JP2007012691A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ブラッグ回折格子により規定される単一モード発振を広い温度範囲において実現可能な半導体レーザを提供する。
【解決手段】
半導体レーザ１１の端面にはバンドリジェクト型の反射スペクトルを有する反射膜１５がある。ＤＦＢモードにおける発振波長は、動作保証下限温度Ｔ_Ｌにおいて波長λ１で、動作保証上限温度Ｔ_Ｈで波長λ２で発光する波長温度依存性を持つ。半導体レーザ１１の利得ピーク波長は、温度Ｔ_Ｌで波長λ１より短い波長λ３にあり、温度Ｔ_Ｈで波長λ２より長い波長λ４にある。波長λ３での反射膜１５の反射率Ｒ_３が波長λ１での反射膜１５の反射率Ｒ_１より小さい。波長λ４での反射膜１７の反射率Ｒ_４が波長λ２での反射膜１５の反射率Ｒ_２より小さい。波長λ３、λ４における反射膜１５の反射率Ｒ_３、Ｒ_４が波長λ１〜λ２までの波長範囲での反射膜１５の最大反射率Ｒ_ＭＡＸの半分以下である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体レーザに関する。

長距離／高速光ファイバ通信では、単一モード発振を得るためにブラッグ回折格子を有する半導体レーザが使用される。この半導体レーザとしては、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、分布反射型（ＤＢＲ）レーザ、外部共振器型レーザがある。

特許文献１には、半導体レーザ装置が記載されている。この半導体レーザ装置は、窒化シリコンの屈折率、膜厚のばらつきに依らず安定した低反射率を有する反射防止膜を提供し、分布帰還型半導体レーザの単一縦モード歩留まりを向上させることができる。この半導体レーザ装置は、この半導体のへき開面よりも高い反射率を与える後端面反射膜と、半導体のへき開面より低い反射率を与える反射防止膜とを備える。これら二つの膜は活性領域及びブラッグ回折格子を挟むように対向配置されている。
特開平１０−５１０７２号公報

通信用半導体レーザモジュールにおいては、この半導体レーザは、その温度を調整するためにペルチェ素子と共に用いられる。これにより、環境温度が大きく変動しても、限られたある温度範囲において、光出射面からブラッグ回折格子により選択された波長の光が単一モードで出射される。反射防止膜と反射膜及びこれらの間に位置するブラッグ回折格子とからなる分布帰還型半導体レーザを無温調動作させる場合、つまり、分布帰還型半導体レーザの温度制御を行わない場合、分布帰還型半導体レーザが分布帰還モード発振を維持できる温度範囲が存在し、これが、半導体レーザモジュールをより広い温度範囲で動作させることに対する制限となっている。一方、半導体レーザモジュールにペルチェ素子を設けると、構成部品の数及び組立コストが増大し、また消費電力も増大してしまう。そこで、ペルチェ素子を設けることなく無温調の半導体レーザモジュールを構成することが望まれている。

しかしながら、これまでの半導体レーザを無温調で使用すると、一例を示せば、環境温度が摂氏ゼロ度より低い温度（例えば、摂氏マイナス４０度程度といった低温）の温度領域において、ファブリペロモード（ＦＰモード） の利得ピーク値がブラッグ回折格子により規定される分布帰還モード（ＤＦＢモード）の利得ピーク値よりも大きくなり、その結果、分布帰還型半導体レーザはＦＰ モードで発振してしまう。

本発明は、上記した課題を解決するために為されたものであり、ブラッグ回折格子により規定される単一モードの発振を広い温度範囲において実現可能な半導体レーザを提供することを目的とする。

本発明の一側面は、動作保証上限温度から動作保証下限温度までの温度範囲においてファブリペロモードを抑制し分布帰還モードで発振する半導体レーザに関する。半導体レーザは、（ａ）活性層と該活性層に光学的に結合されたブラッグ回折格子とを含み一端面および他端面を有する半導体領域と、（ｂ）前記半導体領域の前記他端面に設けられた反射膜とを備え、前記ファブリペロモードは前記一端面と前記反射膜とを含む共振器に関連づけられており、前記分布帰還モードは前記ブラッグ回折格子に関連づけられており、前記分布帰還モードにおける発振波長は、前記動作保証下限温度において第１の波長となると共に前記動作保証上限温度において第２の波長となる波長温度依存性を有し、前記半導体レーザの利得ピーク波長は、前記動作保証下限温度において前記第１の波長より短い第３の波長にあると共に前記動作保証上限温度において前記第２の波長より長い第４の波長にある温度依存性を有しており、前記反射膜は、条件
（１）前記第３の波長における前記反射膜の反射率が、前記第１の波長における前記反射膜の反射率より小さいこと、
（２）前記第４の波長における前記反射膜の反射率が、前記第２の波長における前記反射膜の反射率より小さいこと、
（３）前記第３および第４の波長における前記反射膜の反射率が、前記第１の波長から前記第２の波長までの波長範囲における前記反射膜の最大反射率の７０％以下であること、
を満たす反射スペクトルを有する。

発明者は、ＦＰモード発振が、デチューニング量の大きい温度において生じることと、発振するＦＰモードの光波長がＤＦＢモードの発振波長と異なることに着目した。さらに、反射膜による高い反射率を必要とするのはブラッグ回折格子のブラッグ波長近傍のみである一方で、ブラッグ波長以外の波長ではむしろ反射率を低くすることがＦＰモード発振の抑制に有効であることを見出した。そこで、このような波長依存性の反射特性を有する反射膜について検討した結果、反射膜は、第１の波長範囲において上記条件（１）〜（３）を満たすバンドリジェクト型の反射スペクトルを有することが好適であることを見いだした。この半導体レーザによれば、ブラッグ回折格子により規定される単一モード発振を広い温度範囲において実現可能な半導体レーザが提供される。

本発明に係る半導体レーザは、（ａ）活性層と該活性層に光学的に結合されたブラッグ回折格子とを含み一端面および他端面を有する半導体領域と、（ｂ）前記半導体領域の前記他端面に設けられた反射膜とを備え、前記ファブリペロモードは前記一端面と前記反射膜とを含む共振器に関連づけられており、前記分布帰還モードは前記ブラッグ回折格子に関連づけられており、前記分布帰還モードにおける発振波長は、前記動作保証下限温度において第１の波長となると共に前記動作保証上限温度において第２の波長となる波長温度依存性を有し、前記半導体レーザの利得ピーク波長は、前記動作保証下限温度において前記第１の波長より短い第３の波長にあると共に前記動作保証上限温度において第４の波長にある温度依存性を有しており、前記反射膜は、条件
（１）前記第３の波長における前記反射膜の反射率が、前記第１の波長における前記反射膜の反射率より小さいこと、
（２）前記第３の波長における前記反射膜の反射率が、前記第１の波長から前記第２の波長までの波長範囲における前記反射膜の最大反射率の７０％以下であること、
を満たす反射スペクトルを有する。

また、本発明に係る半導体レーザは、（ａ）活性層と該活性層に光学的に結合されたブラッグ回折格子とを含み一端面および他端面を有する半導体領域と、（ｂ）前記半導体領域の前記他端面に設けられた反射膜とを備え、前記ファブリペロモードは前記一端面と前記反射膜とを含む共振器に関連づけられており、前記分布帰還モードは前記ブラッグ回折格子に関連づけられており、前記分布帰還モードにおける発振波長は、前記動作保証下限温度において第１の波長となると共に前記動作保証上限温度において第２の波長となる波長温度依存性を有し、前記半導体レーザの利得ピーク波長は、前記動作保証下限温度において第３の波長にあると共に前記動作保証上限温度において前記第２の波長より長い第４の波長にある温度依存性を有しており、前記反射膜は、条件
（１）前記第４の波長における前記反射膜の反射率が、前記第２の波長における前記反射膜の反射率より小さいこと、
（２）前記第４の波長における前記反射膜の反射率が、前記第１の波長から前記第２の波長までの波長範囲における前記反射膜の最大反射率の７０％以下であること、
を満たす反射スペクトルを有する。

これらの半導体レーザによっても、ブラッグ回折格子により規定される単一モード発振を広い温度範囲において実現可能な半導体レーザが提供される。

本発明に係る半導体レーザでは、前記反射膜は、１０層以上の誘電体膜を含む多層構造を有することが好ましい。この半導体レーザでは、誘電体膜を含む多層構造を用いると、所望の波長範囲を含む波長領域内で高い反射率を有すると共に、その外側においてむしろ低い反射率を有する反射膜を実現できる。

本発明に係る半導体レーザでは、前記反射膜は、複数の第１の誘電体膜および複数の第２の誘電体膜を含む多層構造を有しており、前記第１および第２の誘電体膜は交互に配置されており、前記第１の誘電体膜の屈折率は前記第２の誘電体膜の屈折率と異なり、各第１の誘電体膜の厚さは、ｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられており、各第２の誘電体膜の厚さは、ｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられており、該λは前記所定の波長範囲内の値を有する。

半導体レーザのレーザ光の波長が変化したときに反射膜の反射率が大きく変化しないように、従来の半導体レーザの反射膜に対して、反射率の波長依存性が小さくなるという要求があった。この要求を満たすために、従来の半導体レーザには、幅広い反射帯域幅を持つ反射膜を形成して、これにより所望の波長範囲において反射率の波長依存性を小さくしていた。一方、本発明に係る半導体レーザによれば、反射膜を構成する誘電体膜の膜厚がｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられている。この反射膜の反射帯域は、λ／４の値に対応付けられている膜厚の誘電体膜から構成される反射膜の反射スペクトルに比べて狭く、またこの狭い反射帯域は、λ／４の値に対応付けられている膜厚の誘電体膜を多数積層することによっては達成されない。

本発明の更なる別の側面は、動作保証上限温度から動作保証下限温度までの動作保証温度範囲においてファブリペロモードを抑制し分布帰還モードで発振する半導体レーザである。半導体レーザは、（ａ）活性層と該活性層に光学的に結合されたブラッグ回折格子とを含み一端面および他端面を有する半導体領域と、（ｂ）前記動作保証温度範囲において前記半導体領域の前記一端面の反射率より大きい反射率を有するフィルタ部とを備え、前記半導体領域は、前記他端面と前記フィルタ部との間に位置しており、前記ファブリペロモードは前記他端面および前記フィルタ部を含む共振器に関連づけられており、前記分布帰還モードは前記ブラッグ回折格子に関連づけられており、前記分布帰還モードにおける発振波長は、前記動作保証下限温度において第１の波長となると共に前記動作保証上限温度において第２の波長となる波長温度依存性を有し、前記半導体レーザの利得ピーク波長は、前記動作保証下限温度において前記第１の波長より短い第３の波長にあると共に前記動作保証上限温度において前記第２の波長より長い第４の波長にある温度依存性を有しており、前記フィルタ部は、条件
（１）前記第３の波長における前記フィルタ部の反射率が、前記第１の波長における前記フィルタ部の反射率より小さいこと、
（２）前記第４の波長における前記フィルタ部の反射率が、前記第２の波長における前記フィルタ部の反射率より小さいこと、
（３）前記第３および第４の波長における前記フィルタ部の反射率が、前記第１の波長から前記第２の波長までの波長範囲における前記フィルタ部の最大反射率の７０％以下であること、
を満たす反射スペクトルを有する。

本発明に係る半導体レーザでは、前記フィルタ部は、複数の第１の誘電体膜および複数の第２の誘電体膜を含む多層構造の反射膜を有しており、前記第１および第２の誘電体膜は交互に配置されており、前記第１の誘電体膜の屈折率は前記第２の誘電体膜の屈折率と異なり、各第１の誘電体膜の厚さは、ｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられており、各第２の誘電体膜の厚さは、ｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられており、該λは前記所定の波長範囲内の値を有する。

本発明に係る半導体レーザによれば、反射膜を構成する誘電体膜の膜厚がｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられている。この反射膜の反射帯域は、λ／４の膜厚の誘電体膜から構成される反射膜の反射スペクトルに比べて狭く、またこの狭い反射帯域は、λ／４の値に対応付けられている膜厚の誘電体膜を多数積層することによっては達成されない。

本発明の上記の目的および他の目的、特徴、並びに利点は、添付図面を参照して進められる本発明の好適な実施の形態の以下の詳細な記述から、より容易に明らかになる。

以上説明したように、本発明によれば、ブラッグ回折格子により規定される単一モード発振を広い温度範囲において実現可能な半導体レーザが提供される。

本発明の知見は、例示として示された添付図面を参照して以下の詳細な記述を考慮することによって容易に理解できる。引き続いて、添付図面を参照しながら、本発明の半導体レーザおよび光送信モジュールに係る実施の形態を説明する。可能な場合には、同一の部分には同一の符号を付する。

図１は、本実施の形態に係る分布帰還型半導体レーザの構造を示す図面である。図２は、図１に示された分布帰還型半導体レーザにおけるブラッグ波長および利得ピーク波長の温度依存性を示す。縦軸は波長であり、横軸は温度を示す。特性線Ｃ１は利得ピーク波長（近似的に、ファブリペロモードの発振波長となる）を示しており、特性線Ｃ２はブラッグ波長（近似的に、分布帰還モードの発振波長となる）を示している。図１に示されるように、分布帰還型の半導体レーザ１１は、一端面１３ａおよび他端面１３ｂを有する半導体領域１３と、反射膜１５と、反射防止膜１７とを備える。半導体領域１３は、第１のフィルタ部と第２のフィルタ部との間に位置している。第１のフィルタ部としては反射膜１５があり、反射膜１５は、例えば、半導体領域１３の一端面１３ａに設けられている。このとき、反射膜１５は第１のフィルタ部として働く。また、第２のフィルタ部としては反射防止膜１７があり、反射防止膜１７は、例えば、半導体領域１３の他端面１３ｂに設けられている。このとき、反射防止膜１７は第２のフィルタ部として働く。半導体領域１３は、ｐ型クラッド層２１とｎ型クラッド層２３との間に設けられた活性層２５と、該活性層２５に光学的に結合されたブラッグ回折格子２７とを含む。ｐ型クラッド層２１、ｎ型クラッド層２３および活性層２５は、基板２９上に設けられている。半導体レーザ１１では、ファブリペロモード（以下、ＦＰモードとして参照する）は反射膜１５と反射防止膜１７とにより規定され、分布帰還モード（以下、ＤＦＢモードとして参照する）はブラッグ回折格子２７により規定される。ＤＦＢモードの波長は、ほぼブラッグ回折格子２７の温度特性に従って変化する。図２に示されるように、半導体レーザ１１のＤＦＢモードにおける発振波長は温度依存性を有しており、この温度依存性により、半導体レーザ１１は動作保証下限温度Ｔ_Ｌにおいて第１の波長λ１の光を発生すると共に動作保証上限温度Ｔ_Ｈにおいて第２の波長λ２の光を発生する。動作保証上限温度Ｔ_Ｈは摂氏８５度よりも大きく、動作保証下限温度Ｔ_Ｌは摂氏ゼロ度よりも小さい。図２に示された一例では、Ｔ_Ｈは摂氏１００度であり、Ｔ_Ｌは摂氏−４０度である。

半導体レーザ１１の利得ピーク波長は、動作保証下限温度Ｔ_Ｌにおいて第１の波長λ１より短い第３の波長λ３にあると共に動作保証上限温度Ｔ_Ｈにおいて第２の波長λ２より長い第４の波長λ４にある温度依存性を有している。反射膜１５は、条件（１）〜（３）を満たすバンドリジェクト型の反射スペクトルを有する。（１）第３の波長λ３における反射膜１５の反射率Ｒ_３が、第１の波長λ１における反射膜１５の反射率Ｒ_１より小さい。（２）第４の波長λ４における反射膜１５の反射率Ｒ_４が、第２の波長λ２における反射膜１５の反射率Ｒ_２より小さい。（３）第３および第４の波長λ３、λ４における反射膜１５の反射率Ｒ_３、Ｒ_４が、第１の波長λ１から第２の波長λ２までの波長範囲における反射膜１５の最大反射率Ｒ_ＭＡＸの半分以下である。

発明者は、ＦＰモードにおける発振が、利得ピークのＦＰモード波長とＤＦＢモード波長との差であるデチューニング量の大きい温度において生じることと、発振するＦＰモードの光波長がＤＦＢモードの発振波長と異なることに着目した。さらに、反射膜１５による高い反射率を必要とするのはブラッグ回折格子２７のブラッグ波長近傍のみであり、またブラッグ波長以外の波長ではむしろ反射率を低くすることがＦＰモード抑制には有効であることを見出した。そこで、このような波長依存性の反射特性を有する反射膜について検討した結果、反射膜１５は、第１の波長範囲Ｒ１において上記条件（１）〜（３）を満たすバンドリジェクト型の反射スペクトルを有することが好適であることを見いだした。この半導体レーザ１１は、無温調動作の光通信モジュールに好適である。

引き続いて、ＤＦＢモードとＦＰモードの双方が存在する半導体レーザの無温調動作を説明する。発明者の実験によれば、利得ピークとなるＦＰモードでの発振波長の温度に対するシフト量がＤＦＢモードの発振波長の温度に対するシフト量と異なる、という点である。図２に示された温度特性を示すＤＦＢ型半導体レーザは、以下のような特性を有する。例えば、摂氏２５度におけるデチューニング量（Δλ：利得のピーク波長とブラッグ波長の差であり、ＤＦＢ半導体レーザの特性を決定する非常に重要な指標である）が＋０．５ｎｍ、ＤＦＢモードの発振波長の温度変動が０．１ｎｍ／Ｋ、利得ピーク波長の温度変動が０．４ｎｍ／Ｋである。この半導体レーザを−４０℃〜＋１００℃という温度範囲で使用すると、デチューニング量は−２２ｎｍ（△λ１）〜＋２０ｎｍ（△λ２）の範囲で変化する。

ＤＦＢモードは、図１に示されるブラッグ回折格子２７による分布帰還３１を主な帰還のメカニズムとする発振モードであり、反射膜１５および反射防止膜１７による端面反射が存在する場合には、これら端面における反射３３、３５もＤＦＢモードの発振に寄与する。ＤＦＢモードが発振するために必要な利得、つまり閾値利得は、反射防止膜１７の反射率Ｒ_ＡＲ、反射膜１５の反射率Ｒ_ＨＲ、ブラッグ回折格子２７の結合係数κ、内部損失α_i、レーザの共振器長Ｌで決定される。ＤＦＢモードにより発振する波長は、ブラッグ回折格子２７の周期Λと半導体レーザの実効屈折率ｎ_ｅｆｆとにより決定されるブラッグ波長λ_{ｂｒａｇｇ}近傍(例えば、λ_{ｂｒａｇｇ}＋２ｎｍ〜λ_{ｂｒａｇｇ}−２ｎｍの範囲)に１つ乃至は２つある（より厳密には高次のモードも存在するが、いずれにせよλ_{ｂｒａｇｇ}近傍で発振する）。この波長は、例えばＩｎＰ基板を用いて作製された通信用半導体レーザの場合、実効屈折率ｎ_ｅｆｆの温度変動を反映して、０．１ｎｍ／Ｋ程度の温度係数で変化する。半導体レーザ１１は、前方光Ｌ_Ｆおよび背面光Ｌ_Ｂを出射する。

一方、ＦＰモードは、図１に示される反射防止膜１７および反射膜１５での反射を主な帰還３３、３５のメカニズムとする発振モードである。反射防止膜１７の反射率がゼロである様な理想的な半導体レーザでは、ＦＰモードは存在しないが、現実の半導体レーザでは、反射防止膜の反射率をゼロとすることは困難であるので、ＦＰモードは必ず存在し、ＦＰモードで発振し得る波長は、共振器長に関連しており、また無限に存在する。例えば、光通信で用いる１．３１マイクロメートル帯という波長付近で考えると、これらの波長は、例えばほぼ１ｎｍ程度の間隔で存在する。半導体レーザ１１では、帯域内で所望の反射率が得られるバンドリジェクトフィルタとして作用する反射膜１５を使用するので、動作保証温度範囲においてＦＰモード発振が抑制される。

図３は、利得係数と波長との関係を示す図面であり、横軸は発振波長であり、縦軸は利得係数である。図３において、特性線Ｄ１〜Ｄ５の順に、注入キャリアが増加している。半導体レーザの活性層の形態としては、バルク、量子井戸、量子ドット等種々のもの存在する。これらの活性層に対して、図３に示されるように、利得は波長の関数であり、特定の波長をピークとしてその波長から外れる程利得は減少する。また、キャリア注入が増えると利得は増加する。

このような利得係数の波長依存性とＤＦＢモード発振およびＦＰモード発振、との関係について説明する。ＤＦＢモードの場合、発振波長はブラッグ回折格子の構造で決定されており、利得のピーク波長とブラッグ波長が一致する場合はもちろん、両者が一致しない場合でもブラッグ波長近傍の特定の波長で発振する。一致しない場合には、閾値利得を得るために必要なキャリア密度、つまり閾値キャリア密度が増大することになる。一方、ＦＰモードで発振する場合、利得ピークにもっとも近いＦＰモードの波長において発振する。ＦＰモードで発振し得る波長Ｍ_ＦＰは例えば約１ｎｍ間隔で無数に存在しているので、図４に示されるように、ＦＰモードでの発振波長は、利得特性線ＧがピークとなるモードＭ０（波長）で決定される。実際には、利得ピーク近傍の複数の波長がまとまって発振することも多い。

図５（ａ）は、ゼロに近いデチューニング量を有する分布帰還型半導体レーザにおけるＤＦＢモードとＦＰモードそれぞれの利得および波長を示し、図５（ｂ）は、正のデチューニング量を有する分布帰還型半導体レーザにおけるＤＦＢモードとＦＰモードそれぞれの利得および波長を示し、図５（ｃ）は、負のデチューニング量を有する分布帰還型半導体レーザにおけるＤＦＢモードとＦＰモードそれぞれの利得および波長を示す。図５（ａ）〜図５（ｃ）において、“ＦＰ”はＦＰモード列とそのＦＰモードの利得閾値とを示している。図５（ａ）〜図５（ｃ）には、それぞれ、利得特性線Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３と、ＤＦＢモードおよびその利得閾値ＤＦＢ１〜ＤＦＢ３が示されている。

図５（ａ）に示されるように、デチューニング量がゼロに近い分布帰還型半導体レーザでは、ＤＦＢモードとＦＰモードそれぞれの発振波長も近いので、波長依存性のある活性層から二つのモードが受ける利得は同等となる。この場合、ＤＦＢモードの方が閾値利得が小さいので、閾値キャリア密度も小さくなる。したがって、この半導体レーザはＤＦＢモードで発振する。図５（ｂ）および図５（ｃ）に示されるように、デチューニング量が大きい値（−２２ｎｍや＋２０ｎｍ、或いはこれらの値よりさらに大きな絶対値）の半導体レーザでは、ＤＦＢモードに対する利得はピーク値より大幅に小さく、利得ピークの波長で発振するＦＰモードと比べて閾値キャリア密度が大きくなる。この場合、ＤＦＢレーザはその名に反して、より閾値キャリア密度の小さいＦＰモードで発振するので、ＤＦＢ半導体レーザに必要な特性を満たさなくなってしまう。この現象によって、ＤＦＢ半導体レーザの無温調動作が可能な温度範囲が制限される。

反射膜の反射率を下げてＰＦモードの閾値利得を大きくすれば、ＦＰモード発振の抑制できるが、これによりＤＦＢモードの閾値利得も増大してしまう。これ故に、ＦＰモードおよびＤＦＢモードの閾値利得の差を大きくできず、また閾値電流等の諸特性も劣化する。しかしながら、動作波長範囲の外側にあってデチューニング量が大きい波長領域において反射率が小さい反射膜を用いれば、無温調動作が可能な温度範囲を拡大できる。

無温調動作が可能な温度範囲を拡大するために、バンドリジェクトフィルタを用いる実施例を説明したけれども、これまでの説明から理解されるように、短波側透過フィルタ（Short wavelength pass filter）や長波長側透過フィルタ（Long wavelength pass filter）を用いても動作温度の広範囲化が実現可能である。

例えば、利得ピーク波長が動作保証下限温度において第１の波長λ１より短い第３の波長λ３にあると共に動作保証上限温度において第４の波長λ４にあるという温度依存性を示す分布帰還型半導体レーザでは、下記の条件
（１）第３の波長λ３における反射膜の反射率が、第１の波長λ１における反射膜の反射率より小さいこと
（２）第３の波長λ３における反射膜の反射率が、第１の波長λ１から第２の波長λ２までの波長範囲における反射膜の最大反射率の半分以下であること
を満たす反射スペクトルを有する反射膜を反射膜１５に替えて用いることができる。

或いは、利得ピーク波長が動作保証下限温度において第３の波長λ３にあると共に動作保証上限温度において第２の波長λ２より長い第４の波長λ４にあるという温度依存性を示す分布帰還型半導体レーザでは、下記の条件
（１）第４の波長λ４における反射膜の反射率が、第２の波長λ２における反射膜の反射率より小さいこと
（２）第４の波長λ４における反射膜の反射率が、第１の波長λ１から第２の波長λ２までの波長範囲における反射膜の最大反射率の半分以下であること
を満たす反射スペクトルを示す反射膜を反射膜１５に替えて用いることができる。

これらの半導体レーザによっても、ブラッグ回折格子により規定される単一モード発振を広い温度範囲において実現可能である。

発明者の知見によれば、分布帰還型半導体レーザの反射膜としては、図８に示したように、例えば発振波長を中心に２００ｎｍ以上の波長範囲において８０％以上の反射率、ピークで８５％の反射率を有する誘電体多層膜が用いられている。

半導体レーザの動作保証温度範囲は、例えば摂氏−４０度〜＋１００度といった温度範囲であるので、この温度範囲に対応するＤＦＢモードの波長変動範囲（λ１〜λ２）は、ＩｎＰ系半導体レーザにおいて１４ｎｍであり、ＣＷＤＭのシステムに置いて光源の波長バラつきとして想定される最悪の値に対応する片側３ｎｍのマージンをこの範囲に加えて、製造のためにＤＦＢモードの波長変動範囲（λ５〜λ６）とする。高歩留まりでＤＦＢ型半導体レーザをＤＦＢモード発振させるためには、反射膜１５の反射率の最低値が、上記の波長変動範囲において６０％以上であることが好ましい。

一方、上述の波長変動範囲の外側の波長領域（例えば、波長λ７および／またはλ８）では、反射膜１５は高い反射率を示す必要なく、ＰＦモード発振を抑えるために反射膜１５の反射率を下げることが好ましい。特に、動作温度範囲の下限における波長（ＤＦＢモードの波長変動範囲から−２０ｎｍ離れた波長）および／または動作温度範囲の上限における波長（ＤＦＢモードの波長変動範囲から＋２２ｎｍ離れた波長）での反射率が、動作温度範囲内におけるピーク反射率の半分以下に抑制することが好ましい。

半導体レーザでは、反射膜１５は、第１の波長λ１より３ナノメートル短い第５の波長λ５から第２の波長λ２より３ナノメートル長い第６の波長λ６までの波長範囲において６０パーセント以上の反射率を有しており、また反射膜１５は、第５の波長λ５より２０ナノメートル短い第７の波長λ７において、第１の波長λ１から第２の波長λ２までの波長範囲における最小反射率より３ｄＢ抑制された反射率を有している。反射膜１５は、第６の波長λ６より２０ナノメートル長い第８の波長λ８において、第１の波長λ１から第２の波長λ２までの波長範囲における最小反射率より３ｄＢ抑制された反射率を示す。この半導体レーザでは、このような特性の反射膜を用いると、ファブリペロモードの抑制に好適な反射スペクトルが実現される。

図６は、本実施の形態に係る分布帰還型半導体レーザのための反射膜の反射スペクトルの一例を示す図面である。この反射膜は、動作温度範囲が摂氏−４０度から＋１００度である分布帰還型半導体レーザのために用いられる。
所望の特性が得られる反射膜は、
摂氏２５度におけるブラッグ波長：１３１０ｎｍ
反射膜（誘電体多層膜）：膜厚１．７９５μｍのＡｌ_２Ｏ_３（屈折率１．６４）と、膜厚１．３μｍのＴｉＯ_２（屈折率２．２７）を交互に全１２層の積層
である。反射スペクトルは、１３００ｎｍ〜１３２０ｎｍの範囲（λ５〜λ６）で９９％以上の反射率を示し、また１２８０ｎｍ（λ７）、１３４０ｎｍ（λ８）いずれの波長において９９％の半分以下の反射率を示す。本実施例では設計を簡素に行うために高次のブラッグ反射を利用した誘電体多層膜を示しているけれども、高次のブラッグ反射を利用することが必須である訳ではない。誘電体膜としては、Ａｌ_２Ｏ_３やＴｉＯ_２に限定されることなく、例えばＳｉＮといったシリコン窒化物、ＳｉＯ_２といったシリコン酸化物、Ｔａ_２Ｏ_５といったタンタル酸化物を用いることができ、さらに、これらの材料を混合したものを用いることができる。また、反射膜は、１０層以上の誘電体膜を含む多層構造を有することが好ましく、これにより、反射スペクトルは、本実施の形態に係る半導体レーザのための狭い反射帯域幅に対して好適な急峻な立ち上がりおよび立ち下がりを有する。

以上説明した半導体レーザは、光通信のための光送信モジュールのために用いることができる。光送信モジュールは、上記いずれかの半導体レーザと、この半導体レーザからの光を受けるレンズと、半導体レーザおよびレンズを支持する筐体とを備える。この光送信モジュールから出力される光は光導波路に入射する。その波長は、半導体レーザの分布帰還モードの温度特性に従って変化する温度依存性を有する。この光送信モジュールを用いると、より広い温度範囲を無温調でシングルモード発振を実現できる。筐体としては、同軸型キャンケース、バタフライ型パッケージ等を用いることができる。

引き続き、反射膜について説明する。以下の説明では、一例として１．３マイクロメートル帯の半導体レーザにおいて、λの値として、該半導体レーザの発振波長の範囲内の値、例えば１３１０ｎｍ、を用いる。好ましくは、λの値は、半導体レーザの発振波長の変動幅のほぼ中心に選ばれる。図７は、一例として示されたの反射膜の反射スペクトルＡと反射膜の反射スペクトルＢとを示す図面である。反射スペクトルＢは、９×λ／４の膜厚の誘電体膜からなる誘電体多層構造を有する。この誘電体多層構造（全２４層）は、
Ａｌ_２Ｏ_３膜の屈折率：１．６４
Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚：１７９５ｎｍ
ＴｉＯ_２膜の屈折率：２．２７
ＴｉＯ_２膜の膜厚：１２９９．６ｎｍ
である。１３００ｎｍ〜１３２０ｎｍの範囲で９９％以上の反射率を得ることができ、また１２８０ｎｍと１３４０ｎｍいずれの波長でも反射率は９９％の半分以下であり、所望の特性が得られる。

一方、反射スペクトルＡは、λ／４の膜厚の誘電体膜からなる誘電体多層構造を有する。この誘電体多層構造（全２４層）は、
Ａｌ_２Ｏ_３膜の屈折率：１．６４
Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚：１９９．４ｎｍ
ＴｉＯ_２膜の屈折率：２．２７
ＴｉＯ_２膜の膜厚：１４４．４ｎｍ
である。

また、図８は、反射スペクトルＣを示す図面である。反射スペクトルＣは、λ／４の膜厚の誘電体膜からなる誘電体多層構造を有する。この誘電体多層構造（全６層）は、
Ａｌ_２Ｏ_３膜の屈折率：１．６４
Ａｌ_２Ｏ_３膜の膜厚：１９９．４ｎｍ
ＴｉＯ_２膜の屈折率：２．２７
ＴｉＯ_２膜の膜厚：１４４．４ｎｍ
である。

まず、反射スペクトルＡと反射スペクトルＣとを比較すると、誘電体多層構造の誘電体膜の積層数を増やすと、反射スペクトルの立ち上がりおよび立ち下がりの急峻性は改善される。しかしながら、積層数を増加しても、反射スペクトルの反射帯域の幅は小さくなっていない。

次いで、反射スペクトルＡと反射スペクトルＢとを比較すると、誘電体多層構造の誘電体膜の積層数は共に２４層であり、両反射スペクトルＡ、Ｂの立ち上がりおよび立ち下がりの急峻性は良好である。しかしながら、反射スペクトルＢの反射帯域の幅は、反射スペクトルＡの反射帯域の幅よりも著しく狭くなっている。例として示された反射スペクトルＢの反射帯域の幅は２０ｎｍ程度であるが、反射スペクトルＡの反射帯域の幅は２００ｎｍよりも大きい。例えば、これまでは、反射率９９％において１００ｎｍ以下の反射帯域幅を持つ反射膜を半導体レーザに用いていない。

発明者の検討によれば、反射スペクトルＢを示す反射膜を構成する第１の誘電体膜の厚さは、ｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられており、第２の誘電体膜の厚さは、ｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられている。第１および第２の誘電体膜の形成する際の許容される膜厚のバラツキは、例えば＋／−２０ｎｍ程度である。

以上説明したように、半導体レーザのレーザ光の波長が変化したときに反射膜の反射率が大きく変化しないように、従来の半導体レーザの反射膜に対して、反射率の波長依存性が小さくなるという要求があった。この要求を満たすために、従来の半導体レーザには、反射スペクトルＣによって示されるような幅広い反射帯域幅を持つ反射膜を形成していた。一方、本実施の形態に係る半導体レーザによれば、反射膜を構成する誘電体膜の膜厚がｎ×λ／４（ｎ：奇数、ｎ≧３）の値に対応付けられている。この反射膜の反射帯域は、λ／４の値に対応付けられている膜厚の誘電体膜から構成される反射膜の反射スペクトルに比べて狭く、またこの狭い反射帯域は、λ／４の値に対応付けられている膜厚の誘電体膜を多数積層することによっては達成されない。そこで、単層の層厚をλ／４ではなく、例えば９×λ／４を用いる。多層膜の各層における位相遅延量の波長分散が大きいほど、反射率スペクトルにおける帯域は狭くなるので、ｎ×λ／４においてｎ（ｎ：奇数、ｎ≧３）を大きな値とすることが好適である。

好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置および詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではなく、誘電体多層膜以外にも、ＤＢＲミラーやファイバグレーティング等を反射フィルタとして用いることによっても実現可能である。また、半導体レーザは、本実施の形態に開示された特定の構造に限定されるものではなく、例えば、活性層自身が回折格子として作用する構造であってもよい。したがって、特許請求の範囲およびその精神の範囲から来る全ての修正および変更に権利を請求する。

図１は、本実施の形態に係る分布帰還型半導体レーザの構造を示す図面である。 図２は、半導体レーザにおけるブラッグ波長および利得ピーク波長の温度依存性を示す。 図３は、利得係数と波長との関係を示す図面である。 図４は、ＦＰモードでの発振波長と利得特性線Ｇとの関係を示す図面である。 図５（ａ）はゼロに近いデチューニング量の半導体レーザにおけるＤＦＢモードとＦＰモードそれぞれの利得および波長を示す図面である。図５（ｂ）は大きなプラスのデチューニング量の半導体レーザにおけるＤＦＢモードとＦＰモードそれぞれの利得および波長を示す図面である。図５（ｃ）は大きなマイナスのデチューニング量の半導体レーザにおけるＤＦＢモードとＦＰモードそれぞれの利得および波長を示す図面である。 図６は、本実施の形態に係る分布帰還型半導体レーザのための反射膜の反射スペクトルの一例を示す図面である。 図７は、膜厚λ／４の誘電体膜からなる誘電体多層構造の反射膜の反射スペクトルＡと、膜厚９λ／４の誘電体膜からなる誘電体多層構造の反射膜の反射スペクトルＢとを示す図面である。 図８は、膜厚λ／４の誘電体膜からなる誘電体多層構造の反射膜の反射スペクトルＣを示す図面である。

符号の説明

１１…半導体レーザ、１３ａ…半導体レーザの一端面、１３ｂ…半導体レーザの他端面、１５…反射膜、１７…反射防止膜、２１…ｐ型クラッド層、２３…ｎ型クラッド層、２５…活性層、２７…ブラッグ回折格子、２９…基板、Ｔ_Ｌ…動作保証下限温度、Ｔ_Ｈ…動作保証上限温度、λ１、λ２、λ３、λ４、λ５、λ６、λ７、λ８…波長

Claims (7)

1. 動作保証上限温度から動作保証下限温度までの温度範囲においてファブリペロモードを抑制し分布帰還モードで発振する半導体レーザであって、
   活性層と該活性層に光学的に結合されたブラッグ回折格子とを含み一端面および他端面を有する半導体領域と、
   前記半導体領域の前記一端面に設けられた反射膜と
   を備え、
   前記ファブリペロモードは前記他端面と前記反射膜とを含む共振器に関連づけられており、前記分布帰還モードは前記ブラッグ回折格子に関連づけられており、
   前記分布帰還モードにおける発振波長は、前記動作保証下限温度において第１の波長となると共に前記動作保証上限温度において第２の波長となる波長温度依存性を有し、
   前記半導体レーザの利得ピーク波長は、前記動作保証下限温度において前記第１の波長より短い第３の波長にあると共に前記動作保証上限温度において前記第２の波長より長い第４の波長にある温度依存性を有しており、
   前記反射膜は、条件
   （１）前記第３の波長における前記反射膜の反射率が、前記第１の波長における前記反射膜の反射率より小さいこと、
   （２）前記第４の波長における前記反射膜の反射率が、前記第２の波長における前記反射膜の反射率より小さいこと、
   （３）前記第３および第４の波長における前記反射膜の反射率が、前記第１の波長から前記第２の波長までの波長範囲における前記反射膜の最大反射率の７０％以下であること、
   を満たす反射スペクトルを有する、ことを特徴とする半導体レーザ。
2. 動作保証上限温度から動作保証下限温度までの温度範囲においてファブリペロモードを抑制し分布帰還モードで発振する半導体レーザであって、
   活性層と該活性層に光学的に結合されたブラッグ回折格子とを含み一端面および他端面を有する半導体領域と、
   前記半導体領域の前記一端面に設けられた反射膜と
   を備え、
   前記ファブリペロモードは前記他端面と前記反射膜とを含む共振器に関連づけられており、前記分布帰還モードは前記ブラッグ回折格子に関連づけられており、
   前記分布帰還モードにおける発振波長は、前記動作保証下限温度において第１の波長となると共に前記動作保証上限温度において第２の波長となる波長温度依存性を有し、
   前記半導体レーザの利得ピーク波長は、前記動作保証下限温度において前記第１の波長より短い第３の波長にあると共に前記動作保証上限温度において第４の波長にある温度依存性を有しており、
   前記反射膜は、条件
   （１）前記第３の波長における前記反射膜の反射率が、前記第１の波長における前記反射膜の反射率より小さいこと、
   （２）前記第３の波長における前記反射膜の反射率が、前記第１の波長から前記第２の波長までの波長範囲における前記反射膜の最大反射率の７０％以下であること、
   を満たす反射スペクトルを有する、ことを特徴とする半導体レーザ。
3. 動作保証上限温度から動作保証下限温度までの温度範囲においてファブリペロモードを抑制し分布帰還モードで発振する半導体レーザであって、
   活性層と該活性層に光学的に結合されたブラッグ回折格子とを含み一端面および他端面を有する半導体領域と、
   前記半導体領域の前記一端面に設けられた反射膜と
   を備え、
   前記ファブリペロモードは前記他端面と前記反射膜とを含む共振器に関連づけられており、前記分布帰還モードは前記ブラッグ回折格子に関連づけられており、
   前記分布帰還モードにおける発振波長は、前記動作保証下限温度において第１の波長となると共に前記動作保証上限温度において第２の波長となる波長温度依存性を有し、
   前記半導体レーザの利得ピーク波長は、前記動作保証下限温度において第３の波長にあると共に前記動作保証上限温度において前記第２の波長より長い第４の波長にある温度依存性を有しており、
   前記反射膜は、条件
   （１）前記第４の波長における前記反射膜の反射率が、前記第２の波長における前記反射膜の反射率より小さいこと、
   （２）前記第４の波長における前記反射膜の反射率が、前記第１の波長から前記第２の波長までの波長範囲における前記反射膜の最大反射率の７０％以下であること、
   を満たす反射スペクトルを有する、ことを特徴とする半導体レーザ。
4. 前記反射膜は、１０層以上の誘電体膜を含む多層構造を有する、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
5. 前記反射膜は、複数の第１の誘電体膜および複数の第２の誘電体膜を含む多層構造を有しており、
   前記第１および第２の誘電体膜は交互に配置されており、
   前記第１の誘電体膜の屈折率は前記第２の誘電体膜の屈折率と異なり、
   各第１の誘電体膜の厚さは、ｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられており、
   各第２の誘電体膜の厚さは、ｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられており、
   該λは前記所定の波長範囲内の値を有する、ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載された半導体レーザ。
6. 動作保証上限温度から動作保証下限温度までの動作保証温度範囲においてファブリペロモードを抑制し分布帰還モードで発振する半導体レーザであって、
   活性層と該活性層に光学的に結合されたブラッグ回折格子とを含み一端面および他端面を有する半導体領域と、
   前記動作保証温度範囲において前記半導体領域の前記一端面の反射率より大きい反射率を有するフィルタ部と
   を備え、
   前記半導体領域は、前記他端面と前記フィルタ部との間に位置しており、
   前記ファブリペロモードは前記他端面および前記フィルタ部を含む共振器に関連づけられており、前記分布帰還モードは前記ブラッグ回折格子に関連づけられており、
   前記分布帰還モードにおける発振波長は、前記動作保証下限温度において第１の波長となると共に前記動作保証上限温度において第２の波長となる波長温度依存性を有し、
   前記半導体レーザの利得ピーク波長は、前記動作保証下限温度において前記第１の波長より短い第３の波長にあると共に前記動作保証上限温度において前記第２の波長より長い第４の波長にある温度依存性を有しており、
   前記フィルタ部は、条件（１）〜（３）を満たす反射スペクトルを有する、
   （１）前記第３の波長における前記フィルタ部の反射率が、前記第１の波長における前記フィルタ部の反射率より小さく、
   （２）前記第４の波長における前記フィルタ部の反射率が、前記第２の波長における前記フィルタ部の反射率より小さく、
   （３）前記第３および第４の波長における前記フィルタ部の反射率が、前記第１の波長から前記第２の波長までの波長範囲における前記フィルタ部の最大反射率の７０％以下である、ことを特徴とする半導体レーザ。
7. 前記フィルタ部は、複数の第１の誘電体膜および複数の第２の誘電体膜を含む多層構造の反射膜を有しており、
   前記第１および第２の誘電体膜は交互に配置されており、
   前記第１の誘電体膜の屈折率は前記第２の誘電体膜の屈折率と異なり、
   各第１の誘電体膜の厚さは、ｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられており、
   各第２の誘電体膜の厚さは、ｎ×λ／４（ｎは３以上の奇数）の値に対応付けられており、
   該λは前記所定の波長範囲内の値を有する、ことを特徴とする請求項６に記載された半導体レーザ。
   

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