(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上クラッド層と下クラッド層との間に、活性領域と上記活性領域の前方に位置する前方光反射領域と上記活性領域の後方に位置する後方光反射領域と上記活性領域と上記後方光反射領域との間に位置する位相制御領域とを含み、かつ上記前方光反射領域及び後方光反射領域はそれぞれ回折格子部と非回折部とが交互に設けられてなり、該回折格子部に流れる電流値に対応した波長で発振する半導体レーザ装置において、
上記前方光反射領域及び後方光反射領域のうちの少なくとも１方の非回折部上に該非回折部への電流の流入を阻止する電流ブロック層を形成したことを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
上記前方光反射領域及び後方光反射領域双方の非回折部に、上記電流ブロック層を形成した請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
上記電流ブロック層は、上記非回折部より高い抵抗を有する高抵抗層である請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
上記上クラッド層は第１の導電型を有しかつ上記下クラッド層は第２の導電型を有してなり、上記電流ブロック層は上記非回折部上に形成された第１の導電型の第１半導体層と該第１半導体層上に形成された第２の導電型の第２半導体層からなる請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
上記上クラッド層はｐ型ＩｎＰからなり、上記下クラッド層はｎ型ＩｎＰからなり、上記第１半導体層はｐ型ＩｎＰからなり、上記第２半導体層はｎ型ＩｎＰからなる請求項４記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
上記電流ブロック層は半絶縁性半導体層からなる請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項７】
上記上クラッド層はｐ型ＩｎＰからなり、上記下クラッド層はｎ型ＩｎＰからなり、上記電流ブロック層は半絶縁性ＩｎＰからなる請求項６記載の半導体レーザ装置。
【請求項８】
上記半導体レーザ装置はさらに、上記前方光反射領域及び後方光反射領域のうちの一方の温度を変化させるヒーターを備え、かつ他方の光反射領域の非回折部に電流が流れることを阻止する電流ブロック層を形成した請求項１記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として波長多重光ファイバ通信で必要とされる波長可変半導体レーザに関するものであり、活性領域および位相調整領域の前後に半導体から成る分布ブラッグ反射鏡 (DBR：Distributed Bragg Reflector)を配置し、各領域に制御用電極を設けた多電極DBR構造の波長可変半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
以下、多電極DBR構造を有する波長可変半導体レーザ、より具体的には回折格子部分にサンプルドグレーティング(Sampled Grating)を用いたサンプルドグレーティングDBRレーザの構成例を説明する。図１１は、非特許文献１に報告されている従来のサンプルドグレーティングDBRレーザの構成を示した素子の断面模式図である。
【０００３】
図１１において、１は前方光反射領域(前方ミラーとも称する)、２は後方光反射領域(後方ミラーとも称する)、３は活性領域、４は位相制御領域、５はn型電極、６はn型InP下クラッド層、７はp型InP上クラッド層、８はp型InGaAsPコンタクト層、９および１０は前方ミラーおよび後方ミラーのピッチ変調周期、１１はレーザ共振器の前方端面から出射するレーザ光、１２はInGaAsP光導波層、１３は回折格子部分、１４は回折格子の不連続部分、１５はp型電極である。
【０００４】
上記の前方光反射領域１および後方光反射領域２は、それぞれレーザ共振器の前方端面側および後方端面側のInGaAsP光導波路上に形成されたサンプルドグレーティングDBRミラーを有している。尚、１つの回折格子部分１３と１つの非回折部（回折格子が形成されていない部分）１４を合わせた長さは、ピッチ変調周期と呼ばれ、図１１において、前方ミラーのピッチ変調周期は、符号９で表し、後方ミラーのピッチ変調周期は符号１０で表している。前方ミラー及び後方ミラーはそれぞれ複数のピッチ変調周期を含んでなり、前方ミラーのピッチ変調周期と後方ミラーのピッチ変調周期は一般的に異なった値に設定される。
【０００５】
レーザ発振器の光導波路は、InGaAsP層がそれぞれその層よりも禁制帯幅の大きな下クラッド層６と上クラッド層７によって挟まれてなり、そのInGaAsP層に、後方光反射領域２、活性領域３、位相制御領域４及び前方光反射領域１が形成されている。
活性領域３は例えば、前方光反射領域１および後方光反射領域２を構成するInGaAsP光導波層１２の禁制帯幅よりも平均的に小さい禁制帯幅のInGaAsP歪量子井戸から構成され、位相制御領域４は前方光反射領域１および後方光反射領域２と同じ組成のInGaAsP光導波層からなる。
【０００６】
次に、図１１に示した従来のサンプルドグレーティングＤＢＲ（SSG-DBR）レーザの動作について説明する。
図１１に示したように、p型電極１５は活性領域３、前方光反射領域１、後方光反射領域２および位相制御領域４の上に、それぞれ分離されて形成されている。活性領域3上に分離して設置したp型電極１５とn型電極５の間に順方向バイアスを印加する事により電流が活性領域３に注入され、活性領域３において、広い波長範囲に及ぶ自然放出光が発生する。この発生した光は、光共振器内に形成されている光導波路を伝播し、特定の波長の光が前方光反射領域１に形成された前方サンプルドグレーティングDBRミラーおよび上記後方光反射領域２に形成された後方サンプルドグレーティングDBRミラーによる反射、活性領域における増幅が繰り返されてレーザ発振する。
【０００７】
この図１１のサンプルドグレーティングＤＢＲレーザでは、前方光反射領域１あるいは後方光反射領域２と、位相制御領域４への電流を注入することによって、その注入された電流値に応じた１つの波長が選択され、その波長（単一波長）においてレーザ発振する。
【０００８】
次いで図１１のレーザにおける発振波長制御について詳細に説明する。
図１３は、前方および後方光反射領域１，２に電流注入を行わない場合の前方ミラー１の反射率スペクトル１６と、後方ミラー２の反射率スペクトル１７である。図１４は、後方光反射領域２のみに電流注入を行った場合の後方ミラーの反射率スペクトル１８と、電流注入していない前方ミラー１の反射率スペクトル１７とを比較して示したものである。
【０００９】
図１３，１４において、横軸は波長、縦軸はパワー反射率を示す。また、λ1は、前方および後方の光反射領域１，２に電流注入を行わない場合に前後のミラーの反射率ピークが一致する波長を示しており、λ2は、後方光反射領域２のみに電流注入を行った場合の前後のミラーの反射率ピークが一致する波長を示している。
【００１０】
サンプルドグレーティングDBRの反射スペクトルは、大きさの異なる複数の鋭い反射率ピークから成るものであるが、図１３，１４では波長のみを示すことが目的であるから、簡略化して各反射率ピークの大きさを同一に描いている。
【００１１】
前述したように、図１３は、前方ミラー制御電流と後方ミラー制御電流が共にゼロである初期状態の反射率スペクトルを表す。この場合、前方および後方ミラーの反射率スペクトルが一致する波長はλ1となる。これにより、この波長λ1における損失は、他の波長の光に比べて極めて小さくなり、波長λ1における光の利得が相対的に大きくなるので、レーザは波長λ1で発振することになる。
【００１２】
また、前述のように、前方光反射領域１または後方光反射領域２のどちらか一方あるいは両方に順方向バイアスをかけてその領域に電流注入を行い、フリーキャリア・プラズマ効果によって上記光反射領域１および２の屈折率を等価的に変化させることにより、レーザの発振波長を変えることができる。
【００１３】
例えば、図１４に示したように、後方光反射領域２にのみ電流注入を行った場合、後方ミラーの屈折率低下によって後方ミラー反射率スペクトル１８は短波長側にシフトし、前方および後方ミラーの反射率スペクトルが一致する波長はλ2に変化する。これにより、波長λ2の光がレーザ共振器内を伝播、増幅されて最終的に発振する。前方光反射領域１だけに電流注入を行った場合や、前方光反射領域１および後方光反射領域２の両方に電流注入を行った場合も同様にして発振波長を変えることができる。以上のようにしてミラーを形成した光反射領域に電流注入し、電流注入レベルを制御し屈折率を変えることによって、任意にレーザの発振波長を変えることが可能となる。
【００１４】
図１２は、前方光反射領域１および後方光反射領域２のようなダブルへテロ構造を構成しているInGaAsP光導波路１２に電流注入を行った場合、すなわち前方光反射領域１のp型電極１５あるいは後方光反射領域２のp型電極１５と、n型電極５の間に順方向バイアスを印加して電流を流したときの、電流の流れを示すためにサンプルドグレーティングDBRの断面の一部を拡大して示したものである。図１２において、１９はミラー変調周期Λ0、20は回折格子部分の長さΛg、21は注入電流をそれぞれ示す。図を簡単にするために、図１２においてp型電極１５やn型電極５、p-InGaAsPコンタクト層８は省略している。また、注入電流の流れる向きを矢印で表している。
【００１５】
詳細に説明すると、順方向バイアスを印加すると、p型電極１５からp-InP上クラッド層７を通ってホールが、また、n型電極５からn-InP下クラッド層６を通って電子がInGaAsP導波層１２に注入される。このとき注入電流２１はInGaAsP光導波層１２全体にわたって均一に流れ込み、フリーキャリア・プラズマ効果によって光導波層の屈折率は等価的に低下する。このような電流注入に伴う屈折率の低下によって、後方ミラーの反射率スペクトル１７は全体的に短波長側にブルーシフトし、前後のミラーの反射率ピークが一致する波長が変化するので、発振波長を変化させることができる。このようにして、DBRミラーを形成した前方光反射領域１あるいは後方光反射領域２の屈折率を注入する電流に対応させて等価的に変えることにより、レーザの発振波長を任意に選択して、制御できる。なお、位相制御領域４は、順方向バイアスを印加し、領域4に電流を注入することによってレーザ光の位相の微調整を行い、レーザ発振を安定化するために設置されている。
【００１６】
ところで、上述したような従来型半導体レーザ装置では、波長を変化させるために前方光反射領域１あるいは後方光反射領域２に相応の電流を注入し、電流注入レベルを適当に制御して前方あるいは後方の光反射領域の屈折率を等価的に変えることにより、レーザの発振波長を任意に選択して制御できる。
【００１７】
【非特許文献１】
雑誌ジャーナル・オブ・クアンタム・エレクトロニクス(V. Jayaraman et al. IEEE J. Quantum Electronics, vol. 29, No. 6, 1993, pp1824-1834
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、前方あるいは後方光導波路領域１あるいは２に注入された電子と正孔は、同一の半導体内、すなわち同一空間上に同時に存在する状態になる。このような状態は、注入された電子と正孔がいわゆるキャリア再結合を引き起こす原因となり、この再結合によってランダムに自然放出光が発生する。その結果、前方あるいは後方の光反射領域のキャリア密度が変化してキャリア密度の揺らぎを生じる。この光反射領域におけるキャリア密度の揺らぎは、波長制御したレーザ光のスペクトル線幅を広げるなどレーザ光の性能を劣化させる問題を起こし、特に光反射領域への電流注入量が多くなるほど問題は顕著になっていた。
【００２０】
また、従来型レーザでは、光反射領域に相応の電流が注入されるため、それに伴う発熱が生じる。この電流注入による発熱は、光反射領域の屈折率を等価的に高くする。この発熱に起因した屈折率の変化は、先のフリーキャリア・プラズマ効果による屈折率変化に比べてかなり時定数が大きく、そのため、レーザの発振波長を制御し、安定に動作させるのに必要以上の時間がかかるという問題点があった。また光反射領域に電流を流し続けると、素子の劣化によって発振波長が長期的には変化してしまうという問題点もあった。
【００２１】
このように従来の半導体レーザ装置では、波長制御する場合に、光反射領域においてキャリアの再結合が生じ、このキャリアの再結合がレーザ発振スペクトル線幅を広げたり、実効的にレーザ光の光出力を低下させたりして、波長多重通信やコヒーレント通信に使用された場合、チャネル干渉を引き起こしたりするなどの原因となっていた。また、電流注入に伴う発熱に起因した波長シフトは、特に大きな波長変化を得るために多くの電流を流した場合においてレーザ発振波長のドリフトを引き起こし、結果的に波長制御に不要な時間がかかるなど光通信用光源として必要とされる高速性、安定性などの性能に対して著しい問題を引き起こしていた。
【００２２】
【解決を解決するための手段】
この発明は、上記のような従来の半導体レーザ装置が持つ問題点を解決するためになされたものであり、波長制御を行う光反射領域の回折格子を形成していない部分に、該光反射領域と接し且つ光反射領域へのキャリアの注入と電子-正孔の再結合を抑制するために電流ブロック層を設けることにより、発振スペクトル線幅が十分狭く、かつ発熱に起因する発振波長のシフトやドリフトが少なく、安定かつ高速に動作できる高性能な単一波長半導体レーザ装置を提供するものである。
【００２３】
具体的には、本発明に係る半導体レーザ装置は、上クラッド層と下クラッド層との間に、活性領域と上記活性領域の前方に位置する前方光反射領域と上記活性領域の後方に位置する後方光反射領域と上記活性領域と上記後方光反射領域との間に位置する位相制御領域とを含み、かつ上記前方光反射領域及び後方光反射領域はそれぞれ回折格子部と非回折部とが交互に設けられてなり、該回折格子部に流れる電流値に対応した波長で発振する半導体レーザ装置において、上記前方光反射領域及び後方光反射領域のうちの少なくとも１方の非回折部上に該非回折部への電流の流入を阻止する電流ブロック層を形成したことを特徴とする。
【００２４】
以上のように構成された本発明に係る半導体レーザ装置では、波長制御を行う光反射領域において、回折格子を形成した回折格子部以外の非回折部に電流が流れることを防止する電流ブロック層を設けているので、レーザの発振波長を制御する場合、回折格子部以外の上記光反射領域においては電子と正孔が互いに空間的に分離されてキャリアの再結合が起こらない。これにより、キャリア再結合に伴う自然放出光の発生やキャリア密度の変動を従来例に比べて大幅に減らすことができ、発振スペクトル線幅の狭いレーザ発振が得られる。また、電流注入に伴う発熱を減少させることができるので、発熱による発振波長のシフトも少なくでき、レーザ光の基本特性を大幅に改善できる。通常、回折格子部の幅は、非回折部に比較して狭く設定されるので本発明によりレーザ特性が大幅に改善できる。また、回折格子部の幅がより狭くなるように半導体レーザ装置を設計すれば、より顕著な効果が期待できる。
【００２５】
これにより、本発明によれば、レーザの発振波長を任意に制御でき、それゆえ、安定かつ高速動作可能な高性能、高信頼度の単一波長半導体レーザ装置を提供できる。
【００２６】
従って、本発明に係る半導体レーザ装置を波長多重通信やコヒーレント通信に用いると、従来問題となっていた波長多重通信やコヒーレント通信におけるチャネル干渉や波長ドリフトを抑制でき、また、実効的にレーザ光の光出力が低下するという問題も改善することができる。
【００２７】
また、本発明に係る半導体レーザ装置においては、上記前方光反射領域及び後方光反射領域双方の非回折部に、上記電流ブロック層を形成することが好ましい。
【００２８】
また、本発明に係る半導体レーザ装置においては、上記電流ブロック層は、上記非回折部より高い抵抗を有する高抵抗層で構成することができる。
【００２９】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置において、上記上クラッド層は第１の導電型を有しかつ上記下クラッド層は第２の導電型を有する場合、上記電流ブロック層は上記非回折部上に形成された第１の導電型の第１半導体層と該第１半導体層上に形成された第２の導電型の第２半導体層とにより構成することもできる。
【００３０】
また、本発明に係る半導体レーザ装置においては、上記上クラッド層はｐ型ＩｎＰからなり、上記下クラッド層はｎ型ＩｎＰからなり、上記第１半導体層はｐ型ＩｎＰからなり、上記第２半導体層はｎ型ＩｎＰからなるように構成してもよい。
【００３１】
さらに、本発明に係る半導体レーザ装置においては、上記電流ブロック層は半絶縁性半導体層で構成してもよい。
【００３２】
またさらに、上記上クラッド層をｐ型ＩｎＰとし、上記下クラッド層をｎ型ＩｎＰとして、上記電流ブロック層を半絶縁性ＩｎＰで構成するようにしてもよい。
【００３３】
また、本発明に係る半導体レーザ装置においてさらに、上記前方光反射領域及び後方光反射領域のうちの一方の温度を変化させるヒーターを備え、かつ他方の光反射領域の非回折部に電流が流れることを阻止する電流ブロック層を形成するようにしてもよく、このようにすると、より効果的に波長を変化させることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態について説明する。
実施の形態1.
図１は、本発明に係る実施の形態１の半導体レーザ装置の斜視図であり、図２は、図１のＡ−Ａ’線についての断面図である。また、図１の素子の斜視図では、見やすくするために一部を切り欠いて表示している。
【００３５】
本実施の形態１の半導体レーザ装置は、図２に示すように、ｐ型ＩｎＰ上クラッド層７とｎ型ＩｎＰ下クラッド層６との間にＩｎＧａＡｓＰ光導波層１２が形成されてなる半導体レーザ装置であって、以下のようにして波長を変化させることを可能にした波長可変多電極型ＤＢＲレーザ装置である。
【００３６】
すなわち、ＩｎＧａＡｓＰ光導波層１２は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ歪量子井戸活性領域３とその活性領域３の前方に位置する前方光反射領域１と活性領域３の後方に位置する後方光反射領域２と活性領域３の間に設けられた位相制御領域４とからなり、各領域にはそれぞれ互いに異なるバイアス電圧が印加できるように分離されたｐ型電極が形成されている。
【００３７】
このようにして、従来例の項で説明したように、前方光反射領域１と後方光反射領域２の反射波長をそれぞれ印加される電圧に対応させて変化させることにより、レーザ発振波長を変化させることを可能としている。
【００３８】
ここで、特に本実施の形態１の半導体レーザ装置では、前方光反射領域１及び後方光反射領域２の各非回折部１１４，２１４の上に電流ブロック層１１４ａ，２１４ａを形成したことを特徴とし、これにより従来例の問題点を解決している。
【００３９】
詳細に説明すると、本実施の形態１の半導体レーザ装置において、図１，図２に示すように、波長制御を行う前方光反射領域（前方ミラー）１は、半導体レーザ装置の出射端面側の光導波層１２において、回折格子（サンプルドグレーティング）が形成された回折格子部１１３と回折格子が形成されていない非回折部１１４とが交互に形成されてなる。
【００４０】
また、同じく波長制御を行う後方光反射領域（後方ミラー）２は、出射端面と対向する端面側の光導波層１２において、回折格子（サンプルドグレーティング）が形成された回折格子部２１３と回折格子が形成されていない非回折部２１４とが交互に形成されてなる。
【００４１】
また、活性領域３は、光導波層１２において、前方光反射領域１と後方光反射領域２の間に位置し、n型のInGaAsP歪量子井戸からなる。
【００４２】
また、位相制御領域４は前方および後方光反射領域１、２と同じ構成の半導体からなり、活性領域３と後方光反射領域２の間に位置し、レーザ光の位相調整を行う。
【００４３】
ここで、前方及び後方光反射領域１，２のInGaAsPの組成は、その禁制帯幅が活性領域３の平均的な禁制帯幅よりも大きくなるように選ばれ、これにより活性領域３で発生した光を吸収することなく、活性領域３で発生した光に対してサンプルドグレーティングDBRミラーとして機能する。
【００４４】
また、本実施の形態１の半導体レーザ装置では、前方光反射領域１、後方光反射領域２、活性領域３および位相制御領域４の各領域に電流を効率良く注入するために、図１に示すように、光導波層１２及びn-InP下クラッド層６の途中までの部分をストライプ形状にエッチング加工した後、ストライプ部の両側を高抵抗の電流閉じ込め層２２で埋め込み成長した後、その上にp-InP上クラッド層７及びp-InGaAsPコンタクト層８を形成している。
【００４５】
さらに、前方光反射領域１、後方光反射領域２、活性領域３および位相制御領域4の各領域に注入する電流を別々に制御するために、コンタクト層８をp-InPクラッド層7に到達する深さまでエッチングすることにより電気的に分離し、分離したコンタクト層８の上にそれぞれp型電極１５１，１５２，１５３，１５４を形成している。これにより、各領域に独立に電流注入することを可能にしている。
【００４６】
尚、本実施の形態１では、n-InP下クラッド層６は、下面にｎ型電極５が形成されたｎ−ＩｎＰ基板により構成し、その基板上に光導波層１２を構成する各領域を連続して形成することにより、基板の一端から他端の間にレーザ共振器（光共振器）を構成している。
【００４７】
本実施の形態１ではさらに、前方光反射領域（前方ミラー）１のうち、回折格子が形成されていない非回折部１１４の上にそれぞれ、該非回折部１１４への電流の流入を阻止する電流ブロック層１１４ａを形成し、後方光反射領域（後方ミラー）２のうち、回折格子が形成されていない非回折部２１４の上にそれぞれ、該非回折部２１４への電流の流入を阻止する電流ブロック層２１４ａを形成している。
【００４８】
ここで、電流ブロック層１１４ａ，２１４ａはそれぞれ、少なくとも光導波層より抵抗値の高い高抵抗層で構成される。
なお、本実施の形態１では、電流ブロック層１１４ａ，２１４ａをInGaAsP光導波層１２とｐ−ＩｎＰ上クラッド層７との間に形成した例を示しているが、本発明はこれに限られるものではなく、光導波層１２とｎ−ＩｎＰ下クラッド層６との間に形成するようにしてもよい。
また、活性領域３については、光導波層１２と同じ膜厚で一体で形成した例について示したが、本発明はこれに限られず、従来例と同様にInGaAsP光導波層１２の上など、その近傍に活性領域を形成するようにしてもよい。
【００４９】
続いて、本発明の実施の形態1における半導体レーザ装置の動作について説明する。前述したように活性領域３、前方および後方光反射領域１，２、位相制御領域４の各領域は、合わせてひとつのレーザ発振のための光共振器を構成している。図１において活性領域３の上部に形成したp型電極１５３とn型電極５の間に順方向バイアスを印加することにより電流が活性領域に注入され自然放出光が発生する。活性領域３で発生した光は、レーザ共振器を構成する光導波路１２を伝播し、共振器端面部に設置したそれぞれ回折格子部を含む前方光反射領域１および後方光反射領域２によって繰り返し反射、増幅されて光強度が増大し、最終的に一つの波長が選択されてある閾値においてレーザ発振が生じ、レーザ光１１が出射される。
【００５０】
次に、実施の形態1における半導体レーザ装置の波長制御動作について説明する。図３は、上クラッド層と下クラッド層とその間に位置する前方光反射領域１からなるダブルへテロ構造において、InGaAsP光導波路１２に電流注入を行った場合、すなわち前方光反射領域１のp型電極１５１とn型電極５の間に順方向バイアスを印加して電流を流したときのミラー部を含む断面の一部を示したものである。図３において、１９はミラー変調周期Λ０、２０は回折格子部の長さΛg、２１は注入電流をそれぞれ示す。また、図３では、簡単にするために、p型電極やn型電極５、p-InGaAsPコンタクト層８は省略し、注入電流の流れの向きは矢印で表している。
【００５１】
本発明における前方光反射領域(前方ミラー)1および後方光反射領域(後方ミラー)２の反射スペクトルは、図１３，１４で示した従来の半導体レーザの場合と全く同様であるため、これを用いて以下説明を行う。すなわちミラー領域に電流を注入しない時には上記ミラーの反射スペクトルは、図１３のように
λB=２・ｎeff・ΛB／ｍ・・・式（１）
を中心波長とする複数の鋭いサブピークからなり、ピーク間隔λsは、
λs=２・ｎeff・ΛB２／Λ０・・・式（２）
で与えられ、前後のミラーの反射ピークが波長λ1で一致している。ここで、ΛBは回折格子部１１３の回折格子ピッチ、ｎeffは光導波路１２の実効屈折率、mは回折格子の次数（通常はm=1）を表す。
【００５２】
次に発振波長を変えるため、例えば後方ミラーに電流を注入する時、一つのミラー変調周期Λ０19を考えると回折格子の存在する幅Λg２０の領域では、従来例と同様に電子が下クラッド層６からその下クラッド層６よりも禁制帯幅の小さいInGaAsP光導波層１２に注入され、上クラッド層７からは正孔が上クラッド層７よりも禁制帯幅が小さいInGaAsP光導波層１２に注入されて連続的に電流が流れる。一方、非回折部１１４の幅（Λ０−Λg）の領域においては、高抵抗な電流ブロック層１１４ａが光導波層１２の上に存在するため、回折格子が形成された回折格子部１１３に比べて抵抗が高くなる。従って、注入電流２１は高抵抗な電流ブロック層１１４ａを避け、大半の電流は矢印で示したように回折格子部１１３に流れ込んでいく。結局、図１で示した電流閉じ込め層２２および電流ブロック層１１４ａの電流阻止作用により、p型電極１５１から注入された電流は回折格子部１１３に集中して流れることになる。
【００５３】
同様に、後方光反射領域２において、p型電極１５２から注入された電流は、電流ブロック層２１４ａの電流阻止作用により、回折格子部２１３に集中して流れることになる。
【００５４】
上述したように、前方ミラー１あるいは後方ミラー２に電流が注入されると、電子と正孔の存在によってフリーキャリア・プラズマ効果が働き、反射波長を変化させることができるが、式（１）（２）からもわかるように前後ミラーの反射ピークを変化させるのに寄与するのは基本的に回折格子部分１１３，２１３のみであり、非回折部１１４，２１４は反射波長の変化には寄与しない。
【００５５】
すなわち、電流が注入されて電子と正孔の存在によってフリーキャリア・プラズマ効果が働くのは、前方ミラー1あるいは後方ミラー２の回折格子部１１３，２１３のみである。
従って、回折格子部分１１３，２１３のみ電流を注入し、その回折格子部分１１３，２１３の屈折率が下げれば反射スペクトルは従来例と同様、全体的に短波長側にシフトさせることができる。
【００５６】
例えば、後方ミラー２の回折格子部２１３のみに電流注入すると、図１４に示すように、前後ミラーの反射率ピークが一致する波長も短波長側のλ2にシフトし、波長λ2における利得が相対的に高くなって、レーザは波長λ2で発振する。このように、非回折部１１４に電流ブロック層１１４ａが形成されてなる前方ミラー１及び非回折部２１４に電流ブロック層２１４ａが形成されてなる後方ミラー２を用いて構成した実施の形態１の半導体レーザ装置において、従来例と同様に、前方ミラー１あるいは後方ミラー２に電流を注入することにより、前方ミラー１あるいは後方ミラー２の屈折率を変化させ、さらに、位相制御領域4に順方向バイアスを印加してレーザ光の位相を微調整することにより、上記半導体レーザ装置の発振波長を任意に制御して動作させることができる。
【００５７】
また、本実施の形態１の半導体レーザ装置では、電流ブロック層１１４ａ，２１４ａを形成したことにより、前後ミラーの反射ピークの変化に寄与する回折格子部分１１３，２１３のみに集中して電流を注入することができるので、従来例に比較して以下のような利点がある。
【００５８】
（１）前方及び後方ミラーにおいて、電流が注入された回折格子部分１１３，２１３では従来と同様に電子と正孔の再結合が起こるが、電流ブロック層１１４ａ，２１４ａの直下の非回折部１１４，２１４においては電子と正孔が注入されず空間的に同時に存在することはないから、キャリア再結合は起こらない
これにより、キャリア再結合に伴う自然放出光の発生やそれに伴うキャリア密度の変動を著しく低減する事が可能になるので、レーザ装置の発振波長を制御する場合に、レーザ発振スペクトル線幅の広がりを減少させることができ、かつ発振波長の揺らぎや光出力の不安定性も緩和することができ、高性能な半導体レーザ装置を提供することができる。
【００５９】
（２）また、従来例と比べて同じ波長シフト量を得るのに必要な電流は、およそΛg／Λ０倍にできる。レーザの発振波長の可変範囲を広げるために一般にはΛgは、Λ０に比較して十分小さくなるように各長さを選ぶことから、本実施の形態１の半導体レーザ装置では、極めて少ない電流で効率よく波長を変化させることができる。
これにより、電流を流すことに伴う発熱も減らすことができ、発熱による発振波長のレッドシフト（長波長側へのシフト）を低減すると共に長期的な素子の劣化を防止し信頼性を向上させることができる。
【００６０】
実施の形態２．
図４は、本発明に係る実施の形態２の半導体レーザ装置の断面図である。
また、図５は、前方光反射領域１及び後方光反射領域２における電流注入時を説明するための図である。ここで、図４及び図５において、図１〜図３と同様のものには同様の符号を付して示している。
【００６１】
本実施の形態２の半導体レーザ装置は、実施の形態１の半導体レーザ装置において、高抵抗の電流ブロック層１１４ａ，２１４ａに代えて、非回折部１１４，２１４の上に形成されたｐ型ＩｎＰ層２３とそのｐ型ＩｎＰ層２３の上に形成されたｎ型ＩｎＰ層２４の２層からなる電流ブロック層を形成した以外は、実施の形態１の半導体レーザ装置と同様に構成される。
【００６２】
以上のように構成された本実施の形態２の半導体レーザ装置のレーザ発振動作は、実施の形態１の半導体レーザと全く同様であるため、ここでは上記半導体レーザ装置の波長制御動作についてのみ説明する。
【００６３】
本実施の形態２では、図５に示すように、前方光反射領域１において、下クラッド層６と上クラッド層７の間に順方向バイアスを印加した場合、回折格子部分１１３においては電子と正孔の両方が注入されて蓄積され、フリーキャリアプラズマ効果によって回折格子部分１１３の屈折率を下げる。一方、非回折部１１４には、該非回折部１１４に接してp-InP層２３が積層されており、さらにp-InP層２３の上にはn-InP層２４が積層されているので、下クラッド層６と上クラッド層７の間に順方向バイアスを印加すると、p-InP層２３とn-InP層２４の間には逆バイアス電圧がかかり、両者の境界付近にはキャリアが出払った高抵抗の空乏層２５が生じる。それゆえp-InP層２３と空乏層２５およびn-InP層２４により、該非回折部１１４への電流の流入を阻止する機能（実施の形態１における電流ブロック層１１４ａと同様の役割）を果たし、該非回折部１１４に電流が流れ込むのを妨げる。従って、非回折部１１４には電子と正孔がほとんど存在しないために、キャリアの再結合に伴う自然放出光の発生やキャリア密度の変動は起こらない。これにより、本発明の実施の形態１における半導体レーザの場合と同様に、発振スペクトル線幅の狭い、高速かつ安定な性能を有する半導体レーザ装置を得ることができる。
【００６４】
実施の形態３．
図６は、本発明に係る実施の形態３の半導体レーザ装置の断面図である。図６において、図１，図２と同様のものには同様の符号を付して示している。
本実施の形態３の半導体レーザ装置は、実施の形態１の半導体レーザ装置において、高抵抗の電流ブロック層１１４ａ，２１４ａに代えて、非回折部１１４，２１４の上に半絶縁性ＩｎＰ層からなる電流ブロック層２６を形成した以外は、実施の形態１の半導体レーザ装置と同様に構成される。
【００６５】
以上のように構成された実施の形態３の半導体レーザ装置において、半絶縁性InP層からなる電流ブロック層２６は、実施の形態１の電流ブロック層１１４ａ，２１４ａと同様に動作し、実施の形態３の半導体レーザ装置は実施の形態１と同様の作用効果を有する。
ここで、半絶縁性とは、概ね１０５〜１０７Ω・ｍの抵抗率を有しるものをいい、半絶縁性ＩｎＰ層は、例えば、Ｔｉ又はＦｅをドープしたＩｎＰにより形成することができる。
【００６６】
実施の形態４．
図７は、本発明に係る実施の形態４の半導体レーザ装置の断面図であり、図８は実施の形態４の半導体レーザ装置の断面図である。
また、図７、図８において、図１〜図３と同様のものには同様の符号を付して示している。
【００６７】
本実施の形態４の半導体レーザ装置は、実施の形態１の半導体レーザ装置において、前方光反射領域１に対応して設けられたｐ−電極１５１に代えて、ＳｉＯ2などから成る絶縁膜２７を介してＰｔやＡｕなどの金属薄膜から成る薄膜ヒータ２８が設けられている以外は、実施の形態１の半導体レーザ装置と同様に構成される。
ここで、本実施の形態４では、前方光反射領域１の非回折部１１４の上に電流ブロック層１１４ａが設けられていることは、図１、図２に示した実施の形態１と同様であるが、本実施の形態４では、前方光反射領域１の上に設けられた電流ブロック層１１４ａは必須ではなく省略することも可能である。
【００６８】
次に、本実施の形態４の半導体レーザ装置の動作について説明する。本実施の形態４の半導体レーザ装置は、実施の形態１と同様に、活性領域３、前方および後方光反射領域１、２、位相制御領域４の各領域は合わせてひとつの光共振器を構成し、前方光反射領域１および後方光反射領域２はサンプルドグレーティングDBRミラーとして働く。図７，図８において活性領域３の上部に形成したp型電極１５３とn型電極５の間に順方向バイアスを印加することにより電流が活性領域３に注入され自然放出光が発生する。活性領域３で発生した光は、レーザ共振器を構成する光導波路を伝播し、共振器端面部に設置した前方光反射領域１および後方光反射領域２によって繰り返し反射、増幅されて光強度が増大し、次に説明する機構により最終的に一つの波長が選択されてある閾値においてレーザ発振が生じ、レーザ光１１が出射される。
【００６９】
次に、実施の形態４における半導体レーザ装置の波長制御動作を、図９、図１０を参照しながら説明する。図９は初期状態（ヒーター２８をオフとし、後方ミラーに電圧を印加していない場合）における前方及び後方ミラーの反射スペクトルを表し、図９において、２９は前方ミラーの反射率スペクトル、３０は後方ミラーの反射率スペクトルである。また図１０は波長可変時の前方及び後方ミラーの各反射率スペクトルを表し、３１は前方ミラーの反射率スペクトル、３２は後方ミラーの反射率スペクトル、３３は前方ミラーの波長シフト量、３４は後方ミラーの波長シフト量を表す。
【００７０】
初期状態において図９に示すように前方ミラー１と後方ミラー２の反射ピークは波長λ１において一致しているものとすると、発振波長もλ１となる。次に、発振波長を変えるためには前方ミラー１叉は後方ミラー２の反射ピークを波長軸上で移動させる必要がある。半導体DBRミラーの反射ピーク波長は、例えば、雑誌フォトニクス・テクノロジー・レターズ(S.L. Woodward et al. IEEE Photonics Technology Letters, vol. 4, No. 12, 1992, pp1330-1332)に報告されているように、DBR部分に通電加熱し屈折率を変えることによって最大で１０ｎｍ程度、長波長側にシフトさせることができる。
【００７１】
本実施の形態４の半導体レーザ装置において、前方光反射領域１の薄膜ヒータ２８に通電することにより、前方光反射領域１を加熱すると、図１０に示すように、前方ミラー１の反射率スペクトル３１は長波長側にシフトする。図１０において、この時の波長シフト３３の大きさと向きを矢印で示す。一方このときp型電極１５２とn型電極５の間に順バイアス電圧を印加して後方ミラー２に電流を注入すると、後方ミラー２の反射率スペクトル３２は既に説明したようにフリーキャリア・プラズマ効果によって回折格子部分２１３の屈折率が低下するために短波長側にシフトする。この時の波長シフト３４の大きさと向きを同じく矢印で示す。その結果、前後ミラー１，２の反射ピークが一致する波長はλ２に変化し、発振波長もλ2となる。
【００７２】
以上説明したように、薄膜ヒータ２８への通電加熱によって前方ミラー１の反射スペクトルは波長軸上で長波長側に移動し、一方、p型電極１５２とn型電極５の間に順バイアス電圧を印加して後方ミラー２に電流注入を行うと後方ミラー２の反射スペクトルはフリーキャリア・プラズマ効果によって波長軸上で短波長側に移動する。これにより、本実施の形態４の半導体レーザ装置は、前方光反射領域１に対する加熱と後方光反射領域２に対する通電の相乗効果により、前後ミラーの反射ピークを一致させるのに必要な注入電流は、実施の形態１〜３に比較して、はるかに少なくできるという利点がある。
【００７３】
なお、上述した実施の形態1、2、3、4の例においては、すべてn型InP半導体基板上に形成する半導体レーザ装置の場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、p型InP基板上に形成する場合、あるいはGaAs／AlGaAs系半導体レーザ装置など他の組成から成る半導体レーザ装置においても、本発明の主旨を逸脱しない範囲で構成を変形すれば同様な効果が得られることは明らかである。また、本発明の実施の形態２、３では電流ブロック層を構成する層として、InP半導体層を用いる場合について記述したが、代わりに光導波層よりも禁制帯幅の大きいInAlGaAsやInGaAsPなどの材料を用いても実施の形態２及び３と同様な効果を得る事が可能である。さらに、上述した実施の形態では電流ブロック層を構成する層が2層叉は1層の場合について説明したが、これらを含む３層以上の半導体層で構成することも可能であることは言うまでもない。
【００７４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、発振スペクトル線幅の狭い半導体レーザ装置が得られる。さらに、電流注入に伴う発熱が減るので、発熱による発振波長のシフトも少なくなり、レーザ光の基本特性を大幅に改善できる。
従って、この発明によれば、従来問題となっていた波長多重通信やコヒーレント通信におけるチャネル干渉や波長ドリフトを引起こしたり、また、実効的にレーザ光の光出力を低下する問題を大幅に改善しつつレーザの発振波長を任意に制御でき、それゆえ、安定かつ高速動作可能な高性能、高信頼度の単一波長半導体レーザ装置を提供できる。
【００７５】
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る実施の形態１の半導体レーザ装置の斜視図である。
【図２】  図１のＡ−Ａ’線についての断面図である。
【図３】  実施の形態１の前方光反射領域における電流の流れを模式的に示す模式断面図である。
【図４】  本発明に係る実施の形態２の半導体レーザ装置の断面図である。
【図５】  実施の形態２の前方光反射領域における電流の流れを模式的に示す模式断面図である。
【図６】  本発明に係る実施の形態３の半導体レーザ装置の断面図である。
【図７】  本発明に係る実施の形態４の半導体レーザ装置の断面図である。
【図８】  実施の形態４の半導体レーザ装置の平面図である。
【図９】  実施の形態４の前方及び後方光反射領域の初期状態における、波長に対するパワー反射率を示すグラフである。
【図１０】  実施の形態４の前方及び後方光反射領域の通電動作状態における、波長に対するパワー反射率を示すグラフである。
【図１１】  従来例の半導体レーザ装置の断面図である。
【図１２】  従来例の前方又は後方光反射領域における電流の流れを模式的に示す模式断面図である。
【図１３】  従来例の前方及び後方光反射領域の初期状態における、波長に対するパワー反射率を示すグラフである。
【図１４】  従来例の前方及び後方光反射領域の通電動作状態における、波長に対するパワー反射率を示すグラフである。
【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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