(57)【要約】【課題】リング共振器における光損失の増加を抑制しつつ、リング共振器の共振波長間隔（ＦＳＲ）を大きくすることが可能な半導体レーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子１Ａは、利得導波路を含む利得領域１０ａと、回折格子が形成された可変ＤＢＲ領域１０ｂと、利得領域１０ａを挟んで可変ＤＢＲ領域１０ｂと対向する光反射端面４ｂと、環状導波路及び光カプラを含む第１及び第２のリング共振器１０ｄ、１０ｆと、光反射端面４ｂに一端が光結合され所定の光軸方向に沿って延びる光導波路３とを備える。第１および第２のリング共振器１０ｄ，１０ｆは、光カプラを介してそれぞれ光導波路３と光学的に結合しており、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、利得領域１０ａ、及び光反射端面４ｂとで、レーザ共振器を構成する。第１のリング共振器１０ｄのＦＳＲと第２のリング共振器１０ｆのＦＳＲとは互いに異なる。【選択図】図１
2011222983.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
利得導波路を含む利得領域と、
回折格子が形成されたＤＢＲ領域と、
前記利得領域を挟んで前記ＤＢＲ領域と対向する光反射端面と、
第１の環状導波路及び第１の光カプラを含む第１のリング共振器と、
第２の環状導波路及び第２の光カプラを含む第２のリング共振器と、
前記光反射端面に一端が光結合され、所定の光軸方向に沿って延びる光導波路と
を備え、
前記第１及び第２のリング共振器は、前記第１及び第２の光カプラをそれぞれ介して前記光導波路と光学的に結合しており、
前記ＤＢＲ領域、前記利得領域、及び前記光反射端面とがレーザ共振器を構成し、
前記第１のリング共振器の共振波長間隔と、前記第２のリング共振器の共振波長間隔とが互いに異なることを特徴とする、半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記光導波路と前記第１の光カプラとは、前記第１のリング共振器の入射ポート、及び該入射ポートに対してスルーポート側に位置する出力ポートにおいて互いに結合されており、
前記光導波路と前記第２の光カプラとは、前記第２のリング共振器の入射ポート、及び該入射ポートに対してスルーポート側に位置する出力ポートにおいて互いに結合されており、
前記第１のリング共振器と前記第２のリング共振器とが、前記光導波路を介して、互いに直列に接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１のリング共振器の共振波長間隔が、前記第２のリング共振器の共振波長間隔の２倍以上であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第１のリング共振器の共振波長間隔λ１が、前記第２のリング共振器の共振波長間隔λ２の２ｎ倍（ｎは自然数）であることを特徴とする、請求項３に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第２のリング共振器の波長−透過率特性における複数のピーク波長λｐ２のうち、波長（λ２×２ｎ）置きに存在するピーク波長λｐ２と、前記第１のリング共振器の波長−透過率特性におけるピーク波長λｐ１との差がλ２／２以下であることを特徴とする、請求項４に記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の光カプラが多モード干渉カプラであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の光カプラにおいて、前記光導波路から前記第１又は第２の環状導波路への分岐比が、前記光導波路自体への分岐比より大きいことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記ＤＢＲ領域と前記光反射端面との間にさらに位相調整領域を備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記ＤＢＲ領域に形成された前記回折格子がチャープ回折格子であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体波長可変レーザが記載されている。この半導体波長可変レーザは、互いに異なる共振波長間隔（ＦＳＲ）を有する複数のリング共振器と、該複数のリング共振器に光結合されたゲイン領域とを備える。具体的には、ゲイン領域の両端がそれぞれ別個のリング共振器の入力ポートに光結合されており、これらのリング共振器のドロップポートは光出射端面に光結合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−０６６３１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
波長可変型の発光デバイスとして、上述した特許文献１に記載された半導体波長可変レーザのように、互いに異なるＦＳＲを有する複数のリング共振器によるバーニア効果を利用するものがある。しかしながら、バーニア効果を有効に得るためには、一方のリング共振器のＦＳＲを大きくする必要があるが、そのためにはリング状導波路の光路長を短くする必要があり、リング状導波路の曲げ半径が小さくなる。これにより曲げ損失が増大すると、当該リング共振器における光損失が著しく増加してしまう。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、リング共振器における光損失の増加を抑制しつつ、リング共振器のＦＳＲを大きくすることが可能な波長可変型の半導体レーザ装置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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明による半導体レーザ装置は、利得導波路を含む利得領域と、回折格子が形成されたＤＢＲ領域と、利得領域を挟んでＤＢＲ領域と対向する光反射端面と、第１の環状導波路及び第１の光カプラを含む第１のリング共振器と、第２の環状導波路及び第２の光カプラを含む第２のリング共振器と、光反射端面に一端が光結合され、所定の光軸方向に沿って延びる光導波路とを備える。第１及び第２のリング共振器は、第１及び第２の光カプラをそれぞれ介して光導波路と光学的に結合しており、ＤＢＲ領域、利得領域、及び光反射端面とがレーザ共振器を構成する。また、第１のリング共振器の共振波長間隔（ＦＳＲ）と、第２のリング共振器の共振波長間隔（ＦＳＲ）とが互いに異なることを特徴とする。
【０００７】
また、半導体レーザ装置は、光導波路と第１の光カプラとは、第１のリング共振器の入射ポート、及び該入射ポートに対してスルーポート側に位置する出力ポートにおいて互いに結合されており、光導波路と第２の光カプラとは、第２のリング共振器の入射ポート、及び該入射ポートに対してスルーポート側に位置する出力ポートにおいて互いに結合されており、第１のリング共振器と第２のリング共振器とが、光導波路を介して、互いに直列に接続されていることを特徴としてもよい。
【０００８】
この半導体レーザ装置においては、光出射端面に一端が光結合され、所定の光軸方向に沿って延びる光導波路に、第１、第２の環状導波路が第１及び第２の光カプラを介して、それぞれ結合されることによって構成されている。リング共振器には一つの入力ポートに対して二種類の出力ポート（ドロップポート及びスルーポート）が存在するが、この半導体レーザ装置では、光導波路と第１の光カプラ及び第２の光カプラとが、それぞれ、第１のリング共振器及び第２のリング共振器の入射ポートと、該入射ポートに対してスルーポート側に位置する出力ポートにおいて互いに結合され、第１のリング共振器と第２のリング共振器とが、光導波路を介して、互いに直列に接続されている。したがって、各リング共振器のスルーポートから出力される光が光導波路内を伝搬し、光導波路に光結合された利得領域で増幅されるとともに、ＤＢＲ領域及び光反射端面によって反射されることでレーザ発振が生じる。この場合、光導波路によって結合されたＤＢＲ領域、利得領域、及び光反射端面とでレーザ共振器が構成される。回折格子が形成されたＤＢＲ領域は、レーザ共振器の一方の反射ミラーとして機能し、光反射端面は、他方の反射ミラーとして機能する。
【０００９】
スルーポートから出力される光は、ドロップポートから出力される光と比較して、環状導波路の曲げ損失による影響が小さい。このことから、リング状導波路の曲率半径を小さくしても、リング共振器の光損失の影響を低減することができる。すなわち、上記半導体レーザ装置によれば、リング状導波路の長さを、より短くすることが可能である。この結果、リング共振器のＦＳＲを大きくすることができる。すなわち、リング共振器における光損失の増加を抑制しつつ、リング共振器のＦＳＲを大きくすることが可能となる。
【００１０】
また、リング共振器から出力される光の波長−透過率特性は、一定の周期でピーク（山）とボトム（谷）とを繰り返す波形となる。上述した半導体レーザ装置では、波長−透過率特性の繰り返し周期（すなわちＦＳＲ）が互いに異なる第１及び第２のリング共振器が直列に設けられているので、これらの波長−透過率特性が重ね合わされ、より鋭いピーク波形を有する波長−透過率特性を得ることができる。したがって、レーザ光の発振波長幅（スペクトル幅）がより狭い、単一波長のレーザ光を得ることができる。
【００１１】
また、半導体レーザ装置は、第１のリング共振器の共振波長間隔(ＦＳＲ)が、第２のリング共振器の共振波長間隔(ＦＳＲ)の２倍以上であることが好ましい。更に、第１のリング共振器の共振波長間隔λ１が、第２のリング共振器の共振波長間隔λ２の２ｎ倍（ｎは自然数）であることが尚好ましい。これにより、第１及び第２のリング共振器の波長−透過率特性の透過ピーク波長を適切に重ね合わせ、鋭いピーク波形を得ることができる。特に、第２のリング共振器の波長−透過率特性における複数のピーク波長λｐ２のうち、波長（λ２×２ｎ）置きに存在するピーク波長λｐ２と、第１のリング共振器の波長−透過率特性におけるピーク波長λｐ１との差がλ２／２以下であれば、第１，第２のリング共振器それぞれの波長−透過率特性におけるピークが互いに効果的に重なり合い、より鋭いピーク波形を得ることができる。
【００１２】
また、半導体レーザ装置は、第１及び第２の光カプラが多モード干渉カプラであることが好ましい。
【００１３】
また、半導体レーザ装置は、第１及び第２の光カプラにおいて、光導波路から第１又は第２の環状導波路への分岐比が、光導波路自体への分岐比より大きいことを特徴としてもよい。これにより、第１及び第２のリング共振器それぞれの波長−透過率特性におけるピーク及びボトムを良好に形成できる。
【００１４】
また、半導体レーザ装置は、ＤＢＲ領域と光反射端面との間にさらに位相調整領域を備えることを特徴としてもよい。また、ＤＢＲ領域に形成された回折格子がチャープ回折格子であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明による別の半導体レーザ装置は、利得導波路を含み、光出射端面から光反射端面まで延びる光導波路と、利得導波路を除く光導波路の一部と光カプラを介して結合された第１の環状導波路を含む第１のリング共振器と、利得導波路を除く光導波路の一部と光カプラを介して結合された第２の環状導波路を含む第２のリング共振器とを備え、第１のリング共振器の波長−透過率特性の繰り返し周期と、第２のリング共振器の波長−透過率特性の繰り返し周期とが互いに異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る半導体レーザ装置によれば、リング共振器における光損失の増加を抑制しつつ、リング共振器のＦＳＲを大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明に係る半導体レーザ装置の一実施形態として、半導体レーザ素子の構成を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示した半導体レーザ素子のII−II線に沿った側断面図である。
【図３】図３（ａ）は、図２に示す半導体レーザ素子のIIIａ−IIIａ線に沿った断面図であり、利得領域及び増幅領域の構造を示している。図３（ｂ）は、図２に示す半導体レーザ素子のIIIｂ−IIIｂ線に沿った断面図であり、可変ＤＢＲ領域の構造を示している。
【図４】図４（ａ）は、利得領域の発光スペクトルの一例を示すグラフである。図４（ｂ）は、複数のアノード電極の一つから光導波層及び回折格子層へ電流を供給した場合における、可変ＤＢＲ領域の反射スペクトルの一例を示すグラフである。
【図５】図５は、半導体レーザ素子のＶ−Ｖ線に沿った断面図であり、第１及び第２のリング共振器領域並びに位相調整領域の構造を示している。
【図６】図６は、第１及び第２のリング共振器領域の光導波層の平面形状を拡大して示す図である。
【図７】図７は、半導体レーザ素子を動作させるための制御回路構成を示す図である。
【図８】図８（ａ）は、第１及び第２のリング共振器領域のそれぞれが有するリング共振器の透過スペクトル特性の一例を示すグラフである。図８（ｂ）は、合成された透過スペクトル特性を示すグラフである。
【図９】図９（ａ）は第１及び第２のリング共振器領域による合成透過スペクトル特性を示している。図９（ｂ）は可変ＤＢＲ領域における波長−反射率特性を示している。
【図１０】図１０は、数式（１）及び（２）のΔＩｄと透過ピーク波長との関係を示すグラフの一例である。
【図１１】図１１（ａ）は、第１及び第２のリング共振器領域のそれぞれが有するリング共振器の透過スペクトル特性の他の例を示すグラフである。図１１（ｂ）は、合成された透過スペクトル特性を示すグラフである。
【図１２】図１２（ａ）は、光カプラの結合長Ｌと、クロス側およびスルー側それぞれの規格化された光強度との関係を示すグラフである。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のグラフを作成する際の光カプラのモデルを示している。
【図１３】図１３は、分岐比が（スルー側：クロス側）＝（０．４９：０．４９）である場合における、合成透過スペクトル特性を示すグラフである。
【図１４】図１４は、分岐比が（スルー側：クロス側）＝（０．７：０．２）である場合における、合成透過スペクトル特性を示すグラフである。
【図１５】図１５は、分岐比が（スルー側：クロス側）＝（０．０２：０．８６）といったように、スルー側の分岐比が極めて小さい場合における、合成透過スペクトル特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しながら本発明による半導体レーザ装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１９】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る半導体レーザ装置の一実施形態として、半導体レーザ素子１Ａの構成を示す平面図である。また、図２は、図１に示した半導体レーザ素子１ＡのII−II線に沿った側断面図である。半導体レーザ素子１Ａは、いわゆる波長可変型の半導体レーザ素子であり、任意の波長のレーザ光を発生する。
【００２０】
図１及び図２を参照すると、半導体レーザ素子１Ａは、利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、増幅領域１０ｃ、第１のリング共振器領域１０ｄ、位相調整領域（位相調整部）１０ｅ、及び第２のリング共振器領域１０ｆを含んでいる。これらの領域１０ａ〜１０ｆは、図２に示すように互いに共通の半導体基板８上に形成されており、所定の光導波方向に並んで設けられている。なお、これらの領域１０ａ〜１０ｆの並び順については特に制約はなく、図１に示した並び順以外にも多様な順序が可能である。また、半導体レーザ素子１Ａは、光出射端面４ａから光反射端面４ｂまで直線状に延びる光導波路３を備えている。光導波方向における半導体レーザ素子１Ａの好適な長さは、例えば１５００μｍである。
【００２１】
半導体基板８は、例えばｎ型ＩｎＰから成り、半導体レーザ素子１Ａにおいて下部クラッドとして機能する。半導体基板８の裏面側には、後述するカソード電極９を挟んで冷却構造物３０が設けられている。冷却構造物３０は、例えばヒートシンクとして機能する一対の金属板と、該一対の金属板間に設けられて熱の移動を行うペルチェ素子とを含んで構成され、半導体基板８及びその主面上の積層構造の温度を一定に維持する。
【００２２】
図３（ａ）は、図２に示される半導体レーザ素子１ＡのIIIａ−IIIａ線に沿った断面図であり、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの構造を示している。また、図３（ｂ）は、図２に示される半導体レーザ素子１ＡのIIIｂ−IIIｂ線に沿った断面図であり、可変ＤＢＲ領域１０ｂの構造を示している。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、冷却構造物３０（図２）の図示を省略している。
【００２３】
図２及び図３（ａ）に示すように、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃは、半導体基板８上に設けられた光導波層１１０と、光導波層１１０上に設けられた上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３とを備えている。光導波層１１０は、図１に示した光導波路３の一部を構成しており、特に利得領域１０ａの光導波層１１０は、本実施形態における利得導波路に相当する。光導波層１１０は、半導体基板８よりバンドギャップ波長が長い（すなわちバンドギャップが小さい）半導体によって構成され、半導体基板８の主面に沿った光導波方向に延在している。光導波層１１０は、例えば半導体基板８上に設けられた下部光閉じ込め層と、下部光閉じ込め層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた上部光閉じ込め層とを含んで構成される。
【００２４】
一実施例では、下部光閉じ込め層及び上部光閉じ込め層はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、活性層はＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。活性層の組成は、例えば１．５２μｍ〜１．５７μｍの光を発生（または増幅）するように調整される。ここで、図４（ａ）は、利得領域１０ａの発光スペクトルの一例を示すグラフである。図４（ａ）において、縦軸は光強度を示し、横軸は波長を示している。図４（ａ）に示すように、利得領域１０ａは比較的広い波長域にわたって光を発生させる。光導波層１１０の厚さは、例えば０．３μｍである。
【００２５】
また、上部クラッド層１１２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１１３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３の厚さは、例えばそれぞれ２μｍ及び０．２μｍである。
【００２６】
光導波層１１０、上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３は、半導体基板８上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している（図３（ａ）を参照）。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、例えば１．５μｍである。そして、このストライプメサ構造の両側面には、半絶縁性領域１０２が設けられている。半絶縁性領域１０２は、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁性領域１０２は、半導体基板８のうち上記ストライプメサ構造を除いた領域上に設けられており、上記ストライプメサ構造の両側面を埋め込んでいる。
【００２７】
利得領域１０ａのコンタクト層１１３上にはアノード電極１１４が設けられており、増幅領域１０ｃのコンタクト層１１３上にはアノード電極１１５が設けられている。アノード電極１１４及び１１５は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１１３との間でオーミック接触を実現する。また、半導体基板８の裏面上には、カソード電極９が設けられている。カソード電極９は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板８との間でオーミック接触を実現する。アノード電極１１４及び１１５とカソード電極９とは、協働して光導波層１１０に電流を注入する。なお、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの上面のうちアノード電極１１４，１１５を除く領域は、例えばＳｉＯ２から成る絶縁膜１１によって保護されている。絶縁膜１１の厚さは、例えば０．３５μｍである。
【００２８】
図１及び図２に示すように、光導波方向における増幅領域１０ｃの端面（すなわち半導体レーザ素子１Ａの光出射端面４ａ）には、反射防止（ＡＲ：Anti Reflection）膜１０５が設けられている。このＡＲ膜１０５の反射率は、例えば０．１％である。
【００２９】
図２及び図３（ｂ）に示すように、可変ＤＢＲ領域１０ｂは、利得領域１０ａの光導波層１１０の一端側に設けられており、後述するように可変ＤＢＲ領域１０ｂ内に設けられた回折格子の周期で決定される反射帯域および波長−反射率特性を有する。可変ＤＢＲ領域１０ｂは、半導体基板８上に設けられた光導波層１２０と、光導波層１２０上に設けられた回折格子層１２１、上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３とを備えている。光導波層１２０は、図１に示した光導波路３の一部を構成する。光導波層１２０のバンドギャップ波長は、利得領域１０ａの活性層のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３μｍ以下である。この光導波層１２０は、カソード電極９とアノード電極１２４との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。光導波層１２０は、半導体基板８よりバンドギャップ波長が長い半導体によって構成され、半導体基板８の主面に沿った光導波方向に延在し、その一端は利得領域１０ａの光導波層１１０に結合され、他端は増幅領域１０ｃの光導波層１１０に結合されている。
【００３０】
回折格子層１２１は、光導波層１２０に沿って設けられる。本実施形態では、回折格子層１２１は光導波層１２０の直上に設けられている。光導波層１２０を中心として光を効果的に閉じ込める為に、回折格子層１２１のバンドギャップ波長は、光導波層１２０のバンドギャップ波長より短いことが好ましく、例えば１．２μｍである。
【００３１】
回折格子層１２１と上部クラッド層１２２との界面には、回折格子１２１ａ（図２を参照）が形成されている。回折格子１２１ａは、光導波層１２０に沿って形成されており、その格子間隔が光導波層１２０の光導波方向に変化する、いわゆるチャープ回折格子である。
【００３２】
一実施例では、光導波層１２０及び回折格子層１２１はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、光導波層１２０及び回折格子層１２１の厚さは、例えばそれぞれ０．３μｍ、５０ｎｍである。また、上部クラッド層１２２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１２３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３の厚さは、例えばそれぞれ２μｍ及び０．２μｍである。
【００３３】
光導波層１２０、上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの光導波層１１０等と同様、半導体基板８上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している（図３（ｂ）を参照）。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃのストライプメサ構造と同じである。そして、このストライプメサ構造の両側面は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃと共通の半絶縁性領域１０２によって埋め込まれている。
【００３４】
コンタクト層１２３上には、複数のアノード電極１２４が設けられている。複数のアノード電極１２４は、コンタクト層１２３上において、互いに所定の間隔をあけて光導波方向に並設されている。複数のアノード電極１２４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１２３との間でオーミック接触を実現する。各アノード電極１２４は、半導体基板８の裏面上に設けられたカソード電極９と協働して、各アノード電極１２４に対応する光導波層１２０の部分に電流を注入する。なお、可変ＤＢＲ領域１０ｂの上面のうち複数のアノード電極１２４を除く領域は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃと共通の絶縁膜１１によって保護されている。
【００３５】
図４（ｂ）に示すグラフＧ１は、複数のアノード電極１２４の一つから光導波層１２０及び回折格子層１２１へ電流を供給した場合における、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射スペクトルの一例を示すグラフである。図４（ｂ）の縦軸は反射率、横軸は波長である。なお、図４（ｂ）に破線で表されたグラフＧ２は、複数のアノード電極１２４の何れにも電流が供給されない場合を示している。
【００３６】
複数のアノード電極１２４の一つに電流が供給されると、当該アノード電極１２４の直下における光導波層１２０及び回折格子層１２１への電流注入により、屈折率が小さくなるため、回折格子の反射率ピークが短波長側に変化する。また、屈折率が変化しない他の部分では、回折格子１２１ａの反射波長は変化しない。したがって、図４（ｂ）に示すように、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射スペクトルにおいては、電流が供給されたアノード電極１２４の直下に位置する回折格子１２１ａの格子間隔に対応する波長域（図中のＡ部分）の反射率が選択的に高くなる。本実施形態では複数のアノード電極１２４のそれぞれに独立して電流を流すことができるので、任意の一つのアノード電極１２４に電流を流すことにより、所望の波長域での反射率を高め、レーザ発振波長を当該波長域内に制限することができる。なお、同時に電流が供給されるアノード電極１２４は一つとは限らず、二つ以上のアノード電極１２４に電流が供給されてもよい。
【００３７】
続いて、図１，図２及び図５を参照して、半導体レーザ素子１Ａが有する第１のリング共振器領域１０ｄ、位相調整領域１０ｅ、及び第２のリング共振器領域１０ｆの構成について説明する。図５は、半導体レーザ素子１ＡのＶ−Ｖ線に沿った断面図であり、リング共振器領域１０ｄ及び１０ｆ、並びに位相調整領域１０ｅに共通する構造を示している。なお、図５においても、冷却構造物３０（図２）の図示を省略している。
【００３８】
第１及び第２のリング共振器領域１０ｄ及び１０ｆは、利得領域１０ａの光導波層１１０の他端側において互いに直列に設けられており、それぞれ所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有する。位相調整領域１０ｅは、光導波路３の光路長を能動的に制御するための領域であり、第１のリング共振器領域１０ｄと第２のリング共振器領域１０ｆとの間に設けられている。
【００３９】
リング共振器領域１０ｄ，１０ｆ及び位相調整領域１０ｅは、図５に示すように、半導体基板８上に順に積層された、光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３を有する。更に、リング共振器領域１０ｄ，１０ｆはそれぞれアノード電極１３４，１３８を有し、位相調整領域１０ｅはアノード電極１３５を有する。なお、半導体基板８の裏面上に設けられたカソード電極９は、リング共振器領域１０ｄ，１０ｆ及び位相調整領域１０ｅのカソード電極としても使用される。また、光導波層１３１と上部クラッド層１３２との間には、可変ＤＢＲ領域１０ｂの回折格子層１２１と同じ組成の半導体層１３６が存在しているが、この半導体層１３６と上部クラッド層１３２との界面は平坦であり、回折格子は形成されていない。
【００４０】
光導波層１３１は、半導体基板８の主面上に設けられ、リング共振器領域１０ｄ，１０ｆ及び位相調整領域１０ｅにおける光導波路として機能し、半導体レーザ素子１Ａの光導波路３の一部を構成している。リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１の一端は、利得領域１０ａの光導波層１１０と光学的に結合されている。位相調整領域１０ｅの光導波層１３１の一端は、リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１の他端と光学的に結合されている。リング共振器領域１０ｆの光導波層１３１の一端は、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１の他端と光学的に結合されている。これらの光導波層１３１は、カソード電極９とアノード電極１３４，１３５又は１３８との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。
【００４１】
図１及び図２に示すように、光導波方向におけるリング共振器領域１０ｆの端面（すなわち半導体レーザ素子１Ａの光反射端面４ｂ）には、高反射（ＨＲ：High Reflection）膜１０６が設けられている。このＨＲ膜１０６の反射率は、例えば９０％以上である。リング共振器領域１０ｆの光導波層１３１の他端は、このＨＲ膜１０６と光学的に結合されている。
【００４２】
一実施例では、光導波層１３１及び半導体層１３６はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、これらの厚さは、例えばそれぞれ０．３μｍ、５０ｎｍである。光導波層１３１のバンドギャップ波長は、利得領域１０ａの活性層のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３μｍ以下である。また、上部クラッド層１３２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１３３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１３２及びコンタクト層１３３の厚さは、例えばそれぞれ２μｍ及び０．２μｍである。
【００４３】
光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３は、光導波に適した幅にエッチングされてメサ構造を呈している。そして、その上面及び両側面は、例えばＳｉＯ２から成る絶縁膜１３によって保護されている。絶縁膜１３は、このメサ構造の両側面から半導体基板８の主面上にわたって設けられている。絶縁膜１３の膜厚は、例えば０．３５μｍである。
【００４４】
絶縁膜１３上には、メサ構造の両側面に沿って樹脂層１５が設けられている。樹脂層１５は、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂から成り、その層厚は例えば１μｍ〜２μｍである。
【００４５】
アノード電極１３４、１３５及び１３８は、コンタクト層１３３上に設けられており、例えばＡｕＺｎを含んで構成され、コンタクト層１３３との間でオーミック接触を実現する。アノード電極１３４、１３５及び１３８は、カソード電極９と協働して、それぞれリング共振器領域１０ｄ、位相調整領域１０ｅ、リング共振器領域１０ｆの各光導波層１３１に電流を注入する。
【００４６】
位相調整領域１０ｅの光導波層１３１は、カソード電極９とアノード電極１３５との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。この光導波層１３１の屈折率変化により、位相調整領域１０ｅにおける光路長が変化し、ひいては半導体レーザ素子１Ａの光導波路３全体の共振器長が変化する。したがって、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１への電流注入量を調節することで、半導体レーザ素子１Ａの縦モードを調整することができる。
【００４７】
図６は、リング共振器領域１０ｄ及び１０ｆの光導波層１３１の平面形状を拡大して示す図である。リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１は、光導波路３の一部を構成する直線状の導波路部分１３１ａと、該導波路部分１３１ａと光カプラ１３１ｂを介して結合された環状導波路部分（第１の環状導波路）１３１ｃとを含む。同様に、リング共振器領域１０ｆの光導波層１３１は、光導波路３の別の一部を構成する直線状の導波路部分１３１ｄと、該導波路部分１３１ｄと光カプラ１３１ｅを介して結合された環状導波路部分（第２の環状導波路）１３１ｆとを含む。光カプラ１３１ｂ及び１３１ｅは、例えば多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラによって好適に実現される。
【００４８】
このように、リング共振器領域１０ｄ及び１０ｆのリング共振器は、半導体レーザ素子１Ａの光出射端面４ａから光反射端面４ｂまで延びる光導波路３の一部に、環状導波路部分１３１ｃ，１３１ｆがそれぞれ結合されることによって構成されている。リング共振器には一つの入力ポートに対して二種類の出力ポート（ドロップポート及びスルーポート）が存在するが、この半導体レーザ素子１Ａでは、光導波路３が各リング共振器の入力ポート及びスルーポートを構成する。したがって、各リング共振器のスルーポートから出力される光が、光導波路３の内部を共振することとなる。すなわち、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａは、リング共振器領域１０ｄ及び１０ｆの各リング共振器のスルーポートが互いに直列に接続された構成を備えている。各リング共振器では、透過スペクトルが所定の波長間隔（共振波長間隔、ＦＳＲ）でもって周期的に変化し、離散的な透過率ピーク波長を有する波長−透過率特性が実現される。
【００４９】
また、リング共振器領域１０ｄの環状導波路部分１３１ｃの一周当たりの光路長と、リング共振器領域１０ｆの環状導波路部分１３１ｃの一周当たりの光路長とは互いに異なっている。これにより、リング共振器領域１０ｄのリング共振器の波長−透過率特性の繰り返し周期（ＦＳＲ）と、リング共振器領域１０ｆのリング共振器の波長−透過率特性の繰り返し周期（ＦＳＲ）とが互いに異なっている。本実施形態では、図６に示すように環状導波路部分１３１ｃの光路長が環状導波路部分１３１ｆの光路長より短い。これにより、リング共振器領域１０ｄのリング共振器のＦＳＲが、リング共振器領域１０ｆのリング共振器のＦＳＲより大きい。
【００５０】
また、リング共振器領域１０ｄ，１０ｆの各リング共振器の透過ピーク波長は、カソード電極９とアノード電極１３４，１３８との間に流れる電流の大きさに応じて光導波層１３１の屈折率が変化することによってシフトする。
【００５１】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ａの動作について説明する。図７は、半導体レーザ素子１Ａを動作させるための制御回路構成を示す図である。図７に示すように、半導体レーザ素子１Ａは、増幅制御回路８１、ＤＢＲ制御回路８２、利得制御回路８３、第１のリング共振器制御回路８４、位相制御回路８５、及び第２のリング共振器制御回路８６によって駆動される。
【００５２】
増幅制御回路８１は、増幅領域１０ｃのアノード電極１１５とカソード電極９との間に電流を供給するとともに、所望の大きさのレーザ光出力を得るために該電流量を調整するための回路である。ＤＢＲ制御回路８２は、複数のアノード電極１２４のいずれか一つ、或いは二つ以上を選択してカソード電極９との間に電流を供給し、所望の波長域での反射率を高め、レーザ発振波長を当該波長域内に制限する。利得制御回路８３は、利得領域１０ａのアノード電極１１４とカソード電極９とを介して利得導波路に電流を供給し、光を発生させる。第１のリング共振器制御回路８４は、アノード電極１３４とカソード電極９との間に電流を供給するとともに、該電流量を調整することにより、リング共振器領域１０ｄのリング共振器の透過ピーク波長を好適な波長にシフトさせる。同様に、第２のリング共振器制御回路８６は、アノード電極１３８とカソード電極９との間に電流を供給するとともに、該電流量を調整することにより、リング共振器領域１０ｆのリング共振器の透過ピーク波長を好適な波長にシフトさせる。位相制御回路８５は、アノード電極１３５とカソード電極９との間に電流を供給するとともに、該電流量を調整することにより、位相調整領域１０ｅにおける光路長を変化させ、半導体レーザ素子１Ａの発振波長（縦モード）を調整する。なお、上記回路８１〜８６から供給される電流の大きさは、レーザ発振波長に応じて予め定められる。
【００５３】
利得領域１０ａに電流が供給されると、利得導波路（利得領域１０ａの光導波層１１０）において光が発生する。この光は、光導波路３内部を導波し、光反射端面４ｂと、利得領域１０ａと、ＤＢＲ領域１０ｂとで構成されるレーザ共振器内を往復する。利得領域１０ａに発振しきい値電流以上の電流を注入することで、レーザ発振が得られる。レーザ光の一部は、可変ＤＢＲ領域１０ｂを通過し、増幅領域１０ｃにおいて所望の強度に増幅されたのち、光出射端面４ａからＡＲ膜１０５を通って出力される。
【００５４】
ここで、図８（ａ）は、リング共振器領域１０ｄ及び１０ｆのそれぞれが有するリング共振器の透過スペクトル特性の一例を示すグラフである。図８（ａ）において、グラフＧ３は第１のリング共振器領域１０ｄの透過スペクトル特性であり、グラフＧ４は第２のリング共振器領域１０ｆの透過スペクトル特性である。図８（ａ）において、縦軸は光損失（光透過率）を示し、横軸は波長を示している。なお、図８（ａ）に示した透過スペクトル特性を実現するためのリング共振器領域１０ｄ，１０ｆのカプラ分岐比（スルー側：クロス側）、結合長（図６に示した長さＬ）、曲げ半径（図６に示した半径Ｒ）、リング一周当たりの光減衰率、光導波層１３１の屈折率、ＦＳＲ、及び初期電流は、以下の表１のとおりである。なお、リング一周当たりの光減衰率は、損失がないときを１として表している。
【表１】
2011222983.tif 000003
【００５５】
本実施形態では、各リング共振器のスルーポートを通過した光を利用するため、図８（ａ）に示すように、各リング共振器の波長−透過率特性におけるピーク波形の半値幅が比較的大きくなる。
【００５６】
また、前述したように、リング共振器領域１０ｄのリング共振器のＦＳＲは、リング共振器領域１０ｆのリング共振器のＦＳＲより大きい。図８（ａ）に示した例では、リング共振器領域１０ｄ（グラフＧ３）のＦＳＲは、リング共振器領域１０ｆ（グラフＧ４）のＦＳＲの４倍となっている。そして、本実施形態では、これらのリング共振器が光導波路３において直列に配置されており、光導波路３を共振する光に対し、リング共振器領域１０ｄ及び１０ｆの透過スペクトル特性が合成されて作用する。
【００５７】
この合成された透過スペクトル特性を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）において、縦軸は光損失（光透過率）を示し、横軸は波長を示している。図８（ｂ）に示すように、合成された透過スペクトル特性においては、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトル特性における透過ピーク波形（図８（ａ）に示す部分Ｐ１）と、リング共振器領域１０ｆの透過スペクトル特性における透過ピーク波形（図８（ａ）に示す部分Ｐ２）とが重なり合い、透過ピーク波形Ｐ３を形成している。この透過ピーク波形Ｐ３のＦＳＲは、リング共振器領域１０ｄ（図８（ａ）のグラフＧ３）の透過ピーク波形Ｐ１のＦＳＲと同じである。一方、透過ピーク波形Ｐ３の尖鋭さ、または半値全幅ＦＷＨＭは、リング共振器領域１０ｆ（図８（ａ）のグラフＧ４）の透過ピーク波形Ｐ２の尖鋭さ、または半値全幅ＦＷＨＭとほぼ同じである。
【００５８】
このように、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａでは、ＦＳＲが互いに異なる２つのリング共振器が直列に設けられているので、これらの透過スペクトル特性が重ね合わされ、大きなＦＳＲでより鋭いピーク波形Ｐ３を有する透過スペクトル特性を得ることができる。したがって、レーザ光の発振波長幅をより狭くし、リング共振器のドロップポートを利用した場合の発振波長幅に好適に近づけることができる。
【００５９】
図９は、光導波路３内部を共振する光の波長が制限されるしくみを説明するための図である。図９（ａ）は２つのリング共振器領域１０ｄ及び１０ｆによる合成透過スペクトル特性を示しており、上述した図８（ｂ）と同じグラフである。図９（ｂ）は可変ＤＢＲ領域１０ｂにおける波長−反射率特性を示しており、波形Ｄ１〜Ｄ５は、それぞれ一つまたは複数のアノード電極１２４に対応しており、各アノード電極１２４の直下に位置するチャープ回折格子１２１ａ（図２参照）の反射波長域での反射率を示している。例えば、図９（ｂ）は、チャープ回折格子１２１ａのうち反射波長が１５３８ｎｍ〜１５４８ｎｍの領域上に設けられたアノード電極１２４に電流が供給された場合を示している。
【００６０】
光導波路３の内部を導波する光の波長は、図９（ａ）に示される合成透過スペクトル特性の透過ピーク波長に制限されると同時に、図９（ｂ）の反射率が高い波長域に制限される。したがって、図９（ａ）及び図９（ｂ）に示した特性の場合には、図９（ｃ）に示すように、図９（ａ）の透過ピーク波長と、図９（ｂ）の高反射率波長域（波形Ｄ２）とが重なった波長の光のみが、レーザ共振器内で選択され、発振することができる。
【００６１】
また、前述したように、リング共振器領域１０ｄ，１０ｆの各リング共振器の透過ピーク波長は、アノード電極１３４，１３８に供給される電流によってシフトする。次の数式（１），（２）は、リング共振器領域１０ｄのアノード電極１３４に供給すべき電流Ｉ１と、リング共振器領域１０ｆのアノード電極１３８に供給すべき電流Ｉ２とを算出するための式である。なお、Ｉ０１及びＩ０２は、それぞれアノード電極１３４及び１３８に供給される初期電流値である。
Ｉ１＝Ｉ０１＋ΔＩｄ×（環状導波路部分１３１ｃの長さ）×（導波路幅）…（１）
Ｉ２＝Ｉ０２＋ΔＩｄ×（環状導波路部分１３１ｆの長さ）×（導波路幅）…（２）
【００６２】
ΔＩｄと透過率ピーク波長との関係は、各リング共振器と同様の材料および構造からなるリング共振器を用いて、あらかじめ求めることができる。図１０は、上記数式（１）及び（２）のΔＩｄと透過ピーク波長との関係を示すグラフの一例である。図１０において、グラフＧ１１〜Ｇ１５は、それぞれ異なる透過ピーク波形Ｐ３（図８（ｂ）参照）の透過ピーク波長を示している。上式（１）及び（２）に示すように、増加電流密度ΔＩｄを電流Ｉ１，Ｉ２で同じ値とすることによって、図８（ａ）に示した透過ピーク波形Ｐ１及びＰ２相互の位置関係を損なうことなくこれらをシフトすることができ、図１０に示すように透過ピーク波形Ｐ３の透過ピーク波長を好適にシフトすることができる。故に、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａでは、複数のリング共振器によるバーニア効果を利用せずに、波長可変レーザを実現することができる。
【００６３】
図１１（ａ）は、リング共振器領域１０ｄ及び１０ｆのそれぞれが有するリング共振器の透過スペクトル特性の他の例を示すグラフである。図１１（ａ）において、グラフＧ５は第１のリング共振器領域１０ｄの透過スペクトル特性であり、グラフＧ６は第２のリング共振器領域１０ｆの透過スペクトル特性である。なお、図１１（ａ）に示した透過スペクトル特性を実現するためのリング共振器領域１０ｄ，１０ｆのカプラ分岐比（スルー側：クロス側）、結合長（図６に示した長さＬ）、曲げ半径（図６に示した半径Ｒ）、リング一周当たりの光減衰率、光導波層１３１の屈折率、及びＦＳＲは、以下の表２のとおりである。
【表２】
2011222983.tif 000004
【００６４】
この例では、リング共振器領域１０ｄ（グラフＧ５）のＦＳＲは、波長に換算して、リング共振器領域１０ｆ（グラフＧ６）のＦＳＲの２倍となっている。そして、光導波路３を共振する光に対し、これらの透過スペクトル特性が合成されて作用する。
【００６５】
この合成された透過スペクトル特性を図１１（ｂ）に示す。図１１（ｂ）に示すように、合成された透過スペクトル特性においては、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトル特性における透過ピーク波形（図１１（ａ）に示す部分Ｐ４）と、リング共振器領域１０ｆの透過スペクトル特性における透過ピーク波形（図１１（ａ）に示す部分Ｐ５）とが重なり合い、透過ピーク波形Ｐ６を形成している。この透過ピーク波形Ｐ６のＦＳＲは、リング共振器領域１０ｄ（図１１（ａ）のグラフＧ５）の透過ピーク波形Ｐ４のＦＳＲと同じである。一方、透過ピーク波形Ｐ６の尖鋭さ、またはピーク半値全幅ＦＷＨＭは、リング共振器領域１０ｆ（図１１（ａ）のグラフＧ６）の透過ピーク波形Ｐ５の尖鋭さ、またはピーク半値膳幅ＦＷＨＭとほぼ同じである。
【００６６】
ここで、リング共振器領域１０ｄ及び１０ｆの各リング共振器の透過スペクトル特性について更に考察する。本実施形態では、図８（ａ）及び図１１（ａ）に示したように、リング共振器領域１０ｄの透過ピーク波形Ｐ１及びＰ４と、リング共振器領域１０ｆの透過ピーク波形Ｐ２及びＰ５とが互いに重なっており、これによって図８（ｂ）及び図１１（ｂ）に示すより狭いＦＷＨＭを有する尖鋭な透過ピーク波形Ｐ３及びＰ６が形成されている。リング共振器領域１０ｄ，１０ｆの透過ピーク波形をこのような関係に設定するためには、リング共振器領域１０ｄのＦＳＲ（以下λ１とする）が、リング共振器領域１０ｆのＦＳＲ（以下λ２とする）の２倍以上であることが好ましく、λ１がλ２の２ｎ倍（ｎは自然数）であることが尚好ましい。例えば、図８（ａ）に示した例ではλ１はλ２の４倍（すなわちｎ＝２）であり、図１１（ａ）に示した例ではλ１はλ２の２倍（すなわちｎ＝１）である。
【００６７】
また、リング共振器領域１０ｄ，１０ｆのリング共振器の透過スペクトル特性におけるピーク波長をそれぞれλｐ１，λｐ２とすると、リング共振器領域１０ｄ及び１０ｆの透過ピーク波形が効果的に重なり合うためには、λｐ１と、波長（λ２×２ｎ）置きに存在するλｐ２との差｜λｐ１−λｐ２｜が、λ２／２以下であることが好ましい。換言すれば、リング共振器領域１０ｆの透過スペクトル特性に含まれる複数の透過ピーク波形のうち２ｎ個置きに現れる透過ピーク波形（上述の例では透過ピーク波形Ｐ２及びＰ５に相当）の中心波長と、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトル特性に含まれる透過ピーク波形（上述の例では透過ピーク波形Ｐ１及びＰ４に相当）の中心波長との差が、リング共振器領域１０ｆのＦＳＲの１／２以下であることが好ましい。
【００６８】
続いて、リング共振器領域１０ｄ，１０ｆが有する光カプラ１３１ｂ，１３１ｅ（図６参照）の分岐比について考察する。ここで分岐比とは、直線状導波路１３１ａ，１３１ｄを伝搬する光のうち、環状導波路部分１３１ｃ，１３１ｆへ向けて分岐される光の強度（クロス側）と、環状導波路部分１３１ｃ，１３１ｆへは入射せずに直線状導波路１３１ａ，１３１ｄ自体（すなわちスルーポート）へ向けて分岐される光の強度（スルー側）との比をいう。
【００６９】
図１２（ａ）は、ＭＭＩ光カプラからなる光カプラ１３１ｂ，１３１ｅの結合長Ｌと、クロス側およびスルー側それぞれの規格化された光強度との関係を示すグラフである。ここで、縦軸の規格化光強度は、光カプラに入力される全光強度に対するクロスポートおよびスルーポートに分岐される光強度を示す。図１２（ａ）において、グラフＧ２１はクロス側を示しており、グラフＧ２２はスルー側を示している。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のグラフを作成する際の光カプラのモデルを示しており、本実施例ではギャップＧＡＰ＝０．５μｍ、導波路幅Ｗ＝１．２μｍである。
【００７０】
図１２（ａ）に示すように、光カプラ１３１ｂ，１３１ｅにおいては、結合長Ｌを変化させることで、光カプラの分岐比を変更することができる。例えば結合長Ｌが２０μｍである場合に、分岐比は（スルー側：クロス側）＝（０．１２：０．８５）となる。なお、分岐比（スルー側：クロス側）は、スルーポート側の規格化光強度：クロスポート側の規格化光強度を表すものとする。また、例えば結合長Ｌが４２μｍである場合に、分岐比は（スルー側：クロス側）＝（０．４９：０．４９）となる。例えば、図８（ａ）に示した透過スペクトル特性は、分岐比が（スルー側：クロス側）＝（０．１２：０．８５）である場合のものであり、図８（ｂ）に示したような良好な合成透過スペクトル特性を得ることができる。
【００７１】
図１３は、分岐比が（スルー側：クロス側）＝（０．４９：０．４９）である場合における、合成透過スペクトル特性を示すグラフである。図１３に示した合成透過スペクトル特性を実現するためのリング共振器領域１０ｄ，１０ｆのカプラ分岐比（スルー側：クロス側）、結合長Ｌ、曲げ半径Ｒ、リング一周当たりの光減衰率、光導波層１３１の屈折率、及びＦＳＲは、以下の表３のとおりである。
【表３】
2011222983.tif 000005
【００７２】
また、図１４は、分岐比が（スルー側：クロス側）＝（０．７：０．２）である場合における、合成透過スペクトル特性を示すグラフである。図１４に示した合成透過スペクトル特性を実現するためのリング共振器領域１０ｄ，１０ｆのカプラ分岐比（スルー側：クロス側）、結合長Ｌ、曲げ半径Ｒ、リング一周当たりの光減衰率、光導波層１３１の屈折率、及びＦＳＲは、以下の表４のとおりである。
【表４】
2011222983.tif 000006
【００７３】
図１３及び図１４に示すように、スルーポートの光強度が、クロスポートの光強度と同程度、または、クロスポートの光強度より大きくなるような分岐比では、合成透過スペクトル特性における主な透過率ピーク波形（メインピーク波形）Ｐ７と、メインピーク波形Ｐ７の周囲に位置しており透過率が低い透過率ピーク波形（サブピーク波形）Ｐ８とが互いに近接し、メインピークとサブピークとの差を大きくとることができない。したがって、第１および第２のリング共振器領域１０ｄ，１０ｆの各リング共振器の透過率ピーク波形やボトム波形を良好に形成し、レーザ発振波長をメインピーク波形の中心波長（透過率ピーク波長）とより正確に一致させるためには、クロスポートの光強度が、スルーポートの光強度より大きくなるように、光カプラの分岐比を設定することが好ましい。
【００７４】
また、本実施形態のように光カプラ１３１ｂ，１３１ｅがＭＭＩカプラからなる場合、図１２（ａ）に示したように、結合長Ｌを変化させることにより、分岐比を変えることができる。一方、リング共振器のＦＳＲは、リング共振器の光路長によって変化するので、結合長Ｌを変えることにより、リング共振器領域のＦＳＲも変化することになる。すなわち、結合長Ｌを大きくすることにより、リング共振器領域１０ｄのスルー側の分岐比を上げ、クロス側の分岐比を下げた場合、リング共振器領域１０ｄのＦＳＲが小さくなる。例えば、リング共振器の環状光導波路部分の曲げ半径Ｒが５μｍのリング共振器において、結合長Ｌが５８μｍの場合、第１のリング共振器領域１０ｄの分岐比は、０．７：０．２であり、このときの第１のリング共振器領域１０ｄのＦＳＲは、５７３ＧＨｚである（表４参照）。一方、結合長Ｌが２０μｍの場合、第１のリング共振器領域１０ｄの分岐比は、０．１２：０．８５であり、このときの第１のリング共振器領域１０ｄのＦＳＲは１１８６ＧＨｚである（表１参照）。また、結合長Ｌが４２μｍの場合、第１のリング共振器領域１０ｄの分岐比は、０．４９：０．４９であり、このときの第１のリング共振器領域１０ｄのＦＳＲは７２８ＧＨｚである（表３参照）。このように結合長Ｌを大きくすることにより、分岐比も変化すると同時に、リング共振器領域のＦＳＲが小さくなる。レーザ発振を得るためには、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射帯域とリング共振器の透過スペクトルが互いに重なる必要がある。そのため、第１のリング共振器領域１０ｄのＦＳＲが小さくなることに伴って、可変ＤＢＲ領域１０ｂの回折格子１２１ａの反射波長帯域の一単位を短くする。具体的には、アノード電極１２４の長さを短くし、個数を増やすようにする。
【００７５】
また、図１５は、分岐比が（スルー側：クロス側）＝（０．０２：０．８６）といったように、スルー側の分岐比が極めて小さい場合における、合成透過スペクトル特性を示すグラフである。図１５に示した合成透過スペクトル特性を実現するためのリング共振器領域１０ｄ，１０ｆのカプラ分岐比（スルー側：クロス側）、結合長Ｌ、曲げ半径Ｒ、リング一周当たりの光減衰率、光導波層１３１の屈折率、及びＦＳＲは、以下の表５のとおりである。
【表５】
2011222983.tif 000007
【００７６】
図１５に示すように、クロス側への分岐比がスルー側への分岐比より大きい場合であっても、スルー側の分岐比が極めて小さい場合、すなわち導波損が大きい場合には、透過ピーク波長におけるピーク透過率が小さくなり、レーザ発振閾値が大きくなってしまう。したがって、スルーポートの規格化された光強度は、０．１以上であることが好ましい。（図１２Ａ参照）
【００７７】
以上に説明した、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａが奏する効果について述べる。この半導体レーザ素子１Ａにおいては、リング共振器領域１０ｄ及び１０ｆの各リング共振器が、光出射端面４ａから光反射端面４ｂまで延びる光導波路３の一部である導波路部分１３１ａ及び１３１ｄに、環状導波路部分１３１ｃ及び１３１ｆがそれぞれ結合されることによって構成されている。すなわち、光導波路３が各リング共振器の入力ポート及びスルーポートを構成するので、各リング共振器のスルーポートから出力される光が光導波路３の内部を共振することとなる。
【００７８】
ここで、スルーポートから出力される光は、ドロップポートから出力される光と比較して、環状導波路部分１３１ｃ及び１３１ｆの曲げ損失による影響が小さい。このため、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａによれば、環状光導波路の曲げ半径Ｒがより小さいリング共振器を用いることが可能となる。この結果、環状導波路部分１３１ｃ及び１３１ｆの長さが短くなるので、ＦＳＲを大きくすることができる。すなわち、リング共振器における光損失の増加を抑制しつつ、リング共振器のＦＳＲを大きくすることが可能となる。
【００７９】
続いて、半導体レーザ素子１Ａの作製方法の一例について説明する。まず、半導体基板８となるｎ型ＩｎＰ等の半導体ウェハ上に、光導波層１２０及び１３１となる半導体層と、回折格子層１２１及び半導体層１３６となる半導体層とをＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。次に、電子ビーム露光によりレジストに回折格子パターンを描画し、このレジストをマスクとして回折格子層１２１の表面にドライエッチングを施すことにより、回折格子１２１ａを形成する。レジストを除去した後、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＰ層を回折格子１２１ａを埋め込むように成長させて、上部クラッド層１２２及び１３２を形成する。
【００８０】
続いて、利得領域１０ａとなる領域上、及び増幅領域１０ｃとなる領域上に成長した半導体層をドライエッチングにより除去する。そして、半導体層が除去された半導体ウェハの領域上に、下部光閉じ込め層、多重量子井戸構造による活性層、及び上部光閉じ込め層から成る光導波層１１０と、上部クラッド層１１２とをバットジョイント法によって成長させる。
【００８１】
続いて、上部クラッド層１１２を形成し、引き続きコンタクト層１１３，１２３，及び１３３となる半導体層をＭＯＣＶＤ法により成長させる。その後、アノード電極と接触する部分だけ残してコンタクト層を除去し、各領域を電気的に分離する。
【００８２】
続いて、リング共振器領域１０ｄ、位相調整領域１０ｅ、及びリング共振器領域１０ｆに相当する領域をマスクで覆い、利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、及び増幅領域１０ｃに相当する領域に対し、光導波路３となる部分だけ残して半導体ウェハに達する深さまでドライエッチングを施し、メサ構造を形成する。その後、このメサ構造の両側面を半絶縁性領域１０２で埋め込み、マスクを除去する。
【００８３】
続いて、利得領域１０ａ、ＤＢＲ領域１０ｂ、及び増幅領域１０ｃに相当する領域をマスクで覆い、リング共振器領域１０ｄ、位相調整領域１０ｅ、及びリング共振器領域１０ｆに相当する領域に対し、光導波路３となる部分だけ残して半導体ウェハに達する深さまでドライエッチングを施し、メサ構造を形成する。その後、このメサ構造の両側面にＳｉＯ２といった絶縁材料をＣＶＤにより堆積して絶縁膜１３を形成したのち、その上からＢＣＢ樹脂をスピンコートで塗布・硬化させて樹脂層１５を形成し、マスクを除去する。
【００８４】
続いて、アノード電極が配置される部分の絶縁膜１３及び樹脂層１５を除去し、アノード電極１１４，１１５，１２４，１３４，１３５，及び１３８をリフトオフ法により形成する。このとき、素子上の配線および電極パッドを併せて形成する。また、半導体ウェハの裏面上にカソード電極９を蒸着する。
【００８５】
最後に、半導体ウェハを棒状に劈開し、その劈開面の一方にＡＲ膜１０５を、他方にＨＲ膜１０６をそれぞれコーティングし、これをチップ状に分割して冷却構造物３０上に実装する。こうして、半導体レーザ素子１Ａが完成する。
【００８６】
本発明による半導体レーザ装置は、上記実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では半導体基板及び各半導体層としてＩｎＰ系化合物半導体を例示したが、他のIII−Ｖ族化合物半導体や、その他の半導体であっても本発明の構成を好適に実現できる。また、上記各実施形態では光導波路の構成としてメサストライプ構造のものを例示したが、リッジ型等、他の構造の光導波路であっても本発明の効果を好適に得ることができる。
【符号の説明】
【００８７】
１Ａ…半導体レーザ素子、３…光導波路、４ａ…光出射端面、４ｂ…光反射端面、８…半導体基板、９…カソード電極、１０ａ…利得領域、１０ｂ…可変ＤＢＲ領域、１０ｃ…増幅領域、１０ｄ…第１のリング共振器領域、１０ｅ…位相調整領域、１０ｆ…第２のリング共振器領域、１１，１３…絶縁膜、１５…樹脂層、３０…冷却構造物、１０２…半絶縁性領域、１０５…ＡＲ膜、１０６…ＨＲ膜、１１０，１３１…光導波層、１１２，１２２，１３２…上部クラッド層、１１３，１２３，１３３…コンタクト層、１１４，１１５，１２４，１３４，１３５，１３８…アノード電極、１２０…光導波層、１２１…回折格子層、１２１ａ…回折格子、１３１ａ，１３１ｄ…（直線状）導波路部分、１３１ｂ，１３１ｅ…光カプラ、１３１ｃ，１３１ｆ…環状導波路部分。
【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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【図１４】
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【図１５】
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