(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
利得媒質をもつ光導波路の利得領域と、
前記利得領域の出力側に接続して互いに異なる屈折率を有する２つ以上の導波路を備え、かつそれらの導波路のうちで１つ以上の導波路にグレーティング（回折格子）を形成させた構造を有する同方向性光結合器型の波長フィルタと、
前記波長フィルタの前記２つ以上の導波路のうちで少なくとも１つの導波路の屈折率を変化させることにより、該波長フィルタの発振波長を一定周波数間隔で可変にする屈折率制御手段と、
前記波長フィルタの出力側に接続して一定周波数間隔で透過率の変化する波長ロック用フィルタと  
を共通の半導体基板上に具備し、
前記波長ロック用フィルタは、前記波長フィルタの前記２つ以上の導波路のうちの少なくとも１つの導波路と等しい導波路構造を備え、
前記波長フィルタは、前記２つ以上の導波路のうちで１つ以上の導波路の側壁にグレーティングを形成させた構造を備えるとともに、前記２つ以上の導波路のうちでいずれか１つの導波路のコア層を前記利得領域の利得媒質とし、残りの導波路のうちで１つの導波路の屈折率を前記屈折率制御手段により変化させることにより、該波長フィルタの発振波長を一定周波数間隔で可変にすることを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項２】
前記波長ロック用フィルタとして、一定周波数間隔で透過強度が大きくなる特徴を持つリング共振器あるいはマッハツェンダー干渉計を用いたことを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項３】
前記波長フィルタは、前記２つ以上の導波路を垂直方向に積層させた構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項４】
前記波長フィルタは、前記２つ以上の導波路を面内方向に並列に配置した構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項５】
位相調整領域を備え、該位相調整領域を介して前記波長フィルタの発振波長を微調整可能とすることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項６】
前記位相調整領域の屈折率を変化させる屈折率制御手段をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項７】
前記発振波長ロック用フィルタの屈折率を変化させる屈折率制御手段をさらに有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項８】
前記波長可変半導体レーザの半導体素子のへき開面を反射用ミラーとして用いることで、あるいは該へき開面に高反射膜を形成して該高反射膜を反射用ミラーとして用いることで、帰還機能をもたせたことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項９】
前記波長フィルタ、前記波長ロック用フィルタ、および前記利得領域の組が、光結合器を含むリング共振器の構成となっていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項１０】
前記波長フィルタと前記利得領域以外の構成要素の一部の導波路をエッチングにより除去することで、前記波長フィルタにおける非選択光のレーザ発振に及ぼす影響が取り除かれた構造を有することを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項１１】
前記エッチングにより除去した端面の角度が、該端面に露出した導波路と空気との境界面において非選択光が空気側に全透過するような角度に設定されていることを特徴とする請求項１０に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項１２】
前記利得領域を吸収領域として用いることで、前記波長フィルタにおける非選択光のレーザ発振に及ぼす影響が取り除かれた構造を有することを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項１３】
前記波長可変半導体レーザの出力端に光変調器、または受光素子、または半導体光増幅器のうちの少なくとも１つを集積したことを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかに記載の波長可変半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長多重大容量通信を支えるための重要な光部品である波長可変半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットにおける爆発的なトラフィックの増大に対応するため、各ノード間を結ぶ伝送には、波長多重を用いてノード間の伝送容量を増加させている。波長可変レーザはこのような波長多重伝送には欠かすことのできない重要な部品である。
【０００３】
このような状況の中で、非特許文献１または非特許文献２で示されるように、グレーティング・アシステッド・コディレクショナル・カプラ（Grating Assisted Co-directional Coupler:ＧＡＣＣ、日本語訳：グレーティングをもつ同方向性光結合器）を用いた波長可変レーザ（ＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤ）が提案されている。
【０００４】
このＧＡＣＣ型波長可変レーザ（ＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤ）は、図１６に示すように、利得領域１６１０、ＧＡＣＣ領域１６２０、位相調整領域１６３０、および超周期構造分布反射器領域（Sampled Grating ：ＳＧまたはSuper-Structure Grating ：ＳＳＧ）１６４０から構成されている。各領域には、それぞれバイアス電流Ｉａ，Ｉｇ，Ｉｐ，Ｉｒが入力される。なお、図１６において、（Ａ）はＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤの光伝搬方向に沿う縦断面図、（Ｂ）はその利得領域１６１０の横断面図、（Ｃ）はそのＧＡＣＣ領域１６２０および位相調整領域１６３０の横断面図、（Ｄ）はその超周期構造分布反射器領域１６４０の横断面図である。
【０００５】
上記のＧＡＣＣ領域１６２０は、一方の導波路１６２５から入力された光のうちで、特定の波長のみを他方の導波路１６２３に結合させる機能をもち、さらに導波路１６２３の屈折率を変化させることにより、波長可変領域すべてで動作可能な大きな波長可変範囲をもつ波長可変フィルタとして機能する。また上記ＳＧ領域１６４０は、一定周波数間隔（free spectral range:ＦＳＲ）で反射強度が大きくなる特長をもつ反射型グレーティング(回折格子)である。従って、ＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤの発振波長の制御には、大きな波長可変範囲をもつＧＡＣＣ領域１６２０での粗調整、およびＳＧ領域１６４０と位相調整領域１６３０における微調整で行われる。
【０００６】
【非特許文献１】Pierre-Jean Rigole, et. al. ”114-nm Wavelength Tuning Range of a Vertical Grating Assisted Codirectional Coupler Laser with a Super Structure Grating Distributed Bragg Reflector” IEEE Photonics Technology Letters, Vol.7, No.7,  JULY(1995), pp. 697-699
【非特許文献２】M. Oberg, et. al. ”74nm Wavelength Turning Range of an InGaAsP/InP Vertical Grating Assisted Codirectional Coupler Laser with Rear Sampled Grating Reflector ” IEEE Photonics Technology Letters, Vol.5, No.7, JULY(1993), pp. 735-738
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、図１６に示すような従来のＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤでは、異なる半導体組成および構造の層を面内の各領域に幾層も形成しなければならず、そのためその作製には有機金属気相成長法（Metal Organic Chemical Vapor Deposition ：ＭＯＣＶＤ）等による再成長工程を５回以上繰り返さなければならない。また、上記のＳＧまたはＳＳＧの形成には、多くの工程時間が必要とされる電子線描画（Electron Beam Lithography)の工程が必須となる。その結果、必然的に従来のＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤおよびそのモジュールは、製造コストが高くならざるを得ない状況にあった。
【０００８】
さらに、ＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤを用いて、例えば１００ＧＨｚ間隔の任意波長が出力可能で、波長可変幅１００ｎｍの波長可変レーザを実現する場合には、上記のＳＧ領域１６４０は、図１７に示すように、周期約２４０ｎｍ、長さ５μｍのグレーティング領域１６４２をもつ長さ４００μｍの単位ユニット１６４４を光の導波方向に多数個直列接続する構造を必要とし、そのため必然的に全素子長が長くならざるを得ない。その結果、縦モード間隔が狭くなり、レーザ発振が不安定となる。そこで、ＧＡＣＣ領域１６２０およびＳＧ領域１６４０に加え、位相調整領域１６３０の屈折率を制御することが必要になる。この屈折率制御のため、具体的には、図１６において、Ｉｇ，Ｉｒ、およびＩｐという３つの電流を制御し、かつ発振用のバイアス電流Ｉａを利得領域に加えるため、発振波長の制御が複雑になる、かつ長期使用に伴う劣化による波長変動等が生じるという点があった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の状況に鑑みてなされたのもので、その目的は、簡単な制御方法により、かつ簡便な作製方法により、一定周波数間隔の任意の波長を安定出力可能な波長可変レーザを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の波長可変半導体レーザは、利得媒質をもつ光導波路の利得領域と、前記利得領域の出力側に接続して互いに異なる屈折率を有する２つ以上の導波路を備え、かつそれらの導波路のうちで１つ以上の導波路にグレーティング（回折格子）を形成させた構造を有する同方向性光結合器型の波長フィルタと、前記波長フィルタの前記２つ以上の導波路のうちで少なくとも１つの導波路の屈折率を変化させることにより、該波長フィルタの発振波長を一定周波数間隔で可変にする屈折率制御手段と、前記波長フィルタの出力側に接続して一定周波数間隔で透過率の変化する波長ロック用フィルタとを共通の半導体基板上に具備し、前記波長ロック用フィルタは、前記波長フィルタの前記２つ以上の導波路のうちの少なくとも１つの導波路と等しい導波路構造を備え、前記波長フィルタは、前記２つ以上の導波路のうちで１つ以上の導波路の側壁にグレーティングを形成させた構造を備えるとともに、前記２つ以上の導波路のうちでいずれか１つの導波路のコア層を前記利得領域の利得媒質とし、残りの導波路のうちで１つの導波路の屈折率を前記屈折率制御手段により変化させることにより、該波長フィルタの発振波長を一定周波数間隔で可変にすることを特徴とする。
すなわち、本発明では、ＧＡＣＣ型波長フィルタにおいて、一方の光導波路のコア層を利得媒質にすることにより、レーザ共振器内に別途利得媒質を形成することなしに、つまり再成長工程を必要とせずに波長可変半導体レーザを実現することを可能としている。また、本発明では、ＧＡＣＣ領域作製のための再成長工程を省略するために、従来のＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤのように面内にグレーティングを形成するのではなく、光導波路の側壁にグレーティングを形成することとし、導波路構造の作製工程時にそれを一括形成できる。
【００１１】
ここで、前記波長ロック用フィルタとして、一定周波数間隔で透過強度が大きくなる特徴を持つリング共振器あるいはマッハツェンダー干渉計を用いたことを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、従来のＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤで行われているようなＳＧやＳＳＧを用いるのではなく、一定のＦＳＲで透過強度が大きくなる特徴を持つリング共振器あるいはマッハツェンダー干渉計を波長ロック用フィルタとして用いている。リング共振器あるいはマッハツェンダー干渉計は、より一般的に用いられるフォトリソグラフィーとドライエッチングの工程で容易に作製できるので、ＳＧの作製には不可欠な電子線描画の工程やＭＯＣＶＤ等による再成長の工程を省くことができる。さらに、リング共振器あるいはマッハツェンダー干渉計は、その構造上、ＳＧやＳＳＧに比べて素子長を十分小さく実現できるので、１００ＧＨｚという比較的小さな周波数間隔において任意波長を安定に出力可能な波長可変レーザが実現できる。
【００１２】
また、前記波長フィルタは、前記２つ以上の導波路を垂直方向に積層させた構造を有することを特徴とすることができる。
【００１３】
また、前記波長フィルタは、前記２つ以上の導波路を面内方向に並列に配置した構造を有することを特徴とすることができる。
【００１５】
また、位相調整領域を備え、該位相調整領域を介して前記波長フィルタの発振波長を微調整可能とすることを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、位相調整用の導波路をレーザ共振器内に設けることにより、縦モード間隔を微調し、正確に所望の周波数間隔で波長可変動作を可能としている。
【００１６】
また、前記位相調整領域の屈折率を変化させる屈折率制御手段をさらに有することを特徴とすることができる。また、前記発振波長ロック用フィルタの屈折率を変化させる屈折率制御手段をさらに有することを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、波長ロック用フィルタおよび／または位相調整領域の屈折率を変化させ共振波長を変化させることにより、波長可変レーザの離散的な発振波長の間の波長で制御可能となり擬似連続チューニング動作が実現できる。
【００１７】
また、前記波長可変半導体レーザの半導体素子のへき開面を反射用ミラーとして用いることで、あるいは該へき開面に高反射膜を形成して該高反射膜を反射用ミラーとして用いることで、帰還機能をもたせたことを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、レーザの端面の反射を用いて帰還機能を持たせ、レーザ発振を可能にしている。
【００１８】
また、前記波長フィルタ、前記波長ロック用フィルタ、および前記利得領域の組が、光結合器を含むリング共振器の構成となっていることを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、レーザ全体をリング構造にすることにより端面の反射を用いることなく発振可能とさせている。
【００１９】
また、前記波長フィルタと前記利得領域以外の構成要素の一部の導波路をエッチングにより除去することで、前記波長フィルタにおける非選択光のレーザ発振に及ぼす影響が取り除かれた構造を有することを特徴とすることができる。すなわち、ＧＡＣＣ型フィルタは、一方の導波路から入力された光のうち、特定の波長のみを他方の導波路に結合させる機能を持つが、選択されなかった波長の光は、入射導波路をそのまま伝搬し、レーザ発振に悪影響を与える。したがって、本発明では、導波路をエッチングにより除去し非選択光を放射することを可能にしている。また、前記エッチングにより除去した端面の角度が、該端面に露出した導波路と空気との境界面において非選択光が空気側に全透過するような角度に設定されていることを特徴とすることができる。
【００２０】
また、前記利得領域を吸収領域として用いることで、前記波長フィルタにおける非選択光のレーザ発振に及ぼす影響が取り除かれた構造を有することを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、電流注入を行わない利得領域、すなわち吸収領域を意図的にレーザ共振器内に配置し、上記ＧＡＣＣ型フィルタの非選択光を吸収することを可能としている。
【００２１】
また、前記波長可変半導体レーザの出力端に光変調器、または受光素子、または半導体光増幅器のうちの少なくとも１つを集積したことを特徴とすることができる。すなわち、本発明では、光結合器の出力導波路に光変調器、受光素子、あるいはブースター用半導体光増幅器をモノリシック集積することが可能となり、様々な機能が実現可能となる。
【発明の効果】
【００２２】
上記構成により、本発明によれば、制御の簡単な波長可変半導体レーザを低コストで実現可能となる。同時に、本発明によれば、大きな波長可変範囲が実現可能となる。また、本発明では、周波数間隔を決める波長ロック用フィルタが、ＧＡＣＣ型波長フィルタおよび利得領域の電流変化による熱の影響を受けないため、急峻に発振波長を切り換えても波長が安定であるという大きな特徴がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図１に示す。図１に示すように、本実施形態の波長可変半導体レーザ１００は、利得媒質としての利得領域１１０と、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０と、波長ロック用フィルタとしてのリング共振器１３０とを主要構成部材として構成され、光学的にこの順に直列接続されている。また、１４０は後述の屈折率制御用電極、１４１は屈折率制御用電極１４０とＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０とを接続する配線電線（リード線）、１５０は出力側導波路、１６０はリング共振器１３０と導波路１５０を結合する光結合器である。図１では、波長ロック用フィルタとしてリング共振器１３０を用いているが、これに代えて後述の第２の実施形態のようにマッハツェンダー干渉計を適用することもできる。
【００２４】
また、波長可変半導体レーザ１００の素子は劈開（へき開）により形成された端面１０２を反射ミラーとしてレーザ共振器を構成している。さらに、ＧＡＣＣ領域導波路とリング共振器導波路との間に存在し得る、スポットサイズの違いから生じる接続損失を無くすため、後述のように、ＧＡＣＣ領域１２０もリング共振器１３０と全く等しい導波路構造をもつハイメサ導波路としている。また、例えば本発明で用いる周波数１００ＧＨｚ程度のＦＳＲをもつリング共振器を半導体で実現する場合、リング共振器１３０の曲がり半径を約１００μｍ程度にまで小さくしなければならない。したがって、本発明でリング共振器１３０を波長ロック用フィルタとして用いる場合には、導波路構造をコア層の下までエッチングされた、光閉じ込めの強いハイメサ構造とし、曲がり損失を大幅に低減できる構造としている。
【００２５】
図２に本実施形態の波長可変半導体レーザ素子の断面構造を示す。利得領域１１０、およびＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０は、基板１２１垂直方向に２層の導波路１２３と１２５が積層されて構成されている。また、利得領域１１０の活性層１１５とＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の上部導波路コア層１２５とが接続されている。つまり、利得領域１１０により増幅された光は、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の上部導波路コア層１２５に入射する。
【００２６】
本実施形態でのＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の構成部分は、図３に示すように、２つの導波路（下部導波路コア層と上部導波路コア層）１２３、１２５が垂直方向に積層され、かつそのハイメサ（high-mesa)導波路の両側壁に同一形状の周期Λのグレーティング（回折格子）１７０が左右対称に形成されている構造を備えている。即ち、このグレーティング１７０の凹凸の切れ込みの繰り返しが、フィルタの垂直方向ではなく、その側壁方向に形成されている。
【００２７】
ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０は次式（１）を満たすような周期Λのグレーティングを持つ方向性結合器であり、一方の導波路１２３または１２５から入力された光のうち、波長λの光を他方の導波路１２５または１２３に結合させる機能を持つ。
【００２８】
【数１】
0004648647.tif 000002
【００２９】
ここで、ｎｅｑ１、ｎｅｑ２はＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０における２つの導波路１２３，１２５の等価屈折率である。この周期Λは、数十μｍオーダーで実現可能であり、ＧＡＣＣの作製には、電子線描画等の高分解能リソグラフィーを必要とせずに、より一般的なフォトリソグラフィーで十分作製可能なことが特長である。
【００３０】
本実施形態では、導波路１２３，１２５の幅を１．５μｍ、グレーティング１７０の振幅Ｄｇを５０ｎｍ、導波路間隔Ｓを１．０μｍとして作製したが、この各数値は、このフィルタの透過特性を決める重要なパラメータとなる。ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０を実現するにあたり、本実施形態では下記の条件が満たされることが好ましい。
１）導波路１２３，１２５のコア層の高さ及び幅は、光が両導波路をシングルモードで伝搬する条件で、０．３μｍ〜２．０μｍとする。
２）グレーティング１７０の振幅Ｄｇは、透過特性を決定するものであって、０．０１μｍ〜１．０μｍとする。
３）導波路間隔Ｓは、透過特性を決定するものであって、０．５μｍ〜２．０μｍとする。
【００３１】
本実施形態では、上部導波路１２５に入射した光のうち、波長λの光が下部導波路１２３に結合され伝搬し、リング共振器１３０に入射する。それ以外の波長の光は上部導波路１２５をそのまま伝搬する。このとき、下部導波路１２３とリング共振器１３０の導波路との間に存在し得るスポットサイズの違いから生じる接続損失を無くすため、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０のＧＡＣＣ領域もリング共振器１３０と全く等しい導波路構造をもつハイメサ導波路としている。
【００３２】
また、本実施形態では、ＧＡＣＣ領域作製のための再成長工程を省略するために、従来のように面内にグレーティングを形成するのではなく、上述のようにハイメサ光導波路の側壁にグレーティング１７０を形成することとし、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０およびリング共振器１３０をハイメサ構造の作製工程時に一括形成した。更に詳しく説明すると、本実施形態では、図２に示すように、共通のｎ−ＩｎＰ基板１２１上に、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層１２２、ｎ添加１．１Ｑ組成ＩｎＧａＡｓＰコア層（下部光導波路コア層）１２３、ｎ−ＩｎＰ中間層１２４、利得領域１１０の構成部分にはＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ  ＭＱＷ活性層１１５、これに連続してＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０とリング共振器１３０の構成部分には１．４Ｑ組成ＩｎＧａＡｓＰコア層（上部光導波路コア層）１２５、さらにｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１２６、およびＰ＋−ＩｎＧａＡｓ層１２７を、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）により順次成長させた。次に、フォトリソグラフィーとドライエッチングとにより、利得領域１１０と、図３に示すような側壁にグレーティング１７０を持つＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０と、リング共振器１３０とを連続して含むハイメサ光導波路構造を一括形成した。
【００３３】
さらに、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０には、屈折率制御用電極１４０が備えられており、屈折率制御用電極１４０を介して入力した電流が配線電線１４１を通じてＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の上部導波路１２５に入力されるようになっている。この構成は、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０は、波長可変領域のすべてで動作可能な大きな波長可変範囲をもつ波長フィルタであるので、屈折率制御用電極１４０を介して入力する電流値を変化させて、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の上部導波路１２５の屈折率を変化させることにより、このＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０を通過する光の透過ピーク波長を変化させるためである。
【００３４】
次に、計算で求めたＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０とリング共振器１３０の部分の透過特性を図４に示す。リング共振器１３０はＦＳＲ１００ＧＨｚに設定している。図中の実線が両方のフィルタを接続した時の透過特性であるが、波長１５５０ｎｍで最も大きな透過率を得ることができ、その両側の透過率は２ｄＢ程小さくなっている。このようなフィルタ特性をレーザ共振器１３０の内部に持つため、図１に示した本実施形態では一つの波長のみでレーザ発振が得られる。よって、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０に備えられた屈折率制御用電極１４０を介してＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０をチューニング（波長調整）すると、ＧＡＣＣの波長可変領域において、１００ＧＨｚ間隔でモードホッピングを繰り返しながらレーザ発振光の波長チューニングが可能となる。
【００３５】
本実施形態では、リング共振器１３０を波長ロック用フィルタとして用いたために、作製の容易さと光結合損失の低減からＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０もハイメサ構造としているが、波長ロック用フィルタとしてマッハツェンダー干渉計（図示しない）を用いた場合には、その導波路構造はハイメサ構造をとる必要が無いために、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０もハイメサ構造以外の構造、例えば図５に示すようなフィルタ上部の隆起部分の両側壁だけにグレーティング１７０が形成されたリッジ（ridge:隆起）型構造として作製してもよい。また、波長ロック用フィルタとしてリング共振器１３０を用いた場合でも、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０をリッジ型構造として作製することも可能である。
【００３６】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図６に示す。図６に示すように、第２の実施形態の波長可変半導体レーザ１００は、利得媒質としての利得領域１１０と、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０と、波長ロック用フィルタとしてマッハツェンダー干渉計１８０とを主要部材として構成され、光学的にこの順に直列接続されている。また、波長可変半導体レーザ１００の素子は劈開（へき開）により形成された端面１０２を反射ミラーとしてレーザ共振器を構成している。
【００３７】
図７に第２の実施形態のＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の構造を概念的に示す。第２の実施形態では、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の構成部分では、ＩｎＰ基板７０１上に１．４Ｑ光導波路層７０３が積層され、更にその上にＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の２つの導波路７０４、７０５が、基板面内方向に並列に配置され、さらにそれぞれリッジ型構造をとっている。そして、一方の導波路７０４のリッジ（隆起）部分の両側面には、２つの導波路の等価屈折率から決定される周期Λのグレーティング（回折格子）７１０が左右対称に形成されている。他方の導波路７０５のリッジ部分の両側面はグレーティングが形成されていない平らな面となっている。さらに、２つの導波路７０４，７０５間に屈折率差をもたらすために、両導波路７０４，７０５のリッジ部の幅と高さに、互いに違いを持たせて、導波路７０４を伝搬する導波モードのプロファイルを異ならせている。
【００３８】
利得領域１１０により増幅された光は、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の一方の導波路、図７においては右側導波路７０４に入射する。さらに波長λ近傍の光は周期Λのグレーティング７１０により左側導波路７０５に結合し、マッハツェンダー干渉計１８０の構成領域に伝搬する。
【００３９】
さらに、図７におけるＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の左側導波路７０５には、屈折率制御用電極１４０が備えられており、屈折率制御用電極１４０を介して入力した電流がＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の左側導波路７０５に入力されるようになっている。これは、前述したように、屈折率制御用電極１４０を介して入力する電流値を変化させて、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の左側導波路７０５の屈折率を変化させることにより、このＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０を通過する光の透過ピーク波長を変化させるためである。これにより、第１の実施形態と全く同等な機能を有する波長可変レーザが実現できる。
【００４０】
第２の実施形態のＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０では、グレーティング７１０を一方の導波路７０４のリッジ部分の側壁に形成したが、リッジ構造をハイメサ構造にしても同様に実現できる。また、グレーティングを導波路の上部表面に形成しても実現可能であり、それを両方の導波路に同時に形成しても実現できる。さらに、２つの導波路の中間にグレーティングを形成してもよい。
【００４１】
また、第２の実施形態では、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０において、両導波路７０４、７０５の光導波路の組成を全く同一にしているが、等価屈折率差を大きくするために異なる組成、例えば１．４Ｑと１．１Ｑというような別々の組成で両導波路７０４、７０５を作製し、ＧＡＣＣ型波長フィルタを実現することも可能である。
【００４２】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図８に示す。ここで、８００は後述のグランド（ground）電極、８０１はグランド電極８００とＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０を接続する配線電線である。また、波長可変半導体レーザ１００の素子は劈開（へき開）により形成された端面１０２を反射ミラーとしてレーザ共振器を構成している。
【００４３】
第３の実施形態の波長可変半導体レーザ１００を構成するＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０は、図９で後述するように、上部と下部とに２つの導波路を持つ構造をしているが、その上部の光導波路のコア層を利得媒質にすることにより、レーザ共振器内に別途利得媒質を形成することなしに、すなわち再成長工程をまったく必要とせずに波長可変半導体レーザを実現することを可能としている。
【００４４】
図９に実際に作製したＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の構成部分の素子の断面図を示す。図９に示すように、ｐ−ＩｎＰ基板１２１上に、ｐ−ＩｎＰバッファ層１２２、i-１．３Ｑ組成ＩｎＧａＡｓＰ層（下部光導波路コア層）１２３、ｎ−ＩｎＰ層（グランド層）１２４、i-ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ多重量子井戸構造（ＭＱＷ）の活性層（上部光導波路コア層を兼用）９２５、ｐ−ＩｎＰ層１２６、Ｐ＋−ＩｎＧａＡｓ層１２７を予めＭＯＣＶＤ法により成長させた。次に、フォトリソグラフィーとドライエッチングとによりＧＡＣＣ型波長フィルタおよびリング共振器部分を含むハイメサ光導波路構造（図３参照）を一括形成した。その後、上下光導波路９２５，１２３の中間に位置するｎ−ＩｎＰ層１２４に接続されるグランド電極８００をハイメサ構造の側壁から配線電線８０１を介して形成し、つぎに上部利得媒質９２５への電流注入用電極１４０、最後に下部導波路１２３への屈折率変化用電極９１０を素子の裏面に形成して完成となる。
【００４５】
このように構成することにより、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の領域は、ｐ・ｉ・ｎ・ｉ・ｐという逆向きに２つのｐ・ｉ・ｎダブルヘテロ接合が形成された構造をもつことになり、上部利得領域導波路９２５および下部屈折率制御用導波路１２３が独立に電流制御可能となる。この場合は、下部導波路１２３の屈折率制御用電極９１０を介して入力する電流値を変化させ、このＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０を通過する光の透過ピーク波長を変化させることになり、発振波長の波長チューニングを行うことになる。
【００４６】
この構造により、高コスト化をもたらしていたＭＯＣＶＤ法による再成長工程、および電子線描画工程が一切省略された波長可変半導体レーザが実現可能となる。
【００４７】
第３の実施形態では、基板垂直方向に導波路が積層されたハイメサ構造からなるＧＡＣＣ型波長フィルタを用いているが、これを図５に示したようなリッジ型構造において一方の導波路のコア層を利得媒質にすることによっても、同様な効果が期待できる。また、第２の実施形態の基板面内方向に並列に配置されたＧＡＣＣ型波長フィルタにおいても同様に一方の導波路のコア層を利得媒質にすることにより、再成長工程が省略された波長可変半導体レーザが実現できる。
【００４８】
［第４の実施形態］
図１０は本発明の第４の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を示す。第４の実施形態の波長可変半導体レーザ１００では、素子の端面と波長ロック用リング共振器１３０との間で形成されたレーザ共振器内に位相調整用領域１０１０が設けられており、この部分の導波路上に屈折率調整用の電極（屈折率制御用電極）１０２０が設けられている。屈折率調整用の電極１０２０から配線電線１０３０を通じて制御電流を位相調整用領域１０１０に供給することにより、レーザ共振器の縦モードの絶対値と縦モード間隔のずれを補正可能としている。また、波長可変半導体レーザ１００の素子は、劈開（へき開）により形成された端面１０２を反射ミラーとしてレーザ共振器を構成している。
【００４９】
図１の第１の実施形態の場合では、前述のように波長可変半導体レーザの素子長が約２ｍｍとなっているため、縦モード間隔がおよそ２０ＧＨｚ間隔になっている。したがって縦モードの絶対値あるいは縦モード間隔とリング共振器のＦＳＲ：１００ＧＨｚとがずれると、発振波長が正確には１００ＧＨｚ間隔とはならない問題が生じ、波長ロック用リング共振器のＦＳＲから縦モード間隔の半分を追加した値の周波数精度でしか発振波長を制御できない。このため、第４の実施形態では、上記のように位相調整用領域１０１０を設けることにより、そのようなレーザ共振器の縦モードの絶対値と縦モード間隔のずれを補正可能としたものである。
【００５０】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図１１に示す。第５の実施形態では、利得領域１１０と、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０と、波長ロック用リング共振器１３０と、位相調整領域１１１０を光学的にこの順に直列的に接続して、波長可変半導体レーザ１００を構成している。そして、本実施形態の場合は、リング共振器１３０と位相調整領域１１１０とに屈折率変化を起こさせる屈折率制御用電極１１３０を導波路上に形成している。配線電線１１４０を通じて屈折率制御用電極１１３０からの制御電流をリング共振器１３０、あるいは位相調整領域１１１０に供給することにより、リング共振器１３０と位相調整領域１１１０とに屈折率変化を起こさせ、リング共振器１３０の共振周波、およびレーザ共振器の縦モード間隔が微調整可能となる。
【００５１】
また、本実施形態の場合には、波長可変半導体レーザの出力端面１１５０に高反射膜（ＨＲ）コート１１６０を施しており、これにより利得領域１１０へのより少ない電流注入量で発振可能な低発振閾値化が可能になり、波長可変レーザの低消費電力化が可能になっている。
【００５２】
［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図１２に示す。これまで説明した本発明の第１〜第５の実施形態では、素子は劈開（へき開）により形成された端面１０２を反射ミラーとして共振器を構成していたが、第６の実施形態の波長可変半導体レーザ１００では、図１２に示すように、利得領域１１０と、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０と、波長ロック用リング共振器１３０と、位相調整領域１１１０とが光結合器１６０を介してリング状に結ばれて、全体でリング共振器構成となっており、さらに別の光結合器１２０１を介して出力導波路１２０２に出力光が出射する波長可変リングレーザとなっている。出力導波路１２０２は、素子の両端面を接続する状態で配置されており、その両端面には一対の無反射（ＡＲ）コート１１６０が施されている。
【００５３】
第６の実施形態は、リングレーザの縦モード間隔が、これまで説明した本発明の第１〜第５の実施形態とは異なって劈開に依存しないため、縦モード間隔を正確に再現性良く設定できる点を特徴としている。
【００５４】
図１３は、第６の実施形態のＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０とリング共振器１３０間の導波路の概念を示している。ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０において、上部導波路（上部導波路コア層）１２５から入力された光のうち、選択した特定の波長のみを下部導波路（下部導波路コア層）１２３に結合させる機能を持つが、選択されなかった波長の光は、上部導波路１２５をそのまま伝搬し、意図しない波長でレーザ発振が生じてしまうといった悪影響を与える。そこで、第６の実施形態では、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の構成部分の終端位置においてある端面角度でもって、リング共振器１３０の構成部分での上部導波路１２５の全てをエッチングにより除去することにより、レーザ共振器１３０内を非選択光が伝搬しないように構成している。また、このように、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０とリング共振器１３０の接続点において、２層導波路１２５，１２３から単層導波路１２３にすることにより、下部導波路１２３に結合された選択光がリング共振器１３０において上部導波路１２５に再結合することが妨げられる。
【００５５】
上記のエッチングは、リング共振器１３０だけでなく、リング共振器１３０および位相調整領域１１１０とした導波路と、光結合器１２０１と、出力導波路１２０２とを含む図１２において細線で表わした全導波路に施している。また、上記の端面角度は、上部導波路１２５と空気との境界面において非選択光が空気側に全透過するような角度に設定され、具体的には上部導波路１２５の等価屈折率と空気の屈折率との屈折率差から求められる。また、その角度を持つ端面は、上部導波路１２５をエッチングで除去する際に、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０とリング共振器１３０との間、および利得領域１１０と光結合器１２０１との間にそれぞれ形成される。
【００５６】
［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図１４に示す。第７の実施形態では、図１２と同様な構成に加えて、光吸収領域１４０１、１４０２を、レーザ共振器内においてＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０とリング共振器１３０との間、および利得領域１１０と光結合器１２０１との間にそれぞれ形成している。これら光吸収領域１４０１、１４０２により、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０において上部導波路１２５を伝搬する非選択光を消失せしめることが可能となる。
【００５７】
光吸収領域１４０１，１４０２は、利得媒質領域、すなわち利得領域１１０とまったく等しい構造の導波路領域を２層導波路構造内の上部導波路（上部導波路コア層）１２５に設けることにより形成可能である（図９参照）。これは、利得領域１１０が電流注入を施されないと数百ｄＢ／ｃｍ程度の伝搬損失をもつ光導波路になるという特徴を利用したものである。
【００５８】
さらに、下部導波路（下部導波路コア層）１２３に結合された選択光が上部導波路１２５に再結合することを防ぐために、リング共振器１３０および位相調整領域１１１０とした導波路と、光結合器１２０１と、出力導波路１２０２とを含む図１４における細線で図示する全導波路において、上部導波路１２５がエッチングにより除去される。なお、本実施形態では、光吸収領域１４０１，１４０２を有するので、第６の実施形態で図１２、図１３を用いて説明した端面角度は必ずしも必要としない。
【００５９】
［第８の実施形態］
本発明の第８の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を図１５に示す。第８の実施形態では、図１２、図１４で説明した第６、第７の実施形態と同様に、利得領域１１０と、ＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０と、波長ロック用リング共振器１３０と、位相調整領域１１１０とが光結合器１６０を介して結ばれて、全体でリング共振器構成となっており、さらに別の光結合器１２０１を介して出力導波路１２０２に出力光が出射する波長可変リングレーザとなっている。
【００６０】
そして、図１５に示すように、出力導波路１２０２の一方の端部に光強度モニター用の受光素子１５０１が設けてある。この受光素子１５０１の電流をディスプレイ装置等（図示しない）でモニターすることにより、一定出力動作することを可能にしている。さらに、出力導波路１２０２の他方の端部側に、マッハツェンダー型光変調器１５０２と、この光変調器１５０２で劣化した光出力を増幅するブースター用の半導体光増幅器（光アンプ）１５０３が設けられている。また、素子の少なくとも一方の端面には無反射（ＡＲ）コート１１６０を施している。
【００６１】
マッハツェンダー型光変調器１５０２はＧＡＣＣ型波長フィルタ１２０の下部導波路１２３と同じエピ構成で作製可能なため、モノリシック集積化するのに有利である。もちろん、マッハツェンダー型光変調器１５０２に代えて、ＭＱＷ構造を用いた量子閉じ込めシュタルク効果を用いた電界吸収型の光変調器（図示しない）を用いた場合でも、同様のモノリシック集積化効果を得ることができる。このように、本実施形態によれば、光変調器も一体化した高機能な波長可変レーザを作製することが可能となる。
【００６２】
［他の実施の形態］
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。
【００６３】
例えば、上述の本発明の各実施形態の構成では、ＩｎＰ系の化合物半導体を用いたが、ＧａＡｓ系やＳｉとＳｉＯ２やポリイミドなどで構成されるシリコン細線導波路を用いた場合でも、利得媒質１１０をハイブリッド接続すれば、同様に実現できる。
【００６４】
また、上述の本発明の各実施形態の構成では、電流注入による屈折率変化を用いたが、電圧や熱や圧力による屈折率変化を用いても、波長可変動作を得ることができる。例えば、ＧＡＣＣ型波長フィルタにおいて、２つ以上の導波路のうちで、一方の導波路のコア層を正の屈折率温度係数をもつ材料とし、他方の導波路のコア層を負の屈折率温度係数をもつ材料とすることにより、熱光学効果による屈折率変化の方向を導波路間で異ならせて、波長フィルタの波長可変量を増大せしめることができる。
【００６５】
また、上述の本発明の各実施形態の構成では、ＧＡＣＣ型波長フィルタの側壁にグレーティングが形成されている構成を示しているが、その側壁のグレーティングの振幅、または周期が変調されて形成されているとしてもよい。この場合、側壁のグレーティングが、波長フィルタの中央部で最大の振幅を持ち、かつその周辺部において中央から遠ざかるにしたがって振幅が小さくなるように変調されて形成されているとしてよい。また、その変調の関数として、中央部を最大とするガウス関数、Sinc関数の２乗、三角形関数、ハミング窓関数、ハニング窓関数、変数が−π〜πのSinc関数、変数が０〜πの正弦関数やその２乗のうちのいずれか一つの関数を用いたとしてもよい。あるいは、Sinc関数の負の値に相当する位置でグレーティングの周期が変調されて形成されているとしてもよい。
【００６６】
また、本発明におけるＧＡＣＣ型波長フィルタの導波路の数は２個に限定されず、３以上の任意の複数個の導波路を有するＧＡＣＣ型波長フィルタにも同様に適用されることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の波長可変半導体レーザは、従来の波長可変光源と比較して、作製が容易でかつ波長可変制御が簡便である波長多重大容量光通信用光源として提供できるので、光通信の発展に大いに寄与できると期待される。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を示す模式的上面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態における波長可変半導体レーザ素子の断面構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態における波長可変半導体レーザのハイメサ構造ＧＡＣＣ型波長フィルタの構造を示す概念的斜視図である。
【図４】計算で求めたＧＡＣＣ型波長フィルタとリング共振器の部分の透過スペクトル特性を示す特性図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における波長可変半導体レーザのリッジ構造ＧＡＣＣ型波長フィルタにおける構造を示す概念的斜視図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を示す模式的上面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における波長可変半導体レーザのリッジ構造ＧＡＣＣ型波長フィルタの構造を示す概念的斜視図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を示す模式的上面図である。
【図９】本発明の第３の実施形態における波長可変半導体レーザ素子の断面構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を示す模式的上面図である。
【図１１】本発明の第５の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を示す模式的上面図である。
【図１２】本発明の第６の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を示す模式的上面図である。
【図１３】本発明の第６の実施形態における波長可変半導体レーザのＧＡＣＣ型波長フィルタとリング共振器との間の導波路構造を示す概念的斜視図である。
【図１４】本発明の第７の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を示す模式的上面図である。
【図１５】本発明の第８の実施形態における波長可変半導体レーザの概略構成を示す模式的上面図である。
【図１６】従来のＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤの構成を示し、（Ａ）はＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤの光伝搬方向に沿う縦断面図、（Ｂ）はその利得領域１６１０の横断面図、（Ｃ）はそのＧＡＣＣ領域１６２０および位相調整領域１６３０の横断面図、（Ｄ）はその超周期構造分布反射器領域１６４０の横断面図である。
【図１７】従来のＧＡＣＣ−ＳＧ−ＬＤの超周期構造分布反射器領域におけるグレーティング領域の構成を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
【００６９】
１００  波長可変半導体レーザ
１０１  導波路
１０２  素子の端面
１１０  利得領域
１１５  活性層
１２０  ＧＡＣＣ型波長フィルタ
１２１  基板
１２３  下部光導波路コア層（下部光導波路）
１２５  上部光導波路コア層（上部光導波路）
１３０  リング共振器（波長ロック用フィルタ）
１４０  屈折率制御用電極（上部利得領域への電流注入用電極）
１４１  配線電線
１５０  出力導波路
１６０  光結合器
１７０  グレーティング
１８０  マッハツェンダー干渉計（波長ロック用フィルタ）
７０１  基板
７０３  光導波層
７０４  右側光導波路（リッジ部）
７０５  左側光導波路（リッジ部）
７１０  グレーティング
８００  グランド電極
８０１  配線電線
９００  下部利得領域への電流注入用電極
９２５  活性層
１０１０  位相調整領域
１０２０  屈折率制御用電極
１０３０  配線電線
１１１０  位相調整領域
１１３０  屈折率制御用電極
１１４０  配線電線
１１５０  出力端面
１１６０  ＨＲコート
１２０１  光結合器
１２０２  出力導波路
１４０１，１４０２  光吸収領域
１５０１  受光素子
１５０２  マッハツェンダー光変調器
１５０３  半導体光増幅器
【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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【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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