JP2008103466A

JP2008103466A - 半導体レーザ

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Publication number: JP2008103466A
Application number: JP2006283566A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Nunotani; 伸浩布谷; Hiroyuki Ishii; 啓之石井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2008-05-01
Anticipated expiration: 2026-10-18
Also published as: JP4926641B2

Abstract

【課題】１つの電極への注入電流制御により単一モード性を保ったまま連続的に５ｎｍ程度以上発振波長を変化させることができ、活性導波路層及び非活性導波路層への電流注入も効率良く行うことができ、簡便に作製することができる半導体レーザを提供する。
【解決手段】異なる周期Ｌ₁、Ｌ₂を有し、活性導波路層２と非活性導波路層３とが光の伝搬方向に沿って交互に複数繰り返す周期構造を有する複数のレーザ部Ａ₁、Ａ₂を直列に接続した光導波路層において、レーザ部Ａ₁、Ａ₂の活性導波路層２と非活性導波路層３の長さの比を全て等しくし、各活性導波路層２_a1、２_a2に対応して設けた電極７_a1、７_a2同士を短絡し、各非活性導波路層３_t1、３_t2に対応して設けた電極８_t1、８_t2同士を短絡し、光導波路層の全長に渡って回折格子５を設け、回折格子５の途中に位相シフト１０を設けた半導体レーザ。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信用光源及び光計測用光源として用いられる波長可変半導体レーザに関し、特に、光通信における光波長（周波数）多重システム用光源及び広帯域波長帯をカバーする光計測用光源に好適なものである。

通信情報量の増大に対して、光波長（周波数）多重通信システムの研究が行われているが、送信用光源及び同期検波用可同調光源として広範囲な波長調整機能が要求されており、又、光計測の分野からも広域波長帯をカバーする波長可変光源の実現が望まれている。これまでに、種々の可変波長光源が研究されてきたが、それらを大別すると、１つの発振モードで連続的に波長が変わるものと、モード跳びを伴って不連続に波長が変わるものとに分けることができる。実際のシステムヘの応用を考えた場合、制御性の面から、連続的に波長が変わるものの方が好ましい。又、波長変化を制御するために、温度を変化させて屈折率を制御するものと、電流注入による屈折率変化を用いるものの二つが主に使われているが、波長変化速度を考えると、電流注入による屈折率変化を用いた方が速い波長切り替えが可能である。

電流注入による屈折率変化を用いて連続的に発振波長を変化させることができる半導体レーザとしては、分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）や二重導波路レーザ（ＴＴＧレーザ）などが研究されており、連続波長可変幅としてＤＢＲレーザでは４．４ｎｍ、ＴＴＧレーザでは７ｎｍという値が報告されている。近年では、ＤＢＲレーザのモード跳びを抑えるために、活性層領域を短くした、いわゆる短共振器ＤＢＲレーザも研究されている。

モード跳びをともなった不連続な波長可変幅としては、ＤＢＲレーザで１０ｎｍという値が得られている。又、不連続ではあるが広い波長可変幅が得られる半導体レーザとして、Ｙ分岐レーザ、超周期構造回折格子レーザなどが試作され、５０〜１００ｎｍの波長可変幅が得られている。

しかしながら、上記従来技術においては次のような問題があった。
ＴＴＧレーザでは、光の増幅作用を行う活性導波路層に電流注入してレーザ発振動作を生じさせ、該活性導波路層のすぐ近くに形成される波長制御用非活性導波路層に独立に電流注入することにより、発振波長を変化させる。ここで、回折格子の周期をΛ、導波路の等価屈折率をｎとすれば、ブラッグ波長λ_bは、
λ_b＝２ｎΛ （１）
と表される。レーザはこのブラッグ波長近傍の１つの共振縦モードで発振動作する。非活性導波路層に電流注入を行うと、導波路の等価屈折率が変化し、式（１）より、ブラッグ波長もそれに比例して変化する。ここで、ブラッグ波長の変化の割合△λ_b／λ_bは、
△λ_b／λ_b＝△ｎ／ｎ（２）
となり、等価屈折率の変化の割合△ｎ／ｎと等しくなる。又、電流注入による等価屈折率の変化に伴い、共振縦モード波長も変化する。ＴＴＧレーザの場合、共振器全体の等価屈折率が一様に変化するので、共振縦モード波長の変化の割合△λ_r／λ_rは等価屈折率の変化の割合△ｎ／ｎに等しくなる。すなわち、
△λ_r／λ_r＝△ｎ／ｎ（３）
となる。式（２）、式（３）より、ＴＴＧレーザでは、ブラッグ波長の変化と共振縦モードの変化が等しくなるので、最初に発振したモードが保たれたまま連続的に発振波長が変化するという大きな特徴を有する。しかしながら、単一横モード発振動作をさせるためには二重導波路の幅は１〜２μｍにする必要があり、更に活性層と波長制御層との間に形成されるｎ型スペーサ層の厚さを１μｍ以下まで薄くする必要があるため、通常の半導体レーザで用いられている埋め込み構造にすることができず、それぞれの導波路層に効率良く電流を注入するための構造にすることが、製作上非常に困難であるという問題があった。又、通常の半導体レーザ構造と異なるため、半導体光増幅器などとの集積化が困難であり、多機能な集積デバイスを構成できないという問題点があった。

それに対してＤＢＲレーザでは、光の増幅作用を行う活性導波路層と非活性導波路層とが直列に接続されている構造なので、通常の半導体レーザと同様に電流狭窄を行うための埋め込みストライプ構造を用いることができ、更に各々の導波路層に独立に電流注入を行うことは、各々の導波路層の上方に形成される電極を分離することにより容易に実現される。非活性導波路層への電流注入により、等価屈折率を変えてブラッグ波長を変化させる機構はＴＴＧレーザと同様であるが、等価屈折率の変化する領域が共振器の一部に限られているために、ブラッグ波長の変化量と共振縦モード波長の変化量とは一致しない。共振縦モード波長の変化の割合△λ_r／λ_rは、全共振器長さＬに対する分布反射器の実効長Ｌ_eの割合分だけ等価屈折率の変化の割合△ｎ／ｎよりも少なくなり、
△λ_r／λ_r＝（Ｌ_e／Ｌ）・（△ｎ／ｎ）（４）
となる。従って、式（２）、式（４）より、ＤＢＲレーザでは波長制御電流を注入するにつれてブラッグ波長と共振縦モード波長とが相対的に離れていくため、モード跳びを生じてしまうという欠点を持っていた。モード跳びを生じさせないためには、回折格子が形成されていない位相調整領域を設けて、そこへの電流注入により共振縦モードの変化量とブラッグ波長の変化量とを一致させる必要がある。しかし、この方法では２つの電極への波長制御電流を制御するための外部回路が必要になり、装置構造及び制御が複雑になるという問題があった。モード跳びを生じさせないもう一つの方法として、共振器長を短くして縦モード間隔を広げる短共振器ＤＢＲレーザが考えられるが、活性層を短くする必要があるため、大きな出力を得るのが困難であるという問題点があった。

ＴＴＧレーザ及びＤＢＲレーザにおける連続波長可変幅は、波長制御層の屈折率変化量に制限され、その値は４〜７ｎｍ程度に留まっている。波長可変幅を更に広くするには、モード跳びを許容し、波長フィルタの波長変化量が屈折率変化量よりも大きくなるような手段を用いる必要がある。Ｙ分岐レーザや、超周期構造回折格子レーザは、いずれも屈折率変化量よりもフィルタ波長変化量が大きくなる手段を用いている。これらのレーザでは、フィルタ波長を大きく変化させ、なおかつ十分な波長選択性を得るために、２つの電極に流す電流を制御する必要があり、更に共振縦モード波長を制御するための電極も必要となる。その結果、発振波長を調整するのに３つの電極への注入電流を制御しなければならず、制御が非常に複雑になってしまうという問題があった。

これらの課題を解決するべく、１つの電極への注入電流制御により連続的に４〜７ｎｍ程度発振波長を変化させることができ、なおかつ活性導波路層及び非活性導波路層への電流注入も効率良く行える半導体レーザを得ることと、モード跳びを伴うけれども、２つの電極への注入電流制御により、５０〜１００ｎｍ程度の範囲にわたって発振波長を変化させることができる半導体レーザが開発されている。非特許文献１及び特許文献１には、分布活性ＤＦＢレーザ（ＴＤＡ−ＤＦＢ−ＬＤ）の構造が開示されている。この構造によれば、活性層体積も十分確保できるため、高出力化を図ることが可能である。

図６に、非特許文献１に開示された分布活性ＤＦＢレーザの構造の断面図を示す。
この分布活性ＤＦＢレーザは、下部クラッド２１上に、活性導波路層２２と非活性導波路層２３（波長制御領域）が交互に周期的に縦続接続された構造となっている。そして、それらの上に上部クラッド２４が形成されて、その上部クラッド２４上に、活性導波路層２２、非活性導波路層２３に対応する電極２５、２６が形成されると共に、下部クラッド２１の下部に共通の電極２７が形成されている。活性導波路層２２への電流注入により発光するとともに利得が生じるが、それぞれの導波路には凹凸、すなわち回折格子２８が形成されており、回折格子周期に応じた波長のみ選択的に反射されレーザ発振が起こる。一方、非活性導波路層２３への電流注入によりキャリア密度に応じてプラズマ効果により屈折率が変化するため、非活性導波路層２３の回折格子２８の光学的な周期は変化する。非活性導波路層２３の等価屈折率が変化し、１周期の長さに対する波長制御領域の長さの割合分だけ共振縦モード波長が短波長側にシフトする。繰り返し構造の１周期の長さをＬ、波長制御領域長をＬ_tとすれば、共振縦モード波長の変化の割合は、
△λ_r／λ_r＝（Ｌ_t／Ｌ）・（△ｎ／ｎ）（５）
となる。

一方、複数の反射ピークの各波長も、電流注入による等価屈折率の変化の結果、短波長側にシフトする。反射ピーク波長は繰り返し構造の１周期内の平均等価屈折率変化に比例するので、反射ピーク波長の変化の割合△λ_S／λ_Sは、
△λ_S／λ_S＝（Ｌ_t／Ｌ）・（△ｎ／ｎ）（６）
となる。
式（５）、式（６）より、反射ピーク波長と共振縦モード波長とは同じ量だけシフトする。従って、このレーザでは、最初に発振したモードを保ったまま連続的に波長が変化する。

特許文献１に開示されている分布活性ＤＦＢレーザの構造を図７に示す。
この分布活性ＤＦＢレーザも、下部クラッド３１上に、活性導波路層３２と非活性導波路層３３が交互に周期的に縦続接続されたものであり、それらの上に上部クラッド３４が形成されて、その上部クラッド３４上に、活性導波路層３２、非活性導波路層３３に対応する電極３５、３６が形成されると共に、下部クラッド３１の下部に共通の電極３７が形成された構造である。この分布活性ＤＦＢレーザでは、回折格子３８を一部のみに形成しているが、図６の分布活性ＤＦＢレーザと同じように連続的に波長変化する。又、特許文献１においては、図７に示す分布活性ＤＦＢレーザの構造を、周期をＬ₁、Ｌ₂に変えて２つ縦続接続した構造（図８）も開示されている。

Ishii et a1, "A Tunable Distributed Amplification DFB Laser Diode (TDA-DFB-LD)", IEEE Photonics Technology letters, voL10, no.1, Jan 1998. 特許３２３７７３３号公報

しかしながら、図６に示す分布活性ＤＦＢレーザの構造では、電流注入による波長変化量が増加するに従って、活性導波路層２２と非活性導波路層２３との周期変調が生じるために副モードが増大し、単一モード特性が劣化するという現象が生じる。図９は、図６に示す分布活性ＤＦＢレーザの構造の反射特性を示した説明した図である。図９（ａ）は、活性導波路層２２と非活性導波路層２３が同じ屈折率を有した状態の反射特性であり、図９（ｂ）は、非活性導波路層２３に電流を注入して活性導波路層２２と非活性導波路層２３の屈折率に差が生じた状態の反射特性、図９（ｃ）は図９（ｂ）よりも更に屈折率差が大きくなった状態の反射特性である。このように、非活性導波路層２３への電流注入により主ピークは短波長側にシフトしていくが、それに応じて副モードが増大するのである。

又、図７に示す分布活性ＤＦＢレーザの構造においては、初めから回折格子３８を限定して周期的に作製することにより、最初から図９（ｃ）のような副モードが生じた状態を作り出している。その上で、活性導波路層３２と非活性導波路層３３との繰返し周期の異なる２つの領域を縦続接続した構造（図８）とすることにより二つの領域の副モード間隔を変え、副モードの増大を防ぐとともに、２つの領域の非活性導波路層３３への電流注入量を変化させることで、共振させる反射ピークを変えて、広範囲での波長可変を可能としている。しかしながら、この方法を用いた場合、回折格子３８を作製する領域を限定しているため、パターンを作製する電子ビーム（ＥＢ）描画が複雑になるという問題点があった。又、回折格子３８が均等でないため、エッチングを均等に行うことが難しいという問題点があった。更に、共振器全体の反射率を確保するためには、部分的に存在している回折格子３８の結合係数を大きくする必要があり、作製が困難であるという問題点があった。

本発明の目的は、上記問題を解決し、１つの電極への注入電流制御により単一モード性を保ったまま連続的に５ｎｍ程度以上発振波長を変化させることができ、なおかつ活性導波路層及び非活性導波路層への電流注入も効率良く行うことができ、できるだけ簡便に作製することができる半導体レーザを得ることである。

上記課題を解決する第１の発明に係る半導体レーザは、
半導体基板上に、該半導体基板より光学的屈折率が大きい光導波路層と、該光導波路層より屈折率が小さい光閉じ込め層とをそれぞれ１層以上含む直線光導波路を有する半導体レーザであって、
前記光導波路層の全長に渡って、同一周期で形成した回折格子と、
前記回折格子の途中に形成した位相シフトとを備えると共に、
前記光導波路層を、発振波長帯の光に対して光学的利得を有する活性領域と光学的利得を持たない非活性領域とが、光の伝搬方向に沿って、第一の周期で交互に複数繰り返す周期構造を有する第一のレーザ部と、発振波長帯の光に対して光学的利得を有する活性領域と光学的利得を持たない非活性領域とが、光の伝搬方向に沿って、前記第一の周期とは異なる第二の周期で交互に複数繰り返す周期構造を有する第二のレーザ部とを直列に接続して構成し、かつ、前記第一のレーザ部の周期構造における一周期中の前記活性領域と前記非活性領域の長さ比と前記第二のレーザ部の周期構造における一周期中の前記活性領域と前記非活性領域の長さの比を等しくし、
前記活性領域の上方に、電流を注入する第一の電極を各々設けると共に、該第一の電極同士を短絡し、かつ、前記非活性領域の上方に、前記第一の電極とは独立して電流を注入する第二の電極を各々設けると共に、該第二の電極同士を短絡したことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る半導体レーザは、
半導体基板上に、該半導体基板より光学的屈折率が大きい光導波路層と、該光導波路層より屈折率が小さい光閉じ込め層とをそれぞれ１層以上含む直線光導波路を有する半導体レーザであって、
前記光導波路層の全長に渡って、同一周期で形成した回折格子と、
前記回折格子の途中に形成した位相シフトとを備えると共に、
前記光導波路層を、発振波長帯の光に対して光学的利得を有する活性領域と光学的利得を持たない非活性領域とが、光の伝搬方向に沿って交互に複数繰り返す周期構造を有するレーザ部を３つ以上直列に接続して構成すると共に、該３つ以上のレーザ部を各々異なる周期の周期構造とし、かつ、前記３つ以上のレーザ部の周期構造における一周期中の前記活性領域と前記非活性領域の長さ比を全て等しくし、
前記活性領域の上方に、電流を注入する第一の電極を各々設けると共に、該第一の電極同士を短絡し、かつ、前記非活性領域の上方に、前記第一の電極とは独立して電流を注入する第二の電極を各々設けると共に、該第二の電極同士を短絡したことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る半導体レーザは、
第１又は第２の発明に記載の半導体レーザにおいて、
前記回折格子の途中に形成する位相シフトを複数個としたことを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザよれば、各々異なる周期を有する複数のレーザ部を直列に接続した光導波路層において、各レーザ部における活性領域と非活性領域の長さ比を全て等しくし、各活性領域に対応して設けた第一の電極同士を短絡し、かつ、各非活性領域に対応して設けた第二の電極同士を短絡し、光導波路層の全長に渡って、回折格子を設けると共に回折格子の途中に位相シフトを設けたので、第一の電極への電流制御のみで活性領域への電流注入が可能となり、連続的に波長調整が可能となると共に副モードを抑制して良好な単一モード特性が得られ、又、第二の電極への制御で１０ｎｍを越える広い範囲の波長調整が可能となる。又、上記構造を有するので、簡易な作製法により、容易に作製することができる。

以下、本発明に係る半導体レーザの実施形態について、図面を参照しながら説明する。

（第一の実施形態）
図１は本発明に係る半導体レーザの第一の実施形態を示す図である。図１（ａ）は素子の上面から見た図であり、図１（ｂ）及び（ｃ）は、図１（ａ）におけるｘ−ｘ’断面及びｙ−ｙ’断面である。

まず、本発明に係る半導体レーザの動作原理について説明する。
図１に示す本実施形態の半導体レーザは、図６の半導体レーザの構造を、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期を変えて、直列に接続した構造となっている。従って、本実施形態の半導体レーザ、即ち、図１における第一のレーザ部Ａ₁及び第二のレーザ部Ａ₂を説明するため、その構成要素となる図６の半導体レーザの構造を参照して説明を行う。

従来の技術で示したＴＴＧレーザやＤＢＲレーザでは、回折格子が一様に形成されているため、その反射特性はブラッグ波長において１本の鋭いピークを持つものとなる。それに対して、図６の半導体レーザでは、前述したように活性領域と非活性領域とで等価屈折率が異なると、回折格子の物理的な周期が同じであっても光学的な周期が異なり、複数のピークを持つ反射特性になる。ここで、ピーク間隔は繰り返し周期Ｌに反比例する関係にある。各々のピークに対する包絡関数は、１周期内の回折格子の形状をフーリエ変換したものとなる。

周期的に配置された全ての活性導波路層に電流注入を行い、光学的利得を得ることにより、図６の半導体レーザは主ピーク近傍の１つの共振縦モードで発振する。周期的に配置された全ての非活性導波路層の波長制御電極に電流注入を行えば、波長制御領域の等価屈折率が変化し、１周期の長さに対する波長制御領域の長さの割合分だけ共振縦モード波長が短波長側にシフトする。繰り返し構造の１周期の長さをＬ、波長制御領域長をＬ_tとすれば、共振縦モード波長の変化の割食は、前述のように式（５）となる。

一方、複数の反射ピークの各波長も、電流注入による等価屈折率の変化の結果、短波長側にシフトする。反射ピーク波長は繰り返し構造の１周期内の平均等価屈折率変化に比例するので、反射ピーク波長の変化の割合△λ_S／λ_Sは、前述のように式（６）となる。

式（５）、式（６）より、反射ピーク波長と共振縦モード波長とは同じ量だけシフトする。従って、図６の半導体レーザでは、最初に発振したモードを保ったまま連続的に波長が変化する。

通常のＤＦＢレーザのように全領域を活性導波路層にしてしまうと、レーザ発振によりキャリア密度がほぼ一定となるため、導波路の屈折率を変化させることができなくなってしまうので、波長可変動作が達成されない。

部分的かつ周期的に回折格子が形成されている非活性導波路層による分布反射器と、活性導波路層とが直列に接続された、通常のＤＢＲレーザのような構造では、反射ピーク波長と共振縦モード波長の動きとが一致しないので、連続的な波長可変動作が達成されない。

つまり、回折格子の形成された活性導波路層と非活性導波路層が周期的に交互に並んでいることが重要である。

しかしながら、前述のように非活性領域への電流注入により波長を変化させると、波長変化量が大きくなるにつれて、主反射ピークの反射率が低下するとともに、主反射ピーク以外の波長に副反射ピークが生じる。これにより、図６の半導体レーザの構造をそのままレーザ共振器として用いると、波長可変時の単一モード特性が優れない。

そこで、図１のように、図６の半導体レーザを、繰り返し構造の周期が異なるもの（第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂）とし、これらを２つ直列に同一基板上に接続すれば、連続的な波長可変動作が達成されると同時に、副モードの影響を抑えることができるため、単一モード特性を良好に保つことができる。

図６の半導体レーザの構造において、活性導波路層と非活性導波路層の周期Ｌ（Ｌ_t＋Ｌ_a）を５９ｎｍとした構造と、７３ｎｍとした構造とを作製し、各構造において、非活性導波路層の屈折率を電流注入により変化させた場合の反射特性を図２に示す。これは、図１における第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂のそれぞれの反射特性に相当する。なお、回折格子の結合係数κは２０ｃｍ^-1としており、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し数は６としている。活性導波路層と非活性導波路層の割合（Ｌ_a／Ｌ_t）は同じとし、非活性導波路層の屈折率変化を同じとしているので、両者の平均的な屈折率変化は同じである。活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期が異なるため、主モードの反射ピークは一致しているが、副モードの反射ピークがずれていることがわかる。両者の繰り返し周期は、互いに素であるか、最大公倍数を十分大きくなるようにすることにより、副モードの重なりを防ぐことができる。

これにより、周期の異なる図６のＤＦＢレーザの構造を縦続接続して共振器を作製した図１に示す半導体レーザの構造の場合には、副モードは片側の反射が得られないので主モードのみで共振が起こることがわかる。つまり、２つの繰り返し構造（第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂）において、１周期中の活性導波路層と非活性導波路層の長さの比を等しくし、望ましくは、１周期の長さに対する波長制御電極の長さの比を２つのレーザで等しくしておくと、全ての波長制御電極を短絡してそこに電流注入を行えば、前例と同様に反射ピーク波長と共振縦モード波長が同量だけ変化するので、連続的な波長調整を行うことができる。従って、第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂との間で反射ピーク及び共振縦モードの動きを一致させるために、１周期中の活性導波路層と非活性導波路層との長さの比を、２つのレーザ部間で等しくしておくことが重要であり、望ましくは、１周期の長さに対する波長制御電極の長さの比も、２つのレーザ部間で等しくしておけばよい。この例のように、２つのレーザを組み合わせた場合には、設計の自由度が広がり、反射ピークの主ピークと副ピークの反射率差を大きくとることができ、変調時でも安定な単一モード動作を得ることができる。

図３は本実施形態の半導体レーザの発振スペクトルである。回折格子の結合係数κは２０ｃｍ^-1としており、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し数は、第一のレーザ部Ａ₁、第二のレーザ部Ａ₂共に６としている。非活性導波路層の屈折率を電流注入によって低下させることにより、発振波長が短波長側ヘシフトしていることがわかる。又、約１０ｎｍ程度の波長可変時においても、若干副モードが現れているが、十分抑圧されており、良好な単一モード特性が得られている。

Ｙ分岐レーザや超周期回折格子レーザでは、波長フィルタや反射器の中心波長を大きく変化させるのに２つの領域への注入電流を制御する必要があり、更に共振縦モード波長を制御するための電極が必要なため、合計３領域への注入電流制御が必要であったが、本発明による半導体レーザでは、上述のように、反射器の反射ピーク波長を変化させると共振縦モード波長も同量だけ変化するので、２つの領域への注入電流を制御すればよいので、制御用回路を大幅に削減することができる。

なお、繰り返し周期の異なる本発明による半導体レーザを２つ独立して作製し、それをレンズ等により光学的に結合させた場合には、２つの半導体レーザ間に距離が生じるため、上述のように連続的に波長を変化させることはできない。なぜならば、波長制御電極に電流を注入したときに、２つのレーザ間の光の位相は全く変化しないため、その分だけ共振縦モードの変化が小さくなり、反射ピークの変化と一致しなくなるからである。つまり、２つのレーザは、直列且つ近接して直接接続されている必要があり、そのため、同一基板上に２つの半導体レーザが一体に集積されていなければならない。

次に、本発明に係る半導体レーザの第一の実施形態の構造について、図１を用いて説明する。
図１に示す本実施形態の半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰからなる上部クラッド１（半導体基板）上に、上部クラッド１より光学的屈折率が大きい光導波路層と、この光導波路層より屈折率が小さい光閉じ込め層とをそれぞれ１層以上含む直線光導波路を有するものである。

光導波路層は、第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂とが直列に接続されて構成される。第一のレーザ部Ａ₁は、発振波長帯の光に対して光学的利得を有し、ＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬ_a1の活性導波路層２_a1（活性領域）と、光学的利得を持たず、活性導波路層２_a1とは組成の異なるＧａＩｎＡｓＰからなる長さＬ_t1の非活性導波路層３_t1（非活性領域、波長制御領域）とが、光の伝播方向に沿って、周期Ｌ₁（第一の周期）で交互に複数繰り返して縦続接続された周期構造である。第二のレーザ部Ａ₂も、第一のレーザ部Ａ₁と同様な周期構造となっているが、発振波長帯の光に対して光学的利得を有し、ＧａＩｎＡｓＰからなる活性導波路層２_a2（活性領域）及び光学的利得を持たず、ＧａＩｎＡｓＰからなる非活性導波路層３_t2（非活性領域、波長制御領域）の長さが、それぞれＬ_a2及びＬ_t2となり、周期Ｌ₁とは異なる周期Ｌ₂（第二の周期）で交互に複数繰り返して縦続接続されたものである。

このような構造の光導波路層と、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド４との間には、光導波路層の全長に渡って、同一周期で凹凸を形成して、光導波路層の等価屈折率を周期変調させた回折格子５が形成されている。

上部クラッド４の上には、活性導波路層２（２_a1、２_a2）、非活性導波路層３（３_t1、３_t2）とのオーミックコンタクトのために高ドープのｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６を設け、更に、その上に活性層電極７（第一の電極）、波長制御電極８（第二の電極）を設け、活性層電極７、波長制御電極８に対応してコンタクト層６を２つに分離することにより、互いに独立して電流を注入できるようにしている。活性層電極７としては、活性導波路層２_a1、２_a2の領域の上方に、これらの領域に対応して各々活性層電極７_a1、７_a2が設けられ、更に、全ての活性層電極７_a1、７_a2同士が互いに素子上で短絡された構成であり、波長制御電極８としては、非活性導波路層３_t1、３_t2の領域の上方に、これらの領域に対応して各々波長制御電極８_t1、８_t2が設けられ、更に、全ての波長制御電極８_t1、８_t2同士が互いに素子上で短絡された構成である。又、基板下部、つまり、下部クラッド１の下部には、共通の電極９を形成している。
なお、電極同士を素子上で短絡しているので、活性層電極７が活性導波路層２のみに電流を注入できるように、活性層電極７の下層においては、活性導波路層２の上方の領域にのみコンタクト層６が形成され（図１（ａ）の電極幅の広い部分）、非活性導波路層３の上方の領域には絶縁層１１が形成されている（図１（ａ）の電極幅の狭い部分、図１（ｃ）参照）。同様に、波長制御電極８が非活性導波路層３のみに電流を注入できるように、波長制御電極８の下層においても、非活性導波路層３の上方の領域にのみコンタクト層６が形成され（図１（ａ）の電極幅の広い部分）、活性導波路層２の上方の領域には絶縁層１１が形成されている（図１（ａ）の電極幅の狭い部分、図１（ｃ）参照）。

活性導波路層２（２_a1、２_a2）にバンドギャップ波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いた場合、非活性導波路層３（３_t1、３_t2）はそれより短波のバンドギャップ波長、例えば、１．４μｍのバンドギャップ波長のＧａＩｎＡｓＰを用いることにより、レーザ発振の利得に寄与しなくなるために、キャリア密度が一定にならない。これにより、電流注入により大きく屈折率を変化させることができる。

活性導波路層２及び非活性導波路層３はバルク材料でなくともよく、例えば、量子井戸構造、もしくは、量子井戸をバリア層を挟んで重ねた多層量子井戸構造や、更に低次元の量子井戸構造を備えたものであっても良い。又、活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めを高めるなどのために、活性層とクラッド層の間に中間の屈折率を持つ層を導入する分離閉じ込めヘテロ構造などを導入しても良い。

本素子に用いる半導体は、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定することなく、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなど、その他の半導体を用いても良いし、活性導波路層２と非活性導波路層３のバンドギャップ波長の組み合わせも上記に限定するものではない。

電流は活性導波路層２に効率よく注入されるように、両脇にｐ型半導体とｎ型半導体を交互に重ねることにより電流ブロック層を形成した埋め込みヘテロ構造（ＢＨ）としている。電流ブロック層は、ｐ型半導体とｎ型半導体の多層構造に限定することなく、ＦｅやＲｕをドーピングして高抵抗としてＩｎＰ層としてもよい。

又、導波路構造は、本実施形態では埋め込みヘテロ構造を採用しているが、一般的なリッジ構造やハイメサ構造などでも本発明の原理を用いることができる。

第一のレーザ部Ａ₁の周期構造と第二のレーザ部Ａ₂の周期構造において、活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返し周期は、それぞれＬ₁、Ｌ₂と異なるが、非活性導波路層３の長さに対する活性導波路層２の長さの割合（Ｌ_a1／Ｌ_t1及びＬ_a2／Ｌ_t2）、即ち、一周期中の活性導波路層２と非活性導波路層３の長さの比は全て同じである。本実施形態では、この割合を１／２とした。又、第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂の間において、１／４波長の位相シフト１０を回折格子５の途中に形成することにより、回折格子５の位相を１／４波長変化させている。これにより、第一のレーザ部Ａ₁での反射波と第二のレーザ部Ａ₂での反射波の位相を、発振条件を満たすように整合させている。

活性導波路層２及び波長制御用の非活性導波路層３の上部に設けられる活性層電極７及び波長制御電極８は互いに分離されており、図１（ａ）に示すように、活性導波路層２上の活性層電極７_a1、７_a2同士及び非活性導波路層３上の波長制御電極８_t1、８_t2同士は素子上で短絡されており、櫛型の電極形状になっている。このように素子上で各々の領域の電極同士を短絡しておくことにより、金属製のボンディング・ワイヤをどこか一か所ずつ接着させるだけで、各領域に電流を注入することができる。

ここで、上記半導体レーザの作製方法を簡単に説明する。
最初に有機金属気相エピタキシャル成長法と、これによる選択成長法を用いて、ｎ型ＩｎＰ下部からなる下部クラッド１上に、活性導波路層２（２_a1、２_a2）と非活性導波路層３（３_t1、３_t2）とを作製する。その後、塗布したレジストに、電子ビーム露光法を用いて回折格子５のパターンを転写し、転写パターンをマスクとしてエッチングを行い、回折格子５を形成する。ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド４及びｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６を成長した後、横モードを制御するために、幅１．２μｍのストライプ状に導波路を加工し、その両側にｐ型半導体／ｎ型半導体よりなるＩｎＰ電流ブロック層を成長する。そして、活性層電極７及び波長制御電極８を形成した後、活性層駆動用の活性層電極７と波長制御用の波長制御電極８とを電気的に分離するために、それらの電極間のコンタクト層６を除去する。
なお、電極同士を素子上で短絡すると共に、活性層電極７が活性導波路層２のみに電流を注入できるように、活性層電極７を形成する前に、活性導波路層２の上方の領域にコンタクト層６を形成し、非活性導波路層３の上方の領域に絶縁層１１を形成し、それらの上層に活性層電極７を形成している。同様に、電極同士を素子上で短絡すると共に、波長制御電極８が非活性導波路層３のみに電流を注入できるように、波長制御電極８を形成する前に、非活性導波路層３の上方の領域にコンタクト層６を形成し、活性導波路層２の上方の領域に絶縁層１１を形成し、それらの上層に波長制御電極８を形成している。

半導体の成長法としては、有機金属気相エピタキシャル成長法に限らず、分子線エピタキシャル成長法やその他の手段を用いてもよい。回折格子５の形成方法も電子線露光法に限らず、二束干渉露光法やそのほかの手段を用いてもよい。

本実施形態では、第一のレーザ部Ａ₁及び第二のレーザ部Ａ₂における活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返しの数をそれぞれ６としている。第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂では同じ結合係数の回折格子５を用いているので、活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返し周期の長い第二のレーザ部Ａ₂の方が結合係数と長さの積が大きくなるため反射率は高くなる。従って、繰り返し数を同数とした場合、自然に出力は非対称となり、反射率の低い第一のレーザ部Ａ₁からの出力が反射率の高い第二のレーザ部Ａ₂からの出力に比べて大きくとれるため、第一のレーザ部Ａ₁側から出力を効率よく取り出すことができる。なお、活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返しの数は６に限らず、又、繰り返し数が第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂で同じである必要もないため、必要な反射率に応じて繰り返し周期や繰り返し数を設計すればよい。

本実施形態では、第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂の回折格子の間に１／４波長の位相シフト１０を入れている。これにより最も位相整合がとれる条件となるが、必ずしも１／４波長の位相シフトでなくともよく、例えば１／８波長の位相シフトとすることで、位相条件はずれることになるが、位相シフト領域への光の集中を抑制することが可能となる。又、位相シフト１０の位置は、必ずしも第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂の間である必要はなく、共振器中央の全共振器長の約１／３程度の範囲内に位相シフトがあれば、位相条件を満たすことができる。

本実施形態では、第一のレーザ部Ａ₁及び第二のレーザ部Ａ₂における活性導波路層２と非活性導波路層３の比を１：２としている。非活性導波路層３の割合を大きくすることで、平均の等価屈折率変化を大きくすることができるので、波長変化量を大きくすることができる。しかしながら、非活性導波路層３の割合を大きくすると必然的に活性導波路層２の割合が小さくなってしまい、レーザ発振に必要な利得を得ることが困難になる。従って、活性層の層数などの設計や導波路の損失に応じて割合を調整することが必要であるが、本発明の原理は、第一のレーザ部Ａ₁と第二のレーザ部Ａ₂において活性導波路層２と非活性導波路層３の割合（比）を同一とすることであるため、その割合（比）は要求に応じて変更可能である。

このように、本発明に係る半導体レーザでは、活性導波路層２と非活性導波路層３を交互に周期的に配置し、回折格子５を同一周期で配置する点が異なるだけで、通常の半導体レーザの作製法を用いて容易に作製することができる。又、通常のｐｎダイオード型の層構造であるため、半導体増幅器や変調器などとの集積も容易に実施することができるため、高性能多機能素子の要素となる光源素子として使用可能である。

（第二の実施形態）
図４は、本発明に係る半導体レーザの第二の実施形態を説明する図である。

図１に示した第一の実施形態の半導体レーザでは、活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返し周期の異なる二つの領域（第一のレーザ部Ａ₁、第二のレーザ部Ａ₂）を、１／４波長の位相シフト１０を挟んで直列に接続した構造であった。これにより、各々の領域で変調時に生じる副モードの波長がずれるため、主モードのみで安定して発振が起きる。

これに対して、本実施形態の半導体レーザは、図４に示すように、各レーザ部の基本的構成は、第一の実施形態の半導体レーザにおけるレーザ部と同等の構成であるが、領域数（レーザ部の数）を、第一のレーザ部Ａ₁、第二のレーザ部Ａ₂、第三のレーザ部Ａ₃、第四のレーザ部Ａ₄と増やし、活性導波路層２と非活性導波路層３の繰返し周期が各々異なる３つ以上の領域を直列に接続した構造である。具体的には、第一のレーザ部Ａ₁は、長さＬ_a1の活性導波路層２_a1と長さＬ_t1の非活性導波路層３_t1とが、周期Ｌ₁で交互に複数繰り返して縦続接続されたものであり、第二のレーザ部Ａ₂は、長さＬ_a2の活性導波路層２_a2と長さＬ_t2の非活性導波路層３_t2とが、周期Ｌ₂で交互に複数繰り返して縦続接続されたものであり、第三のレーザ部Ａ₃は、長さＬ_a3の活性導波路層２_a3と長さＬ_t3の非活性導波路層３_t3とが、周期Ｌ₃で交互に複数繰り返して縦続接続されたものであり、第四のレーザ部Ａ₄は、長さＬ_a4の活性導波路層２_a4と長さＬ_t4の非活性導波路層３_t4とが、周期Ｌ₄で交互に複数繰り返して縦続接続されたものである。

又、本実施形態では、第二のレーザ部Ａ₂と第三のレーザ部Ａ₃の間に１／４波長の位相シフト１０を入れて、第一のレーザ部Ａ₁から第四のレーザ部Ａ₄までを直列に接続している。又、活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返し数は、各レーザ部で３としている。又、回折格子５は共振器を構成する光導波路層全体に渡って形成されており、周期は全て同一である。

このような構造により、副モードの重なりを更に抑圧することができ、２つの領域からなる第一の実施形態の半導体レーザの場合に比べ、更なる単一モード特性の向上を図ることが可能となる。

本実施形態の半導体レーザでは、非活性領域への電流注入により屈折率が低下し、第一の実施形態と同様に、短波長側に発振波長がシフトする。波長変化に伴い、前述のように副モードの反射率が上がるが、本実施形態では、４つのレーザ部の活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返し周期が異なり、副モード間隔が異なる。４つの繰り返し周期をそれぞれ互いに素となるか、もしくは、最小公倍数が十分大きくなるように選べば、副モード同士が重ならない。４つの領域全てで活性導波路層２と非活性導波路層３の割合を一定に保てば、前述のように、主モードのみが連続的に波長変化することになる。

活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返し周期の異なるレーザ部の数は４に限定することなく、３以上とすることで、２つのレーザ部よりなる第一の実施形態の半導体レーザの場合よりも副モードを抑圧した半導体レーザを実現できる。又、各レーザ部の活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返し数は３に限定するものではなく、各レーザ部の繰り返し数が同一である必要もない。

なお、本実施形態の半導体レーザは、素子の層構造や作製方法などは、第一の実施形態と同じである。

（第三の実施形態）
図５は、本発明に係る半導体レーザの第三の実施形態を説明する図である。
本実施形態の半導体レーザは、図５に示すように、各レーザ部の基本的構成は、第一の実施形態の半導体レーザにおけるレーザ部と同等の構成であるが、領域数（レーザ部の数）を、第二の実施形態と同様に、第一のレーザ部Ａ₁、第二のレーザ部Ａ₂、第三のレーザ部Ａ₃、第四のレーザ部Ａ₄と増やし、活性導波路層２と非活性導波路層３の繰返し周期が各々異なる複数の領域を直列に接続した構造である。具体的には、第一のレーザ部Ａ₁は、長さＬ_a1の活性導波路層２_a1と長さＬ_t1の非活性導波路層３_t1とが、周期Ｌ₁で交互に複数繰り返して縦続接続されたものであり、第二のレーザ部Ａ₂は、長さＬ_a2の活性導波路層２_a2と長さＬ_t2の非活性導波路層３_t2とが、周期Ｌ₂で交互に複数繰り返して縦続接続されたものであり、第三のレーザ部Ａ₃は、長さＬ_a3の活性導波路層２_a3と長さＬ_t3の非活性導波路層３_t3とが、周期Ｌ₃で交互に複数繰り返して縦続接続されたものであり、第四のレーザ部Ａ₄は、長さＬ_a4の活性導波路層２_a4と長さＬ_t4の非活性導波路層３_t4とが、周期Ｌ₄で交互に複数繰り返して縦続接続されたものである。

又、本実施形態においては、第二の実施形態とは異なり、各レーザ部の間に各々位相シフト１０を入れて、第一のレーザ部Ａ₁から第四のレーザ部Ａ₄までを直列に接続している。又、回折格子５は共振器を構成する光導波路層全体に渡って形成されており、周期は全て同一である。

このように、本実施形態では、領域数を増やし、活性導波路層２と非活性導波路層３の繰返し周期の異なる３つ以上の領域を直列に接続する構造とすることにより、副モードの重なりを更に抑圧している。このような構造により、２つの領域からなる第一の実施形態の半導体レーザの場合に比べ、更なる単一モード特性の向上を図ることが可能となる。又、位相シフト１０の位置を中央に１つだけでなく、複数配置することにより、位相シフト１０の部分に光が集中しキャリア密度分布が生じ、それに応じて屈折率分布ができ、予期せずに回折格子５の光学的な周期が変動してしまう、いわゆるホールバーニングの影響を抑えることができる。

本実施形態の半導体レーザでは、非活性領域への電流注入により屈折率が低下し、第一の実施形態と同様に、短波長側に発振波長がシフトする。波長変化に伴い、前述のように副モードの反射率が上がるが、本実施形態では、４つのレーザ部の活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返し周期が異なり、副モード間隔が異なる。４つの繰り返し周期をそれぞれ互いに素となるか、もしくは、最小公倍数が十分大きくなるように選べば、副モード同士が重ならない。４つの領域全てで活性導波路層２と非活性導波路層３の割合を一定に保てば、前述のように、主モードのみが連続的に波長変化することになる。又、中央に１つ位相シフト１０を入れた第二の実施例に比べて、共振器内の光分布を一定にすることができ、キャリア密度分布も一定になるため、ホールバーニングの影響を防ぐことができる。位相シフト１０の位置、位相シフト量は、回折格子５の結合係数や各領域の長さを総合的に勘案し、共振器内部で光密度分布ができるだけ一定となるような配置とすることが望ましい。

活性導波路層２と非活性導波路層３の繰り返し周期の異なるレーザ部の数は４に限定することなく、３以上とすることで、第一の実施形態の２つのレーザ部よりなる場合よりも副モードを抑圧した半導体レーザを実現できる。又、位相シフト１０の位置は、発振が安定して起きる範囲内で、２個以上設けることにより、ホールバーニングの影響を抑えることができる。位相シフト１０の位置は、必ずしも各領域の境界に設置する必要はない。

又、第一の実施形態のようにレーザ領域を２個として場合であっても、位相シフト１０を複数個設ければ、ホールバーニングの影響を抑えることができる。

なお、本実施形態の半導体レーザは、素子の層構造や作製方法などは、第一の実施形態、第二の実施形態と同じである。

上記実施形態１〜３で示したように、本発明に係る半導体レーザは、１つの電極の活性層への電流注入と、１つの電極の電流制御のみで連続的に波長調整が可能なレーザであり、副モードを抑制し良好な単一モード特性が得られるとともに、簡易な作製法により作製できる半導体レーザである。

本発明に係る半導体レーザは、光通信における光波長（周波数）多重システム用光源及び広帯域波長帯をカバーする光計測用光源に好適なものである。

本発明に係る半導体レーザの第一の実施形態を説明する図である。図１に示す半導体レーザの第一のレーザ部と第二のレーザ部の反射特性を説明する図である。図１に示す半導体レーザの発振スペクトルを説明する図である。本発明に係る半導体レーザの第二の実施形態を説明する図である。本発明に係る半導体レーザの第三の実施形態を説明する図である。従来の半導体レーザの構造を説明する図である。従来の半導体レーザの構造を説明する図である。従来の半導体レーザの構造を説明する図である。図６に示す半導体レーザの反射特性を説明する図である。

符号の説明

１下部クラッド
２活性導波路層
３非活性導波路層
４上部クラッド
５回折格子
６コンタクト層
７活性層用電極
８波長制御用電極
９電極
１０位相シフト

Claims

半導体基板上に、該半導体基板より光学的屈折率が大きい光導波路層と、該光導波路層より屈折率が小さい光閉じ込め層とをそれぞれ１層以上含む直線光導波路を有する半導体レーザであって、
前記光導波路層の全長に渡って、同一周期で形成した回折格子と、
前記回折格子の途中に形成した位相シフトとを備えると共に、
前記光導波路層を、発振波長帯の光に対して光学的利得を有する活性領域と光学的利得を持たない非活性領域とが、光の伝搬方向に沿って、第一の周期で交互に複数繰り返す周期構造を有する第一のレーザ部と、発振波長帯の光に対して光学的利得を有する活性領域と光学的利得を持たない非活性領域とが、光の伝搬方向に沿って、前記第一の周期とは異なる第二の周期で交互に複数繰り返す周期構造を有する第二のレーザ部とを直列に接続して構成し、かつ、前記第一のレーザ部の周期構造における一周期中の前記活性領域と前記非活性領域の長さ比と前記第二のレーザ部の周期構造における一周期中の前記活性領域と前記非活性領域の長さの比を等しくし、
前記活性領域の上方に、電流を注入する第一の電極を各々設けると共に、該第一の電極同士を短絡し、かつ、前記非活性領域の上方に、前記第一の電極とは独立して電流を注入する第二の電極を各々設けると共に、該第二の電極同士を短絡したことを特徴とする半導体レーザ。
半導体基板上に、該半導体基板より光学的屈折率が大きい光導波路層と、該光導波路層より屈折率が小さい光閉じ込め層とをそれぞれ１層以上含む直線光導波路を有する半導体レーザであって、
前記光導波路層の全長に渡って、同一周期で形成した回折格子と、
前記回折格子の途中に形成した位相シフトとを備えると共に、
前記光導波路層を、発振波長帯の光に対して光学的利得を有する活性領域と光学的利得を持たない非活性領域とが、光の伝搬方向に沿って交互に複数繰り返す周期構造を有するレーザ部を３つ以上直列に接続して構成すると共に、該３つ以上のレーザ部を各々異なる周期の周期構造とし、かつ、前記３つ以上のレーザ部の周期構造における一周期中の前記活性領域と前記非活性領域の長さ比を全て等しくし、
前記活性領域の上方に、電流を注入する第一の電極を各々設けると共に、該第一の電極同士を短絡し、かつ、前記非活性領域の上方に、前記第一の電極とは独立して電流を注入する第二の電極を各々設けると共に、該第二の電極同士を短絡したことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザにおいて、
前記回折格子の途中に形成する位相シフトを複数個としたことを特徴とする半導体レーザ。