(57)【要約】【課題】反射率ピークの波長依存性が小さい回折格子デバイスを提供する。【解決手段】回折格子デバイス１の光導波路コア３では、第１及び第２の領域３ａ、３ｂは、所定の軸Ａｘの方向に交互に配置されており、またこれらの領域３ａ、３ｂは互いに隣接している。回折格子構造５は、所定の軸Ａｘの方向に順に配置された回折格子部分５ａ〜５ｎを含む。回折格子部分５ａ〜５ｎは、それぞれ、光導波路コア３の第１の領域３ａに光学的に結合されている。回折格子部分５ａ〜５ｎは周期的に配置されている。この繰り返し配置の周期は値Λｓである。回折格子部分５ａ〜５ｎは互いに離間して配置されている。回折格子構造の周期は、所定の軸Ａｘに取られたｘ軸上の座標に対して単調に変化するチャープ回折格子の周期を提供する関数ｆ（ｘ）によって規定される。回折格子部分５ａ〜５ｎの各々におけるチャープされた周期は関数ｆ（ｘ）によって規定される。【選択図】図２
2009088015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の軸の方向に交互に配置された複数の第１および第２の領域を含む光導波路コアと、
前記所定の軸の方向に順に配置された第１〜第ｎの回折格子部分を含む回折格子構造と
を備え、
前記第１〜第ｎの回折格子部分は前記光導波路コアの前記第１の領域にそれぞれ光学的に結合されており、
前記第１〜第ｎの回折格子部分は周期的に配置されており、
前記第１〜第ｎの回折格子部分は、互いに離間して配置されており、
前記回折格子構造の周期は、前記所定の軸の方向に取られた座標軸上の座標に対して単調に変化するチャープ回折格子の周期を提供する関数によって規定され、
前記第１〜第ｎの回折格子部分の各々における周期は、前記関数によって規定される、ことを特徴とする回折格子デバイス。
【請求項２】
前記第１〜第ｎの回折格子部分の長さは、互いに離間する前記第１〜第ｎの回折格子部分の間隔より短い、ことを特徴とする請求項１に記載された回折格子デバイス。
【請求項３】
前記光導波路コアは、前記第１の領域上に隣接して設けられた第３の領域を含み、
前記回折格子構造の前記第１〜第ｎの回折格子部分における周期構造は、前記第３の領域の表面に設けられている、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載された回折格子デバイス。
【請求項４】
前記第１〜第ｎの回折格子部分及び前記光導波路コアの前記第２の領域上に設けられた第１のクラッド領域と、
第２のクラッド領域と
を更に備え、
前記光導波路コアは、前記第１のクラッド領域と前記第２のクラッド領域との間に設けられており、
前記第１のクラッド領域は、互いに離間して配置された前記第１〜第ｎの回折格子部分の間に設けられている、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回折格子デバイス。
【請求項５】
前記光導波路コア、前記第１のクラッド領域及び前記第２のクラッド領域は、それぞれ、第１〜第３のIII−V化合物半導体からなる、ことを特徴とする請求項４に記載された回折格子デバイス。
【請求項６】
前記光導波路コア、前記第１のクラッド領域及び前記第２のクラッド領域は、第１〜第３のシリコン酸化物からなる、ことを特徴とする請求項４に記載された回折格子デバイス。
【請求項７】
前記回折格子構造上に設けられた電極を更に備える、ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載された回折格子デバイス。
【請求項８】
レーザ共振器のための第１の光反射器と、
前記レーザ共振器のための第２の光反射器と、
基板上において前記レーザ共振器内に設けられており、キャリアの注入に応答した光学利得を有する光学利得領域と
を備え、
前記レーザ共振器は前記基板上に設けられており、
前記第１の光反射器は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された回折格子デバイスを含む、ことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項９】
前記第２の光反射器は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された回折格子デバイスを含む、ことを特徴とする請求項８に記載された半導体レーザ。
【請求項１０】
前記レーザ共振器のための第３の光反射器と、
前記第１及び第３の光反射器を前記光学利得領域と光学的に結合する光結合器と
を更に備え、
前記第２の光反射器は当該半導体レーザの端面を含み、
前記第２の光反射器は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載された回折格子デバイスを含む、ことを特徴とする請求項８に記載された半導体レーザ。
【請求項１１】
前記第２の光反射器は当該半導体レーザの端面を含み、
当該半導体レーザは、前記レーザ共振器内に設けられており前記基板上に位置するリング共振器を更に備え、
前記リング共振器及び前記光学利得領域は半導体光源を構成し、
前記半導体光源において、前記リング共振器は前記光学利得領域に直列に光学的に結合されている、ことを特徴とする請求項８に記載された半導体レーザ。
【請求項１２】
前記レーザ共振器内に設けられた光導波路の位相調整のための信号を印加するための電極を含む位相調整器を更に備え、
前記光導波路は前記基板上に設けられている、ことを特徴とする請求項８〜請求項１１のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
【請求項１３】
波長可変フィルタであって、
請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載された回折格子デバイスと、
前記回折格子デバイスの前記回折格子構造上に設けられ波長可変のための信号を受ける電極と
を備える、ことを特徴とする波長可変フィルタ。
【請求項１４】
前記回折格子デバイスに直列して光学的に結合された光学素子を更に備え、
前記光学素子は、前記リング共振器および前記ファブリペローエタロンのいずれか一方である、ことを特徴とする請求項１３に記載された波長可変フィルタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折格子デバイス、半導体レーザ及び波長可変フィルタに関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、複数の反射スペクトルピークをもつ一対の不均一回折格子を有する波長可変レーザが記載されている。一対の不均一回折格子の間には、利得領域（活性層）が設けられている。この波長可変レーザでは、バーニア効果を利用して、各不均一回折格子への少ない注入電流でレーザ発振波長を大きく変化させている。不均一回折格子の構造としては、サンプルド回折格子（Sampled Grating）及び超構造回折格子（Super Structure Grating）が記載されている。
【非特許文献１】光集積デバイス、小林功郎、共立出版、1999年、116頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
非特許文献１に記載された波長可変レーザの不均一回折格子がサンプルド回折格子であるとき、サンプルド回折格子の反射スペクトルは複数のピーク波長において極大値を有しており、これら極大反射率の波長依存性が大きい。この大きな波長依存性に起因して、波長可変レーザのレーザ光出力値は、レーザ発振波長に対して大きく変化する。したがって、非特許文献１の波長可変レーザでは、波長可変レーザの光出力は大きな波長依存性を示す。
【０００４】
非特許文献１に記載された波長可変レーザの不均一回折格子が超構造回折格子であるとき、超構造回折格子の反射スペクトルは複数のピーク波長において均一な反射率を得ようとすると、回折格子の構造が複雑になる。また、作製誤差の影響で反射率が変動する。
【０００５】
本発明は、上記の事情を鑑み為されたものであり、反射率ピークの波長依存性が小さい回折格子デバイスを提供することを目的とし、またこの回折格子デバイスを用いる半導体レーザ及び波長可変フィルタ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】
本発明の一側面によれば、回折格子デバイスは、（ａ）所定の軸の方向に交互に配置された第１および第２の領域を含む光導波路コアと、（ｂ）所定の軸の方向に順に配置された第１〜第ｎの回折格子部分を含む回折格子構造とを備え、前記第１〜第ｎの回折格子部分は周期的に配置されており、前記第１〜第ｎの回折格子部分は、前記光導波路コアの前記第１の領域にそれぞれ光学的に結合されており、前記第１〜第ｎの回折格子部分は、互いに離間して配置されており、前記回折格子構造の周期は、前記所定の軸に取られた座標軸上の座標に対して単調に変化するチャープ回折格子の周期を提供する関数によって規定され、前記第１〜第ｎの回折格子部分の各々における周期は、前記関数によって規定される。
【０００７】
この回折格子デバイスによれば、第１〜第ｎの回折格子部分は周期的に配置されると共に、第１〜第ｎの回折格子部分の各々における周期はチャープ回折格子の周期を提供する関数によって規定されるので、回折格子構造の光学スペクトルは複数の反射率ピークを有することに加えて、これら反射率ピークの波長依存性が小さい。
【０００８】
本発明に係る回折格子デバイスでは、前記第１〜第ｎの回折格子部分の長さは、互いに離間する前記第１〜第ｎの回折格子部分の間隔より短いことが好ましい。この回折格子デバイスによれば、第１〜第ｎの回折格子部分の長さとこれらの間の間隔との和によって、複数の反射率ピークの間隔が規定される。また、第１〜第ｎの回折格子部分の長さを上記の間隔より短くすると、各反射率ピークにおけるスペクトルの半値全幅を狭くできる。
【０００９】
本発明に係る回折格子デバイスは、（ｃ）前記第１〜第ｎの回折格子部分及び前記光導波路コアの前記第２の領域上に設けられた第１のクラッド領域と、（ｄ）第２のクラッド領域とを更に備え、前記光導波路コアは、前記第１のクラッド領域と前記第２のクラッド領域との間に設けられており、前記第１のクラッド領域は、互いに離間して配置された前記第１〜第ｎの回折格子部分の間に設けられている。
【００１０】
この回折格子デバイスによれば、互いに離間して配置された第１〜第ｎの回折格子部分の間に第１のクラッド領域を設けることによって、第１〜第ｎの回折格子部分の各々の構造とこれら回折格子と光導波路コアの第１の領域との光学的結合により決まるある値を持つ回折格子の結合係数を周期的に生成することができる。
【００１１】
本発明に係る回折格子デバイスでは、前記光導波路コアは前記第１の領域に隣接して設けられた第３の領域を含み、前記回折格子構造の前記第１〜第ｎの回折格子部分における周期構造は、前記第３の領域の表面形状に設けられている。この回折格子デバイスでは、回折格子構造は光導波路コアの形状として提供される。
【００１２】
本発明に係る回折格子デバイスでは、前記光導波路コア、前記第１のクラッド領域及び前記第２のクラッド領域は、それぞれ、第１〜第３のIII−V化合物半導体からなることができる。この回折格子デバイスは、半導体素子の製造プロセスを適用して作製される。また、回折格子デバイスを他の半導体素子と集積して半導体集積光素子を提供できる。或いは、本発明に係る回折格子デバイスでは、前記光導波路コア、前記第１のクラッド領域及び前記第２のクラッド領域は、第１〜第３のシリコン酸化物からなることができる。この回折格子デバイスは、平面導波路の製造プロセスを適用して作製される。また、回折格子デバイスを導波路素子と集積して集積光素子を提供できる。
【００１３】
本発明に係る回折格子デバイスは、前記回折格子構造上に設けられた電極を更に備えることができる。この回折格子デバイスによれば、電極を用いることによって回折格子構造における屈折率を変化させることができる。
【００１４】
本発明の別の側面に係る半導体レーザは、（ａ）レーザ共振器のための第１の光反射器と、（ｂ）前記レーザ共振器のための第２の光反射器と、（ｃ）基板上において前記レーザ共振器内に設けられており、キャリアの注入に応答した光学利得を有する光学利得領域とを備え、前記レーザ共振器は基板上に設けられており、前記第１の光反射器は、上記いずれかの回折格子デバイスを含む。
【００１５】
この半導体レーザによれば、回折格子デバイスの光学スペクトルでは、反射率ピークの波長依存性が小さい。このため、半導体レーザの光出力の波長依存性が小さい。
【００１６】
本発明に係る半導体レーザでは、前記第２の光反射器は、上記いずれかの回折格子デバイスを含むことができる。この半導体レーザによれば、２つの回折格子デバイスの間に光学利得領域が位置する。このため、第１及び第２の光反射器を用いたバーニア効果によりレーザ発振波長を変更できる。この変更において、波長可変の半導体レーザの光出力の波長依存性が小さい。
【００１７】
本発明に係る半導体レーザは、（ｄ）前記レーザ共振器のための第３の光反射器と、（ｅ）前記第１及び第３の光反射器を前記光学利得領域と光学的に結合する光結合器とを更に備えることができる。前記第２の光反射器は当該半導体レーザの端面を含み、前記第３の光反射器は、上記のいずれかの回折格子デバイスを含む。
【００１８】
この半導体レーザによれば、第１及び第３の光反射器の各々が光結合器により光学利得領域と結合される。このため、第１及び第３の光反射器を用いたバーニア効果によりレーザ発振波長を変更できる。この変更において、波長可変の半導体レーザの光出力の波長依存性が小さい。
【００１９】
本発明に係る半導体レーザでは、前記第２の光反射器は当該半導体レーザの端面を含み、当該半導体レーザは、前記レーザ共振器内に設けられており前記基板上に位置するリング共振器を更に備えることができる。前記リング共振器及び前記光学利得領域は半導体光源を構成し、前記半導体光源において、前記リング共振器は前記光学利得領域に直列に光学的に結合されている。
【００２０】
この半導体レーザによれば、リング共振器はファブリペロー型透過スペクトルを有すると共に、回折格子デバイスの光学スペクトルでは、反射率ピークの波長依存性が小さい。このため、回折格子デバイス及びリング共振器を用いたバーニア効果によりレーザ発振波長を変更できる。この変更において、波長可変の半導体レーザの光出力の波長依存性が小さい。
【００２１】
本発明に係る半導体レーザは、前記レーザ共振器内に設けられた光導波路の位相調整のための信号を印加するための電極を含む位相調整器を更に備えることができる。前記光導波路は前記基板上に設けられている。この半導体レーザによれば、位相調整器を用いて、波長可変の際の位相整合が容易になる。
【００２２】
本発明の更なる別の側面に係る波長可変フィルタは、（ａ）上記いずれかの回折格子デバイスと、（ｂ）前記回折格子デバイスの前記回折格子構造上に設けられ波長可変のための信号を受ける電極とを備える。
【００２３】
この波長可変フィルタによれば、回折格子デバイスの光学スペクトルは複数の反射率ピークを有することに加えて、これら反射率ピークの波長依存性が小さい。このため、波長可変フィルタの反射率の波長依存性を小さくできる。
【００２４】
本発明に係る波長可変フィルタは、（ｃ）前記回折格子デバイスに直列して光学的に結合された光学素子を更に備えることができる。前記光学素子は、前記リング共振器および前記ファブリペローエタロンのいずれか一方である。
【００２５】
この波長可変フィルタによれば、リング共振器又はファブリペローエタロンと回折格子デバイスとの組み合わせによるバーニア効果を利用して、小さい波長依存性の反射率を有する波長可変フィルタを提供できる。
【００２６】
以上、説明された回折格子デバイス、半導体レーザおよび波長可変フィルタを、例えば半導体基板上に作製することができる。或いは、これらのデバイスを、例えば石英基板上の光導波路に作製することもできる。また、これらのデバイスは利得導波路を有する半導体デバイスとの光結合も可能である。バーニア効果を利用する際には、反射スペクトルを温度変化による屈折率によって制御することも可能である。
【００２７】
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】
【００２８】
以上説明したように、本発明によれば、反射率ピークの波長依存性が小さい回折格子デバイスが提供される。また、本発明によれば、この回折格子デバイスを用いる半導体レーザ及び波長可変フィルタが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
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、本発明の回折格子デバイス、半導体レーザ及び波長可変フィルタ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。
【００３０】
図１は、本実施の形態に係る回折格子デバイスの構造を模式的に示す図面である。図２（ａ）は、図１に示された回折格子デバイスの導波路の近傍の構造を示す図面である。回折格子デバイス１は、光導波路コア３及び回折格子構造５を備える。光導波路コア３は、複数の第１の領域３ａ及び複数の第２の領域３ｂを含んでおり、第１および第２の領域３ａ、３ｂは、所定の軸Ａｘの方向に交互に配置されており、また第１および第２の領域３ａ、３ｂは所定の軸Ａｘの方向に関して互いに隣接している。回折格子構造５は、所定の軸Ａｘの方向に順に配置された第１〜第ｎの回折格子部分５ａ、５ｂ、５ｎを含む。第１〜第ｎの回折格子部分５ａ〜５ｎは、それぞれ、光導波路コア３の第１の領域３ａに光学的に結合されている。第１〜第ｎの回折格子部分５ａ〜５ｎは周期的に配置されている。このために、第１の領域３ａは周期的に配置されており、また第２の領域３ｂは周期的に配置されている。これらの繰り返し配置の周期は値Λｓである。第１〜第ｎの回折格子部分５ａ〜５ｎは互いに離間して配置されており、その間隔は長さΛｓａである。また、第１〜第ｎの回折格子部分５ａ〜５ｎの各々は長さΛｓｂである。これらの間には、Λｓ＝Λｓａ＋Λｓｂという関係がある。
【００３１】
これとは別に、回折格子構造の周期は、所定の軸Ａｘに取られた座標軸（座標形Ｓのｘ軸）上の座標に対して単調に変化するチャープ回折格子の周期を提供する関数ｆ（ｘ）によって規定される。第１〜第ｎの回折格子部分５ａ〜５ｎの各々におけるチャープされた周期は上記の関数ｆ（ｘ）によって規定される。
【００３２】
図２（ｂ）は、第１〜第ｎの回折格子部分５ａ〜５ｎにおけるチャープされた周期を説明するための図面である。図２（ａ）に示されるように、第１〜第ｎの回折格子部分５ａ〜５ｎは互いに離間して配置されているけれども、図２（ｂ）では、第１〜第ｎの回折格子部分５ａ〜５ｎの各々におけるチャープされた周期の関係を示すために、第２の領域３ｂ上にも仮想的な回折格子部分が破線で示されている。
【００３３】
回折格子構造５の全体にわたって、チャープされた周期は関数ｆ（ｘ）によって規定される。図２（ｂ）に示されるように、ｘ軸上の区間（ｘ０〜ｘ１）では、回折格子部分５ａのチャープされた周期は関数ｆ（ｘ）によって規定される。区間（ｘ２〜ｘ３）では、回折格子部分５ｂのチャープされた周期は関数ｆ（ｘ）によって規定される。区間（ｘ２ｎ〜ｘ２ｎ＋１）では、回折格子部分５ｎのチャープされた周期は関数ｆ（ｘ）によって規定される。関数ｆ（ｘ）は、独立変数ｘに対して単調に変化しており、好ましくは、独立変数ｘに対して単調に減少する。関数ｆ（ｘ）としては、例えば座標ｘの一次関数を用いることができる。隣り合う２つの回折格子部分については、一方の回折格子部分における最大周期は、他方の回折格子部分における最小周期よりも小さい。
【００３４】
この回折格子デバイス１は、例えば図３（ａ）に示される光学スペクトルを示す。図３（ａ）は、シミュレーションによって提供される光学スペクトルを示す図面である。この回折格子デバイス１によれば、第１〜第ｎの回折格子部分５ａ〜５ｎは周期Λｓで配置されると共に、第１〜第ｎの回折格子部分５ａ〜５ｎの各々におけるチャープされた周期は関数ｆ（ｘ）によって規定されるので、回折格子構造５の光学スペクトルは、図３（ａ）示される複数の反射率ピークを有することに加えて、これら反射率ピークの波長依存性が小さい。
【００３５】
図３（ａ）のためのシミュレーションモデルでは、周期Λｓは５０μｍであり、長さΛｓｂは８μｍであり、回折格子構造は、第１〜第１０の回折格子部分、つまり１０周期分の回折格子部分を含む。チャープされた周期は、０．２０４７μｍ〜０．２２２４μｍの範囲で変化している。各回折格子部分では、結合係数κで前進波と後進波が光結合しており、本件ではκ＝２００ｃｍ−１を用いた。図３（ａ）を参照すると、１．５５μｍ波長帯における反射スペクトルが示されている。この反射スペクトルでは、多数の反射率ピークの波長依存性が小さい。
【００３６】
周期Λｓは複数の反射率ピークの間隔を規定しており、長さΛｓｂと長さΛｓａとの比率は各反射率ピークのスペクトル幅に関連している。スペクトル幅を狭くするためには、Λｓｂ＜Λｓａであることが好ましい。
【００３７】
再び図１及び図２（ａ）を参照すると、回折格子デバイス１は、第１のクラッド領域７および第２のクラッド領域９を更に備えることができる。光導波路コア３は、第１のクラッド領域７と第２のクラッド領域９との間に設けられている。光導波路コア３の平均屈折率は、第１のクラッド領域７及び第２のクラッド領域９の屈折率よりも大きく、光導波路を伝搬する光は光導波路コア３に閉じ込められる。回折格子部分５ａ〜５ｎの各々における周期形状は領域１１によって提供されており、領域１１の屈折率は第１のクラッド領域７の屈折率と異なっている。
【００３８】
第１のクラッド領域７は、回折格子部分５ａ〜５ｎ及び光導波路コア３の第２の領域３ｂ上に設けられている。第１のクラッド領域７は、互いに離間して配置された回折格子部分５ａ〜５ｎの間に設けられている。
【００３９】
この回折格子デバイス１によれば、互いに離間して配置された回折格子部分５ａ〜５ｎの間に第１のクラッド領域７を設けることによって、回折格子部分５ａ〜５ｎの各々と光導波路コア３の第１の領域３ａとの光学的結合により定まるある値の結合係数の回折格子が周期的に提供される。尚、図面では、光導波路コア３の直上に回折格子部分５ａ〜５ｎが形成されているが、光導波路コア３の直上でなくても良い。例えば、クラッド領域７が、回折格子部分５ａ〜５ｎと光導波路コア３の間に層を形成しても良い。
【００４０】
回折格子デバイスの好適な一実施例では、光導波路コア３、第１のクラッド領域７及び第２のクラッド領域９が、それぞれ、第１〜第３のIII−V化合物半導体からなるとき、この実施例の回折格子デバイス１は、半導体素子の製造プロセスを適用して作製される。回折格子デバイス１を他の半導体素子と集積して半導体集積光素子を提供できる。例えば、光導波路コア３はＧａＩｎＡｓＰからなり、第１のクラッド領域７及び第２のクラッド領域９はＩｎＰからなり、回折格子構造５のための領域１１はＧａＩｎＡｓＰからなることができる。光導波路コア３のＧａＩｎＡｓＰのハンドギャップは、領域１１のＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップ以下であることが好ましい。光導波路コア３、第１のクラッド領域７及び第２のクラッド領域９は、導電性ＩｎＰ基板といった支持体１２上に堆積された導電性の半導体層から形成される。必要な場合には、支持体１２がクラッド領域９を含むことができる。
【００４１】
回折格子デバイスの好適な別の実施例では、光導波路コア３、第１のクラッド領域７及び第２のクラッド領域９は、第１〜第３のシリコン酸化物からなるとき、この実施例の回折格子デバイス１は、平面導波路の製造プロセスを適用して作製される。また、回折格子デバイス１を導波路素子と集積して集積光素子を提供できる。光導波路コア３はＧｅ添加のＳｉＯ２からなり、第１のクラッド領域７及び第２のクラッド領域９はアンドープのＳｉＯ２からなり、領域１１はＧｅ添加のＳｉＯ２からなることができる。光導波路コア３のＧｅ濃度は、領域１１のＧｅ濃度以上であることが好ましい。光導波路コア３、第１のクラッド領域７及び第２のクラッド領域９は、Ｓｉ基板といった支持体１２上に堆積されたシリコン化合物層から形成される。
【００４２】
例えば、光導波路コア３の材料が領域１１の材料と同じであることができる。この構造は、光導波路コア３が第１の領域３ａに隣接し所定の軸Ａｘに直交する軸の方向に設けられた第３の領域を含み、該第３の領域は領域１１のところに位置する。回折格子構造５の回折格子部分５ａ〜５ｎにおける周期構造が第３の領域の表面形状によって提供される。回折格子構造５は光導波路コア３の形状として提供される。この構造では回折格子の結合係数κを大きくできるという利点がある。
【００４３】
回折格子デバイス１は、回折格子構造５上に設けられた電極１３を更に備えることができる。この電極１３を用い回折格子構造５の屈折率を調整できる。
【００４４】
回折格子デバイス１が半導体素子に形成されるとき、該半導体に導電性を与えることができる。電極１３から電極１５へ電流を流すことによって回折格子構造５にキャリアを注入して、回折格子構造５の屈折率を変更することができる。電流の注入により、屈折率が低下する。或いは、電極１３によって印加される電界を利用して屈折率を変更できる。
【００４５】
回折格子デバイス１が平面導波路素子に形成されるとき、電極１３への電気信号の印加による発熱を利用する。つまり、電極１３はヒータのために設けられている。
【００４６】
図３（ｂ）は、電極を用いた光学スペクトルの調整の一例を示す図面である。特性線Ａ１は、電流５ｍＡを電極１３から注入したときの反射スペクトルであり、特性線Ａ０は、電極１３から電気信号がないときの反射スペクトルである。電子信号の印加により、光学スペクトルの各ピーク波長位置を調整できる。
【００４７】
以上説明したように、回折格子構造５が回折格子部分５ａ〜５ｎを含むと共に、回折格子部分５ａ〜５ｎの周期が回折格子構造５全体にわたって関数ｆ（ｘ）によって規定されるので、回折格子構造５の光学スペクトル（例えば図３（ａ））は、サンプルド回折格子および超構造回折格子の光学スペクトルと異なる。図４は、サンプルド回折格子の反射スペクトルの一例を示す。両者の比較により、回折格子デバイス１の反射スペクトルは、反射率ピークの波長依存性が小さい光学スペクトルを有することが理解される。
【００４８】
引き続き、この回折格子デバイスを用いた半導体レーザ及び波長可変フィルタを説明する。
【００４９】
図５は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す図面である。半導体レーザ２１は、第１の光反射器２３ａと、第２の光反射器２３ｂと、光学利得領域２７とを備える。第１及び第２の光反射器２３ａ、２３ｂはレーザ共振器を構成するように設けられており、このレーザ共振器は基板３１上に設けられている。光学利得領域２７は、基板３１上においてレーザ共振器内に設けられており、電極３３からのキャリアの注入に応答した光学利得を有する。この光学利得のために、光学利得領域２７は、利得導波路３５を含む。第１の光反射器２３ａは、回折格子デバイス１と同等の構造を含む。
【００５０】
この半導体レーザ２１によれば、回折格子デバイス１の櫛形の光学スペクトルの特徴により、反射率ピークの波長依存性が小さい。このため、半導体レーザ２１の光出力の波長依存性が小さい。
【００５１】
第２の光反射器２３ｂは、例えば櫛型の光学スペクトルを注する回折格子（例えばサンプルド回折格子や超構造回折格子）を含むことができ、また半導体レーザ２１の端面であることができる。第１の光反射器２３ａは、電極３７ａ及び光導波路３９ａを含む。光導波路３７ａは、図１に示されるような光導波路コア３及び回折格子構造５を含む。このため、第１の光反射器２３ａの反射スペクトルの反射率ピークの波長依存性が小さい。電極３７ａを用いたバーニア効果により波長の変更が可能である。
【００５２】
或いは、第２の光反射器２３ｂは、回折格子デバイス１と同等の構造を含むことができる。また、第２の光反射器２３ｂは、電極３７ｂ及び光導波路３９ｂを含む。光導波路３９ｂは、図１に示されるような光導波路コア３及び回折格子構造５を含む。このため、第２の光反射器２３ｂに関しても、反射スペクトルの反射率ピークの波長依存性が小さい。
【００５３】
この半導体レーザ２１では、２つの光反射器２３ａ、２３ｂは回折格子デバイス１を含み、また光学利得領域が光反射器２３ａ、２３ｂ間に位置する。このため、光反射器２３ａ、２３ｂを用いたバーニア効果によりレーザ発振波長を変更できる。この波長可変において、波長可変の半導体レーザ２１の光出力の波長依存性が小さい。
【００５４】
半導体レーザ２１は、レーザ共振器内に設けられた位相調整器４１を更に備えることができる。位相調整器４１は、基板３１上に設けられた光導波路４３と、この光導波路４３の位相調整のための信号を印加するための電極４５とを含む。位相調整器４１を用いて、波長可変の際の位相整合が容易になる。
【００５５】
半導体レーザ２１では、光反射器２３ａ、２３ｂ、光学利得領域２７および位相調整器４１は、単一の基板３１上に形成される。半導体レーザ２１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。
【００５６】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示されたI−I線に沿って取られた半導体レーザの縦断面を模式的に示す図面である。光学利得領域２７は、基板３１上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、量子井戸構造の活性層６５ａ、光ガイド層６７ａ、ｐ型クラッド層６９およびコンタクト層７１ａを含んでおり、キャリアの注入に応答して光を発生する。光学利得領域２７では、コンタクト層７１ａ上には電極３３が設けられている。光反射器２３ａは、基板３１上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、光導波路コア６５ｂ、回折格子構造６８ａ、ｐ型クラッド層６９及びコンタクト層７１ｂを含む。光反射器２３ａでは、コンタクト層７１ｂ上には電極３７ａが設けられている。回折格子構造６８ａは、光ガイド層６７ｂの表面に設けられた周期構造から構成される。位相調整器４１は、基板３１上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、光導波路コア６５ｃ、光ガイド層６７ｃ、ｐ型クラッド層６９およびコンタクト層７１ｃを含む。位相調整器４１では、コンタクト層７１ｃ上には電極４５が設けられている。光反射器２３ｂは、基板３１上に順に形成されたｎ型クラッド層６１、光ガイド層６３、光導波路コア６５ｄ、回折格子構造６８ｂ、ｐ型クラッド層６９及びコンタクト層７１ｄを含む。光反射器２３ｂでは、コンタクト層７１ｄ上には電極３７ｂが設けられている。回折格子構造６８ｂは、光ガイド層６７ｄの表面に設けられた周期構造から構成される。基板３１の裏面には共有電極７３が設けられている。
【００５７】
回折格子構造６８ｂにおける結合係数κ６８ｂは回折格子構造６８ａにおける結合係数κ６８ａと異なっている。回折格子構造６８ｂにおける回折格子部分の周期は回折格子構造６８ａにおける回折格子部分の周期と異なる。これにより、例えば同一の環境温度において、回折格子構造６８ｂによるＦＳＲは、回折格子構造６８ａのＦＳＲと異なる。また、回折格子構造６８ｂおける反射率は回折格子構造６８ａにおける反射率と異なっている。レーザ光ＬＯＵＴを得るために、回折格子構造６８ｂの反射率は回折格子構造６８ａの反射率よりも小さい。
【００５８】
縦方向の光閉じ込めはクラッド層６１、６９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込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。光反射器２３ａ、２３ｂを用いたバーニア効果により、小さな注入電流により、広い波長範囲にわたって波長の変更ができる。レーザ端面は、例えば無反射コートされており、レーザ光ＬＯＵＴが出力される。
【００５９】
図６は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す図面である。半導体レーザ２１ａは、第１の光反射器２３ｃと、第２の光反射器２３ｄと、第３の光反射器２４ａと、光学利得領域２７と、光結合器４７とを備える。第１の光反射器２３ｃ及び第２の光反射器２３ｄの各々は、回折格子部分の周期が異なる、本実施の形態に示された回折格子デバイス１を含む。例えば、第１の光反射器２３ｃ及び第２の光反射器２３ｄは、それぞれ、半導体レーザ２１における光反射器２３ａ、２３ｄと類似の半導体層構造を含むことができる。第１〜第３の光反射器２３ｃ、２３ｄ、２４ａは、レーザ共振器のために基板上に設けられている。第３の光反射器２４ａは当該半導体レーザ２１ａの端面を含み、このレーザ端面は反射膜を有する。この端面には、例えば１％から３０％の範囲において所望の反射率を提供するように誘電体多層膜が形成される。光結合器４７は、第１及び第２の光反射器２３ｃ、２３ｄを光学利得領域２７と光学的に結合する。光共振器は基板３１上に形成されている。光結合器４７は、例えばＭＭＩ（Multi Mode Interferometer）結合器である。
【００６０】
この半導体レーザ２１ａによれば、第１及び第２の光反射器２３ｃ、２３ｄの各々が光結合器４７により光学利得領域２７と結合されるので、光反射器２３ｃ、２３ｄを用いたバーニア効果によりレーザ発振波長を変更できる。この変更において、波長可変の半導体レーザの光出力の波長依存性が小さい。光反射器２３ｃは光導波路４９ａを介して光結合器４７のポート４７ａに光学的に結合されており、光反射器２３ｄは光導波路４９ｂを介して光結合器４７のポート４７ｂに光学的に結合されており、光学利得領域２７は、位相調整器４１及び光導波路４９ｃを介して光結合器４７のポート４７ｃに光学的に結合されている。光共振器内の光は、光反射器２３ｃと光反射器２４との間の経路および光反射器２３ｄと光反射器２４ａとの間の経路を往復する。光反射器（レーザ端面）２４ａからは、バーニア効果により選択された波長のレーザ光ＬＯＵＴが提供される。
【００６１】
図７は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す図面である。半導体レーザ２１ｂは、光反射器２３ｅと、別の光反射器２４ｂと、光学利得領域２７と、リング共振器５１ａとを備える。光反射器２３ｅは、本実施の形態に示された回折格子デバイス１を含む。この回折格子デバイス１は、リング共振器５１ａのＦＳＲ（フリースペクトラルレンジ）とは異なる反射ピーク波長の周期を持つ。例えば、光反射器２３ｅは、半導体レーザ２１における光反射器２３ａと類似の半導体層構造を含むことができる。光反射器２３ｅ、２４ｂはレーザ共振器のために設けられている。光反射器２４ｂは当該半導体レーザ２１ａの端面を含み、このレーザ端面には、光反射器２４ｂのための反射膜、例えば誘電体多層膜が形成される。半導体レーザ２１ｂは基板３１上に形成されている。
【００６２】
リング共振器５１ａは、レーザ共振器内に設けられており、基板３１上に位置する。リング共振器５１ａは、閉じた光導波路５３ａと、光導波路５３ａ上に設けられた電極５５ａとを含む。リング共振器５１ａ及び光学利得領域２７は半導体光源５７を構成し、半導体光源５７において、リング共振器５１ａは光学利得領域２７に直列に光学的に結合されている。リング共振器のＦＳＲは、例えば２５ＧＨｚ〜８００ＧＨｚ程度である。
【００６３】
この半導体レーザ２１ｂによれば、リング共振器５１ａはファブリペロー型透過スペクトルを有すると共に、回折格子デバイス１の光学スペクトルでは、反射率ピークの波長依存性が小さい。このため、回折格子デバイス１及びリング共振器５１ａを用いたバーニア効果によりレーザ発振波長を変更できる。この変更において、波長可変の半導体レーザ２１ｂの光出力の波長依存性が小さい。リング共振器５１の櫛形の透過スペクトルを光反射器２３ｅの櫛形の反射スペクトルと組み合わせることによって、波長可変時にレーザ光出力の波長依存性をより少なくできるという利点がある。
【００６４】
リング共振器５１ａの光導波路５３ａは、光結合器５８ａ及び光導波路５９ａを介して光学利得領域２７に結合されている。また、リング共振器５１ａの光導波路５３ａは、光結合器５８ｂ及び光導波路５９ｂを介して光反射器２３ｅに結合されている。光結合器５８ａ、５８ｂは、例えばＭＭＩ結合器である。
【００６５】
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、本実施の形態に係る波長可変フィルタの構造を示す図面である。波長可変フィルタ２２ａは、本実施の形態に係る回折格子デバイス１と、回折格子デバイス１の回折格子構造５上に設けられ波長可変のための信号を受ける電極１３とを備える。回折格子デバイス１は、基板３１上に設けられている。この波長可変フィルタ２２ａによれば、回折格子デバイス１の光学スペクトルは複数の反射率ピークを有することに加えて、これら反射率ピークの波長依存性が小さい。このため、波長可変フィルタ２２ａの反射率の波長依存性を小さくできる。
【００６６】
また、波長可変フィルタ２２ｂ、２２ｃは、回折格子デバイス１に直列して光学的に結合されておりファブリペロー型の櫛型の透過スペクトルを有する光学素子（例えば、リング共振器５１ｃまたはファブリペローエタロン５１ｂ）を更に備えることができる。この波長可変フィルタ２２ｂ、２２ｃによれば、リング共振器５１ｃ又はファブリペローエタロン５１ｂと回折格子デバイス１との組み合わせによるバーニア効果を利用して、小さい波長依存性の反射率を有する波長可変フィルタを提供できる。回折格子デバイス１は、リング共振器５１ｃ及びファブリペローエタロン５１ｂのＦＳＲと異なる反射ピーク波長の周期を持つ。
【００６７】
波長可変フィルタ２２ｂは、ファブリペローエタロン５１ｂと波長可変フィルタ２２ｂの端面２６ａとの間に設けられたレンズ６０を含む。端面２６ａは、回折格子デバイス１に光学的に結合されている。また、波長可変フィルタ２２ｃは、リング共振器５１ｃの光導波路５３ｃは、光結合器５８ｃ及び光導波路５９ｃを介して回折格子デバイス１に結合されている。また、リング共振器５１ｃの光導波路５３ｃは、光結合器５８ｄ及び光導波路５９ｄを介して波長可変フィルタ２２ｃの端面２６ｂに結合されている。端面２６ｂには、フィルタ光ＬＦが入力され、また出力される。光結合器５８ｃ、５８ｄは、例えばＭＭＩ結合器である。端面２６ａ、２６ｂは、無反射コートが設けられている。上記の波長可変フィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、例えば、半導体製造プロセスを利用して作製される。
【００６８】
複数の波長成分を含む入射光ＬＩＮが入射され、この入射光の波長成分のうち、リング共振器と回折格子デバイスで選択された特定の一波長のフィルタ光ＬＦが出力される。リング共振器フィルタの櫛状の透過スペクトルピーク波長と回折格子の櫛状の反射スペクトルピーク波長のバーニア効果により、所望の波長を有する光成分を選択する。
【００６９】
上記の波長可変フィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃは、半導体基板上への作製に限定されることなく、例えば、石英基板やシリコン基板上の光導波路を利用して作製されることもでき、これらは利得導波路を有する半導体デバイスとの光結合も可能である。バーニア効果を利用するための反射スペクトルの制御は、温度変化により屈折率を変えることで行える。
【００７０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、本実施の形態に係る回折格子デバイスの構造を模式的に示す図面である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示めされた回折格子デバイスの導波路の近傍の構造を示す図面である。図２（ｂ）は、第１〜第ｎの回折格子部分５ａ〜５ｎにおけるチャープされた周期を説明するための図面である。
【図３】図３（ａ）は、回折格子デバイス１によって提供される光学スペクトルを示す図面である。図３（ｂ）は、電極を用いた光学スペクトルの調整の一例を示す図面である。
【図４】図４はサンプルド回折格子の反射スペクトルの一例を示す図面である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る半導体レーザの構造を示す図面である。
【図６】図６は本実施の形態に係る半導体レーザの別の構造を示す図面である。
【図７】図７は、本実施の形態に係る半導体レーザの更に別の構造を示す図面である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、本実施の形態に係る波長可変フィルタの構造を示す図面である。
【符号の説明】
【００７２】
１…回折格子デバイス、３…光導波路コア、３ａ、３ｂ…光導波路コアの領域、５…回折格子構造、５ａ、５ｂ、５ｎ…回折格子部分、Ａｘ…所定の軸、Λｓ…周期、Λｓａ…回折格子部分の長さ、Λｓｂ…回折格子部分の間隔、７、９…クラッド領域、１１…領域、１２…支持体、１３…電極、κ…結合係数、２１、２１ａ、２１ｂ…半導体レーザ、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…波長可変フィルタ、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｄ、２３ｅ…光反射器、２４ａ、２４ｂ…別の光反射器、２６ａ、２６ｂ…端面、２７…光学利得領域、３５…利得導波路、３７ａ、３７ｂ…電極、３９ａ、３９ｂ…光導波路、４１…位相調整器、４３…光導波路、４５…電極、４７…光結合器、５１ａ…リング共振器、５１ｂ…ファブリペローエタロン、５１ｃ…リング共振器、５３ａ…閉じた光導波路、５３ａ…光導波路、５３ｃ…光導波路、５５ａ、５５ｃ…電極、６０…レンズ
【図１】
2009088015.tif 000003
【図２】
2009088015.tif 000004
【図３】
2009088015.tif 000005
【図４】
2009088015.tif 000006
【図５】
2009088015.tif 000007
【図６】
2009088015.tif 000008
【図７】
2009088015.tif 000009
【図８】
2009088015.tif 000010