(57)【要約】【課題】レーザ発振波長を変更可能であって、光学的損失を抑えつつ光処理素子を同一基板上に集積可能な半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザ１は、第１の反射手段３及び第２の反射手段５によってレーザキャビティが構成されている。第２の反射手段５は、利得導波路７及び第１の反射手段３と直列に半導体基板Ｓ上に配置されたチャープ型回折格子２１であり、半導体レーザ１におけるレーザ光の出射面として機能する。このような構成により、溝をレーザ光の反射手段にする場合とは異なり、溝を挟んだ２つの半導体光導波路の光結合効率や、溝内での多重反射の影響を回避することが可能となっている。これにより、光学的損失を抑えつつ光処理素子を同一半導体基板Ｓ上に集積できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザであって、
前記半導体レーザのレーザキャビティを構成する第１の反射手段及び第２の反射手段と、
前記レーザキャビティ内に配置され、キャリア注入によって光学的利得を増幅させる利得導波路と、
前記利得導波路及び前記第２の反射手段が直列に配置された半導体基板と、を備え、
前記第１の反射手段は、
信号の印加によって反射帯域をシフト可能な反射素子と、
前記反射帯域からの波長の光を選択的に透過させる波長選択素子とを有し、
前記第２の反射手段は、前記利得導波路に光学的に結合され、前記第１の反射手段による反射光の波長可変帯域よりも広い反射帯域を持つチャープ型回折格子を有し、
前記半導体基板上には、前記チャープ型回折格子に光学的に結合された光処理素子が設けられていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記第２の反射手段は、前記チャープ型回折格子に対応して設けられる電極を更に備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記第２の反射手段は、前記反射帯域において、短波長側から長波長側に向かって徐々に反射率が低下する反射特性を有していることを特徴とする請求項１又は２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、レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長可変レーザとして、例えば非特許文献１に記載の外部共振器型半導体レーザがある。この外部共振器型半導体レーザは、半導体チップの一端面と、半導体チップの外部に設けられた外部反射鏡とによってレーザキャビティを構成している。レーザキャビティ内には、ファブリペローエタロンを有し、当該ファブリペローエタロンの周期的な透過スペクトルピーク間隔に、外部反射鏡の最大反射率波長を合わせることでレーザ発振が生じる。また、外部反射鏡として用いる液晶に電圧を加えることで反射ピーク波長を制御し、波長可変となっている。
【非特許文献１】2005年  電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、C-2-34  “high Wavelength ChannelAccuracy of a Full C-band External Cavity Wavelength Tunable Laser withIntracavity Wavelength Reference Etalon”  J.De Merlier, et. Al.
【非特許文献２】2006年  電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、C-2-34  SOA変調器集積外部共振器型波長可変レーザの2.5Gps-360Kmフルバンド伝送特性  水谷健二他
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、半導体レーザは、レーザキャビティから出射されるレーザ光の強度に変調を加えるための光変調器といった光処理素子を設ける場合がある。この場合、チップの一端面を反射手段にしていると、光処理素子とチップの一端面との間に光学レンズといった光学部品を別途に設ける必要があり、光処理素子を同一基板上に集積することが困難であった。
【０００４】
ここで、非特許文献２に記載の外部共振器型半導体レーザは、光変調器と光導波路との間に溝を形成し、溝を反射鏡とすることで光処理素子を同一の基板に集積している。しかしながら、このような溝を形成する場合、溝を挟んだ２つの半導体光導波路の光結合効率や、溝内での多重反射の影響を考慮して溝を形成しなければならないため、光学的な損失を考慮すれば、溝を反射手段として用いることが実用的であるとは言い難いものであった。その結果、光処理素子を同一基板上に集積することが困難であった。
【０００５】
本発明は、上記課題解決のためになされたものであり、レーザ発振波長を変更可能であって、光学的損失を抑えつつ光処理素子を同一基板に集積可能な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】
【０００６】
本発明に係る半導体レーザは、レーザ発振波長を変更可能な半導体レーザであって、半導体レーザのレーザキャビティを構成する第１の反射手段及び第２の反射手段と、レーザキャビティ内に配置され、キャリア注入によって光学的利得を増幅させる利得導波路と、利得導波路及び第２の反射手段が直列に配置された半導体基板と、を備え、第１の反射手段は、信号の印加によって反射帯域をシフト可能な反射素子と、反射帯域からの波長の光を選択的に透過させる波長選択素子とを有し、第２の反射手段は、利得導波路に光学的に結合され、第１の反射手段による反射光の波長可変帯域よりも広い反射帯域を持つチャープ型回折格子を有し、半導体基板上には、チャープ型回折格子に光学的に結合された光処理素子が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
この半導体レーザは、第１の反射手段及び第２の反射手段によってレーザキャビティが構成されている。第１の反射手段では、信号の印加によって反射素子の反射帯域がシフトし、反射素子のピーク反射波長を波長選択素子の透過波長ピークの一つに一致させることにより、レーザ発振波長が変更可能となる。一方、第２の反射手段は、利得導波路及び第１の反射手段と直列に半導体基板上に配置されたチャープ型回折格子であり、半導体レーザにおけるレーザ光の出射面として機能する。このような構成により、溝をレーザ光の反射手段にする場合とは異なり、溝を挟んだ２つの半導体光導波路の光結合効率や、溝内での多重反射の影響を回避することが可能となっている。これにより、光学的損失を抑えつつ光処理素子を同一半導体基板上に集積できる。
【０００８】
また、第２の反射手段は、チャープ型回折格子に対して設けられる電極を更に備えたことが好ましい。電極によるチャープ型回折格子への信号印加によって、チャープ型回折格子の反射波長帯域はシフトする。この場合、シフト前後の波長帯域において第２の反射手段の反射波長帯域を設定すればよく、チャープ型回折格子の長手方向の長さを短くすることが可能となる。その結果、半導体レーザの小型化が図られる。
【０００９】
また、第２の反射手段は、反射波長帯域において、短波長から長波長に向かって徐々に反射率が低減する反射特性を有していることが好ましい。半導体レーザにおける利得導波路の内部吸収は、短波長側に比べて長波長側で徐々に増加する傾向がある。そのため、第２の反射手段が短波長側から長波長側に向かって徐々に反射率が低減するような反射特性を有することで、半導体レーザの内部吸収を補償することができる。その結果、波長の可変範囲において、半導体レーザから出力されるレーザ光の強度をほぼ一定にすることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る半導体レーザによれば、レーザ発振波長を変更可能であり、光学的損失を抑えつつ光処理素子を同一基板上に集積できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明に係る半導体レーザの好適な実施形態について詳細に説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体レーザを概略的に示す図である。半導体レーザ１は、例えばＷＤＭ（Wavelength DivisionMultiplexing）伝送システムといった高速かつ大容量の光通信システムにおいて、波長可変型の光源として使用することができる。半導体レーザ１は、レーザキャビティを構成する第１の反射手段３と、第２の反射手段５と、利得導波路７と、位相調整器９と、光変調器（光処理素子）１１とによって構成されている。これらの各要素は、直列に配置されている。
【００１３】
style='font-family:"ＭＳ 明朝"'>  第１の反射手段３は、光反射器１４と、ファブリペローエタロン（波長選択素子）１７と、光学レンズ１９によって構成されている。光反射器１４は、液晶１３と、液晶１３に対応して設けられる電極１５とによって構成されている。液晶１３は、ファブリペローエタロン１７に光学的に結合されている。液晶１３は、例えばstyle='font-family:"ＭＳ 明朝"'>液晶チューナブルミラーであり、信号の印加によって広域にわたり反射帯域を制御することができる。
style='font-family:"ＭＳ 明朝"'>  
【００１４】
"ＭＳ 明朝"'>  図２に、液晶１３の反射帯域を示す。図２の実線に示すように、液晶１３の反射帯域は、λ１Ｆ１〜λ１Ｆ２にわたって緩やかな山形をなしており、レーザキャビティを往復する光の縦モード波長を広範囲にわたってカバーする広い波長範囲を有している。  
【００１５】
電極１５は、電極１５ａ及び電極１５ｂによって構成されている。電極１５ａ，１５ｂは、液晶１３の反射面を挟むように設けられており、ファブリペローエタロン１７側の電極１５ａは、透明電極で形成されている。電極１５は、電流又は電圧による信号印加量を調節することによって液晶１３の波長依存性を変化させ、液晶１３の反射帯域（図２参照）をシフトさせる。
【００１６】
図２に戻って、液晶１３の反射帯域がシフトする一例を示す。図２に示すように、液晶１３は、電極１５による信号印加前の反射帯域をλ１Ｆ１、λ１Ｆ２とし、信号印加後の反射帯域をλ２Ｆ１、λ２Ｆ２とする。この場合、液晶１３の反射帯域は電極１５による信号印加により実線で示した信号印加前の反射帯域λ１Ｆ１〜λ１Ｆ２から、破線で示した反射帯域λ２Ｆ１〜λ２Ｆ２にシフトする。
【００１７】
ファブリペローエタロン１７は、液晶１３と第２の反射手段５との間に直列に設けられ、光学的に結合されている。ファブリペローエタロン１７は、平行な２つの界面で生じる光の干渉により、ピーク透過波長が周期的に生じるような透過波長特性を有する。
【００１８】
図３にファブリペローエタロン１７の透過波長特性を示す。図３に示すように、ファブリペローエタロン１７は、例えば波長λｊ〜λｋの間で４本のピークを有している。ファブリペローエタロン１７のＦＳＲ（Free Spectral Range）は、ＷＤＭ伝送の周波数に合致するように、例えば１００ＧＨｚとなっている。これにより、ファブリペローエタロン１７は、液晶１３の反射帯域からの波長の光を選択的に透過させるフィルタ機能を有する。
【００１９】
光学レンズ１９は、ファブリペローエタロン１７と半導体光導波路３１との間に設けられている。光学レンズ１９は、例えば凸レンズであり、端面３１ａから出射されるレーザ光を略平行とし、ファブリペローエタロン１７に略垂直に入射する。また、光学レンズ１９は、反射器１４において反射した後に再びファブリペローエタロン１７を透過したレーザ光を集光し、端面３１ａに入射させる。
【００２０】
以上のような第１の反射手段３は、電極１５からの信号印加によって、液晶１３における反射帯域をシフトさせることにより、ファブリペローエタロン１７の透過波長ピークと液晶１３のピーク反射波長が一致する一の波長をレーザ発振波長として選択する。図４に、液晶１３のピーク反射波長とファブリペローエタロン１７の透過波長ピークとが一致しレーザ発振が生じる一例を示す。図４に示すように、液晶１３のピーク反射波長が、ファブリペローエタロン１７の透過反射ピークλ１に合致したときに、λ１においてレーザ発振が生じる。更に、電極１５による液晶１３への信号印加量を調整し、液晶１３のピーク反射波長をシフトさせてファブリペローエタロン１７の透過波長ピークλ２に合致させたときに、λ２においてレーザ発振が生じる。
【００２１】
一方、第２の反射手段５は、チャープ型回折格子２１と、チャープ型回折格子２１に対応して設けられる電極２３とによって構成されている。チャープ型回折格子２１は、利得導波路７に光学的に結合されている。チャープ型回折格子２１は、半導体光導波路２５に屈折率変化による回折格子構造２７が形成されて構成されている。チャープ型回折格子２１は、例えば図５に示すように、長手方向に沿って一定の割合で周期が変化している。
【００２２】
チャープ型回折格子２１が有する複数の周期Λ１、Λ２、・・・、Λｎ（ｎは、２以上の整数）は、次の関係を満たしている。
Λ１＜Λ２＜・・・＜Λｎ
また、各周期Λ１〜Λｎに対応したブラッグ反射波長をλＢ１、λＢ２、・・・λＢｎとすると、任意のブラッグ波長λＢｉ（ｉ＝１，２，・・・，ｎ）は、次式で表される。
λＢｉ＝２ｎｒΛｉ／ｍ
ここで、ｎｒは実効屈折率であり、ｍは回折次数である。ｎｒは例えば３．３〜３．５であり、ｍは通常１である。
【００２３】
図６は、チャープ型回折格子２１の反射特性を示す図である。同図に示すように、チャープ型回折格子２１は、第１の反射手段３による反射光の波長可変帯域よりも広い反射帯域を有する。反射率Ｒｃは、例えば１％〜３０％である。チャープ型回折格子２１の反射特性は、反射波長λＢ１〜λＢｎにおいて長波長側に向かって反射率が徐々に低減するようになっている。
【００２４】
電極２３は、チャープ型回折格子２１上に設けられている。電極２３は、電流又は電圧による信号印加によってチャープ型回折格子２１の屈折率を変化させることで、チャープ型回折格子２１の反射波長をシフトさせる。
【００２５】
図７に、チャープ型回折格子２１の反射帯域がシフトする一例を示す。図７に示すように、電極２３による信号印加前のチャープ型回折格子２１の周期Λ１、Λｎに対応するブラッグ反射波長をλ１Ｂ１，λ１Ｂｎとし、信号印加後の周期Λ１、Λｎに対応するブラッグ反射波長をλ２Ｂ１，λ２Ｂｎとする。この場合、チャープ型回折格子２１反射帯域は、電極２３による信号印加により実線で示した信号印加前の反射帯域λ１Ｂ１〜λ１Ｂｎから、破線で示した反射帯域λ２Ｂ１〜λ２Ｂｎにシフトしている。
【００２６】
利得導波路７は、第２の反射手段５及び半導体導波路３１に光学的に結合されている。利得導波路７は、利得導波路７に対応して設けられる電極２９によってキャリアが注入され、光学的利得を増幅させる。半導体レーザ１では、利得導波路７において光の内部吸収が生じる。図８に、波長と利得導波路７の吸収係数との関係の一例を示す。図８に示すように、利得導波路７の吸収係数は、短波長側から長波長側に向かって緩やかな傾きをもって略直線的に増加している。
【００２７】
位相調整器９は、利得導波路７の一端７ａに光学的に結合された半導体導波路３１と、半導体導波路３１に対応して設けられた電極３３とによって構成されている。位相調整器９は、電極３３による信号印加により半導体導波路３１を伝搬する光の位相を調整する。
【００２８】
光変調器１１は、半導体光導波路３５と、半導体光導波路３５に対応して設けられる電極３７によって構成されている。半導体光導波路３５は、半導体光導波路２５の一端２５ａに光学的に結合されており、半導体導波路３５の端面３９は、半導体レーザ１のレーザ光の出射面となっている。光変調器１１は、電極３７によってチャープ型回折格子２１から出射されるレーザ光に所望の変調を加え、端面３９からレーザ光を出射する。光変調器１１は、例えば電界吸収型光変調器やマッハツェンダー型の光変調器である。
【００２９】
続いて、半導体レーザ１の断面構成について説明する。図９は、図１におけるＩＸ−ＩＸ線断面図である。
【００３０】
図９に示すように、半導体レーザ１は、半導体基板Ｓと、半導体基板Ｓの一面側において、第２の反射手段５と、利得導波路部７と、位相調整器９と、光変調器１１とが設けられている。半導体基板Ｓの他面側には、全面に電極４０が設けられている。
【００３１】
第２の反射手段５は、半導体基板Ｓから順にｎ型クラッド層４１、光ガイド層４３ａ、コア導波路層４５ａ、光ガイド層４７ａ、回折格子構造２７、ｐ型クラッド層４９、コンタクト層５１ａが積層され、コンタクト層５１ａの上面に電極２３が設けられている。回折格子構造２７は、光ガイド層４７ａの表面に設けられた周期構造から構成されている。
【００３２】
利得導波路７は、半導体基板Ｓから順にｎ型クラッド層４１、光ガイド層４３ａ、活性層４５ｂ、光ガイド層４７ｂ、ｐ型クラッド層４９、コンタクト層５１ｂが積層され、コンタクト層５１ｂの上面に電極２９が設けられている。活性層４５ｂは、例えば１．２５μｍ〜１．６５μｍ帯に利得を持つ４元混晶ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸（ＱＷ）構造を有している。
【００３３】
位相調整器９は、半導体基板Ｓから順にｎ型クラッド層４１、光ガイド層４３ａ、コア導波路層４５ｃ、光ガイド層４７ｃ、ｐ型クラッド層４９、コンタクト層５１ｃが積層され、コンタクト層５１ｃの上面に電極３３が設けられている。
【００３４】
光変調器１１は、半導体基板Ｓから順にｎ型クラッド層４１、光ガイド層４３ｄ、吸収層４５ｄ、光ガイド層４７ｄ、ｐ型クラッド層４９、コンタクト層５１ｄが積層され、コンタクト層５１ｄの上面に電極３７が設けられている。吸収層４５ｄは、例えばＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ量子井戸（ＱＷ）構造を有している。
【００３５】
ここで、コア導波路層４５ａ，４５ｂは、例えばＧａＩｎＡｓＰ層である。ｎ型クラッド層４１及びｐ型クラッド層４９は、例えばＩｎＰ層である。コンタクト層５１ａ〜５１ｄは、例えば高濃度ドープされたＧａＩｎＡｓ層である。また、縦方向の光閉じ込めはクラッド層４１，４９によってなされており、横方向の光閉じ込めはストライプ状の導波路構造と、導波路構造を埋め込む埋め込み層（図示しない）とによってなされている。
【００３６】
また、半導体レーザ１は、光変調器１１が設けられた端面側に反射防止膜５３が形成されている。反射防止膜５３は、ＡＲコート等からなる反射率が０．１％以下の低反射膜である。
【００３７】
以上説明したように、この半導体レーザ１では、第１の反射手段３及び第２の反射手段５によってレーザキャビティが構成されている。第１の反射手段３では、信号の印加によって液晶１３の反射帯域がシフトし、液晶１３のピーク反射波長をファブリペローエタロン１７の透過波長ピークの一つに一致させることにより、レーザ発振波長が変更可能となる。
【００３８】
一方、第２の反射手段５は、利得導波路７及び第１の反射手段３と直列に半導体基板Ｓ上に配置されたチャープ型回折格子２１であり、半導体レーザ１におけるレーザ光の出射面として機能する。このような構成により、溝をレーザ光の反射手段にする場合とは異なり、溝を挟んだ２つの半導体光導波路の光結合効率や、溝内での多重反射の影響を回避することが可能となっている。これにより、光学的損失を抑えつつ光処理素子を同一半導体基板上に集積できる。
【００３９】
また、第２の反射手段５は、チャープ型回折格子２１に対して電極２３が設けられているので、電極２３よる信号印加によって、チャープ型回折格子２１の反射波長帯域をシフトさせることができる。この場合、シフト前後の波長帯域において第２の反射手段５の反射波長帯域を設定すればよいので、チャープ型回折格子２１の長手方向の長さを短くすることが可能となる。その結果、半導体レーザ１の小型化が図られる。
【００４０】
また、第２の反射手段５は、反射波長帯域において、短波長から長波長に向かって徐々に反射率が低減する反射特性を有しているので、短波長側に比べて長波長側で徐々に増加する傾向がある利得導波路７の内部吸収を補償することができる。その結果、図１０の実線に示すように、チャープ型回折格子２１から出射されるレーザ光は、波長範囲λＢ１〜λＢｎに対してほぼ一定の光の出力を得ることができる。このような波長依存性は、チャープ型回折格子２１における単位長さ当たりの回折波長変化を短波長側（λＢ１）ほど小さくし、長波長側に比べて短波長側の反射率を大きくすることで実現できる。
【００４１】
本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、第２の反射手段５に用いる回折格子は、図１１に示すチャープ型回折格子５３でもよい。チャープ型回折格子５３は、チャープ型回折格子２１とは回折格子構造５５が異なる。チャープ型回折格子５３は、ｎ個（ｎは２以上の整数）の領域５７１〜５７ｎを有しており、それぞれの領域は格子間隔が同じであり、ｎ個の領域が長手方向に沿って一定の周期で変化している。この場合も、チャープ型回折格子２１と同様に、電極による信号印加によって反射波長帯域をシフトさせることができる。また、チャープ型回折格子５３には、チャープ型回折格子２１と同様に、反射率が短波長側から長波長側に向かって緩やかな傾きをもって略直線的に低減する波長依存性をもたせることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の一実施形態に係る半導体レーザの概略図である。
【図２】液晶の反射帯域の一例を示す図である。
【図３】ファブリペローエタロンの透過波長特性を示す図である。
【図４】ファブリペローエタロンによる波長選択の一例を示した図である。
【図５】第２の反射手段であるチャープ型回折格子の周期構造の一例を示す図である。
【図６】図５に示したチャープ型回折格子の反射特性を示す図である。
【図７】図５に示したチャープ型回折格子の反射帯域がシフトする様子を示す図である。
【図８】利得導波路の内部吸収係数の一例を示す図である。
【図９】図１におけるＩＸ−ＩＸ線断面図である。
【図１０】図１に示した半導体レーザのレーザ光出力の波長依存性の一例を示す図である。
【図１１】チャープ型回折格子の周期構造の他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…半導体レーザ、３…第１の反射手段、５…第２の反射手段、７…利得導波路、１１…光変調器（光処理素子）、１３…液晶（反射素子）、１７…ファブリペローエタロン（波長選択素子）、２１…チャープ型回折格子、２３…電極、Ｓ…半導体基板。
【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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