(57)【要約】  光増幅機能を有する半導体光導波路Ａ（１１０）と、光の制御機能を有する半導体光導波路Ｂ（１１１）とは、同一基板上に、分離溝（１０５）を介して集積されている。半導体光導波路Ａ（１１０）の分離溝（１０５）に面する端面と、半導体光導波路Ｂ（１１１）の分離溝（１０５）に面する端面とを、光干渉を利用した複合光反射・光結合器として構成する。半導体光導波路Ａ（１１０）の端面で、劈開面相当の反射率以下で数％以上の光反射率、及び、半導体光導波路Ａ（１１０）と半導体光導波路Ｂ（１１１）との光結合効率５０％以上を実現できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成され、分離溝（１０５）によって相互に離隔された第１及び第２の半導体光導波路（１１０、１１１）を有する半導体レーザにおいて、
前記第１の半導体光導波路（１１０）の前記分離溝（１０５）に隣接する一方の端面と、該一方の端面と前記分離溝（１０５）を介して対向する前記第２の半導体光導波路（１１１）の端面とから成る一対の端面が複合光反射・結合器を構成することを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記複合光反射・結合器の実効反射率が１％以上３０％以下であり、光結合効率が５０％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記分離溝（１０５）が、前記半導体基板の屈折率よりも低い屈折率であって、１〜２の範囲の屈折率を有する媒質で充填されていることを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記複合光反射・結合器を構成する一対の端面が、前記半導体基板の主面と平行な面内で光の進行方向に垂直な方向から同じ傾斜角θでかつ同方向に傾斜し、前記傾斜角θは各端面における光の全反射角よりも小さいことを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記第１及び第２の半導体光導波路（１１０、１１１）が、それぞれ、前記分離溝（１０５）に隣接して、光のスポットサイズを変換する機能を有する光導波路領域を有することを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記第１及び第２の半導体光導波路（１１０、１１１）の相互位置が、前記分離溝（１０５）を介して、前記半導体基板の主面と平行方向にオフセットしていることを特徴とする、請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記傾斜角θが１５°以下であり、前記分離溝（１０５）の長さｄＧａｐが１５μｍ以下であり、光のスポットサイズが１０μｍ以下であり、かつ、前記分離溝（１０５）の屈折率ｎＧａｐが１〜２であることを特徴とする、請求項３に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記第１の半導体光導波路（１１０）の前記一方の端面における実効反射率の、前記分離溝（１０５）の長さｄＧａｐに対する周期をΛとし、前記実効反射率がピーク又はボトムとなる長さをＬとするとき、前記分離溝（１０５）の長さｄＧａｐが、Ｌ±Λ／４の範囲であることを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記第２の半導体光導波路（１１１）は、前記第１の半導体光導波路（１１０）と対向する端面の反対側に、反射防止膜（１１７）が形成された光出射側の端面を有し、該光出射側の端面の近傍で該光出射側の端面に対して５°〜１５°の範囲で傾斜していることを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記分離溝（１０５）がエッチングで形成され、前記複合光反射・結合器を構成する一対の端面が、該エッチングにより形成されたファセットであることを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
前記第１の光導波路（１１０）と、前記複合光反射・結合器及び第１の半導体光導波路（１１０）と組み合わされて光共振器を構成する光反射器（１０１）との間に、波長フィルタ（１０２）を有することを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項１２】
前記光反射器（１０１）及び波長フィルタ（１０２）が、前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体レーザ。
【請求項１３】
前記光反射器（１０１）及び波長フィルタ（１０２）が、前記半導体基板の外部に配設された光部品であることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体レーザ。
【請求項１４】
前記第１の半導体光導波路（１１０）は、前記第２の半導体光導波路（１１１）と対向する端面の反対側に、反射防止膜が形成された端面を有することを特徴とする、請求項１３に記載の半導体レーザ。
【請求項１５】
前記第１の半導体光導波路（１１０）は、前記第２の半導体光導波路（１１１）と対向する端面の反対側の端面の近傍で、該端面に対して５°〜１５°の範囲で傾斜していることを特徴とする、請求項１４に記載の半導体レーザ。
【請求項１６】
前記波長フィルタ（１０２）が、石英系ＰＬＣフィルタ、Ｓｉ導波路フィルタ、液晶フィルタ、及び、光ファイバグレーティングフィルタの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の半導体レーザ。
【請求項１７】
前記波長フィルタ（１０２）が波長可変フィルタであることを特徴とする、請求項１１に記載の半導体レーザ。
【請求項１８】
前記第１の半導体光導波路（１１０）が、少なくとも光の増幅作用を有し、前記第２の半導体光導波路（１１１）が、少なくとも光の制御機能を有することを特徴とする、請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項１９】
前記第２の半導体光導波路（１１１）の光制御機能が、光の増幅機能、光の変調機能、光の減衰機能、光の受光機能、光のスイッチ機能、及び、光の合分波機能のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１８に記載の半導体レーザ。
【請求項２０】
前記第２の半導体光導波路（１１１）が、電流駆動の光変調機能及び可変光減衰機能を有することを特徴とする、請求項１８に記載の半導体レーザ。
【請求項２１】
前記第１の半導体光導波路（１１１）が、光の位相調整機能を更に有することを特徴とする、請求項１９に記載の半導体レーザ。
【請求項２２】
前記第２の半導体光導波路（１１１）が、マッハツェンダー型光変調器から構成されることを特徴とする、請求項１９に記載の半導体レーザ。
【請求項２３】
請求項２に記載の半導体レーザを有することを特徴とする光送信機。
【請求項２４】
請求項２に記載の半導体レーザと、波長ロッカーユニットとを備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項２５】
請求項２４に記載の半導体レーザモジュールを有することを特徴とする光送信機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ、モジュール、及び、光送信機に関し、更に詳しくは、異なる機能領域の半導体光導波路が分離溝を介して集積された半導体レーザ、並びに、そのような半導体レーザを含む半導体レーザモジュール及び光送信機に関する。
【背景技術】
【０００２】
外部共振型半導体レーザにおいて、光反射器と、波長フィルタと、半導体基板上に形成された光増幅機能を有する半導体光素子とを含み、この半導体光素子の劈開端面を共振器を構成する反射器として用いる半導体レーザがある。このような半導体レーザにおいて、別の機能、例えば光変調機能を付与するためには、光変調器を、別途、何らかの形で搭載する必要があった。外部光変調器を搭載する手法には、大きく２つの方法がある。１つの構成では、図１８に示すように、ＬＮ変調器や半導体光変調器などの光変調器２１１を別途用意し、この光変調器２１１を、モジュール内で、レンズ２０６等のオプティクス部品を介して、半導体光増幅器２０３、レンズ２０６、波長フィルタ２０２及び光反射器２０１を含むレーザ共振器２２０と光学的に結合させ、モジュール全体として、光変調機能を持たせる。光変調器２１１は、光アイソレータ２０７を介して、モジュールの光ファイバに結合される。もう１つの構成では、図１９に示すように、光変調器モジュール２１４を別途用意し、半導体レーザモジュール２１３の光出力を、光ファイバで光変調器モジュール２１４に導き、ボード上で光変調機能を持たせる。【０００３】
しかしながら、図１８に示したモジュールとして光変調機能を持たせる構成では、モジュール内の部品点数が増加してコストの増大を招く。また、モジュール内の構成が複雑になるため、アッセンブリ工数が増加し、歩留まりも低下するという問題がある。更に、モジュールサイズが大きくなるという問題もある。図１９に示したボード上で光変調機能を持たせる構成では、光変調器モジュールと半導体レーザモジュールとを別部品として揃える必要があり、コストの増加を招き、また、搭載ボードでのモジュール占有面積が大きくなる等の問題がある。これらの問題を解決するために、半導体基板上に劈開端面に相当する光反射機構を形成し、同一基板上に、光変調器をモノリシック集積することが望まれる。【０００４】
外部共振型半導体レーザにおいて、光変調器を半導体基板上にモノリシック集積する構成は、特表２００３−５０８９２７に記載されている。特表２００３−５０８９２７では、光の増幅機能を有する半導体素子を含む基板上に部分反射器を構成し、光変調器をモノリシック集積している。この文献では、部分反射器としては、
１）エッチングされたファセット
２）ループ鏡
３）分布ブラック反射（ＤＢＲ）鏡
が提案されている。特に、劈開端面（劈開で得られたファセット）を代替する反射器を考える場合には、１）のエッチングされたファセットが有望であると考えられる。【０００５】
これまで、エッチングされたファセットを用いた集積構造については、種々の報告がされている。例えば、エッチング溝をフィルタに用いる構造や、エッチングされたファセットを反射器に用いる構造等である。これらのなかでも、特に、“反射率を高める”ことに着目した構造は、多数報告されている。例えば、特開平１０−１２５９８９では、低屈折率層／高屈折率層からなる多層膜反射鏡についての記載があり、“２層”以上の多層膜反射鏡とすることで、９２％程度の高反射率が得られることが示されている。特開平１０−１２５９８９では、この構成により、低しきい値電流の半導体レーザが実現できるとされている。また、低しきい値電流の半導体レーザとその他の機能領域との集積についても提案されている。【０００６】
一方、特開平１０−１２５９８９とは逆に、“反射率を低くする”ことに着目した構造についての報告もされている。このような報告としては、例えば特開平１１−１４８４２があり、特開平１１−１４８４２の構成では、エッチングによって半導体基板上に分離溝を形成し、その分離溝部に半導体基板と同程度の屈折率を有する半導体層を埋め込むことによって、もともとのファセット部分である界面での反射を極力抑えている。更に、特開平７−２０３５９では、分離溝を形成し、溝部に入射する光のスポットサイズを拡大して５μｍ程度とし、端面を１０°程度傾斜させることによって、通常の垂直短面の反射率を１とした場合の反射減衰量を５０ｄＢ以上にする構成が報告されている。【０００７】
エッチングされたファセットを用いた集積構造について、“光結合効率を下げること”に着目した構造も報告されている。このような報告としては、例えば特開２００４−２００６９７があり、特開２００４−２００６９７では、分離溝をインナーウインドと称し、その溝間隔を拡大する構造とすることで、分離溝で分離された異なる機能領域間の光結合効率を大幅に下げることができると記載されている。また、特開２００４−２２１３２１には、単に２つの機能領域間を分離する構造が記載されている。【０００８】
半導体基板上に分離溝を介して光変調器をモノリシック集積し、劈開端面に相当する光反射機構を半導体基板上に形成した半導体レーザでは、光変調器光出力を十分なレベルで得るために、光反射機構としては、レーザ高効率動作のために３０％程度（劈開端面相当）以下且つ数％以上の適当な反射率が求められ、光結合機構としては、５０％以上のできるだけ高い光結合効率が求められる。しかしながら、特表２００３−５０８９２７では、単にエッチングされたファセットを用いる旨が記載されているのみであり、上記適当な反射率及び高い光結合効率が得られるか否かは不明である。また、特開平１０−１２５９８９では、反射率として９０％以上を目標とするものであり、上記適当な反射率及び高い光結合効率の実現に向けては反射率が高すぎ、目標とすべき反射率及び高い光結合効率を得ることができない。【０００９】
特開平１１−１４８４２や特開平７−２０３５９では、反射率を低くすることに着目しており、界面部（ファセット部）の反射率はほとんど０となる。従って、上記適切な光反射率及び高い光結合効率を実現することは不可能である。なお、石英系ＰＬＣを用いた光合分波器と、半導体レーザとをバットカップルするような例も報告されているが、このような場合も、二つの素子間での反射を極力抑制するべく、屈折率整合ジェルを塗布し、或いは、端面に反射防止用のＡＲ膜を形成しており、技術思想として、極力反射を押さえるよう考えられていた。そして特開２００４−２００６９７では、光絶縁を目的に、光結合効率を下げており、上記適切な光反射率及び高い光結合効率、特に、高い光結合効率を得ることができない。また、特開２００４−２２１３２１では、単に２つの機能領域間を分離する構造を提案しているのみであり、上記適当な反射率及び高い光結合効率の実施の実現性は乏しかった。【００１０】
このように、従来の技術では、光反射器と、波長フィルタと、半導体基板上に形成された光の増幅機能を有する半導体光素子と、を含み、この半導体光素子の端面を共振器を構成する光反射器として用いるような半導体レーザにおいて、この半導体光素子の端面光反射器が、３０％程度（劈開端面相当）以下且つ数％以上の適当な反射率を有し、かつ、異なる機能領域間の光結合器として、５０％以上のできるだけ高い光結合効率が得られるような構造を実現することはできなかった。
【発明の概要】
【００１１】
本発明は、光反射器と、波長フィルタと、半導体基板上に形成された光の増幅機能を有する半導体光素子とを含み、この半導体光素子の端面を共振器を構成する反射器として用いる半導体レーザにおいて、半導体光素子端面の反射器として、３０％程度（劈開端面相当）以下かつ数％以上の適当な反射率を有し、かつ、異なる機能領域間の光結合器として、５０％以上のできるだけ高い光結合効率を有する半導体レーザ、並びに、そのような半導体レーザを含む半導体レーザモジュール及び光送信機を提供することを目的とする。
【００１２】
本発明は、半導体基板上に形成され、分離溝によって相互に離隔された第１及び第２の半導体光導波路を有する半導体レーザにおいて、前記第１の半導体光導波路の前記分離溝に隣接する一方の端面と、該一方の端面と前記分離溝を介して対向する前記第２の半導体光導波路の端面とから成る一対の端面が複合光反射・結合器を構成することを特徴とする半導体レーザを提供する。
【００１３】
本発明の半導体レーザでは、分離溝を介して対向する第１半導体光導波路の端面と第２半導体光導波路の端面とを、複合光反射・結合器として用いる。このように、分離溝による端面を、光干渉を利用した複合光反射・結合器として用いることにより、半導体レーザとして、好適な特性、すなわち、第１の半導体光導波路側から分離溝部を見た実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡが、３０％程度（劈開端面相当）以下且つ１％以上であり、同時に、第１の半導体光導波路側から、第２の半導体光導波路側への光結合効率ＣＶＯＡが５０％以上を実現でき、高効率な半導体レーザを提供することができる。
【００１４】
本発明は、上記本発明の半導体レーザを有することを特徴とする光送信機を提供する。また、本発明は、上記本発明の半導体レーザと、波長ロッカーユニットとを備えることを特徴とする半導体レーザモジュールを提供する。本発明は、更に上記本発明の半導体レーザモジュールを有することを特徴とする光送信機を提供する。
【００１５】
本発明の半導体レーザでは、分離溝を介して対向する第１半導体光導波路の端面と第２半導体光導波路の端面とを、複合光反射・光結合器として用いる。このように、分離溝による端面を、複合光反射・光結合器として用いることにより、半導体レーザとして、好適な特性、すなわち、第１の半導体光導波路側から分離溝部を見た実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡが、３０％程度（劈開端面相当）以下且つ１％以上であり、同時に、第１の半導体光導波路側から、第２の半導体光導波路側への光結合効率ＣＶＯＡが５０％以上を実現でき、高効率な半導体レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】Ａは、外部共振型半導体レーザの基本構造のモデルを示す平面模式図、図１Ｂは、そのモデル中の分離溝を介して対向する半導体光導波路付近を拡大して示す斜視図である。
【図２】は、実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡのギャップ間隔ｄＧａｐ依存性を示すグラフである。
【図３】は、実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡ及び光結合効率ＣＶＯＡのギャップ間隔依存性を示すグラフである。
【図４】Ａ及び４Ｂは、半導体光導波路の分離溝に面する端面を傾斜させたモデルを示す模式図である。
【図５】Ａ及び５Ｂはそれぞれ、図４Ａ及び４ＢのモデルにおけるＲｆ＿ＳＯＡ及びＣＶＯＡのθｈ依存性を示すグラフである。
【図６】Ａ及び６Ｂは、双方の半導体光導波路の分離溝に面する端面を傾斜させたモデルを示す模式図である。
【図７】Ａ及び７Ｂはそれぞれ、図６Ａ及び６ＢのモデルにおけるＲｆ＿ＳＯＡ及びＣＶＯＡのθｈ依存性を示すグラフである。
【図８】は、ｎＧａｐ＝１におけるθｈとＲｆ＿ＳＯＡ及びＣＶＯＡとの関係を示すグラフである。
【図９】は、実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡ及び光結合効率ＣＶＯＡのオフセット依存性を示すグラフである。
【図１０】は、半導体光導波路の幅を変化させたときの、光結合効率ＣＶＯＡのギャップ間隔依存性を示すグラフである。
【図１１】は、半導体光導波路の幅を変化させたときの、実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡのギャップ間隔依存性を示すグラフである。
【図１２】は、実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡ及び光結合効率ＣＶＯＡのギャップ間隔依存性を示すグラフである。
【図１３】Ａは、本発明の第１実施形態の外部共振器型波長可変レーザの平面模式図、図１３Ｂは、その斜視図である。
【図１４】は、第１実施形態の外部共振器型波長可変レーザの変形例を示す斜視図。
【図１５】Ａは、本発明の第２実施形態の外部共振器型波長可変レーザの平面模式図、図１５Ｂは、その斜視図である。
【図１６】Ａは、本発明の第３実施形態の外部共振器型波長可変レーザの平面模式図、図１６Ｂは、その斜視図である。
【図１７】Ａは、本発明の第４実施形態の半導体レーザを示す平面模式図、図１７Ｂはその導波路寸法を示す線図。
【図１８】は、従来の光変調機能を有する半導体レーザの構成を示す平面模式図。
【図１９】は、従来の光変調機能を有する半導体レーザの別の構成例を示す平面模式図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、実施形態の説明に先立って、半導体基板上に形成された半導体光素子の端面を、光共振器を構成する光反射器として用いる半導体レーザについて、適切な光反射率と適度な光結合率とを両立させる光反射器の構造について検討する。従来、“１つのギャップ”を介して異なる領域を結合する光集積素子では、ギャップ（溝）を介して対向する対面からの反射光、すなわち反射戻り光を極力抑制するように、その構造が考えられてきた。また、反射戻り光の抑制について特に記載がない場合には、対面からの反射戻り光がないものとして議論がなされてきた。これは、異なる領域間での相互作用が無い状態で、光を伝搬結合させることに注目した議論であると言え、ギャップを介して集積される異なる領域各々には独立性が必要とされていたのである。この背景には、上記のような光集積素子においては、対面からの反射戻り光は、本来あってはならない擾乱要因である、という考えに基づくものであり、古くは“反射戻り光問題”として取り扱われ、反射戻り光は、常に徹底的に回避を考える対象であったことがある。よって、異なる領域が集積された光集積素子において、各々の領域で得られる最高特性を議論する場合には、特性劣化を招く端面からの反射戻り光は、その影響を無視し、ある意味“理想的な状態”のもとで議論がなされるのが常識であった。【００１８】
一方で、“２つ以上のギャップ”が連続して形成される場合、そのような構造は“回折格子”と称され、高反射率が得られる反射器としての特徴に着目して、上記とは逆に、複数の反射面からの反射光を、積極的に、かつ、効果的に利用するように、その構造が考えられてきた。この場合、考え方のベースは、回折格子の“ブラッグ反射”を利用するというものであり、ブラッグ反射の次数や、中心ブラッグ波長等を決定することで、溝幅が回折格子周期と等しいなど、ほぼ一意に溝構造が決定される。この場合、溝幅は、ブラッグ波長、又は、ブラッグ波長を中心とする狭い波長範囲で高反射率を得るために、ブラッグ条件を満足する幅で、可能な限り狭くすることが望ましいとされてきた。【００１９】
しかしながら、特に、第１の光反射器（光反射器Ａ）と、波長フィルタと、半導体基板上に形成された少なくとも光の増幅機能を有する半導体光導波路（半導体導波路Ａ）と、第２の光反射器（光反射器Ｂ）からなる光共振器を有する半導体レーザに、異なる機能を有する別の半導体光導波路（半導体導波路Ｂ）とを結合する半導体レーザでは、光反射器Ｂは、劈開端面相当の波長無依存性を有する反射器であることが望ましく、また、反射特性に波長依存性をなくすために、反射面の数は少ないことが望ましい。そこで、本発明では、反射器Ｂとして、１つのギャップのみを持つ構造に着目した。このとき、従来とは異なり、対面からの反射光を積極的に利用することに着目した。【００２０】
従来、ギャップが１つのみである場合には、もはや理想的な回折格子とは言えないため、多重反射を利用した高反射率化には不向きであり、ギャップは、単なる集積素子の分離構造として捉えられ、対面からの光反射は、可能な限りその影響を回避するよう対策を考えなければならないものであった。例えば、歴史的に古くから議論されてきた反射戻り光対策等に関する技術思想がこれに相当する。しかし、本発明では、むしろ対面からの反射光を積極的に利用することで、光増幅機能を有する半導体光導波路Ａ側に対しては適切な反射率が得られ、かつ、集積された異なる機能領域の半導体光導波路Ｂ側へ、半導体光導波路Ａから放射された光を、高い結合効率で入射させられる、極めて高歩留まりな構造を見出した。すなわち、半導体基板上に形成された半導体光導波路Ａと、半導体光導波路Ｂとが、分離溝を介して集積され、この分離溝が分離長ｄＧａｐで対向する半導体光導波路Ａ側の面ａと、半導体光導波路Ｂ側の面ｂとを有するとき、この分離溝部分を適切な構成とすることで、面ａ及び面ｂが、半導体レーザ用の光反射器として好適な複号光反射器を形成し、かつ、この複号光反射器が、集積された別の機能領域である半導体光導波路Ｂへの高効率光結合器としても働くことを見出した。【００２１】
上記分離溝による複号光反射・結合器は、光反射機構としては、（１）３０％程度（劈開端面相当）以下で、数％以上、例えば１％以上の適切な反射率を実現し、同時に、光結合機構としては、（２）５０％以上の高い光結合率を実現する。このような、複号光反射・結合器は、面ａと面ｂが分離長ｄＧａｐで対向するとき、半導体光導波路Ａから、面ａを経て放射した光が、面ｂによって反射し、面ａからの放射光と面ｂからの反射光とが、相互に干渉する構造とすることで実現できる。そのためには、少なくとも分離長ｄＧａｐは、“放射”光が相互に干渉可能な“可干渉距離以下”の“適当な長さ”に設定される必要があり、同時に、面ａ及び面ｂには適切な形状が求められる。以下、図面を参照し、この複合光反射・結合器を構成するために必要な構造条件について、詳細に説明する。なお、理解を容易にするために、全図を通して同様な要素には同じ符号を付して示した。【００２２】
図１Ａは、外部共振型半導体レーザの構造のモデルの平面模式図であり、図１Ｂは、分離溝を介して対向する半導体光導波路付近を拡大して示す斜視図である。このモデルでは、ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）領域１０３側の半導体光導波路Ａ１１０、その光出力端面、ギャップ、ＳＯＡ領域１０３と同一の半導体基板上に集積されたＶＯＡ（Variable Optical Attenuator）領域１０４側の半導体光導波路Ｂ１１１、その光入力側端面が存在する構成を考えた。なお、ＶＯＡ（Variable Optical Attenuator）領域１０４は、はＭＯＤ（Modulator）領域でもよい。【００２３】
詳しくは、上記モデルは、ＶＯＡ１０４に隣接する導波路Ｂ１１１、分離溝（ギャップ）１０５，ＳＯＡに隣接する導波路Ａ１１０、レンズ１０６、波長フィルタ１０２、及び、光反射器１０１から構成され、導波路Ａ１１０を含むＳＯＡ１０３、レンズ１０６、波長フィルタ１０２及び光反射器１０１がレーザ共振器１１３を構成する。
上記モデルで、可干渉性に影響を与える主なパラメータとしては、以下の４つを考える。
（１）ギャップ間隔ｄＧａｐ
（２）導波路の水平方向傾斜角度θｈ
（３）ＳＯＡ導波路とＶＯＡ導波路の間の水平方向位置オフセットｄｏｆｆｓｅｔ
（４）入出力光導波路幅（ギャップへの入出力部の光のスポットサイズに関係）【００２４】
複号光反射・結合器の特性を表す指標としては、ＳＯＡ領域１０３側の実効的な前端面反射率Ｒｆ＿ＳＯＡ、ＳＯＡ領域１０３側の半導体光導波路Ａ１１０からＶＯＡ領域１０４側の半導体光導波路Ｂ１１１への光結合効率ＣＶＯＡを用いた。ＣＶＯＡは、下記式（１）で定義される。
【数１】
2007080891.tif 000003
式（１）の意味するところは、半導体光導波路Ａ１１０側から入力した光Ｐｉｎのうち、“複合光反射器による”実効的なＳＯＡ前端面反射率Ｒｆ＿ＳＯＡで反射された光を除いて透過した全光を１００％（分母）としたとき、そのうちの何割が半導体光導波路Ｂ１１１の基本モードへ結合しているかを表している。放射に伴う損失等がないとすると、分母と分子は一致し、ＣＶＯＡは１００％となる。【００２５】
なお、パラメータとして、他に図１Ｂに示す導波路の垂直方向傾斜角θｖがあるが、θｖについては、干渉効果を得るためには、可能な限り傾斜がないことが望ましいため、以下では、θｖ＝０°として検討を進める。また、導波路の垂直方向位置については、位置ずれがないと仮定して議論を進める。これは、実際に素子を作製する際に、半導体光導波路Ａ１１０と、半導体光導波路Ｂ１１１を同一基板上に結晶成長等で形成すれば、この垂直方向位置ずれは、ほとんど無視できると考えられるためである。【００２６】
［ギャップ（溝）間隔ｄＧａｐの影響］
まず、可干渉性の様子を知るために、Ｒｆ＿ＳＯＡのギャップ間隔ｄＧａｐ依存性を解析的に調べた。この解析では、ギャップ媒質を空気（屈折率ｎＧａｐ＝１）とし、完全垂直端（θｖ＝θｈ＝０）で、半導体光導波路Ａ１１０と半導体光導波路Ｂ１１１との水平方向相対位置ずれはなし（ｄｏｆｆｓｅｔ＝０）とし、かつ、入射波長１．５５μｍを用いた。なお、半導体光導波路Ａ１１０及び半導体光導波路Ｂ１１１の光導波路幅は、共に１．５μｍ程度としており、このときの溝部出射・入射端の光スポットサイズは約２μｍ程度である。【００２７】
解析によるＲｆ＿ＳＯＡのギャップ間隔ｄＧａｐ依存性を図２に示す。干渉効果により、１５μｍ程度以下のギャップ間隔ｄＧａｐ領域で、実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡ振幅にリップルが現れることが分かる。リップル振幅はｄＧａｐが長くなるほど小さくなり、１５μｍ程度を越えるとほぼなくなり、最終的に一定の反射率約３０％に収束する。この約３０％程度の反射率は、劈開端面の反射率に等しく、干渉の影響がない場合に得られる反射率である。干渉効果の大小は、反射率の定常値（ｄＧａｐ＝∞でのＲｆ＿ＳＯＡ）を１としたときのリップル振幅の相対値で評価できる。【００２８】
特筆すべき点として、干渉効果を利用しない場合のＲｆ＿ＳＯＡは約３０％と一定であるが、干渉効果を利用することでＲｆ＿ＳＯＡはｄＧａｐに応じて変化し、図２の例では、反射率振幅のボトム領域を利用することで、Ｒｆ＿ＳＯＡを３０％（劈開端面反射率）より低い値で、かつ、数％より高い値とできる。従って、干渉効果を利用することで、半導体光導波路Ａ１１０側（ＳＯＡ側）からの光の取り出し効率を上げることができる。図２のグラフ（ａ）は、Ｒｆ＿ＳＯＡ振幅のボトムを結んだ点曲線を示しており、干渉効果を利用するためには、ｄＧａｐが比較的短い領域が有効であることがわかる。【００２９】
次に、図２において、干渉効果が顕著なｄＧａｐが５μｍ以下の領域について着目し、ギャップの屈折率ｎＧａｐ＝１の場合とｎＧａｐ＝２の場合とについて、実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡ及び光結合効率ＣＶＯＡのギャップ間隔依存性を詳細に調べた。この結果を図３に示す。同図において、グラフ（ａ）及び（ｂ）は、それぞれｎＧａｐ＝１のときの光結合効率ＣＶＯＡ及び実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡのギャップ間隔依存性を示しており、グラフ（ｃ）及び（ｄ）は、それぞれｎＧａｐ＝２のときの光結合効率ＣＶＯＡ及び実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡのギャップ間隔依存性を示している。同図を参照すると、光結合効率ＣＶＯＡは、ｄＧａｐが長くなるほど低下することがわかる。これは、放射によって光が失われていくことに起因する。しかしながら、干渉による多重光結合の効果が一助となり、急激に０になることはない。【００３０】
ｎＧａｐ＝１の場合については、光の放射角が比較的大きく、干渉効果がｄＧａｐの増加に伴って急激に失われていくため、グラフ（ａ）に示すように、ｄＧａｐ増加に伴うＣＶＯＡ低減率は大きい。グラフ（ａ）を参照すると、ｎＧａｐ＝１のときには、ｄＧａｐを１．３μｍ程度以下とすることで、ＣＶＯＡ＞５０％を得ることができる。一方、ｎＧａｐ＝２の場合には、光の放射角が比較的小さく、ｄＧａｐの増加に伴う干渉効果の低減率が小さいため、グラフ（ｃ）に示すように、ｄＧａｐ増加に伴うＣＶＯＡ低減率は小さい。グラフ（ｃ）を参照すると、ｎＧａｐ＝２のときには、ｄＧａｐを４μｍ程度以下とすることで、ＣＶＯＡ＞５０％を得ることができる。【００３１】
反射率Ｒｆ＿ＳＯＡについては、グラフ（ｂ）及び（ｄ）に示すように、ｎＧａｐ＝１の場合及びｎＧａｐ＝２の場合の双方とも、干渉効果によって、ｄＧａｐに応じて周期的に振動する。従って、ｄＧａｐを、所望の反射率が得られる値とすればよいが、実際に分離溝を作成した場合には、目標値と実際の値とでは０．１〜０．２μｍ程度のずれ（ばらつき）があることがわかっており、ｄＧａｐの値は、この誤差を考慮して設定することが好ましい。グラフ（ｂ）及び（ｄ）においては、ΔＲｆ＿ＳＯＡ／ΔｄＧａｐの値は、曲線のピーク位置及びボトム位置で最小となっており、このピーク位置やボトム位置を、ｄＧａｐの設計位置として用いることが好ましい。【００３２】
例えば、ｎＧａｐ＝１（グラフ（ｂ））の場合には、ｄＧａｐを、Ｒｆ＿ＳＯＡ振幅が“ボトム位置”となるｄＧａｐ＝０．８５μｍに設定する。この場合、このボトム位置ｄＧａｐ＝０．８５μｍ付近のＲｆ＿ＳＯＡの周期をΛとすれば、ｄＧａｐが０．８５±Λ／４μｍの範囲では、Ｒｆ＿ＳＯＡを数％以上で３０％程度以下とすることができ、多少の誤差があっても、所望の反射率を得ることができる。一方、ｎＧａｐ＝２（グラフ（ｄ））の場合には、Ｒｆ＿ＳＯＡの振幅のボトム位置では、反射率が１％以下となっており、反射率が低すぎるためｄＧａｐを、Ｒｆ＿ＳＯＡの振幅のピーク位置に設定する。この場合には、ｄＧａｐを“ピーク位置”±Λ／４とすることで、Ｒｆ＿ＳＯＡを１０数％程度以上で２０％程度以下とすることができる。【００３３】
以上についてまとめると、ＣＶＯＡについては、ｎＧａｐが１以上で２程度以下の場合には、ｎＧａｐ＝１よりも大きくなるほど、Ｒｆ＿ＳＯＡとＣＶＯＡとが同時に好適な値となるｄＧａｐの範囲を拡大することができる。このとき、Ｒｆ＿ＳＯＡについては、ｎＧａｐに応じて、ΔＲｆ＿ＳＯＡ／ΔｄＧａｐが小さいＲｆ＿ＳＯＡ曲線のピーク位置、又は、ボトム位置を用いることが有効である。ただし、このピーク位置又はボトム位置を設定したとき、さらに柔軟に反射率Ｒｆ＿ＳＯＡを制御できる手法が望まれる。これについては、後述の［導波路の水平方向傾斜角度θｈの影響］で説明する。【００３４】
なお、ｎＧａｐ＝２よりも更に大きくなり、半導体基板の屈折率と同程度（約３程度）の値になると、半導体部とギャップ部との間の屈折率差が小さくなりすぎて、干渉効果を利用しても、十分な反射率を得ることが困難になる。従って、ｎＧａｐは１以上で２程度以下の値が適当である。また、ｄＧａｐの下限については、ｄＧａｐ＝０μｍから長さを長くしていき、反射率Ｒｆ＿ＳＯＡリップルの最初のピーク位置又はボトム位置となる値をもって下限と考えることができる。【００３５】
［導波路の水平方向傾斜角度θｈの影響］
次に、干渉効果に、導波路水平傾斜がどのような影響を与えるかについて考える。導波路の水平傾斜については、まず図４Ａ及び４Ｂに示すような２通りの傾斜のさせ方について考える。すなわち、図４Ａに示すように、ＶＯＡ領域１０４側の半導体光導波路Ｂ１１１をθｈだけ傾斜させる場合と、図４Ｂに示すように、ＳＯＡ領域１０３側の半導体光導波路Ａ１１０を傾斜させる場合の２つのケースについて考える。なお、この検討では、ギャップ屈折率ｎＧａｐを約１．４３（ＳｉＯ２相当）とし、ギャップ間隔ｄＧａｐを２．５μｍとした。また、光導波路幅は、引き続き１．５μｍ（光のスポットサイズは２μｍ程度）としている。この条件は、水平傾斜角度θｈ＝０°のときに、ＣＶＯＡは５０％程度得られ、Ｒｆ＿ＳＯＡは定常値（ｄＧａｐ＝∞時に得られる値）の約２倍の値である３０％程度が得られるという条件である。なお、図４Ａ及び４Ｂにおいて、ＳＯＡ領域１０３からＶＯＡ領域１０４へ伸びる矢印は、ＳＯＡ領域１０３側からＶＯＡ領域１０４側へ入力される光の光線伝搬の様子を模式的に示したものである。【００３６】
図５Ａ及び５Ｂは、それぞれＲｆ＿ＳＯＡ及びＣＶＯＡのθｈ依存性を示しており、図５Ａは、図４Ａの構造における依存性を、図５Ｂは、図４Ｂの構造における依存性をそれぞれ示している。図４Ａに示すように、ＶＯＡ領域１０４側の端面を傾斜させる場合には、図５Ａに示すように、θｈが増加しても、Ｒｆ＿ＳＯＡはあまり低下せず（グラフ（ａ））、反射に対する干渉効果はある程度維持されていることがわかる。その結果、傾斜角度θｈが０°から１０°の範囲における、Ｒｆ＿ＳＯＡの変化は、３０％から２６％程度にとどまっている。しかし、光結合率ＣＶＯＡは、５０％から２６％へと比較的大きく低下している（グラフ（ｂ））。これは、干渉効果よりも光軸ずれの影響が大きいからであると考えられる。【００３７】
一方、図４Ｂに示すように、ＳＯＡ領域１０３側の端面を傾斜させる場合には、図５Ｂに示すように、Ｒｆ＿ＳＯＡ低下は大きく（グラフ（ａ））、傾斜角度θｈが０°から１０°の範囲では、Ｒｆ＿ＳＯＡは３０％から１０％程度へと、約１／３に低下した。このときの光結合率ＣＶＯＡの低下割合は、ＶＯＡ領域１０４側の端面を傾斜させた場合とほぼ同じで、５０％から２０％程度であった（グラフ（ｂ））。なお、図４Ｂのケースで、Ｒｆ＿ＳＯＡが低下する理由は、特開平７−２０３５９に記載される光導波路傾斜の効果によるものと考えられる。しかしながら、図５Ｂの結果は、特開平７−２０３５９に記載の値よりも低減率が抑制されているといえる。この点について説明する。まず図５Ｂの条件は、光のスポットサイズが２μｍ程度であり、ギャップ（溝）の屈折率ｎＧａｐが１よりも大きい１．４３程度であることを考えると、特開平７−２０３５９の図２では、Ｗ＝３μｍ程度のスポットサイズと同程度の条件と考えられる。しかし、図５Ｂで見積もられた反射減衰量、即ちＲｆ＿ＳＯＡの反射低減率は、特開平７−２０３５９の値（＝２０ｄＢ程度、即ちＲｆ＿ＳＯＡが３０％→０．３％低減に相当）よりも大幅に小さく、これは、本発明で見いだした干渉効果の影響によるものと考えている。このことから、特開平７−２０３５９に記載の内容は、干渉効果がない場合、ないし、干渉そのものについて想定していない場合の結果と考えられ、特開平７−２０３５９に記載された事項は、干渉効果が生じない領域において有効であると考えられる。【００３８】
上記のように、図４Ａ及び４Ｂの構造では、何れの場合も、θｈを変化させることでＲｆ＿ＳＯＡを低下させる方向に制御できるが、θｈを変化させたときのＣＶＯＡ低下率が大きく、ＣＶＯＡの低下を抑制できる構造を見いだすことが求められる。ＣＶＯＡが悪化する原因の１つには、ＳＯＡ領域１０３側の半導体光導波路Ａ１１０からＶＯＡ領域１０４側の半導体光導波路Ｂ１１１へ入射する光の光軸のずれが考えられる。そこでこの光軸ずれの補償に着目し、ＳＯＡ領域１０３側の端面を傾斜させると同時に、ＶＯＡ領域１０４側についても端面を傾斜させることを考えた。この検討モデルを図６に示す。ＳＯＡ−ＶＯＡ間の光軸整合を考えると、図６ＡのようにＳＯＡ側端面とＶＯＡ側端面が平行になるように、点対称にθｈを導入することが有効である。逆に、図６Ｂのように線対称にθｈを導入すると、光軸ずれが増大する。【００３９】
図７Ａ及び７Ｂは、それぞれＲｆ＿ＳＯＡ及びＣＶＯＡのθｈ依存性を示しており、図７Ａは、図6Ａの構造に対する結果を、図７Ｂは、図６Ｂの構造に対する結果を示している。図6Ａに示すように、ＳＯＡ領域１０３側の端面とＶＯＡ領域１０４側の端面とを点対称に傾斜させる場合には、図７Ａのグラフ（ａ）に示すように、傾斜角度が増大するにつれてＲｆ＿ＳＯＡは３０％から９％へと低下する。但し、値自体は、図５ＢにおいてＳＯＡ領域１０３側の端面のみを傾斜させた場合と同程度となっている。しかし、ＣＶＯＡについて見ると、図５Ｂに示したように、ＳＯＡ領域１０３側のみ傾斜させた場合は５０％から２０％へと急減していたものが、図７Ａのグラフ（ｂ）に示すように、５０％から３５％程度への低下に抑えられており、光軸整合の効果が顕著に現れているといえる。一方、図７Ｂに示すように、ＳＯＡ領域１０３側の端面とＶＯＡ領域１０４側の端面とを線対称に傾斜させる場合については、Ｒｆ＿ＳＯＡの低減は、点対称傾斜（図７Ａ）の場合とほぼ同じであるが（グラフ（ａ））、ＣＶＯＡは更に大きく悪化し（グラフ（ｂ））、５０％から３．５％まで減少している。これは光軸不整合の増大によるものと考えられる。【００４０】
以上の検討から、ＳＯＡ領域１０３側の端面とＶＯＡ領域１０４側の端面とを同時に、点対称に傾斜させる構造を導入することで、“Ｒｆ＿ＳＯＡ値を光の取り出し効率を向上させる上で適当な値”に制御しつつ、比較的大きいＣＶＯＡをも同時に得られる見通しを得た。この手法は、図３において、ｎＧａｐ＝２の場合のように、Ｒｆ＿ＳＯＡ曲線のピーク位置にｄＧａｐを設定することが必要な場合に、Ｒｆ＿ＳＯＡを低下方向に制御する上で有効と考える。また、ｎＧａｐ＝１の場合でも、Ｒｆ＿ＳＯＡ曲線のピーク位置にｄＧａｐを設定し、かつ、θｈを傾斜させて、適当な反射率Ｒｆ＿ＳＯＡを得るというアプローチにも有効である。【００４１】
図８は、ｎＧａｐ＝１におけるθｈとＲｆ＿ＳＯＡ及びＣＶＯＡとの関係を示している。同図では、Ｒｆ＿ＳＯＡとＣＶＯＡの値を、θｈ＝０°のときの値で規格化して示している。シミュレーションにより、異なる３種類のｄＧａｐに対して、θｈとＲｆ＿ＳＯＡ及びＣＶＯＡと関係を求めると、図８に示すように、何れのｄＧａｐについても、Ｒｆ＿ＳＯＡは、θｈの増加に伴って単調に減少する。一方、ＣＶＯＡはθｈにほとんど依存しない。特に、ｄＧａｐ＝２μｍのときについて、Ｒｆ＿ＳＯＡとＣＶＯＡの実験結果を図８にプロットすると、この実験結果と計算結果との傾向は良く一致しており、ピーク位置又はボトム位置付近のｄＧａｐにおいて、適切なθｈを用いることで、ＣＶＯＡを高く維持しつつ、任意のＲｆ＿ＳＯＡを実現できることがわかった。【００４２】
しかしながら、図７Ｂのグラフ（ｂ）に示すように、ＳＯＡ領域１０３側の端面とＶＯＡ領域１０４側の端面とを点対称に傾斜させても、ＣＶＯＡの値は、傾斜させる前の値である５０％まで回復しておらず、更なる改善策の導入が望まれる。そこで、ＳＯＡ−ＶＯＡ間で、光軸だけでなく、光の水平方向位置ずれをも整合させるよう、ＶＯＡ領域１０４側の光導波路へ水平方向の位置オフセットを導入することを検討した。【００４３】
［ＳＯＡ−ＶＯＡ導波路の水平方向位置オフセットｄｏｆｆｓｅｔの影響］
以下の検討では、あらかじめ固定するパラメータとして、引き続きギャップ屈折率ｎＧａｐ＝約１．４３、光導波路幅１．５μｍ（光のスポットサイズは２μｍ程度）、ギャップ間隔ｄＧａｐ＝２．５μｍを用い、傾斜角度θｈ＝７°とした。ＶＯＡ領域１０４側の半導体光導波路Ｂ１１１の位置の水平方向最適オフセット量は、これら四つのパラメータに強く依存するため、検討では、これらのパラメータを、まず把握しておく必要がある。なお、これらのパラメータの組み合わせを用いることで、ＣＶＯＡはθｈ＝０°のとき５０％以上が得られ、Ｒｆ＿ＳＯＡはθｈ＝０°の時の１／２程度の値が得られる。【００４４】
解析結果を図９に示す。水平方向の位置オフセット量ｄｏｆｆｓｅｔ＝０では、ＣＶＯＡは４０％程度と初期値５０％よりも１０％低い値となるが（グラフ（ａ））、オフセット量が増えるに従って改善し、ｄｏｆｆｓｅｔ＝０．５μｍで最大値（約５０％）となる。この値は、θｈ＝０°の初期値とほぼ同じであり、θｈの導入によるＣＶＯＡの悪化をほぼ完全に補償できることがわかった。なお、Ｒｆ＿ＳＯＡ値は、オフセットの導入により実効的なギャップ間隔が変わるため、オフセット量の変化に伴って、僅かながら変化している（グラフ（ｂ））。ここで、ギャップ屈折率ｎＧａｐを１より大きくすると、ギャップへ放射される光の屈折角が小さくなる。従って、ｎＧａｐが大きいほど、オフセット量ｄｏｆｆｓｅｔは少なくて済むことになる。【００４５】
［入出力光導波路幅（光のスポットサイズ）の影響］
次に、ギャップ部への入出力光導波路幅（ＷＳＯＡ、ＷＶＯＡ）の狭幅化による、光スポットサイズの拡大が光結合効率ＣＶＯＡ及び実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡに与える影響を検討する。この検討では、半導体光導波路の幅を１．５μｍから０．５μｍまで、０．２μｍ間隔で狭幅化し、各光導波路幅のときの光結合効率ＣＶＯＡ及び実効反射率Ｒｆ＿ＳＯＡを求めた。結果を図１０及び図１１に示す。図１０を参照すると、半導体光導波路Ａ１１０の幅ＷＳＯＡ及び半導体光導波路Ｂ１１１の幅ＷＶＯＡを狭幅化することで、ＣＶＯＡのｄＧａｐに対する低下率を大幅に抑制できることがわかる。特に、幅ＷＳＯＡ及びＷＶＯＡを１．５μｍから０．５μｍ（光のスポットサイズ約２μｍから約８μｍへの拡大に相当）とすることで、ギャップ間隔ｄＧａｐ＝５μｍまで、ＣＶＯＡ＞５０％が期待できる。一方で、図１１に示すように、幅ＷＳＯＡ及びＷＶＯＡを狭幅化すると、ｄＧａｐが大きくなっても、Ｒｆ＿ＳＯＡのリップル振幅はあまり低下せず、初期の振幅が維持されるようになる。これは、光の放射角が小さくなるため、光が拡散することなくより遠方まで伝わり、対面から反射して再び戻ってくるためである。つまり、可干渉距離が伸びるためと考えられる。【００４６】
最後に、光のスポットサイズ拡大と、端面の水平方向傾斜θｈの同時導入について考える。図6Ａに示すような点対称配置でθｈ＝７°とし、オフセットは有りの場合と無しの場合とについて検討した。オフセット有りの場合には、オフセット量は、図９においてＣＶＯＡが最大となるｄｏｆｆｓｅｔ=０．７５μｍとした。検討結果を図１２に示す。同図においては、比較のために、θｈ＝０°、ｄｏｆｆｓｅｔ＝０のときのＲｆ＿ＳＯＡ及びＣＶＯＡをグラフ（ｅ）及び（ｆ）として示している。図１２にグラフ（ｂ）として示すように、θｈ＝７°とすることで、Ｒｆ＿ＳＯＡ振幅を０．２（実効反射率２０％）程度の適当な値に調整でき、デバイス適用上、適当な値とできることが確認できた。同時に、ｄＧａｐが４μｍ程度以下の領域で、５０％以上のＣＶＯＡを得られることが確認できた（グラフ（ｄ））。更に、オフセットを入れることで、ＣＶＯＡ、ｄＧａｐ、Ｒｆ＿ＳＯＡに対して、トレランスの広い構造を実現することができ（グラフ（ａ）、（ｃ））、特にｄＧａｐ＝２μｍ程度で７０％を越えるＣＶＯＡと最適なＲｆ＿ＳＯＡ＝０．２程度を得られることが確認できた。【００４７】
以下、本発明の様々な態様について説明する。本発明の半導体レーザでは、前記分離溝が、前記半導体基板の屈折率よりも低い屈折率であって、１〜２の範囲の屈折率ｎＧａｐを有する媒質で充填されている構成を採用することができる。この場合、半導体レーザとして好適な特性が得られるｄＧａｐの範囲を、よりｄＧａｐが長い方向に拡大できる。また、分離溝を形成した後で、実際に形成されたｄＧａｐの長さを測定し、その長さに応じて、所望のＲｆ＿ＳＯＡとＣＶＯＡが得られる屈折率ｎＧａｐの媒質で溝部を充填することで、ｄＧａｐ形成プロセス時の作製誤差を補償することができ、高歩留まりで高出力・高効率な半導体レーザを提供することができる。【００４８】
前記複合光反射・結合器を構成する一対の端面が、前記半導体基板の主面と平行な面内で光の進行方向に垂直な方向から同じ傾斜角θでかつ同方向に傾斜し、前記傾斜角θは各端面における光の全反射角よりも小さい構成を採用することができる。この場合、半導体レーザとして好適な特性が得られる分離溝の長さ（ｄＧａｐ）の範囲が拡大され、良好なＲｆ＿ＳＯＡとＣＶＯＡとを有する素子の作製歩留まりを向上させることができ、より低コストで高光出力・高効率な半導体レーザを提供することができる。更に、溝部の屈折率ｎＧａｐに応じたθの値を選ぶことで、より最適化されたＲｆ＿ＳＯＡとＣＶＯＡの組み合わせを実現でき、より高出力・高効率な半導体レーザを提供することができる。なお、θが全反射角以上になると、ほとんどの光は光導波路へ戻ってこなくなるため、θの絶対値は小さい方が好ましい。【００４９】
前記第１及び第２の半導体光導波路が、それぞれ、前記分離溝に隣接して、光のスポットサイズを変換する機能を有する導波路領域を有する構成を採用することができる。この場合、半導体レーザとして好適な特性が得られるｄＧａｐの範囲を、ｄＧａｐが長い方向に大幅に拡大できる。ターゲットとなるｄＧａｐが短いほど、分離溝作製プロセスにおいて高精細なパターニングが必要であり、電子ビーム露光法等を用いる必要があるが、ｄＧａｐを長くできることでスループットの大きなステッパ等を用いることができるようになり、素子の作製に、簡便な設備を利用することができ、低コストかつ高歩留まりで、高出力・高効率な半導体レーザを提供することができる。【００５０】
前記第１及び第２の半導体光導波路の相互位置が、前記分離溝を介して、前記半導体基板の主面と平行方向にオフセットしている構成を採用できる。この場合、オフセット量を、分離長ｄＧａｐ、傾斜角θ、光のスポットサイズ、分離溝の屈折率ｎＧａｐ等に応じて調整することにより、高いＣＶＯＡを有する半導体レーザを提供することができる。【００５１】
前記傾斜角θが１５°以下であり、前記分離溝の長さｄＧａｐが１５μｍ以下であり、前記光のスポットサイズが１０μｍ以下であり、前記屈折率ｎＧａｐが１〜２である構成を採用することができる。この場合、より好適なＲｆ＿ＳＯＡとＣＶＯＡとを得ることができ、高出力・高効率な半導体レーザを提供することができる。【００５２】
前記第１の半導体光導波路の前記一方の端面における実効反射率の前記分離溝の長さｄＧａｐに対する周期をΛとし、前記実効反射率がピーク又はボトムとなる長さをＬとするとき、前記分離溝の長さｄＧａｐが、Ｌ±Λ／４の範囲である構成を採用できる。分離溝の分離長ｄＧａｐに対するＲｆ＿ＳＯＡの特性を調べると、Ｒｆ＿ＳＯＡは、ｄＧａｐが短い範囲では周期的に変動する。このとき、Ｒｆ＿ＳＯＡがトップ又はボトムとなる位置では、ｄＧａｐの変化に対するＲｆ＿ＳＯＡの変化率（微分値）が最小となるため、ｄＧａｐを、所望のＲｆ＿ＳＯＡが得られるトップ又はボトム位置付近に設定することで、作製後のＲｆ＿ＳＯＡ誤差を最小とすることができ、歩留まりを向上して、高出力・高効率な半導体レーザを、低コストで提供できる。【００５３】
前記第２の半導体光導波路は、前記第１の半導体光導波路と対向する端面の反対側に、反射防止膜が形成された光出射側の端面を有し、該光出射側の端面の近傍で該光出射側の端面に対して５°〜１５°の範囲で傾斜している構成を採用できる。この場合、第２の半導体光導波路のＡＲ膜が形成された端面からの反射戻り光を抑制することができ、安定したレーザ発振特性を有する半導体レーザを提供することができる。【００５４】
前記分離溝がエッチングで形成され、前記光反射器を構成する一対の端面が、該エッチングにより形成されたファセットである構成を採用できる。この場合、複合光反射・結合器の特性として容易に波長無依存性を実現でき、半導体レーザの発振波長が、変わることによる光反射・結合特性のばらつきを抑制できる。また、第１の半導体光導波路と第２の半導体光導波路とのアッセンブリ工程を省略することができ、低コストかつ高歩留まりで、小型・高出力・高効率な半導体レーザを提供することができる。【００５５】
前記第１の光導波路と、前記複合光反射・結合器及び第１の半導体光導波路と組み合わされて光共振器を構成する光反射器との間に、波長フィルタを有する構成を採用できる。【００５６】
前記光反射器及び波長フィルタが、前記半導体基板上に形成されている構成を採用できる。この場合、より小型・コンパクトなサイズで、より高いモード安定性が得られる半導体レーザを提供することができる。【００５７】
前記光反射器及び波長フィルタが、前記半導体基板の外部に配設された光部品である構成を採用できる。この場合、レーザ共振器を外部共振器型とすることにより、高出力・高効率な外部共振器型半導体レーザを提供することができる。【００５８】
前記第１の半導体光導波路は、前記第２の半導体光導波路と対向する端面の反対側に、反射防止膜が形成された端面を有する構成を採用することができる。この場合、第１の半導体光導波路の分離溝側の端面とは反対側の端面からの反射による複合共振器化を避けることができ、良好なモード安定性、相対雑音強度（ＲＩＮ）特性や線幅特性、そして高発振波長精度を有する半導体レーザを提供することができる。【００５９】
前記第１の半導体光導波路は、前記第２の半導体光導波路と対向する端面の反対側の端面の近傍で、該端面に対して５°〜１５°の範囲で傾斜している構成を採用することができる。この場合、第１の半導体光導波路の分離溝側の端面とは反対側の端面からの反射を、より抑制できる。【００６０】
前記波長フィルタが、石英系ＰＬＣフィルタ、Ｓｉ導波路フィルタ、液晶フィルタ、及び、光ファイバグレーティングフィルタの少なくとも１つを含む構成を採用できる。この場合、波長の高精度設定・安定化が可能な高出力・高効率な半導体レーザを提供することができる。【００６１】
前記波長フィルタが波長可変フィルタである構成を採用できる。この場合、波長可変半導体レーザを提供することができる。【００６２】
前記第１の半導体光導波路が、少なくとも光の増幅機能を有し、前記第２の半導体光導波路が、少なくとも光の制御機能を有する構成を採用できる。【００６３】
前記第２の半導体光導波路の光制御機能が、光の増幅機能、光の変調機能、光の減衰機能、光の受光機能、光のスイッチ機能、及び、光の合分波機能のうち少なくとも一つを含む構成を採用できる。この場合、光の増幅機能による高光出力特性や、光の変調機能による高速光変調特性、光の減衰機能による光レベル可変特性、光のモニタ機能、光のルーティング機能、光の合分波機能を有する半導体レーザを提供することができる。例えば、前記第２の半導体光導波路を、マッハツェンダー型光変調器から構成してもよい。【００６４】
前記第２の半導体光導波路が、電流駆動の光変調機能及び可変光減衰機能を有する構成を採用できる。この場合、素子作製上の不具合等で、実際には第２の半導体光導波路への光結合効率ＣＶＯＡが５０％よりも低くなる場合であっても、第２の半導体光導波路に光増幅機能を持たせることが可能となり、十分な光出力での光変調特性・光減衰特性を得ることができ、更に、波長可変レーザ化する場合に極めて有効な波長無依存光変調を可能とする半導体レーザを提供することができる。【００６５】
前記第１の半導体光導波路が、光の位相調整機能を更に有する構成を採用できる。この場合、特に波長可変フィルタとの組み合わせにより、位相チューニング機能によってモードがより安定化された波長可変半導体レーザを提供することができる。【００６６】
以下、添付図面を参照し、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。図１３Ａは、本発明の第１実施形態の外部共振器型波長可変半導体レーザの上面を模式的に示し、図１３Ｂは、その斜視図を示している。この外部共振器型波長可変半導体レーザ１００は、ＩｎＰ基板１２０上にモノリシック集積された半導体光増幅器（ＳＯＡ）１０３、位相調整領域１０７、分離溝１０５、及び、可変光減衰器（ＶＯＡ）１０４と、外部に配置されたコリメータレンズ１０６、波長フィルタ１０２、及び、光反射器１０１とを備える。ＳＯＡ領域１０３、位相調整領域１０７、コリメータレンズ１０６、波長フィルタ１０２、及び、光反射器１０１は、レーザ共振器１１３を構成する。符号１０８、１０９はそれぞれ、ｐ電極、及び、及びｎ電極を示す。【００６７】
ｎ−ＩｎＰ基板１２０上の半導体光増幅器（ＳＯＡ）１０３の領域長は６００μｍ、位相調整領域１０７の領域長は１５０μｍ、光減衰器（ＶＯＡ）１０４の領域長は５００μｍである。ＳＯＡ領域１０３は、基板側の下層側から、１００ｎｍ厚の下側ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、フォトルミネッセンス波長１．５６μｍ程度を有する圧縮歪みＩｎＧａＡｓＰウエル（５ｎｍ厚）／ＩｎＧａＡｓＰバリア（１０ｎｍ厚）からなる６層の多重量子井戸活性層、１００ｎｍ厚の上側ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、２μｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッド層、及び、０．３μｍ厚のｐ＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を順次に有する。ＳＯＡ領域１０３のコリメータレンズ１０６に面する領域は、斜め導波路（曲がり導波路）となっており、劈開面に対して５°傾斜している。また、この端面にはＡＲ膜１１７が形成され、斜め端面導波路とＡＲ膜１１７との相乗効果により、端面反射率が０．１％以下に抑制されている。位相調整領域１０７は、厚さ２５０ｎｍ、組成波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰバルク層からなる光導波路を有し、ＳＯＡ領域１０３と、位相調整領域１０７とは、バットジョイント接続されている。【００６８】
分離溝１０５は、バルク層からなる光導波路領域にドライエッチングで形成され、深さは約８μｍである。分離溝１０５の形成に際しては、溝部を精密に形成するため、エッチング耐性が大きく、なるべく薄いマスクを選ぶ必要がある。分離溝１０５は、プロセス最終工程において、ＩＣＰドライエッチングで形成するが、その際に、マスクとして、例えばＴｉ等の金属、ＳｉＯ２、又は、ＳｉＯＮなどを用いることができる。高精度マスクとしては、選択比が比較的高い金属マスクが望ましく、本実施形態では、７５ｎｍ厚のＴｉマスクを用いた。得られたエッチング面はきわめて平滑で、約８９．５°の垂直性が得られた。水平方向の傾斜については、図6Ａに示すような点対称の傾斜とし、傾斜角は、位相調整領域１０７及びＶＯＡ領域１０４に対して１０°とした。分離溝１０５は、空気で満たされており、ギャップの屈折率はｎＧａｐ＝１である。また、溝間隔ｄＧａｐは０．８μｍとした。このような構成とすることで、レーザ共振器に対する実行反射率を４％程度とし、位相調整領域１０７を出射する光のＶＯＡ領域１０４への光結合効率を５５％程度とすることができた。【００６９】
ＶＯＡ領域１０４は、ＳＯＡ領域１０３と同様な構造を有する。このＶＯＡ領域１０４の出射端面側は、斜め導波路となっており、劈開面に対して５°傾斜している。この端面にはＡＲ膜１１７が形成され、斜め端面導波路とＡＲ膜１１７との相乗効果により、端面反射率が０．１％以下に抑制されている。なお、この傾斜角度は、ＳＯＡ領域１０３のコリメータレンズ１０６に面する領域の斜め導波路傾斜角度（＝５°）と同じであり、同じ角度を用いることで、本レーザをモジュール内へ配設する際、光取り出し用の光ファイバへ向かう光軸と、コリメータレンズ１０６側へ向かう光軸とを一致させることができるため、本波長可変レーザを構成する各コンポーネント、即ち、Ｉｎｐ基板１２０、外部に配置されたコリメータレンズ１０６、波長フィルタ１０２、及び、光反射器１０１などを、最小面積で配置することができる。ここで注意すべき点として、素子出射端面の傾斜角度については、小さすぎると反射率低減効果が少なくなり、逆に大きすぎると出射ビームの形状が歪むことによるファイバ等への光結合効率の悪化等を招くことになる。このため適切な範囲に抑える必要があり、５°〜１５°程度の範囲内で可能な限り小さくすることが好適であると考えられる。【００７０】
ＳＯＡ領域１０３、位相調整領域１０７、及び、ＶＯＡ領域１０４には、それぞれｐ電極１０８として、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極によるパッドが形成され、ｎ電極１０９としてＣｒ／Ａｕ電極が形成される。また、各領域には、電流ブロック層としてｐｎｐ電流ブロック１１５が形成される。【００７１】
ｎ−ＩｎＰ基板１２０外部には、光反射器１０１、波長フィルタ１０２、及び、コリメータレンズ１０６が配置される。コリメータレンズ１０６には、直径２．５ｍｍのコリメート用レンズを用いた。波長フィルタ１０２には、液晶から構成されるフィルタを用いた。この波長フィルタ１０２の透過ピーク波長は、フィルタに印可する電圧を変えることでチューニングでき、１．５３μｍ〜１．５７μｍの範囲で調整可能である。光反射器１０１には、Ａｕコートされた全反射ミラーを用いた。【００７２】
最終的に、以上のような構成を有する外部共振器型半導体レーザ１００と、“２つのフォトダイオードとエタロン”を用いたＩＴＵ規格の５０ＧＨｚ間隔に対応した波長ロッカーユニットとを搭載した光モジュールを作製した。ＳＯＡ領域１０３への注入電流は１２０ｍＡ、位相調整領域１０７へのチューニング電流は５ｍＡ以下程度で位相制御を行い、ＶＯＡ領域１０４を光増幅に利用し、注入電流は２００ｍＡとした。このような条件で、モジュール特性を測定したところ、波長可変幅は４０ｎｍに亘り、５０ＧＨｚ間隔での波長チューニングが可能で、その際、良好なモジュール光出力２０ｍＷ、及び、副モード抑圧比５０ｄＢが得られた。また、波長チューニング時に、他チャンネルへの不要光の漏洩を防止するためのＶＯＡ機能として、ＶＯＡ領域への注入電流０ｍＡで−５５ｄＢｍの消光特性を得ることができた。【００７３】
なお、素子の高信頼化を図るためには、分離溝１０５にＳｉＯ２等のパシベーション膜を形成することや、図１４に示すように、溝部を、グリセリンやＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）などのパシベーション用ジェル１１６で封止することが有効である。ただし、その際には、溝部の屈折率ｎＧａｐは１．５程度へと増加するため、溝間隔ｄＧａｐと傾斜角度θｈとの組み合わせを、ｎＧａｐに応じて適切に設定する必要がある。【００７４】
図１５Ａは、本発明の第２実施形態の外部共振器型波長可変半導体レーザの上面を模式的に示し、図１５Ｂは、その斜視図を示している。この外部共振器型波長可変半導体レーザ１００ａは、ＩｎＰ基板１２０上にモノリシック集積されたＳＯＡ領域１０３、位相調整領域１０７、分離溝１０５、及び、電流駆動光変調が可能な光変調器兼ＶＯＡ領域１０４ａと、外部に配置されたコリメータレンズ１０６、波長フィルタ１０２、及び、光反射器１０１とを備える。【００７５】
ｎ−ＩｎＰ基板１２０上のＳＯＡ領域１０３の領域長は５５０μｍ、位相調整領域１０７の領域長は１００μｍ、光変調器兼ＶＯＡ領域１０４ａの領域長は２５０μｍである。ＳＯＡ領域１０３は、基板側の下層側から、１３０ｎｍ厚の下側ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、フォトルミネッセンス波長１．５６μｍ程度を有する圧縮歪みＩｎＧａＡｓＰウエル（４．５ｎｍ厚）／ＩｎＧａＡｓＰバリア（１０ｎｍ厚）からなる６層の多重量子井戸活性層、１３０ｎｍ厚の上側ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、２μｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッド層、及び、０．２μｍ厚のｐ＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を順次に有している。このＳＯＡ領域１０３のコリメータレンズ１０６へ面する領域は、斜め導波路１４０となっており、劈開面に対して１５°傾斜している。また、この端面にはＡＲ膜１１７が形成され、斜め導波路１４０とＡＲ膜１１７との相乗効果により。端面反射率が０．０１％以下に抑制されている。位相調整領域１０７は、厚さ３３７ｎｍ、組成波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰバルク層からなる光導波路を有し、ＳＯＡ領域１０３及び位相調整領域１０７はバットジョイント接続されている。【００７６】
分離溝１０５は、バルク層からなる光導波路領域にドライエッチングで形成され、深さは約８μｍである。垂直性については、約８９．５°の垂直性が得られた。水平方向については、位相調整領域１０７及び光変調器兼ＶＯＡ領域１０４ａの導波路に対して６°の角度で傾斜して形成している。分離溝１０５には、屈折率１．６のＵＶ硬化樹脂を封入し硬化した。この構造で、溝間隔として０．７５μｍを用いた結果、レーザ共振器に対する実効反射率を７％程度、位相調整領域１０７を出射する光の光変調器領域への結合効率を７０％程度とすることができた。【００７７】
光変調器兼ＶＯＡ領域１０４ａは、基板側の下層側から、１００ｎｍ厚の下側ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、フォトルミネッセンス波長１．５５μｍ程度を有する圧縮歪みＩｎＧａＡｓＰウエル（５ｎｍ厚）／ＩｎＧａＡｓＰバリア（１０ｎｍ厚）からなる１０層の多重量子井戸活性層、１００ｎｍ厚の上側ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、２μｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッド層、及び、０．２μｍ厚のｐ＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を順次に有している。光変調器兼ＶＯＡ領域１０４ａについても、出射端面に面する領域は斜め導波路１４０となっており、劈開面に対して１５°傾斜して面している。また、この端面はＡＲ膜１１７が形成され、斜め導波路１４０とＡＲ膜１１７との寄与により、端面反射率が０．０１％以下に抑制されている。なお、本実施形態では、素子出射端の斜め角度を限界の１５°まで傾けている。これは、電流駆動光変調が、光変調器兼ＶＯＡ領域１０４ａの光増幅（注入電流量が透明キャリア密度以上になるバイアス時）領域をも変調で使用するため、端面からの反射戻り光が存在すると、光増幅によって変調特性の悪化を招くため、反射戻り光をできるだけ抑制することが好ましいからである。【００７８】
ＳＯＡ領域１０３、位相調整領域１０７、及び、光変調器兼ＶＯＡ領域１０４ａには、それぞれｐ電極１０８として、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極によるパッドが形成され、ｎ電極１０９としてＣｒ／Ａｕ電極が形成される。また、低容量化を図るため、各領域に、電流ブロック層としてＲｕドープ高抵抗ＩｎＰ電流ブロック１１８が形成されている。【００７９】
ｎ−ＩｎＰ基板１２０外部で、レーザの外部共振器を構成するコリメータレンズ１０６には、直径２．５ｍｍのコリメート用レンズを用いた。波長フィルタ１０２には、液晶から構成されるフィルタを用いた。この波長フィルタ１０２の透過ピーク波長は、フィルタに印可する電圧を変えることでチューニングでき、１．５３μｍ〜１．５７μｍの範囲で調整可能である。光反射器１０１には、Ａｕコートされた全反射ミラーを用いた。【００８０】
第１実施形態と同様に、上記構成の外部共振器型半導体レーザ１００ａと波長ロッカーユニットとを搭載した光モジュールを作製したところ、モジュール特性として、３０℃駆動時、ＳＯＡ領域１０３への注入電流１５０ｍＡ、位相調整領域１０７へのチューニング電流５ｍＡ以下程度での位相制御で、光変調器兼ＶＯＡ領域１０４ａを光増幅に利用した場合、注入電流として８０ｍＡで、波長可変幅４０ｎｍに亘り、５０ＧＨｚ間隔での波長チューニングとモジュール光出力１０ｍＷ、副モード抑圧比５０ｄＢが得られた。また、光変調器兼ＶＯＡ領域１０４ａの電流駆動光変調特性として、最大値８０ｍＡ電流駆動で１０Ｇｂｐｓ変調可能、動的消光比７ｄＢを得ることができた。本実施形態の構造では、光変調器兼ＶＯＡ領域１０４ａと位相調整領域１０７とが分離溝１０５によって完全に分離されているため、両領域間の電気抵抗として１ＭΩ以上という極めて高い電気的アイソレーション、更に熱的にも大きなアイソレーションが実現できるため、このような大振幅の電流駆動変調を行っても、波長安定性、モード安定性に影響を与えない良好な特性を得ることができた。【００８１】
図１６Ａは、本発明の第３実施形態の外部共振器型波長可変半導体レーザのの上面を模式的に示し、図１６Ｂは、その斜視図を示している。本実施形態の外部共振器型波長可変半導体レーザ１００ｂは、ＩｎＰ基板１２０上にモノリシック集積された半導体光増幅器（ＳＯＡ）１０３、位相調整領域１０７、分離溝１０５、及び、光変調器（ＭＯＤ）１０４ｂと、石英系ＰＬＣによるループ型波長可変フィルタ基板１２１とを有する。本実施形態は、外部共振器としてループ型波長可変フィルタ基板１２１を用い、ＶＯＡ１０４（図１３）に代えて光変調器１０４ｂをＩｎＰ基板１２０上に集積する点で、第１実施形態と相違する。【００８２】
ｎ−ＩｎＰ基板１２０上の各領域は、以下のように形成される。半導体光増幅器（ＳＯＡ）１０３は、ｎ−ＩｎＰ基板１２０の最下層側から、７０ｎｍ厚の下側ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、フォトルミネッセンス波長１．５５μｍ程度を有する圧縮歪みＩｎＧａＡｓＰウエル（５ｎｍ厚）／ＩｎＧａＡｓＰバリア（８ｎｍ厚）からなる５層の多重量子井戸活性層、７０ｎｍ厚の上側ＩｎＧａＡｓＰ光閉じ込め層、２μｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッド層、及び、０．２μｍ厚のｐ＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を有し、領域長は５００μｍである。このＳＯＡ領域１０３の導波路のループ型波長可変フィルタ基板１２１側は、傾斜導波路となっており、劈開面に対して１０°傾斜している。端面にはＡＲ膜１１７が形成され、斜め端面導波路とＡＲ膜１１７との相乗効果により、端面反射率が０．０４％以下に抑制されている。【００８３】
長さ２００μｍの位相調整領域１０７は、厚さ２００ｎｍ、組成波長１．３μｍのＩｎＧａＡｓＰバルク層からなる光導波路を有し、ＳＯＡ領域１０３と位相調整領域１０７とはバットジョイントされている。ＳＯＡ領域１０３と位相調整領域１０７は、十分に電気的に分離されており、分離抵抗は１０ｋΩ以上あり、互いに電流が干渉しない配慮がなされている。【００８４】
分離溝１０５は、バルク層からなる光導波路領域にドライエッチングで形成され、深さは約１０μｍである。エッチング面は、約８９．５°と垂直に形成し、水平方向は、位相調整領域１０７及び光変調器領域１０４の導波路に対してほぼ垂直（傾斜なし）に形成している。分離溝１０５の幅は、１．２μｍとした。分離溝１０５には、ＳｉＯ２が充填されており、溝部屈折率ｎＧａｐは約１．４５である。位相調整領域１０７と光変調器１０４ｂの分離抵抗については、１ＭΩ以上である。分離溝１０５を、このように形成することにより、レーザ共振器に対する実効反射率を１０％程度、位相調整領域１０７を出射する光の光変調器領域への結合効率を７０％程度とすることができた。【００８５】
光変調器１０４ｂは、ＳＯＡ領域１０３とは異なる層構造を有しており、ＩｎＰ基板１２０側の最下層側から、４０ｎｍ厚のＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層、フォトルミネッセンス波長１．４８μｍ程度を有する圧縮歪みＡｌＧａＩｎＡｓウエル（８ｎｍ厚）／ＡｌＧａＩｎＡｓバリア（８ｎｍ厚）からなる７層の多重量子井戸活性層、４０ｎｍ厚の上側ＡｌＧａＩｎＡｓ光閉じ込め層、２０ｎｍ厚のＡｌＩｎＡｓオーバフロー防止層、２μｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッド層、及び、０．２μｍ厚のｐ＋−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を有し、領域長は２００μｍである。光変調器１０４ｂの出射端面側の光導波路は斜め導波路１４０となっており、劈開面に対して１０°傾斜している。この端面にはＡＲ膜１１７が形成され、斜め端面導波路とＡＲ膜１１７の寄与により、端面反射率が０．０４％以下に抑制されている。【００８６】
ＳＯＡ領域１０３、位相調整領域１０７、及び、光変調器１０４ｂには、それぞれｐ電極１０８として、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極によるパッドが形成され、ｎ電極１０９としてＣｒ／Ａｕ電極が形成される。また、各領域には、電流ブロック層としてＦｅドープＩｎＰ高抵抗層１１９が形成されている。【００８７】
次に、石英系ＰＬＣによるループ型波長可変フィルタ基板１２１について説明する。ループ型波長可変フィルタ基板１２１は、石英系ＰＬＣによる２段ループフィルタとして構成され、基板サイズは、長さ５ｍｍで、幅５ｍｍ程度である。ＳＯＡ領域１０３とループ型波長可変フィルタ基板１２１とは、バットジョイント結合されており、ＳＯＡ領域１０３とループ型波長可変フィルタ基板１２１とのバットジョイント間隔は、数μｍである。また、ループ型波長可変フィルタ基板１２１の第１のポート１２２のＳＯＡ領域１０３側は、ＳＯＡ領域１０３の光導波路の傾斜に対応して１０°傾斜しており、斜め導波路１４０となっている。また、ＳＯＡ領域１０３側の端面にはＡＲ膜１１７が形成されており、反射戻り光が抑制されている。なお、ループ型波長可変フィルタ基板１２１とＳＯＡ領域１０３との間には、図１と同様なコリメータレンズを配置することもできる。その場合には、外部共振器間隔が広くなるため、ループ型波長可変フィルタ基板１２１の反射特性には、より狭帯域化が求められる。【００８８】
ループ型波長可変フィルタ基板１２１は、第１のポート１２２が１×２のＹ型光分波器１２３に光学的に結合され、１×２光分波器１２３には、第２のポート１２４及び第３のポート１２５が接続されている。ここで、第２のポート１２４及び第３のポート１２５は、ループ状に光学的に結合されており、ループの中途に、第１のリング共振器１２７と、第２のリング共振器１２８とが配置されている。第１のリング共振器１２７と、第２のリング共振器１２８とは、異なる特性を有する光リング共振器で構成されている。第１のリング共振器１２７のフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）は、ＦＳＲ１＝５０．０ギガヘルツに設定されている。また、第２のリング共振器１２８のＦＳＲは、ＦＳＲ２＝４９．５ギガヘルツに設定されている。リング共振器のフィネス（ＦＳＲに対する透過ピーク帯域の比）は１５を用いた。【００８９】
第２のポート１２４、第３のポート１２５、第１のリング共振器１２７、及び、第２のリング共振器１２８は、ループ型波長可変フィルタ１２６を構成する。これらの部品は、同一の温度コントローラ（ＴＥＣ、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｌｅｒ）上に搭載され、温度制御がされている。なお、図示は省略しているが、ループ型波長可変フィルタ基板１２１には、温度モニタ用のサーミスタ、光出力モニタ用のＰＤ（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）等が適切な位置に配置されている。第２のリング共振器１２８には、リング共振器の温度を変化させることができるマイクロヒータ１２９が敷設されている。ＦＳＲが５０ＧＨｚの第１のリング共振器１２７のチャネルは、ＩＴＵの標準チャンネルに一致させている。【００９０】
以上のような構成の外部変調器型波長可変半導体レーザ１００ｂを含む光モジュールを作成し、ＳＯＡ領域１０３への注入電流を２００ｍＡ、位相調整領域１０７へのチューニング電流は５ｍＡ以下程度で位相制御を行い、光変調器１０４ｂへの印可電圧を０〜２Ｖ、抵抗加熱器の温度制御範囲を約８０℃としてレーザ特性を測定したところ、波長可変幅は４０ｎｍに亘り、５０ＧＨｚ間隔での波長チューニングが可能で、その際、レーザ出力は１０ｍＷで、副モード抑圧比は５０ｄＢが得られた。また、１０Ｇｂｐｓ光変調時の消光比として１３ｄＢが得られた。【００９１】
図１７Ａは、本発明の第４実施形態の波長可変半導体レーザを示し、図１７Ｂは、その各部の寸法を示している。本実施形態は、ループ型波長可変フィルタがＩｎＰ基板１２０上にモノリシック集積されており、波長可変半導体レーザ１００ｃを構成するループ型波長可変フィルタ１３０、ＳＯＡ領域１０３、位相調整領域１０７、及び、光変調器（ＭＯＤ）１０４ｂが全て同一ＩｎＰ基板１２０上にモノリシック集積される点で、第３実施形態と相違する。本実施形態では、ＳＯＡ領域１０３及び光変調器１０４ｂの分離溝１０５側の光導波路には、光スポットサイズ変換領域１４１が配置されており、分離溝１０５は、空気で満たされている。【００９２】
ループ型波長可変フィルタ１３０は、２段リングから構成されている。光合分波器１３２は、多モード干渉型の光合分波器として構成される。光合分波器１３２は、図１６の１×２光分波器１２３に相当しており、１導波路部はＳＯＡ領域１０３の導波路と接続され、２導波路部はそれぞれループ型波長可変フィルタ１３０を構成する光リング共振器１３３、１３４に光学的に接続されている。光合分波器１３２及びループ型波長可変フィルタ１３０は、ハイメサ導波路で形成されており、埋め込み導波路で形成されているＳＯＡ領域１０３、位相調整領域１０７及び、光変調器１０４ｂとは、モノリシックにバットジョイントで接続されている。このような埋め込み導波路とハイメサ導波路の接続例については、例えば「M. Kohtoku et al., ”Polarization Independent Semiconductor Arrayed Waveguide Grating Using a Deep-Ridge Waveguide Structure, IEICE Trans. Electron., vol. E81-C, no. 8, p. 1195, August 1998.」に記載されており、詳細な説明は省略する。【００９３】
本実施形態では、ループ型波長可変フィルタ１３０とＳＯＡ領域１０３とがモノリシック集積されているため、両領域間の光接続は良好であり、第３実施形態で用いた両領域間での反射戻り光を抑制するための斜め導波路１４０及びＡＲ膜１１７は不要である。両領域間の光挿入損失を測定すると、０．５ｄＢ以下であった。また、本実施形態では、リング共振器部に半導体ハイメサ導波路を用いているため、導波路コアとクラッドとの間で、大きな屈折率差を得ることができ、石英系ＰＬＣ技術を用いた第３実施形態に比して、リング共振器の曲率半径を小さくすることができ、大きなＦＳＲで小型のフィルタを形成することができる。リング共振器のパラメータは、第１のリング共振器１３３のフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）は、ＦＳＲ１＝２００ＧＨｚに設定され、第２のリング共振器１３４のＦＳＲは、ＦＳＲ２＝１９２．３ＧＨｚに設定されている。リング共振器のフィネス（ＦＳＲに対する透過ピーク帯域の比）は２２を用いた。【００９４】
また、第１及び第２のリング共振器１３３、１３４の導波路直上には、別途、リング共振器の温度を変化させることができるＰｔマイクロヒータが敷設されている。本実施形態では、第３実施形態に比して、リング径が小さくなっているが、半導体光導波路の温度に対する屈折率変化率は、石英系の約１０倍あるため、より低い温度上昇で、必要な波長チューニングを得ることができる。なお、基板端に面する４つの光導波路１３５は斜め導波路化しており、基板面に対して１７°傾斜して、基板面からの反射戻り光抑制を行っている。本実施形態では、チューニング波長をＩＴＵの標準チャンネルに一致させるために、レーザの外に波長ロッカーユニットを搭載している。【００９５】
次に、スポットサイズ変換領域１４１について説明する。ＳＯＡ領域１０３、位相調整領域１０７、及び、光変調器１０４ｂの光導波路は、１．５μｍ幅で形成されており、スポットサイズ変換領域１４１では、最終的に、分離溝１０５側の端部で導波路幅が０．５μｍとなるように、導波路がテーパ状に形成される。この構造で得られるスポットサイズは１０μm程度である。この光スポットサイズに対応して、第２実施形態では、２μm厚であったｐ−ＩｎＰクラッド層を、６μｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッドに変えている。このため、溝形成で必要なエッチング量は、第１及び第２実施形態では約８μｍであったが、本実施形態では１２μｍになっている。この程度の深さ増については、Ｔｉマスクを用いたＩＣＰエッチングでエッチングが可能であるが、スポットサイズをこれ以上大きくすると、クラッドを更に厚くしなければならず、クラッド成長時間の長時間化、エッチング溝形成精度の悪化等が懸念されるため、光スポットサイズについては、１０μｍ程度が上限であると考えられる。このようなスポットサイズ変換構造を導入した結果、素子全体としては若干長さが長くなるが、分離溝形成に対する長さ方向の作製許容度を増すことができた。その結果、本実施形態では、空気媒質の分離溝幅を２．７５μｍとすることができ、溝作製にスループットの良いステッパ技術を適用することができた。なおθｈとしては、波面歪みを抑制しつつ最大限相対反射率を下げられる１５°を、導波路オフセットには１μｍを用いた。【００９６】
ここで、スポットサイズ変換領域１４１の導波路は、位相調整領域１０７と同程度の受動組成を導波路に用いており、分離溝１０５も受動領域に形成される形になっている。これにより、分離溝１０５に面する部分に電流注入しないようにできるため、長期信頼性的に優れた特性を得ることができるという効果も得られる。【００９７】
本実施形態の半導体レーザ１００ｃは、光変調器領域１０４ｂの長さは１９５μｍ、分離溝１０５両側のスポットサイズ変換領域１４１の長さがそれぞれ１００μｍ、分離溝１０５の間隔が２．７５μｍ、位相調整領域１０７の長さが２００μｍ、ＳＯＡ領域１０３の長さが４００μｍで、ループ型波長可変フィルタ１３０のハイメサ領域１３１の長さが５００μｍであり、全体サイズは、長さ１５００μｍ×幅３００μｍと小さく、同一の温度コントローラ（ＴＥＣ、Ｔｈｅｒｍｏ−Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｏｌｅｒ）上に搭載され、温度制御がされている。その他、図示は省略しているが、ＴＥＣ上には、温度モニタ用のサーミスタ、光出力モニタ用のＰＤ（Ｐｈｏｔｏ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）等が適切な位置に配置されている。【００９８】
以上のような構成の半導体レーザ１００ｃを用い、ＳＯＡ領域１０３への注入電流は２００ｍＡ、位相調整領域１０７へのチューニング電流は１０ｍＡ以下程度で制御を行い、光変調器１０４ｂへの印可電圧を０〜２Ｖ、Ｐｔマイクロヒータの温度制御を約７０℃としてレーザ特性を測定したところ、波長可変幅は４０ｎｍに亘り、５０ＧＨｚ間隔での波長チューニングが可能で、その際、レーザ出力は１５ｍＷで、副モード抑圧比は５０ｄＢが得られた。また、１０Ｇｂｐｓ光変調時の消光比として１３ｄＢが得られた。このように、本実施形態では、第３実施形態に比して、高光出力化が可能であり、また、半導体レーザを更に小型化することができる。【００９９】
なお、第３実施形態では、リング共振器１３３、１３４と、導波路１３５との接続部に、方向性結合器を用いた例を示しているが、これには限定されない。方向性結合器に代わり、多モード干渉型結合器を用いることもできる。【０１００】
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の半導体レーザ、モジュール、及び、光送信機は、上記実施形態例にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【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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【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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【手続補正書】
【提出日】平成19年6月1日(2007.6.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成され、分離溝（１０５）によって相互に離隔された第１及び第２の半導体光導波路（１１０、１１１）を有する半導体レーザにおいて、
前記第１の半導体光導波路（１１０）の前記分離溝（１０５）に隣接する一方の端面と、該一方の端面と前記分離溝（１０５）を介して対向する前記第２の半導体光導波路（１１１）の端面とから成る一対の端面が複合光反射・結合器を構成し、前記分離溝（１０５）が、前記半導体基板の屈折率よりも低い屈折率であって、１〜２の範囲の屈折率を有する媒質で充填され、更に、前記第一の半導体光導波路（１１０）と、前記複合光反射・結合器及び第一の半導体光導波路（１１０）と組み合わされて光共振器を構成する光反射器（１０１）との間に、波長可変フィルタ（１０２）を有することを特徴とする波長可変レーザ。
【請求項２】
前記複合光反射・結合器を構成する一対の端面が、前記半導体基板の主面と平行な面内で光の進行方向に垂直な方向から同じ傾斜角θでかつ同方向に傾斜し、前記傾斜角θは各端面における光の全反射角よりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項３】
前記第１及び第２の半導体光導波路（１１０、１１１）の相互位置が、前記分離溝（１０５）を介して、前記半導体基板の主面と平行方向にオフセットしていることを特徴とする、請求項２に記載の波長可変レーザ。
【請求項４】
前記第１の半導体光導波路（１１０）の前記一方の端面における実効反射率の、前記分離溝（１０５）の長さｄＧａｐに対する周期をΛとし、前記複合光反射・結合器の実効反射率がピーク又はボトムとなる長さをＬとするとき、前記分離溝（１０５）の長さｄＧａｐが、Ｌ±Λ／４の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項５】
前記第１及び第２の半導体光導波路（１１０、１１１）が、それぞれ、前記分離溝（１０５）に隣接して、光のスポットサイズを変換する機能を有する光導波路領域を有することを特徴とする、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項６】
前記第２の半導体光導波路（１１１）は、前記第１の半導体光導波路（１１０）と対向する端面の反対側に、反射防止膜（１１７）が形成された光出射側の端面を有し、該光出射側の端面の近傍で該光出射側の端面に対して５°〜１５°の範囲で傾斜していることを特徴とする、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項７】
前記分離溝（１０５）がエッチングで形成され、前記複合光反射・結合器を構成する一対の端面が、該エッチングにより形成されたファセットであることを特徴とする、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項８】
前記複合光反射・結合器の実効反射率が１％以上３０％以下であり、光結合効率が５０％以上であることを特徴とする、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項９】
前記波長可変フィルタが、前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項１０】
前記第１の半導体光導波路（１１０）は、前記第２の半導体光導波路と対向する端面の反対側に反射防止膜（１１７）が形成された光出射端面を有し、該光出射端面の近傍で該光出射端面に対して５°〜１５°の範囲で傾斜しており、且つ、前記波長可変フィルタが、前記半導体基板の外部に配設された光部品であり、該波長可変フィルタが、石英系ＰＬＣフィルタ、Ｓｉ導波路フィルタ、液晶フィルタ、及び、光ファイバグレーティングフィルタの少なくとも１つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項１１】
前記第１の半導体光導波路が、少なくとも光の増幅作用を有し、前記第２の半導体光導波路が、少なくとも光の制御機能を有し、該光の制御機能が、光の増幅機能、光の変調機能、光の減衰機能、光の受光機能、光のスイッチ機能、及び、光の合分波機能のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項１２】
前記第１の半導体光導波路が、光の位相調整機能を更に有することを特徴とする、請求項１１に記載の波長可変レーザ。
【請求項１３】
（削除）
【請求項１４】
（削除）
【請求項１５】
（削除）
【請求項１６】
（削除）
【請求項１７】
（削除）
【請求項１８】
（削除）
【請求項１９】
（削除）
【請求項２０】
（削除）
【請求項２１】
（削除）
【請求項２２】
（削除）
【請求項２３】
（削除）
【請求項２４】
（削除）
【請求項２５】
（削除）
【国際調査報告】
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