(57)【要約】【課題】時間ジッタが小さいパルスレーザ光を出力できるモード同期半導体レーザを提供すること。【解決手段】化合物半導体からなる基板上に、ささやき回廊モード共振器が外周部を有し、該外周部の内側を光が周回するように構成した化合物半導体製のささやき回廊モード共振器と、前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、光増幅利得を有する化合物半導体製の光増幅部と、前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、該ささやき回廊モード共振器に光を入出力する化合物半導体製の光導波路とを有し、前記ささやき回廊モード共振器と前記光増幅部と光導波路がモノリシックに集積され、モード同期によりパルスレーザ光を発振するモード同期の手段を有する。【選択図】    図１
2010102045.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物半導体からなる基板上に、
ささやき回廊モード共振器が外周部を有し、該外周部の内側を光が周回するように構成した化合物半導体製のささやき回廊モード共振器と、
前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、光増幅利得を有する化合物半導体製の光増幅部と、
前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、該ささやき回廊モード共振器に光を入出力する化合物半導体製の光導波路とを有し、前記ささやき回廊モード共振器と前記光増幅部と光導波路がモノリシックに集積され、モード同期によりパルスレーザ光を発振するモード同期の手段を有するモード同期半導体レーザ。
【請求項２】
化合物半導体からなる基板上に、
ささやき回廊モード共振器が光増幅利得を有する活性層を備えるとともに外周部を有し、該外周部の内側を光が周回するように構成した化合物半導体製のささやき回廊モード共振器を有し、
前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、該ささやき回廊モード共振器に光を入出力する化合物半導体製の光導波路とささやき回廊モード共振器がモノリシックに集積され、モード同期によりパルスレーザ光を発振するモード同期の手段を有するモード同期半導体レーザ。
【請求項３】
前記モード同期の手段は、
前記パルスレーザ光の一部を受光し電気信号に変換する化合物半導体製の光検出部と、
前記光検出部に接続し、前記電気信号に含まれる前記パルスレーザ光の遅延時間により定まる基本発振周波数の成分または該基本発振周波数の高調波の成分を、電極構造を介して印加することにより駆動するレーザ光を変調する光変調部とを備えることを特徴とする請求項１または２に記載のモード同期半導体レーザ。
【請求項４】
前記モード同期の手段は、
前記パルスレーザ光の一部を受光し電気信号に変換する化合物半導体製の光検出部と、
前記光検出部に接続し、前記電気信号に含まれる前記パルスレーザ光の遅延時間により定まる基本発振周波数の成分または該基本発振周波数の高調波の成分で電極構造を介して前記パルスレーザの注入電流を変調することを特徴とする請求項１または２に記載のモード同期半導体レーザ。
【請求項５】
前記光変調部は、可飽和吸収体からなることを特徴とする請求項３に記載のモード同期半導体レーザ。
【請求項６】
前記光変調部は、マッハツェンダ変調器からなることを特徴とする請求項３に記載のモード同期半導体レーザ。
【請求項７】
前記活性層を備えるささやき回廊モード共振器は、ハイメサ形状を有するとともに、該ハイメサ形状の側面における少なくとも前記活性層の表面に、該活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する保護層が形成されたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のモード同期半導体レーザ。
【請求項８】
前記ささやき回廊モード共振器の外周部は円状であり、前記光導波路は該外周部の接線方向に沿って光を入出力するように配置されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のモード同期半導体レーザ。
【請求項９】
前記ささやき回廊モード共振器は、半導体積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造を形成するフォトニック結晶内において、光を導波すべき線欠陥部を設けて形成しており、該線欠陥部はループ形状であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のモード同期半導体レーザ。
【請求項１０】
さらに、前記電気信号に含まれる前記基本発振周波数の成分または前記高調波の成分を出力する出力端子を備え、外部に電磁波を取り出せることを特徴とする請求項３〜９のいずれか一つに記載の電磁波発振器用のモード同期半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モード同期半導体レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超高速光通信においては、信号光源としてレーザが用いられているが、その特性としては、繰り返し周波数が安定しており、パルス幅が狭いことが重要となる。特に、ＯＴＤＭ(Optical  Time  Division  Multiplexing)伝送において、テラビットを超える伝送容量を実現する場合には、信号光のパルス幅が１ｐｓ以下となるため、時間ジッタがそれよりも十分小さい短パルス光源が求められている。
【０００３】
パルス幅が短く、時間ジッタの小さい光パルス列を発生させる装置として、モード同期レーザがある。モード同期とは、発振するレーザ光の縦モードのモード間位相がランダムではなく、互いに位相が共調しながら発振することによって、一定の繰り返し周期のタイミングでの短光パルスが発生する現象である。
【０００４】
モード同期の方式には、強制モード同期、受動モード同期、ハイブリッドモード同期、および再生モード同期などがある。図１２、１３は、各モード同期の方式の原理を説明する説明図である。強制モード同期とは、図１２（ａ）に示すように、半導体レーザ５０１の端面５０１ａと外部反射鏡５０２によって外部共振器５０３を形成し、電源５０４から半導体レーザ５０１の活性層５０１ｂへ供給する駆動電流を変調電流とし、その変調周波数を外部共振器５０３の縦モード間隔に等しい周波数ｃ／２Ｌとすることによって、強制的にモード同期を行う方式である。ただし、ここでｃは光速であり、Ｌは外部共振器５０３の共振器長である。また、符号５０５は外部共振器５０３を往復する光パルスを示している。半導体レーザ５０１の活性層５０１ｂの長さは、外部共振器５０３の共振器長Ｌに対して十分に短いものとする。
【０００５】
また、受動モード同期とは、図１２（ｂ）に示すように、図１２（ａ）と同様に、半導体レーザ５０６の端面５０６ａと外部反射鏡５０２によって外部共振器５０７を形成するが、電源５０８から半導体レーザ５０６の活性層５０６ｂへ供給する駆動電流を一定の電流とし、外部共振器５０７の一部に可飽和吸収体５０６ｃを配置する方式である。可飽和吸収体とは、入射光強度の増加に応じて吸収係数が減少するような特性をもつ材料からなるものである。図１２（ｂ）では一例として半導体レーザ５０６内に形成した可飽和吸収体５０６ｃを用いている。可飽和吸収体５０６ｃが外部共振器５０７中に存在すると、可飽和吸収体５０６ｃは、光パルス５０９がそこを通過するとそれに同期して光路が開き、光パルス５０９が通り過ぎると光路が閉じるような光シャッタとして働くので、結果としてモード同期が行なわれ、光パルス５０９が外部共振器５０７中を往復する時間間隔、すなわち周波数としてはｃ／２Ｌの光パルス列が発生することになる。
【０００６】
また、ハイブリッドモード同期とは、図１２（ｃ）に示すように、強制モード同期と受動モード同期とを併用した方式である。具体的には、半導体レーザ５０６の活性層５０６ｂへ一定の駆動電流を供給しつつ、逆バイアスを印加すると透過率が増加するような半導体製の可飽和吸収体５０６ｃに、電源５０４から外部共振器５０７の縦モード間隔に相当する周波数ｃ／２Ｌの交流信号を印加する。符号５１０は外部共振器５０７を往復する光パルスを示している。
【０００７】
また、再生モード同期とは、図１３に示すように、半導体レーザ６０１から出射し、光ファイバ６０２を伝搬したレーザ光を、光検出器６０３で受光して電気信号に変換し、この電気信号を電気アンプ６０４で増幅し、さらに、電気フィルタ６０５を用いて、増幅した電気信号から基本発振周波数、もしくはその整数倍の周波数の信号を取り出して、半導体レーザ６０１の駆動電流に重畳する方式である。この方式は、共振器６０６の共振器長(半導体レーザ-光ファイバ-光検出器のループ長)を、光パルスの繰り返し周波数に正確に整合できるという利点がある。なお、τは共振器６０６における光の遅延時間を示している。また、このような再生モード同期方式のレーザは、電気フィルタ６０５の後段にカプラ６０７を設け、上記周波数の信号をＲＦ（Radio  Frequency）信号として出力することによって、電磁波発振器として用いることができる。また、このような再生モード同期を実現している共振器を、光-マイクロ波発振器(Optoelectronic  Oscillator：ＯＥＯ)と呼ぶこともある（たとえば特許文献１、２、非特許文献１参照）。
【０００８】
一方、従来、ささやき回廊モード(Whisper  Gallery  Mode:ＷＧＭ)共振器とよばれる微小球、円柱状、リング状の共振器が知られている（たとえば特許文献２、３、非特許文献２〜５参照）。ＷＧＭ共振器の共振モードは、たとえば微小球の場合、その外周部の内側における全内面反射によって、該球体の表面の赤道部分のまわりに近い内側領域に閉じこめられて周回する光フィールドを意味する。図１４は、ＷＧＭ共振器の構成を例示的に説明する説明図である。図１４（ａ）に示すＷＧＭ共振器７０１は微少球であり、その外周７０１ａの内側の赤道部分に近い領域を光７０２が閉じ込められて周回する。また、図１４（ｂ）に示すＷＧＭ共振器７０３は円柱状であり、その外周７０３ａの内側の領域を光７０４が閉じ込められて周回する。また、図１４（ｃ）に示すＷＧＭ共振器７０５は内周部７０５ｂを有するリング状であり、その外周７０５ａの内側の領域を光７０６が閉じ込められて周回する。
【０００９】
【特許文献１】特表２００５−５２２８８７号公報
【特許文献２】特開平８−１０１４１１号公報
【特許文献３】特表２００４−５０３８１６号公報
【非特許文献１】X.S.Yao  and  L.Maleki,  “Optoelectronic  microwave  oscillator”,  J.  Opt.  Soc.  Am.  B,  vol.13,  no.8,  pp.1725-1735,  Aug.  1996.
【非特許文献２】A.B.Matsko  et  al.,  “Active  mode  locking  with  whispering-gallery  Modes”,  J.  Opt.  Soc.  Am.  B,  Vol.20,  No.11,  pp.2292-2296(2003)
【非特許文献３】M.L.Gorodetsky  et  al.,  “Ultimate  Q  of  optical  microsphere  resonators”,  Opt.  Lett.  21,  pp.453-455(1996)
【非特許文献４】D.  Rabus  et  al.,  “High-Q  channel-dropping  filters  using  ring  resonators  with  integrated  SOAs”,  IEEE  Photon.  Technol.  Lett.  14,  pp.1442-1444(2002)
【非特許文献５】S.H.Kim  et  al.,  “Two-dimensional  photonic  crystal  hexagonal  waveguide  ring  laser”,  Applied  Physics  Letter  Vol.81  pp.2499-2501(2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、モード同期レーザの重要な特性である光パルスの時間ジッタは、主にそのモード同期レーザのレーザ共振器のＱ値に大きく依存する。ここで、Ｑ値は、式（１）で表される。
【００１１】
【数１】
2010102045.tif 000003
【００１２】
なお、ｆoscは光パルスの繰り返し周波数、ｎgはレーザ共振器内の群屈折率、Ｌoptは共振器長、ｃは光速、δはレーザ共振器の損失定数、τdelayはレーザ共振器の光の遅延時間である。モード同期レーザの光パルスの時間ジッタは、このＱ値が高いほど小さくなり、すなわち特性が良くなる。
【００１３】
しかしながら、従来の典型的な繰り返し周波数４０Ｇｂ／ｓのモード同期半導体レーザは、その共振器長Ｌoptが１．１ｍｍ程度と短いため、Ｑ値は小さい。このため、この半導体レーザの時間ジッタは、繰り返し周波数４０ＧＨｚの場合において０．２ｐｓ前後となる。一方、上述したように、Ｔｂ／ｓ以上の伝送容量のＯＴＤＭ伝送を実現する場合には、信号光のパルス幅が１ｐｓ以下となるため、従来のモード同期半導体レーザを用いた場合には、半導体レーザの時間ジッタと信号光のパルス幅が同程度の大きさとなるため、エラーレートの増加等の原因となり、好ましくない。したがって、Ｔｂ／ｓ以上のＯＴＤＭ伝送用の光源として、時間ジッタがより小さい半導体レーザが求められていた。
【００１４】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、時間ジッタが小さいパルスレーザ光を出力できるモード同期半導体レーザ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】
【００１５】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るモード同期半導体レーザは、化合物半導体からなる基板上に、ささやき回廊モード共振器が外周部を有し、該外周部の内側を光が周回するように構成した化合物半導体製のささやき回廊モード共振器と、前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、光増幅利得を有する化合物半導体製の光増幅部と、前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、該ささやき回廊モード共振器に光を入出力する化合物半導体製の光導波路とを有し、前記ささやき回廊モード共振器と前記光増幅部と光導波路がモノリシックに集積され、モード同期によりパルスレーザ光を発振するモード同期の手段を有する。
【００１６】
また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、化合物半導体からなる基板上に、ささやき回廊モード共振器が光増幅利得を有する活性層を備えるとともに外周部を有し、該外周部の内側を光が周回するように構成した化合物半導体製のささやき回廊モード共振器を有し、前記ささやき回廊モード共振器に直接、もしくは間接的に接続し、該ささやき回廊モード共振器に光を入出力する化合物半導体製の光導波路とささやき回廊モード共振器がモノリシックに集積され、モード同期によりパルスレーザ光を発振するモード同期の手段を有する。
【００１７】
また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記モード同期の手段は、前記パルスレーザ光の一部を受光し電気信号に変換する化合物半導体製の光検出部と、前記光検出部に接続し、前記電気信号に含まれる前記パルスレーザ光の遅延時間により定まる基本発振周波数の成分または該基本発振周波数の高調波の成分を、電極構造を介して印加することにより駆動するレーザ光を変調する光変調部とを備えることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記モード同期の手段は、前記パルスレーザ光の一部を受光し電気信号に変換する化合物半導体製の光検出部と、前記光検出部に接続し、前記電気信号に含まれる前記パルスレーザ光の遅延時間により定まる基本発振周波数の成分または該基本発振周波数の高調波の成分で電極構造を介して前記パルスレーザの注入電流を変調することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記光変調部は、可飽和吸収体からなることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記光変調部は、マッハツェンダ変調器からなることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記活性層を備えるささやき回廊モード共振器は、ハイメサ形状を有するとともに、該ハイメサ形状の側面における少なくとも前記活性層の表面に、該活性層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する保護層が形成されたことを特徴とする。
【００２２】
また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記ささやき回廊モード共振器の外周部は円状であり、前記光導波路は該外周部の接線方向に沿って光を入出力するように配置されることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、前記ささやき回廊モード共振器は、半導体積層方向に垂直な面内において２次元的な屈折率の周期構造を形成するフォトニック結晶内において、光を導波すべき線欠陥部を設けて形成しており、該線欠陥部はループ形状であることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係るモード同期半導体レーザは、上記の発明において、さらに、前記電気信号に含まれる前記基本発振周波数の成分または前記高調波の成分を出力する出力端子を備え、外部に電磁波を取り出せることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、モード同期半導体レーザのレーザ共振器の一部にＷＧＭ共振器を導入することによって、レーザ共振器内の光子寿命を長くし、それによりレーザ共振器のＱ値を高めることができるので、時間ジッタが小さいパルスレーザ光を出力できるモード同期半導体レーザを実現できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下に、図面を参照して本発明に係るモード同期半導体レーザの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、各図面において、同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００２７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。図１に示すように、このモード同期半導体レーザ１００は、化合物半導体からなる基板１上に、それぞれが化合物半導体製の、ＷＧＭ共振器２、光導波路３〜６、およびモード同期手段としての光変調部である可飽和吸収部７がモノリシックに集積されたものである。ＷＧＭ共振器２、光導波路３〜６、および可飽和吸収部７はハイメサ形状を有しており、その周囲を絶縁材料のポリイミド８によって埋め込まれている。
【００２８】
ＷＧＭ共振器２は、リング状に形成されており、円状の外周部を有する。光導波路３、５は、互いにほぼ平行に直線状に形成されており、それぞれＷＧＭ共振器２に、ＷＧＭ共振器２の接線方向に沿うように接続している。可飽和吸収部７は、直線状に形成されており、光導波路３と４の間に介挿されている。光導波路４は、直線状に形成されており、その端面４ａが誘電体等により例えば反射率が９９％程度となるようにＨＲ（High  Reflection）コーティングされている。また、光導波路５は、その端面５ａが誘電体等により透過率１０％程度となるようにコーティングされている。また、光導波路６は、直線状に形成されているとともに、光導波路５と同一線上に配置されている。また、光導波路６は、その端面６ａが角度７°の斜め端面に形成されており、もう一方の端面６ｂは、反射率が極めて小さくなるようにＡＲ（Anti-Reflection）コーティングされている。また、ＷＧＭ共振器２上には電極９ａが形成されており、可飽和吸収部７上には電極９ｂが形成されている。また、電極９ａ、９ｂにはそれぞれリード線１０ａ、１０ｂが接続されている。
【００２９】
ＷＧＭ共振器２、光導波路３〜６、および可飽和吸収部７のメサ幅はいずれも２μｍである。また、ＷＧＭ共振器２の直径は１．２ｍｍであり、電極９ａのサイズは、紙面上の（縦の長さ）×（横の長さ）で表すと、２００μｍ×１．５ｍｍである。また、可飽和吸収部７の長さは７５μｍであり、電極９ｂのサイズは７５μｍ×７５μｍである。また、光導波路４と可飽和吸収部７と光導波路３との合計の長さは１０００μｍである。また、光導波路５の長さは８００μｍである。したがって、このモード同期半導体レーザ１００のサイズは、２ｍｍ×２ｍｍであり、きわめて小型に集積されている。
【００３０】
つぎに、このモード同期半導体レーザ１００の断面構造について説明する。図２は、図１におけるＡ−Ａ´線断面図である。図２に示すように、ＷＧＭ共振器２は、アクティブ素子であり、裏面にｎ側電極１１が形成された基板１上に、バッファ層１２、活性層１３、上部クラッド層１４、コンタクト層１５、ｐ側電極１６が順次積層して構成されている。バッファ層１２は突出部１２ａを有し、突出部１２ａからコンタクト層１５までがハイメサ形状を有している。また、このハイメサ形状の側面およびバッファ層１２の表面は、保護層１７でパッシベーションされている。なお、基板１、バッファ層１２は、いずれもｎ−ＩｎＰからなる。また、活性層１３は、ＩｎＧａＡｓＰからなり、６層の多重量子井戸性層(multi-quantum  well：ＭＱＷ)の両側にバッファ層１２および上部クラッド層１４よりも屈折率の大きい光ガイド層を設けた分離閉じ込めヘテロ(separate  confinement  heterostructure：ＳＣＨ)構造を有する。また、上部クラッド層１４は、ｐ−ＩｎＰからなる。また、コンタクト層１５は、ＩｎＧａＡｓＰからなる。また、保護層１７は、活性層１３のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する材料からなり、たとえばＩｎＰからなる。また、突出部１２ａの下面からコンタクト層１５の上面までの高さは約３．６μｍである。なお、他のアクティブ素子である可飽和吸収部７も、このＷＧＭ共振器２と同一の積層構造を有している。
【００３１】
一方、図３は、図１におけるＢ−Ｂ´線断面図である。図３に示すように、光導波路５は、パッシブ素子であり、裏面にｎ側電極１１が形成された基板１上に、バッファ層１２、コア層１８、上部クラッド層１９、ＳｉＮｘ膜２０が順次積層して構成されている。バッファ層１２は突出部１２ａを有し、突出部１２ａからＳｉＮｘ膜２０までがハイメサ形状を有している。また、このハイメサ形状の側面およびバッファ層１２の表面は、保護層１７でパッシベーションされている。なお、コア層１８は、ＩｎＧａＡｓＰからなる。また、上部クラッド層１９は、ｐ−ＩｎＰからなる。また、突出部１２ａの下面から上部クラッド層１９の上面までの高さは約３．１μｍである。また、他のパッシブ素子である光導波路３、４、６も、この光導波路５と同一の積層構造を有している。
【００３２】
つぎに、このモード同期半導体レーザ１００をハイブリッドモード同期方式で動作させる場合について説明する。はじめに、リード線１０ａ、電極９ａを介して、ｎ側電極１１、ｐ側電極１６間にＤＣ電圧を印加し、駆動電流を流すと、ＷＧＭ共振器２の活性層１３に電流が注入され、活性層１３が１．５５μｍ帯の光を発光する。この光は、活性層１３においてＷＧＭ共振器２の外周部の内側をＷＧＭモードで周回するとともに、光導波路３、５に入出力し、光導波路３〜５のコア層１８、および可飽和吸収部７の活性層１３を導波する。
【００３３】
ここで、ＷＧＭ共振器２、光導波路３〜５、および可飽和吸収部７は、端面４ａ、５ａを端面とするレーザ共振器を構成している。また、ＷＧＭ共振器２の活性層１３は、光増幅利得を有する光増幅部として機能する。その結果、ＷＧＭ共振器２の活性層１３において発生した光は、このレーザ共振器によってレーザ発振する。なお、上述したように、ＷＧＭ共振器２、光導波路３〜６、および可飽和吸収部７のメサ幅はいずれも２μｍであり、かつ、ＷＧＭ共振器２および可飽和吸収部７の活性層１３の厚さ、および光導波路３〜６のコア層１８の厚さはいずれも０．３μｍであり、かつバッファ層１２の突出部１２ａの厚さは０．５μｍである。したがって、レーザ共振器となる光導波路は１．５５μｍ帯の波長において単一横モードの条件をみたしており、上記レーザ発振するレーザ光は単一横モードとなる。また、活性層１３の側面には活性層１３のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する保護層１７が形成されているため、活性層１３の側面での表面再結合が防止され、発光効率の低下が防止される。
【００３４】
一方、上記レーザ発振と同時に、リード線１０ｂ、電極９ｂを介して、ｎ側電極１１と可飽和吸収部７のｐ側電極間に、逆バイアスとしてのＤＣ電圧および、シンセサイザで発生させた所定の周波数のＲＦ電圧信号を印加する。すると、可飽和吸収部７の光シャッタ効果によって、上記レーザ共振器においてハイブリッドモード同期が実現される。その結果、光導波路５の端面５ａからはパルスレーザ光が出力する。このパルスレーザ光は、光導波路６の端面６ａに入射し、もう一方の端面６ｂからモード同期半導体レーザ１００の外部に出力する。なお、端面６ａは斜め端面であるため、端面６ａで反射した光が光導波路５へ戻ることが防止されている。
【００３５】
このモード同期半導体レーザ１００においては、レーザ共振器の一部にＷＧＭ共振器２が導入されているので、小型でありながら、出力されるパルスレーザ光の時間ジッタがきわめて小さいものとなる。すなわち、上述したように、モード同期レーザの光パルスの時間ジッタは、Ｑ値が高いほど小さくなる。一方、このＷＧＭ共振器２は、光がその外周部の内側をＷＧＭモードで周回するので、Ｑ値がきわめて高くなるため、時間ジッタがきわめて小さいものとなるのである。なお、ＷＧＭ共振器のＱ値は主に表面の凸凹による散乱、吸収損、および体積などによって決定する。ＷＧＭ共振器のＱ値と損失、直径との関係については、非特許文献３に記載されている。なお、本実施の形態１に係るＷＧＭ共振器２は、ＩｎＰ系の半導体材料を用いたリング型のＷＧＭ共振器であるが、この場合、直径１．２ｍｍの場合にＱ値は１３０，０００程度ときわめて大きい（非特許文献４参照）。
【００３６】
なお、ＷＧＭ共振器２の光子寿命をτWGM,delayとすると、τWGM, delayは下記の式（２）で与えられる。
【００３７】
【数２】
2010102045.tif 000004
【００３８】
なお、ＱWGMはＷＧＭ共振器２のＱ値、ｆoptは光の周波数である。式（２）を用いると、波長が１．５５μｍ帯の光については、Ｑ値が１３０，０００程度の場合、光子寿命τWGM, delayは１００ｐｓ程度となる。
【００３９】
一方、可飽和吸収部７に印加すべきＲＦ信号の周波数をｆrepとすると、ｆrepは以下の式（３）で与えられる。
【００４０】
【数３】
2010102045.tif 000005
【００４１】
なお、Ｎは整数であり、ＬoptはＷＧＭ共振器２以外の部分、すなわち光導波路３〜６および可飽和吸収部７の合計の共振器長である。式（３）を用いると、本実施の形態１に係るモード同期半導体レーザ１００の場合、ｆrepを４．１９ＧＨｚの整数倍に設定する必要がある。
【００４２】
次に、このモード同期半導体レーザ１００と従来の半導体レーザの性能比較を行う。このモード同期半導体レーザ１００のＱ値を式（４）に示す。
【００４３】
【数４】
2010102045.tif 000006
【００４４】
なお、δはレーザ共振器の損失定数である。すなわち、Ｑ値は、光子寿命τWGM, delayに比例する。光導波路３〜６および可飽和吸収部７の部分の光子寿命は、１９．２ｐｓであるから、このモード同期半導体レーザ１００のレーザ共振器の全体の光子寿命は、式（４）の係数２を加味して、１９．２ｐｓ×２＋１００ｐｓ×２＝２３８ｐｓとなる。一方、従来の共振器長が１．１ｍｍである半導体レーザでは、光子寿命は２３．４ｐｓである。したがって、損失定数が同じだとすると、このモード同期半導体レーザ１００は従来の半導体レーザよりも約１桁もＱ値が高いことがわかる。
【００４５】
一方、モード同期レーザにおいて、パルス光の時間ジッタΔτとＱ値とは、近似的に以下の式（５）に示す関係を満たす。
【００４６】
【数５】
2010102045.tif 000007
【００４７】
なお、τは光パルスの繰り返し時間間隔である。式（５）に示すように、時間ジッタΔτとＱ値とは反比例の関係にあることがわかる。したがって、このモード同期半導体レーザ１００は従来の半導体レーザよりも約１桁も時間ジッタが小さいことがわかる。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態１に係るモード同期半導体レーザ１００は、従来の半導体レーザよりも時間ジッタがきわめて小さいパルスレーザ光を出力できるものとなり、Ｔｂ／ｓ以上のＯＴＤＭ伝送用の光源として好適なものとなる。
【００４９】
なお、上記では、本実施の形態１に係るモード同期半導体レーザ１００をハイブリッドモード同期方式で動作させる場合について説明した。しかしながら、モード同期半導体レーザ１００は、可飽和吸収部７に電圧を印加しないことによって、受動モード同期方式で動作させることもできる。なお、受動モード同期方式で動作させても、このモード同期半導体レーザ１００は、時間ジッタがきわめて小さいパルスレーザ光を出力できる。
【００５０】
また、本実施の形態１に係るモード同期半導体レーザ１００は、変調部としての可飽和吸収部７をマッハツェンダ変調器等の変調器に置き換えることによって、強制モード同期方式で動作させることもできる。
【００５１】
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係るモード同期半導体レーザについて説明する。本実施の形態２に係るモード同期半導体レーザは、再生モード同期方式で動作させるものである。
【００５２】
図４は、本実施の形態２に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。図４に示すように、このモード同期半導体レーザ２００は、図１に示すモード同期半導体レーザ１００において、光導波路６を削除し、光導波路５を光導波路２２に置き換え、電極９ｂを電極９ｅに置き換え、さらに、光導波路２１、電極９ｃ、９ｄ、およびリード線１０ｃ、および再生モード同期手段の一部としての光検出部２３を付加した構造を有している。さらに、光導波路４の端面４ａを、透過率１０％程度となるようにコーティングしている。
【００５３】
光導波路２１、２２、光検出部２３はハイメサ形状を有している。また、光導波路２２は、光導波路３とほぼ平行に直線状に形成されており、ＷＧＭ共振器２に、ＷＧＭ共振器２の接線方向に沿うように接続している。光検出部２３は、直線状に形成されており、光導波路２２に接続している。また、光導波路２１は、直線状に形成されているとともに、光導波路４と同一線上に配置されている。また、光導波路２１は、その端面２１ａが角度７°の斜め端面に形成されており、もう一方の端面２１ｂは、ＡＲコーティングされている。電極９ｅは、可飽和吸収部７上のＷＧＭ共振器２に近い領域に形成されている。また、電極９ｃは、光検出部２３上のＷＧＭ共振器２に近い領域に形成されている。また、電極９ｄは、可飽和吸収部７上のＷＧＭ共振器２から遠い領域から、光検出部２３上のＷＧＭ共振器２から遠い領域にわたり、さらに紙面右側の基板１の端部まで延伸するように形成されている。また、電極９ｅ、９ｃにはそれぞれリード線１０ｂ、１０ｃが接続されている。
【００５４】
光導波路２１、２２、光検出部２３のメサ幅はいずれも２μｍである。また、光検出部２３の長さは１００μｍである。また、電極９ｃ、９ｅのサイズはいずれも４５μｍ×７５μｍである。また、電極９ｄのサイズは３０μｍ×２ｍｍである。また、光導波路２２の長さは８００μｍである。したがって、このモード同期半導体レーザ２００のサイズは、５ｍｍ×５ｍｍであり、きわめて小型に集積されている。
【００５５】
なお、光検出部２３は、アクティブ素子であり、図２に示すＷＧＭ共振器２と同様の断面構造を有しており、フォトダイオードとして機能する。また、光導波路２１、２２は、パッシブ素子であり、図３に示す光導波路５と同様の断面構造を有している。
【００５６】
つぎに、このモード同期半導体レーザ２００を再生モード同期方式で動作させる場合について説明する。はじめに、リード線１０ａ、電極９ａを介して、ＷＧＭ共振器２のｎ側電極−ｐ側電極間にＤＣ電圧を印加し、駆動電流を流すと、ＷＧＭ共振器２の活性層に電流が注入され、この活性層が１．５５μｍ帯の光を発光する。ここで、ＷＧＭ共振器２、光導波路３、４及び２２は、ＷＧＭ共振器２をリング共振器とし、端面４ａと端面２２aを共振器の端面とするレーザ共振器を構成している。また、ＷＧＭ共振器２の活性層１３は、光増幅利得を有する。その結果、ＷＧＭ共振器２の活性層１３において発生した光は、このレーザ共振器によってレーザ発振する。なお、レーザ共振器となる光導波路はいずれも１．５５μｍ帯の波長において単一横モードの条件をみたしており、上記レーザ発振するレーザ光は単一横モードとなる。なお、ＷＧＭ共振器２を周回するレーザ光の一部は、光導波路２２へと出力する。
【００５７】
一方、上記レーザ発振と同時に、リード線１０ｃ、電極９ｃを介して、光検出部２３のｎ側電極−ｐ側電極間に、逆バイアスとしてのＤＣ電圧を印加する。すると、光検出部２３は、光導波路２２の端面から上記レーザ光を受光し、受光した光を電気信号に変換する。この電気信号は、パルスレーザ光の遅延時間によって定まる基本発振周波数およびその整数倍の周波数である高調波の変調信号を含むものである。この変調信号を含む電気信号は、電極９ｄを経由して可飽和吸収部７に搬送される。
【００５８】
他方、可飽和吸収部７には、リード線１０ｂ、電極９ｅを介して、ｎ側電極−ｐ側電極間に、逆バイアスとしてのＤＣ電圧が印加されているが、これに加えて、上記変調信号を含む電気信号が電極９ｄを経由して印加される。その結果、可飽和吸収部７は、上記変調信号の周波数で駆動する光シャッタとして機能するため、上記レーザ共振器において再生モード同期が実現される。その結果、光導波路４の端面４ａからはパルスレーザ光が出力する。このパルスレーザ光は、光導波路２１の端面２１ａに入射し、もう一方の端面２１ｂからモード同期半導体レーザ２００の外部に出力する。
【００５９】
このモード同期半導体レーザ２００は、再生モード同期方式を用いているため、強制モード同期もしくはハイブリッドモード同期と異なり、外部から発振器を用いてＲＦ信号を供給する必要は無く、自励発振によって生成された電気信号により、光出力を変調させている。このとき自励発振によって生成された電気信号の時間ジッタは、従来の水晶発振器をベースとした電気の発振器と比較して２桁程度良い。すなわち、従来の発振器では、たとえば振動子を１０ＭＨｚで発振させて、これを逓倍することにより高い周波数の電気信号を発生させているため、時間ジッタが悪くなる。一方、このモード同期半導体レーザ２００は、低周波数の信号を逓倍させることなく、直接高い周波数で発振させているため、時間ジッタが小さい。
【００６０】
したがって、このモード同期半導体レーザ２００は、ＷＧＭ共振器２の高いＱ値によって時間ジッタが小さくなるのに加え、さらに自励発振による時間ジッタの低減効果を得られるので、時間ジッタがきわめて小さいパルスレーザ光を出力できる。
【００６１】
ところで、このモード同期半導体レーザ２００は、リング型レーザであるから、その発振周波数をｆoscとすると、光の遅延時間が電気の遅延時間よりも十分に小さいとした場合、ｆoscは以下の式（６）で与えられる。
【００６２】
【数６】
2010102045.tif 000008
【００６３】
なお、各々の変数は式（３）と同様である。すなわち、直線型レーザの場合である式（３）と比較して、式（６）は分母の係数２が取り除かれた形となっている。
【００６４】
また、このモード同期半導体レーザ２００は、電極９ｄから基本発振周波数およびその高調波の成分を含む電気信号をＲＦ出力として出力することができる。したがって、このモード同期半導体レーザ２００は、電磁波発振器としても用いることができる。このモード同期半導体レーザ２００は、従来の電磁波発振器と比較すると共振器の一部に電磁ノイズの影響を受けにくい光遅延路を用いているため、時間ジッタの小さい高純度な電気信号を発生させることができる。
【００６５】
このように、このモード同期半導体レーザ２００は、電磁波発振器としても優れているため、ＣｓやＲｂ等の原子と組み合わせることにより周波数標準器として用いることができる。このような高純度な標準器はＧＰＳ(Global  Positioning  System)などに応用することができる。
【００６６】
（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３に係るモード同期半導体レーザについて説明する。本実施の形態３に係るモード同期半導体レーザは、実施の形態２と同様に再生モード同期方式で動作させるものであるが、ＷＧＭ共振器がパッシブ素子であり、光増幅部としての半導体レーザ部を別途備えており、電磁波発振器として用いるものである点が異なる。
【００６７】
図５は、本実施の形態３に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。図５に示すように、このモード同期半導体レーザ３００は、図４に示すモード同期半導体レーザ２００において、光導波路２１、ポリイミド８、電極９ａ、リード線１０ａを削除し、ＷＧＭ共振器２をＷＧＭ共振器３０に置き換え、光導波路４を光導波路３１に置き換え、さらに、半導体レーザ部３２、ポリイミド３３、電極９ｆ、およびリード線１０ｆを付加した構造を有している。
【００６８】
ＷＧＭ共振器３０、光導波路３１、半導体レーザ部３２はハイメサ形状を有している。また、ＷＧＭ共振器３０は、ＷＧＭ共振器２と同様にリング状に形成されており、円状の外周部を有する。また、その直径、メサ幅もＷＧＭ共振器２と同様であるが、ＷＧＭ共振器２とは異なりパッシブ素子であり、図３に示す光導波路５と同様の断面構造を有している。また、光導波路３１は、可飽和吸収部７に接続するように形成されている。また、半導体レーザ部３２は、光導波路３１に接続するように形成されている。また、ポリイミド３３は、可飽和吸収部７、光検出部２３、および半導体レーザ部３２を埋め込むように形成されている。また、電極９ｆは、半導体レーザ部３２上に形成されている。また、電極９ｆにはリード線１０ｆが接続されている。
【００６９】
光導波路３１のメサ幅は２μｍである。また、半導体レーザ部３２のサイズは３００μｍ×２μｍである。また、電極９ｆのサイズは３００μｍ×７５μｍである。
【００７０】
また、半導体レーザ部３２は、分布帰還型（Distributed  Feed-Back：ＤＦＢ）レーザであり、図２に示すＷＧＭ共振器２と同様の断面構造を有しているが、さらに上部クラッド層１４に回折格子が形成されている。また、光導波路３１は、パッシブ素子であり、図３に示す光導波路５と同様の断面構造を有している。
【００７１】
つぎに、このモード同期半導体レーザ３００を再生モード同期方式で動作させる場合について説明する。はじめに、リード線１０ｆ、電極９ｆを介して、半導体レーザ部３２のｎ側電極−ｐ側電極間にＤＣ電圧を印加し、駆動電流を流すと、半導体レーザ部３２の活性層に電流が注入され、この活性層が１．５５μｍ帯の光を発光する。発光した光は、光検出器２３で電気信号に変換され、ＲＦ信号として出力される。このとき発生するＲＦ信号は可飽和吸収部７、光導波路３、２２、ＷＧＭ共振器３０、光検出部２３、電極９ｄから成るリング型共振器から生成される。
【００７２】
一方、光検出部２３は、モード同期半導体レーザ２００と同様に、光導波路２２の端面から上記レーザ光を受光し、受光した光を、パルスレーザ光の遅延時間によって定まる基本発振周波数およびその高調波の変調信号を含む電気信号に変換する。この電気信号は電極９ｄを経由して可飽和吸収部７に搬送される。
【００７３】
他方、可飽和吸収部７は、モード同期半導体レーザ２００と同様に、逆バイアスとしてのＤＣ電圧が印加されるとともに、上記変調信号の周波数で駆動する光シャッタとして機能するため、再生モード同期が実現される。ここで、このモード同期半導体レーザ３００の場合は、パルスレーザ光の出力端子は特に設けられていないが、電極９ｄから基本発振周波数およびその高調波の成分を含む電気信号をＲＦ出力として出力することができる。したがって、このモード同期半導体レーザ３００は、時間ジッタの小さい高純度な電気信号を発生させる電磁波発振器として用いることができる。
【００７４】
なお、このモード同期半導体レーザ３００もリング型レーザであるから、その発振周波数は上述した式（６）で与えられる。
【００７５】
（製造方法）
つぎに、実施の形態１〜３に係るモード同期半導体レーザの製造方法について説明する。図６は、実施の形態１〜３に係るモード同期半導体レーザ１００〜３００の製造方法を説明する模式図である。
【００７６】
はじめに、図６（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ（Metal  Organic  Chemical  Vapor  Deposition）結晶成長装置を用い、成長温度６００℃において、基板１上に、バッファ層１２、活性層１３、ｐ−ＩｎＰからなるクラッド層３５を順次結晶成長する。
【００７７】
ただし、実施の形態３に係るモード同期半導体レーザ３００を製造する際には、半導体レーザ部３２を形成する領域のみ、クラッド層３５に回折格子を作製する。回折格子の作製方法については例えば特開２００２−３０５３５０号公報に記載されている。
【００７８】
次に、図６（ｂ）に示すように、アクティブ素子(ＷＧＭ共振器２、可飽和吸収部７、光検出部２３、半導体レーザ部３２などの発光、光増幅部、光検出器部)を形成する領域ＳＡにＳｉＮｘからなるマスクＭ１を形成し、それ以外のパッシブ部分となる領域ＳＰのクラッド層３５、活性層１３をエッチングにより除去する。次に、図６（ｃ）に示すように、エッチングにより除去した領域ＳＰの部分にＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路のコア層１８、ｐ−ＩｎＰからなるクラッド層３６をバットジョイント成長により形成する。その後、図６（ｄ）に示すように、領域ＳＡ、ＳＰパッシブ領域の両方に、ｐ−ＩｎＰからなるクラッド層３７、コンタクト層１５を結晶成長する。つぎに、図６（ｅ）に示すように、領域ＳＰのみコンタクト層１５をエッチングにより除去する。
【００７９】
その後、ＳｉＮｘ膜をマスクとして、幅２μｍのハイメサ形状をドライエッチングにより形成する。このドライエッチングでは、クラッド層３７、クラッド層３５およびクラッド層３６、活性層１３およびコア層１８を貫通し、バッファ層１２の上側一部に至る深さまでエッチングを行う。従ってエッチング直後では、活性層１３の側面は露出した状況となっている。
【００８０】
次に、メサエッチングに用いたＳｉＮｘ膜をそのまま結晶成長マスクとして使用し、ハイメサ形状のメサ脇に保護層１７を結晶成長する。なお、保護層１７の厚さは、活性層１３の側壁の部分で０．１μｍ厚となるようにする。また、保護層１７の導電性はｐ型とし、保護層１７の材料をＩｎＰとする場合は、Ｚｎ等のｐ型ドーパントのドープ量は５×１０17ｃｍ-3程度とする。
【００８１】
図７は、図６（ｅ）のＣ−Ｃ´線断面図であり、図８は、図６（ｅ）のＤ−Ｄ´線断面図である。なお、図７、図８において、符号２０はＳｉＮｘ膜を示している。また、図７、図８は、それぞれ図２、図３に対応するものであり、クラッド層３５、３７が上部クラッド層１４を構成し、クラッド層３６、３７が上部クラッド層１９を構成する。
【００８２】
その後、ポジ型のポリイミドを絶縁材料として、各アクティブ素子に対して電極構造を形成する。図９は、電極形成方法を説明する模式図である。なお、図９は、例として図１のＡ−Ａ´線断面の部分を示している。
【００８３】
はじめに、図９（ａ）に示すように、ポジ型のレジストＲ１を塗布後、酸素プラズマを用いたＲＩＥ（Reactive  Ion  Etching）により、メサトップの頭出しを行なう。つぎに、図９（ｂ）に示すように、さらにネガ型のレジストＲ２を塗布後、フォトリソグラフィーを行い、メサ部に幅４μｍ程度の窓Ｗ１の窓明けを行なう。つぎに、図９（ｃ）に示すように、ＲＩＥによりＳｉＮｘ膜２０を除去し、Ａｕ／ＡｕＺｎ構造のｐ側電極１６を蒸着する。その後、図９（ｄ）に示すように、リフトオフにより、ｐ側電極１６を所望の形状とする。
【００８４】
つぎに、図９（ｅ）に示すように、ポジ型のポリイミド８を塗布し、へき開する箇所には露光しておく。つぎに、図９（ｆ）に示すように、ポリイミド８のフォトリソグラフィーを行い、１５０℃、３０分でキュアし、その後さらに３５０℃、６０分でキュアする。つぎに、図９（ｇ）に示すように、リフトオフにより、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ構造の電極９ａを形成する。最後に、図９（ｈ）に示すように、基板１の裏面を研摩し、蒸着によりＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ構造のｎ側電極１１を形成する。その後所定箇所をへき開して、モード同期半導体レーザが完成する。
【００８５】
（実施の形態４）
つぎに、本発明の実施の形態４に係るモード同期半導体レーザについて説明する。本実施の形態４に係るモード同期半導体レーザは、実施の形態３と同様に電磁波発振器として用いるものであるが、ＷＧＭ共振器がフォトニック結晶内の線欠陥部として形成されている点が異なる。
【００８６】
図１０は、本実施の形態４に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。図１０に示すように、このモード同期半導体レーザ４００は、図５に示すモード同期半導体レーザ３００において、ＷＧＭ共振器３０をフォトニック結晶部４０に置き換え、光導波路３、２２を、それぞれ光導波路４８、４７に置き換えた構造を有している。
【００８７】
フォトニック結晶部４０は、上述した他のパッシブ素子と同様に、基板１上に、バッファ層、コア層、上部クラッド層、ＳｉＮｘ膜が順次積層した構造を有している。さらに、フォトニック結晶部４０には、空気円孔４１が三角格子状に配列されている。この空気円孔４１は、少なくともコア層の下面よりも深くまで形成されている。その結果、この空気円孔４１は、半導体積層方向に垂直な面内において、２次元的な屈折率の周期構造を形成しており、フォトニック結晶を構成している。
【００８８】
さらに、空気円孔４１が構成するフォトニック結晶内には、光を導波すべき線欠陥部として、六角形のリング状の線欠陥ＷＧＭ共振器４２、および直線状の線欠陥光導波路４３、４４が形成されている。線欠陥光導波路４３、４４はそれぞれ線欠陥ＷＧＭ共振器４２に接続するように形成されている。また、線欠陥光導波路４３と光導波路４７とを接続するように、ハイメサ形状の光導波路４５が形成されている。同様に、線欠陥光導波路４４と光導波路４８とを接続するように、ハイメサ形状の光導波路４６が形成されている。
【００８９】
このフォトニック結晶部４０においては、線欠陥ＷＧＭ共振器４２がＷＧＭ共振器となり、線欠陥光導波路４３、４４が線欠陥ＷＧＭ共振器４２に光を入出力する光導波路として機能する。符号４５は、線欠陥ＷＧＭ共振器４２の直径ａWGMを示している。ここではａWGMは１．２ｍｍである。
【００９０】
以下、このフォトニック結晶部４０の構造パラメータについて説明する。図１１は、フォトニック結晶部４０の模式的な平面図である。図１１において、符号４９、５０、５１はそれぞれ空気円孔４１の半径ｒ、三角格子の格子定数ａ、線欠陥部の両側に位置する空気円孔４１の中心間距離で定義される導波路幅Ｗを示している。ここでは、ａが７７５ｎｍ、半径ｒが０．２９ａ、空孔深さが０．５８ａ、Ｗが１．０８ａに設定されている。
【００９１】
このモード同期半導体レーザ４００の動作原理は、モード同期半導体レーザ３００と同様であり、時間ジッタの小さい高純度な電気信号を発生させる発振器として用いることができる。また、特に、このモード同期半導体レーザ４００は、ＷＧＭ共振器としてフォトニック結晶の線欠陥導波路を利用し、構造パラメータを上記のようにしているため、線欠陥導波路における低群速度効果により、さらに大幅に時間ジッタが低減される。
【００９２】
すなわち、たとえば清田らの論文「フォトニック結晶線欠陥導波路の低群速度効果を用いたレーザと光増幅器」、古河電工時報第１１８号（平成１８年７月発行）に記載されるように、フォトニック結晶内に形成された線欠陥導波路においては、導波する光の規格化波数ｋ／（２π／ａ）がブリルアンゾーンの端である０．５に近づくにつれて、群屈折率ｎｇが非常に大きくなる。たとえば、フォトニック結晶部４０において、ａを７７５ｎｍとし、上記構造パラメータの設定とすると、波長１．５５μｍにおいて、群屈折率ｎｇとして１００程度の数値が得られる。したがって、この線欠陥ＷＧＭ共振器４２においては、その直径が実施の形態１のＷＧＭ共振器２と同様の１．２ｍｍであるものの、遅延時間としては、ＷＧＭ共振器２の３１倍、つまり３．１ｎｓとすることができる。したがって、ＷＧＭ部分のＱ値としても３１倍とすることができ、従来の半導体レーザの約２７０倍のＱ値を得ることができる。つまり、このモード同期半導体レーザ４００は、従来の半導体レーザの約１／２７０の時間ジッタを実現するモード同期半導体レーザとなる。
【００９３】
なお、このフォトニック結晶部４０は、以下のようにして製造できる。すなわち、はじめに、図６（ｃ）の状態において、領域ＳＰにエッチングマスクとしてＳｉＮ膜を成膜する。つぎに、このＳＩＮ膜に、電子線リソグラフィを用いて形成した、線欠陥部を含むフォトニック結晶の円孔パターンを転写する。その後に、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductive  Coupled  Plasma-RIE）を用いて円孔パターン下の半導体のエッチングを行い、空気円孔４１を形成する。なお、モード同期半導体レーザ４００のその他の部分については、モード同期半導体レーザ１００〜３００と同様の方法で製造できる。
【００９４】
なお、上記実施の形態３、４に係るモード同期半導体レーザ３００、４００において、別途光出力用の光導波路を設ければ、パルスレーザ光を出力する通常のモード同期半導体レーザとしても利用できる。
【００９５】
また、上記実施の形態４において、フォトニック結晶部４０はパッシブ素子であるが、コア層を活性層に置き換えてアクティブ素子として、実施の形態１、２に係るモード同期半導体レーザ１００、２００のＷＧＭ共振器２に置き換えて用いることもできる。
【００９６】
また、上記実施の形態４において、フォトニック結晶部４０はパッシブ素子であるが、コア層を活性層に置き換えてアクティブ素子として、実施の形態１、２に係るモード同期半導体レーザ１００、２００のＷＧＭ共振器２に置き換えて用いることもできる。
【００９７】
また、上記各実施の形態において、ＷＧＭ共振器２、半導体レーザ部３２は電流注入により光増幅を行なうものであるが、別途励起レーザを設け、電流注入の代わりに光励起によって光増幅を行なってもよい。
【００９８】
また、上記各実施の形態において、活性層１３はＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有するものであるが、バルク層としてもよい。また、上記各実施の形態では、化合物半導体としてＩｎＰ系の半導体材料を用いているが、ＧａＡｓ系等の他の半導体材料を用いても良く、特に限定はされない。
【００９９】
また、各ＷＧＭ共振器の形状は、円や六角形のリング状に限らず、楕円や他の多角形のリング状または筒状等としてもよい。
【０１００】
なお、直径が１０〜１０３μｍ程度の微小球体を使用してコンパクトなＷＧＭ共振器が製造されている。このような共振器の寸法は光の波長よりはるかに大きいので、該ＷＧＭ共振器の曲率が有限であることによる光の損失は小さくすることができる。その結果、このような共振器を用いて、高いＱ値を達成することができる。このようなＷＧＭ共振器において、光損失の主原因としては、ＷＧＭ共振器を構成する誘電材料の光吸収及び該球体の不均一性（例えば該球体表面の凹凸）による光散乱がある。寸法が１ｍｍ未満のある種の微小球体が、光波に対して非常に高いＱ値を示すことが立証されており、石英の微小球体の場合Ｑ値が１０９を超える。したがって、光エネルギーは、ＷＧＭモードにカップルされると、長い遅延時間で、該球体の赤道において又はその近くで巡回することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】実施の形態１に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ´線断面図である。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ´線断面図である。
【図４】実施の形態２に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。
【図５】実施の形態３に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。
【図６】実施の形態１〜３に係るモード同期半導体レーザの製造方法を説明する模式図である。
【図７】図６（ｅ）のＣ−Ｃ´線断面図である。
【図８】図６（ｅ）のＤ−Ｄ´線断面図である。
【図９】電極形成方法を説明する模式図である。
【図１０】実施の形態４に係るモード同期半導体レーザの模式的な平面図である。
【図１１】フォトニック結晶部４０の模式的な平面図である。
【図１２】モード同期の方式の原理を説明する説明図である。
【図１３】モード同期の方式の原理を説明する説明図である。
【図１４】ＷＧＭ共振器の構成を例示的に説明する説明図である。
【符号の説明】
【０１０２】
１  基板
２、３０  ＷＧＭ共振器
３〜６、２１、２２、３１、４５〜４８  光導波路
４ａ〜６ａ、６ｂ、２１ａ、２１ｂ、２２ａ  端面
７  可飽和吸収部
８、３３  ポリイミド
９ａ〜９ｆ  電極
１０ａ〜１０ｆ  リード線
１１  ｎ側電極
１２  バッファ層
１２ａ  突出部
１３  活性層
１４、１９  上部クラッド層
１５  コンタクト層
１６  ｐ側電極
１７  保護層
１８  コア層
２０  ＳｉＮｘ膜
２３  光検出部
３１  光導波路
３２  半導体レーザ部
３５〜３７  クラッド層
４０  フォトニック結晶部
４１  空気円孔
４２  線欠陥ＷＧＭ共振器
４３、４４  線欠陥光導波路
４９  半径
５０  格子定数
５１  導波路幅
１００〜４００  モード同期半導体レーザ
Ｍ１  マスク
Ｒ１、Ｒ２  レジスト
ＳＡ、ＳＰ  領域
Ｗ１  窓
【図１】
2010102045.tif 000009
【図２】
2010102045.tif 000010
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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