波長ロッカー集積型半導体レーザ素子
【課題】更なる小型化を可能にする波長ロッカー集積型半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】半導体レーザ素子１Ａは、半導体基板３上に並んで設けられた半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０を備える。半導体レーザ領域１０は、利得導波路を含む第１の光導波路と、第１の光導波路の光軸と交差することにより第１の光導波路の反射端面を構成する一対の膜１３７ａ，１３７ｂとを有する。波長モニタ領域２０は、一対の膜１３７ａ，１３７ｂを介して第１の光導波路と光学的に結合された光導波路２１を有する。光導波路２１は３本の光導波路２１１〜２１３に分岐しており、２本の光導波路２１１，２１３は、波長−透過率特性の繰り返し周期が互いに異なるリング共振器をそれぞれ構成している。各光導波路２１１〜２１３は、３つのフォトダイオード構造２２のそれぞれと光学的に結合されている。
【解決手段】半導体レーザ素子１Ａは、半導体基板３上に並んで設けられた半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０を備える。半導体レーザ領域１０は、利得導波路を含む第１の光導波路と、第１の光導波路の光軸と交差することにより第１の光導波路の反射端面を構成する一対の膜１３７ａ，１３７ｂとを有する。波長モニタ領域２０は、一対の膜１３７ａ，１３７ｂを介して第１の光導波路と光学的に結合された光導波路２１を有する。光導波路２１は３本の光導波路２１１〜２１３に分岐しており、２本の光導波路２１１，２１３は、波長−透過率特性の繰り返し周期が互いに異なるリング共振器をそれぞれ構成している。各光導波路２１１〜２１３は、３つのフォトダイオード構造２２のそれぞれと光学的に結合されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２には、光通信システムに使用されるレーザ素子が開示されている。特許文献１に記載されたレーザ素子は、互いに光路長が異なる複数のリング共振器が連結された多重リング共振器と、この多重リング共振器にレーザ光を入力し、且つ取り出す光入出力手段とを備えている。そして、多重リング共振器の複数のリング共振器毎に光透過率の共振周波数間隔（ＦＳＲ；Free Spectral Range）が異なっており、そのバーニア効果を利用して共振波長を制限している。また、リング共振器のスルーポートにおける光量を検出することにより共振波長をモニタし、そのモニタ結果に基づいて多重リング共振器の共振波長を制御している。
【０００３】
また、特許文献２に記載されたレーザ素子では、利得領域の前後にリング共振器が結合されている。これらのリング共振器はＦＳＲが互いに異なっており、バーニア効果を利用して共振波長を制限している。
【０００４】
非特許文献１には、波長可変型のＤＦＢレーザ素子と波長ロッカーとを一つのパッケージ内に収めた構成を有するレーザモジュールが開示されている。このレーザモジュールが備える波長ロッカーは、ＤＦＢレーザ素子の背面光を二つに分岐し、その一方をフォトダイオードにより検出し、他方をエタロンフィルタを介して別のフォトダイオードにより検出し、これらの検出信号に基づいてＤＦＢレーザ素子の出力波長を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２４５３４６号公報
【特許文献２】特開２００８−０６６３１８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】木本ほか７名，「高信頼性，波長ロッカー内蔵４０ｍＷ，２５ＧＨｚ×２０ｃｈ，波長可変ＤＦＢレーザモジュール」，古河電工時報，第１１２号，平成１５年７月，ｐ．１−４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、光通信システムの分野においては、増大する伝送量に対応するために、波長が相互に異なる複数の信号光を用いた波長分割多重（ＷＤＭ）伝送システムが構築されている。そして、伝送量を更に増大するために、信号光同士の波長間隔をより狭めることが望まれている。現在実用化されているＷＤＭ伝送システムでは、互いに出力波長が異なる複数の半導体レーザ素子が送信器に用いられているが、各半導体レーザ素子の出力波長は素子温度や経年変化によって変動する。このような出力波長の変動を抑え、信号光の波長間隔をより狭めるために、半導体レーザ素子の出力波長をモニタして、そのモニタ結果に基づいて出力波長を一定に制御する、いわゆる波長ロッカーが用いられている。
【０００８】
一方、光通信システムに使用される送信器には、更なる小型化が要請されている。しかしながら、例えば非特許文献１に記載された波長ロッカーでは、ＤＦＢレーザ素子、エタロンフィルタ及びフォトダイオードをそれぞれ個別に配置し、集光レンズ等を介してこれらを光学的に結合する必要があるので、モジュールが大型化してしまう。また、特許文献１に記載された波長ロッカーでは、多重リング共振器が形成されたＰＬＣ基板にレーザ素子やフォトダイオードを取り付ける必要があるので、小型化が制限される。
【０００９】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、更なる小型化を可能にできる波長ロッカー集積型半導体レーザ素子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】
【００１０】
上記した課題を解決するために、本発明による波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、利得導波路を含む第１の光導波路、及び第１の光導波路の屈折率より小さい屈折率を有し、第１の光導波路の光軸と交差することにより第１の光導波路の反射端面を構成する一対の膜を有する半導体レーザ領域と、半導体光素子領域と並んで半導体基板上に設けられ、一対の膜を介して第１の光導波路と光学的に結合された第２の光導波路を有する波長モニタ領域とを備え、波長モニタ領域において、第２の光導波路が３本以上の光導波路に分岐しており、３本以上の光導波路のうち少なくとも２本の光導波路が、波長−透過率特性の繰り返し周期が互いに異なる第１のリング共振器をそれぞれ構成しており、波長モニタ領域が、光吸収層を有する３つ以上のフォトダイオード構造を含んでおり、３本以上の光導波路のそれぞれが、３つ以上のフォトダイオード構造のそれぞれと光学的に結合されていることを特徴とする。
【００１１】
この波長ロッカー集積型半導体レーザ素子では、光反射機能を有する一対の膜によって半導体レーザ領域と波長モニタ領域とが区分されている。そして、半導体レーザ領域の利得導波路において発生した光が、第１の光導波路を伝搬して一対の膜によって反射されることにより、第１の光導波路内を共振し、一対の膜とは反対側の第１の光導波路の端面からレーザ光として出力される。また、この一対の膜に到達した光の一部は、一対の膜を透過して波長モニタ領域に達する。この光は、３本以上の光導波路にそれぞれ分岐され、うち少なくとも２本の光導波路を伝搬した光は、該少なくとも２本の光導波路それぞれに設けられた第１のリング共振器を通過し、フォトダイオード構造により検出される。
【００１２】
ここで、少なくとも２本の光導波路それぞれに設けられた第１のリング共振器は、波長−透過率特性の繰り返し周期が互いに異なっており、且つ、これらの光導波路のそれぞれにフォトダイオード構造が設けられている。従って、例えばモードホップや経年劣化により、或る第１のリング共振器のＦＳＲに相当する波長分だけ出力波長が変動した場合であっても、別の第１のリング共振器を通過した光の強度をモニタすることによって、当該事実を認識し、波長の変動分を修正することができる。すなわち、上述した波長ロッカー集積型半導体レーザ素子によれば、出力波長の変動が大きくなる場合であっても、出力波長を精度良くロックできる。
【００１３】
また、上述した波長ロッカー集積型半導体レーザ素子では、半導体レーザ領域及び波長モニタ領域が共通の半導体基板上に設けられている。したがって、従来の波長ロッカーの構造と比較して、更なる小型化が可能となる。
【００１４】
また、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、少なくとも２本の光導波路によって構成される各第１のリング共振器のうち一の第１のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期が、他の一の第１のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期の２倍より長いことを特徴としてもよい。これにより、他の一の第１のリング共振器のＦＳＲに相当する波長分だけ出力波長が変動した場合であっても、一の第１のリング共振器を通過した光の強度をモニタすることによって、当該事実を容易に認識できる。
【００１５】
また、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、半導体レーザ領域が、格子間隔が第１の光導波路の光導波方向に変化しており第１の光導波路に沿って形成された回折格子、及び第１の光導波路の光導波方向に並設された複数の電極を有し、利得導波路の一端側に設けられた光反射部と、利得導波路の他端側に設けられ、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有する光透過部と、第１の光導波路の光路長を能動的に制御するための位相調整部とを有することを特徴としてもよい。これにより、半導体レーザ領域を波長可変型のレーザ構造にできるので、伝送量が増大する近年のＷＤＭ伝送システムにおいて、更に効率的なシステム運用を可能にできる。
【００１６】
また、この場合、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、光透過部が、第１の光導波路によって構成された第２のリング共振器を含むことを特徴としてもよい。これにより、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を好適に実現できる。
【００１７】
また、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、半導体レーザ領域が分布帰還型レーザ構造を有することを特徴としてもよい。
【００１８】
また、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、一対の膜が、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、及びベンゾシクロブテン樹脂のうち少なくとも一つを含むことを特徴としてもよい。これらの材料は半導体より屈折率が小さいので、光導波路の屈折率より小さい屈折率を有する一対の膜を好適に実現できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、更なる小型化を可能にする波長ロッカー集積型半導体レーザ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る波長ロッカー集積型半導体レーザ素子１Ａの構成を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示した半導体レーザ素子１ＡのII−II線に沿った側断面図である。
【図３】図３（ａ）は、図２に示す半導体レーザ領域１０のIIIａ−IIIａ線に沿った断面図であり、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの構造を示している。図３（ｂ）は、図２に示す半導体レーザ領域１０のIIIｂ−IIIｂ線に沿った断面図であり、可変ＤＢＲ領域１０ｂの構造を示している。
【図４】図４（ａ）は、利得領域１０ａの発光スペクトルの一例を示すグラフである。図４（ｂ）は、複数のアノード電極１２４の一つから光導波層１２０及び回折格子層１２１へ電流を供給した場合における、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射スペクトルの一例を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）は、半導体レーザ領域１０のＶａ−Ｖａ線に沿った断面図であり、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの構造を示している。図５（ｂ）は、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトルの一例を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）は、図２に示された反射端面領域１０ｆを拡大して示す側断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示された反射端面領域１０ｆのVIｂ−VIｂ線に沿った断面図である。
【図７】図７は、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂから成る膜構造が上記寸法および屈折率を有する場合における、波長−反射率特性の理論値を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）は、波長モニタ領域２０の構成を示す平面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した波長モニタ領域２０のVIIIｂ−VIIIｂ線に沿った断面図であり、波長モニタ領域２０が有する複数のフォトダイオード構造２２のうち一つの構成を示している。図８（ｃ）は、リング共振器の寸法例を示す図である。
【図９】図９は、光導波路２１１，２１３によって構成される各リング共振器を上記寸法で設計した場合における、透過スペクトルの一例を示すグラフである。
【図１０】図１０は、半導体レーザ素子１Ａから出力されるレーザ光の波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。
【図１１】図１１は、制御回路１７における処理の概要を説明するための図である。
【図１２】図１２は、本発明の第２実施形態に係る波長ロッカー集積型半導体レーザ素子１Ｂの構成を示す平面図である。
【図１３】図１３は、図１２に示した半導体レーザ素子１ＢのXIII−XIII線に沿った側断面図である。
【図１４】図１４は、半導体レーザ素子１Ｂから出力されるレーザ光の波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明による波長ロッカー集積型半導体レーザ素子の実施の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。
【００２２】
（第１の実施の形態）
本発明に係る波長ロッカー集積型半導体レーザ素子（以下、半導体レーザ素子）の第１実施形態について説明する。図１及び図２を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、半導体レーザ領域１０と、波長モニタ領域２０とを備えている。半導体レーザ領域１０は、波長可変型の半導体レーザ構造を有しており、利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、増幅領域１０ｃ、リング共振器領域１０ｄ、位相調整領域（位相調整部）１０ｅ、及び反射端面領域１０ｆによって構成されている。波長モニタ領域２０は、半導体レーザ領域１０の反射端面領域１０ｆを透過した背面光の強度を、リング共振器を介して、又はそのまま検出する。この波長モニタ領域２０から得られた検出結果は、半導体レーザ領域１０の出力波長の制御に使用される。
【００２３】
半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０は、図２に示すように互いに共通の半導体基板３上に形成されており、光導波方向に並んで設けられている。光導波方向における半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０の好適な長さは、それぞれ１５００ ［μｍ］、及び１０００［μｍ］である。なお、半導体基板３は、例えばｎ型ＩｎＰから成り、半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０において下部クラッドとして機能する。
【００２４】
また、半導体基板３の裏面側には、後述するカソード電極９を挟んで冷却構造物３０が設けられている。冷却構造物３０は、例えばヒートシンクとして機能する一対の金属板と、該一対の金属板間に設けられて熱の移動を行うペルチェ素子とを含んで構成され、半導体基板３及びその主面上の積層構造の温度を一定に維持する。
【００２５】
まず、図１，図２及び図３を参照して、半導体レーザ領域１０が有する利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、及び増幅領域１０ｃの構成について説明する。図３（ａ）は、図２に示す半導体レーザ領域１０のIIIａ−IIIａ線に沿った断面図であり、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの構造を示している。また、図３（ｂ）は、図２に示す半導体レーザ領域１０のIIIｂ−IIIｂ線に沿った断面図であり、可変ＤＢＲ領域１０ｂの構造を示している。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、冷却構造物３０（図２）の図示を省略している。
【００２６】
利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃは、半導体基板３上に設けられた光導波層１１０と、光導波層１１０上に設けられた上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３とを備えている。光導波層１１０は、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成しており、特に利得領域１０ａの光導波層１１０は、本実施形態における利得導波路に相当する。光導波層１１０は、半導体基板３よりバンドギャップ波長が長い（すなわちバンドギャップが小さい）半導体によって構成され、半導体基板３の主面に沿った光導波方向に延在している。光導波層１１０は、例えば半導体基板３上に設けられた下部光閉じ込め層と、下部光閉じ込め層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた上部光閉じ込め層とを含んで構成される。
【００２７】
一実施例では、下部光閉じ込め層及び上部光閉じ込め層はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、活性層はＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。活性層の組成は、例えば１．５２［μｍ］〜１．５７［μｍ］の光を発生（または増幅）するように調整される。ここで、図４（ａ）は、利得領域１０ａの発光スペクトルの一例を示すグラフである。図４（ａ）において、縦軸は光強度を示し、横軸は波長を示している。図４（ａ）に示すように、利得領域１０ａは比較的広い波長域にわたって光を発生させる。光導波層１１０の厚さは、例えば０．３［μｍ］である。
【００２８】
また、上部クラッド層１１２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１１３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。
【００２９】
光導波層１１０、上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３は、半導体基板３上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している（図３（ａ）を参照）。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、例えば１．５［μｍ］である。そして、このストライプメサ構造の両側面には、半絶縁性領域１０２が設けられている。半絶縁性領域１０２は、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁性領域１０２は、半導体基板３のうち上記ストライプメサ構造を除いた領域上に設けられており、上記ストライプメサ構造の両側面を埋め込んでいる。
【００３０】
利得領域１０ａのコンタクト層１１３上にはアノード電極１１４が設けられており、増幅領域１０ｃのコンタクト層１１３上にはアノード電極１１５が設けられている。アノード電極１１４及び１１５は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１１３との間でオーミック接触を実現する。また、半導体基板３の裏面上には、カソード電極９が設けられている。カソード電極９は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板３との間でオーミック接触を実現する。アノード電極１１４及び１１５とカソード電極９とは、互いに協働して光導波層１１０に電流を注入する。なお、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの上面のうちアノード電極１１４，１１５を除く領域は、例えばＳｉＯ２から成る絶縁膜４によって保護されている。
【００３１】
また、図１及び図２に示すように、光導波方向における増幅領域１０ｃの端面（すなわち半導体レーザ領域１０の端面）には、反射防止（ＡＲ：Anti Reflection）膜１０５が設けられている。このＡＲ膜１０５の反射率は、例えば０．１％である。
【００３２】
可変ＤＢＲ領域１０ｂは、本実施形態における光反射部を構成する。可変ＤＢＲ領域１０ｂは、利得領域１０ａの光導波層１１０の一端側に設けられており、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有する。
【００３３】
可変ＤＢＲ領域１０ｂは、半導体基板３上に設けられた光導波層１２０と、光導波層１２０上に設けられた回折格子層１２１、上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３とを備えている。光導波層１２０は、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成する。光導波層１２０のバンドギャップ波長は、利得領域１０ａの活性層のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３［μｍ］以下である。この光導波層１２０は、後述するカソード電極９及びアノード電極１２４との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。光導波層１２０は、半導体基板３よりバンドギャップ波長が長い半導体によって構成され、半導体基板３の主面に沿った光導波方向に延在し、その一端は利得領域１０ａの光導波層１１０に結合され、他端は増幅領域１０ｃの光導波層１１０に結合されている。
【００３４】
回折格子層１２１は、光導波層１２０に沿って設けられる。本実施形態では、回折格子層１２１は光導波層１２０の直上に設けられている。光導波層１２０を中心として光を効果的に閉じ込める為に、回折格子層１２１のバンドギャップ波長は、光導波層１２０のバンドギャップ波長より短いことが好ましく、例えば１．２［μｍ］である。
【００３５】
回折格子層１２１と上部クラッド層１２２との界面には、回折格子１２１ａ（図２を参照）が形成されている。回折格子１２１ａは、光導波層１２０に沿って形成されており、その格子間隔が光導波層１２０の光導波方向に変化する、いわゆるチャープ回折格子である。
【００３６】
一実施例では、光導波層１２０及び回折格子層１２１はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、光導波層１２０及び回折格子層１２１の厚さは、例えばそれぞれ０．３［μｍ］、５０［ｎｍ］である。また、上部クラッド層１２２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１２３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。
【００３７】
光導波層１２０、上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの光導波層１１０等と同様、半導体基板３上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している（図３（ｂ）を参照）。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃのストライプメサ構造と同じである。そして、このストライプメサ構造の両側面は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃと共通の半絶縁性領域１０２によって埋め込まれている。
【００３８】
コンタクト層１２３上には、複数のアノード電極１２４が設けられている。複数のアノード電極１２４は、コンタクト層１２３上において、互いに所定の間隔をあけて光導波方向に並設されている。複数のアノード電極１２４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１２３との間でオーミック接触を実現する。各アノード電極１２４は、半導体基板３の裏面上に設けられたカソード電極９と協働して、各アノード電極１２４に対応する光導波層１２０の部分に電流を注入する。なお、可変ＤＢＲ領域１０ｂの上面のうち複数のアノード電極１２４を除く領域は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃと共通の絶縁膜４によって保護されている。
【００３９】
図４（ｂ）に示すグラフＧ１は、複数のアノード電極１２４の一つから光導波層１２０及び回折格子層１２１へ電流を供給した場合における、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射スペクトルの一例を示すグラフである。図４（ｂ）の縦軸は反射率、横軸は波長である。なお、図４（ｂ）に破線で表されたグラフＧ２は、複数のアノード電極１２４の何れにも電流が供給されない場合を示している。
【００４０】
複数のアノード電極１２４の一つに電流が供給されると、当該アノード電極１２４の直下における光導波層１２０及び回折格子層１２１の屈折率が変化し、回折格子１２１ａが有効に作用する。また、屈折率が変化しない他の部分では、回折格子１２１ａは殆ど作用しない。したがって、図４（ｂ）に示すように、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射スペクトルにおいては、電流が供給されたアノード電極１２４の直下に位置する回折格子１２１ａの格子間隔に対応する波長域（図中のＡ部分）の反射率が選択的に高くなる。本実施形態では複数のアノード電極１２４のそれぞれに独立して電流を流すことができるので、任意の一つのアノード電極１２４に電流を流すことにより、所望の波長域での反射率を高め、レーザ発振波長を当該波長域内に制限することができる。なお、同時に電流が供給されるアノード電極１２４は一つとは限らず、二つ以上のアノード電極１２４に電流が供給されてもよい。
【００４１】
続いて、図１，図２及び図５（ａ）を参照して、半導体レーザ領域１０が有するリング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの構成について説明する。図５（ａ）は、半導体レーザ領域１０のＶａ−Ｖａ線に沿った断面図であり、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの構造を示している。なお、図５（ａ）においても、冷却構造物３０（図２）の図示を省略している。
【００４２】
リング共振器領域１０ｄは、本実施形態における光透過部を構成する。すなわち、リング共振器領域１０ｄは、利得領域１０ａの光導波層１１０の他端側に設けられており、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有する。位相調整領域１０ｅは、半導体レーザ領域１０における光導波路の光路長を能動的に制御するための領域であり、その断面構成はリング共振器領域１０ｄと同様である。
【００４３】
リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅは、図５（ａ）に示すように、半導体基板３上に順に積層された、光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３を有する。更に、リング共振器領域１０ｄはアノード電極１３４を有し、位相調整領域１０ｅはアノード電極１３５を有する。なお、半導体基板３の裏面上に設けられたカソード電極９は、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅのカソード電極としても使用される。また、光導波層１３１と上部クラッド層１３２との間には、可変ＤＢＲ領域１０ｂの回折格子層１２１と同じ組成の半導体層１３６が存在しているが、この半導体層１３６と上部クラッド層１３２との界面は平坦であり、回折格子は形成されていない。
【００４４】
光導波層１３１は、半導体基板３の主面上に設けられ、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅにおける光導波路として機能し、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成している。リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１の一端は、利得領域１０ａの光導波層１１０と光学的に結合されている。また、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１の一端は、リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１の他端と光学的に結合されている。これらの光導波層１３１は、カソード電極９とアノード電極１３４（１３５）との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。
【００４５】
一実施例では、光導波層１３１及び半導体層１３６はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、これらの厚さは、例えばそれぞれ０．３［μｍ］、５０［ｎｍ］である。光導波層１３１のバンドギャップ波長は、利得領域１０ａの活性層のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３［μｍ］以下である。また、上部クラッド層１３２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１３３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１３２及びコンタクト層１３３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。
【００４６】
光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３は、光導波に適した幅にエッチングされてメサ構造を呈している。そして、その上面及び両側面は、例えばＳｉＯ２から成る絶縁膜１３によって保護されている。絶縁膜１３は、このメサ構造の両側面から半導体基板３の主面上にわたって設けられている。絶縁膜１３の膜厚は、例えば０．３［μｍ］である。
【００４７】
絶縁膜１３上には、メサ構造の両側面に沿って樹脂層１５が設けられている。樹脂層１５は、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂から成り、その層厚は例えば１［μｍ］〜２［μｍ］である。
【００４８】
アノード電極１３４及び１３５は、コンタクト層１３３上に設けられており、例えばＡｕＺｎを含んで構成され、コンタクト層１３３との間でオーミック接触を実現する。アノード電極１３４及び１３５は、カソード電極９と協働して、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの各光導波層１３１に電流を注入する。
【００４９】
リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１は、図１に示すように、利得領域１０ａのレーザ光軸上に延設された導波路部分１３１ａと、該導波路部分１３１ａと多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラによって結合されたリング状部分１３１ｂと、該リング状部分１３１ｂとＭＭＩカプラによって結合された導波路部分１３１ｃとを含む。導波路部分１３１ｃの一端（すなわちリング共振器の他端）は、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１と光学的に結合されている。
【００５０】
このように、光導波層１３１がリング共振器（すなわち、本実施形態における第２のリング共振器）を構成することによって、透過スペクトルが所定の波長間隔でもって周期的に変化し、離散的な透過率ピーク波長を有する波長−透過率特性が実現される。ここで、図５（ｂ）は、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトルの一例を示すグラフである。図５（ｂ）において、縦軸は光透過率を示し、横軸は波長を示している。図５（ｂ）に示すように、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトルは透過ピークＰを複数有しており、その間隔は例えば４．５［ｎｍ］である。また、各透過ピークＰのピーク透過率は例えば４０％以上８５％以下である。
【００５１】
また、このリング共振器の透過率ピーク波長は、カソード電極９とアノード電極１３４との間に流れる電流の大きさに応じて光導波層１３１の屈折率が変化することによってシフトする。このリング共振器の作用により、利得領域１０ａからリング共振器領域１０ｄへ到達した光のうち上記透過ピークＰに相当する波長成分が、位相調整領域１０ｅへ向けて選択的に透過され、当該波長成分のみがレーザ発振に寄与することとなる。
【００５２】
また、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１は、カソード電極９とアノード電極１３５との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。この光導波層１３１の屈折率変化により、位相調整領域１０ｅにおける光路長が変化し、ひいては当該半導体レーザ領域１０の共振器長が変化する。したがって、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１への電流注入量を調節することで、半導体レーザ領域１０の縦モードを調整することができる。
【００５３】
続いて、図６を参照して、半導体レーザ領域１０が有する反射端面領域１０ｆの構成について説明する。図６（ａ）は、図２に示された反射端面領域１０ｆを拡大して示す側断面図である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示された反射端面領域１０ｆのVIｂ−VIｂ線に沿った断面図である。反射端面領域１０ｆは、後述する一対の膜１３７ａ及び１３７ｂを有することによって、半導体レーザ領域１０の反射端面を構成する。
【００５４】
図６（ａ）に示すように、反射端面領域１０ｆは、半導体基板３上に順に積層された、光導波層１３１、半導体層１３６、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３を有する。なお、これらの層の構成は、既述した位相調整領域１０ｅと同様である。また、光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３がメサ構造を呈しており、その両側面が絶縁膜１３によって保護され、メサ構造の両側面に沿って樹脂層１５が設けられている点も位相調整領域１０ｅと同様である。光導波層１３１は、反射端面領域１０ｆにおける光導波路として機能し、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成している。光導波層１３１の一端は、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１の他端と光学的に結合されている。
【００５５】
反射端面領域１０ｆは、光導波層１３１を遮るように設けられた一対の膜１３７ａ及び１３７ｂを有する。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光導波層１３１と交差するように、光導波層１３１の光軸に垂直な面方向に延在している。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光軸方向に所定の間隔をあけて形成され、互いに対向している。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光導波層１３１の屈折率より小さい屈折率を有する膜材料であって光導波層１３１を伝搬する光（波長１．５〜１．６［μｍ］）を吸収しないもの、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、及びＢＣＢ樹脂のうち少なくとも一つを含んで構成される。このような一対の膜１３７ａ及び１３７ｂが光導波層１３１の光軸と交差することにより、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光導波層１３１を含む第１の光導波路の反射端面を構成する。
【００５６】
一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの反射率は、光軸方向における膜１３７ａ及び１３７ｂの厚さｔと、膜１３７ａ及び１３７ｂを構成する材料の屈折率とによって決定される。なお、膜１３７ａ及び１３７ｂの厚さｔが小さすぎるとその形成が難しくなり、大きすぎると光の損失が増してしまう。
【００５７】
光軸方向における一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの厚さｔは、例えば８０７．３［ｎｍ］である。また、光軸方向と直交する面内での一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの幅Ｗは例えば５［μｍ］であり、半導体基板３の主面に垂直な方向の高さＨは例えば５［μｍ］である。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂ同士の間隔Ｄは、光の波長が１．５５［μｍ］帯である場合、間隔は例えば３２５．６［ｎｍ］である。なお、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂがＳｉＯ２から成る場合、波長１．５５［μｍ］の光に対する屈折率は１．４４４となる。なお、同波長の光に対する光導波層１３１の実効屈折率は、例えば３．５７である。
【００５８】
図７は、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂから成る膜構造が上記寸法および屈折率を有する場合における、波長−反射率特性の理論値を示すグラフである。図７に示すように、膜１３７ａ及び１３７ｂから成る膜構造は、広い波長範囲にわたって反射率が高い波長−反射率特性を有しており、第１の光導波路を伝搬する光に対して高い反射率を有するＨＲ（High Reflection）膜として機能する。この一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの作用によって、光反射端面を有する光共振器が好適に実現される。
【００５９】
続いて、図１，図２及び図８を参照して、波長モニタ領域２０の構成について説明する。図８（ａ）は、波長モニタ領域２０の構成を示す平面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した波長モニタ領域２０のVIIIｂ−VIIIｂ線に沿った断面図であり、波長モニタ領域２０が有する複数のフォトダイオード構造２２のうち一つの構成を示している。なお、図８（ｂ）においても、冷却構造物３０（図２）の図示を省略している。
【００６０】
波長モニタ領域２０は、光導波路２１と、複数のフォトダイオード構造２２を有する。光導波路２１は本実施形態における第２の光導波路であり、上述した一対の膜１３７ａ，１３７ｂを介して半導体レーザ領域１０の第１の光導波路（光導波層１１０，１２０，及び１３１）と光学的に結合されている。なお、光導波路２１の光軸に垂直な断面での波長モニタ領域２０の構成は、既述したリング共振器領域１０ｄ（図５（ａ）を参照。光導波層１３１が光導波路２１に相当）と同様なので、詳細な説明を省略する。
【００６１】
図８（ａ）に示すように、光導波路２１は３本の光導波路２１１〜２１３に分岐している。そして、光導波路２１１〜２１３のうち２本の光導波路２１１及び２１３は、直線状の導波路部分２１１ａ及び２１３ａと、該導波路部分２１１ａ及び２１３ａと多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラによって結合されたリング状部分２１１ｂ及び２１３ｂとを含んでいる。これにより、光導波路２１１及び２１３はそれぞれ別個のリング共振器を構成する。なお、導波路部分２１１ａ及び２１３ａの他端は、それぞれ別のフォトダイオード構造２２に結合されている。また、リング共振器を構成しない光導波路２１２の他端は、更に別のフォトダイオード構造２２に結合されている。
【００６２】
このように、光導波路２１１及び２１３がそれぞれリング共振器（すなわち、本実施形態における第１のリング共振器）を構成することにより、各光導波路２１１及び２１３において、透過スペクトルが所定の波長間隔でもって周期的に変化し、離散的な透過率ピーク波長を有する波長−透過率特性が実現される。ここで、図８（ｃ）にリング共振器のモデルを示す。図８（ｃ）に示すリング共振器のＭＭＩ長Ｌ及び曲げ半径Ｒに関し、光導波路２１１では例えばそれぞれ５０［μｍ］及び２５０［μｍ］と設定し、光導波路２１３ではそれぞれ５０［μｍ］及び１０［μｍ］と設定する。
【００６３】
図９は、光導波路２１１，２１３によって構成される各リング共振器を上記寸法で設計した場合における、透過スペクトルの一例を示すグラフである。図９において、縦軸は光透過率を示し、横軸は波長を示している。図９に示すように、光導波路２１１によって構成されるリング共振器の透過スペクトル特性（グラフＧ３）では、透過ピークＰ１が周期的に繰り返されている。その繰り返し周期はＷＤＭ伝送システムにおける波長グリッドに応じた周期（好ましくは、波長グリッドと同じか又はその半分）であり、例えば周波数換算で５０［ＧＨｚ］である。また、光導波路２１３によって構成されるリング共振器の透過スペクトル特性（グラフＧ４）においても、透過ピークＰ２が周期的に繰り返されている。その繰り返し周期はＷＤＭ伝送システムにおける波長グリッドより広い周期（好ましくは、波長グリッドの２倍以上）であり、例えば周波数換算で５１８［ＧＨｚ］である。このように、各リング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期は互いに異なるように設定され、一のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期は、他の一のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期の２倍より長いことが好ましい。
【００６４】
フォトダイオード構造２２は、図８（ｂ）に示すように、半導体基板３上に設けられた光導波路２２０と、光導波路２２０上に設けられた光吸収層２２１と、光吸収層２２１上に設けられたクラッド層２２２及びコンタクト層２２３とを備えている。なお、これらの層の構成は、光吸収層２２１を除いて、既述した位相調整領域１０ｅ（図５（ａ）を参照）の光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３と同様である。また、光導波路２２０、光吸収層２２１、クラッド層２２２、及びコンタクト層２２３がストライプメサ構造を呈しており、その両側面が絶縁膜１３によって保護され、ストライプメサ構造の両側面に沿って樹脂層１５が設けられている点でも位相調整領域１０ｅと同様である。光導波路２２０の一端は、対応する光導波路２１１〜２１３のいずれかと光学的に結合されている。
【００６５】
光吸収層２２１は、光導波路２２０とクラッド層２２２との間に設けられる。一実施例では、光吸収層２２１はｐ型ＩｎＧａＡｓから成る。光吸収層２２１の組成は、半導体レーザ領域１０における発振波長、例えば１．５５［μｍ］波長帯の光を吸収するように調整される。光吸収層２２１の厚さは、例えば５０［ｎｍ］である。
【００６６】
コンタクト層２２３上には、アノード電極２２４が設けられている。アノード電極２２４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層２２３との間でオーミック接触を実現する。アノード電極２２４は、カソード電極９と協働して、光吸収層２２１において発生したキャリアを光電流として取り出す。
【００６７】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ａの作用（動作）及び効果について説明する。この半導体レーザ素子１Ａでは、光反射機能を有する一対の膜１３７ａ，１３７ｂによって半導体レーザ領域１０と波長モニタ領域２０とが区分されている。そして、半導体レーザ領域１０の利得導波路（利得領域１０ａの光導波層１１０）において発生した光が、半導体レーザ領域１０内の光導波路を伝搬して一対の膜１３７ａ，１３７ｂによって反射されることにより、該光導波路内を共振し、一対の膜１３７ａ，１３７ｂとは反対側の光導波路の端面からＡＲ膜１０５を通ってレーザ光として出力される。また、この一対の膜１３７ａ，１３７ｂに到達した光の一部は、一対の膜１３７ａ，１３７ｂを透過して波長モニタ領域２０に達する。この光は、３本の光導波路２１１〜２１３にそれぞれ分岐され、うち２本の光導波路２１１及び２１３を伝搬した光は、光導波路２１１及び２１３それぞれに設けられたリング共振器を通過し、フォトダイオード構造２２により検出される。また、他の光導波路２１２を伝搬した光は、そのままフォトダイオード構造２２により検出される。
【００６８】
図１０は、半導体レーザ素子１Ａから出力されるレーザ光の波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。図１０に示すように、３つのフォトダイオード構造２２から取り出された光電流は、制御回路１７に提供される。制御回路１７は所定の演算を行い、利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、増幅領域１０ｃ、リング共振器領域１０ｄ、及び位相調整領域１０ｅそれぞれの電極に供給する電流Ｉａ〜Ｉｅを決定し、該電流Ｉａ〜Ｉｅを出力する。制御回路１７から出力された電流Ｉａは利得領域１０ａのアノード電極１１４に供給され、電流Ｉｂはスイッチ回路１９を介して可変ＤＢＲ領域１０ｂの複数のアノード電極１２４の何れかに選択的に供給され、電流Ｉｃは増幅領域１０ｃのアノード電極１１５に供給され、電流Ｉｄはリング共振器領域１０ｄのアノード電極１３４に供給され、電流Ｉｅは位相調整領域１０ｅのアノード電極１３５に供給される。
【００６９】
図１１は、制御回路１７における処理の概要を説明するための図である。図１１の縦軸は光透過率を示しており、横軸は波長を示している。また、図中のグラフＧ３は波長モニタ領域２０の光導波路２１１の光透過特性を示しており、グラフＧ４は光導波路２１３の光透過特性を示している。いま、半導体レーザ領域１０の共振波長を、或る波長λ１に合わせることを考える。制御回路１７は、予め記憶しているルックアップテーブルを参照して、共振波長が波長λ１に近づくように各電流Ｉａ〜Ｉｅを設定する。このとき、半導体レーザ領域１０の共振波長は、例えば波長λ１の近傍の波長λａとなる。微調整が必要な場合には、光導波路２１１を透過してフォトダイオード構造２２に達する光の透過率（光導波路２１１及び２１２を介して検出された光の強度比に基づいて算出される）が波長λ１に対応する値（図１１では、約０．６９）に近づくように、電流Ｉａ〜Ｉｅを更に調整する。
【００７０】
ここで、半導体レーザ領域１０の共振器長が１［ｍｍ］である場合、縦モード（ＦＰモード）の波長間隔は周波数換算で４２［ＧＨｚ］である。したがって、モードホップが発生すると４２［ＧＨｚ］だけ離れた波長（例えば、図１１の波長λｂ）でレーザ発振を開始することになる。このようなモードホップによる発振波長の変動幅が、グラフＧ３に示された光導波路２１１の光透過特性の半周期より大きくなった場合、波長λ１に対応する透過率０．６９に近づくように電流Ｉａ〜Ｉｅを調整すると、発振波長が波長λ１とは異なる波長λ２に近づいてしまうことになる。
【００７１】
このような場合、光導波路２１３を透過してフォトダイオード構造２２に達する光の透過率（グラフＧ４）を併せて参照することで、発振波長を波長λ１に好適に近づけることが可能となる。すなわち、図１１において波長λ１に対応する光導波路２１３の透過率は約０．２３であり、波長λ２に対応する光導波路２１３の透過率は約０．０８であるから、制御回路１７は、光導波路２１３の透過率が０．２３に近づくように、電流Ｉａ〜Ｉｅを調整するとよい。つまり、制御回路１７は、光導波路２１１及び２１３の透過率がそれぞれ所定の値に近づくように電流Ｉａ〜Ｉｅを調整することで、モードホップが生じた際にも半導体レーザ領域１０の発振波長を精度良く制御することができる。
【００７２】
このように、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａでは、光導波路２１１及び２１３それぞれに設けられたリング共振器の波長−透過率特性の繰り返し周期が互いに異なっているので、モードホップや経年劣化により、或るリング共振器のＦＳＲに相当する波長分だけ出力波長が変動した場合であっても、別のリング共振器を通過した光の強度をモニタすることによって、波長の変動分を修正することができる。すなわち、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａによれば、出力波長の変動が大きくなる場合であっても、出力波長を精度良くロックできる。
【００７３】
また、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａでは、半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０が共通の半導体基板３上に設けられている。したがって、従来の波長ロッカーの構造と比較して、更なる小型化が可能となる。
【００７４】
また、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａでは、半導体レーザ領域１０が、格子間隔が光導波方向に変化する回折格子１２１ａ、及び光導波方向に並設された複数のアノード電極１２４を有するＤＢＲ領域１０ｂと、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有するリング共振器領域１０ｄと、位相調整領域１０ｅとを有する。これにより、半導体レーザ領域１０を波長可変型のレーザ構造にできるので、伝送量が増大する近年のＷＤＭ伝送システムにおいて、更に効率的なシステム運用を可能にできる。
【００７５】
ここで、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａの作製方法について説明する。まず、半導体基板３となるｎ型ＩｎＰ等の半導体ウェハ上に、光導波層１２０及び１３１、並びに光導波路２１及び２２０となる半導体層と、回折格子層１２１及び半導体層１３６となる半導体層とをＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。次に、電子ビーム露光によりレジストに回折格子パターンを描画し、このレジストをマスクとして回折格子層１２１の表面にドライエッチングを施すことにより、回折格子１２１ａを形成する。レジストを除去した後、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＰ層を回折格子１２１ａを埋め込むように成長させて、上部クラッド層１２２及び１３２の一部（約２００ｎｍ程度の厚さ）を形成する。
【００７６】
続いて、利得領域１０ａとなる領域上、及び増幅領域１０ｃとなる領域上に成長した半導体層をドライエッチングにより除去する。そして、半導体層が除去された半導体ウェハの領域上に、下部光閉じ込め層、多重量子井戸構造による活性層、及び上部光閉じ込め層から成る光導波層１１０と、上部クラッド層１１２の一部（約２００ｎｍ程度の厚さ）とをバットジョイント法によって成長させる。
【００７７】
続いて、フォトダイオード構造２２となる領域に成長した半導体層（光導波路２２０となる層を除く）をドライエッチングにより除去する。そして、当該領域に、光吸収層２２１及びクラッド層２２２の一部を成長させる。
【００７８】
続いて、残りの上部クラッド層１１２，１２２、１３２および２２２を一度に形成し、引き続きコンタクト層１１３，１２３，１３３，及び２２３となる半導体層をＭＯＣＶＤ法により成長させる。その後、アノード電極と接触する部分だけ残してコンタクト層を除去し、各領域を電気的に分離する。
【００７９】
続いて、リング共振器領域１０ｄ、位相調整領域１０ｅ、反射端面領域１０ｆ、及び波長モニタ領域２０に相当する領域をマスクで覆い、利得領域１０ａ、ＤＢＲ領域１０ｂ、及び増幅領域１０ｃに相当する領域に対し、光導波路となる部分だけ残して半導体ウェハに達する深さまでドライエッチングを施し、メサ構造を形成する。その後、このメサ構造の両側面を半絶縁性領域１０２で埋め込み、マスクを除去する。
【００８０】
続いて、利得領域１０ａ、ＤＢＲ領域１０ｂ、及び増幅領域１０ｃに相当する領域をマスクで覆い、リング共振器領域１０ｄ、位相調整領域１０ｅ、反射端面領域１０ｆ、及び波長モニタ領域２０に相当する領域に対し、光導波路となる部分だけ残して半導体ウェハに達する深さまでドライエッチングを施し、メサ構造を形成する。同時に、反射端面領域１０ｆとなる領域において、メサ構造の光導波路を横切るように一対の溝を形成する。その後、このメサ構造の両側面、及び一対の溝の内部にＳｉＯ２といった絶縁材料をＣＶＤにより堆積して絶縁膜１３及び一対の膜１３７ａ，１３７ｂを形成したのち、その上からＢＣＢ樹脂をスピンコートで塗布・硬化させて樹脂層１５を形成し、マスクを除去する。
【００８１】
続いて、アノード電極が配置される部分の絶縁膜１３及び樹脂層１５を除去し、アノード電極１１４，１１５，１２４，１３４，１３５，及び２２４をリフトオフ法により形成する。このとき、素子上の配線および電極パッドを併せて形成する。また、半導体ウェハの裏面上にカソード電極９を蒸着する。
【００８２】
最後に、半導体ウェハを棒状に劈開し、その劈開面の一方にＡＲ膜１０５をコーティングし、これをチップ状に分割して冷却構造物３０上に実装する。こうして、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａが完成する。
【００８３】
なお、一対の膜１３７ａ，１３７ｂの構成材料をＳｉＯ２ではなくＳｉＮとする場合には、絶縁材料としてＳｉＯ２に代えてＳｉＮを堆積するとよい。また、一対の膜１３７ａ，１３７ｂの構成材料をＢＣＢ樹脂とする場合には、絶縁材料の堆積工程を省略してＢＣＢ樹脂を塗布・硬化させるとよい。
【００８４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る波長ロッカー集積型半導体レーザ素子の第２実施形態について説明する。図１２及び図１３を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂは、半導体レーザ領域４０と、波長モニタ領域２０とを備えている。半導体レーザ領域４０は、分布帰還型の半導体レーザ構造を有しており、ＤＦＢレーザ領域４０ａ及び反射端面領域４０ｂによって構成されている。このうち、反射端面領域４０ｂの構成及び機能は、第１実施形態の反射端面領域１０ｆと同様である。また、波長モニタ領域２０の構成及び機能は、第１実施形態のものと同様である。
【００８５】
半導体レーザ領域４０及び波長モニタ領域２０は、図１３に示すように互いに共通の半導体基板３上に形成されており、光導波方向に並んで設けられている。なお、半導体基板３は、半導体レーザ領域４０及び波長モニタ領域２０において下部クラッドとして機能する。
【００８６】
また、半導体基板３の裏面側には、カソード電極９を挟んで冷却構造物５１及び５２が設けられている。冷却構造物５１，５２は、例えばヒートシンクとして機能する一対の金属板と、該一対の金属板間に設けられて熱の移動を行うペルチェ素子とを含んで構成される。冷却構造物５１はＤＦＢレーザ領域４０ａの直下に配置され、冷却構造物５２は波長モニタ領域２０の直下に配置され、それぞれＤＦＢレーザ領域４０ａ及び波長モニタ領域２０の温度を独立して制御する。すなわち、冷却構造物５１はＤＦＢレーザ領域４０ａの温度を任意に変化させることによって出力波長を調整し、冷却構造物５２は波長モニタ領域２０の温度を一定に維持する。
【００８７】
図１３に示すように、ＤＦＢレーザ領域４０ａは、半導体基板３上に設けられた光導波層１４０と、光導波層１４０上に順に積層された回折格子層１４１、上部クラッド層１４２及びコンタクト層１４３とを備えている。光導波層１４０は、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成する利得導波路である。光導波層１４０は、例えば半導体基板３上に設けられた下部光閉じ込め層と、下部光閉じ込め層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた上部光閉じ込め層とを含んで構成される。光導波層１４０は、半導体基板３よりバンドギャップ波長が長い半導体によって構成され、半導体基板３の主面に沿った光導波方向に延在し、その一端は半導体レーザ素子１Ｂの端面に設けられたＡＲ膜１０５に結合され、他端は反射端面領域４０ｂの光導波層（図６（ａ）に示した光導波層１３１に相当）に結合されている。
【００８８】
回折格子層１４１は、光導波層１４０に沿って設けられる。本実施形態では、回折格子層１４１は光導波層１４０の直上に設けられている。回折格子層１４１と上部クラッド層１４２との界面には、回折格子１４１ａが形成されている。回折格子１４１ａは、光導波層１４０に沿って形成されており、その格子間隔は一定である。
【００８９】
一実施例では、光導波層１４０及び回折格子層１４１はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、光導波層１４０及び回折格子層１４１の厚さは、例えばそれぞれ０．３［μｍ］、５０［ｎｍ］である。また、上部クラッド層１４２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１４３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１４２及びコンタクト層１４３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。
【００９０】
なお、第１実施形態の利得領域１０ａと同様に、本実施形態のＤＦＢレーザ領域４０ａは、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、例えば１．５［μｍ］である。そして、このストライプメサ構造の両側面には、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る半絶縁性領域が設けられている。
【００９１】
コンタクト層１４３上にはアノード電極１４４が設けられている。アノード電極１４４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１４３との間でオーミック接触を実現する。また、第１実施形態と同様に、半導体基板３の裏面上にはカソード電極９が設けられている。アノード電極１４４とカソード電極９とは、互いに協働して光導波層１４０に電流を注入する。
【００９２】
図１４は、半導体レーザ素子１Ｂから出力されるレーザ光の波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。図１４に示すように、３つのフォトダイオード構造２２から取り出された光電流は、制御回路１８に提供される。制御回路１８は所定の演算を行い、冷却構造物５１に供給する電流Ｉｆを決定し、該電流Ｉｆを出力する。冷却構造物５１は、制御回路１８から提供された電流Ｉｆに応じた冷却能力を発揮し、ＤＦＢレーザ領域４０ａの温度を変化させる。これにより、光導波層１４０及び回折格子層１４１の屈折率が変化し、回折格子１４１ａの格子間隔が実質的に変化することで、ＤＦＢレーザ領域４０ａからの出力波長が制御されるので、経年変化等によるＤＦＢレーザ領域４０ａの出力波長の変動を抑えることができる。なお、制御回路１８における演算は、第１実施形態の制御回路１７と同様（図１１参照）であるため、詳細な説明を省略する。
【００９３】
本実施形態の半導体レーザ素子１Ｂによれば、第１実施形態の半導体レーザ素子１Ａと同様の効果が得られる。すなわち、半導体レーザ素子１Ｂは、第１実施形態と同じ波長モニタ領域２０を備えているので、モードホップや経年劣化により、或るリング共振器のＦＳＲに相当する波長分だけ出力波長が変動した場合であっても、別のリング共振器を通過した光の強度をモニタすることによって、波長の変動分を修正することができる。したがって、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂによれば、出力波長の変動が大きくなる場合であっても、出力波長を精度良くロックできる。また、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂでは、半導体レーザ領域４０及び波長モニタ領域２０が共通の半導体基板３上に設けられているので、従来の波長ロッカーの構造と比較して、更なる小型化が可能となる。
【００９４】
本発明による波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態では半導体基板及び各半導体層としてＩｎＰ系化合物半導体を例示したが、他のIII−Ｖ族化合物半導体や、その他の半導体であっても本発明の構成を好適に実現できる。また、上記各実施形態では第１及び第２の光導波路の構成としてメサストライプ構造のものを例示したが、リッジ型等、他の構造の光導波路であっても本発明の効果を好適に得ることができる。
【００９５】
また、上記各実施形態では、波長モニタ領域において第２の光導波路が３本に分岐され、うち２本の光導波路が第１のリング共振器を構成しているものを例示したが、第２の光導波路の分岐数は３本以上であれば特に制限されず、うち少なくとも２本の光導波路が第１のリング共振器を構成することによって、本発明の効果を好適に得ることができる。
【符号の説明】
【００９６】
１Ａ，１Ｂ…（波長ロッカー集積型）半導体レーザ素子、３…半導体基板、４…絶縁膜、９…カソード電極、１０，４０…半導体レーザ領域、１０ａ…利得領域、１０ｂ…ＤＢＲ領域、１０ｃ…増幅領域、１０ｄ…リング共振器領域、１０ｅ…位相調整領域、１０ｆ，４０ｂ…反射端面領域、１３…絶縁膜、１５…樹脂層、１７，１８…制御回路、１９…スイッチ回路、２０…波長モニタ領域、２１，２１１〜２１３…光導波路、２２…フォトダイオード構造、３０，５１，５２…冷却構造物、４０ａ…ＤＦＢレーザ領域、１０２…半絶縁性領域、１０５…ＡＲ膜、１１０，１２０，１３１，１４０…光導波層、１１２，１２２，１３２，１４２，２２２…上部クラッド層、１１３，１２３，１３３，１４３，２２３…コンタクト層、１１４，１１５，１２４，１３４，１３５，１４４，２２４…アノード電極、１２１，１４１…回折格子層、１２１ａ，１４１ａ…回折格子、１３１ｂ，２１１ｂ，２１３ｂ…リング状部分、１３７ａ，１３７ｂ…膜、２２０…光導波路、２２１…光吸収層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２には、光通信システムに使用されるレーザ素子が開示されている。特許文献１に記載されたレーザ素子は、互いに光路長が異なる複数のリング共振器が連結された多重リング共振器と、この多重リング共振器にレーザ光を入力し、且つ取り出す光入出力手段とを備えている。そして、多重リング共振器の複数のリング共振器毎に光透過率の共振周波数間隔（ＦＳＲ；Free Spectral Range）が異なっており、そのバーニア効果を利用して共振波長を制限している。また、リング共振器のスルーポートにおける光量を検出することにより共振波長をモニタし、そのモニタ結果に基づいて多重リング共振器の共振波長を制御している。
【０００３】
また、特許文献２に記載されたレーザ素子では、利得領域の前後にリング共振器が結合されている。これらのリング共振器はＦＳＲが互いに異なっており、バーニア効果を利用して共振波長を制限している。
【０００４】
非特許文献１には、波長可変型のＤＦＢレーザ素子と波長ロッカーとを一つのパッケージ内に収めた構成を有するレーザモジュールが開示されている。このレーザモジュールが備える波長ロッカーは、ＤＦＢレーザ素子の背面光を二つに分岐し、その一方をフォトダイオードにより検出し、他方をエタロンフィルタを介して別のフォトダイオードにより検出し、これらの検出信号に基づいてＤＦＢレーザ素子の出力波長を制御している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２４５３４６号公報
【特許文献２】特開２００８−０６６３１８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】木本ほか７名，「高信頼性，波長ロッカー内蔵４０ｍＷ，２５ＧＨｚ×２０ｃｈ，波長可変ＤＦＢレーザモジュール」，古河電工時報，第１１２号，平成１５年７月，ｐ．１−４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
近年、光通信システムの分野においては、増大する伝送量に対応するために、波長が相互に異なる複数の信号光を用いた波長分割多重（ＷＤＭ）伝送システムが構築されている。そして、伝送量を更に増大するために、信号光同士の波長間隔をより狭めることが望まれている。現在実用化されているＷＤＭ伝送システムでは、互いに出力波長が異なる複数の半導体レーザ素子が送信器に用いられているが、各半導体レーザ素子の出力波長は素子温度や経年変化によって変動する。このような出力波長の変動を抑え、信号光の波長間隔をより狭めるために、半導体レーザ素子の出力波長をモニタして、そのモニタ結果に基づいて出力波長を一定に制御する、いわゆる波長ロッカーが用いられている。
【０００８】
一方、光通信システムに使用される送信器には、更なる小型化が要請されている。しかしながら、例えば非特許文献１に記載された波長ロッカーでは、ＤＦＢレーザ素子、エタロンフィルタ及びフォトダイオードをそれぞれ個別に配置し、集光レンズ等を介してこれらを光学的に結合する必要があるので、モジュールが大型化してしまう。また、特許文献１に記載された波長ロッカーでは、多重リング共振器が形成されたＰＬＣ基板にレーザ素子やフォトダイオードを取り付ける必要があるので、小型化が制限される。
【０００９】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、更なる小型化を可能にできる波長ロッカー集積型半導体レーザ素子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】
【００１０】
上記した課題を解決するために、本発明による波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、半導体基板と、半導体基板上に設けられ、利得導波路を含む第１の光導波路、及び第１の光導波路の屈折率より小さい屈折率を有し、第１の光導波路の光軸と交差することにより第１の光導波路の反射端面を構成する一対の膜を有する半導体レーザ領域と、半導体光素子領域と並んで半導体基板上に設けられ、一対の膜を介して第１の光導波路と光学的に結合された第２の光導波路を有する波長モニタ領域とを備え、波長モニタ領域において、第２の光導波路が３本以上の光導波路に分岐しており、３本以上の光導波路のうち少なくとも２本の光導波路が、波長−透過率特性の繰り返し周期が互いに異なる第１のリング共振器をそれぞれ構成しており、波長モニタ領域が、光吸収層を有する３つ以上のフォトダイオード構造を含んでおり、３本以上の光導波路のそれぞれが、３つ以上のフォトダイオード構造のそれぞれと光学的に結合されていることを特徴とする。
【００１１】
この波長ロッカー集積型半導体レーザ素子では、光反射機能を有する一対の膜によって半導体レーザ領域と波長モニタ領域とが区分されている。そして、半導体レーザ領域の利得導波路において発生した光が、第１の光導波路を伝搬して一対の膜によって反射されることにより、第１の光導波路内を共振し、一対の膜とは反対側の第１の光導波路の端面からレーザ光として出力される。また、この一対の膜に到達した光の一部は、一対の膜を透過して波長モニタ領域に達する。この光は、３本以上の光導波路にそれぞれ分岐され、うち少なくとも２本の光導波路を伝搬した光は、該少なくとも２本の光導波路それぞれに設けられた第１のリング共振器を通過し、フォトダイオード構造により検出される。
【００１２】
ここで、少なくとも２本の光導波路それぞれに設けられた第１のリング共振器は、波長−透過率特性の繰り返し周期が互いに異なっており、且つ、これらの光導波路のそれぞれにフォトダイオード構造が設けられている。従って、例えばモードホップや経年劣化により、或る第１のリング共振器のＦＳＲに相当する波長分だけ出力波長が変動した場合であっても、別の第１のリング共振器を通過した光の強度をモニタすることによって、当該事実を認識し、波長の変動分を修正することができる。すなわち、上述した波長ロッカー集積型半導体レーザ素子によれば、出力波長の変動が大きくなる場合であっても、出力波長を精度良くロックできる。
【００１３】
また、上述した波長ロッカー集積型半導体レーザ素子では、半導体レーザ領域及び波長モニタ領域が共通の半導体基板上に設けられている。したがって、従来の波長ロッカーの構造と比較して、更なる小型化が可能となる。
【００１４】
また、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、少なくとも２本の光導波路によって構成される各第１のリング共振器のうち一の第１のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期が、他の一の第１のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期の２倍より長いことを特徴としてもよい。これにより、他の一の第１のリング共振器のＦＳＲに相当する波長分だけ出力波長が変動した場合であっても、一の第１のリング共振器を通過した光の強度をモニタすることによって、当該事実を容易に認識できる。
【００１５】
また、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、半導体レーザ領域が、格子間隔が第１の光導波路の光導波方向に変化しており第１の光導波路に沿って形成された回折格子、及び第１の光導波路の光導波方向に並設された複数の電極を有し、利得導波路の一端側に設けられた光反射部と、利得導波路の他端側に設けられ、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有する光透過部と、第１の光導波路の光路長を能動的に制御するための位相調整部とを有することを特徴としてもよい。これにより、半導体レーザ領域を波長可変型のレーザ構造にできるので、伝送量が増大する近年のＷＤＭ伝送システムにおいて、更に効率的なシステム運用を可能にできる。
【００１６】
また、この場合、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、光透過部が、第１の光導波路によって構成された第２のリング共振器を含むことを特徴としてもよい。これにより、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を好適に実現できる。
【００１７】
また、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、半導体レーザ領域が分布帰還型レーザ構造を有することを特徴としてもよい。
【００１８】
また、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、一対の膜が、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、及びベンゾシクロブテン樹脂のうち少なくとも一つを含むことを特徴としてもよい。これらの材料は半導体より屈折率が小さいので、光導波路の屈折率より小さい屈折率を有する一対の膜を好適に実現できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、更なる小型化を可能にする波長ロッカー集積型半導体レーザ素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る波長ロッカー集積型半導体レーザ素子１Ａの構成を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示した半導体レーザ素子１ＡのII−II線に沿った側断面図である。
【図３】図３（ａ）は、図２に示す半導体レーザ領域１０のIIIａ−IIIａ線に沿った断面図であり、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの構造を示している。図３（ｂ）は、図２に示す半導体レーザ領域１０のIIIｂ−IIIｂ線に沿った断面図であり、可変ＤＢＲ領域１０ｂの構造を示している。
【図４】図４（ａ）は、利得領域１０ａの発光スペクトルの一例を示すグラフである。図４（ｂ）は、複数のアノード電極１２４の一つから光導波層１２０及び回折格子層１２１へ電流を供給した場合における、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射スペクトルの一例を示すグラフである。
【図５】図５（ａ）は、半導体レーザ領域１０のＶａ−Ｖａ線に沿った断面図であり、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの構造を示している。図５（ｂ）は、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトルの一例を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）は、図２に示された反射端面領域１０ｆを拡大して示す側断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示された反射端面領域１０ｆのVIｂ−VIｂ線に沿った断面図である。
【図７】図７は、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂから成る膜構造が上記寸法および屈折率を有する場合における、波長−反射率特性の理論値を示すグラフである。
【図８】図８（ａ）は、波長モニタ領域２０の構成を示す平面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した波長モニタ領域２０のVIIIｂ−VIIIｂ線に沿った断面図であり、波長モニタ領域２０が有する複数のフォトダイオード構造２２のうち一つの構成を示している。図８（ｃ）は、リング共振器の寸法例を示す図である。
【図９】図９は、光導波路２１１，２１３によって構成される各リング共振器を上記寸法で設計した場合における、透過スペクトルの一例を示すグラフである。
【図１０】図１０は、半導体レーザ素子１Ａから出力されるレーザ光の波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。
【図１１】図１１は、制御回路１７における処理の概要を説明するための図である。
【図１２】図１２は、本発明の第２実施形態に係る波長ロッカー集積型半導体レーザ素子１Ｂの構成を示す平面図である。
【図１３】図１３は、図１２に示した半導体レーザ素子１ＢのXIII−XIII線に沿った側断面図である。
【図１４】図１４は、半導体レーザ素子１Ｂから出力されるレーザ光の波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、添付図面を参照しながら本発明による波長ロッカー集積型半導体レーザ素子の実施の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。
【００２２】
（第１の実施の形態）
本発明に係る波長ロッカー集積型半導体レーザ素子（以下、半導体レーザ素子）の第１実施形態について説明する。図１及び図２を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａは、半導体レーザ領域１０と、波長モニタ領域２０とを備えている。半導体レーザ領域１０は、波長可変型の半導体レーザ構造を有しており、利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、増幅領域１０ｃ、リング共振器領域１０ｄ、位相調整領域（位相調整部）１０ｅ、及び反射端面領域１０ｆによって構成されている。波長モニタ領域２０は、半導体レーザ領域１０の反射端面領域１０ｆを透過した背面光の強度を、リング共振器を介して、又はそのまま検出する。この波長モニタ領域２０から得られた検出結果は、半導体レーザ領域１０の出力波長の制御に使用される。
【００２３】
半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０は、図２に示すように互いに共通の半導体基板３上に形成されており、光導波方向に並んで設けられている。光導波方向における半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０の好適な長さは、それぞれ１５００ ［μｍ］、及び１０００［μｍ］である。なお、半導体基板３は、例えばｎ型ＩｎＰから成り、半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０において下部クラッドとして機能する。
【００２４】
また、半導体基板３の裏面側には、後述するカソード電極９を挟んで冷却構造物３０が設けられている。冷却構造物３０は、例えばヒートシンクとして機能する一対の金属板と、該一対の金属板間に設けられて熱の移動を行うペルチェ素子とを含んで構成され、半導体基板３及びその主面上の積層構造の温度を一定に維持する。
【００２５】
まず、図１，図２及び図３を参照して、半導体レーザ領域１０が有する利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、及び増幅領域１０ｃの構成について説明する。図３（ａ）は、図２に示す半導体レーザ領域１０のIIIａ−IIIａ線に沿った断面図であり、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの構造を示している。また、図３（ｂ）は、図２に示す半導体レーザ領域１０のIIIｂ−IIIｂ線に沿った断面図であり、可変ＤＢＲ領域１０ｂの構造を示している。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、冷却構造物３０（図２）の図示を省略している。
【００２６】
利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃは、半導体基板３上に設けられた光導波層１１０と、光導波層１１０上に設けられた上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３とを備えている。光導波層１１０は、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成しており、特に利得領域１０ａの光導波層１１０は、本実施形態における利得導波路に相当する。光導波層１１０は、半導体基板３よりバンドギャップ波長が長い（すなわちバンドギャップが小さい）半導体によって構成され、半導体基板３の主面に沿った光導波方向に延在している。光導波層１１０は、例えば半導体基板３上に設けられた下部光閉じ込め層と、下部光閉じ込め層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた上部光閉じ込め層とを含んで構成される。
【００２７】
一実施例では、下部光閉じ込め層及び上部光閉じ込め層はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、活性層はＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造を有する。活性層の組成は、例えば１．５２［μｍ］〜１．５７［μｍ］の光を発生（または増幅）するように調整される。ここで、図４（ａ）は、利得領域１０ａの発光スペクトルの一例を示すグラフである。図４（ａ）において、縦軸は光強度を示し、横軸は波長を示している。図４（ａ）に示すように、利得領域１０ａは比較的広い波長域にわたって光を発生させる。光導波層１１０の厚さは、例えば０．３［μｍ］である。
【００２８】
また、上部クラッド層１１２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１１３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。
【００２９】
光導波層１１０、上部クラッド層１１２及びコンタクト層１１３は、半導体基板３上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している（図３（ａ）を参照）。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、例えば１．５［μｍ］である。そして、このストライプメサ構造の両側面には、半絶縁性領域１０２が設けられている。半絶縁性領域１０２は、半絶縁性（高抵抗）の半導体、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る。半絶縁性領域１０２は、半導体基板３のうち上記ストライプメサ構造を除いた領域上に設けられており、上記ストライプメサ構造の両側面を埋め込んでいる。
【００３０】
利得領域１０ａのコンタクト層１１３上にはアノード電極１１４が設けられており、増幅領域１０ｃのコンタクト層１１３上にはアノード電極１１５が設けられている。アノード電極１１４及び１１５は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１１３との間でオーミック接触を実現する。また、半導体基板３の裏面上には、カソード電極９が設けられている。カソード電極９は、例えばＡｕＧｅを含んで構成され、半導体基板３との間でオーミック接触を実現する。アノード電極１１４及び１１５とカソード電極９とは、互いに協働して光導波層１１０に電流を注入する。なお、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの上面のうちアノード電極１１４，１１５を除く領域は、例えばＳｉＯ２から成る絶縁膜４によって保護されている。
【００３１】
また、図１及び図２に示すように、光導波方向における増幅領域１０ｃの端面（すなわち半導体レーザ領域１０の端面）には、反射防止（ＡＲ：Anti Reflection）膜１０５が設けられている。このＡＲ膜１０５の反射率は、例えば０．１％である。
【００３２】
可変ＤＢＲ領域１０ｂは、本実施形態における光反射部を構成する。可変ＤＢＲ領域１０ｂは、利得領域１０ａの光導波層１１０の一端側に設けられており、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−反射率特性を有する。
【００３３】
可変ＤＢＲ領域１０ｂは、半導体基板３上に設けられた光導波層１２０と、光導波層１２０上に設けられた回折格子層１２１、上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３とを備えている。光導波層１２０は、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成する。光導波層１２０のバンドギャップ波長は、利得領域１０ａの活性層のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３［μｍ］以下である。この光導波層１２０は、後述するカソード電極９及びアノード電極１２４との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。光導波層１２０は、半導体基板３よりバンドギャップ波長が長い半導体によって構成され、半導体基板３の主面に沿った光導波方向に延在し、その一端は利得領域１０ａの光導波層１１０に結合され、他端は増幅領域１０ｃの光導波層１１０に結合されている。
【００３４】
回折格子層１２１は、光導波層１２０に沿って設けられる。本実施形態では、回折格子層１２１は光導波層１２０の直上に設けられている。光導波層１２０を中心として光を効果的に閉じ込める為に、回折格子層１２１のバンドギャップ波長は、光導波層１２０のバンドギャップ波長より短いことが好ましく、例えば１．２［μｍ］である。
【００３５】
回折格子層１２１と上部クラッド層１２２との界面には、回折格子１２１ａ（図２を参照）が形成されている。回折格子１２１ａは、光導波層１２０に沿って形成されており、その格子間隔が光導波層１２０の光導波方向に変化する、いわゆるチャープ回折格子である。
【００３６】
一実施例では、光導波層１２０及び回折格子層１２１はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、光導波層１２０及び回折格子層１２１の厚さは、例えばそれぞれ０．３［μｍ］、５０［ｎｍ］である。また、上部クラッド層１２２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１２３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。
【００３７】
光導波層１２０、上部クラッド層１２２及びコンタクト層１２３は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃの光導波層１１０等と同様、半導体基板３上において、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している（図３（ｂ）を参照）。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃのストライプメサ構造と同じである。そして、このストライプメサ構造の両側面は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃと共通の半絶縁性領域１０２によって埋め込まれている。
【００３８】
コンタクト層１２３上には、複数のアノード電極１２４が設けられている。複数のアノード電極１２４は、コンタクト層１２３上において、互いに所定の間隔をあけて光導波方向に並設されている。複数のアノード電極１２４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１２３との間でオーミック接触を実現する。各アノード電極１２４は、半導体基板３の裏面上に設けられたカソード電極９と協働して、各アノード電極１２４に対応する光導波層１２０の部分に電流を注入する。なお、可変ＤＢＲ領域１０ｂの上面のうち複数のアノード電極１２４を除く領域は、利得領域１０ａ及び増幅領域１０ｃと共通の絶縁膜４によって保護されている。
【００３９】
図４（ｂ）に示すグラフＧ１は、複数のアノード電極１２４の一つから光導波層１２０及び回折格子層１２１へ電流を供給した場合における、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射スペクトルの一例を示すグラフである。図４（ｂ）の縦軸は反射率、横軸は波長である。なお、図４（ｂ）に破線で表されたグラフＧ２は、複数のアノード電極１２４の何れにも電流が供給されない場合を示している。
【００４０】
複数のアノード電極１２４の一つに電流が供給されると、当該アノード電極１２４の直下における光導波層１２０及び回折格子層１２１の屈折率が変化し、回折格子１２１ａが有効に作用する。また、屈折率が変化しない他の部分では、回折格子１２１ａは殆ど作用しない。したがって、図４（ｂ）に示すように、可変ＤＢＲ領域１０ｂの反射スペクトルにおいては、電流が供給されたアノード電極１２４の直下に位置する回折格子１２１ａの格子間隔に対応する波長域（図中のＡ部分）の反射率が選択的に高くなる。本実施形態では複数のアノード電極１２４のそれぞれに独立して電流を流すことができるので、任意の一つのアノード電極１２４に電流を流すことにより、所望の波長域での反射率を高め、レーザ発振波長を当該波長域内に制限することができる。なお、同時に電流が供給されるアノード電極１２４は一つとは限らず、二つ以上のアノード電極１２４に電流が供給されてもよい。
【００４１】
続いて、図１，図２及び図５（ａ）を参照して、半導体レーザ領域１０が有するリング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの構成について説明する。図５（ａ）は、半導体レーザ領域１０のＶａ−Ｖａ線に沿った断面図であり、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの構造を示している。なお、図５（ａ）においても、冷却構造物３０（図２）の図示を省略している。
【００４２】
リング共振器領域１０ｄは、本実施形態における光透過部を構成する。すなわち、リング共振器領域１０ｄは、利得領域１０ａの光導波層１１０の他端側に設けられており、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有する。位相調整領域１０ｅは、半導体レーザ領域１０における光導波路の光路長を能動的に制御するための領域であり、その断面構成はリング共振器領域１０ｄと同様である。
【００４３】
リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅは、図５（ａ）に示すように、半導体基板３上に順に積層された、光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３を有する。更に、リング共振器領域１０ｄはアノード電極１３４を有し、位相調整領域１０ｅはアノード電極１３５を有する。なお、半導体基板３の裏面上に設けられたカソード電極９は、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅのカソード電極としても使用される。また、光導波層１３１と上部クラッド層１３２との間には、可変ＤＢＲ領域１０ｂの回折格子層１２１と同じ組成の半導体層１３６が存在しているが、この半導体層１３６と上部クラッド層１３２との界面は平坦であり、回折格子は形成されていない。
【００４４】
光導波層１３１は、半導体基板３の主面上に設けられ、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅにおける光導波路として機能し、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成している。リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１の一端は、利得領域１０ａの光導波層１１０と光学的に結合されている。また、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１の一端は、リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１の他端と光学的に結合されている。これらの光導波層１３１は、カソード電極９とアノード電極１３４（１３５）との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。
【００４５】
一実施例では、光導波層１３１及び半導体層１３６はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、これらの厚さは、例えばそれぞれ０．３［μｍ］、５０［ｎｍ］である。光導波層１３１のバンドギャップ波長は、利得領域１０ａの活性層のバンドギャップ波長より短く、例えば１．３［μｍ］以下である。また、上部クラッド層１３２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１３３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１３２及びコンタクト層１３３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。
【００４６】
光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３は、光導波に適した幅にエッチングされてメサ構造を呈している。そして、その上面及び両側面は、例えばＳｉＯ２から成る絶縁膜１３によって保護されている。絶縁膜１３は、このメサ構造の両側面から半導体基板３の主面上にわたって設けられている。絶縁膜１３の膜厚は、例えば０．３［μｍ］である。
【００４７】
絶縁膜１３上には、メサ構造の両側面に沿って樹脂層１５が設けられている。樹脂層１５は、例えばベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）樹脂から成り、その層厚は例えば１［μｍ］〜２［μｍ］である。
【００４８】
アノード電極１３４及び１３５は、コンタクト層１３３上に設けられており、例えばＡｕＺｎを含んで構成され、コンタクト層１３３との間でオーミック接触を実現する。アノード電極１３４及び１３５は、カソード電極９と協働して、リング共振器領域１０ｄ及び位相調整領域１０ｅの各光導波層１３１に電流を注入する。
【００４９】
リング共振器領域１０ｄの光導波層１３１は、図１に示すように、利得領域１０ａのレーザ光軸上に延設された導波路部分１３１ａと、該導波路部分１３１ａと多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラによって結合されたリング状部分１３１ｂと、該リング状部分１３１ｂとＭＭＩカプラによって結合された導波路部分１３１ｃとを含む。導波路部分１３１ｃの一端（すなわちリング共振器の他端）は、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１と光学的に結合されている。
【００５０】
このように、光導波層１３１がリング共振器（すなわち、本実施形態における第２のリング共振器）を構成することによって、透過スペクトルが所定の波長間隔でもって周期的に変化し、離散的な透過率ピーク波長を有する波長−透過率特性が実現される。ここで、図５（ｂ）は、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトルの一例を示すグラフである。図５（ｂ）において、縦軸は光透過率を示し、横軸は波長を示している。図５（ｂ）に示すように、リング共振器領域１０ｄの透過スペクトルは透過ピークＰを複数有しており、その間隔は例えば４．５［ｎｍ］である。また、各透過ピークＰのピーク透過率は例えば４０％以上８５％以下である。
【００５１】
また、このリング共振器の透過率ピーク波長は、カソード電極９とアノード電極１３４との間に流れる電流の大きさに応じて光導波層１３１の屈折率が変化することによってシフトする。このリング共振器の作用により、利得領域１０ａからリング共振器領域１０ｄへ到達した光のうち上記透過ピークＰに相当する波長成分が、位相調整領域１０ｅへ向けて選択的に透過され、当該波長成分のみがレーザ発振に寄与することとなる。
【００５２】
また、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１は、カソード電極９とアノード電極１３５との間に注入される電流の大きさに応じて、その屈折率が変化する。この光導波層１３１の屈折率変化により、位相調整領域１０ｅにおける光路長が変化し、ひいては当該半導体レーザ領域１０の共振器長が変化する。したがって、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１への電流注入量を調節することで、半導体レーザ領域１０の縦モードを調整することができる。
【００５３】
続いて、図６を参照して、半導体レーザ領域１０が有する反射端面領域１０ｆの構成について説明する。図６（ａ）は、図２に示された反射端面領域１０ｆを拡大して示す側断面図である。また、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示された反射端面領域１０ｆのVIｂ−VIｂ線に沿った断面図である。反射端面領域１０ｆは、後述する一対の膜１３７ａ及び１３７ｂを有することによって、半導体レーザ領域１０の反射端面を構成する。
【００５４】
図６（ａ）に示すように、反射端面領域１０ｆは、半導体基板３上に順に積層された、光導波層１３１、半導体層１３６、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３を有する。なお、これらの層の構成は、既述した位相調整領域１０ｅと同様である。また、光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３がメサ構造を呈しており、その両側面が絶縁膜１３によって保護され、メサ構造の両側面に沿って樹脂層１５が設けられている点も位相調整領域１０ｅと同様である。光導波層１３１は、反射端面領域１０ｆにおける光導波路として機能し、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成している。光導波層１３１の一端は、位相調整領域１０ｅの光導波層１３１の他端と光学的に結合されている。
【００５５】
反射端面領域１０ｆは、光導波層１３１を遮るように設けられた一対の膜１３７ａ及び１３７ｂを有する。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光導波層１３１と交差するように、光導波層１３１の光軸に垂直な面方向に延在している。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光軸方向に所定の間隔をあけて形成され、互いに対向している。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光導波層１３１の屈折率より小さい屈折率を有する膜材料であって光導波層１３１を伝搬する光（波長１．５〜１．６［μｍ］）を吸収しないもの、例えばＳｉＯ２、ＳｉＮ、及びＢＣＢ樹脂のうち少なくとも一つを含んで構成される。このような一対の膜１３７ａ及び１３７ｂが光導波層１３１の光軸と交差することにより、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂは、光導波層１３１を含む第１の光導波路の反射端面を構成する。
【００５６】
一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの反射率は、光軸方向における膜１３７ａ及び１３７ｂの厚さｔと、膜１３７ａ及び１３７ｂを構成する材料の屈折率とによって決定される。なお、膜１３７ａ及び１３７ｂの厚さｔが小さすぎるとその形成が難しくなり、大きすぎると光の損失が増してしまう。
【００５７】
光軸方向における一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの厚さｔは、例えば８０７．３［ｎｍ］である。また、光軸方向と直交する面内での一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの幅Ｗは例えば５［μｍ］であり、半導体基板３の主面に垂直な方向の高さＨは例えば５［μｍ］である。一対の膜１３７ａ及び１３７ｂ同士の間隔Ｄは、光の波長が１．５５［μｍ］帯である場合、間隔は例えば３２５．６［ｎｍ］である。なお、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂがＳｉＯ２から成る場合、波長１．５５［μｍ］の光に対する屈折率は１．４４４となる。なお、同波長の光に対する光導波層１３１の実効屈折率は、例えば３．５７である。
【００５８】
図７は、一対の膜１３７ａ及び１３７ｂから成る膜構造が上記寸法および屈折率を有する場合における、波長−反射率特性の理論値を示すグラフである。図７に示すように、膜１３７ａ及び１３７ｂから成る膜構造は、広い波長範囲にわたって反射率が高い波長−反射率特性を有しており、第１の光導波路を伝搬する光に対して高い反射率を有するＨＲ（High Reflection）膜として機能する。この一対の膜１３７ａ及び１３７ｂの作用によって、光反射端面を有する光共振器が好適に実現される。
【００５９】
続いて、図１，図２及び図８を参照して、波長モニタ領域２０の構成について説明する。図８（ａ）は、波長モニタ領域２０の構成を示す平面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）に示した波長モニタ領域２０のVIIIｂ−VIIIｂ線に沿った断面図であり、波長モニタ領域２０が有する複数のフォトダイオード構造２２のうち一つの構成を示している。なお、図８（ｂ）においても、冷却構造物３０（図２）の図示を省略している。
【００６０】
波長モニタ領域２０は、光導波路２１と、複数のフォトダイオード構造２２を有する。光導波路２１は本実施形態における第２の光導波路であり、上述した一対の膜１３７ａ，１３７ｂを介して半導体レーザ領域１０の第１の光導波路（光導波層１１０，１２０，及び１３１）と光学的に結合されている。なお、光導波路２１の光軸に垂直な断面での波長モニタ領域２０の構成は、既述したリング共振器領域１０ｄ（図５（ａ）を参照。光導波層１３１が光導波路２１に相当）と同様なので、詳細な説明を省略する。
【００６１】
図８（ａ）に示すように、光導波路２１は３本の光導波路２１１〜２１３に分岐している。そして、光導波路２１１〜２１３のうち２本の光導波路２１１及び２１３は、直線状の導波路部分２１１ａ及び２１３ａと、該導波路部分２１１ａ及び２１３ａと多モード干渉型（ＭＭＩ）カプラによって結合されたリング状部分２１１ｂ及び２１３ｂとを含んでいる。これにより、光導波路２１１及び２１３はそれぞれ別個のリング共振器を構成する。なお、導波路部分２１１ａ及び２１３ａの他端は、それぞれ別のフォトダイオード構造２２に結合されている。また、リング共振器を構成しない光導波路２１２の他端は、更に別のフォトダイオード構造２２に結合されている。
【００６２】
このように、光導波路２１１及び２１３がそれぞれリング共振器（すなわち、本実施形態における第１のリング共振器）を構成することにより、各光導波路２１１及び２１３において、透過スペクトルが所定の波長間隔でもって周期的に変化し、離散的な透過率ピーク波長を有する波長−透過率特性が実現される。ここで、図８（ｃ）にリング共振器のモデルを示す。図８（ｃ）に示すリング共振器のＭＭＩ長Ｌ及び曲げ半径Ｒに関し、光導波路２１１では例えばそれぞれ５０［μｍ］及び２５０［μｍ］と設定し、光導波路２１３ではそれぞれ５０［μｍ］及び１０［μｍ］と設定する。
【００６３】
図９は、光導波路２１１，２１３によって構成される各リング共振器を上記寸法で設計した場合における、透過スペクトルの一例を示すグラフである。図９において、縦軸は光透過率を示し、横軸は波長を示している。図９に示すように、光導波路２１１によって構成されるリング共振器の透過スペクトル特性（グラフＧ３）では、透過ピークＰ１が周期的に繰り返されている。その繰り返し周期はＷＤＭ伝送システムにおける波長グリッドに応じた周期（好ましくは、波長グリッドと同じか又はその半分）であり、例えば周波数換算で５０［ＧＨｚ］である。また、光導波路２１３によって構成されるリング共振器の透過スペクトル特性（グラフＧ４）においても、透過ピークＰ２が周期的に繰り返されている。その繰り返し周期はＷＤＭ伝送システムにおける波長グリッドより広い周期（好ましくは、波長グリッドの２倍以上）であり、例えば周波数換算で５１８［ＧＨｚ］である。このように、各リング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期は互いに異なるように設定され、一のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期は、他の一のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期の２倍より長いことが好ましい。
【００６４】
フォトダイオード構造２２は、図８（ｂ）に示すように、半導体基板３上に設けられた光導波路２２０と、光導波路２２０上に設けられた光吸収層２２１と、光吸収層２２１上に設けられたクラッド層２２２及びコンタクト層２２３とを備えている。なお、これらの層の構成は、光吸収層２２１を除いて、既述した位相調整領域１０ｅ（図５（ａ）を参照）の光導波層１３１、上部クラッド層１３２、及びコンタクト層１３３と同様である。また、光導波路２２０、光吸収層２２１、クラッド層２２２、及びコンタクト層２２３がストライプメサ構造を呈しており、その両側面が絶縁膜１３によって保護され、ストライプメサ構造の両側面に沿って樹脂層１５が設けられている点でも位相調整領域１０ｅと同様である。光導波路２２０の一端は、対応する光導波路２１１〜２１３のいずれかと光学的に結合されている。
【００６５】
光吸収層２２１は、光導波路２２０とクラッド層２２２との間に設けられる。一実施例では、光吸収層２２１はｐ型ＩｎＧａＡｓから成る。光吸収層２２１の組成は、半導体レーザ領域１０における発振波長、例えば１．５５［μｍ］波長帯の光を吸収するように調整される。光吸収層２２１の厚さは、例えば５０［ｎｍ］である。
【００６６】
コンタクト層２２３上には、アノード電極２２４が設けられている。アノード電極２２４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層２２３との間でオーミック接触を実現する。アノード電極２２４は、カソード電極９と協働して、光吸収層２２１において発生したキャリアを光電流として取り出す。
【００６７】
以上の構成を備える半導体レーザ素子１Ａの作用（動作）及び効果について説明する。この半導体レーザ素子１Ａでは、光反射機能を有する一対の膜１３７ａ，１３７ｂによって半導体レーザ領域１０と波長モニタ領域２０とが区分されている。そして、半導体レーザ領域１０の利得導波路（利得領域１０ａの光導波層１１０）において発生した光が、半導体レーザ領域１０内の光導波路を伝搬して一対の膜１３７ａ，１３７ｂによって反射されることにより、該光導波路内を共振し、一対の膜１３７ａ，１３７ｂとは反対側の光導波路の端面からＡＲ膜１０５を通ってレーザ光として出力される。また、この一対の膜１３７ａ，１３７ｂに到達した光の一部は、一対の膜１３７ａ，１３７ｂを透過して波長モニタ領域２０に達する。この光は、３本の光導波路２１１〜２１３にそれぞれ分岐され、うち２本の光導波路２１１及び２１３を伝搬した光は、光導波路２１１及び２１３それぞれに設けられたリング共振器を通過し、フォトダイオード構造２２により検出される。また、他の光導波路２１２を伝搬した光は、そのままフォトダイオード構造２２により検出される。
【００６８】
図１０は、半導体レーザ素子１Ａから出力されるレーザ光の波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。図１０に示すように、３つのフォトダイオード構造２２から取り出された光電流は、制御回路１７に提供される。制御回路１７は所定の演算を行い、利得領域１０ａ、可変ＤＢＲ領域１０ｂ、増幅領域１０ｃ、リング共振器領域１０ｄ、及び位相調整領域１０ｅそれぞれの電極に供給する電流Ｉａ〜Ｉｅを決定し、該電流Ｉａ〜Ｉｅを出力する。制御回路１７から出力された電流Ｉａは利得領域１０ａのアノード電極１１４に供給され、電流Ｉｂはスイッチ回路１９を介して可変ＤＢＲ領域１０ｂの複数のアノード電極１２４の何れかに選択的に供給され、電流Ｉｃは増幅領域１０ｃのアノード電極１１５に供給され、電流Ｉｄはリング共振器領域１０ｄのアノード電極１３４に供給され、電流Ｉｅは位相調整領域１０ｅのアノード電極１３５に供給される。
【００６９】
図１１は、制御回路１７における処理の概要を説明するための図である。図１１の縦軸は光透過率を示しており、横軸は波長を示している。また、図中のグラフＧ３は波長モニタ領域２０の光導波路２１１の光透過特性を示しており、グラフＧ４は光導波路２１３の光透過特性を示している。いま、半導体レーザ領域１０の共振波長を、或る波長λ１に合わせることを考える。制御回路１７は、予め記憶しているルックアップテーブルを参照して、共振波長が波長λ１に近づくように各電流Ｉａ〜Ｉｅを設定する。このとき、半導体レーザ領域１０の共振波長は、例えば波長λ１の近傍の波長λａとなる。微調整が必要な場合には、光導波路２１１を透過してフォトダイオード構造２２に達する光の透過率（光導波路２１１及び２１２を介して検出された光の強度比に基づいて算出される）が波長λ１に対応する値（図１１では、約０．６９）に近づくように、電流Ｉａ〜Ｉｅを更に調整する。
【００７０】
ここで、半導体レーザ領域１０の共振器長が１［ｍｍ］である場合、縦モード（ＦＰモード）の波長間隔は周波数換算で４２［ＧＨｚ］である。したがって、モードホップが発生すると４２［ＧＨｚ］だけ離れた波長（例えば、図１１の波長λｂ）でレーザ発振を開始することになる。このようなモードホップによる発振波長の変動幅が、グラフＧ３に示された光導波路２１１の光透過特性の半周期より大きくなった場合、波長λ１に対応する透過率０．６９に近づくように電流Ｉａ〜Ｉｅを調整すると、発振波長が波長λ１とは異なる波長λ２に近づいてしまうことになる。
【００７１】
このような場合、光導波路２１３を透過してフォトダイオード構造２２に達する光の透過率（グラフＧ４）を併せて参照することで、発振波長を波長λ１に好適に近づけることが可能となる。すなわち、図１１において波長λ１に対応する光導波路２１３の透過率は約０．２３であり、波長λ２に対応する光導波路２１３の透過率は約０．０８であるから、制御回路１７は、光導波路２１３の透過率が０．２３に近づくように、電流Ｉａ〜Ｉｅを調整するとよい。つまり、制御回路１７は、光導波路２１１及び２１３の透過率がそれぞれ所定の値に近づくように電流Ｉａ〜Ｉｅを調整することで、モードホップが生じた際にも半導体レーザ領域１０の発振波長を精度良く制御することができる。
【００７２】
このように、本実施形態の半導体レーザ素子１Ａでは、光導波路２１１及び２１３それぞれに設けられたリング共振器の波長−透過率特性の繰り返し周期が互いに異なっているので、モードホップや経年劣化により、或るリング共振器のＦＳＲに相当する波長分だけ出力波長が変動した場合であっても、別のリング共振器を通過した光の強度をモニタすることによって、波長の変動分を修正することができる。すなわち、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａによれば、出力波長の変動が大きくなる場合であっても、出力波長を精度良くロックできる。
【００７３】
また、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａでは、半導体レーザ領域１０及び波長モニタ領域２０が共通の半導体基板３上に設けられている。したがって、従来の波長ロッカーの構造と比較して、更なる小型化が可能となる。
【００７４】
また、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａでは、半導体レーザ領域１０が、格子間隔が光導波方向に変化する回折格子１２１ａ、及び光導波方向に並設された複数のアノード電極１２４を有するＤＢＲ領域１０ｂと、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有するリング共振器領域１０ｄと、位相調整領域１０ｅとを有する。これにより、半導体レーザ領域１０を波長可変型のレーザ構造にできるので、伝送量が増大する近年のＷＤＭ伝送システムにおいて、更に効率的なシステム運用を可能にできる。
【００７５】
ここで、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａの作製方法について説明する。まず、半導体基板３となるｎ型ＩｎＰ等の半導体ウェハ上に、光導波層１２０及び１３１、並びに光導波路２１及び２２０となる半導体層と、回折格子層１２１及び半導体層１３６となる半導体層とをＭＯＣＶＤ法によりエピタキシャル成長させる。次に、電子ビーム露光によりレジストに回折格子パターンを描画し、このレジストをマスクとして回折格子層１２１の表面にドライエッチングを施すことにより、回折格子１２１ａを形成する。レジストを除去した後、ＭＯＣＶＤ法によりｐ型ＩｎＰ層を回折格子１２１ａを埋め込むように成長させて、上部クラッド層１２２及び１３２の一部（約２００ｎｍ程度の厚さ）を形成する。
【００７６】
続いて、利得領域１０ａとなる領域上、及び増幅領域１０ｃとなる領域上に成長した半導体層をドライエッチングにより除去する。そして、半導体層が除去された半導体ウェハの領域上に、下部光閉じ込め層、多重量子井戸構造による活性層、及び上部光閉じ込め層から成る光導波層１１０と、上部クラッド層１１２の一部（約２００ｎｍ程度の厚さ）とをバットジョイント法によって成長させる。
【００７７】
続いて、フォトダイオード構造２２となる領域に成長した半導体層（光導波路２２０となる層を除く）をドライエッチングにより除去する。そして、当該領域に、光吸収層２２１及びクラッド層２２２の一部を成長させる。
【００７８】
続いて、残りの上部クラッド層１１２，１２２、１３２および２２２を一度に形成し、引き続きコンタクト層１１３，１２３，１３３，及び２２３となる半導体層をＭＯＣＶＤ法により成長させる。その後、アノード電極と接触する部分だけ残してコンタクト層を除去し、各領域を電気的に分離する。
【００７９】
続いて、リング共振器領域１０ｄ、位相調整領域１０ｅ、反射端面領域１０ｆ、及び波長モニタ領域２０に相当する領域をマスクで覆い、利得領域１０ａ、ＤＢＲ領域１０ｂ、及び増幅領域１０ｃに相当する領域に対し、光導波路となる部分だけ残して半導体ウェハに達する深さまでドライエッチングを施し、メサ構造を形成する。その後、このメサ構造の両側面を半絶縁性領域１０２で埋め込み、マスクを除去する。
【００８０】
続いて、利得領域１０ａ、ＤＢＲ領域１０ｂ、及び増幅領域１０ｃに相当する領域をマスクで覆い、リング共振器領域１０ｄ、位相調整領域１０ｅ、反射端面領域１０ｆ、及び波長モニタ領域２０に相当する領域に対し、光導波路となる部分だけ残して半導体ウェハに達する深さまでドライエッチングを施し、メサ構造を形成する。同時に、反射端面領域１０ｆとなる領域において、メサ構造の光導波路を横切るように一対の溝を形成する。その後、このメサ構造の両側面、及び一対の溝の内部にＳｉＯ２といった絶縁材料をＣＶＤにより堆積して絶縁膜１３及び一対の膜１３７ａ，１３７ｂを形成したのち、その上からＢＣＢ樹脂をスピンコートで塗布・硬化させて樹脂層１５を形成し、マスクを除去する。
【００８１】
続いて、アノード電極が配置される部分の絶縁膜１３及び樹脂層１５を除去し、アノード電極１１４，１１５，１２４，１３４，１３５，及び２２４をリフトオフ法により形成する。このとき、素子上の配線および電極パッドを併せて形成する。また、半導体ウェハの裏面上にカソード電極９を蒸着する。
【００８２】
最後に、半導体ウェハを棒状に劈開し、その劈開面の一方にＡＲ膜１０５をコーティングし、これをチップ状に分割して冷却構造物３０上に実装する。こうして、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ａが完成する。
【００８３】
なお、一対の膜１３７ａ，１３７ｂの構成材料をＳｉＯ２ではなくＳｉＮとする場合には、絶縁材料としてＳｉＯ２に代えてＳｉＮを堆積するとよい。また、一対の膜１３７ａ，１３７ｂの構成材料をＢＣＢ樹脂とする場合には、絶縁材料の堆積工程を省略してＢＣＢ樹脂を塗布・硬化させるとよい。
【００８４】
（第２の実施の形態）
次に、本発明に係る波長ロッカー集積型半導体レーザ素子の第２実施形態について説明する。図１２及び図１３を参照すると、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂは、半導体レーザ領域４０と、波長モニタ領域２０とを備えている。半導体レーザ領域４０は、分布帰還型の半導体レーザ構造を有しており、ＤＦＢレーザ領域４０ａ及び反射端面領域４０ｂによって構成されている。このうち、反射端面領域４０ｂの構成及び機能は、第１実施形態の反射端面領域１０ｆと同様である。また、波長モニタ領域２０の構成及び機能は、第１実施形態のものと同様である。
【００８５】
半導体レーザ領域４０及び波長モニタ領域２０は、図１３に示すように互いに共通の半導体基板３上に形成されており、光導波方向に並んで設けられている。なお、半導体基板３は、半導体レーザ領域４０及び波長モニタ領域２０において下部クラッドとして機能する。
【００８６】
また、半導体基板３の裏面側には、カソード電極９を挟んで冷却構造物５１及び５２が設けられている。冷却構造物５１，５２は、例えばヒートシンクとして機能する一対の金属板と、該一対の金属板間に設けられて熱の移動を行うペルチェ素子とを含んで構成される。冷却構造物５１はＤＦＢレーザ領域４０ａの直下に配置され、冷却構造物５２は波長モニタ領域２０の直下に配置され、それぞれＤＦＢレーザ領域４０ａ及び波長モニタ領域２０の温度を独立して制御する。すなわち、冷却構造物５１はＤＦＢレーザ領域４０ａの温度を任意に変化させることによって出力波長を調整し、冷却構造物５２は波長モニタ領域２０の温度を一定に維持する。
【００８７】
図１３に示すように、ＤＦＢレーザ領域４０ａは、半導体基板３上に設けられた光導波層１４０と、光導波層１４０上に順に積層された回折格子層１４１、上部クラッド層１４２及びコンタクト層１４３とを備えている。光導波層１４０は、本実施形態における第１の光導波路の一部を構成する利得導波路である。光導波層１４０は、例えば半導体基板３上に設けられた下部光閉じ込め層と、下部光閉じ込め層上に設けられた活性層と、活性層上に設けられた上部光閉じ込め層とを含んで構成される。光導波層１４０は、半導体基板３よりバンドギャップ波長が長い半導体によって構成され、半導体基板３の主面に沿った光導波方向に延在し、その一端は半導体レーザ素子１Ｂの端面に設けられたＡＲ膜１０５に結合され、他端は反射端面領域４０ｂの光導波層（図６（ａ）に示した光導波層１３１に相当）に結合されている。
【００８８】
回折格子層１４１は、光導波層１４０に沿って設けられる。本実施形態では、回折格子層１４１は光導波層１４０の直上に設けられている。回折格子層１４１と上部クラッド層１４２との界面には、回折格子１４１ａが形成されている。回折格子１４１ａは、光導波層１４０に沿って形成されており、その格子間隔は一定である。
【００８９】
一実施例では、光導波層１４０及び回折格子層１４１はアンドープＧａＩｎＡｓＰから成り、光導波層１４０及び回折格子層１４１の厚さは、例えばそれぞれ０．３［μｍ］、５０［ｎｍ］である。また、上部クラッド層１４２はｐ型ＩｎＰから成り、コンタクト層１４３はｐ型ＧａＩｎＡｓから成る。上部クラッド層１４２及びコンタクト層１４３の厚さは、例えばそれぞれ２［μｍ］及び０．２［μｍ］である。
【００９０】
なお、第１実施形態の利得領域１０ａと同様に、本実施形態のＤＦＢレーザ領域４０ａは、光導波に適した幅にエッチングされて所定の光導波方向に延びるストライプメサ構造を呈している。光導波方向と交差する方向におけるストライプメサ構造の横幅は、例えば１．５［μｍ］である。そして、このストライプメサ構造の両側面には、例えばＦｅがドープされたＩｎＰから成る半絶縁性領域が設けられている。
【００９１】
コンタクト層１４３上にはアノード電極１４４が設けられている。アノード電極１４４は、例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕによって構成され、コンタクト層１４３との間でオーミック接触を実現する。また、第１実施形態と同様に、半導体基板３の裏面上にはカソード電極９が設けられている。アノード電極１４４とカソード電極９とは、互いに協働して光導波層１４０に電流を注入する。
【００９２】
図１４は、半導体レーザ素子１Ｂから出力されるレーザ光の波長を制御するための制御系統を概略的に示すブロック図である。図１４に示すように、３つのフォトダイオード構造２２から取り出された光電流は、制御回路１８に提供される。制御回路１８は所定の演算を行い、冷却構造物５１に供給する電流Ｉｆを決定し、該電流Ｉｆを出力する。冷却構造物５１は、制御回路１８から提供された電流Ｉｆに応じた冷却能力を発揮し、ＤＦＢレーザ領域４０ａの温度を変化させる。これにより、光導波層１４０及び回折格子層１４１の屈折率が変化し、回折格子１４１ａの格子間隔が実質的に変化することで、ＤＦＢレーザ領域４０ａからの出力波長が制御されるので、経年変化等によるＤＦＢレーザ領域４０ａの出力波長の変動を抑えることができる。なお、制御回路１８における演算は、第１実施形態の制御回路１７と同様（図１１参照）であるため、詳細な説明を省略する。
【００９３】
本実施形態の半導体レーザ素子１Ｂによれば、第１実施形態の半導体レーザ素子１Ａと同様の効果が得られる。すなわち、半導体レーザ素子１Ｂは、第１実施形態と同じ波長モニタ領域２０を備えているので、モードホップや経年劣化により、或るリング共振器のＦＳＲに相当する波長分だけ出力波長が変動した場合であっても、別のリング共振器を通過した光の強度をモニタすることによって、波長の変動分を修正することができる。したがって、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂによれば、出力波長の変動が大きくなる場合であっても、出力波長を精度良くロックできる。また、本実施形態に係る半導体レーザ素子１Ｂでは、半導体レーザ領域４０及び波長モニタ領域２０が共通の半導体基板３上に設けられているので、従来の波長ロッカーの構造と比較して、更なる小型化が可能となる。
【００９４】
本発明による波長ロッカー集積型半導体レーザ素子は、上記した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記各実施形態では半導体基板及び各半導体層としてＩｎＰ系化合物半導体を例示したが、他のIII−Ｖ族化合物半導体や、その他の半導体であっても本発明の構成を好適に実現できる。また、上記各実施形態では第１及び第２の光導波路の構成としてメサストライプ構造のものを例示したが、リッジ型等、他の構造の光導波路であっても本発明の効果を好適に得ることができる。
【００９５】
また、上記各実施形態では、波長モニタ領域において第２の光導波路が３本に分岐され、うち２本の光導波路が第１のリング共振器を構成しているものを例示したが、第２の光導波路の分岐数は３本以上であれば特に制限されず、うち少なくとも２本の光導波路が第１のリング共振器を構成することによって、本発明の効果を好適に得ることができる。
【符号の説明】
【００９６】
１Ａ，１Ｂ…（波長ロッカー集積型）半導体レーザ素子、３…半導体基板、４…絶縁膜、９…カソード電極、１０，４０…半導体レーザ領域、１０ａ…利得領域、１０ｂ…ＤＢＲ領域、１０ｃ…増幅領域、１０ｄ…リング共振器領域、１０ｅ…位相調整領域、１０ｆ，４０ｂ…反射端面領域、１３…絶縁膜、１５…樹脂層、１７，１８…制御回路、１９…スイッチ回路、２０…波長モニタ領域、２１，２１１〜２１３…光導波路、２２…フォトダイオード構造、３０，５１，５２…冷却構造物、４０ａ…ＤＦＢレーザ領域、１０２…半絶縁性領域、１０５…ＡＲ膜、１１０，１２０，１３１，１４０…光導波層、１１２，１２２，１３２，１４２，２２２…上部クラッド層、１１３，１２３，１３３，１４３，２２３…コンタクト層、１１４，１１５，１２４，１３４，１３５，１４４，２２４…アノード電極、１２１，１４１…回折格子層、１２１ａ，１４１ａ…回折格子、１３１ｂ，２１１ｂ，２１３ｂ…リング状部分、１３７ａ，１３７ｂ…膜、２２０…光導波路、２２１…光吸収層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、利得導波路を含む第１の光導波路、及び前記第１の光導波路の屈折率より小さい屈折率を有し、前記第１の光導波路の光軸と交差することにより前記第１の光導波路の反射端面を構成する一対の膜を有する半導体レーザ領域と、
前記半導体レーザ領域と並んで前記半導体基板上に設けられ、前記一対の膜を介して前記第１の光導波路と光学的に結合された第２の光導波路を有する波長モニタ領域と
を備え、
前記波長モニタ領域において、前記第２の光導波路が３本以上の光導波路に分岐しており、前記３本以上の光導波路のうち少なくとも２本の光導波路が、波長−透過率特性の繰り返し周期が互いに異なる第１のリング共振器をそれぞれ構成しており、
前記波長モニタ領域が、光吸収層を有する３つ以上のフォトダイオード構造を含んでおり、
前記３本以上の光導波路のそれぞれが、前記３つ以上のフォトダイオード構造のそれぞれと光学的に結合されていることを特徴とする、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記少なくとも２本の光導波路によって構成される各第１のリング共振器のうち一の第１のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期が、他の一の第１のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期の２倍より長いことを特徴とする、請求項１に記載の波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記半導体レーザ領域が、
格子間隔が前記第１の光導波路の光導波方向に変化しており前記第１の光導波路に沿って形成された回折格子、及び前記第１の光導波路の光導波方向に並設された複数の電極を有し、前記利得導波路の一端側に設けられた光反射部と、
前記利得導波路の他端側に設けられ、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有する光透過部と、
前記第１の光導波路の光路長を能動的に制御するための位相調整部と
を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記光透過部が、前記第１の光導波路によって構成された第２のリング共振器を含むことを特徴とする、請求項３に記載の波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記半導体レーザ領域が分布帰還型レーザ構造を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記一対の膜が、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、及びベンゾシクロブテン樹脂のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられ、利得導波路を含む第１の光導波路、及び前記第１の光導波路の屈折率より小さい屈折率を有し、前記第１の光導波路の光軸と交差することにより前記第１の光導波路の反射端面を構成する一対の膜を有する半導体レーザ領域と、
前記半導体レーザ領域と並んで前記半導体基板上に設けられ、前記一対の膜を介して前記第１の光導波路と光学的に結合された第２の光導波路を有する波長モニタ領域と
を備え、
前記波長モニタ領域において、前記第２の光導波路が３本以上の光導波路に分岐しており、前記３本以上の光導波路のうち少なくとも２本の光導波路が、波長−透過率特性の繰り返し周期が互いに異なる第１のリング共振器をそれぞれ構成しており、
前記波長モニタ領域が、光吸収層を有する３つ以上のフォトダイオード構造を含んでおり、
前記３本以上の光導波路のそれぞれが、前記３つ以上のフォトダイオード構造のそれぞれと光学的に結合されていることを特徴とする、波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記少なくとも２本の光導波路によって構成される各第１のリング共振器のうち一の第１のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期が、他の一の第１のリング共振器における波長−透過率特性の繰り返し周期の２倍より長いことを特徴とする、請求項１に記載の波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記半導体レーザ領域が、
格子間隔が前記第１の光導波路の光導波方向に変化しており前記第１の光導波路に沿って形成された回折格子、及び前記第１の光導波路の光導波方向に並設された複数の電極を有し、前記利得導波路の一端側に設けられた光反射部と、
前記利得導波路の他端側に設けられ、所定の波長間隔でもって周期的に変化する波長−透過率特性を有する光透過部と、
前記第１の光導波路の光路長を能動的に制御するための位相調整部と
を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記光透過部が、前記第１の光導波路によって構成された第２のリング共振器を含むことを特徴とする、請求項３に記載の波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記半導体レーザ領域が分布帰還型レーザ構造を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記一対の膜が、ＳｉＯ２、ＳｉＮ、及びベンゾシクロブテン樹脂のうち少なくとも一つを含むことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の波長ロッカー集積型半導体レーザ素子。
【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１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１１−３５９１（Ｐ２０１１−３５９１Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４３３５７（Ｐ２００９−１４３３５７）
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【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２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１６日（２００９．６．１６）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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