(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のフォトルミネッセンスピーク波長を有する第１量子ドットと、前記第１のフォトルミネッセンスピーク波長と異なる第２のフォトルミネッセンスピーク波長を有する第２量子ドットを利得媒質とする量子ドット利得素子と、
前記利得媒質の光軸方向の一端面をひとつの反射面とする外部共振器と、
前記外部共振器中に挿入されて特定の周波数の光を選択する光学的フィルタと、
を有し、
前記第１のフォトルミネッセンスピーク波長をλ１、前記第２のフォトルミネッセンスピーク波長をλ２、前記第１量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルの半値全幅をλFWHM1、前記第２量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルの半値全幅をλFWHM2、前記光学的フィルタで決まる周波数間隔をλFSRとすると、
λFSR＋Ｃ2・(λFWHM1＋λFWHM2)／２＜λ１−λ２＜λFSR＋Ｃ1・(λFWHM1＋λFWHM2)/2
の条件を満たし、Ｃ１、Ｃ２は１より小さい正の定数であることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記条件で、Ｃ１＝０．８６、Ｃ２＝０．５０であ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】
前記光学的フィルタの自由スペクトルレンジは、８００ＧＨｚより大きく、３６００ＧＨｚより小さい範囲で選択されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記第１量子ドットと前記第２量子ドットは、異なる歪状態を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記第１量子ドットと前記第２量子ドットは異なる積層数でコラム状に積層されたコラムナドットであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１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。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信需要の増大によって、アクセスネットワークでも大容量化と高速化が進んでいる。次世代光通信ネットワークとして、１本の光ファイバケーブルに１００波長以上を多重する波長多重光通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplex）システムが検討されている。ＷＤＭシステムの光源として、量子ドットを利得媒質とした量子ドットレーザの研究が注目されている。量子ドットレーザは、温度による光出力の変動が小さいという特徴を有する。量子ドットレーザと外部共振器を組み合わせ、外部共振器中にエタロンフィルタを挿入して多波長の同時発振を実現する外部共振器型半導体レーザが提案されている（たとえば、非特許文献１及び２参照）。量子ドットを利得媒質とする場合、離散的な状態密度によって個々の量子ドットの発振波長が安定し、外部共振器の共振器長で決まる縦モード間隔をチャンネル間隔とする安定発振が期待できる。縦モード間隔が１００ＧＨｚ間隔の８チャンネルのＤ−ＷＤＭ（Dense WDM）用レーザや、波長間隔８００ＧＨｚのＬＡＮ−ＷＤＭ（Local Area Network WDM）用、またはＣ−ＷＤＭ（Coarse WDM）用のレーザも研究されている。これらの波長間隔はエタロンフィルタの膜厚を変化させることで制御できる。複数の波長の光を同時に発振することで光源デバイスの数を低減し、集積の簡素化、装置の小型化が可能になる。
【０００３】
量子ドットレーザでは、ドットサイズの不均一性を利用して波長帯域を拡げることができる。量子ドットのサイズや組成を同一層内で分布させ、個々の量子ドットの発光波長を制御することで、目標の波長帯域を達成する。現在主流であるＤ−ＷＤＭは波長間隔が４０〜２００ＧＨｚと狭いため、既存の成長条件で４チャンネル以上を実現できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】「THz周波数間隔を持つ量子ドット２波長レーザ」、赤羽浩一（Kouichi Akahane）他、応用物理学会講演予稿集17a-E15-5、２０１４年春
【非特許文献２】「量子ドットコムレーザによる多波長光発生と光強度安定性の検討」、山本直克（Naokatsu Yamamoto）他、応用物理学会講演予稿集17p-PA2-1、２０１４年春
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＬＡＮ−ＷＤＭ、Ｃ−ＷＤＭの波長間隔は８００ＧＨｚ〜３６００ＧＨｚと広く、一つの層内での量子ドットのばらつきだけで広帯域化を目指すのは難しい。現状の結晶成長技術では、同一面内でのドットサイズの不均一性を大きくして波長帯域を拡げようとしても４０ｎｍが限界である。一方、ドットサイズの不均一性を増大させて、さらなる広帯域化を目指す場合、結晶品質が劣化して所望の利得が得られず、多波長の同時発振が実現できないという問題もある。
【０００６】
そこで、広い波長レンジで多波長発振が可能な半導体レーザ装置の提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一つの態様として、半導体レーザ装置は、
第１のフォトルミネッセンスピーク波長を有する第１量子ドットと、前記第１のフォトルミネッセンスピーク波長と異なる第２のフォトルミネッセンスピーク波長を有する第２量子ドットを利得媒質とする量子ドット利得素子と、
前記利得媒質の光軸方向の一端面をひとつの反射面とする外部共振器と、
前記外部共振器中に挿入されて特定の周波数の光を選択する光学的フィルタと、
を有し、
前記第１のフォトルミネッセンスピーク波長をλ１、前記第２のフォトルミネッセンスピーク波長をλ２、前記第１量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルの半値全幅をλFWHM1、前記第２量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルの半値全幅をλFWHM2、前記光学的フィルタで決まる周波数間隔をλFSRとすると、
λFSR＋Ｃ2・(λFWHM1＋λFWHM2)/2＜λ１−λ２＜λFSR＋Ｃ1・(λFWHM1＋λFWHM2) /2
の条件を満たすことを特徴とする。ここで、Ｃ１、Ｃ２は１より小さい正の定数である。
【発明の効果】
【０００８】
広い波長帯域で多波長発振が可能な半導体レーザ装置が実現される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】従来の量子ドット利得素子の活性層断面と利得スペクトルの図である。
【図２】実施形態の量子ドット利得素子の活性層断面と利得スペクトルの図である。
【図３】実施形態の外部共振器型半導体レーザの概略図である。
【図４】外部共振器に挿入するエタロンの周波数間隔を変えたときの発振スペクトルの図である。
【図５】外部共振器型半導体レーザの電流−光強度特性の図である。
【図６】電流値に応じた発振スペクトルの図である。
【図７】量子ドット利得素子の概略図である。
【図８】実施形態の量子ドット利得素子の活性層の作製工程図である。
【図９】実施形態の量子ドット利得素子の活性層の作製工程図である。
【図１０】量子ドット利得素子の活性層の変形例である。
【図１１】モノリシック型半導体レーザの構成例である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
実施形態を説明する前に、図１を参照して発明者が見出した技術課題を説明する。図１（Ａ）は従来の量子ドット利得素子の活性層１０１の断面構造、図１（Ｂ）は図１（Ａ）の構造での利得スペクトルである。図１（Ａ）のように、利得媒質としてたとえばインジウムヒ素（ＩｎＡｓ）量子ドット１０２を積層し、ピーク波長が１２７５ｎｍの量子ドット利得素子を作製する。ＩｎＡｓ量子ドット１０２のサイズばらつきを利用すると、ピーク波長が互いに少しずつ異なる複数の発光が得られ、レーザ発振に寄与する光の帯域は１５〜２０ｎｍ程度となる。ＩｎＡｓ量子ドット１０２の不均一性を大きくして広帯域化を狙った場合、図１（Ｂ）に示すようにレーザ発振が得られる波長帯域は４０ｎｍが限界である。一方、ひとつの層で量子ドットの不均一性を大きくして波長帯域を拡げた場合、結晶品質の劣化により所定の利得が得られず、多波長での同時発振が起きなくなる。
【００１１】
そこで、同一面内での量子ドットの不均一性を拡大せずに広帯域化を実現することが望まれる。結晶品質を劣化させずに発振可能な帯域を大きくすることで、ＬＡＮ−ＷＤＭやＣ−ＷＤＭに適用可能な多波長同時発振の光源が実現し、また温度制御を緩和することができる。
【００１２】
図２は、実施形態の量子ドット利得素子の活性層１０の断面とその利得スペクトルを示す。図２（Ａ）の例では、フォトルミネッセンス（ＰＬ）ピーク波長が異なる２種類の量子ドット１３及び量子ドット１５の層を交互に積層する。量子ドット１３は、たとえばＰＬピーク波長が１２８５ｎｍのＩｎＡｓ量子ドット、量子ドット１５は、たとえばＰＬピーク波長が１２４５ｎｍのＩｎＡｓ量子ドットである。量子ドット１３、１５はそれぞれ面内でのばらつきが抑制され、均一性の高いサイズ、形状を有する。後述するように、量子ドット１３と量子ドット１５の歪状態を互いに異ならせることで、異なるＰＬピーク波長に設計することができる。
【００１３】
図２（Ｂ）の利得スペクトルにおいて、ミラー損失よりも高い領域の利得がレーザ発振に寄与する。１２４５ｎｍを中心とする利得領域Ａと、１２８５ｎｍを中心とする利得領域Ｂで、利得の最大値と最小値の差（あるいは利得領域の高さ）が異なる場合がある。利得領域Ａと利得領域Ｂの間に、利得がミラー損失よりも低い「非利得領域」が存在する。一般に、非利得領域ではレーザ発振はしない。これに対し、実施形態では外部共振器中に適切な波長間隔の光学的フィルタを挿入し、量子ドット１３のＰＬピーク波長（λ１）と量子ドット１５のＰＬピーク波長（λ２）の間隔Δλ1-2が所定の関係を満たすように設定することで、非利得領域での発振を実現する。非利得領域で十分な強度の発振が得られると、５０ｎｍを超えるレンジにわたって複数波長の同時発振が得られる。
【００１４】
図３は、半導体レーザ装置の一例として、外部共振器型半導体レーザ２０の概略構成を示す。外部共振器型半導体レーザ２０は、量子ドット利得素子１と、レンズ２３、エタロンフィルタ２２、及びミラー２１を含む光学系とを有する。半導体レーザ１は、利得媒質として図２（Ａ）の量子ドット１３、１５が形成された活性層１０を有する。量子ドット１３，１５が形成された量子ドット活性層１０を有する利得媒質素子１を「量子ドット利得素子」と称している。量子ドット利得素子１のへき開面（ＣＬ）とミラー２１の間で外部共振器を構成する。この例で、へき開面（ＣＬ）からミラー２１までの外部共振器長は約５０ｍｍである。電流注入により、量子ドット利得素子１の活性層１０で生成された光は、へき開面（ＣＬ）とミラー２１の間を反復し、誘導放出の繰り返しにより増幅された光が出力される。出力光は光ファイバ２５により図示しない光デバイスに伝送される。
【００１５】
外部共振器に、エタロンフィルタ２２等、特定の周波数（波長）の光を透過させる光学的フィルタ２２を挿入することで、図２（Ｂ）の利得領域Ａ、Ｂと非利得領域の全体にわたって等間隔での発振が可能になる。
【００１６】
図４は、利得媒質に図２（Ａ）の量子ドット構造を用い、外部共振器のＦＳＲ（自由スペクトルレンジ）すなわち共振波長間隔を変化させたときの発振スペクトルを示す。図４（Ａ）は、外部共振器にエタロンフィルタ２２を挿入しない場合（ＦＳＲ＝３ＧＨｚ）の発振スペクトルである。この場合、外部共振器、すなわち量子ドット利得素子１のへき開面（ＣＬ）とミラー２１の間の３ＧＨｚの縦モードで発振する。利得領域Ａ、Ｂでは非常に密に生じる発振があり、非利得領域（図２（Ｂ）参照）ではまったく発振していない。
【００１７】
図４（Ｂ）は、ＦＳＲが８００ＧＨｚのエタロンフィルタ２２を挿入した場合の発振スペクトルである。外部共振器のＦＳＲ（波長間隔）がエタロンフィルタの周波数間隔となり、５０ｎｍ近い帯域にわたって４ｎｍ間隔で多数の発振が得られる。しかし、非利得領域では利得ピーク強度よりも約８ｄＢ低い値で発振している。
【００１８】
図４（Ｃ）は、ＦＳＲが１８００ＧＨｚのエタロンフィルタ２２を挿入した場合の発振スペクトルである。非利得領域でも利得領域と同程度の光強度で発振している。この例では、波長間隔１０ｎｍで６波長が同時発振し、波長帯域は５０ｎｍ、利得ピーク強度のばらつきは３ｄＢ以下という良好な結果を示している。
【００１９】
図４（Ｄ）は、ＦＳＲが３６００ＧＨｚのエタロンフィルタ２２を挿入した場合の発振スペクトルである。波長間隔２０ｎｍで非常に均一な光強度で３波長発振し、４０ｎｍの帯域となっている。
【００２０】
図４（Ａ）〜４（Ｄ）の結果から、ＰＬピーク波長の間隔とＦＳＲを適切に選択することで、広い帯域で均一なスペクトル間隔の縦モード発振が得られることがわかる。
【００２１】
図５は、波長帯域１２４０ｎｍ〜１３１０ｎｍの全波長光強度の電流依存性を示す図、図６は、ＦＳＲが１８００ＧＨｚのエタロンフィルタを用いたとき（図４（Ｃ））の発振スペクトルの電流依存性を示す図である。図６の（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ図５のａ、ｂ、ｃ、ｄの各点の電流値に対する発振スペクトルである。量子ドット利得素子１に注入する電流量を０ｍＡ〜２００ｍＡまで増大させていくと、ａ点で最初の発振が始まる。この閾値電流は、図５の例では３５ｍＡであり、図６の（ａ）に示すように長波長側の波長Ｌ１で最初に発振する。
【００２２】
電流値が図５のｂ点まで上昇すると、図６の（ｂ）に示すように、２番目の波長Ｌ２で発振する。注入電流を増加させていくと、Ｌ１、Ｌ２、…Ｌｎと順次発振し、１００ｍＡで波長間隔１０ｎｍの６つの発振スペクトルが得られる。この波長間隔１０ｎｍはエタロンフィルタ２２のＦＳＲによって決まる波長間隔である。
【００２３】
ここで、エタロンフィルタ２２で決まる波長間隔をλFSRとすると、１番目の発振スペクトルの波長Ｌ１と、２番目の発振スペクトルの波長Ｌ２の関係が
Ｌ１-Ｌ２≧２×λFSR            （１）
を満たす電流領域が存在する。図５及び図６の例では１００ｍＡ近傍がその電流領域に該当する。式（１）を別の表現で説明すると、１番目の発振スペクトルと２番目の発振スペクトルの間に、１つ以上の発振スペクトルが等間隔で立つ条件である。これは、半導体レーザ１の利得媒質の隣接するＰＬピーク波長間の間隔が、エタロンフィルタの波長間隔λFSRよりも広いために生じる現象である。ＰＬピーク波長間の間隔が、エタロンフィルタの波長間隔λFSRよりも狭い場合は注入した電子がエネルギーの低い順位から徐々に詰まっていくため、隣接したチャンネルから順次発振していくが、実施形態では２つの利得領域が存在するために、発振波長に飛びが現れる。
【００２４】
図４（Ｄ）の場合も同様の関係が成り立つ。図４（Ｄ）の場合、一番右側の発振スペクトル（Ｌ１）が１番目の発振スペクトルであり、一番左側の発振スペクトル（Ｌ２）が２番目の発振スペクトルである。図４（Ｄ）のエタロンフィルタ２２の波長間隔は２０ｎｍであり、Ｌ１とＬ２の差分は式（１）の関係を満たす。半導体レーザ１の利得媒質の隣接するＰＬピーク波長の間隔が、エタロンフィルタの波長間隔（この例では２０ｎｍ）よりも広く設定されていることにより生じる現象である。このときの電流領域は１６０ｍＡ近傍となる。
【００２５】
図４（Ｂ）〜図４（Ｄ）を参照するなら、ＦＳＲを１８００ＧＨｚまでの適切な値に設定することで、５０ｎｍの波長レンジにわたって６ｎｍ、８ｎｍといった波長間隔で同時発振が起きると容易に推測される。同様に、ＦＳＲを１８００ＧＨｚより大きく、３６００ＧＨｚよりも小さい適切な値に設定することで、５０ｎｍ近い波長レンジで、たとえば１５ｎｍの波長間隔での同時発振を実現することができる。８００ＧＨｚ間隔では発振に不均一が残るが、間隔を広くすることで均一な発振となる。
【００２６】
式（１）の関係を成立させて広い帯域で複数の波長で同時発振させるためには、半導体レーザ１の利得媒質の隣接する２つのＰＬピーク波長の間隔Δλ1-2を広げるか、エタロンフィルタによるＦＳＲを小さくすることが考えられる。エタロンフィルタの波長間隔を狭くしていくと、十分なチャネル間隔を確保できないだけでなく、図４（Ｂ）のように、非利得領域での発振スペクトルの強度が低下し、連続した波長レンジでの同時発振が実現できなくなる。
【００２７】
他方、利得媒質のＰＬピーク波長の間隔を広くとりすぎると、非利得領域での発振が困難になる。そこで、利得媒質のＰＬピーク波長の差（λ１-λ２=Δλ1-2）を適切な範囲に設定する。
【００２８】
量子ドットのばらつきを表わすパラメータとして量子ドットのＰＬスペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）を用いる。長波長（λ１）側の量子ドット１３のＰＬスペクトルの半値全幅をλFWHM1とし、短波長（λ２）側の量子ドット１５のＰＬスペクトルの半値全幅をλFWHM2とする。
【００２９】
隣接する２つのＰＬピーク波長の間隔Δλ1-2は、エタロンフィルタの波長間隔λFSRと各ＰＬスペクトルの半値全幅であるλFWHM1、λFWHM2を用いて式（２）で表すことができる。
【００３０】
λFSR＋Ｃ2・(λFWHM1＋λFWHM2)/2＜λ１−λ２＜λFSR＋Ｃ1・(λFWHM1＋λFWHM2)/2
（２）
ここで、Ｃ1、Ｃ2は定数である。
【００３１】
量子ドット１３と量子ドット１５のＰＬスペクトルの特性が近い場合、λFWHM1≒λFWHM2＝λFWHMと考えてよい。この場合、式（２）は式（３）のように表現される。
【００３２】
λFSR＋Ｃ2・λFWHM＜Δλ1-2＜λFSR＋Ｃ1・λFWHM            （３）
実施形態では、λFWHM1は３８．６ｎｍ、λFWHM2は３７．４ｎｍであり、λFWHM1≒λFWHM2＝λFWHMと近似できる。この場合、図４（Ａ）〜図４（Ｄ）の結果を用いて定数を計算すると、Ｃ１=0.86、Ｃ2=0.50となる。この定数値は、ＦＳＲ１０ｎｍ以上、２０ｎｍ未満（1800GHz＜FSR＜3600GHz）の範囲にわたって妥当する定数値である。式（２）または式（３）の範囲内で、目的とする発振間隔と、隣接するＰＬピーク波長間の間隔及び各ＰＬスペクトルの半値全幅を設計することができる。
【００３３】
図７は、量子ドット利得素子１の構成例を示す概略図である。半導体基板２上に、下部クラッド層３と上部クラッド層４で挟み込んだ活性層１０を配置する。活性層１０は、第１のＰＬピーク波長を有する量子ドット１３と、第２のピーク波長を有する量子ドット１５を交互に積層した構成を有する。上部クラッド層４上にコンタクト層５を配置し、コンタクト層５上に所定形状の電極７を配置する。半導体基板２の裏面にも図示しない電極が形成されている。量子ドット利得素子１のへき開面８が出射面となっており、へき開面８と反対側の面に反射防止（ＡＲ：Anti-Reflection）膜９が形成されている。
【００３４】
図８及び図９は、活性層１０の形成工程図である。図８（Ａ）で、たとえばｎ型ＧａＡｓ基板２上に、膜厚１００ｎｍのｎ型ＧａＡｓ層３１、膜厚２００ｎｍのｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層３、膜厚１００ｎｍのＧａＡｓバッファ層３２を順次成長する。ＧａＡｓバッファ層３２上にＩｎＡｓ量子ドット３３を成長する。
【００３５】
図８（Ｂ）で、ＩｎＡｓ量子ドット３３上にＩｎＧａＡｓ歪緩和層３４を形成する。ＧａＡｓバッファ層３２上のＩｎＡｓ量子ドット３３は、格子不整合による応力を受けていいる。ＧａＡｓよりも格子定数の大きいＩｎＧａＡｓ歪緩和層３４をＩｎＡｓ量子ドット３３上に形成することで、ドット成長方向への応力が緩和される。ＩｎＡｓ量子ドット３３と歪緩和層３４を合わせて、第１のＰＬピーク波長を有する量子ドット１３とする。
【００３６】
図８（Ｃ）で、量子ドット１３上にＧａＡｓバリア層１４を成長する。
【００３７】
図９（Ａ）で、ＩｎＡｓ量子ドット１５を成長し、図９（Ｂ）でＩｎＡｓ量子ドット１５上にＧａＡｓバリア層１４を成長する。図９（Ｃ）で、ＩｎＡｓ量子ドット１３と、ＩｎＡｓ量子ドット１３の層を交互に積層する。ＩｎＡｓ量子ドット３３とＩｎＡｓ量子ドット１５は、同じ成長条件で同じ組成、同じサイズに形成してもよい。たとえば６００℃で直径２０ｎｍのドットに成長する。量子ドット１３と量子ドット１５は異なる歪状態を有し、歪が緩和された量子ドット１３のＰＬピーク波長は、量子ドット１５のＰＬピーク波長よりも長波長にある。ＰＬピーク波長は、量子ドット１３と量子ドット１５の組成やドットサイズを変えることでも異ならせることができる。
【００３８】
図１０は、半導体レーザ１の変形例である。図１０（Ａ）の構成例では、たとえばｎ型ＩｎＰ基板４１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層４２を１００ｎｍ成長し、ＩｎＧａＡｓＰバッファ層４３上に異なる積層数のコラムナドット４９を有する層５１と５２を形成する。図の例では、ＩｎＡｓ量子ドット４５をＩｎＧａＡｓＰサイドバリア層４６を介して３層コラム状に積層させたコラムナドット４９ａの層５１と、ＩｎＡｓ量子ドット４５をＩｎＧａＡｓＰサイドバリア層４６を介して５層コラム状に積層させたコラムナドット４９ｂの層５２を、ＩｎＧａＡｓＰバリア層４７を挟んで形成する。コラムナドット４９ａの層５１とコラムナドット４９ｂの層５２を交互に繰り返してもよい。
【００３９】
図１０（Ｂ）は、コラムナドットの積層数とＰＬピーク波長の関係を示す図である。たとえば４層積層のコラムナドットの層５１と、１０層積層のコラムナドットの層５２を形成することで、ＰＬピーク波長の間隔を４０ｎｍとしてもよい。この場合、適切なＦＳＲのエタロンフィルタ２２を外部共振器に挿入することで、１．５μｍ帯で５０ｎｍ以上の波長帯域にわたって複数波長の同時発振が可能になる。
【００４０】
図１１は、半導体レーザ装置の別の例としてモノリシック型半導体レーザ６０の概略構成を示す。図１１（Ａ）は上面図、図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）のＡ−Ａ'断面である。シリコン基板６１上に、量子ドット利得素子（quantum dot gain chip）７０、シリコン光導波路６５、６７、６９、シリコン光機能部品７２、７３、７６等が集積されている。量子ドット利得素子７０は、利得媒質として図２（Ａ）のような量子ドット構成、または図１０（Ａ）のような量子ドット構成を有し、電流注入により異なる波長（λ１、λ２、λ３、λ４、．．）で同時発振する。量子ドット利得素子７０はバンプ７１により量子ドット利得素子用テラス６８に搭載されている。量子ドット利得素子７０の利得媒質の端面は、シリコン酸化膜６２上に形成されたスポットサイズ変換器６６でシリコン光導波路６９に光学的に接続されている。
【００４１】
シリコン光導波路６９は光カプラ７２で分岐され、一方のシリコン光導波路６７はリング共振器７３と光学的に接続される。リング共振器７３はＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector：分布ブラッグ反射器）ミラー７６と光学的に接続されている。量子ドット利得素子７０の出射側と反対側の端面とＤＢＲミラー７６との間に外部共振器が形成される。量子ドット利得素子７０を出射した光は、ＤＢＲミラー７６と量子ドット利得素子７０の利得媒質の端面の間を反復する。リング共振器７３とＤＢＲミラー７６は、上層に形成されたヒーター７５で加熱され、リング共振器７３の共振周波数（波長）と外部共振器の位相が調整される。温度制御下で、リング共振器７３は任意の波長間隔の光を選択的に励振させる。増幅され所定の波長間隔で発振した光は他方のシリコン光導波路６５から出力される。
【００４２】
リング共振器７３は、特定波長の光を選択する光学的フィルタ２２に対応し、ヒーター７５で、その共振波長間隔λFSRを１０ｎｍ（１８００ＧＨｚ）に調整する。量子ドット利得素子７０の利得媒質の異なるＰＬピーク波長の間隔が式（２）または（３）の関係を満たすときに、図４（Ｃ）のような発振スペクトルを得ることができる。
【００４３】
本発明は上述した実施形態に限定されず、多様な変形例が可能である。特定の波長をとりだす光学的フィルタ２２としてエタロンフィルタ２２やリング共振器７３の他に、光バンドバスフィルタ、干渉フィルタ等を用いてもよい。ＩｎＡｓ量子ドット１３の歪緩和層はＩｎＧａＡｓに替えてＩｎＡｌＡｓを用いてもよい。
【００４４】
実施形態では、量子ドット１３と量子ドット１５の歪状態、またはコラムナドット積層数を変えてＰＬピーク波長を異ならせたが、層ごとに組成とサイズの少なくとも一方を変えることでＰＬピーク波長を異ならせてもよい。
【００４５】
以上の説明に対して以下の付記を提示する。
（付記１）
第１のフォトルミネッセンスピーク波長を有する第１量子ドットと、前記第１のフォトルミネッセンスピーク波長と異なる第２のフォトルミネッセンスピーク波長を有する第２量子ドットを利得媒質とする量子ドット利得素子と、
前記利得媒質の光軸方向の一端面をひとつの反射面とする外部共振器と、
前記外部共振器中に挿入されて特定の周波数の光を選択する光学的フィルタと、
を有し、
前記第１のフォトルミネッセンスピーク波長をλ１、前記第２のフォトルミネッセンスピーク波長をλ２、前記第１量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルの半値全幅をλFWHM1、前記第２量子ドットのフォトルミネッセンススペクトルの半値全幅をλFWHM2、前記光学的フィルタで決まる周波数間隔をλFSRとすると、
λFSR＋Ｃ2・(λFWHM1＋λFWHM2)/2＜λ１−λ２＜λFSR＋Ｃ1・(λFWHM1＋λFWHM2)/2
の条件を満たし、Ｃ１、Ｃ２は１より小さい正の定数であることを特徴とする半導体レーザ装置。
（付記２）
前記条件式で、Ｃ１＝０．８６、Ｃ２＝０．５０であることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ装置。
（付記３）
前記光学的フィルタの自由スペクトルレンジは、８００ＧＨｚより大きく、３６００ＧＨｚより小さい範囲で選択されることを特徴とする付記１または２に記載の半導体レーザ装置。
（付記４）
前記第１量子ドットと前記第２量子ドットは、異なる歪状態を有することを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
（付記５）
前記第１量子ドットと前記第２量子ドットは異なる積層数でコラム状に積層されたコラムナドットであることを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
（付記６）
前記量子ドット利得素子は半導体基板上に搭載され、
前記外部共振器は、前記半導体基板上に形成された光学的反射素子と、前記量子ドット利得素子と前記光学的反射素子の間の前記半導体基板上に形成されて前記特定の周波数の光を透過させる共振器とを含むことを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
（付記７）
前記光学的フィルタは、エタロンフィルタであることを特徴とする付記１〜５の何れかに記載の半導体レーザ装置。
（付記８）
前記利得媒質の利得スペクトルは、前記第１のフォトルミネッセンスピーク波長を中心とする第１の利得領域と、前記第２のフォトルミネッセンスピーク波長を中心とする第２の利得領域と、前記第１の利得領域と前記第２の利得領域に挟まれる非利得領域を有することを特徴とする付記１〜７のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
【符号の説明】
【００４６】
１  量子ドット利得素子
１０  活性層
１３  ＩｎＡｓ量子ドット（第１量子ドット）
１５  ＩｎＡｓ量子ドット（第２量子ドット）
２０  外部共振器型半導体レーザ（半導体レーザ装置）
２１  ミラー（光学的反射素子）
２２  エタロンフィルタ（光学的フィルタ）
４９ａ  コラムナドット（第１量子ドット）
４９ｂ  コラムナドット（第２量子ドット）
６０  モノリシック型半導体レーザ（半導体レーザ装置）
７３  リング共振器（光学的フィルタ）
７６  ＤＢＲミラー（光学的反射素子）
７０  量子ドット利得素子
【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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