(57)【要約】【課題】  従来の波長可変レーザダイオード構造に比べて簡単な構造で構成されて製作及び大量生産に有利であり、高い光効率と広帯域波長可変が可能な構造とすること。【解決手段】  第１及び第２領域各々の活性層３３の間に第１及び第２位相制御領域３５Ａ、３５Ｂが挿入され、第１周期Ｚｏを有する第１抽出格子３４Ａと、第２周期Ｚ’ｏを有する第２抽出格子３４Ｂを互いに異なる２個の第１領域及び第２領域（第１及び第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部）に集積させる。第１領域と第２領域に備えられる位相制御領域３５Ａ、３５Ｂの屈折率を変化させることにより出力されるレーザの波長を連続的／不連続的に広い範囲に可変可能にする。【選択図】  図３
2004343043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに隣接する第１利得領域と第２利得領域を備える波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオードにおいて、
前記第１利得領域に第１周期を有する第１抽出格子が形成され、前記第１抽出格子の間に第１位相制御領域が形成された第１ＳＧ−ＤＦＢ構造部と、
前記第２利得領域に第２周期を有する第２抽出格子が形成され、前記第２抽出格子間に第２位相制御領域が形成された第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部を備え、
前記第１及び第２位相制御領域の屈折率変化により発振するレーザの波長が可変されることを特徴とする広帯域波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオード。
【請求項２】
前記第１抽出格子と前記第２抽出格子を形成する各々の回折格子の周期は互いに同じであることを特徴とする請求項１に記載の広帯域波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオード。
【請求項３】
前記第１位相制御領域と前記第２位相制御領域の屈折率変化は、前記第１位相制御領域と前記第２位相制御領域に各々印加される電流量を変化させることによりなされることを特徴とする請求項１に記載の広帯域波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオード。
【請求項４】
前記第１位相制御領域または前記第２位相制御領域の屈折率を変化させることにより、前記発振するレーザの波長が不連続的に可変されるようにすることを特徴とする請求項１に記載の広帯域波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオード。
【請求項５】
前記第１位相制御領域及び前記第２位相制御領域の屈折率を同じ大きさに変化させて、前記発振するレーザの波長が連続的に可変されるようにすることを特徴とする請求項１に記載の広帯域波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオード。
【請求項６】
請求項１に記載の抽出格子分布帰還型レーザダイオードに光変調器または光増幅器が共に集積されることを特徴とする光通信素子。
【請求項７】
互いに隣接した第１領域と第２領域を有する基板と、
該基板上の前記第１領域と前記第２領域に形成された導波路層と、
該導波路層の内部に形成され、複数の位相制御領域を置くために所定間隔ごとに備えられた多重量子井戸活性層と、
第１周期を有し、前記位相制御領域が抽出格子の間に形成された第１抽出格子領域と、
第２周期を有し、前記位相制御領域が抽出格子の間に形成された第２抽出格子領域と、
前記導波路層上に備えられたクラッド層と、
前記第１領域の前記クラッド層上に形成され、前記第１領域の位相制御領域に電流を提供するための第１位相制御用電極と、
前記第２領域の前記クラッド層上に形成され、前記第２領域の位相制御領域に電流を提供するための第２位相制御用電極と、
前記第１領域の前記クラッド層上に形成され、前記第１領域の位相制御領域以外の導波路層に電流を提供するための第１利得領域用電極と、
前記第２領域の前記クラッド層上に形成され、前記第２領域の位相制御領域以外の導波路層に電流を提供するための第２利得領域用電極と
を備え、発振するレーザの波長を可変できることを特徴とする広帯域波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオード。
【請求項８】
前記第１抽出格子の周期と前記第２抽出格子の周期は、互いに異なるように構成され、前記第１及び第２抽出格子による回折格子の周期は、同様に構成されたことを特徴とする請求項７に記載の広帯域波長可変抽出格子分布帰還型半導体レーザ。
【請求項９】
前記基板はｎ型ＩｎＰ基板であり、前記導波路層などはＩｎＧａＡｓＰ系列からなり、前記クラッド層はｐ型ＩｎＰであることを特徴とする請求項７に記載の広帯域波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオード。
【請求項１０】
前記第１領域の位相制御領域または前記第２領域の位相制御領域の屈折率を変化させることにより、前記発振するレーザの波長が不連続的に可変されるようにすることを特徴とする請求項７に記載の広帯域波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオード。
【請求項１１】
前記第１領域の位相制御領域及び前記第２領域の位相制御領域の屈折率を同じ大きさに同時に変化させることにより、前記発振するレーザの波長が連続的に可変されるようにすることを特徴とする請求項７に記載の広帯域波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオード。
【請求項１２】
請求項７に記載の抽出格子分布帰還型レーザダイオードに光変調器または光増幅器が共に集積されることを特徴とする光通信素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広帯域波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオードに関し、より詳細には、抽出格子の特性を利用して広帯域に波長を可変できる広帯域波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオードに関する。
【背景技術】
【０００２】
通信を通じて伝送される情報量が急激に増えながら、伝送容量を高めるための方法として二波長分割方式の光信号伝送方法が用いられている。この方式は異なる色を有する光波間の非干渉性を利用して、一つの光ファイバを介して互いに異なる波長（チャネル）の光信号を伝送して、結果的に伝送速度を増加させることである。波長分割方式の光信号伝送は、光通信システムの拡張性と柔軟性を保障するのに有利である。このような波長分割方式の光信号伝送のためには、多様な波長帯の固定された波長のレーザダイオードや波長を可変し得るレーザダイオードが必要である。
【０００３】
また、波長可変レーザダイオードは、従来の波長固定レーザダイオードに比べて種々の利点を有するが、システムの維持や補修のためのバックアップ用光源の数を低減でき、動的に波長を提供できるのみでなく、ネットワーク制御ソフトウェアを単純化することができる。このような利点により、波長可変レーザダイオードは、加入者ネットワークからメトロネットワーク、長距離ネットワークに達するまで、全ての応用領域における光ネットワーク開発に必須的な素子として認識されている。
【０００４】
波長可変レーザダイオードは、多様な応用領域で要求する仕様を満足するためには、高出力（＞１０ｍＷ）、Ｃ−ｂａｎｄ全体に対する波長可変（＞３２ｎｍ）、速い波長可変（＞１０ｎｓ）、高速直接変調（＞２．５Ｇｂｐｓ）及び大量生産が可能となるべきである。
【０００５】
現在まで開発されるか提案された代表的な波長可変レーザダイオードは、抽出格子分布ブラッグ反射（Ｓａｍｐｌｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、ＳＧ−ＤＢＲという）レーザダイオード、周期的に格子周期が変調されたブラッグ反射器（Ｓｕｐｅｒ−Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、ＳＳＧ−ＤＢＲという）レーザダイオード、抽出格子反射器と結合された格子補助両方向性結合器（Ｇｒａｔｉｎｇ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｃｏｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ−ｃｏｕｐｌｅｒ ｗｉｔｈ Ｓａｍｐｌｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ：以下、ＧＣＳＲという）レーザダイオードなどがある。
【０００６】
以下、添付する図面を参照しながら従来技術に係る代表的な多様な波長可変レーザダイオードについて説明する。
【０００７】
図１Ａは、特許文献１に記載されたＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードの構造と制御回路を概略的に示す図である。
【０００８】
図１Ａに示すＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードは波長可変のため、レーザダイオードの両端のＳＧ−ＤＢＲ領域１１、１４、光波が生成される利得領域１２及び位相調節領域１３の総４個の領域に構成されている。また、このようなＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードから出力されるレーザの波長を可変させるためには、連続的な波長可変のためのバーニア制御回路（Ｖｅｒｎｉｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ）１７、不連続的な波長移動のためのオフセット制御回路（Ｏｆｆｓｅｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ）１８、位相領域の位相制御回路（Ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ）１６及び利得制御回路（Ｇａｉｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ）１５などの外部制御回路が必要である。
【０００９】
このようなＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードの基本動作原理は次の通りである。利得領域１２に電流を印加させると、自発放出により広い波長にわたって分布した光波が生成される。このような光波を両端のＳＧ−ＤＢＲ領域により特定の波長の光波のみレーザダイオード内で共振可能にして、その波長でレーザダイオードが発振するようにする。
【００１０】
ここで、図１Ａに示したＳＧ−ＤＢＲ領域には、図１Ｂのような抽出格子（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ）構造が形成されている。このような抽出格子により、図１Ｃのような反射スペクトラム特性を有するようになる。反射スペクトラムの中心ピークの波長は回折格子周期Λにより決定されるブラッグ波長λＢであり、各ピーク値を有する波長間の間隔は、抽出格子の周期Ｚにより決定される。すなわち、互いに異なる周期を有する抽出格子のＳＧ−ＤＢＲ領域１１、１４を両端に集積させて、ＳＧ−ＤＢＲ領域１１、１４の反射スペクトラムのピークのうち、一致するピークの波長でレーザダイオードが発振するようになる。
【００１１】
そして、ＳＧ−ＤＢＲ領域１１、１４の屈折率を電流などにより変化させると、反射スペクトラムの各ピークは波長間の間隔を維持したまま移動するようになる。このような反射ピークの移動により、一致する反射ピークの波長が変わるようになって発振波長を可変できるようになる。位相調節領域１３は、ＳＧ−ＤＢＲにより生成された利得領域１２の縦のモード（Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍｏｄｅ）間の間隔を調節して、連続的な波長可変や反射ピークに縦のモードを一致させて、発振波長のパワーを極大化させる役割をする。このような原理により、両端のＳＧ−ＤＢＲ領域１１、１４と位相調節領域１３との屈折率を電流により適宜に調節することにより、連続的／不連続的な波長可変が可能である。
【００１２】
しかし、このようなＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードは波長可変のため、両端のＳＧ−ＤＢＲ領域の屈折率と位相領域の屈折率とを変化させなければならないので、この素子を制御するための外部回路が複雑となり、波長可変のために両端に集積されたＳＧ−ＤＢＲ領域で発生する損失により出力光効率が低くなるという構造的な限界がある。
【００１３】
このような構造的な限界を克服するため、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）を集積させて出力光パワーを高める研究が活発に進められているが、レーザダイオードの構造がより複雑となって製作上困難であるという問題点が発生する。
【００１４】
図２Ａは、出力されるレーザの波長が可変できる格子周期が変調されたＳＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードの回折格子の概念図であり、図２Ｂは、図２Ａに示された回折格子により生成される反射スペクトラムを概略的に示す図である。以下では、もう一つの代表的な波長可変レーザダイオードであるＳＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードを図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら説明する。
【００１５】
ＳＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードは、特許文献２に記載されている。ＳＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードは、基本的に図１に示されたＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードと類似した構造と原理で動作する。すなわち、図１において、ＳＧ−ＤＢＲ領域の代わりにＳＳＧ−ＤＢＲ領域が備えられるものである。
【００１６】
図２Ａに示すように、波長可変のために備えられる回折格子の構造はＳＧ−ＤＢＲとは異なり、一定の周期で回折格子を空間変調させた構造である。このような回折格子の空間変調により反射スペクトラムは、図２Ｂのような特性を有するようになる。各反射ピークの間隔は周期Ｚにより決定され、各々の反射ピークの大きさは回折格子の空間変調により決定される。
【００１７】
【特許文献１】米国特許第４，８９６，３２５号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３２５，３９２号明細書
【非特許文献１】Ｓｐｉｌｔ−ｓｔｅｐ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｍｏｄｅｌ、Ｂ．−Ｓ．Ｋｉｍ；Ｙ．Ｃｈｕｎｇ：Ｊ．−Ｓ．Ｌｅｅ、“Ａｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｐｌｉｔ−ｓｔｅｐ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ｄｙｎａｍｉｃ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｏｆ ＤＦＢ／ＤＢＲ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ，”ＩＥＥＥ Ｊ．ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， Ｖｏｌ．３６， Ｎｏ．７， ｐｐ．７８７−７９４， Ｊｕｌ ２０００．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、ＳＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードは広い波長可変領域を有しており、波長可変により比較的一定の出力光パワーを出すことができるが、ＳＧ−ＤＢＲレーザダイオードと同様に、両端のＳＳＧ−ＤＢＲ領域で損失が発生し、複雑な回折格子構造により製作上の多くの困難さを有するという問題点がある。
【００１９】
上述した波長可変レーザダイオード以外にも従来技術に係る波長可変レーザダイオードには、ＧＣＳＲレーザダイオードと波長可変対誘導（Ｔｕｎａｂｌｅ ｔｗｉｎ−ｇｕｉｄｅ）レーザダイオードなどがある。しかし、このような構造のレーザダイオードは製作するため、再成長（Ｒｅ−ｇｒｏｗｔｈ）とエッチングを繰り返すべきであるので、製作し難く大量生産に適合していないという問題点がある。
【００２０】
すなわち、従来技術の波長可変レーザダイオードは構造が複雑であるか、出力光効率が低く、波長可変制御が複雑であるという短所を有している。
【００２１】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、従来の波長可変レーザダイオード構造に比べて簡単な構造で構成されて製作及び大量生産に有利であり、高い光効率と広帯域波長可変（３０ｎｍ以上）が可能な構造の波長可変レーザダイオードを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、隣接する第１利得領域と第２利得領域を備える波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオードにおいて、前記第１利得領域に第１周期を有する第１抽出格子が形成され、前記第１抽出格子の間に第１位相制御領域が形成された第１ＳＧ−ＤＦＢ構造部と、前記第２利得領域に第２周期を有する第２抽出格子が形成され、前記第２抽出格子間に第２位相制御領域が形成された第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部を備え、前記第１及び第２位相制御領域の屈折率変化により発振するレーザの波長が可変されることを特徴とする。
【００２３】
また、互いに隣接した第１領域と第２領域を有する基板と、前記基板上の前記第１領域と前記第２領域に形成された導波路層と、前記導波路層の内部に形成され、複数の位相制御領域を置くために所定間隔ごとに備えられた多重量子井戸活性層と、第１周期を有し前記位相制御領域が抽出格子の間に形成された第１抽出格子領域と、第２周期を有し前記位相制御領域が抽出格子の間に形成された第２抽出格子領域と、前記導波路層上に備えられたクラッド層と、前記第１領域の前記クラッド層上に形成され、前記第１領域の位相制御領域に電流を提供するための第１位相制御用電極と、前記第２領域の前記クラッド層上に形成され、前記第２領域の位相制御領域に電流を提供するための第２位相制御用電極と、前記第１領域の前記クラッド層上に形成され、前記第１領域の位相制御領域以外の導波路層に電流を提供するための第１利得領域用電極と、前記第２領域の前記クラッド層上に形成され、前記第２領域の位相制御領域以外の導波路層に電流を提供するための第２利得領域用電極とを備えて、発振するレーザの波長を可変できることを特徴とする。
【００２４】
上述したように形成されたＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードにおいて、第１周期の抽出格子と第２周期の抽出格子との間に形成される位相制御領域の屈折率を変化させて発振する波長が連続的、または不連続的に可変できるのである。この際、基板はｎ型ＩｎＰ基板、導波路層はＩｎＧａＡｓＰ系列、上部クラッド層はｐ型ＩｎＰが可能である。
【００２５】
好ましくは、第１周期の抽出格子と第２周期の抽出格子に備えられる位相制御領域は、電流の印加により屈折率が変化されるように構成する。また、必要に応じて上述したＳＧ−ＤＦＢ波長可変半導体レーザダイオードは、一つの半導体基板に光変調器や光増幅器などを共に集積して構成されることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、利得領域で生成された光波を損失なしに直接光ファイバに連結させることのできる構造であって、従来の波長可変のために利得領域の両端にブラッグ反射端を設けた波長可変レーザに比べて高出力光効率を有する。
【００２７】
また、各領域の位相制御領域の電流変化により連続的／不連続的な波長可変が可能であるため、従来の波長可変レーザダイオードに比べて簡単な回路構成で広帯域の波長を制御できる。
【００２８】
さらに、従来の波長可変レーザダイオードの工程過程により製作が可能であるので、新しい設備の再投資なしに製作可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。  
図３は、本発明の好ましい一実施例により発振されるレーザの波長を可変し得る抽出格子分布帰還型（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ、以下ＳＧ−ＤＦＢという）半導体レーザダイオードの概略的な構成図である。
【００３０】
本実施例に係るＳＧ−ＤＦＢ波長可変レーザダイオードの一番大きい特徴は、図３に示すように、第１及び第２領域各々の活性層の間に第１及び第２位相制御領域３５Ａ、３５Ｂが挿入され、第１周期Ｚｏを有する第１抽出格子３４Ａと、第２周期Ｚ’ｏを有する第２抽出格子３４Ｂを互いに異なる２個の第１領域及び第２領域（第１及び第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部）に集積させたものである。
【００３１】
本実施例に係るＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードは、第１領域と第２領域に備えられる位相制御領域３５Ａ、３５Ｂの屈折率を変化させることにより出力されるレーザの波長を連続的／不連続的に広い範囲（３０ｎｍ以上）に可変可能にする。
【００３２】
まず、第１領域（第１ＳＧ−ＤＦＢ構造部）を見ると、下部クラッド層に用いられるｎ型ＩｎＰ基板３０上に第１周期Ｚｏを有する第１抽出格子３４Ａが形成され、その上部にＩｎＧａＡｓＰ導波路層３２が形成されており、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層３２の内部に第１位相制御領域３５Ａと利得領域となり、多重量子井戸構造などが可能な活性層３３が形成されている。そして、上部クラッド層として利用されるｐ型ＩｎＰクラッド層３１がその上に形成されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層３１の上部には電極が形成されるが、第１位相制御領域３５Ａの上部には第１位相制御用電極３８Ａが形成され、利得領域となる活性層３３の上部には第１利得領域用電極３７Ａが形成される。
【００３３】
また、ｎ型ＩｎＰクラッド層３０の下部にｎ型電極３９が形成され、半導体レーザダイオードの両側断面には無反射薄膜３６が形成されている。
【００３４】
一方、第２領域（第２ＳＧ−ＤＦＢ）は、第１領域と全体的に同じ構成を有するが、多重量子井戸構造などが可能な活性層３３の間には第２位相制御領域３５Ｂが具現される。
【００３５】
また、第２領域の活性層３３の下段に形成された第２周期Ｚ’ｏを有する第２抽出格子３４Ｂは、第１領域の活性層３３の下段に形成された第１抽出格子３４Ｂの周期Ｚｏは異なるように形成される。また、第１抽出格子の回折周期Λと第２抽出格子の回折周期Λは図に示すように、互いに同様に形成する。
【００３６】
ここで、第１領域と第２領域の利得領域である活性層３３と、位相制御領域３５Ａ、３５Ｂは、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系列の物質により具現可能であり、両領域でのバンドギャップは異なり得る。例えば、第１領域と第２領域の利得領域である活性層３３は１．５５μｍのバンドギャップ波長を有するＩｎＧａＡｓＰ、位相制御領域３５Ａ、３５Ｂは、１．３μｍのバンドギャップ波長を有するＩｎＧａＡｓＰで具現可能である。
【００３７】
図４Ａは、通常の分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ、以下、ＤＦＢという）レーザダイオードの回折格子概念図であり、図４Ｂは、図４Ａに示されている分布帰還型半導体レーザの回折格子による反射スペクトラムを概略的に示す図である。まず、図４Ａと図４Ｂを参照しながらＤＦＢレーザダイオードの動作について説明する。
【００３８】
半導体レーザの利得領域では外部から印加される電流による自発放出（Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）により光波を発生させる。このように発生された光波は、媒質の特性により決定される特定の波長を中心に、広い波長領域にわたってエネルギーが分布している。広く分布した光波のエネルギーを特定の波長にエネルギーが集中される光波に生成するためには、誘導放出（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ ｅｍｉｓｓｉｏｎ）により光波を発生させなければならない。誘導放出は、自発放出により生成された光波により発生され、このように生成された光波は、レーザダイオード内部で共振を通じて増幅されて発振するようになるのである。
【００３９】
共振となる条件は、レーザダイオードの有効反射率の特性により決定される。すなわち、有効反射率が最も高い波長においてレーザダイオードは発振し、周辺モードに該当する波長の有効反射率と差が大きいほど単一モードに発振するようになる。また、有効反射率スペクトラムピークの位置変化を通してレーザダイオードの発振波長を可変させることができる。
【００４０】
一方、ＤＦＢ半導体レーザダイオードは、利得領域内に図４Ａのような一定のピッチΛを有する回折格子を形成した構造であって、このような回折格子の反射スペクトラムは、図４Ｂのようにブラッグ波長λＢで反射率が大きい特性を有する。
【００４１】
また、レーザダイオードにおいて、共振を発生させる領域の両端に無反射コーティング膜を形成すると、反射は回折格子のみで発生し、有効反射率はブラッグ波長の近くで最も高いため、ブラッグ波長近くで発振するようになる。ここで、ブラッグ波長λＢは、以下に示す数式１により求められる。
【００４２】
（数１）
λＢ＝２ｎｇ×Λ  ・・・（１）
ここで、ｎｇは群屈折率であり、Λは回折格子の周期である。式（１）を通してＤＦＢレーザダイオードの発振波長は回折格子のピッチ周期Λにより決定されることが分かる。
【００４３】
一方、ＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードは、図４Ａに示された回折格子を一定の周期ごとに形成させた抽出格子を用いるものである。共振器内部の回折格子の構造が図３のように抽出格子（Ｓａｍｐｌｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ：ＳＧ）形態になる場合には、反射スペクトラムが図１Ｃと同様であるため、各々の反射ピークの近くで発振可能になる。
【００４４】
すなわち、多重モードに発振する可能性があり、各モード間の間隔は抽出格子により発生する反射スペクトラムピーク間の間隔と同じであり、以下に示す式（２）により求められる。
【００４５】
（数２）
Δλ＝λＢ２／（２  ｎｇ×Ｚ）  ・・・（２）
ここで、ｎｇは群屈折率であり、Ｚは抽出格子の周期を意味する。このように構成されたＳＧ−ＤＦＢ領域の抽出格子の間に位相制御領域を挿入し、外部から位相制御領域に印加される電流量を調節するようになると、位相制御領域の屈折率が変化されて位相制御領域を通過する光波の位相を変化させる。このような位相の変化は反射ピークを移動させる役割を行なって発振モードを移動させることができる。
【００４６】
このような位相制御領域が挿入されたＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードを単一モードに発振するようにするため、本発明では、抽出格子の周期が互いに異なる２つの第１ＳＧ−ＤＦＢ及び第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部を集積させたレーザダイオードを提案した。提案したレーザダイオードの抽出格子の周期は、数十μｍ以上であるため、通常の写真の転写方法で調節可能である。
【００４７】
第１ＳＧ−ＤＦＢ及び第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部に形成された第１及び第２抽出格子３４Ａ、３４Ｂの回折格子Λの周期は同じであるため、従来の製作方法により製作可能である。
【００４８】
図５Ａは、図３に示されているレーザダイオードにおいて第１領域と第２領域における位相制御領域３８Ａ、３８Ｂの屈折率に変化がない場合、各領域における反射スペクトラムを示す概念図である。
【００４９】
図５Ｂは、図３に示されているレーザダイオードにおいて、第１領域と第２領域のうち、一方の領域での位相制御領域３８Ａ、３８Ｂの屈折率が変化した場合、各領域での反射スペクトラムを示す概念図である。
【００５０】
図５Ｃは、図３に示されているレーザダイオードにおいて、第１領域の位相制御領域３８Ａと第２領域の位相制御領域３９Ｂの屈折率を同じ大きさに変化させた場合、各領域での反射スペクトラムを示す概念図である。
【００５１】
次いで、図３、図５Ａ乃至図５Ｃを参照しながら本実施例に係るレーザダイオードの波長可変原理を説明する。
【００５２】
図５Ａを参照すると、図３に示されているレーザダイオードの第１ＳＧ−ＤＦＢ構造部と、第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の回折格子３４Ａ、３４Ｂの周期Λが同じであり、抽出格子の周期Ｚｏ、Ｚ’ｏが互いに異なるため、第１ＳＧ−ＤＦＢ構造部と第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の反射ピークがブラッグ波長λＢのみで一致する。すなわち、このような状態で動作させると、ブラッグ波長で有効反射率が最も大きいので、ブラッグ波長λＢにおいてレーザダイオードは単一モードに発振するようになる。
【００５３】
次いで、図５Ｂを参照すると、第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の位相制御領域に流す電流量を変化させて、第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部に備えられる位相制御領域３５Ｂの屈折率を変化させた場合、第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の反射スペクトラム（発振スペクトラム）が移動するようになって、第１ＳＧ−ＤＦＢ構造部と第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部で一致する反射スペクトラムのピークは−１次反射ピークで一致するようになる。
【００５４】
すなわち、一致する反射ピークの波長の変化により発振する波長も変わるようになって、この状態で動作するようになるよ−１次反射ピーク値を有する波長のレーザが発振するようになる。
【００５５】
この場合、第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の位相制御領域の屈折率を続けて変化させると、一致する反射ピークは続けて変化するようになり、発振波長もこれにより変化するようになる。このような方式で一領域の位相制御領域の屈折率は固定させ、他の一領域の位相制御領域の屈折率を変化させると、本実施例に係るレーザダイオードの発振波長は不連続的に可変するようになる。
【００５６】
可変される発振波長の間隔は屈折率の変化のない構造部（ここでは第１ＳＧ−ＤＦＢ構造部）の反射スペクトラムピーク間の間隔ほど変化するようになる。屈折率は、第１、または第２位相制御用電極３８Ａ、３８Ｂからｎ型電極３９に流れる電流量を調節することにより変化するようになる。
【００５７】
次いで、図５Ｃを参照すると、第１ＳＧ−ＤＦＢ構造部の位相制御領域３５Ａと第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の位相制御領域３５Ｂに流れる電流量を変化させて各構造部の屈折率を同じ大きさに変化させた場合には、両構造部の反射スペクトラムは同一に移動するようになる。
【００５８】
これにより一致する反射ピークの波長も反射スペクトラムの移動ほど変化するようになる。すなわち、各構造部の位相制御領域３５Ａ、３５Ｂに流れる電流量の変化により発振する波長は連続的に変化するようになる。
【００５９】
また、一方の構造部の位相制御領域にオフセット電流を印加させ、これによって位相制御領域の屈折率を変化させて一致する波長を変化させた後、第１ＳＧ−ＤＦＢ構造部の位相制御領域３５Ａと第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の位相制御領域３５Ｂに流れる電流量を同じ大きさに変化させて、連続的な波長可変も可能である。この場合には両構造部の位相制御領域３５Ａ、３５Ｂに非対称に電流が流れるようにして、ブラッグ波長近く以外の他の波長で連続的な波長可変が可能になる。
【００６０】
例えば、まず、第２ＳＧ−ＤＦＢ構造の位相制御用電極３５Ｂを介してオフセット電流を印加させて第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の位相制御領域３５Ｂの屈折率を変化させて、−１次で第１ＳＧ−ＤＦＢ構造部と第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の反射スペックストラムを一致させる（図５Ｂ参照）。次いで、第１ＳＧ−ＤＦＢ構造部の第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の位相制御領域に流れる電流量を同じ大きさに変化させると、−１次近くで連続的な波長が可変されるようにすることができる。
【００６１】
図６は、電算の模擬実験により、一方の構造部の屈折率を変化させた場合の発振波長の変化をグラフに示す図である。図６は、本発明で提示している波長可変レーザダイオードが上述したように波長可変特性を有するか否かを確認するため、演算子分離タイムドメインモデル（非特許文献１参照）を用いて、電算の模擬実験を行なった結果を示すものである。前記モデルは、ＤＦＢ／ＤＢＲレーザダイオードを解析する効果的なモデルとして知られている。
【００６２】
図６に示すグラフは、第１領域と第２領域の抽出格子３４Ａ、３４Ｂの周期を各々２０２．５ｍｍ、１９２ｍｍと仮定し、各領域における抽出格子の個数を３として、全体素子の長さを１１８３．５ｍｍと仮定した時の結果を示すものである。
【００６３】
図６を参照すると、第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の位相制御領域３８Ｂに流す電流量により第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の位相制御領域３８Ｂの屈折率が変化することにより、発振波長は２００ＧＨｚ（１．６ｎｍ）ほどの間隔をおいて発振していることが分かるが、これは数式２により第１領域の反射ピーク間隔と同じであることが確認できる。
【００６４】
このような結果に基づいて、本発明が提示するＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードの構造がスムーズに動作するということが予測できる。
【００６５】
また、これと共に、本発明により提案された波長可変ＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードに必要に応じて光変調器（Ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）や光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を集積させて、一つの半導体基板に具現できる。すなわち、提案されたＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードの出力部分に電界吸収（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ａｂｓｏｒｂｅｒ）領域を集積して信号を印加させることにより、周波数チャ−ピング（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈｉｒｐｉｎｇ）に対する影響を最小化して長距離通信用光源として用いることができる。また、光増幅器が共に集積されて高出力の光通信素子として用いられる。
【００６６】
図７は、図３に示されているＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードの立体図である。図７において用いられた符号の構成要素は、図３の符号が指す構成要素と同じであり、符号４２はｎ型ＩｎＰ電流遮断層であり、４１はｐ型ＩｎＰ電流遮断層を示すものである。
【００６７】
図８は、本発明の好ましい第２実施例に係るＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードを示す断面図である。
【００６８】
図８に示されているＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードは、全体的な構成は第１ＳＧ−ＤＦＢ及び第２ＳＧ−ＤＦＢ構造部の回折格子周期Ｚ１、Ｚ’１を互いに異なるように形成して、第１ＳＧ−ＤＦＢのブラッグ波長と第２ＳＧ−ＤＦＢのブラッグ波長を異なるように形成したものである。図８に示されているＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードの動作原理は、図３に示されているＳＧ−ＤＦＢレーザダイオードと同様であるので、その動作は省略する。
【００６９】
なお、本発明は、上述した実施例として開示した範囲に限定されるものではない。本発明に係る技術的思想から逸脱しない範囲内で多くの改良、変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１Ａ】従来技術に係るものであって、発振されるレーザの波長を可変し得る抽出格子分布ブラッグ反射半導体レーザダイオードの概略的な構成図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示されているレーザダイオードのＳＧ−ＤＢＲ領域に備えられる回折格子の概念図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示されているレーザダイオードにおけるＳＧ−ＤＢＲ領域の反射スペクトラムを概略的に示す図である。
【図２Ａ】他の従来技術に係るものであって、格子周期が変調されたブラッグ反射端の回折格子の概念図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示されている回折格子による反射スペクトラムを概略的に示す図である。
【図３】本発明の好ましい実施例に係る波長可変抽出格子分布帰還型レーザダイオードを示す断面図である。
【図４Ａ】通常的な分布帰還型レーザダイオードの回折格子の概念図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示されている分布帰還型半導体レーザの回折格子による反射スペクトラムを概略的に示す図である。
【図５Ａ】図３に示されているレーザダイオードにおいて、第１領域と第２領域での位相制御領域の屈折率に変化がなかった場合、各領域での反射スペクトラムを示す概念図である。
【図５Ｂ】図３に示されているレーザダイオードにおいて、第１領域と第２領域のうち、一方の領域での位相制御領域の屈折率が変化した場合、各領域での反射スペクトラムを示す概念図である。
【図５Ｃ】図３に示されているレーザダイオードにおいて、第１領域の位相制御領域と第２領域の位相制御領域の屈折率を同じ大きさに変化させた場合、各領域での反射スペクトラムを示す概念図である。
【図６】電算の模擬実験を通して、図３に示されているレーザダイオードにおいて、第１領域、または第２領域の位相制御領域の屈折率を変化させた場合、発振波長の変化をグラフに示す図である。
【図７】図３に示されている抽出格子分布帰還型レーザダイオード立体図である。
【図８】本発明の好ましい第２実施例に係る抽出格子分布帰還型レーザダイオードを示す断面図である。
【符号の説明】
【００７１】
３０  ｎ型ＩｎＰ基板
３１  ｐ型ＩｎＰクラッド層
３２  ＩｎＧａＡｓＰ導波路層
３３  多重量子井戸活性層
３４Ａ  第１周期の抽出格子
３４Ｂ  第２周期の抽出格子
３５Ａ  第１位相制御領域
３５Ｂ  第２位相制御領域
３６  無反射コーティング面
３７Ａ  第１利得領域電極
３７Ｂ  第２利得領域電極
３８Ａ  第１位相制御用電極
３８Ｂ  第２位相制御用電極
３９  ｎ型電極
４１  ｎ型ＩｎＰ電流遮断層
４２  ｐ型ＩｎＰ電流遮断層
【図１Ａ】
2004343043.tif 000003
【図１Ｂ】
2004343043.tif 000004
【図１Ｃ】
2004343043.tif 000005
【図２Ａ】
2004343043.tif 000006
【図２Ｂ】
2004343043.tif 000007
【図３】
2004343043.tif 000008
【図４Ａ】
2004343043.tif 000009
【図４Ｂ】
2004343043.tif 000010
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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