JP4074534B2 - 半導体レーザ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザに関し、より詳細には、波長多重光ネットワークにおいて波長可変幅の大きい波長可変レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通信用の光源としては、主にＤＦＢ（distributed Feedback；分布帰還型）レーザが用いられてきたが、近年、波長多重通信（ＷＤＭ；Wavelength Division multiplexing）システムの発展にともない、発振波長を可変できる波長可変光源が求められるようになった。通信用の波長可変レーザとしては、以下の図１に示すようなＤＢＲ型レーザが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図１は、従来のＤＢＲレーザを示す断面図で、図中符号１０１は半導体基板、１０２は利得を有する活性層、１０３は導波路コア、１０４は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ；Distributed Bragg Reflector）、１０５は活性層電極、１０６はＤＢＲ制御用電極、１０７は裏面電極、１０８は反射防止膜、１０９は導波路端面を示している。
【０００４】
活性層１０２に連続して形成された導波路コア１０３には、周期的な摂動が形成され、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１０４を構成している。この分布ブラッグ反射器１０４の端面には、反射防止膜１０８が形成されている。ＤＢＲレーザでは端面１０と活性層１０２とＤＢＲ１０４により構成されるキャビティで発振し、その発振波長は、活性層１０２とＤＢＲ１０４と導波路端面１０９により構成されるキャビティの共振器長による縦モード波長のうちの一つがＤＢＲ１０４のブラッグ波長により選択されて決定される。
【０００５】
ＤＢＲレーザにおける発振波長の可変機構は、以下のように説明される。つまり、ＤＢＲ制御用電極１０６からＤＢＲ１０４へ制御電流ＩＤＢＲを注入すると、導波路コア１０３の屈折率が変化する。このとき、ＤＢＲ１０４の等価屈折率が変化するため、ＤＢＲのブラッグ波長が変化する。また、屈折率変化に伴い実効的に共振器長が変化するため、縦モード波長も変化する。縦モード波長とブラッグ波長は、電流注入に伴って共に短波にシフトするため、電流注入に伴って発振波長は短波長側にシフトする。ただし、ＤＢＲ１０４への制御電流ＩＤＢＲに対する感度は、ブラッグ波長の方が敏感で、より短波にシフトするため、注入電流の増加にともないブラッグ波長と選択されている縦モードとのずれが大きくなる。
【０００６】
したがって、ＤＢＲ１０４への制御電流ＩＤＢＲが増加するにつれ、最初は連続的に発振波長が短波へシフトするが、縦モード波長の変化がブラッグ波長の変化に追従できなくなると、隣の縦モードに発振が跳ぶ（モードホップ）。このＤＢＲレーザのモードホップ現象を図２に示す。ＤＢＲレーザには、原理的に発振不可能な波長帯が存在する。また、連続的に波長変化が可能な波長帯は連続波長可変幅と呼ばれ、連続波長可変幅の広いものが要求される。
【０００７】
ＤＢＲレーザ連続波長可変幅の拡大には、２つの方法がある。この２つの方法については、以下に説明する。
上述したように、ＤＢＲレーザの発振波長は、ブラッグ波長と共振器の縦モードとの関係で決定される。連続波長可変幅の拡大のための第１の方法は、共振器の縦モード間隔を拡げることである。隣の縦モードまでの周波数（または波長）間隔が広くなれば、隣の縦モードまでモードホップするために必要なブラッグ波長と縦モードのずれが大きくなるため、連続的に波長変化できる領域が拡大される。縦モード間隔を広げる最も一般的な方法は、活性領域長を短縮することである。したがって、連続波長可変幅の拡大のための第１の方法としては、活性領域長を短縮することがあげられる。
【０００８】
図３は、従来の他のＤＢＲレーザを示す断面図で、連続波長可変幅を拡大するための第２の方法を説明するための図である。図中符号４０１は半導体基板、４０２は利得を有する活性層、４０３は導波路コア、４０４は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、４０５は活性層電極、４０６はＤＢＲ制御用電極、４０７は裏面電極、４０８は反射防止膜、４０９は導波路端面、４１０は利得を有しない導波路コア（位相制御領域）、４１１は位相制御用電極を示している。
【０００９】
活性層４０２とＤＢＲ４０４の間に導波路コア４１０を設け、ＤＢＲ制御電流ＩＤＢＲに加えて、さらに位相制御電流ＩＰＣにより伝播光の位相を調整してモードホップを回避する方法である。活性層４０２に連続して形成された導波路コア４０３には周期的な摂動が形成され、ＤＢＲ４０４を構成している。ＤＢＲ４０４の端面には、反射防止膜４０８が形成されている。導波路端面４０９は、反射ミラーとして作用する。導波路コア４１０で位相制御領域を形成している。伝播光の位相調整を行うため、厳密には連続波長可変幅の拡大ではないが、擬似的に広帯域の連続波長シフトが可能である。
【００１０】
しかし、その場合には、波長の制御項目は、ＤＢＲ制御電流ＩＤＢＲと位相制御電流ＩＰＣの２つとなり、それらを同時にかつ複雑に制御しなくてはならない。実際の使用時には、ＤＢＲ注入電流ＩＤＢＲと位相制御電流ＩＰＣに対する波長マップをもとに波長制御を行わなくてはならず、そのため制御が難しいという問題があった。また、信頼性の観点からは、素子の劣化により、ＤＢＲ制御電流ＩＤＢＲおよび位相制御電流ＩＰＣの電流注入条件の変化を予想することは難しく実用化における問題となっている。
【００１１】
図１に示すような位相制御領域を持たない構造の波長可変ＤＢＲレーザは、その制御の簡便で、素子が時間的に劣化しても波長のオンライン観察による電流値へのフィードバックが可能であり、劣化への対応が容易であるため、理想的なＤＢＲレーザであるが、以下に挙げるような問題がある。
【００１２】
【非特許文献１】
池上徹彦監修、土屋治彦、三上修編著、「半導体フォトニクス工学」（コロナ社）ＩＳＢＮ４−３３９−００６２３−８、１９９５年、３０６ページ
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
連続波長可変幅の広く、かつ位相調整を行わないＤＢＲレーザにおいて、活性領域を短縮化するため、その分、単位長さあたりに要求される利得は倍増する。また、波長シフト時、すなわち、ＤＢＲ電流注入時は、ＤＢＲ領域の導波路増大に伴い実効的な反射率が低下し、閾値利得は１〜２桁上昇し、さらに光出力の低下も問題となる。すなわち、波長シフト時に利得不足によって途中で発振が停止し、発振しても利得飽和により低出力となるため、実用化そのものが困難となっている。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、モードホップが無く、制御が容易で波長可変域が大きく、素子劣化へ対応が容易である半導体レーザを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
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、波長選択性を有する利得領域（５０２）と、利得および波長選択性を有しない導波路領域（５０３）と、利得を有しない反射領域（５０９）とが、光の進行方向に対して直列に接続された共振器と、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段（５０６）とを備え、前記共振器の縦モード波長のうち前記利得領域により選択された波長で発振し、前記縦モード波長のモード間隔が前記利得領域のストップバンド幅よりも広いことを特徴とする。（図４に示す実施例１に相当）
【００１６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記利得領域（５０２）が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子（５１０）を備えていることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記反射領域（５０９）が、ミラーにより形成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明は、波長選択性を有する利得領域（６０２）と、利得および波長選択性を有しない第１の導波路領域（６０３）と、利得を有しない第２の導波路領域（６０９）とが、光の進行方向に対して直列に接続された共振器と、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段（６０６）とを備え、前記共振器の縦モード波長のうち少なくとも前記利得領域により選択された波長で発振し、前記縦モード波長のモード間隔が少なくとも前記利得領域のストップバンド幅よりも広いことを特徴とする。（図６に示す実施例２に相当）
【００１９】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記利得領域（６０２）が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子（６１３）を備えていることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記第２の導波路領域（６０９）が、周期構造を有する回折格子（６１４）により形成されており、前記共振器の縦モード波長のうち前記利得領域および前記第２の導波路領域により選択された波長で発振し、前記利得領域および前記第２の導波路領域のストップバンドが重なりを有し、前記縦モード波長のモード間隔が前記ストップバンドの重なりの幅よりも広いことを特徴とする。
【００２１】
また、請求項７に記載の発明は、波長選択性を有する第１の利得領域（７０２）と、利得および波長選択性を有しない導波路領域（７０３）と、波長選択性を有する第２の利得領域（７０９）とが、光の進行方向に対して直列に接続された共振器と、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段（７０６）とを備え、前記共振器の縦モード波長のうち前記第１の利得領域および前記第２の利得領域により選択された波長で発振し、前記第１の利得領域および前記第２の利得領域のストップバンドが重なりを有し、前記縦モード波長のモード間隔が前記ストップバンドの重なりの幅よりも広いことを特徴とする。（図７に示す実施例３に相当）
【００２２】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記第１の利得領域（７０２）が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子（７１３）を備え、前記第２の利得領域（７０９）が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第２の利得を有する回折格子（７１４）を備えていることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項９に記載の発明は、請求項２，５又は８に記載の発明において、前記第１の利得を有する回折格子（５１０，６１３，７１３）又は前記第２の利得を有する回折格子（７１４）の結合係数が３００ｃｍ−１よりも大きいことを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９いずれかに記載の発明において、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段として、導波路の少なくともコアまたはクラッドの一部に電流を注入もしくは電圧を印加するための電極（５０６，６０６，７０６）が設けられていることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０いずれかに記載の発明において、前記導波路領域の長さが１０μｍよりも短いことを特徴とする。
【００２６】
本発明は、このような構成により、モードホップが無く、広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを得ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図４は、本発明に係る半導体レーザの実施例１を示す断面図で、図中符号５０１は半導体基板、５０２は利得を有する活性層、５０３は利得を有しない導波路コア、５０４は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、５０５は活性層電極、５０６は位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）、５０７は裏面電極、５０８は反射防止膜、５０９は導波路端面、５１０は回折格子を示している。
【００２８】
この実施例１による半導体レーザは、波長選択性を有する活性層（利得領域）５０２と、利得および波長選択性を有しない有しない導波路コア（導波路領域）５０３と、利得を有しない反射領域（導波路端面）５０９とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路コア５０３の光学的実効長を変化させるための位相制御用電極５０６を備えている。
【００２９】
また、活性層５０２が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子５１０を備えている。この第１の利得を有する回折格子５１０の結合係数は、３００ｃｍ−１よりも大きいように構成されている。
【００３０】
また、導波路端面５０９が、波長選択性を有しない反射ミラーを構成していて、位相制御用電極５０６は、導波路の少なくともコアまたはクラッドの一部に電流を注入もしくは電圧を印加するための電極であり、導波路コア５０３の長さは、１０μｍよりも短いように構成されている。
【００３１】
また、活性層５０２には周期的な摂動が形成され、ＤＢＲ５０４を構成している。ＤＢＲ５０４の端面には、反射防止膜５０８が形成されている。導波路端面５０９は、反射ミラーとして作用する。導波路端面５０９と利得を有しない導波路コア５０３と活性層５０２を含むＤＢＲ５０４により構成されるキャビティで発振する。一般的に利得を有するＤＢＲ構造を含む素子としては、いわゆる、ＤＦＢレーザが挙げられるが、ＤＦＢレーザでは利得を有するＤＢＲ構造のみでキャビティを構成するのに対し、本発明の半導体レーザは、ＤＢＲのみでは発振せず、利得を有しない導波路コア５０３を経て導波路端面５０９で反射された光が、再びＤＢＲ５０４に入射するフィードバックがあることにより初めて発振することができる点で根本的に発振原理がＤＦＢレーザとは異なっている。
【００３２】
本発明の半導体レーザにおいて、利得を有するＤＢＲ５０４の結合係数、長さ、および利得を有しない導波路コア５０３の長さの関係は、次のように設定する。すなわち、ＤＢＲ５０４の長さは、ＤＢＲのみでは発振しない長さとし、導波路コア５０３の長さは、ＤＢＲ５０４の実効長と利得を有しない導波路コア５０３の長さの和により決定される共振器長で、決定される縦モード間隔がＤＢＲ５０４のストップバンド幅よりも広くなるような長さとする。
【００３３】
以下に、その発振原理および発振波長について詳細に説明する。
活性層５０２を含むＤＢＲ５０４は、波長選択性と光学利得をあわせもつ。従って、利得を有するＤＢＲ（反射領域）５０４では、ある特定の波長の光のみが増幅される。増幅される波長は、ＤＢＲ５０４のＢｒａｇｇ波長を中心とし、波長帯域は、ＤＢＲ５０４のストップバンド幅で決定される。本実施例では、ＤＢＲ５０４の結合係数ｋを３００ｃｍ−１、長さを７０μｍに設定したため、ストップバンド幅は約１０ｎｍ、ＤＢＲ５０４の実効長は約３０μｍであった。発振波長は、活性層５０２を含むＤＢＲ５０４と利得を有しない導波路コア５０３と導波路端面５０９とにより構成されるキャビティの共振器長による縦モード波長のうちの一つがＤＢＲ５０４のブラッグ波長により選択され決定される。縦モード間隔は
【００３４】
【数１】
【００３５】
で与えられる。ここで、λ0は発振波長、ｎｅｆｆは波長分散を考慮した実効屈折率、ＬｅｆｆはＤＢＲの実効長、Ｌｐは利得を有しない導波路コア５０３の長さである。本実施例１では利得を有しない導波路コア５０３の長さＬｐを１０μｍとした。その結果縦モード間隔は、発振波長が約１．５５μｍ、実効屈折率が約３．５であることを考慮すると（１）式より約１１．５ｎｍとなり、縦モード間隔がストップバンド幅よりも広くなっていることがわかる。発振波長は前述のとおり、幅広いストップバンドの中に含まれる、キャビティの共振器長による縦モード波長で生じる。縦モード間隔がストップバンド幅よりも広いため、ストップバンド内には縦モードは一本しか存在しない。この様子を図５に示す。図５において、実線は利得を有するＤＢＲの反射率、細い破線はキャビティの縦モードの透過スペクトルを示している。発振波長は、図中の一点鎖線で示される、ストップバンドと縦モードが一致した点λ０で行われる。
【００３６】
波長チューニングは次のように行われる。利得を有しない導波路コア５０３に制御電流を注入すると、導波路コアの屈折率が変化する。そのため、導波路コア５０３の実効的光学長が変化し、縦モードの波長および間隔が変化する。この様子を図５の太い破線で示す。その結果、発振波長は、図５の実線と太い破線のピークが一致した点、すなわちλ１にシフトする。共振器長により決定される縦モード間隔がストップバンド幅よりも広いために、ストップバンドと縦モード波長が一致する点は一点しかなく、これが電流注入により連続的に変化するので、発振は必ずこのストップバンドと縦モード波長が一致する点で生じ、モードホップすることはない。したがって、この半導体レーザの連続波長可変幅は、ストップバンド幅により決定される。すなわち、本実施例１の場合、ストップバンド幅は約１０ｎｍであり、連続可変幅は約１０ｎｍが得られる。
【００３７】
本実施例１で用いる活性層５０２の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本実施例１の構成をとることにより、上述した説明のような効果が期待できる。すなわち、活性層に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層の構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、また、活性層領域の導波路構造に関してもｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶縁型などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００３８】
また、周期的摂動は、活性層５０２上の直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）のＳＣＨ層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成しても全く同様な効果が期待できる。
【００３９】
［実施例２］
図６は、本発明に係る半導体レーザの実施例２を示す断面図で、図中符号６０１は半導体基板、６０２は利得を有する活性層、６０３は利得を有しない導波路コア、６０４は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、６０５は活性層電極、６０６は位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）、６０７は裏面電極、６０８は反射防止膜、６０９は利得を有しない導波路コア、６１０は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、６１１はブラッグ波長制御用電極、６１２は反射防止膜、６１３，６１４は回折格子を示している。
【００４０】
この実施例２による半導体レーザは、波長選択性を有する活性層（利得領域）６０２と、利得および波長選択性を有しない第１の導波路コア（導波路領域）６０３と、利得を有しない導波路コア（導波路領域）６０９とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路コアの光学的実効長を変化させるための位相制御用電極６０６を備えている。
【００４１】
また、活性層６０２が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子６１３を備えている。さらに、第２の導波路コア６０９は、周期構造を有する回折格子６１４により形成されていて、反射領域となっている。
【００４２】
また、活性層６０２には周期的な摂動が形成され、ＤＢＲ６０４を構成している。ＤＢＲ６０４の端面には、反射防止膜６０８が形成されている。利得を有しない導波路コア６０９は、周期的な摂動が形成されてＤＢＲ６１０を形成している。ブラッグ波長制御用電極６１１は、必要に応じてＤＢＲ６０４と６１０の反射波長を一致させるために、あるいは言い方を変えれば反射スペクトルにおけるストップバンドに重なりを持たせるために用いる。ただし、ＤＢＲ６０４と６１０のブラッグ波長をほぼ一致させ、ＤＢＲ６０４と６１０のストップバンドに重なりがあるように作製すれば、または、より具体的には、ＤＢＲ６０４と６１０がお互いの反射スペクトルのストップバンドの少なくとも一部が重なり合う様に、そのＢｒａｇｇ波長および結合係数が設定されていればブラッグ波長制御用電極６１１は必ずしも必要ではない。
【００４３】
動作原理ならびに波長チューニング原理は、レーザのキャビティが利得を有しないＤＢＲ６１０と利得を有しない導波路コア６０３と活性層６０２を含むＤＢＲ６０４とにより構成されることを除けば、図４に示した実施例１と同様である。ただし、縦モード間隔はＤＢＲ６１０，６０４の実効長をそれぞれＬｅｆｆ 1，Ｌｅｆｆ 2として
【００４４】
【数２】
【００４５】
で与えられ、波長可変帯域は両側に存在するＤＢＲ６０４と６１０のストップバンドの重なりの幅で決定されることになる。
【００４６】
本実施例２の場合も、活性層６０２の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本実施例２の構成をとることにより、上述した説明のような効果が期待できる。すなわち、活性層に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層の構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、また、活性層領域の導波路構造に関してもｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶縁型などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００４７】
また、周期的摂動は活性層６０２上の直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）のＳＣＨ層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成しても全く同様な効果が期待できる。
【００４８】
［実施例３］
図７は、本発明に係る半導体レーザの実施例３を示す断面図で、図中符号７０１は半導体基板、７０２は利得を有する第１の活性層、７０３は利得を有しない導波路コア、７０４は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、７０５は活性層電極、７０６は位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）、７０７は裏面電極、７０８は反射防止膜、７０９は利得を有する第２の活性層、７１０は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、７１１は活性層電極、７１２は反射防止膜、７１３，７１４は回折格子を示している。
【００４９】
この実施例３による半導体レーザは、波長選択性を有する第１の活性層（利得領域）７０２と、利得および波長選択性を有しない導波路コア（導波路領域）７０３と、波長選択性を有する第２の活性層（利得領域）７０９とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路コアの光学的実効長を変化させるための位相制御用電極７０６を備えている。
【００５０】
また、第１の活性層７０２が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子７１３を備え、第２の活性層７０９が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第２の利得を有する回折格子７１４を備えている。
【００５１】
また、活性層７０２には周期的な摂動が形成され、ＤＢＲ７０４を構成している。ＤＢＲ７０４の端面には、反射防止膜７０８が形成されている。利得を有する活性層７０９は、周期的な摂動が形成されてＤＢＲ７１０を形成している。利得を有するＤＢＲ７０４および７１０は、お互いの反射スペクトルのストップバンドの少なくとも一部が重なり合う様に、そのＢｒａｇｇ波長および結合係数が設定されている。
【００５２】
動作原理ならびに波長チューニング原理は、レーザのキャビティが活性層７０９を含むＤＢＲ７１０と利得を有しない導波路コア７０３と活性層７０２を含むＤＢＲ７０４とにより構成されることを除けば、図４に示した実施例１と同様である。ただし、縦モード間隔はＤＢＲ７１０，７０４の実効長をそれぞれＬｅｆｆ 1，Ｌｅｆｆ 2として（２）式で与えられ、波長可変帯域は両側に存在するＤＢＲ７０４と７１０のストップバンドの重なりの幅で決定されることになる。
【００５３】
本実施例３の場合も、活性層７０２，７０９の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本実施例３の構成をとることにより、上述した説明のような効果が期待できる。すなわち、活性層に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層の構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、また、活性層領域の導波路構造に関してもｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶縁型などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００５４】
また、周期的摂動は活性層７０２，７０９上に直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）のＳＣＨ層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成しても全く同様な効果が期待できる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、波長選択性を有する利得領域と、利得および波長選択性を有しない導波路領域と、利得を有しない反射領域とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段を備えているので、モードホップなく広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを提供することができる。
【００５６】
また、波長選択性を有する利得領域と、利得および波長選択性を有しない第１の導波路領域と、利得および波長選択性を有しない第２の導波路領域とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段を備えているので、モードホップなく広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを提供することができる。
【００５７】
さらに、波長選択性を有する第１の利得領域と、利得および波長選択性を有しない導波路領域と、波長選択性を有する第２の利得領域とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段を備えているので、モードホップなく広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＤＢＲレーザを示す断面図である。
【図２】ＤＢＲレーザのモードホップ現象を示す図である。
【図３】従来の他のＤＢＲレーザを示す断面図である。
【図４】本発明に係る半導体レーザの実施例１を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例１の動作原理を説明するための図で、ＤＢＲの反射スペクトルと縦モードスペクトルの関係を示した図である。
【図６】本発明に係る半導体レーザの実施例２を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明に係る半導体レーザの実施例３を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１ 半導体基板
１０２ 利得を有する活性層
１０３ 導波路コア
１０４ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
１０５ 活性層電極
１０６ ＤＢＲ制御用電極
１０７ 裏面電極
１０８ 反射防止膜
１０９ 導波路端面
４０１ 半導体基板
４０２ 利得を有する活性層
４０３ 導波路コア
４０４ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
４０５ 活性層電極
４０６ ＤＢＲ制御用電極
４０７ 裏面電極
４０８ 反射防止膜
４０９ 導波路端面
４１０ 利得を有しない導波路コア（位相制御領域）
４１１ 位相制御用電極
５０１ 半導体基板
５０２ 利得を有する活性層
５０３ 利得を有しない導波路コア
５０４ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
５０５ 活性層電極
５０６ 位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）
５０７ 裏面電極
５０８ 反射防止膜
５０９ 導波路端面
５１０ 回折格子
６０１ 半導体基板
６０２ 利得を有する活性層
６０３ 利得を有しない導波路コア
６０４ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
６０５ 活性層電極
６０６ 位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）
６０７ 裏面電極
６０８ 反射防止膜
６０９ 利得を有しない導波路コア
６１０ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
６１１ ブラッグ波長制御用電極
６１２ 反射防止膜
６１３，６１４ 回折格子
７０１ 半導体基板
７０２ 利得を有する活性層
７０３ 利得を有しない導波路コア
７０４ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
７０５ 活性層電極
７０６ 位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）
７０７ 裏面電極
７０８ 反射防止膜
７０９ 利得を有する活性層
７１０ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
７１１ 活性層電極
７１２ 反射防止膜
７１３，７１４ 回折格子
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザに関し、より詳細には、波長多重光ネットワークにおいて波長可変幅の大きい波長可変レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、通信用の光源としては、主にＤＦＢ（distributed Feedback；分布帰還型）レーザが用いられてきたが、近年、波長多重通信（ＷＤＭ；Wavelength Division multiplexing）システムの発展にともない、発振波長を可変できる波長可変光源が求められるようになった。通信用の波長可変レーザとしては、以下の図１に示すようなＤＢＲ型レーザが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
図１は、従来のＤＢＲレーザを示す断面図で、図中符号１０１は半導体基板、１０２は利得を有する活性層、１０３は導波路コア、１０４は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ；Distributed Bragg Reflector）、１０５は活性層電極、１０６はＤＢＲ制御用電極、１０７は裏面電極、１０８は反射防止膜、１０９は導波路端面を示している。
【０００４】
活性層１０２に連続して形成された導波路コア１０３には、周期的な摂動が形成され、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）１０４を構成している。この分布ブラッグ反射器１０４の端面には、反射防止膜１０８が形成されている。ＤＢＲレーザでは端面１０と活性層１０２とＤＢＲ１０４により構成されるキャビティで発振し、その発振波長は、活性層１０２とＤＢＲ１０４と導波路端面１０９により構成されるキャビティの共振器長による縦モード波長のうちの一つがＤＢＲ１０４のブラッグ波長により選択されて決定される。
【０００５】
ＤＢＲレーザにおける発振波長の可変機構は、以下のように説明される。つまり、ＤＢＲ制御用電極１０６からＤＢＲ１０４へ制御電流ＩＤＢＲを注入すると、導波路コア１０３の屈折率が変化する。このとき、ＤＢＲ１０４の等価屈折率が変化するため、ＤＢＲのブラッグ波長が変化する。また、屈折率変化に伴い実効的に共振器長が変化するため、縦モード波長も変化する。縦モード波長とブラッグ波長は、電流注入に伴って共に短波にシフトするため、電流注入に伴って発振波長は短波長側にシフトする。ただし、ＤＢＲ１０４への制御電流ＩＤＢＲに対する感度は、ブラッグ波長の方が敏感で、より短波にシフトするため、注入電流の増加にともないブラッグ波長と選択されている縦モードとのずれが大きくなる。
【０００６】
したがって、ＤＢＲ１０４への制御電流ＩＤＢＲが増加するにつれ、最初は連続的に発振波長が短波へシフトするが、縦モード波長の変化がブラッグ波長の変化に追従できなくなると、隣の縦モードに発振が跳ぶ（モードホップ）。このＤＢＲレーザのモードホップ現象を図２に示す。ＤＢＲレーザには、原理的に発振不可能な波長帯が存在する。また、連続的に波長変化が可能な波長帯は連続波長可変幅と呼ばれ、連続波長可変幅の広いものが要求される。
【０００７】
ＤＢＲレーザ連続波長可変幅の拡大には、２つの方法がある。この２つの方法については、以下に説明する。
上述したように、ＤＢＲレーザの発振波長は、ブラッグ波長と共振器の縦モードとの関係で決定される。連続波長可変幅の拡大のための第１の方法は、共振器の縦モード間隔を拡げることである。隣の縦モードまでの周波数（または波長）間隔が広くなれば、隣の縦モードまでモードホップするために必要なブラッグ波長と縦モードのずれが大きくなるため、連続的に波長変化できる領域が拡大される。縦モード間隔を広げる最も一般的な方法は、活性領域長を短縮することである。したがって、連続波長可変幅の拡大のための第１の方法としては、活性領域長を短縮することがあげられる。
【０００８】
図３は、従来の他のＤＢＲレーザを示す断面図で、連続波長可変幅を拡大するための第２の方法を説明するための図である。図中符号４０１は半導体基板、４０２は利得を有する活性層、４０３は導波路コア、４０４は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、４０５は活性層電極、４０６はＤＢＲ制御用電極、４０７は裏面電極、４０８は反射防止膜、４０９は導波路端面、４１０は利得を有しない導波路コア（位相制御領域）、４１１は位相制御用電極を示している。
【０００９】
活性層４０２とＤＢＲ４０４の間に導波路コア４１０を設け、ＤＢＲ制御電流ＩＤＢＲに加えて、さらに位相制御電流ＩＰＣにより伝播光の位相を調整してモードホップを回避する方法である。活性層４０２に連続して形成された導波路コア４０３には周期的な摂動が形成され、ＤＢＲ４０４を構成している。ＤＢＲ４０４の端面には、反射防止膜４０８が形成されている。導波路端面４０９は、反射ミラーとして作用する。導波路コア４１０で位相制御領域を形成している。伝播光の位相調整を行うため、厳密には連続波長可変幅の拡大ではないが、擬似的に広帯域の連続波長シフトが可能である。
【００１０】
しかし、その場合には、波長の制御項目は、ＤＢＲ制御電流ＩＤＢＲと位相制御電流ＩＰＣの２つとなり、それらを同時にかつ複雑に制御しなくてはならない。実際の使用時には、ＤＢＲ注入電流ＩＤＢＲと位相制御電流ＩＰＣに対する波長マップをもとに波長制御を行わなくてはならず、そのため制御が難しいという問題があった。また、信頼性の観点からは、素子の劣化により、ＤＢＲ制御電流ＩＤＢＲおよび位相制御電流ＩＰＣの電流注入条件の変化を予想することは難しく実用化における問題となっている。
【００１１】
図１に示すような位相制御領域を持たない構造の波長可変ＤＢＲレーザは、その制御の簡便で、素子が時間的に劣化しても波長のオンライン観察による電流値へのフィードバックが可能であり、劣化への対応が容易であるため、理想的なＤＢＲレーザであるが、以下に挙げるような問題がある。
【００１２】
【非特許文献１】
池上徹彦監修、土屋治彦、三上修編著、「半導体フォトニクス工学」（コロナ社）ＩＳＢＮ４−３３９−００６２３−８、１９９５年、３０６ページ
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
連続波長可変幅の広く、かつ位相調整を行わないＤＢＲレーザにおいて、活性領域を短縮化するため、その分、単位長さあたりに要求される利得は倍増する。また、波長シフト時、すなわち、ＤＢＲ電流注入時は、ＤＢＲ領域の導波路増大に伴い実効的な反射率が低下し、閾値利得は１〜２桁上昇し、さらに光出力の低下も問題となる。すなわち、波長シフト時に利得不足によって途中で発振が停止し、発振しても利得飽和により低出力となるため、実用化そのものが困難となっている。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、モードホップが無く、制御が容易で波長可変域が大きく、素子劣化へ対応が容易である半導体レーザを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
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、波長選択性を有する利得領域（５０２）と、利得および波長選択性を有しない導波路領域（５０３）と、利得を有しない反射領域（５０９）とが、光の進行方向に対して直列に接続された共振器と、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段（５０６）とを備え、前記共振器の縦モード波長のうち前記利得領域により選択された波長で発振し、前記縦モード波長のモード間隔が前記利得領域のストップバンド幅よりも広いことを特徴とする。（図４に示す実施例１に相当）
【００１６】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記利得領域（５０２）が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子（５１０）を備えていることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記反射領域（５０９）が、ミラーにより形成されていることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項４に記載の発明は、波長選択性を有する利得領域（６０２）と、利得および波長選択性を有しない第１の導波路領域（６０３）と、利得を有しない第２の導波路領域（６０９）とが、光の進行方向に対して直列に接続された共振器と、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段（６０６）とを備え、前記共振器の縦モード波長のうち少なくとも前記利得領域により選択された波長で発振し、前記縦モード波長のモード間隔が少なくとも前記利得領域のストップバンド幅よりも広いことを特徴とする。（図６に示す実施例２に相当）
【００１９】
また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記利得領域（６０２）が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子（６１３）を備えていることを特徴とする。
【００２０】
また、請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の発明において、前記第２の導波路領域（６０９）が、周期構造を有する回折格子（６１４）により形成されており、前記共振器の縦モード波長のうち前記利得領域および前記第２の導波路領域により選択された波長で発振し、前記利得領域および前記第２の導波路領域のストップバンドが重なりを有し、前記縦モード波長のモード間隔が前記ストップバンドの重なりの幅よりも広いことを特徴とする。
【００２１】
また、請求項７に記載の発明は、波長選択性を有する第１の利得領域（７０２）と、利得および波長選択性を有しない導波路領域（７０３）と、波長選択性を有する第２の利得領域（７０９）とが、光の進行方向に対して直列に接続された共振器と、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段（７０６）とを備え、前記共振器の縦モード波長のうち前記第１の利得領域および前記第２の利得領域により選択された波長で発振し、前記第１の利得領域および前記第２の利得領域のストップバンドが重なりを有し、前記縦モード波長のモード間隔が前記ストップバンドの重なりの幅よりも広いことを特徴とする。（図７に示す実施例３に相当）
【００２２】
また、請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記第１の利得領域（７０２）が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子（７１３）を備え、前記第２の利得領域（７０９）が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第２の利得を有する回折格子（７１４）を備えていることを特徴とする。
【００２３】
また、請求項９に記載の発明は、請求項２，５又は８に記載の発明において、前記第１の利得を有する回折格子（５１０，６１３，７１３）又は前記第２の利得を有する回折格子（７１４）の結合係数が３００ｃｍ−１よりも大きいことを特徴とする。
【００２４】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至９いずれかに記載の発明において、前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段として、導波路の少なくともコアまたはクラッドの一部に電流を注入もしくは電圧を印加するための電極（５０６，６０６，７０６）が設けられていることを特徴とする。
【００２５】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１乃至１０いずれかに記載の発明において、前記導波路領域の長さが１０μｍよりも短いことを特徴とする。
【００２６】
本発明は、このような構成により、モードホップが無く、広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを得ることができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図４は、本発明に係る半導体レーザの実施例１を示す断面図で、図中符号５０１は半導体基板、５０２は利得を有する活性層、５０３は利得を有しない導波路コア、５０４は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、５０５は活性層電極、５０６は位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）、５０７は裏面電極、５０８は反射防止膜、５０９は導波路端面、５１０は回折格子を示している。
【００２８】
この実施例１による半導体レーザは、波長選択性を有する活性層（利得領域）５０２と、利得および波長選択性を有しない有しない導波路コア（導波路領域）５０３と、利得を有しない反射領域（導波路端面）５０９とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路コア５０３の光学的実効長を変化させるための位相制御用電極５０６を備えている。
【００２９】
また、活性層５０２が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子５１０を備えている。この第１の利得を有する回折格子５１０の結合係数は、３００ｃｍ−１よりも大きいように構成されている。
【００３０】
また、導波路端面５０９が、波長選択性を有しない反射ミラーを構成していて、位相制御用電極５０６は、導波路の少なくともコアまたはクラッドの一部に電流を注入もしくは電圧を印加するための電極であり、導波路コア５０３の長さは、１０μｍよりも短いように構成されている。
【００３１】
また、活性層５０２には周期的な摂動が形成され、ＤＢＲ５０４を構成している。ＤＢＲ５０４の端面には、反射防止膜５０８が形成されている。導波路端面５０９は、反射ミラーとして作用する。導波路端面５０９と利得を有しない導波路コア５０３と活性層５０２を含むＤＢＲ５０４により構成されるキャビティで発振する。一般的に利得を有するＤＢＲ構造を含む素子としては、いわゆる、ＤＦＢレーザが挙げられるが、ＤＦＢレーザでは利得を有するＤＢＲ構造のみでキャビティを構成するのに対し、本発明の半導体レーザは、ＤＢＲのみでは発振せず、利得を有しない導波路コア５０３を経て導波路端面５０９で反射された光が、再びＤＢＲ５０４に入射するフィードバックがあることにより初めて発振することができる点で根本的に発振原理がＤＦＢレーザとは異なっている。
【００３２】
本発明の半導体レーザにおいて、利得を有するＤＢＲ５０４の結合係数、長さ、および利得を有しない導波路コア５０３の長さの関係は、次のように設定する。すなわち、ＤＢＲ５０４の長さは、ＤＢＲのみでは発振しない長さとし、導波路コア５０３の長さは、ＤＢＲ５０４の実効長と利得を有しない導波路コア５０３の長さの和により決定される共振器長で、決定される縦モード間隔がＤＢＲ５０４のストップバンド幅よりも広くなるような長さとする。
【００３３】
以下に、その発振原理および発振波長について詳細に説明する。
活性層５０２を含むＤＢＲ５０４は、波長選択性と光学利得をあわせもつ。従って、利得を有するＤＢＲ（反射領域）５０４では、ある特定の波長の光のみが増幅される。増幅される波長は、ＤＢＲ５０４のＢｒａｇｇ波長を中心とし、波長帯域は、ＤＢＲ５０４のストップバンド幅で決定される。本実施例では、ＤＢＲ５０４の結合係数ｋを３００ｃｍ−１、長さを７０μｍに設定したため、ストップバンド幅は約１０ｎｍ、ＤＢＲ５０４の実効長は約３０μｍであった。発振波長は、活性層５０２を含むＤＢＲ５０４と利得を有しない導波路コア５０３と導波路端面５０９とにより構成されるキャビティの共振器長による縦モード波長のうちの一つがＤＢＲ５０４のブラッグ波長により選択され決定される。縦モード間隔は
【００３４】
【数１】
で与えられる。ここで、λ0は発振波長、ｎｅｆｆは波長分散を考慮した実効屈折率、ＬｅｆｆはＤＢＲの実効長、Ｌｐは利得を有しない導波路コア５０３の長さである。本実施例１では利得を有しない導波路コア５０３の長さＬｐを１０μｍとした。その結果縦モード間隔は、発振波長が約１．５５μｍ、実効屈折率が約３．５であることを考慮すると（１）式より約１１．５ｎｍとなり、縦モード間隔がストップバンド幅よりも広くなっていることがわかる。発振波長は前述のとおり、幅広いストップバンドの中に含まれる、キャビティの共振器長による縦モード波長で生じる。縦モード間隔がストップバンド幅よりも広いため、ストップバンド内には縦モードは一本しか存在しない。この様子を図５に示す。図５において、実線は利得を有するＤＢＲの反射率、細い破線はキャビティの縦モードの透過スペクトルを示している。発振波長は、図中の一点鎖線で示される、ストップバンドと縦モードが一致した点λ０で行われる。
【００３６】
波長チューニングは次のように行われる。利得を有しない導波路コア５０３に制御電流を注入すると、導波路コアの屈折率が変化する。そのため、導波路コア５０３の実効的光学長が変化し、縦モードの波長および間隔が変化する。この様子を図５の太い破線で示す。その結果、発振波長は、図５の実線と太い破線のピークが一致した点、すなわちλ１にシフトする。共振器長により決定される縦モード間隔がストップバンド幅よりも広いために、ストップバンドと縦モード波長が一致する点は一点しかなく、これが電流注入により連続的に変化するので、発振は必ずこのストップバンドと縦モード波長が一致する点で生じ、モードホップすることはない。したがって、この半導体レーザの連続波長可変幅は、ストップバンド幅により決定される。すなわち、本実施例１の場合、ストップバンド幅は約１０ｎｍであり、連続可変幅は約１０ｎｍが得られる。
【００３７】
本実施例１で用いる活性層５０２の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本実施例１の構成をとることにより、上述した説明のような効果が期待できる。すなわち、活性層に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層の構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、また、活性層領域の導波路構造に関してもｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶縁型などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００３８】
また、周期的摂動は、活性層５０２上の直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）のＳＣＨ層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成しても全く同様な効果が期待できる。
【００３９】
［実施例２］
図６は、本発明に係る半導体レーザの実施例２を示す断面図で、図中符号６０１は半導体基板、６０２は利得を有する活性層、６０３は利得を有しない導波路コア、６０４は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、６０５は活性層電極、６０６は位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）、６０７は裏面電極、６０８は反射防止膜、６０９は利得を有しない導波路コア、６１０は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、６１１はブラッグ波長制御用電極、６１２は反射防止膜、６１３，６１４は回折格子を示している。
【００４０】
この実施例２による半導体レーザは、波長選択性を有する活性層（利得領域）６０２と、利得および波長選択性を有しない第１の導波路コア（導波路領域）６０３と、利得を有しない導波路コア（導波路領域）６０９とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路コアの光学的実効長を変化させるための位相制御用電極６０６を備えている。
【００４１】
また、活性層６０２が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子６１３を備えている。さらに、第２の導波路コア６０９は、周期構造を有する回折格子６１４により形成されていて、反射領域となっている。
【００４２】
また、活性層６０２には周期的な摂動が形成され、ＤＢＲ６０４を構成している。ＤＢＲ６０４の端面には、反射防止膜６０８が形成されている。利得を有しない導波路コア６０９は、周期的な摂動が形成されてＤＢＲ６１０を形成している。ブラッグ波長制御用電極６１１は、必要に応じてＤＢＲ６０４と６１０の反射波長を一致させるために、あるいは言い方を変えれば反射スペクトルにおけるストップバンドに重なりを持たせるために用いる。ただし、ＤＢＲ６０４と６１０のブラッグ波長をほぼ一致させ、ＤＢＲ６０４と６１０のストップバンドに重なりがあるように作製すれば、または、より具体的には、ＤＢＲ６０４と６１０がお互いの反射スペクトルのストップバンドの少なくとも一部が重なり合う様に、そのＢｒａｇｇ波長および結合係数が設定されていればブラッグ波長制御用電極６１１は必ずしも必要ではない。
【００４３】
動作原理ならびに波長チューニング原理は、レーザのキャビティが利得を有しないＤＢＲ６１０と利得を有しない導波路コア６０３と活性層６０２を含むＤＢＲ６０４とにより構成されることを除けば、図４に示した実施例１と同様である。ただし、縦モード間隔はＤＢＲ６１０，６０４の実効長をそれぞれＬｅｆｆ 1，Ｌｅｆｆ 2として
【００４４】
【数２】
で与えられ、波長可変帯域は両側に存在するＤＢＲ６０４と６１０のストップバンドの重なりの幅で決定されることになる。
【００４６】
本実施例２の場合も、活性層６０２の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本実施例２の構成をとることにより、上述した説明のような効果が期待できる。すなわち、活性層に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層の構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、また、活性層領域の導波路構造に関してもｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶縁型などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００４７】
また、周期的摂動は活性層６０２上の直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）のＳＣＨ層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成しても全く同様な効果が期待できる。
【００４８】
［実施例３］
図７は、本発明に係る半導体レーザの実施例３を示す断面図で、図中符号７０１は半導体基板、７０２は利得を有する第１の活性層、７０３は利得を有しない導波路コア、７０４は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、７０５は活性層電極、７０６は位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）、７０７は裏面電極、７０８は反射防止膜、７０９は利得を有する第２の活性層、７１０は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、７１１は活性層電極、７１２は反射防止膜、７１３，７１４は回折格子を示している。
【００４９】
この実施例３による半導体レーザは、波長選択性を有する第１の活性層（利得領域）７０２と、利得および波長選択性を有しない導波路コア（導波路領域）７０３と、波長選択性を有する第２の活性層（利得領域）７０９とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路コアの光学的実効長を変化させるための位相制御用電極７０６を備えている。
【００５０】
また、第１の活性層７０２が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子７１３を備え、第２の活性層７０９が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第２の利得を有する回折格子７１４を備えている。
【００５１】
また、活性層７０２には周期的な摂動が形成され、ＤＢＲ７０４を構成している。ＤＢＲ７０４の端面には、反射防止膜７０８が形成されている。利得を有する活性層７０９は、周期的な摂動が形成されてＤＢＲ７１０を形成している。利得を有するＤＢＲ７０４および７１０は、お互いの反射スペクトルのストップバンドの少なくとも一部が重なり合う様に、そのＢｒａｇｇ波長および結合係数が設定されている。
【００５２】
動作原理ならびに波長チューニング原理は、レーザのキャビティが活性層７０９を含むＤＢＲ７１０と利得を有しない導波路コア７０３と活性層７０２を含むＤＢＲ７０４とにより構成されることを除けば、図４に示した実施例１と同様である。ただし、縦モード間隔はＤＢＲ７１０，７０４の実効長をそれぞれＬｅｆｆ 1，Ｌｅｆｆ 2として（２）式で与えられ、波長可変帯域は両側に存在するＤＢＲ７０４と７１０のストップバンドの重なりの幅で決定されることになる。
【００５３】
本実施例３の場合も、活性層７０２，７０９の構造に関しては、特に制約を設けるものではなく、通常用いられるすべての構造の活性層について本実施例３の構成をとることにより、上述した説明のような効果が期待できる。すなわち、活性層に関しては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ等任意の材質について適用が可能であり、活性層の構造に関してもバルク、ＭＱＷ、量子細線、量子ドットを問わず、また、活性層領域の導波路構造に関してもｐｎ埋め込み、リッジ構造、半絶縁埋め込み構造、ハイメサ構造等を用いた場合でも同様な効果が期待できる。基板に関してもｎ型基板に限定されるものではなく、ｐ型、半絶縁型などでも同様な効果が得られることは言うまでもない。
【００５４】
また、周期的摂動は活性層７０２，７０９上に直に形成しなくとも、活性層を導波する光の電界が零でない有限な値を有する領域に形成されていれば同様な効果が期待できる。例えば、通常の半導体レーザで用いられている分離閉じ込め構造（ＳＣＨ構造）のＳＣＨ層上に形成されていても良く、また、活性層と接していない領域にクラッド層よりも屈折率が高い層を積層し、そこに周期的摂動を形成しても全く同様な効果が期待できる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、波長選択性を有する利得領域と、利得および波長選択性を有しない導波路領域と、利得を有しない反射領域とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段を備えているので、モードホップなく広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを提供することができる。
【００５６】
また、波長選択性を有する利得領域と、利得および波長選択性を有しない第１の導波路領域と、利得および波長選択性を有しない第２の導波路領域とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段を備えているので、モードホップなく広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを提供することができる。
【００５７】
さらに、波長選択性を有する第１の利得領域と、利得および波長選択性を有しない導波路領域と、波長選択性を有する第２の利得領域とが、光の進行方向に対して直列に接続されているとともに、導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段を備えているので、モードホップなく広い連続波長可変域が得られる波長可変レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＤＢＲレーザを示す断面図である。
【図２】ＤＢＲレーザのモードホップ現象を示す図である。
【図３】従来の他のＤＢＲレーザを示す断面図である。
【図４】本発明に係る半導体レーザの実施例１を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例１の動作原理を説明するための図で、ＤＢＲの反射スペクトルと縦モードスペクトルの関係を示した図である。
【図６】本発明に係る半導体レーザの実施例２を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明に係る半導体レーザの実施例３を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１ 半導体基板
１０２ 利得を有する活性層
１０３ 導波路コア
１０４ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
１０５ 活性層電極
１０６ ＤＢＲ制御用電極
１０７ 裏面電極
１０８ 反射防止膜
１０９ 導波路端面
４０１ 半導体基板
４０２ 利得を有する活性層
４０３ 導波路コア
４０４ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
４０５ 活性層電極
４０６ ＤＢＲ制御用電極
４０７ 裏面電極
４０８ 反射防止膜
４０９ 導波路端面
４１０ 利得を有しない導波路コア（位相制御領域）
４１１ 位相制御用電極
５０１ 半導体基板
５０２ 利得を有する活性層
５０３ 利得を有しない導波路コア
５０４ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
５０５ 活性層電極
５０６ 位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）
５０７ 裏面電極
５０８ 反射防止膜
５０９ 導波路端面
５１０ 回折格子
６０１ 半導体基板
６０２ 利得を有する活性層
６０３ 利得を有しない導波路コア
６０４ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
６０５ 活性層電極
６０６ 位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）
６０７ 裏面電極
６０８ 反射防止膜
６０９ 利得を有しない導波路コア
６１０ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
６１１ ブラッグ波長制御用電極
６１２ 反射防止膜
６１３，６１４ 回折格子
７０１ 半導体基板
７０２ 利得を有する活性層
７０３ 利得を有しない導波路コア
７０４ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
７０５ 活性層電極
７０６ 位相制御用電極（光学的実効長を変化させるための手段）
７０７ 裏面電極
７０８ 反射防止膜
７０９ 利得を有する活性層
７１０ 分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）
７１１ 活性層電極
７１２ 反射防止膜
７１３，７１４ 回折格子
Claims (11)
- 波長選択性を有する利得領域と、利得および波長選択性を有しない導波路領域と、利得を有しない反射領域とが、光の進行方向に対して直列に接続された共振器と、
前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段とを備え、
前記共振器の縦モード波長のうち前記利得領域により選択された波長で発振し、前記縦モード波長のモード間隔が前記利得領域のストップバンド幅よりも広いことを特徴とする半導体レーザ。 - 前記利得領域が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子を備えていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
- 前記反射領域が、ミラーにより形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
- 波長選択性を有する利得領域と、利得および波長選択性を有しない第１の導波路領域と、利得を有しない第２の導波路領域とが、光の進行方向に対して直列に接続された共振器と、
前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段とを備え、
前記共振器の縦モード波長のうち少なくとも前記利得領域により選択された波長で発振し、前記縦モード波長のモード間隔が少なくとも前記利得領域のストップバンド幅よりも広いことを特徴とする半導体レーザ。 - 前記利得領域が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子を備えていることを特徴とする請求項４に記載の半導体レーザ。
- 前記第２の導波路領域が、周期構造を有する回折格子により形成されており、前記共振器の縦モード波長のうち前記利得領域および前記第２の導波路領域により選択された波長で発振し、前記利得領域および前記第２の導波路領域のストップバンドが重なりを有し、前記縦モード波長のモード間隔が前記ストップバンドの重なりの幅よりも広いことを特徴とする請求項４又は５に記載の半導体レーザ。
- 波長選択性を有する第１の利得領域と、利得および波長選択性を有しない導波路領域と、波長選択性を有する第２の利得領域とが、光の進行方向に対して直列に接続された共振器と、
前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段とを備え、
前記共振器の縦モード波長のうち前記第１の利得領域および前記第２の利得領域により選択された波長で発振し、前記第１の利得領域および前記第２の利得領域のストップバンドが重なりを有し、前記縦モード波長のモード間隔が前記ストップバンドの重なりの幅よりも広いことを特徴とする半導体レーザ。 - 前記第１の利得領域が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第１の利得を有する回折格子を備え、前記第２の利得領域が、利得を有する利得媒質を導波路のコアに含み、前記導波路のコアもしくはクラッドを構成する媒質の少なくとも厚さ、または幅の一方が周期的に変化する第２の利得を有する回折格子を備えていることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ。
- 前記第１の利得を有する回折格子又は前記第２の利得を有する回折格子の結合係数が３００ｃｍ−１よりも大きいことを特徴とする請求項２，５又は８に記載の半導体レーザ。
- 前記導波路領域の光学的実効長を変化させるための手段として、導波路の少なくともコアまたはクラッドの一部に電流を注入もしくは電圧を印加するための電極が設けられていることを特徴とする請求項１乃至９いずれかに記載の半導体レーザ。
- 前記導波路領域の長さが１０μｍよりも短いことを特徴とする請求項１乃至１０いずれかに記載の半導体レーザ。
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