JP4985368B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ発信波長が変更可能な、所謂波長可変半導体レーザ装置に関し、特に、光周波数変調に適した波長可変半導体レーザ装置に関する。

光通信の主たる方式としては、光信号の強度を変調（時間的に変化させること）する強度変調方式と、光信号の周波数を変調する光周波数変調方式と、光の位相を変調する光位相変調方式の３種類がある。これらの方式のうち、半導体レーザからなる光源を用いる光送信機には、強度変調方式が広く採用されている。

すなわち、半導体レーザ装置からなる光源を搭載した光送信機で、光周波数変調方式が採用されることは稀である。しかし、光周波数変調方式には、強度変調方式との併用が可能であるという利点がある。光周波数変調方式は、光周波数の変化に伝送すべき情報を担持させる方式であり、光強度は、通常、一定値に保持される。すなわち、光強度の変化には、情報を担持させない。

しかし、光強度の変化にも情報を担持させることにより、光周波数変調方式では、多彩な光伝送が可能になる。すなわち、光信号の光周波数と光強度の双方を変調することによって、光周波数及び光強度の双方に異なった情報を担持させることが可能になり、同時に多彩な情報を伝送できるようになる。

例えば、データの宛先等のラベルを光周波数変調によって光信号に担持させ、一方、受信者に伝えるべきデータは強度変調によって信号光に担持させことによって、同時に２種類の情報を伝送することが可能になる。

光周波数の変調方法としては、レーザ発振している分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザと称する）に注入する電流量を変化させる方法が一般的である。この方法は、ＤＦＢレーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ）における直接変調方式と呼ばれている。この直接変調方式では、光周波数が変調されると同時に、信号光強度も注入電流の変化に合せて変動してしまう。このため、直接変調方式では、特別な補償手段を設けて、光信号の強度を一定にする必要がある。
特許第２７０３６１９号公報 Hiroyuki Ishii et al, "A Tunable Distributed Amplification DFB Laser Diode (TDA-DFB-LD)", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 10, NO. 1, JANUARY 1998, pp 30-32.

（１）波長可変半導体レーザを用いた、光周波数変調ＤＷＤＭシステム
光通信の大容量化のためには、光波長多重方式（ＷＤＭ方式）、特に、６４波長や１２８波長を多重化する高密度光波長多重化方式（ＤＷＤＭ方式）が重要である。このような、ＤＷＤＭ方式において、上記直接変調方式による光周波数変調を実現しようとすると、多重化される波長数と同数のＤＦＢレーザを用意する必要がある。

ＤＦＢレーザのレーザ発振波長（光周波数）は、略一定値に固定されている。光周波数変調は、この一定値を中心として極僅かにレーザ発振波長を変化させることによって実現される。このため、ＤＦＢレーザを用いて光周波数変調を実現しようとすると、多重化される波長（グリッド）全てで、その波長でレーザ発振するＤＦＢレーザを用意しなければならなくなる。

しかし、ＤＷＤＭ方式における波長間隔は、例えば、０．４ｎｍ〜０．８ｎｍと極めて狭い。このような狭い波長間隔で、レーザ発振波長が僅かずつ異なるＤＦＢレーザを、多数用意することは容易ではない。

レーザ発振波長が所望の値になるように設計してＤＦＢレーザを製造しても、完成したＤＦＢレーザのレーザ発振波長は、上記波長間隔より広い範囲でばらつく。このため、ＤＷＤＭ方式に使用される全ての波長（グリッド）でＤＦＢレーザを用意しようとすると、レーザ発振波長がグリッドに一致するように設計されたＤＦＢレーザをグリッド毎に多数製造し、その中から波長が一致するＤＦＢレーザを選別するという困難な作業が必要になる。

この問題を解決する方法としては、例えば、波長可変半導体レーザを複数用意し、夫々の波長を別々のグリッドに一致させた後、出力光を光周波数変調するという方法が考えられる。

波長可変半導体レーザの波長可変範囲は数ｎｍ〜１０ｎｍに及ぶので、波長可変範囲が互いに隣接する波長可変半導体レーザを複数用意することによって、例えば、Ｃバンド（１５２５〜１５６５ｎｍ）のような広波長帯域をカバーすることができる。更に、個々の波長可変半導体レーザのレーザ発振波長を、波長可変範囲内にあるグリッドに一致させることも容易である。

従って、波長可変範囲毎に、当該波長可変範囲内に存在するグリッドと同数の波長可変半導体レーザを用意するだけで、全てのグリッドに対して光源（半導体レーザ装置）を用意することができる。

すなわち、波長可変半導体レーザの波長は変更可能なので、ＤＦＢレーザのように多数の素子を製作し、その中からレーザ発振波長がグリッドに一致した素子を選別するという多大な無駄は生じない。

更に、このような波長可変半導体レーザをＤＷＤＭの光源として使用することによって、チャネルスイッチ等の多彩な機能の実現が可能になる。

但し、既存の波長可変半導体レーザを用いて光周波数変調を行おうとしても、光周波数変調速度が遅いという問題や、波長を変更する際にモードホップが起き易いとい問題がある。

波長可変半導体レーザには幾つかの種類があるが、単一の半導体基板上に形成される波長可変半導体レーザに限れば、その構造は、ＤＦＢレーザ（Distributed feedback Laser）又はＤＢＲレーザ（Distributed Bragg Reflector Laser）を基本構造としている。これらの波長可変半導体レーザには、光共振器内に配置された光導波路の一部に、その光導波層（コア層）の屈折率を変化させるための手段が設けられている。この手段によって光導波層（コア層）の屈折率を変化させると、レーザ発振波長が変化する。

光導波層の屈折率変化に利用される原理は、２つの種類が存在する。この原理の違いによって、波長可変半導体レーザは、電流制御型と電圧制御型に分類することができる。

（２）電流制御型波長可変半導体レーザ
電流制御型波長可変半導体レーザは、光導波層（コア層）の一部（以下、波長制御層と呼ぶ）がレーザ発信波長に対して透明な半導体層で形成されており、この波長制御層に電流が注入されことによって、波長制御層にキャリアが蓄積されるように構成されている。蓄積されたキャリアは、プラズマ効果によって波長制御層の屈折率を低下させ、波長可変半導体レーザのレーザ発振波長を変化させる。

このような電流制御型波長可変半導体レーザで出力光の光周波数を変調するためには、波長制御層に注入する電流を変調すればよい。波長制御層に注入する電流量を変調すると、出力光の波長すなわち光周波数が変調される。

この時の変調速度すなわち変調帯域は、波長制御層に注入されたキャリアの寿命によって決定される。変調帯域は、波長制御層内のキャリア寿命が短いほど広くなる。ところで、波長制御層すなわち半導体光導波路のコア層におけるキャリア寿命は、短くても数ｎｓ程度である。従って、電流制御型波長可変半導体レーザによる光周波数変調の変調帯域は、高々数百ＭＨｚである。

図１９は、代表的な電流制御型波長可変半導体レーザであるＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２（Tunable Distributed Amplification-Distributed Feedback Laser）の、光の伝播方向に沿った断面の一例を説明する図である。図１９には、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２の駆動電源（励起電源３４及び波長制御電源３５）も図示されている（非特許文献１）。

図１９に示すように、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２は、ｎ型のＩｎＰ基板４と、回折格子６の形成されたｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層８と、光導波層（コア層）１２と、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層１４と、コンタクト層１６、利得制御電極１８と、波長制御電極２０と、利得制御電極１８と波長制御電極２０の間に形成されたＳｉＯ_２膜２２によって構成されている。

また、ｎ型のＩｎＰ基板４の裏面には、ｎ側電極（接地電極）２４が形成されている。
そして、利得制御層（活性層）２６をコア層とする複数の利得制御導波路３０と、波長制御層２８をコア層とする複数の波長制御導波路３２が連結され、利得制御層（活性層）２６と波長制御層２８が交互に光学的に接続された光導波層１２をコア層とする光導波路が構成されている。

ここで、利得制御層（活性層）２６は、回折格子６のブラッグ波長（例えば、１．５５μｍ）の近傍に利得のピークを有する、例えば、組成の異なるＧａＩｎＡｓＰによって量子井戸層と障壁層が形成された多重量子井戸（以下、ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸と呼ぶ）によって構成されている。一方、波長制御層２８は、この利得制御層２６よりバンドギャップ波長が短い、例えば、ＧａＩｎＡｓＰバルク層によって構成されている。

また、利得導波路３０上に形成された利得制御電極１８には、利得導波層２６に電流を注入して、利得を発生させる励起電源３４が接続されている。一方、波長制御導波路３２上に形成された波長制御電極２０には、波長制御層２８に電流を注入して、波長制御層２８の屈折率を変化させる波長制御電源３５が接続されている。

次に、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２の動作について説明する。

ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２を動作させるためには、まず、励起電源３４を駆動して、利得制御電極１８を介して利得制御層（活性層）２６に、閾値以上の電流（以下、このような電流を励起電流と呼ぶ）を注入する。

すると、利得制御層（活性層）２６には利得が発生し、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２は、回折格子６の周期によって定まるブラッグ波長（又はその近傍）でレーザ発振する。

次に、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２のレーザ発振波長を変化させる。そのためには、波長制御電源３５を駆動して、波長制御電極２０を介して波長制御層２８に電流を注入する。電流が注入されると、波長制御層２６には自由キャリアが蓄積し、プラズマ効果によってその屈折率が低下する。このため、波長制御光導波路３２の等価屈折率が低下する。

その結果、回折格子６のブラック波長が全体として短波長側に移動（シフト）し、それに伴った、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２のレーザ発振波長も短波長側に移動する。

波長制御層２８の屈折率変化は蓄積された自由キャリア濃度に比例するので、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２の波長のシフト量は、波長制御層２８に注入する電流量によって制御することができる。

このように構成されたＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２に於いてシフト可能な波長変化量は、５ｎｍ乃至１０ｎｍに及ぶ。しかも、波長をシフトしても、レーザ発振波長の跳び即ちモードホップが生じることない。すなわち、波長可変範囲全体に亘って、レーザ発振波長を連続的に変化させることができる。従って、例えば、波長可変範囲幅が５ｎｍのＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２を８種類用意することによって、Ｃバンド（１５２５〜１５６５ｎｍ）の幅４０ｎｍに相当する広い波長範囲をカバーすることができる。

最後に、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２の出力光を、光周波数変調した場合の動作について説明する。

ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子２を光周波数変調するためには、波長制御層２８に注入する電流量を変調する。波長制御層２８に注入する電流量が変調されると、波長制御層２８の屈折率が変調される。その結果、回折格子６のブラック波長が変調され、出力光の波長すなわち光周波数が変調される。

この時の変調帯域は、波長制御層２８に注入されたキャリアの寿命によって決定される。波長制御層２８内のキャリア寿命は、短くても数ｎｓ程度である。従って、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子の光周波数変調帯域（以下、光ＦＭ帯域と呼ぶ）は、高々数百ＭＨｚである。

ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子以外の電流制御型波長可変半導体レーザ素子でも、光周波数変調を行うためには、波長制御層に注入する電流量を変調することになる。従って、上記光ＦＭ帯域（１ＧＨｚ以上）は、全ての電流制御型の波長可変半導体レーザ素子に共通する。

一方、高速光伝送には、１ＧＨｚ以上の変調速度が要求される。

従って、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子等の電流制御型の波長可変半導体レーザ素子によっては、光周波数変調によって、１ＧＨｚ以上の高速光伝送を実現することができない。

（３）電圧制御型波長可変半導体レーザ
電圧制御型の波長可変半導体レーザは、光導波層（コア層）の一部（以下、波長制御層と呼ぶ）がレーザ発信波長に対して透明な半導体層で形成されており、この波長制御層に電圧が印加されることによって、その光吸収端が長波長側にシフトするように構成されている。波長制御層の光吸収端がシフトすると、屈折率も変化する（以下、電界効果と呼ぶ）。その結果、波長制御層の屈折率が変化し、波長可変半導体レーザのレーザ発振波長が変化する。

電圧制御型波長可変半導体レーザの出力光の光周波数を変調するためには、波長制御層に印加する電圧を変調すればよい。波長制御層に印加する電圧を変調すると、出力光の波長すなわち光周波数が変調される。

電界効果による屈折率変化は、極めて高速な物理現象である。従って、電圧制御型波長可変半導体レーザの変調帯域は、波長制御層に印加可能な電界の周波数帯域によって律せられる。

マイクロ波ストリップライン等の高周波部材を利用することにより、半導体レーザ装置に、１ＧＨｚ以上の高周波を印加することは可能である。従って、電圧制御型波長可変半導体レーザの光ＦＭ帯域は、優に数ＧＨｚを超えることができる。

図２０は、代表的な電圧制御型波長可変半導体レーザである多電極ＤＢＲレーザ素子３７の、光の伝播方向に沿った断面を説明する図である（特許文献１）。

図２０に示すように、多電極ＤＢＲレーザ素子３７は、ｎ型のＧａＡｓ基板３６と、ｎ型のＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層３８と、光導波路３９と、ＧａＡｓからなる活性層４０と、上部クラッド層４２と、分布ブラッグ反射鏡４４，４４´（Distributed Bragg Reflector）と、活性層４０に電流Ｉ_ＬＤを注入するための電極４６と、ブラッグ波長を制御するための電極４８と、位相調整部４９に逆方向電界Ｅ_{ｐｈａｓｅ}を印加するための電極５０と、アースに接続される電極５２を備えている。

すなわち、分布ブラッグ反射鏡４４，４４´からなる反射鏡によって構成された光共振器の内部に、活性層４０と位相調整部４９が配置されている。

また、位相調整部４９とその両隣の領域の間には、位相調整部４９を他の領域から電気的に分離するための絶縁溝が形成されている。更に、この溝の底には、酸素イオンの注入によって高抵抗化された高抵抗領域５４が形成されている。

次に、多電極ＤＢＲレーザ素子３７の動作について説明する。

まず、活性層４０に電流Ｉ_ＬＤを注入して、レーザ発振を起こさせる。この時、多電極ＤＢＲレーザ素子３７は、分布ブラッグ反射鏡４４，４４´の反射率のピーク（すなわち、ブラッグ波長）又はその近傍の波長で、且つ一対の分布ブラッグ反射鏡４４，４４´によって構成される光共振器内をレーザ光が往復した時の位相変化（以下、単に位相変化と呼ぶ）が２πｎ（ｎは整数）になるような波長でレーザ発振する。

多電極ＤＢＲレーザ素子３７のレーザ発振波長を変化させるためには、位相調整部４９に逆方向電界Ｅ_{ｐｈａｓｅ}を印加する。逆方向電界Ｅ_{ｐｈａｓｅ}が印加されると、位相調整部４９の屈折率は電界効果により変化する。その結果、上記光共振器の光学長が変化し、位相変化が２πｎ（ｎは整数）となる波長も変化するので、多電極ＤＢＲレーザ素子３７のレーザ発振波長がシフトする。レーザ発振波長は、逆方向電界Ｅ_{ｐｈａｓｅ}に対して連続的に変化する。

但し、分布ブラッグ反射鏡４４，４４´の反射率ピークからのレーザ発振波長のズレが大きくなると、位相変化が２π（ｎ＋１）又は２π（ｎ−１）を満たす波長の方が、位相変化が２πｎを満たす波長より、分布ブラッグ反射鏡４４，４４´における損失が小さくなる。このような場合、位相変化が２πｎとなる波長から、位相変化が２π（ｎ＋１）又は２π（ｎ−１）となる波長に、レーザ発振波長が突然変化する所謂モードホップが起こる。

このようなモードホップを防止するため、多電極ＤＢＲレーザ素子３７では、分布ブラッグ反射鏡４４，４４´に電流Ｉ_ｔｕｎｅを注入して、分布ブラッグ反射鏡４４，４４´のブラッグ波長を適宜シフトさせている。すなわち、多電極ＤＢＲレーザ素子３７では、電流Ｉ_ｔｕｎｅを調整して、位相変化が２πｎを満たす波長の近傍に、ブラック波長を常にシフトさせて、モードホップを防止している。

このような電圧制御型波長可変半導体レーザにおいて出力光の光周波数を変調するためには、電極５０に印加する逆方向電界Ｅ_{ｐｈａｓｅ}を変調すればよい。逆方向電界Ｅ_{ｐｈａｓｅ}を変調すると、出力光の波長すなわち光周波数が変調される。

この時の変調速度すなわち変調帯域は、波長制御層に印加可能な電圧の周波数帯域によって律せられる。通常、半導体レーザ装置には、数ＧＨｚ以上の高周波の印加が可能である。従って、電圧制御型波長可変半導体レーザの光ＦＭ帯域は、優に数ＧＨｚを超える。

多電極ＤＢＲレーザ素子以外の電圧制御型の波長可変半導体レーザ素子でも、光周波数変調を行うためには、光共振器内に配置された光導波路の一部（例えば、位相調整部４９）に印加する電界強度（電圧）を変調することになる。従って、上記光ＦＭ帯域（１ＧＨｚ以上）は、全ての電圧制御型波長可変半導体レーザ素子に共通する。

すなわち、電圧制御型の波長可変半導体レーザ素子によれば、容易に数ＧＨｚの光周波数変調が可能になる。

電界効果による屈折率変化は、光の吸収端近傍では大きな値になる。しかし、光導波路を伝播する光の波長として好ましい、光吸収端から十分に離れた波長では、電界効果による屈折率変化は、プラズマ効果による屈折率変化の約十分の一にしかならない。

このため、数ｎｍに及ぶ波長可変範囲を確保するためには、逆方向電界Ｅ_{ｐｈａｓｅ}を印加する領域すなわち位相調整部４９を長くして、位相調整部４９による位相変化を大きくする必要がある。この場合、多電極ＤＢＲレーザ３７の共振器長は、必然的に長くなる。

しかし、共振器長が長くなると、共振器のモード間隔すなわち上記ｎが１だけ異なる波長の間隔が狭くなる。このためモードホップが起こりやすくなり、レーザ発振波長を制御することが困難になる。すなわち、電圧制御型波長可変半導体レーザは、モードホップを起こしやすいという問題を抱えている。

尚、上記問題を解決しようとして、位相調整部４９の光吸収端をレーザ発振波長に近づけて、電界効果による屈折率変化を大きくしようとすると、レーザ共振器の損失が大きくなってしまう。その結果、発振閾値や発光効率等が劣化するので、位相調整部４９の光吸収端をレーザ発振波長近傍に設定することは困難である。

（３）課 題
そこで、本発明の目的は、高速変調が可能で且つモードホップを起こしにくい、光周波数変調用の波長可変半導体レーザを提供することである。

（第１の発明）
上記の目的を達成するために、本発明の第１の側面は、光利得を発生する活性層を第１のコア層とする第１の光導波路と、複数の第２のコア層の屈折率を変化させることによってレーザ発振波長を変化させる、複数の第２の光導波路からなり、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路が光学的に接続された主光導波路が、光共振器内に配置された半導体レーザ装置において、複数の前記第２のコア層が、注入される電流量が調整されることによって、前記レーザ発振波長を制御する第３のコア層と、印加される電圧が調整されることによって、前記レーザ発振波長を制御する第４のコア層からなることを特徴とする。

本発明の第１の側面によれば、高速変調が可能で且つモードホップを起こしにくい、光周波数変調用の波長可変半導体レーザを提供することができる。

（第２の発明）
本発明の第２の側面は、第１の側面において、前記主導波路を構成する第５のコア層が、複数の前記第１のコア層と複数の前記第３のコア層が、交互に光学的に接続された状態で、複数の前記第１又は前記第３のコア層の何れか一方の一部が、前記第４のコア層で置き換えられてなり、更に、前記第５のコア層に沿って、前記第５のコア層と光学的に結合した回折格子が設けられていることを特徴とする。

本発明の第２の側面によれば、モードホップを起しにくいＤＦＢ型の半導体レーザ装置によって、高速変調が可能で且つモードホップが極めて起こりにくい、光周波数変調用の波長可変半導体レーザを提供することができる。

（第３の発明）
本発明の第３の側面は、第２の側面において、前記第４のコア層からなる第４の光導波路を埋め込む半絶縁性半導体層と、前記第４のコア層に電界を印加するための第１の電極を、隣接する光導波路に形成された第２の電極から電気的に分離する電極分離領域を具備することを特徴とする。

本発明の第３の側面によれば、周波数変調電極への逆バイアス電圧の印加が容易になる。

（第４の発明）
本発明の第４の側面は、第１の側面において、前記光共振器が、両端に配置された分布ブラック反射鏡からなる一対の反射鏡を有し、前記分布ブラック反射鏡の回折格子に沿って設けられ、注入される電流量が調整されることによって、前記分布ブラック反射鏡の反射ピークの波長を制御する第５のコア層を具備した第３の光導波路が、前記主光導波路に光学的に接続されていることを特徴とする。

本発明の第４の側面によれば、共振器長の長尺化によりモードホップを起し易くなるＤＢＲ型の半導体レーザ装置によっても、高速変調が可能で且つモードホップを起こしにくい、光周波数変調用の波長可変半導体レーザを提供することができる。

（第５の発明）
本発明の第５の側面は、第４の側面において、前記第４のコア層からなる第４の光導波路を埋め込む半絶縁性半導体層と、前記第４のコア層に電界を印加するための第１の電極を、隣接する光導波路に形成された第２の電極から電気的に分離する電極分離領域を具備することを特徴とする。

本発明の第５の側面によれば、周波数変調電極への逆バイアス電圧の印加が容易になる。

本発明の光周波数変調用の波長可変半導体レーザでは、極めて高速の物理現象である電界効果を利用して光周波数を変調するので、１ＧＨｚ以上の高速動作が可能である。

更に、本発明では、屈折率変化の大きなプラズマ効果を用いてレーザ発振波長を変化させるので、光周波数変調用の波長可変半導体レーザ（半導体レーザ装置）の共振器長を短くすることができる。従って、光共振器のモード間隔が広くなるので、長尺化によりモードホップを起し易いＤＢＲレーザを基本構造とした場合であっても、モードホップを起しにくい光周波数変調用波長可変半導体レーザを実現することができる。

すなわち、本発明によれば、高速変調が可能で且つモードホップを起しにくい、光周波数変調用の波長可変半導体レーザを提供することができる。

以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。
（実施の形態１）
本実施の形態は、電流制御型の波長可変半導体レーザであって、特に、光周波数変調に適した波長可変半導体レーザ（半導体レーザ装置）に係るものである。

（１）構 成
まず、本実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成について説明する。

図１は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置５６の、光の伝播方向に沿った断面を説明する図である。

図１に示すように、半導体レーザ装置５６は、ｎ型のＩｎＰ基板５８と、（λ/４シフト）回折格子６０の形成されたｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層６２と、光導波層（コア層）６６と、厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層６８と、ＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層７０と、利得制御電極７２と、波長制御電極７４と、周波数変調電極７６によって構成されている。ここで、ｎ型のＩｎＰ基板５８の裏面には、接地電極９６が形成されている。

ここで、光利得を発生する利得制御層（活性層）７８をコア層とする複数の利得制御導波路８０と、（注入される電流量が調整されることによって、レーザ発振波長を制御する）波長制御層８２をコア層とする複数の波長制御導波路８４が光学的に接続された状態で、利得制御導波路８０の一部が、（印加される電圧が調整されることによって、レーザ発振波長を制御する）周波数変調層８６をコア層とする周波数変調導波路８８で置き換えられて、主光導波路９０が構成されている。尚、利得制御導波路８０の一部が周波数変調導波路８８で置き換えられる位置は、半導体レーザ装置５６の中央部（即ち、λ/４シフトを有する回折格子６０の位相シフト付近）である。

ここで、波長制御層８２によって変化可能な波長幅は数ｎｍである。一方、周波数変調層８６によって変化可能な波長幅は、波長制御層８２によって変化可能な波長幅より狭く、高々数ＧＨｚである。

すなわち、利得制御層（活性層）７８と波長制御層８２が交互に光学的に接続され、利得制御層（活性層）７８の一部が周波数変調層８６で置き換えられて光導波層６６が構成され、この光導波層６６をコア層として主光導波路９０が構成されている。尚、周波数変調層８６と置き換えられる層は、波長制御層８２の一部であってもよい。

ここで、主光導波路９０は回折格子６０に光学的に結合しており、主導波路９０を伝播する光は回折格子６０によって摂動すなわち分布帰還を受ける。従って、回折格子６０によって光共振器９４が構成され、その共振器内に主導波路９０が配置されている。

尚、回折格子６０は、所謂λ／４シフト回折格子であり、略中央部で位相シフトしている。

利得制御層（活性層）７８は、厚さ６ｎｍの量子井戸層と厚さ１０ｎｍの障壁層からなるＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸（バンドギャップ波長；１．５５μｍ）によって構成されている。

一方、波長制御導波路層８２は、バンドギャップ波長が１．４５μｍのＧａＩｎＡｓＰバルク層によって構成されている。

また、周波数変調層８６は、厚さ１０ｎｍの量子井戸層と厚さ１０ｎｍの障壁層からなるＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸（バンドギャップ波長；１．４５μｍ）によって構成されている（尚、周波数変調層８６を形成する量子井戸層は、上記活性層の量子井戸層より、バンドギャップ波長が短波長のＧａＩｎＡｓＰで形成されている。）。

利得制御導波路８０、波長制御導波路層８４、及び周波数変調導波路８８の長さは共に３０μｍである。そして、波長制御導波路層８４は、周期的に配置されており、その周期は６０μｍである。

ここで、周波数変調電極７６は、上部クラッド６８に形成された、深さ１μｍの分離溝９２によって、他の電極（波長制御電極７４）から電気的に分離されている。

図２は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置５６の、光の伝播方向に垂直な断面を説明する図である。

上述した下部クラッド層６２、光導波層（コア層）６６、上部クラッド層６８、及びコンタクト層７０からなるメサ構造が、図２に示すように、例えば、ＦｅドープＩｎＰからなる半絶縁性半導体層１１６によって埋め込まれている。ここで主光導波路９０の幅９８は、１．６μｍである。

図３は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置５６を真上から見た構成を説明する平面図である。

利得制御電極７２、波長制御電極７４、及び周波数制御電極７６は、図３に示しように、夫々櫛の歯状に形成されている。櫛の歯状の利得制御電極７２を構成する夫々の歯は、利得制御導波路８０上に形成された夫々のコンタクト層７０に、電気的に接続されている。一方、櫛の歯状の波長制御電極７４を構成する夫々の歯は、波長制御導波路８４上に形成された夫々のコンタクト層７０に電気的に接続されている。また、櫛の歯状の周波数変調電極７６を構成する夫々の歯は、周波数変調導波路８８上に形成された夫々のコンタクト層７０に電気的に接続されている。

すなわち、本実施の形態に係る半導体レーザ装置５６は、光利得を発生する複数の活性層７８を第１のコア層とする複数の第１の光導波路（利得制御導波路８０）と、複数の第２のコア層の屈折率を変化させることによってレーザ発振波長を変化させる、複数の第２の光導波路からなり、上記第１の光導波路（利得制御導波路８０）と上記第２の光導波路が光学的に接続された主光導波路９０が、光共振器９４の内側に配置されている。

そして、複数の前記第２のコア層が、注入される電流量が調整されることによって、前記レーザ発振波長を制御する第３のコア層（波長制御層８２）と、印加される電圧が調整されることによって、前記レーザ発振波長を制御する第４のコア層（周波数変調層８６）から構成されている。

更に、上記主導波路９０を構成する第５のコア層（光導波層６６）が、複数の上記第１のコア層（活性層７８）と複数の上記第３のコア層（波長制御層８２）が、交互に光学的に接続された状態で、複数の上記第１のコア層（活性層７８）の一部が、上記第４のコア層（周波数変調層８６）で置き換えることによって構成されている。

そして、本実施の形態に係る半導体レーザ装置５６には、上記第５のコア層（光導波層６６）に沿って、上記第５のコア層（光導波層６６）と光学的に結合した回折格子６０が設けられている。

また、本実施の形態の半導体レーザ装置５６は、上記第４のコア層（周波数変調層８６）からなる第４の光導波路（周波数変調導波路８８）を埋め込む半絶縁性半導体層１１６と、上記第４のコア層（周波数変調層８６）に電界を印加するための第１の電極（周波数変調電極７６）を、隣接する光導波路に形成された第２の電極（利得制御電極７２）から電気的に分離する電極分離領域（例えば、分離溝９２）を具備している。

従って、周波数変調電極７６が他の電極から電気的に分離されるので、周波数変調電極７６に逆バイアス電圧を印加することが容易になる。

（２）動 作
次に、半導体レーザ装置５６の動作について説明する。

半導体レーザ装置５６を動作させるためには、まず、利得制御電極７２に接続された励起電源（図示せず）を駆動して、利得制御電極７２を介して利得制御層（活性層）７８に、閾値以上の電流（すなわち、励起電流）を注入する。同時に、周波数変調電極７６に接続された周波数変調電源（図示せず）を駆動して、周波数変調電極７６を介して、周波数変調層８６に所定の逆バイアス電圧を印加する。

すると、利得制御層（活性層）７８には利得が発生し、半導体レーザ装置５６は、回折格子６０の周期によって定まるブラッグ波長（又はその近傍）１００でレーザ発振（単一モード発振）を開始する（図４参照）。

図４は、ＤＷＤＭにおけるグリッド１０４（破線で表示）と、実施の形態１における半導体レーザ装置５６のレーザ発振波長１００（実線で表示）の関係を説明する図である。横軸は波長であり、縦軸はレーザ光の強度である。ここで、Ｃバンドにおけるグリッド１０４の間隔１０６は、例えば、０．４０ｎｍ（５０ＧＨｚ）である。

次に、半導体レーザ装置５６のレーザ発振波長１００を変化させて、図４のように、ＤＷＤＭの一の波長（グリッド）１０２に一致させる。

レーザ発振波長を変化させるためには、波長制御電極７４に接続された波長制御電源（図示せず）を駆動して、波長制御電極７４を介して波長制御層８２に電流を注入する。電流が注入されると、波長制御層８２には自由キャリアが蓄積し、プラズマ効果によってその屈折率が低下する。従って、波長制御光導波路８４の等価屈折率が低下する。

その結果、回折格子６０のブラック波長が短波長側に移動（シフト）し、半導体レーザ装置５６のレーザ発振波長１００も短波長側に移動する。

波長制御層８２の屈折率変化はその自由キャリア濃度に比例するので、半導体レーザ装置５６の波長のシフト量は、波長制御層８２に注入する電流量を調整することによって制御することができる。

本実施の形態に係わる半導体レーザ装置５６は、上述したＴＤＡ−ＤＦＢレーザを基本として構成されている。従って、波長シフト量の最大値は、ＴＤＡ−ＤＦＢレーザと同じ、５ｎｍ乃至１０ｎｍに及ぶ。しかも、モードホップを伴わずに、波長がシフトする。すなわち、全波長可変範囲に亘って波長が連続的に変化する。

このような良好な波長制御特性を利用して、本実施の形態に係わる半導体レーザ装置５６では、上記電流量を適宜調整して、所望の一の波長（グリッド１０２）にレーザ発振波長１００を一致させる。

このような状態になった後、半導体レーザ装置５６の出力光を光周波数変調する。光周波数変調ためには、周波数変調導波路８８に印加している、上記所定の逆バイアス電圧に、変調信号を重畳する。すると、周波数変調層８６には、上記所定の逆バイアス電圧に基づく電界Ｅ_０に、上記変調信号に基づく電界ΔＥが重畳された電界Ｅ_０＋ΔＥが印加される。

その結果、周波数変調層８６の屈折率が電界効果により変調され、出力光の波長すなわち光周波数が変調される。

図５は、周波数変調層８６に印加される電界と、その屈折率変化を説明する図である。横軸は、周波数変調層８６に印加される電界の強度である。一方、縦軸は、電界がゼロの場合を基準とした、周波数変調層８６の屈折率の変化である。

電界の印加による屈折率変化（電界効果）は、図５に示すように、電界強度に対して略２次関数（すなわち、放物線的）になる。図５のように、予め印加しておいた電界Ｅ_０に、微小電界ΔＥを重畳することによって、屈折率を変調する。

この屈折率変化Δｎによって、所定のグリッドに一致しているレーザ発振波長１０２は、僅かにシフトする。そのシフト量１０８は、グリッド間隔１０６より十分小さく、高々０．０８ｎｍ（１０ＧＨｚ）程度である（図４参照）。尚、微小電界ΔＥの符号を逆向きにすると、レーザ発振波長１０２は逆方向にシフトする。

電界効果による屈折率変化の応答速度は、極めて速い。従って、周波数変調層８６の屈折率変化は、周波数変調層８６に印加される変調信号の周波数帯域によって律速される。浮遊容量等を考慮しても、上記変調信号の帯域は、優に数ＧＨｚを超える。従って、本実施の形態に係わる半導体レーザ装置５６によれば、数ＧＨｚを超える光周波数変調が可能である。

更に、本実施の形態に係わる半導体レーザ装置５６では、上述したように、モードホップを伴わずに、広い波長範囲に亘ってレーザ発振波長を変化させることが可能である。

すなわち、本実施の形態によれば、高速変調が可能で且つモードホップを起こしにくい、光周波数変調用の波長可変半導体レーザを提供することができる。

以上の動作では、波長制御導波路８４による波長可変機能は、グリッドからずれているレーザ発振波長を、グリッドに一致させるためだけに用いられている（図４参照）。しかし、波長制御導波路８４における波長可変機能は、チャネルスイッチ等種々の動作に利用可能である。

尚、光の波長を変化させることと光周波数を変化させることに、本質的な相違はない。しかし、光の波長変化を表す単位としては、通常、ｎｍが用いられることを考慮して、グリッド間で波長を変化させる動作に対しては、波長変化または波長制御等、波長を冠した用語を用いることとする。これは、グリッド間隔が、サブｎｍ程度であることに基づく。

一方、上記光周波数変調のように、波長変化がグリッド間隔より狭い場合には、周波数変化または周波数制御等、周波数を冠した用語を用いることとする。

（３）製造方法
以下、図６乃至図１０を参照して、半導体レーザ装置５６の製造方法を説明する。

まず、通常のＤＦＢレーザ素子を製造する場合と同様に、ｎ型のＩｎＰ基板５８の上に、回折格子６０が内部に形成された、ｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層６２を形成する。ここで、回折格子６０はλ／４シフト回折格子である。但し、図６乃至図１０に図示した回折格子６０は、λ／４シフトが省略された状態で描かれている。

次に、下部クラッド層６２の上に、量子井戸幅６ｎｍ、障壁層幅１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層（以下、第１のＭＱＷ層と呼ぶ；バンドギャップ波長１．５５μｍ）を成長する。この第１のＭＱＷ層１０６は、素子完成後は、利得制御層７８となる（図６（ａ）参照）。

次に、以上のようして形成した半導体積層構造（図６（ａ））の上に、例えば、ＳｉＯ_２膜を形成する。

次に、利得制御層７８（活性層）の形成が予定されている領域（及び、レーザ光の伝播が予定されている方向と垂直な方向に、この領域を伸展した領域）を残して、上記ＳｉＯ_２膜をエッチングして、利得制御層７８の形成予定領域を覆うエッチングマスクを形成する。

このエッチングマスクを用いて、利得制御層７８の形成が予定されている領域以外で、上記第１のＭＱＷ層１０６をウェットエッチングによって除去する（図６（ｂ）参照）。

次に、第１のＭＱＷ層１０６を除去した領域に、上記ＳｉＯ_２膜を選択成長マスクとして、バンドギャップ波長１．４５μｍのＧａＩｎＡｓＰ層１０８を成長する（図６（ｃ）参照）。このＧａＩｎＡｓＰ層１０８は、素子完成後は、波長制御層８２となる。

次に、以上のようして形成した半導体積層構造（図６（ｃ））の上に、例えば、ＳｉＯ_２膜を形成する。次に、周波数変調層８６の形成が予定されている領域１１０（及び、レーザ光の伝播が予定されている方向と垂直な方向にこの領域を伸展した領域）が開口するように上記ＳｉＯ_２膜をエッチングして、エッチングマスクを形成する。

このエッチングマスクを用いて、周波数変調層８６の形成予定領域１１０に成長した上記ＧａＩｎＡｓＰ層１０８をウェットエッチングによって除去する（図７（ａ）参照）。

次に、ＧａＩｎＡｓＰ層１０８を除去した領域に、上記ＳｉＯ_２膜を選択成長マスクとして、量子井戸幅１０ｎｍ、障壁層幅１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸１１２（以下、第２のＭＱＷと呼ぶ；バンドギャップ波長１．４５μｍ）を選択成長する（図７（ｂ）参照）。この第２のＭＱＷは、素子完成後は、周波数変調層８６となる。

次に、ｐ型のＩｎＰ層からなる上部クラッド層６８及びｐ型のＧａＩｎＡｓＰ層からなるコンタクト層７０を成長する。

図９は、以上のようにして形成した半導体積層構造を、レーザ光の伝播予定方向から見た断面図である（図８（ｂ））。尚、図６乃至図８は、レーザ光の伝播予定方向に沿った、製造途中の半導体レーザ装置５６の断面図である。

図９に示すように、ここまでの工程により、ＩｎＰ基板５８の上に、下部クラッド層６２と、第１のＭＱＷ１０６（利得制御層）と、ＧａＩｎＡｓＰ層１０８（波長制御層）と、第２のＭＱＷ１１２（周波数変調層）と、上部クラッド層６８と、コンタクト層７０が積層されている。

図１０は、レーザ光の伝播予定方向から見た、横方向埋め込み構造形成中の半導体レーザ装置５６の断面図である。

横方向埋め込み構造は、以下のようにして形成される。

まず、図９に示す半導体積層構造に上に、ＳｉＯ_２膜からなりレーザ光の伝播予定に伸展するストライプ状のエッチングマスク１１４を形成する。このエッチングマスク１１４を用いて、上記半導体積層構造（図９）を、ＩｎＰ半導体基板５８までドライエッチングによってエッチングして、メサ構造を形成する（図１０（ａ）参照）。

次に、このメサ形状を、Ｆｅをドーピングした半絶縁性ＩｎＰ層１１６で埋め込む（図１０（ｂ）参照）。

以上の工程により、横方向埋め込み構造が完成する。

次に、横方向埋め込み構造が形成された半導体積層構造（図１０（ｂ））の上に、ＳｉＯ_２からなり、分離溝９２の形成予定領域が開口したエッチングマスクを形成する。このエッチングマスクを用いて、コンタクト層７０及び上部クラッド層６８を、第１のＭＱＷ等からなる光導波層（コア層）６６の近傍までドライエッチングして、分離溝９２を形成する（図８（ａ）参照）。

その後、接地電極（ｎ型電極）９６、利得制御電極７２、波長制御電極７４、周波数変調電極７６を、パターニング、金属蒸着、及びメッキ等により形成する（図８（ｂ）参照）。

最後に、へき開によって半導体レーザ装置５６となるチップを切り出し、両端面に無反射コーティングを施すと、半導体レーザ装置５６が完成する。

本実施の形態では半導体基板をＩｎＰとしているが、ＧａＡｓなど他の半導体基板を用いて半導体レーザ装置を形成しても、本実施の形態と同様の効果が得られる。

また、本実施の形態ではバルク半導体によって波長制御層及び反射波長制御層を形成しているが、波長制御層を量子井戸で形成してもよい。

また、本実施の形態では、周波数変調導波路を量子井戸構造で形成しているが、バルク半導体で形成してもよい。このようにすると、光損失は減り、レーザとしての特性（閾値等）は向上する。但し、この場合、屈折率変化量が小さくなるため、周波数変調効率は低下する。

また、本実施の形態においては、電極分離構造としては分離溝を採用しているが、他の分離構造、例えば、電極間隔を広げ、或いは、電極間へのイオン打ち込みによって高抵抗層を形成してもよい。このようにすると、電極分離構造の形成が容易になる。

但し、電極間隔を広げることは、共振器内の無効領域の割合を大きくすることになり、種々のレーザ特性を犠牲にすることになる。また、イオン打ち込みによる高抵抗層形成には、信頼性に難点がある。
（実施の形態２）
本実施の形態は、電圧制御型の波長可変半導体レーザであって、特に、光周波数変調に適した波長可変半導体レーザ（半導体レーザ装置）に係るものである。

（１）構 成
まず、本実施の形態に係る半導体レーザ装置の構成について説明する。

図１１は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１１８の、光の伝播方向に沿った断面を説明する図である。

図１１に示すように、半導体レーザ装置１１８は、ｎ型のＩｎＰ基板５８と、両端の内部に回折格子６０，６０´が形成されたｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層６２と、光導波層（コア層）６６と、厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層６８と、ＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層７０と、反射波長制御電極１２０,１２０´と、利得制御電極７２と、波長制御電極７４と、周波数変調電極７６によって構成されている。ここで、ｎ型のＩｎＰ基板５８の裏面には、接地電極９６が形成されている。

ここで、光利得を発生する利得制御層（活性層）７８をコア層とする利得制御導波路８０と、（注入される電流量が調整されることによって、レーザ発振波長を制御する）波長制御層８２をコア層とする波長制御導波路８４と、（印加される電圧が調整されることによって、レーザ発振波長を制御する）周波数変調層８６をコア層とする周波数変調導波路８８が光学的に接続されて主光導波路９０が構成されている。

ここで、波長制御層８２によって変化可能な波長幅は数ｎｍである。一方、周波数変調層８６によって変化する波長幅は、波長制御層８２によって変化する波長幅より狭く、高々数ＧＨｚである。

すなわち、利得制御層（活性層）７８と、波長制御層８２と、周波数変調層８６が光学的に接続されて光導波層６６が構成され、この光導波層６６をコア層として主光導波路９０が構成されている。

一方、回折格子６０，６０´に沿って形成された反射波長制御層１２２，１２２´をコア層とする光導波路（反射波長制御導波路１２６，１２６´）によって、分布ブラック反射鏡１２４，１２４´が構成されている。ここで、回折格子６０，６０´は、反射波長制御層１２２，１２２´からなるコア層に光学的に結合して摂動を与え、反射波長制御層１２２からなるコア層を伝播する光を、回折格子６０，６０´の周期で決まるブラック波長及びその近傍で強く反射する。

そして、反射波長制御層１２２，１２２´からなる上記コア層は、上記主光導波路のコア層に光学的に接続されている。すなわち、上記分布ブラック反射鏡１２４，１２４´からなる一対の反射鏡によって光共振器９４が構成され、この光共振器９４の内側に、主光導波路９０が配置されている。

利得制御層（活性層）７８は、厚さ６ｎｍの量子井戸層と厚さ１０ｎｍの障壁層からなるＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸（バンドギャップ波長；１．５５μｍ）によって構成されている。

一方、波長制御導波路層８２は、バンドギャップ波長が１．４５μｍのＧａＩｎＡｓＰバルク層によって構成されている。

また、周波数変調層８６は、厚さ１０ｎｍの量子井戸層と厚さ１０ｎｍの障壁層からなるＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸（バンドギャップ波長；１．４５μｍ）によって構成されている（但し、周波数変調層８６を形成する量子井戸層は、活性層を形成する量子井戸よりバンドギャップ波長が短波長のＧａＩｎＡｓＰで形成されている。）。

更に、反射波長制御層１２２，１２２´は、バンドギャップ波長が１．４５μｍのＧａＩｎＡｓＰバルク層によって構成されている。

ここで、利得制御導波路８０、波長制御導波路層８４、周波数変調導波路８８、及び分布ブラック反射鏡の長さは、夫々、４５０μｍ、１５０μｍ、１５０μｍ、５００μｍである。

また、周波数変調電極７６は、上部クラッド６８に形成された、深さ１μｍの分離溝９２によって、他の電極（波長制御電極７４及び反射波長制御電極１２０´）から電気的に分離されている。

図１２は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１１８の、光の伝播方向に垂直な断面を説明する図である。

図１２に示すように、上述した下部クラッド層６２、光導波層（コア層）６６、上部クラッド層６８、及びコンタクト層７０からなるリッジ構造が、例えば、ＦｅドープＩｎＰからなる半絶縁性半導体層１１６に埋め込まれている。ここで主光導波路９０の幅９８は、１．６μｍである。

図１３は、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１１８を真上から見た構成を説明する平面図である。

図１３に示すように、一対の反射波長制御電極１２０, １２０´の間に、利得制御電極７２、波長制御電極７４、及び周波数制御電極７６が配置されている。夫々の電極は、コンタクト層７０に電気的に接続されている。

すなわち、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１１８は、光利得を発生する活性層７８を第１のコア層とする第１の光導波路（利得制御導波路８０）と、複数の第２のコア層の屈折率を変化させることによってレーザ発振波長を変化させる、複数の第２の光導波路からなり、上記第１の光導波路（利得制御導波路８０）と上記第２の光導波路が光学的に接続された主光導波路９０が、光共振器９４の内側に配置されている。

そして、複数の上記第２のコア層が、注入される電流量が調整されることによって、上記レーザ発振波長を制御する第３のコア層（波長制御層８２）と、印加される電圧が調整されることによって、前記レーザ発振波長を制御する第４のコア層（周波数変調層８６）から構成されている。

更に、本実施の形態に係る半導体レーザ装置１１８は、上記光共振器９４が、両端に配置された分布ブラック反射鏡１２４，１２４´からなる一対の反射鏡を有している。そして、上記分布ブラック反射鏡の回折格子６０，６０´に沿って設けられ、注入される電流量が調整されることによって、上記分布ブラック反射鏡１２４，１２４´の反射ピークの波長を制御する反射波長制御層１２０,１２０´からなるコア層を具備した第３の光導波路（反射波長制御導波路１２６，１２６´）が、上記主光導波路９０に光学的に接続されている。

また、本実施の形態の半導体レーザ装置１１８は、上記第４のコア層（周波数変調層８６）からなる第４の光導波路（周波数変調導波路８８）を埋め込む半絶縁性半導体層１１６と、上記第４のコア層（周波数変調層８６）に電界を印加するための第１の電極（周波数変調電極７６）を、隣接する光導波路に形成された第２の電極（利得制御電極７２、反射波長制御電極１２０´）から電気的に分離する電極分離領域（例えば、分離溝９２）を具備している。

従って、周波数変調電極７６が他の電極から電気的に分離されるので、周波数変調電極７６に逆バイアス電圧を印加することが容易になる。

（２）動 作
次に、半導体レーザ装置１１８の動作について説明する。

半導体レーザ装置１１８を動作させるためには、まず、利得制御電極７２に接続された励起電源（図示せず）を駆動して、利得制御電極７２を介して利得制御層（活性層）７８に、閾値以上の電流（以下、励起電流と呼ぶ）を注入する。同時に、周波数変調電極７６に接続された周波数変調電源（図示せず）を駆動して、周波数変調電極７６を介して、周波数変調層８６に所定の逆バイアス電圧を印加する。

すると、利得制御層（活性層）７８には利得が発生し、半導体レーザ装置１１８は、分布ブラッグ反射鏡１２４，１２４´の反射率のピーク（すなわち、ブラッグ波長）又はその近傍の波長であって、且つ一対の分布ブラッグ反射鏡１２４，１２４´によって構成される光共振器内を往復した時の位相変化（以下、単に位相変化と呼ぶ）が２πｎ（ｎは整数）になるような波長でレーザ発振（単一モードレーザ発振）する。

次に、例えば、図４のように、半導体レーザ装置１１８のレーザ発振波長１００を変化させて、ＤＷＤＭの一の波長１０２（グリッド）に一致させる。尚、図４は、実施の形態１における半導体レーザ装置５６の動作を説明するために用いた図であるが、本実施の形態の説明にもそのまま用いることができる。

すなわち、図４は、ＤＷＤＭにおけるグリッド１０４と、本実施の形態における半導体レーザ装置１１８のレーザ発振波長１００の関係を説明する図である。横軸は波長であり、縦軸はレーザ光の強度である。図４には、ＤＷＤＭのグリッド１０４が破線で示されている。一方、半導体レーザ装置１１８のレーザ発振波長１００は実線で示されている。ここで、Ｃバンドにおけるグリッド１０４の間隔１０６は、例えば、０．４０ｎｍ（５０ＧＨｚ）である。

レーザ発振波長を変化させるためには、波長制御電極７４に接続された波長制御電源（図示せず）を駆動して、波長制御電極７４を介して波長制御層８２に電流を注入する。電流が注入されると、波長制御層８２には自由キャリアが蓄積し、プラズマ効果によってその屈折率が低下する。従って、波長制御光導波路８４の等価屈折率が低下する。その結果、光共振器９４の光学長が変化する。このため、レーザ光が光共振器９４の内部を一往復した際の位相変化が２πｎ（ｎは整数）となる波長が変化し、半導体レーザ装置１１８のレーザ発振波長が変化する。

波長制御層８２の屈折率変化は蓄積された自由キャリアの濃度に比例するので、半導体レーザ装置１１８のレーザ発振波長のシフト量は、波長制御層８２に注入する電流量を調整することによって制御することができる。この時の波長変化は、連続的である。

但し、分布ブラッグ反射鏡１２６，１２６´の反射率ピークからのレーザ発振波長のズレが大きくなると、位相変化が２π（ｎ＋１）又は２π（ｎ−１）を満たす波長の方が、位相変化が２πｎを満たす波長より、分布ブラッグ反射鏡１２４，１２４´における反射損失が小さくなる。従って、位相変化が２πｎとなる波長から、位相変化が２π（ｎ＋１）又は２π（ｎ−１）となる波長に、レーザ発振波長が突然変化する所謂モードホップが起こる。

そこで、本実施の形態における半導体レーザ装置１１８では、反射波長制御電極１２０，１２０´に接続された反射波長制御電源（図示せず）を駆動し、反射波長制御電極１２０，１２０´を介して、反射波長制御層１２２，１２２´に適宜電流を注入して、このようなモードホップを防止する。この電流注入によって、分布ブラッグ反射鏡１２４，１２４´のブラッグ波長が、位相変化が２πｎを満たす波長の近傍に移動するので、２πｎを満たす波長でレーザ発振が継続される。

このような状態になった後、半導体レーザ装置１１８の出力光を光周波数変調する。光周波数変調ためには、周波数変調導波路８８に印加している、上記所定の逆バイアス電圧に、変調信号を重畳する。すると、周波数変調層８６には、上記所定の逆バイアス電圧に基づく電界Ｅ_０に、上記変調信号に基づく電界ΔＥが重畳された電界Ｅ_０＋ΔＥが印加される。

その結果、周波数変調層８６の屈折率が変調され、光共振器９４の光学長が変調される。このため、位相変化が２πｎとなる波長すなわち光周波数が変調される。

周波数変調層８６に印加される電界とその屈折率変化の関係は、実施の形態１における半導体レーザ装置５６の周波数変調層における電界と屈折率変化の関係と同じである。すなわち、図５に図示された、周波数変調層における印加電界とその屈折率変化の関係は、本実施の形態にも共通する。

図５の横軸は、周波数変調層８６に印加される電界の強度である。一方、図５の縦軸は、電界がゼロの場合を基準とした、周波数変調層８６の屈折率の変化である。

電界の印加による屈折率変化（電界効果）は、図５に示すように、電界強度に対して略２次関数（すなわち、放物線的変化）になる。図５のように、予め印加していた電界Ｅ_０に、微小電界ΔＥを重畳することによって、屈折率を変調する（図５参照）。

この屈折率変化によって、所定のグリッドに一致しているレーザ発振波長１０２は、僅かにシフトする。そのシフト量１０８は、グリッド間隔１０４より十分小さく、高々０．０８ｎｍ（１０ＧＨｚ）程度である（図４参照）。尚、微小電界ΔＥの符号を変化させると、レーザ発振波長１０２は、逆方向にシフトする。

電界効果による屈折率変化の応答速度は、極めて速い。従って、周波数変調層８６の屈折率変化は、周波数変調層８６に印加される変調信号の周波数帯域によって律速される。浮遊容量等を考慮しても、変調信号の帯域は、優に数ＧＨｚを超える。従って、本実施の形態に係わる半導体レーザ装置１１８では、数ＧＨｚを超える高速周波数変調が可能である。

本実施の形態の半導体レーザ装置１１８では、図２０に示した多電極ＤＢＲレーザ３７とは異なり、屈折率変化の大きなプラズマ効果を利用して波長制御を行うので、波長制御導波路７４は短くてもよい。

一方、光周波数変調には、高速ではあるが屈折率変化が小さい電界効果を利用する。しかし、光周波数変調に必要な波長変化は極僅かなので、周波数変調導波路７６の長さも短くてよい。

従って、本実施の形態の半導体レーザ装置１１８は、電圧制御によって光周波数変調を行うにも拘わらず、光共振器９４が長尺化することはない。このため、本実施の形態の半導体レーザ装置１１８では、共振器モード間隔が過度に狭くなることがないので、モードホップが起こりにくい。

故に、本実施の形態に係わる半導体レーザ装置１１８によれば、反射波長制御層１２２，１１２２´に注入する電流を適宜調整することにより、モードホップを伴わずに、広い波長範囲に亘ってレーザ発振波長を変化させることができる。

すなわち、本実施の形態によれば、高速変調が可能で且つモードホップを起こしにくい、光周波数変調用の波長可変半導体レーザを提供することができる。

また、本実施の形態の半導体レーザ装置１１８では、レーザ発振波長の変化は、波長制御導波路８４に注入する電流量によって制御する。従って、レーザ発振波長を変化させるために、周波数変調層８６に印加する電界のバイアス点（Ｅ_０）を変更する必要がない。従って、本実施の形態の半導体レーザ装置１１８によれば、図２０に示す多電極ＤＢＲレーザに比べ、光周波数変調の制御が容易になる。

図２０に示す多電極ＤＢＲレーザ３７では、レーザ発振波長を変更するためには、バイアス点（Ｅ_０）を変更しなければならないので、電界変化に対する屈折率変化の割合（図５に示す放物線の傾き）も変化してしまう。このため、図２０に示す多電極ＤＢＲレーザで光周波数変調を行おうとすると、バイアス点（Ｅ_０）に応じて変調電界の大きさ（ΔＥ）を適宜調整しなければならなくなるので、制御が複雑になる。

以上の動作では、波長制御導波路８２による波長可変機能は、グリッドからずれている、レーザ発振波長を、グリッド１０４に一致させるためだけに用いられている（図４参照）。しかし、波長制御導波路８２による波長可変機能は、チャネルスイッチ等種々の動作に利用可能である。

（３）製造方法
以下、図１４乃至図１７を参照して、半導体レーザ装置１１８の製造方法を説明する。

まず、通常のＤＢＲレーザ素子を製造する場合と同様に、ｎ型のＩｎＰ基板５８の上に、半導体レーザ装置１１８の形成予定領域の両端においてその内部に回折格子６０，６０´が形成されたｎ型のＩｎＰからなる下部クラッド層６２を形成する。

次に、下部クラッド層６２の上に、量子井戸幅６ｎｍ、障壁層幅１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層（以下、第１のＭＱＷ層と呼ぶ；バンドギャップ波長１．５５μｍ）を成長する。この第１のＭＱＷ層１０６は、素子完成後は、利得制御層７８となる（図１４（ａ）参照）。

次に、以上のようして形成した半導体積層構造（図１４（ａ））の上に、例えば、ＳｉＯ_２膜を形成する。

次に、利得制御層７８（活性層）の形成が予定されている領域（及び、レーザ光の伝播が予定されている方向と垂直な方向に、この領域を伸展した領域）を残し、上記ＳｉＯ_２膜をエッチングして、利得制御層７８の形成予定領域を覆うエッチングマスクを形成する。

このエッチングマスクを用いて、利得制御層７８の形成が予定されている領域を除き、上記第１のＭＱＷ層１０６をウェットエッチングによって除去する（図１４（ｂ）参照）。

次に、第１のＭＱＷ層１０６を除去した領域に、上記ＳｉＯ_２膜を選択成長マスクとして、バンドギャップ波長１．４５μｍのＧａＩｎＡｓＰ層１０８を成長する（図１４（ｃ）参照）。このＧａＩｎＡｓＰ層１０８は、装置完成後は、波長制御層８２及び反射波長制御層１２２，１２２´となる。

次に、以上のようして形成した半導体積層構造（図１４（ｃ））の上に、例えば、ＳｉＯ_２膜を形成する。

次に、周波数変調層８６の形成が予定されている領域１１０（及び、レーザ光の伝播が予定されている方向と垂直な方向に、この領域を伸展した領域）が、開口するように上記ＳｉＯ_２膜をエッチングして、エッチングマスクを形成する。

このエッチングマスクを用いて、周波数変調層８６の形成予定領域１１０に成長した上記ＧａＩｎＡｓＰ層１０８をウェットエッチングによって除去する（図１５（ａ）参照）。

次に、ＧａＩｎＡｓＰ層１０８を除去した領域に、上記ＳｉＯ_２膜を選択成長マスクとして、量子井戸幅１０ｎｍ、障壁層幅１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸１１２（以下、第２のＭＱＷと呼ぶ；バンドギャップ波長１．４５μｍ）を選択成長する（図１５（ｂ）参照）。この第２のＭＱＷは、素子完成後は、周波数変調層８６となる。

次に、ｐ型のＩｎＰ層からなる上部クラッド層６８及びｐ型のＧａＩｎＡｓＰ層からなるコンタクト層７０を成長する（図１５（ｃ）参照）。

図１７は、以上のようにして形成した半導体積層構造（図１５（ｃ）参照）を、レーザ光の伝播予定方向から見た断面図である。尚、図１４乃至図１６は、レーザ光の伝播予定方向に沿った、製造途中の半導体レーザ装置１１８の断面図である。

図１７に示すように、ここまでの工程により、ＩｎＰ基板５８の上に、下部クラッド層６２と、第１のＭＱＷ１０６（利得制御層）と、ＧａＩｎＡｓＰ層１０８（波長制御層及び反射波長制御層）と、第２のＭＱＷ１１２（周波数変調層）と、上部クラッド層６８と、コンタクト層７０が積層されている。

図１８は、レーザ光の伝播予定方向から見た、横方向埋め込み構造形成中の半導体レーザ装置１１８の断面図である。

横方向埋め込み構造は、以下のようにして形成される。

まず、図１７に示す半導体積層構造に上に、ＳｉＯ_２膜からなりレーザ光の伝播予定に伸展するストライプ状のエッチングマスクを形成する。このエッチングマスク１１４を用いて、上記半導体積層構造（図１７参照）を、ＩｎＰ半導体基板５８までドライエッチングによって除去して、メサ構造を形成する（図１８（ａ）参照）。

次に、このメサ形状を、Ｆｅをドーピングした半絶縁性ＩｎＰ層１１６で埋め込む（図１８（ｂ）参照）。

以上の工程により、横方向埋め込み構造が完成する。

次に、横方向埋め込み構造が形成された図１８（ｂ）の半導体積層構造の上に、ＳｉＯ_２からなり、分離溝９２の形成予定領域が開口したエッチングマスクを形成する。このエッチングマスクを用いて、コンタクト層７０及び上部クラッド層６８を、第１のＭＱＷ等からなる光導波層（コア層）６６の近傍までドライエッチングして、分離溝９２を形成する（図１６（ａ）参照）。

その後、接地電極９６、利得制御電極７２、波長制御電極７４、周波数変調電極７６、及び反射波長制御電極１２０, １２０´を、パターニング、金属蒸着、及びメッキ等の工程により形成する（図１６（ｂ）参照）。

最後に、へき開によって半導体レーザ装置１１８となるチップを切り出し、両端面に無反射コーティングを施すと、半導体レーザ装置１１８が完成する。

本実施の形態では半導体基板をＩｎＰとしているが、ＧａＡｓなど他の半導体基板を用いて半導体レーザ装置を形成しても、本実施の形態と同様の効果が得られる。

また、本実施の形態ではバルク半導体によって波長制御層及び反射波長制御層を形成しているが、波長制御層を量子井戸で形成してもよい。

また、本実施の形態では、周波数変調導波路を量子井戸構造で形成しているが、バルク半導体で形成してもよい。このようにすると、光損失は減り、レーザとしての特性（閾値等）は向上する。但し、この場合、屈折率変化量が小さくなるため、周波数変調効率は低下する。

また、本実施の形態においては、電極分離構造としては分離溝を採用しているが、他の分離構造、例えば、電極間隔を広げ、或いは、電極間へのイオン打ち込みによって高抵抗層を形成してもよい。このようにすると、電極分離構造の形成が容易になる。

但し、電極間隔を広げることは、共振器内の無効領域の割合を大きくすることになり、種々のレーザ特性を犠牲にすることになる。また、イオン打ち込みによる高抵抗層形成には、信頼性に難点がある。

実施の形態１に係る半導体レーザ装置の、光の伝播方向に沿った断面を説明する図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の、光の伝播方向に垂直な断面を説明する図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置を、真上から見た構成を説明する平面図である。 ＤＷＤＭにおけるグリッドと、実施の形態１における半導体レーザ装置のレーザ発振波長の関係を説明する図である。 波長制御層に印加される電界と、その屈折率変化を説明する図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する図である（その１）。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する図である（その２）。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する図である（その３）。 横方向埋め込み構造の形成前における半導体レーザ装置を、レーザ光の伝播予定方向から見た断面図である（実施の形態１）。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する図である（その４）。 実施の形態２に係る半導体レーザ装置の、光の伝播方向に沿った断面を説明する図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ装置の、光の伝播方向に垂直な断面を説明する図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ装置を、真上から見た構成を説明する平面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する図である（その１） 実施の形態２に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する図である（その２）。 実施の形態２に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する図である（その３）。 横方向埋め込み構造の形成前における半導体レーザ装置を、レーザ光の伝播予定方向から見た断面図である（実施の形態２）。 実施の形態２に係る半導体レーザ装置の製造方法を説明する図である（その４）。 光の伝播方向に沿ったＴＤＡ−ＤＦＢレーザの断面の一例を説明する図である。 多電極ＤＢＲレーザ素子の、光の伝播方向に沿った断面の一例を説明する図である。

符号の説明

２・・・ＴＤＡ−ＤＦＢレーザ素子 ４・・・ＩｎＰ基板
６・・・回折格子 ８・・・下部クラッド層
１２・・・光導波層（コア層） １４・・・上部クラッド層
１６・・・コンタクト層 １８・・・利得制御電極
２０・・・波長制御電極 ２２・・・ＳｉＯ_２膜 ２４・・・ｎ側電極
２６・・・利得制御層（活性層） ２８・・・波長制御層
３０・・・利得制御導波路 ３２・・・波長制御導波路
３４・・・励起電源 ３５・・・波長制御電源
３６・・・ＧａＡｓ基板 ３７・・・多電極ＤＢＲレーザ素子
３８・・・下部クラッド層 ３９・・・光導波路
４０・・・活性層 ４２・・・上部クラッド層
４４，４４´・・・分布ブラッグ反射鏡 ４６・・・Ｉ_ＬＤ注入用の電極
４８・・・ブラッグ波長制御用の電極 ４９・・・位相調整部
５０・・・逆方向電界Ｅ_{ｐｈａｓｅ}印加用の電極
５２・・・アース用の電極 ５４・・・高抵抗領域
５６・・・波長可変半導体レーザ装置（実施の形態１）
５８・・・ＩｎＰ基板 ６０・・・回折格子
６２・・・下部クラッド層
６６・・・光導波層（コア層） ６８・・・上部クラッド層
７０・・・コンタクト層 ７２・・・利得制御電極
７４・・・波長制御電極 ７６・・・周波数変調電極
７８・・・利得制御層（活性層） ８０・・・利得制御導波路
８２・・・波長制御層 ８４・・・波長制御導波路
８６・・・周波数変調層 ８８・・・周波数変調導波路
９０・・・主光導波路 ９２・・・分離溝 ９４・・・光共振器
９６・・・接地電極 ９８・・・主光導波路幅
１００・・・レーザ発振波長（波長制御前）
１０４・・・グリッド
１０６・・・ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層（第１のＭＱＷ）
１０８・・・ＧａＩｎＡｓＰ層
１１０・・・周波数変調層の形成予定領域
１１２・・・ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸層（第２のＭＱＷ）
１１４・・・エッチングマスク（メサ形成用）
１１６・・・半絶縁性ＩｎＰ層
１１８・・・波長可変半導体レーザ装置（実施の形態２）
１２０ ，１２０´・・・反射波長制御電極 １２２，１２２´・・・反射波長制御層
１２４，１２４´・・・分布ブラック反射鏡
１２６，１２６´・・・反射波長制御導波路

Claims (2)

1. 光利得を発生する活性層を第１のコア層とする第１の光導波路と、
   複数の第２のコア層の屈折率を変化させることによってレーザ発振波長を変化させる、複数の第２の光導波路からなり、
   前記第１の光導波路と前記第２の光導波路が光学的に接続された主光導波路が、光共振器内に配置された半導体レーザ装置において、
   複数の前記第２のコア層が、
   注入される電流量が調整されることによって、前記レーザ発振波長を制御する第３のコア層と、
   印加される電圧が調整されることによって、前記レーザ発振波長を制御する第４のコア層からなり、
   前記主導波路を構成する第５のコア層が、複数の前記第１のコア層と複数の前記第３のコア層が、交互に光学的に接続された状態で、複数の前記第１のコア層の一部が、前記第４のコア層で置き換えられてなり、
   前記第５のコア層に沿って、前記第５のコア層と光学的に結合した回折格子が設けられていることを
   特徴とする半導体レーザ装置。
2. 請求項１に記載の半導体レーザ装置において、
   前記第４のコア層からなる第４の光導波路を埋め込む半絶縁性半導体層と、
   前記第４のコア層に電界を印加するための第１の電極を、隣接する光導波路に形成された第２の電極から電気的に分離する電極分離領域を具備することを
   特徴とする半導体レーザ装置。

Images