DBR型波长可变光源转让专利
申请号 : CN200580000318.9
文献号 : CN1774845B
文献日 : 2010-10-06
发明人 : 藤原直树 , 布谷伸浩 , 菊池顺裕 , 柴田泰夫 , 八坂洋
申请人 : 日本电信电话株式会社
摘要 :
本发明提供一种DBR型波长可变光源，其具有更宽波段的波长可变特性，可实现6nm以上的连续波长移动，且与现有技术相比，具有高输出。在衬底(21)上形成的光波导包括具有发光功能的有源区光波导(22)和设置在该有源区(22)两端的无源区光波导(23a、23b)，该无源区光波导(23a、23b)具有绝缘区域(25)及具有波长可变功能的前侧和后侧DBR区域(24、29)，在后侧DBR区域(29)上形成有具有有效长度饱和值的95％以上长度的衍射光栅，在前侧DBR区域(24)上形成有比所述长度短的衍射光栅，从该前侧DBR区域获取振荡光。
权利要求 :
1.一种DBR型波长可变光源，在衬底上具有由包覆层包围的光波导，其特征在于，包括：第一无源区光波导，包括第一DBR区域，其中，可通过DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生第一DBR区域的有效长度饱和值的95％以上的有效长度的区间具有衍射光栅；
第二无源区光波导，包括第二DBR区域，其中，可通过所述DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生第二DBR区域的有效长度饱和值的75％以下的有效长度的区间具有衍射光栅，并且所述第二DBR区域的长度位于这样的范围内，即在该范围内所述第二DBR区域的有效长度相对于所述第二DBR区域的长度线性地增大或减小；
有源区光波导，其两端与所述第一无源区光波导和所述第二无源区光波导光学连接，且通过与所述DBR控制电流独立的有源区电流控制发光状态。
2.如权利要求1所述的DBR型波长可变光源，其特征在于，所述第一无源区光波导在所述第一DBR区域和所述有源区光波导之间包括第一绝缘区域，所述第二无源区光波导在所述第二DBR区域和所述有源区光波导之间包括第二绝缘区域。
3.如权利要求2所述的DBR型波长可变光源，其特征在于，所述有源区光波导的长度为30μm～100μm。
4.如权利要求2所述的DBR型波长可变光源，其特征在于，在所述第一无源区光波导的与所述有源区光波导相反一侧的端面，以及在所述第二无源区光波导的与所述有源区光波导相反一侧的端面，分别设置有防反射膜。
5.如权利要求4所述的DBR型波长可变光源，其特征在于，所述有源区光波导的长度为30μm～100μm。
6.如权利要求1所述的DBR型波长可变光源，其特征在于，在所述第一无源区光波导的与所述有源区光波导相反一侧的端面，以及在所述第二无源区光波导的与所述有源区光波导相反一侧的端面，分别设置有防反射膜。
7.如权利要求1所述的DBR型波长可变光源，其特征在于，所述有源区光波导的长度为30μm～100μm。
8.如权利要求6所述的DBR型波长可变光源，其特征在于，所述有源区光波导的长度为30μm～100μm。
9.一种集成化DBR型波长可变光源，其特征在于包括：
如权利要求1所述的多个DBR型波长可变光源，所述多个DBR型波长可变光源的各个衍射光栅的周期不同，光结合器，将来自所述多个DBR型波长可变光源的各个输出光集合在一个端口以输出合成光；
光半导体放大器，对所述合成光的输出进行调整。
10.如权利要求1至9的任一项所述的DBR型波长可变光源，其特征在于，振荡波长移动量和布拉格波长移动量之比为0.9～1.1。
说明书 :
技术领域
本发明涉及DBR型波长可变光源，具体涉及可通过单一波长控制电流在更宽频带范围实现连续波长变化的DBR型波长可变光源。
背景技术
DBR型激光器作为用于光通信波长可变光源来使用，在现有技术中已经报告了其振荡机构和波长可变机构(例如，非专利文献1和非专利文献2)。
图12为现有技术的DBR型波长可变光源的基本结构的说明图。图12A所示的是包括光波导且与衬底11垂直的面的截面图。图12B所示的是包括从图12A的XIIB-XIIB剖视的且与衬底11平行的面的截面图(俯视图)。在该DBR型波长可变光源中，在设在衬底11上的有源区光波导12的两侧，设置有无源区光波导13a、13b。在有源区光波导12和无源区光波导13a、13b的边界部分分别设有绝缘区域15a、15b。在无源区光波导13a、13b中，分别形成有与绝缘区域15a、15b相接触、由衍射光栅形成的DBR(分布式反射器)区域14a、14b。在上述的各光波导的上部和侧面上形成有上包覆层9。该DBR型波长可变光源的振荡波长通过在由谐振器长度决定的纵模波长中仅选择存在于DBR型区域14a、14b的布拉格反射波段内的纵模波长来决定。
绝缘区域15a、15b为高电阻区域。绝缘区域15a、15b为了与电极18a、18b、18c欧姆接触，通过去除一部分的在上包覆层9上形成的InGaAsP层(在图12A中未表示)来形成。即，绝缘区域15a、15b起到对DBR控制电流17和有源区电流16进行绝缘分隔的作用。
在DBR(分布式反射器)区域14a、14b内，形成有一定间距的凹凸，与该间距相对应的波长的光(即布拉格波长的光)被选择性地强反射。实际上，形成以布拉格波长为中心的数nm的高反射波段，在该高反射波段内起到衍射光栅的作用。
在图12A中，绝缘区域15a、15b表现为不存在上述衍射光栅的区域。这是因为，如上所述，因为绝缘区域15a、15b是高电阻，所以在其中没有电流。这样即使设置衍射光栅，对折射率变化也起不到任何作用。因此，在绝缘区域15a、15b中形成衍射光栅也没有问题。
在该DBR型波长可变光源中，通过电极18c给有源区光波导12注入有源区电流16，且通过电极18a、18b给DBR区域14a、14b注入DBR控制电流17。通过该DBR控制电流17注入到DBR区域14a、14b，产生DBR区域14a、14b的折射率的变化。根据该折射率的变化，可将上述纵模波长和布拉格波长都移向短波长侧。
但是，就根据通过向DBR区域14a、14b注入DBR控制电流17而产生的折射率的变化而引起的波长移动的敏感性来说，与纵模波长相比，布拉格波长更灵敏。即，布拉格波长能更快地移向短波长侧。其原因是，在由有源区光波导12和无源区光波导13a、13b构成的激光谐振器中，如果注入DBR控制电流17，则仅在无源区光波导13a、13b或者DBR区域14a、14b发生折射率变化。即，这是因为，布拉格波长移动仅反映DBR区域14a、14b的折射率变化，纵模波长移动反映激光谐振器整体的折射率变化。一般来说，纵模波长移动量可通过下面的公式(1)来计算。
公式1：
在上述的公式(1)中，ΔλC表示纵模波长移动量，λC表示纵模波长、ΔλB表示布拉格波长移动量，λB表示布拉格波长，Leff-f和Leff-r为前侧(front)和后侧(rear)DBR区域的有效长度，La表示有源区长度。在这里，Leff为DBR区域14a、14b的有效长度。该长度被称为实效长度或者有效长度，其定义根据非专利文献2。
在这里，对DBR(分布式反射器)和该有效长度进一步进行说明。如上所述，在DBR区域内，形成有一定间距的凹凸，与该间距相对应的波长的光(即布拉格波长的光)被选择性地强反射。以布拉格波长为中心形成数nm宽度的高反射波段，DBR在该高反射波段内起到衍射光栅的作用。
图13为说明DBR区域14a、14b中的反射情形的图。发生布拉格反射的高反射波段内波长的光如13所示，被分布性地反射。因此，感光的传播长度比实际的DBR区域14a、14b长度短。该长度被称为有效长度。
图14和图15为相对DBR区域长度的有效长度的计算结果图(假设波导路径传播损失Γα＝10cm-1)。图14为将衍射光栅耦合常数κ作为参数，表示DBR区域和有效长度的关系的图。图15为表示耦合常数κ中的、有效长度饱和值的图。
根据图14和图15可知，在DBR区域14a、14b的长度较短时(在图13中，DBR区域长度为对有效长度的增减起作用的区域61a、61b的范围的长度时)，有效长度相对于DBR区域的长度直线增加。另一方面，在DBR区域14a、14b的长度较长时(在图13中，DBR区域长度为对有效长度几乎不起作用的区域62a、62b的范围的长度时)，有效长度值达到饱和，保持为一定值的有效长度饱和值。
与有效长度同样，DBR区域的反射率也随着DBR区域的长度变长而提高。振荡光在有源区附近的DBR区域中受最强的反射。因此，在DBR区域在某种程度上变长时，反射率收敛为一定值。如上所述，DBR(衍射光栅)的有效长度为在考虑衍射光栅的分布性反射状态时由传播光所检测的光路长度。因此，对于衍射光栅即DBR区域的长度，反射率和有效长度表现出极其相似的增减。
在将DBR区域和有源区集成而形成DBR型波长可变光源时，反射率还受有源区和DBR区域结合部的耦合损失影响。因此，反射率在设计上作为参数是不合适的。因此，作为元件设计参数，采用可反映反射率、且不受有源区和DBR区域结合部的耦合损失影响的有效长度。DBR区域的有效长度为与激光谐振器长度、纵模间隔、布拉格反射率等有关的参数，通过考虑该有效长度值，可以设计有效的DBR型激光。
另外，上述公式(1)的右边两项的分子(Leff-f+Leff-r)表示折射率可变区域(即DBR区域)的有效长度的总和，分母(La+Leff-f+Leff-r)则表示谐振器全长。严格地讲，谐振器全长应该包括绝缘区域15a、15b的长度。但是，绝缘区域15a、15b极短，为5～10μm，所以其对谐振器全长误差的影响小。因此，在公式(1)中，省略了绝缘区域15a、15b的长度。
根据公式(1)，纵模波长移动量ΔλC仅右边第2项的系数比布拉格波长移动量ΔλB的小。因此，在继续增加DBR控制电流17时，纵模波长λC从布拉格反射波段向长波长一侧(波长长的一侧)离开，激光振荡迁移到短波长一侧的另一邻近的纵模态。即，发生模态跃迁。因此，如果继续增加DBR控制电流17，则反复进行连续的波长移动和离散的模态跃迁，同时，振荡波长向短波长一侧移动。
图16为现有技术的DBR型波长可变光源的DBR控制电流和振荡波长之间的关系图。其反复进行着连续的波长移动和离散的模态跃迁。振荡波长的可变控制特性的整体为离散的，这是不太适合的。连续波长可变宽度(连续波长移动波段宽度)ΔλCON根据非专利文献3可由以下公式(2)表示。
在上述公式(2)中，ΔλCON表示连续波长可变宽度，neff表示有效折射率，作为波长可变激光，优选为其连续波长可变宽度ΔλCON较宽的。
图17为说明现有技术的DBR型波长可变光源的波长移动的光谱图。之所以根据上面说明的离散的模态跃迁、波长可变控制特性形成为离散的形式，是因为纵模波长和布拉格波长在与上述DBR控制电流的注入量相对应的波长变化上存在敏感度差异。如图17A至图17C所示，随着DBR控制电流的增加，与布拉格波长变化相对应的阻带的变化，和与纵模波长变化相对应的振荡波长的变化相比，变化的敏感度高。阻带更迅速地向短波长一侧移动。因此，通过DBR控制电流，相对于阻带(布拉格反射波段)，振荡波长相对地向长波长一侧移动。如果图17C的状态进一步增加DBR控制电流，则发生模态跃迁。
作为避免该模态跃迁的方法，有增加相位调整区域用多电极结构对波长进行控制的方法(参照非专利文献1)。但是，因为增加了控制项目，所以控制并不简单。而且，在元件老化时很难预测各控制电流的变动，在实用上存在问题。从上述公式(2)可知，为了用一种控制电流实现简单且较宽波段的波长可变控制，最有效的是缩短有源区长度La。
图18为表示缩短有源区长度La的DBR型波长可变光源的波长可变特性的特性图。通过缩短有源区长度La，能够使连续可变的波长范围实现宽波段化，且如图18所示那样，可获得宽的无模态跃迁(连续波长可变)的波段。根据非专利文献3所示的实验结果，可使有源区长度La变化，制作DBR型激光器，获得如理论值那样的宽波段。
下面，对如图12所示的普通现有技术的DBR型波长可变光源中振荡模式的初始相位、振荡阈值电流以及载波密度的关系进行补充说明。在图12A中，有源区光波导12的载波密度随着有源区电流16的增加急剧增加。如果发生激光振荡，则有源区光波导12的载波密度被夹紧(几乎保持为一定值)。如果进一步增加有源区电流16，则载波密度非常缓慢地增加。决定了振荡模式初始相位的有源区光波导12的折射率随着该区域的载波密度的增加而减少。即，由振荡阈值电流值决定初始相位，按照振荡阈值电流变大的量向短波长一侧移动。然后，即使增加有源区电流16，也因为载波密度而被箝位，所以初始相位几乎不变。
在通过DBR控制电流进行波长可变控制时，因为随着DBR控制电流17的注入反射率减少，所以有源区电流16的振荡阈值电流增加。在为了扩大连续波长可变宽度而仅将有源区光波导12的长度缩短的DBR型激光中，有源区光波导12的增益不足。为了补偿该增益的不足，通过使位于有源区光波导12前后的DBR区域14a、14b的长度充分变长直到其有效长度饱和值，来形成高反射率，由此防止激光振荡的停止。因此，即使在进行波长可变控制时，增加振荡阈值电流，也无法对振荡阈值电流的变化率进行控制。
作为公开上述现有技术的公知文献，可列举出下面的非专利文献1～非专利文献3。
非专利文献1：半導体フオトニクスエ学(半导体光子学)，第306～311页，主编：池上徹彦、コロナ社(科罗娜出版社)，1995年1月10日发行
非专利文献2：半導体レ一ザ(半导体激光)，第283～288页，应用物理学会编/伊贺健一 编著，オ一ム社(欧姆出版社)，1994年10月25日发行
非专利文献3：波長可変半導体レ一ザの高性能化に関する研究(有关波长可变半导体激光的高性能化的研究)(博士论文)，第39～43页、第54～59页、第65～68页，石井启之，1999年3月
图12为现有技术的DBR型波长可变光源的基本结构的说明图。图12A所示的是包括光波导且与衬底11垂直的面的截面图。图12B所示的是包括从图12A的XIIB-XIIB剖视的且与衬底11平行的面的截面图(俯视图)。在该DBR型波长可变光源中，在设在衬底11上的有源区光波导12的两侧，设置有无源区光波导13a、13b。在有源区光波导12和无源区光波导13a、13b的边界部分分别设有绝缘区域15a、15b。在无源区光波导13a、13b中，分别形成有与绝缘区域15a、15b相接触、由衍射光栅形成的DBR(分布式反射器)区域14a、14b。在上述的各光波导的上部和侧面上形成有上包覆层9。该DBR型波长可变光源的振荡波长通过在由谐振器长度决定的纵模波长中仅选择存在于DBR型区域14a、14b的布拉格反射波段内的纵模波长来决定。
绝缘区域15a、15b为高电阻区域。绝缘区域15a、15b为了与电极18a、18b、18c欧姆接触，通过去除一部分的在上包覆层9上形成的InGaAsP层(在图12A中未表示)来形成。即，绝缘区域15a、15b起到对DBR控制电流17和有源区电流16进行绝缘分隔的作用。
在DBR(分布式反射器)区域14a、14b内，形成有一定间距的凹凸，与该间距相对应的波长的光(即布拉格波长的光)被选择性地强反射。实际上，形成以布拉格波长为中心的数nm的高反射波段，在该高反射波段内起到衍射光栅的作用。
在图12A中，绝缘区域15a、15b表现为不存在上述衍射光栅的区域。这是因为，如上所述，因为绝缘区域15a、15b是高电阻，所以在其中没有电流。这样即使设置衍射光栅，对折射率变化也起不到任何作用。因此，在绝缘区域15a、15b中形成衍射光栅也没有问题。
在该DBR型波长可变光源中，通过电极18c给有源区光波导12注入有源区电流16，且通过电极18a、18b给DBR区域14a、14b注入DBR控制电流17。通过该DBR控制电流17注入到DBR区域14a、14b，产生DBR区域14a、14b的折射率的变化。根据该折射率的变化，可将上述纵模波长和布拉格波长都移向短波长侧。
但是，就根据通过向DBR区域14a、14b注入DBR控制电流17而产生的折射率的变化而引起的波长移动的敏感性来说，与纵模波长相比，布拉格波长更灵敏。即，布拉格波长能更快地移向短波长侧。其原因是，在由有源区光波导12和无源区光波导13a、13b构成的激光谐振器中，如果注入DBR控制电流17，则仅在无源区光波导13a、13b或者DBR区域14a、14b发生折射率变化。即，这是因为，布拉格波长移动仅反映DBR区域14a、14b的折射率变化，纵模波长移动反映激光谐振器整体的折射率变化。一般来说，纵模波长移动量可通过下面的公式(1)来计算。
公式1：
在上述的公式(1)中，ΔλC表示纵模波长移动量，λC表示纵模波长、ΔλB表示布拉格波长移动量，λB表示布拉格波长，Leff-f和Leff-r为前侧(front)和后侧(rear)DBR区域的有效长度，La表示有源区长度。在这里，Leff为DBR区域14a、14b的有效长度。该长度被称为实效长度或者有效长度，其定义根据非专利文献2。
在这里，对DBR(分布式反射器)和该有效长度进一步进行说明。如上所述，在DBR区域内，形成有一定间距的凹凸，与该间距相对应的波长的光(即布拉格波长的光)被选择性地强反射。以布拉格波长为中心形成数nm宽度的高反射波段，DBR在该高反射波段内起到衍射光栅的作用。
图13为说明DBR区域14a、14b中的反射情形的图。发生布拉格反射的高反射波段内波长的光如13所示，被分布性地反射。因此，感光的传播长度比实际的DBR区域14a、14b长度短。该长度被称为有效长度。
图14和图15为相对DBR区域长度的有效长度的计算结果图(假设波导路径传播损失Γα＝10cm-1)。图14为将衍射光栅耦合常数κ作为参数，表示DBR区域和有效长度的关系的图。图15为表示耦合常数κ中的、有效长度饱和值的图。
根据图14和图15可知，在DBR区域14a、14b的长度较短时(在图13中，DBR区域长度为对有效长度的增减起作用的区域61a、61b的范围的长度时)，有效长度相对于DBR区域的长度直线增加。另一方面，在DBR区域14a、14b的长度较长时(在图13中，DBR区域长度为对有效长度几乎不起作用的区域62a、62b的范围的长度时)，有效长度值达到饱和，保持为一定值的有效长度饱和值。
与有效长度同样，DBR区域的反射率也随着DBR区域的长度变长而提高。振荡光在有源区附近的DBR区域中受最强的反射。因此，在DBR区域在某种程度上变长时，反射率收敛为一定值。如上所述，DBR(衍射光栅)的有效长度为在考虑衍射光栅的分布性反射状态时由传播光所检测的光路长度。因此，对于衍射光栅即DBR区域的长度，反射率和有效长度表现出极其相似的增减。
在将DBR区域和有源区集成而形成DBR型波长可变光源时，反射率还受有源区和DBR区域结合部的耦合损失影响。因此，反射率在设计上作为参数是不合适的。因此，作为元件设计参数，采用可反映反射率、且不受有源区和DBR区域结合部的耦合损失影响的有效长度。DBR区域的有效长度为与激光谐振器长度、纵模间隔、布拉格反射率等有关的参数，通过考虑该有效长度值，可以设计有效的DBR型激光。
另外，上述公式(1)的右边两项的分子(Leff-f+Leff-r)表示折射率可变区域(即DBR区域)的有效长度的总和，分母(La+Leff-f+Leff-r)则表示谐振器全长。严格地讲，谐振器全长应该包括绝缘区域15a、15b的长度。但是，绝缘区域15a、15b极短，为5～10μm，所以其对谐振器全长误差的影响小。因此，在公式(1)中，省略了绝缘区域15a、15b的长度。
根据公式(1)，纵模波长移动量ΔλC仅右边第2项的系数比布拉格波长移动量ΔλB的小。因此，在继续增加DBR控制电流17时，纵模波长λC从布拉格反射波段向长波长一侧(波长长的一侧)离开，激光振荡迁移到短波长一侧的另一邻近的纵模态。即，发生模态跃迁。因此，如果继续增加DBR控制电流17，则反复进行连续的波长移动和离散的模态跃迁，同时，振荡波长向短波长一侧移动。
图16为现有技术的DBR型波长可变光源的DBR控制电流和振荡波长之间的关系图。其反复进行着连续的波长移动和离散的模态跃迁。振荡波长的可变控制特性的整体为离散的，这是不太适合的。连续波长可变宽度(连续波长移动波段宽度)ΔλCON根据非专利文献3可由以下公式(2)表示。
在上述公式(2)中，ΔλCON表示连续波长可变宽度，neff表示有效折射率，作为波长可变激光，优选为其连续波长可变宽度ΔλCON较宽的。
图17为说明现有技术的DBR型波长可变光源的波长移动的光谱图。之所以根据上面说明的离散的模态跃迁、波长可变控制特性形成为离散的形式，是因为纵模波长和布拉格波长在与上述DBR控制电流的注入量相对应的波长变化上存在敏感度差异。如图17A至图17C所示，随着DBR控制电流的增加，与布拉格波长变化相对应的阻带的变化，和与纵模波长变化相对应的振荡波长的变化相比，变化的敏感度高。阻带更迅速地向短波长一侧移动。因此，通过DBR控制电流，相对于阻带(布拉格反射波段)，振荡波长相对地向长波长一侧移动。如果图17C的状态进一步增加DBR控制电流，则发生模态跃迁。
作为避免该模态跃迁的方法，有增加相位调整区域用多电极结构对波长进行控制的方法(参照非专利文献1)。但是，因为增加了控制项目，所以控制并不简单。而且，在元件老化时很难预测各控制电流的变动，在实用上存在问题。从上述公式(2)可知，为了用一种控制电流实现简单且较宽波段的波长可变控制，最有效的是缩短有源区长度La。
图18为表示缩短有源区长度La的DBR型波长可变光源的波长可变特性的特性图。通过缩短有源区长度La，能够使连续可变的波长范围实现宽波段化，且如图18所示那样，可获得宽的无模态跃迁(连续波长可变)的波段。根据非专利文献3所示的实验结果，可使有源区长度La变化，制作DBR型激光器，获得如理论值那样的宽波段。
下面，对如图12所示的普通现有技术的DBR型波长可变光源中振荡模式的初始相位、振荡阈值电流以及载波密度的关系进行补充说明。在图12A中，有源区光波导12的载波密度随着有源区电流16的增加急剧增加。如果发生激光振荡，则有源区光波导12的载波密度被夹紧(几乎保持为一定值)。如果进一步增加有源区电流16，则载波密度非常缓慢地增加。决定了振荡模式初始相位的有源区光波导12的折射率随着该区域的载波密度的增加而减少。即，由振荡阈值电流值决定初始相位，按照振荡阈值电流变大的量向短波长一侧移动。然后，即使增加有源区电流16，也因为载波密度而被箝位，所以初始相位几乎不变。
在通过DBR控制电流进行波长可变控制时，因为随着DBR控制电流17的注入反射率减少，所以有源区电流16的振荡阈值电流增加。在为了扩大连续波长可变宽度而仅将有源区光波导12的长度缩短的DBR型激光中，有源区光波导12的增益不足。为了补偿该增益的不足，通过使位于有源区光波导12前后的DBR区域14a、14b的长度充分变长直到其有效长度饱和值，来形成高反射率，由此防止激光振荡的停止。因此，即使在进行波长可变控制时，增加振荡阈值电流，也无法对振荡阈值电流的变化率进行控制。
作为公开上述现有技术的公知文献，可列举出下面的非专利文献1～非专利文献3。
非专利文献1：半導体フオトニクスエ学(半导体光子学)，第306～311页，主编：池上徹彦、コロナ社(科罗娜出版社)，1995年1月10日发行
非专利文献2：半導体レ一ザ(半导体激光)，第283～288页，应用物理学会编/伊贺健一 编著，オ一ム社(欧姆出版社)，1994年10月25日发行
非专利文献3：波長可変半導体レ一ザの高性能化に関する研究(有关波长可变半导体激光的高性能化的研究)(博士论文)，第39～43页、第54～59页、第65～68页，石井启之，1999年3月
发明内容
在上述的缩短有源区光波导12的有源区长度La的方法中，连续波长移动不能大大超过公式(2)中的ΔλCON，而只能限制在3nm的程度。如果要实现6nm以上的连续波长移动，则必须将有源区光波导12的有源区长度La缩短到30μm程度。为了补偿因缩短有源区长度La而发生的有源区光波导12的增益不足，必须要将DBR区域14加长，以获得高反射率。其结果，这样的现有技术的DBR型激光就变成低输出的光源。而且，如果预先不严格地确定有源区光波导12的有源区长度La和增益、以及振荡模态的相位条件，则具有在开始波长移动后马上发生模态跃迁的问题。
图19为表示在缩短有源区长度La的DBR型波长可变光源中初始相位条件不合适时的波长可变特性的特性图。如图19所示，如果不把上述各条件设计合适，则在波长移动开始后马上发生模态跃迁，在实用上存在问题。
鉴于上述的现有技术中的问题，本发明的目的在于，提供一种DBR型波长可变光源，其光源可在较宽的波段宽度内进行连续的振荡波长的可变控制，即，具有可实现连续波长移动的波长可变特性，可实现6nm以上的连续波长移动，且与现有技术相比，其输出较高。
为了达到上述目的，本发明涉及一种在衬底上具有由包覆层包围的光波导的DBR型波长可变光源，其包括：第一无源区光波导，包括第一DBR区域，其中，可通过DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生第一DBR区域的有效长度饱和值的95％以上的有效长度的区间具有衍射光栅；第二无源区光波导，包括第二DBR区域，其中，可通过所述DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生第二DBR区域的有效长度饱和值的75％以下的有效长度的区间具有衍射光栅，并且所述第二DBR区域的长度位于这样的范围内，即在该范围内所述第二DBR区域的有效长度相对于所述第二DBR区域的长度线性地增大或减小；有源区光波导，在其两端与所述第一无源区光波导和所述第二无源区光波导光学连接，且通过与所述DBR控制电流独立的有源区电流控制发光状态。
另外，为了获得高输出，优选将前侧的(第二)DBR区域的衍射光栅的有效长度形成为其有效长度饱和值的75％以下，在两个DBR区域的端面设置防反射膜。
进一步优选的是，振荡波长移动量和布拉格波长移动量的比为0.9～1.1。这是因为，如果该比落入该范围，则即使不满足完全无模态跃迁条件(振荡波长移动量和布拉格波长移动量的比为1)，在大部分的情况下也不发生模态跃迁。
另外，在本发明的另一实施方式中，涉及一种在衬底上具有由包覆层包围的光波导的DBR型波长可变光源，其包括：第一无源区光波导，包括第一DBR区域，其中，可通过DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生第一DBR区域的有效长度饱和值的75％以下的有效长度的区间具有衍射光栅；第二无源区光波导，包括第二DBR区域，其中，可通过所述DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生第二DBR区域的有效长度饱和值的75％以下的有效长度的区间具有衍射光栅；有源区光波导，其两端与所述第一无源区光波导和所述第二无源区光波导光学连接，且通过与所述DBR控制电流独立的有源区电流控制发光状态；高反射膜，设置在所述第一无源区光波导的与所述有源区光波导相反一侧的端面上；防反射膜，设置在所述第二无源区光波导的与所述有源区光波导相反一侧的端面上。
另外，在本发明的又一实施方式中，涉及一种在衬底上具有由包覆层包围的光波导的DBR型波长可变光源，包括：无源区光波导，包括DBR区域，其中，可通过DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生DBR区域的有效长度饱和值的75％以下的有效长度的区间具有衍射光栅；有源区光波导，与所述无源区光波导光学连接，且通过与所述DBR控制电流独立的有源区电流控制发光状态；防反射膜，设置在所述无源区光波导的、与所述有源区光波导相反一侧的端面上；高反射膜，设置在所述有源区光波导的、与所述无源区光波导相反一侧的端面上。即，为了使光源尺寸进一步减小，优选用高反射膜替换波长长的一侧的(第一)DBR区域。
如果适当地确定DBR区域的反射率，则能够使振荡阈值的增减率达到最合适，能够实现满足公式(3)的关系的光源。
为了与连续波长移动的宽波段化的同时提高光源输出，优选将后侧的DBR区域29形成得充分长，以获得高反射率，并将前侧的DBR区域24缩短。因为如果振荡光的射出侧的DBR区域短，则光的透射率提高。如上所述，反射率和有效长度有关联，所以如果将前侧的DBR区域24的长度在小于对有效长度的增减起作用的临界长度(在图13中对有效长度的增减起作用的区域61a、61b)的范围内进行增减，则能够对振荡波长移动控制时的振荡阈值电流的增加率ΔIth进行控制，能够扩大连续波长的可变量(可变宽度)。
如在背景技术中所述，有效长度取决于DBR区域的长度。在图15中表示有将在DBR区域形成得充分长时(长度为1000μm)饱和为一定值的有效长度作为有效长度饱和值的情况。在图15的表中表示的折射光栅耦合常数κ为通过通常的DBR型激光的制造方法(湿法蚀刻、干法蚀刻)可比较容易形成的范围。在该范围内，如果将DBR区域的有效长度形成小于等于有效长度饱和值的75％，则可获得大约50％(或者50％以上)的透射率，能够获得更高的光输出。
根据本发明的DBR型波长可变光源，能够适当地控制在进行振荡波长移动控制时的振荡阈值电流变化率。而且，超过现有的连续波长可变宽度的理论值(公式(2)的ΔλCON)而能够进一步地进行宽波段的连续波长移动，并且能够获得更高的激光振荡光的输出。
图19为表示在缩短有源区长度La的DBR型波长可变光源中初始相位条件不合适时的波长可变特性的特性图。如图19所示，如果不把上述各条件设计合适，则在波长移动开始后马上发生模态跃迁，在实用上存在问题。
鉴于上述的现有技术中的问题，本发明的目的在于，提供一种DBR型波长可变光源，其光源可在较宽的波段宽度内进行连续的振荡波长的可变控制，即，具有可实现连续波长移动的波长可变特性，可实现6nm以上的连续波长移动，且与现有技术相比，其输出较高。
为了达到上述目的，本发明涉及一种在衬底上具有由包覆层包围的光波导的DBR型波长可变光源，其包括：第一无源区光波导，包括第一DBR区域，其中，可通过DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生第一DBR区域的有效长度饱和值的95％以上的有效长度的区间具有衍射光栅；第二无源区光波导，包括第二DBR区域，其中，可通过所述DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生第二DBR区域的有效长度饱和值的75％以下的有效长度的区间具有衍射光栅，并且所述第二DBR区域的长度位于这样的范围内，即在该范围内所述第二DBR区域的有效长度相对于所述第二DBR区域的长度线性地增大或减小；有源区光波导，在其两端与所述第一无源区光波导和所述第二无源区光波导光学连接，且通过与所述DBR控制电流独立的有源区电流控制发光状态。
另外，为了获得高输出，优选将前侧的(第二)DBR区域的衍射光栅的有效长度形成为其有效长度饱和值的75％以下，在两个DBR区域的端面设置防反射膜。
进一步优选的是，振荡波长移动量和布拉格波长移动量的比为0.9～1.1。这是因为，如果该比落入该范围，则即使不满足完全无模态跃迁条件(振荡波长移动量和布拉格波长移动量的比为1)，在大部分的情况下也不发生模态跃迁。
另外，在本发明的另一实施方式中，涉及一种在衬底上具有由包覆层包围的光波导的DBR型波长可变光源，其包括：第一无源区光波导，包括第一DBR区域，其中，可通过DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生第一DBR区域的有效长度饱和值的75％以下的有效长度的区间具有衍射光栅；第二无源区光波导，包括第二DBR区域，其中，可通过所述DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生第二DBR区域的有效长度饱和值的75％以下的有效长度的区间具有衍射光栅；有源区光波导，其两端与所述第一无源区光波导和所述第二无源区光波导光学连接，且通过与所述DBR控制电流独立的有源区电流控制发光状态；高反射膜，设置在所述第一无源区光波导的与所述有源区光波导相反一侧的端面上；防反射膜，设置在所述第二无源区光波导的与所述有源区光波导相反一侧的端面上。
另外，在本发明的又一实施方式中，涉及一种在衬底上具有由包覆层包围的光波导的DBR型波长可变光源，包括：无源区光波导，包括DBR区域，其中，可通过DBR控制电流对振荡波长进行可变控制，且在长度相当于能产生DBR区域的有效长度饱和值的75％以下的有效长度的区间具有衍射光栅；有源区光波导，与所述无源区光波导光学连接，且通过与所述DBR控制电流独立的有源区电流控制发光状态；防反射膜，设置在所述无源区光波导的、与所述有源区光波导相反一侧的端面上；高反射膜，设置在所述有源区光波导的、与所述无源区光波导相反一侧的端面上。即，为了使光源尺寸进一步减小，优选用高反射膜替换波长长的一侧的(第一)DBR区域。
如果适当地确定DBR区域的反射率，则能够使振荡阈值的增减率达到最合适，能够实现满足公式(3)的关系的光源。
为了与连续波长移动的宽波段化的同时提高光源输出，优选将后侧的DBR区域29形成得充分长，以获得高反射率，并将前侧的DBR区域24缩短。因为如果振荡光的射出侧的DBR区域短，则光的透射率提高。如上所述，反射率和有效长度有关联，所以如果将前侧的DBR区域24的长度在小于对有效长度的增减起作用的临界长度(在图13中对有效长度的增减起作用的区域61a、61b)的范围内进行增减，则能够对振荡波长移动控制时的振荡阈值电流的增加率ΔIth进行控制，能够扩大连续波长的可变量(可变宽度)。
如在背景技术中所述，有效长度取决于DBR区域的长度。在图15中表示有将在DBR区域形成得充分长时(长度为1000μm)饱和为一定值的有效长度作为有效长度饱和值的情况。在图15的表中表示的折射光栅耦合常数κ为通过通常的DBR型激光的制造方法(湿法蚀刻、干法蚀刻)可比较容易形成的范围。在该范围内，如果将DBR区域的有效长度形成小于等于有效长度饱和值的75％，则可获得大约50％(或者50％以上)的透射率，能够获得更高的光输出。
根据本发明的DBR型波长可变光源，能够适当地控制在进行振荡波长移动控制时的振荡阈值电流变化率。而且，超过现有的连续波长可变宽度的理论值(公式(2)的ΔλCON)而能够进一步地进行宽波段的连续波长移动，并且能够获得更高的激光振荡光的输出。
附图说明
图1A为表示本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的截面图；
图1B为本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的IB-IB的截面图；
图2A为表示本发明的实施例2的DBR型波长可变光源的图；
图2B为本发明的实施例2的DBR型波长可变光源的IIB-IIB截面图(俯视图)；
图3A为本发明的实施方式的DBR型波长可变光源的波长移动中的光谱说明图；
图3B为本发明的实施方式的DBR型波长可变光源的波长移动中的光谱说明图；
图3C为本发明的实施方式的DBR型波长可变光源的波长移动中的光谱说明图；
图4为表示本发明的实施方式的DBR型波长可变光源的波长可变特性的特性图；
图5为表示振荡波长移动量相对布拉格波长移动量的比的特性图；
图6为表示本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的波长可变特性的特性图；
图7为表示本发明的实施例1的振荡波长和公式(1)的理论值之间的偏差量的特性图；
图8为表示本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的I-L特性的特性图；
图9为表示在本发明的实施例1的DBR型波长可变光源中、由阈值电流变动带来的波长移动和图7所示值之间的比较的特性图；
图10A为表示本发明的实施例3的DBR型波长可变光源的截面图；
图10B为本发明的实施例3的DBR型波长可变光源的XB-XB的截面图；
图11为本发明的实施例4的集成的DBR型波长可变光源阵列的结构图；
图12A为表示现有技术的DBR型波长可变光源结构的截面图；
图12B为现有技术的DBR型波长可变光源的XIIB-XIIB的截面图；
图13为表示光反射情形的图；
图14为表示有效长度对DBR区域长度的依赖性的特性图；
图15为表示有效长度的饱和值的表；
图16为表示现有技术的DBR型波长可变光源的波长可变控制特性的特性图；
图17A为现有技术的DBR型波长可变光源的波长移动的光谱说明图；
图17B为现有技术的DBR型波长可变光源的波长移动的光谱说明图；
图17C为现有技术的DBR型波长可变光源的波长移动的光谱说明图；
图18为表示有源区被缩短了的DBR型波长可变光源的波长可变特性的特性图；
图19为表示在缩短有源区的DBR型波长可变光源中、初始相位条件不合适时的波长可变特性的特性图。
图1B为本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的IB-IB的截面图；
图2A为表示本发明的实施例2的DBR型波长可变光源的图；
图2B为本发明的实施例2的DBR型波长可变光源的IIB-IIB截面图(俯视图)；
图3A为本发明的实施方式的DBR型波长可变光源的波长移动中的光谱说明图；
图3B为本发明的实施方式的DBR型波长可变光源的波长移动中的光谱说明图；
图3C为本发明的实施方式的DBR型波长可变光源的波长移动中的光谱说明图；
图4为表示本发明的实施方式的DBR型波长可变光源的波长可变特性的特性图；
图5为表示振荡波长移动量相对布拉格波长移动量的比的特性图；
图6为表示本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的波长可变特性的特性图；
图7为表示本发明的实施例1的振荡波长和公式(1)的理论值之间的偏差量的特性图；
图8为表示本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的I-L特性的特性图；
图9为表示在本发明的实施例1的DBR型波长可变光源中、由阈值电流变动带来的波长移动和图7所示值之间的比较的特性图；
图10A为表示本发明的实施例3的DBR型波长可变光源的截面图；
图10B为本发明的实施例3的DBR型波长可变光源的XB-XB的截面图；
图11为本发明的实施例4的集成的DBR型波长可变光源阵列的结构图；
图12A为表示现有技术的DBR型波长可变光源结构的截面图；
图12B为现有技术的DBR型波长可变光源的XIIB-XIIB的截面图；
图13为表示光反射情形的图；
图14为表示有效长度对DBR区域长度的依赖性的特性图；
图15为表示有效长度的饱和值的表；
图16为表示现有技术的DBR型波长可变光源的波长可变控制特性的特性图；
图17A为现有技术的DBR型波长可变光源的波长移动的光谱说明图；
图17B为现有技术的DBR型波长可变光源的波长移动的光谱说明图；
图17C为现有技术的DBR型波长可变光源的波长移动的光谱说明图；
图18为表示有源区被缩短了的DBR型波长可变光源的波长可变特性的特性图；
图19为表示在缩短有源区的DBR型波长可变光源中、初始相位条件不合适时的波长可变特性的特性图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1为本发明一实施方式的DBR型波长可变光源的结构说明图。如图1所示，在衬底21上，设有通过电流注入或光激发等而具有发光能力的有源区光波导22，和位于该有源区光波导22的两侧、且通过电流注入或光激发等可对振荡波长进行控制的无源区光波导23a、23b。无源区光波导23a、23b的带隙比有源区光波导22的带隙大。这些有源区光波导22和无源区光波导23a、23b构成本发明的DBR型波长可变光源的光波导。
另外，后侧的无源区光波导23b包括充分长的DBR区域29和绝缘区域25b，该充分长的DBR区域29的DBR有效长度相当于有效长度饱和值的95％以上。因此，该DBR区域29具有非常高的反射率。经过有源区光波导22，在无源区光波导23b的相反一侧设置有前侧的无源区光波导23a。前侧的无源区光波导23a包括DBR有效长度比后侧DBR区域29的长度短的前侧DBR区域24，以及绝缘区域25a。
如上所述，DBR型波长可变光源即使在以一定值的有源区电流26驱动的情况下，如果有源区电流26的振荡阈值电流增加，则有源区光波导22的载波密度也增加，随着该载波密度的增加，折射率减少。
有源区光波导22的折射率的减少具有将纵模波长λC向短波长一侧移动的效果。因此，如果能够使根据DBR控制电流27的注入而决定的布拉格波长移动量ΔλB和根据DBR控制电流27的注入和振荡阈值电流的增加决定的纵模波长移动量ΔλC相一致，则布拉格波长λB和纵模波长λC会在连接的同时一体地移动。因此，可消除模态跃迁的问题。这说明公式(1)的右边第二项的分子(Leff-f+Leff-r)和分母(La+Leff-f+Leff-r)变为相同，这时的纵模波长移动量ΔλC可用下述的公式(3)表示。
公式3：
该公式(3)表示，构成激光谐振器的有源区光波导22的折射率和前侧DBR区域24和后侧DBR区域29的折射率相同地减少。因此，只要随着DBR控制电流17的注入，DBR区域24的折射率继续减少，振荡波长(纵模波长)就向短波长一侧移动而不会发生模态跃迁。因此，即使不进行考虑初始相位的严格的设计，也不会引起在开始如图19所示的波长移动之后马上发生模态跃迁的现象。
因为可实现这种方案，所以能够通过适当确定DBR区域反射率来使振荡阈值电流的增减率最合适，能够实现满足公式(3)的关系的光源。为了在连续波长移动宽度的宽波段化的同时获得光的高输出，优选将后侧的DBR区域29形成得充分长，以获得高反射率，将前侧的DBR区域24的长度缩短。因为在缩短振荡光的射出一侧的DBR区域的长度时，光的透射率会提高。如上所述，反射率和DBR区域的有效长度之间是相关的，所以如果使前侧的DBR区域24的长度在对有效长度的增减起作用的临界长度以下(在图13中对有效长度的增减起作用的区域61a、61b)的范围内进行增减，则可自由地对波长可变控制时的振荡阈值电流的增加率ΔIth进行变更，能够对连续波长移动范围进行扩大。
图3为本发明的实施方式的DBR型波长可变光源的波长移动时的光谱的说明图。采用本发明的情况下，如图3A至图3C所示，即使通过增加DBR控制电流来使波长移动，也仅向短波长一侧移动与布拉格波长(阻带)和振荡波长相同的量。即，振荡波长相对于阻带没有相对的移动。此时，如图4所示，可实现完全不发生模态跃迁(无模态跃迁)的连续波长移动。
因此，与现有的将连续波长可变宽度扩大的激光(有源区的短的DBR型波长可变光源)相比，即使将有源区光波导22进一步变长，也不会发生模态跃迁，可获得相同程度或者超过其程度的连续波长移动宽度。另外，随着前侧的DBR区域24的长度的缩短，可提高透射率，且可获得高输出。
图5为表示振荡波长移动量和布拉格波长移动量之比与前侧的DBR区域长度之间的关系的特性图。其中，将有源区光波导22的长度作为参数，进行了30μm、54.5μm、100μm的变化。另外，将与有源区光波导22的两端接触的绝缘区域25a、25b分别形成为10μm，将后侧的DBR区域29的长度形成为400μm，将衍射光栅耦合常数κ做成100cm-1。关于图5横轴的前侧DBR区域24的长度，进行了从30、50、80、100μm至400μm的变化。另外，在该实验中采用的DBR型波长可变光源的DBR区域采用了其波导损失以下述公式(4)表示的区域。
公式4：
ΓΔα＝5.27ΔλBragg+5.54(cm-1) (4)
在该公式(4)中，左边表示对于考虑了波导的光限制效率的传播光的波导损失，右边ΔλBragg表示布拉格波长移动量。
从图5中可知，由于缩短前侧DBR区域24的长度，可接近公式(3)所示的条件。如下述说明那样，能够实现连续波长移动宽度的宽波段化。即，在将有源区光波导22的长度做成30μm时，前侧DBR区域24的长度在200μm以上的范围内，显示了公式(3)条件成立的理想的波长可变特性。但是，因为过于缩短了有源区光波导22的长度，所以振荡增益不足，在使振荡波长移动4nm时，振荡会停止。
另外，在将有源区光波导22的长度做成100μm时，虽然不停止振荡，但是，振荡波长移动量和布拉格波长移动量的比值变为0.6～0.7，不能到达理想的条件(比值为1)。而且，在进行3nm波长移动时，发生模态跃迁。
另一方面，在将有源区光波导22的长度做成54.5μm时，可以在宽波段中进行连续波长移动。因此，通过下述实施例进一步详细说明在将有源区光波导22的长度做成54.5μm时，与连续波长移动波段宽且可获得较高输出的元件(前侧DBR区域24的长度为80μm的情况)相关的特性。此时，振荡波长移动量和布拉格波长移动量的比为0.9。
实施例1
图1为表示本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的结构的图。在本实施例1中，对于作为衬底21采用InP来制造振荡波长1.55μm的光源的情况。图1A为包括光波导的与衬底21垂直的面的截面图。另外，图1B为包括沿图1A的IB-IB线截取的与衬底21平行的面的截面图(俯视图)。
在带隙波长为1.57μm的InGaAsP的有源区光波导22的两端(前后)，形成带隙波长为1.3μm的InGaAsP的无源区光波导23a、23b。有源区光波导22的长度做成54.5μm，与其两端接触的绝缘区域25a、25b做成10μm，并且前侧DBR区域24和后侧DBR区域29的长度分别做成80μm和400μm，将衍射光栅耦合常数κ做成100cm-1。通过图15可知，衍射光栅耦合常数κ为100cm-1时的有效长度饱和值为49.9μm。另一方面，从图14所示的关系中可知，前侧DBR区域24的长度为80μm时的DBR有效长度为37μm。因此，此时前侧DBR区域24的有效长度为有效饱和值长度的大约75％。
另外，在图1中没有表示有绝缘区域25a、25b。该绝缘区域25a、25b是将在用于与电极28a、28b、28c欧姆接触的上包覆层上形成的InGaAsP层的一部分进行去除后形成的区域。通过去除不形成电极28a、28b、28c的部分的InGaAsP层来形成可将DBR控制电流27和有源区电流26分离的绝缘区域25a、25b。
前侧DBR区域24的制作方式是，将其长度做成80μm，由此引起在进行振荡波长移动控制时适合的阈值电流的变动，并进行测定。整个波导宽度做成1.5μm，由此做成单模工作的DBR型波长可变光源。有源区光波导22的波导宽度也可以比无源区光波导23a、23b宽，可以通过具有自成像效果的模拟单模波导等来构成。
有源区光波导22和无源区光波导23a、23b通过对接法相互光学连接，其元件结构与通常的DBR型波长可变光源同样地做成埋入结构。元件不限于形成埋入结构，形成为脊状结构也能得到同样效果。另外，在两个DBR区域的端面上，分别设置有防反射膜20a、20b。
有源区光波导22和无源区光波导23a、23b由带隙波长不同的半导体晶体构成。有源区光波导22具有电流注入和光激发等引起的发光功能。前侧DBR区域24和后侧DBR区域29具有根据由DBR控制电流27注入引起的折射率变化的波长可变的功能。
图6为表示本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的波长可变特性的特性图，显示了振荡波长的移动量的实验值和布拉格波长的移动量的实验值。同时，还显示了将上述布拉格波长的移动量的实验值代入公式(1)而得到的振荡波长移动量的计算值。振荡波长移动量和布拉格波长移动量的比为0.9，可实现几乎完整的没有模态跃迁(无模态跃迁)的连续波长移动。通过注入DBR控制电流27直到60mA，可实现6nm的连续波长移动宽度。在图6中，横轴的DBR控制电流27之所以从-9mA开始是因为来自有源区光波导22的泄漏电流。DBR控制电流27在-9mA的状态与DBR区域的零偏压(接地状态)相对应。从图6中可知，与从公式(1)中推测的连续波长移动(计算值)相比，实验值能产生更大的连续波长移动。
图7为用于对在本发明的实施例1的DBR型波长可变光源中、振荡波长的实验值和通过公式(1)的理论值之间的偏差量进行说明的特性图。纵轴表示振荡波长的连续波长移动量的实验值和利用公式(1)的振荡波长的连续波长移动量的理论计算值之间的差异。横轴表示DBR控制电流。从图7中可知，随着DBR控制电流27的增加，可产生比从现有技术的公式(1)中推测的连续波长移动量计算值大出大约2nm的连续波长移动量。
图8为表示本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的I-L特性的特性图。为了详细证明本实施例1的效果，将对于有源区电流26的光输出依赖性(I-L特性)按照DBR控制电流27从接地状态到60mA进行变化，并测定。在有源区电流26达到振荡阈值电流时，本实施例的DBR型波长可变光源开始振荡。如图8所示，通过增加DBR控制电流27，可确定：振荡阈值电流从7mA到20mA逐渐增加，引起13mA的振荡阈值电流的变动。另外，即使在控制振荡波长移动时，也可获得1mW以上、最大可达4.7mW的较高的光输出。
图9为表示在本发明的实施例1的DBR型波长可变光源中、振荡阈值电流变动带来的振荡波长移动量和图7所示的振荡波长移动量之间的比较的特性图。在相同曲线图中表示有上述的因振荡阈值电流的变动引起的振荡波长移动量(考虑在将DBR控制电流27接地时的阈值电流值中有向DBR区域27泄漏的电流)的情况，以及如图7所示的情况。其中显示出两者有良好的一致性。
从以上的详细说明中可知，本实施例1的DBR型波长可变光源与现有技术的DBR型波长可变光源相比，在更宽的波段中可实现连续波长的移动。如果按照公式(2)计算现有技术的无模态跃迁的连续波长移动量(宽度)的理论值，则为4nm(由DBR区域的折射率变化引起的振荡波长变动宽度)。与该理论值相比，实施例1的DBR型波长可变光源的连续波长移动量的实验值也大约大出2nm，即，可获得更宽的连续波长移动波段。而且，同时可获得充分高的光输出。
实施例2
在实施例2中，去掉了实施例1的DBR型波长可变光源的后侧无源区光波导23b，制作了设置高反射膜的方式的DBR型波长可变光源。
图2为实施例2的DBR型波长可变光源的结构图。图2A为表示包括光波导的且与衬底31垂直的面的截面图。图2B为表示包括图2A中沿IIB-IIB截取的、与衬底31平行的面的截面图(俯视图)。如图2A所示，其中包括有有源区光波导32和无源区光波导33，在无源区光波导33内形成有DBR区域34这一点和实施例1相同。在本实施例2中，其特征在于，没有设置具有实施例1的较长的DBR区域的后侧无源区波导，而代之以反射率为90％的高反射膜39。在无源区光波导33的端面，设置有防反射膜30。在有源区光波导32和无源区光波导33的上方和侧面形成有上包覆层9。在上包覆层9上形成有电极38a、38b，从这些电极注入DBR控制电流37和有源区电流36。
有源区光波导32的长度为40μm，其它结构和元件参数按照与实施例1相同的方式制作。
通过实施例2的DBR型波长可变光源，与实施例1相同地获得了6nm的连续波长移动宽度和1mW以上的高输出。
实施例3
图10为表示实施例3的DBR型波长可变光源的结构的图。图10A表示包括光波导的且与衬底41垂直的面的截面图。图10B为包括沿图10A的XB-XB截取的与衬底41平行的面的截面图(俯视图)。
本实施例3的DBR型波长可变光源与实施例1相同地在衬底41上设有有源区光波导42和位于该有源区光波导42两侧的无源区光波导43a、43b。在无源区光波导43a、43b中分别形成有DBR区域44a、44b。在有源区光波导42和无源区光波导43a、43b的上方和侧面形成有上包覆层9。另外，在上包覆层9上形成有注入DBR控制电流47的电极48a、48b和注入有源区电流46的电极48c。电极48a、48b和电极48c通过作为高电阻区域的绝缘区域25a、25b绝缘。在无源区光波导43a的端面设置有防反射膜40，而在无源区光波导43b的端面设置有高反射膜49。
在实施例3中，其特征在于，将在两个无源区光波导43a、43b中的DBR区域的长度做成相当于比有效长度饱和值短的有效长度。即，在实施例1中，一个无源区光波导中的DBR区域的长度相当于有效长度饱和值的95％以上的有效长度，而另一个无源区光波导的长度做得比该长度短。与此相对照，在本实施例3中，在两个无源区光波导43a、43b中，将DBR区域长度做成为与比有效长度饱和值短的有效长度相当。另外，一个无源区光波导43b的端面设置有高反射膜49，在另一无源区光波导43a的端面设置有防反射膜40。从具有该防反射膜40的端面输出振荡光。在具有高反射膜49的一侧的无源区光波导43b中，因为DBR有效长度比有效值饱和长度短，所以反射率不很充分。但是，通过设置高反射膜49，能够获得充分的反射率。
在本实施例3的DBR型波长可变光源中，高反射一侧的DBR区域的长度为80μm，两个DBR区域长度即两个无源区光波导43a、43b的长度相同。但是，很显然，并不限于两个无源区光波导的长度相同。(本实施例3中前后DBR区域的长度相同是一种偶然。)其它元件的参数与实施例1的情况相同。
根据该实施例3的构造，能够使DBR型波长可变光源的元件实现整体的小型化。通过该实施例3的DBR型波长可变光源与实施例1相同地获得了6nm的连续波长移动宽度和1mW以上的高的光输出。
实施例4
图11为表示本发明的实施例4的集成化的DBR型波长可变光源阵列的结构的俯视图。本DBR型波长可变光源阵列的结构为：将多个本发明的上述DBR型波长可变光源50a、50b、50c、50d、50e、50f形成在一个衬底上。多个DBR型波长可变光源构成DBR-LD阵列部51。各个DBR型波长可变光源50a、50b、50c、50d、50e、50f的输出通过光结合器55被合成，构成形成为单个端口的光合成部52。另外，光合成部52的输出与对耦合的光输出电平进行调整的光放大器部53连接。在各DBR型波长可变光源50a、50b、50c、50d、50e、50f的DBR区域上设置有注入DBR控制电流的电极57a、57b、57c、57d、57e、57f，在有源区上设置有注入有源区电流的电极56a、56b、56c、56d、56e、56f。另外，本DBR型波长可变光源阵列的具有左右对称的结构，但是并不限于此。
各DBR型波长可变光源50a、50b、50c、50d、50e、50f的各衍射光栅的间距各不同，可实现波长可变的光的波段不同。即，从DBR区域的衍射光栅间隙不同的六个光源产生的输出通过光结合器55进行合成，通过实现单端口化而制作了在整体上波段更宽的可实现波长变化的宽波段波长可变DBR-LD阵列。在本实施例4中，光合成部52由弯曲成S字形的光波导和多模干涉型耦合器(Multi-mode interference coupler：MMI耦合器)构成。耦合器部分只要可以将光集中在一个端口上即可，而不限于MMI耦合器。在输出端58作为光输出调整用具有光放大器部53。在光放大器的输出端58的端面和DBR-LD阵列51的端面设有防反射膜。
集成的各个激光可实现6nm的连续波长的可变，在整体上可实现共36nm(6个×6nm＝36nm：1530nm-1566nm)的连续波长可变宽度，而且，可同时实现10mW以上的光输出。在本实施例4中，各DBR型波长可变光源50a、50b、50c、50d、50e、50f不限于实施例1的DBR型波长可变光源，也可使用实施例2、实施例3的方式。
图1为本发明一实施方式的DBR型波长可变光源的结构说明图。如图1所示，在衬底21上，设有通过电流注入或光激发等而具有发光能力的有源区光波导22，和位于该有源区光波导22的两侧、且通过电流注入或光激发等可对振荡波长进行控制的无源区光波导23a、23b。无源区光波导23a、23b的带隙比有源区光波导22的带隙大。这些有源区光波导22和无源区光波导23a、23b构成本发明的DBR型波长可变光源的光波导。
另外，后侧的无源区光波导23b包括充分长的DBR区域29和绝缘区域25b，该充分长的DBR区域29的DBR有效长度相当于有效长度饱和值的95％以上。因此，该DBR区域29具有非常高的反射率。经过有源区光波导22，在无源区光波导23b的相反一侧设置有前侧的无源区光波导23a。前侧的无源区光波导23a包括DBR有效长度比后侧DBR区域29的长度短的前侧DBR区域24，以及绝缘区域25a。
如上所述，DBR型波长可变光源即使在以一定值的有源区电流26驱动的情况下，如果有源区电流26的振荡阈值电流增加，则有源区光波导22的载波密度也增加，随着该载波密度的增加，折射率减少。
有源区光波导22的折射率的减少具有将纵模波长λC向短波长一侧移动的效果。因此，如果能够使根据DBR控制电流27的注入而决定的布拉格波长移动量ΔλB和根据DBR控制电流27的注入和振荡阈值电流的增加决定的纵模波长移动量ΔλC相一致，则布拉格波长λB和纵模波长λC会在连接的同时一体地移动。因此，可消除模态跃迁的问题。这说明公式(1)的右边第二项的分子(Leff-f+Leff-r)和分母(La+Leff-f+Leff-r)变为相同，这时的纵模波长移动量ΔλC可用下述的公式(3)表示。
公式3：
该公式(3)表示，构成激光谐振器的有源区光波导22的折射率和前侧DBR区域24和后侧DBR区域29的折射率相同地减少。因此，只要随着DBR控制电流17的注入，DBR区域24的折射率继续减少，振荡波长(纵模波长)就向短波长一侧移动而不会发生模态跃迁。因此，即使不进行考虑初始相位的严格的设计，也不会引起在开始如图19所示的波长移动之后马上发生模态跃迁的现象。
因为可实现这种方案，所以能够通过适当确定DBR区域反射率来使振荡阈值电流的增减率最合适，能够实现满足公式(3)的关系的光源。为了在连续波长移动宽度的宽波段化的同时获得光的高输出，优选将后侧的DBR区域29形成得充分长，以获得高反射率，将前侧的DBR区域24的长度缩短。因为在缩短振荡光的射出一侧的DBR区域的长度时，光的透射率会提高。如上所述，反射率和DBR区域的有效长度之间是相关的，所以如果使前侧的DBR区域24的长度在对有效长度的增减起作用的临界长度以下(在图13中对有效长度的增减起作用的区域61a、61b)的范围内进行增减，则可自由地对波长可变控制时的振荡阈值电流的增加率ΔIth进行变更，能够对连续波长移动范围进行扩大。
图3为本发明的实施方式的DBR型波长可变光源的波长移动时的光谱的说明图。采用本发明的情况下，如图3A至图3C所示，即使通过增加DBR控制电流来使波长移动，也仅向短波长一侧移动与布拉格波长(阻带)和振荡波长相同的量。即，振荡波长相对于阻带没有相对的移动。此时，如图4所示，可实现完全不发生模态跃迁(无模态跃迁)的连续波长移动。
因此，与现有的将连续波长可变宽度扩大的激光(有源区的短的DBR型波长可变光源)相比，即使将有源区光波导22进一步变长，也不会发生模态跃迁，可获得相同程度或者超过其程度的连续波长移动宽度。另外，随着前侧的DBR区域24的长度的缩短，可提高透射率，且可获得高输出。
图5为表示振荡波长移动量和布拉格波长移动量之比与前侧的DBR区域长度之间的关系的特性图。其中，将有源区光波导22的长度作为参数，进行了30μm、54.5μm、100μm的变化。另外，将与有源区光波导22的两端接触的绝缘区域25a、25b分别形成为10μm，将后侧的DBR区域29的长度形成为400μm，将衍射光栅耦合常数κ做成100cm-1。关于图5横轴的前侧DBR区域24的长度，进行了从30、50、80、100μm至400μm的变化。另外，在该实验中采用的DBR型波长可变光源的DBR区域采用了其波导损失以下述公式(4)表示的区域。
公式4：
ΓΔα＝5.27ΔλBragg+5.54(cm-1) (4)
在该公式(4)中，左边表示对于考虑了波导的光限制效率的传播光的波导损失，右边ΔλBragg表示布拉格波长移动量。
从图5中可知，由于缩短前侧DBR区域24的长度，可接近公式(3)所示的条件。如下述说明那样，能够实现连续波长移动宽度的宽波段化。即，在将有源区光波导22的长度做成30μm时，前侧DBR区域24的长度在200μm以上的范围内，显示了公式(3)条件成立的理想的波长可变特性。但是，因为过于缩短了有源区光波导22的长度，所以振荡增益不足，在使振荡波长移动4nm时，振荡会停止。
另外，在将有源区光波导22的长度做成100μm时，虽然不停止振荡，但是，振荡波长移动量和布拉格波长移动量的比值变为0.6～0.7，不能到达理想的条件(比值为1)。而且，在进行3nm波长移动时，发生模态跃迁。
另一方面，在将有源区光波导22的长度做成54.5μm时，可以在宽波段中进行连续波长移动。因此，通过下述实施例进一步详细说明在将有源区光波导22的长度做成54.5μm时，与连续波长移动波段宽且可获得较高输出的元件(前侧DBR区域24的长度为80μm的情况)相关的特性。此时，振荡波长移动量和布拉格波长移动量的比为0.9。
实施例1
图1为表示本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的结构的图。在本实施例1中，对于作为衬底21采用InP来制造振荡波长1.55μm的光源的情况。图1A为包括光波导的与衬底21垂直的面的截面图。另外，图1B为包括沿图1A的IB-IB线截取的与衬底21平行的面的截面图(俯视图)。
在带隙波长为1.57μm的InGaAsP的有源区光波导22的两端(前后)，形成带隙波长为1.3μm的InGaAsP的无源区光波导23a、23b。有源区光波导22的长度做成54.5μm，与其两端接触的绝缘区域25a、25b做成10μm，并且前侧DBR区域24和后侧DBR区域29的长度分别做成80μm和400μm，将衍射光栅耦合常数κ做成100cm-1。通过图15可知，衍射光栅耦合常数κ为100cm-1时的有效长度饱和值为49.9μm。另一方面，从图14所示的关系中可知，前侧DBR区域24的长度为80μm时的DBR有效长度为37μm。因此，此时前侧DBR区域24的有效长度为有效饱和值长度的大约75％。
另外，在图1中没有表示有绝缘区域25a、25b。该绝缘区域25a、25b是将在用于与电极28a、28b、28c欧姆接触的上包覆层上形成的InGaAsP层的一部分进行去除后形成的区域。通过去除不形成电极28a、28b、28c的部分的InGaAsP层来形成可将DBR控制电流27和有源区电流26分离的绝缘区域25a、25b。
前侧DBR区域24的制作方式是，将其长度做成80μm，由此引起在进行振荡波长移动控制时适合的阈值电流的变动，并进行测定。整个波导宽度做成1.5μm，由此做成单模工作的DBR型波长可变光源。有源区光波导22的波导宽度也可以比无源区光波导23a、23b宽，可以通过具有自成像效果的模拟单模波导等来构成。
有源区光波导22和无源区光波导23a、23b通过对接法相互光学连接，其元件结构与通常的DBR型波长可变光源同样地做成埋入结构。元件不限于形成埋入结构，形成为脊状结构也能得到同样效果。另外，在两个DBR区域的端面上，分别设置有防反射膜20a、20b。
有源区光波导22和无源区光波导23a、23b由带隙波长不同的半导体晶体构成。有源区光波导22具有电流注入和光激发等引起的发光功能。前侧DBR区域24和后侧DBR区域29具有根据由DBR控制电流27注入引起的折射率变化的波长可变的功能。
图6为表示本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的波长可变特性的特性图，显示了振荡波长的移动量的实验值和布拉格波长的移动量的实验值。同时，还显示了将上述布拉格波长的移动量的实验值代入公式(1)而得到的振荡波长移动量的计算值。振荡波长移动量和布拉格波长移动量的比为0.9，可实现几乎完整的没有模态跃迁(无模态跃迁)的连续波长移动。通过注入DBR控制电流27直到60mA，可实现6nm的连续波长移动宽度。在图6中，横轴的DBR控制电流27之所以从-9mA开始是因为来自有源区光波导22的泄漏电流。DBR控制电流27在-9mA的状态与DBR区域的零偏压(接地状态)相对应。从图6中可知，与从公式(1)中推测的连续波长移动(计算值)相比，实验值能产生更大的连续波长移动。
图7为用于对在本发明的实施例1的DBR型波长可变光源中、振荡波长的实验值和通过公式(1)的理论值之间的偏差量进行说明的特性图。纵轴表示振荡波长的连续波长移动量的实验值和利用公式(1)的振荡波长的连续波长移动量的理论计算值之间的差异。横轴表示DBR控制电流。从图7中可知，随着DBR控制电流27的增加，可产生比从现有技术的公式(1)中推测的连续波长移动量计算值大出大约2nm的连续波长移动量。
图8为表示本发明的实施例1的DBR型波长可变光源的I-L特性的特性图。为了详细证明本实施例1的效果，将对于有源区电流26的光输出依赖性(I-L特性)按照DBR控制电流27从接地状态到60mA进行变化，并测定。在有源区电流26达到振荡阈值电流时，本实施例的DBR型波长可变光源开始振荡。如图8所示，通过增加DBR控制电流27，可确定：振荡阈值电流从7mA到20mA逐渐增加，引起13mA的振荡阈值电流的变动。另外，即使在控制振荡波长移动时，也可获得1mW以上、最大可达4.7mW的较高的光输出。
图9为表示在本发明的实施例1的DBR型波长可变光源中、振荡阈值电流变动带来的振荡波长移动量和图7所示的振荡波长移动量之间的比较的特性图。在相同曲线图中表示有上述的因振荡阈值电流的变动引起的振荡波长移动量(考虑在将DBR控制电流27接地时的阈值电流值中有向DBR区域27泄漏的电流)的情况，以及如图7所示的情况。其中显示出两者有良好的一致性。
从以上的详细说明中可知，本实施例1的DBR型波长可变光源与现有技术的DBR型波长可变光源相比，在更宽的波段中可实现连续波长的移动。如果按照公式(2)计算现有技术的无模态跃迁的连续波长移动量(宽度)的理论值，则为4nm(由DBR区域的折射率变化引起的振荡波长变动宽度)。与该理论值相比，实施例1的DBR型波长可变光源的连续波长移动量的实验值也大约大出2nm，即，可获得更宽的连续波长移动波段。而且，同时可获得充分高的光输出。
实施例2
在实施例2中，去掉了实施例1的DBR型波长可变光源的后侧无源区光波导23b，制作了设置高反射膜的方式的DBR型波长可变光源。
图2为实施例2的DBR型波长可变光源的结构图。图2A为表示包括光波导的且与衬底31垂直的面的截面图。图2B为表示包括图2A中沿IIB-IIB截取的、与衬底31平行的面的截面图(俯视图)。如图2A所示，其中包括有有源区光波导32和无源区光波导33，在无源区光波导33内形成有DBR区域34这一点和实施例1相同。在本实施例2中，其特征在于，没有设置具有实施例1的较长的DBR区域的后侧无源区波导，而代之以反射率为90％的高反射膜39。在无源区光波导33的端面，设置有防反射膜30。在有源区光波导32和无源区光波导33的上方和侧面形成有上包覆层9。在上包覆层9上形成有电极38a、38b，从这些电极注入DBR控制电流37和有源区电流36。
有源区光波导32的长度为40μm，其它结构和元件参数按照与实施例1相同的方式制作。
通过实施例2的DBR型波长可变光源，与实施例1相同地获得了6nm的连续波长移动宽度和1mW以上的高输出。
实施例3
图10为表示实施例3的DBR型波长可变光源的结构的图。图10A表示包括光波导的且与衬底41垂直的面的截面图。图10B为包括沿图10A的XB-XB截取的与衬底41平行的面的截面图(俯视图)。
本实施例3的DBR型波长可变光源与实施例1相同地在衬底41上设有有源区光波导42和位于该有源区光波导42两侧的无源区光波导43a、43b。在无源区光波导43a、43b中分别形成有DBR区域44a、44b。在有源区光波导42和无源区光波导43a、43b的上方和侧面形成有上包覆层9。另外，在上包覆层9上形成有注入DBR控制电流47的电极48a、48b和注入有源区电流46的电极48c。电极48a、48b和电极48c通过作为高电阻区域的绝缘区域25a、25b绝缘。在无源区光波导43a的端面设置有防反射膜40，而在无源区光波导43b的端面设置有高反射膜49。
在实施例3中，其特征在于，将在两个无源区光波导43a、43b中的DBR区域的长度做成相当于比有效长度饱和值短的有效长度。即，在实施例1中，一个无源区光波导中的DBR区域的长度相当于有效长度饱和值的95％以上的有效长度，而另一个无源区光波导的长度做得比该长度短。与此相对照，在本实施例3中，在两个无源区光波导43a、43b中，将DBR区域长度做成为与比有效长度饱和值短的有效长度相当。另外，一个无源区光波导43b的端面设置有高反射膜49，在另一无源区光波导43a的端面设置有防反射膜40。从具有该防反射膜40的端面输出振荡光。在具有高反射膜49的一侧的无源区光波导43b中，因为DBR有效长度比有效值饱和长度短，所以反射率不很充分。但是，通过设置高反射膜49，能够获得充分的反射率。
在本实施例3的DBR型波长可变光源中，高反射一侧的DBR区域的长度为80μm，两个DBR区域长度即两个无源区光波导43a、43b的长度相同。但是，很显然，并不限于两个无源区光波导的长度相同。(本实施例3中前后DBR区域的长度相同是一种偶然。)其它元件的参数与实施例1的情况相同。
根据该实施例3的构造，能够使DBR型波长可变光源的元件实现整体的小型化。通过该实施例3的DBR型波长可变光源与实施例1相同地获得了6nm的连续波长移动宽度和1mW以上的高的光输出。
实施例4
图11为表示本发明的实施例4的集成化的DBR型波长可变光源阵列的结构的俯视图。本DBR型波长可变光源阵列的结构为：将多个本发明的上述DBR型波长可变光源50a、50b、50c、50d、50e、50f形成在一个衬底上。多个DBR型波长可变光源构成DBR-LD阵列部51。各个DBR型波长可变光源50a、50b、50c、50d、50e、50f的输出通过光结合器55被合成，构成形成为单个端口的光合成部52。另外，光合成部52的输出与对耦合的光输出电平进行调整的光放大器部53连接。在各DBR型波长可变光源50a、50b、50c、50d、50e、50f的DBR区域上设置有注入DBR控制电流的电极57a、57b、57c、57d、57e、57f，在有源区上设置有注入有源区电流的电极56a、56b、56c、56d、56e、56f。另外，本DBR型波长可变光源阵列的具有左右对称的结构，但是并不限于此。
各DBR型波长可变光源50a、50b、50c、50d、50e、50f的各衍射光栅的间距各不同，可实现波长可变的光的波段不同。即，从DBR区域的衍射光栅间隙不同的六个光源产生的输出通过光结合器55进行合成，通过实现单端口化而制作了在整体上波段更宽的可实现波长变化的宽波段波长可变DBR-LD阵列。在本实施例4中，光合成部52由弯曲成S字形的光波导和多模干涉型耦合器(Multi-mode interference coupler：MMI耦合器)构成。耦合器部分只要可以将光集中在一个端口上即可，而不限于MMI耦合器。在输出端58作为光输出调整用具有光放大器部53。在光放大器的输出端58的端面和DBR-LD阵列51的端面设有防反射膜。
集成的各个激光可实现6nm的连续波长的可变，在整体上可实现共36nm(6个×6nm＝36nm：1530nm-1566nm)的连续波长可变宽度，而且，可同时实现10mW以上的光输出。在本实施例4中，各DBR型波长可变光源50a、50b、50c、50d、50e、50f不限于实施例1的DBR型波长可变光源，也可使用实施例2、实施例3的方式。