JP4606248B2

JP4606248B2 - 半導体レーザ

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Publication number: JP4606248B2
Application number: JP2005143785A
Authority: JP
Inventors: 智志西川; 光伸後藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-05-17
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2025-05-17
Also published as: JP2006324300A

Description

本発明は光ファイバ通信、特に全光信号処理技術の分野で用いられる超高速光パルスを発生させる半導体レーザに関する。

光ファイバ通信技術は、現代の情報化社会を支える重要なインフラストラクチャーである。従来、海底光ケーブルや都市間を結ぶ陸上幹線通信ネットワークを始めとして整備が進められ、光ファイバ通信技術は急速な発展を遂げてきた。現在では、幹線系の１チャネル当たりの通信速度は１０〜４０Ｇｂｐｓに及び、将来的には８０〜１６０Ｇｂｐｓ以上の超高速・大容量通信の実現も期待されている。

現状のシステム構成では、ネットワークのノード部分において光信号が一旦電気信号に変換（Ｏ−Ｅ変換）されて、リタイミング、波形整形された後に、再度光信号に変換（Ｅ−Ｏ変換）されて送り出されている。しかしながら、数１０Ｇｂｐｓを超えるような超高速光通信システムでは、このような電気信号を介した制御で光信号を処理することはもはや困難であった。すなわち、ノードにおける信号処理速度が次第にネットワーク全体の信号処理速度を制限するボトルネックになりつつあった。かかる問題点を解決し、超高速・大容量通信を実現するためのキー技術が全光信号処理である。

全光信号処理では、技術的および経済的観点からネットワークノードに送られてきた光信号を電気信号に変換することなく光信号のままで波形整形や増幅を行った後に送り出す処理が求められている。光−光制御方式を用いた場合の利点として、電気回路のＣＲ時定数により動作速度が制限されないこと、超短パルスの発生が可能な光パルスが直接利用可能なことが挙げられる。

かかる全光信号処理の実現には各種光素子が必要となるが、特に短い光パルスを一定の周波数で持続させた光クロックパルスは必須であり、安定でジッタ、つまり時間軸での信号の揺らぎの少ない光クロックパルス発生素子の実現が求められている。半導体素子による光クロックパルスの発生は、ネットワークシステムの小型化や振動に対する堅牢さの観点からも重要である。

高速動作可能な光クロックパルスを発生させる従来の半導体素子として、米国特許第６２１５８０５号（特許文献１）あるいは米国特許第６１２２３０６号（特許文献２）に開示されたセルフパルセーティングＤＦＢレーザ（self-pulsating distributed feedback laser）があった。特許文献１の図１に示すように、従来のセルフパルセーティングＤＦＢ（分布帰還型）レーザはリッジ導波路型構造で、少なくとも２つの電気的に分離された電極を有している。３電極構成の場合は、均一な回折格子を設けた前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域の２つの活性領域が両者の間に設けられた位相制御領域を挟んで集積されている。各領域はエッチング溝で電気的に分離されており、独立に電流注入可能である。また、両端面には反射防止（ＡＲ）コーティングが施されている。

セルフパルセーティングＤＦＢレーザの繰り返し周波数は、前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域の各々への直流的な注入電流によって調整可能である。位相制御領域は前方分布帰還型活性領域と後方分布帰還型活性領域で構成された共振器中の光波の位相を調整してセルフパルセーションのオン・オフを制御し、セルフパルセーション動作を安定させるために設けられている。

次に、上述の非特許文献１に開示された従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザの駆動方法について説明する。上記のセルフパルセーティングＤＦＢレーザにおいて、前方分布帰還型活性領域のブラッグ波長および後方分布帰還型活性領域のブラッグ波長は、相互にストップバンド幅程度の波長だけ離調されている。これら２つの分布帰還型活性領域の各々では、ストップバンドの両端（短波長端、長波長端）の波長で発振モードが生じる。その結果、前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域のうちブラッグ波長が短い方の分布帰還型活性領域（以下、短波長側の分布帰還型活性領域と記す）におけるストップバンドの長波長端の波長と、前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域のうちブラッグ波長が長い方の分布帰還型活性領域（以下、長波長側の分布帰還型活性領域と記す）におけるストップバンドの短波長端の波長とが近接するようになる。

このような前方ＤＢＲ領域および後方ＤＢＲ領域の各々に同程度の電流を注入し、位相制御領域の位相を適切に調整すると、短波長側の分布帰還型活性領域におけるストップバンドの長波長端近傍の波長と、長波長側の分布帰還型活性領域におけるストップバンドの短波長端近傍の波長とで２つの発振モードが生じる。そして、これら２つの発振モードが互いに干渉することによりビート振動が生じ、２つの発振モードの間隔に対応した周波数のパルス発振が得られる。上記方式では、たとえば４０ＧＨｚ帯のパルス発振が確認されている。

また、従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザにおいては、上述のように光クロックパルスを発生するのに加えて、発振周波数に近い信号が入力されると、その入力信号と同期動作し、光クロックパルスを再生する。すなわち、セルフパルセーティングＤＦＢレーザへの入力信号が活性領域で吸収される際に、レーザ領域におけるキャリア密度に変動が生じる。これにより、セルフパルセーション動作が影響を受け、周波数の引き込みが生じる。この場合、偏波依存性のない引張り歪みバルク結晶で活性領域を構成しておけば入力信号光に対して偏波無依存となり、かつ入力信号の波長が光クロックパルスの波長とずれていても光クロックパルスを再生することが可能である。
米国特許第６２１５８０５号明細書米国特許第６１２２３０６号明細書 H.Wunsche, et al., "Modeling of Mode Control and Noise in Self-Pulsating PhaseCOMB Lasers", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.9, No.3, (2003), pp.857-864.

所望の周波数のパルス発振を得るためには、短波長側の分布帰還型活性領域におけるストップバンドの長波長端近傍の波長と、長波長側の分布帰還型活性領域におけるストップバンドの短波長端近傍の波長との２つの発振モードで選択的にレーザ発振を生じさせる必要がある。しかし、従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザにおいては、短波長側の分布帰還型活性領域におけるストップバンドの長波長端近傍の波長での発振モードが発振し難かった。これについて以下に説明する。

上述のように従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザでは、前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域の両方に均一な回折格子を用いていた。分布帰還型活性領域に均一な回折格子が形成されており、かつ素子端面からの反射戻り光が十分小さい場合には、１つの分布帰還型活性領域においてストップバンドの長波長端近傍と短波長端近傍とに同程度の発振閾値利得を持つ２つの発振モードが存在する。これら２つの発振モードのうち短波長端近傍の発振モードは、導波方向の光強度分布の不均一とそれに伴う活性層内キャリア分布の不均一に起因して空間的ホールバーニングが生じると、長波長端近傍の発振モードに比べて発振しやすくなる。その結果、短波長側の分布帰還型活性領域におけるストップバンドの長波長端近傍の発振モードが発振し難くなっていた。これにより、所望の周波数のパルス発振が得られる駆動条件が狭い範囲に限定されてしまい。安定なセルフパルセーション動作を得ることができないという問題があった。

したがって、本発明の目的は、安定なセルフパルセーション動作を実現することのできる半導体レーザを提供することである。

本発明の半導体レーザは、第１導電型の半導体基板と、半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層と、第１導電型クラッド層上に形成された光導波層と、前方分布帰還型活性領域と、後方分布帰還型活性領域と、回折格子を埋め込むように形成された第２導電型クラッド層とを備えている。前方分布帰還型活性領域は、光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して前方に位置し光導波層に近接した回折格子を具備している。後方分布帰還型活性領域は、光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して後方に位置し光導波層に近接した回折格子を具備しており、前方分布帰還型活性領域とは電気的に分離されている。前方分布帰還型活性領域または後方分布帰還型活性領域の回折格子はその一部に位相シフトを有しており、位相シフトを有する前方分布帰還型活性領域または後方分布帰還型活性領域において、ストップバンドの長波長端近傍でのレーザ発振が短波長端近傍のレーザ発振よりも選択的に生じるように、位相シフトを有する回折格子が調整されている。

本発明の半導体レーザによれば、位相シフトを有する前方分布帰還型活性領域または後方分布帰還型活性領域において、ストップバンドの長波長端近傍でのレーザ発振が短波長端近傍のレーザ発振よりも選択的に生じるので、長波長側の分布帰還型活性領域におけるストップバンドの長波長端近傍の波長での発振モードと、短波長側の分布帰還型活性領域におけるストップバンドの長波長端近傍の波長での発振モードとの２つの発振モードの間隔に対応した周波数のパルス発振が安定して得られる。したがって、安定なセルフパルセーション動作を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す概観図である。図１を参照して、本実施の形態の半導体レーザでは、ｎ型インジウム燐（ＩｎＰ）基板（第１導電型の半導体基板）１上にｎ型ＩｎＰクラッド層（第１導電型クラッド層）２が形成されている。このｎ型ＩｎＰクラッド層２にインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）光導波層３が形成されている。また、光導波層３上にｐ型ＩｎＰクラッド層（第２導電型クラッド層）４が形成されている。このｐ型ＩｎＰクラッド層４には回折格子５が埋め込まれるように設けられている。回折格子５の一部には位相シフト６が形成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層４上にはｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７が形成されている。光導波層３側面には電流を狭窄するための高抵抗ＩｎＰ電流閉じ込め層８が形成されている。エッチングによって形成された分離溝９ａ、９ｂによって各領域が電気的に分離されている。ｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側にはｎ型電極２０が設けられている。ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７上にはｐ型電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃのそれぞれが、分離溝９ａ、９ｂによって互いに隔てられかつ電気的に分離されるように設けられている。このように本実施の形態の半導体レーザは多電極構造のレーザである。

本実施の形態の半導体レーザでは、光導波層３として０．２％程度の引張歪みバルク結晶層を用いており、外部入力信号光に対して偏波無依存かつ広い波長範囲にわたって同期動作させることができるようにしている。

図２は、図１の半導体レーザの共振器方向の断面図（図１中のＩＩで表された面）である。図２を参照して、半導体レーザの両端面の各々に低反射率（ＡＲ）膜３０が形成されている。半導体レーザは、前方分布帰還型活性領域１０１と、位相制御領域（前方−後方間位相制御領域）１０２と、後方分布帰還型活性領域１０３とを有している。前方分布帰還型活性領域１０１は、光導波層３を一部に含んでおり、レーザ光出射方向に対して前方（図２中左方）に位置している。後方分布帰還型活性領域１０３は、光導波層３を一部に含んでおり、レーザ光出射方向に対して後方（図２中右方）に位置している。前方分布帰還型活性領域１０１と、位相制御領域１０２と、後方分布帰還型活性領域１０３との各々は、互いに電気的に分離されている。

前方分布帰還型活性領域１０１および後方分布帰還型活性領域１０３の各々には、光導波層面３ａに近接し、かつｐ型ＩｎＰクラッド層４に埋め込まれた回折格子５が設けられている。前方分布帰還型活性領域１０１および後方分布帰還型活性領域１０３の各々の回折格子５を調節することによって、前方分布帰還型活性領域１０１のブラッグ波長が、後方分布帰還型活性領域１０３のブラッグ波長よりもストップバンド波長幅程度だけ短波長側に規定されている。

また、前方分布帰還型活性領域１０１の回折格子５には、位相シフト６が形成されている。前方分布帰還型活性領域１０１の回折格子５は、前方分布帰還型活性領域１０１において、ストップバンドの長波長端近傍でのレーザ発振が短波長端近傍のレーザ発振よりも選択的に生じるように調整されている。回折格子５における位相シフト６の大きさおよび位置の一例を以下に示す。前方分布帰還型活性領域１０１のブラッグ波長をλとして、位相シフト６の大きさはλ／１６以上λ／４以下であり、たとえばλ／８である。また、前方分布帰還型活性領域の長さをＬ、前方分布帰還型活性領域端から位相シフト６の導入位置までの距離をΔＬとして、位相シフト６は、０．０６Ｌ≦ΔＬ≦０．２Ｌにある領域、たとえばΔＬ＝０．１Ｌの位置に設けられている。

位相制御領域１０２は、前方分布帰還型活性領域１０１と後方分布帰還型活性領域１０３との間に位置している。位相制御領域１０２に注入される電流の量によって、セルフパルセーション動作のオン・オフが制御される。

次に、本実施の形態の半導体レーザの動作を説明する。本実施の形態の半導体レーザでは、上述したようにｐ型電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃが分離溝９ａ、９ｂによって電気的に分離された３つの領域に分割され、前方分布帰還型活性領域１０１、位相制御領域１０２、および後方分布帰還型活性領域１０３のそれぞれの光導波層３に独立に電流を注入できる構成を有している。すなわち、ｐ型電極２１ａから前方分布帰還型活性領域１０１へ動作電流Ｉｌａｓ１が注入され、ｐ型電極２１ｂから位相制御領域１０２へ位相制御用電流Ｉｐが注入され、ｐ型電極２１ｃから後方分布帰還型活性領域１０３へ動作電流Ｉｌａｓ２が注入される。

図３は、本発明の実施の形態１の半導体レーザにおける反射スペクトルと発振波長とを説明するための図である。図１〜図３を参照して、前方分布帰還型活性領域１０１と後方分布帰還型活性領域１０３とへ同程度の電流を注入することにより、それぞれの光導波層３で強い励起状態が生じる。前方分布帰還型活性領域１０１では、前方分布帰還型活性領域１０１のストップバンドＳＡの両端の波長λＡ１、λＡ２の各々の近傍で発振モードが生じる。また後方分布帰還型活性領域１０３では、後方分布帰還型活性領域１０３のストップバンドＳＢの両端の波長λＢ１、λＢ２の各々の近傍で発振モードが生じる。ここで、前方分布帰還型活性領域１０１では位相シフト６を導入した効果により、ストップバンドＳＡの長波長端の波長λＡ２近傍の発振モードが波長λＡ１近傍の発振モードよりも発振しやすくなる。一方、後方分布帰還型活性領域１０３は均一な回折格子が形成されているので、ストップバンドＳＢの長波長端の波長λＢ２近傍の発振モードが波長λＢ１近傍の発振モードよりも発振しやすくなる。その結果、波長λＡ２と波長λＢ１との２つの発振モードで選択的にレーザ発振が起こり、２つの発振モードの間隔Δλに対応した周波数でのセルフパルセーションが安定して得られる。

なお、上記においては前方分布帰還型活性領域１０１のブラッグ波長が、後方分布帰還型活性領域１０３のブラッグ波長よりも短波長側に規定されているが、逆に前方分布帰還型活性領域１０１のブラッグ波長が、後方分布帰還型活性領域１０３のブラッグ波長よりも長波長側に規定されていてもよい。この場合には、位相シフト６を後方分布帰還型活性領域１０３に導入することで上記と同様の効果を得ることができる。

また、上記においては位相シフト６が０．０６Ｌ≦ΔＬ≦０．２Ｌにある領域に導入されているが、位相シフト６が０．８Ｌ≦ΔＬ≦０．９４Ｌにある領域に導入されても上記と同様の効果を得ることができる。

さらに、分布帰還型活性領域に導入される位相シフトの個数は１個に限定されるものではなく、０．０６Ｌ≦ΔＬ≦０．２Ｌにある領域に位相シフト量の総和がλ／１６以上λ／４以下の値となるように複数の位相シフトの各々が互いに分散されて導入されていても上記と同様の効果を得ることができる。

次に、本実施の形態の半導体レーザの素子構造について、シミュレーション解析した結果を説明する。シミュレーションでは、分布帰還型活性領域を多数のセクションに分割し、各セクション内部でのキャリア密度と電場密度を一様と近似すると共に、時間の刻み幅に応じた空間的な刻み幅を適切に選択して、前進波と後退波の複素電場の時間発展を数値計算し、最終的に出力光強度の時間変化を求めた。また、出力光強度のフーリエ変換を行い、発振スペクトルを求めた。

まず、回折格子の結合係数を１５０ｃｍ^-1、長さがＬ＝３００μｍの分布帰還型レーザに位相シフトを導入した構造について、シミュレーション解析を行った。位相シフトを１箇所に導入した構造で、位相シフトの大きさおよび位置をパラメータとして発振スペクトルを計算した。計算結果から、ストップバンドの長波長端付近で単一モード発振が得られた場合における、位相シフトの大きさおよび位置の組み合わせを図４に示す。図４を参照して、位相シフトの位置が分布帰還型活性領域端から０．０６Ｌ≦ΔＬ≦０．２Ｌの範囲内または０．８Ｌ≦ΔＬ≦０．９４Ｌの範囲内であり、かつ位相シフトの大きさがλ／１６以上λ／４以下の値である場合に、ストップバンドの長波長端付近での単一モード発振が得られることがわかる。

次に、前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域を有するセルフパルセーションレーザのシミュレーション解析を行った。前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域の回折格子の結合係数を１５０ｃｍ^-1、長さをＬ＝３００μｍとし、後方分布帰還型活性領域のブラッグ波長を前方分布帰還型活性領域のブラッグ波長よりも４．３ｎｍだけ長くした。離調の大きさはストップバンド幅程度であり、駆動条件を調整することにより２つの発振モードの発振が数十ＧＨｚ程度の間隔で期待できる。また、前方分布帰還型活性領域として、位相シフトを導入した構造（位相シフトの位置ΔＬ＝０．１５Ｌ、位相シフトの大きさλ／８）と、位相シフトを導入しない均一な回折格子の構造との２通りの構造を採用した。さらに、位相制御領域で与える位相をパラメータとし、前方分布帰還型活性領域の駆動電流および後方分布帰還型活性領域の駆動電流を共に４３ｍＡとして、発振スペクトルを計算した。

図５は、発振スペクトルの計算結果における光強度と、波長および位相調整量との関係を２次元的に示す分布図である。（ａ）は位相シフトを導入した構造の計算結果であり、（ｂ）は位相シフトを導入しない均一な回折格子の構造の計算結果である。図５（ｂ）を参照して、前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域が共に位相シフトのない均一な回折格子である場合には、想定している２つの発振モードでのレーザ発振（１５５１．５ｎｍ付近）の他に、前方分布帰還型活性領域のストップバンドにおける短波長端近傍（１５４７ｎｍ付近）の波長においてレーザ発振しやすくなっている。そのため、消光比が劣化したり、想定している数十ＧＨｚでのパルス発振が得られなかったりする。一方、位相シフトを導入した場合には、想定している２つの発振モードでのレーザ発振（１５５１．５ｎｍ付近）が広い位相範囲で安定に生じている。これにより、２つの発振モードの間隔に対応する数十ＧＨｚの周波数のセルフパルセーションが得られることがわかる。

以上のシミュレーション解析により、安定な２モード発振を得るためには、短波長側に離調させた分布帰還型活性領域（図１では前方分布帰還型活性領域１０１）において、ストップバンドの長波長端近傍でのレーザ発振が短波長端近傍のレーザ発振よりも選択的に生じるように回折格子が調節されていればよいことが分かる。具体的には、短波長側に離調させた分布帰還型活性領域の回折格子において、位相シフトが分布帰還型活性領域端から０．０６Ｌ≦ΔＬ≦０．２Ｌの範囲内または０．８Ｌ≦ΔＬ≦０．９４Ｌの範囲内に設けられており、かつ位相シフトの大きさがλ／１６以上λ／４以下であればよいことが分かる。

２つの発振モードの間隔は位相制御領域で与える位相を可変することにより調整できるので、これにより繰返し周波数（パルス発振の周波数）が調整できる。したがって、位相制御領域に注入する電流の量を調整することにより、最終的に所定の繰返し周波数でパルス発振させることができる。たとえば、光ファイバ通信の搬送波周波数で本実施の形態の半導体レーザを動作させ、光注入同期をさせることにより、ノードにおけるクロック再生機能が実現できる。

また、回折格子の結合係数はストップバンド幅に影響を与えるため、パルセーション周波数にも影響を与える。回折格子の結合係数や、位相シフト、分布帰還型活性領域の長さ、および離調の大きさは素子の設計パラメータであり、かかるパラメータの設計値を変えることにより様々なセルフパルセーション波形が選択可能となる。たとえば、回折格子結合係数を小さくした場合や、分布帰還型活性領域長を短くした場合であっても、離調の大きさをストップバンド幅程度にし、同様の位相シフトを導入することで、上述の安定なセルフパルセーション動作を実現することができる。

ここで、位相シフトが導入されずに前方分布帰還型活性領域および後方分布帰還型活性領域が共に均一な回折格子により構成される場合であっても、活性層の利得ピーク波長を回折格子のブラッグ波長よりも長波長に調整することにより、短波長側に離調させた分布帰還型活性領域に関して、ストップバンドの長波長端近傍での発振が選択的に生じるようにすることができる。これは、ストップバンドの長波長端近傍波長での活性層利得が、ストップバンドの短波長端近傍波長での活性層利得に比べて大きくなるからである。しかし、このような半導体レーザでは、ストップバンド波長から短波長側に離れるに従い活性層利得がますます減少していくようになる。そのため、光注入同期によるクロック再生を行う場合には、注入同期感度の外部注入光波長依存性において短波長側の感度が劣化する。このような現象は、光通信で用いる波長帯の長波長端付近の波長でセルフパルセーション発振させた状態で、この波長帯の短波長端付近の波長で外部注入光のクロック再生を行う際に最も顕著になる。

これに対して、本実施の形態の半導体レーザのように、回折格子の構造を変更することによりストップバンドの長波長端近傍での発振が選択的に生じるようにすると、活性層の利得ピーク波長が回折格子のブラッグ波長よりも短波長に調整されている場合においても、安定なセルフパルセーション動作が得られる。たとえば、光通信で用いる波長帯の中央付近または中央よりも短波長側に利得ピークがある同一の活性層に対して回折格子のブラッグ波長を作り分けることによって、この波長帯の短波長端から長波長端に至るさまざまな発振波長を有するセルフパルセーションレーザを一括して作製することができ、上述の位相シフトの導入により安定したセルフパルセーション動作を実現することができる。このような半導体レーザでは、短波長域での注入同期感度の劣化が抑制され、広範囲の外部注入光波長に対して良好なクロック再生動作が得られる。また、活性層結晶成長プロセスに起因する利得ピークのばらつきがあっても、上述の位相シフトの導入により安定したセルフパルセーション動作を実現することができる。

本実施の形態の半導体レーザは、光導波層３の共振器方向のストライプ形状をエッチングで形成した後に、光導波層３の両側面部分を電流閉じ込め層８で埋め込み成長することによって製造される。このため、電流閉じ込め層８によって電流狭窄が行なわれるので、光導波層３に効率良く電流を注入可能となる。これに加えて、共振器方向にわたって光導波層３内でレーザ発振に寄与する活性な領域と、反射ミラーや位相調整等の非活性な領域との結合損失が顕著に低減される結果、低損失な光導波路を形成することができ、高効率でセルフパルセーション動作を行うことが可能となる。

なお、本実施の形態の半導体レーザでは、活性領域の両側面部分に電流閉じ込め層８を形成して電流狭窄を行っているが、従来の半導体レーザと同様にリッジ導波路の構成にしてもほぼ同様の効果が得られる。

また、本実施の形態の半導体レーザでは光導波層３として０．２％程度の引張歪みバルクを用いているが、外部入力信号光に対して応答可能な波長範囲が狭くなり、偏波依存性が生じることを許容すれば、光導波層３を多重量子井戸（ＭＱＷ：multiple quantum well）や無歪のバルクで構成してもよい。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す断面図である。図６を参照して、本実施の形態の半導体レーザは、実施の形態１の半導体レーザと比較して、位相シフト６ａ（第１位相シフト）および位相シフト６ｂ（第２位相シフト）の２つの位相シフトが設けられている点において異なっている。

前方分布帰還型活性領域端から位相シフト６ａの導入位置までの距離をΔＬ₁とし、前方分布帰還型活性領域端から位相シフト６ｂの導入位置までの距離をΔＬ₂とする。位相シフト６ａは、ΔＬ₁＝０．１５Ｌの位置にλ／８の大きさで導入されている。位相シフト６ｂは、ΔＬ₂＝０．８５Ｌの位置にλ／８の大きさで導入されている。

なお、これ以外の半導体レーザの構成は、実施の形態１の半導体レーザの構成とほぼ同様である。したがって、同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施の形態の半導体レーザによっても、実施の形態１の半導体レーザと同様の効果を得ることができる。すなわち、均一な回折格子の半導体レーザと比べて、前方分布帰還型活性領域１０１におけるストップバンドの長波長端近傍の波長での発振モードと、後方分布帰還型活性領域１０３におけるストップバンドの長波長端近傍の波長での発振モードとの２つの発振モードの間隔に対応した周波数のパルス発振が安定して得られる。したがって、想定している数十ＧＨｚの周波数のセルフパルセーションを安定的に得ることができる。

なお、位相シフト６ａおよび６ｂの位置および大きさは上記に限定されるものではなく、位相シフト６ａは、０．１Ｌ≦ΔＬ₁≦０．２Ｌにある領域にλ／１６以上３λ／８以下の大きさで導入されているか、または０．０６Ｌ≦ΔＬ₁≦０．１Ｌの距離にある領域にλ／１６以上λ／４以下の大きさで導入されていればよい。また、位相シフト６ｂは、０．８Ｌ≦ΔＬ₂≦０．９Ｌにある領域にλ／１６以上３λ／８以下の大きさで導入されているか、または０．９Ｌ≦ΔＬ₂≦０．９４Ｌにある領域にλ／１６以上λ／４以下の大きさで導入されていればよい。

本実施の形態の半導体レーザのように、２箇所に位相シフトを導入した半導体レーザについても、実施の形態１と同様のシミュレーション解析を行なった。その結果、０．１Ｌ≦ΔＬ≦０．２Ｌの距離にある領域にλ／１６以上３λ／８以下の大きさの位相シフト導入するか、または０．０６Ｌ≦ΔＬ≦０．１Ｌの距離にある領域にλ／１６以上λ／４以下の大きさの位相シフトを導入する。さらに０．８Ｌ≦ΔＬ≦０．９Ｌの距離にある領域にλ／１６以上３λ／８以下の大きさの位相シフトを導入するか、または０．９Ｌ≦ΔＬ≦０．９４Ｌの距離にある領域にλ／１６以上λ／４以下の大きさの位相シフトを導入する。このような場合に、短波長側に離調させた分布帰還型活性領域のストップバンドの長波長端近傍での発振が選択的に生じるようにできることが分かった。

さらに、分布帰還型活性領域に導入される位相シフト６ａの個数は、１個に限定されるものではなく、０．１Ｌ≦ΔＬ≦０．２Ｌの距離にある領域に位相シフト量の総和がλ／１６以上３λ／８以下の値となるように複数の位相シフトの各々が互いに分散されて導入されているか、または０．０６Ｌ≦ΔＬ≦０．１Ｌの距離にある領域に位相シフト量の総和がλ／１６以上λ／４以下となるように複数の位相シフトの各々が互いに分散されて導入されていても、上記と同様の効果を得ることができる。位相シフト６ｂについても同様である。

以上に開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての修正や変形を含むものと意図される。

本発明は、光ファイバ通信、特に全光信号処理技術の分野で用いられる超高速光パルスを発生させる半導体レーザおよびその半導体レーザの駆動方法に有利に適用できる。

本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す概観図である。図１の半導体レーザの共振器方向の断面図（図１中のＩＩで表された面）である。本発明の実施の形態１の半導体レーザにおける反射スペクトルと発振波長とを説明するための図である。ストップバンドの長波長端付近での単一モード発振が得られる場合の、位相シフトの大きさおよび位置の組み合わせを示す図である。発振スペクトルの計算結果における光強度と、波長および位相調整量との関係を2次元的に示す分布図である。（ａ）は位相シフトを導入した構造の計算結果、（ｂ）は位相シフトを導入しない均一な回折格子の構造の計算結果である。本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す断面図である。

符号の説明

１ｎ型ＩｎＰ基板、２ｎ型ＩｎＰクラッド層、３ＩｎＧａＡｓＰ光導波層、３ａ光導波層面、４ｐ型ＩｎＰクラッド層、５回折格子、６，６ａ，６ｂ位相シフト、７ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、８高抵抗ＩｎＰ電流閉じ込め層、９ａ，９ｂ分離溝、２０ｎ型電極、２１ａ，２１ｂ，２１ｃｐ型電極、３０低反射率（ＡＲ）膜、１０１前方分布帰還型活性領域、１０２位相制御領域、１０３後方分布帰還型活性領域。

Claims

第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された光導波層と、
前記光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して前方に位置し前記光導波層に近接した回折格子を具備する前方分布帰還型活性領域と、
前記光導波層を一部に含み前記レーザ光出射方向に対して後方に位置し前記光導波層に近接した回折格子を具備し、前記前方分布帰還型活性領域とは電気的に分離された後方分布帰還型活性領域と、
前記回折格子を埋め込むように形成された第２導電型クラッド層と、を備え、
前記前方分布帰還型活性領域または前記後方分布帰還型活性領域の回折格子はその一部に位相シフトを有し、
前記位相シフトを有する前記前方分布帰還型活性領域または後方分布帰還型活性領域において、ストップバンドの長波長端近傍でのレーザ発振が短波長端近傍のレーザ発振よりも選択的に生じるように、前記位相シフトを有する回折格子が調整されていることを特徴とする、半導体レーザ。
前記位相シフトを有する前記前方分布帰還型活性領域または後方分布帰還型活性領域の前記回折格子において、分布帰還型活性領域の領域長をＬ、素子端面に近い方の分布帰還型活性領域端から前記位相シフトまでの距離をΔＬ、分布帰還型活性領域でのブラッグ波長をλとした場合に、前記位相シフトは、０．０６Ｌ≦ΔＬ≦０．２Ｌにある領域または０．８Ｌ≦ΔＬ≦０．９４Ｌにある領域にλ／１６以上λ／４以下の大きさで導入され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。
前記位相シフトは第１位相シフトと第２位相シフトとにより構成されており、
前記位相シフトを有する前記前方分布帰還型活性領域または後方分布帰還型活性領域の前記回折格子において、分布帰還型活性領域の領域長をＬ、素子端面に近い方の分布帰還型活性領域端から前記第１位相シフトまでの距離をΔＬ₁、素子端面に近い方の分布帰還型活性領域端から前記第２位相シフトまでの距離をΔＬ₂、分布帰還型活性領域でのブラッグ波長をλとした場合に、前記第１位相シフトは、０．１Ｌ≦ΔＬ≦０．２Ｌにある領域にλ／１６以上３λ／８以下の大きさで導入されているか、または０．０６Ｌ≦ΔＬ≦０．１Ｌの距離にある領域にλ／１６以上λ／４以下の大きさで導入されており、かつ前記第２位相シフトは、０．８Ｌ≦ΔＬ≦０．９Ｌにある領域にλ／１６以上３λ／８以下の大きさで導入されているか、または０．９Ｌ≦ΔＬ≦０．９４Ｌにある領域にλ／１６以上λ／４以下の大きさで導入され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。