JP4288953B2

JP4288953B2 - Tunable semiconductor laser

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Publication number: JP4288953B2
Application number: JP2003027141A
Authority: JP
Inventors: 光伸後藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-02-19
Filing date: 2003-02-04
Publication date: 2009-07-01
Anticipated expiration: 2023-02-04
Also published as: JP2003318483A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、幹線系の電話交換網等で利用される光ファイバー通信技術、特に異なる波長のレーザ光を同時に信号伝送に利用する波長多重光通信技術で必要とされる広帯域の波長可変半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の多電極ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflectors）構造を具備した波長可変半導体レーザの一例として、回折格子部にいわゆる超周期構造回折格子(ＳＳＧ：Super-Structure-Grating)ＤＢＲを用いたＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザについて説明する。図１１は、非特許文献１で報告された従来のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザの構成を示した模式図であって、波長可変半導体レーザの光軸に平行方向の断面図を示す。
【０００３】
図１１中、１０１は活性領域、１０２は前方光導波領域、１０３は後方光導波領域、１０４は位相制御領域、１０５はＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路、１０６はｎ型ＩｎＰ基板、１０７はｎ型ＩｎＰクラッド層、１０８はｐ型ＩｎＰクラッド層、１０９はｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、１１３はｎ型電極、１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄはｐ型電極、１１５は光共振器の前方端面（レーザ光出射端面）から出射するレーザ光、１２１および１２２は前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子ピッチ変化、つまり変調の一周期、をそれぞれ示す。
【０００４】
ここで、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーとは、所定の距離間の一端から他端へと回折格子のピッチをΛ_ａからΛ_ｂまで線形に連続的に変化(リニアチャーピング)させた部分を一周期Λ_ｓとして複数周期繰り返した周期構造を指す。ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルは波長λ_ａ=２ｎ_eq×Λ_ａからλ_ｂ=２ｎ_eq×Λ_ｂまでの波長域にわたって波長間隔δλ=λ_０ ^２/(２ｎ_eq×Λ_ｓ)、で複数の反射ピークを有する。ここで、ｎ_eqは光導波路の等価屈折率、λ_０は中心波長である。
【０００５】
従来の波長可変半導体レーザにおける前方光導波領域１０２を構成する前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーおよび後方光導波領域１０３を構成する後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーでは、上述の前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー中の一周期１２１および後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー中の一周期１２２がそれぞれ複数周期繰り返されている（繰り返しについては図示せず）。ＳＳＧ-ＤＢＲ波長可変半導体レーザでは、上述の一周期１２１の距離に対して一周期１２２の距離を変える方法によって、前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークの波長間隔を互いにわずかに異なるように設計している。
【０００６】
次に、図１１に示した従来のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザの動作について説明する。図１１に示すように、光導波路１０５は、活性領域１０１、前方光導波領域１０２、後方光導波領域１０３および位相制御領域１０４を合わせて一体となるよう構成している。各領域の上部には、それぞれ電気的に分離されたｐ型電極１１４ａ，１１４ｂ，１１４ｃ，１１４ｄが設けられている。活性領域１０１上に設置されたｐ型電極１１４ｂと半導体基板１０６の裏面側に設けられたｎ型電極１１３の間に順方向バイアス電圧を印加することにより、活性層電流が活性領域１０１に注入され、活性領域１０１において広い波長範囲にわたる自然放出光が発生する。
【０００７】
かかる自然放出光は光共振器内に形成されている光導波路１０５を伝播しながら、前方光導波領域１０２に形成された前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーおよび後方光導波領域１０３に形成された後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーによって繰返し反射、増幅されるとともに、前方光導波領域１０２あるいは後方光導波領域１０３と、さらに位相制御領域１０４への電流注入による各領域毎の屈折率制御によって最終的に任意の一波長が選択、制御され、ある閾値電流において単一波長でレーザ発振する。
【０００８】
従来の波長可変半導体レーザのレーザ発振波長制御について、さらに詳細に説明する。図１２（ａ）は、前方光導波領域１０２および後方光導波領域１０３に電流注入を行わない場合の各領域内にそれぞれ形成された前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを示し、図１２（ｂ）は、後方光導波領域１０３に電流注入を行った場合の後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを、電流注入していない前方光導波領域１０２の前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルと比較して示したものである。図において、横軸は波長、縦軸は反射率を示し、λ_１は前方光導波領域１０２および後方光導波領域１０３のいずれにも電流注入を行わない場合に前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長を、また、λ_２は後方光導波領域１０３に電流注入を行った場合に前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長をそれぞれ示している。これらの反射ピークスペクトルは、一般にＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザの特徴である互いに強度の異なる複数の極めて線幅の狭い反射ピークから成っている。
【０００９】
上述したように、前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー制御電流と後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー制御電流が共にゼロである初期状態では、前方光導波領域１０２および後方光導波領域１０３にそれぞれ形成された前方および後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長はλ_１となる。この結果、波長λ_１の光は前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーで強い反射を受けるので、波長λ_１における損失は他の波長光に比べて極めて小さくなる。すなわち、波長λ_１における光の利得が他の波長と比較して相対的に増大し、この結果、波長可変半導体レーザは波長λ_１でレーザ発振に至る。なお、前方および後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長がλ_１のみで近傍の他の反射ピークとは一致しないのは、両者の一周期１２１，１２２それぞれの距離の相違に基づいた回折格子のピッチの相違に起因した前後ミラー間における反射ピークスペクトルの波長間隔の微妙なずれのため、あたかもバーニアの目盛りのように特定箇所だけでしか一致しないからである。ＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザのレーザ発振波長を変化させるには、図１２（ｂ）に例示したように、前方光導波領域１０２または後方光導波領域１０３のどちらか一方あるいは両方に順方向バイアス電圧を印加して、かかる領域に電流注入を行ない、この電流注入によって前方光導波領域１０２および／または後方光導波領域１０３の屈折率を等価的に変化させる。電流注入により屈折率を変化させることによって相対的に利得の大きな波長が短波長側にシフトし、この光が光導波路１０５内を伝播、増幅して、最終的に前方および後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長λ_２でレーザ発振する。このような手段、つまりＳＳＧ−ＤＢＲミラーが形成された光導波領域に電流を注入し、かかる電流注入レベルを制御して光導波領域の屈折率を意図的に変化させることにより、波長可変半導体レーザのレーザ発振波長を制御性良く変化させることが可能となる。ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの特徴としては、各反射ピーク強度が比較的高くとれる点にある。特に後述するＳＧ−ＤＢＲミラーに対してかかる効果は顕著である。
【００１０】
また、ＳＳＧ-ＤＢＲと類似した波長可変半導体レーザ用ミラーとして、例えば、非特許文献２に報告されているサンプルド・グレーティング−ＤＢＲ、つまりＳＧ−ＤＢＲがある。ＳＧ−ＤＢＲとは一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返した構造を指す。なお、回折格子部の回折格子は通常の均一ピッチのものである。
【００１１】
図１３にＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図を示す。ＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザは、上述のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザに対して、前後の光導波領域１０２，１０３を構成するミラーがＳＧ−ＤＢＲである点でのみ相違する。ＳＧ−ＤＢＲミラーの特徴としては、一対の回折格子部と非回折格子部を一周期とし、かかる部分を複数周期繰り返して光導波領域を形成した結果、反射ピークスペクトルに周期的な反射ピークが発生する点にある。因みに、通常の均一ピッチのみの回折格子からなる光導波領域、すなわちＤＢＲミラーでは反射ピークは一つだけであり、この点で両者は顕著に相違する。しかしながら、ＳＧ−ＤＢＲミラーでは各反射ピーク強度が高くとれず、また、各強度自体がそれぞれの反射ピークで異なっている。具体的には、ＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルは、中央の反射ピークから両側に向かって単調に減少するスペクトル形状を呈している。
【００１２】
【非特許文献１】
H．Ishii他, 量子エレクトロニクスジャーナル（IEEE Journal of Quantum Electronics）, 32巻, 3号, 1996年, p. 433-441
【非特許文献２】
V. Jayaraman他, 量子エレクトロニクスジャーナル（IEEE Journal of Quantum Electronics）, 29巻, 6号, 1993年, p. 1624-1834
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図１２では、上述したように、従来のＳＳＧ-ＤＢＲ波長可変半導体レーザにおける前後のＳＳＧ-ＤＢＲミラーの反射ピークの波長依存性を示している。ＳＳＧ-ＤＢＲ波長可変半導体レーザでは、上述したように、前方光導波領域１０２の一周期１２１の距離に対して後方光導波領域１０３の一周期１２２の距離を変える方法等によって、前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークの波長間隔を互いにわずかに異なるように設計している。前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラー領域、すなわち前方光導波領域１０２や後方光導波領域１０３に電流を注入して屈折率を低下させて反射ピークを短波長側にシフトさせ、前後のＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長を変える方法、つまりいわゆるバーニア効果を適用した方法によってレーザ発振波長を変化させていた。
【００１４】
しかしながら、ＳＳＧモード毎に反射ピーク強度がランダムに変動しているため、上述のバーニア効果を適用してレーザ発振波長を変える際に、本来意図していない他のＳＳＧモードでのレーザ発振とのモード間競合が起こり得た。したがって、前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーへの注入電流（i_f）と後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーへの注入電流（i_r）を変えた場合に、レーザ発振波長が素子温度や注入電流の変動によって不規則に変動する可能性が高かった。また、かかる反射ピーク強度のランダムな変動により、一部の波長域において連続的に変化しにくい問題も生じた。
【００１５】
従来のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザにおいて、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーをなす回折格子の一周期１２１、１２２の繰り返し周期を増加して反射率を十分に高めることにより、反射ピーク強度の均一化を図ることも可能であるが、この場合、前方ＳＳＧ-ＤＢＲミラーの反射率を高くすると外部へ取り出すことのできるレーザ光出力１１５が低下し、微分量子効率も低下する問題が生じた。また、前方光導波領域１０２を長くすると、電流注入を行った際にフリーキャリア吸収やキャリア再結合の影響によって、レーザ発振線幅が広がる問題も新たに発生した。一方、前後の光導波領域がＳＧ−ＤＢＲミラーの場合、ＳＳＧ−ＤＢＲミラー構造に比べて各反射ピークの反射ピーク強度が高く取れず、さらに中央の反射ピークから両側に向かって反射ピーク強度は単調に減少にしているので、反射ピークスペクトルが波長全体として平坦ではないため、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーに比べて波長可変域が狭いという問題があった。
【００１６】
この発明は、上述のような従来の波長可変半導体レーザで発生した問題点を解決するためになされたものであり、波長可変時の波長安定性や低閾値電流等の素子特性に優れた波長可変半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る波長可変半導体レーザは、半導体基板と、上記半導体基板上に形成されたクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、を備えることとした。
【００１８】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、第１導電型の半導体基板と、上記半導体基板上に形成された第１導電型のクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、上記光導波路上に形成された高抵抗層と、上記前方光導波領域上の高抵抗層中に上記光導波路に沿って形成された屈折率制御層と、上記前方光導波領域上の高抵抗層の上部に形成された第１導電型の第１コンタクト層と、上記光導波路の両側面にそれぞれ形成された第２導電型の埋め込み層と、上記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２導電型の第２コンタクト層と、上記前方光導波領域と上記後方光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、上記半導体基板の裏面側に形成された第１電極と、上記第１コンタクト層上に形成された第２電極と、上記第２コンタクト層上に形成された第３電極と、を備えることとした。
【００１９】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、上記分離溝の深さ方向に上記分離溝底部から上記第１導電型のクラッド層に達するイオン注入による高抵抗領域を設けることとした。
【００２０】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、上記屈折率制御層が、さらに上記後方光導波領域上の高抵抗層中にも設けられることとした。
【００２１】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、半絶縁性の半導体基板と、上記半導体基板上に形成された半絶縁性のクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路上に形成された高抵抗層と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、上記光導波路の両側面にそれぞれ形成された第１導電型の埋め込み層および第２導電型の埋め込み層と上記第１導電型の埋め込み層上に形成された第１電極と、上記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２電極と、上記前方光導波領域および上記後方光導波領域上部の上記高抵抗層上に絶縁膜を介してそれぞれ形成された薄膜ヒータと、上記前方光導波領域と上記後方光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、を備えることとした。
【００２２】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、上記半導体基板、上記クラッド層および埋め込み層がインジウム燐（ＩｎＰ）からなることとした。
【００２３】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザは、上記前方光導波領域の結合定数が上記後方光導波領域の結合定数より小さいこととした。
【００２５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
実施の形態１の波長可変半導体レーザについて、図１に基づき説明する。図１（ａ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図、（ｂ）はレーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における断面図、（ｃ）は上面図、をそれぞれ示す。図中、１は活性領域を兼ねたＳＧミラーを具備する前方光導波領域、１ａは前方光導波領域に設けられたＳＧミラー中の回折格子部、１ｂはＳＧミラー中の一対の回折格子部と非回折格子部を併せて一単位とした場合の一周期、２はＳＳＧ−ＤＢＲミラーを具備する後方光導波領域、２ａはＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子のピッチ変化、つまり変調に対する一周期、３はＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路、４はｎ型ＩｎＰ基板、５はｎ型ＩｎＰクラッド層、６はｐ型ＩｎＰ埋め込み層、７は屈折率制御層、７ａ、ｂ、ｃは高抵抗ＩｎＰ層、８ａはｎ型ＩｎＰ第１コンタクト層、８ｂはｐ型ＩｎＧａＡｓＰ第２コンタクト層、９は第１のｎ型電極（第１電極）、１０はｐ型電極（第３電極）、１１は第２のｎ型電極（第２電極）、１２は分離溝、１３は波長可変半導体レーザの出射端面から外部に出射されたレーザ光、をそれぞれ示す。ＳＧミラーあるいはＳＳＧ−ＤＢＲミラーはＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路３に所望の形状の回折格子をエッチング等の方法によって形成することにより設けられる。なお、図１（ｃ）から分かるように、ｐ型電極１０は前方光導波領域１側上部と後方光導波領域２側上部の各領域毎に設けられているが、第２のｎ型電極１１は前方光導波領域１側上部のみに設けられている。
【００２６】
なお、上述の波長可変半導体レーザの構成材料としては、ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ系の化合物半導体を用いている。かかる化合物半導体を構成材料とすると、光通信の光源として重要な長波長帯の波長可変半導体レーザが得られる。
【００２７】
次に、本発明に係る実施の形態１の波長可変半導体レーザの動作について説明する。活性領域を兼ねたＳＧミラーを有する前方光導波領域１側上部に電気的に分離して設置されたｐ型電極１０と半導体基板４の裏面側に形成されたｎ型電極９との間に順方向バイアス電圧を印加することにより、活性層電流が活性領域を兼ねた前方光導波領域１に注入され、前方光導波領域１中で、広い波長範囲にわたる自然放出光が発生する。かかる自然放出光はＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路３を伝播しながら、前方光導波領域１に設けられたＳＧミラーおよび後方光導波領域２に設けられたＳＳＧ−ＤＢＲミラーによって繰返し反射、増幅されるとともに、前方光導波領域１と後方光導波領域２への電流注入の制御によって、最終的に任意の一つの波長が選択、制御され、ある閾値電流において単一波長でレーザ発振する。
【００２８】
次いで本発明に係る実施の形態１における波長可変半導体レーザのレーザ発振波長制御について、詳細に説明する。
【００２９】
まず、前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの機能について説明する。図２（ａ）は、前方光導波領域１および後方光導波領域２に電流注入を行わない場合の各光導波領域１、２内にそれぞれ生じる前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルであり、図２（ｂ）は、後方光導波領域２に電流注入を行った場合の後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを、電流注入していない前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルと比較して示したものである。図において、横軸は波長、縦軸は反射率を示す。図からわかるように、極めて線幅の狭い個々の反射ピークが一定の波長間隔で並んでいる様相を呈している。図中、λ₁は前方光導波領域１および後方光導波領域２のいずれも電流注入を行わない場合に前後のミラーの反射ピークスペクトルが一致する波長を、また、λ₂は後方光導波領域２に電流注入を行った場合に前後のミラーの反射ピークスペクトルが一致する波長をそれぞれ表している。前方光導波領域１における反射ピークスペクトルは、ＳＧミラーに特有の反射ピークスペクトル、すなわち、反射ピーク強度が中央の反射ピークから両側に向かって単調に減少する形状を呈している。
【００３０】
上述したように、図２（ａ）は、前方ＳＧミラー注入電流と後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラー注入電流が共にゼロである初期状態の反射ピークスペクトルを表す。この場合、前方光導波領域１および後方光導波領域２にそれぞれ設けられた前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルが一致する波長はλ₁となる。波長λ₁における損失は、他の波長の光に比べて極めて小さくなるので、波長λ₁の光の利得が相対的に増大し、この結果、本実施の形態の波長可変半導体レーザは波長λ₁でレーザ発振に至る。
【００３１】
本実施の形態における波長可変半導体レーザのレーザ発振波長を意図的に変化させるには、前方光導波領域１側または後方光導波領域２側のどちらか一方あるいは両方に順方向バイアス電圧を印加して各領域に電流注入を行い、フリーキャリア・プラズマ効果によって前方光導波領域１および／または後方光導波領域２の屈折率を等価的に変化させる。但し、前方光導波領域１には、レーザ発振に寄与する活性層電流を流しておく必要がある。
【００３２】
図２（ｂ）に一例として示したのは、後方光導波領域２にのみ電流注入を行った場合である。後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーにおける電流注入による屈折率の低下によって、後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルは短波長側にシフトし、前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルが一致する波長は電流注入の無い場合の波長λ_１から波長λ₂へとシフトし、波長λ₂の光が光導波路３内を伝播、増幅されて最終的にかかる波長λ₂でレーザ発振に至る。前方光導波領域１のみに電流注入を行った場合や、前方光導波領域１および後方光導波領域２の両方に電流注入を行った場合も同様にしてレーザ発振波長を変えることができる。以上の如く、前後の光導波領域１、２の一方あるいは両方に電流注入し、電流注入レベルを制御して屈折率を変化させることによって、任意にレーザ発振波長を変えることが可能となる。
【００３３】
図２（ｂ）は上述した如く、実施の形態１に係る波長可変半導体レーザの前後のミラーの回折格子の反射ピークの波長依存性を示しているが、前方ＳＧミラーの場合には、反射ピークは中央モードを極大値として両側で単調に減少しているのに対し、後方ＳＳＧ-ＤＢＲミラーに関してはＳＳＧの周期を所定回数以上設けて反射率をなるべく大きく設定することより、中央付近の複数の反射ピーク強度をほぼ一定に揃えている。
【００３４】
前方光導波領域１側では、電流注入方法は２通りある。すなわち、ｐ型電極１０と第１のｎ型電極９間に順方向のバイアス電圧を印加する方法と、ｐ型電極１０と第２のｎ型電極１１間に順方向のバイアス電圧を印加する方法である。前者による屈折率変化は注入電流密度が発振閾値電流密度に到達して前方光導波領域中のキャリア密度がクランプされるまで継続し、後者は前者とは独立に当該領域の屈折率変化に寄与できる。かかる２通りの電流注入方法を併用することにより、レーザ発振に寄与する電流と屈折率変化に寄与する電流を独立に制御でき、より安定な波長制御が可能となる。この結果、電流注入による波長制御性が向上し、波長可変半導体レーザの制御回路が簡素化される効果も併せて生じる。
【００３５】
次に、実施の形態１の波長可変半導体レーザにおけるＳＣＨ（Separate-Confinement-Heterostructure）構造について説明する。
【００３６】
上述の波長可変半導体レーザにおける前方光導波領域１側の部分では、ｎ型ＩｎＰ基板４に対して垂直方向には、ｎ型ＩｎＰ基板４、ｎ型ＩｎＰクラッド層５、多重量子井戸からなるＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路３、高抵抗ＩｎＰ層７ａ、屈折率制御層７、高抵抗ＩｎＰ層７ｂ、という層構成となっている。かかる層構成では、図３のような屈折率プロファイルが得られ（多重量子井戸部分については図示せず）、いわゆるＳＣＨ構造をなしている。なお、屈折率の変化は各層における化合物半導体の構成元素の組成比が異なることに起因する。ここで、屈折率制御層７は、屈折率を変えることで光の閉じ込め係数を意図的に変化させて、ＳＣＨ構造の等価屈折率を本来の値からシフトさせる機能を果たしている。
【００３７】
上述のＳＣＨ構造を適用することにより、縦モードの安定性に優れ、かつ高出力動作時に狭線幅である波長可変半導体レーザが得られる。
【００３８】
実施の形態１の波長可変半導体レーザの前方光導波領域１に設けられたＳＧミラーによって、前方光導波領域１の結合定数κ_１が決定される。結合定数κ_１は、回折格子部分１ａのピッチや高さ、ＳＧミラー中の一対の回折格子部と非回折格子部を併せて一単位とした場合の一周期１ｂによって値を変えることができる。
【００３９】
一方、後方光導波領域２に設けられたＳＳＧ-ＤＢＲミラーによって、後方光導波領域２の結合定数κ_２が決定される。結合定数κ_２は、結合定数κ_１と同様、回折格子のピッチ等によって値を変えることができる。
【００４０】
実施の形態１の波長可変半導体レーザでは、結合定数κ_１と結合定数κ_２は、κ_１＜κ_２
の関係を満たすように回折格子のピッチ等を予め設定する。かかる関係が成立すれば、前方ミラーの反射率に比べて後方ミラーの反射率を高めることが可能となり、また、反射ピーク波長位置を調整して前後ミラー領域における光の伝搬定数がほぼ一致する波長でレーザ発振させることができるので、ＢＩＧレーザの場合と同様に前面からの光出力割合を多くすることができ、この結果、高出力かつ高効率動作の波長可変半導体レーザが得られる。
【００４１】
前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子間には、さらにλ／４の位相シフトが設けられている。この結果、前進波と後退波とを回折格子のブラッグ波長において位相整合させることができ、安定した単一縦モード動作が可能となる。
【００４２】
以上、本実施の形態の波長可変半導体レーザでは、前方ＳＧミラーには、上述したように、その性質上波長に対して反射ピーク強度の極大が存し、かかる極大値の両側では反射ピーク強度は単調に減少しているため、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーのような反射ピークスペクトルのランダムな変動がない結果、従来のＳＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザと比較して安定にレーザ発振波長を制御することが可能となる。また、従来のＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザに比べて、後方がＳＳＧ−ＤＢＲミラーで構成されている分、後方反射率を高くとれるので、より低い閾値電流でレーザ発振し、かつ、効率の高い波長可変半導体レーザが得られ、さらに、ＳＣＨ構造の適用により、縦モードの安定性に優れ、かつ高出力動作時に狭線幅の波長可変半導体レーザが得られる。
【００４３】
また、本実施の形態の波長可変半導体レーザでは、前方光導波領域に電流を注入することによりかかる領域の屈折率と光出力を、後方光導波領域に電流を注入することによりかかる領域の屈折率をそれぞれ独立に制御できる結果、電流注入による波長制御性が向上し、波長可変半導体レーザの制御回路が簡素化される効果が生じる。
さらに、本実施の形態の波長可変半導体レーザでは、前方光導波領域がＳＧミラーと活性領域の両方の機能を兼ね備えているので、両者を別個に形成する素子構造より、素子面積の減少や注入電流の低減といった効果が生じる。
【００４４】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２における波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面を図４（ａ）に、レーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における素子断面を（ｂ）に示す。図中、図１と同様の部分は同一符号で示す。１５はイオン注入による高抵抗領域を示す。
【００４５】
実施の形態１の波長可変半導体レーザにおいては、前方光導波領域１と後方光導波領域２に注入される電流を別個に制御すべく、両者の間には分離溝１２が設けられていた。しかしながら、分離溝１２部分は高抵抗ＩｎＰ層７ｂが薄くなっているものの、前方光導波領域１から後方光導波領域２の境界上で未だ高抵抗ＩｎＰ層７ｂが連続的に形成されているため、分離溝１２を設けているにもかかわらず前方光導波領域１と後方光導波領域２間は必ずしも完全に電気的に分離されている訳ではない。
【００４６】
そこで、実施の形態２による波長可変半導体レーザでは、かかる電気的分離の度合いを一層高めるため、前方光導波領域１と後方光導波領域２の境界上の高抵抗層７ｂ中に設けられた分離溝１２の底部からｎ型クラッド層５中に達するイオン注入による高抵抗領域１５を設けた。イオン注入された高抵抗領域１５は本来の結晶の抵抗より高い抵抗値を示す。これは、イオン注入により結晶内部に結晶欠陥あるいは深い準位が形成され、かかる結晶欠陥等がキャリアの捕獲中心として機能するからである。このような効果をもたらすイオン種としては、例えばプロトン（Ｈ^＋）、酸素（Ｏ）、鉄（Ｆｅ）等が挙げられる。イオン注入による高抵抗領域１５の存在によって、前方光導波領域１側から後方光導波領域２側の高抵抗層７ｂへ、あるいはその逆方向へ流れる電流は著しく制限されるため、前方光導波領域１と後方光導波領域２の注入電流に対する独立性が向上する結果、電流注入による波長制御性がさらに向上し、波長可変半導体レーザの制御回路が一層簡素化される効果が生じる。なお、図４（ａ）中で、屈折率制御層７は、実施の形態１の場合と異なって後方光導波領域２側にも設けられている。しかしながら、実施の形態１の場合と同様、屈折率制御層７が後方光導波領域２側に設けられていない素子構造であっても同一の機能を発揮することはいうまでもない。
【００４７】
実施の形態３．
本発明の実施の形態３における波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面を図５（ａ）に、レーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における素子断面を（ｂ）に示す。また、素子の上面図を図６に示す。実施の形態１の波長可変半導体レーザは、前方光導波領域１では表面側のｐ型電極１０から裏面側の第１のｎ型電極９へと素子に対して垂直方向に電流が流れることも可能な素子構造であるのに対して、実施の形態３の波長可変半導体レーザでは、基板が半絶縁性ＩｎＰ基板３１で構成され光導波路３下部のクラッド層としての機能もこの半絶縁性ＩｎＰ層が兼ねており、また、光導波路３の両側面にそれぞれｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２およびｎ型ＩｎＰ埋め込み層３３が、光導波路３上部には高抵抗ＩｎＰ層３４が、さらに、前方光導波領域１におけるｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２上にはｐ型電極３５（第１電極）、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層３３上にはｎ型電極３６（第２電極）がそれぞれ設けられ、素子上部のｐ型電極３５とｎ型電極３６間に順方向のバイアス電圧を印加することにより、素子に対して水平方向に電流が流れる構造となっている。
【００４８】
また、前方光導波領域１上方の主に高抵抗ＩｎＰ層３４上に、シリコン酸化膜ＳｉＯ_２等からなる絶縁膜３７ａを介して白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等の金属薄膜からなる薄膜ヒータ３８ａが、後方光導波領域２上方の高抵抗ＩｎＰ層３４上に、シリコン酸化膜ＳｉＯ_２等からなる絶縁膜３７ｂを介して白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等の金属薄膜からなる薄膜ヒータ３８ｂが、それぞれ設けられている。なお、薄膜ヒータ３８ａの一部がｐ型ＩｎＰ埋め込み層３２あるいはｎ型ＩｎＰ埋め込み層３３上に形成されても何ら問題なく、この場合も所望の機能を発揮する。
【００４９】
次に、本実施の形態における波長可変半導体レーザの特徴的な部分である薄膜ヒータ３８ａ、３８ｂによる波長制御動作について詳述する。図７は初期状態（薄膜ヒータ３８ａをオフとし、後方光導波領域２に電圧を印加していない場合）における前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーのそれぞれの反射ピークスペクトルを表し、図７において、４３は前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル、４４は後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルをそれぞれ表す。また、図８は、波長可変時の前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの各反射ピークスペクトルを表し、４５は前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル、４６は後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル、４７は前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルの波長シフト量、４８は後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルの波長シフト量を示す。
【００５０】
初期状態において、図７に示すように前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークは波長λ_１において一致しているものとすると、レーザ発振波長もλ_１となる。レーザ発振波長を意図的に変化させるには、前方ＳＧミラーまたは後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークを波長軸上で移動させる必要がある。半導体からなるＤＢＲミラーの反射ピーク波長は、例えば、雑誌フォトニクス・テクノロジー・レターズ（S. L. Woodward et al. IEEE Photonics Technology Letters, vol. 4, No. 12, 1992, pp. 1330-1332）に報告されているように、ＤＢＲ部分に通電加熱して屈折率を変えることによって、最大で１０ｎｍ程度、長波長側にシフトさせることが可能である。
【００５１】
本実施の形態の波長可変半導体レーザにおいて、前方光導波領域１側の薄膜ヒータ３８ａに通電することにより前方光導波領域１を加熱すると、図８に示すように、前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル４５は長波長側にシフトする。図８において、この場合における前方ＳＧミラーの波長シフト４７の大きさと向きを矢印で示す。
【００５２】
一方、この場合にさらに後方光導波領域２側の薄膜ヒータ３８ｂに通電することにより、後方光導波領域２を加熱すると、図８に示すように、後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル４６も長波長側にシフトする。この時の後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの波長シフトの大きさ４８と向きを同じく矢印で示す。その結果、前方ＳＧミラーと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークが一致する波長はλ_２に変化し、レーザ発振波長もλ_２となる。薄膜ヒータの加熱による波長シフト量は加熱の度合いに比例的に変化するので、両者の通電量を別個に制御することにより、所望の長波長シフト量を得ることが可能となる。
【００５３】
以上説明したように、薄膜ヒータ３８ａへの通電加熱によって前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルは波長軸上で長波長側に移動し、同様な方法によって、後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルも波長軸上で長波長側に移動する。これにより、本実施の形態３の波長可変半導体レーザでは、前方光導波領域１、２に対する加熱の相乗効果によって、より安定かつ制御性良くレーザ発振波長を所望の値に変えることができる。
【００５４】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４における波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面を図９に示す。図中、図５と同様の部分は同一符号で示す。３８ｃは薄膜ヒータ、６０は屈折率制御領域を示す。また、図１０は、本発明の実施の形態４における波長可変半導体レーザ動作時の前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの各反射ピークスペクトルを表す。
【００５５】
実施の形態４の波長可変半導体レーザでは、実施の形態３の波長可変半導体レーザの前方光導波領域１と後方光導波領域２の間に屈折率制御領域６０を設けた点に特徴がある。本実施の形態の波長可変半導体レーザでは、上述のように後方光導波領域２と独立に屈折率可変な位相制御領域６０を設けることによってセルフパルセーション動作と波長可変動作の両立を可能としたものである。すなわち、位相制御領域６０に所定の電流を注入あるいは薄膜ヒータ３８ｃによる加熱のいずれか一方または両方の手段によって位相制御領域６０の屈折率を微調整することにより、セルフパルセーション動作の開始と停止を行わせることができる。
【００５６】
ここで、セルフパルセーション動作について説明する。光ファイバ通信技術は、現代の情報化社会を支える重要なインフラストラクチャーである。従来、海底光ケーブルや都市間を結ぶ陸上幹線通信ネットワークを始めとして整備が進められ、急速な発展を遂げてきた。現在では、幹線系の１チャネル当たりの通信速度は１０〜４０Ｇｂｐｓに及び、将来的には８０〜１６０Ｇｂｐｓ以上の超高速・大容量通信の実現も期待されている。
【００５７】
現状のシステム構成では、ネットワークのノード部分において光信号を一旦電気信号に変換（Ｅ−Ｏ変換）して、リタイミング、波形整形を行った後に、再度光信号に変換（Ｏ−Ｅ変換）して送出している。しかしながら、数１０Ｇｂｐｓを超えるような超高速光通信システムでは、このような電気信号を介した制御で光信号を処理するのはもはや困難であった。すなわち、ノードにおける信号処理速度が次第にネットワーク全体の信号処理速度を制限するボトルネックになりつつあった。かかる問題点を解決し、超高速・大容量通信を実現するためのキー技術が全光信号処理である。
【００５８】
全光信号処理では、技術的および経済的観点からネットワークノードに送られてきた光信号を電気信号に変換することなく光信号のままで波形整形や増幅を行った後に送り出す処理が求められている。光―光制御方式を用いた場合の利点として、電気回路のＣＲ時定数により動作速度が制限されないこと、超短パルスの発生が可能な光パルスが直接利用可能な点が挙げられる。
【００５９】
かかる全光信号処理の実現には各種光素子が必要となるが、特に短い光パルスを一定の周波数で持続させた光クロックパルスは必須であり、安定でジッタ、つまり時間軸での信号の揺らぎの少ない光クロックパルス発生素子の実現が求められている。半導体素子による光クロックパルスの発生は、ネットワークシステムの小型化や振動に対する堅牢さの観点からも重要である。
【００６０】
高速動作可能な光クロックパルスを発生させる半導体レーザとして、パルセーション動作を行うセルフパルセーティングＤＦＢレーザ（self-pulsating distributed feedback laser）が知られている。光クロックパルスを発生する半導体レーザでは、単にセルフパルセーション動作可能であるだけでなく、波長可変機能を具備することが望ましい。光通信で用いられる波長はいわゆるＣバンドと呼ばれる幅３０ｎｍ程度の範囲から選択されるので、異なる波長の入力信号光を波長可変範囲内の任意の波長に変換する波長変換機能をも一つの半導体レーザで受け持たせることができると、波長変換素子面積の縮小や低コスト化が可能となるからである。しかしながら、従来のセルフパルセーティングＤＦＢレーザでは波長可変機能は実用上充分ではなく、波長可変範囲は極めて狭かった。
【００６１】
実施の形態４の波長可変半導体レーザの動作を以下に説明する。なお、波長可変半導体レーザとしての動作は実施の形態３の波長可変半導体レーザとほぼ同一なので、本実施の形態の半導体レーザで特徴的なセルフパルセーション動作を主に説明する。
【００６２】
実施の形態４の波長可変半導体レーザのような３電極構成では、上述したように、回折格子を設けた前方光導波領域１および後方光導波領域３の２つの活性領域が両者の間に設けられた位相制御領域６０を挟んで集積されている。各領域はエッチングによる分離溝１２で電気的に分離されており、独立に電流注入可能である。
【００６３】
実施の形態４の波長可変半導体レーザのセルフパルセーションの繰り返し周波数は、ＳＧミラーから成る前方光導波領域１、ＳＳＧ−ＤＢＲミラーから成る後方光導波領域２への直流的な注入電流によって調整可能である。
【００６４】
実施の形態４の波長可変半導体レーザは、以下に説明する分散性自己Qスイッチング（dispersive self Q-switching）の原理に基づき動作する。一般に、Qスイッチレーザでは、活性層内で強い励起による高い反転分布が生成されているが、初期状態では高い共振器損失が存在するため、レーザ動作が妨げられている。一旦共振器損失が打ち消されると、高いインパルス強度の短パルスが放出される。上記Qスイッチング動作を達成するには、外部に設けた共振器反射ミラーの損失を高い状態から低い状態へ急激に変化させる方法、あるいは初期的に共振器中に内部損失を形成した後、その内部損失を取り除くようにする方法がある。
【００６５】
前方光導波領域１はレーザ閾値電流を十分に上回るように強く励起し、後方光導波領域２はレーザ閾値電流付近でほぼ透明の状態になる程度に弱く励起する。このとき、前方光導波領域１はレーザの活性領域として機能し、後方光導波領域２は分散性の強い、すなわち反射率の波長依存性が大きい、いわゆる反射ミラーとして機能する。前方光導波領域１と後方光導波領域２それぞれのブラッグ（Ｂｒａｇｇ）波長は、当該領域内に注入されたキャリア密度に依存して変化する。前方光導波領域１と後方光導波領域２間で強く非対称励起すると、２つの領域のブラッグ波長がわずかにずれるデチューニング（離調）状態が発生する。ストップバンドの長波長側では、後方光導波領域２からの光反射、つまりフィードバックによって光密度が増大するのでレーザ発振が生じやすい。
【００６６】
後方光導波領域２の反射率が高いとレーザの閾値電流は低減し、逆に後方光導波領域２の反射率が低いとレーザの閾値電流は上昇する。ストップバンドの長波長側では分散性反射ミラーの急峻な反射ピークの裾付近のわずかな波長の変化により、レーザ閾値電流は非常に効率的に変調される。
【００６７】
例えば、後方光導波領域２の反射率が低くて結果的にレーザ閾値電流が上昇すると、共振器内部のキャリア密度も増加して屈折率が低下するため、レーザ発振波長は短波長側にシフトする。そのとき、後方光導波領域２の反射率は高くなり、レーザ閾値電流が急減する結果、Qスイッチレーザと同様に短パルスが出力される。レーザ発振によって消費された活性領域中のキャリアが再び電流注入で補充されるまでには時間遅れがあり、この間レーザ発振は停止する。このように後方光導波領域２からのフィードバックの最小点付近では、キャリア密度の揺らぎによって後方光導波領域２からのフィードバック、すなわち共振器のＱ値が大きく変化する。以上の過程を繰り返すことにより、直流の励起電流を用いているにもかかわらずセルフパルセーション動作を持続させることができる。
【００６８】
本素子構造では、位相制御領域６０は前方光導波領域１と後方光導波領域２で構成された共振器中の光波の位相を、電流注入あるいは薄膜ヒータ３８ｃによる加熱のいずれか一方または両方の手段によって調整してセルフパルセーション動作のオン・オフを制御することにより、セルフパルセーション動作を安定化させる。
【００６９】
本実施の形態の波長可変半導体レーザの動作の一例を以下に説明する。後方光導波領域２の反射スペクトルは１〜２ｎｍの波長幅を有する複数のブラッグ反射ピークを伴う。一方、活性な前方光導波領域１の利得ピークは、各ブラッグ反射ピークの両側に一つずつ存在する。図１０（ａ）に示すように、そのうち一つの反射ピークの長波長側の傾斜した裾に前方領域の利得スペクトルの短波長側のピークを合わせることによって、波長λ_１においてセルフパルセーション動作が可能となる。
【００７０】
後方光導波領域２の薄膜ヒータ３８ｂに電流を注入して発熱によりかかる領域の光導波層３の屈折率が高くなると、図１０（ｂ）のように、別の波長λ_２においてもセルフパルセーション動作が可能となる。波長可変半導体レーザの波長可変動作時における後方光導波領域２の任意の反射ピークの組み合わせ毎に、上述のようなセルフパルセーション動作が可能であるから、結果として一つの波長可変半導体レーザで、レーザ発振波長を変えると同時にセルフパルセーション動作を行わせることが可能となる効果がある。
【００７１】
なお、実施の形態１または２の波長可変半導体レーザにおいて、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層６の下部、つまりＩｎＰ基板４側に高抵抗の電流狭窄層を設けると、光導波路３に一層効率良く電流を注入できるので、高効率で動作する波長可変半導体レーザが得られる効果がある。
【００７２】
【発明の効果】
本発明に係る波長可変半導体レーザでは、半導体基板と、上記半導体基板上に形成されたクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、を備えることとしたので、従来のＳＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザと比較して安定にレーザ発振波長を制御することが可能となり、また、従来のＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザに比べて後方導波領域がＳＳＧ−ＤＢＲミラーで構成されている分、後方反射率を高くとれるため、より低い閾値電流でレーザ発振し、高効率でかつ高出力動作時に狭線幅の波長可変半導体レーザが得られる。
【００７３】
本発明に係る波長可変半導体レーザでは、第１導電型の半導体基板と、上記半導体基板上に形成された第１導電型のクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、上記光導波路上に形成された高抵抗層と、上記前方光導波領域上の高抵抗層中に上記光導波路に沿って形成された屈折率制御層と、上記前方光導波領域上の高抵抗層の上部に形成された第１導電型の第１コンタクト層と、上記光導波路の両側面にそれぞれ形成された第２導電型の埋め込み層と、上記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２導電型の第２コンタクト層と、上記前方光導波領域と上記後方光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、上記半導体基板の裏面側に形成された第１電極と、上記第１コンタクト層上に形成された第２電極と、上記第２コンタクト層上に形成された第３電極と、を備えることとしたので、従来のＳＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザと比較して安定にレーザ発振波長を制御することが可能となり、また、従来のＳＧ−ＤＢＲミラーのみで構成された波長可変半導体レーザに比べて後方導波領域がＳＳＧ−ＤＢＲミラーで構成されている分、後方反射率を高くとれるため、より低い閾値電流でレーザ発振し、かつ高効率で、さらに、ＳＣＨ構造の適用により、縦モードの安定性に優れ、かつ高出力動作時に狭線幅の波長可変半導体レーザが得られる。
【００７４】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザでは、上記分離溝の深さ方向に上記分離溝底部から上記第１導電型のクラッド層に達するイオン注入による高抵抗領域を設けることとしたので、かかるイオン注入による高抵抗領域の存在によって、前方光導波領域側から後方光導波領域側へ、あるいはその逆方向へ流れる電流は著しく制限されるため、前方光導波領域と後方光導波領域の注入電流に対する独立性が向上する結果、電流注入による波長制御性がさらに向上し、波長可変半導体レーザの制御回路が一層簡素化される効果が生じる。
【００７５】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザでは、上記屈折率制御層がさらに上記後方光導波領域上の高抵抗層中にも設けられることとしたので、縦モードの安定性に優れ、かつ高出力動作時に狭線幅の波長可変半導体レーザが得られる。
【００７６】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザでは、半絶縁性の半導体基板と、上記半導体基板上に形成された半絶縁性のクラッド層と、上記クラッド層上に形成された光導波路と、上記光導波路の一部でレーザ光出射方向に対して前方に設けられ一対の回折格子部と非回折格子部からなる部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＧミラーからなりかつ活性領域を兼ねる前方光導波領域と、上記光導波路上に形成された高抵抗層と、上記光導波路の一部で上記レーザ光出射方向に対して後方に設けられ回折格子のピッチを所定の距離間の一端から他端へと規則的に変化させた部分を一周期として複数周期繰り返されたＳＳＧ−ＤＢＲミラーからなる後方光導波領域と、上記光導波路の両側面にそれぞれ形成された第１導電型の埋め込み層および第２導電型の埋め込み層と上記第１導電型の埋め込み層上に形成された第１電極と、上記第２導電型の埋め込み層上に形成された第２電極と、上記前方光導波領域および上記後方光導波領域上部の上記高抵抗層上に絶縁膜を介してそれぞれ形成された薄膜ヒータと、上記前方光導波領域と上記後方光導波領域の境界上の高抵抗層中に設けられた分離溝と、を備えることとしたので、より安定かつ制御性良くレーザ発振波長を所望の値に変えることができる。また、本発明に係る波長可変半導体レーザでは、上記半導体基板、上記クラッド層および埋め込み層がインジウム燐（ＩｎＰ）からなることとしたので、長波長帯の波長可変半導体レーザが得られる。
【００７７】
また、本発明に係る波長可変半導体レーザでは、上記前方光導波領域の結合定数が上記後方光導波領域の結合定数より小さいこととしたので、かかる関係を満たすことにより、前方ミラーの反射率に比べて後方ミラーの反射率を高めることが可能となり、また反射ピーク波長位置を調整して前後ミラー領域における光の伝搬定数がほぼ一致する波長で発振させることができるので、前面からの光出力割合を多くすることができ、高出力かつ高効率動作の半導体レーザが得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図、（ｂ）はレーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域における断面図、（ｃ）は波長可変半導体レーザの上面図、をそれぞれ示す。
【図２】（ａ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザにおける前方および後方光導波領域に電流を注入しない場合の前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルと、後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを示した図であり、（ｂ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザにおける後方光導波領域に電流注入を行った場合の後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルを、電流注入していない前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルと比較して示した図である。
【図３】実施の形態１の波長可変半導体レーザにおけるＳＣＨ構造の屈折率プロファイルである。
【図４】（ａ）は、実施の形態３の波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図，（ｂ）はレーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における断面図、をそれぞれ示す。
【図５】（ａ）は、実施の形態３の波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図，（ｂ）はレーザ光軸に垂直方向で前方光導波領域を含む部分における断面図、をそれぞれ示す。
【図６】実施の形態３の波長可変半導体レーザの上面図である。
【図７】実施の形態３の波長可変半導体レーザにおける初期状態における前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーのそれぞれの反射スピークペクトルである。
【図８】実施の形態３の波長可変半導体レーザにおける波長可変時における前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの各反射ピークスペクトルである。
【図９】実施の形態４の波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図である。
【図１０】実施の形態４の波長可変半導体レーザ動作時の前方ＳＧミラーおよび後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの各反射ピークスペクトルである。
【図１１】従来のＳＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザの構成を示した模式図である。
【図１２】（ａ）は、前方光導波領域および後方光導波領域に電流注入を行わない場合における前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルと後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル、（ｂ）は、後方光導波領域に電流注入を行った場合における後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルをそれぞれ示す。
【図１３】従来のＳＧ−ＤＢＲ波長可変半導体レーザのレーザ光軸に沿った素子断面図である。
【符号の説明】
１活性領域を兼ねたＳＧミラーを有する前方光導波領域、１ａ前方光導波領域に設けられたＳＧミラー中の回折格子部、１ｂＳＧミラー中の一対の回折格子部と非回折格子部を併せて一単位とした場合の一周期、２ＳＳＧ−ＤＢＲミラーを有した後方光導波領域、２ａＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子のピッチ変化、つまり変調に対する一周期、３ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路、４ｎ型ＩｎＰ基板、５ｎ型ＩｎＰクラッド層、６ｐ型ＩｎＰ埋め込み層、７屈折率制御層、７ａ、ｂ、ｃ高抵抗ＩｎＰ層、８ａｎ型ＩｎＰ第１コンタクト層、８ｂｐ型ＩｎＧａＡｓＰ第２コンタクト層、９第１のｎ型電極、１０ｐ型電極、１１第２のｎ型電極、１２分離溝、１３波長可変半導体レーザの出射端面から外部に出射されたレーザ光、１５イオン注入による高抵抗領域、３１半絶縁性のＳＩ−ＩｎＰ基板、３２ｐ型ＩｎＰ埋め込み層、３３ｎ型ＩｎＰ埋め込み層、３４高抵抗ＩｎＰ層、３５ｐ型電極、３６ｎ型電極、３７ａ，ｂシリコン酸化膜ＳｉＯ_２等からなる絶縁膜、３８ａ，ｂ，ｃ薄膜ヒータ、４３前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル、４４後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル、４５前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトル、４６後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトル、４７前方ＳＧミラーの反射ピークスペクトルの波長シフト量、４８後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの反射ピークスペクトルの波長シフト量、６０屈折率制御領域、１０１活性領域、１０２前方光導波領域、１０３後方光導波領域、１０４位相制御領域、１０５ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波路、１０６ｎ型ＩｎＰ基板、１０７ｎ型ＩｎＰクラッド層、１０８ｐ型ＩｎＰクラッド層、１０９ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、１１３ｎ型電極、１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ、１１４ｄｐ型電極、１１５レーザ光、１２１前方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子ピッチ変化つまり変調の一周期、１２２後方ＳＳＧ−ＤＢＲミラーの回折格子ピッチ変化つまり変調の一周期。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a wide-band wavelength tunable semiconductor laser required for optical fiber communication technology used in a trunk-line telephone exchange network and the like, particularly wavelength multiplexing optical communication technology for simultaneously using laser beams of different wavelengths for signal transmission. It is.
[0002]
[Prior art]
As an example of a wavelength tunable semiconductor laser having a conventional multi-electrode DBR (Distributed Bragg Reflectors) structure, an SSG-DBR wavelength tunable using a so-called Super-Structure-Grating (SSG) DBR in a diffraction grating portion. A semiconductor laser will be described. FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional SSG-DBR wavelength tunable semiconductor laser reported in Non-Patent Document 1, and shows a cross-sectional view parallel to the optical axis of the wavelength tunable semiconductor laser.
[0003]
In FIG. 11, 101 is an active region, 102 is a front optical waveguide region, 103 is a rear optical waveguide region, 104 is a phase control region, 105 is an optical waveguide made of InGaAsP, 106 is an n-type InP substrate, and 107 is an n-type InP clad. Layer, 108 is a p-type InP clad layer, 109 is a p-type InGaAsP contact layer, 113 is an n-type electrode, 114a, 114b, 114c, and 114d are p-type electrodes, and 115 is a front end face (laser light emitting end face) of the optical resonator. Laser beams 121 and 122 emitted from the front, respectively, indicate changes in the diffraction grating pitch of the front SSG-DBR mirror and the rear SSG-DBR mirror, that is, one period of modulation.
[0004]
Here, the SSG-DBR mirror means that the pitch of the diffraction grating is changed from one end to the other end within a predetermined distance._aTo Λ_bThe period that has been changed linearly (linear chirping) until 1 period Λ_sIndicates a periodic structure in which a plurality of periods are repeated. The reflection peak spectrum of the SSG-DBR mirror has a wavelength λ_a= 2n_eq× Λ_aTo λ_b= 2n_eq× Λ_bWavelength interval over the wavelength range up to δλ = λ₀ ²/ (2n_eq× Λ_s), And has a plurality of reflection peaks. Where n_eqIs the equivalent refractive index of the optical waveguide, λ₀Is the center wavelength.
[0005]
In the conventional SSG-DBR mirror constituting the front optical waveguide region 102 and the rear SSG-DBR mirror constituting the rear optical waveguide region 103 in the conventional wavelength tunable semiconductor laser, one period 121 and the rear in the above-described front SSG-DBR mirror are used. One period 122 in the SSG-DBR mirror is repeated a plurality of periods (the repetition is not shown). The SSG-DBR wavelength tunable semiconductor laser is designed so that the wavelength intervals of the reflection peaks of the front and rear SSG-DBR mirrors are slightly different from each other by changing the distance of one period 122 with respect to the distance of one period 121 described above. ing.
[0006]
Next, the operation of the conventional SSG-DBR wavelength tunable semiconductor laser shown in FIG. 11 will be described. As shown in FIG. 11, the optical waveguide 105 is configured such that the active region 101, the front optical waveguide region 102, the rear optical waveguide region 103, and the phase control region 104 are integrated. P-type electrodes 114a, 114b, 114c, and 114d that are electrically separated from each other are provided at the top of each region. By applying a forward bias voltage between the p-type electrode 114b provided on the active region 101 and the n-type electrode 113 provided on the back side of the semiconductor substrate 106, an active layer current is injected into the active region 101. In the active region 101, spontaneous emission light over a wide wavelength range is generated.
[0007]
The spontaneously emitted light propagates through the optical waveguide 105 formed in the optical resonator, while the front SSG-DBR mirror formed in the front optical waveguide region 102 and the rear SSG-DBR formed in the rear optical waveguide region 103. It is repeatedly reflected and amplified by the mirror, and finally one arbitrary wavelength is selected by controlling the refractive index of each region by injecting current into the front optical waveguide region 102 or the rear optical waveguide region 103 and further to the phase control region 104. Controlled and lasing at a single wavelength at a certain threshold current.
[0008]
The laser oscillation wavelength control of the conventional wavelength tunable semiconductor laser will be described in more detail. FIG. 12A shows the reflection peak spectrum of the front SSG-DBR mirror formed in each region when current injection is not performed in the front optical waveguide region 102 and the rear optical waveguide region 103, and the rear SSG-DBR mirror. FIG. 12B shows the reflection peak spectrum, and FIG. 12B shows the reflection peak spectrum of the rear SSG-DBR mirror when current is injected into the rear optical waveguide region 103, and the front SSG of the front optical waveguide region 102 where no current is injected. -Compared with the reflection peak spectrum of a DBR mirror. In the figure, the horizontal axis represents wavelength, the vertical axis represents reflectance, and λ₁Indicates the wavelength at which the reflection peaks of the front and rear SSG-DBR mirrors match when no current is injected into either the front optical waveguide region 102 or the rear optical waveguide region 103, and λ₂Indicates the wavelengths at which the reflection peaks of the front and rear SSG-DBR mirrors coincide when current is injected into the rear optical waveguide region 103. These reflection peak spectra are generally composed of a plurality of reflection peaks having extremely narrow line widths having different intensities, which are characteristics of the SSG-DBR wavelength tunable semiconductor laser.
[0009]
As described above, in the initial state where the front SSG-DBR mirror control current and the rear SSG-DBR mirror control current are both zero, the front and rear SSG- formed in the front optical waveguide region 102 and the rear optical waveguide region 103, respectively. The wavelength at which the reflection peaks of the DBR mirror match is λ₁It becomes. As a result, the wavelength λ₁Is strongly reflected by the front and rear SSG-DBR mirrors, the wavelength λ₁The loss at is very small compared to other wavelengths. That is, the wavelength λ₁As a result, the tunable semiconductor laser has a wavelength λ which is relatively increased compared to other wavelengths.₁This leads to laser oscillation. Note that the wavelength at which the reflection peaks of the front and rear SSG-DBR mirrors coincide is λ.₁However, it is not coincident with other reflection peaks in the vicinity of the wavelength interval of the reflection peak spectrum between the front and rear mirrors due to the difference in the pitch of the diffraction grating based on the difference in distance between the periods 121 and 122 of the both. This is because of the subtle shift, it matches only at a specific point like a vernier scale. In order to change the laser oscillation wavelength of the SSG-DBR wavelength tunable semiconductor laser, a forward bias voltage is applied to either or both of the front optical waveguide region 102 and the rear optical waveguide region 103 as illustrated in FIG. Is applied, current is injected into such a region, and the refractive index of the front optical waveguide region 102 and / or the rear optical waveguide region 103 is equivalently changed by this current injection. By changing the refractive index by current injection, the wavelength having a relatively large gain is shifted to the short wavelength side, and this light propagates and amplifies in the optical waveguide 105, and finally the front and rear SSG-DBR mirrors. Wavelength λ where reflection peaks match₂Laser oscillation. A wavelength tunable semiconductor laser is formed by injecting a current into the optical waveguide region in which the SSG-DBR mirror is formed, and by intentionally changing the refractive index of the optical waveguide region by controlling the current injection level. The laser oscillation wavelength can be changed with good controllability. A characteristic of the SSG-DBR mirror is that each reflection peak intensity can be relatively high. This effect is particularly remarkable for the SG-DBR mirror described later.
[0010]
Further, as a tunable semiconductor laser mirror similar to SSG-DBR, for example, there is a sampled grating-DBR reported in Non-Patent Document 2, that is, SG-DBR. SG-DBR refers to a structure in which a portion composed of a pair of diffraction grating portions and a non-diffraction grating portion is repeated a plurality of periods. The diffraction grating of the diffraction grating portion has a normal uniform pitch.
[0011]
FIG. 13 shows an element cross-sectional view along the laser optical axis of the SG-DBR wavelength tunable semiconductor laser. The SG-DBR wavelength tunable semiconductor laser is different from the above SSG-DBR wavelength tunable semiconductor laser only in that the mirrors constituting the front and rear optical waveguide regions 102 and 103 are SG-DBR. The SG-DBR mirror is characterized by a pair of diffraction grating parts and a non-diffraction grating part as one period, and by repeating such a part for a plurality of periods to form an optical waveguide region, a periodic reflection peak is generated in the reflection peak spectrum. There is in point to do. Incidentally, there is only one reflection peak in an optical waveguide region consisting of a diffraction grating with only a uniform pitch, that is, a DBR mirror. In this respect, the two are significantly different. However, in the SG-DBR mirror, the intensity of each reflection peak cannot be made high, and each intensity itself is different in each reflection peak. Specifically, the reflection peak spectrum of the SG-DBR mirror exhibits a spectrum shape that monotonously decreases from the central reflection peak toward both sides.
[0012]
[Non-Patent Document 1]
H. Ishii et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, 32 (3), 1996, p. 433-441
[Non-Patent Document 2]
V. Jayaraman et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, 29, 6, 1993, p. 1624-1834
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
In FIG. 12, as described above, the wavelength dependency of the reflection peak of the front and rear SSG-DBR mirrors in the conventional SSG-DBR wavelength tunable semiconductor laser is shown. In the SSG-DBR wavelength tunable semiconductor laser, as described above, the front and rear SSG-DBRs are changed by, for example, changing the distance of one cycle 122 of the rear optical waveguide region 103 with respect to the distance of one cycle 121 of the front optical waveguide region 102. The mirrors are designed so that the wavelength intervals of the reflection peaks are slightly different from each other. The current is injected into the front and rear SSG-DBR mirror regions, that is, the front optical waveguide region 102 and the rear optical waveguide region 103 to reduce the refractive index and shift the reflection peak to the short wavelength side, thereby reflecting the front and rear SSG-DBR mirrors. The laser oscillation wavelength is changed by a method of changing the wavelength at which the peaks coincide, that is, a method using a so-called vernier effect.
[0014]
However, since the reflection peak intensity varies randomly for each SSG mode, when the laser oscillation wavelength is changed by applying the above-described vernier effect, the mode is different from the laser oscillation in another SSG mode that is not originally intended. Conflicts could occur. Therefore, the current injected into the front SSG-DBR mirror (i_f) And the injection current to the rear SSG-DBR mirror (i_r), There is a high possibility that the laser oscillation wavelength fluctuates irregularly due to fluctuations in the element temperature and injection current. In addition, due to the random fluctuation of the reflection peak intensity, there is a problem that it is difficult to change continuously in some wavelength regions.
[0015]
In a conventional SSG-DBR wavelength tunable semiconductor laser, the reflection peak intensity is made uniform by increasing the repetition period of one period 121, 122 of the diffraction grating forming the SSG-DBR mirror and sufficiently increasing the reflectance. However, in this case, when the reflectance of the front SSG-DBR mirror is increased, the laser light output 115 that can be extracted to the outside is lowered, and the differential quantum efficiency is also lowered. In addition, when the front optical waveguide region 102 is lengthened, a problem that the laser oscillation line width is newly increased due to the influence of free carrier absorption and carrier recombination when current injection is performed. On the other hand, when the front and rear optical waveguide regions are SG-DBR mirrors, the reflection peak intensity of each reflection peak cannot be made higher than that of the SSG-DBR mirror structure, and the reflection peak intensity is monotonous from the central reflection peak toward both sides. Since the reflection peak spectrum is not flat as a whole wavelength, there is a problem that the wavelength variable range is narrower than that of the SSG-DBR mirror.
[0016]
The present invention has been made to solve the above-described problems caused by the conventional wavelength tunable semiconductor laser, and is excellent in device characteristics such as wavelength stability at the time of wavelength tuning and low threshold current. An object is to provide a semiconductor laser.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
A wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention includes a semiconductor substrate, a cladding layer formed on the semiconductor substrate, an optical waveguide formed on the cladding layer, and a part of the optical waveguide in a laser beam emitting direction. In contrast, a front optical waveguide region composed of an SG mirror that repeats a plurality of periods, with a portion consisting of a pair of diffraction grating portions and a non-diffraction grating portion provided as a period, and also serving as an active region, and a part of the optical waveguide The SSG-DBR mirror is provided behind the laser beam emission direction and is repeated a plurality of periods with a part where the pitch of the diffraction grating is regularly changed from one end to the other end of a predetermined distance as one period. And a rear optical waveguide region.
[0018]
Further, a wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention includes a first conductivity type semiconductor substrate, a first conductivity type cladding layer formed on the semiconductor substrate, an optical waveguide formed on the cladding layer, A part of the optical waveguide that is provided forward with respect to the laser beam emission direction and includes a SG mirror that is repeated a plurality of periods with a part consisting of a pair of diffraction grating parts and a non-diffraction grating part as one period, and also serves as an active region An optical waveguide region and a portion of the optical waveguide that is provided behind the laser beam emission direction and in which the pitch of the diffraction grating is regularly changed from one end to another end within a predetermined distance is one cycle. A rear optical waveguide region composed of SSG-DBR mirrors repeated for a plurality of periods, a high resistance layer formed on the optical waveguide, and formed in the high resistance layer on the front optical waveguide region along the optical waveguide Was A curvature control layer, a first contact layer of a first conductivity type formed on the high resistance layer on the front optical waveguide region, and a second conductivity type embedding formed on both side surfaces of the optical waveguide, respectively. And a second conductive type second contact layer formed on the second conductive type buried layer, and a high resistance layer on a boundary between the front optical waveguide region and the rear optical waveguide region. A separation groove; a first electrode formed on the back side of the semiconductor substrate; a second electrode formed on the first contact layer; and a third electrode formed on the second contact layer. I decided to prepare.
[0019]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, a high resistance region is formed in the depth direction of the separation groove by ion implantation reaching the first conductivity type cladding layer from the bottom of the separation groove.
[0020]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, the refractive index control layer is further provided in a high resistance layer on the rear optical waveguide region.
[0021]
The wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention includes a semi-insulating semiconductor substrate, a semi-insulating cladding layer formed on the semiconductor substrate, an optical waveguide formed on the cladding layer, and the optical waveguide. A forward optical waveguide comprising an SG mirror which is provided in front of a part of the waveguide with respect to the laser beam emission direction and which is repeated for a plurality of periods with a part consisting of a pair of diffraction grating parts and a non-diffraction grating part serving as one period. A region, a high-resistance layer formed on the optical waveguide, and a part of the optical waveguide provided behind the laser beam emission direction, the pitch of the diffraction grating from one end to the other between a predetermined distance And a rear optical waveguide region composed of SSG-DBR mirrors that are repeated a plurality of periods with a regularly changed portion as a period, buried layers of the first conductivity type formed on both side surfaces of the optical waveguide, and A second conductivity type buried layer, a first electrode formed on the first conductivity type buried layer, a second electrode formed on the second conductivity type buried layer, the front optical waveguide region, and the Thin film heaters respectively formed on the high resistance layer above the rear optical waveguide region via an insulating film, and a separation groove provided in the high resistance layer on the boundary between the front optical waveguide region and the rear optical waveguide region And so on.
[0022]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, the semiconductor substrate, the cladding layer, and the buried layer are made of indium phosphide (InP).
[0023]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, the coupling constant of the front optical waveguide region is smaller than the coupling constant of the rear optical waveguide region.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
The wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1A is an element cross-sectional view along the laser optical axis of the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view at a portion including a front optical waveguide region in a direction perpendicular to the laser optical axis. c) shows a top view, respectively. In the figure, 1 is a forward optical waveguide region having an SG mirror that also serves as an active region, 1a is a diffraction grating portion in the SG mirror provided in the forward optical waveguide region, and 1b is a pair of diffraction grating portions in the SG mirror. One period when the non-diffraction grating part is combined as one unit, 2 is a rear optical waveguide region having an SSG-DBR mirror, 2a is a pitch change of the diffraction grating of the SSG-DBR mirror, that is, one period for modulation, 3 Is an optical waveguide made of InGaAsP, 4 is an n-type InP substrate, 5 is an n-type InP clad layer, 6 is a p-type InP buried layer, 7 is a refractive index control layer, 7a, b and c are high-resistance InP layers, and 8a is An n-type InP first contact layer, 8b is a p-type InGaAsP second contact layer, 9 is a first n-type electrode (first electrode), 10 is a p-type electrode (third electrode), and 11 is a second n-type. Electrode (second electrode), 12 separated , 13 denotes a laser light emitted to the outside from the emission end surface of the wavelength tunable semiconductor laser, respectively. The SG mirror or SSG-DBR mirror is provided by forming a diffraction grating having a desired shape on the optical waveguide 3 made of InGaAsP by a method such as etching. As can be seen from FIG. 1C, the p-type electrode 10 is provided for each of the upper part on the front optical waveguide region 1 side and the upper part on the rear optical waveguide region 2 side. Is provided only at the upper part on the front optical waveguide region 1 side.
[0026]
As a constituent material of the wavelength tunable semiconductor laser described above, an InGaAsP compound semiconductor formed on an InP substrate is used. When such a compound semiconductor is used as a constituent material, a tunable semiconductor laser having a long wavelength band that is important as a light source for optical communication can be obtained.
[0027]
Next, the operation of the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention will be described. Between the p-type electrode 10 electrically separated and installed on the front optical waveguide region 1 side having the SG mirror that also serves as the active region, and the n-type electrode 9 formed on the back side of the semiconductor substrate 4 By applying a directional bias voltage, an active layer current is injected into the front optical waveguide region 1 that also serves as the active region, and spontaneous emission light over a wide wavelength range is generated in the front optical waveguide region 1. Such spontaneous emission light is repeatedly reflected and amplified by the SG mirror provided in the front optical waveguide region 1 and the SSG-DBR mirror provided in the rear optical waveguide region 2 while propagating through the optical waveguide 3 made of InGaAsP. By controlling the current injection into the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2, one arbitrary wavelength is finally selected and controlled, and laser oscillation is performed at a single wavelength at a certain threshold current.
[0028]
Next, laser oscillation wavelength control of the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention will be described in detail.
[0029]
First, functions of the front SG mirror and the rear SSG-DBR mirror will be described. FIG. 2A shows the reflection peak spectrum of the front SG mirror and the rear SSG-DBR mirror generated in each of the optical waveguide regions 1 and 2 when no current is injected into the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2. 2 (b) shows the reflection peak spectrum of the rear SSG-DBR mirror when current is injected into the rear optical waveguide region 2, and the reflection peak spectrum of the front SG mirror not injected with current. It is shown in comparison with. In the figure, the horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents reflectance. As can be seen from the figure, the individual reflection peaks having a very narrow line width are arranged at regular wavelength intervals. In the figure, λ₁Indicates the wavelength at which the reflection peak spectra of the front and rear mirrors match when neither the front optical waveguide region 1 nor the rear optical waveguide region 2 performs current injection, and λ₂Represents the wavelengths at which the reflection peak spectra of the front and rear mirrors coincide when current is injected into the rear optical waveguide region 2. The reflection peak spectrum in the front optical waveguide region 1 has a reflection peak spectrum peculiar to the SG mirror, that is, a shape in which the reflection peak intensity monotonously decreases from the central reflection peak toward both sides.
[0030]
As described above, FIG. 2A shows the reflection peak spectrum in the initial state in which both the front SG mirror injection current and the rear SSG-DBR mirror injection current are zero. In this case, the wavelength at which the reflection peak spectra of the front SG mirror and the rear SSG-DBR mirror respectively provided in the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2 match is λ.₁It becomes. Wavelength λ₁The loss at is very small compared to other wavelengths, so the wavelength λ₁As a result, the wavelength tunable semiconductor laser of the present embodiment has a wavelength λ.₁This leads to laser oscillation.
[0031]
In order to intentionally change the laser oscillation wavelength of the wavelength tunable semiconductor laser in the present embodiment, a forward bias voltage is applied to one or both of the front optical waveguide region 1 side and the rear optical waveguide region 2 side. Current is injected into each region, and the refractive index of the front optical waveguide region 1 and / or the rear optical waveguide region 2 is equivalently changed by the free carrier plasma effect. However, an active layer current that contributes to laser oscillation needs to flow through the front optical waveguide region 1.
[0032]
An example shown in FIG. 2B is a case where current injection is performed only in the rear optical waveguide region 2. The reflection peak spectrum of the rear SSG-DBR mirror is shifted to the short wavelength side due to a decrease in the refractive index due to current injection in the rear SSG-DBR mirror, and the wavelength at which the reflection peak spectra of the front SG mirror and the rear SSG-DBR mirror match is Wavelength λ without current injection₁To wavelength λ₂Shift to λ₂Is propagated through the optical waveguide 3 and amplified, and finally applied to the wavelength λ₂This leads to laser oscillation. The laser oscillation wavelength can be similarly changed when current injection is performed only in the front optical waveguide region 1 or when current injection is performed in both the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2. As described above, it is possible to arbitrarily change the laser oscillation wavelength by injecting current into one or both of the front and rear optical waveguide regions 1 and 2 and changing the refractive index by controlling the current injection level.
[0033]
FIG. 2B shows the wavelength dependence of the reflection peak of the diffraction grating of the mirror before and after the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment as described above. In the case of the front SG mirror, FIG. Is monotonously decreasing on both sides with the central mode as the maximum value, but for the rear SSG-DBR mirror, by setting the SSG period to a predetermined number of times and setting the reflectance as large as possible, a plurality of The reflection peak intensity is almost constant.
[0034]
There are two current injection methods on the front optical waveguide region 1 side. That is, a method of applying a forward bias voltage between the p-type electrode 10 and the first n-type electrode 9 and a method of applying a forward bias voltage between the p-type electrode 10 and the second n-type electrode 11. It is. The refractive index change by the former continues until the injection current density reaches the oscillation threshold current density and the carrier density in the front optical waveguide region is clamped, and the latter can contribute to the refractive index change of the region independently of the former. . By using these two current injection methods in combination, the current contributing to laser oscillation and the current contributing to refractive index change can be controlled independently, and more stable wavelength control is possible. As a result, the wavelength controllability by current injection is improved, and the control circuit of the wavelength tunable semiconductor laser is simplified.
[0035]
Next, the SCH (Separate-Confinement-Heterostructure) structure in the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment will be described.
[0036]
In the portion on the front optical waveguide region 1 side in the above-described wavelength tunable semiconductor laser, in the direction perpendicular to the n-type InP substrate 4, the n-type InP substrate 4, the n-type InP cladding layer 5, and InGaAsP composed of multiple quantum wells are used. The optical waveguide 3, the high resistance InP layer 7 a, the refractive index control layer 7, and the high resistance InP layer 7 b are configured. With such a layer structure, a refractive index profile as shown in FIG. 3 is obtained (the multiple quantum well portion is not shown), and a so-called SCH structure is formed. Note that the change in refractive index is caused by the difference in the composition ratio of the constituent elements of the compound semiconductor in each layer. Here, the refractive index control layer 7 has a function of intentionally changing the light confinement coefficient by changing the refractive index to shift the equivalent refractive index of the SCH structure from the original value.
[0037]
By applying the above-described SCH structure, it is possible to obtain a wavelength tunable semiconductor laser having excellent longitudinal mode stability and a narrow line width during high output operation.
[0038]
The coupling constant κ of the front optical waveguide region 1 is obtained by the SG mirror provided in the front optical waveguide region 1 of the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment.₁Is determined. Coupling constant κ₁The value can be changed according to the pitch and height of the diffraction grating portion 1a and one period 1b when a pair of diffraction grating portions and non-diffraction grating portions in the SG mirror are combined as one unit.
[0039]
On the other hand, the coupling constant κ of the rear optical waveguide region 2 is obtained by the SSG-DBR mirror provided in the rear optical waveguide region 2.₂Is determined. Coupling constant κ₂Is the coupling constant κ₁As with, the value can be changed by the pitch of the diffraction grating and the like.
[0040]
In the wavelength tunable semiconductor laser of the first embodiment, the coupling constant κ₁And the coupling constant κ₂Is κ₁<Κ₂
The pitch of the diffraction grating is set in advance so as to satisfy the above relationship. If this relationship is established, the reflectance of the rear mirror can be increased compared to the reflectance of the front mirror, and the wavelength at which the light propagation constants in the front and rear mirror regions substantially match by adjusting the reflection peak wavelength position. As in the case of the BIG laser, the ratio of the light output from the front surface can be increased, and as a result, a wavelength tunable semiconductor laser with high output and high efficiency operation can be obtained.
[0041]
A phase shift of λ / 4 is further provided between the diffraction gratings of the front SG mirror and the rear SSG-DBR mirror. As a result, the forward wave and the backward wave can be phase-matched at the Bragg wavelength of the diffraction grating, and stable single longitudinal mode operation is possible.
[0042]
As described above, in the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment, as described above, the front SG mirror has a maximum of the reflection peak intensity with respect to the wavelength due to its property, and the reflection peak intensity is on both sides of the maximum value. Since it decreases monotonously, there is no random fluctuation of the reflection peak spectrum as in the SSG-DBR mirror, and as a result, the laser oscillation wavelength is stable compared to a wavelength tunable semiconductor laser composed only of a conventional SSG-DBR mirror. Can be controlled. Compared to a conventional wavelength tunable semiconductor laser composed only of an SG-DBR mirror, the back reflectivity can be increased because the rear is composed of an SSG-DBR mirror, so that laser oscillation occurs at a lower threshold current. In addition, an efficient wavelength tunable semiconductor laser can be obtained, and further, by applying the SCH structure, a longitudinal wavelength mode stability and a narrow line width tunable semiconductor laser can be obtained during high output operation.
[0043]
Further, in the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment, the refractive index and optical output of the region are obtained by injecting current into the front optical waveguide region, and the refractive index of the region is obtained by injecting current into the rear optical waveguide region. As a result, the wavelength controllability by current injection is improved and the control circuit of the wavelength tunable semiconductor laser is simplified.
Furthermore, in the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment, since the front optical waveguide region has both functions of the SG mirror and the active region, the device area can be reduced and the injection current can be reduced compared to the device structure in which both are formed separately. The effect of reduction of the effect occurs.
[0044]
Embodiment 2. FIG.
FIG. 4A shows an element cross section along the laser optical axis of the wavelength tunable semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 4B shows an element cross section at a portion perpendicular to the laser optical axis and including the front optical waveguide region. Shown in In the figure, the same parts as those in FIG. Reference numeral 15 denotes a high resistance region by ion implantation.
[0045]
In the wavelength tunable semiconductor laser of the first embodiment, a separation groove 12 is provided between the two in order to separately control the current injected into the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2. However, although the high-resistance InP layer 7b is thin in the separation groove 12 portion, the high-resistance InP layer 7b is still formed continuously on the boundary between the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2, Despite the provision of the separation groove 12, the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2 are not necessarily completely electrically separated.
[0046]
Therefore, in the wavelength tunable semiconductor laser according to the second embodiment, the separation groove provided in the high resistance layer 7b on the boundary between the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2 in order to further increase the degree of such electrical isolation. A high resistance region 15 by ion implantation reaching the n-type cladding layer 5 from the bottom of 12 was provided. The ion-implanted high resistance region 15 exhibits a resistance value higher than that of the original crystal. This is because a crystal defect or a deep level is formed inside the crystal by ion implantation, and the crystal defect or the like functions as a carrier capture center. Examples of ionic species that bring about such effects include protons (H⁺), Oxygen (O), iron (Fe), and the like. The current flowing from the front optical waveguide region 1 side to the high resistance layer 7b on the rear optical waveguide region 2 side or in the opposite direction is significantly limited by the presence of the high resistance region 15 by ion implantation. As a result, the wavelength controllability by the current injection is further improved, and the control circuit of the wavelength tunable semiconductor laser is further simplified. In FIG. 4A, the refractive index control layer 7 is also provided on the rear optical waveguide region 2 side, unlike the case of the first embodiment. However, as in the case of the first embodiment, it is needless to say that the same function is exhibited even in an element structure in which the refractive index control layer 7 is not provided on the rear optical waveguide region 2 side.
[0047]
Embodiment 3 FIG.
FIG. 5A shows an element cross section along the laser optical axis of the wavelength tunable semiconductor laser according to Embodiment 3 of the present invention, and FIG. 5B shows an element cross section at a portion including the front optical waveguide region in the direction perpendicular to the laser optical axis. Shown in A top view of the element is shown in FIG. In the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment, in the front optical waveguide region 1, a current can flow in a direction perpendicular to the element from the p-type electrode 10 on the front surface side to the first n-type electrode 9 on the back surface side. On the other hand, in the wavelength tunable semiconductor laser of the third embodiment, the substrate is composed of a semi-insulating InP substrate 31 and the semi-insulating InP layer also functions as a cladding layer under the optical waveguide 3. In addition, a p-type InP buried layer 32 and an n-type InP buried layer 33 are respectively formed on both side surfaces of the optical waveguide 3, a high-resistance InP layer 34 is provided on the upper portion of the optical waveguide 3, and further in the front optical waveguide region 1. A p-type electrode 35 (first electrode) is provided on the p-type InP buried layer 32, and an n-type electrode 36 (second electrode) is provided on the n-type InP buried layer 33. Between n-type electrodes 36 By applying a forward bias voltage, and has a structure in which current flows in the horizontal direction with respect to the element.
[0048]
The silicon oxide film SiO is mainly formed on the high-resistance InP layer 34 above the front optical waveguide region 1.₂A thin film heater 38a made of a metal thin film such as platinum (Pt) or gold (Au) is interposed on the high resistance InP layer 34 above the rear optical waveguide region 2 through an insulating film 37a made of etc.₂A thin film heater 38b made of a metal thin film such as platinum (Pt) or gold (Au) is provided through an insulating film 37b made of. Incidentally, even if a part of the thin film heater 38a is formed on the p-type InP buried layer 32 or the n-type InP buried layer 33, there is no problem, and in this case, the desired function is exhibited.
[0049]
Next, the wavelength control operation by the thin film heaters 38a and 38b, which is a characteristic part of the wavelength tunable semiconductor laser in the present embodiment, will be described in detail. FIG. 7 shows respective reflection peak spectra of the front SG mirror and the rear SSG-DBR mirror in the initial state (when the thin film heater 38a is turned off and no voltage is applied to the rear optical waveguide region 2). 43 represents a reflection peak spectrum of the front SG mirror, and 44 represents a reflection peak spectrum of the rear SSG-DBR mirror. 8 shows the reflection peak spectra of the front SG mirror and the rear SSG-DBR mirror when the wavelength is variable, 45 is the reflection peak spectrum of the front SG mirror, 46 is the reflection peak spectrum of the rear SSG-DBR mirror, 47 Indicates the wavelength shift amount of the reflection peak spectrum of the front SG mirror, and 48 indicates the wavelength shift amount of the reflection peak spectrum of the rear SSG-DBR mirror.
[0050]
In the initial state, as shown in FIG. 7, the reflection peak of the front SG mirror and the rear SSG-DBR mirror has a wavelength λ.₁, The lasing wavelength is also λ₁It becomes. In order to intentionally change the laser oscillation wavelength, it is necessary to move the reflection peak of the front SG mirror or the rear SSG-DBR mirror on the wavelength axis. The reflection peak wavelength of a DBR mirror made of a semiconductor is reported, for example, in the magazine Photonics Technology Letters (SL Woodward et al. IEEE Photonics Technology Letters, vol. 4, No. 12, 1992, pp. 1330-1332). As shown, by changing the refractive index by energizing and heating the DBR portion, it is possible to shift it to the long wavelength side by about 10 nm at the maximum.
[0051]
In the wavelength tunable semiconductor laser of the present embodiment, when the front optical waveguide region 1 is heated by energizing the thin film heater 38a on the front optical waveguide region 1 side, the reflection peak spectrum 45 of the front SG mirror is shown in FIG. Shifts to the longer wavelength side. In FIG. 8, the magnitude and direction of the wavelength shift 47 of the front SG mirror in this case are indicated by arrows.
[0052]
On the other hand, when the rear optical waveguide region 2 is heated by further energizing the thin film heater 38b on the rear optical waveguide region 2 side in this case, the reflection peak spectrum 46 of the rear SSG-DBR mirror is also long as shown in FIG. Shift to the wavelength side. The magnitude 48 and the direction of the wavelength shift of the rear SSG-DBR mirror at this time are also indicated by arrows. As a result, the wavelength at which the reflection peaks of the front SG mirror and the rear SSG-DBR mirror match is λ.₂The lasing wavelength is also λ₂It becomes. Since the amount of wavelength shift due to heating of the thin film heater changes in proportion to the degree of heating, a desired long wavelength shift amount can be obtained by separately controlling the energization amount of both.
[0053]
As described above, the reflection peak spectrum of the front SG mirror moves to the long wavelength side on the wavelength axis by energization heating to the thin film heater 38a, and the reflection peak spectrum of the rear SSG-DBR mirror is also converted to the wavelength axis by the same method. Move to the long wavelength side. Thereby, in the wavelength tunable semiconductor laser according to the third embodiment, the laser oscillation wavelength can be changed to a desired value more stably and with good controllability by the synergistic effect of heating the front optical waveguide regions 1 and 2.
[0054]
Embodiment 4 FIG.
FIG. 9 shows an element cross section along the laser optical axis of the wavelength tunable semiconductor laser according to the fourth embodiment of the present invention. In the figure, the same parts as those in FIG. Reference numeral 38c denotes a thin film heater, and reference numeral 60 denotes a refractive index control region. FIG. 10 shows each reflection peak spectrum of the front SG mirror and the rear SSG-DBR mirror when the wavelength tunable semiconductor laser is operated in the fourth embodiment of the present invention.
[0055]
The wavelength tunable semiconductor laser according to the fourth embodiment is characterized in that a refractive index control region 60 is provided between the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2 of the wavelength tunable semiconductor laser according to the third embodiment. In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment, the self-pulsation operation and the wavelength tunable operation can be made compatible by providing the phase control region 60 whose refractive index is variable independently of the rear optical waveguide region 2 as described above. It is. That is, the self-pulsation operation is started and stopped by finely adjusting the refractive index of the phase control region 60 by either or both of injecting a predetermined current into the phase control region 60 and heating by the thin film heater 38c. Can be done.
[0056]
Here, the self-pulsation operation will be described. Optical fiber communication technology is an important infrastructure that supports the modern information society. In the past, development has been progressing, including submarine optical cables and land-based trunk communication networks connecting cities. Currently, the communication speed per channel of the trunk line system ranges from 10 to 40 Gbps, and in the future, it is expected to realize ultra high speed and large capacity communication of 80 to 160 Gbps or more.
[0057]
In the current system configuration, an optical signal is temporarily converted into an electrical signal (EO conversion) at the node portion of the network, retiming and waveform shaping are performed, and then converted again into an optical signal (OE conversion). Are sent out. However, in an ultrahigh-speed optical communication system exceeding several tens of Gbps, it is no longer difficult to process an optical signal by such control via an electric signal. That is, the signal processing speed at the node is gradually becoming a bottleneck that limits the signal processing speed of the entire network. All-optical signal processing is a key technology for solving such problems and realizing ultrahigh-speed and large-capacity communication.
[0058]
In all-optical signal processing, from the technical and economic viewpoints, there is a need for processing to send an optical signal sent to a network node after performing waveform shaping and amplification as it is without converting it to an electrical signal. . Advantages of using the light-light control method include that the operation speed is not limited by the CR time constant of the electric circuit, and that light pulses capable of generating ultrashort pulses can be used directly.
[0059]
Various optical elements are required to realize such all-optical signal processing, but an optical clock pulse in which a short optical pulse is sustained at a constant frequency is indispensable, and it is stable and jitter, that is, signal fluctuation on the time axis. Realization of an optical clock pulse generating element with a small number of elements is demanded. Generation of an optical clock pulse by a semiconductor element is important from the viewpoint of miniaturization of a network system and robustness against vibration.
[0060]
As a semiconductor laser that generates an optical clock pulse capable of high-speed operation, a self-pulsating distributed feedback laser (DFB laser) that performs a pulsation operation is known. A semiconductor laser that generates an optical clock pulse desirably has not only a self-pulsation operation but also a wavelength variable function. Since the wavelength used in optical communication is selected from a range of about 30 nm called a so-called C band, one semiconductor laser also has a wavelength conversion function for converting input signal light having a different wavelength into an arbitrary wavelength within the wavelength variable range. This is because the area of the wavelength conversion element can be reduced and the cost can be reduced. However, in the conventional self-pulsating DFB laser, the wavelength variable function is not practically sufficient, and the wavelength variable range is extremely narrow.
[0061]
The operation of the wavelength tunable semiconductor laser according to the fourth embodiment will be described below. Since the operation as the wavelength tunable semiconductor laser is almost the same as that of the wavelength tunable semiconductor laser according to the third embodiment, the characteristic self-pulsation operation of the semiconductor laser according to the present embodiment will be mainly described.
[0062]
In the three-electrode configuration such as the wavelength tunable semiconductor laser of the fourth embodiment, as described above, the two active regions of the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 3 provided with the diffraction grating are provided between the two. The phase control regions 60 are stacked. Each region is electrically separated by a separation groove 12 by etching, and current can be injected independently.
[0063]
The self-pulsation repetition frequency of the wavelength tunable semiconductor laser according to the fourth embodiment can be adjusted by direct current injection into the front optical waveguide region 1 composed of SG mirrors and the rear optical waveguide region 2 composed of SSG-DBR mirrors. is there.
[0064]
The wavelength tunable semiconductor laser according to the fourth embodiment operates based on the principle of dispersive self Q-switching described below. In general, in a Q-switched laser, a high inversion distribution is generated in the active layer due to strong excitation. However, since there is a high resonator loss in the initial state, laser operation is hindered. Once the resonator loss is canceled, a short pulse with high impulse intensity is emitted. In order to achieve the above Q switching operation, the loss of the resonator reflecting mirror provided outside is rapidly changed from a high state to a low state, or an internal loss is initially formed in the resonator and the internal There is a way to get rid of the loss.
[0065]
The front optical waveguide region 1 is excited strongly so as to sufficiently exceed the laser threshold current, and the rear optical waveguide region 2 is excited weakly to the extent that it becomes almost transparent near the laser threshold current. At this time, the front optical waveguide region 1 functions as an active region of the laser, and the rear optical waveguide region 2 functions as a so-called reflection mirror having high dispersibility, that is, having a large wavelength dependency of reflectance. The Bragg wavelength of each of the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2 varies depending on the density of carriers injected into the region. When strongly asymmetrically excited between the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2, a detuning (detuning) state occurs in which the Bragg wavelengths of the two regions are slightly shifted. On the long wavelength side of the stop band, laser oscillation is likely to occur because the light density is increased by light reflection from the rear optical waveguide region 2, that is, feedback.
[0066]
When the reflectivity of the rear optical waveguide region 2 is high, the threshold current of the laser decreases. Conversely, when the reflectivity of the rear optical waveguide region 2 is low, the threshold current of the laser increases. On the long wavelength side of the stop band, the laser threshold current is modulated very efficiently due to a slight change in wavelength near the bottom of the steep reflection peak of the dispersive reflecting mirror.
[0067]
For example, if the reflectivity of the rear optical waveguide region 2 is low and the laser threshold current increases as a result, the carrier density inside the resonator also increases and the refractive index decreases, so the laser oscillation wavelength shifts to the short wavelength side. . At that time, the reflectivity of the rear optical waveguide region 2 is increased, and as a result of the rapid decrease in the laser threshold current, a short pulse is output as in the Q-switched laser. There is a time delay until carriers in the active region consumed by laser oscillation are replenished by current injection, and laser oscillation stops during this time. Thus, in the vicinity of the minimum point of feedback from the rear optical waveguide region 2, the feedback from the rear optical waveguide region 2, that is, the Q value of the resonator greatly changes due to fluctuations in carrier density. By repeating the above process, the self-pulsation operation can be maintained despite the use of a direct current excitation current.
[0068]
In the present element structure, the phase control region 60 is a means for either or both of current injection and heating by the thin film heater 38c to change the phase of the light wave in the resonator composed of the front optical waveguide region 1 and the rear optical waveguide region 2. The self-pulsation operation is stabilized by controlling the on / off of the self-pulsation operation by adjusting according to.
[0069]
An example of the operation of the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment will be described below. The reflection spectrum of the rear optical waveguide region 2 is accompanied by a plurality of Bragg reflection peaks having a wavelength width of 1 to 2 nm. On the other hand, one gain peak of the active front optical waveguide region 1 exists on both sides of each Bragg reflection peak. As shown in FIG. 10 (a), by aligning the short wavelength side peak of the gain spectrum of the front region with the slanted skirt of one reflection peak on the long wavelength side, the wavelength λ₁The self-pulsation operation can be performed at.
[0070]
When current is injected into the thin film heater 38b in the rear optical waveguide region 2 and the refractive index of the optical waveguide layer 3 in the region is increased due to heat generation, as shown in FIG.₂The self-pulsation operation is also possible at. The self-pulsation operation as described above is possible for each combination of arbitrary reflection peaks in the rear optical waveguide region 2 during the wavelength tuning operation of the wavelength tunable semiconductor laser. There is an effect that the self-pulsation operation can be performed simultaneously with changing the oscillation wavelength.
[0071]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the first or second embodiment, if a high-resistance current confinement layer is provided below the p-type InP buried layer 6, that is, on the InP substrate 4 side, current is more efficiently injected into the optical waveguide 3. Therefore, there is an effect that a wavelength tunable semiconductor laser that operates with high efficiency can be obtained.
[0072]
【The invention's effect】
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, a semiconductor substrate, a cladding layer formed on the semiconductor substrate, an optical waveguide formed on the cladding layer, and a part of the optical waveguide in a laser beam emission direction. In contrast, a front optical waveguide region composed of an SG mirror that repeats a plurality of periods, with a portion consisting of a pair of diffraction grating portions and a non-diffraction grating portion provided as a period, and also serving as an active region, and a part of the optical waveguide The SSG-DBR mirror is provided behind the laser beam emission direction and is repeated a plurality of periods with a part where the pitch of the diffraction grating is regularly changed from one end to the other end of a predetermined distance as one period. Since the rear optical waveguide region is provided, it is possible to stably control the laser oscillation wavelength as compared with the wavelength tunable semiconductor laser composed only of the conventional SSG-DBR mirror. In addition, since the rear waveguide region is composed of the SSG-DBR mirror as compared with the conventional wavelength tunable semiconductor laser composed only of the SG-DBR mirror, the rear reflectance can be increased, so that a lower threshold value can be obtained. A wavelength-tunable semiconductor laser that oscillates with current and has a narrow line width during high-efficiency and high-power operation can be obtained.
[0073]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, a first conductivity type semiconductor substrate, a first conductivity type clad layer formed on the semiconductor substrate, an optical waveguide formed on the clad layer, and the optical waveguide A forward optical waveguide comprising an SG mirror which is provided in front of a part of the waveguide with respect to the laser beam emission direction and which is repeated for a plurality of periods with a part consisting of a pair of diffraction grating parts and a non-diffraction grating part serving as one period. A region and a part of the optical waveguide that is provided behind the laser beam emission direction and the pitch of the diffraction grating is regularly changed from one end to the other end within a predetermined distance is set as a plurality of periods. A rear optical waveguide region composed of periodically repeated SSG-DBR mirrors, a high resistance layer formed on the optical waveguide, and a high resistance layer on the front optical waveguide region formed along the optical waveguide. refraction A control layer; a first contact layer of a first conductivity type formed on an upper portion of the high resistance layer on the front optical waveguide region; and a buried layer of a second conductivity type formed on each side surface of the optical waveguide; A second contact layer of a second conductivity type formed on the buried layer of the second conductivity type, and a separation groove provided in a high resistance layer on a boundary between the front optical waveguide region and the rear optical waveguide region A first electrode formed on the back side of the semiconductor substrate, a second electrode formed on the first contact layer, and a third electrode formed on the second contact layer. Therefore, it becomes possible to control the laser oscillation wavelength more stably than the wavelength tunable semiconductor laser composed only of the conventional SSG-DBR mirror, and the wavelength composed only of the conventional SG-DBR mirror. Compared to variable semiconductor lasers Since the side waveguide region is composed of the SSG-DBR mirror, the back reflectivity can be increased, so that the laser oscillation can be achieved with a lower threshold current, the efficiency can be improved, and the longitudinal mode can be stabilized by applying the SCH structure. A wavelength tunable semiconductor laser having excellent performance and a narrow line width during high output operation can be obtained.
[0074]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, a high resistance region is formed by ion implantation reaching the first conductivity type cladding layer from the bottom of the separation groove in the depth direction of the separation groove. The current flowing from the front optical waveguide region side to the rear optical waveguide region side or vice versa is significantly limited by the presence of the high resistance region due to the injection, so that the current in the front optical waveguide region and the rear optical waveguide region is independent of the injection current. As a result, the wavelength controllability by current injection is further improved, and the control circuit of the wavelength tunable semiconductor laser is further simplified.
[0075]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, since the refractive index control layer is further provided in the high resistance layer on the rear optical waveguide region, it has excellent longitudinal mode stability and high output. A tunable semiconductor laser having a narrow line width is obtained during operation.
[0076]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, a semi-insulating semiconductor substrate, a semi-insulating clad layer formed on the semiconductor substrate, an optical waveguide formed on the clad layer, and the optical waveguide A forward optical waveguide comprising an SG mirror which is provided in front of a part of the waveguide with respect to the laser beam emission direction and which is repeated for a plurality of periods with a part consisting of a pair of diffraction grating parts and a non-diffraction grating part serving as one period. A region, a high-resistance layer formed on the optical waveguide, and a part of the optical waveguide provided behind the laser beam emission direction, the pitch of the diffraction grating from one end to the other between a predetermined distance And a rear optical waveguide region composed of SSG-DBR mirrors that are repeated a plurality of periods with a regularly changed portion as a period, and a first conductivity type buried layer formed on both side surfaces of the optical waveguide, and A second conductive type buried layer, a first electrode formed on the first conductive type buried layer, a second electrode formed on the second conductive type buried layer, the front optical waveguide region, and A thin film heater formed on the high resistance layer above the rear optical waveguide region via an insulating film, and a separation provided in the high resistance layer on the boundary between the front optical waveguide region and the rear optical waveguide region Therefore, the laser oscillation wavelength can be changed to a desired value with more stability and good controllability. In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, since the semiconductor substrate, the cladding layer and the buried layer are made of indium phosphide (InP), a wavelength tunable semiconductor laser having a long wavelength band can be obtained.
[0077]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, the coupling constant of the front optical waveguide region is smaller than the coupling constant of the rear optical waveguide region. It is possible to increase the reflectivity of the rear mirror, and adjust the reflection peak wavelength position to oscillate at a wavelength where the light propagation constants in the front and rear mirror regions are almost the same. There is an effect that a semiconductor laser with high output and high efficiency can be obtained.
[Brief description of the drawings]
1A is a sectional view of an element along a laser optical axis of a wavelength tunable semiconductor laser according to a first embodiment, FIG. 1B is a sectional view of a front optical waveguide region perpendicular to the laser optical axis, and FIG. ) Shows a top view of the wavelength tunable semiconductor laser.
2A is a reflection peak spectrum of a front SG mirror and a reflection peak spectrum of a rear SSG-DBR mirror when no current is injected into the front and rear optical waveguide regions in the wavelength tunable semiconductor laser of the first embodiment; FIG. (B) shows the reflection peak spectrum of the rear SSG-DBR mirror when current is injected into the rear optical waveguide region in the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment. It is the figure shown in comparison with the reflection peak spectrum of a front SG mirror.
FIG. 3 is a refractive index profile of an SCH structure in the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment.
4A is a sectional view of an element along a laser optical axis of a wavelength tunable semiconductor laser according to a third embodiment, and FIG. 4B is a sectional view of a portion including a front optical waveguide region in a direction perpendicular to the laser optical axis. , Respectively.
5A is an element cross-sectional view along the laser optical axis of the wavelength tunable semiconductor laser according to the third embodiment, and FIG. 5B is a cross-sectional view at a portion including a front optical waveguide region in a direction perpendicular to the laser optical axis. , Respectively.
FIG. 6 is a top view of the wavelength tunable semiconductor laser according to the third embodiment.
7 is a reflection peak spectrum of each of a front SG mirror and a rear SSG-DBR mirror in an initial state in the wavelength tunable semiconductor laser according to Embodiment 3. FIG.
FIG. 8 shows each reflection peak spectrum of a front SG mirror and a rear SSG-DBR mirror when the wavelength is tunable in the wavelength tunable semiconductor laser according to the third embodiment.
FIG. 9 is an element cross-sectional view along the laser optical axis of the wavelength tunable semiconductor laser according to the fourth embodiment.
FIG. 10 shows each reflection peak spectrum of a front SG mirror and a rear SSG-DBR mirror when the wavelength tunable semiconductor laser according to the fourth embodiment is operated.
FIG. 11 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional SSG-DBR wavelength tunable semiconductor laser.
12A is a reflection peak spectrum of a front SSG-DBR mirror and a reflection peak spectrum of a rear SSG-DBR mirror when current is not injected into the front optical waveguide region and the rear optical waveguide region; FIG. The reflection peak spectrum of the rear SSG-DBR mirror when current is injected into the rear optical waveguide region is shown.
FIG. 13 is a device cross-sectional view along the laser optical axis of a conventional SG-DBR wavelength tunable semiconductor laser.
[Explanation of symbols]
1 a front optical waveguide region having an SG mirror that also serves as an active region, 1a a diffraction grating portion in the SG mirror provided in the front optical waveguide region, and 1b a pair of diffraction grating portions and a non-diffraction grating portion in the SG mirror 1 period in case of one unit, 2 optical waveguide region having 2 SSG-DBR mirror, 2a pitch change of diffraction grating of SSG-DBR mirror, that is, 1 period for modulation, 3 optical waveguide made of InGaAsP, 4 n-type InP substrate, 5 n-type InP cladding layer, 6 p-type InP buried layer, 7 refractive index control layer, 7a, b, c high-resistance InP layer, 8a n-type InP first contact layer, 8b p-type InGaAsP second contact layer , 9 First n-type electrode, 10 p-type electrode, 11 Second n-type electrode, 12 Separation groove, 13 Emission end of wavelength tunable semiconductor laser Laser light emitted from the outside, 15 high-resistance region by ion implantation, 31 semi-insulating SI-InP substrate, 32 p-type InP buried layer, 33 n-type InP buried layer, 34 high-resistance InP layer, 35 p-type Electrode, 36 n-type electrode, 37a, b silicon oxide film SiO₂Etc., 38a, b, c thin film heater, 43 reflection peak spectrum of front SG mirror, 44 reflection peak spectrum of rear SSG-DBR mirror, 45 reflection peak spectrum of front SG mirror, 46 rear SSG-DBR mirror Reflection peak spectrum, 47 wavelength shift amount of reflection peak spectrum of front SG mirror, 48 wavelength shift amount of reflection peak spectrum of rear SSG-DBR mirror, 60 refractive index control region, 101 active region, 102 front optical waveguide region, 103 rear Optical waveguide region, 104 phase control region, optical waveguide made of 105 InGaAsP, 106 n-type InP substrate, 107 n-type InP clad layer, 108 p-type InP clad layer, 109 p-type InGaAsP contact layer, 113 n-type Pole, 114a, 114b, 114c, 114d p-type electrode, 115 laser light, 121 diffraction grating pitch change of front SSG-DBR mirror, that is, one modulation period, 122 diffraction grating pitch change of rear SSG-DBR mirror, that is, one modulation period .

Claims

A semiconductor substrate;
A cladding layer formed on the semiconductor substrate;
An optical waveguide formed on the cladding layer;
A part of the optical waveguide that is provided forward with respect to the laser beam emitting direction, and that includes a SG mirror that is repeated a plurality of periods with a part consisting of a pair of diffraction grating parts and a non-diffraction grating part as one period, and also serves as an active region An optical waveguide region;
A part of the optical waveguide, which is provided behind the laser beam emission direction and regularly changes the pitch of the diffraction grating from one end to the other end of a predetermined distance, is repeated a plurality of periods. A rear optical waveguide region comprising SSG-DBR mirrors;
A tunable semiconductor laser comprising:

A first conductivity type semiconductor substrate;
A first conductivity type cladding layer formed on the semiconductor substrate;
An optical waveguide formed on the cladding layer;
A part of the optical waveguide that is provided forward with respect to the laser beam emitting direction, and that includes a SG mirror that is repeated a plurality of periods with a part consisting of a pair of diffraction grating parts and a non-diffraction grating part as one period, and also serves as an active region An optical waveguide region;
A part of the optical waveguide, which is provided behind the laser beam emission direction and regularly changes the pitch of the diffraction grating from one end to the other end of a predetermined distance, is repeated a plurality of periods. A rear optical waveguide region comprising SSG-DBR mirrors;
A high resistance layer formed on the optical waveguide;
A refractive index control layer formed along the optical waveguide in the high resistance layer on the front optical waveguide region, and a first conductivity type first formed on the high resistance layer on the front optical waveguide region. A contact layer, a second conductivity type buried layer formed on each side surface of the optical waveguide, and
A second contact layer of a second conductivity type formed on the buried layer of the second conductivity type, and a separation groove provided in a high resistance layer on a boundary between the front optical waveguide region and the rear optical waveguide region; ,
A first electrode formed on the back side of the semiconductor substrate;
A second electrode formed on the first contact layer;
A third electrode formed on the second contact layer;
A wavelength tunable semiconductor laser comprising:

3. The wavelength tunable semiconductor laser according to claim 2, wherein a high resistance region by ion implantation reaching from the bottom of the separation groove to the first conductivity type cladding layer is provided in the depth direction of the separation groove.

4. The wavelength tunable semiconductor laser according to claim 3, wherein the refractive index control layer is further provided in the high resistance layer on the rear optical waveguide region.

A semi-insulating semiconductor substrate;
A semi-insulating clad layer formed on the semiconductor substrate;
An optical waveguide formed on the cladding layer;
A part of the optical waveguide that is provided forward with respect to the laser beam emitting direction, and that includes a SG mirror that is repeated a plurality of periods with a part consisting of a pair of diffraction grating parts and a non-diffraction grating part as one period, and also serves as an active region An optical waveguide region;
A high resistance layer formed on the optical waveguide;
A part of the optical waveguide, which is provided behind the laser beam emission direction and regularly changes the pitch of the diffraction grating from one end to the other end of a predetermined distance, is repeated a plurality of periods. A rear optical waveguide region comprising SSG-DBR mirrors;
A first conductive type buried layer and a second conductive type buried layer respectively formed on both side surfaces of the optical waveguide;
A first electrode formed on the buried layer of the first conductivity type;
A second electrode formed on the second conductivity type buried layer;
Thin film heaters respectively formed on the high resistance layer above the front optical waveguide region and the rear optical waveguide region via an insulating film,
A wavelength tunable semiconductor laser comprising: a separation groove provided in a high resistance layer on a boundary between the front optical waveguide region and the rear optical waveguide region.

6. The wavelength tunable semiconductor laser according to claim 2, wherein the semiconductor substrate, the cladding layer, and the buried layer are made of indium phosphorus (InP).

7. The wavelength tunable semiconductor laser according to claim 1, wherein a coupling constant of the front optical waveguide region is smaller than a coupling constant of the rear optical waveguide region.