JP6186864B2 - 半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザに関するものである。

回折格子が設けられた回折格子部とスペース部とからなるセグメントが複数連結された構成からなるサンプルドグレーティングが知られている。サンプルドグレーティングは、波長選択機能を有している。サンプルドグレーティング（SG：Sampled Grating）を有し、利得を有するＳＧ−ＤＦＢ(Sampled Grating Distributed Feedback)領域と、利得が無く波長選択ミラーとなるＳＧ−ＤＢＲ（Sampled Grating Distributed Bragg reflector）領域とが連結された半導体レーザが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２７７７５８号公報

特許文献１の技術では、半導体レーザ内に実現される共振器の中央付近で光強度が大きくなり、空間的ホールバーニング効果によって当該共振器内でのキャリア密度が不均一になるおそれがある。この場合、発振モードが不安定になるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、発振モードを安定させることができる半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザは、利得領域に設けられ、回折格子部とそれに隣接し両側が回折格子に挟まれたスペース部からなるセグメントが複数連結されてなるサンプルドグレーティングを備えた第１反射器と、前記第１反射器と光学的に結合され、回折格子部とそれに隣接し両側が回折格子に挟まれたスペース部からなるセグメントが複数連結されてなるサンプルドグレーティングを備えた第２反射器とを有し、前記第１反射器の複数のセグメントは、短セグメント領域と、前記短セグメント領域より光学長が大きく、前記短セグメント領域の少なくとも１つより前記第２反射器に近い位置に配置された長セグメント領域とを含み、前記長セグメント領域は、前記短セグメント領域よりも前記短セグメント領域の整数倍（ｎ≧２）±２５％の範囲で大きい光学長を有することを特徴とする。本発明に係る半導体レーザによれば、発振モードを安定させることができる。

前記長セグメント領域は、前記短セグメント領域よりも前記短セグメント領域の整数倍（ｎ≧２）±１０％の範囲で大きい光学長を有していてもよい。前記第１反射器および前記第２反射器に含まれる前記セグメントの前記回折格子は、対応するセグメントの長さの１０％以下としてもよい。前記第２反射器に含まれる少なくとも２つのセグメントの光学長は、互いに異なっていてもよい。

前記第１反射器は、活性層を含む前記利得領域に対応して設けられてなり、前記第２反射器は、前記活性領域に光学的に結合した前記活性層よりもエネルギギャップの大きい光導波路に対応して設けられていてもよい。前記長セグメント領域に対応する前記活性層の幅は、前記第２反射器における前記光導波路の幅と異なっていてもよい。

前記第１反射器において、前記セグメント内の導波路は、利得を有する利得領域と利得を持たないパッシブ導波路とを備え、前記第１反射器は、前記パッシブ導波路の屈折率を制御する手段を備えていてもよい。前記パッシブ導波路の屈折率を制御する手段は、ヒータとしてもよい。前記長セグメント領域に対応するヒータと、前記短セグメント領域に対応するヒータとは、共通の電源電極に接続されていてもよい。前記長セグメント領域に対応するヒータと、前記短セグメント領域に対応するヒータとは、電気的に互いに独立した電極パターンに接続されていてもよい。

本発明によれば、発振モードを安定させることができる半導体レーザを提供することができる。

実施例１に係る波長可変型の半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は位相シフト構造を説明するための上面図である。 比較例に係る半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 （ａ）は比較例に係る半導体レーザ内に構成される共振器内部の光強度分布を示す図であり、（ｂ）は実施例１に係る半導体レーザ内に構成される共振器内部の光強度分布を示す図である。 （ａ）は実施例２に係る半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図であり、（ｂ）は実施例２に係る半導体レーザ内に構成される共振器内部の光強度分布を示す図である。 （ａ）は実施例３に係る半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図であり、（ｂ）はヒータ付近の拡大図である。 共振器内部の光強度分布を示す図である。 半導体レーザの他の例を表す模式的断面図である。 半導体レーザの他の例を表す模式的断面図である。 半導体レーザの他の例を表す模式的断面図である。 半導体レーザの他の例を表す模式的断面図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、実施例１に係る波長可変型の半導体レーザ１００の全体構成を示す模式的断面図である。図１に示すように、半導体レーザ１００は、ＳＧ−ＤＦＢ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）領域Ａと、ＣＳＧ−ＤＢＲ（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ｂと、ＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）領域Ｃと、光吸収領域Ｄと、反射防止膜ＡＲと、反射膜ＨＲとを備える。

一例として、半導体レーザ１００において、フロント側からリア側にかけて、反射防止膜ＡＲ、ＳＯＡ領域Ｃ、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ、光吸収領域Ｄ、反射膜ＨＲがこの順に配置されている。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、利得を有しサンプルドグレーティングを備える。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、利得を有さずにサンプルドグレーティングを備える。ＳＯＡ領域Ｃは、光増幅器として機能する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、基板１上に、下クラッド層２、活性層３、上クラッド層６、コンタクト層７、および電極８が積層された構造を有する。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、基板上１に、下クラッド層２、光導波層４、上クラッド層６、絶縁膜９、および複数のヒータ１０が積層された構造を有する。各ヒータ１０には、電源電極１１およびグランド電極１２が設けられている。ＳＯＡ領域Ｃは、基板１上に、下クラッド層２、光増幅層１９、上クラッド層６、コンタクト層２０、および電極２１が積層された構造を有する。光吸収領域Ｄは、基板１上に、下クラッド層２、光吸収層５、上クラッド層６、コンタクト層１３、および電極１４が積層された構造を有する。端面膜１６は、ＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜からなる。反射膜１７は、ＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜からなる。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ、ＳＯＡ領域Ｃおよび光吸収領域Ｄにおいて、基板１、下クラッド層２、および上クラッド層６は、一体的に形成されている。活性層３、光導波層４、光吸収層５および光増幅層１９は、同一面上に形成されている。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡとＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂとの境界は、活性層３と光導波層４との境界と対応している。

ＳＯＡ領域Ｃ側における基板１、下クラッド層２、光増幅層１９および上クラッド層６の端面には、端面膜１６が形成されている。本実施例では、端面膜１６はＡＲ（Ａｎｔｉ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）膜である。端面膜１６は、半導体レーザ１００のフロント側端面として機能する。光吸収領域Ｄ側における基板１、下クラッド層２、光吸収層５、および上クラッド層６の端面には、反射膜１７が形成されている。反射膜１７は、半導体レーザ１００のリア側端面として機能する。

基板１は、例えば、ｎ型ＩｎＰからなる結晶基板である。下クラッド層２はｎ型、上クラッド層６はｐ型であり、それぞれ例えばＩｎＰによって構成される。下クラッド層２および上クラッド層６は、活性層３、光導波層４、光吸収層５および光増幅層１９を上下で光閉込めしている。

活性層３は、利得を有する半導体により構成されている。活性層３は、例えば量子井戸構造を有しており、例えばＧａ_０．３２Ｉｎ_０．６８Ａｓ_０．９２Ｐ_０．０８（厚さ５ｎｍ）からなる井戸層と、Ｇａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３（厚さ１０ｎｍ）からなる障壁層が交互に積層された構造を有する。光導波層４は、例えばバルク半導体層で構成することができ、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３によって構成することができる。本実施例においては、光導波層４は、活性層３よりも大きいエネルギギャップを有する。

光吸収層５は、半導体レーザ１００の発振波長に対して、吸収特性を有する材料が選択される。光吸収層５としては、その吸収端波長が例えば半導体レーザ１００の発振波長に対して長波長側に位置する材料を選択することができる。なお、半導体レーザ１００の発振波長のうち、もっとも長い発振波長よりも吸収端波長が長波長側に位置していることが好ましい。

光吸収層５は、例えば、量子井戸構造で構成することが可能であり、例えばＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ_０．２８Ｉｎ_０．７２Ａｓ_０．６１Ｐ_０．３９（厚さ１０ｎｍ）の障壁層が交互に積層された構造を有する。また、光吸収層５はバルク半導体であってよく、例えばＧａ_０．４６Ｉｎ_０．５４Ａｓ_０．９８Ｐ_０．０２からなる材料を選択することもできる。なお、光吸収層５は、活性層３と同じ材料で構成してもよく、その場合は、活性層３と光吸収層５とを同一工程で作製することができるから、製造工程が簡素化される。

光増幅層１９は、電極２１からの電流注入によって利得が与えられ、それによって光増幅をなす領域である。光増幅層１９は、例えば量子井戸構造で構成することができ、例えばＧａ_０．３５Ｉｎ_０．６５Ａｓ_０．９９Ｐ_０．０１（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ_０．１５Ｉｎ_０．８５Ａｓ_０．３２Ｐ_０．６８（厚さ１０ｎｍ）の障壁層が交互に積層された構造とすることができる。また、他の構造として、例えばＧａ_０．４４Ｉｎ_０．５６Ａｓ_０．９５Ｐ_０．０５からなるバルク半導体を採用することもできる。なお、光増幅層１９と活性層３とを同じ材料で構成することもできる。この場合、光増幅層１９と活性層３とを同一工程で作製することができるため、製造工程が簡素化される。

コンタクト層７，１３，２０は、例えばｐ型Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ結晶によって構成することができる。絶縁膜９は、ＳｉＮ，ＳｉＯ_２等の絶縁体からなる保護膜である。ヒータ１０は、ＮｉＣｒ等で構成された薄膜抵抗体である。ヒータ１０のそれぞれは、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの複数のセグメントにまたがって形成されていてもよい。

電極８，２１、電源電極１１およびグランド電極１２は、金等の導電性材料からなる。基板１の下部には、裏面電極１５が形成されている。裏面電極１５は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＯＡ領域Ｃにまたがって形成されている。

端面膜１６は、１．０％以下の反射率を有するＡＲ膜であり、実質的にその端面が無反射となる特性を有する。ＡＲ膜は、例えばＭｇＦ_２およびＴｉＯＮからなる誘電体膜で構成することができる。反射膜１７は、１０％以上（一例として２０％）の反射率を有するＨＲ膜であり、反射膜１７から外部に漏洩する光出力を抑制することができる。例えばＳｉＯ_２とＴｉＯＮとを交互に３周期積層した多層膜で構成することができる。なお、ここで反射率とは、半導体レーザ内部に対する反射率を指す。反射膜１７が１０％以上の反射率を有しているので、外部からリア側端面に入射する迷光に対してもその侵入が抑制される。また、リア側端面から半導体レーザ１００に侵入した迷光は、光吸収層５で光吸収される。それにより、半導体レーザ１００の共振器部分、すなわち、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂへの迷光の到達が抑制される。

回折格子（コルゲーション）１８は、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの下クラッド層２に所定の間隔を空けて複数箇所に形成されている。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにサンプルドグレーティングが形成される。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいて、下クラッド層２に複数のセグメントが設けられている。ここでセグメントとは、回折格子１８が設けられている回折格子部と回折格子１８が設けられていないスペース部とが１つずつ連続する領域のことをいう。すなわち、セグメントとは、両端が回折格子部によって挟まれたスペース部と回折格子部とが連結された領域のことをいう。回折格子１８は、下クラッド層２とは異なる屈折率の材料で構成されている。下クラッド層２がＩｎＰの場合、回折格子を構成する材料として、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３を用いることができる。

回折格子１８は、２光束干渉露光法を使用したパターニングにより形成することができる。回折格子１８の間に位置するスペース部は、回折格子１８のパターンをレジストに露光した後、スペース部に相当する位置に再度露光を施すことで実現できる。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおける回折格子１８のピッチと、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける回折格子１８のピッチとは、同一でもよく、異なっていてもよい。本実施例においては、一例として、両ピッチは同一に設定してある。また、各セグメントにおいて、回折格子１８は同じ長さを有していてもよく、異なる長さを有していてもよい。また、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各回折格子１８が同じ長さを有し、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの各回折格子１８が同じ長さを有し、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡとＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂとで回折格子１８の長さが異なっていてもよい。

ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいては、少なくとも２つのセグメントの光学長が、互いに異なって形成されている。それにより、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの波長特性のピーク同士の強度は、波長依存性を有するようになる。本実施例においては、一例として、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは７つのセグメントを備える。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ側から、同一の光学長を有する３つのセグメントＳＧ１、同一の光学長を有する２つのセグメントＳＧ２、および同一の光学長を有する２つのセグメントＳＧ２が連結されている。セグメントＳＧ１、セグメントＳＧ２、およびセグメントＳＧ３の光学長は、１８０μｍ程度であり、互いに異なっている。なお、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおける各セグメントが第１反射器を構成し、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける各セグメントが第２反射器を構成する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、光学長の大きい長セグメント（長セグメント領域）と、光学長の小さい短セグメント（短セグメント領域）とを含む。長セグメントは、短セグメントの少なくとも１つよりＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂに近い位置に配置されている。長セグメントは、短セグメントよりも、短セグメントの整数倍（ｎ≧２）±２５％の範囲で大きい光学長を有する。すなわち、長セグメントは、短セグメントに、当該短セグメントの光学長の整数倍±２５％の光学長がプラスされた構成を有する。

また、長セグメントおよび短セグメントの回折格子部の光学長は、長セグメントおよび短セグメントのそれぞれのセグメントの光学長の１０％以下の光学長を有する。すなわち、長セグメントと短セグメントの回折格子部の光学長が、それぞれの長セグメントおよび短セグメントのセグメントの光学長の１０％以下の光学長であることが好ましい。

本実施例においては、一例として、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、６つのセグメントを備える。ＳＯＡ領域Ｃ側から、同一の光学長を有する５つの短セグメントＳＧ４が連結され、さらにＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側に１つの長セグメントＳＧ５が連結されている。短セグメントＳＧ４の光学長は、セグメントＳＧ１〜ＳＧ３と異なっており、例えば１６０μｍ程度である。長セグメントＳＧ５の光学長は、例えば３２０μｍ程度である。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢのセグメントＳＧ１〜ＳＧ３およびＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの短セグメントＳＧ４および長セグメントＳＧ５が半導体レーザ１００内において共振器を構成する。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢのセグメントＳＧ１〜ＳＧ３およびＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの短セグメントＳＧ４および長セグメントＳＧ５の回折格子部の長さは、４μｍ程度である。

なお、本実施例では、長セグメントのスペース部の光学長を短セグメントのスペース部の光学長より大きくすることでセグメントの光学長をプラスしているが、長セグメントの回折格子の光学長を短セグメントの回折格子の光学長より大きくすることで、セグメントの光学長をプラスしてもよい。また、セグメントの回折格子およびスペース部の両方の光学長を変化させることで、セグメントの光学長をプラスしてもよい。

半導体レーザ１００においては、フロント側への伝搬光とリア側への伝搬光との位相を整合させるために、半導体レーザ１００の共振器内を伝搬する光の位相を９０度シフトさせる位相シフト構造を有している。本実施例においては、長セグメントＳＧ５が位相シフト構造を有している。具体的には、長セグメントＳＧ５のスペース部において、導波路の幅を一部縮小（または拡大）した領域を設ける。図２（ａ）は、長セグメントＳＧ５の上面図である。図２（ａ）に示すように、長セグメントＳＧ５のスペース部に縮幅部３ｂを設けてもよい。図２（ｂ）に示すように、縮幅部３ｂは、スペース部において複数に分割されて設けられていてもよい。また、図２（ｃ）に示すように、縮幅部３ｂの代わりに拡幅部３ｃを設けてもよい。これらを設けたことにより、他の導波路との境界（前後２箇所）において伝搬定数が変化する部分が生じる。この伝搬定数の変化により、上記位相シフトを実現している。この伝搬定数の変化量は、導波路幅の変化量によって決めることができる。なお、この方法によって位相シフトを導入する場合、ＳＧ−ＤＦＢ領域とＣＳＧ−ＤＢＲ側のそれぞれにおける回折格子の構造的なピッチの位相は、全て同じである。

なお、位相シフトを導入する方法は他にも種々ある。ＳＧ−ＤＦＢ領域あるいはＣＳＧ−ＤＢＲ領域側のいずれかの部分を境界にして、回折格子の構造的なピッチの位相をずらすことで位相シフトを実現することもできる。この境界は、スペース部でもよいし、回折格子部でもよい。境界は共振器全体の中央付近（本実施例ではＳＧ５の付近）に付与することが好ましい。また、他の位相シフト構造として、光導波路の一部に他とは屈折率の異なる材料を導入する方法もある。

続いて、半導体レーザ１００の動作について説明する。電極８に所定の駆動電流を注入することによって、活性層３において光が発生する。活性層３において発生した光は、活性層３および光導波層４を繰り返し反射および増幅されてレーザ発振する。各セグメントで反射した光は、互いに干渉する。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいては、ピーク強度が所定の波長間隔を有する離散的な利得スペクトルが生成され、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいては、ピーク強度が所定の波長間隔を有する離散的な反射スペクトルが生成される。利得スペクトルおよび反射スペクトルの組み合わせにより、バーニア効果を利用して、所望の波長で安定してレーザ発振させることができる。

また、電源電極１１を介して各ヒータ１０に所定の電力を供給することによって、各ヒータ１０にそれぞれ所定の温度で発熱させる。また、半導体レーザ１００の温度を、図示しない温度制御装置（ＴＥＣ：Ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｏｌｅｒ）によって、所定の値に制御する。それにより、発振波長を選択することができる。レーザ発振によって得られるレーザ光は、フロント側端面（ＳＯＡ領域Ｃ側）から外部に出力される。なお、電極２１に所定の駆動電流を注入することによって、半導体レーザ１００から出力されるレーザ光の光強度を所定の値に制御することができる。本実施例においては、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの波長特性のピーク同士の強度が波長依存性を有しているため、安定したレーザ発振を実現することができる。

次に、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａに長セグメントが備わることによって導かれる効果について説明する。当該効果の説明にあたって、比較例について説明する。図３は、比較例に係る半導体レーザ２００の全体構成を示す模式的断面図である。半導体レーザ２００と図１の半導体レーザ１００とが異なる点は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいて、長セグメントＳＧ５の代わりに２つの短セグメントＳＧ４が備わっており、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ内における各セグメントの光学長が同一である点である。

図４（ａ）は、比較例に係る半導体レーザ２００内に構成される共振器内部の光強度分布を示す図である。図４（ａ）において、横軸は共振器内の位置を示し、具体的にはＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ内の各セグメントの位置を示している。図４（ａ）において「ＳＧ４」と表された領域は、７つの短セグメントＳＧ４に対応している。縦軸は、光強度を示している。図４（ａ）において、「Ｐｓ」はフロント側への伝搬光を表し、「Ｐｒ」はリア側への伝搬光を表し、「Ｐｒ＋Ｐｓ」はフロント側への伝搬光とリア側への伝搬光との総和を表している。

フロント側への伝搬光およびリア側への伝搬光は、各セグメントで一部が反射され、逆方向への伝搬光となる。それにより、各セグメントで強度が不連続に変化する。特に、フロント側への伝搬光とリア側への伝搬光との位相を整合するために上述の位相シフト構造が設けてある場合は、位相シフト構造付近のセグメントで伝搬光の強度が大きく変化する。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡではＳＧ−ＤＦＢ領域Ａが有する利得によって伝搬光が増幅されるため、フロント側への伝搬光（Ｐｓ）はＳＧ−ＤＦＢ領域Ａのフロント側で大きくなる。そのため、フロント側への伝搬光（Ｐｓ）の光強度は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢからＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにかけて徐々に大きくなる。一方、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡではＳＧ−ＤＦＢ領域Ａが有する利得によって伝搬光が増幅されることに起因して、リア側への伝搬光（Ｐｒ）はＳＧ−ＤＦＢ領域Ａのリア側で大きくなり、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいてはリア側に向けて小さくなる。

共振器のフロント側およびリア側の端では、それぞれ、フロント側への伝搬光（Ｐｓ）もしくはリア側への伝搬光（Ｐｒ）のいずれか一方しか存在しない。それにより、フロント側端およびリア側端では、光強度は抑制されている。これに対して、共振器の中央付近では、フロント側への伝搬光（Ｐｓ）およびリア側への伝搬光（Ｐｒ）の光強度が共に大きくなる。さらに、リア側への伝搬光（Ｐｒ）は共振器の中央付近で極大値を有する。したがって、伝搬光（Ｐｓ）および伝搬光（Ｐｒ）の総和（Ｐｒ＋Ｐｓ）は、共振器の中央付近で大きくなる。また、位相整合のために共振器中に位相シフト構造が設けてある場合には、位相シフト構造付近のセグメントで、光強度がさらに大きくなる。

光強度が大きくなる領域においては、空間的ホールバーニング効果に起因してキャリア密度が小さくなる。この場合、共振器内でのキャリア密度が不均一になる。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域の各セグメント間で屈折率差が生じ、干渉効果が薄れ、発振モードが不安定になりやすい。

図４（ｂ）は、実施例１に係る半導体レーザ１００内に構成される共振器内部の光強度分布を示す図である。図４（ｂ）における横軸および縦軸は、図４（ａ）と同様である。図４（ｂ）に示すように、図４（ａ）と比較して共振器中央付近の光強度が抑制され、光強度分布が平坦化されている。これは、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいて長セグメントＳＧ５におけるスペース部が長いことから、多重反射が低減され、光強度の変化が小さくなったからである。また、長セグメントＳＧ５は、短セグメントＳＧ４よりも短セグメントＳＧ４の整数倍±２５％の範囲で大きい光学長を有することから、各セグメント間の干渉効果が得られている。

図５（ａ）は、実施例２に係る半導体レーザ１００ａの全体構成を示す模式的断面図である。半導体レーザ１００ａと図１の半導体レーザ１００とが異なる点は、長セグメントＳＧ５が、短セグメントＳＧ４よりも短セグメントＳＧ４の２倍±２５％の範囲で大きい光学長を有している点である。例えば、短セグメントＳＧ４の光学長は１６０μｍであり、長セグメントＳＧ５の光学長は４８０μｍである。なお、長セグメントＳＧ５を長くしたことに伴って、短セグメントＳＧ４の数を４つに設定してある。短セグメントＳＧ４および長セグメントＳＧ５の回折格子部の長さは、４μｍ程度である。

図５（ｂ）は、半導体レーザ１００ａ内に構成される共振器内部の光強度分布を示す図である。図５（ｂ）において、横軸は共振器内の位置を示す。縦軸は、光強度を示している。図５（ｂ）において、「Ｐｓ」はフロント側への伝搬光を表し、「Ｐｒ」はリア側への伝搬光を表し、「Ｐｒ＋Ｐｓ」はフロント側への伝搬光とリア側への伝搬光との総和を表している。

図５（ｂ）に示すように、図４（ｂ）と比較して共振器中央付近の光強度がさらに抑制され、光強度分布がさらに平坦化されている。これは、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいて長セグメントＳＧ５がより長くなり、光強度の変化がより小さくなったからである。また、長セグメントＳＧ５は、短セグメントＳＧ４よりも短セグメントＳＧ４の整数倍±２５％の範囲で大きい光学長を有することから、各セグメント間の干渉効果が得られている。

実施例１，２においては、ＳＧ−ＤＦＢ領域には一様の活性層３が設けられていたが、この活性層３の共振器方向に等価屈折率を変化させることの可能な複数の導波路を導入することもできる。この導入される導波路は、典型的には利得が付与されない領域であり、また、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域の光導波路４と同じ材料を採用することができる。また、この導入される導波路は、それに対応した領域上に等価屈折率の変化のためのヒータが設けられる。ヒータの代わりに電流注入のための電極を設けることもできる。この導入される導波路は、ＳＧ−ＤＦＢ領域の各セグメント単位で、活性層３と交互に設けることができる。または、隣接する２つのセグメントの両方に跨って設けることもできる。ＳＧ−ＤＦＢ領域の温度変化に代えて、この導入された導波路の等価屈折率を制御することで、発振波長の詳細な周波数制御（ファインチューニング）を行うことができる。

図６（ａ）は、実施例３に係る半導体レーザ１００ｂの全体構成を示す模式的断面図である。半導体レーザ１００ｂと図１の半導体レーザ１００とが異なる点は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの代わりにＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´が設けられている点である。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢおよびＳＯＡ領域Ｃの構造は図１と同様のため、一部省略してある。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´においては、一様な活性層３の代わりに導波路３ａが設けられている。導波路３ａは、光伝搬方向に沿って利得領域３１と、利得を持たないパッシブ導波路３２とが交互に配置された構造を有する。利得領域３１は、短セグメントＳＧ４および長セグメントＳＧ５の少なくとも回折格子１８を含む領域の上に配置されている。利得領域３１は、例えば実施例１，２の活性層３と同じ構造を有する。コンタクト層７および電極８は、実施例１，２と同様に、利得領域３１の上方に配置されている。

パッシブ導波路３２は、短セグメントＳＧ４および長セグメントＳＧ５のスペース部において、利得領域３１以外の箇所に配置されている。したがって、各セグメントにおいて、回折格子１８を含む領域に利得領域３１が配置され、スペース部の少なくとも一部の領域にパッシブ導波路３２が配置されている。パッシブ導波路３２は、例えば、ＰＬ波長差２００ｎｍ以上のＩｎＧａＡｓＰ系バルク層、ＰＬ波長差２００ｎｍ以上のＡｌＧａＩｎＡｓＰ系量子井戸構造層などである。パッシブ導波路３２上の上クラッド層６上には、絶縁膜９を介してヒータ２２が設けられている。ヒータ２２には、それぞれ電源電極２３およびグランド電極２４が設けられている。

なお、長セグメントＳＧ５は、短セグメントＳＧ４側から利得領域３１、パッシブ導波路３２、利得領域３１と配置されており、短セグメントＳＧ４が２つ分構成されたものである。長セグメントＳＧ５は、利得領域、パッシブ導波路、利得領域、パッシブ導波路の順に配置されたものうちＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側の利得領域、パッシブ導波路を反対に配置し、利得領域、パッシブ導波路、パッシブ導波路、利得領域の順に配置したものである。このように、長セグメントＳＧ５は、両側に利得領域３１、その内側にパッシブ導波路３２のように配置される。上述したように、この隣り合ったパッシブ導波路は、１つのパッシブ導波路として扱うことができる。

また、長セグメントＳＧ５は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側の端で利得領域３１を配置している。これは、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側の端にパッシブ導波路３２が配置されていると、長セグメントＳＧ５のパッシブ導波路３２を制御したときに、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのパッシブ導波路３２に影響が出てしまうためである。よって、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側の端で利得領域３１が配置されている。よって、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側の端で利得領域３１を配置すると、長セグメントＳＧ５は、両側に利得領域３１、その内側にパッシブ導波路３２が配置された構成となる。

図６（ｂ）は、ヒータ２２付近の拡大図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、パッシブ導波路３２上の上クラッド層６上には、絶縁膜９を介してヒータ２２が設けられている。ヒータ２２には、それぞれ電源電極２３およびグランド電極２４が設けられている。グランド電極２４は、基準電位を有する共通端子に接続されている（図示しない）。上述したが、長セグメントＳＧ５は、短セグメントＳＧ４が２つ分で構成されており、長セグメントＳＧ５のヒータは、短セグメントＳＧ４のヒータ２つ分の構成である。

図６（ａ）の例では、各電極８に共通の電圧Ｖ_{ａｎｏｄｅ}が印加される。また、各ヒータ２２の電源電極２３には、共通の電圧Ｖ_{Ｈｅａｔｅｒ}が印加される。ここで、パッシブ導波路３２の長さをＬ_ｔｕｎｅとし、パッシブ導波路３２の屈折率変化量をΔｎとし、パッシブ導波路３２の温度変化量をΔＴとする。この場合、パッシブ導波路３２の位相変化量Δφは、Δφ∝Δｎ・Ｌ_ｔｕｎｅ∝ΔＴ・Ｌ_ｔｕｎｅの関係が成立する。次に、ヒータ２２への印加電圧をＶとし、ヒータ２２の抵抗をＲ_{Ｈｅａｔｅｒ}とすると、ヒータ２２への投入電力Ｐは、Ｐ＝Ｖ^２／Ｒ_{Ｈｅａｔｅｒ}∝Ｖ^２／Ｌ_ｔｕｎｅの関係が成立する。なお、パッシブ導波路３２およびヒータ２２の長さが略同一であることを想定している。次に、セグメントの長さをＬ_ＳＧとすると、レーザ発振モードの波長のシフト量Δλは、Δλ∝Δφ／Ｌ_ＳＧ∝Ｌ_ｔｕｎｅ／Ｌ_ＳＧ・ΔＴ∝Ｐ／Ｌ_ＳＧ∝Ｖ^２／（Ｌ_ＳＧ・Ｌ_ｔｕｎｅ）の関係が成立する。

図６（ａ）の例では、各ヒータ２２の電源電極２３には共通の電圧Ｖ_{Ｈｅａｔｅｒ}が印加されていることから、Ｌ_ＳＧが２倍になればＬ_ｔｕｎｅを１／２にすることが好ましい。したがって、５つの短セグメントＳＧ４のパッシブ導波路３２およびヒータ２２の長さを８０μｍ程度とすると、長セグメントＳＧ５のパッシブ導波路３２およびヒータ２２の長さは、４０μｍ程度であることが好ましい。

本実施例では、短セグメントＳＧ４および長セグメントＳＧ５にパッシブ導波路３２を備えている。また、パッシブ導波路３２にはヒータ２２が設けられている。ヒータ２２によってパッシブ導波路の屈折率を制御することができ、半導体レーザ１００の共振器内を伝搬する光の位相をシフトさせることができる。したがって、実施例１のような位相シフト構造がなくても位相をシフトすることができる。

図７は、半導体レーザ１００ｂ内に構成される共振器内部の光強度分布を示す図である。図７において、横軸は共振器内の位置を示す。縦軸は、光強度を表している。図７において、「Ｐｓ」はフロント側への伝搬光を表し、「Ｐｒ」はリア側への伝搬光を表し、「Ｐｒ＋Ｐｓ」はフロント側への伝搬光とリア側への伝搬光との総和を表している。

図７に示すように、共振器中央付近の光強度が抑制され、光強度分布が平坦化されている。これは、長セグメントＳＧ５が長いことから、多重反射が低減され、光強度の変化が小さくなったからである。また、長セグメントＳＧ５は、短セグメントＳＧ４よりも短セグメントＳＧ４の整数倍±２５％の範囲で大きい光学長を有することから、各セグメント間の干渉効果が得られている。

（変形例１）
図８に示すように、各ヒータ２２の電源電極２３には、互いに独立した電源が接続されていてもよい。この場合、長セグメントＳＧ５のヒータ２２を短セグメントＳＧ４のヒータ２２と独立して制御できる。ここで、上述の式から、ΔＴ∝Ｌ_ＳＧ／Ｌ_ｔｕｎｅ・Δλが導かれる。短セグメントＳＧ４および長セグメントＳＧ５の温度変化量を同等にしようとすれば、セグメントを長くする場合、パッシブ導波路３２もそれに比例して長くすることが好ましい。したがって、５つの短セグメントＳＧ４のパッシブ導波路３２およびヒータ２２の長さを８０μｍ程度とすると、長セグメントＳＧ５のパッシブ導波路３２およびヒータ２２の長さは、１６０μｍ程度であることが好ましい。短セグメントＳＧ４および長セグメントＳＧ５の回折格子部の長さは、４μｍ程度である。他の構成は、実施例３と同じ構成であるので省略する。なお、パッシブ導波路３２およびヒータ２２が長いほど、所望の波長調整範囲を得るためのヒータ温度を低くすることができる。

（変形例２）
図９に示すように、各短セグメントＳＧ４においては各ヒータ２２の電源電極２３には、共通の電源が接続され、長セグメントＳＧ５のヒータには独立した電源が接続されていてもよい。この構成では、独立の電源数を低減することができる。他の構成は、変形例１と同じ構成であるので省略する。

（変形例３）
利得領域３１およびパッシブ導波路３２は、２つのセグメントをまたいで設けられていてもよい。これにより、利得領域３１とパッシブ導波路３２とのＢｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔ接合箇所数を低減させることができる。図１０は、図６（ａ）の構成において、利得領域３１およびパッシブ導波路３２の各組が２つのセグメントをまたいで設けられている例である。各短セグメントＳＧ４のパッシブ導波路３２およびヒータ２２の長さは１６０μｍ程度であり、長セグメントＳＧ５のパッシブ導波路３２およびヒータ２２の長さは４０μｍ程度である。他の構成は、実施例３と同じ構成であるので省略する。

図１１は、図９の構成において、利得領域３１およびパッシブ導波路３２の各組が２つのセグメントをまたいで設けられている例である。各短セグメントＳＧ４のパッシブ導波路３２およびヒータ２２の長さは１６０μｍ程度であり、長セグメントＳＧ５のパッシブ導波路３２およびヒータ２２の長さは１６０μｍ程度である。短セグメントＳＧ４および長セグメントＳＧ５の回折格子部の長さは、４μｍ程度である。他の構成は、変形例２と同じ構成であるので省略する。なお、長セグメントＳＧ５に対応して設けられたＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側の利得領域３１は、その先にまたがって設けられるべきセグメントが無いため、他のセグメントにまたがって形成されていなくてもよい。

Ｂｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔは異種半導体材料の接合部である。この領域は、例えば導波路３ａの利得領域３１を形成した後、パッシブ導波路３２が形成される部位をエッチングし、再度当該部位を利得領域３１とは異なる材料を再成長して埋め込むことで形成される。このとき、再成長界面では、主にエッチング形状や再成長時の異常成長などから光学特性的に理想的な形状を得ることは非常に困難を伴う。このため、好ましくない反射を少なからず生む。また結晶品質も低下しており、しきい電流増大、光出力低下などの不都合も生じる。つまり、本変形例によりＢｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔを少なく構成することは、レーザ特性の劣化や信頼性の低下を抑制することにつながる。また、Ｂｕｔｔ−Ｊｏｉｎｔ接合数を低減させることができることによって、電極８およびヒータ２２の総数を減少させることができる。これは、電極パターン微細化にともなう短絡等のリスクを低減することにつながる。

上記各実施例によれば、利得を有するＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいて長セグメントが、短セグメントよりも短セグメントの整数倍±２５％の範囲で大きい光学長を有することによって、リア側への伝搬光（Ｐｒ）の光強度の極大値が小さくなる。それにより、光強度の変化が小さくなり、共振器の光強度分布が平坦化される。その結果、共振器内でのキャリア密度の不均一が抑制され、発振モードを安定させることができる。また、長セグメントが、短セグメントよりも短セグメントの整数倍±２５％の範囲で大きい光学長を有することによって、各セグメント間の干渉効果を得ることができる。なお、長セグメントの光学長は、短セグメントの光学長の２倍以上の整数倍に近いことが好ましい。各セグメント間の干渉効果が強くなるからである。したがって、長セグメントは、短セグメントよりも短セグメントの整数倍±１０％の範囲で大きい光学長を有することが好ましい。さらに、長セグメントの光学長は、短セグメントの２倍以上の整数倍であることがより好ましい。

上記各実施例においては、長セグメントはＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ内においてＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側端に配置されているが、それに限られない。長セグメントは、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ内のいずれの箇所に設けられていてもよい。ただし、共振器中央付近に長セグメントを配置することによって、光強度の変化がより抑制される。したがって、長セグメントは、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂに近い側に配置されていることが好ましい。また、長セグメントの数は１つに限られない。長セグメントは、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ内に複数設けられていてもよい。

また、上記各実施例においては、第２反射器としてＣＳＧ−ＤＢＲを用いているが、各セグメントの光学長が実質的に同一のＳＧ−ＤＢＲ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を第２反射器として用いてもよい。

なお、ＳＯＡ領域Ｃは、レーザ共振器を構成していないため、上記各実施例の効果はＳＯＡ領域Ｃの長さに依存しない。例えば、上記各実施例において、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ、およびＳＯＡ領域Ｃの長さは、それぞれ１．２６ｍｍ、１．１２ｍｍ、１．５ｍｍ程度である。この場合、素子全長は３．８８ｍｍ程度である。共振器の中央付近とは、素子の中央付近から約２０％程度ずれた位置を意味する。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 基板
２ 下クラッド層
３ 活性層
４ 光導波層
６ 上クラッド層
７，２０ コンタクト層
８，２１ 電極
１０ ヒータ
１１ 電源電極
１２ グランド電極
１５ 裏面電極
１６ 端面膜
１７ 端面膜
１８ 回折格子
１９ 光増幅層
２２ ヒータ
２３ 電源電極
２４ グランド電極
３１ 利得領域
３２ パッシブ導波路
１００ 半導体レーザ

Claims (9)

1. 利得領域に設けられ、回折格子部とそれに隣接し両側が回折格子に挟まれたスペース部からなるセグメントが複数連結されてなるサンプルドグレーティングを備えた第１反射器と、
   前記第１反射器と光学的に結合され、回折格子部とそれに隣接し両側が回折格子に挟まれたスペース部からなるセグメントが複数連結されてなるサンプルドグレーティングを備えた第２反射器とを有し、
   前記第１反射器の複数のセグメントは、短セグメント領域と、前記短セグメント領域より光学長が大きく、前記短セグメント領域の少なくとも１つより前記第２反射器に近い位置に配置された長セグメント領域とを含み、
   前記長セグメント領域は、前記短セグメント領域よりも前記短セグメント領域の整数倍（ｎ≧２）±２５％の範囲で大きい光学長を有し、
   前記第１反射器は、活性層を含む前記利得領域に対応して設けられてなり、
   前記第２反射器は、前記利得領域に光学的に結合した前記活性層よりもエネルギギャップの大きい光導波路に対応して設けられてなる、半導体レーザ。
2. 前記長セグメント領域は、前記短セグメント領域よりも前記短セグメント領域の整数倍（ｎ≧２）±１０％の範囲で大きい光学長を有する、請求項１記載の半導体レーザ。
3. 前記第１反射器および前記第２反射器に含まれる前記セグメントの前記回折格子は、対応するセグメントの長さの１０％以下である、請求項１または２記載の半導体レーザ。
4. 前記第２反射器に含まれる少なくとも２つのセグメントの光学長は、互いに異なってなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
5. 前記長セグメント領域に対応する前記活性層の幅は、前記第２反射器における前記光導波路の幅と異なる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
6. 前記第１反射器において、前記セグメント内の導波路は、利得を有する利得領域と利得を持たないパッシブ導波路とを備え、
   前記第１反射器は、前記パッシブ導波路の屈折率を制御する手段を備える、請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
7. 前記パッシブ導波路の屈折率を制御する手段は、ヒータである、請求項６記載の半導体レーザ。
8. 前記長セグメント領域に対応するヒータと、前記短セグメント領域に対応するヒータとは、共通の電源電極に接続されている、請求項７記載の半導体レーザ。
9. 前記長セグメント領域に対応するヒータと、前記短セグメント領域に対応するヒータとは、電気的に互いに独立した電極パターンに接続されている、請求項８記載の半導体レーザ。

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