JP5272859B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子に関するものである。

特許文献１及び非特許文献１には、光を発する利得領域の両端に反射領域を配置した構成を備える波長可変型の半導体レーザ素子が開示されている。

特許文献１に記載された半導体レーザ素子において、一方の反射領域は、光導波方向に格子間隔が変化するチャープ回折格子と、光導波方向に複数並置された電極とを有しており、これらの電極に対し選択的に電流を流すことで所望の波長の光を反射させる。また、他方の反射領域は、回折格子を有しており所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有する。この半導体レーザ素子では、二つの反射領域における反射特性のピークを重畳させて、ピークが重なった（一致した）波長でのみ発振させることにより、所望の発振波長に調整可能な波長可変型レーザを実現している。

また、非特許文献１に記載された半導体レーザ素子では、双方の反射領域がサンプルドグレーティング構造を有しており、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有する。この半導体レーザ素子では、二つの反射領域のそれぞれに流れる電流を制御することによって、発振波長を任意に変化させることができる。

特表２００４−５３７８６３号公報 Yuliya A. Akulova et al.,"Widery Tunable Electroabsorption Modulated Sampled-Grating DBR LaserTransmitter", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.8, No.6,pp.1349-1357 (2002)

しかしながら、波長可変型の半導体レーザ素子の構成として、上述した特許文献１及び非特許文献１に記載された構成を採用すると、利得領域の他に二つの反射領域が必要であり、半導体レーザ素子の全長が長くなってしまう。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、素子の全長をより短くできる波長可変型の半導体レーザ素子を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、本発明による半導体レーザ素子は、レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子であって、半導体基板上に設けられ光を発生すると共に一端面が光反射端面となっている利得領域と、利得領域と並んで半導体基板上に設けられ、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有し、利得領域の一端面と光学的に結合されて利得領域から到達した光を反射する反射領域とを備え、利得領域は、電流注入により光を発生する活性層と、活性層に沿って設けられ、格子間隔が光導波方向に変化する回折格子を有しており活性層において発生した光に損失を生じさせる回折格子層と、活性層と回折格子層との間に設けられ、電流注入により屈折率が変化する屈折率変化層と、活性層に電流を注入するための利得用電極と、活性層とは独立して屈折率変化層に電流を注入するために光導波方向に並設された複数の屈折率制御用電極とを有することを特徴とする。

この半導体レーザ素子においては、利得領域の回折格子層が有する回折格子が、利得領域内を導波する光に対して損失として作用する。この回折格子の格子間隔は光導波方向に変化しているので、最も短い格子間隔に対応する波長から最も長い格子間隔に対応する波長までの広い波長帯域にわたって、この回折格子が損失として作用する。なお、このような回折格子は、一般的にブラッグ反射のために使用される回折格子と比較して低い光反射率を有しており、その光反射率は例えば２％以上１０％以下であることが好ましい。

このような回折格子層と活性層との間には屈折率変化層が設けられており、またこの屈折率変化層に電流を注入するために、複数の屈折率制御用電極が光導波方向に並設されている。このような構成において、何れか一つの屈折率制御用電極から屈折率変化層に電流を注入すると、当該屈折率制御用電極の直下に相当する屈折率変化層の部分のみ屈折率が変化する。そして、当該部分の屈折率を回折格子の屈折率に近づけると、当該部分に対応する回折格子の光反射率が低下し、当該波長域の光が損失を殆ど受けずに導波する。すなわち、複数の屈折率制御用電極のうち何れかに対し選択的に電流を供給することで、利得領域内を導波する光の主要な波長域を任意に制御することができる。

一方、利得領域の一端面には反射領域が光結合されており、この反射領域は、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有している。したがって、利得領域において導波する光の波長域と、反射領域における反射特性のピークとを重畳させることにより、所望の波長のレーザ光を発振させることが可能となる。

このように、本発明による半導体レーザ素子によれば、光を発生する利得領域と一つの反射領域とによって波長可変型の構成を実現できるので、二つの反射領域が必要な従来の波長可変型半導体レーザ素子と比較して、素子の全長をより短くすることができる。

また、半導体レーザ素子は、利得領域の回折格子層が有する回折格子が、格子間隔が連続的に変化するチャープ回折格子であることを特徴としてもよい。或いは、半導体レーザ素子は、利得領域の回折格子層が有する回折格子の格子間隔が断続的に変化することを特徴としてもよい。これらのうち何れかの構成によって、本発明の回折格子を好適に実現できる。

また、半導体レーザ素子は、一つの屈折率制御用電極への電流供給に伴う屈折率変化層の屈折率変化によって回折格子層の回折格子の光反射率が変化する波長域の幅と、上記所定の波長間隔とが互いに等しいことを特徴としてもよい。これによって、複数の屈折率制御用電極のそれぞれに対応して屈折率変化層の光屈折率が低下する各波長域と、反射領域の周期的な波長−反射率特性におけるピークとが一対一で対応するので、これらを好適に重ね合わせることができる。

また、半導体レーザ素子は、利得領域が、利得用電極と対になる電極と、複数の屈折率制御用電極と対になる一又は複数の電極とを更に有することを特徴としてもよい。これにより、活性層及び屈折率変化層のそれぞれに対する個別の電流注入を好適に実現できる。

また、半導体レーザ素子は、半導体基板が第１導電型の半導体から成り、利得領域は、半導体基板の裏面上に設けられた電極と、活性層上に設けられた第２導電型の光閉じ込め層と、活性層及び光閉じ込め層の光導波方向に沿った両側面を埋め込む第１の半絶縁性領域と、光閉じ込め層上から一方の第１の半絶縁性領域上にわたって設けられた第２導電型の利得用コンタクト層と、利得用コンタクト層のうち第１の半絶縁性領域上に位置する部分上に設けられた利得用電極としての電極と、利得用コンタクト層のうち光閉じ込め層上に位置する部分上から他方の第１の半絶縁性領域上にわたって設けられた第１の半絶縁層と、第１の半絶縁層上に設けられた第１導電型半導体層と、利得領域の第１導電型半導体層のうち第１の半絶縁性領域上に位置する部分上に設けられた電極と、利得領域の第１導電型半導体層のうち光閉じ込め層上に位置する部分上に設けられた屈折率変化層と、屈折率変化層上に設けられた回折格子層と、回折格子層上に設けられた第２導電型のクラッド層と、クラッド層上に設けられた第２導電型の屈折率制御用コンタクト層と、屈折率制御用コンタクト層上において、互いに所定の間隔をあけて光導波方向に並設された屈折率制御用電極としての複数の電極とを有することを特徴としてもよい。利得領域がこのような構成を有することにより、上述した利得領域を好適に実現できる。

また、半導体レーザ素子は、反射領域から利得領域への光反射率が５０％以上９０％以下であることを特徴としてもよい。反射領域がこのような光反射率を有することにより、利得領域と反射領域との間でレーザ光を好適に発振させることができる。

また、半導体レーザ素子は、屈折率変化層及び回折格子層の各バンドギャップ波長が、活性層のバンドギャップ波長より短いことを特徴としてもよい。これにより、活性層を中心として光を効果的に閉じ込めることができる。

また、半導体レーザ素子は、反射領域が、利得領域の一端面と光学的に結合された光導波路と、光導波路に沿って設けられた超周期回折格子構造とを有することを特徴としてもよい。これにより、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有する反射領域を好適に実現できる。

この場合、半導体レーザ素子は、半導体基板が第１導電型の半導体から成り、反射領域が、半導体基板上に設けられ、利得領域の活性層よりバンドギャップ波長が短い半導体からなり光導波路を構成する反射用光導波層と、反射用光導波層の光導波方向に沿った両側面を埋め込む第２の半絶縁性領域と、反射用光導波層上から少なくとも一方の第２の半絶縁性領域上にわたって設けられた第２の半絶縁層と、第２の半絶縁層上に設けられた第１導電型半導体層と、反射領域の第１導電型半導体層のうち第２の半絶縁性領域上に位置する部分上に設けられた電極と、反射領域の第１導電型半導体層のうち反射用光導波層上に位置する部分上に設けられた反射用屈折率変化層と、反射用屈折率変化層上に設けられ、超周期回折格子構造を含む反射用回折格子層と、反射用回折格子層上に設けられた第２導電型の反射用クラッド層と、反射用クラッド層上に設けられた第２導電型の反射用コンタクト層と、反射用コンタクト層上に設けられた電極とを有することを特徴としてもよい。これにより、上述した超周期回折格子構造を有する反射領域を好適に実現できる。

また、この場合、半導体レーザ素子は、反射用屈折率変化層及び反射用回折格子層の各バンドギャップ波長が、反射用光導波層のバンドギャップ波長より短いことを特徴としてもよい。これにより、反射用光導波層を中心として光を効果的に閉じ込めることができる。

また、半導体レーザ素子は、反射領域が、一端において利得領域の一端面と光学的に結合されたリング共振器と、リング共振器の他端に設けられた誘電体多層膜とを有することを特徴としてもよい。これにより、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有する反射領域を好適に実現できる。

また、半導体レーザ素子は、半導体基板が第１導電型の半導体から成り、リング共振器は、半導体基板の裏面上に設けられた電極と、半導体基板上に設けられ光導波路を構成する光変調層と、光変調層上に設けられた第２導電型の反射用クラッド層と、反射用クラッド層上に設けられた第２導電型の反射用コンタクト層と、反射用コンタクト層上に設けられた電極とを有することを特徴としてもよい。これにより、上述したリング共振器を好適に実現できる。

また、半導体レーザ素子は、利得領域と反射領域との間の光路長を能動的に制御するために利得領域と反射領域との間に設けられた位相調整領域を更に備えることを特徴としてもよい。このような位相調整領域が利得領域と反射領域との間に設けられることにより、利得領域の一端面と反射領域との間を共振する光の縦モードを、利得領域および反射領域によって制御される発振波長に近づけることができるので、連続的にレーザ発振波長を選択することが可能となる。

また、半導体レーザ素子は、半導体基板が第１導電型の半導体から成り、位相調整領域は、半導体基板上に設けられ、利得領域の活性層よりバンドギャップ波長が短い半導体からなる位相調整用光導波層と、位相調整用光導波層の光導波方向に沿った両側面を埋め込む第３の半絶縁性領域と、位相調整用光導波層上から少なくとも一方の第３の半絶縁性領域上にわたって設けられた第３の半絶縁層と、第３の半絶縁層上に設けられた第１導電型半導体層と、位相調整領域の第１導電型半導体層のうち第３の半絶縁性領域上に位置する部分上に設けられた電極と、位相調整領域の第１導電型半導体層のうち位相調整用光導波層上に位置する部分上に設けられた位相調整用屈折率変化層と、位相調整用屈折率変化層上に設けられた第２導電型の位相調整用クラッド層と、位相調整用クラッド層上に設けられた第２導電型の位相調整用コンタクト層と、位相調整用コンタクト層上に設けられた電極とを有することを特徴としてもよい。これにより、上述した位相調整領域を好適に実現できる。

本発明による半導体レーザ素子によれば、波長可変型の半導体レーザ素子の全長をより短くできる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａの構成を示す平面図である。 図２は、図１に示した半導体レーザ素子１ＡのII−II線に沿った断面、すなわち半導体レーザ素子１Ａの光導波方向に沿った断面を示す図である。 図３は、図１に示した半導体レーザ素子１ＡのIII−III線に沿った断面、すなわち半導体レーザ素子１Ａの利得領域１０の光導波方向と直交する断面を示す図である。 図４は、図１に示した半導体レーザ素子１ＡのIV−IV線に沿った断面、すなわち半導体レーザ素子１Ａの反射領域２０の光導波方向と直交する断面を示す図である。 図５は、図１に示した半導体レーザ素子１ＡのＶ−Ｖ線に沿った断面、すなわち半導体レーザ素子１Ａの位相調整領域３０の光導波方向と直交する断面を示す図である。 図６は、縦軸に光強度、横軸に波長をとり、活性層１０１にて発生する光のスペクトルの一例を示したグラフである。 図７は、回折格子１１０ａの反射特性を示すグラフであり、実線で示されるグラフＧ１はチャープ回折格子の反射特性を示しており、破線で示されるグラフＧ２は階段状回折格子の反射特性を示している。 図８は、複数のアノード電極１１４の各々に対応する回折格子層１１０内の各部分領域毎の反射スペクトルの一例を示すグラフである。 図９は、任意の一つのアノード電極１１４に電流を流すことにより、回折格子１１０ａの一部の反射率が低下した様子を示している。 図１０は、超周期回折格子構造２１０ａの設計例を示すグラフである。 図１１は、超周期回折格子構造２１０ａを備える反射領域２０の反射スペクトルの一例を示すグラフである。 図１２は、活性層１０１にて発生する光のスペクトルと、複数のアノード電極１１４の各々に対応する回折格子層１１０内の各部分領域毎の反射スペクトルと、反射領域２０の反射スペクトルとを合成したグラフである。 図１３は、本発明の第２実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂの光導波方向に沿った断面を示す図である。 図１４は、図１３に示した半導体レーザ素子１ＢのXIV−XIV線に沿った断面、すなわち半導体レーザ素子１Ｂのレーザ光軸を通る平面断面図である。 図１４に示した半導体レーザ素子１ＢのXV−XV線に沿った断面、すなわち半導体レーザ１Ｂの反射領域４０の光導波方向と直交する断面を示す図である。 図１６は、反射領域４０の反射スペクトルの一例を示すグラフである。 図１７は、活性層１０１にて発生する光のスペクトルと、複数のアノード電極１１４の各々に対応する回折格子層１１０内の各部分領域毎の反射スペクトルと、反射領域４０の反射スペクトルとを合成したグラフである。

以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ素子の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施の形態）
第１実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子である。図１及び図２を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、利得領域１０、反射領域２０、及び位相調整領域３０を備えている。利得領域１０は、レーザ光を発生する領域である。反射領域２０は、利得領域１０から到達したレーザ光を反射する領域である。位相調整領域３０は、利得領域１０と反射領域２０との間の光路長を能動的に制御するための領域である。利得領域１０、反射領域２０及び位相調整領域３０は、図２に示すように互いに共通の半導体基板３上に形成されており、光導波方向に沿って利得領域１０、位相調整領域３０及び反射領域２０の順に並んでいる。なお、半導体基板３は、第１導電型の半導体、例えばｎ型ＩｎＰから成る。

まず、図１〜図３を参照して、利得領域１０の構成について説明する。図１〜図３に示すように、利得領域１０は、活性層１０１、光閉じ込め層１０２、半絶縁性領域１０３ａ及び１０３ｂ、コンタクト層１０４、カソード電極１０５、並びにアノード電極１０６を有する。また、利得領域１０は、半絶縁層１０７、第１導電型半導体層１０８、屈折率変化層１０９、回折格子層１１０、クラッド層１１１、コンタクト層１１２、カソード電極１１３、及び複数のアノード電極１１４を有する。

活性層１０１は、例えば、多重量子井戸構造を有するように、交互に積層された複数の井戸層と複数のバリア層とを含んで構成され、電流注入により光を発生する。この量子井戸構造を構成する井戸層及びバリア層は各々組成が異なるＩｎＧａＡｓＰからなり、多重量子井戸全体の層厚は例えば１１５［ｎｍ］である。この活性層１０１からの発光波長は、例えば１．５５［μｍ］である。

光閉じ込め層１０２は、活性層１０１上に設けられており、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓＰから成る。この光閉じ込め層１０２のバンドギャップ波長（バンドギャップに相当する波長）は、活性層１０１のバンドギャップ波長より短く、例えば１．２［μｍ］以下である。この光閉じ込め層１０２の層厚は、例えば８５［ｎｍ］である。

なお、活性層１０１及び光閉じ込め層１０２は、半導体基板３の主面３ａ上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。光導波方向と交差する方向における活性層１０１及び光閉じ込め層１０２の幅は、例えば１．８［μｍ］である。また、光導波方向における活性層１０１及び光閉じ込め層１０２の長さは、例えば５７０［μｍ］である。

半絶縁性領域１０３ａ及び１０３ｂは、本実施形態における第１の半絶縁性領域である。半絶縁性領域１０３ａ及び１０３ｂは、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁性領域１０３ａ及び１０３ｂは、半導体基板３の主面３ａのうち利得領域１０が占める領域において、活性層１０１及び光閉じ込め層１０２が設けられた領域を除いた領域上に設けられており、活性層１０１及び光閉じ込め層１０２の光導波方向（すなわち、ストライプメサ構造の長手方向）に沿った両側面を埋め込んでいる。

コンタクト層１０４は、本実施形態における利得用コンタクト層である。コンタクト層１０４は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓから成る。コンタクト層１０４は、活性層１０１への電流経路を確保する為に、光閉じ込め層１０２上から半絶縁性領域１０３ａ上にわたって設けられている。このコンタクト層１０４の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。

アノード電極１０６は、本実施形態における利得用電極であり、コンタクト層１０４のうち半絶縁性領域１０３ａ上に位置する部分上に設けられている。アノード電極１０６は、例えばＡｕＺｎを含んで構成され、コンタクト層１０４との間でオーミック接触を実現する。また、カソード電極１０５は、アノード電極１０６と対になる電極であり、半導体基板３の裏面３ｂ上に設けられている。カソード電極１０５は、アノード電極１０６と協働して活性層１０１に電流を注入する。カソード電極１０５は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板３との間でオーミック接触を実現する。カソード電極１０５及びアノード電極１０６の厚さは、例えば０．５［μｍ］である。

半絶縁層１０７は、本実施形態における第１の半絶縁層である。半絶縁層１０７は、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁層１０７は、コンタクト層１０４のうち光閉じ込め層１０２上に位置する部分上から、半絶縁性領域１０３ｂ上にわたって設けられており、後述する第１導電型半導体層１０８とコンタクト層１０４とを電気的に分離している。この半絶縁層１０７の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。

第１導電型半導体層１０８は、例えばｎ型ＩｎＰから成り、半絶縁層１０７上に設けられている。具体的には、第１導電型半導体層１０８は、光閉じ込め層１０２上に位置する半絶縁層１０７の部分上から、半絶縁性領域１０３ｂ上に位置する半絶縁層１０７の部分上にわたって設けられている。この第１導電型半導体層１０８の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。

屈折率変化層１０９は、電流注入により屈折率が変化する層であり、活性層１０１と回折格子層１１０との間、より具体的には第１導電型半導体層１０８のうち光閉じ込め層１０２上に位置する部分と回折格子層１１０との間に設けられている。屈折率変化層１０９は、例えばアンドープＩｎＧａＡｓＰから成る。また、この屈折率変化層１０９の層厚は、例えば２５０［ｎｍ］である。

回折格子層１１０は、所定の光導波方向に延びる活性層１０１に沿って設けられる層である。本実施形態では、回折格子層１１０は屈折率変化層１０９上に設けられている。回折格子層１１０の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。回折格子層１１０は、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓＰ及びｐ型ＩｎＰから成り、格子間隔が光導波方向に変化する回折格子１１０ａ（図２参照）を有することによって、活性層１０１において発生し利得領域１０内を導波する光に対して損失（内部ロス）として作用する。このような性質を備える回折格子１１０ａは、一般的にブラッグ反射のために使用される回折格子と比較して低い光反射率を有しており、屈折率変化層１０９に電流が注入されていない場合の光反射率は例えば２％以上１０％以下である。これにより、活性層１０１との結合係数κは、８０［ｃｍ^−１］以下となっている。

また、回折格子１１０ａの格子間隔は一定ではなく、光導波方向に変化している。一例として、回折格子１１０ａは、格子間隔が光導波方向に連続的に変化するチャープ回折格子によって好適に構成される。或いは、回折格子１１０ａは、その格子間隔が断続的に変化するような構成、具体的には、回折格子１１０ａを光導波方向に沿って複数の区間Ａ_１〜Ａ_ｎに分けた場合に、各区間Ａ_１〜Ａ_ｎの格子間隔ａ_１〜ａ_ｎは各区間毎に一定であり、且つａ_１＜ａ_２＜…＜ａ_ｎ（或いはａ_１＞ａ_２＞…＞ａ_ｎ）を満たすような構成（以下、階段状回折格子という）を有する。

このように、回折格子１１０ａの格子間隔は光導波方向に変化しているので、最も短い格子間隔に対応する波長から最も長い格子間隔に対応する波長までの広い波長帯域にわたって、この回折格子１１０ａが損失として作用することとなる。

なお、活性層１０１を中心として光を効果的に閉じ込める為に、屈折率変化層１０９のバンドギャップ波長は活性層１０１のバンドギャップ波長より短いことが好ましく、例えば１．３［μｍ］以下であるとよい。更に、回折格子層１１０のｐ型ＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長は活性層１０１のバンドギャップ波長より短いことが好ましく、例えば１．２［μｍ］以下であるとよい。

クラッド層１１１は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＰから成り、回折格子層１１０上に設けられている。クラッド層１１１のバンドギャップ波長は屈折率変化層１０９及び回折格子層１１０のバンドギャップ波長より短く、その層厚は例えば１［μｍ］である。

コンタクト層１１２は、本実施形態における屈折率制御用コンタクト層であり、図２に示すように、クラッド層１１１上において、互いに所定の間隔をあけて光導波方向に分割されている。この間隔は、後述する複数のアノード電極１１４の間隔と等しく設定される。コンタクト層１１２は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓから成り、その層厚は例えば０．２［μｍ］である。

上述した屈折率変化層１０９、回折格子層１１０、クラッド層１１１、及びコンタクト層１１２は、活性層１０１及び光閉じ込め層１０２と同様に、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。そして、その上面及び両側面は、例えばＳｉＯ_２から成る絶縁膜１１５によって保護されている。絶縁膜１１５は、このストライプメサ構造の一方の側面から、第１導電型半導体層１０８のうち半絶縁性領域１０３ｂ上に位置する部分上にわたって設けられており、また、ストライプメサ構造の他方の側面から、コンタクト層１０４のうち半絶縁性領域１０３ａ上に位置する部分上にわたって設けられている。なお、絶縁膜１１５のうちコンタクト層１０４上に設けられた部分には、アノード電極１０６の為の開口が形成されている。絶縁膜１１５の膜厚は、例えば０．３［μｍ］である。

また、絶縁膜１１５のうち第１導電型半導体層１０８上に設けられた部分には、カソード電極１１３の為の開口が形成されており、また、コンタクト層１１２上に設けられた部分には、複数のアノード電極１１４の為の複数の開口が形成されている。複数のアノード電極１１４は、本実施形態における屈折率制御用電極であり、コンタクト層１１２上において、互いに所定の間隔をあけて光導波方向に並設されている。複数のアノード電極１１４は、例えばＡｕＺｎを含んで構成され、コンタクト層１１２との間でオーミック接触を実現する。カソード電極１１３は、複数のアノード電極１１４と対になる電極であり、第１導電型半導体層１０８のうち半絶縁性領域１０３ｂ上に位置する部分上に設けられている。カソード電極１１３は、複数のアノード電極１１４と協働して、活性層１０１とは独立して屈折率変化層１０９に電流を注入する。カソード電極１１３は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、第１導電型半導体層１０８との間でオーミック接触を実現する。カソード電極１１３及びアノード電極１１４の厚さは、例えば０．５［μｍ］である。

絶縁膜１１５上には、ストライプメサ構造の一側面に沿って樹脂層１１６が設けられている。複数のアノード電極１１４は、樹脂層１１６の上まで延びており、図１に示すように樹脂層１１６上において対応する複数の電極パッド１１７と配線を介して接続されている。樹脂層１１６は、例えばＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）樹脂から成り、その層厚は例えば１［μｍ］〜２［μｍ］である。

なお、本実施形態では複数のアノード電極１１４に対し一つのカソード電極１１３を設けているが、複数のアノード電極１１４に対応する複数のカソード電極を設けてもよい。

図１及び図２に示すように、光導波方向における利得領域１０の端面１０ａには誘電体多層膜１１８が設けられており、端面１０ａがレーザ発振における光反射端面となっている。この誘電体多層膜１１８の反射率は例えば３０％である。なお、このような反射率を実現できる構成であれば端面１０ａが他の反射構造を有してもよく、例えば端面１０ａは劈開面であってもよい。

続いて、図１、図２および図４を参照して、反射領域２０の構成について説明する。これらの図に示すように、反射領域２０は、光導波層２０１、半絶縁性領域２０３ａ及び２０３ｂを有する。また、反射領域２０は、半絶縁層２０７、第１導電型半導体層２０８、屈折率変化層２０９、回折格子層２１０、クラッド層２１１、コンタクト層２１２、カソード電極２１３、及びアノード電極２１４を有する。

光導波層２０１は、本実施形態における反射用光導波層である。光導波層２０１は、反射領域２０における光導波路を構成しており、利得領域１０の端面１０ａとは反対側の端面における活性層１０１及び光閉じ込め層１０２と、後述する位相調整領域３０を介して光学的に結合されている。本実施形態の光導波層２０１は、半導体基板３の主面３ａ上に設けられ、例えばアンドープＩｎＧａＡｓＰから成る。光導波層２０１のバンドギャップ波長は、利得領域１０の活性層１０１のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３［μｍ］以下である。この光導波層２０１の層厚は、例えば２５０［ｎｍ］である。なお、光導波層２０１は、半導体基板３の主面３ａ上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。光導波方向と交差する方向における光導波層２０１の幅は、例えば１．８［μｍ］である。

半絶縁性領域２０３ａ及び２０３ｂは、本実施形態における第２の半絶縁性領域である。半絶縁性領域２０３ａ及び２０３ｂは、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁性領域２０３ａ及び２０３ｂは、半導体基板３の主面３ａのうち反射領域２０が占める領域において、光導波層２０１が設けられた領域を除いた領域上に設けられており、光導波層２０１の光導波方向（すなわち、ストライプメサ構造の長手方向）に沿った両側面を埋め込んでいる。

半絶縁層２０７は、本実施形態における第２の半絶縁層である。半絶縁層２０７は、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁層２０７は、光導波層２０１上から半絶縁性領域２０３ｂ上にわたって設けられており、後述する第１導電型半導体層２０８と光導波層２０１とを電気的に分離している。この半絶縁層２０７の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。

第１導電型半導体層２０８は、例えばｎ型ＩｎＰから成り、半絶縁層２０７上に設けられている。具体的には、第１導電型半導体層２０８は、光導波層２０１上に位置する半絶縁層２０７の部分上から、半絶縁性領域２０３ｂ上に位置する半絶縁層２０７の部分上にわたって設けられている。この第１導電型半導体層２０８の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。

屈折率変化層２０９は、本実施形態における反射用屈折率変化層である。屈折率変化層２０９は、カソード電極２１３及びアノード電極２１４との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。この屈折率変化層２０９は、光導波層２０１と回折格子層２１０との間、より具体的には第１導電型半導体層２０８のうち光導波層２０１上に位置する部分と回折格子層２１０との間に設けられている。屈折率変化層２０９は、例えばアンドープＩｎＧａＡｓＰから成る。また、この屈折率変化層２０９の層厚は、例えば２５０［ｎｍ］である。

回折格子層２１０は、本実施形態における反射用回折格子層である。回折格子層２１０は、所定の光導波方向に延びる光導波層２０１に沿って設けられる。本実施形態では、回折格子層２１０は屈折率変化層２０９上に設けられている。回折格子層２１０の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。回折格子層２１０は、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓＰ及びｐ型ＩｎＰから成り、超周期回折格子構造（ＳＳＧ：Super Structured Grating）２１０ａ（図２参照）を有することによって、反射スペクトルが所定の波長間隔でもって周期的に変化し、離散的な反射率ピーク波長を有する波長−反射率特性を備えるものとなっている。また、回折格子層２１０の反射率ピーク波長は、カソード電極２１３とアノード電極２１４との間に流れる電流の大きさに応じて屈折率変化層２０９の屈折率が変化することによってシフトする。

この回折格子層２１０の作用により、利得領域１０から反射領域２０へ到達した光のうち上記反射率ピーク波長に相当する波長成分が、利得領域１０へ向けて反射される。利得領域１０と反射領域２０との間でレーザ光を好適に発振させるために、反射領域２０から利得領域１０への反射率は、５０％以上９０％以下であることが好ましい。

また、光導波層２０１を中心として光を効果的に閉じ込める為に、屈折率変化層２０９のバンドギャップ波長は、例えば１．３［μｍ］より小さく、光導波層２０１のバンドギャップ波長より短いことが好ましい。更に、回折格子層２１０のｐ型ＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長は光導波層２０１のバンドギャップ波長より短いことが好ましく、例えば１．２［μｍ］以下であるとよい。

また、回折格子層２１０は、超周期回折格子構造２１０ａに代えて、屈折率変調の振幅が相対的に大きな領域と、屈折率変調の振幅が相対的に小さな領域とが一定の周期で交互に配列されたサンプルドグレーティング（ＳＧ：Sampled Grating）構造を有してもよい。

クラッド層２１１は、本実施形態における反射用クラッド層である。クラッド層２１１は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＰから成り、回折格子層２１０上に設けられている。クラッド層２１１のバンドギャップ波長は屈折率変化層２０９及び回折格子層２１０のバンドギャップ波長より短く、その層厚は例えば１［μｍ］である。

コンタクト層２１２は、本実施形態における反射用コンタクト層であり、クラッド層２１１上に設けられている。コンタクト層２１２は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓから成り、その層厚は例えば０．２［μｍ］である。

上述した屈折率変化層２０９、回折格子層２１０、クラッド層２１１、及びコンタクト層２１２は、利得領域１０の屈折率変化層１０９、回折格子層１１０、クラッド層１１１、及びコンタクト層１１２と同様に、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。そして、その上面及び両側面は、例えばＳｉＯ_２から成る絶縁膜２１５によって保護されている。絶縁膜２１５は、このストライプメサ構造の一方の側面から、第１導電型半導体層２０８のうち半絶縁性領域２０３ｂ上に位置する部分上にわたって設けられており、また、ストライプメサ構造の他方の側面から半絶縁性領域２０３ａ上にわたって設けられている。絶縁膜２１５の膜厚は、例えば０．３［μｍ］である。

また、絶縁膜２１５のうち第１導電型半導体層２０８上に設けられた部分には、カソード電極２１３の為の開口が形成されており、また、コンタクト層２１２上に設けられた部分には、アノード電極２１４の為の開口が形成されている。アノード電極２１４は、コンタクト層２１２上に設けられており、例えばＡｕＺｎを含んで構成され、コンタクト層２１２との間でオーミック接触を実現する。カソード電極２１３は、アノード電極２１４と対になる電極であり、第１導電型半導体層２０８のうち半絶縁性領域２０３ｂ上に位置する部分上に設けられている。カソード電極２１３は、アノード電極２１４と協働して、屈折率変化層２０９に電流を注入する。カソード電極２１３は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、第１導電型半導体層２０８との間でオーミック接触を実現する。カソード電極２１３及びアノード電極２１４の厚さは、例えば０．５［μｍ］である。

絶縁膜２１５上には、ストライプメサ構造の一側面に沿って樹脂層２１６が設けられている。アノード電極２１４は、樹脂層２１６の上まで延びており、一つの電極パッドを構成する。樹脂層２１６は、例えばＢＣＢ樹脂から成り、その層厚は例えば１［μｍ］〜２［μｍ］である。

なお、上述した半絶縁性領域２０３ａ，２０３ｂ、半絶縁層２０７、第１導電型半導体層２０８、屈折率変化層２０９、クラッド層２１１、絶縁膜２１５、及び樹脂層２１６は、それぞれ利得領域１０の半絶縁性領域１０３ａ，１０３ｂ、半絶縁層１０７、第１導電型半導体層１０８、屈折率変化層１０９、クラッド層１１１、絶縁膜１１５、及び樹脂層１１６と一体のものとして形成されてもよい。

続いて、図１、図２および図５を参照して、位相調整領域３０の構成について説明する。位相調整領域３０は、利得領域１０と反射領域２０との間の光路長を能動的に制御するために、利得領域１０と反射領域２０との間に設けられている。図２及び図５に示すように、位相調整領域３０は、光導波層３０１、半絶縁性領域３０３ａ及び３０３ｂを有する。また、位相調整領域３０は、半絶縁層３０７、第１導電型半導体層３０８、屈折率変化層３０９及び３１０、クラッド層３１１、コンタクト層３１２、カソード電極３１３、及びアノード電極３１４を有する。

光導波層３０１は、本実施形態における位相調整用光導波層である。光導波層３０１は、位相調整領域３０における光導波路を構成しており、その一端は利得領域１０の活性層１０１及び光閉じ込め層１０２と光学的に結合されており、その他端は反射領域２０の光導波層２０１と光学的に結合されている。本実施形態の光導波層３０１は、半導体基板３の主面３ａ上に設けられ、例えばアンドープＩｎＧａＡｓＰから成る。光導波層３０１のバンドギャップ波長は、利得領域１０の活性層１０１のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３［μｍ］以下である。この光導波層３０１の層厚は、例えば２５０［ｎｍ］である。なお、光導波層３０１は、半導体基板３の主面３ａ上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。光導波方向と交差する方向における光導波層３０１の幅は、例えば１．８［μｍ］である。

半絶縁性領域３０３ａ及び３０３ｂは、本実施形態における第３の半絶縁性領域である。半絶縁性領域３０３ａ及び３０３ｂは、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁性領域３０３ａ及び３０３ｂは、半導体基板３の主面３ａのうち位相調整領域３０が占める領域において、光導波層３０１が設けられた領域を除いた領域上に設けられており、光導波層３０１の光導波方向（すなわち、ストライプメサ構造の長手方向）に沿った両側面を埋め込んでいる。

半絶縁層３０７は、本実施形態における第３の半絶縁層である。半絶縁層３０７は、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁層３０７は、光導波層３０１上から半絶縁性領域３０３ｂ上にわたって設けられており、後述する第１導電型半導体層３０８と光導波層３０１とを電気的に分離している。この半絶縁層３０７の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。

第１導電型半導体層３０８は、例えばｎ型ＩｎＰから成り、半絶縁層３０７上に設けられている。具体的には、第１導電型半導体層３０８は、光導波層３０１上に位置する半絶縁層３０７の部分上から、半絶縁性領域３０３ｂ上に位置する半絶縁層３０７の部分上にわたって設けられている。この第１導電型半導体層３０８の層厚は、例えば５０［ｎｍ］である。

屈折率変化層３０９及び３１０は、本実施形態における位相調整用屈折率変化層である。屈折率変化層３０９及び３１０は、カソード電極３１３及びアノード電極３１４との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。これら屈折率変化層３０９及び３１０は、第１導電型半導体層３０８のうち光導波層３０１上に位置する部分とクラッド層３１１との間に積層されている。この屈折率変化層３０９，３１０の屈折率が変化することにより、位相調整領域３０における光路長が変化し、ひいては当該半導体レーザ素子１Ａの共振器長が変化する。したがって、屈折率変化層３０９及び３１０への電流注入量を調節することで、半導体レーザ素子１Ａの縦モードを調整することができる。

屈折率変化層３０９は、例えばアンドープＩｎＧａＡｓＰから成り、そのバンドギャップ波長は例えば１．３［μｍ］より小さく、光導波層３０１のバンドギャップ波長より短いことが好ましい。また、屈折率変化層３１０は、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓＰから成り、そのバンドギャップ波長は屈折率変化層３０９のバンドギャップ波長より短く、例えば１．２［μｍ］以下である。屈折率変化層３０９，３１０の層厚は、例えばそれぞれ２５０［ｎｍ］，５０［ｎｍ］である。

クラッド層３１１は、本実施形態における位相調整用クラッド層である。クラッド層３１１は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＰから成り、屈折率変化層３１０上に設けられている。クラッド層３１１のバンドギャップ波長は屈折率変化層３０９，３１０のバンドギャップ波長より短く、その層厚は例えば１［μｍ］である。

コンタクト層３１２は、本実施形態における位相調整用コンタクト層であり、クラッド層３１１上に設けられている。コンタクト層３１２は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓから成り、その層厚は例えば０．２［μｍ］である。

上述した屈折率変化層３０９及び３１０、クラッド層３１１、並びにコンタクト層３１２は、利得領域１０の屈折率変化層１０９、回折格子層１１０、クラッド層１１１、及びコンタクト層１１２と同様に、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。そして、その上面及び両側面は、例えばＳｉＯ_２から成る絶縁膜３１５によって保護されている。絶縁膜３１５は、このストライプメサ構造の一方の側面から、第１導電型半導体層３０８のうち半絶縁性領域３０３ｂ上に位置する部分上にわたって設けられており、また、ストライプメサ構造の他方の側面から半絶縁性領域３０３ａ上にわたって設けられている。絶縁膜３１５の膜厚は、例えば０．３［μｍ］である。

また、絶縁膜３１５のうち第１導電型半導体層３０８上に設けられた部分には、カソード電極３１３の為の開口が形成されており、また、コンタクト層３１２上に設けられた部分には、アノード電極３１４の為の開口が形成されている。アノード電極３１４は、コンタクト層３１２上に設けられており、例えばＡｕＺｎを含んで構成され、コンタクト層３１２との間でオーミック接触を実現する。カソード電極３１３は、アノード電極３１４と対になる電極であり、第１導電型半導体層３０８のうち半絶縁性領域３０３ｂ上に位置する部分上に設けられている。カソード電極３１３は、アノード電極３１４と協働して、屈折率変化層３０９，３１０に電流を注入する。カソード電極３１３は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、第１導電型半導体層３０８との間でオーミック接触を実現する。カソード電極３１３及びアノード電極３１４の厚さは、例えば０．５［μｍ］である。

絶縁膜３１５上には、ストライプメサ構造の一側面に沿って樹脂層３１６が設けられている。アノード電極３１４は、樹脂層３１６の上まで延びており、一つの電極パッドを構成する。樹脂層３１６は、例えばＢＣＢ樹脂から成り、その層厚は例えば１［μｍ］〜２［μｍ］である。

なお、上述した半絶縁性領域３０３ａ，３０３ｂ、半絶縁層３０７、第１導電型半導体層３０８、屈折率変化層３０９、クラッド層３１１、絶縁膜３１５、及び樹脂層３１６は、それぞれ利得領域１０の半絶縁性領域１０３ａ，１０３ｂ、半絶縁層１０７、第１導電型半導体層１０８、屈折率変化層１０９、クラッド層１１１、絶縁膜１１５、及び樹脂層１１６と一体のものとして形成されてもよい。

以下、上記構成を備える半導体レーザ素子１Ａの動作及び作用について述べる。

まず、利得領域１０においては、利得用電極としてのカソード電極１０５及びアノード電極１０６と、屈折率制御用電極としてのカソード電極１１３及びアノード電極１１４とがそれぞれ独立して設けられているので、活性層１０１及び屈折率変化層１０９のそれぞれに個別に電流を注入することができる。

利得用電極としてのカソード電極１０５及びアノード電極１０６に電流（キャリア）が注入されると、活性層１０１のフォトルミネッセンス波長に応じた光が生じる。例えば、活性層１０１に４０〜２００［ｍＡ］の電流を注入すると、５０［ｎｍ］程度の波長範囲にわたる光が活性層１０１にて発生する。図６は、縦軸に光強度、横軸に波長をとり、活性層１０１にて発生する光のスペクトルの一例を示したグラフである。

一方、回折格子層１１０の回折格子１１０ａは、例えば２０［ｎｍ］〜４０［ｎｍ］の波長範囲にわたる光を反射することができる。カソード電極１１３及びアノード電極１１４を介して屈折率変化層１０９に電流が注入されていない場合（すなわち屈折率変化層１０９の屈折率が初期状態である場合）、その反射率は前述したように２〜１０［％］であり、好ましくは当該波長範囲にわたってほぼ均一の反射率を有する。

また、前述したように、回折格子１１０ａの格子間隔（格子ピッチ）は光導波方向に変化しており、光導波方向の位置に応じて異なる波長の反射に寄与する。すなわち、回折格子１１０ａは、格子間隔が光導波方向に連続的に変化するチャープ回折格子か、或いは格子間隔が光導波方向に断続的に変化する階段状回折格子によって構成されている。図７は、回折格子１１０ａの反射特性を示すグラフであり、実線で示されるグラフＧ１はチャープ回折格子の反射特性を示しており、破線で示されるグラフＧ２は階段状回折格子の反射特性を示している。

なお、図７の縦軸は回折波長である。図７の横軸は、光導波方向の位置であって、利得領域１０の光反射端面（端面１０ａ）の位置を０としている。また、図７には、光導波方向に配置された複数のアノード電極１１４の位置が併せて示されている。この例では、各アノード電極１１４の光導波方向の長さは８０［μｍ］であり、アノード電極１１４同士の間隔は１０［μｍ］である。また、光反射端面寄りに位置するアノード電極１１４と光反射端面との間隔は５［μｍ］である。また、図７において、光反射端面に最も近いアノード電極１１４の直下に位置する回折格子１１０ａの格子間隔は２１３．６［ｎｍ］（図中のＢ１部分）であり、光反射端面から最も遠いアノード電極１１４の直下に位置する回折格子１１０ａの格子間隔は２２０．６［ｎｍ］（図中のＢ２部分）である。

また、図８は、複数のアノード電極１１４の各々に対応する回折格子層１１０内の各部分領域毎の反射スペクトルの一例を示すグラフである。図８の縦軸は反射率、横軸は波長である。この図８に示す例では、Ｃバンドを６つに分割している。なお、図８に示す縦軸の反射率は、本実施形態では光損失（内部ロス）を意味する。

このような光学特性を備える回折格子１１０ａは、屈折率変化層１０９に電流が注入されることにより屈折率変化層１０９の屈折率が変化すると、その反射率が低下する。そして、本実施形態では複数のアノード電極１１４のそれぞれに独立して電流を流すことができるので、任意の一つのアノード電極１１４に電流を流すことにより、そのアノード電極１１４の直下に位置する屈折率変化層１０９の部分領域の屈折率のみを回折格子層１１０に近づけることができる。

図９は、任意の一つのアノード電極１１４に電流を流すことにより、回折格子１１０ａの一部の反射率が低下した様子を示している。具体的には、複数のアノード電極１１４のうち光反射端面から遠い側から数えて３個目のアノード電極１１４に電流を供給することにより、該アノード電極１１４の直下に位置する回折格子１１０ａの反射スペクトル（図中のグラフＧ３）に相当する幅約２〜１０［ｎｍ］の波長範囲Ａにおいて光強度が低下している。アノード電極１１４への電流供給量は、例えば０．５〜１０［ｍＡ］である。

屈折率変化層１０９の一部に電流を注入することにより回折格子１１０ａの当該部分の反射率が低下する現象について、更に詳しく説明する。一般的に、回折格子の回折波長λは以下の式
λ＝２ｎ_ｅΛ…（１）
によって定まる（但し、Λは回折格子のピッチ、ｎ_ｅは実効屈折率）。屈折率変化層１０９の一部に電流が注入されると、屈折率変化層１０９の当該部分の屈折率がキャリアプラズマ効果によって低下し、それによって導波モードの実効屈折率ｎ_ｅが変化する。そして、実効屈折率ｎ_ｅが変化した当該部分の回折波長λは、上式（１）に従って短波長側へシフトする。これに伴い、電流注入前に当該部分が反射していた波長範囲の反射率が低下することとなる。

利得領域１０の光導波路内部での回折格子１１０ａによる反射は、その反射率が比較的小さいことから光損失（内部ロス）αとして作用する。すなわち、屈折率変化層１０９の一部への電流注入により反射率が低下した波長範囲では光損失αが低下するので、レーザ発振のためのモード利得（ΓＧ−α）が増加することとなる（但し、Γは光閉じ込め係数、Ｇは利得係数）。したがって、この特定の波長範囲の光がレーザ発振し易くなる。

なお、屈折率変化層１０９に電流が注入されていない場合の光反射率（初期反射率）が２％以上であることによって、電流注入の際の利得増加作用が十分に大きくなり、利得領域１０の上述した波長選択機能を好適に得ることができる。また、屈折率変化層１０９の初期反射率が１０％以下であることによって、回折格子１１０ａの外部共振器としての作用が抑制され、利得領域１０の上述した波長選択機能を好適に得ることができる。

次に、反射領域２０においては、前述したように回折格子層２１０が超周期回折格子構造２１０ａを有することによって、反射スペクトルが所定の波長間隔でもって周期的に変化し、離散的な反射率ピーク波長を有する波長−反射率特性を備えるものとなっている。ここで、図１０は、超周期回折格子構造２１０ａの設計例を示すグラフである。図１０において、縦軸は波長を示し、横軸は光導波方向の位置を示している。超周期回折格子構造２１０ａは、反射波長が光導波方向に連続的に変化する複数の領域が一定の周期で配列された構造を有しており、その周期は例えば９２．６［μｍ］である。また、一周期内で反射波長が最も短い箇所、及び最も長い箇所の格子間隔は、例えばそれぞれ２１３．６［ｎｍ］及び２２０．５［ｎｍ］である。また、図１１は、このような超周期回折格子構造２１０ａを備える反射領域２０の反射スペクトルの一例を示すグラフである。図１１において、縦軸は反射率を示し、横軸は波長を示している。図１１に示すように、反射領域２０は、例えば波長幅１〜３［ｎｍ］の反射ピークＰを複数有し、その間隔は例えば８［ｎｍ］である。また、各反射ピークＰのピーク反射率は例えば５０％以上９０％以下である。

図１２は、活性層１０１にて発生する光のスペクトル（図６参照）と、複数のアノード電極１１４の各々に対応する回折格子層１１０内の各部分領域毎の反射スペクトル（図９参照）と、反射領域２０の反射スペクトル（図１１参照）とを合成したグラフである。なお、図１２において、縦軸は反射率もしくは光強度を示し、横軸は波長を示している。本実施形態の半導体レーザ素子１Ａにおいてレーザ発振が生じる波長とは、活性層１０１にて発生する光の波長範囲のうち、利得領域１０において任意のアノード電極１１４に電流を供給することで光損失（内部ロス）が低下された波長範囲Ａと、反射領域２０のいずれかの反射ピークＰの波長域とが重なる波長（図中のλ_１）であって、且つ半導体レーザ素子１Ａ全体の光導波路の縦モードに一致する波長である。

なお、上述した波長範囲Ａの幅と、反射ピークＰ同士の波長間隔（図中のΔλ）とは、互いに等しいことが好ましい。これにより、複数のアノード電極１１４のそれぞれに対応して光損失が低下する各波長範囲と反射ピークＰとが一対一で対応するので、これらを好適に重ね合わせることができる。

また、各反射ピークＰの中心波長は、カソード電極２１３とアノード電極２１４との間に流れる電流の大きさに応じて屈折率変化層２０９の屈折率が変化することによってシフトすることができる。したがって、アノード電極１１４への電流注入に対応して光損失が低下する波長範囲Ａといった波長範囲内において、屈折率変化層２０９への電流注入により反射ピークＰの中心波長を連続的に移動させることができる。これにより、当該波長範囲に含まれる縦モードの波長の光を任意にレーザ発振させることが可能となる。なお、屈折率変化層２０９への電流注入量は、例えば０〜５０［ｍＡ］が好適である。

また、位相調整領域３０においては、前述したように、屈折率変化層３０９及び３１０の屈折率が、カソード電極３１３及びアノード電極３１４との間に注入される電流の大きさに応じて変化する。これにより、位相調整領域３０における光路長が変化し、ひいては当該半導体レーザ素子１Ａの共振器長が変化する。すなわち、屈折率変化層３０９及び３１０への電流注入量を調節することで、半導体レーザ素子１Ａの共振器長を能動的に制御し、縦モードを調整することができる。したがって、利得領域１０のアノード電極１１４への電流注入に対応して光損失が低下する波長範囲Ａ（図１２参照）といった波長範囲内において、レーザ発振波長を連続的に選択することが可能となる。

以上に説明した半導体レーザ素子１Ａによれば、光を発生する利得領域１０と一つの反射領域２０とによって波長可変型の構成を実現できるので、二つの反射領域が必要な従来の半導体レーザ素子と比較して、素子の全長をより短くすることができる。

（第２の実施の形態）
第２実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂもまた、レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子である。図１３及び図１４を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂは、利得領域１０、位相調整領域３０、及び反射領域４０を備えている。利得領域１０は、レーザ光を発生する領域である。反射領域４０は、利得領域１０から到達したレーザ光を反射する領域である。位相調整領域３０は、利得領域１０と反射領域４０との間の光路長を能動的に制御するための領域である。利得領域１０、位相調整領域３０及び反射領域４０は、図１３に示すように互いに共通の半導体基板３上に形成されており、光導波方向に沿って利得領域１０、位相調整領域３０及び反射領域４０の順に並んでいる。なお、利得領域１０、位相調整領域３０、及び半導体基板３の構成および動作（作用）については、既述した第１実施形態のものと同一なので、詳細な説明を省略する。

図１３、図１４および図１５を参照して、反射領域４０の構成について説明する。反射領域４０は、いわゆるリング共振器といった構成を有しており、光変調層４０１、クラッド層４１１、コンタクト層４１２、アノード電極４１４、及び誘電体多層膜４１８を有する。なお、半導体基板３の裏面上に設けられたカソード電極１０５は、反射領域４０のカソード電極としても使用される。

光変調層４０１は、反射領域４０における光導波路を構成している。光変調層４０１の一端は、利得領域１０の端面１０ａとは反対側の端面における活性層１０１及び光閉じ込め層１０２に対し、位相調整領域３０を介して光学的に結合されている。光変調層４０１は、カソード電極１０５及びアノード電極４１４との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。本実施形態の光変調層４０１は、半導体基板３の主面３ａ上に設けられ、例えばアンドープＩｎＧａＡｓＰから成る。光変調層４０１のバンドギャップ波長は、利得領域１０の活性層１０１のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３［μｍ］以下である。この光変調層４０１の層厚は、例えば３００［ｎｍ］であり、光導波方向と交差する方向の幅は、例えば１．２［μｍ］である。

光変調層４０１は、半導体基板３の主面３ａ上において光導波に適した幅にエッチングされており、図１４に示すように、活性層１０１等のレーザ光軸上に延設された導波路部分４０１ａと、該導波路部分４０１ａと多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラによって結合されたリング状部分４０１ｂと、該リング状部分４０１ｂとＭＭＩカプラによって結合された導波路部分４０１ｃとを含む。リング状部分４０１ｂの直径は例えば１０［μｍ］であり、リング状部分４０１ｂと導波路部分４０１ａ及び４０１ｃとを結合するＭＭＩカプラ長は例えば４５［μｍ］である。導波路部分４０１ｃの一端（すなわちリング共振器の他端）は、反射領域４０の端面に設けられた誘電体多層膜４１８と光学的に結合されている。

また、導波路部分４０１ａはモード変換のための構成を有する。すなわち、光導波方向と交差する方向における導波路部分４０１ａの幅（導波路幅）が光導波方向に変化しており、位相調整領域３０寄りの導波路部分４０１ａの導波路幅は例えば２．４［μｍ］であり、リング状部分４０１ｂ寄りの導波路部分４０１ａの導波路幅は例えば１．２［μｍ］である。そして、これらの境界部分は導波路幅が直線的に変化するテーパ状導波路となっており、そのテーパ状導波路の長さは例えば７０［μｍ］である。

このように、光変調層４０１がリング共振器の構成を備えることによって、反射スペクトルが所定の波長間隔でもって周期的に変化し、離散的な反射率ピーク波長を有する波長−反射率特性が実現される。また、このリング共振器の反射率ピーク波長は、カソード電極１０５とアノード電極４１４との間に流れる電流の大きさに応じて光変調層４０１の屈折率が変化することによってシフトする。

このリング共振器の作用により、利得領域１０から反射領域４０へ到達した光のうち上記反射率ピーク波長に相当する波長成分が、利得領域１０へ向けて反射される。なお、利得領域１０と反射領域４０との間でレーザ光を好適に発振させるために、反射領域４０から利得領域１０への反射率は、５０％以上９０％以下であることが好ましい。

クラッド層４１１は、本実施形態における反射用クラッド層である。クラッド層４１１は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＰから成り、光変調層４０１上に設けられている。クラッド層４１１のバンドギャップ波長は光変調層４０１のバンドギャップ波長より短く、その層厚は例えば３［μｍ］である。

コンタクト層４１２は、本実施形態における反射用コンタクト層であり、クラッド層４１１上に設けられている。コンタクト層４１２は、第２導電型の半導体、例えばｐ型ＩｎＧａＡｓから成り、その層厚は例えば０．２［μｍ］である。

上述した光変調層４０１、クラッド層４１１、及びコンタクト層４１２は、光導波に適した幅にエッチングされてメサ構造を呈している。そして、その上面及び両側面は、例えばＳｉＯ_２から成る絶縁膜４１５によって保護されている。絶縁膜４１５は、このメサ構造の両側面から半導体基板３の主面３ａ上にわたって設けられている。絶縁膜４１５の膜厚は、例えば０．３［μｍ］である。

絶縁膜４１５のうちコンタクト層４１２上に設けられた部分には、アノード電極４１４の為の開口が形成されている。アノード電極４１４は、コンタクト層４１２上に設けられており、例えばＡｕＺｎを含んで構成され、コンタクト層４１２との間でオーミック接触を実現する。アノード電極４１４は、カソード電極１０５と協働して、光変調層４０１に電流を注入する。アノード電極４１４の厚さは、例えば０．５［μｍ］である。

絶縁膜４１５上には、メサ構造の一側面に沿って樹脂層４１６が設けられている。アノード電極４１４は、樹脂層４１６の上まで延びており、一つの電極パッドを構成する。樹脂層４１６は、例えばＢＣＢ樹脂から成り、その層厚は例えば１［μｍ］〜２［μｍ］である。

なお、上述したクラッド層４１１の一部、絶縁膜４１５、及び樹脂層４１６は、それぞれ利得領域１０のクラッド層１１１、絶縁膜１１５、及び樹脂層１１６と一体のものとして形成されてもよい。

以上に説明した反射領域４０においては、前述したように光変調層４０１がリング共振器構造を有することによって、反射スペクトルが所定の波長間隔でもって周期的に変化し、離散的な反射率ピーク波長を有する波長−反射率特性が実現されている。ここで、図１６は、反射領域４０の反射スペクトルの一例を示すグラフである。図１６において、縦軸は反射率を示し、横軸は波長を示している。図１６に示すように、反射領域４０の反射スペクトルは反射ピークＰを複数有しており、その間隔は例えば４．４［ｎｍ］である。また、各反射ピークＰのピーク反射率は例えば５０％以上９０％以下である。

図１７は、活性層１０１にて発生する光のスペクトル（図６参照）と、複数のアノード電極１１４の各々に対応する回折格子層１１０内の各部分領域毎の反射スペクトル（図９参照）と、反射領域４０の反射スペクトル（図１６参照）とを合成したグラフである。なお、図１７において、縦軸は反射率もしくは光強度を示し、横軸は波長を示している。本実施形態の半導体レーザ素子１Ｂにおいてレーザ発振が生じる波長とは、活性層１０１にて発生する光の波長範囲のうち、利得領域１０において任意のアノード電極１１４に電流を供給することで光損失（内部ロス）が低下された波長範囲Ａと、反射領域４０のいずれかの反射ピークＰの波長域とが重なる波長（図中のλ_２）であって、且つ半導体レーザ素子１Ｂ全体の光導波路の縦モードに一致する波長である。

なお、本実施形態においても、上述した波長範囲Ａの幅と、反射ピークＰ同士の波長間隔（図中のΔλ）とは、互いに等しいことが好ましい。これにより、複数のアノード電極１１４のそれぞれに対応して光損失が低下する各波長範囲と反射ピークＰとが一対一で対応するので、これらを好適に重ね合わせることができる。

また、各反射ピークＰの中心波長は、カソード電極１０５とアノード電極４１４との間に流れる電流の大きさに応じて光変調層４０１の屈折率が変化することによってシフトすることができる。したがって、アノード電極１１４への電流注入に対応して光損失が低下する波長範囲Ａといった波長範囲内において、光変調層４０１への電流注入により反射ピークＰの中心波長を連続的に移動させることができる。これにより、当該波長範囲に含まれる縦モードの波長の光を任意にレーザ発振させることが可能となる。

以上に説明した半導体レーザ素子１Ｂによれば、光を発生する利得領域１０と一つの反射領域４０とによって波長可変型の構成を実現できるので、二つの反射領域が必要な従来の半導体レーザ素子と比較して、素子の全長をより短くすることができる。

本発明による半導体レーザ素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態では反射領域の具体的構成として超周期回折格子構造（ＳＳＧ）、サンプルドグレーティング構造（ＳＧ）及びリング共振器を例示したが、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を実現し得る構造であれば、他の構造を適用してもよい。

また、利得領域における半導体層構造および電極配置についても上記実施形態に限られるものではなく、活性層及び屈折率変化層の各々に独立して電流を注入できる構造であれば、他の様々な構造を適用できる。

１Ａ，１Ｂ…半導体レーザ素子、３…半導体基板、３ａ…主面、１０…利得領域、２０，４０…反射領域、３０…位相調整領域、１０１…活性層、１０２…光閉じ込め層、１０３ａ，１０３ｂ，２０３ａ，２０３ｂ，３０３ａ，３０３ｂ…半絶縁性領域、１０４，１１２，２１２，３１２，４１２…コンタクト層、１０５，１１３，２１３，３１３…カソード電極、１０６，１１４，２１４，３１４，４１４…アノード電極、１０７，２０７，３０７…半絶縁層、１０８，２０８，３０８…第１導電型半導体層、１０９，２０９，３０９，３１０…屈折率変化層、１１０，２１０…回折格子層、１１０ａ…回折格子、１１１，２１１，３１１，４１１…クラッド層、１１５，２１５，３１５，４１５…絶縁膜、１１６，２１６，３１６，４１６…樹脂層、１１８，４１８…誘電体多層膜、２０１，３０１…光導波層、２１０ａ…超周期回折格子構造、３０９，３１０…屈折率変化層、４０１…光変調層。

Claims (16)

1. レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザ素子であって、
   半導体基板上に設けられ光を発生すると共に一端面が光反射端面となっている利得領域と、
   前記利得領域と並んで前記半導体基板上に設けられ、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有し、前記利得領域の他端面と光学的に結合されて前記利得領域から到達した光を反射する反射領域とを備え、
   前記利得領域は、
   電流注入により光を発生する活性層と、
   前記活性層上に設けられた第２導電型の光閉じ込め層と、
   前記活性層に沿って前記光閉じ込め層上に設けられ、格子間隔が光導波方向に変化する回折格子を有しており前記活性層において発生した光に損失を生じさせる回折格子層と、
   前記光閉じ込め層と前記回折格子層との間に設けられ、電流注入により屈折率が変化する屈折率変化層と、
   前記活性層に電流を注入するための利得用電極と、
   前記活性層とは独立して前記屈折率変化層に電流を注入するために光導波方向に並設された複数の屈折率制御用電極とを有し、
   前記反射領域は、前記利得領域の前記活性層及び前記光閉じ込め層と光学的に結合された光導波路を有する
   ことを特徴とする、半導体レーザ素子。
2. 前記利得領域の前記回折格子層が有する回折格子は、格子間隔が連続的に変化するチャープ回折格子であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
3. 前記利得領域の前記回折格子層が有する回折格子の格子間隔が断続的に変化することを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
4. 前記利得領域の前記回折格子層が有する回折格子の光反射率が２％以上１０％以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
5. 一つの前記屈折率制御用電極への電流供給に伴う前記屈折率変化層の屈折率変化によって前記回折格子層の回折格子の光反射率が変化する波長域の幅と、前記所定の波長間隔とが互いに等しいことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
6. 前記利得領域は、
   前記利得用電極と対になる電極と、
   前記複数の屈折率制御用電極と対になる一又は複数の電極とを更に有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
7. 前記半導体基板が第１導電型の半導体から成り、
   前記利得領域は、
   前記半導体基板の裏面上に設けられた電極と、
   前記活性層及び前記光閉じ込め層の光導波方向に沿った両側面を埋め込む第１の半絶縁性領域と、
   前記光閉じ込め層上から一方の前記第１の半絶縁性領域上にわたって設けられた第２導電型の利得用コンタクト層と、
   前記利得用コンタクト層のうち前記第１の半絶縁性領域上に位置する部分上に設けられた前記利得用電極としての電極と、
   前記利得用コンタクト層のうち前記光閉じ込め層上に位置する部分上から他方の前記第１の半絶縁性領域上にわたって設けられた第１の半絶縁層と、
   前記第１の半絶縁層上に設けられた第１導電型半導体層と、
   前記利得領域の前記第１導電型半導体層のうち前記第１の半絶縁性領域上に位置する部分上に設けられた電極と、
   前記利得領域の前記第１導電型半導体層のうち前記光閉じ込め層上に位置する部分上に設けられた前記屈折率変化層と、
   前記屈折率変化層上に設けられた前記回折格子層と、
   前記回折格子層上に設けられた第２導電型のクラッド層と、
   前記クラッド層上に設けられた第２導電型の屈折率制御用コンタクト層と、
   前記屈折率制御用コンタクト層上において、互いに所定の間隔をあけて光導波方向に並設された前記屈折率制御用電極としての複数の電極とを有する
   ことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
8. 前記反射領域から前記利得領域への光反射率が５０％以上９０％以下であることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
9. 前記屈折率変化層及び前記回折格子層の各バンドギャップ波長が、前記活性層のバンドギャップ波長より短いことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
10. 前記反射領域は、前記光導波路に沿って設けられた超周期回折格子構造を有することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
11. 前記半導体基板が第１導電型の半導体から成り、
    前記反射領域は、
    前記半導体基板上に設けられ、前記利得領域の前記活性層よりバンドギャップ波長が短い半導体からなり前記光導波路を構成する反射用光導波層と、
    前記反射用光導波層の光導波方向に沿った両側面を埋め込む第２の半絶縁性領域と、
    前記反射用光導波層上から少なくとも一方の前記第２の半絶縁性領域上にわたって設けられた第２の半絶縁層と、
    前記第２の半絶縁層上に設けられた第１導電型半導体層と、
    前記反射領域の前記第１導電型半導体層のうち前記第２の半絶縁性領域上に位置する部分上に設けられた電極と、
    前記反射領域の前記第１導電型半導体層のうち前記反射用光導波層上に位置する部分上に設けられた反射用屈折率変化層と、
    前記反射用屈折率変化層上に設けられ、前記超周期回折格子構造を含む反射用回折格子層と、
    前記反射用回折格子層上に設けられた第２導電型の反射用クラッド層と、
    前記反射用クラッド層上に設けられた第２導電型の反射用コンタクト層と、
    前記反射用コンタクト層上に設けられた電極とを有する
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の半導体レーザ素子。
12. 前記反射用屈折率変化層及び前記反射用回折格子層の各バンドギャップ波長が、前記反射用光導波層のバンドギャップ波長より短いことを特徴とする、請求項１１に記載の半導体レーザ素子。
13. 前記反射領域は、
    一端において前記利得領域の前記一端面と光学的に結合されたリング共振器と、
    前記リング共振器の他端に設けられた誘電体多層膜とを有し、
    前記リング共振器が、前記利得領域の前記活性層及び前記光閉じ込め層と光学的に結合されている
    ことを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
14. 前記半導体基板が第１導電型の半導体から成り、
    前記リング共振器は、
    前記半導体基板の裏面上に設けられた電極と、
    前記半導体基板上に設けられ前記光導波路を構成する光変調層と、
    前記光変調層上に設けられた第２導電型の反射用クラッド層と、
    前記反射用クラッド層上に設けられた第２導電型の反射用コンタクト層と、
    前記反射用コンタクト層上に設けられた電極とを有する
    ことを特徴とする、請求項１３に記載の半導体レーザ素子。
15. 前記利得領域と前記反射領域との間の光路長を能動的に制御するために前記利得領域と前記反射領域との間に設けられた位相調整領域を更に備える
    ことを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の半導体レーザ素子。
16. 前記半導体基板が第１導電型の半導体から成り、
    前記位相調整領域は、
    前記半導体基板上に設けられ、前記利得領域の前記活性層よりバンドギャップ波長が短い半導体からなる位相調整用光導波層と、
    前記位相調整用光導波層の光導波方向に沿った両側面を埋め込む第３の半絶縁性領域と、
    前記位相調整用光導波層上から少なくとも一方の前記第３の半絶縁性領域上にわたって設けられた第３の半絶縁層と、
    前記第３の半絶縁層上に設けられた第１導電型半導体層と、
    前記位相調整領域の前記第１導電型半導体層のうち前記第３の半絶縁性領域上に位置する部分上に設けられた電極と、
    前記位相調整領域の前記第１導電型半導体層のうち前記位相調整用光導波層上に位置する部分上に設けられた位相調整用屈折率変化層と、
    前記位相調整用屈折率変化層上に設けられた第２導電型の位相調整用クラッド層と、
    前記位相調整用クラッド層上に設けられた第２導電型の位相調整用コンタクト層と、
    前記位相調整用コンタクト層上に設けられた電極とを有する
    ことを特徴とする、請求項１５に記載の半導体レーザ素子。
    

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