CN109565151A - 半导体激光元件 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光元件，具备：是进行发光的有源区域且具有衍射光栅的分布反馈部；和是无源反射镜且具有衍射光栅的分布反射部，所述半导体激光元件的特征在于，所述分布反馈部具备：第一区域，其与所述分布反射部相邻且具有规定的标准周期的衍射光栅；相移区域，其与所述第一区域相邻且比所述标准周期的2倍长；和第二区域，其与所述相移区域中的与所述第一区域相反的一侧相邻且具有所述标准周期的衍射光栅，所述相移区域使所述第一区域与所述第二区域之间的激光的相位光学性地变化。

Description

半导体激光元件
技术领域
本发明涉及半导体激光元件。
背景技术
近年来，在光通信领域中大多采用能够提高通信速度的多值调制方式的光通信。作为该多值调制方式之中的有代表性的方式，公知利用了相移键控(PSK；phase-shiftkeying)方式的相干通信方式。在上述那样的相干通信中，除了发送侧的信号光源之外，在接收侧还需要本地振荡光源。
由于在相干通信中使信号调制为光的相位，故在信号光源及本地振荡光源中谋求相位波动较小。作为成为相位波动的大小的指标的特性值，一般使用激光振荡光的光谱线宽，若使用该指标来例示相干通信所采用的光源的光谱线宽，则在25Gbaud的QPSK中光谱线宽为500kHz以下，为了今后更进一步的多值化，要求300kHz以下的光谱线宽。再有，这些光谱线宽伴随着多值调制方式的高度化而变化，在QAM等的多值度较高的调制方式中要求更窄的光谱线宽。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP专利第5795126号公报
发明内容
-发明所要解决的技术问题-
然而，公知半导体激光元件振荡的光谱线宽在理论上取决于光输出、阈值增益、线宽增大系数及内部损耗等。而且，为了减小激光振荡的光谱线宽，减少振荡模式的阈值增益的谐振器的设计颇为重要。
作为单一模式振荡的半导体激光元件的构造，除了迄今为止经常使用的分布反馈型(DFB；Distributed Feedback)的半导体激光元件之外，分布反射型(DR；DistributedReflector)的半导体激光元件也正在普及中。简单来说，DR型的半导体激光元件是具有在DFB型的半导体激光元件的后方设置有DBR反射镜的构造且通过来自后方的DBR反射镜的反射来减少振荡模式的阈值增益的结构。上述那样的DR型的半导体激光元件中的低阈值增益对于要求狭窄的光谱线宽的相干通信用的半导体激光元件而言是优选的(例如参照专利文献1)。
另一方面，即便在DR型的半导体激光元件中，也与DFB型的半导体激光元件同样，优选导入用于单一模式振荡的相移的构造。该构造被称为λ/4偏移或者π偏移，用于通过将衍射光栅周期的一半长度的相移加入半导体激光元件的中央附近、从而获得阻带中央的波长处的激光振荡。若导入该相移的构造，则激光会分布成：以相移的位置为中心，随着自此远离而以指数函数的形式衰减。
该指数函数性的分布在DR型的半导体激光元件的情况下，电和DFB型的半导体激光元件同样，DFB部分的耦合系数越大则越成为急剧的衰减。如果该指数函数性的分布急剧，那么由于在激光的谐振器内光被强烈地限制，故阈值增益会降低。因此，为了光谱线宽的窄线化而优选耦合系数较高。然而，在DR型的半导体激光元件中，在为了狭线宽而提高了设计上的耦合系数的情况下，存在难以获得单一模式振荡这样的问题。
本发明是鉴于上述问题而进行的，其目的在于，提供一种既能维持良好的单一模式性、光谱线宽又狭窄的特性的半导体激光元件。
-用于解决技术问题的手段-
为了解决上述课题并达成目的，本发明的一方式所涉及的半导体激光元件具备：是进行发光的有源区域且具有衍射光栅的分布反馈部；和是无源反射镜且具有衍射光栅的分布反射部，所述半导体激光元件的特征在于，所述分布反馈部具备：第一区域，其与所述分布反射部相邻且具有规定的标准周期的衍射光栅；相移区域，其与所述第一区域相邻且比所述标准周期的2倍长；和第二区域，其与所述相移区域中的与所述第一区域相反的一侧相邻且具有所述标准周期的衍射光栅，所述相移区域使所述第一区域与所述第二区域之间的激光的相位光学性地变化。
本发明的一方式所涉及的半导体激光元件的特征在于，所述相移区域的长度为所述标准周期的100倍以上。
本发明的一方式所涉及的半导体激光元件的特征在于，所述第一区域的长度短于所述第二区域的长度。
本发明的一方式所涉及的半导体激光元件的特征在于，所述相移区域具有周期与所述标准周期不同的衍射光栅。
本发明的一方式所涉及的半导体激光元件的特征在于，在该结构中，所述相移区域中的所述衍射光栅的周期是与所述无源反射镜的反射波段外侧的波长对应的周期。
本发明的一方式所涉及的半导体激光元件的特征在于，在该结构中，所述相移区域中的所述衍射光栅的周期是相对于所述无源反射镜的周期偏离了1％以上的周期。
本发明的一方式所涉及的半导体激光元件的特征在于，所述相移区域是不具有衍射光栅的区域。
本发明的一方式所涉及的半导体激光元件的特征在于，所述分布反射部中的衍射光栅的耦合系数大于所述分布反馈部的所述第一区域及所述第二区域中的衍射光栅的耦合系数。
-发明效果-
本发明所涉及的半导体激光元件起到既能维持良好的单一模式性、光谱线宽又狭窄的特性这样的效果。
附图说明
图1是沿着光谐振器长方向将实施方式所涉及的半导体激光元件切断后的示意性的剖视图。
图2A是对实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法进行说明的图。
图2B是对实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法进行说明的图。
图2C是对实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法进行说明的图。
图2D是对实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法进行说明的图。
图3A是对实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法进行说明的图。
图3B是对实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法进行说明的图。
图3C是对实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法进行说明的图。
图3D是对实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法进行说明的图。
图4是表示组合的例子的图。
图5是示意性地示出实施例1所涉及的半导体激光元件中的各区域的阻带的图。
图6是表示针对实施例1所涉及的半导体激光元件而计算出振荡候补的模式的图。
图7是示意性地示出实施例2所涉及的半导体激光元件中的各区域的阻带的图。
图8是表示针对实施例2所涉及的半导体激光元件而计算出振荡候补的模式的图。
图9是示意性地示出实施例3所涉及的半导体激光元件中的各区域的阻带的图。
图10是表示针对实施例3所涉及的半导体激光元件而计算出振荡候补的模式的图。
图11是示意性地示出实施例4所涉及的半导体激光元件中的各区域的阻带的图。
图12是表示针对实施例4所涉及的半导体激光元件而计算出振荡候补的模式的图。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地说明本发明实施方式所涉及的半导体激光元件。需要说明的是，并未通过以下说明的实施方式来限定本发明。再有，在各附图中，针对相同或者对应的结构要素适当赋予相同的附图标记。还有，附图是示意性的，应该留意各层的厚度或厚度的比率等和现实中有所不同。再者，附图相互间也包含彼此的尺寸的关系或比率不同的部分。
(实施方式)
图1是沿着光谐振器长方向将本发明实施方式所涉及的半导体激光元件切断后的示意性的剖视图。如图1所示那样，半导体激光元件100具备：在背面形成了n侧电极101的n型半导体层102；在n型半导体层102上形成的波导芯层103；在波导芯层103上形成的p型半导体层104；在p型半导体层104上形成的衍射光栅层105；在衍射光栅层105上形成的p型半导体层106；和在p型半导体层106上形成的p侧电极107。需要说明的是，n型半导体层102、波导芯层103、p型半导体层104、衍射光栅层105及p型半导体层106形成半导体层叠构造。
再有，如图1所示那样，半导体激光元件100具备：分布反馈型激光部110，其是进行发光的有源区域，且具有衍射光栅层105；和分布布拉格反射部120，其是与分布反馈型激光部110相邻的无源反射镜且具有衍射光栅层105。在半导体层叠构造的端面(纸面左侧及右侧的端面)形成有未图示的反射防止膜。需要说明的是，本发明的半导体激光元件也可以是形成半导体光集成元件的一部分的元件，该情况下能够将波导进一步连接与元件的端部的任一方或者双方。
还有，如图1所示那样，作为分布反馈部的分布反馈型激光部110具备：与作为分布反射部的分布布拉格反射部120相邻的具有规定周期的衍射光栅层105的第一区域105b；与第一区域105b相邻的比上述周期的2倍还长的相移区域105a；以及与相移区域105a中的与第一区域105b相反的一侧相邻的具有规定周期的衍射光栅层105的第二区域105c。
在此，相移区域105a用于使第一区域105b与第二区域105c之间的激光的相位光学性地变化，如后面详述的那样，第一区域105b及第二区域105c中的衍射光栅能采用具有周期不同的衍射光栅的结构或不具有衍射光栅的区域的结构。相移区域105a和所谓的被称为λ/4偏移或者π偏移的结构同样，用于获得阻带中央的波长处的激光振荡。
在此，对半导体层叠构造中的各结构要素进行说明。
n型半导体层102具有在包含n型InP的基板上形成了包含n型InP的包覆层的结构。
波导芯层103包含GaInAsP，具有MQW-SCH构造，该构造是通过由多个势垒层与多个阱层构成的多量子阱(MQW：Multi Quantum Well)构造的MQW层103b、被配置成夹持MQW层103b的分离限制异质构造(SCH：Separate Confinement Heterostructure)层103a、103c来构成的。MQW层103b的厚度例如为40nm～60nm，SCH层103a、103c的厚度例如为30nm。需要说明的是，波导芯层103也可以设为A1GaInAs。
需要说明的是，如图1所示那样，分布反馈型激光部110中的波导芯层103具有遍及光谐振器长方向而连续的长度(以下，长度是指与光谐振器长方向相关的值)，但分布布拉格反射部120中的波导芯层103被离散地并且周期性地配置为形成衍射光栅，波导芯层103之间被与p型半导体层104相同的半导体材料填埋。
p型半导体层104由包含p型InP的包覆层来构成。p型半导体层104的厚度例如为50nm～200nm。
衍射光栅层105具有GaInAsP层以规定周期离散地配置来形成衍射光栅，并且GaInAsP层之间被Inp层填埋的结构。例如，衍射光栅层105的厚度为5nm～50nm，进一步优选为15nm～30nm。衍射光栅层105在波导芯层103的附近沿着波导芯层103配置。
p型半导体层106具有在包含p型InP的隔离物层上形成了包含p型GaInAsP的接触层的结构。p侧电极107形成于分布反馈型激光部110中的p型半导体层106上。p型半导体层106的接触层具有减少与p侧电极107的电阻的功能。
接着，对半导体激光元件100的动作进行说明。
在半导体激光元件100中，在n侧电极101与p侧电极107之间施加电压，以注入驱动电流。由于p侧电极107形成于分布反馈型激光部110中的p型半导体层106上，故驱动电流被注入分布反馈型激光部110的波导芯层103。如此，已被注入驱动电流的分布反馈型激光部110的波导芯层103作为活性层发挥功能。
在此，因为分布反馈型激光部110具有在波导芯层103的附近沿着波导芯层103配置的衍射光栅层105，所以若注入驱动电流，则以与衍射光栅层105的周期相应的波长(该周期的2倍)进行激光振荡。因此，分布反馈型激光部110中的衍射光栅的周期与意图振荡的激光的波长对应地被设定，以下，将该周期称为标准周期。
另一方面，在分布布拉格反射部120中，由于波导芯层103离散地并且周期性地配置为形成衍射光栅，故作为DBR反射镜发挥功能，在分布反馈型激光部110振荡出的激光L20通过分布布拉格反射部120而被布拉格反射。
换句话说，半导体激光元件100作为DR型的半导体激光元件发挥功能，主要只是从分布反馈型激光部110侧的端面(纸面左侧的端面)输出激光L10。
在上述结构的半导体激光元件100中，由于分布布拉格反射部120中波导芯层103本身构成DBR反射镜，故可增大波导芯层103所形成的衍射光栅的耦合系数κ。
再有，在分布布拉格反射部120中由于波导芯层103被离散地配置，故与具有连续的长度的情况相比，光吸收少。其结果是，能抑制被输出的激光L10的光强度的降低。
如上，对于半导体激光元件100而言，光输出高、可靠性高、生产时的成品率良好，光谱线宽的窄线宽化也变得容易，因此例如作为利用了高比特率的多值调制方式的通信方式中的信号光源是优选的。
(制造方法)
在此，对实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法的一例进行说明。图2A～D及图3A～D是对实施方式所涉及的半导体激光元件的制造方法进行说明的图。需要说明的是，图2A～D及图3A～D所示的剖面与图1所示的剖面对应。
首先，对半导体层叠构造形成工序进行说明，其中形成具有成为包括衍射光栅层105的分布反馈型激光部110的区域和成为包括波导芯层103的分布布拉格反射部120的区域的半导体层叠构造，该衍射光栅层105包括波导芯层103且沿着该波导芯层103配置。如图2A所示那样，使用MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)结晶生长装置等的结晶生长装置，在包含n型InP的基板上形成包含n型InP的包覆层来形成n型半导体层102，进而，在n型半导体层102上依次形成波导芯层103、p型半导体层104、衍射光栅层105及p型半导体层106。其中，此时衍射光栅层105是无衍射光栅构造的包含GaInAsP层的层。
接着，对将半导体层叠构造之中的成为分布反馈型激光部110的区域的衍射光栅层105以规定的标准周期蚀刻成离散性的配置的第一蚀刻工序进行说明。首先，如图2A所示那样，例如通过CVD(Chemical Vapor Deposition)法在p型半导体层106上形成包含SiN的掩模M1，并图案化为规定的掩模图案。在该图案化中，形成成为分布反馈型激光部110的区域和成为分布布拉格反射部120的区域双方的与衍射光栅对应的图案。
接着，如图2B所示那样，将掩模M1作为掩模，例如通过ICP(Inductive CouplingPlasma)-RIE(Reactive Ion Etcher)，对半导体层叠构造进行蚀刻，以使得形成比p型半导体层106及衍射光栅层105更深且到达p型半导体层104的深度的槽G。由此，形成衍射光栅层105的衍射光栅构造。
接着，对将半导体层叠构造之中的成为分布布拉格反射部120的区域的波导芯层103以规定的标准周期蚀刻成离散性的配置的第二蚀刻工序进行说明。首先，如图2C所示那样，形成掩模M2，以使得将槽G填埋、并且覆盖掩模M1，进一步在成为分布反馈型激光部110的区域的掩模M2上形成抗蚀剂膜R。在此，掩模M2设为相对于规定的蚀刻液的蚀刻速率和掩模M1的蚀刻速率之间存在差异的材料。作为掩模M2的材料，例如是SiO2，可利用SOG(SpinOn Glass)。需要说明的是，如果掩模M2包含SiO2，那么掩模M1也可以是包含硅或金属的膜。
接着，如图2D所示那样，将抗蚀剂膜R作为蚀刻掩模，通过缓冲氟酸液(BuffredHF：BHF)将成为分布布拉格反射部120的区域的掩模M2除去，以使槽G露出。此时，掩模M2相对于BHF的蚀刻速率要大于掩模M1相对于BHF的蚀刻速率，因此掩模M2被选择蚀刻，掩模M1残存。
接着，如图3A所示那样，将抗蚀剂膜R除去。进而，如图3B所示那样，通过ICP-RIE将槽G进一步深蚀刻至到达波导芯层103的底面的深度为止。其结果是，在成为分布布拉格反射部120的区域中，波导芯层103通过槽G而被分离，形成被周期性地配置的衍射光栅构造。另一方面，在成为分布反馈型激光部110的区域中波导芯层103保持具有遍及光谐振器长方向而连续的长度的状态不变。即，第二蚀刻工序是在成为分布反馈型激光部110的区域的最表面形成掩模M2，在该第二蚀刻工序中的蚀刻中保护成为分布反馈型激光部110的区域的波导芯层103而进行的工序。
需要说明的是，在分布布拉格反射部120中，虽然衍射光栅层105未必一定要存在，但由于衍射光栅层105也有助于分布布拉格反射部120中的耦合系数κ，故也可以在制造工序中并不特别地除去。
然后，如图3C所示那样，将掩模M1、M2除去，如图3D所示那样，在结晶生长装置中利用与p型半导体层104相同的半导体材料即半导体材料S将槽G埋入。然后，通过公知的方法进行嵌入式异质构造等的波导构造的形成或上部包覆/接触层的形成、例如形成包含AuZn的p侧电极107及AuGeNi/Au构造的n侧电极101，反射防止膜的形成或元件分离等所需的处理，以使半导体激光元件100的构造完成。
(衍射光栅的设计)
在此，对半导体激光元件100中的衍射光栅的设计例进行说明。需要说明的是，在此，为了进行比较而针对DFB型的半导体激光元件中的衍射光栅的设计一并进行说明。
在DFB型的半导体激光元件中，在作为相移而使用了λ/4偏移构造的情况下，存在偏移位置的中央附近的光密度最高，越是自此远离，光密度就越变小。因此，越是光密度较高的中央，则越积极地引起受激发射，注入载流子被消耗，载流子密度降低。将该现象称为(轴向)空间烧孔。若引起空间烧孔，则所希望的光密度较高而增益会变小，另一方面光密度低而增益变大。在该增益的分布是与所希望的模式不同的模式的光密度高而增益变大的分布的情况下，其他模式变得容易振荡，单一模式性降低。
再有，在λ/4偏移构造中，由于相移的量为π，故在分布反馈中的衍射光栅的阻带波长范围的中央波长处产生振荡模式。在此，若相移量从π偏离，则该模式从阻带的中央偏离，另一方面，具备分布反馈的效果在阻带的中央最强，若自此脱离则会减弱这样的性质。
若引起空间烧孔，则载流子密度小而折射率会升高，载流子密度大而折射率会降低。若存在上述那样的折射率分布，则由此有效的相移量变化。λ/4偏移构造的情况下由于有相移的中央附近的载流子密度降低且折射率升高，故有效的相移量变大。如此，根据上述的性质，若引起空间烧孔则振荡模式的分布反馈效果减弱，阈值上升，另一方面短波侧的旁路模式的阈值降低，阈值之差减小，单一模式性降低。
根据上述那样的双重的效果，空间烧孔带来单一模式性的降低。因而，提出在DFB型的半导体激光元件中抑制空间烧孔的设计。本例是CPM(Corrugation Pitch Modulated)构造。在CPM构造中，并不是将相移集中于一点来提供，而是分布于某个区域(以下，称为PAR区域；Phase Arrangement Region)来提供。因此，将DFB型的半导体激光元件的中央附近区域的衍射光栅周期和其他区域的衍射光栅的周期(标准周期)稍微不同。进行设计，以使得该少许的周期的差异作为PAR区域整体的累积而成为所希望的相移。光密度在PAR区域之外以指数函数的形式减少，但在PAR区域内成为平缓的形状。由此，光密度的空间分布减少，其结果是空间烧孔得以抑制。
需要说明的是，PAR区域为了抑制空间烧孔而被设计为减少光密度的空间分布的效果产生的长度。光密度的空间分布以几十μm的长度的数量级产生。例如假设若将PAR区域的长度设为衍射光栅的周期的10.5倍，则相当于2.5μm程度的长度。若是上述那样的非常短的区域，则即便是说是减少空间分布，由于与光密度的空间取决性的长度的数量级相比小1位的区域，但也不能说成是有效的。从该观点来看，优选有效的PAR区域的长度设为衍射光栅的周期的100倍以上的数量级。
如上述，通过将DFB型的半导体激光元件中具有抑制空间烧孔的效果的CPM构造也适用于DR型的半导体激光元件中，从而期待在DR型的半导体激光元件中也能获得空间烧孔的抑制和单一模式性的提高。然而，并不知道什么样的设计能够实现该组合。以下，对由本发明的发明人们研究探讨出的组合进行说明。图4是表示组合的例子的图。
如图4所示那样，在将CPM构造适用于DR型的半导体激光元件时，首先考虑将DFB型的半导体激光元件的现有例中的后方的标准周期DFB区域置换成DBR区域的比较例1那样的结构。在该结构中，因前方的标准周期DFB区域和后方的DBR区域之间的反射引起激光振荡。然而，在该比较例1的结构中，激光振荡大大取决于后方的DBR区域，激光的特性因该反射特性而较大程度地受到影响。
一般而言，由于作为无源部分的DBR区域和作为活性区域的标准周期DFB区域的波导构造不同，故难以使折射率完全一致。因此，若折射率因制作误差而偏离，则DBR区域中的反射率会降低。上述那样的偏离带来的影响，在进行了电流注入时的载流子密度或发热引起的折射率变化中同样地起作用。除了折射率的偏离以外，在进入DBR区域的部分有散射损耗的情况下，反射率降低。在DBR区域中的反射率因这些重要因素而降低时，在激光振荡较大程度地仅取决于DBR区域中的反射率的比较例1的结构中，特性显著地恶化。
因而，本发明的发明人们提出了图4所示的实施例1～实施例4的结构。以下，具体地说明这些实施例1～实施例4所涉及的半导体激光元件的各结构。
(实施例1)
实施例1所涉及的半导体激光元件的结构，在DFB型的半导体激光元件中的现有例的结构的后方追加了DBR区域。根据本结构，与DFB型的半导体激光元件同样地，通过前方的标准周期DFB区域和后方的标准周期DFB区域之间的反射而能够实现激光振荡，进而通过后方的DBR区域中的反射而能够实现振荡阈值的降低。在本结构中，由于后方的标准周期DFB区域和DBR区域均负责后方反射，故在比较例1的情况下成为问题的DBR区域中的反射率降低引起的特性变化大幅地变小。再有，即便在本结构的DR型的半导体激光元件中，也能获得通过CPM构造来减少空间烧孔这样的效果。
图5是示意性地示出实施例1所涉及的半导体激光元件中的各区域的阻带的图。在如标准周期DFB区域或DBR区域那样具有衍射光栅的构造中，根据该衍射光栅的周期，能够实现光的传播消失的阻带这样的波段，该阻带的波长的光被反射。图5中的阴影区域表示阻带的波段，通过上部所示出的各区域示意性地表示存在以纵轴示出的波长(λ)的阻带。
在DR型的半导体激光元件中，由于DBR区域中的反射率提高，而且，即便与标准周期DFB区域的折射率差产生，反射率也不易降低，故优选提高DBR区域的耦合系数并加宽阻带的结构。因此，如图5所示那样，DBR区域的阻带被设计得较宽。再者，如图5所示那样，作为CPM构造的形成，因为使PAR区域中的衍射光栅的周期和标准周期不同，所以PAR区域的阻带的波段和标准周期DFB区域中的阻带的波段不同。
根据如上那样的阻带的结构，意图振荡的主模式因前方的标准周期DFB区域的阻带和后方的标准周期DFB区域的阻带而受到反射，后方中的反射进一步通过DBR区域的阻带辅佐而形成。
需要说明的是，因为在被多个区域的阻带夹持的波长处形成振荡模式，所以在实施例1的结构中，除了主模式之外也形成振荡模式，其是图中的被记载为干扰模式的波长。在此，因被PAR区域的阻带(和标准周期DFB区域的阻带不同的波长)和DBR区域的阻带两者夹持的区域间的反射而引起激光振荡。
在此，针对实施例1所涉及的半导体激光元件的具体的设计值的例子进行公开。其中，以下所公开的值是单纯的例示，未将发明限定于该值。例如，根据所希望的波长，即便加入将全部周期缩放的等适当的修正，本发明的主旨也不改变。
例如标准周期设为240nm。此时，PAR区域中的衍射光栅的周期为240.2nm，若将PAR区域的长度设为衍射光栅的1800周期，则其长度大致为432μm。前方的标准周期DFB区域的长度大致为310μm，后方的标准周期DFB区域的长度也大致为310μm。DBR区域的折射率比标准周期DFB区域的折射率低，因此DBR周期为241nm，DBR区域的长度为大致为150μm。各标准周期DFB区域的耦合系数为20cm-1，DBR区域的耦合系数为100cm-1。
图6是表示针对实施例1所涉及的半导体激光元件而计算出振荡候补的模式的图。图6中，按反射镜损耗αm大小的顺序将上述设计值的半导体激光元件中的振荡模式的候补记载为(a)～(d)这四个。反射镜损耗αm与振荡阈值增益对应，图6中按照易于振荡的顺序从左开始记载振荡候补的模式。图6所示的(a)～(d)的各图表的横轴表示半导体激光元件中的谐振器方向的位置，纵轴表示振荡模式的光强度。
如图6所示，在实施例1所涉及的半导体激光元件中，(a)模式1的反射镜损耗αm最低，易于振荡。再有，观察(a)模式1的图表可知，该模式在后方的标准周期DFB区域内光强度变成最强，是上述的干扰模式。另一方面，可知接下来反射镜损耗αm最低的(b)模式2在PAR区域内光强度变成最强，是上述的主模式。需要说明的是，同样地(c)模式3是主模式，(d)模式4是干扰模式。
以上，如图6所示，实施例1所涉及的半导体激光元件中，在计算上处于与意图振荡的主模式相比干扰模式更易于振荡的状况，但两个模式的反射镜损耗接近。因此，两个模式的反射镜损耗在实际制作出的元件中容易反转。实际的元件中，在DFB区域与DBR区域之间存在散射损耗是经常的。若在该边界存在损耗，则后方反射仅取决于DBR区域的干扰模式的反射镜损耗变大，而由DFB区域与DBR区域双方负担后方反射的主模式的反射镜损耗几乎没有变化。因此，具有某恒定的成品率，在实施例1所涉及的半导体激光元件中能获得主模式中的单一模式振荡。再有，在利用实施例1所涉及的半导体激光元件的情况下，通过花费较小地抑制DBR区域的耦合系数等的另外的工夫，从而能够更容易地获得单一模式振荡。
(实施例2)
实施例2所涉及的半导体激光元件的结构的特征在于，在DFB型的半导体激光元件中的现有例结构的后方追加了DBR区域，具有和实施例1所涉及的半导体激光元件的结构几乎同样的结构，后方的标准周期DFB区域的长度比前方的标准周期DFB区域的长度短。实施例2所涉及的半导体激光元件根据该结构，能够抑制干扰模式的振荡，能够仅以意图振荡的主模式良好地进行振荡。
干扰模式，特别是DBR区域的耦合系数大、阻带宽，因此容易成为问题。是DBR区域的阻带扩展到与主模式不同的波段为止的缘故。如果DBR区域的耦合系数大，那么存在以下优点：即便在小型的DBR区域内反射率也可提高，而且即便因发热等而使进行电流注入的标准周期DFB区域之间产生折射率差，也能维持稳定的反射。即，能够抑制干扰模式的振荡，意味着能够增大DBR区域的耦合系数，也能提高针对伴随于电流注入的发热的耐性，优点颇大。
图7是示意性地示出实施例2所涉及的半导体激光元件中的各区域的阻带的图。图7中的阴影区域也和图5同样地表示阻带的波段，在上部所示出的各区域，示意性地表示存在以纵轴示出的波长(λ)的阻带。
实施例2所涉及的半导体激光元件的结构中能够抑制干扰模式的振荡的理由如下述。如图7所示，实施例2所涉及的半导体激光元件的结构中，后方的标准周期DFB区域的长度比前方的标准周期DFB区域的长度短。在此，在被两个阻带夹持其间的区域内，如果留意到激光通过增益而被放大，那么可知若该区域短，则在该区域产生的模式难以接受增益。因此，在实施例2所涉及的半导体激光元件的结构中由于后方的标准周期DFB区域的长度较短，故虽然有干扰模式产生的余地，但振荡阈值升高，其结果是，仅以意图振荡的主模式良好地进行振荡。
在此，公开实施例2所涉及的半导体激光元件的具体的设计值的例子。其中，以下所公开的值只是单纯的例示，并未将发明限定为该值。例如，即便根据所希望的波长而加将全部周期进行缩放等适当的修正，本发明的主旨也不会改变。
例如标准周期设为240nm。此时，PAR区域中的衍射光栅的周期为240.2nm，若将PAR区域的长度设为衍射光栅的1800周期，则其长度大致为432μm。前方的标准周期DFB区域的长度大致为400μm，后方的标准周期DFB区域的长度大致为220μm。因为DBR区域的折射率低于标准周期DFB区域的折射率，所以DBR周期为241nm，DBR区域的长度大致为150μm。各标准周期DFB区域的耦合系数为20cm-1，DBR区域的耦合系数为100cm-1。
图8是表示针对实施例2所涉及的半导体激光元件而计算出振荡候补的模式的图。图8中，按照反射镜损耗αm大小的顺序将上述的设计值的半导体激光元件中的振荡模式的候补记载为(a)～(d)四个，振荡候补的模式按照易于振荡的顺序从左开始记载。图8所示的(a)～(d)的各图表中，横轴表示半导体激光元件中的谐振器方向的位置，纵轴表示振荡模式的光强度。
如图8所示，实施例2所涉及的半导体激光元件中，(a)模式1的反射镜损耗αm最低，易于振荡。再有，观察(a)模式1的图表可知，该模式在PAR区域内光强度变成最强，是意图振荡的主模式。另一方面，可知接下来反射镜损耗αm最低的(b)模式2也在PAR区域内光强度变成最强，是主模式。需要说明的是，(c)模式3是干扰模式，(d)模式4是主模式。
以上，如图8所示，实施例2所涉及的半导体激光元件中，主模式与干扰模式之间的反射镜损耗αm具有足够的差，意图振荡的主模式要比干扰模式更明显地易于振荡。换句话说，实施例2所涉及的半导体激光元件，是因DR型的半导体激光元件中的低阈值增益，光谱线宽小，抑制光谱烧孔，进而抑制了干扰模式的振荡的单一模式性良好的半导体激光元件。
(实施例3)
实施例3所涉及的半导体激光元件的结构是作为用于使前方的标准周期DFB区域与后方的标准周期DFB区域之间的激光的相位光学性地变化的相移区域而采用了不具有衍射光栅的区域的结构。即，实施例3所涉及的半导体激光元件的结构虽然具有与实施例1及实施例2所涉及的半导体激光元件的结构几乎同样的结构，但取代PAR区域而设置不具有衍射光栅的区域。
图9是示意性地示出实施例3所涉及的半导体激光元件中的各区域的阻带的图。图9中的阴影区域也和图5同样地表示阻带的波段，通过上部所示出的各区域示意性地表示存在以纵轴示出的波长(λ)的阻带。
如图9所示，在实施例3所涉及的半导体激光元件中，因为与DBR区域成对且产生干扰模式的阻带本来就不存在，所以存在不会产生干扰模式这样的优点。即，实施例3所涉及的半导体激光元件是因DR型的半导体激光元件中的低阈值增益导致光谱线宽小、且与使用CPM构造相比单一模式性更加良好的半导体激光元件。
需要说明的是，实施例3所涉及的半导体激光元件的制造方法和实施例1的情况几乎同样。差异仅在于，形成衍射光栅之际，进行图案化，以使得将相当于无衍射光栅区域的部分(图1中的相移区域105a)全部拔除。需要说明的是，结果图1中的相移区域105a被与p型半导体层104相同的半导体材料填埋。
无衍射光栅区域的长度设定为可振荡的模式的1/4波长的奇数倍。此时，认为由于没有衍射光栅层，故折射率会稍微降低。由于在标准周期DFB区域中有衍射光栅层的部分和没有衍射光栅层的部分交替地重复，故模式的折射率处于两者的中间，但在无衍射光栅区域中，折射率仅相差与没有衍射光栅相应的量。
需要说明的是，严格来说无衍射光栅区域的长度也可以和可振荡的模式的1/4波长的奇数倍并不一致。这是因为：若设为比严密的值短若干的值，则稍微引起空间烧孔，即便无衍射光栅区域的折射率相对地增强，也能够维持良好的单一模式性。
在此，公开实施例3所涉及的半导体激光元件的具体的设计值的例子。其中，以下所公开的值只是单纯的例示，并未将发明限定为该值。例如，即便根据所希望的波长而加将全部周期进行缩放等适当的修正，本发明的主旨也不会改变。
例如标准周期设为240nm。此时，无衍射光栅区域的长度大致为432μm，如上述，被设定为可振荡的模式的1/4波长的奇数倍。前方的标准周期DFB区域的长度大致为400μm，后方的标准周期DFB区域的长度大致为220μm。DBR区域的折射率低于标准周期DFB区域的折射率，因此DBR周期为241nm，DBR区域的长度大致为150μm。各标准周期DFB区域的耦合系数为20cm-1，DBR区域的耦合系数为100cm-1。
图10是表示针对实施例3所涉及的半导体激光元件而计算出振荡候补的模式的图。图10中，按照反射镜损耗αm大小的顺序将上述的设计值的半导体激光元件中的振荡模式的候补记载为(a)～(d)这四个，且将振荡候补的模式按照易于振荡的顺序从左开始记载。图10所示的(a)～(d)的各图表中，横轴表示半导体激光元件中的谐振器方向的位置，纵轴表示振荡模式的光强度。
如图10所示，实施例3所涉及的半导体激光元件中，(a)模式1的反射镜损耗αm最低，易于振荡。再有，观察(a)模式1的图表可知，该模式在PAR区域内光强度变成最强，是意图振荡的主模式。再者，图10所示的(a)～(d)的全部图表中，由于后方的标准周期DFB区域具有较强的光强度的模式并不存在，故也能知道在实施例3所涉及的半导体激光元件中，不会产生干扰模式。
(实施例4)
实施例4所涉及的半导体激光元件的结构和实施例2不同，PAR区域的衍射光栅的周期与标准周期相比较大程度地偏离。即，PAR区域的衍射光栅的周期设为与DBR区域的反射波段外侧的波长对应的周期。具体地说，使PAR区域中的阻带处于DBR区域的反射带的外侧。需要说明的是，DBR区域的反射带是指在阻带中、例如反射率处于最大值的50％以内的波段。实施例4所涉及的半导体激光元件根据该结构，处于干扰模式并不存在的状态，能够仅以意图振荡的主模式良好地进行振荡。
再有，实施例3所涉及的半导体激光元件的结构的PAR区域和标准周期DFB区域的实效折射率相互不同。这是因为：在标准周期DFB区域中，有衍射光栅层的部分和没有衍射光栅层的部分交替地重复，因此模式的折射率处于有衍射光栅层的部分和没有衍射光栅层的部分的中间，而在PAR区域中，模式的折射率成为衍射光栅层并不存在的部分的折射率。由此，PAR区域的相移量取决于标准周期DFB区域与PAR区域的折射率差，有可能受到波导的宽度或衍射光栅的占空比等的制作偏差的影响。
图11是示意性地示出实施例4所涉及的半导体激光元件中的各区域的阻带的图。图11中的阴影区域也和图5同样地表示阻带的波段，通过上部所示出的各区域示意性地表示存在以纵轴示出的波长(λ)的阻带。
实施例4所涉及的半导体激光元件的结构中能够抑制干扰模式的振荡的理由如下述。如图11所示，实施例4所涉及的半导体激光元件的结构中，PAR区域的周期是相对于标准周期而偏离了的周期。PAR区域的周期相对于标准周期存在增加的情况或者减少的情况。由此，PAR区域的阻带的中心波长相对于标准周期DFB区域的阻带向长波长侧或者短波长侧较大程度地偏离，可使PAR区域的阻带处于DBR区域的反射带的外侧。为了使PAR区域的阻带处于DBR区域的反射带的外侧，优选使PAR区域的周期成为相对于标准周期偏离了1％以上的周期。根据该结构，因为在DBR区域的反射带内，并不存在PAR区域与DBR区域成对且产生干扰模式的阻带，所以不会产生干扰模式。即，实施例4所涉及的半导体激光元件的结构中，不仅能够获得与实施例3同样的效果，而且由于在PAR区域内也设置衍射光栅，故标准周期DFB区域的实效折射率和PAR区域的实效折射率相同，不会受到制作偏差的影响，可实现被更精密地控制的相移量。
在此，公开实施例4所涉及的半导体激光元件的具体的设计值的例子。其中，以下所公开的值只是单纯的例示，并未将发明限定为该值。例如，即便根据所希望的波长而加将全部周期进行缩放等适当的修正，本发明的主旨也不会改变。
例如将标准周期设为240nm。此时，PAR区域中的衍射光栅的周期为244.8nm，若将PAR区域的长度设为衍射光栅的1765周期，则其长度大致为432μm。前方的标准周期DFB区域的长度大致为400μm，后方的标准周期DFB区域的长度大致为220μm。因为DBR区域的折射率低于标准周期DFB区域的折射率，所以DBR周期为241nm，DBR区域的长度大致为150μm。各标准周期DFB区域的耦合系数为20cm-1，DBR区域的耦合系数为100cm-1。
在此，实施例4所涉及的半导体激光元件中，DBR的反射带约为20nm，PAR区域的周期相对于标准周期增加2％。因此，PAR区域中的阻带的中心波长相对于标准周期DFB区域的阻带而向长波长侧偏离30nm，处于DBR区域的反射带的外侧。需要说明的是，虽然示出使PAR区域的周期相对于标准周期增加，且使PAR区域中的阻带相对于DBR的反射带向长波长侧偏移的例子，但也可以使PAR区域的周期相对于标准周期减少，并使PAR区域中的阻带相对于DBR的反射带向短波长侧偏移。
图12是表示针对实施例4所涉及的半导体激光元件而计算出振荡候补的模式的图。图12中，按照反射镜损耗αm大小的顺序将上述的设计值的半导体激光元件中的振荡模式的候补记载为(a)～(d)这四个，并且将振荡候补的模式按照易于振荡的顺序从左开始记载。图12所示的(a)～(d)的各图表中，横轴表示半导体激光元件中的谐振器方向的位置，纵轴表示振荡模式的光强度。
如图12所示，实施例4所涉及的半导体激光元件中，(a)模式1的反射镜损耗αm最低，易于振荡。再者，观察(a)模式1的图表可知，该模式在PAR区域内光强度变成最强，是意图振荡的主模式。再有，图12所示的(a)～(d)的全部图表中，也能知道因为后方的标准周期DFB区域内具有较强光强度的模式并不存在，所以在实施例4所涉及的半导体激光元件中，干扰模式不会产生。
以上，基于实施方式对本发明进行了说明，但并未通过上述的实施方式来限定本发明。将上述的各结构要素适当组合来构成的方式也被包含于本发明的范畴内。再有，更进一步的效果或变形例能够由本领域技术人员容易地导出。由此，本发明的更广泛的方式并未被限定于上述的实施方式，能够实现各种各样的变更。
产业上的可利用性
如上，本发明所涉及的半导体激光元件对于光通信等所使用的光器件而言是有用的。
-符号说明-
100 半导体激光元件
101 n侧电极
102 n型半导体层
103 波导芯层
103a、103c SCH层
103b MQW层
104 p型半导体层
105 衍射光栅层
105a 相移区域
105b 第一区域
105c 第二区域
107 p侧电极
110 分布反馈型激光部
120 分布布拉格反射部。

Claims (8)

1.一种半导体激光元件，具备：是进行发光的有源区域且具有衍射光栅的分布反馈部；和是无源反射镜且具有衍射光栅的分布反射部，
所述半导体激光元件的特征在于，
所述分布反馈部具备：
第一区域，其与所述分布反射部相邻且具有规定的标准周期的衍射光栅；
相移区域，其与所述第一区域相邻且比所述标准周期的2倍长；和
第二区域，其与所述相移区域中的与所述第一区域的相反的一侧相邻且具有所述标准周期的衍射光栅，
所述相移区域使所述第一区域与所述第二区域之间的激光的相位光学性地变化。
2.根据权利要求1所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述相移区域的长度为所述标准周期的100倍以上。
3.根据权利要求1或2所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述第一区域的长度短于所述第二区域的长度。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述相移区域具有周期与所述标准周期不同的衍射光栅。
5.根据权利要求4所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述相移区域中的所述衍射光栅的周期是与所述无源反射镜的反射波段外侧的波长对应的周期。
6.根据权利要求4或5所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述相移区域中的所述衍射光栅的周期是相对于所述无源反射镜的周期偏离了1％以上的周期。
7.根据权利要求1～3中任一项所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述相移区域是不具有衍射光栅的区域。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的半导体激光元件，其特征在于，
所述分布反射部中的衍射光栅的耦合系数大于所述分布反馈部的所述第一区域及所述第二区域中的衍射光栅的耦合系数。
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