(57)【要約】【課題】本発明の目的は、長期信頼性を確保しながら、狭線幅化と小型化を実現することができる半導体レーザを提供することである。【解決手段】本発明の半導体レーザは、基板と、基板上に形成されたファブリ・ペロ共振器と、を備え、ファブリ・ペロ共振器の内部には、利得領域と、利得領域と結合する光導波路と、１又は２以上のリング共振器のドロップ・ポートからなる光フィルタと、が配置され、リング共振器は、方向性結合器を介して光導波路に結合し、光フィルタのディチューニング量をφ、利得領域の線幅増大係数をα、方向性結合器の結合係数をｋをとした場合、ディチューニング量が、下記式を満たす。2012033807.tif 000018【選択図】      図１
2012033807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に形成されたファブリ・ペロ共振器と、を備え、
前記ファブリ・ペロ共振器の内部には、
利得領域と、
前記利得領域と結合する光導波路と、
１又は２以上のリング共振器のドロップ・ポートからなる光フィルタと、が配置され、
前記リング共振器は、方向性結合器を介して前記光導波路に結合し、
前記光フィルタのディチューニング量をφ、前記利得領域の線幅増大係数をα、前記方向性結合器の結合係数をｋをとした場合、前記ディチューニング量が、
2012033807.tif 000017
・・・式（１）
を満たすことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記ファブリ・ペロ共振器の内部に、波長選択機構を更に備え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】
前記波長選択機構は、１又は２以上のリング共振器から構成され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】
前記ファブリ・ペロ共振器の内部に、更に位相制御領域を備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記位相制御領域の位相シフト量が可変であり、前記位相シフト量により前記ディチューニング量を制御する請求項４に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記光フィルタの共振波長が可変であり、前記共振波長により前記ディチューニング量を制御する請求項１乃至５に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記ファブリ・ペロ共振器の共振波長が可変である請求項１乃至６に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記光フィルタのフリー・スペクトラル・レンジは、５０ＧＨｚまたは５０ＧＨｚの整数倍であることを特徴とする、請求項１乃至７に記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ブロードバンド接続の本格的普及に伴い、トラフィックの急速な増大とアクセス手段やサービスの多様化が進展しつつある。これに対応するため、光ファイバ通信網の整備、即ち、大容量通信網へのアップグレードがすすめられている。このような光ファイバ通信網の整備において、光ファイバの敷設コストはその相当部分を占める。そのため、既設の光ファイバ通信網をそのまま使用することで、光ファイバの敷設コストを抑えることが望ましい。また、大容量化のために伝送速度を上げた場合でも、高価な分散補償ファイバの使用は避けることが望ましい。
【０００３】
以上のような理由から、デジタル・コヒーレント方式による光ファイバ通信技術の開発が進められている。デジタル・コヒーレント方式とは、コヒーレント検波技術と超高速デジタル信号処理技術とを組み合わせ、送信側で光搬送波の振幅と位相とを符号化し、受信側で伝送後の振幅と位相とを復号するという通信方式である。すなわち、デジタル信号処理により、多値符号化された位相値の検出、偏波の分離、光ファイバ伝送路の分散補償の３つを同時に行う。そのため、高価な分散補償ファイバを用いずに既設の光ファイバ通信網をそのまま使用しながら伝送路の大容量化を実現することができる。
【０００４】
一方、デジタル・コヒーレント方式においては、発振線幅が狭い半導体レーザ（ＬＤ：ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ）が必要となる。狭線幅の半導体レーザが必要な理由として、２つの理由が挙げられる。１つ目の理由は、位相変調された光信号のコヒーレント検波の受信感度が、半導体レーザの位相雑音、即ち線幅で決まるためである。２つ目の理由は、位相スリップの問題を回避するためである。位相スリップとは、例えば４位相偏移変調方式（ＱＰＳＫ：ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  ｐｈａｓｅ  ｓｈｉｆｔ  ｋｅｙｉｎｇ）の場合、コヒーレント検波時に位相雑音が混入した場合に検波位相値の絶対値が受信の途中からπ/２ずれてしまい、カタストロフィックに受信エラーが発生する現象のことである。
【０００５】
受信感度の観点からは、偏波多重４位相偏移変調方式（ＤＰ−ＱＰＳＫ：Ｄｕａｌ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ-ＱＰＳＫ）の場合、５００ｋＨｚ程度以下の線幅の光源が、送受信において必要とされる。また、８相位相偏移変調方式（８ＰＳＫ：８  Ｐｈａｓｅ  Ｓｈｉｆｔ  Ｋｅｙｉｎｇ）あるいは１６値直交振幅変調方式（１６ＱＡＭ：１６  Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ  Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）の場合、１００ｋＨｚ程度以下の線幅の光源が、送受信において必要とされる。位相スリップの観点からは、さらにその数分の一以下の線幅が必要であると考えられている。
【０００６】
半導体レーザの線幅は、共振器を構成する導波路損失が十分に小さい場合は共振器長の２乗に反比例する。一方、導波路損失が大きい場合は共振器長に反比例する。このことを利用し、共振器を長共振器長化することによって発振線幅の狭線幅化を図ることが考えられる。しかし、この方法を用いた場合、例えば４０ｋＨｚの線幅を実現するためには、導波路損失が十分に小さい場合であっても、共振器長を半導体系材料で４ｍｍ以上、石英系材料で９ｍｍ以上にする必要がある。また、導波路損失が大きい場合はその数倍以上の長共振器長化が必要となり、発振閾値が大幅に上昇するという問題が発生する。
【０００７】
発振線幅を狭線幅化するために共振器を長共振器長化している半導体レーザが、例えば非特許文献１や非特許文献２に記載されている。非特許文献１に記載の半導体レーザは、長共振器長化したλ／４シフトＤＦＢ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ  ｌａｓｅｒ）レーザである。図１２には、λ／４シフトＤＦＢレーザの基本構造を示す。λ／４シフトＤＦＢレーザにおいては、発振縦モードを単一化するために共振器の中央付近に設けられている回折格子位相シフト部に、光電界が集中する。そして、この光電界の局所的集中ために回折格子位相シフト部の屈折率が変化して位相シフト効果が減少する。その結果、所謂空間的ホールバーニングが発生し、発振縦モードが不安定化する。この空間的ホールバーニングは、共振器を長共振器長化すると発生しやすくなる。このような理由から、λ／４シフトＤＦＢレーザの共振器長を１ｍｍ以上とすることは困難である。そのため、非特許文献１に記載された半導体レーザにおいては、十分な狭線幅化を図ることが出来ず、その線幅は５００ｋＨｚ程度となる。
【０００８】
また、非特許文献２に記載の半導体レーザは、図１３に示すように、空間光学系を用いて活性領域と波長選択部とを結合することにより、共振器の長共振器長化を図っている。
【０００９】
また、非特許文献３には、半導体レーザの発振スペクトル線幅の算出方法について記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  ｖｏｌ．１５，  Ｎｏ．３,  ｐｐ．５１４−５２０，  ２００９
【非特許文献２】Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．２１，  Ｎｏ．３，  ｐｐ１１３−１１５，  １９８５
【非特許文献３】伊藤良一・中村道治共編‘半導体レーザ[基礎と応用]’、培風館、161-168頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述したように、非特許文献１に記載の半導体レーザにおいては、空間的ホールバーニングの発生を避けるために大幅な長共振器長化は出来ない。そのため、狭線幅化はそれほど望めない。
【００１２】
一方、非特許文献２に記載の半導体レーザによれば、共振器の長共振器長化によって数１０ｋＨｚ以下の狭線幅特性を実現できる。しかしながら、活性領域と波長選択部と空間光学系との間の精密な光軸合わせが必要になるため、小型化が困難である。
【００１３】
そのため、非特許文献１及び非特許文献２に記載の半導体レーザにおいては、狭線幅化と小型化とを両立させることが困難であった。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みて、狭線幅化と小型化を実現することができる半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の半導体レーザは、基板と、基板上に形成されたファブリ・ペロ共振器と、を備え、ファブリ・ペロ共振器の内部には、利得領域と、利得領域と結合する光導波路と、１又は２以上のリング共振器のドロップ・ポートからなる光フィルタと、が配置され、リング共振器は、方向性結合器を介して光導波路に結合し、光フィルタのディチューニング量をφ、利得領域の線幅増大係数をα、方向性結合器の結合係数をｋをとした場合、ディチューニング量が、
2012033807.tif 000003
【００１６】
を満たす。
【発明の効果】
【００１７】
本発明により、半導体レーザの狭線幅化と小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態における半導体レーザの構造を示す。
【図２】本発明の第２の実施形態における半導体レーザの構造を示す。
【図３】本発明の第２の実施形態におけるリング共振器の構成を表す平面図である。
【図４】リング共振器のドロップ・ポートからの透過特性を示す図である。
【図５】本発明の関連する半導体レーザおける動作原理を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態における半導体レーザにおける動作原理を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における半導体レーザの動作原理の数値的根拠を説明するための解析モデルを示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における半導体レーザの実効的αパラメータαｅｆｆの、ディチューニング量φ依存性の計算結果である。
【図９】本発明の第２の実施形態における半導体レーザの光出力のディチューニング量φ依存性の計算結果である。
【図１０】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基本構成を示す平面図である。
【図１１】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波長制御の動作原理を説明する図である。
【図１２】本発明に関連するλ/４シフトＤＦＢレーザの基本構造を示す。
【図１３】本発明に関連する空間光学系による半導体レーザの構造を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。しかしながら、係る形態は本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００２０】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態における半導体レーザの構成について、図１を用いて説明する。
【００２１】
本実施形態の半導体レーザ１０は、基板１１と、基板１１上に形成されたファブリ・ペロ共振器１２を備える。ファブリ・ペロ共振器１２は、反射鏡１９と反射鏡２０との間で光が共振する共振器である。また、ファブリ・ペロ共振器１２の内部には、第一の光導波路１３と、第二の光導波路１４と、利得領域１５と、リング共振器１６と、第一の方向性結合器１７と、第二の方向性結合器１８と、が形成されている。第一の光導波路１３は、第一の方向性結合器１７によってリング共振器１６と結合する。第二の光導波路１４は、第二の方向性結合器１８によってリング共振器１６と結合する。
【００２２】
リング共振器１４のドロップ・ポートは、光フィルタとして動作する。そして、この光フィルタのディチューニング量φが、以下の式（１）を満たす。ディチューニング量とは、レーザ発振周波数と、光フィルタとして動作するリング共振器のリング共振周波数と、の差を、フリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ：ｆｒｅｅ  ｓｐｅｃｔｒａｌ  ｒａｎｇｅ）で規格化したものである。より具体的には、レーザ発振周波数からリング共振周波数を引いた値を、ＦＳＲの値で割る。これに２πを掛けることで、本実施形態におけるディチューニング量が算出される。
2012033807.tif 000004
【００２３】
なお、αは利得領域１５の線幅増大係数を示す。ｋは第一及び第二の方向性結合器１７、１８の結合係数を示す。なお、式（１）の導出については、第２の実施形態において詳細に説明する。
【００２４】
本実施形態においては、ファブリ・ペロ共振器１２の内部に配置される光フィルタのディチューニング量φが、式（１）を満たすことにより、半導体レーザ１０の狭線幅化を図ることができる。また、第一及び第二の光導波路１３、１４と、利得領域１５と、リング共振器１６と、第一及び第二の方向性結合器１７、１８は、それぞれ基板１１上に集積することが可能である。そのため、半導体レーザの小型化が可能となる。
【００２５】
以上のように、本実施形態の半導体レーザにおいては、半導体レーザの狭線幅化と小型化を実現することができる。
【００２６】
なお、本実施形態におけるファブリ・ペロ共振器１２の内部には、リング共振器１６を一つ配置することとしたが、これに限らない。すなわち、第３の実施形態で述べるように、リング共振器を複数配置することとしても良い。
【００２７】
また、反射鏡１９と反射鏡２０との形態は、図１に図示した形態に限らない。すなわち、後述する第３の実施形態のように、ループ・ミラーと用いることとしても良い。
【００２８】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態における半導体レーザの構成について、図２を用いて説明する。
【００２９】
本実施形態の半導体レーザ１００は、基板１０１、反射鏡１０２、１０３、利得領域１０４、波長選択機構１０５、第一の光導波路１０６、第二の光導波路１０７、リング共振器１０８と、を備える。
【００３０】
これら構成要素の材料系としては、基板１０１を含む全ての構成要素がＩｎＰ（燐化インジウム）系、ＧａＡｓ（砒化ガリウム）系等の化合物半導体であっても良い。あるいは、各構成要素がそれぞれ異なる材料系を組み合わせたものであってもよい。この場合、例えば、化合物半導体と石英系材料、シリコン系材料、有機系材料との組み合わせが考えられる。
【００３１】
利得領域１０４は通常の半導体レーザあるいは半導体光増幅器の活性領域と同一の層構造であり、埋め込み型２重ヘテロ構造と、電流狭窄構造とを有する。また、利得領域１０４は、片側の端面に反射鏡１０２を形成する。一方、反対側の端面には反射鏡を形成せず、高効率に第一の光導波路１０６と結合する。反射鏡１０２は、誘電体多層膜あるいは誘電体膜と金属膜との組合せにより、任意の反射率を得ることができる。第一の光導波路１０６、第二の光導波路１０７、リング共振器１０８は、高屈折率のコア層が低屈折率のクラッド層で埋め込まれた構造を有する。第一の光導波路１０６は、利得領域１０４と高効率に結合するように、各々の材料系の屈折率等を考慮してスポット・サイズが最適化されている。スポット・サイズの最適化のために、スポット・サイズ変換器を集積することとしても良い。
【００３２】
また、波長選択機構１０５にはファブリ・ペロ共振器、エタロン共振器、分布帰還構造（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ｆｅｅｄｂａｃｋ）、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）、リング共振器、等いずれの光フィルタを用いても良い。波長選択機構１０５の片側の端面は反射鏡１０３を形成する。一方、反対側の端面は反射鏡を備えないため、第二の光導波路１０７と高効率で結合する。
【００３３】
また、反射鏡１０２と１０３により、ファブリ・ペロ共振器１０９が形成される。そして、このファブリ・ペロ共振器１０９の内部に、リング共振器１０８のドロップ・ポート１１０からなる光フィルタが形成されている。
【００３４】
発振波長（発振周波数）は、ファブリ・ペロ共振器１０９の位相条件を満たす任意の波長を、波長選択機構１０５により選択することによって制御される。ファブリ・ペロ共振器１０９の位相条件を制御するために、第一の光導波路１０６に屈折率制御機構を設けても良い。屈折率制御機構は、例えば、第一の光導波路１０６のコア層の直上にヒーターを設けることで形成しても良い。この場合、ヒーター加熱により屈折率が変化する熱効果を利用することができる。なお、光吸収損失が生じないように、コア層とヒーターとの間には、適切な厚さのクラッド層を設けることとしても良い。屈折率制御機構の別の例としては、例えば、第一の光導波路１０６を半導体材料の埋め込み構造としても良い。この場合、注入キャリアのプラズマ効果による屈折率変化を利用することができる。更に、リング共振器１０８の共振波長（共振周波数）の制御も、熱効果あるいはプラズマ効果による屈折率変化を利用することができる。
【００３５】
図３はリング共振器１０８について拡大して図示したものである。第一の光導波路１０６は、第一の方向性結合器１１２によって、リング共振器１０８と結合係数ｋで結合する。第二の光導波路１０７は、第二の方向性結合器１１３によって、リング共振器１０８と結合係数ｋで結合する。入力側からの光入力と、スルー・ポート１１１、ドロップ・ポート１１０との位置関係は図示の通りである。
【００３６】
図４は、ＦＳＲ＝５０ＧＨｚ、ｋ＝０．３５の場合の、リング共振器１０８のドロップ・ポート１１０からの透過特性を示す。縦軸は透過光強度を示す。また、横軸はディチューニング量φをＦＳＲで規格化する前の値（以下、φ´とする）である。すなわち、横軸は、レーザ発信周波数からリング共振周波数を引いた値である。
【００３７】
図４より、φ´＝０において透過光強度は最大値をとり、φ´の絶対値が大きくなると透過光強度は減少することが分かる。また、φ´の値によって、φ´に対する透過光強度の傾きが変化することがわかる。なお、図示はしていないが、φ´をＦＳＲで規格化したディチューニング量φを横軸としても、同様のことが言える。すなわち、φ＝０において透過光強度が最大となり、φの絶対値が大きくなると透過光強度は減少する。また、φの値によって、φに対する透過光強度の傾きが変化することがわかる。
【００３８】
次に、上述した図２、図３の構成を有する半導体レーザの動作原理について、図５〜図９を用いて説明する。
【００３９】
図５は、一般的なファブリ・ペロ共振器を備える半導体レーザの発振条件を示すものである。すなわち、本実施形態のリング共振器１０８からなる光フィルタの効果が無い場合における、半導体レーザの発振条件を示すものである。図５の横軸は光周波数、縦軸は利得領域の利得を示す。なお、狭線幅化の動作原理を説明するため、波長選択機構の効果は無視する。
【００４０】
半導体レーザが発振するためには、利得についての発振条件と位相についての発振条件の両方を満たす必要がある。
【００４１】
利得についての発振条件とは、利得領域の利得と光共振器全体の損失とが等しくなる条件である。通常のファブリ・ペロ共振器の場合、光共振器損失は常に一定値である。そのため、図５の実線Ａのように、利得についての発振条件は光周波数によらず一定値となる。
【００４２】
一方、位相についての発振条件とは、往復の共振器長に利得領域を含む光共振器全体の屈折率を掛け、これを発振波長で割った値が、２πの整数倍となることである。共振器長は光周波数（発振波長）によらず一定値である。そのため、光周波数が高くなった（発振波長が短くなった）場合に、利得領域の屈折率が減少すれば、位相についての発振条件を満たすことになる。即ち、利得領域のキャリア密度が増加すれば、そのプラズマ効果等により屈折率が減少し、位相についての発振条件を満たすことになる。図５の点線Ｂは位相についての発振条件を示す。実線Ａと点線Ｂの交点Ｄが、利得と位相についての条件を満たす、半導体レーザの発振条件である。
【００４３】
次に何らかの原因、例えば光強度の揺らぎ（雑音）により利得飽和を介して利得が低下した場合について考える。この場合、図５の点線矢印で示すように利得が低下し、発振条件を満たさなくなる。
【００４４】
一方、利得が低下した後の位相についての発振条件は、図５中の破線Ｃで示す通りになる。すなわち、発振に必要な利得を得るためには、前述のようにキャリア密度を上げる必要がある。発振条件を満たさない場合、注入キャリアは誘導放出による再結合がないためキャリア密度は上昇する。このキャリア密度の上昇により、利得と位相についての条件を満たす発振条件は、実線Ａと点線Ｂとの交点Ｄから実線Ａと破線Ｃとの交点Ｄ´へ移動する。
【００４５】
そして、図５中の実線矢印が、点線矢印で示す光強度の揺らぎに基づき、αパラメータ（線幅増大係数）を介して発生する周波数揺らぎである。αパラメータとは、半導体レーザの材料物性により決まるパラメータで、活性領域のキャリア密度の変化を介して、屈折率変化と利得変化の比で定義される。
【００４６】
図６は、本実施形態におけるファブリ・ペロ共振器１０９を備える半導体レーザの発振条件を示す。すなわち、リング共振器１０８からなる光フィルタの効果を考慮した場合の発振条件である。図６の横軸は光周波数を示し、縦軸は利得領域１０４の利得を示す。図６においては、リング共振器１０８の効果により、共振器損失が発振波長（光周波数）依存性を持つ。そのため、利得についての発振条件は、図５とは異なり、図６に示す実線のように発振波長（光周波数）依存性を持つ。
【００４７】
前述したように、リング共振器１０８のドロップ・ポート１１０の透過特性はディチューニング量φに依存する。φが正の場合は、光周波数が高くなると損失が増加する。そのため、この場合には、図６に示す実線は正の傾きを持つ。一方、φが負の場合は光周波数が高くなると損失が減少する。そのため、この場合には、図６に示す実線は負の傾きを持つ。
【００４８】
また、図６に示す実線Ｅ、Ｆと破線Ｈの交点が、利得と位相についての発振条件である。そのため、光強度の揺らぎにより利得飽和を介して利得が低下した場合、発振条件は、実線Ｅ、Ｆと点線Ｇとの交点Ｉから実線Ｅ、Ｆと破線Ｈとの交点Ｉ´あるいはＩ´´へ移動する。図６における実線矢印の長さが、光周波数の揺らぎの大きさを表す。図６より、リング共振器１０８のφの符号が正である場合、線幅が拡がることが分かる。一方、φの符号が負である場合、線幅が狭くなることが分かる。すなわち、φを最適化すると、狭線幅化できることがわかる。
【００４９】
次に、図７に示す半導体レーザの解析モデルを用いて本実施形態の半導体レーザ１００の構成要件と効果について数値的根拠を説明する。図７に示した解析モデルは、半導体レーザを一般化した解析モデルである。この解析モデルにおける共振器長はＬ０、第一の反射鏡の反射率はＲ１、第二の反射鏡の反射率はＲ２とする。Ｒ１は、半導体劈開や平面鏡等の、光周波数依存性を持たない反射鏡である。一方、Ｒ２は、リング共振器の光フィルタ特性を有する反射鏡である。
【００５０】
式（２）〜（４）が半導体レーザの動特性を記述する基本方程式である。
2012033807.tif 000005
【００５１】
2012033807.tif 000006
【００５２】
2012033807.tif 000007
【００５３】
ここで、ωは発振角周波数、ω０は共振角周波数、ｖｇは群速度、ｎ０は平均屈折率、ｇは利得の平均値、Δｇは利得の変化分、Ｆｂ(t)は雑音項である。
【００５４】
式（２）は光共振器内の光電界ｂ（ｔ）についてのＬａｎｇｅｖｉｎ方程式である。式（３）は利得についての発振条件で、右辺の共振器損失と左辺の利得の平均値が等しい必要がある。式（４）は位相についての発振条件で、通常のαパラメータを考慮した共振器位相とＲ２のリング共振器による位相回転との和が２πの整数倍となる必要がある。
【００５５】
半導体レーザの発振スペクトル線幅は非特許文献３に従って計算することができる。初めに、式（３）、式（４）をΔωで展開し、式（５）、（６）を得る。
2012033807.tif 000008
【００５６】
2012033807.tif 000009
【００５７】
次に、式（２）を複素電場およびキャリア数の揺らぎについて小信号近似により展開した後、各々をフーリエ変換する。そして、Ｌａｎｇｅｖｉｎ雑音項Ｆｂ(ｔ)の相関関数より、位相雑音のスペクトル密度関数を求める。スペクトル密度関数と式（５）、（６）から、最終的に式（７）〜（９）が計算される。
2012033807.tif 000010
【００５８】
2012033807.tif 000011
【００５９】
2012033807.tif 000012
【００６０】
式（７）〜（９）で、Ｋは共振器損失、ｎｓｐは反転分布パラメータ、ｂ０２は光子数、Ｌｉは複数のリング共振器を考慮した場合の、i番目のリング共振器のリング長を示す。また、ｖｇ０、ｖｇ１は活性領域と光導波路の群速度である。尚、以下においては説明の便宜上、ディチューニング量は周波数ではなく、ＦＳＲで規格化された位相で定義する。
【００６１】
式（８）は一般的な半導体レーザの線幅を表す式である。式（８）に示す線幅は、αパラメータが大きい場合、αパラメータの２乗に比例する。
【００６２】
一方、式（７）は本実施形態の半導体レーザ１００の線幅を表す式である。式（７）で示す線幅は、式（９）の係数Ｆの２乗に反比例する。係数Ｆを表す式（９）において、第２項は屈折率が正である限り常に正の値となる。一方、式（９）の第３項は、ディチューニング量φの値により正負いずれかの値をとる。そして、第３項が正の場合に、Ｆ＞１となって線幅が狭くなる。また、リング共振器のリング長Ｌｉが長く、光共振器内部のリング共振器光フィルタの数が多いほど線幅が狭くなることがわかる。
【００６３】
式（１０）のドロップ・ポートの伝達関数Ｒ（φ）を用いると式（１１）のように、係数Ｆを計算することができる。
2012033807.tif 000013
【００６４】
2012033807.tif 000014
【００６５】
係数Ｆが最大になる条件から、式（１２）のようにドロップ・ポート一段の場合について線幅が最小となるディチューニング量φ0が求められる。これにより、第１の実施形態で述べた式（１）のように、ディチューニング量φの範囲が求められる。
2012033807.tif 000015
【００６６】
2012033807.tif 000016
【００６７】
図８は、本発明に係る実効的αパラメータαｅｆｆのディチューニング量φ依存性についての計算結果の一例である。ここで実効的αパラメータαｅｆｆは、係数Ｆを含む式（７）のΔνについて式（８）を用いて計算した値である。また、αは３、方向性結合器１１２，１１３の結合係数ｋは０．３５としている。図７により、実効的αパラメータαｅｆｆはディチューニング量φに対して非対称であることが分かる。また、実効的αパラメータαｅｆｆは、ディチューニング量φがφ０の時に最小値となり、φが０よりも大きくなると急激に増大することがわかる。φ＝０の場合であっても、式（９）の第２項からわかるように、リング共振器による位相回転の効果がある。そのため、実効的αパラメータαｅｆｆの値は半分の約１．５となる。さらにφ＝φ０では実効的αパラメータαｅｆｆの値は１以下となる。
【００６８】
図９は、図２に示す半導体レーザにおいて、リング共振器１０８の損失を考慮した外部微分量子効率のディチューニング量φ依存性を計算した結果である。図９からわかるようにディチューニング量φがゼロの時に光出力は最大となる。また、φ＝φ０の場合、光出力はφ＝０の時と比較して約１０％低下するが、１０％程度の低下であれば半導体レーザの性能として実用上許容範囲である。しかし、φがφ０よりも小さくなった場合、光出力の減少が著しくなる。そのため、光出力の低下を許容範囲に収めながら狭線幅化をするためには、φの下限値はφ０とするのが望ましい。一方、図８に示すように、φがゼロよりも大きくなると、αｅｆｆを示す曲線の正の傾きが急激に大きくなる。また、図９に示すように、φがゼロよりも大きくなるにつれて光出力も減少する。そのため、φはゼロ未満とするのが望ましい。
【００６９】
すなわち、ディチューニング量φが式（１）を満たすように設定することで、半導体レーザとして実用上許容できる範囲の光出力を確保しながら、狭線幅化を行うことができる。
【００７０】
以上のように、本実施形態においては、光共振器内部に、リング共振器のドロップ・ポートからなる光フィルタを挿入する。リング共振器のドロップ・ポートからなる光フィルタの透過率および位相はディチューニング量の関数となる。そのため、本実施形態のレーザの発振条件は、光フィルタが挿入されていない場合の発振条件に、ディチューニング量の調整による透過率および位相の変化分が重畳されたものになる。一方、半導体レーザの線幅は、光子の量子雑音が利得領域の利得と屈折率との関係（αパラメータ）により増大されることにより決まる。
【００７１】
従って、光共振器内に挿入する光フィルタのディチューニング量等を最適化すれば、光共振器全体の損失と位相についてのレーザの発振条件からαパラメータを実効的に小さくできる。そして、光共振器内に挿入する光フィルタのディチューニング量φが式（１）を満たすよう調整することで、光出力を確保しながらも狭線幅化を実現できる。そのため、非特許文献１や非特許文献２に示されるような長共振器長化を行う必要がない。また、非特許文献２のように、精密な光軸合わせも必要ない。そのため、半導体レーザの小型化が可能である。
【００７２】
なお、一般的には、半導体レーザの光出力を最大化するために、ディチューニング量はゼロとすることが望ましいとされていた。しかし、本実施形態においては、ディチューニング量が式（１）を満たすように調整することで、光出力の損失を許容範囲に抑えながらも、狭線幅化を実現することが可能となる。
【００７３】
更に、非特許文献２に記載の構造においては、空間光学系自体が振動耐性や安定性に欠けるために、長期信頼性を確保することができないという問題も生じていた。しかし、本実施形態においては、基板上に共振器を形成することができる。そのため、長期信頼性も確保することが可能となる。
【００７４】
また、本実施形態の半導体レーザにおいては、ファブリ・ペロ共振器１０９の内部に波長選択機構１０５を配置した。そのため、半導体レーザの発信波長を、ファブリ・ペロ共振器１０９の位相条件を満たす任意の波長となるよう、制御することができる。
【００７５】
また、波長制御機構１０５が、ファブリ・ペロ共振器、エタロン共振器、分布帰還構造（ＤＦＢ）、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）、リング共振器、等のいずれの波長制御機構であっても、半導体レーザの狭線幅化を行うことが可能となる。
【００７６】
［第３の実施形態］
図１０は本発明の第３の実施形態における半導体レーザの構成を示す図である。本実施形態における半導体レーザである波長可変レーザ２００は、第２の実施形態における波長選択機構１０５およびリング共振器１０８を、リング共振器２０２と、リング共振器２０３と、リング共振器２０４により構成している。また、第２の実施形態における半導体レーザの反射鏡１０３を、ループ・ミラー２０５により構成している。ループ・ミラー２０５は全反射鏡として動作する。
【００７７】
図１０において、シリコン基板２０１上に、光導波路２０６と、リング共振器２０２、２０２、２０３と、ループ・ミラー２０５とが形成されている。
【００７８】
なお、光導波路２０６は、プラズマＣＶＤあるいはスパッタ法等とエッチング加工、アニール熱処理工程等との組み合わせにより作成された、ＳｉＯ２およびＳｉＯＮ材料系からなる。また、複数のリング共振器２０２、２０３、２０４と、ループ・ミラー２０５は、光導波路２０６と同一の導波路構造を有する。
【００７９】
より具体的には、本実施形態の光導波路２０６は、高屈折率のＳｉＯＮ材料からなるコア層が、低屈折率のＳｉＯ２材料からなるクラッド層で埋め込まれた構造を有する。コア層とクラッド層の屈折率差は約６％である。なお、光導波路２０６は、利得領域２０７と高効率に結合するために、各々の材料系の屈折率や層構造等を考慮して、スポット・サイズが最適化されている。なお、スポット・サイズの最適化のために、スポット・サイズ変換器を用いても良い。
【００８０】
利得領域２０７は、通常の半導体レーザあるいは半導体光増幅器の活性領域と同一の層構造である。すなわち、利得領域２０７は、波長１．５５ミクロン帯の半導体光増幅器であり、埋め込み型２重ヘテロ構造と注入電流の狭窄構造とを有し、ＩｎＰ系材料からなる。利得領域２０７の長さは５００ミクロンである。利得領域２０７の活性層には、量子井戸構造、歪量子井戸構造を用いても良い。また、活性層の材料構造で決まるαパラメータ（線幅増大係数）の値は３である。
【００８１】
利得領域２０７の光出力側の端面には反射鏡２０８が形成されている。反射鏡２０８は誘電体多層膜あるいは誘電体膜と金属膜との組合せにより、任意の反射率を得ることができる。本実施形態における反射鏡２０８の反射率は数％程度とする。利得領域２０７の反対側は誘電体膜が形成され、高効率に光導波路２０６と結合する。
【００８２】
また、利得領域２０７は、パッシブ・アライメント実装技術により、シリコン基板２０１上にハイブリッド集積されている。パッシブ・アライメント実装技術を用いることで、サブミクロン以下の誤差で利得領域２０７と光導波路２０６との光軸合わせが可能である。そのため、利得領域２０７と光導波路２０６とを高効率で結合することができる。本実施形態においては、複数のリング共振器２０２、２０３、２０４、ループ・ミラー２０５等の構成部品を、全てシリコン基板２０１上に集積している。一方、利得領域２０７とシリコン基板２０１とは、Ａｕからなるバンプ構造によって強固に固着されている。そのため、本実施形態の波長可変レーザ２００においては、長期的な安定性および信頼性が確保されている。
【００８３】
本実施形態においては、反射鏡２０８とループ・ミラー２０５により形成された光共振器内部に、複数のリング共振器２０２、２０３、２０４が挿入されている。そして、これらの複数のリング共振器が、第２の実施形態における波長選択機構１０５及びリング共振器１０８としての動作をする。即ち、発振波長（発振周波数）は、反射鏡２０８とループ・ミラー２０５により形成されたファブリ・ペロ共振器２１０の位相条件を満たす任意の波長を、複数のリング共振器２０２、２０３、２０４により選択することにより制御される。
【００８４】
図１１は発振波長制御の動作原理を説明する図である。図１１は、反射鏡２０８、ループ・ミラー２０５、複数のリング共振器２０２、２０３、２０４で構成される光共振器全体の透過率（光共振器全体の損失の逆数で定義）の光周波数依存性を示したものである。図１１に示す実線aは、リング共振器２０２の共振特性を示す。実線ｂ、はリング共振器２０３の共振特性を示す。実線ｃは、リング共振器２０４の共振特性を示す。なお、図１１におけるファブリ・ペロ共振特性とは、反射鏡２０８とループ・ミラー２０５により形成されたファブリ・ペロ共振器２１０の共振モードのことを示す。
【００８５】
なお、リング共振器のＦＳＲは、ＩＴＵ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｕｎｉｏｎ）規格に対応する５０ＧＨｚまたは５０ＧＨｚの整数倍とすることが好ましい。図１１に示すように、本実施形態におけるリング共振器２０２、２０３、２０４のＦＳＲ（Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒａｌ  Ｒａｎｇｅ）は、１００ＧＨｚ（ＩＴＵ−Ｔ（ＩＴＵ−Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ  Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ  Ｓｅｃｔｏｒ）グリッド間隔の２倍）を中心に互いに少しずつ変えてある。これら三つのリング共振器の透過率が最大となる光周波数が一致するところで共振器損失が最小となる。そして、ファブリ・ペロ共振モードからその光周波数を選択して発振することで、波長を制御することができる。ＦＳＲが互いに異なるようにするのは、屈折率の変化量が小さくても波長を制御できる波長可変幅を広くするためである。これは、ノギスの副尺と同様の原理である、所謂バーニア効果によるものである。例えば、二つのリング共振器があって、ＦＳＲが１０％異なる場合、ＦＳＲが同じである場合と比較して、同じ屈折率の変化量で制御できる波長可変幅は１０倍となる。
【００８６】
本実施形態においては、ＦＳＲを約１００ＧＨｚとするため、リング共振器２０２、２０３、２０４の曲率半径は約３００ミクロンとしている。また、各リング共振器の方向性結合器の結合係数ｋは、いずれも０．３５としている。
【００８７】
位相制御領域２０９は、反射鏡２０８とループ・ミラー２０５により形成されたファブリ・ペロ共振器２１０の、ファブリ・ペロ共振モードの位相を調整する。これにより、ファブリ・ペロ共振器２１０の共振周波数と、三つのリング共振器の共振周波数を一致させることができる。この位相調整は、位相制御領域２０９のコア層の直上に設けられたＰｔ等からなるヒーターにより行う。すなわち、ヒーターによる加熱によって屈折率が変化する熱効果を利用して、ＳｉＯＮコア層の屈折率を制御する。これにより、ファブリ・ペロ共振モードの位相の調整が可能となる。なお、光吸収損失が生じないように、コア層とヒーターとの間には、適切な厚さのクラッド層を挟むこととする。
【００８８】
また、複数のリング共振器２０２，２０３，２０４についても、位相制御領域２０９と同様に、コア層の直上にヒーターが形成されている。そして、熱効果を利用してＳｉＯＮコア層の屈折率を変え、共振特性を制御する。
【００８９】
本実施形態では、位相制御領域２０９により共振器位相の条件を満たせば、レーザの発振周波数を変えずに、複数のリング共振器２０２、２０３、２０４のいずれか一つまたは複数の共振光周波数を数ＧＨｚ程度調整することができる。例えば、リング共振器２０２、２０３の共振周波数をファブリ・ペロ共振器２１０の共振周波数および発振周波数と一致させる。これにより、複数のリング共振器２０２、２０３を、第２の実施形態における波長選択機構１０５として動作させる。そして、リング共振器２０４の共振周波数のみを、レーザの発振周波数と異なるように調整する。すなわち、リング共振器２０４を、第２の実施形態におけるリング共振器１０８として動作させることができる。尚、共振周波数の調整は、複数のリング共振器２０２、２０３、２０４の共振周波数を固定しておいて、位相制御領域２０９によりファブリ・ペロ共振器２１０の位相条件を変えることにより行うこととしても良い。
【００９０】
図９からわかるように、ディチューニング量φがゼロの時に光出力は最大となる。一方、φ＝φ０の時に線幅は最小となる。また、φ＝φ０の場合、光出力はφ＝０の時と比較して約１０％低下する。また、図１１に示す共振器損失差も約１０％低下する。共振器損失差が小さくなると、波長可変レーザの波長制御性が不安定になり発振波長のジャンプが生じやすくなる。そのため、共振器損失差の低下は１０％程度までに収めることが望ましい。このように、狭線幅化を行う際には、波長可変レーザの光出力及び波長制御性の安定性についても考慮しなければならない。そのため、式（１）に示すように、狭線幅化のためのφの下限はφ０となる。尚、φを正とした場合、線幅が増大する一方で光出力が低下する。そのため、波長制御が不安定になるので、共振周波数の調整を行う意味がなくなる。このような理由により、式（１）において、φはゼロ未満とした。
【００９１】
以上のように、ディチューニング量φが式（１）を満たすように設定すれば、線幅増大の要因である実効的αパラメータαｅｆｆを小さくすることができる。
【００９２】
図１０に示した本実施形態の波長可変レーザについて、上述の構造パラメータを用いて線幅を計算すると２０ｋＨｚ以下の狭線幅特性が得られることがわかる。また、図１１に示した波長制御の原理に基づくディチューニング量の調整による狭線幅化は、波長可変レーザの全てのチャンネル（例えばＩＴＵ−Ｔグリッド）の発振波長について成立する。
【００９３】
従って、本実施形態により、全てのチャンネルで２０ｋＨｚ以下の狭線幅特性を有する、小型でかつ高信頼な波長可変レーザを実現することができる。
【００９４】
なお、本実施形態においては、第２の実施形態における波長選択機構１０５およびリング共振器１０８を、３つのリング共振器により構成することとしたが、これに限られない。すなわち、第２の実施形態における波長選択機構１０５およびリング共振器１０８を、４つ以上のリング共振器により構成することとしても良い。
【産業上の利用可能性】
【００９５】
本発明の半導体レーザは、デジタル・コヒーレント方式による光ファイバ通信用などに適用することが可能である。
【符号の説明】
【００９６】
１０、１００  半導体レーザ
１１  基板
１２、１０９、２１０  ファブリ・ペロ共振器
１３、１０６  第一の光導波路
１４、１０７  第二の光導波路
１５、１０４、２０７  利得領域
１６、１０８、２０２、２０３、２０４  リング共振器
１７、１１２  第一の方向性結合器
１８、１１３  第二の方向性結合器
１０１、２０１  シリコン基板
１０２、１０３、２０８  反射鏡
１０５  波長選択機構
１１０    ドロップ・ポート
１１１    スルー・ポート
２００  波長可変レーザ
２０５  ループ・ミラー
２０６  光導波路
２０９  位相制御領域
【図１】
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【図２】
2012033807.tif 000020
【図３】
2012033807.tif 000021
【図４】
2012033807.tif 000022
【図５】
2012033807.tif 000023
【図６】
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【図７】
2012033807.tif 000025
【図８】
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【図９】
2012033807.tif 000027
【図１０】
2012033807.tif 000028
【図１１】
2012033807.tif 000029
【図１２】
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【図１３】
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