JP2011228384A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な製造プロセスで安価に作製でき、信頼性および特性の再現性の高い、半導体レーザを提供する。
【解決手段】本発明に係る半導体レーザでは、共振器内に、屈折率を変化させることが可能な屈折率変調領域１８（または、利得を変化させることが可能な利得変調領域３１）と、マッハツェンダー結合器が形成された垂直結合領域１９とを、備えている。ここで、屈折率変調領域は、一方の反射鏡端面９Ａから、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）を満たす、位置に形成されている。
【選択図】図２

Description

この発明は、光ファイバー通信技術で用いることができる半導体レーザに関するものである。

従来の単一モード半導体レーザとしては、活性層又は受動光導波層の近傍に回折格子を設け、その周期に対応する特定の波長で発振する、分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）半導体レーザや、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）半導体レーザなどが代表的な方式である。これらの半導体レーザは、単一モードの指標であるサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ：Ｓｉｄｅ Ｍｏｄｅ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒａｔｉｏ）が３０ｄＢ以上あって、高速直接変調の際にもモード跳びが起こりにくい事から、長距離伝送に適している。

また、リッジ導波路形状のファブリ・ペロー型（ＦＰ：Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）半導体レーザに関する技術も、既に存在する（特許文献１参照）。

当該特許文献１に係る半導体レーザでは、リッジ頂上から活性層近傍まで深く掘りこんだスロット（エッチング溝）を複数設け、単一モード性をＤＦＢレーザ並みに高められている。なお、当該特許文献１に係る半導体レーザを、以下、離散モード半導体レーザと称する。

当該離散モード半導体レーザでは、活性層と光閉じ込め層とから成る光導波層は、上クラッド層および下クラッド層により、挟まれている。また、リッジ導波路の最上部の電極直下には、コンタクト層が形成され、スロットと呼ばれるエッチング溝も形成されている。当該離散モード半導体レーザの発振は、通常のＦＰ型半導体レーザと同様に、基本的には両端の劈開端面による帰還で実現される。

ＦＰ型半導体レーザにおいては、共振器長Ｌに逆比例する間隔Δλの縦モードが多数存在する。導波路の中の光は、スロットのない部分では非摂動モードを取り、スロットのある部分では屈折率の減少の影響を受けた摂動モードに変化する。このためスロット部分では、両モード間の不整合に起因するわずかな反射が発生して、縦モード利得が周期的な変調を受ける。

例えば、端面からのスロットの距離が共振器長Ｌ／Ｎ（Ｎ：整数）の場合、ほぼＮ本おきに縦モードが選択される事になる。しがたって、スロットの数や位置を適切に選んで組み合わせる事により、単一モード性の高い半導体レーザを得る事ができ、ＦＰ型半導体レーザは、ＤＦＢレーザに比べて、作製プロセスを大幅に簡略化できる。

ただし、当該ＦＰ型半導体レーザにおいて、良好な単一モード性を確保するためには、多数（約２０箇所）のスロットを非周期的に配置する等の複雑な設計を行う必要がある（非特許文献１参照）。

国際公開第２００６／０２４６７４号

Ｓｉｍｏｎ Ｏｓｂｏｕｒｎｅ他、「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ ａｎｄ Ｔｗｏ−Ｃｏｌｏｒ Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ Ｌａｓｅｒｓ Ｗｉｔｈ Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ」、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ. １３、Ｎｏ. ５、ｐｐ１１５７−１１６３

従来のＤＦＢレーザやＤＢＲレーザなどの単一モード半導体レーザでは、電子ビーム露光や干渉露光を用いて回折格子を形成する必要がある。このため、複数回のエピタキシャル成長工程を含む複雑な作製プロセスが必要であり、一般のＦＰ型半導体レーザに比べると、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザは、作製工程のスループットが低下する。

また、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザは、端面からの反射位相に依存して、発振波長に関する歩留りも発生する。したがって、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザは、低コスト化が困難であった。

一方、離散モード半導体レーザでは、スロット領域での反射量や散乱損失は、エッチング深さで決まる。このため、エッチング量を精密に制御する必要があると共に、エッチング側壁や底面を確実に保護膜で覆う必要があり、当該離散モード半導体レーザは、作製プロセスの再現性や安定性に課題が残っていた（換言すれば、特性が安定している半導体レーザの再現性に課題があった）。

また、離散モード半導体レーザでは、多数のスロットが存在する。このため、離散モード半導体レーザは、エッチング溝部での損失の発生による出力低下や長期通電使用時の信頼性が懸念されていた。

そこで、本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡便な製造プロセスで安価に作製でき、信頼性および特性の再現性の高い、半導体レーザを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザは、共振器長だけ隔てて形成された、一対の反射鏡端面を有する共振器と、前記一対の反射鏡端面間に渡って形成される、活性層を含む第一の光導波層と、屈折率を変化させることが可能な、前記共振器内に形成される屈折率変調領域と、前記共振器内に形成され、前記屈折率変調領域と重複しない、垂直結合領域とを、備えており、前記屈折率変調領域は、一方の前記反射鏡端面から、（前記共振器長）／（２以上の整数）を満たす、前記共振器内に形成されており、前記垂直結合領域には、前記第一の光導波層と、前記第一の光導波層と離隔して形成された第二の光導波層とから成るマッハツェンダー結合器が形成されている。

または、本発明に係る半導体レーザは、共振器長だけ隔てて形成された、一対の反射鏡端面を有する共振器と、前記一対の反射鏡端面間に渡って形成される、活性層を含む第一光導波層と、利得を変化させることが可能な、前記共振器内に形成される利得変調領域と、前記共振器内に形成され、前記利得変調領域と重複しない、垂直結合領域とを、備えており、前記利得変調領域は、一方の前記反射鏡端面から、（前記共振器長）／（２以上の整数）を満たす、前記共振器内に形成されており、前記垂直結合領域には、前記第一の光導波層と、前記第一の光導波層と離隔して形成された第二の光導波層とから成るマッハツェンダー結合器が形成されている。

本発明に係る半導体レーザは、屈折率を変化させることが可能な、共振器内に形成される屈折率変調領域（または、利得を変化させることが可能な、共振器内に形成される利得変調領域）および、マッハツェンダー結合器が形成される垂直結合領域とを、備えている。ここで、屈折率変調領域は、一方の反射鏡端面から、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）を満たす、位置に形成されている。

したがって、簡便な製造プロセスで安価に作製でき、信頼性および特性の再現性の高い、半導体レーザを提供することができる。

半導体レーザの共振器を、光出射側から見たときの構成を示す正面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザにおける共振器の構成を示す断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザにおける共振器の、他の断面構成を示す断面図である。 垂直マッハツェンダー結合器の動作を説明するための断面図である。 垂直マッハツェンダー結合器の透過スペクトルを示す図である。 屈折率変調領域におけるモード変調を説明するための図である。 活性層の利得スペクトルおよび垂直マッハツェンダー結合器のフィルタ特性を示す図である。 実施の形態１に係る共振器全体における、スペクトル特性を説明するための図である。 実施の形態２に係る半導体レーザにおける共振器の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザにおける共振器の構成を示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザにおける共振器の構成を示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザにおける共振器の構成を示す断面図である。

以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、本実施の形態に係る単一モード半導体レーザの素子の概略構成を示す、正面図である。また、図２は、当該半導体レーザの構成を示す断面図である。ここで、図１は、図２において、光出力側から見た正面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ’断面で見た断面図である。なお、図面簡略化のため、上下の電極および配線の図示は、省略している。

当該半導体レーザの材料系としては、長波光通信で一般的なＩｎＰ（リン化インジウム）基板上の、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウムガリウムヒ素リン）やＩｎＡｌＧａＡｓ（インジウムアルミニウムガリウムヒ素）などが採用できる。なお、本実施の形態では、ｎ型のＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ光導波層の例で記述する。

図１に示すように、活性層１を挟み込むように、光閉じ込め層２が形成されている。当該活性層１および光閉じ込め層２により、第一の光導波層１５が構成されている。ここで、当該第一の光導波層１５は、ＩｎＧａＡｓＰから構成されている。

また、図１に示すように、第一の光導波層１５は、上クラッド層４と下クラッド層５とにより、挟まれている。ここで、上クラッド層４は、ｐ型のＩｎＰから成り、下クラッド層５は、ｎ型のＩｎＰから成る。なお、本実施の形態では、下クラッド層４は、ｎ型のＩｎＰ基板と一体のものとして扱っている。

また、図１に示すように、活性層１を含む第一の光導波層１５の両側面には、ｐ型およびｎ型のＩｎＰを組み合わせた、電流ブロック層１４が形成されている。また、上クラッド層４の上面には、コンタクト層７が形成されている。なお、図２では、当該コンタクト層７の図示は省略している。

当該図１の構成から分かるように、本実施の形態に係る半導体レーザは、埋め込み導波路構造を構成している。

図２は、半導体レーザの共振器の構成を示す断面図であると把握できる。

図２に示すように、共振器は、共振器長Ｌだけ隔てて形成された、一対の劈開端面（反射鏡端面と把握できる）９Ａ，９Ｂを有する。ここで、共振器の前方（つまり、光出力側）は、劈開端面９Ａのみであるが、共振器の後方（光非出力側）においては、劈開端面９Ｂに、出力を高める目的で高反射コート１６が形成されている。

また、図２に示すように、共振器内には、活性層１を含む第一の光導波層１５が、共振器長Ｌ（換言すれば、一対の劈開端面９Ａ，９Ｂ間）に渡って形成されている。

また、図２に示すように、共振器内には、屈折率を変化させることが可能な領域である屈折率変調領域１８と、屈折率変調領域１８とは重複しない垂直結合領域１９とが存在する。

垂直結合領域１９には、垂直方向のマッハツェンダー結合器が形成されている。換言すれば、垂直方向のマッハツェンダー結合器が形成されている共振器内の領域が、垂直結合領域１９である。

当該垂直方向のマッハツェンダー結合器は、第一の光導波層１５と、当該第一の光導波層１５と離隔して形成された第二の光導波層１７とから成る。第二の光導波層１７は、活性層を有さず、ＩｎＧａＡｓＰから成る。また、第二の光導波層１７は、上クラッド層４内において、第一の光導波層１５の延設方向と平行に、形成されている。第一の光導波層１５と第二の導波層１７との間には、ＩｎＰから成る上クラッド層４の一部が存在する。つまり、垂直方向のマッハツェンダー結合器は、第一の光導波層１５、上クラッド層４および第二の光導波層１７が当該順に積層した構成から成る。なお、第二の光導波層１７は、活性層１からの発光を吸収しない組成のバンドギャップ波長を有する。

ここで、第一の光導波層１５と同様、第二の光導波層１７内を導波光は往来する。つまり、第二の光導波層１７の図２の左右方向の長さは、当該導波光の往来が可能となるだけの長さが必要である。

屈折率変調領域１８には、第三の光導波層１３が形成されている。換言すれば、第三の光導波層１３が形成されている共振器内の領域が、屈折率変調領域１８である。当該第三の光導波層１３の存在により、共振器内における導波光の屈折率を変調させることができる。

第三の光導波層１３は、第一の光導波層１５と離隔して形成されている。第三の光導波層１３は、活性層を有さず、ＩｎＧａＡｓＰから成る。また、第三の光導波層１３は、上クラッド層４内において、第一の光導波層１５の延設方向と平行に、形成されている。また、図２の構成では、第二の光導波層１７と第三の光導波層１３とは、上クラッド層４内の同層位置（つまり、上クラッド層４内おいて、同じ深さ位置）に形成されている。第一の光導波層１５と第三の導波層１３との間には、ＩｎＰから成る上クラッド層４の一部が存在する。なお、第三の光導波層１３は、活性層１からの発光を吸収しない組成のバンドギャップ波長を有する。

また、本実施の形態では、屈折率変調領域１８は、一方の劈開端面から、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）を満たす、共振器内に形成されている。屈折率変調領域１８は、一つのみでも良いが、複数存する場合には、各屈折率変調領域１８は、一方の劈開端面からそれぞれ、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）だけ、離隔している。

図２に例示する構成では、一つ目の屈折率変調領域１８は、一方の劈開端面９Ａから、Ｌ／Ｎ１だけ離れた位置に形成されている。また、二つ目の屈折率変調領域１８は、一方の劈開端面９Ａから、Ｌ／Ｎ２だけ離れた位置に形成されている。また、三つ目の屈折率変調領域１８は、一方の劈開端面９Ａから、Ｌ／Ｎ３だけ離れた位置に形成されている。ここで、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、２以上の異なる値の整数である。

なお、各屈折率変調領域１８に存する各第三の光導波層１３の長さの中心が、各々、一方の劈開端面９Ａから、Ｌ／Ｎ１，Ｌ／Ｎ２，Ｌ／Ｎ３に位置している。当該Ｌ／Ｎ１，Ｌ／Ｎ２，Ｌ／Ｎ３は、屈折率変調位置と称する。換言すれば、各屈折率変調領域１８の図２の左右方向における幅の中心位置が、屈折率変調位置に位置する。

ここで、第二の光導波層１７とは異なり、第三の光導波層１３内において導波光の往来は乱される。つまり、第三の光導波層１３の図２の左右方向の長さは、当該導波光の往来が可能とならないように、十分に短く設定する必要がある。このことから分かるように、図２の左右方向における屈折率変調領域１８の領域長は、図２の左右方向における垂直結合領域１９の領域長より、十分に短い。換言すると、図２の左右方向における第三の光導波層１３の長さは、図２の左右方向における第二の導波層１７の長さより、十分に短い。図２の構成は、第二の導波層１７と第三の導波層１３とは、長さのみが相違するのみで、同じ構成を有する。

なお、垂直結合領域１９（換言すれば、第二の光導波層１７）の少なくとも一つの端部は、一方の劈開端面９Ａから、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）を満たす位置に、形成されていることが望ましい。図２の構成例では、第二の光導波層１７は、第三の光導波層１３よりも、他方の劈開端面９Ｂ側に形成されている。

第二の光導波層１７および第三の光導波層１３は、次のようにして形成できる。

ＩｎＰから成る上クラッド層４の一部を形成した状態で、ＩｎＧａＡｓＰの光導波層を作成し、当該光導波層の所定の部分をエッチングする。その後、ＩｎＰで埋め込み成長することにより、上クラッド層４内の同層位置に、第二の光導波層１７および第三の光導波層１３が形成される。

当該形成方法から分かるように、第一の光導波路１５と光導波層（第二の光導波層１７および第三の光導波層１３）の間隔、および、光導波層（第二の光導波層１７および第三の光導波層１３）の膜厚は、エピタキシャル成長によって予め設定される。さらに、第二の光導波層１７の長さおよび第三の光導波層１３の長さは、フォトリソグラフィーで決まる。

したがって、本実施の形態に係る半導体レーザでは、反射量を極めて精度よく制御できる。さらに、エッチング最表面が大気にさらされる事もないので、本実施の形態に係る半導体レーザは、長期信頼性にも優れている。つまり、簡便な製造プロセスで安価に作製でき、信頼性および特性の再現性の高い、半導体レーザを提供することができる。

また、屈折率変調領域１８を複数、各屈折率変調位置に設けることにより、安定した単一性モードの半導体レーザを提供することができる。

また、長さの短い第三の光導波層１３を設けることにより、屈折率変調領域１８を形成している。したがって、簡単で制御が容易な製造プロセス（エッチング処理）により、当該屈折率変調領域１８を共振器内に設定できる。

また、第二の光導波層１７と第三の光導波層１３とは、上クラッド層４内において、同層位置に形成されている。したがって、光導電層を所定のパターンにエッチングすることにより、同時に、第二の光導波層１７と第三の光導波層１３を作成することが可能となる。

図３は、垂直結合領域１９の断面構成を示す断面図である。具体的に、当該図３は、図２のＢ−Ｂ’断面の断面図である。なお、図３では、図２で図示を省略していたコンタクト層７が図示されている。

図３において、第一の光導波層１５の膜厚、第二の光導波層１７の膜厚、および第一の光導波層１５と第二の光導波層１７との間に存する上クラッド層４の膜厚は、図３の上下方向のモード結合が存在する屈折率分布となるように設計されている。たとえば、第一の光導波層１５と第二の光導波層１７の膜厚は各々、０．２ミクロン前後であり、第一の光導波層１５と第二の光導波層１７の幅（図３の左右方向の寸法）は各々、１ミクロン前後である。また、第一の光導波層１５と第二の光導波層１７との間に存する上クラッド層４の膜厚は、約０．３ミクロンである。

次に、図４，５を用いて、垂直マッハツェンダー結合器の動作について説明する。

図４は、垂直結合領域１９付近での導波モードの関係を示している。図５は、垂直マッハツェンダー結合器による波長選択の原理を説明する図である。具体的に、図５は、垂直マッハツェンダー結合器の透過スペクトルを示す図である。

共振器内における第二の光導波層１７が形成されていない領域では、第一の光導波層１５にのみ入射モード２０が存在している。当該入射モード２０は、入射側境界面２１において、偶モード２２（モード屈折率ｎＲ）と奇モード２３（モード屈折率ｎＳ）に分解される。

前記２つのモード屈折率の差がΔｎ、光の波長がλであるとき、垂直結合領域１９の領域長Ｌｆを、Ｍ×λ／Δn、に選ぶとする。ここで、Ｍは整数であり、前記式において、比例係数は省略している。領域長Ｌｆを前記のように選ぶと、垂直マッハツェンダー結合器で、偶モード２２と奇モード２３との干渉動作を行った後、出射側境界面２５において、偶モード２２と奇モード２３とが高効率に結合し、第一の光導波路１５の出射モード２６が形成される。

図５に示すように、垂直マッハツェンダー結合器の透過スペクトル２７は、よく知られているように、波長軸上で周期的な透過ピークを有しており、透過ピーク間隔（ＦＳＲ）２８は、領域長Ｌｆに逆比例する。本実施の形態では、透過ピーク間隔２８が半導体レーザの活性層１の利得帯域幅と同程度になるように、領域長Ｌｆを選んでおり、λ＝１．５μｍ、Ｍ＝１０、Δｎ＝０．１とすると、領域長Ｌｆ＝１５０μｍのとき、透過ピーク間隔２８は、７５ｎｍとなる。

次に、図６を用いて、屈折率変調領域１８におけるモードの変調効果について説明する。

なお、図６の説明に際して、屈折率変調位置Ｌ／Ｎ１，Ｌ／Ｎ２，Ｌ／Ｎ３は各々、Ｌ／８，Ｌ／６，Ｌ／４とする。図６の最上段は、屈折率変調位置＝Ｌ／８における変調スペクトルを示す図であり、図６の２段目は、屈折率変調位置＝Ｌ／６における変調スペクトルを示す図であり、図６の３段目は、屈折率変調位置＝Ｌ／４における変調スペクトルを示す図であり、図６の最下段は、図６の１，２，３段の各変調スペクトルを合成した変調スペクトルを示す図である。

例えば典型的な共振器長Ｌとして３００μｍを採用すると、長波帯での縦モード間隔は、約１ｎｍである。屈折率変調位置＝Ｌ／８，Ｌ／６，Ｌ／４での三つのスペクトルを組み合わせた場合、各々元の縦モード間隔の８倍、６倍、４倍でモード利得が変調される。ここで、各屈折率変調領域１８の長さＬｄは、垂直マッハツェンダー結合器でＭ＝１に相当する、Ｌｄ＝１５μｍ以下（例えば１０μｍ）に選べばよい。ある基準波長に対して、これらの効果をかけ合わせると、図６の最下段に示したような変調スペクトルが得られ、変調ピーク間隔２９（＝約２４ｎｍ）おきに強く変調されて、発振しやすいモードが存在することになる。

一方、図７の上段に示すように、活性層１の利得帯域幅３０は典型的には５０〜１００ｎｍであり、着目している中心波長以外にこれらの複数の変調ピーク波長においても同時発振する可能性がある。また単一モード発振する場合でも、ＳＭＳＲが３０ｄＢに到達しない、あるいは温度の変動に伴い発振波長が大きく変動するなど、波長安定性が十分でない場合がある。

そこで、前述のように垂直結合領域１９のＦＳＲが、図７の下段のように、半導体レーザの活性層１の利得帯域幅と同程度になるように、上記Ｌｆを選ぶ。これにより、フィルタ効果により、図８に示すように、共振器全体において完全に一つのモードでのみ発振する事が可能になる。

このように、通常の共振器長の素子で、ＤＦＢ−ＬＤと同程度のＳＭＳＲや波長安定性が得られる。また、多数のスロット領域を必要とする、従来の離散モード半導体レーザに比べ、必要な屈折率変調領域１８の数が少なくて済むので損失が少なく、高出力化に適している。

本実施の形態に係る半導体レーザによれば、共振器内の縦モード利得が少数の屈折率変調領域１８の作用で周期的に変調を受けると共に、活性層１の利得帯域幅と同程度のＦＳＲに選ばれた垂直結合領域１９における波長選択を行うことができる。これにより、回折格子を形成する必要もなく、単一モード性および信頼性に優れた半導体レーザを安価に実現できる。

なお、垂直結合領域１９（第二の光導波層１７）の少なくとも一つの端部を、一方の劈開端面９Ａから、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）の位置（例えばＬ／２）に設定しておけば、さらに屈折率変調効果を加算する事ができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１では、作製プロセスをなるべく単純化するため、屈折率変調領域１８における第三の光導波層１３と、垂直結合領域１９における第二の光導波層１７とを、同時に加工して作製している。しかし、第三の光導波層１３と第二の光導波層１７とは、同時に作成し、上クラッド層３内の同層位置に形成することに限定されることはない。

たとえば、第三の光導波層１３と第二の光導波層１７とを、別工程で作成しても良い。当該別工程を採用した場合は、図９に示すように、上クラッド層４における第三の光導波層１３の形成位置と、上クラッド層４における第二の光導波層１７の形成位置とは、必ずしも同層とはならない。

また、実施の形態１では、屈折率を変調させるために、屈折率変調領域１８に第三の光導波層１３が形成されていた。ここで、各屈折率変調領域１８の中心位置は、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）の位置である。

これに対して、当該第三の光導波層１３を省略し、当該屈折率変調領域１８に対応する位置の第一の光導波層１５の膜厚を、変化させた構成を採用してもよい。

図１０の構成では、当該屈折率変調領域１８における第一の光導波層１５の膜厚は、他の領域（たとえば、垂直結合領域１９）における第一の光導波層１５の膜厚より、厚くなっている。

図１１の構成では、当該屈折率変調領域１８における第一の光導波層１５の膜厚は、他の領域（たとえば、垂直結合領域１９）における第一の光導波層１５の膜厚より、薄くなっている。

なお、図１０，１１において、屈折率変調領域１８における第一の光導波層１５の膜厚が変化している領域（図１０，１１の左右方向における当該膜厚変化領域の幅）の中心位置が、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）である。

また、図１０，１１の構成では、第一の光導波層１５の膜厚を変化させるのみで、活性層１の膜厚は変化させない。

このように、屈折率変調領域１８における第一の光導波層１５の膜厚を変化させることにより、第三の光導波層１３を省略しても、当該屈折率変調領域１８において光の屈折率を変調させることが可能と成る。

＜実施の形態３＞
実施の形態１、２では、共振器内において、屈折率の変化が可能な屈折率変調領域１８を設けた。本実施の形態では、当該屈折率変調領域１８の代わりに、共振器内において、利得の変化が可能な利得変調領域を設けることを特徴とする。屈折率変調領域１８が、利得変調領域に変更されている以外の構成は、実施の形態１の構成と同様である。具体的には、下記の通りである。

本実施の形態においても、当該半導体レーザの材料系としては、長波光通信で一般的なＩｎＰ基板上の、ＩｎＧａＡｓＰやＩｎＡｌＧａＡｓなどが採用できる。なお、本実施の形態においても、ｎ型のＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ光導波層の例で記述する。

図１（当該図１は、後述する図１２の光出力側から見た正面図でもある）で示したように、本実施の形態においても、活性層１を挟み込むように、光閉じ込め層２が形成されている。当該活性層１および光閉じ込め層２により、第一の光導波層１５が構成されている。ここで、当該第一の光導波層１５は、ＩｎＧａＡｓＰから構成されている。

また、図１で示したように、第一の光導波層１５は、上クラッド層４と下クラッド層５とにより、挟まれている。ここで、上クラッド層４は、ｐ型のＩｎＰから成り、下クラッド層５は、ｎ型のＩｎＰから成る。なお、本実施の形態においても、下クラッド層４は、ｎ型のＩｎＰ基板と一体のものとして扱っている。

また、図１で示したように、活性層１を含む第一の光導波層１５の両側面には、ｐ型およびｎ型のＩｎＰを組み合わせた、電流ブロック層１４が形成されている。また、上クラッド層４の上面には、コンタクト層７が形成されている。なお、後述する図１２では、当該コンタクト層７の図示は省略している。

上記構成から分かるように、本実施の形態に係る半導体レーザは、埋め込み導波路構造を構成している。

図１２は、本実施の形態に係る半導体レーザの共振器の構成を示す断面図である。

図１２に示すように、共振器は、共振器長Ｌだけ隔てて形成された、一対の劈開端面（反射鏡端面と把握できる）９Ａ，９Ｂを有する。ここで、共振器の前方（つまり、光出力側）は、劈開端面９Ａのみであるが、共振器の後方（光非出力側）においては、劈開端面９Ｂに、出力を高める目的で高反射コート１６が形成されている。

また、図１２に示すように、共振器内には、活性層１を含む第一の光導波層１５が、共振器長Ｌ（換言すれば、一対の劈開端面９Ａ，９Ｂ間）に渡って形成されている。

また、本実施の形態では、図１２に示すように、共振器内には、利得を変化させることが可能な領域である利得変調領域３１と、当該利得変調領域３１とは重複しない垂直結合領域１９とが存在する。

垂直結合領域１９には、実施の形態１と同様に、垂直方向のマッハツェンダー結合器が形成されている。換言すれば、垂直方向のマッハツェンダー結合器が形成されている共振器内の領域が、垂直結合領域１９である。

当該垂直方向のマッハツェンダー結合器は、第一の光導波層１５と、当該第一の光導波層１５と離隔して形成された第二の光導波層１７とから成る。第二の光導波層１７は、活性層を有さず、ＩｎＧａＡｓＰから成る。また、第二の光導波層１７は、上クラッド層４内において、第一の光導波層１５の延設方向と平行に、形成されている。第一の光導波層１５と第二の導波層１７との間には、ＩｎＰから成る上クラッド層４の一部が存在する。つまり、垂直方向のマッハツェンダー結合器は、第一の光導波層１５、上クラッド層４および第二の光導波層１７が当該順に積層した構成から成る。なお、第二の光導波層１７は、活性層１からの発光を吸収しない組成のバンドギャップ波長を有する。

ここで、第一の光導波層１５と同様、第二の光導波層１７内を導波光は往来する。つまり、第二の光導波層１７の図１２の左右方向の長さは、当該導波光の往来が可能となるだけの長さが必要である。

これに対して、利得変調領域３１には、第三の光導波層３３が形成されている。換言すれば、第三の光導波層３３が形成されている共振器内の領域が、利得変調領域３１である。当該第三の光導波層３３の存在により、共振器内における導波光の利得を変調させることができる。

第三の光導波層３３は、第一の光導波層１５と離隔して形成されている。第三の光導波層３３は、導波光を吸収する組成を有しており、当該第三の光導波層３３において、損失を付加する。たとえば、本実施の形態に係る第三の光導波層３３は、第一の光導波層１５と同じ構成である。つまり、当該第三の光導波層３３は、活性層を含む構成であり、ＩｎＧａＡｓＰから成る。

また、第三の光導波層３３は、上クラッド層４内において、第一の光導波層１５の延設方向と平行に、形成されている。また、図１２の構成では、第二の光導波層１７と第三の光導波層３３とは、上クラッド層４内において、異なる深さ位置（つまり、上クラッド層４内おいて、異層位置）に形成されている。第一の光導波層１５と第三の導波層３３との間には、ＩｎＰから成る上クラッド層４の一部が存在する。

また、本実施の形態では、利得変調領域３１は、一方の劈開端面から、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）を満たす、共振器内に形成されている。利得変調領域３１は、一つのみでも良いが、複数存する場合には、各利得変調領域３１は、一方の劈開端面からそれぞれ、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）だけ、離隔している。

図１２に例示する構成では、一つ目の利得変調領域３１は、一方の劈開端面９Ａから、Ｌ／Ｎ１だけ離れた位置に形成されている。また、二つ目の利得変調領域３１は、一方の劈開端面９Ａから、Ｌ／Ｎ２だけ離れた位置に形成されている。また、三つ目の利得変調領域３１は、一方の劈開端面９Ａから、Ｌ／Ｎ３だけ離れた位置に形成されている。ここで、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は、２以上の異なる値の整数である。

なお、各利得変調領域３１に存する各第三の光導波層３３の長さの中心が、各々、一方の劈開端面９Ａから、Ｌ／Ｎ１，Ｌ／Ｎ２，Ｌ／Ｎ３に位置している。当該Ｌ／Ｎ１，Ｌ／Ｎ２，Ｌ／Ｎ３は、利得変調位置と称する。換言すれば、各利得変調領域３１の図１２の左右方向における幅の中心位置が、利得変調位置に位置する。

ここで、第二の光導波層１７とは異なり、第三の光導波層３３内において導波光の往来は乱される。つまり、第三の光導波層３３の図１２の左右方向の長さは、当該導波光の往来が可能とならないように、十分に短く設定する必要がある。このことから分かるように、図１２の左右方向における利得変調領域３１の領域長は、図１２の左右方向における垂直結合領域１９の領域長より、十分に短い。換言すると、図１２の左右方向における第三の光導波層３３の長さは、図１２の左右方向における第二の導波層１７の長さより、十分に短い。

なお、本実施の形態においても、垂直結合領域１９（換言すれば、第二の光導波層１７）の少なくとも一つの端部は、一方の劈開端面９Ａから、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）を満たす位置に、形成されていることが望ましい。図１２の構成例では、第二の光導波層１７は、第三の光導波層３３よりも、他方の劈開端面９Ｂ側に形成されている。

図１２に示す第二の導波層１７および第三の導波層３３は、下記の工程により形成される。

ＩｎＰから成る上クラッド層４の一部を形成した状態で、第三の光導波層３３となる第一の層を形成し、当該第一の層に対して１回のフォトリソグラフィー工程を行う（第三の光導波層３３作成）。その後、ＩｎＰの埋め込み成長を行い、次に、第二の光導波層１７となる第IIの層を形成し、当該第二の層に対して２回のフォトリソグラフィー工程を行う（第二の導波層１７作成）。その後、ＩｎＰの埋め込み成長を行う。

当該形成方法から分かるように、各光導波路１５，１７，３３の間隔、第二の光導波層１７の膜厚、および第三の光導波層３３の膜厚は、エピタキシャル成長によって予め設定される。さらに、第二の光導波層１７の長さおよび第三の光導波層３３の長さは、フォトリソグラフィーで決まる。

したがって、本実施の形態に係る半導体レーザでは、反射量を極めて精度よく制御できる。さらに、エッチング最表面が大気にさらされる事もないので、本実施の形態に係る半導体レーザは、長期信頼性にも優れている。つまり、簡便な製造プロセスで安価に作製でき、信頼性および特性の再現性の高い、半導体レーザを提供することができる。

また、利得変調領域３１を複数、各利得変調位置に設けることにより、安定した単一性モードの半導体レーザを提供することができる。

また、長さの短い第三の光導波層３３を設けることにより、利得変調領域３１を形成している。したがって、簡単で制御が容易な製造プロセス（エッチング処理）により、当該利得変調領域３１を共振器内に設定できる。

なお、本実施の形態においても、第一の光導波層１５の膜厚、第二の光導波層１７の膜厚、および第一の光導波層１５と第二の光導波層１７との間に存する上クラッド層４の膜厚は、上下方向のモード結合が存在する屈折率分布となるように設計されている。

なお、本実施の形態においても垂直結合領域１９のＦＳＲが、半導体レーザの活性層１の利得帯域幅と同程度になるように、上記Ｌｆを選ぶ。これにより、フィルタ効果により、共振器全体において完全に一つのモードでのみ発振する事が可能になる。このように、通常の共振器長の素子で、ＤＦＢ−ＬＤと同程度のＳＭＳＲや波長安定性が得られる。また、多数のスロット領域を必要とする、従来の離散モード半導体レーザに比べ、必要な利得変調領域３１の数が少なくて済むので損失が少なく、高出力化に適している。

本実施の形態に係る半導体レーザによれば、共振器内の縦モード利得が少数の利得変調領域３１の作用で周期的に変調を受けると共に、活性層１の利得帯域幅と同程度のＦＳＲに選ばれた垂直結合領域１９における波長選択を行うことができる。これにより、回折格子を形成する必要もなく、単一モード性および信頼性に優れた半導体レーザを安価に実現できる。

なお、垂直結合領域１９（第二の光導波層１７）の少なくとも一つの端部を、一方の劈開端面９Ａから、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）の位置（例えばＬ／２）に設定しておけば、さらに屈折率変調効果を加算する事ができる。

＜実施の形態４＞
実施の形態３では、利得を変調させるために、利得変調領域３１に第三の光導波層３３が形成されていた。ここで、各利得変調領域３１の中心位置は、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）の位置である。

これに対して、当該第三の光導波層３３を省略し、当該利得変調領域３１に対応する位置の第一の光導波層１５内の活性層１の膜厚を、変化させた構成を採用してもよい。

たとえば、当該利得変調領域３１における第一の光導波層１５内の活性層１の膜厚を、他の領域（たとえば、垂直結合領域１９）における第一の光導波層１５内の活性層１の膜厚より、厚くする。または、当該利得変調領域３１における第一の光導波層１５内の活性層１の膜厚を、他の領域（たとえば、垂直結合領域１９）における第一の光導波層１５内の活性層１の膜厚より、薄くする。

なお、本実施の形態においても、利得変調領域３１における活性層１の膜厚が変化している領域の中心位置が、（共振器長Ｌ）／（２以上の整数）である。

なお、本実施の形態では、実施の形態２と異なり、第一の光導波層１５内の活性層１の膜厚を変化させる必要がある。当該活性層１の膜厚の増減は、当該活性層１の体積の増減を同視でき、活性層１における導波光の吸収に変化をもたらすことができ、利得を変化させることが可能となる。

このように、利得変調領域３１における活性層１の膜厚を変化させることにより、第三の光導波層３３を省略しても、当該利得変調領域３１において光の利得を変調させることが可能と成る。

１ 活性層、２ 光閉じ込め層、４ 上クラッド層、５ 下クラッド層、７ コンタクト層、９Ａ 一方の劈開端面、９Ｂ 他方の劈開端面、１３，３３ 第三の光導波層、１４ 電流ブロック領域、１５ 第一の光導波層、１６ 高反射コート、１７ 第二の光導波層、１８ 屈折率変調領域、１９ 垂直結合領域、２０ 入射モード、２１ 入射側境界面、２２ 偶モード、２３ 奇モード、２５ 出射側境界面、２６ 出射モード、２７ 透過スペクトル、２８ 透過ピーク間隔、２９ 変調ピーク間隔、３０ 利得帯域幅、３１ 利得変調領域、Ｌ 共振器長、Ｌｆ 結合領域長。

Claims (10)

1. 共振器長だけ隔てて形成された、一対の反射鏡端面を有する共振器と、
   前記一対の反射鏡端面間に渡って形成される、活性層を含む第一の光導波層と、
   屈折率を変化させることが可能な、前記共振器内に形成される屈折率変調領域と、
   前記共振器内に形成され、前記屈折率変調領域と重複しない、垂直結合領域とを、備えており、
   前記屈折率変調領域は、
   一方の前記反射鏡端面から、（前記共振器長）／（２以上の整数）を満たす、前記共振器内に形成されており、
   前記垂直結合領域には、
   前記第一の光導波層と、前記第一の光導波層と離隔して形成された第二の光導波層とから成るマッハツェンダー結合器が形成されている、
   ことを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記屈折率変調領域は、
   複数である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記屈折率変調領域には、
   前記第一の光導波層と離隔して、前記第二の光導波層より長さの短い第三の光導波層が、形成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
4. 前記第二の光導波層と前記第三の光導波層とは、
   同層位置に形成されている、
   ことを特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ。
5. 前記屈折率変調領域における前記第一の光導波層の膜厚は、
   前記垂直結合領域における前記第一の光導波層の膜厚と、異なる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
6. 共振器長だけ隔てて形成された、一対の反射鏡端面を有する共振器と、
   前記一対の反射鏡端面間に渡って形成される、活性層を含む第一光導波層と、
   利得を変化させることが可能な、前記共振器内に形成される利得変調領域と、
   前記共振器内に形成され、前記利得変調領域と重複しない、垂直結合領域とを、備えており、
   前記利得変調領域は、
   一方の前記反射鏡端面から、（前記共振器長）／（２以上の整数）を満たす、前記共振器内に形成されており、
   前記垂直結合領域には、
   前記第一の光導波層と、前記第一の光導波層と離隔して形成された第二の光導波層とから成るマッハツェンダー結合器が形成されている、
   ことを特徴とする半導体レーザ。
7. 前記利得変調領域は、
   複数である、
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ。
8. 前記利得変調領域には、
   前記第一の光導波層と離隔して、前記第二の光導波層より長さが短く、導波光を吸収する組成を有する第三の光導波層が、形成されている、
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ。
9. 前記利得変調領域における、前記第一の光導波層内の前記活性層の膜厚は、
   前記垂直結合領域における、前記第一の光導波層内の前記活性層の膜厚と、異なる、
   ことを特徴とする請求項６に記載の半導体レーザ。
10. 前記第二の光導波層の少なくとも一方の端部は、
    一方の前記反射鏡端面から、（前記共振器長）／（２以上の整数）を満たす位置に、形成されている、
    ことを特徴とする請求項１または請求項６に記載の半導体レーザ。

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