する２つの回折格子を作製可能である。しかしながら、例えば１．５５μｍ波長帯の１次の回折格子の場合、回折格子周期は２４０ｎｍであり、この中で山谷の比を精度良く制御することは困難である。第３の別の方法としては、優れたレーザ特性を得るためには１次の回折格子が望ましいが、高次の回折格子によっても動作原理は変わらないため、結合係数と回折格子長さの積を小さくするために高次回折格子を用いても良い。この方法によれば、例えば、１次の回折格子と２次の回折格子を同時に形成することが可能であり加工制御性も改善される。さらに別の第４の方法を考えると、回折格子の山をｍ個中ｎ個の割合で残す方法（ｍ＞ｎ）等により、平均的な結合係数をｎ／ｍと減少させることによって回折格子のｋ・Ｌを調節してもよい。
【００３３】
ここで、図６〜図８に基づき、本発明の実施例について説明する。
【００３４】
＜第１実施例＞
図６は、本発明の第１実施例［請求項１、請求項２に対応］であり、複素結合型分布帰還型半導体レーザの構造を示す断面図である。図６において、１１はＩｎＰ基板、１２は発光波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰの多層歪量子井戸（ＭＱＷ）活性層とそれを挟み込むバンドギャップ波長１．２μｍのＳＣＨ層よりなるＳＣＨ−歪ＭＱＷ層、１３はｐ−ＩｎＰクラッド層、１４はｐ−コンタクト層、１５はｐ側電極、１６はｎ側電極、１７はＡＲコーティング膜、１８，１９は第１，第２の回折格子である。
【００３５】
第１の回折格子１８および第２の回折格子１９は、ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層１２を周期（Λ）２４０ｎｍでエッチングしＩｎＰにより埋め込み再成長することにより形成されるため、屈折率と利得の摂動により回折格子が構成され、それぞれ同じ大きさの複素結合係数ｋ１とｋ２を有する。屈折率結合係数はおよそ３６０ｃｍ−１であり、利得結合係数を正確に見積もることは困難であるが、およそ数〜数十ｃｍ−１となる。回折格子の作製法は、本実施例では図１に示されている▲１▼ＭＱＷ層（活性層）のエッチングによるもの［請求項５に対応］であるが、同図の他の方法、即ち、▲２▼パターン基板上に活性層を形成する方法［請求項６に対応］や、活性層の上方もしくは下方に光吸収層を周期的に設ける方法［請求項７に対応］や、▲４▼活性層の上方もしくは下方に電流阻止層を周期的に設ける方法［請求項８に対応］や、▲５▼表面金属回折格子による方法［請求項９に対応］などによって複素結合型回折格子を実現しても良い。λ／４位相シフト領域２０を挟んで、前方の第１の回折格子１８の長さをＬ１＝１６０μｍとし、後方の第２の回折格子１９の長さをＬ２＝４０μｍとしており、λ／４位相シフト領域が、
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
を満たすように形成されている。
【００３６】
活性層は、バルクでもかまわないが、歪ＭＱＷ層とすることにより光出力特性が向上するため、ここでは歪ＭＱＷ層を用いている。レーザ構造は、導波路の両脇を極性の異なる半導体層を積層した電流阻止層や半絶縁体層で埋め込んだ埋め込みヘテロ構造としている。しかし、本発明の原理はリッジ構造やその他の導波路構造でもなんら問題はない。
【００３７】
本第１実施例の構造により、最低閾値利得を有するモードは、λ／４位相シフトによるブラック波長とはならず、ストップバンドの長波長側のモードとなるため、ホールバーニング効果が抑制される。また、単一波長動作であり、３５ｄＢ以上の副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が得られる。さらに、非対称構造となるため、第１の回折格子１８側からの出力、すなわち出射端面側からの出力が第２の回折格子１９側、すなわち後端面側からの出力よりも大きくなり、８以上の出力比が得られる。本実施例はＩｎＰ基板１１上のＧａＩｎＡｓＰ量子井戸を用いた例であるが、例えばＧａＡｓなどのＩｎＰ以外の材料の基板を用いても原理的に本発明を適用可能なのは明らかである。
【００３８】
＜第２実施例＞
図７は、本発明の第２実施例［請求項１、請求項３に対応］であり、本第２実施例では図６に示した第１実施例の構造図中の第２の回折格子１９の次数を第１の回折格子１８の次数より高次にする。
【００３９】
具体的には、本第２実施例では、第１の回折格子１８の周期（Λ１）を１．５μｍ波長帯の１次の回折格子周期である２４０ｎｍとし、第２の回折格子１９の周期（Λ２）を２次の回折格子周期である４８０ｎｍとした。λ／４位相シフト領域２０を挟んで、第１の回折格子１８の長さをＬ１＝１２０μｍとし、第２の回折格子１９の長さをＬ２＝８０μｍとしており、λ／４位相シフト領域２０が、
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
を満たすように形成されている。これにより、第１実施例と同じ効果が得られる。
【００４０】
＜第３実施例＞
図８は、本発明の第３実施例［請求項１、請求項４に対応］であり、本第３実施例では図６に示した第１実施例の構造図中の第２の回折格子１９の山をｍ個中、ｎ個にして平均的な結合係数を下げる。
【００４１】
具体的には、本第３実施例では、第１の回折格子１８と第２の回折格子１９の周期が同じ２４０ｎｍであるが、第２の回折格子１９の山３つのうち１つを除去した。λ／４位相シフト領域２０を挟んで、第１の回折格子１８の長さをＬ１＝１４０μｍとし、第２の回折格子１９の長さをＬ２＝６０μｍとしており、λ／４位相シフト領域２０が、
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
を満たすように形成されている。これにより、第１実施例と同じ効果が得られる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の複素結合型分布帰還型半導体レーザによれば、副モード抑圧比の大きな劣化無しで、非対称端面コーティング膜を用いずに、両端面共に無反射コーティングとしても出力を非対称化することが可能であるため、高反射端面コーティングの回折格子に対する位置の不確定性による発振波長の不安定性を除去できる。さらには、端面コーティングが困難な集積光回路構成に用いる良好な光源が実現できる。また、必ずしも端面無反射コーティングが必要では無く、端面コーティングプロセスを削除できるため、コスト低下においても有効である。さらに、位相シフトにより生じる共振モードを用いないため、スペクトルホールバーニングを抑制でき、高出力時にも安定した特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複素結合型回折格子を説明する図である。
【図２】発明原理を説明する図である。
【図３】発振波長を説明する図（屈折率結合型ＤＦＢレーザの場合）である。
【図４】発振波長を説明する図（複素結合型ＤＦＢレーザの場合）である。
【図５】共振器内部の光のパワー密度分布の計算例である。
【図６】本発明の第１実施例の複素結合型分布帰還型半導体レーザを説明する図である。
【図７】本発明の第２実施例の複素結合型分布帰還型半導体レーザを説明する図である。
【図８】本発明の第３実施例の複素結合型分布帰還型半導体レーザを説明する図である。
【図９】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１１ ｎ−ＩｎＰ基板
１２ ＧａＩｎＡｓＰ ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層
１３ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１４ ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
１５ ｐ側電極
１６ ｎ側電極
１７ ＡＲコーティング膜
１８ 回折格子１
１９ 回折格子２
２０ 位相シフト
２１ ＧａＩｎＡｓＰガイド層
２２ ＨＲコーティング膜
２３ ＧａＩｎＡｓＰ ＭＱＷ
２４ ｐ−ＧａＩｎＡｓ光吸収層
２５ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ電流阻止層
２６ ｉ−ＩｎＰ
２７ 金属回折格子
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布帰還型半導体レーザに関し、特に、屈折率と利得の両方の摂動により構成される回折格子を備えた複素結合型分布帰還型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザ）は、活性領域に作製された回折格子によるブラック反射を利用することにより、変調時においても単一波長で発振動作が得られるため、光ファイバ通信用の光源として用いられている。ＤＦＢレーザは、その回折格子によりいくつかの種類に分類することができ、一般的に複素屈折率の実部すなわち屈折率の摂動よりなる回折格子を有するＤＦＢレーザを屈折率結合型（Ｉｎｄｅｘ−ｃｏｕｐｌｅｄ）ＤＦＢレーザ、複素屈折率の虚部すなわち利得もしくは損失の摂動よりなる回折格子を有するＤＦＢレーザを利得結合型（Ｇａｉｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ） ＤＦＢレーザ、複素屈折率の実部と虚部の両方の摂動よりなる回折格子を有するＤＦＢレーザを複素結合型（Ｃｏｍｐｌｅｘ−ｃｏｕｐｌｅｄ）ＤＦＢレーザと称する。また、回折格子の周期や位相などから分類でき、共振器全体に渡り均一な周期および結合係数を有する回折格子を備えたＤＦＢレーザを均一回折格子ＤＦＢレーザ、または、共振器の途中でλ／４分の位相をシフトさせたＤＦＢレーザをλ／４シフトＤＦＢレーザと称する。
【０００３】
レーザにおいて、共振器構造により決定されるレーザ発振が始まる光導波路の利得を閾値利得と言うが、ＤＦＢレーザにおいては異なる波長で発振するそれぞれのモードで異なる閾値利得を有し、最も低い閾値利得を有するモードで発振する。一般に、回折格子を有する光導波路において、光の透過が著しく妨げられる、すなわち反射率が高い波長帯を阻止帯（ストップバンド）と呼ぶが、屈折率結合型均一回折格子ＤＦＢレーザにおいては、ストップバンドに最も近い長波長側のモードとストップバンドに最も近い短波長側のモードで同等な閾値利得を有するため、単一波長発振動作が得られないか、もしくは、端面反射の回折格子に対する位相の非対称性や温度などの周囲環境の非対称性や作製誤差による非対称性により単一波長動作が得られたとしても、最も低い閾値利得を有するモードと次に低い閾値利得を有するモードとの閾値利得の差が小さいため、変調動作などにより容易にモードが移り変わるため安定な単一波長動作が得られない。従って、屈折率結合型均一回折格子においては、一般に、その単一波長発振動作を得るために、図９（ａ）に示すように、非対称性を作り出すために共振器の片端面もしくは両端面に反射率の異なるコーティング膜（例えば、無反射（ＡＲ）コーティング膜１７と高反射（ＨＲ）コーティング膜２２）が施されている。また、非対称性反射率コーティング膜によれば、両端面から出射されるレーザ出力も非対称となり、低反射率端面側から大きな出力が得られる。しかしながら、例えば、非特許文献１に述べられているように、レーザ発振が起こる波長が、ストップバンドの長波長側波長であるか短波長側波長であるかは回折格子に対する端面の位相により決定され、これを制御することは、１．５５μｍ波長帯の一次の回折格子周期は２４０ｎｍと非常に小さく困難であるため、発振波長を制御することは難しい。
【０００４】
一方、屈折率結合型λ／４シフトＤＦＢレーザにおいては、通常、共振器軸方向の中央部に位相シフト領域があり、共振器の両端面は無反射コーティングを施し、導波路の等価屈折率をｎｅｑ 、回折格子の周期をΛとし、回折格子の次数をｑとすると、λ／４シフトにより
λＢ＝２ｎｅｑΛ／ｑ
で定義され、ストップバンドの中に生じるブラック波長において最も閾値利得が小さくなり単一波長動作し、次に低い閾値利得を有するモードとの閾値利得差も前述の非対称反射率コーティング膜を施した屈折率結合型均一回折格子ＤＦＢレーザに比べて大きく取れるため単一波長動作特性が優れている。しかしながら、λ／４シフト部を共振器中央に備えた屈折率結合型λ／４シフトＤＦＢレーザでは、両端面からの光出力が同等であり、一般に前述の非対称反射率コーティング膜を施した屈折率結合型均一回折格子ＤＦＢレーザに比べて前方より取り出せる光出力が小さくなる。
【０００５】
上述の屈折率結合型λ／４シフトＤＦＢレーザの短所を改善するため、例えば、非特許文献２では、屈折率結合型λ／４シフトＤＦＢレーザにおいて、両端面にそれぞれ無反射（ＡＲ）コーティングと高反射（ＨＲ）コーティングを施し、位相シフト位置を後方のＨＲ側にずらすことによって、発振するモードであるブラック波長と次のモードとの閾値利得差をある程度の値に保持しながら前方光出力を大きく取り出す方法が提案されている。しかしながら、この方法の場合も高反射膜を施した端面の回折格子に対する位相に影響を受け、単一波長動作特性および閾値電流などの発振特性が劣化する。
【０００６】
また、λ／４位相シフトを備え、ブラック波長で位相条件が満たされて発振波長となる場合、ｋＬの大きい回折格子の反射率が高くなるため、位相シフトを挟んで存在する２つの回折格子のうちｋＬの小さい回折格子側へ出力される割合が大きくなる。例えば、非特許文献３では、両端面に無反射コーティングを施したλ／４位相シフトＤＦＢレーザにおいて、図９（ｂ）に示すように、λ／４位相シフト点２０を共振器軸方向の中央から前方にずらす、つまり位相シフト点２０より前方の第１の回折格子１８のｋＬを位相シフト点２０より後方の第２の回折格子１９のｋＬよりも小さくすることにより、単一波長特性を大きく劣化させること無く、前方光出力を向上する方法が述べられている。この例においても発振波長はブラック波長である。しかしながら、出力の非対称性を大きくするに従い、発振波長の閾値利得が上昇し、発振が始まる電流値である閾値電流が上昇するとともに、次に低い閾値利得を有する波長との閾値利得差が小さくなり、よって単一波長特性が劣化するため、ある一定以上非対称性を大きくできない。
【０００７】
上述の例では、第１，第２の回折格子１８，１９のＬを変えることでｋＬを非対称にしているが、図９（ｃ）に示すように、特許文献１などでは、第１，第２の回折格子１８，１９のｋもしくは、ｋとＬの両方を変化させることでｋＬを非対称にしている。これにより、閾値利得差は改善される。
【０００８】
ところで、共振器内部に生じる共振器軸方向での光のフィールド分布により活性層のキャリア濃度分布が生じ、これに応じて導波路の等価屈折率が変化する現象、すなわち空間的軸方向ホールバーニング現象が起きるため、これによっても最も低い閾値利得を持つ発振波長と次に低い閾値利得を持つ波長との閾値利得差が小さくなり単一波長動作特性が劣化するが、λ／４位相シフトＤＦＢレーザにおいてブラッグ波長で発振する場合に大きな問題となっている。空間的軸方向ホールバーニングは、ｋＬが大きいほど反射率が大きくなり、位相シフト部への光の集中が顕著になるため大きな問題となり、レーザの低閾値電流動作化、短共振器化が制限される。従って、これまで例示した図９（ｂ）や図９（ｃ）に示した構造はブラック波長での発振を用いるものであり、空間的軸方向ホールバーニングが問題となる。また、位相シフト量がλ／４のときブラッグ波長で位相条件が完全に整合するが、位相シフト量がλ／４からずれても、そのずれた位相量だけブラッグ波長からずれた波長で共振可能なモードが生じ、λ／４の場合が最も顕著ではあるが、位相シフトにより共振可能となったモードでの発振の場合には、空間的軸方向ホールバーニングの問題が生じる。
【０００９】
一方、例えば、非特許文献４などに述べられているように、複素結合型ＤＦＢレーザは、均一回折格子であっても単一波長で動作することが可能である。その発振波長は、屈折率の摂動と利得の摂動が同位相の場合、つまり、屈折率の高い部分と利得の高い部分、屈折率の低い部分と利得の低い部分が一致している場合は、ストップバンドの長波長側でストップバンドに最近接の共振モードであり、屈折率の摂動と利得の摂動が逆位相の場合、つまり、屈折率の高い部分と利得の低い部分、屈折率の低い部分と利得の高い部分が一致している場合は、ストップバンドの短波長側でストップバンドに最近接の共振モードである。しかしながら、均一回折格子であるため共振器の両端面からの出射光は基本的に等しい。従って、例えば、異なる反射率を有するコーティング膜をそれぞれの端面に施さなければならず、よって、前記屈折率結合ＤＦＢレーザの場合と同様に、発振波長の不確定性や単一波長動作の歩留まりの劣化が生じてしまう。また、λ／４位相シフト領域を回折格子中に導入した場合において、ブラッグ波長が発振波長となる場合、前記ホールバーニング現象の問題が生じる。
【００１０】
【非特許文献１】
“Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ Ｍｉｒｒｏｒ Ｆａｃｅｔｓ ｏｎ Ｌａｓｉｎｇ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ａｔ １．５ μｍ Ｒａｎｇｅ， ”Ｋ． Ｕｔａｋａ ｅｔ ａｌ （ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， ＱＥ−２０， Ｎｏ． ３， ｐｐ． ２３６−２４５， Ｍａｒｃｈ １９８４）
【非特許文献２】
“Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ λ／４−ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｅｄ ＤＦＢ ＬＤ ”Ｍ． Ｙａｍａｇｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ．（ｉｎ １９８５ Ｎａｔ． Ｃｏｎｖ． Ｒｅｃ．， ＩＥＣＥ Ｊａｐａｎ， ｐ． ３１０）
【非特許文献３】
“Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ λ／４−Ｓｈｉｆｔ ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ ＤＦＢ Ｌａｓｅｒｓ ”Ｍ． Ｕｓａｍｉ ｅｔ ａｌ，（ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．， ＱＥ−２３， ｐ．８１５−８２１，Ｊｕｌｙ １９８７）
【非特許文献４】
“Ｈｉｇｈ Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ｙｉｅｌｄ １．５５ μｍ ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ ＢＨ−ＤＦＢ Ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｗｉｒｅｌｉｋｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｒｅｇｉｏｎｓ，”Ｎ． Ｎｕｎｏｙａ ｅｔ ａｌ，（Ｔｈｅ １７ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｐｐ．４５−４６， ９月 ２０００）
【特許文献１】
特開平１１−１６３４６４号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来の屈折率結合ＤＦＢレーザおよび複素結合ＤＦＢレーザでは、単一波長動作かつ前方出力と後方出力を非対称化する場合、次のような問題点があった。均一回折格子ＤＦＢレーザにおいて非対称コーティング膜による方法、つまり前方端面に低反射率コーティング膜、後方端面に高反射率コーティング膜を施した場合においては、端面の回折格子に対する位相により、単一波長特性の劣化および発振波長が不確定となる問題が生じる。また、非対称コーティング膜とした上で、λ／４位相シフト位置を共振器軸方向中心より後方の高反射率端面に置く方法であっても、やはり均一回折格子の場合と同様に、反射端面の回折格子に対する位相によって単一波長特性の劣化および発振波長が不確定となる問題が生じる。
【００１２】
一方、両端面を低反射化して位相シフト領域の位置を共振器中央より前方に置く方法においては、非対称性の増大に伴い、閾値電流の上昇および単一波長特性が劣化する。また、位相シフトを導入し、その位相シフトによりストップバンド内に生じる共振モードで発振する場合には、軸方向ホールバーニングが問題となる。
【００１３】
本発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、ＤＦＢレーザにおいて、非対称端面コーティングによらず、高い単一波長発振特性を保ち、かつ共振器の端面からの出射光を前方と後方で非対称化するとともに、位相シフトの導入によるホールバーニングを抑制することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する第１発明（請求項１）の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、位相シフト点もしくは領域を挟む複素屈折率の実部すなわち屈折率と虚部すなわち利得または損失の両方の摂動により構成される２つの回折格子を備えた分布帰還型レーザダイオードにおいて、主レーザ光を出射する方向を前方とし、前記位相シフト点もしくは領域より前方の第１の回折格子の長さをＬ１、前記位相シフト点もしくは領域より後方の第２の回折格子の長さをＬ２とした場合、前記位相シフト点もしくは領域より前方の第１の回折格子の複素結合係数を、屈折率結合係数をｋｉ１、利得結合係数をｋｇ１としてｋ１＝ｋｉ１＋ｉｋｇ１と定義し、前記位相シフト点もしくは領域より後方の第２の回折格子の複素結合係数を、屈折率結合係数をｋｉ２、利得結合係数をｋｇ２としてｋ２＝ｋｉ２＋ｉｋｇ２と定義したとき、
ｋｉ１≠０，ｋｇ１≠０，ｋｉ２≠０，ｋｇ２≠０
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
であって、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを調節したことを特徴とする。
【００１５】
また、第２発明（請求項２）の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明の複素結合型分布帰還型レーザであって、長さＬ１の第１の回折格子の複素結合係数ｋ１と、長さＬ２の第２の回折格子の複素結合係数ｋ２が同じであって、
Ｌ１＞Ｌ２
を満たし、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、Ｌ１とＬ２の大きさを調節したことを特徴とする。
【００１６】
また、第３発明（請求項３）の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明の複素結合型分布帰還型レーザであって、第１の回折格子の次数をｐとし、第２の回折格子の次数をｑとしたとき、
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
の関係を満たすために、
ｐ＜ｑ
とし、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを調節したことを特徴とする。
【００１７】
また、第４発明（請求項４）の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明もしくは第３発明の複素結合型分布帰還型レーザであって、第１の回折格子もしくは第２の回折格子のどちらか一方もしくは両方の回折格子が、回折格子の山をｍ個中ｎ個の割合で残す（ｍ＞ｎ）ことによって、平均的な結合係数をｎ／ｍと減少させた回折格子により構成され、平均的な結合係数が請求項１もしくは請求項３に記載の条件を満たし、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ 、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを調節したことを特徴とする。
【００１８】
また、第５発明（請求項５）の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明から第４発明のいずれか１つの複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が多重量子井戸活性層の一部もしくは全部をエッチングすることによって作製されたことを特徴とする。
【００１９】
また、第６発明の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明から第４発明のいずれか１つの複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子がパターン基板上に活性層を成長することによって作製されたことを特徴とする。
【００２０】
また、第７発明の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明から第４発明のいずれか１つの複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が活性層の上方または下方に光吸収層を周期的に設けることによって作製されたことを特徴とする。
【００２１】
また、第８発明の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明から第４発明のいずれか１つの複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が活性層の上方もしくは下方に電流阻止層を周期的に設けることによって作製されたことを特徴とする。
【００２２】
また、第９発明の複素結合型分布帰還型半導体レーザは、第１発明から第４発明のいずれか１つの複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が素子表面に金属膜を周期的に設けることによって作製されたことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。本発明の実施の形態のＤＦＢレーザ構造は、次の回折格子構造により課題を解決する。
【００２４】
本実施の形態のＤＦＢレーザの回折格子は複素屈折率の実部と虚部の摂動よりなり、屈折率結合と利得結合を同時に有する複素結合型とし、位相シフト領域を有する。複素結合型の回折格子を形成するには、図１に示す共振器軸方向断面の模式図のように、例えば、“１．５５μｍ ｉｎｄｅｘ／ｇａｉｎ ｃｏｕｐｌｅｄ ＤＦＢ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ｓｔｒａｉｎｅｄ ｌａｙｅｒ ｍｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ ａｃｔｉｖｅ ｇｒａｔｉｎｇ， ”Ｇ．Ｐ．Ｌｉ ｅｔ ａｌ，（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．２８，ｎｏ．１８，ｐｐ． １７２６−１７２７， Ａｕｇ． １９９２．）に示されている▲１▼活性層（例えば図示のＧａＩｎＡｓＰ ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層１２における活性層１２ａ）の一部もしくは全部をエッチングする方法や、例えば、“Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｇａｉｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ａ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ａｃｔｉｖｅ ｌａｙｅｒ， ”Ｙ． Ｌｕｏ ｅｔ ａｌ，（ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ， ｖｏｌ． ＱＥ−２７， ｎｏ． ６， ｐｐ． １７２４−１７３１，Ｊｕｎｅ １９９１．）に示されている▲２▼パターン基板（例えば図示のｎ−ＩｎＰ基板１１）上に活性層（例えば図示のＧａＩｎＡｓＰ ＭＱＷ２３における活性層２３ａ）を形成する方法や、例えば、“１．５５μｍ Ｇａｉｎ−Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ Ｙｉｅｌｄ ａｎｄ Ｎａｒｒｏｗ Ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ， ”Ｂ．Ｂｏｒｃｈｅｒｔ ｅｔ ａｌ，（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ３， ｎｏ． １１， ｐｐ． ９５５−９５７， Ｎｏｖ． １９９１．） に示されている▲３▼活性層（例えば図示のＧａＩｎＡｓＰ ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層１２における活性層１２ａ）の上方もしくは下方に光吸収層（例えば図示のｐ−ＧａＩｎＡｓ光吸収層２４）を周期的に設ける方法や、例えば、“Ｖｅｒｙ−ｌｏｗ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ， ａｎｄ ｌｏｗ−ｃｈｉｒｐ １．５５μｍ ｃｏｍｐｌｅｘ−ｃｏｕｐｌｅｄ ＤＦＢ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ａ ｃｕｒｒｅｎｔ−ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｇｒａｔｉｎｇ， ”Ｚ． Ｍ． Ｃｈｕａｎｇ ｅｔ ａｌ，（ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ８， ｎｏ． １１， ｐｐ． １４３８−１４４０， Ｎｏｖ． １９９６．） に示されている▲４▼活性層（例えば図示のＧａＩｎＡｓＰ ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層１２における活性層１２ａ）の上方もしくは下方に電流阻止層（例えば図示のｎ−ＩｎＧａＡｓＰ電流阻止層２５）を周期的に設ける方法や、例えば、“Ｃａｉｎ−ｃｏｕｐｌｅｄ ＤＦＢ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ａ ｔｉｔａｎｉｕｍ ｓｕｒｆａｃｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ．”Ｔ．Ｗ．Ｊｏｈａｎｎｅｓ ｅｔ ａｌ，（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ３１， ｎｏ． ５， ｐｐ． ３７０−３７１， Ｍａｒ． １９９５．） に示されている▲５▼素子表面に金属による回折格子（例えば図示の金属回折格子２７）を設ける方法などがある。
【００２５】
位相シフト領域より前方、つまりレーザ光を取り出す端面方向の第１の回折格子の長さをＬ１、その複素結合係数を屈折率結合係数をｋｉ１、利得結合係数をｋｇ１としてｋ１＝ｋｉ１＋ｉｋｇ１とし、後方の第２の回折格子の長さをＬ２とし、後方の第１の回折格子のブラック波長に対しての複素結合係数を屈折率結合係数をｋｉ２、利得結合係数をｋｇ２としてｋ２＝ｋｉ２＋ｉｋｇ２としたとき、
ｋｉ１≠０，ｋｇ１≠０，ｋｉ２≠０，ｋｇ２≠０
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
とする。さらに、上述の構造において、｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを位相シフトにより生じた共振モードの閾値利得αｔｈ＿ｓｈよりもストップバンドの外側かつストップバンドに最近接の共振モードの閾値利得αｔｈ＿ｅｘを小さくするように、すなわち、
αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘ
となるように｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを調節する。閾値利得は、例えば、“Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒｓ”Ｈ． Ｋｏｇｅｌｎｉｋ ｅｔ ａｌ，（Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．， ｖｏｌ． ４３， ｎｏ． ５， ｐｐ． ２３２７−２３３５， Ｍａｙ １９７２） や“Ａ ｎｅｗ ｅｘａｃｔ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍａｔｒｉｘ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｌａｓｅｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ： Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｅｄ ＤＦＢ ｌａｓｅｒｓ，”Ｇ． Ｂｊｏｒｋ ｅｔ ａｌ，（Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． ＬＴ−５， ｐｐ． １４０−１４６， Ｊｐｎ． １９８７） などに記載の、結合波方程式や伝播行列法などにより求めることが可能である。また、結合係数を調節する方法としては、▲１▼回折格子の山と谷の比を変える、▲２▼回折格子の山の高さを変える、▲３▼導波路幅を変えて等価屈折率を変える、▲４▼導波路厚（上下の層の厚さ）を変えて等価屈折率を変えるなどが挙げられる。
【００２６】
このとき、最も小さい閾値利得を持つモードは、屈折率と利得の摂動が同相である場合には、ストップバンドの長波長側のモードであり、屈折率と利得の摂動が逆相である場合には、ストップバンドの短波長側のモードである。
【００２７】
＜作用＞
後端面への高反射率膜のコーティングは、その回折格子に対する位相により出来上がるレーザの特性が変化する。しかしながら、例えば、“Ｈｉｇｈ Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ｙｉｅｌｄ １．５５ μｍ ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ ＢＨ−ＤＦＢ Ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｐｅｒｉｏｄｉｃ Ｗｉｒｅｌｉｋｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｒｅｇｉｏｎｓ，”Ｎ． Ｎｕｎｏｙａ ｅｔ ａｌ， （Ｔｈｅ １７ｔｈ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ｐｐ． ４５−４６， Ｓｅｐ． ２０００）で述べられている活性層をエッチングすることによって作製した利得変化と屈折率変化が同相である回折格子を備えた複素結合型均一回折格子ＤＦＢレーザにおいては、均一回折格子であっても非対称端面反射率コーティングによらずストップバンドの長波長側の共振モードで発振し、単一波長動作の指標である発振モードと次モードの出力比である副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が３０ｄＢ以上の単一波長動作が得られる。また、へき開による反射率３０％程度以下の端面反射率であれば、その回折格子に対する位相によらず、発振波長は常にストップバンドの長波長側の波長となる。
【００２８】
次に、非対称化を行うため、複素結合型ＤＦＢレーザの回折格子への位相シフトの導入を考える。位相シフトにより共振可能となるストップバンドの中に生じるモード、例えば、λ／４位相シフトの場合においてはブラッグ波長が発振波長となると、位相シフト部への光の集中が極端に増加しホールバーニングが生じるため、それに伴う局所的な屈折率の変化によりやはり特性の劣化を招く。このことを逆に考えると、位相シフトを導入しても、それにより存在可能となったストップバンド内の共振モードが発振モードとはならず、他の波長が発振するのであれば、共振器内部の光強度分布も滑らかとなり、空間的軸方向ホールバーニングを抑制できる。位相シフトにより生じたストップバンド内の共振モードでの発振を抑制するためには、位相シフト領域の前方、もしくは、後方の複素結合係数（ｋ１＝ｋｉ１＋ｉｋｇ１，ｋ２＝ｋｉ２＋ｉｋｇ２）と共振器長との積、すなわち、｜ｋ１｜・Ｌ１もしくは｜ｋ２｜・Ｌ２を小さくする。このとき、位相シフトによるモードは、発振に必要な光の帰還が十分得られず閾値利得が上昇し、ｋｉ１とｋｇ１、もしくは、ｋｉ２とｋｇ２、が同符号のときは、ストップバンドの長波長側の波長が最低閾値利得を有する波長となって発振が起こり、ｋｉ１とｋｉ２、もしくは、ｋｉ２とｋｇ２、が異符号のときは、ストップバンドの短波長側の波長が最低閾値利得を有する波長となって発振が起こる。これは、あたかも｜ｋ１｜・Ｌ１もしくは｜ｋ２｜・Ｌ２のうち大きな値を有する回折格子による均一回折格子ＤＦＢレーザのようであり、共振器内部の光分布も均一回折格子ＤＦＢレーザのそれと似た傾向となるため、位相シフト領域への光の集中は起きず、ホールバーニングは抑制される。
【００２９】
以上のことを図２に示す本発明の原理の図を用いて説明する。座標Ｚは共振器軸方向に沿って共振器前端面を０とした。簡単化のために両端面はＡＲコーティング膜１７を施して無反射とし、第１の回折格子１８と第２の回折格子１９の周期および結合係数は同じである場合を考える。まず、回折格子が屈折率結合型の場合を考える。図３に屈折率結合型ＤＦＢレーザの場合のスペクトルの計算例を示す。２０の位相シフト位置がＬ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．５の位置にあるとき、λ／４位相シフトによるモードがストップバンドの中央にできるが、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．８とすることで、ｋ２・Ｌ２が小さくなり、ブラッグ波長の閾値利得が上昇し、ストップバンドの両側のモードの閾値利得が最小となるため、ブラッグ波長では発振しない。ただし、屈折率結合の場合、ストップバンドの両側のモードの閾値利得がほぼ同等となるので、スペクトルの計算結果からも明らかなように単一モード動作が得られない。次に、回折格子が屈折率と利得の摂動が同相である複素結合型の場合を考える。図４に、複素結合型ＤＦＢレーザの場合のスペクトル計算結果を示す。位相シフト２０がＬ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．５の位置にあるとき、λ／４位相シフトによるモードがストップバンドの中央にできるのは、前述の屈折率結合型ＤＦＢレーザの場合と同様である。しかしながら、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．８とすることで、ｋ２・Ｌ２が小さくなると、均一回折格子の場合と同じようにストップバンドの長波長側のモードの閾値利得が最小となり単一モード動作する。すなわち、本発明の動作原理は複素結合型回折格子によるＤＦＢレーザに特徴的な現象を用いたものである。
【００３０】
図５に示した複素結合型ＤＦＢレーザにおける位相シフト位置を変えた場合の共振器内部の光パワー密度分布の計算例を見ると、同じ前方出力を得ようとした場合、λ／４位相シフトを中央部に入れたＬ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．５や前方出力を大きくするためにλ／４位相シフト部を前方に置いたＬ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．４の場合、λ／４位相シフトにより生じるストップバンド内のモード、すなわちブラック波長が共振モードとなるため、位相シフト部への光の集中が大きくなる。これは、屈折率結合型ＤＦＢレーザの場合も同様である。一方で、Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝０．８の場合は、図４で示したようにストップバンドの外側の波長で発振するため、位相シフト部への極端な光の集中は起きず起伏の緩やかな平坦に近い分布となる。このとき、位相シフトを前方よりに挿入した場合の前後端面の出力比とほぼ同じ出力比が得られる。また、図５からわかるように、前方端面からの出力を後方端面からの出力よりも大きくする場合には、位相シフト位置を後方に置く、すなわち、｜ｋ２｜・Ｌ２を｜ｋ１｜・Ｌ１よりも小さくする。
【００３１】
前述のように、複素結合型回折格子の場合、均一回折格子の場合でも単一波長動作が可能であり、端面反射の影響を受けにくいため、端面の無反射（ＡＲ）コーティング膜は、必ずしも完全である必要は無く、へき開面程度以下の反射率であれば良い。加えて位相シフトが存在するため、共振器構造は非対称となり、複素結合係数と共振器長との積を小さくした側とは反対の端面から光が出射する割合が増大する。位相シフトは、共振構造を非対称化するためのものであり、位相シフトによる共振モードは発振させないため、位相シフト量は必ずしもλ／４である必要は無い。
【００３２】
次に、回折格子の構造について述べる。第２の回折格子１９の結合係数と回折格子長さの積を小さくする、特に、結合係数を小さくする場合を考える。第１の方法は、第１の回折格子１８よりも第２の回折格子１９側の回折格子の山の高さを低くすることによって結合係数を小さくすることができる。ただし、２つの領域を別々に作製しなければ精度良く作製することは難しいと考えられる。第２の方法は、回折格子の山谷の比を１：１からずらすことで結合係数を小さくすることが可能である。この方法によれば、同時に異なる結合係数を有する２つの回折格子を作製可能である。しかしながら、例えば１．５５μｍ波長帯の１次の回折格子の場合、回折格子周期は２４０ｎｍであり、この中で山谷の比を精度良く制御することは困難である。第３の別の方法としては、優れたレーザ特性を得るためには１次の回折格子が望ましいが、高次の回折格子によっても動作原理は変わらないため、結合係数と回折格子長さの積を小さくするために高次回折格子を用いても良い。この方法によれば、例えば、１次の回折格子と２次の回折格子を同時に形成することが可能であり加工制御性も改善される。さらに別の第４の方法を考えると、回折格子の山をｍ個中ｎ個の割合で残す方法（ｍ＞ｎ）等により、平均的な結合係数をｎ／ｍと減少させることによって回折格子のｋ・Ｌを調節してもよい。
【００３３】
ここで、図６〜図８に基づき、本発明の実施例について説明する。
【００３４】
＜第１実施例＞
図６は、本発明の第１実施例［請求項１、請求項２に対応］であり、複素結合型分布帰還型半導体レーザの構造を示す断面図である。図６において、１１はＩｎＰ基板、１２は発光波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰの多層歪量子井戸（ＭＱＷ）活性層とそれを挟み込むバンドギャップ波長１．２μｍのＳＣＨ層よりなるＳＣＨ−歪ＭＱＷ層、１３はｐ−ＩｎＰクラッド層、１４はｐ−コンタクト層、１５はｐ側電極、１６はｎ側電極、１７はＡＲコーティング膜、１８，１９は第１，第２の回折格子である。
【００３５】
第１の回折格子１８および第２の回折格子１９は、ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層１２を周期（Λ）２４０ｎｍでエッチングしＩｎＰにより埋め込み再成長することにより形成されるため、屈折率と利得の摂動により回折格子が構成され、それぞれ同じ大きさの複素結合係数ｋ１とｋ２を有する。屈折率結合係数はおよそ３６０ｃｍ−１であり、利得結合係数を正確に見積もることは困難であるが、およそ数〜数十ｃｍ−１となる。回折格子の作製法は、本実施例では図１に示されている▲１▼ＭＱＷ層（活性層）のエッチングによるもの［請求項５に対応］であるが、同図の他の方法、即ち、▲２▼パターン基板上に活性層を形成する方法［請求項６に対応］や、活性層の上方もしくは下方に光吸収層を周期的に設ける方法［請求項７に対応］や、▲４▼活性層の上方もしくは下方に電流阻止層を周期的に設ける方法［請求項８に対応］や、▲５▼表面金属回折格子による方法［請求項９に対応］などによって複素結合型回折格子を実現しても良い。λ／４位相シフト領域２０を挟んで、前方の第１の回折格子１８の長さをＬ１＝１６０μｍとし、後方の第２の回折格子１９の長さをＬ２＝４０μｍとしており、λ／４位相シフト領域が、
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
を満たすように形成されている。
【００３６】
活性層は、バルクでもかまわないが、歪ＭＱＷ層とすることにより光出力特性が向上するため、ここでは歪ＭＱＷ層を用いている。レーザ構造は、導波路の両脇を極性の異なる半導体層を積層した電流阻止層や半絶縁体層で埋め込んだ埋め込みヘテロ構造としている。しかし、本発明の原理はリッジ構造やその他の導波路構造でもなんら問題はない。
【００３７】
本第１実施例の構造により、最低閾値利得を有するモードは、λ／４位相シフトによるブラック波長とはならず、ストップバンドの長波長側のモードとなるため、ホールバーニング効果が抑制される。また、単一波長動作であり、３５ｄＢ以上の副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が得られる。さらに、非対称構造となるため、第１の回折格子１８側からの出力、すなわち出射端面側からの出力が第２の回折格子１９側、すなわち後端面側からの出力よりも大きくなり、８以上の出力比が得られる。本実施例はＩｎＰ基板１１上のＧａＩｎＡｓＰ量子井戸を用いた例であるが、例えばＧａＡｓなどのＩｎＰ以外の材料の基板を用いても原理的に本発明を適用可能なのは明らかである。
【００３８】
＜第２実施例＞
図７は、本発明の第２実施例［請求項１、請求項３に対応］であり、本第２実施例では図６に示した第１実施例の構造図中の第２の回折格子１９の次数を第１の回折格子１８の次数より高次にする。
【００３９】
具体的には、本第２実施例では、第１の回折格子１８の周期（Λ１）を１．５μｍ波長帯の１次の回折格子周期である２４０ｎｍとし、第２の回折格子１９の周期（Λ２）を２次の回折格子周期である４８０ｎｍとした。λ／４位相シフト領域２０を挟んで、第１の回折格子１８の長さをＬ１＝１２０μｍとし、第２の回折格子１９の長さをＬ２＝８０μｍとしており、λ／４位相シフト領域２０が、
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
を満たすように形成されている。これにより、第１実施例と同じ効果が得られる。
【００４０】
＜第３実施例＞
図８は、本発明の第３実施例［請求項１、請求項４に対応］であり、本第３実施例では図６に示した第１実施例の構造図中の第２の回折格子１９の山をｍ個中、ｎ個にして平均的な結合係数を下げる。
【００４１】
具体的には、本第３実施例では、第１の回折格子１８と第２の回折格子１９の周期が同じ２４０ｎｍであるが、第２の回折格子１９の山３つのうち１つを除去した。λ／４位相シフト領域２０を挟んで、第１の回折格子１８の長さをＬ１＝１４０μｍとし、第２の回折格子１９の長さをＬ２＝６０μｍとしており、λ／４位相シフト領域２０が、
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
を満たすように形成されている。これにより、第１実施例と同じ効果が得られる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の複素結合型分布帰還型半導体レーザによれば、副モード抑圧比の大きな劣化無しで、非対称端面コーティング膜を用いずに、両端面共に無反射コーティングとしても出力を非対称化することが可能であるため、高反射端面コーティングの回折格子に対する位置の不確定性による発振波長の不安定性を除去できる。さらには、端面コーティングが困難な集積光回路構成に用いる良好な光源が実現できる。また、必ずしも端面無反射コーティングが必要では無く、端面コーティングプロセスを削除できるため、コスト低下においても有効である。さらに、位相シフトにより生じる共振モードを用いないため、スペクトルホールバーニングを抑制でき、高出力時にも安定した特性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】複素結合型回折格子を説明する図である。
【図２】発明原理を説明する図である。
【図３】発振波長を説明する図（屈折率結合型ＤＦＢレーザの場合）である。
【図４】発振波長を説明する図（複素結合型ＤＦＢレーザの場合）である。
【図５】共振器内部の光のパワー密度分布の計算例である。
【図６】本発明の第１実施例の複素結合型分布帰還型半導体レーザを説明する図である。
【図７】本発明の第２実施例の複素結合型分布帰還型半導体レーザを説明する図である。
【図８】本発明の第３実施例の複素結合型分布帰還型半導体レーザを説明する図である。
【図９】従来技術を説明する図である。
【符号の説明】
１１ ｎ−ＩｎＰ基板
１２ ＧａＩｎＡｓＰ ＳＣＨ−歪ＭＱＷ層
１３ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１４ ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
１５ ｐ側電極
１６ ｎ側電極
１７ ＡＲコーティング膜
１８ 回折格子１
１９ 回折格子２
２０ 位相シフト
２１ ＧａＩｎＡｓＰガイド層
２２ ＨＲコーティング膜
２３ ＧａＩｎＡｓＰ ＭＱＷ
２４ ｐ−ＧａＩｎＡｓ光吸収層
２５ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ電流阻止層
２６ ｉ−ＩｎＰ
２７ 金属回折格子
Claims (9)
- 位相シフト点もしくは領域を挟む複素屈折率の実部すなわち屈折率と虚部すなわち利得または損失の両方の摂動により構成される２つの回折格子を備えた分布帰還型レーザダイオードにおいて、主レーザ光を出射する方向を前方とし、前記位相シフト点もしくは領域より前方の第１の回折格子の長さをＬ１、前記位相シフト点もしくは領域より後方の第２の回折格子の長さをＬ２とした場合、前記位相シフト点もしくは領域より前方の第１の回折格子の複素結合係数を、屈折率結合係数をｋｉ１、利得結合係数をｋｇ１としてｋ１＝ｋｉ１＋ｉｋｇ１と定義し、前記位相シフト点もしくは領域より後方の第２の回折格子の複素結合係数を、屈折率結合係数をｋｉ２、利得結合係数をｋｇ２としてｋ２＝ｋｉ２＋ｉｋｇ２と定義したとき、
ｋｉ１≠０，ｋｇ１≠０，ｋｉ２≠０，ｋｇ２≠０
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
であって、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを調節したことを特徴とする複素結合型分布帰還型半導体レーザ。 - 請求項１に記載の複素結合型分布帰還型レーザであって、長さＬ１の第１の回折格子の複素結合係数ｋ１と、長さＬ２の第２の回折格子の複素結合係数ｋ２が同じであって、
Ｌ１＞Ｌ２
を満たし、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、Ｌ１とＬ２の大きさを調節したことを特徴とする複素結合型分布帰還型半導体レーザ。 - 請求項１に記載の複素結合型分布帰還型レーザであって、第１の回折格子の次数をｐとし、第２の回折格子の次数をｑとしたとき、
｜ｋ１｜×Ｌ１＞｜ｋ２｜×Ｌ２＞０
の関係を満たすために、
ｐ＜ｑ
とし、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを調節したことを特徴とする複素結合型分布帰還型半導体レーザ。 - 請求項１もしくは請求項３に記載の複素結合型分布帰還型レーザであって、第１の回折格子もしくは第２の回折格子のどちらか一方もしくは両方の回折格子が、回折格子の山をｍ個中ｎ個の割合で残す（ｍ＞ｎ）ことによって、平均的な結合係数をｎ／ｍと減少させた回折格子により構成され、平均的な結合係数が請求項１もしくは請求項３に記載の条件を満たし、位相シフトによりストップバンド内に生じるモードの閾値利得をαｔｈ＿ｓｈ 、ストップバンドの外側かつストップバンドに最近接のモードの閾値利得をαｔｈ＿ｅｘとしたとき、
αｔｈ＿ｓｈ ＞αｔｈ＿ｅｘ
を満たすように、｜ｋ１｜およびＬ１と｜ｋ２｜およびＬ２の大きさを調節したことを特徴とする複素結合型分布帰還型半導体レーザ。 - 請求項１から４のいずれか１項に記載の複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が多重量子井戸活性層の一部もしくは全部をエッチングすることによって作製されたことを特徴とする複素結合型分布帰還型半導体レーザ。
- 請求項１から４のいずれか１項に記載の複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子がパターン基板上に活性層を成長することによって作製されたことを特徴とする複素結合型分布帰還型半導体レーザ。
- 請求項１から４のいずれか１項に記載の複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が活性層の上方または下方に光吸収層を周期的に設けることによって作製されたことを特徴とする複素結合型分布帰還型半導体レーザ。
- 請求項１から４のいずれか１項に記載の複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が活性層の上方もしくは下方に電流阻止層を周期的に設けることによって作製されたことを特徴とする複素結合型分布帰還型半導体レーザ。
- 請求項１から４のいずれか１項に記載の複素結合型分布帰還型半導体レーザであって、複素結合型回折格子が素子表面に金属膜を周期的に設けることによって作製されたことを特徴とする複素結合型分布帰還型半導体レーザ。
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