WO2007129544A1 - 半導体発光素子および波長可変レーザ光源 - Google Patents

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Takashi Nakayama
Atsushi Yamada
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    • H01S5/227—Buried mesa structure ; Striped active layer

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor light emitting device, and more particularly to a wavelength tunable laser light source capable of oscillating laser light at an arbitrary wavelength and a superluminescent diode capable of expanding the emission spectrum width. .
  • WDM wavelength division multiplexing
  • EDFA erbium-doped fiber amplifier
  • Raman amplifier a Raman amplifier
  • the signal light source is configured with a plurality of distributed feedback laser diodes (DFB) that oscillate at specific wavelengths different from each other.
  • DFB distributed feedback laser diodes
  • DFB—LDs that oscillate at the wavelength corresponding to each channel had to be provided for backup of all channels, which caused high system costs.
  • the wavelength tunable laser according to the above proposal has a light emitting region and a wavelength control region continuous in the laser resonance axis direction, and the wavelength control region has a heating means.
  • the oscillation wavelength is adjusted by heating the wavelength control region with a heating means.
  • the wavelength tunable laser according to the above proposal has a phase control region as a wavelength control region.
  • a monolithic type with a distributed reflector (DBR) region having a diffraction grating the wavelength tunable band is limited by the amount of refractive index change, and practically about 15 nm is the limit.
  • DBR distributed reflector
  • variable wavelength light source device using an external resonator type laser element is also widely used mainly as a measurement light source (see, for example, Patent Document 2).
  • the variable wavelength light source device includes a laser element having an active region and a phase adjustment region continuous in the laser resonance axis direction, and a diffraction grating capable of adjusting the diffraction light wavelength, and a reflection wavelength by the diffraction grating.
  • the oscillation wavelength is adjusted by adjusting the refractive index of the phase adjustment region.
  • Patent Document 1 JP-A-6-5980 ([0008], FIG. 1)
  • Patent Document 2 JP-A-7-335965 ([0013], FIG. 2)
  • variable wavelength light source device also requires the crystal growth of the active waveguide and the passive waveguide separately, and further, it is difficult to ensure the separation resistance between the electrodes. There were problems such as the widening of the width and the reliability of the refractive index controllability of the passive waveguide has not been established.
  • the phase adjustment region is formed of a semiconductor having an energy gap larger than that of the active region, and the phase adjustment region and the active region must be separately grown, so that the number of semiconductor crystal growth times increases. That cannot be avoided.
  • the wavelength tunable light source device according to the above proposal, current is injected into the phase adjustment region.
  • the refractive index of the phase adjustment region is changed by the plasma effect, but it is known that the device is likely to deteriorate if the state of high carrier density continues for a long period of time, thus ensuring the reliability of the device. It was difficult.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and can be used for phase adjustment when used for an external resonator type laser, and when used for a superluminescent diode.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting device capable of expanding the emission spectrum width.
  • a semiconductor light-emitting device includes a semiconductor substrate, an active layer formed on the semiconductor substrate in a stripe shape, and emits and guides light.
  • a loading layer formed on a side surface of the active layer, a cladding layer formed above the active layer and the buried layer, a first electrode formed above the cladding layer, and the semiconductor substrate.
  • a partial heating means for heating a predetermined length portion of the active layer in the light guiding direction is formed above the first electrode and at a position thermally independent from the position of the one end surface.
  • the structure is characterized by the following.
  • the phase of the emitted light can be adjusted without changing the emission angle of the emitted light from one end face.
  • a semiconductor light emitting device includes a semiconductor substrate, an active layer formed on the semiconductor substrate, a clad layer formed above the active layer, and a clad layer.
  • An insulating film formed above; a first electrode formed above the insulating film; and a second electrode formed below the semiconductor substrate, wherein a ridge portion is formed above the active layer.
  • the active layer has an opening at a predetermined angle with respect to a normal line of one end face of both end faces formed by cleavage.
  • the partial heating means for heating the predetermined length portion in the waveguide direction is formed at a position above the first electrode and thermally independent from the position of the one end surface. Have it.
  • the partial heating means includes an insulating film, a thin film resistor formed on the insulating film, and a small amount for supplying power to the thin film resistor. It has a configuration characterized by having at least two terminal portions.
  • the semiconductor light-emitting device has a configuration characterized in that the active layer is opened substantially perpendicularly to the other end face formed by cleavage. May be.
  • the active layer has an opening with a predetermined angle with respect to the normal line of the other end surface formed by cleavage, and
  • the partial heating means may be formed at a position thermally independent from the position of the other end surface.
  • a wavelength tunable laser light source is formed on the semiconductor light emitting element according to any one of claims 1 to 5 and the one end face of the semiconductor light emitting element.
  • An antireflection film formed on the optical axis of the light emitted from the one end face, and outgoing light feedback means for returning the light emitted from the one end face to the one end face; and the semiconductor Wavelength selection means for selecting an oscillation wavelength of a laser resonator composed of a light emitting element and the emitted light feedback means, and supplies the thin film resistor via the at least two terminal portions of the semiconductor light emitting element It has a configuration characterized in that the oscillation wavelength of the laser resonator is changed by changing the power and the wavelength selected by the wavelength selection means.
  • the present invention provides a partial heating means for heating a predetermined length portion of the active layer in the light guiding direction. Therefore, the phase adjustment can be performed when used for an external cavity laser, and the emission spectrum width can be expanded when used for a super luminescent diode. Can be provided.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along the lines XX and Y-Y in FIG. 2 of the semiconductor light-emitting device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of an external cavity laser to which a semiconductor light emitting element according to the present invention is applied.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the wavelength variation ⁇ and the active layer heating region temperature variation ⁇ of the semiconductor light emitting device according to the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view and a cross-sectional view of a semiconductor light-emitting device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view of a semiconductor light-emitting device according to a third embodiment of the present invention.
  • ⁇ Cross section
  • FIG. 6 is a plan view of a semiconductor light emitting device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. Fig. 1 (a) is a cross-sectional view taken along the line XX in Fig. 2
  • Fig. 1 (b) is a cross-sectional view taken along the line Y-Y in Fig. 2.
  • the semiconductor light-emitting device 1 of the first embodiment is formed in a stripe shape on the semiconductor substrate 11, the active layer 12 that emits and guides light, and the upper and lower sides of the active layer 12.
  • Optical isolation and confinement (SCH) layers 20a and 20b formed on the side surfaces of the active layer 12 and the SCH layers 20a and 20b, the carrier layers 13a and 13b, and the SCH layers 20a and 13a
  • the clad layer 16 is formed, a first electrode 17 a formed above the clad layer 16, and a second electrode 17 b formed below the semiconductor substrate 11.
  • both end faces in the element length direction of the semiconductor light emitting element 1 according to the present invention are formed by cleavage.
  • the active layer 12 opens at a predetermined angle with respect to the normal line of one end surface 14a formed by cleavage, and opens substantially perpendicularly to the other end surface 14b.
  • a partial heating means 15 for heating a predetermined length portion (hereinafter referred to as an active layer heating region) of the active layer 12 from the other end face 14b in the light guiding direction is provided above the first electrode 17a. It is formed at a position thermally independent from the end face 14a.
  • the reflectance decreases as the predetermined angle is increased within a range where total reflection does not occur, the configuration of the external resonator becomes difficult if the emission angle from one end surface 14a is too large.
  • the output angle is often set to about 20 degrees, and the predetermined angle at that time is 5 to 7 degrees.
  • the active layer 12 may have a multiple quantum well structure.
  • clad layer 16 and A contact layer is also widely interposed between the first electrode 17a and the first electrode 17a. These can be arbitrarily designed by those skilled in the art.
  • the partial heating means 15 includes an insulating film 151 and a thin film resistor formed on the insulating film 151.
  • insulating film As the insulating film, a SiO, SiN film, or the like can be used. If the film thickness is too thin, insulation
  • the thermal resistance increases, so about 50 to 500 nm is appropriate.
  • metallic materials can be used, but Au and Pt which are difficult to oxidize, tantalum nitride having a low temperature dependence of resistance, and the like are suitable.
  • Au and Pt which are difficult to oxidize, tantalum nitride having a low temperature dependence of resistance, and the like are suitable.
  • FIG. 2 shows a configuration of an external resonator type laser 4 that is a wavelength tunable laser light source to which the semiconductor light emitting device 1 according to the present invention is applied.
  • An antireflection film 19 is formed on one end face 14a.
  • An external mirror 2 is provided outside the semiconductor light emitting element 1 as an outgoing light feedback means for returning the light emitted from one end face 14a of the semiconductor light emitting element 1 to the one end face 14a, and an optical bandpass as a wavelength selecting means.
  • Filter 3 is installed on the optical axis between end face 14a and external mirror 2. Then, the light emitted from the other end face 14b which is the vertical end face becomes the output light of the external resonator type laser 4.
  • laser oscillation is realized by the reciprocation of light between the other end face 14 b and the external mirror 2, and a single longitudinal mode is selected by the optical bandpass filter 3. If the transmission wavelength of the optical bandpass filter 3 is tuned, the oscillation wavelength changes, but the wavelength change in that case is discrete. Therefore, by supplying electric power to the partial heating means 15 to generate heat, the phase of light is changed to obtain oscillation at an arbitrary wavelength.
  • a simple mirror is used as the outgoing light feedback means, and an optical bandpass filter is used as the wavelength selection means.
  • outgoing light such as a diffraction grating having a wavelength selectivity or a liquid crystal tunable mirror is also used. You may comprise using the component which has the function of both a feedback means and a wavelength selection means.
  • the wavelength ⁇ of light having a mode order of m is represented by woman 3].
  • the longitudinal mode interval ⁇ ⁇ of oscillation is expressed by [Equation 5], and by changing the transmission wavelength of the optical bandpass filter 3, the oscillation wavelength changes discretely at intervals of ⁇ ⁇ .
  • FIG. 3 shows that the length L of the active layer heating region is 100 ⁇ m, 150 ⁇ m and 2 in addition to the above conditions.
  • This graph shows the active layer heating region when the length L of the active layer heating region is 150 am.
  • the wavelength change ⁇ ⁇ exceeds the longitudinal mode interval ⁇ ⁇ when heated at 18 ° C or higher. The Therefore, it can be seen that the oscillation wavelength can be continuously selected between adjacent longitudinal modes by heating the active layer heating region.
  • the semiconductor light emitting device 1 according to the present invention can also be used as a super luminescent diode (SLD).
  • SLD super luminescent diode
  • the semiconductor light-emitting device provides the external resonator by providing the partial heating means for heating the predetermined length portion of the active layer in the light guiding direction.
  • the wavelength variation can be changed linearly with respect to the temperature variation, and when used in an SLD, the emission spectrum width can be expanded.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the semiconductor light emitting device according to the present invention.
  • the semiconductor light-emitting device of the second embodiment has an active layer heating in addition to the configuration of the first embodiment.
  • the crystal layers on both sides of the region include grooves 18 along the light guiding direction.
  • the semiconductor light emitting element 1 uses the air in the groove 18 as a heat insulating layer, thereby confining the heat generated in the thin film resistor 152 around the active layer heating region and heating the active layer heating region. It is possible to increase efficiency.
  • the interval between the groove portions 18 needs to be sufficiently narrower than the thickness of the semiconductor substrate 11, which is a path through which heat escapes sufficiently larger than the spot size of the guided light.
  • the distance from the active layer 12 to the groove 18 is preferably 5 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the depth of the groove 18 reaches below the bottom surface of the active layer 12.
  • the groove portion 18 may be filled with a resin material such as polyimide. Resin materials such as polyimide have lower thermal conductivity than semiconductor crystals, so that heat can be trapped around the active layer heating area. Also, since the upper surface of the groove 18 becomes flat by embedding a resin material, the insulating film 151 and the thin film resistor 152 can be easily formed.
  • the semiconductor light-emitting device of the second embodiment of the present invention includes active layer heating. It is possible to increase the heating efficiency of the heating region of the active layer by forming grooves in the crystal layers on both side surfaces of the region along the light guiding direction.
  • FIG. 5 shows a third embodiment of the semiconductor light emitting device according to the present invention.
  • Fig. 5 (a) is a plan view
  • Fig. 5 (b) is a cross-sectional view taken along the line XX in Fig. 5 (a)
  • Fig. 5 (c) is a cross-sectional view taken along the line Y-Y in Fig. 5 (b).
  • the semiconductor light emitting device of the third embodiment is a ridge waveguide type semiconductor light emitting device, and is formed by having a semiconductor substrate 51 and SCH layers 52a and 52b on the semiconductor substrate 51 in the vertical direction. Active layer 53, clad layer 54 formed above SCH layer 52a, contact layer 55 formed above clad layer 54, and first insulating film formed above contact layer 55 Five
  • a ridge portion is formed above the active layer 53 by a plurality of layers including the cladding layer 54 described above. A part of the first insulating film 56 in the ridge portion is removed, and the contact layer 55 in the ridge portion and the first electrode 57a are in contact with each other.
  • Both end faces in the element length direction are formed by cleavage, and the active layer 53 opens at a predetermined angle with respect to the normal line of one end face 58a, and is substantially perpendicular to the other end face 58b. Open.
  • a partial heating means 59 for heating an active layer heating region which is a predetermined length portion in the light guiding direction of the active layer 53, from the other end face 58b, End face 58a Force It is formed in a thermally independent position.
  • the partial heating means 59 has a second insulating film 591, a thin film resistor 592 formed on the second insulating film 591, and at least two terminal portions 593 for supplying power to the thin film resistor 592. Yes.
  • the ridge waveguide type semiconductor light emitting device is more likely to generate heat in the waveguide as compared with the buried type semiconductor light emitting device shown in the first and second embodiments.
  • the configuration is more effective.
  • the predetermined angle with respect to the normal line of one end face 58a of the active layer 53, the configuration of the insulating film, and the like are the same as in the first embodiment.
  • the semiconductor light-emitting device of the third embodiment of the present invention has a ridge-type conductive element.
  • the waveguide By employing the waveguide, it is possible to further increase the heating efficiency of the active layer heating region.
  • FIG. 1 A fourth embodiment of the semiconductor light emitting device according to the present invention is shown in FIG.
  • the semiconductor light emitting device of this embodiment is a buried type similar to that of the first embodiment.
  • the first embodiment is different from the first embodiment in that the active layer 12 is opened at a predetermined angle with respect to the normal lines of both end faces by cleavage.
  • the partial heating means 15 is formed at a position that does not affect the light emitted from both end faces and is thermally independent from both end faces, that is, at the substantially central portion of the element.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • the light emission angles from the both end faces can be made parallel or set to any relative angle.
  • a highly reflective coating of a dielectric multilayer film may be applied to the end face that is desired to be a reflective surface.
  • the reflectance of the end face (hereinafter referred to as an oblique end face) at which the active layer opens at a predetermined angle depends on the spot size of light. Since the reflectivity decreases as the spot size increases, if the waveguide structure is such that the spot size decreases in the vicinity of the end surface that is desired to be the reflection surface, it is possible to form an oblique end surface without greatly reducing the reflectivity. .
  • the linear active layer 12 is formed obliquely with respect to the element length direction, and the active layer 12 is opened at a predetermined angle with respect to the normal lines of both end faces.
  • the difference in reflectivity is applied to both end faces by using dielectric multilayer coating and waveguide spot size control, as in the discussion in the structure of FIG. 6 (a). Is possible.
  • the emission angle of light emitted from the oblique end face and the phase of light can be controlled independently.
  • the active layer opens with a predetermined angle with respect to the normal line of both end surfaces, so that light is emitted from both end surfaces.
  • the angle can be set to a parallel or arbitrary relative angle.
  • the semiconductor light emitting device has the effect that phase adjustment can be performed by operating the heating means when an external cavity laser is configured. It is effective as a laser for communication systems.
  • operating the heating means has the effect of widening the half-value width of the emission spectrum, and is mainly effective as a measurement light source.

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Abstract

【課題】任意の波長可変能力を備える半導体発光素子を提供する。 【解決手段】半導体基板１１と、半導体基板１１上にストライプ状に形成され、光を放出および導波する活性層１２と、活性層１２の側面に形成された埋込み層１３ａ、１３ｂと、活性層１２および埋込み層１３ａ、１３ｂの上方に形成されたクラッド層１６と、クラッド層１６の上方に形成された第１の電極１７ａと、半導体基板１１の下方に形成された第２の電極１７ｂとを含み、活性層１２が劈開によって形成された両端面の一方の端面１４ａの法線に対して所定の角度を持って開口しており、活性層１２の光の導波方向の所定長さ部分を加熱する部分加熱手段１５が、第１の電極１７ａの上方で、一方の端面１４ａから熱的に独立した位置に形成されている。

Description

明 細 書
半導体発光素子および波長可変レーザ光源
技術分野
[0001] 本発明は、半導体発光素子に係り、特に、任意の波長でレーザ光を発振させること ができる波長可変レーザ光源、および、発光スペクトル幅を拡大することができるスー パールミネッセントダイオードに関する。
背景技術
[0002] 近年マルチメディアの普及に伴い、光通信の通信容量の大容量化方法が種々提 案されている。
[0003] その一つとして、エルビウム添加ファイバ増幅器（EDFA: Erbium Doped Fiber Amp lifier)あるいはラマン増幅器を適用した波長分割多重（WDM： Wavelength Division Multiplexing)通信がある。 WDM通信は、波長の相違する複数の光により情報を伝 播するため、光ファイバの設置本数を増すことなく通信容量を飛躍的に増加すること が可能である。
[0004] 上記 WDM通信にあっては、信号光源は互いに異なる特定の波長で発振する分布 帰還型レーザ（DFB— LD : Distributed Feedback Laser Diode)を複数個そろえて構 成されるが、通信システムの信頼性を高めるためには、各チャンネルに該当する波長 で発振する DFB— LDを全チャンネル個数分バックアップ用に備えねばならず、シス テムコスト高の要因となっていた。
[0005] このため、任意の波長で発振させることができ、少ない個数で全てのチャンネルを バックアップできる波長可変レーザが必要とされてきた。
[0006] そして、本出願人は、上記目的に使用可能な波長可変レーザを既に提案している（ 例えば、特許文献 1参照）。
[0007] 上記提案に係る波長可変レーザは、レーザ共振軸方向に連なる発光領域、波長制 御領域を有し、波長制御領域は加熱手段を有している。そして、加熱手段で波長制 御領域を加熱することにより発振波長を調整している。
[0008] しかし、上記提案に係る波長可変レーザは、波長制御領域として位相制御領域お よび回折格子を有する分布反射器（DBR : Distributed Bragg Reflector)領域を設け るモノリシック型であるため、波長可変帯域が屈折率変化量によって制限され、実用 的には 15nm程度が限界であった。また、活性導波路と受動導波路を結合させた構 造であるため、結晶成長回数が多ぐ製造原価が高ぐ歩留まりも上がりにくい。
[0009] 一方、外部共振器型レーザ素子を使用した可変波長光源装置も、主に計測用光 源として広く使われている（例えば、特許文献 2参照）。
[0010] 上記提案に係る可変波長光源装置は、レーザ共振軸方向に連なる活性領域およ び位相調整領域を備えるレーザ素子と回折光波長を調整可能な回折格子とを備え、 回折格子による反射波長および位相調整領域の屈折率を調整することにより、発振 波長を調整している。
特許文献 1 :特開平 6— 5980号公報（[0008]、図 1)
特許文献 2 :特開平 7— 335965号公報（[0013]、図 2)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0011] しかしながら、上記提案に係る可変波長光源装置もまた、活性導波路と受動導波 路を別々に結晶成長する必要があり、さらに電極間の分離抵抗の確保が難しい、発 振スペクトルの線幅が拡大する、受動導波路の屈折率制御性の信頼性が確立され ていない等の課題があった。
[0012] 即ち、位相調整領域は活性領域よりもエネルギーギャップの大きい半導体で形成さ れており、位相調整領域と活性領域とを別個に結晶成長させねばならないため、半 導体結晶成長回数が増加することは回避できない。
[0013] また、位相調整用電極と活性層電流注入用電極との間の分離抵抗を高めることが 困難であり、位相調整領域に注入する電流と活性領域に注入する電流の相互干渉 を回避できない。
[0014] また、位相調整領域において自由キャリアのショットノイズによる屈折率ゆらぎのた め、発振スペクトルの線幅が拡大することを回避できなレ、。しかも、自由キャリア吸収 によって光が吸収されるため、高出力化しにくいという問題点も有する。
[0015] さらに、上記提案に係る波長可変光源装置にあっては位相調整領域に電流を注入 し、プラズマ効果により位相調整領域の屈折率を変更しているが、キャリア密度の高 い状態が長時間続くと素子が劣化しやすいことが知られており、素子の信頼性を確 保することが困難であった。
[0016] 本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、外部共振器型レー ザに用いる場合には位相調整を行うことができ、スーパールミネッセントダイオードに 用いる場合には発光スペクトル幅を拡大することができる半導体発光素子を提供す ることを目的とする。
課題を解決するための手段
[0017] 上記課題を解決するために、本発明の請求項 1の半導体発光素子は、半導体基板 と、前記半導体基板上にストライプ状に形成され、光を放出および導波する活性層と 、前記活性層の側面に形成された坦込み層と、前記活性層および前記埋込み層の 上方に形成されたクラッド層と、前記クラッド層の上方に形成された第 1の電極と、前 記半導体基板の下方に形成された第 2の電極とを含み、前記活性層が劈開によって 形成された両端面の一方の端面の法線に対して所定の角度を持って開口している 半導体発光素子において、前記活性層の光の導波方向の所定長さ部分を加熱する 部分加熱手段が、前記第 1の電極の上方で、前記一方の端面位置から熱的に独立 した位置に形成されてレ、ることを特徴とする構成を有してレ、る。
[0018] この構成により、部分加熱手段に電力を与えることで、一方の端面からの出射光の 出射角度を変化させずに出射光の位相を調整することができることとなる。
[0019] また、本発明の請求項 2の半導体発光素子は、半導体基板と、前記半導体基板上 に形成された活性層と、前記活性層の上方に形成されたクラッド層と、前記クラッド層 の上方に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜の上方に形成された第 1の電極と、前記 半導体基板の下方に形成された第 2の電極とを含み、前記活性層の上方にリッジ部 を有し、かつ前記活性層が劈開によって形成された両端面の一方の端面の法線に 対して所定の角度を持って開口しているリッジ導波路型の半導体発光素子において 、前記活性層の光の導波方向の所定長さ部分を加熱する部分加熱手段が、前記第 1の電極の上方で、前記一方の端面位置から熱的に独立した位置に形成されている ことを特徴とする構成を有してレ、る。 [0020] この構成により、部分加熱手段に電力を与えることで、活性層の光の導波方向の所 定長さ部分をより効率的に加熱することができ、一方の端面からの出射光の出射角 度を変化させずに出射光の位相を調整することができることとなる。
[0021] また、本発明の請求項 3の半導体発光素子は、前記部分加熱手段が、絶縁膜と、 前記絶縁膜上に形成された薄膜抵抗と、前記薄膜抵抗に電力を供給するための少 なくとも 2つの端子部とを有することを特徴とする構成を有している。
[0022] この構成により、活性層の光の導波方向の所定長さ部分を加熱することができるこ ととなる。
[0023] また、本発明の請求項 4の半導体発光素子は、前記活性層が、劈開によって形成 された他方の端面に対してほぼ垂直に開口していることを特徴とする構成を有してい てもよい。
[0024] また、本発明の請求項 5の半導体発光素子は、前記活性層が、劈開によって形成 された他方の端面の法線に対して所定の角度を持って開口しており、かつ、前記部 分加熱手段が前記他方の端面位置から熱的に独立した位置に形成されていることを 特徴とする構成を有してレヽてもよレ、。
[0025] また、本発明の請求項 6の波長可変レーザ光源は、請求項 1から請求項 5のいずれ か一項に記載の半導体発光素子と、前記半導体発光素子の前記一方の端面に形 成された反射防止膜と、前記一方の端面から放出される光の光軸上に配置され、前 記一方の端面から放出された光を前記一方の端面に帰還させる出射光帰還手段と 、前記半導体発光素子と前記出射光帰還手段とで構成されるレーザ共振器の発振 波長を選択する波長選択手段とを含み、前記半導体発光素子の前記少なくとも 2つ の端子部を介して前記薄膜抵抗に供給する電力、および、前記波長選択手段が選 択する波長を変化させることにより、前記レーザ共振器の発振波長を変化させること を特徴とする構成を有してレ、る。
[0026] この構成により、波長の選択性が高い波長可変レーザを構成することができることと なる。
発明の効果
[0027] 本発明は、活性層の光の導波方向の所定長さ部分を加熱する部分加熱手段を設 けることにより、外部共振器型レーザに用いる場合には位相調整を行うことができ、ス 一パールミネッセントダイオードに用いる場合には発光スペクトル幅を拡大することが できるという効果を有する半導体発光素子を提供することができる。
図面の簡単な説明
[0028] [図 1]本発明の第 1の実施形態の半導体発光素子の図 2における X— X断面図およ び Y— Y断面図
[図 2]本発明に係る半導体発光素子を適用した外部共振器型レーザの構成図
[図 3]本発明に係る半導体発光素子の波長変化量 Δ λと活性層加熱領域温度変化 量 Δ Τの関係を示すグラフ
[図 4]本発明の第 2の実施形態の半導体発光素子の平面図および Υ— Υ断面図 [図 5]本発明の第 3の実施形態の半導体発光素子の平面図、 X— X断面図および Υ Υ断面図
[図 6]本発明の第 4の実施形態の半導体発光素子の平面図
符号の説明
[0029] 1 半導体発光素子
2 外部鏡
3 光バンドパスフィルタ
4 外部共振器型レーザ
11、 51 半導体基板
12、 53 活性層
13a、 13b 坦込み層
14a、 58a 一方の端面
14b、 58b 他方の端面
15、 59 部分加熱手段
16、 54 クラッド層
17a, 57a 第 1の電極
17b、 57b 第 2の電極
18 溝部 19 反射防止膜
56 第 1の絶縁膜
151、 591 絶縁膜
152、 592 薄膜抵抗
153、 593 端子部
発明を実施するための最良の形態
[0030] 以下、本発明に係る半導体発光素子の実施形態について、図面を用いて説明す る。
(第 1の実施形態）
本発明に係る半導体発光素子の第 1の実施形態を図 1に示す。図 1 (a)は図 2にお ける X—X断面図、図 1 (b)は図 2における Y—Y断面図である。
[0031] 即ち、第 1の実施形態の半導体発光素子 1は、半導体基板 11と、半導体基板 11上 にストライプ状に形成され、光を放出および導波する活性層 12と、活性層 12の上下 に形成された光分離閉じ込め（SCH)層 20a、 20bと、活性層 12および SCH層 20a 、 20bの側面に形成された坦込み層 13a、 13bと、 SCH層 20aおよび坦込み層 13a の上方に形成されたクラッド層 16と、クラッド層 16の上方に形成された第 1の電極 17 aと、半導体基板 11の下方に形成された第 2の電極 17bとを含む。
[0032] そして、本発明に係る半導体発光素子 1の素子長方向の両端面は劈開によって形 成されている。活性層 12は、劈開によって形成された一方の端面 14aの法線に対し て所定の角度を有して開口し、他方の端面 14bに対してはほぼ垂直に開口している 。また、第 1の電極 17aの上方には他方の端面 14bから活性層 12の光の導波方向の 所定長さ部分 (以下、活性層加熱領域という。）を加熱する部分加熱手段 15が、一方 の端面 14aから熱的に独立した位置に形成されている。
[0033] 上述の所定の角度は、全反射にならない範囲で大きくした方が反射率は下がるが 、一方の端面 14aからの出射角度が大きすぎると外部共振器の構成が難しくなる。一 般的には出射角度を 20度程度にすることが多ぐそのときの所定の角度は 5〜7度と なる。
[0034] なお、活性層 12を多重量子井戸構造とすることも可能である。さらにクラッド層 16と 第 1の電極 17aとの間にコンタクト層を介在させることも広く行われている。これらは当 業者であれば任意に設計可能である。
[0035] そして、部分加熱手段 15は、絶縁膜 151と、絶縁膜 151上に形成された薄膜抵抗
152と、薄膜抵抗 152に電力を供給するための少なくとも 2つの端子部 153とを含む 構成を有している。
[0036] 絶縁膜としては、 SiOや SiN膜等を用いることができる。膜厚は、薄すぎると絶縁
2
性が弱まり、厚すぎると熱抵抗が高くなるので、 50〜500nm程度が適当である。抵 抗としては金属材料が利用可能であるが、酸化しにくい Auや Pt、抵抗の温度依存 性の小さい窒化タンタル等が好適である。ただし、端子部 153はワイヤボンドを行う必 要から表面に Auを形成しておくことが望ましい。
[0037] 図 2は、本発明に係る半導体発光素子 1を適用した波長可変レーザ光源である外 部共振器型レーザ 4の構成を示している。一方の端面 14aには反射防止膜 19が形 成されている。半導体発光素子 1の外部には、半導体発光素子 1の一方の端面 14a 力 出射した光を一方の端面 14aに帰還させる出射光帰還手段として外部鏡 2が、さ らに波長選択手段として光バンドパスフィルタ 3がー方の端面 14aと外部鏡 2との光 軸上に設置されている。そして、垂直端面である他方の端面 14bから出射した光が 外部共振器型レーザ 4の出力光となる。
[0038] この構成では、他方の端面 14bと外部鏡 2との間の光の往復によってレーザ発振が 実現し、さらに光バンドパスフィルタ 3によって単一の縦モードが選択される。光バンド パスフィルタ 3の透過波長をチューニングすれば発振波長が変化するが、その場合 の波長変化は離散的である。そこで部分加熱手段 15に電力を供給して発熱させるこ とで光の位相を変化させて任意の波長での発振を得る。
[0039] なお、ここでは出射光帰還手段として単純な鏡、波長選択手段として光バンドパス フィルタを用いた例としたが、他にも波長選択性を有する回折格子や液晶チューナ ブルミラー等、出射光帰還手段と波長選択手段の双方の機能を兼ね備えた部品を 用いて構成してもよい。
[0040] 上記の外部共振器型レーザ 4の発振条件はほ女 1]により表される。
[数 1] φ = 2τΐΐ
ただし、 =レーザ光の位相
m = 数 ここで、光の伝播定数 /3を導入すると、 [数 2]が成り立つ
[数 2]
Figure imgf000010_0001
2 i ただし、 領域の等価屈折率
:領域 1である活性層加熱領域の長さ
:領域 2である活性層加熱領域を除く活性層 1 2の光軸に沿った長さ 領域 3である半導体発光素子外部の長さ
[0042] よって、モード次数が mである光の波長 λ は 女 3]で表される。
m
[数 3]
2 3
=- m∑ i=l η^1' 従って、部分加熱手段 15によって加熱されることにより活性層加熱領域の等価屈 折率が Δ η 変化した場合の波長変化量 Δ λはほ女 4]で表される。
eq,l
[数 4]
∑
[0044] 一方、発振の縦モード間隔 δ λは [数 5]で表され、光バンドパスフィルタ 3の透過 波長を変更することにより発振波長は δ λ間隔で離散的に変化する。
[数 5]
Figure imgf000011_0001
[0045] 従って、発振波長が連続的に変更可能となるためには、 女 6]の関係が成立する 必要がある。
圆
Αλ≥δλ
[0046] 一方、活性層加熱領域の等価屈折率 η の温度変化に伴う変化量 Δ η は実験
eq,l eq，l 結果から [数 7]で表されることが知られてレ、る。
[数 7]
Anei} 1 « 0.0002ΔΓ
ただし、 ΔΓ =活性層加熱領城温度変化量 （°C)
[0047] 女 7]を 女 4]に代入して活性層加熱領域温度変化量 Δ Tと波長変化量 Δ λの関 係を求めることができる。
例えば、
L +L = lmm、 L = 5mm
1 2 3
n =n = 3. 23、 n = 1
eq,l eq,2 eq,3
λ = 1. 55 μ ΐη
とすれば、縦モード間隔 δ λは 0. 14nm ( 17GHz)となる。
[0048] 図 3は、上記条件に加えて活性層加熱領域の長さ Lを 100 μ m、 150 μ mおよび 2
1
00 / mとしたときに 女 7]を使用して算出した波長変化量 Δ λと活性層加熱領域温 度変化量 ΔΤの関係を示すグラフである。
[0049] このグラフは、活性層加熱領域の長さ Lを 150 a mとしたときには活性層加熱領域
1
を 25°C以上、活性層加熱領域の長さ Lを 200 z mとしたときには活性層加熱領域を
1
18°C以上加熱すると波長変化量 Δ λが縦モード間隔 δ λを超過することを示してい る。従って、活性層加熱領域を加熱することにより、隣接する縦モード間で発振波長 を連続的に選択できることが判る。
[0050] なお、本発明に係る半導体発光素子 1は、スーパールミネッセントダイオード（SLD ： Super Luminescent Diode)としても利用可能である。この場合は、活性層加熱領域 のエネルギーギャップを加熱によって減少させることによって、発光スペクトルが長波 長側に拡大し、発光スペクトル半値幅の拡大を実現することができる。
[0051] 以上説明したように、本発明の第 1の実施形態の半導体発光素子は、活性層の光 の導波方向の所定長さ部分を加熱する部分加熱手段を設けることにより、外部共振 器型レーザに用いる場合には温度変化量に対して波長変化量を線形に変化させる ことができ、 SLDに用いる場合には発光スペクトル幅を拡大することができる。
[0052] (第 2の実施形態）
本発明に係る半導体発光素子の第 2の実施形態を図 4に示す。第 2の実施形態の 半導体発光素子は、図 4 (a)の平面図および図 4 (b)の Y— Y断面図に示すように、 第 1の実施形態の構成に加えて、活性層加熱領域の両側面の結晶層に光の導波方 向に沿った溝部 18を含む。
[0053] 即ち、半導体発光素子 1は、溝部 18内の空気を断熱層として利用することにより、 薄膜抵抗 152で発生した熱を活性層加熱領域の周辺に閉じ込めて、活性層加熱領 域の加熱効率を高めることが可能である。
[0054] この場合、溝部 18の間隔は導波する光のスポットサイズよりは十分に大きぐ熱の 逃げる経路である半導体基板 11の厚さよりは十分に狭い必要がある。具体的には活 性層 12から溝部 18までの距離は 5 μ m以上 50 μ m以下が望ましい。
[0055] また、溝部 18の深さは活性層 12の底面より下まで到達することが望ましぐ具体的 には 2. 5 111以上5 111以下が望ましぃ。さらに溝部 18はポリイミド等の樹脂材料で 坦め込んでもよい。ポリイミド等の樹脂材料は、半導体結晶より熱伝導率が低いため 、活性層加熱領域の周辺に熱を閉じ込めやすレ、。また、樹脂材料を埋め込むことに より、溝部 18の上面が平坦になるため絶縁膜 151および薄膜抵抗 152を形成しやす レ、。
[0056] 以上説明したように、本発明の第 2の実施形態の半導体発光素子は、活性層加熱 領域の両側面の結晶層に光の導波方向に沿って溝部を形成することにより、活性層 加熱領域の加熱効率を高めることが可能である。
[0057] (第 3の実施形態）
本発明に係る半導体発光素子の第 3の実施形態を図 5に示す。図 5 (a)は平面図、 図 5 (b)は図 5 (a)の X— X断面図、図 5 (c)は図 5 (b)の Y— Y断面図である。
[0058] 即ち、第 3の実施形態の半導体発光素子は、リッジ導波路型の半導体発光素子で あり、半導体基板 51と、半導体基板 51上に上下に SCH層 52a、 52bを有して形成さ れた活性層 53と、 SCH層 52aの上方に形成されたクラッド層 54と、クラッド層 54の上 方に形成されたコンタクト層 55と、コンタクト層 55の上方に形成された第 1の絶縁膜 5
6と、第 1の絶縁膜 56の上方に形成された第 1の電極 57aと、半導体基板 51の下方 に形成された第 2の電極 57bとを含む。
[0059] そして、活性層 53の上方には、前述したクラッド層 54を含む複数層によりリッジ部 が形成されている。リッジ部の第 1の絶縁膜 56の一部は除去され、リッジ部のコンタク ト層 55と第 1の電極 57aとが接して構成されている。
[0060] 素子長方向の両端面は劈開によって形成され、活性層 53は一方の端面 58aの法 線に対して所定の角度を有して開口し、他方の端面 58bに対してはほぼ垂直に開口 している。
[0061] 第 1の電極 57aの上方には、他方の端面 58bから活性層 53の光の導波方向の所 定長さ部分である活性層加熱領域を加熱する部分加熱手段 59が、一方の端面 58a 力 熱的に独立した位置に形成されている。部分加熱手段 59は、第 2の絶縁膜 591 と、第 2の絶縁膜 591上に形成された薄膜抵抗 592と、薄膜抵抗 592に電力を供給 するための少なくとも 2つの端子部 593を有している。
[0062] 通常、リッジ導波路型の半導体発光素子の方が第 1および第 2の実施形態に示し た坦込み型の半導体発光素子と比較して導波路に熱が籠りやすレ、ので、本構成は より効果的である。
[0063] なお、活性層 53の一方の端面 58aの法線に対する所定の角度、絶縁膜の構成等 は、第 1の実施形態と同様である。
[0064] 以上説明したように、本発明の第 3の実施形態の半導体発光素子は、リッジ型の導 波路を採用することにより、さらに活性層加熱領域の加熱効率を高めることが可能で ある。
[0065] (第 4の実施形態）
本発明に係る半導体発光素子の第 4の実施形態を図 6に示す。本実施形態の半 導体発光素子は第 1の実施形態と同様の埋込み型である。ただし、第 1の実施形態 とは、劈開による両方の端面の法線に対して活性層 12が所定の角度をもって開口し ている点が異なる。
[0066] そして部分加熱手段 15は、両端面からの出射光に影響を与えない、両端面から熱 的に独立した位置、つまり素子のほぼ中央部に形成されている。他の構成について は第 1の実施形態と同一である。
[0067] このような構成にすることで、両端面からの光の出射角度を平行にしたり、任意の相 対角度に設定したりすることができる。反射面としたい端面には、誘電体多層膜の高 反射コーティングを施せばよい。また、活性層が所定の角度をもって開口する端面（ 以下、斜め端面という）の反射率は光のスポットサイズに依存する。スポットサイズが 大きいほど反射率は下がるので、反射面としたい端面近傍ではスポットサイズが小さ くなるような導波路構造にすれば、反射率を大きく下げることなく斜め端面を形成する ことが可能である。
[0068] そして、図 6 (b)のような、直線状の活性層 12が素子長方向に対して斜めに形成さ れ、両端面の法線に対して活性層 12が所定の角度で開口している半導体発光素子 においても、図 6 (a)の構造における議論と同様に、両端面には誘電体多層膜のコー ティングおよび導波路スポットサイズ制御を用いて、反射率の差をつけることが可能 である。
[0069] いずれの場合においても、斜め端面に加熱の影響が及ばない構造にすることで、 斜め端面から出射される光の出射角度と光の位相とを独立に制御することが可能と なる。
[0070] 斜め端面に加熱の影響が及ばないためには、端面とヒータ先端部との距離を一定 以上広げることが必要である。具体的には 50 x m以上、理想的にはチップの厚さと 同程度の距離だけ離せばょレ、。 [0071] なお、第 2の実施形態のように活性層の側方に溝を設けてもよいし、第 3の実施形 態のようにリッジ導波路型の半導体発光素子で本実施形態の構成を適用してもよい ことは言うまでもない。
[0072] 以上説明したように、本発明の第 4の実施形態の半導体発光素子は、活性層が両 端面の法線に対して所定の角度をもって開口することにより、両端面からの光の出射 角度を平行、あるいは、任意の相対角度に設定することができる。
産業上の利用可能性
[0073] 以上のように、本発明に係る半導体発光素子は、外部共振器型レーザを構成した 場合に、加熱手段を動作させることで、位相調整を行うことができるという効果を有し 、 WDM通信システム用レーザ等として有効である。
また、 SLDとして使用した場合には、加熱手段を動作させることで、発光スペクトル の半値幅が広くなるという効果を有し、主に計測用光源として有効である。

Claims

請求の範囲
[1] 半導体基板（11)と、
前記半導体基板上にストライプ状に形成され、光を放出および導波する活性層（1 2)と、
前記活性層の側面に形成された坦込み層（13a、 13b)と、
前記活性層および前記埋込み層の上方に形成されたクラッド層（16)と、 前記クラッド層の上方に形成された第 1の電極（17a)と、
前記半導体基板の下方に形成された第 2の電極（17b)とを含み、
前記活性層が劈開によって形成された両端面の一方の端面（14a)の法線に対し て所定の角度を持って開口している半導体発光素子において、
前記活性層の光の導波方向の所定長さ部分を加熱する部分加熱手段（15)が、 前記第 1の電極の上方で、前記一方の端面位置から熱的に独立した位置に形成さ れていることを特徴とする半導体発光素子。
[2] 半導体基板 (51)と、
前記半導体基板上に形成された活性層（53)と、
前記活性層の上方に形成されたクラッド層（54)と、
前記クラッド層の上方に形成された絶縁膜（56)と、
前記絶縁膜の上方に形成された第 1の電極（57a)と、
前記半導体基板の下方に形成された第 2の電極（57b)とを含み、
前記活性層の上方にリッジ部を有し、かつ前記活性層が劈開によって形成された 両端面の一方の端面（58a)の法線に対して所定の角度を持って開口しているリッジ 導波路型の半導体発光素子において、
前記活性層の光の導波方向の所定長さ部分を加熱する部分加熱手段（59)が、 前記第 1の電極の上方で、前記一方の端面位置から熱的に独立した位置に形成さ れていることを特徴とする半導体発光素子。
[3] 前記部分加熱手段が、
絶縁膜（151、 591)と、
前記絶縁膜上に形成された薄膜抵抗（152、 592)と、 前記薄膜抵抗に電力を供給するための少なくとも 2つの端子部（153、 593)とを有 することを特徴とする請求項 1または請求項 2に記載の半導体発光素子。
[4] 前記活性層が、劈開によって形成された他方の端面（14b、 58b)に対してほぼ垂直 に開口していることを特徴とする請求項 1から請求項 3のいずれか一項に記載の半導 体発光素子。
[5] 前記活性層が、劈開によって形成された他方の端面（14b、 58b)の法線に対して所 定の角度を持って開口しており、かつ、前記部分加熱手段が前記他方の端面位置 力 熱的に独立した位置に形成されていることを特徴とする請求項 1から請求項 3の いずれか一項に記載の半導体発光素子。
[6] 請求項 1から請求項 5のいずれか一項に記載の半導体発光素子（1)と、
前記半導体発光素子の前記一方の端面に形成された反射防止膜（19)と、 前記一方の端面から放出される光の光軸上に配置され、前記一方の端面から放出 された光を前記一方の端面に帰還させる出射光帰還手段（2)と、
前記半導体発光素子と前記出射光帰還手段とで構成されるレーザ共振器の発振 波長を選択する波長選択手段（3)とを含み、
前記半導体発光素子の前記少なくとも 2つの端子部を介して前記薄膜抵抗に供給 する電力、および、前記波長選択手段が選択する波長を変化させることにより、前記 レーザ共振器の発振波長を変化させることを特徴とする波長可変レーザ光源。
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