WO2021117263A1 - 直接変調レーザ - Google Patents

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優 山岡
亮 中尾
松尾　慎治
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日本電信電話株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a direct modulation laser.
  • a semiconductor laser used in an information communication system includes an external modulation laser that transmits a digital signal by providing a modulator or the like outside the semiconductor laser. Further, the semiconductor laser used in the information communication system includes a direct modulation laser that directly superimposes a digital signal on the output light by modulating the current injected into the active region.
  • Directly modulated lasers have lower power consumption and lower manufacturing costs than externally modulated lasers, so they are widely used in places where a large number of information communication systems are required, such as short-distance communications and data centers. It is used.
  • the direct modulation laser has a problem that the modulation speed is slower than that of the external modulation laser. This is because when an attempt is made to increase the current injection for high-speed operation, heat generation is remarkably increased at the same time, the luminous efficiency of the semiconductor element is lowered, and the modulation band cannot be increased.
  • 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).
  • the distributed feedback type (DFB) laser active region 401 and the passive waveguide 402 responsible for the light feedback mechanism are connected adjacent to each other.
  • the laser active region 401 is optically connected to one end of the passive waveguide 402. Further, both ends of the passive waveguide 402 are reflection points 403 and reflection points 404.
  • the laser beam generated in the laser active region 401 interacts with the Fabry-Perot type resonance mode formed in the optical feedback region by the passive waveguide 402, and PPR is generated when the phase matching condition is satisfied.
  • 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 frequency at which the response enhancement by PPR occurs is determined based on the Free Spectral Range (FSR) defined by the length of the optical feedback region of the passive waveguide 402 (Fig.). 18). Note that FIG. 18 shows the transmission spectrum 411 in the laser active region 401 and the transmission spectrum 412 in the passive waveguide 402.
  • FSR Free Spectral Range
  • the length of the optical feedback region is determined by the frequency at which the desired response enhancement is generated. Will be done.
  • the length of the optical feedback region is set to 300 ⁇ m in order to generate PPR at about 43 GHz, and the size cannot be smaller than this. Therefore, in order to operate the direct modulation laser using PPR, it is necessary to tune the refractive index and the like over the entire region of such a long optical feedback region, which makes stable operation difficult and increases power consumption. The effect of was a problem.
  • the use of the PPR effect for high-speed operation of the directly modulated laser is an indispensable technique for widening the band of the directly modulated laser, but in order to obtain the PPR effect at the target frequency, it has been conventionally used.
  • There are problems such as long element length and large-scale refractive index control.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to make it possible to change the frequency at which the response enhancement by PPR occurs without lengthening the optical feedback region.
  • 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. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a directly modulated laser according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the generation of PPR.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing the configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view showing a partial configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating the generation of PPR.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view showing the configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • 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. 8A is a cross-sectional view showing the configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a perspective view showing the configuration of the directly modulated 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. 9C is an explanatory diagram for explaining the -1, ⁇ secondary mode generated by the resonance between the expressed higher-order side mode (+1 order) and the 0th order using FWM.
  • FIG. 9D is a characteristic diagram showing the relationship between the reflectance at the reflection point 104 and the width of the core 115 at the reflection point 104.
  • 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.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a partial configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a perspective view showing a partial configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing a partial configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing a partial configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a plan view showing a partial configuration of the direct modulation laser according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a plan view showing a partial configuration of a conventional direct modulation laser.
  • FIG. 18 is an explanatory diagram illustrating the generation of conventional PPR.
  • This direct modulation laser includes a distributed feedback type laser active region 101 and an optical feedback region 102 optically connected to one end of the laser active region 101 in the waveguide direction.
  • reflection points 103 and 104 which are locations where reflection occurs, are formed at both ends in the waveguide direction.
  • the optical feedback region 102 includes an optical waveguide structure and has a Fabry-Perot type resonator structure, so that a Fabry-Perot (FP) mode can be formed.
  • FP Fabry-Perot
  • the light feedback region 102 can form a composite mode with the laser active region 101.
  • this directly modulated laser produces photon-photon resonance (PPR) according to the frequency difference between the frequency of the light generated (oscillated) in the laser active region 101 and the frequency of the FP mode in the optical feedback region 102.
  • PPR photon-photon resonance
  • the PPR has a peak wavelength of the transmission spectrum 201 in the laser active region 101 (peak wavelength in the oscillation wavelength) and a peak wavelength of the transmission spectrum 202 in the optical feedback region 102 (peak wavelength in the FP mode). It occurs according to the frequency difference ⁇ F.
  • PPR can be expressed regardless of the length of the optical feedback region 102 in the waveguide direction.
  • a wide modulation band by PPR capable of high-speed direct modulation can be realized with a short element length, and the effect of PPR can be stably exhibited.
  • a high-speed direct modulation laser with high controllability can be realized.
  • This direct modulation laser is equipped with, for example, a frequency adjustment mechanism, and the frequency of the Fabry-Perot mode in the optical feedback region 102 can be adjusted.
  • the frequency adjusting mechanism adjusts the frequency of the Fabry-Perot mode by either injecting a current into the optical feedback region 102, controlling the temperature of the optical feedback region 102, or applying an electric field to the optical feedback region 102.
  • frequency control can be realized by providing a resistance heating type heater made of a metal such as tantalum as a temperature control mechanism in the optical feedback region 102.
  • FIG. 3A shows a cross section of a plane parallel to the waveguide direction
  • FIG. 3B shows a cross section of a plane perpendicular to the waveguide direction.
  • the direct modulation laser comprises a substrate 111 and a lower clad layer 112 formed on the substrate 111.
  • the substrate 111 is composed of, for example, an InP made into an n-type by doping with Si.
  • the lower clad layer 112 is composed of, for example, an n-type InP.
  • the active layer 113 is formed on the lower clad layer 112, and the diffraction grating 114 is formed on the active layer 113.
  • the active layer 113 has, for example, a multiple quantum well structure made of InGaAsP or InGaAlAs.
  • the diffraction grating 114 is composed of a concave portion and a convex portion adjacent to the concave portion, and these are arranged in the waveguide direction.
  • the diffraction grating 114 is formed with a portion (1/4 shift portion) whose phase is ⁇ -inverted in a part (central portion) in the waveguide direction. The phase shift of this partial 1/4 shift section enables single-mode light emission at Bragg wavelength.
  • the core 115 is formed.
  • the core 115 is composed of, for example, InGa x Al 1-x As whose lattice constant in the plane direction of the substrate 111 is lattice-matched to InP.
  • An upper clad layer 116 is formed on the active layer 113 and the core 115.
  • the active layer 113 extends in the waveguide direction, and the shape of the cross section perpendicular to the waveguide direction is the same as that of the core 115.
  • the upper clad layer 116 covers the active layer 113 and the core 115, and is formed on the lower clad layer 112.
  • the upper clad layer 116 is composed of, for example, InP.
  • a part of the upper clad layer 116 above the active layer 113 is, for example, p-type.
  • the upper clad layer 116 in other regions including the upper part of the core 115 is i-type (non-doped).
  • 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.
  • the laser active region 101 of the optical waveguide structure having the active layer 113 as the core and the optical feedback region 102 of the optical waveguide structure formed by the core 115 can be formed by directly joining each other.
  • the light traveling from the light feedback region 102 to the laser active region 101 is effectively reflected by the reflecting portion of the laser active region 101 by the diffraction grating 114 to form the reflection point 103.
  • the position of the reflection point 103 configured in this way deviates from the boundary between the laser active region 101 and the optical feedback region 102 by the penetration depth of light.
  • the reflection point 104 can be formed by forming the end of the light feedback region 102 on the side opposite to the connection end with the laser active region 101 as a cleavage plane. It can also be formed by using the end face of the optical feedback region 102 as the end face formed by dicing. The reflection point 104 can be formed by Fresnel reflection at the interface between the semiconductor and the surrounding air on the end face thus formed. It should be noted that the reflection point 103 and the reflection point 104 can be formed by another 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.
  • the transmission spectrum 201 in the laser active region 101 has a peak at a certain wavelength.
  • the directly modulated laser according to the embodiment is determined not by the interval between the peaks in the FP mode but by the frequency difference ⁇ F of the difference between the peaks in each mode in the transmission spectrum 202 in the optical feedback region 102. Therefore, this direct modulation laser can be freely designed without being limited by the element length (the length in the waveguide direction of the optical feedback region 102). Therefore, the optical feedback region 102 can be shortened, and as a result, a wideband direct modulation laser with a small element length can be realized.
  • the increase in the band due to PPR is determined by the frequency difference ⁇ F.
  • the oscillation wavelength of the laser active region 101 changes due to the ambient temperature and heat generated by the current injection, and the oscillation wavelength shifts to the longer wavelength side.
  • the peak wavelength (frequency) of the optical feedback region 102 is approximately defined by the environmental temperature. This means that the wavelength adjustment in the laser active region 101 and the wavelength adjustment in the optical feedback region 102 can be independently performed with respect to the generation of PPR, and the generation control of PPR is easy. Shown.
  • an adjustment mechanism is provided in the optical feedback region 102.
  • the adjusting mechanism can be composed of, for example, a heater.
  • the fact that the optical feedback region 102 can be designed to be short means that the power required for such an adjustment mechanism is also reduced, and it is possible to improve the stability and reduce the power consumption.
  • the addition of the adjusting mechanism is not essential, and the adjusting mechanism can be realized by a configuration other than the heater.
  • the core 115 of the optical feedback region 102 is butt-coupled with a structure having at least one thickness and width different from that of the active layer 113 (core) of the laser active region 101 to reflect these connection points. It can be point 103.
  • the connection point between the laser active region 101 and the optical feedback region 102 can be set as the reflection point 103.
  • the reflection point 103 can be formed by forming the active layer 113 with a multiple quantum structure made of InGaAlAs and the core 115 made of InGaAlAs or InGaAsP.
  • the reflection point can also be formed by forming a groove 117 extending in the direction intersecting the waveguide direction in the upper clad layer 116 at the connection point between the laser active region 101 and the optical feedback region 102. 103 can be formed. By forming the groove 117, an inflection point of the refractive index is formed at this portion, and the reflection point 103 can be obtained. Note that FIG. 5 shows a cross section of a plane parallel to the waveguide direction.
  • FIG. 6A shows a cross section by a plane parallel to the waveguide direction
  • FIG. 6B shows a cross section by a plane perpendicular to the waveguide direction.
  • the laser active region 101 includes a current injection mechanism for injecting a current in the plane direction of the substrate 111, and the n-type layer 118 and the p-type are arranged in the laser active region 101 with the active layer 113 interposed therebetween. It includes layer 119.
  • the n-type layer 118 is composed of, for example, an n-type InP
  • the p-type layer 119 is composed of, for example, a p-type InP.
  • the substrate 111 and the lower clad layer 112 are made of SiC
  • the upper clad layer 116a is made of silicon oxide.
  • This structure is a so-called lateral current injection type.
  • the lower clad layer 112 is made of a material having a refractive index lower than the refractive index of the material constituting the active layer 113 in order to realize light confinement in the active layer 113.
  • the lower clad layer 112 (board 111) is not limited to SiC, and may be made of AlN, GaN, SiO 2 , AlGaAs, or the like.
  • the substrate 111 can be made of Si.
  • the substrate 111 can be made of GaAs.
  • the difference in refractive index between the lower clad layer 112 and the upper clad layer 116a and the active layer 113 (core 115) can be increased, and the active layer can be increased. It becomes possible to trap the light more strongly in 113. Due to this stronger light confinement, the interaction between the light returned from the light feedback region 102 and the light in the laser active region 101 can be further increased. As a result, the band can be increased by PPR without increasing the reflection return component from the laser active region 101.
  • the optical feedback region 102 since it is not necessary to increase the reflectance of the optical feedback region 102 due to strong light confinement, it is not necessary to form a high reflectance (HR) coating or a DBR grating on the end face of the optical feedback region 102. Structure formation becomes easy. Further, when the interaction is large as described above, as shown in FIG. 7A, the PPR is increased even when the frequency difference ⁇ F between the transmission spectrum 201 in the laser active region 101 and the transmission spectrum 202 in the optical feedback region 102 is large. Therefore, it is possible to design to increase the band in the high frequency region.
  • HR high reflectance
  • the diffraction grating 114 having a large degree of refractive index modulation can be formed in the laser active region 101, the laser active region 101 by the diffraction grating 114 having a large coupling coefficient can be realized.
  • the width of the stopband 204 of the laser active region 101 becomes large, so that most of the maximum peaks of the transmission spectrum 202 of the optical feedback region 102 are the stopband 204. Fits inside. As a result, the instability of the laser operation due to the interference between the peak of the oscillating light in the laser active region 101 and the peak of the FP mode in the optical feedback region 102 is unlikely to occur.
  • the FP mode In a DFB laser with a small coupling coefficient of a general diffraction grating, the FP mode hardly enters the stop band of the DFB laser, so that operation instability is likely to occur due to interference between the FP mode and the DFB mode.
  • the operation can also be affected by adjusting the gain spectrum 203 of the active layer material, but only DFB and FP mode peaks, which are smaller than when the coupling coefficient is small, can be selected. Single mode operation and stable operation (easiness of expression of mode hop and PPR) are possible.
  • FIG. 8A shows a cross section of a plane parallel to the waveguide direction.
  • the direct modulation laser further comprises a DBR region 121 formed on the substrate 111 and optically connected to the other end of the laser active region 101 in the waveguide direction.
  • a core 123 is formed on the lower clad layer 112.
  • the core 123 can be composed of, for example, InGaAlAs.
  • the laser active region 101 includes an n-type layer 118 and a p-type layer 119 arranged so as to sandwich the active layer 113 as a current injection mechanism.
  • n-electrode 131 is formed on the n-type layer 118, and a p-electrode 132 is formed on the p-type layer 119.
  • the upper clad layer 116a is omitted.
  • Other configurations are the same as those of the direct modulation laser with the lateral current injection type laser active region 101 described with reference to FIGS. 6A and 6B, and detailed description thereof will be omitted.
  • the transmission peak on the short wave side of the laser active region 101 can be selected, and the laser operation and the band increase by PPR can be performed.
  • the fringe peak and the FP mode peak on the longer wavelength side than the peak wavelength of the reflection spectrum 205 of the DBR region 121 are concentrated in the stop band 204 of the transmission spectrum 201 in the laser active region 101. ..
  • most of the modes in the region slightly longer than the peak of the transmission spectrum 201, which is important for PPR expression are attenuated, and stable single-mode operation and PPR expression are possible.
  • the DBR region 121 is in the region on the long wavelength side of the peak (stop band 204) of the transmission spectrum 201.
  • the presence of a plurality of fringe peaks 206 of 121 and a plurality of peaks of the transmission spectrum 202 in the FP mode makes the laser operation and PPR expression unstable. Therefore, in the direct modulation laser provided with the DBR region 121, when the band is expanded by PPR, it is designed that the reflection target of the DBR region 121 selects the peak on the short wave side of the oscillating light of the laser active region 101. It becomes important above.
  • the width of the optical feedback region 102 (core 115) on the side of the laser active region 101 (the width of the core 115 at the connection portion with the active layer 113) and the laser active region 101 of the optical feedback region 102 (core 115) are By making the width of the reflection point 104 on the opposite side different from the width, the band can be further increased by using the effect of PPR. This point will be described in more detail.
  • an InP-based vertical injection type laser using PPR can realize a band of 55 GHz
  • a lateral current injection type laser formed on SiC can realize a band of 108 GHz.
  • Photon-photon resonance is basically caused by the interaction of the laser oscillation mode and the side mode formed by the optical feedback, and the band increase occurs at the frequency corresponding to the frequency interval of these modes. This is a resonance phenomenon between the two modes, and the PPR peak is limited to one.
  • a higher-order side mode is expressed by using four-wave mixing (FWM), which is a non-linear phenomenon (effect)
  • FWM four-wave mixing
  • the resonance between this higher-order mode (+1 order) and the 0th order can be used. It is considered that the PPR band can be increased.
  • high light confinement in the active layer is realized, which is advantageous for the development of a non-linear effect in the active layer.
  • the expression of the higher-order side mode (+1 order) using FWM is performed. Is possible. This can be formed in the Fabry-Perot mode by the reflection by the reflection point 103 and the reflection by the reflection point 104.
  • the width of the core 115 at the reflection point 104 is made larger than the width of the core 115 at the connection portion with the active layer 113, and the plan-view shape of the core 115 is a trapezoid whose width gradually increases toward the reflection point 104.
  • the shape makes it possible to do the above. With such a shape, the reflectance at the reflection point 104 can be increased, which is advantageous for the +1st-order expression by FWM.
  • the reflection at the interface between the DBR region 121 and the laser active region 101, the reflection point 103 (the interface between the laser active region 101 and the optical feedback region 102), and the reflection point 104 respectively. Contributes.
  • -1, ⁇ 2nd order modes are generated by the resonance between the expressed higher order side mode (+1 order) and the 0th order using the above-mentioned FWM.
  • the FSR interval can be adjusted by the wavelength of the optical feedback region 102.
  • the reflectance at the reflection point 104 can be further increased by increasing the width W of the core 115 at the reflection point 104 (FIG. 9D).
  • W 600 nm means that the width W of the core 115 at the reflection point 104 is equal to the width of the core 115 at the connection portion with the active layer 113, and the shape of the core 115 in a plan view is a rectangular parallelepiped. It is in the state of.
  • FIG. 10 shows a cross section of a plane parallel to the waveguide direction
  • FIG. 11 shows a cross section of a plane perpendicular to the waveguide direction.
  • this direct modulation laser has an n-type layer 124 and a p-type layer 125 arranged with the core 115 sandwiched in the optical feedback region 102 as a frequency adjustment mechanism.
  • the substrate 111 is made of Si and the lower clad layer 112a is made of silicon oxide.
  • a current injection mechanism for injecting a current into the core 115 can be provided.
  • a so-called reverse voltage to the n-ip structure between the n-type layer 124 and the p-type layer 125, an electric field application mechanism for applying an electric field to the core 115 can be obtained.
  • the core 115 can be composed of a gain medium.
  • the reflected light intensity in the optical feedback region 102 is amplified or attenuated by applying a so-called forward voltage to the n-ip structure between the n-type layer 124 and the p-type layer 125. Can be done.
  • the intensity of the return light (end face reflectance) from the optical feedback region 102 is defined by the structure.
  • the return light is appropriately amplified or attenuated during operation.
  • the shape (cross-sectional shape) of the core 115 of the optical feedback region 102 is changed.
  • the cross-sectional shape of the core 115 may be narrowed or widened, thickened or thinned with respect to the cross-sectional shape of the active layer 113.
  • the diameter of the core 115 may be reduced or increased as the distance from the active layer 113 increases.
  • the core 115a may have a cross-sectional shape perpendicular to the waveguide direction having multiple stages in the thickness direction. Further, as shown in FIG. 13, the shape of the cross section perpendicular to the waveguide direction may be multi-staged in the thickness direction, and the upper stage and the lower stage may be core 115b made of different materials.
  • the core 115 may be sandwiched between the layer 126 and the layer 127 made of a material different from the core 115.
  • the layer 126 and the layer 127 can be composed of, for example, InP.
  • an upper clad layer 116a made of silicon oxide can be formed on the lower clad layer 112a made of silicon oxide so as to fill the core 115.
  • 14 and 15 show cross sections of planes perpendicular to the waveguide direction.
  • the spot size conversion structure includes a conversion core 211 that is tapered toward a distance from the connecting portion, a first clad 212 formed by covering the tapered tip region of the conversion core 211, and a conversion core. It includes a second clad 213 formed over the 211 and the first clad 212.
  • the magnitude of the refractive index is such that the conversion core 211 ⁇ first clad 212 ⁇ second clad 213.
  • the optical feedback region 102 may be configured to include an optically connected DBR region on the opposite side of the optical feedback region 102 from the connection end with the laser active region 101.
  • the optical feedback region 102 and the laser active region 101 are connected with the DBR region interposed therebetween.
  • the selectivity of the reflected wavelength in the light feedback region 102 can be further enhanced.
  • the interaction between the laser beam generated in the laser active region 101 and the Fabry-Perot type resonance mode formed in the optical feedback region 102 can be made stronger than the above-described configuration.
  • the photon-photon resonance generated according to the frequency difference between the frequency of the light generated in the laser active region and the frequency of the fabric perow mode in the optical feedback region is used. Since the laser is oscillated, the frequency at which the response enhancement by PPR is generated can be changed without lengthening the optical feedback region.

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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８Ａ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８Ｂ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斜視図である。 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９Ｃは、ＦＷＭを用いた発現した高次サイドモード（＋１次）と０次との共鳴により、生成される－１、±２次のモードについて説明するための説明図である。 図９Ｄは、反射点１０４における反射率と反射点１０４におけるコア１１５の幅との関係を示す特性図である。 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８Ａ、図８Ｂを参照して説明する。図８Ａ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。また、レーザ活性領域１０１では、電流注入機構として、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。また、ｎ型層１１８の上には、ｎ電極１３１が形成され、ｐ型層１１９の上には、ｐ電極１３２が形成されている。なお、図８Ｂでは、上部クラッド層１１６ａを省略している。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。
　また、光帰還領域１０２（コア１１５）のレーザ活性領域１０１の側の幅（活性層１１３との接続部におけるコア１１５の幅）と、光帰還領域１０２（コア１１５）のレーザ活性領域１０１とは反対側の反射点１０４の幅とを異なる寸法とすることにより、ＰＰＲのの効果を用いてさらに帯域を増大させることができる。この点について、より詳細に説明する。
　例えば、ＰＰＲを用いたＩｎＰ系縦注入型レーザにおいて５５ＧＨｚの帯域が実現でき，ＳｉＣ上に形成した横方向電流注入型のレーザにおいて１０８ＧＨｚの帯域が実現できる。光子－光子共鳴は、基本的には、レーザ発振モードと光フィードバックによって形成されるサイドモードの相互作用によって生じ、これらのモードの周波数間隔に対応する周波数において帯域増大が生じる。これは、２モード間の共鳴現象であり、ＰＰＲピークは１つに制限される。
　ここで、非線形現象（効果）である４光波混合（ＦＷＭ）を用いることで、高次サイドモードを発現させれば、この高次モード（＋１次）と０次との共鳴を用いることで、ＰＰＲ帯域を増大させることが可能になるものと考えられる。本発明に係る直接変調レーザでは、活性層への高い光閉じ込めが実現されているので、活性層内における非線形効果の発現に有利である。前述したように、反射点１０４におけるコア１１５の幅を、活性層１１３との接続部におけるコア１１５の幅とは異なる寸法とすることで、ＦＷＭを用いた高次サイドモード（＋１次）の発現が可能となる。これは、反射点１０３による反射と反射点１０４による反射とによるファブリペローモードで形成可能である。
　例えば、反射点１０４におけるコア１１５の幅を、活性層１１３との接続部におけるコア１１５の幅より大きくし、コア１１５の平面視の形状を、反射点１０４に向かって幅が徐々に広がる台形の形状とすることで、上述したことが可能となる。このような形状とすることで、反射点１０４における反射率を増大させることができ、ＦＷＭによる＋１次の発現に有利である。ここで、ＦＷＭによる＋１次の発現には、ＤＢＲ領域１２１とレーザ活性領域１０１との界面、反射点１０３（レーザ活性領域１０１と光帰還領域１０２との界面）、および反射点１０４における各々の反射が寄与する。
　上述したＦＷＭを用いた発現した高次サイドモード（＋１次）と０次との共鳴により、図９Ｃに示すように、－１、±２次のモードが生成される。なお、ＦＳＲの間隔は光帰還領域１０２の導波長によって調整可能である。また、反射点１０４における反射率（Reflectance）は、反射点１０４におけるコア１１５の幅Ｗを広くすることで、より大きくすることができる（図９Ｄ）。なお、図９Ｄにおいて、Ｗ＝６００ｎｍは、反射点１０４におけるコア１１５の幅Ｗが、活性層１１３との接続部におけるコア１１５の幅と等しい状態であり、平面視でコア１１５の形状が、直方体となっている状態である。
　また、０次のモードと１次のモードの重なりが生じると、相互作用によりＰＰＲが発現するが、上述した反射率が高いほど１次のモードが大きくなるため、より遠い周波数でもＰＰＲは発現できる可能性がある。
　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、前述したように、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 (9)

  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。
  9. 　請求項４記載の直接変調レーザにおいて、
    　前記光帰還領域の前記レーザ活性領域の側の幅と、前記光帰還領域の前記レーザ活性領域とは反対側の反射点の幅とが異なることを特徴とする直接変調レーザ。
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