JP6895903B2 - 半導体レーザ素子、回折格子構造、および回折格子 - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザ素子、回折格子構造、および回折格子に関するものである。
従来、波長軸上で略周期的に反射ピークが配置された反射コムスペクトルを有する２つの反射要素を組み合わせた波長可変レーザ素子が用いられている。反射ピーク間の波長間隔が互いにわずかに異なる２つの反射コムスペクトルを組み合わせて用いると、バーニア効果と呼ばれる効果により、広い帯域の波長可変を実現することができる。
バーニア効果とは次のようなものである。２つの反射要素における反射コムスペクトルは反射ピーク間の波長間隔が異なるので、両者が有する複数の反射ピークのうち、同時に一致するのはいずれかひとつのみとなり、その波長で光共振器が形成され、レーザ発振が起こる。さらに、この状態から、一方の反射コムスペクトルの波長を、屈折率変化によってわずかに変更すると、もう一方の反射コムスペクトルと一致する反射ピークが別の波長のものとなる。そうすると、それまでの波長とは大きく異なる波長で光共振器が形成され、レーザ発振が起こるようになる。屈折率変化によって起こる波長特性の変化がわずかであっても、以上のバーニア効果によればそれよりも大きいレーザ発振波長変化を得ることができる。実用的に得られる屈折率変化量は限られているので、このようなバーニア効果を用いた波長可変技術は、広い帯域を有する波長可変レーザ素子に非常に有効性が高い技術である。このようなバーニア効果を用いた波長可変レーザ素子の１つとして、ＣＳＧ−ＤＲレーザと呼ばれる方式が提案されている（特許文献１、非特許文献１など）。
従来バーニア効果を用いた波長可変レーザ素子は、２つのサンプルドグレーティング（Sampled Grating：ＳＧ）による分布ブラッグ反射鏡（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）を用いたＤＢＲレーザが主に用いられていた。ＳＧとは、短い回折格子を空間的に周期的に（以後、この周期をサンプリング周期と呼ぶ）配置した回折格子で、反射コムスペクトルを実現する技術のひとつである。
ＣＳＧ−ＤＲレーザは、このような従来のＤＢＲレーザに比べて、一方のＳＧを、活性層を含むアクティブ領域としたことが特徴的である。従来のＤＢＲレーザであれば、アクティブ領域（利得部）は２つのＳＧの間に位置する。このため２つのＳＧの間にある程度の長さが必要となる。すると、２つのＳＧの間で光の位相条件を合わせることが難しくなるため、ＳＧの間に位相調整を行う位相調整領域が必要となる。この位相調整領域は、レーザの動作をモニタしながら常に位相調整制御を行わなければならないため、制御が複雑になり、製造時の検査工程が煩雑になるという問題があった。一方、ＣＳＧ−ＤＲレーザは、アクティブ領域がＳＧに含まれるために、位相調整領域が要らず、上記の問題が無いという利点を有する。
ところで、通常のＳＧは原理的に反射コムスペクトルの各反射ピークの反射率が均等になることはなく、反射コムスペクトル全体の帯域の中心の反射ピークほど反射率が高く、帯域の中心から外れた反射ピークほど反射率が低い。ＳＧを構成する各回折格子の長さを短く（周期数を少なく）することで反射コムスペクトルにおける反射ピークごとの反射率のばらつきを低減し、より均等にすることができる。ただし、そのようにして反射率のばらつきを小さくした場合、所望の帯域外の反射ピークの反射率も同様に高くなってしまう。ここで、所望の帯域とは、レーザ素子においてレーザ発振させたい波長帯域であり、以下ではレーザ発振波長帯域と呼ぶ。そのようにレーザ発振波長帯域外の反射ピークが高くなると、レーザ発振波長帯域外の反射ピークの波長でレーザ発振が起こりうる。例えば、波長可変レーザにおいては、レーザ発振波長帯域である波長可変波長帯域の短波長側で発振させたいときに、長波長側のレーザ発振波長帯域外の波長で発振することがありうる。これは、２つの反射コムスペクトルでバーニアを形成したときに、回帰モードと呼ばれる、所望の帯域（レーザ発振波長帯域）外で２つの反射コムスペクトルの反射ピークが一致する現象が生じるためである。
この回帰モードでの発振を避けるために、ＣＳＧ−ＤＲレーザでは特許文献２に記載の技術を用いている。すなわち、ＳＧのうち、アクティブ領域と異なる側のパッシブ領域のＳＧを、サンプリング周期の異なる複数のＳＧを連結した構造としている。これをＣＳＧ−ＤＢＲ構造と呼ぶ。このようにすると、回帰モードを抑制することができる。
特開２０１５−１０６６６４号公報 特許第４２８３８６９号公報 米国特許６，１４１，３７０号明細書 特許第５６９２３３０号公報
２０１３年７月・ＳＥＩテクニカルレビュー・第１８３号５０ページ〜 IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL.34, NO.4, pp.729- IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL.10, NO.6, pp.842- 古河電工時報第１１２号（平成１５年７月）５ページ〜
ＣＳＧ−ＤＲレーザでは、上記説明したように、パッシブ領域のＳＧ内部にサンプリング周期の異なる複数のＳＧを含むＣＳＧ−ＤＢＲ構造としている。このサンプリング周期の異なるＳＧは、典型的には特許文献１に記載のように３種類を用いる。すなわち、ＣＳＧ−ＤＲレーザはアクティブ領域のＳＧと、パッシブ領域のＣＳＧ−ＤＢＲに含まれる３種類のＳＧで構成される４つの反射コムスペクトルからなるバーニアを利用するものである。したがって、この４種類のＳＧによる反射ピークが全て一致するように制御された波長で、レーザ発振が起こる。
しかし、この構造の場合、このように複数の反射コムスペクトルを制御する必要があるので、制御が難しく、結果として波長可変レーザの波長チャネルごとに特性がばらつきやすいという課題があった。各反射コムスペクトルの反射ピークを完全に一致させることができなかった場合、反射率が所望の値よりも小さくなるので、レーザの発振しきい値が増大する。最近、通信用の波長可変レーザではコヒーレント伝送用途で発振周波数線幅が狭いことが要求されているが、このように発振しきい値が或るチャネルによって増大すると、その周波数線幅も増大し、コヒーレント伝送に適しない。
このため、４つの反射コムスペクトルからなるバーニアに替わって、より少ない反射コムスペクトルの種類でバーニアによる波長可変を実現したいという欲求がある。もともと、パッシブ領域に３種類のＳＧを用いたものとしたのは、回帰モードを抑制するためであった。すなわち、回帰モードの問題を別の手段で解決できれば、より少ない反射コムスペクトルの種類でバーニアを形成でき、制御が容易となってチャネルごとの特性ばらつきを低減できると考えられる。
従来のＳＧに替わって、反射コムスペクトルの、レーザ発振波長帯域外の反射ピークを抑制したものとして、特許文献３および非特許文献２に記載のＢＳＧ（Binary Superimposed Grating）がある。これは、複数の周期の回折格子を足し算で重ね合わせた形状を、位相シフトを複数含んだ回折格子として実現するものである。ＢＳＧは、設計により、所望のレーザ発振波長帯域内のみに反射コムのピークを有し、帯域外の反射ピークを抑制した特性を有することができる。
このようなＢＳＧの特性を用いれば、そもそもレーザ発振波長帯域外の反射ピークが無いので、回帰モードの問題を回避することができる。実際、特許文献４には、ＢＳＧと同様の構造であると考えられるＰＧと呼ぶ回折格子をＤＲレーザのパッシブ領域に用いる構成が開示されている。しかし、特許文献４に記載のＤＲレーザは、制御電流を注入する位相シフト部を有することを特徴としている。すなわち、ＢＳＧ（またはＰＧ）を用いたレーザ構成では、位相調整領域が必須であり、バーニア制御が簡便になったとしても位相制御の煩雑さが増えるという課題があった。
特許文献４には、位相調整領域を設けることによって競合モード間のしきい値利得差が良好になることの説明は記載されているが、そもそもなぜＢＳＧ（またはＰＧ）を用いると位相調整領域が必要になるかの考察は行われていない。すなわちＢＳＧ（またはＰＧ）のようなレーザ発振波長帯域外の反射ピークを抑制した反射コムスペクトルを用いてかつ位相調整領域が不要になる構成は知られておらず、またどのような条件でそれが可能になるかも知られていなかった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、位相調整領域を備えなくてもよい半導体レーザ素子、およびこれを実現するための回折格子構造ならびに回折格子を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、波長軸上で略周期的に反射ピークが配置された反射コムスペクトルを有し、前記周期が互いに異なる第１、第２の反射要素で構成される光共振器を備えるバーニア型かつ波長可変型の半導体レーザ素子であって、前記第１、第２の反射要素の少なくとも一つは、各反射ピークにおける反射位相が揃っており、かつ設定されたレーザ発振波長帯域外の反射ピークの強度が、前記レーザ発振波長帯域内の反射ピークの強度よりも小さい反射コムスペクトルを有するサンプルドグレーティング構造を備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、波長軸上で略周期的に反射ピークが配置された反射コムスペクトルを有し、前記周期が互いに異なる第１、第２の反射要素で構成される光共振器を備えるバーニア型かつ波長可変型の半導体レーザ素子であって、前記第１、第２の反射要素の少なくとも一つは、回折格子構造を複数含むサンプルドグレーティング構造の回折格子であって、前記各回折格子構造は光の進行方向において略中心対称な構造を有しており、かつ設定されたレーザ発振波長帯域外の反射ピークの強度が、前記レーザ発振波長帯域内の反射ピークの強度よりも小さい反射コムスペクトルを有するサンプルドグレーティング構造を備えることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、波長軸上で略周期的に反射ピークが配置された反射コムスペクトルを有し、前記周期が互いに異なる第１、第２の反射要素で構成される光共振器を備えるバーニア型かつ波長可変型の半導体レーザ素子であって、前記第１、第２の反射要素の少なくとも一つは、回折格子構造を複数含むサンプルドグレーティング構造の回折格子であって、前記回折格子構造は、高屈折率部と、前記高屈折率部よりも屈折率が低い低屈折率部とが所定の方向において交互に複数組配置されてなり、前記高屈折率部と前記低屈折率部とが交互に周期的に複数組配置されてなる構造を基本構造とすると、前記基本構造から前記高屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記低屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記高屈折率部と前記低屈折率部との境界の少なくとも一つを間引きする、またはこれらの組み合わせを行うことで形成されている構造を有しており、かつ、前記基本構造から、前記高屈折率部と前記低屈折率部との交互配置が１／２周期だけ位相シフトした複数の部分を含む構造を有していることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第１、第２の反射要素の少なくとも一つは発光領域を有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、第１反射膜と、前記第１反射膜よりも反射率が高い第２反射膜と、前記第１反射膜と前記第２反射膜との間に配置された活性層と、前記活性層の近傍に前記活性層に沿って設けられた、回折格子構造を含む回折格子と、を備え、前記回折格子構造は、高屈折率部と、前記高屈折率部よりも屈折率が低い低屈折率部とが所定の方向において交互に複数組配置されてなり、前記高屈折率部と前記低屈折率部とが交互に周期的に複数組配置されてなる構造を基本構造とすると、前記基本構造から前記高屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記低屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記高屈折率部と前記低屈折率部との境界の少なくとも一つを間引きする、またはこれらの組み合わせを行うことで形成されている構造を有しており、かつ、前記基本構造から、前記高屈折率部と前記低屈折率部との交互配置が１／２周期だけ位相シフトした複数の部分を含む構造を有しており、複数の縦モードでレーザ発振することを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記回折格子構造は、所望の反射率スペクトルをフーリエ変換することによって得られる形状を近似的に得る構造を有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記回折格子構造は、矩形窓関数をフーリエ変換することによって得られるｓｉｎｃ関数形状を近似的に得る構造を有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記回折格子構造は、前記所定の方向において略中心対称な構造を有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記回折格子は、前記回折格子構造を複数含むサンプルドグレーティング構造の回折格子であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る回折格子構造は、高屈折率部と、前記高屈折率部よりも屈折率が低い低屈折率部とが所定の方向において交互に複数組配置されてなり、前記高屈折率部と前記低屈折率部とが交互に周期的に複数組配置されてなる構造を基本構造とすると、前記基本構造から前記高屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記低屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記高屈折率部と前記低屈折率部との境界の少なくとも一つを間引きする、またはこれらの組み合わせを行うことで形成されている構造を有しており、かつ、前記基本構造から、前記高屈折率部と前記低屈折率部との交互配置が１／２周期だけ位相シフトした複数の部分を含む構造を有していることを特徴とする。
本発明の一態様に係る回折格子構造は、所望の反射率スペクトルをフーリエ変換することによって得られる形状を近似的に得る構造を有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る回折格子構造は、矩形窓関数をフーリエ変換することによって得られるｓｉｎｃ関数形状を近似的に得る構造を有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る回折格子構造は、前記所定の方向において略中心対称な構造を有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る回折格子は、サンプルドグレーティング構造の回折格子であって、本発明の一態様に係る回折格子構造を複数含むことを特徴とする。
本発明によれば、位相調整領域を備えなくてもよい半導体レーザ素子、およびこれを実現するための回折格子構造ならびに回折格子が提供される。
図１は、実施形態１に係る半導体レーザ素子を光導波方向に沿って切断した模式的な断面図である。 図２は、利得ＳＧ部と受動ＳＧ部との反射スペクトルの一例を示す図である。 図３は、ＳＧの反射スペクトルと反射位相との一例を示す図である。 図４は、ＢＳＧの反射スペクトルと反射位相との一例を示す図である。 図５は、実施形態１に係る半導体レーザ素子に採用した設計によるＳＧの反射スペクトルと反射位相との一例を示す図である。 図６は、反射スペクトルの形状について概念的に説明する図である。 図７は、反射スペクトルの形状について概念的に説明する図である。 図８は、回折格子構造の設計方法について説明する図である。 図９は、回折格子構造の設計方法について説明する図である。 図１０Ａは、回折格子構造の設計方法について説明する図である。 図１０Ｂは、回折格子構造の設計方法について説明する図である。 図１１は、強度関数と回折格子構造の屈折率構造とを示す図である。 図１２Ａは、回折格子構造の設計方法について説明する図である。 図１２Ｂは、回折格子構造の設計方法について説明する図である。 図１３は、強度関数と回折格子構造の屈折率構造とを示す図である。 図１４は、利得ＳＧ部と受動ＳＧ部との反射スペクトルの一例を示す図である。 図１５は、利得ＳＧ部と受動ＳＧ部との反射スペクトルの一例を示す図である。 図１６は、実施形態２に係る半導体レーザ素子を光導波方向に沿って切断した模式的な断面図である。 図１７は、回折格子構造の屈折率構造と強度関数とを示す図である。 図１８は、回折格子層の反射スペクトルを示す図である。
以下に、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ素子、回折格子構造、および回折格子の実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る半導体レーザ素子を光導波方向（紙面左右方向）に沿って切断した模式的な断面図である。図１に示すように、半導体レーザ素子１００は、電流注入によって発光する活性層である導波路コア層１１５を有するＳＧ−ＤＦＢ部である利得ＳＧ部１１０と、利得ＳＧ部１１０に隣接し、受動導波路コア層である導波路コア層１２５を有するＣＳＧ−ＤＢＲ部である受動ＳＧ部１２０とを備える。利得ＳＧ部１１０、受動ＳＧ部１２０の各端面１１１、１２１には不図示の反射防止膜が形成されている。
また、半導体レーザ素子１００は、裏面にｎ側電極１０１が形成されたｎ型半導体層１０２と、利得ＳＧ部１１０でｎ型半導体層１０２上に形成された回折格子層１１３と、受動ＳＧ部１２０でｎ型半導体層１０２上に形成された回折格子層１２３と、回折格子層１１３、１２３上に形成されたｎ型スペーサ層１０４と、利得ＳＧ部１１０のｎ型スペーサ層１０４上に形成された導波路コア層１１５と、受動ＳＧ部１２０のｎ型スペーサ層１０４上に形成された導波路コア層１２５と、導波路コア層１１５、１２５上に形成されたｐ型上部クラッド層１０６と、利得ＳＧ部１１０のｐ型上部クラッド層１０６上に形成されたコンタクト層１１７と、コンタクト層１１７上に形成されたｐ側電極１１８と、受動ＳＧ部１２０のｐ型上部クラッド層１０６上に形成されたＳｉＮからなるパッシベーション膜１２７と、パッシベーション膜１２７上に形成されたＴｉ／Ａｕからなるヒータ１２８ａ、１２８ｂと、を備えている。
ｎ型半導体層１０２は、ｎ型ＩｎＰからなる基板上にｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層が形成された構成を有する。
反射要素としての回折格子層１１３は、ＳＧ構造であり、所定の周期で離散的に存在する、バンドギャップ波長が１．２３μｍ（以下、１．２３Ｑとする）のｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層の間がｎ型スペーサ層１０４と同じ半導体材料（ｎ型ＩｎＰ）で埋められた分布ブラッグ反射領域である回折格子Ｇ１と、光導波路方向において回折格子Ｇ１と接続し、連続的に存在する、１．２３Ｑのｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層からなる導波路領域ＷＧ１と、からなるセグメント１１３ａが、光導波方向に複数配列された領域Ａを有する。領域Ａは６つのセグメント１１３ａを有する。セグメント１１３ａの長さは約１６０μｍである。ただし、セグメント１１３ａのうち、受動ＳＧ部１２０に隣接したセグメントは他のセグメントよりも導波路領域ＷＧ１が長く、実質的に回折格子Ｇ１が１つ省略された構造を有する。このような回折格子を省く構造によって空間的ホールバーニングを抑制する公知の効果がある。
導波路コア層１１５は、ＧａＩｎＡｓＰからなり、光導波方向において連続的に存在する導波路領域であり、厚さ５ｎｍの４つの量子井戸層と厚さ１０ｎｍの障壁層とを含むＭＱＷ層と、ＭＱＷ層を挟むように配置されたＳＣＨ層と、からなるＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する。ＭＱＷ層の厚さはたとえば４０ｎｍ〜６０ｎｍ、ＳＣＨ層の厚さはたとえば３０ｎｍである。回折格子層１１３は、ｎ型スペーサ層１０４を挟んで、導波路コア層１１５の近傍で導波路コア層１１５に沿って配置している。なお、利得ＳＧ部１１０における導波路コア層１１５は、光導波方向に沿って、利得を有する活性層と、利得を有しない受動導波路コア層が交互に配置された構造を有するＴＤＡ構造を用いることも可能である。
導波路コア層１２５は、１．２３ＱのＧａＩｎＡｓＰからなる。ｐ型上部クラッド層１０６はｐ型ＩｎＰからなる。コンタクト層１１７はｐ型ＧａＩｎＡｓからなる。なお、受動ＳＧ部１２０の導波路コア層１２５の直上に位置するｐ型上部クラッド層の一部は、ｉ−ＩｎＰからなる層に置き換えてもよい。
反射要素としての回折格子層１２３は、ＣＳＧ構造であり、領域Ｂと領域Ｃとを有する。領域Ｂでは、所定の周期で離散的に存在する、１．２３Ｑのｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層の間がｎ型ＩｎＰで埋められた分布ブラッグ反射領域である回折格子Ｇ２と、光導波路方向において回折格子Ｇ２と接続し、連続的に存在する、１．２３Ｑのｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層からなる導波路領域ＷＧ２と、からなる４つのセグメント１２３ａが、光導波方向に複数配列されている。領域Ｃでは、１．２３Ｑのｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層の間がｎ型ＩｎＰで埋められた分布ブラッグ反射領域である回折格子Ｇ３と、光導波路方向において回折格子Ｇ３と接続し、連続的に存在する、１．２３Ｑのｎ型ＧａＩｎＡｓＰ層からなる導波路領域ＷＧ３と、からなる３つのセグメント１２３ｂが、光導波方向に複数配列されている。セグメント１２３ａ、１２３ｂの長さはそれぞれ約１７７μｍと約１８４μｍである。ヒータ１２８ａ、１２８ｂはそれぞれ領域Ｂ、領域Ｃの直上に配置されている。ヒータ１２８ａ、１２８ｂは、受動ＳＧ部１２０を加熱してその屈折率を変化させるために設けられている。
なお、半導体レーザ素子１００の半導体積層構造は、図１の紙面と垂直方向の断面では、光導波方向（紙面左右方向）に光を導波するための導波路構造としての公知の埋め込みヘテロ構造を有している。
この半導体レーザ素子１００は、波長可変レーザとして動作する。図２は、半導体レーザ素子１００の利得ＳＧ部１１０と受動ＳＧ部１２０との反射スペクトルを示す図である。ＳＧ構造は、波長軸上で略周期的に反射ピークが配置されており、反射ピークの波長間隔が、セグメントの長さに反比例する反射コムスペクトルを有する。上述したように、利得ＳＧ部１１０と受動ＳＧ部１２０とで、セグメント１１３ａとセグメント１２３ａ、１２３ｂの長さが異なるので、図２に示すように、反射コムスペクトルの波長間隔（隣接する反射率のピーク間の間隔）は両者で異なる。したがって、半導体レーザ素子１００では、２つの反射コムスペクトルの間に生じるバーニア効果によって、２つの反射コムスペクトルで反射ピークが一致した波長のみでレーザ発振させることができる。それとともに、受動ＳＧ部１２０の屈折率を変化させることによって、どの反射ピークを一致させるかを調整することで、波長可変動作が可能となる。なお、図２では、波長１５５０ｎｍにおいて２つの反射コムスペクトルの反射ピークが一致している状態を示している。なお、図２のような反射スペクトルを得るより具体的な設計については、後に詳述する。
具体的な動作としは、まず、利得ＳＧ部１１０において、ｎ側電極１０１とｐ側電極１０７との間に電圧を印加して、駆動電流を注入する。駆動電流は利得ＳＧ部１１０の導波路コア層１１５に注入される。すると、導波路コア層１１５は活性層として機能し所定の波長帯域を有する光を発する。
一方、受動ＳＧ部１２０において、ヒータ１２８ａ、１２８ｂに電流を供給して加熱する。これにより受動ＳＧ部１２０の回折格子層１２３が加熱される。その結果、受動ＳＧ部１２０の波長コムスペクトルが波長軸上で全体的にシフトする。これにより、利得ＳＧ部１１０の波長コムスペクトルと受動ＳＧ部１２０の波長コムスペクトルとで反射ピークが一致する波長が調整される。そして、一致した波長において利得ＳＧ部１１０のＳＧ−ＤＦＢ構造と受動ＳＧ部１２０のＣＳＧ−ＤＢＲ構造とで光共振器が形成され、半導体レーザ素子１００は、主に利得ＳＧ部１１０の端面１１１からのみレーザ光Ｌ１０を出力する。
（製造方法）
半導体レーザ素子１００の製造方法の一例を簡単に説明する。まず半導体基板上に、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）などの結晶成長法により、下部クラッド層および回折格子層１１３、１２３となる回折格子層を形成する。つづいて、その上に、電子線露光装置によってパターニングを行い、エッチングすることで回折格子層に回折格子Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３のパターンを形成する。この際、所望の回折格子となるようにパターンを形成することが重要である。つづいて、この上に、ＭＯＣＶＤなどによって、エッチングした部分をｎ型ＩｎＰで埋め込んで回折格子層１１３、１２３とするとともにｎ型スペーサ層１０４、活性層としての導波路コア層１１５およびｐ型上部クラッド層１０６の一部を積層する。つづいて、受動ＳＧ部１２０となる領域の活性層をエッチングによって除去して、その領域にＭＯＣＶＤで導波路コア層１２５、およびｉ−ＩｎＰからなる上部クラッド層の一部を埋め込む。つづいて、公知の方法によって埋め込みヘテロ構造を作製し、さらに、ＭＯＣＶＤなどで全体にｐ型上部クラッド層１０６の残りの部分とコンタクト層１１７とを積層する。
その後、不必要な部分のコンタクト層１１７の除去、パッシベーション膜１２７の形成、電流注入用のｐ側電極１１８の形成、ヒータ１２８ａ、１２８ｂの形成、電流注入部分のパッシベーション膜１２７の除去、ｐ側電極１１８や電極パッドの形成、基板研磨とｎ側電極１０１の形成などを行う。さらに、端面１１１、１２１をへき開によって形成し、端面１１１、１２１に反射防止膜を形成し、素子分離を行うと半導体レーザ素子１００が完成する。これら全ての工程は公知の方法によって実施可能である。なお、半導体レーザ素子内にＳＯＡや光吸収領域を設ける場合には、これらの工程と同時に形成してもよいし、別の工程で形成してもよい。
（回折格子の設計方法）
つぎに、本実施形態１における回折格子Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の回折格子構造の設計について説明するが、その前に、比較例として、従来のＳＧおよびＢＳＧの特性について検討し、本発明が解決しようとする課題がどのような物理現象に起因するものかを検討する。なお、反射スペクトルの計算には、任意の形状の回折格子を制限無く解析できる手法として分離法を用いた。分離法は高屈折率部とそれよりも屈折率が低い低屈折率部との繰り返し構造による回折格子を、１次元的な多層膜の多重反射として解析する方法である。従来、本発明のような半導体光素子に用いられる回折格子の解析にはモード結合理論が主に用いられているが、回折格子の各要素ひとつずつを設計するような詳細な設計には不向きであり、そのような複雑な設計には分離法が好適である。
図３、４に、ＳＧとＢＳＧのそれぞれの反射スペクトルと反射位相との一例を示す。
活性層の利得は波長帯域中心から外れるほど利得が小さくなり、一定利得を得るための電流値の増大や線幅増大係数（αパラメータ）の増大が起こる。このため、反射率が中央波長から外れるほど小さければ、中央波長から外れた波長チャネルでは反射率も活性層も好ましくない特性を示すことになる。そこで、反射コムスペクトルの各ピークの反射率は波長依存性を示さないことが好ましい。
図３に示すように、ＳＧについては、反射コムスペクトルの中央付近の反射ピークが最も高く、そこから離れるほど小さい。この程度を小さくするために、ＳＧの各セグメントの内部に含まれる回折格子の長さを短くすることが行われる。そうすると、所望の波長可変帯域の外の反射ピークもまた高くなる。
一方、図４に示すように、ＢＳＧについては、そのような制約がなく、所定の帯域（たとえば、設定されたレーザ発振波長帯域に対応させた帯域）での反射ピークの反射率の波長依存性がほとんど無く、かつ帯域外の反射ピークが抑制された反射コムスペクトルが得られる。ここで、反射位相とは、ある参照面を位相ゼロで通過した光が反射要素を反射して参照面に戻ってきたときの位相を意味する。
一方、反射位相について見ると、丸印で示すように、ＳＧは各反射ピークにおける反射位相が、全てのピークでほぼ一致している。これに対して、ＢＳＧの各反射ピークにおける反射位相は、ＳＧとは異なり波長に対してランダムである。ＢＳＧは、その設計において、複数の異なる周期の回折格子を、位置を変えながら重ね合わせることによって得られる。これによって複数の波長での反射率をそろえているが、各波長で回折格子の位置が異なるので、反射位相はそれに伴って各波長で異なる。各反射ピークにおける反射位相が波長に対してランダムとなる原因はこのことだと考えられる。
波長に対して線形な依存性をもつ反射位相は、ある長さの導波路によって容易に補償可能である。すなわち、ある長さの導波路を光が伝播することによってその光にもたらされる位相変化もまた波長に対して線形であるから、２つの線形な位相を加算した結果が2πの整数倍になるように設計すれば、各反射ピークにおける位相は揃うこととなる。そこで、本明細書中では、このように各反射ピークにおける反射位相が波長に対して線形な関係を有する反射コムスペクトルを、反射位相が揃っていると表現することにする。
一方、ＢＳＧのように各反射ピークにおける反射位相が波長に対してランダムであると、導波路の挿入によって補償することは不可能である。特に、サンプリング周期の異なる２つの反射コムスペクトルを組み合わせて使う場合（バーニア効果を得るためには当然必要な構成である）には、この位相ずれを補償することが不可能である。あるいは、ＢＳＧとＳＧとを組み合わせる構成でも、同様に位相ずれを補償することが不可能である。このため、ＢＳＧのような各反射ピークにおける反射位相が波長に対してランダムな、言い換えれば反射位相が揃っていない反射コムスペクトルを有する反射要素を用いる場合は、バーニア型の波長可変型のレーザ素子を実現するためには、光共振器内で光の位相を可変調整する位相調整機構が不可欠になる。また、サンプリング周期の異なる複数のＳＧを連結したＣＳＧ−ＤＲレーザのパッシブ領域もまた、サンプリング周期の異なる２つの反射コムスペクトルを組み合わせて使う構成であり、これにＢＳＧを適用することもまた不可能である。
以上の検討で新たに明らかになったところによれば、ＢＳＧを用いた場合に位相調整領域が必要になる理由は、反射コムスペクトルの反射ピーク波長間で位相が揃っていないためである。したがって、反射位相がそろった反射コムスペクトルを有する反射要素であれば、それが帯域外反射が抑制されたものであっても、位相調整領域が必要なくなる。この構成によれば、制御が容易で、波長チャネルごとに特性ばらつきが小さい波長可変レーザを実現することができる。この知見は本発明の１つの側面である。
上記知見により、本発明者らが検討した回折格子構造の設計を採用したｓｉｎｃ型ＳＧでは、図５に示すように、帯域外の反射ピークは顕著に抑制されており、帯域内の反射ピークは均一性が高く、かつ反射位相は全ての反射ピークでほぼ一致している。本実施形態１に係る半導体レーザ素子１００では、回折格子層１１３、１２３が、このような特性を持つように設計したＳＧ構造を備えることにより、位相調整領域を備えなくてもよい半導体レーザ素子を実現している。
以下、反射位相が揃っていて、かつ帯域外反射が抑制された反射コムスペクトルが得られる回折格子構造を検討する。極端に強くない（反射率が高くない）回折格子は、フーリエ解析によって設計することができる。これは、回折格子を形成する屈折率分布のフーリエ変換が近似的に反射率スペクトルとなるということである。なお、この反射率スペクトルは厳密には波数領域におけるものであるが、周波数や波長に１対１対応するものであって、狭い範囲では線形な対応とみなせる。
まず、位相が揃っているという条件について考える。フーリエ解析の理論によって実対称なもののフーリエ変換は実対称であり、屈折率分布は実数なので、光の進行方向に対して略中心対称な回折格子構造の反射スペクトルは実数、つまり位相変化が無い。このため、略中心対称な回折格子構造であることは、位相がそろうことの十分条件と考えることができる。例えば、公知のＳＧはその要素の回折格子は短い均一な回折格子であって、略中心対称な構造であるので、位相がそろった回折格子である。なお、ＢＳＧはこの条件を満たさない。
さらに、反射スペクトルについて考える。矩形窓関数のフーリエ変換はｓｉｎｃ関数である。この事実を元に考えると、ＳＧは小さい矩形窓関数にｃｏｓ関数を乗じたものを櫛形関数（Ｃｏｍｂ関数、シャー関数）と畳み込みしてさらに大きい矩形窓関数を乗じたものであるから、そのフーリエ変換は大きいｓｉｎｃ関数を周波数移動したもの（原点と異なる位置のインパルスを畳み込んだもの）に櫛形関数を乗じ、さらに小さいｓｉｎｃ関数を畳み込んだものである（図６参照）。この場合、複数の反射ピーク全体の包絡線を決定するのは小さい矩形窓関数のフーリエ変換である大きいｓｉｎｃ関数である。このため、従来のＳＧでは反射ピークの強度は波長に対してｓｉｎｃ関数の依存性があって、小さい窓関数を決定する要素の回折格子を短くすれば包絡線が広がるものの、完全に均一になることは無いし、逆に帯域外のピークをｓｉｎｃ関数の形状を超えて抑圧することもできない。
このように、反射スペクトルの全体の包絡線は最も小さい窓関数で決定される。そこで、ＳＧの要素の回折格子を別の形状とすることを検討する。矩形窓関数のフーリエ変換はｓｉｎｃ関数であるが、逆にｓｉｎｃ関数のフーリエ変換は矩形窓関数である。この事実を利用すれば、ＳＧの要素の回折格子をｓｉｎｃ関数状（ｓｉｎｃ関数とｃｏｓ関数を乗じたもの）にしておけば、ＳＧの反射ピークの包絡線は矩形窓関数になる。すなわち、回折格子を、小さいｓｉｎｃ関数にｃｏｓ関数を乗じたものを櫛形関数と畳み込みしてさらに大きい矩形窓関数を乗じたものとすると、そのフーリエ変換は大きい矩形窓関数を周波数移動したもの（原点と異なる位置のインパルスを畳み込んだもの）に櫛形関数を乗じ、さらに小さいｓｉｎｃ関数を畳み込んだものである（図７参照）。結果として得られる反射スペクトルは、ピーク間の反射強度が揃ってかつ帯域外の反射ピークが抑制されたものとなる。
このようなｓｉｎｃ関数を用いた回折格子構造の設計方法は知られていて、非特許文献３にそれをファイバブラッググレーティングに応用した実例がある。しかしながら、非特許文献３では反射位相をそろえるために略中心対称にするという動機も知見もなかったので、非特許文献３中の図１を詳細に見ればわかるように、ｓｉｎｃ関数の内部の屈折率分布は中心対称になっていない。
以上説明したように、ｓｉｎｃ関数状の要素回折格子構造を用いて、かつｓｉｎｃ関数内部の屈折率分布を略中心対称にした回折格子構造は、反射位相が揃っており、かつ帯域外反射が抑制された反射コムスペクトルが得られる回折格子の実現方法となりうる。
ｓｉｎｃ関数は１と−１の間の連続的な値を示す関数であるので、回折格子構造を形成する屈折率分布は高屈折率部と低屈折率部との２種類のみでは完全に実現することはできない。半導体光素子は積層構造の組み合わせで作製するプロセスが一般的であって、例えば回折格子層のある場所と無い場所との屈折率差で回折格子を形成する構造などが用いられる。このような連続的に様々な屈折率を実現するためには、回折格子層の厚さを場所によって微妙に異なるように加工すれば実現できるが、これは必ずしも容易ではない。このため、ｓｉｎｃ関数状の回折格子を得るにあたって、半導体プロセスに親和性が高い形態を考案することは重要である。
なお、屈折率コントラストを小さくしたい部分を小さいＤｕｔｙ比の回折格子で実現することは方法の一つである。しかしながら、極端に微小なＤｕｔｙ比の回折格子を精密に制御して作製することは困難である。
そこで、本発明者らは屈折率の大きさを後述する局所的な間引きによって実現するという新たな方法を考案した。具体的には、高屈折率部と、この高屈折率部よりも屈折率が低い低屈折率部とが所定の方向（光の進行方法）において交互に複数組配置されてなる回折格子構造において、高屈折率部と低屈折率部とが交互に周期的に複数組配置されてなる構造を基本構造とすると、基本構造から高屈折率部の少なくとも一つを間引きする、低屈折率部の少なくとも一つを間引きする、高屈折率部と前記低屈折率部との境界の少なくとも一つを間引きする、またはこれらの組み合わせを行うことで形成されている構造を有する回折格子構造とするのである。また、回折格子構造は、基本構造から、高屈折率部と前記低屈折率部との交互配置が１／２周期だけ位相シフトした複数の部分を含む構造を有しているものとする。
すなわち、回折格子の反射強度が強い、ｓｉｎｃ関数の絶対値が１に近い部分では間引きを行わず、絶対値が１よりも小さい部分では間引きを行う（例えば、０．５であれば２つに１つを間引く）。
一般化すると、本発明の別の側面である回折格子構造の設計方法は次のようになる。
まず、所望の反射スペクトルをフーリエ変換することによって回折格子の強度関数を決定する（例えば、矩形の反射スペクトルを得るためにｓｉｎｃ関数形状の強度関数を用いる）。このとき、該所望の反射スペクトルを実対称な形状とすると、強度関数は実関数である。この強度関数は正負の値を含むものである。強度関数が負となる部分では位相の反転を行う（基本構造における高屈折率部と低屈折部の位置を入れ替える）。強度関数の絶対値が１よりも小さい部分では、その大きさに応じて、１を間引きなし、０を完全に間引く（その部分では、高屈折率部と低屈折率部とが交互に配置される回折格子構造が無い）こととする。
このような回折格子構造を周期的に繰り返すことにより、全体としてＳＧを形成することは容易な応用である。この手法では、半導体プロセスに親和性が高い２種類のみの屈折率部を用いて、Ｄｕｔｙの精密制御なども要らない容易に実現可能な構造で任意の反射スペクトルを設計することができる。
なお、図３で示したＳＧと、図５で示したｓｉｎｃ型のＳＧとにおいて、反射位相は全ての反射ピークでほぼ一致しているが、反射を考える参照面の取り方によっては、一致しないことがある。この場合でも、波長に対して線形となるように並ぶ変化であれば、問題は生じない。略中心対称構造のＳＧでは、要素回折格子構造の中央に参照面を置くと反射位相が全ての反射ピークで一致し、参照面を要素回折格子構造と要素回折格子構造との中間に置くと反射位相が隣接ピーク間で反転し、そのいずれでもなければ反射ピークごとに徐々に反射位相が異なる線形な関係となる。
参照面を要素回折格子構造と要素回折格子構造との中間に置くと反射ピークごとの反射位相が一致することは、言い換えると、２つの対向するＳＧによってバーニアを形成する場合、位相調整を不要にするためには、片方の端部のセグメントをほぼ整数周期延長した位置に他方の端部のセグメントがあることが必要であるということである。この巨視的な配置に加えて、微視的にλ／４（回折格子周期の半分）の位相シフトを挟む構造にすることで、どの反射ピークで発振させる場合でも位相調整が不要となる。
以下、回折格子構造の設計について、さらに具体的に説明する。
まず、図８に示すように、屈折率ｎがｎＨの高屈折率部Ｈと屈折率ｎがｎＨの低屈折率部Ｌとが光の進行方法において交互に複数組配置されてなる基本構造を有する回折格子構造Ｇを考える。以下では回折格子構造Ｇの屈折率構造を用いて説明する。なお、たとえば、高屈折率部Ｈは１．２３ＱのＧａＩｎＡｓＰからなり、低屈折率部ＬはＩｎＰからなるが、特に限定されない。
これに対して、位相反転（１／２周期の位相シフトの挿入と同じ意味)については、図９のように、回折格子構造Ｇの屈折率構造に対して、高屈折率部と低屈折率部とを入れ替える。これは、位相反転を行なわない場所と行う場所の間に、１／２周期の位相シフトを挿入することと同じである。
つぎに、間引きについて説明するが、以下では２つの実現方法（間引き（Ａ）と間引き（Ｂ））について説明する。
間引き（Ａ）では、低屈折率部を基本として、高屈折率部を１つの回折格子とみなす。
そして、図１０Ａ、Ｂに示すように、回折格子構造Ｇの屈折率構造に対して、高屈折率部を低屈折率部にすることにより、「×」で示した高屈折部の間引きを行うことができる。たとえば、強度関数が１／２の場合には、図１０Ａに示すように２つに１つの割合で高屈折率部の間引きを行う。強度関数が１／３の場合には、図１０Ｂに示すように３つに２つの割合で高屈折率部の間引きを行う。
なお、上記間引き（Ａ）では、回折格子構造Ｇの屈折率構造に対して、高屈折率部を低屈折率部にすることにより間引きを行っているが、低屈折率部を高屈折率部にすることによっても間引き（Ａ）と同様の間引きを行うことができる。
図１１は、中心対称のｓｉｎｃ型の強度関数の中心から片側の部分と、この強度関数を間引き（Ａ）により実現する回折格子構造の屈折率構造とを示す図である。図１１からわかるように、高屈折率部の密度が強度関数の絶対値の大小に依存して変化している。また、強度関数の符号が変化する部分では屈折率構造が位相反転している。
一方、間引き（Ｂ）では、屈折率の変化を１つの回折格子とみなす。屈折率が高屈折率から低屈折率に変化する位置もしくは屈折率が低屈折率から高屈折率に変化する位置、すなわち高屈折率部と前記低屈折率部との境界は、光の微小な反射点であって回折格子を構成する要素である。この考え方に基づき、図１２Ａ、Ｂに示すように、回折格子構造Ｇの屈折率構造に対して、高屈折率部と前記低屈折率部との境界を、「×」で示すように削除することにより間引きを行うことができる。ただし、高屈折率部から低屈折率部となる境界を削除した場合、それに隣接する低屈折率部から高屈折率部となる境界を必ず削除することが必要である。
このとき、回折格子構造Ｇの屈折率構造における境界の数に対する削除した境界の割合が強度関数となるようにする。図１２Ａに示すように、強度関数が１／２の場合については、結果として得られる屈折率構造のパターンは、図１０Ａに示す間引き（Ａ）の場合と同一である。しかし、図１２Ｂに示すように、強度関数が１／３の場合には、得られるパターンは図１０Ｂに示す間引き（Ａ）のパターンとは異なっている。この違いは、間引き（Ａ）では高屈折率部を低屈折率に置き換えるのみであったのに対して、間引き（Ｂ）では、高屈折率部を低屈折率に置き換える箇所と、低屈折率部を高屈折率に置き換える箇所の両方があるためである。
したがって、高屈折率部を低屈折率に置き換える、または低屈折率部を高屈折率に置き換えることのいずれかまたは両方を適宜組み合わせることによって、間引き（Ａ）、（Ｂ）を定義することも、また別の間引き方法を考案することもできる。
図１３は、中心対称のｓｉｎｃ型の強度関数の中心から片側の部分と、この強度関数を間引き（Ｂ）により実現する回折格子構造の屈折率構造とを示す図である。図１３からわかるように、高屈折率部と低屈折率部との境界の密度が強度関数の絶対値の大小に依存して変化している。また、強度関数の符号が変化する部分では屈折率構造が位相反転している。
なお、回折格子の設計にあたっては、上記した２つの間引きのいずれを用いてもよいが、間引き（Ｂ）の方が、より細かい強度関数の表現が可能である点で優れている。特に、短い周期数の間に強度関数が変化する設計の場合には有効性が高い。
実際の回折格子構造は、上記の方法によって定めた屈折率構造のパターンを実現するように、高屈折率部と低屈折率部とをそれぞれλ／４（レーザ光の媒質内波長の１／４）ずつの長さで配置することとなる。このときに、高屈折率部と低屈折率部とではλ／４に相当する長さが異なるので、その補正を行うことが好ましい。つまり、高屈折率部はその屈折率に応じて短く、低屈折率部分はそれよりも長くすることが好適である。特に、間引き（Ａ）で屈折率構造のパターン生成した場合、低屈折率部が長く続く領域があるので、長さのわずかな誤差が蓄積して位相ゆらぎとなるため、長さの補正を行うことが重要となりやすい。
なお、本実施形態１に係る半導体レーザ素子１００の回折格子層１１３、１２３の回折格子Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３の回折格子構造の設計においては、強度関数はｓｉｎｃ（ｘπ／ｘｗｉｎ）で与えた。ｘｗｉｎは全ての回折格子Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３で８．１μｍとした。利得ＳＧ部１１０の回折格子層１１３におけるセグメント１１３ａのサンプリング周期は回折格子Ｇ１の回折格子周期の６６６倍とし、セグメント数は６個とした。この他に前述のように、回折格子が無いセグメントが１個ある。受動ＳＧ部１２０の回折格子層１２３におけるセグメント１２３ａ、１２３ｂのサンプリング周期は回折格子Ｇ２、Ｇ３の回折格子周期の７６８倍とした。これにより、図２に示す反射コムスペクトルが得られている。
また、上記実施形態１の場合は、受動ＳＧ部１２０の回折格子層１２３を、レーザ発振波長帯域の中心でレーザ発振させるのに適する反射コムスペクトルとなるように設計を行ったが、図１４、図１５に示すように、レーザ発振波長帯域の長波長側でレーザ発振させるのに適する反射コムスペクトルとなるように設計したり、短波長側レーザ発振させるのに適する反射コムスペクトルとなるように設計したりすることもできる。半導体レーザ素子を長波長側、短波長側のいずれでレーザ発振するように動作させる場合も、ＣＳＧ−ＤＢＲ構造内部のバーニア効果によって回帰モードが抑制されている上に、レーザ発振波長帯域外の反射は本発明の効果によって抑制されているから、良好にレーザ発振波長の選択をすることができる。本発明の実施形態１に係る回折格子を波長可変レーザに用いることで、レーザ発振波長帯域内で、発振周波数線幅として１００ｋＨｚ以下を実現できる。
（実施形態２）
本発明の一側面にかかる設計方法による回折格子構造は、ＣＳＧ−ＤＲレーザのみに応用可能なわけではない。当該回折格子構造では、任意の反射スペクトルを容易に実現可能であるという特性を利用すれば、様々な半導体光素子の性能を向上させるために応用可能である。
図１６は、実施形態２に係る半導体レーザ素子を光導波方向に沿って切断した模式的な断面図である。この半導体レーザ素子２００は、素子内部に部分回折格子を設けた多モード（ｉＧＭ：inner Grating Multimode）レーザと呼ばれるものである（非特許文献４）。
半導体レーザ素子２００は、裏面にｎ側電極２０１が形成されたｎ型半導体層２０２と、ｎ型半導体層２０２上に形成された活性層２０３と、活性層２０３上に形成されたｐ型上部クラッド層２０４と、ｐ型上部クラッド層２０４上に形成されたｐ側電極２０５と、ｐ型上部クラッド層２０４内で、活性層２０３の近傍に活性層２０３に沿って設けられた回折格子層２０６と、端面２１１に形成された第１反射膜としての低反射率膜２１２と、端面２１３に形成された、低反射率膜２１２よりも反射率が高い第２反射膜としての高反射率膜２１４と、を備えている。活性層２０３は低反射率膜２１２と高反射率膜２１４との間に配置されている。
ｎ型半導体層２０２は、ｎ型ＩｎＰからなる基板上にｎ型ＩｎＰからなる下部クラッド層が形成された構成を有する。ｐ型上部クラッド層２０４はｐ型ＩｎＰからなる。回折格子層２０６は、離散的に配置された１．２３Ｑのｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層の間がｐ型上部クラッド層２０４と同じ半導体材料（ｐ型ＩｎＰ）で埋められた回折格子構造を有する。活性層２０３は、ＧａＩｎＡｓＰからなり、ＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する。
上記のように、半導体レーザ素子２００は、低反射率の端面２１１と高反射率の端面２１３とを有し、端面２１１の近傍に短い回折格子層２０６を設けたものである。そして、回折格子層２０６の回折格子構造による反射波長帯域の限られた反射ミラーと、高反射率の端面２１３による反射ミラーにより光共振器が形成され、レーザ発振する。ｉＧＭレーザとＤＦＢレーザとの違いは、回折格子層２０６と高反射率の端面２１３との間の距離がある程度離れていることであり、これによって回折格子層２０６の反射帯域の範囲で、複数の縦モードで多モード発振する。ｉＧＭレーザは、この発振モード（縦モード）の数を適切に選択することで、例えば光ファイバアンプの励起光源の用途に用いた場合に、誘導ブリルアン散乱による光ファイバからの戻り光を抑制することができる。
半導体レーザ素子２００の全体の長さはたとえば２５００μｍである。そして、回折格子層２０６の回折構造は上述した設計により設定されたものである。半導体レーザ素子２００に関する他の設計値は適宜公知の方法によって決めてよい。
従来のｉＧＭレーザでは、単に、高屈折率部と低屈折率部とが交互に周期的に複数組配置された回折格子構造を有する短い回折格子を用いていた。このため、回折格子の反射帯域は限定されていたが、その帯域内で微小な反射率のばらつきがあった（短い回折格子の反射スペクトルがｓｉｎｃ関数状になるのは、実施形態１で説明したことと同様である）。このように反射率が波長によって異なると、複数のモード間でしきい値利得がばらつくことになる。高電流注入時にはスペクトルホールバーニングなどの効果によりしきい値利得が高いモードも発振しやすくなるが、低電流注入時には、まずしきい値利得が小さいモードから発振するため、駆動条件によって発振モードの数がばらつく原因となっていた。
これに対して、本実施形態２に係る半導体レーザ素子２００では、回折格子層２０６は、上述した回折格子の設計方法を用いて設計することにより、フラットトップな反射スペクトルを有している。これにより、駆動条件によらず発振モードの数が安定したものとなっている。
具体的には、回折格子層２０６の回折格子構造では、回折格子の強度関数として、公知のフラットトップ窓関数の変形である（０．５４＋０．４６ｃｏｓ（ｘπ／２．２ｗ））×ｓｉｎｃ（ｘπ／ｗ）、ただし|ｘ|＜２ｗを用いた。窓関数の設計はおしなべてフーリエ変換で所望の形状を得るという指針に基づくものであるから、所望の反射率スペクトルをフーリエ変換することによって得られる形状の強度関数として、このような公知の窓関数を用いる方法は好適である。なお、ｗは４８μｍとした。強度関数と、それに対応する屈折率構造（間引き（Ａ）による）を図１７に示す。この強度関数も中心対称なので中心から片側の部分のみを表示している。また、強度関数の符号が変化する部分では屈折率構造が位相反転している、言い換えれば、表示範囲の中央に１／２周期の位相シフトがある。
なお、図１６には、矢印にて回折格子層２０６における位相シフトがある位置を示している。
実施形態２の回折格子層２０６によるフラットトップの反射スペクトルと従来例の回折格子の反射スペクトルとの計算結果を図１８に示す。実施形態２の回折格子層２０６による反射スペクトルは、従来例に比べて明らかに反射ピークが平坦である。
従来の回折格子でも、結合係数が高く反射率が１に近い設計領域ではフラットトップな反射率を得ることができた。これは、増幅を考慮しない限り反射率が１を超えることは無いので、回折格子を強くしていくと徐々にピークが飽和した形状になるためであった。しかしながら、レーザの設計上、回折格子に求められる反射率は高いとは限らない。たとえば、ｉＧＭレーザの主用途である光ファイバアンプ励起用高出力レーザでは、高効率とするために反射率はあまり高くないことが望ましい。したがって、従来の回折格子で高反射率にすることによって得られるフラットトップは実際には利用できないものだった。それに比べて、本明細書で開示した設計による回折格子では、１％前後の適度に低い反射率でフラットトップのスペクトル形状を実現できるので、ｉＧＭレーザのようなレーザに適している。
なお、実施形態２に係る半導体レーザ素子２００では、低電流注入時から高電流注入時まで、安定したモード本数の多モード発振が得られた。
なお、上記実施形態では、光素子が半導体レーザ素子であるが、本発明は半導体レーザ素子に限定されない。たとえば、光素子は、活性層を有さず、入力された光を高い反射率で反射する反射素子として機能するブラッグ反射素子でもよい。このとき、入力されて反射される光の波長が、ブラッグ反射素子の動作波長を意味する。したがって、当該ブラッグ反射素子は、入力されるべき光の波長が、反射波長帯域の中心波長より長くなるように設計される。
また、上記実施形態に係る半導体レーザ素子では、反射要素としての回折格子層はいずれも受動導波路コア層で構成されているが、回折格子層に発光領域が含まれていてもよい。
また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
本発明に係る半導体レーザ素子、回折格子構造、および回折格子は、主に光通信の用途に利用して好適なものである。
１００、２００ 半導体レーザ素子
１０１、２０１ ｎ側電極
１０２、２０２ ｎ型半導体層
１０４ ｎ型スペーサ層
１０６、２０４ ｐ型上部クラッド層
１０７、２０５ ｐ側電極
１１０ 利得ＳＧ部
１１１、１２１、２１１、２１３ 端面
１１３、１２３、２０６ 回折格子層
１１３ａ、１２３ａ、１２３ｂ セグメント
１１５、１２５ 導波路コア層
１１７ コンタクト層
１１８ ｐ側電極
１２０ 受動ＳＧ部
１２７ パッシベーション膜
１２８ａ、１２８ｂ ヒータ
２０３ 活性層
２１２ 低反射率膜
２１４ 高反射率膜
Ａ、Ｂ、Ｃ 領域
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３ 回折格子
Ｌ１０ レーザ光
ＷＧ１、ＷＧ２、ＷＧ３ 導波路領域

Claims (14)

  1. 波長軸上で略周期的に反射ピークが配置された反射コムスペクトルを有し、前記周期が互いに異なる第１、第２の反射要素で構成される光共振器を備えるバーニア型かつ波長可変型の半導体レーザ素子であって、
    前記第１、第２の反射要素の少なくとも一つは、各反射ピークにおける反射位相が揃っており、かつ設定されたレーザ発振波長帯域外の反射ピークの強度が、前記レーザ発振波長帯域内の反射ピークの強度よりも小さい反射コムスペクトルを有するサンプルドグレーティング構造を備え、
    前記サンプルドグレーティング構造は、受動導波路コア層を有する受動部分に設けられており、かつ、分布ブラッグ反射領域である回折格子構造と、光導波方向において前記回折格子構造と接続し、連続的に存在する導波路領域と、からなるセグメントが、前記光導波方向に複数配列されており、位相調整領域を備えない
    ことを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 波長軸上で略周期的に反射ピークが配置された反射コムスペクトルを有し、前記周期が互いに異なる第１、第２の反射要素で構成される光共振器を備えるバーニア型かつ波長可変型の半導体レーザ素子であって、
    前記第１、第２の反射要素の少なくとも一つは、受動導波路コア層を有する受動部分に設けられた、回折格子構造を複数含むサンプルドグレーティング構造の回折格子であって、前記各回折格子構造は、光の進行方向において、各反射ピークにおける反射位相が揃う構造を有しており、かつ設定されたレーザ発振波長帯域外の反射ピークの強度が、前記レーザ発振波長帯域内の反射ピークの強度よりも小さい反射コムスペクトルを有するサンプルドグレーティング構造を備え、
    前記回折格子は、前記回折格子構造と、光導波方向において前記回折格子構造のそれぞれと接続し、連続的に存在する導波路領域と、からなるセグメントが、前記光導波方向に複数配列されており、位相調整領域を備えない
    ことを特徴とする半導体レーザ素子。
  3. 波長軸上で略周期的に反射ピークが配置された反射コムスペクトルを有し、前記周期が互いに異なる第１、第２の反射要素で構成される光共振器を備えるバーニア型かつ波長可変型の半導体レーザ素子であって、
    前記第１、第２の反射要素の少なくとも一つは、受動導波路コア層を有する受動部分に設けられた、回折格子構造を複数含むサンプルドグレーティング構造の回折格子であって、前記回折格子は、回折格子構造と、光導波方向において前記回折格子構造のそれぞれと接続し、連続的に存在する導波路領域と、からなるセグメントが、前記光導波方向に複数配列されており、位相調整領域を備えず、
    前記回折格子構造は、
    高屈折率部と、前記高屈折率部よりも屈折率が低い低屈折率部とが所定の方向において交互に複数組配置されてなり、
    前記セグメントにおいて、前記回折格子構造の部分においてのみ、前記高屈折率部と前記低屈折率部とが交互に周期的に複数組配置されてなる構造を基本構造とすると、前記基本構造から前記高屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記低屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記高屈折率部と前記低屈折率部との境界の少なくとも一つを間引きする、またはこれらの組み合わせを行うことで形成されている構造を有しており、かつ、
    前記基本構造から、前記高屈折率部と前記低屈折率部との交互配置が１／２周期だけ位相シフトした複数の部分を含む構造を有しており、
    局所的な前記間引きによって回折格子の反射強度が局所的に制御されている
    ことを特徴とする半導体レーザ素子。
  4. 前記第１、第２の反射要素の少なくとも一つは発光領域を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子。
  5. 第１反射膜と、
    前記第１反射膜よりも反射率が高い第２反射膜と、
    前記第１反射膜と前記第２反射膜との間に配置された活性層と、
    前記活性層の近傍に前記活性層に沿って設けられた、回折格子構造を含む回折格子と、
    を備え、
    前記回折格子構造は、
    高屈折率部と、前記高屈折率部よりも屈折率が低い低屈折率部とが所定の方向において交互に複数組配置されてなり、
    前記回折格子構造の部分において、前記高屈折率部と前記低屈折率部とが交互に周期的に複数組配置されてなる構造を基本構造とすると、前記基本構造から前記高屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記低屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記高屈折率部と前記低屈折率部との境界の少なくとも一つを間引きする、またはこれらの組み合わせを行うことで形成されている構造を有しており、かつ、
    前記基本構造から、前記高屈折率部と前記低屈折率部との交互配置が１／２周期だけ位相シフトした複数の部分を含む構造を有しており、
    局所的な前記間引きによって回折格子の反射強度が局所的に制御されており、
    複数の縦モードでレーザ発振することを特徴とする半導体レーザ素子。
  6. 前記回折格子構造は、所望の反射率スペクトルをフーリエ変換することによって得られる形状を近似的に得る構造を有することを特徴とする請求項３または５に記載の半導体レーザ素子。
  7. 前記回折格子構造は、矩形窓関数をフーリエ変換することによって得られるｓｉｎｃ関数形状を近似的に得る構造を有することを特徴とする請求項３または５に記載の半導体レーザ素子。
  8. 前記回折格子構造は、前記所定の方向において、前記回折格子が形成する各反射ピークにおける反射位相が揃う構造を有することを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザ素子。
  9. 前記回折格子は、前記回折格子構造を複数含むサンプルドグレーティング構造の回折格子であることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ素子。
  10. 受動導波路コア層を有する受動部分に設けられた回折格子に複数含まれる回折格子構造であって、
    前記回折格子は、前記回折格子構造と、光導波方向において前記回折格子構造のそれぞれと接続し、連続的に存在する導波路領域と、からなるセグメントが、光導波方向に複数配列されており、位相調整領域を備えず、
    高屈折率部と、前記高屈折率部よりも屈折率が低い低屈折率部とが前記光導波方向において交互に複数組配置されてなり、
    前記セグメントにおいて、前記回折格子構造の部分においてのみ、前記高屈折率部と前記低屈折率部とが交互に周期的に複数組配置されてなる構造を基本構造とすると、前記基本構造から前記高屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記低屈折率部の少なくとも一つを間引きする、前記高屈折率部と前記低屈折率部との境界の少なくとも一つを間引きする、またはこれらの組み合わせを行うことで形成されている構造を有しており、かつ、
    前記基本構造から、前記高屈折率部と前記低屈折率部との交互配置が１／２周期だけ位相シフトした複数の部分を含む構造を有している
    ことを特徴とする回折格子構造。
  11. 所望の反射率スペクトルをフーリエ変換することによって得られる形状を近似的に得る構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の回折格子構造。
  12. 矩形窓関数をフーリエ変換することによって得られるｓｉｎｃ関数形状を近似的に得る構造を有することを特徴とする請求項１０に記載の回折格子構造。
  13. 前記光導波方向において、前記回折格子が形成する各反射ピークにおける反射位相が揃う構造を有することを特徴とする請求項１２に記載の回折格子構造。
  14. サンプルドグレーティング構造の回折格子であって、請求項１０〜１３のいずれか一つに記載の回折格子構造を複数含むことを特徴とする回折格子。
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