(57)【要約】【課題】利得媒質と放物線導波路型の平行光レンズとを単一集積し、連続して速い速度の波長可変が可能な放物線導波路型の平行光レンズ及びこれを含む波長可変外部共振レーザダイオードを提供すること。【解決手段】外部から光を入射される入力導波路と、該入力導波路から送信された入射光を平行光に補正するための放物線導波路を含み、前記入力導波路の終端と前記放物線導波路の入射端とは、前記放物線導波路の焦点に位置し、前記放物線導波路の入射端の幅は、前記放物線導波路の頂点から焦点までの距離のおよそ４倍である。【選択図】図７
2006339622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から光を入射される入力導波路と、
該入力導波路から送信された入射光を平行光に補正するための放物線導波路を含み、
前記入力導波路の終端と前記放物線導波路の入射端とは、前記放物線導波路の焦点に位置し、前記放物線導波路の入射端の幅は、前記放物線導波路の頂点から焦点までの距離のおよそ４倍であること
を特徴とする放物線導波路型の平行光レンズ。
【請求項２】
前記入力導波路は、前記放物線導波路と接続する部分がその幅が次第に狭まり、前記放物線導波路と接する地点で最小幅となるテーパー（taper）形状であることを特徴とする請求項１に記載の放物線導波路型の平行光レンズ。
【請求項３】
前記入力導波路及び前記放物線導波路が、半導体積層工程で製作されて一定の厚さを有する薄膜形状に製作されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の放物線導波路型の平行光レンズ。
【請求項４】
発散する光を平行光に補正するための平行光レンズと、
前記平行光が進むスラブ導波路と、
外部の電気的信号によって前記スラブ導波路を進むビームの進行経路上の媒体の屈折率を変化させ、前記ビームの進行方向を変化させるための光偏向器と、
前記光偏向器を通過する平行ビームを回折させるための回折格子と
を含むことを特徴とする波長可変外部共振レーザダイオード。
【請求項５】
前記回折格子から回折される光をフィードバックさせるための反射鏡をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の波長可変外部共振レーザダイオード。
【請求項６】
前記光偏向器が、外部から電圧または電流を印加されて、前記受動導波路に電子を注入して屈折率を変化させるための、前記受動導波路の一面に形成されたｐ/ｎ接合領域であることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の波長可変外部共振レーザダイオード。
【請求項７】
前記スラブ導波路が、前記光偏向器の動作によって、前記入射光の進行方向に対して所定の角度に傾いた形状の屈折率の変化界面を１つ以上含むことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の波長可変外部共振レーザダイオード。
【請求項８】
前記光偏向器が、三角形状で順方向と逆方向との対から構成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の波長可変外部共振レーザダイオード。
【請求項９】
前記平行光レンズが、
外部から光を入射される入力導波路と、
該入力導波路から送信された入射光を平行光に補正するための放物線導波路を含み、
前記入力導波路の終端と前記放物線導波路の入射端とは、前記放物線導波路の焦点に位置し、前記放物線導波路の入射端の幅は、前記放物線導波路の頂点から焦点までの距離のおよそ４倍であること
を特徴とする請求項４または請求項５に記載の波長可変外部共振レーザダイオード。
【請求項１０】
前記入力導波路は、前記放物線導波路と接続する部分がその幅が次第に狭まり、前記放物線導波路と接する地点で最小幅となるテーパー形状であることを特徴とする請求項９に記載の波長可変外部共振レーザダイオード。
【請求項１１】
前記平行光レンズが、バルク状態に維持されるか、または導波路と異なる屈折率を有する媒体で埋められている凸レンズ形状を有することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の波長可変外部共振レーザダイオード。
【請求項１２】
前記回折格子に対する前記平行光レンズの出射面への投影面が、前記平行光レンズの出射面の大きさと実質的に同じであることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の波長可変外部共振レーザダイオード。
【請求項１３】
前記平行光レンズと前記スラブ導波路とは、一定間隔で相互に離隔されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の波長可変外部共振レーザダイオード。
【請求項１４】
前記平行光レンズと前記スラブ導波路とは光が通過する媒体が相互に異なるように、独立して製作されたことを特徴とする請求項１３に記載の波長可変外部共振レーザダイオード。
【請求項１５】
前記平行光レンズの出射面と前記スラブ導波路との入射面のうち少なくとも いずれか一面にコーティングされた無反射膜を有することを特徴とする請求項４に記載の波長可変外部共振レーザダイオード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放物線導波路型の平行光レンズ及びこれを含む波長可変外部共振レーザダイオードに関し、特にモードホッピング（mode hopping）なしで連続した波長可変特性を実現できる放物線導波路型の平行光レンズ及びこれを含む波長可変外部共振レーザダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、一定範囲の利得帯域幅を有する利得媒質から回折格子を用いて特定波長を選択する外部共振として、Ｌｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ方式の外部共振器とＬｉｔｔｒｏｗ方式の外部共振器が特定波長を選択する方法として多く活用されている。
【０００３】
従来の波長可変レーザダイオード技術は、ＭＥＭＳ（micro-electro-mechanical systems）技術を用いて、回折格子または反射鏡を機械的に動かして波長を可変させる外部共振レーザダイオードである。
【０００４】
しかし、この技術は多様な光学部品とＭＥＭＳ技術の駆動部分から構成されるため、パッケージングが容易ではなく、外部振動に弱いという欠点がある。また、半導体レーザ断面に高価で良質な無反射の薄膜を要求するという欠点もある。
【０００５】
図１は、従来の技術に係るＬｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ方式の外部共振器を説明するための構造図である。
【０００６】
図１に示しているように、Ｌｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ方式の外部共振器は、広い波長帯域を有する利得媒質１０１と、これから発生したビームを平行にする平行光レンズ１０２と、平行ビームを回折させるための回折格子１０３と、回折されたビームを反射させるための反射鏡１０４とを含んでなる。
【０００７】
利得媒質１０１からビームが発生すると、平行光レンズ１０２によりビームが平行するように集められ、平行ビームは回折格子１０３により反射鏡１０４側に回折される。この時、生成される波長は次の数式１の通りである。
［数式１］
Ｍλ＝ｎｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）
（ここで、ｍ：回折次数、ｎ：媒体の屈折率、ｄ：回折格子の周期、α：入射角、β:回折角）
【０００８】
一般に、回折次数と回折格子の周期とは、回折格子の製作時に決定されるため、特定波長で発振するためには回折格子に注入される入射角を変化させるか、または反射鏡の角度を変化させなければならない。
【０００９】
利得媒質１０１の出射断面１０７は、劈開面（cleaved-facet）または反射薄膜から構成されているが、利得媒質１０１の内側にある断面には、ｆａｂｒｙ-Ｐｅｒｏｔ共振構造による多波長発振を防ぐために、高品質の無反射の薄膜１０６の蒸着が必ず要求される。
【００１０】
図１では、反射鏡１０４は、機械装置により回折格子１０３に向かう角度が調節され、これによって反射鏡１０４は、反射鏡１０４に入射される波長のうち、垂直に入射される特定波長だけを回折格子１０３に反射させる。回折格子１０３に反射されて戻ってきたビームは、回折格子１０３によって再び回折され、平行光レンズ１０２を通してレーザダイオード１０１にまた戻る。
【００１１】
反射鏡が１０４ａの位置で回転し、１０４ｂの位置に変化するようになると、反射鏡１０４に垂直に入射したビームの種類が変化する。すなわち、一定波長の第１ビーム１０５ａが、１０４ａの位置の反射鏡に垂直に入射され、回折格子１０に反射されたが、鏡の回転によって反射鏡の位置が１０４ｂに変化すると、異なる波長の第２ビーム１０５ｂが反射鏡に垂直に入射され、回折格子１０３に反射されるようになる。結局、反射鏡１０４が配置される角度に応じて、利得媒質１０１に戻るビームの波長が変化し、反射鏡の角度によって波長が可変されるようになる。以上のように、Ｌｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ方式の外部共振器は、反射鏡の角度を調節して波長を可変させることが分かる。
【００１２】
一方、Ｌｉｔｔｒｏｗ方式の外部共振器は、回折格子の角度を調節して波長を可変させる。図２は、従来の技術に係るＬｉｔｔｒｏｗ方式の外部共振器を説明するための構造図である。
【００１３】
図２に示しているように、Ｌｉｔｔｒｏｗ方式の外部共振器は、Ｌｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ外部共振器の構成と類似している。但し、Ｌｉｔｔｒｏｗ方式の外部共振器は、反射鏡の角度を調節するのではなく、回折格子１０３の角度を調節して波長を可変させる。この時の発振波長は数式２の通りである。
［数式２］
Ｍλ＝２ｎｄｓｉｎα
（ここで、ｍ：回折次数、ｎ：媒体の屈折率、ｄ： 回折格子の周期、α：入射角[＝β:回折角]）
【００１４】
図１で説明したように、利得媒質１０１の出射断面１０７は、劈開面または反射薄膜から構成されているが、利得媒質１０１の内側にある断面には、Ｆａｂｒｙ-Ｐｅｒｏｔ共振構造による多波長発振を防ぐために、高品質の無反射の薄膜１０６の蒸着が必ず要求される。
【００１５】
また、上述のＬｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ外部共振器のように、回折次数と回折格子の周期とは、回折格子の製作時に決定されるため、特定波長で発振するためには、回折格子に注入される入射角の角度を変化させなければならない。
【００１６】
利得媒質１０１からビームが発生すると、平行光レンズ１０２によりビームが平行するように集められ、平行するように集められたビームのうち、回折格子１０３の角度によって特定波長を有するビームが回折され、平行光レンズ１０２を通して利得媒質１０１にまた戻るようになる。
【００１７】
結局、回折格子１０３が配置される角度に応じて、利得媒質１０１に戻るビームの波長が変化して共振波長が可変がされるようになる。
【００１８】
上述のように、従来のＬｉｔｔｍａｎ-ＭｅｔｃａｌｆまたはＬｉｔｔｒｏｗ方式の外部共振器可変レーザは、反射鏡または回折格子を機械的に回転させて角度を調節し、特定波長のビームを選択する。したがって、反射鏡または回折格子を機械的に精密に回転させなければならないため、レーザの安定度が低下し、外部振動に弱く、体積が大きく、パッケージングの際に複数の光学部品が用いられ光学的整列が容易ではないため、製作単価が高くなるという問題があった。
【００１９】
また、他の従来の波長可変光源として、ＳＧＤＢＲ（sampled-grating distributed Bragg reflector）及びＳＳＤＢＲ（superstructure distributed Bragg reflector）などがある。
【００２０】
図３は、従来の技術に係るＳＧＤＢＲ方式の波長可変半導体レーザの断面を示している。
【００２１】
ＳＧＤＢＲ波長可変半導体レーザは、４つの入力注入電流制御部、すなわち利得部（gain section）、２つのＳＧＤＢＲ部及び位相制御部（Phase shift section）からなって、特定単一波長の動作条件の検索が難しいという欠点があった。
【００２２】
一方、図３の図面符号２０１は利得媒質（能動導波路）、２０２は受動導波路、２０３はＳＧＤＢＲ、２０４は無反射の薄膜、２０５は下部オーミック電極、２０６はオーミック層、２０７は上部オーミック電極をそれぞれ示している。
【００２３】
図４は、従来の半導体装置の放物線型の反射鏡の平面図である。
【００２４】
図４に示しているように、光ファイバから入射されるビームは、入力受動導波路３０２に送信され、スラブ（slab）導波路３０１で放射角θ程度の大きさで広がるようになる。広がったビームは、ＲＩＥ（reactive ion-etching）でエッチングされた放物線型の全反射反射鏡（RIE-etched parabolic TIR（total internal reflection）-mirror）３０４によって、ｘ方向に平行な方向へと反射されるようになり平行光３０７となる。この時、受動導波路３０２の屈折率と空気の屈折率の差によって、放物線型鏡はスネル法則により反射され、好ましくは、放物線型の反射鏡に入射角г３０６が臨界角度以上であれば、放物線型の反射鏡で全反射するようになり、反射鏡で発生する損失が最小化されるようになる。
【００２５】
図５Ａないし図５Ｃは、図４のＡ-Ａ′、Ｂ-Ｂ′及びＣ-Ｃ′に沿う半導体装置の放物線型の反射鏡の断面図である。
【００２６】
基板は、Ｓｉ、ＩｎＰ系、ＧａＡｓ系の半導体であり、基板上に下部クラッド層３１１、受動導波路コア層３１２、上部クラッド層３１３から構成されている。そして、入力受動導波路と放物線型全反射鏡とは、ＲＩＥを用いてエッチングして空気層３１４を形成する。
【００２７】
図６は、図４に示している従来の半導体装置の放物線型の反射鏡の平行光の生成原理を説明した図である。
【００２８】
図６に示しているように、焦点Ｆ（ａ，０）である放物線から入射するビームはどの入射角度でもｘ軸と平行したビームに反射されるようになる。一方、放物線は定義によれば、準線ｘ＝−ａに到達する距離と焦点Ｆ（ａ，０）に到達する距離とが、同じになる点の集合である。したがって、任意の直線であるｘ＝ｓへの焦点Ｆ（ａ，０）からの距離は、放物線の入射角度に関係なく常に同じであるため、反射されるビーム３０７は平行光であることが明確である。
【００２９】
しかし、このような放物線型の反射鏡において、入射ビームと出射される平行光との方向に９０゜の差があるため、製作の際にウェーハ上で集積度が低いという欠点があり、製作後に出射される平行光の位置を正確に認知することが難しいため、光ファイバまたはマイクロレンズと光学的配列をする場合においては容易ではないという欠点がある。また、出射される平行光の大きさは、入力受動導波路でスラブ導波路に進む放射角と焦点の大きさとだけで制御されるため、出射される平行光の大きさを任意で調整することに制約が伴う。さらに、スラブ導波路に進む放射角は、入力受動導波路の線間幅と受動導波路のコア層の厚さ及び屈折率に依存するため、同じ焦点の大きさを有する平行光レンズでも入力受動導波路の線間幅、受動導波路のコア層の厚さ及び屈折率の変化によって出射平行光の大きさが変わるという欠点がある。一般に、スラブ導波路のコア層の厚さ、屈折率及び入射受動導波路の線間幅は、物質成長、フォトリソグラフィ工程、ＲＩＥエッチング工程、ウェットエッチングなどの工程で短期間及び長期間にわたり僅かな変化があり、ウェーハ上でもある程度の不均一性を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３０】
そこで、本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、利得媒質と放物線導波路型の平行光レンズを単一集積し、連続して速い速度の波長可変が可能な放物線導波路型の平行光レンズ及びこれを含む波長可変外部共振レーザダイオードを提供することにある。
【００３１】
また、本発明の他の目的は、電気または熱的変化による屈折率の変化を通してビームの方向を可変させることによって、外部振動にも安定して動作できる放物線導波路型の平行光レンズ及びこれを含む波長可変外部共振レーザダイオードを提供することにある。
【００３２】
また、本発明の他の目的は、本発明は製作費を節減しながらも、優れた波長選択特性を有する放物線導波路型の平行光レンズ及びこれを含む波長可変外部共振レーザダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
上記目的を達成するため、発明の一実施の形態に係る波長可変外部共振レーザダイオードは、発散する光を平行光に補正するための平行光レンズと、前記平行光が進むスラブ導波路と、外部の電気的信号によって前記スラブ導波路を進むビームの進行経路上の媒体の屈折率を変化させ、前記ビームの進行方向を変化させるための光偏向器を含む。
【００３４】
すなわち、本発明に係る波長可変外部共振レーザダイオードは、既存のＬｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ方式の外部共振器及びＬｉｔｔｒｏｗ方式の外部共振器構造とは異なり、電気的信号によって光学的に動作する光偏向器が提供され、共振器構成要素の機械的な動きなしで電気信号によって発振波長を変化させるようになる。
【００３５】
本発明の一実施の形態に係る波長可変外部共振レーザダイオードは、従来のバルク（bulk）形状の平行光レンズの代わりに、放物線導波路型の平行光レンズを利得媒質と単一集積して、電気信号または熱的変化によってビームの方向を可変させる光偏向器と回折格子とを備える。
【００３６】
本発明の一実施の形態に係る半導体装置の平行光レンズは、外部から光を入射される入力導波路と、該入力導波路から送信された入射光を平行光に補正するための放物線導波路を含み、前記放物線導波路は前記入力導波路を通して入射される光の進行方向線を中心に対称的な放物線の形状で、前記放物線の焦点を通る対称軸と垂直である直線に極点部分を除去した形状を有するようになる。好ましくは、入力導波路の幅をテーパーリングさせることによって、入射導波路から放物線型導波路に伝播する時、放射角を大きくまたは小さくできる。
【００３７】
また、本発明に係る電気信号によって動作する可変光偏向器の一実施の形態は、ＩｎＰまたはＧａＡｓ系などのスラブ導波路を構成し、平面的には三角形状で部分的なｐ/ｎ接合をなしており、電流注入または電圧印加によるスラブ導波層のキャリア密度の変化または電光効果による屈折率の変化によって、この三角形状の可変光偏向器のスラブ導波路を通過するビームの方向を任意に調節できることを特徴とする。または、可変光偏向器は、ＩｎＰ、ＧａＡｓ系、シリカ系またはポリマ系などのスラブ導波路であり、ある程度の抵抗を有する金属を上部に平面的に三角形状に蒸着し、電気信号によって変化する温度による屈折率の変化を用いて、スラブ導波路を通過するビームの方向を任意に調節できることを特徴とする。
【００３８】
好ましくは、前記可変光偏向器は、波長の可変の範囲を拡大するためには、三角形と１８０゜方向に回転された三角形状の光偏向器とを備えて、特定波長を中心に短波長及び長波長の波長に可変可能である。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、本発明の波長可変外部共振レーザダイオードは、利得媒質と放物線導波路型の平行光レンズとを単一集積し、速い速度の波長可変を可能にすることによって、モードホッピング（mode hopping）なしで連続した波長可変特性が要求される波長多重化システムの性能を向上させるという効果が得られる。
【００４０】
また、発振波長の変更を機械的な装置なしで行うことで、レーザダイオードの耐久性を向上させて、製造費用を節減するという効果を得ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
以下、本発明のもっとも好ましい実施の形態を添付する図面を参照して説明する。
【００４２】
（実施の形態１）
本実施の形態は、本発明の波長可変外部共振レーザダイオードに用いられる、進歩した構造の放物線導波路型の平行光レンズに関する。
【００４３】
図７は、本実施の形態に係る半導体装置の放物線導波路型の平行光レンズを示す平面図である。
【００４４】
図７に示しているように、入力受動導波路４０１と放物線導波路型の平行光レンズ４０２から構成されている。入力導波路の終端及び放物線導波路型の平行光レンズの入射端は、焦点Ｆ（ａ，０）に位置し、平行光レンズは入力導波路を中心に相互に対称的な一対の放物線導波路（ｙ２＝４ａｘ）から構成されている。この時、放物線導波路型の平行光レンズ４０２の初期の幅４０５は、４ａであり、出力端の幅４０６が平行光４０３の大きさを決定する。すなわち、“ａ”を放物線導波路の焦点距離とすると、ｙ２＝４ａｘの放物線形状を有する放物線導波路の焦点Ｆ（ａ，０）の位置で前記放物線導波路と入力導波路４０１とが接するようになり、前記放物線導波路は、幅が４ａになる地点で切断された形状に形成される。
【００４５】
図８Ａは、図７のＤ-Ｄ′及びＥ-Ｅ′に沿った半導体装置の放物線導波路型の平行光レンズの断面図である。図に示しているように、Ｓｉ、 ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ＩｎＰ系のような化合物半導体の基板上に下部クラッド層４１１、受動導波路コア層４１２、そして上部クラッド層４１３とから構成されており、一般的なフォトリソグラフィとＲＩＥエッチングを用いて、入力受動導波路４０１及び放物線導波路型の平行光レンズ４０２の製作が可能である。
【００４６】
図４の従来の技術と本発明の図７とを比較すると、本発明は入力導波路と出力導波路とが一直線に配置されており、ウェーハ上で製作する際、集積度を 非常に高めることができ、出力される平行光の大きさは、放物線の焦点と放物線の長さとで調節可能であるという利点がある。また、前記説明のように図４の従来の技術と比較すると、出射される平行光の位置と大きさとが正確に分かり、出射される平行光の大きさは入射受動導波路の線間幅とスラブ受動導波路層のコア層の厚さと組成に無関係であるため、均一性及び再現性の面で従来の技術に比べて優れたものであると判断できる。
【００４７】
しかし、図７において、入力受動導波路で放射するビームの中から放物線導波路型の平行光レンズに反射されない光（４０４ａ及び４０４ｂ）は、平行光になることができないという欠点がある。したがって、平行光になることができない部分が多ければ平行光レンズの面で、損失が大きくなるという欠点がある。
【００４８】
（実施の形態２）
図９は、図７の外部共振レーザダイオードの欠点を改善するための本実施の形態の平行光レンズを示すものであり、入力受動導波路に線間幅が狭まるテーパーリングされる受動導波路４１４を追加する概念図である。入力受動導波路の幅が狭まると、放物線導波路型の平行光レンズ４０３に伝播される時の放射角が大きくなるため、相対的に放物線導波路型の平行光レンズ４０３に反射されない光の比率が相対的に減少し損失を減らすことができる。
【００４９】
図１０Ａは、本発明に係る放物線導波路型の平行光レンズの光学写真を、図１１Ａないし図１１Ｃは、本発明に係る放物線導波路型の平行光レンズの近距離（near-field）像をそれぞれ示している。
【００５０】
製作された放物線導波路型の平行光レンズは、次のような方法から構成されている。すなわち、ｎ型ＩｎＰ基板にｎ型ＩｎＰ上部クラッド層、不純物がドーピングされなかったＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ＝１.２４μm、厚さ＝０.３５μm）受動導波路コア層、ドーピングされなかったＩｎＰ上部クラッド層を形成した後、一般的なフォトリソグラフィ工程とＲＩＥエッチング工程とを用いて、図１０のような入力受動導波路、テーパーリングされた入力導波路、放物線導波路型の平行光レンズとスラブ導波路とを製作した。製作された放物線導波路型の平行光レンズに光ファイバを用いて光を注入し、放物線導波路型の平行光レンズの出力端にＩＲ（infra-red）カメラを用いて近距離像（near-field image）を測定した。
【００５１】
図１１Ａないし図１１Ｃにおいて、スラブの長さの変化によって、空間的な多重モード（multi-mode）が発生しないことが分かり、相互に異なる長さを有するスラブ導波路を伝播しても、出力されるビームの大きさが大きく変わらないことから、相当平行光に出力されることが分かる。
【００５２】
（実施の形態３）
本実施の形態は、電気または熱的変化による屈折率の変化を通して、ビームの方向を可変にさせることのできる光偏向器を備えた波長可変外部共振レーザダイオードに関する。前記光偏向器に入射される平行光を生成するために、前記第１実施の形態の平行光レンズまたは第２実施の形態の平行光レンズを用いることが好ましいが、従来の技術に係るバルク型の平行光レンズ（または導波路と異なる屈折率を有する所定の媒体で埋められた平面形凸レンズと）を用いることができる。このうち、下記では最も動作品質が優れた第２実施の形態の平行光レンズを含む可変外部共振レーザダイオードで具体化して記述する。
【００５３】
図１２は、本実施の形態に係るＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の構造図である。
【００５４】
図１２に示しているように、本発明の波長可変外部共振レーザダイオードの基本構成は、広い波長帯域を有する利得媒質である能動導波路５０１とバットジョントで結合された受動導波路とから構成し、受動導波路に位相制御部５１０、線間幅がテーパーリングされる受動導波路５０２、放物線導波路型の平行光レンズ５０３、スラブ導波路５０４、三角形状の光偏向器（optical deflector）（５０５ａ及び５０５ｂ）、そして回折格子５０６から構成されている。
【００５５】
広い波長帯域を有する利得媒質から発生したビームは、放物線導波路型の平行光レンズ５０３で充分なビームの大きさを有する平行光に出力され、回折格子により回折された特定単一波長だけ能動導波路５０１にフィードバックされるため、能動導波路５０１の出射断面に特定波長が出力される。この時、スラブ地域にある光偏向器（５０５ａ及び５０５ｂ）から電気信号を注入すると、電気的または熱的変化により屈折率が変化するによってスネル法則によりビームが方向が変わる。したがって、回折格子に入射される入射角が変化することによって、出力される単一波長の波長が前記数式２から分かるように変化するようになる。
【００５６】
前記スラブ導波路５０４内の光偏向器（５０５ａ及び５０５ｂ）は、スラブ導波路内の一定領域にｐ/ｎ接合部位を形成することによって具現される。すなわち、ＩｎＰまたはＧａＡｓなどのようにスラブ導波路を形成できる化合物半導体を用いて形成されたスラブ導波路に平面的に一定の三角形状の部分だけにｐ/ｎ接合を有するようにし、ｐ/ｎ接合部位に印加される電圧や注入される電流によってスラブ導波層のキャリアの密度の変化または電気光学効果によって屈折率が変わるようになる。これで、スラブ導波路から進むビームがｐ/ｎ接合の三角形状部位を通過する時、ｐ/ｎ接合部位に印加される電圧または電流を用いてビームの屈折角を調節できる。この時、ｐ/ｎ接合部位に印加される電圧または電流によってスラブ導波層のキャリア密度変化またはＱＣＳＥ（Quantum Confined Stark Effect）のような電光効果により屈折率が変化するようになる。したがって、特定波長のビームがスラブ導波路５０４の断面に向かって垂直方向に屈折することができる。ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとで形成されたスラブ導波路の場合、キャリアの濃度を５×１０１８cm-３程度変化させると、屈折率を最大０.０５程度まで変化させることができるものと知られている。これによって、波長可変外部共振レーザダイオード構成のために必要である全ての部品を単一基板に集積化できる。また、前記光偏向器は、順方向及び逆方向の対から構成することもできる。
【００５７】
この時、波長可変外部共振レーザダイオードから出力される単一波長の出力線間幅とサイドモード抑制率（side mode suppression ratio: 以下、SMSRとする）は、ビームが回折格子に照明された面積、すなわち照明された回折格子の個数が多いほど狭い線間幅と大きいＳＭＳＲを有するため、放物線導波路型の平行光レンズの出力ビームサイズがある程度以上は大きくなければ良い特性を有することができない。
【００５８】
本発明において、好ましくは、回折格子の大きさを放物線導波路型の平行光レンズ５０３の出射面の大きさと同じようにし、放物線導波路型の平行光レンズ５０３に反射されず平行光にならない光５０９は、回折格子ではない壁面に反射されるため、再び放物線導波路型の平行光レンズに戻ってこないようにする。
【００５９】
以下、各構成部分の半導体工程に係る具体的な製造方法を説明する。
【００６０】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、図１２のＡ-Ａ′及びＢ-Ｂに沿うＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の断面図であり、図１３Ｃないし図１３Ｅは、図１２のＣ-Ｃ′、Ｄ-Ｄ′及びＥ-Ｅ′に沿うＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の断面図である。
【００６１】
本実施の形態に係るＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の製作方法は以下の通りである。まずｎ型ＩｎＰ基板上に、ｎ型またはドーピングされていないＩｎＰ下部クラッド層５１１、ドーピングされていないＩｎＧａＡｓＰ井戸/ＩｎＧａＡｓＰバリアの多重量子井戸構造（バンドギャップ＝１.５５μm）から構成された能動導波路のコア層５１２、ｐ型ＩｎＰクラッド層５１３とを順に積層した後、一般的なフォトリソグラフィとＲＩＥエッチングとを用いて、能動導波路領域を除外した受動導波路領域で能動導波路のコア層までエッチングした後、受動導波路のドーピングされていないＩｎＧａＡｓＰ（バンドギャップ＝１.２４μm）層５２１をバットジョントによって成長させる。次いで、全体的にｐ型ＩｎＰクラッド層（５１３及び５２２）とｐ型ＩｎＧａＡｓオーミック接触層５１４とを成長させる。
【００６２】
図１４Ａないし１４Ｃはバットジョント技法によって、能動導波路層５１２と受動導波路層５２１とを接続させる工程を示している。
【００６３】
図１４Ａは、パターンニングを工程を示しており、図１４Ｂは、ＲＩＥエッチング工程を示しており、図１４Ｃは、能動導波路層５２１を再成長させる工程を示している。示されたバットジョント技法は、当業系で自明であるためより詳細な説明は省略する。
【００６４】
すなわち、一般的なフォトリソグラフィとＲＩＥエッチング及びウェットエッチングとを用いて能動導波路は、シャロウリッジ（shallow ridge）型導波路パターンされるように形成し、受動導波路は、ディープリッジ（deep ridge）構造になるように形成する。最後に、上部電極５１５ａ及び下部金属電極５１５ｂを形成する。具現によっては、前記上部/下部電極の形成時に光偏向器電極５２４を共に形成させることができる。
【００６５】
一方、光偏向器での注入電流の漏れ電流を減らすために、受動導波路領域のクラッド層５１３の上部及び側壁に電流遮断層５２３を形成することが好ましい。
【００６６】
図１５は、光偏向器の断面図であり、電流遮断層を具備しない光偏向器で発生され得る漏れ電流を示している。
【００６７】
本特許の１つの特徴である波長を可変にするためには、三角形状の光偏向器に電流が注入され、この注入された電流が受動導波路のコア層５２１で拘束されて（上下部クラッド層をバンドギャップの差によって）媒体の屈折率が変化するようになる。しかし、図示されたように、注入された電流がｐ型ＩｎＰ上部クラッド層５２３を通過する時、垂直方向の直線に降りて行くのではなく、拡散によって横に広がっていく。
【００６８】
したがって、理想的には、三角形状の光偏向器だけに電流が注入されて（横に広がっていく現象はない）三角形状の下にある受動導波路のコア層だけ電流が注入されることが重要である。しかし、図示のように注入された電流が拡散によって横に広がるようになると、漏れ電流が増加し、屈折率が変化する界面が正確に三角形状ではないおそれがある。このようなｐ型上部クラッド層５２３の注入電流拡散現象を減らすためには、電流遮断層を設けることが好ましいことが分かる。
【００６９】
前記電流遮断層としてドーピングされていないＩｎＰ電流遮断層、半絶縁（semi-insulating）物質がドーピングされたＩｎＰ層またはイオン注入（ion implantation）が用いられ得る。
【００７０】
また、好ましくは、受動導波路のコア層の上部のクラッド層５２１は、電波損失を減らすためにドーピングされたＩｎＰ層または半絶縁（semi-insulating）物質がドーピングされたＩｎＰ層から構成することが波長可変外部共振レーザダイオード光源の出力光の強さの増加に有利である。
【００７１】
図１６は、インプラント工程で前記電流遮断層を形成する構造を示している。一般に、水素や酸素などをイオン注入を用いてｐ型クラッド層に注入し、ｐ型クラッド層の非抵抗を顕著に増加させてｐ型クラッド層の電流拡散を防ぐ方法は、広く用いられる方法であって、電流が注入される領域は、ＰＲ（photoresist）塗布によってイオン注入から保護されるため、イオンが注入される時、電流注入領域以外には、非抵抗の高い電流遮断層が形成される。この時、イオン注入で加速エネルギを調節すると基板上に侵入する深さを調節できる。
【００７２】
一方、図１７Ａないし図１７Ｃは、ドーピングされていないＩｎＰ層または半絶縁ＩｎＰ層を成長させ、前記電流遮断層を形成することを示しているが、当業系で広く用いられる光リソグラフィ（図１７Ａ）とＲＩＥエッチング（図１７Ｂ）及び再成長過程（図１７Ｃ）によって行うことができる。
【００７３】
図１８は、本実施の形態によって製作されたＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザにおける光偏向器の注入電流による波長可変特性を、図１９は、本実施の形態によって製作されたＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザにおける位相制御部の注入電流による連続した波長可変特性をそれぞれ示している。
【００７４】
まず、図１８に示しているように、光偏向器（５０５ａ及び５０５ｂ）の注入電流の変化によって本発明で提案した単一集積型Ｌｉｔｔｒｏｗ方式の波長可変外部共振レーザで単一波長が可変にされることが分かる。
【００７５】
また、図１９に示しているように、能動導波路５０１の注入電流と光偏向器（５０５ａ及び５０５ｂ）の注入電流を固定し、位相制御部（phase shift section）の注入電流の変化によって、０.０５ｎｍ程度の準連続的な波長の可変が可能であることを示している。また、発振する波長は、ＳＭＳＲが４０ｄＢ程度に非常に優れた特性を示している。
【００７６】
前記本実施の形態において、記述した能動導波路のコア層は、ＩｎＧａＡｓバルク構造を用いることも可能である。また、上述した受動導波路のコア層はＩｎＧａＡｓＰ井戸/ＩｎＧａＡｓＰバリアの多重量子井戸構造を用いることも可能である。
【００７７】
図２０は、本実施の形態に係るＬｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の構造図であり、図１２と同一符号は、同一名称を示している。全体的に製作方法や構造及び動作原理は、図１２の場合と類似しているが、ＲＩＥエッチングされた反射鏡５３１を備えていることが特徴である。この時、エッチングされた反射鏡に垂直に入射されるビームだけフィードバックされて特定単一波長だけ発振するようになる。
【００７８】
しかし、ＲＩＥエッチングされた断面が反射鏡の役割を果たし、入射されるビームは垂直に入射するため、全反射条件が満足できず反射鏡の損失が相対的に大きくなる。
【００７９】
本実施の形態において、ＲＩＥエッチングされた断面に高反射率が示すＡｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔなどのような金属を蒸着するか、誘電体薄膜を蒸着して９０％以上の高反射率の薄膜を追加することが出力特性の向上面では好ましい。
【００８０】
（実施の形態４）
本実施の形態は、前記第３実施の形態の波長可変外部共振レーザダイオード構造を、無反射の薄膜（５１４ａ及び５１４ｂ）を用いて利得媒質部分と波長可変部分とを分離して製作して集積する方法で製作できる波長可変外部共振レーザダイオードに関する。
【００８１】
図２１は、本実施の形態に係るＬｉｔｔｒｏｗ方式のハイブリッド集積型波長可変の外部共振レーザダイオード光源の構造図であり、図１２と同一符号は同一名称を示している。
【００８２】
図２１に示しているように、無反射の薄膜（５１４ａ及び５１４ｂ）を用いて利得媒質部分と波長可変部分とを分離して製作できることが分かる。詳細を説明すると、能動導波路５０１と放物線導波路形状の平行光レンズ５０３とが集積された部分とスラブ導波路５０４、光偏向器（５０５ａ、５０５ｂ）と回折格子５０６との構造で大きく２つの部分をそれぞれ製作した後、ハイブリッド集積型波長可変の外部共振レーザダイオードを具現できる。ハイブリッド集積型波長可変の外部共振レーザダイオードの利点は、利得媒質部分と波長可変部分とを分離して製作できるため、利得媒質の利点を有する物質系と波長可変特性が優れた物質系とにそれぞれ分離して製作できる。
【００８３】
図２２は、本実施の形態に係るＬｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ方式のハイブリッド集積型波長可変の外部共振レーザダイオード光源の構造図である。したがって、本実施の形態は図２０の構造と類似した構造を有する。
【００８４】
一方、前記利得媒質、位相制御部及び平行光レンズは、第１領域、前記スラブ導波路、光偏向器及び回折格子は第２領域に単一集積できる。また、前記利得媒質、位相制御部及び平行光レンズは、第１領域に単一集積され、前記スラブ導波路、光偏向器、反射鏡及び回折格子は、第２領域に単一集積される。
【００８５】
尚、本発明は、上記した本実施の形態に限られるものではなく、本発明の技術的思想から逸脱しない範囲内で多様に変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
【００８６】
例えば、上述の第１ないし第４実施の形態の基板は、ＩｎＰ系だけではなく、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系、 Ｓｉ系、ＬｉＮｂＯ３系など多様な媒体が用いられることができ、前記能動導波路の断面構造は、シャロウリッジ構造の代わりにＰＢＨ（planar buried heterostructure）またはＢＲＳ（buried ridge stripe）構造が採用され、前記能動導波路は、ＩｎＰ系だけではなく、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系、シリカ（ＳｉＯ２）または、エルビウムのような希土類元素がドーピングされたＳｉ系、希土類元素がドーピングされたポリマなど多様な媒体が用いられる。また、前記基板及び受動導波路は、ＩｎＰ系だけではなく、ＧａＡｓ系、ＧａＮ系、Ｓｉ系、ポリニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）など多様な媒体が用いられる。
【００８７】
一方、前記光偏向器の上部電極としてある程度の抵抗を有するタングステンのような金属を用いるようになると、注入電流による熱効果による屈折率の変化も可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】従来の技術に係るＬｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ方式の外部共振レーザダイオード光源の構造図である。
【図２】従来の技術に係るＬｉｔｔｒｏｗ方式の外部共振レーザダイオード光源の構造図である。
【図３】従来の技術に係るＳＧＤＢＲ（sampled grating distributed Bragg reflector）方式の波長可変半導体レーザの構造図である。
【図４】従来の技術に係る半導体装置の放物線型の反射鏡の平面図である。
【図５Ａ】図４のＡ-Ａ′、Ｂ-Ｂ′及びＣ-Ｃ′に沿う半導体装置の放物線型の反射鏡の断面図である。
【図５Ｂ】図４のＡ-Ａ′、Ｂ-Ｂ′及びＣ-Ｃ′に沿う半導体装置の放物線型の反射鏡の断面図である。
【図５Ｃ】図４のＡ-Ａ′、Ｂ-Ｂ′及びＣ-Ｃ′に沿う半導体装置の放物線型の反射鏡の断面図である。
【図６】従来の技術に係る半導体装置の放物線型の反射鏡の平行光形成の概念図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係る半導体装置の放物線導波路型の平行光レンズの平面図である。
【図８Ａ】図７のＤ-Ｄ′及びＥ-Ｅ′に沿う半導体装置の放物線導波路型の平行光レンズの断面図である。
【図８Ｂ】図７のＤ-Ｄ′及びＥ-Ｅ′に沿う半導体装置の放物線導波路型の平行光レンズの断面図である。
【図９】本発明の他の実施の形態に係るテーパーされた入射受動導波路を有する平行光レンズの構造図である。
【図１０】本発明に係る放物線導波路型の平行光レンズの光学写真である。
【図１１Ａ】本発明に係る放物線導波路型の平行光レンズの近距離像を示す図である。
【図１１Ｂ】本発明に係る放物線導波路型の平行光レンズの近距離像を示す図である。
【図１１Ｃ】本発明に係る放物線導波路型の平行光レンズの近距離像を示す図である。
【図１２】本発明の一実施の形態に係るＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の平面図である。
【図１３Ａ】図１２のＡ-Ａ′及びＢ-Ｂ′に沿うＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の断面図である。
【図１３Ｂ】図１２のＡ-Ａ′及びＢ-Ｂ′に沿うＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の断面図である。
【図１３Ｃ】図１２のＣ-Ｃ′、Ｄ-Ｄ′及びＥ-Ｅ′に沿うＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の断面図である。
【図１３Ｄ】図１２のＣ-Ｃ′、Ｄ-Ｄ′及びＥ-Ｅ′に沿うＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の断面図である。
【図１３Ｅ】図１２のＣ-Ｃ′、Ｄ-Ｄ′及びＥ-Ｅ′に沿うＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の断面図である。
【図１４Ａ】本発明の導波路層形成のためのバットジョント技法を示す断面図である。
【図１４Ｂ】本発明の導波路層形成のためのバットジョント技法を示す断面図である。
【図１４Ｃ】本発明の導波路層形成のためのバットジョント技法を示す断面図である。
【図１５】本発明の一実施の形態に係る光偏向器から発生可能な漏れ電流を示す断面図である。
【図１６】イオン注入（implant）工程により、図１５の漏れ電流を遮断する構造を示す断面図である。
【図１７Ａ】ドーピングされていないＩｎＰ層または半絶縁ＩｎＰ層を成長させて、図１５の漏れ電流を遮断する構造を示す断面図である。
【図１７Ｂ】ドーピングされていないＩｎＰ層または半絶縁ＩｎＰ層を成長させて、図１５の漏れ電流を遮断する構造を示す断面図である。
【図１７Ｃ】ドーピングされていないＩｎＰ層または半絶縁ＩｎＰ層を成長させて、図１５の漏れ電流を遮断する構造を示す断面図である。
【図１８】本発明の一実施の形態によって製作されたＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザで光偏向器の注入電流による波長可変特性である。
【図１９】本発明の一実施の形態によって製作されたＬｉｔｔｒｏｗ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザにおいて位相制御部の注入電流による連続した波長可変特性である。
【図２０】本発明の一実施の形態に係るＬｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ方式の単一集積型の波長可変外部共振レーザダイオード光源の構造図である。
【図２１】本発明の他の実施の形態に係るＬｉｔｔｒｏｗ方式のハイブリッド集積型波長可変の外部共振レーザダイオード光源の構造図である。
【図２２】本発明の他の実施の形態に係るＬｉｔｔｍａｎ-Ｍｅｔｃａｌｆ方式のハイブリッド集積型波長可変の外部共振レーザダイオード光源の構造図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０１      利得媒質（能動導波路）
１０２      平行光レンズ
１０３      回折格子
１０４ａ，１０４ｂ      反射鏡
４０１      入力受動導波路
４０２      平行光レンズ
４０３      平行光
４１４      テーパーリングされた入力受動導波路
５０５ａ，５０５ｂ      光偏向器
５０６      回折格子
５１０      位相制御部
５３１      ＲＩＥエッチングされた反射鏡
５１４ａ，５１４ｂ      無反射の薄膜
５５１      劈開面（cleaved-facet）
【図１】
2006339622.tif 000003
【図２】
2006339622.tif 000004
【図３】
2006339622.tif 000005
【図４】
2006339622.tif 000006
【図５Ａ】
2006339622.tif 000007
【図５Ｂ】
2006339622.tif 000008
【図５Ｃ】
2006339622.tif 000009
【図６】
2006339622.tif 000010
【図７】
2006339622.tif 000011
【図８Ａ】
2006339622.tif 000012
【図８Ｂ】
2006339622.tif 000013
【図９】
2006339622.tif 000014
【図１２】
2006339622.tif 000015
【図１３Ａ】
2006339622.tif 000016
【図１３Ｂ】
2006339622.tif 000017
【図１３Ｃ】
2006339622.tif 000018
【図１３Ｄ】
2006339622.tif 000019
【図１３Ｅ】
2006339622.tif 000020
【図１４Ａ】
2006339622.tif 000021
【図１４Ｂ】
2006339622.tif 000022
【図１４Ｃ】
2006339622.tif 000023
【図１５】
2006339622.tif 000024
【図１６】
2006339622.tif 000025
【図１７Ａ】
2006339622.tif 000026
【図１７Ｂ】
2006339622.tif 000027
【図１７Ｃ】
2006339622.tif 000028
【図１８】
2006339622.tif 000029
【図１９】
2006339622.tif 000030
【図２０】
2006339622.tif 000031
【図２１】
2006339622.tif 000032
【図２２】
2006339622.tif 000033
【図１０】
2006339622.tif 000034
【図１１Ａ】
2006339622.tif 000035
【図１１Ｂ】
2006339622.tif 000036
【図１１Ｃ】
2006339622.tif 000037