JP2008085214A - 波長可変レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】波長制御導波路部１ｂへの電流注入による屈折率変化を利用した波長可変レーザにおいて、発振波長を可変した場合でも、ＳＭＳＲが変動しない波長可変レーザを提供する。
【解決手段】利得導波路部１ａと波長制御導波路部１ｂとを有する光導波路１と、少なくとも波長制御導波路部１ｂに沿った回折格子２とを有し、光導波路１と回折格子２は、発振波長に伴う回折格子２の結合係数の変化が±５％以内になるような、または、ストップバンド幅の変動が発振波長の波長可変範囲内において±１％以内となるような間隔５ｄで配置してある。
【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係り、より詳しくは、光波長を可変するための回折格子と波長制御導波路部とを備える波長可変レーザに関する。

近年の情報通信量の増大に伴い、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が、送信用光源として、広い可変波長範囲内で副モードの抑圧比（Ｓｉｄｅ−ｍｏｄｅ−ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ：以下、ＳＭＳＲという。）が一定の範囲内で単一モード発振する波長可変レーザが強く求められている。

半導体レーザにおいて波長可変レーザを実現する方法としては、半導体導波路に電流を注入して、その屈折率変化を利用した方式があり、例えばＴｕｎａｂｌｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ （ＴＤＡ）−分布帰還型（ＤＦＢ）レーザが提案されている（例えば、非特許文献１）。

非特許文献１の波長可変レーザは、電流注入により利得を発生する利得導波路部と、電流注入により屈折率が変化する波長制御導波路部とが光軸方向に交互に配置されている光導波路の近傍に、回折格子が密接して配置されている。具体的には、ｎ型クラッド層、光導波路、回折格子、ｐ型クラッド層が順次積層される構造となっている。接地電位に接続されている共通電極は、ｎ型クラッド層側の表面に設けられている。利得導波路部と波長制御導波部にそれぞれに独立して電流注入を行うための電極は、ｐ型クラッド層側の表面に設けられている。

利得導波路部は、電流注入が行われることにより、利得導波路部を構成する光半導体のバンドギャップエネルギーに相当する波長の光を発生させる。

波長制御導波路部は、利得導波路部とは別に電流注入が行われることにより、プラズマ効果が発生してその屈折率が変化する。

回折格子は、光導波路と密接して、光導波路の全長にわたって、光導波路に沿って設けられている。回折格子は、利得導波路部から発生する光のうち、回折格子の周期と光導波路の等価屈折率によって決定されるＢｒａｇｇ波長の近傍の波長の光のみ反射する。その結果、Ｂｒａｇｇ波長近傍のみの狭い波長範囲において共振が起こり、単一モード発振を得ることができる。

さらに、波長制御導波路部に電流注入を行うと、波長制御導波路部の屈折率が減少する。波長制御導波路部のＢｒａｇｇ波長も屈折率の減少に応じて変化する。ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの発振波長は、利得導波路部と波長制御導波路部のＢｒａｇｇ波長の平均の波長であるため、波長制御導波路のＢｒａｇｇ波長が変化すると、レーザの発振波長も変化する。つまり、波長制御導波路部の電流注入量に応じて、波長可変レーザの発振波長も変化することとなる。
Ｈｉｒｏｙｕｋｉ Ｉｓｈｉｉ, Ｙａｓｕｈｉｒｏ Ｋｏｎｄｏ, Ｆｕｍｉｙｏｓｈｉ Ｋａｎｏ, ａｎｄ Ｙｕｚｏ Ｙｏｓｈｉｋｕｎｉ Ｙｏｓｈｉｋｕｎｉ 'Ａ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ＤＦＢ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ （ＴＤＡ−ＤＦＢ−ＬＤ）' ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ, Ｖｏｌ.１０, Ｎｏ. １, Ｊａｎｕａｒｙ １９９８, ｐｐ ３０−３２

しかしながら、上述した従来のＴＤＡ−ＤＦＢレーザでは、次のような問題がある。

回折格子を用いた半導体レーザ（例えばＤＦＢレーザなど）が単一モード発振する際に、発振する主モードに対する隣接する副モードの抑圧比（Ｓｉｄｅ−ｍｏｄｅ−ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ：以下、ＳＭＳＲという。）が一定の範囲内であることが重要である。ＳＭＳＲとは、主モードと副モードとの利得比を示す。ＳＭＳＲが一定の範囲内となると、主モードと副モードとの間の利得差が一定の範囲内となり、単一モード発振となる。ＳＭＳＲが変動すると、主モードと副モードとの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、モードが一定とならない。

ＤＦＢレーザなどの回折格子によるフィードバックを利用した単一モード発振する半導体レーザにおいて、ＳＭＳＲを一定の範囲内に保つためには、回折格子のフィードバック量の大きさ、すなわち、回折格子の結合係数の変動を抑え、一定の範囲内に設定するのが望ましい。

回折格子の結合係数が小さすぎると、回折格子による反射が小さすぎるため、十分な波長選択性を得ることができない。逆に結合係数が大きすぎると、Ｂｒａｇｇ波長から多少ずれた波長でも強く反射してしまうため、この場合も十分な波長選択性を得ることができない。そのため、回折格子の結合係数を一定の範囲内にする必要がある。なお、回折格子の結合係数が小さすぎると、しきい値の上昇などのレーザ特性の劣化が起こり、また、結合係数が大きすぎると空間的なホールバーニングの影響によるＳＭＳＲの劣化が生じる。

隣接する副モードは、主モードの短波長側、長波長側の両方に発生するが、この２つの副モード間の波長差をストップバンド幅という。ストップバンド幅は、回折格子の結合係数の変動に対してほぼ線形に変動するため、前述の回折格子の結合係数をある適切な一定値に設定するというのは、ストップバンド幅をある適切な一定の幅に設定すると言い換えることも出来る。

さらに、非特許文献１の波長可変レーザは、回折格子と光導波路との間隔が密着している。このような密着構成では、波長可変導波路部に電流注入して発振波長を変えるとき、波長制御導波路部の回折格子からの光フィードバック量、すなわち、回折格子の結合係数が変動する。

回折格子の結合係数は、回折格子への光閉じ込め係数に比例する。光閉じ込め係数は、光導波路に対して垂直な平面で光分布を見た場合に、全光強度のうち回折格子に分布している光の強度の割合をあらわし、これは光の分布形状に依存する。一般的に、光導波路のコア層の屈折率が高く、クラッド層の屈折率との差が大きいほど、光分布は光導波路のコア層に閉じこまり、逆に光導波路のコア層の屈折率が低くなると、光導波路のコア層への閉じ込めが弱くなり、光分布が広がる。非特許文献１では、波長制御導波路部のコア層の直上に回折格子が存在するため、電流注入によって波長制御導波路部のコア層の屈折率が減少すると、光分布が広がり、結果として波長制御導波路部のコア層および波長制御導波路部のコア層直上の回折格子に分布する光の強度は減少する。すなわち、回折格子の光閉じ込め係数は減少し、回折格子の結合係数も減少してしまう。

前述のように、回折格子の結合係数は、ある適切な一定値に設定するのが望ましいが、上記のような理由でＴＤＡ−ＤＦＢレーザのような電流注入による波長制御導波路部の屈折率変化を用いた波長可変レーザでは、波長変化とともに結合係数が変動してしまうとともに、ＳＭＳＲが変動してしまう。

本発明の目的は、波長可変レーザの発振波長を可変した場合でも、全ての波長においてＳＭＳＲがほぼ一定の範囲内となる波長可変レーザを提供することが目的である。

本発明の波長可変レーザは、利得導波路部と波長制御導波路部とを有する光導波路と、少なくとも前記波長制御導波路部に沿った回折格子とを有し、前記光導波路と前記回折格子は、発振波長に伴うストップバンド幅の変動が前記発振波長の可変範囲内において±１％以内となるような間隔で配置してある。

本発明の波長可変レーザは、利得導波路部と波長制御導波路部とを有する光導波路と、少なくとも前記波長制御導波路部に沿った回折格子とを有し、前記光導波路と前記回折格子は、発振波長に伴う前記波長制御導波路部の回折格子の結合係数の変動が前記発振波長の可変範囲内において±５％以内となるような間隔で配置してある。

本発明の波長可変レーザは、利得導波路部と波長制御導波路部とを有する光導波路と、少なくとも前記波長制御導波路部に沿った回折格子とを有し、前記光導波路と前記回折格子は、発振波長に伴うストップバンド幅の変動が前記発振波長の可変範囲内において±１％以内となり、かつ、発振波長に伴う前記波長制御導波路部の回折格子の結合係数の変動が前記発振波長の可変範囲内において±５％以内となるような間隔で配置してある。

本発明の波長可変レーザは、前記回折格子と前記波長制御導波路部との前記間隔ｄｓ（μｍ）は以下の数式で定まる。
｛−０．０２１＋０．０３２５／（ｎ−３．２３３）｝×｛−０．５３＋０．４４／（ｄｃ−０．０１）｝−０．１４＜ｄｓ＜｛−０．０２１＋０．０３２５／（ｎ−３．２３３）｝×｛−０．５３＋０．４４／（ｄｃ−０．０１）｝−０．０６
ｎ：電流を前記波長制御導波路部に注入しないときの前記波長制御導波路部の屈折率
ｄｃ：前記波長制御導波路部の厚さ（μｍ）
本発明の波長可変レーザは、前記利得導波路部と前記波長制御導波路部とが前記光導波路の光軸方向に交互に配置されている。

本発明の波長可変レーザにおいて、波長制御導波路部に電流を注入して発振波長を変化させた場合でも、回折格子の結合係数が、または、ストップバンド幅が、ほぼ一定の範囲内となるような間隔で光導波路と回折格子を配置してある。従って、発振波長を可変した場合でも、光フィードバック量の変動を抑えることができ、回折格子の結合係数をほぼ一定の範囲内に保つことができる。回折格子の結合係数をほぼ一定の範囲内に保つことにより、モードが一定となり、どの波長においてもＳＭＳＲをほぼ一定の範囲内とすることができる。

以下、本発明の実施形態にかかる波長可変レーザの第１実施形態、第１実施形態の変形例、第２実施形態について説明する。ただし、本発明は各実施形態に限定されるものではない。
［第１実施形態］
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説明する。第１実施形態にかかる波長可変レーザは、波長可変範囲内でＳＭＳＲを容易にほぼ一定の範囲内とすることが可能であることを特徴とするものである。なお、回折格子を用いた半導体レーザ（例えばＤＦＢレーザなど）が単一モード発振する際に、発振する主モードに対する隣接する副モードの抑圧比のことを副モード抑圧比（Ｓｉｄｅ−ｍｏｄｅ−ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ：以下、ＳＭＳＲという。）という。ＳＭＳＲとは、主モードと副モードとの利得比を示す。ＳＭＳＲが一定の範囲内となると、主モードと副モードとの間の利得差が一定の範囲内となり、単一モード発振となる。

図１と図２は、本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザの特徴を示す模式図である。図３〜図５は、本発明の第１実施形態にかかる波長可変レーザの発振に伴う諸特性を示す図である。

図１は、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とその駆動回路図である。図１は、光導波路１、利得導波路部（利得層）１ａ、波長制御導波路部（波長制御層）１ｂ、波長制御導波路部の厚さ（ｄｃ）１ｄ、回折格子（回折格子層）２、λ／４位相シフト部２ａ、利得電極（Ｐ側電極）３ａ、波長制御電極（Ｐ側電極）３ｂ、共通電極（Ｎ側電極）３ｃ、ｎ−ＩｎＰ層（ｎ型ＩｎＰ層）４、ｎ−ＩｎＰ層（ｎ型ＩｎＰ層）５、回折格子２と波長制御導波路部との間隔（ｄｓ）５ｄ、ｐ−ＩｎＰ層（ｐ型ＩｎＰ層）６、コンタクト層７ａ，７ｂ、ＳｉＯ_２膜８、定電流回路１０、定電流回路１１、接地端子１２を示す。

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、電流注入によって利得を発生しうる利得導波路部１ａ（利得層）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（波長制御層）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２（回折格子層）とを備えるものとして構成される。

光導波路１は、利得導波路部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、レーザ発振に必要な光を閉じ込める部分である。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。波長制御導波路部１ｂの厚さ（ｄｃ）は１ｄである。

利得導波路部１ａ及び波長制御導波路部１ｂの長さは、例えばいずれも３０（μｍ）とし、１周期の長さを６０（μｍ）としている。光導波路１全体の屈折率は、波長制御導波路部１ｂへの後述する電流注入により変化する。なお、素子長は例えば５７０（μｍ）としている。なお、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し、片端面側に利得導波路部１ａを配置し逆側端面が波長制御導波路１ｂを配してもかまわない。

本実施形態にかかる波長可変レーザの全体的な構成としては、例えばｎ型ＩｎＰ基板（半導体基板）上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、ｎ型ＩｎＰクラッド層、バンドギャップ波長が１．５５（μｍ）帯の１．５５（μｍ）帯歪ＭＱＷ層（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ；多重量子井戸層）とＳＣＨ層（ＳＥＰＡＲＡＴＥ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；分離閉じ込めヘテロ構造：ＩｎＧａＡｓＰ層）からなる利得導波路部と１．３８（μｍ）組成ＩｎＧａＡｓＰ層（導波路コア層）からなる波長制御導波路部、ｐ型ＩｎＰ光クラッド層、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、ｎ−ＩｎＰ層４（ｎ型ＩｎＰ基板，ｎ型ＩｎＰ層）、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２、ｎ型ＩｎＰ層５、利得導波路部１ａ（１．５５（μｍ）帯歪ＭＱＷ層とＳＣＨ層，導波路コア層）と波長制御導波路部１ｂ（１．３８（μｍ）組成ＩｎＧａＡｓＰコア層）、ｐ−ＩｎＰ層６（ｐ型ＩｎＰ層）、コンタクト層７ａ（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。

また、利得導波路部１ａ及び波長制御導波路部１ｂ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。

回折格子２は、光導波路１の下方に、光導波路１の全長にわたって、かつ光導波路１と間隔５ｄ（ｄｓ）をおいて光導波路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。回折格子２を光導波路１の下側に設けることで、回折格子２を形成し、その回折格子２の周期、凸部の高さ等を評価し、その評価結果を元に回折格子２の周期を調整できるようになる。

回折格子２は、屈折率が異なる部分が光導波路１に沿って同じ周期で配置されている。回折格子２は、ｎ−ＩｎＰ層４上に回折格子層２を形成する屈折率の高い部分を作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。回折格子２の周期は、例えば２４０（ｎｍ）程度とする。

回折格子２は、利得導波路部１ａから発生する光のうち、回折格子２の周期と光導波路１の等価屈折率で決定されるＢｒａｇｇ波長λ_{Ｂｒａｇｇ}近傍の波長の光のみ反射する。その結果、Ｂｒａｇｇ波長近傍のみの狭い波長範囲において共振が起こり、単一モード発振を得ることができる。

波長制御導波路部１ｂに電流注入を行うと、波長制御導波路部１ｂの屈折率が減少する。波長制御導波路部１ｂの回折格子２におけるＢｒａｇｇ波長も屈折率の減少に応じて変化する。ＴＤＡ−ＤＦＢレーザの発振波長は、利得導波路部１ａと波長制御導波路部１ｂのＢｒａｇｇ波長の平均の波長であるため、波長制御導波路１ｂのＢｒａｇｇ波長が変化すると、レーザの発振波長も変化する。つまり、波長制御導波路部１ｂの電流注入量に応じて、波長可変レーザの発振波長も変化することとなる。

波長制御導波路部１ｂの屈折率を変化させた場合の本波長可変レーザのＢｒａｇｇ波長（発振波長）の変化量Δλ_{Ｂｒａｇｇ}は、例えば波長制御導波路部１ｂの屈折率ｎの変化率Δｎ_ｔ／ｎ_ｔを２％、波長制御導波路部１ｂの光閉じ込め係数Γｔを４０％、屈折率を変化させる前（電流注入前）の波長制御領域のＢｒａｇｇ波長λ_ｔ０を１５５０ｎｍ、光導波路１の中で波長制御導波路部１ｂが占める長さの割合Ｌｔ／（Ｌａ＋Ｌｔ）を０．５（利得導波路部１ａの長さをＬａ、波長制御導波路部１ｂの長さをＬｂとする）とすると、次式（１）で表すことができる。

Δλ_{Ｂｒａｇｇ}＝λ_ｔ０×（Δｎ_ｔ／ｎ_ｔ）×Γｔ×Ｌｔ／（Ｌａ＋Ｌｔ）・・・（１）
＝１５５０（ｎｍ）×０．０２×０．４×０．５
＝６．２（ｎｍ）
本発明の構造では、波長可変範囲の全波長において、ＳＭＳＲをほぼ一定の範囲内とすることができるため、波長制御導波路部１ｂ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。

本波長可変レーザでは、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、接地端子１２に接続されている定電流回路１０、１１と電極３ａ，３ｂとがそれぞれの領域に対して独立に設けられている。

つまり、光導波路１の利得導波路部１ａの上面にはコンタクト層７ａを介して利得電極（Ｐ側電極）３ａが形成されており、下方には接地端子１２に接続してある共通電極（Ｎ側電極）３ｃが形成されており、利得導波路部１ａに定電流回路１０により電流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７ｂ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に定電流回路１１により電流を注入しうるようになっている。

なお、ここでは、波長制御導波路部１ｂに電流の注入を行なうことによって発振波長を制御しているが、これに限られるものではなく、例えば波長制御導波路部１ｂに波長制御電極３ｂを介して電圧印加を行なうことによって発振波長の制御を行なうように構成しても良い。

コンタクト層７ａ，７ｂ、利得電極（Ｐ側電極）３ａ及び波長制御電極（Ｐ側電極）３ｂが形成されていない領域には、ＳｉＯ_２膜（パッシベーション膜）８が形成されている。つまり、コンタクト層７ａ，７ｂを形成した後、全面にＳｉＯ_２膜８を形成し、コンタクト層７ａ，７ｂ上のＳｉＯ_２膜８のみを除去し、コンタクト層７ａ，７ｂ上にＰ側電極３ａ，３ｂを形成することで、コンタクト層７ａ，７ｂ、Ｐ側電極３ａ，３ｂが形成されていない領域にＳｉＯ_２膜８を形成している。

このように、本波長可変レーザでは、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。

図２は、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。利得電極３ａ及び波長制御電極３ｂは、いずれもくし型電極として構成されている。利得電極３ａの下には、コンタクト層７ａが形成されている。波長制御電極３ｂの下には、コンタクト層７ｂが形成されている。ＳｉＯ_２膜８は、コンタクト層７ａ，７ｂ、利得電極（Ｐ側電極）３ａ及び波長制御電極（Ｐ側電極）３ｂが形成されていない領域に形成されている。

ところで、本波長可変レーザが波長可変範囲内においてＳＭＳＲを一定の範囲内に維持するためには、発振波長の変化に対して回折格子２の結合係数を、言い換えればストップバンドの幅を、ほぼ一定の範囲内に維持する必要がある。

本波長可変レーザが単一モード発振すると、発振モードである主モードに対して、隣接する副モードが短波側、長波側にそれぞれ発生する。副モードの２つの波長の差をストップバンド幅という。

本実施形態において、波長可変範囲内において、回折格子２の結合係数、言い換えると、ストップバンド幅が一定の範囲内となる間隔５ｄで光導波路１と回折格子２を配置すれば、ＳＭＳＲをほぼ一定の範囲内に維持するのに最適な光フィードバック量が保たれる。そうすれば、波長可変した場合でもＳＭＳＲを一定の範囲内に維持することができる。

発振波長に伴う回折格子２の結合係数の変化を抑制するためには、波長制御導波路部１ｂに電流を注入し、波長制御導波路部１ｂのコア層の屈折率を減少させたときに、光分布の変化が起こったとしても、回折格子２の光閉じ込め係数が変化しないようにすれば良い。

図９は、本発明における波長可変時の回折格子２の光閉じ込め１３の様子を示す模式図である。図９（ａ）は、波長可変導波路部１ｂに電流を注入する前の回折格子２の光閉じ込め１３の様子である。図９（ｂ）は、波長可変導波路部１ｂに電流を注入した後の回折格子２の光閉じ込め１３の様子である。波長制御導波路部１ｂに電流を流して波長制御導波路部１ｂのコア層の屈折率が下がると、波長制御導波路部１ｂのコア層への光閉じ込め１３の効果が弱くなるため、光分布が広がる。この場合、波長制御導波路部１ｂのコア層近傍の光強度は減少するが、波長制御導波路部１ｂのコア層から十分離れたところでは、逆に光が漏れてくることになり、光強度が増加する。波長制御導波路部１ｂのコア層から適度に離れた距離では、ちょうど光強度分布の変化がなくなるところがあり、この距離に回折格子２を配置すれば、波長を変化させた場合にも回折格子２の光閉じ込め１３が変化せず、結合係数、ストップバンド幅を最適な一定の値に保つことが可能となる。

前記の回折格子２と波長制御導波路１ｂのコア層との距離の最適値ｄｓは、波長制御導波路部１ｂのコア層の厚さと、電流を注入してない場合の波長制御導波路部１ｂのコア層の屈折率によって変化し、その関係は以下の数式で与えられる。
ｄｓ＝｛−０．０２１＋０．０３２５／（ｎ−３．２３３）｝×｛−０．５３＋０．４４／（ｄｃ−０．０１）｝−０．１・・・（２）
ここで、ｎは電流を波長制御導波路部１ｂに注入しないときの波長制御導波路１ｂのコア層の屈折率である。ｄｃは、波長制御導波路１ｂのコア層の厚さ（μｍ）である。

（２）式の求め方を説明する。最初に、波長制御導波路１ｂのコア層の厚さｄｃおよび電流を注入してない場合の波長制御導波路１ｂのコア層の屈折率ｎを仮定し、これに対して回折格子２と波長制御導波路１ｂのコア層との距離５ｄ：ｄｓを変えてそれぞれの場合の回折格子２の光閉じ込め係数を計算する。次に、波長制御導波路部１ｂのコア層の屈折率を２％減少させた場合の回折格子２の光閉じ込め係数を、同様にｄｓを変えてぞれぞれの場合で求める。波長制御導波路部１ｂのコア層の屈折率の２％の減少というのは、半導体導波路に電流を注入した場合に得られる一般的な屈折率変化から見積もった値である。前述したように回折格子２が波長制御導波路部１ｂのコア層に近い場合には、波長制御導波路部１ｂのコア層の屈折率が減少した場合に光閉じ込め係数に減少し、逆に離れたところでは増加する傾向があり、ある距離において変化率が０％になるところが存在する。この距離が求めるべき回折格子２と波長制御導波路部１ｂのコア層との適切な距離ｄｓとなる。つまり、波長を変化させるために波長制御導波路部１ｂのコア層の屈折率を変化させた場合でも、光閉じ込め係数が変化せず、結果、回折格子２の結合係数、ストップバンド幅が変化しなくなる距離である。（２）式は様々なｄｃ、ｎを仮定した場合に求めたｄｓを一般化した数式である。

（２）式は、発振波長を変化させた場合に回折格子２の結合係数がちょうど０％になる距離を表しているが、実用上は、回折格子２の結合係数の変動が±５％までは許容できると考えられる。回折格子２の結合係数の変動の±５％とは、現在の回折格子２の作製技術における作製誤差による変動であり、波長変化による変動がこれ以下であれば従来どおりの精度で回折格子２の結合係数の設定が可能であると考えられる。発振波長に伴う回折格子２の結合係数の変動が波長可変範囲内において±５％となるような回折格子２と波長制御導波路部１ｂとの間隔５ｄ（ｄｓ：μｍ）は、次の数式で表される。
｛−０．０２１＋０．０３２５／（ｎ−３．２３３）｝×｛−０．５３＋０．４４／（ｄｃ−０．０１）｝−０．１４＜ｄｓ＜｛−０．０２１＋０．０３２５／（ｎ−３．２３３）｝×｛−０．５３＋０．４４／（ｄｃ−０．０１）｝−０．０６・・・（３）
回折格子２の結合係数の変動±５％とは、ストップバンド幅の変動±１％に相当するため、上記の式は、ストップバンド幅の変動を±１％に抑制することができる範囲と言い換えることが出来る。（３）式の範囲であれば、波長を変化させた場合でも、従来の作製誤差と同程度の精度で回折格子２の結合係数を一定の値に保つことができ、波長によらずＳＭＳＲを一定の範囲内に維持することができる。

波長を変化させた場合の回折格子２の結合係数の変化が±５％以上、言い換えるとストップバンド幅の変化が±１％以上になると、波長変化させた場合の結合係数の変動の影響で、全波長において十分な精度で回折格子２の結合係数を適切に設定することができず、ＳＭＳＲを一定の範囲内とすることが困難となる。ＳＭＳＲが変動すると、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、モードが一定とならない。

従って、波長を変化させた場合の回折格子２の結合係数の変化が±５％以下、言い換えるとストップバンド幅の変化が±１％以下になると、発振波長を可変した場合でも、光フィードバック量の変動を抑え、回折格子の結合係数を一定の範囲内に保つことができる。回折格子の結合係数を一定の範囲内に保つことにより、モードは一定となり、どの波長においてもＳＭＳＲをほぼ一定の範囲内とすることができる。

以下、（２）、（３）式の具体的な計算例を示す。

図３は、光導波路１と回折格子２との間隔５ｄ（ｄｓ）と発振波長に伴うストップバンド幅の変動との関係を示す。横軸は光導波路１と回折格子２との間隔５ｄを示し、縦軸は発振波長に伴うストップバンド幅の変動を示す。電流を波長制御導波路部１ｂに注入しないときの波長制御導波路部１ｂの屈折率は３．４６を仮定した。図３に示すように、光導波路１と回折格子２との間隔５ｄと発振波長に伴うストップバンド幅の変動は線形な関係にある。

光導波路１と回折格子２との間隔５ｄは、０．１４（μｍ）のときに波長可変範囲内においてストップバンド幅が一定、即ちストップバンド幅の変動が０となる。そのときに波長可変範囲内においてストップバンド幅は一定となり、光導波路１と回折格子２との間隔５ｄは一定のＳＭＳＲを得るのに最適な間隔となる。０．１０〜０．１８（μｍ）の範囲において、ストップバンド幅の変動は＋１〜−１％であることがわかる。ストップバンド幅の変動がこの範囲であれば、波長可変した場合に、波長可変レーザのＳＭＳＲを容易に一定の範囲内に維持できる。

図４は、光導波路１と回折格子２との間隔５ｄ（ｄｓ）と発振波長に伴う回折格子２の結合係数の変動との関係を示す。横軸は光導波路１と回折格子２との間隔５ｄ（μｍ）を示し、縦軸は回折格子２の結合係数の変動を示す。電流を波長制御導波路部１ｂに注入しないときの波長制御導波路部１ｂの屈折率は３．４６を仮定した。図４に示すように、光導波路１と回折格子２との間隔５ｄと発振波長に伴う回折格子２の結合係数の変動とは線形な関係にある。

光導波路１と回折格子２との間隔５ｄは、０．１４（μｍ）のとき、波長可変範囲内において回折格子２の結合係数は一定、即ち回折格子２の結合係数の変動は０となる。波長可変範囲内において発振波長に伴う回折格子２の結合係数は一定となり、光導波路１と回折格子２との間隔５ｄは一定のＳＭＳＲを得るのに最適な間隔となる。

光導波路１と回折格子２との間隔５ｄは、０．１０〜０．１８（μｍ）の範囲において、回折格子２の結合係数の変動は即ち＋５〜−５％であることがわかる。回折格子２の結合係数の変動がこの範囲であれば、波長可変した場合に回折格子２の結合係数は一定の範囲内となり、波長可変レーザのＳＭＳＲを容易にほぼ一定の範囲内に維持できる。

図５は、電流を波長制御導波路部１ｂに注入しないときの波長制御導波路部１ｂの屈折率ｎと、波長制御導波路部１ｂの厚さ１ｄ（ｄｃ：μｍ）と、回折格子２と波長制御導波路部１ｂとの最適な間隔５ｄ（ｄｓ：μｍ）との関係を示す。電流を波長制御導波路部１ｂに注入しないときの波長制御導波路部１ｂの屈折率ｎは、黒四角が３．３０、白三角が３．３５、×印が３．４０、黒菱が３．４５、白丸が３．５０である。横軸は波長制御導波路部１ｂの厚さ１ｄ（ｄｃ：μｍ）であり、縦軸は回折格子２と波長制御導波路部１ｂとの間隔５ｄ（ｄｓ：μｍ）である。

回折格子２と波長制御導波路部１ｂとの間隔５ｄ（ｄｓ：μｍ）は、波長制御導波路部１ｂの屈折率ｎの変化に伴って生じるストップバンド幅と回折格子２の結合係数の変動がなく、波長可変範囲内において一定の発振特性を得るのに最適な距離である。なお、波長制御導波路部１ｂの屈折率ｎは電流注入により２％低減することを仮定している。電流を波長制御導波路部１ｂに注入しないときの波長制御導波路部１ｂの屈折率ｎと、波長制御導波路部１ｂの厚さ１ｄ（ｄｃ：μｍ）と、回折格子２と波長制御導波路部１ｂとの最適間隔５ｄ（ｄｓ：μｍ）は（２）式で表される。

図５に示すように、波長制御導波路部１ｂの屈折率ｎが３．４５で、波長制御導波路部１ｂの厚さ１ｄ（ｄｃ：μｍ）が０．１７（μｍ）であった場合、発振波長のストップバンド幅と回折格子２の結合係数の変動が一定となり、波長可変範囲内において一定のＳＭＳＲを得ることができる間隔５ｄ（ｄｓ：μｍ）は０．１８（μｍ）であることがわかる。

上述の如く、本波長可変レーザでは、光導波路１と回折格子２は、発振波長に伴うストップバンド幅の変動が波長可変範囲内において±１％以内となるような間隔５ｄで配置してある。そして、光導波路１と回折格子２は、発振波長に伴う回折格子２の結合係数の変動が波長可変範囲内において±５％以内となるような間隔５ｄで配置してある。従って、波長制御導波路１ｂに電流を注入して波長可変レーザの波長を変えるときに、光導波路１と回折格子２は、波長制御導波路部１ｂに注入した電流量にかかわらず光フィードバック量の変動を抑え、ストップバンド幅と回折格子２の結合係数がほぼ一定の範囲内となる。ストップバンド幅と回折格子２の結合係数がほぼ一定の範囲内となると、モードは一定となり、波長可変した場合でもＳＭＳＲをほぼ一定の範囲内とすることができる。
［第１実施形態の変形例］
次に、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６と図７を参照にしながら説明する。

図６は、本発明の第１実施形態の変形例にかかる波長可変レーザにおいて、Ｂｒａｇｇ波長λの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。なお、図６中、先の図１で記した構成要素と完全に同一である構成要素には、同一の参照番号を付す。回折格子２を、長手方向中央位置にＢｒａｇｇ波長λの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６に示すように、回折格子２の周期の半分（Ｂｒａｇｇ波長λ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。

図７［図７（ａ），（ｂ）］は、本発明の第１実施形態の変形例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。λ／４位相シフト部２ｃを設けないと、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；（ａ）中、実線１３ａで示す］の中心波長（ピーク；Ｂｒａｇｇ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；（ａ）中、実線１３ｂ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、モードが一定とならない。

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７（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７（ｂ）中、実線１３ａで示す］の中心波長（ピーク；Ｂｒａｇｇ波長）と共振縦モード波長［図７（ｂ）中、実線１３ｃで示す］とが一致し、中心波長で発振するようになるため、ＳＭＳＲを容易にほぼ一定の範囲内に維持できる。

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、本実施形態の変形例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。

また、上述の実施形態では、発振波長帯が１．５５（μｍ）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１．３（μｍ）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。
［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８を参照しながら説明する。

図８は、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。本実施形態にかかる波長可変レーザは、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、同一の基板１９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５（ｎｍ）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４０（ｎｍ）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１５３０〜１５６０（ｎｍ）（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１ｂ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５（ｎｍ）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）
利得導波路部と波長制御導波路部とを有する光導波路と、
少なくとも前記波長制御導波路部に沿った回折格子とを有し、
前記光導波路と前記回折格子は、発振波長に伴うストップバンド幅の変動が前記発振波長の可変範囲内において±１％以内となるような間隔５ｄで配置してあることを特徴とする波長可変レーザ。

（付記２）
利得導波路部と波長制御導波路部とを有する光導波路と、
少なくとも前記波長制御導波路部に沿った回折格子とを有し、
前記光導波路と前記回折格子は、発振波長に伴う前記回折格子の結合係数の変動が前記発振波長の可変範囲内において±５％以内となるような間隔５ｄで配置してあることを特徴とする波長可変レーザ。

（付記３）
利得導波路部と波長制御導波路部とを有する光導波路と、
少なくとも前記波長制御導波路部に沿った回折格子とを有し、
前記光導波路と前記回折格子は、発振波長に伴うストップバンド幅の変動が前記発振波長の可変範囲内において±１％以内となり、かつ、発振波長に伴う前記回折格子の結合係数の変動が前記発振波長の可変範囲内において±５％以内となるような間隔で配置してあることを特徴とする波長可変レーザ。

（付記４）
前記回折格子と前記波長制御導波路部との前記間隔ｄｓ（μｍ）は以下の数式で定まることを特徴とする付記１乃至３のいずれかに記載の波長可変レーザ。
Ｃ_ｎ−０．１４＜ｄｓ＜Ｃ_ｎ−０．０６
ｄｓ＝｛−０．０２１＋０．０３２５／（ｎ−３．２３３）｝×｛−０．５３＋０．４４／（ｄｃ−０．０１）｝−０．１
ｎ：電流を前記波長制御導波路部に注入しないときの前記波長制御導波路部の屈折率
ｄｃ：前記波長制御導波路部の厚さ（μｍ）
（付記５）
前記利得導波路部と前記波長制御導波路部とが前記光導波路の光軸方向に交互に配置されていることを特徴とする付記１乃至４のいずれかに記載の波長可変レーザ。

（付記６）
前記回折格子は、前記回折格子の周期の半分だけシフトしている部分を備えることを特徴とする付記１乃至５のいずれかに記載の波長可変レーザ。

（付記７）
前記回折格子が、前記光導波路の下側に形成されていることを特徴とする付記１乃至６のいずれかに記載の波長可変レーザ。

（付記８）
同一基板上に、異なる波長可変範囲を持つ付記１乃至７のいずれかに記載の複数の前記波長可変レーザを備え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と回路図である。 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。 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、光導波路１と回折格子２との間隔５ｄと発振波長に伴うストップバンド幅の変動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、光導波路１と回折格子２との間隔５ｄと、回折格子２の結合係数の変動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、波長制御導波路部１ｂの屈折率と、波長制御導波路部１ｂの厚さと、光導波路１と回折格子２との間隔５ｄ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）において、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。 本発明における波長可変時の回折格子２の光閉じ込め１３の様子を示す模式図である。

符号の説明

１ 光導波路
１ａ 利得導波路部（利得層）
１ｂ 波長制御導波路部（波長制御層）
１ｄ 波長制御導波路部の厚さｄｃ
２ 回折格子（回折格子層）
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（ｎ型ＩｎＰ光閉じ込め層）
５ ｎ−ＩｎＰ層（ｎ型ＩｎＰ光閉じ込め層）
５ｄ 回折格子と波長制御導波路部との間隔ｄｓ
６ ｐ−ＩｎＰ層（ｐ型ＩｎＰ光閉じ込め層）
７ａ，７ｂ コンタクト層
８ ＳｉＯ_２膜
１０ 定電流回路
１１ 定電流回路
１２ 接地端子
１３ 光閉じ込め
１９ 基板
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 (5)

1. 利得導波路部と波長制御導波路部とを有する光導波路と、
   少なくとも前記波長制御導波路部に沿った回折格子とを有し、
   前記光導波路と前記回折格子は、発振波長に伴うストップバンド幅の変動が前記発振波長の可変範囲内において±１％以内となるような間隔で配置してあることを特徴とする波長可変レーザ。
2. 利得導波路部と波長制御導波路部とを有する光導波路と、
   少なくとも前記波長制御導波路部に沿った回折格子とを有し、
   前記光導波路と前記回折格子は、発振波長に伴う前記波長制御導波路部における回折格子の結合係数の変動が前記発振波長の可変範囲内において±５％以内となるような間隔で配置してあることを特徴とする波長可変レーザ。
3. 利得導波路部と波長制御導波路部とを有する光導波路と、
   少なくとも前記波長制御導波路部に沿った回折格子とを有し、
   前記光導波路と前記回折格子は、発振波長に伴うストップバンド幅の変動が前記発振波長の可変範囲内において±１％以内となり、かつ、発振波長に伴う前記波長制御導波路部における回折格子の結合係数の変動が前記発振波長の可変範囲内において±５％以内となるような間隔で配置してあることを特徴とする波長可変レーザ。
4. 前記回折格子と前記波長制御導波路部との前記所定の間隔ｄｓ（μｍ）は以下の数式で定まることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の波長可変レーザ。
   ｛−０．０２１＋０．０３２５／（ｎ−３．２３３）｝×｛−０．５３＋０．４４／（ｄｃ−０．０１）｝−０．１４＜ｄｓ＜｛−０．０２１＋０．０３２５／（ｎ−３．２３３）｝×｛−０．５３＋０．４４／（ｄｃ−０．０１）｝−０．０６
   ｎ：電流を前記波長制御導波路部に注入しないときの前記波長制御導波路部の屈折率
   ｄｃ：前記波長制御導波路部の厚さ（μｍ）
5. 前記利得導波路部と前記波長制御導波路部とが前記光導波路の光軸方向に交互に配置されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の波長可変レーザ。