波長可変レーザ
【課題】電流制御を容易にすることが可能な波長可変レーザを提供することを目的とする。
【解決手段】一端Ｓ１に設けられた高反射膜ＨＲと、一端Ｓ１側に設けられ、電流注入により光が生成される２以上の並列された光素子Ｌ１〜Ｌ４を有する利得領域３と、利得領域３で生成された光を合波する合波器５と、一端Ｓ１と対向する他端Ｓ２側に設けられ、当該合波された光に対して周期的な反射ピークを有する反射器７と、を備え、合波器５は利得領域３と反射器７との間に設けられている波長可変レーザ１。
【解決手段】一端Ｓ１に設けられた高反射膜ＨＲと、一端Ｓ１側に設けられ、電流注入により光が生成される２以上の並列された光素子Ｌ１〜Ｌ４を有する利得領域３と、利得領域３で生成された光を合波する合波器５と、一端Ｓ１と対向する他端Ｓ２側に設けられ、当該合波された光に対して周期的な反射ピークを有する反射器７と、を備え、合波器５は利得領域３と反射器７との間に設けられている波長可変レーザ１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体波長可変レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長可変レーザとして、例えば、両端に配置した２つのミラーの間に、利得領域及び位相調整領域を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４８９６３２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の波長可変レーザでは、両端に設けられた２つのミラーへ電流を注入することにより、反射スペクトルを所望の値に調整させている（バーニア制御）。しかしながら、２つのミラーへ注入する電流をそれぞれ微調整する必要があり、電流制御が複雑で難しいといった問題があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電流制御を容易にすることが可能な波長可変レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明の波長可変レーザは、一端に設けられた高反射膜と、一端側に設けられ、電流注入により光が生成される２以上の並列された光素子を有する利得領域と、利得領域で生成された光を合波する合波器と、一端と対向する他端側に設けられ、当該合波された光に対して周期的な反射ピークを有する反射器と、を備え、合波器は利得領域と周期的な反射ピークを有する反射器との間に設けられていることを特徴とする。
【０００７】
この波長可変レーザによれば、利得領域への電流注入のオン・オフを制御することによって、光を生成する。生成された光を合波器において合波した後、周期的な反射ピークを有する反射器によって、所望の波長を有する光として出力させることができる。この結果、電流制御が簡単な波長可変レーザを得ることができる。また、合波器がセグメントを切り出す役割を、高反射膜が光のフィードバックの役割を担っているが、合波器及び高反射膜の波長依存性は比較的低いので、セグメント内での波長変動を抑制することができる。
【０００８】
また、周期的な反射ピークを有する反射器が、リング共振器と他端の劈開面との組合せであっても良い。リング共振器は、周期的な透過スペクトルを有するため、合波器において合波された光から特定の波長を有する光を透過する周期フィルタとして機能し、このリング共振器によって透過した特定の波長の光のみが、他端の劈開面ミラーにより反射され、周期的な反射ピークを有する反射器を構成している。この場合、リング共振器に電流を注入することにより、所定の間隔で周期的に光透過率を変化させることができるので、本発明の波長可変レーザとして好適である。また、リング共振器の一部は、合波器を構成する半導体層と共通の半導体層を用いて作成することができるため、共通の半導体プロセスにより容易に波長可変レーザを形成することができる。
【０００９】
さらに、他端の劈開面に所定の反射率を有する反射膜が形成されていてもよい。これにより、反射ミラーを構成する該他端における反射率を、反射膜を形成することにより調整し、レーザ光を効率的に出射させることができる。
【００１０】
また、周期的な反射ピークを有する反射器が、超構造回折格子層を有する光素子を含んでいても良い。超構造回折格子層を有する光素子は、周期的な反射スペクトルを有するため、合波器において合波された光から特定の波長を有する光を反射する反射器として好適である。当該光素子への電流注入を調整することにより、レーザ発振波長を変化させることができる。
【００１１】
また、合波器が、光導波路層を有するマッハツェンダ干渉計を含んでいることが好ましく、該光導波路層への印加電圧を変えることにより、合波するときの干渉条件を容易に調整することができる。
【００１２】
また、合波器は複数のポートを有し、利得領域で生成される正の利得を有する光の波長範囲が、合波器の複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲よりも大きいことが好ましい。このため、利得領域で生成される光を合波器において任意の波長成分に容易に合波することが可能となる。ここで、「透過波長範囲」とは、合波器の複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの透過損失が、他のポートの透過損失よりも少ない波長範囲のことをいう。
【００１３】
また、当該１つのポートの透過波長範囲内に、反射器の周期的な反射ピークが存在することが好ましい。これにより、所定の波長でレーザ発振することが可能となる。
【００１４】
また、２以上の並列された光素子のうちのいずれか１つに電流を注入して光利得を発生させ、周期的な反射ピークを有する反射器に電流を注入して反射波長を変化させても良い。これにより、所望の波長範囲内でレーザの発振波長を変化させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電流制御を容易にすることが可能な波長可変レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１実施形態に係る波長可変レーザの概念図である。
【図２】図２は、高反射膜ＨＲの一形態を示した模式図である。
【図３】図３は、高反射膜ＨＲの反射率の波長依存性を示す図である。
【図４】図４は、図１におけるIV−IV線に沿った光素子の断面図である。
【図５】図５は、２５℃における利得領域の光素子の発光スペクトルの一例を示す。
【図６】図６は、図１に示した合波器５を拡大した模式図である。
【図７】図７は、図６のVII−VII線に沿った第１アームＷ１の断面図である。
【図８】図８は、合波器５の透過スペクトルの一例を示すグラフである。
【図９】図９は、図１のIX−IX線に沿ったリング共振器Ｒの断面図である。
【図１０】図１０は、リング共振器Ｒの光透過スペクトルの一例を示す図である。
【図１１】図１１は、リングＲＧのパラメータを示す図である。
【図１２】図１２は、図１２は、第１実施形態に係る波長可変レーザの概念図である。
【図１３】図１３は、反射器７の反射スペクトルのピーク波長シフトを示す図である。
【図１４】図１４は、第２実施形態に係る波長可変レーザの概念図である。
【図１５】図１５は、図１４におけるXV−XV線に沿った断面図である。
【図１６】図１６は、図１５におけるXVI−XVI線に沿った断面図である。
【図１７】図１７は、超構造回折格子層ＳＳＧによる光素子４０の反射スペクトルを示す図である。
【図１８】図１８は、超構造回折格子層ＳＳＧによる光素子４０の反射スペクトルのピーク波長シフトを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
【００１８】
図１は、本実施形態に係る波長可変レーザの概念図である。波長可変レーザ１は、一端Ｓ１に設けられた高反射膜ＨＲと、基板ＳＢ上の一端Ｓ１側において、電流注入により光が生成される２以上の並列された光素子（Ｌ１〜Ｌ４）を有する利得領域３と、利得領域３で生成された光を合波する合波器５と、一端Ｓ１と対向する他端Ｓ２側に設けられ、当該合波光に対して周期的な反射ピークを有する反射器７とを備え、合波器５は利得領域３と反射器７との間に設けられている。反射器７は、周期的な透過スペクトルを有し、周期的な波長選択性を有する周期フィルタとして機能するリング共振器Ｒと、リング共振器Ｒを透過した光を反射する反射ミラーとして機能する他端Ｓ２から構成される。
【００１９】
図１のＸＹＺ直交座標系に示すように、波長可変レーザ１の光軸（Ｘ軸）方向において、利得領域３の長さＮ１は例えば５７０μｍとすることができ、合波器５の長さＮ２は例えば５８０μｍとすることができ、反射器７の長さＮ３１は例えば２００μｍとすることができる。すなわち、波長可変レーザ１の光軸方向における全長は、例えば１３５０μｍとすることができる。また、波長可変レーザ１の光軸方向と垂直な軸（Ｙ軸）方向における幅Ｗは、例えば２５０μｍとすることができる。
【００２０】
以下に、高反射膜ＨＲについて説明する。高反射膜ＨＲと、他端Ｓ２の劈開面とでレーザ共振器が形成される。他端Ｓ２の劈開面には、反射率を調整するための反射膜（コーテイング膜）が形成されていてもよい。高反射膜ＨＲは、波長可変レーザ１の一端Ｓ１において、所定の反射波長帯域を有する。高反射膜ＨＲは、その反射波長帯域において、内部光をおよそ８０％以上反射させる光のフィードバックの役割を担っている。高反射膜ＨＲは、波長依存性が比較的低いので、セグメント内での波長変動を抑制することができる。
【００２１】
図２は、高反射膜ＨＲの一形態を示した模式図である。図２に示すように、高反射膜ＨＲには、積層構造を採用することができ、例えば３層膜または５層膜が挙げられる。一般に、積層構造の層数を大きくすることにより、高反射率を有する高反射膜を形成することができる。高反射膜ＨＲの反射率を大きくすることにより、他端Ｓ２側から出る波長λｄを有する光は、高出力のものとすることが出来る。一方、高反射膜ＨＲの反射率を所定の反射率に調整することにより、一端Ｓ１側から出る光を波長モニターやパワーモニター用に使用することができる。
【００２２】
高反射膜ＨＲの積層構造の一例として、Ａｌ２Ｏ３とアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）の交互積層膜が挙げられる。具体例として、例えば、波長１．５５μｍの場合の当該積層膜の材料、屈折率及び膜厚を図２に示す。
【００２３】
高反射膜ＨＲは、波長１．５μｍ〜１．６μｍで７５％〜９８％の反射率を有する。図３に高反射膜ＨＲの反射率の波長依存性を示す。図３のＨ５は、上記Ａｌ２Ｏ３とａ−Ｓｉの交互積層からなる５層膜の反射率を示し、図３のＨ３は、上記Ａｌ２Ｏ３とａ−Ｓｉの交互積層からなる３層膜の反射率を示している。図２及び図３に示すように、当該５層膜の反射率は９６％であり、当該３層膜の反射率は８１％であることが判る。なお、高反射膜ＨＲは、例えばＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance：電子サイクロトロン共鳴）スパッタ法で成膜することができる。
【００２４】
次に、利得領域３について説明する。図１に示すように、複数の光素子Ｌ１〜Ｌ４の長手方向はＸ軸方向にそれぞれ延在しており、複数の光素子Ｌ１〜Ｌ４はＹ軸方向に所定の間隔をおいて形成されている。利得領域３の複数の光素子Ｌ１〜Ｌ４は、すべて同じ設計で作製され、ほぼ同じ特性を示す。
【００２５】
利得領域３の光素子Ｌ１〜Ｌ４には、各々上部電極Ｅ１〜Ｅ４および下部電極（図示せず）が設けられている。これら上部電極Ｅ１〜Ｅ４及び下部電極に電気的に接続された利得制御回路１０によって、光素子Ｌ１〜Ｌ４への電流注入量の調整と、光素子Ｌ１〜Ｌ４への電流注入のオン・オフの制御と、を行うことができる。
【００２６】
図４は、図１におけるIV−IV線に沿った光素子Ｌ１の断面図である。この他の光素子Ｌ２〜Ｌ４も光素子Ｌ１と同様の構成を有しているので、説明は省略する。図４に示すように、光素子Ｌ１には、基板ＳＢ上に、下部クラッド層３１と、下部光ガイド層Ｇ１、活性層Ａ１、及び上部光ガイド層Ｇ２を有する光導波路層３２と、上部クラッド層３３と、コンタクト層３４とがこの順に形成され、下部クラッド層３１、光導波路層３２、及び上部クラッド層３３からなるメサ構造の両端を埋め込むようにして電流ブロック層３５が形成され、電流ブロック層上に絶縁層３６が形成されている。なお、利得領域３の各々の光素子Ｌ１〜Ｌ４には回折格子は設けられていない。
【００２７】
例えば、基板ＳＢにｎ型ＩｎＰ基板を採用した場合、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層３１、ＧａＩｎＡｓＰの歪み多重量子井戸層（ＭＱＷ層）からなる活性層Ａ１を含む光導波路層３２（ＭＱＷ層Ａ１：Multiple Quantum Well＋ＳＣＨ層Ｇ１，Ｇ２：Separate Confinement Heterostructure）、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層３３、ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層３４、Ｆｅ−ＩｎＰからなる電流ブロック層３５、ＳｉＯ２からなる絶縁層を採用することができる。
【００２８】
下部クラッド層３１、光導波路層３２、及び上部クラッド層３３からなるメサ構造のＹ軸方向における幅Ｎ４は、例えば１．８μｍとすることができる。当該メサ構造のＺ軸方向における厚さとコンタクト層３４の厚さの和Ｎ５として、例えば４μｍとすることができる。
【００２９】
図４では図示しないが、各々の光素子Ｌ１〜Ｌ４のコンタクト層３４上には、上部電極Ｅ１〜Ｅ４が設けられており、各々の光素子Ｌ１〜Ｌ４の基板ＳＢ下には、下部電極が設けられている。このため、利得領域３の光素子Ｌ１〜Ｌ４に電流を注入することにより、正の利得を有し、所定の波長範囲を有する光を生成することができる。
【００３０】
図５に、利得領域３の光素子Ｌ１〜Ｌ４の発光スペクトルの一例を示す。図５の発光スペクトルは、２５℃における場合を示しており、利得領域３の光素子Ｌ１〜Ｌ４は、波長範囲１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍのブロードな発光を呈し、ほぼこの波長範囲において利得を有することができる。発光スペクトルの中心波長は１５５０ｎｍである。
【００３１】
次に、合波器５について説明する。合波器５は、利得領域３の光素子で生成された光を合波する機能を有する。図６は、図１に示した合波器５を拡大した模式図である。図６に示す合波器５は、第１マッハツェンダ干渉器Ｍ１と第２マッハツェンダ干渉器Ｍ２とを含んでいる。
【００３２】
第１マッハツェンダ干渉器Ｍ１は、光素子Ｌ１から出力された波長λ１を有する光が入力されるポートＰ１に光学的に結合されている第１アームＷ１と、光素子Ｌ２から出力された波長λ２を有する光が入力されるポートＰ２に光学的に結合されている第２アームＷ２と、光素子Ｌ３から出力された波長λ３を有する光が入力されるポートＰ３に光学的に結合されている第３アームＷ３と、光素子Ｌ４から出力された波長λ４を有する光が入力されるポートＰ４に光学的に結合されている第４アームＷ４と、を含んでいる。また、第１マッハツェンダ干渉器Ｍ１は、第１アームＷ１及び第２アームＷ２で合波された光を出力するポートＰ５と、第３アームＷ３及び第４アームＷ４で合波された光を出力するポートＰ６とを更に含んでいる。
【００３３】
第２マッハツェンダ干渉器Ｍ２は、第１マッハツェンダ干渉器Ｍ１のポートＰ５と光学的に結合されているポートＰ７、ポートＰ６と光学的に結合されているポートＰ８、ポートＰ７に光学的に結合されている第５のアームＷ５、ポートＰ８に光学的に結合されている第６のアームＷ６、並びに第５アームＷ５及び第６アームＷ６で合波された波長λＧを有する光を出力するポートＰ９、を含んでいる。
【００３４】
図６に示すように、第１アームＷ１、第４アームＷ４、及び第５アームＷ５は周期的に蛇行した形状を有し、第２アームＷ２、第３アームＷ３、及び第６アームＷ６は直線形状を有している。これにより、第１アームＷ１と第２アームＷ２とは所定の長さの差を有しており、例えばその差を３２．５１μｍとすることができる。また、第３アームＷ３と第４アームＷ４とは所定の長さの差を有しており、例えばその差を３２．４０μｍとすることができる。ポートＰ１〜４はＹ軸方向において所定の間隔を置いて設けられており、例えば、その間隔Ｌｐは各々２０μｍとすることができる。
【００３５】
図７は、図６のVII−VII線に沿った第１アームＷ１の断面図である。この他の第２アームＷ２〜第６アームＷ６も、第１アームＷ１と同様の断面構造を有するので説明を省略する。図７に示すように、合波器５の第１アームＷ１には、基板ＳＢ上に、下部クラッド層７１と、下部光ガイド層Ｇ３、活性層Ａ２、及び上部光ガイド層Ｇ４を有する光導波路層７２と、上部クラッド層７３と、コンタクト層７４とがこの順に形成され、下部クラッド層７１、光導波路層７２、上部クラッド層７３、及びコンタクト層７４からなるメサ構造を覆うようにして絶縁層７５が形成されており、さらに絶縁層７５を覆うようにして樹脂層７６が形成されている。
【００３６】
例えば、基板ＳＢにｎ型ＩｎＰ基板を採用した場合、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層７１、１．４μｍのバンドギャップ波長を有するＧａＩｎＡｓＰの活性層Ａ２および１．２μｍのバンドギャップ波長を有する光ガイド層Ｇ３，Ｇ４（ＳＣＨ層）を含む光導波路層７２、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層７３、ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層７４、ＳｉＯ２からなる絶縁層７５、ならびにＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）からなる樹脂層７６を採用することができる。
【００３７】
合波器５を構成するこれらの半導体層の厚みは、例えば、波長１．５２μｍでシングルモード導波路となるように設計することができる。なお、後述するが、これらの半導体層は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法及びドライエッチングで形成できる。
【００３８】
下部クラッド層７１、光導波路層７２、上部クラッド層７３、及びコンタクト層７４からなるメサ構造のＹ軸方向における幅Ｎ６は、例えば１．３μｍとすることができる。Ｚ軸方向における当該メサ構造の厚さＮ７として、例えば４μｍとすることができる。
【００３９】
なお、利得領域３と合波器５とでは、モードフィールドの形状が異なる場合、両者の間にモード変換のためのテーパ型の光導波路が設けられていても良い。これにより、利得領域３と合波器５との接合部分における損失を抑制できる。
【００４０】
このように、合波器５が、光導波路層を含むマッハツェンダ干渉計を有していることで、該光導波路への印加電圧を変えることにより、光導波路層の屈折率が変化し、光導波路の光路長を変化させることができる。この結果、合波するときの干渉条件を容易に調整することができ、マッハツェンダ干渉計の透過波長、あるいは合波器５の透過波長を調整することができる。
【００４１】
図８は、合波器５の透過スペクトルの一例を示すグラフである。図８において、Ｆ１は図６の合波器５のポートＰ１から、Ｆ２は図６の合波器５のポートＰ２から、Ｆ３は図６の合波器５のポートＰ３から、Ｆ４は図６の合波器５のポートＰ４から、それぞれ入力された光の波長と損失の関係を示している。
【００４２】
図８に示すように、合波器５は、波長範囲１５００ｎｍ〜１６００ｎｍでほぼ透明な（吸収損失の少ない）導波路であり、合波器５のポートＰ１〜Ｐ４から入力された光の合波損失が最小となる波長間隔は、５．１ｎｍ〜５．２ｎｍ間隔である。すなわち、図８に示すＦ２の極小値ｆ２と隣接するＦ４の極小値ｆ４との差は５．１ｎｍ〜５．２ｎｍである。同様に、Ｆ４の極小値ｆ４と隣接するＦ１の極小値ｆ１との差は５．１ｎｍ〜５．２ｎｍであり、Ｆ１の極小値ｆ１と隣接するＦ３の極小値ｆ３との差は５．１ｎｍ〜５．２ｎｍである。
【００４３】
図５と図８とに示されるように、利得領域３で生成される正の利得を有する光の波長範囲（例えば１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍ）が、合波器５の複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲（例えば、ポートＰ１の場合、１５４５ｎｍ〜１５５０ｎｍ）よりも大きいことが好ましい。これにより、利得領域で生成される光を合波器において任意の波長成分に容易に合波することが可能となる。
【００４４】
次に、周期的な反射ピークを有する反射器について説明する。図１に示すように、反射器７は、周期的な波長選択性を有する周期フィルタとして機能するリング共振器Ｒと、リング共振器Ｒを透過した光を反射する反射ミラーとして機能する他端Ｓ２から構成される。なお、他端Ｓ２は、素子の劈開面であってもよいし、さらに反射率調整用の反射膜が形成されていてもよい。この他端Ｓ２の反射スペクトルは、リング共振器の透過スペクトルに比較して、波長依存性が小さい。従って、この反射器の反射スペクトルは、リング共振器の透過スペクトルとほぼ同じ反射スペクトルを有する。リング共振器Ｒは、合波器５のポートＰ９に光学的に結合されたラインＢＬ１と、ラインＢＬ１に光学的に結合された円環状のリングＲＧと、リングＲＧに光学的に結合されたラインＢＬ２と、リングＲＧのコンタクト層（後述）上に設けられた円環状の上部電極Ｅ５と、基板ＳＢ下に設けられた下部電極（図示しない）とを含んでいる。なお、上部電極Ｅ５は、ＭＭＩ（多モード干渉）カプラを除いた部分（円弧の部分）のみにコンタクトされている。上部電極Ｅ５及び下部電極は、波長制御回路２０に電気的に接続されており、これにより、反射器７として機能するリング共振器Ｒへの電流注入の調整ができ、リング共振器の透過波長を変化させ、結果として反射器７の反射波長を変化させることができる。
【００４５】
図９は、図１のIX−IX線に沿ったリング共振器Ｒの断面図である。図９では、上部電極Ｅ５及び下部電極を省略している。図９に示すように、リング共振器Ｒは、基板ＳＢ上に、下部クラッド層９１と、下部光ガイド層Ｇ５、活性層Ａ３、及び上部光ガイド層Ｇ６を有する光導波路層９２と、上部クラッド層９３と、コンタクト層９４とがこの順に形成され、下部クラッド層９１、光導波路層９２、上部クラッド層９３、及びコンタクト層９４からなるメサ構造の側面、並びに基板ＳＢの一部を覆うようにして絶縁層９５が形成されており、さらに絶縁層９５を覆うようにして樹脂層９６が形成されている。
【００４６】
例えば、基板ＳＢにｎ型ＩｎＰ基板を採用した場合、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層９１、１．４μｍのバンドギャップ波長を有しＧａＩｎＡｓＰからなる活性層Ａ３と、光ガイド層Ｇ５，Ｇ６（ＳＣＨ層）とを含む光導波路層９２、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層９３、ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層９４、ＳｉＯ２からなる絶縁層９５、ならびにＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）からなる樹脂層９６を採用することができる。
【００４７】
下部クラッド層９１、光導波路層９２、上部クラッド層９３、及びコンタクト層９４からなるメサ構造のＹ軸方向における幅Ｎ８は、例えば１．３μｍとすることができ、Ｚ軸方向における当該メサ構造の厚さＮ９として、例えば４μｍとすることができる。
【００４８】
リング共振器Ｒは、所定の間隔で周期的に光を透過する機能を有する。図１０にリング共振器Ｒの光透過スペクトルの一例を示す。横軸は波長を示す。縦軸は損失を示し、マイナスの数字が大きいほど損失が大きいことを示す。この場合、波長５．１ｎｍ間隔で周期的に光透過率が高くなることが分かる。
【００４９】
図８と図１０とを比較すると分かるように、図８に示した合波器５の複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲内に、図１０に示すリング共振器Ｒの周期的な透過ピークが存在することが分かる。具体的には、図８のＦ１に示すポートＰ１の透過波長範囲（１５４５ｎｍ〜１５５０ｎｍ）内に、図１０のリング共振器Ｒの１つの透過ピークＴ２が存在している。同様に、図８のＦ２に示すポートＰ２の１つの透過波長範囲（１５５５ｎｍ〜１５６０ｎｍ）内に、図１０のリング共振器Ｒの１つの透過ピークＴ４が存在している。図８のＦ３に示すポートＰ３の１つの透過波長範囲（１５５０ｎｍ〜１５５５ｎｍ）内に、図１０のリング共振器Ｒの１つの透過ピークＴ３が存在している。図８のＦ４に示すポートＰ４の透過波長範囲（１５４０ｎｍ〜１５４５ｎｍおよび１５６０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）内に、図１０のリング共振器Ｒの透過ピークＴ１およびＴ５がそれぞれ存在している。
【００５０】
このように、図８に示した合波器５の複数のポートＰ１〜Ｐ４のうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲内に、図１０示すリング共振器の周期的な透過波長が存在するようにすれば、所定の波長でレーザ発振することが可能となる。例えば、合波器５の複数のポートＰ１〜Ｐ４のうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲内に、リング共振器の周期的な透過ピークが１つのみ存在するようにすれば、反射器７によりリング共振器を透過した波長の光が反射されるので、特定の波長でレーザ発振することが可能となる。
【００５１】
図１１に、上述の透過スペクトルに影響するリングＲＧのパラメータを示す。リングＲＧのＭＭＩカプラの分岐比ＭＰは１：１である。リングＲＧの円周の長さＮＲは、例えば１３２．５５μｍとすることができる。
【００５２】
図１では、他端Ｓ２として劈開面を用いた場合を説明したが、図１２に示すように、他端Ｓ２は、劈開面にさらに反射膜ＡＲを形成したものとしてもよい。これにより、該他端Ｓ２における反射率を調整し、レーザ光を効率的に出射させることができる。他端Ｓ２に設けられる反射膜として、単層または多層膜からなる誘電体膜を用いることができる。他端Ｓ２に設けることが可能な膜として、例えば低反射膜が挙げられる。低反射膜の反射率としては、例えば１％〜３０％の反射率とすることができる。低反射膜として、例えば、窒化シリコン膜が挙げられる。
【００５３】
次に、本実施形態に係る波長可変レーザの製造方法について説明する。まず、合波器５及び反射器７のリング共振器Ｒの下部クラッド層及び光導波路層となる半導体膜を基板ＳＢ全面上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)により堆積する。その後、合波器５及びリング共振器Ｒ部分にマスクをして、利得領域３となる位置のみをエッチングする。次いで、合波器５に対して、利得領域３の下部クラッド層及び光導波路層とをバットジョイント成長する。該マスクを除去し、合波器５、リング共振器Ｒ、及び利得領域３の上部クラッド層とコンタクト層となる半導体膜を堆積する。
【００５４】
次いで、後工程で上部電極を付与する部分（利得領域３及びリング共振器Ｒのメサ構造部分）以外のコンタクト層を除去する。合波器５及びリング共振器Ｒ部分にマスクをして、利得領域３のメサ構造となる部分をドライエッチングで形成する。当該メサ構造を埋め込むように、電流ブロック層をＭＯＶＰＥ法により成長する。次いで、利得領域３をマスクし、合波器５及びリング共振器Ｒのメサ構造となる部分をドライエッチングによって形成する。当該マスクを除去し、絶縁層を堆積後、樹脂層となる膜を塗布して硬化させる。その後、当該上部電極を付与する部分の絶縁層と樹脂層とをドライエッチングで除去する。利得領域３のコンタクト層とリング共振器Ｒのコンタクト層との上に、上部電極（オーミック電極）を蒸着およびリフトオフで形成する。基板ＳＢの裏面を研磨し、裏面電極（オーミック電極）を形成する。
【００５５】
そして、基板ＳＢを分割してバー状態にし、当該バーの一端に高反射膜ＨＲをコーティングする。さらに当該バーをチップ化してサブマウントに実装する。利得領域３及びリング共振器Ｒの上部電極及び下部電極にワイヤボンディングを行う。最後に、温度制御素子（ペルチェ）を付加する。このように、リング共振器Ｒの一部は、利得領域３や合波器５を構成する半導体層と共通の半導体層を用いて作成することができるため、共通の半導体プロセスにより容易に波長可変レーザを形成することができる。
【００５６】
次に、本実施形態に係る波長可変レーザの動作について説明する。ここでは、波長１５４７ｎｍの光を出力する場合について具体的な数値と共に説明するが、その他の波長の光を出力する場合は適宜数値を調整すれば良い。
【００５７】
まず、利得制御回路１０の制御信号に基づいて、利得領域３の光素子Ｌ１のみに電流（例えば１５０ｍＡ）を注入し、その他の光素子Ｌ２〜Ｌ４には電流を注入しない。波長制御回路２０の制御信号に基づいて、反射器７のリング共振器Ｒにも電流（例えば１．１６ｍＡ）を注入する。反射器７の透過スペクトルのピーク波長は、所定の値をとることが可能であり、図１０に示したように、例えば１５４７．０２ｎｍ（Ｔ２）、１５５２．１０ｎｍ（Ｔ３）、１５５７．２６ｎｍ（Ｔ４）に位置させることができる。
【００５８】
利得領域３の光素子Ｌ１から生成され、図５に示したような、正の利得を有し所定の波長範囲を有する光が、合波器５のポートＰ１から第１アームＷ１を通過すると、図８のＦ１で示した損失が光に加わる。当該損失が低い透過波長範囲（例えば１５４５ｎｍ〜１５５０ｎｍ）で、なおかつ、反射器７のリング共振器Ｒの透過損失が低いピーク波長（例えば１５４７．０２ｎｍ）が、最もレーザ共振器の損失が低くなるため、その波長でレーザ発振が起こることとなる。
【００５９】
図１３に、反射器７を構成するリング共振器Ｒへの注入電流を変化させたときの、リング共振器Ｒの透過スペクトル、つまり反射器７の反射スペクトルのピーク波長シフトを示す。リング共振器Ｒへの注入電流を０ｍＡ〜１．８５ｍＡの範囲に調整することで、図１０に示した反射器７の反射スペクトルのピークのいずれかは、１５４０ｎｍ〜１５６０ｎｍの波長範囲に存在することがわかる。すなわち、反射器７を構成するリング共振器Ｒへの電流注入量の調整により、波長を変化させることが可能となる。これにより、所望の波長範囲内でレーザの発振波長を変化させることが可能となる。
【００６０】
反射器７の反射ピーク波長の波長間隔は、例えば０．１ｎｍとすることができ、一定温度下では、この波長間隔で決まるとびとびの波長でレーザ発振させることができる。なお、波長可変レーザ１の全体の温度を２５℃〜４０℃と変えることにより、当該とびとびの波長の間の波長を連続的に変えることも可能である。この場合、予め、リング共振器への注入電流、温度、および波長との関係を求めておけば良い。
【００６１】
以下に、本実施形態に係る波長可変レーザ１の効果を説明する。本実施形態に係る波長可変レーザでは、利得領域への電流注入のオン・オフを制御することによって、光が生成される。生成された光を合波器において合波した後、周期的な反射ピークを有する反射器によって、所望の周期的な反射ピークを有する光として出力させることができる。この結果、電流制御が簡単な波長可変レーザを得ることができる。また、合波器がセグメントを切り出す役割を、高反射膜が光のフィードバックの役割を担っているが、合波器及び高反射膜は波長依存性が比較的低いので、セグメント内での波長変動を抑制することができる。
（第２実施形態）
【００６２】
以下、第２実施形態に係る波長可変レーザについて説明する。図１４は、第２実施形態に係る波長可変レーザの概念図である。図１５は、図１４におけるXV−XV線に沿った断面図である。図１６は、図１５におけるXVI−XVI線に沿った断面図である。
【００６３】
図１４に示す波長可変レーザ２が、第１実施形態に係る波長可変レーザ１と異なる点は、周期的な反射ピークを有する反射器の構造であるので、これについてのみ説明する。図１４に示すように、第２実施形態に係る波長可変レーザ２では、他端Ｓ２側に設けられた周期的な反射ピークを有する反射器９が、超構造回折格子層（ＳＳＧ：Ｓｕｐｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｇｔａｔｉｎｇ）を有する光素子４０と、他端Ｓ２にコーティングによって設けられた低反射膜ＡＲとを含んでいる。低反射膜ＡＲとして、例えば波長１５４０ｎｍ〜１５６０ｎｍの範囲で反射率が０．２％以下のものを採用することができる。
【００６４】
図１４に示すように、波長可変レーザ２の光軸（Ｘ軸）方向における反射器９の長さＮ３２は、例えば６００μｍとすることができる。すなわち、波長可変レーザ２のＸ軸方向における全長は、例えば１７５０μｍとすることができ、第１実施形態に係る波長可変レーザ１よりも４００μｍ長くするこができる。
【００６５】
図１５及び図１６に示すように、反射器９の光素子４０は、基板ＳＢ上に、下部クラッド層４１と、下部光ガイド層ＬＧ、活性層Ａ４、及び超構造回折格子層ＳＳＧを有する光導波路層４２と、上部クラッド層４３と、コンタクト層４４とがこの順に形成され、下部クラッド層４１、光導波路層４２、及び上部クラッド層４３からなるメサ構造の側面、並びに基板ＳＢの一部を覆うようにして電流ブロック層４５が埋め込んで形成されており、電流ブロック層４５上に絶縁層４６が形成されている。
【００６６】
例えば、基板ＳＢにｎ型ＩｎＰ基板を採用した場合、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層４１、１．４μｍのバンドギャップ波長を有しＧａＩｎＡｓＰからなる活性層Ａ４と、下部光ガイド層ＬＧと、超構造回折格子層ＳＳＧとを含む光導波路層４２、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層４３、ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層４４、Ｆｅ−ＩｎＰからなる電流ブロック層、ならびにＳｉＯ２からなる絶縁層４６を採用することができる。
【００６７】
下部クラッド層４１、光導波路層４２、上部クラッド層４３、及びコンタクト層４４からなるメサ構造のＹ軸方向における幅Ｎ１０は、例えば１．８μｍとすることができ、Ｚ軸方向における当該メサ構造の厚さＮ１１として、例えば４μｍとすることができる。
【００６８】
超構造回折格子層ＳＳＧは、波長可変レーザにおける光軸方向（Ｘ軸方向）に沿った周期的な凹凸パターンからなる回折格子Ｇから形成されている。超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０は、周期的な反射ピークを有している。図１７に光素子４０の反射スペクトルの一例を示す。図１７に示す例では、波長範囲１５３５ｎｍ〜１５６５ｎｍの間に、波長５．６ｎｍ間隔で周期的に反射率のピークが５つある。
【００６９】
図示しないが、コンタクト層４４上に蒸着により形成された上部電極と、基板ＳＢ下に設けられた下部電極とに接続されている波長制御回路２０により、光素子４０への電流注入の調整ができ、反射器９の反射波長を変化させることができる。
【００７０】
なお、第２実施形態における合波器では、第１実施形態において説明した合波器のアームの差を変えることにより、光合波損失が最小となるように、波長間隔（例えば５．６ｎｍ間隔）を設計することができる。
【００７１】
次に、本実施形態に係る波長可変レーザの製造方法について説明する。まず、超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０と合波器５との下部クラッド層および光導波路層となる半導体膜を基板ＳＢ全面に堆積する。次いで、電子ビーム露光法、ドライエッチングや、回折格子を埋め込んで成長させる方法により、超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０の各層を形成する。そして、光素子４０と合波器５部分にマスクをし、利得領域３となる部分のみをエッチングする。その後、合波器５に対して、利得領域３の下部クラッド層および光導波路層となる半導体膜をバットジョイント法により成長する。当該マスクを除去し、上部クラッド層とコンタクト層を堆積する。後工程で上部電極を付与する部分（利得領域３及び光素子４０のメサ構造となる部分）以外のコンタクト層を除去する。合波器５部分にはマスクをして、光素子４０と利得領域３のメサ構造となる部分をドライエッチングで形成し、電流ブロック層を埋め込み成長で形成する。
【００７２】
さらに、光素子４０と利得領域３にマスクをし、合波器５のメサ構造となる部分をドライエッチングで形成する。当該マスクを除去し、絶縁層と樹脂層とを堆積する。上部電極を付与する部分の絶縁層と樹脂層とをドライエッチングで除去する。上部電極（オーミック電極）となる膜を蒸着して、リフトオフ形成する。基板ＳＢの裏面を研磨し、裏面電極（オーミック電極）を形成する。基板ＳＢを分割しバー状態にし、当該バーの一端に高反射膜ＨＲをコーティングする。当該バーをチップ化してサブマウントに実装する。上部電極および下部電極にワイヤボンディングする。最後に、温度制御素子（ペルチェ）を付加する。
【００７３】
次に、本実施形態に係る波長可変レーザの動作について説明する。ここでは、波長１５５４．２ｎｍの光を出力する場合について説明するが、その他の波長の光を出力する場合は適宜値を調整すれば良い。
【００７４】
まず、利得制御回路１０の制御信号に基づいて、利得領域３の２以上の並列された光素子のうちのいずれか１つにのみ電流を注入して光利得を発生させる。例えば、利得領域３の光素子Ｌ３にのみ電流を（例えば１５０ｍＡ）注入し、その他の光素子Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４には電流を注入しない。また、波長制御回路２０の制御信号に基づいて、超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０に電流を（例えば２．０ｍＡ）注入する。
【００７５】
光素子Ｌ３から出た光が、合波器５を通過すると、図８に示した対応するポートＰ３のＦ３のプロットのロスが加わる。上記電流値のとき、図８に示す合波器５の対応するポートＰ３の一つの透過波長範囲（１５５０ｎｍ〜１５５５ｎｍ）内には、図１７に示す超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０の反射スペクトルのピークのうち1本の波長（１５５４．２ｎｍ）のみが存在する。
【００７６】
他端Ｓ２側に設けられた反射器９の超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０と、他端Ｓ２側に設けられた高反射膜ＨＲとでレーザ共振器が形成される。図８に示す合波器５の対応するポートＰ３の損失が低い一つの透過波長範囲（例えば１５５０ｎｍ〜１５５５ｎｍ）で、かつ、反射器９の超構造回折格子層ＳＳＧからの反射が大きい波長（例えば１５５４．２ｎｍ）でレーザ発振が起こる。
【００７７】
以上説明したものと同様に、利得領域３のその他の光素子（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４）に電流を注入した時も、合波器５の対応するポートの一つの透過波長範囲内に、反射器９の光素子４０の１本の反射ピークが存在する。
【００７８】
図１８に超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０への注入電流を変えた時の、反射スペクトルのピーク波長シフトを示す。図１８から理解されるように、利得領域３の光素子Ｌ３に電流を注入したときに、光素子４０への電流注入量（例えば０ｍＡ〜４０ｍＡの範囲）を変化させることで、合波器５の合波ロスが小さい他の波長域においても、反射波長を変化（例えば約４ｎｍの範囲）させることができる。
【００７９】
以下に、本実施形態に係る波長可変レーザ２の効果を説明する。本実施形態でも、第１実施形態で説明した波長可変レーザ１と同様の効果を奏することができる。また、超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０は、周期的な反射スペクトルを有するため、合波器５において合波された光から特定の波長を有する光を反射する反射器として好適である。また、超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０への電流注入を調整することにより、レーザ発振波長を変化させることができる。
【００８０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、１つの波長可変レーザにおいて光素子が４つ設けられている例を示したが、光素子の数は２以上８以下であることが好ましい。また、上記実施形態では、合波器の透過波長範囲が５ｎｍである例を示したが、合波器の透過波長範囲は２ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましい。また、上記実施形態では、ｎ型基板上に半導体層を積層する波長可変レーザを例示したが、ｐ型基板上に半導体層を積層する波長可変レーザでもよい。
【００８１】
また、利得領域３の２以上の並列された光素子のうちのいずれか１つにのみ電流を注入して光利得を発生させる例を示したが、利得領域３の２以上の光素子に電流を注入して光利得を発生させても良い。例えば、利得領域３の４つの光素子Ｌ１〜Ｌ４に同時に電流を注入すれば、４つの特定の波長を有する光を同時に得ることができる。いずれの場合においても、本実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００８２】
１，２…波長可変レーザ、３…利得領域、５…合波器、７，９…反射器、ＨＲ…高反射膜、１０…利得制御回路、２０…波長制御回路、Ｌ１〜Ｌ４…光素子、Ｒ…リング共振器、ＳＢ・・・基板、ＳＳＧ…超構造回折格子層、４０…光素子。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体波長可変レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長可変レーザとして、例えば、両端に配置した２つのミラーの間に、利得領域及び位相調整領域を設けたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第４８９６３２５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の波長可変レーザでは、両端に設けられた２つのミラーへ電流を注入することにより、反射スペクトルを所望の値に調整させている（バーニア制御）。しかしながら、２つのミラーへ注入する電流をそれぞれ微調整する必要があり、電流制御が複雑で難しいといった問題があった。
【０００５】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、電流制御を容易にすることが可能な波長可変レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の課題を解決するため、本発明の波長可変レーザは、一端に設けられた高反射膜と、一端側に設けられ、電流注入により光が生成される２以上の並列された光素子を有する利得領域と、利得領域で生成された光を合波する合波器と、一端と対向する他端側に設けられ、当該合波された光に対して周期的な反射ピークを有する反射器と、を備え、合波器は利得領域と周期的な反射ピークを有する反射器との間に設けられていることを特徴とする。
【０００７】
この波長可変レーザによれば、利得領域への電流注入のオン・オフを制御することによって、光を生成する。生成された光を合波器において合波した後、周期的な反射ピークを有する反射器によって、所望の波長を有する光として出力させることができる。この結果、電流制御が簡単な波長可変レーザを得ることができる。また、合波器がセグメントを切り出す役割を、高反射膜が光のフィードバックの役割を担っているが、合波器及び高反射膜の波長依存性は比較的低いので、セグメント内での波長変動を抑制することができる。
【０００８】
また、周期的な反射ピークを有する反射器が、リング共振器と他端の劈開面との組合せであっても良い。リング共振器は、周期的な透過スペクトルを有するため、合波器において合波された光から特定の波長を有する光を透過する周期フィルタとして機能し、このリング共振器によって透過した特定の波長の光のみが、他端の劈開面ミラーにより反射され、周期的な反射ピークを有する反射器を構成している。この場合、リング共振器に電流を注入することにより、所定の間隔で周期的に光透過率を変化させることができるので、本発明の波長可変レーザとして好適である。また、リング共振器の一部は、合波器を構成する半導体層と共通の半導体層を用いて作成することができるため、共通の半導体プロセスにより容易に波長可変レーザを形成することができる。
【０００９】
さらに、他端の劈開面に所定の反射率を有する反射膜が形成されていてもよい。これにより、反射ミラーを構成する該他端における反射率を、反射膜を形成することにより調整し、レーザ光を効率的に出射させることができる。
【００１０】
また、周期的な反射ピークを有する反射器が、超構造回折格子層を有する光素子を含んでいても良い。超構造回折格子層を有する光素子は、周期的な反射スペクトルを有するため、合波器において合波された光から特定の波長を有する光を反射する反射器として好適である。当該光素子への電流注入を調整することにより、レーザ発振波長を変化させることができる。
【００１１】
また、合波器が、光導波路層を有するマッハツェンダ干渉計を含んでいることが好ましく、該光導波路層への印加電圧を変えることにより、合波するときの干渉条件を容易に調整することができる。
【００１２】
また、合波器は複数のポートを有し、利得領域で生成される正の利得を有する光の波長範囲が、合波器の複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲よりも大きいことが好ましい。このため、利得領域で生成される光を合波器において任意の波長成分に容易に合波することが可能となる。ここで、「透過波長範囲」とは、合波器の複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの透過損失が、他のポートの透過損失よりも少ない波長範囲のことをいう。
【００１３】
また、当該１つのポートの透過波長範囲内に、反射器の周期的な反射ピークが存在することが好ましい。これにより、所定の波長でレーザ発振することが可能となる。
【００１４】
また、２以上の並列された光素子のうちのいずれか１つに電流を注入して光利得を発生させ、周期的な反射ピークを有する反射器に電流を注入して反射波長を変化させても良い。これにより、所望の波長範囲内でレーザの発振波長を変化させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、電流制御を容易にすることが可能な波長可変レーザを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、第１実施形態に係る波長可変レーザの概念図である。
【図２】図２は、高反射膜ＨＲの一形態を示した模式図である。
【図３】図３は、高反射膜ＨＲの反射率の波長依存性を示す図である。
【図４】図４は、図１におけるIV−IV線に沿った光素子の断面図である。
【図５】図５は、２５℃における利得領域の光素子の発光スペクトルの一例を示す。
【図６】図６は、図１に示した合波器５を拡大した模式図である。
【図７】図７は、図６のVII−VII線に沿った第１アームＷ１の断面図である。
【図８】図８は、合波器５の透過スペクトルの一例を示すグラフである。
【図９】図９は、図１のIX−IX線に沿ったリング共振器Ｒの断面図である。
【図１０】図１０は、リング共振器Ｒの光透過スペクトルの一例を示す図である。
【図１１】図１１は、リングＲＧのパラメータを示す図である。
【図１２】図１２は、図１２は、第１実施形態に係る波長可変レーザの概念図である。
【図１３】図１３は、反射器７の反射スペクトルのピーク波長シフトを示す図である。
【図１４】図１４は、第２実施形態に係る波長可変レーザの概念図である。
【図１５】図１５は、図１４におけるXV−XV線に沿った断面図である。
【図１６】図１６は、図１５におけるXVI−XVI線に沿った断面図である。
【図１７】図１７は、超構造回折格子層ＳＳＧによる光素子４０の反射スペクトルを示す図である。
【図１８】図１８は、超構造回折格子層ＳＳＧによる光素子４０の反射スペクトルのピーク波長シフトを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
（第１実施形態）
【００１８】
図１は、本実施形態に係る波長可変レーザの概念図である。波長可変レーザ１は、一端Ｓ１に設けられた高反射膜ＨＲと、基板ＳＢ上の一端Ｓ１側において、電流注入により光が生成される２以上の並列された光素子（Ｌ１〜Ｌ４）を有する利得領域３と、利得領域３で生成された光を合波する合波器５と、一端Ｓ１と対向する他端Ｓ２側に設けられ、当該合波光に対して周期的な反射ピークを有する反射器７とを備え、合波器５は利得領域３と反射器７との間に設けられている。反射器７は、周期的な透過スペクトルを有し、周期的な波長選択性を有する周期フィルタとして機能するリング共振器Ｒと、リング共振器Ｒを透過した光を反射する反射ミラーとして機能する他端Ｓ２から構成される。
【００１９】
図１のＸＹＺ直交座標系に示すように、波長可変レーザ１の光軸（Ｘ軸）方向において、利得領域３の長さＮ１は例えば５７０μｍとすることができ、合波器５の長さＮ２は例えば５８０μｍとすることができ、反射器７の長さＮ３１は例えば２００μｍとすることができる。すなわち、波長可変レーザ１の光軸方向における全長は、例えば１３５０μｍとすることができる。また、波長可変レーザ１の光軸方向と垂直な軸（Ｙ軸）方向における幅Ｗは、例えば２５０μｍとすることができる。
【００２０】
以下に、高反射膜ＨＲについて説明する。高反射膜ＨＲと、他端Ｓ２の劈開面とでレーザ共振器が形成される。他端Ｓ２の劈開面には、反射率を調整するための反射膜（コーテイング膜）が形成されていてもよい。高反射膜ＨＲは、波長可変レーザ１の一端Ｓ１において、所定の反射波長帯域を有する。高反射膜ＨＲは、その反射波長帯域において、内部光をおよそ８０％以上反射させる光のフィードバックの役割を担っている。高反射膜ＨＲは、波長依存性が比較的低いので、セグメント内での波長変動を抑制することができる。
【００２１】
図２は、高反射膜ＨＲの一形態を示した模式図である。図２に示すように、高反射膜ＨＲには、積層構造を採用することができ、例えば３層膜または５層膜が挙げられる。一般に、積層構造の層数を大きくすることにより、高反射率を有する高反射膜を形成することができる。高反射膜ＨＲの反射率を大きくすることにより、他端Ｓ２側から出る波長λｄを有する光は、高出力のものとすることが出来る。一方、高反射膜ＨＲの反射率を所定の反射率に調整することにより、一端Ｓ１側から出る光を波長モニターやパワーモニター用に使用することができる。
【００２２】
高反射膜ＨＲの積層構造の一例として、Ａｌ２Ｏ３とアモルファスＳｉ（ａ−Ｓｉ）の交互積層膜が挙げられる。具体例として、例えば、波長１．５５μｍの場合の当該積層膜の材料、屈折率及び膜厚を図２に示す。
【００２３】
高反射膜ＨＲは、波長１．５μｍ〜１．６μｍで７５％〜９８％の反射率を有する。図３に高反射膜ＨＲの反射率の波長依存性を示す。図３のＨ５は、上記Ａｌ２Ｏ３とａ−Ｓｉの交互積層からなる５層膜の反射率を示し、図３のＨ３は、上記Ａｌ２Ｏ３とａ−Ｓｉの交互積層からなる３層膜の反射率を示している。図２及び図３に示すように、当該５層膜の反射率は９６％であり、当該３層膜の反射率は８１％であることが判る。なお、高反射膜ＨＲは、例えばＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance：電子サイクロトロン共鳴）スパッタ法で成膜することができる。
【００２４】
次に、利得領域３について説明する。図１に示すように、複数の光素子Ｌ１〜Ｌ４の長手方向はＸ軸方向にそれぞれ延在しており、複数の光素子Ｌ１〜Ｌ４はＹ軸方向に所定の間隔をおいて形成されている。利得領域３の複数の光素子Ｌ１〜Ｌ４は、すべて同じ設計で作製され、ほぼ同じ特性を示す。
【００２５】
利得領域３の光素子Ｌ１〜Ｌ４には、各々上部電極Ｅ１〜Ｅ４および下部電極（図示せず）が設けられている。これら上部電極Ｅ１〜Ｅ４及び下部電極に電気的に接続された利得制御回路１０によって、光素子Ｌ１〜Ｌ４への電流注入量の調整と、光素子Ｌ１〜Ｌ４への電流注入のオン・オフの制御と、を行うことができる。
【００２６】
図４は、図１におけるIV−IV線に沿った光素子Ｌ１の断面図である。この他の光素子Ｌ２〜Ｌ４も光素子Ｌ１と同様の構成を有しているので、説明は省略する。図４に示すように、光素子Ｌ１には、基板ＳＢ上に、下部クラッド層３１と、下部光ガイド層Ｇ１、活性層Ａ１、及び上部光ガイド層Ｇ２を有する光導波路層３２と、上部クラッド層３３と、コンタクト層３４とがこの順に形成され、下部クラッド層３１、光導波路層３２、及び上部クラッド層３３からなるメサ構造の両端を埋め込むようにして電流ブロック層３５が形成され、電流ブロック層上に絶縁層３６が形成されている。なお、利得領域３の各々の光素子Ｌ１〜Ｌ４には回折格子は設けられていない。
【００２７】
例えば、基板ＳＢにｎ型ＩｎＰ基板を採用した場合、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層３１、ＧａＩｎＡｓＰの歪み多重量子井戸層（ＭＱＷ層）からなる活性層Ａ１を含む光導波路層３２（ＭＱＷ層Ａ１：Multiple Quantum Well＋ＳＣＨ層Ｇ１，Ｇ２：Separate Confinement Heterostructure）、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層３３、ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層３４、Ｆｅ−ＩｎＰからなる電流ブロック層３５、ＳｉＯ２からなる絶縁層を採用することができる。
【００２８】
下部クラッド層３１、光導波路層３２、及び上部クラッド層３３からなるメサ構造のＹ軸方向における幅Ｎ４は、例えば１．８μｍとすることができる。当該メサ構造のＺ軸方向における厚さとコンタクト層３４の厚さの和Ｎ５として、例えば４μｍとすることができる。
【００２９】
図４では図示しないが、各々の光素子Ｌ１〜Ｌ４のコンタクト層３４上には、上部電極Ｅ１〜Ｅ４が設けられており、各々の光素子Ｌ１〜Ｌ４の基板ＳＢ下には、下部電極が設けられている。このため、利得領域３の光素子Ｌ１〜Ｌ４に電流を注入することにより、正の利得を有し、所定の波長範囲を有する光を生成することができる。
【００３０】
図５に、利得領域３の光素子Ｌ１〜Ｌ４の発光スペクトルの一例を示す。図５の発光スペクトルは、２５℃における場合を示しており、利得領域３の光素子Ｌ１〜Ｌ４は、波長範囲１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍのブロードな発光を呈し、ほぼこの波長範囲において利得を有することができる。発光スペクトルの中心波長は１５５０ｎｍである。
【００３１】
次に、合波器５について説明する。合波器５は、利得領域３の光素子で生成された光を合波する機能を有する。図６は、図１に示した合波器５を拡大した模式図である。図６に示す合波器５は、第１マッハツェンダ干渉器Ｍ１と第２マッハツェンダ干渉器Ｍ２とを含んでいる。
【００３２】
第１マッハツェンダ干渉器Ｍ１は、光素子Ｌ１から出力された波長λ１を有する光が入力されるポートＰ１に光学的に結合されている第１アームＷ１と、光素子Ｌ２から出力された波長λ２を有する光が入力されるポートＰ２に光学的に結合されている第２アームＷ２と、光素子Ｌ３から出力された波長λ３を有する光が入力されるポートＰ３に光学的に結合されている第３アームＷ３と、光素子Ｌ４から出力された波長λ４を有する光が入力されるポートＰ４に光学的に結合されている第４アームＷ４と、を含んでいる。また、第１マッハツェンダ干渉器Ｍ１は、第１アームＷ１及び第２アームＷ２で合波された光を出力するポートＰ５と、第３アームＷ３及び第４アームＷ４で合波された光を出力するポートＰ６とを更に含んでいる。
【００３３】
第２マッハツェンダ干渉器Ｍ２は、第１マッハツェンダ干渉器Ｍ１のポートＰ５と光学的に結合されているポートＰ７、ポートＰ６と光学的に結合されているポートＰ８、ポートＰ７に光学的に結合されている第５のアームＷ５、ポートＰ８に光学的に結合されている第６のアームＷ６、並びに第５アームＷ５及び第６アームＷ６で合波された波長λＧを有する光を出力するポートＰ９、を含んでいる。
【００３４】
図６に示すように、第１アームＷ１、第４アームＷ４、及び第５アームＷ５は周期的に蛇行した形状を有し、第２アームＷ２、第３アームＷ３、及び第６アームＷ６は直線形状を有している。これにより、第１アームＷ１と第２アームＷ２とは所定の長さの差を有しており、例えばその差を３２．５１μｍとすることができる。また、第３アームＷ３と第４アームＷ４とは所定の長さの差を有しており、例えばその差を３２．４０μｍとすることができる。ポートＰ１〜４はＹ軸方向において所定の間隔を置いて設けられており、例えば、その間隔Ｌｐは各々２０μｍとすることができる。
【００３５】
図７は、図６のVII−VII線に沿った第１アームＷ１の断面図である。この他の第２アームＷ２〜第６アームＷ６も、第１アームＷ１と同様の断面構造を有するので説明を省略する。図７に示すように、合波器５の第１アームＷ１には、基板ＳＢ上に、下部クラッド層７１と、下部光ガイド層Ｇ３、活性層Ａ２、及び上部光ガイド層Ｇ４を有する光導波路層７２と、上部クラッド層７３と、コンタクト層７４とがこの順に形成され、下部クラッド層７１、光導波路層７２、上部クラッド層７３、及びコンタクト層７４からなるメサ構造を覆うようにして絶縁層７５が形成されており、さらに絶縁層７５を覆うようにして樹脂層７６が形成されている。
【００３６】
例えば、基板ＳＢにｎ型ＩｎＰ基板を採用した場合、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層７１、１．４μｍのバンドギャップ波長を有するＧａＩｎＡｓＰの活性層Ａ２および１．２μｍのバンドギャップ波長を有する光ガイド層Ｇ３，Ｇ４（ＳＣＨ層）を含む光導波路層７２、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層７３、ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層７４、ＳｉＯ２からなる絶縁層７５、ならびにＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）からなる樹脂層７６を採用することができる。
【００３７】
合波器５を構成するこれらの半導体層の厚みは、例えば、波長１．５２μｍでシングルモード導波路となるように設計することができる。なお、後述するが、これらの半導体層は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：(Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)法及びドライエッチングで形成できる。
【００３８】
下部クラッド層７１、光導波路層７２、上部クラッド層７３、及びコンタクト層７４からなるメサ構造のＹ軸方向における幅Ｎ６は、例えば１．３μｍとすることができる。Ｚ軸方向における当該メサ構造の厚さＮ７として、例えば４μｍとすることができる。
【００３９】
なお、利得領域３と合波器５とでは、モードフィールドの形状が異なる場合、両者の間にモード変換のためのテーパ型の光導波路が設けられていても良い。これにより、利得領域３と合波器５との接合部分における損失を抑制できる。
【００４０】
このように、合波器５が、光導波路層を含むマッハツェンダ干渉計を有していることで、該光導波路への印加電圧を変えることにより、光導波路層の屈折率が変化し、光導波路の光路長を変化させることができる。この結果、合波するときの干渉条件を容易に調整することができ、マッハツェンダ干渉計の透過波長、あるいは合波器５の透過波長を調整することができる。
【００４１】
図８は、合波器５の透過スペクトルの一例を示すグラフである。図８において、Ｆ１は図６の合波器５のポートＰ１から、Ｆ２は図６の合波器５のポートＰ２から、Ｆ３は図６の合波器５のポートＰ３から、Ｆ４は図６の合波器５のポートＰ４から、それぞれ入力された光の波長と損失の関係を示している。
【００４２】
図８に示すように、合波器５は、波長範囲１５００ｎｍ〜１６００ｎｍでほぼ透明な（吸収損失の少ない）導波路であり、合波器５のポートＰ１〜Ｐ４から入力された光の合波損失が最小となる波長間隔は、５．１ｎｍ〜５．２ｎｍ間隔である。すなわち、図８に示すＦ２の極小値ｆ２と隣接するＦ４の極小値ｆ４との差は５．１ｎｍ〜５．２ｎｍである。同様に、Ｆ４の極小値ｆ４と隣接するＦ１の極小値ｆ１との差は５．１ｎｍ〜５．２ｎｍであり、Ｆ１の極小値ｆ１と隣接するＦ３の極小値ｆ３との差は５．１ｎｍ〜５．２ｎｍである。
【００４３】
図５と図８とに示されるように、利得領域３で生成される正の利得を有する光の波長範囲（例えば１５２５ｎｍ〜１５７５ｎｍ）が、合波器５の複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲（例えば、ポートＰ１の場合、１５４５ｎｍ〜１５５０ｎｍ）よりも大きいことが好ましい。これにより、利得領域で生成される光を合波器において任意の波長成分に容易に合波することが可能となる。
【００４４】
次に、周期的な反射ピークを有する反射器について説明する。図１に示すように、反射器７は、周期的な波長選択性を有する周期フィルタとして機能するリング共振器Ｒと、リング共振器Ｒを透過した光を反射する反射ミラーとして機能する他端Ｓ２から構成される。なお、他端Ｓ２は、素子の劈開面であってもよいし、さらに反射率調整用の反射膜が形成されていてもよい。この他端Ｓ２の反射スペクトルは、リング共振器の透過スペクトルに比較して、波長依存性が小さい。従って、この反射器の反射スペクトルは、リング共振器の透過スペクトルとほぼ同じ反射スペクトルを有する。リング共振器Ｒは、合波器５のポートＰ９に光学的に結合されたラインＢＬ１と、ラインＢＬ１に光学的に結合された円環状のリングＲＧと、リングＲＧに光学的に結合されたラインＢＬ２と、リングＲＧのコンタクト層（後述）上に設けられた円環状の上部電極Ｅ５と、基板ＳＢ下に設けられた下部電極（図示しない）とを含んでいる。なお、上部電極Ｅ５は、ＭＭＩ（多モード干渉）カプラを除いた部分（円弧の部分）のみにコンタクトされている。上部電極Ｅ５及び下部電極は、波長制御回路２０に電気的に接続されており、これにより、反射器７として機能するリング共振器Ｒへの電流注入の調整ができ、リング共振器の透過波長を変化させ、結果として反射器７の反射波長を変化させることができる。
【００４５】
図９は、図１のIX−IX線に沿ったリング共振器Ｒの断面図である。図９では、上部電極Ｅ５及び下部電極を省略している。図９に示すように、リング共振器Ｒは、基板ＳＢ上に、下部クラッド層９１と、下部光ガイド層Ｇ５、活性層Ａ３、及び上部光ガイド層Ｇ６を有する光導波路層９２と、上部クラッド層９３と、コンタクト層９４とがこの順に形成され、下部クラッド層９１、光導波路層９２、上部クラッド層９３、及びコンタクト層９４からなるメサ構造の側面、並びに基板ＳＢの一部を覆うようにして絶縁層９５が形成されており、さらに絶縁層９５を覆うようにして樹脂層９６が形成されている。
【００４６】
例えば、基板ＳＢにｎ型ＩｎＰ基板を採用した場合、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層９１、１．４μｍのバンドギャップ波長を有しＧａＩｎＡｓＰからなる活性層Ａ３と、光ガイド層Ｇ５，Ｇ６（ＳＣＨ層）とを含む光導波路層９２、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層９３、ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層９４、ＳｉＯ２からなる絶縁層９５、ならびにＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）からなる樹脂層９６を採用することができる。
【００４７】
下部クラッド層９１、光導波路層９２、上部クラッド層９３、及びコンタクト層９４からなるメサ構造のＹ軸方向における幅Ｎ８は、例えば１．３μｍとすることができ、Ｚ軸方向における当該メサ構造の厚さＮ９として、例えば４μｍとすることができる。
【００４８】
リング共振器Ｒは、所定の間隔で周期的に光を透過する機能を有する。図１０にリング共振器Ｒの光透過スペクトルの一例を示す。横軸は波長を示す。縦軸は損失を示し、マイナスの数字が大きいほど損失が大きいことを示す。この場合、波長５．１ｎｍ間隔で周期的に光透過率が高くなることが分かる。
【００４９】
図８と図１０とを比較すると分かるように、図８に示した合波器５の複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲内に、図１０に示すリング共振器Ｒの周期的な透過ピークが存在することが分かる。具体的には、図８のＦ１に示すポートＰ１の透過波長範囲（１５４５ｎｍ〜１５５０ｎｍ）内に、図１０のリング共振器Ｒの１つの透過ピークＴ２が存在している。同様に、図８のＦ２に示すポートＰ２の１つの透過波長範囲（１５５５ｎｍ〜１５６０ｎｍ）内に、図１０のリング共振器Ｒの１つの透過ピークＴ４が存在している。図８のＦ３に示すポートＰ３の１つの透過波長範囲（１５５０ｎｍ〜１５５５ｎｍ）内に、図１０のリング共振器Ｒの１つの透過ピークＴ３が存在している。図８のＦ４に示すポートＰ４の透過波長範囲（１５４０ｎｍ〜１５４５ｎｍおよび１５６０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）内に、図１０のリング共振器Ｒの透過ピークＴ１およびＴ５がそれぞれ存在している。
【００５０】
このように、図８に示した合波器５の複数のポートＰ１〜Ｐ４のうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲内に、図１０示すリング共振器の周期的な透過波長が存在するようにすれば、所定の波長でレーザ発振することが可能となる。例えば、合波器５の複数のポートＰ１〜Ｐ４のうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲内に、リング共振器の周期的な透過ピークが１つのみ存在するようにすれば、反射器７によりリング共振器を透過した波長の光が反射されるので、特定の波長でレーザ発振することが可能となる。
【００５１】
図１１に、上述の透過スペクトルに影響するリングＲＧのパラメータを示す。リングＲＧのＭＭＩカプラの分岐比ＭＰは１：１である。リングＲＧの円周の長さＮＲは、例えば１３２．５５μｍとすることができる。
【００５２】
図１では、他端Ｓ２として劈開面を用いた場合を説明したが、図１２に示すように、他端Ｓ２は、劈開面にさらに反射膜ＡＲを形成したものとしてもよい。これにより、該他端Ｓ２における反射率を調整し、レーザ光を効率的に出射させることができる。他端Ｓ２に設けられる反射膜として、単層または多層膜からなる誘電体膜を用いることができる。他端Ｓ２に設けることが可能な膜として、例えば低反射膜が挙げられる。低反射膜の反射率としては、例えば１％〜３０％の反射率とすることができる。低反射膜として、例えば、窒化シリコン膜が挙げられる。
【００５３】
次に、本実施形態に係る波長可変レーザの製造方法について説明する。まず、合波器５及び反射器７のリング共振器Ｒの下部クラッド層及び光導波路層となる半導体膜を基板ＳＢ全面上に、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ：Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy)により堆積する。その後、合波器５及びリング共振器Ｒ部分にマスクをして、利得領域３となる位置のみをエッチングする。次いで、合波器５に対して、利得領域３の下部クラッド層及び光導波路層とをバットジョイント成長する。該マスクを除去し、合波器５、リング共振器Ｒ、及び利得領域３の上部クラッド層とコンタクト層となる半導体膜を堆積する。
【００５４】
次いで、後工程で上部電極を付与する部分（利得領域３及びリング共振器Ｒのメサ構造部分）以外のコンタクト層を除去する。合波器５及びリング共振器Ｒ部分にマスクをして、利得領域３のメサ構造となる部分をドライエッチングで形成する。当該メサ構造を埋め込むように、電流ブロック層をＭＯＶＰＥ法により成長する。次いで、利得領域３をマスクし、合波器５及びリング共振器Ｒのメサ構造となる部分をドライエッチングによって形成する。当該マスクを除去し、絶縁層を堆積後、樹脂層となる膜を塗布して硬化させる。その後、当該上部電極を付与する部分の絶縁層と樹脂層とをドライエッチングで除去する。利得領域３のコンタクト層とリング共振器Ｒのコンタクト層との上に、上部電極（オーミック電極）を蒸着およびリフトオフで形成する。基板ＳＢの裏面を研磨し、裏面電極（オーミック電極）を形成する。
【００５５】
そして、基板ＳＢを分割してバー状態にし、当該バーの一端に高反射膜ＨＲをコーティングする。さらに当該バーをチップ化してサブマウントに実装する。利得領域３及びリング共振器Ｒの上部電極及び下部電極にワイヤボンディングを行う。最後に、温度制御素子（ペルチェ）を付加する。このように、リング共振器Ｒの一部は、利得領域３や合波器５を構成する半導体層と共通の半導体層を用いて作成することができるため、共通の半導体プロセスにより容易に波長可変レーザを形成することができる。
【００５６】
次に、本実施形態に係る波長可変レーザの動作について説明する。ここでは、波長１５４７ｎｍの光を出力する場合について具体的な数値と共に説明するが、その他の波長の光を出力する場合は適宜数値を調整すれば良い。
【００５７】
まず、利得制御回路１０の制御信号に基づいて、利得領域３の光素子Ｌ１のみに電流（例えば１５０ｍＡ）を注入し、その他の光素子Ｌ２〜Ｌ４には電流を注入しない。波長制御回路２０の制御信号に基づいて、反射器７のリング共振器Ｒにも電流（例えば１．１６ｍＡ）を注入する。反射器７の透過スペクトルのピーク波長は、所定の値をとることが可能であり、図１０に示したように、例えば１５４７．０２ｎｍ（Ｔ２）、１５５２．１０ｎｍ（Ｔ３）、１５５７．２６ｎｍ（Ｔ４）に位置させることができる。
【００５８】
利得領域３の光素子Ｌ１から生成され、図５に示したような、正の利得を有し所定の波長範囲を有する光が、合波器５のポートＰ１から第１アームＷ１を通過すると、図８のＦ１で示した損失が光に加わる。当該損失が低い透過波長範囲（例えば１５４５ｎｍ〜１５５０ｎｍ）で、なおかつ、反射器７のリング共振器Ｒの透過損失が低いピーク波長（例えば１５４７．０２ｎｍ）が、最もレーザ共振器の損失が低くなるため、その波長でレーザ発振が起こることとなる。
【００５９】
図１３に、反射器７を構成するリング共振器Ｒへの注入電流を変化させたときの、リング共振器Ｒの透過スペクトル、つまり反射器７の反射スペクトルのピーク波長シフトを示す。リング共振器Ｒへの注入電流を０ｍＡ〜１．８５ｍＡの範囲に調整することで、図１０に示した反射器７の反射スペクトルのピークのいずれかは、１５４０ｎｍ〜１５６０ｎｍの波長範囲に存在することがわかる。すなわち、反射器７を構成するリング共振器Ｒへの電流注入量の調整により、波長を変化させることが可能となる。これにより、所望の波長範囲内でレーザの発振波長を変化させることが可能となる。
【００６０】
反射器７の反射ピーク波長の波長間隔は、例えば０．１ｎｍとすることができ、一定温度下では、この波長間隔で決まるとびとびの波長でレーザ発振させることができる。なお、波長可変レーザ１の全体の温度を２５℃〜４０℃と変えることにより、当該とびとびの波長の間の波長を連続的に変えることも可能である。この場合、予め、リング共振器への注入電流、温度、および波長との関係を求めておけば良い。
【００６１】
以下に、本実施形態に係る波長可変レーザ１の効果を説明する。本実施形態に係る波長可変レーザでは、利得領域への電流注入のオン・オフを制御することによって、光が生成される。生成された光を合波器において合波した後、周期的な反射ピークを有する反射器によって、所望の周期的な反射ピークを有する光として出力させることができる。この結果、電流制御が簡単な波長可変レーザを得ることができる。また、合波器がセグメントを切り出す役割を、高反射膜が光のフィードバックの役割を担っているが、合波器及び高反射膜は波長依存性が比較的低いので、セグメント内での波長変動を抑制することができる。
（第２実施形態）
【００６２】
以下、第２実施形態に係る波長可変レーザについて説明する。図１４は、第２実施形態に係る波長可変レーザの概念図である。図１５は、図１４におけるXV−XV線に沿った断面図である。図１６は、図１５におけるXVI−XVI線に沿った断面図である。
【００６３】
図１４に示す波長可変レーザ２が、第１実施形態に係る波長可変レーザ１と異なる点は、周期的な反射ピークを有する反射器の構造であるので、これについてのみ説明する。図１４に示すように、第２実施形態に係る波長可変レーザ２では、他端Ｓ２側に設けられた周期的な反射ピークを有する反射器９が、超構造回折格子層（ＳＳＧ：Ｓｕｐｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｇｔａｔｉｎｇ）を有する光素子４０と、他端Ｓ２にコーティングによって設けられた低反射膜ＡＲとを含んでいる。低反射膜ＡＲとして、例えば波長１５４０ｎｍ〜１５６０ｎｍの範囲で反射率が０．２％以下のものを採用することができる。
【００６４】
図１４に示すように、波長可変レーザ２の光軸（Ｘ軸）方向における反射器９の長さＮ３２は、例えば６００μｍとすることができる。すなわち、波長可変レーザ２のＸ軸方向における全長は、例えば１７５０μｍとすることができ、第１実施形態に係る波長可変レーザ１よりも４００μｍ長くするこができる。
【００６５】
図１５及び図１６に示すように、反射器９の光素子４０は、基板ＳＢ上に、下部クラッド層４１と、下部光ガイド層ＬＧ、活性層Ａ４、及び超構造回折格子層ＳＳＧを有する光導波路層４２と、上部クラッド層４３と、コンタクト層４４とがこの順に形成され、下部クラッド層４１、光導波路層４２、及び上部クラッド層４３からなるメサ構造の側面、並びに基板ＳＢの一部を覆うようにして電流ブロック層４５が埋め込んで形成されており、電流ブロック層４５上に絶縁層４６が形成されている。
【００６６】
例えば、基板ＳＢにｎ型ＩｎＰ基板を採用した場合、ｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層４１、１．４μｍのバンドギャップ波長を有しＧａＩｎＡｓＰからなる活性層Ａ４と、下部光ガイド層ＬＧと、超構造回折格子層ＳＳＧとを含む光導波路層４２、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層４３、ＧａＩｎＡｓからなるコンタクト層４４、Ｆｅ−ＩｎＰからなる電流ブロック層、ならびにＳｉＯ２からなる絶縁層４６を採用することができる。
【００６７】
下部クラッド層４１、光導波路層４２、上部クラッド層４３、及びコンタクト層４４からなるメサ構造のＹ軸方向における幅Ｎ１０は、例えば１．８μｍとすることができ、Ｚ軸方向における当該メサ構造の厚さＮ１１として、例えば４μｍとすることができる。
【００６８】
超構造回折格子層ＳＳＧは、波長可変レーザにおける光軸方向（Ｘ軸方向）に沿った周期的な凹凸パターンからなる回折格子Ｇから形成されている。超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０は、周期的な反射ピークを有している。図１７に光素子４０の反射スペクトルの一例を示す。図１７に示す例では、波長範囲１５３５ｎｍ〜１５６５ｎｍの間に、波長５．６ｎｍ間隔で周期的に反射率のピークが５つある。
【００６９】
図示しないが、コンタクト層４４上に蒸着により形成された上部電極と、基板ＳＢ下に設けられた下部電極とに接続されている波長制御回路２０により、光素子４０への電流注入の調整ができ、反射器９の反射波長を変化させることができる。
【００７０】
なお、第２実施形態における合波器では、第１実施形態において説明した合波器のアームの差を変えることにより、光合波損失が最小となるように、波長間隔（例えば５．６ｎｍ間隔）を設計することができる。
【００７１】
次に、本実施形態に係る波長可変レーザの製造方法について説明する。まず、超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０と合波器５との下部クラッド層および光導波路層となる半導体膜を基板ＳＢ全面に堆積する。次いで、電子ビーム露光法、ドライエッチングや、回折格子を埋め込んで成長させる方法により、超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０の各層を形成する。そして、光素子４０と合波器５部分にマスクをし、利得領域３となる部分のみをエッチングする。その後、合波器５に対して、利得領域３の下部クラッド層および光導波路層となる半導体膜をバットジョイント法により成長する。当該マスクを除去し、上部クラッド層とコンタクト層を堆積する。後工程で上部電極を付与する部分（利得領域３及び光素子４０のメサ構造となる部分）以外のコンタクト層を除去する。合波器５部分にはマスクをして、光素子４０と利得領域３のメサ構造となる部分をドライエッチングで形成し、電流ブロック層を埋め込み成長で形成する。
【００７２】
さらに、光素子４０と利得領域３にマスクをし、合波器５のメサ構造となる部分をドライエッチングで形成する。当該マスクを除去し、絶縁層と樹脂層とを堆積する。上部電極を付与する部分の絶縁層と樹脂層とをドライエッチングで除去する。上部電極（オーミック電極）となる膜を蒸着して、リフトオフ形成する。基板ＳＢの裏面を研磨し、裏面電極（オーミック電極）を形成する。基板ＳＢを分割しバー状態にし、当該バーの一端に高反射膜ＨＲをコーティングする。当該バーをチップ化してサブマウントに実装する。上部電極および下部電極にワイヤボンディングする。最後に、温度制御素子（ペルチェ）を付加する。
【００７３】
次に、本実施形態に係る波長可変レーザの動作について説明する。ここでは、波長１５５４．２ｎｍの光を出力する場合について説明するが、その他の波長の光を出力する場合は適宜値を調整すれば良い。
【００７４】
まず、利得制御回路１０の制御信号に基づいて、利得領域３の２以上の並列された光素子のうちのいずれか１つにのみ電流を注入して光利得を発生させる。例えば、利得領域３の光素子Ｌ３にのみ電流を（例えば１５０ｍＡ）注入し、その他の光素子Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４には電流を注入しない。また、波長制御回路２０の制御信号に基づいて、超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０に電流を（例えば２．０ｍＡ）注入する。
【００７５】
光素子Ｌ３から出た光が、合波器５を通過すると、図８に示した対応するポートＰ３のＦ３のプロットのロスが加わる。上記電流値のとき、図８に示す合波器５の対応するポートＰ３の一つの透過波長範囲（１５５０ｎｍ〜１５５５ｎｍ）内には、図１７に示す超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０の反射スペクトルのピークのうち1本の波長（１５５４．２ｎｍ）のみが存在する。
【００７６】
他端Ｓ２側に設けられた反射器９の超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０と、他端Ｓ２側に設けられた高反射膜ＨＲとでレーザ共振器が形成される。図８に示す合波器５の対応するポートＰ３の損失が低い一つの透過波長範囲（例えば１５５０ｎｍ〜１５５５ｎｍ）で、かつ、反射器９の超構造回折格子層ＳＳＧからの反射が大きい波長（例えば１５５４．２ｎｍ）でレーザ発振が起こる。
【００７７】
以上説明したものと同様に、利得領域３のその他の光素子（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ４）に電流を注入した時も、合波器５の対応するポートの一つの透過波長範囲内に、反射器９の光素子４０の１本の反射ピークが存在する。
【００７８】
図１８に超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０への注入電流を変えた時の、反射スペクトルのピーク波長シフトを示す。図１８から理解されるように、利得領域３の光素子Ｌ３に電流を注入したときに、光素子４０への電流注入量（例えば０ｍＡ〜４０ｍＡの範囲）を変化させることで、合波器５の合波ロスが小さい他の波長域においても、反射波長を変化（例えば約４ｎｍの範囲）させることができる。
【００７９】
以下に、本実施形態に係る波長可変レーザ２の効果を説明する。本実施形態でも、第１実施形態で説明した波長可変レーザ１と同様の効果を奏することができる。また、超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０は、周期的な反射スペクトルを有するため、合波器５において合波された光から特定の波長を有する光を反射する反射器として好適である。また、超構造回折格子層ＳＳＧを有する光素子４０への電流注入を調整することにより、レーザ発振波長を変化させることができる。
【００８０】
以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、１つの波長可変レーザにおいて光素子が４つ設けられている例を示したが、光素子の数は２以上８以下であることが好ましい。また、上記実施形態では、合波器の透過波長範囲が５ｎｍである例を示したが、合波器の透過波長範囲は２ｎｍ以上７ｎｍ以下であることが好ましい。また、上記実施形態では、ｎ型基板上に半導体層を積層する波長可変レーザを例示したが、ｐ型基板上に半導体層を積層する波長可変レーザでもよい。
【００８１】
また、利得領域３の２以上の並列された光素子のうちのいずれか１つにのみ電流を注入して光利得を発生させる例を示したが、利得領域３の２以上の光素子に電流を注入して光利得を発生させても良い。例えば、利得領域３の４つの光素子Ｌ１〜Ｌ４に同時に電流を注入すれば、４つの特定の波長を有する光を同時に得ることができる。いずれの場合においても、本実施形態と同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００８２】
１，２…波長可変レーザ、３…利得領域、５…合波器、７，９…反射器、ＨＲ…高反射膜、１０…利得制御回路、２０…波長制御回路、Ｌ１〜Ｌ４…光素子、Ｒ…リング共振器、ＳＢ・・・基板、ＳＳＧ…超構造回折格子層、４０…光素子。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端に設けられた高反射膜と、
前記一端側に設けられ、電流注入により光が生成される２以上の並列された光素子を有する利得領域と、
前記利得領域で生成された光を合波する合波器と、
前記一端と対向する他端側に設けられ、前記合波された光に対して周期的な反射ピークを有する反射器と、を備え、
前記合波器は、前記利得領域と前記反射器との間に設けられている波長可変レーザ。
【請求項２】
周期的な反射ピークを有する前記反射器が、リング共振器と前記他端の劈開面との組合せである請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項３】
前記他端の劈開面に所定の反射率を有する反射膜が形成されている請求項２に記載の波長可変レーザ。
【請求項４】
周期的な反射ピークを有する前記反射器が、超構造回折格子層を有する光素子を含む請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項５】
前記合波器が、光導波路層を有するマッハツェンダ干渉計を含む請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項６】
前記合波器は複数のポートを有し、
前記利得領域で生成される正の利得を有する光の波長範囲が、前記合波器の前記複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲よりも大きい請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項７】
前記複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの前記透過波長範囲内に、前記反射器の前記周期的な反射ピークが存在する請求項６に記載の波長可変レーザ。
【請求項８】
前記２以上の並列された光素子のうちのいずれか１つに電流を注入して光利得を発生させ、周期的な反射ピークを有する前記反射器に電流を注入して反射波長を変化させる請求項７に記載の波長可変レーザ。
【請求項１】
一端に設けられた高反射膜と、
前記一端側に設けられ、電流注入により光が生成される２以上の並列された光素子を有する利得領域と、
前記利得領域で生成された光を合波する合波器と、
前記一端と対向する他端側に設けられ、前記合波された光に対して周期的な反射ピークを有する反射器と、を備え、
前記合波器は、前記利得領域と前記反射器との間に設けられている波長可変レーザ。
【請求項２】
周期的な反射ピークを有する前記反射器が、リング共振器と前記他端の劈開面との組合せである請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項３】
前記他端の劈開面に所定の反射率を有する反射膜が形成されている請求項２に記載の波長可変レーザ。
【請求項４】
周期的な反射ピークを有する前記反射器が、超構造回折格子層を有する光素子を含む請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項５】
前記合波器が、光導波路層を有するマッハツェンダ干渉計を含む請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項６】
前記合波器は複数のポートを有し、
前記利得領域で生成される正の利得を有する光の波長範囲が、前記合波器の前記複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの透過波長範囲よりも大きい請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項７】
前記複数のポートのうちの任意のいずれか１つのポートの前記透過波長範囲内に、前記反射器の前記周期的な反射ピークが存在する請求項６に記載の波長可変レーザ。
【請求項８】
前記２以上の並列された光素子のうちのいずれか１つに電流を注入して光利得を発生させ、周期的な反射ピークを有する前記反射器に電流を注入して反射波長を変化させる請求項７に記載の波長可変レーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１７１３２９（Ｐ２０１０−１７１３２９Ａ）
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４３２７（Ｐ２００９−１４３２７）
【出願日】平成２１年１月２６日（２００９．１．２６）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月５日（２０１０．８．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１月２６日（２００９．１．２６）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]