JP2014220388A - 光半導体素子、光半導体装置、および光半導体素子の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発振モードを安定させることができる光半導体素子、光半導体装置、および光半導体素子の制御方法を提供する。
【解決手段】光半導体素子１００は、回折格子を有する回折格子領域と、回折格子領域に連結され両端が回折格子領域によって挟まれたスペース部と、からなるセグメントを複数備え、スペース部の少なくとも一部が電流注入によって利得を発生し、複数のセグメントの少なくとも２つに対して独立に電流を注入するための複数の電極が備わっていることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光半導体素子、光半導体装置、および光半導体素子の制御方法
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光半導体素子、光半導体装置、および光半導体素子の制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係る光半導体素子は、回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれたスペース部と、からなるセグメントを複数備え、前記複数のセグメントのうち、端部側から連続する複数の前記セグメントに対応して設けられ、前記対応するセグメントに共通に電流を注入して利得を発生させる第１の電極と、前記第１の電極が対応するセグメントよりも前記端部から遠い位置の前記セグメントに対応し、前記第１の電極とは独立に電流を注入して利得を発生させる第２の電極と、を備えることを特徴とする。本発明に係る光半導体素子によれば、発振モードを安定させることができる。

前記光半導体素子は、複数のセグメントを備える反射器とともにレーザ共振器を構成し、前記第２の電極は、前記レーザ共振器の中央に最も近い電極であり、前記第１の電極と比較して、前記レーザ共振器の光伝搬方向において短くてもよい。前記第２の電極の長さと前記第１の電極の長さとの比を、２：５としてもよい。前記第２の電極は、２個であり、前記レーザ共振器の中央に最も近い電極から端の電極に向かって、前記複数第２の電極と前記第１の電極とが順に配置され、前記複数第２の電極の長さと前記第１の電極の長さの比を１：１：５としてもよい。

本発明に係る光半導体装置は、回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれたスペース部と、からなるセグメントを複数備え、前記複数のセグメントのうち、端部側から連続する複数の前記セグメントに対応して設けられ、前記対応するセグメントに共通に電流を注入して利得を発生させる第１の電極と、前記第１の電極が対応するセグメントよりも前記端部から遠い位置の前記セグメントに対応し、前記第１の電極とは独立に電流を注入して利得を発生させる第２の電極と、を備えている光半導体素子と、前記第１の電極と前記第２の電極に対して独立に電流を注入するための駆動回路と、を備えることを特徴とする。本発明に係る光半導体装置によれば、発振モードを安定させることができる。

本発明に係る光半導体素子の制御方法は、回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれたスペース部と、からなるセグメントを複数備え、前記複数のセグメントのうち、端部側から連続する複数の前記セグメントに対応して設けられ、前記対応するセグメントに共通に電流を注入して利得を発生させる第１の電極と、前記第１の電極が対応するセグメントよりも前記端部から遠い位置の前記セグメントに対応し、前記第１の電極とは独立に電流を注入して利得を発生させる第２の電極と、を備えている光半導体素子において、前記第１の電極と前記第２の電極に対して独立に電流を注入することを特徴とする。本発明に係る光半導体素子の制御方法によれば、発振モードを安定させることができる。

前記光半導体素子は、複数のセグメントを備える反射器とともにレーザ共振器を構成しており、前記第２の電極は、複数の電極のうち前記レーザ共振器の中央に最も近い電極であり、前記第２の電極に注入する電流密度を、前記第１の電極の電極に注入する電流密度よりも大きくしてもよい。前記光半導体素子は、複数のセグメントを備える反射器とともにレーザ共振器を構成しており、前記光半導体素子において、前記レーザ共振器内の光強度が大きいセグメントに注入する電流密度を、前記レーザ共振器内の光強度が小さいセグメントに注入する電流密度よりも大きくしてもよい。前記光半導体素子は、複数のセグメントを備える反射器とともにレーザ共振器を構成しており、前記光半導体素子は、前記レーザ共振器内に位相シフト構造を有し、前記位相シフト構造を有するセグメントに注入する電流密度を、他のセグメントに注入する電流密度よりも大きくしてもよい。前記半導体素子は、複数のセグメントを備える反射器とともにレーザ共振器を構成しており、前記第２電極に注入する電流密度Ｊ_ＬＤ１と、前記第１および前記第２電極に注入する電流の合計を、前記光半導体素子の複数のセグメントの断面積の合計で割った平均電流密度Ｊ_{ＬＤａｖｅ}とが、１＜Ｊ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＜２．５の関係を満たすように、前記複数の電極に電流を注入してもよい。

本発明によれば、発振モードを安定させることができる光半導体素子、光半導体装置、および光半導体素子の制御方法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およびそれを備えたレーザ装置の全体構成を示す図である。 半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は位相シフト構造を説明するための上面図である。 ルックアップテーブルの一例である。 （ａ）は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り、（ｂ）は比較例に係る半導体レーザ内に構成されるレーザ共振器内部の光強度分布を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は発振波長に対する副モード抑圧比ＳＭＳＲの関係であり、（ｃ）は波長可変幅を表す図である。 発振波長に対する副モード抑圧比ＳＭＳＲの関係である。 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）は実施例３に係る半導体レーザ内に構成されるレーザ共振器内部の光強度分布を示す図である。 （ａ）は実施例４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。 実施例４に係る半導体レーザ内に構成されるレーザ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。

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およびそれを備えたレーザ装置２００の全体構成を示す図である。図１に示すように、レーザ装置２００は、半導体レーザ１００、温度制御装置１１０、コントローラ１２０などを備える。半導体レーザ１００は、温度制御装置１１０上に配置されている。温度制御装置１１０は、ペルチェ素子などを含む。コントローラ１２０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセルメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の制御部などから構成され、駆動回路として機能する。コントローラ１２０のＲＯＭには、半導体レーザ１００の制御情報、制御プログラム等などが格納されている。制御情報は、例えばルックアップテーブル１３０に格納されている。

図２は、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２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、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ＳＧ３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、実質的に同じ光学長を有する複数のセグメントが連結された構造を有する。本実施例においては、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、一例として、７つのセグメントＳＧ４を備えている。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。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢのセグメントＳＧ１〜ＳＧ３およびＳＧ−ＤＦＢ領域のセグメントＳＧ４が半導体レーザ１００内においてレーザ共振器を構成する。

電極８は、光伝搬方向に沿って複数に分割されている。本実施例においては、電極８は、２つの電極８ａと電極８ｂとに分割されている。電極８ａと電極８ｂとは絶縁膜９によって互いに絶縁されているため、互いに独立に電流を注入することができる。電極８ａは、レーザ共振器中央に最も近い２個のセグメントＳＧ４に電流を注入可能な位置に設けられている。ここで、レーザ共振器は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢのセグメントＳＧ１〜ＳＧ３およびＳＧ−ＤＦＢ領域のセグメントＳＧ４によって構成されるため、本実施例においては、電極８ａは、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側端の２つのセグメントＳＧ４の上方にまたがって配置されている。電極８ｂは、それ以外の５つのセグメントＳＧ４の上方にまたがって配置されている。

光伝搬方向において、電極８ａの長さは、電極８ｂの長さよりも小さく設定されている。本実施例においては、電極８ａの長さと電極８ｂの長さとの比は、概略２：５である。電極８ａに注入された電流の大部分は、ＳＧ−ＤＦＢ領域の７個のセグメントＳＧ４のうち、レーザ共振器中央（ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側端）に最も近い２つのセグメントＳＧ４に注入される。電極８ｂに注入された電流の大部分は、共振器端付近の５つのセグメントＳＧ４に注入される。

半導体レーザ１００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、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側端のセグメントＳＧ４が位相シフト構造を有している。具体的には、当該セグメントＳＧ４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３（ａ）は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側端のセグメントＳＧ４の上面図である。図３（ａ）に示すように、当該セグメントＳＧ４のスペース部に縮幅部３ａを設けてもよい。図３（ｂ）に示すように、縮幅部３ａ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３（ｃ）に示すように、縮幅部３ａの代わりに拡幅部３ｂ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ＡおよびＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ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ＡあるいはＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ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、レーザ装置２００の動作について説明する。コントローラ１２０は、ルックアップテーブル１３０を参照し、設定されたチャネルに対応する初期電流値Ｉ_ＬＤ１、初期電流値Ｉ_ＬＤ２、初期電流値Ｉ_ＳＯＡ、初期電流値Ｉａ_{Ｈｅａｔｅｒ}〜Ｉｃ_{Ｈｅａｔｅｒ}および初期温度値Ｔ_ＬＤを取得する。図４は、ルックアップテーブル１３０の一例である。

コントローラ１２０は、初期電流値Ｉ_ＬＤ１の大きさの電流を電極８ａに供給し、初期電流値Ｉ_ＬＤ２の大きさの電流を電極８ｂに供給する。それにより、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、コントローラ１２０は、温度制御装置１１０の温度が初期温度値Ｔ_ＬＤになるように温度制御装置１１０を制御する。それにより、半導体レーザ１００の温度が初期温度値Ｔ_ＬＤ近傍の一定温度に制御される。その結果、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの光導波路の等価屈折率が制御される。また、コントローラ１２０は、初期電流値Ｉａ_{Ｈｅａｔｅｒ}〜Ｉｃ_{Ｈｅａｔｅｒ}の大きさの電流を３つのヒータ１０に供給する。それにより、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの光導波路の等価屈折率が所定の値に制御される。また、コントローラ１２０は、初期電流値Ｉ_ＳＯＡの大きさの電流を電極２１に供給する。以上の制御によって、半導体レーザ１００は、設定されたチャネルに対応する初期波長でレーザ光を外部に出射する。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、電極８を複数に分割した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５（ａ）は、比較例に係る半導体レーザ１５０の全体構成を示す模式的断面図である。半導体レーザ１５０と図１の半導体レーザ１００とが異なる点は、電極８が全てのセグメントＳＧ４にまたがって設けられている点である。

図５（ｂ）は、比較例に係る半導体レーザ１５０内に構成されるレーザ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、横軸はレーザ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６（ｂ）において「ＳＧ４」と表された領域は、７つのセグメント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。

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。

レーザ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、レーザ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）はレーザ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、レーザ共振器の中央付近で大きくなる。また、位相整合のためにレーザ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Ａ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。

ここで、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａでは誘導放出によって伝搬光が増幅されるが、誘導放出レートは光強度に比例するため、光強度の大きなレーザ共振器中央付近では光強度の小さなレーザ共振器の端付近に比べて誘導放出レートが大きくなる。すなわち、光強度の大きなレーザ共振器中央付近では、レーザ共振器の端付近に比べて誘導放出によるキャリア再結合レートが大きくなる。一方、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの上面に設けられた電極は１個であり、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの上面は、全域に渡ってほぼ同電位である。したがって、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａに注入される電流密度は、全域に渡ってほぼ均一である。その結果、誘導放出によるキャリア再結合レートの大きなレーザ共振器中央付近では、レーザ共振器の端付近に比べてキャリア密度が小さくなる。このように、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ内でキャリア密度に分布が生じると、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各セグメント間で屈折率差が生じ、干渉効果が薄れ、波長安定性が悪化する。

ここで、前述したようなレーザ共振器内の光強度分布は、利得領域中にセグメントを設けたＳＧ−ＤＦＢ領域を有する半導体レーザに固有の現象である。利得領域中にセグメントを含まない場合は、たとえパッシブ領域にセグメントが設けられていても、スペース部で伝搬光が増幅されないので、図５（ｂ）のような光強度分布にはならない。利得領域全面に渡って回折格子が設けられているＤＦＢレーザにおいて、レーザ共振器中央付近に位相シフトが設けられている場合は、回折格子の結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬが大きければ（例えばκＬ＞１．５）、レーザ共振器中央付近の光強度分布が大きくなる。しかしながら、各セグメントでの不連続な変化はなく、光強度分布は、ＳＧ−ＤＦＢ領域を有する半導体レーザの場合と異なる。

比較例１のようなＣＳＧ−ＤＢＲ領域ＢとＳＧ−ＤＦＢ領域Ａとを備える半導体レーザ１００では、κＬ＜１．５の場合でも、レーザ共振器中央付近の光強度分布は大きくなる。また、セグメントを用いた波長可変の半導体レーザでは、各セグメント間の干渉効果を利用して発振モードを選択するため、光強度分布の不均一に起因して、各セグメント間の屈折率が変動すると、干渉効果が薄れて所望の発振モードを選択できなくなることがある。したがって、たとえＣＷ光源として使用する場合でも、光強度分布の不均一が問題となる。

実施例１のＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、比較例と同様に、実質的に同一の光学長の複数のセグメントから構成されているため、半導体レーザ１００のレーザ共振器内部の光強度分布も図５（ｂ）のような分布となる。そこで、本実施例においては、電極８を複数に分割し、レーザ共振器中央付近のセグメントＳＧ４に注入する電流密度をレーザ共振器端付近のセグメントＳＧ４に注入する電流密度よりも大きく設定する。それにより、誘導放出によるキャリア再結合レートの大きいレーザ共振器中央付近でのキャリア密度の低減を抑制することができる。

本実施例においては、コントローラ１２０は、一例として、電極８ａへの注入電流Ｉ_ＬＤ１を８６ｍＡに設定し、電極８ｂへの注入電流Ｉ_ＬＤ２を６４ｍＡに設定する。電極８ａおよび電極８ｂに注入する電流の合計は、Ｉ_ＬＤ１＋Ｉ_ＬＤ２＝１５０ｍＡである。

なお、比較例に係る半導体レーザ１５０では、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａに注入される電流密度はほぼ均一であるため、レーザ共振器中央付近の２個のセグメントＳＧ４に注入される電流と、レーザ共振器端付近の５個のセグメントＳＧ４に注入される電流との比は、概略２：５であり、電極８に１５０ｍＡの電流を注入した場合には、それぞれ４３ｍＡと１０７ｍＡ程度となる。同様に、本実施例に係る半導体レーザ１００において、電極８ａへの注入電流Ｉ_ＬＤ１を４３ｍＡ，電極８ｂへの注入電流Ｉ_ＬＤ２を１０７ｍＡに設定した場合、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａに注入される電流密度はほぼ均一となる。一方、電極８ａへの注入電流Ｉ_ＬＤ１を８６ｍＡ、電極８Ｂへの注入電流Ｉ_ＬＤ２を６４ｍＡに設定した場合、レーザ共振器中央付近の２個のセグメントＳＧ４に注入される電流密度は、比較例に係る半導体レーザ１５０の電極８に１５０ｍＡの電流を注入した場合に比べてほぼ２倍となる．

図６（ａ）は、本実施例に係る半導体レーザ１００において、Ｉ_ＬＤ１＝８６ｍＡとし、Ｉ_ＬＤ２＝６４ｍＡとした状態で３つのヒータ１０の温度を制御し、様々な発振モードを選択したときの発振波長に対する副モード抑圧比ＳＭＳＲ（Ｓｕｂ−Ｍｏｄｅ Ｓｕｐｐｒｅｔｔｉｏｎ Ｒａｔｉｏ）の関係である。

図６（ｂ）は、比較のため、半導体レーザ１００において、Ｉ_ＬＤ１＝４３ｍＡとし、Ｉ_ＬＤ２を１０７ｍＡとした状態で３つのヒータ１０の温度を制御し、様々な発振モードを選択したときの発振波長に対する副モード抑圧比ＳＭＳＲの関係である。これらの電流値は、比較例に係る半導体レーザ１５０において電極８に１５０ｍＡの電流を注入した場合とほぼ同じ状態である。

図６（ａ）と図６（ｂ）とを比較すると、図６（ｂ）において全体的にＳＭＳＲが大きくなっている。また、ＳＭＳＲ＞４７ｄＢを満たす発振モードの存在する波長範囲を波長可変範囲と定義すると、図６（ｂ）において波長可変範囲が広くなっている。すなわち、光強度の大きいレーザ共振器中央付近の２個のセグメントＳＧ４に注入する電流密度が、光強度が比較的小さいレーザ共振器の端付近の５個のセグメントＳＧ４に注入する電流密度よりも大きくなるように電極８ａと電極８ｂとに注入する電流を設定することで、波長安定性が改善している。

図６（ｃ）は、Ｉ_ＬＤ１＋Ｉ_ＬＤ２＝１５０ｍＡの関係を保ったまま、Ｉ_ＬＤ１とＩ_ＬＤ２とを様々に設定した場合の波長可変幅を表す図である。ここでＪ_ＬＤ１は、電極８ａからの電流密度である。また、電極８ａと電極８ｂとに注入する電流の合計、すなわちＩ_ＬＤ１＋Ｉ_ＬＤ２＝１５０ｍＡがＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの全域に渡って均一に流れた場合の平均電流密度をＪ_{ＬＤａｖｅ}としている。したがって、横軸のＪ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの全域に渡って均一に電流が流れた場合の平均電流密度Ｊ_{ＬＤａｖｅ}に対する電極８ａからの電流密度Ｊ_ＬＤ１の比を表している。

比較例に係る半導体レーザ１５０とほぼ同じ状態であるＪ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＝１の場合に比較して、電極８ａからの電流密度Ｊ_ＬＤ１を増加させた場合、Ｊ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＝２までは、波長可変幅が増大している。これは、光強度の大きいレーザ共振器中央付近の２個のセグメントＳＧ４に注入する電流密度を、光強度が比較的小さいレーザ共振器の端付近の５個のセグメントＳＧ４に注入する電流密度よりも大きくすることで、誘導放出によるキャリア再結合レートの大きいレーザ共振器中央付近でのキャリア密度の低減が抑制され、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの各セグメントＳＧ４間の屈折率差が小さくなったためと考えられる。さらに、電極８ａからの電流密度Ｊ_ＬＤ１を増加させて、Ｊ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＝２．５とした場合は、逆に、波長可変幅が減少している。

ここで、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいて、レーザ共振器の中央付近の２個のセグメントＳＧ４の光強度は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの光強度の平均に対して、概略2倍以下であり、電極８ａからの電流密度Ｊ_ＬＤ１を大きくし過ぎることで、逆に、レーザ共振器の中央付近の２個のセグメントＳＧ４におけるキャリア密度が、レーザ共振器の端付近に比べて増加したためと考えられる。すなわち、レーザ共振器内の光強度分布に応じて、Ｊ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}が適切な比になるように、電極８ａおよび電極８ｂへの注入電流を設定することで、本実施例に係る半導体レーザ１００の波長安定性を改善することができる。一例として、１＜Ｊ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＜２．５であることが好ましい。

図６（ａ）〜図６（ｂ）の例では、全波長範囲にわたって電極８ａおよび電極８ｂへの注入電流を一定の値に設定しているが、発振波長ごとに電極８ａおよび電極８ｂへの注入電流の設定値を変更することも可能である。図７は、本実施例に係る半導体レーザ１００において、Ｉ_ＬＤ１＝６５ｍＡ、Ｉ_ＬＤ２＝８５ｍＡに設定した状態、およびＩ_ＬＤ１＝８６ｍＡ、Ｉ_ＬＤ２＝６４ｍＡに設定した状態のそれぞれにおいて、３つのヒータ１０の温度制御により様々な発振モードを選択したときの、発振波長に対する副モード抑圧比ＳＭＳＲの関係である。ここで、Ｉ_ＬＤ１＝６５ｍＡ、Ｉ_ＬＤ２＝８５ｍＡに設定した状態は、Ｊ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＝１．５に相当する。Ｉ_ＬＤ１＝８６ｍＡ、Ｉ_ＬＤ２＝６４ｍＡに設定した状態は、Ｊ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＝２に相当する。図６（ｃ）に示すように、いずれの状態においても、本発明の効果が現れている。

ここで、図７を詳細に参照すると、発振波長Ｗｐが１５３０ｎｍより短波側（Ｗｐ＜１５３０ｎｍ）の領域では、Ｉ_ＬＤ１＝８６ｍＡ、Ｉ_ＬＤ２＝６４ｍＡに設定した場合にＳＭＳＲが大きく、発振波長Ｗｐが１５６０ｎｍより長波側（Ｗｐ＞１５６０ｎｍ）の領域では、Ｉ_ＬＤ１＝６５ｍＡ、Ｉ_ＬＤ２＝８５ｍＡに設定した場合にＳＭＳＲが大きくなっている。発振波長Ｗｐが１５３０ｎｍ〜１５６０ｎｍの領域（１５３０ｎｍ≦Ｗｐ≦１５６０ｎｍ）では、どちらの状態でもほぼ同じＳＭＳＲとなっている。したがって、本実施例に係る半導体レーザ１００において、Ｗｐ＜１５３０ｎｍの発振波長で動作させる場合には、電極８ａおよび電極８ｂへの注入電流をＩ_ＬＤ１＝８６ｍＡ、Ｉ_ＬＤ２＝６４ｍＡに設定し、Ｗｐ＞１５６０nmの発振波長で動作させる場合には、電極８ａおよび電極８ｂへの注入電流をＩ_ＬＤ１＝６５ｍＡ、Ｉ_ＬＤ２＝８５ｍＡに設定することで、全波長範囲に渡って電極８ａおよび電極８ｂへの注入電流を一定の値に設定した場合よりも、さらに波長安定性を改善することができる。なお、１５３０ｎｍ≦Ｗｐ≦１５６０ｎｍの発振波長で動作させる場合には、発振波長に依らずＩ_ＬＤ１＝８６ｍＡ、Ｉ_ＬＤ２＝６４ｍＡ、もしくは、Ｉ_ＬＤ１＝６５ｍＡ、Ｉ_ＬＤ２＝８５ｍＡのどちらかの状態に設定してもよく、発振波長毎にＳＭＳＲが大きくなるようにＩ_ＬＤ１およびＩ_ＬＤ２を設定してもよい。

本実施例によれば、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの複数のセグメントの少なくとも２つに対して独立に電流を注入するための複数の電極が備わっていることから、電流密度を独立に制御することができる。本実施例においては、レーザ共振器中央付近のセグメントＳＧ４に注入する電流密度をレーザ共振器端付近のセグメントＳＧ４に注入する電流密度よりも大きく設定することにより、誘導放出によるキャリア再結合レートの大きいレーザ共振器中央付近でのキャリア密度の低減を抑制することができる。その結果、発振モードを安定させることができる。

図８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。図８に示すように、半導体レーザ１００ａが図１の半導体レーザ１００と異なっている点は、電極８ａの代わりに電極８ｃおよび電極８ｄが設けられている点である。電極８ｃは、レーザ共振器の中央に最も近いセグメントＳＧ４（ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側端のセグメントＳＧ４）の上方に設けられている。電極８ｄは、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側端から２番目のセグメントＳＧ４の上方に設けられている。電極８ｃと電極８ｄとは、絶縁膜９を介して互いに絶縁されている。

電極８ｃ，８ｄ，８ｂの長さ比は、概略１：１：５である。電極８ｃに注入された電流の大部分は、レーザ共振器の中央に最も近いセグメントＳＧ４（ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側端のセグメントＳＧ４）に注入される。電極８ｄに注入された電流の大部分は、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側端から２番目のセグメントＳＧ４に注入される。電極８ｂに注入された電流の大部分は、レーザ共振器端付近の５つのセグメントＳＧ４に注入される。

本実施例においては、レーザ共振器中央付近のセグメントＳＧ４に注入する電流密度をレーザ共振器端付近のセグメントＳＧ４に注入する電流密度よりも大きく設定する。それにより、誘導放出によるキャリア再結合レートの大きいレーザ共振器中央付近でのキャリア密度の低減を抑制することができる。

具体的には、コントローラ１２０は、電極８ｃ，８ｄから注入する電流密度を電極８ｂから注入する電流密度よりも大きくなるように、電極８ｃに注入する電流Ｉ_ＬＤ３、電極８ｄに注入する電流Ｉ_ＬＤ４、および電極８ｂに注入する電流Ｉ_ＬＤ２を設定する。例えば、コントローラ１２０は、Ｉ_ＬＤ３＝５７ｍＡ、Ｉ_ＬＤ４＝４３ｍＡ、Ｉ_ＬＤ２＝１００ｍＡに設定する。この場合、電極８ｂ〜８ｄに注入する電流の合計は２００ｍＡである。

ここで、電極８ｃ，８ｄからの電流密度をそれぞれＪ_ＬＤ３，Ｊ_ＬＤ４とし、電極８ｂ〜８ｄに注入する電流の合計（＝２００ｍＡ）がＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの全域にわたって均一に流れた場合の平均電流密度をＪ_{ＬＤａｖｅ}とすると、Ｊ_ＬＤ３／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＝２、Ｊ_ＬＤ４／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＝１．５である。このように、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいて、特に光強度の大きいレーザ共振器中央付近の２個のセグメントＳＧ４のそれぞれに注入する電流密度を、光強度分布に応じて独立に設定することで、ＳＧ−ＤＦＢ領域の各セグメントＳＧ４間の屈折率差が小さくなり、実施例１に比べてもさらに波長安定性が改善する。

理想的には、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡのセグメントＳＧ４全てに対して独立に電流密度が設定できるように電極を設けることで、さらなる波長安定性の改善が可能である。しかしながら、電極の数を増やし過ぎると、必要な配線や駆動回路が増えて装置サイズや消費電力の増大を招く。したがって、図５（ｂ）のような光強度分布の場合、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａに設ける電極の数は、２〜３個とするのが好ましい。

図９（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。図９（ａ）に示すように、半導体レーザ１００ｂが図２の半導体レーザ１００と異なっている点は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａがスペース部の光学長の大きい長セグメントと、スペース部の光学長の小さい短セグメントとを含む点である。長セグメントのスペース部は、短セグメントのスペース部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。すなわち、長セグメントのスペース部は、短セグメントのスペース部に、当該短セグメントのスペース部の整数倍±２５％の光学長がプラスされた構成を有する。

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内においてレーザ共振器を構成する。

図９（ｂ）は、半導体レーザ１００ｂ内に構成されるレーザ共振器内部の光強度分布を示す図である。図９（ｂ）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。縦軸は、光強度を示している。図９（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。

半導体レーザ１００ｂにおいては、レーザ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のスペース部は、短セグメントＳＧ４のスペース部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。

本実施例においては、電極８ａと電極８ｂとの光伝搬方向における長さの比は、概略２：５である。電極８ａに注入される電流の大部分は、長セグメントＳＧ５に注入される。電極８ｂに注入される電流の大部分は、５個のセグメントＳＧ４に注入される。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいて、特に光強度の大きい長セグメントＳＧ５に注入される電流密度が、光強度が比較的小さい５個のセグメントＳＧ４に注入される電流密度よりも大きくなるように、電極８ａと電極８ｂとへの注入電流を設定することで、誘導放出によるキャリア再結合レートの大きいレーザ共振器中央付近でのキャリア密度の低減を抑制することができる。例えば、電極８ａへの注入電流ＩＬＤ１を６５ｍＡ、電極８ｂへの注入電流ＩＬＤ２を８５ｍＡに設定する。電極８ａと電極８ｂとに注入する電流の合計、すなわちＩ_ＬＤ１＋Ｉ_ＬＤ２＝１５０ｍＡがＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの全域にわたって均一に流れた場合の平均電流密度Ｊ_{ＬＤａｖｅ}に対する、電極８ａから電流密度Ｊ_ＬＤ１の比は、Ｊ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＝１．５となっている．

実施例１〜３においては、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａには一様の活性層３が設けられていたが、この活性層３のレーザ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Ｂの光導波層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Ａ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１０（ａ）は、実施例４に係る半導体レーザ１００ｃの全体構成を示す模式的断面図である。半導体レーザ１００ｃと図９（ａ）の半導体レーザ１００ｂとが異なる点は、一様な活性層３の代わりに導波路３ｃが設けられている点である。導波路３ｃは、光伝搬方向に沿って利得を有するアクティブ導波路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。アクティブ導波路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。アクティブ導波路３１は、例えば実施例１〜３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１〜３と同様に、アクティブ導波路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、アクティブ導波路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を含む領域にアクティブ導波路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側からアクティブ導波路３１、パッシブ導波路３２、アクティブ導波路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。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側の端でアクティブ導波路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側の端でアクティブ導波路３１が配置されている。このように、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側の端でアクティブ導波路３１を配置すると、長セグメントＳＧ５は、両側にアクティブ導波路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１０（ｂ）は、ヒータ２２付近の拡大図である。図１０（ａ）および図１０（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１０（ａ）の例では、長セグメントＳＧ５の上方の電極８ｅには、合計でＩ_ＬＤ１の電流が注入される。短セグメントＳＧ４の上方の各電極８ｆには、合計でＩ_ＬＤ２の電流が注入される。長セグメントＳＧ５の上方のヒータ２２には、電圧Ｖ_{Ｈｅａｔｅｒ１}が印加される。５つの短セグメントＳＧ４の上方ヒータ２２には、共通の電圧Ｖ_{Ｈｅａｔｅｒ２}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。

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。

図１１は、半導体レーザ１００ｃ内に構成されるレーザ共振器内部の光強度分布を示す図である。図１１において、横軸はレーザ共振器内の位置を示す。縦軸は、光強度を表している。図１１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１１に示すように、レーザ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の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のスペース部は、短セグメントＳＧ４のスペース部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。

本実施例では、電極８ｅは、長セグメントＳＧ５内のアクティブ導波路３１の上面に位置し、電極８ｅに注入された電流の大部分は長セグメントＳＧ５内のアクティブ導波路３１に注入される。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの長セグメントＳＧ５内のアクティブ導波路３１は、パッシブ導波路３２によって２分割されており、これに対応して電極８ｅも分割されているが、分割された電極８ｅは、電気的に接続されており、分割された電極８ｅは、互いに同電位に保たれている。電極８ｆは、５個のセグメントＳＧ４内のアクティブ導波路３１の上面に位置し、電極８ｆに注入された電流の大部分は、５個のセグメントＳＧ４内のアクティブ導波路３１に注入される。セグメントＳＧ４内のアクティブ導波路３１は、パッシブ導波路３２によって６分割されており、これに対応して電極８ｆも分割されているが、分割された電極８ｆは、電気的に接続されており、分割された電極８ｆは、互いに同電位に保たれている。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいて、特に光強度の大きい長セグメントＳＧ５内のアクティブ導波路３１に注入する電流密度が、光強度が比較的小さい５個のセグメントＳＧ４内のアクティブ導波路３１に注入する電流密度よりも大きくなるように、電極８ｅと電極８ｆとへの注入電流を設定することで、誘導放出によるキャリア再結合レートの大きいレーザ共振器中央付近でのキャリア密度の低減を抑制することができる。例えば、電極８ｅへの注入電流Ｉ_ＬＤ１を６５ｍＡ、電極８ｆへの注入電流Ｉ_ＬＤ２を８５ｍＡに設定する。電極８ｅと電極８ｆとに注入する電流の合計、すなわち、Ｉ_ＬＤ１＋Ｉ_ＬＤ２＝１５０ｍＡが、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの全セグメント内のアクティブ導波路３１にわたって均一に流れた場合の平均電流密度Ｊ_{ＬＤａｖｅ}に対する、電極８ａからの電流密度Ｊ_ＬＤ１の比は、Ｊ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＝１．５となっている。

（変形例）
アクティブ導波路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、アクティブ導波路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１２は、図１０（ａ）の構成において、アクティブ導波路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。他の構成は、実施例４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側のアクティブ導波路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３ｃのアクティブ導波路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、再度当該部位をアクティブ導波路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。

本変形例においても、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいて、特に光強度の大きい長セグメントＳＧ５内のアクティブ導波路３１に注入する電流密度が、光強度が比較的小さいセグメントＳＧ４内のアクティブ導波路３１に注入する電流密度よりも大きくなるように、電極８ｅと電極８ｆとへの注入電流を設定することで、誘導放出によるキャリア再結合レートの大きいレーザ共振器中央付近でのキャリア密度の低減を抑制することができる。

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
３ 活性層
４ 光導波層
８，２１ 電極
１０ ヒータ
１８ 回折格子
２２ ヒータ
２３ 電源電極
２４ グランド電極
３１ アクティブ領域
３２ パッシブ導波路
１００ 半導体レーザ
１１０ 温度制御装置
１２０ コントローラ
１３０ ルックアップテーブル
２００ レーザ装置

Claims (10)

1. 回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれたスペース部と、からなるセグメントを複数備え、
   前記複数のセグメントのうち、端部側から連続する複数の前記セグメントに対応して設けられ、前記対応するセグメントに共通に電流を注入して利得を発生させる第１の電極と、
   前記第１の電極が対応するセグメントよりも前記端部から遠い位置の前記セグメントに対応し、前記第１の電極とは独立に電流を注入して利得を発生させる第２の電極と、
   を備えることを特徴とする光半導体素子。
2. 前記光半導体素子は、複数のセグメントを備える反射器とともにレーザ共振器を構成し、
   前記第２の電極は、前記レーザ共振器の中央に最も近い電極であり、前記第１の電極と比較して、前記レーザ共振器の光伝搬方向において短いことを特徴とする請求項１記載の光半導体素子。
3. 前記第２の電極の長さと前記第１の電極の長さとの比が、２：５であることを特徴とする請求項２記載の光半導体素子。
4. 前記第２の電極は、２個であり、
   前記レーザ共振器の中央に最も近い電極から端の電極に向かって、前記複数第２の電極と前記第１の電極とが順に配置され、
   前記複数第２の電極の長さと前記第１の電極の長さの比が１：１：５であることを特徴とする請求項２記載の光半導体素子。
5. 回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれたスペース部と、からなるセグメントを複数備え、前記複数のセグメントのうち、端部側から連続する複数の前記セグメントに対応して設けられ、前記対応するセグメントに共通に電流を注入して利得を発生させる第１の電極と、前記第１の電極が対応するセグメントよりも前記端部から遠い位置の前記セグメントに対応し、前記第１の電極とは独立に電流を注入して利得を発生させる第２の電極と、を備えている光半導体素子と、
   前記第１の電極と前記第２の電極に対して独立に電流を注入するための駆動回路と、を備えることを特徴とする光半導体装置。
6. 回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれたスペース部と、からなるセグメントを複数備え、前記複数のセグメントのうち、端部側から連続する複数の前記セグメントに対応して設けられ、前記対応するセグメントに共通に電流を注入して利得を発生させる第１の電極と、前記第１の電極が対応するセグメントよりも前記端部から遠い位置の前記セグメントに対応し、前記第１の電極とは独立に電流を注入して利得を発生させる第２の電極と、を備えている光半導体素子において、
   前記第１の電極と前記第２の電極に対して独立に電流を注入することを特徴とする光半導体素子の制御方法。
7. 前記光半導体素子は、複数のセグメントを備える反射器とともにレーザ共振器を構成しており、
   前記第２の電極は、複数の電極のうち前記レーザ共振器の中央に最も近い電極であり、前記第２の電極に注入する電流密度を、前記第１の電極の電極に注入する電流密度よりも大きくすることを特徴とする請求項６記載の光半導体素子の制御方法。
8. 前記光半導体素子は、複数のセグメントを備える反射器とともにレーザ共振器を構成しており、
   前記光半導体素子において、前記レーザ共振器内の光強度が大きいセグメントに注入する電流密度を、前記レーザ共振器内の光強度が小さいセグメントに注入する電流密度よりも大きくすることを特徴とする請求項６記載の光半導体素子の制御方法。
9. 前記光半導体素子は、複数のセグメントを備える反射器とともにレーザ共振器を構成しており、
   前記光半導体素子は、前記レーザ共振器内に位相シフト構造を有し、
   前記位相シフト構造を有するセグメントに注入する電流密度を、他のセグメントに注入する電流密度よりも大きくすることを特徴とする請求項６記載の光半導体素子の制御方法。
10. 前記半導体素子は、複数のセグメントを備える反射器とともにレーザ共振器を構成しており、
    前記第２電極に注入する電流密度Ｊ_ＬＤ１と、前記第１および前記第２電極に注入する電流の合計を、前記光半導体素子の複数のセグメントの断面積の合計で割った平均電流密度Ｊ_{ＬＤａｖｅ}とが、１＜Ｊ_ＬＤ１／Ｊ_{ＬＤａｖｅ}＜２．５の関係を満たすように、前記複数の電極に電流を注入することを特徴とする請求項６記載の光半導体素子の制御方法。

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