(57)【要約】【課題】モード安定性と高光出力を両立し、波長チューニング範囲の広い半導体レーザを提供する。【構成】利得領域３と、位相領域２と、ＤＢＲ１とからなる分布ブラッグ反射型半導体レーザ（ＤＢＲ−ＬＤ）において、ＤＢＲ１と位相領域２は単一横モード導波路であり、利得領域３は、単一横モード導波路３ａと多モード干渉型導波路３ｂにより構成されている。ＭＭＩ導波路３ｂによると、単一モード導波路３ａから入射した光が、干渉効果によってきわめて低損失で他端の単一モード導波路３ａに出力される。単一軸モード光源であるＤＢＲ−ＬＤの利得領域３にＭＭＩ導波路３ｂを導入することにより、光出力を低下させることなく利得領域３の長さを短くでき、モード安定性を高められる。【選択図】　　　図１
2004055647.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
利得領域と分布ブラッグ反射器とを有する分布ブラッグ反射型半導体レーザであって、
少なくとも前記利得領域の一部に、多モード干渉型光導波路を含むことを特徴とする分布ブラッグ反射型半導体レーザ。
【請求項２】
利得領域と、波長反射特性が各々異なる複数の分布ブラッグ反射器とを有する分布ブラッグ反射型半導体レーザであって、
少なくとも前記利得領域の一部に、多モード干渉型光導波路を含むことを特徴とする分布ブラッグ反射型半導体レーザ。
【請求項３】
前記多モード干渉型導波路を含む前記利得領域の長さが３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の分布ブラッグ反射型半導体レーザ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の分布ブラッグ反射型半導体レーザと、前記分布ブラッグ反射型半導体レーザに光学的に接続されている半導体光素子とを備えることを特徴とする集積型半導体レーザ。
【請求項５】
前記半導体光素子は半導体光アンプであることを特徴とする請求項４に記載の集積型半導体レーザ。
【請求項６】
前記半導体光アンプに光変調器が光学的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の集積型半導体レーザ。
【請求項７】
前記分布ブラッグ反射型半導体レーザを複数有し、前記分布ブラッグ反射型半導体レーザの各々は、前記半導体アンプと光学的に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の集積型半導体レーザ。
【請求項８】
前記半導体光アンプは、少なくとも一部に多モード干渉型光導波路を含むことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の集積型半導体レーザ。
【請求項９】
前記半導体光アンプは多モード干渉型導波路を含み、前記多モード干渉型光導波路が１入力１出力であることを特徴とする請求項５に記載の集積型半導体レーザ。
【請求項１０】
前記半導体光アンプは多モード干渉型導波路を含み、前記多モード干渉型光導波路が複数入力１出力であることを特徴とする請求項７に記載の集積型半導体レーザ。
【請求項１１】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の分布ブラッグ反射型半導体レーザまたは請求項４〜１０のいずれか１項に記載の集積型半導体レーザが実装されている半導体レーザモジュール。
【請求項１２】
前記分布ブラッグ反射型半導体レーザまたは前記集積型半導体レーザから発振されたレーザ光を、光ファイバを通して外部に出射する、請求項１１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１３】
前記レーザ光の波長をモニタして、そのモニタ結果を前記分布ブラッグ反射型半導体レーザまたは前記集積型半導体レーザの駆動にフィードバックする波長ロッカーを含む、請求項１２に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１４】
複数の、前記分布ブラッグ反射型半導体レーザまたは前記集積型半導体レーザが並列に配置され、前記各半導体レーザに対応して複数の駆動回路と複数の光ファイバが設けられている、請求項１２に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の分布ブラッグ反射型半導体レーザ、または請求項４〜１０のいずれか１項に記載の集積型半導体レーザ、または請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュールのうちの少なくとも一つを備える光ネットワークシステム。
【請求項１６】
少なくとも光ファイバを介して接続されている、送信器と、ノードと、受信器とを有し、
前記送信器と、前記ノード内の送信部の少なくともいずれか一方に、波長チューナブル光源として、請求項１〜３のいずれか１項に記載の分布ブラッグ反射型半導体レーザ、または請求項４〜１０のいずれか１項に記載の集積型半導体レーザ、または請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュールのうちの少なくとも一つを備えている光ネットワークシステム。
【請求項１７】
波長ルータと、光ファイバにより前記波長ルータの周囲に網目状に接続されている複数のノードとを有し、
前記ノード内に、波長チューナブル光源として、請求項１〜３のいずれか１項に記載の分布ブラッグ反射型半導体レーザ、または請求項４〜１０のいずれか１項に記載の集積型半導体レーザ、または請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の半導体レーザモジュールのうちの少なくとも一つを備えている光ネットワークシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布ブラッグ反射型半導体レーザ、集積型半導体レーザ、半導体レーザモジュール、および光ネットワークシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長多重（ＷＤＭ；Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）光通信技術の進展に伴い、それに用いられる波長可変半導体レーザの開発が盛んに行われている。波長可変レーザへの主な要求としては、（１）高出力、（２）広い波長可変幅、（３）優れた波長安定性、（４）高速チューニング等が挙げられる。これまでに多くの波長可変半導体レーザが提案されているが、その中の代表的なものとして、ＤＢＲ−ＬＤ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ；分布ブラッグ反射型レーザダイオード）がある。
【０００３】
まず、ＤＢＲ−ＬＤの第１の従来例として、例えばＦ．　Ｄｅｌｏｒｍｅ等により提案されている３電極ＤＢＲ−ＬＤ（「Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　ｌｅｔｔｅｒｓ，　Ｖｏｌ．３３，　Ｎｏ．３，　ｐｐ．２１０−２１１，　１９９７」に開示）が挙げられる。その構造および動作を図１５を用いて説明する。ＤＢＲ−ＬＤは、電流注入によって利得を生じさせる利得領域１０３と、電流注入によって生じる屈折率変化により発振波長の調整を行う位相領域１０２と、分布ブラッグ反射器（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｂｒａｇｇ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：ＤＢＲ）１０１の、３つの機能部を素子内部に有する。このＤＢＲ−ＬＤの発振波長のチューニングは、注入電流量を変化させ、ＤＢＲ１０１に形成されたグレーティング１０４（回折格子）のブラッグ反射波長を変化させることにより行われる。位相領域１０２は、利得領域１０３のファブリペロモードとＤＢＲ１０１からの反射光の位相調整に使用される。このような構造のＤＢＲ−ＬＤにおける一般的な波長チューニング幅は、数ｎｍ〜十数ｎｍである。光出力はモジュール出力で２０ｍＷを越える値が報告されている。なお、位相領域１０２を設ける代わりに、ＬＤの温度を制御することによって発振波長の調整を行う構成にすることも可能である。このような構成は２電極ＤＢＲ−ＬＤと呼ばれる。
【０００４】
第１の従来例よりも広いチューニング範囲を有する、ＤＢＲ−ＬＤの第２の従来例として、Ｓａｍｐｌｅｄ−Ｇｒａｔｉｎｇ（ＳＧ）−ＤＢＲ−ＬＤ（例えば、Ｖ．　Ｊａｙａｒａｍａｎ等により「ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　Ｖｏｌ．２９，　Ｎｏ．６，　ｐｐ．１８２４−１８３４，　１９９３」に開示されたものなど）が報告されている。その構造および動作原理を図１６を用いて説明する。ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤは、３電極ＤＢＲ−ＬＤにさらにもう１つＤＢＲを付加した構造を有する。図１６に示すように、利得領域１０３と、位相領域１０２と、第１のＤＢＲ１０１と、第２のＤＢＲ１０５の４つの領域からなる。利得領域１０３と位相領域１０２が連続して配置され、その両側方に第１のＤＢＲ１０１および第２のＤＢＲ１０５が配置されている。これらのＤＢＲ１０１，１０５はそれぞれ、導波方向に回折格子（グレーティング）１０４の周期が変化して周期的な反射ピークを持つよう設計されている。このような回折格子は、サンプルドグレーティング（Ｓａｍｐｌｅｄ−Ｇｒａｔｉｎｇ（ＳＧ）と呼ばれる。第１のＤＢＲ１０１と第２のＤＢＲ１０５は、反射ピークの周期が互いに異なるように設計されており、この２つのＤＢＲ１０１，１０５の反射特性をバーニヤ目盛の原理で組み合わせることで、５０ｎｍ以上の広い波長範囲に亘る波長チューニングを行うことができる。これは、将来の光波ネットワークシステムにおける光アドドロップ用光源などの要求を満足する波長可変幅である。なお、第２の従来例と類似の方式としてＳｕｐｅｒ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ−ｇｒａｔｉｎｇ（ＳＳＧ）−ＬＤやＧｒａｔｉｎｇ　Ｃｏｕｐｌｅｒ　Ｓａｍｐｌｅｄ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ（ＧＣＳＲ）−ＬＤがある。これらの方式に共通する特徴は、レーザ共振器内に各々の反射スペクトルが異なるＤＢＲが少なくとも２つ以上具備されているＤＢＲ−ＬＤであることである。以下、本文および付随する図面の中の「ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ」との記載は、特にことわりのない限り、ＳＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤやＧＣＳＲ−ＬＤをはじめとする上述の特徴を有するＤＢＲ−ＬＤを全て含むこととする。
【０００５】
以上、従来例として示したＤＢＲ−ＬＤの特長としては、波長可変範囲を広くすることが可能であること、機械的可動部や温度チューニングが不要であるためチューニング速度が比較的速い（１μｓｅｃ．以下である）こと、光出力が比較的高いことなどが挙げられる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＢＲ−ＬＤは、利得領域１０３のファブリペロモードとＤＢＲ１０１の反射ピークとが整合した波長で、単一軸モードで発振するものであるが、前記した特長を有する一方で、そのチューニング原理に起因して、モード安定性が不十分であるという本質的な課題を有している。ここで、ＤＢＲ−ＬＤのモード安定性について図１７，１８を参照して説明する。図１７は、利得領域の長さＬａが４００μｍであるＤＢＲ−ＬＤにおけるＤＢＲ１０１の反射損失曲線と、その曲線上の発振モードを示したものである。図１７を見ると、利得領域１０３のファブリペロモードのモード間隔（図面中には○にて図示している波長ピークの間隔）が狭いため、所望の発振モードＰ１と、それに隣接するモードＰ２との間の間隔が非常に狭く、発振利得差（反射損失の差）ΔαＬａが小さい。従って、サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）の劣化や出力光の線幅の増大などのモード不安定が生じ、所望の発振モードＰ１で安定して正確に単一軸モード発振することができず、例えば隣接するモードＰ２にて発振しようとしてＤＢＲ１０１の反射ピークと一致しなくなるなどの問題を引き起こすおそれがある。
【０００７】
これに対し、利得領域１０３の長さを短縮して、ファブリペロモードの軸モード間隔を広くし、モード安定性を向上させることができる。図１８は、利得領域の長さＬａが１００μｍであるＤＢＲ−ＬＤにおけるＤＢＲ１０１の反射損失曲線と、その曲線上の発振モードを示したものであり、この図１８を見ると、所望の発振モードＰ３と、それに隣接するモードＰ４の間隔が広く、発振利得差ΔαＬａが大きい。従って、ＳＭＳＲが良好で、所望の発振モードＰ３で安定して発振することができる。しかし、このように利得領域１０３を短縮すると、狭い利得領域１０３に多くの電流を注入することになるため、利得領域１０３内の活性層の熱飽和が早くなり、結果的に光出力が低下するという問題がある。すなわち、現状では、高光出力とモード安定性の間にトレードオフが存在し、両立が困難である。
【０００８】
このトレードオフは、チューニング波長幅の広いＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤではさらに厳しくなる。すなわち、ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤでは、上述のように、レーザ発振のために複数のＤＢＲ１０１，１０５を組み合わせているため、制御すべきパラメータが多く、もともと通常のＤＢＲ−ＬＤと比較してモード安定性が悪い傾向がある。その上、現在製品化されているＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤの光出力は数ｍＷ程度であり、光出力が小さい。これは、ＤＢＲへの電流注入で生じるフリーキャリア吸収によってＤＢＲの伝搬損失が増大することに起因しており、ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤはＤＢＲを２つ以上具備しているため、通常のＤＢＲ−ＬＤよりもＤＢＲにおける損失がより大きいからである。
【０００９】
ここで、近年の光通信システム用光源の光出力に対する要求について説明する。現在の光通信システム用光源には少なくとも２０ｍＷ程度の光出力が要求されており、今後は、例えば４０ｍＷや１００ｍＷなどさらに大きな光出力が要求されるようになると予想される。利得領域の長さの最適化を図り、２０ｍＷを越える高出力を実現したＤＢＲ−ＬＤとして、Ｈ．　Ｄｅｂｒｅｇｅａｓ−Ｓｉｌｌａｒｄ等が「ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｅｔｔｅｓ，　Ｖｏｌ．２３，　Ｎｏ．１，　ｐｐ．４−６，　２００１」にて開示したもの（第３の従来例）がある。この文献では、利得領域の長さＬａが３００μｍ、６００μｍ、９００μｍの３つの場合における２電極ＤＢＲ−ＬＤの光出力について検討している。これによると、Ｌａが短いほど活性層の内部量子効率が良好であるが、Ｌａが３００μｍの場合には活性層の直列抵抗が大きく発熱により光出力が飽和してしまうため、適切なＬａは６００μｍであると判断している。このように、現状の光出力要求も満たすためには利得領域の長さＬａを３００μｍ以下にすることは困難であり、利得領域の長さＬａの許容範囲の下限値は、今後、光出力の要求が高くなるにつれてより大きくなっていく。しかし、前記した通り、Ｌａを長くすることは、一方ではＤＢＲ−ＬＤのモード安定性をさらに劣化させるという問題を生じる。
【００１０】
第３の従来例では、利得領域の活性層の構造および長さやＤＢＲの反射特性を最適化することなどにより高出力化を図っている。また、高出力化のために、半導体光アンプ（ＳＯＡ）を集積することなどが検討されている。しかし、ＳＯＡを集積する場合、素子の電極数が増えてしまうことや、ＳＯＡの自然放出光の影響により出力光のスペクトル線幅が増大するなどの問題がある。
【００１１】
一方、モード安定性に関しては、上述のように、利得領域の短縮によってモード安定化を図ることが困難であるため、従来は駆動方法を工夫している。代表的な例としては、レーザの発振波長を常に動的に監視しながら駆動する方法がある。すなわち、ＤＢＲへの注入電流にわずかな割合で交流信号を重畳し、出力されるレーザの波長のゆらぎを波長モニタ機構により常時検出する。検出されたレーザ波長のずれ量を、ＤＢＲおよび位相領域への注入電流にフィードバックすることで発振波長の安定化が図れる。しかし、このような方法では、ＤＢＲ−ＬＤ自体のモード不安定性が解消されているわけではないので、波長チューニング時などの過渡状態におけるモード安定性や、長期的な信頼性などに不安を残している。
【００１２】
そこで本発明の目的は、以上述べた問題を解決し、ＤＢＲ−ＬＤのモード安定性と光出力のトレードオフを大幅に緩和し、モード安定性と高光出力の両立が可能な分布ブラッグ反射型半導体レーザおよび集積型半導体レーザと、それを有する半導体レーザモジュールおよび光ネットワークシステムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴は、利得領域と分布ブラッグ反射器とを有する分布ブラッグ反射型半導体レーザにおいて、少なくとも利得領域の一部に、多モード干渉型光導波路を含むところにある。
【００１４】
本発明のもう１つの特徴は、利得領域と、波長反射特性が各々異なる複数の分布ブラッグ反射器とを有する分布ブラッグ反射型半導体レーザにおいて、少なくとも利得領域の一部に、多モード干渉型光導波路を含むところにある。
【００１５】
これらの多モード干渉型導波路を含む利得領域の長さは、３００μｍ以下であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の集積型半導体レーザは、前記したいずれかの構成の分布ブラッグ反射型半導体レーザと、その分布ブラッグ反射型半導体レーザに光学的に接続されている半導体光素子とを備えることを特徴とする。半導体光素子は半導体光アンプであってもよい。半導体光アンプは多モード干渉型導波路を含み、多モード干渉型光導波路が１入力１出力であってもよい。さらに、半導体光アンプに光変調器が光学的に接続されていてもよい。
【００１７】
また、分布ブラッグ反射型半導体レーザを複数有し、分布ブラッグ反射型半導体レーザの各々は、半導体アンプと光学的に接続されていてもよい。半導体光アンプは多モード干渉型導波路を含み、多モード干渉型光導波路が複数入力１出力であってもよい。
【００１８】
このような構成の半導体レーザ（ここでは、分布ブラッグ反射型半導体レーザと集積型半導体レーザを含む総称とする）によると、前記の通り、従来のＤＢＲ−ＬＤ（以下の説明ではＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤを含む）において、光出力とモード安定性のトレードオフ関係が存在し、モード安定性を優先するためには光出力を犠牲にし、逆に高い光出力を得るためにはモード安定性を犠牲にする必要があるという問題点を解決できる。すなわち、ＤＢＲ−ＬＤの利得領域を短くしつつ幅を広くして活性層面積を維持することにより、このトレードオフ関係を大幅に緩和することができる。この点について以下に説明する。
【００１９】
ＤＢＲ−ＬＤの活性層面積を拡大すると、従来の単一横モード導波路からなる活性層と比較して、同一の電流注入密度（注入電流量／活性層面積）および同一の利得領域長さで、より大きな光出力を得ることができる。そこで、利得領域の導波路幅を広くして活性層面積を拡大し、大きな光出力が得られるＤＢＲ−ＬＤの参考例を図１９に示す。この参考例は、高次の導波路横モードが発生しないように、利得領域１０６の導波路幅をテーパ状に徐々に変化させている。従来、本参考例と同様なテーパ導波路１０７は、主として高出力型のファブリペロＬＤの構造において採用され、フレアＬＤなどと呼ばれている例があったが、これまでにＤＢＲ−ＬＤやＤＦＢ−ＬＤなどの単一軸モード光源でこのような構造が採用された例はない。図１９に示す参考例のテーパ導波路１０７を有するＤＢＲ−ＬＤは、従来のＤＢＲ−ＬＤと比較して、同一の利得領域長さでより高い光出力を得ることが可能である。そこで、このＤＢＲ−ＬＤにおいてモード安定性の向上が可能であるかどうかを考える。これまで述べてきたように、ＤＢＲ−ＬＤのモード安定性を向上させるためには、利得領域を可能なかぎり短縮することが望ましい。図１９に示すテーパ導波路１０７の構造では、導波路のモード変換損失の顕著な増加を伴わずに導波路幅を急激に変化させることが困難であるため、すなわち、損失を抑えて高光出力を得るにはテーパ角度を比較的緩やかにする必要があるため、結局、利得領域１０６を大幅に短縮することは難しい。
【００２０】
これに対し、本発明では、前記した通り、利得領域に多モード干渉型導波路を採用することにより、光出力を低下させることなく利得領域を短縮でき、モード安定性と高い光出力のトレードオフを大幅に緩和できる。
【００２１】
本発明の半導体レーザモジュールは、前記したいずれかの構成の分布ブラッグ反射型半導体レーザまたは集積型半導体レーザが実装されていることを特徴とする。そして、分布ブラッグ反射型半導体レーザまたは集積型半導体レーザから発振されたレーザ光を、光ファイバを通して外部に出射するものであってもよい。さらに、レーザ光の波長をモニタして、そのモニタ結果を分布ブラッグ反射型半導体レーザまたは集積型半導体レーザの駆動にフィードバックする波長ロッカーを含んでいてもよい。また、複数の、分布ブラッグ反射型半導体レーザまたは集積型半導体レーザが並列に配置され、各半導体レーザに対応して複数の駆動回路と複数の光ファイバが設けられていてもよい。
【００２２】
本発明の光ネットワークシステムは、前記したいずれかの構成の分布ブラッグ反射型半導体レーザ、集積型半導体レーザ、または半導体レーザモジュールのうちの少なくとも一つを備えることを特徴とする。そして、少なくとも光ファイバを介して接続されている、送信器と、ノードと、受信器とを有し、送信器と、ノード内の送信部の少なくともいずれか一方に、波長チューナブル光源として、前記したいずれかの構成の分布ブラッグ反射型半導体レーザ、集積型半導体レーザ、または半導体レーザモジュールのうちの少なくとも一つを備えている構成であってもよい。また、波長ルータと、光ファイバにより波長ルータの周囲に網目状に接続されている複数のノードとを有し、ノード内に、波長チューナブル光源として、前記したいずれかの構成の分布ブラッグ反射型半導体レーザ、集積型半導体レーザ、または半導体レーザモジュールのうちの少なくとも一つを備えている構成であってもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２４】
（第１の実施の形態）
図１に、本発明の第１の実施形態に係る分布ブラッグ反射型半導体レーザ（ＤＢＲ−ＬＤ）の構造を示している。図１（ａ）は、本実施形態に係るＤＢＲ−ＬＤの平面図であり、図１（ｂ）はその光導波方向に沿う断面図、図１（ｃ）はＡ−Ａ’線断面図、図１（ｄ）はＢ−Ｂ’線断面図である。なお、各図面においては、見易くするために、各部の寸法や縦横比が実際の構成とは変えて描かれている。
【００２５】
図１（ａ）に示すように、本実施形態のＤＢＲ−ＬＤは、利得領域３と、位相領域２と、ＤＢＲ１とからなる。ＤＢＲ１と位相領域２は単一横モード導波路であり、利得領域３は、単一横モード導波路３ａと多モード干渉型（Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＭＩ）導波路３ｂにより構成されている。ＭＭＩ導波路３ｂは、その光学的原理に従い、一端に接続された単一モード導波路から入射した光が、多モード領域を伝搬した後に、干渉効果によって、他端の単一モード導波路にきわめて低損失で出力されるものである。すなわち、１入力１出力（１×１）のＭＭＩカップラの構造を有している。ＭＭＩの動作原理については後述する。各領域の長さは、ＤＢＲ１が約２００μｍ、位相領域２が約１００μｍ、利得領域３は単一モード導波路３ａとＭＭＩ導波路３ｂを併せて約１５０μｍである。ＤＢＲ１と位相領域２と単一モード導波路３ａの幅（Ｗ１）は１．５μｍであり、ＭＭＩ導波路３ｂの導波路幅（Ｗ２）は６μｍである。
【００２６】
このＤＢＲ−ＬＤの断面構造について、図１（ｂ）〜（ｄ）を用いて説明すると、このＤＢＲ−ＬＤの光導波路は、利得領域３内に設けられた活性層１０と、位相領域２およびＤＢＲ１内に設けられたコア層５が同一面内で突き合わせ結合された、いわゆるバットジョイント構造を有している。詳述しないが、活性層１０は、ｎ−ＩｎＰバッファ層と、波長組成の異なるＩｎＧａＡｓＰ多層構造からなる多重量子井戸（ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｑｕａｎｔｕｍ　ｗｅｌｌ：ＭＱＷ）構造と、ｐ−ＩｎＰ層とからなる積層構造によって構成されている。コア層５は、ｎ−ＩｎＰバッファ層と、単一組成のＩｎＧａＡｓＰバルク構造と、ｐ−ＩｎＰ層とからなり、ＤＢＲ１の領域においては、ＩｎＧａＡｓＰバルク構造と同一の組成からなり光導波方向に断続的かつ周期的に位置するグレーティング１２が形成されている。なお、各図面において、コア層５中のｐ−ＩｎＰ層と後述するｐ−ＩｎＰクラッド層９など、同一材料の層が重なっている部分は、両層を明確に区別せずに一体的に示している部分もある。
【００２７】
この素子の光導波方向に垂直な方向の断面構造を見ると、図１（ｃ），（ｄ）に示すように、活性層１０およびコア層５が、両側部においてエッチングによって基板１１に到達するまで除去されて、光導波路構造が形成されている。基板１１までエッチングされて生じた凹部１６には、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１３が埋め込まれて、電流狭窄構造が形成されている。
【００２８】
以上説明した導波路および電流狭窄構造の全体が、ｐ−ＩｎＰクラッド層９およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８からなる半導体層で埋め込まれている。ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８は、利得領域３と位相領域２とＤＢＲ１にそれぞれ独立して電流注入を行うために分離されており、その上に、電流注入が不要な領域への絶縁などのためのＳｉＯ２層７を介して、電極６が形成されている。
【００２９】
このようなレーザ素子構造はＤＣ−ＰＢＨ（Ｄｏｕｂｌｅ　Ｃｈａｎｎｅｌ　Ｐｌａｎａｒ　Ｂｕｒｉｅｄ　Ｈｅｔｅｒｏ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造として知られている。
【００３０】
本実施形態のＤＢＲ−ＬＤの製造方法について、図２〜４を参照して以下に説明する。なお、図２，３において、（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ、ＤＢＲ−ＬＤの素子を導波路の直上から光導波路に平行に断面した図であり、（ａ’）〜（ｆ’）はそれぞれ、この素子をＤＢＲ１で光導波路に直交するように断面した図（図１（ａ）のＡ−Ａ’線断面図）であり、（ａ”）〜（ｆ”）はそれぞれ、この素子を利得領域３で光導波路に直交するように断面した図（図１（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図）である。なお、位相領域２は、ＤＢＲ１からグレーティング１２を除いただけで、それ以外はＤＢＲ１と実質的に同じ構造である。図４は本実施形態のＤＢＲ−ＬＤの製造方法を示すフローチャートである。
【００３１】
まず、図２（ａ），（ａ’），（ａ”）に示すように、ＩｎＰ基板１１上に活性層１０を形成する（工程Ｓ１）。詳述しないが、活性層１０は、ｎ−ＩｎＰバッファ層（厚さ１００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰの多層構造によるＭＱＷ層（発振波長１．５５μｍ、トータル厚さ４００ｎｍ）、Ｐ−ＩｎＰ層（厚さ１００ｎｍ）が、例えばＭＯＶＰＥ法によって順次積層されたものである。
【００３２】
次に、通常のフォトリソグラフィと反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法により、利得領域３の部分を保護するような形状のＳｉＯ２マスク２０を形成し、そのマスクを用いて、図２（ｂ），（ｂ’），（ｂ”）に示すように、ＤＢＲ１および位相領域２上の活性層１０をＲＩＥ法もしくはウエットエッチングにより除去する（工程Ｓ２）。
【００３３】
次に、上記した工程Ｓ２で用いたＳｉＯ２マスク２０をそのまま選択成長用マスクとして用い、図２（ｃ），（ｃ’），（ｃ”）に示すように、ＤＢＲ１および位相領域２上にコア層５を形成する（工程Ｓ３）。これによって、活性層１０とコア層５が同一平面上で結合されたバットジョイントの導波層が形成される。その後、ＳｉＯ２マスク２０は除去する。コア層５は、ｎ−ＩｎＰバッファ層（厚さ１００ｎｍ）、ＩｎＧａＡｓＰバルク層（波長組成１．４５μｍ、厚さ４００ｎｍ）、Ｐ−ＩｎＰ層（厚さ１２０ｎｍ）、グレーティング層（波長組成１．４５μｍ、厚さ３０ｎｍ）５ａ、ｐ−ＩｎＰカバー層（厚さ１００ｎｍ）がＭＯＶＰＥ法によって順次積層されたものである。なお、図面中には、便宜上、コア層５中のグレーティング層５ａのみを明確に図示しており、その他の層は特に区別して図示していない。
【００３４】
次いで、電子ビーム（ＥＢ）露光法で露光したレジストマスク（図示せず）を用い、臭素系エッチャントによって、ＤＢＲ１のグレーティング層５ａおよびその上のｐ−ＩｎＰカバー層を部分的にエッチングすることにより、図２（ｄ），（ｄ’），（ｄ”）に示すように、グレーティング１２を形成する（工程Ｓ４）。このとき、位相領域２のグレーティング層５ａは全て除去する。
【００３５】
次に、フォトリソグラフィとＲＩＥにより新たにパターニングしたＳｉＯ２マスク２１を用いて、ＲＩＥ法により、図２（ｅ），（ｅ’），（ｅ”）に示すように、本素子の導波路平面形状を決定するように半導体層をエッチングする。すなわち、活性層１０およびコア層５を貫通してＩｎＰ基板１１に到達する、深さ２μｍ、幅５μｍの凹部１６を、導波路の両側方に形成する（工程Ｓ５）。
【００３６】
次に前工程Ｓ５で使用したＳｉＯ２マスク２１をそのまま使用し、図２（ｆ），（ｆ’），（ｆ”）に示すように、工程Ｓ５で形成された凹部１６に、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１３からなる電流狭窄構造を、ＭＯＶＰＥによって形成する（工程Ｓ６）。ここで、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層１４およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層１３の層厚はいずれも１μｍとする。
【００３７】
次に、導波路および電流狭窄構造からなる基板表面全体を覆うように、ｐ−ＩｎＰクラッド層９（厚さ５μｍ）およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８（厚さ３００ｎｍ）からなる半導体層をＭＯＶＰＥにより形成し（工程Ｓ７）、ＤＢＲ１と位相領域２と利得領域３のそれぞれの領域を電気的に分離するために、図３（ａ），（ａ’），（ａ”）に示すように、ｐ−ＩｎＧｎＡｓコンタクト層８を各領域ごとに分離するエッチングを施す（工程Ｓ８）。
【００３８】
次に、図３（ｂ），（ｂ’），（ｂ”）に示すように、導波路を中心に１５μｍ程度の幅のメサを形成するように、導波路の両側方に幅５μｍ程度の素子分離溝１５をＲＩＥにより形成する（工程Ｓ９）。この素子分離溝はＩｎＰ基板１１にまで到達する深さ（６μｍ程度）である。素子分離溝１５を形成した後、素子分離溝１５の内面およびその上端周囲に、フォトリソグラフィにてＳｉＯ２層２２からなる電極窓を形成する（工程Ｓ１０）。
【００３９】
次いで、通常のスパッタリング法とリソグラフィにより基板表面に電極６を形成する（工程Ｓ１１）。その後、図示しないが、ＩｎＰ基板１１の裏面に研磨を施し、スパッタリング法にて裏面電極を形成することによりウエハとしてのプロセスが完了する（工程Ｓ１２）。さらに、ウエハの劈開を行ったのち、素子の用途に応じて、高反射（ＨＲ）もしくは無反射（ＡＲ）コーティングを両劈開端面に対して施し（工程Ｓ１３）、図１に示すように、本実施形態に係る半導体レーザの形成が完了する。
【００４０】
以下に、本実施形態に係るＤＢＲ−ＬＤが光出力を低下することなくレーザ発振モードの安定性を改善できる原理について説明する。まず、本実施形態のＣＢＲ−ＬＤの利得領域３に含まれているＭＭＩ導波路について説明する。
【００４１】
ＭＭＩ理論は、多モード導波路に入射された光の伝搬特性に関するもので、従来は、実用的には１×ＮもしくはＮ×Ｎ等の分岐・合流受動光導波路を設計する理論として知られている（例えば、Ｌｕｃａｓ　Ｂ．Ｓｏｌｄａｎｏにより「Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｖｏｌ．１３　Ｎｏ．４　１９９５」第６１５〜６２７頁に開示）。この理論によれば、多モード導波路に光を入射したとき、導波路形状と屈折率と入射波長により決定される所定の距離（ＭＭＩ領域の長さ）Ｌを伝搬した後に、入射光の自己投影像を得ることができる。このとき、わずかなモード変換損失が生ずるものの、分岐損失や合波損失は発生しない。本明細書中の記載では、このように分岐損失および合波損失なしに入射光の自己投影像が得られるように設計されたＭＭＩを、１入力１出力の１×１ＭＭＩと呼ぶ。
【００４２】
なお、ＭＭＩ領域の長さＬは以下の式で表される。ここで、ｍは整数とする。
（１）一般的な入射条件の場合
Ｌ＝（３Ｌπ）×ｍ）
（２）ＭＭＩ導波路の中央に左右対称な光を入射した場合
Ｌ＝（３Ｌπ／４）×ｍ
（３）ＭＭＩ実効導波路幅Ｗｅを３等分する座標に入射した場合
Ｌ＝Ｌπ×ｍ
なお、Ｌπ＝（４・ｎｒ・Ｗｅ２）／（３・λ０）
Ｗｅ＝ＷＭ＋（λ０／π）・（ｎｃ／ｎｒ）２・（ｎｃ２−ｎｃ２）−（１／２）
である。ここで、ＷＭはＭＭＩ領域の物理的な幅、ｎｒは導波路の屈折率、ｎｃはクラッドの屈折率、λ０は入射光波長、σは、ＴＥモードのときσ＝０、ＴＭモードのときσ＝１である。
【００４３】
さらに、ＭＭＩ理論によると、
ＬＮ＝Ｌ×ｍ／Ｎ
を満たす伝搬距離ＬＮという条件においては、光出力を等しく分配可能な１×Ｎ光カップラとして動作する。なお、Ｎは正の整数であり、１であってもよい。この原理を利用すれば、ＭＭＩ領域は幅の広い多モード光導波路でありながら、両端面においては単一横モード光のみが伝搬する構造を実現する１×１ＭＭＩ光導波路の設計が可能になる。なお、ここではＭＭＩ理論の概略のみを示すが、詳細な原理および定義については上述の文献に記載されている通りである。
【００４４】
従来、このＭＭＩ理論は受動導波路に適用できることが知られていたが、１×１ＭＭＩをＬＤ活性層に適用することによってＬＤの高出力化が図れることが、ｈａｍａｍｏｔｏ等によりＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　ｖｏｌ．　３６，　Ｎｏ．２，　１３９−１４０頁に記載の「ａｃｔｉｖｅ　ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｍｅｔｅｒ　ｌａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅ　ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ　ｖｉａ　１．４８μｍ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ」によって報告された。この報告では、１×１ＭＭＩ導波路を活性層として用いることにより、同じ長さの単一モード導波路のみからなるＬＤと比較して１．４倍の高い光出力を実現している。ＭＭＩ導波路を使用することにより光出力が増加する理由は、幅の広い多モード導波路領域を活性層とすることにより注入電流密度を低くすることが可能であるため、電流注入に伴う活性層の利得飽和による光出力の低下を避けられるからである。また、横方向の光閉じこめ係数が高いため、通常の単一モード導波路と比較して導波路利得が高いことや、導波路幅が広いことによってダイオードの直列抵抗が低くなることも高出力化に有利である。
【００４５】
上述したｈａｍａｍｏｔｏ等の報告では、高出力化を目的としたファブリペロＬＤに、ＭＭＩ導波からなる活性層を用いている。本発明では、この構造を応用して、単一軸モード光源であるＤＢＲ−ＬＤの利得領域にＭＭＩ導波路を導入すれば、光出力を低下させることなく利得領域の長さを短くすることが可能であることに着目した。このことを図５を用いて説明する。なお、図５（ｂ），（ｃ）においては、縦横比を大幅に変えて図示している。
【００４６】
図５（ａ）は、前記した関係式に基づいて、コア層の等価屈折率ｎｒが３．２、クラッド層の屈折率が３．１７２である埋め込み構造のＭＭＩ導波路に、波長１．５５μｍの光を入射した場合の導波路幅ＷとＭＭＩ領域の長さＬの関係を示す。図５（ａ）によれば、例えば導波路幅Ｗが６μｍのＭＭＩ導波路の場合、Ｌは１００μｍとなる（図５（ｂ）参照）。これは、図５（ｃ）に模式的に図示する、Ｗが１．５μｍ、Ｌが４００μｍの単一モード導波路と同一面積である。すなわち、ＭＭＩの導入によって、活性層の面積を保ちながら利得領域の長さを１／４に短縮できる。この原理を用いると、「発明が解決しようとする課題」の欄にて述べた第３の従来例の、利得領域の長さに関する設計制限が大幅に緩和される。すなわち、第３の従来例では、好適な設計例として、利得領域の長さを６００μｍ、導波路幅を１．５μｍとしていたが、本発明ではＭＭＩ導波路を用いることによって、図５（ａ）から明らかなように、例えば、利得領域３の長さを約１３０μｍ、導波路幅を７μｍとして、活性層１０の面積を一定に保ちつつ、利得領域３の長さを大幅に短縮することが可能である。活性層１０の面積は同一であるため、活性層１０の直列抵抗値は増加しない。以上のように、ＭＭＩ導波路の導入により、第３の従来例においては不可能だった、長さ３００μｍ以下の利得領域３を実現可能であることがわかる。
【００４７】
この構成によると、「発明が解決しようとする課題」の欄にて述べた通り、利得領域３の長さを短縮することにより、モード安定性を向上させることができる（図１７，１８参照）とともに、前記した通り高い光出力を得ることができる。このように、本実施形態によれば従来のＤＢＲ−ＬＤで課題となっていたモード安定性の向上を、光出力を犠牲にすることなく実現することが可能である。このようにして製作されたＤＢＲ−ＬＤの発振特性を実際に確認したところ、注入電流１００ｍＡで２０ｍＷを越える高いファイバ結合光出力が得られた。そして、ＤＢＲ１および位相領域２への電流注入により発振波長をチューニングしたところ、１５ｎｍの波長範囲にわたって良好なチューニング特性が得られた。また全波長範囲において４０ｄＢ以上の高いサイドモード抑圧比と、２０ＭＨｚ以下の狭い線幅が得られた。
【００４８】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る集積型半導体レーザ（集積型ＬＤ）について説明する。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付与し説明を省略する。
【００４９】
図６は、本実施形態の集積型ＬＤの概略平面図である。この集積型半導体レーザは、図１に示す第１の実施形態と同じ構成のＤＢＲ−ＬＤ（アクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ）４の出射端（ＤＢＲ１側）に、受動導波路３１と半導体光アンプ（ＳＯＡ）３２と電界吸収（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＥＡ）型光変調器３３と受動導波路３４がモノリシックに集積された構成の変調器集積型ＬＤである。なお、ＳＯＡ３２には、より高い飽和出力が得られるように、アクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ４の利得領域３と同様にＭＭＩ導波路が導入されている。
【００５０】
ＳＯＡ３２とＤＢＲ１の間の受動導波路３１は、ＳＯＡ３２への電流注入による熱の影響がＤＢＲ１に伝わらないようにするものである。また、出射側の受動導波路３４は、端面からの出射光が反射されて端面に再入射するのを防ぐために、斜めに曲がった形状を有している。そしてこの出射側端面には、無反射（ＡＲ）コーティングが施されている。一方、アクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ４の利得領域３側の端面（入射側端面）には、高反射（ＨＲ）コーティングが施されている。
【００５１】
このような構成の変調器集積型ＬＤでは、第１の実施形態として記載した通り高いモード安定性と高い光出力でアクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ４から出射されたレーザ光が、受動導波路３１を通過し、ＳＯＡ３２によって増幅され、さらにＥＡ型変調器３３により光信号が乗せられて、出射側の受動導波路３４から外部に出射される。
【００５２】
本実施形態の素子の断面構造は、第１の実施形態と基本的に同一のＤＣ−ＰＢＨ構造であり、受動導波路３１，３４は位相領域２と実質的に同じ断面構造（ＤＢＲ１からグレーティング１２を除いた構造）を有し、ＳＯＡ３２およびＥＡ型変調器３３は利得領域３と実質的に同じ断面構造を有している。従って、この素子の製造方法も、第１の実施形態と基本的に同一である。図１〜４において、ＤＢＲ１を示す図面からグレーティング１２を除いた状態が、位相領域２と同様に受動導波路３１，３４にもあてはまり、利得領域３を示す図面はＳＯＡ３２およびＥＡ型変調器３３にもあてはまるので、これらの図面を流用して説明する。
【００５３】
まず、ＩｎＰ基板１１上に活性層１０を形成する（工程Ｓ１）。ＤＢＲ１、位相領域２、受動導波路３１，３４上の活性層１０を除去し（工程Ｓ２）、その後にコア層５を形成し（工程Ｓ３）、バットジョイント構造を形成する。そして、ＤＢＲ１のグレーティング１２を形成する（工程Ｓ４）。さらに、凹部１６を導波路の両側方に形成し（工程Ｓ５）、導波路の平面形状を決定する。続いて、電流狭窄構造を形成する（工程Ｓ６）。基板表面全体にｐ−ＩｎＰクラッド層９およびｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層８を形成し（工程Ｓ７）、ｐ−ＩｎＧｎＡｓコンタクト層８を各領域ごとに分離する（工程Ｓ８）。素子分離溝１５を形成し（工程Ｓ９）、ＳｉＯ２層２２を形成する（工程Ｓ１０）。そして、表面に電極６を形成し（工程Ｓ１１）、裏面電極も形成する（工程Ｓ１２）。最後に、ウエハの劈開を行い、入射側端面に高反射コーティングを、出射側端面に無反射コーティングをそれぞれ施す（工程Ｓ１３）。
【００５４】
以上の工程Ｓ１〜Ｓ１３により形成された本実施形態の変調器集積型ＬＤは、第１実施形態と同様に優れたモード安定性と光出力と波長チューニング特性を実現しながら、ＳＯＡ３２によってさらに高い光出力を得ることができる。またＥＡ変調器３３によって光信号を乗せることが可能である。
【００５５】
なお、本実施形態ではレーザ光がＳＯＡ３２にて増幅を受けたのちＥＡ変調器３３にて変調を受ける構成について示したが、両者の前後関係はこの限りでなく、ＥＡ型変調器３３通過後にＳＯＡ３２で利得を受ける構成でもかまわない。また、光変調器はＥＡ型変調器に限るものではない。例えば、マッハツェンダ型変調器を用いればより広い波長範囲のレーザ光に対する光変調が可能である。
【００５６】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施形態に係る集積型ＬＤについて説明する。なお、第１，２の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付与し説明を省略する。
【００５７】
図７は、本実施形態の集積型ＬＤの概略平面図である。この集積型ＬＤは、図１に示す第１の実施形態の素子と同じ構成のＤＢＲ−ＬＤ（アクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ）４が２つ並列に配置され、それらの出射端（ＤＢＲ１側）にそれぞれ接続されている受動導波路３１と、この２つの受動導波路３１が接続されている単一のＳＯＡ３５とがモノリシックに集積された構成の集積型ＬＤである。ＳＯＡ３５にはＭＭＩ導波路が導入されている。２つのアクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ４は、それぞれ異なる波長チューニング範囲を有している。そして、目的とする発振波長に対応する方のアクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ４を適宜駆動し、そのアクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ４から発振されたレーザ光が、受動導波路３１を伝搬し、ＳＯＡ３５により利得を受けた後、出力側の受動導波路３４から外部に出射される。波長チューニング範囲の異なる２つのアクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ４を選択的に用いることにより、ＬＤ素子全体としての発振可能な波長範囲を実効的に拡大することができる。
【００５８】
本実施形態の素子は、第２の実施形態の構成と、アクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ４および受動導波路３１が２つである点と光変調器がない点だけが異なり、各部の断面構造は第２の実施形態と同じである。その製造方法も同じであり、前記した工程Ｓ１〜Ｓ１２によって製造することができる。
【００５９】
本実施形態の集積型ＬＤは、第１実施形態と同様に優れたモード安定性と光出力と波長チューニング特性を実現しながら、第２の実施形態と同様により高い光出力を得ることができ、さらに、波長チューニング範囲を拡大することが可能である。なお、本実施形態はアクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ４が２つ設けられた構成について述べたが、これを３つ以上設ける構成とすることもできる。
【００６０】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施形態に係るＤＢＲ−ＬＤについて説明する。なお、第１〜３の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付与し説明を省略する。
【００６１】
図８は、本実施形態のＤＢＲ−ＬＤの概略平面図である。このＤＢＲ−ＬＤは、図１に示す第１の実施形態の構成にもう１つのＤＢＲ１７を追加した、いわゆるＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤである。言い換えると、前記した第２の従来例の利得領域１０３（図１６参照）にＭＭＩ導波路を導入してモード安定化を図った構成である。
【００６２】
「従来の技術」の欄で述べた通り、図１６に示すＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤは、単なるＤＢＲ−ＬＤと比較して発振モード決定のためのメカニズムがより複雑であるため、従来はモード安定性に乏しかった。また、素子の両端に備えられた１対のＤＢＲ１０１，１０５は、電流注入により吸収損失が増大するため、光出力が低いことが問題であった。しかし、本実施形態では利得領域３にＭＭＩ導波路を導入することにより、光出力を低下させずに利得領域３を短縮できるため、モード安定性を向上させることができる。そして、ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤの特長である広いチューニング範囲が得られるという効果を有する。
【００６３】
本実施形態の素子は、第１の実施形態の構成と、ＤＢＲが２つである点だけが異なり、各部の断面構造は第１の実施形態と同じである。その製造方法も同じであり、前記した工程Ｓ１〜Ｓ１２によって製造することができる。
【００６４】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施形態に係る集積型ＬＤについて説明する。なお、第１〜４の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付与し説明を省略する。
【００６５】
図９は、本実施形態の集積型ＬＤの概略平面図である。この集積型ＬＤは、図８に示す第４の実施形態の素子と同じ構成のＤＢＲ−ＬＤ（アクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ）１８の出射端に、受動導波路３１とＳＯＡ３２と受動導波路３４がモノリシックに集積された構成のＬＤである。ＳＯＡ３２にはＭＭＩ導波路が導入されている。
【００６６】
本実施形態の素子は、第２の実施形態の構成に、第４の実施形態に基づくアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８を組み込み、光変調器をなくした構成である。各部の断面構造は第１〜４の実施形態と実質的に同じである。その製造方法も同じであり、前記した工程Ｓ１〜Ｓ１２によって製造することができる。
【００６７】
本実施形態によれば、第４の実施形態で述べた、優れたモード安定性、光出力、波長チューニング特性を実現しながら、ＳＯＡ３２によってさらに高い光出力を得ることができる。このため、本実施形態の素子では、従来のＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤでは困難であった、３０ｎｍ以上の広い波長チューニング範囲、２０ｍＡ以上の高い光出力、全波長範囲にわたる４０ｄＢ以上の高いサイドモード抑圧比および２０ＭＨｚ以下の狭い線幅という条件をすべて満足する特性が得られた。
【００６８】
なお、本実施形態において、第２の実施形態と同様に光変調器を付加した構成にすることもできる。その場合、光変調器によってレーザ光に光信号を乗せることができる。光変調器の種類は特に問わない。
【００６９】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施形態に係る集積型ＬＤについて説明する。なお、第１〜５の実施形態と同様の部分については、同一の符号を付与し説明を省略する。
【００７０】
図１０は、本実施形態の集積型ＬＤの概略平面図である。この集積型ＬＤは、図８に示す第４の実施形態の素子と同じ構成のＤＢＲ−ＬＤ（アクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ）１８が２つ並列に配置され、それらの出射端にそれぞれ接続されている受動導波路３１およびＳＯＡゲート３６と、この２つの受動導波路３１およびＳＯＡゲート３６が接続されている単一のＳＯＡ３５と、受動導波路３４がモノリシックに集積された構成のＬＤである。ＳＯＡ３５にはＭＭＩ導波路が導入されている。
【００７１】
本実施形態の２つのアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８は、全く同じ波長チューニング範囲を有している。いずれか一方のアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８から発振されたレーザ光が、受動導波路３１およびＳＯＡゲート３６を伝搬し、ＳＯＡ３５により利得を受けた後、出力側の受動導波路３４から外部に出射される。１対のＳＯＡゲート３６はスイッチとして機能し、どちらのアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８からのレーザ光をＳＯＡ３５へ伝播させるかを決める。
【００７２】
本素子は、光パケットルーティングを目的とした高速チューニング光源であり、スイッチング速度１ｎｓ程度でダイナミックに波長を切り換えるものである。通常の波長の切り換えは、単一のＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤによって所定の波長のレーザ発振が終了した後、次に求められる波長にセットし直されるが、その波長で安定するまでにしばらく時間がかかるため、タイムラグが生じる。このタイムラグが、スイッチング速度の遅さにつながっている。そこで、本実施形態では、２つのアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８のうちの一方が発振している間に、他方のアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８を新たな波長にセットしておく。ただし、新たな波長が安定するまでの間、他方のアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８に接続されたＳＯＡゲート３６には電流注入されず、新たな波長のレーザ光はここで吸収される。そして、一方のアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８により所定の波長でレーザ発振すべき時間が終了する前に、他方のアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８による次の波長のレーザ発振を安定させておく。そして、一方のアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８により所定の波長でレーザ発振すべき時間が終了した時点で、それに接続されたＳＯＡゲート３６への電流注入を停止するとともに、他方のアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８に接続されたＳＯＡゲート３６に電流を注入して波長スイッチングを行う。なお、波長スイッチングは両方のアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８が定常状態で発振している状態において、駆動するＳＯＡゲート３６を切り換えて行う。ＳＯＡゲート３６の駆動切り替えに要する時間は１ｎｓｅｃ．程度であるため、切り替え前後の波長が大きく異なる場合でも常に一定のスピードでの高速スイッチングが可能である。
【００７３】
本実施形態ではモード安定性に優れるアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８を使用することにより、高速スイッチング用途においても安定した発振特性を得ることができる。
【００７４】
また、本実施形態の構成において、２つのアクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８の波長チューニング範囲を変えて、これらを選択的に駆動させることにより、ＬＤ素子全体としての発振可能な波長範囲を実効的に拡大する構成にしてもよい。これによると、非常に広い波長チューニング範囲が実現できる。その場合、アクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８を３つ以上設ける構成とすることもできる。
【００７５】
なお、本実施形態の素子は、第５の実施形態の構成と、アクティブＭＭＩ−ＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤ１８および受動導波路３１が２つでありＳＯＡゲート３６を有する点だけが異なり、各部の断面構造は第１〜５の実施形態と同じである。その製造方法も同じであり、前記した工程Ｓ１〜Ｓ１２によって製造することができる。
【００７６】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施形態に係る波長ロッカー内蔵ＬＤモジュールについて説明する。この波長ロッカー内蔵ＬＤモジュールは、前記したようなＤＢＲ−ＬＤまたは集積型ＬＤを含むモジュールである。
【００７７】
図１１に、本実施形態の波長ロッカー内蔵ＬＤモジュールが模式的に表されている。この波長ロッカー内蔵ＬＤモジュールは、サブマウント４１上にマウントされたＬＤ４２、レンズ４３、波長ロッカー４４、および光ファイバ４５からなる光学系と、ＬＤ４２を駆動する駆動回路４６とがパッケージされた構成である。図１１には簡略化して示し詳細な説明は省略するが、ＬＤ４２は、前記した第１〜第６の実施形態のＤＢＲ−ＬＤ（ここではＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤの場合も含む）または集積型ＬＤのいずれかである。波長ロッカー４４は、ビームスプリッタ４７、デュアル・フォトダイオード（ＰＤ）４８、およびエタロン４９から構成されている。
【００７８】
本実施形態の波長ロッカー内蔵ＬＤモジュールによると、駆動回路４６に駆動されて、第１〜６の実施形態において説明したようにＬＤ４２から高出力のレーザ光が出射され、このレーザ光は、レンズ４３を通って平行光となり、その平行光の一部（５％程度）がビームスプリッタ４７により分離される。平行光のうちの大部分（９５％程度）は、光ファイバ４５から外部に出射される。一方、ビームスプリッタ４７により分離された光（５％程度）は、波長ロッカー４４によって、具体的には、エタロン４９を透過する部分とエタロン４９外を通る部分とに分けられて両者がデュアル・フォトダイオード４８を用いて比較されることによって、波長をモニタされ、そのモニタ結果がＬＤ４２の各部への注入電流にフィードバックされる。これによって、極めて高精度に波長制御されたレーザ光を得ることができる。
【００７９】
本実施形態に使用されているＬＤ４２は、前記した通りモード安定性に優れているため、特に過渡状態でのモード揺らぎが少なく従来困難であった１ｎｓｅｃ．程度の高速な波長スイッチングが可能である。また、本実施形態に使用されているＬＤ４２は利得領域３の導波路幅が広く、電流注入時の直列抵抗が低いため、消費電力および発熱量が少ないという特徴を有している。従って、本実施形態の波長ロッカー内蔵ＬＤモジュールでは、図示しないが、温度調整用のペルチエ素子として小型かつ低消費電力のものを使用可能であるため、従来のモジュールと比較して小型化および低消費電力化が図られるという特徴を有する。そして、本実施形態の波長ロッカー内蔵ＬＤモジュールを用いることにより、数ｎｍ〜数十ｎｍの波長可変範囲にわたって、ＷＤＭ光通信用波長グリッドに精密に合わせられた任意の波長の信号光を出力可能である。
【００８０】
［第８の実施の形態］
次に、本発明の第８の実施形態に係る多波長ＬＤアレイモジュールについて説明する。この多波長ＬＤアレイモジュールは、前記したようなＤＢＲ−ＬＤまたは集積型ＬＤを複数含むモジュールである。
【００８１】
図１２に、本実施形態の多波長ＬＤアレイモジュールが模式的に表されている。この多波長ＬＤアレイモジュールは、複数のＬＤ４２が並列に置かれたＬＤアレイ５１と、それぞれのＬＤ４２に対応してそれぞれ配置された、複数のレンズ４３からなるレンズアレイ５２と、複数の光ファイバ４５からなる光ファイバアレイ５３と、駆動回路４６とが、Ｓｉからなるプラットフォーム５４上に実装されたものであり、複数の光源を一体化したモジュールである。
【００８２】
図１２には簡略化して示し詳細な説明は省略するが、ＬＤ４２は、前記した第１〜第６の実施形態のＤＢＲ−ＬＤ（ここではＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤの場合も含む）または集積型ＬＤのいずれかである。
【００８３】
本実施形態のＬＤアレイ５１は、前記した通りモード安定性の良いＬＤ４２から構成されているため、従来よりも波長制御回路が比較的簡易にできるという特徴がある。また、本実施形態に使用されているＬＤ４２は利得領域３の導波路幅が広く、電流注入時の直列抵抗が低いため、消費電力および発熱量が少ないという特徴を有している。従って、本実施形態の多波長ＬＤアレイモジュールでは、図示しないが、温度調整用のペルチエ素子として小型かつ低消費電力のものを使用可能であるため、従来のモジュールと比較して小型化および低消費電力化が図られるという特徴を有する。従って、この多波長ＬＤモジュールは、低コストなチューナブル光源アレイとして、将来の光波ネットワークアレイにおけるダイナミック波長ルーティングなどのアプリケーションに使用可能である。また光符号分割多重（ＯＣＤＭ）システム用送信モジュールとして有望である。
【００８４】
［第９の実施の形態］
次に、本発明の第９の実施形態に係る、光アドドロップ（ＯＡＤＭ）機能を有する波長分割多重（ＷＤＭ）ネットワークシステムについて説明する。
【００８５】
図１３に、本実施形態のＷＤＭネットワークシステムが模式的に表されている。このＷＤＭネットワークシステムは、送信器５５が、光ファイバ伝送線路５６およびＯＤＡＭノード５７を介して、受信器５８に接続されているものであり、ＯＤＭＡノード５７は、ＯＡＤＭ送信部５９とＯＡＤＭ受信部６０を含んでいる。そして、図１３には簡略化して示し詳細な説明は省略するが、送信器５５およびＯＡＤＭ送信部５９には、任意の波長を伝送線路に乗せるためのチューナブル光源として、前記した第１〜第６の実施形態のＤＢＲ−ＬＤ（ここではＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤの場合も含む）または集積型ＬＤのいずれか、あるいはこれらのいずれかを含む第７〜８の実施形態のＬＤモジュールのいずれかを含む構成である。
【００８６】
このＷＤＭネットワークシステムによると、送信器５５は下位伝送路からの信号を多重化し、ＷＤＭ信号（λ１〜λｎ）として光ファイバ伝送線路５６に送信する。送信されたＷＤＭ信号は中継局であるＯＡＤＭノード５７において波長ごとに一旦分波され、ここで特定の波長λｉのみＯＡＤＭ受信部６０により取り出される（ドロップされる）。取り出されて空いた波長には、ＯＡＤＭ送信部５９より送られた信号が新たに合波され、再びＷＤＭ信号として、光ファイバ伝送線路５６を介して受信器５８まで伝送される。
【００８７】
本実施形態では、チューナブル光源として、第１〜６の実施形態のいずれかのＤＢＲ−ＬＤまたは集積型ＬＤ、あるいはこれらのいずれかを含む第７または第８のＬＤモジュールが使用されているため、波長安定性に優れ、かつ広いチューニング波長域と高出力特性が得られ、極めて付加価値の高いシステムが構築できる。
【００８８】
［第１０の実施の形態］
次に、本発明の第１０の実施形態に係る、波長ラベルスワッピングによるパケットルーティングが可能な光ネットワークシステムについて説明する。
【００８９】
図１４に、本実施形態の光ネットワークシステムが模式的に表されている。この光ネットワークシステムは、波長ルータ６１に、光ファイバ伝送線路５６を介して複数のノードが接続されている構成である。ここでは、便宜上、１つのノードを送信側ノード６２として表し、もう１つのノードを受信側ノード６３として示している。そして、図１４には簡略化して示し詳細な説明は省略するが、各ノード６２，６３には、任意の波長を光ファイバ伝送線路５６に乗せるためのチューナブル光源として、前記した第１〜第６の実施形態のＤＢＲ−ＬＤ（ここではＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤの場合も含む）または集積型ＬＤのいずれか、あるいはこれらのいずれかを含む第７〜８の実施形態のＬＤモジュールのいずれかを含む構成である。
【００９０】
この光ネットワークシステムでは、パケット化された情報が送信される。各々のパケットには、目的地の情報が記された波長ラベリングが施されている。従って、例えば、送信側ノード６２より送信されたパケットは、光ファイバ伝送線路５６を介して波長ルータ６１に到達する。波長ルータ６１では、到着したパケットの波長ラベルから、送るべき目的地（例えば受信側ノード６３）が読み取られる。そこで、パケットは目的地となる受信側ノード６３に対応した波長λｌに変換され、新たな波長ラベルを与えられて、目的地である受信側ノード６３に伝送される。
【００９１】
このような構成によると、メッシュネットワークにおける伝送経路の決定を波長によって自動的に行うことが可能であり、極めて効率のよいネットワークが構築できる。ここで、各ノードではパケットごとに波長変換を行うために、例えばスイッチング速度が１ｎｓ程度の極めて高速で波長チューニング可能な光源が求められる。そこで、本実施形態では、チューナブル光源として、第１〜第６の実施形態のＤＢＲ−ＬＤまたは集積型ＬＤのいずれか、あるいはこれらのいずれかを含む第７または第８の実施形態のＬＤモジュールが用いられているため、波長安定性に優れ、かつ広いチューニング波長域と高出力特性が得られ、極めて付加価値の高いシステムが構築できる。
【００９２】
なお、以上の実施形態では、光通信用の１．５５μｍ帯半導体レーザについて説明したが、本発明の用途や波長帯などはこれに限るものではない。例えば、半導体レーザを用いたガス検知システムなどの用途にも使用可能である。また、可視光や他の赤外光などを用いるＬＤとして使用される場合にも、本発明は適用可能である。また、製造方法や各部の材質等については限定されるものではなく、例えば、半導体材料としてＩｎＡｌＡｓやＧａＩｎＮＡｓを用いることができるなど、様々な材料を用いることができ、それに応じて様々な製造方法を採用することができる。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によると、従来のＤＢＲ−ＬＤで問題となっていたモード安定性と高出力とを両立させることができる。従って、モード安定性に優れているために、従来必要であった高精度な波長制御回路を簡略化でき、小型化および消費電力の低減や、低コスト化や、スイッチング速度の高速化が達成できるとともに、現在から将来に亘って光通信分野などで要求されるような高い光出力を得ることが可能である。もちろん、モード安定性を低く抑えても良い場合にはさらに一層の高出力を得ることができ、光出力を低く抑えても良い場合には、モード安定性をさらに向上させることができる。
【００９４】
さらに、本発明のＤＢＲ−ＬＤや集積型ＬＤを用いてＬＤモジュールや光ネットワークシステムを構成すると、前記したようにモード安定性と高光出力が両立することによって、従来に比べて大幅な性能の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施形態のＤＢＲ−ＬＤ（分布ブラッグ反射型半導体レーザ）の構成を示す概略平面図、（ｂ）はその光導波方向に沿う断面図、（ｃ）はＡ−Ａ’線断面図、（ｄ）はＢ−Ｂ’線断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のＤＢＲ−ＬＤの製造方法の前半を示す図であり、（ａ）〜（ｆ）はその導波路の直上から光導波路に平行に断面した図、（ａ’）〜（ｆ’）はそのＤＢＲで光導波路に直交するように断面した図、（ａ”）〜（ｆ”）はその利得領域で光導波路に直交するように断面した図である。
【図３】本発明の第１の実施形態のＤＢＲ−ＬＤの製造方法の後半を示す図であり、（ａ）〜（ｂ）はその導波路の直上から光導波路に平行に断面した図、（ａ’）〜（ｂ’）はそのＤＢＲで光導波路に直交するように断面した図、（ａ”）〜（ｂ”）はその利得領域で光導波路に直交するように断面した図である。
【図４】本発明の第１の実施形態のＤＢＲ−ＬＤの製造方法を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態のＤＢＲ−ＬＤの形状を従来のものと比較して示す説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態の集積型ＬＤ（集積型半導体レーザ）の概略平面図である。
【図７】本発明の第３の実施形態の集積型ＬＤの概略平面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態のＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤの概略平面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態の集積型ＬＤの概略平面図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態の集積型ＬＤの概略平面図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態の波長ロッカー内蔵ＬＤモジュール（半導体レーザモジュール）の構成を示す模式図である。
【図１２】本発明の第８の実施形態の多波長ＬＤアレイモジュール（半導体レーザモジュール）の構成を示す模式図である。
【図１３】本発明の第９の実施形態の波長分割多重ネットワークシステム（光ネットワークシステム）の構成を示す模式図である。
【図１４】本発明の第１０の実施形態の光ネットワークシステムの構成を示す模式図である。
【図１５】第１の従来例のＤＢＲ−ＬＤの構成を示す概略平面図である。
【図１６】第２の従来例のＳＧ−ＤＢＲ−ＬＤの構成を示す概略平面図である。
【図１７】利得領域の長さが４００μｍであるＤＢＲ−ＬＤにおける反射損失曲線と発振モードを示すグラフである。
【図１８】利得領域の長さが１００μｍであるＤＢＲ−ＬＤにおける反射損失曲線と発振モードを示すグラフである。
【図１９】本発明の参考例のＤＢＲ−ＬＤの構成を示す概略平面図である。
【符号の説明】
１，１７　　ＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）
２　　　　　位相領域
３　　　　　利得領域
３ａ　　　　単一横モード導波路
３ｂ　　　　ＭＭＩ導波路（多モード干渉型導波路）
４　　　　　アクティブＭＭＩ−ＤＢＲ−ＬＤ（分布ブラッグ反射型半導体レーザ）
５　　　　　コア層
５ａ　　　　グレーティング層
６　　　　　電極
７　　　　　ＳｉＯ２層
８　　　　　ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
９　　　　　ｐ−ＩｎＰクラッド層
１０　　　　活性層
１１　　　　ＩｎＰ基板
１２　　　　グレーティング
１３　　　　ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層
１４　　　　ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
１５　　　　素子分離溝
１６　　　　凹部
１８　　　　アクティブＭＭＩ−ＳＧ―ＤＢＲ−ＬＤ（分布ブラッグ反射型半導体レーザ）
２０，２１　ＳｉＯ２マスク
２２　　　　ＳｉＯ２層
３１，３４　受動導波路
３２，３５　ＳＯＡ（半導体光アンプ）
３３　　　　ＥＡ型変調器（光変調器）
３６　　　　ＳＯＡゲート
４１　　　　サブマウント
４２　　　　ＬＤ（半導体レーザ）
４３　　　　レンズ
４４　　　　波長ロッカー
４５　　　　光ファイバ
４６　　　　駆動回路
４７　　　　ビームスプリッタ
４８　　　　デュアルフォトダイオード
４９　　　　エタロン
５１　　　　ＬＤアレイ
５２　　　　レンズアレイ
５３　　　　光ファイバアレイ
５４　　　　プラットホーム
５５　　　　送信器
５６　　　　光ファイバ伝送線路
５７　　　　ＯＡＤＭノード
５８　　　　受信器
５９　　　　ＯＡＤＭ送信部
６０　　　　ＯＡＤＭ受信部
６１　　　　波長ルータ
６２　　　　送信側ノード
６３　　　　受信側ノード
【図１】
2004055647.tif 000003
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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