JP2011176374A

JP2011176374A - 半導体レーザ及び半導体光集積素子

Info

Publication number: JP2011176374A
Application number: JP2011131313A
Authority: JP
Inventors: Shigeaki Sekiguchi; 茂昭関口
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2011-06-13
Filing date: 2011-06-13
Publication date: 2011-09-08

Abstract

【課題】半導体レーザにおいて、所望の光出力が得られるように注入電流値を大きくした場合にも、安定した単一波長動作及び低しきい値動作を実現できるようにする。
【解決手段】半導体レーザを、半導体基板上に、電流注入によって利得を発生しうる光導波路と、位相シフトを有し、光導波路の全長にわたって光導波路に沿って設けられる回折格子とを備えるものとし、光導波路に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長が、位相シフトの近傍領域のブラッグ波長よりも長くなるように構成し、位相シフトを、１箇所に設け、位相シフト量を１／４波長とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば光通信で利用される光源用の半導体レーザ及び半導体光集積素子に関する。

光通信において使用される光源用の半導体レーザは、単一波長で安定して発振することが求められる。また、低消費電力の観点から、発振しきい値電流が小さいことも求められる。
従来、単一波長で安定して発振する半導体レーザとして、位相シフトを有する分布帰還（ＤＦＢ）レーザが用いられている。

位相シフトＤＦＢレーザでは、低しきい値動作を実現するために、回折格子における結合係数（回折強度）を大きくし、大きな帰還が得られるようにしている。
しかしながら、図１２（Ａ）に示すように、ＤＦＢレーザの回折格子１０の中央に位相シフト（ここではλ／４位相シフト）１１が設けられている場合、結合係数を大きくすると、図１２（Ｂ）に示すように、位相シフト１１付近に光強度（光電界強度）の集中が発生し、大きな光強度によって位相シフト１１付近における誘導放出レートが高くなり、電子正孔対（キャリア）が減少する。

この結果、図１２（Ｃ）に示すように、位相シフト１１付近ではキャリア密度が低くなり、端部ではキャリア密度が高くなって、キャリア密度の不均一が生じる。
ここで、キャリア密度は、プラズマ効果によって、レーザの光導波路を構成する半導体材料の屈折率（導波路屈折率）に影響を与える。
このため、キャリア密度の不均一が生じると、導波路屈折率の不均一が生じる。つまり、位相シフト１１付近では、キャリア密度が小さいため、導波路屈折率が高くなり、端部では、キャリア密度が高いため、導波路屈折率が低くなる。

このような導波路屈折率の違いは、その光導波路の光学的な長さ（光学長）の違いに等しく、ブラッグ波長に影響を与える。つまり、図１２（Ｄ）に示すように、位相シフト１１付近では、屈折率が高くなるため、光学長が長くなり、ブラッグ波長が長波長化する一方、端部では、屈折率が低くなるため、光学長が短くなり、ブラッグ波長が短波長化する。

この結果、共振器内でブラッグ波長が一致しないことになり、所望の光出力が得られるように、注入電流値を大きくしていくと、レーザの発振スペクトルが劣化し、安定的な単一モード動作（単一波長動作）ができなくなる。このような現象は空間的ホールバーニングと呼ばれる（例えば非特許文献１参照）。
ここで、図１３では、注入電流値を７ｍＡ、１０ｍＡ、２０ｍＡ、４０ｍＡ、６０ｍＡ、８０ｍＡ、１００ｍＡというように増大させていった場合の各発振スペクトル（図１３中、上側のものほど注入電流値が大きい）を示している。

図１３に示すように、所望の光出力が得られるように、注入電流値を大きくしていくと、光強度が大きくなり、多モードで発振するようになって、単一モード動作ができなくなることがわかる。
ところで、このような空間的ホールバーニング現象を回避するために、いくつかの方法が提案されている。

例えば特許文献１（例えば図１、図２参照）には、位相シフトを、回折格子によって実現せずに、共振器中央付近の導波路の等価屈折率を小さくすることによって実現して、軸方向の空間的ホールバーニングを抑制する方法が提案されている。この方法では、回折格子で位相シフトを実現する場合と比較して、光電界強度の集中を緩やかにすることで、ホールバーニングは発生するものの、波長安定性を大きく劣化させないようにしている。

また、例えば特許文献２（例えば第４図参照）には、回折格子の結合係数を共振器の中心付近で小さくすることにより、光電界強度を平坦にし、ホールバーニングを抑制する方法が提案されている。

Soda et al., "Stability in Single Longitudinal Mode Operation in GaInAsP/InP Phase-Adjusted DFB Lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. QE-23, No.6, June 1987, pp. 804-814

特開平４−３３０７９３号公報特許第２６８７５２６号公報

しかしながら、上述の特許文献１において提案されている方法では、理想的な位相シフトと比較して、しきい値が高くなってしまう。また、共振器中央付近の等価屈折率を小さくする領域で位相が反転するように、作製条件の最適化を図る必要があり、その条件の設定及び作製は容易ではない。
また、上述の特許文献２において提案されている方法では、結合係数を共振器内部で変化させるため、回折格子の深さやラインアンドスペースの比率を共振器内で変化させるなどの複雑な工程を必要とする。また、結合係数を下げた部分を有するため、しきい値が高くなってしまう。

本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、所望の光出力が得られるように注入電流値を大きくした場合にも、安定した単一波長動作及び低しきい値動作を実現できるようにした、半導体レーザ及び半導体光集積素子を提供することを目的とする。

このため、本発明の半導体レーザは、半導体基板上に、電流注入によって利得を発生しうる光導波路と、光導波路の全長にわたって光導波路に沿って設けられる回折格子と、回折格子に設けられる位相シフトとを備え、光導波路に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長が、位相シフトに隣接する位相シフトの近傍領域のブラッグ波長よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くなるように構成されており、位相シフトが、１箇所に設けられており、位相シフト量が１／４波長であることを特徴としている。

本発明の半導体光集積素子は、上記半導体レーザと、半導体レーザが形成されている半導体基板上に設けられ、半導体レーザと光学的に結合された光機能素子とを備えることを特徴としている。

したがって、本発明の半導体レーザ及び半導体光集積素子によれば、所望の光出力が得られるように注入電流値を大きくした場合にも、安定した単一波長動作及び低しきい値動作を実現できるという利点がある。

本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザの構成を示す模式的断面図である。本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザの要部構成を示す模式図である。（Ａ）は、本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザの電流注入を行なっていない状態のブラッグ波長を示す図であり、（Ｂ）は、電流注入を行なった状態のブラッグ波長を示す図である。本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザの注入電流値毎の各発振スペクトルを示す図である。（Ａ）は、本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザの全長及び両端部の近傍領域の長さを説明するための図であり、（Ｂ）は、本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザのブラッグ波長の変化率とサイドモード抑圧比との関係を示す図である。本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザのブラッグ波長の変化率とキャリア密度との関係を示す図である。本発明の第２実施形態にかかる半導体レーザの要部構成を示す模式図である。本発明の第２実施形態にかかる半導体レーザの導波路幅（メサ幅）とブラッグ波長の変化率との関係を示す図である。本発明の第３実施形態にかかる半導体レーザの構成を示す模式的断面図である。本発明の各実施形態の変形例にかかる半導体レーザの電流注入を行なっていない状態のブラッグ波長を示す図である。本発明の各実施形態にかかる半導体レーザを備える半導体光集積素子の構成を示す模式的断面図である。（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の課題を説明するための図である。本発明の課題を説明するための図である。

以下、図面により、本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ及び半導体光集積素子について説明する。
［第１実施形態］
まず、本発明の第１実施形態にかかる半導体レーザについて、図１〜図６を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる半導体レーザ（半導体デバイス）は、例えば図１に示すように、半導体基板（ここではｎ型ＩｎＰ基板）１００上に、電流注入によって利得を発生しうる光導波路（光導波路構造；例えばＧａＩｎＡｓＰの多重量子井戸構造からなる導波路コア層を備える）２００と、光導波路２００の全長にわたって光導波路２００に沿って設けられる回折格子（光導波路２００に摂動を与える連続の回折格子構造）３００とを備える。また、光導波路２００の上部には電極５００を有し、半導体基板１００の下部には電極４００を有する。

ここで、回折格子３００は、中央（共振器中央）の位置に１つの位相シフト（ここではλ／４位相シフト）３１０が設けられている。つまり、回折格子３００は、中央の１箇所に位相シフト３１０を有し、その位相シフト量は１／４波長である。つまり、本半導体レーザは、位相シフト３１０を有する分布帰還レーザ（位相シフトＤＦＢレーザ）である。
そして、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、回折格子３００が設けられている領域の両端部（素子の両端部；共振器の両端部）の近傍領域（端部から所望の長さを有する領域）のブラッグ波長が、位相シフト３１０の近傍領域（位相シフト３１０に隣接する領域）のブラッグ波長よりも長くなるように構成されている。

本実施形態では、光導波路に電流注入を行なっていない状態で、ブラッグ波長が、段階的に変化するように構成されている。
具体的には、図２に示すように、両端部の近傍領域に設けられている回折格子３００の周期Λ２が、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている回折格子３００の周期Λ１よりも０．０５％長くなっている。なお、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている回折格子３００の周期Λ１は、所望のブラッグ波長（ここでは１５５０ｎｍ）に応じて設定される。

これにより、図３（Ａ）に示すように、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長（両端部の近傍領域の光導波路２００及び回折格子３００の構成によって決まる）が、位相シフト３１０の近傍領域のブラッグ波長（位相シフト３１０の近傍領域の光導波路及び回折格子の構成によって決まる）よりも０．０５％長くなる。

ここでは、レーザ全体の長さ（素子長；共振器長）は６００μｍであり、両端部の近傍領域の長さ（ここでは回折格子３００の周期がΛ２の領域の長さ；回折格子３００の周期が長い領域）はいずれも端部から１００μｍである。
ここで、図４は、上述のように構成される半導体レーザにおいて、注入電流値を７ｍＡ，１０ｍＡ，２０ｍＡ，４０ｍＡ，６０ｍＡ，８０ｍＡ，１００ｍＡというように増大させていった場合の各発振スペクトル（図４中、上側のものほど注入電流値が大きい）を示している。

図４に示すように、所望の光出力が得られるように、注入電流値を大きくしていって、光強度が大きくなった場合も、多モードで発振することなく、安定した単一波長発振（単一モード発振）が得られることがわかる。なお、この場合、しきい値は通常の位相シフトＤＦＢレーザと変わらず、低しきい値動作を実現できる。
したがって、本実施形態にかかる半導体レーザによれば、所望の光出力が得られるように注入電流値を大きくした場合にも、安定した単一波長動作及び低しきい値動作を実現できるという利点がある。

つまり、本半導体レーザによれば、位相シフト付近に光強度（光電界強度）の集中が発生し［図１２（Ｂ）参照］、位相シフトの近傍領域のブラッグ波長が長波長化しても［図１２（Ｄ）参照］、図３（Ａ）に示すように、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で両端部の近傍領域のブラッグ波長が長波長側にオフセットされているため、図３（Ｂ）に示すように、ブラッグ波長が共振器内部の全長にわたって一定に近い状態となり、安定した単一波長動作が得られる。また、このようにブラッグ波長がほぼ均一化した状態においてしきい値は最小に近くなるため、低しきい値動作が得られる。

なお、本実施形態では、上述のように、素子長を６００μｍとし、回折格子３００の周期が長い領域（両端部の近傍領域）の長さを１００μｍとしているが、これに限られるものではなく、これらの長さが異なっていても、また、これらの長さの比が異なっていても、同様の効果が得られる。
ここで、図５（Ｂ）は、λ／４位相シフト３１０を中央に設けた場合であって、レーザ長（回折格子３００が設けられている領域の全長）をＬとし、片側のブラッグ波長を変化させる領域（回折格子３００の周期が長い領域）の長さをＬ′とした場合［図５（Ａ）参照］のブラッグ波長の変化率（％）と高次モード抑圧比（サイドモード抑圧比）（ｄＢ）との関係を示している。なお、高次モード抑圧比とは、単一波長性を表すものであり、基本モードの光強度（光電界強度）に対して、高次モード（サイドモード）の光強度がどれだけ抑圧されたかを示すものである。

また、図６は、ブラッグ波長の変化率（％）とキャリア密度（しきい値電流を表すしきい値キャリア密度）（ｃｍ^-3）との関係を示している。なお、ここでは、レーザ電流値（注入電流値）は６０ｍＡ，１００ｍＡとしている。
例えば、図５（Ｂ），図６に示すように、両端部の近傍領域（回折格子３００の周期が長い領域；ブラッグ波長を変化させる領域）の長さが、いずれも、全体の長さ（レーザ長）の１／８〜３／８の範囲内の長さになっていれば（即ち、一方の端部の近傍領域の長さが、全体の長さの１／８〜３／８の範囲内の長さになっていれば）、単一波長安定動作性に優れ、低しきい値な半導体レーザを実現できる。つまり、片側のブラッグ波長を変化させる領域の長さＬ′のレーザ長Ｌに対する割合Ｌ′／Ｌが１／８〜３／８の範囲内であれば、単一波長安定動作性に優れ、低しきい値な半導体レーザを実現できる。なお、ここでは、片側のブラッグ波長を変化させる領域の長さＬ′のレーザ長Ｌに対する割合Ｌ′／Ｌが、１／８の場合、１／４の場合、３／８の場合をそれぞれ示している。

また、本実施形態では、上述のように、両端部の近傍領域と位相シフト３１０の近傍領域とで回折格子３００の周期を０．０５％変化させて、ブラッグ波長を０．０５％変化させているが、これに限られるものではなく、例えば図５（Ｂ），図６で示すように、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長を、位相シフト３１０の近傍領域のブラッグ波長よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くすれば（ブラッグ波長の変化率が０．０２５〜０．１００％の範囲であれば）、サイドモード抑圧比が所望の値（例えば４０ｄＢ以上）になり、単一波長安定動作性に優れ、しきい値も低い半導体レーザを実現できる。

つまり、両端部の近傍領域に設けられている回折格子３００の周期Λ２が、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている回折格子３００の周期Λ１よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くなるように構成すれば、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長を、位相シフト３１０の近傍領域のブラッグ波長よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くすることができ、これにより、サイドモード抑圧比が所望の値（例えば４０ｄＢ以上）になり、単一波長安定動作性に優れ、しきい値も低い半導体レーザを実現できる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態にかかる半導体レーザについて、図７，図８を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる半導体レーザ（半導体デバイス）は、上述の第１実施形態のものが両端部の近傍領域と位相シフト３１０の近傍領域とで回折格子３００の周期を段階的に変化させているのに対し、両端部の近傍領域と位相シフト３１０の近傍領域とで光導波路２００の幅を段階的に変化させている点が異なる。なお、本実施形態において、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を用いる。

つまり、本半導体レーザは、図７に示すように、両端部の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅ｄ２が、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅ｄ１よりも広くなっている。
具体的には、図７に示すように、両端部の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅（導波路幅）ｄ２は１．７μｍであり、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅ｄ１は１．６μｍであり、導波路幅ｄ２が、導波路幅ｄ１と比較して０．１μｍ広くなっている。

ここで、レーザ全体の長さ（素子長）は６００μｍであり、両端部の近傍領域の長さ（ここでは光導波路２００の幅がｄ２の領域の長さ；光導波路２００の幅が広い領域）はいずれも端部から１００μｍである。
このように、導波路幅ｄ２が導波路幅ｄ１よりも０．１μｍ広くなっていると、両端部の近傍領域に設けられている光導波路２００の等価屈折率は、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている光導波路２００の等価屈折率よりも０．０５％大きくなる（等価的に大きくなる）。つまり、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部（素子の両端部；共振器の両端部）の近傍領域（端部から所望の長さを有する領域）のブラッグ波長が、位相シフト３１０の近傍領域（位相シフト３１０に隣接する領域）のブラッグ波長よりも０．０５％長くなる（等価的に長くなる）。

このように構成される半導体レーザでは、上述の第１実施形態の場合（図４参照）と同様に、所望の光出力が得られるように、注入電流値を大きくしていって、光強度が大きくなった場合も、多モードで発振することなく、安定した単一波長発振（単一モード発振）が得られる。なお、この場合、しきい値は通常の位相シフトＤＦＢレーザと変わらず、低しきい値動作を実現できる。

なお、その他の構成などの詳細は、上述の第１実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる半導体レーザによれば、上述の第１実施形態のものと同様に、所望の光出力が得られるように注入電流値を大きくした場合にも、安定した単一波長動作及び低しきい値動作を実現できるという利点がある。

なお、本実施形態では、上述のように、素子長を６００μｍとし、光導波路２００の幅が広い領域（両端部の近傍領域）の長さを１００μｍとしているが、これに限られるものではなく、これらの長さが異なっていても、また、これらの長さの比が異なっていても、同様の効果が得られる。
例えば、両端部の近傍領域（光導波路２００の幅が広い領域；ブラッグ波長を変化させる領域）の長さが、いずれも、全体の長さ（レーザ長）の１／８〜３／８の範囲内の長さになっていれば（即ち、一方の端部の近傍領域の長さが、全体の長さの１／８〜３／８の範囲内の長さになっていれば）、単一波長安定動作性に優れ、低しきい値な半導体レーザを実現できる［図５（Ｂ），図６参照］。

また、本実施形態では、上述のように、両端部の近傍領域と位相シフト３１０の近傍領域とで光導波路２００の幅を０．１μｍ変化させて、ブラッグ波長を０．０５％変化させているが、これに限られるものではなく、上述の第１実施形態の場合と同様に、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長を、位相シフト３１０の近傍領域のブラッグ波長よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くすれば（ブラッグ波長の変化率が０．０２５〜０．１００％の範囲であれば）、単一波長安定動作性に優れ、低しきい値な半導体レーザを実現できる［図５（Ｂ），図６参照］。

ここで、図８は、ブラッグ波長の変化率（％）と光導波路２００の幅（導波路幅；メサ幅）（μｍ）との関係を示している。
図８に示すように、幅１．６μｍの光導波路を基準として、導波路幅を０．０５〜０．２５μｍの範囲で変化させた場合、ブラッグ波長の変化率は０．０２５〜０．１００％の範囲となる。

このため、両端部の近傍領域と位相シフト３１０の近傍領域とで光導波路２００の幅を０．０５〜０．２５μｍの範囲で変化させれば、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長を、位相シフト３１０の近傍領域のブラッグ波長よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くすることができ、これにより、単一波長安定動作性に優れ、低しきい値な半導体レーザを実現できる［図５（Ｂ），図６参照］。

つまり、両端部の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅が、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅よりも０．０５〜０．２５μｍの範囲で広くなるように構成すれば、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域に設けられている光導波路２００の等価屈折率が、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている光導波路２００の等価屈折率よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で大きくなる。この結果、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長を、位相シフト３１０の近傍領域のブラッグ波長よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くすることができ、これにより、単一波長安定動作性に優れ、低しきい値な半導体レーザを実現できる［図５（Ｂ），図６参照］。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態にかかる半導体レーザについて、図９を参照しながら説明する。

本実施形態にかかる半導体レーザ（半導体デバイス）は、上述の第１実施形態及び第２実施形態のものに対し、レーザの発振波長を変化させることができる波長可変レーザである点が異なる。
つまり、本半導体レーザは、図９に示すように、光導波路２００が、電流注入によって利得を発生しうる利得導波路部（例えばＧａＩｎＡｓＰの多重量子井戸構造からなる導波路コア層を備える）２１０と、電流注入によって屈折率が変化してレーザの発振波長を制御しうる波長制御導波路部（透明導波路部；例えばＧａＩｎＡｓＰなどの電流注入によって屈折率が変化する半導体材料からなるによって導波路コア層を備える）２２０とを光軸方向に交互に備える。つまり、光導波路２００は、利得導波路部２１０と波長制御導波路部２２０とが周期的に配列されたものとして構成される。なお、ここでは、光導波路２００の両端部は利得導波路部２１０になっている。また、図９では、上述の第１実施形態（図１参照）と同一のものには同一の符号を付している。

ここでは、波長制御導波路部２２０は、電流注入によって屈折率が変化するように、例えばＧａＩｎＡｓＰなどの電流注入によって屈折率が変化する半導体材料を用いて構成されている。
また、利得導波路部２１０の上部には、図９に示すように、利得導波路部２１０に電流を注入するための電極５１０が設けられている。また、波長制御導波路部２２０の上部には、図９に示すように、波長制御導波路部２２０に電流を注入するための電極５２０が設けられている。なお、半導体基板１００の下部には電極４００が設けられている。

なお、本実施形態では、波長制御導波路部２２０は、電流注入によって屈折率が変化するように構成されているが、これに限られるものではなく、例えば、波長制御導波路部２２０は、逆バイアス電圧を印加することによって（電圧印加によって）屈折率が変化するように、逆バイアス電圧を印加することによって（電圧印加によって）屈折率が変化する半導体材料を用いて構成しても良い。この場合、屈折率の変化量が小さいため、波長変化量は小さくなるが、発振波長を高速で変化させることができる。

また、本実施形態では、上述の第２実施形態の場合と同様に（図７参照）、両端部の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅ｄ２が、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅ｄ１よりも広くなっている。
具体的には、上述の第２実施形態の場合と同様に（図７参照）、両端部の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅（導波路幅）ｄ２は１．７μｍであり、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅ｄ１は１．６μｍであり、導波路幅ｄ２が、導波路幅ｄ１と比較して０．１μｍ広くなっている。

なお、その他の構成などの詳細は、上述の第１実施形態及び第２実施形態のものと同じであるため、ここでは説明を省略する。
したがって、本実施形態にかかる半導体レーザによれば、上述の第１実施形態のものと同様に、所望の光出力が得られるように注入電流値を大きくした場合にも、安定した単一波長動作及び低しきい値動作を実現できるという利点がある。

上述の第２実施形態において図８を参照しながら説明したように、幅１．６μｍの光導波路を基準として、導波路幅を０．０５〜０．２５μｍの範囲で変化させた場合、ブラッグ波長の変化率は０．０２５〜０．１００％の範囲となる。
このため、両端部の近傍領域と位相シフト３１０の近傍領域とで光導波路２００の幅を０．０５〜０．２５μｍの範囲で変化させれば、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長を、位相シフト３１０の近傍領域のブラッグ波長よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くすることができ、これにより、単一波長安定動作性に優れ、低しきい値な半導体レーザを実現できる［図５（Ｂ），図６参照］。

つまり、両端部の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅が、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている光導波路２００の幅よりも０．０５〜０．２５μｍの範囲で広くなるように構成すれば、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域に設けられている光導波路２００の等価屈折率が、位相シフト３１０の近傍領域に設けられている光導波路２００の等価屈折率よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で大きくなる。この結果、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長を、位相シフト３１０の近傍領域のブラッグ波長よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くすることができ、これにより、単一波長安定動作性に優れ、低しきい値な半導体レーザを実現できる［図５（Ｂ），図６参照］。
［その他］
なお、上述の各実施形態では、半導体基板１００をｎ型ＩｎＰ基板としているが、これに限られるものではなく、例えばｐ型ＩｎＰ基板や半絶縁性ＩｎＰ基板（ＳＩ−ＩｎＰ基板）を用いても良いし、例えばＧａＡｓ，ＧａＮなどの他の半導体基板を用いても良い。但し、ＩｎＰ基板を用いることで光通信に使用する波長帯の光を発生する半導体レーザが得られ、ｎ型基板を用いることで、電気的特性に優れ、かつ、作製が容易な半導体レーザが得られる。

また、上述の各実施形態では、回折格子３００の中央に１つのλ／４位相シフト３１０を設けているが、これに限られるものではなく、例えば、回折格子の内部の少なくとも１箇所に位相シフトを設ければ良い。
つまり、位相シフト量が１／４波長のλ／４位相シフトを１箇所に設けているが、これに限られるものではなく、例えば、位相シフト量が１／８波長のλ／８位相シフト，位相シフト量が３／８波長の３λ／８位相シフトなどを用いても良いし、位相シフトを複数箇所に設けても良い。但し、位相シフト量が１／４波長のλ／４位相シフトを用いることで、波長安定性やしきい値などの特性が最も良くなる。

また、位相シフトは必ずしも中央に設けなくても良く、例えば、共振器長の１０％程度の長さを限度に中央の位置から左右に移動させても良い。この場合、単一波長安定性は若干劣化するものの、より大きな光出力が得られるようになる。
このような場合も、上述の各実施形態の場合と同様に、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部（素子の両端部；共振器の両端部）の近傍領域（端部から所望の長さを有する領域）のブラッグ波長が、位相シフト３１０の近傍領域（位相シフト３１０に隣接する領域）のブラッグ波長よりも長くなるように構成すれば良い。なお、このような構成の半導体レーザであるかは、両端部の近傍領域及び位相シフトの近傍領域の各領域における透過、反射スペクトルを観測することによって判別することができる。

例えば、位相シフトを２箇所に設ける場合（素子長をＬとした場合、端部からＬ／４の位置にそれぞれ設ける場合）、光導波路に電流注入を行なっていない状態で、回折格子が設けられている領域の両端部（素子の両端部；共振器の両端部）の近傍領域、並びに、中央部及びその近傍領域のブラッグ波長が、位相シフトの近傍領域のブラッグ波長よりも長くなるように構成すれば良い。

また、上述の各実施形態では、両端部の近傍領域と位相シフト３１０の近傍領域とで、回折格子３００の周期や光導波路２００の幅を変えて、ブラッグ波長を変えるようにしているが、これに限られるものではなく、例えば、両端部の近傍領域と位相シフトの近傍領域とで、光導波路の厚さや組成などを変えて（即ち、光導波路の等価屈折率を変えて）、ブラッグ波長を変えるようにしても良く、この場合も同様の効果が得られる。

また、上述の各実施形態では、光導波路２００に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域と位相シフト３１０の近傍領域とで、ブラッグ波長が段階的に変化するように構成しているが、これに限られるものではなく、例えば図１０に示すように、ブラッグ波長が、位相シフトの近傍から両端部（素子端部）へ向けて、連続的に変化するように（即ち、徐々に長くなるように）構成しても良く、この場合も同様の効果が得られる［図５（Ｂ），図６参照］。

例えば、光導波路に電流注入を行なっていない状態で、中央から一方の端部までの片側の領域においてブラッグ波長を変化させた領域の長さのレーザ長（全体の長さ；共振器長；素子長）に対する割合と、ブラッグ波長を変化させた領域におけるブラッグ波長の変化率の平均値との積が、０．００３１２５〜０．０３７５００％の範囲内になるように構成すれば良い。

ここでは、上述の各実施形態において説明したように、両端部の近傍領域の長さを、いずれも、レーザ長の１／８〜３／８の範囲内の長さとし、両端部の近傍領域のブラッグ波長を、位相シフトの近傍領域のブラッグ波長よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くすれば、単一波長安定動作性に優れ、低しきい値な半導体レーザを実現できることがわかっているため、０．０２５％×１／８〜０．１００％×３／８の範囲内、即ち、０．００３１２５〜０．０３７５００％の範囲内であれば、単一波長安定動作性に優れ、低しきい値な半導体レーザを実現できるとして、上記数値範囲を決めている。

なお、ここでは、両端部の近傍領域の長さに基づいて数値範囲を決めているため、両端部の近傍領域においてブラッグ波長を連続的に変化させる場合を想定しているように見えるが、このような場合に限られず、レーザの全長にわたって（即ち、中央から一方の端部までの片側の領域の全長にわたって）ブラッグ波長を連続的に変化させる場合にも、中央から一方の端部までの片側の領域においてブラッグ波長を変化させた領域の長さのレーザ長に対する割合と、ブラッグ波長を変化させた領域におけるブラッグ波長の変化率の平均値との積が、０．００３１２５〜０．０３７５００％の範囲内になるように構成すれば、単一波長安定動作性に優れ、低しきい値な半導体レーザを実現できることになる。

また、上述の各実施形態では、単体の半導体レーザを例に挙げて説明しているが、これに限られるものではなく、例えば図１１に示すように、上述の各実施形態の半導体レーザ６００と、他の光機能素子（例えば光変調器や光増幅器）７００とを集積して半導体光集積素子を構成することもでき、この場合も同様の効果が得られる。つまり、半導体光集積素子を、上述の各実施形態の半導体レーザが形成されている半導体基板上に（同一の半導体基板上に）、半導体レーザと光学的に結合された少なくとも１つの光機能素子を備えるものとして構成することもでき、この場合も同様の効果が得られる。

また、本発明は、上述した各実施形態及びその変形例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。
（付記１）
半導体基板上に、電流注入によって利得を発生しうる光導波路と、位相シフトを有し、前記光導波路の全長にわたって前記光導波路に沿って設けられる回折格子とを備え、
前記光導波路に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長が、前記位相シフトの近傍領域のブラッグ波長よりも長くなるように構成されていることを特徴とする、半導体レーザ。

（付記２）
前記光導波路に電流注入を行なっていない状態で、ブラッグ波長が、段階的に変化するように構成されていることを特徴とする、付記１記載の半導体レーザ。
（付記３）
前記光導波路に電流注入を行なっていない状態で、前記両端部の近傍領域のブラッグ波長が、前記位相シフトの近傍領域のブラッグ波長よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くなるように構成されていることを特徴とする、付記１又は２記載の半導体レーザ。

（付記４）
前記両端部の近傍領域に設けられている前記回折格子の周期が、前記位相シフトの近傍領域に設けられている前記回折格子の周期よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長いことを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
（付記５）
前記両端部の近傍領域に設けられている前記光導波路の等価屈折率が、前記位相シフトの近傍領域に設けられている前記光導波路の等価屈折率よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で大きいことを特徴とする、付記１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

（付記６）
前記両端部の近傍領域に設けられている前記光導波路の幅が、前記位相シフトの近傍領域に設けられている前記光導波路の幅よりも０．０５〜０．２５μｍの範囲で広いことを特徴とする、付記１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
（付記７）
前記両端部の一方の端部の近傍領域の長さが、全体の長さの１／８〜３／８の範囲内の長さであることを特徴とする、付記１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

（付記８）
前記光導波路に電流注入を行なっていない状態で、ブラッグ波長が、前記位相シフトの近傍から両端部へ向けて連続的に変化するように構成されていることを特徴とする、付記１記載の半導体レーザ。
（付記９）
前記光導波路に電流注入を行なっていない状態で、中央から一方の端部までの片側の領域においてブラッグ波長を変化させた領域の長さのレーザ長に対する割合と、前記ブラッグ波長を変化させた領域におけるブラッグ波長の変化率の平均値との積が、０．００３１２５〜０．０３７５００％の範囲内であることを特徴とする、付記８記載の半導体レーザ。

（付記１０）
前記半導体基板が、ＩｎＰ基板であることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
（付記１１）
前記位相シフトが、１箇所に設けられており、位相シフト量が１／４波長であることを特徴とする、付記１〜１０のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

（付記１２）
前記位相シフトが、中央に設けられていることを特徴とする、付記１１記載の半導体レーザ。
（付記１３）
前記光導波路が、電流注入によって利得を発生しうる利得導波路部と、電流注入又は電圧印加によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部とを光軸方向に交互に備えることを特徴とする、付記１〜１２のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

（付記１４）
前記波長制御導波路部が、電流注入によって屈折率が変化するように構成されていることを特徴とする、付記１３記載の半導体レーザ。
（付記１５）
前記波長制御導波路部が、逆バイアス電圧を印加することによって屈折率が変化するように構成されていることを特徴とする、付記１３記載の半導体レーザ。

（付記１６）
付記１〜１５のいずれか１項に記載の半導体レーザと、
前記半導体レーザが形成されている半導体基板上に設けられ、前記半導体レーザと光学的に結合された光機能素子とを備えることを特徴とする半導体光集積素子。

１００半導体基板
２００光導波路
２１０利得導波路部
２２０波長制御導波路部
３００回折格子
３１０位相シフト
４００，５００，５１０，５２０電極

Claims

半導体基板上に、電流注入によって利得を発生しうる光導波路と、前記光導波路の全長にわたって前記光導波路に沿って設けられる回折格子と、前記回折格子に設けられる位相シフトとを備え、
前記光導波路に電流注入を行なっていない状態で、両端部の近傍領域のブラッグ波長が、前記位相シフトに隣接する位相シフトの近傍領域のブラッグ波長よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長くなるように構成されており、
前記位相シフトが、１箇所に設けられており、位相シフト量が１／４波長であることを特徴とする、半導体レーザ。
前記位相シフトが、中央に設けられていることを特徴とする、請求項１記載の半導体レーザ。
前記両端部の近傍領域に設けられている前記回折格子の周期が、前記位相シフトの近傍領域に設けられている前記回折格子の周期よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で長いことを特徴とする、請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
前記両端部の近傍領域に設けられている前記光導波路の等価屈折率が、前記位相シフトの近傍領域に設けられている前記光導波路の等価屈折率よりも０．０２５〜０．１００％の範囲で大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
前記両端部の近傍領域に設けられている前記光導波路の幅が、前記位相シフトの近傍領域に設けられている前記光導波路の幅よりも０．０５〜０．２５μｍの範囲で広いことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
前記両端部の一方の端部の近傍領域の長さが、全体の長さの１／８〜３／８の範囲内の長さであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
前記光導波路に電流注入を行なっていない状態で、前記両端部の近傍領域のブラッグ波長が、前記両端部の近傍領域内で前記両端部へ向けて連続的に長くなるように構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
前記光導波路に電流注入を行なっていない状態で、中央から一方の端部までの片側の領域においてブラッグ波長を変化させた領域の長さのレーザ長に対する割合と、前記ブラッグ波長を変化させた領域におけるブラッグ波長の変化率の平均値との積が、０．００３１２５〜０．０３７５００％の範囲内であることを特徴とする、請求項７記載の半導体レーザ。
前記光導波路が、電流注入によって利得を発生しうる利得導波路部と、電流注入又は電圧印加によって発振波長を制御しうる波長制御導波路部とを光軸方向に交互に備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体レーザと、
前記半導体レーザが形成されている半導体基板上に設けられ、前記半導体レーザと光学的に結合された光機能素子とを備えることを特徴とする半導体光集積素子。