JP2011049317A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力波長が大きく変動するような状態であっても本来の出力波長を維持できる半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ装置は、半導体基板上に設けられ、利得導波路を含む第１の光導波路を有するレーザダイオード（半導体レーザ領域１０）と、第１の光導波路と光結合された３つのフォトダイオード（２つのフォトダイオード構造２２及び一つのフォトダイオード素子）と、一つのフォトダイオード構造２２と第１の光導波路との間に光結合されたリング共振器（光導波路２１３）と、フォトダイオード素子と第１の光導波路との間に光結合されたエタロンフィルタとを備える。そして、リング共振器（光導波路２１３）の波長−透過率特性の繰り返し周期は、エタロンフィルタの波長−透過率特性の繰り返し周期より長く設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザ装置に関するものである。

特許文献１，２には、光通信システムに使用されるレーザ素子が開示されている。特許文献１に記載されたレーザ素子は、互いに光路長が異なる複数のリング共振器が連結された多重リング共振器と、この多重リング共振器にレーザ光を入力し、且つ取り出す光入出力手段とを備えている。そして、多重リング共振器の複数のリング共振器毎に光透過率の繰り返し周期に相当する共振周波数間隔（ＦＳＲ；Free Spectral Range）が異なっており、そのバーニア効果を利用して共振波長を制限している。また、リング共振器のスルーポートにおける光量を検出することにより共振波長をモニタし、そのモニタ結果に基づいて多重リング共振器の共振波長を制御している。

また、特許文献２に記載されたレーザ素子では、利得領域の前後にリング共振器が結合されている。これらのリング共振器はＦＳＲが互いに異なっており、バーニア効果を利用して共振波長を制限している。

非特許文献１には、波長可変型のＤＦＢレーザ素子と波長ロッカーとを一つのパッケージ内に収めた構成を有するレーザモジュールが開示されている。このレーザモジュールが備える波長ロッカーは、ＤＦＢレーザ素子の背面光を二つに分岐し、その一方をフォトダイオードにより検出し、他方をエタロンフィルタを介して別のフォトダイオードにより検出し、これらの検出信号に基づいてＤＦＢレーザ素子の出力波長を制御している。

特開２００６−２４５３４６号公報 特開２００８−０６６３１８号公報

木本ほか７名，「高信頼性，波長ロッカー内蔵４０ｍＷ，２５ＧＨｚ×２０ｃｈ，波長可変ＤＦＢレーザモジュール」，古河電工時報，第１１２号，平成１５年７月，ｐ．１−４

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分割多重（ＷＤＭ）伝送システムが構築されている。そして、伝送量を更に増大するために、信号光同士の波長間隔をより狭めることが望まれている。現在実用化されているＷＤＭ伝送システムでは、互いに出力波長が異なる複数の半導体レーザ素子が送信器に用いられているが、各半導体レーザ素子の出力波長は素子温度や経年変化によって変動する。このような出力波長の変動を抑え、信号光の波長間隔をより狭めるために、半導体レーザ素子の出力波長をモニタして、そのモニタ結果に基づいて出力波長を一定に制御する、いわゆる波長ロッカーが用いられている。

しかしながら、例えば特許文献１，２記載発明のようにバーニア効果を利用した波長ロッカーは、出力波長の比較的狭い範囲での変動にしか対処できないという問題がある。すなわち、バーニア効果の為に用いられるリング共振器等の波長選択フィルタは何れもＦＳＲが狭く、出力波長がＦＳＲを超えて変動した場合には、本来の出力波長に対応する波長選択フィルタの透過ピーク（又は反射ピーク）とは異なる透過ピーク（反射ピーク）に合致するように出力波長が制御されてしまう。このように、バーニア効果を利用した波長ロッカーでは、出力波長の変動幅が大きくなると本来の波長とは異なる波長の光が出力されてしまうこととなり、波長安定性が損なわれてしまう。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、出力波長が大きく変動するような状態であっても本来の出力波長を維持できる半導体レーザ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明による半導体レーザ装置は、半導体基板上に設けられ、利得導波路を含む第１の光導波路を有するレーザダイオードと、第１の光導波路と光結合された３つ以上のフォトダイオードと、３つ以上のフォトダイオードのうち一つのフォトダイオードと第１の光導波路との間に光結合され、周期的な波長−透過率特性を有する第１の波長選択フィルタと、３つ以上のフォトダイオードのうち他の一つのフォトダイオードと第１の光導波路との間に光結合され、周期的な波長−透過率特性を有する第２の波長選択フィルタとを備え、第１の波長選択フィルタの波長−透過率特性の繰り返し周期が、第２の波長選択フィルタの波長−透過率特性の繰り返し周期より長いことを特徴とする。

上記した半導体レーザ装置においては、レーザダイオードの利得導波路において発生した光が、第１の光導波路内部を共振することによりレーザ光として出力される。このレーザ光の一部は、第１の光導波路と光結合された３つ以上のフォトダイオードにより検出される。このとき、第１の波長選択フィルタと光結合されたフォトダイオードでは、第１の波長選択フィルタによって波長選択された光が検出される。同様に、第２の波長選択フィルタと光結合されたフォトダイオードでは、第２の波長選択フィルタによって波長選択された光が検出される。この半導体レーザ装置において、レーザダイオードから出力されるレーザ光の波長は、主に第２の波長選択フィルタを介して検出された光の強度に基づいて制御される。

ここで、第１の波長選択フィルタの波長−透過率特性の繰り返し周期は、第２の波長選択フィルタの波長−透過率特性の繰り返し周期より長くなっている。従って、例えば素子温度や経年変化により、第２の波長選択フィルタの繰り返し周期に相当する波長分を超えて出力波長が変動した場合であっても、第１の波長選択フィルタを通過した光の強度をモニタすることによって、当該事実を認識し、波長の変動分を修正することができる。すなわち、上述した半導体レーザ装置によれば、出力波長が大きく変動するような状態であっても、本来の出力波長を好適に維持できる。

また、半導体レーザ装置は、第１の波長選択フィルタがリング共振器であることを特徴としてもよい。リング共振器は、リングの径に応じて様々なＦＳＲ（波長−透過率特性の繰り返し周期と同義）を実現できる光学要素であり、リングの径を小さくすることによって広いＦＳＲを容易に得ることができる。したがって、本発明における第１の波長選択フィルタの波長−透過率特性を容易に実現できる。

また、半導体レーザ装置は、レーザダイオードが、第１の光導波路の屈折率より小さい屈折率を有しており第１の光導波路の光軸と交差することにより第１の光導波路の反射端面を構成する一対の膜を更に有し、第１の波長選択フィルタが半導体基板上に形成されており、第１の波長選択フィルタの一端が一対の膜を介してレーザダイオードの第１の光導波路と光結合されていることを特徴としてもよい。

この半導体レーザ装置においては、上記一対の膜が光反射機能を有しており、レーザダイオードの利得導波路において発生した光は、第１の光導波路を伝搬して一対の膜によって反射される。これにより、第１の光導波路内を光が共振し、一対の膜とは反対側の第１の光導波路の端面からレーザ光として出力される。また、この一対の膜に到達した光の一部は、一対の膜を透過して第１の波長選択フィルタに達する。この光は、第１の波長選択フィルタを通過してフォトダイオードにより検出される。すなわち、この半導体レーザ装置によれば、レーザ光出力端面とは反対側の第１の光導波路の端から光を好適にモニタすることができる。また、第１の波長選択フィルタが半導体基板上に形成されているので、装置の小型化にも寄与できる。

また、半導体レーザ装置は、一対の膜が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、及びベンゾシクロブテン樹脂のうち少なくとも一つを含むことを特徴としてもよい。これらの材料は半導体より屈折率が小さいので、第１の光導波路の屈折率より小さい屈折率を有する一対の膜を好適に実現できる。

また、半導体レーザ装置は、第２の波長選択フィルタ及び該第２の波長選択フィルタと光結合されたフォトダイオードが半導体基板とは別に設けられていることを特徴としてもよい。これにより、種々の波長選択フィルタを第２の波長選択フィルタとして利用でき、波長−透過率特性の繰り返し周期を設定する自由度が高まる。また、この場合、第２の波長選択フィルタはエタロンフィルタであることが好ましい。エタロンフィルタは、リング共振器といった他の波長選択フィルタと比較してＦＳＲが狭く、第２の波長選択フィルタとして好適である。

また、半導体レーザ装置は、レーザダイオードが、格子間隔が第１の光導波路の光導波方向に変化しており第１の光導波路に沿って形成された回折格子、及び第１の光導波路の光導波方向に並設された複数の電極を有し、利得導波路の一端側に設けられた光反射部と、利得導波路の他端側に設けられ、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有する光透過部と、第１の光導波路の光路長を能動的に制御するための位相調整部とを有することを特徴としてもよい。これにより、レーザダイオードを波長可変型にできるので、伝送量が増大する近年のＷＤＭ伝送システムにおいて、更に効率的なシステム運用を可能にできる。

また、半導体レーザ装置は、光透過部が、第１の光導波路によって構成されたリング共振器を含むことを特徴としてもよい。これにより、所定の波長間隔でもって周期的に変化する光透過部の波長−透過率特性を好適に実現できる。

また、半導体レーザ装置は、レーザダイオードが分布帰還型レーザ構造を有することを特徴としてもよい。

本発明の半導体レーザ装置によれば、出力波長が大きく変動するような状態であっても本来の出力波長を維持できる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ装置１の構成を示す概略構成図である。 図２は、（波長ロッカー集積型）半導体レーザ素子２Ａの構成を示す平面図である。 図３は、図２に示した半導体レーザ素子２ＡのIII−III線に沿った側断面図である。 図４（ａ）は、図３に示す半導体レーザ領域１０のIVａ−IVａ線に沿った断面図であり、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの構造を示している。図４（ｂ）は、図３に示す半導体レーザ領域１０のIVｂ−IVｂ線に沿った断面図であり、可変ＤＢＲ領域１０ｂの構造を示している。 図５（ａ）は、利得領域１０ａの発光スペクトルの一例を示すグラフである。図５（ｂ）は、複数のアノード電極１２４の一つから光導波層１２０及び回折格子層１２１へ電流を供給した場合における、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射スペクトルの一例を示すグラフである。 図６（ａ）は、半導体レーザ領域１０のVIａ−VIａ線に沿った断面図であり、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの構造を示している。図６（ｂ）は、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトルの一例を示すグラフである。 図７（ａ）は、図３に示された反射端面領域１０ｆを拡大して示す側断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示された反射端面領域１０ｆのVIIｂ−VIIｂ線に沿った断面図である。 図８は、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂから成る膜構造が上記寸法および屈折率を有する場合における、波長−反射率特性の理論値を示すグラフである。 図９（ａ）は、波長モニタ領域２０の構成を示す平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した波長モニタ領域２０のIXｂ−IXｂ線に沿った断面図であり、波長モニタ領域２０が有する複数のフォトダイオード構造２２のうち一つの構成を示している。図９（ｃ）は、リング共振器の寸法例を示す図である。 図１０は、光導波路２１１，２１３によって構成される各リング共振器を上記寸法で設計した場合における、透過スペクトルの一例を示すグラフである。 図１１は、半導体レーザ素子２Ａから出力されるレーザ光の波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。 図１２は、制御回路１７における処理の概要を説明するための図である。 図１３は、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザ装置が備える、（波長ロッカー集積型）半導体レーザ素子２Ｂの構成を示す平面図である。 図１４は、図１３に示した半導体レーザ素子２ＢのXIV−XIV線に沿った側断面図である。 図１５は、半導体レーザ素子２Ｂから出力されるレーザ光の波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。 図１６は、本発明の第３実施形態に係る半導体レーザ装置が備える、（波長ロッカー集積型）半導体レーザ素子２Ｃの構成を示す平面図である。

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装置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）
本発明に係る半導体レーザ装置の第１実施形態について説明する。図１を参照すると、本実施形態の半導体レーザ装置１は、半導体レーザ素子２Ａ、レンズ３、光アイソレータ４、ビームスプリッター５、エタロンフィルタ６、及びフォトダイオード素子７を備えている。

半導体レーザ素子２Ａは、いわゆる波長ロッカー集積型の半導体レーザ素子であり、任意の波長のレーザ光Ｌａを発生する波長可変型の半導体レーザ領域（レーザダイオード）と、レーザ光Ｌａの波長をモニタするための波長モニタ領域とが共通の半導体基板上に形成されて成る。

レンズ３は、半導体レーザ素子２Ａから出射されたレーザ光Ｌａをコリメートするための光学要素であり、半導体レーザ素子２Ａの光出射端と光学的に結合されている。光アイソレータ４は、半導体レーザ素子２Ａへのレーザ光Ｌａの反射戻り光を除去するための光学要素であり、その入力端はレンズ３を介して半導体レーザ素子２Ａの光出射端と光学的に結合されている。ビームスプリッター５は、光アイソレータ４の出力端と光学的に結合されており、半導体レーザ素子２Ａから到達したレーザ光Ｌａを２本のレーザ光Ｌｏｕｔ，Ｌｍｏｎに分割する。一方のレーザ光Ｌｏｕｔは、半導体レーザ装置１に結合された光ファイバＦへ出力される。他方のレーザ光Ｌｍｏｎは、エタロンフィルタ６を通過したのちフォトダイオード素子７の受光面に入射する。

エタロンフィルタ６は、本実施形態における第２の波長選択フィルタであり、周期的な波長−透過率特性を有する。エタロンフィルタ６は、フォトダイオード素子７と半導体レーザ素子２Ａの光出射端との間に光学的に結合されている。フォトダイオード素子７は、半導体レーザ装置１が備える３つ以上のフォトダイオードの一部を構成しており、エタロンフィルタ６を通過した所定波長のレーザ光Ｌｍｏｎを受光し、その光強度に応じた電気信号を出力する。なお、この電気信号は、半導体レーザ装置１の外部に設けられる制御回路に提供され、半導体レーザ素子２Ａの半導体レーザ領域の出力波長の制御に使用される。また、本実施形態において、エタロンフィルタ６及びフォトダイオード素子７は半導体レーザ素子２Ａとは独立した別個の光学素子として設けられ、半導体レーザ素子２Ａの半導体基板上に設けらた波長モニタ領域とはこの点で相違している。

次に、半導体レーザ素子２Ａの内部構造について説明する。図２及び図３を参照すると、半導体レーザ素子２Ａは、レーザダイオードとしての半導体レーザ領域１０と、波長モニタ領域２０とを備えている。半導体レーザ領域１０は、波長可変型の半導体レーザ構造を有しており、利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、増幅領域１０ｃ、リング共振器領域１０ｄ、位相調整領域（位相調整部）１０ｅ、及び反射端面領域１０ｆによって構成されている。波長モニタ領域２０は、半導体レーザ領域１０の反射端面領域１０ｆを透過した背面光の強度を、リング共振器を介して、又はそのまま検出する。この波長モニタ領域２０から得られたモニタ結果は、半導体レーザ装置１の外部に設けられる制御回路に提供され、半導体レーザ領域１０の出力波長の制御に使用される。

半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０は、図２に示すように互いに共通の半導体基板８上に形成されており、光導波方向に並んで設けられている。光導波方向における半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０の好適な長さは、それぞれ１５００［μｍ］、及び１０００［μｍ］である。なお、半導体基板８は、例えばｎ型ＩｎＰから成り、半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０において下部クラッドとして機能する。

また、半導体基板８の裏面側には、後述するカソード電極９を挟んで冷却構造物３０が設けられている。冷却構造物３０は、例えばヒートシンクとして機能する一対の金属板と、該一対の金属板間に設けられて熱の移動を行うペルチェ素子とを含んで構成され、半導体基板８及びその主面上の積層構造の温度を一定に維持する。

まず、図２，図３及び図４を参照して、半導体レーザ領域１０が有する利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、及び増幅領域１０ｃの構成について説明する。図４（ａ）は、図３に示す半導体レーザ領域１０のIVａ−IVａ線に沿った断面図であり、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの構造を示している。また、図４（ｂ）は、図３に示す半導体レーザ領域１０のIVｂ−IVｂ線に沿った断面図であり、可変ＤＢＲ領域１０ｂの構造を示している。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）では、冷却構造物３０（図３）の図示を省略している。

利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃは、半導体基板８上に設けられた光導波層１１０と、光導波層１１０上に設けられた上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３とを備えている。光導波層１１０は、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成しており、特に利得領域１０ａの光導波層１１０は、本実施形態における利得導波路に相当する。光導波層１１０は、半導体基板８よりバンドギャップ波長が長い（すなわちバンドギャップが小さい）半導体によって構成され、半導体基板８の主面に沿った光導波方向に延在している。光導波層１１０は、例えば半導体基板８上に設けられた下部光閉じ込め層と、下部光閉じ込め層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた上部光閉じ込め層とを含んで構成される。

一実施例では、下部光閉じ込め層及び上部光閉じ込め層はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、活性層はＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。活性層の組成は、例えば１．５２［μｍ］〜１．５７［μｍ］の光を発生（または増幅）するように調整される。ここで、図５（ａ）は、利得領域１０ａの発光スペクトルの一例を示すグラフである。図５（ａ）において、縦軸は光強度を示し、横軸は波長を示している。図５（ａ）に示すように、利得領域１０ａは比較的広い波長域にわたって光を発生させる。光導波層１１０の厚さは、例えば０．３［μｍ］である。

また、上部クラッド層１１２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１１３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。

光導波層１１０、上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３は、半導体基板８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（図４（ａ）を参照）。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。そして、このストライプメサ構造の両側面には、半絶縁性領域１０２が設けられている。半絶縁性領域１０２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１０２は、半導体基板８のうち上記ストライプメサ構造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。

利得領域１０ａのコンタクト層１１３上にはアノード電極１１４が設けられており、増幅領域１０ｃのコンタクト層１１３上にはアノード電極１１５が設けられている。アノード電極１１４及び１１５は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１１３との間でオーミック接触を実現する。また、半導体基板８の裏面上には、カソード電極９が設けられている。カソード電極９は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板８との間でオーミック接触を実現する。アノード電極１１４及び１１５とカソード電極９とは、互いに協働して光導波層１１０に電流を注入する。なお、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの上面のうちアノード電極１１４，１１５を除く領域は、例えばＳｉＯ_２から成る絶縁膜１１によって保護されている。

また、図２及び図３に示すように、光導波方向における増幅領域１０ｃの端面（すなわち半導体レーザ領域１０の光出射端）には、反射防止（ＡＲ：Anti Reflection）膜１０５が設けられている。このＡＲ膜１０５の反射率は、例えば０．１％である。

可変ＤＢＲ領域１０ｂは、本実施形態における光反射部を構成する。可変ＤＢＲ領域１０ｂは、利得領域１０ａの光導波層１１０の一端側に設けられており、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有する。

可変ＤＢＲ領域１０ｂは、半導体基板８上に設けられた光導波層１２０と、光導波層１２０上に設けられた回折格子層１２１、上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３とを備えている。光導波層１２０は、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成する。光導波層１２０のバンドギャップ波長は、利得領域１０ａの活性層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は、後述するカソード電極９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。光導波層１２０は、半導体基板８よりバンドギャップ波長が長い半導体によって構成され、半導体基板８の主面に沿った光導波方向に延在し、その一端は利得領域１０ａの光導波層１１０に結合され、他端は増幅領域１０ｃの光導波層１１０に結合されている。

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。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。

回折格子層１２１と上部クラッド層１２２との界面には、回折格子１２１ａ（図３を参照）が形成されている。回折格子１２１ａは、光導波層１２０に沿って形成されており、その格子間隔が光導波層１２０の光導波方向に変化する、いわゆるチャープ回折格子である。

一実施例では、光導波層１２０及び回折格子層１２１はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、光導波層１２０及び回折格子層１２１の厚さは、例えばそれぞれ０．３［μｍ］、５０［ｎｍ］である。また、上部クラッド層１２２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１２３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。

光導波層１２０、上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの光導波層１１０等と同様、半導体基板８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（図４（ｂ）を参照）。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、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃのストライプメサ構造と同じである。そして、このストライプメサ構造の両側面は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃと共通の半絶縁性領域１０２によって埋め込まれている。

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、コンタクト層１２３上において、互いに所定の間隔をあけて光導波方向に並設されている。複数のアノード電極１２４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１２３との間でオーミック接触を実現する。各アノード電極１２４は、半導体基板８の裏面上に設けられたカソード電極９と協働して、各アノード電極１２４に対応する光導波層１２０の部分に電流を注入する。なお、可変ＤＢＲ領域１０ｂの上面のうち複数のアノード電極１２４を除く領域は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃと共通の絶縁膜１１によって保護されている。

図５（ｂ）に示すグラフＧ１は、複数のアノード電極１２４の一つから光導波層１２０及び回折格子層１２１へ電流を供給した場合における、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射スペクトルの一例を示すグラフである。図５（ｂ）の縦軸は反射率、横軸は波長である。なお、図５（ｂ）に破線で表されたグラフＧ２は、複数のアノード電極１２４の何れにも電流が供給されない場合を示している。

複数のアノード電極１２４の一つに電流が供給されると、当該アノード電極１２４の直下における光導波層１２０及び回折格子層１２１の屈折率が変化し、回折格子１２１ａが有効に作用する。また、屈折率が変化しない他の部分では、回折格子１２１ａは殆ど作用しない。したがって、図５（ｂ）に示すように、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射スペクトルにおいては、電流が供給されたアノード電極１２４の直下に位置する回折格子１２１ａの格子間隔に対応する波長域（図中のＡ部分）の反射率が選択的に高くなる。本実施形態では複数のアノード電極１２４のそれぞれに独立して電流を流すことができるので、任意の一つのアノード電極１２４に電流を流すことにより、所望の波長域での反射率を高め、レーザ発振波長を当該波長域内に制限することができる。なお、同時に電流が供給されるアノード電極１２４は一つとは限らず、二つ以上のアノード電極１２４に電流が供給されてもよい。

続いて、図２，図３及び図６（ａ）を参照して、半導体レーザ領域１０が有するリング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの構成について説明する。図６（ａ）は、半導体レーザ領域１０のVIａ−VIａ線に沿った断面図であり、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの構造を示している。なお、図６（ａ）においても、冷却構造物３０（図３）の図示を省略している。

リング共振器領域１０ｄは、本実施形態における光透過部を構成する。すなわち、リング共振器領域１０ｄは、利得領域１０ａの光導波層１１０の他端側に設けられており、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有する。位相調整領域１０ｅは、半導体レーザ領域１０における光導波路の光路長を能動的に制御するための領域であり、その断面構成はリング共振器領域１０ｄと同様である。

リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅは、図６（ａ）に示すように、半導体基板８上に順に積層された、光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３を有する。更に、リング共振器領域１０ｄはアノード電極１３４を有し、位相調整領域１０ｅはアノード電極１３５を有する。なお、半導体基板８の裏面上に設けられたカソード電極９は、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅのカソード電極としても使用される。また、光導波層１３１と上部クラッド層１３２との間には、可変ＤＢＲ領域１０ｂの回折格子層１２１と同じ組成の半導体層１３６が存在しているが、この半導体層１３６と上部クラッド層１３２との界面は平坦であり、回折格子は形成されていない。

光導波層１３１は、半導体基板８の主面上に設けられ、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅにおける光導波路として機能し、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成している。リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１の一端は、利得領域１０ａの光導波層１１０と光学的に結合されている。また、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１の一端は、リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１の他端と光学的に結合されている。これらの光導波層１３１は、カソード電極９とアノード電極１３４（１３５）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。

一実施例では、光導波層１３１及び半導体層１３６はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、これらの厚さは、例えばそれぞれ０．３［μｍ］、５０［ｎｍ］である。光導波層１３１のバンドギャップ波長は、利得領域１０ａの活性層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。また、上部クラッド層１３２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１３３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１３２及びコンタクト層１３３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。

光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３は、光導波に適した幅にエッチングされてメサ構造を呈している。そして、その上面及び両側面は、例えばＳｉＯ_２から成る絶縁膜１３によって保護されている。絶縁膜１３は、このメサ構造の両側面から半導体基板８の主面上にわたって設けられている。絶縁膜１３の膜厚は、例えば０．３［μｍ］である。

絶縁膜１３上には、メサ構造の両側面に沿って樹脂層１５が設けられている。樹脂層１５は、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂から成り、その層厚は例えば１［μｍ］〜２［μｍ］である。

アノード電極１３４及び１３５は、コンタクト層１３３上に設けられており、例えばＡｕＺｎを含んで構成され、コンタクト層１３３との間でオーミック接触を実現する。アノード電極１３４及び１３５は、カソード電極９と協働して、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの各光導波層１３１に電流を注入する。

リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１は、図２に示すように、利得領域１０ａのレーザ光軸上に延設された導波路部分１３１ａと、該導波路部分１３１ａと多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラによって結合されたリング状部分１３１ｂと、該リング状部分１３１ｂとＭＭＩカプラによって結合された導波路部分１３１ｃとを含む。導波路部分１３１ｃの一端（すなわちリング共振器の他端）は、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１と光学的に結合されている。

このように、光導波層１３１がリング共振器を構成することによって、透過スペクトルが所定の波長間隔でもって周期的に変化し、離散的な透過率ピーク波長を有する波長−透過率特性が実現される。ここで、図６（ｂ）は、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトルの一例を示すグラフである。図６（ｂ）において、縦軸は光透過率を示し、横軸は波長を示している。図６（ｂ）に示すように、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトルは透過ピークＰを複数有しており、その間隔は例えば４．５［ｎｍ］である。また、各透過ピークＰのピーク透過率は例えば４０％以上８５％以下である。

また、このリング共振器の透過率ピーク波長は、カソード電極９とアノード電極１３４との間に流れる電流の大きさに応じて光導波層１３１の屈折率が変化することによってシフトする。このリング共振器の作用により、利得領域１０ａからリング共振器領域１０ｄへ到達した光のうち上記透過ピークＰに相当する波長成分が、位相調整領域１０ｅへ向けて選択的に透過され、当該波長成分のみがレーザ発振に寄与することとなる。

また、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１は、カソード電極９とアノード電極１３５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。この光導波層１３１の屈折率変化により、位相調整領域１０ｅにおける光路長が変化し、ひいては当該半導体レーザ領域１０の共振器長が変化する。したがって、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１への電流注入量を調節することで、半導体レーザ領域１０の縦モードを調整することができる。

続いて、図７を参照して、半導体レーザ領域１０が有する反射端面領域１０ｆの構成について説明する。図７（ａ）は、図３に示された反射端面領域１０ｆを拡大して示す側断面図である。また、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示された反射端面領域１０ｆのVIIｂ−VIIｂ線に沿った断面図である。反射端面領域１０ｆは、後述する一対の膜１３７ａ及び１３７ｂを有することによって、半導体レーザ領域１０の反射端面を構成する。

図７（ａ）に示すように、反射端面領域１０ｆは、半導体基板８上に順に積層された、光導波層１３１、半導体層１３６、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３を有する。なお、これらの層の構成は、既述した位相調整領域１０ｅと同様である。また、光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３がメサ構造を呈しており、その両側面が絶縁膜１３によって保護され、メサ構造の両側面に沿って樹脂層１５が設けられている点も位相調整領域１０ｅと同様である。光導波層１３１は、反射端面領域１０ｆにおける光導波路として機能し、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成している。光導波層１３１の一端は、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１の他端と光学的に結合されている。

反射端面領域１０ｆは、光導波層１３１を遮るように設けられた一対の膜１３７ａ及び１３７ｂを有する。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光導波層１３１と交差するように、光導波層１３１の光軸に垂直な面方向に延在している。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光軸方向に所定の間隔をあけて形成され、互いに対向している。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光導波層１３１の屈折率より小さい屈折率を有する膜材料であって光導波層１３１を伝搬する光（波長１．５〜１．６［μｍ］）を吸収しないもの、例えばＳｉＯ_２、ＳｉＮ、及びＢＣＢ樹脂のうち少なくとも一つを含んで構成される。このような一対の膜１３７ａ及び１３７ｂが光導波層１３１の光軸と交差することにより、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光導波層１３１を含む第１の光導波路の反射端面を構成する。

一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの反射率は、光軸方向における膜１３７ａ及び１３７ｂの厚さｔと、膜１３７ａ及び１３７ｂを構成する材料の屈折率とによって決定される。なお、膜１３７ａ及び１３７ｂの厚さｔが小さすぎるとその形成が難しくなり、大きすぎると光の損失が増してしまう。

光軸方向における一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの厚さｔは、例えば８０７．３［ｎｍ］である。また、光軸方向と直交する面内での一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの幅Ｗは例えば５［μｍ］であり、半導体基板８の主面に垂直な方向の高さＨは例えば５［μｍ］である。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂ同士の間隔Ｄは、光の波長が１．５５［μｍ］帯である場合、間隔は例えば３２５．６［ｎｍ］である。なお、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂがＳｉＯ_２から成る場合、波長１．５５［μｍ］の光に対する屈折率は１．４４４となる。なお、同波長の光に対する光導波層１３１の実効屈折率は、例えば３．５７である。

図８は、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂから成る膜構造が上記寸法および屈折率を有する場合における、波長−反射率特性の理論値を示すグラフである。図８に示すように、膜１３７ａ及び１３７ｂから成る膜構造は、広い波長範囲にわたって反射率が高い波長−反射率特性を有しており、第１の光導波路を伝搬する光に対して高い反射率を有するＨＲ（High Reflection）膜として機能する。この一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの作用によって、光反射端面を有する光共振器が好適に実現される。

続いて、図２，図３及び図９を参照して、波長モニタ領域２０の構成について説明する。図９（ａ）は、波長モニタ領域２０の構成を示す平面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）に示した波長モニタ領域２０のIXｂ−IXｂ線に沿った断面図であり、波長モニタ領域２０が有する二つのフォトダイオード構造２２のうち一つの構成を示している。なお、図９（ｂ）においても、冷却構造物３０（図３）の図示を省略している。

波長モニタ領域２０は、光導波路２１と、二つのフォトダイオード構造２２とを有する。光導波路２１は、上述した一対の膜１３７ａ，１３７ｂを介して半導体レーザ領域１０の第１の光導波路（光導波層１１０，１２０，及び１３１）と光学的に結合されている。なお、光導波路２１の光軸に垂直な断面での波長モニタ領域２０の構成は、既述したリング共振器領域１０ｄ（図６（ａ）を参照。光導波層１３１が光導波路２１に相当）と同様なので、詳細な説明を省略する。

図９（ａ）に示すように、光導波路２１は２本の光導波路２１２，２１３に分岐している。そして、一方の光導波路２１３は、直線状の導波路部分２１３ａと、該導波路部分２１３ａと多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラによって結合されたリング状部分２１３ｂとを含んでいる。これにより、光導波路２１３は一つのリング共振器を構成する。このリング共振器は、本実施形態における第１の波長選択フィルタである。なお、導波路部分２１３ａの他端は、一つのフォトダイオード構造２２に結合されている。また、リング共振器を構成しない光導波路２１２の他端は、別のフォトダイオード構造２２に結合されている。

このように、光導波路２１３がリング共振器を構成することにより、光導波路２１３において、透過スペクトルが所定の波長間隔でもって周期的に変化し、離散的な透過率ピーク波長を有する波長−透過率特性が実現される。ここで、図９（ｃ）にリング共振器のモデルを示す。図９（ｃ）に示すリング共振器のＭＭＩ長Ｌ及び曲げ半径Ｒに関し、光導波路２１３ではそれぞれ５０［μｍ］及び１０［μｍ］と設定する。

図１０は、光導波路２１３によって構成されるリング共振器の透過スペクトル特性と、前述したエタロンフィルタ６（図１参照）の透過スペクトル特性の一例を示すグラフである。図１０において、縦軸は光透過率を示し、横軸は波長を示している。図１０に示すように、エタロンフィルタ６の透過スペクトル特性（グラフＧ３）では、透過ピークＰ１が周期的に繰り返されている。その繰り返し周期はＷＤＭ伝送システムにおける波長グリッドに応じた周期（好ましくは、波長グリッドと同じか又はその半分）であり、例えば周波数換算で５０［ＧＨｚ］である。また、光導波路２１３によって構成されるリング共振器の透過スペクトル特性（グラフＧ４）においても、透過ピークＰ２が周期的に繰り返されている。その繰り返し周期はエタロンフィルタ６より長く、ＷＤＭ伝送システムにおける波長グリッドより広い周期（好ましくは、波長グリッドの２倍以上）であり、例えば周波数換算で５１８［ＧＨｚ］である。このように、エタロンフィルタ６及び光導波路２１３（リング共振器）における波長−透過率特性の繰り返し周期は互いに異なるように設定される。また、光導波路２１３（リング共振器）における波長−透過率特性の繰り返し周期は、エタロンフィルタ６における波長−透過率特性の繰り返し周期の２倍より長いことがより好ましい。

二つのフォトダイオード構造２２は、光導波路２１２，２１３を介してそれぞれ半導体レーザ領域１０の第１の光導波路（光導波層１１０，１２０，及び１３１）と光学的に結合されており、半導体レーザ装置１が備える３つ以上のフォトダイオードの一部を構成する。フォトダイオード構造２２は、図９（ｂ）に示すように、半導体基板８上に設けられた光導波路２２０と、光導波路２２０上に設けられた光吸収層２２１と、光吸収層２２１上に設けられたクラッド層２２２及びコンタクト層２２３とを備えている。なお、これらの層の構成は、光吸収層２２１を除いて、既述した位相調整領域１０ｅ（図６（ａ）を参照）の光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３と同様である。また、光導波路２２０、光吸収層２２１、クラッド層２２２、及びコンタクト層２２３がストライプメサ構造を呈しており、その両側面が絶縁膜１３によって保護され、ストライプメサ構造の両側面に沿って樹脂層１５が設けられている点でも位相調整領域１０ｅと同様である。光導波路２２０の一端は、対応する光導波路２１２，２１３のいずれかと光学的に結合されている。

光吸収層２２１は、光導波路２２０とクラッド層２２２との間に設けられる。一実施例では、光吸収層２２１はｐ型ＩｎＧａＡｓから成る。光吸収層２２１の組成は、半導体レーザ領域１０における発振波長、例えば１．５５［μｍ］波長帯の光を吸収するように調整される。光吸収層２２１の厚さは、例えば５０［ｎｍ］である。

コンタクト層２２３上には、アノード電極２２４が設けられている。アノード電極２２４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層２２３との間でオーミック接触を実現する。アノード電極２２４は、カソード電極９と協働して、光吸収層２２１において発生したキャリアを光電流として取り出す。

以上の構成を備える半導体レーザ装置１の動作について説明する。まず、半導体レーザ素子２Ａでは、光反射機能を有する一対の膜１３７ａ，１３７ｂによって半導体レーザ領域１０と波長モニタ領域２０とが区分されている。そして、半導体レーザ領域１０の利得導波路（利得領域１０ａの光導波層１１０）において発生した光が、半導体レーザ領域１０内の光導波路を伝搬して一対の膜１３７ａ，１３７ｂによって反射されることにより、該光導波路内を共振し、一対の膜１３７ａ，１３７ｂとは反対側の光導波路の端面からＡＲ膜１０５を通ってレーザ光Ｌａとして出力される。また、この一対の膜１３７ａ，１３７ｂに到達した光の一部は、一対の膜１３７ａ，１３７ｂを透過して波長モニタ領域２０に達する。この光は、２本の光導波路２１２，２１３にそれぞれ分岐され、光導波路２１３を伝搬した光は、光導波路２１３に設けられたリング共振器を通過し、フォトダイオード構造２２により検出される。また、他の光導波路２１２を伝搬した光は、そのままフォトダイオード構造２２により検出される。

また、図１に示したように、半導体レーザ素子２Ａから出力されたレーザ光Ｌａは、レンズ３及び光アイソレータ４を通過したのちにビームスプリッター５によって分岐され、その一方のレーザ光Ｌｍｏｎがエタロンフィルタ６を通過し、フォトダイオード素子７により検出される。

図１１は、半導体レーザ装置１から出力されるレーザ光Ｌｏｕｔの波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。図１１に示すように、３つのフォトダイオード（フォトダイオード素子７、及び２つのフォトダイオード構造２２）から取り出された光電流は、制御回路１７に提供される。制御回路１７は所定の演算を行い、利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、増幅領域１０ｃ、リング共振器領域１０ｄ、及び位相調整領域１０ｅそれぞれの電極に供給する電流Ｉａ〜Ｉｅを決定し、該電流Ｉａ〜Ｉｅを出力する。制御回路１７から出力された電流Ｉａは利得領域１０ａのアノード電極１１４に供給され、電流Ｉｂはスイッチ回路１９を介して可変ＤＢＲ領域１０ｂの複数のアノード電極１２４の何れかに選択的に供給され、電流Ｉｃは増幅領域１０ｃのアノード電極１１５に供給され、電流Ｉｄはリング共振器領域１０ｄのアノード電極１３４に供給され、電流Ｉｅは位相調整領域１０ｅのアノード電極１３５に供給される。

図１２は、制御回路１７における処理の概要を説明するための図である。図１２の縦軸は光透過率を示しており、横軸は波長を示している。また、図中のグラフＧ３はエタロンフィルタ６の光透過特性を示しており、グラフＧ４は光導波路２１３（リング共振器）の光透過特性を示している。いま、半導体レーザ領域１０の共振波長を、或る波長λ１に合わせることを考える。制御回路１７は、予め記憶しているルックアップテーブルを参照して、共振波長が波長λ１に近づくように各電流Ｉａ〜Ｉｅを設定する。このとき、半導体レーザ領域１０の共振波長は、例えば波長λ１の近傍の波長λａとなる。微調整が必要な場合には、エタロンフィルタ６を通過してフォトダイオード素子７に達する光の透過率（エタロンフィルタ６を介して検出された光と、光導波路２１２を介して検出された光との強度比に基づいて算出される）が波長λ１に対応する値（図１２では、約０．６９）に近づくように、電流Ｉａ〜Ｉｅを更に調整する。

ここで、半導体レーザ領域１０の共振器長が１［ｍｍ］である場合、縦モード（ＦＰモード）の波長間隔は周波数換算で４２［ＧＨｚ］である。したがって、素子温度の変化や経年変化等によりモードホップが発生すると、４２［ＧＨｚ］だけ離れた波長（例えば、図１２の波長λｂ）でレーザ発振を開始することになる。このようなモードホップによる発振波長の変動幅が、グラフＧ３に示されたエタロンフィルタ６の光透過特性の半周期より大きくなった場合、波長λ１に対応する透過率０．６９に近づくように電流Ｉａ〜Ｉｅを調整すると、発振波長が波長λ１とは異なる波長λ２に近づいてしまうことになる。

このような場合、光導波路２１３を透過してフォトダイオード構造２２に達する光の透過率（グラフＧ４）を併せて参照することで、発振波長を波長λ１に好適に近づけることが可能となる。すなわち、図１２において波長λ１に対応する光導波路２１３の透過率は約０．２３であり、波長λ２に対応する光導波路２１３の透過率は約０．０８であるから、制御回路１７は、光導波路２１３の透過率が０．２３に近づくように、電流Ｉａ〜Ｉｅを調整するとよい。つまり、制御回路１７は、エタロンフィルタ６の透過率および光導波路２１３の透過率がそれぞれ所定の値に近づくように電流Ｉａ〜Ｉｅを調整することで、モードホップが生じた際にも半導体レーザ領域１０の発振波長を精度良く制御することができる。

このように、本実施形態の半導体レーザ装置１では、光導波路２１３に設けられたリング共振器の波長−透過率特性の繰り返し周期がエタロンフィルタ６の波長−透過率特性の繰り返し周期より長い。したがって、素子温度の変化や経年劣化により、エタロンフィルタ６のＦＳＲに相当する波長分だけ出力波長が変動した場合であっても、リング共振器を通過した光の強度をモニタすることによって、波長の変動分を修正することができる。すなわち、本実施形態に係る半導体レーザ装置１によれば、出力波長の変動が大きくなる場合であっても、本来の出力波長を精度良く維持できる。

また、本実施形態のように、波長−透過率特性の繰り返し周期が長い方の波長選択フィルタとして、リング共振器を使用することが好ましい。リング共振器は、リングの径Ｒ（図９（ｃ）参照）に応じて様々なＦＳＲを実現できる光学要素であり、リングの径Ｒを小さくすることによって広いＦＳＲを容易に得ることができる。

また、本実施形態のように、反射端面を構成する一対の膜１３７ａ，１３７ｂを半導体レーザ領域１０が有し、光導波路２１３（リング共振器）が半導体基板８上に形成されており、光導波路２１３の一端が一対の膜１３７ａ，１３７ｂを介して半導体レーザ領域１０の第１の光導波路（光導波層１１０，１２０，及び１３１）と光結合されていることが好ましい。これにより、レーザ光出力端面とは反対側の第１の光導波路の端から光を好適にモニタすることができ、また、光導波路２１３（リング共振器）が半導体基板８上に形成されているので、半導体レーザ装置１の小型化にも寄与できる。

また、本実施形態のように、一対の膜１３７ａ，１３７ｂは、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、及びベンゾシクロブテン樹脂のうち少なくとも一つを含むことが好ましい。これらの材料は半導体より屈折率が小さいので、半導体レーザ領域１０の反射端面となる一対の膜１３７ａ，１３７ｂを好適に実現できる。

また、本実施形態のように、第２の波長選択フィルタ（本実施形態ではエタロンフィルタ６）及びフォトダイオード素子７は、半導体基板８とは別に設けられることが好ましい。これにより、種々の波長選択フィルタを第２の波長選択フィルタとして利用でき、波長−透過率特性の繰り返し周期を設定する自由度が高まる。また、エタロンフィルタ６は、リング共振器といった他の波長選択フィルタと比較してＦＳＲが狭く、第２の波長選択フィルタとして好適である。

また、本実施形態のように、半導体レーザ領域１０は、格子間隔が光導波方向に変化する回折格子１２１ａ、及び光導波方向に並設された複数のアノード電極１２４を有するＤＢＲ領域１０ｂと、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有するリング共振器領域１０ｄと、位相調整領域１０ｅとを有することが好ましい。これにより、半導体レーザ領域１０を波長可変型のレーザ構造にできるので、伝送量が増大する近年のＷＤＭ伝送システムにおいて、更に効率的なシステム運用を可能にできる。

ここで、半導体レーザ素子２Ａの作製方法について説明する。まず、半導体基板８となるｎ型ＩｎＰ等の半導体ウェハ上に、光導波層１２０及び１３１、並びに光導波路２１及び２２０となる半導体層と、回折格子層１２１及び半導体層１３６となる半導体層とをＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。次に、電子ビーム露光によりレジストに回折格子パターンを描画し、このレジストをマスクとして回折格子層１２１の表面にドライエッチングを施すことにより、回折格子１２１ａを形成する。レジストを除去した後、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＰ層を回折格子１２１ａを埋め込むように成長させて、上部クラッド層１２２及び１３２の一部（約２００ｎｍ程度の厚さ）を形成する。

続いて、利得領域１０ａとなる領域上、及び増幅領域１０ｃとなる領域上に成長した半導体層をドライエッチングにより除去する。そして、半導体層が除去された半導体ウェハの領域上に、下部光閉じ込め層、多重量子井戸構造による活性層、及び上部光閉じ込め層から成る光導波層１１０と、上部クラッド層１１２の一部（約２００ｎｍ程度の厚さ）とをバットジョイント法によって成長させる。

続いて、フォトダイオード構造２２となる領域に成長した半導体層（光導波路２２０となる層を除く）をドライエッチングにより除去する。そして、当該領域に、光吸収層２２１及びクラッド層２２２の一部を成長させる。

続いて、残りの上部クラッド層１１２，１２２、１３２および２２２を一度に形成し、引き続きコンタクト層１１３，１２３，１３３，及び２２３となる半導体層をＭＯＣＶＤ法により成長させる。その後、アノード電極と接触する部分だけ残してコンタクト層を除去し、各領域を電気的に分離する。

続いて、リング共振器領域１０ｄ、位相調整領域１０ｅ、反射端面領域１０ｆ、及び波長モニタ領域２０に相当する領域をマスクで覆い、利得領域１０ａ、ＤＢＲ領域１０ｂ、及び増幅領域１０ｃに相当する領域に対し、光導波路となる部分だけ残して半導体ウェハに達する深さまでドライエッチングを施し、メサ構造を形成する。その後、このメサ構造の両側面を半絶縁性領域１０２で埋め込み、マスクを除去する。

続いて、利得領域１０ａ、ＤＢＲ領域１０ｂ、及び増幅領域１０ｃに相当する領域をマスクで覆い、リング共振器領域１０ｄ、位相調整領域１０ｅ、反射端面領域１０ｆ、及び波長モニタ領域２０に相当する領域に対し、光導波路となる部分だけ残して半導体ウェハに達する深さまでドライエッチングを施し、メサ構造を形成する。同時に、反射端面領域１０ｆとなる領域において、メサ構造の光導波路を横切るように一対の溝を形成する。その後、このメサ構造の両側面、及び一対の溝の内部にＳｉＯ_２といった絶縁材料をＣＶＤにより堆積して絶縁膜１３及び一対の膜１３７ａ，１３７ｂを形成したのち、その上からＢＣＢ樹脂をスピンコートで塗布・硬化させて樹脂層１５を形成し、マスクを除去する。

続いて、アノード電極が配置される部分の絶縁膜１３及び樹脂層１５を除去し、アノード電極１１４，１１５，１２４，１３４，１３５，及び２２４をリフトオフ法により形成する。このとき、素子上の配線および電極パッドを併せて形成する。また、半導体ウェハの裏面上にカソード電極９を蒸着する。

最後に、半導体ウェハを棒状に劈開し、その劈開面の一方にＡＲ膜１０５をコーティングし、これをチップ状に分割して冷却構造物３０上に実装する。こうして、半導体レーザ素子２Ａが完成する。

なお、一対の膜１３７ａ，１３７ｂの構成材料をＳｉＯ_２ではなくＳｉＮとする場合には、絶縁材料としてＳｉＯ_２に代えてＳｉＮを堆積するとよい。また、一対の膜１３７ａ，１３７ｂの構成材料をＢＣＢ樹脂とする場合には、絶縁材料の堆積工程を省略してＢＣＢ樹脂を塗布・硬化させるとよい。

（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る半導体レーザ装置の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の半導体レーザ装置の構成のうち、半導体レーザ素子以外の構成については、第１実施形態と同様なので詳細な説明を省略する。

図１３及び図１４を参照すると、本実施形態の半導体レーザ素子２Ｂは、レーザダイオードとしての半導体レーザ領域４０と、波長モニタ領域２０とを備えている。半導体レーザ領域４０は、分布帰還型の半導体レーザ構造を有しており、ＤＦＢレーザ領域４０ａ及び反射端面領域４０ｂによって構成されている。このうち、反射端面領域４０ｂの構成及び機能は、第１実施形態の反射端面領域１０ｆと同様である。また、波長モニタ領域２０の構成及び機能は、第１実施形態のものと同様である。

半導体レーザ領域４０及び波長モニタ領域２０は、図１４に示すように互いに共通の半導体基板８上に形成されており、光導波方向に並んで設けられている。なお、半導体基板８は、半導体レーザ領域４０及び波長モニタ領域２０において下部クラッドとして機能する。

また、半導体基板８の裏面側には、カソード電極９を挟んで冷却構造物５１及び５２が設けられている。冷却構造物５１，５２は、例えばヒートシンクとして機能する一対の金属板と、該一対の金属板間に設けられて熱の移動を行うペルチェ素子とを含んで構成される。冷却構造物５１はＤＦＢレーザ領域４０ａの直下に配置され、冷却構造物５２は波長モニタ領域２０の直下に配置され、それぞれＤＦＢレーザ領域４０ａ及び波長モニタ領域２０の温度を独立して制御する。すなわち、冷却構造物５１はＤＦＢレーザ領域４０ａの温度を任意に変化させることによって出力波長を調整し、冷却構造物５２は波長モニタ領域２０の温度を一定に維持する。

図１４に示すように、ＤＦＢレーザ領域４０ａは、半導体基板８上に設けられた光導波層１４０と、光導波層１４０上に順に積層された回折格子層１４１、上部クラッド層１４２及びコンタクト層１４３とを備えている。光導波層１４０は、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成する利得導波路である。光導波層１４０は、例えば半導体基板８上に設けられた下部光閉じ込め層と、下部光閉じ込め層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた上部光閉じ込め層とを含んで構成される。光導波層１４０は、半導体基板８よりバンドギャップ波長が長い半導体によって構成され、半導体基板８の主面に沿った光導波方向に延在し、その一端は半導体レーザ素子２Ｂの端面に設けられたＡＲ膜１０５に結合され、他端は反射端面領域４０ｂの光導波層（図６（ａ）に示した光導波層１３１に相当）に結合されている。

回折格子層１４１は、光導波層１４０に沿って設けられる。本実施形態では、回折格子層１４１は光導波層１４０の直上に設けられている。回折格子層１４１と上部クラッド層１４２との界面には、回折格子１４１ａが形成されている。回折格子１４１ａは、光導波層１４０に沿って形成されており、その格子間隔は一定である。

一実施例では、光導波層１４０及び回折格子層１４１はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、光導波層１４０及び回折格子層１４１の厚さは、例えばそれぞれ０．３［μｍ］、５０［ｎｍ］である。また、上部クラッド層１４２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１４３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１４２及びコンタクト層１４３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。

なお、第１実施形態の利得領域１０ａと同様に、本実施形態のＤＦＢレーザ領域４０ａは、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。そして、このストライプメサ構造の両側面には、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る半絶縁性領域が設けられている。

コンタクト層１４３上にはアノード電極１４４が設けられている。アノード電極１４４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１４３との間でオーミック接触を実現する。また、第１実施形態と同様に、半導体基板８の裏面上にはカソード電極９が設けられている。アノード電極１４４とカソード電極９とは、互いに協働して光導波層１４０に電流を注入する。

図１５は、半導体レーザ素子２Ｂから出力されるレーザ光の波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。図１５に示すように、３つのフォトダイオード（フォトダイオード素子７および２つのフォトダイオード構造２２）から取り出された光電流は、制御回路１８に提供される。制御回路１８は所定の演算を行い、冷却構造物５１に供給する電流Ｉｆを決定し、該電流Ｉｆを出力する。冷却構造物５１は、制御回路１８から提供された電流Ｉｆに応じた冷却能力を発揮し、ＤＦＢレーザ領域４０ａの温度を変化させる。これにより、光導波層１４０及び回折格子層１４１の屈折率が変化し、回折格子１４１ａの格子間隔が実質的に変化することで、ＤＦＢレーザ領域４０ａからの出力波長が制御されるので、経年変化等によるＤＦＢレーザ領域４０ａの出力波長の変動を抑えることができる。なお、制御回路１８における演算は、第１実施形態の制御回路１７と同様（図１２参照）であるため、詳細な説明を省略する。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、素子温度の変化や経年劣化により、エタロンフィルタ６のＦＳＲに相当する波長分だけ出力波長が変動した場合であっても、光導波路２１３（リング共振器）を通過した光の強度をモニタすることによって、波長の変動分を修正することができる。したがって、本実施形態に係る半導体レーザ装置によれば、出力波長の変動が大きくなる場合であっても、出力波長を精度良く維持できる。

（第３の実施の形態）
次に、本発明に係る半導体レーザ装置の第３実施形態について説明する。なお、本実施形態においても、半導体レーザ素子以外の構成については第１実施形態と同様なので詳細な説明を省略する。

図１６を参照すると、本実施形態の半導体レーザ素子２Ｃは、レーザダイオードとしての半導体レーザ領域５０と、波長モニタ領域６０とを備えている。なお、図示しないが、半導体レーザ領域５０および波長モニタ領域６０は互いに共通の半導体基板上に形成されており、その基板の裏面側には、図３に示した冷却構造物３０と同様の構成を有する冷却構造物が設けられている。

本実施形態の半導体レーザ領域５０と第１実施形態の半導体レーザ領域１０とは、端面反射構造において互いに相違している。すなわち、本実施形態の半導体レーザ領域５０は第１実施形態の反射端面領域１０ｆを有しない。そして、位相調整領域１０ｅの光導波路の一端は、半導体基板が劈開されて形成された端面となっており、該端面には高反射（ＨＲ：High Reflection）膜１０７がコーティングされている。これにより、半導体レーザ領域１０の第１の光導波路の他方の端面（すなわち光反射端面）が実現されている。

なお、半導体レーザ領域５０は他に利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、増幅領域１０ｃ、リング共振器領域１０ｄ、及び位相調整領域１０ｅを有しているが、これらの構成は第１実施形態の半導体レーザ領域１０と同様である。

波長モニタ領域６０は、半導体基板上において増幅領域１０ｃと並んで設けられている。波長モニタ領域６０は、光導波路６１と、二つのフォトダイオード構造６２とを有する。光導波路６１は、半導体レーザ領域５０の利得領域１０ａと増幅領域１０ｃとを繋ぐ光導波路（第１の光導波路の一部）に設けられた分岐カプラ６４を介して、半導体レーザ領域５０の第１の光導波路と光学的に結合されている。なお、光導波路６１の光軸に垂直な断面での波長モニタ領域６０の構成は、第１実施形態のリング共振器領域１０ｄ（図６（ａ）を参照。光導波層１３１が光導波路６１に相当）と同様である。

図１６に示すように、光導波路６１は２本の光導波路６１２，６１３に分岐している。そして、一方の光導波路６１３は、直線状の導波路部分６１３ａと、該導波路部分６１３ａとＭＭＩカプラによって結合されたリング状部分６１３ｂとを含んでいる。これにより、光導波路６１３は一つのリング共振器を構成する。このリング共振器は、本実施形態における第１の波長選択フィルタである。このリング共振器の構成（例えば、透過スペクトルの波長間隔）は、第１実施形態の光導波路２１３（図９を参照）と同じである。なお、導波路部分６１３ａの他端は、一つのフォトダイオード構造６２に結合されている。また、リング共振器を構成しない光導波路６１２の他端は、別のフォトダイオード構造６２に結合されている。

本実施形態の光導波路６１３によるリング共振器は、第１実施形態の光導波路２１３と同様の波長−透過率特性を有しており（図１０のグラフＧ４を参照）、半導体レーザ素子２Ｃの外部に設けられるエタロンフィルタ６（図１を参照）と比較してその波長−透過率特性の繰り返し周期が長く設定されている。すなわち、光導波路２１３（リング共振器）の繰り返し周期は、ＷＤＭ伝送システムにおける波長グリッドより広い周期（好ましくは、波長グリッドの２倍以上）であり、例えば周波数換算で５１８［ＧＨｚ］である。光導波路６１３（リング共振器）における波長−透過率特性の繰り返し周期は、エタロンフィルタ６における波長−透過率特性の繰り返し周期の２倍より長いことがより好ましい。

二つのフォトダイオード構造６２は、光導波路６１２，６１３を介してそれぞれ半導体レーザ領域５０の第１の光導波路（光導波層１１０，１２０，及び１３１）と光学的に結合されており、本実施形態の半導体レーザ装置が備える３つ以上のフォトダイオードの一部を構成する。なお、フォトダイオード構造６２の断面構造は、第１実施形態のフォトダイオード構造２２と同様である（図９（ｂ）を参照）。

本実施形態による半導体レーザ装置の動作について説明する。まず、半導体レーザ素子２Ｃでは、半導体レーザ領域５０の利得導波路（利得領域１０ａの光導波層１１０）において発生した光が、半導体レーザ領域５０内の光導波路を伝搬してＨＲ膜１０７によって反射されることにより、該光導波路内を共振し、ＡＲ膜１０５を通ってレーザ光Ｌａとして出力される。また、光導波路内を共振する光のうち一部は、分岐カプラ６４によって分岐され、波長モニタ領域６０に達する。この光は、２本の光導波路６１２，６１３にそれぞれ分岐され、光導波路６１３を伝搬した光は、光導波路６１３に設けられたリング共振器を通過し、フォトダイオード構造６２により検出される。また、他の光導波路６１２を伝搬した光は、そのままフォトダイオード構造６２により検出される。

なお、半導体レーザ素子２Ｃから出力されたレーザ光Ｌａは、第１実施形態の図１に示したように、レンズ３及び光アイソレータ４を通過したのちにビームスプリッター５によって分岐され、その一方のレーザ光Ｌｍｏｎがエタロンフィルタ６を通過し、フォトダイオード素子７により検出される。

３つのフォトダイオード（フォトダイオード素子７および２つのフォトダイオード構造６２）から取り出された光電流は、図示しない制御回路に提供される。この制御回路は所定の演算を行い、利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、増幅領域１０ｃ、リング共振器領域１０ｄ、及び位相調整領域１０ｅそれぞれの電極に供給する電流を決定し、該電流を出力する。制御回路から出力された各電流は、利得領域１０ａのアノード電極１１４、可変ＤＢＲ領域１０ｂの複数のアノード電極１２４の何れか、増幅領域１０ｃのアノード電極１１５、リング共振器領域１０ｄのアノード電極１３４、並びに位相調整領域１０ｅのアノード電極１３５にそれぞれ供給される。なお、制御回路における演算内容は、第１実施形態の制御回路１７と同様（図１２参照）であるため、詳細な説明を省略する。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、素子温度の変化や経年劣化により、エタロンフィルタ６のＦＳＲに相当する波長分だけ出力波長が変動した場合であっても、光導波路６１３（リング共振器）を通過した光の強度をモニタすることによって、波長の変動分を修正することができる。したがって、本実施形態に係る半導体レーザ装置によれば、出力波長の変動が大きくなる場合であっても、出力波長を精度良く維持できる。

また、半導体レーザ装置の出力波長を変更する際、外部の通信システムへの影響を考慮して、増幅領域１０ｃの電流を制御することでレーザ光出力を遮断（すなわち増幅率ゼロ）することがある。本実施形態の波長モニタ領域６０は、可変ＤＢＲ領域１０ｂと増幅領域１０ｃとの間に光結合されているので、増幅領域１０ｃによってレーザ光出力を遮断している間でも、出力波長を好適に制御できる。

本発明による半導体レーザ装置は、上記した各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半導体基板及び各半導体層としてＩｎＰ系化合物半導体を例示したが、他のIII−Ｖ族化合物半導体や、その他の半導体であっても本発明の構成を好適に実現できる。また、上記各実施形態では光導波路の構成としてメサストライプ構造のものを例示したが、リッジ型等、他の構造の光導波路であっても本発明の効果を好適に得ることができる。

また、上記各実施形態では、３つのフォトダイオードの一つにエタロンフィルタを結合し、他の一つにリング共振器を結合した例を示したが、本発明の第１及び第２の波長選択フィルタとしては、周期的な波長−透過率特性を有していればこれら以外にも様々なものを適用できる。また、半導体レーザ素子の第１の光導波路と光結合されるフォトダイオードの数は３つ以上であれば特に制限されず、うち少なくとも２つのフォトダイオードが波長選択フィルタを介して第１の光導波路に結合されることによって、本発明の効果を好適に得ることができる。

１…半導体レーザ装置、２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…（波長ロッカー集積型）半導体レーザ素子、８…半導体基板、９…カソード電極、１０，４０，５０…半導体レーザ領域、１０ａ…利得領域、１０ｂ…ＤＢＲ領域、１０ｃ…増幅領域、１０ｄ…リング共振器領域、１０ｅ…位相調整領域、１０ｆ，４０ｂ…反射端面領域、１１，１３…絶縁膜、１５…樹脂層、１７，１８…制御回路、１９…スイッチ回路、２０，６０…波長モニタ領域、２１，２１２，２１３，６１，６１２，６１３…光導波路、２２，６２…フォトダイオード構造、３０，５１，５２…冷却構造物、４０ａ…ＤＦＢレーザ領域、１０２…半絶縁性領域、１０５…ＡＲ膜、１０７…ＨＲ膜、１１０，１２０，１３１，１４０…光導波層、１１２，１２２，１３２，１４２，２２２…上部クラッド層、１１３，１２３，１３３，１４３，２２３…コンタクト層、１１４，１１５，１２４，１３４，１３５，１４４，２２４…アノード電極、１２１，１４１…回折格子層、１２１ａ，１４１ａ…回折格子、１３１ｂ，２１１ｂ，２１３ｂ…リング状部分、１３７ａ，１３７ｂ…膜、２２０…光導波路、２２１…光吸収層。

Claims (9)

1. 半導体基板上に設けられ、利得導波路を含む第１の光導波路を有するレーザダイオードと、
   前記第１の光導波路と各々光結合された３つ以上のフォトダイオードと、
   前記３つ以上のフォトダイオードのうち一つの前記フォトダイオードと前記第１の光導波路との間に光結合され、周期的な波長−透過率特性を有する第１の波長選択フィルタと、
   前記３つ以上のフォトダイオードのうち他の一つの前記フォトダイオードと前記第１の光導波路との間に光結合され、周期的な波長−透過率特性を有する第２の波長選択フィルタと
   を備え、
   前記第１の波長選択フィルタの波長−透過率特性の繰り返し周期が、前記第２の波長選択フィルタの波長−透過率特性の繰り返し周期より長いことを特徴とする、半導体レーザ装置。
2. 前記第１の波長選択フィルタがリング共振器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装置。
3. 前記レーザダイオードが、前記第１の光導波路の屈折率より小さい屈折率を有しており前記第１の光導波路の光軸と交差することにより前記第１の光導波路の反射端面を構成する一対の膜を更に有し、
   前記第１の波長選択フィルタが前記半導体基板上に形成されており、前記第１の波長選択フィルタの一端が前記一対の膜を介して前記レーザダイオードの前記第１の光導波路と光結合されていることを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ装置。
4. 前記一対の膜が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮ、及びベンゾシクロブテン樹脂のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項３に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記第２の波長選択フィルタ及び該第２の波長選択フィルタと光結合された前記フォトダイオードが前記半導体基板とは別に設けられてい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装置。
6. 前記第２の波長選択フィルタがエタロンフィルタであることを特徴とする、請求項５に記載の半導体レーザ装置。
7. 前記レーザダイオードが、
   格子間隔が前記第１の光導波路の光導波方向に変化しており前記第１の光導波路に沿って形成された回折格子、及び前記第１の光導波路の光導波方向に並設された複数の電極を有し、前記利得導波路の一端側に設けられた光反射部と、
   前記利得導波路の他端側に設けられ、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有する光透過部と、
   前記第１の光導波路の光路長を能動的に制御するための位相調整部と
   を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
8. 前記光透過部が、前記第１の光導波路によって構成されたリング共振器を含むことを特徴とする、請求項７に記載の半導体レーザ装置。
9. 前記レーザダイオードが分布帰還型レーザ構造を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。

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