JP2009010197A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ発振波長を変更可能であって、光処理素子を同一基板上に集積可能な半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】 半導体レーザ素子１１は、利得導波路５７と、透過波長を変更可能な多重リング共振器１７と、多重リング共振器の透過波長の変更範囲に応じた第１の反射波長帯域を有する第１の反射手段１９と、第１の反射手段とレーザキャビティを構成しており第２の反射波長帯域を有する第２の反射手段２１と、利得導波路及び多重リング共振器が設けられる基板Ｓとを備え、利得導波路及び多重リング共振器はレーザーキャビティ内に直列に配置されて光学的に結合されており、第１の反射手段は、基板上に設けられ利得導波路及び多重リング共振器の何れか一方に光学的に結合される導波路型回折格子１９を含み、その回折格子１９はチャープトグレーティングである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関するものである。

非特許文献１には、波長可変レーザが記載されている。この波長可変レーザは、２個以上のリング共振器を備える。詳しくは、波長可変レーザの構造では、レーザ共振器はチップの両端面からなる。この半導体レーザは、波長可変機能を持たせるために互いに異なる半径のリング状導波路を有する２つのリング共振器を使った波長可変フィルターをレーザ共振器内に形成している。これらのリング共振器が有するリング状導波路に流す電流を変えることによりリング状導波路の屈折率が変わる。リング状導波路への注入電流を変えることにより、リング共振器を透過する光の波長を変えることができ、２個のリング共振器は、波長可変フィルタの役割を果たす。半径の異なるリング状導波路を有する２つのリング共振器はそれぞれ異なる透過スペクトル間隔を持ち、２つのリング共振器の透過波長が一致したときに高い透過率が提供される。したがって、リング共振器への少ない注入電流により、ピーク透過波長の波長位置を大幅に変化させることができる（バーニア効果）。
S.Matsuo et. al. "TuB2 Widely tunable laser using microring resonators",IEEE International Semiconductor Laser Conference 2006

しかしながら、非特許文献１に記載の波長可変レーザでは、チップの両端面をレーザ共振器としているため、チップ端面からレーザ光が出射される。そのため、レーザ光の強度に変調を加えるための外部光変調器等のようにレーザ光を処理するための光処理素子を同一基板上に集積することが困難であるという問題点がある。

そこで、本発明は、レーザ発振波長を変更可能であって、光処理素子を同一基板上に集積可能な半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザ素子は、レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子であって、（１）キャリヤ注入による光学的利得を有する利得導波路と、（２）光路長が互いに異なっており光学的に結合された複数のリング状導波路及び複数のリング状導波路の少なくとも一つに信号印加するための電極を有する多重リング共振器であって、電極による信号印加によって複数のリング状導波路に共通の共振波長を生じせしめると共に、共通の共振波長を変化させることで当該多重リング共振器の透過波長を変更する、多重リング共振器と、（３）利得導波路及び多重リング共振器が設けられる基板と、（４）第１の反射波長帯域を有する第１の反射手段と、（５）半導体レーザ素子のレーザキャビティを第１の反射手段とともに構成しており、第２の反射波長帯域を有する第２の反射手段と、を備え、（６）利得導波路及び多重リング共振器は、レーザーキャビティ内に直列に配置されると共に、光学的に結合されており、（７）第１の反射手段は、基板上に設けられており利得導波路及び多重リング共振器の何れか一方に光学的に結合される導波路型回折格子を含んで構成されており、（８）導波路型回折格子は長手方向に沿って周期が変化しているチャープトグレーティングであり、（９）第１及び第２の反射波長帯域は、多重リング共振器における上記透過波長の変更範囲を含むことを特徴とする。

上記多重リング共振器では、電極によってリング状導波路に信号印加することによって、信号が印加されたリング状導波路の光路長を変更することが可能である。そのため、電極による信号印加によって複数のリング状導波路に共通の共振波長を生じせしめることができる。光学的に結合された複数のリング状導波路に共通の共振波長が生じると、その共通の共振波長を有する光が高い透過率で多重リング共振器を透過することになる。そして、電極による信号の印加量を変えることで、共通の共振波長を変えられることから、多重リング共振器の透過波長を変更できる。よって、多重リング共振器は、波長可変フィルタとして機能する。上記半導体レーザ素子の構成では、レーザキャビティ内に波長可変フィルタとしての多重リング共振器と利得導波路とが配置されている。そのため、利得導波路で生じた光のうちレーザ発振させるべき光を、多重リング共振器で選択できる。そして、レーザキャビティを構成する第１及び第２の反射手段が所望のレーザ発振波長をカバーする反射波長帯域を有していることから、レーザキャビティ内に多重リング共振器を配置していてもレーザ発振を生じさせることができると共に、レーザ発振波長を変更可能である。また、第１の反射手段がチャープトグレーティングとしての導波路型回折格子を含んで構成され、導波路型回折格子は、利得導波路又は多重リング共振器の何れか一方に光学的に結合されている。このように、基板上に設けられた導波路型回折格子からレーザ光が出射されるため、半導体レーザ素子では、レーザ光を光処理するための光処理素子を基板上に集積することが可能である。更に、チャープトグレーティングを採用していることにより、第１の反射手段の反射特性の波長依存性を容易に変更することができる。

上記第１の反射手段は、導波路型回折格子に対応して設けられる電極を更に備えることが好ましい。電極による導波路型回折格子への信号印加によりチャープトグレーティングである導波路型回折格子の反射波長帯域はシフトする。この場合、シフト前後の反射波長帯域で、上記第１の反射波長帯域を構成すればよいことから、導波路型回折格子の長手方向の長さを短くすることが可能である。その結果、半導体レーザ素子の小型化を図れる。

更に、上記第１の反射手段は、第１の反射波長帯域において低波長側より長波長側で反射率が低減している反射スペクトルを有することが好ましい。通常、半導体素子では内部吸収が生じ、その内部吸収は典型的には長波長側で大きくなる傾向にある。そのため、第１の反射手段が上記反射スペクトルを有することで、半導体レーザ素子の内部吸収を補正することができる。その結果、第１の反射手段から出力されるレーザ光の強度を波長可変範囲内でほぼ一定にすることが可能である。

更に、上記半導体レーザ素子では、レーザキャビティから出射されるレーザ光の強度を変調するための光変調器を更に備え、光変調器は、基板上に配置されると共に、導波路型回折格子に光学的に結合されていることが好ましい。この構成によれば、光変調器により強度変調されたレーザ光を半導体レーザ素子から出射することが可能である。

本発明によれば、レーザ発振波長を変更可能であって、光処理素子を同一基板上に集積可能な半導体レーザ素子を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ素子の実施形態について説明する。以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図中の寸法比率は必ずしも説明中のものとは一致していない。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子を概略的に示す図面である。半導体レーザ素子１１はレーザ発振波長を変更可能な集積型半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子１１は、例えば、ＷＤＭ等伝送システムなどによる光通信の波長可変光源として好適に使用することができるものである。

半導体レーザ素子１１は、半導体基板といった基板を有し、その基板上に、利得導波路部１３、位相調整器１５、多重リング共振器１７及び導波路型回折格子（以下、単に「回折格子」とも称す）１９が設けられている。また、半導体レーザ素子１１は、回折格子１９と共にレーザキャビティを構成するための反射鏡２１を有する。先ず、レーザキャビティ内の構成について説明する。

図１に示すように、レーザキャビティ内には、利得導波路部１３、位相調整器１５及び多重リング共振器１７が、直列に配置され光学的に結合されている。

利得導波路部１３は、利得導波路２３と、利得導波路２３に対応して設けられた電極２５とを含む。利得導波路２３は、電極２５からのキャリア注入による光学的利得を有する。利得導波路２３の一端２３ａ側には位相調整器１５が配置されている。

位相調整器１５は、利得導波路２３の一端２３ａに光学的に結合されている半導体光導波路２７と、半導体光導波路２７に対応して設けられた電極２９とを含んで構成されている。位相調整器１５は、電極２９による信号印加により半導体光導波路２７を伝搬する光の位相を調整する。電極２９による信号印加としては、電圧の印加又は電流印加が例示される。位相調整器１５と、反射鏡２１との間には、多重リング共振器１７が配置されている。

多重リング共振器１７は、光学的に結合された２つのリング共振器３１，３３と、リング共振器３１，３３に対応して設けられた電極３５，３７とを有する。

リング共振器３１，３３は、互いに異なる光路長を有するリング状導波路３９，４１を含む。リング状導波路３９，４１は、閉じた曲線に沿って延びている半導体光導波路である。リング状導波路３９，４１の基板面に略直交する方向からみた場合の形状は、閉じた曲線を構成していれば特に限定されない。リング状導波路３９は複数の共振波長を有することから、リング共振器３１は、複数の極大値を含む透過スペクトルを有する。具体的には、リング共振器３１の透過スペクトルでは、リング状導波路３９の光路長に応じて規定されるフリー・スペクトラル・レンジ（ＦＳＲ）の間隔で透過率のピークが配列されている。よって、リング共振器３１は複数の共振波長の光を高い透過率で透過することができる。リング共振器３３についても同様に、リング状導波路４１の複数の共振波長の光を高い透過率で透過することができる。

リング共振器３１，３３は、２つのリング状導波路３９，４１が光学的に結合されることによって結合されている。リング状導波路３９，４１を光学的に結合する手段の一例としては、図１に示したように、半導体光導波路４３を利用することができる。すなわち、半導体光導波路４３の一端４３ａ側の一部をリング状導波路３９に光学的に結合し、半導体光導波路４３の他端４３ｂ側の一部をリング状導波路４１に光学的に結合する。半導体光導波路４３と各リング状導波路３９，４１との光学的結合には、例えば、光結合器４５，４７を利用することができる。光結合器４５，４７としては、方向性結合器や多モード干渉(MMI : Multi-Mode Interference)結合器等が例示される。半導体光導波路４３は、一端４３ａ側及び他端４３ｂ側にそれぞれ余長４３ｃ及び余長４３ｄを有する。この余長４３ｃ，４３ｄの部分は、光導波路幅を徐々に狭くする、或いは、曲げる等により、一端４３ａ及び他端４３ｂ側で反射が生じないように終端処理されている。終端処理の他の方法としては、半導体光導波路４３の両端部に光吸収層を形成することも例示される。

上記構成の多重リング共振器１７は、導波路型の波長可変フィルターとして機能する。図２を利用して、多重リング共振器１７におけるフィルタリング機能について説明する。図２は、多重リング共振器１７におけるフィルタリング機能を説明するための図面である。図２は、電極３５，３７により電流注入を実施した状態を示している。図２中の実線は、リング共振器３１における透過スペクトルを示しており、破線はリング共振器３３における透過スペクトルを示している。

リング状導波路３９，４１の光路長が互いに異なっていることから、リング共振器３１，３３のＦＳＲは異なる。よって、電極３５，３７によるリング状導波路３９，４１への電流注入が実施されていない場合には、多重リング共振器１７を光は殆ど透過しない。

一方、電極３５，３７による電流注入（信号印加）を実施すると、リング状導波路３９，４１に屈折率変化が生じて光路長が変化するため、ＦＳＲも変わる。従って、注入する電流量を調整することで、図２に示したように、各リング共振器３１，３３が有する複数の共振波長の一つを一致させることが可能である。

この場合、リング状導波路３９，４１に共通の共振波長（透過波長）の光は、光学的に結合された２つのリング共振器３１，３３の何れも透過できることから、多重リング共振器１７を高い透過率を有して透過することになる。そして、電流注入量を変更することにより、多重リング共振器１７を高透過率で透過する光の波長（以下、「ピーク透過波長」とも称す）を変更できる。よって、多重リング共振器１７は、波長可変フィルタとして機能することになる。

更に、上記のように、ＦＳＲを調整して共通の共振波長（透過波長）を生じせしめると共に、共通の共振波長を変化させてピーク透過波長を調整する多重リング共振器１７では、リング共振器３１，３３への少ない注入電流により、ピーク透過波長の波長位置を大幅に変化させることが可能である（バーニア効果）。この多重リング共振器１７におけるピーク透過波長の変更範囲である波長可変範囲をλ_ｓ〜λ_ｌ（ただし、λ_ｓ＜λ_ｌ）とすると、λ_ｓとしては１．５７μｍが例示され、λ_ｌとしては１．６１μｍが例示される。ここでは、電極３５，３７による信号印加として電流印加を例示しているが、信号印加としては電圧を印加してもよい。

再び、図１に戻って半導体レーザ素子１１の構成について説明する。

半導体レーザ素子１１は、多重リング共振器１７と、利得導波路部１３及び反射鏡２１とを光学的に結合するために半導体光導波路４９，５１を更に有することができる。半導体光導波路４９の一端４９ａ側の一部は、リング状導波路３９と光学的に結合されている。リング状導波路３９と半導体光導波路４９との結合部は、リング状導波路３９と半導体光導波路４３との結合部と異なる位置であればよい。半導体光導波路４９とリング状導波路３９との光学的結合は光結合器５３を利用することができる。光結合器５３としては、方向性結合器やＭＭＩ結合器等が例示される。また、半導体光導波路４９の他端４９ｂは、半導体光導波路２７に光学的に結合されている。これにより、リング共振器３１と位相調整器１５とが光学的に結合されており、結果として、位相調整器１５を介して多重リング共振器１７と利得導波路部１３とが光学的に結合されていることになる。

半導体光導波路５１の一端５１ａ側の一部は、リング状導波路４１と光学的に結合されている。リング状導波路４１と半導体光導波路５１との結合部は、リング状導波路４１と半導体光導波路４３との結合部と異なる位置であればよい。半導体光導波路５１とリング状導波路４１との光学的結合は光結合器５５を利用することができる。光結合器５５としては、方向性結合器やＭＭＩ結合器等が例示される。半導体光導波路５１の他端５１ｂは反射鏡２１に到達している。

図１に示したように、半導体光導波路４９，５１は、それぞれ一端４９ａ，５１ａ側に余長４９ｃ，５１ｃを有する。この余長４９ｃ，５１ｃの部分は、半導体光導波路４３の余長４３ｃ，４３ｄの部分と同様に終端処理されている。なお、ここでは、多重リング共振器１７と、半導体光導波路４９，５１とを分けて説明したが、多重リング共振器１７が半導体光導波路４９，５１を含んで構成されているとすることもできる。

次に、半導体レーザ素子１１が有するレーザキャビティについて説明する。前述したように、レーザキャビティは、導波路型回折格子１９と反射鏡２１とから構成されている。

回折格子１９は、半導体光導波路５７に屈折率変化による回折格子構造５９が形成されて構成されており、回折格子１９の一端は、利得導波路２３の他端２３ｂに光学的に結合されている。回折格子１９は、長手方向に沿って一定の割合で周期が変化しているチャープトグレーティングである。この場合、回折格子１９は、複数の周期を有することから、その周期に応じた複数のブラッグ反射波長を有する。その結果、回折格子１９は、所定の反射波長帯域（第１の反射波長帯域）を有する。この所定の反射波長帯域内での反射率は１％〜３０％が好ましい。

反射鏡２１は、回折格子１９の上記所定の反射波長帯域を少なくとも含む反射波長帯域（第２の反射波長帯域）を有し、その反射波長帯域内において８０％以上の反射率を有する。反射鏡２１は、半導体レーザ素子１１を構成するために基板上に積層した半導体層構造の一端面上に形成されたＨＲコート等の高反射膜とすることが可能である。ただし、上記反射率を有していれば特に限定されず、例えば、半導体レーザ素子１１における劈開面としてもよい。

図３及び図４を利用して回折格子１９について更に説明する。図３は、導波路型回折格子を概略的に示す図面である。図３中のハッチングは、回折格子構造５９を説明するための便宜的なものであり、屈折率の異なる領域を示している。図４は、導波路型回折格子の反射スペクトルを示す図面である。

回折格子１９は、前述したように、長手方向に沿って一定の割合で周期が変化しているチャープトグレーティングである。回折格子１９が有する複数の周期をΛ_１〜Λ_ｎ（ｎは、２以上の整数）とすると、Λ_１〜Λ_ｎは次の関係を満たしている。
Λ_１＜Λ_２＜・・・＜Λ_ｎ−１＜Λ_ｎ
また、各周期Λ_１〜Λ_ｎに対応したブラッグ反射波長をλ_Ｂ１、λ_Ｂ２、・・・・、λ_Ｂｎとすると、それらの中の任意のブラッグ反射波長λ_Ｂｊ（ｊ＝１，２，・・・，ｎ）は次式で表される。
λ_Ｂｊ＝２ｎ_ｒΛ_ｊ／ｍ
ここで、ｎ_ｒは実効屈折率であり、ｍは回折次数である。ｎ_ｒとしては３．３〜３．５が例示され、ｍは通常１である。

そして、多重リング共振器１７における波長可変範囲を、前述したように波長範囲λ_ｓ〜λ_ｌ（ただし、λ_ｓ＜λ_ｌ）とすると、波長λ_Ｂ１，λ_ｓ，λ_ｌ，λ_Ｂｎは次の関係を満たす。
λ_Ｂ１≦λ_ｓ＜λ_ｌ≦λ_Ｂｎ
この場合、回折格子１９の所定の反射波長帯域（第１の反射波長帯域）は、多重リング共振器１７における透過波長の変更可能な範囲（波長可変範囲）を含むため、多重リング共振器１７の波長可変範囲内の波長の光を反射させることができる。

回折格子１９は、上記反射波長帯域λ_Ｂ１〜λ_Ｂｎにおいて、図４に示すように、ほぼ一定の反射率Ｒ_ｃを有する。この反射率Ｒ_ｃの値は、回折格子１９側からレーザ光を出射するように反射鏡２１の反射率より小さければよいが、１％〜３０％が好ましい。

上記のように、回折格子１９をレーザキャビティに含む半導体レーザ素子１１は、図１に示すように、レーザキャビティから出射されるレーザ光の強度を光変調するための光変調器（光処理素子）６１を有することができる。光変調器６１は、電界吸収型光変調器でもよいし、マッハツェンダー型の光変調器でもよい。ここでは、光変調器６１は電界吸収型のものとして説明する。

光変調器６１は、多重量子井戸構造を含む吸収層を有する半導体光導波路６３と、それに対応して設けられた電極６５とを有する。半導体光導波路６３の一端は、半導体光導波路５７の他端に光学的に結合しており、半導体光導波路６３の他端側の端面６１ａは、光変調器６１におけるレーザ光の出射端面として機能する。光変調器６１は、半導体光導波路６３に電極６５からの信号を印加することによって回折格子１９から出射されるレーザ光の強度に所定の変調を加え、出射端面６１ａから出射する。電極６５による信号の印加は、例えば、電圧による印加でよい。

また、半導体レーザ素子１１では、図１に示したように、出射端面６１ａ上には、出射端面６１ａでのレーザ光の反射を抑制するために、ＡＲコート等の反射防止膜６７を形成しておくことが好ましい。このように反射防止膜６７を有する場合には、反射防止膜６７の表面６７ａが半導体レーザ素子１１の端面１１ｂを構成することになり、半導体レーザ素子１１は低反射端面を有することになる。

図５を利用して、半導体レーザ素子１１の構成について更に説明する。図５は、図１に示されたＶ−Ｖ線に沿って取られた半導体レーザ素子の縦断面を概略的に示す図面である。

図５に示すように、半導体レーザ素子１１は、基板Ｓを有し、基板Ｓ上に、図１を利用して説明した構成物（利得導波路部１３、多重リング共振器１７、回折格子１９、光変調器６１等）が設けられている。また、基板Ｓの裏面にはほぼ全面に電極６９が設けられている。

利得導波路部１３は、ｎ型基板Ｓ上に順に形成されたｎ型クラッド層７１、光ガイド層７３ａ、量子井戸構造を含む活性層７５ａ、光ガイド層７７ａ、ｐ型クラッド層７９及びコンタクト層８１ａを含み、コンタクト層８１ａ上に電極２５が設けられている。

位相調整器１５は、基板Ｓ上に順に形成されたｎ型クラッド層７１、光ガイド層７３ａ、コア導波路層７５ｂ、光ガイド層７７ｂ、ｐ型クラッド層７９およびコンタクト層８１ｂを含み、コンタクト層８１ｂ上に電極２９が設けられている。

多重リング共振器１７が有するリング共振器３１，３３は、基板Ｓ上に順に形成されたｎ型クラッド層７１、光ガイド層７３ａ、コア導波路層７５ｂ、光ガイド層７７ｂ及びｐ型クラッド層７９を含む。リング共振器３１，３３が有するｐ型クラッド層７９の所定位置にはコンタクト層８１ｃ，８１ｄがそれぞれ形成されており、コンタクト層８１ｃ，８１ｄ上に電極３５，３７が設けられている。

回折格子１９は、基板Ｓ上に順に形成されたｎ型クラッド層７１、光ガイド層７３ａ、コア導波路層７５ｃ、光ガイド層７７ｃ、回折格子構造５９及びｐ型クラッド層７９を含む。回折格子構造５９は、光ガイド層７７ｃの表面に設けられた周期構造から構成されている。周期構造は、図５に示すように、光ガイド層７７ｄとクラッド層７９との屈折率差により形成することができる。

光変調器６１は、基板Ｓ上に順に形成されたｎ型クラッド層７１、光ガイド層７３ｂ、多重量子井戸構造からなる吸収層７５ｄ、光ガイド層７７ｄ、ｐ型クラッド層７９及びコンタクト層８１ｅを含み、コンタクト層８１ｅ上に電極６５が設けられている。

縦方向の光閉じ込めはクラッド層７１、７９により行われる。また、横方向の光閉じ込めはストライプ状の導波路構造と、この導波路構造を埋め込む埋め込み層８３によって提供される。リング共振器３１，３３では、上記ストライプ状の導波路構造を、例えばフォトリソグラフィ技術などを利用してリング状にそれぞれ形成し、埋め込み層８３によって埋め込めばよい。また、上記コンタクト層８１ａ〜８１ｅは互いに分離して形成されている。なお、半導体光導波路３３，４９，５１の構成は、導波路構造がリング状ではなく、図１に示すような所定の形状に形成されている点並びにコンタクト層及び電極を含まない点以外は、リング共振器３１，３３の構成と同様とすることができる。

例示すれば、利得導波路２３が有する活性層７５ａは、１．２５μｍ〜１．６５μｍ帯に利得を持つ４元混晶ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸構造を有することができる。また、光変調器６１が有する吸収層７５ｄもＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸構造を有することができる。コア導波層７５ａ〜７５ｃは、ＧａＩｎＡｓＰ半導体からなることができ、ｎ型およびｐ型クラッド層７１，７９はＩｎＰ半導体からなることができる。コンタクト層８１ａ〜８１ｅは、高濃度ドープされたＧａＩｎＡｓ層からなることができる。なお、基板Ｓとしてｐ型基板を用いた場合、クラッド層７１がｐ型であって、クラッド層７９をｎ型とすることも可能である。

また、半導体レーザ素子１１が有する反射鏡２１は、基板Ｓ上に順に形成された半導体積層構造の多重リング共振器１７側の一端面に形成された高反射膜とすることができる。また、半導体レーザ素子１１では、基板Ｓ上に順に形成された半導体積層構造の光変調器６１側の他端面に反射防止膜６７が形成されているとすることができる。

半導体レーザ素子１１は、上記のように複数の半導体層からなる半導体積層構造及び電極から構成されている。よって、半導体レーザ素子１１は、例えば、半導体素子を作製するための工程（結晶成長、エッチング、電極形成等）の組み合わせにより作製することができる。

次に、半導体レーザ素子１１の作用・効果について説明する。

回折格子１９及び反射鏡２１が前述したような反射特性を有することから、利得導波路部１３からの光は、多重リング共振器１７によってフィルタリングされると共に、レーザキャビティ内を往復する。レーザキャビティ内で光が一往復する際の位相調整は位相調整器１５を利用して実施することができる。レーザキャビティ内でレーザ発振が生じると、回折格子１９からレーザ光が出射される。そして、半導体レーザ素子１１の構成では、多重リング共振器１７の透過波長を変更することで、半導体レーザ素子１１でのレーザ発振波長を変更可能である。

半導体レーザ素子１１では、レーザキャビティを構成する反射手段の一つを、チャープトグレーティングである回折格子１９としていることが重要である。

多重リング共振器１７では、図２を利用して説明したように、少ない電流注入で透過波長を大きく変動させることが可能である（バーニア効果）。多重リング共振器１７におけるバーニア効果を有効に利用してレーザ光の波長を可変にするためには、レーザキャビティを構成する反射手段は、多重リング共振器１７における波長可変範囲内の波長の光を反射させる必要がある。

そのため、典型的には、レーザキャビティを構成する２つの反射手段を半導体レーザ素子の２つの端面上に形成した反射率８０％以上の高反射膜と、反射率３０％以下の低反射膜とから構成することが考えられる。しかしながら、この場合、半導体素子の一つの端面に形成された低反射膜からレーザ光が出射される。そのため、レーザ光を外部光変調しようとすると、半導体レーザ素子の外部に光変調器を別に設ける必要が生じ、結果として、光変調器を半導体レーザ素子に集積することができない。一方、このような問題点を解決する方法としては、例えば、利得導波路に光学的に結合された半導体光導波路を基板上に設け、その半導体光導波路に溝を形成して反射鏡とすることも考えられる。しかしながら、この場合、溝を挟んだ２つの半導体光導波路の光結合効率や、溝内での多重反射の影響を考慮して溝を形成しなければならず、半導体レーザ素子の製造が困難になる場合がある。

これに対して、半導体レーザ素子１１では、光通信等において信号伝送等に使用されるレーザ光が出射される側の反射手段に、チャープトグレーティングとしての回折格子１９を採用している。そのため、回折格子１９が、多重リング共振器１７の波長可変範囲を含む反射波長帯域を有することが可能となっている。その結果、多重リング共振器１７におけるフィルタリング機能を有効に利用してレーザ光の波長を変更可能である。

また、導波路型回折格子１９を利用していることから、図１に示したように、半導体レーザ素子１１を構成する基板Ｓ上に光変調器６１を集積することが可能である。よって、回折格子１９から出射されるレーザ光を光変調器６１により光変調して半導体レーザ素子１１の端面１１ｂから出射可能である。この場合、半導体レーザ素子１１と別に光変調器を用意する必要がないため、例えば、光通信システムにおける光源部の小型化を図ることが可能である。

また、回折格子１９は、前述したように、光ガイド層７７ｃの表面に回折格子構造５９を形成することで構成されているので、例えば、前述したような溝を形成する場合のような問題点が生じないため、半導体レーザ素子１１の製造が容易である。また、回折格子１９としてチャープトグレーティングを採用していることにより、回折格子１９の反射特性の波長依存性を容易に変更することができる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の他の実施形態に係る半導体レーザ素子を概略的に示す図面である。図７は、図６におけるＶＩＩ―ＶＩＩ線に沿って取られた半導体レーザ素子の縦断面を概略的に示す図面である。

半導体レーザ素子８５は、図６及び図７に示すように、半導体基板といった基板Ｓを有する。基板Ｓ上には、利得導波路部１３、位相調整器１５、多重リング共振器１７、光変調器６１、半導体光導波路４９，５１及び光反射器（第１の反射手段）８７等が設けられている。

また、半導体レーザ素子８５は第１の実施形態の場合と同様の反射鏡２１を有しており、反射鏡２１は、光反射器８７とともに半導体レーザ素子８５におけるレーザキャビティを構成している。半導体レーザ素子８５においても、反射鏡２１の表面２１ａが半導体レーザ素子８５の一端面８５ａを構成しているため、半導体レーザ素子８５は高反射端面を有することになる。また、半導体レーザ素子８５は、第１の実施形態の場合と同様に、光変調器６１の一端面上に、ＡＲコート等の反射防止膜６７を有することもできる。この場合、反射防止膜６７の表面６７ａが半導体レーザ素子８５の他の端面８５ｂを構成することになるので、半導体レーザ素子８５は、低反射端面を有することになる。

上記半導体レーザ素子８５は、光反射器８７を備える点で、半導体レーザ素子１１の構成と相違するが、その他の構成は半導体レーザ素子１１の場合と同様である。そのため、それらの説明を省略し、半導体レーザ素子１１との相違点を中心にして半導体レーザ素子８５について説明する。

光反射器８７は、導波路型回折格子（以下、単に「回折格子」とも称す）８９と、回折格子８９に対応して設けられた電極９１とを有する。

回折格子８９は、回折格子１９の場合と同様に、利得導波路部１３と光変調器６１との間に配置され、利得導波路２３及び半導体光導波路６３に光学的に結合されている。回折格子８９は、半導体光導波路９３に屈折率変化による回折格子構造９５が形成されて構成されている。回折格子８９は、長手方向に沿って一定の割合で周期が変化しているチャープトグレーティングである。チャープトグレーティングとしての回折格子８９は、複数の周期を有するため、その周期に応じた複数のブラッグ反射波長を有する。その結果、回折格子８９は、所定の反射波長帯域を有することになる。電極９１は、回折格子８９への信号印加が可能なように回折格子８９上に設けられている。

光反射器８７の構成について図７を利用して更に説明する。図７に示すように、光反射器８７は、基板Ｓ上に順に形成されたｎ型クラッド層７１、光ガイド層７３ａ、コア導波路層７５ｃ、光ガイド層７７ｃ、回折格子構造９５、ｐ型クラッド層７９及びコンタクト層８１ｆを含み、コンタクト層８１ｆに電極９１が設けられている。回折格子構造９５は、回折格子１９の場合と同様に、光ガイド層７７ｃの表面に周期構造として形成されている。

上記構成の光反射器８７では、電極９１によって回折格子８９に信号を印加することで、回折格子８９における反射波長帯域をシフトさせることが可能である。図８及び図９を利用して詳細に説明する。

図８は、図６に示した導波路型回折格子を概略的に示す図面である。前述したように、回折格子８９は、長手方向に沿って一定の割合で周期が変化しているチャープトグレーティングである。回折格子８９が有する複数の周期Λ_１、Λ_２・・・、Λ_ｋ（ｋは２以上でｎより小さい整数）は、次の関係を満たしている。
Λ_１＜Λ_２＜・・・＜Λ_ｋ
各周期Λ_１〜Λ_ｋに対応したブラッグ反射波長をλ_Ｂ１、λ_Ｂ２、・・・・、λ_Ｂｋとすると、それらの中の任意のブラッグ反射波長λ_Ｂｉ（ｉ＝１，２，・・・ｋ）は次式で表される。
λ_Ｂｉ＝２ｎ_ｒΛ_ｉ／ｍ
ここで、ｎ_ｒは実効屈折率であり、ｍは回折次数である。ｎ_ｒとしては３．３〜３．５が例示され、ｍは通常１である。

周期Λ_ｉに対応するブラッグ反射波長λ_Ｂｉが上記のように表されることから、回折格子８９は波長範囲λ_Ｂ１〜λ_Ｂｋの光を反射可能である。そして、ブラッグ反射波長λ_Ｂｉが実効屈折率ｎ_ｒに依存していることから、電極９１による信号印加により実効屈折率ｎ_ｒを変更することで、回折格子８９の反射波長範囲をシフトさせることが可能である。信号印加前の周期Λ_１、Λ_ｋに対応するブラッグ反射波長をλ１_Ｂ１、λ１_Ｂｋとし、信号印加後の周期Λ_１、Λ_ｋに対応するブラッグ反射波長をλ２_Ｂ１、λ２_Ｂｋとした場合の光反射器８７の反射特性を図９に示す。図９では、信号印加前の周期Λ_１、Λ_ｋに対応するブラッグ反射波長をλ１_Ｂ１、λ１_Ｂｋとし、信号印加後の周期Λ_１、Λ_ｋに対応するブラッグ反射波長をλ２_Ｂ１、λ２_Ｂｋとしている。図９中の実線は電極９１による信号印加前の反射スペクトルを示しており、図９中の破線は電極９１による信号印加後の反射スペクトルを示している。

図９に示すように、光反射器８７では、電極９１による信号印加によって、回折格子８９の反射波長帯域を波長範囲λ１_Ｂ１〜λ１_Ｂｋから波長範囲λ２_Ｂ１〜λ２_Ｂｋに変化することができる。そのため、光反射器８７は、反射波長帯域（第１の反射波長帯域）として波長範囲ｍｉｎ（λ１_Ｂ１，λ２_Ｂ１）〜ｍａｘ（λ１_Ｂｋ，λ２_Ｂｋ）を有することが可能である。多重リング共振器１７の波長可変範囲を第１の実施形態の場合と同様に波長範囲λ_ｓ〜λ_ｌとすれば、波長λ１_Ｂ１，λ２_Ｂｋは、次の関係が満たすものであればよい。
ｍｉｎ（λ１_Ｂ１，λ２_Ｂ１）≦λ_ｓ＜λ_ｌ≦ｍａｘ（λ１_Ｂｋ，λ２_Ｂｋ）
波長λ１_Ｂ１，λ_ｓ，λ_ｌ，λ２_Ｂｋが上記関係を満たすことにより、光反射器８７により多重リング共振器１７の波長可変範囲内の光を反射させることができるからである。

このように、シフト前後の回折格子８９の反射波長帯域により多重リング共振器１７の波長可変範囲をカバーすればよいため、回折格子８９の長手方向の長さをより短くすることが可能である。

なお、反射波長範囲λ１_Ｂ１〜λ１_Ｂｋ及び反射波長範囲λ２_Ｂ１〜λ２_Ｂｋにおける反射率は、第１の実施形態の場合と同様にほぼ一定値であるＲ_ｃである。そして、反射率Ｒ_ｃとしては１％〜３０％が好ましい。

次に、半導体レーザ素子８５の作用・効果について説明する。

半導体レーザ素子１１の場合と同様に、レーザキャビティ内に利得導波路部１３と、波長可変フィルターとしての多重リング共振器１７が配置されている。これにより、レーザ発振させるべき波長の光を、利得導波路部１３で生じた光から多重リング共振器１７によって選択できる。そして、多重リング共振器１７による選択波長を変えることで、レーザ発振波長を変更することが可能である。

半導体レーザ素子８５では、多重リング共振器１７により選択した波長が、波長範囲λ１_Ｂ１〜λ１_Ｂｋ内であれば、電極９１からの信号印加を実施せず、選択した波長が波長範囲λ２_Ｂ１〜λ２_Ｂｋ内であれば、電極からの信号印加を実施する。これにより、光反射器８７と反射鏡２１で構成されるレーザキャビティ内で、その選択された波長の光が往復できる。位相調整器１５を利用して、レーザキャビティ内で光が一往復する際の位相調整を実施する。そして、レーザ発振が生じると、光反射器８５の反射波長帯域内の反射率Ｒｃは、反射鏡２１の反射率より小さいため、回折格子８９を通してレーザ光が出射される。

このように、回折格子８９をとおしてレーザ光が出射されるため、第１の実施形態の場合と同様に、半導体レーザ素子８５でも、図６及び図７に示したように、光変調器６１を基板Ｓ上に集積可能である。また、半導体レーザ素子８５の製造も、第１の実施形態で説明したように、例えば、光導波路上に溝を形成するような場合に比べて容易である。更にまた、回折格子８９としてチャープトグレーティングを採用していることにより、回折格子８９の反射特性の波長依存性を容易に変更することができる。

更に、光反射器８７の波長反射帯域（第１の反射波長帯域）を、電極９１の信号印加によるシフト前後の回折格子８９の反射波長帯域から構成できるため、回折格子８９の反射波長帯域の波長範囲をより小さくすることが可能である。その結果、回折格子８９の長手方向の長さをより短くすることができ、半導体レーザ素子８５の小型化を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記第１及び第２の実施形態に限定されない。例えば、回折格子１９，８９の反射波長帯域内において反射率Ｒ_ｃはほぼ一定として説明したが、反射率に波長依存性を持たせてもよい。

半導体レーザ素子１１，８５のような半導体素子では、通常、素子自体の構成に起因する光吸収が生じる。そのため、光吸収によるレーザ光出力変化を補償するように、反射率に波長依存性を持たせることで、回折格子１９，８９をとおして出力されるレーザ光の光出力を、反射波長帯域内でほぼ一定にすることが可能である。図１０〜図１２を利用して具体的に説明する。ここでは、半導体レーザ素子１１の回折格子１９が有する反射波長帯域λ_Ｂ１〜λ_Ｂｎを例にして説明するが、回折格子８９の場合も同様である。

図１０は、半導体レーザ素子における典型的な内部吸収の吸収スペクトルを示す図面である。図１１は、導波路型回折格子の反射スペクトルの他の例を示す図面である。

図１０に示すように、半導体素子自体の内部吸収は、通常、長波長側で増加する傾向にある。この場合、図１１に示すように、反射波長帯域λ_Ｂ１〜λ_Ｂｎにおいて、長波長側で反射率が低減するような波長依存性を回折格子が有することが好ましい。このよう波長依存性は、回折格子における単位長さ当たりの回折波長変化を短波長側（λ_Ｂ１）側ほど小さくする、或いは、短波長（λ_Ｂ１）側ほど回折格子における屈折率変化を大きくすることで実現できる。

図１２は、回折格子を通して出力されるレーザ光の出力の波長依存性を示す図面である。
図１２中の実線は、反射率が波長依存性を有する回折格子の場合の反射スペクトルを示している。また、図１２中の破線は、比較のために反射率が波長依存性を殆ど有しない回折格子の場合の反射スペクトルを示している。図１２中の一点鎖線で示すように、反射率が波長依存性を有しない回折格子の場合には、回折格子からのレーザ光の出力は、内部吸収を反映した波長依存性を有する。一方、図１２の実線で示しすように、反射率が波長依存性を有する回折格子を利用した場合には、図１０に示した内部吸収が補償されて、波長範囲λ_Ｂ１〜λ_Ｂｎに対してほぼ一定のレーザ光の出力を得ることが可能である。

また、半導体レーザ素子１１，８５が有する導波路型回折格子としては、図１３に示す導波路型回折格子（以下、単に「回折格子」とも称す）９７とすることも可能である。回折格子９７は、回折格子１９，８９と同様にチャープトグレーティングである。しかしながら、半導体光導波路に形成される回折格子構造の構成が、回折格子１９，８９の場合と相違する。すなわち、回折格子９７における回折格子構造９９はｎ個（ｎは２以上の整数）の領域１０１_１〜１０１_ｎを有する。各領域１０１_１〜１０１_ｎ内では、図１３に示すように、同一周期の周期構造が形成されている。この場合も、半導体レーザ素子８５の場合のように回折格子９７に対して電極を設けて光反射器としているときには、電極を設けない場合に比較して、回折格子９７の長手方向の長さを短くすることが可能である。更に、回折格子１９，８９の代わりに、図１３に示すような構成の回折格子９７を採用する場合でも、屈折率変化などを調整して、反射波長帯域に波長依存性を持たせてもよい。このような反射波長帯域における波長依存性の変更は、チャープ型回折格子を利用していることにより容易となっている。

更にまた、レーザキャビティの一部を構成する第２の反射手段は、半導体素子の一端面を構成する反射鏡２１としたがこれに限定されず、回折格子１９，８９と同様の構成のチャープトグレーティングとしての回折格子としてもよい。

更にまた、位相調整器１５は、利得導波路部１３と多重リング共振器１７との間に設けられるとしているが、この場合に限定されず、レーザキャビティ内における光導波路を伝搬する光の位相を調整可能な位置に配置されていればよい。換言すれば、半導体レーザ素子では、レーザキャビティ内に設けられた光導波路の位相調整のための信号を印加するための電極を有していればよく、当該電極と、レーザキャビティ内における光導波路において電極を通して位相調整のための信号が印加される光導波路の部分とが位相調整器として機能する。

また、多重リング共振器１７では、リング共振器３１，３３に対応して電極３５，３７が設けられているとしたが、リング共振器３１，３３におけるＦＳＲを調整して共通の透過波長が得られるのであれば、どちらか一方に電極が設けられていればよい。

更に、多重リング共振器１７が有するリング共振器の数は２個以上でもよい。すなわち、多重リング共振器１７は、互いに異なる光路長を有するリング状導波路を２つ以上有していればよい。３つ以上のリング状導波路を含む場合には、それらは光学的に且つ直列に結合されていればよい。そして、３つ以上のリング状導波路を含んで多重リング共振器が構成される場合には、各リング状導波路に対応してＦＳＲを調整するための調整手段としての電極が設けられていることが好ましい。

更にまた、第１の反射手段が有しており、レーザ光が出射されるべき導波路型回折格子は、利得導波路２３に光学的に結合されているとしたが、これに限定されず、多重リング共振器１７に光学的に結合されていてもよい。具体的に説明する。多重リング共振器が有する複数のリング状導波路は、光学的に且つ直列に結合されている。この直列に結合された複数のリング状導波路のうち両端のリング状導波路は、それぞれ波長可変フィルタとしての多重リング共振器への光の入出力部として機能する。そして、導波路型回折格子は、利得導波路２３側の入出力部として機能するリング状導波路と反対側の入出力部として機能するリング状導波路に光学的に結合させていてもよい。

更にまた、半導体レーザ素子１１，８５は、光変調器６１を備えるものとしたが、必ずしも光変調器６１を備えなくともよい。また、半導体レーザ素子１１，８５は、光処理素子として光変調器６１を備えるとしたが、光変調器６１の代わりに、例えば、光増幅器等を同一基板Ｓ上に集積したものとすることも可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザ素子を概略的に示す図面である。 図２は、多重リング共振器におけるフィルタリング機能を説明するための図面である。 図３は、導波路型回折格子の一例を概略的に示す図面である。 図４は、導波路型回折格子の反射スペクトルを示す図面である。 図５は、図１に示されたＶ−Ｖ線に沿って取られた半導体レーザ素子の縦断面を概略的に示す図面である。 図６は、本発明の他の実施形態に係る半導体レーザ素子を概略的に示す図面である。 図７は、図６におけるＶＩＩ―ＶＩＩ線に沿って取られた半導体レーザ素子の縦断面を概略的に示す図面である。 図８は、図６に示した導波路型回折格子を概略的に示す図面である。 図９は、光反射器の反射特性の一例を示す図面である。 図１０は、半導体レーザ素子における内部吸収の吸収スペクトルの一例を示す図面である。 図１１は、導波路型回折格子の反射スペクトルの他の例を示す図面である。 図１２は、図１１に示した反射スペクトルを有する導波路型回折格子を通して出力されるレーザ光の出力の波長依存性を示す図面である。 図１３は、導波路型回折格子の更に他の例を概略的に示す図面である。

符号の説明

１１…半導体レーザ素子、１７…多重リング共振器、１９…導波路型回折格子（第１の反射手段）、２１…反射鏡（第２の反射手段）、２３…利得導波路、３５，３７…電極（多重リング共振器が有する電極）、３９，４１…リング状導波路、６１…光変調器（光処理素子）、８５…半導体レーザ素子、８７…光反射器（第１の反射手段）、８９…導波路型回折格子、９１…電極、９７…導波路型回折格子、Ｓ…基板。

Claims (4)

1. レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子であって、
   キャリヤ注入による光学的利得を有する利得導波路と、
   光路長が互いに異なっており光学的に結合された複数のリング状導波路及び前記複数のリング状導波路の少なくとも一つに信号印加するための電極を有する多重リング共振器であって、前記電極による信号印加によって前記複数のリング状導波路に共通の共振波長を生じせしめると共に、前記共通の共振波長を変化させることで当該多重リング共振器の透過波長を変更する、前記多重リング共振器と、
   前記利得導波路及び前記多重リング共振器が設けられる基板と、
   第１の反射波長帯域を有する第１の反射手段と、
   前記半導体レーザ素子のレーザキャビティを前記第１の反射手段とともに構成しており、第２の反射波長帯域を有する第２の反射手段と、
   を備え、
   前記利得導波路及び前記多重リング共振器は、前記レーザーキャビティ内に直列に配置されると共に、光学的に結合されており、
   前記第１の反射手段は、前記基板上に設けられており前記利得導波路及び前記多重リング共振器の何れか一方に光学的に結合される導波路型回折格子を含んで構成されており、
   前記導波路型回折格子は長手方向に沿って周期が変化しているチャープトグレーティングであり、
   前記第１及び第２の反射波長帯域は、前記多重リング共振器における前記透過波長の変更範囲を含むことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記第１の反射手段は、前記導波路型回折格子に対応して設けられる電極を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記第１の反射手段は、前記第１の反射波長帯域において低波長側より長波長側で反射率が低減している反射スペクトルを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記レーザキャビティから出射されるレーザ光の強度を変調するための光変調器を更に備え、
   前記光変調器は、前記基板上に配置されると共に、前記導波路型回折格子に光学的に結合されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の半導体レーザ素子。

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