JP2010141232A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ＩｎＰ層内に形成されたＩｎＰよりも高い屈折率を持つＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子を備えた屈折率結合型ＤＦＢレーザ素子の信頼性を向上させる。
【解決手段】屈折率結合型ＤＦＢレーザ素子の回折格子層を構成するＩｎＧａＡｓＰのバルク時における格子定数をＩｎＰの格子定数よりも短くすることにより、回折格子層に蓄積されたキャリアの自然放出過程による発光を容易に抑制し、キャリアの損失を低減させると同時に、ノッチ形成に起因する電気抵抗の上昇による消費電力の上昇を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバの送信光源などに用いられる半導体レーザ素子に関し、特に、ＩｎＧａＡｓＰ結晶を回折格子層に用いた分布帰還型レーザ素子に適用して有効な技術に関するものである。

近年、情報通信分野では、光を用いて大容量のデータを高速でやりとりする通信トラフィックの整備が急速に行われつつある。その中でも、インターネットの爆発的な普及に伴うアクセス回線のブロードバンド化が加速しており、ＦＴＴＨ(Fiber To The Home)サービスの顕著な市場立ち上がりが見られている。

上記ＦＴＴＨ光伝送方式の中で、現在需要が増えてきているのが、複数の加入者で１本の光ファイバを共有するＰＯＮ(Passive Optical Network)方式である。同方式では、収容局から１本の光ファイバで送信されてきたデータをスプリッタで１６本から３２本の光ファイバへ分岐し、各加入者宅まで分配することで光ファイバ敷設コストの大幅な削減を可能としている。また、各加入者側にはＯＮＵ（Optical Network Unit）と呼ばれる端末装置を敷設し、収容局から加入者側への下り信号(波長１．５μｍ)と、加入者側から収容局への上り信号(波長１．３μｍ)とを波長多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）することにより、上りと下りの信号を同一の光ファイバで伝送している。

現在のＰＯＮ方式の上り側には直接変調レーザが用いられており、そのビットレートはおおよそ１Ｇｂｐｓ程度であるが、すでに１０Ｇｂｐｓ以上のビットレートを取り扱う方式が検討されている。また、これとは別に、２０〜２５Ｇｂｐｓ以上で動作可能な直接変調レーザを４〜５個用い、１００Ｇｂｐｓ以上の速度で情報をやり取りする方法も検討され始めている。

このように、直接変調レーザの使用範囲は多岐に渡っており、さらなる高速化、低消費電力化などの高性能化が求められている。また、このような高性能化の要求に伴い、通信用半導体レーザ素子の代表的材料の１つであるＩｎＧａＡｓＰ結晶に代わって、もう１つの代表的な材料であるＩｎＧａＡｌＡｓ結晶を活性層に用いた半導体レーザ素子の開発が盛んになっている。

上記ＩｎＧａＡｌＡｓ結晶を用いた多重量子井戸(Multi-Quantum Well：ＭＱＷ)構造は、ＩｎＧａＡｓＰ結晶を使用したものよりも好ましい構造になる。すなわち、図４に示すように、量子井戸層の井戸層と障壁層の伝導帯の不連続と価電子帯側に不連続の割合（ΔＥｃ：ΔＥｖ）は、ＩｎＧａＡｓＰ系ＭＱＷ構造が４：６であるのに対して、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ構造では７：３である。そのため、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ構造の方が有効質量の小さい電子をＭＱＷ層内に閉じ込め易く、一方、有効質量の大きい正孔は、ＭＱＷ層内の各井戸層に均一に分布し易い。

上記直接変調レーザには、主として分布帰還型(Distributed Feed-Back：ＤＦＢ)レーザが使用されている。その理由として、ＤＦＢレーザは、単一モードでの発振が可能なため、特に距離が長い所では、多モードのファブリペロー(Fabry-Perot：ＦＰ)レーザに比べて伝送信号の波形が歪み難いからである。

ＤＦＢレーザ素子の一種として、特許文献１（特開２００１−３０８４５１号公報）のような利得結合型ＤＦＢレーザ素子があり、例えば図２のような構造を有している。この特許文献に記載された利得結合型ＤＦＢレーザ素子は、ｎ型ＩｎＰ結晶からなる基板４上にＧａＩｎＡｓＰ結晶からなるＭＱＷ層５を形成し、ＭＱＷ層５の上部にｐ側クラッド層３を形成する。また、基板４の下部にはｎ電極２を形成し、ｐ側クラッド層３上にはｐ電極１を形成する。

さらに、上記特許文献の一実施の形態では、上記ＭＱＷ層５を、組成の異なるＭＱＷ−Ａ層とＭＱＷ−Ｂ層とで構成し、ＭＱＷ−Ａ層を、光の伝搬方向に発振波長の半波長の整数倍の周期で分割する。そして、ＭＱＷ−Ａ層には引張歪を導入し、ＭＱＷ−Ｂ層には圧縮歪を導入することによって、ＭＱＷ層５の膜質を所望の状態に制御している。

このように、利得結合型ＤＦＢレーザ素子は、光の伝搬方向に周期的な利得を持たせることによって分布帰還を生じさせているが、周期的な利得を持たせるためには、ＭＱＷ−Ｂ層だけでなくＭＱＷ−Ａ層にも均一、かつ効率よく電流を注入させなくてはならない。なぜならば、もしＭＱＷ−Ａ層に均一、かつ効率よく電流を注入できなければ、ＭＱＷ−Ａ層が光の吸収層となり、その分光損失が大きくなるので、特性が劣化してしまうからである。

また、利得結合型ＤＦＢレーザ素子の製造工程では、上記ＭＱＷ−Ａ層のような周期構造を形成する際にドライエッチングプロセスを適用すると、ＭＱＷ−Ａ層にダメージを与えてしまうので、特性および信頼性の低下を招く。他方、ウェットエッチングプロセスを適用すると、エッチング条件の制御が難しいため、周期構造を再現性良く形成することが困難となる。さらに、エッチング工程でＭＱＷ層が外気に触れてしまうため、特にＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷ層の場合には、表面にアルミニウム酸化物などが形成され、信頼性が確保できなくなるという問題がある。

そこで、もう一種のＤＦＢレーザ素子である屈折率結合型ＤＦＢレーザ素子がよく利用される。この素子は、例えば図３に示すように、ｎ型ＩｎＰ結晶からなる基板４上にｎ側ＳＣＨ(Separate Confinement Heterostructure)層６を形成し、ｎ側ＳＣＨ層６上に順次ＭＱＷ層５、ｐ側ＳＣＨ層７、ＩｎＰからなるスペーサ層８、回折格子層９、ｐ側クラッド層３を形成する。また、基板４の下部にはｎ電極２を形成し、ｐ側クラッド層３上にはｐ電極１を形成する。回折格子層９は、高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層と低屈折率（ＩｎＰ）層とを光の伝搬方向に周期的に配置した構造になっており、これによって分布帰還が生じるようになっている。

上記のような構造を有する屈折率結合型レーザ素子の製法の一例を図６（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。

まず、図６（ａ）に示すように、基板４上にＭＯＶＰＥ法などを用いてｎ側ＳＣＨ層６、ＭＱＷ層５、ｐ側ＳＣＨ層７、ｐ型ＩｎＰ結晶からなるスペーサ層８、四元層１２、ｐ型ＩｎＰ層１１を順次形成した後、ｐ型ＩｎＰ層１１上に所望の周期を持つエッチングマスク１０を形成する。なお、ここではエッチングマスク１０として、酸化シリコン膜を使用することを前提としている。

次に、図６（ｂ）に示すように、ｐ型ＩｎＰ層１１をドライエッチング法でパターニングする。このとき、下層の四元層１２が若干エッチングされてもよい。

次に、エッチングマスク１０をフッ酸で除去した後、図６（ｃ）に示すように、四元層１２をウェットエッチング法でパターニングする。このとき、エッチング溶液として燐酸水溶液を用いることにより、ｐ型ＩｎＰ層１１およびスペーサ層（ｐ型ＩｎＰ）８がエッチングされることなく、四元層１２のみが選択的にエッチングされて回折格子層９が形成される。

その後、回折格子層９の表面にｐ型ＩｎＰ層を成長させることにより、このｐ型ＩｎＰ層と上記ｐ型ＩｎＰ層１１とが一体となったｐ側クラッド層３を形成する（図３）。

上記した製造方法の利点は、周期構造（回折格子層９）を形成する際にＭＱＷ層５が外気に触れないので、前述した利得結合型レーザのような信頼性の低下が生じないことにある。また、周期構造（回折格子層９）の周囲がｐ型ＩｎＰ層（ｐ側クラッド層３）で囲まれた構造になるので、エッチング工程で回折格子層９を再現性よく形成できるという利点もある。

上記のような周期構造（回折格子層９）はｎ側に形成することも可能であるが、上記の例のようにｐ側に形成しているのは、所望の利得ピークと発振波長の差(デチューニング量)が得られるようにＭＱＷ層５を形成した後にそのフォトルミネッセンス波長などを調べ、その結果を用いて回折格子の周期を計算し、回折格子層９を形成できるという利点があるからである。
特開２００１−３０８４５１号公報

図４は、前記図３に示した構造を有する屈折率結合型レーザ素子のＡ−Ｂ線に沿った模式的なバンド図である。また、図５は、回折格子層の周囲の価電子帯の拡大バンド図である。

これらの図から明らかなように、屈折率結合型レーザの回折格子層は、その周囲をＩｎＧａＡｓＰよりもバンドギャップの大きいｐ−ＩｎＰ層で囲まれており、さらに価電子帯に至ってノッチが形成される。そのため、注入されたホールはノッチがあるために回折格子を避けながら伝導していくので回折格子層が無いときよりも電気抵抗が上昇することになる上、キャリアが回折格子に捕獲されるとノッチが高い障壁となり回折格子層から抜け出しにくく、蓄積され易くなる。

従来、ＭＱＷ層には歪を導入することによって特性を向上させていた。ＭＱＷ層を形成する井戸層の歪の方向は圧縮歪、引張歪のいずれでも構わない。ただし、歪の方向によって偏波方向が変わり、圧縮歪が導入されたＭＱＷ層はＴＥモード、引張歪が導入されたＭＱＷ層はＴＭモードとなる。そのため、同一の回折格子層であっても、結合定数（κ）の大きさは、偏波方向によって異なってくる。

図７に結合定数（κ）のデューティ依存性を示す。この図は一例に過ぎないが、ここから分かるように、一般にＴＭモードの方がＴＥモードよりも結合定数が小さい。そのため、ＳＣＨ層をｎ側とｐ側とで同一にした場合に、引張歪ＭＱＷ層が圧縮歪ＭＱＷ層と同程度の結合定数（κ）を得るためには、回折格子層の屈折率を大きくするか、または回折格子層を厚くする必要がある。しかし、回折格子層の屈折率を大きくするために発光波長のエネルギーと同程度以下のバンドギャップのＩｎＧａＡｓＰを使用した場合は、発光光が吸収されて光損失が生じるので、屈折率を大きくするのには限界がある。

そこで、通常は、回折格子層を厚くする方法が考えられる。しかし、図８に示すように、回折格子に捕獲されたキャリアのエスケープタイムは、回折格子層を厚くするほど長くなるため、回折格子層を厚くした場合は、キャリアがより蓄積され易くなる。そして、蓄積されたキャリアは、自然放出過程により発光し、キャリアの損失を生じさせると同時に、消費電力の上昇を招く。

このように、回折格子層に蓄積されたキャリアは自然放出過程により発光し、キャリアの損失を生じさせると同時に、消費電力の上昇を招いてしまうという課題があり、特に引張歪ＭＱＷ層では圧縮歪ＭＱＷ層よりもその課題による影響が大きく出ていた。

本発明の目的は、ＩｎＧａＡｓＰ結晶を回折格子層に用いた分布帰還型レーザ素子の信頼性を向上させる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本発明では、回折格子層を形成するＩｎＧａＡｓＰのバルクの時の格子定数をＩｎＰの格子定数よりも短くなるように形成することにより、前記の課題を解決する。この解決法は、引張歪ＭＱＷ層もしくは圧縮歪ＭＱＷ層を持つレーザ素子に効果があるが、特に、引張歪ＭＱＷ層を持つ半導体レーザ素子においてその効果が大きい。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明によれば、これまでと作製方法と作製コストをあまり変えることなく、回折格子層に蓄積されたキャリアの自然放出過程による発光を容易に抑制し、キャリアの損失を低減させると同時に、ノッチ形成に起因する電気抵抗の上昇による消費電力の上昇を低減することが可能となる。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施例では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。また、以下の実施例を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合がある。

（実施例１）
図９は、本発明の実施例１である屈折率結合型レーザ素子の断面図である。なお、レーザ光の伝搬方向は、この断面に垂直な方向である。

本実施例の屈折率結合型レーザ素子は、ｎ型ＩｎＰ結晶からなる基板４上にＭＯＶＰＥ法などを用いて厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ結晶（組成波長：１．０μｍ）からなるｎ側ＳＣＨ層６を形成し、ｎ側ＳＣＨ層６上にＭＱＷ層５、厚さ５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓ結晶からなるｐ側ＳＣＨ層７、ＩｎＰ結晶からなるスペーサ層８、高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層と低屈折率（ＩｎＰ）層とを光の伝搬方向へ周期的に配置した回折格子層９、およびｐ側クラッド層３を順次形成した構成になっている。そして、これら各層によって幅１．５μｍのハイメサリッジ構造が形成され、その両側にはＦｅドープＩｎＰ結晶からなる埋込層１４とこの埋込層１４を覆う絶縁膜１３とが形成されている。また、基板４の下部にはｎ電極２が形成され、ｐ側クラッド層３および絶縁膜１３の上部にはｐ電極１が形成されている。

上記ＭＱＷ層５は、井戸層と障壁層との１０周期構造になっている。井戸層は、室温のフォトルミネッセンス波長が１．３μｍ付近、かつバルクの時の格子定数が５．９３Å（圧縮歪量１．０％）となるように構成された幅７ｎｍのＩｎＧａＡｌＡｓ結晶からなる。また、障壁層は、バルクの時の格子定数が５．８４Å（引張歪量０．５％）となるように構成された幅１０ｎｍのＩｎＧａＡｌＡｓ結晶（組成波長：１．０μｍ）からなる。

このレーザ素子の共振器長は、２００μｍである。図示は省略するが、レーザ光の伝搬方向の前端面には反射率が約１％の反射防止膜がコーティングされ、後端面には反射率が約７５％の高反射膜がコーティングされている。なお、上記埋込層１４は、ＦｅドープＩｎＰ結晶に代えてＲｕドープＩｎＰ結晶で構成することもできる。

本実施例では、上記回折格子層９を以下のようにして設計した。まず、回折格子層９は、組成波長が１．２０μｍの高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層と、低屈折率（ＩｎＰ）層とのデューティが１：１となる均一な周期構造とした。

次に、回折格子層９に歪を導入するに当たっては、低屈折率（ＩｎＰ）層で挟まれた高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層（組成波長：１．２０μｍ）からのキャリアのエスケープタイムを、高屈折率層の厚さが１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍの場合についてそれぞれ計算した（図１０参照）。ここで、図中のＣバンドは伝導帯からのエスケープタイムであり、ＨＨバンドとＬＨバンドは価電子帯からのエスケープタイムである。価電子帯にＨＨバンドとＬＨバンドとがあるのは、歪の大きさによって最もエネルギー的に安定したバンドが入れ替わるからであり、組成波長に大きく関係なく、およそ引張歪量が０．２５％周辺でＨＨバンドとＬＨバンドとが入れ替わる（図１１参照）。

この計算結果をみると、伝導帯のエスケープタイムは、引張歪量を大きくするにつれて単調に短くなっていく。一方、価電子帯のエスケープタイムは、０％から０．２５％付近までは単調に短くなるが、０．２５％付近でＨＨバンドとＬＨバンドとが入れ替わり、さらに引張歪量を大きくすると単調に長くなる。そして、引張歪量が１．０％に達すると、歪を導入しない場合よりもかえってエスケープタイムが長くなってしまう。また、回折格子層９の厚さが厚いほどエスケープタイムが長くなることが分かる。

本実施例の構造において、回折格子層９のＴＥモード光との結合定数（κ）を計算すると、厚さが１０ｎｍのときにκ〜５６ｃｍ^−１、厚さが２０ｎｍのときにκ〜７０ｃｍ^−１、厚さが３０ｎｍのときにκ〜１０２ｃｍ^−１となった。以上のことを踏まえ、本実施例では、高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層の厚さを２０ｎｍ（κＬ〜１．４）とし、引張歪量を０．９％とした。

また、室温にて１．３μｍ付近で発振するように、その周期を２０２．４ｎｍとした。このとき、低屈折率（ＩｎＰ）層で挟まれた高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層（組成波長：１．２０μｍ、厚さ２０ｎｍ）の価電子帯のバンド構造を計算すると、図１のようになった。図１から、引張歪を導入することによって、ノッチが減少していることが分かる。ここで、高屈折率層の材料として組成波長が１．２０μｍのＩｎＧａＡｓＰを選んだのは、室温にて１．３μｍ周辺で発光する半導体レーザ素子の利得の幅は１００ｎｍ程度あり、従って１．２５μｍよりも長い組成波長の材料では吸収による光損失が大きくなるためである。言い換えると、回折格子層の組成波長を１．２５μｍよりも短くすれば光損失が生ずることはなく、引張歪を導入することも考慮すると、図１２の斜線領域に示す領域内にある組成のＩｎＧａＡｓＰを用いればよい。ただし、組成波長が長いほど屈折率は大きくなり、作製誤差によるわずかな厚さのずれによって結合定数が変わってくるので、本実施例では回折格子層の作製誤差があっても余り影響が大きくない組成波長１．２０μｍのＩｎＧａＡｓＰを選んだ。

以上のようにして作製したレーザ素子と、特性比較のために回折格子層の格子定数を基板４に整合させたレーザ素子の静特性を比較したところ、本実施例のレーザ素子は、比較例のレーザ素子に比べて、２５℃における電気抵抗が０．５Ω低下し、かつ閾値が１ｍＡ低下し、本発明が有効であることが確認された。

（実施例２）
図１３は、本発明の実施例２である屈折率結合型レーザ素子の断面図である。なお、レーザ光の伝搬方向は、この断面に垂直な方向である。

本実施例の屈折率結合型レーザ素子は、ｎ型ＩｎＰからなる基板４上に厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．０μｍ）からなるｎ側ＳＣＨ層６が形成され、ｎ側ＳＣＨ層６上にＭＱＷ層５、厚さ５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓからなるｐ側ＳＣＨ層７、ＩｎＰからなるスペーサ層８、高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層と低屈折率（ＩｎＰ）層とを光の伝搬方向へ周期的に配置した回折格子層９、ｐ側クラッド層３が順次形成されている。そして、これら各層によって幅１．５μｍのメサストライプ構造が形成されている。また、基板４の下部にはｎ電極２が形成され、ｐ側クラッド層３および絶縁膜１３の上部にはｐ電極１が形成されている。

上記ＭＱＷ層５は、井戸層と障壁層との３周期構造になっている。井戸層は、室温のフォトルミネッセンス波長が１．３μｍ付近、かつバルクの時の格子定数が５．８１Å（引張歪量１．０％）となるように構成された幅１１ｎｍのＩｎＧａＡｌＡｓからなり、障壁層は、格子定数を基板４に整合させた幅１１ｎｍのＩｎＧａＡｌＡｓ（組成波長：１．０μｍ）からなる。また、このレーザ素子の共振器長は、１６０μｍであり、その前端面には反射率が約１％のコーティングが施され、後端面には反射率が約７５％のコーティングが施されている。

本実施例では、上記回折格子層９を前記実施例１と同じ方法で設計した。すなわち、回折格子層９は、組成波長が１．２０μｍの高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層と、低屈折率（ＩｎＰ）層とのデューティが１：１となる均一な周期構造とした。

ただし、本実施例の構造において、回折格子層９のＴＭモード光との結合定数（κ）を計算すると、厚さが１０ｎｍのときにκ〜５０ｃｍ^−１、厚さが２０ｎｍのときにκ〜６１ｃｍ^−１、厚さが３０ｎｍのときにκ〜９０ｃｍ^−１となった。このことを踏まえ、本実施例では、高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層の厚さを３０ｎｍ（κＬ〜１．４）とし、引張歪量を０．３％とした。

また、室温にて１．３μｍ付近で発振するように、その周期を２０３．１ｎｍとした。このとき、低屈折率（ＩｎＰ）層で挟まれた高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層（組成波長：１．２０μｍ、厚さ３０ｎｍ）の価電子帯のバンド構造を計算した結果、前記実施例１と同様に引張歪を導入することにより、ノッチが減少していることを確認した。

以上のようにして作製したレーザ素子と、特性比較のために回折格子層の格子定数を基板４に整合させたレーザ素子の静特性を比較したところ、本実施例のレーザ素子は、比較例のレーザ素子に比べて、２５℃における電気抵抗が１．１Ω低下し、かつ閾値が０．５ｍＡ低下し、本発明が有効であることが確認された。

（実施例３）
図１４は、本発明の実施例３である屈折率結合型レーザ素子の断面図である。なお、レーザ光の伝搬方向は、この断面に垂直な方向である。

本実施例の屈折率結合型レーザ素子は、ｎ型ＩｎＰからなる基板４上に高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層と低屈折率（ＩｎＰ）層とを光の伝搬方向へ周期的に配置した回折格子層９が形成されている。この回折格子層９の上部には、厚さ２０ｎｍのＩｎＰからなるスペーサ層８、厚さ５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（組成波長：１．０μｍ）からなるｎ側ＳＣＨ層６、ＭＱＷ層５、厚さ５０ｎｍのＩｎＡｌＡｓからなるｐ側ＳＣＨ層７、ｐ側クラッド層３が順次形成されている。

そして、上記ｐ側クラッド層３によって幅１．５μｍのメサストライプ構造が形成されており、このｐ側クラッド層３の側壁とｐ側ＳＣＨ層７の上部には絶縁膜１３が形成されている。また、基板４の下部にはｎ電極２が形成され、ｐ側クラッド層３および絶縁膜１３の上部にはｐ電極１が形成されている。

上記ＭＱＷ層５は、井戸層と障壁層との１０周期構造になっている。井戸層は、室温のフォトルミネッセンス波長が１．３μｍ付近、かつバルクの時の格子定数が５．９３Å（圧縮歪量１．０％）となるように構成された幅７ｎｍのＩｎＧａＡｌＡｓからなり、障壁層は、バルクの時の格子定数が５．８４Å（引張歪量０．５％）となるように構成された幅１０ｎｍのＩｎＧａＡｌＡｓ（組成波長：１．０μｍ）からなる。また、このレーザ素子の共振器長は、２００μｍであり、その前端面には反射率が約１％のコーティングが施され、後端面には反射率が約７５％のコーティングが施されている。

本実施例では、上記回折格子層９を前記実施例１と同じ方法で設計した。すなわち、回折格子層９は、組成波長が１．２０μｍの高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層と、低屈折率（ＩｎＰ）層とのデューティが１：１となる均一な周期構造とした。

ただし、本実施例の構造において、回折格子層９のＴＥモード光との結合定数（κ）を計算すると、厚さが１０ｎｍのときにκ〜６２ｃｍ^−１、厚さが２０ｎｍのときにκ〜７３ｃｍ^−１、厚さが３０ｎｍのときにκ〜１１０ｃｍ^−１となった。このことを踏まえ、本実施例では、高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層の厚さを２０ｎｍ（κＬ〜１．５）とし、引張歪量を０．３％とした。

また、室温にて１．３μｍ付近で発振するように、その周期を２０１．８ｎｍとした。このとき、低屈折率（ＩｎＰ）層で挟まれた高屈折率（ＩｎＧａＡｓＰ）層（組成波長：１．２０μｍ、厚さ２０ｎｍ）の価電子帯のバンド構造を計算した結果、前記実施例１と同様に引張歪を導入することにより、ノッチが減少していることを確認した。

以上のようにして作製したレーザ素子と、特性比較のために回折格子層の格子定数を基板４に整合させたレーザ素子の静特性を比較したところ、本実施例のレーザ素子は、比較例のレーザ素子に比べて、２５℃における電気抵抗が０．１Ω低下し、かつ閾値が０．１ｍＡ低下し、本発明が有効であることが確認された。

以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明は、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰもしくはＩｎＧａＡｌＡｓからなる分布帰還型レーザ素子に適用することができる。

本発明の実施例１である屈折率結合型レーザ素子における価電子帯のバンド構造を計算した結果を示すグラフである。 従来の利得結合型ＤＦＢレーザ素子の断面構造を示す図である。 従来の屈折率結合型ＤＦＢレーザ素子の断面構造を示す図である。 図３に示した構造を有する屈折率結合型レーザ素子のＡ−Ｂ線に沿った模式的なバンド図である。 図３に示した構造を有する屈折率結合型レーザ素子における回折格子層の周囲の価電子帯の拡大バンド図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図３に示した構造を有する屈折率結合型レーザ素子の製造方法の一例を示す断面図である。 結合定数（κ）のデューティ依存性を示すグラフである。 回折格子に捕獲されたキャリアのエスケープタイムと回折格子層の厚さとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例１である屈折率結合型レーザ素子の断面図である。 本発明の実施例１である屈折率結合型レーザ素子における回折格子層の歪量とキャリアのエスケープタイムとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例１である屈折率結合型レーザ素子における回折格子層の歪量とバンドエネルギーとの関係を示すグラフである。 本発明の実施例１である屈折率結合型レーザ素子における回折格子層の組成波長の最適範囲を説明するグラフである。 本発明の実施例２である屈折率結合型レーザ素子の断面図である。 本発明の実施例３である屈折率結合型レーザ素子の断面図である。

符号の説明

１ ｐ電極
２ ｎ電極
３ ｐ側クラッド層
４ 基板
５ ＭＱＷ層
６ ｎ側ＳＣＨ層
７ ｐ側ＳＣＨ層
８ スペーサ層
９ 回折格子層
１０ エッチングマスク
１１ ｐ型ＩｎＰ層
１２ 四元層
１３ 絶縁膜
１４ 埋込層

Claims (4)

1. ＩｎＰ基板と、
   前記ＩｎＰ基板上に形成され、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＧａＡｌＡｓの少なくとも一種を含む単一もしくは複数の層からなる下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上に形成され、ＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＧａＡｌＡｓの少なくとも一種を含む多重もしくは単一の量子井戸層と、
   前記量子井戸層上に形成され、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＧａＡｌＡｓの少なくとも一種を含む単一もしくは複数の層からなる上部クラッド層と、
   前記上部クラッド層上に形成されたＩｎＰからなるスペーサ層と、
   前記スペーサ層上に形成されたＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとからなる回折格子層とを含み、
   前記回折格子層にＩｎＰからなるクラッド層が形成された半導体レーザ素子において、
   前記回折格子層を構成する前記ＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長の大きさが１．２５μｍよりも短波長側にあり、かつ前記ＩｎＧａＡｓＰのバルク時の格子定数が前記ＩｎＰ基板の格子定数よりも短いことを特徴とする半導体レーザ素子。
2. ＩｎＰ基板と、
   前記ＩｎＰ基板上に形成されたＩｎＰからなるスペーサ層と、
   前記スペーサ層上に形成されたＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとからなる回折格子層と、
   前記回折格子層上に形成され、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＧａＡｌＡｓの少なくとも一種を含む単一もしくは複数の層からなる下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上に形成され、ＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＧａＡｌＡｓの少なくとも一種を含む多重もしくは単一の量子井戸層と、
   前記量子井戸層上に形成され、ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｓＰおよびＩｎＧａＡｌＡｓの少なくとも一種を含む単一もしくは複数の層からなる上部クラッド層とを含む半導体レーザ素子において、
   前記回折格子層を構成する前記ＩｎＧａＡｓＰのバンドギャップ波長の大きさが１．２５μｍよりも短波長側にあり、かつ前記ＩｎＧａＡｓＰのバルク時の格子定数が前記ＩｎＰ基板の格子定数よりも短いことを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 請求項１または２記載の半導体レーザ素子であって、前記回折格子層を構成する前記ＩｎＧａＡｓＰのバルク時の格子定数（Ａ）が５．８１Å＜Ａ＜５．８７Åであることを特徴とする半導体レーザ素子。
4. 請求項１または２記載の半導体レーザ素子であって、前記量子井戸層を構成する井戸層のバルク時の格子定数（Ｂ）がＢ＜５．８７Åであることを特徴とする半導体レーザ素子。

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