(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成されたクラッド層と、
前記クラッド層上に形成された光導波路と、
前記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、
前記光導波路の一部で前記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、
を備えたことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項２】
第１導電型の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された第１導電型のクラッド層と、
前記クラッド層上に形成された光導波路と、
前記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、
前記光導波路の一部で前記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、
前記光導波路上に形成された高抵抗層と、
前記前方光導波領域上の高抵抗層中に前記光導波路に沿って形成された屈折率制御層と、前記前方光導波領域上の高抵抗層の上部に形成された第１導電型の第１コンタクト層と、前記光導波路の両側面にそれぞれ形成された第２導電型の埋め込み層と、
前記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２導電型の第２コンタクト層と、前記前方光導波領域と前記後方光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、
前記半導体基板の裏面側に形成された第１電極と、
前記第１コンタクト層上に形成された第２電極と、
前記第２コンタクト層上に形成された第３電極と、
を備えたことを特徴とした波長可変半導体レーザ。
【請求項３】
前記分離溝の深さ方向に前記分離溝底部から前記第１導電型のクラッド層に達するイオン注入による高抵抗領域が設けられたことを特徴とする請求項２記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項４】
前記屈折率制御層が、さらに前記後方光導波領域上の前記高抵抗層中にも設けられていることを特徴とする請求項３記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項５】
半絶縁性の半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された半絶縁性のクラッド層と、
前記クラッド層上に形成された光導波路と、
前記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、
前記光導波路上に形成された高抵抗層と、
前記光導波路の一部で前記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、
前記光導波路の両側面にそれぞれ形成された第１導電型の埋め込み層および第２導電型の埋め込み層と、
前記第１導電型の埋め込み層上に形成された第１電極と、
前記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２電極と、
前記前方光導波領域および前記後方光導波領域上部の前記高抵抗層上に絶縁膜を介してそれぞれ形成された薄膜ヒータと、
前記前方光導波領域と前記後方光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、を備えたことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項６】
前記半導体基板、前記クラッド層および前記埋め込み層が、インジウム燐（ＩｎＰ）からなることを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項７】
前記前方光導波領域の結合定数が、前記後方光導波領域の結合定数より小さいことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項記載の波長可変半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、幹線系の電話交換網等で利用される光ファイバー通信技術、特に異なる波長のレーザ光を同時に信号伝送に利用する波長多重光通信技術で必要とされる広帯域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】
従来の多電極ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflectors）構造を具備した波長可変半導体レーザの一例として、回折格子部にいわゆる超周期構造回折格子(ＳＳＧ：Super-Structure-Grating)ＤＢＲを用いたＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザについて説明する。図１１は、非特許文献１で報告された従来のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザの構成を示した模式図であって、波長可変半導体レーザの光軸に平行方向の断面図を示す。
【０００３】
図１１中、１０１は活性領域、１０２は前方光導波領域、１０３は後方光導波領域、１０４は位相制御領域、１０５はＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路、１０６はｎ型ＩｎＰ基板、１０７はｎ型ＩｎＰクラッド層、１０８はｐ型ＩｎＰクラッド層、１０９はｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、１１３はｎ型電極、１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄはｐ型電極、１１５は光共振器の前方端面（レーザ光出射端面）から出射するレーザ光、１２１および１２２は前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子ピッチ変化、つまり変調の一周期、をそれぞれ示す。
【０００４】
ここで、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーとは、所定の距離間の一端から他端へと回折格子のピッチをΛａからΛｂまで線形に連続的に変化(リニアチャーピング)させた部分を一周期Λｓとして複数周期繰り返した周期構造を指す。ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルは波長λａ=２ｎeq×Λａからλｂ=２ｎeq×Λｂまでの波長域にわたって波長間隔δλ=λ０２/(２ｎeq×Λｓ)、で複数の反射ピークを有する。ここで、ｎeqは光導波路の等価屈折率、λ０は中心波長である。
【０００５】
従来の波長可変半導体レーザにおける前方光導波領域１０２を構成する前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーおよび後方光導波領域１０３を構成する後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーでは、上述の前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー中の一周期１２１および後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー中の一周期１２２がそれぞれ複数周期繰り返されている（繰り返しについては図示せず）。ＳＳＧ-ＤＢＲ波長可変半導体レーザでは、上述の一周期１２１の距離に対して一周期１２２の距離を変える方法によって、前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークの波長間隔を互いにわずかに異なるように設計している。
【０００６】
次に、図１１に示した従来のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザの動作について説明する。図１１に示すように、光導波路１０５は、活性領域１０１、前方光導波領域１０２、後方光導波領域１０３および位相制御領域１０４を合わせて一体となるよう構成している。各領域の上部には、それぞれ電気的に分離されたｐ型電極１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄが設けられている。活性領域１０１上に設置されたｐ型電極１１４ｂと半導体基板１０６の裏面側に設けられたｎ型電極１１３の間に順方向バイアス電圧を印加することにより、活性層電流が活性領域１０１に注入され、活性領域１０１において広い波長範囲にわたる自然放出光が発生する。
【０００７】
かかる自然放出光は光共振器内に形成されている光導波路１０５を伝播しながら、前方光導波領域１０２に形成された前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーおよび後方光導波領域１０３に形成された後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーによって繰返し反射、増幅されるとともに、前方光導波領域１０２あるいは後方光導波領域１０３と、さらに位相制御領域１０４への電流注入による各領域毎の屈折率制御によって最終的に任意の一波長が選択、制御され、ある閾値電流において単一波長でレーザ発振する。
【０００８】
従来の波長可変半導体レーザのレーザ発振波長制御について、さらに詳細に説明する。図１２（ａ）は、前方光導波領域１０２および後方光導波領域１０３に電流注入を行わない場合の各領域内にそれぞれ形成された前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを示し、図１２（ｂ）は、後方光導波領域１０３に電流注入を行った場合の後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを、電流注入していない前方光導波領域１０２の前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルと比較して示したものである。図において、横軸は波長、縦軸は反射率を示し、λ１は前方光導波領域１０２および後方光導波領域１０３のいずれにも電流注入を行わない場合に前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長を、また、λ２は後方光導波領域１０３に電流注入を行った場合に前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長をそれぞれ示している。これらの反射ピークスペクトルは、一般にＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザの特徴である互いに強度の異なる複数の極めて線幅の狭い反射ピークから成っている。
【０００９】
上述したように、前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー制御電流と後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー制御電流が共にゼロである初期状態では、前方光導波領域１０２および後方光導波領域１０３にそれぞれ形成された前方および後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長はλ１となる。この結果、波長λ１の光は前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーで強い反射を受けるので、波長λ１における損失は他の波長光に比べて極めて小さくなる。すなわち、波長λ１における光の利得が他の波長と比較して相対的に増大し、この結果、波長可変半導体レーザは波長λ１でレーザ発振に至る。なお、前方および後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長がλ１のみで近傍の他の反射ピークとは一致しないのは、両者の一周期１２１，１２２それぞれの距離の相違に基づいた回折格子のピッチの相違に起因した前後ミラー間における反射ピークスペクトルの波長間隔の微妙なずれのため、あたかもバーニアの目盛りのように特定箇所だけでしか一致しないからである。ＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザのレーザ発振波長を変化させるには、図１２（ｂ）に例示したように、前方光導波領域１０２または後方光導波領域１０３のどちらか一方あるいは両方に順方向バイアス電圧を印加して、かかる領域に電流注入を行ない、この電流注入によって前方光導波領域１０２および／または後方光導波領域１０３の屈折率を等価的に変化させる。電流注入により屈折率を変化させることによって相対的に利得の大きな波長が短波長側にシフトし、この光が光導波路１０５内を伝播、増幅して、最終的に前方および後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長λ２でレーザ発振する。このような手段、つまりＳＳＧ−ＤＢＲミラーが形成された光導波領域に電流を注入し、かかる電流注入レベルを制御して光導波領域の屈折率を意図的に変化させることにより、波長可変半導体レーザのレーザ発振波長を制御性良く変化させることが可能となる。ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの特徴としては、各反射ピーク強度が比較的高くとれる点にある。特に後述するＳＧ−ＤＢＲミラーに対してかかる効果は顕著である。
【００１０】
また、ＳＳＧ-ＤＢＲと類似した波長可変半導体レーザ用ミラーとして、例えば、非特許文献２に報告されているサンプルド・グレーティング−ＤＢＲ、つまりＳＧ−ＤＢＲがある。ＳＧ−ＤＢＲとは一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返した構造を指す。なお、回折格子部の回折格子は通常の均一ピッチのものである。
【００１１】
図１３にＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図を示す。ＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザは、上述のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザに対して、前後の光導波領域１０２，１０３を構成するミラーがＳＧ−ＤＢＲである点でのみ相違する。ＳＧ−ＤＢＲミラーの特徴としては、一対の回折格子部と非回折格子部を一周期とし、かかる部分を複数周期繰り返して光導波領域を形成した結果、反射ピークスペクトルに周期的な反射ピークが発生する点にある。因みに、通常の均一ピッチのみの回折格子からなる光導波領域、すなわちＤＢＲミラーでは反射ピークは一つだけであり、この点で両者は顕著に相違する。しかしながら、ＳＧ−ＤＢＲミラーでは各反射ピーク強度が高くとれず、また、各強度自体がそれぞれの反射ピークで異なっている。具体的には、ＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルは、中央の反射ピークから両側に向かって単調に減少するスペクトル形状を呈している。
【００１２】
【非特許文献１】
H．Ishii他, 量子エレクトロニクスジャーナル（IEEE Journal of Quantum Electronics）, 32巻, 3号, 1996年, p. 433-441
【非特許文献２】
V. Jayaraman他, 量子エレクトロニクスジャーナル（IEEE Journal of Quantum Electronics）, 29巻, 6号, 1993年, p. 1624-1834
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図１２では、上述したように、従来のＳＳＧ-ＤＢＲ波長可変半導体レーザにおける前後のＳＳＧ-ＤＢＲミラーの反射ピークの波長依存性を示している。ＳＳＧ-ＤＢＲ波長可変半導体レーザでは、上述したように、前方光導波領域１０２の一周期１２１の距離に対して後方光導波領域１０３の一周期１２２の距離を変える方法等によって、前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークの波長間隔を互いにわずかに異なるように設計している。前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラー領域、すなわち前方光導波領域１０２や後方光導波領域１０３に電流を注入して屈折率を低下させて反射ピークを短波長側にシフトさせ、前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長を変える方法、つまりいわゆるバーニア効果を適用した方法によってレーザ発振波長を変化させていた。
【００１４】
しかしながら、ＳＳＧモード毎に反射ピーク強度がランダムに変動しているため、上述のバーニア効果を適用してレーザ発振波長を変える際に、本来意図していない他のＳＳＧモードでのレーザ発振とのモード間競合が起こり得た。したがって、前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーへの注入電流（if）と後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーへの注入電流（ir）を変えた場合に、レーザ発振波長が素子温度や注入電流の変動によって不規則に変動する可能性が高かった。また、かかる反射ピーク強度のランダムな変動により、一部の波長域において連続的に変化しにくい問題も生じた。
【００１５】
従来のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザにおいて、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーをなす回折格子の一周期１２１、１２２の繰り返し周期を増加して反射率を十分に高めることにより、反射ピーク強度の均一化を図ることも可能であるが、この場合、前方ＳＳＧ-ＤＢＲミラーの反射率を高くすると外部へ取り出すことのできるレーザ光出力１１５が低下し、微分量子効率も低下する問題が生じた。また、前方光導波領域１０２を長くすると、電流注入を行った際にフリーキャリア吸収やキャリア再結合の影響によって、レーザ発振線幅が広がる問題も新たに発生した。  一方、前後の光導波領域がＳＧ−ＤＢＲミラーの場合、ＳＳＧ−ＤＢＲミラー構造に比べて各反射ピークの反射ピーク強度が高く取れず、さらに中央の反射ピークから両側に向かって反射ピーク強度は単調に減少にしているので、反射ピークスペクトルが波長全体として平坦ではないため、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーに比べて波長可変域が狭いという問題があった。
【００１６】
この発明は、上述のような従来の波長可変半導体レーザで発生した問題点を解決するためになされたものであり、波長可変時の波長安定性や低閾値電流等の素子特性に優れた波長可変半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る波長可変半導体レーザは、半導体基板と、上記半導体基板上に形成されたクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、を備えることとした。
【００１８】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、第１導電型の半導体基板と、上記半導体基板上に形成された第１導電型のクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、上記光導波路上に形成された高抵抗層と、上記前方光導波領域上の高抵抗層中に上記光導波路に沿って形成された屈折率制御層と、上記前方光導波領域上の高抵抗層の上部に形成された第１導電型の第１コンタクト層と、上記光導波路の両側面にそれぞれ形成された第２導電型の埋め込み層と、上記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２導電型の第２コンタクト層と、上記前方光導波領域と上記後方光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、上記半導体基板の裏面側に形成された第１電極と、上記第１コンタクト層上に形成された第２電極と、上記第２コンタクト層上に形成された第３電極と、を備えることとした。
【００１９】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、上記分離溝の深さ方向に上記分離溝底部から上記第１導電型のクラッド層に達するイオン注入による高抵抗領域を設けることとした。
【００２０】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、上記屈折率制御層が、さらに上記後方光導波領域上の高抵抗層中にも設けられることとした。
【００２１】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、半絶縁性の半導体基板と、上記半導体基板上に形成された半絶縁性のクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路上に形成された高抵抗層と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、上記光導波路の両側面にそれぞれ形成された第１導電型の埋め込み層および第２導電型の埋め込み層と上記第１導電型の埋め込み層上に形成された第１電極と、上記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２電極と、上記前方光導波領域および上記後方光導波領域上部の上記高抵抗層上に絶縁膜を介してそれぞれ形成された薄膜ヒータと、上記前方光導波領域と上記後方光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、を備えることとした。
【００２２】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、上記半導体基板、上記クラッド層および埋め込み層がインジウム燐（ＩｎＰ）からなることとした。
【００２３】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、上記前方光導波領域の結合定数が上記後方光導波領域の結合定数より小さいこととした。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
実施の形態１の波長可変半導体レーザについて、図１に基づき説明する。図１（ａ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図、（ｂ）はレーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における断面図、（ｃ）は上面図、をそれぞれ示す。図中、１は活性領域を兼ねたＳＧミラーを具備する前方光導波領域、１ａは前方光導波領域に設けられたＳＧミラー中の回折格子部、１ｂはＳＧミラー中の一対の回折格子部と非回折格子部を併せて一単位とした場合の一周期、２はＳＳＧ−ＤＢＲミラーを具備する後方光導波領域、２ａはＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子のピッチ変化、つまり変調に対する一周期、３はＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路、４はｎ型ＩｎＰ基板、５はｎ型ＩｎＰクラッド層、６はｐ型ＩｎＰ埋め込み層、７は屈折率制御層、７ａ、ｂ、ｃは高抵抗ＩｎＰ層、８ａはｎ型ＩｎＰ第１コンタクト層、８ｂはｐ型ＩｎＧａＡｓＰ第２コンタクト層、９は第１のｎ型電極（第１電極）、１０はｐ型電極（第３電極）、１１は第２のｎ型電極（第２電極）、１２は分離溝、１３は波長可変半導体レーザの出射端面から外部に出射されたレーザ光、をそれぞれ示す。ＳＧミラーあるいはＳＳＧ−ＤＢＲミラーはＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路３に所望の形状の回折格子をエッチング等の方法によって形成することにより設けられる。なお、図１（ｃ）から分かるように、ｐ型電極１０は前方光導波領域１側上部と後方光導波領域２側上部の各領域毎に設けられているが、第２のｎ型電極１１は前方光導波領域１側上部のみに設けられている。
【００２６】
なお、上述の波長可変半導体レーザの構成材料としては、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ系の化合物半導体を用いている。かかる化合物半導体を構成材料とすると、光通信の光源として重要な長波長帯の波長可変半導体レーザが得られる。
【００２７】
次に、本発明に係る実施の形態１の波長可変半導体レーザの動作について説明する。活性領域を兼ねたＳＧミラーを有する前方光導波領域１側上部に電気的に分離して設置されたｐ型電極１０と半導体基板４の裏面側に形成されたｎ型電極９との間に順方向バイアス電圧を印加することにより、活性層電流が活性領域を兼ねた前方光導波領域１に注入され、前方光導波領域１中で、広い波長範囲にわたる自然放出光が発生する。かかる自然放出光はＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路３を伝播しながら、前方光導波領域１に設けられたＳＧミラーおよび後方光導波領域２に設けられたＳＳＧ−ＤＢＲミラーによって繰返し反射、増幅されるとともに、前方光導波領域１と後方光導波領域２への電流注入の制御によって、最終的に任意の一つの波長が選択、制御され、ある閾値電流において単一波長でレーザ発振する。
【００２８】
次いで本発明に係る実施の形態１における波長可変半導体レーザのレーザ発振波長制御について、詳細に説明する。
【００２９】
まず、前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの機能について説明する。図２（ａ）は、前方光導波領域１および後方光導波領域２に電流注入を行わない場合の各光導波領域１、２内にそれぞれ生じる前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルであり、図２（ｂ）は、後方光導波領域２に電流注入を行った場合の後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを、電流注入していない前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルと比較して示したものである。図において、横軸は波長、縦軸は反射率を示す。図からわかるように、極めて線幅の狭い個々の反射ピークが一定の波長間隔で並んでいる様相を呈している。図中、λ1は前方光導波領域１および後方光導波領域２のいずれも電流注入を行わない場合に前後のミラーの反射ピークスペクトルが一致する波長を、また、λ2は後方光導波領域２に電流注入を行った場合に前後のミラーの反射ピークスペクトルが一致する波長をそれぞれ表している。前方光導波領域１における反射ピークスペクトルは、ＳＧミラーに特有の反射ピークスペクトル、すなわち、反射ピーク強度が中央の反射ピークから両側に向かって単調に減少する形状を呈している。
【００３０】
上述したように、図２（ａ）は、前方ＳＧミラー注入電流と後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー注入電流が共にゼロである初期状態の反射ピークスペクトルを表す。この場合、前方光導波領域１および後方光導波領域２にそれぞれ設けられた前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルが一致する波長はλ1となる。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るので、波長λ1の光の利得が相対的に増大し、この結果、本実施の形態の波長可変半導体レーザは波長λ1でレーザ発振に至る。
【００３１】
本実施の形態における波長可変半導体レーザのレーザ発振波長を意図的に変化させるには、前方光導波領域１側または後方光導波領域２側のどちらか一方あるいは両方に順方向バイアス電圧を印加して各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前方光導波領域１および／または後方光導波領域２の屈折率を等価的に変化させる。但し、前方光導波領域１には、レーザ発振に寄与する活性層電流を流しておく必要がある。
【００３２】
図２（ｂ）に一例として示したのは、後方光導波領域２にのみ電流注入を行った場合である。後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーにおける電流注入による屈折率の低下によって、後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルは短波長側にシフトし、前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルが一致する波長は電流注入の無い場合の波長λ１から波長λ2へとシフトし、波長λ2の光が光導波路３内を伝播、増幅されて最終的にかかる波長λ2でレーザ発振に至る。前方光導波領域１のみに電流注入を行った場合や、前方光導波領域１および後方光導波領域２の両方に電流注入を行った場合も同様にしてレーザ発振波長を変えることができる。以上の如く、前後の光導波領域１、２の一方あるいは両方に電流注入し、電流注入レベルを制御して屈折率を変化させることによって、任意にレーザ発振波長を変えることが可能となる。
【００３３】
図２（ｂ）は上述した如く、実施の形態１に係る波長可変半導体レーザの前後のミラーの回折格子の反射ピークの波長依存性を示しているが、前方ＳＧミラーの場合には、反射ピークは中央モードを極大値として両側で単調に減少しているのに対し、後方ＳＳＧ-ＤＢＲミラーに関してはＳＳＧの周期を所定回数以上設けて反射率をなるべく大きく設定することより、中央付近の複数の反射ピーク強度をほぼ一定に揃えている。
【００３４】
前方光導波領域１側では、電流注入方法は２通りある。すなわち、ｐ型電極１０と第１のｎ型電極９間に順方向のバイアス電圧を印加する方法と、ｐ型電極１０と第２のｎ型電極１１間に順方向のバイアス電圧を印加する方法である。前者による屈折率変化は注入電流密度が発振閾値電流密度に到達して前方光導波領域中のキャリア密度がクランプされるまで継続し、後者は前者とは独立に当該領域の屈折率変化に寄与できる。かかる２通りの電流注入方法を併用することにより、レーザ発振に寄与する電流と屈折率変化に寄与する電流を独立に制御でき、より安定な波長制御が可能となる。この結果、電流注入による波長制御性が向上し、波長可変半導体レーザの制御回路が簡素化される効果も併せて生じる。
【００３５】
次に、実施の形態１の波長可変半導体レーザにおけるＳＣＨ（Separate-Confinement-Heterostructure）構造について説明する。
【００３６】
上述の波長可変半導体レーザにおける前方光導波領域１側の部分では、ｎ型ＩｎＰ基板４に対して垂直方向には、ｎ型ＩｎＰ基板４、ｎ型ＩｎＰクラッド層５、多重量子井戸からなるＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路３、高抵抗ＩｎＰ層７ａ、屈折率制御層７、高抵抗ＩｎＰ層７ｂ、という層構成となっている。かかる層構成では、図３のような屈折率プロファイルが得られ（多重量子井戸部分については図示せず）、いわゆるＳＣＨ構造をなしている。なお、屈折率の変化は各層における化合物半導体の構成元素の組成比が異なることに起因する。ここで、屈折率制御層７は、屈折率を変えることで光の閉じ込め係数を意図的に変化させて、ＳＣＨ構造の等価屈折率を本来の値からシフトさせる機能を果たしている。
【００３７】
上述のＳＣＨ構造を適用することにより、縦モードの安定性に優れ、かつ高出力動作時に狭線幅である波長可変半導体レーザが得られる。
【００３８】
実施の形態１の波長可変半導体レーザの前方光導波領域１に設けられたＳＧミラーによって、前方光導波領域１の結合定数κ１が決定される。結合定数κ１は、回折格子部分１ａのピッチや高さ、ＳＧミラー中の一対の回折格子部と非回折格子部を併せて一単位とした場合の一周期１ｂによって値を変えることができる。
【００３９】
一方、後方光導波領域２に設けられたＳＳＧ-ＤＢＲミラーによって、後方光導波領域２の結合定数κ２が決定される。結合定数κ２は、結合定数κ１と同様、回折格子のピッチ等によって値を変えることができる。
【００４０】
実施の形態１の波長可変半導体レーザでは、結合定数κ１と結合定数κ２は、κ１＜κ２
の関係を満たすように回折格子のピッチ等を予め設定する。かかる関係が成立すれば、前方ミラーの反射率に比べて後方ミラーの反射率を高めることが可能となり、また、反射ピーク波長位置を調整して前後ミラー領域における光の伝搬定数がほぼ一致する波長でレーザ発振させることができるので、ＢＩＧレーザの場合と同様に前面からの光出力割合を多くすることができ、この結果、高出力かつ高効率動作の波長可変半導体レーザが得られる。
【００４１】
前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子間には、さらにλ／４の位相シフトが設けられている。この結果、前進波と後退波とを回折格子のブラッグ波長において位相整合させることができ、安定した単一縦モード動作が可能となる。
【００４２】
以上、本実施の形態の波長可変半導体レーザでは、前方ＳＧミラーには、上述したように、その性質上波長に対して反射ピーク強度の極大が存し、かかる極大値の両側では反射ピーク強度は単調に減少しているため、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーのような反射ピークスペクトルのランダムな変動がない結果、従来のＳＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザと比較して安定にレーザ発振波長を制御することが可能となる。また、従来のＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザに比べて、後方がＳＳＧ−ＤＢＲミラーで構成されている分、後方反射率を高くとれるので、より低い閾値電流でレーザ発振し、かつ、効率の高い波長可変半導体レーザが得られ、さらに、ＳＣＨ構造の適用により、縦モードの安定性に優れ、かつ高出力動作時に狭線幅の波長可変半導体レーザが得られる。
【００４３】
また、本実施の形態の波長可変半導体レーザでは、前方光導波領域に電流を注入することによりかかる領域の屈折率と光出力を、後方光導波領域に電流を注入することによりかかる領域の屈折率をそれぞれ独立に制御できる結果、電流注入による波長制御性が向上し、波長可変半導体レーザの制御回路が簡素化される効果が生じる。
さらに、本実施の形態の波長可変半導体レーザでは、前方光導波領域がＳＧミラーと活性領域の両方の機能を兼ね備えているので、両者を別個に形成する素子構造より、素子面積の減少や注入電流の低減といった効果が生じる。
【００４４】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２における波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面を図４（ａ）に、レーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における素子断面を（ｂ）に示す。図中、図１と同様の部分は同一符号で示す。１５はイオン注入による高抵抗領域を示す。
【００４５】
実施の形態１の波長可変半導体レーザにおいては、前方光導波領域１と後方光導波領域２に注入される電流を別個に制御すべく、両者の間には分離溝１２が設けられていた。しかしながら、分離溝１２部分は高抵抗ＩｎＰ層７ｂが薄くなっているものの、前方光導波領域１から後方光導波領域２の境界上で未だ高抵抗ＩｎＰ層７ｂが連続的に形成されているため、分離溝１２を設けているにもかかわらず前方光導波領域１と後方光導波領域２間は必ずしも完全に電気的に分離されている訳ではない。
【００４６】
そこで、実施の形態２による波長可変半導体レーザでは、かかる電気的分離の度合いを一層高めるため、前方光導波領域１と後方光導波領域２の境界上の高抵抗層７ｂ中に設けられた分離溝１２の底部からｎ型クラッド層５中に達するイオン注入による高抵抗領域１５を設けた。イオン注入された高抵抗領域１５は本来の結晶の抵抗より高い抵抗値を示す。これは、イオン注入により結晶内部に結晶欠陥あるいは深い準位が形成され、かかる結晶欠陥等がキャリアの捕獲中心として機能するからである。このような効果をもたらすイオン種としては、例えばプロトン（Ｈ＋）、酸素（Ｏ）、鉄（Ｆｅ）等が挙げられる。イオン注入による高抵抗領域１５の存在によって、前方光導波領域１側から後方光導波領域２側の高抵抗層７ｂへ、あるいはその逆方向へ流れる電流は著しく制限されるため、前方光導波領域１と後方光導波領域２の注入電流に対する独立性が向上する結果、電流注入による波長制御性がさらに向上し、波長可変半導体レーザの制御回路が一層簡素化される効果が生じる。なお、図４（ａ）中で、屈折率制御層７は、実施の形態１の場合と異なって後方光導波領域２側にも設けられている。しかしながら、実施の形態１の場合と同様、屈折率制御層７が後方光導波領域２側に設けられていない素子構造であっても同一の機能を発揮することはいうまでもない。
【００４７】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３における波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面を図５（ａ）に、レーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における素子断面を（ｂ）に示す。また、素子の上面図を図６に示す。実施の形態１の波長可変半導体レーザは、前方光導波領域１では表面側のｐ型電極１０から裏面側の第１のｎ型電極９へと素子に対して垂直方向に電流が流れることも可能な素子構造であるのに対して、実施の形態３の波長可変半導体レーザでは、基板が半絶縁性ＩｎＰ基板３１で構成され光導波路３下部のクラッド層としての機能もこの半絶縁性ＩｎＰ層が兼ねており、また、光導波路３の両側面にそれぞれｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２およびｎ型ＩｎＰ埋め込み層３３が、光導波路３上部には高抵抗ＩｎＰ層３４が、さらに、前方光導波領域１におけるｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２上にはｐ型電極３５（第１電極）、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層３３上にはｎ型電極３６（第２電極）がそれぞれ設けられ、素子上部のｐ型電極３５とｎ型電極３６間に順方向のバイアス電圧を印加することにより、素子に対して水平方向に電流が流れる構造となっている。
【００４８】
また、前方光導波領域１上方の主に高抵抗ＩｎＰ層３４上に、シリコン酸化膜ＳｉＯ２等からなる絶縁膜３７ａを介して白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等の金属薄膜からなる薄膜ヒータ３８ａが、後方光導波領域２上方の高抵抗ＩｎＰ層３４上に、シリコン酸化膜ＳｉＯ２等からなる絶縁膜３７ｂを介して白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等の金属薄膜からなる薄膜ヒータ３８ｂが、それぞれ設けられている。なお、薄膜ヒータ３８ａの一部がｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２あるいはｎ型ＩｎＰ埋め込み層３３上に形成されても何ら問題なく、この場合も所望の機能を発揮する。
【００４９】
次に、本実施の形態における波長可変半導体レーザの特徴的な部分である薄膜ヒータ３８ａ、３８ｂによる波長制御動作について詳述する。図７は初期状態（薄膜ヒータ３８ａをオフとし、後方光導波領域２に電圧を印加していない場合）における前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーのそれぞれの反射ピークスペクトルを表し、図７において、４３は前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル、４４は後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルをそれぞれ表す。また、図８は、波長可変時の前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの各反射ピークスペクトルを表し、４５は前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル、４６は後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル、４７は前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルの波長シフト量、４８は後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルの波長シフト量を示す。
【００５０】
初期状態において、図７に示すように前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー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、レーザ発振波長もλ１となる。レーザ発振波長を意図的に変化させるには、前方ＳＧミラーまたは後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークを波長軸上で移動させる必要がある。半導体からなる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, pp. 1330-1332）に報告されているように、ＤＢＲ部分に通電加熱して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可能である。
【００５１】
本実施の形態の波長可変半導体レーザにおいて、前方光導波領域１側の薄膜ヒータ３８ａに通電することにより前方光導波領域１を加熱すると、図８に示すように、前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル４５は長波長側にシフトする。図８において、この場合における前方ＳＧミラーの波長シフト４７の大きさと向きを矢印で示す。
【００５２】
一方、この場合にさらに後方光導波領域２側の薄膜ヒータ３８ｂに通電することにより、後方光導波領域２を加熱すると、図８に示すように、後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル４６も長波長側にシフトする。この時の後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの波長シフトの大きさ４８と向きを同じく矢印で示す。その結果、前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長はλ２に変化し、レーザ発振波長もλ２となる。薄膜ヒータの加熱による波長シフト量は加熱の度合いに比例的に変化するので、両者の通電量を別個に制御することにより、所望の長波長シフト量を得ることが可能となる。
【００５３】
以上説明したように、薄膜ヒータ３８ａへの通電加熱によって前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルは波長軸上で長波長側に移動し、同様な方法によって、後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルも波長軸上で長波長側に移動する。これにより、本実施の形態３の波長可変半導体レーザでは、前方光導波領域１、２に対する加熱の相乗効果によって、より安定かつ制御性良くレーザ発振波長を所望の値に変えることができる。
【００５４】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４における波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面を図９に示す。図中、図５と同様の部分は同一符号で示す。３８ｃは薄膜ヒータ、６０は屈折率制御領域を示す。また、図１０は、本発明の実施の形態４における波長可変半導体レーザ動作時の前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの各反射ピークスペクトルを表す。
【００５５】
実施の形態４の波長可変半導体レーザでは、実施の形態３の波長可変半導体レーザの前方光導波領域１と後方光導波領域２の間に屈折率制御領域６０を設けた点に特徴がある。本実施の形態の波長可変半導体レーザでは、上述のように後方光導波領域２と独立に屈折率可変な位相制御領域６０を設けることによってセルフパルセーション動作と波長可変動作の両立を可能としたものである。すなわち、位相制御領域６０に所定の電流を注入あるいは薄膜ヒータ３８ｃによる加熱のいずれか一方または両方の手段によって位相制御領域６０の屈折率を微調整することにより、セルフパルセーション動作の開始と停止を行わせることができる。
【００５６】
ここで、セルフパルセーション動作について説明する。光ファイバ通信技術は、現代の情報化社会を支える重要なインフラストラクチャーである。従来、海底光ケーブルや都市間を結ぶ陸上幹線通信ネットワークを始めとして整備が進められ、急速な発展を遂げてきた。現在では、幹線系の１チャネル当たりの通信速度は１０〜４０Ｇｂｐｓに及び、将来的には８０〜１６０Ｇｂｐｓ以上の超高速・大容量通信の実現も期待されている。
【００５７】
現状のシステム構成では、ネットワークのノード部分において光信号を一旦電気信号に変換（Ｅ−Ｏ変換）して、リタイミング、波形整形を行った後に、再度光信号に変換（Ｏ−Ｅ変換）して送出している。しかしながら、数１０Ｇｂｐｓを超えるような超高速光通信システムでは、このような電気信号を介した制御で光信号を処理するのはもはや困難であった。すなわち、ノードにおける信号処理速度が次第にネットワーク全体の信号処理速度を制限するボトルネックになりつつあった。かかる問題点を解決し、超高速・大容量通信を実現するためのキー技術が全光信号処理である。
【００５８】
全光信号処理では、技術的および経済的観点からネットワークノードに送られてきた光信号を電気信号に変換することなく光信号のままで波形整形や増幅を行った後に送り出す処理が求められている。光―光制御方式を用いた場合の利点として、電気回路のＣＲ時定数により動作速度が制限されないこと、超短パルスの発生が可能な光パルスが直接利用可能な点が挙げられる。
【００５９】
かかる全光信号処理の実現には各種光素子が必要となるが、特に短い光パルスを一定の周波数で持続させた光クロックパルスは必須であり、安定でジッタ、つまり時間軸での信号の揺らぎの少ない光クロックパルス発生素子の実現が求められている。半導体素子による光クロックパルスの発生は、ネットワークシステムの小型化や振動に対する堅牢さの観点からも重要である。
【００６０】
高速動作可能な光クロックパルスを発生させる半導体レーザとして、パルセーション動作を行うセルフパルセーティングＤＦＢレーザ（self-pulsating distributed feedback laser）が知られている。光クロックパルスを発生する半導体レーザでは、単にセルフパルセーション動作可能であるだけでなく、波長可変機能を具備することが望ましい。光通信で用いられる波長はいわゆるＣバンドと呼ばれる幅３０ｎｍ程度の範囲から選択されるので、異なる波長の入力信号光を波長可変範囲内の任意の波長に変換する波長変換機能をも一つの半導体レーザで受け持たせることができると、波長変換素子面積の縮小や低コスト化が可能となるからである。しかしながら、従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザでは波長可変機能は実用上充分ではなく、波長可変範囲は極めて狭かった。
【００６１】
実施の形態４の波長可変半導体レーザの動作を以下に説明する。なお、波長可変半導体レーザとしての動作は実施の形態３の波長可変半導体レーザとほぼ同一なので、本実施の形態の半導体レーザで特徴的なセルフパルセーション動作を主に説明する。
【００６２】
実施の形態４の波長可変半導体レーザのような３電極構成では、上述したように、回折格子を設けた前方光導波領域１および後方光導波領域３の２つの活性領域が両者の間に設けられた位相制御領域６０を挟んで集積されている。各領域はエッチングによる分離溝１２で電気的に分離されており、独立に電流注入可能である。
【００６３】
実施の形態４の波長可変半導体レーザのセルフパルセーションの繰り返し周波数は、ＳＧミラーから成る前方光導波領域１、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーから成る後方光導波領域２への直流的な注入電流によって調整可能である。
【００６４】
実施の形態４の波長可変半導体レーザは、以下に説明する分散性自己Qスイッチング（dispersive self Q-switching）の原理に基づき動作する。一般に、Qスイッチレーザでは、活性層内で強い励起による高い反転分布が生成されているが、初期状態では高い共振器損失が存在するため、レーザ動作が妨げられている。一旦共振器損失が打ち消されると、高いインパルス強度の短パルスが放出される。上記Qスイッチング動作を達成するには、外部に設けた共振器反射ミラーの損失を高い状態から低い状態へ急激に変化させる方法、あるいは初期的に共振器中に内部損失を形成した後、その内部損失を取り除くようにする方法がある。
【００６５】
前方光導波領域１はレーザ閾値電流を十分に上回るように強く励起し、後方光導波領域２はレーザ閾値電流付近でほぼ透明の状態になる程度に弱く励起する。このとき、前方光導波領域１はレーザの活性領域として機能し、後方光導波領域２は分散性の強い、すなわち反射率の波長依存性が大きい、いわゆる反射ミラーとして機能する。前方光導波領域１と後方光導波領域２それぞれのブラッグ（Ｂｒａｇｇ）波長は、当該領域内に注入されたキャリア密度に依存して変化する。前方光導波領域１と後方光導波領域２間で強く非対称励起すると、２つの領域のブラッグ波長がわずかにずれるデチューニング（離調）状態が発生する。ストップバンドの長波長側では、後方光導波領域２からの光反射、つまりフィードバックによって光密度が増大するのでレーザ発振が生じやすい。
【００６６】
後方光導波領域２の反射率が高いとレーザの閾値電流は低減し、逆に後方光導波領域２の反射率が低いとレーザの閾値電流は上昇する。ストップバンドの長波長側では分散性反射ミラーの急峻な反射ピークの裾付近のわずかな波長の変化により、レーザ閾値電流は非常に効率的に変調される。
【００６７】
例えば、後方光導波領域２の反射率が低くて結果的にレーザ閾値電流が上昇すると、共振器内部のキャリア密度も増加して屈折率が低下するため、レーザ発振波長は短波長側にシフトする。そのとき、後方光導波領域２の反射率は高くなり、レーザ閾値電流が急減する結果、Qスイッチレーザと同様に短パルスが出力される。レーザ発振によって消費された活性領域中のキャリアが再び電流注入で補充されるまでには時間遅れがあり、この間レーザ発振は停止する。このように後方光導波領域２からのフィードバックの最小点付近では、キャリア密度の揺らぎによって後方光導波領域２からのフィードバック、すなわち共振器のＱ値が大きく変化する。以上の過程を繰り返すことにより、直流の励起電流を用いているにもかかわらずセルフパルセーション動作を持続させることができる。
【００６８】
本素子構造では、位相制御領域６０は前方光導波領域１と後方光導波領域２で構成された共振器中の光波の位相を、電流注入あるいは薄膜ヒータ３８ｃによる加熱のいずれか一方または両方の手段によって調整してセルフパルセーション動作のオン・オフを制御することにより、セルフパルセーション動作を安定化させる。
【００６９】
本実施の形態の波長可変半導体レーザの動作の一例を以下に説明する。後方光導波領域２の反射スペクトルは１〜２ｎｍの波長幅を有する複数のブラッグ反射ピークを伴う。一方、活性な前方光導波領域１の利得ピークは、各ブラッグ反射ピークの両側に一つずつ存在する。図１０（ａ）に示すように、そのうち一つの反射ピークの長波長側の傾斜した裾に前方領域の利得スペクトルの短波長側のピークを合わせることによって、波長λ１においてセルフパルセーション動作が可能となる。
【００７０】
後方光導波領域２の薄膜ヒータ３８ｂに電流を注入して発熱によりかかる領域の光導波層３の屈折率が高くなると、図１０（ｂ）のように、別の波長λ２においてもセルフパルセーション動作が可能となる。波長可変半導体レーザの波長可変動作時における後方光導波領域２の任意の反射ピークの組み合わせ毎に、上述のようなセルフパルセーション動作が可能であるから、結果として一つの波長可変半導体レーザで、レーザ発振波長を変えると同時にセルフパルセーション動作を行わせることが可能となる効果がある。
【００７１】
なお、実施の形態１または２の波長可変半導体レーザにおいて、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層６の下部、つまりＩｎＰ基板４側に高抵抗の電流狭窄層を設けると、光導波路３に一層効率良く電流を注入できるので、高効率で動作する波長可変半導体レーザが得られる効果がある。
【００７２】
【発明の効果】
本発明に係る波長可変半導体レーザでは、半導体基板と、上記半導体基板上に形成されたクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、を備えることとしたので、従来のＳＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザと比較して安定にレーザ発振波長を制御することが可能となり、また、従来のＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザに比べて後方導波領域がＳＳＧ−ＤＢＲミラーで構成されている分、後方反射率を高くとれるため、より低い閾値電流でレーザ発振し、高効率でかつ高出力動作時に狭線幅の波長可変半導体レーザが得られる。
【００７３】
本発明に係る波長可変半導体レーザでは、第１導電型の半導体基板と、上記半導体基板上に形成された第１導電型のクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、上記光導波路上に形成された高抵抗層と、上記前方光導波領域上の高抵抗層中に上記光導波路に沿って形成された屈折率制御層と、上記前方光導波領域上の高抵抗層の上部に形成された第１導電型の第１コンタクト層と、上記光導波路の両側面にそれぞれ形成された第２導電型の埋め込み層と、上記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２導電型の第２コンタクト層と、上記前方光導波領域と上記後方光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、上記半導体基板の裏面側に形成された第１電極と、上記第１コンタクト層上に形成された第２電極と、上記第２コンタクト層上に形成された第３電極と、を備えることとしたので、従来のＳＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザと比較して安定にレーザ発振波長を制御することが可能となり、また、従来のＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザに比べて後方導波領域がＳＳＧ−ＤＢＲミラーで構成されている分、後方反射率を高くとれるため、より低い閾値電流でレーザ発振し、かつ高効率で、さらに、ＳＣＨ構造の適用により、縦モードの安定性に優れ、かつ高出力動作時に狭線幅の波長可変半導体レーザが得られる。
【００７４】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザでは、上記分離溝の深さ方向に上記分離溝底部から上記第１導電型のクラッド層に達するイオン注入による高抵抗領域を設けることとしたので、かかるイオン注入による高抵抗領域の存在によって、前方光導波領域側から後方光導波領域側へ、あるいはその逆方向へ流れる電流は著しく制限されるため、前方光導波領域と後方光導波領域の注入電流に対する独立性が向上する結果、電流注入による波長制御性がさらに向上し、波長可変半導体レーザの制御回路が一層簡素化される効果が生じる。
【００７５】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザでは、上記屈折率制御層がさらに上記後方光導波領域上の高抵抗層中にも設けられることとしたので、縦モードの安定性に優れ、かつ高出力動作時に狭線幅の波長可変半導体レーザが得られる。
【００７６】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザでは、半絶縁性の半導体基板と、上記半導体基板上に形成された半絶縁性のクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路上に形成された高抵抗層と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、上記光導波路の両側面にそれぞれ形成された第１導電型の埋め込み層および第２導電型の埋め込み層と上記第１導電型の埋め込み層上に形成された第１電極と、上記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２電極と、上記前方光導波領域および上記後方光導波領域上部の上記高抵抗層上に絶縁膜を介してそれぞれ形成された薄膜ヒータと、上記前方光導波領域と上記後方光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、を備えることとしたので、より安定かつ制御性良くレーザ発振波長を所望の値に変えることができる。また、本発明に係る波長可変半導体レーザでは、上記半導体基板、上記クラッド層および埋め込み層がインジウム燐（ＩｎＰ）からなることとしたので、長波長帯の波長可変半導体レーザが得られる。
【００７７】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザでは、上記前方光導波領域の結合定数が上記後方光導波領域の結合定数より小さいこととしたので、かかる関係を満たすことにより、前方ミラーの反射率に比べて後方ミラーの反射率を高めることが可能となり、また反射ピーク波長位置を調整して前後ミラー領域における光の伝搬定数がほぼ一致する波長で発振させることができるので、前面からの光出力割合を多くすることができ、高出力かつ高効率動作の半導体レーザが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図、（ｂ）はレーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域における断面図、（ｃ）は波長可変半導体レーザの上面図、をそれぞれ示す。
【図２】  （ａ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザにおける前方および後方光導波領域に電流を注入しない場合の前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルと、後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを示した図であり、（ｂ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザにおける後方光導波領域に電流注入を行った場合の後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを、電流注入していない前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルと比較して示した図である。
【図３】  実施の形態１の波長可変半導体レーザにおけるＳＣＨ構造の屈折率プロファイルである。
【図４】  （ａ）は、実施の形態３の波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図，（ｂ）はレーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における断面図、をそれぞれ示す。
【図５】  （ａ）は、実施の形態３の波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図，（ｂ）はレーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における断面図、をそれぞれ示す。
【図６】  実施の形態３の波長可変半導体レーザの上面図である。
【図７】  実施の形態３の波長可変半導体レーザにおける初期状態における前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーのそれぞれの反射スピークペクトルである。
【図８】  実施の形態３の波長可変半導体レーザにおける波長可変時における前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの各反射ピークスペクトルである。
【図９】  実施の形態４の波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図である。
【図１０】  実施の形態４の波長可変半導体レーザ動作時の前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの各反射ピークスペクトルである。
【図１１】  従来のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザの構成を示した模式図である。
【図１２】  （ａ）は、前方光導波領域および後方光導波領域に電流注入を行わない場合における前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル、（ｂ）は、後方光導波領域に電流注入を行った場合における後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルをそれぞれ示す。
【図１３】  従来のＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図である。
【符号の説明】
１  活性領域を兼ねたＳＧミラーを有する前方光導波領域、  １ａ  前方光導波領域に設けられたＳＧミラー中の回折格子部、  １ｂ  ＳＧミラー中の一対の回折格子部と非回折格子部を併せて一単位とした場合の一周期、  ２  ＳＳＧ−ＤＢＲミラーを有した後方光導波領域、  ２ａ  ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子のピッチ変化、つまり変調に対する一周期、  ３  ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路、  ４  ｎ型ＩｎＰ基板、  ５  ｎ型ＩｎＰクラッド層、  ６  ｐ型ＩｎＰ埋め込み層、  ７  屈折率制御層、  ７ａ、ｂ、ｃ高抵抗ＩｎＰ層、  ８ａ  ｎ型ＩｎＰ第１コンタクト層、  ８ｂ  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ第２コンタクト層、９  第１のｎ型電極、  １０  ｐ型電極、  １１  第２のｎ型電極、  １２  分離溝、  １３  波長可変半導体レーザの出射端面から外部に出射されたレーザ光、  １５  イオン注入による高抵抗領域、  ３１  半絶縁性のＳＩ−ＩｎＰ基板、  ３２  ｐ型ＩｎＰ埋め込み層、  ３３  ｎ型ＩｎＰ埋め込み層、  ３４  高抵抗ＩｎＰ層、  ３５  ｐ型電極、  ３６  ｎ型電極、  ３７ａ，ｂ  シリコン酸化膜ＳｉＯ２等からなる絶縁膜、  ３８ａ，ｂ，ｃ  薄膜ヒータ、  ４３  前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル、  ４４  後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル、  ４５  前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル、  ４６  後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル、  ４７  前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルの波長シフト量、  ４８  後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルの波長シフト量、  ６０  屈折率制御領域、  １０１  活性領域、  １０２  前方光導波領域、  １０３  後方光導波領域、  １０４  位相制御領域、  １０５  ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路、  １０６  ｎ型ＩｎＰ基板、  １０７  ｎ型ＩｎＰクラッド層、  １０８  ｐ型ＩｎＰクラッド層、  １０９  ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、  １１３  ｎ型電極、  １１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄ  ｐ型電極、  １１５  レーザ光、  １２１前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子ピッチ変化つまり変調の一周期、  １２２  後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子ピッチ変化つまり変調の一周期。
【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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