JP2008288352A - Semiconductor laser and semiconductor waveguide element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser and a semiconductor waveguide element, wherein the stability of an oscillation wavelength is enhanced with respect to a temperature change without developing a new material or combining any material except a semiconductor. <P>SOLUTION: The semiconductor laser comprises a waveguide in which a gain region which is an active region for obtaining at least one or more gains and a phase control region for adjusting at least one or more oscillation wavelengths are series-connected and integrated. The semiconductor laser further comprises an electrode for injecting a current on the gain region to flow a part of a current injected on the gain region from this electrode into the phase control region also. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体レーザ及び半導体導波路素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor laser and a semiconductor waveguide device.

一般的に、半導体レーザの発振波長、閾値電流および出力効率は、周囲温度および素子温度に依存し変化する。例えば、一般的な分布帰還型（ＤＦＢ）レーザの発振波長の温度依存性は０．１ｎｍ／Ｋ程度である。これは、ＤＦＢレーザを構成する半導体の屈折率（ｎ）が温度依存性を持ち、これにより回折格子のブラッグ波長（λＢ）が下記式（１）に示す、
ｍλＢ＝２ｎΛ ・・・（１）
に従って変化するためである。ここで、ｍは回折の次数、Λは回折格子の周期である。 In general, the oscillation wavelength, threshold current, and output efficiency of a semiconductor laser vary depending on the ambient temperature and element temperature. For example, the temperature dependence of the oscillation wavelength of a general distributed feedback (DFB) laser is about 0.1 nm / K. This is because the refractive index (n) of the semiconductor constituting the DFB laser has temperature dependence, and the Bragg wavelength (λB) of the diffraction grating is expressed by the following formula (1).
mλB = 2nΛ (1)
It is because it changes according to. Here, m is the order of diffraction, and Λ is the period of the diffraction grating.

現在、半導体レーザの材料として用いられているＩｎＰ系やＧａＡｓ系の半導体では、温度上昇に伴い屈折率が大きくなる。このため、ＩｎＰ系やＧａＡｓ系の半導体を用いたレーザにおいて、発振波長は、温度上昇と共に長波長側に変化していく。また、閾値電流は、通常、温度上昇に伴って大きくなり、出力効率は低下する。したがって、ある一定の出力を得る場合、温度が上昇すると必要な電流値は大きくなる。   Currently, InP-based and GaAs-based semiconductors used as semiconductor laser materials have a higher refractive index as the temperature rises. For this reason, in a laser using an InP-based or GaAs-based semiconductor, the oscillation wavelength changes to the longer wavelength side as the temperature rises. In addition, the threshold current usually increases as the temperature rises, and the output efficiency decreases. Therefore, in order to obtain a certain output, the necessary current value increases as the temperature rises.

例えば、光ファイバ通信の光源として半導体レーザを用いる場合、特に、いくつかの異波長光の信号を１本のファイバに多重化して伝送する波長多重通信（ＷＤＭ）を行う場合など信号光波長の精度が重要である場合には、発光源である半導体レーザの発振波長を、温度に依存することなく安定化することが必要不可欠である。このため、例えば、ペルチェ素子を用い温度制御を行う必要があるが、素子構造や制御の複雑化、消費電力の増加などが問題となる。   For example, when using a semiconductor laser as a light source for optical fiber communication, especially when performing wavelength division multiplexing (WDM) in which several different wavelength light signals are multiplexed and transmitted on one fiber, the accuracy of the signal light wavelength When is important, it is essential to stabilize the oscillation wavelength of the semiconductor laser, which is the light source, without depending on temperature. For this reason, for example, it is necessary to perform temperature control using a Peltier element, but there are problems such as a complicated element structure and control, and an increase in power consumption.

ペルチェ素子などによる温度制御を用いずに発振波長の温度依存性を安定させる方法は、大きく分類して２つの方法が考えられる。上記方法の１つとして、例えば、下記特許文献１には、従来とは異なる、屈折率の温度依存性の小さい半導体材料を開発することが記載されている。すなわち、下記特許文献１に記載の方法は、半導体のみの構成により温度依存性を低減する方法である。   The methods for stabilizing the temperature dependence of the oscillation wavelength without using temperature control by a Peltier element or the like can be roughly classified into two methods. As one of the above-described methods, for example, Patent Document 1 described below describes the development of a semiconductor material that is different from the conventional one and has a small refractive index temperature dependency. In other words, the method described in Patent Document 1 below is a method for reducing temperature dependence by a configuration of only a semiconductor.

また、上記方法のもう１つの方法として、例えば、下記特許文献２には、半導体レーザと半導体以外の材料よりなる外部導波路を組み合わせたレーザが記載されている。さらに、下記特許文献３には、半導体とこの半導体とは逆の屈折率温度依存性を有する半導体以外の材料を交互に縦列接続した構成が記載されている。すなわち、下記特許文献２，３に記載の方法は、半導体と半導体以外の材料による複合構成により温度依存性を低減する方法である。   Moreover, as another method of the above method, for example, Patent Document 2 below describes a laser in which a semiconductor laser and an external waveguide made of a material other than a semiconductor are combined. Further, Patent Document 3 below describes a configuration in which a semiconductor and a material other than a semiconductor having a refractive index temperature dependency opposite to that of the semiconductor are alternately connected in cascade. That is, the methods described in Patent Documents 2 and 3 below are methods for reducing temperature dependency by a composite configuration using a semiconductor and a material other than the semiconductor.

一方、半導体の屈折率は、温度以外でも電流注入により変化する。これを用いた波長可変な半導体レーザが多数開発されている。例えば、下記特許文献４によれば、少なくとも一方が利得と波長選択性を持つ２つの反射領域に挟まれた位相調整領域に電流を注入することにより、位相調整領域の導波路コアの屈折率を変化させ波長を変化させている。ＩｎＰ系やＧａＡｓ系などの通常用いられている半導体に電流注入すると、屈折率は小さくなる方向に変化する。これにより光学長（光路長）が短くなり、共振器長が短くなるため発振波長は短波長側に変化する。   On the other hand, the refractive index of a semiconductor changes due to current injection even at other than temperature. Many tunable semiconductor lasers using this have been developed. For example, according to Patent Document 4 below, by injecting current into a phase adjustment region sandwiched between two reflection regions, at least one of which has gain and wavelength selectivity, the refractive index of the waveguide core in the phase adjustment region can be reduced. The wavelength is changed by changing. When current is injected into a commonly used semiconductor such as InP or GaAs, the refractive index changes in a decreasing direction. As a result, the optical length (optical path length) is shortened and the resonator length is shortened, so that the oscillation wavelength is changed to the short wavelength side.

このような波長可変な半導体レーザは各種報告されており、波長が連続的に変化するレーザとしては、後述する分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）を用いたレーザや、ｔｗｉｎ−ｇｕｉｄｅ（ＴＴＧ）ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ（ＤＦＢ）ｌａｓｅｒといった波長可変な半導体レーザなどがある。下記特許文献５では、分布活性ＤＦＢレーザが報告されている。   Various types of such tunable semiconductor lasers have been reported, and examples of lasers whose wavelengths change continuously include lasers using distributed Bragg reflection (DBR), which will be described later, and twin-guide (TTG) distributed feedback (DFB). ) There is a tunable semiconductor laser such as laser. In the following Patent Document 5, a distributed active DFB laser is reported.

波長が連続的に変化するレーザを用いた温度変化による波長変化を抑える波長制御技術として、下記特許文献６では、レーザの出力を一定に保つための帰還電流を、電流分配回路を用いて適当な割合で分割し、利得領域と波長制御領域に入力する方法が記述されている。   As a wavelength control technique for suppressing a change in wavelength due to a temperature change using a laser whose wavelength changes continuously, in Patent Document 6 below, a feedback current for keeping the output of the laser constant is appropriately set using a current distribution circuit. A method of dividing by a ratio and inputting the gain region and the wavelength control region is described.

下記特許文献６では、以下に述べる波長可変な半導体レーザを例として、波長制御を行う方法が記載されている。図６は、利得を有し、高結合係数の回折格子５３を備えた第１、第２のＤＦＢ領域５０，５１の間に、利得を持たない非活性層からなる位相シフト領域５２を持つ波長可変な半導体レーザの光導波路方向での断面図である。   In the following Patent Document 6, a method for performing wavelength control is described using a wavelength tunable semiconductor laser described below as an example. FIG. 6 shows a wavelength having a phase shift region 52 made of an inactive layer having no gain between the first and second DFB regions 50 and 51 having a gain and a diffraction grating 53 having a high coupling coefficient. It is sectional drawing in the optical waveguide direction of a variable semiconductor laser.

この従来の半導体レーザ５は半導体基板５４上に、下部ガイド層５５、活性層５６、上部ガイド層５７、クラッド５８が順次積層されている。また、上部ガイド層５７とクラッド５８との間には回折格子５３が形成されている。半導体基板５４の下部には下部電極５９が形成されており、この下部電極５９は第１および第２のＤＦＢ領域５０，５１並びに位相シフト領域５２において共通となっている。なお、下部電極２３は接地されている。   In this conventional semiconductor laser 5, a lower guide layer 55, an active layer 56, an upper guide layer 57, and a clad 58 are sequentially laminated on a semiconductor substrate 54. A diffraction grating 53 is formed between the upper guide layer 57 and the clad 58. A lower electrode 59 is formed below the semiconductor substrate 54, and the lower electrode 59 is common to the first and second DFB regions 50 and 51 and the phase shift region 52. The lower electrode 23 is grounded.

この従来の半導体レーザ５は、第１および第２のＤＦＢ領域５０，５１に電極６０から電流ＩDFBを注入することにより、活性層１５において利得が生じ発振状態に至る。また、位相シフト領域５２に電極６１から注入する制御電流Ｉphaseを調整することにより、位相シフト領域５２の屈折率を変化させ、波長を変化させることができる。 This conventional semiconductor laser 5, by injecting a current I DFB from the electrode 60 to the first and second DFB region 50 and 51, leading to oscillation state occurs gain in the active layer 15. Further, by adjusting the control current I phase injected from the electrode 61 into the phase shift region 52, the refractive index of the phase shift region 52 can be changed and the wavelength can be changed.

位相シフト領域５２に電流を注入するとキャリアプラズマ効果により位相シフト領域５２の屈折率は低下するため、共振器の有効共振器長が短くなることに相当し、発振波長は短波長にシフトする。第１、第２のＤＦＢ領域５０，５１の高結合係数の回折格子５３は、反射帯域（ストップバンド）を拡大し、波長変化時にも反射率を大きく保つことができる。この従来の半導体レーザ５の場合、発振波長は、ストップバンド内で位相シフト量により変化することになる。   When current is injected into the phase shift region 52, the refractive index of the phase shift region 52 decreases due to the carrier plasma effect, which corresponds to a reduction in the effective resonator length of the resonator, and the oscillation wavelength shifts to a short wavelength. The diffraction grating 53 with a high coupling coefficient in the first and second DFB regions 50 and 51 can expand the reflection band (stop band) and keep the reflectance high even when the wavelength changes. In the case of this conventional semiconductor laser 5, the oscillation wavelength varies depending on the phase shift amount within the stop band.

特開平１１−８４３２号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-8432 特開２００２−１９０６４３号公報JP 2002-190643 A 特開２００２−１４２４７号公報JP 2002-14247 A 特開２００４−２７３６４４号公報JP 2004-273644 A 特許３２３７７３３号公報Japanese Patent No. 3237733 特開２００６−３３２３７５号公報JP 2006-332375 A

しかしながら、半導体レーザに用いる新しい半導体材料を開発することは、結晶成長や素子形成上の理由等から非常に困難である。
一方、半導体レーザを半導体以外の材料と組み合わせる場合、光軸調整が必要など簡便性に問題がある。また、製作方法が半導体基板上に有機材料をスピンコートするなど簡便な製作方法であったとしても、例えば、半導体と有機材料を交互に縦列接続して分布反射器とするような場合は、優れた特性の得られる１次の回折格子を作製するために半導体と有機材料を１／４波長程度の長さで交互に並べる必要がある。従って、加工の難易度、および、信頼性に大きな問題が残る。 However, it is very difficult to develop a new semiconductor material used for a semiconductor laser for reasons such as crystal growth and device formation.
On the other hand, when a semiconductor laser is combined with a material other than a semiconductor, there is a problem in simplicity, such as the need to adjust the optical axis. Moreover, even if the manufacturing method is a simple manufacturing method such as spin coating of an organic material on a semiconductor substrate, for example, when a semiconductor and an organic material are alternately connected in cascade to form a distributed reflector, it is excellent. In order to produce a first-order diffraction grating capable of obtaining the above characteristics, it is necessary to alternately arrange a semiconductor and an organic material with a length of about ¼ wavelength. Therefore, a big problem remains in the difficulty of processing and reliability.

また、半導体レーザと半導体以外の材料との組み合わせ方が容易な方法であったとしても、異なる材料を組み合わせる分、半導体のみで製作した半導体レーザよりもプロセスが煩雑になる。   Even if the method of combining a semiconductor laser and a material other than a semiconductor is easy, the process becomes more complicated than a semiconductor laser manufactured using only a semiconductor because of the combination of different materials.

また、電流を電流分配回路を用いて適当な割合に分割し、この分割した電流を利得領域と波長制御領域に入力する方法の場合、出力を一定に保つ帰還回路とは別に、電流分配のための回路が必要になるという問題がある。   In addition, in the method of dividing the current into an appropriate ratio using a current distribution circuit and inputting the divided current into the gain region and the wavelength control region, the current distribution is performed separately from the feedback circuit that keeps the output constant. There is a problem that this circuit is required.

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、新しい材料の開発や半導体以外の材料と組み合わせることなく、温度変化に対して、発振波長の安定性を向上する半導体レーザ及び半導体導波路素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of these problems. A semiconductor laser and a semiconductor laser that improve the stability of an oscillation wavelength against a temperature change without developing a new material or combining it with a material other than a semiconductor. An object is to provide a waveguide element.

上記の課題を解決するための第１の発明に係る半導体レーザは、
少なくとも一つ以上の利得を得るための活性領域である利得領域と、
少なくとも一つ以上の発振波長を調整するための位相制御領域と
を直列に接続して集積した導波路を備える半導体レーザであって、
前記利得領域上に電流を注入するための電極を備え、
該電極から前記利得領域へ注入した電流の一部が前記位相制御領域にも流入する
ことを特徴とする。 A semiconductor laser according to a first invention for solving the above-described problems is as follows.
A gain region that is an active region for obtaining at least one gain;
A semiconductor laser including a waveguide integrated by connecting in series with a phase control region for adjusting at least one oscillation wavelength,
An electrode for injecting current over the gain region;
A part of the current injected from the electrode to the gain region also flows into the phase control region.

上記の課題を解決するための第２の発明に係る半導体レーザは、第１の発明に係る半導体レーザにおいて、
前記電極が前記位相制御領域上に延設される
ことを特徴とする。 A semiconductor laser according to a second invention for solving the above problem is the semiconductor laser according to the first invention.
The electrode is extended on the phase control region.

上記の課題を解決するための第３の発明に係る半導体レーザは、第１の発明又は第２の発明に係る半導体レーザにおいて、
前記電極から注入する電流により発光波長と出力を制御する
ことを特徴とする。 A semiconductor laser according to a third invention for solving the above-described problems is the semiconductor laser according to the first invention or the second invention.
The emission wavelength and output are controlled by the current injected from the electrode.

上記の課題を解決するための第４の発明に係る半導体レーザは、第１の発明から第３の発明のいずれかひとつに係る半導体レーザにおいて、
前記位相制御領域上の前記電極が、抵抗により構成されたバイパス手段を介して半導体レーザ下部の下部電極と接続されているか、又は接地されている
ことを特徴とする。 A semiconductor laser according to a fourth invention for solving the above-described problem is the semiconductor laser according to any one of the first to third inventions,
The electrode on the phase control region is connected to a lower electrode below the semiconductor laser or is grounded via a bypass means constituted by a resistor.

上記の課題を解決するための第５の発明に係る半導体レーザは、第４の発明に係る半導体レーザにおいて、
前記バイパス手段が、抵抗以外の素子又は抵抗と抵抗以外の素子との組合せによる回路により構成される
ことを特徴とする。 A semiconductor laser according to a fifth aspect of the present invention for solving the above problem is the semiconductor laser according to the fourth aspect of the present invention.
The bypass means is constituted by a circuit composed of an element other than a resistor or a combination of a resistor and an element other than a resistor.

上記の課題を解決するための第５の発明に係る半導体導波路素子は、
第１の発明から第５の発明のいずれかひとつに記載の半導体レーザが、ルテニウムをドーピングした半絶縁性の電流ブロック層を備える
ことを特徴とする。 A semiconductor waveguide device according to a fifth invention for solving the above-described problems is
A semiconductor laser according to any one of the first to fifth aspects includes a semi-insulating current blocking layer doped with ruthenium.

本発明によれば、新しい半導体材料や、半導体以外の材料と組み合わせることなく、これまでに加工技術が確立されている半導体のみを用い、発振波長の観測や温度観測することなしに、発振波長が温度変化に対して安定な半導体レーザ、および、発振波長の温度変化を制御可能な半導体レーザを提供することができる。   According to the present invention, without combining with a new semiconductor material or a material other than a semiconductor, using only a semiconductor for which processing technology has been established so far, the oscillation wavelength can be reduced without observing the oscillation wavelength or observing the temperature. It is possible to provide a semiconductor laser that is stable with respect to temperature changes and a semiconductor laser that can control the temperature change of the oscillation wavelength.

以下、本発明に係る半導体レーザ及び半導体導波路素子の各種の実施形態について図１から図７を用いて説明する。なお、図１は本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図、図２は第１の実施形態に係る半導体レーザにおいて、温度をＴ0からＴ2まで変化させたときに、素子の発光波長と出力が一定になるように変化させたＩDFBとＩphaseを示した図、図３は本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図、図４は本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図、図５は本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図、図６は従来の半導体レーザの光導波路方向での断面図、図７は従来の半導体レーザの電流−光出力特性を示した図である。 Various embodiments of a semiconductor laser and a semiconductor waveguide device according to the present invention will be described below with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention in the direction of the optical waveguide. FIG. 2 shows the semiconductor laser according to the first embodiment with the temperature changed from T 0 to T 2. FIG. 3 is a diagram showing I DFB and I phase changed so that the emission wavelength and output of the element are constant, and FIG. 3 is a diagram in the direction of the optical waveguide of the semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention. FIG. 4 is a sectional view of a semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention in the direction of the optical waveguide, and FIG. 5 is a sectional view of the semiconductor laser according to the fourth embodiment of the present invention in the direction of the optical waveguide. FIG. 6 is a cross-sectional view of the conventional semiconductor laser in the optical waveguide direction, and FIG. 7 is a diagram showing current-light output characteristics of the conventional semiconductor laser.

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図である。図６に示す従来の半導体レーザ５では、利得領域である第１および第２のＤＦＢ領域５０，５１と、波長制御を行う位相シフト領域５２上に、電極６０，６１がそれぞれ別々に設けられていたが、図１示す本実施形態に係る半導体レーザ１では、位相シフト領域１９上の電極を無くし、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２上の電極２１，２２を位相シフト領域１９上にまで延ばして設置している。 [First Embodiment]
FIG. 1 is a cross-sectional view of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention in the optical waveguide direction. In the conventional semiconductor laser 5 shown in FIG. 6, electrodes 60 and 61 are separately provided on the first and second DFB regions 50 and 51 which are gain regions and the phase shift region 52 which performs wavelength control. However, in the semiconductor laser 1 according to the present embodiment shown in FIG. 1, the electrodes on the phase shift region 19 are eliminated, and the electrodes 21 and 22 on the first and second DFB regions 11 and 12 are placed on the phase shift region 19. It is installed to extend.

以下、本実施形態に係る半導体レーザ１の構造について詳細に説明する。半導体レーザ１の両側部の第１の分布帰還（ＤＦＢ）領域１１および第２の分布帰還（ＤＦＢ）領域１２においては、ＩｎＰにより形成された半導体基板１３上に、ＧａＩｎＡｓＰにより形成された下部ガイド層１４、ＧａＩｎＡｓＰにより形成された活性層１５、ＧａＩｎＡｓＰにより形成された上部ガイド層１６、ＩｎＰにより形成されたクラッド１７が順次積層されている。また、上部ガイド層１６とクラッド１７との間には回折格子１８が形成されている。なお、本実施形態では、活性層１５は、波長１．５５μｍの光に対して利得を持つＧａＩｎＡｓＰにより形成した。また、本実施形態では、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２の回折格子１８の結合係数は３００ｃｍ-1程度である。 Hereinafter, the structure of the semiconductor laser 1 according to the present embodiment will be described in detail. In the first distributed feedback (DFB) region 11 and the second distributed feedback (DFB) region 12 on both sides of the semiconductor laser 1, a lower guide layer formed of GaInAsP on a semiconductor substrate 13 formed of InP. 14, an active layer 15 formed of GaInAsP, an upper guide layer 16 formed of GaInAsP, and a clad 17 formed of InP are sequentially stacked. A diffraction grating 18 is formed between the upper guide layer 16 and the clad 17. In the present embodiment, the active layer 15 is formed of GaInAsP having a gain with respect to light having a wavelength of 1.55 μm. In the present embodiment, the coupling coefficient of the diffraction grating 18 in the first and second DFB regions 11 and 12 is about 300 cm −1 .

半導体レーザ１中央部の位相シフト領域１９（位相制御領域とも呼ぶ）では、半導体基板１３上にＧａＩｎＡｓＰにより形成された非活性層２０、クラッド１７が積層されている。なお、本実施形態では、非活性層２０は、バンドギャップ波長１．４μｍのＧａＩｎＡｓＰにより形成した。   In a phase shift region 19 (also referred to as a phase control region) at the center of the semiconductor laser 1, an inactive layer 20 made of GaInAsP and a clad 17 are stacked on a semiconductor substrate 13. In the present embodiment, the inactive layer 20 is formed of GaInAsP having a band gap wavelength of 1.4 μm.

本実施形態に係る半導体レーザ１では、位相シフト領域１９は第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２により挟まれるように形成されており、位相シフト領域１９と第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２とは連続に形成されている。ここで、第１のＤＦＢ領域１１の長さをＬDFB1、第２のＤＦＢ領域１２の長さをＬDFB2、位相シフト領域１９の長さはＬshiftとする。なお、本実施形態では、ＬDFB1およびＬDFB2は５０μｍ、Ｌshiftは１５μｍ程度である。 In the semiconductor laser 1 according to the present embodiment, the phase shift region 19 is formed so as to be sandwiched between the first and second DFB regions 11 and 12, and the phase shift region 19 and the first and second DFB regions 11. , 12 are formed continuously. Here, the length of the first DFB region 11 is L DFB1 , the length of the second DFB region 12 is L DFB2 , and the length of the phase shift region 19 is L shift . In this embodiment, L DFB1 and L DFB2 are about 50 μm, and L shift is about 15 μm.

半導体レーザ１の第１および第２ＤＦＢ領域１１，１２の上面には、電極２１，２２が形成されている。第１のＤＦＢ領域上１１の電極２１は、幅ｄ１だけ位相シフト領域１９上へ延びて設置されており、第２のＤＦＢ領域１２上の電極２２は、幅ｄ２だけ位相シフト領域１９上へ伸びて設置されている。ここで、これら両電極２１，２２の間隔はＷとする。   Electrodes 21 and 22 are formed on the upper surfaces of the first and second DFB regions 11 and 12 of the semiconductor laser 1. The electrode 21 on the first DFB region 11 extends on the phase shift region 19 by a width d1, and the electrode 22 on the second DFB region 12 extends on the phase shift region 19 by a width d2. Installed. Here, the interval between these electrodes 21 and 22 is W.

ＩｎＰにより形成された半導体基板１３の下部には下部電極２３が形成されており、この下部電極２３は第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２並びに位相シフト領域１９において共通となっている。なお、下部電極２３は接地されている。   A lower electrode 23 is formed below the semiconductor substrate 13 made of InP. The lower electrode 23 is common to the first and second DFB regions 11 and 12 and the phase shift region 19. The lower electrode 23 is grounded.

本実施形態に係る半導体レーザ１に用いる半導体材料に関しては、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰの組み合わせに限定されるものではなく、これら以外にも、ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓなど任意の材料について適用することが可能である。   The semiconductor material used for the semiconductor laser 1 according to the present embodiment is not limited to the combination of InP and GaInAsP, and besides these, any material such as InP, GaInAsP, GaInAs, GaAs, AlGaAs, and GaInNAs can be applied. Is possible.

また、半導体の結晶成長方法、すなわち積層方法についても特に制約を設けるものではなく、例えば、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｂｅａｍ ｅｐｉｔａｘｙ）、ＭＯＣＶＤ（ｍｅｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｅｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）等の方法を適用することが可能である。   Also, there are no particular restrictions on the semiconductor crystal growth method, that is, the stacking method, and for example, a method such as MBE (Molecular Beam Epitaxy) or MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor Deposition) can be applied.

また、活性層１５の形状としては、バルク、ＭＱＷ（多重量子井戸）、量子細線、量子ドットなどの形状を問わない。また、下部ガイド層１４および上部ガイド層１６は、一般的には分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ）、または光閉じ込め層などとも呼ばれるが、要求するレーザの特性に応じて、例えば、屈折率を階段状にしたり、段階的に変化させた傾斜屈折率（ＧＩ−）ＳＣＨとしたりしてもよい。   The shape of the active layer 15 may be any shape such as a bulk, MQW (multiple quantum well), quantum wire, or quantum dot. In addition, the lower guide layer 14 and the upper guide layer 16 are generally called a separated confinement heterostructure (SCH) or an optical confinement layer. Depending on the required laser characteristics, for example, the refractive index is stepped. Or a graded refractive index (GI-) SCH that is changed stepwise.

また、導波路構造についても、ｐｎ埋め込み構造、半絶縁埋め込み構造、リッジ構造、ハイメサ構造など、通常用いられている導波路構造を適用することが可能である。なお、半絶縁埋め込み構造の場合、ＦｅやＲｕ（ルテニウム）などをドーピングすることによって半絶縁体が得られる。これにより、半絶縁性の電流ブロック層を備える半導体導波路素子を得ることができる。ここで、Ｆｅをドーピングする場合、ｐ型ドーパントのＺｎと相互拡散が問題となるが、Ｒｕを用いることで相互拡散を抑制できるので、設計時に期待した通りの性能を得ることが可能となり、変調特性などを向上させることが可能となる。   Also for the waveguide structure, a commonly used waveguide structure such as a pn buried structure, a semi-insulating buried structure, a ridge structure, and a high mesa structure can be applied. In the case of a semi-insulating embedded structure, a semi-insulating material can be obtained by doping Fe, Ru (ruthenium) or the like. Thereby, a semiconductor waveguide element provided with a semi-insulating current blocking layer can be obtained. Here, when Fe is doped, interdiffusion with the p-type dopant Zn becomes a problem, but the use of Ru can suppress interdiffusion, so that the performance as expected at the time of design can be obtained, and modulation is performed. It becomes possible to improve characteristics and the like.

位相制御領域１９のコア層の形成方法に関しても特に制約は無く、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２が位相シフト領域１９のどちらかを成長した後に、エッチングして溝部に再成長するいわゆるパッドジョイント法や、マスクをして成長領域を規制した選択成長法等の方法を適用することが可能である。   The method for forming the core layer in the phase control region 19 is not particularly limited, and after the first and second DFB regions 11 and 12 grow either one of the phase shift regions 19, etching is performed to re-grow into the groove. It is possible to apply methods such as a pad joint method and a selective growth method in which a growth region is regulated by using a mask.

図１では、回折格子１８が活性層１５の上部の上部ガイド層１６に形成されているが、活性層１５の下部の下部ガイド層１４と半導体基板１３との境界に形成したりしても良く、活性層１５自体を周期的に加工してもよい。すなわち、波長選択性を持つ反射領域となっていればよい。   In FIG. 1, the diffraction grating 18 is formed in the upper guide layer 16 above the active layer 15, but it may be formed at the boundary between the lower guide layer 14 below the active layer 15 and the semiconductor substrate 13. The active layer 15 itself may be processed periodically. That is, it is sufficient that the reflection region has wavelength selectivity.

図１の半導体レーザ１は、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２に電流ＩDFBを注入することにより、活性層１５において利得が生じ発振状態に至る。第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２には回折格子１８が形成されているため、ある特定の波長域の光のみ強い反射がおき、半導体レーザ１の両側部の第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２に反射した光の位相が合う波長で光が強め合うため発振が起きる。強い反射が起きる波長域を透過できない波長域という意味でストップバンドと呼ぶ。 In the semiconductor laser 1 of FIG. 1, by injecting a current IDFB into the first and second DFB regions 11 and 12, a gain is generated in the active layer 15 and an oscillation state is reached. Since the diffraction grating 18 is formed in the first and second DFB regions 11 and 12, only light in a specific wavelength region is strongly reflected, and the first and second DFBs on both sides of the semiconductor laser 1 are present. Oscillation occurs because the light intensifies at a wavelength that matches the phase of the light reflected by the regions 11 and 12. It is called a stop band in the sense that it cannot transmit the wavelength range where strong reflection occurs.

第１のＤＦＢ領域１１からの、ストップバンドの波長域を有する第１の光と、第２のＤＦＢ領域１２からの、ストップバンドの波長域を有する第２の光とが、位相シフト領域１９において干渉し、それら光のうち、強め合う波長の光が発振することになる。このとき、強め合う光の波長（発振波長）は、位相シフト領域１９の長さ、すなわち、ＧａＩｎＡｓＰコア層の光路長によって制御できる。この光路長は、ＧａＩｎＡｓＰコア層の屈折率により制御することができる。   The first light having the stopband wavelength region from the first DFB region 11 and the second light having the stopband wavelength region from the second DFB region 12 are in the phase shift region 19. Interfering light of those wavelengths will oscillate. At this time, the wavelength of the intensifying light (oscillation wavelength) can be controlled by the length of the phase shift region 19, that is, the optical path length of the GaInAsP core layer. This optical path length can be controlled by the refractive index of the GaInAsP core layer.

図６に示す従来の半導体レーザ５においては、位相シフト領域５２に注入する制御電流Ｉphaseを調整することにより位相シフト領域５２の屈折率を変化させ、ストップバンドの中で発振波長を調整している。 In the conventional semiconductor laser 5 shown in FIG. 6, the refractive index of the phase shift region 52 is changed by adjusting the control current I phase injected into the phase shift region 52, and the oscillation wavelength is adjusted in the stop band. Yes.

一方、図１に示す本実施形態に係る半導体レーザ１においては、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２に電極２１，２２が形成されており、これら電極２１，２２が位相シフト領域１９上に延びて設置されているため、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２へ注入した電流の一部が位相シフト領域へ漏れる構造となっている。従って、ＩDFBを増加させると、位相シフト領域１９への電流量も増加することになる。 On the other hand, in the semiconductor laser 1 according to the present embodiment shown in FIG. 1, the electrodes 21 and 22 are formed in the first and second DFB regions 11 and 12, and these electrodes 21 and 22 are on the phase shift region 19. Therefore, a part of the current injected into the first and second DFB regions 11 and 12 leaks to the phase shift region. Therefore, when I DFB is increased, the amount of current to the phase shift region 19 is also increased.

ここで、半導体レーザのアサーマル動作について説明する。周囲の環境変化および半導体レーザ自体の発熱により半導体レーザの動作温度が上昇すると、一般的にＩｎＰやＧａＡｓなどの通常の光デバイスに用いられている半導体においては屈折率が上昇する。そのため、回折格子で選択される波長すなわちブラッグ波長も長波長に変化することになる。   Here, the athermal operation of the semiconductor laser will be described. When the operating temperature of the semiconductor laser rises due to changes in the surrounding environment and the heat generated by the semiconductor laser itself, the refractive index of a semiconductor generally used in ordinary optical devices such as InP and GaAs increases. Therefore, the wavelength selected by the diffraction grating, that is, the Bragg wavelength also changes to a long wavelength.

光ファイバ通信で使用されているＩｎＰ系のＤＦＢレーザの場合、温度変化による波長変化は０．１ｎｍ／℃程度である。つまり、回折格子で選択されるブラッグ波長が０．１ｎｍ／℃の温度依存性を持つ。図１に示した本実施形態に係る半導体レーザ１においては、温度上昇によって第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２における高反射波長域すなわちストップバンドが長波長側に移動していくことになる。   In the case of an InP-based DFB laser used in optical fiber communication, a wavelength change due to a temperature change is about 0.1 nm / ° C. That is, the Bragg wavelength selected by the diffraction grating has a temperature dependency of 0.1 nm / ° C. In the semiconductor laser 1 according to the present embodiment shown in FIG. 1, the high reflection wavelength region, that is, the stop band in the first and second DFB regions 11 and 12 moves to the long wavelength side due to the temperature rise. .

本実施形態に係る半導体レーザ１では、１ｍＷ程度の光出力を得るために、室温でＩDFBを５０ｍＡ程度とする。光出力を１ｍＷ程度に保つように電流を調整すると、一般的な半導体レーザの発振波長では０．１ｎｍ／℃程度の温度依存性があるが、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２上の電極２１，２２を位相シフト領域１９上に延設してｄ１およびｄ２を５μｍ程度とした本実施形態に係る半導体レーザ１では、発振波長の温度依存性を０．０５ｎｍ／℃程度に低減することができた。 In the semiconductor laser 1 according to the present embodiment, in order to obtain a light output of about 1 mW, and 50mA about the I DFB at room temperature. When the current is adjusted so that the optical output is maintained at about 1 mW, the oscillation wavelength of a general semiconductor laser has a temperature dependency of about 0.1 nm / ° C., but on the first and second DFB regions 11 and 12. In the semiconductor laser 1 according to this embodiment in which the electrodes 21 and 22 are extended on the phase shift region 19 and d1 and d2 are about 5 μm, the temperature dependence of the oscillation wavelength is reduced to about 0.05 nm / ° C. I was able to.

一方、温度上昇に伴い半導体レーザの閾値電流は増加し、出力効率は低下することが知られている。図７は半導体レーザの電流−光出力特性を示した図である。図７に示す電流−光出力特性のように、どの動作温度であっても一定の光出力を得ようとする、いわゆるＡＰＣ（Ａｕｔｏ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ）動作の場合、Ｔ0，Ｔ1，Ｔ2と温度上昇するにしたがって必要な電流値はＩ0，Ｉ1，Ｉ2と増加することになる。 On the other hand, it is known that as the temperature rises, the threshold current of the semiconductor laser increases and the output efficiency decreases. FIG. 7 is a diagram showing current-light output characteristics of the semiconductor laser. In the case of a so-called APC (Auto power control) operation for obtaining a constant light output at any operating temperature as in the current-light output characteristics shown in FIG. 7, T 0 , T 1 , T 2 As the temperature rises, the necessary current values increase to I 0 , I 1 , and I 2 .

ＡＰＣ動作の場合、半導体レーザからの光出力をフォトダイオード（ＰＤ）などにより監視し、温度上昇で光出力が低下したら光出力を増加するように半導体レーザヘの注入電流を増加させる。すなわち、再び設定した光出力となるように半導体レーザに流す電流に帰還をかける。   In the case of the APC operation, the optical output from the semiconductor laser is monitored by a photodiode (PD) or the like, and the injection current to the semiconductor laser is increased so that the optical output is increased when the optical output decreases due to temperature rise. That is, feedback is applied to the current flowing through the semiconductor laser so that the light output is set again.

このとき、図１に示す本実施形態に係る半導体レーザ１を用いることにより、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２への電流が増えると同時に位相シフト領域１９への漏れ電流も増加するため、位相シフト量も変化し、発振波長はストップバンドの中を短波長側に移動する。従って、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２から位相シフト領域１９にはみ出した電極の長さｄ１およびｄ２を調整して、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２と位相シフト領域１９とに流れる電流量を適切に設定すれば、温度上昇によるブラッグ波長およびストップバンドの長波長化を、位相シフト量変化による短波長化により相殺し、発振波長の温度変化を抑制することが可能となる。   At this time, by using the semiconductor laser 1 according to the present embodiment shown in FIG. 1, the current to the first and second DFB regions 11 and 12 increases, and the leakage current to the phase shift region 19 also increases. The phase shift amount also changes, and the oscillation wavelength moves to the short wavelength side in the stop band. Therefore, by adjusting the lengths d1 and d2 of the electrodes protruding from the first and second DFB regions 11 and 12 to the phase shift region 19, the first and second DFB regions 11 and 12 and the phase shift region 19 If the amount of current flowing through is set appropriately, the increase in Bragg wavelength and stopband due to temperature rise can be offset by the shortening of wavelength due to change in the phase shift amount, and the temperature change in oscillation wavelength can be suppressed. .

位相シフト領域１９の屈折率変化が最も大きくなるのは、位相シフト領域１９に流れる電流が最も大きいときで、ｄ１およびｄ２の和がちょうど位相シフト領域と同じ長さＬshiftになるときである。つまり、両電極２１，２２の間隔Ｗが０になるときである。また、逆に、位相シフト領域１９の屈折率変化をあまり大きくしなくても良いときには、ｄ１およびｄ２を短くし、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２上から位相シフト領域１９上へのはみ出し量を小さくすればよい。 The change in the refractive index of the phase shift region 19 is the largest when the current flowing through the phase shift region 19 is the largest and the sum of d1 and d2 is exactly the same length L shift as the phase shift region. That is, the interval W between the electrodes 21 and 22 is zero. Conversely, when it is not necessary to make the refractive index change of the phase shift region 19 very large, d1 and d2 are shortened, and the phase shift region 19 is shifted from the first and second DFB regions 11 and 12 to the phase shift region 19. What is necessary is to reduce the amount of protrusion.

単純には下記式（２）に示す、
０≦Ｗ≦Ｌshift ・・・（２）
の範囲内でＷの値を適切に定めることで、ＩDFBの増加量に対する位相シフト量を設定することができる。実際には、ｄ１およびｄ２が負の値、すなわち、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２の領域長よりも短い電極２１，２２を備えていた場合であっても、電流量は小さいが漏れ電流が発生するため、位相シフト量をほとんど無くしたい場合には、ｄ１およびｄ２を負の値とすることが必要である。 Simply shown in equation (2) below,
0 ≦ W ≦ L shift (2)
The value of W is properly determined that within the scope of, it is possible to set the phase shift amount with respect to the amount of increase in I DFB. Actually, even when d1 and d2 are negative values, that is, when the electrodes 21 and 22 are shorter than the region lengths of the first and second DFB regions 11 and 12, the amount of current is small. Since leakage current is generated, d1 and d2 need to be negative values when it is desired to almost eliminate the phase shift amount.

いずれにせよ、位相シフト領域１９へ電流を注入するための独立した機構を備えず、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２に注入する電流の一部が位相シフト領域１９へも注入されることが特徴である。   In any case, an independent mechanism for injecting current into the phase shift region 19 is not provided, and part of the current injected into the first and second DFB regions 11 and 12 is also injected into the phase shift region 19. It is a feature.

ここで、本実施形態における第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２に流れるＩDFBと位相シフト領域に流れるＩphaseの温度依存性について説明する。この温度依存性を測定するために、図１に示す本実施形態に係る半導体レーザ１における位相シフト領域１９の電極２１，２２の幅ｄ１とｄ２とを合わせた電極幅Ｄ（＝ｄ１＋ｄ２）を位相シフト領域１９に有する半導体レーザ（図６の従来の半導体レーザに相当）を用意した。 Here, a description will be given of a temperature dependence of the I phase flowing through I DFB and the phase shift region that flows through the first and second DFB region 11 and 12 in this embodiment. In order to measure this temperature dependence, the electrode width D (= d1 + d2) obtained by adding the widths d1 and d2 of the electrodes 21 and 22 of the phase shift region 19 in the semiconductor laser 1 according to the present embodiment shown in FIG. A semiconductor laser (corresponding to the conventional semiconductor laser shown in FIG. 6) in the shift region 19 was prepared.

図２は、温度をＴ0からＴ2まで変化させたときに、半導体レーザの発光波長と出力が一定になるように変化させたＩDFBとＩphaseを示した図である。Ｔ1からＴ2の広範囲の温度においてＩDFBとＩphaseが一定の比率（ＩDFB／Ｉphase）をもって変化することがわかる。ＩDFBとＩphaseは第１および第２のＤＦＢ領域５０，５１（図６参照）の電極６０の面積と位相シフト領域５２（図６参照）の電極６１の面積に依存する。 FIG. 2 is a diagram showing I DFB and I phase changed so that the emission wavelength and output of the semiconductor laser become constant when the temperature is changed from T 0 to T 2 . It can be seen that I DFB and I phase change with a constant ratio (I DFB / I phase ) over a wide range of temperatures from T 1 to T 2 . I DFB and I phase depend on the area of the electrode 60 in the first and second DFB regions 50 and 51 (see FIG. 6) and the area of the electrode 61 in the phase shift region 52 (see FIG. 6).

したがって、図１の素子において、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２上の電極２１，２２の面積（すなわち電極幅）と位相シフト領域１９上の電極２１，２２の面積（すなわち電極幅ｄ１＋ｄ２）の比率が上述の一定の比率（ＩDFB／Ｉphase）となるように決定すれば、位相シフト領域１９に延設した第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２上の電極２１，２２のみによって温度変化に対する半導体レーザ１の発光波長と出力を一定に制御することが可能であることがわかる。 Therefore, in the element shown in FIG. 1, the areas of the electrodes 21 and 22 on the first and second DFB regions 11 and 12 (that is, the electrode width) and the areas of the electrodes 21 and 22 on the phase shift region 19 (that is, the electrode width d1 + d2). ) Of the electrodes 21 and 22 on the first and second DFB regions 11 and 12 extending to the phase shift region 19 is determined so as to be the above-mentioned constant ratio (I DFB / I phase ). It can be seen that the emission wavelength and output of the semiconductor laser 1 with respect to temperature change can be controlled to be constant.

本実施形態に係る半導体レーザ１によれば、通信においてよく用いられるＡＰＣ動作を行うだけで、波長の安定化も同時に行うことができる。このため、従来の半導体レーザのように電流分岐のための新たな外部回路なども必要なく、外見上はＤＦＢ領域への電流注入を行うだけでよい。   According to the semiconductor laser 1 according to the present embodiment, the wavelength can be stabilized at the same time only by performing the APC operation often used in communication. Therefore, there is no need for a new external circuit for current branching as in the conventional semiconductor laser, and it is only necessary to inject current into the DFB region.

また、図６に示す従来の半導体レーザ５では、ＩDFBとＩphaseを独立して注入することを想定しているため、通常は第１および第２のＤＦＢ領域５０，５１と位相シフト領域５２との間の相互漏れ電流を抑制するために分離溝を形成する。これに対し、本実施形態に係る半導体レーザ１では、ＩDFBが位相シフト領域１９に漏れることを利用しているので、第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２と位相シフト領域１９の間に分離溝を形成する必要がなく、製作工程の簡素化にもなる。 Further, in the conventional semiconductor laser 5 shown in FIG. 6, since it is assumed that I DFB and I phase are injected independently, normally, the first and second DFB regions 50 and 51 and the phase shift region 52 are used. In order to suppress the mutual leakage current between them, a separation groove is formed. In contrast, in the semiconductor laser 1 according to the present embodiment, the fact that I DFB leaks to the phase shift region 19 is used, and therefore, between the first and second DFB regions 11 and 12 and the phase shift region 19. It is not necessary to form a separation groove, and the manufacturing process is simplified.

また、従来の半導体レーザでは、温度を一定に保つためには、通常はペルチェ素子などを用いるが、本実施形態に係る半導体レーザ１では温度を一定にする必要もないため、ペルチェ素子等を導入しなくともよく、費用削減を図ることが可能となる。   Further, in order to keep the temperature constant in the conventional semiconductor laser, a Peltier element or the like is usually used. However, in the semiconductor laser 1 according to the present embodiment, since the temperature does not need to be constant, a Peltier element or the like is introduced. It is not necessary to reduce the cost.

さらに、本実施形態に係る半導体レーザ１は、素子自体の劣化による動作電流上昇時の発熱による発振波長の長波長化を補償することにも適用可能である。半導体レーザ１の使用により素子自体が劣化すると、使用初期と同じ出力を得るためには動作電流が上昇することになるが、動作電流の増加により発熱量も増加するため、熱により屈折率が上昇し発振波長が長波長化する。   Furthermore, the semiconductor laser 1 according to the present embodiment can also be applied to compensate for the increase in the oscillation wavelength due to heat generation when the operating current increases due to deterioration of the element itself. If the device itself deteriorates due to the use of the semiconductor laser 1, the operating current will increase to obtain the same output as the initial stage of use, but the amount of heat generated will increase as the operating current increases, so the refractive index will increase due to heat. The oscillation wavelength becomes longer.

このような場合、本実施形態に係る半導体レーザ１において、ＩDFBの増加時には、同時に位相シフト領域１９への電流も増加するため、発振波長が短波長化し、発熱による長波長化を打ち消す方向に働く。すなわち、従来の半導体レーザに比べて、素子自体の劣化による波長の長波長化を抑制することが可能となる。 In such a case, in the semiconductor laser 1 according to the present embodiment, when I DFB increases, the current to the phase shift region 19 also increases at the same time, so that the oscillation wavelength is shortened and the lengthening due to heat generation is canceled. work. That is, it is possible to suppress an increase in wavelength due to deterioration of the element itself as compared with a conventional semiconductor laser.

なお、本実施形態に係る半導体レーザ１では、実効共振器長、つまり、回折格子１８の有効長と位相シフト領域１８長の和の逆数で決まる縦モードが、ストップバンド内に２個以下となるような縦モード間隔になるように設定する。このようにすれば、ストップバンド内に１つしか縦モードが無ければ単一モード発振になるが、縦モードがストップバンド内に２つある場合であってもストップバンド幅程度のモード間隔があれば、バランスによってどちらかが選択され単一モードとなるために使用することができる。なお、縦モード間隔は、位相シフト領域１９長を短くすると広くすることができるが、屈折率と長さの積である光学長を大きく変化させるためには、位相シフト領域１９長が長い方が良い。   In the semiconductor laser 1 according to the present embodiment, the effective resonator length, that is, the longitudinal mode determined by the reciprocal of the sum of the effective length of the diffraction grating 18 and the length of the phase shift region 18 is two or less in the stop band. Set the vertical mode interval to In this way, single mode oscillation occurs if there is only one longitudinal mode in the stop band. However, even if there are two longitudinal modes in the stop band, there is a mode interval of about the stop bandwidth. For example, either one is selected according to the balance and can be used to become a single mode. The longitudinal mode interval can be widened by shortening the length of the phase shift region 19, but in order to greatly change the optical length, which is the product of the refractive index and the length, the longer the phase shift region 19 length. good.

さらに、ストップバンドの幅を広くすることで波長可変幅、すなわち温度補償範囲を広げることができる。本実施形態では、結合係数３００ｃｍ-1の回折格子１８を用いることでストップバンドを広げており、この場合、Ｌshiftはおよそ３０μｍ以下であれば良い。また、波長可変幅が狭くても良い場合、例えば、５、６ｎｍ程度のストップバンド幅で良い場合、２００ｃｍ-1程度の回折格子１８で十分であり、その場合であれば、Ｌshiftの長さも５０μｍ程度まで伸ばすことができる。 Furthermore, by increasing the width of the stop band, the wavelength variable width, that is, the temperature compensation range can be expanded. In the present embodiment, the stop band is widened by using the diffraction grating 18 having a coupling coefficient of 300 cm −1 , and in this case, L shift may be approximately 30 μm or less. Further, when the wavelength variable width may be narrow, for example, when a stop band width of about 5 or 6 nm is sufficient, a diffraction grating 18 of about 200 cm −1 is sufficient. In this case, the length of L shift is also sufficient. It can be extended to about 50 μm.

〔第２の実施形態〕
図３は、本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図である。図３に示す第２の実施形態は第１の実施形態の半導休レーザ素子１０の位相シフト領域部分で高反射膜２４により折り返した構造となっており、ＤＦＢ領域２５と位相シフト領域１９から構成される。ＤＦＢ領域２５は主に電流注入により利得を生じさせる。位相シフト領域１９では、電流注入により主に波長が変化する。 [Second Embodiment]
FIG. 3 is a cross-sectional view of the semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention in the direction of the optical waveguide. The second embodiment shown in FIG. 3 has a structure in which the phase shift region portion of the semiconductor laser element 10 of the first embodiment is folded by the high reflection film 24, and the DFB region 25 and the phase shift region 19 Composed. The DFB region 25 generates a gain mainly by current injection. In the phase shift region 19, the wavelength mainly changes due to current injection.

ＤＦＢ領域２５上の電極２６は位相シフト領域１９上に延設されており、ＤＦＢ領域２５に流す電流の一部が位相シフト領域１９に流入するようになっている。なお、本実施形態に係る半導休レーザ素子２は、層構造等については第１の実施形態と同様であるためここでの説明は省略する。なお、本実施形態では、ＬDFBは１００μｍ程度、Ｌshiftは２０μｍ程度、回折格子１８の結合係数は２００ｃｍ-1程度、高反射膜２４の反射率は９５％程度、ｄは７μｍ程度とした。 The electrode 26 on the DFB region 25 is extended on the phase shift region 19 so that a part of the current flowing in the DFB region 25 flows into the phase shift region 19. Note that the semiconductor laser element 2 according to the present embodiment has the same layer structure as that of the first embodiment, and a description thereof will be omitted. In this embodiment, L DFB is about 100 μm, L shift is about 20 μm, the coupling coefficient of the diffraction grating 18 is about 200 cm −1 , the reflectivity of the highly reflective film 24 is about 95%, and d is about 7 μm.

本実施形態に係る半導休レーザ素子２のように、利得を生じさせる領域と発振波長を調整する領域とが直列に接続された波長可変な半導体レーザであれば、本実施形態を適用することが可能である。   The present embodiment is applied to a semiconductor laser having a variable wavelength in which a region for generating a gain and a region for adjusting an oscillation wavelength are connected in series like the semiconductor laser element 2 according to the present embodiment. Is possible.

〔第３の実施形態〕
図４は、本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図である。図４に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ３は、分布活性ＤＦＢレーザと呼ばれる波長可変な半導体レーザの基本構造を有しており、利得を持つ活性導波路２７と利得を持たない非活性導波路２８とが直列に交互に複数接続された構造となっている。 [Third Embodiment]
FIG. 4 is a cross-sectional view in the optical waveguide direction of the semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the semiconductor laser 3 according to this embodiment has a basic structure of a wavelength-tunable semiconductor laser called a distributed active DFB laser, and has an active waveguide 27 having a gain and a non-gain having a non-gain. A plurality of active waveguides 28 are alternately connected in series.

活性導波路２７および非活性導波路２８の下部には下部クラッド層２９が、活性導波路２７および非活性導波路２８の上部には上部クラッド層３０が形成されている。活性導波路２７上方の上部クラッド層３０の上部には電極３１が設置されている。下部クラッド層２９の下部には下部電極２３が形成されている。なお、下部電極２３は接地されている。   A lower cladding layer 29 is formed below the active waveguide 27 and the inactive waveguide 28, and an upper cladding layer 30 is formed above the active waveguide 27 and the inactive waveguide 28. An electrode 31 is provided on the upper clad layer 30 above the active waveguide 27. A lower electrode 23 is formed below the lower cladding layer 29. The lower electrode 23 is grounded.

本実施形態に係る半導体レーザ３は、活性導波路２７と非活性導波路２８に独立に電流Ｉaを注入する構造となっており、活性導波路２７への電流注入により利得を生じさせ、非活性導波路２８への電流注入で波長を制御する。つまり、役割としては、第１の実施形態で用いた半導体レーザ１における第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２（図１参照）が活性導波路２７に相当し、位相シフト領域１９（図１参照）が非活性導波路２８に相当する。なお、分布活性ＤＦＢレーザにおいても、温度上昇により発振波長が長波長側に移動するが、非活性導波路２８への電流注入により短波長側に発振波長が移動する。 The semiconductor laser 3 in accordance with the present embodiment has a structure for injecting a current I a is independently in the active waveguide 27 to the inactive waveguide 28 causes a gain by current injection into the active waveguide 27, the non The wavelength is controlled by current injection into the active waveguide 28. That is, as a role, the first and second DFB regions 11 and 12 (see FIG. 1) in the semiconductor laser 1 used in the first embodiment correspond to the active waveguide 27, and the phase shift region 19 (FIG. 1). Reference) corresponds to the inactive waveguide 28. In the distributed active DFB laser as well, the oscillation wavelength moves to the long wavelength side due to temperature rise, but the oscillation wavelength moves to the short wavelength side due to current injection into the inactive waveguide 28.

図４に示す本実施形態に係る半導体レーザ３では、活性導波路２７も非活性導波路２８もバルク構造を用いているが、活性導波路部２７は第１の実施形態の第１および第２のＤＦＢ領域１１，１２と同様、非活性導波路２８は第１の実施形態の位相シフト領域１９と同様に、量子井戸構造を用いるなどしても良い。   In the semiconductor laser 3 according to the present embodiment shown in FIG. 4, both the active waveguide 27 and the inactive waveguide 28 have a bulk structure, but the active waveguide portion 27 is the first and second of the first embodiment. As in the DFB regions 11 and 12, the inactive waveguide 28 may use a quantum well structure as in the phase shift region 19 of the first embodiment.

図４に示す第３の実施形態に係る半導体レーザ３では、第１の実施形態と同様に活性導波路２７上の電極３１を非活性導波路２８上に延長し、活性導波路２７への電流の一部が非活性導波路２８へも流れるようになっている。これにより、第１の実施形態と同様の効果が得られる。   In the semiconductor laser 3 according to the third embodiment shown in FIG. 4, the electrode 31 on the active waveguide 27 is extended on the inactive waveguide 28 as in the first embodiment, and the current to the active waveguide 27 is increased. A part of this also flows to the inactive waveguide 28. Thereby, the effect similar to 1st Embodiment is acquired.

分布活性ＤＦＢレーザには、本実施形態に係る半導体レーザ３のように、回折格子を活性導波路２７と非活性導波路２８の全てに渡って形成したものの他に、一部のみに周期的に形成するサンプル回折格子を用いたものなどがある。また、本実施形態では、活性導波路２７の長さをＬa、非活性導波路２８の長さをＬt、合計長をＬ（＝Ｌa＋Ｌt）として、各長さを変えずに複数回繰り返し直列に接続しているが、ＬaとＬtの比を保ったままＬを変えた分布活性ＤＦＢレーザなども存在する。 In the distributed active DFB laser, a diffraction grating is formed over all of the active waveguide 27 and the inactive waveguide 28 as in the semiconductor laser 3 according to the present embodiment, and only a part thereof is periodically formed. There are those using a sample diffraction grating to be formed. Further, in the present embodiment, the length of the active waveguide 27 L a, the length L t of the non-active waveguide 28, the total length as L (= L a + L t ), without changing the respective lengths While connected repeatedly in series a plurality of times, there like distribution activity DFB lasers with different L while maintaining the ratio of L a and L t.

これらの分布活性ＤＦＢレーザにおいても、本実施形態のように、活性導波路２７上の電極２９を非活性導波路２８上へ延設することで活性導波路２７から非活性導波路２８への漏れ電流を設定し、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、本実施形態では、ＬtおよびＬaは３５μｍ程度、Ｌは７０μｍ程度、回折格子の結合係数は５０ｃｍ-1程度、電極３１は、活性導波路２７上から非活性導波路２８上へ１０μｍ程度延ばして設置した。 Also in these distributed active DFB lasers, leakage from the active waveguide 27 to the inactive waveguide 28 by extending the electrode 29 on the active waveguide 27 onto the inactive waveguide 28 as in this embodiment. The same effect as that of the first embodiment can be obtained by setting the current. Incidentally, 10 [mu] m in the present embodiment, L t and L a is 35μm approximately, L about the 70 [mu] m, the coupling coefficient of the diffraction grating is about 50 cm -1, the electrode 31 from above the active waveguide 27 to the inactive waveguide 28 above The installation was extended to some extent.

本実施形態の場合、活性導波路２７と非活性導波路２８との和Ｌの逆数により反射ピーク間隔が決まる。反射ピーク間隔により波長変化量が抑制されるため、反射ピーク間隔をある程度広くする必要がある。このため、Ｌは１５０μｍ以下程度にする必要がある。活性導波路２７の長さＬaと非活性導波路２８の長さＬtは、割合が一定であれば良く、波長変化量を増やすためにはＬtが長い方が良いが、十分な利得を得るためにはＬaが長い方が良いため、本実施形態では、割合が１：１となるようにした。 In the present embodiment, the reflection peak interval is determined by the reciprocal of the sum L of the active waveguide 27 and the inactive waveguide 28. Since the amount of wavelength change is suppressed by the reflection peak interval, it is necessary to widen the reflection peak interval to some extent. For this reason, L needs to be about 150 μm or less. The length L t of the length L a and the non-active waveguide 28 of the active waveguides 27 may be any ratio is constant, but better L t is long in order to increase the wavelength variation, sufficient gain for better L a is long in order to obtain, in the present embodiment, the ratio is 1: 1 and so as.

以上、第１から第３の実施形態で説明したように、本発明は利得を発生させる領域と波長を制御する領域とを備えた波長可変な半導体レーザに適用でき、利得を発生させる領域に流す電流を、波長を制御する領域に適当な量の電流が流れるようにする。発振波長が連続で変化する、いわゆるモードホップの無い半導体レーザに適用することにより、高温時や劣化時の波長変化の補償量を予測することが容易になるため望ましいが、モードホップがあったとしても、ある波長範囲内に制御するなどの目的のために、本発明を適用することができる。   As described above, as described in the first to third embodiments, the present invention can be applied to a wavelength tunable semiconductor laser having a gain generating region and a wavelength controlling region, and is applied to the gain generating region. An appropriate amount of current flows in the region where the wavelength is controlled. It is desirable to apply it to a semiconductor laser that does not have a mode hop where the oscillation wavelength changes continuously, so that it is easy to predict the compensation amount of the wavelength change at high temperature or when it deteriorates. However, the present invention can be applied for the purpose of controlling within a certain wavelength range.

〔第４の実施形態〕
図５は本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図である。図５に示すように、本実施形態に係る半導体レーザ４は、活性導波路２７上の電極３１を非活性導波路２８上に延長し、活性導波路２７への電流の一部が非活性導波路２８へも流れるようになっている。さらに、第３の実施形態に係る半導体レーザ３における非活性導波路２８上にも電極３２を設けた構造となっている。 [Fourth Embodiment]
FIG. 5 is a cross-sectional view of the semiconductor laser according to the fourth embodiment of the present invention in the direction of the optical waveguide. As shown in FIG. 5, in the semiconductor laser 4 according to the present embodiment, the electrode 31 on the active waveguide 27 is extended onto the inactive waveguide 28, and a part of the current to the active waveguide 27 is inactivated. It also flows to the waveguide 28. Further, the electrode 32 is also provided on the inactive waveguide 28 in the semiconductor laser 3 according to the third embodiment.

なお、本実施形態に係る半導休レーザ素子４は、層構造等については第３の実施形態と同様であるためここでの説明は省略する。また、本実施形態では、ＬtおよびＬaは４０μｍ程度、Ｌは８０μｍ程度、回折格子の結合係数は３０ｃｍ-1程度、活性導波路２７上の電極３１は、活性導波路２７上から非活性導波路２８上へ１０μｍ程度延ばして設置し、非活性導波路２８上の電極３２の幅は５μｍ程度とした。 Note that the semiconductor laser element 4 according to the present embodiment is the same as that of the third embodiment in terms of the layer structure and the like, and thus description thereof is omitted here. Further, in the present embodiment, L t and L a is 40μm approximately, L is 80μm approximately, the coupling coefficient is about 30 cm -1 of the diffraction grating, the electrode 31 on the active waveguide 27, inactive over the active waveguide 27 The electrode 32 was extended to about 10 μm on the waveguide 28, and the width of the electrode 32 on the inactive waveguide 28 was about 5 μm.

非活性導波路２８上の電極３２は抵抗３３を介して接地された基板下部クラッド２９下部の下部電極２３と接続されている。実際には、下部電極２３と直接接続しなくとも、下部電極２３が接地されている配線上に接続したり、これ以外の方法により接地してもよい。   The electrode 32 on the inactive waveguide 28 is connected to the lower electrode 23 below the substrate lower clad 29 that is grounded via a resistor 33. Actually, the lower electrode 23 may be connected to a grounded wiring, or may be grounded by other methods, without being directly connected to the lower electrode 23.

活性導波路２７に流した電流の一部は非活性導波路２８に漏れるが、その流出量は、活性導波路２７上から非活性導波路２８上への電極３１の延長量や上部クラッド３０の抵抗などによって決定されるため、半導休レーザ素子４製作後に変更することは困難である。このため、本実施形態では、非活性導波路２８上に電極３２を設け、抵抗３３を介して基板下部の下部電極２３と接続されており、活性導波路２７上の電極３１から注入し非活性導波路２８へ流出する電流の一部を、非活性導波路２８に流さずに抵抗３３を介して下部電極２３に流すことが可能となる。   A part of the current flowing in the active waveguide 27 leaks to the inactive waveguide 28, and the amount of the outflow is the extension amount of the electrode 31 from the active waveguide 27 to the inactive waveguide 28 and the upper cladding 30. Since it is determined by the resistance or the like, it is difficult to change after the semiconductor laser element 4 is manufactured. For this reason, in this embodiment, the electrode 32 is provided on the inactive waveguide 28 and is connected to the lower electrode 23 at the lower part of the substrate via the resistor 33, and is injected from the electrode 31 on the active waveguide 27 to be inactive. A part of the current flowing out to the waveguide 28 can be made to flow to the lower electrode 23 via the resistor 33 without flowing to the inactive waveguide 28.

さらに、抵抗３３の抵抗値を変えることにより、非活性導波路２８に流さずに下部電極２３に流す電流量を変えることができる。すなわち、半導休レーザ素子４製作後に活性導波路２８上の電極３１から非活性導波路２８へ流出する電流量を制御することができ、活性導波路２７と非活性導波路２８へ流れる電流の割合を変えることが可能となる。   Furthermore, by changing the resistance value of the resistor 33, the amount of current flowing through the lower electrode 23 without flowing through the inactive waveguide 28 can be changed. That is, it is possible to control the amount of current flowing from the electrode 31 on the active waveguide 28 to the inactive waveguide 28 after the semiconductor laser element 4 is manufactured, and the current flowing into the active waveguide 27 and the inactive waveguide 28 can be controlled. It becomes possible to change the ratio.

つまり、非活性導波路２８上の電極３２は、非活性導波路２８に電流を注入するためのものではなく、活性導波路２７上の電極３１から非活性導波路２８へ流れる電流の一部を引き抜くためのものであるということができる。つまり、非活性導波路２８領域に電流を注入することで波長を変化させ、通常の波長可変な半導休レーザ素子４として用いた場合とは電流の流れる方向が逆になっている。   That is, the electrode 32 on the non-active waveguide 28 is not for injecting current into the non-active waveguide 28, but a part of the current flowing from the electrode 31 on the active waveguide 27 to the non-active waveguide 28. It can be said that it is for pulling out. That is, the direction of current flow is opposite to that in the case where the wavelength is changed by injecting current into the inactive waveguide 28 region and used as a normal wavelength variable semiconductor laser element 4.

本実施形態における抵抗３３は、０Ωだと下部電極２３と電位が同じとなるため、活性導波路２７上の電極３１から非活性導波路２８領域に漏れる電流の多くを非活性導波路２８に流さずに下部電極２３にバイパスすることができる。逆に、抵抗３３の抵抗値が十分大きい場合、開放と同等になるので、漏れ電流をほとんどバイパスせず、電流が非活性導波路２８に流れることになる。   When the resistance 33 in the present embodiment is 0Ω, the potential is the same as that of the lower electrode 23, so that most of the current leaking from the electrode 31 on the active waveguide 27 to the inactive waveguide 28 region flows to the inactive waveguide 28. Without being bypassed to the lower electrode 23. On the contrary, when the resistance value of the resistor 33 is sufficiently large, it becomes equivalent to the open circuit, so that the leakage current is hardly bypassed and the current flows through the inactive waveguide 28.

また、抵抗３３のみではなく、ダイオード、コンデンサおよびコイル等、抵抗３３以外の素子を組み合わせて用いることにより、電流を非活性導波路２８に流さずに、下部電極２３に流す電流量をより細かく調節できるようになる。   Further, by using not only the resistor 33 but also a combination of elements other than the resistor 33 such as a diode, a capacitor, and a coil, the amount of current flowing through the lower electrode 23 can be finely adjusted without flowing current through the inactive waveguide 28. become able to.

本発明は、例えば、半導体レーザの発振波長の温度による変化量の調整に適用することが可能である。   The present invention can be applied to, for example, adjusting the amount of change of the oscillation wavelength of a semiconductor laser depending on the temperature.

本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図Sectional drawing in the optical waveguide direction of the semiconductor laser which concerns on the 1st Embodiment of this invention 温度をＴ0からＴ2まで変化させたときに、半導体レーザの発光波長と出力が一定になるように変化させたＩDFBとＩphaseを示した図Diagram showing I DFB and I phase changed so that the emission wavelength and output of the semiconductor laser become constant when the temperature is changed from T 0 to T 2 本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図Sectional drawing in the optical waveguide direction of the semiconductor laser which concerns on the 2nd Embodiment of this invention 本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図Sectional drawing in the optical waveguide direction of the semiconductor laser which concerns on the 3rd Embodiment of this invention 本発明の第４の実施形態に係る半導体レーザの光導波路方向での断面図Sectional drawing in the optical waveguide direction of the semiconductor laser which concerns on the 4th Embodiment of this invention 従来の半導体レーザの光導波路方向での断面図Sectional view in the direction of the optical waveguide of a conventional semiconductor laser 従来の半導体レーザの電流−光出力特性を示した図Diagram showing current-light output characteristics of a conventional semiconductor laser

符号の説明Explanation of symbols

１，２，３，４ 半導体レーザ
１１ 第１の分布帰還（ＤＦＢ）領域
１２ 第２の分布帰還（ＤＦＢ）領域
１３ 半導体基板
１４ 下部ガイド層
１５ 活性層
１６ 上部ガイド層
１７ クラッド
１８ 回折格子
１９ 位相シフト領域
２０ 非活性層
２１，２２ 電極
２３ 下部電極
２４ 高反射膜
２５ ＤＦＢ領域
２６ 電極
２７ 活性導波路
２８ 非活性導波路
２９ 下部クラッド層
３０ 上部クラッド層
３１，３２ 電極
３３ 抵抗 1, 2, 3, 4 Semiconductor laser 11 First distributed feedback (DFB) region 12 Second distributed feedback (DFB) region 13 Semiconductor substrate 14 Lower guide layer 15 Active layer 16 Upper guide layer 17 Clad 18 Diffraction grating 19 Phase Shift region 20 Inactive layer 21, 22 Electrode 23 Lower electrode 24 High reflective film 25 DFB region 26 Electrode 27 Active waveguide 28 Inactive waveguide 29 Lower cladding layer 30 Upper cladding layer 31, 32 Electrode 33 Resistance

Claims (6)

少なくとも一つ以上の利得を得るための活性領域である利得領域と、
少なくとも一つ以上の発振波長を調整するための位相制御領域と
を直列に接続して集積した導波路を備える半導体レーザであって、
前記利得領域上に電流を注入するための電極を備え、
該電極から前記利得領域へ注入した電流の一部が前記位相制御領域にも流入する
ことを特徴とする半導体レーザ。 A gain region that is an active region for obtaining at least one gain;
A semiconductor laser including a waveguide integrated by connecting in series with a phase control region for adjusting at least one oscillation wavelength,
An electrode for injecting current over the gain region;
A semiconductor laser characterized in that a part of current injected from the electrode into the gain region also flows into the phase control region. 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記電極が前記位相制御領域上に延設される
ことを特徴とする半導体レーザ。 The semiconductor laser according to claim 1, wherein
A semiconductor laser, wherein the electrode extends on the phase control region. 請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザにおいて、
前記電極から注入する電流により発光波長と出力を制御する
ことを特徴とする半導体レーザ。 In the semiconductor laser according to claim 1 or 2,
A semiconductor laser characterized in that an emission wavelength and an output are controlled by a current injected from the electrode. 請求項１から請求項３のいずれかひとつに記載の半導体レーザにおいて、
前記位相制御領域上の前記電極が、抵抗により構成されたバイパス手段を介して半導体レーザ下部の下部電極と接続されているか、又は接地されている
ことを特徴とする半導体レーザ。 In the semiconductor laser according to any one of claims 1 to 3,
A semiconductor laser characterized in that the electrode on the phase control region is connected to a lower electrode under the semiconductor laser or grounded via a bypass means constituted by a resistor. 請求項４に記載の半導体レーザにおいて、
前記バイパス手段が、抵抗以外の素子又は抵抗と抵抗以外の素子との組合せによる回路により構成される
ことを特徴とする半導体レーザ。 The semiconductor laser according to claim 4, wherein
2. A semiconductor laser according to claim 1, wherein said bypass means is constituted by a circuit composed of an element other than a resistor or a combination of a resistor and an element other than a resistor. 請求項１から請求項５のいずれかひとつに記載の半導体レーザが、ルテニウムをドーピングした半絶縁性の電流ブロック層を備える
ことを特徴とする半導体導波路素子。 6. A semiconductor waveguide device, wherein the semiconductor laser according to claim 1 includes a ruthenium-doped semi-insulating current blocking layer.
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