JP2007288167A - 半導体レーザおよび半導体レーザモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的強い反射戻り光がある場合でも、ＲＩＮなどの性能低下を抑制することが可能で、光アイソレータが無くても光通信システムに用いることのできるような半導体レーザおよび半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。
【解決手段】 レーザ光の出射端面と活性層との間に前記活性層よりもバンドギャップの大きい半導体からなる窓領域を有する半導体レーザであって、窓領域は、活性層の出射端面側の端面近傍から出射端面方向に伸びる第１の半導体層と、第１の半導体層を厚さ方向に挟む第２の半導体層および第３の半導体層とを備え、第１の半導体層の屈折率は第２の半導体層および第３の半導体層の屈折率よりも低く、第１の半導体層の厚さは活性層の厚さ以上、第２の半導体層の厚さ以下、また第３の半導体層の厚さ以下であることを特徴とする半導体レーザとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信システムで使用される半導体レーザおよび半導体レーザモジュールに関するもので、特に反射戻り光に対する性能劣化を抑制する半導体レーザおよび半導体レーザモジュールに関するものである。

光通信システムでは、特定の波長の単一モードのレーザ光が使用されることが多い。そのようなレーザ光源の一つとして、活性層内もしくはその近傍に回折格子が形成された分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）がある。ＤＦＢレーザにおいては、回折格子のピッチで決まる特定波長の光のみを発生させることができるので、単一モード発振を安定的に得ることができる。このためＤＦＢレーザは、今日の光ファイバ通信システム用の光源として広く用いられている。

しかし、従来の光通信システムで使用される半導体レーザでは、出射された後に外部の光学部品や光ファイバの接続点などで一部反射され素子内部へ再び戻ってくる光（以下、反射戻り光）による発振線幅の増大や相対雑音強度（ＲＩＮ：Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ）の増大という反射戻り光による性能低下の問題があった。特に、ＤＦＢレーザのように出射されるレーザ光のコヒーレンスが高いレーザでは、反射戻り光による発振線幅の増大やＲＩＮの増大が生じやすい。

反射戻り光の影響を受けないようにするために、レーザの出力端に光アイソレータが配置されることが多い。光アイソレータは光を一方向だけに透過する性質を有しているので、反射戻り光が素子内部へ入射することを防止することができる。

また、非特許文献１には、共振器内の出射端側の一部にのみ回折格子が形成されたＤＦＢレーザが示され、強度が０．０１％（１０^-4）以下の反射戻り光に対して、通常のＤＦＢレーザよりもＲＩＮが低減されることが示された（Ｆｉｇ．３）。

また、特許文献１には井戸層と障壁層から構成される量子井戸構造を有する半導体レーザにおいて井戸層を引張り歪量子井戸層として、線幅増大係数を小さくすることで発振波長のゆらぎを抑制できることが示された。

Ｙ．Ｈｕａｎｇ， ｅｔ ａｌ．、 「Ｅｘｔｅｒｎａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｒｅｓｉｓｔａｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｉｎ ｐａｒｔｉａｌｌｙ ｃｏｒｒｕｇａｔｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ」、 ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ、（英国）、１９９６年５月２３日、 ｖｏｌ．３２， Ｎｏ．１１， ｐｐ１００８−１００９ 特開２０００−２７７８５１号公報

従来の光通信用半導体レーザにおいて、出力端側に光アイソレータを配置する場合には、光アイソレータを新たな構成要素とする分だけ製造コストが増加し、また半導体レーザモジュールの構成が複雑化する。

また、非特許文献１のＤＦＢレーザのように共振器内の出射端側の一部にのみ回折格子が形成されたレーザの構造では、強度が０．１％（１０^-3）以上の強い反射戻り光はその一部が活性層に入り増幅されるので、回折格子が全域にわたって形成された通常のＤＦＢレーザに比較してＲＩＮは大幅に低下しておらず、従って比較的強い反射戻り光による性能低下を抑制する効果は十分でない。

また、特許文献１の半導体レーザでは、活性層に入った反射戻り光により発振波長のゆらぎを低下する効果はあるが、活性層に入る光を減少する効果が無いので、ＲＩＮを低下する効果は十分でない。

そこで、本発明は、比較的強い反射戻り光がある場合でも、ＲＩＮなどの性能低下を抑制することが可能で、光アイソレータが無くても光通信システムに用いることのできるような半導体レーザおよび半導体レーザモジュールを提供することを目的とする。

本発明の半導体レーザは、レーザ光の出射端面と活性層との間に活性層よりもバンドギャップの大きい半導体からなる窓領域を有する半導体レーザであって、窓領域は、活性層の出射端面側の端面近傍から出射端面まで伸びる第１の半導体層と、第１の半導体層を厚さ方向に挟む第２の半導体層および第３の半導体層とを備え、第１の半導体層の屈折率は第２の半導体層および第３の半導体層の屈折率よりも低く、第１の半導体層の厚さは活性層の厚さ以上で、第２の半導体層の厚さ以下、前記第３の半導体層の厚さ以下である半導体レーザとした。

また、本発明の半導体レーザモジュールは、上記の本発明の半導体レーザと、該半導体レーザの出射光を集光するレンズと、集光された前記出射光が入射される光ファイバと、
前記半導体レーザと光ファイバとの間に偏光子と、を備える半導体レーザモジュールとした。

本発明の半導体レーザは、上記のように、活性層の出射端面側の端面近傍から出射端面まで伸びる第１の半導体層と、第１の半導体層を厚さ方向に挟む第２の半導体層および第３の半導体層とを備え、第１の半導体層の屈折率は第２の半導体層および第３の半導体層の屈折率よりも低く、第１の半導体層の厚さは活性層の厚さ以上で、第２の半導体層の厚さ以下、前記第３の半導体層の厚さ以下である窓領域を備えるため、反射戻り光は直接活性層に入射せず、窓領域を通過する間に減衰した後に活性層に到達する。その結果、比較的強い反射戻り光がある場合でも性能低下を抑制することができる。

また、本発明の半導体レーザモジュールは、上記のように反射戻り光に対して強い半導体レーザと光ファイバとの間に偏光子を備えるのでさらに強い反射戻り光がある場合でも性能低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。同一の構成要素には同一の符号を付して、その説明は繰り返さず省略する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態１における半導体レーザの基本的な構成を示す断面図である。長さＬのｐ−ＩｎＰ基板８上に、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４、その上に活性層３、その上にｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３、さらにその上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２がある。ここで活性層３はＩｎＧａＡｓＰの組成の異なる層を積層した多重量子井戸構造である。ｐ−ＩｎＰ基板８の下にはｐ側電極２、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２の上にはｎ側電極１が形成されている。

基板８に沿った方向で見ると、これらの層の一方の側にはレーザ光１７が出射する出射端面９があり、他方の側には反射端面７がある。出射端面９側には低反射膜１６がコーティングされ、反対側の反射端面７には高反射膜１５がコーティングされている。

図１のように、上記の層のうち活性層３は直接に出射端面９に接せず、レーザ光の出射端面９と活性層３との間に活性層３よりもバンドギャップの大きい半導体のＩｎＰからなる窓領域１１を有している。窓領域１１は、活性層１１の出射端面側の端面近傍から出射端面９まで伸びる第１の半導体層２１がある。第１の半導体層２１のｐ−ＩｎＰ基板８と反対側にはｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３の一部を含む第２の半導体層がある。また、第１の半導体層２１のｐ−ＩｎＰ基板側には、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４やｐ−ＩｎＰ基板８の一部を含む第３の半導体層２３がある。従って第１の半導体層は第２の半導体層２２および第３の半導体層２３によって厚さ方向に挟まれている。また１の半導体層２１の屈折率は第２の半導体層２２および第３の半導体層２３の屈折率よりも低い。さらに第１の半導体層の厚さは活性層３の厚さ以上で、第２の半導体層２２の厚さ以下、また第３の半導体層２３の厚さ以下となっている。

図２は、本実施の形態１における半導体レーザの構成をより詳細に示す断面図である。活性層３の出射端面９側の側面近傍と出射端面９との間の窓領域１１には電流閉じ込め層１０がある。また、電流閉じ込め層１０は、その層の厚さ方向に、下側をｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４、上側をｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３によって挟まれている。ここで電流閉じ込め層１０は、基板側からｐ−ＩｎＰ層１０ｃ、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂ、ｐ−ＩｎＰ層１０ａの導電型の異なる半導体層を順次積層したｐ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＰ／ｐ−ＩｎＰ構造を有している。図１の第１の半導体層２１は図２のｎ−ＩｎＰ層１０ｂ、図１の第２の半導体層２２は図２のｐ−ＩｎＰ層１０ａとｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３とが積層した層、図１の第３の半導体層２３は図２のｐ−ＩｎＰ層１０ｃ、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４、ｐ−ＩｎＰ基板８が積層した層、にそれぞれ相当する。

活性層３とｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３との間にｎ−ＩｎＰ埋め込み層４があり、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層４内の活性層３に近接する位置で、出射端面９側に近い長さＬｇにわたる回折格子領域６には、活性層３に沿ってＩｎＧａＡｓＰガイド層からなる回折格子５がある。

ここで、電流閉じ込め層１０のｎ−ＩｎＰ層１０ｂの不純物濃度は、そのｎ−ＩｎＰ層１０ｂを上下から挟むｐ−ＩｎＰ層１０ｃおよびｐ−ＩｎＰ層１０ａの不純物濃度よりも高く、また電流閉じ込め層１０の厚さ方向の上下にあるｐ−ＩｎＰ基板８、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４、ｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３の不純物濃度より高くなっている。

不純物濃度を高くしたことにより、プラズマ効果で屈折率が低下するので、電流閉じ込め層１０中のｎ−ＩｎＰ層１０ｂは、その上下から挟むｐ−ＩｎＰ層１０ｃおよびｐ−ＩｎＰ層１０ａ、さらにｐ−ＩｎＰ基板８、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４、およびｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３よりも屈折率が低くなっている。従って、活性層３の出射端面側の端面近傍から出射端面まで伸びる半導体層は、その半導体層を挟む上下の半導体層よりも屈折率が低くなっている。

例えば、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂの不純物濃度を７×１０^１８〜２×１０^１９ｃｍ^−３の範囲の値として、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂを上下から挟むｐ−ＩｎＰ層１０ｃおよびｐ−ＩｎＰ層１０ａ、またｐ−ＩｎＰ基板８、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４、およびｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３の不純物濃度は１×１０^１８〜５×１０^１８ｃｍ^−３の範囲の値とする。これによりｎ−ＩｎＰ層１０ｂの屈折率はその層を厚さ方向に上下から挟む半導体層の屈折率に対して、０．１％〜数％程度低い値となる。

また、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂの厚さは活性層３の厚さ以上であり、ｐ−ＩｎＰ基板８およびｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３以下となっている。従ってｎ−ＩｎＰ層１０ｂの厚さはｎ−ＩｎＰ層１０ｂを厚さ方向に上下から挟む半導体層の厚さ以下である。従って、活性層３の出射端面側の端面近傍から出射端面方向に伸びる屈折率が低い半導体層は、活性層３の厚さ以上であり、その半導体層を挟む半導体層の厚さ以下である。

例えば、活性層３の厚さを０．１〜０．３μｍ、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂの厚さを０．４〜１μｍ、またｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３の厚さを１〜３μｍ、ｐ−ＩｎＰ基板８の厚さを３０〜１００μｍなどとする。また、基板の全長、つまり出射端面９と反射端面７との距離Ｌは２５０〜４００μｍ、回折格子領域６の長さＬｇは５０〜１５０μｍ、窓領域１１の長さは２０〜５０μｍなどとする。

図３は本実施の形態１における半導体レーザの構成を示す斜視図である。図３において断面２０で切断された形状が図２に相当する。なお、図３では出射端面の低反射膜１６と反射端面の高反射膜１５は省略した。活性層３は幅１−２ミクロン程度のストライプ状で、その長手方向が出射端面と反射端面との間を結ぶ方向に沿っている。また、活性層３の側面はｐ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＰ／ｐ−ＩｎＰからなる電流閉じ込め層１０で埋め込まれている。

次に、本実施の形態１の半導体レーザの製造方法について簡単に述べる。ｐ−ＩｎＰ基板８上に、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４、その上に活性層３、さらにその上にｎ−ＩｎＰ埋め込み層４を順次、半導体エピタキシャル成長方法を用いて積層する。ｎ−ＩｎＰ埋め込み層４を積層する途中に、ＩｎＧａＡｓＰガイド層の積層とエッチング加工により、活性層３の近傍に回折格子５を形成する。ここで回折格子５はそのブラッグ反射波長が活性層３のレーザ発振で利得が得られる波長範囲内にあるように設定される。

例えば、活性層３のレーザ発振で利得が得られる波長範囲が１．４〜１．６μｍの場合、回折格子５のブラッグ反射波長を１．４５〜１．５５μｍの範囲の適当な波長とする。

次いで、その上にＳｉＯ_２膜やＳｉＮ_Ｘ膜を成膜して、フォトリソグラフィーにより幅１−２ミクロン程度のストライプ状のレジストパターンを作成し、このレジストパターンをマスクとしてＳｉＯ_２膜やＳｉＮ_Ｘ膜をエッチングする。レジスト除去後、パターニングされたＳｉＯ_２膜やＳｉＮ_Ｘ膜をマスクとしてさらにその下のｎ−ＩｎＰ埋め込み層４、活性層３、さらにｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４の途中までエッチングする。図２では電流閉じ込め層１０の一番下のｐ−ＩｎＰ層１０ｃの底面の位置までエッチングする。その結果、活性層３の側面の外側に活性層３の厚さよりも高い段差部分を有するエッチング領域ができる。従って、このエッチング領域は、活性層３の出射端面側の端面から出射端面方向に伸び、かつ活性層３の厚さよりも厚い空間となっている。

その後、パターニングされたＳｉＯ_２やＳｉＮ_Ｘの膜を選択成長のマスクとしてｐ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＰ／ｐ−ＩｎＰからなる電流閉じ込め層１０をＭＯＣＶＤ法やＬＰＥ法などを用いて成膜して、活性層３の側面の外側のエッチング領域を、ほぼｎ−ＩｎＰ埋め込み層４と同じ高さになるまで埋め込む。このときｐ−ＩｎＰ層１０ｃ、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂ、ｐ−ＩｎＰ層１０ａの各層の厚みは成膜速度と成膜時間とで調節することができる。ここではｎ−ＩｎＰ層１０ｂの厚さを活性層３の厚さ以上とする。

なお、活性層３の出射端面側の端面付近における電流閉じ込め層１０のｐ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＰ／ｐ−ＩｎＰの各層は、エッチング領域の形状や成膜の条件などにより、図２のように、傾斜した層となることが多い。その場合でも、これらの層は活性層３の出射端面側の端面から出射端面方向に伸びているとみなすことができる。

例えば、活性層３の側面の外側の段差部分の高さをエッチング時に活性層３の厚さの３倍以上とすれば、ｐ−ＩｎＰ層１０ｃ、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂ、ｐ−ＩｎＰ層１０ａの各層の厚みを同じにしてもｎ−ＩｎＰ層１０ｂの厚みは活性層３の厚さ以上となる。

また、電流閉じ込め層１０の各層の導電型や不純物濃度は成膜時に添加する不純物の濃度によって調整することができる。ＩｎＰの場合Ｐ型とするにはＺｎ、ｎ型とするにはＳやＳｅなどの不純物を添加する。ここではｎ−ＩｎＰ層１０ｂの不純物濃度を電流閉じ込め層１０のｐ−ＩｎＰ層１０ｃ、ｐ−ＩｎＰ層１０ａや、ｐ−ＩｎＰ基板８、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４の不純物濃度よりも高くする。これによってｎ−ＩｎＰ層１０ｂの屈折率を低くすることができる。

その後、ＳｉＯ_２やＳｉＮ_Ｘの膜を除去して、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂよりも不純物濃度が低くｎ−ＩｎＰ層１０ｂの厚さ以上のｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３を積層して上面全体を埋め込む。またｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２を積層し、ｎ側電極１を形成し、ｐ−ＩｎＰ基板８の裏面にｐ側電極２を形成する出射端面９および反射端面７で切断後に低反射膜１６、反射端面７側に高反射膜１５を形成する。

以上のような手順により、出射端面と活性層との間に活性層よりもバンドギャップの大きい半導体からなる窓領域を有し、その窓領域は、活性層の出射端面側の端面近傍から出射端面まで伸びる第１の半導体層と、その半導体層を厚さ方向に挟む第２の半導体層と第３の半導体層とを備え、第１の半導体層の屈折率は第２の半導体層および第３の半導体層の屈折率よりも低く、第１の半導体層の厚さは活性層の厚さ以上で、第２の半導体層の厚さ以下、また第３の半導体層の厚さ以下である半導体レーザを作製することができる。

次に、この半導体レーザの動作について述べる。この半導体レーザのｎ側電極１とｐ側電極２との間に、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１２、ｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４を介して順方向に電流を流し、多重量子井戸から成る活性層３に電流を注入することによって活性層３内にレーザ光が発生する。ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層３はｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４よりも屈折率が高いため、発生した光は活性層３にほぼ閉じ込められて伝播する。回折格子５は近接する活性層３と光学的に結合するので、回折格子５のブラッグ反射波長の活性層３を伝播する光は活性層３中で反射する。回折格子５と、高反射膜１５で被覆された反射端面７からの光の帰還作用によって、利得が損失を上回るようになるとレーザ発振する。活性層３からのレーザ光は窓領域１１を経て出射端面９より出射するが、窓領域１１は活性層３よりもバンドギャップの大きい半導体材料からなるため、活性層３からのレーザ光を透過し、大半の出力光１７が低反射膜１６で覆われた出射端面９から取り出されることになる。出射されるレーザ出力光の波長は、活性層３に近接する位置に設けられた回折格子５のブラッグ反射波長によって決まる。

活性層３と回折格子５との光学的結合の強さ（結合係数）や、回折格子領域６の長さＬｇ、また活性層３の全長やその屈折率などを調整することで、出力されるレーザ光を単一モードとすることができる。

また、窓領域１１の活性層３の出射端面９側の端面近傍と出射端面９との間は、ｐ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＰ／ｐ−ＩｎＰからなる電流閉じ込め層１０によって形成されているが、この電流閉じ込め層１０は、レーザに電流を流した際に、主に活性層３のみに電流が流れるように抵抗を高くした層である。本実施の形態１ではｐ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＰ／ｐ−ＩｎＰのように異なる導電型の層を積層することにより、それらの界面のｐｎ接合で生じる抵抗の非常に高い空乏層によって電流をブロックして、電流閉じ込め層１０のない活性層３のみに電流が流れるようにしている。これによってレーザ光発振の効率を高めることができる。

次に、本実施の形態１における窓領域１１の作用について説明する。図８は本実施の形態１の比較例である従来の半導体レーザの構成を模式的に示した断面図であり、回折格子を有する半導体レーザであって活性層が出射端面と反射端面の全長にわたって形成された半導体レーザである。本実施の形態１の構造の図２と比較して窓領域１１がない構造である。

半導体レーザの出射端面から出射されたレーザ光は、外部の光学部品等によって部分的に反射されて、一部が半導体レーザの出射端面９側に戻ってくる。出射端面９から入射された光が活性層３に入ると、その光を種とした誘導放出が起こり、本来のレーザ光の信号に別の信号が乗りＲＩＮが増加する。また、活性層３に入った光の影響で屈折率が変化することにより、発振する波長帯域が広がってしまうなどの性能劣化も生じる。

屈折率の高い領域が屈折率の低い領域に囲まれたような光導波路構造においては、光は屈折率の高い領域を伝播する。図８のように窓領域の無い構造では、ｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４よりも屈折率が高い活性層３が出射端面９まで有り、従って出射端面９まで光導波路の構造を有している。出射端面９の活性層３近辺に入射した光は、屈折率が高い活性層３の中のほうがクラッド層よりも伝播しやすいので、大半が活性層３の内部に結合してしまう。従って従来の窓領域のない構造では、活性層３に入る反射戻り光を減少することができない。

一方、本実施の形態１の図２のように窓領域１１を有する構造では、窓領域１１に光導波路構造が形成されていないため、反射戻り光が窓領域１１を通過して活性層に結合するまでの間にモード変換が起きて、ｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４、ｐ−ＩｎＰ基板８の部分にも広く分散する。分散した光は、それらの上下にある電極で吸収されるなどで、活性層３に到達し、結合するまでに減衰する。このように、窓領域１１によって活性層３に結合する反射戻り光を減らすことができるので、反射戻り光による性能劣化を抑制することができる。

さらに、本実施の形態１の半導体レーザでは、窓領域１１に、活性層の出射端面側の端面近傍から出射端面方向に伸びる半導体層が、厚さ方向にその半導体層よりも屈折率の高い半導体層によって挟まれた低屈折率層であるという構成を有している。図２において低屈折率層は電流閉じ込め層１０中のｎ−ＩｎＰ層１０ｂに相当し、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂは下側をｐ−ＩｎＰ層１０ｃ、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４、ｐ−ＩｎＰ基板８からなるｎ−ＩｎＰ層１０ｂよりも屈折率の高い半導体層、また上側をｐ−ＩｎＰ層１０ａ、ｐ−ＩｎＰ上クラッド層１３からなるｎ−ＩｎＰ層１０ｂよりも屈折率の高い半導体層によって挟まれている。

また、窓領域１１において低屈折率のｎ−ＩｎＰ層１０ｂの厚さは活性層３の厚さ以上であり、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂを挟むｎ−ＩｎＰ層１０ｂよりも屈折率の高い半導体層それぞれの厚さ以下となっている。

なお、ｐ−ＩｎＰ層１０ａの厚さやｐ−ＩｎＰ層１０ｃの厚さは、屈折率の低いｎ−ＩｎＰ層１０ｂの厚さより薄くてもよい。その場合、ｐ−ＩｎＰ層１０ａのｎ−ＩｎＰ層１０ｂと反対側にｎ−ＩｎＰ層１０ｂよりも屈折率が高く厚さの厚いｎ−ＩｎＰ上クラッド層１３があり、ｐ−ＩｎＰ層１０ｃのｎ−ＩｎＰ層１０ｂと反対側にｎ−ＩｎＰ層１０ｂよりも屈折率が高く厚さの厚いｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４やｐ−ＩｎＰ基板８があればよい。また電流閉じ込め層１０のうち屈折率の低い層は、必ずしもｎ−ＩｎＰ層１０ｂでなくてもよい。窓領域１１において活性層３から出射端面９側に、活性層３よりも厚さが厚く、上下の半導体層よりも屈折率の低い層を備え、屈折率の低い層の厚さが、上下の半導体層よりも薄いように構成されるとよい。

上記のようにした結果、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂに入射する光は、より屈折率の高い上下の半導体層に結合して、その半導体層を伝播しようとするので、低屈折率のｎ−ＩｎＰ層１０ｂは光が伝播しにくい層となっている。従って、窓領域１１の低屈折率のｎ−ＩｎＰ層１０ｂを伝播する光は弱くなる。ｎ−ＩｎＰ層１０ｂは活性層３の出射端面９側の端面近傍から出射端面９方向に伸びるような位置にあるため、出射端面９側から戻ってくる反射戻り光が活性層３に結合する光は減少することになる。結果として、比較的強い反射戻り光がある場合でも性能劣化を抑制することができる。

また、窓領域１１において低屈折率のｎ−ＩｎＰ層１０ｂの厚さは活性層３の厚さ以上であり、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂを挟むｎ−ＩｎＰ層１０ｂよりも屈折率の高い半導体層のそれぞれの厚さ以下としたため、ｎ−ＩｎＰ層１０ｂよりも屈折率の高い半導体層を光が伝播しやすくなり、また屈折率の高い半導体層を伝播する光が活性層３に結合する光を大幅に減らすことができる。これによって反射戻り光による性能劣化をさらに抑制することができる。

活性層３の出射端面９側の端面近傍から出射端面方向に伸びる低屈折率層は、図２のように必ずしも窓領域１１の活性層３から出射端面９まで全域にわたってある必要は無く、活性層３の出射端面９側の端面近傍から出射端面方向に伸びる領域にあれば効果がある。

また活性層３を出射端面９側に延長した領域に位置していなくても、例えば本実施の形態１の図２のように、延長した領域の近傍にあれば効果を有する。

低屈折率層を活性層３を出射端面９側に延長した領域の位置に形成してもよく、その場合、例えば、活性層３の形状をエッチングによってストライプ状に加工する前に、ｎ−ＩｎＰ埋め込み層４の上に高さ調節用のＩｎＰクラッド層を形成し、エッチング深さと電流閉じ込め層１０の厚さ方向の関係から、電流閉じ込め層１０中の屈折率の低い層が活性層３を出射端面９側に延長した領域に位置するようにしても良い。

また、電流閉じ込め層１０の層部分は必ずしもｐ−ＩｎＰ／ｎ−ＩｎＰ／ｐ−ＩｎＰの積層構造である必要は無く、例えば、２つ、または４つ以上の層からなる構造であっても良い。また屈折率が低い層はｎ−ＩｎＰ層でなくてもよく、いずれかの層、または全ての層の屈折率が低くなるようにしても良い。

低屈折率層またはそれを挟む半導体層の屈折率変化を生じる方法は、低屈折率層またはそれを挟む半導体層のどちらか、または両方の半導体組成を変化させる方法であってもよく、また、それらの層にひずみを加える方法や、局所的にイオン注入などで不純物を添加や欠陥を生じさせる方法であっても良い。

また電流閉じ込め層１０の層の一部または全体を活性層３よりもバンドギャップの大きな他組成を有する半導体材料で形成されていてもよい。

また、上記の半導体レーザは、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４が厚く、活性層８のエッチング後も窓領域１１に残る場合について説明したが、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４が薄く、活性層８のエッチング時に窓領域１１のｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４がなくなる構造であっても良い。図４は本実施の形態１の別の形態の半導体レーザの構成を示す断面図である。図２と比べて、ｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４が薄く、窓領域１１にはｐ−ＩｎＰ下クラッド層１４がない。この構成でも、ｐ−ＩｎＰ基板８の屈折率はｎ−ＩｎＰ層１０ｂの屈折率よりも高く、ｐ−ＩｎＰ基板８の厚さはｎ−ＩｎＰ層１０ｂ以上であるので、本発明の効果を有する。

本実施の形態１では活性層３の近傍に回折格子５を有するＤＦＢレーザであったが、回折格子５のない半導体レーザであっても、本実施の形態１のような窓領域１１を備えていれば本発明の効果を有する。

上記のように、本実施の形態１では、活性層の出射端面側の端面近傍から出射端面方向に伸びる第１の半導体層と、第１の半導体層を厚さ方向に挟む第２の半導体層および第３の半導体層とを備え、第１の半導体層の屈折率は第２の半導体層および第３の半導体層よりも小さく、第１の半導体層の厚さは活性層の厚さ以上、第２の半導体層の厚さ以下、また第３の半導体層の厚さ以下である窓領域を備えている。このため反射戻り光は直接活性層に入射せず、窓領域を通過する間に減衰した後に活性層に到達する。その結果、比較的強い反射戻り光がある場合でも性能低下を抑制することができる。

また、上記のように、窓領域１１によって反射戻り光の影響を抑制できるので、本発明の半導体レーザそのものの戻り光でなく、例えば、他のレーザから波長の異なる光が出射端面側から入力された場合であっても、その影響を抑制することができる。

（実施の形態２）
図５は本実施の形態２の半導体レーザの構成を示す断面図である。本実施の形態２の半導体レーザは、実施の形態１の構成に加えて、活性層の利得ピーク波長よりも短いブラッグ反射波長を有する回折格子５ｂを活性層に沿って設けたことにより、出射するレーザ光の波長が活性層の利得ピーク波長よりも短いことを特徴とする。基本的には図２と同じ構成を有し、その回折格子の周期に特徴がある。

反射戻り光が活性層３に吸収されると、レーザ内部の電界やキャリア密度が変動して、等価屈折率が変動する。等価屈折率揺らぎは、動的な光出力ゆらぎと発振波長の揺らぎを引き起こし、ＲＩＮの増大の一因となる。キャリア密度変動と屈折率変動との比例係数は、線幅増大係数αで表される。従って原理的には、αが小さくすることは、反射戻り光による性能劣化を抑制することに効果がある。

図６は、本実施の形態２の半導体レーザの利得および線幅増大係数αと波長との関係を模式的に示したグラフである。ここで、半導体レーザの活性層３には１．５ミクロン帯に発光波長を有するものを用いた。図６の上段の利得のグラフでは利得ピーク５２が見られるように、活性層３の利得はその活性層の組成や構造によって特定の波長に対してピークを持つ。一方、図６の下段のグラフのようにαは波長に対して、単調に増加し、活性層の利得ピークの波長５１を越えるとさらに急激に増加する傾向である。従って、発振波長５４を活性層の利得ピークの波長５１よりも短波長側に離調（デチューニング）５８させると、発振波長での利得５５は利得のピーク５２から減少するが、発振波長でのα５６は利得ピーク波長でのα５２よりも小さくなる。ＤＦＢレーザの場合発振波長を回折格子５ｂのブラッグ反射波長で決められるので、本実施の形態２では活性層の利得ピーク波長よりも短いブラッグ反射波長を有する回折格子５ｂを活性層３に沿って設けた。これにより出射するレーザ光の波長が活性層３の利得ピークの波長５１よりも短くなり、その分αが小さくなるので、反射戻り光が活性層３に戻った場合でも反射戻り光による性能劣化を抑制することができる。

例えば、活性層の利得ピーク波長５１よりも１０ナノメートル以上、より好ましくは２０ナノメートル以上短波長側に離調するようにすれば活性層３に到達した反射戻り光に起因する等価屈折率の動的な変動が大幅に抑えられるので、性能低下を抑制する効果が大きい。

また、αを低減する方法として、本実施の形態２の方法に加えて、活性層３を構成する多重量子井戸層への圧縮又は引張り歪の印加や、多重量子井戸層のうち障壁層にのみｐ型ドーピングを行う変調ドープなどの方法を併用しても効果的である。

図７は実施の形態２の半導体レーザの反射戻り光量とＲＩＮ相対雑音強度との関係を示すグラフである。図７には、実施の形態２のレーザの３個のＲＩＮ測定値６２と、比較データとして活性層の全面に沿って回折格子５ｃを有する分布帰還型の従来の半導体レーザの測定値６４とを示している。なお、反射戻り光とＲＩＮの測定の際には、ＲＩＮが最大値を取るように反射戻り光の偏波面を偏波コントローラによって調整している。ここで、使用したレーザは、出射端面９と反射端面７との間隔Ｌを３００μｍ、窓領域３の長さを２０μｍ、利得ピーク波長よりも短波長側に離調した離調量を１０ｎｍ、回折格子５ｂと活性層３との間の結合係数κと回折格子領域６の回折格子長Ｌｇとの積κ×Ｌｇの値を０．９に設定したレーザである。図７のように、従来の半導体レーザと比較すると、弱い反射戻り光量から比較的強い―１５ｄＢの反射戻り光量まで、すべての反射戻り光量において実施の形態２の半導体レーザのＲＩＮが低い値を保っている。また、図には示していないが、非特許文献１のように局所的に回折格子を設けた半導体レーザと比較しても、―３０ｄＢ以上の比較的強い反射戻り光に対してもＲＩＮが極めて小さく、本実施の形態２は顕著な効果を有している。

また、さまざまな構造パラメータを有する半導体レーザを作製し、ＲＩＮの反射戻り光量依存性を評価した結果、出射端面と反射端面との間隔Ｌが一定の場合に、κの値とＬｇの値とを適切に選ぶ事によって、反射戻り光による性能劣化を顕著に抑制できることを見出している。Ｌが２５０〜４００μｍ、窓領域の長さが２０〜５０μｍ、回折格子のブラッグ波長と利得ピーク波長との離調量が１０ｎｍ以上の場合において、κとＬｇとの積の値が０．６〜１．１の範囲にあるようにすると反射戻り光による性能劣化を顕著に抑制することができる。

以上のように実施の形態２では実施の形態１の窓領域によって、活性層に結合する反射戻り光を減少することができるうえに、ＤＦＢレーザの発振波長を決める回折格子のブラッグ反射波長が活性層３の利得ピーク波長５１よりも短くなるように離調（デチューニング）されているので、活性層３に到達した反射戻り光に起因する等価屈折率の動的な変動が及ぼす影響を低減する事ができ、性能低下を抑制することができる。

また、本実施の形態１および２のように、窓領域１１を有するＤＦＢレーザの構造では、反射戻り光が活性層３に近接して設置された回折格子によって反射され、再び出射端面から出射する光も減少する効果がある。この回折格子によって反射された反射戻り光は、受光側において本来の出力光との間でクロストークを起こす問題が知られているが、本発明はこのクロストークを減少することにも効果がある。

なお、上記の本実施の形態１および２では、ｐ-ＩｎＰ基板上に素子が形成された場合について示したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲でｎ-ＩｎＰ基板上において各層の導電性を反転させる構成や、回折格子を活性層の下や活性層中に設けた構成、も同様に可能である。さらに、本実施の形態１および２では出射側とは反対側の端面に高反射コーティング膜が形成されている場合について示したが、高反射コーティング膜を形成せずに、へき開端面をそのまま使用してもよい。また、窓領域は出射端面側だけでなく反射端面側にあってもかまわない。

本実施の形態１および２のような半導体レーザとすれば、アイソレータが無くても光通信システムに使用できるような反射戻り光に対して性能劣化の小さい半導体レーザとなるので、これらを、光通信用システムのレーザ光源に用いたり、レーザ光源モジュールとして用いたりすることで、アイソレータが不要となり、より簡単な構成の光通信システムやレーザ光源モジュールを実現できる。

（実施の形態３）
図９は本実施の形態３の半導体レーザモジュールの構成を示す概略図である。半導体レーザ８１と、その半導体レーザ８１の出射光８３を集光する複数のレンズ８２ａ、８２ｂ、８２ｃおよび、偏光子８５をケース８８内に備えている。ここで半導体レーザ８１は実施の形態１または２で述べた半導体レーザを用いる。

まず、ケース８８の外部から伝送すべき電気信号が配線８９を通じて半導体レーザ８１に入力される。この電気信号に応じて半導体レーザ８１から出射した出射光８３は、球レンズであるレンズ８２ａによっておおよそ平行なビームにされたのち、偏光子８５を通過する。偏光子８５は特定の方向（透過軸方向）の直線偏光を透過し、その方向からずれた偏光を吸収する。実施の形態１または２で述べたような量子井戸構造を有する半導体レーザでは、一般に電界の振動する方向が基板と並行なＴＥ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）光が出射光の主成分となる。また場合によっては基板に垂直なＴＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）光が主成分となることもある。そこで偏光子８５の透過軸の方向は、半導体レーザ８１から出射した出射光８３の主な偏光成分の方向と一致させておく。これにより、偏光子８５を通過する出射光８３の強度は最大となる。

偏光子８５は、例えば、銀などの金属ナノ粒子を板状ガラスに含有させ、面内の一方向に引き伸ばして配列することで偏光特性を持たせたものを用いることができる。

偏光子８５を通過した直線偏光の出射光８３はレンズ８２ｂ、８３ｃにより集光され、単一モードの光ファイバ８７の端面に入射する。これらのレンズ８２ｂ、８３ｃとしてはＧＲＩＮ（ＧＲａｄｅｄ−ＩＮｄｅｘ、屈折率勾配型）ロッドレンズを用いることができる。以上のように入力された電気信号は光信号に変換されて光ファイバ８７中を伝搬する。

上記の構成では出射光８３の偏光方向は半導体レーザ８１から光ファイバ８７の入射端面まで回転されずに保持される。光ファイバ８７中を伝搬中の光は途中に屈折率の不連続な部分など反射点などがあると反射され、再び上記の逆順に進み半導体レーザ８１側に戻る戻り光となる。しかし、通常、光ファイバ８７を伝搬する途中、または反射点では偏光方向は保持されず、戻り光の偏光方向は元の出射直後の偏光方向からずれる。本実施の形態３の半導体レーザモジュールでは上記のように半導体レーザ８１と光ファイバ８７の入射端面との間に偏光子８５を設置したので、戻り光のうち偏光子８５の透過軸方向に一致しない偏光成分は吸収される。このため偏光子８５によって戻り光の多くの成分が吸収され、半導体レーザ８１に戻る反射戻り光は減少する。反射戻り光が低減されることにより、半導体レーザ８１の発振線幅の増大や相対雑音強度ＲＩＮの増大を生じにくくすることができる。

なお、反射戻り光の中で半導体レーザ８１の偏光方向が同一の偏光成分は、偏光子８５の作用で減衰されずそのまま半導体レーザ８１の出射端面に戻ってくるが、実施の形態１または２に記載の戻り光耐性の高い半導体レーザ８１を用いているため、システムの要求する仕様を満足するＲＩＮの値を維持することができる。従って、以上のような構成によって光アイソレータを使用しない半導体レーザモジュールでも光通信システムの性能を向上させることができる。

なお、偏光子８５、レンズ８２ａ、８２ｂ、８３ｃは光の入射側または出射側、またその両側に出射光８１の波長の光が低反射となるように反射防止膜が形成されていると、半導体レーザモジュール内部での反射戻り光の発生を防ぐので好ましい。また、反射防止膜を形成した偏光子８５によってモジュールからの反射減衰量も十分に大きくする事ができる。

また、図９のように偏光子８５が出射光８３の伝搬方向である光軸に対してその入射面が垂直に設置されていてもよいが、傾斜するように設置されてもよい。入射面を傾斜させた場合はその面での反射した光が半導体レーザ８１に戻りにくくなるのでモジュール内部での反射戻り光の発生をさらに低減することができる。傾斜させるかわりに半導体レーザ８１側の入射面が凸面となるように偏光子８５を湾曲させてもよい。また、偏光子８５を傾斜や湾曲して配置する場合は、入射面に対して斜めから入射した場合でも出射光８３の波長で低反射、例えば反射率１％以下、となるように上記の反射防止膜は多層膜フィルタとするとよい。

また、ケース８８は外部から光が入らない構造が望ましく、また、内壁には光を吸収する材料や塗料が塗布されていてもよい。

また、本実施の形態３では複数のレンズを用いて、いわゆる第二レンズ分割型共焦点系といわれる構成となっているが、レンズは少なくとも光ファイバ８７に集光するレンズが１つあれば良く、偏光子８５は半導体レーザ８１と光ファイバ８７に入射端面との間にあればよい。

（実施の形態４）
図１０は本実施の形態４の半導体レーザモジュールの構成を示す概略図である。実施の形態３の図９では複数のレンズを用い、また光ファイバ８７の入射端面はＧＲＩＮレンズからなるレンズ８２ｃに接続する構成としたが、本実施の形態４ではレンズを１個のレンズ８２ｄとしてレンズと光ファイバ８７の入射端面とが離れた構成とした。また、光ファイバ８７の入射端面はその出射光８３の光軸に対して傾斜した面とされ、その入射端面部分はフェルール９０で保持される。このフェルール９０の端面に反射防止コーティングされた偏光子８１が設置される。このように、偏光子８１の入射面と光ファイバ８７の入射端面は半導体レーザ８１の出射光８３の光軸に対して傾斜するので、偏光子８１やこれらの面で反射する光が半導体レーザ８１に戻ることを防止できる。偏光子８１によって反射戻り光が低減される効果があることは本実施の形態３と同様である。

（実施の形態５）
また図１１は本実施の形態５の半導体レーザモジュールの構成を示す概略図である。この半導体レーザモジュールは光アクセス系の通信システムで用いられ、波長の異なる上り／下りの光信号が双方向に伝送される一心双方向の光モジュールとなっている。

実施の形態４の構成の半導体レーザとレンズとが半導体レーザパッケージ９１に収納され、半導体レーザパッケージ９１と光ファイバ８７との間に波長選択フィルタ９３が追加され、さらにフォトダイオードパッケージ９４が追加された構成である。半導体レーザパッケージ９１、フォトダイオードパッケージ９４およびフェルール９０はケース８８の壁面に固定されている。半導体レーザパッケージ９１とフォトダイオードパッケージ９４にはそれ端子９４があり、これらの端子９４を通じてケース８８の外部から電気信号を入出力する。

半導体レーザパッケージ９１の内部では半導体レーザから出射光がレンズにより集光されて上り光９７として光ファイバ８７の端面から入射される。一方、その上り光９７と異なる波長を有する下り光９８が光ファイバ８７の端面からケース８８内に出射される。

半導体レーザパッケージ９１と光ファイバ８７の端面との間には、上り光９７の波長の光を透過し、下り光９８の波長の光を反射する波長選択フィルタ９５が設置されている。半導体レーザパッケージ９１からの上り光９７の光軸は光ファイバ８７の光軸に一致するように配置され、その光軸を結ぶ直線に対する垂線上に方向にフォトダイオードパッケージ９４が配置される。その光軸を結ぶ直線と垂線との交点位置に波長選択フィルタ９５が４５度傾けて設置される。これにより、上り光９７は光軸上を進み波長選択フィルタ９５を透過して光ファイバ８７の端面に入射される。一方、下り光９８は反射されてフォトダイオードパッケージ９４に入射され、双方向の光通信が可能となる。

なお、波長選択フィルタ９５は上り光９７の波長の光を反射し、下り光９８の波長の光を透過するものとして、上記の半導体レーザパッケージ９１とフォトダイオードパッケージ９４との配置を入れ替えた構成としてもよい。

本実施の形態５においても実施の形態４と同様に、出射光の光軸に対して斜めの端面を有する光ファイバ８７が固定されたフェルールに偏光子８５が固定されているので、同様に半導体レーザへの戻り光が低減される。これにより例えば光ファイバ８７の途中で反射が増加する場合があってもその影響を受けにくいので信頼性の高い光通信が可能となる。

本実施の形態１の半導体レーザの構成を示す断面図である。 本実施の形態１の半導体レーザの構成を示す断面図である。 本実施の形態１の半導体レーザの構成を示す斜視図である。 本実施の形態１の別の形態の半導体レーザの構成を示す断面図である。 本実施の形態２の半導体レーザの構成を示す断面図である。 本実施の形態２の半導体レーザの活性層の特性を示すグラフである。 本実施の形態２の半導体レーザの特性を示すグラフである。 本実施の形態１の比較例の従来の半導体レーザの構成を示す断面図である。 本実施の形態３の半導体レーザモジュールの構成を示す概略図である。 本実施の形態４の半導体レーザモジュールの構成を示す概略図である。 本実施の形態５の半導体レーザモジュールの構成を示す概略図である。

符号の説明

１ ｎ側電極、２ ｐ側電極、３ 活性層、４ ｎ-ＩｎＰ埋め込み層、５、５ｂ 回折格子、６ 回折格子領域、７ 反射端面、８ ｐ-ＩｎＰ基板、９ 出射端面、１０ 電流閉じ込め層、１０ａ ｐ-ＩｎＰ層、１０ｂ ｎ-ＩｎＰ層、１０ｃ ｐ-ＩｎＰ層、１１ 窓領域、１２ ｎ-ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、１３ ｎ-ＩｎＰ上クラッド層、１４ ｐ-ＩｎＰ下クラッド層、１５ 高反射膜、１６ 低反射膜、１７ レーザ光、２０ 断面、２１ 第１の半導体層、２２ 第２の半導体層、２３ 第３の半導体層、５１ 活性層の利得ピークの波長、５２ 利得のピーク、５３ 利得のピーク波長のα、５４ 発振波長、５５ 発振波長における利得、５６ 発振波長におけるα、５８ 離調（デチューニング）、６２ ＲＩＮ測定値、６４ 従来の半導体レーザのＲＩＮ測定値、８１ 半導体レーザ、８２ａ、８２ｂ、８２ｃ レンズ、８３ 出射光、８５ 偏光子、８７ 光ファイバ、８８ ケース、８９ 配線、９０ フェルール、９２ 半導体レーザパッケージ、９３ フォトダイオードパッケージ、９４ 端子、９５ 波長選択フィルタ、９７ 上り光、９８ 下り光

Claims (3)

1. レーザ光の出射端面と活性層との間に前記活性層よりもバンドギャップの大きい半導体からなる窓領域を有する半導体レーザであって、
   前記窓領域は、前記活性層の前記出射端面側の端面近傍から前記出射端面まで伸びる第１の半導体層と、前記第１の半導体層を厚さ方向に挟む第２の半導体層および第３の半導体層とを備え、
   前記第１の半導体層の屈折率は前記第２の半導体層および前記第３の半導体層の屈折率よりも低く、前記第１の半導体層の厚さは前記活性層の厚さ以上で、前記第２の半導体層の厚さ以下、また前記第３の半導体層の厚さ以下であることを特徴とする半導体レーザ。
2. 活性層の利得ピーク波長よりも短いブラッグ反射波長を有する回折格子を前記活性層に沿って設けたことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 請求項１または２に記載の半導体レーザと、該半導体レーザの出射光を集光するレンズと、集光された前記出射光が入射される光ファイバと、前記半導体レーザと前記光ファイバとの間に偏光子と、を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。

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