JP2005191364A - 半導体レーザー - Google Patents

Abstract

【課題】 より導波路幅の広いＭＭＩ構造を全能動導波路領域長に対して十分に適用することができ、かつ、安定した高出力動作を得ることのできる半導体レーザーを提供する。
【解決手段】 能動導波路の一部に、互いのＮ（Ｎは２以上の整数）分岐側の端部が導波路部を介して接続された、１×２−ＭＭＩ導波路１１２および２×１−ＭＭＩ導波路１１５を有する。導波路部は、導波路幅方向に並べて配置された２つの１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂを有する。１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂ、１×２−ＭＭＩ導波路１１２および２×１−ＭＭＩ導波路１１５のそれぞれの導波路長は５００μｍ以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザー、特に動的多モード光干渉型半導体レーザーに関する。

光通信システムでは、送信光源や光増幅器に用いられる励起レーザー等として半導体レーザーが用いられている。近年のデータ通信量の増加にともない、半導体レーザーの高出力化が求められている。特に、光増幅器の励起レーザー等の高出力が要求される半導体レーザーにおいては、今後更に大出力化が求められる。その一方で、半導体レーザーに求められる低コスト化の要求も益々高まっている。

素子長を長くすることで半導体レーザーの高出力化を行うことが可能である。しかし、素子長の増大は、素子収量（生産量）の低下を招くため、コストが増大するという問題がある。加えて、半導体レーザーにおいては、一般に、
（１）電流注入に伴う、半導体レーザー自身の発熱による熱飽和現象
（２）高光出力化に伴う、空間的ホールバーニング現象（自身の発光する高密度の光出力が、自身の活性層（発光層）の利得を下げる現象）
（３）自身の発光する高密度の光出力が、自身の発光端面を破壊し、光出力が低下する現象（ＣＯＤ現象）
のずれかの現象によって光出力飽和が生じるために、高光出力化が非常に困難なものとなっていた。

そこで、素子長の増大を招くことなく、光出力飽和の要因、特に上記（１）および（２）の現象を改善することのできる高光出力の半導体レーザーとして、動的多モード光干渉型半導体レーザー（アクティブＭＭＩ型半導体レーザー）が本願の発明者らによって提案されている（特許文献１、２参照）。

このアクティブＭＭＩ型半導体レーザーは、シングルモード光を出力する半導体レーザーであって、活性層を含む能動導波路が、１×１−ＭＭＩ導波路と、その両端部に接続された１対のシングルモード導波路とからなる。１×１−ＭＭＩ導波路は、ＭＭＩ理論に基づき「１×１動作」が行われるように設計されたものである。以下に、ＭＭＩ理論を簡単に説明する。

ＭＭＩ理論は、１×ＮもしくはＮ×Ｎの分岐・合流受動光導波路を設計する理論として知られている（非特許文献１参照）。このＭＭＩ理論によって導かれるＭＭＩ長Ｌπは以下の式で与えられる。

ここで、ＬはＭＭＩ領域の長さ、Ｗ１はＭＭＩ領域の幅、Ｎｒは導波領域の屈折率、Ｎｃはクラッド領域の屈折率、λ0は入射光波長である。σは、ＴＥモードのとき「０」、軸モードのとき「１」である。

ＭＭＩ理論によると、

という条件を満たすとき、ＭＭＩ領域は１×Ｎ光導波路として動作する。また、

という条件を満たすとき、ＭＭＩ領域はＮ×Ｎ光導波路として動作する。この原理に基づき、両端部においてシングルモード光となるような１×１−ＭＭＩ導波路を設計することが可能である。

上記のように構成されたアクティブＭＭＩ型半導体レーザーにおいては、１×１−ＭＭＩもしくは１×Ｎ−ＭＭＩ導波路を用いることで、その分、能動導波路幅を広くとることができ、総活性層面積を拡大することができる。よって、素子長を長くすることなく光出力を増大させることができ、また、上記（１）および（２）の現象をある程度低減することができる。
特開平１１−６８２４１号公報 特開平１１−６８２４２号公報 「Lucas B. Soldano」著、「ジャーナル・オブ・ライトウェア・テクノロジー」、Ｖｏｌ．１３、Ｎｏ．４、第６１５〜６２７頁、１９９５年

上述したように半導体レーザーの最大光出力を増大させるためには、アクティブＭＭＩ構造を利用して総活性層面積を増やすことが望ましい。しかし、本願の発明者らによる最近の研究の結果から、電流注入による屈折率変化の影響、およびヒートシンクと素子との間の歪の影響により、ＭＭＩ領域長が５００μｍを超えると、光出力特性が不安定になり、突然光出力が飽和してしまうことがわかってきた。この問題について、以下に簡単に説明する。

（１）電流注入による屈折率変化の影響：
電流注入に伴って光導波路の屈折率が変化する。この屈折率変化によって多モード干渉現象が影響を受け、光の結像位置が本来の結像位置であるＭＭＩ導波路端からずれてしまう場合がある。この結果、ＭＭＩ導波路内で発振したレーザー光の一部が、シングルモード導波路に導波せずに放射されてしまうこととなり、ある電流値以上では、電流を流しても光出力が増加しない飽和現象が生じる。

（２）ヒートシンクと素子との間の歪の影響：
ヒートシンクは、半導体レーザーから発熱した熱を放熱するものであり、一般に、その線膨張係数は半導体レーザーと異なる。通常、半導体レーザーは、半田を介してヒートシンク上に固着される。この半田による固着では、室温から２００〜３００度程度（用いる半田材料の融点以上）に加熱して半田を溶かし、再び室温に戻す、といった過程を経る。この固着過程において、半導体レーザーおよびヒートシンクは共に、それぞれの固有の材料の熱膨張・収縮が生じ、固着後にはヒートシンクと半導体レーザー間に物理的歪が内在することになる。この物理的歪は、材料の屈折率を変化させるため、この場合も、上記（１）で説明したような屈折率変化による光出力の飽和現象が生じる場合がある。

ＭＭＩ領域長が長くなると、屈折率がずれた領域をより長く光が導波することになるため、結果として、上記（１）および（２）で説明した屈折率変化による光出力の飽和現象がより生じ易くなる。研究結果によれば、ＭＭＩ領域長が５００μｍを超えると、光出力の飽和現象が生じ易いことがわかった。したがって、安定動作のためにはＭＭＩ導波路領域長を５００μｍ以下に制限することが望ましい。しかし、ＭＭＩ導波路領域長を５００μｍ以下に制限すると、１０００μｍ〜３０００μｍの全能動導波路領域長に対して、十分にＭＭＩ構造の適用ができていない、という課題が残る。

本発明の目的は、上記課題を解決し、より導波路幅の広いＭＭＩ構造を全能動導波路領域長に対して十分に適用することができ、かつ、安定した高出力動作を得ることのできる半導体レーザーを提供することにある。

本発明の特徴は、能動導波路の一部が、互いの多分岐側の端部が導波路部を介して接続された一対の多モード干渉導波路、例えば一対の１×Ｎ−ＭＭＩ導波路からなることにある。この構成によれば、各１×Ｎ−ＭＭＩ導波路の導波路長を合計したものが、全体のＭＭＩ導波路長となる。したがって、導波路長が５００μｍ以下の１×Ｎ−ＭＭＩ導波路を用いて、ＭＭＩ導波路長が５００μｍを超える所望の長さのレーザー素子を実現することができるので、例えば、１０００μｍ〜３０００μｍの全能導波路領域長に対して、十分にＭＭＩ構造の適用が可能となる。また、１×Ｎ−ＭＭＩ導波路の導波路幅は、１×１−ＭＭＩ導波路よりも広いことから、１×１−ＭＭＩ導波路を用いて構成される同一素子長のものと比較して総活性層面積が増える。

上記の本発明の構成において、前記導波路部が、前記能動導波路の幅方向に複数の多モード干渉導波路を並列に配置してなる少なくとも１つの並列構造を有していてもよい。この構成によれば、並列構造部分の実質的な導波路幅は、並列に配置された複数の多モード干渉導波路の幅の合計とされるので、多モード干渉導波路を単独で配置する場合と比べて、より広い導波路幅を得られる。また、この場合の全ＭＭＩ導波路長は、一対の１×Ｎ−ＭＭＩ導波路の導波路長と並列構造部分の導波路長の合計とされる。したがって、この場合も、全能導波路領域長に対して、十分にＭＭＩ構造の適用が可能となる。

また、上記の本発明の構成において、前記導波路部が、少なくとも１つのＮ×Ｎ−多モード干渉導波路を有していてもよい。この構成によれば、導波路部の実質的な導波路幅は、Ｎ×Ｎ−多モード干渉導波路の導波路幅とされる。Ｎ×Ｎ−多モード干渉導波路の導波路幅は、１×Ｎ−ＭＭＩ導波路より広いため、その分、ＭＭＩ導波路幅が拡大し、総活性層面積が増える。

また、上記の本発明の構成において、前記一対の多モード干渉導波路の一方が１×Ｎ−多モード干渉導波路であり、他方が１×Ｍ（Ｎ＜Ｍ）−多モード干渉導波路であり、該１×Ｍ（Ｎ＜Ｍ）−多モード干渉導波路が前記能動導波路のレーザー光が出射される側に端部に配置されてもよい。この構成によれば、例えば、１×Ｎ−多モード干渉導波路および１×Ｍ−多モード干渉導波路を同一導波路長で構成する場合、１×Ｍ−多モード干渉導波路の幅は、１×Ｎ−多モード干渉導波路より広くなることから、能動導波路は、光出射端側のＭＭＩ導波領域の導波路幅が広くなる。この結果、空間的ホールバーニング現象をより抑制することが可能となる。

さらに、前記一対の多モード干渉導波路と接続される別の一対の多モード干渉導波路とを有し、前記一対の多モード干渉導波路が１×Ｎ−多モード干渉導波路から構成され、前記別の一対の多モード干渉導波路が１ｘＭ−多モード干渉導波路から構成されてもよい。この構成においても、上記と同様な作用を期待できる。

ここで、１×Ｎ−ＭＭＩ導波路の幅と長さの関係について説明する。通常、ＭＭＩ導波路の設計では、最初に導波路幅を決め、その導波路幅に対するＭＭＩ領域長を設定する。導波路幅を一定とすると、Ｎの数とＭＭＩ領域長とは逆比例の関係にある。したがって、ＭＭＩ領域長を一定した場合は、Ｎの数が大きいほど、ＭＭＩ導波路幅が広くなる。このことから、上記の１×Ｍ−多モード干渉導波路の幅が１×Ｎ−多モード干渉導波路より広くなる、という解釈が成り立つ。

以上説明した本発明によれば、より導波路幅の広いＭＭＩ構造を全能動導波路領域長に対して十分に適用することができ、しかも、各ＭＭＩ導波路の導波路長を５００μｍ以下とすることができるので、安定した高光出力動作を得ることができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの能動導波路部分を上面から見た模式図である。図１（ａ）を参照すると、能動導波路の一部に、並列に配置された２つの１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂを有する。１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂの一端は、それぞれシングルモード曲線導波路１１３ａ、１１３ｂを介して１×２−ＭＭＩ導波路１１２の一端（「２」側）に接続されている。１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂの他端は、それぞれシングルモード曲線導波路１１３ｃ、１１３ｄを介して２×１−ＭＭＩ導波路１１５の一端（「２」側）に接続されている。１×２−ＭＭＩ導波路１１２の他端（「１」側）には、シングルモード導波路１１１が接続され、２×１−ＭＭＩ導波路１１５の他端（「１」側）には、シングルモード導波路１１６が接続されている。これらシングルモード導波路１１１、１１６、シングルモード曲線導波路１１３ａ〜１１３ｄ、１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂ、１×２−ＭＭＩ導波路１１２および２×１−ＭＭＩ導波路１１５から能動導波路が構成されている。

シングルモード導波路１１６の、２×１−ＭＭＩ導波路１１５と接続される側とは反対の端面が、素子の前方側の端面（以下、単に前方端面と呼ぶ）であり、ここからレーザー光が出射される。この前方端面（劈開面）には反射防止膜が設けられている。他方、シングルモード導波路１１１の、１×２−ＭＭＩ導波路１１２と接続される側とは反対の端面が、素子の後方側の端面（以下、単に後方端面と呼ぶ）である。この後方端面には高反射膜が設けられている。反射防止膜が設けられた前方端面と高反射膜が設けられた後方端面とで、レーザー共振器の前後の反射鏡を構成している。

素子長Ｌ（能動導波路の全長）は１２００μｍ程度である。シングルモード導波路１１１、１１６はともに、幅Ｗ１が２μｍ程度、長さＬ１が５０μｍ程度とされている。１×２−ＭＭＩ導波路１１２および２×１−ＭＭＩ導波路１１５はともに、幅Ｗ２が１５μｍ程度、長さＬ２が２７０μｍ程度とされている。シングルモード曲線導波路１１３ａ〜１１３ｄはいずれも、幅が２μｍ（＝Ｗ１）程度、長さＬ３が１６５μｍ程度とされている。１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂはともに、幅Ｗ３が９μｍ程度、長さＬ４が２３０μｍ程度とされている。

図１（ｂ）に、図１（ａ）に示した能動導波路の一部を幅方向に切断した断面構造を模式的に示す。能動導波路を構成するシングルモード導波路１１１、１１６、シングルモード曲線導波路１１３ａ〜１１３ｄ、１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂ、１×２−ＭＭＩ導波路１１２および２×１−ＭＭＩ導波路１１５は、基本的には同じ断面構造であり、図１（ｂ）に示すような構造になっている。

図１（ｂ）を参照すると、n-InP半導体基板１０１上に、n-InPクラッド層１０３、活性層（発光層）１０４、p-InPクラッド層１０５を順次積層したものをメサ形状に形成した構造を有し、このメサ構造部の両側部には、p-InP電流ブロック層１３１、n-InP電流ブロック層１３２を順次積層した電流ブロック層が形成されている。活性層１０４は、半導体レーザーでよく知られた既存の構造のものであって、例えば図２に示すように、量子井戸を多層に積層したInGaAsP/InGaAsP-MQW（多重量子井戸）層１０９をその上下からInGaAsP-SCH（分離閉じ込めヘテロ構造）層１０８で挟んだ構造になっている。メサ構造部の上層と電流ブロック層の上層との面上には、p-InPクラッド層１０６、p-InGaAsコンタクト層１０７、電極１３５が順次積層されている。n-InP半導体基板１０１の裏面側には、電極１３６が形成されている。

上述のように構成された本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーでは、電極１３５、１３６の間に所定のバイアス電圧を印加することで、電流ブロック層により制限された、メサ構造の中央部の活性層１０４に電流が流れる。閾値電流未満では、自然放出と吸収が生じ、閾値電流以上になる（誘導放出が吸収を上回る）とレーザー発振可能な状態になる。

レーザー発振可能な状態になると、誘導放出により増幅された光は、ＭＭＩ理論により、各ＭＭＩ導波路内（１１２、１１４ａ、１１４ｂ、１１５）では、マルチモード光を含む複数のモード光が伝播するが、その両端に接続されたシングルモード導波路（１１１、１１３ａ〜１１３ｄ、１１６）では、シングルモード光として伝播する。

シングルモード光の伝播について、後方端面にて反射されたシングルモード光が、シングルモード導波路１１１、１×２−ＭＭＩ導波路１１２、シングルモード曲線導波路１１３ａ、１１３ｂ、１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂ、シングルモード曲線導波路１１３ｃ、１１３ｄ、２×１−ＭＭＩ導波路１１５、シングルモード導波路１１６を順次伝播して前方端面から出射されるまでの過程を以下に簡単に説明する。

シングルモード導波路１１１内を、１×２−ＭＭＩ導波路１１２とは反対の側の方向へ伝播するシングルモード光は後方端面にて反射される。この反射されたシングルモード光は、再びシングルモード導波路１１１内を伝播して１×２−ＭＭＩ導波路１１２に到達する。１×２−ＭＭＩ導波路１１２では、到達したシングルモード光はマルチモード光を含む複数のモード光に展開され、干渉しながら伝播するが、シングルモード曲線導波路１１３ａ、１１３ｂが接続されている端部（「２」側）に到達するときには再びシングルモード光に戻る。こうして１×２−ＭＭＩ導波路１１２では、シングルモード導波路１１１から伝播して来たシングルモード光は２つに分岐される。

分岐されたシングルモード光の一方は、シングルモード曲線導波路１１３ａ内を伝播して１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａに到達し、他方はシングルモード曲線導波路１１３ｂ内を伝播して１×１−ＭＭＩ導波路１１４ｂに到達する。１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａでは、到達したシングルモード光はマルチモード光を含む複数のモード光に展開され、干渉しながら伝播するが、シングルモード曲線導波路１１３ｃが接続されている端部に到達するときには再びシングルモード光に戻る。これと同様に、１×１−ＭＭＩ導波路１１４ｂでも、到達したシングルモード光はマルチモード光を含む複数のモード光に展開され、干渉しながら伝播するが、シングルモード曲線導波路１１３ｄが接続されている端部（「２」側）に到達するときには再びシングルモード光に戻る。こうして１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂを通過したシングルモード光はそれぞれシングルモード曲線導波路１１３ｃ、１１３ｄ内を伝播して２×１−ＭＭＩ導波路１１５に到達する。

２×１−ＭＭＩ導波路１１５では、シングルモード曲線導波路１１３ｃ、１１３から到達したシングルモード光はそれぞれマルチモード光を含む複数のモード光に展開され、干渉しながら伝播するが、シングルモード導波路１１６が接続されている端部に到達するときには再びシングルモード光に戻る。こうして２×１−ＭＭＩ導波路１１５では、シングルモード曲線導波路１１３ｃ、１１３から到達したシングルモード光が結合される。結合されたシングルモード光は、シングルモード導波路１１６を２×１−ＭＭＩ導波路１１５とは反対の側の方向へ伝播し、前方端面に形成された反射防止膜を透過して、レーザー光として出射される。

以上説明した本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーにおいては、能動導波路の中心部分では、２つの１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂが導波路幅方向に並列に配置された構造になっている。この並列構造部における実質的な導波路幅は１８μｍ（＝Ｗ３×２）程度であり、その導波路長は２３０μ程度である。これに対して、そのような並列構造を用いずに、図１（ｂ）に示した導波路構造で、導波路幅が１８μｍの１×１−ＭＭＩ導波路を構成した場合は、その導波路長はおよそ８００μｍとなる。

前述の課題でも説明したように、ＭＭＩ導波路長が５００μｍを超えると、電流注入による屈折率変化の影響やヒートシンクとレーザー素子との間の歪の影響により、光出力特性が不安定になって光出力が飽和してしまう。上記並列構造を持たない上記の１×１−ＭＭＩ導波路の場合は、ＭＭＩ導波路長が５００μｍを超えるために、光出力特性が不安定になって光出力が飽和しまい、安定した高出力動作を得ることができない。一方、上記並列構造の場合は、ＭＭＩ導波路長は２３０μ程度であるので、そのような問題は生じない。このように、並列構造を用いることで、これまでは作製することが困難とされていた、導波路長が５００μｍを超えない幅広のＭＭＩ導波路を実現することができ、その結果、安定した高出力動作を得られるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーを提供することができる。

図１（ａ）に示した構造によれば、能動導波路は、並列構造部（導波路幅＝１８μｍ、導波路長Ｌ３＝２３０μｍ）、１×２−ＭＭＩ導波路１１２（導波路幅Ｗ２＝１５μｍ、導波路長Ｌ２＝２７０μｍ）、２×１−ＭＭＩ導波路１１５（導波路幅Ｗ２＝１５μｍ、導波路長Ｌ２＝２７０μｍ）を含む。この能動導波路におけるＭＭＩ導波路長は、各ＭＭＩ導波路の合計７７０μｍとなる。よって、能動導波路は、導波路幅が１５〜１８μｍで、導波路長が７７０μｍのＭＭＩ導波路を含んでいることとなり、実質的に、導波路幅が１８μｍで、導波路長が８００μｍの１×１−ＭＭＩ導波路をカバーするものとなっている。また、並列構造部、１×２−ＭＭＩ導波路１１２および２×１−ＭＭＩ導波路１１５のいずれも導波路長が５００μｍ以下であるので、安定した高出力動作が実現される。

次に、本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの製造方法について説明する。図３の（ａ）〜（ｄ）は、図１に示したアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの一連の製造工程を示す断面工程図である。以下、この図３の（ａ）〜（ｄ）を参照して製造方法を説明する。

まず、図３（ａ）に示すように、n-InP半導体基板１０１上に、有機金属気相成長（ＭＯ−ＶＰＥ）法によってn-InPクラッド層１０３、活性層１０４、p-InPクラッド層１０５を順次形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、熱ＣＶＤ法を用いて、全面にSiO₂膜を堆積し、通常のフォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）とを用いて、その堆積したSiO₂膜を導波路形状にパターニングすることでマスク１３０を得る。このマスク１３０を用いて、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）法によりメサを形成する。

メサ形成後、図３（ｃ）に示すように、ＭＯ−ＶＰＥ法を用いて、メサの周辺にp-InP電流ブロック層１３１、n-InP電流ブロック層１３２を形成し、さらにバッファード沸酸を用いてメサ直上のマスク１３０を除去した後、全面にp-InPクラッド層１０６、p-InGaAsコンタクト層１０７を順次形成する。次いで、図３（ｄ）に示すように、電子ビーム蒸着法により上面に電極１３５を形成した後、n-InP半導体基板１０１裏面を研磨して電極１３６を形成する。

上述した図３（ａ）〜（ｄ）の作製手順に従って、ウェーハ上に複数のレーザー素子が形成される。各レーザー素子間の境界に沿って劈開することで、図１の（ａ）及び（ｂ）に示したような構造を有するレーザー素子を得る。この劈開により、レーザー素子の後方端面、前方端面がそれぞれ形成される。最後に、前方端面に反射防止膜を、後方端面に高反射膜をそれぞれ形成して、素子の製造を終了する。

なお、上述した製造手順は一例であって、本発明はこれに限定されるわけではなく、適宜変更可能である。例えば、結晶成長方法にＭＯ−ＶＰＥ法を用いたが、これに代えて分子線ビーム成長（ＭＢＥ）法を用いてもよい。また、メサ形成工程では、ＩＣＰ法を用いているが、これに代えてＲＩＥ法を用いてもよい。

以上説明した本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーにおいて、図１（ａ）に示した能動導波路全体を導波方向に繰り返す、あるいは、能動導波路の並列構造の部分（１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂ）を導波方向に繰り返すことで、素子長を長くすることができる。

また、１×１−ＭＭＩ導波路の並列に配置される数を増やすことで、ＭＭＩ導波路幅をさらに広げることができる。この場合、１×２−ＭＭＩ導波路および２×１−ＭＭＩ導波路も、並列に配置する１×１−ＭＭＩ導波路の数に応じて変更する必要がある。基本的には、１×２−ＭＭＩ導波路および２×１−ＭＭＩ導波路として、１×Ｎ（Ｎは２以上の整数）−ＭＭＩ導波路を用いる場合、並列に配置する１×１−ＭＭＩ導波路の数はＮとなる。

（実施形態２）
図４は、本発明の第２の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの概略構成を説明するための図で、（ａ）は能動導波路部分を上面からみた場合の模式図、（ｂ）は（ａ）に示す能動導波路の一部を幅方向に切断した場合の断面構造図である。

本実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの能動導波路部分は、図４（ａ）に示すように、一端（「１」側）にシングルモード導波路１１１が接続された１×２−ＭＭＩ導波路１１２と、一端（「１」側）にシングルモード導波路１１６が接続された２×１−ＭＭＩ導波路１１５とが、２本の中間シングルモード導波路１１７ａ、１１７ｂを介して接続された構造になっている。シングルモード導波路１１１の他端が後方端面、シングルモード導波路１１６の他端が前方端面である。前方端面には反射防止膜が設けられ、後方端面には高反射膜が設けられている。

素子長は６９０μｍ程度である。シングルモード導波路１１１、１１６および中間シングルモード導波路１１７のいずれも、長さが５０μｍ、幅が２μｍとされている。１×Ｎ−多モード干渉導波路１１２およびＮ×１−多モード干渉導波路１１５はともに、幅が１５μｍ程度、長さが２７０μｍ程度とされている。

能動導波路の断面構造は、図４（ｂ）に示すように、n-InP半導体基板１０１上に、n-InPクラッド層１０３、活性層（発光層）１０４、p-InPクラッド層１０５が順次積層された、メサ状の構造になっている。メサ部の周りには、p-InP電流ブロック層１３１、n-InP電流ブロック層１３２を順次積層した電流ブロック層が形成されており、その上層にはp-InPクラッド層１０６、p-InGaAsコンタクト層１０７、電極１３５の積層構造を有する。n-InP半導体基板１０１裏面には、電極１３６が形成されている。この断面構造は、基本的には図１（ｂ）に示したものと同じであり、素子は前述した第１の実施形態における製造方法と同じ手順で作製することができる。

本実施形態のアクティブＭＭＩ半導体レーザーにおいては、能動導波路は、１×２−ＭＭＩ導波路１１２（導波路幅１５μｍ、導波路長２７０μｍ）と２×１−ＭＭＩ導波路１１５（導波路幅１５μｍ、導波路長２７０μｍ）を含む。この能動導波路におけるＭＭＩ導波路長は、各ＭＭＩ導波路の合計５４０μｍとなる。よって、能動導波路は、実質的に、導波路幅が１５μｍで、導波路長が５４０μｍのＭＭＩ導波路を含んでいることとなる。また、１×２−ＭＭＩ導波路１１２および２×１−ＭＭＩ導波路１１５のいずれも導波路長が５００μｍ以下であるので、安定した高出力動作が実現される。

これに対して、図４（ｂ）に示した導波路構造で、導波路幅が１５μｍの１×１−ＭＭＩ導波路を構成した場合は、その導波路長はおよそ５４０μｍとなる。この１×１−ＭＭＩ導波路では、ＭＭＩ導波路長が５００μｍを超えるため、光出力特性が不安定になって光出力が飽和しまい、安定した高出力動作を得ることができない。

（実施形態３）
上述した第２の実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーにおいて、図４（ａ）に示した能動導波路を導波方向に繰り返して配置することで、素子長を長くすることができる。ここでは、そのような構造を有するアクティブＭＭＩ型半導体レーザーについて説明する。

図５は、本発明の第３の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの能動導波路部分を上面からみた場合の模式図である。この能動導波路は、それぞれが図４（ａ）に示した能動導波路構造を有する３つの導波路領域１〜３を導波方向に並べて接続したものである。導波路領域１のシングルモード導波路１１６と導波路領域２のシングルモード導波路１１１が接続され、導波路領域２のシングルモード導波路１１６と導波路領域３のシングルモード導波路１１１が接続されている。導波路領域１のシングルモード導波路１１１の、１×２−ＭＭＩ導波路１１２と接続される側とは反対の端面が後方端面であり、この後方端面には高反射膜が設けられている。導波路領域３のシングルモード導波路１１６の、２×１−ＭＭＩ導波路１１５と接続される側とは反対の端面が前方端面であり、この前方端面には高反射膜が設けられている。これら前方端面と後方端面で、レーザー共振器の前後の反射鏡を構成している。能動導波路の断面構造は、基本的には図１（ｂ）に示したものと同じであり、素子は前述した第１の実施形態における製造方法と同じ手順で作製することができる。

各導波路領域１〜３を構成する、シングルモード導波路１１１、１１６、中間シングルモード導波路１１７ａ、１１７ｂ、１×２−ＭＭＩ導波路１１２および２×１−ＭＭＩ導波路１１５は、導波路の長さおよび幅ともに図４（ａ）に示したものと同じである。素子長は、２０７０μｍ程度である。導波路領域１〜３のそれぞれが、実質的に、導波路幅が１５μｍで、導波路長が５４０μｍのＭＭＩ導波路を含んでいるので、素子全体では、ＭＭＩ導波路の長さは１６２０μｍ程度となる。

本実施形態においても、ＭＭＩ導波路は実質１５μｍの最大導波路幅を有し、かつ、各ＭＭＩ導波路長はいずれも５００μｍm以下とされるため、安定した高光出力動作が実現される。

なお、上述した本実施形態の構造では、導波路領域１〜３の間は、一方の導波路領域のシングルモード導波路１１１と他方の導波路領域のシングルモード導波路１１６とを接続するようになっているが、一方の導波路領域のシングルモード導波路１１１または他方の導波路領域のシングルモード導波路１１６のみで導波路領域間を接続するようにしてもよい。この場合は、一方の導波路領域の１×２−ＭＭＩ導波路１１２と他方の導波路領域の２×１−ＭＭＩ導波路１１５との間隔が、１００μｍから５０μｍに、狭まることになる。

（実施形態４）
前述の第１の実施形態において説明したように、図１（ａ）に示した能動導波路の並列構造の部分（１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂ）を導波方向に繰り返して配置することで、素子長を長くすることができる。そのような構造を有するアクティブＭＭＩ型半導体レーザーについて説明する。

図６は、本発明の第３の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの能動導波路部分を上面からみた場合の模式図である。この能動導波路は、図１（ａ）に示した能動導波路において、１×２−ＭＭＩ導波路１１２と２×１−ＭＭＩ導波路１１５の間に、導波路幅方向に並列に配置された２つの１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂからなる並列構造を、導波方向に６個並べたものである。各１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａの間は中間シングルモード導波路１１７ａを介して接続され、各１×１−ＭＭＩ導波路１１４ｂの間は中間シングルモード導波路１１７ｂを介して接続されている。能動導波路の断面構造は、基本的には図１（ｂ）に示したものと同じであり、素子は前述した第１の実施形態における製造方法と同じ手順で作製することができる。

シングルモード導波路１１１、１１６、中間シングルモード導波路１１７ａ、１１７ｂ、シングルモード曲線導波路１１３ａ〜１１３ｄ、１×１−ＭＭＩ導波路１１４ａ、１１４ｂ、１×２−ＭＭＩ導波路１１２および２×１−ＭＭＩ導波路１１５は、導波路の長さおよび幅ともに図１（ａ）および図４（ａ）に示したものと同じである。素子長は、２６００μｍ程度である。各並列構造の部分の実質的な導波路幅は１８μｍ程度であり、その導波路長はそれぞれ２３０μｍである。各並列構造の合計の長さは、１３８０μｍ程度である。素子全体におけるＭＭＩ導波路の長さは、１９２０μｍ程度となる。

本実施形態においても、ＭＭＩ導波路は実質１８μｍの最大導波路幅を有し、かつ、各ＭＭＩ導波路長はいずれも５００μｍm以下とされるため、安定した高光出力動作が実現される。

以上説明した各実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーは、一例であって、その構造は、安定した高出力動作を得るという本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更である。例えば、各実施形態で説明した能動導波路は、全て、素子の両端がシングルモード導波路になっているが、一方の端部のみがシングルモード導波路を持つような構造とすることも可能である。この場合は、素子の他方の端部において、ＭＭＩ導波路の端面がレーザー素子の一方の端面となり、この端面に高反射膜が形成される。

本発明のアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの基本構造は、
（１）互いの多分岐側の端部が導波路部を介して接続された一対の多モード干渉導波路を少なくとも１つ有する構造：
（２）上記（１）の構造において、導波路部が、能動導波路の幅方向または導波方向に複数の多モード干渉導波路を並べて配置する構造：
の２つであり、これら基本構造を適宜変更または組み合せることで目的のＭＭＩ導波路の幅および長さを有するＭＭＩ導波領域を構成する。

変形例として、前述した各実施形態の構造の他に、導波路部が、Ｎ×Ｎ−ＭＭＩ導波路を導波方向に複数配置するものや、Ｎ×Ｎ−ＭＭＩ導波路を導波路幅方向に複数配置するものなどを有する構造が考えられる。

上記の他、一対の多モード干渉導波路の一方を１×Ｎ−多モード干渉導波路とし、他方を１×Ｍ（Ｎ＜Ｍ）−多モード干渉導波路とする構造も考えられる。この場合、１×Ｎ−多モード干渉導波路と１×Ｍ−多モード干渉導波路とを接続する導波路部は、Ｎ×Ｍ−多モード干渉導波路より構成することとなる。このような構造において、１×Ｍ−多モード干渉導波路は、能動導波路の前方端面側に配置することが望ましい。これにより、能動導波路の前方端面側のＭＭＩ領域幅が後方端面側に比べて広くなり、空間的ホールバーニング現象をより抑制することが可能となる。

また、一対の多モード干渉導波路と接続される別の一対の多モード干渉導波路とを有し、一方の一対の多モード干渉導波路が１×Ｎ−多モード干渉導波路から構成され、他方の一対の多モード干渉導波路が１ｘＭ−多モード干渉導波路から構成されてもよい。この構成の場合、例えば［１×Ｎ−ＭＭＩ＋Ｎ×１−ＭＭＩ］＋［１×Ｍ−ＭＭＩ＋Ｍ×１−ＭＭＩ］といったパターンが形成される。このパターンを導波方向に複数並べることも可能である。

上記変形例のいずれの場合も、各ＭＭＩ導波路の長さは５００μｍ以下とする。また、各変形例のいずれの場合も、ＭＭＩ導波領域を導波方向に複数配置して所望の素子長を得ることができる。

本発明の第１の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの概略構成を説明するための図で、（ａ）は能動導波路部分を上面からみた場合の模式図、（ｂ）は（ａ）に示す能動導波路の一部を幅方向における断面図である。 図１（ｂ）に示す活性層の断面構造の一例を示す模式図である。 図１に示すアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの一連の製造工程を説明するための図で、（ａ）はMO-VPE工程後の断面図、（ｂ）はメサ作製後の断面図、（ｃ）はMO-VPE再結晶成長工程後の断面図、（ｄ）は電極形成後の断面図である。 本発明の第２の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの概略構成を説明するための図で、（ａ）は能動導波路部分を上面からみた場合の模式図、（ｂ）は（ａ）に示す能動導波路の幅方向における断面図である。 本発明の第３の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの能動導波路部分を上面からみた場合の模式図である。 本発明の第４の実施形態であるアクティブＭＭＩ型半導体レーザーの能動導波路部分を上面からみた場合の模式図である。

符号の説明

１〜３ 導波路領域
１０１ n-InP半導体基板
１０３ n-InPクラッド層
１０４ 活性層
１０５ p-InPクラッド層
１０６ p-InPクラッド層
１０７ p-InGaAsコンタクト層
１０８ InGaAsP-SCH層
１０９ InGaAsP/InGaAsP-MQW層
１１１、１１６ シングルモード導波路
１１２ １×２−多モード干渉導波路
１１３ａ〜１１３ｄ シングルモード曲線導波路
１１４ １×１−多モード干渉導波路
１１５ ２×１−多モード干渉導波路
１１７ａ、１１７ｂ 中間シングルモード導波路
１３１ p-InP電流ブロック層
１３２ n-InP電流ブロック層
１３５、１３６ 電極

Claims (17)

1. 能動導波路の一部が、互いの多分岐側の端部が導波路部を介して接続された一対の多モード干渉導波路よりなる半導体レーザー。
2. 前記一対の多モード干渉導波路がそれぞれ１×Ｎ−多モード干渉導波路よりなる、請求項１に記載の半導体レーザー。
3. 前記１×Ｎ−多モード干渉導波路の導波路長が５００μｍ以下である、請求項２に記載の半導体レーザー。
4. 前記導波路部は、前記能動導波路の幅方向に複数の多モード干渉導波路を並列に配置してなる少なくとも１つの並列構造を有する、請求項２に記載の半導体レーザー。
5. 前記並列構造が、前記能動導波路の導波方向に複数配置されている、請求項４に記載の半導体レーザー。
6. 前記複数の多モード干渉導波路が、それぞれ１×１−多モード干渉導波路よりなる、請求項４または５に記載の半導体レーザー。
7. 前記１×１−多モード干渉導波路の導波路長が５００μｍ以下である、請求項６に記載の半導体レーザー。
8. 前記導波路部は、少なくとも１つのＮ×Ｎ−多モード干渉導波路を有する、請求項２に記載の半導体レーザー。
9. 前記Ｎ×Ｎ−多モード干渉導波路が、前記能動導波路の導波方向に複数配置されている、請求項８に記載の半導体レーザー。
10. 前記Ｎ×Ｎ−多モード干渉導波路の導波路長が５００μｍ以下である、請求項８または９に記載の半導体レーザー。
11. 前記一対の多モード干渉導波路の一方が１×Ｎ−多モード干渉導波路であり、他方が１×Ｍ（Ｎ＜Ｍ）−多モード干渉導波路であり、該１×Ｍ−多モード干渉導波路が前記能動導波路のレーザー光が出射される側に端部に配置されている、請求項１に記載の半導体レーザー。
12. 前記導波路部は、Ｎ×Ｍ−多モード干渉導波路を有する、請求項１１に記載の半導体レーザー。
13. 前記１×Ｎ−多モード干渉導波路、１×Ｍ−多モード干渉導波路およびＮ×Ｍ−多モード干渉導波路のそれぞれの導波路長が５００μｍ以下である、請求項１２に記載の半導体レーザー。
14. 前記一対の多モード干渉導波路が、前記能動導波路の導波方向に複数配置されている、請求項１から１３のいずれか１項に記載の半導体レーザー。
15. 前記一対の多モード干渉導波路と接続される別の一対の多モード干渉導波路を有し、前記一対の多モード干渉導波路が１×Ｎ−多モード干渉導波路から構成され、前記別の一対の多モード干渉導波路が１ｘＭ−多モード干渉導波路から構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ー。
16. 前記１×Ｎ−多モード干渉導波路および１×Ｍ−多モード干渉導波路のそれぞれの導波路長が５００μｍ以下である、請求項１５に記載の半導体レーザー。
17. 前記一対の多モード干渉導波路および別の一対の多モード干渉導波路が、前記能動導波路の導波方向に複数配置されている、請求項１５または１６に記載の半導体レーザー。

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