(57)【要約】【課題】ＦＦＰの特性が向上される波長可変レーザ素子、及び光モジュールの提供。【解決手段】出射側の端面に形成される、出射側反射膜と、出射側の端面に接して配置され、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタで構成される、第１のフィルタと、周期的な複数のピークがあるフィルタ特性を備える、第２のフィルタと、ゲイン部と、を備える、波長可変レーザ素子であって、前記第１のフィルタは、第１の光導波路を含む第１のメサストライプと、前記第１の光導波路に並行して延伸する第２の光導波路、を含む第２のメサストライプと、を備え、前記第２のメサストライプは、前記出射側の端面へ延伸するとともに、前記出射側の端面に至り、前記第１のメサストライプは、前記第２のメサストライプに並行して延伸するとともに、その端部において前記第１のメサストライプ側とは反対側に屈曲し、前記出射側反射膜の反射率が５０％以下である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射側の端面に形成される、出射側反射膜と、
出射側の端面に接して配置され、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタで構成される、第１のフィルタと、
前記第１のフィルタのピーク波長がシフトする波長範囲内において、周期的な複数のピークがあるフィルタ特性を備える、第２のフィルタと、
前記第１のフィルタと前記第２のフィルタとの間に配置され、電流が供給されることにより発光する、ゲイン部と、
を備える、波長可変レーザ素子であって、
前記第１のフィルタは、
前記ゲイン部から延伸する第１の光導波路、を含む第１のメサストライプと、
前記第１の光導波路に並行して光学的に結合するよう延伸するとともに前記第１の光導波路の屈折率より低い屈折率を有する第２の光導波路、を含む第２のメサストライプと、
を備え、
前記第２のメサストライプは、前記出射側の端面へ延伸するとともに、前記出射側の端面に至り、
前記第１のメサストライプは、前記第２のメサストライプに並行して延伸するとともに、その端部において前記第１のメサストライプ側とは反対側に屈曲し、
前記出射側反射膜の反射率が５０％以下である、
ことを特徴とする、波長可変レーザ素子。
【請求項２】
請求項１に記載の波長可変レーザ素子であって、
前記出射側反射膜の反射率が６．５％以上５０％以下である、
ことを特徴とする、波長可変レーザ素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の波長可変レーザ素子であって、
前記第１のメサストライプの先端は、前記出射側の端面に至るとともに、前記出射側の端面において、前記第１のメサストライプの延伸方向が前記出射側の端面の法線となす角度が臨界角以上である、
ことを特徴とする、波長可変レーザ素子。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の波長可変レーザ素子であって、
前記第１のメサストライプの先端は、前記出射側の端面より内側に位置し、
前記第１のメサストライプの先端と前記出射側の端面との間に溝又はストライプが形成される、
ことを特徴とする、波長可変レーザ素子。
【請求項５】
請求項３に記載の波長可変レーザ素子であって、
前記第１のメサストライプと前記第２のメサストライプとの間に溝又はストライプが形成される、
ことを特徴とする、波長可変レーザ素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の波長可変レーザ素子であって、
前記第２のメサストライプは、その端部において、前記第１のメサストライプ側に屈曲し、さらに前記第１のメサストライプ側とは反対側に屈曲し、前記出射側の端面の法線に沿うように前記出射側の端面に至る、
ことを特徴とする、波長可変レーザ素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載の波長可変レーザ素子であって、
前記第１のメサストライプが前記第２のメサストライプと並行して延伸する部分において、前記第１のメサストライプの両側面のうち、前記第２のストライプ側とは反対側の側面のみに回折格子が形成される、
ことを特徴とする、波長可変レーザ素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の波長可変レーザ素子であって、
前記第２のフィルタは、１０周期以上であるサンプルグーレディング構造を有する、
ことを特徴とする、波長可変レーザ素子。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれかに記載の波長可変レーザ素子、を備える、光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変レーザ素子に関し、特に、出射される出力光の遠視野像（ＦＦＰ：ファーフィールドパターン）の特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタを備える波長可変レーザ素子が用いられている。かかる波長可変レーザ素子は、例えば、特許文献１に記載の実施例２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５３８２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の実施例２に開示される横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタを備える波長可変レーザ素子について説明する。当該波長可変レーザ素子は、特許文献１の図７Ａに示す通り、回折格子型反射鏡１３４、ゲイン領域１３３、位相調整領域１３２、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタ１３１が順に並んでモノリシックに集積される半導体レーザ素子である。回折格子型反射鏡１３４は例えば分布ブラッグ反射型（Distributed Bragg Reflector：以下、ＤＢＲと記す）フィルタである。一方、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタ１３１が配置される側の端面に高反射膜が形成されている。横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタ１３１が透過特性を有しており端面に高反射膜を形成することが必要なのに対して、回折格子型反射鏡１３４は反射特性を有している。それゆえ、かかる波長可変レーザ素子は、回折格子型反射鏡１３４側の端面を出射側の端面とし、高反射膜が形成される横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタ１３１側の端面を出射側の端面とは反対側の端面とするのが一般的である。
【０００５】
レーザ素子において、レーザ素子が出力する出力光のＦＦＰは、素子特性にとって重要な特性の一つであるが、特に、波長可変レーザ素子は、出力光の波長を制御するために、外部に波長モニタが配置する必要がある。波長可変レーザ素子の出射側に波長ロッカーを配置する場合に、波長可変レーザ素子の出力光のＦＦＰに乱れが大きくなると、波長ロッカーの波長制御性を悪化させることとなる。
【０００６】
発明者らは、回折格子型反射鏡１３４としてＤＢＲフィルタを用いる半導体レーザ素子であって、ＤＢＲフィルタ側の端面より光が出射する半導体レーザ素子を作製し、出射される出力光のＦＦＰについて観測した。その結果、波長ロッカーの波長制御性にとって問題となる程度に、ＦＦＰの乱れが発生しているとの知見を発明者らは得ている。これは、ＤＢＲフィルタの回折格子において散乱光が発生し、かかる散乱光が迷光として出力光に含まれることとなり、出力光のＦＦＰに乱れが発生するものと考えられる。
【０００７】
本発明は、かかる課題を鑑みてなされてものであり、本発明の目的は、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタを備える波長可変レーザ素子であって、ＦＦＰの特性が向上される波長可変レーザ素子、及び光モジュールの提供とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係る波長可変レーザ素子は、出射側の端面に形成される、出射側反射膜と、出射側の端面に接して配置され、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタで構成される、第１のフィルタと、前記第１のフィルタのピーク波長がシフトする波長範囲内において、周期的な複数のピークがあるフィルタ特性を備える、第２のフィルタと、前記第１のフィルタと前記第２のフィルタとの間に配置され、電流が供給されることにより発光する、ゲイン部と、を備える、波長可変レーザ素子であって、前記第１のフィルタは、｛前記ゲイン部から延伸する第１の光導波路、を含む第１のメサストライプ｝と、｛前記第１の光導波路に並行して光学的に結合するよう延伸するとともに前記第１の光導波路の屈折率より低い屈折率を有する第２の光導波路、を含む第２のメサストライプ｝と、を備え、前記第２のメサストライプは、前記出射側の端面へ延伸するとともに、前記出射側の端面に至り、前記第１のメサストライプは、前記第２のメサストライプに並行して延伸するとともに、その端部において前記第１のメサストライプ側とは反対側に屈曲し、前記出射側反射膜の反射率が５０％以下である、ことを特徴とする。
【０００９】
（２）上記（１）に記載の波長可変レーザ素子であって、前記出射側反射膜の反射率が６．５％以上５０％以下であってもよい。
【００１０】
（３）上記（１）又は（２）に記載の波長可変レーザ素子であって、前記第１のメサストライプの先端は、前記出射側の端面に至るとともに、前記出射側の端面において、前記第１のメサストライプの延伸方向が前記出射側の端面の法線となす角度が臨界角以上であってもよい。
【００１１】
（４）上記（１）又は（２）に記載の波長可変レーザ素子であって、前記第１のメサストライプの先端は、前記出射側の端面より内側に位置し、前記第１のメサストライプの先端と前記出射側の端面との間に溝又はストライプが形成されてもよい。
【００１２】
（５）上記（３）に記載の波長可変レーザ素子であって、前記第１のメサストライプと前記第２のメサストライプとの間に溝又はストライプが形成されてもよい。
【００１３】
（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の波長可変レーザ素子であって、前記第２のメサストライプは、その端部において、前記第１のメサストライプ側に屈曲し、さらに前記第１のメサストライプ側とは反対側に屈曲し、前記出射側の端面の法線に沿うように前記出射側の端面に至ってもよい。
【００１４】
（７）上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の波長可変レーザ素子であって、前記第１のメサストライプが前記第２のメサストライプと並行して延伸する部分において、前記第１のメサストライプの両側面のうち、前記第２のストライプ側とは反対側の側面のみに回折格子が形成されてもよい。
【００１５】
（８）上記（１）乃至（７）のいずれかに記載の波長可変レーザ素子であって、前記第２のフィルタは、１０周期以上であるサンプルグーレディング構造を有してもよい。
【００１６】
（９）本発明に係る光モジュールは、上記（１）乃至（８）のいずれかに記載の波長可変レーザ素子、を備える、光モジュールであってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタを備える波長可変レーザ素子であって、ＦＦＰの特性が向上される波長可変レーザ素子、及び光モジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る波長可変レーザ素子の上面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る波長可変レーザ素子の断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部の構造を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部の構造を示す模式図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る波長可変レーザ素子からの出力光の水平方向ＦＦＰの観測結果を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る波長可変レーザ素子の光出力特性を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部の構造を示す模式図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る波長可変レーザ素子からの出力光の水平方向ＦＦＰの観測結果を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部の構造を示す模式図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部の構造を示す模式図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部の構造を示す模式図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部の構造を示す模式図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態に係る光モジュールの構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００２０】
［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る波長可変レーザ素子の上面図である。当該実施形態に係る波長可変レーザ素子は、横方向結合型同方向性光結合器型（Lateral Grating
assisted Lateral Co-directional coupler：以下、ＬＧＬＣと記す）波長可変フィルタを備える波長可変レーザ素子（以下、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子と記す）である。図１に示す通り、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子は、光の出射方向に沿って、ＤＢＲフィルタ部１（第２のフィルタ）と、ゲイン部２と、位相調整部３と、ＬＧＬＣフィルタ部４（第１のフィルタ）と、が同一半導体基板上に集積された集積半導体レーザ素子である。図１には、ＤＢＲフィルタ部１の上側電極がＤＢＲフィルタ用電極５として、ゲイン部２の上側電極がゲイン用電極６として、位相調整部３の上側電極が位相調整用電極７として、ＬＧＬＣフィルタ部４の上側電極がＬＧＬＣフィルタ用電極８として、それぞれ示されている。ゲイン部２は、ＬＧＬＣフィルタ部４とＤＢＲフィルタ部１との間に配置され、電流が供給されることにより発光する。ＬＧＬＣフィルタ部４は、互いに並行して延びる低屈折率光導波路９（第２の光導波路）と高屈折率光導波路１０（第１の光導波路）とを備えている。高屈折率光導波路１０と低屈折率光導波路９とが、互いに平行に直線形状に延伸している部分は光学的に結合する光結合器として機能している。図１の右側に示す端面が出射側の端面であり、ＬＧＬＣフィルタ部４は出射側の端面に接して配置され、低屈折率光導波路９の先端から光が出射される。図１の左側に示す端面が出射側とは反対側の端面であり、該端面に反射膜１１（低反射膜：反射抑制膜）が形成される。また、出射側の端面に反射膜１２（出射側反射膜）が形成される。ここで、反射膜１１の反射率は０．１％であり、反射膜１２の反射率は５０％である。なお、ＬＧＬＣフィルタ部４が、ＬＧＬＣ波長可変フィルタで構成される第１のフィルタであり、ＤＢＲフィルタ部１が、第２のフィルタである。
【００２１】
高屈折率光導波路１０は、ＤＢＲフィルタ部１、ゲイン部２、位相調整部３、及びＬＧＬＣフィルタ部４に至って伸びる光導波路であり、高屈折率光導波路１０を含む半導体多層が第１のメサストライプである。すなわち、高屈折率光導波路１０は、ゲイン部２から延伸し、位相調整部を貫通し、ＬＧＬＣフィルタ部４へ及んでいる。低屈折率光導波路９は、高屈折率光導波路１０の屈折率より低い屈折率を有する光導波路であり、低屈折率光導波路９を含む半導体多層が第２のメサストライプである。高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）は、図１の左右方向に直線状に延伸する形状をしているとともに、両端においてそれぞれ屈曲している。高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）のＬＧＬＣフィルタ部４側の端部（出射側の端部）においては、図１の下側に屈曲するとともに、その先端は出射側の端面には至っておらず窓構造となっている。高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）のＤＢＲフィルタ部１側の端部においては、図１の上側に屈曲するとともに、その先端は出射側とは反対側の端面には至っていない。低屈折率光導波路９（第２のメサストライプ）は、ＬＧＬＣフィルタ部４の主要部においては、高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）に平行して直線状に延伸する形状をしており、出射側には直線状に延伸して出射側の端面に至っている。図１の左側の端部（出射側とは反対側の端部）においては、位相調整部３において、図１の上側に屈曲している。
【００２２】
図２は、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子の断面図である。図２に示す断面は、図１のＩＩ−ＩＩ線に示す断面であり、図２に第１のメサストライプの構造が示されている。ＤＢＲフィルタ部１、位相調整部３、及びＬＧＬＣフィルタ部４において、ｎ型ＩｎＰ基板２０に、ＩｎＧａＡｓＰからなる下部コア層２５、ｎ型ＩｎＰ層２４、及びＩｎＧａＡｓＰからなる上部コア層２３からなる半導体多層が積層されている。これに対して、ゲイン部２において、ｎ型ＩｎＰ基板２０に、下部コア層２５、ｎ型ＩｎＰ層２４、及びゲイン層２６（多重量子井戸層）からなる半導体多層が積層されている。第１のメサストライプにおいて高屈折率光導波路１０は上部コア層２３に形成されており、第１メサのストライプは、半導体多層のうち高屈折率光導波路１０を形成する領域の両側となる領域が除去されるメサストライプ構造である。これに対して、第２のメサストライプ（図示せず）は、ｎ型ＩｎＰ基板２０に、下部コア層２５及びｎ型ＩｎＰ層２４からなる半導体多層が積層されている。第２のメサストライプにおいて低屈折率光導波路９は下部コア層２５に形成されており、第２のメサストライプは、半導体多層のうち低屈折率光導波路９を形成する領域の両側となる領域が除去されるメサストライプ構造である。第１のメサストライプ及び第２のメサストライプを半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層（図示せず）によって埋め込むことにより、第１のメサストライプの両側と、第２のメサストライプの両側と上側に、半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層が形成される。第１のメサストライプの上面及び、その両側に広がる半絶縁性ＩｎＰ埋め込み層の上面に、ｐ型ＩｎＰ層２１がさらに積層される。なお、ＤＢＲフィルタ部１においては、ｐ型ＩｎＰ層２１内部に回折格子２２が形成されている。ｐ型ＩｎＰ２１の上面には、前述の通り、上側電極がそれぞれ形成されており、ｎ型ＩｎＰ基板２０の下面（裏面）には、下側電極として、共通電極２９が形成されている。
【００２３】
図３及び図４は、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部４の構造を示す模式図である。図３及び図４に示す長方形は、ＬＧＬＣフィルタ部４を模式的に表したものであり、長方形の右端は出射側の端面を表している。前述の通り、低屈折率光導波路９は図の横方向に延伸し、端部の先端は出射側の端面に至っている。低屈折率光導波路９の中心線は直線状に延伸し、出射側の端面と垂直に交わっている。そして、低屈折率光導波路９の先端より光が出射する。ここで、波長可変レーザ素子が出力する光のうち、低屈折率光導波路９から出射される光を主光１０１とする。
【００２４】
高屈折率光導波路１０は、その端部において、低屈折率光導波路９側とは反対側に（図の下側に）屈曲している。高屈折率光導波路１０の中心線は、低屈折率光導波路９の中心線と平行に直線状に延伸し、端部において屈曲している。端部の先端は、出射側の端面には至っておらず、端部の先端と出射側の端面との間にはｐ型ＩｎＰ層２１が形成されている。高屈折率光導波路１０の先端が出射側の端面に至らず窓構造となっているのは、高屈折率光導波路１０を伝搬する光が高屈折率光導波路１０の端部において反射し、戻り光として再び高屈折率光導波路１０を伝搬することを抑制するためである。なお、図３には説明を簡単にするために省略されているが、図４に示す通り、高屈折率光導波路１０の両側面に長周期回折格子４１が形成されている。高屈折率光導波路１０が低屈折率光導波路９と平行して直線状に延伸する部分に、長周期回折格子４１が形成されている。図３及び図４の詳細については後述する。
【００２５】
図５は、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子からの出力光の水平方向ＦＦＰの観測結果を示す図である。後述する通り、破線で囲まれる領域にＦＦＰの乱れ５０が観測されているが、ＤＢＲフィルタ部１側の端面を出射側の端面とする場合と比較して、出力する出力光のＦＦＰの乱れは抑制されている。当該実施形態に係る波長可変レーザ素子では、ＬＧＬＣフィルタ部４側の端面を出射側の端面とする場合、ＬＧＬＣフィルタ部４のフィルタ特性の観点からは反射膜１２（出射側反射膜）の反射率は高い方が望ましいが、反射膜１２の反射率の増加は、出力する出力光の強度低下を招くこととなる。発明者らは、反射膜１２の反射率を鋭意検討することにより、反射膜１２の反射率は５０％以下となるのが望ましいことを見出した。反射率は、６．５％以上５０％以下の範囲にあるのがさらに望ましい。
【００２６】
図６は、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子の光出力特性を示す図であり、実際に実験により測定された結果が示されている。当該実施形態に係る波長可変レーザ素子であって、出射側反射膜（反射膜１２）の反射率がそれぞれ６．５％、２７％、５０％である波長可変レーザ素子の光出力が、それぞれ曲線Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３として示されている。また、比較のために、従来技術に係る波長可変レーザ素子の光出力が、曲線Ｐ１として示されている。ここで、従来技術に係る波長可変レーザ素子とは、ＤＢＲフィルタ側の端面より光を出射するＬＧＬＣ波長可変レーザ素子であって、ＬＧＬＣフィルタ側の端面に反射率９５％の反射膜が形成される波長可変レーザ素子である。またＤＢＲフィルタ側の端面の反射率は０．１％である。図の縦軸は波長可変レーザ素子の光出力Ｐｏ［ｍＷ］であり、図の横軸はゲイン部２に注入する電流Ｉｇａｉｎ［ｍＡ］である。
【００２７】
前述する通り、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子は、ＤＢＲフィルタ側の端面を出射側の端面とするのが一般的である。曲線Ｐ１に示す従来技術に係る波長可変レーザ素子のように、ＬＧＬＣフィルタ側の端面に形成される反射膜に、例えば反射率９５％となる高反射率の反射膜を用いることにより、高出力を実現している。これに対して、発明者らは、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子のように、ＬＧＬＣフィルタ側の端面を出射側の端面とした場合に、出射側の端面に形成される反射膜の反射率と、レーザ素子の光出力の関係を鋭意検討した。その結果、図６に示す通り、反射膜１２の反射率を下げていくと光出力は増大し、反射率を５０％である場合（曲線Ｓ３）には、従来技術に係る波長可変レーザ素子（曲線Ｐ１）よりも、高い光出力が得られることを、発明者らは見出した。すなわち、反射膜１２の反射率を５０％以下とすることにより、従来技術に係る波長可変レーザ素子の光出力と同等以上の光出力が得られる。さらに、反射率を５０％より下げていくと、図の曲線Ｓ２が示す通り、反射率の低減とともに、光出力はさらに増大することを、発明者らは見出した。そして、反射膜１２の反射率を６．５％とすると、図の曲線Ｓ１が示す通り、非常に高い光出力が得られることを発明者らは見出した。発明者らは、反射膜１２の反射率を６．５％よりさらに低減される場合についても、実験的測定を行っており、さらに反射膜１２の反射率が６．５％よりさらに低減される場合には、閾値が増加し、むしろ光出力が低減し、場合によっては発振しないことがあることも発明者らは見出した。よって、反射膜１２の反射率は、６．５％以上５０％以下が望ましいとの知見を発明者らは得ている。
【００２８】
ＬＧＬＣフィルタ部４は長周期の均一グレーディングであり、ＤＢＲフィルタ部１はサンプルドグレーディングである。透過スペクトルが波長に対してなだらかに変化するフィルタ特性をＬＧＬＣフィルタ部４は有している。そして、ＬＧＬＣフィルタ部４のピーク波長がシフトする波長範囲内に、反射スペクトルが周期的な複数のピークを有するフィルタ特性をＤＢＲフィルタ部１は有している。ＤＢＲフィルタ部１及びＬＧＬＣフィルタ部４は、供給される電流によってそれぞれピーク波長を制御することが可能であり、ＬＧＬＣフィルタ部４の透過スペクトルのピークと、ＤＢＲフィルタ部１の反射スペクトルのピークとが一致する波長付近の縦モードでレーザ発振をする。
【００２９】
本発明に係る波長可変レーザ素子において、ＤＢＲフィルタ部１から図１の左側へ放出される光は不要であり、ＤＢＲフィルタ部１においてサンプルドグレーディング周期が多いほど反射スペクトルの半値幅が狭くなり、サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）が改善する。ＳＭＳＲ向上の観点から、ＤＢＲフィルタ部１のフィルタ特性を、ＬＧＬＣフィルタ部４のピーク波長がシフトする波長範囲内に、周期的な１０以上のピークを有するフィルタ特性とするのが望ましく、すなわち、ＤＢＲフィルタ部１を１０周期以上であるサンプルドグレーディング構造とすることが望ましい。
【００３０】
本発明はＬＧＬＣ波長可変レーザ素子に係る発明であり、その主な特徴は、ＬＧＬＣ波長可変フィルタ側の端面を出射側の端面とし、出射側の端面に形成される反射膜（出射側反射膜）の反射率を５０％以下とすることにある。反射率は６．５％以上５０％以下が、さらに望ましい。第１の実施形態に係る波長可変レーザ素子が出力する出力光のＦＦＰの乱れは、ＤＢＲフィルタ側の端面を出射側の端面とする場合よりも抑制されている。さらに、高出力なＬＧＬＣ波長可変レーザ素子を提供することができる。
【００３１】
しかしながら、図５に示す通り、第１の実施形態に係る波長可変レーザ素子が出力する出力光のＦＦＰには乱れ５０が発生している。発明者らは、ＦＦＰに乱れ５０が発生する原因について検討したところ、図３に示す通り、高屈折率光導波路１０の先端から出射される光が迷光１０２として出力する光に含まれることとなり、主光と迷光との干渉パターンがＦＦＰに現れてしまうことが、ＦＦＰに乱れ５０が発生する主な原因であるとの知見を得ている。そして、高屈折率光導波路の先端からの戻り光を抑制しつつ、迷光１０２が素子外部へ放出されるのを抑制する構造について検討した。以下、ＦＦＰ特性がさらに向上される波長可変レーザ素子について説明する。
【００３２】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る波長可変レーザ素子は、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子であり、高屈折率光導波路１０の出射側端部の構造が異なることを除いて、第１の実施形態に係る波長可変レーザ素子と同じ構造をしている。
【００３３】
図７は、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部４の構造を示す模式図である。低屈折率光導波路９は、図３に示す第１の実施形態に係る低屈折率光導波路９と同様に、図の横方向に延伸し、端部の先端は出射側の端面に至っている。これに対して、当該実施形態に係る高屈折率光導波路１０は、第１の実施形態と同様に、その端部において、低屈折率光導波路９側とは反対側に（図の下側に）屈曲しているが、第１の実施形態と異なり、高屈折率光導波路１０の先端は出射側の端面に至っている。高屈折率光導波路１０の中心線は、低屈折率光導波路９の中心線と平行に直線状に延伸し、端部において屈曲し、出射側の端面に至っている。出射側の端面において、高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）の延伸方向が出射側の端面の法線となす角度を角θｉとする。すなわち、高屈折率光導波路１０の中心線が出射側の端面の法線となす角度が角θｉである。当該実施形態に係る角θｉは臨界角θｏ以上であり、高屈折率光導波路１０を伝搬して出射側の端面に至る光は、出射側の端面において全反射するので、かかる光が素子外部へ放出されることが抑制される。また、出射側の端面において反射される光は、図３に迷光１０２として示されており、出射側の端面において反射されるので、戻り光として再び高屈折率光導波路１０を伝搬することも抑制される。
【００３４】
なお、臨界角θｏは、高屈折率光導波路１０が形成される領域を構成する物質の屈折率ｎと、素子外部の気体（多くの場合、空気）の屈折率ｎｏとの間において、（数式１）ｓｉｎθｏ＝ｎｏ／ｎによって定まる角度である。なお、素子外部の気体の屈折率は１と近似できる（ｎｏ≒１）ので、（数式１）は（数式２）ｓｉｎθｏ＝１／ｎと表すことが出来る。なお、高屈折率光導波路１０は上部コア層２３に形成され、上部コア層２３を構成する物質はＩｎＧａＡｓＰであり、当該物質の屈折率は３．３である。この場合、臨界角θｏは、θｏ＝１７．６°となる。すなわち、当該実施形態において、角θｉは１７．６°以上とする。
【００３５】
図８は、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子からの出力光の水平方向ＦＦＰの観測結果を示す図である。図に示す通り、当該実施形態に係るＦＦＰは、図５に示す第１の実施形態に係るＦＦＰよりも乱れがさらに抑制されており、ＦＦＰ特性のさらなる向上が実現されている。すなわち、図８には、図５に破線で囲まれる領域に観測されるＦＦＰの乱れ５０が観測されていない。高屈折率光導波路１０の先端から光が素子外部に放出されるのが抑制されており、主光と迷光との干渉パターンがＦＦＰにほとんど現れていないと考えられる。
【００３６】
なお、当該実施形態において、角θｉを１７．６°以上とするために、高屈折率光導波路１０のうち屈曲する部分の曲率半径を小さくすることが考えられるが、曲率半径を小さくするのに伴って光の伝搬損失が増大してしまう。発明者らがシミュレーションにより計算したところ、当該損失が所望の値以下に抑制するためには、曲率半径を２００μｍ以上とする必要があるとの知見を得ている。曲率半径を大きくするとそれに応じて、所望の角θｉを実現するためには高屈折率光導波路１０が屈曲する部分の長さを長くする必要が生じ、曲率半径を２００μｍとするとき、角θｉ＝１７．６°とするためには、高屈折率光導波路１０が直線状から屈曲を開始する箇所から出射側の端面までの距離が６０μｍ以上必要となる。かかる距離が長くなると波長可変レーザ共振器長が長くなり、ファブリペロモード間の波長間隔が狭くなり、サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）が低下することとなる。ＳＭＳＲを低下させないためには、高屈折率光導波路１０が屈曲する部分の長さは上記説明した制約の範囲において出来る限り短い方が望ましい。前述の通り、ＤＢＲフィルタ部１のフィルタ特性を、半値幅のより狭い反射スペクトルとすることにより、ＳＭＳＲを増加させることができる。すなわち、ＤＢＲフィルタ部１を１０周期以上であるサンプルドグレーディング構造とすることにより、ＳＭＳＲをより高い値としつつ、高屈折率光導波路１０が屈曲する部分の長さを長くすることが出来る。
【００３７】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る波長可変レーザ素子は、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子であり、出射側の端面と高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）の先端との間に溝を備えることを除いて、第１の実施形態に係る波長可変レーザ素子と同じ構造をしている。
【００３８】
図９は、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部４の構造を示す模式図である。低屈折率光導波路９及び高屈折率光導波路１０は、図３に示す第１の実施形態に係る低屈折率光導波路９及び高屈折率光導波路１０と同様の形状をしている。当該実施形態に係るＬＧＬＣフィルタ部４において、第１の実施形態と異なり、高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）の先端と出射側の端面との間に溝３１が形成されている。当該実施形態に係る溝３１を上方から見る形状は、出射側の端面の近傍であって、出射側の端面より内側に所定の距離隔てて位置しており、出射側の端面に沿って帯状に延伸している。当該帯状の一端は低屈折率光導波路９の近傍にまで至っているとともに、当該帯状の他端は高屈折率光導波路１０の先端よりもさらに低屈折率光導波路９とは反対側へさらに延伸している。溝３１は、高屈折率光導波路１０の先端より放出される迷光１０２を遮光するために配置されており、迷光１０２が素子外部へ放出されることが抑制されている。それゆえ、溝３１は、高屈折率光導波路１０の先端における延伸方向に沿って高屈折率光導波路１０の先端よりさらに延伸する仮想的な光導波路と交差している。すなわち、溝３１を上方から見る形状は、高屈折率光導波路１０の中心線を高屈折率光導波路の１０の先端よりさらに延長させる線と交差している。また、前述の通り、高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）の先端と出射側の端面との間にはｐ型ＩｎＰ層２１が形成されている。溝３１は当該ｐ型ＩｎＰ層２１を除去することにより形成されるが、溝３１の底部は、少なくとも高屈折率光導波路１０の先端よりさらに延伸する仮想的な光導波路と交差する箇所において、該光導波路（上部コア層２３）よりも深くなっているのが望ましい。
【００３９】
なお、当該実施形態において、迷光を遮光するために溝３１を配置しているが、溝に限定されることはなく、迷光を遮光する機能を有するものであればよい。例えば、光の伝搬を抑制する半導体のストライプ構造が溝３１の代わりに配置されることにより、迷光を遮光してもよい。この場合、ストライプ構造の上端は、少なくとも高屈折率光導波路１０の先端よりさらに延伸する仮想的な光導波路と交差する箇所において、該光導波路（上部コア層２３）よりも高くなっているのが望ましい。
【００４０】
低屈折率光導波路９と高屈折率光導波路１０とが互いに平行して直線状に延伸している部分は、光結合器として機能しており、かかる部分において一方の光導波路を伝搬する光が他方の光導波路へ遷移する。そして、前述の通り、高屈折率光導波路１０の端部において、低屈折率光導波路９側とは反対側に屈曲している。発明者らが検討したところ、低屈折率光導波路９と高屈折率光導波路１０との間の領域であって、高屈折率光導波路１０が直線状から屈曲を開始する箇所の付近において、迷光１０３が発生するとの知見を得ている。溝３１は、低屈折率光導波路９の近傍に至っているので、迷光１０２に加えて迷光１０３を遮光することが出来、迷光１０３が素子外部に放出されることが抑制されている。よって、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子では、ＦＦＰ特性のさらなる向上が実現されている。溝３１の底部は、少なくとも迷光１０３の主要部が伝搬する箇所において、低屈折率光導波路９（下部コア層２５）よりも深くなっているのが望ましい。ここで、低屈折率光導波路９としたのは、当該実施形態では、低屈折率光導波路９（下部コア層２５）が高屈折率光導波路１０（上部コア層２３）より低い層に形成されているからであり、２本の光導波路のうちより低い光導波路より深くなっているのが望ましい。また、低屈折率光導波路９の中心線が出射側の端面と交差する箇所と、高屈折率光導波路１０の中心線を先端における延伸方向に延伸させる線が出射側の端面と交差する箇所と、の中点を規定し、当該中点を貫く出射側の端面の法線が溝３１と交差する箇所が、迷光１０３の主要部が伝搬する箇所である。また、溝３１の代わりにストライプ構造を配置する場合には、ストライプ構造は、少なくとも迷光１０３の主要部が伝搬する箇所において、高屈折率光導波路１０（上部コア層２３）、すなわち、２本の光導波路のうち高い光導波路よりも高くなっているのが望ましい。
【００４１】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る波長可変レーザ素子は、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子であり、高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）と低屈折率光導波路９（第２のメサストライプ）との間に溝を備えることを除いて、第２の実施形態に係る波長可変レーザ素子と同じ構造をしている。
【００４２】
図１０は、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部４の構造を示す模式図である。低屈折率光導波路９及び高屈折率光導波路１０は、図７に示す第２の実施形態に係る低屈折率光導波路９及び高屈折率光導波路１０と同様の形状をしている。当該実施形態に係るＬＧＬＣフィルタ部４において、第２の実施形態と異なり、高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）と低屈折率光導波路９（第２のメサストライプ）との間に溝３２が形成されている。当該実施形態に係る溝３２を上方から見る形状は、出射側端面の近傍であって、出射側の端面より内側に所定の距離隔てて位置しており、出射側の端面に沿って帯状に延伸している。当該帯状の一端は低屈折率光導波路９の近傍にまで至っており、当該帯状の他端は高屈折率光導波路１０の近傍にまで至っている。溝３２は、高屈折率光導波路１０が直線状から屈曲を開始する箇所の付近において発生する迷光１０３を遮光するために配置されており、迷光１０３が素子外部へ放出されることが抑制されている。よって、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子において、第２の実施形態に係る波長可変レーザ素子と比較して、ＦＦＰ特性のさらなる向上が実現している。溝３２の底部は、少なくとも迷光１０３の主要部が伝搬する箇所において、低屈折率光導波路９（下部コア層２５）よりも深くなっているのが望ましい。すなわち、２本の光導波路のうちより低い光導波路よりも深くなっているのが望ましい。また、低屈折率光導波路９の中心線が出射側の端面と交差する箇所と、高屈折率光導波路１０の中心線が出射側の端面と交差する箇所と、の中点を規定し、当該中点を貫く出射側の端面の法線が溝３２と交差する箇所が、迷光１０３の主要部が伝搬する箇所である。
【００４３】
なお、当該実施形態において、迷光を遮光するために溝３２を配置しているが、第３の実施形態と同様に、溝に限定されることはなく、半導体のストライプ構造が溝３２の代わりに配置されてもよい。この場合、ストライプ構造の上端は、少なくとも迷光１０３の主要部が伝搬する箇所において、高屈折率光導波路１０（上部コア層２３）、すなわち、２本の光導波路のうち高い光導波路よりも高くなっているのが望ましい。
【００４４】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係る波長可変レーザ素子は、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子であり、低屈折率光導波路９（第２のメサストライプ）の出射側端部の構造が異なることを除いて、第１乃至第４のいずれかの実施形態に係る波長可変レーザ素子と同じ構造をしている。
【００４５】
図１１は、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部４の構造を示す模式図である。高屈折率光導波路１０は、図７に示す第２の実施形態に係る高屈折率光導波路１０と同様に、その端部において屈曲するとともに、出射側の端面に至っている。これに対して、当該実施形態に係る低屈折率光導波路９は、その端部において、第２の実施形態と構造が異なっている。低屈折率光導波路９（第２のメサストライプ）は、その端部において、高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）側に屈曲し、さらに高屈折率光導波路１０とは反対側に屈曲し、出射側の端面の法線に沿うように出射側の端面に至っている。低屈折率光導波路９の中心線は出射側の端面と垂直に交差しているのが望ましい。低屈折率光導波路９が直線状から屈曲を開始する箇所は、高屈折率光導波路１０が直線状から屈曲を開始する箇所よりも、出射側の端面側に位置しているのが望ましい。
【００４６】
前述の通り、高屈折率光導波路１０が直線状から屈曲を開始する箇所の付近より、迷光１０３が発生している。迷光１０３は出射側端面側に伝搬することとなるが、迷光１０３の少なくとも一部は、低屈折率光導波路９（第２のメサストライプ）の側面（高屈折率光導波路１０側の側面）に到達し、該側面において散乱されるので、迷光１０３が素子外部へ放出されることが抑制されている。また、低屈折率光導波路９がさらに高屈折率光導波路１０側とは反対側に屈曲していることにより、出射側の端面の法線に沿うように、低屈折率光導波路９が出射側の端面に至ることが出来る。よって、低屈折率光導波路９より出射される光の出射方向が、出射側の端面の法線に沿うことが実現される。
【００４７】
図１１に示すＬＧＬＣフィルタ部４は、第２の実施形態に、低屈折率光導波路９の当該構造を適用したものであるが、これに限定されることはなく、第１、第３、又は第４のいずれかの実施形態に適用したものであってもよい。
【００４８】
［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態に係る波長可変レーザ素子は、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子であり、高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）のＬＧＬＣフィルタ部４における構造が異なることを除いて、第１乃至第５のいずれかの実施形態に係る波長可変レーザ素子と同じ構造をしている。
【００４９】
図４に示す通り、第１の実施形態に係る高屈折率光導波路１０の両側面に長周期回折格子４１が形成されている。長周期回折格子４１において散乱光が発生し、かかる散乱光が迷光１０４，１０５として出射側の端面へ伝搬する。発明者らが検討したところ、高屈折率光導波路１０の長周期回折格子４１から発生する迷光のうち、低屈折率光導波路９側の側面に形成される長周期回折格子４１から発生する迷光１０４（の一部）は伝搬して出射側の端面に達し、さらに素子外部へ放出され、かかる迷光がＦＦＰ特性に影響を及ぼしているとの知見が得られている。これに対して、低屈折率光導波路９側とは反対側の側面に形成される長周期回折格子４１から発生する迷光１０５については、高屈折率光導波路１０（第１のストライプ）のうち屈曲する部分の側面で散乱されることや、迷光１０５が低屈折率光導波路９から離れていくように伝搬することなどにより、かかる迷光がＦＦＰ特性に及ぼす影響は非常に限定されると考えられる。
【００５０】
図１２は、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部４の構造を示す模式図である。当該実施形態に係る高屈折率光導波路１０（第１のメサストライプ）の両側面のうち、低屈折率光導波路９（第２のストライプ）側の側面には回折格子は形成されず、該側面とは反対側の側面には回折格子（長周期回折格子４１）が形成されている。すなわち、低屈折率光導波路９側とは反対側の側面のみに回折格子が形成されている。第２のメサストライプの両側面のうち、低屈折率光導波路９側とは反対側の側面であって、高屈折率光導波路１０が形成される上部コア層２３が位置する部分に、回折格子が形成されている。なお、高屈折率光導波路１０に長周期回折格子４１が形成される部分は、低屈折率光導波路９と並行して延伸する部分であって、かかる部分において、低屈折率光導波路９と光学的に結合している。
【００５１】
高屈折率光導波路１０の両側面のうち、低屈折率光導波路９側の側面には長周期回折格子４１が形成されていないことにより、図４に示す第１の実施形態と異なり、当該実施形態に係る波長可変レーザ素子のＬＧＬＣフィルタ部４において迷光１０４は発生していない。よって、第１の実施形態であれば、迷光１０４に起因してＦＦＰに乱れが発生し得るところ、当該実施形態では、ＦＦＰ特性のさらなる向上が実現している。図１２に示すＬＧＬＣフィルタ部４は、第１の実施形態に、高屈折率光導波路１０の当該構造を適用したものであるが、これに限定されることはなく、第２乃至第５のいずれかの実施形態に適用したものであってもよい。
【００５２】
［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態に係る光モジュールは、第１乃至第６のいずれかの実施形態に係る波長可変レーザ素子を備える光モジュールである。図１３は、当該実施形態に係る光モジュールの構成を示す模式図である。図に示す通り、当該実施形態に係る光モジュールは、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子６１と、波長ロッカー６２と、ハーフミラー６３と、を備えている。ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子は、第１乃至第６のいずれかの実施形態に係る波長可変レーザ素子であり、波長ロッカー６２は、レンズ、エタロンフィルタ等で構成される。ハーフミラー６３が、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子６１が出射する光の光軸上に配置され、ハーフミラーにより、光１１０と光１１１とに分岐される。光１１０は、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子６１が出力する通常の出力光であり、光１１０の伝搬先には変調器などが配置される。一方、光１１１は、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子６１の波長モニタ用の光である。光１１１の伝搬先には波長ロッカー６２が配置され、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子６１が出力する波長を波長ロッカー６２が検出し、当該波長の情報を制御回路（図示せず）へ出力する。制御回路は当該波長の情報に基づいて、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子を制御することにより、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子６１は所望の波長の光を安定的に出力することが出来る。ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子６１は、ＦＦＰ特性が向上される波長可変レーザ素子であり、波長可変レーザ素子が出力する出力光のＦＦＰ特性は、出力光（の一部）を波長ロッカーに用いるのに十分に向上されている。よって、当該実施形態に係る光モジュールは、波長ロッカー６２を用いて、ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子６１が出力する光の波長を制御することが出来る。
【００５３】
以上、本発明に係る波長可変レーザ素子及び光モジュールについて説明した。上記実施形態において、ＤＢＲフィルタを第２のフィルタの例としているが、回折格子型反射鏡を用いるフィルタであれば、これに限定されることはない。さらに、第２のフィルタは、例えば、（液晶）エタロンフィルタやリング共振器であってもよい。また、上記実施形態において、位相調整部３は、ゲイン部２とＬＧＬＣフィルタ部４との間に配置されているが、これに限定されることはなく、例えば、ゲイン部２とＤＢＲフィルタ部１の間に配置されてもよい。本発明は、横方向結合型同方向性光結合器型波長可変フィルタを備える波長可変レーザ素子に広く適用することが出来る。
【符号の説明】
【００５４】
１  ＤＢＲフィルタ部、２  ゲイン部、３  位相調整部、４  ＬＧＬＣフィルタ部、５  ＤＢＲフィルタ用電極、６  ゲイン用電極、７  位相調整用電極、８  ＬＧＬＣフィルタ用電極、９  低屈折率光導波路、１０  高屈折率光導波路、１１，１２  反射膜、２０  ｎ型ＩｎＰ基板、２１  ｐ型ＩｎＰ層、２２  回折格子、２３  上部コア層、２４  ｎ型ＩｎＰ層、２５  下部コア層、２６  ゲイン層、２９  共通電極、３１，３２  溝、４１  長周期回折格子、５０  乱れ、６１  ＬＧＬＣ波長可変レーザ素子、６２  波長ロッカー、６３  ハーフミラー、１０１  主光、１０２，１０３，１０４，１０５  迷光、１１０，１１１  光。
【図１】
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【図２】
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【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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