JP2009043840A - レーザ発振波長を変更可能な発光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザの外部に波長基準となる追加の素子を必要とせずに、光伝送のためのチャネル波長の高速な切り替えを可能にする発光装置を提供する。
【解決手段】発光装置１０は、半導体光素子１１と、外部光学反射鏡１８と、ファブリペローエタロン１９とを備える。半導体光素子１１の光反射器１３では、回折格子２１ａ、２１ｂ、２１ｉの周期は互いに異なる。電極２３ａ〜２３ｉは、回折格子２１ａ〜２１ｉのためにそれぞれ設けられている。ファブリペローエタロン１９は、半導体光素子１１の第１の端面１５ａと外部光学反射鏡１８との間に設けられている。ファブリペローエタロン１９および利得導波路１７は、レーザキャビティ内において直列に配置されている。半導体光素子１１の第２の端面１５ｂからレーザ光Ｌが出射する。光反射器１３および外部光学反射鏡１８の各々は、発光装置１１のレーザキャビティのための反射鏡である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ発振波長を変更可能な発光装置に関する。

非特許文献１には、外部共振器型波長可変レーザが記載されている。このレーザは、５０ＧＨｚのフリースペクトラルレンジを有する固定ファブリペローエタロンと、液晶系波長可変ミラーとを含む。利得セクションを含む半導体発光素子、液晶系波長可変ミラー、ファブリペローエタロン等は、サブキャリア上に配置され、また単一の熱電子冷却器が使用される。レーザ発振波長は、液晶系波長可変ミラーの反射率のピークを電圧によって変更して選択される。液晶系波長可変ミラーの反射率は、ブロードなピークを有しており、ピーク波長の両側において緩やかに減少する。

非特許文献２には、波長可変半導体レーザは、外部共振器構造ではなく、活性層の両側にそれぞれ設けられた不均一回折格子を用いる。両回折格子に電流を注入して屈折率を変化させることによって、それぞれの反射スペクトルの波長を変化させる。バーニア効果により、両回折格子の反射波長が一致したときに、全体として高い透過率を得ることができる。不均一回折格子の構造としては、サンプルド回折格子（Sampled Grating）や超構造回折格子（Super Structure Grating）がある。

非特許文献３には、ディジタルスーパーモード（Digital Super-mode）ＤＢＲ回折格子が報告されている。このレーザ共振器は、利得領域の前方にレーザ反射鏡のために形成された周期の異なる複数の均一な回折格子と、利得領域の後方にレーザ反射鏡のために形成されたサンプルド回折格子（または超構造回折格子）とを含む。いずれかの回折格子の組み合わせに対して電流を注入して、良好な波長制御性を得ている。
2005年 電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、C-4-28 "High Wavelength Channel Accuracy of a Full C-band External CavityWavelength Tunable Laser with Intracavity Wavelength Reference Etalon" J. De Merlier, et. al. 光集積デバイス、小林功郎、共立出版、1999年、116頁 IEE-Proc.-Optoelectron., vol.150, no.2, 2003, p.199-204

非特許文献１における外部共振器鏡を用いた波長可変レーザでは、液晶の応答速度はせいぜいミリ秒程度であり、光伝送のためのチャネル波長の切り替えをより速く（例えばナノ秒程度〜マイクロ秒程度）行う光通信システムには適用できない。

非特許文献２および３の波長可変レーザでは、複雑な波長制御が必要である。また、レーザ共振器において少なくとも一方の反射鏡としてサンプルド回折格子や超構造回折格子を用いるので、広い波長帯域で均等な反射率を得ることができない。このため、波長可変を広くすると、レーザ発振波長に応じて光出力が変化する。また、波長領域多重（ＷＤＭ）通信の用途では、レーザの外部に波長ロッカーなどの波長の基準となる追加の素子が必要である。

本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、レーザの外部に波長基準となる追加の素子を必要とせずに、光伝送のためのチャネル波長の高速な切り替えを可能にする発光装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る発明は、レーザ発振波長を変更可能な発光装置である。発光装置は、（ａ）互いに周期の異なる複数の回折格子および前記回折格子のためにそれぞれ設けられた複数の電極を含む光反射器、キャリア注入による光学的利得を有する利得導波路、並びに第１および第２の端面を含む半導体光素子と、（ｂ）外部光学反射鏡と、（ｃ）前記半導体光素子の前記第１の端面と前記外部光学反射鏡との間に設けられたファブリペローエタロンと備え、前記半導体光素子の前記第２の端面からレーザ光が出射し、前記光反射器および前記外部光学反射鏡は、当該発光装置のレーザキャビティのための反射鏡である。

この発光装置によれば、回折格子のためにそれぞれ対応づけられた電極に信号を印加する。この印加により、光反射器の互いに周期の異なる複数の回折格子の反射スペクトルによる合成反射スペクトルは変更される。このため、バーニア効果を用いること無く、ファブリペローエタロンの透過率ピークのうちの一つが光反射器内の回折格子を用いて選択される。また、発振波長の選択が、外部光学反射鏡の反射率等を変更することなく、回折格子のための電極への信号印加により行われるので、切り替えを高速に行うことが可能である。

本発明に係る発光装置では、前記光反射器は、前記回折格子の各々に光学的に結合された光導波路を含むことができる。前記複数の電極のうち所望の発振波長に対応する電極への電気信号に応答して、前記複数の回折格子のうち前記所望の発振波長のための回折格子の反射スペクトルが変更されて、前記光反射器の反射スペクトルは、前記所望の発振波長を含む波長領域において反射率が増大される。

この半導体発光素子によれば、電極へ印加する電気信号に応じて、所望の発振波長を含む波長領域における反射スペクトルのピーク強度を調整可能である。なお、前記回折格子の任意の一回折格子は、他の回折格子から隔置されていることが好ましい。

本発明の別の側面に係る発明は、レーザ発振波長を変更可能な発光装置である。この発光装置は、（ａ）チャープ回折格子および前記チャープ回折格子のために設けられた複数の電極を含む光反射器、キャリア注入による光学的利得を有する利得導波路、並びに第１および第２の端面を含む半導体光素子と、（ｂ）外部光学反射鏡と、（ｃ）前記半導体光素子の前記第１の端面と前記外部光学反射鏡との間に設けられたファブリペローエタロンとを備え、前記半導体光素子の前記第２の端面からレーザ光が出射し、前記光反射器および前記外部光学反射鏡は、当該発光装置のレーザキャビティのための反射鏡である。

この発光装置によれば、回折格子のために対応づけられた電極に信号を印加する。この印加により、光反射器のチャープ回折格子の反射スペクトルが変更される。このため、バーニア効果を用いること無く、ファブリペローエタロンの透過率ピークのうちの一つが光反射器内のチャープ回折格子を用いて選択される。また、発振波長の選択が、外部光学反射鏡の反射率等を変更することなく、チャープ回折格子のための電極への信号印加により行われるので、切り替えを高速に行うことが可能である。

本発明に係る発光装置では、前記光反射器は、前記チャープ回折格子に光学的に結合され所定の軸の方向に延びる光導波路を含み、前記チャープ回折格子は、前記光導波路に沿って設けられており、前記チャープ回折格子の反射スペクトルが、前記複数の電極のうち所望の発振波長に対応する電極への電気信号に応答して変更されて、前記光反射器の反射スペクトルは、前記所望の発振波長を含む波長領域において反射率が増大される。

この発光装置によれば、電極へ印加する電気信号に応じて、所望の発振波長を含む波長領域における反射スペクトルのピーク強度を調整可能である。

本発明に係る発光装置は、前記半導体光素子は、前記レーザキャビティ外において前記光反射器に光学的に結合されており前記光反射器からのレーザ光を処理する光処理素子を更に含むことができる。前記光処理素子は、前記光反射器と前記第２の端面との間に設けられており、前記光処理素子は、前記レーザ光を変調するための光変調器および前記レーザ光を増幅する光増幅器の少なくともいずれか一方を含む。

本発明に係る発光装置では、前記外部光学反射鏡は、前記ファブリペローエタロンの第１の面上に設けられることができる。前記ファブリペローエタロンの第２の面は、前記半導体光素子の前記第１の端面と光学的に結合されている。

外部光学反射鏡とファブリペローエタロンとの距離を近づけることができるので、光共振器長を短縮できる。好適には、外部光学反射鏡は、ファブリペローエタロンの第１の面上に形成された反射膜を含むことができる。

本発明に係る発光装置では、前記半導体光素子は、前記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含む位相調整器を更に含むことができる。この発光装置によれば、レーザ発振波長の可変に伴いレーザ発振条件を満たす位相の調整が可能になる。

本発明に係る発光装置は、前記ファブリペローエタロンの温度を調整するためのペルチェ素子を更に備えることができる。前記ファブリペローエタロンは前記ペルチェ素子に搭載されている。この発光装置によれば、ペルチェ素子によりファブリペローエタロンの温度を調整することによって、ファブリペローエタロンの温度が変更される。

本発明に係る発光装置では、前記ファブリペローエタロンは、第１および第２の電極を有する液晶ファブリペローエタロンであり、前記液晶ファブリペローエタロンのフリースペクトラルレンジは、前記第１および第２の電極に印加される信号に応じて変更される。

この発光装置によれば、第１および第２の電極に印加される信号に応答して、液晶の屈折率が変更される。これにより、液晶ファブリペローエタロンのフリースペクトラルレンジを調整できる。

本発明に係る発光装置は、前記半導体光素子の温度を調整するための別のペルチェ素子を更に備えることができる。前記半導体光素子は前記別のペルチェ素子に搭載されている。

この発光装置によれば、半導体光素子の温度調整を別のペルチェ素子を用いて行うので、エタロンの温度調整は半導体光素子の温度調整により干渉されない。

本発明に係る発光装置では、前記外部光学反射鏡の反射率は、前記レーザ発振波長を変更可能な波長範囲において、波長が長くなるにつれて単調に減少する。この発光装置によれば、半導体光素子の特性の波長依存性を外部光学反射鏡の反射率の波長依存性により補償することができる。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、レーザの外部に波長基準となる追加の素子を必要とせずに光伝送のためのチャネル波長の高速な切り替えを可能にする発光装置が提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の、レーザ発振波長を変更可能な発光装置に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本発明の実施の形態に係る発光装置を示す図面である。発光装置１０は、レーザ発振波長を変更可能である。発光装置１０は、半導体光素子１１と、外部光学反射鏡１８と、ファブリペローエタロン１９とを備える。半導体光素子１１は、光反射器１３、第１および第２の端面１５（１５ａ、１５ｂ）、並びに利得導波路１７を含む。光反射器１３は、光導波路に光学的に結合された複数の回折格子２１ａ、２１ｂ、２１ｉと、複数の電極２３ａ、２３ｂ、２３ｉとを含む。図１には、I−I線に沿って取られた、回折格子２１ａ、２１ｂ、２１ｉの断面が模式的に示されている。回折格子２１ａ、２１ｂ、２１ｉの周期は互いに異なる。電極２３ａ、２３ｂ、２３ｉは、回折格子２１ａ、２１ｂ、２１ｉのために設けられている。利得導波路１７は、電極２５からキャリア注入による光学的利得を有する。ファブリペローエタロン１９は、半導体光素子１１の第１の端面１５ａと外部光学反射鏡１８との間に設けられている。ファブリペローエタロン１９の第２の面１９ｂは、半導体光素子１１の第１の端面１５ａに光学的に結合されており、また第１の面１９ａは、外部光学反射鏡１８と光学的に結合されている。ファブリペローエタロン１９は、複数の極大値を含む透過スペクトルを有する。ファブリペローエタロン１９および利得導波路１７は、光源２７を構成しており、またレーザキャビティ内において直列に配置されている。半導体光素子１１の第２の端面１５ｂからレーザ光Ｌ_１が出射される。光反射器１３および外部光学反射鏡１８の各々は、発光装置１１のレーザキャビティのための反射鏡である。レーザキャビティにより縦モードが規定される。

この発光装置１１によれば、回折格子２１ａ、２１ｂ、２１ｉのためにそれぞれ対応づけられた電極２３ａ、２３ｂ、２３ｉに信号を印加する。この印加により、光反射器１３の互いに周期の異なる複数の回折格子２１ａ、２１ｂ、２１ｉの反射スペクトルによる合成反射スペクトルは変更される。このため、バーニア効果を用いること無く、ファブリペローエタロン１９の透過率ピークのうちの一つが光反射器１３内の回折格子２１ａ、２１ｂ、２１ｉを用いて選択される。また、発振波長の選択が、液晶反射器を用いて反射鏡の反射率等を変更することなく、電極２３ａ、２３ｂ、２３ｉへの信号印加により行われるので、発振波長の切り替えを高速に行うことが可能である。

外部光学反射鏡１８の反射率の範囲は５０％〜９５％であり、使用波長可変範囲は、例えば１．５３μｍ〜１．６３μｍであり、この範囲における反射率の変動幅（波長依存性）は、故意に反射率を変えない場合に、例えば−１０％〜＋１０％である。外部光学反射鏡１８としては、例えば、支持体の表面に形成された金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）などの単層の金属膜、または誘電体多層膜を用いることができる。誘電体多層膜は、例えばＳｉＯ_２といったシリコン酸化膜、ＴｉＯ_２といったチタン酸化膜、ＺｎＯ_２といった亜鉛酸化膜を含むことができる。

半導体光素子１１は、互いに異なる回折波長を有する複数の回折格子を含む光反射器１３の長さは、例えば３００μｍ〜１０００μｍである。位相調整領域２７の長さは、２０μｍ〜１００μｍである。利得領域１７の長さは、例えば３００μｍ〜１５００μｍである。

図２は、本実施の形態に係る発光装置における一例の光反射器の反射スペクトルを示す図面である。理解を容易にするために、例示的な光反射器は、光導波路に沿って配置された９個の回折格子２１ａ〜２１ｉと、９個の電極２３ａ〜２３ｉとを含む。回折格子２１ａ〜２１ｉの各々は、可変範囲の波長域にＢｒａｇｇ回折波長を有する均一回折格子である。例えば、半導体発光素子１１では、図２（ａ）に示されるように、回折格子２１ａ〜２１ｉの反射スペクトル２０ａ〜２０ｉのうち所望の発振波長を含む波長領域（例えば回折格子２０ｅの反射スペクトルの波長領域）における反射スペクトルが、電極２３ａ〜２３ｉのうち該回折格子（例えば、回折格子２１ｅ）に対応する電極への電気信号に応答して、残りの回折格子２１ａ〜２１ｄ、２１ｆ〜２１ｉの反射スペクトル２０ａ〜２０ｄ、２１ｆ〜２０ｉの最大値と比較して増大されることが好ましい。図２（ｂ）に示されるように、電極へ印加する電気信号に応じて、選択された回折格子の反射スペクトルの波長および／またはピーク強度を調整可能である。

回折格子反射境の反射率調整について説明する。回折格子の波長λｇ（１次回折波長）は、屈折率ｎ_０、回折格子周期Λを用いて、
λｇ（０）＝２×ｎ_０×Λ
と表される。電流注入すると、キャリア密度増加によるプラズマ効果で屈折率は下がる。このため、回折格子の波長は短波長にシフトする。低下した屈折率ｎ_ＩＮＪ（＜ｎ_０）を用いて、シフト波長は
λｇ（ＩＮＪ）＝２×ｎ_ＩＮＪ×Λ
と表される。所望のレーザ発振波長λ_ＬＤにおける回折格子の反射率を上げるためには、
λｇ＞λ_ＬＤ
を満たす回折波長の回折格子を選択する。この回折格子に電流を注入すると、回折波長λｇはλ_ＬＤに近づき、λ_ＬＤでの反射率が高くなる。

図２を参照しながら説明すると、回折格子２０ｅに対応する波長帯の反射率を高くするためには、電極２３ｅに電流注入せずに電極２３ｆに電流を注入する。電極２３ｆに対応する回折格子の回折波長が短波長にシフトして、回折格子２０ｅの反射スペクトルに近づく。このような現象により、光反射器の合成反射スペクトルでは、電流注入によりシフトした回折格子２０ｆの反射スペクトルと回折格子２０ｅの反射スペクトルとの反射率が加算されて、周囲よりも大きな反射ピークが現れる。つまり、複数の回折格子２１ａ〜２１ｉのうち、所望の発振波長λｇのための回折格子２０ｅの反射スペクトルが、複数の電極２３ａ〜２３ｉのうち所望の発振波長λｇよりも長波長の回折格子２３ｆのための電極２３ｆへの電気信号に応答して、残りの回折格子２１ａ〜２１ｄ、２１ｆ〜２１ｉの反射ス
ペクトルの最大値と比較して増大される。

故に、所望の発振波長付近に回折波長を持つ回折格子に対応する電極に電気信号を加えてその回折波長を所望の発振波長に近づけて、光反射器内の複数の回折格子の反射スペクトルの重なりにより所望の発振波長での反射率を高めることになる。上記の説明は、電流注入による調整について行われた。回折格子に電圧を加えて屈折率を変化させる電圧調整では、電圧印加に伴う光吸収による影響で屈折率が高くなる場合がある。

複数の均一な回折格子をレーザ共振器の反射鏡として用いた場合、図２（ａ）に示されるように、回折格子に電流を注入しないとき、幅広い平坦な反射率を有する反射スペクトルになる。このため、レーザの出力光や自然放出光を観測することにより、ファブリペローエタロンの特性（透過スペクトル周期など）を検査できる。

半導体発光素子１１では、当該半導体発光素子１１からの光出射は端面１５ｂから行われることができる。また、図１に示されるように、半導体発光素子１１は、位相調整器２７を更に備えることができる。位相調整器２７は、位相調整のための信号を光導波路に印加するための電極３０を含む。この光導波路は、レーザキャビティのための反射鏡の間に位置する。この位相調整器２７によれば、レーザ発振波長の可変に伴い位相の調整が可能になる。例えば、信号の印加としては、電圧の印加または電流印加が行われる。

図３（ａ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子における一例のファブリペローエタロンの透過スペクトルを示す図面である。ファブリペローエタロン１９は、光学的に平行な２つの界面からなり、これらの界面における光の多重反射による干渉を利用して、反射光や透過光強度に波長依存性を有する光学部品である。ファブリペローエタロン１９の透過スペクトルでは、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。ＦＳＲは、ファブリペローエタロン１９の温度を変更することによって変更される。例えば、温度の変更は、ペルチェ素子３３ａといった温度調整素子によって行われる。図１に示されるように、ファブリペローエタロン１９はペルチェ素子３３ａ上に搭載されている。

光源（１７、１９）の利得導波路１７からの光は、ファブリペローエタロン１９の透過スペクトルによりフィルタリングされると共に、レーザキャビティを往復する。図３（ｂ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子におけるレーザ発振可能な波長グリットとグリットの一つを選択するための反射スペクトルを示す図面である。半導体光素子１１では、図３（ｂ）に示される波長グリッドλ_１〜λ_９において、レーザ発振が可能である。この波長グリッドは、ファブリペローエタロン１９のＦＳＲによって規定される。波長グリッドλ_１〜λ_９からの選択は、光反射器１３の電極２３ａ〜２３ｉへの信号印加により行われる。発光装置１１は、電極２３ａ〜２３ｉへの信号印加に応じて形成されたスペクトルのピーク反射率に従って、レーザ発振条件を満たす位相（縦モード）調整の後、最も高利得の波長λ_５を有するレーザ光を生成する。図１に示されるように、発光装置１１は、半導体光素子１１とファブリペローエタロン１９との間に設けられた光学レンズ３５を含むことができる。光学レンズ３５は、半導体光素子１１の端面１５aでのレーザ光をファブリペローエタロン１９の端面１９ｂにほぼコリメートされた状態で光学結合させることができる。

ファブリペローエタロン１９のＦＳＲは、例えば１２．５ＧＨｚ〜２００ＧＨｚである。ファブリペローエタロン１９の透過ピークを少なくとも一つが、均一回折格子の反射スペクトルの半値幅（ＦＷＨＭ）内に含まれる。また、レーザの共振器長で決まる縦モード間隔は、例えば０．０５ｎｍ〜０．２５ｎｍであり、ファブリペローエタロン１９の透過スペクトルの１つのピークスペクトル幅（ＦＷＨＭ）内に1〜３本の縦モードが含まれることが好ましい。縦モードの波長位置は、位相調整領域２７に電圧印加あるいは電流注入することによる屈折率変化で調整できる。

発光装置１０では、図４（ａ）に示されるように、外部光学反射鏡１８は、ファブリペローエタロン１９の第１の面１９ａ上に設けられることができる。ファブリペローエタロン１９の第２の面１９ｂは、半導体光素子１１の第１の端面１５ａと光学的に結合されている。外部光学反射鏡１８とファブリペローエタロン１９との距離を近づけることができるので、レーザキャビティ長Ｌ_ＣＡＶを短縮できる。好適には、外部光学反射鏡１８は、ファブリペローエタロン１９の第１の面１９ａ上に形成された反射膜を含むことができる。また、光学レンズ３５は、ファブリペローエタロン１９の第２の面１９ｂ上に設けられることができる。

発光装置１０では、ファブリペローエタロン１９に替えて、図４（ｂ）に示されるように、ファブリペローエタロン２９を用いることができる。ファブリペローエタロン２９は、第１および第２の透明電極２９ａ、２９ｂと、これらの電極２９ａ、２９ｂの間に設けられた液晶体２９ｃとを有する液晶ファブリペローエタロンであり、この液晶ファブリペローエタロンのＦＳＲは、第１および第２の電極２９ａ、２９ｂに印加される信号に応じて変更される。第１および第２の電極２９ａ、２９ｂに印加される信号に応答して、液晶体２９ｃの屈折率が変更される。これにより、ファブリペローエタロン２９のＦＳＲを電気的に調整できる。ファブリペローエタロン２９としては、例えば（米国）Scientific SolutionsInc.の液晶エタロンなどを利用できる。

発光装置１１は、図１に示されるように、半導体光素子１１の温度を調整するための別のペルチェ素子３３ｂを更に備えることができる。半導体光素子１１は別のペルチェ素子３３ｂに搭載されている。別のペルチェ素子３３ｂを用いて半導体光素子１１の温度調整を行うので、エタロン１９の温度調整は半導体光素子の温度調整により干渉されない。

また、発光装置１１は、図１に示されるように、外部光学反射鏡１８の温度を調整するための更なる別のペルチェ素子３３ｃを更に備えることができる。外部光学反射鏡１８をペルチェ素子３３ｃ上に搭載するので、外部光学反射鏡１８の一定の温度に維持できる。これにより、外部光学反射鏡１８の反射特性の温度依存性を考慮して一定の反射特性を得ることができるので、外部光学反射鏡１８の温度の調整のために独立のペルチェ素子３３ｃを用いることが好ましい。

エタロン１９のためのペルチェ素子３３ｂの温度は、エタロン１９の光透過特性の制御のために、それほど大きくは変化されることはない。ペルチェ素子３３ｂの温度は、少なくとも外部光学反射鏡１８の反射特性に影響を与えるほど大きくは変更さない。このため、ペルチェ素子３３ｂの温度はほぼ一定の温度に保たれる。この場合、エタロン１９を搭載するペルチェ素子３３ｂ上に外部光学反射鏡１８を搭載することも可能である。これにより、発光装置１０の部品点数の増加が抑えられるので、組み立てコスト、部品コストを低減できる。

図５に示されるように、発光装置１０は、半導体光素子１１に替えて半導体光素子１２を含むことができる。半導体光素子１２は、光反射器１３と、利得導波路１７と、位相調整器２７とに加えて、光処理素子３７を更に含むことができる。光処理素子３７は、レーザキャビティ外において光反射器１３に光学的に結合されており、また光反射器１３からのレーザ光を処理する。光処理素子３７は、光反射器１３と第２の端面１５ｂとの間に設けられており、また処理のための外部信号を受ける電極３９を有する。光処理素子３７は、レーザ光を変調するための光変調器およびレーザ光を増幅する光増幅器の少なくともいずれか一方を含む。発光装置１０は、処理されたレーザ光Ｌ_２を第２の端面１５ｂから提供する。

再び図１を参照すると、光反射器１３は、回折格子群２１に替えて、チャープ回折格子２２を含むことができる。半導体光素子１１の光反射器１３は、チャープ回折格子２２と、チャープ回折格子２２のためにそれぞれ設けられた複数の電極２４ａ、２４ｂ、２４ｉを含む。チャープ回折格子２２は、位置に関する一次関数で変化する周期を有しており、例えば回折格子の一周期Λ_ａの部分２２ａ、回折格子の一周期Λ_ｂ（Λ_ｂ＞Λ_ａ）の部分２２ｂ、回折格子の一周期Λ_ｉ（Λ_ｉ＞Λ_ｂ）の部分２２ｉを含む。チャープ回折格子２２では、回折格子群２１と同様に、一周期の最小値は値Λ_１であり、一周期の最大値は値Λ_ｉである。電極２４ａ、２４ｂ、２４ｉは、チャープ回折格子２２上に順に配置されている。

この発光装置１０によれば、チャープ回折格子２２のためにそれぞれ対応づけられた電極２４ａ、２４ｂ、２４ｉに信号を印加する。この印加により、光反射器１３のチャープ回折格子２２の反射スペクトルが変更される。このため、バーニア効果を用いること無く、ファブリペローエタロン１９の透過率のピークの一つが光反射器内のチャープ回折格子２２を用いて選択される。また、発振波長の選択が、外部光学反射鏡１８の反射率等を変更することなく、チャープ回折格子２２のための電極２４ａ、２４ｂ、２４ｉへの信号印加により行われるので、切り替えを高速に行うことが可能である。

図６は、本実施の形態に係る発光装置における一例の光反射器の反射スペクトルを示す図面である。発振可能なレーザ光の波長の最小値は、例えば波長λ_Ｂ１であり、最大値は波長λ_Ｂｉである。理解を容易にするために、例示的な光反射器は、光導波路に沿って配置されたチャープ回折格子２２は、９個の電極２４ａ〜２４ｉを含む。電極２４ａ〜２４ｉは、それぞれ、チャープ回折格子２２の部分（以下、「回折格子部分」と呼ぶ）２２ａ〜２２ｉに対応付けられている。回折格子部分２２ａ〜２２ｉの各々は、可変範囲の波長域内のＢｒａｇｇ回折波長に対応する一周期を有する。半導体光素子１１では、図６（ａ）に示されるように、例えば、電極２４ａ〜２４ｉに信号が印加されていないとき、回折格子部分２２ａ〜２２ｉにそれぞれ対応する波長領域は、反射スペクトル値２６ａ〜２６ｉを有する。半導体光素子１１では、電極２４ａ〜２４ｉのうち該回折格子部分（例えば、回折格子部分２２ｅ）に対応する電極への電気信号に応答して、図６（ｂ）に示されるように、回折格子２２の反射スペクトル２０のうち所望の発振波長を含む波長領域（例えば回折格子部分２２ｄの一周期に対応する波長領域）における反射スペクトル値が、残りの回折格子部分２２ａ〜２２ｃ、２２ｅ〜２２ｉに対応する波長領域の反射スペクトル値２０ａ〜２０ｃ、２１ｅ〜２０ｉの最大値と比較して増大される。図６（ｂ）に示されるように、電極へ印加する電気信号に応じて、選択された回折格子の反射スペクトルの波長および／またはピーク強度を調整可能である。

回折格子反射境の反射率調整について説明する。回折格子の波長λg（１次回折波長）は、複数の均一回折格子と同様に、対応する回折格子部分に電流を注入すると、回折波長λｇはλ_ＬＤに近づき、λ_ＬＤでの反射率が高くなる。

図６を参照しながら説明すると、回折格子部分２２ｅに対応する波長帯の反射率を高くするためには、電極２２ｄに電流注入せずに電極２２ｅに電流を注入する。電極２２ｅに対応する回折格子部分の回折波長が短波長にシフトして、反射スペクトル値２６ｄの反射スペクトルに近づく。このような現象により、光反射器の合成反射スペクトルでは、電流注入によりシフトした回折格子部分２２ｄの反射スペクトルと回折格子部分２２ｅの反射スペクトルとの反射率が加算されて、周囲よりも大きな反射ピークが現れる。つまり、複数の回折格子２２ａ〜２２ｉのうち、所望の発振波長λｇのための回折格子部分に対応する反射スペクトル値が、複数の電極２４ａ〜２４ｉのうち所望の発振波長λｇよりも長波長の回折格子部分２２ｅのための電極２４ｅへの電気信号に応答して、残りの回折格子部分２２ａ〜２２ｃ、２２ｅ〜２２ｉの反射スペクトルの最大値と比較して増大される。

故に、所望の発振波長付近に回折波長を持つ回折格子部分に対応する電極に電気信号を加えてその回折波長を所望の発振波長に近づけて、光反射器内の回折格子の反射スペクトルの重なりにより所望の発振波長での反射率を高めることになる。上記の説明は、電流注入による調整について行われた。回折格子部分に電圧を加えて屈折率を変化させる電圧調整では、電圧印加に伴う光吸収による影響で屈折率が高くなる場合がある。

チャープ回折格子をレーザ共振器の反射鏡として用いた場合、図６（ａ）に示されるように、回折格子に電流を注入しないとき、幅広い平坦な反射率を有する反射スペクトルになる。このため、レーザの出力光や自然放出光を観測することにより、ファブリペローエタロンの特性（透過スペクトル周期など）を検査できる。

半導体光素子１１の利得導波路１７からの光は、ファブリペローエタロン１９の透過スペクトルによりフィルタリングされると共に、レーザキャビティを往復する。図７は、本実施の形態に係る半導体発光素子におけるレーザ発振可能な波長グリットとグリットの一つを選択するための反射スペクトルを示す図面である。半導体光素子１１では、図７に示される波長グリッドλ_Ｂ１〜λ_Ｂｉにおいて、レーザ発振が可能である。この波長グリッドは、エタロン１９のＦＳＲによって規定される。波長グリッドλ_Ｂ１〜λ_Ｂｉからの選択は、光反射器１３の電極２３ａ〜２３ｉへの信号印加により行われる。発光装置１１は、電極２４ａ〜２４ｉへの信号印加に応じて形成されたスペクトルのピーク反射率に従って、レーザ発振条件を満たす位相（縦モード）調整の後に、最も高利得の波長λ_ＬＤを有するレーザ光を生成する。

発光装置１０では、外部光学反射鏡１８の反射率は、レーザ発振波長を変更可能な波長範囲において、波長が長くなるにつれて単調に減少することが好ましい。このような波長依存性は、例えば誘電体多層膜等の製造において実現できる。半導体光素子１１の特性の波長依存性を外部光学反射鏡１８の反射率の波長依存性により補償できる。

図８は、図５に示されたII−II線およびIII−III線に沿って取られた半導体発光素子の縦断面を概略的に示す図面である。図８（ａ）を参照すると、利得導波路１７は、基板５１上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、量子井戸構造の活性層６５ａ、光ガイド層６７ａ、ｐ型クラッド層６９およびコンタクト層７１ａを含む。利得導波路１７では、コンタクト層７１ａ上には電極２５が設けられている。光反射器１３は、基板５１上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、コア導波路層６５ｂ、光ガイド層６７ｂ、回折格子構造６８、各回折格子に対応して分離されたコンタクト層７１ｂ（７１１ｂ、７１２ｂ、７１３ｂ）、およびｐ型クラッド層６９を含む。光反射器１３では、コンタクト層７１ｂ上には電極群２３が設けられている。回折格子構造６８は、光ガイド層６７ｂの表面に設けられた周期構造から構成される。位相調整器２７は、基板５１上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、コア導波路層６５ｃ、光ガイド層６７ｃ、ｐ型クラッド層６９およびコンタクト層７１ｃを含む。位相調整器２７では、コンタクト層７１ｃ上には電極３０が設けられている。光処理素子３７は、基板５１上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、量子井戸構造を有する活性層６５ｄ、光ガイド層６７ｄ、ｐ型クラッド層６９およびコンタクト層７１ｄを含む。光処理素子３７では、コンタクト層７１ｄ上には電極３９が設けられている。半導体光導波路構造７５は、基板５１上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、コア導波路層６５ｃ、光ガイド層６７ｃおよびｐ型クラッド層６９を含む。

縦方向の光閉じ込めはクラッド層６１、６９により行われる。また、図８（ｂ）に示されるように、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７３とによって提供される。

例示すれば、利得領域の活性層は、１．２５μｍ〜１．６５μｍ帯に利得を持つＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸構造を有することができる。光導波層は、量子井戸構造のバンドギャップ波長より短い波長のＧａＩｎＡｓＰ半導体からなることができ、ｎ型およびｐ型クラッド層はＩｎＰ半導体からなることができる。コンタクト層は、高濃度ドープされたＧａＩｎＡｓ層からなることができる。埋込層としては、半絶縁性ＩｎＰから成ることができる。

また、利得導波路１７の活性層は、互いに異なるバンドギャップを有する複数の井戸層と、これらの複数の井戸層の間に位置する障壁層とを含む多重量子井戸構造とすることができる。井戸層が、互いに異なるバンドギャップを有する複数の井戸層から形成されているので、レーザ発振可能な活性層の利得バンド幅を拡大することが可能であり、広い波長範囲でレーザの発振波長を可変にすることができる。また、利得導波路１７の活性層の利得バンド幅を拡大するための方法として、互いに異なるバンドギャップエネルギを有する複数の井戸層を積層すること以外に、互いに異なる厚み（幅）の井戸層を備えるようにしてもよいし、あるいは量子井戸層の材料組成および厚みの両方を変更することもできる。

以上説明したように、レーザの外部に波長基準となる追加の素子を必要とせずに、光伝送のためのチャネル波長の高速な切り替えを可能にする発光装置１０が提供される。

本実施の形態では、液晶ミラーではなく、回折格子を用いた光反射鏡を含む。液晶ミラーの応答速度は、２０ｍｓｅｃ〜３０ｍｓｅｃ程度あり、回折格子を用いた光反射鏡の応答速度は、ナノ秒オーダーである。光反射鏡の電極への信号印加によるので、応答速度が速い。ＷＤＭ通信でのＲＯＤＡＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexers）や光バーストスイッチング、光パケットスイッチングに用いることが可能になる。

液晶ミラーでは、波長λ_Ａからλ_Ｂに波長変更を行うとき、波長λ_Ａとλ_Ｂの間の波長が出力されてしまう。なぜなら、液晶ミラーへの制御電圧に対する液晶分子の動きが連続的であるからである。故に、レーザの波長切り替えの間に余分な波長の光が出ないように、光可変減衰器（ＶＯＡ）や光シャッターの機構が必要である。しかしながら、本実施の形態における回折格子では、レーザの波長切り替えの間に余分な波長の光が出力されることなく、不連続に波長を選択できる。

回折格子の反射ピークの反射率が、回折格子に流す電流の大きさや、電流を流す２個以上の電極の組み合わせで制御可能である。利得領域の光吸収係数の波長依存性などによるレーザ光出力の波長依存性を補償できる。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、本発明の実施の形態に係る発光装置を示す図面である。 図２は、本実施の形態に係る発光装置における一例の光反射器の反射スペクトルを示す図面である。 図３（ａ）は、本実施の形態に係る発光装置における一例のファブリペローエタロンの透過スペクトルを示す図面である。図３（ｂ）は、本実施の形態に係る発光装置におけるレーザ発振光の波長を選択する機構を示す図面である。 図４（ａ）は、本実施の形態に係る発光装置におけるファブリペローエタロンの一例を示す図面である。図４（ｂ）は、本実施の形態に係る発光装置におけるファブリペローエタロンの別の例を示す図面である。 図５は、本発明の実施の形態に係る、光処理素子を含む発光装置を示す図面である。 図６は、本実施の形態に係る発光装置における一例の光反射器の反射スペクトルを示す図面である。 図７は、本実施の形態に係る半導体発光素子におけるレーザ発振可能な波長グリットとグリットの一つを選択するための反射スペクトルを示す図面である。 図８は、図５に示されたII−II線およびIII−III線に沿って取られた半導体発光素子の縦断面を概略的に示す図面である。

符号の説明

１０…発光装置、１１…半導体光素子、１３…光反射器、１５（１５ａ、１５ｂ）…第１および第２の端面、１７…利得導波路、１８…外部光学反射鏡、１９…ファブリペローエタロン、１９ａ、１９ｂ…ファブリペローエタロンの面、２１ａ〜２１ｉ…回折格子、２２…チャープ回折格子、２２ａ〜２２ｉ…回折格子部分、２３ａ〜２３ｉ…電極、２４ａ〜２４ｉ…電極、２５…電極、２７…位相調整器、２９…ファブリペローエタロン、２９ａ、２９ｂ…ファブリペローエタロンの電極、２９ｃ…液晶体、３３ａ、３３ｂ…ペルチェ素子、３５…光学レンズ、３７…光処理素子、３９…電極、Ｌ_１、Ｌ_２…レーザ光、λｇ…回折波長、Λ_ａ、Λ_ｂ、Λ_ｉ…チャープ回折格子の一周期、λ_Ｂ１〜λ_Ｂｉ…波長グリッド、λ_ＬＤ…波長、λ_１〜λ_９…波長グリッド

Claims (11)

1. レーザ発振波長を変更可能な発光装置であって、
   互いに周期の異なる複数の回折格子および前記回折格子のためにそれぞれ設けられた複数の電極を含む光反射器、キャリア注入による光学的利得を有する利得導波路、並びに第１および第２の端面を含む半導体光素子と、
   外部光学反射鏡と、
   前記半導体光素子の前記第１の端面と前記外部光学反射鏡との間に設けられたファブリペローエタロンと
   を備え、
   前記半導体光素子の前記第２の端面からレーザ光が出射し、
   前記光反射器および前記外部光学反射鏡は、当該発光装置のレーザキャビティのための反射鏡である、ことを特徴とする発光装置。
2. 前記光反射器は、前記回折格子の各々に光学的に結合された光導波路を含み、
   前記複数の電極のうち所望の発振波長に対応する電極への電気信号に応答して、前記複数の回折格子のうち前記所望の発振波長のための回折格子の反射スペクトルが変更されて、前記光反射器の反射スペクトルは、前記所望の発振波長を含む波長領域において反射率が増大される、ことを特徴とする請求項１に記載された発光装置。
3. レーザ発振波長を変更可能な発光装置であって、
   チャープ回折格子および前記チャープ回折格子のためにそれぞれ設けられた複数の電極を含む光反射器、キャリア注入による光学的利得を有する利得導波路、並びに第１および第２の端面を含む半導体光素子と、
   外部光学反射鏡と、
   前記半導体光素子の前記第１の端面と前記外部光学反射鏡との間に設けられたファブリペローエタロンと
   を備え、
   前記半導体光素子の前記第２の端面からレーザ光が出射し、
   前記光反射器および前記外部光学反射鏡は、当該発光装置のレーザキャビティのための反射鏡である、ことを特徴とする発光装置。
4. 前記光反射器は、前記チャープ回折格子に光学的に結合され所定の軸の方向に延びる光導波路を含み、
   前記チャープ回折格子は、前記光導波路に沿って設けられており、
   前記チャープ回折格子の反射スペクトルが、前記複数の電極のうち所望の発振波長に対応する電極への電気信号に応答して変更されて、前記光反射器の前記反射スペクトルは、前記所望の発振波長を含む波長領域において反射率が増大される、ことを特徴とする請求項３に記載された発光装置。
5. 前記半導体光素子は、前記レーザキャビティ外において前記光反射器に光学的に結合されており前記光反射器からのレーザ光を処理する光処理素子を更に含み、
   前記光処理素子は、前記光反射器と前記第２の端面との間に設けられており、
   前記光処理素子は、前記レーザ光を変調するための光変調器および前記レーザ光を増幅する光増幅器の少なくともいずれか一方を含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された発光装置。
6. 前記外部光学反射鏡は、前記ファブリペローエタロンの第１の面上に設けられており、
   前記ファブリペローエタロンの第２の面は、前記半導体光素子の前記第１の端面と光学的に結合されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された発光装置。
7. 前記半導体光素子は、前記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含む位相調整器を更に含む、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された発光装置。
8. 前記ファブリペローエタロンの温度を調整するためのペルチェ素子を更に備え、
   前記ファブリペローエタロンは前記ペルチェ素子に搭載されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された発光装置。
9. 前記ファブリペローエタロンは、第１および第２の電極を有する液晶ファブリペローエタロンであり、
   前記液晶ファブリペローエタロンのフリースペクトラルレンジは、前記第１および第２の電極に印加される信号に応じて変更される、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された発光装置。
10. 前記半導体光素子の温度を調整するための別のペルチェ素子を更に備え、
    前記半導体光素子は前記別のペルチェ素子に搭載されている、ことを特徴とする請求項８または請求項９に記載された発光装置。
11. 前記外部光学反射鏡の反射率は、前記レーザ発振波長を変更可能な波長範囲において、波長が長くなるにつれて単調に減少する、ことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載された発光装置。

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