波長可変半導体レーザ
【課題】構成部品数を従来よりも増やすことなく、発振波長を変化させる際のモードホッピングを解消し、従来よりも幅広い範囲で、発振波長を変化させること。
【解決手段】活性領域１４と、光導波路１６と、光導波路の光伝播方向に沿う側面を活性領域と対向させて光導波路と活性領域とを光結合する光結合部３０と、光結合部を挟んで活性領域と対向して設けられていて光導波路を含む光偏向部２０と、光導波路に対して、活性領域を挟んで配置されていて、光導波路から入射された光を波長選択された戻り光として光導波路へ帰還させる反射型回折格子１８と、光導波路の、光伝播方向と直交する光出射端面２２に設けられていて、反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面２４とを備え、光偏向部は、光導波路から反射型回折格子に向かう光の出射角を変えることによって、反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする。
【解決手段】活性領域１４と、光導波路１６と、光導波路の光伝播方向に沿う側面を活性領域と対向させて光導波路と活性領域とを光結合する光結合部３０と、光結合部を挟んで活性領域と対向して設けられていて光導波路を含む光偏向部２０と、光導波路に対して、活性領域を挟んで配置されていて、光導波路から入射された光を波長選択された戻り光として光導波路へ帰還させる反射型回折格子１８と、光導波路の、光伝播方向と直交する光出射端面２２に設けられていて、反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面２４とを備え、光偏向部は、光導波路から反射型回折格子に向かう光の出射角を変えることによって、反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザ、特に発振波長を変化することができる波長可変半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、波長多重通信（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）システムの発展にともない、発振波長を変更できる波長可変レーザ光源が求められるようになってきた。このようなレーザ光源としては、種々の形式のものが提案されているが、ここでは、２つの従来技術を例示する。
【０００３】
まず、第１の従来技術として、分布ブラッグ反射型半導体レーザ（以下、ＤＢＲレーザとも称する）が挙げられる。
【０００４】
このＤＢＲレーザでは、発振波長を変化させていくと、発振波長が不連続に変化するモードホッピングが生じるという問題点がある。
【０００５】
このモードホッピングは、レーザ光源の発振波長（縦モード波長）が、共振器の光路長により決定される離散的な値を取ることに由来しており、発振波長と現在選択されている縦モード波長との間の波長のずれが大きくなると、隣接する縦モード波長へと、発振波長が不連続に変化する現象である。
【０００６】
一方、ＤＢＲレーザにおいて、モードホッピングの影響を緩和して、より広い範囲に渡って発振波長を連続的に変化させることが可能な、３電極ＤＢＲレーザが知られている。この３電極ＤＢＲレーザは、活性領域と分布ブラッグ反射鏡領域との間に、伝播光の位相を調整する位相調整領域を設けた構造となっている。
【０００７】
この３電極ＤＢＲレーザにおいては、位相調整領域に印加する電流を、分布ブラッグ反射鏡領域に印加する電流と同時に制御する。この結果、モードホッピング時における発振波長の不連続変化をある程度抑制することができる。これにより、３電極ＤＢＲレーザは、約１０ｎｍの範囲に渡って発振波長を変化させることができる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、第２の従来技術として、レーザ光源、光偏向器、レンズおよび反射型回折格子を、光の伝播方向に沿って、この順序で直列に配置した外部共振器型波長可変レーザ光源が挙げられる。
【０００９】
より詳細には、第２の従来技術は、レーザ光源、およびレーザ光源で発生した光の伝播方向を変える光偏向器が、モノリシックに接続されている。
【００１０】
レーザ光源から発生した光は、光偏向器により出射角を調整された上で、レーザ光源の外部に設けられたレンズに向かって出射される。レンズを通過する光は、屈折されて、所定の入射角で反射型回折格子へ入射する。この際、光の出射角に応じて、レーザ光源から反射型回折格子に至るまでの光の伝播経路（共振器長）が変化する。
【００１１】
反射型回折格子に入射した光のうち、入射角と等しい回折角で反射されることで単色化された戻り光は、入射の際と逆の経路（反射型回折格子→レンズ）を通過してレーザ光源へと帰還する。
【００１２】
この第２の従来技術では、光偏向器により光の出射角を変更することで、光を単色化すると同時に、光の伝播経路の長さ（共振器長）をも変化させている。これにより、モードホッピングを生じることなく光の発振波長を変化させる（たとえば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２７３６４４号公報（図３）
【非特許文献１】Ｏｈ Ｋｅｅ Ｋｗｏｎ ｅｔ ａｌ．"Ｐｒｏｐｏｓａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｅｘｔｅｒｎａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ"，ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１６，ＮＯ．８，ＡＵＧＵＳＴ ２００４，ｐｐ．１８０４−１８０６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した第１の従来技術は、発振波長の変化範囲が、約１０ｎｍであり、決して満足できる広さとはいえなかった。
【００１４】
また、上述した第２の従来技術は、モードホッピングの問題を解決している。しかし、モードホッピングを生じることなく発振波長を変化するためには、レーザ光源と反射型回折格子との間にレンズを配置しなければならなかった。そのため、波長可変レーザ光源を構成する部品数が増加するという問題点があった。
【００１５】
この発明は、このような問題点に鑑みなされたものである。したがって、この発明は、（１）構成部品数を従来よりも増やすことなく、（２）発振波長を変化させる際のモードホッピングを解消し、（３）従来よりも幅広い範囲で、発振波長を変化させることができる波長可変半導体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】
【００１６】
この発明は、上述の目的を達成するために、次のように構成されている。
【００１７】
すなわち、請求項１に記載の波長可変半導体レーザは、活性領域と、光導波路と、光結合部と、光偏向部と、反射型回折格子と、反射面とを備えている。
【００１８】
光結合部は、光導波路と活性領域との間で光結合を行っている。光導波路は、これを光が伝播する光伝播方向に沿った側面を活性領域の入出射面と対向させて配置されている。
【００１９】
光偏向部は、光結合部を挟んで活性領域に対向して設けられていて、光導波路の全部または一部分を含む。
【００２０】
反射型回折格子は、光導波路に対して、活性領域を挟んで、設けられていて、光導波路から入射された光を、波長選択された戻り光として、光導波路へ帰還させる。
【００２１】
反射面は、光導波路の光伝播方向と直交する光出射端面に設けられている。この反射面は、上述の反射型回折格子と相俟って光共振器を構成している。
【００２２】
上述した光偏向部は、光導波路から出射する光の出射角を変えることによって、光導波路から反射型回折格子に向かう光の、反射型回折格子への入射角と光路の長さを変更する。
【００２３】
このように、この発明の波長可変半導体レーザによれば、活性領域で発生した光は、反射面と反射型回折格子とで構成される光共振器において、共振されて所定波長の光として光出射端面から取り出される。この光共振器においては、光偏向部によって、光導波路から反射型回折格子に向けた光の出射方向を変えることにより、反射型回折格子へ入射する光の入射角および光路長（共振器長）を同時に変更する。このように、反射型回折格子への入射角の変更に伴い生じる波長選択と、共振器長の変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなくモードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長を変更することができる。
【００２４】
また、請求項２に記載の波長可変半導体レーザによれば、反射型回折格子は、活性領域と別部品とされている。
【００２５】
このように、この発明によれば、反射型回折格子を活性領域とは別体とすることにより、微細な加工が要求される反射型回折格子を活性領域とは別に製造することができる。
【００２６】
また、請求項３に記載の波長可変半導体レーザによれば、反射型回折格子は、活性領域において、光導波路から活性領域へと入射された光が照射される端面に形成されている。
【００２７】
このように、この発明によれば、反射型回折格子を活性領域の端面に設けたので、波長可変半導体レーザを構成する部品数を削減することができる。
【００２８】
また、請求項４に記載の波長可変半導体レーザによれば、光偏向部は、電気光学的に光導波路の屈折率を変えることによって、反射型回折格子に向かう光の、反射型回折格子への入射角を変更する手段である。
【００２９】
このように、この発明によれば、光偏向部を用いて、活性領域と光結合した光導波路の屈折率を、電気光学効果を利用して変更することができるので、光導波路と活性領域との光結合部から出射する光の出射角、したがって反射型回折格子に向かう光の、反射型回折格子への入射角を、光偏向部に印加する電圧の調整により、簡単に調整することができる。
【００３０】
また、請求項５に記載の波長可変半導体レーザによれば、、反射型回折格子の格子面を、平面状に形成し、この反射型回折格子を、光導波路の光伝播方向と格子面の法線とが４５°の角度をなすように配置している。
【００３１】
詳しくは、後述するが、このような角度をなすように格子面が平面の反射型回折格子を配置することにより、光導波路と反射型回折格子との間に介在する活性領域中の光路に沿った長さによらず、モードホッピングを解消することができる。つまり、この配置条件の下では、光路に沿った活性領域の長さを、設計に応じて任意の長さとすることができる。
【００３２】
また、請求項６に記載の波長可変半導体レーザによれば、光導波路に、さらに光路の光路長を変化させるための位相調整領域が設けられている。
【００３３】
このように、この発明によれば、光導波路に位相調整領域が設けられているので、光路の光路長を変化させることができる。よって、初期位相を微調整することで、所望の発振波長においてレーザ発振を容易に達成できる。
【００３４】
また、請求項７に記載の波長可変半導体レーザによれば、反射型回折格子が、光導波路の光伝播方向と格子面の法線とが、０°より大きくかつ９０°より小さい角度をなすように配置されたブレーズド格子であって、光偏向部が入射角を変更しない状態における光導波路から反射型回折格子に向かう光の光伝播方向を初期方向とするときに、ブレーズド格子が、互いに交差する、初期方向に平行な第１面および初期方向に垂直な第２面からなる格子溝を備えており、さらに、第１面の初期方向に沿った長さを、活性領域で発生する光の、活性領域内における中心波長の自然数倍にしてある。
【００３５】
このように、第１面の初期方向に沿った長さを、活性領域で発生する光の、活性領域内における中心波長の自然数倍とすることで、理由は明らかでないが、波長可変半導体レーザから出射される光の強度分布を滑らかにすることができる。
【００３６】
また、請求項８に記載の波長可変半導体レーザによれば、活性領域と、光導波路と、活性領域の光伝播方向に沿う側面を光導波路と対向させて光導波路と前記活性領域とを光結合する光結合部と、光結合部を挟んで活性領域と対向して設けられていて光導波路を含む光偏向部と、活性領域に対して、光導波路を挟んで設けられていて、活性領域から入射された光を波長選択された戻り光として活性領域へ帰還させる反射型回折格子と、活性領域の、光伝播方向と直交する光出射端面に設けられていて、反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面とを備え、光偏向部は、活性領域から反射型回折格子に向かう光の伝播方向を変えることによって、反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする。
【００３７】
このように、この発明は、請求項１に記載の発明において、活性領域と光導波路とを入れ替えた構成となっている。つまり、活性領域で発生した光は、反射面と反射型回折格子との間の光路として構成される光共振器で共振されることで、所定波長の光として光出射端面から取り出される。この光共振器においては、光偏向部が、活性領域から反射型回折格子に向けた光の出射方向を変えることにより、反射型回折格子へ入射する光の入射角、および光路の長さ（共振器長）を同時に変更する。このように、反射型回折格子への入射角の変更に伴い生じる波長選択と、共振器長の変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなくモードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長を変更することができる。
【００３８】
また、請求項９に記載の波長可変半導体レーザによれば、光出射端面側の端部付近に活性領域を備えた第１光導波路と、第２光導波路と、第１光導波路の光伝播方向に沿う側面を第２光導波路と対向させて第１および第２光導波路を光結合する光結合部と、光結合部を挟んで第２光導波路と対向して設けられていて第１光導波路を含む光偏向部と、第１光導波路に対して、第２光導波路を挟んで設けられていて、第１光導波路から入射された光を波長選択された戻り光として第１光導波路へ帰還させる反射型回折格子と、活性領域の、光伝播方向と直交する光出射端面に設けられていて、反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面とを備え、光偏向部は、第１光導波路から反射型回折格子に向かう光の出射角を変えることによって、反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする。
【００３９】
このように、この発明によれば、活性領域で発生した光は、反射面と反射型回折格子との間の光路として構成される光共振器で共振されることで、所定波長の光として光出射端面から取り出される。この光共振器においては、光偏向部が、活性領域から反射型回折格子に向けた光の出射方向を変えることにより、反射型回折格子へ入射する光の入射角、および光路の長さ（共振器長）を同時に変更する。このように、反射型回折格子への入射角の変更に伴い生じる波長選択と、共振器長の変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなくモードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長を変更することができる。
【発明の効果】
【００４０】
このように、この発明の波長可変半導体レーザの構成によれば、活性領域、反射面を備えた光導波路、光結合部、光偏向部、および反射型回折格子を備えており、光偏向部の作用により、光導波路から反射型回折格子に向かう光の、反射型回折格子への入射角と光路長とを変更するとともに、反射型回折格子で波長選択された戻り光を光導波路へ帰還させている。
【００４１】
その結果、この発明の波長可変半導体レーザは、レンズを使用しないことから、構成部品数を従来よりも増やすことがない。また、この発明の波長可変半導体レーザは、発振波長を変化させる際のモードホッピングを解消し、従来よりも幅広い範囲で、発振波長を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
つぎに、図１〜図１２を参照して、この発明の実施の形態について説明する。尚、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例に過ぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。
【００４３】
（実施の形態１）
図１〜図８を参照して、実施の形態１の波長可変半導体レーザの構造および動作について説明する。図１は、波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿った要部拡大断面図である。図３は、波長可変半導体レーザの構造上の条件および動作の説明に供する模式図である。図４は、波長可変半導体レーザの反射型回折格子付近を模式的に示した要部拡大模式図である。図５は、波長可変半導体レーザについて行ったシミュレーション結果を示す図である。図６は、光出射端面から出射される光の強度分布を模式的に示す図である。図７は、反射型回折格子の配置角度変化の説明に供する模式図である。図８は、波長可変半導体レーザの変形例を示す平面図である。
【００４４】
図１に示す構成例につき説明する。波長可変半導体レーザ１０は、平面形状が矩形の平行平面板状の基板１２を共通に用いてそれぞれ形成された活性領域１４、光導波路１６、光偏向部２０、光結合部３０および反射型回折格子１８を備えている。この波長可変半導体レーザ１０は、全ての構成部品が共通の基板１２に集積されたモノリシック波長可変半導体レーザである。
【００４５】
基板１２の平面形状を長方形とする。光導波路１６は、基板１２の長手方向に対向する一方の端面側に設けられている。また、反射型回折格子１８は、基板１２の他方の端面側に設けられている。このとき格子面２８は、光導波路１６側にある。
【００４６】
活性領域１４は、誘導放出により光を発生する領域である。また、この活性領域１４は、反射型回折格子１８と、光導波路１６との間に介在させて設けられている。この活性領域１４は、基板１２と、基板１２の一方の主面（上面）１２ａに設けられた活性層３２（図２参照）と、活性層３２上に設けられたｐ型クラッド層３４（図２参照）、このｐ型クラッド層３４上、および、基板１２の他方の主面（下面）１２ｂにそれぞれ設けられた電極３６および３８（図２参照）とを備えている。活性領域１４には、光導波路１６と反射型回折格子１８との間の活性層３２中に光の伝播経路として機能する領域が形成されている。
【００４７】
活性領域１４は、反射型回折格子１８側から光導波路１６側へと向かう方向（基板１２の長手方向）に沿って、横幅（基板１２の短手方向に沿う長さ）が徐々に狭くなっていく。つまり、活性領域１４は、平面視で、反射型回折格子１８側から光導波路１６側へと向かうに従って、ほぼテーパ状に横幅が縮小していく形態に形成されている。従って、活性領域１４は、全体的に、後述する反射型回折格子１８と同厚の、三角形状のブロックの形態をしていて、その斜辺を挟む一方の辺の側面が、格子面２８と対面し、かつ、他方の辺の側面１４ｃが、光導波路１６と対向して設けられている。この活性領域１４の光導波路１６との対向面、および反射型回折格子１８との対向面は、それぞれ平面であって、光の入射および出射を行う面を構成している。
【００４８】
反射型回折格子１８は、等厚の直角三角形のブロック形態に形成されていて、斜辺のブロック面に格子面２８が作りこまれた構成となっている。なお、反射型回折格子１８は、活性領域１４とは別部品とされている。この反射型回折格子１８の格子面２８は、基板１２の上面１２ａと直交していて、各格子溝５０は、上面１２ａと垂直な方向に一定の間隔で離間して設けられている。
【００４９】
反射型回折格子１８は、直交する２辺における側面を基板１２の直交する２つの側面と平行にして配置されている。
【００５０】
光導波路１６は、ストライプ状に形成されたチャネル型導波路であり、基板１２上に設けられた光導波層４３（図２参照）と、光導波層４３の上に設けられたｐ型層４２（図２参照）とを備える。光導波路１６は、基板１２の上面１２ａ上に基板１２の長手方向に沿う側面と平行に設けられている。光導波路１６の長手方向の一端１６ｂから他端１６ａの近傍に至るまで、光導波路１６の側面１６ｃは、これと対向する活性領域１４の側面、すなわち入出射面１４ｃと近接して対向している。また、光導波路１６の一端１６ｂ側の端面は、間隙を隔てて活性領域１４と対向している。光導波路１６の他端１６ａ側の端面は、波長可変半導体レーザ１０の光の光出射端面２２となっている。
【００５１】
光結合部３０は、光導波路１６と活性領域１４とを光結合する構成部分である。すなわち、光結合部３０は、光導波路１６の光伝播方向と平行な側面１６ｃと、この側面１６ｃと離間して対向する、活性領域１４の側面１４ｃと、両側面１６ｃおよび１４ｃの間に設けられた絶縁層４８（図２参照）とを備える。光導波路１６の側面１６ｃは、光導波路１６中で伝播方向が偏向された光を出射し、かつ、反射型回折格子１８からの反射光、すなわち戻り光が入射する面を構成している。光結合部３０は、光導波路１６の光伝播方向に沿って、他端１６ａから所定の長さＷ４にわたって設けられている。この長さＷ４は、好ましくは、光導波路１６の全長と等しいか、全長よりも短いことが好ましい。
【００５２】
光結合部３０において、光は、実質的に１００％の光結合効率で結合されているとみなせる。すなわち、光導波路１６から活性領域１４へと光が結合する際、および活性領域１４から光導波路１６へと光が結合する際には、光の強度の減少が実質的にないとみなせる。
【００５３】
光導波路１６において、光結合部３０に至った光は、側面１６ｃからエバネッセント波として絶縁層４８へ染み出し、側面１４ｃを経て活性領域１４の活性層３２へと入射される。ところで、光結合部３０では、長さＷ４の全長に渡って光が結合されるので、活性領域１４に向けて出射される光は、長さＷ４に対応する幅を有する。より詳細には、光導波路１６から活性領域１４へと出射する光の出射角をΘ（図３参照）としたときに、活性領域１４に向けて出射される光は、図面内において、活性領域１４中での光の伝播方向に直交する方向に、Ｗ４ｓｉｎΘの幅を有する。一方、活性領域１４から出射して光結合部３０に至った光は、同様に、光結合部３０を経て光導波路１６へと入射する。
【００５４】
絶縁層４８の幅（短手方向の長さ）は、光が結合可能な程度の幅とする。この幅は、活性領域１４と光導波路１６との間の光結合効率に関係している。より詳細には、絶縁層４８の幅が広い場合には、活性領域１４と光導波路１６との間で、１００％の光結合効率を達成するためには、光結合部３０の長さを長くする必要がある。逆に、絶縁層４８の幅が狭い場合には、活性領域１４と光導波路１６との間で、１００％の光結合効率を達成するためには、光結合部３０の長さは短くともよい。ここで、光結合効率とは、光結合部３０を介して、光導波路１６（活性領域１４）から活性領域１４（光導波路１６）に移行した光の強度割合のことをいう。
【００５５】
このように、光は、活性領域１４と光導波路１６との間を、光結合部３０を介して、容易に伝播することができる。
【００５６】
光導波路１６の、光結合部３０に対応する領域は、光偏向部２０を構成している。光偏向部２０は、光導波層４３、光導波層４３の上に設けられたｐ型層４２（図２参照）、ｐ型層の上に設けられた電極２６（図２参照）、および基板１２の他方の主面（下面）１２ｂに設けられた電極３８（図２参照）を備えている。これらの電極２６と３８との間に印加する電圧を変化させることによって、電気光学効果に基づき、光偏向部２０に含まれる光導波層４３の領域の屈折率を制御する。
【００５７】
以下、この屈折率制御につき具体的に説明する。
【００５８】
今、電極２６と３８との間に所定の電圧Ｖ（Ｖ＝０の場合も含む）が印加されているとする。そのときの、光導波層４３の屈折率をｎeとし、活性領域１４の屈折率をｎactとしたときに、光結合部３０を介して、光導波路１６から活性領域１４へと出射する光の出射角Θが、Θxであるとする。このとき、出射角Θxと屈折率ｎeおよびｎactとの間には、ｃｏｓΘx＝ｎe／ｎactの関係が成り立つことが知られている。このことより、電極２６に印加する電圧を制御して、光偏向部２０に対応する光導波層４３の屈折率ｎeを変化させてｎe'とすると、ｎactは一定であるから、出射角Θxが、Θx'に変化する。従って、光は、出射角がΘx'に揃った状態、つまり、コリメートされた状態で、光結合部３０から活性領域１４へと出射される。このように、出射角Θが変えられることにより、光の反射型回折格子１８への入射角α（図３参照）も変わる。
【００５９】
光導波路１６の端面１６ａを構成する光出射端面２２は、所定の反射率（＜１００％）を有する反射膜が形成された反射面２４とされている。
【００６０】
反射型回折格子１８は、基板１２に活性領域１４を挟んで光偏向部２０と離間させて配置されている。この反射型回折格子１８は、反射型平面回折格子である。反射型回折格子１８の配置角度Θg（図３参照）、すなわち格子間の格子溝５０が形成された格子面２８の延在方向、すなわち直角三角形の斜辺と、光導波路１６における光伝播方向とがなす角度は、４５°である。また、反射型回折格子１８は、格子溝５０の断面形状が鋸歯状とされたブレーズド格子であり、格子溝５０が、格子面２８に図面鉛直方向に延在するように形成されている。
【００６１】
図４を参照すると、反射型回折格子１８において、任意の１個の格子溝５０は、互いに直角に交差する第１面５２および第２面５４から構成されている。
【００６２】
ここで、光偏向部２０が、出射角Θ（入射角α）を変更しない状態、すなわち、光偏向部２０において光導波層４３の屈折率ｎeが変更されていない状態において、光導波路１６から反射型回折格子１８に向かう光Ｉ0の光伝播方向を初期方向とし、初期方向と光導波路１６の光伝播方向とのなす角度の鋭角側をΘ0とする。
【００６３】
このとき、基板１２の上面１２ａと平行な面内において、第１面５２の延在方向が、初期方向と平行となるように、かつ、第２面５４の延在方向が、初期方向に垂直となるように、格子溝５０が形成されている。また、第１面５２の初期方向に沿った長さＳは、活性領域１４で発生する光の、活性領域１４内における中心波長と等しくされている。ここで、反射型回折格子１８の格子定数をｄとしたときに、ｄとＳとの間には、ｄ＝Ｓ／ｓｉｎ（Θg−Θ0）という関係が成り立つ。
【００６４】
ここで、「活性領域１４内における中心波長」とは、活性領域１４で発生する光の発光スペクトルにおけるピーク波長であって、活性領域１４中での波長を示す。このピーク波長は、活性領域１４のバンドギャップにより定まる。なお、以降の説明において、「活性領域１４で発生する光の、活性領域１４内における中心波長」を単に「中心波長」と称する。
【００６５】
また、反射型回折格子１８は、基板１２とは別部品として形成され、基板１２の上面１２ａに貼り付けられている。したがって、格子面２８と、これと対向している活性領域１４の端面１４ａとの間には、数μｍ程度の間隙４６が存在する。この間隙４６に対応する基板１２の上面１２ａには無反射コーティングが施されている。これは、端面１４ａから出射されて反射型回折格子１８に向かう光、および反射型回折格子１８で波長選択を受け反射されて端面１４ａに向かう光（反射光あるいは戻り光とも称する）が、上面１２ａで乱反射されることで生じる強度減少を防ぐためである。この間隙４６には、設計に応じた任意好適な光学樹脂が充填されている。
【００６６】
以上説明したように、この波長可変半導体レーザ１０において、活性領域１４で発生した光は、反射型回折格子１８と光導波路１６の反射面２４との間の光路を多数回往復することで、所定波長の光として光出射端面２２から出射される。つまり、反射型回折格子１８と光導波路１６の反射面２４との間の光路により光共振器が構成されている。
【００６７】
つぎに、図１および図２を参照して、この波長可変半導体レーザ１０の寸法、材質および積層構造の詳細について述べる。
【００６８】
基板１２は、たとえば、厚さが約３００μｍのｎ型ＩｎＰ基板を用いる。基板１２の、光導波路１６の光伝播方向に沿った寸法は、たとえば、約６００μｍとし、および光導波路１６の光伝播方向に直交する方向に沿った寸法は、たとえば、約５０μｍとする。
【００６９】
この基板１２の長手方向の一端側には、反射型回折格子１８が設けられている。反射型回折格子１８は、基板１２とは別体であり、基板１２に公知の方法で貼り付けられている。反射型回折格子１８は、たとえば、厚さが約２．４μｍのＳｉ基板を、フォトリソグラフィーやエッチング等の公知の方法で加工することにより形成されている。反射型回折格子１８の第１面５２の初期方向に沿った長さＳは、上述のように、中心波長と等しくされている。ここでは、長さＳはたとえば、約０．４μｍとする。
【００７０】
光導波路１６は、光伝播方向に沿った長さが、たとえば、約３２０μｍとされ、図面内において光伝播方向に直交する方向の長さ（幅）が、たとえば、約２μｍとされている。そして、光結合部３０の長さは、たとえば、約３００μｍとする。換言すれば、光結合部３０において、活性領域１４と光導波路１６とは、絶縁層４８を介して約３００μｍの長さに渡って対向している。また、光結合部３０における絶縁層４８の幅、すなわち側面１４ｃと１６ｃとの間の間隔は、たとえば、約１μｍとする。絶縁層４８の幅（約１μｍ）、および光結合部３０の長さ（約３００μｍ）が、上述の条件を満たすときに、光導波路１６と活性領域１４との間で、実質的に１００％の光結合効率が達成される。
【００７１】
また、光導波路１６の反射面２４は、たとえば、屈折率が異なるＳｉＯ2膜とＳｉＮ膜とを交互に積層した、いわゆる誘電体多層膜とする。
【００７２】
活性領域１４の長さＷ１は、たとえば、約２３０μｍとする。同様に、活性領域１４の長さＷ２は、たとえば、約５８０μｍとする。また、活性領域１４の長さＷ３は、たとえば、約１０μｍとする。
【００７３】
図２に、活性領域１４、光導波路１６および絶縁層４８の断面構造を模式的に示す。
【００７４】
活性領域１４は、ダブルへテロ構造からなる。すなわち、活性領域１４は、ｎ型クラッド層としての基板１２と、この基板１２上に形成されたＩｎＧａＡｓＰからなる活性層３２と、この活性層３２上に形成されたｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層３４とを備えている。そして、ｐ型クラッド層３４上には、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を、この順序でｐ型クラッド層３４上に積層した後にアニールを行うことで形成された電極３６が設けられている。また、基板１２の主面１２ｂには、電極３６と同じ積層構造を有する電極３８が設けられている。なお、電極３８は、後述する光導波路１６において、基板１２の主面１２ｂに設けられる電極を兼ねており、共通電極とされている。そして、電極３６と３８との間には、順方向電圧が印加され、これにより活性層３２が発光する。なお、活性層３２で発生する光の中心波長は、約１．５５μｍである。
【００７５】
ここで、活性層３２の膜厚は、たとえば、約０．４μｍとする。また、ｐ型クラッド層３４の膜厚は、たとえば、約２μｍとする。また、電極３６，３８の厚さは、たとえば、約０．５μｍとする。
【００７６】
光導波路１６は、ｐｉｎ構造を構成する。すなわち、ｐｉｎ構造は、ｎ型層としての基板１２と、この基板１２上に形成されたＩｎＧａＡｓＰからなる真性な光導波層４３と、この光導波層４３上に形成されたｐ型ＩｎＰからなるｐ型層４２とを備えている。光導波層４３においては、光を閉じ込めて導波するＩｎＧａＡｓＰの組成を、活性層３２とは異ならせている。これにより、光導波層４３のバンドギャップを活性層３２よりも大きくし、活性層３２で発生した光が、光導波層４３で吸収されないようにしている。より具体的には、光導波層４３において、ＩｎＧａＡｓＰのＧａＡｓ成分の組成を増すことでバンドギャップを大きくしている。なお、光導波層４３の膜厚は、活性層３２と等しく、たとえば、約０．４μｍとする。また、ｐ型層４２の膜厚は、ｐ型クラッド層３４と等しく、たとえば、約２μｍとする。
【００７７】
また、光偏向部２０は、ｐｉｎ構造の上面に、電極２６を備えている。この電極２６は、活性領域１４に設けられた電極３６，３８と、構造および膜厚が等しい。また、基板１２の他方の主面（下面）１２ｂには、上述した共通電極としての電極３８が設けられている。電極２６と３８との間には、活性領域１４の場合とは異なり逆方向電圧が印加される。
【００７８】
また、絶縁層４８は、Ｆｅをドープすることにより絶縁性とされたＩｎＰからなり、その厚さは、約２．４μｍである。絶縁層４８は、基板１２上に側面１４ｃおよび１６ｃに接して配置されている。
【００７９】
このように、活性領域１４の電極３６，３８には順方向電圧を、および光偏向部２０の電極２６，３８には逆方向電圧を、それぞれ印加する。絶縁層４８によって、活性領域１４と光偏向部２０とは電気的に絶縁されているので、電極３６と電極２６との間でリークが生じることはない。
【００８０】
なお、「活性領域１４が光を発生する」との表現、およびこれに類する表現は、「活性層３２が光を発生する」との意味を表すものとする。
【００８１】
つぎに、図１および図３を参照して、この波長可変半導体レーザ１０の動作、すなわち、モードホッピングを生じない発振波長変化につき、説明する。
【００８２】
電極３６，３８に順方向電流を印加すると、活性領域１４において誘導放出により光が生じる。活性領域１４で生じた光の一部は、光結合部３０を介して、光導波路１６を光出射端面２２方向に伝播する。そして、反射面２４に至り、反射面２４において所定の反射率で反射される。反射面２４で反射された光は、光導波路１６を光偏向部２０（光結合部３０）方向に伝播する。
【００８３】
光偏向部２０には、電極２６，３８が設けられており、所定の電圧が印加される。その結果、光偏向部２０における光導波層４３は、屈折率がｎeに制御される。よって、光偏向部２０に含まれる光導波層４３を伝播している光は、上述のように、光導波路１６の側面１６ｃからｃｏｓΘ＝ｎe／ｎactで与えられる出射角Θで、光結合部３０から活性領域１４へと出射される。
【００８４】
活性領域１４に入射された光は、経路Ａに沿って、反射型回折格子１８に入射角αで入射する。回折格子１８に入射した光は、波長の長短により異なる回折角で反射される。つまり、回折格子１８で反射されることで、光は、波長により分離される。
【００８５】
反射型回折格子１８に入射した光のうち、回折角α（＝入射角α）で反射されることで、特定波長λに選択された戻り光のみが、再び経路Ａに沿って、光導波路１６へと帰還して反射面２４方向に伝播する。
【００８６】
このようにして、波長λの光は、光導波路１６および経路Ａからなる光路を複数回往復する。波長λの光は、活性領域１４を経路Ａに沿って伝播するたびに、誘導放出により増幅され、やがて光出射端面２２から波長λの光として出射する。
【００８７】
このとき光の発振波長λは、光導波路１６および経路Ａからなる光路の光路長、つまり、光導波路１６と経路Ａの光路長の和（以下、共振器長Ｔとも称する）で決まる縦モード波長と、反射型回折格子１８の回折角αで選択される波長（以下、選択波長とも称する）との関係で決定される。
【００８８】
背景技術の欄でも述べたように、縦モード波長は離散値である。一方、選択波長は、回折角αを変化させることにより、連続的に変化する値である。よって、実際の発振波長λは、回折角αにより選択された選択波長に最も近い縦モード波長となる。つまり、共振器長Ｔが一定の場合には、選択波長を連続的に変化させていっても、発振波長λが連続的に変化することはない。発振波長λは、隣接する縦モード波長へと不連続に移行するだけである。この波長の不連続な移行が、モードホッピングである。
【００８９】
モードホッピングが生じないようにして、発振波長λを連続的に変化させるためには、選択波長を変化させると同時に、選択波長の波長変化分に応じて、共振器長Ｔをも変化させるのがよい。つまり、共振器長Ｔを変化させることで、縦モード次数を一定に保ったままで、その次数における縦モード波長自体を変化させるわけである。
【００９０】
この実施の形態の波長可変半導体レーザ１０も、選択波長および共振器長Ｔを同時に変化させるものである。つまり、回折角αが大きくなる（出射角Θを大きくする）と、選択波長が長くなる。それと同時に経路Ａ、すなわち共振器長Ｔも長くなるので、縦モードの次数が変化することなく、縦モード波長が長くなる。
【００９１】
回折角αを小さくする（出射角Θを小さくする）場合も同様である。これにより、選択波長が短くなり、選択波長の短波長化に応じて、共振器長Ｔも短くなる（経路Ａが短くなる）。よって、一定の縦モード次数を保ったまま、縦モード波長が短くなる。
【００９２】
このようにして、波長可変半導体レーザ１０は、モードホッピングを生じることなく、連続的に発振波長λを変化させることができる。
【００９３】
つづいて、主に図３を参照して、波長可変半導体レーザ１０の構造上の条件について説明する。図３は、図１の要部を寸法および角度とともに示した模式図である。
【００９４】
まず、図３に用いられる各符号の説明を行う。
【００９５】
光導波路１６の一端１６ｂと、反射型回折格子１８の格子溝が形成された格子面２８とは距離Ｌgだけ離間している。つまり、光導波路１６の光伝播方向に沿って測った光導波路１６の一端１６ｂと、反射型回折格子１８の格子面２８との距離はＬgである。
【００９６】
反射型回折素子１８の配置角度、すなわち、格子溝５０が形成された格子面２８の延在方向と、光導波路１６の光伝播方向とのなす角度は、Θgである。
【００９７】
光偏向部２０から、反射型回折格子１８に向けて出射される光Ｉの出射角は、Θである。ここで、出射角Θとは、光導波路１６の光伝播方向と、光Ｉの伝播方向とのなす角度の鋭角側を示す。
【００９８】
光Ｉが、反射型回折格子１８の点Ｐに到達するまでに伝播する距離をＬとする。つまり、活性領域１４における経路Ａの幾何的長さをＬとする。
【００９９】
また、光Ｉが、反射型回折格子１８の点Ｐに入射するときの入射角をαとする。ここで、入射角αは、反射型回折格子１８の法線、すなわち格子面２８の法線と光Ｉの伝播方向とのなす角をいう。
【０１００】
また、光Ｉが点Ｐにおいて、経路Ａの方向に反射回折されるときの回折角をαとする。ここで、回折角αは、反射型回折格子１８の法線、すなわち格子面２８の法線と、点Ｐにおいて、経路Ａの方向に反射回折された光伝播方向とのなす角をいう。つまり、入射角と回折角とは互いに等しくαである。
【０１０１】
また、反射型回折格子１８の格子定数をｄとする。
【０１０２】
また、活性化領域１４の屈折率をｎactとする。さらに、光導波路１６の光伝播方向に沿った長さをＬe、屈折率をｎeとする。
【０１０３】
このような構造を有する、波長可変半導体レーザ１０において、光の入射点Ｐにおいて回折角αで回折される光の波長λとすると、リトロー配置における回折条件より、下記（１）式が成り立つ。
【０１０４】
ｍλ／ｎact＝２ｄｓｉｎα ・・・（１）
（ただし、ｍは正の整数である。）
（１）式より、微小なλの変化Δλによる、回折角αの変化Δαは、下記（２）式で与えられる。
【０１０５】
ｍΔλ／ｎact＝Δα２ｄｃｏｓα ・・・（２）
（２）式を（１）式の両辺で割ると、下記（３）式が得られる。
【０１０６】
Δλ／λ＝Δα／ｔａｎα ・・・（３）
ところで、幾何学的に、出射角Θと回折角αとの間には、下記（４）式が成り立つ。
【０１０７】
α＝π／２−Θg＋Θ ・・・（４）
（４）式より、微小なαの変化Δαと、出射角Θの変化ΔΘとの関係は、下記（５）式で与えられる。
【０１０８】
Δα＝ΔΘ ・・・（５）
また、（４）式より、下記（６）式および（７）式が成り立つ。
【０１０９】
ｓｉｎα＝ｃｏｓ（Θ−Θg） ・・・（６）
ｃｏｓα＝−ｓｉｎ（Θ−Θg） ・・・（７）
（５）式〜（７）式を（３）式に代入して、下記（８）式が得られる。
【０１１０】
Δλ／λ＝−ｔａｎ（Θ−Θg）ΔΘ
＝ｔａｎ（Θg−Θ）ΔΘ ・・・（８）
一方、経路Ａの長さＬは、幾何的に、下記（９）式で表される。
【０１１１】
Ｌ＝Ｌg／（ｃｏｓΘ−ｓｉｎΘ／ｔａｎΘg） ・・・（９）
（９）式において、長さＬの微小な変化ΔＬによる出射角Θの変化ΔΘは、下記（１０）式で与えられる。
【０１１２】
ΔＬ＝Ｌg（ｓｉｎΘ＋ｃｏｓΘ／ｔａｎΘg）／（ｃｏｓΘ−ｓｉｎΘ／ｔａｎΘg）2×ΔΘ
＝Ｌ（ｓｉｎΘ＋ｃｏｓΘ／ｔａｎΘg）／（ｃｏｓΘ−ｓｉｎΘ／ｔａｎΘg）×ΔΘ
＝Ｌｃｏｓ（−Θg＋Θ）／ｓｉｎ（Θg−Θ）×ΔΘ
＝Ｌ／ｔａｎ（Θg−Θ）×ΔΘ ・・・（１０）
ところで、反射面２４と反射型回折格子１８の点Ｐとの間で構成される光共振器における共振条件は、光共振器の共振器長Ｔを用いて、下記（１１）式で与えられる。
【０１１３】
ｋＴ＝ｑπ ・・・（１１）
（ただし、ｋは、波長λの光の波数（＝２π／λ）を示し、ｑは、正の整数（縦モード次数＋１）を示す）
ここで、共振器長Ｔは、Ｔ＝ｎactＬ＋ｎeＬeで与えられるので、（１１）式より、下記（１２）式が得られる。
【０１１４】
ｋ（ｎactＬ＋ｎeＬe）＝ｑπ ・・・（１２）
ここで、出射角Θを変化させると、回折角αが変化することにより（１２）式において、波数ｋが、微小変化量Δｋだけ、変化するする。この微小変化Δｋに対して、共振条件である（１２）式は、下記（１３）式のように変形できる。
【０１１５】
Δｋ（Ｌ＋ｎeＬe）＋ｋ（ｎactΔＬ＋ΔｎeＬe）＝Δｑπ ・・・（１３）
（ただし、ΔＬは、Ｌの微小変化を、Δｎeは、ｎeの微小変化を、Δｑは、ｑの変化を、それぞれ表す）
ここで、波数ｋ（波長λ）が変化してもモードホッピングが生じないためには、（１３）式で、Δｑ＝０でなければならない。これより、下記（１４）式が得られる。
【０１１６】
Δｋ（ｎactＬ＋ｎeＬe）＋ｋ（ΔＬ＋ΔｎeＬe）＝０ ・・・（１４）
ところで、（１４）式の左辺を展開して、（１２）式を用いて整理すると、下記（１５）式が得られる。
【０１１７】
Δｋｑπ／ｋ2＋ΔＬ＋ΔｎeＬe＝０ ・・・（１５）
さらに、（１５）式に、ｋ＝２π／λの両辺を微分して得られる関係であるΔｋ＝−ｋ2／２π×Δλを代入すると、下記（１６）式が得られる。
【０１１８】
−Δλｑ／２＋ΔＬ＋ΔｎeＬe＝０ ・・・（１６）
（１６）式に、（８）式および（１０）式を代入してまとめると、下記（１７）式が得られる。
ΔΘ（−ｑλｔａｎ（Θg−Θ）／２＋Ｌ／ｔａｎ（Θg−Θ））＋ΔｎeＬe＝０ ・・・（１７）
（１７）式を変形することで、下記（１８）式が得られる。
【０１１９】
（Ｌ＋ｎeＬe）ｔａｎ（Θg−Θ）−Ｌ／ｔａｎ（Θg−Θ）＝ΔｎeＬe／ΔΘ ・・・（１８）
ところで、発明者が行ったシミュレーションによれば、（１８）式において、Θが小さい場合（約１０°以下）に、屈折率変化ΔｎeとΔΘとが、近似的に比例関係にあると置けることが明らかとなった。このことより、右辺はある定数となる。上述のシミュレーションによれば、この定数は、波長λの５０倍程度の値である。
【０１２０】
よって、（１８）式を満たすように、Ｌ、Ｌe、Θg、Θおよびｎeを決定することにより、モードホッピングが生じないようにしつつ、発振波長λを連続的に変化させることができる。
【０１２１】
さらに、（１８）式が、経路Ａの長さＬ、つまり活性領域１４の長さに依存しないようにするためには、（１８）式から、Ｌを含む項が消去できればよい。つまり、下記（１９）式が成り立てばよい。
【０１２２】
Ｌｔａｎ（Θg−Θ）＝Ｌ／ｔａｎ（Θg−Θ） ・・・（１９）
（１９）式の条件は、Θg−Θ＝π／４で成り立つ。Θが充分に小さい場合（約５°以下）には、近似的にΘg≒π／４（４５°）と置くことができる。よって、反射型回折格子１８の格子面２８の延びる方向と、光導波路１６の光伝播方向とのなす角度がπ／４となるように、すなわち、格子面２８の法線と光導波路１６の光伝播方向とのなす角度がπ／４となるように、反射型回折格子１８を配置すれば、出射角Θが充分に小さい場合には、活性領域１４の長さ（経路Ａの長さＬ）によらず、モードホッピングが生じないようにしつつ、発振波長λを連続的に変化させることができる。
【０１２３】
つづいて、図５を参照して、波長可変半導体レーザ１０について行ったシミュレーションについて説明する。
【０１２４】
このシミュレーションは、光偏向部２０の光導波層４３の屈折率を変化させることにより、光の発振波長λが変化することを示すものである。図５において、縦軸は光の強度（任意単位）を示し、および横軸は、光の波長（μｍ）を示す。
【０１２５】
図に描かれた３本のグラフのうち、中央のグラフ（実線）Ｉは、光偏向部２０において、光導波層４３の屈折率を変化させなかった場合を示す。左側のグラフ（破線）ＩＩは、光導波層４３の屈折率を、僅かに減少させた場合を示す。右側のグラフ（一点鎖線）ＩＩＩは、光導波層４３の屈折率を、僅かに増加させた場合を示す。
【０１２６】
なお、このシミュレーションにおいては、以下に列記する仮定の下で計算を行っている。すなわち、（１）第１面５２の初期方向に沿った長さＳが０．４μｍ、および配置角度Θgが４５°の反射型回折格子１８を用いている。（２）光結合部３０の光伝播方向に沿った長さが３５０μｍ、幅が２μｍ、光導波層４３の屈折率が３．４、およびｐ型層４２と基板１２の屈折率が互いに等しく３．３８５である。（３）活性領域１４と光導波層４３との間に屈折率差が存在し、および電極２６，３８に所定のオフセット電圧を印加することにより、出射角Θが予め５°となっている。（４）光導波路１６および経路Ａからなる光路を１往復した段階で、光を光出射端面２２から取り出すとして、強度を求める。なお、これ以外の条件は、上述の波長可変半導体レーザ１０と等しいと仮定している。
【０１２７】
図５において、図面左側のグラフＩＩは、電極２６，３８に印加する電圧を、オフセット電圧より小さくすることで、光導波層４３の屈折率を２．８×１０-3だけ減少している。これは、出射角Θを０．０２ｒａｄ（約１．２°）だけ小さくすることに対応する。このとき、ピーク波長は、約１．４８１μｍである。
【０１２８】
同様に、図面中央のグラフＩは、電極２６，３８に印加する電圧をオフセット電圧に保つことで、光導波層４３の屈折率変化を０としている。このとき、ピーク波長は、約１．４９２μｍである。
【０１２９】
また、図面右側のグラフＩＩＩは、電極２６，３８に印加する電圧を、オフセット電圧より大きくすることで、光導波層４３の屈折率を２．６×１０-3だけ増加している。これは、出射角Θを０．０２ｒａｄ（約１．２°）だけ大きくすることに対応する。このとき、ピーク波長は、約１．５０３μｍである。
【０１３０】
このように、出射角Θを±１．２°の範囲で変えることで、光の発振波長λを約２０ｎｍに渡って変化させることができる。また、約２０ｎｍに渡る発振波長λの変化にあたっては、縦モード次数は一定であった。つまり、モードホッピングは生じなかった。
【０１３１】
なお、このシミュレーションにおける、光偏向部２０の屈折率変更幅（−２．８×１０-3〜２．６×１０-3）は、光導波層４３の屈折率（３．４）に対して、約±０．１％程度に止まっている。これは、光偏向部２０の屈折率制御を、電気光学効果により行っているためである。仮に、光偏向部２０の屈折率制御を、電流注入による自由キャリアプラズマ効果を利用して行った場合、屈折率変更幅を±１％程度にまで広くすることができる。このようにした場合、光の発振波長λの変化幅を１００ｎｍオーダとすることができる。
【０１３２】
また、いずれのグラフも、波長分布がブロード（幅広）であるが、これは、仮定（４）で述べたように、光路を１往復した段階で光を取り出しているために、光の波長が充分に単色化されないためである。実際の場合には、光は、光路を何往復もした後に光出射端面２２から出射するので、単色化が充分に進み、より狭い波長分布となる。
【０１３３】
このように、この実施の形態の波長可変半導体レーザ１０によれば、活性領域１４で発生した光が、反射面２４と反射型回折格子１８との間の光路（光導波路１６および経路Ａ）として構成される光共振器で共振されることで、所定の発振波長λの光として光出射端面２２から取り出される。この光共振器においては、光偏向部２０が、光導波路１６から反射型回折格子１８に向けた光の出射角Θを変えることにより、反射型回折格子１８へ入射する光の入射角α、および光路（光導波路１６および経路Ａ）の光路長（共振器長Ｔ）を同時に変更する。このように、反射型回折格子１８への入射角αの変更に伴い生じる波長選択と、共振器長Ｔの変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなく、モードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長λを変更することができる。
【０１３４】
また、第１の従来技術では、連続して発振波長を変化させるために、分布ブラッグ反射鏡領域に印加する電流と同時に、位相調整領域に印加する電流をも制御しなければならず、電流の制御が複雑であった。しかし、波長可変半導体レーザ１０によれば、光偏向部２０に印加する電圧を制御するという簡単な操作で、反射型回折格子１８への光の入射角α、したがって発振波長λを変化させることができる。
【０１３５】
また、反射型回折格子１８の格子面２８の延びる方向と、光導波路１６の光伝播方向とのなす角度がπ／４となるように、反射型回折格子１８を配置した。その結果、光偏向部２０と反射型回折格子１８との間に介在する活性領域１４の光路（経路Ａ）に沿った長さＬによらず、モードホッピングを解消することができる。これにより、利得を有する活性領域１４（経路Ａの長さＬ）を長くすることができるので、光の出力を大きくすることができる。
【０１３６】
また、図４に示すように、この実施の形態では、反射型回折格子１８の第１面５２の初期方向に沿った長さＳを、中心波長と等しい値とした。これにより、理由は明らかではないが、光出射端面２２から出射される光の強度分布を、ガウス分布に近い、滑らかな分布とすることができる。
【０１３７】
この様子を、図６を参照して説明する。図６（Ａ）および（Ｂ）は、光出射端面２２から出射される光の強度分布のシミュレーション結果である。図６（Ａ）および（Ｂ）の縦軸は、光の強度（任意単位）であり、および横軸は、光の中心を原点として、光導波路１６の厚さ方向に沿った距離（任意単位）を示す。図６（Ａ）は、第１面５２の初期方向に沿った長さＳが、中心波長と等しい場合である。図６（Ｂ）は、第１面５２の初期方向に沿った長さＳが、中心波長と異なる場合である。
【０１３８】
図６（Ａ）では、強度分布は、ガウス分布に近い滑らかな分布であるのに対し、図６（Ｂ）は、強度分布の大まかな形状は、図６（Ａ）と同様な傾向を示すが、グラフ全体に渡って細かい凹凸が見られる。
【０１３９】
シミュレーションより、光出射端面２２からの距離が１００〜３００μｍの範囲で、この傾向が持続することが明らかとなった。
【０１４０】
なお、別のシミュレーションより、反射型回折格子１８の第１面５２の初期方向に沿った長さＳを、中心波長の自然数倍とした場合にも、上述と同様に、光の強度分布をガウス分布に近い滑らかな分布とすることができることが明らかとなった。
【０１４１】
なお、上述に説明したように、反射型回折格子１８の第１面５２の初期方向に沿った長さＳは、中心波長の自然数倍であることが実用上最も好ましい。しかし、これは、長さＳを中心波長の自然数倍の長さに限定する趣旨ではない。なぜなら長さＳが中心波長の自然数倍と異なっていたとしても、モードホッピングを生じることなく波長を変化することができるからである。つまり、光出射端面２２から出射される光の強度分布の凹凸を実用上許容できるのであれば、長さＳを中心波長の自然数倍と異なった値としてもよい。
【０１４２】
なお、この実施の形態においては、反射型回折格子１８の配置角度Θgは４５°とされているが、（１８）式の条件を満たすように、ｎeおよびＬeを調整すれば、配置角度Θgは４５°に限定されず、０°より大きく、かつ、９０°より小さい範囲の中で選択された角度とすることができる。
【０１４３】
配置角度Θgについて、図７を参照して詳細に説明する。なお、図７においては、図１および図３と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を省略する。
【０１４４】
たとえば、図７（Ａ）に示すように、配置角度Θgが４５°よりも小さい場合、つまり、反射型回折格子１８を、より寝せた状態で配置した場合を考える。この場合には、光結合部３０から出射された、一定の幅Ｗ４ｓｉｎΘの光Ｉaが、反射型回折格子１８に広い照射面積ａに照射される。つまり、光Ｉaは、反射型回折格子１８の配置角度Θgを４５°とした場合よりも、多数の格子溝で回折されることになる。その結果、一度の回折で、光Ｉaは、配置角度Θgが４５°の場合よりも単色化が進む。その一方、光Ｉaの発振波長λを狭い範囲でしか変化できなくなる。以上をまとめると、反射型回折格子１８の配置角度Θgを４５°よりも小さくした場合、光の単色化には有利であるが、発振波長λを狭い範囲でしか変化できない。
【０１４５】
図７（Ｂ）に示すように、配置角度Θgが４５°よりも大きい場合、光Ｉbは、反射型回折格子１８に狭い照射面積ｂに照射され、出射角Θの変化可能範囲Θbは大きくなる。このことより、上述と同様の議論で、反射型回折格子１８の配置角度Θgを４５°よりも大きくした場合、光の単色化には不利であるが、発振波長λを広い範囲で変化することができる。
【０１４６】
よって、反射型回折格子１８の配置角度Θgは、光の単色化と、発振波長λの変化可能範囲とを勘案して、設計に応じて適切な値を選択できる。
【０１４７】
また、この実施の形態においては、光結合部３０は、長さＷ４を３００μｍ、絶縁層４８の幅を１μｍとしている。この寸法は、この実施の形態の波長可変半導体レーザ１０においては、最適な寸法である。しかし、波長可変半導体レーザ１０の各部の寸法を変更した場合には、光結合部３０の長さＷ４および絶縁層４８の幅も、設計に応じて適切な値とすることが好ましい。
【０１４８】
たとえば、光結合部３０の長さＷ４を長くした場合には、光結合部３０から活性領域１４に向けて出射される光の幅Ｗ４ｓｉｎΘが広くなる。つまり、反射型回折格子１８に入射する光の照射面積が広くなる。その結果、反射型回折格子１８において、光は、より多数の格子溝で回折されることになり、光の単色化には有利である。また、この場合、１００％の光結合効率を得るためには、絶縁層４８の幅を広くすることができる。この結果、活性領域１４と光導波路１６との間隔が広がるので、寸法的に見て製造が容易である。しかし、この場合、波長可変半導体レーザ１０の大型化が避けられない。
【０１４９】
一方、光結合部３０の長さＷ４を短くした場合には、上述とは逆の議論により、反射型回折格子１８における光の照射面積が狭くなるため、光の単色化には不利である。また、絶縁層４８の幅を狭くしなければならないので、寸法的に見て製造に困難が伴う。しかし、波長可変半導体レーザ１０を小型化することができる。
【０１５０】
よって、光結合部３０の長さＷ４、および絶縁層４８の幅は、上述した得失を勘案して、設計に応じて適切な値とすることが好ましい。
【０１５１】
また、この実施の形態においては、光偏向部２０は、電気光学効果を利用して、光導波層４３の屈折率を制御していた。しかし、屈折率を、たとえば、音響光学効果や自由キャリアプラズマ効果を利用して制御してもよい。特に、自由キャリアプラズマ効果を用いた場合には、上述のように屈折率変更幅を±１％程度とすることができるので、より広い範囲で光の発振波長λを変化することができる。
【０１５２】
また、この実施の形態においては、反射型回折格子１８として、ブレーズド格子を用いている。しかし、反射型回折格子１８としては、ブレーズド格子に限らず、格子溝５０の断面形状が鋸歯状以外の形状を有するレリーフ型回折格子や、屈折率変調型回折格子を用いてもよい。
【０１５３】
また、反射型回折格子１８の格子溝５０が形成された面に、たとえば、屈折率が異なる誘電体膜を交互に積層した誘電体多層膜からなる反射膜を設けてもよい。このようにすることにより、反射型回折格子１８での光の反射率を高めることができる。
【０１５４】
また、この実施の形態の波長可変半導体レーザ１０は、光通信用波長帯（１．３〜１．５μｍ）で用いられることを想定している。そのため、活性領域１４は、ｎ型ＩｎＰ（ｎ型クラッド層）、ＩｎＧａＡｓＰ（活性層３２）、およびｐ型ＩｎＰ（ｐ型クラッド層３４）が、この順序で積層されたダブルへテロ構造とされていた。しかし、活性領域１４の構造は、これに限定されず、たとえば、ｎ型ＡｌＧａＡｓ（ｎ型クラッド層）、ＧａＡｓ（活性層）、およびｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｐ型クラッド層）からなる積層構造、ｎ型ＺｎＳＳｅ（ｎ型クラッド層）、ＺｎＣｄＳｅ（活性層）、およびｐ型ＺｎＳＳｅ（ｐ型クラッド層）からなる積層構造、または、ｎ型ＧａＮ（ｎ型クラッド層）、ＩｎＧａＮ（活性層）、およびｐ型ＧａＮ（ｐ型クラッド層）からなる積層構造のいずれかを、発振波長に応じて選択してもよい。
【０１５５】
また、この実施の形態において、活性領域１４は、光導波路１６の一端１６ｂと対向している。この対向部分は、必須の構成要件ではなく、設計に応じて適当な形状とすることができる。たとえば、図８（Ａ）に示すように、上述した対向部分を取り除き、活性領域１４と光導波路１６とが、光結合部３０のみにおいて、光結合可能に対向した構造とすることができる。
【０１５６】
また、この実施の形態においては、平面視での活性領域１４の形状をほぼテーパ状としているが、活性領域１４は、光結合部３０から反射型回折格子１８への光の伝播を妨げることがなければ、その形状に特に制限はない。たとえば、図８（Ｂ）に示すように、活性領域１４を、平面視でほぼ矩形状としてもよい。
【０１５７】
また、この実施の形態においては、側面１４ｃと１６ｃとの間の間隔、すなわち絶縁層４８の幅は、場所によらず等しく１μｍとされていた。つまり、側面１４ｃと１６ｃとは平行に配置されていた。しかし、側面１４ｃと１６ｃとは必ずしも平行に配置する必要はなく、光導波路１６の一端１６ｂから他端１６ａにかけて徐々に幅が広くなるように配置してもよい。つまり、絶縁層４８の幅を光導波路１６の一端１６ｂから他端１６ａにかけて徐々に広くしてもよい。このようにすることによっても、実用上充分な光結合効率が得られる。
【０１５８】
また、この実施の形態においては、反射型回折格子１８を活性領域とは別体として、基板１２に貼り付ける構成としていたが、反射型回折格子１８を基板１２と一体としてもよい。
【０１５９】
（実施の形態２）
つぎに、図９を参照して、実施の形態２の波長可変半導体レーザの構造について説明する。図９は、実施の形態２の波長可変半導体レーザの概略構造を示す一部切欠斜視図である。
【０１６０】
なお、実施の形態２の波長可変半導体レーザ７０は、反射型回折格子７２が活性領域１４の端面１４ａに設けられた以外は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様である。よって、図９においては、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１６１】
波長可変半導体レーザ７０においては、反射型回折格子７２が、活性領域１４において、光導波路１６から活性領域１４へと入射された光が照射される端面１４ａに形成されている。
【０１６２】
より詳細には、反射型回折格子７２は、平面視で略三角形状の活性領域１４において、光結合部３０が設けられた辺を底辺としたときに、この底辺の延長線とのなす外角がΘgである辺に対応する端面１４ａに設けられている。つまり、実施の形態１とは異なり、反射型回折格子７２と活性領域１４とが一体とされている。
【０１６３】
また、反射型回折格子７２の表面、すなわち、端面１４ａにおいては、少なくとも活性層３２を被覆して、反射膜７８が成膜されている。この反射膜７８は、たとえば、屈折率が異なるＳｉＯ2膜とＳｉＮ膜とを交互に積層した、いわゆる誘電体多層膜とする。
【０１６４】
この反射型回折格子７２は、反射型平面回折格子であり、配置角度Θg、格子定数ｄ、第１面７４および第２面７６の配置、ならびに第１面７４の長さＳは、実施の形態１と同様である。
【０１６５】
実施の形態２の波長可変半導体レーザ７０は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の作用効果を奏するとともに、反射型回折格子７２を活性領域１４と一体としたので、波長可変半導体レーザ７０を構成する部品数を削減することができ、かつ、波長可変半導体レーザ７０のサイズを縮小することができる。
【０１６６】
また、実施の形態１では、光結合部３０から、活性領域１４に入射した光は、反射型回折格子１８に至るまでに、一度活性領域１４の外に出て間隙４６（図１参照）を通過しなければならなかった。そのため、上述のように、間隙４６において上面１２ａで乱反射されて光の強度が減少する虞があった。しかし、実施の形態２では、端面１４ａに反射型回折格子７２を形成しているので、光が、活性領域１４から外にでることがないので、光の強度減少を抑制することができる。
【０１６７】
実施の形態２の波長可変半導体レーザ７０は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の変形が可能である。より詳細には、反射型回折格子７２の配置角度Θg、反射型回折格子７２の第１面７４の長さＳ、光結合部３０の長さＷ４、絶縁層４８の幅、光偏向部２０における屈折率制御法、活性領域１４の組成および積層構造、活性領域１４の形状、ならびに絶縁層４８の幅については、実施の形態１と同様の変更が可能である。
【０１６８】
（実施の形態３）
つぎに、図１０を参照して、実施の形態３の波長可変半導体レーザの構造および動作について説明する。図１０は、実施の形態２の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【０１６９】
なお、実施の形態３の波長可変半導体レーザ６０は、光導波路１６に位相調整領域６２が設けられた以外は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様である。よって、図１０においては、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１７０】
波長可変半導体レーザ６０は、光導波路１６の光出射端面２２側に位相調整領域６２が設けられている。より詳細には、位相調整領域６２は、光導波路１６において、光結合部３０と重複しないような位置に設けられている。なお、位相調整領域６２における積層構造は、光偏向部２０と同様である。
【０１７１】
位相調整領域６２は、ｐ型層４２の上面に、位相調整用電極６４を備えている。この位相調整用電極６４は、光偏向部２０の電極２６と電気的絶縁が確保できるだけの間隔を空けて配置されている。なお、基板１２の他方の主面（下面）１２ｂの位相調整用電極６４に対応する位置にも、別の位相調整用電極（不図示）が設けられている。これら２つの位相調整用電極は、電極２６と同じ積層構造を有している。
【０１７２】
位相調整領域６２においては、２つの位相調整用電極に印加する電圧を調整することで、電気光学効果により光導波層４３の屈折率を制御し、その結果、光導波路１６の光路長を変化させる。
【０１７３】
実施の形態３の波長可変半導体レーザ６０は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の作用効果を奏するとともに、位相調整領域６２を設けているので、位相調整用電極に印加する電圧により、光の伝播する光路の光路長を変化させることができる。よって、光結合部３０から活性領域１４へと出射される光の初期位相を微調整することができる。
【０１７４】
より詳細には、光結合部３０から活性領域１４へと出射する光の出射角Θの角度変化を大きくしていくと、光の初期位相の非線形的な変化を無視できなくなる。つまり、出射角Θの角度変化が小さい場合には、出射角Θの変化に応じて、経路Ａの長さＬを線形的に変化させるように構成された波長可変半導体レーザ６０の構造だけで、光の初期位相の変化を補償することができる。しかし、出射角Θの角度変化が大きくなると、この構造のみでは、光の初期位相の変化を補償できなくなってしまう。
【０１７５】
そこで、光導波路１６に位相調整領域６２を設けることにより、光導波路１６の光路長を微調整することにより、非線形的な光の初期位相の変化を補償する。これにより、波長可変半導体レーザ６０は、モードホッピングを生じることなく、連続的に発振波長λを変化させることができる。また、このときの位相調整の程度は僅かであるので、第１の従来技術のように精密さが要求されない。
【０１７６】
また、実施の形態３の波長可変半導体レーザ６０は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の変形が可能である。より詳細には、反射型回折格子１８の配置角度Θg、回折格子１８の第１面５２の長さＳ、光結合部３０の長さＷ４、絶縁層４８の幅、光偏向部２０における屈折率制御法、活性領域１４の組成および積層構造、活性領域１４の形状、ならびに絶縁層４８の幅については、実施の形態１と同様の変更が可能である。
【０１７７】
この実施の形態においては、位相調整領域６２は、光偏向部２０に隣接して設けられていたが、位相調整領域６２と光偏向部２０との間に間隔が設けられていてもよい。
【０１７８】
（実施の形態４）
つぎに、図１１を参照して、実施の形態４の波長可変半導体レーザの構造および動作について説明する。図１１は、実施の形態４の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【０１７９】
実施の形態４の波長可変半導体レーザ８０は、いわば、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０において、活性領域１４と光導波路１６とを入れ替えた構造である。よって、図１１においては、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１８０】
すなわち、波長可変半導体レーザ８０は、基板１２の長手方向に対向する一方の端面１２ｃ側に設けられた活性領域８２と、他方の端面１２ｄ側に設けられた反射型回折格子１８と、活性領域８２と反射型回折格子１８との間に設けられた光導波路８７とを備える。
【０１８１】
活性領域８２は、その光伝播方向に直交する断面形状が矩形状、および平面形状が光伝播方向に沿って長尺な矩形状の部品である。つまり、活性領域８２は、チャネル型である。活性領域８２は、矩形状の基板１２の角部付近に配置されている。平面視で、活性領域８２の長手方向（以下、光伝播方向とも称する）に沿った辺は、基板１２の長手方向の辺と平行である。また、活性領域８２の光伝播方向に直交する一端面８２ａが、基板１２の端面１２ｃと面一とされている。この端面８２ａが、光出射端面８６である。活性領域８２は、実施の形態１の活性領域１４と同様の積層構造を有している。活性領域８２は、誘導放出により光を発生するとともに、発生した光を、その長手方向に伝播することができる。
【０１８２】
反射型回折格子１８は、平面形状が直角三角形状のブロック形態であり、基板１２の端面１２ｄ側、すなわち、活性領域８２が設けられた側の端面１２ｃとは反対側に設けられている。反射型回折格子１８の斜辺に対応する側面は、格子面２８とされており、この格子面２８に、実施の形態１と同様に、格子溝５０が形成されている。格子面２８は、活性領域８２の光伝播方向と、０°より大きく、かつ、９０°より小さい角度をなして延在している。
【０１８３】
光導波路８７は、平面形状が略台形状の部品であり、反射型回折格子１８と活性領域８２との間に介在している。光導波路８７は、基板１２の主面１２ａ上に設けられた光導波層８４と、光導波層８４上に設けられた、光導波層８４と同じ平面形状のｐ型層８５とを備える。
【０１８４】
より詳細には、光導波路８７は、平面視で、反射型回折格子１８および活性領域８２に対応する領域が切り欠かれている以外は基板１２とほぼ同形状をなしている。光導波路８７は、平面型光導波路である。光導波層８４の反射型回折格子１８側の端面８４ａと格子面２８とは、微小な間隙８８を隔てて互いに対向している。また、光導波路８７の活性領域８２に対応する切り欠き部９６に、活性領域８２が、いわば嵌め込まれるように配置されている。また、光導波路８７、より詳細には、光導波層８４は、後述する光結合部３０から光導波路８７へと入射した光を、反射型回折格子１８方向に向けて伝播し、および反射型回折格子１８で反射された戻り光を光結合部３０に向けて伝播する。
【０１８５】
切り欠き部９６において、光導波路８７の側面８７ｂは、活性領域８２の長手方向の側面８２ｂと微小な間隙９０を隔てて互いに対向しており、この間隙９０に実施の形態１と同様な絶縁層４８が設けられている。側面８７ｂ、側面８２ｂ、および絶縁層４８により光結合部３０が構成されている。光結合部３０は、実施の形態１と同様に、光導波路８７（光偏向部９２）と活性領域８２との間で光結合を行う。
【０１８６】
光導波路８７において、光結合部３０を挟んで、活性領域８２と対向した領域には、光偏向部９２が設けられている。光偏向部９２は、光導波路８７中の一部分をなす領域であり、光導波層８４の屈折率を制御するための電極９４の存在により、光導波路８７と区別されている。つまり、光偏向部９２は、光導波路８７のｐ型層８５上に所定形状の電極９４が設けられた構造を有している。
【０１８７】
電極９４、つまり、光偏向部９２は、平面視で直角三角形状をなし、直角の角部は、光結合部３０の端面１２ｃ側の端部に一致するように配置されている。また、直角を挟む一方の底辺９４ｂは、光導波路８７の側面８７ｂおよび上面がなす稜線と一致するように配置されている。そして、光偏向部９２の直角の角部に対向する斜辺９４ａは、基板１２の端面１２ｄ側から端面１２ｃ方向に向かうにつれて、徐々に高さが高くなるように傾斜している。
【０１８８】
光偏向部９２は、実施の形態１と同様に、光偏向部９２に含まれる光導波層８４の屈折率を制御することにより、光偏向部９２から反射型回折格子１８に出射される光の出射角、したがって、反射型回折格子１８への光の入射角および光路の長さを変更する。
【０１８９】
このように、波長可変半導体レーザ８０においては、反射面２４および反射型回折格子１８とで光共振器が構成されている。
【０１９０】
以下、この波長可変半導体レーザ８０の動作につき、簡単に説明する。
【０１９１】
活性領域８２で発生した光は、実施の形態１と同様にして光結合部３０を介して、光偏向部９２へと結合される。光偏向部９２（光導波層８４）の屈折率を制御することにより、光は、出射角が調整された上で、光偏向部９２から反射型回折格子１８へと向けて出射される。反射型回折格子１８に入射した光のうち、特定の回折角で反射された光は、特定波長に選択された戻り光として、上述とは逆の経路に沿って、光導波路８７、光偏向部９２および光結合部３０を経て活性領域８２へと帰還する。活性領域８２へと帰還した光は、反射面２４で反射され、再び上述の経路を辿って、反射型回折格子１８に至る。このようにして、反射面２４および反射型回折格子１８からなる光共振器で光が幾度となく往復することにより、特定波長のレーザ光が発振する。
【０１９２】
このように、この実施の形態の波長可変半導体レーザ８０によれば、活性領域８２で発生した光が、反射面２４と反射型回折格子１８との間の光路として構成される光共振器で共振されることで、所定の発振波長の光として光出射端面８６から取り出される。この光共振器においては、光偏向部９２が、反射型回折格子１８に向けた光の出射角を変えることにより、反射型回折格子１８へ入射する光の入射角、および光路の光路長（共振器長）を同時に変更する。このように、反射型回折格子１８への入射角の変更に伴い生じる波長選択と、共振器長の変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなく、モードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長を変更することができる。
【０１９３】
また、実施の形態１と同様の理由により、波長可変半導体レーザ８０によれば、光偏向部９２に印加する電圧を制御するという簡単な操作で、反射型回折格子１８への光の入射角、したがって発振波長を変化させることができる。
【０１９４】
なお、この実施の形態においては、光偏向部９２の平面形状を直角三角形状としているが、光偏向部９２の平面形状は、反射型回折格子１８に向けて出射される光の出射角を制御できるものであれば、直角三角形状に限定されない。たとえば、光導波路８７の全面を光偏向部９２としてもよい。つまり、電極９４を光導波路８７の全面に設けてもよい。このようにすることにより、実用上許容できる応答速度で光偏向部９２の屈折率を変更することが可能である。
【０１９５】
また、この実施の形態においては、平面視での光導波路８７の形状をほぼ台形状としているが、光導波路８７は、光結合部３０から反射型回折格子１８への光の伝播を妨げることがなければ、その形状に特に制限はない。
【０１９６】
また、実施の形態４の波長可変半導体レーザ８０は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の変形が可能である。より詳細には、反射型回折格子１８の配置角度Θg、反射型回折格子１８の第１面の長さＳ、光結合部３０の長さＷ４、絶縁層４８の幅、光偏向部９２における屈折率制御法、ならびに活性領域８２の組成および積層構造については、実施の形態１と同様の変更が可能である。
【０１９７】
（実施の形態５）
つぎに、図１２を参照して、実施の形態５の波長可変半導体レーザの構造および動作について説明する。図１２は、実施の形態５の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【０１９８】
実施の形態５の波長可変半導体レーザ１００は、いわば、実施の形態３の波長可変半導体レーザ６０において、活性領域１４に対応する領域を、利得を持たない第２光導波路１０４とし、光導波路１６を第１光導波路１０２とし、第１光導波路１０２の光出射端面１０６側端部に活性領域１０８を設けた構造である。よって、図１２においては、図１０と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１９９】
すなわち、波長可変半導体レーザ１００は、基板１２の長手方向に対向する一方の端面１２ｃ側に設けられた第１光導波路１０２と、他方の端面１２ｄ側に設けられた反射型回折格子１８と、第１光導波路１０２と反射型回折格子１８との間に設けられた第２光導波路１０４とを備える。
【０２００】
第１光導波路１０２は、基板１２の端面１２ｃから端面１２ｄに向かう方向に順に、活性領域１０８、位相調整領域６２および光偏向部２０が直列に一体に配置された構造である。第１光導波路１０２は、その光伝播方向に直交する断面形状が矩形状、および平面形状が光伝播方向に沿って長尺な矩形状の部品である。つまり、第１光導波路１０２は、チャネル型である。
【０２０１】
活性領域１０８は、基板１２と、基板１２の主面１２ａ上に設けられた活性層１１２と、この活性層１１２上に設けられたｐ型クラッド層１１４と、このｐ型クラッド層１１４上に設けられた電極１１６、および、基板１２の他方の主面（下面）１２ｂに設けられた電極（図示せず）とを備えている。主面１２ｂに設けられる電極は、実施の形態１の場合と同様に、位相調整領域６２および光偏向部２０において主面１２ｂに設けられる電極を兼ねた共通電極とされている。活性領域１０８において、基板１２の端面１２ｃ側の端面１０８ａは、光出射端面１０６とされている。また、この端面１０８ａには反射膜が設けられ、この反射膜が、反射面１２０を構成している。なお、活性領域１０８における積層構造は、電極１１６を含めて実施の形態１の活性領域１４と同様である。
【０２０２】
位相調整領域６２は、第１光導波路１０２において、活性領域１０８と光偏向部２０との間に設けられている。位相調整領域６２は、実施の形態３と同様であるため、その説明を省略する。なお、位相調整領域６２は、活性領域１０８との間、および光偏向部２０との間に電気的絶縁が確保できるだけの間隔を空けて配置されている。
【０２０３】
光偏向部２０は、実施の形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【０２０４】
光結合部３０は、第１光導波路１０２の光伝播方向と平行な側面１０２ｃと、この側面１０２ｃと離間して対向する、第２光導波路１０４の側面１０４ｃと、両側面１０２ｃおよび１０４ｃの間に設けられた絶縁層４８とを備える。
【０２０５】
第２光導波路１０４は、平面型光導波路である。その積層構造は、電極２６（図２参照）、および基板１２の他方の主面（下面）１２ｂに設けられた電極３８を有さない点以外は、実施の形態１の光導波路１６と同様である。より詳細には、第２光導波路１０４は、基板１２上に設けられた光導波層１２２と、光導波層１２２の上に設けられたｐ型層１２４とを備える。つまり、第２光導波路１０４は、利得を有しておらず、光結合部３０から反射型回折格子１８に向けて、またはその逆方向に光を導波する機能を有する。また、第２光導波路１０４は、平面形状に限ってみれば、実施の形態１の活性領域１４と同様の形状である。
【０２０６】
反射型回折格子１８は、実施の形態１と同様であるのでその説明を省略する。
【０２０７】
また、波長可変半導体レーザ１００の動作は、光が、第１光導波路１０２の端部に設けられた活性領域１０８で発生する点、および、第２光導波路１０４が利得を有していない点を除けば、実施の形態３と同様である。よって、その説明を省略する。
【０２０８】
活性領域１０８で発生した光は、第１光導波路１０２を伝播して、位相調整領域６２を経て光偏向部２０へと至る。光偏向部２０では、電極２６に印加する電圧により光導波層４３の屈折率が調整されている。これにより、光は、出射角が調整された上で、光結合部３０へと結合され、反射型回折格子１８に向けて出射される。出射された光は、第２光導波路１０４を伝播して、反射型回折格子１８へ入射する。反射型回折格子１８に入射した光のうち、特定の回折角で反射された光は、特定波長に選択された戻り光として、上述とは逆の経路に沿って、第２光導波路１０４、光結合部３０および光偏向部２０を経て活性領域１０８へと帰還する。このようにして、反射面１２０および反射型回折格子１８からなる光共振器で光が幾度となく往復することにより、特定波長のレーザ光が発振する。
【０２０９】
このように、この実施の形態の波長可変半導体レーザ１００によれば、活性領域１０８で発生した光が、反射面１２０と反射型回折格子１８との間の光路として構成される光共振器で共振されることで、所定の発振波長の光として光出射端面１０６から取り出される。この光共振器においては、光偏向部２０が、反射型回折格子１８に向けた光の出射角を変えることにより、反射型回折格子１８へ入射する光の入射角、および光路の光路長（共振器長）を同時に変更する。このように、反射型回折格子１８への入射角の変更に伴い生じる波長選択と、共振器長の変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなく、モードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長を変更することができる。
【０２１０】
また、第１光導波路１０２に位相調整領域６２を設けることにより、第１光導波路１０２の光路長を微調整し、非線形的な光の初期位相の変化を補償する。これにより、波長可変半導体レーザ１００は、モードホッピングを生じることなく、連続的に発振波長を変化させることができる。また、このときの位相調整の程度は僅かであるので、第１の従来技術のように精密さが要求されない。
【０２１１】
なお、実施の形態５の波長可変半導体レーザ１００は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の変形が可能である。より詳細には、反射型回折格子１８の配置角度Θg、反射型回折格子１８の第１面の長さＳ、光結合部３０の長さ、絶縁層４８の幅、光偏向部２０における屈折率制御法、ならびに活性領域１０８の組成および積層構造については、実施の形態１と同様の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２１２】
【図１】実施の形態１の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線に沿った要部拡大断面図である。
【図３】実施の形態１の波長可変半導体レーザの構造上の条件および動作の説明に供する模式図である。
【図４】実施の形態１の波長可変半導体レーザの反射型回折格子付近を模式的に示した要部拡大模式図である。
【図５】（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザについて行ったシミュレーション結果を示す図である。
【図６】（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザの、光出射端面から出射される光の強度分布を模式的に示す図である。
【図７】（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザの、反射型回折格子の配置角度変化の説明に供する模式図である。
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザの、波長可変半導体レーザの変形例を示す平面図である。
【図９】実施の形態２の波長可変半導体レーザの概略構造を示す一部切欠斜視図である。
【図１０】実施の形態３の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【図１１】実施の形態４の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【図１２】実施の形態５の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０２１３】
１０，６０，７０，８０，１００ 波長可変半導体レーザ
１２ 基板
１２ａ，１２ｂ 主面
１４，８２，１０８ 活性領域
１４ａ，１２ｃ、１２ｄ，８２ａ，８４ａ，１０８ａ 端面
１４ｃ，１６ｃ，８２ｂ，８４ｂ，８７ｂ，１０２ｃ，１０４ｃ 側面
１６ 光導波路
１６ａ 他端
１６ｂ 一端
１８，７２ 反射型回折格子
２０，９２ 光偏向部
２２，８６，１０６ 光出射端面
２４，１２０ 反射面
２６，３６，３８，９４，１１６ 電極
２８ 格子面
３０ 光結合部
３２，１１２ 活性層
３４，１１４ ｐ型クラッド層
４２，８５，１２４ ｐ型層
４３，８４，１２２ 光導波層
４６，８８，９０ 間隙
４８ 絶縁層
５０ 格子溝
５２，７４ 第１面
５４，７６ 第２面
６２ 位相調整領域
６４ 位相調整用電極
７８ 反射膜
９４ａ 斜辺
９４ｂ 底辺
９６ 切り欠き部
１０２ 第１光導波路
１０４ 第２光導波路
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体レーザ、特に発振波長を変化することができる波長可変半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、波長多重通信（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）システムの発展にともない、発振波長を変更できる波長可変レーザ光源が求められるようになってきた。このようなレーザ光源としては、種々の形式のものが提案されているが、ここでは、２つの従来技術を例示する。
【０００３】
まず、第１の従来技術として、分布ブラッグ反射型半導体レーザ（以下、ＤＢＲレーザとも称する）が挙げられる。
【０００４】
このＤＢＲレーザでは、発振波長を変化させていくと、発振波長が不連続に変化するモードホッピングが生じるという問題点がある。
【０００５】
このモードホッピングは、レーザ光源の発振波長（縦モード波長）が、共振器の光路長により決定される離散的な値を取ることに由来しており、発振波長と現在選択されている縦モード波長との間の波長のずれが大きくなると、隣接する縦モード波長へと、発振波長が不連続に変化する現象である。
【０００６】
一方、ＤＢＲレーザにおいて、モードホッピングの影響を緩和して、より広い範囲に渡って発振波長を連続的に変化させることが可能な、３電極ＤＢＲレーザが知られている。この３電極ＤＢＲレーザは、活性領域と分布ブラッグ反射鏡領域との間に、伝播光の位相を調整する位相調整領域を設けた構造となっている。
【０００７】
この３電極ＤＢＲレーザにおいては、位相調整領域に印加する電流を、分布ブラッグ反射鏡領域に印加する電流と同時に制御する。この結果、モードホッピング時における発振波長の不連続変化をある程度抑制することができる。これにより、３電極ＤＢＲレーザは、約１０ｎｍの範囲に渡って発振波長を変化させることができる（たとえば、特許文献１参照）。
【０００８】
また、第２の従来技術として、レーザ光源、光偏向器、レンズおよび反射型回折格子を、光の伝播方向に沿って、この順序で直列に配置した外部共振器型波長可変レーザ光源が挙げられる。
【０００９】
より詳細には、第２の従来技術は、レーザ光源、およびレーザ光源で発生した光の伝播方向を変える光偏向器が、モノリシックに接続されている。
【００１０】
レーザ光源から発生した光は、光偏向器により出射角を調整された上で、レーザ光源の外部に設けられたレンズに向かって出射される。レンズを通過する光は、屈折されて、所定の入射角で反射型回折格子へ入射する。この際、光の出射角に応じて、レーザ光源から反射型回折格子に至るまでの光の伝播経路（共振器長）が変化する。
【００１１】
反射型回折格子に入射した光のうち、入射角と等しい回折角で反射されることで単色化された戻り光は、入射の際と逆の経路（反射型回折格子→レンズ）を通過してレーザ光源へと帰還する。
【００１２】
この第２の従来技術では、光偏向器により光の出射角を変更することで、光を単色化すると同時に、光の伝播経路の長さ（共振器長）をも変化させている。これにより、モードホッピングを生じることなく光の発振波長を変化させる（たとえば、非特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−２７３６４４号公報（図３）
【非特許文献１】Ｏｈ Ｋｅｅ Ｋｗｏｎ ｅｔ ａｌ．"Ｐｒｏｐｏｓａｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｅｘｔｅｒｎａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ"，ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．１６，ＮＯ．８，ＡＵＧＵＳＴ ２００４，ｐｐ．１８０４−１８０６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した第１の従来技術は、発振波長の変化範囲が、約１０ｎｍであり、決して満足できる広さとはいえなかった。
【００１４】
また、上述した第２の従来技術は、モードホッピングの問題を解決している。しかし、モードホッピングを生じることなく発振波長を変化するためには、レーザ光源と反射型回折格子との間にレンズを配置しなければならなかった。そのため、波長可変レーザ光源を構成する部品数が増加するという問題点があった。
【００１５】
この発明は、このような問題点に鑑みなされたものである。したがって、この発明は、（１）構成部品数を従来よりも増やすことなく、（２）発振波長を変化させる際のモードホッピングを解消し、（３）従来よりも幅広い範囲で、発振波長を変化させることができる波長可変半導体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】
【００１６】
この発明は、上述の目的を達成するために、次のように構成されている。
【００１７】
すなわち、請求項１に記載の波長可変半導体レーザは、活性領域と、光導波路と、光結合部と、光偏向部と、反射型回折格子と、反射面とを備えている。
【００１８】
光結合部は、光導波路と活性領域との間で光結合を行っている。光導波路は、これを光が伝播する光伝播方向に沿った側面を活性領域の入出射面と対向させて配置されている。
【００１９】
光偏向部は、光結合部を挟んで活性領域に対向して設けられていて、光導波路の全部または一部分を含む。
【００２０】
反射型回折格子は、光導波路に対して、活性領域を挟んで、設けられていて、光導波路から入射された光を、波長選択された戻り光として、光導波路へ帰還させる。
【００２１】
反射面は、光導波路の光伝播方向と直交する光出射端面に設けられている。この反射面は、上述の反射型回折格子と相俟って光共振器を構成している。
【００２２】
上述した光偏向部は、光導波路から出射する光の出射角を変えることによって、光導波路から反射型回折格子に向かう光の、反射型回折格子への入射角と光路の長さを変更する。
【００２３】
このように、この発明の波長可変半導体レーザによれば、活性領域で発生した光は、反射面と反射型回折格子とで構成される光共振器において、共振されて所定波長の光として光出射端面から取り出される。この光共振器においては、光偏向部によって、光導波路から反射型回折格子に向けた光の出射方向を変えることにより、反射型回折格子へ入射する光の入射角および光路長（共振器長）を同時に変更する。このように、反射型回折格子への入射角の変更に伴い生じる波長選択と、共振器長の変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなくモードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長を変更することができる。
【００２４】
また、請求項２に記載の波長可変半導体レーザによれば、反射型回折格子は、活性領域と別部品とされている。
【００２５】
このように、この発明によれば、反射型回折格子を活性領域とは別体とすることにより、微細な加工が要求される反射型回折格子を活性領域とは別に製造することができる。
【００２６】
また、請求項３に記載の波長可変半導体レーザによれば、反射型回折格子は、活性領域において、光導波路から活性領域へと入射された光が照射される端面に形成されている。
【００２７】
このように、この発明によれば、反射型回折格子を活性領域の端面に設けたので、波長可変半導体レーザを構成する部品数を削減することができる。
【００２８】
また、請求項４に記載の波長可変半導体レーザによれば、光偏向部は、電気光学的に光導波路の屈折率を変えることによって、反射型回折格子に向かう光の、反射型回折格子への入射角を変更する手段である。
【００２９】
このように、この発明によれば、光偏向部を用いて、活性領域と光結合した光導波路の屈折率を、電気光学効果を利用して変更することができるので、光導波路と活性領域との光結合部から出射する光の出射角、したがって反射型回折格子に向かう光の、反射型回折格子への入射角を、光偏向部に印加する電圧の調整により、簡単に調整することができる。
【００３０】
また、請求項５に記載の波長可変半導体レーザによれば、、反射型回折格子の格子面を、平面状に形成し、この反射型回折格子を、光導波路の光伝播方向と格子面の法線とが４５°の角度をなすように配置している。
【００３１】
詳しくは、後述するが、このような角度をなすように格子面が平面の反射型回折格子を配置することにより、光導波路と反射型回折格子との間に介在する活性領域中の光路に沿った長さによらず、モードホッピングを解消することができる。つまり、この配置条件の下では、光路に沿った活性領域の長さを、設計に応じて任意の長さとすることができる。
【００３２】
また、請求項６に記載の波長可変半導体レーザによれば、光導波路に、さらに光路の光路長を変化させるための位相調整領域が設けられている。
【００３３】
このように、この発明によれば、光導波路に位相調整領域が設けられているので、光路の光路長を変化させることができる。よって、初期位相を微調整することで、所望の発振波長においてレーザ発振を容易に達成できる。
【００３４】
また、請求項７に記載の波長可変半導体レーザによれば、反射型回折格子が、光導波路の光伝播方向と格子面の法線とが、０°より大きくかつ９０°より小さい角度をなすように配置されたブレーズド格子であって、光偏向部が入射角を変更しない状態における光導波路から反射型回折格子に向かう光の光伝播方向を初期方向とするときに、ブレーズド格子が、互いに交差する、初期方向に平行な第１面および初期方向に垂直な第２面からなる格子溝を備えており、さらに、第１面の初期方向に沿った長さを、活性領域で発生する光の、活性領域内における中心波長の自然数倍にしてある。
【００３５】
このように、第１面の初期方向に沿った長さを、活性領域で発生する光の、活性領域内における中心波長の自然数倍とすることで、理由は明らかでないが、波長可変半導体レーザから出射される光の強度分布を滑らかにすることができる。
【００３６】
また、請求項８に記載の波長可変半導体レーザによれば、活性領域と、光導波路と、活性領域の光伝播方向に沿う側面を光導波路と対向させて光導波路と前記活性領域とを光結合する光結合部と、光結合部を挟んで活性領域と対向して設けられていて光導波路を含む光偏向部と、活性領域に対して、光導波路を挟んで設けられていて、活性領域から入射された光を波長選択された戻り光として活性領域へ帰還させる反射型回折格子と、活性領域の、光伝播方向と直交する光出射端面に設けられていて、反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面とを備え、光偏向部は、活性領域から反射型回折格子に向かう光の伝播方向を変えることによって、反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする。
【００３７】
このように、この発明は、請求項１に記載の発明において、活性領域と光導波路とを入れ替えた構成となっている。つまり、活性領域で発生した光は、反射面と反射型回折格子との間の光路として構成される光共振器で共振されることで、所定波長の光として光出射端面から取り出される。この光共振器においては、光偏向部が、活性領域から反射型回折格子に向けた光の出射方向を変えることにより、反射型回折格子へ入射する光の入射角、および光路の長さ（共振器長）を同時に変更する。このように、反射型回折格子への入射角の変更に伴い生じる波長選択と、共振器長の変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなくモードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長を変更することができる。
【００３８】
また、請求項９に記載の波長可変半導体レーザによれば、光出射端面側の端部付近に活性領域を備えた第１光導波路と、第２光導波路と、第１光導波路の光伝播方向に沿う側面を第２光導波路と対向させて第１および第２光導波路を光結合する光結合部と、光結合部を挟んで第２光導波路と対向して設けられていて第１光導波路を含む光偏向部と、第１光導波路に対して、第２光導波路を挟んで設けられていて、第１光導波路から入射された光を波長選択された戻り光として第１光導波路へ帰還させる反射型回折格子と、活性領域の、光伝播方向と直交する光出射端面に設けられていて、反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面とを備え、光偏向部は、第１光導波路から反射型回折格子に向かう光の出射角を変えることによって、反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする。
【００３９】
このように、この発明によれば、活性領域で発生した光は、反射面と反射型回折格子との間の光路として構成される光共振器で共振されることで、所定波長の光として光出射端面から取り出される。この光共振器においては、光偏向部が、活性領域から反射型回折格子に向けた光の出射方向を変えることにより、反射型回折格子へ入射する光の入射角、および光路の長さ（共振器長）を同時に変更する。このように、反射型回折格子への入射角の変更に伴い生じる波長選択と、共振器長の変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなくモードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長を変更することができる。
【発明の効果】
【００４０】
このように、この発明の波長可変半導体レーザの構成によれば、活性領域、反射面を備えた光導波路、光結合部、光偏向部、および反射型回折格子を備えており、光偏向部の作用により、光導波路から反射型回折格子に向かう光の、反射型回折格子への入射角と光路長とを変更するとともに、反射型回折格子で波長選択された戻り光を光導波路へ帰還させている。
【００４１】
その結果、この発明の波長可変半導体レーザは、レンズを使用しないことから、構成部品数を従来よりも増やすことがない。また、この発明の波長可変半導体レーザは、発振波長を変化させる際のモードホッピングを解消し、従来よりも幅広い範囲で、発振波長を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
つぎに、図１〜図１２を参照して、この発明の実施の形態について説明する。尚、各図は、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例に過ぎない。従って、この発明は、以下の実施の形態に何ら限定されない。
【００４３】
（実施の形態１）
図１〜図８を参照して、実施の形態１の波長可変半導体レーザの構造および動作について説明する。図１は、波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。図２は、図１のＩ−Ｉ線に沿った要部拡大断面図である。図３は、波長可変半導体レーザの構造上の条件および動作の説明に供する模式図である。図４は、波長可変半導体レーザの反射型回折格子付近を模式的に示した要部拡大模式図である。図５は、波長可変半導体レーザについて行ったシミュレーション結果を示す図である。図６は、光出射端面から出射される光の強度分布を模式的に示す図である。図７は、反射型回折格子の配置角度変化の説明に供する模式図である。図８は、波長可変半導体レーザの変形例を示す平面図である。
【００４４】
図１に示す構成例につき説明する。波長可変半導体レーザ１０は、平面形状が矩形の平行平面板状の基板１２を共通に用いてそれぞれ形成された活性領域１４、光導波路１６、光偏向部２０、光結合部３０および反射型回折格子１８を備えている。この波長可変半導体レーザ１０は、全ての構成部品が共通の基板１２に集積されたモノリシック波長可変半導体レーザである。
【００４５】
基板１２の平面形状を長方形とする。光導波路１６は、基板１２の長手方向に対向する一方の端面側に設けられている。また、反射型回折格子１８は、基板１２の他方の端面側に設けられている。このとき格子面２８は、光導波路１６側にある。
【００４６】
活性領域１４は、誘導放出により光を発生する領域である。また、この活性領域１４は、反射型回折格子１８と、光導波路１６との間に介在させて設けられている。この活性領域１４は、基板１２と、基板１２の一方の主面（上面）１２ａに設けられた活性層３２（図２参照）と、活性層３２上に設けられたｐ型クラッド層３４（図２参照）、このｐ型クラッド層３４上、および、基板１２の他方の主面（下面）１２ｂにそれぞれ設けられた電極３６および３８（図２参照）とを備えている。活性領域１４には、光導波路１６と反射型回折格子１８との間の活性層３２中に光の伝播経路として機能する領域が形成されている。
【００４７】
活性領域１４は、反射型回折格子１８側から光導波路１６側へと向かう方向（基板１２の長手方向）に沿って、横幅（基板１２の短手方向に沿う長さ）が徐々に狭くなっていく。つまり、活性領域１４は、平面視で、反射型回折格子１８側から光導波路１６側へと向かうに従って、ほぼテーパ状に横幅が縮小していく形態に形成されている。従って、活性領域１４は、全体的に、後述する反射型回折格子１８と同厚の、三角形状のブロックの形態をしていて、その斜辺を挟む一方の辺の側面が、格子面２８と対面し、かつ、他方の辺の側面１４ｃが、光導波路１６と対向して設けられている。この活性領域１４の光導波路１６との対向面、および反射型回折格子１８との対向面は、それぞれ平面であって、光の入射および出射を行う面を構成している。
【００４８】
反射型回折格子１８は、等厚の直角三角形のブロック形態に形成されていて、斜辺のブロック面に格子面２８が作りこまれた構成となっている。なお、反射型回折格子１８は、活性領域１４とは別部品とされている。この反射型回折格子１８の格子面２８は、基板１２の上面１２ａと直交していて、各格子溝５０は、上面１２ａと垂直な方向に一定の間隔で離間して設けられている。
【００４９】
反射型回折格子１８は、直交する２辺における側面を基板１２の直交する２つの側面と平行にして配置されている。
【００５０】
光導波路１６は、ストライプ状に形成されたチャネル型導波路であり、基板１２上に設けられた光導波層４３（図２参照）と、光導波層４３の上に設けられたｐ型層４２（図２参照）とを備える。光導波路１６は、基板１２の上面１２ａ上に基板１２の長手方向に沿う側面と平行に設けられている。光導波路１６の長手方向の一端１６ｂから他端１６ａの近傍に至るまで、光導波路１６の側面１６ｃは、これと対向する活性領域１４の側面、すなわち入出射面１４ｃと近接して対向している。また、光導波路１６の一端１６ｂ側の端面は、間隙を隔てて活性領域１４と対向している。光導波路１６の他端１６ａ側の端面は、波長可変半導体レーザ１０の光の光出射端面２２となっている。
【００５１】
光結合部３０は、光導波路１６と活性領域１４とを光結合する構成部分である。すなわち、光結合部３０は、光導波路１６の光伝播方向と平行な側面１６ｃと、この側面１６ｃと離間して対向する、活性領域１４の側面１４ｃと、両側面１６ｃおよび１４ｃの間に設けられた絶縁層４８（図２参照）とを備える。光導波路１６の側面１６ｃは、光導波路１６中で伝播方向が偏向された光を出射し、かつ、反射型回折格子１８からの反射光、すなわち戻り光が入射する面を構成している。光結合部３０は、光導波路１６の光伝播方向に沿って、他端１６ａから所定の長さＷ４にわたって設けられている。この長さＷ４は、好ましくは、光導波路１６の全長と等しいか、全長よりも短いことが好ましい。
【００５２】
光結合部３０において、光は、実質的に１００％の光結合効率で結合されているとみなせる。すなわち、光導波路１６から活性領域１４へと光が結合する際、および活性領域１４から光導波路１６へと光が結合する際には、光の強度の減少が実質的にないとみなせる。
【００５３】
光導波路１６において、光結合部３０に至った光は、側面１６ｃからエバネッセント波として絶縁層４８へ染み出し、側面１４ｃを経て活性領域１４の活性層３２へと入射される。ところで、光結合部３０では、長さＷ４の全長に渡って光が結合されるので、活性領域１４に向けて出射される光は、長さＷ４に対応する幅を有する。より詳細には、光導波路１６から活性領域１４へと出射する光の出射角をΘ（図３参照）としたときに、活性領域１４に向けて出射される光は、図面内において、活性領域１４中での光の伝播方向に直交する方向に、Ｗ４ｓｉｎΘの幅を有する。一方、活性領域１４から出射して光結合部３０に至った光は、同様に、光結合部３０を経て光導波路１６へと入射する。
【００５４】
絶縁層４８の幅（短手方向の長さ）は、光が結合可能な程度の幅とする。この幅は、活性領域１４と光導波路１６との間の光結合効率に関係している。より詳細には、絶縁層４８の幅が広い場合には、活性領域１４と光導波路１６との間で、１００％の光結合効率を達成するためには、光結合部３０の長さを長くする必要がある。逆に、絶縁層４８の幅が狭い場合には、活性領域１４と光導波路１６との間で、１００％の光結合効率を達成するためには、光結合部３０の長さは短くともよい。ここで、光結合効率とは、光結合部３０を介して、光導波路１６（活性領域１４）から活性領域１４（光導波路１６）に移行した光の強度割合のことをいう。
【００５５】
このように、光は、活性領域１４と光導波路１６との間を、光結合部３０を介して、容易に伝播することができる。
【００５６】
光導波路１６の、光結合部３０に対応する領域は、光偏向部２０を構成している。光偏向部２０は、光導波層４３、光導波層４３の上に設けられたｐ型層４２（図２参照）、ｐ型層の上に設けられた電極２６（図２参照）、および基板１２の他方の主面（下面）１２ｂに設けられた電極３８（図２参照）を備えている。これらの電極２６と３８との間に印加する電圧を変化させることによって、電気光学効果に基づき、光偏向部２０に含まれる光導波層４３の領域の屈折率を制御する。
【００５７】
以下、この屈折率制御につき具体的に説明する。
【００５８】
今、電極２６と３８との間に所定の電圧Ｖ（Ｖ＝０の場合も含む）が印加されているとする。そのときの、光導波層４３の屈折率をｎeとし、活性領域１４の屈折率をｎactとしたときに、光結合部３０を介して、光導波路１６から活性領域１４へと出射する光の出射角Θが、Θxであるとする。このとき、出射角Θxと屈折率ｎeおよびｎactとの間には、ｃｏｓΘx＝ｎe／ｎactの関係が成り立つことが知られている。このことより、電極２６に印加する電圧を制御して、光偏向部２０に対応する光導波層４３の屈折率ｎeを変化させてｎe'とすると、ｎactは一定であるから、出射角Θxが、Θx'に変化する。従って、光は、出射角がΘx'に揃った状態、つまり、コリメートされた状態で、光結合部３０から活性領域１４へと出射される。このように、出射角Θが変えられることにより、光の反射型回折格子１８への入射角α（図３参照）も変わる。
【００５９】
光導波路１６の端面１６ａを構成する光出射端面２２は、所定の反射率（＜１００％）を有する反射膜が形成された反射面２４とされている。
【００６０】
反射型回折格子１８は、基板１２に活性領域１４を挟んで光偏向部２０と離間させて配置されている。この反射型回折格子１８は、反射型平面回折格子である。反射型回折格子１８の配置角度Θg（図３参照）、すなわち格子間の格子溝５０が形成された格子面２８の延在方向、すなわち直角三角形の斜辺と、光導波路１６における光伝播方向とがなす角度は、４５°である。また、反射型回折格子１８は、格子溝５０の断面形状が鋸歯状とされたブレーズド格子であり、格子溝５０が、格子面２８に図面鉛直方向に延在するように形成されている。
【００６１】
図４を参照すると、反射型回折格子１８において、任意の１個の格子溝５０は、互いに直角に交差する第１面５２および第２面５４から構成されている。
【００６２】
ここで、光偏向部２０が、出射角Θ（入射角α）を変更しない状態、すなわち、光偏向部２０において光導波層４３の屈折率ｎeが変更されていない状態において、光導波路１６から反射型回折格子１８に向かう光Ｉ0の光伝播方向を初期方向とし、初期方向と光導波路１６の光伝播方向とのなす角度の鋭角側をΘ0とする。
【００６３】
このとき、基板１２の上面１２ａと平行な面内において、第１面５２の延在方向が、初期方向と平行となるように、かつ、第２面５４の延在方向が、初期方向に垂直となるように、格子溝５０が形成されている。また、第１面５２の初期方向に沿った長さＳは、活性領域１４で発生する光の、活性領域１４内における中心波長と等しくされている。ここで、反射型回折格子１８の格子定数をｄとしたときに、ｄとＳとの間には、ｄ＝Ｓ／ｓｉｎ（Θg−Θ0）という関係が成り立つ。
【００６４】
ここで、「活性領域１４内における中心波長」とは、活性領域１４で発生する光の発光スペクトルにおけるピーク波長であって、活性領域１４中での波長を示す。このピーク波長は、活性領域１４のバンドギャップにより定まる。なお、以降の説明において、「活性領域１４で発生する光の、活性領域１４内における中心波長」を単に「中心波長」と称する。
【００６５】
また、反射型回折格子１８は、基板１２とは別部品として形成され、基板１２の上面１２ａに貼り付けられている。したがって、格子面２８と、これと対向している活性領域１４の端面１４ａとの間には、数μｍ程度の間隙４６が存在する。この間隙４６に対応する基板１２の上面１２ａには無反射コーティングが施されている。これは、端面１４ａから出射されて反射型回折格子１８に向かう光、および反射型回折格子１８で波長選択を受け反射されて端面１４ａに向かう光（反射光あるいは戻り光とも称する）が、上面１２ａで乱反射されることで生じる強度減少を防ぐためである。この間隙４６には、設計に応じた任意好適な光学樹脂が充填されている。
【００６６】
以上説明したように、この波長可変半導体レーザ１０において、活性領域１４で発生した光は、反射型回折格子１８と光導波路１６の反射面２４との間の光路を多数回往復することで、所定波長の光として光出射端面２２から出射される。つまり、反射型回折格子１８と光導波路１６の反射面２４との間の光路により光共振器が構成されている。
【００６７】
つぎに、図１および図２を参照して、この波長可変半導体レーザ１０の寸法、材質および積層構造の詳細について述べる。
【００６８】
基板１２は、たとえば、厚さが約３００μｍのｎ型ＩｎＰ基板を用いる。基板１２の、光導波路１６の光伝播方向に沿った寸法は、たとえば、約６００μｍとし、および光導波路１６の光伝播方向に直交する方向に沿った寸法は、たとえば、約５０μｍとする。
【００６９】
この基板１２の長手方向の一端側には、反射型回折格子１８が設けられている。反射型回折格子１８は、基板１２とは別体であり、基板１２に公知の方法で貼り付けられている。反射型回折格子１８は、たとえば、厚さが約２．４μｍのＳｉ基板を、フォトリソグラフィーやエッチング等の公知の方法で加工することにより形成されている。反射型回折格子１８の第１面５２の初期方向に沿った長さＳは、上述のように、中心波長と等しくされている。ここでは、長さＳはたとえば、約０．４μｍとする。
【００７０】
光導波路１６は、光伝播方向に沿った長さが、たとえば、約３２０μｍとされ、図面内において光伝播方向に直交する方向の長さ（幅）が、たとえば、約２μｍとされている。そして、光結合部３０の長さは、たとえば、約３００μｍとする。換言すれば、光結合部３０において、活性領域１４と光導波路１６とは、絶縁層４８を介して約３００μｍの長さに渡って対向している。また、光結合部３０における絶縁層４８の幅、すなわち側面１４ｃと１６ｃとの間の間隔は、たとえば、約１μｍとする。絶縁層４８の幅（約１μｍ）、および光結合部３０の長さ（約３００μｍ）が、上述の条件を満たすときに、光導波路１６と活性領域１４との間で、実質的に１００％の光結合効率が達成される。
【００７１】
また、光導波路１６の反射面２４は、たとえば、屈折率が異なるＳｉＯ2膜とＳｉＮ膜とを交互に積層した、いわゆる誘電体多層膜とする。
【００７２】
活性領域１４の長さＷ１は、たとえば、約２３０μｍとする。同様に、活性領域１４の長さＷ２は、たとえば、約５８０μｍとする。また、活性領域１４の長さＷ３は、たとえば、約１０μｍとする。
【００７３】
図２に、活性領域１４、光導波路１６および絶縁層４８の断面構造を模式的に示す。
【００７４】
活性領域１４は、ダブルへテロ構造からなる。すなわち、活性領域１４は、ｎ型クラッド層としての基板１２と、この基板１２上に形成されたＩｎＧａＡｓＰからなる活性層３２と、この活性層３２上に形成されたｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層３４とを備えている。そして、ｐ型クラッド層３４上には、Ｔｉ膜、Ｐｔ膜およびＡｕ膜を、この順序でｐ型クラッド層３４上に積層した後にアニールを行うことで形成された電極３６が設けられている。また、基板１２の主面１２ｂには、電極３６と同じ積層構造を有する電極３８が設けられている。なお、電極３８は、後述する光導波路１６において、基板１２の主面１２ｂに設けられる電極を兼ねており、共通電極とされている。そして、電極３６と３８との間には、順方向電圧が印加され、これにより活性層３２が発光する。なお、活性層３２で発生する光の中心波長は、約１．５５μｍである。
【００７５】
ここで、活性層３２の膜厚は、たとえば、約０．４μｍとする。また、ｐ型クラッド層３４の膜厚は、たとえば、約２μｍとする。また、電極３６，３８の厚さは、たとえば、約０．５μｍとする。
【００７６】
光導波路１６は、ｐｉｎ構造を構成する。すなわち、ｐｉｎ構造は、ｎ型層としての基板１２と、この基板１２上に形成されたＩｎＧａＡｓＰからなる真性な光導波層４３と、この光導波層４３上に形成されたｐ型ＩｎＰからなるｐ型層４２とを備えている。光導波層４３においては、光を閉じ込めて導波するＩｎＧａＡｓＰの組成を、活性層３２とは異ならせている。これにより、光導波層４３のバンドギャップを活性層３２よりも大きくし、活性層３２で発生した光が、光導波層４３で吸収されないようにしている。より具体的には、光導波層４３において、ＩｎＧａＡｓＰのＧａＡｓ成分の組成を増すことでバンドギャップを大きくしている。なお、光導波層４３の膜厚は、活性層３２と等しく、たとえば、約０．４μｍとする。また、ｐ型層４２の膜厚は、ｐ型クラッド層３４と等しく、たとえば、約２μｍとする。
【００７７】
また、光偏向部２０は、ｐｉｎ構造の上面に、電極２６を備えている。この電極２６は、活性領域１４に設けられた電極３６，３８と、構造および膜厚が等しい。また、基板１２の他方の主面（下面）１２ｂには、上述した共通電極としての電極３８が設けられている。電極２６と３８との間には、活性領域１４の場合とは異なり逆方向電圧が印加される。
【００７８】
また、絶縁層４８は、Ｆｅをドープすることにより絶縁性とされたＩｎＰからなり、その厚さは、約２．４μｍである。絶縁層４８は、基板１２上に側面１４ｃおよび１６ｃに接して配置されている。
【００７９】
このように、活性領域１４の電極３６，３８には順方向電圧を、および光偏向部２０の電極２６，３８には逆方向電圧を、それぞれ印加する。絶縁層４８によって、活性領域１４と光偏向部２０とは電気的に絶縁されているので、電極３６と電極２６との間でリークが生じることはない。
【００８０】
なお、「活性領域１４が光を発生する」との表現、およびこれに類する表現は、「活性層３２が光を発生する」との意味を表すものとする。
【００８１】
つぎに、図１および図３を参照して、この波長可変半導体レーザ１０の動作、すなわち、モードホッピングを生じない発振波長変化につき、説明する。
【００８２】
電極３６，３８に順方向電流を印加すると、活性領域１４において誘導放出により光が生じる。活性領域１４で生じた光の一部は、光結合部３０を介して、光導波路１６を光出射端面２２方向に伝播する。そして、反射面２４に至り、反射面２４において所定の反射率で反射される。反射面２４で反射された光は、光導波路１６を光偏向部２０（光結合部３０）方向に伝播する。
【００８３】
光偏向部２０には、電極２６，３８が設けられており、所定の電圧が印加される。その結果、光偏向部２０における光導波層４３は、屈折率がｎeに制御される。よって、光偏向部２０に含まれる光導波層４３を伝播している光は、上述のように、光導波路１６の側面１６ｃからｃｏｓΘ＝ｎe／ｎactで与えられる出射角Θで、光結合部３０から活性領域１４へと出射される。
【００８４】
活性領域１４に入射された光は、経路Ａに沿って、反射型回折格子１８に入射角αで入射する。回折格子１８に入射した光は、波長の長短により異なる回折角で反射される。つまり、回折格子１８で反射されることで、光は、波長により分離される。
【００８５】
反射型回折格子１８に入射した光のうち、回折角α（＝入射角α）で反射されることで、特定波長λに選択された戻り光のみが、再び経路Ａに沿って、光導波路１６へと帰還して反射面２４方向に伝播する。
【００８６】
このようにして、波長λの光は、光導波路１６および経路Ａからなる光路を複数回往復する。波長λの光は、活性領域１４を経路Ａに沿って伝播するたびに、誘導放出により増幅され、やがて光出射端面２２から波長λの光として出射する。
【００８７】
このとき光の発振波長λは、光導波路１６および経路Ａからなる光路の光路長、つまり、光導波路１６と経路Ａの光路長の和（以下、共振器長Ｔとも称する）で決まる縦モード波長と、反射型回折格子１８の回折角αで選択される波長（以下、選択波長とも称する）との関係で決定される。
【００８８】
背景技術の欄でも述べたように、縦モード波長は離散値である。一方、選択波長は、回折角αを変化させることにより、連続的に変化する値である。よって、実際の発振波長λは、回折角αにより選択された選択波長に最も近い縦モード波長となる。つまり、共振器長Ｔが一定の場合には、選択波長を連続的に変化させていっても、発振波長λが連続的に変化することはない。発振波長λは、隣接する縦モード波長へと不連続に移行するだけである。この波長の不連続な移行が、モードホッピングである。
【００８９】
モードホッピングが生じないようにして、発振波長λを連続的に変化させるためには、選択波長を変化させると同時に、選択波長の波長変化分に応じて、共振器長Ｔをも変化させるのがよい。つまり、共振器長Ｔを変化させることで、縦モード次数を一定に保ったままで、その次数における縦モード波長自体を変化させるわけである。
【００９０】
この実施の形態の波長可変半導体レーザ１０も、選択波長および共振器長Ｔを同時に変化させるものである。つまり、回折角αが大きくなる（出射角Θを大きくする）と、選択波長が長くなる。それと同時に経路Ａ、すなわち共振器長Ｔも長くなるので、縦モードの次数が変化することなく、縦モード波長が長くなる。
【００９１】
回折角αを小さくする（出射角Θを小さくする）場合も同様である。これにより、選択波長が短くなり、選択波長の短波長化に応じて、共振器長Ｔも短くなる（経路Ａが短くなる）。よって、一定の縦モード次数を保ったまま、縦モード波長が短くなる。
【００９２】
このようにして、波長可変半導体レーザ１０は、モードホッピングを生じることなく、連続的に発振波長λを変化させることができる。
【００９３】
つづいて、主に図３を参照して、波長可変半導体レーザ１０の構造上の条件について説明する。図３は、図１の要部を寸法および角度とともに示した模式図である。
【００９４】
まず、図３に用いられる各符号の説明を行う。
【００９５】
光導波路１６の一端１６ｂと、反射型回折格子１８の格子溝が形成された格子面２８とは距離Ｌgだけ離間している。つまり、光導波路１６の光伝播方向に沿って測った光導波路１６の一端１６ｂと、反射型回折格子１８の格子面２８との距離はＬgである。
【００９６】
反射型回折素子１８の配置角度、すなわち、格子溝５０が形成された格子面２８の延在方向と、光導波路１６の光伝播方向とのなす角度は、Θgである。
【００９７】
光偏向部２０から、反射型回折格子１８に向けて出射される光Ｉの出射角は、Θである。ここで、出射角Θとは、光導波路１６の光伝播方向と、光Ｉの伝播方向とのなす角度の鋭角側を示す。
【００９８】
光Ｉが、反射型回折格子１８の点Ｐに到達するまでに伝播する距離をＬとする。つまり、活性領域１４における経路Ａの幾何的長さをＬとする。
【００９９】
また、光Ｉが、反射型回折格子１８の点Ｐに入射するときの入射角をαとする。ここで、入射角αは、反射型回折格子１８の法線、すなわち格子面２８の法線と光Ｉの伝播方向とのなす角をいう。
【０１００】
また、光Ｉが点Ｐにおいて、経路Ａの方向に反射回折されるときの回折角をαとする。ここで、回折角αは、反射型回折格子１８の法線、すなわち格子面２８の法線と、点Ｐにおいて、経路Ａの方向に反射回折された光伝播方向とのなす角をいう。つまり、入射角と回折角とは互いに等しくαである。
【０１０１】
また、反射型回折格子１８の格子定数をｄとする。
【０１０２】
また、活性化領域１４の屈折率をｎactとする。さらに、光導波路１６の光伝播方向に沿った長さをＬe、屈折率をｎeとする。
【０１０３】
このような構造を有する、波長可変半導体レーザ１０において、光の入射点Ｐにおいて回折角αで回折される光の波長λとすると、リトロー配置における回折条件より、下記（１）式が成り立つ。
【０１０４】
ｍλ／ｎact＝２ｄｓｉｎα ・・・（１）
（ただし、ｍは正の整数である。）
（１）式より、微小なλの変化Δλによる、回折角αの変化Δαは、下記（２）式で与えられる。
【０１０５】
ｍΔλ／ｎact＝Δα２ｄｃｏｓα ・・・（２）
（２）式を（１）式の両辺で割ると、下記（３）式が得られる。
【０１０６】
Δλ／λ＝Δα／ｔａｎα ・・・（３）
ところで、幾何学的に、出射角Θと回折角αとの間には、下記（４）式が成り立つ。
【０１０７】
α＝π／２−Θg＋Θ ・・・（４）
（４）式より、微小なαの変化Δαと、出射角Θの変化ΔΘとの関係は、下記（５）式で与えられる。
【０１０８】
Δα＝ΔΘ ・・・（５）
また、（４）式より、下記（６）式および（７）式が成り立つ。
【０１０９】
ｓｉｎα＝ｃｏｓ（Θ−Θg） ・・・（６）
ｃｏｓα＝−ｓｉｎ（Θ−Θg） ・・・（７）
（５）式〜（７）式を（３）式に代入して、下記（８）式が得られる。
【０１１０】
Δλ／λ＝−ｔａｎ（Θ−Θg）ΔΘ
＝ｔａｎ（Θg−Θ）ΔΘ ・・・（８）
一方、経路Ａの長さＬは、幾何的に、下記（９）式で表される。
【０１１１】
Ｌ＝Ｌg／（ｃｏｓΘ−ｓｉｎΘ／ｔａｎΘg） ・・・（９）
（９）式において、長さＬの微小な変化ΔＬによる出射角Θの変化ΔΘは、下記（１０）式で与えられる。
【０１１２】
ΔＬ＝Ｌg（ｓｉｎΘ＋ｃｏｓΘ／ｔａｎΘg）／（ｃｏｓΘ−ｓｉｎΘ／ｔａｎΘg）2×ΔΘ
＝Ｌ（ｓｉｎΘ＋ｃｏｓΘ／ｔａｎΘg）／（ｃｏｓΘ−ｓｉｎΘ／ｔａｎΘg）×ΔΘ
＝Ｌｃｏｓ（−Θg＋Θ）／ｓｉｎ（Θg−Θ）×ΔΘ
＝Ｌ／ｔａｎ（Θg−Θ）×ΔΘ ・・・（１０）
ところで、反射面２４と反射型回折格子１８の点Ｐとの間で構成される光共振器における共振条件は、光共振器の共振器長Ｔを用いて、下記（１１）式で与えられる。
【０１１３】
ｋＴ＝ｑπ ・・・（１１）
（ただし、ｋは、波長λの光の波数（＝２π／λ）を示し、ｑは、正の整数（縦モード次数＋１）を示す）
ここで、共振器長Ｔは、Ｔ＝ｎactＬ＋ｎeＬeで与えられるので、（１１）式より、下記（１２）式が得られる。
【０１１４】
ｋ（ｎactＬ＋ｎeＬe）＝ｑπ ・・・（１２）
ここで、出射角Θを変化させると、回折角αが変化することにより（１２）式において、波数ｋが、微小変化量Δｋだけ、変化するする。この微小変化Δｋに対して、共振条件である（１２）式は、下記（１３）式のように変形できる。
【０１１５】
Δｋ（Ｌ＋ｎeＬe）＋ｋ（ｎactΔＬ＋ΔｎeＬe）＝Δｑπ ・・・（１３）
（ただし、ΔＬは、Ｌの微小変化を、Δｎeは、ｎeの微小変化を、Δｑは、ｑの変化を、それぞれ表す）
ここで、波数ｋ（波長λ）が変化してもモードホッピングが生じないためには、（１３）式で、Δｑ＝０でなければならない。これより、下記（１４）式が得られる。
【０１１６】
Δｋ（ｎactＬ＋ｎeＬe）＋ｋ（ΔＬ＋ΔｎeＬe）＝０ ・・・（１４）
ところで、（１４）式の左辺を展開して、（１２）式を用いて整理すると、下記（１５）式が得られる。
【０１１７】
Δｋｑπ／ｋ2＋ΔＬ＋ΔｎeＬe＝０ ・・・（１５）
さらに、（１５）式に、ｋ＝２π／λの両辺を微分して得られる関係であるΔｋ＝−ｋ2／２π×Δλを代入すると、下記（１６）式が得られる。
【０１１８】
−Δλｑ／２＋ΔＬ＋ΔｎeＬe＝０ ・・・（１６）
（１６）式に、（８）式および（１０）式を代入してまとめると、下記（１７）式が得られる。
ΔΘ（−ｑλｔａｎ（Θg−Θ）／２＋Ｌ／ｔａｎ（Θg−Θ））＋ΔｎeＬe＝０ ・・・（１７）
（１７）式を変形することで、下記（１８）式が得られる。
【０１１９】
（Ｌ＋ｎeＬe）ｔａｎ（Θg−Θ）−Ｌ／ｔａｎ（Θg−Θ）＝ΔｎeＬe／ΔΘ ・・・（１８）
ところで、発明者が行ったシミュレーションによれば、（１８）式において、Θが小さい場合（約１０°以下）に、屈折率変化ΔｎeとΔΘとが、近似的に比例関係にあると置けることが明らかとなった。このことより、右辺はある定数となる。上述のシミュレーションによれば、この定数は、波長λの５０倍程度の値である。
【０１２０】
よって、（１８）式を満たすように、Ｌ、Ｌe、Θg、Θおよびｎeを決定することにより、モードホッピングが生じないようにしつつ、発振波長λを連続的に変化させることができる。
【０１２１】
さらに、（１８）式が、経路Ａの長さＬ、つまり活性領域１４の長さに依存しないようにするためには、（１８）式から、Ｌを含む項が消去できればよい。つまり、下記（１９）式が成り立てばよい。
【０１２２】
Ｌｔａｎ（Θg−Θ）＝Ｌ／ｔａｎ（Θg−Θ） ・・・（１９）
（１９）式の条件は、Θg−Θ＝π／４で成り立つ。Θが充分に小さい場合（約５°以下）には、近似的にΘg≒π／４（４５°）と置くことができる。よって、反射型回折格子１８の格子面２８の延びる方向と、光導波路１６の光伝播方向とのなす角度がπ／４となるように、すなわち、格子面２８の法線と光導波路１６の光伝播方向とのなす角度がπ／４となるように、反射型回折格子１８を配置すれば、出射角Θが充分に小さい場合には、活性領域１４の長さ（経路Ａの長さＬ）によらず、モードホッピングが生じないようにしつつ、発振波長λを連続的に変化させることができる。
【０１２３】
つづいて、図５を参照して、波長可変半導体レーザ１０について行ったシミュレーションについて説明する。
【０１２４】
このシミュレーションは、光偏向部２０の光導波層４３の屈折率を変化させることにより、光の発振波長λが変化することを示すものである。図５において、縦軸は光の強度（任意単位）を示し、および横軸は、光の波長（μｍ）を示す。
【０１２５】
図に描かれた３本のグラフのうち、中央のグラフ（実線）Ｉは、光偏向部２０において、光導波層４３の屈折率を変化させなかった場合を示す。左側のグラフ（破線）ＩＩは、光導波層４３の屈折率を、僅かに減少させた場合を示す。右側のグラフ（一点鎖線）ＩＩＩは、光導波層４３の屈折率を、僅かに増加させた場合を示す。
【０１２６】
なお、このシミュレーションにおいては、以下に列記する仮定の下で計算を行っている。すなわち、（１）第１面５２の初期方向に沿った長さＳが０．４μｍ、および配置角度Θgが４５°の反射型回折格子１８を用いている。（２）光結合部３０の光伝播方向に沿った長さが３５０μｍ、幅が２μｍ、光導波層４３の屈折率が３．４、およびｐ型層４２と基板１２の屈折率が互いに等しく３．３８５である。（３）活性領域１４と光導波層４３との間に屈折率差が存在し、および電極２６，３８に所定のオフセット電圧を印加することにより、出射角Θが予め５°となっている。（４）光導波路１６および経路Ａからなる光路を１往復した段階で、光を光出射端面２２から取り出すとして、強度を求める。なお、これ以外の条件は、上述の波長可変半導体レーザ１０と等しいと仮定している。
【０１２７】
図５において、図面左側のグラフＩＩは、電極２６，３８に印加する電圧を、オフセット電圧より小さくすることで、光導波層４３の屈折率を２．８×１０-3だけ減少している。これは、出射角Θを０．０２ｒａｄ（約１．２°）だけ小さくすることに対応する。このとき、ピーク波長は、約１．４８１μｍである。
【０１２８】
同様に、図面中央のグラフＩは、電極２６，３８に印加する電圧をオフセット電圧に保つことで、光導波層４３の屈折率変化を０としている。このとき、ピーク波長は、約１．４９２μｍである。
【０１２９】
また、図面右側のグラフＩＩＩは、電極２６，３８に印加する電圧を、オフセット電圧より大きくすることで、光導波層４３の屈折率を２．６×１０-3だけ増加している。これは、出射角Θを０．０２ｒａｄ（約１．２°）だけ大きくすることに対応する。このとき、ピーク波長は、約１．５０３μｍである。
【０１３０】
このように、出射角Θを±１．２°の範囲で変えることで、光の発振波長λを約２０ｎｍに渡って変化させることができる。また、約２０ｎｍに渡る発振波長λの変化にあたっては、縦モード次数は一定であった。つまり、モードホッピングは生じなかった。
【０１３１】
なお、このシミュレーションにおける、光偏向部２０の屈折率変更幅（−２．８×１０-3〜２．６×１０-3）は、光導波層４３の屈折率（３．４）に対して、約±０．１％程度に止まっている。これは、光偏向部２０の屈折率制御を、電気光学効果により行っているためである。仮に、光偏向部２０の屈折率制御を、電流注入による自由キャリアプラズマ効果を利用して行った場合、屈折率変更幅を±１％程度にまで広くすることができる。このようにした場合、光の発振波長λの変化幅を１００ｎｍオーダとすることができる。
【０１３２】
また、いずれのグラフも、波長分布がブロード（幅広）であるが、これは、仮定（４）で述べたように、光路を１往復した段階で光を取り出しているために、光の波長が充分に単色化されないためである。実際の場合には、光は、光路を何往復もした後に光出射端面２２から出射するので、単色化が充分に進み、より狭い波長分布となる。
【０１３３】
このように、この実施の形態の波長可変半導体レーザ１０によれば、活性領域１４で発生した光が、反射面２４と反射型回折格子１８との間の光路（光導波路１６および経路Ａ）として構成される光共振器で共振されることで、所定の発振波長λの光として光出射端面２２から取り出される。この光共振器においては、光偏向部２０が、光導波路１６から反射型回折格子１８に向けた光の出射角Θを変えることにより、反射型回折格子１８へ入射する光の入射角α、および光路（光導波路１６および経路Ａ）の光路長（共振器長Ｔ）を同時に変更する。このように、反射型回折格子１８への入射角αの変更に伴い生じる波長選択と、共振器長Ｔの変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなく、モードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長λを変更することができる。
【０１３４】
また、第１の従来技術では、連続して発振波長を変化させるために、分布ブラッグ反射鏡領域に印加する電流と同時に、位相調整領域に印加する電流をも制御しなければならず、電流の制御が複雑であった。しかし、波長可変半導体レーザ１０によれば、光偏向部２０に印加する電圧を制御するという簡単な操作で、反射型回折格子１８への光の入射角α、したがって発振波長λを変化させることができる。
【０１３５】
また、反射型回折格子１８の格子面２８の延びる方向と、光導波路１６の光伝播方向とのなす角度がπ／４となるように、反射型回折格子１８を配置した。その結果、光偏向部２０と反射型回折格子１８との間に介在する活性領域１４の光路（経路Ａ）に沿った長さＬによらず、モードホッピングを解消することができる。これにより、利得を有する活性領域１４（経路Ａの長さＬ）を長くすることができるので、光の出力を大きくすることができる。
【０１３６】
また、図４に示すように、この実施の形態では、反射型回折格子１８の第１面５２の初期方向に沿った長さＳを、中心波長と等しい値とした。これにより、理由は明らかではないが、光出射端面２２から出射される光の強度分布を、ガウス分布に近い、滑らかな分布とすることができる。
【０１３７】
この様子を、図６を参照して説明する。図６（Ａ）および（Ｂ）は、光出射端面２２から出射される光の強度分布のシミュレーション結果である。図６（Ａ）および（Ｂ）の縦軸は、光の強度（任意単位）であり、および横軸は、光の中心を原点として、光導波路１６の厚さ方向に沿った距離（任意単位）を示す。図６（Ａ）は、第１面５２の初期方向に沿った長さＳが、中心波長と等しい場合である。図６（Ｂ）は、第１面５２の初期方向に沿った長さＳが、中心波長と異なる場合である。
【０１３８】
図６（Ａ）では、強度分布は、ガウス分布に近い滑らかな分布であるのに対し、図６（Ｂ）は、強度分布の大まかな形状は、図６（Ａ）と同様な傾向を示すが、グラフ全体に渡って細かい凹凸が見られる。
【０１３９】
シミュレーションより、光出射端面２２からの距離が１００〜３００μｍの範囲で、この傾向が持続することが明らかとなった。
【０１４０】
なお、別のシミュレーションより、反射型回折格子１８の第１面５２の初期方向に沿った長さＳを、中心波長の自然数倍とした場合にも、上述と同様に、光の強度分布をガウス分布に近い滑らかな分布とすることができることが明らかとなった。
【０１４１】
なお、上述に説明したように、反射型回折格子１８の第１面５２の初期方向に沿った長さＳは、中心波長の自然数倍であることが実用上最も好ましい。しかし、これは、長さＳを中心波長の自然数倍の長さに限定する趣旨ではない。なぜなら長さＳが中心波長の自然数倍と異なっていたとしても、モードホッピングを生じることなく波長を変化することができるからである。つまり、光出射端面２２から出射される光の強度分布の凹凸を実用上許容できるのであれば、長さＳを中心波長の自然数倍と異なった値としてもよい。
【０１４２】
なお、この実施の形態においては、反射型回折格子１８の配置角度Θgは４５°とされているが、（１８）式の条件を満たすように、ｎeおよびＬeを調整すれば、配置角度Θgは４５°に限定されず、０°より大きく、かつ、９０°より小さい範囲の中で選択された角度とすることができる。
【０１４３】
配置角度Θgについて、図７を参照して詳細に説明する。なお、図７においては、図１および図３と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を省略する。
【０１４４】
たとえば、図７（Ａ）に示すように、配置角度Θgが４５°よりも小さい場合、つまり、反射型回折格子１８を、より寝せた状態で配置した場合を考える。この場合には、光結合部３０から出射された、一定の幅Ｗ４ｓｉｎΘの光Ｉaが、反射型回折格子１８に広い照射面積ａに照射される。つまり、光Ｉaは、反射型回折格子１８の配置角度Θgを４５°とした場合よりも、多数の格子溝で回折されることになる。その結果、一度の回折で、光Ｉaは、配置角度Θgが４５°の場合よりも単色化が進む。その一方、光Ｉaの発振波長λを狭い範囲でしか変化できなくなる。以上をまとめると、反射型回折格子１８の配置角度Θgを４５°よりも小さくした場合、光の単色化には有利であるが、発振波長λを狭い範囲でしか変化できない。
【０１４５】
図７（Ｂ）に示すように、配置角度Θgが４５°よりも大きい場合、光Ｉbは、反射型回折格子１８に狭い照射面積ｂに照射され、出射角Θの変化可能範囲Θbは大きくなる。このことより、上述と同様の議論で、反射型回折格子１８の配置角度Θgを４５°よりも大きくした場合、光の単色化には不利であるが、発振波長λを広い範囲で変化することができる。
【０１４６】
よって、反射型回折格子１８の配置角度Θgは、光の単色化と、発振波長λの変化可能範囲とを勘案して、設計に応じて適切な値を選択できる。
【０１４７】
また、この実施の形態においては、光結合部３０は、長さＷ４を３００μｍ、絶縁層４８の幅を１μｍとしている。この寸法は、この実施の形態の波長可変半導体レーザ１０においては、最適な寸法である。しかし、波長可変半導体レーザ１０の各部の寸法を変更した場合には、光結合部３０の長さＷ４および絶縁層４８の幅も、設計に応じて適切な値とすることが好ましい。
【０１４８】
たとえば、光結合部３０の長さＷ４を長くした場合には、光結合部３０から活性領域１４に向けて出射される光の幅Ｗ４ｓｉｎΘが広くなる。つまり、反射型回折格子１８に入射する光の照射面積が広くなる。その結果、反射型回折格子１８において、光は、より多数の格子溝で回折されることになり、光の単色化には有利である。また、この場合、１００％の光結合効率を得るためには、絶縁層４８の幅を広くすることができる。この結果、活性領域１４と光導波路１６との間隔が広がるので、寸法的に見て製造が容易である。しかし、この場合、波長可変半導体レーザ１０の大型化が避けられない。
【０１４９】
一方、光結合部３０の長さＷ４を短くした場合には、上述とは逆の議論により、反射型回折格子１８における光の照射面積が狭くなるため、光の単色化には不利である。また、絶縁層４８の幅を狭くしなければならないので、寸法的に見て製造に困難が伴う。しかし、波長可変半導体レーザ１０を小型化することができる。
【０１５０】
よって、光結合部３０の長さＷ４、および絶縁層４８の幅は、上述した得失を勘案して、設計に応じて適切な値とすることが好ましい。
【０１５１】
また、この実施の形態においては、光偏向部２０は、電気光学効果を利用して、光導波層４３の屈折率を制御していた。しかし、屈折率を、たとえば、音響光学効果や自由キャリアプラズマ効果を利用して制御してもよい。特に、自由キャリアプラズマ効果を用いた場合には、上述のように屈折率変更幅を±１％程度とすることができるので、より広い範囲で光の発振波長λを変化することができる。
【０１５２】
また、この実施の形態においては、反射型回折格子１８として、ブレーズド格子を用いている。しかし、反射型回折格子１８としては、ブレーズド格子に限らず、格子溝５０の断面形状が鋸歯状以外の形状を有するレリーフ型回折格子や、屈折率変調型回折格子を用いてもよい。
【０１５３】
また、反射型回折格子１８の格子溝５０が形成された面に、たとえば、屈折率が異なる誘電体膜を交互に積層した誘電体多層膜からなる反射膜を設けてもよい。このようにすることにより、反射型回折格子１８での光の反射率を高めることができる。
【０１５４】
また、この実施の形態の波長可変半導体レーザ１０は、光通信用波長帯（１．３〜１．５μｍ）で用いられることを想定している。そのため、活性領域１４は、ｎ型ＩｎＰ（ｎ型クラッド層）、ＩｎＧａＡｓＰ（活性層３２）、およびｐ型ＩｎＰ（ｐ型クラッド層３４）が、この順序で積層されたダブルへテロ構造とされていた。しかし、活性領域１４の構造は、これに限定されず、たとえば、ｎ型ＡｌＧａＡｓ（ｎ型クラッド層）、ＧａＡｓ（活性層）、およびｐ型ＡｌＧａＡｓ（ｐ型クラッド層）からなる積層構造、ｎ型ＺｎＳＳｅ（ｎ型クラッド層）、ＺｎＣｄＳｅ（活性層）、およびｐ型ＺｎＳＳｅ（ｐ型クラッド層）からなる積層構造、または、ｎ型ＧａＮ（ｎ型クラッド層）、ＩｎＧａＮ（活性層）、およびｐ型ＧａＮ（ｐ型クラッド層）からなる積層構造のいずれかを、発振波長に応じて選択してもよい。
【０１５５】
また、この実施の形態において、活性領域１４は、光導波路１６の一端１６ｂと対向している。この対向部分は、必須の構成要件ではなく、設計に応じて適当な形状とすることができる。たとえば、図８（Ａ）に示すように、上述した対向部分を取り除き、活性領域１４と光導波路１６とが、光結合部３０のみにおいて、光結合可能に対向した構造とすることができる。
【０１５６】
また、この実施の形態においては、平面視での活性領域１４の形状をほぼテーパ状としているが、活性領域１４は、光結合部３０から反射型回折格子１８への光の伝播を妨げることがなければ、その形状に特に制限はない。たとえば、図８（Ｂ）に示すように、活性領域１４を、平面視でほぼ矩形状としてもよい。
【０１５７】
また、この実施の形態においては、側面１４ｃと１６ｃとの間の間隔、すなわち絶縁層４８の幅は、場所によらず等しく１μｍとされていた。つまり、側面１４ｃと１６ｃとは平行に配置されていた。しかし、側面１４ｃと１６ｃとは必ずしも平行に配置する必要はなく、光導波路１６の一端１６ｂから他端１６ａにかけて徐々に幅が広くなるように配置してもよい。つまり、絶縁層４８の幅を光導波路１６の一端１６ｂから他端１６ａにかけて徐々に広くしてもよい。このようにすることによっても、実用上充分な光結合効率が得られる。
【０１５８】
また、この実施の形態においては、反射型回折格子１８を活性領域とは別体として、基板１２に貼り付ける構成としていたが、反射型回折格子１８を基板１２と一体としてもよい。
【０１５９】
（実施の形態２）
つぎに、図９を参照して、実施の形態２の波長可変半導体レーザの構造について説明する。図９は、実施の形態２の波長可変半導体レーザの概略構造を示す一部切欠斜視図である。
【０１６０】
なお、実施の形態２の波長可変半導体レーザ７０は、反射型回折格子７２が活性領域１４の端面１４ａに設けられた以外は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様である。よって、図９においては、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１６１】
波長可変半導体レーザ７０においては、反射型回折格子７２が、活性領域１４において、光導波路１６から活性領域１４へと入射された光が照射される端面１４ａに形成されている。
【０１６２】
より詳細には、反射型回折格子７２は、平面視で略三角形状の活性領域１４において、光結合部３０が設けられた辺を底辺としたときに、この底辺の延長線とのなす外角がΘgである辺に対応する端面１４ａに設けられている。つまり、実施の形態１とは異なり、反射型回折格子７２と活性領域１４とが一体とされている。
【０１６３】
また、反射型回折格子７２の表面、すなわち、端面１４ａにおいては、少なくとも活性層３２を被覆して、反射膜７８が成膜されている。この反射膜７８は、たとえば、屈折率が異なるＳｉＯ2膜とＳｉＮ膜とを交互に積層した、いわゆる誘電体多層膜とする。
【０１６４】
この反射型回折格子７２は、反射型平面回折格子であり、配置角度Θg、格子定数ｄ、第１面７４および第２面７６の配置、ならびに第１面７４の長さＳは、実施の形態１と同様である。
【０１６５】
実施の形態２の波長可変半導体レーザ７０は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の作用効果を奏するとともに、反射型回折格子７２を活性領域１４と一体としたので、波長可変半導体レーザ７０を構成する部品数を削減することができ、かつ、波長可変半導体レーザ７０のサイズを縮小することができる。
【０１６６】
また、実施の形態１では、光結合部３０から、活性領域１４に入射した光は、反射型回折格子１８に至るまでに、一度活性領域１４の外に出て間隙４６（図１参照）を通過しなければならなかった。そのため、上述のように、間隙４６において上面１２ａで乱反射されて光の強度が減少する虞があった。しかし、実施の形態２では、端面１４ａに反射型回折格子７２を形成しているので、光が、活性領域１４から外にでることがないので、光の強度減少を抑制することができる。
【０１６７】
実施の形態２の波長可変半導体レーザ７０は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の変形が可能である。より詳細には、反射型回折格子７２の配置角度Θg、反射型回折格子７２の第１面７４の長さＳ、光結合部３０の長さＷ４、絶縁層４８の幅、光偏向部２０における屈折率制御法、活性領域１４の組成および積層構造、活性領域１４の形状、ならびに絶縁層４８の幅については、実施の形態１と同様の変更が可能である。
【０１６８】
（実施の形態３）
つぎに、図１０を参照して、実施の形態３の波長可変半導体レーザの構造および動作について説明する。図１０は、実施の形態２の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【０１６９】
なお、実施の形態３の波長可変半導体レーザ６０は、光導波路１６に位相調整領域６２が設けられた以外は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様である。よって、図１０においては、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１７０】
波長可変半導体レーザ６０は、光導波路１６の光出射端面２２側に位相調整領域６２が設けられている。より詳細には、位相調整領域６２は、光導波路１６において、光結合部３０と重複しないような位置に設けられている。なお、位相調整領域６２における積層構造は、光偏向部２０と同様である。
【０１７１】
位相調整領域６２は、ｐ型層４２の上面に、位相調整用電極６４を備えている。この位相調整用電極６４は、光偏向部２０の電極２６と電気的絶縁が確保できるだけの間隔を空けて配置されている。なお、基板１２の他方の主面（下面）１２ｂの位相調整用電極６４に対応する位置にも、別の位相調整用電極（不図示）が設けられている。これら２つの位相調整用電極は、電極２６と同じ積層構造を有している。
【０１７２】
位相調整領域６２においては、２つの位相調整用電極に印加する電圧を調整することで、電気光学効果により光導波層４３の屈折率を制御し、その結果、光導波路１６の光路長を変化させる。
【０１７３】
実施の形態３の波長可変半導体レーザ６０は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の作用効果を奏するとともに、位相調整領域６２を設けているので、位相調整用電極に印加する電圧により、光の伝播する光路の光路長を変化させることができる。よって、光結合部３０から活性領域１４へと出射される光の初期位相を微調整することができる。
【０１７４】
より詳細には、光結合部３０から活性領域１４へと出射する光の出射角Θの角度変化を大きくしていくと、光の初期位相の非線形的な変化を無視できなくなる。つまり、出射角Θの角度変化が小さい場合には、出射角Θの変化に応じて、経路Ａの長さＬを線形的に変化させるように構成された波長可変半導体レーザ６０の構造だけで、光の初期位相の変化を補償することができる。しかし、出射角Θの角度変化が大きくなると、この構造のみでは、光の初期位相の変化を補償できなくなってしまう。
【０１７５】
そこで、光導波路１６に位相調整領域６２を設けることにより、光導波路１６の光路長を微調整することにより、非線形的な光の初期位相の変化を補償する。これにより、波長可変半導体レーザ６０は、モードホッピングを生じることなく、連続的に発振波長λを変化させることができる。また、このときの位相調整の程度は僅かであるので、第１の従来技術のように精密さが要求されない。
【０１７６】
また、実施の形態３の波長可変半導体レーザ６０は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の変形が可能である。より詳細には、反射型回折格子１８の配置角度Θg、回折格子１８の第１面５２の長さＳ、光結合部３０の長さＷ４、絶縁層４８の幅、光偏向部２０における屈折率制御法、活性領域１４の組成および積層構造、活性領域１４の形状、ならびに絶縁層４８の幅については、実施の形態１と同様の変更が可能である。
【０１７７】
この実施の形態においては、位相調整領域６２は、光偏向部２０に隣接して設けられていたが、位相調整領域６２と光偏向部２０との間に間隔が設けられていてもよい。
【０１７８】
（実施の形態４）
つぎに、図１１を参照して、実施の形態４の波長可変半導体レーザの構造および動作について説明する。図１１は、実施の形態４の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【０１７９】
実施の形態４の波長可変半導体レーザ８０は、いわば、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０において、活性領域１４と光導波路１６とを入れ替えた構造である。よって、図１１においては、図１と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１８０】
すなわち、波長可変半導体レーザ８０は、基板１２の長手方向に対向する一方の端面１２ｃ側に設けられた活性領域８２と、他方の端面１２ｄ側に設けられた反射型回折格子１８と、活性領域８２と反射型回折格子１８との間に設けられた光導波路８７とを備える。
【０１８１】
活性領域８２は、その光伝播方向に直交する断面形状が矩形状、および平面形状が光伝播方向に沿って長尺な矩形状の部品である。つまり、活性領域８２は、チャネル型である。活性領域８２は、矩形状の基板１２の角部付近に配置されている。平面視で、活性領域８２の長手方向（以下、光伝播方向とも称する）に沿った辺は、基板１２の長手方向の辺と平行である。また、活性領域８２の光伝播方向に直交する一端面８２ａが、基板１２の端面１２ｃと面一とされている。この端面８２ａが、光出射端面８６である。活性領域８２は、実施の形態１の活性領域１４と同様の積層構造を有している。活性領域８２は、誘導放出により光を発生するとともに、発生した光を、その長手方向に伝播することができる。
【０１８２】
反射型回折格子１８は、平面形状が直角三角形状のブロック形態であり、基板１２の端面１２ｄ側、すなわち、活性領域８２が設けられた側の端面１２ｃとは反対側に設けられている。反射型回折格子１８の斜辺に対応する側面は、格子面２８とされており、この格子面２８に、実施の形態１と同様に、格子溝５０が形成されている。格子面２８は、活性領域８２の光伝播方向と、０°より大きく、かつ、９０°より小さい角度をなして延在している。
【０１８３】
光導波路８７は、平面形状が略台形状の部品であり、反射型回折格子１８と活性領域８２との間に介在している。光導波路８７は、基板１２の主面１２ａ上に設けられた光導波層８４と、光導波層８４上に設けられた、光導波層８４と同じ平面形状のｐ型層８５とを備える。
【０１８４】
より詳細には、光導波路８７は、平面視で、反射型回折格子１８および活性領域８２に対応する領域が切り欠かれている以外は基板１２とほぼ同形状をなしている。光導波路８７は、平面型光導波路である。光導波層８４の反射型回折格子１８側の端面８４ａと格子面２８とは、微小な間隙８８を隔てて互いに対向している。また、光導波路８７の活性領域８２に対応する切り欠き部９６に、活性領域８２が、いわば嵌め込まれるように配置されている。また、光導波路８７、より詳細には、光導波層８４は、後述する光結合部３０から光導波路８７へと入射した光を、反射型回折格子１８方向に向けて伝播し、および反射型回折格子１８で反射された戻り光を光結合部３０に向けて伝播する。
【０１８５】
切り欠き部９６において、光導波路８７の側面８７ｂは、活性領域８２の長手方向の側面８２ｂと微小な間隙９０を隔てて互いに対向しており、この間隙９０に実施の形態１と同様な絶縁層４８が設けられている。側面８７ｂ、側面８２ｂ、および絶縁層４８により光結合部３０が構成されている。光結合部３０は、実施の形態１と同様に、光導波路８７（光偏向部９２）と活性領域８２との間で光結合を行う。
【０１８６】
光導波路８７において、光結合部３０を挟んで、活性領域８２と対向した領域には、光偏向部９２が設けられている。光偏向部９２は、光導波路８７中の一部分をなす領域であり、光導波層８４の屈折率を制御するための電極９４の存在により、光導波路８７と区別されている。つまり、光偏向部９２は、光導波路８７のｐ型層８５上に所定形状の電極９４が設けられた構造を有している。
【０１８７】
電極９４、つまり、光偏向部９２は、平面視で直角三角形状をなし、直角の角部は、光結合部３０の端面１２ｃ側の端部に一致するように配置されている。また、直角を挟む一方の底辺９４ｂは、光導波路８７の側面８７ｂおよび上面がなす稜線と一致するように配置されている。そして、光偏向部９２の直角の角部に対向する斜辺９４ａは、基板１２の端面１２ｄ側から端面１２ｃ方向に向かうにつれて、徐々に高さが高くなるように傾斜している。
【０１８８】
光偏向部９２は、実施の形態１と同様に、光偏向部９２に含まれる光導波層８４の屈折率を制御することにより、光偏向部９２から反射型回折格子１８に出射される光の出射角、したがって、反射型回折格子１８への光の入射角および光路の長さを変更する。
【０１８９】
このように、波長可変半導体レーザ８０においては、反射面２４および反射型回折格子１８とで光共振器が構成されている。
【０１９０】
以下、この波長可変半導体レーザ８０の動作につき、簡単に説明する。
【０１９１】
活性領域８２で発生した光は、実施の形態１と同様にして光結合部３０を介して、光偏向部９２へと結合される。光偏向部９２（光導波層８４）の屈折率を制御することにより、光は、出射角が調整された上で、光偏向部９２から反射型回折格子１８へと向けて出射される。反射型回折格子１８に入射した光のうち、特定の回折角で反射された光は、特定波長に選択された戻り光として、上述とは逆の経路に沿って、光導波路８７、光偏向部９２および光結合部３０を経て活性領域８２へと帰還する。活性領域８２へと帰還した光は、反射面２４で反射され、再び上述の経路を辿って、反射型回折格子１８に至る。このようにして、反射面２４および反射型回折格子１８からなる光共振器で光が幾度となく往復することにより、特定波長のレーザ光が発振する。
【０１９２】
このように、この実施の形態の波長可変半導体レーザ８０によれば、活性領域８２で発生した光が、反射面２４と反射型回折格子１８との間の光路として構成される光共振器で共振されることで、所定の発振波長の光として光出射端面８６から取り出される。この光共振器においては、光偏向部９２が、反射型回折格子１８に向けた光の出射角を変えることにより、反射型回折格子１８へ入射する光の入射角、および光路の光路長（共振器長）を同時に変更する。このように、反射型回折格子１８への入射角の変更に伴い生じる波長選択と、共振器長の変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなく、モードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長を変更することができる。
【０１９３】
また、実施の形態１と同様の理由により、波長可変半導体レーザ８０によれば、光偏向部９２に印加する電圧を制御するという簡単な操作で、反射型回折格子１８への光の入射角、したがって発振波長を変化させることができる。
【０１９４】
なお、この実施の形態においては、光偏向部９２の平面形状を直角三角形状としているが、光偏向部９２の平面形状は、反射型回折格子１８に向けて出射される光の出射角を制御できるものであれば、直角三角形状に限定されない。たとえば、光導波路８７の全面を光偏向部９２としてもよい。つまり、電極９４を光導波路８７の全面に設けてもよい。このようにすることにより、実用上許容できる応答速度で光偏向部９２の屈折率を変更することが可能である。
【０１９５】
また、この実施の形態においては、平面視での光導波路８７の形状をほぼ台形状としているが、光導波路８７は、光結合部３０から反射型回折格子１８への光の伝播を妨げることがなければ、その形状に特に制限はない。
【０１９６】
また、実施の形態４の波長可変半導体レーザ８０は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の変形が可能である。より詳細には、反射型回折格子１８の配置角度Θg、反射型回折格子１８の第１面の長さＳ、光結合部３０の長さＷ４、絶縁層４８の幅、光偏向部９２における屈折率制御法、ならびに活性領域８２の組成および積層構造については、実施の形態１と同様の変更が可能である。
【０１９７】
（実施の形態５）
つぎに、図１２を参照して、実施の形態５の波長可変半導体レーザの構造および動作について説明する。図１２は、実施の形態５の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【０１９８】
実施の形態５の波長可変半導体レーザ１００は、いわば、実施の形態３の波長可変半導体レーザ６０において、活性領域１４に対応する領域を、利得を持たない第２光導波路１０４とし、光導波路１６を第１光導波路１０２とし、第１光導波路１０２の光出射端面１０６側端部に活性領域１０８を設けた構造である。よって、図１２においては、図１０と同様の構成要素には同符号を付し、その説明を適宜省略する。
【０１９９】
すなわち、波長可変半導体レーザ１００は、基板１２の長手方向に対向する一方の端面１２ｃ側に設けられた第１光導波路１０２と、他方の端面１２ｄ側に設けられた反射型回折格子１８と、第１光導波路１０２と反射型回折格子１８との間に設けられた第２光導波路１０４とを備える。
【０２００】
第１光導波路１０２は、基板１２の端面１２ｃから端面１２ｄに向かう方向に順に、活性領域１０８、位相調整領域６２および光偏向部２０が直列に一体に配置された構造である。第１光導波路１０２は、その光伝播方向に直交する断面形状が矩形状、および平面形状が光伝播方向に沿って長尺な矩形状の部品である。つまり、第１光導波路１０２は、チャネル型である。
【０２０１】
活性領域１０８は、基板１２と、基板１２の主面１２ａ上に設けられた活性層１１２と、この活性層１１２上に設けられたｐ型クラッド層１１４と、このｐ型クラッド層１１４上に設けられた電極１１６、および、基板１２の他方の主面（下面）１２ｂに設けられた電極（図示せず）とを備えている。主面１２ｂに設けられる電極は、実施の形態１の場合と同様に、位相調整領域６２および光偏向部２０において主面１２ｂに設けられる電極を兼ねた共通電極とされている。活性領域１０８において、基板１２の端面１２ｃ側の端面１０８ａは、光出射端面１０６とされている。また、この端面１０８ａには反射膜が設けられ、この反射膜が、反射面１２０を構成している。なお、活性領域１０８における積層構造は、電極１１６を含めて実施の形態１の活性領域１４と同様である。
【０２０２】
位相調整領域６２は、第１光導波路１０２において、活性領域１０８と光偏向部２０との間に設けられている。位相調整領域６２は、実施の形態３と同様であるため、その説明を省略する。なお、位相調整領域６２は、活性領域１０８との間、および光偏向部２０との間に電気的絶縁が確保できるだけの間隔を空けて配置されている。
【０２０３】
光偏向部２０は、実施の形態１と同様であるため、その説明を省略する。
【０２０４】
光結合部３０は、第１光導波路１０２の光伝播方向と平行な側面１０２ｃと、この側面１０２ｃと離間して対向する、第２光導波路１０４の側面１０４ｃと、両側面１０２ｃおよび１０４ｃの間に設けられた絶縁層４８とを備える。
【０２０５】
第２光導波路１０４は、平面型光導波路である。その積層構造は、電極２６（図２参照）、および基板１２の他方の主面（下面）１２ｂに設けられた電極３８を有さない点以外は、実施の形態１の光導波路１６と同様である。より詳細には、第２光導波路１０４は、基板１２上に設けられた光導波層１２２と、光導波層１２２の上に設けられたｐ型層１２４とを備える。つまり、第２光導波路１０４は、利得を有しておらず、光結合部３０から反射型回折格子１８に向けて、またはその逆方向に光を導波する機能を有する。また、第２光導波路１０４は、平面形状に限ってみれば、実施の形態１の活性領域１４と同様の形状である。
【０２０６】
反射型回折格子１８は、実施の形態１と同様であるのでその説明を省略する。
【０２０７】
また、波長可変半導体レーザ１００の動作は、光が、第１光導波路１０２の端部に設けられた活性領域１０８で発生する点、および、第２光導波路１０４が利得を有していない点を除けば、実施の形態３と同様である。よって、その説明を省略する。
【０２０８】
活性領域１０８で発生した光は、第１光導波路１０２を伝播して、位相調整領域６２を経て光偏向部２０へと至る。光偏向部２０では、電極２６に印加する電圧により光導波層４３の屈折率が調整されている。これにより、光は、出射角が調整された上で、光結合部３０へと結合され、反射型回折格子１８に向けて出射される。出射された光は、第２光導波路１０４を伝播して、反射型回折格子１８へ入射する。反射型回折格子１８に入射した光のうち、特定の回折角で反射された光は、特定波長に選択された戻り光として、上述とは逆の経路に沿って、第２光導波路１０４、光結合部３０および光偏向部２０を経て活性領域１０８へと帰還する。このようにして、反射面１２０および反射型回折格子１８からなる光共振器で光が幾度となく往復することにより、特定波長のレーザ光が発振する。
【０２０９】
このように、この実施の形態の波長可変半導体レーザ１００によれば、活性領域１０８で発生した光が、反射面１２０と反射型回折格子１８との間の光路として構成される光共振器で共振されることで、所定の発振波長の光として光出射端面１０６から取り出される。この光共振器においては、光偏向部２０が、反射型回折格子１８に向けた光の出射角を変えることにより、反射型回折格子１８へ入射する光の入射角、および光路の光路長（共振器長）を同時に変更する。このように、反射型回折格子１８への入射角の変更に伴い生じる波長選択と、共振器長の変化とを同時に行うことにより、レンズを設けることなく、モードホッピングを解消して幅広い範囲で発振波長を変更することができる。
【０２１０】
また、第１光導波路１０２に位相調整領域６２を設けることにより、第１光導波路１０２の光路長を微調整し、非線形的な光の初期位相の変化を補償する。これにより、波長可変半導体レーザ１００は、モードホッピングを生じることなく、連続的に発振波長を変化させることができる。また、このときの位相調整の程度は僅かであるので、第１の従来技術のように精密さが要求されない。
【０２１１】
なお、実施の形態５の波長可変半導体レーザ１００は、実施の形態１の波長可変半導体レーザ１０と同様の変形が可能である。より詳細には、反射型回折格子１８の配置角度Θg、反射型回折格子１８の第１面の長さＳ、光結合部３０の長さ、絶縁層４８の幅、光偏向部２０における屈折率制御法、ならびに活性領域１０８の組成および積層構造については、実施の形態１と同様の変更が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０２１２】
【図１】実施の形態１の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【図２】図１のＩ−Ｉ線に沿った要部拡大断面図である。
【図３】実施の形態１の波長可変半導体レーザの構造上の条件および動作の説明に供する模式図である。
【図４】実施の形態１の波長可変半導体レーザの反射型回折格子付近を模式的に示した要部拡大模式図である。
【図５】（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザについて行ったシミュレーション結果を示す図である。
【図６】（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザの、光出射端面から出射される光の強度分布を模式的に示す図である。
【図７】（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザの、反射型回折格子の配置角度変化の説明に供する模式図である。
【図８】（Ａ）および（Ｂ）は、実施の形態１の波長可変半導体レーザの、波長可変半導体レーザの変形例を示す平面図である。
【図９】実施の形態２の波長可変半導体レーザの概略構造を示す一部切欠斜視図である。
【図１０】実施の形態３の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【図１１】実施の形態４の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【図１２】実施の形態５の波長可変半導体レーザの概略構造を示す斜視図である。
【符号の説明】
【０２１３】
１０，６０，７０，８０，１００ 波長可変半導体レーザ
１２ 基板
１２ａ，１２ｂ 主面
１４，８２，１０８ 活性領域
１４ａ，１２ｃ、１２ｄ，８２ａ，８４ａ，１０８ａ 端面
１４ｃ，１６ｃ，８２ｂ，８４ｂ，８７ｂ，１０２ｃ，１０４ｃ 側面
１６ 光導波路
１６ａ 他端
１６ｂ 一端
１８，７２ 反射型回折格子
２０，９２ 光偏向部
２２，８６，１０６ 光出射端面
２４，１２０ 反射面
２６，３６，３８，９４，１１６ 電極
２８ 格子面
３０ 光結合部
３２，１１２ 活性層
３４，１１４ ｐ型クラッド層
４２，８５，１２４ ｐ型層
４３，８４，１２２ 光導波層
４６，８８，９０ 間隙
４８ 絶縁層
５０ 格子溝
５２，７４ 第１面
５４，７６ 第２面
６２ 位相調整領域
６４ 位相調整用電極
７８ 反射膜
９４ａ 斜辺
９４ｂ 底辺
９６ 切り欠き部
１０２ 第１光導波路
１０４ 第２光導波路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性領域と、光導波路と、
該光導波路の光伝播方向に沿う側面を前記活性領域と対向させて該光導波路と前記活性領域とを光結合する光結合部と、
該光結合部を挟んで前記活性領域と対向して設けられていて前記光導波路を含む光偏向部と、
前記光導波路に対して、前記活性領域を挟んで設けられていて、該光導波路から入射された光を波長選択された戻り光として該光導波路へ帰還させる反射型回折格子と、
前記光導波路の、前記光伝播方向と直交する光出射端面に設けられていて、前記反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面と
を備え、
前記光偏向部は、前記光導波路から前記反射型回折格子に向かう光の出射角を変えることによって、該反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項２】
前記反射型回折格子は、前記活性領域と別部品とされていることを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項３】
前記反射型回折格子は、前記活性領域において、前記光導波路から前記活性領域へと入射された光が照射される端面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項４】
前記光偏向部は、電気光学的に前記光導波路の屈折率を変えることにより、前記入射角を変える構成とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項５】
前記反射型回折格子は、格子面が平面状に形成されていて、前記光導波路の前記光伝播方向と、該格子面の法線とが４５°の角度をなすように、配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項６】
前記光導波路に、さらに前記光路の光路長を変化させるための位相調整領域が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項７】
前記反射型回折格子が、前記光導波路の前記光伝播方向と前記格子面の法線とが、０°より大きく、かつ、９０°より小さい角度をなすように配置されたブレーズド格子であって、
前記光偏向部が前記入射角を変更しない状態における前記光導波路から前記反射型回折格子に向かう光の光伝播方向を初期方向とするときに、
前記ブレーズド格子が、互いに交差する、前記初期方向に平行な第１面および前記初期方向に垂直な第２面からなる格子溝を備えており、
前記第１面の前記初期方向に沿った長さが、前記活性領域で発生する光の、前記活性領域内における中心波長の自然数倍であることを特徴とする請求項１〜４、および６のいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項８】
活性領域と、光導波路と、
該活性領域の光伝播方向に沿う側面を前記光導波路と対向させて該光導波路と前記活性領域とを光結合する光結合部と、
該光結合部を挟んで前記活性領域と対向して設けられていて前記光導波路を含む光偏向部と、
前記活性領域に対して、前記光導波路を挟んで設けられていて、該活性領域から入射された光を波長選択された戻り光として該活性領域へ帰還させる反射型回折格子と、
前記活性領域の、前記光伝播方向と直交する光出射端面に設けられていて、前記反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面と
を備え、
前記光偏向部は、前記活性領域から前記反射型回折格子に向かう光の伝播方向を変えることによって、該反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項９】
光出射端面側の端部付近に活性領域を備えた第１光導波路と、第２光導波路と、
該第１光導波路の前記光伝播方向に沿う側面を前記第２光導波路と対向させて第１および第２光導波路を光結合する光結合部と、
該光結合部を挟んで前記第２光導波路と対向して設けられていて前記第１光導波路を含む光偏向部と、
前記第１光導波路に対して、前記第２光導波路を挟んで設けられていて、該第１光導波路から入射された光を波長選択された戻り光として該第１光導波路へ帰還させる反射型回折格子と、
前記活性領域の、前記光伝播方向と直交する光出射端面に設けられていて、前記反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面と
を備え、
前記光偏向部は、前記第１光導波路から前記反射型回折格子に向かう光の出射角を変えることによって、該反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項１】
活性領域と、光導波路と、
該光導波路の光伝播方向に沿う側面を前記活性領域と対向させて該光導波路と前記活性領域とを光結合する光結合部と、
該光結合部を挟んで前記活性領域と対向して設けられていて前記光導波路を含む光偏向部と、
前記光導波路に対して、前記活性領域を挟んで設けられていて、該光導波路から入射された光を波長選択された戻り光として該光導波路へ帰還させる反射型回折格子と、
前記光導波路の、前記光伝播方向と直交する光出射端面に設けられていて、前記反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面と
を備え、
前記光偏向部は、前記光導波路から前記反射型回折格子に向かう光の出射角を変えることによって、該反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項２】
前記反射型回折格子は、前記活性領域と別部品とされていることを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項３】
前記反射型回折格子は、前記活性領域において、前記光導波路から前記活性領域へと入射された光が照射される端面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項４】
前記光偏向部は、電気光学的に前記光導波路の屈折率を変えることにより、前記入射角を変える構成とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項５】
前記反射型回折格子は、格子面が平面状に形成されていて、前記光導波路の前記光伝播方向と、該格子面の法線とが４５°の角度をなすように、配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項６】
前記光導波路に、さらに前記光路の光路長を変化させるための位相調整領域が設けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項７】
前記反射型回折格子が、前記光導波路の前記光伝播方向と前記格子面の法線とが、０°より大きく、かつ、９０°より小さい角度をなすように配置されたブレーズド格子であって、
前記光偏向部が前記入射角を変更しない状態における前記光導波路から前記反射型回折格子に向かう光の光伝播方向を初期方向とするときに、
前記ブレーズド格子が、互いに交差する、前記初期方向に平行な第１面および前記初期方向に垂直な第２面からなる格子溝を備えており、
前記第１面の前記初期方向に沿った長さが、前記活性領域で発生する光の、前記活性領域内における中心波長の自然数倍であることを特徴とする請求項１〜４、および６のいずれか一項に記載の波長可変半導体レーザ。
【請求項８】
活性領域と、光導波路と、
該活性領域の光伝播方向に沿う側面を前記光導波路と対向させて該光導波路と前記活性領域とを光結合する光結合部と、
該光結合部を挟んで前記活性領域と対向して設けられていて前記光導波路を含む光偏向部と、
前記活性領域に対して、前記光導波路を挟んで設けられていて、該活性領域から入射された光を波長選択された戻り光として該活性領域へ帰還させる反射型回折格子と、
前記活性領域の、前記光伝播方向と直交する光出射端面に設けられていて、前記反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面と
を備え、
前記光偏向部は、前記活性領域から前記反射型回折格子に向かう光の伝播方向を変えることによって、該反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【請求項９】
光出射端面側の端部付近に活性領域を備えた第１光導波路と、第２光導波路と、
該第１光導波路の前記光伝播方向に沿う側面を前記第２光導波路と対向させて第１および第２光導波路を光結合する光結合部と、
該光結合部を挟んで前記第２光導波路と対向して設けられていて前記第１光導波路を含む光偏向部と、
前記第１光導波路に対して、前記第２光導波路を挟んで設けられていて、該第１光導波路から入射された光を波長選択された戻り光として該第１光導波路へ帰還させる反射型回折格子と、
前記活性領域の、前記光伝播方向と直交する光出射端面に設けられていて、前記反射型回折格子と相俟って光共振器を構成する反射面と
を備え、
前記光偏向部は、前記第１光導波路から前記反射型回折格子に向かう光の出射角を変えることによって、該反射型回折格子への入射角と光路の長さとを変更することを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００６−２３７１５２（Ｐ２００６−２３７１５２Ａ）
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−４７５８５（Ｐ２００５−４７５８５）
【出願日】平成１７年２月２３日（２００５．２．２３）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２３日（２００５．２．２３）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
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