JP2007059472A - 半導体レーザ装置および波長制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 新しい材料の開発や半導体以外の材料と組み合わせることなく、温度変化に対して、発振波長の安定性を向上する半導体レーザ装置および波長制御方法を提供すること。
【解決手段】 波長制御領域を有する半導体レーザ素子１と、半導体レーザ素子１の光出力を増幅する増幅器５と、増幅器５により増幅された半導体レーザ素子１の光出力を受光するフォトダイオード２と、半導体レーザ素子１の光出力をほぼ一定に保つ制御を行う光出力制御回路３と、光出力制御回路３からの電流を増幅器５と波長制御領域とに分配する電流分配回路４とを備える。このような構成において、増幅器５により増幅された半導体レーザ素子１の光出力を一定に保つように、フォトダイオード２により受光された光出力に応じて決定された電流をそれぞれ、波長制御領域および増幅器５に注入する。
【選択図】 図４

Description

本発明は半導体レーザ装置および波長制御方法に関し、より詳細には、レーザの発振波長の温度による変化量の調整に適用可能な半導体レーザ装置および波長制御方法に関するものである。

一般的に、半導体レーザの発振波長、閾値電流および出力効率は、周囲温度および素子温度に依存し変化する。例えば、一般的な分布帰還型（ＤＦＢ）レーザの発振波長の温度依存性は０．１ｎｍ／Ｋ程度である。これは、ＤＦＢレーザを構成する半導体の屈折率（ｎ）が温度依存性を持ち、これにより回折格子のブラッグ波長（λ_Ｂ）が
ｍλ_Ｂ＝２ｎΛ （１）
に従って変化するためである。ここで、ｍは回折の次数、Λは回折格子の周期である。現在レーザの材料として用いられているＩｎＰ系やＧａＡｓ系の半導体では、温度上昇に伴い屈折率が大きくなる。このため、ＩｎＰ系やＧａＡｓ系の半導体を用いたレーザにおいて、発振波長は、温度上昇と共に長波長側に変化していく。また、閾値電流は、通常温度上昇に伴って大きくなり、出力効率は低下する。したがって、ある一定の出力を得る場合、温度が上昇すると必要な電流値は大きくなる。

例えば、光ファイバ通信の光源として半導体レーザを用いる場合、特にいくつかの異波長光の信号を１本のファイバに多重化して伝送する波長多重通信（ＷＤＭ）を行う場合など、信号光波長の精度が重要である場合には、発光源である半導体レーザの発振波長を、温度に依存することなく安定化することが必要不可欠である。このため、例えば、ペルチェ素子を用い温度制御を行う必要があるが、素子構造や制御の複雑化、消費電力の増加などが問題となる。

ペルチェ素子などによる温度制御を用いずに発振波長の温度依存性を安定させる方法は、大きく分類して２つの方法が考えられる。上記方法の１つとして、例えば、特許文献１には、従来とは異なる、屈折率の温度依存性の小さい半導体材料を開発することが記載されている。すなわち、特許文献１に記載の方法は、半導体のみの構成により温度依存性を低減する方法である。

また、上記方法のもう一つの方法として、例えば、特許文献２には、半導体レーザと半導体以外の材料よりなる外部導波路を組み合わせたレーザが記載されている。さらに、特許文献３には、半導体とこの半導体とは逆の屈折率温度依存性を有する半導体以外の材料を交互に縦列接続した構成が記載されている。すなわち、特許文献２および３に記載の方法は、半導体と半導体以外の材料による複合構成により温度依存性を低減する方法である。

一方、半導体の屈折率は、温度以外でも電流注入により変化する。これを用いた波長可変レーザが多数開発されている。例えば、特許文献４によれば、少なくとも一方が利得と波長選択性を持つ２つの反射領域に挟まれた位相調整領域に電流を注入することにより、位相調整領域の導波路コアの屈折率を変化させ波長を変化させている。ＩｎＰ系やＧａＡｓ系などの通常用いられている半導体に電流注入すると、屈折率は小さくなる方向に変化する。これにより光学長（光路長）が短くなり、共振器長が短くなるため発振波長は短波長側に変化する。

この様な波長可変レーザは各種報告されており、波長が連続的に変化するレーザとしては、後述する分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）を用いたレーザや、非特許文献１に示されるように、ｔｗｉｎ−ｇｕｉｄｅ（ＴＴＧ）ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ（ＤＦＢ）ｌａｓｅｒといった波長可変レーザなどがある。

特開平１１−８４３２号公報 特開２００２−１９０６４３号公報 特開２００２−１４２４７号公報 特開２００４−２７３６４４号公報 T.Wolf et al, "Tunable twin-guide(TTG)distributed feedback(DFB)laser with over 10 nm continuous tuning range "Electron. Lett., Vol. 29, No.24, pp.2124-2125, Nov.1993

しかしながら、これまでに実用化した新材料の報告は無く、新しい半導体を開発することは、結晶成長や素子形成上、非常に困難であることが伺える。

一方、半導体以外の材料と組み合わせる場合、光軸調整が必要など簡便性に問題がある。また、半導体基板上に有機材料をスピンコートするなど簡便な作成法であったとしても、例えば、半導体と有機材料を交互に縦列接続して分布反射器とするような場合は、優れた特性の得られる１次の回折格子を作成するためには半導体と有機材料を１／４波長程度の長さで交互に並べる必要がある。従って、加工の難易度、および、信頼性に大きな問題が残る。また、組み合わせ方が容易な方法であったとしても、異なる材料を組み合わせる分、半導体のみで作製したレーザよりもプロセスが煩雑になる。

本発明は、これらの問題点を鑑みてなされたものであり、新しい材料の開発や半導体以外の材料と組み合わせることなく、温度変化に対して、発振波長の安定性を向上する半導体レーザ装置および波長制御方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、発振波長を調整する波長制御領域を少なくとも１つ以上有し、前記領域に第１の電流が入力されることにより波長が変化する波長可変レーザと、第２の電流を入力されることにより、前記波長可変レーザの光出力を増幅する増幅器と、前記増幅器により増幅された波長可変レーザの光出力を受光する受光部と、前記増幅器により増幅された波長可変レーザの光出力を一定に保つように、前記受光部により受光された光出力に応じて、前記第１の電流の第１の値および第２の電流の第２の値をそれぞれ決定し、該第１の値を有する第１の電流を前記波長可変レーザの波長制御領域に出力し、前記第２の値を有する第２の電流を前記増幅器に出力する出力制御手段とを備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記出力制御手段は、前記増幅器により増幅された波長可変レーザの光出力を一定に保つように、前記受光部により受光された光出力に応じて、第３の電流の値を決定し、該第３の電流の値に関連する電流を出力する光出力制御回路と、前記第３の電流の値に関連する電流が入力されると、前記光出力制御回路によって決定された第３の電流の値に基づいて、前記第３の電流の値を分配し、該分配された電流の値から、前記波長可変レーザの波長制御領域へと出力する第１の電流の第１の値を決定し、前記増幅器へと出力する第２の電流の第２の値を決定する電流分配回路とを備えることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記出力制御手段は、前記受光部の後段側に配置された、前記増幅器により増幅された波長可変レーザの光出力を一定に保つように、前記受光部により受光された光出力に応じて、前記第１の電流の第１の値を決定し、該第１の値を有する第１の電流を前記波長可変レーザの波長制御領域に出力する第１の回路と、前記受光部の後段側に、前記第１の回路と並列に配置された、前記増幅器により増幅された波長可変レーザの光出力を一定に保つように、前記受光部により受光された光出力に応じて、前記第２の電流の第２の値を決定し、該第２の値を有する第２の電流を前記増幅器に出力する第１の回路とを備えることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記第３の電流の値に関する電流は、前記第３の電流の値に関する電気信号であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記第３の電流の値に関する電流は、前記第３の電流そのものであることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記増幅器および前記位相制御領域へ出力される電流が、前記波長可変レーザの温度上昇による波長変化を低減させるように決定されることを特徴とする。

請求項７記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、前記増幅器および前記位相制御領域へ出力される電流が、前記波長可変レーザの温度上昇による波長変化を大きくするように決定されることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載の発明において、前記波長可変レーザは、結合係数１５０ｃｍ^−１以上の回折格子を有することを特徴とする。

請求項９記載の発明は、請求項１乃至８のいずれかに記載の発明において、前記出力制御手段は、前記波長可変レーザの素子抵抗の１０倍以上の抵抗を有する抵抗素子を備えることを特徴とする。

請求項１０記載の発明は、請求項１乃至９のいずれかに記載の発明において、前記増幅器は、少なくとも２つ以上の増幅素子の縦列接続、もしくは、独立に電流注入が行える少なくとも２つ以上の縦列接続された増幅領域からなる増幅素子からなり、その中の少なくとも１つ以上の増幅素子または増幅領域に前記出力制御から出力された第２の電流を注入することを特徴とする。

請求項１１記載の発明は、発振波長を調整する波長制御領域を少なくとも１つ以上有し、前記領域に第１の電流が入力されることにより波長が変化する波長可変レーザの光出力を、第２の電流を入力されることにより増幅する増幅工程と、前記増幅された波長可変レーザの光出力を受光する受光工程と、前記増幅された波長可変レーザの光出力を一定に保つように、前記受光された光出力に応じて、前記第１の電流の第１の値および第２の電流の第２の値をそれぞれ決定し、該第１の値を有する第１の電流を前記波長可変レーザの波長制御領域に出力し、前記第２の値を有する第２の電流により前記増幅を制御する出力制御工程とを有することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、新しい半導体材料や、半導体以外の材料と組み合わせることなく、これまでに加工技術が確立されている半導体のみを用い、発振波長の観測や温度観測することなしに、発振波長が温度変化に対して安定な半導体レーザ、および、発振波長の温度変化を制御可能な半導体レーザを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に関わる半導体レーザ素子の光導波路方向に沿った断面図である。素子の両側の、第１および第２の分布帰還（ＤＦＢ）領域においては、ＩｎＰ半導体基板１０１上にＧａＩｎＡｓＰ下部ガイド層１０２、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１０３、ＧａＩｎＡｓＰ上部ガイド層１０４、ＩｎＰクラッド１０５が順次積層されている。また、上部ガイド層１０４とクラッド１０５の間には回折格子が設けられている。素子中央部の位相制御領域（位相シフト領域とも呼ぶ）では、半導体基板１０１上にＧａＩｎＡｓＰコア層１０６、クラッド１０５が積層されている。本実施形態では、位相制御領域を第１および第２のＤＦＢ領域にて挟むように形成されており、位相制御領域と第１および第２のＤＦＢ領域とは連続に形成されている。素子表面には、それぞれの領域の電極として、第１のＤＦＢ領域上には電極１０７ａが形成され、第２のＤＦＢ領域上には１０７ｂが形成され、位相制御領域上には電極１０８が形成されている。ＩｎＰ半導体基板１０１の下部には下部電極１０９が形成されており、それぞれの領域において、下部電極１０９は共通となっている。

半導体材料に関しては、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定されるものではない。特に制約を設けるものではなく、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材料について適用が可能である。半導体の結晶成長方法、すなわち積層方法についても特に制約を設けるものではなく、例えば、ＭＢＥ（Molecular beam epitaxy）、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vaper deposition)などの方法を用いることができる。活性層１０３の形状としては、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットなどの形状を問わない。ガイド層１０２、１０４は、一般的には分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）、または閉じ込め層などとも言うが、要求するレーザの特性に応じて、例えば、屈折率を階段状にしたり、段階的に変化させた傾斜屈折率（ＧＩ−）ＳＣＨとしたりしてもよい。導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み構造、半絶縁埋め込み構造、リッジ構造、ハイメサ構造など、通常用いられている導波路形状を適用できる。

また、位相制御領域については、その個数が１個に限定されるものではなく、少なくとも１つ以上有していれば良い。

位相制御領域のコア層の形状に関しても特に制約は無く、ＤＦＢ領域か位相制御領域のどちらかを成長した後に、エッチングして溝部に再成長するいわゆるバッドジョイント法や、マスクをして成長領域を規制した選択成長法などを用いることができる。

図１では、回折格子位置が活性層１０３の上部のガイド層１０４に形成されているが、活性層１０３の下部のガイド層１０２と半導体基板１０１の境界に形成したりしても良く、活性層自体を周期的に加工してもよい。すなわち、波長選択性を持つ反射領域となっていればよい。

図１の半導体レーザは、ＤＦＢ領域に電流Ｉ_DFBを注入することにより、活性層において利得が生じ発振状態に至る。ＤＦＢ領域には回折格子が形成されているため、ある特定の波長域の光のみ強い反射がおき、両側のＤＦＢ領域に反射した光の位相があう波長で光が強めあうため発振が起きる。強い反射が起きる波長域を透過できない波長域という意味でストップバンドと呼ぶ。

すなわち、図１において、第１のＤＦＢ領域からの、ストップバンドの波長域を有する第１の光と、第２のＤＦＢ領域からの、ストップバンドの波長域を有する第２の光とが、位相制御領域において干渉し、それら光のうち、強め合う波長の光が発振することになる。このとき、強め合う光の波長（発振波長）は、位相制御領域の長さ、すなわち、ＧａＩｎＡｓＰコア層１０６の光路長によって制御できる。この光路長は、ＧａＩｎＡｓＰコア層１０６の屈折率により制御することができる。従って、図１の半導体レーザ素子においては、図２に示すスペクトルの模式図のように、位相制御領域に注入する制御電流Ｉ_phaseを調整することにより位相制御領域の屈折率を変化させ、ストップバンドの中で発振波長を調整することができる。

次に、アサーマル化の動作原理を説明する。周囲の環境変化および素子の発熱により素子の動作温度が上昇すると、一般的にＩｎＰやＧａＡｓなどの通常の光デバイスに用いられている半導体においては屈折率が上昇する。そのため、回折格子で選択される波長すなわちブラッグ波長も長波長に変化することになる。光ファイバ通信で使用されているＩｎＰ系のＤＦＢレーザの場合、温度変化による波長変化は０．１ｎｍ／℃程度である。つまり、回折格子で選択されるブラッグ波長が０．１ｎｍ／℃の温度依存性を持つ。図１に示した第一の実施形態においては、温度上昇によってＤＦＢ領域における高反射波長域すなわちストッパバンドが長波長側に移動していくことになる。

一方、温度上昇に伴い半導体レーザが閾値電流は増加し、出力効率は低下することが知られている。従って、図３に示す電流、光出力特性のように、どの動作温度であっても一定の光出力を得ようとする、いわゆるＡＰＣ（Auto power control）動作の場合、Ｔ_０、Ｔ_１、Ｔ_２と温度上昇するに従って必要な電流値はＩ_０、Ｉ_１、Ｉ_２と増加することになる。

図４に本実施形態に係るシステムの構成の概略図を示す。図４において、符号１は、図１に示した波長可変な半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子１の出力端から所定の距離には、光増幅器５が配置されている。光増幅器５の出力端の所定の距離には、ハーフミラー６が配置されており、このハーフミラー６によって、光増幅器５から出力された光の一部が適切に入力できるように、フォトダイオード２が配置されている。このような構成において、フォトダイオード２は、半導体レーザ素子１からの光出力を増幅した光増幅器５からの光出力を検知する。

なお、本実施形態では、半導体レーザ素子１からの光出力を増幅した増幅器５からの光出力をハーフミラー６によって分岐して受光するように、フォトダイオード２を配置しているが、これに限定されない。本実施形態で重要なことは、半導体レーザ素子１の光出力の絶対値を測定することではなく、増幅器５で増幅された後の半導体レーザ素子１の光出力の、温度変化による変化を測定することであるので、半導体レーザ素子１からの光出力をフォトダイオード２に入射できる配置であればいずれの配置であっても良い。例えば、ミラーの分岐比率が１：１である必要はなく、より多くの光出力を取り出すために、ＰＤへの分岐を低下させたミラーを用いても良い。

また、半導体レーザ素子１と光増幅器５とフォトダイオード２とは、必ずしも別個の部品で構成する必要は無く、半導体レーザ素子１の同一基板上に集積しても良い。

フォトダイオード２には、半導体レーザ素子１の光出力をほぼ一定に保つ制御を行う光出力制御回路３（ＡＰＣ回路とも呼ぶ）が電気的に接続されている。光出力制御回路３には、光出力制御回路３からの電流を増幅器５と半導体レーザ素子１の波長制御領域とに分配する電流分配回路４が電気的に接続されている。

なお、本明細書において、半導体レーザ素子１の「利得領域」とは、利得を調整する領域であって、図１においては、第１および第２のＤＦＢ領域を指す。また、「位相制御領域（位相シフト領域）」とは、その領域を通過する光の波長を調整する領域である。

図４において、ＡＰＣ動作の場合、光増幅器５で増幅した後の半導体レーザ素子１からの光出力をフォトダイオード（ＰＤ）などにより監視し、温度上昇で光出力が低下したら光出力を増加するように光出力制御回路３（ＡＰＣ回路）を用いて光増幅器５への注入電流を増加させる。すなわち、フォトダイオード２に入る光出力が設定した光出力となるように光増幅器５に流す電流に帰還をかける。このとき、帰還される電流を、電流分配回路４により、ある一定の割合で光増幅器５に流れる電流Ｉ_aｍpと半導体レーザ素子１の位相制御領域に流れる電流Ｉ_phaseとに分配するようにすることにより、位相シフト量が変化し、電流が増加した場合には、発振波長はストップバンドの中を短波長側に移動する。従って、ＤＦＢ領域と位相制御領域とに流れる電流の分配量を適切に設定すれば、温度上昇によるブラッグ波長およびストップバンドの長波長化を、位相シフト量変化による短波長化により相殺し、発振波長の温度変化を制御することが可能となる。

以下で、本実施形態に係る位相制御方法を詳細に説明する。

フォトダイオード２は、光増幅器５で増幅された半導体レーザ素子１からの光出力を受光すると、該光出力に関する光出力電気信号を光出力制御回路３へと出力する。光出力制御回路３は、光出力電気信号が入力されると、入力された光出力電気信号に応じて、光増幅器５で増幅された半導体レーザ素子１からの光出力がほぼ一定となるように、光増幅器５および半導体レーザ素子１の位相制御領域への注入電流の電流値を設定する。次いで、光出力制御回路３は、設定された電流値を有する、注入電流に関する注入電流電気信号を電流分配回路４へと出力する。電流分配回路４は、注入電流電気信号が入力されると、注入電流の電流値を一定の割合で分配して、該分配された電流値から光増幅器５への電流Ｉ_aｍpおよび半導体レーザ素子の位相調整電流Ｉ_phaseに関する電流の値をそれぞれ決定する。電流Ｉ_aｍpおよび電流Ｉ_phaseに関する電気信号を電源（不図示）に出力すると、該電源は、電流Ｉ_aｍpを光増幅器５へ、また、電流Ｉ_phaseを半導体レーザ素子１の位相制御領域へと出力する。

また、電流分配回路４と電源とを個別に用いているが、電源を電流分配回路４に組み込んでも良い。このとき、電流分配回路４は、分配された電流Ｉ_aｍpおよび電流Ｉ_phaseに関する電流の値を基に、電流Ｉ_aｍpを光増幅器５へ、また、電流Ｉ_phaseを半導体レーザ素子１の位相制御領域へと出力する。

本実施形態では、光出力制御回路３からは、注入電流に関する電気信号を出力しているが、設定された電流値を有する注入電流を電流分配回路４に出力しても良い。この場合は、光出力制御回路３から注入電流を直接電流分配回路４へと出力する。この注入電流が入力されると、電流分配回路４は、注入電流を一定の割合で分配して、電流Ｉ_aｍpおよび電流Ｉ_phaseを光増幅器５および半導体レーザ素子１に出力する。従って、この場合は、電流分配回路４は、注入電流の分配のみを行う。このように構成することで、光出力制御回路３のみに電源を設ければ良くなるので、装置のより簡素化を図ることができる。

このように波長制御を行えば、素子の温度上昇により、ＤＦＢ領域において、ブラッグ波長およびストップバンドが長波長側にシフトしても、温度上昇に応じて設定された電流Ｉ_phaseにより位相制御領域の屈折率を小さくすることにより、位相制御領域における強め合う干渉を起こす波長をほぼ一定に保つことができる。すなわち、波長制御領域には、長波長側にシフトしたストップバンド内の波長の光が入射することになるが、強め合う干渉を起こす波長は、そのバラツキが抑制される。よって、素子の温度が上昇しても、発振波長のバラツキを抑えることが可能となる。

本実施形態では、光出力制御回路３にて決められた注入電流を、電流分配回路４にて、電流Ｉ_aｍpと電流Ｉ_phaseとに分配しているが、ここでの目的は、素子の温度が変化しても、光出力を一定とし、かつ発振波長の安定性を向上させることである。図４の構成では、半導体レーザ素子１の温度変化に応じて、半導体レーザ素子１の光出力が変化し、光増幅器５にて増幅された上記光出力が変化することによって、フォトダイオード２の受光強度は変化する。該受光強度、すなわち、半導体レーザ素子１の光出力の変化に応じて、光出力制御回路３は、注入電流値を決定している。よって、フォトダイオード２および光出力制御回路３は、温度変化の有無の検知と温度変化量の検知との役割を果たしている。これは、素子の温度が変化すると、フォトダイオード２の受光強度が変化するので、光出力制御回路３からの注入電流値は変化するが、この変化が起こると、素子の温度が変化したことを示し、また、注入電流値の変化の度合いが、素子温度の変化の度合いに反映されているからである。

本実施形態のように、光出力制御回路３と電流分配回路４とを組み合わせることにより、電流Ｉ_aｍpおよび電流Ｉ_phaseにも、素子の温度変化を反映させることができる。よって、素子の温度変化を反映した電流Ｉ_aｍpにより、温度が変化しても、光出力をほぼ一定に保つことが出来る。また、電流Ｉ_phaseにより、位相制御領域において、上記温度変化に応じた量の位相シフトを行うことができる。よって、温度が変化しても、発振波長の安定性を向上させることが可能となる。

すなわち、光出力制御回路３と電流分配回路４とを組み合わせることにより、温度変化に応じて決められた注入電流を基に、すなわち、該注入電流を分配して、電流Ｉ_aｍpおよび電流Ｉ_phaseを決めているので、素子の温度を一定にするための制御を行うことなく、光出力をほぼ一定に保つことができ、かつ、発振波長のバラツキを抑えることが可能となる。

光出力を一定に保つためには、半導体レーザ素子１のＤＦＢ領域すなわち利得領域に流す電流Ｉ_DFBを変化させてもよいが、本実施形態のように半導体レーザ素子１の光出力を増幅する増幅器５の電流Ｉ_aｍpを変化させることにより、Ｉ_DFBを独立に制御することが可能となる。Ｉ_DFBを一定値としておいても良く、例えば、Ｉ_DFBにより光強度変調を行うことも可能である。また、本実施形態で用いているＤＦＢ型の波長可変レーザの場合、波長変化幅を大きくするためには、後述するようにＤＦＢ領域の長さを短くする必要があるため利得領域が短くなってしまう。このため、特に高温度下で光出力を大きくすることが難しく、広い温度範囲に渡って光出力を一定に保つことが困難となるが、光増幅器５を用いることによりこれを回避できる。

また、光増幅器５で増幅された光出力をモニタするということは、光増幅器の温度依存性も測定していることになるが、電流分配回路についても光増幅器の温度依存性も含めて設計すればよく、本実施形態においては特に問題が生じることはない。

なお、本実施形態では、電流分配回路４は、光出力制御回路３にて決定された注入電流を一定の割合で分配しているが、これに限定されない。例えば、電流分配回路に非線形素子を組み込むことによって、温度上昇が大きい程、すなわち、光出力制御回路３にて決定された注入電流が大きい程、分配比が大きくなるようにしても良い。

すなわち、本実施形態において、電流分配回路は、素子の電流−光出力の温度依存性と位相シフト量の電流量依存性から回路設計することができる。完全な補償を行う場合には回路構成も複雑になるが、例えば抵抗による簡単な分配であった場合、完全な温度依存性の補償はできなくとも、従来の半導体レーザよりも温度依存性を小さくすることができ、温度による波長変化幅をある範囲内に抑えるには有効である。また、簡単な分配回路であれば、レーザモジュールの中に組み込むことも可能であるため、見かけ上は通常の素子として扱うことが可能となり取扱上も容易となる。さらには、光増幅器５と半導体レーザ素子１の位相制御領域との構造が異なるため、各素子における素子抵抗が異なることが考えられるが、素子抵抗より十分大きな抵抗値を用いて電流分配回路を構成することで素子抵抗を無視できる。通常、素子抵抗は数Ω程度であるため、十倍以上の数十Ω程度以上とすればよく、百倍以上の数百Ω程度とすることにより、素子抵抗の変化に対する電流分配の影響はより少なくなる。

従来の半導体レーザにおいては、発振波長を安定化するために、ペルチェ素子などを用いて温度を一定に保つなど、温度を監視し制御する必要があったが、本実施形態により温度監視の必要が無くなる。帰還はＡＰＣ動作のみで良いことになり、温度制御も必要が無くなるため、大幅にシステムの簡易化が可能となる。光出力をモニタし制御することは、半導体レーザの使用時にはしばしば行われるため、ＡＰＣ動作回路を新たに組み込む必要が無い場合も多い。その場合、新たに加えるのは電流分配回路だけでよいため、簡単に本実施形態のシステムを構成できる。

温度上昇による発振波長の長波長化を波長可変機構で補償するためには、波長可変幅が広いことが必要である。通常のＤＦＢレーザにおける波長の温度による変化は０．１ｎｍ／℃程度であるので、２０−８０℃の範囲で波長を安定化するには６ｎｍの補償が必要である。すなわち、波長可変レーザにおける波長の連続可変幅が６ｎｍ以上必要である。本実施形態で用いるＤＦＢ型波長可変レーザにおいては、ストップバンドの中で波長が変化するため、ストップバンドの幅を６ｎｍ以上とする必要がある。

図５は、回折格子の結合係数κと回折格子長Ｌの積κＬとに対するストップバンド幅とブラッグ波長における反射率を示す図である。図５から、ストップバンド幅を広げるためには、κを大きくするかＬを短くすれば良いことがわかる。しかしながら、Ｌを短くしすぎると反射率が小さくなってしまうため、閾値電流の増加や最悪の場合はレーザ発振に至らない場合が生じる。反射率は出力効率にも関わるパラメータであるため、閾値電流と出力効率などの関係から得ようとする特性によって決定されるべきであるが、例えば、反射率９０％以上を得るためには、積κＬを１．８以上としなければならず、反射率９５％以上を得るためには、積κＬを２．２以上としなければならない。このため、ストップバンドを６ｎｍ以上とし、反射率を９０％以上とするためには、κを１５０ｃｍ^−１以上としなければならない。ストップバンドを６ｎｍ以上とし、反射率を９５％以上とするためには、κは１５０ｃｍ^−１では足りず２００ｃｍ^−１程度であれば十分である。

温度補償範囲を広げたり、動作範囲に余裕を持たせたりするためには、ストップバンドを更に広げ１０ｎｍ程度とすればよい。ストップバンドを１０ｎｍ以上とし、反射率を９０％以上とするためには、ｋを２５０ｃｍ^−１以上としなければならない。ストップバンドを１０ｎｍ以上とし、反射率を９５％以上とするためには、ｋは２５０ｃｍ^−１では足りず３００ｃｍ^−１程度であれば十分である。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、２つのＤＦＢ領域により位相制御領域を挟んだ構造をした波長可変レーザを用いたが、電流注入により波長が連続的に変化する波長可変レーザであれば、本発明の原理を用い、アサーマルレーザとして用いることが可能である。また、完全なアサーマル化を目的とせず、例えは波長変化がある範囲内におさまれば良いような場合であれば、波長が連続的に変化する波長可変レーザで無くとも、電流注入によって波長が変化する方向が、波長の温度変化を補償する範囲において常に同じであるようなレーザであれば本発明の原理を利用できる。

図６に示すように、第１の実施形態で用いた波長可変レーザの片側のＤＦＢ領域を高反射率の誘電体膜（ＨＲ膜）２１０により置き換えた構造でもよい。ＩｎＰ半導体基板２０１上にＧａＩｎＡｓＰ下部ガイド層２０２、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２０３、ＧａＩｎＡｓＰ上部ガイド層２０４、ＩｎＰクラッド２０５が順次積層されており、上部ガイド層２０４とクラッド２０５の間には回折格子が設けられている。ＤＦＢ領域に連続して形成された位相制御領域では、半導体基板２０１上にＧａＩｎＡｓＰコア層２０６、クラッド２０５が積層されている。素子表面には、それぞれの領域の電極として、ＤＦＢ領域上には電極２０７、位相制御領域上には電極２０８が形成されている。ＩｎＰ半導体基板２０１の下部には下部電極２０９が形成されており、それぞれの領域において、下部電極２０９は共通となっている。用いる半導体材料、活性領域の形状、導波路構造などは、第１の実施形態と同様に特に制限はない。

また、例えば、図７に示すように、少なくとも一方が波長選択性を持つ利得を有しない２つの領域、つまり図７で示す例では分布ブラッグ反射型（ＤＦＢ）領域により、利得を有する活性領域を挟み込んだ、いわゆる分布ブラッグ反射型（ＤＦＢ）レーザであっても、ＡＰＣ制御電流を適宜分配することによりアサーマルレーザを実現できる。素子中央部の活性領域においては、ＩｎＰ半導体基板３０１上にＧａＩｎＡｓＰ下部ガイド層３０２、ＧａＩｎＡｓＰ活性層３０３、ＧａＩｎＡｓＰ上部ガイド層３０４、ＩｎＰクラッド３０５が順次積層されている。両側のＤＢＲ領域では、ＩｎＰ半導体基板３０１上にコア層３０６とクラッド３０５が順次積層されており、コア層３０６とクラッド３０５の間には回折格子が設けられている。素子表面には、それぞれの領域の電極として、活性領域上には電極３０７、ＤＢＲ領域上には電極３０８ａおよび３０８ｂが形成されている。ＩｎＰ半導体基板３０１の下部には下部電極３０９が形成されており、それぞれの領域において、下部電極３０９は共通となっている。

用いる半導体材料、活性領域の形状、導波路構造などは、第１の実施形態と同様に特に制限はない。ＤＢＲ型波長可変レーザの場合、レーザ自体の光出力は活性領域に流すＩ_actにより変化し、波長はＩ_DBRにより変化する。したがって、第１の実施形態で述べたＤＦＢ型波長可変レーザをＤＢＲ型波長可変レーザに置き換える場合、Ｉ_DFBをＩ_actにＩ_phaseをＩ_DBRに置き換えればよい。

なお、図６や図７の構成の半導体レーザ素子を、図４の半導体レーザ素子として用いれば、第１の実施形態と同様に動作させることができる。

さらに、従来の技術の項で説明したＴＴＧ−ＤＦＢレーザなども本発明の波長可変レーザとして用いることができる。

（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態では、波長の温度変化を打ち消す方向に電流分配している、すなわち、素子の温度上昇による波長変化を低減させるように電流分配を行っている。本実施形態では、これに限定されず、波長の温度変化を増加させるように、すなわち、素子の温度上昇による波長変化を大きくするように電流分配してもよい。そのためには、波長可変レーザの波長制御電流に対して波長が長波長側に変化するようにするか、電流分配回路により、電圧が上がった場合に電流が低減するようにすればよい。電圧上昇に伴って電流値が逆向きに変化するには、例えば共鳴トンネルダイオードなどを回路に含め、負性抵抗を用いてもよい。

例えば、利得の温度変化は屈折率の温度変化に比べて大きな変化率を持つ。利得が最も大きな波長において発振を起こすことが最も効率が良いが、温度変化により屈折率により決まる発振波長と、利得のピーク波長との間の差が変化する。そのため、ＤＦＢレーザなどの単一モード半導体レーザでは、室温における発振波長を利得のピーク波長からずらしておくなど、温度変化した際に利得ピークとの差が変化することを踏まえた設計をしている。そこで、本実施形態を用い、温度による波長変化をさらに大きくすることにより、発振波長の温度変化と利得の温度変化が同じになるようにし、常に利得ピーク波長で発振するように設定したり、一定の差を保った状態で動作させたりするように設定すれば、安定した効率の良い動作が得られることになる。

（第４の実施形態）
第１の実施形態において、温度補償範囲を広くとるために半導体レーザ素子の波長可変量を大きくするには、位相調整電流Ｉ_phaseはできるだけ小さい値から始めることが望ましい。したがって、半導体レーザ素子１の位相調整電流Ｉ_phaseと光増幅器５に流す電流Ｉ_ampとの分配が比例関係もしくはそれに近い回路で構成する電流分配回路４を用いる場合を考えると、光増幅器５に流す電流Ｉ_ampも小さい値から始めることになるため、任意の出力において波長を固定することが困難となる。これを回避するには、予め光増幅器５に流す電流Ｉ_ampに、Ｉ_phaseが小さい場合でも、任意の出力を得るためのある一定の定電流分を含める回路を考えなければならず、回路が複雑になる場合がある。

しかし、図８の構成のように、第一の光増幅器５と第二の光増幅器７とを直列に用いることにより、どちらか一方に温度により決まる帰還電流Ｉ_amp1を流し、もう一方に帰還回路とは独立したある一定の電流Ｉ_amp0を流すことにより、第１の実施形態における増幅電流Ｉ_ampに定電流分を含めた動作と同様の効果が得られる。

すなわち、本実施形態では、増幅器５、７を２台直列に接続し、それぞれを別個に制御することにより、素子の温度によらず光出力を一定に保つための第１の増幅と、任意の光出力を得るための第２の増幅とを同時に行うことができる。

第一の光増幅器５と第二の光増幅器７は、必ずしも別の素子である必要は無く、一つの増幅器の電極を二つに分け、２入力の光増幅器としても良い。このような光増幅器を用いると、光結合損失の低下やコスト増加を防ぐことができる。また、半導体レーザ素子１などの他の半導体素子と同一基板上に集積しても良い。

図８においては、半導体レーザ素子１に近い増幅器５に電流分配回路４からの第１の電流（素子の温度によらず光出力を一定に保つための増幅に関わる電流）を流し、ハーフミラー６に近い増幅器７に第１の電流とは独立の第２の電流（任意の光出力を得るための増幅に関わる電流）を流しているが、第１の電流を増幅器７に流すようにし、第２の電流を増幅器５に流すようにしても良い。また、本実施形態では、増幅器を２つ用いているが、３つ以上用いても良い。すなわち、第１の増幅と第２の増幅とを行うように回路構成を行いさえすれば、２つ以上の増幅器を直列に用いても良い。

（第５の実施形態）
前述の第１から第４の実施形態において、光出力を一定に保つために、光出力を検知したフォトダイオード（ＰＤ）からの信号をもとに光出力制御回路（ＡＰＣ回路）にてレーザ素子もしくは増幅器に流す電流に関する値を決定し、電流分配回路によりそれぞれの素子に分配する電流量を決定していた。

しかし、図９のようにＰＤ２からの出力を予め２つに分け、２つの独立したＡＰＣ回路８およびＡＰＣ回路９に流しても同様な効果を得ることができる。図９では、前述の第１から第４の実施形態との関係をわかりやすくするために、ＰＤ２からの信号が一定となるように動作するという意味で２つの光出力制御回路をＡＰＣ回路として表記した。全く同一のＡＰＣ回路を用いれば、ＡＰＣ回路８から半導体レーザ素子（波長可変ＬＤ素子）１に流れる電流Ｉ_phaseとＡＰＣ回路９から光増幅器５に流れる電流Ｉ_ampとに差は生じない。しかしながら、２つのＡＰＣ回路８およびＡＰＣ回路９による帰還の仕方、割合に差を設ける、すなわち、例えばＰＩＤ（比例・積分・微分）制御の係数を適切に決定することにより、電流Ｉ_phaseと電流Ｉ_ampとの間に差を生じさせることができる。

これにより、電流分配回路により帰還電流を分配した効果を同時に得ることができる。言い換えれば、第１から第４の実施形態の電流分配回路の機能を、光制御回路を独立した２つの回路を並列に用いることによって実現する。

上述した、本発明の一実施形態に係る半導体レーザの発振波長の温度無依存化方法を用いれば、新しい半導体材料や、半導体以外の材料と組み合わせることなく、これまでに加工技術が確立されている半導体のみを用い、発振波長測定や温度測定をすることなく、発振波長が温度変化に対して安定な半導体レーザを提供することができる。また、光通信用光源などにおける発振波長が安定であることが必要な場合であっても温度調整機構を必要としない半導体レーザ装置を得ることができる。さらには、電流分配量の変更などにより発振波長の温度依存性を任意に変更することができるため、例えば、温度変化による発振波長と利得ピーク波長との乖離を低減し、効率のよい発振動作を得ることが可能となる。

なお、本発明の一実施形態における本質は、ＡＰＣ回路や電流分配回路を用いることではなく、増幅器によって増幅された、半導体レーザ素子からの光出力の強度に応じて、半導体レーザ素子の波長制御領域の屈折率の制御、および半導体レーザ素子からフォトダイオードに出力される光出力を一定に保つような増幅の制御を行うことである。

本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの断面図である。 本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの動作を説明する図である。 本発明の一実施形態に係るＡＰＣ動作を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る、波長安定化のためのシステムを説明する図である。 本発明の一実施形態に係る、結合係数に対するストップバンド幅と反射率を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの断面図である。 本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの断面図である。 本発明の一実施形態に係る波長安定化のためのシステムを説明する図である。 本発明の一実施形態に係る波長安定化のためのシステムを説明する図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ素子
２ フォトダイオード
３、８、９ 光出力制御回路
４ 電流分配回路
５、７ 増幅器
６ ハーフミラー
１０１，２０１，３０１ 半導体基板
１０２，２０２，３０２ 下部ガイド層
１０３，２０３，３０３ 活性層
１０４，２０４，３０４ 上部ガイド層
１０５，２０５，３０５ クラッド
１０６，２０６，３０６ コア層
１０７ａ，１０７ｂ，２０７ ＤＦＢ領域電極
１０８，２０８ 位相制御領域電極
１０９，２０９，３０９ 下部電極
２１０ 高反射膜（ＨＲ膜）
３０７ 活性領域電流
３０７ａ，３０７ｂ ＤＦＢ領域電極

Claims (11)

1. 発振波長を調整する波長制御領域を少なくとも１つ以上有し、前記領域に第１の電流が入力されることにより波長が変化する波長可変レーザと、
   第２の電流を入力されることにより、前記波長可変レーザの光出力を増幅する増幅器と、
   前記増幅器により増幅された波長可変レーザの光出力を受光する受光部と、
   前記増幅器により増幅された波長可変レーザの光出力を一定に保つように、前記受光部により受光された光出力に応じて、前記第１の電流の第１の値および第２の電流の第２の値をそれぞれ決定し、該第１の値を有する第１の電流を前記波長可変レーザの波長制御領域に出力し、前記第２の値を有する第２の電流を前記増幅器に出力する出力制御手段と
   を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記出力制御手段は、
   前記増幅器により増幅された波長可変レーザの光出力を一定に保つように、前記受光部により受光された光出力に応じて、第３の電流の値を決定し、該第３の電流の値に関連する電流を出力する光出力制御回路と、
   前記第３の電流の値に関連する電流が入力されると、前記光出力制御回路によって決定された第３の電流の値に基づいて、前記第３の電流の値を分配し、該分配された電流の値から、前記波長可変レーザの波長制御領域へと出力する第１の電流の第１の値を決定し、前記増幅器へと出力する第２の電流の第２の値を決定する電流分配回路と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
3. 前記出力制御手段は、
   前記受光部の後段側に配置された、前記増幅器により増幅された波長可変レーザの光出力を一定に保つように、前記受光部により受光された光出力に応じて、前記第１の電流の第１の値を決定し、該第１の値を有する第１の電流を前記波長可変レーザの波長制御領域に出力する第１の回路と、
   前記受光部の後段側に、前記第１の回路と並列に配置された、前記増幅器により増幅された波長可変レーザの光出力を一定に保つように、前記受光部により受光された光出力に応じて、前記第２の電流の第２の値を決定し、該第２の値を有する第２の電流を前記増幅器に出力する第１の回路と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
4. 前記第３の電流の値に関する電流は、前記第３の電流の値に関する電気信号であることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ装置。
5. 前記第３の電流の値に関する電流は、前記第３の電流そのものであることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ装置。
6. 前記増幅器および前記位相制御領域へ出力される電流が、前記波長可変レーザの温度上昇による波長変化を低減させるように決定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
7. 前記増幅器および前記位相制御領域へ出力される電流が、前記波長可変レーザの温度上昇による波長変化を大きくするように決定されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
8. 前記波長可変レーザは、結合係数１５０ｃｍ^−１以上の回折格子を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
9. 前記出力制御手段は、前記波長可変レーザの素子抵抗の１０倍以上の抵抗を有する抵抗素子を備えることを特徴とする請求項１乃至８に記載の半導体レーザ装置。
10. 前記増幅器は、少なくとも２つ以上の増幅素子の縦列接続、もしくは、独立に電流注入が行える少なくとも２つ以上の縦列接続された増幅領域からなる増幅素子からなり、その中の少なくとも１つ以上の増幅素子または増幅領域に前記出力制御から出力された第２の電流を注入することを特徴とする請求項１乃至９に記載の半導体レーザ装置。
11. 発振波長を調整する波長制御領域を少なくとも１つ以上有し、前記領域に第１の電流が入力されることにより波長が変化する波長可変レーザの光出力を、第２の電流を入力されることにより増幅する増幅工程と、
    前記増幅された波長可変レーザの光出力を受光する受光工程と、
    前記増幅された波長可変レーザの光出力を一定に保つように、前記受光された光出力に応じて、前記第１の電流の第１の値および第２の電流の第２の値をそれぞれ決定し、該第１の値を有する第１の電流を前記波長可変レーザの波長制御領域に出力し、前記第２の値を有する第２の電流により前記増幅を制御する出力制御工程と
    を有することを特徴とする波長制御方法。
    

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