JP2007234868A - モード同期半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小さな利得電流でモード同期を実現し、かつ、発光パルスの時間軸での幅が狭い高速光パルスを発生させる。
【解決手段】利得領域２４と、可飽和吸収領域２６とを含む活性層２０を備えている。利得領域は、各井戸層の量子エネルギー準位が複数存在する異準位多重量子井戸構造によって構成されている。また、可飽和吸収領域は、各井戸層の量子エネルギー準位が等しい均一多重量子井戸構造によって構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、モード同期半導体レーザ及びその製造方法に関するものである。

光パルスを発生するレーザ装置の１つに、受動モード同期半導体レーザがある。

図１０を参照して、従来の受動モード同期半導体レーザについて説明する。図１０は、従来の受動モード同期半導体レーザを概略的に示す断面図である。受動モード同期半導体レーザ１１０は、下クラッド層１１２、活性層１２０及び上クラッド層１１４を順に積層した積層構造を有している。ファブリペロー型の受動モード同期半導体レーザ１１０では、活性層１２０の長手方向の両端に劈開で形成された端面（劈開面ともいう。）１１６ａ及び１１６ｂの間で共振器が構成される。

下クラッド層１１２の下面１１２ａに、受動モード同期半導体レーザ１１０の長手方向に連続して共用電極１３２が設けられている。上クラッド層１１４の上面１１４ａに、受動モード同期半導体レーザ１１０の長手方向に分離されて、利得領域用電極１３４及び可飽和吸収用電極１３６が設けられている。活性層１２０の、利得領域用電極１３４に対応する領域、すなわち、利得領域用電極１３４と共用電極１３２の間の領域は、利得領域１２４として機能する領域である。また、活性層１２０の、可飽和吸収領域用電極１３６に対応する領域、すなわち、可飽和吸収領域用電極１３６と共用電極１３２の間の領域は、可飽和吸収領域１２６として機能する領域である。

利得領域用電極１３４には、直流電源１４４が接続されていて、直流電源１４４により、利得領域１２４に順方向電圧が印加される。利得領域１２４では、順方向電圧の印加により、複数のモードを含む誘導放出光である多モード誘導放出光が発生する。利得領域１２４で発生した多モード誘導放出光は、活性層１２０の両劈開面１１６ａ及び１１６ｂの間に構成された共振器により増幅される。

可飽和吸収領域用電極１３６には、直流電源１４６が接続されていて、直流電源１４６により、可飽和吸収領域１２６に逆方向電圧が印加される。可飽和吸収領域１２６では、逆方向電圧の印加により、活性層１２０で増幅される多モード誘導放出光の一部が吸収される。この可飽和吸収領域１２６での吸収飽和作用により、多モード誘導放出光の位相の一致が図られる。この結果、光パルスの時間軸での幅が短い高速光パルスが得られる。

上述した従来の受動モード同期半導体レーザでは、活性層１２０は、下クラッド層１１２上に一様に成長した多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ−Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造として形成されている（例えば、非特許文献１参照）。

図１１は、活性層をＭＱＷ構造としたときの、活性層のエネルギーバンドを示す図であって、横方向に高さ方向の位置を取って示し、縦方向にエネルギーを取って示している。活性層をＭＱＷ構造とした場合は、井戸層１５６及びバリア層１５７が交互に存在するため、井戸層１５６の厚さＴ_ＭＱＷが薄くなり、その結果、エネルギー分布は離散的になり幅が狭くなる。
小川 洋、荒平 慎、加藤幸雄、国松大介著「超高速モード同期半導体レーザ」電子情報通信学会論文誌Ｖｏｌ．Ｊ８４−Ｃ、Ｎｏ．１、ｐｐ．１−１０、２００１年１月

モード同期半導体レーザでは、エネルギー分布を示す光スペクトル波形と、時間分布を示す光パルス波形とが、互いにフーリエ変換の関係にある。

従来のＭＱＷ構造で形成された活性層を備える受動モード同期半導体レーザは、光スペクトルのエネルギー分布の幅が狭いため、短パルス化に不利である。例えば、上述の非特許文献１では、繰り返し周波数が２０ＧＨｚ、パルスの時間幅が１．８ｐｓ、スペクトル幅が１．６ｎｍ（中心波長が１５５１．５ｎｍ）、及び、時間帯域幅積が０．３６の受動モード同期半導体レーザが紹介されている。この受動モード同期半導体レーザのパルス波形はＳｅｃｈ^２型によく一致する。このパルス波形について、光強度の最大と最小の比である消光比を求めると、２０７ｄＢが得られる。一般に光通信の光源として、３０ｄＢ以上の消光比を有する光源が求められている。従って、この受動モード同期半導体レーザは、光通信に用いられる光源としては充分である。

しかしながら、この受動モード同期半導体レーザを１６０Ｇｂｉｔ／ｓの光時分割多重（ＯＴＤＭ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）システムの光源として用いる場合、８多重することになる。このときの消光比は、２０．６ｄＢとなり、この受動モード同期半導体レーザは、光通信に用いられる光源に求められる３０ｄＢ以上の消光比を有していない。８多重の場合、パルス幅は１．３ｐｓ以下が求められる。

上述の問題を解決するために、この出願に係る発明者が鋭意研究を行ったところ、利得領域に、各井戸層の量子エネルギー準位が複数存在する異準位多重量子井戸構造を用いることで、エネルギー分布の幅を広げること、すなわち、パルス幅を縮小できることを見出した。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、従って、この発明の目的は、小さな利得電流でモード同期を実現し、かつ、発光パルスの時間軸での幅が狭い高速光パルスを発生するモード同期半導体レーザ及びその製造方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、第１の発明の、モード同期半導体レーザは、利得領域と、可飽和吸収領域とを含む活性層を備えている。

利得領域は、各井戸層の量子エネルギー準位が異なる異準位多重量子井戸構造によって構成されている。また、可飽和吸収領域は、各井戸層の量子エネルギー準位が等しい均一多重量子井戸構造によって構成されている。ここで各井戸層の量子エネルギー準位が異なるとは、異準位多重量子井戸構造の全ての井戸層が互いに異なる量子エネルギー準位をとる場合に限られない。異準位多重量子井戸構造の井戸層のうち、複数の井戸層が等しい量子エネルギー準位をとる構成にしても良い。

上述したモード同期半導体レーザの実施にあたり、活性層が、さらに、受動導波路領域を含むのが好ましい。

また、上述したモード同期半導体レーザの実施にあたり、さらに好ましくは、受動導波路領域にブラッグ格子が設けられ、活性層の１つの端面と、受動導波路領域に挟まれる、活性層内の領域に、利得領域及び可飽和吸収領域が配置されている構成とするのが良い。

上述した目的を達成するために、第２の発明の、モード同期半導体レーザは、利得領域と、変調領域とを含む活性層を備えている。利得領域は、各井戸層の量子エネルギー準位が異なる異準位多重量子井戸構造によって構成されている。また、変調領域は、各井戸層の量子エネルギー準位が等しい均一多重量子井戸構造によって構成されている。

上述したモード同期半導体レーザの実施にあたり、活性層が、さらに、受動導波路領域を含むが好ましい。

また、上述したモード同期半導体レーザの実施にあたり、さらに好ましくは、受動導波路領域にブラッグ格子が設けられ、活性層の１つの端面と、受動導波路領域に挟まれる、活性層内の領域に、利得領域及び変調領域が配置されている構成とするのが良い。

上述した、第１及び第２の発明のモード同期半導体レーザによれば、好ましくは、利得領域が、複数含まれているのが良い。

異準位多重量子井戸構造では、異準位多重量子井戸構造を構成する各井戸層の層厚又は組成比が、複数種類の値をとっているか、あるいは異準位多重量子井戸構造を構成する各井戸層の層厚及び組成比が、それぞれ複数種類の値をとっている。

また、この発明のモード同期半導体レーザの製造方法は、以下の工程を備えている。

先ず、下クラッド層上に、各井戸層の量子エネルギー準位が異なる異準位多重量子井戸構造の第１多重量子井戸活性層を成長させる。次に、第１多重量子井戸活性層上に部分的に第１選択マスクを形成する。次に、第１選択マスクを用いたエッチングにより、第１多重量子井戸活性層の部分を除去する。次に、第１多重量子井戸活性層が除去されて露出した下クラッド層上に、各井戸層の量子エネルギー準位が等しい均一多重量子井戸構造の第２多重量子井戸活性層を成長させる。

さらに、好ましくは、上述したモード同期半導体レーザの製造方法の実施に当たり、以下の工程を備える構成とするのが良い。

第２多重量子井戸活性層上に、部分的に第２選択マスクを形成する。次に、第１選択マスク及び第２選択マスクを用いたエッチングにより、第２多重量子井戸活性層を除去する。次に、第２多重量子井戸活性層が除去されて露出した下クラッド層上に、バルク半導体結晶を成長させる。

また、上述のモード同期半導体レーザの製造にあたり、第２多重量子井戸活性層が除去されて露出した下クラッド層上に、バルク半導体結晶に換えて、均一多重量子井戸構造の第３多重量子井戸活性層を成長させても良い。

第１の発明のモード同期半導体レーザによれば、活性層の利得領域を高速光パルスの生成に有利な異準位多重量子井戸構造にし、及び、活性層の可飽和吸収領域を吸収飽和が起こりやすい均一多重量子井戸構造にしているので、時間軸上でのパルス幅が狭い高速光パルスを発生するとともに、小さな利得電流を実現できる。

第２の発明のモード同期半導体レーザによれば、活性層の利得領域を高速光パルスの生成に有利な異準位多重量子井戸構造にし、及び、活性層の変調領域を吸収飽和が起こりやすい均一多重量子井戸構造にしているので、時間軸上でのパルス幅が狭い高速光パルスを発生するとともに、小さな利得電流を実現できる。

また、活性層に受動導波路領域を設けることで、繰り返し周波数を低くするなどの周波数の調整を行うことができる。さらに、受動導波路領域にブラッグ格子を形成すると、ブラッグ格子の周期に応じて定まる波長の光について、共振させることが可能となり、すなわち、モード同期半導体レーザの発振波長の制御が可能になる。

さらに、活性層に利得領域を複数備えると、各利得領域でそれぞれ発生した光パルスが共振器内を伝播することになるので、繰り返し周波数を利得領域の個数に応じて逓倍の周波数にすることができる。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の、形状、大きさ及び配置関係についてはこの発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の組成（材質）および数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されない。

（第１実施形態のモード同期半導体レーザの構成）
図１を参照して、第１実施形態のモード同期半導体レーザにつき説明する。図１は、第１実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図で、モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示している。

モード同期半導体レーザ（以下、単に半導体レーザと称することもある。）１０は、下クラッド層１２、活性層２０及び上クラッド層１４を順に積層した積層構造を有している。ファブリペロー型のモード同期半導体レーザ１０では、その長手方向の両端に劈開で形成された端面（劈開面とも称する。）１６ａ及び１６ｂの間の活性層２０に共振器が構成される。

ここで、活性層２０の屈折率は、下クラッド層１２及び上クラッド層１４の屈折率よりも大きく設定されている。このため、活性層２０から下クラッド層１２及び上クラッド層１４への光の漏洩が防止される。

下クラッド層１２は、例えば、ｎ型のＩｎＰで形成され、また、上クラッド層１４は、例えば、ｐ型のＩｎＰで形成される。

活性層２０は、長手方向に沿って直列に配置された、利得領域２４と可飽和吸収領域２６の領域を含む。利得領域２４は、誘導放出光を生成するための領域であり、及び、可飽和吸収領域２６は、利得領域２４で生成された誘導放出光を部分的に吸収するための領域である。

利得領域２４は、例えば、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ_ＹＰ_１−Ｙ（ただし、Ｘ、Ｙは、それぞれ０≦Ｘ≦１、０≦Ｙ≦１を満たす。）の、一層あたりの膜厚が１０ｎｍ以下のＩｎＧａＡｓＰを積層した多重量子井戸（ＭＱＷ）構造として形成されている。なお、以下の説明においては、Ｉｎ_ＸＧａ_１−ＸＡｓ_ＹＰ_１−ＹをＩｎＧａＡｓＰと表し、ＩｎＧａＡｓＰの組成比の選択は、Ｘ及びＹの値を適宜選択することで行われるものとする。

ここで、利得領域のＭＱＷ構造は、各井戸層の量子エネルギー準位が異なる異準位ＭＱＷ構造として形成されている。異準位ＭＱＷ構造では、各井戸層の層厚及び組成比のいずれか一方又は双方が複数種類の値をとっている。各井戸層の組成比又は層厚が異なる値をとると、各井戸層の量子エネルギー準位も変わる。異準位ＭＱＷ構造では、全ての井戸層の量子エネルギー準位が互いに異なっていなくても良い。すなわち、複数の井戸層が、等しいエネルギー準位を有する場合もある。

図２（Ａ）及び（Ｂ）を参照して、異準位ＭＱＷ構造について説明する。図２（Ａ）及び（Ｂ）は、異準位ＭＱＷ構造のエネルギーバンドを示す模式図であって、横方向に各井戸層の厚み方向の位置を取って示し、縦方向にエネルギーを取って示している。ここでは、図２（Ａ）及び（Ｂ）では、井戸層の層数を９とし、複数の量子エネルギー準位として、３つの量子エネルギー準位が存在する例を示している。

図２（Ａ）は、各井戸層５６ａの層厚は一定値のＴ_ＭＱＷであり、３つの異なるエネルギーギャップ（Ｅｇ１、Ｅｇ２及びＥｇ３）を示している。エネルギーギャップは、各井戸層５６ａの組成比に応じて変化する。エネルギーギャップが変わると量子エネルギー準位すなわち発光波長が変化する。ここで、バリア層５７ａの層厚は一定としている。

図２（Ｂ）は、各井戸層５６ｂのエネルギーギャップは一定値のＥｇであり、３つの異なる層厚（Ｔ_ＭＱＷ１、Ｔ_ＭＱＷ２及びＴ_ＭＱＷ３）を示している。量子エネルギー準位すなわち発光波長は、井戸層５６ｂの層厚に依存して変化する。なお、バリア層５７ｂの層厚は一定としている。

一般に、エネルギーギャップを小さくする、あるいは、井戸層の層厚を厚くすると、発光波長帯域が長波長側にシフトする。逆に、エネルギーギャップを大きくする、あるいは、井戸層の層厚を薄くすると、発光波長帯域が短波長側にシフトする。

図３は、波長に対する利得分布を模式的に示す図である。図３では、横軸に波長を取って示し、縦軸に利得を取って示している。従って、エネルギーギャップすなわち組成比、及び、井戸層厚のいずれか一方又は双方が異なる３種類の井戸層を形成すれば、異なる３種類の波長帯域（図中、曲線Ｉ、ＩＩ及びＩＩＩで示す。）の発光が得られる。

図２（Ａ）を参照して説明した、異準位ＭＱＷ構造が井戸層ごとに複数の組成比を備えている場合、エネルギーギャップがＥｇ１のときに、曲線Ｉの分布が得られる。エネルギーギャップをＥｇ１から小さくしてＥｇ２にすると、発光波長帯域は長波長側にシフトし、曲線ＩＩの分布になる。また、エネルギーギャップをＥｇ１から大きくしてＥｇ３にすると、発光波長帯域は短波長側にシフトし、曲線ＩＩＩの分布になる。異準位ＭＱＷ構造の波長帯域は、これらの合成であるので、拡大された波長帯域（図中、曲線ＩＶで示す。）が得られる。例えば、スペクトル幅１．６ｎｍのＭＱＷ構造を中心波長が１ｎｍずつ異なるように３種類形成することが可能であれば、３．６ｎｍのスペクトル幅が得られることになる。

ここでは、異準位ＭＱＷ構造の井戸層が複数の組成比を備えている例について説明したが、井戸層が複数の層厚を備えている場合でも同様である。

可飽和吸収領域２６は、一層あたりの膜厚が１０ｎｍ以下のＩｎＧａＡｓＰを積層したＭＱＷ構造として形成されている。可飽和吸収領域２６のＭＱＷ構造は、各井戸層の量子エネルギー準位が等しい、均一ＭＱＷ構造として形成されている。均一ＭＱＷ構造は、各井戸層の組成比及び膜厚を、互いに等しく形成することで得られる。

ここで、可飽和吸収領域２６におけるＩｎＧａＡｓＰの組成比は、利得領域２４における最もエネルギーギャップが小さい井戸層と同じエネルギーギャップになるように選択されている。なお、可飽和吸収領域２６における、吸収スペクトルのレッドシフトを考慮して、可飽和吸収領域２６のバンドギャップ波長が利得領域２４のバンドギャップ波長よりもわずかに、例えば、０．０１〜０．０９μｍ程度短波長側のバンドギャップとなるように、エネルギーギャップが最小の井戸層よりも０．０１〜０．０３ｅＶ程度大きなエネルギーギャップを選択しても良い。また、利得領域２４における誘導放出光の光子エネルギーを全て吸収できるように、可飽和吸収領域２６のバンドギャップを、利得領域２４のＭＱＷにおけるエネルギーギャップが最小の井戸層よりも０．０１〜０．０３ｅＶ程度小さなエネルギーギャップを選択しても良い。

下クラッド層１２の下面１２ａに、半導体レーザ１０の長手方向に連続して共用電極３２が設けられている。この共用電極３２は、基準電位、例えば接地電位に接続される。上クラッド層１４の上面１４ａに、半導体レーザ１０の長手方向に分離されて、利得領域用電極３４及び可飽和吸収領域用電極３６が設けられている。利得領域用電極３４は、利得領域２４に対応する、直上の上面領域に設けられている。また、可飽和吸収領域用電極３６は、可飽和吸収領域２６に対応する、直上の上面領域に設けられている。

利得領域用電極３４には、直流電源４４が接続されていて、直流電源４４により、利得領域２４に順方向電圧が印加される。利得領域２４では、順方向電圧の印加により、複数のモードを含む誘導放出光である多モード誘導放出光が発生する。利得領域２４で発生した多モード誘導放出光は、活性層２０に構成される共振器により増幅される。

可飽和吸収領域用電極３６には、直流電源４６が接続されていて、直流電源４６により、可飽和吸収領域２６に逆方向電圧が印加される。可飽和吸収領域２６では、逆方向電圧の印加により、この多モード誘導放出光の一部が吸収される。この可飽和吸収領域２６での吸収飽和作用により、多モード誘導放出光の位相の一致が図られる。この結果、光パルスの時間軸での幅が短い高速光パルスが得られる。

（第１実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法）
図４を参照して、第１実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法について説明する。図４は、第１実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法を説明するための工程図である。図４（Ａ）〜（Ｄ）は、主要製造段階で得られた構造体を、図１と同様に、モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示している。

先ず、下クラッド層１２上に、異準位ＭＱＷ構造の第１ＭＱＷ活性層６０を一様に成長させる。このとき、第１ＭＱＷ活性層６０が利得領域２４として機能するように各井戸層のエネルギーギャップが制御される。第１ＭＱＷ活性層６０の成長は、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、又は、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ：Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法など任意好適な周知の方法で行えば良い（図４（Ａ））。

次に、第１ＭＱＷ活性層６０上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜、又はシリコン酸窒化膜などの絶縁膜を、任意公的な周知の方法、例えば、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法で形成する。その後、フォトリソグラフィ及びエッチングにより絶縁膜を加工して、第１ＭＱＷ活性層６０上に、部分的に第１選択マスク７０を形成する。第１選択マスク７０は、利得領域２４に対応する第１領域７４の第１ＭＱＷ活性層６０の部分を覆い、かつ、可飽和吸収領域２６に対応する第２領域７６の第１ＭＱＷ活性層６０の部分を露出させる（図４（Ｂ））。

次に、第１選択マスク７０を用いたウェットエッチングにより、第２領域７６の第１ＭＱＷ活性層６０の部分を除去して下クラッド層１２を露出させる。このウェットエッチングは、エッチャントとして、例えば、硫酸、過酸化水素水及び水を硫酸：過酸化水素水：水＝３：１：１の重量比で混合させた過水硫酸を用いて行われる。ウェットエッチングによって、残存した第１領域７４の第１ＭＱＷ活性層６０の部分が、利得領域２４になる。なお、ウェットエッチングに代えて、ドライエッチング、例えば、塩素とアルゴンの混合ガスをエッチングガスとして用いた反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を行っても良い（図４（Ｃ））。

次に、ウェットエッチングの際に用いた第１選択マスク７０をそのまま用いて、第２領域７６の下クラッド層１２上に、均一ＭＱＷ構造の第２ＭＱＷ活性層６２を成長させる。第２ＭＱＷ活性層６２が可飽和吸収領域２６として機能するように各井戸層のエネルギーギャップ及び層厚が制御される。第２ＭＱＷ活性層６２の成長は、ＭＯＶＰＥ法、又はＭＢＥ法など任意好適な周知の方法で行えば良い（図４（Ｄ））。

なお、光パルスの時間幅は、非特許文献１に記載されているように、可飽和吸収領域２６の長手方向の長さに依存するので、可飽和吸収領域２６の長さが長くなると、光パルスの時間幅が広がってしまう。また、可飽和吸収領域２６の長さが短くなると、飽和吸収作用が低下するので、モード同期が適切に行われずやはり光パルスの時間幅が広がってしまう。従って、可飽和吸収領域２６の長さは高精度に制御される必要がある。ここで、第１選択マスク７０は、フォトリソグラフィ法を利用して形成されるため、可飽和吸収領域２６を極めて高精度の寸法で形成することができる。

次に、第１選択マスク７０を除去した後、異準位ＭＱＷ構造で形成された利得領域２４及び均一ＭＱＷ構造で形成された可飽和吸収領域２６上に、上クラッド層１４を成長させる。上クラッド層１４の上面１４ａ上に利得領域用電極３４及び可飽和吸収領域用電極３６を形成し、及び、下クラッド層１２の下面１２ａ上に共用電極３２を形成することによって、図１を参照して説明した第１実施形態のモード同期半導体レーザが形成される。なお、上クラッド層１４、利得領域用電極３４、可飽和吸収領域用電極３６及び共用電極３２の形成は、従来周知の方法で行えば良く、ここでは説明を省略する。

（第１実施形態のモード同期半導体レーザの動作）
図１を参照して第１実施形態のモード同期半導体レーザの動作について説明する。利得領域用電極３４と共用電極３２の間に、上クラッド層１４から下クラッド層１２の方向、すなわち順方向の直流電圧を印加する。また、可飽和吸収領域用電極３６と共用電極３２の間に、下クラッド層１２から上クラッド層１４の方向、すなわち逆方向の直流電圧を印加する。

利得領域用電極３４と共用電極３２の間に、順方向の直流電圧を印加することにより、活性層２０の利得領域２４にはキャリアが注入されて、複数のモードを含む誘導放出光である多モード誘導放出光が発生する。多モード誘導放出光は、活性層２０の端面１６ａ及び１６ｂの間に形成された共振器により増幅される。

活性層２０で共振する多モード誘導放出光の一部は、可飽和吸収領域２６を通過する際に吸収され、この可飽和吸収領域２６での吸収飽和によって、それぞれの放出光の位相が一致し、よってこれらの放出光が束なってパルス状の光になる。すなわち、第１実施形態の半導体レーザは受動モード同期半導体レーザとして機能する。可飽和吸収領域２６でパルス状になった光が、端面１６ａ及び１６ｂの少なくとも一方から放出される。

第１実施形態のモード同期半導体レーザによれば、活性層の利得領域が異準位ＭＱＷ構造として形成されていて、異準位ＭＱＷ構造の各井戸層は、井戸層ごとに異なる量子エネルギー準位を有している。従って、利得領域から発生する誘導放出光の波長帯域が、従来の、利得領域が均一ＭＱＷ構造であるモード同期半導体レーザに比べて広くなる。

モード同期半導体レーザでは、一般に、パルス波形とスペクトル波形とが互いにフーリエ変換の関係にある。従って、第１実施形態のモード同期半導体レーザは、従来の半導体レーザに比べてパルスの時間幅の狭い高速光パルス列を得ることができる。

第１実施形態のモード同期半導体レーザは、スペクトル幅を１．６ｎｍから３．６ｎｍに拡大すれば、パルス幅を１．８ｐｓから０．８ｐｓへ縮小する。この場合、８多重したときの消光比は５３．８ｄＢとなる。この消光比は、１６０Ｇｂｉｔ／ｓのＯＴＤＭシステムで用いられる光源として充分使用可能な値である。

ここでは、クラッド層がＩｎＰ、活性層がＩｎＧａＡｓＰである半導体レーザについて説明したが、それぞれの材質は何ら限定されるものではなく、例えば、ＡｌＧａＡｓ系のような他の材質を用いても良い。

（第２実施形態のモード同期半導体レーザの構成）
図５を参照して、第２実施形態のモード同期半導体レーザにつき説明する。図５は第２実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図で、モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示している。

第２実施形態のモード同期半導体レーザ１０ａは、活性層２０ａに、さらに、受動導波路領域２８が設けられた点が、図１を参照して説明した、第１実施形態のモード同期半導体レーザ１０と異なっている。第２実施形態のモード同期半導体レーザ１０ａでは、活性層２０ａに、モード同期半導体レーザ１０ａの長手方向に沿って、利得領域２４ａ、受動導波路領域２８及び可飽和吸収領域２６ａが順に設けられている。なお、受動導波路領域２８を備える点以外は、第１実施形態のモード同期半導体レーザ１０と同様の構成なので、重複する説明を省略する。

受動導波路領域２８は、バルク半導体結晶及びＭＱＷ構造のいずれで形成されても良いが、ここでは、ＩｎＧａＡｓＰのバルク半導体結晶で設けられているものとして説明する。受動導波路領域２８は、繰り返し周波数を低くする場合に、共振器長、すなわち、モード同期半導体レーザ１０の長手方向の長さを長くするために付加される。受動導波路領域２８におけるＩｎＧａＡｓＰの組成比は、受動導波路領域２８での誘導放出光の吸収を抑制するために、バンドギャップ波長が、利得領域２４ａ及び可飽和吸収領域２６ａのいずれのバンドギャップ波長よりも小さい値になるように設定される。

なお、従来周知のように、バンドギャップ波長が異なるＩｎＧａＡｓＰ間では屈折率も異なる。このため、受動導波路領域２８のバンドギャップ波長を１．５５μｍに対して大きく異なる波長に設定すると、受動導波路領域２８と、活性層２０ａの受動導波路領域２８以外の部分、すなわち、利得領域２４ａ及び可飽和吸収領域２６ａとの境界で、屈折率の差による光の反射が起こる。この結果、雑音が生じる原因となったり、また、モード同期が起こらなくなったりする恐れがある。一方、受動導波路領域２８のバンドギャップ波長を１．５５μｍに近い値にすると、受動導波路領域２８での光の吸収が大きくなり、損失を引き起こす恐れがある。

そこで、利得領域２４ａのバンドギャップ波長が１．５５μｍのときは、受動導波路領域２８のバンドギャップ波長は１．０〜１．５μｍの範囲、好適には、１．２〜１．３μｍの範囲にするのが良い。

（第２実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法）
図６（Ａ）〜（Ｅ）を参照して、第２実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法について説明する。図６（Ａ）〜（Ｅ）は、第２実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法を説明するための工程図である。図６（Ａ）〜（Ｅ）は、主要製造段階で得られた構造体を、図４（Ａ）〜（Ｄ）と同様に、モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示している。

先ず、下クラッド層１２上に、異準位ＭＱＷ構造の第１ＭＱＷ活性層６０を一様に成長させる。第１ＭＱＷ活性層６０の成長は、ＭＯＶＰＥ法又はＭＢＥ法など任意好適な周知の方法で行えば良い（図６（Ａ））。

次に、第１ＭＱＷ活性層６０上に、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜又はシリコン酸窒化膜などの絶縁膜を、任意公的な周知の方法、例えば、ＣＶＤ法で形成する。その後、フォトリソグラフィ及びエッチングにより絶縁膜を加工して、部分的に第１選択マスク７１を形成する。この第１選択マスク７１は、利得領域２４ａに対応する第１領域７４ａの第１ＭＱＷ活性層６０の部分を覆い、かつ可飽和吸収領域２６ａ及び受動導波路領域２８にそれぞれ対応する第２及び第３領域７６ａ及び７８の第１ＭＱＷ活性層６０の部分を露出させるマスクである（図６（Ｂ））。

次に、第１選択マスク７１を用いたウェットエッチングにより、第２領域７６ａ及び第３領域７８の第１ＭＱＷ活性層６０の部分を除去して下クラッド層１２を露出させる。このウェットエッチングは、エッチャントとして、例えば、上述した過水硫酸を用いて行われる。ウェットエッチングによって、残存した第１領域７４ａの第１ＭＱＷ活性層６０の部分が、利得領域２４ａになる。なお、第１実施形態と同様に、ウェットエッチングに代えて、ドライエッチングを行っても良い（図６（Ｃ））。

次に、ウェットエッチングの際に用いた第１選択マスク７１をそのまま用いて、第２領域７６ａ及び第３領域７８の下クラッド層１２上に、均一ＭＱＷ構造の、第２ＭＱＷ活性層６２を成長させる。第２ＭＱＷ活性層６２の成長は、ＭＯＶＰＥ法又はＭＢＥ法など任意好適な周知の方法で行えば良い。その後、第２ＭＱＷ活性層６２上に、第２領域７６ａの第２ＭＱＷ活性層６２の部分を覆い、かつ、第３領域７８に対応する第２ＭＱＷ活性層６２の部分を露出させる第２選択マスク７２を形成する。第２選択マスク７２は、第１選択マスク７１と同様に形成することができる（図６（Ｄ））。

次に、第１及び第２選択マスク７１及び７２を用いたウェットエッチングにより、第３領域７８の第２ＭＱＷ活性層６２の部分を除去して下クラッド層１２を露出させる。このウェットエッチングでは、エッチャントとして、例えば、上述した過水硫酸を用いて行われる。このウェットエッチングによって、残存した第２ＭＱＷ活性層６２の第２領域７６ａの部分が、可飽和吸収領域２６ａになる。なお、第１ＭＱＷ活性層６０の除去と同様にウェットエッチングに代えて、ドライエッチングを行っても良い。その後、第３領域７８の下クラッド層上１２に、バルク半導体結晶を成長させ、受動導波路領域２８とする。利得領域２４ａ、可飽和吸収領域２６ａ及び受動導波路領域２８から活性層２０ａが構成される（図６（Ｅ））。

なお、光パルスの時間幅は、非特許文献１に記載されているように、可飽和吸収領域の長手方向の長さに依存しており、従って、可飽和吸収領域の長さが長くなると、光パルスの時間幅が広がってしまう。また、可飽和吸収領域の長さが短くなると、飽和吸収作用が低下し、モード同期が適切に行われずやはり光パルスの時間幅が広がってしまう。従って、可飽和吸収領域の長さは高精度に制御される必要がある。ここで、第１及び第２選択マスク７１及び７２は、フォトリソグラフィ法を利用して形成されるため、極めて高精度の寸法で形成することができる。

次に、第１及び第２選択マスク７１及び７２を除去した後、活性層２０ａ上に、上クラッド層１４を成長させ、上クラッド層１４の上面１４ａ上に利得領域用電極３４及び可飽和吸収領域用電極３６を形成し、及び下クラッド層１２の下面１２ａ上に共用電極３２を形成することによって、図５を参照して説明した第２実施形態のモード同期半導体レーザが形成される。なお、上クラッド層１４、利得領域用電極３４、可飽和吸収領域用電極３６及び共用電極３２の形成は、従来周知の方法で行えば良く、ここでは説明を省略する。

第２実施形態のモード同期半導体レーザによれば、活性層２０ａに受動導波路領域２８が付加されているので、第１実施形態のモード同期半導体レーザで得られる効果に加えて、繰り返し周波数を低くするなどの周波数の調整を行うことができる。

ここでは、活性層２０ａに、モード同期半導体レーザ１０ａの長手方向に沿って、利得領域２４ａ、受動導波路領域２８及び可飽和吸収領域２６ａが順に設けられた例について示しているが、利得領域２４ａ、受動導波路領域２８及び可飽和吸収領域２６ａの配置は、この順に限定されず、いずれの順に配置しても同様の効果が得られる。

（第３実施形態のモード同期半導体レーザ）
図７を参照して、第３実施形態のモード同期半導体レーザについて説明する。図７は第３実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図で、受動モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示してある。

なお、図５を参照して説明した第２実施形態のモード同期半導体レーザと重複する説明は省略する。第３実施形態のモード同期半導体レーザ１０ｂは、活性層２０ｂの端面１６ａ及び１６ｂ間に、利得領域２４ｂ、可飽和吸収領域２６ｂ及び受動導波路領域２９を順に備え、さらに、受動導波路領域２９にブラッグ格子８０を設けている点が第２実施形態のモード同期半導体レーザと異なっている。

ブラッグ格子８０は、受動導波路領域２９の上クラッド層１４側の表面領域に形成されている。このブラッグ格子８０は、均一な周期（格子間隔）で設けられている。受動導波路領域２９は、ブラッグ格子８０の周期で決まるブラッグ波長の光を反射する、すなわち、波長選択性を有している。このため、一方の端面１６ａと受動導波路領域２９との間で共振器が形成され、ブラッグ波長の光についてモード同期動作が生じる。

第３実施形態のモード同期半導体レーザを製造するにあたり、利得領域２４ｂ、可飽和吸収領域２６ｂ及び受動導波路領域２９を備える活性層２０ｂが構成されるまでの工程は、図６（Ａ）〜（Ｅ）を参照して説明した第２実施形態のモード同期半導体レーザと同様に行われる。

ブラッグ格子８０の形成は、受動導波路領域２９に対応する領域にバルク半導体結晶が形成された後、例えば、任意好適な周知のフォトリソグラフィ及びエッチングによって行われる。この場合、ブラッグ格子８０は、受動導波路領域２９に凹凸構造として形成されることになる。

図７を参照して、活性層２０ｂに、モード同期半導体レーザ１０ｂの長手方向に沿って、可飽和吸収領域２６ｂ、利得領域２４ｂ及び受動導波路領域２９が順に設けられた例について説明したが、可飽和吸収領域２６ｂ、利得領域２４ｂ及び受動導波路領域２９の配置は、この順に限定されず、一方の端面１６ａと受動導波路領域２９の間に、すなわち、活性層２０ｂの１つの端面１６ａと、受動導波路領域２９に挟まれる、活性層２０ｂ内の領域に、モード同期半導体レーザ１０の長手方向に沿って、利得領域２４ｂ及び可飽和吸収領域２６ｂが形成されていれば、その順によらず、同様の効果が得られる。

第３実施形態のモード同期半導体レーザによれば、受動導波路領域２９にブラッグ格子８０を形成しているので、第２実施形態のモード同期半導体レーザの効果に加え、さらに、モード同期半導体レーザの発振波長の制御が可能になるという効果が得られる。

（第４実施形態のモード同期半導体レーザ）
図８を参照して、第４実施形態のモード同期半導体レーザについて説明する。図８は第４実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図で、モード同期半導体レーザ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示してある。

ここで、図５を参照して説明した第２実施形態のモード同期半導体レーザと重複する説明は省略する。第４実施形態のモード同期半導体レーザ１０ｃは、端面１６ａと１６ｂからなる共振器中央に配置された可飽和吸収領域２６ｃと、この可飽和吸収領域２６ｃの両側の活性層２０ｃに設けられた複数の利得領域を備え、衝突パルスモード同期（ＣＰＭ：Ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ−Ｐｕｌｓｅ Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｉｎｇ）構造となっている点が第２実施形態のモード同期半導体レーザと異なっている。

ここでは、例として、第１利得領域２５ａ及び第２利得領域２５ｂの二つの利得領域を備えるモード同期半導体レーザ１０ｃについて説明する。

半導体レーザ１０の長手方向に分離されて、第１利得領域用電極３４ａ、第２利得領域用電極３４ｂ及び可飽和吸収領域用電極３６が設けられている。第１利得領域用電極３４ａは、第１利得領域２５ａに対応する、直上の上面領域に設けられている。また、第２利得領域用電極３４ｂは、第２利得領域２５ｂに対応する、直上の上面領域に設けられている。

第１及び第２利得領域用電極３４ａ及び３４ｂには、それぞれ直流電源４４ａ及び４４ｂが接続されていて、直流電源４４ａ及び４４ｂにより、第１利得領域２５ａ及び第２利得領域２５ｂに順方向電圧が印加される。第１利得領域２５ａ及び第２利得領域２５ｂではそれぞれ、順方向電圧の印加により、複数のモードを含む誘導放出光である多モード誘導放出光が発生する。

第４実施形態のモード同期半導体レーザ１０ｃによれば、第１利得領域２５ａ及び第２利得領域２５ｂのそれぞれで発生した光パルスは、可飽和吸収領域２６ｃの左右から可飽和吸収領域２６ｃに入射するので、共振器内を２個の光パルスが伝播し、繰り返し周波数を２倍にすることができる。

なお、ここでは、可飽和吸収領域２６ｃを共振器の中央に配置する例を示しているが、可飽和吸収領域の位置はこれに限定されるものではない。例えば、両端面１６ａ、１６ｂから可飽和吸収領域２６ｃまでの距離を１：２とすることにより、繰り返し周波数を３倍にすることができる。このように、共振器端ではなく共振器内部に可飽和吸収領域を配置し、その両側に利得領域を備えることによって、繰り返し周波数を逓倍の周波数にすることができる。

また、ここでは、受動導波路領域２８ｃ及び２８ｄを備えるモード同期半導体レーザに適用する例について説明したが、この例に限定されない。例えば、この半導体レーザを、受動導波路領域を備えない構成にしても良いし、また、受動導波路領域にブラッグ格子を設けて波長選択性を有する構成にしても良い。

（第５実施形態のモード同期半導体レーザ）
図９を参照して、第５実施形態のモード同期半導体レーザについて説明する。図９は第５実施形態のモード同期半導体レーザ１０ｄの構成例を説明するための概略図で、モード同期半導体レーザ１０ｄ上面に直交し、かつその長手方向に沿った縦断面の切り口で示してある。

ここで、図１を参照して説明した第１実施形態のモード同期半導体レーザと重複する説明は省略する。

活性層２０ｄは、長手方向に沿って順次に並べられた、利得領域２４ｄと変調領域２７の領域を含む。利得領域２４ｄは、誘導放出光を生成するための領域であり、及び変調領域２７は、利得領域２４ｄで生成された誘導放出光を変調するための領域である。

上クラッド層１４の上面１４ａに、モード同期半導体レーザ１０ｄの長手方向に分離されて、利得領域用電極３４及び変調領域用電極３７が設けられている。利得領域用電極３４は、利得領域２４ｄに対応する、直上の上面領域に設けられている。また、変調領域用電極３７は、変調領域２７に対応する、直上の上面領域に設けられている。

図１を参照して説明した第１実施形態のモード同期半導体レーザは、可飽和吸収領域２６に逆方向電圧が印加することにより光パルスの飽和吸収を生じさせる、受動モード同期半導体レーザとして機能する。

これに対し、第５実施形態のモード同期半導体レーザでは、変調領域用電極３７に、発振器４７が接続されている。この発振器４７を用いて、活性層２０ｄに形成された共振器の繰り返し周波数の整数倍に一致した発振周波数で周波数変調を行うことにより、モード同期を行うことができ、第５実施形態のモード同期半導体レーザは、いわゆる能動モード同期半導体レーザとして機能する。

第５実施形態のモード同期半導体レーザによれば、第１実施形態の受動モード同期半導体レーザと同様の効果を、能動モード半導体レーザでも得ることができる。

第５実施形態のモード同期半導体レーザでは、受動導波路領域を備えないモード同期半導体レーザについて説明したが、この例に限定されず、例えば、能動モード同期の場合であっても、図５を参照して説明した第２実施形態と同様に、受動導波路領域を設ける構成にすることができ、能動モード同期半導体レーザについても同様の効果を得ることができる。また、図７を参照して説明した第３実施形態と同様に、この半導体レーザをブラッグ格子が設けられた受動導波路領域を備える構成にしても良い。さらに、この半導体レーザの構造として、図８を参照して説明した第４実施形態と同様に、利得領域を複数備える構造、すなわち、ＣＰＭ構造を採用しても良い。

第１実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。 異準位ＭＱＷ構造のエネルギーバンドを示す図である。 波長に対する利得分布を模式的に示す図である。 第１実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法を説明するための工程図である。 第２実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。 第２実施形態のモード同期半導体レーザの製造方法を説明するための工程図である。 第３実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。 第４実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。 第５実施形態のモード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。 従来の受動モード同期半導体レーザの構成例を説明するための概略図である。 ＭＱＷ構造のエネルギーバンドを示す図である。

符号の説明

１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ モード同期半導体レーザ
１２、１１２ 下クラッド層
１２ａ、１１２ａ 下クラッド層の下面
１４、１１４ 上クラッド層
１４ａ、１１４ａ 上クラッド層の上面
１６ａ、１６ｂ、１１６ａ、１１６ｂ 端面（劈開面）
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、１２０ 活性層
２４、２４ａ、２４ｂ、２４ｄ、１２４ 利得領域
２５ａ 第１利得領域
２５ｂ 第２利得領域
２６、２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、１２６ 可飽和吸収領域
２７ 変調領域
２８、２８ｃ、２８ｄ、２９ 受動導波路領域
３２、１３２ 共用電極
３４、１３４ 利得領域用電極
３４ａ 第１利得領域用電極
３４ｂ 第２利得領域用電極
３６、１３６ 可飽和吸収領域用電極
３７ 変調領域用電極
４４、４４ａ、４４ｂ、４６、１４４、１４６ 直流電源
４７ 発振器
５６ａ、５６ｂ、１５６ 井戸層
５７ａ、５７ｂ、１５７ バリア層
６０ 第１ＭＱＷ活性層
６２ 第２ＭＱＷ活性層
７０、７１ 第１選択マスク
７２ 第２選択マスク
７４、７４ａ 第１領域
７６、７６ａ 第２領域
７８ 第３領域
８０ ブラッグ格子
１１０ 受動モード同期半導体レーザ

Claims (13)

1. 利得領域と、可飽和吸収領域とを含む活性層を備え、
   前記利得領域が、各井戸層の量子エネルギー準位が異なる異準位多重量子井戸構造によって構成されており、及び
   前記可飽和吸収領域が、各井戸層の量子エネルギー準位が等しい均一多重量子井戸構造によって構成されている
   ことを特徴とするモード同期半導体レーザ。
2. 前記活性層は、さらに、受動導波路領域を含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のモード同期半導体レーザ。
3. 前記受動導波路領域にブラッグ格子が設けられ、及び
   前記活性層の１つの端面と、前記受動導波路領域に挟まれる、前記活性層内の領域に、前記利得領域及び前記可飽和吸収領域が配置されている
   ことを特徴とする請求項２に記載のモード同期半導体レーザ。
4. 利得領域と、変調領域とを含む活性層を備え、
   前記利得領域が、各井戸層の量子エネルギー準位が異なる異準位多重量子井戸構造によって構成されており、及び、
   前記変調領域が、各井戸層の量子エネルギー準位が等しい均一多重量子井戸構造によって構成されている
   ことを特徴とするモード同期半導体レーザ。
5. 前記活性層は、さらに、受動導波路領域を含む
   ことを特徴とする請求項４に記載のモード同期半導体レーザ。
6. 前記受動導波路領域にブラッグ格子が設けられ、及び
   前記活性層の１つの端面と前記受動導波路領域に挟まれる、前記活性層内の領域に、前記利得領域及び前記変調領域が配置されている
   ことを特徴とする請求項５に記載のモード同期半導体レーザ。
7. 前記利得領域が、前記活性層に複数含まれている
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載のモード同期半導体レーザ。
8. 前記異準位多重量子井戸構造を構成する各井戸層の層厚が、複数種類の値をとっている
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のモード同期半導体レーザ。
9. 前記異準位多重量子井戸構造を構成する各井戸層の組成比が、複数種類の値をとっている
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のモード同期半導体レーザ。
10. 前記異準位多重量子井戸構造を構成する各井戸層の層厚及び組成比が、それぞれ複数種類の値をとっている
    ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のモード同期半導体レーザ。
11. 下クラッド層上に、各井戸層の量子エネルギー準位が異なる異準位多重量子井戸構造の第１多重量子井戸活性層を成長させる工程と、
    前記第１多重量子井戸活性層上に、部分的に第１選択マスクを形成する工程と、
    該第１選択マスクを用いたエッチングにより、前記第１多重量子井戸活性層の部分を除去する工程と、
    前記第１多重量子井戸活性層が除去されて露出した前記下クラッド層上に、各井戸層の量子エネルギー準位が等しい均一多重量子井戸構造の第２多重量子井戸活性層を成長させる工程と
    を備えることを特徴とするモード同期半導体レーザの製造方法。
12. 前記第２多重量子井戸活性層上に、部分的に第２選択マスクを形成する工程と、
    前記第１選択マスク及び前記第２選択マスクを用いたエッチングにより、前記第２多重量子井戸活性層を除去する工程と、
    前記第２多重量子井戸活性層が除去されて露出した前記下クラッド層上に、バルク半導体結晶を成長させる工程と
    を備えることを特徴とする請求項１１に記載のモード同期半導体レーザの製造方法。
13. 前記第２多重量子井戸活性層が除去されて露出した前記下クラッド層上に、前記バルク半導体結晶に代えて、均一多重量子井戸構造の第３多重量子井戸活性層を成長させる工程と
    を備えることを特徴とする請求項１２に記載のモード同期半導体レーザの製造方法。

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