(57)【要約】【課題】高周波数で安定にセルフパルセーション動作可能な半導体レーザを得る。【解決手段】半導体レーザを、第１導電型半導体基板１と、第１導電型クラッド層２と、光導波層３と、光導波層３に近接して回折格子５を具備する前方ＤＦＢ領域１０１と、光導波層３に近接して回折格子を具備し前方ＤＦＢ領域１０１とは電気的に分離された後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域１０３と、回折格子５を埋め込むように形成された第２導電型クラッド層４とを備え、ＤＦＢ領域１０１の回折格子５および後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域１０３のそれぞれの回折格子が一部に位相シフト部分を有する構成とする。【選択図】        図１
2004241627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層と、
前記第１導電型クラッド層上に形成された光導波層と、
前記光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して前方に位置し前記光導波層面に近接して回折格子を具備する前方ＤＦＢ領域と、
前記光導波層を一部に含み前記レーザ光出射方向に対して後方に位置し前記光導波層面に近接して回折格子を具備し、前記前方ＤＦＢ領域とは電気的に分離された後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域と、
前記回折格子を埋め込むように形成された第２導電型クラッド層と、を備え、
前記前方ＤＦＢ領域の回折格子および前記後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域のそれぞれの回折格子が一部に位相シフト部分を有することを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記光導波層の一部で前記前方ＤＦＢ領域と前記後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域との間に前記各領域から電気的に分離された位相制御領域を備えることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
後方がＤＢＲ領域で構成され、前記位相制御領域および前記後方ＤＢＲ領域における光導波層を構成する結晶のバンドギャップエネルギーが、前記前方ＤＦＢ領域における光導波層を構成する結晶のバンドギャップエネルギーより大きいことを特徴とする請求項２項記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記前方ＤＦＢ領域の回折格子の周期と前記後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域の回折格子の周期が異なることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記各領域間の回折格子の周期のずれがストップバンド幅に相当することを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記光導波層の両側面に電流閉じ込め層が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記電流閉じ込め層が埋め込み結晶成長によって形成されたものであることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザ。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項記載の半導体レーザの駆動方法であって、前記前方ＤＦＢ領域に所定の動作電流を注入し、前記後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域に所定の屈折率制御用電流を注入することによりセルフパルセーション動作を生ぜしめることを特徴とする半導体レーザの駆動方法。
【請求項９】
請求項１ないし７のいずれか１項記載の半導体レーザを信号光源とすることを特徴とする波長変換素子。
【請求項１０】
一端から信号光が入射される入射側光導波路と、
前記入射側光導波路の他端に光学的に結合された入射側カプラと、
前記入射側カプラから分岐し第１半導体光増幅器を経て出射側カプラに至る第１光導波路と、
前記入射側カプラから分岐し第２半導体光増幅器を経て前記出射側カプラに至り前記第１光導波路と光路長が等しい第２光導波路と、
前記出射側カプラと光学的に結合され信号入出力光が導波される信号光入出力導波路と、
前記信号光入出力導波路に光学的に結合された前記信号光源用の半導体レーザと、
一端から波長変換光が出力され他端が前記入射側カプラに光学的に結合された出力側光導波路と、を基板上に備え、
前記出射側カプラと前記第１半導体光増幅器間の第１光導波路の距離と前記出射側カプラと前記第２半導体光増幅器間の第２光導波路の距離との差が所定の値に予め設定されていることを特徴とする請求項９記載の波長変換素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光ファイバ通信、特に全光信号処理技術の分野で用いられる超高速光パルスを発生させる半導体レーザ、その半導体レーザの駆動方法およびそれを信号光源として用いた波長変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ通信技術は、現代の情報化社会を支える重要なインフラストラクチャーである。従来、海底光ケーブルや都市間を結ぶ陸上幹線通信ネットワークを始めとして整備が進められ、急速な発展を遂げてきた。現在では、幹線系の１チャネル当たりの通信速度は１０〜４０Ｇｂｐｓに及び、将来的には８０〜１６０Ｇｂｐｓ以上の超高速・大容量通信の実現も期待されている。
【０００３】
現状のシステム構成では、ネットワークのノード部分において光信号を一旦電気信号に変換（Ｅ−Ｏ変換）して、リタイミング、波形整形を行った後に、再度光信号に変換（Ｏ−Ｅ変換）して送出している。しかしながら、数１０Ｇｂｐｓを超えるような超高速光通信システムでは、このような電気信号を介した制御で光信号を処理するのはもはや困難であった。すなわち、ノードにおける信号処理速度が次第にネットワーク全体の信号処理速度を制限するボトルネックになりつつあった。かかる問題点を解決し、超高速・大容量通信を実現するためのキー技術が全光信号処理である。
【０００４】
全光信号処理では、技術的および経済的観点からネットワークノードに送られてきた光信号を電気信号に変換することなく光信号のままで波形整形や増幅を行った後に送り出す処理が求められている。光―光制御方式を用いた場合の利点として、電気回路のＣＲ時定数により動作速度が制限されないこと、超短パルスの発生が可能な光パルスを直接利用できる点等が挙げられる。
【０００５】
かかる全光信号処理の実現には各種光素子が必要となるが、特に短い光パルスを一定の周波数で持続させた光クロックパルスは必須であり、安定でジッタ、つまり時間軸での信号の揺らぎの少ない光クロックパルス発生素子の実現が求められている。半導体素子による光クロックパルスの発生は、ネットワークシステムの小型化や振動に対する堅牢さの観点からも重要である。
【０００６】
高速動作可能な光クロックパルスを発生させる従来の半導体素子として、特許文献１あるいは特許文献２に開示されたセルフパルセーティングＤＦＢレーザ（ｓｅｌｆ−ｐｕｌｓａｔｉｎｇ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｌａｓｅｒ）があった。特許文献１の図１に示すように、従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザはリッジ導波路型構造で、少なくとも２つの電気的に分離された電極を有している。３電極構成の場合は、回折格子を設けた前方ＤＦＢ領域および後方ＤＦＢ領域の２つの活性領域が両者の間に設けられた位相制御領域を挟んで集積されている。各領域はエッチング溝で電気的に分離されており、独立に電流注入可能である。また、両端面には反射防止（ＡＲ）コーティングが施されている。
【０００７】
セルフパルセーティングＤＦＢレーザの繰り返し周波数は、前方ＤＦＢ領域、後方ＤＦＢ領域への直流的な注入電流によって調整可能である。位相制御領域は前方ＤＦＢ領域と後方ＤＦＢ領域で構成された共振器中の光波の位相を調整してセルフパルセーションのオン・オフを制御し、セルフパルセーション動作を安定させるために設けられている。
【０００８】
次に、上述の特許文献１に開示された従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザの駆動方法について説明する。素子の動作原理は未だ完全には解明されていないが、以下に説明する分散性自己Ｑスイッチング（ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  ｓｅｌｆ  Ｑ−ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）が提案されている。一般に、Ｑスイッチレーザでは、活性層内で強い励起による高い反転分布が生成されているが、初期状態では高い共振器損失が存在するため、レーザ動作が妨げられている。一旦共振器損失が打ち消されると、高いインパルス強度の短パルスが放出される。上記Ｑスイッチング動作を達成するには、外部に設けた共振器反射鏡の損失を高い状態から低い状態へ急激に変化させる方法、あるいは初期的に共振器中に内部損失を形成した後、その内部損失を取り除くようにする方法があった。
【０００９】
前方ＤＦＢ領域はレーザ閾値電流を十分に上回るように強く励起し、後方ＤＦＢ領域はレーザ閾値電流付近でほぼ透明の状態になる程度に弱く励起する。このとき、前方ＤＦＢ領域はレーザとして機能し、後方ＤＦＢ領域は分散性の強い、すなわち反射率の波長依存性が大きい、いわゆる反射ミラーとして機能する。前方ＤＦＢ領域と後方ＤＦＢ領域それぞれのブラッグ（Ｂｒａｇｇ）波長は、当該領域内に注入されたキャリア密度に依存して変化する。前方ＤＦＢ領域と後方ＤＦＢ領域間で強く非対称励起すると、２つの領域のブラッグ波長がわずかにずれるデチューニング（離調）状態が発生する。ストップバンドの長波長側では、後方ＤＦＢ領域からの光反射、つまりフィードバックによって光密度が増大するのでレーザ発振が生じやすい。
【００１０】
後方ＤＦＢ領域の反射率が高いとレーザの閾値電流は低減し、逆に後方ＤＦＢ領域の反射率が低いとレーザの閾値電流は上昇する。ストップバンドの長波長側では、分散性反射ミラーの急峻な反射ピークの裾付近のわずかな波長の変化により、レーザ閾値電流は非常に効率的に変調される。
【００１１】
例えば、後方ＤＦＢ領域の反射率が低くて結果的にレーザ閾値電流が上昇すると、共振器内部のキャリア密度も増加して屈折率が低下するため、レーザ発振波長は短波長側にシフトする。そのとき、後方ＤＦＢ領域の反射率は高くなり、レーザ閾値電流が急減する結果、Ｑスイッチレーザと同様に短パルスが出力される。レーザ発振によって消費された活性領域中のキャリアが再び電流注入で補充されるまでには時間遅れがあり、この間レーザ発振は停止する。このように後方ＤＦＢ領域からのフィードバックの最小点付近では、キャリア密度の揺らぎによって後方ＤＦＢ領域からのフィードバック、すなわち共振器のＱ値が大きく変化する。以上の過程を繰り返すことにより、直流の励起電流を用いているにもかかわらずセルフパルセーション動作を持続させることができる。
【００１２】
従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザでは、光クロックパルスを発生すると共に、発振周波数に近い入力信号に対して同期動作させて、光クロックパルスを再生した。しかしながら、入力信号が活性領域で吸収される際に、レーザ領域におけるキャリア密度変動が発生してセルフパルセーション動作が影響を受けるため、周波数の引き込みが生じた。この場合、活性領域を偏波依存性のない引張り歪みバルク結晶で構成しておけば、偏波無依存かつ入力波長とずれていても光クロック再生を行わせることが可能であった。
【００１３】
【特許文献１】
米国特許第６２１５８０５号明細書
【特許文献２】
米国特許第６１２２３０６号明細書
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザでギガヘルツ（ＧＨｚ）オーダーの高い周波数の光パルスを安定に発生させるには、例えば、３００ｃｍ−１以上の極めて高い回折格子結合係数（κ）が必要であった。分散性Ｑスイッチングの場合は、ミラー部分から強いフィードバックを受けた方がセルフパルセーションが起こりやすく、また、ビート型振動の場合は、回折格子結合係数κが高いと２つの領域のレーザがほぼ独立と見なせる状態になるからである。さらに、通常の回折格子結合係数κでは、高いセルフパルセーション周波数の光パルスを発生させることができないからである。しかしながら、高い結合係数を安定に実現するには回折格子を光導波層に極めて近接して作製する必要があり、これを実現するには超微細加工技術が必須となり、製造上多大な困難を伴った。よって、従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザでは、安定なセルフパルセーション動作が実現できる条件の範囲が極めて狭く、１００ＧＨｚを超えるセルフパルセーション動作も実験的には未だ報告されていなかった。
【００１５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、通常の製造方法下で安定でかつ高い発振周波数のセルフパルセーション動作を実現できる半導体レーザとその駆動方法を提供することを目的とし、さらに、安定なセルフパルセーション動作を行う半導体レーザを信号光源に適用してジッタの少ない波長変換素子を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザは、第１導電型の半導体基板と、上記半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層と、上記第１導電型クラッド層上に形成された光導波層と、上記光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して前方に位置し上記光導波層面に近接して回折格子を具備する前方ＤＦＢ領域と、上記光導波層を一部に含み上記レーザ光出射方向に対して後方に位置し上記光導波層面に近接して回折格子を具備し、上記前方ＤＦＢ領域とは電気的に分離された後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域と、上記回折格子を埋め込むように形成された第２導電型クラッド層を備え、上記前方ＤＦＢ領域の回折格子および上記後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域のそれぞれの回折格子が一部に位相シフト部分を有することとした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１の半導体レーザの概観図を図１に示す。図１中、１はｎ型インジウム燐（ＩｎＰ）基板（第１導電型の半導体基板）、２はｎ型ＩｎＰ基板１上に形成されたｎ型ＩｎＰクラッド層（第１導電型ＩｎＰクラッド層）、３はｎ型ＩｎＰクラッド層に形成されたインジウムガリウム砒素燐（ＩｎＧａＡｓＰ）光導波層、４はｐ型ＩｎＰクラッド層（第２導電型ＩｎＰクラッド層）、５はｐ型ＩｎＰクラッド層４に埋め込まれるように設けられた回折格子、６ａは回折格子５の一部に形成された位相シフト部分、７はｐ型ＩｎＰクラッド層４上に形成されたｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、８は光導波層３に電流を狭窄するための高抵抗ＩｎＰ電流閉じ込め層、９ａ、９ｂはエッチングによって形成された各領域を電気的に分離する分離溝、２０はｎ型ＩｎＰ基板１の裏面側に設けられたｎ型電極、２１ａ，２１ｂ，２１ｃはそれぞれｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層７上に設けられ、分離溝９ａ、９ｂによって隔てられかつ電気的に分離されたｐ型電極、をそれぞれ示す。
【００１８】
本実施の形態の半導体レーザでは、光導波層３として０．２％程度の引張歪みバルク結晶層を用いており、外部入力信号光に対して偏波無依存かつ広い波長範囲にわたって同期動作させることができるようにしている。
【００１９】
図２（ａ），（ｂ）は図１の半導体レーザの共振器方向の断面図（図１中のＩで表された面）であり、（ａ）と（ｂ）とでは位相シフト部分６ａ、６ｂが異なる点以外は同一構成である。図２中、３０は半導体レーザの両端面に形成された低反射率（ＡＲ）膜、１０１は前方ＤＦＢ領域、１０２は位相制御領域、１０３は後方ＤＦＢ領域、をそれぞれ示す。
【００２０】
前方ＤＦＢ領域１０１および後方ＤＦＢ領域１０３では、光導波層３に隣接してｐ型ＩｎＰクラッド層４に埋め込まれた回折格子５が設けられている。各領域の回折格子５の一部には、それぞれ位相シフト部分６ａ、６ｂが設けられている。図２（ａ）の素子構造では、前方ＤＦＢ領域１０１の回折格子５に２箇所のλ／８シフト部分６ａ、後方ＤＦＢ領域１０３の回折格子５に２箇所のλ／８シフト部分６ｂがそれぞれ形成され、一方、図２（ｂ）の素子構造では前方ＤＦＢ領域１０１の回折格子５に２箇所のλ／８シフト部分６ａ、後方ＤＦＢ領域１０３の回折格子５に１箇所のλ／４シフト部分６ｂがそれぞれ形成されている。
【００２１】
前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＦＢ領域１０３の間には、従来例と同様にセルフパルセーション動作のオン・オフを制御するための位相制御領域１０２が設られている。ただし、前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＦＢ領域１０３の間の位相シフト量を素子作製の段階で正確にλ／４に合わせることができるならば、位相制御領域１０２を省略して前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＦＢ領域１０３のみの２電極構成にすることも可能である。
【００２２】
以下に、本実施の形態の半導体レーザの動作を説明する。本実施の形態の半導体レーザでは、上述したようにｐ型電極２１ａ，２１ｂ，２１ｃは分離溝９ａ、９ｂによって電気的に分離された３つの領域に分割され、前方ＤＦＢ領域１０１、位相制御領域１０２および後方ＤＦＢ領域１０３のそれぞれの光導波層３に独立に電流を注入できる構成となっている。すなわち、ｐ型電極２１ａから前方ＤＦＢ領域１０１へ、ｐ型電極２１ｂから位相制御領域１０２へ、ｐ型電極２１ｃから後方ＤＦＢ領域１０３へそれぞれ独立に電流が注入される。
【００２３】
ｐ型電極２１ａを介して前方ＤＦＢ領域１０１へ電流を注入することにより前方ＤＦＢ領域１０１の光導波層３で強い励起状態が生じる結果、高い反転分布が形成され、いわゆる活性領域として機能する。但し、他の位相制御領域１０２および後方ＤＦＢ領域１０３に電流が注入されない状態では、これらの領域の光導波層３の内部損失が大きいため、前方ＤＦＢ領域１０１の光導波層３で発生した光を再吸収する結果、レーザ発振には至らない。
【００２４】
ｐ型電極２１ｃを介して後方ＤＦＢ領域１０３にも電流を注入すると、後方ＤＦＢ領域１０３における光導波層３内の内部損失が電流密度に応じて、導波光に対して内部損失となる状態から透明となる状態へと変化し、さらに電流を注入するとレーザ発振に至る。つまり、レーザ光は前方ＤＦＢ領域１０１側からＡＲコーティング３０を通して外部へ出射される。要するに、後方ＤＦＢ領域１０３への電流は、レーザ動作のための動作電流というよりはむしろ後方ＤＦＢ領域１０３の屈折率制御用電流として利用される。
【００２５】
前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＦＢ領域１０３の各領域のブラッグ波長は、当該領域内に注入されたキャリア密度に依存して変化する。前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＦＢ領域１０３にそれぞれレーザ閾値電流より高い電流Ｉｌａｓ１，Ｉｌａｓ２を注入して、レーザ発振を生ぜしめる。電流注入に際して、動作電流Ｉｌａｓ１を高励起状態にする一方、屈折率制御用電流Ｉｌａｓ２を低励起状態にするような強い非対称励起を行うと、２つの領域のブラッグ波長がわずかにずれてデチューニング（離調）状態が生じる。ストップバンドの長波長側では、後方ＤＦＢ領域１０３からのフィードバックによって光導波路３内の光密度が高くなるのでレーザ発振が生じやすくなる。
【００２６】
後方ＤＦＢ領域１０３の反射率が高いとレーザの閾値電流は低減し、逆に後方ＤＦＢ領域１０３の反射率が低いとレーザの閾値電流は上昇する。ストップバンドの長波長側では、後方ＤＦＢ領域１０３における分散性ミラーの急峻な反射ピークの裾付近のわずかな波長の変化により、レーザ閾値電流は非常に効率的に変調される。
【００２７】
例えば、後方ＤＦＢ領域１０３の反射率が低くて結果的にレーザ閾値電流が上昇すると、共振器内部、つまり光導波層３のキャリア密度も増加して屈折率が低下するため、レーザ発振波長は短波長側にシフトする。短波長側にシフトしたレーザ発振波長に対して後方ＤＦＢ領域１０３の反射率は、その波長依存性から実効的に高くなってレーザ閾値電流が急減する結果、Ｑスイッチレーザと同様なモードで短パルスが光出力される。かかるレーザ発振によって消費された光導波層３中のキャリアが再び電流注入で補充されるまでには一定の時間を要する時間遅れの状態が発生し、この間レーザ発振は停止する。このように後方ＤＦＢ領域１０３からの光のフィードバックの最小点付近では、キャリア密度の変動によって後方ＤＦＢ領域１０３からのフィードバック、すなわち共振器のＱ値が大きく変化する。以上のレーザ発振およびその停止の過程を繰り返すことにより、直流の励起電流を用いているにもかかわらずセルフパルセーション動作を安定に持続させることができる。なお、上述したようにセルフパルセーション動作のオン・オフは位相制御領域１０２への電流注入によって行う。
【００２８】
本実施の形態の半導体レーザの特徴的な点を以下に説明する。本実施の形態の半導体レーザでは、前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＦＢ領域１０３の回折格子５に設けられた位相シフト部分６ａ，６ｂによってセルフパルセーション動作の安定化が図られる。つまり、回折格子５に位相シフト部分６ａ，６ｂを設けることにより、共振器方向のキャリア密度分布を位相シフト部分６ａ，６ｂの近傍で増減させて、キャリア密度分布自体を安定化できる。また、屈折率はキャリア密度の関数であり、位相シフト部分６ａ，６ｂの存在によって同様に共振器方向で屈折率分布が安定化される。セルフパルセーション発振周波数はキャリア密度及び屈折率で決まるため、これらのキャリア密度及び屈折率の安定な分布によって、セルフパルセーション発振周波数も安定化される。この結果、後述のシミュレーション結果に示すように、１００ＧＨｚ以上の安定なセルフパルセーション発振周波数を達成することが可能となる。さらに、回折格子５における位相シフト部分６ａ，６ｂを設ける位置を調整して、セルフパルセーション発振周波数を広範囲に変えることができる効果も生じる。
【００２９】
本実施の形態の半導体レーザでは、光導波層３の共振器方向のストライプ形状をエッチングで形成した後に、光導波層３の両側面部分を電流閉じ込め層８で埋め込み成長して、電流狭窄を行う構成にしている。このため、光導波層３に効率良く電流を注入可能となることに加えて、共振器方向にわたって光導波層３内でレーザ発振に寄与する活性な領域と反射ミラーや位相調整等の非活性な領域との結合損失を顕著に低減する結果、低損失な光導波路を形成でき、高効率でセルフパルセーション動作を行うことが可能となる。
【００３０】
以下、本実施の形態の半導体レーザの素子構造について、シミュレーション解析した結果を説明する。回折格子５の結合係数を２００ｃｍ−１、前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＦＢ領域１０３の長さが共に３００μｍで、位相制御領域１０２での位相シフト量を四分の一波長（λ／４）に設定した半導体レーザにおいて、前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＦＢ領域１０３の共振器方向の長さをそれぞれＬ１、Ｌ２として、各領域の中心位置から位相シフト部分６ａ，６ｂまでの長さをそれぞれ△Ｌ１、△Ｌ２とした場合の△Ｌ／Ｌをパラメータとして、タイムドメイン解析による特性シミュレーションを実施した。
【００３１】
回折格子５を含み、利得を有する単一モード光導波路の中での前進波の複素電場Ｆ（ｔ，ｚ）と後退波の複素電場Ｒ（ｔ，ｚ）の関係は、一般に下記のような時間に依存する２つの結合波方程式で記述することができる。
【００３２】
【数１】
2004241627.tif 000003
【数２】
2004241627.tif 000004
ここで、ｖｇは導波路中の光の群速度、κは回折格子の結合係数、ｇは電場利得、δは回折格子のブラッグ波長からのずれを表す量、ｉｓｐは自然放出光からの寄与を表している。解析対象の素子を多数のセクションに分割し、各セクション内部でのキャリア密度と電場密度を一様と近似すると共に、時間の刻み幅に応じた空間的な刻み幅を適切に選択して、前進波と後退波の複素電場の時間発展を数値計算し、最終的に出力光強度の時間変化を求めた。また、出力光強度のフーリエ変換を行い、発振スペクトルを求めた。
【００３３】
一例として２つのλ／８位相シフト部分６ａ，６ｂを前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＦＢ領域１０３における中央部に対してそれぞれΔＬ／Ｌ＝±０．４３の位置に設け、透明電流に対して前方ＤＦＢ領域：後方ＤＦＢ領域＝１２：２に非対称励起した場合のシミュレーション結果を図３に示す。図３において（ａ）は、電流を流し始めた時点を時間の原点としたレーザ出力の時間依存性であり、（ｂ）は時間依存性における９００ｐｓから１０００ｐｓの領域を拡大して図示したものである。図から分かるように、周期１３ｐｓの安定したレーザ出力の断続波形、すなわちセルフパルセーション波形が得られている。
【００３４】
他のシミュレーション解析の一例として、前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＦＢ領域１０３における中央部からそれぞれΔＬ／Ｌ＝±０．１７の２箇所に各々λ／８位相シフトを設け、同様に透明電流に対して前方ＤＦＢ領域：後方ＤＦＢ領域＝１２：２に非対称励起した場合のシミュレーション結果を図４に示す。図４において（ａ）は電流を流し始めた時点を時間の原点としたレーザ出力の時間依存性であり、（ｂ）はそのレーザ出力の時間依存性中の９００ｐｓから１０００ｐｓの領域を拡大したものである。図から分かるように、周期１．６ｐｓの超高周波のセルフパルセーション波形が得られている。このように、回折格子の結合係数や位相シフト位置は素子の設計パラメータであり、かかるパラメータの設計値を変えることにより様々なセルフパルセーション波形が選択可能となる。
【００３５】
なお、本実施の形態の半導体レーザでは、活性領域の両側面部分を電流閉じ込め層で埋め込み成長して電流狭窄を行う構成にしているが、従来の半導体レーザと同様にリッジ導波路の構成にしてもほぼ同様の効果が得られる。
【００３６】
また、本実施の形態の半導体レーザでは光導波層３として０．２％程度の引張歪みバルクを用いているが、外部入力信号光に対して応答可能な波長範囲が狭くなり、偏波依存性が生じることを許容すれば、光導波層３を多重量子井戸（ＭＱＷ，
ｍｕｌｔｉｐｌｅ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｗｅｌｌ）で構成してもよい。
【００３７】
以上、実施の形態１の半導体レーザとその駆動方法によれば、前方ＤＦＢ領域と後方ＤＦＢ領域の各領域の回折格子にそれぞれ位相シフト部分を設けたので、通常の製造方法によって作製可能で、かつ安定なセルフパルセーション動作を実現できる半導体レーザが得られる。
【００３８】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２の半導体レーザの共振器方向の断面を図５に示す。図５中、１０３ａは後方ＤＢＲ領域、３ａは光導波層３中のＤＢＲ部分、をそれぞれ示す。実施の形態１の半導体レーザでは後方ＤＦＢ領域１０３の光導波層は前方ＤＦＢ領域１０１と同一の光導波層で構成されており、発生したレーザ光の後方ＤＦＢ領域１０３での光吸収は完全には無視できないレベルである。そこで、本実施の形態の半導体レーザでは、実施の形態１の半導体レーザにおける後方ＤＦＢ領域１０３の光導波層３を、前方ＤＦＢ領域１０１の光導波層３を構成する結晶よりバンドギャップエネルギーが大きい結晶で構成された光導波層３ａを設けることにより、光吸収が無視できる受動ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラーで置き換える構成とした。
【００３９】
実施の形態２の半導体レーザの動作を以下に説明する。なお、半導体レーザの基本的な動作は実施の形態１の半導体レーザとほぼ同一なので、本実施の形態における特徴的な動作を説明する。前方ＤＦＢ領域１０１に対してレーザ発振閾値以上の動作電流Ｉｌａｓ１を流し、後方ＤＢＲ領域１０３ａにおいて導波光に対して透明になるような屈折率制御用電流Ｉｌａｓ２を流す。この場合、前方ＤＦＢ領域１０１はレーザとして機能する一方、後方ＤＢＲ領域１０３ａは分散性の強い、すなわち反射率の波長依存性の大きい受動ＤＢＲミラーとして動作する。
【００４０】
また本実施の形態の半導体レーザでは、実施の形態１の半導体レーザにおける単一の結晶層で構成された光導波層３に対して、前方ＤＦＢ領域１０１と位相制御領域１０２、後方ＤＢＲ領域１０３ａがバットジョイント成長によって結晶成長され、位相制御領域１０２および後方ＤＢＲ領域１０３ａにおける光導波層３ａのバンドギャップエネルギーが前方ＤＦＢ領域１０１のバンドギャップエネルギーより大きくなるような結晶で形成される、いわゆるバットジョイント構造を適用しても良い。バットジョイント構造の適用により、共振器方向にわたって活性領域と光導波領域の結合損失をほぼ無くし、低損失な光導波層３、３ａを形成できる。さらに、各領域界面での屈折率差による反射が低減されるので、高効率で半導体レーザを駆動できる。
【００４１】
実施の形態２の半導体レーザでは、実施の形態１の半導体レーザの後方ＤＦＢ領域を受動ＤＢＲミラーで置き換えたので、後方ＤＢＲ領域における光吸収が防止され、光損失がより少なくなり、光出力が向上する効果がある。また、受動ＤＢＲミラーの適用により、後方をＤＦＢ領域とした場合に生じる予期しない光吸収によるキャリア密度の変動が抑えられ、より安定したセルフパルセーション動作の持続が可能となる。さらに、受動ＤＢＲミラーの適用により、より容易にセルフパルセーション周波数の調整ができる。後方ＤＢＲ領域は利得と屈折率が同時に変わることがないため位相調整が容易であり、また、後方ＤＢＲ領域は利得を持たないので、前方ＤＦＢ領域のレーザ発振波長や受動ＤＢＲミラーのブラッグ波長以外での寄生レーザ発振が起こりにくいからである。
【００４２】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３の半導体レーザは、実施の形態１または２の半導体レーザの前方ＤＦＢ領域１０１の回折格子に対して後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域１０３、１０３ａの回折格子５を互いに異なる周期となるようにしたものである。両者の回折格子の周期は、図６の本実施の形態の半導体レーザにおける前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＢＲ領域１０３ａの回折格子のブラッグ波長の様相からわかるように、ブラッグ波長の差がストップバンド幅程度となるように予め設定する。かかる異なる回折格子の周期の作製は、公知の電子ビーム（ＥＢ）露光技術を用いて実現可能である。
【００４３】
互いに異なった回折格子の周期を有する前方ＤＦＢ領域１０１と後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域１０３、１０３ａを具備することにより、実施の形態１の半導体レーザのように大きく非対称励起しなくてもセルフパルセーション動作を安定に発生させることが可能となる。余りに大きい非対称励起は半導体レーザへの注入電流の増大を招き、消費電力も増加する結果となるからである。さらに、回折格子の周期条件によっては後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域１０３、１０３ａに電流を注入しなくてもよいので、消費電力低減の効果も生じる。
【００４４】
実施の形態４．
実施の形態４の波長変換素子の構成図を図７に示す。本実施の形態の波長変換素子はいわゆるＭＺ−ＴＯＡＤ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ  Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ  Ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）構造を有する。実施の形態４の波長変換素子は２つの３ｄＢ多モード干渉カプラ（ＭＭＩ，  Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）と光導波路、および光導波路の中にオフセット集積された２つの半導体光増幅器（ＳＯＡ、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）および本実施の形態１ないし３のいずれかに記載のセルフパルセーションＤＦＢレーザで構成される。
【００４５】
図７中、２０１は入力信号光、２０２は入射側光導波路、２０２ａは出射側光導波路、２０３は入射側カプラ、２０４ａは第１光導波路、２０４ｂは第２光導波路、２０５ａは第１半導体光増幅器、２０５ｂは第２半導体光増幅器、２０６は出射側カプラ、２０７は信号入力、２０８はセルフパルセーションＤＦＢレーザに光学的に結合された信号光入出力導波路、２０９は波長変換光、２１１は本実施の形態１ないし３のいずれかに記載の信号光源用のセルフパルセーションＤＦＢレーザ、２１２は信号出力、２１４は基板、２１５は出射側カプラと第１半導体光増幅器間の第１光導波路の距離と出射側カプラと第２半導体光増幅器間の第２光導波路の距離との差（ΔＸ）、をそれぞれ示す。
【００４６】
入力信号光２０１は入射側光導波路２０２の一端から入射されて、入射側光導波路２０２を導波しながら、入射側光導波路２０２の他端に光学的に結合された入射側カプラ２０３に入射する。入射側カプラ２０３において、入力信号光２０１は第１光導波路２０４ａと第２光導波路２０４ｂに各々分岐される。第１光導波路２０４ａと第２光導波路２０４ｂは１つの出射側カプラ２０６に光学的に結合され、かつ第１光導波路２０４ａと第２光導波路２０４ｂの光路長（光導波路の屈折率と距離の積）は互いに等しくなるよう予め設定されている。第１光導波路２０４ａと第２光導波路２０４ｂには、それぞれ第１半導体光増幅器２０５ａと第２半導体光増幅器２０５ｂが設けられている。また、出射側カプラ２０６に光学的に結合された信号光入出力導波路２０８へ信号入力２０７が導波される一方、信号光源用のセルフパルセーションＤＦＢレーザ２１１から発せられ波長変換された信号出力２１２が信号光入出力導波路２０８に入射する。信号出力２１２は波長変換光２０９として出射側光導波路２０２ａから波長変換素子外部へ出射される。以上の各構成要素はすべて基板２１４上に設けられている。
【００４７】
出射側カプラ２０６から第１半導体光増幅器２０５ａ間の第１光導波路２０４ａの距離と、出射側カプラ２０６から第２半導体光増幅器２０５ｂ間の第２光導波路２０４ｂの距離との差２１５は、所定の値（ΔＸ）になるよう予め設計されている。
【００４８】
次に、実施の形態４による波長変換素子の基本動作について説明する。入射側光導波路２０２に入射した入力信号光２０１は、入射側カプラ２０３で２方向に分岐する。入射側カプラ２０３で２方向に分岐された入力信号光２０１は、それぞれ第１光導波路２０４ａと第２光導波路２０４ｂを進行する。途中、それぞれ設けられた第１および第２半導体光増幅器２０５ａ、２０５ｂで注入電流量に依存した屈折率変化を受ける。
【００４９】
第１光導波路２０４ａと第２光導波路２０４ｂをそれぞれ導波した入力信号光２０１は出射側カプラ２０６内で相互に干渉し、合波される。出射側カプラ２０６内で干渉・合波された入力信号光２０１の強度は、第１光導波路２０４ａと第２光導波路２０４ｂをそれぞれ導波した光の出射側カプラ２０６の干渉部に於ける相対位相により決定される。
【００５０】
入力信号光２０１が第１および第２光導波路２０４ａ、２０４ｂを導波して第１および第２半導体光増幅器２０５ａ、２０５ｂへと導入されると、入力信号光２０１に起因する各半導体光増幅器２０５ａ、２０５ｂの活性層内で生じる誘導放出光の増大に伴い伝導帯および価電子帯内のキャリア密度が欠乏することによって、各半導体光増幅器２０５ａ、２０５ｂの活性層の利得が飽和する。なお、入力信号光２０１は第１および第２半導体光増幅器２０５ａ、２０５ｂに所望の位相変化を与えるのに十分な強度で入射されるものとする。
【００５１】
第１および第２半導体光増幅器２０５ａ、２０５ｂは、上述したように光出射側カプラ２０６からの距離の差２１５がΔＸとなるように予め配置されているため、入力信号光２０１に起因する第１および第２半導体光増幅器２０５ａ、２０５ｂにおける屈折率変化と位相シフトがΔｔ＝ΔＸ×ｎｅｆｆ／ｃだけ異なる時間に生じる。ここで、ｎｅｆｆは半導体光増幅器２０５ａ、２０５ｂの活性層の実効屈折率、ｃは光の速度をそれぞれ表す。従って、Ｄｔ間に干渉系はバランスしない状態であり、第１および第２光導波路２０４ａ、２０４ｂを進行してきた入力信号光２０１は互いに打ち消しあうことなく、信号入力２０７として信号光入出力導波路２０８に導波され、セルフパルセーティングＤＦＢレーザ２１１の光導波路３に入射される。入射された信号入力２０７のレーザ発振波長を回折格子５のブラッグ波長で決まる波長に変換し、位相調整を行った後、信号出力２１２が信号光入出力導波路２０８に出力され、入出力側カプラ２０３，２０６および第１、第２半導体光増幅器２０５ａ、２０５ｂによる光ゲート動作によって変調を受けながら、最終的に波長変換光２０９として光導波路２０２ａから出射される。
【００５２】
本実施の形態の波長変換素子では、セルフパルセーション動作１回毎のスイッチングにおいてはキャリアの緩和時間で制約を受けることがないため、ピコ秒オーダーの超高速動作が可能となる。つまり、実施の形態１ないし３のいずれかに記載のセルフパルセーティングＤＦＢレーザ２１１を信号光源用とし、ＭＺ−ＴＯＡＤと組み合わせて用いて光クロックの再生を行うことで、波長変換と同時に光３Ｒを実現することができる。すなわち、信号入力２０７をセルフパルセーティングＤＦＢレーザ２１１の光導波層３に入射してレーザ発振波長を回折格子５のブラッグ波長で決まる波長に変換し、位相調整を行うことにより、ジッタの少ない光クロックパルスを再生して、信号光入出力導波路２０８に信号出力２１２として再出力することができる。なお、ここで、光クロック再生とは、信号光から電気的あるいは光学的な手段により変調速度に同期したタイミング抽出を行い、同じ変調速度かつ波形の揃った繰り返しパルスを発生させることを指し、また、光３Ｒとは上記光クロック再生に加えて信号光の光波形整形や増幅を行うことを指す。
【００５３】
信号光源用のセルフパルセーティングＤＦＢレーザ２１１のレーザ発振波長は、入力信号光２０１のレーザ発振波長よりも長波長側に予め設定して波長変換を行う。かかる設定では波長変換光２０９はＭＺ−ＴＯＡＤに対して影響を与えず、ＭＺ−ＴＯＡＤの窓、つまり光ゲートが開いている時間だけ出力側導波路２０２ａから出射されるので、結果的に入力信号光２０１自体で変調された波長変換光２０９が得られる。このように再生された光クロックパルスは入力信号光２０１にジッタがある場合でも、ジッタを低減することができる。また、ＭＺ−ＴＯＡＤと組み合わせているので、入力信号光２０１と波長変換光２０９を分離するためのアイソレータが不要であり、入力信号光２０１で変調された波長変換光２０９が波長変換素子の外部に送出される。
【００５４】
なお、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、半導体レーザと半導体光増幅器と光ファイバや光学ミラーなどの受動光学部品を組み合わせてハイブリッド方式で波長変換素子を構成することも可能である。また、波長変換素子は上記の構造に限定される訳ではなく、一般的なマッハツェンダー干渉型全光スイッチであっても、同様の効果を奏する。
【００５５】
以上、本実施の形態では、波長変換素子の信号光源として上述のセルフパルセーションＤＦＢレーザを適用したので、入力信号光自体で変調された波長変換光が得られ、また、再生された光クロックパルスは入力パルスにジッタがある場合でも時間的にジッタが低減されて、波長変換と同時に光３Ｒも同時に行わせることが可能となる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明に係る半導体レーザでは、第１導電型の半導体基板と、上記半導体基板上に形成された第１導電型クラッド層と、上記第１導電型クラッド層上に形成された光導波層と、上記光導波層を一部に含みレーザ光出射方向に対して前方に位置し上記光導波層面に近接して回折格子を具備する前方ＤＦＢ領域と、上記光導波層を一部に含み上記レーザ光出射方向に対して後方に位置し上記光導波層面に近接して回折格子を具備し、上記前方ＤＦＢ領域とは電気的に分離された後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域と、上記回折格子を埋め込むように形成された第２導電型クラッド層を備え、上記前方ＤＦＢ領域の回折格子および上記後方ＤＦＢあるいはＤＢＲ領域のそれぞれの回折格子が一部に位相シフト部分を有することとしたので、安定なセルフパルセーション動作を実現できる半導体レーザが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１の半導体レーザの概観図である。
【図２】実施の形態１の半導体レーザの共振器方向における断面図である。
【図３】実施の形態１の半導体レーザにおけるλ／８位相シフトを設けた回折格子を有するセルフパルセーティングＤＦＢレーザのシミュレーション結果である。
【図４】実施の形態１の半導体レーザにおけるλ／８位相シフトを設けた回折格子を有するセルフパルセーティングＤＦＢレーザのシミュレーション結果である。
【図５】実施の形態２の半導体レーザの共振器方向における断面図である。
【図６】実施の形態３の半導体レーザにおける前方ＤＦＢ領域と後方ＤＢＲ領域の回折格子のブラッグ波長を示す図である。
【図７】実施の形態４の波長変換素子の構成を示す概観図である。
【符号の説明】
１  ｎ型ＩｎＰ基板、  ２  ｎ型ＩｎＰクラッド層、  ３  ＩｎＧａＡｓＰ光導波層、  ４  ｐ型ＩｎＰクラッド層、  ５  回折格子、  ６  位相シフト部分、  ７  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、  ８  高抵抗ＩｎＰ電流閉じ込め層、  ９ａ、９ｂ  分離溝、  ２０  ｎ型電極、  ２１  ｐ型電極、  ３０  低反射率（ＡＲ）膜、  ２０１  入力信号光、  ２０２  入射側光導波路、  ２０２ａ  出射側光導波路、  ２０３  入射側カプラ、  ２０４ａ  第１光導波路、  ２０４ｂ  第２光導波路、  ２０５ａ  第１半導体光増幅器、  ２０５ｂ  第２半導体光増幅器、  ２０６  出射側カプラ、  ２０７  信号入力、  ２０８  信号光入出力導波路、  ２０９  波長変換光、  ２１１  セルフパルセーションＤＦＢレーザ、  ２１２  信号出力、  ２１４  基板、  ２１５  出射側カプラと第１半導体光増幅器間の第１光導波路の距離と出射側カプラと第２半導体光増幅器間の第２光導波路の距離との差（ΔＸ）。
【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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