(57)【要約】【課題】高出力かつモード安定性に優れる外部共振器型波長可変レーザとその製造方法を提供すること。【解決手段】本発明にかかる外部共振器型波長可変レーザは、半導体光増幅器１０２と、半導体光増幅器１０２と同一の半導体基板上に形成され、半導体光増幅器１０２により生成された光の位相を調整する位相調整器１０３とを備える。また、位相調整器１０３から出射された光を反射する外部ミラー１０６を備える。位相調整器１０３は、半導体光増幅器１０２と光学的に結合された曲線導波路１０８ｂを備える。また、曲線導波路１０８ｂと光学的に結合され、曲線導波路１０８ｂと外部ミラー側端面１１０との間に形成され、外部ミラー側端面１１０に近づくに従い光閉じ込め率が低くなる直線導波路１０８ｃを備える。また、少なくとも直線導波路１０８ｃ上に形成された電極を備える。【選択図】図１Ａ
2010225978.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体光増幅器と、
前記半導体光増幅器と同一の半導体基板上に形成され、前記半導体光増幅器により生成された光の位相を調整する位相調整器と、
前記位相調整器から出射された光を反射する外部ミラーとを備え、
前記位相調整器は、
前記半導体光増幅器と光学的に結合され、曲線状に形成された第１の半導体導波路と、
前記第１の半導体導波路と光学的に結合され、前記第１の半導体導波路と光が出射される当該位相調整器の端面との間に直線状に形成され、当該位相調整器の前記端面に近づくに従い光閉じ込め率が低くなる第２の半導体導波路と、
少なくとも前記第２の半導体導波路上に形成された電極とを備える外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項２】
前記電極は前記第２の半導体導波路上にのみ形成されていることを特徴とする、
請求項１に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項３】
前記第１の半導体導波路及び前記第２の半導体導波路の組成波長は、レーザ発振波長より短いことを特徴とする、
請求項１または２に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項４】
レーザ発振波長と、前記第１の半導体導波路及び前記第２の半導体導波路の組成波長との波長差は、エネルギー換算で１００ｍｅＶ以上２５０ｍｅＶ以下であることを特徴とする、
請求項３に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項５】
レーザ発振波長は実質的に１．５５μｍであり、
前記第１の半導体導波路及び前記第２の半導体導波路の組成波長は実質的に１．２８μｍであることを特徴とする、
請求項３または４に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項６】
前記第２の半導体導波路は、前記第１の半導体導波路側と、前記位相調整器の端面側とでは組成波長が異なることを特徴とする、
請求項３または４に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項７】
レーザ発振波長は実質的に１．５５μｍであり、
前記第１の半導体導波路と、前記第１の半導体導波路側における前記第２の半導体導波路の組成波長は実質的に１．３０μｍであり、
前記位相調整器の端面側における前記第２の半導体導波路の組成波長は実質的に１．２０μｍであることを特徴とする、
請求項６に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項８】
前記第１の半導体導波路及び前記第２の半導体導波路は前記位相調整器の端面に近づくに従い、連続的に厚みが薄くなり、かつ組成波長が短くなることを特徴とする、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項９】
前記第１の半導体導波路及び前記第２の半導体導波路の幅は、０．５μｍ以上２．０μｍ以下であることを特徴とする、
請求項１乃至８のいずれか一項に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項１０】
前記第１の半導体導波路及び前記第２の半導体導波路の幅は、実質的に１．６μｍであることを特徴とする、
請求項９に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項１１】
前記第２の半導体導波路は前記位相調整器の端面に近づくに従い、連続的に幅が細くなることを特徴とする、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項１２】
前記第２の半導体導波路の最大幅は１．６μｍであり、最小幅は０．５μｍであることを特徴とする、
請求項１１に記載の外部共振器型波長可変レーザ。
【請求項１３】
前記第２の半導体導波路は前記位相調整器の端面と直交しないことを特徴とする、
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
【請求項１４】
前記第１の半導体導波路及び前記第２の半導体導波路は単層の半導体層からなることを特徴とする、
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項１５】
半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器により生成された光の位相を調整する位相調整器を前記半導体光増幅器と同一の半導体基板上に形成する工程と、
前記位相調整器から出射された光を反射する外部ミラーを配置する工程を備え、
前記位相調整器を形成する工程は、
曲線状の第１の半導体導波路を前記半導体光増幅器と光学的に結合させて形成する工程と、
光が出射される当該位相調整器の端面に近づくに従い光閉じ込め率が低くなる直線状の第２の半導体導波路を、前記第１の半導体導波路と当該位相調整器の前記端面との間に、前記第１の半導体光導波路と光学的に結合させて形成する工程と、
少なくとも前記第２の半導体導波路上に電極を形成する工程とを備える外部共振器型波長可変レーザの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は通信システムの光源として用いられる外部共振器型波長可変レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信システム用の光源は、光源品種の削減や波長の高度利用の観点から波長可変レーザが用いられつつある。これは、システムで使用する各チャネルの波長（以下チャネル波長と称す））ごとに個別に用意していた固定波長光源を、１つの広い波長帯域（＞３５ｎｍ）をカバーできる波長可変レーザへ置き換えるものである。この通信システム用の波長可変レーザには、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ  ｌａｓｅｒ）アレイ構造やＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザなど、既に複数の構造が提案されている。その一つに、外部共振器型波長可変レーザがある。外部共振器型波長可変レーザは、波長可変特性を実現するために、少なくとも波長可変手段と、位相調整手段の２つの制御手段を組み込むことが必要である。
【０００３】
外部共振器型波長可変レーザの波長可変手段とは、３５ｎｍ以上の波長範囲にわたり、１つの波長モードを自由に選択できる波長可変フィルタを制御する手段である。波長可変フィルタには、既に複数のフィルタが提案されている。例えば、液晶の屈折率変化を用いた液晶波長可変ミラー（特許文献１）であり、液晶に印加する交流電圧が制御パラメータとなる。また、温度により、半導体や誘電体の屈折率が変化するバーニヤ効果を利用したＰＬＣ（Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）リングフィルタ（特許文献２）や、熱チューニングフィルタ（特許文献３）が提案されており、これらはヒータへの投入電力が制御パラメータとなる。
【０００４】
ただし、外部共振器型波長可変レーザは共振器が長く、モード間隔が狭くなってしまうため、波長可変フィルタの波長選択性を高める必要がある。通常は、１つの波長可変フィルタだけでは、波長選択帯域を小さくすることは原理上難しい。従って、選択されたモード以外の、隣接するモードでも発振しやすくなり、モードが不安定となる。そのため、通常は、波長可変フィルタ以外にも、エタロンフィルタなどの狭帯域の波長選択フィルタが共振器内に搭載されることが多い。
【０００５】
また、外部共振器型波長可変レーザの位相調整手段とは、レーザモードを上述の波長可変フィルタと波長選択フィルタで選択された１つの透過帯域内に調整する手段のことである。この位相調整手段は、通常、光出力をモニタし、光出力が最大となるように調整する。波長可変フィルタと波長選択フィルタで選択された透過帯域のピークに波長を調整することで、損失を最小化できるからである。これには、共振器内の一部の屈折率を変化させる必要がある。その１つとして、電流注入により半導体材料の屈折率が変化する性質を利用した位相調整器がある。この位相調整器は、外部共振器型波長可変レーザを構成するのに必要な半導体光増幅器（以下ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）に集積することが可能であり、小型レーザモジュールの実現が可能となる。
【０００６】
位相を調整するには、ある程度位相を動かして光出力をモニタする必要があるため、位相調整中のモードが安定していなければならない。また、光通信システムにおいては、光ファイバ中の誘導ブリリュアン散乱を抑圧するため、意図的に位相変調を行うことがある。そのため、十分な位相トレランスが要求される。しかし、通常の外部共振器型波長可変レーザでは、上述の位相トレランスを低下させる要因があることが知られている。
【０００７】
第１は、外部共振器内における残留反射の存在である。通常の外部共振器型波長可変レーザは、ＳＯＡ、位相調整器、波長可変フィルタ（または外部ミラー）、波長選択フィルタ、レンズなどの、複数の光学コンポーネントから構成される（例えば、特許文献１、２及び４）。残留反射とは、これらの複数の光学コンポーネントの端面からの反射のことをいう。以下に、残留反射が影響を及ぼすメカニズムについて説明する。外部共振器型波長可変レーザには、光出射端面と外部ミラーとの距離で決まる周期の外部共振器モードが存在する。一方、残留反射がある場合には、その残留反射と出射端面、または残留反射と外部ミラーとで新たな共振器が形成される。そのため、外部共振器は複合共振器となり、外部共振器モードには損失の大きいチャネル波長が周期的に存在するようになる。損失の大きいチャネル波長では閾値電流が増加し、モードが不安定になる。加えて、近傍の、より損失の小さいチャネル波長へのモードホップが生じ易くなり、発振できないチャネル波長が生じる場合がある。なお、通常のＤＦＢレーザアレイやＤＢＲレーザは、共振器内部の回折格子によるブラッグ反射の影響が支配的であり、端面による内部共振器の影響は無視できる。
【０００８】
第２は、位相調整手段における過剰キャリアの存在である。光通信システム用の光源には、ファイバ結合光出力で１０ｍＷ以上、または２０ｍＷ以上の高い出力が必要である。光取り出し効率を考慮すると、半導体素子内の光強度は１００ｍＷ以上となる。導波光に対して透明な半導体組成においても、このような高い光強度の状態では、２光子吸収などの非線形的な吸収が生じ、モードが不安定になる。この現象は、特にダイオード構造を順バイアスで用いる場合での位相調整手段のように、電流注入により多くのキャリアが存在する領域で顕著に生じる。
【０００９】
すなわち、外部共振器型波長可変レーザのモード安定性を向上するには、残留反射の低減と、位相調整手段での光強度の低減を行わなければならない。
【００１０】
上述の残留反射が生じる原因の１つとして、ＳＯＡの外部ミラー側端面からの反射がある。通常、この端面には無反射コートが施されているが、反射率が０％になるわけではないので、残留反射が生じる。この問題を解決する方法が複数提案されている（特許文献４及び５）。これらの提案によれば、ＳＯＡ内の導波路に曲線部分を設けて、導波路を外部ミラー側端面に対して傾斜させることで、端面からの残留反射を低減できるとしている。
【００１１】
また、特許文献６及び７では、端面付近での導波光のビームスポットを大きくし、端面での残留反射を低減できるとされている。
【００１２】
図１１は、導波路に曲線部分を設けた場合の、一般的な外部共振器型波長可変レーザの上面図である。図１１に示すように、この外部共振器型波長可変レーザは、ＰＣ−ＳＯＡ（Ｐｈａｓｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）７０１、レンズ７０４、エタロンフィルタ７０５、外部ミラー７０６により構成される。ＰＣ−ＳＯＡ７０１には、ＳＯＡ７０２と、位相調整手段である位相調整器（以下ＰＣ：Ｐｈａｓｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）７０３が設けられている。ＳＯＡ７０２とＰＣ７０３には、これを横断する導波路７０８が設けられている。ＰＣ７０３内の導波路７０８には、曲線部分７０８ｂが設けられている。また、図１１に破線で示すように、ＳＯＡ７０２上にはＳＯＡ電極７１２が、ＰＣ７０３上にはＰＣ電極７１３が設けられている。
【００１３】
図１２は、上述の外部共振器型波長可変レーザにおける、位相電流とＳＭＳＲ及び光出力の依存性の実験結果を示すグラフである。ここで、モード安定性を議論するために、隣接モードとの光出力差であるＳＭＳＲ（Ｓｉｄｅ  Ｍｏｄｅ  Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｒａｔｉｏ）と、光出力を指標としている。前述のように、外部共振器型波長可変レーザは、光出力が最大となるように制御される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００８−２４４２７０号公報
【特許文献２】特開２００６−２７８７７０号公報
【特許文献３】特許第４０１４５６５号公報
【特許文献４】特開２００８−１４７２９０号公報
【特許文献５】特開２００８−２１８８４９号公報
【特許文献６】特開２００１−１７７１８２号公報
【特許文献７】特開平０７−０２０３５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、図１２に示すように、位相電流が１５ｍＡ付近の場合に光出力は最大となったが、位相電流を変化させていくと、ＳＭＳＲは１０ｄＢ以下にまで落ち込んでしまっていた。そのため、モードが不安定な状態となり、制御できなかった。さらに、このような制御不可能なチャネルが、波長に対して周期的に見られることがわかった。その原因は、波長に対して周期的に見られることから、上述のように、レーザ共振器の内部に不必要な残留反射点が存在しているためである。光閉じ込め率が高い導波路７０８では、上述のように、端面７１０における残留反射を十分に低減できていないことが考えられる。ここで光閉じ込め率は、光の導波路の活性層への閉じ込め度合いを示す値であり、半導体バルク層を用いる位相調整器での光閉じ込め率は通常３０％以上である。
【００１６】
これを解決するには、ＰＣ７０３内の導波路７０８の光閉じ込め率を低減することが考えられる。しかし、曲線部分７０８ｂの光閉じ込め率が低いと、高次モードを励起することによるモード変換損や、境界面での散乱損の増加で過剰な損失が生じてしまう。この損失の増大の様子を図１３に示す。光閉じ込め率３０％以下では曲がり損失は急増し、２５ｄＢ／ｃｍを超える。さらに光閉じ込めを下げることは、損失として１ｄＢを越し、前述のように閾値電流の増大を招く。さらに、高次モード光や散乱光による影響でのモード不安定性も重なり根本的にモードが不安定となる。
【００１７】
一方、曲線部分７０８ｂでの放射損失を抑えるため、光閉じ込めを高くすると、必然的にＰＣ７０３内の導波路７０８での光強度が高くなってしまい、この場合にも、上述のようにモード安定性に問題が生じる。
【００１８】
つまり、一般的な外部共振型波長可変レーザでは、位相調整手段における高光強度における非線形効果は考慮されていない。従って、残留反射の低減と、高光強度における非線形効果の低減を両立することができない。
【００１９】
本発明は、高出力かつモード安定性に優れる外部共振器型波長可変レーザとその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の一態様の外部共振器型波長可変レーザは、半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器と同一の半導体基板上に形成され、前記半導体光増幅器により生成された光の位相を調整する位相調整器と、前記位相調整器から出射された光を反射する外部ミラーとを備え、前記位相調整器は、前記半導体光増幅器と光学的に結合され、曲線状に形成された第１の半導体導波路と、前記第１の半導体導波路と光学的に結合され、前記第１の半導体導波路と光が出射される当該位相調整器の端面との間に直線状に形成され、当該位相調整器の前記端面に近づくに従い光閉じ込め率が低くなる第２の半導体導波路と、少なくとも前記第２の半導体導波路上に形成された電極とを備えるものである。
【００２１】
また、本発明の一態様の外部共振器型波長可変レーザの製造方法は、半導体光増幅器と、前記半導体光増幅器により生成された光の位相を調整する位相調整器を前記半導体光増幅器と同一の半導体基板上に形成する工程と、前記位相調整器から出射された光を反射する外部ミラーを配置する工程を備え、前記位相調整器を形成する工程は、曲線状の第１の半導体導波路を前記半導体光増幅器と光学的に結合させて形成する工程と、光が出射される当該位相調整器の端面に近づくに従い光閉じ込め率が低くなる直線状の第２の半導体導波路を、前記第１の半導体導波路と当該位相調整器の前記端面との間に、前記第１の半導体光導波路と光学的に結合させて形成する工程と、少なくとも前記第２の半導体導波路上に電極を形成する工程とを備える。
【発明の効果】
【００２２】
本発明により、高出力かつモード安定性に優れる外部共振器型波長可変レーザとその製造方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１Ａ】実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの上面図である。
【図１Ｂ】実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの斜視図である。
【図２Ａ】実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの製造工程を示す斜視図である。
【図２Ｂ】実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの製造工程を示す斜視図である。
【図２Ｃ】実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの製造工程を示す斜視図である。
【図２Ｄ】実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの製造工程を示す斜視図である。
【図２Ｅ】実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの製造工程を示す斜視図である。
【図２Ｆ】実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの製造工程を示す斜視図である。
【図２Ｇ】実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの製造工程を示す斜視図である。
【図３】実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの導波路幅と光の放射角の関係を示すグラフである。
【図４】実施の形態１にかかる光閉じ込め率と最低ＳＭＳＲの関係を示すグラフである。
【図５】実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの端面近傍における光の反射を表す図である。
【図６Ａ】実施の形態２にかかる外部共振器型波長可変レーザの発振波長に対するエネルギー差と光吸収との関係を示すグラフである。
【図６Ｂ】実施の形態２にかかる外部共振器型波長可変レーザの発振波長に対するエネルギー差と屈折率差との関係を示すグラフである。
【図７】実施の形態２にかかる外部共振器型波長可変レーザの位相電流と、ＳＭＳＲ及び光出力の関係を示すグラフである。
【図８】実施の形態３にかかるＰＣ−ＳＯＡの上面図である。
【図９Ａ】実施の形態４にかかるＰＣ−ＳＯＡの上面図である。
【図９Ｂ】実施の形態４にかかるＰＣ−ＳＯＡの断面図である。
【図１０】ＰＬＣリングフィルタを用いた外部共振器型波長可変レーザの上面図である。
【図１１】一般的な外部共振器型波長可変レーザの上面図である。
【図１２】一般的な外部共振器型波長可変レーザの位相電流と、ＳＭＳＲ及び光出力の関係を示すグラフである。
【図１３】一般的な外部共振器型波長可変レーザの光閉じ込め率と放射損失の関係を示すグラフである
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
実施の形態１
図１Ａは、実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザの上面図である。図１Ａに示すように、この外部共振器型波長可変レーザは、ＰＣ−ＳＯＡ１０１と、レンズ１０４、エタロンフィルタ１０５と液晶波長可変ミラーである外部ミラー１０６で構成される。ＰＣ−ＳＯＡ１０１にはＳＯＡ１０２とＰＣ１０３により構成され、導波路１０８が形成されている。
【００２５】
導波路１０８には、ＳＯＡ１０２に形成されたＳＯＡ導波路１０８ａと、ＰＣ１０３に形成された曲線導波路１０８ｂと直線導波路１０８ｃが形成されている。曲線導波路１０８ｂの導波路幅は１．６μｍで一定である。一方、直線導波路１０８ｃの幅は、外部ミラー側端面１１０に近づくに従い連続的に細くなり、外部ミラー側端面１１０では０．５μｍとなっている。
【００２６】
ＰＣ-ＳＯＡ１０１の外部ミラー側端面１１０には、戻り光を防止するための無反射コート１１４が施されている。また、外部共振器レーザとしての光出射側端面１１１には低反射コート１１５が施されている。
【００２７】
なお、直線導波路１０８ｃは外部ミラー側端面１１０に対し、７°傾いて形成され、反射率を１／１０に低減させている。また、この傾斜角度をさらに傾けて、より反射率を低減させてもかまわない。
【００２８】
この外部共振器型波長可変レーザでは、レーザ発振波長を効率よく増幅するため、ＳＯＡ導波路１０８ａの活性層構造は、多重量子井戸（以下ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｗｅｌｌ）構造とし、波長１．５５μｍでのレーザ発振に好適な半導体組成としている。
【００２９】
また、レーザ発振波長での光吸収を抑制するために、曲線導波路１０８ｂと直線導波路１０８ｃは、ＳＯＡ導波路１０８ａと構造が異なる。本構成では、曲線導波路１０８ｂと直線導波路１０８ｃには単層厚膜の半導体バルク層を用い、レーザ発振波長に対して吸収の小さい半導体組成としている。なお、構造は単層に限らず、ＭＱＷ構造などの他の構造を用いることも可能である。
【００３０】
図１Ｂは、図１Ａに示したＰＣ−ＳＯＡ１０１の斜視図である。図１Ｂに示すように、ＰＣ−ＳＯＡ１０１は、燐化インジウム（以下、ＩｎＰ）基板２０１上に形成される。ＳＯＡ１０２にはＳＯＡ電極１１２が形成されている。ＰＣ１０３には、曲線導波路１０８ｂの曲がりが小さな部分及び直線導波路１０８ｃの上に、ＰＣ電極１１３が形成されている。そのため、曲線導波路１０８ｂの大部分はＰＣ電極１１３に覆われずに露出している。なお、簡略化のため、図１ＡにはＳＯＡ電極１１２とＰＣ電極１１３は図示していない。
【００３１】
ＳＯＡ１０２には、ＳＯＡ導波路１０８ａ（不図示）の活性層である、インジウム、ガリウム、砒素、燐からなる半導体混晶（以下、ＩｎＧａＡｓＰ）からなる活性層２０２が形成されている。活性層２０２の上には、ＩｎＰクラッド層２０４が形成されている。
【００３２】
また、活性層２０２とＩｎＰクラッド層２０４の両側面には、ＳＯＡ１０２からＰＣ１０３にかけて、高抵抗のＦｅドープＩｎＰ層２０５が形成されている。
【００３３】
次に、この外部共振器型波長可変レーザの製造方法について説明する。図２Ａ〜Ｇは、この外部共振器型波長可変レーザの製造工程を表すＰＣ−ＳＯＡ１０１の斜視図である。まず、図２Ａに示すように、ＩｎＰ基板２０１に、ＩｎＧａＡｓＰからなるＭＱＷ構造の活性層２０２を成長させる。
【００３４】
次に、図２Ｂに示すように、ＳＯＡ１０２を形成する部分以外の活性層２０２を、エッチングにより除去する。
【００３５】
図２Ｃに示すように、活性層２０２が除去されたＰＣ１０３を形成する部分に、ＩｎＧａＡｓＰからなる単層の半導体層２０３を成長させる。
【００３６】
図２Ｄに示すように、活性層２０２及び半導体層２０３上に、ＩｎＰクラッド層２０４を成長させる。
【００３７】
図２Ｅに示すように、エッチングにより、メサ形状の導波路１０８を形成する。
【００３８】
図２Ｆに示すように、導波路１０８の両側面に、高抵抗のＦｅドープＩｎＰ層２０５を成長させる。
【００３９】
図２Ｇに示すように、ＳＯＡ電極１１２とＰＣ電極１１３を形成し、ＰＣ−ＳＯＡ１０１を作製する。ここで、ＰＣ電極１１３は光閉じ込め率の低い直線導波路１０８ｃ上に作製される。なお、ＰＣ電極１１３は、曲線導波路１０８ｂの、２光子吸収などの非線形な損失（以下、非線形現象と表記）の影響が小さい領域の上にも形成されてもかまわない。
【００４０】
最後に、ＰＣ−ＳＯＡ１０１の外部に、レンズ１０４、エタロンフィルタ１０５、外部ミラー１０６を配置して（不図示）、実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザを作製できる。
【００４１】
本構成では、上述のように、直線導波路１０８ｃの幅は、外部ミラー側端面１１０に近づくに従い、連続的に細くなっている。そのため、光閉じ込め率も連続的に低くなる。本構成における光閉じ込め率は、曲線導波路１０８ｂにおいては３０％であるが、直線導波路１０８ｃの外部ミラー側端面１１０近傍における光閉じ込め率は１５％まで低減される。これにより、直線導波路１０８ｃにおける光の放射損失は１ｄｂ以下に抑制できる。
【００４２】
また、外部ミラー側端面１１０では、光の閉じ込めが弱くなったことにより、導波光のスポットサイズが大きくなる。従って、外部ミラー側端面１１０からの出射光のファーフィールドパターン（以下ＦＦＰ：Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）の放射角が低減できる。図３は、外部ミラー側端面１１０における直線導波路１０８ｃの幅と、ＦＦＰの関係を示すグラフである。図３に示すように、導波路幅が１．６μｍの場合は、ＦＦＰは２５°を超える。しかし、導波路幅が０．５μｍの場合には、ＦＦＰは１２°程度となり、出射光が理想的な平面波に近づく。
【００４３】
外部ミラー側端面１１０に形成された無反射コート１１４は、理想的な平面波を想定して設計されるため、ＦＦＰが低減するとその効果は増大し、さらに、放射角が小さくなることとの相乗効果により、外部ミラー側端面１１０から直線導波路１０８ｃに戻る残留反射を、０．０１％程度にまで抑制できる。これにより、残留反射を低減し、モード安定性を向上することができる。
【００４４】
また、本構成における曲線導波路１０８ｂと直線導波路１０８ｃでは、ＰＣ電極１１３と接している、光閉じ込め率が低い部分にて位相調整動作が行われる。よって、当該部分の平均光閉じ込め率は２０％以下に抑えられる。図４は、モード安定性と光閉じ込め率の関係を示すグラフである。光閉じ込め率を２０％以下に抑えることで、位相制御範囲内での最低ＳＭＳＲが５０ｄＢ以上となり、過剰キャリアによる非線形現象を抑制できる。すなわち、本構成では、曲線導波路１０８ｂは３０％という高い光閉じ込め率により過剰な吸収損失を抑制しつつ、ＰＣ電極１１３が形成されている部分での光閉じ込め率を２０％以下に下げることで、高出力動作とモード安定性の向上を両立することができる。
【００４５】
また、本構成では、放射損失を抑制するために、曲線導波路１０８ｂは３０％という高い光閉じ込め率となっている。しかし、光閉じ込め率が高い場合には、上述の非線形現象がおきやすい。この非線形現象は、導波路の光閉じ込め係数が高いほど、また、電流注入によりキャリアが多くなるほど強くなり、問題となる。そのため、本構成では、ＰＣ電極１１３が、直線導波路１０８ｃ上に、または直線導波路１０８ｃ及び曲線導波路１０８ｂの曲がりが少なく非線形現象の影響が小さい部分の上にのみ形成される構造とした。曲線導波路１０８ｂの大部分はＰＣ電極１１３と接しておらず、電流が注入されないので、発生するキャリア数が抑制される。これにより、過剰な吸収損失を抑制し、残留反射を低減し、モード安定性を向上することができる。非線形現象による過剰な吸収損失を抑制することができる。本構成のように曲線導波路１０８ｂと直線導波路１０８ｃの構造が半導体バルク層である場合には、光閉じ込め率は比較的高くなる傾向にあるため、この効果は特に顕著である。
【００４６】
また、本構成では、直線導波路１０８ｃが、外部ミラー側端面１１０に対して斜めに形成されているため、残留反射が低減される。図５は、本構成における外部ミラー側端面１１０付近の光の反射を表す図である。直線導波路１０８ｃが外部ミラー側端面１１０に対して傾いて形成され、直線導波路１０８ｃを導波された光の大部分は外部ミラー側端面１１０に対し斜めに出射される。このときの外部ミラー側端面１１０からの反射光の大部分は直線導波路１０８ｃとは異なる方向に反射されるため、反射光は導波路に戻らず残留反射を抑制することができる。この反射率の低減は入射角度を7度以上にすることで１／１０以下に低減することができる。これにより、残留反射を低減し、モード安定性を向上することができる。
【００４７】
さらに、本構成では、光出射側端面１１１の実効反射率は５％としている。外部共振器型波長可変レーザは複数の光学コンポーネントを有するため、外部ミラー側端面１１０の実効反射率は低く、通常１０％から４０％程度である。本構成における外部ミラー側端面１１０の実効反射率は１３％である。高出力動作を実現するには、光出射側端面１１１の実効反射率を外部ミラー側端面１１０よりも低くすることが必要であり、２％から１０％程度が望ましい。よって、光出射側端面１１１の実効反射率を５％としている。これにより、高出力動作を実現できる。
【００４８】
加えて、ＰＣ１０３は、ＳＯＡ１０２と外部ミラー１０６との間に配置されているので、高出力動作時のＰＣ１０３内の光強度を低減できる。
【００４９】
よって、上述の実施の形態１にかかる外部共振器型波長可変レーザによれば、より高出力で、モード安定性に優れる外部共振器型波長可変レーザを得ることができる。
【００５０】
なお、導波路１０８の幅は、高次横モードを抑制するため、２μｍ以下が望ましい。さらに、導波路１０８の幅は０．５μｍ以上が望ましい。導波路１０８の幅が０．５μｍ未満では、作製技術の制限により作製が困難であり、かつ側面荒れが生じやすい。かつ、光の結合が弱くなりすぎるため、前記側面荒れによる放射損失が生じてしまうからである。本構成では、上記を踏まえ、放射損失と作製難度を考慮して、導波路１０８の幅を１．６μｍとしている。
【００５１】
また、上述の構成では、ＳＯＡ導波路１０８ａの構造にはＭＱＷ構造を用いたが、所望のレーザ発振を実現できるならば、単一量子井戸構造など、他の構造を用いてもよい。
【００５２】
さらに、上述の構成では、レーザ発振波長を１．５５μｍとしたが、ＳＯＡ導波路１０８ａの設計を変えることにより、例えば１．３１μｍなど、他のレーザ発振波長を実現できることは勿論である。
【００５３】
実施の形態２
実施の形態２にかかる外部共振器型波長可変レーザは、曲線導波路１０８ｂ及び直線導波路１０８ｃでのコア層の組成波長が、レーザ発振波長よりも短いことが特徴である。具体的には、図１Ａに示す曲線導波路１０８ｂ及び直線導波路１０８ｃでのコア層の組成波長は、レーザ発振波長である１.５５μｍよりも短い、１．２８μｍである。その他の構成については、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
【００５４】
尚、レーザ発振波長と、曲線導波路１０８ｂ及び直線導波路１０８ｃでのコア層の組成波長との波長差は、エネルギー差に置き換えた場合、１００ｍｅＶ以上２５０ｍｅＶ以下が望ましい。
【００５５】
図６Ａは、本構成におけるレーザ発振波長に対するエネルギー差と、光吸収との関係を示すグラフである。図６Ａに示すように、曲線導波路１０８ｂ及び直線導波路１０８ｃでの光吸収は、上述のエネルギー差が増加するとともに減少する。エネルギー差が、少なくとも１００ｍｅＶを超えていれば、光吸収の許容上限を下回ることができる。従って、エネルギー差は１００ｍｅＶ以上が望ましい。
【００５６】
図６Ｂは、本構成におけるレーザ発振波長に対するエネルギー差と、屈折率差との関係を表すグラフである。ここで、屈折率差とは、曲線導波路１０８ｂ及び直線導波路１０８ｃと、ＩｎＰクラッド層２０４及びＦｅドープＩｎＰ層２０５との間の屈折率の差をいう。図６Ｂに示すように、屈折率差は上述のエネルギー差が増加するとともに減少する。エネルギー差が、少なくとも２５０ｍｅＶ以下であれば、光の閉じ込めに必要な屈折率差を確保できる。従って、エネルギー差は２５０ｍｅＶ以下が望ましい。
【００５７】
図７は、本構成におけるＳＭＳＲ及び光出力の位相電流に対する依存性を示すグラフである。図７に示すように、光出力が最大となる位相電流条件において、高いＳＭＳＲが維持されており、高いモード安定性を得ることができる。これは、位相に換算して、０．４π以上の高い位相トレランスを確保することができることとなる。これは、波長可変範囲内のいずれの波長においても同様である。
【００５８】
従って、本構成によれば、より高出力で、よりモード安定性に優れる外部共振器型波長可変レーザを得ることができる。
【００５９】
実施の形態３
図８は、実施の形態３にかかる外部共振器型波長可変レーザのＰＣ-ＳＯＡ３０１の上面図である。本構成では、図８に示すように、ＰＣ３０３を含むＰＣ−ＳＯＡ３０１には、ＳＯＡ導波路１０８ａ、曲線導波路１０８ｂ、直線導波路３０８ｃからなる導波路３０８が形成されている。直線導波路３０８ｃの外部ミラー側端面１１０から３０μｍまでの区間でのコア層の組成波長は１．２０μｍに、それ以外の区間でのコア層の組成波長は１.３０μｍとなっている。その他の構成は、図１Ａと同様であるので、説明を省略する。
【００６０】
本構成では、直線導波路３０８ｃの外部ミラー側端面１１０から３０μｍまでの区間でのコア層の組成波長を、１．２０μｍとして高エネルギー化することで、外部ミラー側端面１１０近傍の光の閉じ込め率と残留反射を、さらに低減できる。これにより位相トレランスは４．５πとなり、高いモード安定性を実現できる。
【００６１】
従って、本構成によれば、より高出力で、よりモード安定性に優れる外部共振器型波長可変レーザを得ることができる。
【００６２】
実施の形態４
図９Ａは、実施の形態４にかかる外部共振器型波長可変レーザのＰＣ−ＳＯＡ４０１の上面図である。本構成では、図９Ａに示すように、ＰＣ４０３を含むＰＣ−ＳＯＡ４０１には、ＳＯＡ導波路１０８ａ、曲線導波路４０８ｂ、直線導波路４０８ｃからなる導波路４０８が形成されている。その他の構成は、図１Ａと同様であるので、説明を省略する。
【００６３】
図９Ｂは、図９Ａに示すＰＣ-ＳＯＡ４０１のIXＢ−IXＢ線断面図である。図９Ｂに示すように、曲線導波路４０８ｂ及び直線導波路４０８ｃにおいて光が導波される領域である半導体層２０６は、外部ミラー側端面１１０に近づくに従い、連続的に、厚みが薄く、コア層の組成波長が短くなるように形成されている。これは、ＤＦＢレーザアレイ型波長可変レーザを作製する場合に用いられる選択成長技術にて半導体結晶を成長させることにより実現できる。
【００６４】
本構成によれば、外部ミラー側端面１１０近傍の光の閉じ込めを、１０％に抑制できる。これにより、曲線導波路４０８ｂ及び直線導波路４０８ｃでの非線形な光吸収と残留反射がさらに低減され、０．５π以上の位相トレランスを実現できる。よって、より高出力で、よりモード安定性に優れる外部共振器型波長可変レーザを得ることができる。
【００６５】
他の実施の形態
上述の実施の形態１〜５では、レンズ１０４、エタロンフィルタ１０５、外部ミラー１０６を配置する構成としているが、本発明は、少なくとも上述のＰＣ−ＳＯＡと、外部ミラー１０６を有する、他の外部共振器型波長可変レーザで用いることが出来る。
【００６６】
例えば、実施の形態１〜５の外部共振器型波長可変レーザにおいて、レンズ１０４、エタロンフィルタ１０５、外部ミラー１０６を、ＰＬＣリングフィルタ６０１に置換することができる。図１０は、図１Ａに示すＰＣ−ＳＯＡ１０１と、ＰＬＣリングフィルタ６０１を組み合わせた外部共振器型波長可変レーザの上面図である。図１０に示すように、ＰＣ−ＳＯＡ１０１とＰＬＣリングフィルタ６０１の接合端面には無反射コート６０２が施され、レンズを介さずに光学的に結合された構造となっている。なお、本構成では、外部ミラーに換えて、ＰＬＣリングフィルタ６０１の端面に高反射コート６０３を設けて、外部ミラーの役割を担わせている。
【００６７】
この構成によれば、レンズや波長選択フィルタといった複数の光学コンポーネントを配置する必要がないので、外部共振器型波長可変レーザの寸法を１ｃｍ以下に小型化することができる。また、ＰＬＣリングフィルタ６０１は半導体材料を用いて作製することが可能である。よって、ＰＣ−ＳＯＡ１０１とＰＬＣリングフィルタ６０１をモノリシック集積することができるので、さらに小型化を図ることができる。
【００６８】
また、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。上記実施の形態では、基板にＩｎＰ基板を用いたが、例えば、砒化ガリウム（ＧａＡｓ）、燐化ガリウム（ＧａＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）などの、他の半導体基板を用いることができる。
【００６９】
また、導波路に用いる半導体混晶についても、ＩｎＧａＡｓＰに限られない。例えばＩｎＡｌＧａＡｓや、基板と同様に、窒化ガリウム系混晶や、炭化シリコン系混晶などの他の半導体混晶を用いてもよい。また、導波路の両側面にはＦｅドープの絶縁層を堆積しているが、例えば、Ｒｕドープの絶縁層などの他の絶縁層を用いてもよい。また、導波路構造は埋め込み構造に限られず、例えば、リッジ構造やハイメサ構造などの他の導波路構造を用いてもよい。
【符号の説明】
【００７０】
１０１  ＰＣ−ＳＯＡ    １０２  ＳＯＡ    １０３  ＰＣ
１０４  レンズ    １０５  エタロンフィルタ    １０６  外部ミラー
１０８  導波路
１０８ａ  ＳＯＡ導波路    １０８ｂ  曲線導波路    １０８ｃ  直線導波路
１１０  外部ミラー側端面      １１１  光出射側端面
１１２  ＳＯＡ電極    １１３  ＰＣ電極
１１４  無反射コート    １１５  低反射コート
２０１  ＩｎＰ基板    ２０２  活性層    ２０３  半導体層
２０４  ＩｎＰクラッド層    ２０５  ＦｅドープＩｎＰ層
２０６  半導体層
３０８  導波路    ３０８ｃ  直線導波路
４０８  導波路    ４０８ｂ  曲線導波路    ４０８ｃ  直線導波路
７０１  ＰＣ-ＳＯＡ    ７０２  ＳＯＡ    ７０３  ＰＣ
７０４  レンズ    ７０５  エタロンフィルタ    ７０６  外部ミラー
７０８  導波路    ７０８ｂ  曲線部分    ７１０  外部ミラー側端面
７１２  ＳＯＡ電極    ７１３  ＰＣ電極
【図１Ａ】
2010225978.tif 000003
【図１Ｂ】
2010225978.tif 000004
【図２Ａ】
2010225978.tif 000005
【図２Ｂ】
2010225978.tif 000006
【図２Ｃ】
2010225978.tif 000007
【図２Ｄ】
2010225978.tif 000008
【図２Ｅ】
2010225978.tif 000009
【図２Ｆ】
2010225978.tif 000010
【図２Ｇ】
2010225978.tif 000011
【図３】
2010225978.tif 000012
【図４】
2010225978.tif 000013
【図５】
2010225978.tif 000014
【図６Ａ】
2010225978.tif 000015
【図６Ｂ】
2010225978.tif 000016
【図７】
2010225978.tif 000017
【図８】
2010225978.tif 000018
【図９Ａ】
2010225978.tif 000019
【図９Ｂ】
2010225978.tif 000020
【図１０】
2010225978.tif 000021
【図１１】
2010225978.tif 000022
【図１２】
2010225978.tif 000023
【図１３】
2010225978.tif 000024