JP2011003886A - 半導体レーザ素子及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流の制御が容易であり、且つ波長切り替え速度を高速化できる波長可変型の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１Ａは、第１の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有すると共に、電流注入により光を発生するＤＦＢ領域１０と、ＤＦＢ領域１０と並んで半導体基板３上に設けられ、第１の波長間隔とは異なる第２の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有するＤＢＲ領域２０とを備える。ＤＦＢ領域１０では、電流注入により光を発生する利得導波路１１と、電流注入により屈折率が変化し回折格子１２１ａが形成された屈折率可変導波路１２とが交互に配設されており、これらの導波路には互いに独立して電流が注入される。ＤＢＲ領域２０は、電流注入により屈折率が変化する屈折率変化層２０１と、ＳＳＧ構造２０２ａとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子及びその作製方法に関するものである。

近年、光通信システムの分野においては、増大する伝送量に対応するために、波長が相互に異なる複数の信号光を用いた波長多重伝送システムが構築されている。現在実用化されている波長多重伝送システムでは、固定波長の複数の半導体レーザ素子が用いられているが、各半導体レーザ素子の波長を可変とすることにより、更に効率的なシステム運用が可能となる。このような波長可変型の半導体レーザ素子には、波長の安定性や広い波長可変範囲、小型、低消費電力、高速な波長切り替え速度といった性能が望まれる。

波長可変型の半導体レーザ素子の例として、特許文献１に記載されたものがある。図１５は、特許文献１に記載された半導体レーザ素子１００の構成を示す概略断面図である。半導体レーザ素子１００は、一つの半導体基板上に設けられた４つの領域、すなわち光を生成する利得領域１５１、位相調整領域１５２、分布ブラッグリフレクタ（ＤＢＲ）領域１５３及び１５４を備えている。この半導体レーザ素子１００では、利得領域１５１の活性層１６１にて生成された比較的広い波長域にわたる光のうち、特定波長の光のみを選択的に共振させる。

ＤＢＲ領域１５３及び１５４は、いわゆるサンプルドグレーティング（ＳＧ：Sampled Grating）構造１６３，１６４を含んでおり、一定の波長間隔で反射ピークを有する離散的な反射スペクトル特性を有する。ＳＧ構造１６３，１６４の反射ピーク間隔は互いに異なっており、反射ピークの中心波長がＳＧ構造１６３及び１６４で一致する波長において、光を共振させることができる（いわゆるバーニア効果）。なお、反射ピークの中心波長は格子周期によって決定され、反射ピーク同士の波長間隔はＳＧの周期によって決定される。

更に、ＤＢＲ領域１５３及び１５４では、電流注入によりＳＧ構造１６３，１６４の屈折率を変化させることによって、各反射ピークの中心波長をシフトさせ、発振波長を制御することができる。また、位相調整領域１５２は、電流注入により屈折率を変化させることが可能な導波路１６２を有しており、共振器の縦モードを調節して発振波長に一致させ、レーザ光のパワーを極大化させる。以上の構成を備える半導体レーザ素子１００では、ＳＧ構造１６３，１６４及び導波路１６２の屈折率を電流によって適切に調節することにより、発振波長の連続的な変化を可能としている。

米国特許第４８９６３２５号明細書

二つのＤＢＲ領域によるバーニア効果を利用する従来の半導体レーザ素子では、発振波長の変化幅が、共振器の縦モード波長のシフト幅よりも大きくなる傾向がある。このため、発振波長の変化は別の縦モードへの移行を伴い、移行先の縦モード波長は必ずしもバーニア効果による発振波長と一致しないため、これらを一致させるために位相調整領域を設けることが必須となる。このため、各領域へ供給される電流の制御が極めて複雑となり、また波長切り替え速度が遅くなってしまう。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、電流の制御が容易であり、且つ波長切り替え速度を高速化できる波長可変型の半導体レーザ素子及びその作製方法を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子は、第１の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有すると共に、電流注入により光を発生する第１の反射領域と、所定の光軸方向に第１の反射領域と並設して配置され、第１の波長間隔とは異なる第２の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有する第２の反射領域とを備え、第１の反射領域は、回折格子が形成されていない複数の利得導波路と、第１の回折格子が形成された複数の屈折率可変導波路とを有し、利得導波路と屈折率可変導波路とは、所定の周期で光軸方向に交互に配設されており、第２の反射領域は、電流注入により屈折率が変化する屈折率変化層と、屈折率変化層に沿って設けられた第２の回折格子とを有することを特徴とする。

この半導体レーザ素子においては、第１の回折格子が形成された屈折率可変導波路と、回折格子が形成されていない利得導波路とが交互に配設されることにより、第１の反射領域の全体でＳＧ構造を有する。したがって、第１の反射領域は、反射スペクトルが第１の波長間隔でもって周期的に変化し、離散的な反射率ピーク波長を有する波長−反射率特性を備えるものとなる。また、このＳＧ構造の反射率ピーク波長は、屈折率可変導波路に注入される電流の大きさに応じてシフトすることができる。

この半導体レーザ素子は、次のように動作する。まず、利得導波路に電流が注入されると、利得導波路が比較的広い波長域にわたる光を発生する。このとき、例えば屈折率可変導波路並びに第２の反射領域の屈折率変化層へ注入する電流量を等しくすると、第１の回折格子の反射スペクトルにおける或る反射ピークの中心波長と、第２の回折格子の反射スペクトルにおける或る反射ピークの中心波長とが相互に一致し、この波長でレーザ発振が生じる。

ここで、例えば単位長さあたりの電流増加量が等しくなるように屈折率可変導波路並びに第２の反射領域の屈折率変化層へ注入する電流量を増加させると、第１及び第２の回折格子の各反射ピークは、中心波長が一致した状態で連続的に短波長側へシフトする。これにより、レーザ発振波長が短波長側へ変化する。また、このとき、屈折率可変導波路への電流注入によって光導波路の屈折率が変化することにより縦モード波長もシフトするので、上述したレーザ発振波長の変化は縦モードの変更を伴わない。

このように、本発明に係る半導体レーザ素子によれば、縦モードの変更を伴わずに発振波長を変化させることが可能なので、電流の制御を容易にし、且つ波長切り替え速度を高速化できる。

また、上記した半導体レーザ素子においては、複数の屈折率可変導波路のバンドギャップ波長が、複数の利得導波路のバンドギャップ波長より短いことが好ましい。

また、上記した半導体レーザ素子においては、第１の回折格子の格子周期が一定であることが好ましい。

また、上記した半導体レーザ素子においては、第１の回折格子が位相シフト部を含むことが好ましい。

また、上記した半導体レーザ素子においては、第１の反射領域が、複数の利得導波路に電流を注入するための複数の利得用電極と、利得導波路とは独立して複数の屈折率可変導波路に電流を注入するための複数の屈折率変化用電極とを更に備えることができる。

また、上記した半導体レーザ素子においては、第１の反射領域が、複数の利得用電極を相互に繋ぐ利得用配線パターンと、複数の屈折率変化用電極を相互に繋ぐ屈折率変化用配線パターンとを更に有することが好ましい。

また、上記した半導体レーザ素子においては、第１の回折格子の結合係数が、第２の回折格子の結合係数より大きいことが好ましい。

また、本発明による半導体レーザ素子の作製方法は、上記したいずれかの半導体レーザ素子を作製する方法であって、半導体基板上に、複数の屈折率可変導波路及び屈折率変化層となる第１の半導体層、並びに第１及び第２の回折格子となる第２の半導体層を成長させる工程と、第２の半導体層に第１及び第２の回折格子を形成する工程と、第１及び第２の半導体層のうち利得導波路に相当する部分を除去し、該除去部分に利得導波路となる第３の半導体層を成長させる工程とを備えることを特徴とする。この作製方法により、上記半導体レーザ素子を好適に作製できる。

本発明に係る半導体レーザ素子及びその作製方法よれば、電流の制御を容易にし、且つ波長切り替え速度を高速化できる。

図１（ａ）は、第１実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａの平面図である。図１（ｂ）は、半導体レーザ素子１ＡのＩｂ−Ｉｂ線に沿った側断面図である。図１（ｃ）は、図１（ｂ）に示される回折格子層に含まれる回折格子を模式的に示す図である。 図２（ａ）は、図１（ａ）に示した半導体レーザ素子１ＡのIIａ−IIａ線に沿った断面図である。図２（ｂ）は、図１（ａ）に示した半導体レーザ素子１ＡのIIｂ−IIｂ線に沿った側断面図である。 図３は、図１（ａ）に示した半導体レーザ素子１ＡのIII−III線に沿った断面図である。 図４は、半導体レーザ素子１Ａの各アノード電極１１４，１２４及び２０６に電流を供給するための構成を示す図である。 図５（ａ）は、回折格子１２１ａの反射スペクトル、ＳＳＧ構造２０２ａの反射スペクトル、及びレーザ光のスペクトルのそれぞれ一例を示すグラフである。図５（ａ）は、回折格子１２１ａの反射スペクトル、ＳＳＧ構造２０２ａの反射スペクトル、及びレーザ光のスペクトルのそれぞれ他の一例を示すグラフである。 図６は、単位長さあたりの電流注入量Ｉｂを変化させたときのレーザ発振波長の変化を示すグラフである。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａを作製する工程を示す図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａを作製する工程を示す図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａを作製する工程を示す図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、半導体レーザ素子１Ａを作製する工程を示す図である。 図１１（ａ）は、第２実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂの平面図である。図１１（ｂ）は、半導体レーザ素子１ＢのXIｂ−XIｂ線に沿った側断面図である。 図１２は、図１１（ａ）に示した半導体レーザ素子１ＢのXII−XII線に沿った断面図である。 図１３は、半導体レーザ素子１Ｂの各アノード電極１１４，１２４、２０６及び３０６に電流を供給するための構成を示す図である。 図１４は、第３実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃの光導波方向に沿った側断面図である。 図１５は、特許文献１に記載された半導体レーザ素子１００の構成を示す概略断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
第１実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子である。図１（ａ）及び図１（ｂ）を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、分布帰還（ＤＦＢ： Distributed Feedback）領域１０と、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ： Distributed Bragg Reflector）領域２０とを備えている。ＤＦＢ領域１０は、本実施形態における第１の反射領域であり、レーザ光を発生する。ＤＢＲ領域２０は、本実施形態における第２の反射領域であり、ＤＦＢ領域１０から到達したレーザ光を反射する。ＤＦＢ領域１０及びＤＢＲ領域２０は、図１（ｂ）に示すように互いに共通の半導体基板３上に形成されており、光導波方向に並んでいる。なお、半導体基板３は、第１導電型の半導体、例えばｎ型ＩｎＰから成り、ＤＦＢ領域１０及びＤＢＲ領域２０における各光導波路に対して下部クラッド層として機能する。

まず、図１及び図２を参照して、ＤＦＢ領域１０の構成について説明する。本実施形態のＤＦＢ領域１０は、図１（ｂ）に示すように、複数の利得導波路１１と、複数の屈折率可変導波路１２とを備えている。これらの利得導波路１１及び屈折率可変導波路１２は、光導波方向に沿って所定の周期で交互に配設されている。

利得導波路１１は、図２（ａ）に示すように、活性層１１０と、活性層１１０の上下に設けられた光閉込層１１１及び１１２とを有する。活性層１１０は、例えば、多重量子井戸構造を有するように、交互に積層された複数の井戸層と複数のバリア層とを含んで構成され、電流注入により光を発生する。この量子井戸構造を構成する井戸層及びバリア層は、各々組成が異なるＧａＩｎＡｓＰからなり、その歪み量は例えば１％である。多重量子井戸全体の層厚は例えば１１５［ｎｍ］であり、そのバンドギャップに相当する波長（以下、バンドギャップ波長という）は、例えば１．５５［μｍ］以下である。

光閉込層１１１及び１１２は、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰから成る。光閉込層１１１及び１１２のバンドギャップ波長は、活性層１１０のバンドギャップ波長より短く、例えば１．１５［μｍ］以下である。また、光閉込層１１１及び１１２の層厚は、例えば１００［ｎｍ］である。

屈折率可変導波路１２は、図２（ｂ）に示すように、光導波層１２０と、光導波層１２０上に設けられた回折格子層１２１とを有する。光導波層１２０は、半導体基板３の主面３ａ上に設けられ、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰから成る。光導波層１２０のバンドギャップ波長は、ＤＦＢ領域１０の活性層１１０のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３［μｍ］以下である。この光導波層１２０の層厚は、例えば３００［ｎｍ］である。この光導波層１２０は、後述するカソード電極１０３及びアノード電極１２４との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。

回折格子層１２１は、光導波層１２０に沿って設けられる。本実施形態では、回折格子層１２１は光導波層１２０の直上に設けられている。回折格子層１２１の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。光導波層１２０を中心として光を効果的に閉じ込める為に、回折格子層１２１のバンドギャップ波長は、光導波層１２０のバンドギャップ波長より短いことが好ましく、例えば１．２［μｍ］である。

この回折格子層１２１は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層及び、このｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層上に形成されたp型ＩｎＰ層の２層構造から成る。ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層の表面には第１の回折格子１２１ａ（図１（ｃ）を参照）を有し、ｐ型ＩｎＰ層が、この第１の回折格子１２１ａの凹部を埋め込んでいる。すなわち、回折格子１２１ａは、複数の屈折率可変導波路１２のそれぞれに設けられており、また、各屈折率可変導波路１２の回折格子１２１ａは、互いに利得導波路１１によって規定される間隔をあけて光導波方向に並置されている。回折格子１２１ａの格子周期は複数の屈折率可変導波路１２にわたって一定である。なお、回折格子１２１ａは屈折率可変導波路１２にのみ形成され、利得導波路１１には形成されない。

このような構成により、回折格子１２１ａはＳＧ構造を有することとなり、反射スペクトルが所定の波長間隔（本実施形態における第１の波長間隔）でもって周期的に変化し、離散的な反射率ピーク波長を有する波長−反射率特性を備えるものとなっている。また、回折格子１２１ａの反射率ピーク波長は、カソード電極１０３とアノード電極１２４との間に流れる電流の大きさに応じて光導波層１２０の屈折率が変化することによってシフトすることができる。この回折格子１２１ａの作用により、ＤＦＢ領域１０を導波する光のスペクトルは上述した離散的な反射率ピーク波長を有するものとなる。

回折格子１２１ａの格子周期は、所望の回折波長（例えば１５５０［ｎｍ］）が得られる値に決定される。また、回折格子１２１ａによって構成されるＳＧ構造のユニット長Ｌｕ、回折格子部分の長さＬｓ（共に図１（ｂ）参照）、およびＤＦＢ領域１０全体でのＳＧ構造のユニット数Ｍは、所望の反射ピーク波長間隔及びピーク反射率が得られるように設定されるとよい。これらは、例えば、反射ピーク波長間隔が５．６［ｎｍ］、中心波長１５５０［ｎｍ］におけるピーク反射率が５０％となるように設定される。

また、利得導波路１１と屈折率可変導波路１２との境界面と、回折格子１２１ａの端部との距離ΔＬ（図１（ｂ）参照）は、２［μｍ］〜１０［μｍ］が好ましい。後述する半導体レーザ素子１Ａの作製過程において、利得導波路１１と屈折率可変導波路１２とはそれぞれ別個に結晶成長されるが、距離ΔＬを２［μｍ］以上とすることによって、利得導波路１１と屈折率可変導波路１２との境界面の乱れが回折格子１２１ａに及ぶことを効果的に防止できる。また、距離ΔＬを１０［μｍ］以下とすることによって、利得導波路１１を十分に長くとることができ、レーザ光の強度を効果的に高めることができる。

ここで、隣り合う回折格子１２１ａの端部同士の間隔は（Ｌｕ−Ｌｓ）であり、各利得導波路１１の長さをＬｇ、屈折率可変導波路１２の実効屈折率をｎｂ、閾値よりも大きい電流を注入したときの利得導波路１１の実効屈折率をｎｇ、屈折率可変導波路１２の全域に回折格子１２１ａを形成したと仮定した場合における回折格子１２１ａの端部同士の間隔をＬｂとすると、以下の数式（１）

が成り立つ。なお、具体的な数値としては、例えばＬｓ＝１２［μｍ］、Ｌｂ＝４７［μｍ］、Ｌｇ＝４３［μｍ］である。

回折格子層１２１の回折格子１２１ａは、位相シフト部１２１ｂを含んでいる。位相シフト部１２１ｂは、回折格子１２１ａの格子周期の１／４の長さだけ回折格子の位相をシフトさせた部分である。この位相シフト部１２１ｂによって、屈折率可変導波路１２に電流を注入したときの回折格子１２１ａの各反射ピークにおける位相が揃う。位相シフト部１２１ｂは、複数の屈折率可変導波路１２の全体で一箇所だけ設けられる。

利得導波路１１と屈折率可変導波路１２との境界では、半導体基板３の主面３ａに垂直な方向における活性層１１０の中心位置と、同方向における光導波層１２０の中心位置との関係が、次のように規定される。すなわち、屈折率可変導波路１２を導波する光の基本横モードにおける光パワー分布と、利得導波路１１を導波する光の基本横モードにおける光パワー分布との重なり積分が最大となるように、これらの位置関係が規定される。

図１（ｂ）及び図２を参照すると、ＤＦＢ領域１０は、更に、クラッド層１０１、コンタクト層１１３及び１２３を備えている。クラッド層１０１は、上述した光閉込層１１２上及び回折格子層１２１上にわたって設けられている。クラッド層１０１は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＰから成る。クラッド層１０１のバンドギャップ波長は、光閉込層１１２及び回折格子層１２１のバンドギャップ波長より短い。

図１（ｂ）に示すように、コンタクト層１１３は、クラッド層１０１上において利得導波路１１上に相当する部分に設けられている。また、コンタクト層１２３は、クラッド層１０１上において屈折率可変導波路１２上に相当する部分に設けられている。コンタクト層１１３及び１２３は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓから成る。

図２に示すように、利得導波路１１（活性層１１０及び光閉込層１１１，１１２）、屈折率可変導波路１２（光導波層１２０及び回折格子層１２１）、クラッド層１０１、並びにコンタクト層１１３及び１２３は、半導体基板３の主面３ａ上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、例えば１．５［μｍ］である。なお、利得導波路１１及び屈折率可変導波路１２の層厚や横幅は、当該半導体レーザ素子１Ａの波長可変範囲（例えば１．５２［μｍ］〜１．５８［μｍ］）において、発振光が単一モードとして導波でき、且つレーザ光の発光効率が高くなるように（具体的には、利得導波路１１及び屈折率可変導波路１２における基本横モードの光パワー分布の重なり積分が高くなるように）決定されるとよい。

このストライプメサ構造の両側面には、半絶縁性領域１０２ａ及び１０２ｂが設けられている。半絶縁性領域１０２ａ及び１０２ｂは、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁性領域１０２ａ及び１０２ｂは、半導体基板３の主面３ａのうちＤＦＢ領域１０が占める領域において、利得導波路１１及び屈折率可変導波路１２が設けられた領域を除いた領域上に設けられており、上記ストライプメサ構造の両側面を埋め込んでいる。

コンタクト層１１３上には、複数のアノード電極１１４が設けられている。複数のアノード電極１１４は、本実施形態における利得用電極であり、複数の利得導波路１１に電流を注入するための電極である。また、コンタクト層１２３上には、複数のアノード電極１２４が設けられている。複数のアノード電極１２４は、本実施形態における屈折率変化用電極であり、複数の利得導波路１１とは独立して複数の屈折率可変導波路１２に電流を注入するための電極である。複数のアノード電極１１４は、複数の利得導波路１１それぞれの上に形成された各コンタクト層１１３上にそれぞれ配置されており、複数のアノード電極１２４は、複数の屈折率可変導波路１２それぞれの上に形成された各コンタクト層１２３上にそれぞれ配置されている。アノード電極１１４及び１２４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１１３，１２３との間でオーミック接触を実現する。また、半導体基板３の裏面３ｂ上には、カソード電極１０３が設けられている。カソード電極１０３は、アノード電極１１４及び１２４と対になる電極であり、アノード電極１１４と協働して利得導波路１１に電流を注入し、またアノード電極１２４と協働して屈折率可変導波路１２に電流を注入する。カソード電極１０３は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板３との間でオーミック接触を実現する。

なお、本実施形態では複数のアノード電極１１４，１２４に対し一つのカソード電極１０３を設けているが、複数のアノード電極１１４，１２４に対応する複数のカソード電極を設けてもよい。

図１（ａ）に示すように、複数のアノード電極１１４は、配線パターン１１５によって相互に接続されている。配線パターン１１５は、本実施形態における利得用配線パターンである。また、複数のアノード電極１２４は、配線パターン１２５によって相互に接続されている。配線パターン１２５は、本実施形態における屈折率変化用配線パターンである。このような配線パターン１１５，１２５がＤＦＢ領域１０に設けられることにより、複数のアノード電極１１４および複数のアノード電極１２４のそれぞれに対し電流を供給するためのワイヤ本数を削減できる。

なお、光導波方向におけるＤＦＢ領域１０の端面には、図示しない反射防止（ＡＲ：Anti Reflection）膜が設けられており、この端面からレーザ光が取り出される。このＡＲ膜の反射率は例えば０．１％である。

次に、図１及び図３を参照して、ＤＢＲ領域２０の構成について説明する。これらの図に示すように、ＤＢＲ領域２０は、屈折率変化層２０１、回折格子層２０２、クラッド層２０３、コンタクト層２０４、カソード電極２０５、及びアノード電極２０６を有する。

屈折率変化層２０１は、ＤＢＲ領域２０における光導波路を構成しており、ＤＦＢ領域１０の利得導波路１１及び屈折率可変導波路１２と光学的に結合されている。本実施形態の屈折率変化層２０１は、半導体基板３の主面３ａ上に設けられ、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰから成る。屈折率変化層２０１のバンドギャップ波長は、ＤＦＢ領域１０の活性層１１０のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３［μｍ］以下である。この屈折率変化層２０１の層厚は、例えば３００［ｎｍ］である。屈折率変化層２０１は、カソード電極２０５及びアノード電極２０６との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。

回折格子層２０２は、屈折率変化層２０１に沿って設けられる。本実施形態では、回折格子層２０２は屈折率変化層２０１の直上に設けられている。回折格子層２０２の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。回折格子層２０２は、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層及び、このｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層上に設けられたｐ型ＩｎＰ層の２層構造から成る。また、回折格子層２０２は、本実施形態における第２の回折格子である超周期回折格子（ＳＳＧ：Super Structured Grating）構造２０２ａ（図１（ｃ）を参照）を有する。ＳＳＧ構造２０２ａは、例えば回折格子層２０２のｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層の表面に形成される。また、超周期回折格子の凹部がｐ型ＩｎＰ層で埋め込まれる。回折格子層２０２は、このＳＳＧ構造２０２ａを有することによって、反射スペクトルが所定の波長間隔（本実施形態における第２の波長間隔）でもって周期的に変化し、離散的な反射率ピーク波長を有する波長−反射率特性を備えるものとなっている。また、回折格子層２０２の反射率ピーク波長は、カソード電極２０５とアノード電極２０６との間に流れる電流の大きさに応じて屈折率変化層２０１の屈折率が変化することによってシフトすることができる。なお、ＳＳＧ構造２０２ａによる反射スペクトルの反射率ピーク波長同士の間隔は、ＤＦＢ領域１０の回折格子１２１ａによる反射スペクトルの反射率ピーク波長同士の間隔と異なるように設計される。

この回折格子層２０２の作用により、ＤＦＢ領域１０からＤＢＲ領域２０へ到達した光のうち上記反射率ピーク波長に相当する波長成分が、ＤＦＢ領域１０へ向けて反射される。ＤＦＢ領域１０とＤＢＲ領域２０との間でレーザ光を好適に発振させるために、ＤＢＲ領域２０からＤＦＢ領域１０への反射率は、実現可能な５０％以上９０％以下の範囲でできるだけ高いことが好ましい。

また、ＳＳＧ構造２０２ａは、所定の間隔をあけて配置された複数の区間のそれぞれにおいて格子周期が連続的に変化する構成を有しているが、この格子周期は、例えば回折波長が１５２４［ｎｍ］〜１５７６［ｎｍ］となるように設定される。また、複数の回折格子層１２１それぞれが有するＳＳＧ構造２０２ａのユニット長さＬｕ’（図１（ｂ）を参照）、およびＳＳＧ構造２０２ａのユニット数Ｎは、例えば反射ピーク波長の間隔が４．８［ｎｍ］、反射ピーク波長における反射率が９０％となるように設定される。一実施例としては、Ｌｕ’＝５９［μｍ］、Ｎ＝８である。

また、前述した回折格子１２１ａの結合係数は、このＳＳＧ構造２０２ａの結合係数より大きいことが好ましい。一例としては、回折格子１２１ａのデューティ比（回折格子の凸部の幅／回折格子の周期）を０．５、回折格子層１２１の厚さを５０［ｎｍ］とした場合、その結合係数は１００［ｃｍ^−１］である。また、ＳＳＧ構造２０２ａのデューティ比を０．７、回折格子層２０２の厚さを５０［ｎｍ］とした場合、その結合係数は８５［ｃｍ^−１］である。

また、屈折率変化層２０１を中心として光を効果的に閉じ込める為に、回折格子層２０２のｐ型ＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップ波長は屈折率変化層２０１のバンドギャップ波長より短いことが好ましく、例えば１．２［μｍ］以下であるとよい。

クラッド層２０３は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＰから成り、回折格子層２０２上に設けられている。クラッド層２０３のバンドギャップ波長は屈折率変化層２０１及び回折格子層２０２のバンドギャップ波長より短い。また、コンタクト層２０４は、クラッド層２０３上に設けられている。コンタクト層２０４は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓから成る。

上述した屈折率変化層２０１、回折格子層２０２、クラッド層２０３、及びコンタクト層２０４は、ＤＦＢ領域１０の利得導波路１１及び屈折率可変導波路１２、クラッド層１０１、並びにコンタクト層１１３，１２３と同様に、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、例えば１．５［μｍ］である。

このストライプメサ構造の両側面には、半絶縁性領域２０７ａ及び２０７ｂが設けられている。半絶縁性領域２０７ａ及び２０７ｂは、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁性領域２０７ａ及び２０７ｂは、半導体基板３の主面３ａのうちＤＢＲ領域２０が占める領域において、屈折率変化層２０１等が設けられた領域を除いた領域上に設けられており、上記ストライプメサ構造の両側面を埋め込んでいる。

アノード電極２０６は、屈折率変化層２０１に電流を注入するためにコンタクト層２０４上に設けられている。アノード電極２０６は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層２０４との間でオーミック接触を実現する。また、カソード電極２０５は、半導体基板３の裏面３ｂ上に設けられている。カソード電極２０５は、アノード電極２０６と対になる電極であり、アノード電極２０６と協働して屈折率変化層２０１に電流を注入する。カソード電極２０５は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板３との間でオーミック接触を実現する。

なお、光導波方向におけるＤＢＲ領域２０の端面にも、図示しないＡＲ膜が設けられている。このＡＲ膜の反射率は例えば０．１％である。また、上述したクラッド層２０３、半絶縁性領域２０７ａ，２０７ｂ、及びカソード電極２０５は、それぞれＤＦＢ領域１０のクラッド層１０１、半絶縁性領域１０２ａ，１０２ｂ、及びカソード電極１０３と一体のものとして形成されてもよい。

また、図１（ａ）に示すように、半導体レーザ素子１Ａの上面のうちアノード電極１１４，１２４及び２０６を除く領域は、例えばＳｉＯ_２から成る絶縁膜１０４によって保護されている。この絶縁膜１０４は、利得導波路１１に対応するコンタクト層１１３と、屈折率可変導波路１２に対応するコンタクト層１２３との隙間にも設けられており、これによって、利得導波路１１への電流注入経路と屈折率可変導波路１２への電流注入経路とが電気的に分離されている。

図４は、半導体レーザ素子１Ａの各アノード電極１１４，１２４及び２０６に電流を供給するための構成を示す図である。図４に示されるように、ＤＦＢ領域１０のうち、複数の利得導波路１１に対応する複数のアノード電極１１４には、利得制御用の一つの電流制御ＩＣ１１６が接続され、利得制御用の電流Ｉｇが供給される。複数の屈折率可変導波路１２に対応する複数のアノード電極１２４には、屈折率制御用の他の一つの電流制御ＩＣ１２６が接続され、屈折率制御用の電流Ｉｓが供給される。また、ＤＢＲ領域２０のアノード電極２０６には、更に他の一つの電流制御ＩＣ２０７が接続され、電流Ｉｄが供給される。

続いて、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａの動作（作用）について説明する。まず、アノード電極１１４を介して利得導波路１１に電流Ｉｇを注入し、利得導波路１１を発光させる。電流Ｉｇは例えば１２０［ｍＡ］である。

このとき、例えばアノード電極１２４及び２０６への電流量をゼロとすると（すなわちＩｄ＝Ｉｓ＝０［ｍＡ］）、図５（ａ）に示されるように、回折格子１２１ａの反射スペクトル（グラフＳＧ）における反射ピークＳＧ１の中心波長と、ＳＳＧ構造２０２ａの反射スペクトル（グラフＳＳＧ）における反射ピークＳＳＧ１の中心波長とが相互に一致し、この波長でレーザ発振が生じる（グラフＬＲ）。

ここで、単位長さあたりの電流注入量をＩｂ［ｍＡ／μｍ］とする。このとき、電流制御部２０７からアノード電極２０６を介してＤＢＲ領域２０へ供給される電流Ｉｄ、および電流制御部１２６からアノード電極１２４を介して屈折率可変導波路１２へ供給される屈折率制御用の電流Ｉｓについて、Ｉｄ＝Ｉｂ×Ｌｕ’×Ｎ、Ｉｓ＝Ｉｂ×Ｌｓ×Ｍ（すなわち、単位長さあたりの電流増加量が等しい状態）として電流Ｉｄ及びＩｓをそれぞれ注入すると、反射ピークＳＧ１及びＳＳＧ１は、中心波長が一致した状態で連続的に短波長側へシフトする。これにより、レーザ発振波長が短波長側へ変化する。

一実施例としては、Ｉｄ＝Ｉｓ＝０［ｍＡ］から始めてＩｂを０〜０．１［ｍＡ／μｍ］だけ変化させるとき、電流Ｉｓは０［ｍＡ］から９．６［ｍＡ］まで、電流Ｉｄは０［ｍＡ］から４７．２［ｍＡ］までそれぞれ変化する。このとき、図６にグラフＡとして示されるように、レーザ発振波長は約４［ｎｍ］にわたって連続的に変化する。なお、屈折率可変導波路１２への電流注入によって光導波層１２０の屈折率が変化することにより縦モード波長もシフトするので、上述したレーザ発振波長の変化は縦モードの変更を伴わない。

また、例えばアノード電極１２４及び２０６への電流量をＩｓ＝０．５７６［ｍＡ］、Ｉｄ＝０［ｍＡ］とすると、図５（ｂ）に示されるように、回折格子１２１ａの反射スペクトル（グラフＳＧ）における反射ピークＳＧ２の中心波長と、ＳＳＧ構造２０２ａの反射スペクトル（グラフＳＳＧ）における反射ピークＳＳＧ２の中心波長とが相互に一致し、この波長でレーザ発振が生じる（グラフＬＲ）。

一実施例としては、Ｉｓ＝０．５７６［ｍＡ］、Ｉｄ＝０［ｍＡ］から始めてＩｂを０〜０．１［ｍＡ／μｍ］だけ変化させるとき、電流Ｉｓは０．５７６［ｍＡ］から１０．１７６［ｍＡ］まで、電流Ｉｄは０［ｍＡ］から４７．２［ｍＡ］までそれぞれ変化する。このとき、図６にグラフＣとして示されるように、レーザ発振波長はグラフＡとは異なる波長範囲で約４［ｎｍ］にわたって連続的に変化する。なお、図６に示したグラフＡ及びＣでは互いに異なる縦モードでレーザ発振しているが、図６のグラフＣの曲線上の波長変化の中では、屈折率可変導波路１２への電流注入によって光導波層１２０の屈折率が変化することにより縦モード波長もシフトするので、上述したレーザ発振波長の変化は縦モードの変更を伴わない。

その他、図６には、グラフＢ，Ｄ〜Ｆが示されている。グラフＢは、Ｉｓ＝０．１１５［ｍＡ］、Ｉｄ＝０［ｍＡ］から始めてＩｂを０〜０．１［ｍＡ／μｍ］だけ変化させた場合における、レーザ発振波長の変化を示している。また、グラフＤ〜Ｆは、Ｉｓ＝１．７２８［ｍＡ］、Ｉｄ＝０［ｍＡ］から始めてＩｂを０〜０．１［ｍＡ／μｍ］だけ変化させた場合（グラフＤ）、Ｉｓ＝４．８［ｍＡ］、Ｉｄ＝０［ｍＡ］から始めてＩｂを０〜０．１［ｍＡ／μｍ］だけ変化させた場合（グラフＥ）、並びに、Ｉｓ＝０［ｍＡ］、Ｉｄ＝０．６６１［ｍＡ］から始めてＩｂを０〜０．１［ｍＡ／μｍ］だけ変化させた場合（グラフＦ）における、レーザ発振波長の変化を示している。なお、下の表１は、グラフＡ〜Ｆにおける電流Ｉｄ，Ｉｓの初期値、Ｌｕ’、Ｌｓ、Ｎ及びＭの値をまとめたものである。

続いて、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａの作製方法について説明する。まず、図７（ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰから成る半導体基板３を準備する。そして、図７（ｂ）に示すように、半導体基板３の主面３ａ上に、アンドープＧａＩｎＡｓＰ層７０及び７１を、ＭＯＶＰＥ法により順にエピタキシャル成長させる。ＧａＩｎＡｓＰ層７０は、屈折率可変導波路１２の光導波層１２０及びＤＢＲ領域２０の屈折率変化層２０１となる層である。また、ＧａＩｎＡｓＰ層７１は、屈折率可変導波路１２の回折格子層１２１の一部、及びＤＢＲ領域２０の回折格子層２０２の一部となる層である。

次に、ＧａＩｎＡｓＰ層７１のうち屈折率可変導波路１２となる部分にはＳＧ構造及び位相シフト部を、ＤＢＲ領域２０となる部分には超周期回折格子構造を電子ビーム露光により描画したのち、ＧａＩｎＡｓＰ層７１をドライエッチングにより加工し、回折格子１２１ａ及びＳＳＧ構造２０２ａを形成する。その後、ＧａＩｎＡｓＰ層７１上にｐ型ＩｎＰ層をエピタキシャル成長させる。

続いて、ＧａＩｎＡｓＰ層７０及び７１のうち利得導波路１１となる部分をドライエッチングにより除去する。ＧａＩｎＡｓＰ層７０及び７１のうち残った部分は、図８（ａ）に示すように、光導波層１２０及び屈折率変化層２０１、並びに回折格子層１２１及び２０２となる。そして、ＧａＩｎＡｓＰ層７０及び７１が除去された領域に、アンドープＧａＩｎＡｓＰ層、ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸構造、アンドープＧａＩｎＡｓＰ層をＭＯＶＰＥ法により順にエピタキシャル成長させることにより、図８（ｂ）に示すように、利得導波路１１（光閉込層１１１、活性層１１０、及び光閉込層１１２）を形成する。

続いて、図９（ａ）に示すように、半導体基板３の主面３ａ上の全面に、クラッド層１０１及び２０３としてのｐ型ＩｎＰ層をＭＯＶＰＥ法によりエピタキシャル成長させ、その上に、コンタクト層となるｐ型ＩｎＧａＡｓ層７２をエピタキシャル成長させる（図９（ｂ））。続いて、光導波路となる部分を除く半導体基板３の主面３ａ上の積層構造を主面３ａまでドライエッチングすることによりストライプメサ構造を形成し、露出した半導体基板３の主面３ａ上にＦｅドープＩｎＰ層をＭＯＶＰＥにより成長させることによって、半絶縁性領域１０２ａ及び１０２ｂ、並びに２０７ａ及び２０７ｂを形成する。

続いて、ｐ型ＩｎＧａＡｓ層７２の一部をエッチングにより除去し、光導波方向に分割することにより、図１０（ａ）に示すように、コンタクト層１１３，１２３，及び２０４を形成する。そして、積層構造の全面にＳｉＯ_２といった絶縁膜１０４をＣＶＤ法により堆積したのち、コンタクト層１１３，１２３，及び２０４上に位置する絶縁膜１０４をエッチングにより除去する。各コンタクト層１１３，１２３，及び２０４上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕをリフトオフ法を用いて蒸着することにより、図１０（ｂ）に示すように、アノード電極１１４，１２４，及び２０６を形成する。

続いて、半導体基板３の裏面側を研磨して厚さ約１００［μｍ］程度まで半導体基板３を薄化したのち、半導体基板３の裏面３ｂ上にカソード電極１０３（２０５）を蒸着する。最後に、半導体基板３を棒状に分割し、その割断面にＡＲ膜をコーティングする。そして、棒状の半導体基板３をチップ状に分割してチップキャリア上に実装し、アノード電極１１４，１２４，及び２０６の各電極パッドにワイヤボンディングを施す。こうして、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａが完成する。

本実施形態の半導体レーザ素子１Ａによれば、前述したように、縦モードの変更を伴わずに発振波長を変化させることが可能となる。したがって、電流の制御を容易にし、且つ波長切り替え速度を高速化できる。

なお、回折格子層２０２は、ＳＳＧ構造２０２ａに代えてＳＧ構造を有してもよい。本実施形態において回折格子層２０２にＳＧ構造でなくＳＳＧ構造２０２ａを設ける利点としては、ＳＳＧ構造２０２ａはＳＧ構造より短い導波路長で高い反射率が得られる点が挙げられる。高い反射率を得ることで、半導体レーザ素子１Ａの後方へ漏れる光を低減し、レーザ光強度をより高めることができる。

回折格子層２０２にＳＧ構造を採用する場合の具体例は以下の通りである。すなわち、ＤＦＢ領域１０の回折格子１２１ａの結合係数κ１と、ＤＢＲ領域２０のＳＧ構造の結合係数κ２とが互いに等しく、例えばκ１＝κ２＝１５０［ｃｍ^−１］である。また、回折格子層１２１，２０２の厚さは例えば８０［ｎｍ］であり、デューティ比はＤＦＢ領域１０、ＤＢＲ領域２０共に例えば０．５である。ＤＦＢ領域１０については、例えばＬｓ＝６［μｍ］、Ｌｂ＝６５［μｍ］、Ｍ＝７、Ｌｇ＝５５［μｍ］である。ＤＢＲ領域２０については、例えばＬｓ＝６［μｍ］、Ｌｂ＝５６［μｍ］、Ｍ＝８である。

（第２の実施の形態）
第２実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂは、第１実施形態の半導体レーザ素子１Ａと同様に、レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂは、ＤＦＢ領域１０と、ＤＢＲ領域２０と、位相調整領域３０とを備えている。ＤＦＢ領域１０は、本実施形態における第１の反射領域であり、その構成は第１実施形態と同一である。また、ＤＢＲ領域２０は、本実施形態における第２の反射領域であり、その構成は第１実施形態と同一である。位相調整領域３０は、ＤＦＢ領域１０とＤＢＲ領域２０との間の光路長を能動的に制御するために、ＤＦＢ領域１０とＤＢＲ領域２０との間に設けられている。すなわち、ＤＦＢ領域１０、位相調整領域３０、及びＤＢＲ領域２０は、図１１（ｂ）に示すように互いに共通の半導体基板３上に形成されており、光導波方向に並んでいる。なお、半導体基板３は、位相調整領域３０の光導波路に対しても下部クラッド層として機能する。

図１１及び図１２を参照して、位相調整領域３０の構成について説明する。これらの図に示すように、位相調整領域３０は、光導波層３０１、回折格子層３０２、クラッド層３０３、コンタクト層３０４、カソード電極３０５、及びアノード電極３０６を有する。

光導波層３０１は、位相調整領域３０における光導波路を構成しており、その光導波方向における一端がＤＦＢ領域１０の利得導波路１１及び屈折率可変導波路１２と光学的に結合されており、他端がＤＢＲ領域２０の屈折率変化層２０１と光学的に結合されている。本実施形態の光導波層３０１は、半導体基板３の主面３ａ上に設けられ、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰから成る。光導波層３０１のバンドギャップ波長は、ＤＦＢ領域１０の活性層１１０のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３［μｍ］以下である。この光導波層３０１の層厚は、例えば３００［ｎｍ］である。光導波層３０１は、カソード電極３０５及びアノード電極３０６との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。

回折格子層３０２は、光導波層３０１上に設けられており、その層厚は例えば５０［ｎｍ］である。回折格子層３０２は、ＤＦＢ領域１０の回折格子層１２１やＤＢＲ領域２０の回折格子層２０２と同様に、例えばｐ型ＧａＩｎＡｓＰ及びｐ型ＩｎＰから成るが、回折格子は形成されておらず、光導波層３０１とともに光導波路を構成する。

クラッド層３０３は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＰから成り、回折格子層３０２上に設けられている。クラッド層３０３のバンドギャップ波長は光導波層３０１及び回折格子層３０２のバンドギャップ波長より短い。また、コンタクト層３０４は、クラッド層３０３上に設けられている。コンタクト層３０４は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓから成る。

上述した光導波層３０１、回折格子層３０２、クラッド層３０３、及びコンタクト層３０４は、ＤＦＢ領域１０及びＤＢＲ領域２０と同様に、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、例えば１．５［μｍ］である。

このストライプメサ構造の両側面には、半絶縁性領域３０７ａ及び３０７ｂが設けられている。半絶縁性領域３０７ａ及び３０７ｂは、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁性領域３０７ａ及び３０７ｂは、半導体基板３の主面３ａのうち位相調整領域３０が占める領域において、光導波層３０１等が設けられた領域を除いた領域上に設けられており、上記ストライプメサ構造の両側面を埋め込んでいる。

アノード電極３０６は、光導波層３０１に電流を注入するためにコンタクト層３０４上に設けられている。アノード電極３０６は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層３０４との間でオーミック接触を実現する。また、カソード電極３０５は、半導体基板３の裏面３ｂ上に設けられている。カソード電極３０５は、アノード電極３０６と対になる電極であり、アノード電極３０６と協働して光導波層３０１に電流を注入する。カソード電極３０５は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板３との間でオーミック接触を実現する。

なお、上述したクラッド層３０３は、ＤＦＢ領域１０のクラッド層１０１及びＤＢＲ領域２０のクラッド層２０３と一体のものとして形成されてもよい。同様に、半絶縁性領域３０７ａ，３０７ｂはＤＦＢ領域１０の半絶縁性領域１０２ａ，１０２ｂ及びＤＢＲ領域２０の半絶縁性領域２０７ａ，２０７ｂと、カソード電極３０５はＤＦＢ領域１０のカソード電極１０３及びＤＢＲ領域２０のカソード電極２０５と、それぞれ一体のものとして形成されてもよい。

図１３は、半導体レーザ素子１Ｂの各アノード電極１１４，１２４、２０６及び３０６に電流を供給するための構成を示す図である。第１実施形態において説明したように、複数のアノード電極１１４には電流制御ＩＣ１１６が接続され、利得制御用の電流Ｉｇが供給される。複数のアノード電極１２４には電流制御ＩＣ１２６が接続され、屈折率制御用の電流Ｉｓが供給される。ＤＢＲ領域２０のアノード電極２０６には電流制御ＩＣ２０７が接続され、電流Ｉｄが供給される。また、本実施形態では、位相調整領域３０のアノード電極３０６に、更に別の電流制御ＩＣ３０７が接続されて電流Ｉｐが供給される。

本実施形態の半導体レーザ素子１Ｂにおいては、ＤＦＢ領域１０及びＤＢＲ領域２０を備えることによって、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。また、位相調整領域３０においては、前述したように、光導波層３０１の屈折率が、カソード電極３０５とアノード電極３０６との間に注入される電流の大きさに応じて変化する。これにより、位相調整領域３０における光路長が変化し、ひいては当該半導体レーザ素子１Ｂの共振器長が変化する。すなわち、光導波層３０１への電流注入量を調節することで、半導体レーザ素子１Ｂの共振器長を能動的に制御し、縦モードを調整することができる。したがって、ＤＦＢ領域１０の回折格子１２１ａ（図１参照）の位相と、ＤＢＲ領域２０の回折格子２０２ａ（図１参照）の位相とを、半導体レーザ素子１Ｂの作製の段階で合わせる必要がなくなる。すなわち、回折格子１２１ａ及び２０２ａの作製が容易になる。

（第３の実施の形態）
第３実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃは、第１実施形態の半導体レーザ素子１Ａ及び第２実施形態の半導体レーザ素子１Ｂと同様に、レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子である。図１４を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｃは、ＤＦＢ領域４０と、ＤＢＲ領域５０と、位相調整領域６０とを備えている。ＤＦＢ領域４０は、本実施形態における第１の反射領域であり、レーザ光を発生する。ＤＢＲ領域５０は、本実施形態における第２の反射領域であり、ＤＦＢ領域４０から到達したレーザ光を反射する。位相調整領域６０は、ＤＦＢ領域４０とＤＢＲ領域５０との間の光路長を能動的に制御するために、ＤＦＢ領域４０とＤＢＲ領域５０との間に設けられている。ＤＦＢ領域４０、位相調整領域６０、及びＤＢＲ領域５０は、図１４に示すように互いに共通の半導体基板５上に形成されており、光導波方向にこの順で並んでいる。なお、半導体基板５は、第１導電型の半導体、例えばｎ型ＩｎＰから成る。また、光導波方向におけるＤＦＢ領域４０の長さは、例えば２００［μｍ］以上６００［μｍ］以下である。

ＤＦＢ領域４０は、複数の利得導波路４１と、複数の屈折率可変導波路４２とを備えている。これらの利得導波路４１及び屈折率可変導波路４２は、光導波方向に沿って所定の周期で交互に配設されている。

利得導波路４１は、活性層４１０を有する。活性層４１０は、例えば、多重量子井戸構造を有するように、交互に積層された複数の井戸層と複数のバリア層とを含んで構成され、電流注入により光を発生する。この量子井戸構造を構成する井戸層及びバリア層は、各々組成が異なるＧａＩｎＡｓＰ又はＡｌＧａＩｎＡｓからなる。

屈折率可変導波路４２は、光導波層４２０を有する。光導波層４２０は、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰから成る。光導波層４２０のバンドギャップ波長は、ＤＦＢ領域４０の活性層４１０のバンドギャップ波長より短い。換言すれば、光導波層４２０のバンドギャップエネルギーは、ＤＦＢ領域４０の活性層４１０のバンドギャップエネルギーより大きい。光導波層４２０のバンドギャップ波長は例えば１．３［μｍ］以下である。これにより、光導波層４２０における光吸収を小さくできるので、レーザ発振閾値を下げることができ、また、レーザ光出力を大きくできる。この光導波層４２０の層厚は、例えば３００［ｎｍ］である。この光導波層４２０は、後述するカソード電極１０３及びアノード電極１２４との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。

活性層４１０及び光導波層４２０の上下には、下部光閉込層４０１及び上部光閉込層４０２が設けられている。下部光閉込層４０１及び上部光閉込層４０２は、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、そのバンドギャップ波長は、活性層４１０及び光導波層４２０のバンドギャップ波長より短い。

下部光閉込層４０１と半導体基板５との間には、下部クラッド層４０３が設けられている。下部クラッド層４０３は、第１導電型の半導体、例えばｎ型ＩｎＰから成る。そして、下部光閉込層４０１と下部クラッド層４０３との界面のうち光導波層４２０の直下に相当する部分には、屈折率可変導波路４２の回折格子４０４が形成されている。なお、回折格子４０４は、本実施形態における第１の回折格子である。

各屈折率可変導波路４２の回折格子４０４は、互いに利得導波路４１によって規定される間隔をあけて光導波方向に並置されており、利得導波路４１には形成されていない。すなわち、下部光閉込層４０１と下部クラッド層４０３との界面においては、回折格子４０４が形成された部分と回折格子４０４が形成されていない部分とからなる単位構造Λｓが複数個形成されている。単位構造Λｓの長さは、例えば２５［μｍ］以上２５０［μｍ］以下の範囲内である。単位構造Λｓ中の回折格子４０４の領域の長さ（すなわち屈折率可変導波路４２の長さ）は、例えば単位構造Λｓ全体の長さの５％ないし５０％である。回折格子４０４の格子周期は複数の屈折率可変導波路４２にわたって一定である。

このような構成により、回折格子４０４はＳＧ構造を有することとなり、反射スペクトルが所定の波長間隔（本実施形態における第１の波長間隔）でもって周期的に変化し、離散的な反射率ピーク波長を有する波長−反射率特性を備えるものとなっている。また、回折格子４０４の反射率ピーク波長は、光導波層４２０に電流が注入されてその屈折率が変化することによってシフトすることができる。この回折格子４０４の作用により、ＤＦＢ領域４０を導波する光のスペクトルは上述した離散的な反射率ピーク波長を有するものとなる。なお、回折格子４０４の格子周期等の具体的な構成については、既述した第１実施形態の回折格子１２１ａと同様である。

ＤＦＢ領域４０は、更に、クラッド層４０５、コンタクト層４１１及び４２１を備えている。クラッド層４０５は、上部光閉込層４０２上に設けられており、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＰから成る。クラッド層４０５のバンドギャップ波長は上部光閉込層４０２のバンドギャップ波長より短い。

コンタクト層４１１は、クラッド層４０５上において利得導波路４１上に相当する部分に設けられている。また、コンタクト層４２１は、クラッド層４０５上において屈折率可変導波路４２上に相当する部分に設けられている。コンタクト層４１１及び４２１は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓから成る。

なお、図示しないが、活性層４１０、光導波層４２０、下部光閉込層４０１、上部光閉込層４０２、クラッド層４０５、並びにコンタクト層４１１及び４２１は、半導体基板５の主面５ａ上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。そして、このストライプメサ構造の両側面には、図示しない半絶縁性領域が設けられている。半絶縁性領域は、例えばＦｅがドープされた半絶縁性（高抵抗）のＩｎＰから成り、上記ストライプメサ構造の両側面を埋め込んでいる。

コンタクト層４１１上には、複数のアノード電極４１２が設けられている。複数のアノード電極４１２は、本実施形態における利得用電極であり、複数の利得導波路４１に電流を注入するための電極である。また、コンタクト層４２１上には、複数のアノード電極４２２が設けられている。複数のアノード電極４２２は、本実施形態における屈折率変化用電極であり、複数の利得導波路４１とは独立して複数の屈折率可変導波路４２に電流を注入するための電極である。複数のアノード電極４１２は、複数の利得導波路４１それぞれの上に形成された各コンタクト層４１１上にそれぞれ配置されており、複数のアノード電極４２２は、複数の屈折率可変導波路４２それぞれの上に形成された各コンタクト層４２１上にそれぞれ配置されている。アノード電極４１２及び４２２は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層４１１，４２１との間でオーミック接触を実現する。また、半導体基板５の裏面５ｂ上には、カソード電極４０６が設けられている。カソード電極４０６は、アノード電極４１２及び４２２と対になる電極であり、アノード電極４１２と協働して利得導波路４１に電流を注入し、またアノード電極４２２と協働して屈折率可変導波路４２に電流を注入する。カソード電極４０６は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板５との間でオーミック接触を実現する。

なお、光導波方向におけるＤＦＢ領域４０の端面には、図示しないＡＲ膜が設けられており、この端面からレーザ光が取り出される。このＡＲ膜の反射率は例えば０．１％である。

ＤＢＲ領域５０は、屈折率変化層５０１、下部光閉込層５０２、上部光閉込層５０３、クラッド層５０４及び５０５、コンタクト層５０６、カソード電極５０７、及びアノード電極５０８を有する。

屈折率変化層５０１は、ＤＢＲ領域５０における光導波路を構成しており、ＤＦＢ領域４０の利得導波路４１及び屈折率可変導波路４２と光学的に結合されている。屈折率変化層５０１は、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰから成る。屈折率変化層５０１のバンドギャップ波長は、ＤＦＢ領域４０の活性層４１０のバンドギャップ波長より短い。屈折率変化層５０１は、カソード電極５０７及びアノード電極５０８との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。

下部光閉込層５０２及び上部光閉込層５０３は、屈折率変化層５０１の上下に設けられている。下部光閉込層５０２及び上部光閉込層５０３は、例えばアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、そのバンドギャップ波長は、屈折率変化層５０１のバンドギャップ波長より短い。なお、下部光閉込層５０２及び上部光閉込層５０３は、ＤＦＢ領域４０の下部光閉込層４０１及び上部光閉込層４０２とそれぞれ一体のものであってもよい。

下部クラッド層５０４は、下部光閉込層５０２と半導体基板５との間に設けられている。下部クラッド層５０４は、第１導電型の半導体、例えばｎ型ＩｎＰから成る。そして、下部光閉込層５０２と下部クラッド層５０４との界面には、本実施形態における第２の回折格子であるＳＳＧ構造５０９が、屈折率変化層５０１に沿って形成されている。このＳＳＧ構造５０９は、複数の単位構造Λｒからなり、各単位構造Λｒは波長可変範囲を回折波長とするチャープ回折格子となっている。すなわち、各単位構造Λｒにおけるチャープ回折格子の格子周期は、当該半導体レーザ素子１Ｃの波長可変範囲をλ_１〜λ_２（λ_１＜λ_２）、群屈折率をｎ_ｅとすると、下の数式（２）に示されるΛ_１からΛ_２までの範囲となる。

ＤＢＲ領域５０は、このＳＳＧ構造５０９を有することによって、反射スペクトルが所定の波長間隔（本実施形態における第２の波長間隔）でもって周期的に変化し、離散的な反射率ピーク波長を有する波長−反射率特性を備えるものとなっている。また、ＳＳＧ構造５０９の反射率ピーク波長は、後述するカソード電極５０７とアノード電極５０８との間に流れる電流の大きさに応じて屈折率変化層５０１の屈折率が変化することによってシフトすることができる。なお、ＳＳＧ構造５０９による反射スペクトルの反射率ピーク波長同士の間隔は、ＤＦＢ領域４０の回折格子４０４による反射スペクトルの反射率ピーク波長同士の間隔と異なるように設計される。換言すれば、回折格子４０４の単位構造Λｓの光路長と、ＳＳＧ構造５０９の単位構造Λｒの光路長とは互いに異なっている。

クラッド層５０５は、上部光閉込層５０３上に設けられており、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＰから成る。クラッド層５０５のバンドギャップ波長は上部光閉込層５０３のバンドギャップ波長より短い。なお、クラッド層５０４及び５０５は、ＤＦＢ領域４０のクラッド層４０３及び４０５とそれぞれ一体のものであってもよい。

コンタクト層５０６は、クラッド層５０５上に設けられている。コンタクト層５０６は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓから成る。

なお、ＤＢＲ領域５０においても、屈折率変化層５０１、下部光閉込層５０２、上部光閉込層５０３、クラッド層５０５、及びコンタクト層５０６は、半導体基板５の主面５ａ上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。そして、このストライプメサ構造の両側面は、例えばＦｅがドープされた半絶縁性（高抵抗）のＩｎＰから成る半絶縁性領域によって埋め込まれている。

アノード電極５０８は、コンタクト層５０６上に設けられている。アノード電極５０８は、屈折率変化層５０１に電流を注入するための電極である。アノード電極５０８は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層５０６との間でオーミック接触を実現する。また、カソード電極５０７は、半導体基板５の裏面５ｂ上に設けられている。カソード電極５０７は、アノード電極５０８と対になる電極であり、アノード電極５０８と協働して屈折率変化層５０１に電流を注入する。カソード電極５０７は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板５との間でオーミック接触を実現する。カソード電極５０７は、ＤＦＢ領域４０のカソード電極４０６と一体のものとして形成されてもよい。

なお、光導波方向におけるＤＢＲ領域５０の端面にも、図示しないＡＲ膜が設けられている。このＡＲ膜の反射率は例えば０．１％である。

位相調整領域６０は、屈折率変化層６０１、下部光閉込層６０２、上部光閉込層６０３、クラッド層６０４及び６０５、コンタクト層６０６、カソード電極６０７、及びアノード電極６０８を有する。これらの構成要素のうち、屈折率変化層６０１、上部光閉込層６０３、クラッド層６０５、コンタクト層６０６、カソード電極６０７、及びアノード電極６０８の構成に関しては、既述したＤＢＲ領域５０の構成と同様である。また、下部光閉込層６０２及びクラッド層６０４の構成に関しては、これらの界面に回折格子が形成されていないことを除いて、ＤＢＲ領域５０の構成と同様である。

以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ｃは、例えば次のようにして好適に作製される。まず、半導体基板５の主面５ａ上に、クラッド層４０３，５０４及び６０４となる半導体層と、下部光閉込層４０１、５０２及び６０２となる半導体層をエピタキシャル成長させる。続いて、その上にＳｉＯ_２膜を成膜し、このＳｉＯ_２膜のうち光導波路に相当する部分にストライプ状の開口を形成する。このとき、光導波方向と直交する方向における開口の幅を、利得導波路４１では広く、屈折率可変導波路４２では狭くなるように形成する。

このＳｉＯ_２膜を選択マスクとして、ストライプ状の開口に、例えばＧａＩｎＡｓＰ等をＭＯＶＰＥ法により成長させる。開口幅が狭い箇所ではＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギーが大きくなり、開口幅が広い箇所ではＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップエネルギーが小さくなる。したがって、利得導波路４１には低バンドギャップの活性層４１０を、屈折率可変導波路４２には活性層４１０からの光に対して透明な光導波層４２０を、それぞれ好適に形成できる。また、これらと同時に、屈折率変化層５０１及び６０１が形成される。

その後、上部光閉込層４０２，５０３及び６０３と、クラッド層４０５，５０５及び６０５と、コンタクト層４１１，４２１，５０６及び６０６とを順に形成する。そして、カソード電極４０６，５０７及び６０７と、アノード電極４１２，４２２，５０８及び６０８とを形成することにより、本実施形態の半導体レーザ素子１Ｃが作製される。

本発明による半導体レーザ素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態ではＤＢＲ領域の具体的構成として超周期回折格子（ＳＳＧ）構造及びサンプルドグレーティング（ＳＧ）構造を例示したが、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を実現し得る構造であれば、他の構造を適用してもよい。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…半導体レーザ素子、３…半導体基板、１０…ＤＦＢ領域、１１…利得導波路、１２…屈折率可変導波路、２０…ＤＢＲ領域、３０…位相調整領域、１０１，２０３，３０３…クラッド層、１０２ａ，１０２ｂ，２０７ａ，２０７ｂ，３０７ａ，３０７ｂ…半絶縁性領域、１０３，２０５，３０５…カソード電極、１０４…絶縁膜、１１０…活性層、１１１，１１２…光閉込層、１１３，１２３，２０４，３０４…コンタクト層、１１４，１２４，１２４，２０６，３０６…アノード電極、１１５，１２５…配線パターン、１２０，３０１…光導波層、１２１，２０２，２０２，３０２…回折格子層、１２１ａ…（第１の）回折格子、１２５…配線パターン、２０１…屈折率変化層、２０２ａ…ＳＳＧ構造（第２の回折格子）。

Claims (8)

1. 第１の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有すると共に、電流注入により光を発生する第１の反射領域と、
   所定の光軸方向に前記第１の反射領域と並設して配置され、前記第１の波長間隔とは異なる第２の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有する第２の反射領域とを備え、
   前記第１の反射領域は、
   回折格子が形成されていない複数の利得導波路と、第１の回折格子が形成された複数の屈折率可変導波路とを有し、前記利得導波路と前記屈折率可変導波路とは、所定の周期で前記光軸方向に交互に配設されており、
   前記第２の反射領域は、
   電流注入により屈折率が変化する屈折率変化層と、
   前記屈折率変化層に沿って設けられた第２の回折格子とを有する
   ことを特徴とする、半導体レーザ素子。
2. 前記複数の屈折率可変導波路のバンドギャップ波長が、前記複数の利得導波路のバンドギャップ波長より短いことを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記第１の回折格子の格子周期が前記複数の屈折率可変導波路にわたって一定であることを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記第１の回折格子が位相シフト部を含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
5. 前記第１の反射領域が、
   前記複数の利得導波路に電流を注入するための複数の利得用電極と、
   前記利得導波路とは独立して前記複数の屈折率可変導波路に電流を注入するための複数の屈折率変化用電極とを更に備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記第１の反射領域が、
   前記複数の利得用電極を相互に繋ぐ利得用配線パターンと、
   前記複数の屈折率変化用電極を相互に繋ぐ屈折率変化用配線パターンとを更に有する
   ことを特徴とする、請求項５に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記第１の回折格子の結合係数が、前記第２の回折格子の結合係数より大きいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子を作製する方法であって、
   前記半導体基板上に、前記複数の屈折率可変導波路及び前記屈折率変化層となる第１の半導体層、並びに前記第１及び第２の回折格子となる第２の半導体層を成長させる工程と、
   前記第２の半導体層に前記第１及び第２の回折格子を形成する工程と、
   前記第１及び第２の半導体層のうち前記利得導波路に相当する部分を除去し、該除去部分に前記利得導波路となる第３の半導体層を成長させる工程とを備える
   ことを特徴とする、半導体レーザ素子の作製方法。

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