JP2017216353A - 分布帰還型レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】アイソレータを用いることができないために反射戻り光に晒される状況下でも、安定な発振動作可能であり、発光効率の低下を抑制できる半導体レーザを提供する。
【解決手段】出射端面側に非注入領域１１を設けたＤＦＢレーザ１００において、発光領域の後方に、新たに後方反射領域１３を設ける。後方反射領域での反射効果をできるだけ大きくするため、発光領域内の回折格子８にπ／２位相シフト部を設け、レーザ発振光の波長が回折格子のブラッグ波長になるようにする。同時に、後方反射領域にわずかなバイアス電流を流すことによって、後方反射領域内における反射光の吸収ができるだけ小さくなるようにする。後方反射領域へのバイアス電流を最適化する機構を備えることもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光源に関する。より詳細には、反射戻り光の影響による特性劣化を抑えた半導体レーザ光源に関する。

近年、インターネットにおけるトラフィックが急激に増大し、最近ではストリーミングを利用した定額音楽サービスや高精細動画の配信サービスも普及している。このため、幹線系およびメトロ・アクセス系のいずれにおいても、ネットワークのさらなる高速・大容量化が急務となっている。また、データセンタ内の装置間および装置内を電気信号ではなくて光によって接続し、配線を光化することにより、データセンタ全体や伝送装置の消費電力を大幅に低減して信号処理能力を飛躍的に向上させる取り組みも盛んに行われている。このようなニーズの高まりに対応して、光信号を送受信する装置に使用される光モジュールにおいても、高速・高性能化および小型・低コスト・低消費電力化の両方の実現が求められている。

光モジュールの小型化、低コスト化、低消費電力化に対するニーズの高まりにより、異なる機能の複数の光回路を、高密度に集積することが可能なモノリシック光半導体集積回路技術やシリコンフォトニクス技術への期待がますます大きくなっている。具体的には、ＩｎＰやＳｉ等の半導体基板上に、半導体レーザや光受光素子、光導波路、光変調器、光増幅器、光合分波器等などを集積化する検討が進んでいる。

モノリシック光半導体集積回路において集積化を実現する要素技術の１つとして、組成の異なる導波路コアを一体結合するため、半導体レーザと光導波路とを空気層を介さずに突き合せて接続するバットジョント（butt joint）が利用されている。しかしながら、バットジョイントを利用すると、接続する導波路コア間には、戻り光を抑制するためのアイソレータを入れることができない。また、シリコン基板上に形成された光導波路に対して、同一材料のシリコン基板上に作製された半導体レーザをフリップチップ・ボンディング等の技術を用いて搭載されている。この場合でも、半導体レーザの出力光を光導波路に結合させる際に、寸法の大きなアイソレータを半導体レーザと光導波路の間に実装することが困難である。

したがって、モノリシック光半導体集積回路技術やシリコンフォトニクス技術を適用した小型・高密度集積型光半導体素子を実現するためには、アイソレータを使用できない状況下でも、安定に発振動作できる半導体レーザが強く求められている。すなわち、アイソレータを用いることができないために半導体レーザが反射戻り光に晒される状況下においても、安定な発振動作を行うことのできる半導体レーザが必要となる。

図８は、従来技術のレーザ素子の一例として、分布反射型レーザの構成を模式的に示した図である。図８に示した分布反射型（Distributed Reflection：ＤＲ）レーザ素子４００は、発光領域４１２および後方反射領域４１１から構成されている。発光領域４１２では、活性層導波路４０７、クラッド層４０２の上に、注入電流が流れ込む電極４０１が構成されている。後方反射領域４１１では、発振光の吸収が少ない組成の半導体で形成されたパッシブ光導波路４１０が形成されている。発光領域４１２および後方反射領域４１１には、それぞれ回折格子４０９、４０８が、ＤＲレーザ素子４００の両端面には無反射コーティング４１６、４１７が形成されている。発光領域４１２側の端面から光出力４１８が得られる。
ＤＲレーザ素子４００の後方反射領域４１１では、半導体固有の内部損失（一般に、１０〜２０ｃｍ^-1）が残留しているために、分布反射ミラーとしての効率（実効反射率）は低くなってしまう課題がある。また、活性層導波路４０７およびパッシブ光導波路４１０が異なる組成の半導体材料で形成されているために、両者に実効的な屈折率の差が発生する。その結果、光の伝搬定数に差が生じて、主モードであるＤＲレーザの発振モードとその両側に出現するサイドモード（副モード）との強度差（サイドモード抑圧比）が小さくなってしまう可能性がある。サイドモード抑圧比が小さいと、発振強度が近い２つのモードが同時発振することになり、レーザはモード跳びを起こしやすい不安定な発振状態となってしまう。ＤＲレーザ素子４００では上述の課題を克服するため、図８に示したように、後方反射領域４１１に形成する回折格子４０８の深さを、発光領域４１２における回折格子４０９の深さよりも深くする必要がある。しかしながら、１つの基板上で異なる深さの回折格子を構成するためには、回折格子を２度に分けて形成しなければならず、ＤＲレーザ素子４００では、素子の作製工程が複雑になり、工程数も多くなってしまう短所があった。

通信分野において広く用いられている別のタイプの半導体レーザに、分布帰還型（Distributed Feedback：ＤＦＢ）レーザがある。ＤＦＢレーザは安定な単一モードの波長スペクトルでの発振が可能であり、直流電流駆動による連続波（Continuous wave：ＣＷ）発振動作と、変調電流駆動による直接変調動作のどちらにも対応できる光源として、主に光通信分野において広く用いられている。

しかしながら、ＤＦＢレーザでは、波長スペクトルの幅が狭いため、レーザ端面から出射される発振光はコヒーレンシー（可干渉性）が高いという特徴を持っている。このため、レーザ外部の反射点において反射されてレーザに戻ってくる反射戻り光の上述の影響を強く受ける。反射戻り光がレーザ共振器内部に入射した場合、レーザ共振器内部の発振光と反射光とが干渉することによって発振状態が大きく乱れ、発振光において雑音が大きく増大する。この雑音は、一般に戻り光誘起雑音と呼ばれている。

ＤＦＢレーザでは、上述のようなアイソレータを用いることができない状況で、反射戻り光による光誘起雑音を増大させる問題があった。この光誘起雑音を抑制するための代表的な方法として、これまで、次の３つが提案されている。

第１に、非特許文献１に示したように、ＤＦＢレーザの変調周波数よりも十分高い周波数の正弦波（高周波）を変調信号に重畳する方法である。

第２に、特許文献１に示したように、ＤＦＢレーザの出射端面側に電流を注入しない非注入領域（可飽和吸収領域）を設けることによって、反射戻り光を吸収させる方法である。

第３に、非特許文献２に示したように、活性層（発光層）の上部または下部に積層された光導波路層（ガイド層）に回折格子を形成することによって屈折率が周期的に変化するようにしていた屈折率結合型ＤＦＢレーザの代わりに、活性層の形状を周期的に変化させることによって光の利得または吸収が周期的に変化するようにした利得結合型ＤＦＢレーザを用いる方法である。

特開平４−１７３７４号公報

有本昭、尾島正啓、茅根直樹、大石昭夫、後藤敏彦：「高周波電流重畳法による半導体レーザー搭載ビデオディスクプレーヤのレーザーノイズ低減化」、光学、１９８５年１０月、第14巻 第5号、pp.377-384 中村幸治、宮村悟史、八重樫 浩樹、小川洋：「アイソレータフリーモジュール用1.49um利得結合型DFBレーザの反射戻り光耐性」、２００８年９月、2008年 電子情報通信学会 エレクトロニクスソサイエティ大会講演論文集１BCS-1-8、pp.S15-S16 Kazuhiro Komori, Shigehisa Arai, Yasuharu Suematsu, and Isao Arima: 「Single-Mode Properties of Distributed-Reflector Lasers」, June 1989, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.25, No.6, pp.1235-1244 Francois Favre: 「Theoretical Analysis of External Optical Feedback on DFB Semiconductor Lasers」, January 1987, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.QE-23, No.1, pp.81-88

しかしながら、上述のＤＦＢレーザにおける反射戻り光による光誘起雑音を抑える方法は、別の新たな問題を生じさせ、いずれも十分なものではなかった。例えば、変調信号に高周波重畳を行う第１の方法では、ＤＦＢレーザの変調信号の速度（ビットレート）よりも十分高い周波数の正弦波信号を重畳する必要がある。高周波重畳を行う場合、受信回路側で、変調信号の周波数成分と重畳した高周波の周波数成分とをローパスフィルタ等で明確に分離できることが重要となる。フィルタの性能にも依存するが、重畳高周波を、信号周波数に対して少なくとも４〜５倍程度は高い周波数に設定する必要がある。しかし、変調速度が１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速となる場合、それよりも十分高い周波数の正弦波信号を生成すること自体、簡単ではない。また、ＤＦＢレーザを直接的に変調せずにＣＷ発振動作で使用する場合においても、高周波重畳を行うことによってＤＦＢレーザの発振スペクトルは単一モードのままで広がるか、または、多モード発振状態になってしまい、伝送路の光ファイバの持つ波長分散の影響を強く受けることによって信号パルスの形状劣化が大きくなってしまう。この信号パルスの形状劣化のため、光信号を伝送できる距離が短くなってしまう新たな問題が発生していた。

ＤＦＢレーザの出射端面側に非注入領域を設ける第２の方法の場合でも、レーザの発光効率（外部量子効率）が小さくなる欠点がある。ＤＦＢレーザから出射される光、および、外部からレーザ内部に入射する戻り光の両方が、非注入領域内部での吸収により減衰するため、レーザの発光効率（外部量子効率）が小さくなってしまう。例えば、両端面に無反射コーティングを施し、共振器の中央部で回折格子の位相をシフトさせた従来技術のＤＦＢレーザを考える。この場合では、非注入領域がない場合の外部微分量子効率（約０．２７）に比べ、全共振器長の１／２の出射端面側領域を非注入領域とすることで、外部微分量子効率は、約０．０４程度（約１５％に減少）にまで悪化していた。また、非注入領域内部にも回折格子が形成されているため、出射方向に伝搬する光の一部がこの回折格子によって出射方向とは反対の方向に帰還する。この帰還光と、レーザ外部から内部に入射した戻り光とが干渉を起こす。この時、帰還光および戻り光の間で位相条件が合えば、戻り光および結合した帰還光は、レーザ内部の励起領域（電流注入領域）に向かって徐々に強度を増しながら伝搬する問題が発生する。

また、利得結合型ＤＦＢレーザを用いる第３の方法は、屈折率結合型のＤＦＢレーザに比べ作製方法が複雑であるだけでなく、設計・作製自体が難しく、結果の予測可能性にも欠ける問題があった。利得および屈折率は、強い相関関係を持ったパラメータであるために、活性層の形状を周期的に変化させることで利得を周期的に変化させようとすると、屈折率も同時に変化してしまう。利得だけを周期的に変化させ、利得および屈折率の両者を切り分けた構造を設計・作製することは難しいという課題があった。

図８で説明したＤＲレーザは、ＤＦＢレーザと同様に光導波路との集積に適した半導体レーザであって、非特許文献３に開示されているように、後方端面に高反射膜をコーティングすることなく前方からの発光効率（外部量子効率）を高めることができる。ＤＲレーザは、発光効率を高められる点で有効な構造であるが、既に述べたように作製工程が複雑である。また、反射戻り光に対する発振モードの影響については、未だ詳細な報告はなされていない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、従来技術の反射戻り光による光誘起雑音を抑えた第２の方法において、出射端面側の非注入領域によって、様々な位相状態の反射戻り光に対する発振状態の変動を非常に小さく抑えながら、レーザの発光効率（外部量子効率）が小さくなる欠点を補償できる新たなＤＦＢレーザの構造を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板内に形成された活性層と、前記活性層と同一組成の半導体から成り、前記活性層の上面または下面の少なくとも一方に積層され、前記活性層とともに光導波路を構成するガイド層と、前記ガイド層の前記活性層とは反対側の面に構成された回折格子とを有し、前記光導波路の一方の出射端面から外部へ発振光を出射する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザにおいて、前記ＤＦＢレーザの前記光導波路の概ね中央部を含み、前記回折格子の周期構造を半周期分（π）だけ位相をずらした位相シフト部を有し、注入電流を流す電極が最上部に形成され、前記注入電流を注入することによってレーザ発振を生じさせる発光領域と、前記発光領域よりも前記光導波路の前記出射端面の側にあって、電流を注入しない非注入領域と、前記発光領域よりも前記光導波路の前記出射端面とは反対側にあって、前記レーザ発振のしきい値電流値の半分以下に設定されたバイアス電流を流す電極が最上部に形成された後方反射領域とを備えたことを特徴とするＤＦＢレーザである。

請求項２に記載の発明は、請求項１のＤＦＢレーザであって、前記非注入領域の長さをＬ_abとし、前記発光領域の長さをＬ_aとした時、０．３≦Ｌ_ab／(Ｌ_a＋Ｌ_ab)≦０．５が成り立つよう前記非注入領域および前記発光領域が構成されたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２のＤＦＢレーザであって、前記後方反射領域の長さをＬ_brとし、前記位相シフト部が形成された位置から前記出射端面までの長さをＬ_phとした時、０．８≦Ｌ_ph／(Ｌ_a＋Ｌ_ab)≦１．０、且つ、Ｌ_br／(Ｌ_a＋Ｌ_ab)≧０．５が成り立つよう前記後方反射領域、前記発光領域および前記位相シフト部が構成されたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかのＤＦＢレーザであって、前記光導波路の両端に形成される端面が劈開により形成され、前記端面が誘電体薄膜で構成される無反射コーティングで被覆されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかのＤＦＢレーザの前記光導波路と、前記ＤＦＢレーザの前記光導波路の端部の少なくとも一方に、前記半導体基板と同一の組成を持つ別個の基板の半導体光導波路とが、直接接合されていることを特徴とするＤＦＢレーザである。

請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかのＤＦＢレーザであって、前記ＤＦＢレーザの前記後方反射領域の端面からの出射光の光パワーを検出する受光装置をさらに備え、前記受光装置における光パワーの検出電流が最小値となるように、前記後方反射領域への前記バイアス電流が設定されたことを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項６のＤＦＢレーザであって、前記検出電流の前記最小値の状態は、前記後方反射領域において、光の吸収および増幅のいずれも起こらなくなる透明状態に対応していることを特徴とする。

以上説明したように、本発明のＤＦＢレーザは、様々な位相状態の反射戻り光に対して、発振状態の変動を非常に小さく抑えられ、アイソレータを設置することができないモノリシック集積されたＤＦＢレーザに利用する場合でも、安定な発振動作が可能となる。

図１は、本発明のＤＦＢレーザの活性層を含み基板面に垂直に切って見た断面図である。 図２は、本発明のＤＦＢレーザにおける発光領域への注入電流と光出力との間の関係を示した図である。 図３は、本発明のＤＦＢレーザについて、位相シフト部の形成位置から出射端面までの長さＬ_ph／（Ｌ_a＋Ｌ_ab）が０．９の時の反射戻り光影響度、外部量子効率および発振しきい値利得を、発光領域の長さをパラメータとして示した図である。 図４は、本発明のＤＦＢレーザについて反射戻り光の位相条件を変えて反射戻り光の影響度（Ｃパラメータ）の計算結果を示した図である。 図５は、従来技術のＤＦＢレーザの活性層を含み基板面に垂直に切って見た断面図である。 図６は、従来技術のＤＦＢレーザについて、図４と同様に位相条件を組み合わせた時のＣパラメータ計算結果を示す図である。 図７は、本発明の実施例２のＤＦＢレーザの断面構成を示す図である。 図８は、従来技術のレーザ素子の一例として、分布反射型レーザの構成を模式的に示した図である。 図９は、ＤＦＢレーザの後方反射領域および非注入領域における、実効反射率の特性を説明する図である。 図１０は、本発明の実施例３のバイアス制御回路を備えたＤＦＢレーザ装置の構成を示す図である。 図１１は、実施例３のＤＦＢレーザ装置において、後方反射領域へのバイアス電流を調整する仕組みを説明する図である。

本発明のＤＦＢレーザは、反射戻り光による光誘起雑音を抑える従来技術の方法が持っていたレーザの発光効率が小さくなる欠点を補う、新たな構成を提案する。本発明のＤＦＢレーザでは、電流を注入してレーザ発振を行う発光領域の出射端面側にある非注入領域内部での吸収による出射光の損失を補償するため、発光領域（注入電流を流す電極が形成された領域）の後方に、新たに後方反射領域（バイアス電流を流す電極が形成された領域）を設ける。

さらに、後方反射領域での反射効果をできるだけ大きくするため、発光領域内の回折格子にπ／２（λ／４）位相シフト部を設け、レーザ発振光の波長が回折格子の周期に整合した波長（ブラッグ波長）になるようにする。同時に、後方反射領域にわずかな電流（しきい値電流値の半分以下）を流すことによって後方反射領域内における反射光の吸収ができるだけ小さくなるようにする。

本発明のＤＦＢレーザでは、発光領域の出射端面側に非注入領域を設けることにより、外部からＤＦＢレーザに戻って来る反射戻り光の強度を減衰させることできる。同時に、発光領域内で発振するレーザ光において、主モード（発振モード）と副モード（サイドモード）との間の発振しきい値利得の差を拡大し、発振モードを安定化させることができる。また、発光領域の後方に後方反射領域を設けることで、前方からの光出力効率（外部量子効率）を高めることができるため、前方に設けた非注入領域での出射光の損失を補償することができる。

レーザの後方端面に高反射膜をコーティングして前方端面からの光出力効率を高めていた従来技術のＤＦＢレーザの構成と比べて、本発明のように回折格子を有する後方反射領域により光出力効率を高める構成の方が、後方端面での回折格子の位相による特性ばらつきを低減できる。同時に発振モードの波長選択性を高めることができるので、反射戻り光に対する耐性を向上させる効果も期待できる。

本発明によれば、様々な位相状態の反射戻り光に対して、発振状態の変動を非常に小さく抑えることができる。このためモノリシック集積されたＤＦＢレーザのように出射端面の直前にアイソレータを設置することができない場合においても、本発明のＤＦＢレーザは、安定に発振動作が可能となる。以下、より具体的な実施例について図面を参照しながら説明する。本発明の技術的範囲はこれらの実施例だけに限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶ。

以下の説明において、「前方」と記載した場合、発光領域から見たときに発振光を外部に出力するレーザ発振器の出射端面側を意味するものとする。また、「後方」と記載した場合、発光領域から見たときにレーザ発振器の出射端面側とは反対側を意味するものとする。

図１は、本発明のＤＦＢレーザの活性層を含み基板面に垂直に切って見た断面図である。図１のＤＦＢレーザでは、一例として、ＩｎＰ基板を使用して発振波長が光通信でよく用いられる１．３μｍ帯のＤＦＢレーザを例にとって、以下その構造について説明する。図１は、本発明のＤＦＢレーザの構成を模式的に示したものであって、各部の寸法比率は実際のデバイスとは異なっている点に留意されたい。

本発明のＤＦＢレーザ１００は、光導波路を含む基板面に垂直な断面を見たときに、基板の厚さ方向について、ｎ型ＩｎＰ基板７、活性層６、ガイド層５およびｐ型ＩｎＰクラッド層４が、順次積層された構造を持つ。また本発明のＤＦＢレーザ１００は、光導波路の光進行方向を見たときに、そのバイアス条件にしたがって３つの領域から構成されている。すなわち、中央部に発光領域（第２の領域）１２があり、発光領域１２の出射端面９側（前方）に、第２の従来技術でも説明をした非注入領域（第１の領域）１１を備える。本発明のＤＦＢレーザ１００は、さらに、発光領域１２の出射端面９側とは反対側（後方）に、後方反射領域（第３の領域）１３を備えている。出射端面９および後方端面１０上には、いずれも無反射コーティングが形成されている。

本発明のＤＦＢレーザ１００の光導波路構成方向の長さは９００μｍであり、素子の各領域の上部には、非注入領域（第１の領域）１１に第１の電極１、発光領域１２に第２の電極２、後方反射領域（第３の領域）１３に第３の電極３が形成されている。各領域の長さ（Ｌ_ab、Ｌ_a、Ｌ_br）は、第１、第２、第３の領域の順に、それぞれ１８０μｍ、２７０μｍ、４５０μｍとした。また、発光領域１２内には、回折格子８の周期構造の位相をλ／４ずらしたλ／４位相シフト部が含まれており、出射端面９からの距離（Ｌ_ph）が４０５μｍとなる位置に形成されている。

良く知られているように、位相シフト部は、ＤＦＢレーザの発振光の波長（発振波長）を回折格子の周期に合った波長（ブラッグ波長）にする機能を持っている。本発明では、回折格子として、最も発振効率が高い形状である１次の回折格子を想定している。このため、回折格子で選択される発振光の波長は、回折格子の周期の２倍となる。したがって、位相シフト部は、回折格子の周期構造を半周期分（π）だけ位相をずらしたものとなる。位相シフト部では、周期構造の半周期分（π）の位相不連続が与えられることになる。回折格子８の深さ（基板厚さ方向）については、発光領域１２と非注入領域１１を合わせた長さをＬ（＝Ｌ_a＋Ｌ_ab）とするとき、結合パラメータ（κＬ）が１．５となるように設定している。図１には、ＤＦＢレーザ１００内の光進行方向における光強度分布も示している。問題となる反射戻り光１７は、ＤＦＢレーザ１００の外部から出射端面９を通して、ＤＦＢレーザ１００の内部に入る。

ＤＦＢレーザ１００の基板面に垂直な方向については、ｎ型ＩｎＰ基板７上にバンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰから成る活性層６とバンドギャップ波長１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰから成るガイド層５が形成されている。さらに、ガイド層５上にｐ型ＩｎＰクラッド層４が積層されており、ｐ型ＩｎＰクラッド層４とガイド層３の間に回折格子８が形成されている。図１では描かれていないが、活性層６、ガイド層５およびｐ型ＩｎＰクラッド層５は、光導波路の光進行方向に沿って幅２μｍのメサ形状に加工されている。メサの両側をＦｅがドープされた半絶縁性ＩｎＰ層によって埋め込まれており、ＤＦＢレーザ１００はいわゆる高抵抗埋め込み構造を持っている。図１では、ガイド層５は、活性層６の上側に構成されているが、下側に構成されていても良い。また、ガイド層を活性層６の上下両側に構成しても良い。回折格子８は、ガイド層の活性層とは反対側の面に構成される。

前方の出射端面９および後方の端面１０は、いずれもへき開により形成され、誘電体多層膜で形成された無反射コーティング膜１４、１５を各へき開面上に被覆することにより、各端面での反射率は１％以下に低減されている。さらに、第３の電極３が形成された後方反射領域１３においては、７ｍＡの電流をバイアスすることにより、後方反射領域１３内での活性層による光の吸収を減少させるようにした。

従って、本発明のＤＦＢレーザは、半導体基板内に形成された活性層６と、前記活性層と同一組成の半導体から成り、前記活性層の上面または下面の少なくとも一方に積層され、前記活性層とともに光導波路を構成するガイド層５と、前記ガイド層の前記活性層とは反対側の面に構成された回折格子８とを有し、前記光導波路の一方の出射端面９から外部へ発振光１６を出射するＤＦＢレーザ１００において、前記ＤＦＢレーザの前記光導波路の概ね中央部を含み、前記回折格子の周期構造を半周期分（π）だけ位相をずらした位相シフト部を有し、注入電流を流す電極２が最上部に形成され、前記注入電流を注入することによってレーザ発振を生じさせる発光領域１２と、前記発光領域よりも前記光導波路の前記出射端面の側にあって、電流を注入しない非注入領域１１と、前記発光領域よりも前記光導波路の前記出射端面とは反対側にあって、前記レーザ発振のしきい値電流値の半分以下に設定されたバイアス電流を流す電極３が最上部に形成された後方反射領域１３とを備えたものとして実施できる。

図２は、本発明のＤＦＢレーザにおける発光領域への注入電流と光出力との間の関係を示した図である。図１で説明したＤＦＢレーザにおいて、後方反射領域１３へのバイアス電流値を７ｍＡとし、Ｌ_br＝４５０μｍ、Ｌ_a＝２７０μｍ、Ｌ_ab＝１８０μｍ、Ｌ_ph＝４０５μｍとした時の、室温における発光領域１２への注入電流（横軸）および光出力（縦軸）間の関係を示している。本発明のＤＦＢレーザでは、従来技術と同様に光出力端面側に非注入領域（可飽和吸収領域）１１を設けているために、注入電流の増加時（約３２ｍＡ）の発振しきい値電流値と、注入電流の減少時（約３０ｍＡ）の発振しきい値電流値とが異なり、２つのしきい値を持つ双安定特性を示している。光出力が２ｍＷ以上の領域においては、通常のＤＦＢレーザの特性と同じ注入電流−光出力特性を示している。

図３は、本発明のＤＦＢレーザについて、位相シフト部が形成された位置から出射端面までの長さＬ_ph／（Ｌ_a＋Ｌ_ab）が０．９の時の反射戻り光に対する影響度、外部量子効率および発振しきい値利得を、発光領域１２の長さをパラメータとして示した図である。図３のグラフには３つのレーザ特性値を縦軸とし、発光領域長Ｌ_aを発光領域長Ｌ_aおよび非注入領域長Ｌ_abの和で規格化した値（Ｌ_a／（Ｌ_a＋Ｌ_ab））を横軸としてプロットしている。３つのレーザ特性値は、図１に示した構成のＤＦＢレーザについて、結合波理論をベースとするＦマトリクス法を用いて計算したＣパラメータ、外部量子効率、並びに、レーザ共振器長(Ｌ)で規格化された発振しきい値利得（αｔｈＬ）の平均値である。ここでＣパラメータは、非特許文献４に示したように、外部で反射されてレーザ共振器内部に戻ってきた光が、共振器内部の光と結合する度合いを表したパラメータであり、その値が大きいほど、レーザの発振光が反射戻り光の影響を強く受けることを意味している。

図３の３つの特性値のプロットから、ＤＦＢレーザの目標設計値として、Ｃパラメータの値を０．２以下、外部量子効率を０．０５以上、発振しきい値利得を２．０以下として、これらを満たす領域をSuitable Conditionと表示した矩形で示している。これらの３つの条件をすべて満たすための規格化発光領域長の最適範囲として、０．３≦Ｌ_a／(Ｌ_a＋Ｌ_ab)≦０．５が求められる。また、位相シフトの位置（Ｌ_ph／(Ｌ_a＋Ｌ_ab)）をパラメータとして同様に、３つの条件をすべて満たすための検討を行い、０．８≦Ｌ_ph／(Ｌ_a＋Ｌ_ab)≦１．０という最適範囲を得た。このように、本発明のＤＦＢレーザによれば、反射戻り光に対する耐性、外部量子効率、発振しきい値利得の３条件が所定のレベルを満たし、３条件のバランスが取れた性能を実現できる。図３から明らかなように、第３の電極３が形成された後方反射領域１３において、バイアス電流を流すこと本発明の構成により、外部量子効率が０．０５以上を実現している。従来技術の反射戻り光耐性を高めた構造（第２の従来技術）においては、前述のように外部量子効率は、非注入領域がない場合の約１５％の値にまで悪化していたが、この外部量子効率の低下に対しても、本発明では悪化後の外部量子効率として非注入領域がない場合の約２５％の値が得られ、一定の外部量子効率を確保できることが確かめられた。

第３の電極３から後方反射領域（第３の領域）１３へ流すバイアス電流の大きさは、概ねしきい値電流の１／２以下が適切である。後方反射領域（第３の領域）１３へのバイアス電流（注入キャリア密度）を小さくすると、後方反射領域１３での活性層における光の吸収が増加する。その結果、後方反射領域１３での実効的な反射率が小さくなると共に、ＤＦＢレーザのしきい値電流値も増加し、ＤＦＢレーザの発光特性を悪くしてしまう。逆に、後方反射領域１３へのバイアス電流を大きくしていくと、後方反射領域１３での活性層が利得を持つようになり、後方反射領域１３はやがて発光領域１２の一部となってレーザ発振をするようになる。その場合、発光領域１２と後方反射領域１３、非注入領域１１は１つのＤＦＢレーザとして機能するようになる。このため、回折格子の高さと共振器長の積で決まるＤＦＢレーザの結合パラメータ（ｋＬ）の値が大きくなると共に、後方端面１０から出射される光出力が増大するため、前方端面９から出射される光出力パワーが減少し、肝心の外部量子効率は逆に小さくなってしまう。

発明者らは、上述の後方反射領域１３におけるバイアス電流によるレーザ動作に与える影響も考慮して、従来技術における外部量子効率の低下を最も効果的に補償する後方反射領域１３のバイアス電流を次のように決定した。後方反射領域１３に電流を注入しない時、後方反射領域１３の活性層は、前方の非注入領域１１と同様に可飽和吸収領域となる。後方反射領域１３に電流を流す（キャリアを注入する）ことにより、活性層における吸収係数は小さくなっていき、あるバイアス電流値で吸収＝利得＝０となる。この時の注入キャリア密度をｎ_e0とする。この状態にするのが、後方反射領域の回折格子による実効反射率を最大化することで外部微分量子効率を向上させるのに理想である。

図９は、ＤＦＢレーザの後方反射領域および非注入領域における、実効反射率の挙動を説明する図である。図９の（ａ）は、後方反射領域または非注入領域における、規格化長さと実効反射率の関係を示している。図９の（ｂ）は、後方反射領域および非注入領域における注入キャリア密度と、利得／吸収量（吸収係数）との関係の概念的に示している。図９の（ａ）を参照すると、後方反射領域１３および非注入領域１１での注入キャリア密度の値がｎ_e0よりも小さくなった場合の実効電力反射率の大きさを計算した結果を示している。下の曲線からα＝−５０、−４０、−３０、−２０、−１０、０ｃｍ^-1の計算結果を示している。図９の（ａ）からわかるように、αが−１０ｃｍ^-1でも０．５（５０％）程度の反射率が得られることが見込まれる。

図９の（ｂ）に示すように、後方反射領域および非注入領域での注入キャリア密度と、利得／吸収量（吸収係数）との関係は線形近似が可能であって、発振しきい値電流値が決まれば、注入キャリア密度がｎ_e0となる電流値も見積もることができる。本発明の実施例１のＤＦＢレーザでは、図２に示したように発振しきい値電流値が３０ｍＡの素子において注入キャリア密度がｎ_e0となる電流値として、７ｍＡが見積もられている。素子構造やレーザの動作温度によっては発振しきい値電流値をより小さくすることも可能なため、後方反射領域１３へのバイアス電値は、発振しきい値電流値の概ね１／２以下となる。次に、反射戻り光に対する耐性について、従来技術のＤＦＢレーザの構成の場合との比較をしながらさらに説明する。

図４は、本発明のＤＦＢレーザについて反射戻り光の位相条件を様々に変えて反射戻り光の影響度（Ｃパラメータ）を計算した結果を示した図である。図４のグラフは、ＣパラメータのＮ＝５１２個の計算値の累積度数を示している。図１とともに説明したように、本発明のレーザ素子の２つの端面９、１０は、へき開によって形成される。へき開面の位置は、使用する加工機械の精度により１〜数μｍの誤差が生じる。したがって、レーザ素子の作製時に図３で最適範囲を求める（Ｌ_a／（Ｌ_a＋Ｌ_ab））、（Ｌ_ph／(Ｌ_a＋Ｌ_ab)）の値を一定値に制御することは不可能である。上記のへき開における誤差値１〜数μｍと比べて、波長（λ）１．３μｍの光に対する１次の回折格子の周期Λは０．１９μｍ程度となり、波長寸法はレーザチップの物理寸法に比べて桁違いに非常に小さい。したがって、後方端面１０および前方端面９の位相関係を一律に同一に固定にはできない。実際にレーザの端面が回折格子の周期構造のどの位相で形成されるかを設定することはできず、また、実際の素子において端面での回折格子の位相がどうなっているかの確認もできない。また、反射戻り光が入射端面９に入射する位相は、ＤＦＢレーザ外部の負荷条件によって様々に変わる。

したがって、反射戻り光に対するＤＦＢレーザの影響度や耐性を調べるためには、ＤＦＢレーザの各領域の具体的な構成、サイズを前提とした上で、後方端面１０、前方端面９および反射戻り光の各位相をそれぞれ８通り（０、π／４、π／２、３π/４、π、５π／４、３π／２、７π／４）場合に分けて、計８³＝５１２通りの位相値の組み合わせに対してＣパラメータを計算すれば良い。

図４に示した計算結果を参照すれば、本発明のＤＦＢレーザでは、５１２通りのいずれの位相値の組み合わせに対しても、Ｃパラメータは０．４以下に保たれている。また累積度数分布は、Ｃパラメータ値が０〜０．４の範囲内に集中しており、Ｃパラメータ計算値の平均値としても０．１５３という非常に小さい値を実現できた。図４からは、本発明のＤＦＢレーザのＣパラメータは様々な位相条件でも、非常に小さい値が維持されていることがわかる。本発明のＤＦＢレーザの反射戻り光に対する耐性についての優位性は、次に示す従来技術のＤＦＢレーザのＣパラメータ計算値との比較からより明確になる。

図５は、従来技術のＤＦＢレーザの活性層を含み基板面に垂直に切って見た断面図である。従来技術のＤＦＢレーザ２００は、例えばＩｎＰ基板の下部クラッド層２４などの上に、活性層２３、ガイド層２２、上部クラッドＩｎＰ層２９が順次積層して構成された活性領域を備えている。図５の従来技術のＤＦＢレーザでは、後方端面２６に高反射コーティング（９０％）２８を施し、発振光の出力光３０を出射する前方端面２５では無反射コーティング２７を施すことで、前方端面２５からの光出力３０ができるだけ大きくなるように設計されている。また、後方端面２６で大部分の光が反射されるため、後方端面２６が疑似的に位相シフト部の役割も兼ねている。

図６は、従来技術のＤＦＢレーザについて、図４に示したと同様の様々な位相組み合わせに対して行ったＣパラメータの計算結果を示す図である。反射戻り光による影響の大きさを表すＣパラメータの度数分布は、図４の本発明のＤＦＢレーザとは対照的に、０〜２．４の広い範囲にばらついている。すなわち、回折格子に対するＤＦＢレ−ザの端面の位置や反射戻り光の位相条件に大きく影響を受けることがわかる。また、Ｃパラメータ計算値の平均値は０．８４５と、本発明のＤＦＢレーザの場合の平均値の５．５倍にもなっている。実際のデバイスでは、反射戻り光の位相はレーザ出射端面から外部の反射点までの実効的な距離で決定される。その距離は、途中経路の光導波路や光ファイバのわずかな屈折率変動の影響を受けて変化してしまう。また、ＤＦＢレーザ自身の温度変動や、物理的な振動や環境温度の変化で、等価屈折率が変動するため、反射戻り光の実効的な位相は絶えず変動する。そのため、反射戻り光がレーザの発振状態に及ぼす影響も刻一刻と変化しやすくなり、図６に示したＣパラメータの結果は、従来技術のＤＦＢレーザにおいて不安定な発振状態が生じる可能性が高いことを示している。これに対して、図４に示したＣパラメータ値の計算結果では、Ｃパラメータ値が小さく抑えられており、本発明のＤＦＢレーザにおける反射戻り光の影響が従来技術と比べて格段に小さいことがわかる。様々な位相状態の反射戻り光に対して、発振状態の変動を非常に小さく抑えることができる。このためモノリシック集積されたＤＦＢレーザのように出射端面の直前にアイソレータを設置することができないような場合においても、本発明のＤＦＢレーザは、安定に発振することができる。

図１に示した本発明のＤＦＢレーザの構成では、非注入領域（第１の領域）１１にも電極１が描かれているが、非注入領域１１は、反射戻り光の減衰のために非注入状態で使用される。したがって、バイアス電流を加える必要がないため、第１の電極１は原則として不要である。しかしながら、第１の電極１を、ＤＦＢレーザの利用範囲を広くするために利用することもできる。例えば、第１の電極１に電流を印加した場合、非注入領域１１における光の吸収係数が小さくなっていくために、ＤＦＢレーザの発振しきい値電流値が小さくなると共に、前方端面側に出力される光出力パワーを大きくできる。また、多電極構造を双安定レーザとして用いる場合は、光出力−電流特性におけるヒステリシスの幅を制御するために、非注入領域１１に注入する電流値を制御するために利用できる。一方、多電極ＤＦＢレーザを波長可変レーザとして用いる場合は、各電極に注入する電流のバランスを変えて、レーザの発振波長を変化させるために利用することもできる。さらに上記以外の用法として、第１の電極１に交流信号（サイン波）を印加して、ＤＦＢレーザの共振器内での発振光と反射戻り光の可干渉性を低減する手段としても利用できる。

上述の実施例１のように、後方反射領域（第３の領域）１３に第３の電極３が形成されバイアス電流を流す本発明のＤＦＢレーザ構造を用いることで、従来構造の素子に比べて反射戻り光に対する耐性をさらに大幅に高めることができると同時に、反射戻り光耐性を高めた従来技術で課題となっていた外部量子効率の低下に対しても、一定の外部量子効率を確保できることが確かめられた。また素子構造の点でも、従来技術のＤＦＢレーザと同様の構造を有し、ＤＦＢレーザの上部の電極を分割するだけで作製できるため、従来技術の製造方法をそのまま利用して簡易な作製工程で実現が可能である長所もある。本発明のＤＦＢレーザは、図８に示した類似のレーザ構造を持つＤＲレーザに対しても、製造工程が簡単な点で高い優位性を持っている。

次に、本発明のＤＦＢレーザの両側の端面が、同一種類の半導体基板上に形成された半導体光導波路と直接接合（バットジョイント接合）された、いわゆるモノリシック半導体光集積素子の形態として用いられる実施例について説明する。

図７は、本発明の実施例２のＤＦＢレーザの断面構成を示す図である。本実施例のＤＦＢレーザ１００の構造は、図１の実施例の構成とほぼ同じであるが、ＤＦＢレーザ１００の両端面９、１０において、それぞれ、ＤＦＢレーザの活性層およびガイド層から成る光導波路と、別個の基板３０１、３０２による光導波路とが突き当て接合（バットジョント）されている点でのみ相違する。別個の基板３０１、３０２は、ＤＦＢレーザ１００と同一組成のｎ型ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ波長＝１．１μｍ）から成る光導波路層３０３、３０４をそれぞれ持つ。

本実施例の場合、図１のように、ＤＦＢレーザの両端面に誘電体薄膜で構成される無反射コーティングを被覆することはできない。しかしながら、ＤＦＢレーザ１００の活性層６およびガイド層５からなる光導波路と、別個の基板３０１、３０２の光導波路層３０３、３０４との実効的な屈折率の差が小さい。このため、図７のようにＤＦＢレーザの活性層６およびガイド層５と、光導波路層３０３、３０４とが突き当て接合された場合における接合面での反射率を、図１の実施例１で無反射コーティングを施した場合と同程度に小さく抑えることができる。従って、図８のように本発明のＤＦＢレーザが、レーザ素子の基板と同一種類の組成を持つ別個のＩｎＰ基板上の光導波路や他の光半導体素子とモノリシック集積された場合においても、図３に示した外部量子効率や、図４に示したＣパラメータの計算値と同等の特性が得られる。

実施例１でも述べたように、本発明のＤＦＢレーザでは、発光領域１２の出射端面側にある非注入領域１１内部での吸収による出射光の損失を補償するため、発光領域の後方に後方反射領域１３を設ける。後方反射領域１３での反射効果をできるだけ大きくするため、発光領域内の回折格子にπ／２（λ／４）位相シフト部を設け、レーザ発振光の波長が回折格子の周期に整合した波長となるようにする。同時に、後方反射領域１３にわずかな電流（しきい値電流値の半分以下）を流すことによって後方反射領域内１３における反射光の吸収ができるだけ小さくなるようにしている。本実施例では、本発明のＤＦＢレーザの後方反射領域をバイアスする電流値を最適な値に制御する方法、並びに、制御回路とともに動作するＤＦＢレーザ装置または光源装置について説明する。

図１０は、本発明の実施例３のバイアス制御回路を備えたＤＦＢレーザ装置の構成を示す図である。本実施例のＤＦＢレーザ装置５００では、図１に示したＤＦＢレーザ１００がサブキャリア５０８の上に固定されており、後述するようにＤＦＢレーザ１００の後方端面からの出射光をモニタする受光装置５０６もサブキャリア５０８上に配置されている。さらに、ＤＦＢレーザ１００の各領域の動作を制御するためのコントローラ５０１、電源装置５０２、５０３の周辺要素からなる。ＤＦＢレーザ１００の発光領域１２には、注入電流を供給する電源装置５０３から発振しきい値以上の電流が注入されている。以降の説明では、ＤＦＢレーザ１００の前方端面から所定の光パワーの発振光５０９が出力されている状態にあるものとする。本発明のＤＦＢレーザ１００を最適な状態で動作させるためには、以下のように後方反射領域内１３のバイアス電流を制御するのが好ましい。

後方反射領域１３に電流がバイアスされていない場合、後方反射領域１３は非注入領域１１と同じ可飽和吸収特性を示す。発光領域１２への注入電流がしきい値電流値を越えているとき、後方反射領域１３では光の吸収および透過が同時に起こる状態になっている。従って、発光領域１２で発生したレーザ発振光は、後方反射領域１３で吸収された後で、一部が後方端面から後方出射光５１０として出力される。この時の後方出射光５１０の光パワーを基準値としてＰ₀と表す。後方出射光５１０の光パワーは、ＤＦＢレーザ１００の後方端面に対向して設置した受光装置５０６の受光素子５０７によって検出される。受光装置５０６には、受光素子５０７で検出された光出力パワーに比例した光電流の大きさを測定する図示しない直流電流計と、受光素子５０７に直流電圧をバイアスするための直流電源とが内蔵されている。また、受光装置５０６の直流電流計で検出された電流値は、制御用ケーブル５０５を介してコントローラ５０１に送られる。コントローラ５０１は、受光装置５０６から送られた光電流値データに基づいて、電源装置５０２から出力される後方反射領域１３へのバイアス電流値の大きさを決定し、電源装置５０２に決定されたバイアス電流を供給させる機能を持っている。次に、上述のＤＦＢレーザ装置５００において、後方反射領域１３のバイアス電流値を常に最適な値に調整する仕組みを説明する。

図１１は、本発明の実施例３のＤＦＢレーザ装置において、後方反射領域へのバイアス電流を調整する仕組みを説明する図である。図１１の（ａ）は、本発明のＤＦＢレーザの後方反射領域からの出射光パワーとバイアス電流との間の関係を説明する図である。また、図１１の（ｂ）は、図９の（ｂ）に示した注入キャリア密度と、利得／吸収量（吸収係数）との関係における横軸を、注入キャリア密度からバイアス電流に書き換えて再び示したものである。

バイアス電流の調整方法は、まず後方反射領域１３へのバイアス電流値をゼロに設定し、発光領域１２へ、電源装置５０３から発振しきい値以上の注入電流を供給して、後方端面から一定の光パワーＰ₀の出射光が出力される動作状態にする。その後、コントローラ５０１からの制御により、後方反射領域１３にバイアスされる電流値を徐々に増加させていく。この時、図９の（ａ）に示した光導波路の吸収損失および回折格子による実効反射率の間の関係、並びに、図１０の（ｂ）に示した注入電流値および光導波路における光の吸収損失の間の関係に従って、後方反射領域１３内の活性層を導波する光の吸収損失は徐々に減少してゆく。その結果、後方反射領域１３内の回折格子による実効反射率が徐々に増大し、光が後方反射領域１３内の導波路を透過する割合は減少する。

図１１の（ａ）のバイアス電流の範囲６０１において後方反射領域１３へのバイアス電流を増加させ始めたとき、すなわち発光領域への注入電流値が比較的小さい場合、後方端面からの出射光５１０のパワーは、図１１の（ａ）に示したように、一旦増大する場合もある。吸収損失の減少分による出力光の増大と、実効反射率の増大による出力光の減少とが相反する関係になるため、吸収損失の減少分の寄与が大きい場合は、出射光５１０のパワーは増大する。しかしながら、後方反射領域１３へのバイアス電流をさらに増加させ、吸収損失が減少するにつれ、回折格子による実効反射率の増大が支配的になる。したがって、後方反射領域１３の後方端面からの出射光５１０は、矢印６０３で示したように減少するようになる。この調整状態は、図１１の（ｂ）における矢印６０５の調整に対応する。さらに、後方反射領域１３へのバイアス電流値を増加させていくと、後方反射領域１３において、光の吸収および増幅のどちらも起こらなくなる透明状態が出現する。この状態が、本発明のＤＦＢレーザの後方反射領域１３のバイアス電流の最適値Ｉ₀となり、図１１の（ａ）では最小値として表されている。

図１１の（ａ）のバイアス電流の範囲６０２上において、上述の最小値Ｉ₀の状態を越えて、後方反射領域１３へのバイアス電流値を増加させていくと、後方反射領域１３の活性層では導波光に対して利得が発生し、光が増幅されるようになる。このため、後方端面からの出射光５１０の光パワーは急激に増大する。図１０の構成から明らかなように、後方反射領域１３からの出射光５１０の光パワーは、受光装置５０６における受光素子５０７による検出電流で表される。受光装置５０６が、この後方端面からの出射光５１０の光パワーが増大に転じたことを検出したら、コントローラ５０１は、矢印６０４、６０６で示したように後方反射領域１３へのバイアス電流を減少させる。このようにして、受光装置５０６で検出される光電流を最小値にする制御をコントローラ５０１で行えば、後方反射領域１３へのバイアス電流を最適値Ｉ₀の状態にすることが可能である。検出電流が最小値となる状態を実現するこのような制御アルゴリズムには、フィードバック機構を用いた様々なものが適用可能であって、具体的なアルゴリズムにはなんら制限がない。最終的に、後方反射領域１３へのバイアス電流値を、局所的な最小値である最適値Ｉ₀に収束させることができる。

上述のバイアス制御機構を備えたＤＦＢレーザ装置５００を用いれば、発光領域１２への注入電流値が変動した場合でも、また、ＤＦＢレーザ１００の動作温度が変化して発振しきい値電流の大きさが変化した場合でも、常に後方反射領域１３へのバイアス電流値を最適な状態に保持し続けることができる。反射戻り光が発生する場合においても、ＤＦＢレーザ１００を安定に動作させることができる。

なお、本実施例では、制御回路として、受光装置５０６、コントローラ５０１、複数の電源装置５０２、５０３などのいくつかの要素を組み合わせた構成を例にとり説明を行ったが、他の様々な形態で構成できる。例えば、図１０の要素を１つの装置として１つの筐体の中に集約してＤＦＢレーザ装置として構成しても良いし、図１０の要素の一部のみを含むＤＦＢレーザ装置として構成しても良い。また、図１０の要素の少なくとも一部の機能が１つのチップに集積された電子回路（ＩＣ）として構成しても良い。

また本実施例は、図７に示した実施例２のＤＦＢレーザに適用することも可能である。すなわち、図９の後方反射領域１３から別個の基板３０１の光導波路３０３へ出力される出射光の一部をモニタするための、図１０の受光装置５０６と同様な出射光モニタ機構を備え、検出された光電流が極小値になるようにバイアス電流を制御すれば良い。

したがって、本発明のＤＦＢレーザは、実施例１または実施例２のＤＦＢレーザの後方反射領域１３の端面からの出射光の光パワーを検出する受光装置５０６をさらに備え、前記受光装置における光パワーの検出電流が最小値となるように、前記後方反射領域への前記バイアス電流値が設定されものとして実施できる。また本発明は、実施例３のＤＦＢレーザ１００と、受光装置５０６、コントローラ５０１、複数の電源装置５０２、５０３を含む光源装置５００としても実施できる。さらに本発明は、ＤＦＢレーザの後方反射領域１３のバイアス電流を、後方反射領域１３側の端面からの出射光の光パワーの検出値に基づいて、後方反射領域１３において、光の吸収および増幅がいずれも起こらなくなる透明状態に対応したバイアス電流の最小値Ｉ₀に調整する方法としても実施できる。

以上、説明した各実施例では、ｎ型ＩｎＰ基板上にバンドギャップ波長が１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰで形成された活性層と、バンドギャップ波長が１．１μｍのＩｎＧａＡｓＰで形成されたガイド層とが積層された構造の素子を例にとって説明したが、活性層やガイド層はＩｎＧａＡｌＡｓを始めとする他の組成の半導体でも良い。また、ｐ型のＩｎＰ基板が使用され、上部のクラッド層としてｎ型ＩｎＰが用いられた構造でも良い。

また上述の実施例では、回折格子が、活性層の上部のガイド層およびｐ型ＩｎＰクラッドの間に形成されている場合について説明したが、ガイド層が活性層の下部に形成され、ｎ型ＩｎＰ基板と活性層下部に形成されたガイド層との間に回折格子が形成されていても良い。

また上述の実施例では、活性層の具体的な構成については説明していないが、一様な半導体から成るバルク構造であっても、薄膜状に形成された２種類の半導体層が積層された量子井戸構造または歪量子井戸構造、細線上に形成された量子細線構造、ドット上に形成された量子ドット構造等のいずれであっても良い。さらに、ＤＦＢレーザの基板はＩｎＰだけに限定されず、ＧａＡｓ等の他の組成の半導体から成る基板、活性層、ガイド層、クラッド層を用いても良い。

以上詳細に説明をしてきたように、本発明のＤＦＢレーザは、従来技術の問題であった外部量子効率の低下を抑えて、様々な位相状態の反射戻り光に対して、発振状態の変動を非常に小さく抑えることができる。本発明のＤＦＢレーザは、モノリシック集積されたＤＦＢレーザのように出射端面の直前にアイソレータを設置することができない場合においても、安定な発振動作を実現することができる。

本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光源に利用できる。

１、２、３、２１、４０１ 電極
４、７、２４、２９、４０３、４２０ クラッド層
５、２２、４０４ ガイド層
６、２３、４１０ 活性層
８、４０８、４０９ 回折格子
９、１０、２５、２６、４１３、４１４ 端面
１１ 非注入領域
１２、４１２ 発光領域
１３、４１１ 後方反射領域
１４、１５、２７、４１７ 無反射コーティング
１６、３０、４１８、５０９ 出力光
１００、２００ ＤＦＢレーザ
３０１、３０２ 基板
３０３、３０４ 光導波路層
４００ ＤＲレーザ素子
５０１ コントローラ
５０２、５０３ 電源装置
５０４、５０５ 制御用ケーブル
５０６ 受光装置
５０７ 受光素子
５０８ サブキャリア
５１０ 後方端面からの出射光

Claims (7)

1. 半導体基板内に形成された活性層と、前記活性層と同一組成の半導体から成り、前記活性層の上面または下面の少なくとも一方に積層され、前記活性層とともに光導波路を構成するガイド層と、前記ガイド層の前記活性層とは反対側の面に構成された回折格子とを有し、前記光導波路の一方の出射端面から外部へ発振光を出射する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザにおいて、
   前記ＤＦＢレーザの前記光導波路の概ね中央部を含み、前記回折格子の周期構造を半周期分（π）だけ位相をずらした位相シフト部を有し、注入電流を流す電極が最上部に形成され、前記注入電流を注入することによってレーザ発振を生じさせる発光領域と、
   前記発光領域よりも前記光導波路の前記出射端面の側にあって、電流を注入しない非注入領域と、
   前記発光領域よりも前記光導波路の前記出射端面とは反対側にあって、前記レーザ発振のしきい値電流値の半分以下に設定されたバイアス電流を流す電極が最上部に形成された後方反射領域と
   を備えたことを特徴とするＤＦＢレーザ。
2. 前記非注入領域の長さをＬ_abとし、前記発光領域の長さをＬ_aとした時、０．３≦Ｌ_ab／(Ｌ_a＋Ｌ_ab)≦０．５が成り立つよう前記非注入領域および前記発光領域が構成されたことを特徴とする請求項１に記載のＤＦＢレーザ。
3. 前記後方反射領域の長さをＬ_brとし、前記位相シフト部が形成された位置から前記出射端面までの長さをＬ_phとした時、０．８≦Ｌ_ph／(Ｌ_a＋Ｌ_ab)≦１．０、且つ、Ｌ_br／(Ｌ_a＋Ｌ_ab)≧０．５が成り立つよう前記後方反射領域、前記発光領域および前記位相シフト部が構成されたことを特徴とする請求項１または２に記載のＤＦＢレーザ。
4. 前記光導波路の両端に形成される端面が劈開により形成され、前記端面が誘電体薄膜で構成される無反射コーティングで被覆されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のＤＦＢレーザ。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載のＤＦＢレーザの前記光導波路と、
   前記ＤＦＢレーザの前記光導波路の端部の少なくとも一方に、前記半導体基板と同一の組成を持つ別個の基板の半導体光導波路とが、
   直接接合されていることを特徴とするＤＦＢレーザ。
6. 前記ＤＦＢレーザの前記後方反射領域の端面からの出射光の光パワーを検出する受光装置をさらに備え、
   前記受光装置における光パワーの検出電流が最小値となるように、前記後方反射領域への前記バイアス電流が設定されたことを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のＤＦＢレーザ。
7. 前記検出電流の前記最小値の状態は、前記後方反射領域において、光の吸収および増幅のいずれも起こらなくなる透明状態に対応していることを特徴とする請求項６に記載のＤＦＢレーザ。
   
   

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