JP2009188262A - 半導体レーザ素子及び半導体光集積素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 モードホッピングをより確実に抑制しながらレーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子及び半導体光集積素子を提供する。
【解決手段】 半導体レーザ素子１０は、レーザ発振波長を変更可能な分布帰還型の半導体レーザ素子であり、第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂ並びにそれらを光学的に結合する中間層２０Ｃを含む半導体層部２０であって、第１の活性層、中間層及び第２の活性層がこの順に所定の軸方向に沿って配置されてなる半導体層部２０と、半導体層部に対して設けられており第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂと光学的に結合している回折格子２６と、第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂにキャリヤを注入するための第１及び第２の電極２８Ａ，２８Ｂと、中間層２０Ｃに電流を供給するための第３の電極２８Ｃと、を備え、回折格子２６は、所定の軸方向に対して延在していると共に、所定の軸方向に対して均一な周期Λを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分布帰還型の半導体レーザ素子及び半導体光集積素子に関するものである。

従来の技術としては、非特許文献１に記載されている半導体レーザ素子が知られている、この半導体レーザ素子は、回折格子を有する２つのＤＦＢ領域と、位相シフト領域とを有し、半導体レーザ素子の光軸方向において、一方のＤＦＢ領域、位相シフト領域、他方のＤＦＢ領域がこの順に配置され光学的に結合されている。この構成では、位相シフト領域を挟む２つのＤＦＢ領域で分布帰還動作をさせた場合に、位相シフト領域に電流を注入することよって、ＤＦＢ領域が有する回折格子のストップバンド内で、レーザ発振波長を変えることが可能となっている。より詳細に説明する。上記構成の半導体レーザ素子では、位相シフト領域に対して設けられた波長調整用電極を介して位相シフト領域に電流を注入すると、位相シフト領域の屈折率が変わることから、位相シフト領域の光路長が変わる。よって、半導体レーザ素子の駆動時に、位相シフト領域へ注入する電流量を変えて位相シフト量を調整すると、ストップバンド内で発振波長が変わることになる。
布谷伸浩他、「高結合係数回折格子を有する位相制御波長可変ＤＦＢレーザ」、電子情報通信総合大会論文集、Ｃ−４−２０、ｐ２８２、２００７年

しかしながら、上述した回折格子の位相シフト領域側の端部の形状で決まる初期位相によっては発振波長が不連続に変わってしまう（モードホッピングが生じる）場合があった。

そこで、本発明は、モードホッピングをより確実に抑制しながらレーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子及び半導体光集積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分布帰還型の半導体レーザ素子であって、第１及び第２の活性層並びに第１及び第２の活性層を光学的に結合する中間層を含む半導体層部であって、第１の活性層、中間層及び第２の活性層がこの順に所定の軸方向に沿って配置されている、上記半導体層部と、半導体層部に対して設けられており第１及び第２の活性層と光学的に結合している回折格子と、第１及び第２の活性層に対して設けられており第１及び第２の活性層にキャリヤを注入するための第１及び第２の電極と、中間層に対して設けられており中間層に波長調整用の信号を供給するための第３の電極と、を備え、回折格子は、所定の軸方向に対して延在しており、回折格子の周期は、所定の軸方向に対して均一であることを特徴をする。

この半導体レーザ素子では、第１及び第２の電極から第１及び第２の活性層にキャリアを注入して半導体レーザ素子を駆動する場合、第３の電極を介して中間層に電流を注入する。中間層への電流注入により中間層の屈折率が変わることから、位相シフト効果を得ることができる。その結果、中間層への電流注入量を調整することで、回折格子のストップバンド内において連続的にレーザ発振波長を変えることが可能である。

上記構成では、所定の軸方向に均一の周期を有しており所定の軸方向に延在する回折格子が半導体層部に対して設けられていることから、第１の活性層、中間層及び第２の活性層に対して切れ目無く回折格子が設けられていることになる。そのため、半導体レーザ素子内部において第１及び第２の活性層と、中間層との境界部分に回折格子の端部は存在しない。よって、上記端部の形状で決まる初期位相に起因するモードホッピングが生じない。すなわち、本発明に係る半導体レーザ素子では、モードホッピングをより確実に抑制しながらレーザ発振波長を変えることができる。

上記回折格子部の結合係数が、１００ｃｍ^−１以上であることが好ましい。結合係数がこの範囲にすることで、レーザ発振波長の変更幅を３ｎｍ以上とすることができる。

上記第３の電極は、所定の軸方向に対して半導体レーザ素子の中央部に形成されていることが好適である。このような構成により、より低い閾値でレーザ発振が可能である。

更に、上記第３の電極の所定の軸方向の長さが、半導体レーザ素子の所定の軸方向の長さの１／１０以下であることが好ましい。この場合、中間層での位相シフト効果をより確実に得ることができる。また、上記構成を採用することで、より確実に単一波長のレーザ光を生成することができる。

上記中間層は、そのバンドギャップエネルギーが第１及び第２の活性層のバンドギャップエネルギーより大きいものとすることができる。

また、本発明に係る半導体光集積素子は、本発明に係る複数の半導体レーザ素子と、複数の半導体レーザ素子に光学的に結合されており、複数の半導体レーザ素子から出力される光を合波して出力する半導体光合波部と、半導体光合波器に光学的に結合しており、半導体光合波部からの光出力を光増幅して出力する半導体光増幅部と、を備え、複数の半導体レーザ素子の各々が有する回折格子の結合係数は異なっており、複数の半導体レーザ素子が有する各基板は同一の基板であり、半導体光合波部及び半導体光増幅部は、同一の基板上に設けられている。

この半導体光集積素子では、各半導体レーザ素子から出力されるレーザ光は、半導体合波部をとおった後に、半導体光増幅部で光増幅されて出力される。各半導体レーザ素子は、前述した本発明に係る半導体レーザ素子であるため、モードホッピングを生じさせずにレーザ発振波長を回折格子のストップバンド内で変更可能である。各半導体レーザ素子が有する回折格子の周期が異なっていることから、各回折格子の回折波長も異なり、結果として、各半導体レーザ素子の発振波長の可変範囲が異なっている。よって、半導体光集積素子では、半導体レーザ素子を有する場合よりもより広い範囲で出力光の波長を変えることができる。また、各半導体レーザ素子は、共通の基板を有し、その基板上に半導体光合波部及び半導体光増幅部が形成されているため、小型化が図られている。

本発明によれば、モードホッピングをより確実に抑制しながらレーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子及び半導体光集積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及び半導体光集積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。

図１は、本発明に係る半導体レーザ素子の一実施形態の断面図である。図１では、半導体レーザ素子の光軸方向に沿った断面構成を示している。半導体レーザ素子１０は、レーザ発振を変更可能な波長可変のものであり、波長分割多重（ＷＤＭ）伝送システムや分光システム等に好適に利用される。

半導体レーザ素子１０は、第１導電型（例えば、ｎ型）の半導体基板１２を有する。半導体基板１２の裏面１２ａには、裏面電極１４が設けられており、半導体基板１２の表面１２ｂ上には第１導電型のクラッド層１６、光閉じ込め層１８、半導体層部２０、光閉じ込め層２２及び第２導電型（例えば、ｐ型）のクラッド層２４がこの順に積層されている。

半導体層部２０は、第１の活性層２０Ａ及び第２の活性層２０Ｂ並びに波長調整層（中間層）２０Ｃを有し、第１の活性層２０Ａ，波長調整層２０Ｃ及び第２の活性層２０Ｂはこの順に半導体レーザ素子１０の光軸方向（所定の軸方向）に配置され光学的に結合されている。第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂは、キャリア注入により光利得を有する半導体材料から構成されている。一方、波長調整層２０Ｃは、第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂで生成される光に対して正の利得を有しない半導体材料から構成されている。

光閉じ込め層２２は、半導体層部２０上に設けられており、表面に周期的な凹凸構造を有する。よって、半導体レーザ素子１０は、屈折率分布が周期的に繰り返してなる回折格子２６を有する。

回折格子２６は、半導体レーザ素子１０の光軸方向に沿って半導体レーザ素子１０の全長に渡って延びており、光軸方向における回折格子２６の周期Λは一定である。回折格子２６において、第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂ上の部分は、第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂと光学的に結合しており、分布帰還のための回折格子部として機能する。

クラッド層２４の表面上には、第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂにキャリアを供給するための第１及び第２の電極２８Ａ，２８Ｂと、波長調整層２０Ｃに波長調整用の電流（波長調整用の信号）を供給するための第３の電極２８Ｃが設けられている。第１〜第３の電極２８Ａ〜２８Ｃは、図１に示すように、クラッド層２４の表面上に、コンタクト層３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃを介して設けることができる。

上記半導体基板１２としてｎ型ＩｎＰからなる基板を採用した場合について、半導体レーザ素子１０の構成についてより詳細に説明する。

半導体基板１２としてｎ型ＩｎＰからなる基板を採用した場合、クラッド層１６もｎ型ＩｎＰから構成することができる。クラッド層１６の厚さとしては、０．２μｍ〜２μｍが例示される。また、ドーピング濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^１８ｃｍ^−３とすることができる。

光閉じ込め層１８は、ノンドープのＧａＩｎＡｓＰ混晶又はＡｌＧａＩｎＡｓ混晶からなるものとすることができる。光閉じ込め層１８の厚さとしては、０．０２μｍ〜０．５μｍが例示される。

半導体層部２０が有する第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂは同じ半導体材料から構成されており、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ混晶系の多重量子井戸構造、又はＡｌＧａＩｎＡｓ混晶系の多重量子井戸構造を含むものとすることができる。更に、半導体層部２０が有する波長調整層２０Ｃは、ノンドープのＩｎＰ、又は第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂのバンドギャップエネルギーより高いバンドギャップエネルギーを有するＧａＩｎＡｓＰ混晶又はＡｌＧａＩｎＡｓ混晶から構成することができる。第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂ及び波長調整層２０Ｃの厚さ、すなわち、半導体層部２０の厚さとしては、０．０２μｍ〜０．２μｍが例示される。

光閉じ込め層２２は、光閉じ込め層１８と同じ材料から構成することができる。また、光閉じ込め層２２の表面に形成された凹凸構造からなる回折格子２６の周期Λは、回折波長が１．２８μｍ〜１．６５μｍ帯の何れかの波長になるように設定されていることが好ましく、典型的な回折波長としては１．５５μｍが例示される。回折格子２６の結合係数κは１００ｃｍ^−１〜６００ｃｍ^−１が例示される。結合係数κは回折格子２６の溝部の深さを変えることで調整することができる。例えば、結合係数κが１００ｃｍ^−１である場合、回折格子２６の溝部の深さ、すなわち、光軸方向に直交する方向の長さ（又は半導体基板１２の表面１２ｂに直交する方向の長さ）は、１００ｎｍ程度となる。

光閉じ込め層２２上に設けられるクラッド層２４は、ｐ型ＩｎＰから構成することができ、ドーピング濃度は、１×１０^１７ｃｍ^−３〜１×１０^１８ｃｍ^−３が例示される。

第１〜第３の電極２８Ａ〜２８Ｃに対応してそれぞれ設けられたコンタクト層３０Ａ〜３０Ｃは、ｐ型ＧａＩｎＡｓから構成することができる。コンタクト層３０Ａ〜３０Ｃのドーピング濃度は、１×１０^１８ｃｍ^−３〜１×１０^２０ｃｍ^−３が例示される。図１に示すように、第１〜第３の電極２８Ａ〜２８Ｃは互いに分離されており、それらの間には、コンタクト層３０Ａ〜３０Ｃは形成されていない。

半導体レーザ素子１０の光軸方向の全長Ｌとしては例えば１００μｍ〜１２００μｍである。後述するように、第３の電極２８Ｃ又は波長調整層２０Ｃは、それらの中心が、半導体レーザ素子１０の中央部、すなわち、半導体レーザ素子１０の端面１０ａからＬ／２の場所に位置するように設けられていることが好ましい。また、第３の電極２８Ｃの光軸方向の長さｌは、半導体レーザ素子１０の全長Ｌの１／１０程度が好ましい。例えば、半導体レーザ素子１０の全長Ｌが２５０μｍの場合、第３の電極２８Ｃの長さｌとしては１０μｍが例示される。

上記半導体レーザ素子１０は例えば次のようにして製造することができる。先ず、半導体基板１２の表面１２ｂ上に、クラッド層１６及び光閉じ込め層１８を順次成長させた後、光閉じ込め層１８の所定領域上に第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂ及び波長調整層２０Ｃをそれぞれ成長させて、半導体層部２０を形成する。この際、第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂと、波長調整層２０Ｃとはどちらを先に成長させてもよい。次いで、半導体層部２０上に光閉じ込め層２２となるべき層を成長させた後、例えばドライエッチング等を利用して光閉じ込め層２２の表面に凹凸構造を形成することによって回折格子２６を作製する。その後、クラッド層２４を成長させ、クラッド層２４上の所定位置にコンタクト層３０Ａ〜３０Ｃ及び第１〜第３の電極２８Ａ〜２８Ｃを形成すると共に、半導体基板１２の裏面１２ａにも電極１４を形成する。これにより、半導体レーザ素子１０を得ることができる。

半導体レーザ素子１０では、第１及び第２の電極２８Ａ，２８Ｂを介して第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂに半導体レーザ素子１０の駆動用の直流電流を供給し、第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂを発光させる。第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂは、回折格子２６と光学的に結合していることから、分布帰還動作が実現される。すなわち、回折格子２６の反射帯域（ストップバンド）内の波長の光がレーザ発振に寄与することになる。

図１に示した半導体レーザ素子１０を動作させる際には、上記ストップバンド内の波長の光からレーザ発振させるべき波長を選択するために、第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂの間に設けられた中間層としての波長調整層２０Ｃに第３の電極２８Ｃを介して波長調整用の電流を注入する。波長調整層２０Ｃに電流が注入されると、プラズマ効果により、注入される電流量に応じて波長調整層２０Ｃの屈折率が変化することから波長調整層２０Ｃにおいて位相シフト量を変化させることができる。これにより、上記ストップバンド内の波長帯域からレーザ発振波長を選択することができることになる。すなわち、半導体レーザ素子１０では、波長調整層２０Ｃに注入する電流量を制御することで、ストップバンド内でレーザ発振波長を変更できる。

図２は、半導体レーザ素子の発振特性のシミュレーション結果を示す図面である。縦軸は透過率を示している。なお、「透過」とは、第１及び第２活性層２０Ａ，２０Ｂにおいて発生した光が、第１及び第２活性層２０Ａ，２０Ｂ、および波長調整層２０Ｃの上部の回折格子２６による干渉により存在可能、すなわち、第１及び第２活性層２０Ａ，２０Ｂおよび波長調整層２０Ｃを光軸方向に透過可能という意味であり、透過率の高い波長の光においてレーザ発振が生じることになる。横軸は波長を示している。

シミュレーションにおいて、半導体レーザ素子１０の全長Ｌは２５０μｍである。また、回折格子２６の結合係数κは３２０ｃｍ^−１であり、回折格子２６の回折波長の中心波長（ストップバンドの中心波長）は１．５５μｍである。この場合、回折格子２６のストップバンド幅は約７ｎｍである。更に、第３の電極２８Ｃの光軸方向の長さｌは１０μｍであり、半導体レーザ素子１０の光軸方向において中央位置、すなわち、端面１０ａからＬ／２の位置に第３の電極２８Ｃが配置された構成としている。なお、波長調整層２０Ｃの光軸方向の長さは、第３の電極２８Ｃの長さとほぼ同じである。

シミュレーションでは、第３の電極２８Ｃにより注入電流の値を、０．５mＡ，１ｍＡ，２ｍＡ，・・・１７ｍＡ，１８ｍＡと変化させている。図２中、右側（長波長側）から順に現れている透過率のピークを示す波長が、電流値を上記のように順に変化させた場合の透過波長（又は発振波長）に対応する。図２に示すように、注入する電流値を変化させることで、透過波長、すなわち、発振波長が回折格子２６のストップバンド内で変化していることが分かり、半導体レーザ素子１０では、波長調整層２０Ｃに供給する波長調整用の電流量により、発振波長を変化可能である。

ここで、図３に示した従来技術の半導体レーザ素子の構成の場合と比較して半導体レーザ素子１０の作用効果について具体的に説明する。

図３は、比較用の半導体レーザ素子の構成の一例である。図３に示した半導体レーザ素子１００の構成は、波長調整層２０Ｃ上に回折格子が形成されていない点で、図１に示した半導体レーザ素子１０の構成と相違するが、この相違点以外の構成は、半導体レーザ素子１０の構成と同様であるため、半導体レーザ素子１０の場合と同様の符号を用い、重複する説明は省略する。

半導体レーザ素子１００では、分布帰還のための回折格子１１１が形成された光閉じ込め層１１０が第１の活性層２０Ａに対して設けられていると共に、分布帰還のための回折格子１２１が形成された光閉じ込め層１２０が第２の活性層２０Ｂに対して設けられている。回折格子１１１，１２１の周期は同じである。

半導体レーザ素子１００の場合のように、第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂに対応してそれぞれ回折格子１１１，１２１が設けられていると、回折格子１１１，１２１における波長調整層２０Ｃ側の端部１１１ａ，１２１ａの形状で決まる初期位相によっては発振波長が不連続に変わる、すなわち、モードホッピングが生じることが考えられる。

また、回折格子１１１，１２１の周期は例えば約０．２μｍ程度であることから、端部１１１ａ，１２１ａの形状に再現性をもたせることは技術的に困難である。その結果、半導体レーザ素子１００毎に発振特性が異なるものが製造されるおそれがある。

更に、第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂが波長調整層２０Ｃに対して長い場合、半導体レーザ素子１００において第１の活性層２０Ａ及び回折格子１１１を含む部分と、第２の活性層２０Ｂ及び回折格子１２１を含む部分とがそれぞれＤＦＢレーザとして発振することで、単一モードの発振波長を得ることが困難であると考えられる。

これに対して、図１に示した半導体レーザ素子１０では、半導体層部２０上に回折格子２６を設けており、回折格子２６は、半導体レーザ素子１０の端面１０ａ，１０ｂ間に渡って切れ目無く形成されている。この場合、半導体レーザ素子１００の場合のように端部１１１ａ，１２１ａ（図３参照）が存在しないため、前述したようなモードホッピングが生じることがない。また、端面１０ａ，１０ｂ間において回折格子２６が切れ目無く形成されていることから、前述したような切れ目部分の形状に起因する製造誤差も生じない。その結果、半導体レーザ素子１０の製造歩留まりも低減する。更に、半導体レーザ素子１０において第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂをそれぞれ含む半導体積層構造が、別個のＤＦＢレーザとして発振することもないので、所望の波長のレーザ光を安定して出力することが可能である。

また、半導体レーザ素子１０において第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂへのバイアス電流を前述したように直流電流とする場合、すなわち、変調しない場合には、例えば、回折格子２６の結合係数κを大きくすることが可能である。結合係数κが大きい場合、ストップバンドが広くなることから、半導体レーザ素子１０の波長可変範囲を広げることができる。このため、WDM伝送システム等に好適に利用することができる。

上記半導体レーザ素子１０においては、第３の電極２８Ｃは、レーザ共振器の対称中心、換言すれば、半導体レーザ素子１０の光軸方向において中心に位置することが好ましい。これにより、効率的にレーザ光を出力することができるからである。

図４は、第３の電極の位置を変化させた場合のシミュレーション結果を示す図面である。図４は、図２のシミュレーション結果を得るためのシミュレーションにおいて、第３の電極２８Ｃから供給する電流を６ｍＡに固定し、第３の電極２８Ｃの中心位置を、
（ｉ）半導体レーザ素子１０の中心、すなわち、Ｌ／２の位置にした場合（図中、実線で示すスペクトル参照）、
（ｉｉ）半導体レーザ素子１０の中心から１０μｍずらした場合（図中、一点鎖線で示すスペクトル参照）、
（ｉｉｉ）半導体レーザ素子１０の中心から２０μｍずらした場合（図中、破線で示すスペクトル参照）、
の透過率の変化を示している。なお、図４では、一つの透過波長近傍を拡大して示している。

図４に示すように、半導体レーザ素子１０の中心からの第３の電極２８Ｃのズレ量が大きくなるにつれて、透過率は小さくなる傾向にある。この場合、半導体レーザ素子１０における閾値電流が上がり、レーザ発振の効率が悪くなる。よって、閾値利得を下げて単一もモードで好適にレーザ発振を生じさせるために、第３の電極２８Ｃは、その中心が半導体レーザ素子１０の光軸方向における中心に位置するように配置されていることが好ましい。

また、第３の電極２８Ｃの光軸方向の長さｌは、半導体レーザ素子１０の光軸方向の長さLの１／１０以下であることが好ましい。これにより、より確実に単一波長でレーザ発振させることが可能となるからである。第３の電極２８Ｃの長さｌに対する上記条件を満たさない場合の例と比較して、具体的に説明する。

図５は、第３の電極の長さが半導体レーザ素子の光軸方向の長さの１／１０より大きい場合のシミュレーション結果を示す図面である。第３の電極２８Ｃの長さｌは３０μｍとし、第３の電極２８Ｃから供給する電流値は１５mＡとしている。この場合、図５に示すように、一つの注入電流に対してストップバンド内に２つのピークが生じることから、半導体レーザ素子１０は、単一波長で発振しないことになる。

一方、図２に示したシミュレーション結果を得るためのシミュレーションの条件では、半導体レーザ素子１０の長さLが２５０μｍに対して、第３の電極２８Ｃの長さｌは１０μｍであり、上記条件を満たしている。この場合、図２に示したように、第３の電極２８Ｃから供給する注入電流に応じて一つの波長の光が透過するため、単一波長で確実に発振可能である。よって、第３の電極の長さｌは、半導体レーザ素子１０の全長（長さ）Ｌの１／１０以下が好ましい。また、このような条件を満たすことにより、位相シフト効果をより確実に得ることができている。

以上説明した半導体レーザ素子１０は、半導体光集積素子に好適に適用することができる。

図６は、半導体光集積素子の一実施形態の構成を模式的に示す平面図である。図６では半導体光集積素子の構成要素（後述する半導体レーザ素子１０、半導体光合波部など）を模式的に示している。図６に示すように、半導体光集積素子４０は、図１に示した半導体レーザ素子１０がアレイ化されたものであり、波長多重通信（ＷＤＭ）システムにおける光源として好適に適用することができる。

半導体光集積素子４０は８個の半導体レーザ素子１０，１０，１０，１０，１０，１０，１０，１０を有する。以下、説明のために８個の半導体レーザ素子１０を、半導体レーザ素子１０_１，１０_２，１０_３，１０_４，１０_５，１０_６，１０_７，１０_８とも表し、それに対応して各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８が有する構成要素にも同様の表記法を採用する場合もある。

半導体レーザ素子１０_１〜１０_８は並列に配置されており、共通の半導体基板１２を有する。換言すれば、半導体基板１２の表面１２ｂの８つの所定領域上に図１に示した半導体層部２０を含む半導体積層構造及び第１〜第３の電極２８Ａ〜２８Ｃが形成されている。各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８が有する回折格子２６_１〜２６_８の周期Λ_１〜Λ_８は異なっている。すなわち、各回折格子２６_１〜２６_８の回折波長λ_１〜λ_８が異なっている。これにより、各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８からは異なるストップバンド内からそれぞれレーザ発振波長を選択してレーザ光を出力することが可能である。

半導体光集積素子４０は、各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８から出力されたレーザ光を合波するために、半導体光合波部４２を有する。半導体光合波部４２としてはＭＭＩが例示される。半導体光合波部４２と、各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８とは、それぞれ半導体光導波路４４により光学的に結合されている。

また、半導体光集積素子４０は、半導体光合波部４２による挿入損失を補うために、半導体光増幅部４６を更に備えており、半導体光増幅部４６は、半導体光合波部４２の後段に光学的に結合されている。

図６に示すように、半導体光合波部４２と、半導体光導波路４４と、半導体光増幅部４６とは、各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８が有する半導体基板１２上に形成されている。換言すれば、半導体基板１２の表面１２ｂ上に、半導体光合波部４２、半導体光導波路４４及び半導体光増幅部４６をそれぞれ構成する公知の半導体積層構造が形成されている。

上記構成では、各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８から出力されたレーザ光は、各半導体光導波路４４を通って半導体光合波部４２に入力される。そして、半導体光合波部４２により合波された後、半導体光増幅部４６で光増幅された後に出力される。

各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８は、それぞれ図１に示した半導体レーザ素子１０と同じ構成を有する。よって、各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８は、それぞれ出力されるレーザ光の波長を各回折格子２６_１〜２６_８のストップバンド内において変えることができる。各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８が有する各回折格子２６_１〜２６_８の回折波長λ_１〜λ_８は異なっていることから、各回折格子２６_１〜２６_８のストップバンドも異なり、結果として、各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８のレーザ発振波長の可変範囲も異なるものとすることができる。よって、各半導体レーザ素子１０_１〜１０_８をアレイ化した半導体光集積素子４０ではより広い範囲で波長を変えることができる。

なお、隣接する半導体レーザ素子１０_１〜１０_８が有する回折格子２６_１〜２６_８のストップバンドは、一部重なっていることが好ましい。これにより、半導体光集積素子４０からの出力光の波長を連続的に変えることが可能である。

図６では、８つの半導体レーザ素子１０を有する場合を例示したが、半導体光集積素子４０は複数の半導体レーザ素子１０を有していればよい。

以上、本発明の実施形態についてついて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、図１に示した半導体レーザ素子１０では、回折格子２６を、半導体層部２０からみた場合に、半導体基板１２と反対側に設けているが、図７に示した半導体レーザ素子５０のように、回折格子２６を半導体層部２０からみた場合に、半導体基板１２側に設けても良い。このような半導体レーザ素子５０を製造する場合には、クラッド層１６の表面に周期的な凹凸構造を形成した後、光閉じ込め層５２を形成すると共に、半導体層部２０上には、光閉じ込め層５２と同様の材料からなる光閉じ込め層５４を成長させればよい。

また、半導体レーザ素子１０の構成の説明においては、半導体基板１２としてＩｎＰ基板を使用した場合を例示したが、例えば、ＧａＡｓからなる基板を用いることもできる。この場合には、半導体基板１２の材質に応じて、他の層の材料を適宜選択すればよい。例えば、半導体基板１２がＧａＡｓからなる場合には、ＡｌＧａＡｓ混晶を利用して第１及び第２の活性層２０Ａ，２０Ｂを形成し、ＧａＡｓを利用して波長調整層（中間層）２０Ｃを形成することもできる。

本発明に係る半導体レーザ素子の一実施形態の断面図である。 半導体レーザ素子の特性のシミュレーション結果を示す図面である。 比較用の半導体レーザ素子の構成の一例を示す断面図である。 第３の電極の位置を変化させた場合のシミュレーション結果を示す図面である。 第３の電極の長さが半導体レーザ素子の光軸方向の長さの１／１０より大きい場合のシミュレーション結果を示す図面である。 半導体光集積素子の一実施形態の構成を模式的に示す平面図である。 本発明に係る半導体レーザ素子の他の実施形態の断面図である。

符号の説明

１０，１０_１〜１０_８，５０…半導体レーザ素子、２６…回折格子、２８Ａ…第１の電極、２８Ｂ…第２の電極、２８Ｃ…第３の電極、２０…半導体層、２０Ａ…第１の活性層、２０Ｂ…第２の活性層、２０Ｃ…波長調整層（中間層）、４０…半導体光集積素子、４２…半導体光合波部、４６…半導体光増幅部。

Claims (6)

1. レーザ発振波長を変更可能な分布帰還型の半導体レーザ素子であって、
   第１及び第２の活性層並びに前記第１及び第２の活性層を光学的に結合する中間層を含む半導体層部であって、前記第１の活性層、前記中間層及び前記第２の活性層がこの順に所定の軸方向に沿って配置されている、前記半導体層部と、
   前記半導体層部に対して設けられており前記第１及び第２の活性層と光学的に結合している回折格子と、
   前記第１及び第２の活性層に対して設けられており前記第１及び第２の活性層にキャリヤを注入するための第１及び第２の電極と、
   前記中間層に対して設けられており前記中間層に波長調整用の信号を供給するための第３の電極と、
   を備え、
   前記回折格子は、前記所定の軸方向に対して延在しており、
   前記回折格子の周期は、前記所定の軸方向に対して均一であることを特徴をする半導体レーザ素子。
2. 前記回折格子の結合係数が、１００ｃｍ^−１以上であ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３の電極は、前記所定の軸方向において前記半導体レーザ素子の中央部に形成されてい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. 前記第３の電極の前記所定の軸方向の長さが、前記半導体レーザ素子の前記所定の軸方向の長さの１／１０以下であ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. 前記中間層のバンドギャップエネルギーが、前記第１及び第２の活性層のバンドギャップエネルギーより大きい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. 請求項１〜５の何れか一項に記載の複数の半導体レーザ素子と、
   前記複数の半導体レーザ素子に光学的に結合されており、前記複数の半導体レーザ素子から出力されるレーザ光を合波して出力する半導体光合波部と、
   前記半導体光合波器に光学的に結合しており、前記半導体光合波器からの出力光を光増幅して出力する半導体光増幅部と、
   を備え、
   前記複数の半導体レーザ素子の各々が有する前記回折格子の空間周期は異なっており、
   前記複数の半導体レーザ素子は共通の基板を有しており、
   前記半導体光合波部及び前記半導体光増幅部は、前記基板上に形成されていることを特徴とする半導体光集積素子。

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