(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、利得を有する活性導波路層と波長を制御するための非活性導波路層とを交互に周期的に繰り返し形成してなる構造を有する波長可変半導体レーザであって、
前記活性導波路層及び前記非活性導波路層の全長にわたって回折格子が形成され、
前記活性導波路層及び前記非活性導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトΩCを共振器中に少なくとも一つ以上有し、
電流を注入する前の前記非活性導波路層と前記活性導波路層との初期屈折率差ΔＮｓを、電流を注入することにより前記非活性導波路層の屈折率を波長可変動作を行う波長可変領域の最短波長に対応する値に変化させたときの前記非活性導波路層の屈折率変化量をΔＮｔとして、下式（１）を満足するように設定する
ことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【数１】
0005702262.tif 000008
【請求項２】
前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが少なくとも二以上の異なる繰り返し周期を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項３】
前記位相シフトΩCが、下式（２）を満足する
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長可変半導体レーザ。
【数２】
0005702262.tif 000009
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ通信用光源および光計測用光源として用いられる波長可変半導体レーザに関し、特に光通信における光波長（周波数）多重システム用光源、および広帯域波長帯をカバーする光計測用光源の特性向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ通信における波長多重通信方式では、異なる周波数（波長）の複数のレーザ光を規格で定められた間隔で一つの光ファイバを用いて伝送する。一つ一つの周波数をチャンネルと呼び、高速なチャンネル切り替えのために高速に発振周波数の切り替えが可能な波長可変レーザが求められている。
【０００３】
通信用の波長可変半導体レーザでは、単一モードレーザと呼ばれる一つの波長で発振するレーザが用いられており、単一モードを得るために、例えば導波路に周期的に凹凸を設けた回折格子が用いられている。回折格子が形成された半導体光導波路は、回折格子周期Λと光導波路の等価屈折率ｎとから得られるブラッグ波長λBで選択的に反射する分布反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）となる。ここで、ブラッグ波長λBと回折格子周期Λ及び光導波路の等価屈折率ｎとの関係式は、
λB＝２ｎΛ        （１）
となる。また、分布反射器に利得を持たせて作成した波長可変半導体レーザのことを分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザと呼ぶ。
【０００４】
式（１）から、分布反射器の等価屈折率ｎを変化させることで、ブラッグ波長λBを変化させることができることがわかる。すなわち選択的に反射する波長を変化させることができ、分布反射器を用いた共振器を構成すれば、等価屈折率ｎの変化により発振波長を変化させることのできる波長可変半導体レーザを構成することが可能となる。回折格子を利用した波長可変半導体レーザとしては、均一な回折格子の分布反射器を用いた分布反射型レーザ（ＤＢＲレーザ）や、周期的に回折格子を設けるなどの方法で複数の反射ピークをもつ分布反射器を用いたＳＧ(Sampled Grating)-ＤＢＲレーザ、ＳＳＧ（Super Structure Grating)-ＤＢＲレーザなどが知られている。
【０００５】
また、連続的に波長を変化させることのできる波長可変半導体レーザとしては、分布活性ＤＦＢレーザ（ＴＤＡ-ＤＦＢレーザ）がある。図８は従来の分布活性ＤＦＢレーザの基本的な構造を示す断面図である。この分布活性ＤＦＢレーザは、図８に示すように、下部クラッド層１上に、長さＬaの活性導波路層２と、活性導波路層２とは組成の異なる長さＬtの非活性導波路層（波長制御層）３が交互に周期的に接続されている。これら活性導波路層２及び非活性導波路層３の上と、上部クラッド層４との間には周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子５が形成されている。上部クラッド４の上には、それぞれ活性導波路層２、非活性導波路層３に対応するように電極７，８が形成されている。基板下部に共通の電極９を形成する一方、基板上部に形成される電極７，８は、活性導波路層２の領域と非活性導波路層３の領域とで分離されている。なお、活性導波路層２の電極７同士、非活性導波路層３の電極８同士は素子上で短絡されている。
【０００６】
このように、分布活性ＤＦＢレーザは光の伝播方向に沿って活性導波路層２と非活性導波路層３が交互に周期的に縦続接続された構造となっている。活性導波路層２への電流Ｉaの注入により発光するとともに利得が生じるが、それぞれの導波路層２，３には回折格子５が形成されており、回折格子５の周期に応じた波長のみ選択的に反射されレーザ発振が起こる。一方、非活性導波路層３への電流Ｉtの注入によりキャリア密度に応じてプラズマ効果により屈折率が変化するため、非活性導波路層３の回折格子５の光学的な周期は変化する。非活性導波路層３の等価屈折率が変化し、１周期の長さに対する波長制御領域の長さの割合分だけ共振縦モード波長が短波長側にシフトする。活性導波路層２の光の伝播方向に沿った活性領域長をＬa、非活性導波路層３の光の伝播方向に沿った波長制御領域長をＬtとすれば、繰り返し構造の１周期の長さＬはＬt＋Ｌaとなり、共振縦モード波長λrの変化の割合Δλr／λrは、
Δλr ／λr ＝（Ｌt ／(Ｌt＋Ｌa)）・（Δｎ／ｎ）           （２）
となる（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
一方、複数の反射ピークの各波長も、電流注入による等価屈折率の変化の結果、短波長側にシフトする。反射ピーク波長は繰り返し構造１周期内の平均等価屈折率変化に比例するので、反射ピーク波長λsの変化の割合Δλs ／λs は、
Δλs ／λs ＝（Ｌt ／(Ｌt＋Ｌa)）・（Δｎ／ｎ）           （３）
となる。式（２），式（３）より、反射ピーク波長λsと共振縦モード波長λrとは同じ量だけシフトする。したがって、このレーザでは、最初に発振したモードを保ったまま連続的に波長が変化する。ただし、図８の構造の場合、連続的に同一周期で回折格子５が形成されているため、もともと発振の位相条件を満たす波長が反射ピーク波長とはずれており、単一モード性が悪い。単一モード特性を高めるためには、共振器の中央部付近に、共振器の位相条件を満たすための位相シフト（λ／４）を入れるなどする必要がある。
【０００８】
特許文献１に開示されている分布活性ＤＦＢレーザも、下部クラッド上に、活性導波路層と非活性導波路層が交互に周期的に縦続接続されたものであり、それらの上に上部クラッドが形成されて、その上部クラッド上に、活性導波路層、非活性導波路層に対応する電極が形成されると共に、下部クラッドの下部に共通の電極が形成された構造である。この分布活性ＤＦＢレーザでは、回折格子を一部のみに形成しているが、図８に示し上述した分布活性ＤＦＢレーザと同じように連続的に波長変化する。ただし、回折格子を共振器内に周期的に形成している（サンプル回折格子という）ことから複数の反射ピークができるため、単一モード性を向上させる必要がある。
【０００９】
そこで、特許文献１においては、分布活性ＤＦＢレーザの構造として、繰り返し周期の異なる二つのレーザを同一基板上に直列に集積するとともに、各々の活性導波路層に回折格子を形成した構造も開示されている。複数の反射ピークの間隔は、回折格子のサンプル周期によるので、この周期を共振器の左右で変えることにより、反射メインピーク以外の反射ピークが共振器の左右で重ならないようにし、単一モード性を向上させている。
【００１０】
更に、特許文献２では、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期を変えた２つのレーザを縦続接続するとともに共振器全体にわたり回折格子を形成した構造や、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期の異なる複数個のレーザ部を縦続接続した構造、および、空間的ホールバーニングを抑えるために、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期の異なる複数個のレーザ部を縦続接続し、接続した各レーザ部の間に位相シフトを入れた構造などが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特許３２３７７３３号公報
【特許文献２】特開２００８−１０３４６６号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ishii et al, "A Tunable Distributed Amplification DFB Laser Diode (TDA-DFB-LD)," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 10, no. 1, Jan 1998.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
例えば、上述した繰り返し周期Ｌ1、Ｌ2の異なる二つのレーザ（以下、第一のレーザ部、第二のレーザ部という）を同一基板上に直列に集積した分布活性ＤＦＢレーザの場合、回折格子の第一のレーザ部と第二のレーザ部との間に１／４波長位相シフトを入れ、共振器の位相条件を満たすようにしている。
【００１４】
波長変化は、非活性導波路層に電流を流し、キャリアを注入することによって引き起こされている。半導体の屈折率はキャリアが注入されるに従って低下し、発振波長は短波長化する。
【００１５】
また、このような共振器構造の場合、非活性導波路層の光学的ロスを無視して考えると、もっとも発振しやすい、すなわち閾値利得が低くなるのは、活性導波路層と非活性導波路層との屈折率が一致しているときである。このとき、活性導波路と非活性導波路の回折格子の周期が同じであれば、ブラッグ波長が一致するため、最も反射率が高くなる。
【００１６】
図３は、上述した第一のレーザ部、第二のレーザ部を有する分布活性ＤＦＢレーザについて、活性導波路層と非活性導波路層の屈折率の差（非活性導波路層の屈折率−活性導波路層の屈折率）をパラメータとして、第一共振モードと第二共振モードの閾値利得差Δｇthを第一共振モードの閾値利得ｇth1で割った規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1（図中、黒丸及び実線で示す値。左軸に対応）と、第一共振モードの閾値利得ｇth1（図中、白丸及び破線で示す値。右軸に対応）を計算した一例である。規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1は単一モード特性を考える上で重要なパラメータであり、この数字が大きいほど単一モード性が良い。すなわち、第一モードと第二モードとの強度比（ＳＭＳＲ）が最も大きくなる。従って、上述した第一のレーザ部、第二のレーザ部を有する分布活性ＤＦＢレーザの構造の場合、屈折率差が無いときに、閾値利得ｇthが最も低く、単一モード性が最も良いことになる。
【００１７】
分布活性ＤＦＢレーザの場合、活性導波路層の屈折率は変化せず、非活性導波路層に電流注入することによって屈折率が変化すると考える。例えば、非活性導波路層の屈折率変化が０．０３程度起こるとすると、屈折率差０を中心として、屈折率差が０．０１５から−０．０１５の範囲で使うようにすると、平均的な閾値利得ｇthが最も低く、規格化閾値利得ｇthが最も大きくなる。すなわち、非活性導波路層にキャリアを注入しない状態で屈折率差が０．０１５となるようにしておく。
【００１８】
しかしながら、実際の場合、キャリア密度の増加に伴い、自由電子吸収などの吸収損失が増加するため、閾値利得ｇthが上昇する。従って、実際のデバイスでは、屈折率差０を中心として屈折率変化範囲を均等に割り当てることにより、屈折率の変化が大きくなって屈折率差が０を超えて負の値になると、もともと閾値利得ｇthが上昇するのに加え、損失増加による閾値利得ｇthが加わり特性が悪化する恐れがある。
【００１９】
このようなことから本発明は、大きな特性劣化を抑制しつつ、発振を継続させることが可能な波長可変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】
【００２０】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る波長可変半導体レーザは、半導体基板上に、利得を有する活性導波路層と波長を制御するための非活性導波路層とを交互に周期的に繰り返し形成してなる構造を有する波長可変半導体レーザであって、前記活性導波路層及び前記非活性導波路層の全長にわたって回折格子が形成され、前記活性導波路層及び前記非活性導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトΩCを共振器中に少なくとも一つ以上有し、電流を注入する前の前記非活性導波路層と前記活性導波路層との初期屈折率差ΔＮｓを、電流を注入することにより前記非活性導波路層の屈折率を波長可変動作を行う波長可変領域の最短波長に対応する値に変化させたときの前記非活性導波路層の屈折率変化量をΔＮｔとして、下式（４）を満足するように設定することを特徴とする。
【００２２】
【数１】
0005702262.tif 000002
【００２３】
上記の課題を解決するための第２の発明に係る波長可変半導体レーザは、第１の発明に係る波長可変半導体レーザにおいて、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが少なくとも二以上の異なる繰り返し周期を有することを特徴とする。
【００２４】
上記の課題を解決するための第３の発明に係る波長可変半導体レーザは、第１又は第２の発明に係る波長可変半導体レーザにおいて、前記位相シフトΩCが、下式（５）を満足することを特徴とする。
【００２５】
【数２】
0005702262.tif 000003
【発明の効果】
【００２６】
本発明に係る波長可変半導体レーザによれば、波長変化時に共振条件を徐々に一致させることにより、非活性導波路層への電流注入による屈折率変化を生じさせた際に生じる損失の増大を打消すことが可能となり、大きな特性劣化を抑制しつつ、発振を継続させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの断面構造を示す説明図である。
【図２】本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの上面図である。
【図３】本発明の第一の実施形態の特性を説明する図である。
【図４】本発明の第一の実施形態の効果を説明する図である。
【図５】位相シフトを説明する図である。
【図６】一般的な分布活性ＤＦＢレーザの基本構造を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照しつつ本発明に係る波長可変半導体レーザの詳細を説明する。
（第一の実施形態）
以下、図１乃至図４に基づいて本発明に係る波長可変半導体レーザの第一の実施形態について説明する。
図１は本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの導波方向に沿った断面を示す模式図である。
【００２９】
図１に示すように、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層１１上に、第一のレーザ部Ａ1においては長さＬa1のＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２a1と、活性導波路層１２a1とは組成の異なる長さＬt1のＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層（波長制御層）１３t1とが交互に周期的に接続されている。また、第二のレーザ部Ａ2においては長さＬa2のＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２a2と、活性導波路層１２a2とは組成の異なる長さＬt2のＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３t2とが交互に周期的に接続されている。以下、ＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２a1，１２a2を総称する場合はＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２、ＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３t1，１３t2を総称する場合はＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３と呼称する。
【００３０】
これらＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層１２及びＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層１３の上と、ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層１４との間には周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子１５が形成されている。ＩｎＰ上部クラッド１４の上には、オーミックコンタクトのために高ドープのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を設け、その上にそれぞれ活性導波路層１２、非活性導波路層１３に対応するように電極１７，１８を形成している。基板下部に形成した電極１９は共通としているが、基板上部に形成する電極は、活性導波路層１２の領域と非活性導波路層１３の領域とで分離している。具体的には、活性導波路層１２の領域と非活性導波路層１３の領域とでコンタクト層１６および電極１７，１８を分離し、さらに、図２に示すように、活性導波路層１２の電極１７同士、非活性導波路層１３の電極１８同士を素子上で短絡している。
【００３１】
さらに、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2とで活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返し周期をＬ1，Ｌ2変えて直列に接続した構造となっている。さらに、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間に１／４波長の位相シフト２０を入れている。
【００３２】
ここで、活性導波路層１２にバンドギャップ波長１．５５μｍのＧａＩｎＡｓＰを用いた場合、非活性導波路１３はそれより短波のバンドギャップ波長、たとえば、１．４μｍのバンドギャップ波長のＧａＩｎＡｓＰを用いることにより、レーザ発振の利得に寄与しないために、キャリア密度が一定にならない。これにより、電流注入により大きく屈折率を変化させることができる。
【００３３】
また、活性導波路層１２および非活性導波路層１３はバルク材料でなくともよく、たとえば、量子井戸構造、もしくは、量子井戸をバリア層を挟んで重ねた多層量子井戸構造や、さらに量子ドットや量子細線などの低次元の量子井戸構造を備えたものであっても良い。また、活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めを高めるなどのために、活性層とクラッド層の間に中間の屈折率を持つ層を導入する分離閉じ込めへテロ構造などを導入しても良い。
【００３４】
回折格子１５は屈折率が周期的に変動していることが重要であるため、回折格子１５を形成する位置は、活性導波路層１２や非活性導波路層１３と上部クラッド１４との間では無くともよく、例えば、各導波路層１２，１３と下部クラッド１１との間や、各層から離れた位置に形成しても良い。
【００３５】
本素子に用いる半導体は、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定することなく、ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＡｓなど、その他の半導体を用いても良いし、活性導波路層１２と非活性導波路層１３のバンドギャップ波長の組み合わせも上記に限定するものではない。
【００３６】
本発明では、活性導波路層と非活性導波路層の屈折率差が重要であるので、これについては詳細に後述する。
【００３７】
本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、図示はしないが、電流Ｉaが活性導波路層１２に効率よく注入されるように、導波路の両脇に半絶縁性材料であるＦｅをドープしたＩｎＰを埋め込み再成長した埋め込みヘテロ構造（ＢＨ）としている。ＦｅドープＩｎＰの代わりに、ｐ型ｎ型の半導体を交互に重ねることにより電流ブロック層としてもよい。また、Ｆｅの代わりにRuをドーピングして高抵抗としたＩｎＰ層としてもよい。
【００３８】
また、導波路構造は、本実施形態では埋め込みヘテロ構造を採用しているが、一般的なリッジ構造やハイメサ構造などでも本発明の原理を用いることができる。
【００３９】
第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2とでは、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返し周期は、それぞれＬ1,Ｌ2と異なるが、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の割合（Ｌa1／Ｌt1、および、Ｌa2／Ｌt2）は同じである。本実施形態では、この割合を1／２とした。また、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間に位相シフト２０を入れて、回折格子１５の位相を１／４波長変化させている。これにより、第一のレーザ部Ａ1での反射波と第二のレーザ部Ａ2での反射波の位相を発振条件を満たすように整合させている。
【００４０】
また、上述したように、活性導波路層１２、および波長制御用非活性導波路層１３の上部に設けられる電極１７，１８は互いに分離されており、図２に示すように、活性導波路層１２上の電極１７同士、および非活性導波路層１３上の電極１８同士は素子上で接続されている。このように素子上で各々の領域の電極１７，１８同士を短絡しておくことにより、金属製のボンディング・ワイヤをどこか一か所ずつ接着させるだけで、各領域に電流Ｉａ又は波長制御電流Ｉｔを注入することができる。
【００４１】
続いて、本実施形態に係る波長可変半導体レーザの作製方法を簡単に説明する。最初に有機金属気相エピタキシャル成長（ＭＯＣＶＤ）法と、これによる選択成長法を用いて、ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層１１上に活性導波路層１２と非活性導波路層１３とを作製する。具体的には、活性導波路層１２が形成された基板上にＳｉＯ２などのエッチングマスク２２を形成し、エッチングマスク２２を用いて活性導波路層１２を島状に加工し、エッチングマスク２２をそのままにして非活性導波路層１３を再成長することにより、活性導波路層１２と非活性導波路層１３が接続される。
【００４２】
その後、塗布したレジストに、電子ビーム露光法を用いて回折格子のパターンを転写し、転写パターンをマスクとしてエッチングを行い回折格子を形成する。回折格子には、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間にλ／４の位相シフトを入れる。
【００４３】
ここで、本実施形態では、回折格子１５は活性導波路層１２、非活性導波路層１３の両者ともに同一周期としている。
【００４４】
ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層１４およびｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を成長した後、横モードを制御するために、幅１．２μｍのストライプ状に導波路を加工し、その両側にＦｅをドープしたＩｎＰ電流ブロック層を成長する。そして、各電極１７，１８を形成した後、活性層駆動電極１７と波長制御電極１８とを電気的に分離するために、それらの電極１７，１８間のｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１６を除去する。さらに各導波路層１２，１３を分離する場合は、分離溝を形成するなどしてもよい。
【００４５】
なお、半導体の成長法としては、有機金属気相エピタキシャル成長法に限らず、分子線エピタキシャル成長法やその他の手段を用いてもよい。回折格子１５の形成方法も電子線露光法に限らず、二束干渉露光法やそのほかの手段を用いてもよい。
【００４６】
本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1および第二のレーザ部Ａ2の活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返しの数をそれぞれ６としている。第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2では同じ結合係数の回折格子１５を用いているので、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返し周期の長い第二のレーザ部Ａ2の方が結合係数と長さの積が大きくなるため反射率は高くなる。したがって、繰り返し数を同数とした場合、自然に出力は非対称となり、反射率の低い第一のレーザ部Ａ1からの出力が反射率の高い第二のレーザ部Ａ2からの出力に比べて大きくとれるため、第一のレーザ部Ａ1側から出力を効率よく取り出すことができる。なお、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返しの数は６に限らず、また繰り返し数が第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2で同じである必要もないため、必要な反射率に応じて繰り返し周期や繰り返し数を設計すればよい。
【００４７】
本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1の繰り返し周期を５７μｍとし、第二のレーザ部Ａ2の繰り返し周期を７２μｍとしている。また回折格子１５の結合係数は２５ｃｍ-1である。
【００４８】
上述したように、本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の回折格子１５の間に、１／４波長の位相シフト２０を入れている。１／４波長シフトは通常、理想的な状態、すなわち、活性導波路層１２及び非活性導波路層１３の屈折率が共振方向に沿って均一である場合でも、回折格子１５中に共振器の位相条件を満たすために挿入される。これにより最も位相整合がとれる条件となるが、必ずしも１／４波長シフトでなくともよく、例えば１／８波長シフトや３／８波長シフトとすることで、位相条件はずれることになるが、その分、位相シフト領域への光の集中を抑制することが可能となる。位相シフト領域への光の集中は、キャリア密度の低下を招き屈折率を上昇させる。これは、ホールバーニングと呼ばれ、高出力時にモードが安定しないなどの問題を生じさせるおそれがある。つまり、１／４波長シフトからずらした波長シフトとすれば、ホールバーニングを抑制し、モードを安定化させることが可能となる。
【００４９】
また、理想的な状態でも回折格子１５に挿入される、共振器の位相条件を満たすための位相シフト（本実施形態では１／４波長シフト）の位置は、必ずしも第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間である必要はなく、共振器中央の全共振器長の約１／３程度の範囲内に位相シフトがあれば、位相条件を満たすことができる。
【００５０】
上述したように、本実施形態では、第一のレーザ部Ａ1および第二のレーザ部Ａ2の活性導波路層１２と非活性導波路層１３の割合を１：２としている。非活性導波路１３の割合を大きくすることで、平均の等価屈折率変化を大きくすることができるので、波長変化量を大きくすることができる。しかしながら、非活性導波路層１３の割合を大きくすると必然的に活性導波路層１２の割合が小さくなってしまい、レーザ発振に必要な利得を得ることが困難になるおそれがある。したがって、活性層の層数などの設計や導波路の損失に応じて割合を調整することが必要であるが、分布活性ＤＦＢレーザの原理は、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2で活性導波路層１２と非活性導波路層１３の割合を同一とすることであるため、その割合は要求に応じて変更可能である。
【００５１】
ここで、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、活性導波路層１２と非活性導波路層１３との屈折率差が重要となっている。非活性導波路層１３の屈折率は、層構造や波長にもよるが、電流注入により０．０２５〜０．０３程度変化する。本実施形態の非活性導波路層１３は、１．４μｍのバンドギャップ波長を持つＧａＩｎＡｓＰ層３００ｎｍ厚をコア層としてＩｎＰクラッド層で挟んだ構造としている。この場合、約０．０２７の屈折率変化を引き起こすことができる。従って、非活性導波路層１３への電流注入前に活性導波路層１２と非活性導波路層１３との屈折率差を０．０２２に設定した。
【００５２】
つまり、活性導波路層１２と非活性導波路層１３との屈折率差−０．００５から０．０２２の範囲で波長変化を起こすことになる。このようにすることにより、非活性導波路層１３への電流注入により損失が増加して閾値利得ｇthが上昇したとしても、共振器としては、活性導波路層１２と非活性導波路層１３との屈折率差が無くなり、両者のブラッグ波長が一致するので高い反射率が得られるようになり、共振器の特性が向上して閾値利得ｇthを下げる効果が働くため、大きな閾値利得ｇthの増加を防ぐことが可能となる。
【００５３】
すなわち、非活性導波路層１３の屈折率の変化量のうち、半分以上の領域が、図３の横軸の活性導波路層１２と非活性導波路層１３の屈折率差（非活性導波路層１３の屈折率−活性導波路層１２の屈折率）の正の領域で動くように、初期の活性導波路層１２と非活性導波路層１３の屈折率差を設定すれば、上記の効果を得ることが可能となる。
【００５４】
より効果的には、非活性導波路層１３の屈折率を最大に変化させたときに、活性導波路層１２の屈折率が変化しないとした場合に、活性導波路層１２と非活性導波路層１３との屈折率差が０から−０．０１となっていることが望ましい。これは、実際には、非活性導波路層１３への電流注入により損失が増大して閾値利得ｇthが増大する分だけ、活性層のキャリア密度が増大することにより、活性導波路層１２の屈折率が若干低下するためである。
【００５５】
屈折率が低下する量は、導波路損失や回折格子の結合係数など、その他のパラメータなどにもよるので、一般化するのは困難である。しかしながら、本発明の重要な点は、屈折率変化をさせていった結果、共振器としての特性が上がるように初期屈折率差を設定しておくという点である。
【００５６】
従って、図３上で非活性導波路層１３の屈折率を最大に変化させたときに活性導波路層１２と非活性導波路層１３との屈折率差が０から−０．０１となるように設定しておくと、実際には活性導波路層１２の屈折率が下がる効果も考えると屈折率差が０近辺の状態になり、共振器としては最も閾値利得ｇthが下がる状態となる。
【００５７】
この範囲に設定しておくと、仮に活性導波路層１２の屈折率変化が０．０１以上起きたとしても、最終的な活性導波路層１２と非活性導波路層１３との屈折率差は正の値となって、初期状態から考えると閾値利得ｇthは単調減少しているので、損失増大による閾値利得ｇthの上昇を打ち消す方向に働いていると言え、本発明の効果が得られていると言える。
【００５８】
逆に、仮に活性導波路層１２の屈折率変化がほとんど起こらなかったとすると、最終的な活性導波路層１２と非活性導波路層１３との屈折率差は−０．０１となる。図３から屈折率差０のときの閾値利得ｇthと屈折率差−０．０１の時の閾値利得ｇthは５％程度の違いでしかない。従って、ここでの閾値利得ｇthの上昇はわずかだと言えるので許容範囲である。このような理由から、非活性導波路層１３の屈折率変化を最大としたときの活性導波路層１２と非活性導波路層１３との屈折率差を０から−０．０１となるように設定すると良いと言える。
【００５９】
以下に、上述した点を数式化して説明する。
非活性導波路層１３の屈折率変化量をΔＮｔとする。活性導波路層１２と非活性導波路層１３の初期（非活性導波路層１３への電流注入前）の屈折率差（非活性導波路層１３の屈折率−活性導波路層１２の屈折率）をΔＮｓとする。活性導波路層１２の屈折率変化が無いと仮定した場合に、非活性導波路層１３の最大の屈折率変化を得た際の活性導波路層１２との屈折率差をΔＮｅとする。これらの関係は、下式（６）となる。
ΔＮｓ−ΔＮｔ＝ΔＮｅ                         （６）
【００６０】
ここで、上述したように屈折率差ΔＮｅを下式（７）のように設定する。
【００６１】
【数３】
0005702262.tif 000004
【００６２】
（６）式及び（７）式から、初期屈折率差ΔＮｓは、下式（８）で表される。
【００６３】
【数４】
0005702262.tif 000005
【００６４】
本実施形態の設定条件を当てはめると、非活性導波路層１３の屈折率変化が可能な量は、ΔＮｔ＝０．０２７、また、活性導波路層１２と非活性導波路層１３との初期屈折率差は、ΔＮｓ＝０．０２２であるから、初期屈折率差ΔＮｓが、０．０１７〜０．０２７の範囲に入っているので（８）式を満たしていることがわかる。
【００６５】
初期屈折率差ΔＮｓは、層構造を変化させることで制御可能である。例えば、活性導波路層１３は多層量子井戸構造となっているが、量子井戸数を増やすと等価屈折率が上昇する。また、バリア組成を、より長波長のバンドギャップ波長の組成にすることによっても等価屈折率が上昇する。その他、導波路コアを形成する層の厚さや組成を変更することで等価屈折率を設計可能である。
【００６６】
ところで、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返し構造よりなる分布活性ＤＦＢレーザでは、活性導波路層１２と非活性導波路層１３との屈折率差が大きくなると、主反射ピークの他に繰り返し周期に反比例する間隔で副反射ピークが生じてくる。図１に示した繰り返し周期の異なる二つのレーザ部Ａ1，Ａ2を直列に接続した構造では、主反射ピークと副反射ピークの間隔が、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2で異なるために、副反射ピークでは共振が生じず、屈折率差が大きくなっても主反射ピークで発振し続ける。
【００６７】
本発明では、初期屈折率差ΔＮｓを比較的大きくする必要があるが、単一の繰り返し周期のみを持つような分布活性ＤＦＢレーザの場合は、初期屈折率差ΔＮｓが大きいために単一モード性が悪くなることがあり得る。したがって、本発明を適用するには、活性導波路層１２と非活性導波路層１３の繰り返し周期を２つ以上持つ分布活性ＤＦＢレーザの方が望ましい。
【００６８】
（第二の実施形態）
以下、図４及び図５に基づいて本発明に係る波長可変半導体レーザの第二の実施形態について説明する。
【００６９】
本実施形態は、第一の実施形態において説明した位相シフト２０を、λ／４に代えて、λ／４よりも小さい位相シフトとするものである。具体的には、本実施形態では、位相シフトをλ／５とした。その他の構造は第一の実施形態と同様であり、以下、同一の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明する。活性導波路層１２と非活性導波路層１３の初期屈折率差ΔＮｓは０．０２とした。
【００７０】
図４は、位相シフト２０として、３種類（λ／４、λ／６、λ／８）の位相シフトを適用した場合の規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1（左軸）と閾値利得ｇth（右軸）である。位相シフトの量を変えることによって、規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1に大きな違いが現れることがわかる。一方、第一モードの閾値利得ｇthには、それほど大きな違いは見られない。本実施形態の位相シフトはλ／５なので、図４中のλ／４とλ／６の間の特性となることは容易に類推できる。
【００７１】
ここで、位相シフトは、図５で定義する関係になっている。図５は横軸を位置で縦軸を屈折率とした場合の回折格子の屈折率変動の模式図であり、図５（ａ）は位相シフト２０をゼロとした場合、図５（ｂ）は位相シフト２０をλ／８とした場合、図５（ｃ）は位相シフト２０をλ／４とした場合を示している。
【００７２】
本発明では、第一の実施形態で説明したように、初期屈折率差ΔＮｓを最大の屈折率変化を鑑みて設定し、特に屈折率差がほぼ正の領域となるように屈折率を変化させる。図４よりわかるように、位相シフト２０をλ／４とすると、屈折率差０において最も規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1が大きくなり、屈折率差が大きくなるにしたがって小さくなる。屈折率差０を中心として、屈折率差の正負で対称な形をしている。一方、位相シフト２０をλ／４よりも小さくすることによって、規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1のピーク位置を屈折率差が正の領域にすることが可能となる。
【００７３】
本実施形態では、初期屈折率差が０．０２から−０．００５程度まで動くので、この範囲で平均的に大きな規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1が得られるように、位相シフト２０をλ／５としている。ここで、位相シフト２０が小さい方が、ピーク位置での規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1は小さくなってしまっている。しかし、波長可変レーザとして考えると、波長変化させている範囲で平均した副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が得られる方が良い。
【００７４】
以上のように、屈折率差が正の領域を中心に波長を変化させるのであれば、位相シフト量を小さくすることによって、波長変化幅全域にわたって平均的な単一モード特性が得られるようになる。
【００７５】
ただし、位相シフト２０をあまり小さくしすぎると、単一モード特性が悪くなってしまう。図４で示されるように位相シフト２０をλ／８とした場合には、屈折率差０．０２から０．０２５近辺がピークとなっている。屈折率差０．０３ではλ／６の位相シフト、λ／８の位相シフトともに急激に規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1が減少する。従って、位相シフト２０をλ／８よりも小さくすると、波長変化幅全域にわたって平均的な単一モード特性が得られるようにするという効果は得られない。従って、位相シフト２０のシフト量ΩCは下式（９）の範囲とすると良い。
【００７６】
【数５】
0005702262.tif 000006
【００７７】
従って、第一の実施形態と合わせて考えると、位相シフト２０のシフト量ΩCの範囲は、下式（１０）となる。
【００７８】
【数６】
0005702262.tif 000007
【００７９】
なお、もし、屈折率差が負の領域を使うときには、位相シフト２０をλ／４よりも大きくすればよいことは容易に類推できる。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、波長可変半導体レーザに適用して好適なものである。
【符号の説明】
【００８１】
１１  ｎ型ＩｎＰ下部クラッド層
１２  ＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層
１３  ＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層（波長制御層）
１４  ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層
１５  回折格子
１６  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１７  活性層電極
１８  波長制御電極
１９  電極
２０  レーザ部間位相シフト
【図１】
0005702262.tif 000010
【図２】
0005702262.tif 000011
【図３】
0005702262.tif 000012
【図４】
0005702262.tif 000013
【図５】
0005702262.tif 000014
【図６】
0005702262.tif 000015