(57)【要約】【課題】波長モニタのための光信号を生成する光学素子及び半導体レーザと他の光学部品との光軸調整を容易にすると共に、組み立て精度に関係無く波長グリットを規定可能な構造の半導体発光素子を提供する。【解決手段】半導体発光素子１１は、半導体レーザ１２ａ及びモニタ素子１２ｂを備える。半導体レーザ１２ａは光共振器１３を含んでおり、光共振器１３は回折格子１５ａを有する。回折格子１５ａは、レーザ発振波長に関するブラッグ回折条件を満たす周期で変化する屈折率の周期構造を有する。モニタ素子１２ｂは、半導体レーザ１２ａのからのレーザ光の波長をモニタするために設けられている。モニタ素子１２ｂは、リング共振器１９及び光導波路２１を含む。リング共振器１９は、半導体レーザ１２ａに光学的に結合されている。回折格子１５ａは第１の光導波路２５に光学的に結合している。【選択図】図１
2009252905.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長可変の半導体発光素子であって、
第１の光導波路内に設けられた活性層と、前記第１の光導波路に光学的に結合された回折格子を含む光共振器とを有する半導体レーザと、
前記半導体レーザに光学的に結合されたリング共振器と前記リング共振器を介して該半導体レーザからの光を受ける第２の光導波路とを含み、前記半導体レーザのからのレーザ光の波長をモニタするためのモニタ素子と
を備え、
前記第１の光導波路の一端は当該半導体発光素子の第１の端面に到達しており、
前記第２の光導波路は前記リング共振器からの波長モニタ光を提供する出射端を有しており、
前記回折格子は、レーザ発振波長に関するブラッグ回折条件を満たすことが可能な周期で変化する屈折率の周期構造を有しており、
前記回折格子、前記第１の光導波路、前記リング共振器及び前記第２の光導波路は、半導体基板上に設けられている、ことを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
前記第１の光導波路は、前記リング共振器と光学的に結合する第１の結合部を有しており、
前記活性層は、当該半導体発光素子の前記第１の端面と前記第１の光導波路の前記第１の結合部との間に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載された半導体発光素子。
【請求項３】
前記第１の光導波路の他端は当該半導体発光素子の端面に到達しており、
前記第１の光導波路の前記他端からは、前記リング共振器の透過光が出射される、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体発光素子。
【請求項４】
前記第１の光導波路は、前記リング共振器と光学的に結合する第１の結合部を有しており、
前記第２の光導波路は、前記第１の結合部において前記リング共振器と光学的に結合されており、
前記第２の光導波路には、前記リング共振器の透過光が伝播し、
前記活性層は、当該半導体発光素子の前記第１の端面と前記第１の光導波路の前記第１の結合部との間に設けられている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された半導体発光素子。
【請求項５】
前記光共振器は別の回折格子を含み、
前記別の回折格子は、前記半導体レーザの発振波長に関してブラッグ回折条件を満たすことが可能な周期で変化する屈折率の周期構造を有しており、
前記別の回折格子は、前記第１の光導波路に光学的に結合しており、
前記別の回折格子は、前記半導体基板上に設けられている、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
【請求項６】
前記半導体レーザは別のリング共振器及び第３の光導波路を更に含み、
前記第３の光導波路は、前記別のリング共振器を前記リング共振器に光学的に結合しており、
前記別のリング共振器は前記半導体基板上に設けられており、
前記回折格子は前記第３の光導波路に光学的に結合されており、
前記光共振器は、前記半導体発光素子の前記第１の端面を含み、
前記第１の光導波路は前記別のリング共振器に光学的に結合されている、ことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
【請求項７】
前記半導体レーザはＤＢＲ半導体レーザまたはＤＦＢ半導体レーザである、ことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
【請求項８】
前記リング共振器の透過ピーク波長を変更するための第１の電極を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
【請求項９】
前記回折格子の回折波長を変更するための第２の電極を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれか一項に記載された半導体発光素子。
【請求項１０】
請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載された半導体発光素子と、
前記第１の光導波路に光学的に結合された第１の受光素子と、
前記第２の光導波路に光学的に結合された第２の受光素子と、
前記第１及び第２の受光素子からの第１及び第２のモニタ信号を用いて、前記半導体発光素子の発振波長を制御する制御回路部と
を備える、ことを特徴とする半導体光源。
【請求項１１】
前記半導体発光素子は、請求項３に記載されたものであり、
前記第１の受光素子は、前記半導体発光素子の前記端面に光学的に結合されて、前記リング共振器の透過光を受け、
前記制御回路部は、前記第１及び第２のモニタ信号の和を用いて、前記半導体レーザの光出力を調整するための制御信号を生成する、ことを特徴とする請求項１０に記載された半導体光源。
【請求項１２】
前記半導体発光素子は、請求項４に記載されたものであり、
前記制御回路部は、前記半導体発光素子の前記リング共振器の透過光から前記半導体発光素子の発振波長を調整するための制御信号を生成する、ことを特徴とする請求項１０に記載された半導体光源。
【請求項１３】
前記半導体発光素子は、請求項３に記載されたものであり、
前記半導体発光素子は、前記リング共振器の透過ピーク波長を変更するための第１の電極を含み、
前記第１の受光素子は、当該半導体発光素子の前記端面に光学的に結合されており、
前記制御回路部は、波長モニタモード及び強度モニタモードを切り換えるモード切り換え回路を含み、
前記強度モニタモードにおいて前記第１の電極に印加される信号は、前記波長モニタモードにおいて前記第１の電極に印加される信号と異なり、
前記半導体発光素子の発振波長において、前記強度モニタモードおける前記リング共振器の透過光の量は、前記波長モニタモードにおける前記リング共振器の透過光の量よりも大きく、前記強度モニタモードにおける前記第１の受光素子の受光量は、前記波長モニタモードにおける前記第１の受光素子の受光量よりも大きく、
前記強度モニタモードにおける前記リング共振器の透過スペクトルは、前記半導体発光素子の発振波長において第１の微分係数を有すると共に、前記波長モニタモードにおける前記リング共振器の透過スペクトルは、前記半導体発光素子の発振波長において第２の微分係数を有し、前記第１の微分係数の絶対値は前記第２の微分係数の絶対値より小さい、ことを特徴とする請求項１０に記載された半導体光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光素子及び半導体光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、波長可変レーザが記載されている。この波長可変レーザは、２個以上のリング共振器を備える。詳しくは、波長可変レーザの構造では、レーザ共振器はチップの両端面からなる。この半導体レーザは、波長可変機能を持たせるために２つの異なる半径のリング共振器を使った波長可変フィルタを共振器内に形成している。これらのリング共振器に流す電流を変えることによりリングの屈折率が変わる。リング共振器への注入電流を変えることにより、リング共振器を透過する光の波長を変更でき、２個のリング共振器は、波長可変フィルタの役割を果たす。半径の異なる２つのリング共振器はそれぞれ異なる透過スペクトル間隔を持ち、２つのリング共振器の透過波長が一致したときに高い透過率が提供される。したがって、リング共振器への少ない注入電流を利用したバーニア効果により、ピーク透過波長の波長位置を大幅に変化させることができる。
【０００３】
特許文献１には、広い範囲の波長で同調可能な集積化された半導体装置が記載されている。この半導体装置では、反射器は、活性セクションと、リング共振器と、サンプルド回折格子（ＳＧ）−反射器とを含む。ＳＧ−反射器は、不均一回折格子の一種であり、一定周期の複数の回折格子が一定の間隔で配置されたものである。ＳＧ−反射器の反射スペクトルは、所定の波長間隔で並んだ多数の反射ピークを含む。この半導体装置における発振波長は、バーニア効果により決定される。
【０００４】
特許文献２には、ファブリペローエタロンを用いてレーザ発振波長を調整ことが記載されている。
【非特許文献１】IEEE  International  Semiconductor  Laser  Conference  2006  TuB2  Widely  tunable  laser  using  microring  resonators,  S.Matsuo  et.  al.
【特許文献１】特開２００１−７４３９号公報
【特許文献２】特開２００３−１０１１３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば波長多重（ＷＤＭ）を行う波長多重光通信では、半導体レーザは、定められた波長間隔（例えば約０．８ｎｍ）の波長グリッド上のレーザ光を発生する。特に、波長可変レーザには、波長可変範囲内の各波長グリッドにおいて設定波長からの変位なく安定して発振することが求められる。この発振波長の安定化のために、ファブリーペロー（ＦＰ）エタロンを用いる。ＦＰエタロンを透過した光は受光素子により電気信号に変換される。この電気信号に基づいて生成された電気信号を波長可変レーザに印加して発振波長の制御を行う。このフィードバック制御により、発振波長が調整される。
【０００６】
この波長ロッキングでは、半導体レーザ、ＦＰエタロン、受光素子といったその他の光学部品を光軸調整しながら組み立ててレーザモジュールを作製することが必要である。また、このレーザモジュールのサイズの小型化にも限界がある。
【０００７】
本発明は、このような事情を鑑みて為されたものであり、波長モニタのための光信号を生成するモニタ素子及び半導体レーザと他の光学部品との光軸調整を容易にすると共に、組み立て精度に依存せず波長グリットを規定可能な構造の半導体発光素子を提供することを目的とし、また、この半導体発光素子を用いる半導体光源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】
【０００８】
本発明の一側面に係る波長可変の半導体発光素子は、（ａ）第１の光導波路内に設けられた活性層と、前記第１の光導波路に光学的に結合された回折格子を含む光共振器とを有する半導体レーザと、（ｂ）前記半導体レーザに光学的に結合されたリング共振器と前記リング共振器を介して該半導体レーザからの光を受ける第２の光導波路とを含み、前記半導体レーザのからのレーザ光の波長をモニタするためのモニタ素子とを備える。前記第１の光導波路の一端は当該半導体発光素子の第１の端面に到達しており、前記第２の光導波路は前記リング共振器からの波長モニタ光を提供する出射端を有しており、前記回折格子は、レーザ発振波長に関するブラッグ回折条件を満たすことが可能な周期で変化する屈折率の周期構造を有しており、前記回折格子、前記第１の光導波路、前記リング共振器及び前記第２の光導波路は、半導体基板上に設けられている。
【０００９】
この半導体発光素子によれば、半導体レーザ及びリング共振器が共に半導体基板上設けられており、半導体レーザを作製する半導体製造プロセスを用いてリング共振器が半導体発光素子に作り込まれる。リング共振器は、半導体レーザのからのレーザ光の波長をモニタするために用いられる。半導体レーザとモニタ素子を組立する必要がないので、組み立て精度に依存しない波長モニタ光を提供できる。また、半導体発光素子の第１の端面及び第２の光導波路の出射端から、半導体レーザに係る光を取り出すことができる。故に、モニタ素子以外の他の光学部品と半導体発光素子との光軸調整が容易である。
【００１０】
本発明に係る半導体発光素子では、前記第１の光導波路は、前記リング共振器と光学的に結合する第１の結合部を有しており、前記活性層は、当該半導体発光素子の前記第１の端面と前記第１の光導波路の前記第１の結合部との間に設けられていることができる。
【００１１】
この半導体発光素子によれば、半導体発光素子の第１の端面と第１の光導波路の第１の結合部との間に活性層が設けられるので、第１の端面からの前面レーザ光が波長モニタのために利用されない。前面レーザ光の光出力が波長モニタのために低下することがない。
【００１２】
本発明に係る半導体発光素子では、前記第１の光導波路の他端は当該半導体発光素子の端面に到達していることができる。この半導体発光素子によれば、第１の端面だけでなく第２の端面からも出射光が提供される。第１及び第２の端面のいずれか一方から光出力を得ると共に、第１及び第２の端面のいずれか他方から光を光強度モニタのために利用可能である。第２の光導波路には、リング共振器の出力光が伝搬する。例えば、第１の光導波路の他端および第２の光導波路の出射端は当該半導体発光素子の第２の端面に位置することができる。この半導体発光素子によれば、波長モニタのための光及び光強度モニタのための光が、共に、第２の端面から提供される。また、第２の光導波路の出射端は、第２の端面と異なる別の端面に位置することができる。
【００１３】
本発明に係る半導体発光素子では、前記第１の光導波路は、前記リング共振器と光学的に結合する第１の結合部を有しており、前記第２の光導波路は、前記第１の結合部において前記リング共振器と光学的に結合されており、前記第２の光導波路には、前記リング共振器の透過光が伝播し、前記活性層は、当該半導体発光素子の前記第１の端面と前記第１の光導波路の前記第１の結合部との間に設けられていることができる。この半導体発光素子によれば、第１及び第２の光導波路並びにリング共振器が、第１の結合部において光学的に結合されている。第２の光導波路にはリング共振器の透過光が伝搬し、この透過光の変化により半導体発光素子が制御される。
【００１４】
本発明に係る半導体発光素子では、前記光共振器は別の回折格子を含み、前記別の回折格子は、前記半導体レーザの発振波長に関してブラッグ回折条件を満たすことが可能な周期で変化する屈折率の周期構造を有しており、前記別の回折格子は、前記第１の光導波路に光学的に結合しており、前記別の回折格子は、前記半導体基板上に設けられていることができる。
【００１５】
この半導体発光素子によれば、光共振器で回折格子及び別の回折格子が光反射器として作用する。これらの回折格子を用いて、半導体レーザの発振波長を可変することができる。
【００１６】
本発明に係る半導体発光素子では、前記半導体レーザは別のリング共振器及び第３の光導波路を更に含み、前記第３の光導波路は、前記別のリング共振器を前記リング共振器に光学的に結合しており、前記別のリング共振器は前記半導体基板上に設けられており、前記回折格子は前記第３の光導波路に光学的に結合されており、前記光共振器は、前記半導体発光素子の前記第１の端面を含み、前記第１の光導波路は前記別のリング共振器に光学的に結合されることができる。
【００１７】
この半導体発光素子によれば、光共振器は、半導体発光素子の第１の端面及び回折格子からなる。また、回折格子及び別のリング共振器が波長変更のために利用される。
【００１８】
本発明に係る半導体発光素子では、前記半導体レーザはＤＢＲ半導体レーザまたはＤＦＢ半導体レーザであることができる。この半導体発光素子によれば、半導体レーザの回折格子が分布帰還のために利用される。
【００１９】
本発明に係る半導体発光素子は、前記リング共振器の透過ピーク波長を変更するための第１の電極を更に備えることができる。この半導体発光素子によれば、リング共振器の透過ピーク波長を変更することによって、波長グリットが変更される。
【００２０】
本発明に係る半導体発光素子は、前記回折格子の回折波長を変更するための第２の電極を更に備えることができる。この半導体発光素子によれば、レーザ発振波長は、回折格子の回折波長は変更されることによって変更される。
【００２１】
本発明の別の側面に係る半導体光源は、（ａ）上記及び引き続き説明されるいずれかの半導体発光素子と、（ｂ）前記第１の光導波路に光学的に結合された第１の受光素子と、（ｃ）前記第２の光導波路に光学的に結合された第２の受光素子と、（ｄ）前記第１及び第２の受光素子からの第１及び第２のモニタ信号を用いて、前記半導体発光素子の発振波長を制御する制御回路部とを備える。
【００２２】
この半導体光源によれば、第１及び第２の受光素子が、それぞれ、第１及び第２の光導波路に光学的に結合されて、半導体発光素子のレーザ発振の制御のための第１及び第２のモニタ信号を生成する。第１及び第２のモニタ信号を用いて制御回路部が半導体発光素子をフードバック制御する。
【００２３】
本発明に係る半導体光源では、前記第１の受光素子は、前記半導体発光素子の前記第２の端面に光学的に結合されて、前記リング共振器の透過光を受け、前記制御回路部は、前記第１及び第２のモニタ信号の和を用いて、前記半導体レーザの光出力を調整するための制御信号を生成する。
【００２４】
この半導体光源によれば、第１の端面からの前面レーザ光が波長モニタのために利用されないので、前面レーザ光の光出力が波長モニタのために低下することがない。リング共振器のフィルタリングにより、リング共振器の透過光のスペクトルはリング共振器からの出力光のスペクトルと相補的なものになる。第１及び第２の受光素子が、それぞれ、リング共振器の透過光とリング共振器からの出力光とを受けて、強度モニタ及び波長モニタのための制御信号を生成する。この和を利用することにより、リング共振器のフィルタリングの影響が低減される。
【００２５】
本発明に係る半導体光源では、前記半導体発光素子は、上記及び引き続き説明されるいずれかのものであり、前記制御回路部は、前記半導体発光素子の前記リング共振器の透過光から前記半導体発光素子の発振波長を調整するための制御信号を生成することができる。
【００２６】
この半導体光源によれば、リング共振器のフィルタリングにより、リング共振器の透過光のスペクトルはリング共振器からの出力光のスペクトルと相補的なものになる。故に、リング共振器の透過光のスペクトルにも、極小値が周期的に配列されている。透過スペクトルの周期的な窪みを用いて、発振波長の制御を行うことができる。
【００２７】
本発明に係る半導体光源では、前記半導体発光素子は、請求項３に記載されたものであり、前記半導体発光素子は、前記リング共振器の透過ピーク波長を変更するための第１の電極を含み、前記第１の受光素子は、当該半導体発光素子の第２の端面に光学的に結合されており、前記制御回路部は、波長モニタモード及び強度モニタモードを切り換えるモード切り換え回路を含み、前記強度モニタモードにおいて前記第１の電極に印加される信号は、前記波長モニタモードにおいて前記第１の電極に印加される信号と異なり、前記半導体発光素子の発振波長において、前記強度モニタモードおける前記リング共振器の透過光の量は、前記波長モニタモードにおける前記リング共振器の透過光の量よりも大きく、前記強度モニタモードにおける前記第１の受光素子の受光量は、前記波長モニタモードにおける前記第１の受光素子の受光量よりも大きく、前記強度モニタモードにおける前記リング共振器の透過スペクトルは、前記半導体発光素子の発振波長において第１の微分係数を有すると共に、前記波長モニタモードにおける前記リング共振器の透過スペクトルは、前記半導体発光素子の発振波長において第２の微分係数を有し、前記第１の微分係数の絶対値は前記第２の微分係数の絶対値より小さい。
【００２８】
この半導体光源によれば、第１の電極を用いてリング共振器の透過ピーク波長を変更することによって、強度モニタモードでは、リング共振器において発振波長での透過率を大きくすることができる。これによって、リング共振器のフィルタリングからの背面光への影響が低減される。一方、波長モニタモードでは、リング共振器の櫛形スペクトルを利用して、発振波長の制御を行うことができる。
【００２９】
本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように、本発明の一側面によれば、波長モニタのための光信号を生成する光学素子及び半導体レーザと他の光学部品との光軸調整を容易にすると共に、組み立て精度に依存せず波長グリットを規定可能な構造の半導体発光素子が提供される。また、本発明の別の側面によれば、この半導体発光素子を含む半導体光源が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体発光素子、半導体光源、及び半導体発光素子のレーザ光の発振波長及び発振強度を調整する方法に係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。
【００３２】
図１は、本実施の形態に係る半導体発光素子を概略的に示す図面である。半導体発光素子１１は、半導体レーザ１２ａ及びモニタ素子１２ｂを備える。半導体レーザ１２ａは光共振器１３を含んでおり、光共振器１３は、反射鏡１３ａ、１３ｂを含む。例えば、回折格子１５ａは反射鏡１３ａとして働く。回折格子１５ａは、レーザ発振波長に関するブラッグ回折条件を満たすことが可能な周期で変化する屈折率の周期構造を有する。また、半導体レーザ１２ａは、キャリアの注入に応答して光を生成する光学利得領域１７を含み、この光学利得領域１７は活性層２２を有している。モニタ素子１２ｂは、半導体レーザ１２ａのからのレーザ光の波長をモニタするために設けられている。モニタ素子１２ｂは、リング共振器１９及び光導波路２１を含む。リング共振器１９は、半導体レーザ１２ａに光学的に結合されている。
【００３３】
半導体発光素子１１は第１の光導波路２５を含み、回折格子１５ａは第１の光導波路２５に光学的に結合している。第１の光導波路２５の一端２５ａは当該半導体発光素子１１の第１の端面１０ａに到達しており、半導体レーザ１２ａ出射光ＬＦを提供する。他端２５ｂは光導波路幅を徐々に狭くして曲げることにより終端されている。これにより、他端２５ｂによる反射が十分に低減される。他端２５ｂは、好適には無反射端である。しかしながら、他端２５ｂが当該半導体発光素子１１の第２の端面１０ｂに到達するとき、リング共振器１９の透過光からなるモニタ光を他端２５ｂを介して得ることができる。また、第２の光導波路２１はリング共振器１９からの波長モニタ光を提供する出射端２１ａを有する。他端２１ｂは終端されており、必要な場合には、この終端は、光導波路幅を徐々に狭くして曲げることにより行われる。
【００３４】
半導体発光素子１１では、当該半導体発光素子１１からのレーザ光の出射は端面１０ａから行われる。リング共振器１９を介すること無く、半導体発光素子１１からのレーザ光が得られる。
【００３５】
リング共振器１９では、光導波路は、閉じた曲線に沿って延びている。リング共振器１９の直径は、例えば１０〜１１００μｍであり、フォトリソグラフィを用いて作製可能である。リング共振器１９の出力スペクトルでは、リング共振器１９の光路長に応じて規定されるフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）の間隔で透過率のピークが配列されている。
【００３６】
図２を参照しながら、リング共振器１９のフィルタ特性を説明する。図２（ａ）は、リング共振器１９、光導波路２１、２５の接続を示す。リング共振器１９は、光結合部２７ａで光導波路２５に光学的に結合されると共に、光結合部２７ｂで光導波路２１に光学的に結合される。光導波路２１は、光結合部２７ｂを境にして第１及び第２の部分２１ｃ、２１ｄに分けられる。光導波路２５は、光結合部２７ａを境にして第１及び第２の部分２５ｃ、２５ｄに分けられる。
【００３７】
光導波路２５の一端に光ＬＩＮが入力される。光導波路２５の他端からは透過光ＬＴＰが出力される。光導波路２１の一端からは出力光ＬＭＯＮ１が出力される。矢印Ｒで示される方向に入力光ＬＩＮがリング共振器１９を伝搬する際の多重光干渉によって、透過光ＬＴＰ及び出力光ＬＭＯＮ１が生成される。入力光ＬＩＮは第１の部分２５ｃを伝搬し、透過光ＬＴＰが第２の部分２５ｄを伝搬する。出力光ＬＭＯＮ１が第１の部分２１ｃを伝搬し、第２の部分２１ｄは、例えば終端される。
【００３８】
図２（ｂ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子におけるリング共振器に入力される一例の入力光のスペクトルを示す図面である。図２（ｃ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子におけるリング共振器から提供される一例の出力光のスペクトルを示す図面である。図２（ｄ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子におけるリング共振器から提供される一例の透過光のスペクトルを示す図面である。リング共振器１９は、図２に示すような特性を持っている。白色光を入力した場合、リングの円周の光路長（屈折率を考慮した光学的な長さ）Ｌ及び波長λを用いて、ＦＳＲ＝λ２／Ｌで定まる波長間隔で透過ピークが配列された櫛型の出力光スペクトルを示す。また、リング共振器において光吸収や散乱が無い場合、
透過光のスペクトル＝入力光のスペクトル−出力光のスペクトル
の関係が満たされる。故に、出力光のスペクトルは、ＦＳＲの間隔で配置された透過率の極大値の配列を含み、これに対応して、透過光のスペクトルは、ＦＳＲの間隔で配置された透過率の極小値の配列を含む。
【００３９】
半導体発光素子１１は、図２（ｃ）に示されるように、波長グリッドλ１〜λ４においてレーザ発振するように制御される。この波長グリッドは、リング共振器１９のＦＳＲと出力ピーク波長によって規定される。波長グリッドλ１〜λ４からの発振波長の選択は、例えば光共振器１３の回折格子のバーニア効果等を用いて行われる。リング共振器１９への電流注入によりリング共振器１９の透過（出力）スペクトルのＦＳＲが変わる効果よりも、透過（出力）ピーク波長が変わる効果の方が大きい。この効果を利用することによって、櫛状の透過（出力）スペクトルが注入電流の大きさに応じた波長分だけシフトする。
【００４０】
再び図１を参照すると、本実施の形態では、光反射器１３ｂは、回折格子１５ｂを含むことができる。回折格子１５ｂは第１の光導波路２５に光学的に結合している。回折格子１５ａと回折格子１５ｂとの間に、光学利得領域１７及び位相調整器２９が設けられている。回折格子１５ａ、１５ｂの各々は、サンプルド回折格子や超構造回折格子などの不均一回折格子、異なる周期の複数の均一な回折格子からなることができる。回折格子１５ａ、１５ｂは、周期的に配列された複数のピークを有する櫛型の出力光スペクトルを有している。また、電流注入といった電気信号の印加によって、回折格子１５ａ、１５ｂのいずれも、回折格子を構成する半導体領域の実効的な屈折率を変えられる。これによってバーニア効果が提供される。半導体レーザ１２ａは、リング型共振器１９を含むモニタ素子１２ｂと光導波路路２５を介して光学的に結合されている。光導波路路２１、２５とリング型共振器１９との光結合には、ＭＭＩ（マルチモード干渉器）等により行われる。
【００４１】
図１を参照すると、半導体レーザ１２ａは、活性層２２にキャリアを提供して発光を得るための電極３０ａを含む。反射鏡１３ａは、光導波路にキャリアを提供して屈折率を変更するための電極３０ｂを含む。また、別の反射鏡１３ｄは、光導波路にキャリアを提供して屈折率を変更するための電極３０ｄを含む。
【００４２】
また、図１に示されるように、半導体発光素子１１は、位相調整器２９を更に備えることができる。位相調整器２９は、位相調整のためのキャリアを注入するための電極３０ｃを含む。例えば、電極３０ｃからの電圧または電流の印加により、光導波路の屈折率を変更して光共振器の光学長を調整する。半導体レーザ１２ａの位相調整器２９は、光共振器のための反射鏡１３ａ、１３ｂの間に位置する。この位相調整器２９によれば、レーザ発振波長の可変に伴い位相の調整が可能になる。
【００４３】
半導体発光素子１１では、回折格子１５ａ、１５ｂ、リング共振器１９、並びに光導波路２１及び２５は、単一の半導体基板３３上に設けられている。半導体発光素子１１の構成物（例えば、半導体積層、光導波路、電極等）は、例えば、半導体素子を作製するための工程（結晶成長、エッチング、電極形成等）の組み合わせにより作製される。
【００４４】
図１には、半導体発光素子１１における例示的な光導波路１８が示されている。光導波路１８は、高い屈折率の半導体からなるコア領域１８ａと、コア領域１８ａよりも低い屈折率の第１導電型半導体（例えばｎ型）からなる第１クラッド領域１８ｂと、コア領域１８ａよりも低い屈折率の第２導電型半導体（例えばｐ型）からなる第２クラッド領域１８ｃとを含むストライプ状の半導体積層からなる。リング共振器１９は、光導波路１８と同じ構造の光導波路からなることができる。
【００４５】
一例では、利得導波路１７は、基板３３上に順に形成されたｎ型クラッド層、光ガイド層、量子井戸構造の活性層、光ガイド層、ｐ型クラッド層およびコンタクト層を含む。利得導波路１７では、コンタクト層２８ａ上には電極３０ａが設けられている。光反射器１３ａ、１３ｂは、基板３３上に順に形成されたｎ型クラッド層、光ガイド層、コア導波路層、光ガイド層、回折格子構造、ｐ型クラッド層およびコンタクト層を含む。光反射器１３ａ、１３ｂでは、それぞれ、コンタクト層２８ｂ、２８ｄ上に電極３０ｂ、３０ｄが設けられている。位相調整器２９は、基板３３上に順に形成されたｎ型クラッド層、光ガイド層、コア導波路層、光ガイド層、ｐ型クラッド層およびコンタクト層を含む。位相調整器２９では、コンタクト層３０ｃ上には電極３０ｃが設けられている。リング共振器１９は、基板３３上に順に形成されたｎ型クラッド層、光ガイド層、導波路層、光ガイド層およびｐ型クラッド層を含み、必要な場合にはコンタクト層を更に含むことができる。
【００４６】
利得導波路１７、リング共振器１９及び位相調整器２９において、縦方向の光閉じ込めはクラッド層により行われる。また、横方向の光閉じ込めはストライプ状の導波路構造と、この導波路構造を埋め込む埋め込み層とによって提供される。例示すれば、利得領域の活性層は、１．２５μｍ〜１．６５μｍ帯に利得を持つＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸構造を有することができる。光導波層は、量子井戸構造のバンドギャップ波長より短い波長のＧａＩｎＡｓＰ半導体からなることができ、ｎ型およびｐ型クラッド層はＩｎＰ半導体からなることができる。コンタクト層は、高濃度ドープされたＧａＩｎＡｓ層からなることができる。埋込層としては、半絶縁性ＩｎＰから成ることができる。
【００４７】
図１を参照すると、半導体光源３１が示されている。半導体光源３１は、半導体発光素子１１、光分岐器３５、受光素子３７ａ、３７ｂを含むことができる。光分岐器３５は、例えばビームスプリッタであり、半導体発光素子１１の一端面１０ａに光学的に結合されて光導波路２５の一端２５ａからのレーザ光を受ける。光分岐器３５は、受けた前方光ＬＦを出射光ＬＯＵＴとモニタ光ＬＭＯＮ２とに分岐する。受光素子３７ａは、光分岐器３５に光学的に結合されており、光分岐器３５からのモニタ光ＬＭＯＮ２を受ける。受光素子３７ａは、例えばフォトダイオードを含み、また受光パワーに応じた強度モニタ信号ＳＩＭＯＮを生成する。受光素子３７ｂは、半導体発光素子１１の端面１０ｂに光学的に結合されており、光導波路２１の一端２１ａからのモニタ光ＬＭＯＮ１を受ける。受光素子３７ｂは、例えばフォトダイオードを含み、また受光パワーに応じた波長モニタ信号ＳＲＭＯＮを生成する。光学的結合を増強するために、例えば光導波路２５の一端２５ａと光分岐器３５の入射面との間に光学レンズ３９を設けることができる。
【００４８】
図３は、波長可変の半導体発光素子のリング共振器における出力光のスペクトルの一例を示す。図４は、波長ロックキングといった半導体光源の制御を行う制御部を示すブロック図である。リング共振器の出力光強度−波長の特性曲線は、周期的に現れる複数の極大値を含む。いずれかの極大値の近傍の片側スロープ上の一点における出力光の強度が維持されるように、半導体発光素子を制御する。これによって、リング共振器を用いた波長ロッキングが可能になる。このリング共振器の特性曲線のスペクトルのピーク幅が十分狭ければ、正負いずれのスロープを用いてもロッキングを行うことができる。図３では、出力光のスペクトルＳｐはピークＡ、Ｂを含む。ロック可能な波長λＡ、λＢが示されている。また、図３には、出力光Ｉ０に対応する適切なロック点ＲＡ，ＲＢが示されている。図３及び図４を参照しながら、波長λＡへの波長ロックを説明する。波長λＡから（λＡ＋△λ）へレーザ発振波長が変動したとき、半導体発光素子１１のモニタ素子１２ｂからのモニタ光ＬＭＯＮ１は、図３に示されるように、強度（Ｉ０−△Ｉ）に減少する。この減少は、受光素子３７ｂにより電気信号ＳＲＭＯＮに変換される。受光素子３７ａは、半導体レーザ１２ｂの光出力に対応した電気信号ＳＩＭＯＮを生成する。モニタ用ＰＤ素子３７からのモニタ信号ＳＲＭＯＮ、ＳＩＭＯＮは、制御回路部４１に提供される。上記のように波長の変動が生じた制御信号が生じたとき、回折格子制御回路４１ａの制御信号ＳＣＯＮ１が電極３０ｂ、３０ｄへ与えられて、バーニア効果により発振波長を小さくするような調整が行われる。必要な場合には、位相調整制御回路４１ｂからの制御ＳＣＯＮ２により光学的な共振器長が調整される。この制御によって、変動した発振波長（λＡ＋△λ）から波長λＡへレーザ発振波長が変更された。レーザ光の強度は、モニタ信号ＳＩＭＯＮに応じて調整される。
【００４９】
波長λＡから（λＡ−△λ）へレーザ発振波長が変動したとき、半導体発光素子１１のモニタ素子１２ｂからのモニタ光ＬＭＯＮ１は、図３に示されるように、強度（Ｉ０＋△Ｉ）に増加する。この増加は、受光素子３７ｂにより電気信号ＳＲＭＯＮに変換される。受光素子３７ａは、半導体レーザ１２ｂの光出力に対応した電気信号ＳＩＭＯＮを生成するモニタ信号ＳＲＭＯＮ、ＳＩＭＯＮは、制御回路部４１に提供される。制御回路部４１の制御によって、変動した発振波長（λＡ＋△λ）から波長λＡへレーザ発振波長が変更される。レーザ光の強度は、モニタ信号ＳＩＭＯＮに応じて調整される。
【００５０】
半導体レーザの光出力が変動したとき、利得制御回路４１ｃからの制御信号ＳＣＯＮ３によって、光学利得領域１７へのキャリア（つまり、電流）の供給が調整される。また、図５に示されるように、半導体光源３１ａの半導体発光素子１１ａでは、リング共振器１９の光導波路上に電極が設けられるとき、この電極に印加される信号に応じて、リング共振器１９の透過ピーク波長は変更可能である。例えば、信号の印加としては、電圧の印加または電流印加が行われる。リング共振器制御回路４３から電極３２へ制御信号ＳＣＯＮ４を与えて、リング共振器１９の透過ピーク波長を変更できる。これによって、波長グリットの変更、発振波長におけるリング共振器１９の透過率の変更等が可能になる。
【００５１】
半導体光源３１では、半導体レーザ１２ａ及びモニタ素子１２ｂが半導体製造プロセスにより半導体発光素子１１に作り込まれると共に、モニタ素子１２ｂの光学特性も半導体発光素子１１に作り込まれる。光分岐器３５及び光学レンズ３９及び半導体発光素子１１の光導波路端２５ａが、所定の軸Ａｘに沿って光学的に調芯される。また、受光素子３７ａが、光分岐器３５に対して位置合わせされる。また、半導体発光素子１１の光導波路端２１ａに調芯される。
【００５２】
図１に示されるように、半導体発光素子１１によれば、半導体レーザ１２ａ及びリング共振器１９が半導体基板３３上に設けられており、半導体レーザ１２ａを作製する半導体製造プロセスを用いてリング共振器１９が半導体発光素子１１に作り込まれる。リング共振器１９は、半導体レーザ１２ａのからのレーザ光の波長をモニタするために用いられる。半導体レーザ１２ａとモニタ素子１２ｂを組立する必要がないので、組み立て精度に依存しない波長モニタ光を提供できる。また、半導体発光素子１１の第１の端面１０ａ及び第２の光導波路２１の出射端２１ａから、半導体レーザ１２ａに係る光を取り出すことができる。モニタ素子１２ｂ以外の他の光学部品と半導体発光素子１１との光軸調整が容易である。
【００５３】
また、波長グリットが光学的な調芯により規定されない。半導体光源３１を作製するために、フォトダイオードといった他の光学部品３７ａ、３７ｂ、３５が半導体発光素子１１に対して調芯される。波長グリットを得るためにＦＰエタロンを波長選択フィルタとして用いるとき、波長グリットの規定は複雑な光学的調芯を必要とする。例えば、ＦＰエタロンへのレーザビーム入射角度や反射率の調整が難しい。一方、実施の形態では、波長選択フィルタを含むモニタ素子が半導体レーザと同じ基板上に形成されるので、波長グリットを得るための光軸調整が不要になる。また、ＦＰエタロンを用いないので、半導体光源のサイズも小さくできる。また、リング共振器の光出力スペクトルはシャープなローレンツ型に近い形状に形成できるので、波長変化に対するＰＤモニタ電流の変化を大きくでき、波長ロッキングの精度を高めることができる。
【００５４】
図６は、本実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す図面である。半導体光源３１ｂの半導体発光素子１１ｂでは、光共振器１３は、光反射器１３ｂと光反射器１３ｃを含んでおり、光反射器１３ｃは半導体発光素子１１ｂの端面１０ａを含む。また、半導体基板上にはリング共振器１４が設けられている。リング共振器１４は、リング共振器１９と同様に、櫛型の出力光スペクトルを有している。半導体発光素子１１ｂの発振波長を変更するために、リング共振器１４は光反射器１３ｂと共に用いられる。この変更には、例えばバーニア効果を利用できる。
【００５５】
リング共振器１９は、光導波路４２を介してリング共振器１４に光学的に結合されている。光導波路４２は光結合部２７ａにおいてリング共振器１９に接続されており、また光結合部２７ｃにおいてリング共振器１４に接続されている。また、リング共振器１４は、光結合部２７ｄにおいて光導波路２５に接続されている。光導波路４２の一端４２ａ、他端４２ｂは、光導波路の幅を徐々に狭くして曲げることによって終端される。なお、必要があれば、一端４２ａを端面に設けて、リング共振器１９の透過光を取り出すことができる。
【００５６】
半導体光源３１において、半導体発光素子１１ａに替えて半導体発光素子１１ｂを用いることができる。受光素子３７ａは、光分岐器３５からのモニタ光ＬＭＯＮ２を受ける。受光素子３７ｂは、半導体発光素子１１ｂの端面１０ｂに光学的に結合されており、光導波路２１の一端２５ａからのモニタ光ＬＭＯＮ１を受ける。受光素子３７ａ、３７ｂからのモニタ信号ＳＩＭＯＮ、ＳＲＭＯＮを用いて、波長のロックを行うことができる。
【００５７】
図７は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す図面である。半導体発光素子１１ｃでは、軸Ａｘに沿って延びる光導波路２５の端部２５ｂは半導体発光素子１１ｃの第２の端面１０ｂに位置することができる。第１及び第２の端面１０ａ、１０ｂのいずれか一方（本実施例では、例えば端面１０ａ）から光出力ＬＯＵＴを得ると共に、他方（本実施例では、例えば端面１０ｂ）から光を光強度モニタのために利用可能である。また、光導波路２１は屈曲することなく、その出射端２１ａは半導体発光素子１１ｃの第３の端面１０ｃに位置する。
【００５８】
半導体光源３１ｃでは、リング共振器１９が、端面１０ｂと光反射器１３ｂとの間の結合部２７ａにおいて光導波路２５に光学的に結合しているので、第１の端面１０ａからは出射光ＬＯＵＴが提供され、第２の端面１０ｂからはリング共振器１９の透過光が光強度モニタ光ＬＭＯＮ２として提供される。第３の端面１０ｃからはリング共振器１９の出力光が光波長モニタ光ＬＭＯＮ１として提供される。出射端２１ａが第３の端面１０ｃに現れており、第３の端面１０ｃ上には低反射膜２０ａが設けられることが好ましい。本実施例の形態では、第１の光導波路２５の他端２５ｂからの放出光は、半導体レーザ１２ａの背面光がリング共振器１９によってフィルタリングされた透過光（リング共振器１９の透過光）である。
【００５９】
既に説明したように、リング共振器１９は、波長ロックのために利用可能である。電極３２は、リング共振器１９の光導波路の実効的な屈折率を変更するために用いられる。リング共振器１９の透過ピーク波長は変更されることによって、波長グリットが変更される。
【００６０】
半導体発光素子１１ｃにおけるモニタ期間は、波長ロックのための波長モニタ期間と光パワー安定化のための強度モニタ期間を含む。波長モニタ期間では半導体発光素子１１ｃは波長モニタモードにあり、強度モニタ期間では半導体発光素子１１ｃは強度モニタモードにある、制御回路部４１は、波長モニタモード及び強度モニタモードを切り換えるモード切り換え回路４１ｄを含む。図８（ａ）も示されるように、波長モニタ期間では、リング共振器１９は波長ロックのための櫛形スペクトルを有する。ロック波長λＡの近傍おける櫛形スペクトルの傾斜（つまり、ロック波長λＡにおける接線の傾き）を用いて、発振波長λＡに波長ロックを行う。強度モニタモードにおいて電極３２に印加される信号は波長モニタモードにおいて電極３２に印加される信号と異なる。強度モニタ期間では、別の電気信号を電極３２に加えて、図８（ｂ）に示されるように、透過光スペクトル波長をシフトする。図８（ｂ）には、比較のために、強度モニタモードにおける透過スペクトルＴＰ１及び出力スペクトルＳＰの両方が示されている。強度モニタ期間では、リング共振器１９の透過光スペクトルは、発振波長λＡにおいて上記の傾斜より小さい別の傾斜を有しており、実質的に平坦な領域を有する。この平坦な領域にける光透過率は、波長ロックのための櫛形スペクトルにおける光透過率より大きい。このため、十分な大きさの強度モニタ光を得ることができる。図８（ｃ）には、波長モニタモードにおける透過スペクトルＴＰ２及び強度モニタモードにおける透過スペクトルＴＰ１の両方が比較のために示されている。透過スペクトルＴＰ２は、電極３２によって印加される信号に応じて波長の方向に透過スペクトルＴＰ１からシフトしている。
【００６１】
図８（ｃ）に示されるように、リング共振器１９は、強度モニタモードおいて透過光スペクトルＴＰ１を示すと共に、波長モニタモードにおいて透過光スペクトルＴＰ２を示す。半導体発光素子１１ｃの発振波長λＡにおいて、強度モニタモードおけるリング共振器１９の透過光の量ＩＭ２は、波長モニタモードにおけるリング共振器１９の透過光の量ＩＭ１よりも大きい。そして、強度モニタモードにおける第２の受光素子３７ａの受光量を波長モニタモードにおける第１の受光素子３７ｂの受光量よりも大きくできる。強度モニタモードにおけるリング共振器１９の透過光スペクトルは、半導体発光素子１１ｃの発振波長λＡにおいて第１の微分係数ＤＦ１（モニタ強度の波長の微少変化に対する透過光スペクトルの微少変化）を有すると共に、波長モニタモードにおけるリング共振器１９の透過光スペクトルは半導体発光素子１１の発振波長λＡにおいて第２の微分係数ＤＦ２（モニタ強度の波長の微少変化に対する透過光スペクトルの微少変化）を有する。第１の微分係数ＤＦ１の絶対値は第２の微分係数ＤＦ２の絶対値より小さい。
【００６２】
尚、図７に示された光源では、リング共振器１９の透過光を光出力モニタのために用い、リング共振器１９の出力光を波長モニタのために用いている。しかしながら、端面２５ｂから出るリング共振器１９の透過光のみを１個の受光素子を用いて、強度モニタと波長モニタの両方を行うことができる。このとき、強度モニタモードでは、リング共振器１９の透過光スペクトルが平坦（微分係数ＤＦ１）である波長領域を用い、波長モニタモードでは、リング共振器１９の透過光スペクトルがスロープ（微分係数ＤＦ２）を持つ波長領域を用いる。微分係数ＤＦ２の絶対値は微分係数ＤＦ１の絶対値より大きい。この光源では、一個の受光素子を用いて強度モニタ及び波長モニタを行うことができる。
【００６３】
半導体発光素子１１ｃによれば、電極３２を用いてリング共振器１９の各ピーク波長をシフトを変更することによって、強度モニタモードでは、リング共振器１９の透過率を発振波長において大きくできる。これによって、リング共振器１９のフィルタリングからの背面光への影響が低減される。一方、波長モニタモードでは、リング共振器１９の櫛形スペクトルを利用して、受光素子３７ｂからのモニタ信号を用いて発振波長の制御を行うことができる。なお、電極３２を利用してリング共振器１９のスペクトルを変更することによって、半導体レーザ１２ｂの背面光の透過量を調整することは、背面光及び電極３２の利用が可能な他の実施例にも適用される。
【００６４】
再び図７を参照すると、光学利得領域１７は、波長可変のＤＦＢ半導体レーザであり、このＤＦＢ半導体レーザのための回折格子１５ｃに光学的に結合される。半導体レーザの回折格子１５ｃが分布帰還を実現するために利用される。回折格子１５ｃは、例えば活性層２２とｐ型クラッド層２４ａ又はｎ型クラッド層２４ｂと（本実施例では、クラッド層２４ａ）との間に設けられることができる。活性層２２は光ガイド層２６ａ、２６ｂによって挟まれている。回折格子上の電極とコンタクト層は２分割されている。この２つの電極（一群の電極３０ａ）に注入する電流をそれぞれＩ１、Ｉ２とすると、全電流（Ｉ１＋Ｉ２）を一定にして、Ｉ１とＩ２との比（Ｉ１／Ｉ２）を変えることにより発振波長を変えることができる。尚、分割電極数を２個以上にしても良い。
【００６５】
図９は、本実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す図面である。半導体発光素子１１ｄでは、光導波路２５は、半導体発光素子１１ｄの端面１０ａに到達した端部２５ａと、リング共振器１９に光学的に結合された端部２５ｂとを有する。光導波路２１は、半導体発光素子１１ｄの端面１０ｂに到達した端部２５ａと、リング共振器１９に光学的に結合された端部２５ｂとを有する。光導波路２１、２５の端部２１ｂ、２５ｂは、リング共振器１９と結合部２７ｃで結合されている。光導波路２１、２５は、所定の軸Ａｘに沿って延びている。
【００６６】
半導体光源３１ｄの半導体発光素子１１ｄでは、光導波路２１には、リング共振器１９からの透過光ＬＦが伝搬し、受光素子３７ｂは、光導波路２１の端部２１ａからの出射光を受ける。
【００６７】
図１０は、リング共振器１９の透過スペクトルを示す図面である。リング共振器の透過光強度−波長の特性曲線は、周期的に現れる複数の極小値を含む。いずれかの極小値の片側スロープ上の一点で示される出力光スペクトル強度が維持されるように半導体発光素子１１ｄを制御することによって、リング共振器１９を用いた波長ロッキングが提供される。このリング共振器１９の特性曲線のスペクトルの極小値を頂点に有するピーク幅が十分狭ければ、正負いずれのスロープを用いても波長ロッキングを行うことができる。図１０では、透過光のスペクトルＴｐは極小値Ａ、Ｂを含む。ロック可能な波長λＡ、λＢが示されている。図１０を参照しながら、波長λＡへの波長ロックを説明する。波長λＡから（λＡ＋△λ）へレーザ発振波長が変動したとき、半導体発光素子１１のモニタ素子１２ｂからのモニタ光ＬＭＯＮ１は、図１０に示されるように、強度（Ｉ０−△Ｉ）に減少する。この減少は、受光素子３７ｂにより電気信号ＳＲＭＯＮに変換される。受光素子３７ａは、半導体レーザ１２ｂの光出力に対応した電気信号ＳＩＭＯＮを生成する。モニタ用ＰＤ素子３７からのモニタ信号ＳＲＭＯＮ、ＳＩＭＯＮは、図４に示されるように、制御回路部４１に提供される。モニタ信号が、上記のように波長の変動を示すとき、回折格子制御回路４１ａの制御信号ＳＣＯＮ１が電極３０ｂ、３０ｄへ与えられて、バーニア効果により発振波長を小さくするような調整が行われる。必要な場合には、位相調整制御回路４１ｂからの制御ＳＣＯＮ２により光学的な共振器長が調整される。この制御によって、変動した発振波長（λＡ＋△λ）から波長λＡへレーザ発振波長が変更された。
【００６８】
波長λＡから（λＡ−△λ）へレーザ発振波長が変動したとき、半導体発光素子１１のモニタ素子１２ｂからのモニタ光ＬＭＯＮ１は、図１０に示されるように、強度（Ｉ０＋△Ｉ）に増加する。この増加は、受光素子３７ｂにより電気信号ＳＲＭＯＮに変換される。受光素子３７ａは、半導体レーザ１２ｂの光出力に対応した電気信号ＳＩＭＯＮを生成する。モニタ信号ＳＲＭＯＮ、ＳＩＭＯＮは、図４に示されるように、制御回路部４１に提供される。制御回路部４１の制御によって、変動した発振波長（λＡ−△λ）から波長λＡへレーザ発振波長が変更される。
【００６９】
図１１は、本実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す図面である。半導体光源３１ｅの半導体発光素子１１ｅでは、光導波路２５の端部２５ｂは半導体発光素子１１ｅの第２の端面１０ｂに位置することができる。光導波路２１の出射端２１ａは、半導体発光素子１１ｃの第２の端面１０ｂに位置しており、リング共振器１９の出力光をモニタ光ＬＭＯＮ１として提供できる。リング共振器１９が、端面１０ｂと光反射器１３ｂとの間の結合部２７ａにおいて光導波路２５に光学的に結合しているので、第１の端面１０ａからは出射光ＬＯＵＴが提供され、第２の端面１０ｂからはリング共振器１９の透過光がモニタ光ＬＭＯＮ２として提供される。光導波路２１の出射端２１ａが第２の端面１０ｂに到達している。本実施例の形態では、光導波路２１の出射端２１ａは、リング共振器１９の出力光を提供する。第２の端面１０ｂ上には低反射膜２０ｂが設けられることが好ましい。
【００７０】
図１２は、リング共振器１９の出力光を受ける受光素子（ＰＤ１）及びリング共振器１９の透過光を受ける受光素子（ＰＤ２）の出力電流と、半導体発光素子からの光の波長との関係を示す図面である。波長がロッキング点ＬＯＣＫからずれると、受光素子ＰＤ１の電流は受光素子ＰＤ２の電流と互いに逆方向に変化する。一方、半導体発光素子１１ｅの光出力の増減はＰＤ１、ＰＤ２の増減と一致する。受光素子ＰＤ１への入射光及び受光素子ＰＤ２への入射光は、それぞれ、リング共振器の透過光と出力光と対応している。リング共振器の透過光と出力光は、半導体レーザ１２ａの背面光をリング共振器１９を用いてフィルタリングしたものである。したがって、受光素子ＰＤ１の電流は受光素子ＰＤ２の電流の和は、半導体発光素子の発振波長によらず一定になるので、この電流の和を光出力の制御に用いることができる。制御回路部４１は、受光素子ＰＤ１の電流は受光素子ＰＤ２の電流の和を生成する和信号生成回路４１ｅを含むことができる。光波長の制御は、受光素子ＰＤ１の電流及び受光素子ＰＤ２の電流のいずれかを用いることができる。この電流の差を光出力の制御に用いることができる。さらに、制御回路部４１は、受光素子ＰＤ１の電流と受光素子ＰＤ２の電流の差を生成する差信号生成回路４１ｆを含むことができる。なお、制御回路部４１の構成に応じて、リング共振器１９上に電極を追加して、半導体光源３１ｃの波長及び強度の制御が、半導体光源３１ｅにおける制御と同様に行われることができる。
【００７１】
尚、図１１に示された光源では、リング共振器１９の透過光を光出力モニタのために用い、リング共振器１９の出力光を波長モニタのために用いている。しかしながら、端面２５ｂから出るリング共振器１９の透過光のみを１個の受光素子を用いて、強度モニタと波長モニタの両方を行うことができる。このとき、強度モニタモードでは、リング共振器１９の透過光スペクトルが平坦（微分係数ＤＦ１）である波長領域を用い、波長モニタモードでは、リング共振器１９の透過光スペクトルがスロープ（微分係数ＤＦ２）を持つ波長領域を用いる。微分係数ＤＦ２の絶対値は微分係数ＤＦ１の絶対値より大きい。この光源では、一個の受光素子を用いて強度モニタ及び波長モニタを行うことができる。
【００７２】
既に説明したように、リング共振器１９は、波長ロックのために利用可能である。電極３２は、リング共振器１９の光導波路の実効的な屈折率を変更するために用いられる。なお、制御回路部４１の構成に応じて、半導体光源３１ｅの波長及び強度の制御が、半導体光源３１ｃにおける制御と同様に行われることができる。
【００７３】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、半導体発光素子及び半導体光源が提供される。半導体発光素子及び半導体光源は、波長モニタのための光信号を生成するモニタ素子及び半導体レーザと他の光学部品との光軸調整を容易にすると共に、半導体光源の組み立て精度に依存せずに波長グリットを規定可能になる。
【００７４】
好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の実施の形態において複数の図面を参照しながら、半導体レーザ及びモニタ素子を含む半導体発光素子を説明した。半導体レーザはモニタ素子に光学的に結合される。レーザ共振器の背面光を波長モニタのために用いる。一実施例では、半導体発光素子の半導体レーザの前面光（レーザ光）を２つに分岐して、リング共振器を用いて分岐光の一つを波長モニタのために使用できる。
【００７６】
本実施の形態に係る半導体発光素子の半導体レーザでは、回折格子が光導波路に形成されている。回折格子は、半導体レーザの発振波長に対してＢｒａｇｇの回折条件を満たすことが可能な周期で変化する屈折率変化部分を含む分布帰還あるいは分布反射を行うものである。光共振器は、光導波路に形成された回折格子部を含む。光導波路は、光共振器内に位置する内部部分と、光共振器内に位置する延長部分とを有する。また、波長モニタ用のリング共振器が同じ半導体基板上に形成されており、このリング共振器が光導波路の延長部分に光学的に結合している。この半導体発光素子では、リング共振器をレーザ発振波長弁別器として用いることができる。
【００７７】
光導波路の一端が半導体発光素子の一端面に設けられる。光導波路の一端と延長部分との間に回折格子がある。半導体レーザの前面からのレーザ出力光を減らさないように、半導体レーザの背面光をモニタのために使用できる。また、波長モニタ用リング共振器には、活性層を含む光導波路とは別の光導波路が光学的に結合されている。波長モニタ用のリング共振器の出力光がモニタ光として別の光導波路を介して取り出される。さらに、波長モニタ用リング共振器は、電流注入及び電界印加のいずれかを行うための電極を備えるので、波長モニタ用リング共振器の出力光スペクトル及び透過光スペクトルに周期的に現れる櫛状ピーク波長の間隔を変更できる。
【００７８】
光導波路若しくは別の光導波路の少なくともいずれかを導波した光をフォトダイオードによってモニタすることによって、レーザの発振波長あるいは光出力を制御できる。また、例えば、光導波路を導波した光出力をフォトダイオードでモニタを行い、別の光導波路を導波した光出力を別のフォトダイオードでモニタを行うことができる。フォトダイオードとフォトダイオードの信号の和によって、半導体レーザの光出力を制御できる。さらに、波長モニタ用リング共振器に印加する電流又は電界と、波長モニタ用リング共振器の透過ピーク波長との関係をあらかじめ測定により決めて制御装置に記憶させておくことができる。
【００７９】
上記の半導体発光素子及び半導体光源は、例えばＷＤＭ通信に好適に提供される。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は本実施の形態に係る半導体発光素子を概略的に示す図面である。
【図２】図２（ａ）は、リング共振器、光導波路の接続を示す。図２（ｂ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子における一例のリング共振器に入力される入力光のスペクトルを示す図面である。図２（ｃ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子における一例のリング共振器の出力光のスペクトルを示す図面である。図２（ｄ）は、本実施の形態に係る半導体発光素子における一例のリング共振器の透過光のスペクトルを示す図面である。
【図３】図３は、波長可変の半導体発光素子のリング共振器における出力光のスペクトルの一例を示す。
【図４】図４は、波長ロックを含む半導体光源の制御を行う制御部を示すブロック図である。
【図５】図５は、リング共振器の光導波路上に電極を備える半導体発光素子を示す図面である。
【図６】図６は、本実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す図面である。
【図７】図７は、本発明の実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す図面である。
【図８】図８は、図７に示された半導体発光素子における出力光スペクトル及び透過光スペクトルを示す図面である。
【図９】図９は、本実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す図面である。
【図１０】図１０は、リング共振器の透過スペクトルを示す図面である。
【図１１】図１１は、本実施の形態に係る半導体発光素子の構造を示す図面である。
【図１２】図１２は、リング共振器の出力光を受ける受光素子（ＰＤ１）及びリング共振器の透過光を受ける受光素子（ＰＤ２）の出力電流と、半導体発光素子からの光の波長との関係を示す図面である。
【符号の説明】
【００８１】
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ…半導体発光素子の端面、１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ…半導体発光素子、１２ａ…半導体レーザ、１２ｂ…モニタ素子、１３…光共振器、１３ａ、１３ｂ…反射鏡、１５ａ、１５ｂ…回折格子、１７…光学利得領域、１９…リング共振器、１８…光導波路、１８ａ…コア領域、１８ｂ、１８ｃ…クラッド領域、２１、２５…光導波路、２２…活性層、２７ａ、２７ｂ…光結合部、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ…コンタクト層、２９…位相調整器、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ…電極、３３…半導体基板、３１…半導体光源、３２…電極、３５…光分岐器、３９…光学レンズ、３７…モニタ用ＰＤ素子、３７ａ、３７ｂ…受光素子、４１…制御回路部、４１ａ…回折格子制御回路、４１ｂ…位相調整制御回路、４１ｃ…利得制御回路、４１ｄ…モード切り換え回路、４１ｅ…和信号生成回路、４１ｆ…差信号生成回路、４２…光導波路、４３…リング共振器制御回路、ＬＦ…半導体レーザの出射光、ＬＩＮ…入力光、ＬＴＰ…透過光、ＬＭＯＮ１…出力光、λ１〜λ４…波長グリッド、ＬＯＵＴ…出射光、ＬＭＯＮ２…モニタ光、ＳＩＭＯＮ…強度モニタ信号、ＳＲＭＯＮ…波長モニタ信号、ＳＣＯＮ１、ＳＣＯＮ２、ＳＣＯＮ３、ＳＣＯＮ４…制御信号
【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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