(57)【要約】  【課題】  複数のレーザ部の発光を合波し且つ波長可変なDBR半導体レーザ装置では、チャンネル同士を波長接続し、切れ目がなく全ての波長で発振する必要がある。この実現の為には、大変高度な結晶成長、プロセス技術が必要となる。又、連続的な発振波長の可変幅を拡大するには、ゲイン領域の長さが短くなり、事実上レーザ発振が困難となった。  【解決手段】２つのレーザを１つのセットとし、合波器によって両レーザ部の発光を合波して、１つの波長域をカバーする。この場合、第１のレーザ部の回折格子間距離Lgrt１と第２のレーザ部の回折格子間距離Lgrt２とを、回折格子の半周期分だけずらす構成を取る。このことにより、両レーザ部において、モードホップが起こるDBR電流値がずれ、お互いの発振波長を補完する。【選択図】図５
2006253525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の半導体レーザ部と、前記第１および第２の半導体レーザ部の出力にそれぞれ接続された第１および第２の光導波路と、前記第１および第２の光導波路の出力を合波する光合波器とを有し、
前記第１および第２の半導体レーザ部はそれぞれ発振波長を制御可能なものであり、
前記第１のレーザ部が波長λ１とλ２の間、及びλ３とλ４の間で発振波長を連続的に変化させることが可能であり、且つλ１＜λ２＜λ３＜λ４のとき、
前記第２のレーザ部は波長λ５とλ６の間で発振波長を連続的に変化させることが可能であり、且つ前記λ５、λ６はλ５＜λ２＜λ３＜λ６の関係を満たす波長可変半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記第１のレーザ部には、第１の光導波路の近いほうから順に、第１の前方DBR領域と第１のゲイン領域と第１の後方DBR領域とが設けられ、
第１の後方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分と、第１の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt１と定義し、
第１の後方DBR領域と第１の前方DBR領域に形成された回折格子の結合係数がκ１であり、
前記第２のレーザ部には、第２の光導波路の近いほうから順に、第２の前方DBR領域と第２のゲイン領域と第２の後方DBR領域とが設けられ、
第２の後方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分と、第２の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt２と定義し、
第２の後方DBR領域と第２の前方DBR領域に形成された回折格子の結合係数がκ２であるとき、
Lgrt１、κ１、及びLgrt２、κ２が、それぞれ本願図面の図６に示す斜線領域に含まれることを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１のレーザ部には、第１の光導波路の近いほうから順に、第１の前方DBR領域と第１のゲイン領域と第１の後方DBR領域とが設けられ、
第１の後方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分と、第１の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt１と定義し、
前記第２のレーザ部には、第２の光導波路の近いほうから順に、第２の前方DBR領域と第２のゲイン領域と第２の後方DBR領域とが設けられ、
第２の後方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分と、第２の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt２と定義し、
第１の前方DBR領域と第１の後方DBR領域と第２の前方DBR領域と第２の後方DBR領域に形成された回折格子のピッチがΛであり、
Nを整数としたとき、
Lgrt２-Λ×１/１０≦Lgrt１＋Λ×(N+１/２)≦Lgrt２＋Λ×１/１０の関係をもつことを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第１のレーザ部には、第１の光導波路の近いほうから順に、第１の前方DBR領域と第１のゲイン領域と反射膜コーティングが施された第１の半導体端面が設けられ、
第１の半導体端面と第１の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt１と定義し、
第１の前方DBR領域に形成された回折格子の結合係数がκ１であり、
前記第２のレーザ部には、第２の光導波路の近いほうから順に、第２の前方DBR領域と第２のゲイン領域と反射膜コーティングが施された第２の半導体端面が設けられ、
第２の半導体端面と第２の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt２と定義し、
第２の後方DBR領域と第２の前方DBR領域に形成された回折格子の結合係数がκ２であるとき、
Lgrt１、κ１、及びLgrt２、κ２が、それぞれ本願図面の図６に示す斜線領域に含まれることを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第１のレーザ部には、第１の光導波路の近いほうから順に、第１の前方DBR領域と第１のゲイン領域と反射膜コーティングが施された第１の半導体端面が設けられ、
第１の半導体端面と第１の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt１と定義し、
前記第２のレーザには、第２の光導波路の近いほうから順に、第２の前方DBR領域と第２のゲイン領域と反射膜コーティングが施された第２の半導体端面が設けられ、
第２の半導体端面と第２の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt２と定義し、
Nを整数としたとき、
Lgrt２−Λ×１/１０≦Lgrt１＋Λ×(N+１/２)≦Lgrt２＋Λ×１/１０の関係をもつことを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ装置。
【請求項６】
第１のレーザ部が発振しているとき、第２のレーザ部は停止しており、
逆に第２のレーザ部が発振しているとき、第１のレーザ部は停止するように制御することを特徴とする請求項４記載の波長可変半導体レーザ装置。
【請求項７】
発振波長が１２５０nmから１６２０nmの通信波長域であることを特徴とする請求項４記載の波長可変半導体レーザ装置。
【請求項８】
第１および第２の半導体レーザ部と、前記第１および第２の半導体レーザ部の出力にそれぞれ接続された第１および第２の光導波路と、前記第１および第２の光導波路の出力を合波する光合波器とを有し、
前記第１および第２の半導体レーザ部はそれぞれ発振波長を制御可能なものであり、
Mを整数とした時、
前記第１のレーザ部がλGrid(１)、λGrid(２)、・・・λGrid(M)、及びλGrid(２M+１)、λGrid(２M+２) 、・・・λGrid(３M)で発振可能に構成され、
前記第２のレーザ部がλGrid(M+１)、λGrid(M+２) 、・・・λGrid(２M)で発振可能に構成され、
λGrid(１)＜λGrid(２)＜・・・・・・＜λGrid(３M)の関係があり、且つλGrid(２)−λGrid(１)＝λGrid(３)−λGrid(２)＝・・・・・=λGrid(３M)−λGrid(３M-１)＝ΔλGRIDであることを特徴とする波長可変半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記第１のレーザ部には、第１の光導波路の近いほうから順に、第１の前方DBR領域と第１のゲイン領域と第１の後方DBR領域とが設けられ、
第１の後方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分と、第１の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt１と定義し、
前記第２のレーザには、第２の光導波路の近いほうから順に、第２の前方DBR領域と第２のゲイン領域と第２の後方DBR領域とが設けられ、
第２の後方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分と、第２の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt２と定義し、
Nを整数としたとき、
Lgrt２−Λ×１/１０≦Lgrt１＋Λ×(N＋１/２)≦Lgrt２＋Λ×１/１０の関係をもつことを特徴とする請求項８記載の波長可変半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記第１のレーザ部には、第１の光導波路の近いほうから順に、第１の前方DBR領域と第１のゲイン領域と高反射膜コーティングが施された第１の半導体端面が設けられ、
第１の半導体端面と第１の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt１と定義し、
前記第２のレーザ部には、第２の光導波路の近いほうから順に、第２の前方DBR領域と第２のゲイン領域と高反射膜コーティング施された第２の半導体端面が設けられ、
第２の半導体端面と第２の前方DBR領域に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt２と定義し、
Nを整数としたとき、
Lgrt２−Λ×１/１０≦Lgrt１＋Λ×(N＋１/２)≦Lgrt２＋Λ×１/１０の関係をもつことを特徴とする請求項８記載の波長可変半導体レーザ装置。
【請求項１１】
第１のレーザ部が発振しているとき、第２のレーザ部は停止しており、
逆に第２のレーザ部が発振しているとき、第１のレーザ部は停止するように制御することを特徴とする請求項８記載の波長可変半導体レーザ装置。
【請求項１２】
発振波長が１２５０nmから１６２０nmの通信波長域であることを特徴とする請求項８記載の波長可変半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のレーザを合波して出力する半導体レーザ装置、特に任意の波長に設定可能な波長可変レーザを実現するアレイ化分布反射型（DBR : Distributed Bragg Reflector）レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長領域多重(WDM : Wavelength Division Multiplexer)システムで用いられる波長帯であるCバンド全体の波長を任意に得ることができる波長可変レーザとして、SG(Sampled Grating)、SSG(super Structure Grating)等の特殊な回折格子をもつDBRレーザが開発されてきた。それらのDBRレーザで所望の波長でのレーザ発振のためには、波長調整のための電流制御の他に、光の位相調整のための電流制御が必要であり、制御系が複雑になる上、長期的な波長信頼性の確保が難しかった。上記課題を克服するため、光の位相調整が不要な短共振器DBRレーザが最近開発されている。例えば、「セレクテッド・トピックス・イン・カンタム・エレクトロニクス（Selected Topics in Quantum Electronics）」、IEEE Journal、９巻、２００３年９／１０月、ｐ．１１３２―１１３７に見られる（非特許文献１）。この短共振器DBRレーザでは１つのチャンネルあたりの波長可変幅は１０nm以下に制限されるため、波長可変幅を広げCバンド全体をカバーするためには複数のDBRレーザをアレイ化する必要がある。上記を実現する形態として、DBRレーザアレイを多モード干渉器(MMI : Multi-Mode Interferometer)で合波し、半導体光増幅器（SOA : Semiconductor Optical Amplifier）で増幅する半導体レーザが知られている。
【０００３】
図１に４チャンネルDBRレーザアレイ、MMI、SOAをモノリシック集積したレーザチップの例を示す。本例の幾何学的構造は本発明と基本的に同様である。従来のものと本発明とは、寸法設計などを異にする。この点については、後に詳述される。レーザチップは、InP基板１００に表面にゲイン電極１０１、１０２、１０３、１０４、DBR電極１０５、１０６、１０７、１０８、SOA電極１１４が形成されている。尚、これらの電極の符号は電極パッド部に付されている。上面図並びに断面図では、導波路部などに直接形成された部分を、例えば、後方ＤＢＲ電極１６１、ゲイン電極１６２、前方ＤＢＲ電極１６３、及びＳＯＡ電極１６４のごとくに示した。これらの部分は上面図に見られるように電極パッドにつながっている。尚、ＤＢＲ電極について、光の出力側、即ち合波器側を前方、入力側を後方と称した。
【０００４】
導波路構造としては、DBRレーザチャンネルch１である１１５、DBRレーザチャンネルch２である１１６、DBRレーザチャンネルch３である１１７、DBRレーザチャンネルch４である１１８が並び、それぞれ光出力側に光導波路１０９、１１０、１１１、１１２が接続されている。光導波路１０９、１１０、１１１、１１２はMMI合波器１１３に接続され、更にSOA電極１１４下のSOA導波路に接続される。図２Ａに図１に示したチップの上面図、図２Ｂに図２Ａに示したチップのABCDEに沿った断面図を示す。ここで、ABCDE断面とは、図２Ａの一番上に図示した半導体レーザ部（Ａ−Ｂ）から、光導波路（Ｂ−Ｃ）及び複数の光導波路を合波する光合波器（Ｃ−Ｄ）および半導体光増幅器（Ｄ−Ｅ）までに至る光の経路となる部分の断面である。即ち、光経路に沿った断面図である。
【０００５】
レーザチップは、後方DBR領域１３８、ゲイン領域１３９、前方DBR領域１４０、S字形導波路領域１４１、MMI領域１４２、SOA領域１４３が集積されている。連続的な波長変化の可能な波長幅（連続可変幅）を広げるためゲイン領域の長さは１５μmと短くした。又、前端面１４４、後端面１４５は低反射膜コートされている。DBRレーザ部はゲイン領域のコア層１３２、後方DBR領域の屈折率制御コア層１３４、前方DBR領域の屈折率制御コア層１３５が接続され、後方DBR領域の屈折率制御コア層１３４、及び前方DBR領域の屈折率制御コア層１３５の上部には回折格子供給層１３６がある。前方DBR領域の屈折率制御コア層１３５は、S字導波路領域１４１、及びMMI領域１４２を形成する低損失光導波路のコア層１３７に接続される。さらに、SOA領域のコア層１３３が接続されている。
【０００６】
図３に図１のレーザチップの波長特性の例を示す。ch１、ch２、ch３、ch４の４チャンネルのDBRレーザがそれぞれ異なる波長領域をカバーし、４チャンネルでCバンド全体をカバーする。例えば波長１５４０nmを得るためには、ch２のゲイン層とSOA層に電流を注入し、かつDBR層に５０mAの電流を注入する。このとき他のチャンネルのDBRレーザのゲイン層、DBR層には電流を流さない。
【０００７】
【非特許文献１】「セレクテッド・トピックス・イン・カンタム・エレクトロニクス（Selected Topics in Quantum Electronics）」、IEEE Journal、９巻、２００３年９／１０月、ｐ．１１３２―１１３７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したレーザチップにおいて、チャンネル同士を波長接続し、切れ目がなく全ての波長で発振するためには、モードホップが起こるDBR電流値をチャンネル間で揃えなければならない。前述した図３は、DBR電流値と発振波長の関係を示す図である。別異の波長の相当するチャネル、ｃｈ１、ｃｈ２、ｃｈ３及びｃｈ４に対して特性が示される。図示される特性から、各特性の１０ｍＡ程度の個所に特性飛躍を発生しているのが理解される。
【０００９】
モードホップが起こるDBR電流値をチャンネル間で揃えるためには、DBR層屈折率を精度±０.００２以下、及びLgrtを±０.０２μmの高い精度で作製する必要がある。Lgrtとは後方DBR領域１３８内に形成される回折格子１３６のうちゲイン領域１３９に最も近い回折格子の中央部分と前方DBR領域１４０内に形成される回折格子１３６のうちゲイン領域１３９に最も近い回折格子の中央部分との距離である。具体的には、DBR層厚さ精度±６nm、DBR層組成波長精度±１０nmであり、大変高度な結晶成長、プロセス技術が必要となるという課題がある。
【００１０】
又、連続可変幅を広げようとすると、ゲイン領域１３９の長さLgainが短くなり、レーザ発振が困難になるという別の問題がある。図４に、連続可変幅ΔλconのLgrt依存性の計算値を示す。ここでは、ゲイン領域１３９の端から５μmの距離から回折格子１３６が後方DBR領域１３８内、及び前方DBR領域１４０内に形成されるものとしており、
Lgrt＝Lgain＋１０μm・・・・・・・・・（式１）
という関係がある。尚、回折格子１３６の光結合係数κは９０cm−１として計算した。図４は、Lgrtと発振波長が連続的に変化させうる波長幅との関係例を示す図である。図４が示す通り、例えば連続可変幅＞１０nmを達成するためにはLgrt＜２５μm、すなわちLgain＜１５μmである。この条件は、レーザ発振のためには、大変厳しい製造条件となっている。こうした構造は、例えば実用的な量産向きとして極めて不利である。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明は、こうした実用的諸問題の解決に、２つのレーザ素子を１つのセットとし、合波器によって両レーザ部の発光を合波して、１つの波長域をカバーすることを考えた。ここで、ＤＢＲレーザ素子を用いた場合、第１のレーザ部の２つの回折格子間距離Lgrt１と第２のレーザ部の２つの回折格子間距離Lgrt２とを、回折格子の半周期分だけずらす構成を取る。このことにより、両レーザ部において、モードホップが起こるＤＢＲ電流値がずれ、お互いの発振波長を補完する。
【００１２】
本発明の骨子は次の通りである。本発明の半導体レーザ装置は、第１および第２の半導体レーザ部と、前記第１および第２の半導体レーザ部の出力にそれぞれ接続された第１および第２の光導波路と、前記第１および第２の光導波路の出力を合波する光合波器とを少なくとも有する。前記第１および第２の半導体レーザ部はそれぞれ発振波長を制御可能なものとする。そして、前記第１の半導体レーザ部が波長λ１とλ２の間、及びλ３とλ４の間で発振波長を連続的に変化させることが可能であり、且つλ１＜λ２＜λ３＜λ４のとき、前記第２の半導体レーザ部は波長λ５とλ６の間で発振波長を連続的に変化させることが可能であり、且つ前記λ５、λ６はλ５＜λ２＜λ３＜λ６の関係を満たすものである。
【００１３】
前記第１並びに第２の半導体レーザ部は、代表的には次の２つの形態をとり得る。第１の形態は、前記光導波路の近いほうから順に、前方DBR領域とゲイン領域と後方DBR領域とが設けられた半導体レーザである。第２の形態は、光導波路の近いほうから順に、前方DBR領域とゲイン領域と反射膜コーティングが施された半導体端面が設けられた形態である。尚、ここで、反射膜とは、レーザ発振を可能とする反射率を有する反射膜であること言うまでもない。実際には概ね７０％程度以上の高反射率が用いられる。
【００１４】
次に、上記構成の骨格にのっとって、本発明の仔細について説明する。図５に、本発明によるch１、ch２の波長依存性の例を示す。横軸はＤＢＲ電流、縦軸は発振波長である。こうした特性の実現には、レーザ装置の幾何学的構造は、図１、図２Ａ、図２Ｂに示したレーザ装置と同じ構造である。前述の通り、従来の技術とは、その具体的設計を異にする。図５の特性に対する具体的諸設計は次の通りである。尚、以下の説明で用いる符号について、まとめて説明する。
（１）Lgrtとは、後方DBR領域内に形成される回折格子のうちゲイン領域に最も近い回折格子の略中央部分と前方DBR領域内に形成される回折格子のうちゲイン領域に最も近い回折格子の略中央部分との距離である。尚、第１或いは第２の半導体レーザ部に関しては、各符号にLgrt1、Lgrt2のごとくサフィックスが付される。
【００１５】
図２Ｂに、Lgrt1、Lgrt2を矢印の範囲で例示した。即ち、ＤＢＲを構成する２つの回折格子領域において、ゲイン領域に最も近い回折格子の凸部の略中央部分相互の距離である。ここで、加工尤度などによって、±０．０３μｍ程度の誤差はあり得る。尚、図２Ｂの例では、回折格子を供給する層１７０の、ゲイン領域に最も近い領域に、加工残りの層１６０が存在する。しかし、特性上、回折格子の具体的加工形態として、この領域は必要ではない。従って、図２Ｃの例示するような、加工残りの層１６０がゲイン領域側に存在せず、回折格子領域が直接ゲイン領域に最も近い領域に存在する形態も勿論あり得る。
（２）κは前方DBR領域とゲイン領域と後方DBR領域との結合係数である。尚、第１或いは第２の半導体レーザ部に関しては、各符号にκ1、κ2のごとくサフィックスが付される。
（３）Λは回折格子ピッチである。
（４）Δλconは、発振波長が連続的に可変となし得る波長幅である（以下、連続可変幅と略称する）。
（５）Δλhopは、一つのチャネルでモードホップが起こる波長幅（以下、モードホップ幅と略称する）である。
（６）KはΔλcon/（Δλcon＋Δλhop）で定義される。
（７）ΔλGRIDは固定の波長間隔を意味する。その代表的な例は、国際電気通信連合の電気通信標準化部門（International Telecommunication Union-Telecommunication sector：ITU-T）が定める波長グリッド間の波長間隔である。
【００１６】
さて、本例では、ch１のLgrt１は８０μm、ch２のLgrt２は８０.１１９μmとした。ここで、κはch１、ch２は共に９０cm−１、回折格子ピッチΛはch１、ch２共に０.２３８μmの場合である。尚、ここで、Lgrt１とLgrt２をΛ/２だけずらすことにより、モードホップが起こるDBR電流値がずれ、お互いの波長を補完する。この時、DBR層屈折率を高い精度で制御する必要はなく、Lgrt１とLgrt２をΛ/２だけずらすことにより必ず波長を補完することができる。この結果、１５４２.５nmから１５５４nmの１１.５nmの範囲で連続波長可変を達成した。
【００１７】
上記の例では
Lgrt２＝Lgrt１＋Λ/２・・・・・・・・・（式２）
の場合を述べたが、Nを整数とした時、
Lgrt２＝Lgrt１＋Λ×（N＋１/２）・・・・・・・（式３）
の場合でも、必ず波長を補完することができる。又、下記に示す通りch１とch２が接続する波長領域で波長が重なるように設計してやれば、回折格子を形成する電子ビーム描画装置が発生するプロセス誤差（〜±１０％）があっても連続波長可変が実現できる。即ち、
Lgrt２−Λ×１/１０≦Lgrt１＋Λ×(N＋１/２)≦Lgrt２＋Λ×１/１０・・・（式４）であればよい。
【００１８】
次に、ch１とch２とで切れ目なく波長を接続する条件を考える。連続可変幅（Δλcon）とモードホップ幅（Δλhop）との関係が条件となる。即ち、
連続可変幅Δλconとモードホップ幅Δλhopに関して、
Δλcon＞Δλhop・・・・・・・（式５）
であればよい。尚、図５内に、連続可変幅Δλconとモードホップ幅Δλhopとを矢印の幅で例示した。
【００１９】
別の表現では、K＝Δλcon/（Δλcon＋Δλhop）と定義すると、
K＝Δλcon/（Δλcon＋Δλhop）＞０.５・・・・・（式６）
となる。ch１とch２が接続する波長領域では波長の重なりが必要であること、及びプロセスばらつきを考慮すると、
K＝Δλcon/（Δλcon＋Δλhop）＞０.５５・・・・・（式７）
が、ch１とch２とで切れ目なく波長を接続する条件となる。
【００２０】
図６に、K＝Δλcon/（Δλcon＋Δλhop）のLgrt、及びκ依存性を等高線図で示す。横軸がLgrt、縦軸がκであり、各曲線は、各Kの値の場合の特性曲線である。そして、図中の斜線部部分（尚、領域の境界線を含む）において、式７を満たす。尚、一般に、ＤＢＲ電極とゲイン電極の間隔として５μm、レーザ活性層として５μm以上必要である為、図６でのLgrtの下限は１５μmが実際的である。又、一般的なＤＢＲ領域の導波損失２０ｃｍ−１を仮定すると、κが小さい場合に発振に必要な反射率が得られなくなる。具体的には、κ＜３０ｃｍ−１では反射率は５０％に届かず、十分な発振を得ることが出来ない。この為、図６の領域でのκの実際的な下限は３０ｃｍ−１である。図６中の点ＡはLgrtが１５μm、κが３０cm−１、点ＢはLgrtが１５μm、κが５００cm−１、そして、点ＣはLgrtが１３０μm、κが３０cm−１である。
【００２１】
この図から、例えばκが９０cm−１ではLgrt＝８０μmで実際的に設計可能であり、この値は従来より大きいため、レーザ発振に有利であるであることがわかる。
【００２２】
ここではDBRレーザアレイを例に挙げたが、他の種類のレーザでもよい。
【００２３】
次に、図７を用いてより一般的に本願発明の発明思想を説明する。図７の縦軸は発振波長であり、これに対応する矢印の範囲は、各レーザのチャネルで発振する波長範囲を示す。即ち、レーザch１とレーザch2とを有し、両レーザ部の発光を光合波器によって合波するレーザ装置において、（１）レーザch１が波長λ１とλ２の間、及びλ３とλ４の間で発振波長を連続的に変化させることが可能であり（但しλ１＜λ２＜λ３＜λ４）、（２）レーザch２が波長λ５とλ６の間で発振波長を連続的に変化させることが可能であり、且つ（３）前記λ５、λ６がλ５＜λ２＜λ３＜λ６の関係を満たせば、λ１からλ４の広い波長範囲で、連続波長可変が実現する。勿論、更に広い波長範囲を考えることも可能であり、同様の考え方で本願発明を実施することが出来る。
【００２４】
上記では連続波長可変を実現する場合のみを考えた。しかし、通信用レーザでは、ある固定の波長間隔ΔλGRIDの波長が発振すればよい。この場合、式７の条件は緩和される。即ち、一つのチャネルで、連続な波長範囲で、必ずしも連続して発振せずとも、本願発明の目的を実施することが出来る。このことを、図８を用いて説明する。縦軸は波長であり、横方向の破線は、波長間隔があらかじめ決められた波長グリッドである。この波長グリッドとは、国際電気通信連合の電気通信標準化部門が定める波長グリッド（例えば１００GHz、波長に換算すると約０.８nm）に対応する。縦の矢印はレーザch１、及びレーザch２が発振する波長範囲を示す。（Ａ）の例は１波長グリッドごとに交互にch１とch２が発振する場合を示し、(Ｂ)の例は２波長グリッドごと、(Ｃ)の例は３波長グリッドごと、(Ｄ)の例は４波長グリッドごとに交互にch１とch２が発振する場合を示す。全ての場合において、式７を満たさず発振しない波長域があるものの、全ての波長グリッドの光を発振し、通信用レーザに適用可能である。この為、より大きなLgrtで設計可能となり、レーザ発振に有利でなる。図９に、ΔλGRID＝０.８nm、２波長グリッドごとに交互にch１とch２が発振する場合の波長可変特性の例を示す。Lgrt１＝１０５μm、Lgrt２＝１０５.１１９μm、Λ１＝Λ２＝０.２３８μm、κ＝９０cm−１の場合である。本例では、ch１、ch２により、１５４０.６nmから１５５２.６nmの１６波長グリッドを発振することができる。
【００２５】
こうした所望の固定波長範囲で連続発振し得る半導体レーザ部を用いた形態を整理すれば、次の様に言うことが出来る。即ち、第１および第２の半導体レーザ部と、前記第１および第２の半導体レーザ部の出力にそれぞれ接続された第１および第２の光導波路と、前記第１および第２の光導波路の出力を合波する光合波器とを有することはこれまでの例と同様である。そして、前記第１および第２の半導体レーザ部はそれぞれ発振波長を制御可能なものであり、Mを整数とした時、前記第１のレーザ部がλGrid(１)、λGrid(２)、・・・λGrid(M)、及びλGrid(２M+１)、λGrid(２M+２) 、・・・λGrid(３M)で発振可能に構成される。又、前記第２のレーザがλGrid(M+１)、λGrid(M+２) 、・・・λGrid(２M)で発振可能に構成され、λGrid(１)＜λGrid(２)＜・・・・・・＜λGrid(３M)の関係がある。且つ、λGrid(２)−λGrid(１)＝λGrid(３)−λGrid(２)＝・・・・・＝λGrid(３M)−λGrid(３M-１)＝ΔλGRIDの関係を有するものである。
【００２６】
ここまで述べてきたレーザでは、必要な波長に応じて、一方のレーザのみ発振するように制御する。即ち、第１のレーザ部が発振しているとき、第２のレーザ部は停止しており、逆に第２のレーザ部が発振しているとき、第１のレーザ部は停止するように制御する。こうした制御手段、回路自体は通例のもので十分である。
【００２７】
又、ここでは発振波長が１５５０nm帯のレーザについて述べたが、例えば、通信波長域である波長１２５０nmから１６２０nmのレーザ装置では、通信用として極めて実用的である。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、通例の半導体レーザ装置の製造技術によって、半導体レーザ装置の、広い波長域での連続的な発振波長の可変を実現することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
（実施例１）
屈折率制御層への電流注入、およびDBRレーザチャンネルの選択により発振波長を変化できる機能を持った波長可変半導体レーザ装置の例を説明する。発振波長は１５５０nm帯である。図１０、図１１Ａ、及び図１１Ｂは本例の半導体レーザ装置の例を示す図で、
図１０が俯瞰図、図１１Ａが上面図、図１１Ｂが図１１Ａ中のFGHIJに沿った断面図である。ここで、FGHIJ断面とは、前述のABCDE断面図と同様に、図１１の一番上に図示した半導体レーザ部から、ゲート領域、光導波路、複数の光導波路を合波する光合波器および半導体光増幅器までに至る光の経路となる部分の断面である。チャンネルDBRレーザアレイ、MMI合波器、SOAをモノリシック集積化している。
【００３０】
先ず、作製法を以下に述べる。図２Ｄより図２Ｉに主要工程での装置の断面図を示す。前述の図２Ｂが完成図である。n型(１００)InP半導体基板１３１上に、有機金属気相成長法により、歪InGaAsP材料からなる１０周期の多重量子井戸構造のコア層１７１を成長する。コア層１７１の一部は最終的にゲイン領域のコア層１３２及びSOA領域のコア層１３３になる。多重量子井戸の発光波長は約１５５０nｍである。続いて、コア層171上に絶縁膜１８１、１８２を形成し、それらをマスクとした選択エッチングにより、ゲイン領域のコア層１３２及びSOA領域のコア層１３３以外を除去する(図２Ｅ)。 そして公知の異種導波路の直接結合技術を用いて、０.４μｍ厚、組成波長１.４０μｍのDBR領域の屈折率制御コア層１７２、１７３、５０nm厚のInPスペーサ層１５１、５０nm厚のInGaAsP（組成波長１.３μｍ）回折格子供給層１５０を、順次有機金属気相成長法により形成する（図２Ｆ）。屈折率制御コア層１７２は最終的にInGaAsP後方DBR領域の屈折率制御コア層１３４、屈折率制御コア層１７３の一部は最終的にInGaAsP前方DBR領域の屈折率制御コア層１３５になる。
【００３１】
次に回折格子を電子線ビーム描画装置によりパタンを形成し、それをマスクとして回折格子供給層１５０にパタンを刻印する。DBRレーザチャンネルch１（１１５）、ch２（１１６）をセットとして１つの波長域をカバーし、且つDBRレーザチャンネルch３（１１７）、ch４（１１８）をセットとして１つの波長域をカバーするため、Lgrt１=８０μm、Lgrt１＝８０.１１９μm、Lgrt１＝８０μm、Lgrt１＝８０.１１８μmとした。ch１（１１５）、ch２（１１６）とch３（１１７）、ch４（１１８）とで異なる発振波長を得るため、回折格子周期は、それぞれ２３８、２３８、２３６、２３６nmとし、それぞれのレーザチャンネルの後方DBR領域の周期と前方DBR領域の周期とは同じとした。κはすべて９０cm−１となるように回折格子を形成した。
【００３２】
続いて、コア層１３２、１３４、１３５上に絶縁膜１８３、コア層１３３上に絶縁膜１８４を形成し、それらをマスクとした選択エッチングにより、コア層１３２、１３３、１３４、１３５以外を除去する(図２Ｇ)。そして公知の異種導波路の直接結合技術を用いて、InGaAsP（組成波長１.３μｍ）低損失光導波路のコア層１３７を有機金属気相成長法により形成した（図２Ｈ）。
【００３３】
次に、１.５μm厚のp型InPクラッド層１５２、０.２μｍ厚の高濃度p型InGaAsキャップ層１５３を順次有機金属気相成長法により形成した（図２Ｉ）。
【００３４】
絶縁ストライプ形状のマスクを用いて、通例の選択的ドライエッチング技術により光導波路を形成する。光導波路の配置は図１１Ａの上面図を参酌して理解される。続いて、有機金属気相成長法によりFeドープInPで選択的に埋め込んだ。光の進行方向からみたメサ幅は１.３μmとした。後方DBR領域１３８、ゲイン領域１３９、前方DBR領域１４０、S字導波路領域１４１、MMI領域１４２、SOA領域１４３が形成され、それぞれの長さはそれぞれ３００μm、７０μm、１２０μm、１００μm、５００μm、２００μm、６００μmである。全レーザチップ長は２０００μmである。
【００３５】
この後、図１１Ａに示すとおり、各領域に電流を供給するためにチップ表面に電極１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、及び１１４などを形成した。後方DBR領域１３８とゲイン領域１３９、及びゲイン領域１３９と前方DBR領域１４０の電極間には５μmの分離領域１５４、１５５を設けた。図１１Ｂでは、後方ＤＢＲ電極は１６１、ゲイン電極は１６２、前方ＤＢＲ電極は１６３、及びＳＯＡ電極は１６４である。
【００３６】
チップ裏面には共通の電極１５６を形成した。レーザチップ長２０００μmに切り出した後、レーザチップ前端面１４４、後端面１４５にそれぞれ、反射率０.０１%の低反射膜１４６、１４７を形成した（図２Ｂ）。
【００３７】
作製した分布反射型レーザは、全４チャンネルにおいて、１５５０nm帯で単一軸モード発振した。ゲイン電流２０mA、SOA層電流２００mAで、チップ光出力約３０mWの光通信用途に対し十分な出力を得た。図１２に本例のレーザチップの波長特性を示す。作製した分布反射型レーザは、全４チャンネルで１５５０nm帯で単一軸モード発振した。ゲイン電流２０mA、SOA層電流２００mAで、チップ光出力約３０mWの光通信用途に対し十分な出力を得た。DBR電流を０から１００mAまで変化させることによりch１、ch２の２つのチャンネルで１つの波長域をカバーし、１５４２.５nmから１５５４nmの１１.５nmの範囲で連続波長可変を達成した。ch３、ch４でも同様に２つのチャンネルで１つの波長域をカバーし、１５３１.５nmから１５４３nmの１１.５nmの範囲で連続波長可変を達成した。この結果、１５３１.５nmから１５５４nmの２２.５nmの範囲で連続可変を実現した。
【００３８】
以上はチャンネル数４のDBRレーザアレイについて述べたが、チャンネル数は２以上の偶数、例えば６、８、１０でもよい。又、本発明の典型的な実施の形態として、InGaAsP材料を用いた埋め込み型レーザ構造により説明した。本発明は、InGaAlAs、GaInNAs、InGaAs、InGaAlP等全ての半導体レーザ材料について同様に適用可能である。又、埋め込み型レーザだけでなく、いわゆるリッジ導波路構造、埋め込みリッジ構造を用いたレーザなどレーザ発振の横モードの閉じ込め構造によらず、同様に適用可能である。又、波長帯は１５５０nm帯としたが、特に発振波長に制限されることは無い。例えば、本発明は、通信用によく利用される１２５０nmから１６２０nmの間の波長にも適用可能であり、極めて実用的である。
【００３９】
(実施例２)
図１３Ａ、図１３Ｂは本発明を用いて、屈折率制御層への電流注入、およびDBRレーザチャンネルの選択により発振波長を変化できる機能を持った、１５５０nm帯の半導体レーザを作製した例である。図１３Ａが上面図、図１３Ｂが図１３Ａ中のＦＧＨＩＪ断面である。
【００４０】
実施例１との違いは、後方DBR領域１３８がなく、半導体端面に高反射膜２０１が形成されている点である。その他は基本的に実施例１と同様である。後方DBR領域１３８がなくなることにより、DBR電流を半分程度に低減できる。DBRレーザチャンネルch１である１１５の高反射膜２０１と、前方DBR領域１４０に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt１と定義したとき、Lgrt１を８０μmとした。又、前方DBR領域１４０に形成された回折格子の結合係数κ１を９０cm−１、回折格子ピッチΛ１を０.２３８μmとなるように回折格子を形成した。一方、DBRレーザチャンネルch２である１１６の後方DBR領域１３８に形成された高反射膜２０１と、前方DBR領域１４０に形成された回折格子のうちゲイン領域の最も近い回折格子の略中央部分との間の距離をLgrt２と定義したとき、Lgrt２をLgrt１からΛ１/２だけずらし、８０.１１９μmとした。又、前方DBR領域１４０に形成された回折格子の結合係数κ２をκ１と同じ９０cm−１、回折格子ピッチΛ１をΛ２と同じ０.２３８μmとなるように回折格子を形成した。
【００４１】
同様に、DBRレーザチャンネルch３である１１７のLgrt（Lgrt３）を８０μm、回折格子の結合係数κ３を９０cm-１、ピッチΛ３を０.２３６μmとした。DBRレーザチャンネルch４である１１８のLgrt（Lgrt４）をLgrt３からΛ３/２だけずらし、８０.１１８μmとした。回折格子の結合係数κ４をκ３と同じ９０cm−１、ピッチΛ４をΛ３と同じ０.２３６μmとした。
【００４２】
図１４にレーザチップの波長特性の例を示す。作製した分布反射型レーザは、全４チャンネルで１５５０nm帯で単一軸モード発振した。ゲイン電流２０mA、SOA層電流２００mAで、チップ光出力約３０mWの光通信用途に対し十分な出力を得た。DBR電流を０から５０mAまで変化させることによりch１、ch２の２つのチャンネルで１つの波長域をカバーし、１５４２.５nmから１５５４nmの１１.５nmの範囲で連続波長可変を達成した。DBR電流は半分程度に低減された。ch３、ch４でも同様に２つのチャンネルで１つの波長域をカバーし、１５３１.５nmから１５４３nmの１１.５nmの範囲で連続波長可変を達成した。この結果、１５３１.５nm から１５５４nmの２２.５nmの範囲で連続可変を実現した。
【００４３】
(実施例３)
図１５は、ある固定の波長間隔ΔλGRIDの波長が発振するように作製した素子の波長可変特性の例である。素子の外形、作製方法は実施例１と同じである。基本構造は、前述の図１０、図１１Ａ、図１１Ｂが参酌される。
【００４４】
ここでは特にch１とch２について説明する。ΔλGRID＝０.８nm、２波長グリッドごとに交互にch１とch２が発振するよう、Lgrt１＝１０５μm、Lgrt２＝１０５.１１９μm、Λ１＝Λ２＝０.２３８μm、κ１＝κ２＝κ３＝κ４＝９０cm−１として作製した。その結果、波長とびがあり連続波長可変は達成されないものの、ch１、ch２が２波長グリッドごとに交互に発振し、１５４０.６nmから１５５２.６nmの１６波長グリッドを発振することができた。
【００４５】
ここで上記の設計手順を述べる。ΔλGRID＝０.８nmであり、２波長グリッドごとに交互にch１とch２が発振するためには、ΔλconとΔλhopとの和（Δλtotal）が３.２nm(０.８nm×２×２)である必要がある。図１６にΔλtotalのLgrt、及びκ依存性を等高線図で示す。図中の数字は、各曲線に対応するΔλtotalの値である。図中にΔλtotalの値を示す。Δλtotal＝３.２nmのためには、Lgrtは１０５μmがよい。次にΔλconが連続した２グリッドで発振するよう、即ち、Δλcon＞０.８nmであるようにκを決める。図１７にΔλconのLgrt、及びκ依存性を等高線図で示す。図中の数字は、各曲線に対応するΔλconの値を示す。この図からΔλcon＞０.８nmであるためにはκ＜２５０cm−１であればよい。
【００４６】
ここでは、ΔλGRID＝０.８nmとしたが、ΔλGRIDは０.４nm、１.６nmでもよい。又、２波長グリッドごとに交互にch１とch２が発振するように設計したが、１、３、４、５、６、・・・・・波長グリッドごとでもよい。
【００４７】
このように、本発明に係る半導体レーザ装置よれば、高度な結晶成長、プロセス技術無しで、チャンネル間の波長接続が可能となり、広い波長域での連続波長可変を実現する。又、活性層が長い状態での設計が可能となるため、安定、高出力なレーザ発振を実現する。本発明の実施例を用いれば、素子性能、歩留まりが飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の波長可変半導体レーザ装置の代表例の斜視図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の波長可変半導体レーザ装置の代表例の上面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の波長可変半導体レーザ装置の代表例の断面図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、本発明の波長可変半導体レーザ装置の変形例の部分断面図である。
【図２Ｄ】図２Ｄは、本発明の波長可変半導体レーザ装置の代表例の製造工程順に示した装置の断面図である。
【図２Ｅ】図２Ｅは、本発明の波長可変半導体レーザ装置の代表例の製造工程順に示した装置の断面図である。
【図２Ｆ】図２Ｆは、本発明の波長可変半導体レーザ装置の代表例の製造工程順に示した装置の断面図である。
【図２Ｇ】図２Ｇは、本発明の波長可変半導体レーザ装置の代表例の製造工程順に示した装置の断面図である。
【図２Ｈ】図２Ｈは、本発明の波長可変半導体レーザ装置の代表例の製造工程順に示した装置の断面図である。
【図２Ｉ】図２Ｉは、本発明の波長可変半導体レーザ装置の代表例の製造工程順に示した装置の断面図である。
【図３】図３は、従来の構成になる波長可変半導体レーザ装置の、ＤＢＲ電流と発振波長の関係例を示す図である。
【図４】図４は、従来の構成になる波長可変半導体レーザ装置の、距離Ｌｇｒｔと連続可変幅の関係例を示す図である。
【図５】図５は、本発明の構成になる波長可変半導体レーザ装置の、ＤＢＲ電流と発振波長の関係例を示す図である。
【図６】図６は、本発明の構成になる波長可変半導体レーザ装置の、距離Ｌｇｒｔと結合係数κとの関係例を示す図である。
【図７】図７は、本発明の基本概念を説明する図である。
【図８】図８は、本発明の別な例の基本概念を説明する図である。
【図９】図９は、波長グリッドで構成された、本発明の波長可変半導体レーザ装置の、ＤＢＲ電流と発振波長の関係例を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例１の波長可変半導体レーザ装置の斜視図である。
【図１１Ａ】１１Ａは、本発明の実施例１の波長可変半導体レーザ装置の上面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の実施例１の波長可変半導体レーザ装置の断面図である。
【図１２】図１２は、本発明の実施例１の波長可変半導体レーザ装置のＤＢＲ電流と発振波長の関係例を示す図である。
【図１３Ａ】１３Ａは、本発明の実施例２の波長可変半導体レーザ装置の上面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、本発明の実施例２の波長可変半導体レーザ装置の断面図である。
【図１４】図１４は、本発明の実施例２の波長可変半導体レーザ装置のＤＢＲ電流と発振波長の関係例を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の実施例３の波長可変半導体レーザ装置のＤＢＲ電流と発振波長の関係例を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の実施例３の波長可変半導体レーザ装置の、Δλtotalをパラメータとして示した、距離Ｌｇｒｔと結合係数κとの関係を示す図である。
【図１７】図１７は、本発明の実施例３の波長可変半導体レーザ装置の、Δλconをパラメータとして示した、距離Ｌｇｒｔと結合係数κとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１００：チップ基板、１０１、１０２、１０３、１０４：ゲイン電極、１０５、１０６、１０７、１０８：ＤＢＲ電極、１０９、１１０、１１１、１１２：光導波路、１１３：合波器、１１４：ＳＯＡ電極、１１５、１１６、１１７、１１８：レーザ部のチャネル、１３１：基板、１３２、１３３、１３４、１３５、１３７、１７１、１７２，１７３：コア領域、１３６：回折格子、１５０：回折格子を供給する層、１６０：回折格子を供給する層の加工残り部分、１３８：後方ＤＢＲ領域、１３９：ゲイン領域、１４０：前方ＤＢＲ領域、１４１：Ｓ字形導波路領域、１４２：ＭＭＩ領域、１４３：ＳＯＡ領域、１４４、１４５：端面、１４６、１４７：端面コーティング膜、１５１：スペーサ、１５２：クラッド層、１５３：キャップ層、１５４：後方ＤＢＲ領域とゲイン領域との間隔、１５５：前方ＤＢＲ領域とゲイン領域との間隔、１５６：裏面電極、１６１：ＤＢＲ電極の後方ＤＢＲ領域の部分、１６２：ゲイン電極の活性領域に対応する部分、１６３：ＤＢＲ電極の前方ＤＢＲ領域の部分、１６４：ＳＯＡ電極の活性領域に対応する部分、２０１：レーザ発振の為の反射膜、１８１、１８２、１８３、１８４:絶縁膜。
【図１】
2006253525.tif 000003
【図２Ａ】
2006253525.tif 000004
【図２Ｂ】
2006253525.tif 000005
【図２Ｃ】
2006253525.tif 000006
【図２Ｄ】
2006253525.tif 000007
【図２Ｅ】
2006253525.tif 000008
【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
2006253525.tif 000010
【図２Ｈ】
2006253525.tif 000011
【図２Ｉ】
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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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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