(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し、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第一の周期で接続されてなる第一のレーザ部と、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第二の周期で接続されてなる第二のレーザ部とを備えた分布活性ＤＦＢ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、
前記活性導波路層と前記非活性導波路層との接合面に対応する前記回折格子の位置に下式（１）を満足する位相シフト量ΩBJの補正位相シフトが挿入されるとともに、
前記第一のレーザ部と前記第二のレーザ部との接続部に対応する前記回折格子の位置に、前記補正位相シフトに加えて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前記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が挿入された
ことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
−λ／４＜ΩBJ＜０      （１）
【請求項２】
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し、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第一の周期で接続されてなる第一のレーザ部と、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第二の周期で接続されてなる第二のレーザ部とを備えた分布活性ＤＦＢレーザであって、
前記活性導波路層又は前記非活性導波路層の一方にのみ回折格子が形成されており、隣接する前記回折格子の位相関係が、下式（２）を満足する位相シフト量２ΩBJだけシフトしているとともに、
前記第一のレーザ部と前記第二のレーザ部との接続部を挟んで隣接する前記回折格子の位相関係が、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前記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をΩC0として、ΩC0＋２ΩBJだけシフトしている
ことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
−λ／４＜ΩBJ＜０      （２）
【請求項３】
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し、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第一の周期で接続されてなる第一のレーザ部と、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第二の周期で接続されてなる第二のレーザ部とを備えた分布活性ＤＦＢレーザであって、
前記活性導波路層と前記非活性導波路層の両方に回折格子が形成されており、各前記導波路層の隣接する境界のうちいずれか一方にのみ、下式（３）を満足する位相シフト量２ΩBJを挿入するとともに、
前記第一のレーザ部と前記第二のレーザ部との接続部を挟んで隣接する前記回折格子の位相関係が、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前記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をΩC0として、ΩC0＋２ΩBJだけシフトしている
ことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
−λ／４＜ΩBJ＜０ （３）
【請求項４】
前記第一のレーザ部と前記第二のレーザ部とで、前記活性導波路層と前記非活性導波路層の繰り返し周期が異なる
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の波長可変半導体レーザ。
【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】
図１２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、横軸を非活性導波路層の屈折率と活性導波路層の屈折率との差として、第一モードの閾値利得と第二モードの閾値利得との差Δｇthを第一モードの閾値利得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）と第一モードの閾値利得ｇth1（図中、白丸及び波線で示す値。右軸に対応）を計算したものである。
【００１４】
従来構造では、非活性導波路層に電流を流す、すなわち、キャリアを注入すると、屈折率が低下する。非活性導波路層と活性導波路層との屈折率差が０の状態で最も閾値利得ｇth1が低く、規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1が大きくなる。閾値利得ｇth1は低い方が閾値電流が低くなりレーザ発振しやすい。規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1は単一モード性に関わるパラメータで、大きい方が単一モード性が良い。従って、半導体レーザとして最も良い特性が得られるのが屈折率差が０の時である。
【００１５】
例えば、非活性導波路層の屈折率の最大変化量が０．０２だとして、非活性導波路層への電流注入前の初期状態での屈折率差を０．０１とすると、屈折率差が０.０1から−０.０1の間で変化することになる。このように、屈折率差０を中心として正負に振り分けることによって、平均的に良い特性が得られる領域を使うことが可能となる。
【００１６】
さらに、実際には、非活性導波路層へのキャリア注入を行うと自由電子吸収などの損失が増加することになるため、閾値利得ｇth1が上昇してしまう。これを考慮して、あらかじめ、屈折率差が大きいところから開始し、非活性導波路層の屈折率変化後に屈折率差が０近辺となるようにすると、図１２で示される閾値利得ｇth1の低下により屈折率変化後の損失増加による閾値利得ｇth1の上昇を打ち消すことができる。
【００１７】
ただし、あまり初期屈折率差が大きいと、閾値利得ｇth1が高く、規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1が小さくなってしまうので、なるべく、最終的に屈折率差が０近辺となるようにした方がよい。すなわち、前述の例だと、初期屈折率差を０．０１５程度から０．０２程度として、最終的に屈折率差が０近辺となるようにするのが良い。
【００１８】
しかしながら、上記の屈折率の設定方法を用いるためには、活性導波路層か非活性導波路層のどちらかの層構造、すなわち、屈折率を決めてしまうと、もう一方の導波路層に設定できる屈折率が決まってしまい、層構造が限定されてしまう。
【００１９】
非活性導波路層の最大屈折率差を大きくするためには、導波路コア層の組成を、バンドギャップ波長が発振波長よりも短波側で、利得が生じない程度に発振波長に近づける必要がある。すなわち、長波長化することになるが、その場合、屈折率が大きくなる。
【００２０】
また、非活性導波路層の屈折率は、電流注入によってコア層に溜まるキャリアによって変化するが、非活性導波路層のコア層を厚くすることによって光閉じ込めが大きくなるために、屈折率変化量が大きくなる。しかしながら、コア層を厚くすると屈折率が大きくなる。
【００２１】
一方、活性導波路層の方は、量子井戸数を増やすなどで屈折率を上昇させることができるが、あまり増やしすぎると、キャリアの注入が不均一になるなど、レーザ特性に悪影響を与えてしまう。
【００２２】
以上のように非活性導波路層の屈折率変化を大きくする設計は、屈折率が高くなる方向であるが、活性導波路層の屈折率はレーザ特性を最適にするために決める必要があり、個別に設計できる方が望ましい。
【００２３】
このようなことから本発明は、従来構造における活性導波路層と非活性導波路層の屈折率差の制限を回避することが可能となり、設計の自由度が向上し、活性導波路層と非活性導波路層とをそれぞれに適した層構造とす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】
【００２４】
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し、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第一の周期で接続されてなる第一のレーザ部と、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第二の周期で接続されてなる第二のレーザ部とを備えた分布活性ＤＦＢ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、前記活性導波路層と前記非活性導波路層との接合面に対応する前記回折格子の位置に下式（４）を満足する位相シフト量ΩBJの補正位相シフトが挿入されるとともに、前記第一のレーザ部と前記第二のレーザ部との接続部に対応する前記回折格子の位置に、前記補正位相シフトに加えて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前記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が挿入されたことを特徴とする。
−λ／４  ＜  ΩBJ  ＜  ０                          （４）
【００２５】
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、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し、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第一の周期で接続されてなる第一のレーザ部と、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第二の周期で接続されてなる第二のレーザ部とを備えた分布活性ＤＦＢレーザであって、前記活性導波路層又は前記非活性導波路層の一方にのみ回折格子が形成されており、隣接する前記回折格子の位相関係が、下式（５−１）を満足する位相シフト量２ΩBJだけシフトしているとともに、前記第一のレーザ部と前記第二のレーザ部との接続部を挟んで隣接する前記回折格子の位相関係が、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前記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をΩC0として、ΩC0＋２ΩBJだけシフトしていることを特徴とする。
−λ／４＜ΩBJ＜０      （５−１）
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、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し、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第一の周期で接続されてなる第一のレーザ部と、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが第二の周期で接続されてなる第二のレーザ部とを備えた分布活性ＤＦＢレーザであって、前記活性導波路層と前記非活性導波路層の両方に回折格子が形成されており、各前記導波路層の隣接する境界のうちいずれか一方にのみ、下式（５−２）を満足する位相シフト量２ΩBJを挿入するとともに、前記第一のレーザ部と前記第二のレーザ部との接続部を挟んで隣接する前記回折格子の位相関係が、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前記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をΩC0として、ΩC0＋２ΩBJだけシフトしていることを特徴とする。
−λ／４＜ΩBJ＜０ （５−２）
【００２６】
上記の課題を解決するための第４の発明に係る波長可変半導体レーザは、第１から第３のいずれか一つの発明に係る波長可変半導体レーザにおいて、前記第一のレーザ部と前記第二のレーザ部とで、前記活性導波路層と前記非活性導波路層の繰り返し周期が異なることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、従来構造における活性導波路層と非活性導波路層の屈折率差の制限を回避することが可能となり、設計の自由度が向上し、活性導波路層と非活性導波路層とをそれぞれに適した層構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【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効果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】本発明の第一の実施形態の効果を説明する図である。
【図６】本発明の第一の実施形態の効果を説明する図である。
【図７】位相シフトを説明する図である。
【図８】本発明の第二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９】本発明の第二の実施形態に係る波長可変半導体レーザの位相関係を説明する模式図である。
【図１０】本発明の第三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１１】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。
【図１２】分布活性ＤＦＢレーザの特性を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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。
【００３０】
（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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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と変えて直列に接続した構造となっている。さらに、全ての活性導波路層１２と非活性導波路層１３の境界付近の回折格子に後述する位相シフト量ΩBJの位相シフト（以下、補正位相シフトという）を入れ、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間に補正位相シフトに加えて位相シフト量λ／４の共振器の位相条件を満たすための位相シフトを入れている。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。以下、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間に挿入した位相シフトをレーザ部間位相シフト２１、これ以外の部分に挿入した位相シフトを導波路層間位相シフト２０と呼称する。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2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Ｌ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。第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間にレーザ部間位相シフト２１を入れて、回折格子１５の位相を１／４波長＋ΩBJ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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。活性導波路層と非活性導波路層とがバットジョイント（ＢＪ）された構造となる。
【００４３】
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１５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１５を形成する。回折格子１５は、図１に示すように各導波路層１２，１３の間にΩBJの導波路層間位相シフト２０、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2の間にλ／４＋ΩBJのレーザ部間位相シフト２１を入れる。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。１／４波長の位相シフトは、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１／４波長の位相シフトがあれば、位相条件を満たすことができる。共振器の位相条件を満たすための位相シフトを導波路接合面近傍としない場合には、この位相シフトと、接合面の揺らぎにより生じる等価的な位相シフトを補償するための補正位相シフトは別々に挿入すればよい。
【００５０】
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。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、本発明の原理は、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】
上述したように、本実施形態に係る波長可変半導体レーザでは、活性導波路層１２と非活性導波路層１３を交互に周期的に配置する点が異なるだけで、通常の波長可変半導体レーザの作製法を用いて容易に作製することができる。ΩBJの導波路層間位相シフト２０を挿入することは、電子ビーム描画のパターンを変更するだけで実現可能である。回折格子１５は電子ビーム描画により周期的にラインアンドスペースを繰り返すことにより実現できるが、導波路層間位相シフト２０，２１は、導波路層間位相シフト２０，２１を入れたい箇所でラインまたはスペースの位置を所望の量ずらすことにより実現できる。
【００５２】
また、通常のｐｎダイオード型の層構造のため、半導体増幅器や変調器などとの集積も容易に実施することができるため、高性能多機能素子の要素となる光源素子として使用可能である。
【００５３】
続いて、位相シフトについて説明する。図３は、活性導波路層１２と非活性導波路層１３との間に入れる導波路層間位相シフト２０の位相シフト量をΩBJ、図１の第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2との間に入れるレーザ部間位相シフト２１の位相シフト量をΩC（＝λ／４＋ΩBJ）とした場合の、活性導波路層１２と非活性導波路層１３との屈折率差を横軸として規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1を計算した図である。図４は同様に、閾値利得ｇth1を計算した結果である。ここで、位相シフト量ΩBJが０且つ位相シフト量ΩCが０．２５λの場合の値は、図１２に示し上述した従来の分布活性ＤＦＢレーザにおける計算結果と同じである。
【００５４】
位相シフト量ΩCの値は、もともと位相整合を得るために挿入するλ／４シフト（０．２５λシフト）に位相シフト量ΩBJを加えた値としているため、位相シフト量ΩBJが−λ／８シフト（０．１２５λシフト）のときには、位相シフト量ΩCはλ／８となっており、位相シフト量ΩBJが−λ／６シフト（０．１６７λシフト）のときには、位相シフト量ΩCはλ／１２シフト（０．０８３λシフト）となっており、位相シフト量ΩBJが−λ／５シフト（０．２λシフト）のときには、位相シフト量ΩCはλ／２０シフト（０．０５λシフト）となっている。
【００５５】
図３より、位相シフト量ΩBJが大きくなるにしたがって、ピーク位置（もっとも単一モード特性が良くなる屈折率差）が屈折率差の正の方にシフトすることがわかる。ただし、ピーク位置での規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1の大きさは小さくなる。また、図４より、やはり閾値利得ｇth1の最小値（もっとも閾値電流が下がる屈折率差）は屈折率差の正の方にシフトすることがわかる。ただし、最小値で閾値利得ｇth1は大きくなる。
【００５６】
しかしながら、例えば、位相シフト量ΩBJが０のとき（従来構造）と、位相シフト量ΩBJが−λ／８のときとを比べると、屈折率差が０．０１５近辺で特性が逆転しており、屈折率差が０．０１５を超えたところでは、位相シフト量ΩBJが−λ／８の方が特性が良くなる。また、位相シフト量ΩBJが−λ／６のときは、屈折率差が０．０２を少し超えた箇所で位相シフト量ΩBJが０のときの特性を逆転している。位相シフト量ΩBJが−λ／５のときは、屈折率差が０．０２５から０．０３の間で位相シフト量ΩBJが０のときの特性を逆転する。
【００５７】
以上のように、ΩBJシフトは、規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1の最大値、閾値利得差Δｇthの最小値を屈折率差の正の領域にシフトし、屈折率差が大きな領域で従来構造（ΩBJシフトが無いとき）よりも特性が良くなる。
【００５８】
図５は、位相シフト量ΩBJを−λ／８に固定し、位相シフト量ΩCの値を変えて図３と同様に横軸を屈折率差として規格化閾値利得差Δｇth／ｇth1を計算した結果である。位相シフト量ΩCの値をλ／８（０．１２５）よりも小さくすると、ピーク位置が更に屈折率差の大きい側にシフトすることがわかる。また図６は、位相シフト量ΩBJを−λ／８に固定し、位相シフト量ΩCの値を変えて図４と同様に横軸を屈折率差として閾値利得ｇth1を計算した結果である。屈折率差が０．０１よりも大きな領域において、位相シフト量ΩCの値が小さい方が閾値利得ｇth1が小さくなる。
【００５９】
ただし、位相シフト量ΩCを小さくしすぎると、図５および図６のΩC＝０．０２５λの結果からわかるように、屈折率差の大きい領域での特性改善が見られなくなってくる。図中には表示していないが、ΩC＝０では特性改善が見られないため、位相シフト量ΩCは０より大きいことが望まれる。
【００６０】
以上のように、負の位相シフト量ΩBJを入れた場合には、位相シフト量ΩCは従来のλ／４シフトに位相シフト量ΩBJを加算した値ではなく、それよりも小さな値を入れることによって、屈折率差が正の領域において特性が向上することがわかる。すなわち、従来構造では、活性導波路層と非活性導波路層との屈折率差の制限により、どちらかの層構造によってもう一方の層構造を設計する必要があったが、本発明を用いることにより、屈折率差がより大きい範囲で動作させることができるようになるため、例えば、活性導波路層１２は閾値電流が低くなり出力が大きくなるような設計とし、非活性導波路層１３は屈折率を大きく変化させる設計とするなど、独立に層構造を設計することができるようになる。
【００６１】
図３から図６の結果から、位相シフト量ΩBJ、位相シフト量ΩCの範囲は、それぞれ下式（６）、（７）ということができる。
【００６２】
【数１】
0005681082.tif 000002
【００６３】
また、本実施形態では、位相シフト量ΩCを導波路接続部に入れているため、位相シフト量ΩCに位相シフト量ΩBJを含んだ値としているが、位相シフト量ΩBJを独立に配置しても良い。その場合は、位相シフト量ΩBJとは別に挿入する位相シフト量ΩC0は下式（８）に示すようにλ／４シフト以下とすればよい。
【００６４】
【数２】
0005681082.tif 000003
【００６５】
ここで、ΩC，ΩC0，ΩBJが下式（９）の関係を満たすことは明らかである。
ΩC＝ΩC0＋ΩBJ                                       （９）
【００６６】
本実施形態では、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との繰り返し周期を変えているが、同一の周期としても本発明を適用できる。しかしながら、本実施形態のように周期を変えることで、屈折率差に対して単一モード特性の良好な範囲が広くなる。したがって、屈折率差の大きな範囲を積極的に使う本発明では、本実施形態で説明したように、第一のレーザ部Ａ1と第二のレーザ部Ａ2で繰り返し周期を異ならせた方がより良いと言える。
【００６７】
なお、位相シフトは、図７で定義する関係になっている。図７は横軸を位置として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７（ａ）は位相シフトがゼロの場合、図７（ｂ）は位相シフトがλ／８の場合、図７（ｃ）は位相シフトがλ／４の場合を示している。負の位相シフトは、位置が逆方向にずれることになる。
【００６８】
（第二の実施形態）
以下、図８及び図９に基づいて本発明に係る波長可変半導体レーザの第三の実施形態について説明する。図８は第三の実施形態を説明する図である。
【００６９】
第一の実施形態では、共振器全体にわたって回折格子１５を形成した分布活性ＤＦＢレーザを例に説明したのに対し、本実施形態では、回折格子を形成する箇所を周期的に部分的に限定したサンプル回折格子とした分布活性ＤＦＢレーザを例として説明する。
以下、図１ないし図７に示し第一の実施形態において説明した構成要素と同様の部材について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ものとする。
【００７０】
図８に示すように、本実施形態では、活性導波路層２２に回折格子２４があり、非活性導波路層２３には回折格子がない構造となっている。非活性導波路層２３には回折格子がないため、第一の実施形態のように、活性導波路層２２と非活性導波路層２３との位相関係を決めることはできないが、この場合、活性導波路層２２同士の回折格子１５の位相関係が重要となる。
【００７１】
つまり、例えば、活性導波路層２２a11に続いて非活性導波路層２３t1を伝搬した光が、次の活性導波路層２２a12に入るため、非活性導波路層２３t1の光学長によって、活性導波路層２２同士の回折格子２４a11，２４a12の位相関係が決まるということになる。これは、非活性導波路層２３が活性導波路層２２に形成された回折格子２４の位相シフトとなると考えても良い。
【００７２】
図９は非活性導波路層２３が活性導波路層２２に形成された回折格子１５の位相シフトとなることを説明する図である。簡単に説明するため、ここでは、活性導波路層２２と非活性導波路層２３の平均的屈折率が等しいものとして説明する。
【００７３】
活性導波路層２２には回折格子２４があり、非活性導波路層２３には回折格子が無い。図９では、一例として左側の活性導波路層２２a11の回折格子２４a11が非活性導波路層２３にまで連続していると仮定した場合の回折格子が点線で書かれており、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいて、この点線と右側の活性導波路層２２a12の回折格子２４a12とでは位相が一致していないことが分かる。つまり、隣接する活性導波路層２２の回折格子２４の位相が相互に連続しない構成とすることにより、隣接する活性導波路層２２の回折格子２４間に位相シフトが入っているのと同様の作用効果を得ることができる。
【００７４】
本発明は、第一の実施形態で説明したように、活性導波路層２２と非活性導波路層２３の間に位相シフト量ΩBJの位相シフトを入れるものである。第二の実施形態では、非活性導波路層２３に回折格子が無い構造としているので、活性導波路層２２同士の位相関係は、位相シフト量ΩBJの二倍の位相関係にすれば、第一の実施形態で規定した位相シフトの範囲を適用できる。同様に、位相シフト量ΩCの位置を挟む活性導波路層２２同士の位相関係は、λ／４＋２×ΩBJのように考えればよい。
【００７５】
本実施形態では、活性導波路層２２に回折格子２４が形成され、非活性導波路層２３には回折格子が無いが、逆に、非活性導波路層２３に回折格子を形成し、活性導波路層２２に回折格子が無い場合であっても本発明を適用できる。その場合、活性導波路２６と非活性導波路２７を入れ替えて考えれば容易に類推できる。
【００７６】
（第三の実施形態）
図１０に基づいて本発明に係る波長可変半導体レーザの第三の実施形態について説明する。
図１０は第三の実施形態を説明する図である。第一の実施形態と第二の実施形態から類推されるように、本発明の効果を得るためには、同じ領域同士の回折格子の位相関係が重要である。すなわち、活性導波路同士、非活性導波路同士、ということになる。
【００７７】
従って、本実施形態では、図１０に示すように各導波路層の導波路の隣接する境界のうち、一方にのみ位相シフト２４を挿入している。この場合、位相シフト２４としては、第二の実施形態と同様に、第一の実施形態で挿入している導波路層間位相シフト２０の２倍の値を挿入すればよい。これにより、位相シフト２４の範囲を第一の実施形態で説明した範囲として考えることができる。
【００７８】
なお、位相シフト２４を挿入する位置としては、図１０に示した位置に限らず、各導波路層の隣接する境界のうちいずれか一方に挿入すればよい。
【００７９】
その他の構成は図１ないし図７に示し第一の実施形態において説明した構成と同様であり、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【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
１２，２２  ＧａＩｎＡｓＰ活性導波路層
１３，２３  ＧａＩｎＡｓＰ非活性導波路層（波長制御層）
１４  ｐ型ＩｎＰ上部クラッド層
１５，２４  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
２０，２５  導波路層間位相シフト
２１  レーザ部間位相シフト
【図１】
0005681082.tif 000004
【図２】
0005681082.tif 000005
【図３】
0005681082.tif 000006
【図４】
0005681082.tif 000007
【図５】
0005681082.tif 000008
【図６】
0005681082.tif 000009
【図７】
0005681082.tif 000010
【図８】
0005681082.tif 000011
【図９】
0005681082.tif 000012
【図１０】
0005681082.tif 000013
【図１１】
0005681082.tif 000014
【図１２】
0005681082.tif 000015