JP2006245086A - 半導体レーザおよび半導体レーザの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発振波長の調整範囲を大きくすることのできる半導体レーザおよび半導体レーザの駆動方法を提供する。
【解決手段】 半導体レーザは、所定の波長域に対して利得を有する半導体利得領域１０２と、半導体利得領域１０２を挟むように配置された第１および第２分布反射鏡１０１、１０３とを備えている。第１分布反射鏡１０１は、複数の反射ピークを一定の波長間隔で生じさせる第１回折格子１０を有しており、第２分布反射鏡１０３は、複数の反射ピークを一定の波長間隔で生じさせる第２回折格子１１を有している。複数の反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークと、複数の反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークとが重なった波長範囲で多モード発振するように、第１回折格子および第２回折格子が構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は光ファイバ通信、特に全光信号処理技術の分野で用いられる超高速光パルスを発生させる半導体レーザおよび半導体レーザの駆動方法に関する。

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、光ファイバ通信技術は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８０〜１６０Ｇｂｐｓ以上の超高速・大容量通信の実現も期待されている。

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が一旦電気信号に変換（Ｏ−Ｅ変換）されて、リタイミング、波形整形された後に、再度光信号に変換（Ｅ−Ｏ変換）されて送り出されている。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こと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。

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。

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。

パルス光源装置において、その発振波長の制御は、半導体利得部とは別に設けた分布反射鏡を適切に設計することで実現することが有効な手段の一つである。高速動作可能な光クロックパルスを発生させることができ、かつパルスの発振波長を変えることのできる従来の半導体素子が、たとえば特開２００４−２２１２１９号公報（特許文献１）や特開２００１−３５２１２３号公報（特許文献２）に開示されている。

特許文献１の波長可変半導体パルス光源装置では、所定の波長域に対して利得を有する半導体利得部と、電圧または電流を加えることにより波長域に対する光吸収係数または光利得係数が変化する半導体変調器部と、回折格子よりなる分布ブラッグ反射器部（ＤＢＲ部）とが同一基板上に形成されている。さらに、ＤＢＲ部が半導体利得部と半導体変調器部とを挟むように２箇所に配設され、いずれのＤＢＲ部もその回折格子の周期が位置の関数として変化するチャープグレーティングからなっている。そして、半導体変調器部へ電流を加えることによって光利得係数を変化させて、パルスの周波数が規定されている。また、２つのＤＢＲ部へ電流を注入することによってＤＢＲ部の屈折率を変化させて、発振波長を可変としている。

また、特許文献２の半導体短パルス光源では、超周期回折格子、可飽和吸収性導波路、利得導波路、超周期回折格子がこの順序で直列に配設され、かつ、両端にある超周期回折格子は位相変化の向きおよび周期が一致した構造をもつモード同期型レーザを備えてなっている。そして、一方の超周期回折格子において反射した光の波長ピークと、他方の超周期回折格子において反射した光の波長ピークとの重複部分において単一モードの光が発振し、互いに異なる２箇所の重複部分で発生した単一モードの光の各々の周波数の差に相当する周波数の光をパルス発生させている。

なお、従来の半導体レーザは、たとえば特開平１０−３３５７５３号公報（特許文献３）および特開平１１−１７２７４号公報（特許文献４）などにも開示されている。
特開２００４−２２１２１９号公報 特開２００１−３５２１２３号公報 特開平１０−３３５７５３号公報 特開平１１−１７２７４号公報

しかしながら、特許文献１〜４に開示されている半導体素子では、発振波長の調整範囲は５〜１０ｎｍ程度に限定されており、いずれもパルスの発振波長の調整範囲を大きくすることができなかった。

特に、特許文献１の波長可変半導体パルス光源装置では、２つのＤＢＲ部がチャープグレーティングからなっているので、半導体変調器部でパルスの周波数が規定されると、その周波数に対応した波長がチャープグレーティングによって規定される。このように、特許文献１の波長可変半導体パルス光源装置では、周波数を規定すると波長が決まるので、発振波長の調整範囲を大きくすることはできなかった。

また、特許文献２の半導体短パルス光源において発振波長を変化させるためには、２つの超周期回折格子の各々に加える電流を制御して、一方の超周期回折格子において反射した光の波長ピークと、他方の超周期回折格子において反射した光の波長ピークとの両方を変化させ、各々の重複部分で発生する光の波長を変化させる必要がある。このため、発振波長の調整範囲を大きくすることはできなかった。

また、特許文献２の半導体短パルス光源においては、２つの単一モードの光の周波数差が大きいので、パルスの発振周波数も１ＴＨｚ程度と高くなる。このため、たとえば４０ＧＨｚ〜１６０ＧＨｚの周波数で光をパルス発振させることはできなかった。

したがって、本発明の目的は、発振波長の調整範囲を大きくすることのできる半導体レーザおよび半導体レーザの駆動方法を提供することである。

本発明の一の局面に従う半導体レーザは、所定の波長域に対して利得を有する半導体利得領域と、半導体利得領域を挟むように配置された第１および第２分布反射鏡とを備えている。第１分布反射鏡は、複数の第１反射ピークを一定の波長間隔で生じさせる第１回折格子を有しており、第２分布反射鏡は、複数の第２反射ピークを一定の波長間隔で生じさせる第２回折格子を有している。複数の第１反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークと、複数の第２反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークとが重なった波長範囲で多モード発振するように、第１回折格子および第２回折格子が構成されている。

本発明の他の局面に従う半導体レーザは、所定の波長域に対して利得を有する半導体利得領域と、半導体利得領域を挟むように配置された第１および第２分布反射鏡とを備えている。第１分布反射鏡は、複数の第１反射ピークを一定の波長間隔で生じさせる第１回折格子を有しており、かつ第１回折格子は、複数の第１反射ピークのうち少なくとも１つの反射ピークを他の反射ピークよりも高くできるように構成されている。第２分布反射鏡は、複数の第２反射ピークを一定の波長間隔で生じさせる第２回折格子を有している。複数の第１反射ピークのうち他の反射ピークよりも高い上記少なくとも１つの反射ピークと、複数の第２反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークとが重なった波長範囲で多モード発振するように、第１回折格子および第２回折格子が構成されている。

本発明の半導体レーザおよび半導体レーザの駆動方法によれば、複数の第１反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークと、複数の第２反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークとが重なった波長範囲で多モード発振する。複数の第１反射ピークの波長位置を電流注入量によって変動させると、重なり合う第１反射ピークと第２反射ピークとの組合せが変化する。したがって、電流注入量によって変動可能な第１反射ピークの波長範囲よりも大きな波長範囲で発振波長を変えることができるので、発振波長の調整範囲を大きくすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す概観図である。図１を参照して、本実施の形態の半導体レーザでは、ｎ型インジウム燐（ＩｎＰ）基板１上にｎ型ＩｎＰクラッド層２が形成されている。このｎ型ＩｎＰクラッド層２にインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）光導波層３（図２）が形成されている。また、光導波層３上にｐ型ＩｎＰクラッド層４が形成されている。このｐ型ＩｎＰクラッド層４には第１回折格子１０および第２回折格子１１（図２）の各々が埋め込まれるように設けられている。ｐ型ＩｎＰクラッド層４上にはｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７が形成されている。光導波層３側面には電流を狭窄するための高抵抗ＩｎＰ電流閉じ込め層８が形成されている。エッチングによって形成された分離溝９ａ、９ｂによって各領域が電気的に分離されている。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７上にはｐ型電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃのそれぞれが、分離溝９ａ、９ｂによって互いに隔てられかつ電気的に分離されるように設けられている。ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側にはｎ型電極２０が設けられている。このように、本実施の形態の半導体レーザは多電極構造のレーザである。

図２は、図１の半導体レーザの共振器方向の断面図（図１中のＩＩで表された面）である。図２を参照して、端面反射を低減するために、半導体レーザの両端面の各々に無反射コーティング２２が形成されている。半導体レーザは、半導体利得領域１０２と、第１分布反射鏡１０１と、第２分布反射鏡１０３とを備えている。半導体利得領域１０２は、所定の波長域に対して利得を有しており、半導体利得領域１０２におけるｎ型ＩｎＰクラッド層２上にＩｎＧａＡｓＰ光導波層３が形成されている。

第１分布反射鏡１０１および第２分布反射鏡１０３は、半導体利得領域１０２を挟むように配置されている。第１分布反射鏡１０１および第２分布反射鏡１０３の各々では、光導波層３に近接し、かつｐ型ＩｎＰクラッド層４に埋め込まれた第１回折格子１０および第２回折格子１１の各々が設けられている。本実施の形態において第１回折格子１０はサンプルド・グレーティングであり、第２回折格子１１はスーパー・ストラクチャ・グレーティングである。

図３（ａ）は、サンプルド・グレーティングにおける共振器方向の位置ｘとスリットのピッチとの関係を示す図であり、（ｂ）は、サンプルド・グレーティングにおいて反射される光の波長λと強度Ｉとの関係を示す図である。図３（ａ）を参照して、サンプルド・グレーティングとは、一定のピッチａ₁でスリットが設けられている領域と、スリットのない領域とが一定周期で交互に存在しているような回折格子である。図３（ｂ）を参照して、サンプルド・グレーティングを用いると、複数の反射ピーク３０を一定の波長間隔ｄ₁で生じさせることができる。たとえば波長間隔ｄ₁が５．５ｎｍ程度となるように回折格子が構成されれば、複数の反射ピーク３０の各々の裾が互いに重ならないようになる。

図４（ａ）は、スーパー・ストラクチャ・グレーティングにおける共振器方向の位置ｘとスリットのピッチとの関係を示す図であり、（ｂ）は、スーパー・ストラクチャ・グレーティングにおいて反射される光の波長λと強度Ｉとの関係を示す図である。図４（ａ）を参照して、スーパー・ストラクチャ・グレーティングとは、ピッチａ₂〜ピッチａ₃の範囲でスリットのピッチが単調増加（または単調減少）する領域が繰り返して存在しているような回折格子である。図４（ｂ）を参照して、スーパー・ストラクチャ・グレーティングを用いると、サンプルド・グレーティングと同様に、複数の反射ピーク３１を一定の波長間隔ｄ₂で生じさせることができる。

なお、サンプルド・グレーティングおよびスーパー・ストラクチャ・グレーティングのいずれも、スリットの配置を変えることによって、反射ピーク３０、３１の高さ、波長範囲、および波長間隔を変えることができる。

次に、本実施の形態の半導体レーザの動作を説明する。

本実施の形態の半導体レーザは、上述したようにｐ型電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃが分離溝９ａ、９ｂによって電気的に分離された３つの領域に分割されており、第１分布反射鏡１０１、半導体利得領域１０２、および第２分布反射鏡１０３の各々へ独立に電流を注入できる構成を有している。すなわち、ｐ型電極２１ａから第１分布反射鏡１０１へ、ｐ型電極２１ｂから半導体利得領域１０２へ、ｐ型電極２１ｃから第２分布反射鏡１０３へ、それぞれ独立に電流が注入される。このうち、半導体利得領域１０２へ電流が注入されると、光導波層３において強い励起状態が生じ、その結果発光が起こる。光導波層３で発生した光は、第１分布反射鏡１０１および第２分布反射鏡１０３において波長が規定され、多モード発振する。

図５は、本発明の実施の形態１の半導体レーザにおいて発振される光を説明するための図である。図５を参照して、第１回折格子１０（サンプルド・グレーティング）による複数の反射ピーク３０のうちの１つの反射ピーク３０ａと、第２回折格子１１（スーパー・ストラクチャ・グレーティング）による複数の反射ピーク３１のうちの１つの反射ピーク３１ａとが重なり、この重なり部分の波長範囲にあり、かつ発振閾値レベル以上となる光が発振される。本実施の形態では、反射ピーク３０の幅（波長範囲）および反射ピーク３１の幅がいずれも広くなるように第１回折格子１０および第２回折格子１１が形成されている。このため、２つの反射ピーク３０ａ、３１ａの重なり部分の波長範囲が大きくなり、多モードの光が発振される。この場合に発振される光の中心波長をλ₁で示す。

図６は、図５において２つの反射ピークの重なり部分の波長範囲の拡大図である。図６を参照して、２つの反射ピーク３０ａ、３１ａの重なり部分の波長範囲にあり、かつ発振閾値レベル以上となる波長λ_n、λ_n+1、λ_n+2という３つの縦モードの光が発振される。パルス発振は、たとえば波長λ_nと波長λ_n+1との差Δλに相当する波長に対応する周波数で起こる。

また、図１および図２を参照して、ｐ型電極２１ａから第１分布反射鏡１０１へ注入する電流量と、ｐ型電極２１ｃから第２分布反射鏡１０３へ注入する電流量とを変化させると、第１回折格子１０の屈折率および第２回折格子１１の屈折率の各々が変化し、反射ピーク３０および反射ピーク３１の各々がシフトする。これにより、ｐ型電極２１ａおよびｐ電極２１ｃの各々から流す電流量によって、発振波長を変化させることができる。

たとえば、ｐ型電極２１ａから流す電流量を増加させると、第１回折格子１０の屈折率が低下し、第１回折格子１０による複数の反射ピーク３０が図５中矢印で示すように低波長側へシフトする。その結果、図７に示すように、反射ピーク３０ａとは別の反射ピーク３０ｂと、反射ピーク３１ａとは別の反射ピーク３１ｂとが重なり、これら２つの反射ピーク３０ｂ、３１ｂが重なる波長範囲にあり、かつ発振閾値レベル以上となる光が発振される。この場合に発振される光の中心波長をλ₂で示す。つまり、ｐ型電極２１ａ、２１ｃの電流量電流量の変化により、重なり合う反射ピーク３０と反射ピーク３１との組合せが変化する。これにより、発振される光の中心波長を波長λ₁から波長λ₂へ大幅に変化させることができる（バーニア効果）。具体的には、発振される光の中心波長の変動量（波長λ₁と波長λ₂との差）を３０ｎｍ以上にすることができる。

また、図８に示すように、反射ピーク３０の幅および反射ピーク３１の幅がいずれも広くなるように第１回折格子１０および第２回折格子１１を構成することで、２つの反射ピーク３０ａ、３１ａの重なり部分の波長範囲にあり、かつ発振閾値レベル以上となる縦モードの数を増加させることができる。図８では、２つの反射ピーク３０ａ、３１ａの重なり部分の波長範囲に、波長λ_n、λ_n+1、λ_n+2、λ_n+3、λ_n+4、λ_n+5、λ_n+6という７つの縦モードの光が存在している。２つの反射ピーク３０ａ、３１ａの重なり部分の波長範囲における縦モードの数は、２以上１０以下であることが望ましい。

一方、たとえば特許文献２の技術においては、図９に示すように、一方の回折格子による複数の反射ピーク１３０のうちの１つの反射ピーク１３０ａと、他方の回折格子による複数の反射ピーク１３１のうちの１つの反射ピーク１３１ａとが重なり、この重なり部分で波長λ_kの単一モードの光が発振される。また、一方の回折格子による複数の反射ピーク１３０のうちの１つの反射ピーク１３０ｂと、他方の回折格子による複数の反射ピーク１３１のうちの１つの反射ピーク１３１ｂとが重なり、この重なり部分で波長λ_k+1の単一モードの光が発振される。つまり、２つの反射ピークの重なり部分の各々で、単一モードの光が発振される。そして、これら２つの単一モードにおける波長の差Δλに相当する波長に対応する周波数の光をパルス発生させる。この場合に発振される光の中心波長はλ₁₀₁となる。

発振波長を変化させる場合には、回折格子への電流量を調整することにより、たとえば他方の回折格子による複数の反射ピーク１３１を図９中矢印で示すように低波長側へシフトさせる。これによって、図１０に示すように、一方の回折格子による複数の反射ピーク１３０のうちの１つの反射ピーク１３０ｃと、他方の回折格子による反射ピーク１３１ａとが重なり、この重なり部分で波長λ_kの単一モードの光が発振される。また、一方の回折格子による複数の反射ピーク１３０のうちの１つの反射ピーク１３０ｄと、他方の回折格子による反射ピーク１３１ｂとが重なり、この重なり部分で波長λ_k+1の単一モードの光が発振される。その結果、発振される光の中心波長が波長λ₁₀₁から波長λ₁₀₂へ変化する。波長λ₁₀₁から波長λ₁₀₂への変化量は、回折格子への電流量の変化による反射ピーク１３１の波長のシフト量とほぼ同じであり、特許文献２の技術では、発振される光の中心波長を大きく変化させることができない。

また、従来は、波長可変光源などの目的で半導体レーザが用いられるので、単一モードの安定性が重要であり、複数の反射ピーク１３０、１３１の各々の間隔は、１つの反射ピーク１３０、１３１内に存在する縦モードの波長間隔の２〜３倍以内とされていた。これに対して、本発明の半導体レーザでは、複数の反射ピーク３０、３１の各々の間隔が、１つの反射ピーク３０、３１内に存在する縦モードの波長間隔Δλの少なくとも３倍以上、好ましくは５〜９倍以上にされている。

本実施の形態における半導体レーザは、所定の波長域に対して利得を有する半導体利得領域１０２と、半導体利得領域１０２を挟むように配置された第１および第２分布反射鏡１０１、１０３とを備えている。第１分布反射鏡１０１は、複数の反射ピーク３０を一定の波長間隔で生じさせる第１回折格子１０を有しており、第２分布反射鏡１０３は、複数の反射ピーク３１を一定の波長間隔で生じさせる第２回折格子１１を有している。複数の反射ピーク３０のうちいずれか１つの反射ピーク３０ａと、複数の反射ピーク３１のうちいずれか１つの反射ピーク３１ａとが重なった波長範囲で多モード発振するように、第１回折格子１０および第２回折格子１１が構成されている。

本実施の形態における半導体レーザによれば、反射ピーク３０ａと、反射ピーク３１ａとが重なった波長範囲で多モード発振する。複数の反射ピーク３０の波長位置を電流注入量によって変動させると、重なり合う反射ピーク３０と反射ピーク３１との組合せが変化する。したがって、電流注入量によって変動可能な反射ピーク３０または反射ピーク３１の波長範囲よりも大きな波長範囲で発振波長を変えることができるので、発振波長の調整範囲を大きくすることができる。

また、縦モードの波長間隔Δλを実効共振器長により調整可能なので、４０ＧＨｚ〜１６０ＧＨｚの周波数での発振が可能である。

さらに、可飽和吸収領域や外部変調領域がなくても縦モード間の干渉によりパルス発振が可能であるので、高周波駆動回路を不要とすることができる。

本実施の形態における半導体レーザにおいて、第１回折格子１０はサンプルド・グレーティングであり、第２回折格子１１はスーパー・ストラクチャ・グレーティングである。

これにより、幅の広い複数の反射ピークを一定の波長間隔で生じさせ易くなるので、２つの反射ピーク３０ａ、３１ａの重なり部分の波長範囲を大きくすることができ、多モードの光を発振することができる。また、反射ピークをわずかにシフトさせるだけで、発振波長を大きく変化させることができる。

本実施の形態の半導体レーザにおいては、反射ピーク３０ａと、反射ピーク３１ａとが重なった波長範囲における縦モードの数が２以上１０以下であるように、第１回折格子１０および第２回折格子１１が構成されている。

これにより、発振縦モード間の干渉の安定化を図ることができ、パルス発振特性を改善することができる。

なお、本実施の形態では、第１回折格子がサンプルド・グレーティングであり、第２回折格子がスーパー・ストラクチャ・グレーティングである場合について示したが、第１回折格子がスーパー・ストラクチャ・グレーティングであって第２回折格子がサンプルド・グレーティングであってもよい。また、第１回折格子および第２回折格子の両方がサンプルド・グレーティングであってもよく、両方がスーパー・ストラクチャ・グレーティングであってもよい。さらには、サンプルド・グレーティングおよびスーパー・ストラクチャ・グレーティングを用いなくてもよい。要するに、一定の波長間隔の複数の第１反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークと、一定の波長間隔の複数の第２反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークとが重なった波長範囲で多モード発振するように、第１回折格子および第２回折格子が構成されていればよい。

（実施の形態２）
図１１は、本発明の実施の形態２における半導体レーザの共振器方向の断面図である。図１１を参照して、本実施の形態の半導体レーザは、第１回折格子および第２回折格子の構成と、ｐ電極２１ａの構成とが実施の形態１の半導体レーザと異なっている。すなわち、本実施の形態の半導体レーザにおいて、第１回折格子１２はデジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡であり、第２回折格子１０はサンプルド・グレーティングである。また、第１回折格子１２上のｐ型電極２１ａは複数の波長選択電極２６で構成されている。複数の波長選択電極２６の各々は互いに分離されて形成されており、互いに電気的に絶縁されている。

図１２（ａ）は、デジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡における共振器方向の位置ｘとスリットのピッチとの関係を示す図であり、（ｂ）は、デジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡において反射される光の波長λと強度Ｉとの関係を示す図であり、（ｃ）は、所定の波長選択電極に電流を注入した場合のデジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡において反射される光の波長λと強度Ｉとの関係を示す図である。

図１２（ａ）を参照して、デジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡とは、一定のピッチでスリットが設けられている領域が繰り返されており、かつその一定のピッチが共振器方向に単調増加（または単調減少）しているような回折格子である。図１２（ｂ）を参照して、波長選択電極２６に電流を全く流さない状態では、デジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡によって、複数の反射ピーク３２を一定の波長間隔ｄ₃で生じさせることができる。たとえば波長間隔ｄ₃が２ｎｍ程度となるように回折格子が構成されれば、複数の反射ピーク３２の各々が裾の部分で重なるようになる。また、図１２（ｃ）を参照して、複数の波長選択電極２６のうち少なくとも１つ以上の電極を選択して電流を注入することで、その電極の場所に対応する回折格子による反射ピークが短波長側の反射ピークに重なり、他の反射ピーク３２よりも高い反射ピーク３２ａを得ることができる。

次に、本実施の形態の半導体レーザの動作を説明する。

図１３は、本発明の実施の形態２の半導体レーザにおいて発振される光を説明するための図である。図１３を参照して、複数の波長選択電極２６のうち所定の電極を選択して電流を注入すると、第１回折格子１２（デジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡）による複数の反射ピーク３２の中に大きな反射ピーク３２ａが現れる。この反射ピーク３２ａと、第２回折格子１０（サンプルド・グレーティング）による複数の反射ピーク３０のうちの１つの反射ピーク３０ａとが重なり、この重なり部分の波長範囲にあり、かつ発振閾値レベル以上となる光が発振される。本実施の形態では、反射ピーク３２の幅および反射ピーク３０の幅がいずれも広くなるように第１回折格子１２および第２回折格子１０が形成されている。このため、２つの反射ピーク３２ａ、３０ａの重なり部分の波長範囲が大きくなり、多モードの光が発振される。この場合に発振される光の中心波長をλ₁で示す。

また、複数の波長選択電極２６のうち図１３の場合とは別の電極を選択して電流を注入すると、図１４に示すように、反射ピーク３２ａとは別の波長範囲に大きな反射ピーク３２ｂが現れる。この反射ピーク３２ｂと、複数の反射ピーク３０のうちの１つの反射ピーク３０ｂとが重なり、この重なり部分の波長範囲にあり、かつ発振閾値レベル以上となる光が発振される。この場合に発振される光の中心波長をλ₂で示す。つまり、電流を注入する波長選択電極２６を変えることによって、重なり合う反射ピーク３２と反射ピーク３０との組合せが変化する。これにより、発振される光の中心波長を波長λ₁から波長λ₂へ大幅に変化させることができる。具体的には、発振される光の中心波長の変動量を３０ｎｍ以上にすることができる。

なお、これ以外の半導体レーザの構成および動作原理については、実施の形態１に示す半導体レーザとほぼ同様であるので、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の半導体レーザは、所定の波長域に対して利得を有する半導体利得領域１０２と、半導体利得領域１０２を挟むように配置された第１および第２分布反射鏡１０１、１０３とを備えている。第１分布反射鏡１０１は、複数の第１反射ピーク３２を一定の波長間隔で生じさせる第１回折格子１２を有しており、かつ第１回折格子１２は、複数の第１反射ピーク３２のうち少なくとも１つの反射ピーク３２ａを他の反射ピーク３２よりも高くできるように構成されている。第２分布反射鏡１０３は、複数の第２反射ピーク３０を一定の波長間隔で生じさせる第２回折格子１０を有している。反射ピーク３２ａと反射ピーク３０ａとが重なった波長範囲で多モード発振するように、第１回折格子１２および第２回折格子１０が構成されている。

本実施の形態の半導体レーザによれば、実施の形態１の半導体レーザと同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態においては、第１回折格子がデジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡である場合について示したが、第１回折格子の代わりに第２回折格子がデジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡であってもよい。また、第２回折格子がサンプルド・グレーティングである場合について示したが、このような場合の他、第２回折格子がサンプリング・グレーティング、スーパー・ストラクチャ・グレーティング、あるいはデジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡であってもよい。要するに、複数の第１反射ピークのうち少なくとも１つの反射ピークを他の反射ピークよりも高くできるように第１回折格子が構成されており、第１反射ピークのうち他の反射ピークよりも高い上記反射ピークと、一定の波長間隔の複数の第２反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークとが重なった波長範囲で多モード発振するように、第１回折格子および第２回折格子が構成されていればよい。

（実施の形態３）
図１５は、本発明の実施の形態３における半導体レーザの共振器方向の断面図である。図１５を参照して、本実施の形態の半導体レーザは、導波路領域１０４をさらに備えている。導波路領域１０４は、半導体利得領域１０２に隣接して形成されており、第１分布反射鏡１０１および第２分布反射鏡１０３は、半導体利得領域１０２および導波路領域１０４を挟むように配置されている。導波路領域１０４は利得も吸収もない領域である。導波路領域１０４の上には、外部から電圧を加えるまたは電流を流すためのｐ電極２１ｄが形成されている。ｐ電極２１ｄは、分離溝９ｂおよび９ｃの各々によって電極２１ｂおよび電気的に接続されて電極２１ｃの各々と互いに分離されており、電気的に絶縁されている。

なお、本実施の形態では、半導体利得領域１０２と第２分布反射鏡１０３との間に導波路領域が形成されている場合について示したが、第１分布反射鏡１０１と半導体利得領域１０２との間に導波路領域が形成されていてもよい。

本実施の形態の半導体レーザによれば、導波路領域１０４の長さ（図中横方向の長さ）の分だけ実効共振器長Ｌ（共振器長Ｍ（図１５）よりもわずかに小さい、実際に共振器として機能する部分の長さ）を変えることができる。共振器の実効屈折率をｎとすると、実効共振器長Ｌと発振する光の波長λとの間には以下の式（１）の関係がある。

２ｎＬ＝ｍλ（ｍは自然数） ・・・（１）
上記の式（１）の関係から、実効共振器長Ｌが変化すれば、発振する光の波長やｍの値が変化することが分かる。したがって、導波路領域１０４の実効的長さによって発振する光の波長や間隔（位相）を調節することができ、パルス発振を安定化することができる。

（実施の形態４）
半導体レーザの実効共振器長Ｌと、図６に示される発振中心波長λ（＝λ_n+1）と、１つ短波長側の縦モードの波長λ_nと発振中心波長λ_n+1との波長間隔Δλとの間には、実効屈折率の波長依存性を一定とすると、以下の式（２）の関係がある。

Ｌ＝λ（λ＋Δλ）／λ ・・・（２）
ここで、半導体利得領域１０２の長さを１０５０μｍ、第１分布反射鏡１０１の長さを２１０μｍ、第２分布反射鏡１０３の長さを４６０μｍとすると、共振器長が１７２０μｍとなる、実効共振器長Ｌは共振器長Ｍよりもわずかに小さいので、式（２）にこれらの値を代入すると、波長間隔Δλに対応するパルス発振の周波数は３０ＧＨｚとなる。このように、共振器長を１ｍｍ〜２ｍｍとすることで、パルス発振の周波数が３０ＧＨｚ以上５０ＧＨｚ以下となり、パルス発振が安定する。

（実施の形態５）
図１６は、本発明の実施の形態５における半導体レーザの駆動方法を説明するための図である。図１６を参照して、本実施の形態の半導体レーザは、実施の形態１〜４のいずれかに示される半導体レーザであり、かつ第１分布反射鏡１０１に隣接する光導入部９３をさらに備えている。外部光パルス信号源９４によって発生された信号光（パルス光）の一部が分岐され、光信号伝送路９５を経て光導入部９３へ導かれる。そして、信号光は光導入部９３を介して半導体レーザ内へ注入される。

図１７は、信号光の注入の有無によって発振される光の周波数が変化する様子を示す図である。図１７を参照して、外部からの信号光の注入がない場合、スペクトル２０１で示される光が発振される。スペクトル２０１の光は、中心周波数がｆ１、周波数幅がたとえば数ＭＨｚ程度である。一方、中心周波数がｆ２である信号光を外部から注入した場合、スペクトル２０２で示される光が発振される。スペクトル２０２の光は、中心周波数がｆ２、周波数幅がたとえば１ＭＨｚ以下である。つまり、信号光の周波数に同期するクロック信号が発生する。

本実施の形態の半導体レーザの駆動方法では、光導入部９３をさらに備える実施の形態１〜４のいずれかに記載の半導体レーザの光導入部９３から半導体レーザ内部へパルス光を導入し、パルス光の周波数に同期するクロック信号を発生させる。

本実施の形態の半導体レーザの駆動方法によれば、発振する光の周波数を外部からの信号光の周波数に同調させることができ、スペクトルの周波数幅で表わされる高周波ジッタ成分を減少させることができる。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明は、光ファイバ通信、特に全光信号処理技術の分野で用いられる超高速光パルスを発生させる半導体レーザおよびその半導体レーザの駆動方法に有利に適用できる。

本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す概観図である。 図１の半導体レーザの共振器方向の断面図である。 （ａ）は、サンプルド・グレーティングにおける共振器方向の位置ｘとスリットのピッチとの関係を示す図である。（ｂ）は、サンプルド・グレーティングにおいて反射される光の波長λと強度Ｉとの関係を示す図である。 （ａ）は、スーパー・ストラクチャ・グレーティングにおける共振器方向の位置ｘとスリットのピッチとの関係を示す図である。（ｂ）は、スーパー・ストラクチャ・グレーティングにおいて反射される光の波長λと強度Ｉとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態１の半導体レーザにおいて発振される光を説明するための図である。 図５において２つの反射ピークが重なる波長範囲の拡大図である。 本発明の実施の形態１の半導体レーザにおいて発振される光の中心波長の変化を説明するための図である。 反射ピークの幅が広い場合の２つの反射ピークの重なり部分の波長範囲を拡大して示す図である。 特許文献２の技術において発振される光を説明するための図である。 特許文献２の技術において発振される光の中心波長の変化を説明するための図である。 本発明の実施の形態２における半導体レーザの共振器方向の断面図である。 （ａ）は、デジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡における共振器方向の位置ｘとスリットのピッチとの関係を示す図である。（ｂ）は、デジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡において反射される光の波長λと強度Ｉとの関係を示す図である。（ｃ）は、所定の波長選択電極に電流を注入した場合のデジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡において反射される光の波長λと強度Ｉとの関係を示す図である。 本発明の実施の形態２の半導体レーザにおいて発振される光を説明するための図である。 本発明の実施の形態２の半導体レーザにおいて発振される光の中心波長の変化を説明するための図である。 本発明の実施の形態３における半導体レーザの共振器方向の断面図である。 本発明の実施の形態５における半導体レーザの駆動方法を説明するための図である。 信号光の注入の有無によって発振される光の周波数が変化する様子を示す図である。

符号の説明

１ ｎ型基板、２ ｎ型クラッド層、３ 光導波層、４ ｐ型クラッド層、７ ｐ型コンタクト層、８ 電流閉じ込め層、９ａ〜９ｃ 分離溝、１０〜１２ 回折格子、２０ ｎ型電極、２１ａ〜２１ｄ ｐ型電極、２２ 無反射コーティング、２６ 波長選択電極、３０〜３２，３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，１３０，１３０ａ〜１３０ｄ，１３１，１３１ａ，１３１ｂ 反射ピーク、９３ 光導入部、９４ 外部光パルス信号源、９５ 光信号伝送路、１０１ 第１分布反射鏡、１０２ 半導体利得領域、１０３ 第２分布反射鏡、１０４ 導波路領域、２０１，２０２ スペクトル。

Claims (9)

1. 所定の波長域に対して利得を有する半導体利得領域と、
   前記半導体利得領域を挟むように配置された第１および第２分布反射鏡とを備え、
   前記第１分布反射鏡は、複数の第１反射ピークを一定の波長間隔で生じさせる第１回折格子を有し、
   前記第２分布反射鏡は、複数の第２反射ピークを一定の波長間隔で生じさせる第２回折格子を有し、
   前記複数の第１反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークと、前記複数の第２反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークとが重なった波長範囲で多モード発振するように、前記第１回折格子および前記第２回折格子が構成されていることを特徴とする、半導体レーザ。
2. 前記第１回折格子または前記第２回折格子は、サンプルド・グレーティングあるいはスーパー・ストラクチャ・グレーティングであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 所定の波長域に対して利得を有する半導体利得領域と、
   前記半導体利得領域を挟むように配置された第１および第２分布反射鏡とを備え、
   前記第１分布反射鏡は、複数の第１反射ピークを一定の波長間隔で生じさせる第１回折格子を有し、かつ前記第１回折格子は、前記複数の第１反射ピークのうち少なくとも１つの反射ピークを他の反射ピークよりも高くできるように構成され、
   前記第２分布反射鏡は、複数の第２反射ピークを一定の波長間隔で生じさせる第２回折格子を有し、
   前記複数の第１反射ピークのうち他の反射ピークよりも高い前記少なくとも１つの反射ピークと、前記複数の第２反射ピークのうちいずれか１つの反射ピークとが重なった波長範囲で多モード発振するように、前記第１回折格子および前記第２回折格子が構成されていることを特徴とする、半導体レーザ。
4. 前記第１回折格子は、デジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡であることを特徴とする、請求項３に記載の半導体レーザ。
5. 前記第２回折格子は、サンプリング・グレーティング、スーパー・ストラクチャ・グレーティング、あるいはデジタル・スーパーモード分布ブラッグ反射鏡であることを特徴とする、請求項３または４に記載の半導体レーザ。
6. 導波路領域をさらに備え、
   前記導波路領域を挟むように前記第１および前記第２分布反射鏡が配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ。
7. 前記波長範囲における縦モードの数が２以上１０以下であるように、前記第１回折格子および前記第２回折格子が構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の半導体レーザ。
8. 共振器長が１ｍｍ以上２ｍｍ以下であり、
   前記波長範囲における縦モードの波長間隔に対応する周波数が３０ＧＨｚ以上５０ＧＨｚ以下であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザ。
9. 光導入部をさらに備える請求項１〜８に記載の半導体レーザの前記光導入部から前記半導体レーザ内部へパルス光を導入し、前記パルス光の周波数に同期するクロック信号を発生させることを特徴とする、半導体レーザの駆動方法。

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