JP4283869B2 - 光半導体装置および光半導体装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体装置および光半導体装置の制御方法に関する。

光ファイバーを用いた波長多重通信（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）の普及に伴い、１つの素子で様々な波長のレーザ発振が得られる波長可変半導体レーザの開発が多くの機関で行われている。これまでに提案されてきた波長可変半導体レーザは、半導体光増幅素子（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を外部共振器内に配置して外部共振器に備わる波長選択機構によって発振波長を制御する半導体レーザと、レーザ発振に対する利得機能を有する半導体素子内に波長選択機能を有した共振器を組み込むことにより形成される半導体レーザとに大別される。

半導体素子内に共振器が組み込まれた代表的な波長可変半導体レーザは、抽出回折格子分布帰還反射（ＳＧ−ＤＲ：Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）導波路を用いたレーザである。特許文献１に詳述されているレーザは、バーニア（Ｖｅｒｎｉｅｒ）効果と呼ばれる効果を用いており、レーザ発振のための利得を有する導波路の両側に縦モード間隔が互いに異なるＳＧ−ＤＲ導波路を接続し、片方のＳＧ−ＤＲ導波路の反射ピーク波長ともう一方のＳＧ−ＤＲ導波路の縦モードの反射ピーク波長とを温度、電流等によって変化させ、両者のピーク波長が一致する波長でレーザ発振がなされる構成を有している。

米国特許第６５９０９２４号明細書

しかしながら、特許文献１に記載されているレーザにおいては、バーニア効果の回帰波長によって所望の波長以外での波長においてレーザ発振するおそれがある。

本発明の目的は、所望の波長以外での波長におけるレーザ発振を抑制することができる光半導体装置および光半導体装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光半導体装置は、回折格子を有する領域とスペース部とが連結された第１セグメントと回折格子を有する領域とスペース部とが連結され前記第１セグメントと異なる長さを持つ第２セグメントと回折格子を有する領域とスペース部とが連結され下記式（１）のセグメント長を有する複数の第３セグメントとを備える導波路と、第１〜第３セグメントの屈折率を制御する屈折率制御手段と、を備えることを特徴とするものである。
Ｌ３＝Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）×Ｋ１ （１）
ただし、Ｋ１は、０．３≦Ｋ１≦０．７
Ｌ１は第１セグメントのセグメント長
Ｌ２は第２セグメントのセグメント長
Ｌ３は第３セグメントのセグメント長。

本発明に係る光半導体装置においては、長さの異なるセグメントが設けられていることから、ピーク反射強度は波長依存性を有するようになる。すなわち、所定の波長範囲において、反射ピーク強度が大きくなる。したがって、ピーク反射強度が大きい波長範囲の波長を発振波長として用いることによって、所望の波長以外の波長でのレーザ発振を抑制することができる。

また、第１セグメントおよび第２セグメントの平均長を有する第３セグメントを加えることによって、２倍の波長周期で反射ピーク強度にピークが現れる。この場合、第１セグメントおよび第２セグメントによって構成される光導波路における反射ピーク強度に現れるピークが、第３セグメントおよび第１セグメントの反射ピーク強度の逆位相ピークと第３セグメントおよび第２セグメントの反射ピーク強度の逆位相ピークとによって１つおきに低下する。すなわち、所望の反射ピーク強度を有する複数の反射ピークの強度が１つおきに低下する。さらに、第３セグメントが複数設けられていることから、上記逆位相ピーク強度が大きくなる。以上のことから、所望の反射ピーク強度を有する反射ピークの波長間隔が大きくなる。その結果、所望の波長以外の波長でのレーザ発振を抑制することができる。

第３セグメントの等価屈折率は、第１および第２セグメントの等価屈折率の平均値であってもよい。この場合、所望のピーク波長以外の波長でのレーザ発振を抑制することができる。また、第１または第２セグメントは、複数設けられていてもよい。複数設けられている同じセグメント同士は、互いに隣接して設けられていてもよい。この場合、複数の同じセグメントの屈折率を制御しやすくなる。

屈折率制御手段は、複数のヒータであってもよい。複数設けられている同じセグメントに対応するヒータが複数設けられ、ヒータの電極のそれぞれは、互いに共通の電極に接続されていてもよい。この場合、複数のヒータを同一の電位を用いて制御することができる。

第１〜第３セグメントに光結合する利得領域をさらに備えていてもよい。また、第３セグメントは、第１および第２セグメントよりも利得領域側に近い位置に設けられていてもよい。この場合、所望の反射ピーク強度の両側の波長域における包絡線ピークを低下させやすくなる。

回折格子を有する領域とそれに連結されたスペース部となる領域とを備える回折格子領域が、第１〜第３セグメントに光結合して同じ長さで複数設けられていてもよい。第１〜第３セグメントに光結合する、光吸収領域または光増幅領域をさらに備えていてもよい。第３セグメントの個数は、第１および第２セグメントの個数の平均以上であってもよい。第１セグメントと第２セグメントとの長さ差は、第３セグメントの長さの２％〜４％以内であってもよい。第３セグメントの長さは、第１セグメントおよび第２セグメントの長さの平均値であってもよい。

本発明に係る光半導体装置の制御方法は、回折格子を有する領域とスペース部とが連結された第１セグメント、回折格子を有する領域とスペース部とが連結され第１セグメントと異なる長さを持つ第２セグメント、および、回折格子を有する領域とスペース部とが連結され下記式（２）のセグメント長を有する複数の第３セグメントを備える導波路と、第１〜第３セグメントの屈折率を制御する屈折率制御手段と、を備える光半導体装置に対し、屈折率制御手段を制御して、下記式（３）の等価屈折率の条件によって第１〜第３セグメントの屈折率を制御するステップを有することを特徴とするものである。
Ｌ３＝Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）×Ｋ１ （２）
ただし、Ｋ１は、０．３≦Ｋ１≦０．７
Ｌ１は第１セグメントのセグメント長
Ｌ２は第２セグメントのセグメント長
Ｌ３は第３セグメントのセグメント長
ｎ３＝ｎ１＋（ｎ２−ｎ１）×Ｋ２ （３）
ただし、Ｋ２は、０．３≦Ｋ２≦０．７
ｎ１は第１セグメントの等価屈折率
ｎ２は第２セグメントの等価屈折率
ｎ３は第３セグメントの等価屈折率。

本発明に係る半導体レーザの制御方法においては、第１セグメントおよび第２セグメントによって構成される光導波路における反射ピーク強度に現れるピークが、第３セグメントおよび第１セグメントの反射ピーク強度の逆位相ピークと第３セグメントおよび第２セグメントの反射ピーク強度の逆位相ピークとによって１つおきに低下する。すなわち、所望の反射ピーク強度を有する複数の反射ピークの強度が１つおきに低下する。さらに、第３セグメントが複数設けられていることから、上記逆位相ピーク強度が大きくなる。以上のことから、所望の反射ピーク強度を有する反射ピークの波長間隔が大きくなる。その結果、所望の波長以外の波長でのレーザ発振を抑制することができる。

等価屈折率は、第１〜第３セグメントの温度によって制御されてもよい。第３セグメントの等価屈折率は、第１セグメントおよび第２セグメントの等価屈折率の平均値であってもよい。

本発明に係る光半導体装置の他の制御方法は、回折格子を有する領域とスペース部とが連結された第１セグメントと、回折格子を有する領域とスペース部と連結され第１セグメントと異なる長さを持つ第２セグメントと、回折格子を有する領域とスペース部とが連結され下記式（４）のセグメント長を有する複数の第３セグメントと、を備える導波路を備え、かつ、第１〜第３セグメントの屈折率をそれぞれのセグメントに対応した制御点で制御する光半導体装置の制御方法において、第１〜第３セグメントに対応する制御点のうち２つの制御点が与えられ、不足する制御点を、下記式（５）の関係に基づいて演算して取得することを特徴とするものである。
Ｌ３＝Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）×Ｋ１ （４）
ただし、Ｋ１は、０．３≦Ｋ１≦０．７
Ｌ１は第１セグメントのセグメント長
Ｌ２は第２セグメントのセグメント長
Ｌ３は第３セグメントのセグメント長
Ｔ３＝Ｔ１＋（Ｔ２−Ｔ１）×Ｋ３ （５）
ただし、Ｋ３は、０．３≦Ｋ３≦０．７
Ｔ１は第１セグメントの制御点
Ｔ２は第２セグメントの制御点
Ｔ３は第３セグメントの制御点。
本発明に係る光半導体装置の他の制御方法においては、制御データを低減させることができる。この場合、制御データ生成が簡便化され、また、光半導体装置使用の際のハードウェアリソースの低減にも貢献する。

複数のセグメントは、互いに長さが異なる複数のセグメントと異なる長さの平均の長さを有するセグメントとからなるものであってもよい。平均の長さのセグメントが複数設けられていてもよい。不足する制御データは、第１セグメントおよび第２セグメントの制御点の平均値によって補完して発生させてもよい。

本発明によれば、所望の波長以外の波長におけるレーザ発振を抑制することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ装置１００を説明するための模式図である。図１に示すように、レーザ装置１００は、半導体レーザ２００および制御部３００を含む。制御部３００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）等から構成される。制御部３００のＲＯＭには、半導体レーザ２００の制御情報、制御プログラム等が格納されている。制御部３００は、半導体レーザ２００に供給する電流等の電気信号により、半導体レーザ２００のレーザ発振波長を制御する。

図２は、半導体レーザ２００の詳細を説明するための図である。図２（ａ）は半導体レーザ２００の上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。以下、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照しつつ半導体レーザ２００の説明を行う。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、半導体レーザ２００は、ＣＳＧ−ＤＲ（ＣＳＧ−ＤＲ：Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ａ、およびＳＧ−ＤＦＢ（ＳＧ−ＤＦＢ：Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）領域Ｂを順に連結させた構造を有する。

ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａは、基板１上に導波路コア３、クラッド層６および絶縁層８が順に積層され、絶縁層８上にヒータ１１ａ〜１１ｄ、複数の電極１２およびグランド電極１３が積層された構造を有する。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂは、基板１上に導波路コア４、クラッド層６、コンタクト層７および電極１４が順に積層された構造を有する。

ＣＳＧ−ＤＲ領域ＡおよびＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂにおける基板１およびクラッド層６は、それぞれ一体的に形成されている。導波路コア３，４は、同一面上に形成され、１つの導波路を形成している。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂ側の基板１、導波路コア４およびクラッド層６の端面には、低反射膜９が形成されている。一方、ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａ側の基板１、導波路コア３およびクラッド層６の端面には、低反射膜１０が形成されている。回折格子２は、導波路コア３，４に所定の間隔をあけて複数形成され、それによってサンプルドグレーティングが形成される。

基板１は、例えば、ＩｎＰからなる結晶基板である。導波路コア３は、例えば、吸収端がレーザ発振波長よりも短波長側にあるＩｎＧａＡｓＰ結晶からなり、１．３μｍ程度のＰＬ波長を有する。導波路コア４は、例えば、目的とする波長でのレーザ発振に対して利得を有するＩｎＧａＡｓＰ結晶からなり、１．５５μｍ程度のＰＬ波長を有する。

回折格子２は、結合定数が２００ｃｍ^−１程度であり、ピッチが約０．２４μｍ程度であり、凹凸繰り返し数が１７程度である回折格子である。したがって、各回折格子２の長さは４μｍ程度であり、各回折格子２のブラッグ波長は１．５５μｍ程度である。この場合、各回折格子２のブラッグ波長に対する反射率は、約１％程度になる。

本実施の形態においては、導波路コア３に４つのセグメントが形成されている。ここで、セグメントとは、導波路コアにおいて回折格子２が設けられている領域と回折格子２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。本実施の形態においては、導波路コア３の両端に回折格子２がそれぞれ設けられ、この両端の回折格子２の間に３つの回折格子２が所定の間隔を空けて設けられている。この場合、低反射膜１０側端の回折格子２を含めて順に４つのセグメントが設けられていると定義することができ、また、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂ側端の回折格子２を含めて順に４つのセグメントが設けられていると定義することもできる。導波路コア３における各セグメントの長さの詳細については、後述する。

導波路コア４におけるセグメント数は、導波路コア３におけるセグメント数と同程度が好ましく、例えば４である。導波路コア４における各セグメント長さは、実質的に同一であり、例えば１８０μｍ程度である。ここでいう「実質的に同一」とは、各スペース部の長さ差が各スペース部の平均長さの１％以下程度であることを意味する。

クラッド層６は、ＩｎＰからなり、電流狭窄を行うとともに導波路コア３，４を往復するレーザ光を閉じ込める機能を果たす。コンタクト層７は、ＩｎＧａＡｓ結晶からなる。絶縁層８は、ＳｉＮ，ＳｉＯ_２等の絶縁体からなる保護膜である。低反射膜９，１０は、例えばＭｇＦ_２およびＴｉＯＮからなる誘電体膜からなり、少なくとも０．３％以下程度の反射率を有する。

ヒータ１１ａ〜１１ｄは、ＮｉＣｒ等からなり、絶縁層８上において低反射膜１０側からＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂ側にかけて導波路コア３の各セグメントの位置に対応する位置に順に配置されている。ヒータ１１ａ〜１１ｄは、図１の制御部３００から与えられる電流の大きさに応じて導波路コア３の各セグメントの温度を調整する。ヒータ１１ａ〜１１ｄのそれぞれには、電極１２が１つずつ接続されており、グランド電極１３は、ヒータ１１ａ〜１１ｄのそれぞれと接続されている。電極１２、グランド電極１３、電極１４は、Ａｕ等の導電性材料からなる。

図３は、導波路コア３における各セグメントについて説明するための模式図である。図３（ａ）は、導波路コア３の模式図である。図３（ａ）に示すように、導波路コア３においては、低反射膜１０側からＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂ側にかけてセグメント３１、セグメント３２、および２つのセグメント３３が順に連結されている。なお、図３（ａ）においては、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂ側のセグメント３３が省略されている。セグメント３１の長さをＬ１とし、セグメント３２の長さをＬ２とし、セグメント３３の長さをＬ３する。

Ｌ１とＬ２とは、互いに異なっている。したがって、導波路コア３において少なくとも二つのセグメントの長さが異なることになる。この場合、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＢからＣＳＧ−ＤＲ領域Ａに入射した光の導波路コア３における反射ピーク強度は、波長依存性を有するようになる。すなわち、所定の波長範囲において、反射ピーク強度が大きくなる。したがって、反射ピーク強度が大きい波長範囲の波長を発振波長として用いることによって、所望の波長以外の波長におけるレーザ発振を抑制することができる。

しかしながら、バーニア効果の回帰波長によって、別の波長において発振するおそれがある。そこで、本実施の形態においては、セグメント３３の長さを、セグメント３１の長さとセグメント３２の長さとの平均に設定する。すなわち、Ｌ３をＬ１とＬ２との平均値に設定する。なお、各セグメントの長さは、スペース部の長さを調整することによって調整されている。

図３（ｂ）は、セグメント３１およびセグメント３２によって構成される光導波路の反射スペクトルを示す。図３（ｃ）は、セグメント３１およびセグメント３３によって構成される光導波路またはセグメント３２およびセグメント３３によって構成される光導波路の反射スペクトルを示す。図３（ｄ）は、導波路コア３全体の反射スペクトルを示す。図３（ｂ）〜図３（ｄ）において、縦軸は反射率を示し、横軸は波長を示す。なお、図３（ｂ）〜図３（ｄ）においては、各反射ピークの頂点を結んだ包絡線も示されている。

図３（ｂ）に示すように、セグメント３１およびセグメント３２によって構成される光導波路においては、所定の波長周期で包絡線ピークが現れる。ここで、包絡線ピークとは、包絡線に現れるピーク領域のことを意味する。Ｌ１とＬ２との差が比較的大きいことから、各包絡線ピークの間隔が小さくなる。この場合、各包絡線ピークにおけるピーク幅が小さくなることから、各包絡線ピーク内における強度の大きい反射ピーク数が低減される。また、１つの包絡線ピークにおける各ピーク反射強度の差が大きくなる。したがって、各包絡線ピーク内の他の波長におけるレーザ発振を抑制することができる。しかしながら、各包絡線ピークの間隔が小さくなる。すなわち、所望の反射ピーク強度を有する反射ピークの波長間隔が小さくなる。したがって、回帰波長による他の波長においてレーザ発振するおそれがある。

一方、図３（ｃ）に示すように、セグメント３１およびセグメント３３によって構成される光導波路またはセグメント３２およびセグメント３３によって構成される光導波路においては、図３（ｂ）の場合の２倍の波長周期で包絡線ピークが現れる。図３（ｂ）の場合に比較して長さ差が１／２になるからである。この場合、各包絡線ピークの間隔が大きくなる。それにより、所望の反射ピーク強度を有する各反射ピークの波長間隔が大きくなる。したがって、回帰波長による他の波長における発振を抑制することができる。しかしながら、各包絡線ピークにおけるピーク幅が大きくなることから、強度が大きい複数の反射ピークが各包絡線ピーク内に存在してしまう。この場合、１つの包絡線ピークにおいて所望の反射ピーク強度を有する反射ピークが複数存在するおそれがある。したがって、所望の波長以外の波長においてレーザ発振するおそれがある。

そこで、本実施の形態においては、セグメント３１，３２および２つのセグメント３３によって光導波路が構成されている。この場合、図３（ｄ）に示すように、セグメント３１，３２によって構成される光導波路における包絡線ピークが、セグメント３１およびセグメント３３によって構成される光導波路またはセグメント３２およびセグメント３３によって構成される光導波路の反射ピーク強度の逆位相ピークによって一つおきに低下する。すなわち、所望の反射ピーク強度を有する反射ピークの強度が１つおきに低下する。それにより、所望の反射ピーク強度を有する反射ピークの波長間隔が大きくなる。その結果、所望の波長以外の波長でのレーザ発振を抑制することができる。さらに、本実施の形態においては、セグメント３３が複数設けられていることから、上記逆位相ピークによる反射ピークの低下幅が大きくなる。それにより、所望の波長以外の波長でのレーザ発振をさらに抑制することができる。

以上のことから、セグメント３１，３２および２つのセグメント３３によって光導波路を構成して各包絡線ピーク内における強度の大きい反射ピーク数を低減させることで、所望の反射ピーク強度を有する反射ピークの波長間隔を大きくすることができる。その結果、所望の波長以外の波長でのレーザ発振を抑制することができる。

なお、Ｌ３の長さを有するセグメントは、Ｌ１，Ｌ２の長さを有するセグメントに比較して利得領域側に設けられていることが好ましい。所望の反射ピーク強度を有する反射ピークの両側の波長域における反射ピーク強度をより低下させることができるからである。したがって、本実施の形態においては、複数のセグメント３３は、セグメント３１，３２に比較してＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂ側に設けられていることが好ましい。

また、Ｌ３の長さを有するセグメントは、３つ以上設けられていてもよい。この場合、上記逆位相ピーク強度がさらに大きくなる。それにより、所望の反射ピーク強度を有する反射ピークの両側の波長域における反射ピーク強度をより低下させることができる。また、Ｌ１またはＬ２の長さを有するセグメントは、２つ以上設けられていてもよい。この場合においても、所望の波長以外の波長でのレーザ発振を抑制することができる。ただし、Ｌ１の長さを有するセグメント数をＮ１、Ｌ２の長さを有するセグメント数をＮ２、Ｌ３の長さを有するセグメント数をＮ３とする場合に、Ｎ３≧（Ｎ１＋Ｎ２）／２の関係を満たすことが好ましい。所望の反射ピーク強度を有する反射ピークの両側の波長域における反射ピーク強度をより低下させやすくなるからである。

なお、所望の反射ピーク強度を有する各反射ピークの波長間隔は、５０ｎｍ程度以上であることが好ましい。両隣の反射ピークにおけるレーザ発振が抑制されるからである。また、等価屈折率制御の観点から、縦モードの間隔は、１ｎｍ〜２ｎｍ程度であることが好ましい。したがって、（｜Ｌ１−Ｌ３｜／Ｌ３）＝（｜Ｌ３−Ｌ２｜／Ｌ３）＝｜ΔＬ｜／Ｌ３は、１／５０（２％）〜２／５０（４％）程度であることが好ましい。

また、導波路コア３の長さは、各セグメントの等価屈折率が変化することによって変化する。ここで、セグメント３１の等価屈折率をｎ１とし、セグメント３２の等価屈折率をｎ２とし、セグメント３３の等価屈折率をｎ３とする。各セグメントの等価屈折率がｎ３＝（ｎ１＋ｎ２）／２の関係を保ちながら変化すると、セグメント３１，３２によって構成される光導波路における包絡線ピークは、セグメント３１およびセグメント３３によって構成される光導波路またはセグメント３２およびセグメント３３によって構成される光導波路の包絡線ピークと１つおきに重複する。したがって、セグメント３１，３２によって構成される光導波路における反射ピーク強度は、セグメント３１およびセグメント３３によって構成される光導波路またはセグメント３２およびセグメント３３によって構成される光導波路の反射ピーク強度の逆位相ピークによって一つおきに低下する。その結果、所望の波長以外の波長でのレーザ発振を抑制しつつ、発振波長を変化させることができる。

続いて、レーザ装置１００の動作について説明する。まず、図１の制御部３００は、電極１４に所定の電流を供給する。それにより、導波路コア４において光が発生する。発生した光は、導波路コア３，４を伝播しつつ繰り返し反射および増幅されるとともに、外部に発振される。この場合、図３で説明したように、所望の波長以外の波長での発振を抑制することができる。

また、制御部３００は、発振波長を変化させる場合、導波路コア３の各セグメントの等価屈折率を変化させる。本実施の形態においては、制御部３００は、各セグメントの温度を変化させることによって、各セグメントの等価屈折率を変化させる。ここで、セグメント３１の温度をＴ１とし、セグメント３２の温度をＴ２とし、セグメント３３の温度をＴ３とする。各セグメントの温度は、ヒータ１１ａ〜１１ｄに供給される電力によって制御することができる。

ここで、温度Ｔ１と温度Ｔ２とが異なる値をとった状態で温度Ｔ１および温度Ｔ２を変化させると、ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａの各反射ピーク強度の大小関係が維持されたまま、各反射ピークの波長がシフトされる。また、温度Ｔ１と温度Ｔ２との差（ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａにおける温度勾配）を変化させると、各反射ピークの波長が維持されたまま、各反射ピーク同士の大小関係が変化する。温度Ｔ１、温度Ｔ２、および、温度Ｔ１と温度Ｔ２との差を組み合わせて制御することにより、所望の波長を実現することができる。

ただし、これらの制御によって所望の波長を実現する場合においても、本実施例では、セグメント３３の温度Ｔ３はセグメント３１の温度Ｔ１およびセグメント３２の温度Ｔ２の平均値（Ｔ３＝（Ｔ１＋Ｔ２）／２）を維持している。このことにより、前記したように強度の大きな反射ピークの波長間隔を大きくすることができる。制御部３００は、半導体レーザ２００において、所望の波長ごとにこのような関係を持ったＴ１，Ｔ２，Ｔ３を実現する機能を有している。

ところで、制御部３００によって各セグメントを制御するためには、各波長ごとに、屈折率を制御するための制御データ（温度制御の場合であればヒータの電位）をあらかじめ用意する必要がある。例えば、温度を異ならせるヒータが３種類ありかつ波長選択のバリエーション（チャネル数）が８８種類であれば、合計２６４個の制御データが必要であり、この制御データを制御部３００にあらかじめセットしておけば上記の波長制御を実現することができる。

しかしながら、このような制御データはレーザの出荷前に波長計で出力波長を測定しながら該当するヒータの電位を記録することによって生成しなければならないことから、制御データの個数が多いことは制御データ生成時の負担となる。また、このレーザを使用する際においても、大量の制御データを記録・保持しまた制御することが、メモリ等のハードウェアリソースを大量に消費することになる。

この問題を解消するためには、屈折率制御の値を平均値で補完する方法を用いることができる。つまり、各セグメントの屈折率は一定の傾きをもって制御すればよいため、たとえばヒータの温度を３種類で異ならせる場合であれば、ヒータ温度の上端および下端を制御データとして保持し、その平均値を発生させることによって、ヒータの中間温度を決定することができるのである。

この方法であれば、上記２６４個の制御データを１７６個の制御データに減らすことができることから、制御データ生成が簡便化され、また、レーザ使用の際のハードウェアリソースの低減にも貢献する。すなわち、制御部３００には、セグメント３１の温度Ｔ１およびセグメント３２の温度Ｔ２の制御データを入力し、制御部３００内でセグメント３３の温度Ｔ３＝（Ｔ１＋Ｔ２）／２となる制御データを発生させれば、制御データの簡便化を図ることができる。この方法は、セグメント３３を備えないタイプのデバイスにおいても応用することができる。

なお、本実施の形態においては、複数のセグメント３３の温度が同一になるようにヒータ１１ｃ，１１ｄが制御される。この場合、ヒータ１１ｃ，１１ｄの制御に共通の電位を用いることができる。それにより、温度制御可能なセグメントは４つであるが、温度パラメータは３つになる。したがって、発振波長の制御が容易になる。

例えば、図４（ａ）に示すように、ヒータ１１ｃ，１１ｄを共通の電極１２ａに接続してもよい。この場合、Ｌ３の長さを有する複数のセグメントは、互いに隣接していることが好ましい。上記共通の電極を配置しやすくなるからである。Ｌ３の長さを有するセグメントが３つ以上設けられている場合においても、同様である。なお、図４（ｂ）に示すように、ヒータ１１ｃ，１１ｄを、半導体レーザ２００の外部において共通の電位に接続してもよい。

また、Ｌ１の長さを有するセグメントが複数設けられている場合、この複数のセグメントは互いに隣接していることが好ましい。複数のセグメントの温度を制御するヒータの制御に共通の電位を用いることができるからである。Ｌ２の長さを有するセグメントが複数設けられている場合も同様である。したがって、セグメント数が増加しても、温度パラメータは３つである。したがって、発振波長の制御が容易になる。

本実施の形態においては、セグメント３１が第１セグメントに相当し、セグメント３２が第２セグメントに相当し、セグメント３３が第３セグメントに相当し、ヒータ１１ａ〜１１ｄが屈折率制御手段に相当し、ＳＧ−ＤＦＲ領域Ｂが利得領域に相当し、半導体レーザ２００が光半導体装置に相当する。

なお、上記では、Ｌ３をＬ１とＬ２との平均値（Ｌ３＝（Ｌ１＋Ｌ２）×Ｋ１（＝０．５））として設定しているが、Ｋ１を０．３≦Ｋ１≦０．７の範囲で必要に応じて変更することができる。この範囲においても、各包絡線ピーク内における強度の大きい反射ピーク数を低減させることができ、所望の反射ピーク強度を有する反射ピークの波長間隔を大きくすることができる。なお、ｎ１およびｎ２の等価屈折率を温度などで制御して異ならせる場合（ｎ１≠ｎ２）には、ｎ３＝ｎ１＋（ｎ２−ｎ１）×Ｋ２（０．３≦Ｋ２≦０．７）になるように制御する。これにより、所望の波長ピーク強度を有する反射ピークの波長間隔を大きくすることができる。例えば、温度によって等価屈折率を変化させる場合には、各セグメントの温度Ｔを、Ｔ３＝Ｔ１＋（Ｔ２−Ｔ１）×Ｋ３（０．３≦Ｋ３≦０．７）になるように制御すればよい。このとき、前記条件式ではＴ３を求めているが、前記条件式の関係を満たしていれば、Ｔ１もしくはＴ２を求めてもよい。

（第２の実施の形態）
続いて、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ２００ａについて説明する。図５は、半導体レーザ２００ａの模式的断面図である。図５に示すように、半導体レーザ２００ａが図１の半導体レーザ２００と異なる点は、光出力制御（ＰＣ）領域Ｃをさらに備える点である。

ＰＣ領域Ｃは、基板１上に導波路コア５、クラッド層６、コンタクト層１５および電極１６が順に積層された構造を有する。本実施例においては、低反射膜９は、ＰＣ領域Ｃ側の基板１、導波路コア５およびクラッド層６の端面に形成されている。

ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａ、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＢおよびＰＣ領域Ｃにおける基板１およびクラッド層６は、それぞれ一体的に形成されている。導波路コア３，４，５は、同一面に形成され、１つの導波路を形成している。絶縁層８は、電極１４およびコンタクト層７と電極１６およびコンタクト層１５との間にも形成されている。導波路コア５は、例えば、導波路コア３または導波路コア４と同一の構成を有していてもよい。導波路コア５が導波路コア３と同一の構成を有する場合、電流注入による損失増大によって光出力が変化し、導波路コア５が導波路コア４と同一の構成を有する場合、電流注入による利得発生によって光出力が変化する。電極１４，１６は、Ａｕ等の導電性材料からなる。コンタクト層１５は、ＩｎＧａＡｓＰ結晶からなる。

続いて、半導体レーザ２００ａの動作について説明する。まず、図１の制御部３００により、電極１４に所定の電流が供給される。それにより、導波路コア４において光が発生する。発生した光は、導波路コア３，４，５を伝播しつつ繰り返し反射および増幅されるとともに、外部に発振される。また、電極１６に制御部３００から所定の電流が供給される。それにより、出射光出力が一定に維持される。この場合、図３で説明したように、所望の波長以外の波長でのレーザ発振を抑制することができる。

本実施の形態においては、ＰＣ領域Ｃが光吸収領域または光増幅領域に相当する。

（第３の実施の形態）
続いて、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザ２００ｂについて説明する。図６は、半導体レーザ２００ｂの模式的断面図である。図６に示すように、半導体レーザ２００ｂが図１の半導体レーザ２００と異なる点は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂの代わりにＳＧ−ＤＲ（ＳＧ−ＤＲ：Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ｄが備わっており、Ｇａｉｎ領域ＥおよびＰＳ（Ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）領域Ｆがさらに備わっている点である。半導体レーザ２００ｂにおいては、ＣＳＧ−ＤＲ領域ＡとＳＧ−ＤＲ領域Ｄとの間に、Ｇａｉｎ領域ＥおよびＰＳ領域Ｆが連結されている。

ＳＧ−ＤＲ領域Ｄは、基板１上に導波路コア１７、クラッド層６および絶縁層８が順に積層された構造を有する。Ｇａｉｎ領域Ｅは、基板１上に導波路コア１８、クラッド層６、コンタクト層１９および電極２０順に積層された構造を有する。ＰＳ領域Ｆは、基板１上に導波路コア２１、クラッド層６、コンタクト層２２および電極２３が順に積層された構造を有する。

ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａ、ＳＧ−ＤＲ領域Ｄ、Ｇａｉｎ領域ＥおよびＰＳ領域Ｆにおける基板１およびクラッド層６は、それぞれ一体的に形成されている。導波路コア３，１７，１８，２１は、同一面に形成され、１つの導波路を形成している。絶縁層８は、電極２０およびコンタクト層１９と電極２３およびコンタクト層２２との間にも形成されている。

導波路コア１７は、例えば、吸収端がレーザ発振波長よりも短波長側にあるＩｎＧａＡｓＰ結晶からなる。導波路コア１７には、回折格子２が所定の間隔をあけて複数形成され、それによってサンプルドグレーティングが形成される。導波路コア１７における各セグメント長さは、実質的に同一である。ここでいう「実質的に同一」とは、各スペース部の長さ差が各スペース部の平均長さの１％以下程度であることを意味する。

導波路コア１８は、例えば、目的とする波長でのレーザ発振に対して利得を有するＩｎＧａＡｓＰ結晶からなり、１．５５μｍ程度のＰＬ波長を有する。導波路コア２１は、レーザ発振波長よりも吸収端が短波長であるＩｎＧａＡｓＰ結晶から形成されている。コンタクト層１９，２２は、ＩｎＧａＡｓＰ結晶からなる。電極２０，２３は、Ａｕ等の導電性材料からなる。

続いて、半導体レーザ２００ｂの動作について説明する。まず、図１の制御部３００により、電極２０に所定の電流が供給される。それにより、導波路コア１８において光が発生する。発生した光は、導波路コア３，１７，１８，２１を伝播しつつ繰り返し反射および増幅されるとともに、外部に発振される。また、電極２３に制御部３００から所定の電流が供給される。それにより、導波路コア２１において伝播光の位相が調整される。この場合、図３で説明したように、所望の波長以外の波長でのレーザ発振を抑制することができる。なお、半導体レーザ２００ｂは、ＳＧ−ＤＲ領域Ｄの代わりに、ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａをもう１つ備えていてもよい。

本実施の形態においては、Ｇａｉｎ領域Ｅが利得領域に相当する。

以下、上記実施の形態に係る半導体レーザの特性を計算機シミュレーションで調べた。

（実施例１）
実施例１においては、図２に示す第１の実施の形態に係る半導体レーザ２００を作製した。実施例１においては、Ｌ１は１９６μｍであり、Ｌ２は２０８μｍであり、Ｌ３は２０２μｍである。

（実施例２〜４）
実施例２〜実施例４においては、導波路コア３における各セグメント数が異なる点を除いて実施例１に係る半導体レーザと同様のものとした。各実施例におけるセグメントの個数を表１に示す。表１においては、各長さのセグメントの個数が示されている。例えば、実施例２においては、Ｌ１〜Ｌ３の長さを有するセグメントが、それぞれ２つずつ設けられている。

なお、Ｌ３の長さを有するセグメントは、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂ側に連続して設けられている。また、Ｌ２の長さを有するセグメントは、低反射膜１０側に連続して設けられている。さらに、Ｌ１の長さを有するセグメントは、Ｌ３の長さを有するセグメントとＬ２の長さを有するセグメントとの間に連続して設けられている。

（実施例５）
実施例５においては、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂ側から２つのセグメント３２、３つのセグメント３３、２つのセグメント３１が順に設けられている点を除いて、実施例３に係る半導体レーザと同様のものとした。

（比較例１）
比較例１においては、セグメント３３が設けられていない点を除いて、実施例１に係る半導体レーザと同様のものである。

（比較例２）
比較例２においては、セグメント３１〜３３が一つずつ設けられている点を除いて、実施例１に係る半導体レーザと同様のものである。

（分析）
各半導体レーザのＣＳＧ−ＤＲ領域における反射スペクトルを求めた。図７にそのピーク波長の結果を示す。図７（ａ）〜図７（ｇ）において、縦軸は反射率を示し、横軸は波長を示す。各図における曲線は、各反射ピークの頂点を結んだ包絡線を示す。また、各図において括弧内の数字は、各セグメントの個数を示し、左側から右側にかけて順にＬ１〜Ｌ３の長さを有するセグメントの個数をそれぞれ示す。

図７（ａ）に示すように、比較例１に係る半導体レーザにおいては、包絡線ピークの波長間隔が小さくなった。したがって、比較例１に係る半導体レーザにおいては、所望の波長以外の波長においてレーザ発振するおそれがある。図７（ｂ）に示すように、比較例２に係る半導体レーザにおいては、包絡線ピークが１つおきに低下した。しかしながら、包絡線において反射率の高いピークと反射率の低いピークとの反射率差が比較的小さくなっている。したがって、比較例２に係る半導体レーザにおいても、所望の波長以外の波長においてレーザ発振するおそれがある。

一方、図７（ｃ）に示すように、実施例１に係る半導体レーザにおいては、２つのセグメント３３によって、セグメント３１およびセグメント３２の包絡線ピークが１つおきに低下した。それにより、所望の反射ピーク強度を有する各反射ピークの波長間隔が大きくなっている。また、図７（ｂ）において反射率が低下した包絡線ピークの低下幅が大きくなった。以上のことから、実施例１に係る半導体レーザにおいては、所望の波長以外の波長におけるレーザ発振を抑制することができる。

また、図７（ｄ）〜図７（ｆ）に示すように、実施例２〜実施例４に係る半導体レーザにおいてもＬ３の長さを有するセグメントが複数設けられていることから、所望の反射ピーク強度を有する各反射ピークの波長間隔が大きくなっている。それにより、所望の波長以外の波長におけるレーザ発振を抑制することができる。

また、図７（ｇ）に示すように、実施例５に係る半導体レーザにおいては、図７（ｂ）において反射率が低下した包絡線ピークの低下幅が実施例３に係る半導体レーザに比較して小さくなった。したがって、セグメント３３は、セグメント３１，３２に比較してＳＧ−ＤＦＢ領域Ｂ側に設けられていることが好ましいことがわかった。

本発明の第１の実施の形態に係るレーザ装置を説明するための模式図である。 第１の実施の形態に係る半導体レーザの詳細を説明するための図である。 導波路コアにおける各セグメントについて説明するための模式図である。 ヒータと電極との接続について説明するための図である。 第２の実施の形態に係る半導体レーザの詳細を説明するための図である。 第３の実施の形態に係る半導体レーザの詳細を説明するための図である。 各半導体レーザのＣＳＧ−ＤＲ領域における反射ピーク波長の測定結果を示す図である。

符号の説明

２ 回折格子
３，４，５，１７，１８，２１ 導波路コア
６ クラッド層
９，１０ 低反射膜
１１ ヒータ
１００ レーザ装置
２００ 半導体レーザ
３００ 制御部
Ａ ＣＳＧ−ＤＲ領域
Ｂ ＳＧ−ＤＦＢ領域
Ｃ ＰＣ領域
Ｄ ＳＧ−ＤＲ領域
Ｅ Ｇａｉｎ領域
Ｆ ＰＳ領域

Claims (20)

1. 回折格子を有する領域とスペース部とが連結された第１セグメントと、回折格子を有する領域とスペース部とが連結され前記第１セグメントと異なる長さを持つ第２セグメントと、回折格子を有する領域とスペース部とが連結され下記式（１）のセグメント長を有する複数の第３セグメントと、を備える導波路と、
   前記第１〜第３セグメントの屈折率を制御する屈折率制御手段と、
   を備えることを特徴とする光半導体装置。
   Ｌ３＝Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）×Ｋ１ （１）
   ただし、Ｋ１は、０．３≦Ｋ１≦０．７
   Ｌ１は第１セグメントのセグメント長
   Ｌ２は第２セグメントのセグメント長
   Ｌ３は第３セグメントのセグメント長。
2. 前記第３セグメントの等価屈折率は、前記第１および第２セグメントの等価屈折率の平均値であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記第１または第２セグメントは、複数設けられていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
4. 前記複数設けられている同じセグメント同士は、互いに隣接して設けられていることを特徴とする請求項１または３記載の光半導体装置。
5. 前記屈折率制御手段は、複数のヒータであることを特徴とする請求項１または４記載の光半導体装置。
6. 前記複数設けられている同じセグメントに対応するヒータが複数設けられ、
   前記ヒータの電極のそれぞれは、互いに共通の電極に接続されていることを特徴とする請求項５記載の光半導体装置。
7. 前記第１〜第３セグメントに光結合する利得領域をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
8. 前記第３セグメントは、前記第１および第２セグメントよりも前記利得領域側に近い位置に設けられていることを特徴とする請求項７記載の光半導体装置。
9. 回折格子を有する領域と前記領域に連結されたスペース部となる領域とを備える回折格子領域が、前記第１〜第３セグメントに光結合して、同じ長さで複数設けられていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
10. 前記第１〜第３セグメントに光結合する、光吸収領域または光増幅領域をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
11. 前記第３セグメントの個数は、前記第１および第２セグメントの個数の平均以上であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
12. 前記第１セグメントと第２セグメントとの長さ差は、前記第３セグメントの長さの２％〜４％以内であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
13. 前記第３セグメントの長さは、前記第１セグメントおよび前記第２セグメントの長さの平均値であることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
14. 回折格子を有する領域とスペース部とが連結された第１セグメント、回折格子を有する領域とスペース部とが連結され前記第１セグメントと異なる長さを持つ第２セグメント、および、回折格子を有する領域とスペース部とが連結され下記式（２）のセグメント長を有する複数の第３セグメントを備える導波路と、前記第１〜第３セグメントの屈折率を制御する屈折率制御手段と、を備える光半導体装置に対し、
    前記屈折率制御手段を制御して、下記式（３）の等価屈折率の条件によって前記第１〜第３セグメントの屈折率を制御するステップを有することを特徴とする光半導体装置の制御方法。
    Ｌ３＝Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）×Ｋ１ （２）
    ただし、Ｋ１は、０．３≦Ｋ１≦０．７
    Ｌ１は第１セグメントのセグメント長
    Ｌ２は第２セグメントのセグメント長
    Ｌ３は第３セグメントのセグメント長
    ｎ３＝ｎ１＋（ｎ２−ｎ１）×Ｋ２ （３）
    ただし、Ｋ２は、０．３≦Ｋ２≦０．７
    ｎ１は第１セグメントの等価屈折率
    ｎ２は第２セグメントの等価屈折率
    ｎ３は第３セグメントの等価屈折率。
15. 前記等価屈折率は、前記第１〜第３セグメントの温度によって制御されることを特徴とする請求項１４記載の光半導体装置の制御方法。
16. 前記第３セグメントの等価屈折率は、前記第１セグメントおよび前記第２セグメントの等価屈折率の平均値であることを特徴とする請求項１４記載の光半導体装置の制御方法。
17. 回折格子を有する領域とスペース部とが連結された第１セグメントと、回折格子を有する領域とスペース部とが連結され前記第１セグメントと異なる長さを持つ第２セグメントと、回折格子を有する領域とスペース部とが連結され下記式（４）のセグメント長を有する複数の第３セグメントと、を備える導波路を備え、かつ、前記第１〜第３セグメントの屈折率をそれぞれのセグメントに対応した制御点で制御する光半導体装置の制御方法において、
    前記第１〜第３セグメントに対応する制御点のうち２つの制御点が与えられ、不足する制御点を、下記式（５）の関係に基づいて演算して取得することを特徴とする光半導体装置の制御方法。
    Ｌ３＝Ｌ１＋（Ｌ２−Ｌ１）×Ｋ１ （４）
    ただし、Ｋ１は、０．３≦Ｋ１≦０．７
    Ｌ１は第１セグメントのセグメント長
    Ｌ２は第２セグメントのセグメント長
    Ｌ３は第３セグメントのセグメント長
    Ｔ３＝Ｔ１＋（Ｔ２−Ｔ１）×Ｋ３ （５）
    ただし、Ｋ３は、０．３≦Ｋ３≦０．７
    Ｔ１は第１セグメントの制御点
    Ｔ２は第２セグメントの制御点
    Ｔ３は第３セグメントの制御点。
18. 前記複数のセグメントは、互いに長さが異なる複数のセグメントと前記異なる長さの平均の長さを有するセグメントとからなることを特徴とする請求項１７記載の光半導体装置の制御方法。
19. 前記平均の長さのセグメントが複数設けられていることを特徴とする請求項１８記載の光半導体装置の制御方法。
20. 前記不足する制御データは、前記第１セグメントおよび前記第２セグメントの制御点の平均値によって補完して発生させることを特徴とする請求項１７記載の光半導体装置の制御方法。

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