WO2021117095A1 - 直接変調レーザ - Google Patents

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Definitions

  • Non-Patent Document 1 a laser structure using a photon-photon resonance phenomenon (photon-photon resonance, Photon-Photon Resonance; PPR) has been proposed.
  • the modulation band is greatly expanded by expressing a new resonance peak in the high frequency region where the response has been deteriorated (the output does not follow the input).
  • a state in which PPR is generated and a state in which PPR is not generated are switched between a state in which PPR is generated and a state in which PPR is not generated due to a change in the refractive index due to the injected current.
  • the direct modulation laser according to the present invention has a distributed feedback type laser active region formed on a substrate and a distributed feedback type laser active region formed on the substrate and optically connected to one end of the laser active region in the waveguide direction. It has a Fabry-Perot type optical feedback region with an optical waveguide structure in which reflection points are formed at both ends of the direction, and the frequency of the light generated in the laser active region and the frequency of the Fabry-Perot mode in the optical feedback region. Laser oscillation is performed using photon-photon resonance generated according to the difference.
  • a laser is used by using photon-photon resonance generated according to the frequency difference between the frequency of light generated in the laser active region and the frequency of the fabric perow mode in the optical feedback region. Since it oscillates, the frequency at which the response enhancement by PPR is generated can be changed without lengthening the optical feedback region.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view showing a partial configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is an explanatory diagram illustrating the generation of PPR.
  • FIG. 7B is an explanatory diagram illustrating the generation of PPR.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing the configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 9A is an explanatory diagram illustrating the generation of PPR.
  • FIG. 9B is an explanatory diagram illustrating the generation of PPR.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a partial configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • the n-type lower clad layer 112 In the laser active region 101, in the thickness direction (normal direction of the plane of the substrate 111), the n-type lower clad layer 112, the i-type active layer 113, and the upper clad layer 116 have p-shaped regions. It is laminated to form a so-called vertical n-ip structure. In this case, the p-shaped region of the lower clad layer 112 and the upper clad layer 116 constitutes the current injection structure.
  • Each layer structure of the compound semiconductor described above can be formed by, for example, epitaxial growth by a known organic metal vapor phase growth method or the like. Further, the diffraction grating 114, the core, and the like can be formed by processing (patterning) by a known lithography technique and etching technique.

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Abstract

直接変調レーザは、分布帰還型のレーザ活性領域（１０１）と、レーザ活性領域（１０１）の導波方向の一端に光学的に接続された光帰還領域（１０２）とを備え、レーザ活性領域（１０１）で生成（発振）される光の周波数と、光帰還領域（１０２）のＦＰモードの周波数との周波数差に応じて発生する光子－光子共鳴（ＰＰＲ）を用いてレーザ発振させる。

Description

直接変調レーザ
　本発明は、直接変調レーザに関する。
　半導体素子は、小型低消費電力な素子として広く普及している。特に、半導体レーザは情報通信システムを構成する重要な部品である。情報通信システムに用いられる半導体レーザには、まず、半導体レーザの外部に変調器などを設けてデジタル信号を送信する外部変調レーザがある。また、情報通信システムに用いられる半導体レーザには、活性領域に注入する電流を変調させることで、直接、出力光にデジタル信号を重畳させる直接変調レーザがある。
　直接変調レーザは、外部変調レーザに比べて消費電力が低く、製造コストが安いなどの特徴があるため、短距離での通信やデータセンタなどの非常に多くの情報通信システムが必要な場所に広く用いられている。一方、直接変調レーザは、外部変調レーザに比べると変調速度が遅いという問題があった。これは、高速動作のために電流注入を大きくしようとすると、同時に発熱が顕著に増大して半導体素子の発光効率を低下させ、変調帯域が増大できないためである。
　近年、このような内因的な帯域制限の問題を解決するため、光子と光子の共鳴現象（光子－光子共鳴、Photon-Photon Resonance；ＰＰＲ）を用いたレーザ構造が提案されている。ＰＰＲを利用した直接変調レーザにおいては、従来、応答が低下していた（入力に対して出力が追従しない）高周波数領域に新たな共鳴ピークを発現させることで、変調帯域を大幅に拡大させている（例えば非特許文献１）。
　ＰＰＲ効果を利用した直接変調レーザでは、図１７に示すように、分布帰還型（Distributed Feedback；ＤＦＢ）のレーザ活性領域４０１と、光の帰還機構を担うパッシブ導波路４０２とが、隣接して接続された構造を有する。パッシブ導波路４０２の一端に、レーザ活性領域４０１が光学的に接続されている。また、パッシブ導波路４０２の両端は、反射点４０３、反射点４０４となっている。レーザ活性領域４０１で生じるレーザ光は、パッシブ導波路４０２による光帰還領域で形成されるファブリペロー型の共振モードと相互作用し、位相整合条件が満たされる場合においてＰＰＲが生じる。パッシブ導波路４０２では、例えば、注入される電流による屈折率変化によって、ＰＰＲが生じる状態と、ＰＰＲが生じない状態とを切り替える。
　上述した従来技術において、ＰＰＲによる応答の増強が生じる周波数は、パッシブ導波路４０２による光帰還領域の長さで規定される自由スペクトル範囲（Free Spectral Range：ＦＳＲ)を基本として決定している（図１８参照）。なお、図１８は、レーザ活性領域４０１における透過スペクトル４１１と、パッシブ導波路４０２における透過スペクトル４１２とを示している。
M. Radziunas et al., "Improving the Modulation Bandwidth in Semiconductor Lasers by Passive Feedback", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 13, no. 1, pp. 136-142, 2007.
　しかし、従来用いられてきた技術においては、ＰＰＲによる応答増強を生じる周波数が光帰還領域のＦＳＲを元に決定していたため、目的とする応答増強を生じる周波数により、光帰還領域の長さが決定されてしまう。例えば、非特許文献１においては、約４３ＧＨｚにおいてＰＰＲを生じるために光帰還領域の長さを３００μｍとしており、これより小さいサイズとすることはできない。このため、ＰＰＲを用いた直接変調レーザを動作させるためには、このような長い光帰還領域全域に渡って屈折率などのチューニングが必要となり、安定的な動作が困難で、かつ消費電力増大などの影響が問題であった。
　上述したように、直接変調レーザの高速動作に向けたＰＰＲ効果の利用は、直接変調レーザの広帯域化のためには必須の技術となるが、目的とする周波数でＰＰＲ効果を得るためには従来、長い素子長と大掛かりな屈折率制御が必要となるなどの問題があった。
　本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光帰還領域を長くすることなく、ＰＰＲによる応答増強を生じる周波数が変更できるようにすることを目的とする。
　本発明に係る直接変調レーザは、基板の上に形成された分布帰還型のレーザ活性領域と、基板の上に形成され、レーザ活性領域の導波方向の一端に光学的に接続され、導波方向の両端に反射点が形成された、光導波路構造によるファブリペロー型の光帰還領域とを備え、レーザ活性領域で生成される光の周波数と、光帰還領域のファブリペローモードの周波数との周波数差に応じて発生する光子－光子共鳴を用いてレーザ発振させる。
　以上説明したように、本発明によれば、レーザ活性領域で生成される光の周波数と、光帰還領域のファブリペローモードの周波数との周波数差に応じて発生する光子－光子共鳴を用いてレーザ発振させるので、光帰還領域を長くすることなく、ＰＰＲによる応答増強を生じる周波数が変更できる。
図１は、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの構成を示す構成図である。 図２は、ＰＰＲの発生について説明する説明図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの構成を示す断面図である。 図３Ｂは、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの一部構成を示す断面図である。 図４は、ＰＰＲの発生について説明する説明図である。 図５は、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの構成を示す断面図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの構成を示す断面図である。 図６Ｂは、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの一部構成を示す断面図である。 図７Ａは、ＰＰＲの発生について説明する説明図である。 図７Ｂは、ＰＰＲの発生について説明する説明図である。 図８は、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの構成を示す断面図である。 図９Ａは、ＰＰＲの発生について説明する説明図である。 図９Ｂは、ＰＰＲの発生について説明する説明図である。 図１０は、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの構成を示す断面図である。 図１１は、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの一部構成を示す断面図である。 図１２は、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの一部構成を示す斜視図である。 図１３は、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの一部構成を示す斜視図である。 図１４は、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの一部構成を示す断面図である。 図１５は、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの一部構成を示す断面図である。 図１６は、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザの一部構成を示す平面図である。 図１７は、従来の直接変調レーザの一部構成を示す平面図である。 図１８は、従来のＰＰＲの発生について説明する説明図である。
　以下、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザについて図１を参照して説明する。この直接変調レーザは、分布帰還型のレーザ活性領域１０１と、レーザ活性領域１０１の導波方向の一端に光学的に接続された光帰還領域１０２とを備える。光帰還領域１０２は、導波方向の両端に、反射が発生する箇所である反射点１０３，反射点１０４が形成されている。また、光帰還領域１０２は、光導波路構造を備え、ファブリペロー型の共振器構造とされ、ファブリペロー（Fabry-Perot；ＦＰ）モードが形成可能とされている。また、光帰還領域１０２は、レーザ活性層領域１０１との複合モードが形成可能とされている。
　加えて、この直接変調レーザは、レーザ活性領域１０１で生成（発振）される光の周波数と、光帰還領域１０２のＦＰモードの周波数との周波数差に応じて発生する光子－光子共鳴（ＰＰＲ）を用いてレーザ発振させる。ＰＰＲは、図２に示すように、レーザ活性領域１０１における透過スペクトル２０１のピーク波長（発振波長におけるピーク波長）と、光帰還領域１０２における透過スペクトル２０２のピーク波長（ＦＰモードのピーク波長）との周波数差ΔＦに応じて発生する。
　このため、実施の形態に係る直接変調レーザによれば、光帰還領域１０２の導波方向の長さにかかわらず、ＰＰＲを発現させることができる。この結果、実施の形態に係る直接変調レーザによれば、高速直接変調が可能なＰＰＲによる広い変調帯域を短い素子長で実現可能であり、ＰＰＲの効果を安定的に発現させることが可能となり、制御性の高い高速直接変調レーザが実現可能となる。
　この直接変調レーザは、例えば、周波数調整機構を備え、光帰還領域１０２のファブリペローモードの周波数が調整可能とされている。周波数調整機構は、光帰還領域１０２に電流を注入する、光帰還領域１０２の温度を制御する、光帰還領域１０２に電界を印加するのいずれかかにより、ファブリペローモードの周波数を調整する。例えば、光帰還領域１０２に、タンタルなどの金属から構成された抵抗加熱型のヒータを温度制御機構として設けることで、周波数制御が実現できる。
　次に、本発明の実施の形態に係る直接変調レーザについて、図３Ａ、図３Ｂを参照してより詳細に説明する。なお、図３Ａは、導波方向に平行な面による断面を示し、図３Ｂは、導波方向に垂直な面による断面を示す。この直接変調レーザは、基板１１１と、基板１１１の上に形成された下部クラッド層１１２とを備える。基板１１１は、例えば、Ｓｉをドープすることでｎ型とされたＩｎＰから構成されている。下部クラッド層１１２は、例えば、ｎ型とされたＩｎＰから構成されている。
　レーザ活性領域１０１において、下部クラッド層１１２の上に活性層１１３が形成され、活性層１１３の上には、回折格子１１４が形成されている。活性層１１３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰあるいはＩｎＧａＡｌＡｓからなる多重量子井戸構造とされている。回折格子１１４は、凹部および凹部に隣接する凸部から構成され、これらは導波方向に配列されている。なお、回折格子１１４には、導波方向の一部（中央部）に、位相がπ反転する部分（１／４シフト部）が形成されている。この部分１／４シフト部の位相シフトにより、ブラッグ波長における単一モード発光が可能となる。
　また、光帰還領域１０２においては、コア１１５が形成されている。コア１１５は、例えば、基板１１１の平面方向の格子定数が、ＩｎＰに格子整合するＩｎＧａxＡｌ1-xＡｓから構成されている。
　活性層１１３、コア１１５の上には、上部クラッド層１１６が形成されている。例えば、活性層１１３は、導波方向に延在し、導波方向に垂直な断面の形状が、コア１１５と同一とされている。また、上部クラッド層１１６は、活性層１１３およびコア１１５を覆って、下部クラッド層１１２の上に形成されている。上部クラッド層１１６は、例えば、ＩｎＰから構成されている。なお、活性層１１３の上部の上部クラッド層１１６の一部は、例えばｐ型とされている。また、コア１１５の上部を含めて他の領域の上部クラッド層１１６は、ｉ型（ノンドープ）とされている。
　レーザ活性領域１０１においては、厚さ方向（基板１１１の平面の法線方向）に、ｎ型の下部クラッド層１１２、ｉ型の活性層１１３、上部クラッド層１１６のｐ型とされている領域が積層され、いわゆる縦型のｎ－ｉ－ｐ構造とされている。この場合、下部クラッド層１１２および上部クラッド層１１６のｐ型とされている領域により、電流注入構造が構成されている。
　例えば、活性層１１３をコアとした光導波路構造のレーザ活性領域１０１と、コア１１５による光導波路構造の光帰還領域１０２とは、直接接合する形で形成することができる。この構成とすることで、光帰還領域１０２からレーザ活性領域１０１へ進行する光は、レーザ活性領域１０１の回折格子１１４による反射部での反射により、実効的に反射点１０３が形成される。このように構成される反射点１０３の位置は、光の侵入長分だけ、レーザ活性領域１０１と光帰還領域１０２との境界からずれる。
　反射点１０４は、光帰還領域１０２の、レーザ活性領域１０１との接続端と反対側の端部を、劈開面とすることで形成できる。また、光帰還領域１０２の端面を、ダイシングにより形成した端面とすることでも形成できる。このように形成した端面における半導体と周囲の空気との界面でのフレネル反射により、反射点１０４が形成することができる。なお、他の構造により、反射点１０３，反射点１０４を形成することもできる。
　上述した化合物半導体による各層構成は、例えば、公知の有機金属気相成長法などによるエピタキシャル成長で形成することができる。また、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術により加工（パターニング）することで、回折格子１１４やコアなどが形成できる。
　この直接変調レーザでは、図４に示すように、レーザ活性領域１０１における透過スペクトル２０１は、ある波長にピークがあるものとなる。前述したように、実施の形態に係る直接変調レーザは、光帰還領域１０２における透過スペクトル２０２の、ＦＰモードのピークの間隔では無く、各モードのピークの差分の周波数差ΔＦで決定される。このため、この直接変調レーザでは、素子長（光帰還領域１０２の導波方向長さ）の制限を受けること無く自由に設計することができる。このため、光帰還領域１０２を短くすることが可能となり、結果として小さい素子長で広帯域な直接変調レーザが実現できる。
　ところで、ＰＰＲによる帯域の増大は、周波数差ΔＦにより決定される。これに対し、レーザ活性領域１０１の発振波長は、環境温度および電流注入による発熱により変化し、発振波長は長波長側へ移っていく。また、光帰還領域１０２のピーク波長（周波数）は、おおよそ環境温度で規定される。これは、ＰＰＲの発生に関し、レーザ活性領域１０１における波長の調整と、光帰還領域１０２における波長の調整とを、各々独立に実施できることを意味しており、ＰＰＲの発生制御が容易であることを示している。
　また、上述したいずれの状態においても安定的にＰＰＲを発現させる、または、ＰＰＲを発現させる周波数を変化させる、または、製造による素子長や屈折率ばらつきを緩衝するため、光帰還領域１０２に調整機構を設け、より安定的な動作させることができる。調整機構は、例えば、ヒータから構成することができる。光帰還領域１０２が短く設計できることは、このような調整機構へ要する電力も小さくすることを意味しており、安定性の向上とともに消費電力の低下も可能とする。調整機構の付加は必須ではなく、また、調整機構はヒータ以外の構成により実現することもできる。
　次に、反射点１０３，反射点１０４の他の構成について説明する。例えば、光帰還領域１０２のコア１１５を、レーザ活性領域１０１の活性層１１３（コア）とは、厚さおよび幅の少なくとも１つが異なる構造として両者をバットカップルすることで、これらの接続箇所を反射点１０３とすることができる。
　また、活性層１１３とコア１１５とを、各々異なる屈折率の材料から構成することでも、レーザ活性領域１０１と光帰還領域１０２との接続箇所を反射点１０３とすることができる。例えば、活性層１１３をＩｎＧａＡｌＡｓによる多重量子構造とし、コア１１５をＩｎＧａＡｌＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰから構成することで、反射点１０３が形成できる。
　また、図５に示すように、レーザ活性領域１０１と光帰還領域１０２との接続箇所の上部クラッド層１１６に、導波方向に交差する方向に延在する溝１１７を形成することでも、反射点１０３が形成できる。溝１１７を形成することで、この箇所に屈折率の変曲点が形成され、反射点１０３とすることができる。なお、図５は、導波方向に平行な面による断面を示す。
　次に、レーザ活性領域１０１における他の電流注入構造について、図６Ａ、図６Ｂを参照して説明する。図６Ａは、導波方向に平行な面による断面を示し、図６Ｂは、導波方向に垂直な面による断面を示す。これは、レーザ活性領域１０１が、基板１１１の平面方向に電流を注入する電流注入機構を備えるものであり、レーザ活性領域１０１において、活性層１１３を挟んで配置されたｎ型層１１８およびｐ型層１１９を備える。ｎ型層１１８は、例えばｎ型のＩｎＰから構成され、ｐ型層１１９は、例えば、ｐ型のＩｎＰから構成されている。この構成においては、基板１１１および下部クラッド層１１２をＳｉＣから構成し、上部クラッド層１１６ａは、酸化シリコンから構成する。この構造は、いわゆる横方向電流注入型である。
　下部クラッド層１１２は、活性層１１３への光閉じ込めを実現するため、活性層１１３を構成する材料の屈折率よりも低い屈折率を有する材料から構成する。例えば、下部クラッド層１１２（基板１１１）は、ＳｉＣに限らず、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＳｉＯ2、ＡｌＧａＡｓなどから構成することもできる。下部クラッド層１１２をＳｉＯ2から構成する場合、基板１１１は、Ｓｉから構成することができる。下部クラッド層１１２をＡｌＧａＡｓから構成する場合、基板１１１は、ＧａＡｓから構成することができる。
　上述した横方向電流注入型のレーザ活性領域１０１では、下部クラッド層１１２，上部クラッド層１１６ａと、活性層１１３（コア１１５）との間の屈折率差を大きくすることが可能であり、活性層１１３へ、より強く光を閉じ込めることができるようになる。このより強い光閉じ込めにより、光帰還領域１０２から帰還される光と、レーザ活性領域１０１での光との相互作用を、より大きくすることができる。これらのことにより、レーザ活性領域１０１からの反射戻り成分を大きくすること無く、ＰＰＲによる帯域増大を起こせる。
　また、上述したように、強い光閉じ込めにより光帰還領域１０２の反射率を大きく取る必要がないため、光帰還領域１０２の端面に高反射率（ＨＲ）コートやＤＢＲグレーティングの形成などが不要となり、構造形成が容易となる。また、上述したように相互作用が大きいと、図７Ａに示すように、レーザ活性領域１０１における透過スペクトル２０１と、光帰還領域１０２における透過スペクトル２０２との間の周波数差ΔＦが大きい場合でもＰＰＲが生じるため、高周波数領域での帯域増大を起こす設計が可能となる。
　さらに、基板垂直（厚さ）方向への光閉じ込めをＩＩＩ－Ｖ族半導体／絶縁体（空気やＳｉＯ2など）や屈折率の低い半導体（ＳｉＣやＡｌＮなど）の屈折率差で実現する構造においては、レーザ活性領域１０１において、屈折率変調の度合いが大きい回折格子１１４が形成できるため、大きな結合係数を有する回折格子１１４によるレーザ活性領域１０１が実現できる。
　回折格子１１４の結合係数が大きい場合、図７Ｂに示すように、レーザ活性領域１０１のストップバンド２０４の幅が大きくなるため、光帰還領域１０２の透過スペクトル２０２の極大ピークの多くが、ストップバンド２０４の中に収まる。この結果、レーザ活性領域１０１の発振光のピークと光帰還領域１０２におけるＦＰモードのピークの干渉によるレーザ動作の不安定化が生じにくい。
　一般的な回折格子の結合係数が小さいＤＦＢレーザでは、ＤＦＢレーザのストップバンドの中にＦＰモードがほとんど入らないため、ＦＰモードとＤＦＢモードの干渉による動作不安定が生じやすい。
　また、活性層材料の利得（ゲイン）スペクトル２０３を調整することでも動作に影響を与えることができるが、結合係数が小さい場合に比べて少ないＤＦＢおよびＦＰモードピークのみを選択することができるため、シングルモード動作や安定的な（モードホップやＰＰＲの発現容易性）動作が可能となる。
　ところで、活性層１１３と、活性層１１３を上下に挟む層との間の屈折率差が大きく、回折格子１１４の結合係数が大きい場合、回折格子１１４による反射部での反射により形成される反射点１０３の反射率が高くなる。このため、この構成では、光帰還領域１０２による光帰還の強度を強くすることが可能となる。この結果、レーザ活性領域１０１の透過スペクトルと、光帰還領域１０２の透過スペクトルとの周波数差が大きい（応答を増強する周波数が高い）状態でもＰＰＲが発現し、帯域増大が実現できる。
　次に、本発明の実施の形態に係る他の直接変調レーザについて、図８を参照して説明する。図８は、導波方向に平行な面による断面を示す。この直接変調レーザは、基板１１１の上に形成され、レーザ活性領域１０１の導波方向の他端に光学的に接続されたＤＢＲ領域１２１をさらに備える。ＤＢＲ領域１２１は、下部クラッド層１１２の上に、コア１２３が形成されている。コア１２３は、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓから構成することができる。他の構成は、図６Ａ、図６Ｂを用いて説明した、横方向電流注入型のレーザ活性領域１０１による直接変調レーザと同様であり、詳細な説明を省略する。
　この直接変調レーザでは、ＤＢＲ領域１２１において、例えば、レーザ活性領域１０１の短波側の透過ピークを選択し、レーザ動作およびＰＰＲによる帯域増大を行うことができる。この場合、図９Ａに示すように、レーザ活性領域１０１における透過スペクトル２０１のストップバンド２０４内に、ＤＢＲ領域１２１の反射スペクトル２０５のピーク波長より長波長側のフリンジピークやＦＰモードのピークが集中する。この結果、ＰＰＲ発現に重要な透過スペクトル２０１のピークよりもわずかに長波長側の領域のモードの多くが減衰され、安定的なシングルモード動作とＰＰＲ発現が可能となる。
　一方、ＤＢＲ領域１２１において、レーザ活性領域１０１の長波長側の透過ピークを選択すると、図９Ｂに示すように、透過スペクトル２０１のピーク（ストップバンド２０４）よりも長波長側の領域において、ＤＢＲ領域１２１のフリンジピーク２０６や、ＦＰモードの透過スペクトル２０２のピークが複数存在することで、レーザ動作およびＰＰＲ発現が不安定となる。このため、ＤＢＲ領域１２１を備える直接変調レーザでは、ＰＰＲによる帯域拡大を行う場合には、ＤＢＲ領域１２１の反射の対象は、レーザ活性領域１０１の発振光の短波側のピークを選択することが設計上重要となる。
　次に、本発明の実施の形態に係る他の直接変調レーザについて、図１０，図１１を参照して説明する。図１０は、導波方向に平行な面による断面を示し、図１１は、導波方向に垂直な面による断面を示す。この直接変調レーザは、図６Ａ、図６Ｂを用いて説明した直接変調レーザにおいて、周波数調整機構として、光帰還領域１０２において、コア１１５を挟んで配置されたｎ型層１２４およびｐ型層１２５を備える。この例では、基板１１１はＳｉから構成され、下部クラッド層１１２ａは、酸化シリコンから構成されている。
　例えば、ｎ型層１２４とｐ型層１２５との間のｎ－ｉ－ｐ構造に、いわゆる順方向電圧を印加することで、コア１１５に電流を注入する電流注入機構とすることができる。また、ｎ型層１２４とｐ型層１２５との間のｎ－ｉ－ｐ構造に、いわゆる逆方向電圧を印加することで、コア１１５に電界を印加する電界印加機構とすることができる。
　また、ｎ型層１２４およびｐ型層１２５を備える構成において、コア１１５を、利得媒質から構成することもできる。この構成において、ｎ型層１２４とｐ型層１２５との間のｎ－ｉ－ｐ構造に、いわゆる順方向電圧を印加することで、光帰還領域１０２における反射光強度を、増幅または減衰させることができる。
　ところで、レーザ活性領域１０１で発振されるレーザ光と、光帰還領域１０２からの戻り光との結合を制御する上では、光帰還領域１０２からの戻り光強度（端面反射率）を、構造により規定する構成と、動作時に適宜戻り光を増幅または減衰させることで規定する構成とがある。端面反射率を構造により規定する構成としては、光帰還領域１０２のコア１１５の形状（断面形状）を変化させる構成がある。例えば、コア１１５の断面視の形状について、活性層１１３の断面視の形状に対し、幅を狭めるまたは広げる、厚くするまたは薄くするなどがある。また、コア１１５の径を、活性層１１３から離れるほど小さくする、または大きくする構成とすることもできる。
　また、図１２に示すように、導波方向に垂直な断面の形状が、厚さ方向に多段とされているコア１１５ａとすることもできる。また、図１３に示すように、導波方向に垂直な断面の形状を厚さ方向に多段とし、上段と下段とを各々異なる材料から構成したコア１１５ｂとすることもできる。
　また、図１４に示すように、光帰還領域１０２において、コア１１５を挟んで、コア１１５とは異なる材料から構成された層１２６および層１２７を備える構成とすることもできる。層１２６、層１２７は、例えば、ＩｎＰから構成することができる。また、図１５に示すように、光帰還領域１０２において、酸化シリコンから構成した下部クラッド層１１２ａの上に、コア１１５を埋めるように、酸化シリコンからなる上部クラッド層１１６ａを形成することもできる。なお、図１４，図１５は、導波方向に垂直な面による断面を示す。
　直接変調レーザの光出射部に、光ファイバや外部の光導波路との光学的な結合損失を低減するためのスポットサイズ変換構造を設けることもできる。スポットサイズ変換構造は、図１６に示すように、接続する箇所より離れるほど先細りとされた変換コア２１１と、変換コア２１１の先細りの先端領域を覆って形成された第１クラッド２１２と、変換コア２１１および第１クラッド２１２を覆って形成された第２クラッド２１３とを備える。屈折率の大きさが、変換コア２１１＜第１クラッド２１２＜第２クラッド２１３とされている。
　また、光帰還領域１０２の、レーザ活性領域１０１との接続端と反対側に、光学的に接続されたＤＢＲ領域を備える構成とすることもできる。このようにＤＢＲ領域を備えることで、光帰還領域１０２において、ＤＢＲの波長の反射率を選択的に高めることができる。また、このようにＤＢＲ領域を備えることで、反射点を形成することができる。これらのことにより、周波数差ΔＦの大きい（＝高周波数で増大可能）場合でもＰＰＲを発現することができる。
　また、光帰還領域１０２の両端に、光学的に接続されたＤＢＲ領域を備える構成とすることもできる。この場合、光帰還領域１０２とレーザ活性領域１０１とが、ＤＢＲ領域を挟んで接続されるものとなる。この構成とすることで、光帰還領域１０２における反射波長の選択性をさらに高めることができる。この結果、レーザ活性領域１０１で生じるレーザ光と光帰還領域１０２で形成されるファブリペロー型の共振モードと相互作用を、上述した構成よりもさらに強く生じさせることが可能となる。
　以上に説明したように、本発明によれば、レーザ活性領域で生成される光の周波数と、光帰還領域のファブリペローモードの周波数との周波数差に応じて発生する光子－光子共鳴を用いてレーザ発振させるので、光帰還領域を長くすることなく、ＰＰＲによる応答増強を生じる周波数が変更できる。
　なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
　１０１…レーザ活性領域、１０２…光帰還領域、１０３…反射点、１０４…反射点。

Claims (8)

  1. 　基板の上に形成された分布帰還型のレーザ活性領域と、
    　前記基板の上に形成され、前記レーザ活性領域の導波方向の一端に光学的に接続され、導波方向の両端に反射点が形成された、光導波路構造によるファブリペロー型の光帰還領域と
    　を備え、
    　前記レーザ活性領域で生成される光の周波数と、前記光帰還領域のファブリペローモードの周波数との周波数差に応じて発生する光子－光子共鳴を用いてレーザ発振させる
    　ことを特徴とする直接変調レーザ。
  2. 　請求項１記載の直接変調レーザにおいて、
    　前記光帰還領域に電流を注入する、前記光帰還領域の温度を制御する、前記光帰還領域に電界を印加するのいずれかにより、前記光帰還領域のファブリペローモードの周波数を調整する周波数調整機構をさらに備える
    　ことを特徴とする直接変調レーザ。
  3. 　請求項１または２記載の直接変調レーザにおいて、
    　前記レーザ活性領域は、
    　前記基板の平面方向に電流を注入する電流注入機構を備える
    　を備えることを特徴とする直接変調レーザ。
  4. 　請求項１～３のいずれか１項に記載の直接変調レーザにおいて、
    　前記基板の上に形成され、前記レーザ活性領域の導波方向の他端に光学的に接続されたＤＢＲ領域をさらに備える
    　ことを特徴とする直接変調レーザ。
  5. 　請求項１～４のいずれか１項に記載の直接変調レーザにおいて、
    　前記基板の上に形成され、前記光帰還領域の導波方向の、前記レーザ活性領域とは反対側に光学的に接続されたＤＢＲ領域をさらに備える
    　ことを特徴とする直接変調レーザ。
  6. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の直接変調レーザにおいて、
    　前記光帰還領域のコアは、前記レーザ活性領域のコアとは、厚さおよび幅の少なくとも１つが異なることを特徴とする直接変調レーザ。
  7. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の直接変調レーザにおいて、
    　前記光帰還領域は、利得媒質から構成されたコアと、前記コアに電流を注入する電流注入機構とを備えることを特徴とする直接変調レーザ。
  8. 　請求項１～５のいずれか１項に記載の直接変調レーザにおいて、
    　前記光帰還領域のコアは、導波方向に垂直な断面の形状が、厚さ方向に多段とされていることを特徴とする直接変調レーザ。
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