JP4787207B2

JP4787207B2 - 半導体レーザ

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Publication number: JP4787207B2
Application number: JP2007131197A
Authority: JP
Inventors: 伸浩布谷; 泰夫柴田; 宏泰馬渡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-05-17
Filing date: 2007-05-17
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2027-05-17
Also published as: JP2008288352A

Description

本発明は、半導体レーザに関する。

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（λＢ）が下記式（１）に示す、
ｍλＢ＝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、半導体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、下記特許文献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、下記特許文献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１つの方法として、例えば、下記特許文献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、下記特許文献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、下記特許文献２，３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な半導体レーザが多数開発されている。例えば、下記特許文献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。

このような波長可変な半導体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、ｔｗｉｎ−ｇｕｉｄｅ（ＴＴＧ）ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｅｅｄｂａｃｋ（ＤＦＢ）ｌａｓｅｒといった波長可変な半導体レーザなどがある。下記特許文献５では、分布活性ＤＦＢレーザが報告されている。

波長が連続的に変化するレーザを用いた温度変化による波長変化を抑える波長制御技術として、下記特許文献６では、レーザの出力を一定に保つための帰還電流を、電流分配回路を用いて適当な割合で分割し、利得領域と波長制御領域に入力する方法が記述されている。

下記特許文献６では、以下に述べる波長可変な半導体レーザを例として、波長制御を行う方法が記載されている。図６は、利得を有し、高結合係数の回折格子５３を備えた第１、第２のＤＦＢ領域５０，５１の間に、利得を持たない非活性層からなる位相シフト領域５２を持つ波長可変な半導体レーザの光導波路方向での断面図である。

この従来の半導体レーザ５は半導体基板５４上に、下部ガイド層５５、活性層５６、上部ガイド層５７、クラッド５８が順次積層されている。また、上部ガイド層５７とクラッド５８との間には回折格子５３が形成されている。半導体基板５４の下部には下部電極５９が形成されており、この下部電極５９は第１および第２のＤＦＢ領域５０，５１並びに位相シフト領域５２において共通となっている。なお、下部電極２３は接地されている。

この従来の半導体レーザ５は、第１および第２のＤＦＢ領域５０，５１に電極６０から電流Ｉ_DFBを注入することにより、活性層１５において利得が生じ発振状態に至る。また、位相シフト領域５２に電極６１から注入する制御電流Ｉ_phaseを調整することにより、位相シフト領域５２の屈折率を変化させ、波長を変化させることができる。

位相シフト領域５２に電流を注入するとキャリアプラズマ効果により位相シフト領域５２の屈折率は低下するため、共振器の有効共振器長が短くなることに相当し、発振波長は短波長にシフトする。第１、第２のＤＦＢ領域５０，５１の高結合係数の回折格子５３は、反射帯域（ストップバンド）を拡大し、波長変化時にも反射率を大きく保つことができる。この従来の半導体レーザ５の場合、発振波長は、ストップバンド内で位相シフト量により変化することになる。

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号公報特許３２３７７３３号公報特開２００６−３３２３７５号公報

しかしながら、半導体レーザに用いる新しい半導体材料を開発することは、結晶成長や素子形成上の理由等から非常に困難である。
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、製作方法が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製作方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、半導体レーザと半導体以外の材料との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、半導体のみで製作した半導体レーザよりもプロセスが煩雑になる。

また、電流を電流分配回路を用いて適当な割合に分割し、この分割した電流を利得領域と波長制御領域に入力する方法の場合、出力を一定に保つ帰還回路とは別に、電流分配のための回路が必要になるという問題がある。

本発明は、これらの問題点に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を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る半導体レーザは、
少なくとも一つ以上の利得を得るための活性領域である利得領域と、
少なくとも一つ以上の発振波長を調整するための位相制御領域と
を直列に接続して集積した導波路を備える半導体レーザであって、
前記利得領域上に電流を注入するための第一の電極と、
抵抗により構成されたバイパス手段を介して半導体レーザ下部の下部電極と接続されているか、又は接地されている前記位相制御領域上の第二の電極とを備え、
前記第一の電極から前記利得領域へ注入した電流の一部が前記位相制御領域にも流入する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る半導体レーザは、第１の発明に係る半導体レーザにおいて、
前記第一の電極が前記位相制御領域上に延設される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る半導体レーザは、第１の発明又は第２の発明に係る半導体レーザにおいて、
前記第一の電極から注入する電流により発光波長と出力を制御する
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る半導体レーザは、第１から第３のいずれかひとつの発明に係る半導体レーザにおいて、
前記バイパス手段が、抵抗以外の素子又は抵抗と抵抗以外の素子との組合せによる回路により構成される
ことを特徴とする。

上記の課題を解決するための第５の発明に係る半導体レーザは、
第１の発明から第４の発明のいずれかひとつの発明に係る半導体レーザにおいて、前記光導波路に、さらにルテニウムをドーピングした半絶縁性の電流ブロック層を備える
ことを特徴とする。

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、本発明に係る半導体レーザの各種の実施形態について図１から図７を用いて説明する。なお、図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図、図２は第１の実施形態に係る半導体レーザにおいて、温度をＴ0からＴ2まで変化させたときに、素子の発光波長と出力が一定になるように変化させたＩDFBとＩphaseを示した図、図３は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図、図４は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図、図５は本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図、図６は従来の半導体レーザの光導波路方向での断面図、図７は従来の半導体レーザの電流−光出力特性を示した図である。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図である。図６に示す従来の半導体レーザ５では、利得領域である第１および第２のＤＦＢ領域５０，５１と、波長制御を行う位相シフト領域５２上に、電極６０，６１がそれぞれ別々に設けられていたが、図１示す本実施形態に係る半導体レーザ１では、位相シフト領域１９上の電極を無くし、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２上の電極２１，２２を位相シフト領域１９上にまで延ばして設置している。

以下、本実施形態に係る半導体レーザ１の構造について詳細に説明する。半導体レーザ１の両側部の第１の分布帰還（ＤＦＢ）領域１１および第２の分布帰還（ＤＦＢ）領域１２においては、ＩｎＰにより形成された半導体基板１３上に、ＧａＩｎＡｓＰにより形成された下部ガイド層１４、ＧａＩｎＡｓＰにより形成された活性層１５、ＧａＩｎＡｓＰにより形成された上部ガイド層１６、ＩｎＰにより形成されたクラッド１７が順次積層されている。また、上部ガイド層１６とクラッド１７との間には回折格子１８が形成されている。なお、本実施形態では、活性層１５は、波長１．５５μｍの光に対して利得を持つＧａＩｎＡｓＰにより形成した。また、本実施形態では、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２の回折格子１８の結合係数は３００ｃｍ^-1程度である。

半導体レーザ１中央部の位相シフト領域１９（位相制御領域とも呼ぶ）では、半導体基板１３上にＧａＩｎＡｓＰにより形成された非活性層２０、クラッド１７が積層されている。なお、本実施形態では、非活性層２０は、バンドギャップ波長１．４μｍのＧａＩｎＡｓＰにより形成した。

本実施形態に係る半導体レーザ１では、位相シフト領域１９は第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２により挟まれるように形成されており、位相シフト領域１９と第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２とは連続に形成されている。ここで、第１のＤＦＢ領域１１の長さをＬ_DFB1、第２のＤＦＢ領域１２の長さをＬ_DFB2、位相シフト領域１９の長さはＬ_shiftとする。なお、本実施形態では、Ｌ_DFB1およびＬ_DFB2は５０μｍ、Ｌ_shiftは１５μｍ程度である。

半導体レーザ１の第１および第２ＤＦＢ領域１１，１２の上面には、電極２１，２２が形成されている。第１のＤＦＢ領域上１１の電極２１は、幅ｄ１だけ位相シフト領域１９上へ延びて設置されており、第２のＤＦＢ領域１２上の電極２２は、幅ｄ２だけ位相シフト領域１９上へ伸びて設置されている。ここで、これら両電極２１，２２の間隔はＷとする。

ＩｎＰにより形成された半導体基板１３の下部には下部電極２３が形成されており、この下部電極２３は第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２並びに位相シフト領域１９において共通となっている。なお、下部電極２３は接地されている。

本実施形態に係る半導体レーザ１に用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く、これら以外にも、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材料について適用することが可能である。

また、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（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒｂｅａｍｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃｃｈｅｍｉｃａｌｖａｐｅｒｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法を適用することが可能である。

また、活性層１５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。また、下部ガイド層１４および上部ガイド層１６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呼ばれるが、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。

また、導波路構造についても、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構造を適用することが可能である。なお、半絶縁埋め込み構造の場合、ＦｅやＲｕ（ルテニウム）などをドーピングすることによって半絶縁体が得られる。これにより、半絶縁性の電流ブロック層を備える半導体導波路素子を得ることができる。ここで、Ｆｅをドーピングする場合、ｐ型ドーパントのＺｎと相互拡散が問題となるが、Ｒｕを用いることで相互拡散を抑制できるので、設計時に期待した通りの性能を得ることが可能となり、変調特性などを向上させることが可能となる。

位相制御領域１９のコア層の形成方法に関しても特に制約は無く、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２が位相シフト領域１９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パ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等の方法を適用することが可能である。

図１では、回折格子１８が活性層１５の上部の上部ガイド層１６に形成されているが、活性層１５の下部の下部ガイド層１４と半導体基板１３との境界に形成したりしても良く、活性層１５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１は、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２に電流Ｉ_DFBを注入することにより、活性層１５において利得が生じ発振状態に至る。第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２には回折格子１８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、半導体レーザ１の両側部の第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２に反射した光の位相が合う波長で光が強め合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。

第１のＤＦＢ領域１１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１２からの、ストップバンドの波長域を有する第２の光とが、位相シフト領域１９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、位相シフト領域１９の長さ、すなわち、ＧａＩｎＡｓＰコア層の光路長によって制御できる。この光路長は、ＧａＩｎＡｓＰコア層の屈折率により制御することができる。

図６に示す従来の半導体レーザ５においては、位相シフト領域５２に注入する制御電流Ｉ_phaseを調整することにより位相シフト領域５２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している。

一方、図１に示す本実施形態に係る半導体レーザ１においては、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２に電極２１，２２が形成されており、これら電極２１，２２が位相シフト領域１９上に延びて設置されているため、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２へ注入した電流の一部が位相シフト領域へ漏れる構造となっている。従って、Ｉ_DFBを増加させると、位相シフト領域１９への電流量も増加することになる。

ここで、半導体レーザのアサーマル動作について説明する。周囲の環境変化および半導体レーザ自体の発熱により半導体レーザ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に示した本実施形態に係る半導体レーザ１においては、温度上昇によって第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２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。

本実施形態に係る半導体レーザ１では、１ｍＷ程度の光出力を得るために、室温でＩ_DFBを５０ｍＡ程度とする。光出力を１ｍＷ程度に保つように電流を調整すると、一般的な半導体レーザの発振波長では０．１ｎｍ／℃程度の温度依存性があるが、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２上の電極２１，２２を位相シフト領域１９上に延設してｄ１およびｄ２を５μｍ程度とした本実施形態に係る半導体レーザ１では、発振波長の温度依存性を０．０５ｎｍ／℃程度に低減することができた。

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。図７は半導体レーザの電流−光出力特性を示した図である。図７に示す電流−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（Ａｕｔｏｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌ）動作の場合、Ｔ₀，Ｔ₁，Ｔ₂と温度上昇するにしたがって必要な電流値はＩ₀，Ｉ₁，Ｉ₂と増加することになる。

ＡＰＣ動作の場合、半導体レーザ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半導体レーザヘ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に流す電流に帰還をかける。

このとき、図１に示す本実施形態に係る半導体レーザ１を用いることにより、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２への電流が増えると同時に位相シフト領域１９への漏れ電流も増加するため、位相シフト量も変化し、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、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２から位相シフト領域１９にはみ出した電極の長さｄ１およびｄ２を調整して、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２と位相シフト領域１９とに流れる電流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。

位相シフト領域１９の屈折率変化が最も大きくなるのは、位相シフト領域１９に流れる電流が最も大きいときで、ｄ１およびｄ２の和がちょうど位相シフト領域と同じ長さＬ_shiftになるときである。つまり、両電極２１，２２の間隔Ｗが０になるときである。また、逆に、位相シフト領域１９の屈折率変化をあまり大きくしなくても良いときには、ｄ１およびｄ２を短くし、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２上から位相シフト領域１９上へのはみ出し量を小さくすればよい。

単純には下記式（２）に示す、
０≦Ｗ≦Ｌ_shift ・・・（２）
の範囲内でＷの値を適切に定めることで、Ｉ_DFBの増加量に対する位相シフト量を設定することができる。実際には、ｄ１およびｄ２が負の値、すなわち、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２の領域長よりも短い電極２１，２２を備えていた場合であっても、電流量は小さいが漏れ電流が発生するため、位相シフト量をほとんど無くしたい場合には、ｄ１およびｄ２を負の値とすることが必要である。

いずれにせよ、位相シフト領域１９へ電流を注入するための独立した機構を備えず、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２に注入する電流の一部が位相シフト領域１９へも注入されることが特徴である。

ここで、本実施形態における第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２に流れるＩ_DFBと位相シフト領域に流れるＩ_phaseの温度依存性について説明する。この温度依存性を測定するために、図１に示す本実施形態に係る半導体レーザ１における位相シフト領域１９の電極２１，２２の幅ｄ１とｄ２とを合わせた電極幅Ｄ（＝ｄ１＋ｄ２）を位相シフト領域１９に有する半導体レーザ（図６の従来の半導体レーザに相当）を用意した。

図２は、温度をＴ₀からＴ₂まで変化させたときに、半導体レーザの発光波長と出力が一定になるように変化させたＩ_DFBとＩ_phaseを示した図である。Ｔ₁からＴ₂の広範囲の温度においてＩ_DFBとＩ_phaseが一定の比率（Ｉ_DFB／Ｉ_phase）をもって変化することがわかる。Ｉ_DFBとＩ_phaseは第１および第２のＤＦＢ領域５０，５１（図６参照）の電極６０の面積と位相シフト領域５２（図６参照）の電極６１の面積に依存する。

したがって、図１の素子において、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２上の電極２１，２２の面積（すなわち電極幅）と位相シフト領域１９上の電極２１，２２の面積（すなわち電極幅ｄ１＋ｄ２）の比率が上述の一定の比率（Ｉ_DFB／Ｉ_phase）となるように決定すれば、位相シフト領域１９に延設した第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２上の電極２１，２２のみによって温度変化に対する半導体レーザ１の発光波長と出力を一定に制御することが可能であることがわかる。

本実施形態に係る半導体レーザ１によれば、通信においてよく用いられるＡＰＣ動作を行うだけで、波長の安定化も同時に行うことができる。このため、従来の半導体レーザのように電流分岐のための新たな外部回路なども必要なく、外見上はＤＦＢ領域への電流注入を行うだけでよい。

また、図６に示す従来の半導体レーザ５では、Ｉ_DFBとＩ_phaseを独立して注入することを想定しているため、通常は第１および第２のＤＦＢ領域５０，５１と位相シフト領域５２との間の相互漏れ電流を抑制するために分離溝を形成する。これに対し、本実施形態に係る半導体レーザ１では、Ｉ_DFBが位相シフト領域１９に漏れることを利用しているので、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２と位相シフト領域１９の間に分離溝を形成する必要がなく、製作工程の簡素化にもなる。

また、従来の半導体レーザでは、温度を一定に保つためには、通常はペルチェ素子などを用いるが、本実施形態に係る半導体レーザ１では温度を一定にする必要もないため、ペルチェ素子等を導入しなくともよく、費用削減を図ることが可能となる。

さらに、本実施形態に係る半導体レーザ１は、素子自体の劣化による動作電流上昇時の発熱による発振波長の長波長化を補償することにも適用可能である。半導体レーザ１の使用により素子自体が劣化すると、使用初期と同じ出力を得るためには動作電流が上昇することになるが、動作電流の増加により発熱量も増加するため、熱により屈折率が上昇し発振波長が長波長化する。

このような場合、本実施形態に係る半導体レーザ１において、Ｉ_DFBの増加時には、同時に位相シフト領域１９への電流も増加するため、発振波長が短波長化し、発熱による長波長化を打ち消す方向に働く。すなわち、従来の半導体レーザに比べて、素子自体の劣化による波長の長波長化を抑制することが可能となる。

なお、本実施形態に係る半導体レーザ１では、実効共振器長、つまり、回折格子１８の有効長と位相シフト領域１８長の和の逆数で決まる縦モードが、ストップバンド内に２個以下となるような縦モード間隔になるように設定する。このようにすれば、ストップバンド内に１つしか縦モードが無ければ単一モード発振になるが、縦モードがストップバンド内に２つある場合であってもストップバンド幅程度のモード間隔があれば、バランスによってどちらかが選択され単一モードとなるために使用することができる。なお、縦モード間隔は、位相シフト領域１９長を短くすると広くすることができるが、屈折率と長さの積である光学長を大きく変化させるためには、位相シフト領域１９長が長い方が良い。

さらに、ストップバンドの幅を広くすることで波長可変幅、すなわち温度補償範囲を広げることができる。本実施形態では、結合係数３００ｃｍ^-1の回折格子１８を用いることでストップバンドを広げており、この場合、Ｌ_shiftはおよそ３０μｍ以下であれば良い。また、波長可変幅が狭くても良い場合、例えば、５、６ｎｍ程度のストップバンド幅で良い場合、２００ｃｍ^-1程度の回折格子１８で十分であり、その場合であれば、Ｌ_shiftの長さも５０μｍ程度まで伸ばすことができる。

〔第２の実施形態〕
図３は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図である。図３に示す第２の実施形態は第１の実施形態の半導休レーザ素子１０の位相シフト領域部分で高反射膜２４により折り返した構造となっており、ＤＦＢ領域２５と位相シフト領域１９から構成される。ＤＦＢ領域２５は主に電流注入により利得を生じさせる。位相シフト領域１９では、電流注入により主に波長が変化する。

ＤＦＢ領域２５上の電極２６は位相シフト領域１９上に延設されており、ＤＦＢ領域２５に流す電流の一部が位相シフト領域１９に流入するようになっている。なお、本実施形態に係る半導休レーザ素子２は、層構造等については第１の実施形態と同様であるためここでの説明は省略する。なお、本実施形態では、Ｌ_DFBは１００μｍ程度、Ｌ_shiftは２０μｍ程度、回折格子１８の結合係数は２００ｃｍ^-1程度、高反射膜２４の反射率は９５％程度、ｄは７μｍ程度とした。

本実施形態に係る半導休レーザ素子２のように、利得を生じさせる領域と発振波長を調整する領域とが直列に接続された波長可変な半導体レーザであれば、本実施形態を適用することが可能である。

〔第３の実施形態〕
図４は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図である。図４に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ３は、分布活性ＤＦＢレーザと呼ばれる波長可変な半導体レーザの基本構造を有しており、利得を持つ活性導波路２７と利得を持たない非活性導波路２８とが直列に交互に複数接続された構造となっている。

活性導波路２７および非活性導波路２８の下部には下部クラッド層２９が、活性導波路２７および非活性導波路２８の上部には上部クラッド層３０が形成されている。活性導波路２７上方の上部クラッド層３０の上部には電極３１が設置されている。下部クラッド層２９の下部には下部電極２３が形成されている。なお、下部電極２３は接地されている。

本実施形態に係る半導体レーザ３は、活性導波路２７と非活性導波路２８に独立に電流Ｉ_aを注入する構造となっており、活性導波路２７への電流注入により利得を生じさせ、非活性導波路２８への電流注入で波長を制御する。つまり、役割としては、第１の実施形態で用いた半導体レーザ１における第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２（図１参照）が活性導波路２７に相当し、位相シフト領域１９（図１参照）が非活性導波路２８に相当する。なお、分布活性ＤＦＢレーザにおいても、温度上昇により発振波長が長波長側に移動するが、非活性導波路２８への電流注入により短波長側に発振波長が移動する。

図４に示す本実施形態に係る半導体レーザ３では、活性導波路２７も非活性導波路２８もバルク構造を用いているが、活性導波路部２７は第１の実施形態の第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２と同様、非活性導波路２８は第１の実施形態の位相シフト領域１９と同様に、量子井戸構造を用いるなどしても良い。

図４に示す第３の実施形態に係る半導体レーザ３では、第１の実施形態と同様に活性導波路２７上の電極３１を非活性導波路２８上に延長し、活性導波路２７への電流の一部が非活性導波路２８へも流れるようになっている。これにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

分布活性ＤＦＢレーザには、本実施形態に係る半導体レーザ３のように、回折格子を活性導波路２７と非活性導波路２８の全てに渡って形成したものの他に、一部のみに周期的に形成するサンプル回折格子を用いたものなどがある。また、本実施形態では、活性導波路２７の長さをＬ_a、非活性導波路２８の長さをＬ_t、合計長をＬ（＝Ｌ_a＋Ｌ_t）として、各長さを変えずに複数回繰り返し直列に接続しているが、Ｌ_aとＬ_tの比を保ったままＬを変えた分布活性ＤＦＢレーザなども存在する。

これらの分布活性ＤＦＢレーザにおいても、本実施形態のように、活性導波路２７上の電極２９を非活性導波路２８上へ延設することで活性導波路２７から非活性導波路２８への漏れ電流を設定し、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態では、Ｌ_tおよびＬ_aは３５μｍ程度、Ｌは７０μｍ程度、回折格子の結合係数は５０ｃｍ^-1程度、電極３１は、活性導波路２７上から非活性導波路２８上へ１０μｍ程度延ばして設置した。

本実施形態の場合、活性導波路２７と非活性導波路２８との和Ｌの逆数により反射ピーク間隔が決まる。反射ピーク間隔により波長変化量が抑制されるため、反射ピーク間隔をある程度広くする必要がある。このため、Ｌは１５０μｍ以下程度にする必要がある。活性導波路２７の長さＬ_aと非活性導波路２８の長さＬ_tは、割合が一定であれば良く、波長変化量を増やすためにはＬ_tが長い方が良いが、十分な利得を得るためにはＬ_aが長い方が良いため、本実施形態では、割合が１：１となるようにした。

以上、第１から第３の実施形態で説明したように、本発明は利得を発生させる領域と波長を制御する領域とを備えた波長可変な半導体レーザに適用でき、利得を発生させる領域に流す電流を、波長を制御する領域に適当な量の電流が流れるようにする。発振波長が連続で変化する、いわゆるモードホップの無い半導体レーザに適用することにより、高温時や劣化時の波長変化の補償量を予測することが容易になるため望ましいが、モードホップがあったとしても、ある波長範囲内に制御するなどの目的のために、本発明を適用することができる。

〔第４の実施形態〕
図５は本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図である。図５に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ４は、活性導波路２７上の電極３１を非活性導波路２８上に延長し、活性導波路２７への電流の一部が非活性導波路２８へも流れるようになっている。さらに、第３の実施形態に係る半導体レーザ３における非活性導波路２８上にも電極３２を設けた構造となっている。

なお、本実施形態に係る半導休レーザ素子４は、層構造等については第３の実施形態と同様であるためここでの説明は省略する。また、本実施形態では、Ｌ_tおよびＬ_aは４０μｍ程度、Ｌは８０μｍ程度、回折格子の結合係数は３０ｃｍ^-1程度、活性導波路２７上の電極３１は、活性導波路２７上から非活性導波路２８上へ１０μｍ程度延ばして設置し、非活性導波路２８上の電極３２の幅は５μｍ程度とした。

非活性導波路２８上の電極３２は抵抗３３を介して接地された基板下部クラッド２９下部の下部電極２３と接続されている。実際には、下部電極２３と直接接続しなくとも、下部電極２３が接地されている配線上に接続したり、これ以外の方法により接地してもよい。

活性導波路２７に流した電流の一部は非活性導波路２８に漏れるが、その流出量は、活性導波路２７上から非活性導波路２８上への電極３１の延長量や上部クラッド３０の抵抗などによって決定されるため、半導休レーザ素子４製作後に変更することは困難である。このため、本実施形態では、非活性導波路２８上に電極３２を設け、抵抗３３を介して基板下部の下部電極２３と接続されており、活性導波路２７上の電極３１から注入し非活性導波路２８へ流出する電流の一部を、非活性導波路２８に流さずに抵抗３３を介して下部電極２３に流すことが可能となる。

さらに、抵抗３３の抵抗値を変えることにより、非活性導波路２８に流さずに下部電極２３に流す電流量を変えることができる。すなわち、半導休レーザ素子４製作後に活性導波路２８上の電極３１から非活性導波路２８へ流出する電流量を制御することができ、活性導波路２７と非活性導波路２８へ流れる電流の割合を変えることが可能となる。

つまり、非活性導波路２８上の電極３２は、非活性導波路２８に電流を注入するためのものではなく、活性導波路２７上の電極３１から非活性導波路２８へ流れる電流の一部を引き抜くためのものであるということができる。つまり、非活性導波路２８領域に電流を注入することで波長を変化させ、通常の波長可変な半導休レーザ素子４として用いた場合とは電流の流れる方向が逆になっている。

本実施形態における抵抗３３は、０Ωだと下部電極２３と電位が同じとなるため、活性導波路２７上の電極３１から非活性導波路２８領域に漏れる電流の多くを非活性導波路２８に流さずに下部電極２３にバイパスすることができる。逆に、抵抗３３の抵抗値が十分大きい場合、開放と同等になるので、漏れ電流をほとんどバイパスせず、電流が非活性導波路２８に流れることになる。

また、抵抗３３のみではなく、ダイオード、コンデンサおよびコイル等、抵抗３３以外の素子を組み合わせて用いることにより、電流を非活性導波路２８に流さずに、下部電極２３に流す電流量をより細かく調節できるようになる。

本発明は、例えば、半導体レーザの発振波長の温度による変化量の調整に適用することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図温度をＴ₀からＴ₂まで変化させたときに、半導体レーザの発光波長と出力が一定になるように変化させたＩ_DFBとＩ_phaseを示した図本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図従来の半導体レーザの光導波路方向での断面図従来の半導体レーザの電流−光出力特性を示した図

符号の説明

１，２，３，４半導体レーザ
１１第１の分布帰還（ＤＦＢ）領域
１２第２の分布帰還（ＤＦＢ）領域
１３半導体基板
１４下部ガイド層
１５活性層
１６上部ガイド層
１７クラッド
１８回折格子
１９位相シフト領域
２０非活性層
２１，２２電極
２３下部電極
２４高反射膜
２５ＤＦＢ領域
２６電極
２７活性導波路
２８非活性導波路
２９下部クラッド層
３０上部クラッド層
３１，３２電極
３３抵抗

Claims

少なくとも一つ以上の利得を得るための活性領域である利得領域と、
少なくとも一つ以上の発振波長を調整するための位相制御領域と
を直列に接続して集積した導波路を備える半導体レーザであって、
前記利得領域上に電流を注入するための第一の電極と、
抵抗により構成されたバイパス手段を介して半導体レーザ下部の下部電極と接続されているか、又は接地されている前記位相制御領域上の第二の電極とを備え、
前記第一の電極から前記利得領域へ注入した電流の一部が前記位相制御領域にも流入する
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記第一の電極が前記位相制御領域上に延設される
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザにおいて、
前記第一の電極から注入する電流により発光波長と出力を制御する
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１から請求項３のいずれかひとつに記載の半導体レーザにおいて、
前記バイパス手段が、抵抗以外の素子又は抵抗と抵抗以外の素子との組合せによる回路により構成される
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１から請求項４のいずれかひとつに記載の半導体レーザにおいて、
前記導波路に、さらにルテニウムをドーピングした半絶縁性の電流ブロック層を備える
ことを特徴とする半導体レーザ。