JP2014222737A - 光半導体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】発振モードを安定させることができる光半導体素子を提供する。
【解決手段】光半導体素子は、回折格子１８を有する回折格子領域と、回折格子領域に連結され両端が回折格子領域によって挟まれたスペース部とを備えるセグメントを複数備え、複数のセグメントに含まれる回折格子には、３つ以上の位相の異なる回折格子が含まれてなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光半導体素子に関するものである。

回折格子が設けられた回折格子領域と、スペース部とからなるセグメントが複数連結された構成からなるサンプルドグレーティングが知られている。サンプルドグレーティングは、波長選択機能を有している。サンプルドグレーティング（SG：Sampled Grating）を有し、利得を有するＳＧ−ＤＦＢ(Sampled Grating Distributed Feedback)領域と、利得が無く波長選択ミラーとなるＳＧ−ＤＢＲ（Sampled Grating Distributed Bragg reflector）領域とが連結された半導体レーザが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２７７７５８号公報

特許文献１の技術では、半導体レーザ内に実現される共振器の中央付近で光強度が大きくなり、空間的ホールバーニング効果によって当該共振器内でのキャリア密度が不均一になるおそれがある。この場合、発振モードが不安定になるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、発振モードを安定させることができる光半導体素子を提供することを目的とする。

本発明に係る光半導体素子は、回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれたスペース部とを備えるセグメントを複数備え、前記複数のセグメントに含まれる回折格子には、３つ以上の位相の異なる回折格子が含まれてなることを特徴とする。本発明に係る光半導体素子によれば、発振モードを安定させることができる。

前記複数のセグメントは、活性層と光学的に結合されてレーザ共振器の少なくとも一部を構成してもよい。前記複数のセグメントには、複数の位相シフト構造が設けられることで、前記位相の異なる回折格子が構成されていてもよい。前記位相シフト構造の全ての位相シフト量の合計の絶対値は、０．５π〜πの範囲内としてもよい。−πから０の範囲の位相シフト量の位相シフト構造が設けられたセグメントよりも、共振器端に近い少なくとも１つのセグメントに、０からπの範囲の位相シフト量の位相シフト構造が設けられていてもよい。

位相シフト構造が設けられたセグメントの少なくとも１つにおいて、空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量に、前記位相シフト構造の位相シフト量を合わせた場合の位相ズレ量が、前記空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量と比べて０に近くてもよい。位相シフト構造が設けられたセグメントの少なくとも１つにおいて、空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量に、前記位相シフト構造の位相シフト量を合わせた場合の位相ズレ量の絶対値が、前記空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量の絶対値と比べてπに近くてもよい。

前記位相の異なる回折格子が設けられない場合における前記レーザ共振器内の平均光強度を上回る光強度を有するセグメントに対して前記位相シフト構造が設けられ、その位相シフト構造の位相シフト量を−πから０の範囲内としてもよい。前記位相の異なる回折格子が設けられない場合における前記レーザ共振器内の平均光強度を下回る光強度を有するセグメントに対して前記位相シフト構造が設けられ、その位相シフト構造の位相シフト量を０からπの範囲内としてもよい。前記複数の位相シフト構造の位相シフト量は同じであってもよい。前記複数の位相シフト構造は、連続して隣り合う前記セグメントに設けられていてもよい。

本発明によれば、発振モードを安定させることができる光半導体素子を提供することができる。

実施例１に係る波長可変型の半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 比較例に係る半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 （ａ）はセグメントの概略図を示す図であり、（ｂ）は隣り合う２つのグレーティングをそれぞれ延長した場合の仮想的な回折格子がずれている例を示す図であり、（ｃ）はセグメントＳＧ４に設けられた位相シフト構造を説明する概略図である。 （ａ）は比較例に係る半導体レーザにおける共振器内部の光強度分布を示す図であり、（ｂ）はホールバーニング効果に起因する導波路の等価屈折率分布を示す図である。 （ａ）はホールバーニング効果に起因する位相ズレを補償した場合の主モードに対する副モードの閾値利得差ｄＧｔｈであり、（ｂ）は比較例においてホールバーニング効果に起因する位相ズレが生じた場合の結果を示す図である。 実施例３に係る波長可変型の半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は位相シフト構造を設けたセグメントＳＧ４の上面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、実施例１に係る波長可変型の半導体レーザ１００の全体構成を示す模式的断面図である。図１に示すように、半導体レーザ１００は、ＳＧ−ＤＦＢ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）領域Ａと、ＣＳＧ−ＤＢＲ（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ｂと、ＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）領域Ｃと、光吸収領域Ｄと、反射防止膜ＡＲと、反射膜ＨＲとを備える。

一例として、半導体レーザ１００において、フロント側からリア側にかけて、反射防止膜ＡＲ、ＳＯＡ領域Ｃ、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ、光吸収領域Ｄ、反射膜ＨＲがこの順に配置されている。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、利得を有しサンプルドグレーティングを備える。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、利得を有さずにサンプルドグレーティングを備える。ＳＯＡ領域Ｃは、光増幅器として機能する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、基板１上に、下クラッド層２、活性層３、上クラッド層６、コンタクト層７、および電極８が積層された構造を有する。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、基板１上に、下クラッド層２、光導波層４、上クラッド層６、絶縁膜９、および複数のヒータ１０が積層された構造を有する。各ヒータ１０には、電源電極１１およびグランド電極１２が設けられている。ＳＯＡ領域Ｃは、基板１上に、下クラッド層２、光増幅層１９、上クラッド層６、コンタクト層２０、および電極２１が積層された構造を有する。光吸収領域Ｄは、基板１上に、下クラッド層２、光吸収層５、上クラッド層６、コンタクト層１３、および電極１４が積層された構造を有する。端面膜１６は、ＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜からなる。反射膜１７は、ＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜からなる。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ、ＳＯＡ領域Ｃおよび光吸収領域Ｄにおいて、基板１、下クラッド層２、および上クラッド層６は、一体的に形成されている。活性層３、光導波層４、光吸収層５および光増幅層１９は、同一面上に形成されている。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡとＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂとの境界は、活性層３と光導波層４との境界と対応している。

ＳＯＡ領域Ｃ側における基板１、下クラッド層２、光増幅層１９および上クラッド層６の端面には、端面膜１６が形成されている。本実施例では、端面膜１６はＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜である。端面膜１６は、半導体レーザ１００のフロント側端面として機能する。光吸収領域Ｄ側における基板１、下クラッド層２、光吸収層５、および上クラッド層６の端面には、反射膜１７が形成されている。反射膜１７は、半導体レーザ１００のリア側端面として機能する。

基板１は、例えば、ｎ型ＩｎＰからなる結晶基板である。下クラッド層２はｎ型、上クラッド層６はｐ型であり、それぞれ例えばＩｎＰによって構成される。下クラッド層２および上クラッド層６は、活性層３、光導波層４、光吸収層５および光増幅層１９を上下で光閉込めしている。

活性層３は、利得を有する半導体により構成されている。活性層３は、例えば量子井戸構造を有しており、例えばＧａ_０．３２Ｉｎ_０．６８Ａｓ_０．９２Ｐ_０．０８（厚さ５ｎｍ）からなる井戸層と、Ｇａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３（厚さ１０ｎｍ）からなる障壁層が交互に積層された構造を有する。光導波層４は、例えばバルク半導体層で構成することができ、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３によって構成することができる。本実施例においては、光導波層４は、活性層３よりも大きいエネルギギャップを有する。

光吸収層５は、半導体レーザ１００の発振波長に対して、吸収特性を有する材料が選択される。光吸収層５としては、その吸収端波長が例えば半導体レーザ１００の発振波長に対して長波長側に位置する材料を選択することができる。なお、半導体レーザ１００の発振波長のうち、もっとも長い発振波長よりも吸収端波長が長波長側に位置していることが好ましい。

光吸収層５は、例えば、量子井戸構造で構成することが可能であり、例えばＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ_０．２８Ｉｎ_０．７２Ａｓ_０．６１Ｐ_０．３９（厚さ１０ｎｍ）の障壁層が交互に積層された構造を有する。また、光吸収層５はバルク半導体であってよく、例えばＧａ_０．４６Ｉｎ_０．５４Ａｓ_０．９８Ｐ_０．０２からなる材料を選択することもできる。なお、光吸収層５は、活性層３と同じ材料で構成してもよく、その場合は、活性層３と光吸収層５とを同一工程で作製することができるから、製造工程が簡素化される。

光増幅層１９は、電極２１からの電流注入によって利得が与えられ、それによって光増幅をなす領域である。光増幅層１９は、例えば量子井戸構造で構成することができ、例えばＧａ_０．３５Ｉｎ_０．６５Ａｓ_０．９９Ｐ_０．０１（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ_０．１５Ｉｎ_０．８５Ａｓ_０．３２Ｐ_０．６８（厚さ１０ｎｍ）の障壁層が交互に積層された構造とすることができる。また、他の構造として、例えばＧａ_０．４４Ｉｎ_０．５６Ａｓ_０．９５Ｐ_０．０５からなるバルク半導体を採用することもできる。なお、光増幅層１９と活性層３とを同じ材料で構成することもできる。この場合、光増幅層１９と活性層３とを同一工程で作製することができるため、製造工程が簡素化される。

コンタクト層７，１３，２０は、例えばｐ型Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ結晶によって構成することができる。絶縁膜９は、ＳｉＮ，ＳｉＯ_２等の絶縁体からなる保護膜である。ヒータ１０は、ＮｉＣｒ等で構成された薄膜抵抗体である。ヒータ１０のそれぞれは、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの複数のセグメントにまたがって形成されていてもよい。

電極８，２１、電源電極１１およびグランド電極１２は、金等の導電性材料からなる。基板１の下部には、裏面電極１５が形成されている。裏面電極１５は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＯＡ領域Ｃにまたがって形成されている。

端面膜１６は、１．０％以下の反射率を有するＡＲ膜であり、実質的にその端面が無反射となる特性を有する。ＡＲ膜は、例えばＭｇＦ_２およびＴｉＯＮからなる誘電体膜で構成することができる。反射膜１７は、１０％以上（一例として２０％）の反射率を有するＨＲ膜であり、反射膜１７から外部に漏洩する光出力を抑制することができる。例えばＳｉＯ_２とＴｉＯＮとを交互に３周期積層した多層膜で構成することができる。なお、ここで反射率とは、半導体レーザ内部に対する反射率を指す。反射膜１７が１０％以上の反射率を有しているので、外部からリア側端面に入射する迷光に対してもその侵入が抑制される。また、リア側端面から半導体レーザ１００に侵入した迷光は、光吸収層５で光吸収される。それにより、半導体レーザ１００の共振器部分、すなわち、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂへの迷光の到達が抑制される。

回折格子（コルゲーション）１８は、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの下クラッド層２に所定の間隔を空けて複数箇所に形成されている。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにサンプルドグレーティングが形成される。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいて、下クラッド層２に複数のセグメントが設けられている。ここでセグメントとは、回折格子１８が設けられている回折格子領域と回折格子１８が設けられていないスペース部とが１つずつ連続する領域のことをいう。すなわち、セグメントとは、両端が回折格子領域によって挟まれたスペース部と回折格子領域とが連結された領域のことをいう。回折格子１８は、下クラッド層２とは異なる屈折率の材料で構成されている。下クラッド層２がＩｎＰの場合、回折格子を構成する材料として、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３を用いることができる。

回折格子１８は、２光束干渉露光法を使用したパターニングにより形成することができる。回折格子１８の間に位置するスペース部は、回折格子１８のパターンをレジストに露光した後、スペース部に相当する位置に再度露光を施すことで実現できる。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおける回折格子１８のピッチと、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける回折格子１８のピッチとは、同一でもよく、異なっていてもよい。本実施例においては、一例として、両ピッチは同一に設定してある。また、各セグメントにおいて、回折格子１８は同じ長さを有していてもよく、異なる長さを有していてもよい。また、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各回折格子１８が同じ長さを有し、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの各回折格子１８が同じ長さを有し、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡとＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂとで回折格子１８の長さが異なっていてもよい。

ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいては、少なくとも２つのセグメントの光学長が、互いに異なって形成されている。それにより、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの波長特性のピーク同士の強度は、波長依存性を有するようになる。本実施例においては、一例として、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは７つのセグメントを備える。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ側から、同一の光学長を有する３つのセグメントＳＧ１、同一の光学長を有する２つのセグメントＳＧ２、および同一の光学長を有する２つのセグメントＳＧ２が連結されている。セグメントＳＧ１、セグメントＳＧ２、およびセグメントＳＧ３の光学長は、１８０μｍ程度であり、互いに異なっている。なお、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおける各セグメントが第１反射器を構成し、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける各セグメントが第２反射器を構成する。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢのセグメントＳＧ１〜ＳＧ３およびＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの短セグメントＳＧ４の回折格子部の長さは、４μｍ程度である。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、実質的に同じ光学長を有する複数のセグメントが連結された構造を有する。本実施例においては、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、一例として、７つのセグメントＳＧ４を備えている。セグメントＳＧ４の光学長は、セグメントＳＧ１〜ＳＧ３と異なっており、例えば１６０μｍ程度である。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢのセグメントＳＧ１〜ＳＧ３およびＳＧ−ＤＦＢ領域のセグメントＳＧ４が半導体レーザ１００内においてレーザ共振器を構成する。半導体レーザ１００においては、半導体レーザ１００の共振器内を伝搬する光の位相をシフトさせる位相シフト構造ＰＳ１〜ＰＳ７が、各セグメントＳＧ４に設けられている。ＰＳの後に続く数字は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの前側から数えたセグメントＳＧ４の位置を表す。

位相シフト構造がＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの複数のセグメントに設けられている効果を説明するために、比較例について説明する。図２は、比較例に係る半導体レーザ２００の全体構成を示す模式的断面図である。半導体レーザ２００と図１の半導体レーザ１００とが異なる点は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいて、１つのセグメントＳＧ４のみに、フロント側への伝搬光とリア側への伝搬光との位相を整合させるために光の位相を９０度シフトさせる位相シフト構造が設けられている点である。

ここで、位相シフト構造に関して詳細に説明する。図３（ａ）は、セグメントの概略図を示す。図３（ａ）では、隣り合う２個のグレーティング（回折格子領域）と、その間のスペース部とが図示されている。点線で示した回折格子は、説明のために示したもので、実際には存在しない。実線で示した回折格子がグレーティングを構成している。

図３（ａ）の例では、３個の回折格子単位が１個のグレーティングを構成している。スペース部には回折格子が存在しないが、図３（ａ）では、実線で示したグレーティングが同じ周期で延長した場合の仮想的な回折格子を点線で示している。図３（ａ）の例では、隣り合う２つのグレーティングをそれぞれ延長した場合の仮想的な回折格子は合致しており、２つのグレーティングの位相は揃っている。このとき、図示したセグメントには位相シフト構造は設けられておらず、位相シフト量φｐｓ はゼロである。

図示した２つのグレーティングの左側から右方向へ伝搬する光が、１個目のグレーティングで反射した光と、１個目のグレーティングを透過して２個目のグレーティングで反射した光は、同位相で足し合わされる。同様に、２つのグレーティングの右側から左方向へ伝搬する光が、１個目のグレーティングで反射した光と、１個目のグレーティングを透過して２個目のグレーティングで反射した光は、同位相で足し合わされる。

一方、図３（ｂ）の例では、隣り合う２つのグレーティングをそれぞれ延長した場合の仮想的な回折格子が互いにずれている。すなわち、２つのグレーティングの位相がずれている。このとき、図示したセグメントには位相シフト構造が設けられており、位相シフト量φｐｓ は次式（１）で与えられる。

ここで、Ｌｓｇはセグメントの長さを表し、Λは回折格子周期（ピッチ）を表す。また、ｍは整数であり、−π＜φｐｓ≦πとなるように選ばれる。

この場合、図示した２つのグレーティングの左側から右方向へ伝搬する光が１個目のグレーティングで反射した光の位相と、１個目のグレーティングを透過して２個目のグレーティングで反射した光の位相とがずれており、当該２つの光は位相差φｐｓの状態で足し合わされる。同様に、２つのグレーティングの右側から左方向へ伝搬する光が１個目のグレーティングで反射した光の位相と、１個目のグレーティングを透過して２個目のグレーティングで反射した光の位相とがずれており、当該２つの光は位相差φｐｓの状態で足し合わされる。

図３（ｃ）は、比較例に係る半導体レーザ２００のセグメントＳＧ４に設けられた位相シフト構造を説明する概略図である。図３（ｃ）では、φｐｓ＝πの位相シフト量が導入されている。この場合、図示した２つのグレーティングの左側から右方向へ伝搬する光が１個目のグレーティングで反射した光と、１個目のグレーティングを透過して２個目のグレーティングで反射した光とは、反位相で足し合わされる。即ち、２つの反射光は互いに打ち消しあう。同様に、２つのグレーティングの右側から左方向へ伝搬する光が１個目のグレーティングで反射した光と、１個目のグレーティングを透過して２個目のグレーティングで反射した光とは、反位相で足し合わされる。

一方、図示した２つのグレーティングの間のスペース部から右方向に伝搬する光が、右側のグレーティングで反射した後に、さらに左側のグレーティングで反射した場合を考える。このとき、２つのグレーティングで反射された伝搬光は、元の伝搬光と同位相で足し合わされる。同様に、２つのグレーティングの間のスペース部から左方向に伝搬する光が左側のグレーティングで反射した後に、さらに右側のグレーティングで反射した場合も、元の伝搬光と同位相で足し合わされる。このように、共振器の中央付近のセグメントに１か所だけφｐｓ＝πの位相シフトが導入されている場合、共振器の内部から伝搬する光が各グレーティングで多重反射して戻ってきたときの位相が合致する。即ち、レーザ発振に必要な位相条件が満たされる。

このように、隣り合う２つのグレーティングの位相をずらすことによって、セグメント中に任意の位相シフト構造を設けることができる。また、隣り合う２つのグレーティングの位相は合致させたまま、スペース部の屈折率を変えることで、光の伝搬速度を変化させ、等価的に位相シフト構造を設けることも可能である。すなわち、一部の領域で導波路の等価屈折率を大きくすると、光の伝搬速度（位相速度）が遅くなるため、セグメントの等価的な長さ（光路長）が長くなる。逆に、一部の領域で導波路の等価屈折率を小さくすると、光の伝搬速度（位相速度）が速くなるため、セグメントの等価的な長さ（光路長）が短くなる。

したがって、伝搬方向の座標軸をｘ としたときの、セグメント内の導波路の等価屈折率の分布をｎｒ（ｘ）とすると、位相シフト量φｐｓ は次式（２）で表される。

式（２）において、Ｌｓｇはセグメントの長さを表し、Λは回折格子周期を表し、下記式（３）の部分はセグメントを範囲とする積分を表し、下記式（４）の部分は位相シフト構造が設けられていないセグメントの等価屈折率を表す。また、ｍは整数であり、−π＜φｐｓ≦πとなるように選ばれる。導波路の等価屈折率を変える方法としては、コア層の幅、厚さ、材料等を変化させる方法、電流注入によってキャリア密度を変化させる方法、温度や電界を変化させる方法等が挙げられる。また、回折格子の位相をずらす方法と、導波路の屈折率を変える方法とを併用してもよい。

図４（ａ）は、比較例に係る半導体レーザ２００における共振器内部の光強度分布を示す。図４（ａ）において、横軸は共振器内の位置を示し、具体的にはＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ内の各セグメントの位置を示している。図４（ａ）において「ＳＧ４」と表された領域は、７つのセグメントＳＧ４に対応している。縦軸は、光強度を示している。「Ｐｓ」はフロント側への伝搬光を表し、「Ｐｒ」はリア側への伝搬光を表し、「Ｐｒ＋Ｐｓ」はフロント側への伝搬光とリア側への伝搬光との総和を表している。

フロント側への伝搬光およびリア側への伝搬光は、各グレーティングで一部が反射され、逆方向への伝搬光となる。それにより、各グレーティングで強度が不連続に変化する。特に、フロント側への伝搬光とリア側への伝搬光との位相を整合するために上述の位相シフト構造が設けてある場合は、位相シフト構造付近のセグメントで伝搬光の強度が大きく変化する。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡではＳＧ−ＤＦＢ領域Ａが有する利得によって伝搬光が増幅されるため、フロント側への伝搬光（Ｐｓ）はＳＧ−ＤＦＢ領域Ａのフロント側で大きくなる。そのため、フロント側への伝搬光（Ｐｓ）の光強度は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢからＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにかけて徐々に大きくなる。一方、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡではＳＧ−ＤＦＢ領域Ａが有する利得によって伝搬光が増幅されることに起因して、リア側への伝搬光（Ｐｒ）はＳＧ−ＤＦＢ領域Ａのリア側で大きくなり、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいてはリア側に向けて小さくなる。

共振器のフロント側およびリア側の端では、それぞれ、フロント側への伝搬光（Ｐｓ）もしくはリア側への伝搬光（Ｐｒ）のいずれか一方しか存在しない。それにより、フロント側端およびリア側端では、光強度は抑制されている。これに対して、共振器の中央付近では、フロント側への伝搬光（Ｐｓ）およびリア側への伝搬光（Ｐｒ）の光強度が共に大きくなる。さらに、リア側への伝搬光（Ｐｒ）は共振器の中央付近で極大値を有する。したがって、伝搬光（Ｐｓ）および伝搬光（Ｐｒ）の総和（Ｐｒ＋Ｐｓ）は、共振器の中央付近で大きくなる。また、位相整合のために共振器中に位相シフト構造が設けてある場合には、位相シフト構造付近のセグメントで、光強度がさらに大きくなる。

光強度が大きくなる領域においては、空間的ホールバーニング効果に起因してキャリア密度が小さくなる。この場合、共振器内でのキャリア密度が不均一になる。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域の各セグメント間で屈折率差が生じ、干渉効果が薄れ、発振モードが不安定になりやすい。

図４（ｂ）は、ホールバーニング効果に起因する導波路の等価屈折率分布を示す。図４（ｂ）では、ホールバーニングを考慮しない場合の等価屈折率を基準とした屈折率差を示している。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａでは、共振器内の光強度分布の大きい部分で屈折率が大きくなり、光強度分布の小さい部分で屈折率が小さくなっている。特に、共振器の中央付近や、レーザ発振に必要な位相条件を満たすための位相シフト構造付近で、屈折率が大きくなっている。

表１ は、図４（ｂ）に示す屈折率分布を積分して算出した、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各セグメントで生じる位相ズレ量である。表１においてＤＦＢ＃の後に続く数字は、ＳＧ−ＤＦＢ領域の前側から数えたセグメントの位置を表す。例えば、ＤＦＢ＃２は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの前側から２番目のセグメントＳＧ４を表し、ＤＦＢ＃７は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの前側から７番目のセグメントＳＧ４を表す。最大でφｐｓ＝＋０．７６πに相当する位相ズレが生じている。

このような光強度分布に起因する位相ズレは、利得領域中にグレーティングを設けたＳＧ−ＤＦＢ領域を有する半導体レーザに固有の現象である。利得領域中にグレーティングを含まない場合は、たとえパッシブ領域にグレーティングが設けられていても、スペース部で伝搬光が増幅されないので、上記のような光強度分布にはならない。また、利得領域全面に渡って回折格子が設けられているＤＦＢレーザにおいて、共振器中央付近に位相シフトが設けられている場合は、回折格子の結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬが大きい（例えばκＬ＞１．５）場合には、共振器中央付近の光強度分布が大きくなる。しかしながら、グレーティングでの不連続な変化はなく、光強度分布はＳＧ−ＤＦＢ領域を有する半導体レーザの場合と異なる。

比較例に係る半導体レーザ２００では、κＬ＜１．５の場合でも、共振器中央付近の光強度分布は大きくなる。また、グレーティングを用いた波長可変レーザでは、各グレーティング間の干渉効果を利用して発振モードが選択されるため、光強度分布の不均一によって各セグメント間の位相がずれると、干渉効果が薄れて所望の発振モードを選択できなくなることがある。したがって、例えＣＷ光源として使用する場合でも、光強度分布の不均一が問題となる。

実施例１に係る半導体レーザ１００においては、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの複数のセグメントＳＧ４（一例としてすべてのセグメントＳＧ４）に、位相シフト構造ＰＳ１〜ＰＳ７が設けられている。各セグメントＳＧに導入された位相シフト量を表２に示す。ＰＳ１〜ＰＳ６ は、それぞれ表１に示すホールバーニング効果に起因する位相ズレ量と符号が逆で、絶対値が概略同じである。すなわち、ＰＳ１〜ＰＳ６を導入することによって、ホールバーニング効果に起因する位相ズレ量を補償することができる。また、ＰＳ７は、ホールバーニング効果に起因する位相ズレ量と合わせると、概略πとなる。したがって、ホールバーニング効果に起因する位相ズレが生じたときに、レーザ発振に必要な位相条件が満たされる。

図５（ａ）は、本実施例によってホールバーニング効果に起因する位相ズレを補償した場合の主モードに対する副モードの閾値利得差ｄＧｔｈである。比較のため、比較例に係る半導体レーザ２００において、ホールバーニング効果に起因する位相ズレが生じた場合の結果を図５（ｂ）に示す。

主モードに対する副モードの閾値利得差は、発振モードの安定性を示す。安定な単一波長動作を実現するためには、ｄＧｔｈ＞４〜５ｃｍ^−１ 程度が必要である．比較例に係る半導体レーザ２００においては、発振波長によるｄＧｔｈの差が大きく、１５３０ｎｍ付近や１５７０ｎｍ付近では、安定な単一波長動作が実現できないことがわかる。これは、ホールバーニング効果に起因する位相ズレによって、各セグメント間を伝搬する光の位相が揃わなくなったためと考えられる。

一方、実施例１に係る半導体レーザ１００では、各セグメント中に導入された位相シフト構造によってホールバーニング効果に起因する位相ズレ量が補償されるため、各セグメント間を伝搬する光の位相が揃い、発振波長によらず一定のｄＧｔｈが得られている。これによって、１５３０ｎｍ付近や１５７０ｎｍ付近でも、安定な単一波長動作が実現できる。

本実施例においては、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの全てのセグメントＳＧ４に位相シフト構造が設けられているが、それに限られない。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの複数のセグメントの少なくとも２つにおいて、異なる位相シフト量の位相シフト構造が設けられていれば、ホールバーニング効果による屈折率分布に起因する各セグメントの位相ズレを抑制することができる。その結果、発振モードを安定させることができる。

また、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいて、位相シフト構造が設けられた全てのセグメントＳＧ４の位相シフト量の合計の絶対値を、０．５π〜πの範囲内とすることが好ましい。レーザ発振に必要な位相条件が満たされるからである。

また、−πから０の範囲の位相シフト量の位相シフト構造が設けられたセグメントＳＧ４よりも、共振器端に近い少なくとも１つのセグメントＳＧ４に、０からπの範囲の位相シフト量の位相シフト構造が設けられていることが好ましい。図４（ｂ）に示したように、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａでは、共振器内の光強度分布の大きい部分で屈折率が大きくなり、光強度分布の小さい部分で屈折率が小さくなるからである。

また、位相シフト構造が設けられたセグメントＳＧ４の少なくとも１つにおいて、空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量に、位相シフト構造の位相シフト量を合わせた場合の位相ズレ量が、空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量と比べて０に近くなっていることが好ましい。ホールバーニング効果による屈折率分布に起因する各セグメントＳＧ４の位相ズレが抑制されるからである。

また、位相シフト構造が設けられたセグメントＳＧ４の少なくとも１つにおいて、空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量に、位相シフト構造の位相シフト量を合わせた場合の位相ズレ量の絶対値が、空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量の絶対値と比べてπに近くなっていることが好ましい。ホールバーニング効果による屈折率分布に起因する各セグメントＳＧ４の位相ズレが抑制されるからである。

また、複数のセグメントＳＧ４が電流注入によって利得を発生してレーザ発振した場合における前記複数のセグメントＳＧ４の平均光強度を上回る光強度のセグメントＳＧ４の少なくとも１つにおいて、位相シフト構造の位相シフト量が−πから０の範囲内であることが好ましい。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａでは、共振器内の光強度分布の大きい部分で屈折率が大きくなり、光強度分布の小さい部分で屈折率が小さくなるからである。

また、複数のセグメントＳＧ４が電流注入によって利得を発生してレーザ発振した場合における前記複数のセグメントＳＧ４の平均光強度を下回る光強度のセグメントＳＧ４の少なくとも１つにおいて、位相シフト構造の位相シフト量が０からπの範囲内であることが好ましい。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａでは、共振器内の光強度分布の大きい部分で屈折率が大きくなり、光強度分布の小さい部分で屈折率が小さくなるからである。

また、ホールバーニング効果による屈折率変化を相殺する位相シフト量が各セグメントＳＧ４に設けられ、いずれか１つのセグメントＳＧ４にさらにπの位相シフト量が設けられていることが好ましい。この場合、ホールバーニング効果による屈折率分布に起因する各セグメントＳＧ４の位相ズレが抑制されるとともに、レーザ発振に必要な位相条件が満たされるからである。

続いて、実施例２について説明する。実施例２に係る半導体レーザ１００ａが実施例１に係る半導体レーザ１００と異なる点は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各セグメントＳＧ４に導入された位相シフト量である。各セグメントＳＧ４に導入された位相シフト量を表３に示す。表３におけるＰＳ１〜ＰＳ７は、それぞれ表２におけるＰＳ１〜ＰＳ７から位相シフト量＋０．８πだけシフトしている。言い換えると、表２におけるＰＳ１〜ＰＳ７に、位相シフト量＋０．８πを加え、−π＜φｐｓ≦πの範囲に入るように整数ｍが選択されている。すなわち、実施例１ におけるＳＧ−ＤＦＢ領域の各セグメントＳＧ４の全てに同じ位相シフト量の位相シフトを追加している。

ここで、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各セグメントＳＧ４の全てに同じ位相シフト
量の位相シフトを追加しても、各セグメントＳＧ４間の位相差は変わらないため、伝搬光の干渉効果はほとんど変わらない。したがって、本実施例においても、実施例１と同様の効果が得られる。

続いて、実施例３について説明する。図６に示すように、実施例３に係る半導体レーザ１００ｂが実施例１に係る半導体レーザ１００と異なる点は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのセグメントにも位相シフト構造が設けられている点である。一例として、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのすべてのセグメントに位相シフト構造が設けられている。具体的には、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの７個のセグメントＳＧ４に、それぞれＰＳ１〜ＰＳ７で示す位相シフト構造が設けられ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの７個のセグメントに、それぞれＰＳ８〜ＰＳ１４で示す位相シフト構造が設けられている。

各セグメント中に導入された位相シフト量を表４に示す。表４において、ＤＢＲ＃の後に続く数字は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの前側から数えたセグメントの位置を表す。例えば、ＤＢＲ＃２は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの前側から２番目のセグメントを表し、ＤＢＲ＃７は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの前側から７ 番目のセグメントを表す。表４におけるＰＳ１〜ＰＳ７は、それぞれ表３におけるＰＳ１〜ＰＳ７と同じ位相シフト量である。また、ＰＳ８〜ＰＳ１４は、全て同じ位相シフト量である。即ち、実施例２におけるＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの各セグメントの全てに、同じ位相シフト量の位相シフト構造が追加されている。

ここで、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの各セグメントに同じ位相シフト量の位相シフト構造を追加しても、各セグメント間の位相差は変わらないため、伝搬光の干渉効果はほとんど変わらない。したがって、本実施例においても実施例２と同様の効果が得られる。

続いて、実施例４について説明する。実施例４に係る半導体レーザ１００ｃが実施例１に係る半導体レーザ１００と異なる点は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各セグメントＳＧ４に導入された位相シフト量である。本実施例においては、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの７個のセグメント中、前側から２，３，６，７個目の 計４個のセグメントＳＧ４に位相シフト構造が設けられている。

各セグメント中に導入された位相シフト量を表５に示す。表５におけるＰＳ１，ＰＳ４，ＰＳ５の位相シフト量はゼロである。すなわち、前側から１，４，５番目のセグメントＳＧ４には位相シフト構造が設けられていない。残りのセグメントＳＧ４に導入されるＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ６，ＰＳ７は、それぞれ表２におけるＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ６，ＰＳ７と同じ位相シフト量である。すなわち、本実施例では、ホールバーニング効果に起因する位相ズレ量の絶対値が比較的小さな セグメント（０．４π以下）に関しては、位相シフト構造を設けていない。

この場合、実施例１と比べると、各グレーティング間の干渉効果は弱まるが、位相ズレ量の絶対値が０．４π程度以下であれば、実施例１と同様の効果が得られる。さらに、実施例１に比べて導入する位相シフト構造の数を少なくできるため、設計や製作が簡便になる。また、前述したように、セグメント中の少なくとも一部の領域で導波路の屈折率を変えることで等価的に位相シフトを導入する場合、屈折率の不連続部での反射が生じる可能性があるが、導入する位相シフト構造の数を少なくすることで、反射光の影響を抑えることができる。

例えば、導波路の幅、厚さ、材料などを変えることによって位相シフト構造を実現してもよい。一例として、セグメントＳＧ４のスペース部において、導波路の幅を一部縮小（または拡大）した領域を設けてもよい。図７（ａ）は、位相シフト構造を設けたセグメントＳＧ４の上面図である。図７（ａ）に示すように、スペース部に縮幅部３ｂを設けてもよい。図７（ｂ）に示すように、縮幅部３ｂは、スペース部において複数に分割されて設けられていてもよい。また、図７（ｃ）に示すように、縮幅部３ｂの代わりに拡幅部３ｃを設けてもよい。これらを設けたことにより、他の導波路との境界（前後２箇所）において伝搬定数が変化する部分が生じる。この伝搬定数の変化により、位相シフト構造を実現している。この伝搬定数の変化量は、導波路幅の変化量によって決めることができる。なお、この方法によって位相シフトを導入する場合、ＳＧ−ＤＦＢ領域とＣＳＧ−ＤＢＲ側のそれぞれにおける回折格子の構造的なピッチの位相は、全て同じである。

本実施例においては、導波路の幅、厚さ、材料などを変えることによって、少なくとも２つのセグメントＳＧ４において互いに異なる位相シフト量を実現することができる。このように屈折率を変更することによって、ホールバーニング効果による屈折率分布に起因する各セグメントの位相ズレを抑制することができる。

（その他の例）
スペース部への電流注入、電界の付加などによって、位相シフト構造を実現してもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 基板
２ 下クラッド層
３ 活性層
４ 光導波層
６ 上クラッド層
７，２０ コンタクト層
８，２１ 電極
１０ ヒータ
１１ 電源電極
１２ グランド電極
１５ 裏面電極
１６ 端面膜
１７ 端面膜
１８ 回折格子
１９ 光増幅層
２２ ヒータ
２３ 電源電極
２４ グランド電極
３１ 利得領域
３２ パッシブ導波路
１００ 半導体レーザ

Claims (11)

1. 回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれたスペース部とを備えるセグメントを複数備え、
   前記複数のセグメントに含まれる回折格子には、３つ以上の位相の異なる回折格子が含まれてなることを特徴とする光半導体素子。
2. 前記複数のセグメントは、活性層と光学的に結合されてレーザ共振器の少なくとも一部を構成することを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
3. 前記複数のセグメントには、複数の位相シフト構造が設けられることで、前記位相の異なる回折格子が構成されてなることを特徴とする請求項２記載の光半導体素子。
4. 前記位相シフト構造の全ての位相シフト量の合計の絶対値は、０．５π〜πの範囲内であることを特徴とする請求項３記載の光半導体素子。
5. −πから０の範囲の位相シフト量の位相シフト構造が設けられたセグメントよりも、共振器端に近い少なくとも１つのセグメントに、０からπの範囲の位相シフト量の位相シフト構造が設けられていることを特徴とする請求項３または４記載の光半導体素子。
6. 位相シフト構造が設けられたセグメントの少なくとも１つにおいて、空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量に、前記位相シフト構造の位相シフト量を合わせた場合の位相ズレ量が、前記空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量と比べて０に近いことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の光半導体素子。
7. 位相シフト構造が設けられたセグメントの少なくとも１つにおいて、空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量に、前記位相シフト構造の位相シフト量を合わせた場合の位相ズレ量の絶対値が、前記空間的ホールバーニング効果によって生じる位相ズレ量の絶対値と比べてπに近いことを特徴とする請求項３〜５のいずれか一項に記載の光半導体素子。
8. 前記位相の異なる回折格子が設けられない場合における前記レーザ共振器内の平均光強度を上回る光強度を有するセグメントに対して前記位相シフト構造が設けられ、その位相シフト構造の位相シフト量が−πから０の範囲内であることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載の光半導体素子。
9. 前記位相の異なる回折格子が設けられない場合における前記レーザ共振器内の平均光強度を下回る光強度を有するセグメントに対して前記位相シフト構造が設けられ、その位相シフト構造の位相シフト量が０からπの範囲内であることを特徴とする請求項３〜７のいずれか一項に記載の光半導体素子。
10. 前記複数の位相シフト構造の位相シフト量は同じであることを特徴とする請求項３〜９のいずれか一項に記載の光半導体素子。
11. 前記複数の位相シフト構造は、連続して隣り合う前記セグメントに設けられてなることを特徴とする請求項３〜１０のいずれか一項に記載の光半導体素子。

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