JP4033887B2 - Ｄｂｒ型波長可変光源 - Google Patents

Description

本発明はＤＢＲ型波長可変光源に関し、より詳細には、１つの波長制御電流により広帯域な連続波長可変が可能なＤＢＲ型波長可変光源に関する。

ＤＢＲ型レーザは光通信用の波長可変光源として用いられており、その発振メカニズムや波長可変メカニズムについては既に報告がなされている（例えば、非特許文献１および非特許文献２）。

図１２は、従来技術に係るＤＢＲ型波長可変光源の基本構造を説明するための図である。図１２Ａは、光導波路を含み基板１１に垂直な面における断面図を示している。図１２Ｂは、図１２Ａの断面表示ＸＩＩＢ−ＸＩＩＢを含み基板１１に平行な面における、断面図（上面図）を示している。このＤＢＲ型波長可変光源においては、基板１１上に設けられた活性領域光導波路１２の両側に、非活性領域光導波路１３ａ、１３ｂが配置されている。活性領域光導波路１２と非活性領域光導波路１３ａ、１３ｂの境界部には、それぞれ絶縁領域１５ａ、１５ｂがある。非活性領域光導波路１３ａ、１３ｂには、絶縁領域１５ａ、１５ｂと接して、回折格子から構成されるＤＢＲ領域（分布反射器）１４ａ、１４ｂがそれぞれ形成されている。上述した各光導波路の上部と側面には上クラッド層９が形成されている。本ＤＢＲ型波長可変光源の発振波長は、共振器長により決まる縦モード波長のうち、ＤＢＲ領域１４ａ、１４ｂのブラック反射帯域内に存在する縦モード波長のみが選択されることにより決定される。

絶縁領域１５ａ、１５ｂは、高抵抗の領域である。電極１８ａ、１８ｂ、１８ｃとオーミック接触を取るために、上クラッド層９の上に形成されるＩｎＧａＡｓＰ層（図１２Ａに示していない）の一部を除去することによって、絶縁領域１５ａ、１５ｂは形成される。すなわち、絶縁領域１５ａ、１５ｂは、ＤＢＲ制御電流１７と活性領域電流１６とを絶縁分離する機能を持っている。

ＤＢＲ（分布反射器）領域１４ａ、１４ｂ内には、一定ピッチの凸凹が形成されており、このピッチに対応する波長の光、すなわちブラッグ波長の光が選択的に強い反射を受ける。実際にはブラッグ波長を中心として数ｎｍの高反射帯域が形成され、この高反射帯域内において回折格子として作用する。
図１２Ａにおいては、絶縁領域１５ａ、１５ｂは、上述した回折格子が存在しない領域として表現されている。これは、前述のように、絶縁領域１５ａ、１５ｂは、高抵抗のために電流が流れないので、回折格子を設けたとしても屈折率変化にはなんら寄与しない領域であるためである。したがって、絶縁領域１５ａ、１５ｂに回折格子が形成されていてもかまわない。

このＤＢＲ型波長可変光源においては、電極１８ｃを介して活性領域光導波路１２に活性領域電流１６が注入され、また、電極１８ａ、１８ｂを介してＤＢＲ領域１４ａ，１４ｂにＤＢＲ制御電流１７が注入される構成となっている。このＤＢＲ制御電流１７がＤＢＲ領域１４ａ、１４ｂへ注入されることによって、ＤＢＲ領域１４ａ，１４ｂの屈折率変化が生じる。この屈折率変化に伴って、上述した縦モード波長とブラッグ波長の両方を、短波長側にシフトさせることが可能である。

ただし、ＤＢＲ領域１４ａ、１４ｂへのＤＢＲ制御電流１７の注入によって生ずる屈折率変化に伴う波長シフトの感度は、縦モード波長に比べてブラッグ波長の方がより敏感である。すなわち、ブラッグ波長が、より速く短波長側にシフトする。その理由は、活性領域光導波路１２と非活性領域光導波路１３ａ、１３ｂによって構成されるレーザ共振器のうち、ＤＢＲ制御電流１７を注入すると、非活性領域光導波路１３ａ、１３ｂまたはＤＢＲ領域１４ａ、１４ｂにのみ、屈折率の変化を生じさせるからである。すなわち、ブラッグ波長シフトはＤＢＲ領域１４ａ、１４ｂの屈折率変化のみを反映しているのに対し、縦モード波長シフトはレーザ共振器全体の屈折率変化を反映しているためである。一般に、縦モード波長シフト量は、次の式（１）にしたがって計算できる。

上式（１）において、Δλ_Ｃは縦モード波長シフト量、λ_Ｃは縦モード波長、Δλ_Ｂはブラッグ波長シフト量、λ_Ｂはブラッグ波長、Ｌ_{ｅｆｆ−ｆ}およびＬ_{ｅｆｆ−ｒ}は前側（ｆｒｏｎｔ）および後側（ｒｅａｒ）ＤＢＲ領域の実効長であり、Ｌ_ａは活性領域長である。ここで、Ｌ_ｅｆｆはＤＢＲ領域１４ａ、１４ｂの実効的な長さである。この長さは、実効長もしくは有効長とよばれており、非特許文献２の定義に従った。

ここで、ＤＢＲ（分布反射器）とその実効長について、さらに説明をする。先にも述べたように、ＤＢＲ領域内には一定ピッチの凸凹が形成されており、このピッチに対応する波長の光、すなわちブラッグ波長の光が選択的に強い反射を受ける。このブラッグ波長を中心として数ｎｍの幅の高反射帯域が形成され、ＤＢＲはこの高反射帯域内において回折格子として作用する。

図１３は、ＤＢＲ領域１４ａ、１４ｂにおける反射の様子を説明する図である。ブラッグ反射が発生する高反射帯域内の波長の光は、図１３に示すように分布的に反射を受ける。したがって、光が感じる伝播長は、実際のＤＢＲ領域１４ａ、１４ｂの長さに比べて短くなる。この長さは、実効長と呼ばれている。
図１４および図１５は、ＤＢＲ領域の長さに対する実効長の計算結果を示す図である（導波路伝播損失Γα＝１０ｃｍ^−１を仮定した）。図１４は、回折格子結合定数κをパラメータとして、ＤＢＲ領域の長さと実効長の関係を示す図である。図１５は、各結合定数値κにおける、実効長飽和値を示す表である。

図１４および図１５より、ＤＢＲ領域１４ａ、１４ｂの長さが短い場合には（図１３において、ＤＢＲ領域の長さが、実効長の増減に寄与する領域６１ａ、６１ｂの範囲の長さである場合）、実効長はＤＢＲ領域の長さに対し直線的に増加する。一方、ＤＢＲ領域１４ａ、１４ｂの長さがより長くなる場合には（図１３においてＤＢＲ領域の長さが、実効長の増減にほとんど寄与しない領域６２ａ、６２ｂの範囲の長さである場合）、実効長の値は飽和し、一定値の実効長飽和値に安定する。

実効長と同様に、ＤＢＲ領域の反射率もＤＢＲ領域の長さが長くなるにつれて向上する。発振光は、活性領域の近傍のＤＢＲ領域において、最も強い反射を受ける。したがって、ある程度ＤＢＲ領域が長くなると、反射率は一定値に収束する。前述したように、ＤＢＲ（回折格子）の実効長は回折格子の分布的な反射状態を考慮した場合に、伝播光が感ずる光路長である。したがって、回折格子すなわちＤＢＲ領域の長さに対して、反射率と実効長は極めて類似した増減を示す。

ＤＢＲ領域と活性領域を集積してＤＢＲ型波長可変光源を構成する場合においては、反射率は、活性領域とＤＢＲ領域の接合部の結合損失によっても左右されてしまう。このため、反射率は、設計上のパラメータとして適切ではない。そこで、反射率を反映し、かつ活性領域とＤＢＲ領域の接合部の結合損失の影響を受けない実効長が、素子設計パラメータとして採用されている。ＤＢＲ領域の実効長は、レーザ共振器長、縦モード間隔、ブラッグ反射率等に関係するパラメータであり、この実効長の値を考慮することによって、効率的なＤＢＲ型レーザの設計が可能である。

さて、前式（１）の右辺２項目の分子（Ｌ_{ｅｆｆ−ｆ}＋Ｌ_{ｅｆｆ−ｒ}）は屈折率可変領域（すなわちＤＢＲ領域）の実効長の総和を、分母（Ｌ_ａ＋Ｌ_{ｅｆｆ−ｆ}＋Ｌ_{ｅｆｆ−ｒ}）は全共振器長を示している。厳密に言えば、全共振器長には絶縁領域１５ａ、１５ｂの長さも加えるべきである。しかし、絶縁領域１５ａ、１５ｂは５〜１０μｍと極めて短く構成されているため、全共振器長に対する誤差の影響は少ない。そこで、式（１）中においては、絶縁領域１５ａ、１５ｂの長さは省略した。

式（１）によれば、縦モード波長シフト量Δλ_Ｃは、右辺第２項の係数による分だけブラッグ波長シフト量Δλ_Ｂより小さい。したがって、ＤＢＲ制御電流１７を増加し続ければ、いずれは縦モード波長λ_Ｃがブラッグ反射帯域から長波長側（波長の長い側）に外れてしまい、レーザ発振は、短波長側にある別の隣の縦モードに遷移する。すなわち、モード跳びが生ずる。よって、ＤＢＲ制御電流１７を増加し続ければ、連続な波長シフトと離散的なモード跳びとを繰り返しながら、発振波長は短波長側へシフトしてゆく。
図１６は、従来技術にかかるＤＢＲ型波長可変光源のＤＢＲ制御電流と発振波長との関係を示す図である。連続的な波長シフトと、離散的なモード跳びを頻繁に繰り返している。発振波長の可変制御特性の全体は離散的なものとなり好ましくない。連続波長可変幅（連続波長シフト帯域幅）Δλ_ＣＯＮは、非特許文献３に従えば、以下の式で表わされる。

上式（２）において、Δλ_ＣＯＮは連続波長可変幅、ｎ_ｅｆｆは実効屈折率を表している。波長可変レーザとしては、この連続波長可変幅Δλ_ＣＯＮの広いものが好ましい。

図１７は、従来技術にかかるＤＢＲ型波長可変光源における、波長シフトを説明するスペクトル図である。上で説明した離散的なモード跳びにより、波長可変制御特性が離散的になってしまうのは、縦モード波長とブラッグ波長との間で、前述したＤＢＲ制御電流の注入量に対する波長変化に感度差があるからである。図１７Ａから図１７Ｃに示すように、ＤＢＲ制御電流を増加させていくことによって、ブラッグ波長の変化に対応しているストップバンドの変化は、縦モード波長の変化に対応している発振波長の変化に比べて、変化の感度が高い。ストップバンドは、より速く短波長側にシフトしてゆく。したがって、ＤＢＲ制御電流増加により、ストップバンド（ブラッグ反射帯域）に対して、発振波長は相対的に長波長側に移動してゆく。図１７Ｃの状態を超えて、さらにＤＢＲ制御電流を増加させれば、モード跳びが発生する。

このモード跳びを回避する方法としては、位相調整領域を付加して多電極構成で波長制御を行う方法がある（非特許文献１参照）。しかし、制御項目が増えるため、制御が簡単でなくなる。さらに、素子経時劣化時の各制御電流の変動を予想するのが難しく、実用上の問題となってしまう。一つの制御電流によって、簡単で広帯域な波長可変制御を実現するためには、前記式（２）からわかるように活性領域長Ｌ_ａを短縮することが最も効果的である。
図１８は、活性領域長Ｌ_ａを短縮したＤＢＲ型波長可変光源の波長可変特性を示す特性図である。活性領域長Ｌ_ａを短縮することで、連続可変できる波長範囲を広帯域化し、図１８で示すように広いモードホップフリー（連続波長可変）な帯域が得られる。非特許文献３に示された実験結果によれば、活性領域長Ｌ_ａを変化させてＤＢＲ型レーザを作製し、理論値通りの広帯域化が得られている。

次に、図１２に示したような一般的な従来技術によるＤＢＲ型波長可変光源において、発振モードの初期位相、発振閾値電流およびキャリア密度の関係について補足説明をする。図１２Ａにおいて、活性領域光導波路１２のキャリア密度は、活性領域電流１６の増加に伴って急激に増加する。一旦レーザ発振が起こると、活性領域光導波路１２のキャリア密度はクランプされる（ほぼ一定値に安定となる）。さらに活性領域電流１６を増加させるとキャリア密度は非常にゆるやかに増加してゆく。発振モードの初期位相を決定する活性領域光導波路１２の屈折率は、この領域のキャリア密度の増加に伴い減少するという関係がある。すなわち、発振閾値電流の値により初期位相が決定し、発振閾値電流が大きければ発振モードはその分だけ短波長側にシフトしていることになる。その後は活性領域電流１６を増加させてもキャリア密度がクランプされているため、初期位相はほとんど変わらない。

ＤＢＲ制御電流により波長可変制御を行った場合には、ＤＢＲ制御電流１７の注入に伴う反射率の減少から、活性領域電流１６の発振閾値電流が増加する。連続波長可変幅の拡大のために活性領域光導波路１２の長さを短縮しただけのＤＢＲ型レーザにおいては、活性領域光導波路１２の利得が不足してしまう。この利得不足を補うため、活性領域光導波路１２の前後にあるＤＢＲ領域１４ａ、１４ｂの長さをその実効長飽和値に達するまで十分長くして、高反射率とすることにより、レーザ発振が停止するのを防止していた。したがって、波長可変制御時において、発振閾値電流が増加することはあっても、発振閾値電流の変化率を制御することは出来なかった。

なお、上述したような従来技術を開示する公知文献として、次の非特許文献１から非特許文献３を挙げることができる。

半導体フォトニクス工学Ｐ．３０６〜３１１ 監修：池上徹彦 コロナ社１９９５年１月１０日発行 半導体レーザＰ．２８３〜２８８ 応用物理学会編／伊賀健一 編著 オーム社 平成６年１０月２５日発行 波長可変半導体レーザの高性能化に関する研究（博士論文）Ｐ．３９〜４３、Ｐ．５４〜５９、Ｐ．６５〜６８ 石井啓之 １９９９年３月

上述したような活性領域光導波路１２の活性領域長Ｌ_ａの短縮による方法では、式（２）のΔλ_ＣＯＮを大きく超えて連続波長シフトさせることはできず、３ｎｍ程度の連続波長シフトが限界である。６ｎｍ以上の連続波長シフト幅を実現しようとすれば、活性領域光導波路１２の活性領域長Ｌ_ａを３０μｍ程度まで短縮する必要がある。活性領域長Ｌ_ａを短縮したことにより生じる活性領域光導波路１２の利得不足を補うため、高反射率が得られるようにＤＢＲ領域１４を長くしなければならない。この結果、このような従来技術によるＤＢＲ型レーザは、低出力の光源となってしまう問題があった。それに加えて、活性領域光導波路１２の活性領域長Ｌ_ａと利得、および発振モードの位相条件を予め厳密に決定しておかなければ、波長シフトを開始してすぐにモード跳びが発生してしまう問題があった。
図１９は、活性領域長Ｌ_ａを短縮したＤＢＲ型波長可変光源において、初期位相条件が適切でない場合の波長可変特性を示す特性図である。図１９に示すように、上述した各条件を適切に設計しないと、波長シフトを開始した後すぐにモード跳びが生じてしまい、実用上の問題となっていた。

本発明は、上に述べたような従来技術の問題点に鑑み、より広帯域幅で連続的に発振波長の可変制御、すなわち、連続波長シフトが可能な波長可変特性をもち、６ｎｍ以上の連続波長シフトが可能でありながら、従来技術に比べて高出力なＤＢＲ型波長可変光源を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の構成は、基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備えるＤＢＲ型波長可変光源において、ＤＢＲ制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、実効長飽和値の９５％以上の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第１のＤＢＲ領域を含む第１の非活性領域光導波路と、前記ＤＢＲ制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、前記第１のＤＢＲ領域より短い長さの区間に回折格子を有する第２のＤＢＲ領域を含む第２の非活性領域光導波路と、前記第１の非活性領域光導波路および前記第２の非活性領域光導波路が両端に光学的に接続され、前記ＤＢＲ制御電流とは独立に活性領域電流により発光状態を制御される活性領域光導波路とを備えることを特徴とする。

また、高出力を得るためには、前側の（第２の）ＤＢＲ領域の回折格子の実効長はその実効長飽和値の７５％以下となるように形成し、両ＤＢＲ領域の端面には反射防止膜を施したものが好ましい。
さらに、発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比が０．９以上１．１以下であることが好ましい。この比がこの範囲に入っていれば、完全モードホップフリー条件（発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比が１）を満たさなくても、ほとんどの場合にモード跳びが生じないからである。

また、本発明の他の実施態様においては、基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備えるＤＢＲ型波長可変光源において、ＤＢＲ制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、実効長飽和値の７５％以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第１のＤＢＲ領域を含む第１の非活性領域光導波路と、前記ＤＢＲ制御電流により発振波長を制御が可能であって、実効長飽和値の７５％以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第２のＤＢＲ領域を含む第２の非活性領域光導波路と、前記第１の非活性領域光導波路および前記第２の非活性領域光導波路が両端に光学的に接続され、前記ＤＢＲ制御電流とは独立に活性領域電流により発光状態を制御される活性領域光導波路と、前記第１の非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された高反射膜と、前記第２の非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された反射防止膜とを備えことを特徴とする。
さらに、本発明の別の実施態様においては、基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備えるＤＢＲ型波長可変光源において、ＤＢＲ制御電流により発振波長を可変制御が可能であって、実効長飽和値の７５％以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有するＤＢＲ領域を含む非活性領域光導波路と、前記非活性領域光導波路に光学的に接続され、前記ＤＢＲ制御電流とは独立に活性領域電流により発光状態を制御される活性領域光導波路と、前記非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された反射防止膜と、前記活性領域光導波路の前記非活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された高反射膜とを備えることを特徴とする。すなわち、光源サイズをさらに小型化するには長い側の（第１の）ＤＢＲ領域を高反射膜で置き換えたものが好ましい。

ＤＢＲ領域の反射率を適切に決定すれば、発振閾値の増減率を最適化することができ、式（３）の関係を満足する光源が実現できる。

連続波長シフトの広帯域化と同時に光源出力も高くするためには、後側のＤＢＲ領域２９は高反射率が得られるように十分に長くし、前側のＤＢＲ領域２４の長さを短縮するのが好ましい。発振光の出射側のＤＢＲ領域が短ければ、光の透過率が向上するからである。前述のように反射率と実効長とは相関があるため、前側のＤＢＲ領域２４の長さを実効長の増減に寄与する臨界長さ以下（図１３において、実効長の増減に寄与する領域６１ａ，６１ｂ）の範囲で増減させれば、発振波長シフト制御時の発振閾値電流の増加率ΔＩ_ｔｈを制御でき、連続波長可変量（可変幅）を拡大することができる。

背景技術において述べたように、実効長はＤＢＲ領域の長さに依存する。ＤＢＲ領域を十分に長くした場合（長さ１０００μｍ）に一定値に飽和した実効長を、実効長飽和値として図１５に示した。図１５の表の中で示した回折格子結合定数κは、通常のＤＢＲ型レーザの作成方法（ウェットエッチング、ドライエッチング）で比較的容易に形成できる範囲である。この範囲において、ＤＢＲ領域の実効長を実効長飽和値の７５％以下となるようにすると、約５０％（もしくはそれ以上）の透過率が得られ、より高い光出力が得られる。

本発明のＤＢＲ型波長可変光源によれば、発振波長シフト制御時の発振閾値電流の変化率を適切に制御することができる。さらに、従来の連続波長可変幅の理論値（式（２）のΔλ_ＣＯＮ）を超えてさらに広帯域な連続波長シフトが可能となり、加えて、より高いレーザ発振光の出力を得ることができる。

［図１Ａ］本発明の実施例１に係るＤＢＲ型波長可変光源を示す断面図である。
［図１Ｂ］本発明の実施例１に係るＤＢＲ型波長可変光源のＩＢ−ＩＢの断面図である。
［図２Ａ］本発明の実施例２に係るＤＢＲ型波長可変光源を示す図である。
［図２Ｂ］本発明の実施例２に係るＤＢＲ型波長可変光源のＩＩＢ−ＩＩＢの断面図である上面図である。
［図３Ａ］本発明の実施の形態に係るＤＢＲ型波長可変光源の波長シフトにおけるスペクトルを説明する図である。
［図３Ｂ］本発明の実施の形態に係るＤＢＲ型波長可変光源の波長シフトにおけるスペクトルを説明する図である。
［図３Ｃ］本発明の実施の形態に係るＤＢＲ型波長可変光源の波長シフトにおけるスペクトルを説明する図である。
［図４］本発明の実施の形態に係るＤＢＲ型波長可変光源の波長可変特性を示す特性図である。
［図５］発振波長シフト量のブラッグ波長シフト量に対する比を示す特性図である。
［図６］本発明の実施例１に係るＤＢＲ型波長可変光源の波長可変特性を示す特性図である。
［図７］本発明の実施例１に係る発振波長と式（１）による理論値からのずれ量を示す特性図である。
［図８］本発明の実施例１に係るＤＢＲ型波長可変光源のＩ−Ｌ特性を示す特性図である。
［図９］本発明の実施例１に係るＤＢＲ型波長可変光源において、閾値電流変動によりもたらされる波長シフトと図７で示す値との比較を示す特性図である。
［図１０Ａ］本発明の実施例３に係るＤＢＲ型波長可変光源を示す断面図である。
［図１０Ｂ］本発明の実施例３に係るＤＢＲ型波長可変光源のＸＢ−ＸＢの断面図である。
［図１１］本発明の実施例４に係る集積化したＤＢＲ型波長可変光源アレイの構成図である。
［図１２Ａ］従来技術に係るＤＢＲ型波長可変光源の構成を示す断面図である。
［図１２Ｂ］従来技術に係るＤＢＲ型波長可変光源のＸＩＩＢ−ＸＩＩＢの断面図である。
［図１３］光の反射の様子を示す図である。
［図１４］実効長のＤＢＲ領域の長さに対する依存性を示す特性図である。
［図１５］実効長の飽和値を示す表である。
［図１６］従来技術に係るＤＢＲ型波長可変光源の波長可変制御特性を示す特性図である。
［図１７Ａ］従来技術に係るＤＢＲ型波長可変光源の波長シフトにおけるスペクトルを説明する図である。
［図１７Ｂ］従来技術に係るＤＢＲ型波長可変光源の波長シフトにおけるスペクトルを説明する図である。
［図１７Ｃ］従来技術に係るＤＢＲ型波長可変光源の波長シフトにおけるスペクトルを説明する図である。
［図１８］活性領域を短縮したＤＢＲ型波長可変光源の波長可変特性を示す特性図である。
［図１９］活性領域を短縮したＤＢＲ型波長可変光源において、初期位相条件が適切でない場合の波長可変特性を示す特性図である。

以下に図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係るＤＢＲ型波長可変光源の構造を説明するための図である。図１に示すように、基板２１上には、電流注入や光励起等による発光機能を持っている活性領域光導波路２２と、この活性領域光導波路２２の両側にあり、電流注入や光励起などにより発振波長を制御できる非活性領域光導波路２３ａ、２３ｂが設けられている。非活性領域光導波路２３ａ、２３ｂのバンドギャップは、活性領域光導波路２２のバンドギャップよりも大きい。これらの活性領域光導波路２２および非活性領域光導波路２３ａ、２３ｂは、本発明のＤＢＲ型波長可変光源の光導波路を構成している。

また、後側の非活性領域光導波路２３ｂは、ＤＢＲ領域のＤＢＲ実効長が実効長飽和値の９５％以上の長さに相当するような十分に長いＤＢＲ領域２９と、絶縁領域２５ｂを有している。したがって、このＤＢＲ領域２９は、十分に高反射率である。一方、活性領域光導波路２２を介して反対側にある前側の非活性領域光導波路２３ａは、ＤＢＲ実効長が後側ＤＢＲ領域２９の長さよりも短い前側ＤＢＲ領域２４と、絶縁領域２５ａを有している。

前述のように、ＤＢＲ型波長可変光源は、一定値の活性領域電流２６で駆動している場合であっても、活性領域電流２６の発振閾値電流が増加していれば活性領域光導波路２２のキャリア密度も増加しており、このキャリア密度の増加に伴い屈折率が減少している。

活性領域光導波路２２の屈折率の減少は、縦モード波長λ_Ｃを短波長側にシフトさせる効果がある。そこで、ＤＢＲ制御電流２７の注入に伴い決定されるブラッグ波長シフト量Δλ_Ｂと、ＤＢＲ制御電流２７の注入および発振閾値電流の増加により決定される縦モード波長シフト量Δλ_Ｃとを、一致させることができれば、ブラッグ波長λ_Ｂと縦モード波長λ_Ｃはリンクしながら一体的にシフトする。したがって、モード跳びの問題を解消することができる。これは、式（１）の右辺第２項の分子（Ｌ_{ｅｆｆ−ｆ}＋Ｌ_{ｅｆｆ−ｒ}）が分母（Ｌ_ａ＋Ｌ_{ｅｆｆ−ｆ}＋Ｌ_{ｅｆｆ−ｒ}）と等しくなることを意味しており、この場合の縦モード波長シフト量Δλ_Ｃは以下の式（３）で示される。

この式（３）の意味するところは、レーザ共振器を構成する活性領域光導波路２２の屈折率と前側ＤＢＲ領域２４および後側ＤＢＲ領域２９の屈折率とが、等しく減少することである。そのため、ＤＢＲ制御電流１７の注入に伴ってＤＢＲ領域２４の屈折率が減少し続ける限り、発振波長（縦モード波長）はモード跳びを起こさずに短波長側にシフトする。したがって、初期位相を考慮して厳密な設計を行わなくても、図１９に示したような波長シフトを開始した後すぐにモード跳びが生ずる現象は起こらない。

これを実現するために、ＤＢＲ領域の反射率を適切に決定することによって、発振閾値電流の増減率を最適化することができ、式（３）の関係を満足する光源が実現できる。連続波長シフト幅の広帯域化と同時に高い光出力を得るためには、後側のＤＢＲ領域２９は高反射率を得るように十分に長くし、前側のＤＢＲ領域２４の長さを短縮するのが好ましい。発振光の出射側のＤＢＲ領域の長さが短ければ、光の透過率が向上するからである。前述のように、反射率とＤＢＲ領域の実効長との間には相関があるため、前側のＤＢＲ領域２４の長さを実効長の増減に寄与する臨界長さ以下（図１３において、実効長の増減に寄与する領域６１ａ、６１ｂ）の範囲で増減させれば、波長可変制御時の発振閾値電流の増加率ΔＩ_ｔｈを自在に変更でき、連続波長シフト範囲を拡大することができる。

図３は、本発明の実施の形態に係るＤＢＲ型波長可変光源の波長シフト時におけるスペクトルを説明する図である。本発明を用いた場合には、図３Ａから図３Ｃに示すようにＤＢＲ制御電流を増加させていくことによって、波長シフトを行っても、ブラッグ波長（ストップバンド）と発振波長が等しい量だけ短波長側へシフトしている。すなわち、ストップバンドに対して発振波長が相対的に移動することがない。この場合、図４で示すように完全にモード跳びが発生しない（モードホップフリー）の連続波長シフトが実現できる。

したがって、従来の連続波長可変幅を拡大したレーザ（活性領域の短いＤＢＲ型波長可変光源）と比べて活性領域光導波路２２をより長くしても、モード跳びが起こらず、同等、もしくはそれ以上の連続波長シフト幅が得られる。また、前側のＤＢＲ領域２４の長さの短縮に伴って透過率が向上し、高出力化が得られる。
図５は、発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比と、前側のＤＢＲ領域の長さとの関係を示す特性図である。活性領域光導波路２２の長さをパラメータとして、３０μｍ、５４．５μｍ、１００μｍと変化させている。活性領域光導波路２２の両端に接する絶縁領域２５ａ、２５ｂをそれぞれ１０μｍ、後側のＤＢＲ領域２９の長さを４００μｍとし、回折格子結合定数κを１００ｃｍ^−１とした。図５横軸の前側ＤＢＲ領域２４の長さについては、３０、５０、８０、１００μｍから４００μｍまで変化させている。また、この実験に用いたＤＢＲ型波長可変光源のＤＢＲ領域は、導波路損失が下記の式（４）で表されるものを用いた。

この式（４）において、左辺は導波路の光閉じ込め効率を考慮した伝播光に対する導波路損失で、右辺Δλ_{Ｂｒａｇｇ}はブラッグ波長シフト量を示す。
図５より、前側ＤＢＲ領域２４の長さを短縮するにつれて、式（３）で示した条件に近づき、下記に説明するように連続波長シフト幅を広帯域化することがわかる。すなわち、活性領域光導波路２２の長さを３０μｍとしたときは、前側ＤＢＲ領域２４の長さが２００μｍ以上の範囲において、式（３）の条件が成立する理想的な波長可変特性を示した。しかし、活性領域光導波路２２の長さを短縮し過ぎたため発振利得が不足し、発振波長を４ｎｍシフトさせると発振が停止してしまう。
また、活性領域光導波路２２の長さを１００μｍとしたときは、発振の停止は起こらないものの、発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比の値が０．６〜０．７の範囲となり、理想的な条件（比が１）にすることができない。さらに、３ｎｍの波長シフトを行ったところで、モード跳びが生じてしまう。
一方、活性領域光導波路２２の長さを５４．５μｍとしたときは、広い波長帯域で連続波長シフトが可能である。そこで、活性領域光導波路２２の長さを５４．５μｍとした場合において、連続波長シフト帯域が広くかつ比較的高出力が得られた素子（前側ＤＢＲ領域２４の長さが８０μｍの場合）の特性について、以下の実施例に基づいて、更に詳細に説明する。このとき、発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比は、０．９である。

図１は、本発明の実施例１に係るＤＢＲ型波長可変光源の構成を示す図である。本実施例１においては、基板２１としてＩｎＰを用い、発振波長１．５５μｍの光源を作製した場合について説明する。図１Ａは、光導波路を含む基板２１に垂直な面における断面図である。また、図１Ｂは、図１Ａの断面表示ＩＢ−ＩＢを含む基板２１に平行な面における断面図（上面図）である。

バンドギャップ波長１．５７μｍのＩｎＧａＡｓＰの活性領域光導波路２２の両端（前後）に、バンドギャップ波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰの非活性領域光導波路２３ａ、２３ｂを形成した。活性領域光導波路２２の長さは５４．５μｍとし、その両端に接する絶縁領域２５ａ、２５ｂは１０μｍ、前側ＤＢＲ領域２４および後側ＤＢＲ領域２９は、それぞれ長さを８０μｍと４００μｍとし、回折格子結合定数κは１００ｃｍ^−１とした。図１５より、回折格子結合定数κは１００ｃｍ^−１のときの、実効長飽和値は、４９．９μｍである。一方、前側ＤＢＲ領域２４の長さ８０μｍ時のＤＢＲ実効長は、図１４に示した関係から３７μｍとなる。したがって、このとき、前側ＤＢＲ領域２４の実効長は、実効長飽和値の約７５％の長さとなっている。
尚、絶縁領域２５ａ、２５ｂは、図１には示されていないが、電極２８ａ、２８ｂ、２８ｃにオーミック接触を取るための上クラッド層の上に形成したＩｎＧａＡｓＰ層の一部を除去して形成される領域である。電極２８ａ、２８ｂ、２８ｃを形成しない部分のＩｎＧａＡｓＰ層を除去することで、ＤＢＲ制御電流２７と活性領域電流２６を分離する絶縁領域が２５ａ、２５ｂ形成される。

前側ＤＢＲ領域２４は、長さを８０μｍとして発振波長シフト制御時に適切な閾値電流の変動を誘発させるように作製し、測定を行った。導波路幅は全て１．５μｍとして、単一モード動作のＤＢＲ型波長可変光源とした。活性領域光導波路２２の導波路幅は、非活性領域光導波路２３ａ、２３ｂよりも広くし、セルフイメージング効果を持たせた擬似シングルモード導波路等によって構成しても良い。

活性領域光導波路２２と非活性領域光導波路２３ａ、２３ｂはバットジョイント法により光学的に接合し、素子構造は、通常のＤＢＲ型波長可変光源と同様に埋め込み構造とした。素子構造については、埋め込み構造に限らず、リッジ構造で作製しても同様の効果が得られる。また、両ＤＢＲ領域の端面には、それぞれ反射防止膜２０ａ、２０ｂを施してある。

活性領域光導波路２２と非活性領域光導波路２３ａ、２３ｂとはバンドギャップ波長の異なる半導体結晶で構成されている。活性領域光導波路２２は電流注入や光励起等による発光機能を有する。前側ＤＢＲ領域２４および後側ＤＢＲ領域２９は、ＤＢＲ制御電流２７の注入による屈折率変化に伴う波長可変機能を有している。

図６は、本発明の実施例１に係るＤＢＲ型波長可変光源の波長可変特性を示す特性図である。発振波長のシフト量の実験値およびブラッグ波長のシフト量の実験値を示す。同時に、上記のブラッグ波長のシフト量の実験値を式（１）に代入して得られる、発振波長シフト量の計算値も示している。発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比は０．９で、ほぼ完全なモード跳びのない（モードホップフリーな）連続波長シフトが可能となっている。ＤＢＲ制御電流２７を６０ｍＡまで注入することにより、６ｎｍの連続波長シフト幅を実現している。図６において、横軸のＤＢＲ制御電流２７が−９ｍＡから始まっているのは、活性領域光導波路２２からのリーク電流のためである。ＤＢＲ制御電流２７が−９ｍＡの状態は、ＤＢＲ領域のゼロバイアス（アース状態）に対応している。図６より、式（１）より予想される連続波長シフト（計算値）と比べて、実験値のほうがより大きい連続波長シフトを生じていることが分かる。
図７は、本発明の実施例１に係るＤＢＲ型波長可変光源において、発振波長の実験値と式（１）による理論値とのずれ量を説明する特性図である。縦軸には、発振波長の連続波長シフト量の実験値と式（１）を用いた発振波長の連続波長シフト量の理論計算値との差分を示す。横軸には、ＤＢＲ制御電流を示している。図７より、ＤＢＲ制御電流２７を増加させていくにしたがって、従来技術の式（１）から予測される連続波長シフト量計算値と比較して、約２ｎｍ大きい連続波長シフト量を生じていることがわかる。

図８は、本発明の実施例１に係るＤＢＲ型波長可変光源のＩ−Ｌ特性を示す特性図である。本実施例１の効果を詳しく実証するため、活性領域電流２６に対する光出力依存性（Ｉ−Ｌ特性）を、ＤＢＲ制御電流２７をアース状態から６０ｍＡまで変化させて測定を行った。活性領域電流２６が、発振閾値電流に達するときに、本ＤＢＲ型波長可変光源は発振を開始する。図８に示すように、ＤＢＲ制御電流２７を増加させることによって、発振閾値電流は７ｍＡから２０ｍＡまで徐々に増加し、１３ｍＡの発振閾値電流の変動が誘発されていることを確認できる。また、発振波長シフト制御時においても、１ｍＷ以上、最大４．７ｍＷの高い光出力が得られている。
図９は、本発明の実施例１に係るＤＢＲ型波長可変光源において、発振閾値電流の変動によりもたらされる発振波長シフト量と、図７で示した発振波長シフト量との比較を示す特性図である。上述の、発振閾値電流の変動による発振波長シフト量（ＤＢＲ制御電流２７をアースした時の閾値電流値は、ＤＢＲ領域２７へのリーク電流を考慮してある）のプロットと、図７に示したプロットを同一グラフ上に描いている。これより、両者は良好な一致を示した。

以上詳細に説明してきたように、本実施例１のＤＢＲ型波長可変光源は、従来技術のＤＢＲ型波長可変光源と比較して、より広い帯域に渡って、連続波長シフトが可能であることがわかる。従来技術における、モードホップフリーな連続波長シフト量（幅）の理論値を式（２）によって計算すると、４ｎｍ（ＤＢＲ領域の屈折率変化に由来する発振波長変幅）となる。この理論値と比べた場合においても、実施例１のＤＢＲ型波長可変光源における連続波長シフト量の実験値は約２ｎｍ大きく、より広い連続波長シフト帯域を得ている。さらに、同時に、十分に高い光出力を得ることができた。

実施例２においては、実施例１のＤＢＲ型波長可変光源における後側非活性領域光導波路２３ｂをなくして、高反射膜を配置した形態のＤＢＲ型波長可変光源を作製した。

図２は、実施例２にかかるＤＢＲ型波長可変光源の構造を示す図である。図２Ａは、光導波路を含み基板３１に垂直な面における断面図を示している。図２Ｂは、図２Ａの断面表示ＩＩＢ−ＩＩＢを含み基板３１に平行な面における断面図（上面図）を示している。図２Ａに示すように、活性領域光導波路３２と非活性領域光導波路３３を有しており、非活性領域光導波路３３内にＤＢＲ領域３４が形成されている点は、実施例１と同じ構成である。本実施例２においては、実施例１における長いＤＢＲ領域を持つ後側非活性領域導波路を配置せずに、反射率９０％の高反射膜３９に置き換えている点に特徴がある。非活性領域光導波路３３の端面には、反射防止膜３０が配置されている。活性領域光導波路３２および非活性領域光導波路３３の上方および側面には、上クラッド層９が形成されている。上クラッド層９の上には、電極３８ａ、３８ｂが形成され、それぞれの電極から、ＤＢＲ制御電流３７および活性領域電流３６が注入される。活性領域光導波路３２の長さは４０μｍとし、その他の構成および素子パラメータは実施例１と同じにして作製した。

実施例２のＤＢＲ型波長可変光源により、実施例１と同様に、６ｎｍの連続波長シフト幅と、１ｍＷ以上の高い出力を得た。

図１０は、実施例３にかかるＤＢＲ型波長可変光源の構造を示す図である。図１０Ａは、光導波路を含み基板４１に垂直な面における断面図を示している。図１０Ｂは、図１０Ａの断面表示ＸＢ−ＸＢを含み基板４１に平行な面における断面図（上面図）を示している。
本実施例３のＤＢＲ型波長可変光源は、実施例１と同様に、基板４１上に、活性領域光導波路４２と、この活性領域光導波路４２の両側にある非活性領域光導波路４３ａ、４３ｂが設けられている。非活性領域光導波路４３ａ、４３ｂには、それぞれ、ＤＢＲ領域４４ａ、４４ｂが形成されている。活性領域光導波路４２および非活性光導波路４３ａ、４３ｂの上方および側面には、上クラッド層９が形成されている。さらに、上クラッド層９の上には、ＤＢＲ制御電流４７を注入する電極４８ａ、４８ｂと、活性領域電流４６を注入する電極４８ｃが形成されている。電極４８ａ、４８ｂと電極４８ｃは、高抵抗の領域である絶縁領域２５ａ、２５ｂによって、電気的に絶縁されている。非活性領域導波路４３ａの端面には、反射防止膜４０が配置され、一方、非活性領域光導波路４３ｂの端面には高反射膜４９が配置されている。
実施例３においては、両方の非活性領域光導波路４３ａ、４３ｂにおいて、それぞれのＤＢＲ領域の長さを、実効長飽和値よりも短い実効長に相当するような長さにしている点に特徴がある。すなわち、実施例１においては、一方の非活性領域光導波路において、ＤＢＲ領域の長さは、実効長飽和値の９５％以上の長さの実効長に相当する長さであり、他方の非活性領域光導波路は、これより短い長さであった。これに対して本実施例３においては、両方の非活性領域光導波路４３ａ、４３ｂにおいて、両方のＤＢＲ領域の長さを、実効長飽和値よりも短い実効長に相当する長さとなるようにしている点に特徴がある。そして、一方の非活性光導波路４３ｂの端面には、高反射膜４９を配置し、他方の非活性領域光導波路４３ａの端面には、反射防止膜４０を配置する構成となっている。この反射防止膜４０のある端面から、発振光を出力する。高反射膜４９のある側の非活性領域光導波路４３ｂにおいては、ＤＢＲ実効長が実効値飽和長より短いため、反射率は十分ではない。しかし、高反射膜４９を配置することにより、十分な反射率を得ることができる。
本実施例３のＤＢＲ型波長可変光源においては、高反射側のＤＢＲ領域の長さを８０μｍ、として、両方のＤＢＲ領域の長さ、すなわち両方の非活性領域光導波路４３ａ、４３ｂの長さが等しい構成となっている。しかし、両方の非活性領域光導波路の長さが同一である場合に限定されないのは言うまでもない。（本実施例３は、偶然に、前後のＤＢＲ領域の長さが等しい）。その他の素子パラメータは、実施例１の場合と同じである。
この実施例３の構造により、ＤＢＲ型波長可変光源の素子全体の小型化が可能である。この実施例３のＤＢＲ型波長可変光源により、実施例１と同様に６ｎｍの連続波長シフト幅と、１ｍＷ以上の高い光出力を得た。

図１１は、本発明の実施例４にかかる集積化したＤＢＲ型波長可変光源アレイの構成を示す上面図である。本ＤＢＲ型波長可変光源アレイは、複数の上述した本発明にかかるＤＢＲ型波長可変光源５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆを一つの基板上に構成している。複数のＤＢＲ型波長可変光源はＤＢＲ−ＬＤアレイ部５１を構成する。それぞれのＤＢＲ型波長可変光源５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆの出力は、光合成器５５によって合成されて、１ポート化する光合波部５２を構成する。さらに、光合成部５２の出力は、合成光出力レベルの調整を行う光増幅器部５３に接続される。各ＤＢＲ型波長可変光源５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆのＤＢＲ領域上には、ＤＢＲ制御電流を注入する電極５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄ、５７ｅ、５７ｆが配置され、活性領域上には、活性領域電流を注入する電極５６ａ、５６ｂ、５６ｃ、５６ｄ、５６ｅ、５６ｆが配置されている。尚、本ＤＢＲ型波長可変光源アレイは、左右対称の構成となっているが、これに限定されるものではない。
各ＤＢＲ型波長可変光源５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆの各回折格子のピッチはそれぞれ異なっており、波長可変が可能な光の波長帯域は異なっている。すなわち、ＤＢＲ領域の回折格子ピッチが異なる６個の光源からの出力を光合成器５５によって合成し、１ポート出力化することで、全体でより広い帯域で波長可変が可能な広帯域波長可変ＤＢＲ−ＬＤアレイを作成した。本実施例４においては、光合波部５２は、Ｓ字状にカーブした光導波路と多モード干渉型カプラ（Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏｕｐｌｅｒ：ＭＭＩカプラ）により構成した。カプラ部分は光が１ポートに集約できるものであれば、ＭＭＩカプラに限らない。出力端５８には光出力の調整用に光増幅器部５３を備えている。光増幅器の出力端５８の端面とＤＢＲ−ＬＤアレイ５１の端面には反射防止膜を施した。
集積された各々のレーザは６ｎｍの連続波長可変が可能で、全体で計３６ｎｍ（６個×６ｎｍ＝３６ｎｍ：１５３０−１５６６ｎｍ）の連続波長可変幅が実現できた、また、同時に１０ｍＷ以上の光出力が実現できた。本実施例４における、各ＤＢＲ型波長可変光源５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、５０ｅ、５０ｆは、実施例１のＤＢＲ型波長可変光源に限られず、実施例２、実施例３の形態を使用することも可能である。

Claims (8)

1. 基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備えるＤＢＲ型波長可変光源において、
   ＤＢＲ制御電流により発振波長の可変制御が可能であって、実効長飽和値の９５％以上の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第１のＤＢＲ領域を含む第１の非活性領域光導波路と、
   前記ＤＢＲ制御電流により発振波長の可変制御が可能であって、実効長飽和値の７５％以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第２のＤＢＲ領域を含む第２の非活性領域光導波路であって、前記第２のＤＢＲ領域の長さは前記実効長が直線的に変化する範囲にあることと、
   前記第１の非活性領域光導波路および前記第２の非活性領域光導波路が両端に光学的に接続され、前記ＤＢＲ制御電流とは独立に活性領域電流により発光状態を制御される活性領域光導波路と
   を備えたことを特徴とするＤＢＲ型波長可変光源。
2. 基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備えるＤＢＲ型波長可変光源において、
   ＤＢＲ制御電流により発振波長の可変制御が可能であって、実効長飽和値の７５％以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第１のＤＢＲ領域を含む第１の非活性領域光導波路であって、前記第１のＤＢＲ領域の長さは前記実効長が直線的に変化する範囲にあることと、
   前記ＤＢＲ制御電流により発振波長の可変制御が可能であって、実効長飽和値の７５％以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有する第２のＤＢＲ領域を含む第２の非活性領域光導波路であって、前記第２のＤＢＲ領域の長さは前記実効長が直線的に変化する範囲にあることと、
   前記第１の非活性領域光導波路および前記第２の非活性領域光導波路が両端に光学的に接続され、前記ＤＢＲ制御電流とは独立に活性領域電流により発光状態を制御される活性領域光導波路と、
   前記第１の非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された高反射膜と、
   前記第２の非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された反射防止膜と
   を備えたことを特徴とするＤＢＲ型波長可変光源。
3. 基板上に、クラッド層で囲まれた光導波路を備えるＤＢＲ型波長可変光源において、
   ＤＢＲ制御電流により発振波長の可変制御が可能であって、実効長飽和値の７５％以下の実効長に相当する長さの区間に回折格子を有するＤＢＲ領域を含む非活性領域光導波路であって、前記第ＤＢＲ領域の長さは前記実効長が直線的に変化する範囲にあることと、
   前記非活性領域光導波路に光学的に接続され、前記ＤＢＲ制御電流とは独立に活性領域電流により発光状態を制御される活性領域光導波路と、
   前記非活性領域光導波路の前記活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された反射防止膜と、
   前記活性領域光導波路の前記非活性領域光導波路とは反対側の端面に配置された高反射膜と
   を備えたことを特徴とするＤＢＲ型波長可変光源。
4. 発振波長とブラッグ発振波長とがリンクしながら一体的にシフトすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のＤＢＲ型波長可変光源。
5. 発振波長シフト量とブラッグ波長シフト量の比が０．９ 以上１．０以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のＤＢＲ型波長可変光源。
6. 前記各非活性導波路は、前記各ＤＢＲ領域のいずれかと前記活性領域光導波路との間に、それぞれ絶縁領域を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のＤＢＲ型波長可変光源。
7. 前記活性領域光導波路の長さが３０μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のＤＢＲ型波長可変光源。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載される複数のＤＢＲ型波長可変光源であって、前記複数のＤＢＲ型波長可変光源の各々の回折格子の周期が異なることと、
   前記複数の複数のＤＢＲ型波長可変光源からの各々の出力光を１ポートにまとめて合成光を出力させるための光結合器と、
   前記合成光の出力を調整する光半導体増幅器と
   を備えることを特徴とする集積化ＤＢＲ型波長可変光源。

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