JP4657853B2 - 半導体レーザ、レーザモジュール、光学部品、レーザ装置、半導体レーザの製造方法および半導体レーザの制御方法 - Google Patents

半導体レーザ、レーザモジュール、光学部品、レーザ装置、半導体レーザの製造方法および半導体レーザの制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、半導体レーザ、レーザモジュール、光学部品、レーザ装置、半導体レーザの製造方法および半導体レーザの制御方法に関する。
光ファイバーを用いた波長多重通信（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）の普及に伴い、１つの素子で様々な波長のレーザ発振が得られる波長可変半導体レーザの開発が多くの機関で行われている。これまでに提案されてきた波長可変半導体レーザは、半導体光増幅素子（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を外部共振器内に配置して外部共振器に備わる波長選択機構によって発振波長を制御する半導体レーザと、レーザ発振に対する利得機能を有する半導体素子内に波長選択機能を有した共振器を組み込むことにより形成される半導体レーザとに大別される。
半導体素子内に共振器が組み込まれた代表的な波長可変半導体レーザは、抽出回折格子分布帰還反射（ＳＧ−ＤＲ：Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）導波路を用いたレーザである（例えば、特許文献１〜特許文献１０を参照）。特許文献８に詳述されているレーザは、バーニア（Ｖｅｒｎｉｅｒ）効果と呼ばれる効果を用いており、レーザ発振のための利得を有する導波路の両側に縦モード間隔が互いに異なるＳＧ−ＤＲ導波路を接続し、片方のＳＧ−ＤＲ導波路の反射ピーク波長ともう一方のＳＧ−ＤＲ導波路の縦モードの反射ピーク波長とを温度、電流等によって変化させ、両者のピーク波長が一致する波長でレーザ発振がなされる構成を有している。
あるいは、特許文献１に記述されているレーザは、レーザ発振に対して利得を持つファブリペロ（ＦＰ：Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）共振器にＳＧ−ＤＲ導波路を接続し、ＦＰ共振器およびＳＧ−ＤＲ導波路の縦モードの反射ピーク波長を温度、電流等によって変化させ、両者のピーク波長が一致する波長でレーザ発振がなされる構成を有している。
特許文献８に記載されたレーザおよび特許文献１に記載されたレーザの両者ともに半導体導波路によるバーニア効果を用いた同じ原理に基づくレーザ発振を行うが、後者は前者に比べて素子長さを短くできる点で有利である。しかしながら、単純なＦＰ共振器は反射スペクトルのＱ値が小さいため、後者のレーザにおいては安定したレーザ発振を得ることは難しい。そこで、特許文献２に記述されているように、ＳＧ−ＤＲ導波路の導波路コアを利得媒質とした抽出回折格子分布帰還型半導体レーザ（ＳＧ−ＤＦＢ：Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ Ｌａｓｅｒ）導波路にＳＧ−ＤＲ導波路を接続した構成も提案されている。
ＳＧ−ＤＲ導波路は、回折格子を有する領域と回折格子を有さない領域とを連結したセグメントを複数連結して構成される。従来技術で用いられるＳＧ−ＤＲ導波路では各セグメントの長さが実質的に同じである。波長可変を行う場合、各セグメントの屈折率を同一条件で制御する。
しかしながら、従来技術によるＳＧ−ＤＲ導波路を用いた波長可変レーザにおいては、波長可変範囲を広げようとすると、目的とする波長以外でも同時にレーザ発振が起こりやすくなる。したがって、レーザ発振のモード安定性が悪くなるといった問題があった。この事情を、互いに縦モード間隔が異なる２つのＳＧ−ＤＲ導波路の入射光に対する反射スペクトルを用いて説明する。
バーニア効果を用いた波長可変レーザにおいては、２つのＳＧ−ＤＲ導波路、あるいは、ＳＧ−ＤＲ導波路およびＳＧ−ＤＦＢ導波路のそれぞれの縦モード波長の１つを同時に想定波長に一致させることが必要である。ＳＧ−ＤＲ導波路の縦モード波長は、ＳＧ−ＤＲ導波路の屈折率を変化させることにより変化する。この屈折率変化は、ＳＧ−ＤＲ導波路へ供給する電流、ＳＧ−ＤＲ導波路の温度変化等によって実現することができる。例えば、ＳＧ−ＤＲ導波路の縦モード間隔が２００ＧＨｚ程度である場合、素子温度によって縦モードを想定波長に合わせ込むには約１５℃範囲の調整が必要である。この温度範囲は通常の温度制御機構によって実現される。
図１１は、２つのＳＧ−ＤＲ導波路の縦モード間隔をそれぞれ１９４ＧＨｚおよび１７０ＧＨｚに設定した場合における２つのＳＧ−ＤＲ導波路の反射スペクトルの計算例を示す。この例では、１９４０００ＧＨｚにおいて両方のＳＧ−ＤＲ導波路の縦モードが一致するように、各ＳＧ−ＤＲ導波路の温度を調整した。図１１の横軸は周波数を示し、図１１の縦軸はｄＢ単位で測ったそれぞれのＳＧ−ＤＲ導波路の反射率を示す。１９４０００ＧＨｚにおいて両方のＳＧ−ＤＲ導波路の縦モードが一致することから、１９４０００ＧＨｚにおいてレーザ発振がなされる。しかしながら、それぞれのＳＧ−ＤＲ導波路の縦モード間隔が異なるため、周波数が１９４０００ＧＨｚからずれるに従って縦モードのピーク周波数が互いにずれていく。したがって、１９４０００ＧＨｚの周辺の縦モード周波数においてはレーザ発振がなされない。これがバーニア効果である。
しかしながら、図１１の例においては、周波数が１９４０００ＧＨｚから１４００ＧＨｚ程度離れた１９５４００ＧＨｚおよび１９２６００ＧＨｚのあたりで再び両方のＳＧ−ＤＲ導波路の縦モード反射ピークが一致してしまう。そのため、これら２つの周波数においてもレーザ発振が起こり易い。その結果、１９４０００ＧＨｚに想定したレーザ発振のモード安定性が悪くなるといった問題がある。
図１２は、図１１において示した２つのＳＧ−ＤＲ導波路を有する波長可変半導体レーザに対してしきい値解析によって計算したレーザ発振しきい値での発振スペクトルを示す。図１２の横軸は周波数を示し、図１２の縦軸は光強度を示す。図１２に示すように、１９５６００ＧＨｚあたりでもレーザ発振していることがわかる。
この機構によるモード不安定性を抑制するためには、反射ピークが再び一致する周波数が波長可変すべき周波数範囲外になるように２つのＳＧ−ＤＲ導波路の縦モード間隔差を小さく設定し、かつ、波長可変すべき周波数範囲外において小さくなるような利得を持つ導波路コアを設計する必要がある。なお、例えばＣバンド帯のＷＤＭ光通信では、波長可変すべき周波数は、およそ１９２０００ＧＨｚから１９６０００ＧＨｚの範囲である。
続いて、２つのＳＧ−ＤＲ導波路の縦モード間隔をそれぞれ１９４ＧＨｚと１８４ＧＨｚとしてモード間隔差を１０ＧＨｚまで小さくした場合の計算結果について説明する。この場合においては、１９２０００ＧＨｚから１９６０００ＧＨｚの範囲で再び反射ピークが一致することはない。しかしながら、目的とする１９４０００ＧＨｚの隣接縦モードにおいて、２つのＳＧ−ＤＲ導波路の縦モードピーク周波数の差異が小さくなってしまう。その結果、目的とする周波数に隣接する縦モードにおいてもレーザ発振が生じやすいといった問題が発生する。
以上のように、従来技術では、広い周波数範囲で波長可変を行えるように素子を設計した場合、想定波長以外でも発振が起こりやすく、レーザ発振のモード安定性が悪くなるという問題があった。
２つのＳＧ−ＤＲ導波路を用いた場合を上述したが、ＦＰ導波路およびＳＧ−ＤＲ導波路の組み合わせや、ＳＧ−ＤＲ導波路およびＳＧ−ＤＦＢ導波路の組み合わせを有する半導体レーザにおいても、事情は全く同じである。従来技術によるモード不安定性の本質は、図１１に示すように、反射スペクトルの縦モードピーク反射率の波長依存性が小さいところにある。すなわち、従来技術によるＳＧ−ＤＲ導波路を用いた広い周波数範囲で波長可変が行える波長可変レーザでは、レーザ発振のモード不安定性を抑制することが極めて難しい。
特開平９−２７０５６８号公報 特開２００４−３３６００２号公報 特開２００３−１７８０３号公報 米国特許第６４３２７３６号明細書 米国特許出願公開第２００３／０１２８７２４号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１０５９９１号明細書 米国特許出願公開第２００２／００６１０４７号明細書 米国特許第６５９０９２４号明細書 米国特許第６３１７５３９号明細書 米国特許第４８９６３２５号明細書 Ｐｒｏｃ． ＩＥＥＥ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ ＱＥ，１１，２００５，１１
こうした問題を回避するために、例えば特許文献３に記述されているように、抽出回折格子のピッチを一端から他端に向けて変化させることが提案されている。この構成によって、特定波長周辺の縦モードの反射率を高めることができる。しかしながら、このような回折格子を作製するには、電子線リソグラフィーによる高度な露光技術が必要である。さらに、各セグメントの抽出回折格子間の位相関係を一定に保つことが極めて難しい。したがって、各セグメントからの反射光の干渉効果が薄れてしまう問題を抱えている。
また、例えば非特許文献１等に提案されているように、周期が一定でない回折格子によって特定波長周辺の波長における反射率を高める手法も知られている。しかしながら、この構造にはＳＧ−ＤＲ導波路のような明確な縦モードがない。したがって、組み合わせて用いるＦＰ導波路やＳＧ−ＤＲ導波路あるいはＳＧ−ＤＦＢ導波路の隣接縦モードでの発振を抑制することが難しいといった問題がある。
本発明の目的は、新たな構成によるＳＧ−ＤＲ導波路によって、レーザ発振のモード安定化を図ることができる半導体レーザを提供することである。
本発明に係る半導体レーザは、レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と、第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、複数のセグメントにおいて、第１の領域に挟まれた第２の領域のうち少なくとも２つの光学的長さが互いに異なってなる第１回折格子領域と、光学的長さが異なる各セグメントの屈折率をそれぞれ個別に可変することで、第１回折格子領域における複数の縦モードのピーク波長およびピーク波長の強度を制御する屈折率制御部と、を備えることを特徴とするものである。
本発明に係る半導体レーザにおいては、複数の第２の領域のうち少なくとも２つの光学的長さが互いに異なることから、第１回折格子領域における縦モードのピーク反射強度は、波長依存性を有する。この場合、第１回折格子領域における縦モードは、所定の波長範囲において相対的に高いピーク反射強度を有するようになる。それにより、第１回折格子領域における縦モードのピーク反射強度が相対的に低くなる波長範囲におけるレーザ発振を防止しつつ、第１回折格子領域における縦モードのピーク反射強度が相対的に大きくなる波長範囲において安定したレーザ発振を実現することが可能である。その結果、レーザ発振のモード安定化を図ることができる。また、第１回折格子領域の屈折率がそれぞれ可変であることから、レーザ発振波長を容易に変化させることができる。
レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と、第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、第２の領域の光学的長さが実質的に同一である第２回折格子領域をさらに備えていてもよい。この場合、第１回折格子領域における縦モードのピーク反射強度が相対的に大きくなる波長範囲内で第１回折格子領域および第２回折格子領域の縦モードが一致する波長において、安定したレーザ発振が実現される。
第１回折格子領域において、各第２の領域の光学的長さと他の第２の領域の光学的長さとの差の最小値は、各第２の領域の光学的長さの平均値の１％以上６％以下の範囲にあってもよい。この場合、長さ差の最小値が平均長さの１％以上であることから、所定の波長範囲において相対的に高いピーク反射強度を有するようになる。また、長さ差の最小値が平均長さの６％以下であることから、相対的に高いピーク反射強度を有する他のピーク周波数を波長可変すべき周波数範囲外にすることができる。
第１回折格子領域において、各第２の領域の光学的長さと他の第２の領域の光学的長さとの差の最小値は、すべて等しくてもよい。この場合、各セグメントの変化させるべき屈折率変化量をある単位変化量の整数倍にできる。それにより、制御アルゴリズムの観点から有利である。
第１回折格子領域における各セグメントは、第２の領域の光学的長さの昇順または降順に配置されていてもよい。この場合、一定の勾配で各セグメントの屈折率を変化させることにより、ピーク反射率が相対的に大きくなる波長範囲を変化させることができる。
レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と、第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、複数のセグメントにおいて、第１の領域に挟まれた第２の領域のうち少なくとも２つの光学的長さが、互いに異なってなる第３回折格子領域と、光学的長さが異なる各セグメントの屈折率をそれぞれ個別に可変することで、第１回折格子領域における複数の縦モードのピーク波長およびピーク波長の強度を制御する屈折率制御部と、をさらに備えていてもよい。この場合、第１回折格子領域および第３回折格子領域における縦モードのピーク反射強度が相対的に大きくなる波長範囲で縦モードを一致させることによって、より安定したレーザ発振を実現することができる。
半導体レーザの端面において、光吸収領域または光増幅領域をさらに備えていてもよい。この場合、光吸収領域において伝播損失が発生する。それにより、出射端面からの戻り光の影響が排除されることになる。その結果、本発明に係る波長可変半導体レーザのモード安定性が向上する。また、半導体レーザの端面からの戻り光の影響が軽微であるときは、光増幅領域を備えることによってレーザ光を増幅させることができる。
屈折率制御部は、セグメントの屈折率を制御するためのヒータを備えて構成されてなるものであってもよい。この場合、第１回折格子領域の温度変化により屈折率が制御される。それにより、第１回折格子領域に電流を供給することなく第１回折格子領域の屈折率を制御することができる。その結果、第１回折格子領域における光伝播損失を防止することができる。
第１回折格子領域内および前記第２回折格子領域内の光の位相を調整するための位相調整領域をさらに備えていてもよい。また、第１回折格子領域内および前記第３回折格子領域内の光の位相を調整するための位相調整領域をさらに備えていてもよい。この場合、レーザ光の位相が位相調整領域において調整される。それにより、より安定したレーザ発振を実現することができる。
本発明に係る半導体レーザの製造方法は、
レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と、第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、複数のセグメントにおいて、第１の領域に挟まれた第２の領域のうち少なくとも２つの光学的長さが互いに異なってなる第１回折格子領域と、光学的長さが異なる各セグメントの屈折率をそれぞれ個別に可変することで、第１回折格子領域における複数の縦モードのピーク波長およびピーク波長の強度を制御する屈折率制御部と、を有する半導体レーザの製造方法であって、第１回折格子領域は、半導体層表面にレジストを塗布する第１の工程と、レジストに回折格子パターンを露光する第２の工程と、第２の工程の後に、レジストに対してさらに、回折格子パターンを離間させる複数のスペース部のパターンを露光する第３の工程と、第３の工程の後にレジストを現像することによって形成されたレジストパターンを半導体層に転写する第４の工程とを含む工程によって形成されることを特徴とするものである。
本発明に係る半導体レーザの製造方法においては、半導体層表面にレジストが塗布され、レジストに回折格子パターンが露光され、その後にレジストに対してさらに回折格子パターンを離間させかつ互いに長さの異なる複数のスペース部のパターンが露光され、その後にレジストを現像することによって形成されたレジストパターンが半導体層に転写される。この場合、複数のスペース部のうち少なくとも２つの長さが互いに異なる領域が形成される。それにより、縦モードは所定の波長範囲において相対的に高いピーク反射強度を有するようになる。したがって、縦モードのピーク反射強度が相対的に低くなる波長範囲におけるレーザ発振を防止しつつ、縦モードのピーク反射強度が相対的に大きくなる波長範囲において、安定したレーザ発振を実現することが可能である。
第２の工程における露光は、干渉露光法を用いた露光であってもよい。また、第３の工程における露光は、スペース部の領域を選択的に開口する露光マスクを用いた露光であってもよい。さらに、複数のスペース部のうち少なくとも２つの光学的長さは実質的に同一であり、第３の工程において、複数のスペース部は同時に露光されてもよい。この場合、複数のスペース部が同時に露光されることから、製造工程が短縮化かつ簡略化される。したがって、生産コストが低減される。
本発明に係る半導体レーザの制御方法は、レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と、第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、複数のセグメントにおいて、第１の領域に挟まれた第２の領域のうち少なくとも２つの光学的長さが互いに異なってなる第１回折格子領域が設けられ、光学的長さが異なる各セグメントの屈折率をそれぞれ個別に可変する屈折率制御部を有する半導体レーザに対して、光学的長さが異なる少なくとも２つのセグメントの屈折率を互いに異ならせる制御をすることで、第１回折格子領域の複数の縦モードのピーク波長およびピーク波長の強度を調整することを特徴とするものである。
本発明に係る半導体レーザの制御方法においては、少なくとも２つのセグメントの屈折率が互いに異なるように制御されることによって、第１回折格子領域の複数の縦モードのピーク波長およびピーク波長の強度が調整される。この場合、第１回折格子領域における縦モードのピーク反射強度が相対的に低くなる波長範囲におけるレーザ発振を防止しつつ、第１回折格子領域における縦モードのピーク反射強度が相対的に大きくなる波長範囲において、安定したレーザ発振を実現することが可能である。その結果、レーザ発振のモード安定化を図ることができる。
複数のセグメントの屈折率の平均値を一定に保持する制御を行うことで、第１回折格子領域は複数の縦モードのピーク波長を維持して、ピーク波長の強度が変化してもよい。この場合、縦モード波長を一定値に保持しつつ縦モードの最大強度を変化させることによってレーザ発振波長を制御することができる。
複数のセグメントの屈折率の差を一定に保持する制御を行うことで、第１回折格子領域の縦モードのピーク波長を変化させつつ、ピーク波長の強度を維持してもよい。この場合、縦モードの強度と同時に縦モード波長の制御が可能となる。
各セグメントの屈折率と他のセグメントの屈折率の差との最小値がすべて等しくなるように、各セグメントの屈折率を制御してもよい。この場合、各セグメントの変化させるべき屈折率変化量をある単位変化量の整数倍にできる。それにより、制御アルゴリズムの観点から有利である。
各セグメントの温度を制御することによって各セグメントの屈折率を制御してもよい。この場合、第１回折格子領域に電流を供給することなく第１回折格子領域の屈折率を制御することができる。その結果、第１回折格子領域における光伝播損失を防止することができる。
本発明に係るレーザモジュールは、レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、複数のセグメントにおいて、第１の領域に挟まれた第２の領域のうち少なくとも２つの光学的長さが互いに異なってなる第１回折格子領域と、光学的長さが異なる各セグメントの屈折率をそれぞれ個別に可変することで、第１回折格子領域における複数の縦モードのピーク波長およびピーク波長の強度を制御する屈折率制御部とを有する半導体レーザと、半導体レーザの温度を制御するための温度制御装置と、屈折率制御部を制御するための端子と、温度制御装置を制御するための端子とを備えることを特徴とするものである。
本発明に係るレーザモジュールにおいては、第１回折格子領域における縦モードのピーク反射強度は、波長依存性を有する。この場合、第１回折格子領域における縦モードは、所定の波長範囲において相対的に高いピーク反射強度を有するようになる。それにより、第１回折格子領域における縦モードのピーク反射強度が相対的に低くなる波長範囲におけるレーザ発振を防止しつつ、第１回折格子領域における縦モードのピーク反射強度が相対的に大きくなる波長範囲において安定したレーザ発振を実現することが可能である。また、第１回折格子領域の屈折率がそれぞれ可変であることから、レーザ発振波長を容易に変化させることができる。さらに、各セグメントの屈折率を制御するための端子を備えることから、信号配線がコンパクト化される。また、半導体レーザの発振波長を温度制御装置により制御することができる。
本発明によれば、第１回折格子領域における縦モードのピーク反射強度が相対的に低くなる波長範囲におけるレーザ発振を防止しつつ、第１回折格子領域における縦モードのピーク反射強度が相対的に大きくなる波長範囲において、安定したレーザ発振を実現することが可能である。その結果、レーザ発振のモード安定化を図ることができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施例に係るレーザ装置１００を説明するための模式図である。図１に示すように、レーザ装置１００は、レーザ部２００および制御部３００を含む。制御部３００は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）等から構成される。制御部３００のＲＯＭには、レーザ部２００の制御情報、制御プログラム等が格納されている。制御装置３００は、レーザ部２００に供給する電流等の電気信号により、レーザ部２００のレーザ発振波長を制御する。
図２は、レーザ部２００の詳細を説明するための図である。図２（ａ）はレーザ部２００の上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。以下、図２（ａ）および図２（ｂ）を参照しつつレーザ部２００の説明を行う。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、レーザ部２００は、ＣＳＧ−ＤＲ（ＣＳＧ−ＤＲ：Ｃｈｉｒｐｅｄ Ｓａｍｐｌｅｄ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）領域Ａ、Ｇａｉｎ領域ＢおよびＳＧ−ＤＲ領域Ｃを順に連結させた構造を有する。
ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａは、基板１上に導波路コア３、クラッド層６および絶縁層８が順に積層され、絶縁層８上に複数の薄膜抵抗体１１、複数の電源電極１２およびグランド電極１３が積層された構造を有する。Ｇａｉｎ領域Ｂは、基板１上に導波路コア４、クラッド層６、コンタクト層７および電極１４が順に積層された構造を有する。ＳＧ−ＤＲ領域Ｃは、基板１上に導波路コア５、クラッド層６および絶縁層８が順に積層された構造を有する。
ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａ、Ｇａｉｎ領域ＢおよびＳＧ−ＤＲ領域Ｃにおける基板１およびクラッド層６は、それぞれ一体的に形成されている。導波路コア３，４，５は、同一面上に形成され、１つの導波路を形成している。ＳＧ−ＤＲ領域Ｃ側の基板１、導波路コア５およびクラッド層６の端面には、低反射膜９が形成されている。一方、ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａ側の基板１、導波路コア３およびクラッド層６の端面には、低反射膜１０が形成されている。抽出回折格子２は、導波路コア３，５に所定の間隔をあけて複数形成され、それによってサンプルドグレーティングが形成される。
基板１は、例えば、ＩｎＰからなる結晶基板である。導波路コア３，５は、例えば、吸収端がレーザ発振波長よりも短波長側にあるＩｎＧａＡｓＰ結晶からなり、１．３μｍ程度のＰＬ波長を有する。導波路コア４は、例えば、目的とする波長でのレーザ発振に対して利得を有するＩｎＧａＡｓＰ結晶からなり、１．５７μｍ程度のＰＬ波長を有する。
抽出回折格子２は、結合定数が２００ｃｍ−１程度であり、ピッチが約０．２４μｍ程度であり、凹凸繰り返し数が１７程度である回折格子である。したがって、各抽出回折格子２の長さは４μｍ程度であり、各抽出回折格子２のブラッグ波長は１．５５μｍ程度である。この場合、各抽出回折格子２のブラッグ波長に対する反射率は、約１％程度になる。
導波路コア３には、セグメントが５つ形成されている。ここで、セグメントとは、導波路コアにおいて抽出回折格子２が設けられている領域と抽出回折格子２が設けられていないスペース部とが１つずつ連続する領域のことをいう。一般に、このセグメント数を増やすことにより抽出回折格子によって反射される光の干渉効果が高まる。それにより、レーザ発振のモード安定性が向上する。しかしながら、セグメント数が増えると素子長さが増加してしまう。また、導波路コア３の全長が２ｍｍ程度を超えると、導波路コア３内の内部ロスの影響によりモード安定性は飽和してしまう。したがって、導波路コア３におけるセグメント数は、５程度であることが好ましい。
導波路コアの縦モードの波長を容易に変化させるためには、各セグメントの長さを長くして縦モード間隔を狭くすればよいが、その場合には導波路コアの長さが長くなってしまう。そこで、本実施例においては、導波路コア３における各セグメントの長さは、例えば、Ｇａｉｎ領域Ｂ側から順に２６０μｍ、２６５μｍ、２７０μｍ、２７５μｍおよび２８０μｍに設定してある。この場合の各セグメントの縦モード間隔は、１７６ＧＨｚ、１７３ＧＨｚ、１７０ＧＨｚ、１６７ＧＨｚおよび１６４ＧＨｚとなる。
各セグメントの長さは、スペース部の長さを変化させることによって変化させている。また、各セグメントの長さおよび順序は上記の逆の順序でもよく、全てのセグメントの長さが異なる必要もなく、セグメント長さの差が一定である必要もない。しかしながら、後述するように、本実施例のような構成は、波長制御を行うための隣接したセグメント間の屈折率変化量を一定にすることができるため、制御の観点から有利である。
導波路コア５におけるセグメント数は、導波路コア３におけるセグメント数と同程度が好ましく、例えば５である。導波路コア５における各セグメント長さは、実質的に同一であり、例えば２４０μｍ程度である。ここでいう「実質的に同一」とは、各スペース部の長さ差が各スペース部の平均長さの１％以下程度であることを意味する。
ＳＧ−ＤＲ領域ＣのＳＧ−ＤＲ構造は、例えば、干渉露光法および部分露光法を用いた技術により作製することができる。まず、基板１表面に塗布したレジストの全面に干渉露光法によって回折格子パターンを露光する。続いて、開口部を備えることによって部分的に光を遮蔽する露光マスクを用いた部分露光法により、基板１表面の回折格子パターンを離間させる複数のスペース部のパターンを露光する。この２重露光の後にレジストを現像することによって抽出回折格子２の構造が形成され、このレジストパターンの基板１への転写によって互いの位相関係が定義された本実施例に係る抽出回折格子２が形成される。
ＣＳＧ−ＤＲ領域ＡのＣＳＧ−ＤＲ構造は、例えば、上述した部分露光法で使用する露光マスクに抽出回折格子２を有さない領域の長さを変化させることができるようなパターンを採用することにより作製することができる。また、ＣＳＧ−ＤＲ領域ＡおよびＳＧ−ＤＲ領域Ｃは、上記露光法によれば同一工程により形成することが可能である。したがって、製造工程が短縮化かつ簡略化される。その結果、生産コストが低減される。
クラッド層６は、ＩｎＰからなり、電流狭窄を行うとともに導波路コア３，４，５を往復するレーザ光を閉じ込める機能を果たす。コンタクト層７は、ＩｎＧａＡｓＰ結晶からなる。絶縁層８は、ＳｉＮ，ＳｉＯ２等の絶縁体からなる保護膜である。低反射膜９，１０は、例えばＭｇＦ２およびＴｉＯＮからなる誘電体膜からなり、少なくとも０．３％以下程度の反射率を有する。
薄膜抵抗体１１は、ＮｉＣｒ等からなり、図１の制御部３００から与えられる電流の大きさに応じて導波路コア３の各セグメントの温度を調整する。薄膜抵抗体１１は、導波路コア３の各セグメント上方の絶縁層８上のそれぞれに、１つずつ形成されている。各薄膜抵抗体１１には、それぞれ電源電極１２が１つずつ接続されており、グランド電極１３は、各薄膜抵抗体１１と接続されている。電源電極１２、グランド電極１３、電極１４は、Ａｕ等の導電性材料からなる。
続いて、レーザ部２００の動作について説明する。まず、図１の制御部３００により、電極１４に所定の電流が供給される。それにより、導波路コア４において光が発生する。発生した光は、導波路コア３，４，５を伝播しつつ繰り返し反射および増幅されるとともに、外部に発振される。
図３は、導波路コア３の反射スペクトルおよび導波路コア５の反射スペクトルの計算例を示す。図３の横軸は周波数を示し、図３の縦軸は反射率を示す。図３においては、簡便化のため、計算例を模式化してある。図３の上図に示すように、導波路コア３のピーク反射率は、１９４０００ＧＨｚ周辺において相対的に高い値を示し、１９４０００ＧＨｚにおいて極大値を示す。１９４０００ＧＨｚの周波数において導波路コア３の各セグメントを往復する光の位相が２πの整数倍になるからである。
一方、周波数が１９４０００ＧＨｚから遠ざかるにつれて導波路コア３のピーク反射率は低下する。各セグメントの縦モード間隔をわずかにずらした結果、位相整合した重ね合わせが起こらないからである。本実施例においては、極小ピーク反射率と極大ピーク反射率との差が５ｄＢ程度になる。また、図３の下図のように、導波路コア５のピーク反射率は、いずれの縦モードにおいても一定値を示す。
導波路コア３の縦モードは、１９４０００ＧＨｚに加えて１９５４００ＧＨｚおよび１９２６００ＧＨｚにおいて導波路コア５の縦モードと一致する。しかしながら、１９５４００ＧＨｚおよび１９２６００ＧＨｚにおける導波路コア３の反射率は１９４０００ＧＨｚの反射率に比較して十分に小さい。したがって、１９５４００ＧＨｚおよび１９２６００ＧＨｚにおいてレーザ発振する可能性は低くなる。
このように、本実施例に係るレーザ部２００においては、導波路コア３における縦モードのピーク反射強度は波長依存性を有する。すなわち、導波路コア３における縦モードのピーク反射強度は、波長に応じて変化する。一方、導波路コア５における縦モードのピーク反射強度は、波長依存性を有さない。したがって、導波路コア３における縦モードのピーク反射強度が相対的に低くなる波長範囲におけるレーザ発振を防止しつつ、導波路コア３における縦モードのピーク反射強度が相対的に大きくなる波長範囲において、安定したレーザ発振を実現することが可能である。また、導波路コア３の屈折率を変化させることによって縦モードのピーク反射強度が相対的に大きくなる波長範囲を変化させることにより、レーザ発振波長を容易に制御することができる。なお、本実施例に係る導波路コア３，５においては、いずれも端面において回折格子が設けられているが、導波光に影響はない。
図４は、しきい値利得の計算機シミュレーションによって計算したレーザ発振しきい値での発振スペクトルを示す。図４の横軸は周波数を示し、図４の縦軸は光強度を示す。この解析においては、簡単化のために端面反射率は０％としている。この計算例では、目的とするレーザ発振の周波数である１９４０００ＧＨｚの次にレーザ発振しやすいモードは、低周波数側の隣接縦モードである。しかしながら、それぞれのモードのしきい値利得差は、４ｃｍ−１である。この値は、安定したレーザ発振を実現するためには十分である。このように、本実施例においては、安定した単一モードレーザ発振が実現される。
本実施例においては、導波路コア３のセグメント長さを２６０μｍから５μｍ間隔で２８０μｍまで変化させているが、しきい値利得の計算機シミュレーションによれば、導波路コア３における長さが互いに異なるセグメントの最小の長さ差は、各スペース部の平均長さの１％〜６％の範囲外になった場合に、モード安定性が著しく劣化する。
定性的にこのモード安定性劣化の機構を説明する。上記最小の長さ差が各スペース部の平均長さの１％未満である場合においては、反射スペクトルが従来技術のＳＧ−ＤＲ導波路の場合に近づく。すなわち、目的とする発振波長から離れた縦モード波長においてレーザ発振される可能性が高くなる。逆に、上記最小な長さ差が各スペース部の平均長さの６％を越える場合においては、ピーク反射率が極大になる他の波長が可変すべき波長範囲の中に入ってくる。すなわち、目的とする発振波長と反射率が極大となる他の波長とにおいてレーザ発振される可能性が高くなる。その結果、モード安定性が著しく劣化するのである。したがって、導波路コア３における長さが互いに異なるセグメントの最小の長さ差は、各スペース部の平均長さの１％以上６％以下の範囲内にあることが好ましい。
本実施例においては導波路コア３における各セグメントの長さ差は一定であるが、一般的には本実施例のように各セグメントの長さ差が一定である必要はない。しかしながら、セグメント長さ差が一定でない場合は、波長変化に必要な屈折率変化量が複雑になるために、制御が相対的に難しくなる。したがって、各セグメント間の長さ差と長さが実質的に同一なセグメントを除いた各セグメントの最小な長さ差との差の最小値をすべて等しくすることが、制御アルゴリズムの観点から有利である。長さ差が一定である場合には、各セグメントの変化させるべき屈折率変化量をある単位変化量の整数倍にできるからである。
また、同じ観点から、特に隣接セグメント間の長さ差を一定にし、長さの大きい順あるいは小さい順で各セグメントを連結することが有利である。これは、一定の勾配で各セグメントの屈折率を変化させることにより、ピーク反射率が極大になる波長を変化させることができるためである。
上記のような導波路コア３の極大ピーク反射率は、導波路コア３に含まれる各セグメントの屈折率を外部から制御することにより制御することができる。以下、導波路コア３の極大ピーク反射率の制御方法について説明する。各薄膜抵抗体１１には、制御部３００から各電源電極１２を介してそれぞれ所定の大きさの電流が供給される。それにより、導波路コア３の各セグメントの温度が所定の温度に変化する。その結果、導波路コア３の各セグメントの屈折率が所定の値に変化する。薄膜抵抗体１１を流れた電流は、グランド電極１３を介して回収される。
本実施例においては、導波路コア３は、温度勾配がない場合に導波路コア３の極大ピーク反射率が１９４０００ＧＨｚになるような等価屈折率を有する。この場合における導波路コア３の等価屈折率は、３．２０８６である。また、本実施例においては、導波路コア３の等価屈折率の温度依存性は、１℃あたり約０．０００２である。
図５は、長さが大きいセグメントから長さが小さいセグメントにかけて順に温度が低くなるように各セグメントの温度を調整し、導波路コア３の各セグメント間の温度差を２℃に設定した場合における導波路コア３の反射スペクトルを示す。図５の横軸は周波数を示し、図５の縦軸は反射率を示す。
図５に示すように、導波路コア３の各セグメント間の温度差を２℃に設定した場合の導波路コア３の極大ピーク反射率は、１９２５００ＧＨｚ程度である。このように、各セグメント間の温度差を２℃に設定することにより、極大ピーク反射率を−１５００ＧＨｚ移動させることができる。逆に、各セグメント間の温度差を−２℃に設定することにより、極大ピーク反射率を１５００ＧＨｚ移動させることができる。以上のことから、各セグメント間の温度差を変化させることにより、極大ピーク反射率を変化させることができる。なお、温度勾配によって変化するのは、各縦モードの光強度であって、各縦モードの周波数ではない。
図６は、図５の場合においてしきい値利得の計算機シミュレーションによって計算したレーザ発振しきい値での発振スペクトルを示す。図６の横軸は周波数を示し、図６の縦軸は光強度を示す。この解析においては、簡単化のために端面反射率は０％としている。図６に示すように、目的とするレーザ発振の周波数である１９２５００ＧＨｚにおいて安定した単一モードレーザ発振が実現されている。
ここで、縦モード反射ピークの極大周波数を所望の周波数に合わせ込むには、温度勾配に加えて導波路コア５の温度および導波路コア３の平均温度を制御して縦モードの周波数を微調整する必要がある。したがって、導波路コア３において、隣接セグメント長さ差が一定でありかつ各セグメントが長さの大きい順または逆順で接続されている場合、導波路コア５の温度および導波路コア３の平均温度と導波路コア３の温度勾配とによって波長を制御する必要がある。しかしながら、導波路コア３の温度勾配は縦モード周波数自体を変化させないので、レーザ発振中に常時フィードバック制御する必要はない。また、常時フィードバック制御する際に制御すべきパラメータは、多くても導波路コア５の温度および導波路コア３の平均温度だけである。したがって、本実施例のような構成は、制御アルゴリズムの観点から非常に有利である。
なお、実際には本実施例に係るレーザ部２００全体を温度制御装置に載せて動作させることが通常である。この温度制御装置によって導波路コア５の温度を変化させた場合は、同時に導波路コア３の平均温度も変化する。しかしながら、これは問題にはならない。導波路コア５の温度と導波路コア３の平均温度との差を制御することで波長可変ができるからである。特に、導波路コア３において、各セグメントを、隣接セグメント長さ差が一定でありかつ各セグメントが長さの大きい順または逆順になるように接続することにより容易に実現することができる。この場合、外部温度変化によってもこの温度差は擾乱され難いため、安定したレーザ発振の持続が容易になる。
また、本実施例においては温度制御により導波路コア３の各セグメントの屈折率を制御しているが、各セグメントに電流を供給することにより各セグメントの屈折率を制御することもできる。この場合、薄膜抵抗体１１の代わりに電極を形成することによって実現可能である。ただし、導波路コア３に電流を供給すると導波路コア３において光伝播損失が発生することから、本実施例のような温度制御の方がより効果的である。さらに、レーザ部２００は、ＳＧ−ＤＲ領域Ｃの代わりにＣＳＧ−ＤＲ領域Ａをもう１つ備えていてもよい。この場合、各ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａにおける縦モードのピーク反射強度が相対的に大きくなる波長範囲で縦モードを一致させることによって、より安定したレーザ発振を実現することができる。
さらに、本実施例においては、各スペース部の長さに基づいて各セグメントの光学的長さが決定されているが、その他の構成または方法により各セグメントの光学的長さが決定されてもよい。例えば、各スペース部または各セグメントの材質に基づいて各セグメントの光学的長さが決定されてもよい。また、各セグメントの屈折率は各セグメントの温度に基づいて制御することができることから、各セグメントの屈折率は、各セグメントの温度変化量（温度勾配）と温度絶対値（温度平均値）とに基づいて制御することができる。
さらに、本実施例においては縦モード波長を一定値に保持しつつ縦モードの最大強度を変化させることによってレーザ発振波長を制御しているが、必要に応じて縦モード波長を縦モードの最大強度と同時に制御してもよい。この場合、各セグメントの温度平均値が温度制御前と異なる値になるように各セグメントの温度を制御すればよい。この条件によれば縦モードが可変となるので、各セグメントの温度平均値を所望の縦モード波長が実現される温度に制御すれば、縦モードの強度と同時に立てモード波長の制御が可能となる。
本実施例においては、抽出回折格子２が回折格子に相当し、導波路コアにおいて抽出回折格子を有する領域が第１の領域に相当し、スペース部が第２の領域に相当し、導波路コア３が第１回折格子領域に相当し、導波路コア４が利得領域に相当し、導波路コア５が第２回折格子領域に相当し、薄膜抵抗体１１がヒータに相当し、レーザ部２００が半導体レーザまたは光学部品に相当する。
続いて、本発明の第２実施例に係るレーザ装置１００ａについて説明する。レーザ装置１００ａが図１のレーザ装置１００と異なる点は、レーザ部２００の代わりにレーザ部２００ａを備える点である。以下、レーザ部２００ａの詳細について説明する。
図７は、レーザ部２００ａの模式的断面図である。レーザ部２００ａが図２のレーザ部２００と異なる点は、Ｇａｉｎ領域ＢとＳＧ−ＤＲ領域Ｃとの間にＰＳ（Ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ）領域Ｄがさらに形成されている点である。ＰＳ領域Ｄは、基板１上に導波路コア１５、クラッド層６、コンタクト層７および電極１６が順に積層された構造を有する。
ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａ、Ｇａｉｎ領域Ｂ、ＰＳ領域ＤおよびＳＧ−ＤＲ領域Ｃにおける基板１およびクラッド層６は、それぞれ一体的に形成されている。また、導波路コア３，４，５，１５は、同一面に形成され、１つの導波路を形成している。さらに、絶縁層８は、電極１４と電極１６との境界にも形成されている。導波路コア１５は、導波路コア３と同様にレーザ発振波長よりも吸収端が短波長であるＩｎＧａＡｓＰ結晶から形成されている。この導波路コア１５は、ＣＳＧ−ＤＲ領域の導波路コア３と同様のものでもよい。電極１６は、ＰＳ領域Ｄに電流を供給するための電極であり、Ａｕ等の導電性材料から構成される。
ＰＳ領域Ｄは、電極１６に供給される電流に基づいて、導波路コア３から反射される目的とする波長光と導波路コア５から反射される目的とする波長光との位相が合うように、導波路コア１５において位相調整を行う。それにより、本実施例に係るレーザ部２００ａは、目的とする波長光をより安定的にレーザ発振させることができる。本実施例においては、ＰＳ領域Ｄが位相調整領域に相当し、レーザ部２００ａが半導体レーザまたは光学部品に相当する。
続いて、本発明の第３実施例に係るレーザ装置１００ｂについて説明する。レーザ装置１００ｂが図１のレーザ装置１００と異なる点は、レーザ部２００の代わりにレーザ部２００ｂを備える点である。以下、レーザ部２００ｂの詳細について説明する。
図８は、レーザ部２００ｂの詳細を説明するための図である。図８（ａ）はレーザ部２００ｂの上面図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。以下、図８（ａ）および図８（ｂ）を参照しつつレーザ部２００ｂの説明を行う。レーザ部２００ｂが図２のレーザ部２００と異なる点は、Ｇａｉｎ領域ＢおよびＳＧ−ＤＲ領域Ｃの代わりにＰＳ領域Ｄ、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＥおよびＰＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ）領域Ｆを備える点である。
レーザ部２００ｂは、ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａ、ＰＳ領域Ｄ、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＥおよびＰＣ領域Ｆを順に連結させた構造を有する。ＳＧ−ＤＦＢ領域Ｅは、基板１上に導波路コア１７、クラッド層６、コンタクト層７および電極１８が順に積層された構造を有する。ＰＣ領域Ｆは、基板１上に導波路コア１９、クラッド層６、コンタクト層７、電極２０が順に積層された構造を有する。本実施例においては、低反射膜９は、ＰＣ領域Ｆ側の基板１、導波路コア１９およびクラッド層６の端面に形成されている
ＣＳＧ−ＤＲ領域Ａ、ＰＳ領域Ｄ、ＳＧ−ＤＦＢ領域ＥおよびＰＣ領域Ｆにおける基板１およびクラッド層６は、それぞれ一体的に形成されている。導波路コア３，１５，１７，１９は、同一面に形成され、１つの導波路を形成している。絶縁層８は、電極１６と電極１８との境界および電極１８と電極２０との境界にも形成されている。導波路コア１７においては、複数の抽出回折格子２が所定の間隔をあけて形成され、それによってサンプルドグレーティングが形成される。
導波路コア１７は、目的とする波長でのレーザ発振に対して利得を有するＩｎＧａＡｓＰ結晶からなり、例えば１．５７μｍ程度のＰＬ波長を有する。導波路１７におけるセグメント数は、導波路コア３におけるセグメント数と同程度が好ましく、例えば５である。導波路１７における各セグメント長さは、実質的に同一であり、例えば２４０μｍ程度である。導波路コア１９は、出射光出力を変化させるためのＩｎＧａＡｓＰ結晶からなり、例えば１．５７μｍ程度のＰＬ波長を有する。
続いて、レーザ部２００ｂの動作について説明する。まず、図１の制御部３００により、電極１８に所定の電流が供給される。それにより、導波路コア１７において光が発生する。発生した光は、導波路コア１９において増幅され、導波路コア３，１５，１７，１９を伝播しつつ繰り返し反射および増幅されるとともに、外部に発振される。電極２０には、制御部３００から所定の電流が供給される。それにより、出射光出力が一定に維持される。
また、本実施例においては、導波路コア１７および導波路コア１９のＰＬ波長は同一であるが、必ずしも同一である必要はない。しかしながら、導波路コア１７および導波路コア１９のＰＬ波長が同一であれば、導波路コア１７および導波路コア１９を同一工程で形成することができる。したがって、生産工程が短縮化される。その結果、レーザ装置１００ｂの製作が容易になる。
さらに、導波路コア１９として吸収端がレーザ波長よりも短波長の吸収層を用いれば、この吸収層への電流供給によってレーザ光の伝播損失を増大させることができる。したがって、出射端からの出射光強度を制御できるようになる。この場合、この吸収層において片道−３ｄＢ程度の伝播損失を発生させることにより、低反射膜９の反射率が０．３％程度のものであっても導波路コア１７の端面に最も近いセグメントへの反射率を−３０ｄＢ以下にすることができ、レーザ発振のモード安定化が図れる。なお、導波路コア１７を結晶軸に対して斜めにすることによっても上記効果を得ることができる。この出射光強度の制御を用いれば、導波路コア１７への電流供給量を変化させる必要はない。それにより、導波路コア１７の屈折率が変化することを防止することができる。その結果、導波路コア１７の屈折率変化に基づくレーザ発振のモード安定性低下を防止することができる。
本実施例においては、導波路コア１７が第２回折格子領域に相当し、導波路コア１９が光吸収領域または光増幅領域に相当し、レーザ部２００ｂが半導体レーザまたは光学部品に相当する。
続いて、第４実施例に係るレーザ装置１００ｃについて説明する。図９は、レーザ装置１００ｃの全体構成を示す模式図である。図９に示すように、レーザ装置１００ｃは、レーザモジュール３０および制御部４０を備える。レーザモジュール３０は、光学部品３１、光増幅器３２、光学部品３３、温度制御装置３４およびサーミスタ３５を備える。光学部品３１、光増幅器３２および光学部品３３は、同一光軸を構成するように温度制御装置３４上に順に配置されている。
光学部品３１は、上記実施例のＣＳＧ−ＤＲ領域Ａを備える光学部品である。光学部品３３は、上記実施例のＳＧ−ＤＲ領域Ｃを備える光学部品である。光増幅器３２は、制御部４０の指示に従って、所定の有効波長帯域を有する入力光にゲインを与えてレーザ光を出力する。光増幅器３２によって出力されたレーザ光は、光学部品３１，３３および光増幅器３２を伝播しつつ繰り返し反射および増幅されるとともに、外部に発振される。サーミスタ３５は、温度制御装置３３の温度を検出して、その検出結果を制御部４０に与える。さらに、外部からの光学出力を検知した結果が制御部４０に与えられる。制御部４０は、サーミスタ３５の検出結果および外部からの光学出力の検知結果に基づいて、温度制御装置３４の温度および光学部品３１におけるＣＳＧ−ＤＲ領域Ａの各セグメント温度および光増幅器３２を制御する。
図１０は、レーザモジュール３０のさらに詳細な模式図である。図１０に示すように、レーザモジュール３０は、制御部４０からの信号を入力するための端子３６およびサーミスタ３５からの信号を出力するための端子３７を備える。端子３６は、温度制御装置３４を制御するための端子、光学部品３１におけるＣＳＧ−ＤＲ領域Ａの各セグメント温度を制御するための端子および光増幅器３２を制御するための端子を含む。なお、端子３６および端子３７の位置は特に限定されない。端子３６および端子３７は、それぞれ反対側に設けられている必要はなく、同一側に設けられていてもよい。また、端子３６と端子３６との間に端子３７が設けられていてもよい。
このように各光学部品をモジュール化することによって、制御部からのまたは制御部への信号の配線がコンパクト化される。それにより、レーザ装置を小型化することが可能である。なお、第１実施例のレーザ部２００をモジュール化して電源電極１２および電極１４に接続される端子を設けることによってレーザモジュールを構成してもよく、第２実施例のレーザ部２００ａをモジュール化して電源電極１２および電極１４，１６に接続される端子を設けることによってレーザモジュールを構成してもよく、第３実施例のレーザ部２００ｂをモジュール化して電源電極１２および電極１６，１８，２０に接続される端子を設けることによってレーザモジュールを構成してもよい。
本発明の第１実施例に係る波長可変半導体レーザを説明するための模式図である。 レーザ部の詳細を説明するための図である。 導波路コアの反射スペクトルの計算例を示す。 しきい値利得の計算機シミュレーションによって計算したレーザ発振しきい値での発振スペクトルを示す。 各セグメント間の温度差を２℃に設定した場合における導波路コアの反射スペクトルを示す。 図５の場合においてしきい値利得の計算機シミュレーションによって計算したレーザ発振しきい値での発振スペクトルを示す。 レーザ部の模式的断面図である。 レーザ部の模式的断面図である。 レーザ装置の全体構成を示す模式図である。 レーザモジュールのさらに詳細な模式図である。 ２つのＳＧ−ＤＲ導波路の縦モード間隔をそれぞれ１９４ＧＨｚおよび１７０ＧＨｚに設定した場合における２つのＳＧ−ＤＲ導波路の反射スペクトルの計算例を示す。 ２つのＳＧ−ＤＲ導波路を有する波長可変半導体レーザを用いてしきい値解析によって計算したレーザ発振しきい値での発振スペクトルを示す。
符号の説明
２ 抽出回折格子
３，４，５，１５，１７，１９ 導波路コア
６ クラッド層
９，１０ 低反射膜
１１ 薄膜抵抗体
１００ レーザ装置
２００，２００ａ，２００ｂ，２００ｃ レーザ部
３００ 制御部
Ａ ＣＳＧ−ＤＲ領域
Ｂ Ｇａｉｎ領域
Ｃ ＳＧ−ＤＲ領域
Ｅ ＳＧ−ＤＦＢ領域
Ｆ ＰＣ領域

Claims (20)

  1. レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と、前記第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、前記複数のセグメントにおいて、前記第１の領域に挟まれた前記第２の領域のうち少なくとも２つの光学的長さが互いに異なってなる第１回折格子領域と、
    前記光学的長さが異なる各セグメントの屈折率をそれぞれ個別に可変することで、前記第１回折格子領域における複数の縦モードのピーク波長および前記ピーク波長の強度を制御する屈折率制御部と、を備えることを特徴とする半導体レーザ。
  2. 前記レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と、前記第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、前記第２の領域の光学的長さが実質的に同一である第２回折格子領域をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  3. 前記第１回折格子領域において、前記各第２の領域の光学的長さと他の前記第２の領域の光学的長さとの差の最小値は、前記各第２の領域の光学的長さの平均値の１％以上６％以下の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  4. 前記第１回折格子領域において、前記各第２の領域の光学的長さと他の前記第２の領域の光学的長さとの差の最小値は、すべて等しいことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  5. 前記第１回折格子領域における前記各セグメントは、前記第２の領域の光学的長さの昇順または降順に配置されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  6. 前記レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と、前記第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、前記複数のセグメントにおいて、前記第１の領域に挟まれた前記第２の領域のうち少なくとも２つの光学的長さが、互いに異なってなる第３回折格子領域と、
    前記光学的長さが異なる各セグメントの屈折率をそれぞれ個別に可変することで、前記第１回折格子領域における複数の縦モードのピーク波長および前記ピーク波長の強度を制御する屈折率制御部と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  7. 前記半導体レーザの端面において、光吸収領域または光増幅領域をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  8. 前記屈折率制御部は、前記セグメントの屈折率を制御するためのヒータを備えて構成されてなることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  9. 第１回折格子領域内および前記第２回折格子領域内の光の位相を調整するための位相調整領域をさらに備えることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
  10. 第１回折格子領域内および前記第３回折格子領域内の光の位相を調整するための位相調整領域をさらに備えることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザ。
  11. レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と、前記第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、前記複数のセグメントにおいて、前記第１の領域に挟まれた前記第２の領域のうち少なくとも２つの光学的長さが互いに異なってなる第１回折格子領域と、前記光学的長さが異なる各セグメントの屈折率をそれぞれ個別に可変することで、前記第１回折格子領域における複数の縦モードのピーク波長および前記ピーク波長の強度を制御する屈折率制御部と、を有する半導体レーザの製造方法であって、
    前記第１回折格子領域は、
    半導体層表面にレジストを塗布する第１の工程と、
    前記レジストに回折格子パターンを露光する第２の工程と、
    前記第２の工程の後に、前記レジストに対してさらに、前記回折格子パターンを離間させる複数のスペース部のパターンを露光する第３の工程と、
    前記第３の工程の後に前記レジストを現像することによって形成されたレジストパターンを前記半導体層に転写する第４の工程とを含む工程によって形成されることを特徴とする半導体レーザの製造方法。
  12. 前記第２の工程における露光は、干渉露光法を用いた露光であることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザの製造方法。
  13. 前記第３の工程における露光は、前記スペース部の領域を選択的に開口する露光マスクを用いた露光であることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザの製造方法。
  14. 前記複数のスペース部のうち少なくとも２つの光学的長さは、実質的に同一であり、
    前記第３の工程において、前記複数のスペース部は同時に露光されることを特徴とする請求項１１記載の半導体レーザの製造方法。
  15. レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と、前記第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、前記複数のセグメントにおいて、前記第１の領域に挟まれた前記第２の領域のうち少なくとも２つの光学的長さが互いに異なってなる第１回折格子領域が設けられ、前記光学的長さが異なる各セグメントの屈折率をそれぞれ個別に可変する屈折率制御部を有する半導体レーザに対して、
    前記光学的長さが異なる少なくとも２つのセグメントの屈折率を互いに異ならせる制御をすることで、前記第１回折格子領域の複数の縦モードのピーク波長および前記ピーク波長の強度を調整することを特徴とする半導体レーザの制御方法。
  16. 前記複数のセグメントの屈折率の平均値を一定に保持する制御を行うことで、前記第１回折格子領域は複数の縦モードのピーク波長を維持して、前記ピーク波長の強度が変化することを特徴とする請求項１５記載の半導体レーザの制御方法。
  17. 前記複数のセグメントの屈折率の差を一定に保持する制御を行うことで、前記第１回折格子領域の縦モードのピーク波長を変化させつつ、前記ピーク波長の強度を維持することを特徴とする請求項１５記載の半導体レーザの制御方法。
  18. 前記各セグメントの屈折率と他の前記セグメントの屈折率の差との最小値がすべて等しくなるように、前記各セグメントの屈折率を制御することを特徴とする請求項１５記載の半導体レーザの制御方法。
  19. 前記各セグメントの温度を制御することによって前記各セグメントの屈折率を制御することを特徴とする請求項１５記載の半導体レーザの制御方法。
  20. レーザの導波路中に、回折格子を有する第１の領域と前記第１の領域に連結されかつスペース部となる第２の領域とを備えるセグメントを複数連結してなる抽出回折格子の構造を有し、前記複数のセグメントにおいて、前記第１の領域に挟まれた前記第２の領域のうち少なくとも２つの光学的長さが互いに異なってなる第１回折格子領域と、前記光学的長さが異なる各セグメントの屈折率をそれぞれ個別に可変することで、前記第１回折格子領域における複数の縦モードのピーク波長および前記ピーク波長の強度を制御する屈折率制御部とを有する半導体レーザと、
    前記半導体レーザの温度を制御するための温度制御装置と、
    前記屈折率制御部を制御するための端子と、
    前記温度制御装置を制御するための端子とを備えることを特徴とするレーザモジュール。
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