JP4630128B2 - 半導体レーザ装置および波長制御方法 - Google Patents

Description

本発明は半導体レーザ装置および波長制御方法に関し、より詳細には、レーザの発振波長の温度による変化量の調整に適用可能な半導体レーザ装置および波長制御方法に関するものである。

一般的に、半導体レーザの発振波長、閾値電流および出力効率は、周囲温度および素子温度に依存し変化する。例えば、一般的な分布帰還型（ＤＦＢ）レーザの発振波長の温度依存性は０．１ｎｍ／Ｋ程度である。これは、ＤＦＢレーザを構成する半導体の屈折率（ｎ）が温度依存性を持ち、これにより回折格子のブラッグ波長（λ_Ｂ）が
ｍλ_Ｂ＝２ｎΛ （１）
に従って変化するためである。ここで、ｍは回折の次数、Λは回折格子の周期である。現在レーザの材料として用いられているＩｎＰ系やＧａＡｓ系の半導体では、温度上昇に伴い屈折率が大きくなる。このため、ＩｎＰ系やＧａＡｓ系の半導体を用いたレーザにおいて、発振波長は、温度上昇と共に長波長側に変化していく。また、閾値電流は、通常温度上昇に伴って大きくなり、出力効率は低下する。したがって、ある一定の出力を得る場合、温度が上昇すると必要な電流値は大きくなる。

例えば、光ファイバ通信の光源として半導体レーザを用いる場合、特にいくつかの異波長光の信号を１本のファイバに多重化して伝送する波長多重通信（ＷＤＭ）を行う場合など、信号光波長の精度が重要である場合には、発光源である半導体レーザの発振波長を、温度に依存することなく安定化することが必要不可欠である。このため、例えば、ペルチェ素子を用い温度制御を行う必要があるが、素子構造や制御の複雑化、消費電力の増加などが問題となる。

ペルチェ素子などによる温度制御を用いずに発振波長の温度依存性を安定させる方法は、大きく分類して２つの方法が考えられる。上記方法の１つとして、例えば、特許文献１には、従来とは異なる、屈折率の温度依存性の小さい半導体材料を開発することが記載されている。すなわち、特許文献１に記載の方法は、半導体のみの構成により温度依存性を低減する方法である。

また、上記方法のもう一つの方法として、例えば、特許文献２には、半導体レーザと半導体以外の材料よりなる外部導波路を組み合わせたレーザが記載されている。さらに、特許文献３には、半導体とこの半導体とは逆の屈折率温度依存性を有する半導体以外の材料を交互に縦列接続した構成が記載されている。すなわち、特許文献２および３に記載の方法は、半導体と半導体以外の材料による複合構成により温度依存性を低減する方法である。

一方、半導体の屈折率は、温度以外でも電流注入により変化する。これを用いた波長可変レーザが多数開発されている。例えば、特許文献４によれば、少なくとも一方が利得と波長選択性を持つ２つの反射領域に挟まれた位相調整領域に電流を注入することにより、位相調整領域の導波路コアの屈折率を変化させ波長を変化させている。ＩｎＰ系やＧａＡｓ系などの通常用いられている半導体に電流注入すると、屈折率は小さくなる方向に変化する。これにより光学長（光路長）が短くなり、共振器長が短くなるため発振波長は短波長側に変化する。

この様な波長可変レーザは各種報告されており、波長が連続的に変化するレーザとしては、後述する分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）を用いたレーザや、非特許文献１に示されるように、ｔｗｉｎ−ｇｕｉｄｅ（ＴＴＧ）ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ（ＤＦＢ）ｌａｓｅｒといった波長可変レーザなどがある。

特開平１１−８４３２号公報 特開２００２−１９０６４３号公報 特開２００２−１４２４７号公報 特開２００４−２７３６４４号公報 T.Wolf et al, "Tunable twin-guide(TTG)distributed feedback(DFB)laser with over 10 nm continuous tuning range "Electron. Lett., Vol. 29, No.24, pp.2124-2125, Nov.1993

しかしながら、これまでに実用化した新材料の報告は無く、新しい半導体を開発することは、結晶成長や素子形成上、非常に困難であることが伺える。

一方、半導体レーザを半導体以外の材料と組み合わせる場合、光軸調整が必要など簡便性に問題がある。また、半導体基板上に有機材料をスピンコートするなど簡便な作成法であったとしても、例えば、半導体と有機材料を交互に縦列接続して分布反射器とするような場合は、優れた特性の得られる１次の回折格子を作製するためには半導体と有機材料を１／４波長程度の長さで交互に並べる必要がある。従って、加工の難易度、および、信頼性に大きな問題が残る。また、組み合わせ方が容易な方法であったとしても、異なる材料を組み合わせる分、半導体のみで作製したレーザよりもプロセスが煩雑になる。

本発明は、これらの問題点を鑑みてなされたものであり、新しい材料の開発や半導体以外の材料と組み合わせることなく、温度変化に対して、発振波長の安定性を向上する半導体レーザ装置および波長制御方法を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、第１の電極が形成され、利得を調整する利得領域と、第２の電極が形成され、そこを通過する光の波長を調整する波長制御領域とを少なくとも１つ以上ずつ有し、前記第２の電極を介して前記波長制御領域に第２の電流が注入されることによって波長が変化する波長可変レーザと、前記波長可変レーザの光出力を受光する受光部と、前記波長可変レーザの光出力をほぼ一定に保つように、前記受光部により受光された光出力に応じて、前記波長可変レーザに注入する注入電流の値を決定し、前記注入電流を出力する光出力制御回路と、前記注入電流が入力されると、前記波長制御領域における強め合う干渉を起こす波長をほぼ一定に保つように前記注入電流の値を一定の割合で分配することにより、前記利得領域に形成された第１の電極および前記波長制御領域に形成された第２の電極へとそれぞれ出力する第１の電流および前記第２の電流の値を決定する電流分配回路とを備えることを特徴とする半導体レーザ装置である。

本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記電流分配回路が、前記波長可変レーザの温度上昇による波長変化を低減させるように、前記注入電流の値を分配することにより、前記利得領域および前記波長制御領域へとそれぞれ出力する第１の電流および前記第２の電流の値を決定することを特徴とする。

第３の態様は、第１又は第２の態様において、前記利得領域または前記波長制御領域のいずれか一方が、回折格子を有することを特徴とする。

第４の態様は、第３の態様において、前記回折格子の結合係数が、１５０ｃｍ ^−１ 以上であることを特徴とする。

第５の態様は、第１乃至第４のいずれかの態様において、前記電流分配回路が、前記波長可変レーザの素子抵抗の１０倍以上の抵抗を有する抵抗素子を備えることを特徴とする。

第６の態様は、第１の電極が形成され、利得を調整する利得領域と、第２の電極が形成され、そこを通過する光の波長を調整する波長制御領域とを少なくとも１つ以上ずつ有し、前記第２の電極を介して前記波長制御領域に第２の電流が注入されることによって波長が変化する波長可変レーザの光出力を受光する受光工程と、前記波長可変レーザの光出力をほぼ一定に保つように、前記受光された光出力に応じて、前記波長可変レーザに注入する注入電流の値を決定し、前記注入電流を出力する第１の決定工程と、前記注入電流が入力されると、前記波長制御領域における強め合う干渉を起こす波長をほぼ一定に保つように前記注入電流の値を一定の割合で分配することにより、前記利得領域および前記波長制御領域へとそれぞれ出力する第１の電流および前記第２の電流の値を決定する第２の決定工程とを有することを特徴とする波長制御方法である。

以上説明したように、本発明によれば、新しい半導体材料や、半導体以外の材料と組み合わせることなく、これまでに加工技術が確立されている半導体のみを用い、発振波長の観測や温度観測することなしに、発振波長が温度変化に対して安定な半導体レーザ、および、発振波長の温度変化を制御可能な半導体レーザを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

（第1の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に関わる半導体レーザ素子の光導波路方向に沿った断面図である。素子の両側の、第１および第２の分布帰還（ＤＦＢ）領域においては、ＩｎＰ半導体基板１０１上にＧａＩｎＡｓＰ下部ガイド層１０２、ＧａＩｎＡｓＰ活性層１０３、ＧａＩｎＡｓＰ上部ガイド層１０４、ＩｎＰクラッド１０５が順次積層されている。また、上部ガイド層１０４とクラッド１０５との間には回折格子が設けられている。素子中央部の位相制御領域（位相シフト領域とも呼ぶ）では、半導体基板１０１上にＧａＩｎＡｓＰコア層１０６、クラッド１０５が積層されている。本実施形態では、位相制御領域を第１および第２のＤＦＢ領域にて挟むように形成されており、位相制御領域と第１および第２のＤＦＢ領域とは連続に形成されている。素子表面には、それぞれの領域の電極として、第１のＤＦＢ領域上には電極１０７ａが形成され、第２のＤＦＢ領域上には１０７ｂが形成され、位相制御領域上には電極１０８が形成されている。ＩｎＰ半導体基板１０１の下部には下部電極１０９が形成されており、それぞれの領域において、下部電極１０９は共通となっている。

半導体材料に関しては、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定されるものではない。特に制約を設けるものではなく、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材料について適用が可能である。半導体の結晶成長方法、すなわち積層方法についても特に制約を設けるものではなく、例えば、ＭＢＥ（Molecular beam epitaxy）、ＭＯＣＶＤ（metal organic chemical vaper deposition)などの方法を用いることができる。活性層１０３の形状としては、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットなどの形状を問わない。ガイド層１０２，１０４は、一般的には分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）、または光閉じ込め層などとも言うが、要求するレーザの特性に応じて、例えば、屈折率を階段状にしたり、段階的に変化させた傾斜屈折率（ＧＩ−）ＳＣＨとしたりしてもよい。導波路構造に関しても、ｐｎ埋め込み構造、半絶縁埋め込み構造、リッジ構造、ハイメサ構造など、通常用いられている導波路形状を適用できる。

位相制御領域のコア層の形成に関しても特に制約は無く、ＤＦＢ領域が位相制御領域のどちらかを成長した後に、エッチングして溝部に再成長するいわゆるバッドジョイント法や、マスクをして成長領域を規制した選択成長法などを用いることができる。

図１では、回折格子位置が活性層１０３の上部のガイド層１０４に形成されているが、活性層１０３の下部のガイド層１０２と半導体基板１０１の境界に形成したりしても良く、活性層自体を周期的に加工してもよい。すなわち、波長選択性を持つ反射領域となっていればよい。

図１の半導体レーザは、ＤＦＢ領域に電流Ｉ_ＤＦＢを注入することにより、活性層において利得が生じ発振状態に至る。ＤＦＢ領域には回折格子が形成されているため、ある特定の波長域の光のみ強い反射がおき、両側のＤＦＢ領域に反射した光の位相があう波長で光が強めあうため発振が起きる。強い反射が起きる波長域を透過できない波長域という意味でストップバンドと呼ぶ。

すなわち、図１において、第１のＤＦＢ領域からの、ストップバンドの波長域を有する第１の光と、第２のＤＦＢ領域からの、ストップバンドの波長域を有する第２の光とが、位相制御領域において干渉し、それら光のうち、強め合う波長の光が発振することになる。このとき、強め合う光の波長（発振波長）は、位相制御領域の長さ、すなわち、ＧａＩｎＡｓＰコア層１０６の光路長によって制御できる。この光路長は、ＧａＩｎＡｓＰコア層１０６の屈折率により制御することができる。従って、図１の半導体レーザ素子においては、図２に示すスペクトルの模式図のように、位相制御領域に注入する制御電流Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}を調整することにより位相制御領域の屈折率を変化させ、ストップバンドの中で発振波長を調整することができる。

次に、アサーマル化の動作原理を説明する。周囲の環境変化および素子の発熱により素子の動作温度が上昇すると、一般的にＩｎＰやＧａＡｓなどの通常の光デバイスに用いられている半導体においては屈折率が上昇する。そのため、回折格子で選択される波長すなわちブラッグ波長も長波長に変化することになる。光ファイバ通信で使用されているＩｎＰ系のＤＦＢレーザの場合、温度変化による波長変化は０．１ｎｍ／℃程度である。つまり、回折格子で選択されるブラッグ波長が０．１ｎｍ／℃の温度依存性を持つ。図１に示した第１の実施形態においては、温度上昇によってＤＦＢ領域における高反射波長域すなわちストップバンドが長波長側に移動していくことになる。

一方、温度上昇に伴い半導体レーザの閾値電流は増加し、出力効率は低下することが知られている。従って、図３に記す電流、光出力特性のように、どの動作温度であっても一定の光出力を得ようとする、いわゆるＡＰＣ（Auto power control）動作の場合、Ｔ_０、Ｔ_１、Ｔ_２と温度上昇するに従って必要な電流値はＩ_０、Ｉ_１、Ｉ_２と増加することになる。

図４に本実施形態に係るシステムの構成の概略図を示す。図４において、符号１は、図１に示した波長可変な半導体レーザ素子である。半導体レーザ素子１の出力端から所定の距離には、フォトダイオード２が配置されており、フォトダイオード２は、半導体レーザ素子１からの光出力を検知する。

なお、本実施形態では、半導体レーザ素子１からの光出力を直接受光するように、フォトダイオード２を配置しているが、これに限定されない。本実施形態で重要なことは、半導体レーザ素子１からの光出力を測定することであるので、半導体レーザ素子１からの光出力をフォトダイオード２に入射できる配置であればいずれの配置であっても良い。例えば、半導体レーザ素子１からの光出力の光軸上に、光を分岐する手段としてのハーフミラーを配置し、上記出力をハーフミラーによって分岐してその一部を受光するようにフォトダイオード２を配置しても良い。

フォトダイオード２には、半導体レーザ素子１の光出力をほぼ一定に保つ制御を行う光出力制御回路３（ＡＰＣ回路とも呼ぶ）が電気的に接続されている。光出力制御回路３には、光出力制御回路３からの電流値を半導体レーザ素子１の利得領域と波長制御領域とに分配する電流分配回路４が電気的に接続されている。

なお、本明細書において、「利得領域」とは、利得を調整する領域であって、図１においては、第１および第２のＤＦＢ領域を指す。また、「位相制御領域（位相シフト領域）」とは、その領域を通過する光の波長を調整する領域である。

図４において、ＡＰＣ動作の場合、半導体レーザ素子１からの光出力をフォトダイオード（ＰＤ）などにより監視し、温度上昇で光出力が低下したら光出力を増加するように光出力制御回路３（ＡＰＣ回路）を用いて半導体レーザ素子１への注入電流を増加させる。すなわち、再び設定した光出力となるように半導体レーザ素子１に流す電流に帰還をかける。このとき、半導体レーザ素子１に注入する電流を、電流分配回路４により、ある一定の割合でＤＦＢ領域に流れる電流Ｉ_ＤＦＢと位相制御領域Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}とに分配するようにすることにより、位相シフト量が変化し発振波長はストップバンドの中を短波長側に移動する。従って、ＤＦＢ領域と位相制御領域とに流れる電流の分配量を適切に設定すれば、温度上昇によるブラッグ波長およびストップバンドの長波長化を、位相シフト量変化による短波長化により相殺し、発振波長の温度変化を抑制することが可能となる。

以下で、本実施形態に係る位相制御方法を詳細に説明する。

フォトダイオード２は、半導体レーザ素子１から光出力を受光すると、該光出力に関する光出力電気信号を光出力制御回路３へと出力する。光出力制御回路３は、光出力電気信号が入力されると、入力された光出力電気信号に応じて、半導体レーザ素子１からの光出力がほぼ一定となるように、半導体レーザ素子１への注入電流の電流値を設定する。次いで、光出力制御回路３は、設定された電流値を有する、注入電流に関する注入電流電気信号を電流分配回路４へと出力する。電流分配回路４は、注入電流電気信号が入力されると、注入電流の電流値を一定の割合で分配して、該分配された電流値から電流Ｉ_ＤＦＢおよび電流Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}に関する電流の値をそれぞれ決定する。電流Ｉ_ＤＦＢおよび電流Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}に関する電流の値に関する電気信号を電源（不図示）に出力すると、該電源は、電流Ｉ_ＤＦＢを第１および第２のＤＦＢ領域へ、また、電流Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}を位相制御領域へと出力する。

また、電流分配回路４と電源とを別個に用いているが、電源を電流分配回路４に組み込んでも良い。このとき、電流分配回路４は、分配された電流Ｉ_ＤＦＢおよび電流Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}に関する電流の値を基に、電流Ｉ_ＤＦＢを第１および第２のＤＦＢ領域へ、また、電流Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}を位相制御領域へと出力する。

本実施形態では、光出力制御回路３からは、注入電流に関する電気信号を出力しているが、設定された電流値を有する注入電流を電流分配回路４に出力しても良い。この場合は、光出力制御回路３から注入電流を直接電流分配回路４へと出力する。この注入電流が入力されると、電流分配回路４は、注入電流を一定の割合で分配して、電流Ｉ_ＤＦＢおよび電流Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}を半導体レーザ素子１に出力する。従って、この場合は、電流分配回路４は、注入電流の分配のみを行う。このように構成することで、光出力制御回路３のみに電源を設ければ良くなるので、装置のより簡素化を図ることができる。

このように波長制御を行えば、素子の温度上昇により、ＤＦＢ領域において、ブラッグ波長およびストップバンドが長波長側にシフトしても、温度上昇に応じて設定された電流Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}により位相制御領域の屈折率を小さくすることにより、位相制御領域における強め合う干渉を起こす波長をほぼ一定に保つことができる。すなわち、波長制御領域には、長波長側にシフトしたストップバンド内の波長の光が入射することになるが、強め合う干渉を起こす波長は、そのバラツキが抑制される。よって、発振波長素子の温度が上昇しても、発振波長のバラツキを抑えることが可能となる。

本実施形態では、光出力制御回路３にて決められた注入電流を、電流分配回路４にて、電流Ｉ_ＤＦＢとＩ_{Ｐｈａｓｅ}とに分配しているが、ここでの目的は、素子の温度が変化しても、光出力を一定とし、かつ発振波長の安定性を向上させることである。図４の構成では、半導体レーザ素子１の温度変化に応じて、フォトダイオード２の受光強度は変化する。該受光強度、すなわち、半導体レーザ素子１の光出力の変化に応じて、光出力制御回路３は、注入電流値を決定している。よって、フォトダイオード２および光出力制御回路３は、温度変化の有無の検知と温度変化量の検知との役割を果たしている。これは、素子の温度が変化すると、フォトダイオード２の受光強度が変化するので、光出力制御回路３からの注入電流値は変化するが、この変化が起こると、素子の温度が変化したことを示し、また、注入電流値の変化の度合いが、素子温度の変化の度合いに反映されているからである。

本実施形態のように、光出力制御回路３と電流分配回路４とを組み合わせることにより、電流Ｉ_ＤＦＢおよび電流Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}にも、素子の温度変化を反映させることができる。よって、電流Ｉ_ＤＦＢにより、温度が変化しても、光出力をほぼ一定に保つことができる。また、電流Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}により、位相制御領域において、上記記温度変化に応じた量の位相シフトを行うことができる。よって、温度が変化しても、発振波長の安定性を向上させることが可能となる。

すなわち、光出力制御回路３と電流分配回路４とを組み合わせることにより、温度変化に応じて決められた注入電流を基に、すなわち、該注入電流を分配して、電流Ｉ_ＤＦＢおよび電流Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}を決めているので、素子の温度を一定にするための制御を行うことなく、光出力をほぼ一定に保つことができ、かつ、発振波長のバラツキを抑えることが可能となる。

なお、本実施形態では、電流分配回路４は、光出力制御回路３にて決定された注入電流を一定の割合で分配しているが、これに限定されない。例えば、電流分配回路に、非線形素子を組み込むことによって、温度上昇が大きい程、すなわち、光出力制御回路３にて決定された注入電流が大きい程、分配比が大きくなるようにしても良い。

すなわち、本実施形態において、電流分配回路は、素子の電流−光出力の温度依存性と位相シフト量の電流量依存性から回路設計することができる。完全な補償を行う場合には回路構成も複雑になるが、例えば抵抗による簡単な分配であった場合、完全な温度依存性の補償はできなくとも、従来の半導体レーザよりも温度依存性を小さくすることができ、温度による波長変化幅をある範囲内に抑えるには有効である。また、簡単な分配回路であれば、レーザモジュールの中に組み込むことも可能であるため、見かけ上は一端子の素子として扱うことが可能となり取扱上も容易となる。さらには、ＤＦＢ領域部分と位相制御領域の構造が異なることに加え、加えられる電圧によっては領域間で流れる電流も生じてくるため、各領域における素子抵抗が異なることが考えられるが、素子抵抗より十分大きな抵抗値を用いて電流分配回路を構成することで素子抵抗を無視できる。通常、素子抵抗は数Ω程度であるため、十倍以上の数十Ω程度以上とすればよく、百倍以上の数百Ω程度とすることにより、素子抵抗の変化に対する電流分配の影響はより少なくなる。

従来の半導体レーザにおいては、発振波長を安定化するために、ペルチェ素子などを用いて温度を一定に保つなど、温度を監視し制御する必要があったが、本実施形態により温度監視の必要が無くなる。帰還はＡＰＣ動作のみで良いことになり、温度制御も必要が無くなるため、大幅にシステムの簡易化が可能となる。光出力をモニタし制御することは、半導体レーザの使用時にはしばしば行われるため、ＡＰＣ動作回路を新たに組み込む必要が無い場合も多い。その場合、新たに加えるのは電流分配回路だけでよいため、簡単に本実施形態のシステムを構成できる。

温度上昇による発振波長の長波長化を波長可変機構で補償するためには、波長可変幅が広いことが必要である。通常のＤＦＢレーザにおける波長の温度により変化は０．１ｎｍ／℃程度であるので、２０−８０℃の範囲で波長を安定化するには６ｎｍの補償が必要である。すなわち、波長可変レーザにおける波長の連続可変幅が６ｎｍ以上必要である。本必死形態で用いるＤＦＢ型波長可変レーザにおいては、ストップバンドの中で波長が変化するため、ストップバンドの幅を６ｎｍ以上とする必要がある。

図５は、回折格子の結合計数κと回折格子長Ｌの積κＬとに対するストップバンド幅とブラッグ波長における反射率を示す図である。図５から、ストップバンド幅を広げるためには、κを大きくするかＬを短くすれば良いことがわかる。しかしながら、Ｌを短くしすぎると反射率が小さくなってしまうため、閾値電流の増加や最悪の場合はレーザ発振に至らない場合が生じる。反射率は出力効率にも関わるパラメータであるため、閾値電流と出力効率などの関係から得ようとする特性によって決定されるべきであるが、例えば、反射率９０％以上を得るためには、κＬを１．８以上としなければならず、反射率９５％以上を得るためには、κＬを２．２以上としなければならない。このため、ストップバンドを６ｎｍ以上とし、反射率を９０％以上とするためには、κを１５０ｃｍ^−１以上としなければならない。ストップバンドを６ｎｍ以上とし、反射率を９５％以上とするためには、κは１５０ｃｍ^−１では足りず２００ｃｍ^−１程度であれば十分である。

温度補償範囲を広げたり、動作範囲に余裕を持たせたりするためには、ストップバンドを更に広げ１０ｎｍ程度とすればよい。ストップバンドを１０ｎｍ以上とし、反射率を９０％以上とするためには、κを２５０ｃｍ^−１以上としなければならない。ストップバンドを１０ｎｍ以上とし、反射率を９５％以上とするためには、κは２５０ｃｍ^−１では足りず３００ｃｍ^−１程度であれば十分である。

（第２の実施形態）
第１の実施形態では、２つのＤＦＢ領域により位相制御領域を挟んだ構造をした波長可変レーザを用いたが、電流注入により波長が連続的に変化する波長可変レーザであれば、本発明の原理を用い、アサーマルレーザとして用いることが可能である。また、完全なアサーマル化を目的とせず、例えば波長変化がある範囲内におさまれば良いような場合であれば、波長が連続的に変化する波長可変レーザで無くとも、電流注入によって波長が変化する方向が、波長の温度変化を補償する範囲において常に同じであるようなレーザであれば本発明の原理を利用できる。

図６に示すように、第１の実施形態で用いた波長可変レーザの片側のＤＦＢ領域を高反射率の誘電体膜（ＨＲ膜）２１０により置き換えた構造でもよい。ＩｎＰ半導体基板２０１上にＧａＩｎＡｓＰ下部ガイド層２０２、ＧａＩｎＡｓＰ活性層２０３、ＧａＩｎＡｓＰ上部ガイド層２０４、ＩｎＰクラッド２０５が順次積層されており、上部ガイド層２０４とクラッド２０５の間には回折格子が設けられている。ＤＦＢ領域に連続して形成された位相制御領域では、半導体基板２０１上にＧａＩｎＡｓＰコア層２０６、クラッド２０５が積層されている。素子表面には、それぞれの領域の電極として、ＤＦＢ領域上には電極２０７、位相制御領域上には電極２０８が形成されている。ＩｎＰ半導体基板２０１の下部には下部電極２０９が形成されており、それぞれの領域において、下部電極２０９は共通となっている。用いる半導体材料、活性領域の形状、導波路構造などは、第１の実施形態と同様に特に制限はない。

また、例えば、図７に示すように、少なくとも一方が波長選択性を持つ利得を有しない２つの領域、つまり図７で示す例では分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）領域により、利得を有する活性領域を挟み込んだ、いわゆる分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザであっても、ＡＰＣ制御電流を適宜分配することによりアサーマルレーザを実現できる。素子中央部の活性領域においては、ＩｎＰ半導体基板３０１上にＧａＩｎＡｓＰ下部ガイド層３０２、ＧａＩｎＡｓＰ活性層３０３、ＧａＩｎＡｓＰ上部ガイド層３０４、ＩｎＰクラッド３０５が順次積層されている。両側のＤＢＲ領域では、ＩｎＰ半導体基板３０１上にコア層３０６とクラッド３０５が順次積層されており、コア層３０６とクラッド３０５の間には回折格子が設けられている。素子表面には、それぞれの領域の電極として、活性領域上には電極３０７、ＤＢＲ領域上には電極３０８ａおよび３０８ｂが形成されている。ＩｎＰ半導体基板３０１の下部には下部電極３０９が形成されており、それぞれの領域において、下部電極３０９は共通となっている。

用いる半導体材料、活性領域の形状、導波路構造などは、第１の実施形態と同様に特に制限はない。ＤＢＲ型波長可変レーザの場合、光出力は活性領域に流すＩ_ａｃｔにより変化し、波長はＩ_ＤＢＲにより変化する。したがって、第１の実施形態で述べたＤＦＢ型波長可変レーザをＤＢＲ型波長可変レーザに置き換える場合、Ｉ_ＤＦＢをＩ_ａｃｔに、Ｉ_{Ｐｈａｓｅ}をＩ_ＤＢＲに置き換えればよい。

なお、図６や図７の構成の半導体レーザ素子を、図４の半導体レーザ素子として用いれば、第１の実施形態と同様に動作させることができる。

さらに、従来の技術の項で説明したＴＴＧ−ＤＦＢレーザなども本発明の波長可変レーザとして用いることができる。

（第３の実施形態）
第１および第２の実施形態では、波長の温度変化を打ち消す方向に電流分配している、すなわち、素子の温度上昇による波長変化を低減させるように電流分配を行っている。本実施形態では、これに限定されず、波長の温度変化を増加させるように、すなわち、素子の温度上昇による波長変化を大きくするように電流分配してもよい。

そのためには、波長可変レーザの波長制御電流に対して波長が長波長側に変化するようにするか、電流分配回路により、電圧が上がった場合に電流が低減するようにすればよい。電圧上昇に伴って電流値が逆向きに変化するには、例えば共鳴トンネルダイオードなどを回路に含め、負性抵抗を用いてもよい。

例えば、利得の温度変化は屈折率の温度変化に比べて大きな変化率を持つ。利得が最も大きな波長において発振を起こすことが最も効率が良いが、温度変化により、屈折率により決まる発振波長と、利得のピーク波長との間の差が変化する。そのため、ＤＦＢレーザなどの単一モード半導体レーザでは、室温における発振波長を利得のピーク波長からずらしておくなど、温度変化した際に利得ピークとの差が変化することを踏まえた設計をしている。そこで、本実施形態を用い、温度による波長変化をさらに大きくすることにより、発振波長の温度変化と利得の温度変化が同じになるようにし、常に利得ピーク波長で発振するように設定したり、一定の差を保った状態で動作させたりするように設定すれば、安定した効率の良い動作が得られることになる。

上述した、本発明の一実施形態に係る半導体レーザの発振波長の温度無依存化方法を用いれば、新しい半導体材料や、半導体以外の材料と組み合わせることなく、これまでに加工技術が確立されている半導体のみを用い、発振波長測定や温度測定をすることなく、発振波長が温度変化に対して安定な半導体レーザを提供することができる。また、光通信用光源などにおける発振波長が安定であることが必要な場合であっても温度調整機構を必要としない半導体レーザ装置を得ることができる。さらには、電流分配量の変更などにより発振波長の温度依存性を任意に変更することができるため、例えば、温度変化による発振波長と利得ピーク波長との乖離を低減し、効率のよい発振動作を得ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの断面図である。 本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの動作を説明する図である。 本発明の一実施形態に係るＡＰＣ動作を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る、波長安定化のためのシステムを説明する図である。 本発明の一実施形態に係る、結合係数に対するストップバンド幅と反射率を説明する図である。 本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの断面図である。 本発明の一実施形態に係る波長可変レーザの断面図である。

符号の説明

１０１，２０１，３０１ 半導体基板
１０２，２０２，３０２ 下部ガイド層
１０３，２０３，３０３ 活性層
１０４，２０４，３０４ 上部ガイド層
１０５，２０５，３０５ クラッド
１０６，２０６，３０６ コア層
１０７ａ，１０７ｂ，２０７ ＤＦＢ領域電極
１０８，２０８ 位相制御領域電極
３０７ 活性領域電流
３０７ａ，３０７ｂ ＤＦＢ領域電極
１０９，２０９，３０９ 下部電極
２１０ 高反射膜（ＨＲ膜）

Claims (6)

1. 第１の電極が形成され、利得を調整する利得領域と、第２の電極が形成され、そこを通過する光の波長を調整する波長制御領域とを少なくとも１つ以上ずつ有し、前記第２の電極を介して前記波長制御領域に第２の電流が注入されることによって波長が変化する波長可変レーザと、
   前記波長可変レーザの光出力を受光する受光部と、
   前記波長可変レーザの光出力をほぼ一定に保つように、前記受光部により受光された光出力に応じて、前記波長可変レーザに注入する注入電流の値を決定し、前記注入電流を出力する光出力制御回路と、
   前記注入電流が入力されると、前記波長制御領域における強め合う干渉を起こす波長をほぼ一定に保つように前記注入電流の値を一定の割合で分配することにより、前記利得領域に形成された第１の電極および前記波長制御領域に形成された第２の電極へとそれぞれ出力する第１の電流および前記第２の電流の値を決定する電流分配回路と
   を備えることを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 前記電流分配回路は、前記波長可変レーザの温度上昇による波長変化を低減させるように、前記注入電流の値を分配することにより、前記利得領域および前記波長制御領域へとそれぞれ出力する第１の電流および前記第２の電流の値を決定することを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ装置。
3. 前記利得領域または前記波長制御領域のいずれか一方は、回折格子を有す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装置。
4. 前記回折格子の結合係数は、１５０ｃｍ^−１以上であることを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ装置。
5. 前記電流分配回路は、前記波長可変レーザの素子抵抗の１０倍以上の抵抗を有する抵抗素子を備え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半導体レーザ装置。
6. 第１の電極が形成され、利得を調整する利得領域と、第２の電極が形成され、そこを通過する光の波長を調整する波長制御領域とを少なくとも１つ以上ずつ有し、前記第２の電極を介して前記波長制御領域に第２の電流が注入されることによって波長が変化する波長可変レーザの光出力を受光する受光工程と、
   前記波長可変レーザの光出力をほぼ一定に保つように、前記受光された光出力に応じて、前記波長可変レーザに注入する注入電流の値を決定し、前記注入電流を出力する第１の決定工程と、
   前記注入電流が入力されると、前記波長制御領域における強め合う干渉を起こす波長をほぼ一定に保つように前記注入電流の値を一定の割合で分配することにより、前記利得領域および前記波長制御領域へとそれぞれ出力する第１の電流および前記第２の電流の値を決定する第２の決定工程と
   を有することを特徴とする波長制御方法。

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