JP2012156414A - 半導体レーザ素子および半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長可変動作を行わせても出力が低下せず、低消費電力で高出力動作が可能な半導体レーザ素子およびそれを備える半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】活性層２４に沿って回折格子層２５を設ける。前方ＤＦＢ領域Ｓ１の回折格子層２５には、格子間隔がレーザ光の出力方向に連続的に変化するチャープ回折格子３０を形成し、後方ＤＦＢ領域Ｓ２の回折格子層２５には、格子間隔が一定の領域を含む均一回折格子３１を形成する。活性層２４を挟んで回折格子層２５と反対側には、活性層２４とは独立して電流を注入可能なチューニング層２２を設ける。後方ＤＦＢ領域Ｓ２にチューニング電極２８を設け、前方ＤＦＢ領域Ｓ１とは独立して、後方ＤＦＢ領域Ｓ２のチューニング層２２に電流を注入する。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザ素子および半導体レーザ装置に関し、より詳細には、光ファイバ通信で用いられる単一モード半導体レーザ素子およびそれを備える半導体レーザ装置に関する。

単一モードで発振する単一モード半導体レーザ素子の代表例としては、分布ブラッグ反射型（Distributed Bragg Reflector；略称：ＤＢＲ）半導体レーザ素子および分布帰還型（Distributed Feedback；略称：ＤＦＢ）半導体レーザ素子がある。

ＤＢＲ半導体レーザ素子およびＤＦＢ半導体レーザ素子は、活性層または受動導波層の近傍に回折格子を備えており、回折格子の周期、すなわち格子間隔に対応する特定の波長で発振する。これらの半導体レーザ素子は、単一モードの指標であるサイドモード抑圧比（Side Mode Suppression Ratio；略称：ＳＭＳＲ）が３０ｄＢ以上あり、高速で直接変調したときにもモード跳びが起こりにくいことから、長距離伝送に適している。

ＤＢＲ半導体レーザ素子において、３０ｎｍ以上の広帯域の波長可変動作を行わせるためには、活性層の前後にサンプルドグレーティング（Sampled Grating；略称：ＳＧ）または超周期構造グレーティング（Superstructure Grating；略称：ＳＳＧ）と呼ばれる特殊な回折格子を形成し、反射鏡であるＤＢＲミラー領域への電流注入によって、波長制御を行う必要がある。さらに単一縦モードでの発振を維持するためには、活性層とＤＢＲミラーとの間の位相調整領域への注入電流を、波長を制御する波長制御電流と同時に調節する複雑な制御回路が必要である。

これに対し、ＤＦＢ半導体レーザ素子は、単一縦モードを維持しつつ発振させることが容易であり、発振波長が安定している。またＤＦＢ半導体レーザ素子は、動作温度を変えることによって、発振波長を変化させる波長可変動作を行わせることが可能である。ＤＦＢ半導体レーザ素子の発振波長の変化量は、約０．１ｎｍ／℃である。したがって、たとえば発振波長を５ｎｍ変化させるためには、ＤＦＢ半導体レーザ素子の温度を約５０℃変える必要がある。

動作温度が高いとＤＦＢ半導体レーザ素子の特性が劣化するので、単一のＤＦＢ半導体レーザ素子では波長可変幅に限度がある。広帯域の波長可変動作を行わせるためには、複数のＤＦＢ半導体レーザ素子をアレイ状に配列して、アレイ状に配列されたＤＦＢ半導体レーザ素子の選択と温度調節とを組み合わせることが必須となる。

非特許文献１には、ＤＦＢ半導体レーザ素子を従属接続して集積した波長可変半導体レーザ装置の構成例が開示されている。具体的には、ＤＦＢ半導体レーザ素子をアレイ状に配列した波長可変半導体レーザ装置（以下「アレイＤＦＢ半導体レーザ装置」という場合がある）が開示されている。非特許文献１に開示される波長可変半導体レーザ装置では、ペルティエ素子を用いてヒートシンク温度を０℃から６０℃まで変えることによって、合計６つのＤＦＢ半導体レーザ素子で、３４ｎｍの波長可変幅を得ている。

ＤＦＢ半導体レーザ素子の温度を変える方法以外で、ＤＦＢ半導体レーザ素子の波長可変動作を実現する技術が、非特許文献２に開示されている。非特許文献２に開示される技術では、ＴＴＧ（Tunable Twin-Guide）−ＤＦＢレーザ装置と呼ばれる半導体レーザ装置を用いて、活性層近傍のチューニング層にキャリアを注入して、等価的な回折格子の屈折率を変えることによって、ＤＦＢレーザ素子の発振波長を変えるようにしている。波長可変幅としては、キャリア注入のみで５ｎｍ〜８ｎｍ程度が実現可能である。

J. Hong、外５名、IEEE Photonics Technology Letters、１９９９年、Ｖｏｌ．１１、ｐ．５１５−５１７ M-C. Amann、外１名、IEEE J. Selected Areas in Communications、１９９０年、Ｖｏｌ．８、ｐ．１１６９−１１７７

前述の非特許文献１に開示されるアレイＤＦＢ半導体レーザ装置では、ＤＦＢ半導体レーザ素子に加えて、ペルティエ素子が設けられるので、ＤＦＢ半導体レーザ素子で電力が消費されるだけでなく、ペルティエ素子部分でも電力が消費される。

アレイＤＦＢ半導体レーザ装置では、ペルティエ素子を用いて、周囲の温度によらずに、広い温度範囲でＤＦＢ半導体レーザ素子の温度を調整する必要がある。その反面、ＤＦＢ半導体レーザ素子の出力波長を一定に制御するために設けられる波長ロッカーについては、ペルティエ素子で一定の温度に保つ必要がある。したがって、ペルティエ素子部分での消費電力がＤＦＢ半導体レーザ素子の消費電力以上に大きくなり、モジュール全体としての消費電力が大幅に増大するという問題がある。

前述の非特許文献２に開示されるＴＴＧ−ＤＦＢレーザ装置では、チューニング層への電流注入によって、発振波長を変化させているが、活性層近傍でのフリーキャリア吸収が増大して、出力が低下するという問題がある。

本発明の目的は、波長可変動作を行わせても出力が低下せず、低消費電力で高出力動作が可能な半導体レーザ素子およびそれを備える半導体レーザ装置を提供することである。

本発明の半導体レーザ素子は、一端面部からレーザ光を出力する半導体レーザ素子であって、電流注入によって光を発生する活性層と、前記活性層に沿って設けられ、前記活性層で発生した光を周期的に反射する回折格子層と、前記活性層を挟んで、前記回折格子層と反対側に設けられ、前記活性層とは独立して電流を注入可能なチューニング層と、前記活性層に電流を注入する活性層電極と、前記チューニング層に電流を注入するチューニング電極とを備え、前記活性層および前記活性層電極は、レーザ光の出力方向の前方側に位置する前方領域と、前記レーザ光の出力方向の後方側に位置する後方領域とにわたって設けられ、前記チューニング層および前記チューニング電極は、前記前方領域および前記後方領域のうちの少なくとも前記後方領域に設けられ、前記後方領域に設けられる前記チューニング電極は、前記前方領域とは独立して、前記後方領域に設けられる前記チューニング層に電流を注入するように構成され、前記回折格子層は、前記前方領域に、格子間隔がレーザ光の出力方向に連続的に変化するチャープ回折格子を有し、前記後方領域に、格子間隔が一定の領域を含む均一回折格子を有することを特徴とする。

本発明の半導体レーザ装置は、発振波長が異なる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から選ばれる複数の半導体レーザ素子を縦続接続する複数の導波路と、前記複数の導波路を結合して、単一のレーザ光を出力する光結合器とを備え、前記半導体レーザ素子は、前記本発明の半導体レーザ素子であることを特徴とする。

本発明の半導体レーザ素子によれば、活性層と回折格子層とチューニング層と活性層電極とチューニング電極とを備えて、半導体レーザ素子が構成される。回折格子層は、前方領域にチャープ回折格子を有し、後方領域に均一回折格子を有するので、後方領域のチューニング層に電流を注入することによって、レーザ光の発振波長を変化させ、チューニングすることができる。

活性層および活性層電極は、前方領域と後方領域とにわたって設けられ、チューニング層およびチューニング層は、少なくとも後方領域に設けられる。後方領域に設けられるチューニング電極は、前方領域とは独立して、後方領域に設けられるチューニング層に電流を注入するように構成される。これによって、前方領域では、活性層電極で活性層に電流を注入するとともに、後方領域では、活性層電極で活性層に電流を注入し、チューニング電極でチューニング層に電流を注入するように動作させて、レーザ光の発振波長を変化させる波長可変動作と、レーザ光の出力制御動作とを独立して行うことができる。

したがって、前方領域での利得を一定とすることができ、また前方領域でのフリーキャリア吸収の増大を抑えることができる。これによって、波長可変動作を行わせたときに、レーザ光の出力が低下することを防ぐことができるので、高出力動作を行うことができる。また前方領域では、発振波長をチューニングするためにチューニング層を設けてチューニング層に電流を注入する必要がないので、前方領域と後方領域とにわたってチューニング層を設けてチューニング層に電流を注入する場合に比べて、消費電力を低減することができる。このように、波長可変動作を行わせても出力が低下せず、低消費電力で高出力動作が可能な半導体レーザ素子を実現することができる。

本発明の半導体レーザ装置によれば、発振波長が異なる複数の半導体レーザ素子と、複数の導波路と、光結合器とを備えて、半導体レーザ装置が構成される。半導体レーザ素子は、前述の本発明の半導体レーザ素子である。本発明の半導体レーザ素子は、前述のように波長可変動作が可能であるので、発振波長が異なる複数の半導体レーザ素子を組み合わせることによって、広帯域の波長可変動作が可能である。また本発明の半導体レーザ素子は、温度を調整するのではなく、チューニング層に電流を注入することによって、波長可変動作が行われる。広帯域の波長可変動作を行うときにも、半導体レーザ素子の温度を調整するのではなく、複数の半導体レーザ素子の中からの半導体レーザ素子の選択と、半導体レーザ素子のチューニング層への電流の注入の有無との組み合わせによって、広帯域の波長可変動作が行われる。したがって、半導体レーザ素子の温度を調整して波長可変動作を行う場合に比べて、半導体レーザ装置の消費電力を低減することができる。

本発明の第１の実施の形態である波長可変レーザ素子１１を備える半導体レーザ装置１の構成を示す平面図である。 図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た波長可変レーザ素子１１の構成を示す断面図である。 図２の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た波長可変レーザ素子１１の構成を示す断面図である。 前方ＤＦＢ領域Ｓ１および後方ＤＦＢ領域Ｓ２の反射スペクトルを示す図である。 図１に示す半導体レーザ装置１において第１〜第６波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６がカバーする発振波長の範囲の一例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態である波長可変レーザ素子６０の構成を示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態である波長可変レーザ素子７０の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態である半導体レーザ装置２の構成を示す平面図である。

＜第１の実施の形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態である波長可変レーザ素子１１を備える半導体レーザ装置１の構成を示す平面図である。半導体レーザ装置１は、複数の波長可変レーザ素子１１がアレイ状に配列され、広帯域の波長可変動作が可能な広帯域波長可変レーザアレイである。半導体レーザ装置１は、複数の波長可変レーザ素子１１と、受動導波路１２と、多モード干渉型光結合器（Multi-Mode Interference；略称：ＭＭＩ）１６とを備える。ＭＭＩ１６は、入力導波路１３と、多モード導波路１４と、出力導波路１５とを備える。本実施の形態では、ＭＭＩ１６は、２×１合波用の多モード干渉型光結合器であり、２本の入力導波路１３と、１本の出力導波路１５とを備える。

波長可変レーザ素子１１は、一端面部からレーザ光を出力する。波長可変レーザ素子１１は、半導体レーザ素子で構成される。波長可変レーザ素子１１を構成する半導体レーザ素子の材料系としては、長波光通信で用いられるリン化インジウム（ＩｎＰ）基板上の、インジウムガリウムヒ素リン（ＩｎＧａＡｓＰ）およびインジウムアルミニウムガリウムヒ素（ＩｎＡｌＧａＡｓ）などが採用できる。

本実施の形態において、半導体レーザ装置１は、６個の波長可変レーザ素子１１を備える。以下の説明において、６個の波長可変レーザ素子１１を区別して示す場合には、参照符ＬＤ１〜ＬＤ６を用いて、第１〜第６波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６として示す。すなわち半導体レーザ装置１は、第１〜第６波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６を備える。

受動導波路１２は、波長可変レーザ素子１１の発振波長に対して透明に構成される。換言すれば、受動導波路１２は、波長可変レーザ素子１１の発振波長のレーザ光を透過可能に構成される。

第１〜第６波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６は、受動導波路１２を介して接続される。受動導波路１２は、第１〜第６波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６から選ばれる複数の波長可変レーザ素子１１を縦続接続する。具体的には、第１〜第６波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６は、３つずつ、受動導波路１２で縦続接続される。第１、第３および第５波長可変レーザ素子ＬＤ１，ＬＤ３，ＬＤ５が縦続接続され、第２、第４および第６波長可変レーザ素子ＬＤ２，ＬＤ４，ＬＤ６が縦続接続される。

より詳細には、第１波長可変レーザ素子ＬＤ１のレーザ光が出力される端部（以下「出力端部」という場合がある）とは反対側の端部は、受動導波路１２を介して、第３波長可変レーザ素子ＬＤ３の出力端部と接続される。第３波長可変レーザ素子ＬＤ３の出力端部とは反対側の端部は、受動導波路１２を介して、第５波長可変レーザ素子ＬＤ５の出力端部に接続される。第２波長可変レーザ素子ＬＤ２の出力端部とは反対側の端部は、受動導波路１２を介して、第４波長可変レーザ素子ＬＤ４の出力端部と接続される。第４波長可変レーザ素子ＬＤ４の出力端部とは反対側の端部は、受動導波路１２を介して、第６波長可変レーザ素子ＬＤ６の出力端部に接続される。

第１波長可変レーザ素子ＬＤ１の出力端部は、受動導波路１２を介して、ＭＭＩ１６の２本の入力導波路１３のうちの一方の入力導波路１３に接続される。第２波長可変レーザ素子ＬＤ２の出力端部は、受動導波路１２を介して、ＭＭＩ１６の２本の入力導波路１３のうちの他方の入力導波路１３に接続される。

第１〜第６波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６から出力されたレーザ光は、受動導波路１２を介して、入力導波路１３に導かれる。入力導波路１３に導かれた導波光であるレーザ光は、ＭＭＩ１６の多モード導波路１４および出力導波路１５に導かれ、出力光１０として外部に取り出される。すなわちＭＭＩ１６は、２本の入力導波路１３を結合して、出力光１０として、単一のレーザ光を出力する。ＭＭＩ１６を構成する入力導波路１３、多モード導波路１４および出力導波路１５は、全て受動導波路で構成される。

図２は、図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た波長可変レーザ素子１１の構成を示す断面図である。波長可変レーザ素子１１は、上部クラッド層２１、チューニング層２２、バリア層２３、活性層２４、回折格子層２５、下部クラッド層２６、チューニング電極２７，２８および活性層電極２９を含んで構成される。

活性層２４は、電流注入によって光を発生する。活性層２４は、ＩｎＧａＡｓＰで構成される。活性層２４は、たとえば交互に積層された複数の井戸層と複数の障壁層とを含む多重量子井戸構造として構成される。井戸層および障壁層は、それぞれ組成およびバンドギャップが異なるＩｎＧａＡｓＰで構成される。

回折格子層２５は、活性層２４に沿って設けられる。回折格子層２５は、活性層２４で発生した光を周期的に反射する。チューニング層２２は、活性層２４を挟んで、回折格子層２５と反対側に設けられる。チューニング層２２は、活性層２４とは独立して電流を注入可能に構成される。

具体的には、活性層２４とチューニング層２２とは、バリア層２３を隔てて近接している。より詳細には、活性層２４の厚み方向一方側、すなわち図２の紙面に向かって上側の表面部にバリア層２３が積層されている。バリア層２３の厚み方向一方側の表面部には、チューニング層２２が積層されている。

チューニング層２２の厚み方向一方側、すなわち図２の紙面に向かって上側の表面部には、上部クラッド層２１が積層されている。活性層２４の厚み方向他方側、すなわち図２の紙面に向かって下側の表面部には、回折格子層２５が積層されている。回折格子層２５の厚み方向他方側の表面部には、下部クラッド層２６が積層されている。

第１のクラッド層である下部クラッド層２６は、不図示の半導体基板上、具体的には半導体基板の厚み方向一方側の表面部に設けられる。活性層電極２９は、半導体基板の厚み方向他方側の表面部に設けられる。活性層電極２９は、活性層２４に電流を注入する電極である。チューニング電極２７，２８は、第２のクラッド層である上部クラッド層２１上、具体的には上部クラッド層２１の厚み方向一方側の表面部に設けられる。チューニング電極２７，２８は、チューニング層２２に電流を注入する電極である。

本実施の形態では、チューニング層２２は、ＩｎＧａＡｓＰで構成される。バリア層２３は、ｎ型ＩｎＰ（以下「ｎ−ＩｎＰ」という場合がある）で構成される。上部クラッド層２１および下部クラッド層２６は、ｐ型ＩｎＰ（以下「ｐ−ＩｎＰ」という場合がある）で構成される。

波長可変レーザ素子１１は、ＤＦＢ型波長可変レーザ素子であり、前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とを有する。前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とは、レーザ共振器を構成する。前方ＤＦＢ領域Ｓ１は、波長可変レーザ素子１１のうちで、レーザ光の出力方向の前方側に位置する領域であり、後方ＤＦＢ領域Ｓ２は、波長可変レーザ素子１１のうちで、レーザ光の出力方向の後方側に位置する領域である。本実施の形態では、波長可変レーザ素子１１は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とによって構成される。前方ＤＦＢ領域Ｓ１は、前方領域に相当し、後方ＤＦＢ領域Ｓ２は、後方領域に相当する。

活性層２４および活性層電極２９は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とにわたって設けられる。チューニング層２２およびチューニング電極２７，２８は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１および後方ＤＦＢ領域Ｓ２のうちの少なくとも後方ＤＦＢ領域Ｓ２に設けられる。本実施の形態では、チューニング層２２およびチューニング電極２７，２８は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とにわたって設けられる。

前方ＤＦＢ領域Ｓ１の活性層２４の近傍には、チャープ回折格子３０が形成され、後方ＤＦＢ領域Ｓ２の活性層２４の近傍には、均一回折格子３１が形成されている。具体的には、チャープ回折格子３０および均一回折格子３１は、回折格子層２５に形成される。換言すれば、回折格子層２５は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１にチャープ回折格子３０を有し、後方ＤＦＢ領域Ｓ２に均一回折格子３１を有する。

チャープ回折格子３０は、格子間隔が、レーザ光の出力方向に連続的に変化するように構成される。均一回折格子３１は、格子間隔が一定の領域を含むように、すなわち格子間隔がレーザ光の出力方向において変化しない領域を含むように構成される。本実施の形態では、均一回折格子３１は、後方ＤＦＢ領域Ｓ２の全体にわたって、格子間隔が一定になるように構成される。

前述の図１に示す第１〜第６波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６は、図２に示す構成と同様の構成を有するが、チャープ回折格子３０および均一回折格子３１の周期、すなわち格子間隔は、半導体レーザ装置１のレーザ光が出力される端部、すなわち出力導波路１５に近くなるほど、発振波長が短波長になるように選ばれる。具体的には、第１、第３および第５波長可変レーザ素子ＬＤ１，ＬＤ３，ＬＤ５、ならびに第２、第４および第６波長可変レーザ素子ＬＤ２，ＬＤ４，ＬＤ６の各分岐において、発振波長は、ＬＤ１、ＬＤ３、ＬＤ５の順に短波長（ＬＤ１＞ＬＤ３＞ＬＤ５）となり、またＬＤ２、ＬＤ４、ＬＤ６の順に短波長（ＬＤ２＞ＬＤ４＞ＬＤ６）となっている。

均一回折格子３１の周期は、たとえば２４０ｎｍである。これは、等価屈折率の値によって多少変化するが、波長１５５０ｎｍに対応する。チャープ回折格子３０の周期は、均一回折格子３１の周期を基準として、たとえば±０．５ｎｍ〜０．８ｎｍである。これは、波長幅±３ｎｍ〜５ｎｍに対応する。具体的に述べると、たとえば、均一回折格子３１の周期が２４０ｎｍである場合、チャープ回折格子３０の周期は、２４０ｎｍ±０．５ｎｍ〜２４０ｎｍ±０．８ｎｍである。

本実施の形態では、レーザ光の出力方向における前方ＤＦＢ領域Ｓ１の長さ寸法ｄ１、および後方ＤＦＢ領域Ｓ２の長さ寸法ｄ２は、それぞれ２００μｍ前後である。チャープ回折格子３０のブラッグ反射ピーク幅は、数ｎｍ、たとえば３ｎｍ〜８ｎｍになるように設定されている。均一回折格子３１の反射ピーク幅は、１ｎｍ程度になるように設定されている。

前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とには、個別のチューニング電極２７，２８と、共通の活性層電極２９とが設けられている。以下の説明では、前方ＤＦＢ領域Ｓ１に設けられるチューニング電極２７を、前方チューニング電極２７といい、後方ＤＦＢ領域Ｓ２に設けられるチューニング電極２８を、後方チューニング電極２８という場合がある。本実施の形態では、前方チューニング電極２７と後方チューニング電極２８とが個別に設けられるので、後方チューニング電極２８は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１とは独立して、後方ＤＦＢ領域Ｓ２に設けられるチューニング層２２に電流を注入することができる。図２では、理解を容易にするために、後述する図３に示す基板３２、接地電極３３および埋込み層３４、コンタクト層、ならびにチューニング電極２７，２８および活性層電極２９への配線などは、図示を省略している。

図３は、図２の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た波長可変レーザ素子１１の構成を示す断面図である。波長可変レーザ素子１１は、前述の図２で図示する構造に加えて、基板３２、接地電極３３および埋込み層３４をさらに備える。埋込み層３４は、接地電極３３に電気的に接続される。埋込み層３４は、活性層２４を含むリッジ構造の両側壁を覆うように形成されている。埋込み層３４は、ｎ−ＩｎＰで構成される。

次に波長可変動作について説明する。図３に示すように、埋込み層３４は、バリア層２３と電気的には同電位になっているので、活性層電極２９と接地電極３３との間を正にバイアスすると、活性層２４にはキャリアが注入されて利得が生じ、閾値電流を超えるとレーザ発振が生じる。

この状態で後方チューニング電極２８と接地電極３３との間を正にバイアスした場合には、後方ＤＦＢ領域Ｓ２のチューニング層２２にキャリアが注入されて、チューニング層２２の屈折率が下がり、後方ＤＦＢ領域Ｓ２の発振波長が短波長側にシフトする。このとき、チューニング電流は後方ＤＦＢ領域Ｓ２のみに注入されるので、波長可変レーザ素子の全長にわたってチューニング電流を注入する従来のＴＴＧ−ＤＦＢレーザ装置に比べて、同じ屈折率の変化を得るのに必要な電流を小さくすることができる。したがって、波長可変レーザ素子１１の消費電力を低減することができる。

図４は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１および後方ＤＦＢ領域Ｓ２の反射スペクトルを示す図である。図４（ａ）は、後方ＤＦＢ領域Ｓ２にチューニング電流を注入していないときの前方ＤＦＢ領域Ｓ１の反射スペクトル４１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２の反射スペクトル４２との相対的な波長の位置関係を表している。図４（ｂ）は、後方ＤＦＢ領域Ｓ２にチューニング電流を注入したときの前方ＤＦＢ領域Ｓ１の反射スペクトル４１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２の反射スペクトル４２との相対的な波長の位置関係を表している。

前方ＤＦＢ領域Ｓ１の反射スペクトル４１は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１の回折格子層２５で反射された反射光のスペクトルを表し、後方ＤＦＢ領域Ｓ２の反射スペクトル４２は、後方ＤＦＢ領域Ｓ２の回折格子層２５で反射された反射光のスペクトルを表す。図４において、横軸は発振波長λを示し、縦軸は反射強度を示す。図４の横軸は、紙面に向かって右側に行くほど発振波長λの値が大きい、すなわち長波長となり、左側に行くほど発振波長λの値が小さい、すなわち短波長となっている。

図４（ａ）に示すように、後方ＤＦＢ領域Ｓ２にチューニング電流を注入していないときには、前方ＤＦＢ領域Ｓ１の反射スペクトル４１の反射ピークと、後方ＤＦＢ領域Ｓ２の反射スペクトル４２の反射ピークとが重なり合う波長領域、より具体的には、前方ＤＦＢ領域Ｓ１のストップバンド端近傍であって後方ＤＦＢ領域Ｓ２の反射が極小となる波長領域において、発振の閾値利得が最小になり、レーザ発振が起こる。このときの発振波長λをλ１とする。

後方ＤＦＢ領域Ｓ２のチューニング層２２にキャリアを注入すると、図４（ｂ）に示すように後方ＤＦＢ領域Ｓ２の反射スペクトル４２の短波長シフトが生じる。前方ＤＦＢ領域Ｓ１の反射スペクトル４１には変化がなく、前方ＤＦＢ領域Ｓ１は、一定の高い反射率を示す。この一定の高い反射率の中で、発振波長は連続的に短波長側にシフトする。最短波長側での発振波長λをλ２とする。連続的な波長可変幅Ｗとして、λ１−λ２が得られる。

このように発振波長は、レーザ共振器の一部である後方ＤＦＢ領域Ｓ２のチューニング電流で決まる。また出力側にある前方ＤＦＢ領域Ｓ１での利得は一定であり、かつフリーキャリア吸収の影響はない。したがって、本実施の形態の波長可変レーザ素子１１では、従来のＴＴＧ−ＤＦＢレーザ装置と異なり、波長チューニングに伴う出力の低下を無視することができる。

図５は、図１に示す半導体レーザ装置１において第１〜第６波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６がカバーする発振波長の範囲の一例を示す図である。図５（ａ）は、第１、第３および第５波長可変レーザ素子ＬＤ１，ＬＤ３，ＬＤ５がカバーする発振波長の範囲を示す。図５（ｂ）は、第２、第４および第６波長可変レーザ素子ＬＤ２，ＬＤ４，ＬＤ６がカバーする発振波長の範囲を示す。図５において、横軸は発振波長λを示し、縦軸は反射強度を示す。図５の横軸は、紙面に向かって右側に行くほど発振波長λの値が大きい、すなわち長波長となり、左側に行くほど発振波長λの値が小さい、すなわち短波長となっている。

図５では、第１波長可変レーザ素子ＬＤ１の反射スペクトルを参照符５１で示し、第２波長可変レーザ素子ＬＤ２の反射スペクトルを参照符５２で示し、第３波長可変レーザ素子ＬＤ３の反射スペクトルを参照符５３で示し、第４波長可変レーザ素子ＬＤ４の反射スペクトルを参照符５４で示し、第５波長可変レーザ素子ＬＤ５の反射スペクトルを参照符５５で示し、第６波長可変レーザ素子ＬＤ６の反射スペクトルを参照符５６で示す。

第１〜第６波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６の各反射スペクトル５１〜５６のピークは、各波長可変レーザ素子１１がカバーする発振波長の範囲を示している。各波長可変レーザ素子１１がカバーする発振波長の範囲は、各波長可変レーザ素子１１の前方ＤＦＢ領域Ｓ１の回折格子層２５で反射された反射光のピークの波長範囲、すなわち前方ＤＦＢ領域Ｓ１のストップバンドの波長範囲に相当する。

第１〜第６波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１のストップバンド幅Ｗ１〜Ｗ６、具体的には６ｎｍだけ分離されるように、１つおきの番号順に、２つの分枝に配置されている。具体的には、１つの分枝に、第１、第３および第５波長可変レーザ素子ＬＤ１，ＬＤ３，ＬＤ５が配置され、もう１つの分枝に、第２、第４および第６波長可変レーザ素子ＬＤ２，ＬＤ４，ＬＤ６が配置されている。

したがって、各分枝において発振波長は、ＬＤ１、ＬＤ３、ＬＤ５の順に短波長（ＬＤ１＞ＬＤ３＞ＬＤ５）となり、またＬＤ２、ＬＤ４、ＬＤ６の順に短波長（ＬＤ２＞ＬＤ４＞ＬＤ６）となっている。また隣接する波長可変レーザ素子１１同士は、ブラッグ中心波長同士が１２ｎｍ離れているので、反射スペクトル５１〜５６のピーク同士が全く重なっていない。

ここで、出力端から遠い側の波長可変レーザ素子１１を発振させるときには、出力端側の波長可変レーザ素子１１では発振が生じるには利得が不十分であり、かつ長波側のレーザ光に対しては吸収が起こらずに透明になる弱励起状態になるように、少しだけチューニング電流を注入しておく。受動導波路１２上で隣接する波長可変レーザ素子１１同士のストップバンドは１２ｎｍ離れているので、相互の干渉は無視できる。このとき、たとえば１つの波長可変レーザ素子１１当たり６ｎｍを受け持つとすると、全体で３６ｎｍの波長可変幅が連続的に得られる。しかも、波長可変レーザ素子の温度を一定で動作させることができる。したがって、従来のアレイＤＦＢ半導体レーザ装置に比べて、消費電力を大幅に低減することができる。

以上のように本実施の形態の波長可変レーザ素子１１では、前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とに個別にチューニング電極２７，２８が設けられ、後方ＤＦＢ領域Ｓ２のみチューニング層２２に電流を注入し、前方ＤＦＢ領域Ｓ１では活性層２４のみに電流を注入する構造となっている。これによって、発振波長のチューニング動作、すなわち波長可変動作と、レーザ光の出力制御動作とを独立にして行うことができる。したがって、波長可変動作をさせても、波長可変レーザ素子１１の出力の低下が起こらないので、高出力動作が可能である。

具体的に述べると、回折格子層２５は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１にチャープ回折格子３０を有し、後方ＤＦＢ領域Ｓ２に均一回折格子３１を有するので、後方ＤＦＢ領域Ｓ２のチューニング層２２に電流を注入することによって、レーザ光の発振波長を変化させ、チューニングすることができる。

活性層２４および活性層電極２９は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とにわたって設けられ、チューニング層２２およびチューニング電極２７，２８は、少なくとも後方ＤＦＢ領域Ｓ２に設けられる。後方ＤＦＢ領域Ｓ２に設けられるチューニング電極２８は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１とは独立して、後方ＤＦＢ領域Ｓ２に設けられるチューニング層２２に電流を注入するように構成される。これによって、前方ＤＦＢ領域Ｓ１では、活性層電極２９で活性層２４に電流を注入するとともに、後方ＤＦＢ領域Ｓ２では、活性層電極２９で活性層２４に電流を注入し、チューニング電極２８でチューニング層２２に電流を注入するように動作させて、レーザ光の発振波長を変化させる波長可変動作と、レーザ光の出力制御動作とを独立して行うことができる。

したがって、前方ＤＦＢ領域Ｓ１での利得を一定とすることができ、また前方ＤＦＢ領域Ｓ１でのフリーキャリア吸収の増大を抑えることができる。これによって、波長可変動作を行わせたときに、レーザ光の出力が低下することを防ぐことができるので、高出力動作を行うことができる。また前方ＤＦＢ領域Ｓ１では、発振波長をチューニングするためにチューニング層２２に電流を注入する必要がないので、前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とにわたってチューニング層２２に電流を注入する場合に比べて、消費電力を低減することができる。このように、波長可変動作を行わせても出力が低下せず、低消費電力で高出力動作が可能な波長可変レーザ素子１１を実現することができる。

このような波長可変レーザ素子１１を複数備えて、半導体レーザ装置１が構成される。前述のように波長可変レーザ素子１１は、波長可変動作が可能であるので、発振波長が異なる複数の波長可変レーザ素子、具体的には６個の波長可変レーザ素子ＬＤ１〜ＬＤ６を組み合わせることによって、広帯域の波長可変動作が可能である。

また波長可変レーザ素子１１は、温度を調整するのではなく、後方ＤＦＢ領域Ｓ２のチューニング層２２に電流を注入することによって、波長可変動作が行われる。複数の波長可変レーザ素子１１で半導体レーザ装置１を構成して、広帯域の波長可変動作を行うときにも、波長可変レーザ素子１１の温度を調整するのではなく、複数の波長可変レーザ素子１１の中からの波長可変レーザ素子１１の選択と、波長可変レーザ素子１１のチューニング層２２への電流の注入の有無との組み合わせによって、広帯域の波長可変動作が行われる。

つまり、本実施の形態の半導体レーザ装置１は、波長可変レーザ素子１１の温度の調整ではなく、チューニング層２２への電流の注入によって、波長可変動作を行わせる構造となっている。したがって、波長可変レーザ素子１１の温度を調整して波長可変動作を行う場合に比べて、半導体レーザ装置１の消費電力を低減することができる。

＜第２の実施の形態＞
図６は、本発明の第２の実施の形態である波長可変レーザ素子６０の構成を示す断面図である。図６は、図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図に相当する。図６の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た波長可変レーザ素子６０の構成は、前述の図３と同様である。本実施の形態の波長可変レーザ素子６０は、第１の実施の形態の波長可変レーザ素子１１と類似するので、同一の構成については同一の参照符号を付して、共通する説明を省略する。

前述の第１の実施の形態では、波長可変レーザ素子１１は、図２に示すように、後方ＤＦＢ領域Ｓ２に均一回折格子３１が設けられた回折格子層２５を備える。これに対し、本実施の形態では、波長可変レーザ素子６０は、後方ＤＦＢ領域Ｓ２に均一回折格子３１が設けられた回折格子層２５に代えて、後方ＤＦＢ領域Ｓ２に、位相シフト領域６３を有する位相シフタ付き回折格子６２が設けられた回折格子層６１を備える。

位相シフタ付き回折格子６２は、第１の実施の形態における均一回折格子３１と同様に、格子間隔が一定の領域を含む均一回折格子の１種である。位相シフタ付き回折格子６２は、格子間隔が一定の領域に加えて、位相シフト領域６３をさらに含む。位相シフト領域６３は、格子間隔が一定の領域に比べて、格子間隔が広がった、または狭まった領域である。

このように後方ＤＦＢ領域Ｓ２に、位相シフタ付き回折格子６２を設けることによって、後方ＤＦＢ領域Ｓ２のブラッグ反射ピークの中央で、安定してレーザ発振を生じさせることができるので、波長の制御性を改善することができる。第２の実施の形態の波長可変レーザ素子６０におけるその他の動作原理は、第１の実施の形態の波長可変レーザ素子１１と同一であるので、説明を省略する。

＜第３の実施の形態＞
図７は、本発明の第３の実施の形態である波長可変レーザ素子７０の構成を示す断面図である。図７は、図１の切断面線ＩＩ−ＩＩから見た断面図に相当する。図７の切断面線ＩＩＩ−ＩＩＩから見た波長可変レーザ素子７０の構成は、前述の図３と同様である。本実施の形態の波長可変レーザ素子６０は、第１の実施の形態の波長可変レーザ素子１１と類似するので、同一の構成については同一の参照符号を付して、共通する説明を省略する。

前述の第１の実施の形態では、図２に示すように、前方ＤＦＢ領域Ｓ１および後方ＤＦＢ領域Ｓ２の両方に、チューニング層２２およびチューニング電極２７，２８が設けられている。また活性層電極２９は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とにわたって設けられている。

これに対し、本実施の形態では、後方ＤＦＢ領域Ｓ２のみに、チューニング層２２およびチューニング電極２８を設けている。また第１の実施の形態における活性層電極２９を前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とで分割して、個別の活性層電極７１，７２を設けている。換言すれば、活性層電極７１，７２は、前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とに独立して設けられる。

このように後方ＤＦＢ領域Ｓ２のみにチューニング層２２およびチューニング電極２８を設けるとともに、前方ＤＦＢ領域Ｓ１と後方ＤＦＢ領域Ｓ２とに個別の活性層電極７１，７２を設けることによって、後方ＤＦＢ領域Ｓ２と独立にして、前方ＤＦＢ領域Ｓ１の活性層２４の利得を調整することができる。したがって、後方ＤＦＢ領域Ｓ２での吸収損失が大きくなる場合でも、レーザ共振器全体の利得を一定に保つように制御することが可能となる。

第３の実施の形態の波長可変レーザ素子７０におけるその他の動作原理は、第１の実施の形態の波長可変レーザ素子１１と同一であるので、説明を省略する。

＜第４の実施の形態＞
図８は、本発明の第４の実施の形態である半導体レーザ装置２の構成を示す平面図である。本実施の形態の半導体レーザ装置２は、第１の実施の形態の半導体レーザ装置１と類似するので、同一の構成については同一の参照符号を付して、共通する説明を省略する。

本実施の形態の半導体レーザ装置２は、図１に示す第１の実施の形態の半導体レーザ装置１の構成に加えて、ＭＭＩ１６の出力導波路１５のレーザ光が出力される側の端部に、曲がり導波路構造の半導体光増幅器１７をさらに備える。半導体光増幅器１７は、ＭＭＩ１６から出力されたレーザ光を増幅する。半導体光増幅器１７は、半導体レーザ素子の部分と同様の半導体材料によって構成される光増幅器である。

半導体光増幅器１７を設けることによって、半導体レーザ装置２の出力をさらに高めることができる。また半導体光増幅器１７は、曲がり導波路構造である。半導体光増幅器１７を曲がり導波路構造とすることによって、出射端面での残留反射を抑えることができる。これによって、半導体光増幅器が直線導波路構造である場合に比べて、半導体レーザ素子のモード跳びおよび多モード発振などを起こりにくくし、高い光出力に至るまで、発振モードを安定化させることができる。第４の実施の形態の半導体レーザ装置２におけるその他の動作原理は、第１の実施の形態の半導体レーザ装置１と同一であるので、説明を省略する。

１，２ 半導体レーザ装置、１０ 出力光、１１，６０，７０ 波長可変レーザ素子、１２ 受動導波路、１３ 入力導波路、１４ 多モード導波路、１５ 出力導波路、１６ 多モード干渉型光結合器（ＭＭＩ）、１７ 半導体光増幅器、２１ 上部クラッド層、２２ チューニング層、２３ バリア層、２４ 活性層、２５，６１ 回折格子層、２６ 下部クラッド層、２７ 前方チューニング電極、２８ 後方チューニング電極、２９ 活性層電極、３０ チャープ回折格子、３１ 均一回折格子、３２ 基板、３３ 接地電極、３４ 埋込み層、４１ 前方ＤＦＢ領域Ｓ１の反射スペクトル、４２ 後方ＤＦＢ領域Ｓ２の反射スペクトル、６２ 位相シフタ付き回折格子、６３ 位相シフト領域、Ｓ１ 前方ＤＦＢ領域、Ｓ２ 後方ＤＦＢ領域。

Claims (5)

1. 一端面部からレーザ光を出力する半導体レーザ素子であって、
   電流注入によって光を発生する活性層と、
   前記活性層に沿って設けられ、前記活性層で発生した光を周期的に反射する回折格子層と、
   前記活性層を挟んで、前記回折格子層と反対側に設けられ、前記活性層とは独立して電流を注入可能なチューニング層と、
   前記活性層に電流を注入する活性層電極と、
   前記チューニング層に電流を注入するチューニング電極とを備え、
   前記活性層および前記活性層電極は、レーザ光の出力方向の前方側に位置する前方領域と、前記レーザ光の出力方向の後方側に位置する後方領域とにわたって設けられ、
   前記チューニング層および前記チューニング電極は、前記前方領域および前記後方領域のうちの少なくとも前記後方領域に設けられ、
   前記後方領域に設けられる前記チューニング電極は、前記前方領域とは独立して、前記後方領域に設けられる前記チューニング層に電流を注入するように構成され、
   前記回折格子層は、前記前方領域に、格子間隔がレーザ光の出力方向に連続的に変化するチャープ回折格子を有し、前記後方領域に、格子間隔が一定の領域を含む均一回折格子を有することを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記均一回折格子は、格子間隔が広がった位相シフト領域を含む位相シフタ付き回折格子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. 前記活性層電極は、前記前方領域と前記後方領域とに独立して設けられ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. 発振波長が異なる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から選ばれる複数の半導体レーザ素子を縦続接続する複数の導波路と、
   前記複数の導波路を結合して、単一のレーザ光を出力する光結合器とを備え、
   前記半導体レーザ素子は、請求項１〜３のいずれか１つに記載の半導体レーザ素子であることを特徴とする半導体レーザ装置。
5. 前記光結合器のレーザ光が出力される側の端部に、前記光結合器から出力されたレーザ光を増幅する光増幅器をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ装置。

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