JP2002131567A - 光導波路素子および半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 半導体レーザ素子と直接結合される光導波路
素子において、光導波路への光閉じ込めを十分に高く
し、直接結合された半導体レーザ素子と光導波路とのモ
ードマッチングを良好にする。 【解決手段】 GaN基板20上に少なくともAl_ｘ１Ga
_１−ｘ１N下部クラッド層21（0.4≦ｘ1≦１）、GaNコア
層22、Al_ｘ2Ga_１−ｘ2N上部第一クラッド層23（ｘ2≦ｘ
1−0.1 または ｘ1＋0.1≦ｘ2）、Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N上
部第二クラッド層25をこの順に形成する。そして上部第
一クラッド層23に、横方向に光を閉じ込めるリッジ状ス
トライプ24からなる屈折率導波機構を形成して、基本横
モード以外のモードを遮断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光導波路素子に関
し、さらに詳しくは、半導体レーザ素子と直接結合して
用いられる光導波路素子に関するものである。

【０００２】また本発明は、このような光導波路素子と
半導体レーザ素子とが直接結合されてなる半導体レーザ
装置に関するものである。

【０００３】

【従来の技術】従来より、Ｓｉまたは石英からなる基板
上に光導波路が形成されてなる光導波路素子が種々提供
されている。このような光導波路素子に光を入射させる
光源としては、半導体レーザが用いられる場合も多く、
その場合は特開平１０−１６１１６５号や同１０−２５
４００１号に示されるように、半導体レーザを光導波路
素子の端面に直接結合させることが広くなされている。

【０００４】他方、例えば上記特開平１０−２５４００
１号に示されるように、半導体レーザの発振波長を所定
値に選択、ロックするための手法の１つとして、いわゆ
る光フィードバックが知られている。この光フィードバ
ックは、半導体レーザから発せられたレーザ光をグレー
ティング素子や狭帯域バンドパスフィルタ等の波長選択
素子を介して半導体レーザに再入射させ、選択された波
長で半導体レーザを発振させる技術である。

【０００５】この光フィードバックを行なうための上記
グレーティング素子としては、バルク型のグレーティン
グやファイバーグレーティングが用いられることが多い
が、前述したような光導波路素子において光導波路に沿
ってグレーティングを形成してなるものを用いることも
できる。すなわち、そのような構成の光導波路素子にお
いては、光導波路を伝搬する導波光のうちグレーティン
グ周期から定まる特定波長の光のみがグレーティングで
回折するので、例えばこのグレーティングで反射回折し
た光が半導体レーザに戻るようにしておけば、半導体レ
ーザの発振波長を所定値に選択、ロックすることが可能
となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の光導波路素
子に半導体レーザを直接結合させてその発振波長を選
択、ロックする場合、半導体レーザと光導波路とのモー
ドマッチング（つまり光導波路における導波光の電界分
布と、半導体レーザの光導波路入射側端面における光強
度分布との整合性）が良好でないと損失が大きくなり、
半導体レーザにフィードバックされる光量が低減して高
出力化することが困難になる。

【０００７】特開平９−８０２４７号には、石英系基板
上に形成した光導波路における光閉じ込めを強くして、
半導体レーザとのモードマッチングを良好にするように
した光導波路素子が示されている。この光導波路素子
は、光導波路のコア部分に比較的容易に高屈折率が得ら
れるＳｉＯxＮyＨzを用い、その周囲にフッ素を添加し
たＳｉＯ_２ からなるクラッド層を設け、さらにその周
囲にＳｉＯ_２ からなるクラッド層を設けてなるもので
ある。

【０００８】しかし上記構成の光導波路素子において
も、コアとその周囲のクラッドとの間の比屈折率差Δｎ
は2.5％程度で、まだ光閉じ込めが十分とは言えず、そ
のため、そこに半導体レーザを直接結合した場合、半導
体レーザと光導波路とのモードマッチングが良好ではな
いという問題が認められる。したがって、この光導波路
素子を光フィードバックに利用しても、半導体レーザを
高出力化することは困難である。

【０００９】本発明は上記の事情に鑑みて、光導波路へ
の光閉じ込めが十分に高く、直接結合された半導体レー
ザ素子と光導波路とのモードマッチングが良好になされ
得る光導波路素子を提供することを目的とする。

【００１０】また本発明は、前述のグレーティングを備
えて半導体レーザ素子に光フィードバックをかける光導
波路素子において、上記のモードマッチングを良好に
し、それによりフィードバック光量を十分に確保して、
半導体レーザ素子の高出力化を実現することを目的とす
る。

【００１１】さらに本発明は、上述のような光導波路素
子と半導体レーザ素子とが直接結合されてなる半導体レ
ーザ装置において、高出力化を実現することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の光導
波路素子は、基板上に光導波路が形成されてなり、この
光導波路の端面に半導体レーザ素子が直接結合される光
導波路素子において、GaN基板上に少なくともAl_ｘ１Ga
_１−ｘ１N下部クラッド層（0.4≦ｘ1≦１）、GaNコア
層、Al_ｘ2Ga_１−ｘ2N上部第一クラッド層（ｘ2≦ｘ1−
0.1 または ｘ1＋0.1≦ｘ2）、Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N上部
第二クラッド層がこの順に形成されてなり、上記上部第
一クラッド層に、横方向に光を閉じ込めるリッジ状スト
ライプからなる屈折率導波機構が形成されて、基本横モ
ード以外のモードを遮断するようになっていることを特
徴とするものである。

【００１３】なお上記リッジ状の部分は、上部第二クラ
ッド層の途中まで形成されていることが望ましい。

【００１４】また本発明による第２の光導波路素子は、
上記と同様に基板上に光導波路が形成されてなり、この
光導波路の端面に半導体レーザ素子が直接結合される光
導波路素子において、GaN基板上に少なくともAl_ｘ１Ga
_１−ｘ１N下部クラッド層（0.4≦ｘ1≦１）、GaNコア
層、Al_ｘ2Ga_１−ｘ2N上部第一クラッド層（ｘ2≦ｘ1−
0.1 または ｘ1＋0.1≦ｘ2）、Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N上部
第二クラッド層、Al_ｘ３Ga_１−ｘ３N光閉じ込め層（0.3
≦ｘ3≦１）、該光閉じ込め層より高屈折率のAl_ｘ４Ga
_１−ｘ４N上部第三クラッド層（ｘ4＜ｘ3）がこの順に
形成されてなり、上記光閉じ込め層にストライプ溝が設
けられ、該溝にその上の上部第三クラッド層が埋め込ま
れることにより屈折率導波機構が形成されて、基本横モ
ード以外のモードを遮断するようになっていることを特
徴とするものである。

【００１５】なお、本発明による光導波路素子におい
て、GaNコア層の幅は、半導体レーザ素子の発振幅と略
等しいことが望ましい。また光導波路の端面には、反射
防止コートが形成されていることが望ましい。

【００１６】さらに、光導波路における導波光の電界分
布は、半導体レーザ素子の光導波路入射側端面における
光強度分布と略等しいことが望ましい。

【００１７】さらに本発明による光導波路素子におい
て、上部第二クラッド層には、前記GaNコア層の延びる
方向に沿って周期的に繰り返す凹凸から構成されて、半
導体レーザ素子の発振波長を選択するグレーティングが
形成されていることが望ましい。

【００１８】他方、本発明による半導体レーザ装置は、
上述のように上部第二クラッド層に半導体レーザの発振
波長を選択するグレーティングが形成された本発明の光
導波路素子を用いた半導体レーザ装置であって、半導体
レーザ素子から発せられた後、前記グレーティングで波
長選択された光が該半導体レーザ素子にフィードバック
される構成を有することを特徴とするものである。

【００１９】以上のような構成を有する本発明の半導体
レーザ装置は、光通信用の光源、希土類ドープ光ファイ
バ増幅器の励起用光源、さらには固体レーザの励起用光
源として好適に用いることができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明による第１の光導波路素子は、Ga
N基板上に少なくともAl_ｘ１Ga_{１−ｘ １}N下部クラッド層
（0.4≦ｘ1≦１）、GaNコア層、Al_ｘ2Ga_１−ｘ2N上部第
一クラッド層（ｘ2≦ｘ1−0.1 または ｘ1＋0.1≦ｘ
2）、Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N上部第二クラッド層を形成した
上で、上部第一クラッド層に、横方向に光を閉じ込める
リッジ状ストライプからなる屈折率導波機構を形成し
て、基本横モードのみで導波させるようにしたことによ
り、光導波路における光閉じ込めが著しく強くて、直接
結合された半導体レーザと光導波路とのモードマッチン
グが良好になされ得るものとなる。

【００２１】一方、本発明による第２の光導波路素子
は、GaN基板上に少なくともAl_ｘ１Ga _１−ｘ１N下部クラ
ッド層（0.4≦ｘ1≦１）、GaNコア層、Al_ｘ2Ga_１−ｘ2N
上部第一クラッド層（ｘ2≦ｘ1−0.1 または ｘ1＋0.1
≦ｘ2）、Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N上部第二クラッド層、Al
_ｘ３Ga_１−ｘ３N光閉じ込め層（0.3≦ｘ3≦１）、該光
閉じ込め層より高屈折率のAl_ｘ４Ga_１−ｘ４N上部第三
クラッド層（ｘ4＜ｘ3）を形成した上で、上記光閉じ込
め層にストライプ溝を設け、該溝にその上の上部第三ク
ラッド層を埋め込むことにより屈折率導波機構を形成し
て、基本横モードのみで導波させるようにしたことによ
り、上記第１の光導波路素子と同様に光導波路における
光閉じ込めが著しく強くて、直接結合された半導体レー
ザと光導波路とのモードマッチングが良好になされ得る
ものとなる。

【００２２】また、これらの光導波路素子においては、
光導波路のコアをGaNから形成しているので、Δｎ≒
（コアの屈折率−クラッドの屈折率）／コアの屈折率で
定義されるコアとクラッドとの間の比屈折率差Δｎを、
前述した特開平９−８０２４７号に示された2.5％より
著しく高い14％程度まで高くすることも可能である。そ
れにより、光導波路における光閉じ込めが特に強くなる
ので、上述した効果が特に顕著なものとなる。

【００２３】その上本発明による光導波路素子は、GaN
基板上にAlGaN系材料の結晶を成長させて構成したの
で、簡単な劈開により共振器面を形成することができ
る。一方、先に挙げた特開平９−８０２４７号に示され
るように、石英系基板を用いて光導波路における光閉じ
込めを強くするようにした従来の光導波路素子では、共
振器面を形成するために石英系基板を高精度に光学研磨
する必要がある。したがって本発明による光導波路素子
は、この種の従来の光導波路素子と比較して、より低い
コストで製造可能となる。

【００２４】そして本発明の光導波路素子のうち、特に
上部第二クラッド層に半導体レーザ素子の発振波長を選
択するグレーティングを形成して、このグレーティング
で波長選択された光が半導体レーザ素子にフィードバッ
クされる構成としたものにおいては、上記の通りモード
マッチングが良好になされることにより、フィードバッ
ク光量が十分に確保されて、半導体レーザ素子の高出力
化を実現可能となる。

【００２５】したがって、上述のように半導体レーザ素
子の発振波長を選択するグレーティングが形成された光
導波路素子を用いた本発明の半導体レーザ装置は、フィ
ードバック光量が十分に確保されて、高出力化を達成で
きるものとなる。

【００２６】また本発明の光導波路素子において、光導
波路における導波光の電界分布が、半導体レーザ素子の
光導波路入射側端面における光強度分布の光強度分布と
略等しくなっていれば、半導体レーザ素子と光導波路と
のモードマッチングが最大限良好になされるようにな
る。

【００２７】以上の通り本発明によれば、単一モードレ
ーザ光の波長安定化を低ロスでコンパクトな光導波路素
子によって行うことができる。また、従来装置において
半導体レーザ素子のモードロックに要していたグレーテ
ィング光学系を省略することができるので、コンパクト
で部品点数の少ない低コストの半導体レーザ光源、さら
にはＳＨＧ（第２高調波発生）光源等を提供可能とな
る。

【００２８】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１の(1)および(2)はそれぞれ、
本発明の第１の実施形態による光導波路素子101の立断
面形状および側断面形状を示すものである。これらの図
を参照して、本実施形態の光導波路素子101をその作製
方法とともに説明する。

【００２９】まずGaN基板20の上に、有機金属気相成長
法により、Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N下部クラッド層21（0.4≦
ｘ1≦１、３μｍ厚）、GaNコア層22（0.4μｍ厚）、Al
_ｘ2Ga _１−ｘ2N上部第一クラッド層23（ｘ2≦ｘ1−0.1
または ｘ1＋0.1≦ｘ2、0.08μｍ厚）を形成する。

【００３０】その上に、後述する発振波長1.06μｍの半
導体レーザの縦モードを選択するグレーティングを形成
するために、厚さ100ｎｍ程度の薄膜レジストを形成
し、Ｈｅ−Ｃｄレーザ光源を用いた干渉露光法により周
期Λ＝λ／２ｎ_ｅｆｆ のグレーティングパターンを形
成し、Ｃｌ_２ガスを用いたドライエッチングにより深さ
60ｎｍのグレーティング24を基板の全面または、素子長
よりも短い所定の領域に形成する。なお上記のｎ_ｅｆｆ
はGaN光導波路を導波する光の等価屈折率、λは導波光
の波長である。

【００３１】次にＯ_２プラズマアッシングによってレジ
ストを剥離した後、Al_ｘ１Ga_{１−ｘ １}N上部第二クラッ
ド層25（約３μｍ厚）を堆積する。その後この上部第二
クラッド層25の上に、通常のフォトリソ法により３μｍ
幅のレジストマスクを形成し、次いでＣｌ_２ガスを用い
たドライエッチングにより、上記レジストマスクが形成
されていない部分の上部第二クラッド層25を途中までエ
ッチングする。それにより、上部第二クラッド層25にリ
ッジ構造が形成される。このエッチングにおける上部第
一クラッド層23からのエッチング残し厚は、基本横モー
ドのみが許容される厚みとする。

【００３２】以上の各層が形成された基板を劈開によっ
て長さ５ｍｍのバーに切断し、そのバーの両端面に反射
率0.1％程度のＡＲコート30，31を蒸着法によって形成
する。さらにこのバーを劈開によってチップ状に切断す
ると、本実施形態の光導波路素子101が完成する。

【００３３】この光導波路素子101は図１に示されてい
る通り、GaN基板20の上にAl_ｘ１Ga_{１ −ｘ１}N下部クラッ
ド層21、GaNコア層22、グレーティング24が形成されたA
l_ｘ2Ga_１−ｘ2N上部第一クラッド層23、および中央部に
リッジ部分を有するAl_ｘ１Ga _１−ｘ１N上部第二クラッ
ド層25がこの順に形成されてなるものである。この光導
波路素子101は、上記リッジ部分が形成されたことによ
り、光閉じ込めの強い屈折率導波構造を有するものとな
っている。この光導波路素子101の使用形態について
は、後に詳しく説明する。

【００３４】なお勿論ながら、上部第一クラッド層23に
形成されるグレーティング24の周期は、半導体レーザ素
子の特定の発振波長に対応するように限定されるもので
はなく、所望の発振波長に対応させて適宜設定すればよ
い。

【００３５】またコア幅は、半導体レーザ素子に対して
単一横モードの光をフィードバックさせる上では、半導
体レーザ素子の発振幅と等しいことが好ましい。そのよ
うなコア幅は、通常、具体的には２〜５μｍ程度であ
る。

【００３６】ここで図８に、GaNコア層22の厚みが0.4μ
ｍで屈折率が2.42、Al_ｘ１Ga_{１−ｘ １}N下部クラッド層2
1のｘ1＝0.5でその屈折率が2.25、Al_ｘ2Ga_１−ｘ2N上部
第一クラッド層23のｘ2＝0.4でその屈折率が2.28、発振
波長が1.06μｍである場合の、上記光導波路素子101と
半導体レーザ素子における各導波光の光強度分布を比較
して示す。ここに示されている通り、両者におけるモー
ドフィールドは互いに良く一致している。なおこの図８
の横軸の距離は、GaNコア層22のストライプ幅方向の中
央位置を０（ゼロ）とし、そこから左右への距離を示し
てある。

【００３７】次に、本発明の第２の実施形態について説
明する。図２の(1)および(2)はそれぞれ、本発明の第２
の実施形態による光導波路素子102の立断面形状および
側断面形状を示すものである。これらの図を参照して、
本実施形態の光導波路素子102をその作製方法とともに
説明する。

【００３８】まずGaN基板40の上に、有機金属気相成長
法により、Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N下部クラッド層41（0.4≦
ｘ1≦１、３μｍ厚）、屈折率GaNコア層42（0.4μｍ
厚）、Al _ｘ2Ga_１−ｘ2N上部第一クラッド層43（ｘ2≦ｘ
1−0.1 または ｘ1＋0.1≦ｘ2、0.08μｍ厚）を形成す
る。

【００３９】その上に、後述する発振波長1.06μｍの半
導体レーザの縦モードを選択するグレーティングを形成
するために、厚さ100ｎｍ程度の薄膜レジストを形成
し、Ｈｅ−Ｃｄレーザ光源を用いた干渉露光法により周
期Λ＝λ／２ｎ_ｅｆｆ のグレーティングパターンを形
成し、Ｃｌ_２ガスを用いたドライエッチングにより深さ
60ｎｍのグレーティング44を基板の全面または、素子長
よりも短い所定の領域に形成する。なお上記のｎ_ｅｆｆ
はGaN光導波路を導波する光の等価屈折率、λは導波光
の波長である。

【００４０】次にＯ_２プラズマアッシングによってレジ
ストを剥離した後、Al_ｘ１Ga_{１−ｘ １}N上部第二クラッ
ド層45（約３μｍ厚）およびAl_ｘ３Ga_１−ｘ３N光閉じ
込め層46（0.3≦ｘ3≦１、約１μｍ厚）を堆積する。そ
の後この光閉じ込め層46の上に、通常のフォトリソ法に
より３μｍ幅の開口を有するレジストマスクを形成し、
次いでＣｌ_２ガスを用いたドライエッチングにより、上
記開口部分の光閉じ込め層46を上部第二クラッド層45が
露出するまでエッチングする。引き続きその上に、Al
_ｘ４Ga_１−ｘ４N上部第三クラッド層47（ｘ4＜ｘ3、約
３μｍ厚）を堆積する。

【００４１】ここで、第二クラッド層45の厚みと組成、
光閉じ込め層46および上部第三クラッド層47の組成は、
基本横モードのみが許容される組成とする。

【００４２】以上の各層が形成された基板を劈開によっ
て長さ５ｍｍのバーに切断し、そのバーの両端面に反射
率0.1％程度のＡＲコート50，51を蒸着法によって形成
する。さらにこのバーを劈開によってチップ状に切断す
ると、本実施形態の光導波路素子102が完成する。

【００４３】この光導波路素子102は図２に示される通
り、GaN基板40の上にAl_ｘ１Ga_{１−ｘ １}N下部クラッド層
41、GaNコア層42、グレーティング44が形成されたAl_ｘ2
Ga_{１ −ｘ2}N上部第一クラッド層43、Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N
上部第二クラッド層45、Al_{ｘ ３}Ga_１−ｘ３N光閉じ込め
層46およびAl_ｘ４Ga_１−ｘ４N上部第三クラッド層47が
形成され、そして光閉じ込め層46に形成されたストライ
プ溝に上部第三クラッド層47が埋め込まれてなるもので
ある。この光導波路素子102は、上記埋め込み部分が形
成されたことにより、光閉じ込めの強い屈折率導波構造
を有するものとなっている。

【００４４】なお本実施形態でも、上部第一クラッド層
43に形成されるグレーティング44の周期は、半導体レー
ザ素子の特定の発振波長に対応するように限定されるも
のではなく、所望の発振波長に対応させて適宜設定すれ
ばよい。

【００４５】またコア幅は、半導体レーザ素子に対して
単一横モードの光をフィードバックさせる上では、半導
体レーザ素子の発振幅と等しいことが好ましい。そのよ
うなコア幅は、通常、具体的には２〜５μｍ程度であ
る。

【００４６】次に図３を参照して、本発明の第３の実施
形態である半導体レーザ装置について説明する。この半
導体レーザ装置は、図１に示した光導波路素子101と基
本横モード発振する半導体レーザ素子60とからなるもの
である。光導波路素子101は図示の通りＣｕマウント63
上に実装され、同じくＣｕマウント61上に実装された発
振波長1.06μｍの基本横モード発振する半導体レーザ素
子60と直接結合される。この直接結合は、光導波路素子
101のGaNコア層22の端面と半導体レーザ素子60のストラ
イプ64の後端面（図中の左端面で、無反射コートが形成
されている）とが密接、あるいは微小距離をおいて近接
する状態にして、Ｃｕマウント61とＣｕマウント63とを
互いに固定することによってなされる。

【００４７】半導体レーザ素子60のストライプ64の前端
面（図中の右端面で、低反射コートが形成されている）
からは使用光としてのレーザ光65が出射し、一方その後
端面からは、いわゆる後方出射光65Ｒが出射する。この
後方出射光65Ｒは光導波路素子101のGaNコア層22に入射
し、そこを導波モードで伝搬する。このときグレーティ
ング24（図１参照）において、グレーティング周期Λと
Λ＝λ／２ｎ_ｅｆｆの関係を満たす特定波長λの光のみ
が選択的に反射回折し、その回折した後方出射光65Ｒが
半導体レーザ素子60にフィードバックされる。この光フ
ィードバックがなされることにより半導体レーザ素子60
の発振波長は、上記の選択された波長λにロックされ
る。

【００４８】光導波路素子101の光導波路は、従来の光
導波路と比べると光閉じ込めが著しく強く、そこでの導
波光の電界分布は、半導体レーザ素子60の後方端面にお
ける光強度分布と略等しい状態となっている。このよう
に極めて良好なモードマッチングが実現されていること
により、半導体レーザ素子60へのフィードバック光量が
十分に確保されて、該半導体レーザ素子60の高出力化が
達成される。

【００４９】次に図４を参照して、本発明の第４の実施
形態である半導体レーザ装置について説明する。この半
導体レーザ装置は、図１に示した光導波路素子101と基
本横モード発振する半導体レーザ素子67とからなるもの
である。

【００５０】光導波路素子101は図示の通りＣｕマウン
ト63上に実装され、同じくＣｕマウント61上に実装され
た発振波長1.06μｍの基本横モード発振する半導体レー
ザ素子67と直接結合される。この直接結合は、光導波路
素子101のGaNコア層22の端面と半導体レーザ素子67のス
トライプ68の前端面（図中の右端面で、無反射コートが
形成されている）とが密接、あるいは微小距離をおいて
近接する状態にして、Ｃｕマウント61とＣｕマウント63
とを互いに固定することによってなされる。なお半導体
レーザ素子67のストライプ68の後端面（図中の左端面）
には、高反射コートが形成されている。

【００５１】半導体レーザ素子67のストライプ68の前端
面からは使用光としてのレーザ光65が出射し、このレー
ザ光65は光導波路素子101のGaNコア層22に入射し、そこ
を導波モードで伝搬する。このときグレーティング24
（図１参照）において、グレーティング周期ΛとΛ＝λ
／２ｎ_ｅｆｆ の関係を満たす特定波長λの光の一部が
選択的に反射回折し、その回折したレーザ光65が半導体
レーザ素子67にフィードバックされる。この光フィード
バックがなされることにより半導体レーザ素子67の発振
波長は、上記の選択された波長λにロックされる。

【００５２】この場合も、光導波路素子101の光導波路
は光閉じ込めが著しく強く、そこでの導波光の電界分布
は、半導体レーザ素子67の前方端面における光強度分布
と略等しい状態となっている。このように極めて良好な
モードマッチングが実現されていることにより、半導体
レーザ素子67へのフィードバックの効率が高くなるの
で、フィードバック時の光量の損失が少なくなり、該半
導体レーザ素子67の高出力化が達成される。

【００５３】次に図５を参照して、本発明の第５の実施
形態である半導体レーザ装置について説明する。この半
導体レーザ装置は、図３に示した構成に光波長変換素子
80が付加されてなるものである。なおこの図５におい
て、図３中の要素と同等の要素には同番号を付し、それ
らについては特に必要のない限り説明を省略する（以
下、同様）。

【００５４】本例では、半導体レーザ素子60の前端面側
が導波路型の光波長変換素子80に直接結合されている。
この光波長変換素子80は一例として、非線形光学材料で
ある、ＭｇＯがドープされたＬｉＮｂＯ_３基板81にチャ
ンネル光導波路82が形成され、そしてこのチャンネル光
導波路82に沿って周期ドメイン反転構造83が形成されて
なるものである。

【００５５】なお上記光波長変換素子80はＣｕマウント
84に固定され、このＣｕマウント84およびＣｕマウント
63がＣｕマウント61に固定されている。またＣｕマウン
ト61はペルチェ素子85の上に固定されている。そしてこ
のペルチェ素子85により、光波長変換素子80、光導波路
素子101および半導体レーザ素子60が所定の温度に温度
調節される。

【００５６】半導体レーザ素子60の前端面から出射した
波長1.06μｍのレーザ光65は光波長変換素子80の光導波
路82に入射し、そこを伝搬する際に波長が１／２＝0.53
μｍの第２高調波86に変換される。このとき、周期ドメ
イン反転構造83によって位相整合（疑似位相整合）が取
られる。得られた第２高調波86は光波長変換素子80から
出射し、ビームスプリッタ87を透過した第２高調波86が
所定の用途に使用される。

【００５７】ビームスプリッタ87で反射した一部の第２
高調波86は光検出器88に検出され、この光検出器88が出
力する光検出信号ＳはＡＰＣ（Automatic Power Contro
l）回路89に入力される。ＡＰＣ回路89は入力された光
検出信号Ｓに基づいて半導体レーザ素子60の駆動電流Ｄ
を制御し、それにより、第２高調波86の光強度が一定化
される。

【００５８】次に図６を参照して、本発明の第６の実施
形態である半導体レーザ装置について説明する。この半
導体レーザ装置は、図４に示した構成に光波長変換素子
80が付加されてなるものである。

【００５９】本例では、光導波路素子101の前端面側が
導波路型の光波長変換素子80に直接結合されている。な
お上記光波長変換素子80はＣｕマウント84に固定され、
このＣｕマウント84がＣｕマウント63に固定され、この
Ｃｕマウント63がＣｕマウント61に固定されている。ま
たＣｕマウント61はペルチェ素子85の上に固定されてい
る。そしてこのペルチェ素子85により、光波長変換素子
80、光導波路素子101および半導体レーザ素子60が所定
の温度に温度調節される。

【００６０】光導波路素子101の前端面から出射した波
長1.06μｍのレーザ光65は光波長変換素子80の光導波路
82に入射し、そこを伝搬する際に波長が１／２＝0.53μ
ｍの第２高調波86に変換される。このとき、周期ドメイ
ン反転構造83によって位相整合（疑似位相整合）が取ら
れる。得られた第２高調波86は光波長変換素子80から出
射し、ビームスプリッタ87を透過した第２高調波86が所
定の用途に使用される。

【００６１】ビームスプリッタ87で反射した一部の第２
高調波86は光検出器88に検出され、この光検出器88が出
力する光検出信号ＳはＡＰＣ（Automatic Power Contro
l）回路89に入力される。ＡＰＣ回路89は入力された光
検出信号Ｓに基づいて半導体レーザ素子67の駆動電流Ｄ
を制御し、それにより、第２高調波86の光強度が一定化
される。

【００６２】次に図７を参照して、本発明の第７実施形
態の半導体レーザ装置200および第８実施形態の半導体
レーザ装置300について説明する。

【００６３】一方の半導体レーザ装置200は、図４に示
した半導体レーザ装置と同様に基本横モード発振する半
導体レーザ素子201と、この基本横モード発振する半導
体レーザ素子201の発振波長をロックする光導波路素子2
02とから構成されている。基本横モード発振する半導体
レーザ素子201は発振波長帯が1.5μｍのものであり、そ
こから発せられて光導波路素子202により波長が単一化
されたレーザ光203は集光レンズ204で集光されて、光通
信用のＥｒドープ光ファイバ90に信号光として入射す
る。

【００６４】他方の半導体レーザ装置300も、図４に示
した半導体レーザ装置と同様に基本横モード発振する半
導体レーザ素子301と、この基本横モード発振する半導
体レーザ素子301の発振波長をロックする光導波路素子3
02とから構成されている。基本横モード発振する半導体
レーザ素子301は発振波長帯が0.98μｍのものであり、
そこから発せられて光導波路素子302により波長が単一
化されたレーザ光303は集光レンズ304で集光されて、合
波用の光カップラを構成する光ファイバ91に入射し、こ
の光カップラを介してＥｒドープ光ファイバ90に励起光
として入射する。

【００６５】Ｅｒドープ光ファイバ90は、上記励起光と
してのレーザ光303が乗り移る部分からＥｒがドープさ
れていわゆる光ファイバ増幅器を構成しており、入射し
たレーザ光303によってＥｒが励起されることにより、
信号光としてのレーザ光203を増幅して遠距離まで伝搬
させる。

【００６６】なおＥｒドープ光ファイバ90に入射した励
起光としてのレーザ光303は、分波用の光カップラを構
成する光ファイバ92に乗り移って、上記信号光としての
レーザ光203に乗らないようにＥｒドープ光ファイバ90
内から除かれる。

【００６７】この例においては、励起光としてのレーザ
光303の波長を光導波路素子302により単一化して、Ｅｒ
の吸収ピーク波長と一致させることにより、Ｅｒの励起
効率を上げることが可能になる。

【００６８】また半導体レーザ装置200は、通常の分布
帰還型半導体レーザよりも高速変調時の波長チャーピン
グが少ないという利点を有するので、長距離通信用の信
号光を発する光源として極めて好適に利用することがで
きる。

【００６９】本発明の光導波路素子は、以上説明したよ
うな半導体レーザ装置を構成するのみならず、アレイ型
半導体レーザや光集積回路等の実装にも対応可能であ
る。そして、本発明の光導波路素子を半導体レーザ素子
と組み合わせて発振波長の安定化に用いる場合は、Ｉｎ
Ｐ基板上に形成される発振波長1.3〜1.7μｍ帯の半導体
レーザや、ＧａＡｓ基板上に形成される発振波長1.1〜
0.6μｍ帯の半導体レーザに対しても適用可能である。

【００７０】他方、本発明による半導体レーザ装置は、
前述した光通信用の信号光源や励起光源として用いる
他、情報・画像処理、計測、医療、印刷の分野での光源
として応用することもできるし、さらには固体レーザの
励起光源や光集積回路等へ適用することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態である光導波路素子の
概略立断面図(1)および概略側断面図(2)

【図２】本発明の第２の実施形態である光導波路素子の
概略立断面図(1)および概略側断面図(2)

【図３】本発明の第３の実施形態である半導体レーザ装
置の概略側面図

【図４】本発明の第４の実施形態である半導体レーザ装
置の概略側面図

【図５】本発明の第５の実施形態である半導体レーザ装
置の概略側面図

【図６】本発明の第６の実施形態である半導体レーザ装
置の概略側面図

【図７】本発明の第７の実施形態である半導体レーザ装
置および第８の実施形態である半導体レーザ装置と、そ
れらの使用形態を示す概略平面図

【図８】本発明の光導波路素子と、それに直接結合され
た半導体レーザにおける導波光の光強度分布を比較して
示すグラフ

【符号の説明】

20 GaN基板 21 Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N下部クラッド層 22 GaNコア層 23 Al_ｘ2Ga_１−ｘ2N上部第一クラッド層 24 グレーティング 25 Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N上部第二クラッド層 30，31 ＡＲコート 40 GaN基板 41 Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N下部クラッド層 42 GaNコア層 43 Al_ｘ2Ga_１−ｘ2N上部第一クラッド層 44 グレーティング 45 Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N上部第二クラッド層 46 Al_ｘ３Ga_１−ｘ３N光閉じ込め層 47 Al_ｘ４Ga_１−ｘ４N上部第三クラッド層 50，51 ＡＲコート 60、67、201、301 半導体レーザ素子 61、63、84 Ｃｕマウント 64、68 半導体レーザ素子のストライプ 65、203、303 レーザ光 65Ｒ 後方出射光 80 光波長変換素子 81 ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ_３基板 82 チャンネル光導波路 83 周期ドメイン反転構造 85 ペルチェ素子 86 第２高調波 87 ビームスプリッタ 88 光検出器 89 ＡＰＣ回路 90 Ｅｒドープ光ファイバ 91、92 光ファイバ（光カップラ） 101、103 光導波路素子 204、304 集光レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｂ Ｆターム(参考） 2H037 BA02 BA24 CA35 CA37 2H047 KA04 KA15 KB09 LA01 MA07 QA02 QA07 TA32 2K002 AB12 BA01 CA03 DA06 EB15 HA20 5F072 AB09 AK06 KK30 PP07 YY17 5F073 AA65 AA67 AB21 AB25 BA02 BA09 EA29 FA02 FA06 FA14 FA25 GA02 GA12

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に光導波路が形成されてなり、こ
   の光導波路の端面に半導体レーザ素子が直接結合される
   光導波路素子において、 GaN基板上に少なくともAl_ｘ１Ga_１−ｘ１N下部クラッド
   層（0.4≦ｘ1≦１）、GaNコア層、Al_ｘ2Ga_１−ｘ2N上部
   第一クラッド層（ｘ2≦ｘ1−0.1 または ｘ1＋0.1≦ｘ
   2）、Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N上部第二クラッド層がこの順に
   形成されてなり、 前記上部第一クラッド層に、横方向に光を閉じ込めるリ
   ッジ状ストライプからなる屈折率導波機構が形成され
   て、 基本横モード以外のモードを遮断するようになっている
   ことを特徴とする光導波路素子。
2. 【請求項２】 前記リッジ状の部分が、前記上部第二ク
   ラッド層の途中まで形成されていることを特徴とする請
   求項１記載の光導波路素子。
3. 【請求項３】 基板上に光導波路が形成されてなり、こ
   の光導波路の端面に半導体レーザ素子が直接結合される
   光導波路素子において、 GaN基板上に少なくともAl_ｘ１Ga_１−ｘ１N下部クラッド
   層（0.4≦ｘ1≦１）、GaNコア層、Al_ｘ2Ga_１−ｘ2N上部
   第一クラッド層（ｘ2≦ｘ1−0.1 または ｘ1＋0.1≦ｘ
   2）、Al_ｘ１Ga_１−ｘ１N上部第二クラッド層、Al_ｘ３Ga
   _１−ｘ３N光閉じ込め層（0.3≦ｘ3≦１）、該光閉じ込
   め層より高屈折率のAl_ｘ４Ga_１−ｘ４N上部第三クラッ
   ド層（ｘ4＜ｘ3）がこの順に形成されてなり、 前記光閉じ込め層にストライプ溝が設けられ、該溝にそ
   の上の上部第三クラッド層が埋め込まれることにより屈
   折率導波機構が形成されて、 基本横モード以外のモードを遮断するようになっている
   ことを特徴とする光導波路素子。
4. 【請求項４】 前記コアの幅が、前記半導体レーザ素子
   の発振幅と略等しいことを特徴とする請求項１から３い
   ずれか１項記載の光導波路素子。
5. 【請求項５】 前記光導波路の端面に反射防止コートが
   形成されていることを特徴とする請求項１から４いずれ
   か１項記載の光導波路素子。
6. 【請求項６】 前記光導波路における導波光の電界分布
   が、前記半導体レーザ素子の光導波路入射側端面におけ
   る光強度分布と略等しいことを特徴とする請求項１から
   ５いずれか１項記載の光導波路素子。
7. 【請求項７】 前記上部第二クラッド層に、前記GaNコ
   ア層の延びる方向に沿って周期的に繰り返す凹凸から構
   成されて、半導体レーザ素子の発振波長を選択するグレ
   ーティングが形成されていることを特徴とする請求項１
   から６いずれか１項記載の光導波路素子。
8. 【請求項８】 請求項７記載の光導波路素子と半導体レ
   ーザ素子とが直接結合されてなる半導体レーザ装置であ
   って、 前記半導体レーザ素子から発せられた後、前記グレーテ
   ィングで波長選択された光が該半導体レーザ素子にフィ
   ードバックされる構成を有することを特徴とする半導体
   レーザ装置。
9. 【請求項９】 光通信用の光源として用いられているこ
   とを特徴とする請求項８記載の半導体レーザ装置。
10. 【請求項１０】 希土類ドープ光ファイバ増幅器の励起
    用光源として用いられていることを特徴とする請求項８
    記載の半導体レーザ装置。
11. 【請求項１１】 固体レーザの励起用光源として用いら
    れていることを特徴とする請求項８記載の半導体レーザ
    装置。