JP2009049083A - 半導体レーザ素子及び半導体光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 スペクトル幅の狭いレーザ光を出力可能な半導体レーザ素子及び半導体光源装置を提供する。
【解決手段】 半導体レーザ素子１１Ａは、回折格子１７による反射によってレーザ発振を生じせしめる半導体レーザ光源部１３Ａと、半導体レーザ光源部１３Ａの一端に光学的に結合されており、回折格子１７の周期によって決まる半導体レーザ光源部１３Ａの発振波長の光を選択的に通過させる波長フィルタ部１５と、半導体レーザ光源部１３Ａ及び波長フィルタ部１５を設ける基板Ｓとを備える。この半導体レーザ素子１１Ａでは、波長フィルタ部１５はリング状導波路３１，３３を有する。また、半導体レーザ素子１１Ａでは、半導体レーザ光源部１３Ａから出力された光を、波長フィルタ部１５を通過させることで、リング状導波路３１，３３の共振波長によりフィルタリングを施すことになるので、スペクトル幅の狭いレーザ光を出力することが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子及び半導体光源装置に関するものである。

半導体レーザ素子を送信用光源とする光通信において、半導体レーザ素子に注入する駆動電流を入力信号に応じて変化さえる直接変調により信号変調を行う際、変調時にレーザの活性層内にキャリヤ密度の変化が生じるため屈折率変化が発生する。そのため、半導体レーザ素子の出力光のスペクトル（出力スペクトル）に広がり（チャープ）が生じることが知られている。この場合、半導体レーザ素子から出力される光を信号光として使用すると、信号光が例えば光ファイバを伝送する際に、波長分散の影響で信号に歪みが生じ、伝送時にビットエラーが増えることがあった。

従来、上記のようなビットエラーを抑制するため、半導体レーザ素子から出力された光（出力光）を半導体レーザ素子の外部に設けられた狭帯域の波長フィルター（エタロン）を通過させることによって、出力光のスペクトル幅を狭くする方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
米国出願公開第２００４／０００８９３３号明細書

しかしながら、半導体レーザ素子から出力された光のスペクトル幅を、狭帯域の波長フィルタとしてのエタロンを使用して狭くする場合、次のような問題点がある。すなわち、エタロンの透過波長を半導体レーザ素子から出力される光の波長に合わせるためには、エタロンの配置を変化させたり、エタロンの温度を変えたりする必要があり、複雑な調整が必要である。また、エタロンの透過波長は、エタロンの厚さと屈折率できまるため、ＷＤＭシステムのように多波長の送信機が必要な場合、各半導体レーザ素子ごとに、各半導体レーザ素子が出力する光の波長に対応したエタロンを準備する必要がある。そのため、出力するレーザ光に対してエタロン等の波長フィルタを要しないようなスペクトル幅の狭いレーザ光を出力可能な半導体レーザ素子といった光源が求められていた。

そこで、本発明は、スペクトル幅の狭いレーザ光を出力可能な半導体レーザ素子及び半導体光源装置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、回折格子による反射によってレーザ発振を生じせしめる半導体レーザ光源部と、半導体レーザ光源部の一端に光学的に結合されており、回折格子の周期によって決まる半導体レーザ光源部の発振波長の光を選択的に通過させる波長フィルタ部と、半導体レーザ光源部及び波長フィルタ部を設ける基板と、を備え、波長フィルタ部はリング状導波路を有することを特徴とする。

上記構成では、半導体レーザ光源部において、回折格子による反射によってレーザ発振が生じたとき、半導体レーザ光源部からレーザ光が出力される。この半導体レーザ光源部から出力されたレーザ光は、波長フィルタ部に入力される。波長フィルタ部が有するリング状導波路は複数の共振波長を有する。よって、複数の共振波長の一つを上記発振波長に一致させることで、波長フィルタ部に入力されたレーザ光のうち当該発振波長のレーザ光を選択的に通過させることが可能である。そのため、例えば、半導体レーザ光源部において直接変調を実施し、半導体レーザ光源部から出力されるレーザ光のスペクトル幅が広がったとしても、スペクトル幅の狭いレーザ光を出力することができる。

上記波長フィルタ部は、光路長が互いに異なっている複数のリング状導波路と、複数のリング状導波路の少なくとも一つに信号を印加すること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ための電極と、を有し、複数のリング状導波路は光学的に結合されており、上記共通の共振波長が上記発振波長を含むことが好ましい。

この構成では、電極による信号印加によって、上記発振波長を含む共通の共振波長を複数のリング状導波路に生じせしめることで、波長フィルタ部が発振波長の光を選択的に透過させることができる。この場合、各リング状導波路によって、レーザ光をフィルタリングしていることになるので、スペクトル幅のより狭いレーザ光を出力可能である。

更に、本発明に係る半導体レーザ素子では、波長フィルタ部に光学的に結合されており、波長フィルタ部を通過したレーザ光の光強度を検出する光検出素子を基板上に更に備えることが好ましい。この場合、光検出素子の検出結果に応じてリング状導波路の共振波長を調整することによって、波長フィルタ部を通過可能な光の波長を、回折格子の周期によって決まる発振波長により正確に合わせることが可能である。

また、本発明に係る半導体レーザ素子は、半導体レーザ光源部に対して波長フィルタ部側に配置されており、レーザ光を光増幅するための光増幅器を基板上に更に備えることが好ましい。この場合、波長フィルタ部を通過すること等によるレーザ光の光強度の減衰を光増幅器により補うことができる。

上記半導体レーザ光源部としては、分布帰還型又は分布ブラッグ反射型のものが挙げられる。

また、本発明に係る半導体レーザ素子では、反射防止膜を更に備え、その反射防止膜が、波長フィルタ部を通過したレーザ光が出力される出力端面を構成していることが好ましい。この場合、上記反射防止膜により出力端面でのレーザ光の反射が抑制されるため、より高い強度の強度のレーザ光を出力することが可能である。

また、本発明に係る半導体光源装置は、(i)回折格子による反射によってレーザ発振を生じせしめる半導体レーザ光源部と、その半導体レーザ光源部の一端に光学的に結合されている波長フィルタ部と、波長フィルタ部及び半導体レーザ光源部を設ける基板とを備える半導体レーザ素子と、（ii）波長フィルタ部を通過したレーザ光の光強度を検出する光検出素子を含む光検出手段と、(iii)波長フィルタ部を制御する制御手段と、を備え、上記波長フィルタ部は、光路長が互いに異なっている複数のリング状導波路と、複数のリング状導波路の少なくとも一つに信号を印加すること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ための電極とを有し、複数のリング状導波路は光学的に結合されており、共通の共振波長が発振波長を含み、上記制御手段は、光検出手段の検出結果に基づいて、電極による信号の印加量を制御することを特徴とする。

この構成では、半導体レーザ光源部において、回折格子による反射によってレーザ発振が生じたとき、半導体レーザ光源部からレーザ光が出力される。半導体レーザ光源部から出力されたレーザ光は、波長フィルタ部に入力される。波長フィルタ部では、電極による信号印加により上記発振波長を含む共通の共振波長を複数のリング状導波路に生じせしめることで、発振波長の光を選択的に透過させることができる。そのため、例えば、半導体レーザ光源部において直接変調を実施し、半導体レーザ光源部から出力されるレーザ光のスペクトル幅が広がったとしても、スペクトル幅の狭いレーザ光を出力することが可能である。また、上記光検出素子を備え、光検出素子の検出結果に応じて制御手段が電極による信号の印加量を調整するため、回折格子の周期によって決まる発振波長の光をより正確に出力することができる。

本発明によれば、スペクトル幅の狭いレーザ光を出力可能な半導体レーザ素子及び半導体光源装置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及び半導体光源装置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、本発明に係る半導体レーザ素子の第１の実施形態の構成を模式的に示す図面である。半導体レーザ素子１１Ａは、ＷＤＭシステム等の光通信システムにおける光源として好適に利用される。

半導体レーザ素子１１Ａは、半導体基板といった基板を有し、その基板上に、半導体レーザ光源部１３Ａと、半導体レーザ光源部１３Ａに光学的に結合された波長フィルタ部１５とが設けられている。

半導体レーザ光源部１３Ａは、ブラッグ反射波長λ_Ｂを有するブラッグ回折格子１７が所定の半導体層に形成された半導体光導波路１９と、半導体光導波路１９に対応して設けられておりキャリヤ注入のための電極２１とを含む。半導体レーザ光源部１３Ａは、上記ブラッグ回折格子１７におけるブラッグ反射を利用してレーザ発振を生じせしめる分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ型半導体レーザ）であり、半導体レーザ光源部１３Ａにおける発振波長は、上記ブラッグ反射波長λ_Ｂである。

波長フィルタ部１５は、光学的に結合された２つのリング共振器２３，２５と、リング共振器２３，２５に対応して設けられた電極２７，２９とを含む。波長フィルタ部１５は、いわゆる多重リング共振器である。

リング共振器２３，２５は、互いに異なる光路長を有するリング状導波路３１，３３を含む。リング状導波路３１，３３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３１，３３の直径は例えば１０μｍ〜５００μｍである。基板面に略直交する方向からみた場合のリング状導波路３１，３３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。

リング共振器２３，２５は、リング状導波路３１，３３を有することから、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、各リング共振器２３，２５の透過スペクトルは、リング状導波路３１，３３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構成されている。よって、各リング共振器２３，２５は、各リング共振器２３，２５の複数の透過波長の光を透過する。リング共振器２３，２５は、２つのリング状導波路３１，３３が光学的に結合されることによって光学的に結合されている。

リング状導波路３１，３３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３５を利用することができる。具体的には、半導体光導波路３５の一端３５ａ側の一部をリング状導波路３１に光学的に結合し、半導体光導波路３５の他端３５ｂ側の一部をリング状導波路３３に光学的に結合することで、リング状導波路３１，３３の光学的結合を提供できる。半導体光導波路３５と各リング状導波路３１，３３との光学的結合には、例えば、光結合器３７，３９を利用することができる。光結合器３７，３９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３５は、一端３５ａ及び他端３５ｂ側にそれぞれ余長３５ｃ及び余長３５ｄを有する。この余長３５ｃ，３５ｄ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３５ａ及び他端３５ｂ側で反射が生じないように終端処理されている。また、半導体光導波路３５の端部に光吸収層を形成してもよい。

図２を利用して、波長フィルタ部１５におけるフィルタリング機能について説明する。図２は波長フィルタ部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２７，２９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２３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２５における透過スペクトルを示している。

リング共振器２３，２５の光路長が互いに異なっていることから、リング共振器２３，２５のＦＳＲは異なる。そのため、電極２７，２９によるリング状導波路３１，３３への電流注入が実施されていない状態では、波長フィルタ部１５は光を殆ど透過しない。一方、電極２７，２９による電流注入を実施することで、リング状導波路３１，３３のピークスペクトル波長位置、およびＦＳＲを変更することができる。よって、注入電流量を調整することで、図２に示すように、各リング共振器２３，２５が有する複数の透過波長の一つを一致させることが可能である。

この場合、上記一致した透過波長の光は、光学的に結合された２つのリング共振器２３，２５をどちらも透過できることから、波長フィルタ部１５を透過する。また、注入電流量を変更することにより、波長フィルタ部１５を透過する光の波長（ピーク透過波長）の選択が可能である。そのため、波長フィルタ部１５のピーク透過波長を、図２に示すように、回折格子１７の周期によって決まるブラッグ反射波長λ_Ｂに一致させることで、半導体レーザ光源部１３Ａの発振波長λ_Ｂの光を選択的に透過させることができる。

波長フィルタ部１５における波長選択範囲をλ_ｓ〜λ_ｌ（ただし、λ_ｓ＜λ_ｌ）とすると、波長フィルタ部１５は、波長選択範囲λ_ｓ〜λ_ｌ（ただし、λ_ｓ＜λ_ｌ）内に半導体レーザ光源部１３Ａの発振波長λ_Ｂを含むように構成されていれば、リング状導波路３１，３３の周方向の長さ並びにリング状導波路３１，３３及び電極２７，２９の数などは特に限定されない。

例えば、図１に例示した構成では、波長フィルタ部１５では、２つのリング状導波路３１，３３に対して共通の共振波長を生じさせるために、各リング状導波路３１，３３に対して電極２７，２９を設けているが、２つのリング状導波路３１，３３のうちの一方に対してのみ電極を配設した構成とすることも可能である。リング状導波路３１に対して電極を設けない場合を例として説明する。この場合、リング状導波路３１の周方向の長さは、複数の共振波長の一つが発振波長λ_Ｂである長さとする。一方、リング状導波路３３の周方向の長さは、電流注入によって複数の共振波長の一つを発振波長λ_Ｂに一致させることが可能な長さとする。この構成では、リング共振器２５側の透過波長を調整することで、波長フィルタ部１５が発振波長λ_Ｂの光を選択的に透過することが可能である。

再び、図１に戻って半導体レーザ素子１１Ａの構成について説明する。

半導体レーザ素子１１Ａは、波長フィルタ部１５に光学的に結合された２つの半導体光導波路４１，４３を更に有することができる。半導体光導波路４１の一端４１ａ側の一部は、リング状導波路３１と光学的に結合されている。リング状導波路３１と半導体光導波路４１との結合部は、リング状導波路３１と半導体光導波路３５との結合部と異なる位置であればよい。半導体光導波路４１とリング状導波路３１との光学的結合は、例えば、光結合器４５を利用することができる。光結合器４５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。また、半導体光導波路４１の他端４１ｂは、半導体レーザ光源部１３Ａが有する半導体光導波路１９に光学的に結合されている。これにより、半導体光導波路４１とリング状導波路３１とが光学的に結合されることになる。その結果、波長フィルタ部１５は、半導体レーザ光源部１３Ａと光学的に結合されていることになる。

半導体光導波路４３の一端４３ａ側の一部は、リング状導波路３３と光学的に結合されている。半導体光導波路４３とリング状導波路３３との光学的結合は、例えば、光結合器４７を利用することができる。光結合器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。

図１に示すように、半導体光導波路４１，４３は、それぞれ一端４１ａ，４３ａ側に余長４１ｃ，４３ｃを有する。この余長４１ｃ，４３ｃの部分は、半導体光導波路３５が有する余長３５ｃ，３５ｄの部分と同様に、半導体光導波路４１，４３の一端４１ａ，４３ａで反射が生じないように終端処理されている。なお、上記半導体光導波路４１，４３は、波長フィルタ部１５に含まれるものとしてもよい。

また、半導体レーザ素子１１Ａは、半導体光導波路４３の端面４３ｂ上に、ＡＲコート等の反射防止膜Ｒ１を形成しておくことが好ましい。反射防止膜Ｒ１を有する場合には、反射防止膜Ｒ１の表面Ｒ１ａが半導体レーザ素子１１Ａの出力端面となる。この場合、半導体レーザ素子１１Ａの出力端面でのレーザ光の反射を抑制できることから、端面での反射戻り光の影響を受けずに、より安定した高強度のレーザ光を出力可能である。

また、半導体レーザ光源部１３Ａにおける波長フィルタ部１５側と反対側の端面上には端面での反射処理のための所定の膜Ｒ２を形成することもできる。膜Ｒ２としては、反射率が８０％から９５％のＨＲコート等の高反射膜が例示される。膜Ｒ２を高反射膜とした場合、波長フィルタ部１５を経て半導体レーザ素子１１Ａから出力されるレーザ光の強度をより高くすることができる。

また、半導体レーザ光源部１３Ａがλ／４シフトＤＦＢレーザ構造である場合には、膜Ｒ２としては、反射率が１％以下のＡＲコート等のような反射防止膜又は低反射膜とすることもできる。この場合、半導体レーザ素子１１Ａから出射されるレーザ光の波長の安定性と単一性がより改善される。

図３及び図４を利用して、半導体レーザ素子１１Ａの構成について更に説明する。図３は、図１に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って取られた半導体レーザ素子１１Ａの縦断面の構成の一例を模式的に示す図面であり、半導体レーザ光源部１３Ａの縦断面の構成の一例を模式的に示す図面に対応する。また、図４は、図１に示されたＩV−ＩV線に沿って取られた半導体レーザ素子１１Ａの縦断面の構成の一例を模式的に示す図面である。

半導体レーザ素子１１Ａは、図３及び図４に示すように、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（半導体レーザ光源部１３Ａ及び波長フィルタ部１５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４９が設けられている。

図３に示すように、半導体レーザ光源部１３Ａは、ｎ型基板Ｓ上に順に形成されたｎ型クラッド層５１、光ガイド層５３、量子井戸構造を含む活性層５５ａ、光ガイド層５７、回折格子１７、ｐ型クラッド層５９、及びコンタクト層６１ａを含み、コンタクト層６１ａ上に電極２１が設けられている。回折格子１７は、光ガイド層５７の表面に設けられた周期構造から構成されている。この周期構造は、図３に示すように、光ガイド層５７とクラッド層５９との屈折率差により形成することができる。

図４に示すように、波長フィルタ部１５が有するリング共振器２３，２５は、基板Ｓ上に順に形成されたｎ型クラッド層５１、光ガイド層５３、コア導波層５５ｂ、光ガイド層５７及びｐ型クラッド層５９を含む。リング共振器２３，２５が有するｐ型クラッド層５９の所定位置にはコンタクト層６１ｂ，６１ｃが設けられており、そのコンタクト層６１ｂ，６１ｃ上に電極２７，２９がそれぞれ設けられている。

半導体レーザ素子１１Ａにおいて、縦方向の光閉じ込めはクラッド層５１、５９によって提供される。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６３（図４参照）によって提供される。リング共振器２３，２５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６３によって埋め込めばよい。また、上記コンタクト層６１ａ〜６１ｃは互いに分離して形成されている。なお、半導体光導波路３５，４１，４３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２３，２５の構成と同様とすることができる。

例示すれば、半導体レーザ光源部１３Ａが有する活性層５５ａ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。コア導波層５５ｂは、レーザ発振波長より短いバンドギャップ波長を有する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５１，５９はＩｎＰ半導体からなることができる。コンタクト層６１ａ〜６１ｃ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５１をｐ型とし、クラッド層５９をｎ型とすることも可能である。

また、半導体レーザ素子１１Ａが、前述したように、反射防止膜Ｒ１及び膜Ｒ２を有する場合、反射防止膜Ｒ１は、基板Ｓ上に順に形成された半導体積層構造における半導体光導波路４３側（図１及び図４における左側）の端面上に形成される。また、膜Ｒ２は、基板Ｓ上に順に形成された半導体積層構造の半導体レーザ光源部１３Ａ側（図１及び図４における右側）の端面上に形成される。

半導体レーザ素子１１Ａは、上記のように複数の半導体層からなる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１１Ａ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。

半導体レーザ素子１１Ａの作用効果について、図５（ａ）〜図５（ｃ）を利用して説明する。図５（ａ）は、半導体レーザ光源部から出力されるレーザ光の出力スペクトルの一例を模式的に示す図面である。図５（ｂ）は、波長フィルタ部の透過スペクトルの一例のを模式的に示す図面である。図５（ｂ）における実線及び破線は、図２の場合と同様である。図５（ｃ）は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光の出力スペクトルを模式的に示す図面である。

半導体レーザ光源部１３Ａでは、ブラッグ回折格子１７におけるブラッグ反射を利用してレーザ発振を生じさせることから、設計上は単一波長のレーザ光が出力される。しかしながら、通常、半導体レーザ光源部１３Ａから出力されるレーザ光は、発振波長λ_Ｂを中心波長とした一定のスペクトル幅を有する。特に、電極２１を利用して直接変調を加えると、活性層５５ａ内にキャリヤ密度の変化が生じて屈折率変化が生じる。その結果、半導体レーザ光源部１３Ａから出力されるレーザ光のスペクトル幅に広がりが生じ、図５（ａ）に示すように、発振波長λ_Ｂ付近に光強度の極大値を有する所定のスペクトル幅を有する傾向にある。

半導体レーザ素子１１Ａでは、半導体レーザ光源部１３Ａと波長フィルタ部１５とが光学的に結合されているため、半導体レーザ光源部１３Ａから出力されたレーザ光は波長フィルタ部１５に入力される。半導体レーザ素子１１Ａではレーザ光を出力させる場合、電極２７，２９によってリング状導波路３１，３３に電流注入を実施して、図５（ｂ）に示すように、リング状導波路３１，３３に共通の共振波長（ピーク透過波長）であって回折格子１７のブラッグ反射波長λ_Ｂに一致した共通の共振波長を生じせしめる。この状態で、半導体レーザ光源部１３Ａから出力されたレーザ光が波長フィルタ部１５に入力されると、発振波長λ_Ｂの光が選択的に波長フィルタ部１５を通過することになる。

従って、半導体レーザ素子１１Ａは、図５（ｃ）に示すように、スペクトル幅のより狭いレーザ光を出力可能である。また、半導体レーザ光源部１３Ａにおいて直接変調を実施したとしても波長フィルタ部１５における透過スペクトルは変化せず、しかもレーザ発振スペクトル全半値幅より狭い透過スペクトル全半値幅を有することから、半導体レーザ素子１１Ａでは、直接変調時においてもスペクトル幅の狭いレーザ光を出力できる。更に、本実施形態のように、２つのリング共振器２３，２５を直列に配置して波長フィルタ部１５を構成している場合、波長フィルタ部１５に入力されたレーザ光は各リング共振器２３，２５によってそれぞれフィルタリングがされることになるので、波長フィルタ部１５から出力されるレーザ光のスペクトル幅をより小さくすることが可能となっている。

以上説明したように、半導体レーザ素子１１Ａでは、波長フィルタ部１５としてリング状導波路３１，３３を利用したものを用いていることから、基板Ｓ上に半導体レーザ光源部１３Ａと波長フィルタ部１５とを集積できている。その結果、例えば、直接変調を実施したときでも、半導体レーザ素子１１Ａ自体からスペクトル幅の狭いレーザ光を出力することが可能となっている。この場合、半導体レーザ素子１１Ａの外部にエタロンなどの波長フィルタを更に設ける必要がないことから、半導体レーザ素子１１Ａを光通信システムの光源として利用する場合、光源の小型化を図ることができる。更に、波長フィルタ部１５では電極２７，２９による電流注入によって波長フィルタ部１５の透過波長を容易に選択又は調整することが可能である。

（第２の実施形態）
図６は、本発明に係る半導体レーザ素子の第２の実施形態の構成を模式的に示す図面である。

本実施形態の半導体レーザ素子１１Ｂの構成は、分布帰還型（ＤＦＢ型）の半導体レーザ光源部１３Ａの代わりに、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ型）の半導体レーザ光源部１３Ｂを備える点で、上記実施形態の半導体レーザ素子１１Ａの構成と主に相違する。この相違点を中心にして第２の実施形態を説明する。

半導体レーザ光源部１３Ｂは、利得導波路部６５と、位相調整器６７と、レーザキャビティを構成する一対の反射鏡６９，７１とを含んでおり、利得導波路部６５及び位相調整器６７は、レーザキャビティ内に直列に配置されている。

利得導波路部６５は、利得導波路７３と、利得導波路７３に対応して設けられた電極７５とを含む。利得導波路７３は、電極７５からのキャリア注入による光学的利得を有する。位相調整器６７は、利得導波路７３の一端に光学的に結合されている半導体光導波路７７と、半導体光導波路７７に対応して設けられた電極７９とを含む。位相調整器６７は、電極７９による信号印加により半導体光導波路７７を伝搬する光の位相を調整する。電極７９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。

反射鏡６９は、利得導波路７３の他端に設けられている。反射鏡６９は、利得導波路７３の他端面上に形成された反射膜（例えば、ＨＲコート）とすることができる。また、反射鏡６９と対をなす反射鏡７１は、半導体光導波路７７の一端に光学的に結合された半導体光導波路８１を有し、半導体光導波路８１の所定の半導体層には、ブラッグ反射波長λ_Ｂを有するブラッグ回折格子１７が形成されている。また、反射鏡７１は、ブラッグ反射波長λ_Ｂの調整用の電極７２を有することもできる（図７参照）。

図７を利用して、半導体レーザ光源部１３Ｂの構成について更に説明する。図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った半導体レーザ素子の縦断面図の構成を模式的に示す図面であり、半導体レーザ光源部１３Ｂの断面構成を模式的に示す図面に対応する。

利得導波路部６５は、ｎ型基板Ｓ上に順に形成されたｎ型クラッド層５１、光ガイド層５３、量子井戸構造を含む活性層５５ａ、光ガイド層５７、ｐ型クラッド層５９及びコンタクト層６１ｄを含み、コンタクト層６１ｄ上に電極７５が設けられている。位相調整器６７は、ｎ型基板Ｓ上に順に形成されたｎ型クラッド層５１、光ガイド層５３、コア導波層５５ｂ、光ガイド層５７、ｐ型クラッド層５９、及びコンタクト層６１ｅを含み、電極７９は、コンタクト層６１ｅ上に設けられている。反射鏡６９は、利得導波路部６５を構成する複数の半導体層からなる半導体積層構造の一端面上に形成されている。反射鏡７１は、ｎ型基板Ｓ上に順に形成されたｎ型クラッド層５１、光ガイド層５３、コア導波層５５ｂ、光ガイド層５７、回折格子１７、及びｐ型クラッド層５９を含んでいる。回折格子１７は、光ガイド層５７に形成された周期構造からなる。回折格子１７は、図７に示すように、光ガイド層５７と、ｐ型クラッド層５９との屈折率差により形成することができる。前述したように、反射鏡７１は電極７２を有することも可能である。この場合、クラッド層５９における回折格子１７上の所定位置に、コンタクト層６１ｆを設け、コンタクト層６１ｆ上に電極７２を配設すればよい。

半導体レーザ素子１１Ｂにおける縦方向の光閉じ込め及び横方向の光閉じ込めは、第１の実施形態の場合と同様に実施することができる。また、コンタクト層６１ｂ〜６１ｆは互いに分離して形成されている。

上記構成では、半導体レーザ光源部１３Ｂにおいて、電極７５からのキャリヤ注入により生じた光のうち、ブラッグ回折格子１７のブラッグ反射波長λ_Ｂに対応する光が一対の反射鏡６９，７１からなるレーザキャビティ内を往復する。一往復する際の光の位相の調整は、位相調整器６７により実施すればよい。レーザキャビティ内でレーザ発振が生じたときに、半導体レーザ光源部１３Ｂから波長λ_Ｂのレーザ光が出力される。

半導体レーザ素子１１Ｂの構成は、半導体レーザ素子１１Ａが有する半導体レーザ光源部１３Ａの代わりに半導体レーザ光源部１３Ｂが設けられている点以外は、半導体レーザ素子１１Ａの構成と同様である。よって、半導体レーザ素子１１Ｂは、半導体レーザ素子１１Ａと同様の作用効果を得る。

本実施形態では、反射鏡６９は反射膜としたが、図８に示す半導体レーザ素子１１Ｃのように、反射鏡６９の代わりに、反射鏡７１と同様の構成の反射鏡８３とすることもできる。反射鏡７１と反射鏡８３は、均一な周期を持つ回折格子の他に、サンプル回折格子（ＳＧ）や、超構造回折格子（ＳＳＧ）などの不均一回折格子にすることもできる。

すなわち、反射鏡８３は、ブラッグ回折格子１７を含む半導体光導波路８１から構成されており、利得導波路部６５に光学的に結合されている。半導体レーザ素子１１Ｃの構成は、反射鏡６９の構成が異なる点以外は、半導体レーザ素子１１Ｂの構成と同様であるため、半導体レーザ素子１１Ｃは、半導体レーザ素子１１Ｂと同様の作用効果、すなわち、半導体レーザ素子１１Ａと同様の作用効果を得る。半導体レーザ素子１１Ｃは、半導体光導波路８１における利得導波路部６５側と反対側の端面上に膜Ｒ２を有することもできる。膜Ｒ２は、第１の実施形態の場合と同様にＨＲコートといった高反射膜でもよいし、ＡＲコートといった反射防止膜又は低反射膜であってもよい。

（第３の実施形態）
図９は、本発明に係る半導体レーザ素子の第３の実施形態の構成を模式的に示す図面である。

半導体レーザ素子１１Ｄの構成は、波長フィルタ部１５を透過したレーザ光を検出するための光検出素子としてのホトダイオード（ＰＤ：Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）８３を更に有する点で、半導体レーザ素子１１Ａの構成と相違する。この相違点を中心にして説明する。

ＰＤ８３は、基板Ｓ上に設けられており、リング状導波路３３に光学的に結合されている。本実施形態では、ＰＤ８３は、光結合器４７を介してリング状導波路３３と光学的に結合している。光結合器４７は、リング状導波路３３と半導体光導波路４３とを光学的に結合すると共に、リング状導波路３３を透過したレーザ光の一部をＰＤ８３に分岐して入射する。ＰＤ８３は、基板Ｓ上に集積可能な公知のホトダイオードであればよく、入射した光に応じてキャリヤを生成する活性層を有すると共に、活性層に対応して設けられた電極を有する。ＰＤ８３は、波長フィルタ部１５を透過したレーザ光の光強度を検出する。

半導体レーザ素子１１Ｄの構成は、前述したように、ＰＤ８３を備える点以外は、半導体レーザ素子１１Ａの構成と同様である。そのため、半導体レーザ素子１１Ｄは、半導体レーザ素子１１Ａと同様の作用効果を得る。

更に、半導体レーザ素子１１Ｄは、ＰＤ８３を備えていることから、ＰＤ８３の検出結果に応じて、波長フィルタ部１５への電流注入量を調整することができる。

例えば、ＰＤ８３がレーザ光の光強度を検出すると、検出結果としての光強度が例えば最大になるように波長フィルタ部１５への電流注入量を調整する。波長フィルタ部１５においてピーク透過波長が半導体レーザ光源部１３Ａの設計上の発振波長λ_Ｂ、すなわち、回折格子１７のブラッグ反射波長λ_Ｂに一致する程、ＰＤ８３で検出されるレーザ光の強度が大きくなる。そのため、上記のように、ＰＤ８３の検出結果に応じて、波長フィルタ部１５への電流注入量を調整することで、ピーク透過波長と発振波長λ_Ｂとの間の調整誤差を低減できることから、発振波長λ_Ｂを有するレーザ光をより正確に且つより高い強度で出力することを図れている。

本実施形態では、半導体レーザ素子１１Ｄは、ＤＦＢ型の半導体レーザ光源部１３Ａを有するとしたが、半導体レーザ光源部１３Ａの代わりに、ＤＲＢ型の半導体レーザ光源部１３Ｂ，１３Ｃを利用することもできる。換言すれば、半導体レーザ素子１１Ｂ，１１ＣがそれぞれＰＤ８３を備えていてもよい。

（第４の実施形態）
図１０は、本発明に係る半導体光源装置の一実施形態のブロック図である。図１０に示すように、半導体光源装置９３Ａは、図９に示した半導体レーザ素子１１Ｄと、レーザ駆動回路９５と、フィルタ波長調整回路（制御手段）９７とを有する。半導体レーザ素子１１Ｄの構成は、第３の実施形態で説明した構成と同様であるため、説明を省略する。

レーザ駆動回路９５は、半導体レーザ光源部１３Ａ及びＰＤ８３に電気的に接続されており、半導体レーザ光源部１３Ａを駆動するため又はレーザ光に直接変調を加えるための駆動信号を電極２１に供給する。レーザ駆動回路９５は、ＰＤ８３の検出結果に応じて駆動信号を半導体レーザ光源部１３Ａに供給することが可能となっている。

フィルタ波長調整回路９７は、波長フィルタ部１５及びＰＤ８３と電気的に接続されており、波長フィルタ部１５におけるピーク透過波長を発振波長λ_Ｂに調整するための電流を電極２７，２９に供給する。フィルタ波長調整回路９７は、ＰＤ８３の検出結果に応じて電流を電極２７，２９に供給することが可能となっている。

半導体光源装置９３Ａは、図１０に示すように、半導体レーザ素子１１Ｄの後端面から出射されるいわゆる後方光（モニタ光）を検出する光検出素子としてのホトダイオード（ＰＤ）９９を備えることもできる。ＰＤ９９は、半導体レーザ素子１１Dが形成されている同一基板S上に形成することもできる。ＰＤ９９は、レーザ駆動回路９５に電気的に接続されており、後方光の検出結果をレーザ駆動回路９５に出力する。レーザ駆動回路９５は、光検出素子９９の検出結果に応じて半導体レーザ光源部１３Ａに供給する駆動信号を調整してもよい。なお、ＰＤ９９は、半導体レーザ素子１１Ｄが有する基板Ｓ上に集積することもできる。

半導体光源装置９３Ａでは、フィルタ波長調整回路９７から波長フィルタ部１５が有する電極２７，２９に電流を供給して、波長フィルタ部１５のピーク透過波長を、ブラッグ回折格子１７における設計上のブラッグ反射波長λ_Ｂに調整する。また、レーザ駆動回路９５により、半導体レーザ光源部１３Ａに駆動信号を供給して、半導体レーザ光源部１３Ａからレーザ光を出力せしめる。この際、ＰＤ８３の検出結果を利用して、半導体レーザ光源部１３Ａから出力されるレーザ光の強度を適宜調整する。半導体光源装置９３ＡがＰＤ９９を備えている場合には、ＰＤ９９の検出結果を利用してレーザ光の強度を調整してもよい。フィルタ波長調整回路９７には、ＰＤ８３の検出結果が所望の検出結果になるように、電極２７，２９への電流の供給量を調整する。ＰＤ８３における所望の検出結果としては、第３の実施形態において説明したように、波長フィルタ部１５を透過したレーザ光の光強度が最大になる場合が例示される。

第３の実施形態で説明したように、半導体レーザ素子１１Ｄの構成は、ＰＤ８３を備える点以外は、第１の実施形態の半導体レーザ素子１１Ａの構成と同様である。そのため、半導体レーザ素子１１Ｄは、半導体レーザ素子１１Ａと同様の作用効果を得る。従って、半導体光源装置９３Ａにおいても、半導体レーザ光源部１３Ａにおいて、例えば直接変調を実施したとしても、半導体レーザ素子１１Ｄからスペクトル幅のより狭いレーザ光を出力することができる。更に、半導体レーザ素子１１Ｄが有するＰＤ８３の検出結果に応じて、波長フィルタ部１５への電流供給量を調整して、ピーク透過波長を調整することが可能であるため、発振波長λ_Ｂのレーザ光であってより高強度のレーザ光を出力することが可能である。

本実施形態では、半導体レーザ素子１１Ｄは、ＤＦＢ型の半導体レーザ光源部１３Ａを有するとしたが、半導体レーザ光源部１３Ａの代わりに、ＤＢＲ型の半導体レーザ光源部１３Ｂ，１３Ｃを採用してもよい。換言すれば、半導体光源装置９３Ａは、半導体レーザ素子１１Ｄの代わりに、半導体レーザ素子１１Ｄと同様にＰＤ８３を有した半導体レーザ素子１１Ｂ，１１Ｃをそれぞれ備えていても良い。

また、本実施形態では、半導体光源装置９３Ａは、ＰＤ８３が基板Ｓ上に集積された半導体レーザ素子１１Ｄを備えているとしたが、これに限定されない。

例えば、図１１に示す半導体光源装置９３Ｂのように、半導体レーザ素子１１Ａと、半導体レーザ素子１１Ａの外部に設けられた光検出手段１０１とを有するものとすることも可能である。図１１は、半導体光源装置の他の実施形態を示すブロック図である。

光検出手段１０１は、ＰＤ８３と同様に、波長フィルタ部１５を通過したレーザ光の光強度を検出する光検出素子である。本実施形態では、光検出手段１０１は、半導体レーザ素子１１Ａの外部に設けられているため、光検出手段１０１は、半導体レーザ素子１１Ａの波長フィルタ部１５側の端面から出力されたレーザ光の光強度を検出する。また、光検出手段１０１は、検出結果をレーザ駆動回路９５及びフィルタ波長調整回路９７に入力する。

半導体光源装置９３Ｂの構成は、ＰＤ８３を備える半導体レーザ素子１１Ｄの代わりに半導体レーザ素子１１Ａを有しており半導体レーザ素子１１Ａの外部に光検出手段１０１を備える点以外は、半導体光源装置９３Ａの構成と同様である。そのため、半導体光源装置９３Ｂは、半導体光源装置９３Ａと同様の作用効果を得る。

ここでは、一例として半導体光源装置９３Ｂは半導体レーザ素子１１Ａを有するとしたが、半導体光源装置９３Ｂは、半導体レーザ素子１１Ａの代わりに半導体レーザ素子１１Ｂ，１１Ｃを備えるとすることもできる。また、光検出手段１０１は、レーザ光の波長を検出する波長計を備えていても良い。この場合は、この波長計の検出結果をフィルタ波長調整回路９７に入力し、フィルタ波長調整回路９７が、例えば波長計の検出結果が発振波長λ_Ｂに一致するように電流注入量を調整することも可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されない。半導体レーザ素子１１Ａ〜１１Ｄは、波長フィルタ部１５を通過した後のレーザ光の強度を光増幅する半導体光増幅器を基板上に備えていてもよい。半導体レーザ素子１１Ａが光増幅器を備える場合を例にして説明する。図１２は、光増幅器を備える半導体レーザ素子の構成を模式的に示す図面である。図１２では、半導体レーザ光源部及び光増幅器を模式的に示している。

図１２に示した半導体レーザ素子１１Ｅの構成は、光増幅器１０３を備える点以外は、半導体レーザ素子１１Ａの構成と同様である。光増幅器１０３は、波長フィルタ部１５に光学的に結合されており、波長フィルタ部１５を通過したレーザ光を光増幅して出力する。光増幅器１０３としては、活性層を有する半導体光導波路上に、キャリヤ注入のための電極を設けた公知の光増幅器を用いればよい。なお、光増幅器１０３の出力側の端面上には、反射防止膜Ｒ１を形成しておくこともできる。半導体レーザ素子１１Ｅは、光増幅器１０３を備えているため、波長フィルタ部１５を通過することによるレーザ光強度の減少や、半導体レーザ素子１１Ｅのような半導体素子において生じる内部吸収などによるレーザ光強度の減少を補うことができるので、より高強度のレーザ光を出力することが可能である。

半導体レーザ素子１１Ｅは、半導体レーザ光源部１３Ａの代わりに、半導体レーザ光源部１３Ｂ，１３Ｃを備えてもよい。更に、半導体レーザ素子１１Ｄと同様に、ＰＤ８３を基板Ｓ上に更に備えていてもよい。また、半導体レーザ素子１１Ｅに対して、フィルタ波長調整回路９７やレーザ駆動回路９５を設けることで、半導体光源装置とすることも可能である。なお、波長フィルタ部１５が複数のリング状導波路を有する場合には、複数のリング状導波路の間に配置することも可能である。例えば、図１２に示した波長フィルタ部１５の場合では、リング状導波路３１とリング状導波路３３との間にリング状導波路３１，３３にそれぞれ光学的に結合して配置することもできる。

また、波長フィルタ部１５の構成は、少なくとも１つのリング状導波路を有し、リング状導波路の共振波長に基づくピーク透過波長が発振波長λ_Ｂに一致していれば特に限定されない。例えば、波長フィルタ部１５は、３つ以上のリング状導波路を有するとすることもできる。

また、波長フィルタ部１５が有するリング状導波路の数は１つでもよい。このように、リング状導波路が１つの場合は、例えば、リング状導波路に対して電極を設けておき、その電極により光路長を調整してリング状導波路が有する複数の共振波長の１つを発振波長λ_Ｂに一致させればよい。或いは、リング状導波路が有する複数の共振波長の１つが発振波長に一致するようにリング状導波路の周方向の長さを設定しておくこともできる。この場合、波長フィルタ部１５は、電極を備えなくてもよい。ただし、リング状導波路に対して電極を設けることで、波長フィルタ部１５のピーク透過波長を微調整することが可能となり、より高強度のレーザ光を得ることができる。そのため、波長フィルタ部１５は、電極を有している方が好ましい。

更に、波長フィルタ部１５における電極２７，２９による信号印加として電流印加を例示しているが、波長フィルタ部１５において、電極によるリング状導波路への信号印加としては電圧を印加してもよい。

図１は、本発明に係る半導体レーザ素子の第１の実施形態の構成を模式的に示す図面である 図２は波長フィルタ部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、図１に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って取られた半導体レーザ素子の縦断面の構成の一例を模式的に示す図面である。 図４は、図１に示されたＩV−ＩV線に沿って取られた半導体レーザ素子の縦断面の構成の一例を模式的に示す図面である。 図５（ａ）は、半導体レーザ光源部から出力されるレーザ光の出力スペクトルの一例を模式的に示す図面である。図５（ｂ）は、波長フィルタ部の透過スペクトルの一例のを模式的に示す図面である。図５（ｃ）は、半導体レーザ素子から出力されるレーザ光の出力スペクトルを模式的に示す図面である。 本発明に係る半導体レーザ素子の第２の実施形態の構成を模式的に示す図面である。 図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った半導体レーザ素子の縦断面図の構成を模式的に示す図面である。 図８は、図６に示した半導体レーザ素子の他の実施形態の構成を模式的に示す図面である。 図９は、本発明に係る半導体レーザ素子の第３の実施形態の構成を模式に示す図面である。 図１０は、本発明に係る半導体光源装置の一実施形態のブロック図である。 図１１は、図１０に示した半導体光源装置の他の実施形態を示すブロック図である。 図１２は、光増幅器を備える半導体レーザ素子の一例の構成を模式的に示す図面である。

符号の説明

１１Ａ〜１１Ｅ…半導体レーザ素子、１３Ａ〜１３Ｄ…半導体レーザ光源部、１７…ブラッグ回折格子（回折格子）、２７，２９…電極，３１，３３…リング状導波路，９３Ａ，９３Ｂ…半導体光源装置、９７…フィルタ波長調整回路（制御手段）、１０３…光増幅器、Ｒ１…反射防止膜。

Claims (7)

1. 回折格子による反射によってレーザ発振を生じせしめる半導体レーザ光源部と、
   前記半導体レーザ光源部の一端に光学的に結合されており、前記回折格子の周期によって決まる前記半導体レーザ光源部の発振波長の光を選択的に通過させる波長フィルタ部と、
   前記半導体レーザ光源部及び前記波長フィルタ部を設ける基板と、
   を備え、
   前記波長フィルタ部はリング状導波路を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記波長フィルタ部は、
   光路長が互いに異なっている複数の前記リング状導波路と、
   複数の前記リング状導波路の少なくとも一つに信号を印加することによって複数の前記リング状導波路に共通の共振波長を生じせしめるための電極と、
   を有し、
   前記複数のリング状導波路は光学的に結合されており、
   前記共通の共振波長が前記発振波長を含む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. 前記波長フィルタ部に光学的に結合されており、前記波長フィルタ部を通過した前記レーザ光の光強度を検出する光検出素子を前記基板上に更に備え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. 前記半導体レーザ光源部に対して前記波長フィルタ部側に配置されており、前記レーザ光を光増幅するための光増幅器を前記基板上に更に備え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。
5. 前記半導体レーザ光源部は、分布帰還型又は分布ブラッグ反射型のものであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の半導体レーザ素子。
6. 反射防止膜を更に備え、
   前記反射防止膜が、前記波長フィルタ部を通過した前記レーザ光が出力される出力端面を構成していることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の半導体レーザ素子。
7. 回折格子による反射によってレーザ発振を生じせしめる半導体レーザ光源部と、前記半導体レーザ光源部の一端に光学的に結合されている前記波長フィルタ部と、波長フィルタ部及び前記半導体レーザ光源部を設ける基板とを備える半導体レーザ素子と、
   前記波長フィルタ部を通過した前記レーザ光の光強度を検出する光検出素子を含む光検出手段と、
   前記波長フィルタ部を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記波長フィルタ部は、光路長が互いに異なっている複数のリング状導波路と、前記複数のリング状導波路の少なくとも一つに信号を印加することによって複数の前記リング状導波路に共通の共振波長を生じせしめるための電極とを有し、前記複数のリング状導波路は光学的に結合されており、前記共通の共振波長が前記発振波長を含み、
   前記制御手段は、前記光検出手段の検出結果に応じて、前記波長フィルタ部が有する前記電極による前記信号の印加量を制御することを特徴とする半導体光源装置。

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