JP2007294565A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】直接変調方式で波長チャープの小さい光信号を発生させる半導体レーザを提供する。
【解決手段】前方分布帰還型活性領域１０１、中央分布帰還型活性領域１０２および後方分布帰還型活性領域１０３の各々には、光導波層３の上面３ａに近接するようにｐ型ＩｎＰクラッド層４内に埋め込まれた回折格子５が設けられている。そして、中央分布帰還型活性領域１０２中の回折格子５には、位相シフト部６が形成されている。位相シフト部６の大きさは、ブラッグ波長をλとすると、例えば３λ／８とする。
【選択図】図２

Description

本発明は光ファイバ通信、特に直接変調方式で波長チャープの小さい光信号を発生させる半導体レーザに関する。

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に及んでいる。また、現在は低通信速度のアクセス系においても今後高速化が進み、将来１０Ｇｂｐｓまでの通信速度が導入されるものと想定される。

現状のシステム構成では、数１０ｋｍ以上の距離を伝送させる場合には、生成した光信号の波長チャープが伝送距離の主な制限要因となりやすい。すなわち、光信号の生成時に信号の立ち上がり部や立ち下がり部に波長チャープが含まれるため、伝送時のファイバの波長分散により波形が歪み、伝送距離が制限される。

半導体の電界吸収型変調器やＬｉＮｂＯ３光変調器などの外部光変調器を用いると上記の波長チャープを小さくすることができるため、長距離伝送をさせる場合には何らかの外部光変調器を使用することが一般的であった。

半導体ＤＦＢレーザ（distributed feedback laser）の直接変調においては、例えば駆動電流の立ち上がり時に緩和振動による急激な光強度およびキャリア密度の変化が生じやすい。このようなキャリア密度の変化がレーザ内の屈折率を変化させるため、発振波長はキャリア密度を反映し、通常数１０ＧＨｚ程度の無視できない大きさの波長チャープを伴う。この欠点のため、ＤＦＢレーザの直接変調は、機器の構成が簡素かつ安価にできる利点があるにもかかわらず、上記の立ち上がりあるいは立ち下がりの寄与が小さくなる低い通信速度か、極めて近距離用の場合に限られてきた。

ＤＦＢレーザの直接変調の際の欠点である波長チャープを小さくできれば、伝送可能な距離が増大し、簡素かつ安価に送信器を構成できる。これまでにＤＦＢレーザの波長チャープを低減する方式として、いくつかの報告がなされている。

ＤＦＢレーザの直接変調時の波長チャープを低減する方法の例として、初めに、Y. Huangらの非特許文献１および特許文献１に開示された半導体レーザについて説明する。

これらの文献では、戻り光に対する耐性を高めるための方式が検討されているが、チャープを低減する効果も検討されている。

非特許文献１および特許文献１では、１．５５μｍ帯で発振するＤＦＢレーザが示されており、素子中央にλ／８位相シフトが設けられている。素子内部でキャリア密度分布に応じた屈折率分布があると、位相シフトは実効的に変化する。ステップ関数状の駆動電流を与えた場合、発振立ち上がり時には、空間的ホールバーニング（ＳＨＢ）が生じて、素子中央部分のキャリア密度が外側部に比べて減少し、実効的に位相シフトが減少する。

位相シフトを素子中央に１ヶ所導入したＤＦＢレーザでは、λ／４位相シフトの場合に最も閾値利得が小さくなり、位相シフトの値がλ／４から遠ざかるにしたがって閾値利得が増加していく。

λ／８位相シフトを導入した場合、立ち上がり時に実効的位相シフトが減少しながら推移し、閾値利得が徐々に増加していくため、光出力やキャリア密度変化のオーバーシュートが抑えられ、緩和振動が抑制される。このようにキャリア密度変化が抑制される結果、波長チャープが低減されると報告されている。

次に、特許文献２で開示された別の構造の半導体レーザについて説明する。特許文献２では、３電極構造の半導体レーザが検討されており、中央領域にはλ／４位相シフトが設けられている。中央領域の領域長を適切に調整した場合、前方および後方領域の駆動電流と中央領域の駆動電流を非対称にすることによって、等価屈折率分布の不均一形状分布に起因した波長変動を抑制できると報告されている。

特開２０００−７７７７４ 特開平５−２９７０９ Y. Huang et al.,"Isolator-Free 2.5-Gb/s 80-km transmission by Directly Modulated λ/8 Phase-Shifted DFB-LDs Under Negative Feedback Effect of Mirror Loss,"IEEE Photonics Technology Letters, Vol.13, No.3, (2001) pp.245-247.

ＤＦＢレーザを直接変調で駆動する簡素かつ安価な送信器を実現するためには、通信速度の点から必要な変調帯域を満たした上で、必要な伝送距離を満足できるように波長チャープを低減することが必要である。

例えば、１０Ｇｂｐｓの帯域を満たすことは、緩和振動周波数の高い構造の半導体レーザとすることで従来技術により実現されている。一方、波長チャープは、従来の構造の素子では、線幅増大係数αの小さい構造を有する半導体レーザを用いても２０ＧＨｚ程度以下にすることは容易でなく、通常の単一モードファイバに対しての伝送距離が高々１０ｋｍ程度となってしまうため、波長チャープの低減が必要であった。

特に１０Ｇｂｐｓ以上の通信速度の場合には、半導体レーザ活性層でのキャリア再結合の時定数に比較してデータ間隔が短くなり、キャリア密度分布の時間変化が駆動電流の変化に十分追随することが困難になる。そのため、従来の１電極（２つの主電極が共に１枚の電極で構成されたもの）構造の半導体レーザや特許文献１に記載された位相シフトを調整した構造の半導体レーザを用いた場合でも、キャリア密度変化に伴う波長チャープが大きくなりやすく、直接変調によりチャープが低減された信号を良好に生成することが困難であるという問題があった。

また、特許文献２に記載された電極長を調整した構造の半導体レーザにおいては、等価屈折率分布の不均一形状分布を改善できたとしても、１０Ｇｂｐｓ以上の通信速度での直接変調駆動時のキャリア密度の時間変化が十分低減されず、チャープが低減された信号を良好に生成することが困難であるという問題があった。

このように、従来技術では、直接変調駆動する半導体レーザでチャープが低減された信号を良好に生成することが困難であった。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、直接変調方式で波長チャープの小さい光信号を発生させる半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明に係る請求項１記載の半導体レーザは、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導電型の第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成された光導波層と、前記光導波層上を含めて前記第１のクラッド層上に形成された第２導電型の第２のクラッド層と、前記第２のクラッド層中に形成され、前記光導波層に近接するとともに前記光導波層に沿って延在する回折格子と、前記第２のクラッド層上に配設され、前記光導波層の延在方向に沿って互いに電気的に分離されて順に配列された第１、第２および第３の電極とを備え、前記半導体基板、前記第１のクラッド層、前記光導波層、前記回折格子および前記第２のクラッド層によって分布帰還型活性領域が構成され、前記分布帰還型活性領域は、前記第１ないし第３の電極の配設領域下方に対応する領域が、それぞれ前方領域、中央領域および後方領域として区分され、前記前方および後方領域は変調電流により駆動され、前記中央領域は直流電流により駆動されるものであって、前記回折格子は、前記中央領域において少なくとも１つの位相シフト部を有し、前記分布帰還型活性領域のブラッグ波長をλとした場合に、前記位相シフト部の位相シフト量が、０．３１λ以上０．４２λ以下の値に設定される。

本発明に係る請求項１記載の半導体レーザによれば、位相シフトの位相シフト量を、０．３１λ以上０．４２λ以下の値に設定することで、発振立ち上がり時および立ち下がり時のキャリア密度変化によるストップバンド全体の動的波長シフトと、実効的位相シフトの変化によるストップバンド内での相対的発振波長位置の動的シフトとが相殺されるので、波長チャープを低減させることができ、従来の送信器よりも光信号の伝送距離が改善された送信器を実現できる。

＜実施の形態＞
以下、本発明に係る実施の形態について図１〜図９を用いて説明する。

＜Ａ．装置構成＞
図１は、本実施の形態に係る半導体レーザ１００（レーザ素子と呼称する場合あり）の構成を示す斜視図である。

図１に示すように、半導体レーザ１００では、ｎ型インジウム燐（ＩｎＰ）基板１（第１導電型の半導体基板）上にｎ型ＩｎＰクラッド層２（第１導電型クラッド層）が形成されている。このｎ型ＩｎＰクラッド層２の表面内に、ストライプ状のインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）光導波層３が形成されている。

そして、光導波層３の幅方向の両側面外方のｎ型ＩｎＰクラッド層２の表面内には、電流を狭窄するための高抵抗ＩｎＰ電流閉じ込め層８が２層構造で形成されている。

また、光導波層３上を含めて、ｎ型ＩｎＰクラッド層２上にｐ型ＩｎＰクラッド層４（第２導電型クラッド層）が形成されている。

このｐ型ＩｎＰクラッド層４には、光導波層３上に沿って回折格子５が埋め込まれるように設けられ、回折格子５の一部には図示されない位相シフト部が形成されている。

また、ｐ型ＩｎＰクラッド層４上にはｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７が形成されているが、当該コンタクト層７は、エッチングによって形成された分離溝９ａ、９ｂによって３つの部分が直列に並ぶように分離されている。

そして、３つに分離されたｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７上には、中央部分のコンタクト層７上にｐ型層側電極２１ｂが形成され、その両側のコンタクト層７上に、それぞれｐ型層側電極２１ａおよび２１ｃが形成されるが、それらは分離溝９ａ、９ｂによって互いに隔てられ、多電極構造を構成している。また、ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側には、ほぼ全面に渡ってｎ型層側電極２０が設けられている。

半導体レーザ１００においては、光導波層３として多重量子井戸層を用いており、小さい線幅増大係数を得るために、利得ピーク波長を例えば２０ｎｍ程度とし、発振波長に対して長波長側に離調させている。

図２は、図１に示したの半導体レーザ１００の共振器方向の断面図（図１中のＡ−Ａ線での断面図）である。

図２に示すように、半導体レーザ１００の共振器方向の両端面の各々に低反射率の反射防止膜（ＡＲ膜）３０が形成されている。

半導体レーザ１００は、ｐ型層側電極２１ａ〜２１ｃの配設領域に対応して、それぞれ、前方分布帰還型活性領域１０１（前方領域と呼称する場合あり）、中央分布帰還型活性領域１０２（中央領域と呼称する場合あり）および後方分布帰還型活性領域１０３（後方領域と呼称する場合あり）とに区別される。

すなわち、前方分布帰還型活性領域１０１は、光導波層３を一部に含んでおり、レーザ光出射方向に対して前方（図２に向かって左方）に位置している。また、後方分布帰還型活性領域１０３は、光導波層３を一部に含んでおり、レーザ光出射方向に対して後方（図２に向かって右方）に位置している。中央分布帰還型活性領域１０２は、光導波層３を一部に含んでおり、前方分布帰還型活性領域１０１と後方分布帰還型活性領域１０３との中間に位置している。

そして、ｐ型層側電極２１ａおよび２１ｃは電気的に共通に接続され、ｐ型層側電極２１ｂはｐ型層側電極２１ａおよび２１ｃとは電気的には接続されない構成となっている。

前方分布帰還型活性領域１０１、中央分布帰還型活性領域１０２および後方分布帰還型活性領域１０３の各々には、光導波層３の上面３ａに近接するようにｐ型ＩｎＰクラッド層４内に埋め込まれた回折格子５が設けられている。

そして、中央分布帰還型活性領域１０２中の回折格子５には、位相シフト部６が形成されている。位相シフトの大きさは、ブラッグ波長をλとすると、例えば３λ／８とし、形成位置はレーザ素子中央とする。

また、前方分布帰還型活性領域１０１、中央分布帰還型活性領域１０２および後方分布帰還型活性領域１０３の共振器方向での領域長は、例えば、それぞれ１１０μｍ、３０μｍ、１１０μｍであり、これら領域の総和をＬ＝２５０μｍとする。

ここで、回折格子結合係数κを、例えばκ＝９０ｃｍ^-1とすると、κＬ＝２．２５となる。回折格子結合係数κの大きさは、レーザ素子全域で均一である必要はなく、前方への出力光強度を後方より大きくするために、前方分布帰還型活性領域１０１のκを後方分布帰還型活性領域１０３のκより小さくするなど非対称であっても良い。また、位相シフト部６の位置もレーザ素子中央に限定する必要はない。

また、前方分布帰還型活性領域１０１の領域長と後方分布帰還型活性領域１０３の領域長は同一である必要はなく、非対称であってよい。

κＬの値は、上記の値に限定されることなく、閾値電流が大きくなり過ぎない程度にκＬの値を小さくしたり、スロープ効率が小さくなり過ぎない程度にκＬの値を大きくしても良い。

＜Ｂ．駆動方法＞
次に、半導体レーザ１００の駆動方法を説明する。
半導体レーザ１００においては、上述したようにｐ型層側電極２１ｂが分離溝９ａ、９ｂによって、ｐ型層側電極２１ａおよび２１ｃと電気的に分離され、ｐ型層側電極２１ａおよび２１ｃは電気的に共通に接続されているので、前方分布帰還型活性領域１０１および後方分布帰還型活性領域１０３は共通に動作させることができる。

すなわち、前方分布帰還型活性領域１０１および後方分布帰還型活性領域１０３に対しては、電流Ｉ１によって、それぞれｐ型層側電極２１ａおよび２１ｃを介して動作電流Ｉｌａｓ１を流すことができ、中央分布帰還型活性領域１０２に対しては、電流Ｉ２によって、ｐ型層側電極２１ｂを介して動作電流Ｉｌａｓ２を流すことができる。

動作電流Ｉｌａｓ１は、変調速度１０ＧｂｐｓのＮＲＺ（non return to zero)信号で符号化された電流で駆動する。一方、動作電流Ｉｌａｓ２は、直流電流で駆動する。

例えば、動作電流Ｉｌａｓ１の“０”レベル信号の駆動電流を６ｍＡ、“１”レベル信号の駆動電流を７０ｍＡとし、動作電流Ｉｌａｓ２の直流駆動電流を９〜１０ｍＡとするのが、良好な光出力が得られる駆動条件の一例である。

次に、半導体レーザ１００の出力光の特性について説明する。
まず、比較のため、従来の１電極位相シフトＤＦＢ−ＬＤ（レーザダイオード）について、時間発展シミュレーションおよび瞬時波長の算出を行った結果を説明する。計算は公知の１次元の時間発展シミュレーションにより行い、１０μｍごとのセクションに分割して、レーザ素子の伝搬複素電界とキャリア密度の時系列データを算出した。

瞬時波長は、レーザ素子端から出射する出力光の複素電界の瞬時振動数を算出することにより求めた。複素電界は、レーザ発振波長に相当する周波数で時間変化する。単一モード発振に近い発振状態では、複素電界の実部と虚部は、上記周波数でおおむね正弦波的に振動するようになる。このような発振状態は、特定の時刻について近傍の電界データを正弦波で近似することにより上記振動の周波数を算出することができる。求まる周波数は、ある特定の時刻での瞬時周波数であり、それに相当する波長はその時刻のレーザ発振の中心波長とみなすことができ、瞬時波長と定義する。このような瞬時波長は、電界の振動周波数に比べて比較的遅く時間変化する。瞬時波長の時系列データは、比較的遅く時間変化する瞬時波長を、各時刻についてその時刻近傍の電界データから算出して得られたものである。時間発展シミュレーションでは、変調速度１０Ｇｂｐｓで、ＮＲＺ駆動電流の最大値を７９ｍＡに固定し、消光比が１０ｄＢ程度となるように、駆動電流の最小値を調整した。

図３には、位相シフトλ／４、閉じ込め係数０．１０の場合の出力光強度（ｍＷ）および瞬時波長（ＧＨｚ）の時間変化（ｐｓ）をそれぞれ示す。

図３より、瞬時波長は、出力光の立ち上がりおよび立ち下がりの際に変化が大きくなっていることが判る。また、出力光の立ち上がりに伴う緩和振動が生じ、キャリア密度の変化に伴う過渡的チャープが確認できる。

過渡的チャープ後に、発振波長が“０”レベル信号での波長より数ＧＨｚずれた波長で安定する。駆動電流が“１”レベルから“０”レベルに下がると、キャリア密度減少に伴う波長変化が生じる。

“１”レベル信号の波長が比較的速く安定するのに対し、立ち下がりでの波長変化は、３ＧＨｚ程度低周波数シフトした後、立ち上がりの場合よりも遅い速度で回復し、安定するまで時間がかかる。これは、立ち下がり時にはキャリア密度が減少し、レーザ素子の緩和振動周波数が減少することを反映していると考えられる。

半導体レーザの活性層におけるキャリア再結合時間は、通常数１００ｐｓ程度の値をとると考えられ、１０Ｇｂｐｓの変調速度では、キャリア再結合時間の方が信号のビット間隔よりも大きくなる。このため、空間的ホールバーニングに起因するキャリア密度分布は、ＮＲＺ駆動電流が変化しても変化に十分追随せず、キャリア密度変化がレーザ素子全域で同程度に生じると考えられる。

図３に示した瞬時波長変化は、主にこのような、レーザ素子全域で同程度に生じたキャリア密度変化を反映したものと考えられる。この現象はレーザ素子に導入した位相シフトの大きさにはあまり依存しない。そのため、１０Ｇｐｓの変調速度では、１電極ＤＦＢ−ＬＤの瞬時波長変動量の位相シフト依存性は大きくなく、特許文献１に記載された先行技術である位相シフト量調整のみで波長変動幅を顕著に低減することが困難であることを見出した。

特許文献１で開示された半導体レーザは、１０Ｇｂｐｓより遅い２．５Ｇｂｐｓ駆動を想定しており、上記のキャリア再結合時間が信号のビット間隔と同程度以下であると考えられる。そのため、空間的ホールバーニングに起因するキャリア密度分布がＮＲＺ駆動電流の変化に追随して変化し、１電極ＤＦＢ−ＬＤであっても瞬時波長変動量に位相シフト依存性が生じたものと考えられる。

図４には、横軸に瞬時波長（ＧＨｚ）の時間変化を、縦軸に相対光強度（ｄＢ）を取り、図３に示した瞬時波長の時系列データを各時刻の光強度で重み付けして積算し、光強度のスペクトル分布として表した図を示す。

このようにして得られるスペクトルの−２０ｄＢ幅を波長変動幅と定義すると、図４では約９．４ＧＨｚとなっている。このような波長変動幅は、１０Ｇｂｐｓで光強度が変動することに由来するフーリエ成分を含まないので、実測で得られるスペクトル幅よりも過小評価になっている。

しかし、同等の駆動条件下における相対的なチャープ特性の優劣であれば比較可能であり、波長変動幅の小さい場合の方がチャープ特性良好と考えられる。すなわち、同等の消光比および光強度の出力光が得られる駆動条件で、半導体レーザ１００の波長変動幅が従来の１電極ＤＦＢ−ＬＤの場合よりも小さくなれば、チャープ特性が改善されたと判断できる。

次に、本実施の形態に係るの半導体レーザ１００の出力光の特性について説明する。図５に、前述の１電極ＤＦＢ−ＬＤの場合と同等の出力光強度および消光比となる駆動条件を与えた場合の、出力光強度と瞬時波長の時系列データの計算結果を示す。

当該計算は１電極ＤＦＢ−ＬＤの場合と同様の方法で行い、消光比約１０ｄＢとなるように駆動条件を調整した。また、位相シフト量は３λ／８である。

図５から、瞬時波長の時間変化の振る舞いは、図３で示した１電極ＤＦＢ−ＬＤの場合と異なり過渡的チャープの変化幅が減少していることが判る。

図５に示されるように、半導体レーザ１００の場合、レーザ素子を直接変調する際の発振立ち上がり時に中央分布帰還型活性領域１０２（図２）のキャリア密度が、前方および後方分布帰還型活性領域１０１および１０３（図２）に比べて減少し、実効的に位相シフトが減少する。そのため、発振立ち上がり時のキャリア密度変化によるストップバンド全体の動的波長シフトと、前述した実効的位相シフトの変化によるストップバンド内での相対的発振波長位置の動的シフトとが相殺され、図５のように過渡的チャープが減少しているものと考えられる。

１電極ＤＦＢ−ＬＤの場合と同様に、瞬時波長スペクトルを図５の時系列データについて求めたので、その結果を図６に示す。図６においては図４と同様に、横軸に瞬時波長（ＧＨｚ）の時間変化を、縦軸に相対光強度（ｄＢ）を取り、図５に示した瞬時波長の時系列データを各時刻の光強度で重み付けして積算し、光強度のスペクトル分布として表している。

図６において、スペクトルの−２０ｄＢ幅を波長変動幅と定義すると、図６では約８．１ＧＨｚとなっており、１電極ＤＦＢ−ＬＤの場合より１割程度、波長変動が低減されたことが判る。

次に、位相シフトを変化させて波長変動幅がどのように変わるかについての調査結果を図７を用いて説明する。

位相シフトは、０．１２５λから０．４６λまで変化させ、中央分布帰還型活性領域１０２（図２）の駆動電流と、ＮＲＺ駆動する前方および後方分布帰還型活性領域１０１および１０３（図２）の最大値は不変とした。

そして、各レーザ素子の閾値電流が位相シフト量により変化することに対応して、出力光の消光比が１０ｄＢ程度となるようにＮＲＺ駆動電流の最小値をパラメータとして変化させた。

このようにして得られた出力光の時系列データに対して、波長変動幅を位相シフトの関数としてプロットした結果を図７に示す。

図７では、横軸に位相シフト量（λ）を、縦軸に波長変動幅（ＧＨｚ）を取り、位相シフト量を０．１２５λから０．４６λまで変化させた場合の波長変動幅の変化を示している。

図７より、波長変動幅が位相シフト３λ／８（０．３７５λ）で最小になり、３λ／８からずれるに従って増大することが判る。比較のため、図４で示した１電極ＤＦＢ−ＬＤで得られた波長変動幅（約９．４ＧＨｚ）の値を破線で示しているが、波長変動幅が１電極ＤＦＢ−ＬＤの場合より低減されるのは、位相シフト０．３２λ以上０．４６λ以下の範囲であることが判る。

なお、位相シフト量を０．４６λより大きくした場合は、同様の駆動条件下では安定した単一モード発振とならなかったので有効な位相シフト量の範囲から除外した。

また、図７中の点Ａは、位相シフト量としてλ／４とした場合を示し、従来報告されているレーザ素子構造に類似した構造であるが、中央領域を直流駆動する、本実施の形態の半導体レーザ１００における駆動条件を適用した場合では、波長変動幅が増大していることが判る。

波長変動幅が位相シフト量に依存して変化する理由は、次のように考えられる。すなわち、半導体レーザ１００においては、中央分布帰還型活性領域１０２（図２）のみを直流駆動するため、１０Ｇｂｐｓの高速変調条件下でも、前方および後方分布帰還型活性領域１０１および１０３（図２）と、中央分布帰還型活性領域１０２との駆動電流差に起因して、高速に応答するキャリア密度変化が存在し、大きなキャリア密度分布変化が生じる。

そして、キャリア密度分布変化により生じる実効的位相シフト量の変化が、導入した位相シフトの大きさにより変わり、過渡的チャープの大きさや“０”レベルおよび“１”レベルにおける定常的発振波長差の大きさを変えるためと考えられる。

特に、位相シフト３λ／８では、過渡的チャープが“０”レベルおよび“１”レベルにおける定常的発振波長差と打ち消しあう傾向にあり、波長変動幅が低減されているものと考えられる。

このような現象は、キャリア最結合時間の影響を受けやすい特許文献１の例とは異なり、変調速度１０Ｇｂｐｓの駆動条件でも有効と考えられる。

＜Ｃ．変形例＞
以上説明した実施の形態に係る半導体レーザ１００においては、中央分布帰還型活性領域１０２（図２）の領域長を３０μｍとした。また、実際のレーザ素子構造としては、変調速度１０Ｇｂｐｓでの駆動に適する構造とするため、レーザ素子のＲＣ時定数が駆動速度よりも遅くならないようにＮＲＺ駆動する領域の領域長を比較的短くすることが要請されるので、前方および後方分布帰還型活性領域１０１および１０３（図２）の領域長をいずれも１１０μｍとした。

しかし、本発明の実施の形態の半導体レーザにおける波長変動幅の低減効果は、このレーザ素子サイズのみに限定されるわけではなく、適切な範囲のレーザ素子サイズに対して、同様の効果が得られるものと考えられる。

そこで、以下、前方分布帰還型活性領域１０１、中央分布帰還型活性領域１０２および後方分布帰還型活性領域１０３の領域長が異なる場合の波長変動幅の位相シフト量依存性について調べた結果を説明する。

まず、前方分布帰還型活性領域１０１、中央分布帰還型活性領域１０２および後方分布帰還型活性領域１０３の領域長は、それぞれ９０μｍ、７０μｍ、９０μｍとした。

図７で説明した中央分布帰還型活性領域１０２の領域長が３０μｍの場合と同様に、同等の光出力および消光比を生じる駆動条件の元での瞬時波長変動幅の位相シフト量依存性を算出した結果を図８に示す。

図８においては図７の場合と同様に、位相シフト量が３λ／８の場合に波長変動幅が最小（約０．８ＧＨｚ）になり、位相シフトがずれるに従って波長変動幅が増大する。また、比較のために示す１電極ＤＦＢ−ＬＤの場合の波長変動幅（約９．４ＧＨｚ）よりも波長変動幅の低減が認められる位相シフト範囲は、概ね図７の結果と同様であり、０．２９λ以上０．４２λ以下であることが判る。

図７および図８の結果から推測して、中央分布帰還型活性領域１０２（図２）の領域長を上記７０μｍを中心に数１０μｍ以上の範囲で変化させた場合でも、位相シフト量を０．３１λ以上０．４２λ以下とすれば、波長変動幅が低減される効果があると考えられる。

このように、本発明に係る半導体レーザでは、波長変動幅が位相シフトに依存して変化するので、波長変動幅を低減させた半導体レーザを得るためには、位相シフト量を０．３１λ以上０．４２λ以下とすることが有効であると結論される。

なお、上述したように、位相シフト量が３λ／８の近傍で波長変動幅が最小になるが、位相シフト量がλ／８（０．１２５λ）近傍では、波長変動幅は増大の一途を辿る傾向が認められる。これは、特許文献１に記載された１電極構造の半導体レーザにおいて、位相シフト量がλ／８近傍のレーザ素子の特性が優れていると報告されている内容とは、全く異なるものである。

次に、波長変動幅の低減効果が得られる領域長の範囲について調べた結果を説明する。
具体的には、前方および後方分布帰還型活性領域１０１および１０３（図２）および中央分布帰還型活性領域１０２（図２）の領域長の総和Ｌを、１電極ＤＦＢ−ＬＤの電極長と同じ２５０μｍとし、中央分布帰還型活性領域１０２の領域長を変えた場合の波長変動幅の変化について調べた。

まず、位相シフト量を３λ／８（０．３７５λ）で固定し、中央分布帰還型活性領域１０２（中央領域）の領域長を変化させて波長変動幅を算出した。

中央分布帰還型活性領域１０２（図２）の領域長をｘとし、駆動条件は、１電極ＤＦＢ−ＬＤの場合と同等の光出力および消光比となるように、全ての駆動電流（ＮＲＺ駆動電流の最大値、最小値と直流駆動電流）をパラメータとして変化させ、得られた結果のうち波長変動幅の良好な条件を選択した。

波長変動幅の計算結果を図９に示す。図９においては、横軸にレーザ素子の全領域長（Ｌ）に対する中央領域の領域長（ｘ）の比率（ｘ／Ｌ）を、縦軸に波長変動幅（ＧＨｚ）を取り、ｘ／Ｌを０．０５〜０．４５まで変化させた場合の波長変動幅の変化を示している。また、比較のために１電極ＤＦＢ−ＬＤの場合の波長変動幅（約９．４ＧＨｚ）を破線で示す。なお、図９における点Ｂおよび点Ｃは、それぞれ図７および図８で示した波長変動幅の計算を行ったレーザ素子での中央領域の大きさを示したものである。

図９により、ｘ／Ｌ＝０．２の場合に最も波長変動幅が小さく、０．１２≦ｘ／Ｌ≦０．２８では、特に波長変動が小さくなっていることが判る。

そして、０．０８≦ｘ／Ｌ≦０．３６の範囲で、１電極ＤＦＢ−ＬＤの場合の波長変動幅よりも波長変動幅が減少する結果が得られた。

以上より、前述の位相シフトを設けた半導体レーザ１００において、波長変動幅を低減したレーザ素子を得るためには、中央分布帰還型活性領域１０２を０．０８≦ｘ／Ｌ≦０．３６の範囲とすることが有効であると結論する。

中央領域の領域長をｘ／Ｌ＝０．３６より大きくする場合、直流駆動する領域が長くなるので出力光の消光比が低下しやすくなる。消光比を維持するためには、中央領域の駆動電流を小さく、前方および後方領域のＮＲＺ駆動電流の最大値を大きくすることが必要であるが、このような駆動条件は、中央領域のキャリア密度回復速度を遅くし、前方および後方領域のキャリア密度変動を増大させるので波長変動幅を増大させる。

また、中央領域の領域長をｘ／Ｌ＝０．０８より小さくする場合は、中央領域で生じる実効的位相シフト量変化が小さく、１電極ＤＦＢ−ＬＤの構造に近づく。そのため、波長変動幅においても１電極ＤＦＢ−ＬＤの特性に近くなり、波長変動幅の低減効果が小さくなる。

このように、中央領域には波長変動幅の低減に適した大きさがあり、それは図９で説明した範囲になることが判る。

なお、従来の１電極ＤＦＢ−ＬＤでは、１０Ｇｂｐｓ以上の変調速度の場合、位相シフト量などのレーザ素子構造の変更により波長変動幅を低減することは困難であった。

しかし、波長変動幅に位相シフト量と電極サイズの依存性があることを見出したことにより、本発明に係る３電極構造の位相シフトを有する半導体レーザにおいては、波長変動幅の低減が可能となった。

また、従来の１電極ＤＦＢ−ＬＤでは、波長変動幅が約９．４ＧＨｚと算出されたのに対し、位相シフト量と電極サイズを調整した本実施の形態では、図８に示すように、最良値で約７．８ＧＨｚ（ｘ／Ｌ＝０．２、３λ／８位相シフトの場合）となり、１電極ＤＦＢ−ＬＤに比べて約１７％の低減となるなど、顕著な波長変動幅の低減効果が得られた。

また、半導体レーザ１００においては、共振器方向に延在するストライプ状の光導波層３をエッチングで形成した後に、光導波層３の幅方向両側面外方に、電流閉じ込め層８を埋め込むことによって製造される。このため、電流閉じ込め層８によって電流狭窄が行われるので、光導波層３に効率良く電流を注入可能となり、高効率で、波長変動が低減された光出力を得ることが可能となる。

また、回折格子５に導入される位相シフト部６の個数は、１個に限定されるものではなく、位相シフト量の総和が０．３１λ以上０．４２λ以下の値となるように複数の位相シフトが、互いに間隔を開けて導入されていても、上記と同様の効果を得ることができる。

また、半導体レーザ１００では、光導波層３の幅方向両側面外方に電流閉じ込め層８を形成して電流狭窄を行っているが、従来の半導体レーザと同様にリッジ導波路の構成にしてもほぼ同様の効果が得られる。

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、特に直接変調方式で波長チャープの小さい光信号を発生させる半導体レーザに有利に適用できる。

本発明に係る実施の形態の半導体レーザの構成を示す斜視図である。 本発明に係る実施の形態の半導体レーザの構成を示す断面図である。 従来の構造の半導体レーザにおける光出力と瞬時波長の時系列データを説明する図である。 従来の構造の半導体レーザにおける発振波長の変動幅を説明する図である。 本発明に係る実施の形態の半導体レーザにおける光出力と瞬時波長の時系列データを説明する図である。 本発明に係る実施の形態の半導体レーザにおける発振波長の変動幅を説明するための図である。 本発明に係る実施の形態の半導体レーザにおける発振波長の変動幅の位相シフト量依存性を説明する図である。 本発明に係る実施の形態の半導体レーザの変形例における発振波長の変動幅の位相シフト量依存性を説明する図である。 本発明に係る実施の形態の半導体レーザにおける発振波長の変動幅の中央分布帰還領域長依存性を説明する図である。

符号の説明

１ ｎ型ＩｎＰ基板、２ ｎ型ＩｎＰクラッド層、３ ＩｎＧａＡｓＰ光導波層、４ ｐ型ＩｎＰクラッド層、５ 回折格子、６ 位相シフト部、２１ａ，２１ｂ，２１ｃ ｐ型層側電極、１０１ 前方分布帰還型活性領域、１０２ 中央分布帰還型活性領域、１０３ 後方分布帰還型活性領域。

Claims (3)

1. 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導電型の第１のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層上に形成された光導波層と、
   前記光導波層上を含めて前記第１のクラッド層上に形成された第２導電型の第２のクラッド層と、
   前記第２のクラッド層中に形成され、前記光導波層に近接するとともに前記光導波層に沿って延在する回折格子と、
   前記第２のクラッド層上に配設され、前記光導波層の延在方向に沿って互いに電気的に分離されて順に配列された第１、第２および第３の電極とを備え、
   前記半導体基板、前記第１のクラッド層、前記光導波層、前記回折格子および前記第２のクラッド層によって分布帰還型活性領域が構成され、
   前記分布帰還型活性領域は、前記第１ないし第３の電極の配設領域下方に対応する領域が、それぞれ前方領域、中央領域および後方領域として区分され、
   前記前方および後方領域は変調電流により駆動され、前記中央領域は直流電流により駆動されるものであって、
   前記回折格子は、前記中央領域において少なくとも１つの位相シフト部を有し、
   前記分布帰還型活性領域のブラッグ波長をλとした場合に、前記位相シフト部の位相シフト量が、０．３１λ以上０．４２λ以下の値に設定される、半導体レーザ。
2. 前記中央領域の領域長をｘとし、
   前記前方領域、前記中央領域および前記後方領域の領域長の総和をＬとした場合、
   ｘ／Ｌの値が０．０８以上０．３６以下である、請求項１記載の半導体レーザ。
3. 少なくとも１つの位相シフト部は複数の位相シフト部を含み、
   前記複数の位相シフト部の位相シフト量の総和が、０．３１λ以上０．４２λ以下の値に設定される、請求項１記載の半導体レーザ。
   

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