(57)【要約】【課題】  簡易な構成で制御が容易な波長可変フィルタ及び半導体発光デバイスを提供する。【解決手段】  波長可変フィルタ１０は、第１の基板１２と、第１の基板上に設けられた光導波路コア層２０と、光導波路コア層の光軸方向に略直交する方向に位置しており光導波路コア層に光学的に結合している回折格子２４と、回折格子の光軸方向における一部２５ａに波長調整用の信号を供給するための第１の電極Ｅ２とを備える。そして、回折格子の光軸方向における一部の長さは、回折格子の光軸方向における他の部分２５ｂの長さより短い。電極による波長調整用の信号供給で、回折格子の一部の屈折率が変化するため位相シフト効果を得ることができる。その結果、第１の電極からの信号の供給量を調整することで、回折格子のストップバンド内において透過波長を容易に変えることが可能である。【選択図】  図１
2009204842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、
前記第１の基板上に設けられた光導波路コア層と、
前記光導波路コア層の光軸方向に略直交する方向に位置しており前記光導波路コア層に光学的に結合している回折格子と、
前記回折格子の前記光軸方向における一部に波長調整用の信号を供給するための第１の電極と、
を備え、
前記回折格子の前記光軸方向における一部の長さは、前記回折格子の前記光軸方向における他の部分の長さより短い、
ことを特徴とする波長可変フィルタ。
【請求項２】
前記回折格子の結合係数が、１００ｃｍ−１以上であることを特徴とする請求項１に記載の波長可変フィルタ。
【請求項３】
前記第１の電極は、前記光軸方向において前記波長可変フィルタの中央部に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の波長可変フィルタ。
【請求項４】
前記第１の電極の前記光軸方向の長さが、前記波長可変フィルタの前記光軸方向の長さの１／１０以下であることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の波長可変フィルタ。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の波長可変フィルタと、
前記波長可変フィルタと光学的に結合した半導体発光素子と、
を備え、
前記半導体発光素子は、
第２の基板と、
前記第２の基板上に設けられ前記光導波路コア層に光学的に結合した活性層と、
前記活性層にキャリアを注入するための第２の電極と、
を有し、
前記第１及び第２の基板は共通の基板である、
ことを特徴とする半導体発光デバイス。
【請求項６】
前記半導体発光素子は発光ダイオードであることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光デバイス。
【請求項７】
前記半導体発光素子は、分布帰還型又は分布反射型の半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項５に記載の半導体発光デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変フィルタ及び半導体発光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この分野の従来の技術としては、非特許文献１に記載されている波長可変フィルタが知られている。この波長可変フィルタは、ＩｎＰ基板上に２個のフリースペクトラルレンジの異なるリング共振器を形成し、これらの共振スペクトル波長位置をリング共振器への電流注入による屈折率変化で調整し、２個のリング共振器のバーニア効果で、共振スペクトル波長が一致したときに所望波長のフィルタリングが得られるようになっている。
【非特許文献１】Seung June Choi, ”Tunable Narrow LinewidthAll-Buried Heterostructure Ring Resonator Filters Using Vernier Effects,” IEEEPhotonics Technology Letters, vol.17, no.1, pp.106-108, 2005
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、非特許文献１に記載の技術では、リング共振器を２個形成していることから、デバイス構造が複雑である。また、２個のリング共振器を制御する必要があり、制御が複雑であった。
【０００４】
そこで、本発明は、簡易な構成で制御が容易な波長可変フィルタ及び半導体発光デバイス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】
【０００５】
本発明に係る波長可変フィルタは、第１の基板と、第１の基板上に設けられた光導波路コア層と、光導波路コア層の光軸方向に略直交する方向に位置しており光導波路コア層に光学的に結合している回折格子と、回折格子の光軸方向における一部に波長調整用の信号を供給するための第１の電極と、を備え、回折格子の光軸方向における上記一部の長さは、回折格子の光軸方向における他の部分の長さより短い、ことを特徴とする。
【０００６】
上記構成では、光導波路コア層に回折格子が光学的に結合しているため、光導波路コア層を導波する光の波長は回折格子により規定される。よって、回折格子により波長可変フィルタの透過波長が決まる。そして、第１の電極から波長調整用の信号が供給されると、回折格子の一部の屈折率が変化するため、位相シフト効果を得ることができる。回折格子において第１の電極から信号が供給される部分は他の部分より小さいことから、第１の電極からの信号の供給量に応じて位相シフト量を変化させることで、回折格子のストップバンド内において透過波長を変更可能である。この場合、回折格子の一部に対して信号が供給されるように第１の電極を設け、第１の電極による信号の供給量を調整すればよいため、簡易な構成で制御の容易な波長可変フィルタを実現することができる。
【０００７】
上記回折格子の結合係数が１００ｃｍ−１以上であることが好ましい。結合係数をこの範囲にすることで、透過波長の変更幅を３ｎｍ以上とすることができる。
【０００８】
上記第１の電極は、光軸軸方向に対して波長可変フィルタの中央部に形成されていることが好適である。この構成により、波長可変フィルタで選択された透過波長を有する光の透過率をより高くすることができる。
【０００９】
更に、上記第１の電極の光軸方向の長さが、波長可変フィルタの光軸方向の長さの１／１０以下であることが好ましい。この場合、単一波長の光を出力光としてより確実に得ることができる。
【００１０】
また、本発明に係る半導体発光デバイスは、本発明に係る上記波長可変フィルタと、波長可変フィルタと光学的に結合した半導体発光素子と、を備え、半導体発光素子は、第２の基板と、第２の基板上に設けられ光導波路コア層に光学的に結合した活性層と、活性層にキャリアを注入するための第２の電極と、を有し、第１及び第２の基板は共通の基板である、ことを特徴とする。
【００１１】
この半導体発光デバイスの構成では、活性層で生成される光は波長可変フィルタが有する光導波路コア層に入射される。波長可変フィルタは、前述した本発明に係るものであるため、第１の電極からの信号の供給量を調整することで、透過波長を変更することができる。よって、半導体発光デバイスでは、半導体発光素子で生成された光から所望の波長の光を選択的に出力させることが可能である。そして、回折格子の一部に対して上記信号が供給されるように第１の電極を設け、第１の電極による信号の供給量を調整することで、所望の波長を選択できるため、簡易な構成で制御の容易な半導体発光デバイスを実現することができる。また、半導体発光デバイスでは、波長可変フィルタが有する第１の基板と、半導体発光素子が有する第２の基板とが共通のものであり、波長可変フィルタと半導体発光素子とは集積されているため、小型化も図られている。
【００１２】
上記半導体発光素子は発光ダイオードであることが有効である。発光ダイオードから出力される広帯域な波長領域を有する光から波長可変フィルタにより所望の波長の光を選択して出力できる。そして、波長可変フィルタの透過波長を変更することで、半導体発光デバイスから出力される光の波長を容易に変更可能である。
【００１３】
また、上記半導体発光素子は、分布帰還型又は分布反射型の半導体レーザ素子であることも好適である。分布帰還型又は分布反射型の半導体レーザ素子において変調を実施した場合にレーザ光の波長に広がりが生じても、波長可変フィルタにより波長を選択して出力することで、所望の波長を有しており狭帯域化された出力光を得ることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、簡易な構成で制御が容易な波長可変フィルタ及び半導体発光デバイスを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明に係る波長可変フィルタ及び半導体発光デバイスの実施形態について説明する。以下の説明においては、同一の要素には同一の符号を用いることとし、重複する説明は省略する。また、図中の寸法比率は必ずしも説明中のものとは一致していない。
【００１６】
図１は、本発明に係る波長可変フィルタの一実施形態の断面図である。図１では、波長可変フィルタ１０の光軸方向に沿った断面構成を示している。
【００１７】
波長可変フィルタ１０は第１導電型（例えば、ｎ型）の半導体基板（第１の基板）１２を有する。半導体基板１２の裏面には、裏面電極Ｅ１が設けられており、半導体基板１２の表面上にはフィルタ部１４が設けられている。波長可変フィルタ１０の全長Ｌ１、換言すれば、フィルタ部１４の光軸方向の長さＬ１は、１００μｍ〜１２００μｍが例示される。以下、半導体基板１２がｎ型のＩｎＰ基板からなるものとして半導体基板１２上の構成について説明する。
【００１８】
フィルタ部１４は、半導体基板１２上に第１導電型のクラッド層１６、光閉じ込め層１８、光導波路コア層２０、光閉じ込め層２２、回折格子２４及び第２導電型のクラッド層２６がこの順に設けられると共に、クラッド層２６上に電極（第１の電極）Ｅ２が設けられて構成されている。
【００１９】
半導体基板１２がｎ型のＩｎＰからなる場合、クラッド層１６もｎ型ＩｎＰから構成することができる。クラッド層１６の厚さとしては、０．２μｍ〜２μｍが例示される。また、ドーピング濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３とすることができる。
【００２０】
光閉じ込め層１８は、ノンドープのＧａＩｎＡｓＰ混晶、或いはＡｌＧａＩｎＡｓ混晶からなるものとすることができる。光閉じ込め層１８の厚さとしては、０．０２μｍ〜．５μｍが例示される。また、光閉じ込め層１８のバンドギャップエネルギーは、光導波路コア層２０のバンドギャップエネルギーより大きくクラッド層１６のバンドギャップエネルギー以下である。
【００２１】
光導波路コア層２０は、ノンドープのＧａＩｎＡｓＰ或いはＡｌＧａＩｎＡｓで、クラッド層１６，２６のバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有するものとすることができる。光導波路コア層２０の厚さは、０．０２μｍ〜０．２μｍが例示される。
【００２２】
光閉じ込め層２２は、光閉じ込め層１８と同じ材料から構成することができ、その厚さとしては、０．０２μｍ〜０．５μｍが例示される。光閉じ込め層２２と、光導波路コア層２０及びクラッド層２６とのバンドギャップエネルギーの関係は、光閉じ込め層１８と、光導波路コア層２０及びクラッド層１６とのバンドギャップエネルギーの関係と同様である。
【００２３】
回折格子２４は、光閉じ込め層２２の表面に形成された周期的な凹凸構造（回折格子構造）からなる。回折格子２４は、光閉じ込め層２２とクラッド層２６との屈折率差により周期的な屈折率分布が形成された屈折率分布型の回折格子であり、波長可変フィルタ１０の両端面間に渡って光軸方向に延びている。回折格子２４の回折波長としては、１．２８μｍ〜１．６５μｍ帯とすることができる。また、回折格子２４の結合係数κ１としては、波長可変範囲を広くする観点から１００ｃｍ−１〜６００ｃｍ−１とすることが好ましい。結合係数κ１は回折格子２４の溝部の深さを変えることで調整することができる。例えば、結合係数κ１が１００ｃｍ−１である場合、回折格子２４の溝部の深さ、すなわち、光軸方向に直交する方向の長さ（又は半導体基板１２の表面に直交する方向の長さ）は、１００ｎｍ程度となる。回折格子２４の回折波長及び結合係数κ１は上記好適な範囲に限定されず、透過させるべき波長を含むように回折波長を設定すればよく、また、所望の波長可変帯域を得られるように結合係数κ１を規定すればよい。
【００２４】
クラッド層２６は、ｐ型ＩｎＰから構成することができ、ドーピング濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３が例示される。
【００２５】
電極Ｅ２は、フィルタ部１４の光軸方向における一部の領域に波長調整用の電流（信号）を供給するためのものであり、電極Ｅ２の光軸方向の長さｌは、電極Ｅ２により電流が供給される領域の光軸方向の長さが他の領域よりも小さくなるように規定されている。換言すれば、電極Ｅ２の長さｌは、ｌ＜（Ｌ１−ｌ）の関係を満たす長さである。電極Ｅ２の長さｌとしては、フィルタ部１４の全長Ｌ１の１／１０程度以下が好ましく、例えば、全長Ｌ１が２５０μｍの場合、電極Ｅ２の長さｌとしては１０μｍが例示される。電極Ｅ２は、クラッド層２６の表面上の一部にコンタクト層２８を介して設けられている。電極Ｅ２は、その中心がフィルタ部１４の中央部、すなわち、フィルタ部１４の一端面からＬ１／２の場所に位置するように設けられていることが好ましい。コンタクト層２８は、ｐ型ＧａＩｎＡｓからなるものとすることができ、ドーピング濃度は１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３とすることができる。
【００２６】
上記構成では、電極Ｅ２により、回折格子２４の光軸方向における一部の領域に電流が供給されることになる。この電極Ｅ２により電流が主に供給される回折格子２４の一部の領域を第１の領域２５ａとしたとき、回折格子２４は、電流が主に供給される第１の領域２５ａと、その他の領域である第２の領域（回折格子２４の他の部分）２５ｂとから構成されていることになる。電極Ｅ２の長さｌが（Ｌ１―ｌ）よりも小さいことから、第１の領域２５ａは、第２の領域２５ｂよりも小さい。そして、図１に示したように、電極Ｅ２がフィルタ部１４の中央部又はその近傍に位置する場合、第２の領域２５ｂは、第３の領域２５ｂ１と第４の領域２５ｂ２とを含んでおり、第３の領域２５ｂ１、第１の領域２５ａ及び第４の領域２５ｂ２は、この順に光軸方向に配置されていることになる。
【００２７】
上記波長可変フィルタ１０は、例えば、ＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓＰ混晶やＡｌＧａＩｎＡｓ混晶を成長、エッチングや干渉露光や再成長などの通常の半導体プロセスを経て各層構造を形成できる。より具体的には例えば次のようにして製造することができる。
【００２８】
半導体基板１２上に、クラッド層１６、光閉じ込め層１８、光導波路コア層２０を順に成長させる。次に、光導波路コア層２０上に光閉じ込め層２２となるべき層を成長させた後、例えばドライエッチング等を利用して光閉じ込め層２２の表面に凹凸構造を形成してから、クラッド層２６を更に成長させる。続いて、クラッド層２６上の所定位置にコンタクト層２８を形成する。そして、電極Ｅ２を形成すると共に、半導体基板１２の裏面にも電極Ｅ１を形成する。これにより、回折格子２４を有する波長可変フィルタ１０を得ることができる。
【００２９】
上記波長可変フィルタ１０では、クラッド層１６，２６間の半導体層構造から光導波路構造が形成されているため、光が光導波路コア層２０内を導波する。光導波路コア層２０には回折格子２４が光学的に結合しているため、回折格子２４により透過波長が規定される。そして、電極Ｅ２から波長調整用の電流を回折格子２４の一部の領域（第１の領域２５ａ）に供給すると、第１の領域２５ａの屈折率が変化し、プラズマ効果により位相シフト量を変化させることができる。その結果、回折格子２４の反射帯域（ストップバンド）内で透過波長が変化する。
【００３０】
波長可変フィルタ１０への入射光が、波長多重された信号であり波長λ1〜λｎ（但し、ｎは２以上の整数であり、λ1〜λｎは回折格子２４のストップバンド内）を有するとすると、電極Ｅ２による波長制御用電流の印加により所望の波長（例えばλ１）を有する光を波長可変フィルタ１０から出力光として選択的に取り出すことができる。そして、電流注入により透過波長を制御するので、波長切り替え速度は、ｎｓｅｃオーダーの高速切り替えが可能である。
【００３１】
波長可変フィルタ１０は、光導波路コア層２０に光学的に結合した回折格子２４を含む半導体積層構造に波長調整用の信号を供給する電極Ｅ２を設けた構成であり、電極Ｅ２からの電流供給量を調整することで、透過波長を制御している。よって、波長可変フィルタ１０では、簡易な構成で容易に透過波長の制御が可能となっている。
【００３２】
図２は、波長可変フィルタのシミュレーション結果を示す図面であり、波長可変フィルタの透過特性を示している。縦軸は透過率を示しており、横軸は波長を示している。
【００３３】
シミュレーションにおいて、波長可変フィルタ１０の全長Ｌ１は２５０μｍである。また、回折格子２４の結合係数κ１は３２０ｃｍ−１であり、回折格子２４の回折波長の中心波長（ストップバンドの中心波長）は１．５５μｍである。この場合、回折格子２４のストップバンド幅は約７ｎｍである。電極Ｅ２の光軸方向の長さｌは１０μｍであり、波長可変フィルタ１０の光軸方向において中央位置、すなわち、波長可変フィルタ１０の一端面からＬ／２の位置に電極Ｅ２が配置された構成としている。
【００３４】
シミュレーションでは、電極Ｅ２により注入電流の値を、０．５mＡ，１ｍＡ，２ｍＡ，・・・１７ｍＡ，１８ｍＡと変化させている。図２中、右側（長波長側）から順に現れている透過率のピークを示す波長が、電流値を上記のように順に変化させた場合の透過波長に対応する。注入する電流値を変化させることで、図２に示すように、透過波長が回折格子２４のストップバンド内で変化していることがわかる。その結果、波長可変フィルタ１０では、電極Ｅ２を介して供給する波長調整用の電流量により、透過波長を変更可能である。
【００３５】
上記波長可変フィルタ１０においては、電極Ｅ２は、波長可変フィルタ１０の対称中心、換言すれば、波長可変フィルタ１０の光軸方向において中心に位置することが好ましい。これにより、より高い透過効率を実現できるからである。
【００３６】
図３は、電極の位置を変化させた場合のシミュレーション結果を示す図面である。図３は、図２のシミュレーション結果を得るためのシミュレーションにおいて、電極Ｅ２から供給する電流を６ｍＡに固定し、電極Ｅ２の中心位置を、
（ｉ）波長可変フィルタ１０の中心、すなわち、Ｌ１／２の位置にした場合（図中、実線で示すスペクトル参照）、
（ｉｉ）波長可変フィルタ１０の中心から１０μｍずらした場合（図中、一点鎖線で示すスペクトル参照）、
（ｉｉｉ）波長可変フィルタ１０の中心から２０μｍずらした場合（図中、破線で示すスペクトル参照）、
の透過率の変化を示している。なお、図３では、一つの透過波長近傍を拡大して示している。
【００３７】
図３に示すように、波長可変フィルタ１０の中心からの電極Ｅ２のズレ量が大きくなるにつれて、透過率は小さくなる傾向にある。よって、波長可変フィルタ１０を光が通ることによる損失を低減する観点から、電極Ｅ２は、その中心が波長可変フィルタ１０の光軸方向における中心に位置するように配置されていることが好ましい。
【００３８】
また、電極Ｅ２の光軸方向の長さｌは、波長可変フィルタ１０の光軸方向の長さＬ１の１／１０以下であることが好ましい。電極Ｅ２による電流の注入電流が広い場合、回折格子２４のストップバンド中に複数の透過ピーク波長が生じる場合があるが、上記範囲を満たすことにより、より確実に単一波長の光を出力光として得ることが可能となるからである。電極Ｅ２の長さｌに対する上記条件を満たさない場合の例と比較して、具体的に説明する。
【００３９】
図４は、電極の長さが波長可変フィルタの光軸方向の長さの１／１０より大きい場合のシミュレーション結果を示す図面である。電極Ｅ２の長さｌは３０μｍとし、電極Ｅ２から供給する電流値は１５mＡとしている。この場合、図４に示すように、一つの注入電流に対してストップバンド内に２つのピークが生じることから、波長可変フィルタ１０は、２つの波長を含む光が透過することになる。
【００４０】
一方、図２に示したシミュレーション結果を得るためのシミュレーションの条件では、波長可変フィルタ１０の長さＬ１が２５０μｍに対して、電極Ｅ２の長さｌは１０μｍであり、上記条件を満たしている。この場合、図２に示したように、電極Ｅ２から供給する注入電流に応じて一つの波長を有する光が透過するため、単一波長の光を出力光として取り出せる。よって、電極Ｅ２の長さｌは、波長可変フィルタ１０の全長（長さ）Ｌ１の１／１０以下が好ましい。また、このような条件を満たすことにより、回折格子２４のストップバンドを変化させずに、ストップバンド内で透過波長を変更することが可能である。
【００４１】
（第２の実施形態）
図５は、本発明に係る半導体発光デバイスの一実施形態の断面図である。図５では、半導体発光デバイス１の光軸方向に沿った断面構成を示している。
【００４２】
半導体発光デバイス１は、半導体発光素子３０に波長可変フィルタ１０１が光学的に結合して構成されている。波長可変フィルタ１０１と半導体発光素子３０とは、共通の半導体基板（第１及び第２の基板）３２を有する。そして、半導体基板３２の第１の部分（第１の基板部分）上にフィルタ部３４が設けられて波長可変フィルタ１０１が構成されており、半導体基板３２の第１の部分に隣接する第２の部分（第２の基板部分）上にＤＦＢ型のレーザ部としての半導体発光部３６が設けられて半導体発光素子３０が構成されている。すなわち、半導体発光デバイス１は、半導体基板３２上に、フィルタ部３４と、半導体発光部３６が集積された半導体集積素子である。波長可変フィルタ１０１の全長Ｌ１としては１００μｍ〜１２００μｍが例示され、半導体発光素子３０の全長Ｌ２としては、１００μｍ〜６００μｍが例示される。
【００４３】
本実施形態においても、半導体基板３２がｎ型のＩｎＰからなるものとして半導体基板３２上の構成について説明する。
【００４４】
フィルタ部３４は、半導体基板３２の第１領域上にクラッド層３８Ａ、光閉じ込め層４０Ａ、光導波路コア層４２、光閉じ込め層４４Ａ、回折格子４６Ａ及びクラッド層４８Ａがこの順に設けられると共に、クラッド層４８Ａの表面の一部領域上にコンタクト層５０Ａを介して電極Ｅ２が設けられて構成されている。
【００４５】
クラッド層３８Ａ，４８Ａ、光閉じ込め層４０Ａ，４４Ａ、光導波路コア層４２、コンタクト層５０Ａ及び電極Ｅ２の構成は、図１に示した波長可変フィルタ１０が有するクラッド層１６，２６、光閉じ込め層１８，２２、光導波路コア層２０、コンタクト層２８及び電極Ｅ２の構成と同様であるため詳細な説明は省略する。
【００４６】
回折格子４６Ａは、光閉じ込め層４４Ａの表面に形成された周期的な凹凸構造（回折格子構造）からなる。回折格子４６Ａは、光閉じ込め層４４Ａとクラッド層４８Ａとの屈折率差により周期的な屈折率分布が形成された屈折率分布型の回折格子であり、波長可変フィルタ１０１の光軸方向における全長に渡って延びている。回折格子４６Ａの回折波長は、１．２８μｍ〜１．６５μｍ帯とすることができる。
【００４７】
上記波長可変フィルタ１０１の構成においても、電極Ｅ２により、回折格子４６Ａの一部に電流が供給されることになる。よって、図１に示した回折格子４６Ａの場合と同様に、光導波路コア層４２も、電極Ｅ２により電流が供給される第１の領域２５ａと、その他の領域である第２の領域２５ｂとから構成されているとみなすことができる。また、図１に示したように、電極Ｅ２がフィルタ部３４の中央部又はその近傍に位置する場合、第２の領域２５ｂは、第３の領域２５ｂ１と第４の領域２５ｂ２とを含んでいることになる。
【００４８】
次に、半導体発光素子３０側の構成について説明する。
【００４９】
半導体発光部３６は、半導体基板３２の第２領域上にクラッド層３８Ｂ、光閉じ込め層４０Ｂ、活性層５２、光閉じ込め層４４Ｂ、回折格子４６Ｂ及びクラッド層４８Ｂがこの順に設けられると共に、クラッド層４８Ｂの表面のほぼ全面にコンタクト層５０Ｂを介して電極（第２の電極）Ｅ３が設けられて構成されている。
【００５０】
半導体基板３２としてｎ型ＩｎＰからなる基板を採用した場合、クラッド層３８Ｂもｎ型ＩｎＰから構成することができる。クラッド層３８Ｂの厚さとしては、０．２μｍ〜２μｍが例示される。また、ドーピング濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３とすることができる。
【００５１】
光閉じ込め層４０Ｂ，４４Ｂは、ノンドープのＧａＩｎＡｓＰ混晶又はＡｌＧａＩｎＡｓ混晶からなるものとすることができる。光閉じ込め層４０Ｂ，４４Ｂの厚さとしては、０．０２μｍ〜０．５μｍが例示される。光閉じ込め層４０Ｂ，４４Ｂは、活性層５２の（活性層５２が量子井戸構造が有する場合には、井戸層の）バンドギャップエネルギーより大きく、クラッド層３８Ｂ，４８Ｂのバンドギャップエネルギーより小さいバンドギャップエネルギーを有する。
【００５２】
活性層５２は、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ混晶系の多重量子井戸構造、あるいはＡｌＧａＩｎＡｓ混晶系の多重量子井戸構造を含むものとすることができる。活性層５２の厚さとしては、０．０２μｍ〜０．２μｍが例示される。
【００５３】
回折格子４６Ｂは、光閉じ込め層４４Ｂの表面に形成された周期的な凹凸構造（回折格子構造）からなる。回折格子４６Ｂは、光閉じ込め層４４Ｂとクラッド層４８Ｂとの屈折率差により周期的な屈折率分布が形成された屈折率分布型の回折格子である。回折格子４６Ｂは、活性層５２と光学的に結合しており分布帰還用の回折格子として機能する。回折格子４６Ｂの回折波長としては、１．２８μｍ〜１．６５μｍ帯とすることができ、回折格子４６Ｂの結合係数κ２としては３０ｃm−１が例示される。
【００５４】
クラッド層４８Ｂは、ｐ型ＩｎＰから構成することができ、ドーピング濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜１×１０１８ｃｍ−３が例示される。
【００５５】
電極Ｅ３は、活性層５２にキャリアを供給するためのものである。電極Ｅ３直下のコンタクト層５０Ｂは、ｐ型ＧａＩｎＡｓからなるものとすることができ、ドーピング濃度は、１×１０１８ｃｍ−３〜１×１０２０ｃｍ−３が例示される。
【００５６】
図５に示すように、電極Ｅ２，Ｅ３は互いに分離されており、それらの間には、コンタクト層は形成されていない。
【００５７】
半導体発光デバイス１では、波長可変フィルタ１０１と半導体発光素子３０が有する各半導体層の構成（材料や厚さなど）は、活性層５２で生成される光が光導波路コア層４２に入射されれば異なっていても良いが、製造を容易にする観点から対応する半導体層は同じ構成を有することが好ましい。また、光導波路コア層４２のバンドギャップエネルギーは、活性層５２により発生する光の最大発光強度での光のエネルギーより大きい方が、光導波路コア層４２で光が吸収されないため好ましい。
【００５８】
同様に、回折格子４６Ａ及び回折格子４６Ｂは同じ周期と結合係数を有するものとすることができ、この場合、回折格子４６Ａ，４６Ｂは、半導体発光デバイス１の光軸方向において両端面間に渡って延びる一つの回折格子４６を構成していることになる。この回折格子４６の周期及び結合係数は両端面間において均一である。なお、回折格子４６の結合係数κとしては、回折格子４６Ｂ側の結合係数κ２以上を採用することが好ましく、例えば３０ｃｍ−１以上である。
【００５９】
半導体発光デバイス１がその両端面間に渡って延びる一つの回折格子４６を有する場合、半導体発光素子３０におけるレーザ発振波長と、回折格子４６のうち波長可変フィルタ１０１に含まれる部分（すなわち、回折格子４６Ａ）のストップバンド内の中心波長との間にズレが生じる場合がある。このズレは、電極Ｅ２から供給する電流量により調整することができる。よって、製造の容易性の観点から、図５に示したようにＤＦＢ型の半導体発光素子３０と波長可変フィルタ１０１とを集積化する場合、一つの回折格子４６を採用することが好ましい。
【００６０】
以下の説明では、特に断らない限りに、波長可変フィルタ１０１と半導体発光素子３０が有する各半導体層の構成（材料や厚さなど）は同じとし、クラッド層３８Ａ，３８Ｂ、光閉じ込め層４０Ａ，４０Ｂ、光閉じ込め層４４Ａ，４４Ｂ及びクラッド層４８Ａ，４８Ｂをそれぞれクラッド層３８、光閉じ込め層４０、光閉じ込め層４４及びクラッド層４８とも称す。なお、クラッド層３８，４８、光閉じ込め層４０，４４の材料は前述した半導体発光部３６側の材料を採用することが好ましい。また、回折格子４６Ａ，４６Ｂは、半導体発光デバイス１においてその両端面間に渡って延びる一つの回折格子４６の一部分であるものとする。
【００６１】
図５に示した半導体発光デバイス１は、例えば、ＩｎＰ基板上にＧａＩｎＡｓＰ混晶やＡｌＧａＩｎＡｓ混晶を成長、エッチングや干渉露光や再成長などの通常の半導体プロセスを経て各層構造を形成できる。より具体的には例えば次のようにして製造することができる。
【００６２】
先ず、半導体基板３２の表面上に、クラッド層３８及び光閉じ込め層４０を順次成長させた後、光閉じ込め層４０の表面の所定領域に光導波路コア層４２及び活性層５２をそれぞれ成長させる。次いで、光導波路コア層４２及び活性層５２上に光閉じ込め層４４となるべき層を成長させた後、例えばドライエッチング等を利用して光閉じ込め層４４の表面に凹凸構造を形成してから、クラッド層４８を更に成長させる。続いて、クラッド層４８上の所定位置にコンタクト層５０Ａ，５０Ｂを形成する。そして、電極Ｅ２，Ｅ３を形成すると共に、半導体基板３２の裏面にも電極Ｅ１を形成する。これにより、回折格子４６を含む半導体発光デバイス１を得ることができる。
【００６３】
次に、上記波長可変フィルタ１０１を備えた半導体発光デバイス１の作用効果について説明する。
【００６４】
電極Ｅ３を介して活性層５２に半導体発光素子３０の駆動用の電流を供給すると、分布帰還動作により、半導体発光素子３０から回折格子４６（又は回折格子４６Ｂ）で決まるレーザ発振波長を有するレーザ光が生成される。半導体発光素子３０と波長可変フィルタ１０１は光学的に結合しているため、半導体発光素子３０から出力されたレーザ光は光導波路コア層４２に入射される。
【００６５】
半導体発光デバイス１を動作させる際には、電極Ｅ２を介して回折格子４６の波長可変フィルタ１０１に含まれる部分（回折格子４６Ａ）の一部、すなわち、第１の領域２５ａに電流を注入する。第１の領域２５ａに電流が注入されると、プラズマ効果により注入される電流量に応じて屈折率が変化することから位相シフト量を変化させることができる。これにより、回折格子４６Ａのストップバンド内の波長帯域から透過波長を選択することができる。よって、半導体発光デバイス１では、半導体発光素子３０で生成されたレーザ光において、電極Ｅ２からの電流供給量に応じて選択された透過波長のレーザ光が出力光として半導体発光デバイス１から出力される。
【００６６】
例えば、光通信分野においては、ＤＦＢレーザの変調時にチャーピング（発振スペクトルの拡がり）が生じ、光ファイバ伝送時に波長分散の影響で信号波形の劣化を引き起こす問題が知られている。これに対して、図５に示したように、ＤＦＢ（分布帰還）型の半導体発光素子３０と波長可変フィルタ１０１とを集積化することによりチャーピングの影響が生じないようにすることができる。図６を利用して説明する。
【００６７】
図６（ａ）は、半導体発光素子から出力されるレーザ光の出力スペクトルの一例の模式図である。図６（ａ）では、変調時において波長可変フィルタ１０１通過前のレーザ光の出力スペクトルを示している。図６（ｂ）は、波長可変フィルタから出力されるレーザ光の出力スペクトルの一例の模式図である。図６（ｂ）では、図６（ａ）に示した出力スペクトルを有するレーザ光が入射された場合について示している。また、図６（ａ）及び図６（ｂ）において、縦軸は半導体発光素子３０及び波長可変フィルタ１０１からの出力光（レーザ光）の光出力を示しており、横軸は波長を示している。
【００６８】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように波長可変フィルタ１０１の透過波長λｔをレーザ発振スペクトルの所望の波長（例えば最大強度の波長）λに合わせることによりスペクトルの狭線幅化が可能で、波長分散の影響を受けにくい光源として好適に使用することができる。例えば、半導体発光素子３０を１０Ｇｂｐｓで変調した場合、５ＧＨｚ程度のチャープ量が生じる。波長可変フィルタ１０１は、周波数半値幅が１ＧＨｚ以下の波長可変フィルタ１０１が実現できるので、チャープ部分の余分な波長成分を除くことができる。
【００６９】
半導体発光デバイス１は、前述したように半導体発光素子３０と波長可変フィルタ１０１とが集積されたものである。そして、波長可変フィルタ１０１は、第１の実施形態の場合と同様に、光導波路コア層４２と光学的に結合した回折格子４６（又は回折格子４６Ａ）を含む半導体積層構造の一部領域上に電極Ｅ２が設けられており、電極Ｅ２からの電流供給量を調整することで波長可変フィルタ１０１の透過波長を制御可能となっている。よって、半導体発光デバイス１は、簡易な構成で制御の容易なものであり、電極Ｅ２による供給電流量を調整することで所望の波長を有する出力光を得ることができる。
【００７０】
本実施形態では、波長可変フィルタ１０１及びＤＦＢ型の半導体発光素子３０が集積された半導体発光デバイス１の好適な形態として、回折格子４６Ａ，４６Ｂは周期及び結合係数が同じであり、光軸方向に延びる一つの回折格子４６を構成している場合を説明した。しかし、波長可変フィルタ１０１では、回折格子４６Ａと回折格子４６Ｂは、周期及び結合係数の少なくとも一方が異なっているものとすることができる。この場合、例えば、回折格子４６Ａの結合係数κ１は、波長可変範囲を広くする観点から１００ｃｍ−１〜６００ｃｍ−１とすることが好ましい。また、回折格子４６Ａの周期が回折格子４６Ｂの周期と異なる場合には、回折格子４６Ａの回折波長の中心波長とレーザ発振波長とのズレが生じないようにすることもできる。
【００７１】
また、半導体発光デバイス１において、半導体発光素子３０を、分布反射型（ＤＲＢ型）の半導体レーザ素子とすることもできる。この場合は、半導体発光部３６がＤＲＢ型のレーザ部となるように半導体積層構造を形成すればよい。また、半導体発光素子３０として、発光ダイオード（ＬＥＤ）を採用することも可能である。この場合は、半導体発光部３６が発光ダイオード構造を有するように半導体積層構造を形成すればよい。半導体発光素子３０として発光ダイオード（ＬＥＤ）を採用した場合、半導体発光素子３０からは広帯域の波長領域を有する光が出力される。そのため、波長可変フィルタ１０１において電極Ｅ２から光導波路コア層４２に供給する電流量を調整することで、所望の波長を選択的に出力できると共に、電流量を変化させて波長を変えることが可能である。半導体発光素子３０がＬＥＤである場合、回折格子４６Ａの結合係数κ１は、前述したように、１００ｃｍ−１〜６００ｃｍ−１とすることが好ましい。
【００７２】
（第３の実施形態）
図７は、波長可変フィルタの他の実施形態を示す断面図である。図７では、波長可変フィルタ１０２の光軸方向に沿った断面構成を示している。波長可変フィルタ１０２は、半導体基板１２上にフィルタ部５４が設けられて構成されている。
【００７３】
フィルタ部５４の構成は、光閉じ込め層を有しない点及び光導波路コア層２０とクラッド層１６との間に回折格子５６が設けられている点で、図１に示したフィルタ部１４と相違する。
【００７４】
この回折格子５６は、クラッド層１６の表面に周期的な凹凸構造を形成した後、光導波路コア層２０を成長させることで形成することでき、クラッド層１６と光導波路コア層２０との屈折率差による屈折率分布型の回折格子として機能することになる。また、回折格子５６の一部の領域に電極Ｅ２を利用して波長調整用の電流（信号）が供給されるので、回折格子５６は、第１の実施形態の場合と同様に、第１の領域２５ａ及び第２の領域２５ｂから構成されているとみなすことができる。また、図７に示すように、電極Ｅ２がフィルタ部１４の中央部又はその近傍に配置される場合、第２の領域２５ｂは、第１の領域２５ａの両側に位置する第３の領域２５ｂ１と第４の領域２５ｂ２を含んでいることになる。
【００７５】
波長可変フィルタ１０２においても、回折格子５６の一部に電流を供給して位相シフト量を変化させることができるため、図１に示した波長可変フィルタ１０と同様の作用効果を有する。すなわち、電極Ｅ２から供給する電流量を調整することで、透過波長を調整することができる。その結果、簡易な構成で且つ制御が容易な波長可変フィルタ１０２を実現することができている。また、電流量を調整することで透過波長を制御するため、ｎｓｅｃオーダーで波長を変更することが可能である。更に、回折格子５６の結合係数κ１を大きくすることで、広い波長可変範囲も実現可能である。
【００７６】
なお、電極Ｅ２が波長可変フィルタ１０２の光軸方向の中央部に位置することが好ましい点、及び、電極Ｅ２の光軸方向の長さｌが波長可変フィルタ１０２の光軸方向の長さＬ１の１／１０以下であることが好ましい点も第１の実施形態の場合と同様である。
【００７７】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、波長可変フィルタ１０，１０１，１０２において、回折格子２４，４６Ａ（４６），５６は、光導波路コア層２０，４２から見た場合、半導体基板１２，３２側であってもよいし、半導体基板１２，３２と反対側に設けられていてもよい。
【００７８】
また、波長可変フィルタ１０，１０１，１０２及び半導体発光デバイス１の説明においては、半導体基板１２，３２としてＩｎＰ基板を使用した場合を例示したが、他の材料からなる基板を利用することもでき、基板の材質に応じて、他の半導体層の材料を適宜選択すればよい。例えば、半導体基板が、ＧａＡｓからなる場合には、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ混晶を成長させて、光導波路コア層や、活性層等の半導体層を形成すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明に係る波長可変フィルタの一実施形態の断面図である。
【図２】波長可変フィルタの透過特性のシミュレーション結果を示す図面である。
【図３】電極の位置を変化させた場合のシミュレーション結果を示す図面である。
【図４】電極の長さが波長可変フィルタの光軸方向の長さの１／１０より大きい場合のシミュレーション結果を示す図面である。
【図５】本発明に係る半導体発光デバイスの一実施形態の断面図である。
【図６】図６（ａ）は図５に示した半導体発光素子の変調時の出力スペクトルの一例を示す模式図である。図６（ｂ）は図５に示した波長可変フィルタの出力スペクトルの一例を示す模式図である。
【図７】本発明に係る波長可変フィルタの他の実施形態の断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１…半導体発光デバイス、１０，１０１，１０２…波長可変フィルタ、１２…基板（第１の基板）、１４，５４…フィルタ部、２０…光導波路コア層、２５ａ…第１の領域、２５ｂ…第２の領域、２５ｂ１…第３の領域、２５ｂ２…第４の領域、２６，４６，４６Ａ，５６…回折格子、３０…半導体発光素子、３２…基板（第１及び第２の基板）、Ｅ２…電極（第１の電極）、Ｅ３…電極（第２の電極）。
【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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