JP2011216534A - 半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】膜剥がれなどを起こすことなく、膜数の多い（誘電体多層膜の層数が多い）高反射膜構造を実現することが可能なリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子などの半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】ＤＦＢレーザ素子２２を、前端面にＡＲ膜１４を備え、後端面に低屈折率膜１８ａと高屈折率膜１８ｂのペア膜を例えば３ペア有する構造の誘電体多層膜から成るＨＲ膜１８Ａを備えたＤＦＢレーザ３０と、一方の端面に低屈折率膜１８ａと高屈折率膜１８ｂのペア膜を例えば２ペア有する構造の誘電体多層膜から成るＨＲ膜１８Ｂを備えた透明ブロックであるＩｎＰブロック１９とを有し、且つ、ＤＦＢレーザ３０に備えたＨＲ膜１８ＡにＩｎＰブロック１９に備えたＨＲ膜１８Ｂを接触させて成るＨＲ膜構造１８を有する構成とする。また、ＨＲ膜１８ＢとＩｎＰブロック１９の間に低屈折率調整膜１８ｃを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信などに用いられる高速直接変調半導体レーザ素子（例えばＤＦＢレーザ素子）などの半導体レーザ素子に関するものである。

急激に増大する伝送容量に対応するため、メトロエリア及びローカルエリア系のネットワークでは、2.5又は１０Gb／sの高速伝送サービスが行われている。このようなネットワークでは、サービスを低コストで提供することが求められている。

これを実現するため、光トランシーバモジュールには、低消費電力、低コスト及び小型化が求められ、現在、温度調整（温調）なしで動作する光トランシーバモジュールが採用されている。このモジュールの実現は雰囲気温度７０℃までの範囲において動作する高温特ＤＦＢレーザ(ＩｎＧａＡｓＰ活性層)が開発されたためであり、広い温度範囲で高速動作する高温特ＤＦＢレーザチップの実現は低コストのネットワークの構築に大きく寄与した。

更に、近年、１０Gbps (X) Form-factor Pluggable(ＸＦＰ)に代表されるように、モジュールの実装密度が高くなっていることから、チップ温度は雰囲気温度よりいっそう高くなることが予想されている。このような観点から、更に高温動作のＤＦＢレーザが求められ、これに対応する高温特ＤＦＢレーザとして、ＩｎＧａＡｌＡｓを活性層とするＤＦＢレーザが注目されている。

ＩｎＧａＡｌＡｓを活性層とする半導体レーザはＩｎＧａＡｓＰを活性層とする半導体レーザに比べ、高温で電子のオーバーフローが少ないという特徴を持つ。このＩｎＧａＡｌＡｓ活性層ＤＦＢレーザは約１３０℃までの最高発振温度特性を持ち、更に、１００℃の雰囲気温度でも良好なopen-eye特性(１０Gbps変調)を持つことが報告されている。しかしながら、ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザではＡｌを含む活性層を持つため、活性層側壁をエッチングした場合、酸化による欠陥が生成される。従って、現在のところ、信頼性の観点から活性層側壁をエッチングしないリッジ構造が採用されている。

図６及び図７に従来のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザの構造を示す。
図６において、１はＩｎＧａＡｌＡｓ活性層である。このＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１は、圧縮歪み量子井戸層と伸張歪みバリア層から成る。前記量子井戸層は1.31μｍ波長に対応したバンドギャップを持ち、その井戸厚は６nm、井戸数は６、圧縮歪みは1.4％である。前記バリア層は0.95μｍ波長に対応したバンドギャップを持ち、その障壁厚は１０nm、引っ張り歪みは0.6%である。
また、２はｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓ(0.95μｍ組成)第１のＳＣＨ層、３はｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓ(0.95μｍ組成)第２のＳＣＨ層、４はｎ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層、５はｐ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層、６はｎ-ＩｎＰバッファー層である。７はＩｎＧａＡｓＰ(1.1μｍ組成)光ガイド層であり、この光ガイド層７は回折格子により動的単一モードの動作が実現される。８はｐ-ＩｎＰクラッド層、９はｐ⁺-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、１０はｎ-ＩｎＰ基板、１２はp電極、１３はn電極、１４はAntireflection (ＡＲ, 反射防止)膜、１５はHigh reflection (ＨＲ, 高反射)膜、１６はＡｕＳｎハンダ、１７はＡｌＮヒートシンクである。
ここで、ＡＲ膜１４は反射率0.1％以下のＡＲ膜であり、ＴｉＯ₂高屈折率膜１４ａとＳｉＯ₂低屈折率膜１４ｂから成る。ＨＲ膜１５は、ＳｉＯ₂低屈折率膜１５ａとＴｉＯ₂高屈折率膜１５ｂのペア膜を３ペア有する構造の誘電体多層膜から成るものである。

図８に従来の高反射膜における反射率の波長依存性の計算を示す。ＳｉＯ₂低屈折率膜１５ａの屈折率（ｎ_SiO2）を1.47、ＴｉＯ₂高屈折率膜１５ｂの屈折率（ｎ_TiO2）を2.30とした。レーザ発振波長（λ₀）の1310nmで反射率が最大になる設計値として、ＳｉＯ₂低屈折率膜１５ａの膜厚222.8nm（=λ₀／（４・ｎ_SiO2））と、ＴｉＯ₂高屈折率膜１５ｂの膜厚142.4nm（=λ₀／（４・ｎ_TiO2））とを用いた。このＳｉＯ₂低屈折率膜１５ａとＴｉＯ₂高屈折率膜１５ｂを１つのペア膜とし、このペア膜の数が１ぺア、２ペア及び３ペアの場合の反射率（λ₀=1310nm）を計算すると、それぞれの反射率は約６０、８１及び９２％と見積もられ、ペア膜数の増加とともに反射率は高くなっている。

図７に示すように、リッジは幅1.5μｍのｐ-ＩｎＰクラッド層８と、ｐ⁺-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層９とから成っている。また、リッジ頂上を除く半導体表面（ｐ-ＩｎＰクラッド層８の表面）にはＳｉＮ_Ｘ絶縁膜１１があり、このＳｉＮ_Ｘ絶縁膜１１によって半導体（ｐ-ＩｎＰ
クラッド層８）とｐ電極１２とを絶縁する構造になっている。電流はリッジ頂上から注入される。素子長は１００μmである。

図９に従来のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザの光出力特性を示す。２５℃雰囲気における閾値電流は約６mAであり、最大光出力が１０mW以上の良好な光出力が得られている。これは活性層の埋め込みがなく、リーク電流が小さいことによるものであり、良好なリッジレーザが作製されているためである。

光ファイバ通信の伝送容量は半導体レーザの変調帯域により制限される。これは半導体レーザの変調感度特性が共振状ピークを持ち、更に、変調周波数を増加させると変調度は急激に低下する特徴を持つためである。一般的に半導体レーザの変調帯域を示すパラメータとして、変調感度が低周波領域の感度に比べて３ｄＢ低下する周波数ｆ_3dBが用いられており、半導体レーザの直接変調の上限を示す目安になっている。
ｆ_3dBは緩和振動周波数ｆ_rの約1.55倍に相当する。従って、ｆ_rを改善することはｆ_3dBを増加させる目安となる。この緩和振動は誘導放出を介してキャリア及び光子密度が変動することにより発生するものであり、ｆ_rは次式（１）で示される。
但し、Ｓ₀は光子密度、（∂ｇ／∂Ｎ）は微分利得、Ｎはキャリア密度、τ_Pは光子の寿命時間である。式(１)は、ｆ_rを改善するには３つのパラメータの改善、即ち、（ａ）光子寿命時間の低減、（ｂ）光出力の増加、（ｃ）微分利得の増加が有効であることを示している。

これらのパラメータの中で、高速化は、（ａ）光子寿命時間の低減により実現される。（ａ）光子寿命時間の低減は、光損失を増やすこと(内部損失の増加、素子長の低減又は端面反射率の低減)により実現される。近年、素子長（Ｌ）１００μｍの直接変調半導体レーザにおいて、雰囲気温度２５℃で２９Gb／sのｆ_3dB 特性が報告されている(例えば、非特許文献１）。半導体レーザは基板の裏面研磨により１００μm程度に薄くされる。従って、素子長が１００μm以下となると素子のハンドリングが困難となることから、素子長１００μmは限界にある。
２つ目に高速化は、（ｂ）光出力を増加することにより実現される。これは光子密度を増加させることであり、高出力レーザを作製することを意味する。しかしながら、高速性を保ちつつ高出力レーザを作製することは困難である。
３つ目に高速化は、（ｃ）微分利得を改善することにより実現される。微分利得はキャリア密度が低いほど高くなる。従って、閾値電流を減少させることにより微分利得が改善される。

：K. Nakahara et. al., "40-Gb/s direct module with extinction ratio operation of 1.3-μｍ InGaAlAs multiquantum well ridge waveguide distributed feedback lasers," IEEE Photon. Tech. Lett., vol. 19, no.19, pp. 1436-1438, 2007)

前記閾値電流を減少させるには、損失を下げることが求められる。しかし、損失の低減は光子寿命時間の低減を抑制することになり、ｆ_rを悪くさせてしまう。このような関係があるため、ｆ_rの改善は、微分利得の改善が光子寿命時間の低減悪化に比べ大きくなった場合となる。
損失の低減はＡＲ膜とＨＲ膜の反射率を上げることにより実現される。この中でＡＲ膜の反射率を上げる方法は、ＡＲ膜の反射率を上げるとＤＦＢレーザの光特性を悪くすることから、現実的ではない。従って、ＨＲ膜の反射率の上げる方法が、閾値電流低減の有効な手段となる。
これまで、レーザ端面に備えるＨＲ膜の低屈折率膜と高屈折率膜のペア膜数を増加させ、３ペア膜とすることによって、約９０％の高反射率が得られている。

しかしながら、高反射率を得るためにレーザ端面に低屈折率膜と高屈折率膜のペア膜を４ペア以上作製した場合、膜剥がれなどが起き、膜応力の観点から作製困難であった。即ち、誘電体多層膜の層数（ペア膜数）を増やすと、膜内部に応力が蓄積しやすくなり、途中で膜が剥がれてしまったり膜に亀裂が入ったりするため、ペア膜の総数の増加には限界があった。

従って、本発明はこのような問題点に鑑み、膜剥がれなどを起こすことなく、膜数の多い（誘電体多層膜の層数が多い）高反射膜構造を実現することが可能なリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子などの半導体レーザ素子を提供することを課題としている。

上記課題を解決する第１発明の半導体レーザ素子は、誘電体多層膜から成る高反射膜を、少なくとも一方の端面に備えた半導体レーザと、
誘電体多層膜から成る高反射膜を端面に備えた透明ブロックとを有し、
且つ、前記半導体レーザに備えた前記高反射膜に前記透明ブロックに備えた前記高反射膜を接触させて成る高反射膜構造を有していることを特徴とする。

また、第２発明の半導体レーザ素子は、一方の端面に反射防止膜を備え、他方の端面に低屈折率膜と高屈折率膜のペア膜を少なくとも１ペア有する構造の誘電体多層膜から成る高反射膜を備えたＤＦＢレーザと、
一方の端面に低屈折率膜と高屈折率膜のペア膜を少なくとも１ペア有する構造の誘電体多層膜から成る高反射膜を備えた透明ブロックとを有し、
且つ、前記半導体レーザに備えた前記高反射膜に前記透明ブロックに備えた前記高反射膜を接触させて成る高反射膜構造を有していることを特徴とする。

また、第３発明の半導体レーザ素子は、第２発明の半導体レーザ素子において、前記透明ブロックの一方の端面において、前記高反射膜と前記透明ブロックの間に低屈折率調整膜を備えたことを特徴とする。

また、第４発明の半導体レーザ素子は、第２又は第３発明の半導体レーザ素子において、前記半導体レーザに備えた前記高反射膜に前記透明ブロックに備えた前記高反射膜を接触させて成る前記高反射膜構造は、前記低屈折率膜と前記高屈折率膜のペア膜を４ペア以上有して成るものであることを特徴とする。

また、第５発明の半導体レーザ素子は、第２〜第４発明の何れか１つの半導体レーザ素子において、
前記透明ブロックの他方の端面に反射防止膜を備えたことを特徴とする。

本発明の半導体レーザ素子は、半導体レーザに備えた高反射膜に透明ブロック（半導体レーザの発振波長域の光に対して透明なブロック）に備えた高反射膜を接触させて成る高反射膜構造を有していることを特徴としているため、全ての誘電体多層膜（高反射膜構造）を半導体レーザの端面に成膜するときよりも応力の蓄積が小さくて済むため、膜剥がれなどを起こすことがなく、且つ、誘電体多層膜の実質的な層数は増えるため、高反射膜構造の反射率を高めることができる。従って、本発明の構成を直接変調型半導体レーザ素子に用いると、変調速度をより高速化することが可能になる。

また、本発明の高反射膜構造では、従来の高反射膜構造の空気の領域が透明ブロックに置き換わることになる。透明ブロックの屈折率をｎ_Xとし、このｎ_Xによる４ペア高反射膜構造の反射率の変化を図１０に示す。ｎ_Xが空気の1.0から増加するに従い、反射率は低下している。
これに対して、本発明の半導体レーザ素子では、透明ブロックの一方の端面において、高反射膜と透明ブロックの間に低屈折率調整膜を備えたことを特徴としているため、空気から透明ブロックに代わることによる反射率の低下を、低屈折率調整膜によって抑制することができる。このため、例えば９０％以上の高反射率を実現し、高速変調のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子などを提供することができる。
また、このような高反射膜構造の導入により、閾値電流が減少し、変調帯域が改善される。また、反射防止膜から出射される出力が増加する。その結果、光ファイバとの結合係数を上げなくても光結合が充分にとれることから、光ファイバの調整トレランスが緩く、モジュールの歩留まりが向上する。

本発明の実施の形態例に係るコーティング膜付きＩｎＰブロックを搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の構造であって、リッジ中央をストライプ方向に切った面の断面構造図である。 図１のＢ−Ｂ線矢視断面図（光出射端面に平行な面の断面構造図）である。 本発明の実施の形態例に係るコーティング膜付きＩｎＰブロックを搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子のＨＲ膜近傍の構造（構造２）における反射率の波長依存性の計算結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態例に係るコーティング膜付きＩｎＰブロックを搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子の光出力特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態例に係るコーティング膜付きＩｎＰブロックを搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子を用いたモジュールの構造図である。 従来のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザの構造であって、リッジ中央をストライプ方向に切った面の断面構造図である。 図６のＡ−Ａ線矢視断面図（光出射端面に平行な面の断面構造図）である。 従来の高反射膜における反射率の波長依存性の計算結果を示すグラフである。 従来のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザの光出力特性を示すグラフである。 透明ブロックの屈折率ｎ_Xによる４ペア高反射膜構造の反射率の変化を示すグラフである。

以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の実施の形態例に係るリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子２２は、直線変調半導体レーザであるリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ３０に対してコーティング膜付きＩｎＰブロック１９を搭載した構造のものである。なお、ＤＦＢレーザ３０は従来のＤＦＢレーザ（図６参照）と同様のものである。ＩｎＰブロック１９は透明ブロックである。ここでいう「透明ブロック」の「透明」とは、半導体レーザ（本実施の形態例ではＤＦＢレーザ）の発振波長域の光に対して透明であればよく、可視光域で透明である必要はない。即ち、透明ブロックは、ＨＲ膜構造１８（ＨＲ膜１８Ａ，１８Ｂ、低屈折率調整膜１８ｃ）からの出力光をパスさせることができるような透明な材料からなるものであればよい。ＩｎＰブロック１９は、可視光域の光に対しては不透明であるが、図３に示すような赤外域の光に対しては透明である。

ＤＦＢレーザ２２の構造について詳述すると、図１において、１はＩｎＧａＡｌＡｓ活性層である。このＩｎＧａＡｌＡｓ活性層１は、圧縮歪み量子井戸層と伸張歪みバリア層から成る。前記量子井戸層は1.31μm波長に対応したバンドギャップを持ち、その井戸厚は６nm、井戸数は６、圧縮歪みは1.4％である。前記バリア層は0.95μm波長に対応したバンドギャップを持ち、その障壁厚は１０nm、引っ張り歪みは0.6％である。
また、２はｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓ(0.95μm組成)第１のＳＣＨ層、３はｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓ(0.95μm組成)第２のＳＣＨ層、４はｎ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層、５はｐ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層、６はｎ-ＩｎＰバッファー層である。７はＩｎＧａＡｓＰ(1.1μm組成)光ガイド層であり、この光ガイド層７は回折格子により動的単一モードの動作が実現される。８はｐ-ＩｎＰクラッド層、９はｐ⁺-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層、１０はｎ-ＩｎＰ基板、１２はp電極、１３はn電極、１４はＡＲ膜、１６はＡｕＳｎハンダ、１７はＡｌＮヒートシンク 、１８は前述のＨＲ膜構造である。１９は前述のＩｎＰブロック（透明ブロック）、２０はＡＲ膜、２１はＡｕコーティング膜である。

ここで、ＤＦＢレーザ３０の前端面には、ＴｉＯ₂高屈折率膜１４ａとＳｉＯ₂低屈折率膜１４ｂをコーティングすることにより、反射率0.1％以下のＡＲ膜１４を作製した。一方、ＤＦＢレーザ３０の後端面には、ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ（屈折率：1.47、膜厚：222.8nm（=λ₀／（４・ｎ_SiO2）））とＴｉＯ₂高屈折率膜１８ｂ（屈折率：2.30、膜厚：142.4nm(=λ₀／（４・ｎ_TiO2）））のペア膜を３ペアコーティングすることにより、誘電体多層膜であるＨＲ膜１８Ａを作製した。
この場合、ＨＲ膜近傍の構造は、ＩｎＰ結晶／ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ／ＴｉＯ₂高屈折率膜１８ｂ／ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ／ＴｉＯ₂高屈折率膜１８ｂ／ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ／ＴｉＯ₂高屈折率膜１８ｂ／空気の構造(構造１)であり、この構造１で約９２％の高反射特性(λ₀=１３１０nm)を持つ。

このＤＦＢレーザ３０の後端面のＨＲ膜１８Ａにコーティング膜付きＩｎＰブロック１９を直接接触させた。ＩｎＰブロック１９の一方の端面にコーティング膜として、ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ（屈折率：1.47、膜厚：222.8nm（=λ₀／（４・ｎ_SiO2）））とＴｉＯ₂高屈折率膜１８ｂ（屈折率：2.30、膜厚：142.4nm(=λ₀／（４・ｎ_TiO2）））のペア膜を２ペアコーティングして成るＨＲ膜（誘電体多層膜）１８Ｂと、ＳｉＯ₂低屈折率調整膜１８ｃとを配置した。即ち、ＤＦＢレーザ３０に備えたＨＲ膜１８Ａに対し、ＩｎＰブロック１９に備えたＨＲ膜１８Ｂが接触（密着）するようにＩｎＰブロック１９を配置（搭載）することによって、ＨＲ膜１８ＡとＨＲ膜１８ＢとＳｉＯ₂低屈折率調整膜１８ｃとから成るＨＲ膜構造１８を構成した。

その結果、全体のＨＲ膜近傍の構造は、ＩｎＰ結晶／ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ／ＴｉＯ₂高屈折率膜１８ｂ／ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ／ＴｉＯ₂高屈折率膜１８ｂ／ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ／ＴｉＯ₂高屈折率膜１８ｂ／ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ／ＴｉＯ₂高屈折率膜１８ｂ／ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａ／ＴｉＯ₂高屈折率膜１８ｂ／ＳｉＯ₂低屈折率調整膜１８ｃ／ＩｎＰブロック１９(構造２)の構造（構造２）となる。この構造２は、ＳｉＯ₂低屈折率膜１８ａとＴｉＯ₂高屈折率膜１８ｂのペア膜が構造１の３ペアから５ペアに増加し、且つ、空気からＩｎＰブロック１９に代わり、更に、ＳｉＯ₂低屈折率調整膜１８ｃが追加された構造である。

図１０に示したように、空気からＩｎＰブロック１９に代わると、反射率が低下する。従って、図１に示すように本実施の形態例では、ＩｎＰブロック１９の一方の端面において、ＨＲ膜１８ＢとＩｎＰブロック１９の間にＳｉＯ₂低屈折率調整膜１８ｃを挿入することにより、空気からＩｎＰブロック１９に代わることによる反射率の低下を抑制した。
本発明による構造２の反射率の波長依存性の計算結果を図３に示す。反射率はＤＦＢレーザ３０の発振波長の1310nmで約９９％となり、高反射特性が得られている。

ＩｎＰブロック１９の一方の面（ＨＲ膜１８Ａ及び低屈折率調整膜１８ｃを備えた面）からＩｎＰブロック１９に入った光は、ＩｎＰブロック１９の他方面（ＨＲ膜１８Ａ及び低屈折率調整膜１８ｃを備えた面と反対側の面）から出射される。このＩｎＰブロック１９の他方面には、ＴｉＯ₂高屈折率膜２０ａとＳｉＯ₂低屈折率膜２０ｂを配置することにより、反射率0.1％以下のＡＲ膜２０を作製した。

図２に示すＤＦＢレーザ３０の光出射端面に平行な面の断面構造は、図７と同様である。即ち、図２に示すように、リッジは幅1.5μmのｐ-ＩｎＰクラッド層８と、ｐ⁺-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層９とから成っている。また、リッジ頂上を除く半導体表面（ｐ-ＩｎＰクラッド層８の表面）にはＳｉＮ_X絶縁膜１１があり、このＳｉＮ_X絶縁膜１１によって半導体（ｐ-ＩｎＰクラッド層８）とｐ電極１２とを絶縁する構造になっている。電流はリッジ頂上から注入される。素子長は１００μmである。

図４に本発明によるコーティング膜付きＩｎＰブロック１９を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子２２の光出力特性を示す。なお、図４には、比較のため、従来の３ペアのＨＲ膜をコーティングしたＤＦＢレーザの光出力特性も示す。本発明のＤＦＢレーザ素子２２では、閾値電流が約4.5mＡに低下し、スロープ効率が改善されている。従来構造のレーザ特性と比べ、本発明によるコーティング膜付きＩｎＰブロック１９を搭載することによる効果が確認された。
また、本発明によるコーティング膜付きＩｎＰブロック１９を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子２２の小信号高速周波数特性を測定した。その結果、３ｄＢダウンの周波数は２５℃常温で３０GHzが得られ、広帯域特性が得られた。

図５にモジュールの構造を示す。図５において、２２は本発明によるコーティング膜付きＩｎＰブロック１９を搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子、２３は受光素子、２４はプリアンプ、２５はWavelength division multiplexing (ＷＤＭ)フィルタ、２６はボールレンズ、２７はシングルモード光ファイバである。ＤＦＢレーザ素子２２の光出力の向上により、シングルモード光ファイバ２７との結合効率が低下しても、駆動電流の増加で光出力を補償でき、一定の光出力を得ることができるため、作製トレランスの点でモジュールの作製歩留まり向上に貢献した。

以上のように、本実施の形態例のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子２２によれば、前端面にＡＲ膜１４を備え、後端面に低屈折率膜１８ａと高屈折率膜１８ｂのペア膜を３ペア（これに限らず、１ペア又は３ペア以外の複数ペアでもよい）有する構造の誘電体多層膜から成るＨＲ膜１８Ａを備えたＤＦＢレーザ３０と、一方の端面に低屈折率膜１８ａと高屈折率膜１８ｂのペア膜を２ペア（これに限らず、１ペア又は２ペア以外の複数ペアでもよい）有する構造の誘電体多層膜から成るＨＲ膜１８Ｂを備えた透明ブロックであるＩｎＰブロック１９とを有し、且つ、ＤＦＢレーザ３０に備えたＨＲ膜１８ＡにＩｎＰブロック１９に備えたＨＲ膜１８Ｂを接触させて成るＨＲ膜構造１８を有していることを特徴としているため、全ての誘電体多層膜（高反射膜構造１８）を半導体レーザの端面に成膜するときよりも応力の蓄積が小さくて済むため、膜剥がれなどを起こすことがなく、且つ、誘電体多層膜全体の実質的な層数（高反射膜構造１８全体のペア膜数）は増えるため、高反射膜構造１８の反射率を高めることができる。従って、ＤＦＢレーザ素子２２の変調速度をより高速化することが可能になる。

また、ＩｎＰブロック１９の一方の端面において、ＨＲ膜１８ＢとＩｎＰブロック１９の間に低屈折率調整膜１８ｃを備えたことを特徴としているため、空気からＩｎＰブロックに代わることによる反射率の低下を、低屈折率調整膜１８ｃによって抑制することができる。このため、９０％以上の高反射率を実現し、高速変調のリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子２２を提供することができる。
また、このような高反射膜構造１８の導入により、閾値電流が減少し、変調帯域が改善される。また、ＡＲ膜から出射される出力が増加する。その結果、光ファイバとの結合係数を上げなくても光結合が充分にとれることから、光ファイバの調整トレランスが緩く、モジュールの歩留まりが向上する。

なお、上記では高屈折率膜としてＴｉＯ₂膜を用いたが、これに限定するものではなく、Ｔａ₂Ｏ₅膜、Ｓｉ膜、ＡｌＯ_X膜、ＳｉＮ_X膜、ＡｌＮ_X膜などを高屈折率膜として用いても、同様の効果が得られることは自明である。

また、上記では本発明を分布帰還（ＤＦＢ）型の半導体レーザ素子に適用した場合について説明したが、必ずしもこれに限定するものでなく、本発明は、例えばファブリペロー（ＦＰ）型の半導体レーザ素子において誘電体多層膜（高反射膜構造）を作製するに際にも適用することができる。ＦＰ型の半導体レーザの場合には共振器を構成するミラーとして、誘電体多層膜から成る高反射膜（高反射鏡）を、半導体レーザの両方もしくは片方の端面に形成することが一般的である。ＤＦＢ型の半導体レーザの場合には光の出力方向を決定するミラーとして、上記のとおり、誘電体多層膜から成る高反射膜（高反射鏡）を、半導体レーザの片方に端面にのみ形成することが一般的である。

本発明は半導体レーザ素子に関するものであり、誘電体多層膜から成る高反射膜を備えるＤＦＢ型やＦＰ型などの半導体レーザに適用して有用なものである。

１ ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層
２ ｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓ(0.95μm組成)第１のＳＣＨ層
３ ｉ-ＩｎＧａＡｌＡｓ(0.95μm組成)第２のＳＣＨ層
４ ｎ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層
５ ｐ-ＩｎＡｌＡｓキャリアストップ層
６ ｎ-ＩｎＰバッファー層
７ ＩｎＧａＡｓＰ(1.1μm組成)光ガイド層
８ ｐ-ＩｎＰクラッド層
９ ｐ⁺-ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
１０ ｎ-ＩｎＰ基板
１１ ＳｉＮ_x絶縁膜
１２ ｐ電極
１３ ｎ電極
１４ ＡＲ膜
１４ａ ＴｉＯ₂高屈折率膜
１４ｂ ＳｉＯ₂低屈折率膜
１５ ＨＲ膜
１５ａ ＳｉＯ₂低屈折率膜
１５ｂ ＴｉＯ₂高屈折率膜
１６ ＡｕＳｎハンダ
１７ ＡｌＮヒートシンク
１８ ＨＲ膜構造
１８Ａ ＤＦＢレーザのＨＲ膜
１８Ｂ ＩｎＰブロックのＨＲ膜
１８ａ ＳｉＯ₂低屈折率膜
１８ｂ ＴｉＯ₂高屈折率膜
１８ｃ ＳｉＯ₂低屈折率調整膜
１９ コーティング膜付きＩｎＰブロック
２０ ＡＲ膜
２０ａ ＴｉＯ₂高屈折率膜
２０ｂ ＳｉＯ₂低屈折率膜
２１ Ａｕコーティング膜
２２ 本発明によるコーティング膜付きＩｎＰブロックを搭載したリッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子
２３ 受光素子
２４ プリアンプ
２５ Wavelength division multiplexing (ＷＤＭ)フィルタ
２６ ボールレンズ
２７ シングルモード光ファイバ
３０ リッジ型ＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザ素子

Claims (5)

1. 誘電体多層膜から成る高反射膜を、少なくとも一方の端面に備えた半導体レーザと、
   誘電体多層膜から成る高反射膜を端面に備えた透明ブロックとを有し、
   且つ、前記半導体レーザに備えた前記高反射膜に前記透明ブロックに備えた前記高反射膜を接触させて成る高反射膜構造を有していることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 一方の端面に反射防止膜を備え、他方の端面に低屈折率膜と高屈折率膜のペア膜を少なくとも１ペア有する構造の誘電体多層膜から成る高反射膜を備えたＤＦＢレーザと、
   一方の端面に低屈折率膜と高屈折率膜のペア膜を少なくとも１ペア有する構造の誘電体多層膜から成る高反射膜を備えた透明ブロックとを有し、
   且つ、前記半導体レーザに備えた前記高反射膜に前記透明ブロックに備えた前記高反射膜を接触させて成る高反射膜構造を有していることを特徴とする半導体レーザ素子。
3. 前記透明ブロックの一方の端面において、前記高反射膜と前記透明ブロックの間に低屈折率調整膜を備えたことを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ素子。
4. 前記半導体レーザに備えた前記高反射膜に前記透明ブロックに備えた前記高反射膜を接触させて成る前記高反射膜構造は、前記低屈折率膜と前記高屈折率膜のペア膜を４ペア以上有して成るものであることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ素子。
5. 前記透明ブロックの他方の端面に反射防止膜を備えたことを特徴とする請求項２〜４の何れか１項記載の半導体レーザ素子。