JP2006295102A - 波長可変レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】 波長可変レーザを、容易に作製でき、簡単な制御で、比較的広い波長可変範囲が得られるようにする。
【解決手段】 波長可変レーザを、利得を発生しうる利得導波路部１Ａと、電流注入によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部１Ｂとを光軸方向に交互に有する光導波路１と、光導波路１の全長にわたって光導波路１に沿って設けられる回折格子２とを備えるものとし、光導波路を構成する一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの合計長さが、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入した場合の発振波長可変幅よりも、一の共振縦モードで連続的に発振させることができる連続波長可変幅が大きくなるように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信用の光源として用いられる半導体レーザに関し、特に発振波長を広範囲かつ高速に変化させることができる波長可変レーザに関する。

近年の通信需要の飛躍的な増大に伴い、波長の異なる複数の信号光を多重化することによって、一本の光ファイバで大容量伝送を可能とする波長分割多重通信システム（ＷＤＭ通信システム）の開発が進められている。
このような波長分割多重通信システムにおいて、柔軟かつ高度な通信システムを実現するために、広い波長範囲で高速に所望の波長を選択しうる波長可変レーザが強く求められている。

例えば、連続的に発振波長を変化させることができる波長可変レーザとして、３電極ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector；分布反射形）レーザやＴＴＧ−ＤＦＢ（Tunable Twin Guide-Distributed Feedback；チューナブルツインガイド分布帰還形）レーザなどが提案されている。
ここで、図１１に示すように、３電極ＤＢＲレーザ１００は、活性層部１０１と、位相制御部１０２と、光導波路に沿って回折格子１０３が形成されているＤＢＲ部１０４とを備え、これらの活性層部１０１，位相制御部１０２及びＤＢＲ部１０４は直列に配置されている。また、活性層部１０１，位相制御部１０２及びＤＢＲ部１０４には、独立して電流注入を行なうことができるように、それぞれ電極１０５，１０６，１０７が設けられている。さらに、これらの電極１０５，１０６，１０７が設けられている面の反対側の面には、接地電位に接続されている共通電極１０８が設けられている。そして、活性層部１０１には電極１０５を介して電流Ｉ_actが注入され、位相制御部１０２には電極１０６を介して電流Ｉ_PSが注入され、ＤＢＲ部１０４には電極１０７を介して電流（波長制御電流）Ｉ_DBRが注入されるようになっている。

また、図１２に示すように、ＴＴＧ−ＤＦＢレーザ１１０は、電流注入により利得を発生する活性導波路１１１と、電流注入により屈折率が変化して発振波長を変化させる波長制御導波路１１２とを備え、波長制御導波路１１２上に中間層１１３を介して活性導波路１１１が積層された構造になっている。また、これらの活性導波路１１１及び波長制御導波路１１２に沿って、その全長にわたって回折格子１１４が形成されている。さらに、上側の表面には活性導波路１１１に電流Ｉ_actを注入するための電極１１５が設けられており、下側の表面には波長制御導波路１１２に電流Ｉ_tuneを注入するための電極１１６が設けられている。また、中間層１１３は接地電位に接続されている。これにより、活性導波路１１１及び波長制御導波路１１２にそれぞれ独立して電流注入を行なえるようになっている。

また、広帯域な波長可変レーザを実現する手段として、例えば、数ｎｍ〜１０数ｎｍの波長可変範囲を持つ複数の波長可変レーザを、同一基板上に集積したアレイ集積型波長可変レーザも提案されている。
例えば、非特許文献１には、波長可変レーザとしてＤＢＲレーザを集積したものが提案されている。また、特許文献１には、波長可変レーザとしてＴＴＧ−ＤＦＢレーザを集積したものが提案されている。

このようなアレイ集積型波長可変レーザにおいて、広い波長範囲で高速に波長可変動作を行なうためには、集積される個々の波長可変レーザの波長可変範囲を広くし、かつ、波長可変動作を速くすることが要求される。
例えば、波長可変レーザとして、上述の３電極ＤＢＲレーザ１００やＴＴＧ−ＤＦＢレーザ１１０を集積させる場合、３電極ＤＢＲレーザ１００やＴＴＧ−ＤＦＢレーザ１１０は、位相制御部１０２や波長制御導波路１１２への電流注入により発振波長を変化させることができるため、高速（例えば１０ナノ秒以下）で波長を変化させることができる。

一方、集積される個々の波長可変レーザの波長可変範囲としては、ＤＢＲレーザの場合で１０ｎｍ程度、ＴＴＧ−ＤＦＢレーザの場合で７ｎｍ程度まで波長可変範囲を広くすることができるとの報告がある。この場合、１つのアレイ集積型波長可変レーザに４〜７個の波長可変レーザを集積することによって、ＷＤＭ通信システムにおいて重要な１５３０〜１５６０ｎｍ（Ｃバンド）の範囲で波長可変動作が可能となる。

ところで、ＤＢＲレーザでは、発振波長を変化させるために電流（波長制御電流）を注入していくと、次第にブラッグ波長と縦モード波長とがずれていき、モード跳び（モードホッピング）が生じてしまうことになる。このため、モード跳びが生じないようにしながら、連続的に発振波長を変化させることができるようにするためには、上述の３電極ＤＢＲレーザ１００のように、回折格子が形成されていない位相制御部１０２を設け、この位相制御部１０２に電流を注入することによってブラッグ波長と縦モード波長とを一致させることが必要になる。

しかしながら、このような３電極ＤＢＲレーザ１００では、ＤＢＲ部１０４における反射波長の制御のほかに、位相制御部１０２における位相制御も必要になるため、制御が複雑になる。
そこで、位相制御を不要とするための技術として分布反射領域に電流を注入するための電極の構成や活性導波路や位相を調節するための非活性導波路の長さを工夫することが提案されている（例えば特許文献２参照）。また、活性領域と非活性領域とを光の伝搬方向に沿って交互に周期的に繰り返し配置し、同じ周期で、回折格子が形成された領域と回折格子が形成されていない領域とを配置する構造が提案されている（例えば特許文献４参照）。

なお、電流的に制御を行なうもので、モード跳びを生じることなく、発振波長を連続的に変化させることができる他の波長可変レーザとしては、例えば多電極ＤＦＢ（Distributed Feed Back；分布帰還形）レーザが提案されている（例えば非特許文献２，特許文献
３参照）。
特開２００４−２３５６００号公報 特開平９−３６４８０号公報 特開平４−１４７６８６号公報 特開平７−２７３４００号公報 ECOC2003 PROCEEDING vol4. pp 887(Th1.2.4) Electronics Letters 20th July 1989 vol25 No15, pp 990-992

ところで、上述したように、ＤＢＲレーザでは、モード跳びが生じないようにしながら、連続的に発振波長を変化させることができるようにするために、ＤＢＲ部１０４における反射波長の制御のほかに、位相制御部１０２における位相制御も必要になる。この場合、波長制御のパラメータが２つとなり、制御が複雑である。このため、高速に波長制御を行なうのが困難である。

また、上述の特許文献２に記載された技術では、分布反射導波路に電流を注入するための櫛形電極と、位相を調節するための非活性導波領域の電極とに同一の電流を注入するだけで、共振縦モード波長とブラッグ波長とを同一の割合で変化させることができるが、最初に共振縦モード波長とブラッグ波長とを一致させるための位相の制御は必要であり、この制御は複雑である。特に、アレイ集積型波長可変レーザでは、レーザ切替時の制御が複雑であり、高速に波長制御を行なうのが難しい。

一方、ＴＴＧ−ＤＦＢレーザでは、モード跳びは起こらないが、上述のように、活性導波路１１１と波長制御導波路１１２とにそれぞれ独立に電流を注入しうるように、活性導波路１１１と波長制御導波路１１２との間に中間層１１３を設け、この中間層１１３を接地電位に接続する必要があるため、素子の作製が通常のレーザに比べて複雑になる。特に、集積化してアレイ集積型波長可変レーザを作製するのは困難である。

また、上述の多電極ＤＦＢレーザは、波長可変範囲が２〜３ｎｍ程度であるため、ＷＤＭ通信システムにおいて重要なＣバンドの全てをカバーするのに１０本以上のレーザを集積することが必要であり、素子の歩留まりなどを考慮すると現実的ではない。
また、上述の特許文献４に記載された技術では、回折格子が形成されていない領域の位相状態を素子の作りこみだけで調整するのは困難である。また、位相制御が必要であり、制御が複雑である。

本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、容易に作製でき、簡単な制御で、比較的広い波長可変範囲が得られるようにした、波長可変レーザを提供することを目的とする。

このため、本発明の波長可変レーザは、利得を発生しうる利得導波路部と、電流注入によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部とを光軸方向に交互に有する光導波路と、光導波路の全長にわたって光導波路に沿って設けられる回折格子とを備え、光導波路を構成する一対の利得導波路部と波長制御導波路部の合計長さが、波長制御導波路部に電流を注入した場合の発振波長可変幅よりも、一の共振縦モードで連続的に発振させることができる連続波長可変幅が大きくなるように構成されることを特徴としている。

本発明の波長可変レーザは、利得を発生しうる利得導波路部と、電流注入によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部とを光軸方向に交互に有する光導波路と、光導波路の全長にわたって光導波路に沿って設けられる回折格子とを備え、波長制御導波路部が半導体材料で形成されており、光導波路を構成する一対の利得導波路部と波長制御導波路部の長さの比が１：Ｘ（Ｘ＞０）であり、一対の利得導波路部と波長制御導波路部の合計長さが、（１４０＋３０×Ｘ）μｍ以下であることを特徴としている。

本発明のアレイ集積型波長可変レーザは、同一基板上に、異なる波長可変範囲を持つ複数の波長可変レーザを備えるアレイ集積型波長可変レーザであって、複数の波長可変レーザが、いずれも、上記波長可変レーザであることを特徴としている。

したがって、本発明の波長可変レーザによれば、容易に作製でき、簡単な制御で、比較的広い波長可変範囲が得られるようになるという利点がある。また、制御が簡単なため、高速に波長制御を行なえるようになる。
特に、アレイ集積型波長可変レーザの作製が容易になる。また、レーザ切替時の制御が簡単になり、高速に波長制御を行なえるようになる。

以下、図面により、本発明の実施形態にかかる波長可変レーザについて、図１〜図１０を参照しながら説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザについて、図１〜図９を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる波長可変レーザ（電流制御型波長可変レーザ）は、図１に示すように、電流注入によって利得を発生しうる利得導波路部１Ａ及び電流注入による屈折率変化によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部１Ｂを有する光導波路（光導波路層）１と、光導波路１の近傍に設けられた回折格子（回折格子層）２とを備えるものとして構成される。そして、本波長可変レーザでは、利得導波路部１Ａに電流（利得制御電流）Ｉ_actを注入することによって、回折格子２の周期に応じた波長で発振するようになっている
。また、波長制御導波路部１Ｂに電流（波長制御電流）Ｉ_tuneを注入することによって発振波長を制御しうるようになっている。

ここで、光導波路１は、図１に示すように、利得導波路部（活性導波路部）１Ａと波長制御導波路部１Ｂとを光軸方向に交互に有するものとして構成される。つまり、光導波路１は、複数の利得導波路部１Ａと、複数の波長制御導波路部１Ｂとを備え、これらの利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂとが同一平面上で周期的に交互に直列配置された構成になっている。なお、利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂの具体的な構成例については後述する。

回折格子２は、図１に示すように、光導波路１の下方に、光導波路１の全長にわたって、光導波路１に沿って平行に設けられている。つまり、利得導波路部１Ａに対応する位置にも、波長制御導波路部１Ｂに対応する位置にも、連続的に回折格子２が設けられている。なお、図１に示すように、利得導波路部１Ａに対応する位置に形成されている回折格子２を利得用回折格子２Ａといい、波長制御導波路部１Ｂに対応する位置に形成されている回折格子２を波長制御用回折格子２Ｂという。

このように、本波長可変レーザでは、ＴＴＧ−ＤＦＢレーザとは異なり、図１に示すように、利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂとが同一平面上に並べられているため、一般的な素子作製技術を用いることができ、素子の作製が容易である。例えば、後述の第２実施形態のように、集積化してアレイ集積型波長可変レーザを作製する場合にも、容易に集積化することができる。

また、本波長可変レーザは、一般的なＤＦＢレーザと同様の構成になっており、ＤＦＢレーザの一種であるため、ＤＢＲレーザのように波長可変制御時に位相制御を行なう必要がなく、波長制御電流Ｉ_tuneのみによる単純な波長制御が可能である。なお、本波長可変レーザでは、回折格子２が光導波路１の全長にわたって設けられているため、初期位相の制御も不要である。

本波長可変レーザでは、図１に示すように、光導波路１の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂとに独立に電流注入を行なえるように、それぞれの領域に対して独立に電極３Ａ，３Ｂが設けられている。
つまり、図１に示すように、光導波路１の利得導波路部１Ａの上面にはコンタクト層８Ａを介して利得電極（Ｐ側電極）３Ａが形成されており、下方には共通電極（Ｎ側電極）３Ｃが形成されており、利得導波路部１Ａの活性層（利得層，導波路コア層）６に電流Ｉ_actを注入しうるようになっている。また、光導波路１の波長制御導波路部１Ｂの上面にはコンタクト層８Ｂを介して波長制御電極（Ｐ側電極）３Ｂが形成されており、下方には共通電極（Ｎ側電極）３Ｃが形成されており、波長制御導波路部１Ｂの波長制御層（導波路コア層，位相制御層）９に電流Ｉ_tuneを注入しうるようになっている。

ここでは、利得電極３Ａ及び波長制御電極３Ｂは、図２に示すように、いずれもくし型電極として構成されている。
なお、利得導波路部１Ａ、利得用回折格子２Ａ、利得電極３Ａ、共通電極３Ｃからなる領域を利得領域１１Ａといい、波長制御導波路部１Ｂ、波長制御用回折格子２Ｂ、波長制御電極３Ｂ、共通電極３Ｃからなる領域を波長制御領域１１Ｂという。

また、図１に示すように、コンタクト層８Ａ，８Ｂ、波長制御電極（Ｐ側電極）３Ｂ及び利得電極（Ｐ側電極）３Ａが形成されていない領域には、ＳｉＯ₂膜（パッシベーション膜）１０が形成されている。つまり、コンタクト層８Ａ，８Ｂを形成した後、全面にＳｉＯ₂膜１０を形成し、コンタクト層８Ａ，８Ｂ上のＳｉＯ₂膜１０のみを除去し、コンタクト層８Ａ，８Ｂ上にＰ側電極３Ａ，３Ｂを形成することで、コンタクト層８Ａ，８Ｂ、Ｐ側電極３Ａ，３Ｂが形成されていない領域にＳｉＯ₂膜１０を形成している。

特に、図１，図２に示すように、利得領域１１Ａと波長制御領域１１Ｂとを電気的に分離するため、利得電極３Ａと波長制御電極３Ｂとの間には分離領域（分離部）１１Ｃを設けている。つまり、利得領域１１Ａと波長制御領域１１Ｂとの接合界面近傍の上方の領域には、波長制御電極（Ｐ側電極）３Ｂ及び利得電極（Ｐ側電極）３Ａ及びコンタクト層８Ａ，８Ｂを形成しないようにすることで分離部１１Ｃを形成している。

ところで、本実施形態では、複数の利得導波路部１Ａ及び複数の波長制御導波路部１Ｂのうち、隣接する一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの合計長さが、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入した場合の発振波長可変幅よりも、一の共振縦モードで連続的に発振させることができる連続波長可変幅が大きくなるように構成している。つまり、利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂとが周期的に交互に配置されている場合に、１つの利得導波路部１Ａと１つの波長制御導波路部１Ｂとを１周期とすると、この１周期の長さが、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入した場合の発振波長可変幅よりも、一の共振縦モードで連続的に発振させることができる連続波長可変幅が大きくなるように構成している。

特に、波長制御導波路部１Ｂが半導体材料で形成されており、隣接する一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの長さの比が１：Ｘ（Ｘ＞０）の場合、隣接する一対の利得導波路部と波長制御導波路部の合計長さが、（１４０＋３０×Ｘ）μｍ以下になるようにしている。つまり、利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂとが周期的に交互に配置されている場合に、１つの利得導波路部１Ａと１つの波長制御導波路部１Ｂとを１周期とすると、この１周期の長さが（１４０＋３０×Ｘ）μｍ以下になるようにしている。

これにより、波長制御導波路部１Ｂで起こる屈折率変化を最大限利用して連続的に波長を変化させることができるようになり、連続波長可変幅を最大限に広げることができるようになる。以下、詳細に説明する。
本波長可変レーザでは、利得領域１１Ａのブラッグ波長は一定にし、波長制御領域１１Ｂの波長制御導波路部１Ｂのコア層の屈折率を変化させ、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長を変えることによって波長可変動作を行なう。

例えば、利得導波路部１Ａの長さと波長制御導波路部１Ｂの長さを１：１にした場合（Ｘ＝１の場合）、本波長可変レーザの発振波長は、利得領域１１Ａのブラッグ波長と波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長の平均値となる。
このため、波長制御導波路部１Ｂのコア層の屈折率を変化させた場合の本波長可変レーザのブラッグ波長（発振波長）λ_Braggは、利得領域１１Ａのブラッグ波長をλ_aとし、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長をλ_tとし、屈折率を変化させる前（電流注入前）の波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長をλ_t0とし、波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率の変化量をΔｎ_tとし、屈折率を変化させる前（電流注入前）の波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率をｎ_tとして、次式（１）により表すことができる。

λ_Bragg＝（λ_a＋λ_t）／２＝｛λ_a＋λ_t0（１＋Δｎ_t／ｎ_t）｝／２・・・（１）
したがって、本波長可変レーザのブラッグ波長（発振波長）の変化量Δλ_Braggは、次式（２）により表すことができる。
Δλ_Bragg＝λ_t0・（Δｎ_t／ｎ_t）／２・・・（２）
一方、共振縦モード波長（共振縦モードの位置）の変化の割合は、全共振器長に対する全波長制御導波路部１Ｂの長さ（複数の波長制御導波路部１Ｂの合計長さ）の割合分だけ（ここでは１／２）、波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率の変化の割合よりも小さくなる。

このため、共振縦モード波長の変化量Δλ_lは、屈折率を変化させる前（電流注入前）の共振縦モード波長（発振波長）をλ₀として、次式（３）により表すことができる。
Δλ_l＝λ₀・（Δｎ_t／ｎ_t）／２・・・（３）
したがって、上記式（２），（３）から、λ_t0とλ₀がほぼ同一になるように設定すれば、ブラッグ波長の変化量Δλ_Braggが共振縦モード波長の変化量Δλ_lに一致することが分かる。このため、λ_t0とλ₀がほぼ同一になるように設定すれば、波長制御導波路部１Ｂの屈折率を変化させるだけで（即ち、位相制御を行なうことなく、波長可変制御を行なうだけで）、モード跳びが生じないようにしながら、連続的に発振波長を変化させることが可能になる。なお、λ_t0とλ₀は、通常、ほぼ一致しているが、完全に一致させたい場合はλ／４位相シフト部２Ｃ（図５参照）を設ければ良い。

ところで、本波長可変レーザでは、波長可変制御時に、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長と、利得領域１１Ａのブラッグ波長との差が大きくなりすぎると、モード跳びが生じてしまい、連続波長可変動作ができなくなる。
つまり、まず、利得導波路部１Ａに電流を注入し、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していない状態では、波長制御領域１１Ｂの回折格子２による反射スペクトルのピーク（中心波長；ブラッグ波長）が、図３（Ａ）中、符号Ａで示すように、利得領域１１Ａの回折格子２による反射スペクトルのピーク（中心波長；ブラッグ波長）と一致する。この場合、波長制御領域１１Ｂの回折格子２による反射スペクトルと利得領域１１Ａの回折格子２による反射スペクトルとを足し合わせた合計反射スペクトルは、図３（Ｂ）中、符号Ａ′で示すようになり、その中心波長（ピーク；ブラッグ波長）が本波長可変レーザの発振波長となる。

この状態から、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入していくと、図３（Ａ）に示すように、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長が短波長側にシフトしていく。そして、図３（Ａ）中、符号Ｂで示すように、波長制御領域１１Ｂのブラッグ波長と利得領域１１Ａのブラッグ波長との差が大きくなると、合計反射スペクトルは、図３（Ｂ）中、符号Ｂ′で示すように、反射スペクトルの幅が広がってしまい、２つのピークを持つものとなる。

このように、それぞれの領域の回折格子２による反射スペクトルが分離してしまうと、その中心波長での発振を維持することができなくなり、モード跳びが生じてしまい、連続波長可変動作ができなくなる。
そこで、本発明者が鋭意検討した結果、図４中、実線Ａで示すように、合計反射スペクトルの中心波長で発振が可能な波長領域の幅（連続波長可変幅；モード跳びが生じることなく、連続的に一の共振縦モードで発振させることが可能な波長領域の幅）は、１つの利得導波路部１Ａと１つの波長制御導波路部１Ｂとを１周期とした場合の１周期の長さにほぼ反比例することがわかった。なお、図４では、利得導波路部１Ａの長さと波長制御導波路部１Ｂの長さの比が１：１であって、発振波長帯が１．５５μｍ帯の場合の特性を示している。

例えば、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入した場合の発振波長の変化量（発振波長可変幅）が、図４中、実線Ａの下側である場合には、モード跳びが生じることなく、連続的に発振波長を変えていくことができるが、図４中、実線Ａの上側になると、モード跳びが生じてしまうことになる。
一般に、半導体導波路に電流を注入した場合に実際に起こりうる等価屈折率の変化の割合（最大屈折率変化割合）は、導波路の構造によっても変化するが、光導波路が半導体材料によって形成されている場合、例えば０．５％程度である。これは、ＤＢＲレーザ，ＴＴＧ―ＤＦＢレーザにおいて発振波長が７ｎｍ程度変化させられる等価屈折率の変化量（屈折率変化量）に相当する。

電流注入時に、波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率の変化割合が０．５％（即ち、Δｎ_t／ｎ_tが０．５％）得られるとすると、波長制御領域１１Ｂの電流注入前のブラッグ波長が１．５５μｍ帯である（即ち、λ_t0が１５５０ｎｍである）場合、上記式（２）より、本波長可変レーザの発振波長の変化量（Δλ_Bragg）、即ち、発振波長可変幅は３．８ｎｍ程度になる。

この発振波長の波長可変幅の全ての領域で連続波長可変動作を行なうためには、本波長可変レーザの原理的な連続波長可変幅を、発振波長可変幅である３．８ｎｍ（図４中、実線Ｂで示す）よりも広くすれば良い。
これを実現するためには、連続波長可変幅が、図４中、実線Ｂよりも上側になるように、１周期の長さを１７０μｍ以下に設定すれば良い。このように１周期の長さを１７０μｍ以下に設定すれば、連続波長可変幅を３．８ｎｍ以上にすることができ、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入することによって生じる屈折率の変化を最大限利用して、連続波長可変動作を行なうことができるようになる。

つまり、１周期の長さ１７０μｍよりも大きく設定してしまうと、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入することによって屈折率を変化させることで、３．８ｎｍ程度まで発振波長を変化させることが可能な場合であっても、３．８ｎｍよりも小さい波長変化量でモード跳びが生じてしまうことになる。これに対して、１周期の長さを１７０μｍ以下に設定すれば、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入することによって生じる屈折率の変化を最大限利用して、連続波長可変動作を行なうことができるようになる。

要するに、一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの合計長さが、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入した場合の発振波長可変幅よりも、一の共振縦モードで連続的に発振させることができる連続波長可変幅が大きくなるように構成すれば、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入することによって生じる屈折率の変化を最大限利用して、連続波長可変動作を行なうことができることになる。

以下、具体的な構成例について説明する。
まず、利得領域（活性領域）１１Ａは、例えばｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、ｎ型ＩｎＰバッファ層、バンドギャップ波長が１．５５μｍ帯の１．５５μｍ帯歪ＭＱＷ層（Multiple Quantum Well；多重量子井戸層）＋ＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure；分離閉じ込めヘテロ構造）層（ＩｎＧａＡｓＰ層）、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層を順に積層した層構造になっている。

つまり、利得領域１１Ａは、図１に示すように、ｎ−ＩｎＰ層（ｎ型ＩｎＰ基板，ｎ型ＩｎＰバッファ層）４、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２、ｎ型ＩｎＰ層５、ＭＱＷ活性層（１．５５μｍ帯歪ＭＱＷ層＋ＳＣＨ層，導波路コア層）６、ｐ−ＩｎＰ層（ｐ型ＩｎＰクラッド層）７、コンタクト層（ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層，ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層）８Ａを順に積層した層構造になっている。

また、利得導波路部（活性導波路部）１Ａは、ｎ型ＩｎＰ層５、ＭＱＷ活性層６、ｐ−ＩｎＰ層７から構成される。
一方、波長制御領域１１Ｂは、例えばｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、ｎ型ＩｎＰバッファ層、１．３８μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層（導波路コア層）、ｐ型ＩｎＰクラッド層、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層を順に積層した層構造になっている。

つまり、波長制御領域１１Ｂは、図１に示すように、ｎ−ＩｎＰ層（ｎ型ＩｎＰ基板，ｎ型ＩｎＰバッファ層）４、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２、ｎ型ＩｎＰ層５、波長制御層（位相制御層；１．３８μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰコア層）９、ｐ−ＩｎＰ層（ｐ型ＩｎＰクラッド層）７、コンタクト層（ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層，ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層）８を順に積層した層構造になっている。

また、波長制御導波路部１Ｂは、ｎ型ＩｎＰ層５、波長制御層９、ｐ−ＩｎＰ層７から構成される。
なお、回折格子層２は、ｎ−ＩｎＰ層４上に回折格子層２を形成する材料からなる層を積層した後、この層を例えばドライエッチングなどの方法を用いて周期的に除去し、その上にｎ−ＩｎＰ層５を成長させることによって形成される。

また、ＭＱＷ活性層６及び波長制御層９への電流狭窄構造としては、例えばｐｎ−ＢＨ構造（Buried Heterostructure；埋込ヘテロ構造）を用いれば良い。
ここでは、波長制御導波路１Ｂは、その等価屈折率が利得導波路部１Ａの等価屈折率と等しくなるように、コア層の材料組成、厚さを調整している。
特に、利得導波路部１Ａ及び波長制御導波路部１Ｂの長さは、いずれも３０μｍとし、１周期の長さを６０μｍとしている。これにより、波長可変レーザの原理的な連続波長可変幅は１２ｎｍ程度となる（図４参照）。なお、素子長は例えば５７０μｍとしている。ここでは、利得導波路部１Ａが素子端面側に配置されるようにして、光出力が低下しないようにしている。但し、波長制御導波路部１Ｂを素子端面側に配置しても良い。

回折格子２の周期は、例えば２４０ｎｍ程度とし、発振波長が１．５５μｍ帯になるようにしている。
このように構成することで、波長可変レーザの原理的な連続波長可変幅を１２ｎｍ程度にすることができるため、半導体導波路に電流を注入した場合の屈折率変化によって起こりうる波長可変幅（３．８ｎｍ程度）を最大限利用して、連続波長可変動作を行なうことが可能になる。

なお、図５に示すように、回折格子２を、長手方向中央位置にλ／４位相シフト部２Ｃを備えるものとして構成するのが好ましい。つまり、回折格子２の長手方向中央位置で、図５に示すように、回折格子２の周期の半分（ブラッグ波長の１／４）だけシフト（位相シフト）させるようにするのが好ましい。
λ／４位相シフト部２Ｃを設けないと、図６（Ａ）に示すように、回折格子２による反射スペクトル［波長可変レーザの利得スペクトル；図６（Ａ）中、実線Ａで示す］の中心波長（ピーク；ブラッグ波長）で発振せず、その近傍の２つのモード［共振縦モード波長；図６（Ａ）中、実線Ｂで示す］で発振する可能性がある。この場合、２つのモードのうち、長波側のモードで発振するか、短波側のモードで発振するかが分からないため、不安定になる。

これに対し、λ／４位相シフト部２Ｃを設けると、一般的なＤＦＢレーザと同様に、図６（Ｂ）に示すように、回折格子２による反射スペクトル［波長可変レーザの利得スペクトル；図６（Ｂ）中、実線Ａで示す］の中心波長（ピーク；ブラッグ波長）と共振縦モード波長［図６（Ｂ）中、実線Ｂで示す］の１つとが一致し、中心波長で発振するようになるため、安定した単一モード発振が可能となる。

但し、λ／４位相シフト部２Ｃを設けなかったとしても、通常は、２つのモードのうち、いずれか一方のモードで発振することになる。
したがって、本実施形態にかかる波長可変レーザによれば、容易に作製でき、簡単な制御で、比較的広い波長可変範囲が得られるようになるという利点がある。また、制御が簡単なため、高速に波長制御を行なえるようになる。特に、電流制御型波長可変レーザであるため、高速応答性に優れている。

なお、上述の実施形態では、利得導波路部１Ａの長さと波長制御導波路部１Ｂの長さの比率を１：１にした場合（Ｘ＝１の場合）を例に説明したが、利得導波路部１Ａの長さと波長制御導波路部１Ｂの長さの比率は、これに限られるものではなく、他の比率であっても、ほぼ同様の作用・効果が得られる。
つまり、波長制御導波路部１Ｂの長さを長くした場合、比率１：１のときと同じ屈折率変化を生じさせたとき、発振波長の変化量は大きくなるが、これと同時に、連続波長可変幅も広くなる。一方、波長制御導波路部１Ｂの長さを短くした場合、比率１：１のときと同じ屈折率変化を生じさせたとき、発振波長の変化量は小さくなるが、これと同時に、連続波長可変幅も狭くなる。このため、利得導波路部１Ａの長さと波長制御導波路部１Ｂの長さの比率によらず、比率を１：１にした場合と同様の作用・効果が得られることになる。

具体的に説明すると、一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの長さの比が１：Ｘ（Ｘ＞０）である場合には、一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの合計長さを、（１４０＋３０×Ｘ）μｍ以下にすれば良い。
まず、一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの長さの比が１：Ｘ（Ｘ＞０）である場合、Ｘの値が大きくなるにしたがって（即ち、波長制御導波路部１Ｂの長さが長くなるにしたがって）、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入して同じ量の屈折率変化を生じさせた場合の発振波長の変化量は大きくなる。つまり、Ｘの値が大きくなるにしたがって、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入した場合の発振波長の波長可変幅（発振波長可変幅）は大きくなる。

ここで、図７は、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入した場合に、波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率の変化割合が０．５％得られるとした場合の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの長さの比１：Ｘ（Ｘ＞０）と波長可変幅の関係を示す図である。
なお、ここでは、利得導波路部１Ａの長さをａｃｔとし、波長制御導波路部１Ｂの長さをｔｕｎｅとし、これらの比をｔｕｎｅ／ａｃｔの値として示している。但し、利得導波路部１Ａの長さａｃｔを１とすると、波長制御導波路部１Ｂの長さｔｕｎｅはＸになるため、ｔｕｎｅ／ａｃｔの値はＸとなる。

図７を見れば分かるように、例えばＸ＝１の場合、即ち、利得導波路部１Ａの長さと波長制御導波路部１Ｂの長さの比が１：１の場合（ｔｕｎｅ／ａｃｔ＝１）には、波長可変幅は３．８ｎｍ程度であるのに対し、例えばＸ＝２の場合、即ち、利得導波路部１Ａの長さと波長制御導波路部１Ｂの長さの比が１：２の場合（ｔｕｎｅ／ａｃｔ＝２）には、波長可変幅は５．２ｎｍ程度であり、Ｘの値が大きくなるにしたがって波長可変幅が大きくなることがわかる。

一方、Ｘの値が大きくなるにしたがって（即ち、波長制御導波路部１Ｂの長さが長くなるにしたがって）、モード跳びが生じないようにしながら、波長を変化させることができる連続波長可変幅も大きくなる傾向がある。
ここで、図８は、利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの長さの比１：Ｘ（Ｘ＞０）（ここではｔｕｎｅ／ａｃｔの値）を、０．５０から２．５０まで０．２５刻みで変えた場合の一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの合計長さ（１周期の長さ）と、連続波長可変幅との関係を示す図である。

図８を見れば分かるように、１周期の長さが同じ場合（即ち、一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの長さが同じ場合）、Ｘの値が大きくなるほど（即ち、ｔｕｎｅ／ａｃｔの値が大きくなるほど；波長制御導波路部１Ｂの長さが長くなるほど）、連続波長可変幅が大きくなる傾向があることがわかる。
ところで、上述の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの長さの比が１：１の場合（図４参照）と同様に、連続波長可変幅が、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入したときに波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率の変化割合が０．５％得られるとした場合の発振波長可変幅よりも大きくなるような一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの合計長さ（１周期の長さ）を求めると、図９に示すように、一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの合計長さ（１周期の長さ）Ｙは、式Ｙ＝（１４０＋３０×Ｘ）（μｍ）で近似できることがわかる。

つまり、図９に示すように、連続波長可変幅と発振波長可変幅が同じになる一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの合計長さ（１周期の長さ）Ｙ（μｍ）（許容最大値）を求め、これを、利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの長さの比１：Ｘ（Ｘ＞０）（ここではｔｕｎｅ／ａｃｔの値）に対応づけてプロットすると、式Ｙ＝（１４０＋３０×Ｘ）で近似できることがわかる。

したがって、一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの合計長さ（１周期の長さ）を、（１４０＋３０×Ｘ）μｍ以下にすれば、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入することによって生じる屈折率の変化を最大限利用して、連続波長可変動作を行なうことができるようになる。
また、上述の実施形態では、複数の利得導波路部１Ａのそれぞれの長さ、及び、複数の波長制御導波路部１Ｂのそれぞれの長さを全て同一にして、それぞれの周期の長さを全て同一にしているが、これに限られるものではなく、最も長い周期の長さ（最も周期が長くなる利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂとの合計長さ）が、上述の条件を満たすようにすれば良い。

また、上述の実施形態では、発振波長帯が１．５５μｍ帯の波長可変レーザを前提に説明しているが、これに限られるものではない。例えば１．３μｍ帯などの他の発振波長帯の波長可変レーザにも、本発明を適用することができる。
つまり、発振波長帯が異なると、１周期の長さに対する連続波長可変幅の特性（図４参照）が変わるものの、波長制御導波路部１Ｂの等価屈折率の最大変化割合が０．５％の場合の発振波長の変化量も変わるため、上述の実施形態の場合と同様に、１周期の長さを（１４０＋３０×Ｘ）μｍ以下に設定すれば、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入することによって生じる屈折率の変化を最大限利用して、連続波長可変動作を行なうことができることになる。

結局、発振波長帯にかかわらず、一対の利得導波路部１Ａと波長制御導波路部１Ｂの合計長さが、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入した場合の発振波長可変幅よりも、一の共振縦モードで連続的に発振させることができる連続波長可変幅が大きくなるように構成すれば、波長制御導波路部１Ｂに電流を注入することによって生じる屈折率の変化を最大限利用して、連続波長可変動作を行なうことができることになる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる波長可変レーザについて、図１０を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる波長可変レーザは、図１０に示すように、アレイ集積型波長可変レーザであり、上述の第１実施形態の波長可変レーザを、１つの素子内に複数集積したものである。
つまり、本波長可変レーザは、図１０に示すように、同一基板上に、異なる波長可変範囲を持つ複数（ここでは８つ）の波長可変レーザ２０Ａ〜２０Ｈと、複数（ここでは８つ）の曲がり導波路２１Ａ〜２１Ｈと、光合流器２２と、光増幅器（半導体光増幅器）２３とを備えるものとして構成される。

ここで、各波長可変レーザ２０Ａ〜２０Ｈは、それぞれ、例えば６ｎｍ以上の所定の連続波長可変範囲を持つものとして構成されている。これにより、１つの素子で４０ｎｍの波長可変範囲を持つ波長可変レーザを実現することができる。この結果、ＷＤＭ通信システムにおいて重要な１５３０〜１５６０ｎｍ（Ｃバンド）の範囲の全体をカバーしうる波長可変レーザを実現できることになる。

また、各波長可変レーザ２０Ａ〜２０Ｈは、波長制御導波路部に電流注入又は電圧印加を行なっていない状態で、発振波長が例えば５ｎｍずつ異なるように構成されている。
これらの波長可変レーザ２０Ａ〜２０Ｈは、それぞれ、複数の曲がり導波路２１Ａ〜２１Ｈ及び光合流器２２を介して光増幅器２３に接続されている。
なお、複数の曲がり導波路２１Ａ〜２１Ｈ及び光合流器２２は、波長可変レーザ２０Ａ〜２０Ｈの波長制御領域と同様の層構造（上述の第１実施形態参照）を持つものとして構成される。また、光増幅器２３は、波長可変レーザ２０Ａ〜２０Ｈの利得領域と同様の層構造（上述の第１実施形態参照）を持つものとして構成される。

したがって、本実施形態にかかるアレイ集積型波長可変レーザに集積される波長可変レーザは、上述の第１実施形態の波長可変レーザであるため、容易に作製でき、簡単な制御で、比較的広い波長可変範囲が得られるようになるという利点があり、また、制御が簡単なため、高速に波長制御を行なえるようになるという利点もある。このため、本実施形態のアレイ集積型波長可変レーザを作製するのは容易であるという利点がある。また、レーザ切替時の制御が簡単になり、高速に波長制御を行なえるようになるという利点もある。［その他］
上述の各実施形態では、ＩｎＧａＡｓＰ系材料を用いるものとして説明しているが、これに限られるものではなく、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系等の他の半導体材料を用いることもでき、この場合にも同様の効果が得られる。

なお、本発明は、上述した各実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
（付記１）
利得を発生しうる利得導波路部と、電流注入によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部とを光軸方向に交互に有する光導波路と、
前記光導波路の全長にわたって前記光導波路に沿って設けられる回折格子とを備え、
前記光導波路を構成する一対の利得導波路部と波長制御導波路部の合計長さが、前記波長制御導波路部に電流を注入した場合の発振波長可変幅よりも、一の共振縦モードで連続的に発振させることができる連続波長可変幅が大きくなるように構成されることを特徴とする、波長可変レーザ。

（付記２）
利得を発生しうる利得導波路部と、電流注入によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部とを光軸方向に交互に有する光導波路と、
前記光導波路の全長にわたって前記光導波路に沿って設けられる回折格子とを備え、
前記波長制御導波路部が半導体材料で形成されており、
前記光導波路を構成する一対の利得導波路部と波長制御導波路部の長さの比が１：Ｘ（Ｘ＞０）であり、一対の利得導波路部と波長制御導波路部の合計長さが、（１４０＋３０×Ｘ）μｍ以下であることを特徴とする、波長可変レーザ。

（付記３）
前記利得導波路部に電流注入を行なうための利得電極と、
前記波長制御導波路部に電流注入を行なうための波長制御電極と、
前記利得電極と前記波長制御電極とが、それぞれ独立に設けられていることを特徴とする、付記１又は２記載の波長可変レーザ。

（付記４）
前記利得電極と前記波長制御電極とが、いずれもくし型電極であることを特徴とする、付記３記載の波長可変レーザ。
（付記５）
前記回折格子が、長手方向中心位置にλ／４位相シフト部を備えることを特徴とする、付記１〜４のいずれか１項に記載の波長可変レーザ。

（付記６）
同一基板上に、異なる波長可変範囲を持つ複数の波長可変レーザを備えるアレイ集積型波長可変レーザであって、
前記複数の波長可変レーザが、いずれも、付記１〜５のいずれか１項に記載の波長可変レーザであることを特徴とする、アレイ集積型波長可変レーザ。

本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザの構成を示す模式的断面図である。 本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザの電極の構成を説明するための模式的平面図である。 図３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザの波長可変の様子を説明するための図である。 本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザの１周期の長さと連続波長可変幅との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザにおいてλ／４位相シフト部を設ける場合の構成を示す模式図である。 図６（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザにおいてλ／４位相シフト部を設けるのが好ましい理由を説明するための図である。 本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザにおける一対の波長制御導波路部と利得導波路部の長さの比と、波長可変幅との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザにおける１周期の長さと、連続波長可変幅と、一対の波長制御導波路部と利得導波路部の長さの比との関係を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザにおける一対の波長制御導波路部と利得導波路部の長さの比と、１周期の長さの最大値との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかるアレイ集積型波長可変レーザの構成を示す模式図である。 従来の３電極ＤＢＲレーザの構成を示す模式的断面図である。 従来のＴＴＧ−ＤＦＢレーザの構成を示す模式的断面図である。

符号の説明

１ 光導波路
１Ａ 利得導波路（活性導波路）
１Ｂ 波長制御導波路
２ 回折格子（回折格子層）
２Ａ 利得用回折格子
２Ｂ 波長制御用回折格子
２Ｃ λ／４位相シフト部
３Ａ 利得電極（Ｐ側電極）
３Ｂ 波長制御電極（Ｐ側電極）
３Ｃ 共通電極（Ｎ側電極）
４ ｎ−ＩｎＰ層
５ ｎ−ＩｎＰ層
６ ＭＱＷ活性層（利得層，活性層，導波路コア層）
７ ｐ−ＩｎＰ層
８Ａ，８Ｂ コンタクト層
９ 波長制御層（位相制御層）
１０ ＳｉＯ₂膜
１１Ａ 利得領域（活性領域）
１１Ｂ 波長制御領域
１１Ｃ 分離領域
２０Ａ〜２０Ｈ 波長可変レーザ
２１Ａ〜２１Ｈ 曲がり導波路
２２ 光合流器
２３ 光増幅器

Claims (6)

1. 利得を発生しうる利得導波路部と、電流注入によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部とを光軸方向に交互に有する光導波路と、
   前記光導波路の全長にわたって前記光導波路に沿って設けられる回折格子とを備え、
   前記光導波路を構成する一対の利得導波路部と波長制御導波路部の合計長さが、前記波長制御導波路部に電流を注入した場合の発振波長可変幅よりも、一の共振縦モードで連続的に発振させることができる連続波長可変幅が大きくなるように構成されることを特徴とする、波長可変レーザ。
2. 利得を発生しうる利得導波路部と、電流注入によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部とを光軸方向に交互に有する光導波路と、
   前記光導波路の全長にわたって前記光導波路に沿って設けられる回折格子とを備え、
   前記波長制御導波路部が半導体材料で形成されており、
   前記光導波路を構成する一対の利得導波路部と波長制御導波路部の長さの比が１：Ｘ（Ｘ＞０）であり、一対の利得導波路部と波長制御導波路部の合計長さが、（１４０＋３０×Ｘ）μｍ以下であることを特徴とする、波長可変レーザ。
3. 前記利得導波路部に電流注入を行なうための利得電極と、
   前記波長制御導波路部に電流注入を行なうための波長制御電極と、
   前記利得電極と前記波長制御電極とが、それぞれ独立に設けられていることを特徴とする、請求項１又は２記載の波長可変レーザ。
4. 前記利得電極と前記波長制御電極とが、いずれもくし型電極であることを特徴とする、請求項３記載の波長可変レーザ。
5. 前記回折格子が、長手方向中心位置にλ／４位相シフト部を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の波長可変レーザ。
6. 同一基板上に、異なる波長可変範囲を持つ複数の波長可変レーザを備えるアレイ集積型波長可変レーザであって、
   前記複数の波長可変レーザが、いずれも、請求項１〜５のいずれか１項に記載の波長可変レーザであることを特徴とする、アレイ集積型波長可変レーザ。

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