JP6273701B2 - 光半導体素子 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体素子に関するものである。

回折格子が設けられた回折格子部とスペース部とからなるセグメントが複数連結された構成からなるサンプルドグレーティング（SG：Sampled Grating）が知られている。このサンプルドグレーティングに位相調整機構を取り付け、これを制御することで任意の波長選択が行える技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２４９６１８号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、位相制御する際の電力が大きくなるおそれがある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、位相制御する際の電力を低減することができる光半導体素子を提供することを目的とする。

本発明に係る光半導体素子は、回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれ、光学長が一定であるスペース部と、からなるセグメントを複数備え、前記複数のセグメントの少なくとも１つに位相シフト構造が設けられた第１の光導波路と、前記位相シフト構造が設けられたセグメントの光の位相を調整するための第１の位相制御手段と、前記位相シフト構造が設けられていないセグメントの光の位相を調整するための第２の位相制御手段と、を備える。本発明に係る光半導体素子によれば、位相制御する際の電力を低減することができる。

前記複数のセグメントは、Ｎ個設けられ、前記位相シフト構造が設けられていないセグメントは、ｍ個であり、前記位相シフト構造が設けられたセグメントは、ｎ（＝Ｎ−ｍ）個であり、前記位相シフト構造が設けられたセグメントには、前記位相シフト構造が設けられていないセグメントに対し、−ｎ／（ｍ＋ｎ）πの位相シフト量が設定されていてもよい。前記第１光導波路のセグメントの一部は、光学利得を発生させる領域であってもよい。Ａ個の異なる位相制御手段が設けられ、前記異なる位相制御手段に対応するセグメントの位相シフト量は、それぞれ、−π／Ａ×（ｉ−１），ｉ＝１〜Ａであってもよい。

回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれ、光学長が一定であるスペース部と、からなるセグメントを複数備える第２の光導波路をさらに備え、前記第２の光導波路は、前記第１の光導波路に光結合していてもよい。前記第１の光導波路のセグメントのうち、前記第２の光導波路に最も近いセグメントに、さらに−０．５πの位相シフト量が追加されてもよい。前記位相制御手段は、前記セグメントを加熱するためのヒータであってもよい。前記光半導体素子は、前記光半導体素子の温度を制御する温度制御装置上に配置されていてもよい。

本発明によれば、位相制御する際の電力を低減することができる光半導体素子を提供することができる。

（ａ）は比較例に係る半導体レーザの模式的断面図であり、（ｂ）は本発明の１つの態様における半導体レーザの模式的断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は制御電流と電力値との関係を表す図である。 （ａ）および（ｂ）は３０℃の温度変化によって位相の変化が１周期変化する例を表す図である。 （ａ）〜（ｄ）は３０℃の温度変化によって位相の変化が１周期変化する例を表す図である。 （ａ）は実施例１に係るＳＧ−ＤＦＢ領域の模式的断面図であり、（ｂ）は比較例に係るＳＧ−ＤＦＢ領域の模式的断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は位相シフト構造を表す図である。 位相制御量ｘに応じた縦モード反射スペクトルである。 （ａ）および（ｂ）は制御電流と電力値との関係を表す図である。 （ａ）および（ｂ）は位相制御量と電力値との関係を表す図である。 実施例２に係る波長可変型の半導体レーザおよびそれを備えたレーザ装置の全体構成を示す図である。 半導体レーザの全体構成を示す模式的断面図である。 ルックアップテーブルの一例である。 実施例３に係る半導体レーザの模式的断面図である。 独立電源数と電力削減割合との関係を表す図である。 実施例３に係る半導体レーザの模式的断面図である。

まず、本発明の１つの態様における原理について説明する。図１（ａ）は、比較例に係る半導体レーザ３００の模式的断面図である。半導体レーザ３００は、ＳＧ−ＤＢＲ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域３０１とＳＧ−ＤＢＲ領域３０２とによって利得領域３０３が挟まれた構造を有する。ＳＧ−ＤＢＲ領域３０１およびＳＧ−ＤＢＲ領域３０２は、回折格子が設けられた回折格子部とスペース部とからなるセグメントが複数連結された構成からなるサンプルドグレーティングを備える。

半導体レーザ３００においては、ＳＧ−ＤＢＲ領域３０１およびＳＧ−ＤＢＲ領域３０２のそれぞれにおいて、備わっている複数のセグメントに対して共通の電源によって屈折率制御が行われる。ＳＧ−ＤＢＲ領域３０１およびＳＧ−ＤＢＲ領域３０２においては、ピーク強度が所定の波長間隔を有する離散的な反射スペクトルが生成される。両反射スペクトルの組み合わせにより、バーニア効果を利用して、所望の波長で安定してレーザ発振させることができる。

これに対して、図１（ｂ）は、本発明の１つの態様における半導体レーザ４００の模式的断面図である。半導体レーザ４００においては、ＳＧ−ＤＢＲ領域３０２において、セグメント３に位相シフト構造（例えば−０．５πの位相シフト量）が設けられている。また、少なくともセグメント１，２とセグメント３とで、別々の駆動源から制御電流が入力される。なお、屈折率制御は、セグメントの温度制御、セグメントへの電流注入などであり、特に限定されるものではない。一例として、ヒータによるセグメントの温度制御について説明する。

図２（ａ）〜図２（ｃ）は、半導体レーザ４００のセグメント１〜３のそれぞれにおいて、制御電流を注入したときの位相の変化をＸ軸に示し、制御電流を注入したときの電力値をＹ軸に示す。なお、ｘ＝０〜１は、位相シフト量＝０〜πに対応している。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、セグメント１，２は、位相の変化に対して電力値が比例関係を示している。一方、図２（ｃ）に示すように、セグメント３は、−０．５πだけ位相が変化するように形成しているため、位相の変化が０．５πのところで１周期を迎えるため、この時点で１周期分に相当する電力を下げた設定値にしても同じ位相差を得ることができる。したがって、図２（ｄ）の実線に示すように、セグメント１〜３の全領域で位相を変化させたときの最大電力量を下げることができる。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、比較例に係る半導体レーザ３００において、３０℃の温度変化によって位相の変化が１周期変化する例を表す図である。図３（ａ）および図３（ｂ）において、上段の反射スペクトルはセグメント１（ＳＧ１）およびセグメント２（ＳＧ２）の反射スペクトルを示し、下段の反射スペクトルはセグメント３（ＳＧ３）の反射スペクトルを示す。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、所望の波長範囲をカバーするためには、最小で０℃の温度変化×３の電力が必要であり、最大で２９℃の温度変化×３の電力が必要である。

図４（ａ）〜図４（ｄ）は、半導体レーザ４００において、３０℃の温度変化によって位相の変化が１周期変化する例を表す図である。図４（ａ）〜図４（ｄ）において、上段の反射スペクトルはセグメント１（ＳＧ１）およびセグメント２（ＳＧ２）の反射スペクトルを示し、下段の反射スペクトルはセグメント３（ＳＧ３）の反射スペクトルを示す。セグメント３に−０．５πの位相シフト構造が設けられているため、図４（ａ）に示すように、セグメント１，２の反射スペクトルの周期とセグメント３の反射スペクトルの周期とが０．５πずれている。図４（ｂ）に示すように、セグメント３の温度を上げることによって、セグメント１〜３のピーク波長を合わせることができる。図４（ｃ）に示すように、図４（ｂ）の状態からセグメント１〜３の温度を変化させることによって、所望の波長を選択することができる。次に、図４（ｄ）に示すように、図４（ｃ）の状態からセグメント３の温度を位相１周期分（３０℃）下げる。

セグメント３の波長ピークの周期が他のセグメントに対してずれていることから、このような温度制御により、最大電力を低減させることができる。これは、温度が最大になるポイントをずらすことによって、トータルの最大電力が低減されるからである。例えば、最小電力は、０℃の温度変化×２＋１５℃の温度変化分の電力となり、最大電力は、２９℃×２＋１４℃の温度変化分の電力となる。したがって、半導体レーザ４００においては、半導体レーザ３００と比較して、位相制御する際の電力を低減することができる。以下、具体的な実施例について説明する。

図５（ａ）は、実施例１に係るＳＧ−ＤＦＢ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）領域Ａの模式的断面図である。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、利得を有しサンプルドグレーティングを備える。例えば、ＳＧ−ＤＢＲ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域などと光結合することによって、レーザ共振器を構成する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、基板１上に、下クラッド層２、光導波層３、および上クラッド層６が積層された構造を有する。上クラッド層６上には、コンタクト層７および電極８が積層された領域と、絶縁膜９上にヒータ２２が積層された領域とが設けられている。ヒータ２２には、図示しない電源電極およびグランド電極が設けられている。

基板１は、例えば、ｎ型ＩｎＰからなる結晶基板である。下クラッド層２はｎ型、上クラッド層６はｐ型であり、それぞれ例えばＩｎＰによって構成される。下クラッド層２および上クラッド層６は、光導波層３を上下で光閉込めしている。光導波層３は、光伝搬方向に沿って利得を有するアクティブ導波路３１と、利得を持たないパッシブ導波路３２とが交互に配置された構造を有する。アクティブ導波路３１は、例えば量子井戸構造を有しており、例えばＧａ_０．３２Ｉｎ_０．６８Ａｓ_０．９２Ｐ_０．０８（厚さ５ｎｍ）からなる井戸層と、Ｇａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３（厚さ１０ｎｍ）からなる障壁層が交互に積層された構造を有する。コンタクト層７および電極８は、アクティブ導波路３１の上方に配置されている。パッシブ導波路３２は、例えば、ＰＬ波長差２００ｎｍ以上のＩｎＧａＡｓＰ系バルク層、ＰＬ波長差１．５μｍ以上のＡｌＧａＩｎＡｓＰ系量子井戸構造層などである。ヒータ２２は、ＮｉＣｒ等で構成された薄膜抵抗体であり、パッシブ導波路３２の上方に配置されている。

コンタクト層７は、例えばｐ型Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ結晶によって構成することができる。絶縁膜９は、ＳｉＮ，ＳｉＯ_２等の絶縁体からなる保護膜である。電極８は、金等の導電性材料からなる。基板１の下部には、裏面電極１５が形成されている。

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

回折格子１８は、２光束干渉露光法を使用したパターニングにより形成することができる。回折格子１８の間に位置するスペース部は、回折格子１８のパターンをレジストに露光した後、スペース部に相当する位置に再度露光を施すことで実現できる。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａは、実質的に同じ光学長を有する複数のセグメントが連結された構造を有する。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａのセグメントの光学長は、例えば、１６０μｍ程度である。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａを構成する複数のセグメントの少なくとも１つに位相シフト構造が設けられている。本実施例においては、一端側の３つのセグメントにー０．５πの位相シフト量の位相シフト構造が設けられており、他端側の４つのセグメントには位相シフト構造が設けられていない。位相シフト構造が設けられていないセグメント（以下、セグメントＳＧ１）のヒータ２２は、第１の駆動源Ｐ１に接続されている。位相シフト構造が設けられているセグメント（以下、セグメントＳＧ２）のヒータ２２は、第１の駆動源Ｐ１とは異なる第２の駆動源Ｐ２に接続されている。それにより、セグメントＳＧ１とセグメントＳＧ２とに対して、互いに独立して位相制御を行うことができる。

例えば、セグメントＳＧ２のスペース部において、導波路の幅を一部縮小（または拡大）した領域を設けることによって位相シフト構造を実現することができる。図６（ａ）は、セグメントＳＧ２の上面図である。図６（ａ）に示すように、セグメントＳＧ２のスペース部に縮幅部３ａを設けてもよい。図６（ｂ）に示すように、縮幅部３ａは、スペース部において複数に分割されて設けられていてもよい。また、図６（ｃ）に示すように、縮幅部３ａの代わりに拡幅部３ｂを設けてもよい。これらを設けたことにより、他の導波路との境界（前後２箇所）において伝搬定数が変化する部分が生じる。この伝搬定数の変化により、上記位相シフトを実現している。この伝搬定数の変化量は、導波路幅の変化量によって決めることができる。なお、この方法によって位相シフトを導入する場合、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおける回折格子の構造的なピッチの位相は、全て同じである。

なお、位相シフトを導入する方法は他にも種々ある。たとえば部分回折格子の位置を直接ずらす方法でもよい。また、他の位相シフト構造として、光導波路の一部に他とは屈折率の異なる材料を導入する方法もある。

次に、セグメントＳＧ１とセグメントＳＧ２とで独立してヒータ２２を制御することによって導かれる効果について説明する。当該効果の説明にあたって、比較例について説明する。図５（ｂ）は、比較例に係るＳＧ−ＤＦＢ領域ａの模式的断面図である。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡとＳＧ−ＤＦＢ領域ａとが異なる点は、ＳＧ−ＤＦＢ領域ａのセグメントに位相シフト構造が設けられておらず、ＳＧ−ＤＦＢ領域ａの各セグメントのヒータ２２に共通の駆動源が接続されている点である。

図７は、比較例に係るＳＧ−ＤＦＢ領域ａにおいて、位相制御量ｘに応じた縦モード反射スペクトルである。位相制御量ｘと屈折率変化量Δｎ_ｐｃとは、下記式（１）で関係付けられる。Ｌｐｃは、位相調整領域長である。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡおよびＳＧ−ＤＦＢ領域ａにおいて、位相調整領域長は、光伝搬方向におけるパッシブ導波路３２の長さである。このＬｐｃは、一般に必要となる波長可変幅（例えば１．５２８〜１．５６８um）に対し十分長いため（例えば１００μｍ）、屈折率変化で得られる位相変化量の波長依存性は無視できる。

図７に示すように、ＳＧ−ＤＦＢ領域ａの縦モードスペクトルはくし型のスペクトルであり、これを用いたＳＧ−ＤＢＲとの集積波長可変レーザは、そのどれかのピークをＳＧ−ＤＢＲで選択して使うことになる。したがって、この図の通りＳＧ−ＤＦＢ領域ａにｘ＝０から１までの位相制御を行えば、任意の波長を得ることができる。

ヒータを用いて位相制御を行う場合、位相変化量は投入電力Ｐに比例する。熱拡散長に対し位相調整領域長Ｌｐｃが極端に短くなければ、投入電力Ｐは位相調整領域長Ｌｐｃにも拠らない。しかしながら、各セグメントで等しい光路長が必要であるため、セグメント数に比例した電力が必要となる。ｘ＝１の位相制御に必要なセグメントあたりの電力をＰπとすれば、任意の波長を得るために必要な電力の最大値は、全セグメント数Ａを用いて、下記式（２）のように表すことができる。

例えば、セグメント数Ａが７で、Ｐπが４０ｍＷの場合、Ｐｍａｘは２８０ｍＷとなる。したがって、非常に大きな電力を要することになる。

これに対して、本実施例に係るＳＧ−ＤＦＢ領域Ａにおいては、一例として、７つのセグメントが備わっており、そのうちの３つ（セグメントＳＧ２）に、他の４つのセグメントＳＧ１と比べて−０．５πの位相シフト構造が設けられている。本実施例においては、セグメントＳＧ１とセグメントＳＧ２とが独立に制御される。

このような構造の場合、図７のようなくし型のスペクトルを得るためには、セグメントＳＧ１の位相制御量ｘが０の場合でも、セグメントＳＧ２にはＰ_２（ｘ＝０）＝３×０．５Ｐπの位相制御電力を与えておく必要がある。この場合の消費電力は、図８（ａ）に示すように、セグメントＳＧ１でｘ＝０〜１の位相制御時ではセグメントＳＧ２に３×０．５Ｐπ〜３×１．５Ｐπの電力を与える必要があるため、必要最大電力Ｐｍａｘは、下記式（３）のように表すことができる。

したがって、位相シフトを設けない場合（７Ｐπ）とくらべて１．５Ｐπ大きくなる。

しかしながら、１セグメント内のモード数（２×ｎ_ｒ×Ｌｓｅｇ／λ、ｎ_ｒ：平均屈折率、Ｌｓｅｇ：セグメント長）は４００程度以上と大きいので、モード数が１個ずれたとしても反射特性に大きな問題が生じないことを考えれば（図７で位相調整＝０とπとのスペクトルがほとんど同じであることを考えれば）、セグメントＳＧ２の位相制御量が１を超えた駆動領域には、πを引いた電力を与えればよい。この駆動を行うと、セグメントＳＧ１の位相シフト量ｘに対するセグメントＳＧ２の制御電力Ｐ_２（ｘ）は、図８（ｂ）のような電力曲線になる。セグメントＳＧ１の電力は３×Ｐπになるため、任意波長生成に必要な最大電力は５．５Ｐπとなる。したがって、１．５Ｐπの電力を削減することができる。

ここで、位相シフト量の最適値について検討する。ＳＧ−ＤＦＢ領域ＡにＮ個のセグメントが備わり、位相シフト構造が設けられていないセグメントＳＧ１の個数をｍとし、位相シフト構造が設けられているセグメントＳＧ２の個数をｎ（＝Ｎ−ｍ）とする。セグメントＳＧ２には、φ_０（＝−πｘ_０）の位相シフト量の位相シフト構造が設けられているものとする。全てのセグメントＳＧ２の合計の制御電力Ｐ_２（ｘ）は、図９（ａ）に示す。全てのセグメントＳＧ１および全てのセグメントＳＧ２の合計の制御電力Ｐ_ａｌｌは、図９（ｂ）に示す。

セグメントＳＧ１のパッシブ導波路３２で位相シフト量ｘ（０≦ｘ≦１）を与えるのに必要な電力Ｐ_１（ｘ）は、１セグメントあたりの電力Ｐπを用いて下記式（４）のように表される。

一方、セグメントＳＧ２の方は、−πｘ_０のシフト量の位相シフト構造が設けられているため、セグメントＳＧ１と同じ光路長となる位相を与える場合、セグメントＳＧ２のパッシブ導波路３２で位相シフト量（０≦ｘ≦１）を与えるのに必要な電力Ｐ_２（ｘ）は、下記式（５）のように表される。

電力Ｐ_２（ｘ）は０〜ｎＰπまでの駆動をさせればよいことから、図９（ａ）のように電力Ｐ_２（ｘ）がｎＰπを越えた点以降は式（５）に対してｎＰπを引いた電力を与えればよい。電力Ｐ_２（ｘ）がｎＰπを超えるｘは、１−ｘ_０である。したがって、消費電力の合計は、０≦ｘ≦（１−φ_０）の駆動範囲では、下記式（６）のように表される。

この範囲での消費電力最大点Ｐ´ｍａｘは、ｘ＝１−φ_０の場合の、Ｐ´ｍａｘ＝（ｍ＋ｎ）Ｐπ−ｍＰπｘ_０となる。一方、（１−φ_０）＜ｘ≦１の駆動範囲では、セグメントＳＧ２の制御電力は、Ｐ_２（ｘ）＝ｎ×Ｐπ×（ｘ＋ｘ_０−１）となるため、下記式（７）のようになり、この範囲での消費電力最大点Ｐ´ｍａｘは、ｘ＝１の場合の下記式（８）のようになる。

制御電力を最小にする作りこみ位相の最適値はＰ´ｍａｘとＰ´´ｍａｘのどちらか高いほうになるため、駆動電力が最小となるのは、Ｐ´ｍａｘ＝Ｐ´´ｍａｘの場合、すなわち、下記式（９）となる場合である。

したがって、Ｎ個のセグメントをｍ：ｎに２分割した場合、セグメントＳＧ２（ｎ個数側）に下記式（１０）の作りこみ位相を与えてやれば、最小の制御電力を得ることができる。このときの最大制御電力Ｐｍａｘは、下記式（１１）のようになり、ｍｎ／（ｍ＋ｎ）・Ｐπ分の消費電力が低減できることになる。

したがって、位相シフト量の最適値は、下記式（１２）で表される。

例えば、Ｐ_π＝４０ｍＷの場合、位相シフト構造を設けない場合の最大駆動消費電力は５６０ｍＷであるが、−３／（３＋４）の位相シフトを形成することにより、フロント／リアミラーでそれぞれ約６８ｍＷの消費電力削減が可能となり、必要な電力は４２４ｍＷと約２４％の消費電力を削減することができる。

なお、セグメントＳＧ１の個数ｍとセグメントＳＧ２の個数ｎとを、ｍ＝（１−ｋ）Ｎとし、ｎ＝ｋＮとし、削減量−ｍｎ／（ｍ＋ｎ）×Ｐπの最大時を考えれば、下記式（１３）の関係が得られる。

ｋ＝０．５、つまり均等に２分割した場合で消費電力が最小を得る。このときの削減量は、−ＮＰπ／４、つまり２５％である。

本実施例によれば、複数のセグメントのうち少なくとも１つに位相シフト構造が設けられ、位相シフト構造が設けられたセグメントに対応するヒータと、位相シフト構造が設けられていないセグメントに対応するヒータとが別の駆動源によって制御されるため、位相制御の際の消費電力を低減することができる。なお、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａの光導波路が第１の光導波路として機能し、セグメントＳＧ２に対応するヒータ２２が第１の位相制御手段として機能し、セグメントＳＧ１に対応するヒータ２２が第２の位相制御手段として機能する。第１の位相制御手段と第２の位相制御手段とが独立して制御できるよう、セグメントＳＧ２に対応するヒータ２２には、セグメントＳＧ１に対応するヒータ２２とは電気的に分離された端子が設けられている。なお、位相制御手段としてヒータを採用する場合、各ヒータ２２の接地側端子は共通に接続しておき、接地側端子と対向する側の端子を電気的に分離された端子で構成することもできる。

図１０は、実施例２に係る波長可変型の半導体レーザ１００およびそれを備えたレーザ装置２００の全体構成を示す図である。図１０に示すように、レーザ装置２００は、半導体レーザ１００、温度制御装置１１０、コントローラ１２０などを備える。半導体レーザ１００は、温度制御装置１１０上に配置されている。温度制御装置１１０は、ペルチェ素子などを含み、半導体レーザ１００の温度を制御する。コントローラ１２０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＡＭ（ランダムアクセルメモリ）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の制御部などから構成され、駆動回路として機能する。コントローラ１２０のＲＯＭには、半導体レーザ１００の制御情報、制御プログラム等などが格納されている。制御情報は、例えばルックアップテーブル１３０に格納されている。

図１１は、半導体レーザ１００の全体構成を示す模式的断面図である。図１１に示すように、半導体レーザ１００は、ＳＧ−ＤＦＢ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）領域Ａ´と、ＳＧ−ＤＢＲ（Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ｂと、ＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）領域Ｃと、光吸収領域Ｄと、反射防止膜ＡＲと、反射膜ＨＲとを備える。

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

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

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

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

本実施例においては、下クラッド層２および上クラッド層６は、光導波層３、光導波層４、光吸収層５および光増幅層１９を上下で光閉込めしている。光導波層４は、例えばバルク半導体層で構成することができ、例えばＧａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３によって構成することができる。本実施例においては、光導波層４は、アクティブ導波路３１よりも大きいエネルギギャップを有する。

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

光吸収層５は、例えば、量子井戸構造で構成することが可能であり、例えばＧａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ_０．２８Ｉｎ_０．７２Ａｓ_０．６１Ｐ_０．３９（厚さ１０ｎｍ）の障壁層が交互に積層された構造を有する。また、光吸収層５はバルク半導体であってよく、例えばＧａ_０．４６Ｉｎ_０．５４Ａｓ_０．９８Ｐ_０．０２からなる材料を選択することもできる。なお、光吸収層５は、アクティブ導波路３１と同じ材料で構成してもよく、その場合は、アクティブ導波路３１と光吸収層５とを同一工程で作製することができるから、製造工程が簡素化される。

光増幅層１９は、電極２１からの電流注入によって利得が与えられ、それによって光増幅をなす領域である。光増幅層１９は、例えば量子井戸構造で構成することができ、例えばＧａ_０．３５Ｉｎ_０．６５Ａｓ_０．９９Ｐ_０．０１（厚さ５ｎｍ）の井戸層とＧａ_０．１５Ｉｎ_０．８５Ａｓ_０．３２Ｐ_０．６８（厚さ１０ｎｍ）の障壁層が交互に積層された構造とすることができる。また、他の構造として、例えばＧａ_０．４４Ｉｎ_０．５６Ａｓ_０．９５Ｐ_０．０５からなるバルク半導体を採用することもできる。なお、光増幅層１９とアクティブ導波路３１とを同じ材料で構成することもできる。この場合、光増幅層１９とアクティブ導波路３１とを同一工程で作製することができるため、製造工程が簡素化される。

コンタクト層１３，２０は、例えばｐ型Ｇａ_０．４７Ｉｎ_０．５３Ａｓ結晶によって構成することができる。ヒータ１０は、ＮｉＣｒ等で構成された薄膜抵抗体である。ヒータ１０のそれぞれは、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの複数のセグメントにまたがって形成されていてもよい。電極２１は、金等の導電性材料からなる。裏面電極１５は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ、ＳＯＡ領域Ｃおよび光吸収領域Ｄにまたがって形成されている。

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

回折格子（コルゲーション）１８は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´およびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの下クラッド層２に所定の間隔を空けて複数箇所に形成されている。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´およびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにサンプルドグレーティングが形成される。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´およびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいて、下クラッド層２に複数のセグメントが設けられている。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´における回折格子１８のピッチと、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおける回折格子１８のピッチとは、同一でもよく、異なっていてもよい。本実施例においては、一例として、両ピッチは同一に設定してある。また、各セグメントにおいて、回折格子１８は同じ長さを有していてもよく、異なる長さを有していてもよい。また、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´の各回折格子１８が同じ長さを有し、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの各回折格子１８が同じ長さを有し、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´とＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂとで回折格子１８の長さが異なっていてもよい。

ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂは、実質的に同じ光学長を有する複数のセグメントが連結された構造を有する。ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのセグメントの光学長は、１８０μｍ程度である。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´は、実質的に同じ光学長を有する複数のセグメントが連結された構造を有する。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´のセグメントの光学長は、例えば、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂのセグメントの光学長と異なり、１６０μｍ程度である。ＳＧ−ＤＢＲ領域ＢのセグメントおよびＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´のセグメントが半導体レーザ１００内においてレーザ共振器を構成する。

続いて、レーザ装置２００の動作について説明する。コントローラ１２０は、ルックアップテーブル１３０を参照し、設定されたチャネルに対応する初期電流値Ｉ_ＬＤ、初期電流値Ｉ_ＳＯＡ、初期電力値Ｐａ_{Ｈｅａｔｅｒ}〜Ｐｅ_{Ｈｅａｔｅｒ}および初期温度値Ｔ_ＬＤを取得する。図１２は、ルックアップテーブル１３０の一例である。

コントローラ１２０は、初期電流値Ｉ_ＬＤの大きさの電流を電極８に供給する。それにより、アクティブ導波路３１において光が発生する。アクティブ導波路３１において発生した光は、光導波層３および光導波層４を繰り返し反射および増幅されてレーザ発振する。各セグメントで反射した光は、互いに干渉する。それにより、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´においては、ピーク強度が所定の波長間隔を有する離散的な利得スペクトルが生成され、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂにおいては、ピーク強度が所定の波長間隔を有する離散的な反射スペクトルが生成される。利得スペクトルおよび反射スペクトルの組み合わせにより、バーニア効果を利用して、所望の波長で安定してレーザ発振させることができる。

また、コントローラ１２０は、温度制御装置１１０の温度が初期温度値Ｔ_ＬＤになるように温度制御装置１１０を制御する。それにより、半導体レーザ１００の温度が初期温度値Ｔ_ＬＤ近傍の一定温度に制御される。その結果、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´の光導波路の等価屈折率が制御される。また、コントローラ１２０は、初期電力値Ｐａ_{Ｈｅａｔｅｒ}〜Ｐｃ_{Ｈｅａｔｅｒ}の大きさの電力を３つのヒータ１０に供給する。それにより、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの光導波路の等価屈折率が所定の値に制御される。また、コントローラ１２０は、初期電力値Ｐｄ_{Ｈｅａｔｅｒ}の大きさの電力をセグメントＳＧ１のヒータ２２に供給し、初期電力値Ｐｅ_{Ｈｅａｔｅｒ}の大きさの電力をセグメントＳＧ２のヒータ２２に供給する。また、コントローラ１２０は、初期電流値Ｉ_ＳＯＡの大きさの電流を電極２１に供給する。以上の制御によって、半導体レーザ１００は、設定されたチャネルに対応する初期波長でレーザ光を外部に出射する。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´が実施例１のＳＧ−ＤＦＢ領域Ａと異なる点は、アクティブ導波路３１およびパッシブ導波路３２の両方が、隣り合うセグメントにまたがって設けられている点である。これに伴って、ヒータ２２および電極８の両方が、隣り合うセグメントにまたがって設けられている。なお、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側端の電極８およびアクティブ導波路３１は、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側端のセグメントの途中まで設けられている。また、ＳＯＡ領域Ｃ側端の電極８およびアクティブ導波路３１は、ＳＯＡ領域Ｃ側端のセグメントの途中まで設けられている。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´においては、一例として、８個のセグメントが設けられている。

ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´を構成する複数のセグメントの少なくとも１つに位相シフト構造が設けられている。本実施例においては、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂ側の４つのセグメントに−０．５πの位相シフト構造が設けられおり、ＳＯＡ領域Ｃ側の４つのセグメントには位相シフト構造が設けられていない。位相シフト構造が設けられていないセグメント（以下、セグメントＳＧ１）のヒータ２２は、第１の駆動源Ｐ１に接続されている。位相シフト構造が設けられているセグメント（以下、セグメントＳＧ２）のヒータ２２は、第１の駆動源Ｐ１とは異なる第２の駆動源Ｐ２に接続されている。それにより、セグメントＳＧ１とセグメントＳＧ２とに対して、互いに独立して位相制御を行うことができる。なお、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂに最も近いセグメントに０．５πの位相シフトを与えるために、当該セグメントには０π（＝−０．５π＋０．５π）の位相シフト量が与えられていてもよい。

本実施例においても、セグメントＳＧ１とセグメントＳＧ２とに対して、互いに独立して位相制御を行っているため、上記式（１３）に基づく制御電力の削減が可能であり、当該削減量は、−８×０．５×０．５×Ｐπ（＝２５％）の電力削減が可能である。なお、実施例１に係るＳＧ−ＤＦＢ領域ＡをＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´の代わりに用いてもよい。なお、本実施例においては、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの光導波路が第２の光導波路として機能する。

実施例２においては、位相シフト構造が設けられたセグメントの位相シフト量が同じであったが、異なっていてもよい。実施例３においては、Ｎ個のセグメントを均等にＡ個の独立制御源で駆動する場合を考える（一例として、Ｎ＝８、Ａ＝４）。図１３は、実施例３に係る半導体レーザ１００ａの模式的断面図である。図１３に示すように、ｉ番目の制御源の対象領域に下記φ（ｉ）の位相シフト量の位相シフト構造を設ける場合として最適条件を考察する。

この場合においても、位相シフト０のセグメントの位相制御量ｘに対して、その他のセグメントには位相シフト量を補償する電力を加えた駆動を行うため、下記式（１５）の電力を与える必要がある。ｎ_０は一つの独立制御源で駆動するセグメントの数で、図１３の場合はｎ_０＝２である。

ｘに対して最初にＰ_πに到達するセグメントは、位相シフトが最も大きい−（Ａ−１）×πｘ_０のセグメントがｘ＋（Ａ−１）ｘ_０＝１となる場合である。このときの全駆動電力Ｐ_ａｌｌは、下記式（１６）のように表される。

簡単な考察をすれば、次の周期点ｘ＝１−（Ａ−２）ｘ_０でも駆動消費電力は上記結果と同じであるため、上記消費電力が最小となる条件といえる。つまり、ｘ_０は可能な限り大きい場合で消費電力は最小となる。ｘ_０は、与える作りこみ位相の最小単位であり、その最も大きい値は、下記式（１７）であるから、Ａ個の独立制御源を用いて周期反射構造を駆動する場合の最大消費電力は、下記式（１８）となる。

独立電源数と電力削減割合との関係は、図１４のようになり、電極分割数を増やしていけば５０％に近い削減が可能ということになる。本実施例においては、電極分割数は、ヒータ２２の数に相当する。本実施例においては、分割Ａ＝４、各分割領域のセグメント数ｎ＝２であるため、作り位相は下記式（１９）で表され、削減量は下記式（２０）で表される（削減量：３７．５％）。

続いて、実施例４に係る半導体レーザ１００ｂについて説明する。図１５は、半導体レーザ１００ｂの模式的断面図である。半導体レーザ１００ｂが実施例２に係る半導体レーザ１００と異なる点は、ＳＧ−ＤＦＢ領域Ａ´の代わりにもう一つのＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅが設けられ、ＳＧ−ＤＢＲ領域ＢとＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅとの間に利得領域Ｆおよび位相調整領域Ｇが設けられている点である。

利得領域Ｆは、基板１上において、下クラッド層２、利得層２５、上クラッド層６、コンタクト層２６、および電極２７が積層された構造を有する。利得層２５は、例えば互いに組成の異なる井戸層Ｇａ_０．３２Ｉｎ_０．６８Ａｓ_０．９２Ｐ_０．０８（厚さ５ｎｍ）と障壁層Ｇａ_０．２２Ｉｎ_０．７８Ａｓ_０．４７Ｐ_０．５３（厚さ１０ｎｍ）が積層された構造を有する。コンタクト層２６は、例えばＩｎＧａＡｓＰ結晶からなる。位相調整領域Ｇは、基板１上に、下クラッド層２、導波路コア２８、上クラッド層６、絶縁膜９、およびヒータ１０が積層された構造を有する。導波路コア２８は、例えばバルクであり、例えばＧａ_０．２８Ｉｎ_０．７２Ａｓ_０．６１Ｐ_０．３９からなる導波層である。

ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅは、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂと同様の材料によって構成されている。ただし、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂを構成するセグメントの光学長と、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅを構成するセグメントの光学長とが、異なっている。

本実施例においては、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂを構成する複数のセグメントの少なくとも１つに位相シフト構造が設けられ、位相シフト構造が設けられたセグメントに対応して設けられたヒータ１０と、位相シフト構造が設けられていないセグメントに対応して設けられたヒータ１０とが、独立した電源によって制御されている。一例として、光吸収領域Ｄ側の３つのセグメントに−０．５πの位相シフト量の位相シフト構造が設けられ、利得領域Ｆ側の４つのセグメントに位相シフト構造が設けられていない。また、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅを構成する複数のセグメントの少なくとも１つに位相シフト構造が設けられ、位相シフト構造が設けられたセグメントに対応して設けられたヒータ１０と、位相シフト構造が設けられていないセグメントに対応して設けられたヒータ１０とが、独立した電源によって制御されている。一例として、利得領域Ｆ側の３つのセグメントに−０．５πの位相シフト量の位相シフト構造が設けられ、ＳＯＡ領域Ｃ側の４つのセグメントに位相シフト構造が設けられていない。

本実施例においても、位相シフト構造が設けられたセグメントに対応して設けられたヒータと、位相シフト構造が設けられていないセグメントに対応して設けられたヒータとを、異なる駆動源によって駆動することによって、位相制御する際の電力を低減することができる。なお、本実施例においては、ＳＧ−ＤＢＲ領域Ｂの光導波路およびＳＧ−ＤＢＲ領域Ｅの光導波路の一方が第１の光導波路として機能し、他方が第２の光導波路として機能する。

なお、上記各実施例ではて、ＳＧ−ＤＢＲ領域においてヒータが複数設けられているが、１つのヒータによって各セグメントの屈折率が制御されてもよい。また、上記各実施例において、ＳＧ−ＤＢＲ領域の代わりにＣＳＧ−ＤＢＲ（Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域を用いてもよい。ＣＳＧ−ＤＢＲ領域においては、複数のセグメントのうち少なくとも２つのセグメントの光学長が、互いに異なって形成されている。それにより、ＣＳＧ−ＤＢＲ領域の波長特性のピーク同士の強度は、波長依存性を有するようになる。

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

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

Claims (7)

1. 回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれたスペース部と、を有するセグメントを複数備える第１の光導波路と、
   前記複数のセグメントの全てに設けられ、電源によって光学長を制御する第１の屈折率制御手段と、を備え、
   前記複数のセグメントは、第１のセグメントと、前記第１のセグメントと光学長が異なる第２のセグメントとからなり、
   前記第１の屈折率制御手段は、前記第１のセグメントと前記第２のセグメントとをそれぞれ独立して制御する第１の位相制御手段と第２の位相制御手段とを備え、
   前記第１の光導波路は、Ｎ個のセグメントで構成され、
   前記第１のセグメントと同じ光学長を有するセグメントは、ｍ個であり、
   前記第２のセグメントと同じ光学長を有するセグメントは、ｎ（＝Ｎ−ｍ）個であり、
   前記第２のセグメントには、前記第１のセグメントに対して、−ｎ／（ｍ＋ｎ）πの位相シフト量が設定されている、光半導体素子。
2. 回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれたスペース部と、を有するセグメントを複数備える第１の光導波路と、
   前記複数のセグメントの全てに設けられ、電源によって光学長を制御する第１の屈折率制御手段と、を備え、
   前記複数のセグメントは、第１のセグメントと、前記第１のセグメントと光学長が異なる第２のセグメントとからなり、
   前記第１の屈折率制御手段は、前記第１のセグメントと前記第２のセグメントとをそれぞれ独立して制御する第１の位相制御手段と第２の位相制御手段とを備え、
   Ａ個の前記第２のセグメントが設けられ、
   前記Ａ個の前記第２のセグメントの光学長は、前記第１のセグメントの光学長と比べて、それぞれ−１／Ａ×（ｉ−１）×λ／２，ｉ＝１〜Ａの長さ分だけ光学長が異なる、光半導体素子。
3. 前記第１の光導波路のセグメントの一部は、光学利得を発生させる領域である、請求項１または２記載の光半導体素子。
4. 回折格子を有する回折格子領域と、前記回折格子領域に連結され両端が前記回折格子領域によって挟まれてなるスペース部と、からなるセグメントを複数備える第２の光導波路と、
   前記第２の光導波路の前記複数のセグメントの全てに設けられ、電源によって光学長を制御する第２の屈折率制御手段と、を備え、
   前記第２の光導波路の前記複数のセグメントは、第３のセグメントと、前記第３のセグメントと光学長が異なる第４のセグメントとからなり、
   前記第２の屈折率制御手段は、前記第３のセグメントと前記第４のセグメントとをそれぞれ独立して制御する第３の位相制御手段と第４の位相制御手段とを備え、
   前記第２の光導波路は、前記第１の光導波路に光結合している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光半導体素子。
5. 前記第２のセグメントは、一部に光導波路の幅が異なる部分を有することで、前記第１のセグメントと光学長が異なる、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光半導体素子。
6. 前記第１の位相制御手段および前記第２の位相制御手段は、前記第１のセグメントおよび前記第２のセグメントをそれぞれ加熱するためのヒータである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光半導体素子。
7. 前記光半導体素子は、前記光半導体素子の温度を制御する温度制御装置上に配置されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光半導体素子。

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