(57)【要約】【課題】レーザ発振波長における光パワーの波長依存性を低減可能な半導体発光素子を提供する。【解決手段】レーザ発振波長を変更可能な半導体発光素子１１では、光反射器１３は、回折格子２１ａ〜２１ｉと電極２３ａ〜２３ｉとを含む。回折格子２１ａ、２１ｃ、２１ｉの周期は互いに異なる。電極２３ａ〜２３ｉは回折格子２１ａ〜２１ｉのためにそれぞれ設けられる。反射端面１５は半導体発光素子１１の一端面１１ａに設けられている。利得導波路１７は電極２５からキャリア注入による光学的利得を有する。リング共振器１９は、複数の極大値を含む透過スペクトルを有する。光反射器１３及び反射端面１５の各々は半導体発光素子１１のレーザキャビティのための反射鏡である。リング共振器１９及び利得導波路１７は、半導体光源２７を構成しており、またレーザキャビティ内で直列に配置される。【選択図】図２
2008294371.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振波長を変更可能な半導体発光素子であって、
互いに周期の異なる複数の回折格子と、前記回折格子のためにそれぞれ設けられた複数の電極とを含む光反射器と、
前記半導体発光素子の一端面に設けられた反射端面と、
キャリア注入による光学的利得を有する利得導波路と、
複数の極大値を含む透過スペクトルを有するリング共振器と
を備え、
前記光反射器および前記反射端面は、当該半導体発光素子のレーザキャビティのための反射鏡であり、
前記リング共振器および前記利得導波路は前記レーザキャビティ内において直列に配置されて半導体光源を構成している、ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記光反射器は、前記回折格子の各々に光学的に結合された光導波路を含み、
前記回折格子の任意の一回折格子は、他の回折格子から隔置されており、
前記複数の電極のうち所望の発振波長に対応する電極への電気信号に応答して、前記複数の回折格子のうち前記所望の発振波長のための回折格子の反射スペクトルが変更されて、前記光反射器の反射スペクトルは、前記所望の発振波長を含む波長領域において増大される、ことを特徴とする請求項１に記載された半導体発光素子。
【請求項３】
前記レーザキャビティ外において前記光反射器に光学的に結合されており、前記光反射器からのレーザ光を処理する光処理素子を更に備え、
前記光処理素子は、前記レーザ光を変調するための光変調器および前記レーザ光を増幅する光増幅器の少なくともいずれか一方を含む、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体発光素子。
【請求項４】
前記回折格子は、それぞれ、固有の反射スペクトルを有しており、
前記光反射器における反射スペクトルの最大値は、前記電極への信号印加に応答して、対応する回折格子の前記固有の反射スペクトルの最大値よりも増大され、
前記光増幅器は、前記複数の回折格子の前記固有の反射スペクトルを合成した合成スペクトルの幅より広い波長幅において光学利得を有する半導体光増幅器を含む、ことを特徴とする請求項３に記載された半導体発光素子。
【請求項５】
当該半導体発光素子からの光出射は前記反射端面から行われる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体発光素子。
【請求項６】
前記レーザキャビティ内に設けられた光導波路の位相調整のための信号を印加するための電極を含む位相調整器を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
【請求項７】
前記半導体光源および前記光反射器の一方を他方に光学的に結合するための第１の半導体光導波路と、
前記リング共振器および前記利得導波路の一方を他方に光学的に結合するための第２の半導体光導波路と
を更に備え、
前記第１の半導体光導波路は、前記光反射器に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記半導体光源に光学的に結合する光結合部とを含み、
前記第２の半導体光導波路は、前記半導体光源の前記利得導波路に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記リング共振器に光学的に結合された光結合部とを含み、
前記第１および第２の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面に到達しており、
前記別の端面にはＡＲコートされている、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
【請求項８】
前記半導体光源および前記光反射器の一方を他方に光学的に結合するための第１の半導体光導波路と、
前記リング共振器および前記利得導波路の一方を他方に光学的に結合するための第２の半導体光導波路と
を更に備え、
前記第１の半導体光導波路は、前記光反射器に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記半導体光源に光学的に結合する光結合部とを含み、
前記第２の半導体光導波路は、前記半導体光源の前記利得導波路に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記リング共振器に光学的に結合された光結合部とを含み、
前記第１および第２の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面に到達しており、
前記第１および第２の半導体光導波路の前記他端は、前記別の端面に向けて屈曲されており、
前記別の端面にはＡＲコートされている、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
【請求項９】
前記半導体光源および前記光反射器の一方を他方に光学的に結合するための第１の半導体光導波路と、
前記リング共振器および前記利得導波路の一方を他方に光学的に結合するための第２の半導体光導波路と
を更に備え、
前記第１の半導体光導波路は、前記光反射器に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記半導体光源に光学的に結合する光結合部とを含み、
前記第２の半導体光導波路は、前記半導体光源の前記利得導波路に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記リング共振器に光学的に結合された光結合部とを含み、
前記第１の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面から離れており、
前記第２の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面から離れており、
前記第１および第２の半導体光導波路の前記他端は、半導体光導波路の幅が徐々に狭くなる導波路終端を有する、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、波長可変レーザが記載されている。この波長可変レーザは、２個以上のリング共振器を備える。詳しくは、波長可変レーザの構造では、レーザ共振器はチップの両端面からなる。この半導体レーザは、波長可変機能を持たせるために２つの異なる半径のリング共振器を使った波長可変フィルターを共振器内に形成している。これらのリングに流す電流を変えることによりリングの屈折率が変わる。リングへの注入電流を変えることにより、リング共振器を透過する光の波長を変えることができ、２個のリング共振器は、波長可変フィルタの役割を果たす。半径の異なる２つのリング共振器はそれぞれ異なる透過スペクトル間隔を持ち、２つのリング共振器の透過波長が一致したときに高い透過率が提供される。したがって、リング共振器への少ない注入電流により、ピーク透過波長の波長位置を大幅に変化させることができる（バーニア効果）。
【０００３】
特許文献１には、広い範囲の波長で同調可能な集積化された半導体装置が記載されている。この半導体装置では、反射器は、活性セクションと、リング共振器と、サンプルド回折格子（ＳＧ）−反射器とを含む。ＳＧ−反射器は、不均一回折格子の一種であり、一定周期の複数の回折格子が一定の間隔で配置されたものである。ＳＧ−反射器の反射スペクトルは、所定の波長間隔で並んだ多数の反射ピークを含む。この半導体装置における発振波長は、バーニア効果により決定される。
【非特許文献１】IEEE  International  Semiconductor  Laser  Conference  2006  TuB2  Widely  tunable  laser  using  microring  resonators,  S.Matsuo  et.  al.
【特許文献１】特開２００１−７４３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１に記載されているような、複数のリング共振器を用いた波長可変レーザでは、リング共振器と導波路との光結合は、方向性結合器やＭＭＩ（Multi Mode Interference）結合器が用いられるが、１結合点あたり数ｄＢの光ロスが生じる。このため、レーザの発振閾値電流の増加、光出力対注入電流比（スロープ効率）の低下が生じる。
【０００５】
一方、特許文献１に記載されているような半導体装置では、リング共振器の数を少なくする一方で、レーザキャビティのために不均一回折格子を用いる。不均一回折格子の反射ピーク波長の一つが、バーニア効果により、リング共振器の透過ピーク波長の一つに一致する。不均一回折格子の反射スペクトルは、所定の波長間隔で並んだ多数の反射ピークを有しており、反射ピーク群のピーク強度は、不均一回折格子のセンタ波長から離れるに従って小さくなる。このため、レーザ発振の強度は、不均一回折格子のピーク反射率に応じて変動する。また、不均一回折格子の反射スペクトルにおける反射ピークの反射率の低下は比較的大きいので、レーザ発振波長の可変範囲が制限される。
【０００６】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、レーザ発振波長における光パワーの波長依存性を低減可能な半導体発光素子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】
【０００７】
本発明の一側面は、レーザ発振波長を変更可能な半導体発光素子である。半導体発光素子は、（ａ）互いに周期の異なる複数の回折格子と前記回折格子のためにそれぞれ設けられた複数の電極とを含む光反射器と、（ｂ）前記半導体発光素子の一端面に設けられた反射端面と、（ｃ）キャリア注入による光学的利得を有する利得導波路と、（ｄ）複数の極大値を含む透過スペクトルを有するリング共振器とを備え、前記光反射器および前記反射端面は、当該半導体発光素子のレーザキャビティのための反射鏡であり、前記リング共振器および前記利得導波路は前記レーザキャビティ内において直列に配置されて半導体光源を構成している。
【０００８】
この半導体発光素子によれば、回折格子のためにそれぞれ対応づけられた電極に信号を印加する。この印加により、光反射器の互いに周期の異なる複数の回折格子の反射スペクトルによる合成反射スペクトルは変更される。このため、バーニア効果を用いること無く、リング共振器の透過スペクトルにおける複数の極大値の列の一つが光反射器内の回折格子を用いて選択される。また、光反射器は不均一回折格子を用いないので、不均一回折格子のような反射率ピーク強度の不揃いが生じない。
【０００９】
本発明に係る半導体発光素子では、前記光反射器は、前記回折格子の各々に光学的に結合された光導波路を含み、前記回折格子の任意の一回折格子は、他の回折格子から隔置されており、前記複数の回折格子のうち前記所望の発振波長のための回折格子の反射スペクトルが変更されて、前記光反射器の反射スペクトルは、前記所望の発振波長を含む波長領域において増大されることが好ましい。
【００１０】
この半導体発光素子によれば、電極へ印加する電気信号に応じて、所望の発振波長を含む波長領域における反射スペクトルのピーク強度を調整可能である。
【００１１】
本発明に係る半導体発光素子は、前記レーザキャビティ外において前記光反射器に光学的に結合されており、前記光反射器からのレーザ光を処理する光処理素子を更に備えることができる。前記光処理素子は、前記レーザ光を変調するための光変調器および前記レーザ光を増幅する光増幅器の少なくともいずれか一方を含む。
【００１２】
この半導体発光素子によれば、光変調器および光増幅器といった光処理素子とレーザ光源との集積が容易になる。
【００１３】
本発明に係る半導体発光素子では、前記回折格子は、それぞれ、固有の反射スペクトルを有しており、前記光反射器における反射スペクトルの最大値は、対応する回折格子の前記固有の反射スペクトルの最大値よりも前記電極への信号印加に応答して増大され、前記光増幅器は、前記複数の回折格子の前記固有の反射スペクトルを合成した合成スペクトルの幅より広い波長幅において光学利得を有する半導体光増幅器を含む。
【００１４】
この半導体発光素子によれば、光反射器は不均一回折格子を用いること無く均一回折格子を用いるので、レーザ発振波長の可変範囲を広めることが可能であり、半導体光増幅器を用いることによって広い可変範囲が提供される。
【００１５】
本発明に係る半導体発光素子では、当該半導体発光素子からの光出射は前記反射端面から行われることができる。この半導体発光素子によれば、光反射器を介すること無く光出射が行われるので、光反射器の透過光を出射することがない。
【００１６】
本発明に係る半導体発光素子では、前記レーザキャビティ内に設けられた光導波路の位相調整のための信号を印加するための電極を含む位相調整器を更に備えることができる。この半導体発光素子によれば、レーザ発振波長の可変に伴いレーザ発振条件を満たす位相の調整が可能になる。
【００１７】
本発明に係る半導体発光素子は、前記半導体光源および前記光反射器の一方を他方に光学的に結合するための第１の半導体光導波路と、前記リング共振器および前記利得導波路の一方を他方に光学的に結合するための第２の半導体光導波路とを更に備えることができる。前記第１の半導体光導波路は、前記光反射器に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記半導体光源に光学的に結合する光結合部とを含み、前記第２の半導体光導波路は、前記半導体光源の前記利得導波路に光学的に結合された一端と、他端と、前記一端と前記他端との間に設けられ前記リング共振器に光学的に結合された光結合部とを含む。
【００１８】
前記第１の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面に到達しており、前記第２の半導体光導波路の前記他端は、前記別の端面に到達しており、前記別の端面にはＡＲコートされている。この半導体発光素子によれば、レーザキャビティ内に２個の光結合部が用いられるので、２個のリング共振器を用いる半導体レーザに比べて、光結合部による光学損失が少ない。また、ＡＲコートにより終端することにより、光導波路の端部における反射を低減される。
【００１９】
また、本発明に係る半導体発光素子では、前記第１の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面に到達しており、前記第２の半導体光導波路の前記他端は、前記別の端面に到達しており、前記第１および第２の半導体光導波路の前記他端は、前記別の端面に向けて屈曲されており、前記別の端面にはＡＲコートされている。この半導体発光素子によれば、レーザキャビティ内に２個の光結合部が用いられるので、２個のリング共振器を用いる半導体レーザに比べて、光結合部による光学損失が少ない。また、光導波路の屈曲およびＡＲコートにより終端することにより、光導波路の端部における反射を低減される。
【００２０】
本発明に係る半導体発光素子では、前記第１の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面から離れており、前記第２の半導体光導波路の前記他端は、当該半導体発光素子の別の端面から離れており、前記第１および第２の半導体光導波路の前記他端は、半導体光導波路の幅が徐々に狭くなる導波路終端を有する。この半導体発光素子によれば、レーザキャビティ内に２個の光結合部が用いられるので、２個のリング共振器を用いる半導体レーザに比べて、光結合部による光学損失が少ない。また、光導波路の幅を徐々に狭くするように終端することによって、光導波路の端部における反射を低減される。
【００２１】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ発振波長における光パワーの波長依存性を低減可能な半導体発光素子が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体発光素子に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００２４】
図１は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子を示す図面である。半導体発光素子１１は、レーザ発振波長を変更可能である。以下に説明された構成物が、半導体基板といった基板上に設けられている。半導体発光素子１１は、光反射器１３と、反射端面１５と、利得導波路１７と、リング共振器１９とを備える。光反射器１３は、複数の回折格子２１ａ、２１ｃ、２１ｉと、複数の電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｉとを含む。図１には、I−I線に沿って取られた、回折格子２１ａ、２１ｃ、２１ｉの断面が模式的に示されている。回折格子２１ａ、２１ｃ、２１ｉの周期は互いに異なる。電極２３ａ、２３ｃ、２３ｉは、回折格子２１ａ、２１ｃ、２１ｉのためにそれぞれ設けられている。反射端面１５は、半導体発光素子１１の一端面１１ａに設けられている。利得導波路１７は、電極２５からキャリア注入による光学的利得を有する。リング共振器１９は、複数の極大値を含む透過スペクトルを有する。光反射器１３および反射端面１５の各々は、半導体発光素子１１のレーザキャビティのための反射鏡である。リング共振器１９および利得導波路１７は、半導体光源２７を構成しており、またレーザキャビティ内において直列に配置されている。
【００２５】
この半導体発光素子１１によれば、回折格子２１ａ、２１ｃ、２１ｉのためにそれぞれ対応づけられた電極２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｉに信号を印加する。この印加により、光反射器１３の互いに周期の異なる複数の回折格子２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｉの反射スペクトルからなる合成反射スペクトルは変更される。このため、バーニア効果を用いること無く、リング共振器１９の透過スペクトルにおける一連のピークの一つが光反射器内の回折格子を用いて選択される。また、光反射器１３は不均一回折格子を用いないので、不均一回折格子のような反射率ピーク強度の不揃いが生じ難い。
【００２６】
図２は、本実施の形態に係る半導体発光素子における一例の光反射器の反射スペクトルを示す図面である。利用を容易にするために、例示的な光反射器は、光導波路に沿って配置された９個の回折格子２１ａ〜２１ｉと、９個の電極２３ａ〜２３ｉとを含む。回折格子２１ａ〜２１ｉの各々は、可変範囲の波長域にＢｒａｇｇ回折波長を有する均一回折格子である。例えば、半導体発光素子１１では、図２（ａ）に示されるように、電極２３ａ〜２３ｉのうち該回折格子（例えば、回折格子２１ｅ）に対応する電極への電気信号に応答して、回折格子２１ａ〜２１ｉの反射スペクトル２０ａ〜２０ｉのうち所望の発振波長を含む波長領域（例えば回折格子２０ｅの反射スペクトルの波長領域）における反射スペクトルが、残りの回折格子２１ａ〜２１ｄ、２１ｆ〜２１ｉの反射スペクトル２０ａ〜２０ｄ、２１ｆ〜２０ｉの最大値と比較して増大されることが好ましい。図２（ｂ）に示されるように、電極へ印加する電気信号に応じて、選択された回折格子の反射スペクトルの波長および／またはピーク強度を調整可能である。
【００２７】
回折格子反射境の反射率調整について説明する。回折格子の波長λg（１次回折波長）は、屈折率ｎ０、回折格子周期Λを用いて、
λｇ（０）＝２×ｎ０×Λ
と表される。電流注入すると、キャリア密度増加によるプラズマ効果で屈折率は下がる。このため、回折格子の波長は短波長にシフトする。低下した屈折率ｎＩＮＪ（＜ｎ０）を用いて、シフト波長は
λｇ（ＩＮＪ）＝２×ｎＩＮＪ×Λ
と表される。所望のレーザ発振波長λＬＤにおける回折格子の反射率を上げるためには、
λｇ＞λＬＤ
を満たす回折波長の回折格子を選択する。この回折格子に電流を注入すると、回折波長λｇはλＬＤに近づき、λＬＤでの反射率が高くなる。
【００２８】
図２を参照しながら説明すると、回折格子２０ｅに対応する波長帯の反射率を高くするためには、電極２３ｅに電流注入せずに電極２３ｆに電流を注入する。電極２３ｆに対応する回折格子の回折波長が短波長にシフトして、回折格子２０ｅの反射スペクトルに近づく。このような現象により、光反射器の合成反射スペクトルでは、電流注入によりシフトした回折格子２０ｆの反射スペクトルと回折格子２０ｅの反射スペクトルとの反射率が加算されて、周囲よりも大きな反射ピークが現れる。つまり、複数の回折格子２１ａ〜２１ｉのうち、所望の発振波長λｇのための回折格子２０ｅの反射スペクトルが、複数の電極２３ａ〜２３ｉのうち所望の発振波長λｇよりも長波長の回折格子２３ｆのための電極２３ｆへの電気信号に応答して、残りの回折格子２１ａ〜２１ｄ、２１ｆ〜２１ｉの反射スペクトルの最大値と比較して増大される。
【００２９】
故に、所望の発振波長付近に回折波長を持つ回折格子に対応する電極に電気信号を加えてその回折波長を所望の発振波長に近づけて、光反射器内の複数の回折格子の反射スペクトルの重なりにより所望の発振波長での反射率を高めることになる。上記の説明は、電流注入による調整について行われた。回折格子に電圧を加えて屈折率を変化させる電圧調整では、電圧印加に伴う光吸収による影響で屈折率が高くなる場合がある。
【００３０】
複数の均一な回折格子をレーザ共振器の反射鏡として用いた場合、図２（ａ）に示されるように、回折格子に電流を注入しないとき、幅広い平坦な反射率を有する反射スペクトルになる。このため、レーザの出力光や自然放出光を観測することにより、リング共振器の特性（吸収スペクトル周期など）を検査できる。
【００３１】
半導体発光素子１１では、当該半導体発光素子１１からの光出射は反射端面１５から行われることができる。光反射器１３を介すること無く、半導体発光素子１１からの光の出射が行われるので、出射光は光反射器１３の透過光でない。また、図１に示されるように、半導体発光素子１１は、位相調整器２９を更に備えることができる。位相調整器２９は、位相調整のための信号を光導波路に印加するための電極３０を含む。この光導波路は、レーザキャビティのための反射鏡の間に位置する。この位相調整器２９によれば、レーザ発振波長の可変に伴い位相の調整が可能になる。例えば、信号の印加としては、電圧の印加または電流印加が行われる。
【００３２】
図３（ａ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子における一例のリング共振器の透過スペクトルを示す図面である。リング共振器１９では、光導波路は、閉じた曲線に沿って延びている。リング共振器１９の直径は、例えば１００〜１１００μｍであり、フォトリソグラフィを用いて作製可能である。リング共振器１９の透過スペクトルでは、リング共振器１９の光路長に応じて規定されるフリー・スペクトラル・レンジ（ＦＳＲ）の間隔で透過率のピークが配列されている。ＦＳＲは、リング共振器１９の光導波路上に設けられた電極３１に印加される信号に応じて変更される。例えば、信号の印加としては、電圧の印加または電流印加が行われる。
【００３３】
半導体光源２７の利得導波路１７からの光は、リング共振器１９の透過スペクトルによりフィルタリングされると共に、レーザキャビティを往復する。図３（ｂ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子におけるレーザ発振可能な波長グリットとグリットの一つを選択するための反射スペクトルを示す図面である。半導体発光素子１１では、図３（ｂ）に示される波長グリッドλ１〜λ９において、レーザ発振が可能である。この波長グリッドは、リング共振器１９のＦＳＲによって規定される。波長グリッドλ１〜λ９からの選択は、光反射器１３の電極２３ａ〜２３ｉへの信号印加により行われる。半導体発光素子１１は、電極２３ａ〜２３ｉへの信号印加に応じて形成されたスペクトルのピーク反射率に従って、最も高利得の波長λ５を有するレーザ光を生成する。
【００３４】
半導体発光素子１１において、光反射器１３の一端は半導体光源２７に光学的に結合されており、光反射器１３の他端は、光導波路の余長３５を有する。光導波路の余長３５の端部は、光導波路幅を徐々に狭くすることにより終端されている。この余長３５は、別の光学デバイスを結合して当該半導体発光素子１１に取り込むために利用される。
【００３５】
半導体発光素子１１では、光反射器１３、反射端面１５、利得導波路１７、リング共振器１９および位相調整器２９は、単一の基板３３上に形成される。半導体発光素子１１の構成物（例えば、半導体積層、光導波路、電極等）は、例えば、半導体素子を作製するための工程（結晶成長、エッチング、電極形成等）の組み合わせにより作製される。
【００３６】
図１を参照しながら、半導体発光素子１１をより詳細に説明する。半導体発光素子１１は、第１〜第２の半導体光導波路３７、４１を更に備えることができる。第１の半導体光導波路３７は、半導体光源２７および光反射器１３の一方を他方に光学的に結合する。第１の半導体光導波路３７は、光反射器１３に光学的に結合された一端３７ａと、他端３７ｂと、一端３７ａと他端３７ｂとの間に設けられ半導体光源２７（例えば、リング共振器１９）に光学的に結合する光結合部３７ｃとを含む。他端３７ｂは、半導体発光素子１１の別の端面１１ｂから離れている。
【００３７】
第２の半導体光導波路４１は、リング共振器１９および利得導波路１７の一方を他方に光学的に結合する。第２の半導体光導波路４１は、半導体光源２７の位相調整器２９を介して利得導波路１７に光学的に結合された一端４１ａと、他端４１ｂと、一端４１ａと他端４１ｂとの間に設けられリング共振器１９に光学的に結合された光結合部４１ｃとを含む。第１および第２の半導体光導波路３７、４１の他端３７ｂ、４１ｂは、半導体光導波路の幅が徐々に狭くなる導波路終端を有する。幅を狭くすることにより光が光導波路外へ放射され、或いは導波路を曲げることにより光導波路への反射が抑制されることによって、実効的な無反射終端が実現される。また、光導波路の端部に吸収層を形成することもできる。
【００３８】
この半導体発光素子１１によれば、レーザキャビティ内に２個の光結合部３７ｃ、４１ｃが用いられるので、レーザ共振器のために２個のリング共振器を用いる（４個の光結合部を含む）半導体レーザに比べて、光結合部による光学損失が少ない。また、光導波路３７ｂ、４１ｂの幅を徐々に狭くするように終端することによって、光導波路の端部における反射を低減される。半導体発光素子１１の別の端面１１ｂ、１１ｃ、１１ｄにＡＲコートが不要である。
【００３９】
図４は、本実施の形態に係る半導体発光素子の光出力特性を示す図面である。横軸は、利得導波路に印加された電流を示し、縦軸は、電流に印加により得られた光出力パワーを示す。図４には、この実施の形態に係る一例の波長可変レーザの発光特性Ａだけでなく、ＳＧ−回折格子を用いる波長可変レーザの発光特性Ｂおよび２個のリング共振器を用いる波長可変レーザの発光特性Ｃが示されている。波長可変のために１個のリング共振器を用いているので、２個のリング共振器を含む波長可変レーザに比べて共振器内部の光吸収が小さく、閾値電流が小さい。さらに、スロープ効率も優れる。また、レーザ光の出力を反射端面から取り出せば、大きな光出力を得ることができる。
【００４０】
図５は、本実施の形態に係る半導体発光素子の変形例を概略的に示す図面である。半導体発光素子４３は、第１〜第２の半導体光導波路４５、４７を含む。第１の半導体光導波路４５は、半導体光源２７および光反射器１３の一方を他方に光学的に結合する。第２の半導体光導波路４７は、リング共振器１９および利得導波路１７の一方を他方に光学的に結合する。光反射器１３の他端は、光導波路の余長３５を有する。光導波路の余長３５の端部は、光導波路幅を屈曲することにより終端されている。第１の半導体光導波路４５は、光反射器１３に光学的に結合された一端４５ａと、反射端面１５が設けられた端面４３ａとは反対側の別の端面４３ｂに到達する他端４５ｂと、一端４５ａと他端４５ｂとの間に設けられ半導体光源２７（例えば、リング共振器１９）に光学的に結合する光結合部４５ｃとを含む。第２の半導体光導波路４７は、位相調整器２９に光学的に結合された一端４７ａと、別の端面４３ｂに到達する他端４７ｂと、一端４７ａと他端４７ｂとの間に設けられリング共振器１９に光学的に結合された光結合部４７ｃとを含む。別の端面４３ｂにはＡＲコート４９が形成されている。
【００４１】
この半導体発光素子４３によれば、レーザキャビティ内に２個の光結合部４５ａ、４７ｃが用いられるので、２個のリング共振器を用いる半導体レーザに比べて、光結合部による光学損失が少ない。また、ＡＲコート４９により終端することにより、光導波路の端部における反射を低減される。
【００４２】
或いは、他端４５ｂ、４７ｂは、反射端面１５が設けられた端面４３ａとは反対側の別の端面４３ｂにおいて、該端面４３ｂに向けて屈曲されることが好ましい。光導波路の屈曲およびＡＲコートにより終端することにより、光導波路の端部における反射を低減される。
【００４３】
図６は、本実施の形態に係る半導体発光素子の変形例を概略的に示す図面である。半導体発光素子５１は、光処理素子５３および出射端面５５を更に備えることができる。光処理素子５３は、レーザキャビティ外において光反射器１３に光学的に結合されており、光反射器１３からのレーザ光を処理する。光処理素子５３は、処理のための信号を受けるための電極５４を含む。一例では、光処理素子５３は、レーザ光を変調するための光変調器を含むことができる。例えば、利得導波路１７は多重量子井戸構造５７を含む活性層を有する。多重量子井戸構造５７は、交互に配列された井戸層５７ａおよび障壁層５７ｂを含む。井戸層５７ａはバンドギャップＥ１を有する。また、光処理素子５３の光変調器は多重量子井戸構造５９を有する。光変調器は、例えば電界吸収型光変調器である。この電界吸収型光変調器は多重量子井戸構造５９を含む吸収層を有する。多重量子井戸構造５９は、交互に配列された井戸層５９ａおよび障壁層５９ｂを含む。井戸層５９ａは、バンドギャップＥ１より大きいバンドギャップＥ２を有する。また、光変調器は、電界吸収型光変調器に限定されるものではなく、マッハツェンダ型の光変調器も光変調器として用いることができる。
【００４４】
半導体発光素子５１では、レーザ光源（１３、１５、２７、２９）からの光は、光処理素子５３によって処理され、また、処理されたレーザ光ＬＰは出射端面５５から出射される。
【００４５】
図７は、図６に示されたII−II線に沿って取られた半導体発光素子の縦断面を概略的に示す図面である。利得導波路１７は、基板３３上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、量子井戸構造５７の活性層６５ａ、光ガイド層６７ａ、ｐ型クラッド層６９およびコンタクト層７１ａを含む。利得導波路１７では、コンタクト層７１ａ上には電極２５が設けられている。光反射器１３は、基板３３上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、コア導波路層６５ｂ、光ガイド層６７ｂ、回折格子構造６８、各回折格子に対応して分離されたコンタクト層７１ｂ（７１１ｂ、７１２ｂ、７１３ｂ）、およびｐ型クラッド層６９を含む。光反射器１３では、コンタクト層７１ｂ上には電極群２３が設けられている。回折格子構造６８は、光ガイド層６７ｂの表面に設けられた周期構造から構成される。位相調整器２９は、基板３３上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、コア導波路層６５ｃ、光ガイド層６７ｃ、ｐ型クラッド層６９およびコンタクト層７１ｃを含む。位相調整器２９では、コンタクト層７１ｃ上には電極３０が設けられている。リング共振器１９は、基板３３上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、導波路層６５ｃ、光ガイド層６７ｃ、回折格子構造６８、ｐ型クラッド層６９およびコンタクト層７１ｃを含む。リング共振器１９では、コンタクト層７１ｅ上には電極３１が設けられている。光処理素子５３は、基板３３上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、量子井戸構造５９を有する活性層６５ｄ、光ガイド層６７ｄ、ｐ型クラッド層６９およびコンタクト層７１ｄを含む。光処理素子５３では、コンタクト層７１ｄ上には電極５４が設けられている。半導体光導波路構造７５は、基板３３上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、コア導波路層６５ｃ、光ガイド層６７ｃおよびｐ型クラッド層６９を含む。
【００４６】
縦方向の光閉じ込めはクラッド層６１、６９により行われる。また、横方向の光閉じ込めはストライプ状の導波路構造と、この導波路構造を埋め込む埋め込み層７３とによって提供される。
【００４７】
例示すれば、利得領域の活性層は、１．２５μｍ〜１．６５μｍ帯に利得を持つＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸構造を有することができる。光導波層は、量子井戸構造のバンドギャップ波長より短い波長のＧａＩｎＡｓＰ半導体からなることができ、ｎ型およびｐ型クラッド層はＩｎＰ半導体からなることができる。コンタクト層は、高濃度ドープされたＧａＩｎＡｓ層からなることができる。埋込層としては、半絶縁性ＩｎＰから成ることができる。
【００４８】
また、利得導波路１７の活性層は、互いに異なるバンドギャップを有する複数の井戸層と、これらの複数の井戸層の間に位置する障壁層とを含む多重量子井戸構造とすることができる。井戸層が、互いに異なるバンドギャップを有する複数の井戸層から形成されているので、レーザ発振可能な活性層の利得バンド幅を拡大することが可能であり、広い波長範囲でレーザの発振波長を可変にすることができる。また、利得導波路１７の活性層の利得バンド幅を拡大するための方法として、互いに異なるバンドギャップエネルギを有する複数の井戸層を積層すること以外に、互いに異なる厚み（幅）の井戸層を備えるようにしてもよいし、あるいは量子井戸層の材料組成および厚みの両方を変更することもできる。
【００４９】
再び図６を参照すると、半導体発光素子５１は半導体光導波路８１、８３を含む。半導体光導波路８１は、反射端面１５に光学的に結合された一端８１ａと、他端８１ｂ、一端８１ａと他端８１ｂとの間に位置する光結合部８１ｃとを含む。光結合部８１ｃは、リング共振器１９に光学的に結合されている。半導体光導波路８１は、一端８１ａから光結合部８１ｃに至る経路で屈曲された屈曲部８１ｄを含む。半導体光導波路８３は、光共振器１３に光学的に結合された一端８３ａと、他端８３ｂ、一端８３ａと他端８３ｂとの間に位置する光結合部８３ｃとを含む。光結合部８１ｃは、リング共振器１９に光学的に結合されている。半導体光導波路８１、８３は、半導体光導波路構造７５を含む。反射端面１５は、端面５１ａに設けられた高反射（ＨＲ）膜７７を含む。
【００５０】
図８は、本実施の形態に係る半導体発光素子の別の変形例を概略的に示す図面である。半導体発光素子８７は、光処理素子５３として、レーザ光を増幅するための光増幅器を含むことができる。光増幅器は、半導体光増幅素子８５を含むことができる。半導体光増幅素子８５の活性層は、互いに異なるバンドギャップを有する井戸層８５ａ〜８５ｅと、井戸層８５ａ〜８５ｅの間に位置する障壁層８５ｆとを含む。活性層が様々なバンドギャップの井戸層を含むので、図９に示すように、活性層の全体によって提供される光学利得の幅が広げられる。この構造による利得スペクトルＶは、同じ構造の井戸層を用いる活性層の利得スペクトルＵよりも広い利得帯域を有する。
【００５１】
図９に示されるような、広い利得帯域を有する量子井戸活性層を実現するための構造としては、上記ように、互いに異なるバンドギャップエネルギを有する複数の井戸層を積層すること以外に以下の構造が例示される。互いに異なる厚み（幅）の井戸層を備えるようにしてもよいし、あるいは量子井戸層の材料組成および厚みの両方を変更することもできる。
【００５２】
図２（ａ）に示されるように、光反射器１３の回折格子２１ａ〜２１ｉは、それぞれ、固有の反射スペクトル２０ａ〜２０ｉを有している。回折格子２１ａ〜２１ｉの各々における反射スペクトルの最大値は、電極２３ａ〜２３ｉへの信号印加に応答して、図２（ｂ）に示されるように、対応する回折格子の固有の反射スペクトルの最大値よりも増大される。光処理素子５３の光増幅器は、回折格子２１ａ〜２１ｉの固有の反射スペクトル２０ａ〜２０ｉを合成した合成スペクトル２０の幅（例えば、半値全幅）Ｗ０より広い波長幅において十分な光学利得を有する半導体光増幅器を含むことが好ましい。
【００５３】
この半導体発光素子１１によれば、光反射器１３が不均一回折格子を用いること無く均一回折格子を用いるので、レーザ発振波長の可変範囲を広めることが可能であり、上記のような広い光学利得幅の半導体光増幅器を光増幅器として用いることによって、半導体発光素子１１の発振波長が広い波長範囲で可変になる。
【００５４】
図１０は、本実施の形態に係る半導体発光素子を含んでおり発振波長を変更可能な光源装置を概略的に示す図面である。光源装置８９は、半導体発光素子９１および光モニタ９０を含む。光モニタ９０は、半導体発光素子９１からのレーザ光を受けて、モニタ信号ＩＭＯＮを生成する。光モニタ９０としては、例えばフォトダイオードを用いることができる。
【００５５】
半導体発光素子９１は、光反射器１３と、反射端面１５と、利得導波路１７と、リング共振器１９とを備える。半導体発光素子９１は、光処理素子として、光モニタ用フィルタ素子を含むことができる。このために、半導体発光素子９１は、レーザキャビティ外において光反射器１３に光学的に結合されたリング共振器９３を更に含むことができる。リング共振器９３は、閉じた半導体光導波路を含み、また必要な場合には、リング共振器９３の吸収スペクトルの波長を変更するための電極９２を含むことができる。反射端面１５は、半導体発光素子９１ａの出射端面９１ｂに設けられている。半導体発光素子９１では、光反射器１３、反射端面１５、利得導波路１７、リング共振器１９、位相調整器２９、およびリング共振器９３が単一の半導体基板といった基板上に設けられている。半導体発光素子９１は、出射光ＬＯＵＴを反射端面１５から提供する。光モニタ９０は、リング共振器９３を介して光反射器１３からの光ＬＭＯＮを受ける。
【００５６】
半導体発光素子９１では、半導体光導波路９５、９７、９９、１０１が設けられている。第１の半導体光導波路９７は、半導体光源２７および光反射器１３の一方を他方に光学的に結合する。半導体光導波路９７は、光反射器１３に光学的に結合された一端９７ａと、他端９７ｂと、一端９７ａと他端９７ｂとの間に設けられ半導体光源２７（例えば、リング共振器１９）に光学的に結合する光結合部９７ｃとを含む。
【００５７】
半導体光導波路９９は、半導体光源２７およびリング共振器９３の一方を他方に光学的に結合する。半導体光導波路９９は、光反射器１３に光学的に結合された一端９９ａと、他端９９ｂと、一端９９ａと他端９９ｂとの間に設けられリング共振器９３に光学的に結合する光結合部９９ｃとを含む。
【００５８】
半導体光導波路９５は、リング共振器１９および利得導波路１７の一方を他方に光学的に結合する。半導体光導波路９５は、半導体光源２７に光学的に結合された一端９５ａと、他端９５ｂと、一端９５ａと他端９５ｂとの間に設けられリング共振器１９に光学的に結合された光結合部９５ｃとを含む。
【００５９】
半導体光導波路１０１は、リング共振器９３からのモニタ光を半導体発光素子９１ａのモニタ光出射端面９１ｃに導く。半導体光導波路１０１は、モニタ光出射端面９１ｃに光学的に結合された一端１０１ａと、他端１０１ｂと、一端１０１ａと他端１０１ｂとの間に設けられリング共振器９３に光学的に結合された光結合部１０１ｃとを含む。半導体光導波路９５、９７、９９、１０１の他端９５ｂ、９７ｂ、９９ｂ、１０１ｂは、対応する端面に向けて屈曲された屈曲部を有する。この屈曲部により実効的な無反射端を実現している。
【００６０】
リング共振器９３は、ＦＳＲにより規定される間隔で配列された透過スペクトルピーク列を有する。あるレーザ発振波長における光反射器１３からのレーザ光の波長は、透過スペクトルピーク列のうちの一ピークに対応しており、光モニタ９０は、リング共振器９３によってフィルタリングされたレーザ光ＬＭＯＮを受ける。レーザ光の波長の変動は、レーザ光ＬＭＯＮの変化としてモニタ信号ＩＭＯＮに反映される。故に、光モニタ９０を用いて、レーザ光ＬＯＵＴの波長ロックが可能になる。
【００６１】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
不均一回折格子をレーザ出射面の共振器鏡とした波長可変レーザでは、レーザ光を出射する回折格子に注入する電流のために、自由電子吸収による光ロスが生じ、レーザ光出力が小さくなる。しかしながら、以上説明したように、反射端面を介して出射光を提供することもできる。
【００６３】
また、波長選択のために複数のリング共振器をレーザキャビティ内に用いた波長可変レーザの場合、これらのリング共振器と直線導波路部分と光結合のために方向性結合器やＭＭＩ結合器が用いられる。この結合点の光損失（一結合当たり数ｄＢ）が不可避である。これ故に、レーザの発振閾値電流の増大、スロープ効率の低下が生じる。しかしながら、以上説明したように、本実施の形態によれば、レーザキャビティ内のリング共振器数の低減された半導体発光素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子を示す図面である。
【図２】図２は、本実施の形態に係る半導体発光素子における一例の光反射器の反射スペクトルを示す図面である。
【図３】図３（ａ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子における一例のリング共振器の透過スペクトルを示す図面である。図３（ｂ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子におけるレーザ発振光の波長を選択する機構を示す図面である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る半導体発光素子の光出力特性を示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る半導体発光素子の変形例を概略的に示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態に係る半導体発光素子の別の変形例を概略的に示す図面である。
【図７】図７は、図６に示されたII−II線に沿って取られた半導体発光素子の縦断面を概略的に示す図面である。
【図８】図８は、本実施の形態に係る半導体発光素子の更なる別の変形例を概略的に示す図面である。
【図９】図９は、利得導波路における利得を示す図面である。
【図１０】図１０は、本実施の形態に係る半導体発光素子を含んでおり発振波長を変更可能な光源装置を概略的に示す図面である。
【符号の説明】
【００６５】
１１…半導体発光素子、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ…半導体発光素子の端面、１３…光反射器、１５…反射端面、１７…利得導波路、１９…リング共振器、２０ａ〜２０ｉ…反射スペクトル、２１ａ、２１ｃ、２１ｉ…回折格子、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｉ…電極、２７…半導体光源、２９…位相調整器、３０…位相調整器のための電極、３１…リング共振器のための電極、３３…基板、λ１〜λ９…波長グリッド、３５…光導波路の余長、３７、４１…半導体光導波路、３７ａ、４１ａ…半導体光導波路の一端、３７ｃ、４１ｃ…半導体光導波路の光結合部、３７ｂ、４１ｂ…半導体光導波路の他端  
【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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