JP2014116337A - 半導体発光素子、半導体発光素子モジュール、及び光パルス試験器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数波長の光を同一端面から出射するとともに、長波長の光を基本横モードで高出力動作させ、バットジョイント界面での放射モードを抑制し、高いファイバ出力を得ることが可能な半導体発光素子、半導体発光素子モジュール、及び光パルス試験器を提供する。
【解決手段】複数の活性層１３，１４は、第１の光出射端面１０ａから第２の光出射端面１０ｂに向かって利得帯域が短波化する順に配置され、一定のストライプ幅を有するストライプ部１３ａ，１４ａを含み、ストライプ部１３ａ，１４ａのストライプ幅は、長波側の利得帯域を有する活性層１３で生成された光が基本横モード導波となるカットオフ幅以下であり、活性層１３は、ストライプ部１３ａ，１４ａ同士を接続し、短波側の利得帯域を有する活性層１４のストライプ部１４ａに向かってその幅が連続的に減少するテーパ部１３ｂをさらに含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体発光素子、半導体発光素子モジュール、及び光パルス試験器に関する。

近年、マルチメディア化の進展に伴い、光通信システムの通信容量の増大が要求されている。そこで、１本の光ファイバを用いて複数の異なる波長の光信号を同時に伝送することが可能な波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）通信方式が開発された。このＷＤＭ通信方式においては、光ファイバにおける光損失が少ない波長帯である１．３μｍ帯もしくは１．５５μｍ帯が主に利用されている。

上記のＷＤＭ通信方式などを採用した光通信システムでは、通信に用いられる光ファイバの敷設・保守用の測定器として光パルス試験器が用いられている。光パルス試験器は、被測定光ファイバに試験光としての光パルスを繰り返し入射して、光パルスの戻り光（フレネル反射光及び後方散乱光）とその遅延時間を検出することにより、被測定光ファイバの障害点の特定や損失分布測定等の試験を行う装置である。

従来このような光パルス試験器は、光パルス発生源として複数の半導体レーザを備えていた（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に開示された光パルス試験器は、発振波長が異なる２つの半導体レーザを用意し、各半導体レーザからの出力光を合波して出力する構成としている。

それ故に、特許文献１に開示された光パルス試験器は、光学部品の点数が多く、各光学部品の光軸を調整するための機構構造が複雑であり、小型化及び低価格化の実現が困難であった。

一方、光通信用の光源として、一つの素子で１．３μｍ帯から１．５μｍ帯までの波長差の大きな光を出射する集積型の半導体レーザが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献２に開示された半導体レーザは、単一の縦モードで発振する分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed-FeedBack）レーザであり、例えば、光パルス試験器に用いられた場合には、コヒーレントノイズの増大による測定精度の低下を引き起こす恐れがあった。

これに対して、本願出願人は、１．３μｍ帯から１．６５μｍ帯の複数の波長帯の光を複数の縦モードで発振可能で、複雑な光学系を要さずに構成される半導体発光素子を提案している（例えば、特許文献３参照）。特許文献３に開示された半導体発光素子は、波長帯の大きく異なる複数の活性層を突合せ接合（バットジョイント接合）により直列につないで集積させるものである。このバットジョイント接合による集積は、異なる機能を有する活性層や光導波路層を各々最適な組成・膜厚に設定できるため、光集積デバイスの高機能化に有効な方法である。

特許文献３に開示された素子は、活性層の内部に回折格子を配置することにより、異なる波長帯ごとに独立した発振を実現するとともに、複数波長の光出力を同一端面から取り出すことができるようになっている。この素子においては、長波長側の活性層で生成された光は、長波長側の活性層にバットジョイント接合を介して結ばれる短波長側の活性層を伝搬することで、両端面間で発振するようになっている。

特開２００８−２０９２６６号公報 特開平１１−６８２２４号公報 特許第５０６９２６２号明細書

光パルス試験器用の光源としては、基本横モード動作で高いファイバ出力が必要とされているため、基本横モードを保ちつつ素子の高出力化を図り、同時にシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）と高い効率で光結合することが重要になる。

しかしながら、特許文献３に開示された半導体発光素子では、バットジョイント接合によって異種（組成、膜厚）の導波路を集積しているため、バットジョイント接合の界面の前後で光閉じ込め係数が異なる。それ故に、長波長側領域、短波長側領域のストライプ幅を同一の一定幅で形成すると、水平方向のスポットサイズのミスマッチから長波長の光が短波長側領域を通過する際に基本横モードでない（高次横モード）伝搬が生じ、さらに界面での放射モードも抑制することができない。このため、特許文献３に開示された半導体発光素子には、長波長の光を基本横モードで高出力動作させ、高いファイバ出力を得ることが難しいという問題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、複数波長の光を同一端面から出射するとともに、長波長の光を基本横モードで高出力動作させ、バットジョイント界面での放射モードを抑制し、高いファイバ出力を得ることが可能な半導体発光素子、半導体発光素子モジュール、及び光パルス試験器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の半導体発光素子は、劈開によって形成された第１の光出射端面と第２の光出射端面とを有し、異なる波長帯に利得帯域を有する複数の活性層が光の導波方向に結合されてなり、前記複数の活性層は、前記第１の光出射端面から前記第２の光出射端面に向かって前記利得帯域が短波化する順に配置され、隣接する２つの前記活性層のうち、短波側の利得帯域を有する活性層近傍、且つ、当該２つの活性層の境界面近傍に、当該短波側の利得帯域に含まれるブラッグ波長を有し、該ブラッグ波長近傍の複数の縦モードの光を反射する回折格子が形成されており、最も長波側の利得帯域を有する活性層で生成された光が、前記第１の光出射端面と前記第２の光出射端面とで構成される共振器で発振し、短波側の利得帯域を有する活性層で生成された光が、前記回折格子と前記第２の光出射端面とで構成される共振器で発振し、ともに前記第２の光出射端面から出射される半導体発光素子において、前記活性層は、一定のストライプ幅を有するストライプ部を含み、隣接する２つの前記活性層におけるストライプ幅は、長波側の利得帯域を有する活性層で生成された光が基本横モード導波となるカットオフ幅以下であり、前記長波側の利得帯域を有する活性層は、前記隣接する２つの活性層のストライプ部同士を接続し、当該隣接する２つの活性層のうち短波側の利得帯域を有する活性層のストライプ部に向かってその幅が連続的に減少するテーパ部をさらに含む構成を有している。

この構成により、複数波長の光を同一端面から出射するとともに、長波長の光を基本横モードで高出力動作させることができる。また、複数の波長帯の光を複数の縦モードで発振させることができる。

上記課題を解決するために、本発明の請求項２の半導体発光素子は、前記ストライプ幅が、最も長波側の利得帯域を有する活性層で生成された光が基本横モード導波となるカットオフ幅以下である構成を有している。

この構成により、最も長波側の利得帯域を有する活性層で生成された光を基本横モードで高出力動作させることができる。

上記課題を解決するために、本発明の請求項３の半導体発光素子は、前記複数の活性層が互いにバットジョイント接合されている構成を有している。

この構成により、バットジョイント接合部での放射損失を低減することができる。

上記課題を解決するために、本発明の請求項４の半導体発光素子は、前記第２の光出射端面の反射率が、前記第１の光出射端面の反射率より低く形成された構成を有していても良い。

上記課題を解決するために、本発明の請求項５の半導体発光素子は、前記複数の活性層が、第１の多重量子井戸型活性層及び第２の多重量子井戸型活性層からなり、前記第１の多重量子井戸型活性層の発振波長が１．５２〜１．５８μｍであり、前記第２の多重量子井戸型活性層の発振波長が１．２８〜１．３４μｍである構成を有している。

この構成により、１つの素子で１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯の光を複数の縦モードで発振させることができる。

上記課題を解決するために、本発明の請求項６の半導体発光素子は、前記複数の活性層が、第１の多重量子井戸型活性層、第２の多重量子井戸型活性層及び第３の多重量子井戸型活性層からなり、前記第１の多重量子井戸型活性層の発振波長が１．６０〜１．６５μｍであり、前記第２の多重量子井戸型活性層の発振波長が１．５２〜１．５８μｍであり、前記第３の多重量子井戸型活性層の発振波長が１．２８〜１．３４μｍである構成を有している。

この構成により、１つの素子で１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯及び１．６２５μｍ帯の光を複数の縦モードで発振させることができる。

上記課題を解決するために、本発明の請求項７の半導体発光素子モジュールは、上記のいずれかの半導体発光素子と、前記半導体発光素子の前記第２の光出射端面から出射された光を集光するレンズと、前記半導体発光素子及び前記レンズを格納する筺体と、前記筺体に接続され、前記レンズにより集光された前記光を前記筐体の外部に導く光ファイバと、を備える構成を有している。

この構成により、半導体発光素子の第２の光出射端面からの出力光をシングルモード光ファイバに高い結合効率で光結合することができる。

上記課題を解決するために、本発明の請求項８の光パルス試験器は、光パルスを被測定光ファイバに出力する発光部と、前記被測定光ファイバからの前記光パルスの戻り光を電気信号に変換する受光部と、前記受光部によって変換された電気信号に基づいて前記被測定光ファイバの損失分布特性を解析する信号処理部と、を備え、前記発光部は、上記の半導体発光素子モジュールと、前記半導体発光素子モジュールが備える前記半導体発光素子に前記光パルスを発するためのパルス状の駆動電流を注入する発光素子駆動回路と、を有している。

この構成により、複数の波長帯の光を複数の縦モードで発振可能な半導体発光素子を備えるため、小型且つ低価格な光パルス試験器を実現できる。

本発明は、複数波長の光を同一端面から出射するとともに、長波長の光を基本横モードで高出力動作させ、バットジョイント界面での放射モードを抑制し、高いファイバ出力を得ることが可能な半導体発光素子、半導体発光素子モジュール、及び光パルス試験器を提供するものである。

本発明の第１の実施形態としての半導体発光素子の構成を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態としての半導体発光素子の構成を示す上面図である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ断面図であり、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第１の実施形態としての半導体発光素子の導波路構造の概略構成を示す平面図である。 比較例としての半導体発光素子の導波路構造の概略構成を示す平面図である。 （ａ）は図４の構成における水平方向の遠視野像を測定した結果を示すグラフであり、（ｂ）は図５の構成における水平方向の遠視野像を測定した結果を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態としての半導体発光素子の構成を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態としての半導体発光素子の導波路構造の概略構成を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態としての半導体発光素子モジュールの構成を示すブロック図である。 本発明の第４の実施形態としての光パルス試験器の構成を示すブロック図である。

以下、本発明に係る半導体発光素子、半導体発光素子モジュール、及び光パルス試験器の実施形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態としての半導体発光素子１０の構成について説明する。図１は、第１の実施形態の半導体発光素子１０を光の導波方向に沿って切断した断面図である。図２は、半導体発光素子１０の上面図である。図３（ａ）は図２のＡ−Ａ断面図であり、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ断面図である。

半導体発光素子１０は、図１に示すように、例えば、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板１１と、ｎ型半導体基板１１上に形成されたｎ型ＩｎＰクラッド層１２と、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２上に形成され、利得帯域Λ₁を有するＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなる第１の多重量子井戸型活性層１３と、第１の多重量子井戸型活性層１３に隣接してｎ型ＩｎＰクラッド層１２上に形成され、利得帯域Λ₂を有するＩｎＧａＡｓＰからなる第２の多重量子井戸型活性層１４と、第１の多重量子井戸型活性層１３及び第２の多重量子井戸型活性層１４上に形成されたｐ型ＩｎＰクラッド層１５と、劈開によって形成された第１の光出射端面１０ａ及び第２の光出射端面１０ｂと、を備える。

第１の多重量子井戸型活性層１３と第２の多重量子井戸型活性層１４は、光の導波方向に沿って配置され、バットジョイント接合部１６において、バットジョイント手法により光学的に結合されている。なお、ここで言う第１の多重量子井戸型活性層１３及び第２の多重量子井戸型活性層１４は、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multiple Quantum Well）構造とそれを挟む光分離閉じ込め（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層を含んでいる。なお、活性層構造は多重量子井戸活性層で説明しているが、バルク構造であってもよい。このことは、後述する第２の実施形態でも同様である。

また、第１の多重量子井戸型活性層１３及び第２の多重量子井戸型活性層１４は、第１の光出射端面１０ａから第２の光出射端面１０ｂに向かって利得帯域が短波化する順に配置されている。

本実施形態では、利得帯域Λ₁，Λ₂として光パルス試験器で用いる波長帯である１．５５μｍ帯、１．３μｍ帯を例にして説明する。なお、発振波長λ₁，λ₂は、それぞれ利得帯域Λ₁，Λ₂に含まれており、例えば１．５２≦λ₁≦１．５８、１．２８≦λ₂≦１．３４の範囲内の値を取る。

あるいは発振波長λ₁，λ₂は、１．２８〜１．３４，１．４７〜１．５０，１．５２〜１．５５，１．６０〜１．６５の各波長範囲からの任意の組み合わせであっても良い（ただしλ₁＞λ₂として選択する。単位はμｍ）。

ｎ型半導体基板１１、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、第１の多重量子井戸型活性層１３、及びｐ型ＩｎＰクラッド層１５を含む導波路構造は、第１の利得領域Ｉを構成する。また、ｎ型半導体基板１１、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、第２の多重量子井戸型活性層１４、及びｐ型ＩｎＰクラッド層１５を含む導波路構造は、第２の利得領域ＩＩを構成する。

さらに、第１の利得領域Ｉにおいては、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５の上面に、ｐ型ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素）からなるコンタクト層１６ａが積層されている。一方、第２の利得領域ＩＩにおいては、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５の上面に、ｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１６ｂが積層されている。

また、コンタクト層１６ａ上には第１の利得領域Ｉ用の第１の上部電極１７ａ、コンタクト層１６ｂ上には第２の利得領域ＩＩ用の第２の上部電極１７ｂが蒸着形成され、ｎ型半導体基板１１の下面には下部電極１８が蒸着形成されている。

さらに、図３（ａ）に示すように、第１の利得領域Ｉの導波路構造の光の導波方向に直交する幅方向の両側方には、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型ＩｎＰ埋め込み層１９ａ及びｎ型ＩｎＰからなるｎ型ＩｎＰ埋め込み層１９ｂが形成されている。同様に、第２の利得領域ＩＩの導波路構造の光の導波方向に直交する幅方向の両側方にも、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層（図示せず）及びｎ型ＩｎＰ埋め込み層（図示せず）が形成されている。

なお、上部電極１７ａ，１７ｂを互いに電気的に絶縁するため、図２及び図３（ｂ）に示すように、第１の利得領域Ｉと第２の利得領域ＩＩの境界部分に、バットジョイント接合された第１の多重量子井戸型活性層１３及び第２の多重量子井戸型活性層１４を内部に有する橋渡部２０と、橋渡部２０の光の導波方向に直交する幅方向の両側方に設けられた分離溝２１，２２と、が形成されている。

この分離溝２１，２２は、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層１９ｂ及びｐ型ＩｎＰ埋め込み層１９ａをエッチングにより貫通するだけでなく、ｐ型ＩｎＰ埋め込み層１９ａとｎ型半導体基板１１との界面よりも深くエッチング処理することにより形成されている。

なお、コンタクト層１６ａ，１６ｂは、各上部電極１７ａ，１７ｂの下方部分を残してエッチングにより除去され、第１の上部電極１７ａの下方に第１のコンタクト層１６ａが、第２の上部電極１７ｂの下方に第２のコンタクト層１６ｂが、それぞれ独立して形成されている。

また、第１の光出射端面１０ａには高反射（ＨＲ）コート２３ａが、第２の光出射端面１０ｂには低反射（ＬＲ）コート２３ｂがそれぞれ施されており、第２の光出射端面１０ｂの反射率が、第１の光出射端面１０ａの反射率より低くなっている。

ここで、ＨＲコート２３ａが施された第１の光出射端面１０ａ側の反射率は９０％以上、ＬＲコート２３ｂが施された第２の光出射端面１０ｂ側の反射率は１〜１０％程度とすることが好ましい。

さらに、第２の利得領域ＩＩのｎ型ＩｎＰクラッド層１２において、第１の多重量子井戸型活性層１３と第２の多重量子井戸型活性層１４のバットジョイント接合部１６近傍に、１．３μｍのブラッグ波長λ_g及び１００ｃｍ^-1以上の結合係数κを有する回折格子２４が形成されている。ここで、回折格子２４のピッチは約０．２μｍである。

ここで、結合係数κとは、回折格子が形成された導波路を光が単位距離だけ伝搬する際に反射される光の割合を示すパラメータである。この結合係数κが大きいと、最大反射率が増大するとともに反射帯域が拡がり、複数の縦モードの発振が生じる。なお、上記のようにκ≧１００ｃｍ^-1である回折格子２４においては、回折格子２４の光の導波方向の長さが２００μｍ程度あれば反射率は９０％以上となる。

なお、図１に示すように、回折格子２４の光の導波方向の長さを、第２の多重量子井戸型活性層１４の長さよりも短く構成するのが好適である。このように回折格子２４の光の導波方向の長さを十分短く構成することにより、回折格子２４の波長選択性が低下するとともに、第２の光出射端面１０ｂにおける端面出力を増大させることができる。このため、複数の縦モードの発振が生じやすくなるとともに高出力化が可能となる。

回折格子２４は、短波側の利得帯域Λ₂に含まれるブラッグ波長及びその近傍の複数の縦モードを反射するようになっている。発振波長は、第１の光出射端面１０ａと第２の光出射端面１０ｂとで構成される共振器において位相条件を満たし選択されるもの、もしくは回折格子２４と第２の光出射端面１０ｂとで構成される共振器により位相条件を満たし選択されるものとする。

また、回折格子２４が形成される位置は、図１に示したように第２の多重量子井戸型活性層１４の下方であっても良く、あるいは第２の多重量子井戸型活性層１４の上方のｐ型ＩｎＰクラッド層１５内であっても良い（図示せず）。また、第１の利得領域Ｉの第１の光出射端面１０ａ近傍に１．５５μｍのブラッグ波長を有する回折格子が同時に形成されていても良い。

図４は、本実施形態の半導体発光素子１０の導波路構造の概略構成を示す平面図である。図４に示すように、第１の多重量子井戸型活性層１３及び第２の多重量子井戸型活性層１４は、一定のストライプ幅を有するストライプ部１３ａ，１４ａを含む。ここで、ストライプ部１３ａ，１４ａのストライプ幅とは、光の導波方向に垂直、且つ、ｎ型半導体基板１１の表面と平行な方向の幅を意味する。

ストライプ部１３ａ，１４ａのストライプ幅Ｗ₁，Ｗ₂は、長波側の利得帯域Λ₁を有する第１の多重量子井戸型活性層１３で生成された光が基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₁（Ｉ），Ｗλ₁（ＩＩ）以下にそれぞれ設定される。図４に示した例では、Ｗ₁＞Ｗ₂である。

これにより、半導体発光素子１０は、第１の利得領域Ｉと第２の利得領域ＩＩの全領域に亘って、発振波長λ₁に関して基本横モード動作することとなる。

また、ストライプ部１４ａのストライプ幅Ｗ₂は、短波側の利得帯域Λ₂を有する第２の多重量子井戸型活性層１４で生成された光が基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₂（ＩＩ）以下に設定されることが望ましい。

これにより、半導体発光素子１０は、第２の利得領域ＩＩにおいて発振波長λ₂に関して基本横モード動作することとなる。

さらに、上記の条件の下で、第１の利得領域Ｉにおいて発振波長λ₁で基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₁（Ｉ）にストライプ幅Ｗ₁を一致させるとともに、第２の利得領域ＩＩにおいて発振波長λ₂で基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₂（ＩＩ）にストライプ幅Ｗ₂を一致させた場合には、発振波長λ₁，λ₂の２波長に関して各利得領域で基本横モードとしての最大利得を得ることが可能となる。

また、第２の利得領域ＩＩにおける活性層幅Ｗ₂としてＷλ₁（ＩＩ），Ｗλ₂（ＩＩ）のうち幅の狭い方を選択することで、発振波長λ₁，λ₂の２波長に関する全領域での基本横モード動作が確実なものとなる。

さらに、第１の多重量子井戸型活性層１３は、ストライプ部１３ａ，１４ａ同士を接続し、長波側の利得帯域Λ₁を有する活性層１３のストライプ部１３ａから、短波側の利得帯域Λ₂を有する活性層１４のストライプ部１４ａに向かってその幅が連続的に減少するテーパ部１３ｂを含む。

言い換えれば、テーパ部１３ｂは、バットジョイント接合部１６に最も幅方向に狭い箇所を有し、隣接する２つの活性層１３，１４のうち、利得帯域が長波側にある第１の多重量子井戸型活性層１３内に最も幅方向に広い箇所を有する。テーパ部１３ｂのサイズは、一例として、光の導波方向に沿った長さが１００μｍ、最大幅がストライプ部１３ａのストライプ幅Ｗ₁に等しい３．５μｍ、最小幅がストライプ部１４ａのストライプ幅Ｗ₂に等しい２．５μｍである。

これにより、第１の利得領域Ｉと第２の利得領域ＩＩの全領域に亘って基本横モード動作を可能としつつ、バットジョイント接合部１６付近でのスポットサイズの不整合を緩和して、放射損失を低減することが可能となる。

図５に比較例として、利得領域の全領域で活性層のストライプ幅が一定である従来の半導体発光素子の導波路構造を示す。具体的には、比較例の半導体発光素子においては、長波長側の第１の利得領域Ｉの活性層１３'がテーパ部を有しておらず、第１の利得領域Ｉと第２の利得領域ＩＩの全領域に亘って、活性層１３'，１４'のストライプ幅が等しい一定幅となっている。ここで、活性層１３'，１４'のストライプ幅Ｗ₁，Ｗ₂は、いずれも第１の利得領域Ｉにおいて発振波長λ₁で基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₁（Ｉ）に等しく設定している。

従って、図５に示した構成において、第２の利得領域ＩＩの活性層１４'のストライプ幅Ｗ₂が、第２の利得領域ＩＩにおいて発振波長λ₁で基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₁（ＩＩ）より広い場合には、第２の利得領域ＩＩで発振波長λ₁に関して高次横モードの伝搬が生じることを避けられない。

逆に、図５の構成において、活性層１３'，１４'のストライプ幅Ｗ₁，Ｗ₂をいずれも第２の利得領域ＩＩにおいて発振波長λ₁で基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₁（ＩＩ）に等しく設定した場合には、Ｗλ₁（Ｉ）＞Ｗλ₁（ＩＩ）であれば発振波長λ₁に関する高次モードの伝搬は第１の利得領域Ｉと第２の利得領域ＩＩの全領域で抑制される。しかしながら、第１の利得領域Ｉの光出力は、活性層１３'のストライプ幅Ｗ₁を第１の利得領域Ｉにおいて発振波長λ₁で基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₁（Ｉ）に設定した場合と比較して低下してしまう。

これに対して、図４に示した本実施形態の構成では、各利得領域でのストライプ幅を長波側の利得帯域Λ₁で基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₁（Ｉ），Ｗλ₁（ＩＩ）以下に設定しているので、図５の比較例に見られるような発振波長λ₁の高次横モードの伝搬を全領域で抑制しつつ、発振波長λ₁の高出力動作が可能となる。

図６は、第２の光出射端面１０ｂからの発振波長λ₁の出力光について、水平方向の遠視野像（ＦＦＰ：Far Field Pattern）を測定した結果を示すグラフである。図６（ａ）は、図４の本実施形態の構成において、λ₁＝１５５０ｎｍ，λ₂＝１３１０ｎｍ，Ｗ₁＝Ｗλ₁（Ｉ）＝３．５μｍ，Ｗ₂＝Ｗλ₁（ＩＩ）＝２．５μｍと設定した場合のＦＦＰの測定結果である。一方、図６（ｂ）は、図５の比較例の構成において、λ₁＝１５５０ｎｍ，λ₂＝１３１０ｎｍ，Ｗ₁＝Ｗ₂＝Ｗλ₁（Ｉ）＝３．５μｍ，Ｗλ₁（ＩＩ）＝２．５μｍと設定した場合のＦＦＰの測定結果である。

図６（ｂ）に示したＦＦＰは、全体的に波形が乱れ、光強度のピークが複峰化し、光強度が最大値の１／２になる角度幅（半値全幅）が２０°を超える形状をなしている。

これに対して、図６（ａ）に示した本実施形態の構成によるＦＦＰは、単峰性で、半値全幅が２０°未満であり、図６（ｂ）のＦＦＰと比較して形状が大幅に改善されている。また、半値全幅が２０°未満であることから、図５の比較例の構成よりもスポットサイズが大きくなっていることが分かる。

つまり、ＦＦＰが単峰性になるとともに、半値全幅が減少したことから、発振波長λ₂の第２の利得領域ＩＩにおいて高次横モードの伝搬が消失して基本横モードの伝搬のみに変化したことが確認できる。また、ＦＦＰの乱れが低減されたことから、バットジョイント接合部１６での放射損失が減少したことが確認できる。

なお、垂直方向のＦＦＰは、テーパ部の有無により変化することなく、ほぼ一定の形状であることを確認している。さらに、発振波長λ₁＝１５５０ｎｍのチップ出力がテーパ部の有無に依らずほぼ一定であることも併せて確認しており、発振波長λ₁＝１５５０ｎｍの出力を低下させることなく、全域に亘り基本横モード動作させることが可能と分かった（図示せず）。

また、第２の光出射端面１０ｂからの出力光をレンズを介してシングルモード光ファイバに結合したところ、図５の従来の構成では結合効率が約５０％に留まったが、図４の本実施形態の構成では発振波長λ₁の出力光に関する結合効率が大幅に改善され約８０％となることが分かった。また発振波長λ₂の出力光に関する結合効率も約８０％であった。

なお、第１の利得領域Ｉにおいて高い光出力を得るためには、テーパ部１３ｂの光の導波方向に沿った長さを極力短くすることが望ましいが、テーパ部１３ｂが短すぎるとバットジョイント接合部１６での放射損失が無視できなくなる。

そこで、本願出願人は、図４の本実施形態の構成において、各利得領域のストライプ幅を固定して、テーパ部１３ｂの長さを変化させたときの放射損失を数値計算で求めることにより、低放射損失を実現することが可能なテーパ部１３ｂの長さの範囲を評価した。

ここでは、第１の利得領域Ｉの第１の多重量子井戸型活性層１３の光の導波方向に沿った長さを１ｍｍ、第２の利得領域Ｉの第２の多重量子井戸型活性層１４の光の導波方向に沿った長さを１ｍｍとし、テーパ部１３ｂの光の導波方向に沿った長さを２０μｍから５００μｍの範囲で変化させている。表１に数値計算に用いたその他のパラメータをまとめる。

上記の数値計算によると、テーパ部１３ｂの長さが２０μｍから４０μｍの範囲では、バットジョイント接合部１６から放射損失が生じていることが認められた。バットジョイント接合部１６での放射損失は、テーパ部１３ｂの長さが６０μｍまで増加すると大幅に減少し、テーパ部１３ｂの長さが８０μｍ以上になると検出不可能なレベルまで低下した。

即ち、上記の数値計算の条件においては、第１の利得領域Ｉに占めるテーパ部１３ｂの長さが４０μｍであれば実用に際しての最低限度を満たし、６０μｍ以上であればバットジョイント接合部１６での放射損失が十分に抑制されることが分かった。

以下、本発明に係る半導体発光素子１０の製造方法の一例を図１を参照しながら説明する。

まず、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いてｎ型ＩｎＰからなるｎ型半導体基板１１上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２をエピタキシャル成長形成する。

次に、フォトレジスト（図示せず）または電子ビームレジスト（図示せず）を第２の利得領域ＩＩのｎ型ＩｎＰクラッド層１２であって、光の導波方向の所定長さ（例えば２００μｍ）に亘る表面に塗布する。そして、レジストが塗付された第２の利得領域ＩＩに干渉露光法または電子ビーム描画法によって回折格子パターン露光を行い、現像及びウェットエッチングによって高さ０．１μｍ程度の回折格子２４を作製する。ここで、回折格子２４のピッチは、利得帯域１．３μｍ帯に対応する約０．２μｍとすれば良い。

次に、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２の上面に、利得帯域が１．５５μｍ帯となるＩｎＧａＡｓＰからなる第１の多重量子井戸型活性層１３を成長形成する。

次に、第１の多重量子井戸型活性層１３の上にＳｉＯ₂またはＳｉＮｘからなる絶縁膜（図示せず）をプラズマＣＶＤ法等により数１０ｎｍ堆積し、さらにその上にフォトレジスト（図示せず）を塗布する。

続いて、フォトリソグラフィにより、第２の利得領域ＩＩ側のレジストを取り除き、エッチング処理により、レジストで覆われていない領域の絶縁膜を除去する。

さらに、残っているレジストを剥離した後、絶縁膜をマスクとするエッチング処理により、絶縁膜に覆われていない領域の第１の多重量子井戸型活性層１３を除去する。

次に、上述のようにエッチングによって露出した領域のｎ型ＩｎＰクラッド層１２の上に、利得帯域が１．３μｍ帯となるＩｎＧａＡｓＰからなる第２の多重量子井戸型活性層１４を、第１の多重量子井戸型活性層１３と連続するようにバットジョイント成長させる。第１の多重量子井戸型活性層１３上には絶縁膜が成長阻害マスクとして存在しているため、第２の多重量子井戸型活性層１４は成長阻害マスクの無い領域にのみ選択的に成長形成される。

次に、第１の利得領域Ｉに残った絶縁膜を剥離してから、全面にｐ型ＩｎＰクラッド層１５の一部を成長形成する。さらに、新たに絶縁膜（図示せず）をｐ型ＩｎＰクラッド層１５の上面に堆積させ、その上にフォトレジスト（図示せず）を塗布する。

そして、導波路構造となるメサ構造を作製するために、フォトリソグラフィによりレジストを図４に示した活性層１３，１４の形状と同様の形状に残し、その両側を除去する。さらに、残ったレジストをマスクとして、絶縁膜の両側をエッチング処理により除去する。

続いて残ったレジストを剥離除去して、絶縁膜をマスクとするエッチングを行い、メサ構造（図示せず）を形成する。こうして、第１の多重量子井戸型活性層１３のストライプ部１３ａ、テーパ部１３ｂ、第２の多重量子井戸型活性層１４のストライプ部１４ａが連続して形成され、導波路構造のコアとなる。

次に、絶縁膜を成長阻害マスクとして利用して、第１の多重量子井戸型活性層１３及び第２の多重量子井戸型活性層１４を含むメサ構造の両側にｐ型ＩｎＰ埋め込み層１９ａとｎ型ＩｎＰ埋め込み層１９ｂを順に形成する。この後、絶縁膜を除去して全面に再びｐ型ＩｎＰクラッド層１５を成長形成し、さらにその上にｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層を形成する。

そして、同様のフォトリソグラフィ及びエッチング処理により、分離溝２１，２２が形成される箇所のコンタクト層をエッチング除去して、コンタクト層１６ａ，１６ｂを形成する。

次に、フォトリソグラフィにより形成したレジストをマスクとして、コンタクト層１６ａ上の第１の利得領域Ｉと、コンタクト層１６ｂ上の第２の利得領域ＩＩに、各々Ａｕ、Ｔｉ、Ｐｔからなる第１の上部電極１７ａと、第２の上部電極１７ｂを蒸着する。さらに、ｎ型半導体基板１１の下面側を研磨してＡｕ、Ｇｅ、Ｐｔからなる下部電極１８を蒸着する。

そして、第１及び第２の上部電極１７ａ，１７ｂ上にレジスト（図示せず）を形成する。このレジストをマスクとするエッチング処理により、レジストに覆われていない領域のｐ型ＩｎＰクラッド層１５及びｐ型ＩｎＰ埋め込み層１９ａ、ｎ型ＩｎＰ埋め込み層１９ｂ、ｎ型半導体基板１１の一部を除去して分離溝２１，２２を作製する。そして、レジストを除去して半導体ウエハを完成する。

次に、この半導体ウエハを所定位置で劈開し、チップ化する。さらに第１の利得領域Ｉ側の第１の光出射端面１０ａに反射率９０％以上の高反射（ＨＲ）コート２３ａを形成し、第２の利得領域ＩＩ側の第２の光出射端面１０ｂに反射率１〜１０％程度の低反射（ＬＲ）コート２３ｂを形成する。これで本実施形態の半導体発光素子１０が完成する。

既に述べたように、テーパ部１３ｂのサイズは、一例として、光の導波方向に沿った長さが１００μｍ、最大幅がストライプ部１３ａのストライプ幅Ｗ₁に等しい３．５μｍ、最小幅がストライプ部１４ａのストライプ幅Ｗ₂に等しい２．５μｍであるため、サブミクロンオーダでの加工精度を必要としないことから、再現性良く半導体発光素子１０を作製することが可能である。

次に、以上のように構成された本実施形態の半導体発光素子１０の動作について説明する。

第１の利得領域Ｉ用の第１の上部電極１７ａと下部電極１８との間に駆動電流が注入された場合には、第１の多重量子井戸型活性層１３の内部が発光状態となる。

第１の多重量子井戸型活性層１３で生成された１．５５μｍ帯の光は、利得帯域が１．３μｍ帯の第２の多重量子井戸型活性層１４では吸収されず、且つ、１．３μｍのブラッグ波長λ_gを有する回折格子２４で反射されずに、第１の多重量子井戸型活性層１３及び第２の多重量子井戸型活性層１４に沿って伝搬する。

従って、第１の多重量子井戸型活性層１３で生成された１．５５μｍ帯の光は、第１の光出射端面１０ａと第２の光出射端面１０ｂで構成された共振器において、１．５５μｍ帯の複数の縦モードで発振し、ＬＲコート２３ｂが形成された第２の光出射端面１０ｂから出射される。

一方、第２の利得領域ＩＩ用の第２の上部電極１７ｂと下部電極１８との間に駆動電流が注入された場合には、第２の多重量子井戸型活性層１４の内部が発光状態となる。

第２の多重量子井戸型活性層１４で生成された１．３μｍ帯の光は、第２の多重量子井戸型活性層１４に沿って伝搬する。この１．３μｍの光は、１．３μｍのブラッグ波長λ_gを有する回折格子２４で９０％以上反射されるため、利得帯域が１．５５μｍ帯の第１の多重量子井戸型活性層１３における光吸収は抑制される。従って、第２の多重量子井戸型活性層１４で生成された１．３μｍ帯の光は、回折格子２４と第２の光出射端面１０ｂで構成された共振器において、１．３μｍ帯の複数の縦モードで発振し、ＬＲコート２３ｂが形成された第２の光出射端面１０ｂから出射される。

ここで、半導体発光素子１０の別の駆動方法について説明する。上記したように、第１の利得領域Ｉ用の第１の上部電極１７ａと下部電極１８との間に駆動電流が印加された場合には、第１の多重量子井戸型活性層１３の内部が発光状態となる。しかし第１の上部電極１７ａと第２の上部電極１７ｂの間の分離抵抗が有限であるため、電流の一部は第２の多重量子井戸型活性層１４へと漏れてくる。

そこで、第１の利得領域Ｉを発光させる際に、第２の上部電極１７ｂと下部電極１８とをショートさせる。これにより第１の利得領域Ｉからの漏れ電流が第２の利得領域ＩＩを流れることで生じるキャリアによる光吸収が抑制され、第１の利得領域Ｉの発光によるレーザ光出力が向上する。

一方、上記したように、第２の利得領域ＩＩ用の第２の上部電極１７ｂと下部電極１８との間に駆動電流が印加された場合には、第２の多重量子井戸型活性層１４の内部が発光状態となる。

この場合には第２の多重量子井戸型活性層１４で生成された１．３μｍ帯の光はほとんど第１の多重量子井戸型活性層１３へ侵入しないため、第１の上部電極１７ａをショートした効果は前記の場合に比べて小さくなる。

つまり、半導体発光素子１０の別の駆動方法は、一方の上部電極と下部電極との間で駆動電流を印加する際に他方の上部電極を下部電極にショートすることで光出力の飽和を抑制し高光出力化を実現する。特に長波側の光を発振させるときに短波側の上部電極をショートさせることで大きな効果が得られる。なお、この駆動方法は後述する半導体発光素子３０にも適用可能である。

以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子１０は、１．３μｍ帯及び１．５５μｍ帯の光を同一端面から出射するとともに、長波長側の１．５５μｍ帯の光を基本横モードに保ち高出力動作させることができる。これにより、１．５５μｍ帯の光に関してシングルモード光ファイバとの結合効率を向上させ、高いファイバ出力を実現することができる。

さらに、本実施形態の半導体発光素子１０は、テーパ部１３ｂを長波長側の活性層１３に設けることで、長波長側の活性層１３と短波長側の活性層１４の間に存在するバットジョイント接合部１６での放射損失を低減し、利得帯域の異なる活性層１３，１４同士の結合効率を向上させることができる。

（第２の実施形態）
続いて、本発明における第２の実施形態としての半導体発光素子について図面を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成及び動作については適宜説明を省略する。

図７は、第２の実施形態の半導体発光素子３０を光の導波方向に沿って切断した断面図である。

半導体発光素子１０は、図７に示すように、例えば、ｎ型ＩｎＰからなるｎ型半導体基板１１と、ｎ型半導体基板１１上に形成されたｎ型ＩｎＰクラッド層１２と、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２上に形成され、利得帯域Λ₁を有するＩｎＧａＡｓＰからなる第１の多重量子井戸型活性層３１と、第１の多重量子井戸型活性層３１に隣接してｎ型ＩｎＰクラッド層１２上に形成され、利得帯域Λ₂を有するＩｎＧａＡｓＰからなる第２の多重量子井戸型活性層３２と、第２の多重量子井戸型活性層３２に隣接してｎ型ＩｎＰクラッド層１２上に形成され、利得帯域Λ₃を有するＩｎＧａＡｓＰからなる第３の多重量子井戸型活性層３３と、第１の多重量子井戸型活性層３１、第２の多重量子井戸型活性層３２、及び第３の多重量子井戸型活性層３３上に形成されたｐ型ＩｎＰクラッド層１５と、劈開によって形成された第１の光出射端面３０ａ及び第２の光出射端面３０ｂと、を備える。

第１の多重量子井戸型活性層３１、第２の多重量子井戸型活性層３２、及び第３の多重量子井戸型活性層３３は、光の導波方向に沿ってこの順に配置され、バットジョイント接合部３４，３５において、バットジョイント手法によりそれぞれが光学的に結合されている。なお、ここで言う第１の多重量子井戸型活性層３１、第２の多重量子井戸型活性層３２及び第３の多重量子井戸型活性層３３は、ＭＱＷ構造とそれを挟むＳＣＨ層を含んでいる。

また、第１の多重量子井戸型活性層３１、第２の多重量子井戸型活性層３２、及び第３の多重量子井戸型活性層３３は、第１の光出射端面３０ａから第２の光出射端面３０ｂに向かって利得帯域が短波化する順に配置されている。

本実施形態では、利得帯域Λ₁，Λ₂，Λ₃として光パルス試験器で用いる波長帯である１．６２５μｍ帯、１．５５μｍ帯、１．３μｍ帯を例にして説明する。なお、発振波長λ₁，λ₂，λ₃は、それぞれ利得帯域Λ₁，Λ₂，Λ₃に含まれており、例えば１．６０≦λ₁≦１．６５、１．５２≦λ₂≦１．５８、１．２８≦λ₃≦１．３４の範囲内の値を取る。

あるいは発振波長λ₁，λ₂，λ₃は、１．２８〜１．３４，１．４７〜１．５０，１．５２〜１．５５，１．６０〜１．６５の各波長範囲からの任意の組み合わせであっても良い（ただしλ₁＞λ₂＞λ₃として選択する。単位はμｍ）。

ｎ型半導体基板１１、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、第１の多重量子井戸型活性層３１、及びｐ型ＩｎＰクラッド層１５を含む導波路構造は、第１の利得領域Ｉを構成する。また、ｎ型半導体基板１１、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、第２の多重量子井戸型活性層３２、及びｐ型ＩｎＰクラッド層１５を含む導波路構造は、第２の利得領域ＩＩを構成する。また、ｎ型半導体基板１１、ｎ型ＩｎＰクラッド層１２、第３の多重量子井戸型活性層３３、及びｐ型ＩｎＰクラッド層１５を含む導波路構造は、第２の利得領域ＩＩＩを構成する。

さらに、第１の利得領域Ｉ、第２の利得領域ＩＩ、及び第３の利得領域ＩＩＩにおいては、ｐ型ＩｎＰクラッド層１５の上面に、それぞれｐ型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３６ａ，３６ｂ，３６ｃが積層されている。

また、コンタクト層３６ａ上には第１の利得領域Ｉ用の第１の上部電極３７ａ、コンタクト層３６ｂ上には第２の利得領域ＩＩ用の第２の上部電極３７ｂ、コンタクト層３６ｃ上には第３の利得領域ＩＩＩ用の第３の上部電極３７ｃが、それぞれ蒸着形成され、ｎ型半導体基板１１の下面には下部電極１８が蒸着形成されている。

さらに、第１の利得領域Ｉ、第２の利得領域ＩＩ、及び第３の利得領域ＩＩＩの導波路構造の光の導波方向に直交する幅方向の両側方には、それぞれｐ型ＩｎＰ埋め込み層とｎ型ＩｎＰ埋め込み層が形成されている。

また、上部電極３７ａ，３７ｂ，３７ｃを互いに電気的に絶縁するため、互いに隣り合う利得領域の境界部分に、バットジョイント接合された第１の多重量子井戸型活性層３１及び第２の多重量子井戸型活性層３２を内部に有する橋渡部３８と、バットジョイント接合された第２の多重量子井戸型活性層３２及び第３の多重量子井戸型活性層３３を内部に有する橋渡部３９と、橋渡部３８，３９の光の導波方向に直交する幅方向の両側方に設けられた分離溝（図示せず）と、が形成されている。

なお、コンタクト層３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、各上部電極３７ａ，３７ｂ，３７ｃの下方部分を残してエッチングにより除去され、第１の上部電極３７ａの下方に第１のコンタクト層３６ａが、第２の上部電極３７ｂの下方に第２のコンタクト層３６ｂが、第３の上部電極３７ｃの下方に第３のコンタクト層３６ｃが、それぞれ独立して形成されている。

また、第１の実施形態と同様に、第１の光出射端面３０ａにはＨＲコート２３ａが、第２の光出射端面３０ｂにはＬＲコート２３ｂがそれぞれ施されている。

さらに、第２の利得領域ＩＩのｎ型ＩｎＰクラッド層１２において、第１の多重量子井戸型活性層３１と第２の多重量子井戸型活性層３２のバットジョイント接合部３４近傍に、１．５５μｍのブラッグ波長λ_ga及び１００ｃｍ^-1以上の結合係数κを有する回折格子４０が形成されている。ここで、回折格子４０のピッチは約０．２４μｍである。

同様に、第３の利得領域ＩＩＩのｎ型ＩｎＰクラッド層１２において、第２の多重量子井戸型活性層３２と第３の多重量子井戸型活性層３３のバットジョイント接合部３５近傍に、１．３μｍのブラッグ波長λ_gb及び１００ｃｍ^-1以上の結合係数κを有する回折格子４１が形成されている。ここで、回折格子４１のピッチは約０．２μｍである。

なお、図７に示すように、回折格子４０，４１の光の導波方向の長さを、それぞれ第２の多重量子井戸型活性層３２、第３の多重量子井戸型活性層３３の長さよりも短く構成するのが好適である。このように回折格子４０，４１の光の導波方向の長さを十分短く構成することにより、回折格子４０，４１の波長選択性が低下するとともに、第２の光出射端面３０ｂにおける端面出力を増大させることができる。このため、複数の縦モードの発振が生じやすくなるとともに高出力化が可能となる。

また、回折格子４０，４１が形成される位置は、図７に示したように第２の多重量子井戸型活性層３２及び第３の多重量子井戸型活性層３３の下方であっても良く、第２の多重量子井戸型活性層３２及び（または）第３の多重量子井戸型活性層３３の上方のｐ型ＩｎＰクラッド層１５内であっても良い（図示せず）。また、第１の利得領域Ｉの第１の光出射端面３０ａ近傍に１．６２５μｍのブラッグ波長を有する回折格子が同時に形成されていても良い。

図８は、本実施形態の半導体発光素子３０の導波路構造の概略構成を示す平面図である。図８に示すように、第１の多重量子井戸型活性層３１、第２の多重量子井戸型活性層３２、及び第３の多重量子井戸型活性層３３は、一定のストライプ幅を有するストライプ部３１ａ，３２ａ，３３ａを含む。

ストライプ部３１ａ，３２ａのストライプ幅Ｗ₁，Ｗ₂，Ｗ₃は、最も長波側の利得帯域Λ₁を有する第１の多重量子井戸型活性層３１で生成された光が基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₁（Ｉ），Ｗλ₁（ＩＩ），Ｗλ₁（ＩＩＩ）以下にそれぞれ設定される。図８に示した例では、Ｗ₁＞Ｗ₂＞Ｗ₃である。

これにより、半導体発光素子３０は、第１の利得領域Ｉ、第２の利得領域ＩＩ、及び第３の利得領域ＩＩＩの全領域に亘って、発振波長λ₁に関して基本横モード動作することとなる。

また、ストライプ部３２ａ，３３ａのストライプ幅Ｗ₂，Ｗ₃は、利得帯域Λ₃よりも長波側の利得帯域Λ₂を有する第２の多重量子井戸型活性層３２で生成された光が基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₂（ＩＩ），Ｗλ₂（ＩＩＩ）以下にそれぞれ設定される。

これにより、半導体発光素子３０は、第２の利得領域ＩＩ及び第３の利得領域ＩＩＩの全領域に亘って、発振波長λ₂に関して基本横モード動作することとなる。

さらに、ストライプ部３３ａのストライプ幅Ｗ₃は、最も短波側の利得帯域Λ₃を有する第３の多重量子井戸型活性層３３で生成された光が基本横モード導波となるカットオフ幅Ｗλ₃（ＩＩＩ）以下に設定されることが望ましい。

これにより、半導体発光素子３０は、第３の利得領域ＩＩにおいて発振波長λ₃に関して基本横モード動作することとなる。ここで、第２の利得領域ＩＩにおける活性層幅Ｗ₂としてＷλ₁（ＩＩ），Ｗλ₂（ＩＩ）のうち幅の狭い方を選択し、且つ、第３の利得領域ＩＩＩにおける活性層幅Ｗ₃としてＷλ₁（ＩＩＩ），Ｗλ₂（ＩＩＩ），Ｗλ₃（ＩＩＩ）のうち幅の最も狭いものを選択することで、発振波長λ₁，λ₂，λ₃の３波長に関する全領域での基本横モード動作が確実なものとなる。

さらに、第１の多重量子井戸型活性層３１は、ストライプ部３１ａ，３２ａ同士を接続し、最も長波側の利得帯域Λ₁を有する活性層３１のストライプ部３１ａから、短波側の利得帯域Λ₂を有する活性層３２のストライプ部３２ａに向かってその幅が連続的に減少するテーパ部３１ｂを含む。

同様に、第２の多重量子井戸型活性層３２は、ストライプ部３２ａ，３３ａ同士を接続し、利得帯域Λ₃よりも長波側の利得帯域Λ₂を有する活性層３２のストライプ部３２ａから、短波側の利得帯域Λ₃を有する活性層３３のストライプ部３３ａに向かってその幅が連続的に減少するテーパ部３２ｂを含む。

言い換えれば、テーパ部３１ｂは、バットジョイント接合部３４に最も幅方向に狭い箇所を有し、隣接する２つの活性層３１，３２のうち、利得帯域が最も長波側の第１の多重量子井戸型活性層３１内に最も幅方向に広い箇所を有する。同様に、テーパ部３２ｂは、バットジョイント接合部３５に最も幅方向に狭い箇所を有し、隣接する２つの活性層３２，３３のうち、利得帯域が長波長側の第２の多重量子井戸型活性層３２内に最も幅方向に広い箇所を有する。

これにより、第１の利得領域Ｉ、第２の利得領域ＩＩ、及び第３の利得領域ＩＩＩの全領域に亘って基本横モード動作を可能としつつ、バットジョイント接合部３４，３５付近でのスポットサイズの不整合を緩和して、放射損失を低減することが可能となる。

次に、以上のように構成された本実施形態の半導体発光素子３０の動作について説明する。

第１の利得領域Ｉ用の第１の上部電極３７ａと下部電極１８との間に駆動電流が注入された場合には、第１の多重量子井戸型活性層３１の内部が発光状態となる。

第１の多重量子井戸型活性層３１で生成された１．６２５μｍ帯の光は、利得帯域が１．５５μｍ帯の第２の多重量子井戸型活性層３２及び利得帯域が１．３μｍ帯の第３の多重量子井戸型活性層３３では吸収されず、且つ、１．５５μｍのブラッグ波長λ_gaを有する回折格子４０及び１．３μｍのブラッグ波長λ_gbを有する回折格子４１で反射されずに、第１の多重量子井戸型活性層３１、第２の多重量子井戸型活性層３２及び第３の多重量子井戸型活性層３３に沿って伝搬する。

従って、第１の多重量子井戸型活性層３１で生成された１．６２５μｍ帯の光は、第１の光出射端面３０ａと第２の光出射端面３０ｂで構成された共振器において、１．６２５μｍ帯の複数の縦モードで発振し、ＬＲコート２３ｂが形成された第２の光出射端面３０ｂから出射される。

一方、第２の利得領域ＩＩ用の第２の上部電極３７ｂと下部電極１８との間に駆動電流が注入された場合には、第２の多重量子井戸型活性層３２の内部が発光状態となる。

第２の多重量子井戸型活性層３２で生成された１．５５μｍ帯の光は、１．５５μｍのブラッグ波長λ_gaを有する回折格子４０で９０％以上反射されるため、利得帯域が１．６２５μｍ帯の第１の多重量子井戸型活性層３１における光吸収は抑制される。また、第２の多重量子井戸型活性層３２で生成された１．５５μｍ帯の光は、利得帯域が１．３μｍ帯の第３の多重量子井戸型活性層３３では吸収されず、且つ、１．３μｍのブラッグ波長λ_gbを有する回折格子４１で反射されずに、第２の多重量子井戸型活性層３２及び第３の多重量子井戸型活性層３３に沿って伝搬する。

従って、第２の多重量子井戸型活性層３２で生成された１．５５μｍ帯の光は、回折格子４０と第２の光出射端面３０ｂで構成された共振器において、１．５５μｍ帯の複数の縦モードで発振し、ＬＲコート２３ｂが形成された第２の光出射端面３０ｂから出射される。

一方、第３の利得領域ＩＩＩ用の第３の上部電極３７ｃと下部電極１８との間に駆動電流が注入された場合には、第３の多重量子井戸型活性層３３の内部が発光状態となる。

第３の多重量子井戸型活性層３３で生成された１．３μｍ帯の光は、１．３μｍのブラッグ波長λ_gbを有する回折格子４１で９０％以上反射されるため、利得帯域が１．６２５μｍ帯の第１の多重量子井戸型活性層３１及び利得帯域が１．５５μｍ帯の第２の多重量子井戸型活性層３２における光吸収は抑制される。

従って、第３の多重量子井戸型活性層３３で生成された１．３μｍ帯の光は、回折格子４１と第２の光出射端面３０ｂで構成された共振器において、１．３μｍ帯の複数の縦モードで発振し、ＬＲコート２３ｂが形成された第２の光出射端面３０ｂから出射される。

以上説明したように、本実施形態の半導体発光素子３０は、１．３μｍ帯、１．５５μｍ帯及び１．６２５μｍ帯の波長帯の光を同一端面から出射するとともに、１．６２５μｍ帯及び１．５５μｍ帯の波長帯の光を基本横モード動作させることができる。これにより、１．６２５μｍ帯及び１．５５μｍ帯の光に関してシングルモード光ファイバとの結合効率を向上させ、高いファイバ出力を実現することができる。

さらに、本実施形態の半導体発光素子３０は、テーパ部３１ｂ，３２ｂを長波長側の活性層３１，３２に設けることで、バットジョイント接合部３４，３５での放射損失を低減し、利得帯域の異なる活性層３１，３２，３３同士の結合効率を向上させることができる。

（第３の実施形態）
続いて、本発明における第３の実施形態としての半導体発光素子モジュールについて図面を参照しながら説明する。なお、第１及び第２の実施形態と同様の構成及び動作については適宜説明を省略する。

図９は、バタフライ型の半導体発光素子モジュール５０の構成を示す側断面図である。半導体発光素子モジュール５０は、第１の実施形態の半導体発光素子１０と、半導体発光素子１０の第２の光出射端面１０ｂから出射された光を集光するレンズ５１と、内部が中空の直方体状であり、半導体発光素子１０及びレンズ５１を格納するパッケージ（筺体）５２と、パッケージ５２に接続され、レンズ５１により集光された光をパッケージ５２の外部に導くシングルモード光ファイバとしての光ファイバ５３と、を主に備える。なお、半導体発光素子モジュール５０は、半導体発光素子１０の代わりに、第２の実施形態の半導体発光素子３０を備えるものであっても良い。

パッケージ５２の内部には、半導体発光素子１０及びレンズ５１に加え、戻り光を防止するアイソレータ５４と、半導体発光素子１０の第１の光出射端面１０ａからわずかに出射される光を受光して半導体発光素子１０の動作をモニタする受光素子５５と、が格納されている。

半導体発光素子１０はサブマウント５６上に載置され、レンズ５１はレンズホルダ５７に保持され、受光素子５５はＰＤサブマウント５８上に載置されている。サブマウント５６、レンズホルダ５７、ＰＤサブマウント５８、及びアイソレータ５４は、基板５９上に固定されている。

パッケージ５２の内部の底面には、ペルチェ素子６０が固定されている。このペルチェ素子６０上に基板５９が固定されている。

パッケージ５２の正面側の壁面には、半導体発光素子１０から出射されるレーザ光を外部に導くための円形の出射口が形成されており、その手前側には窓ガラス６１が取り付けられている。光ファイバ５３の先端部分に取り付けられた円筒状のフェルール６２が、スリーブ６３によってパッケージ５２の正面側の壁面に固定され、さらにフェルール６２の全体及び光ファイバ５３の一部を取り囲む円筒状のカバー６４が、正面側の壁面に固定されている。

上記の構成により、半導体発光素子１０から出射されたレーザ光は、レンズ５１、アイソレータ５４及び窓ガラス６１を通ってパッケージ５２の正面側の壁面に達し、光ファイバ５３の一方の端部に入射する。そして、光ファイバ５３に入射したレーザ光は、光ファイバ５３内を伝搬して、他方の端部から出射される。

なお、上記の説明では、半導体発光素子モジュールとしてバタフライ型を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば半導体発光素子モジュールが同軸型であっても良い。

このように形成された本実施形態の半導体発光素子モジュール５０は、半導体発光素子１０の第２の光出射端面１０ｂからの出力光をレンズ５１を介してシングルモード光ファイバである光ファイバ５３に結合することにより、半導体発光素子１０と光ファイバ５３を約８０％の高い結合効率で光結合することができる。

（第４の実施形態）
続いて、本発明における第４の実施形態としての光パルス試験器について図面を参照しながら説明する。なお、第１〜３の実施形態と同様の構成及び動作については適宜説明を省略する。

複数の異なる波長帯の光を複数の縦モードで発振可能な第１または第２の実施形態の半導体発光素子１０，３０は、光パルス試験器の光源として用いることができる。以下、半導体発光素子１０または半導体発光素子３０を用いた光パルス試験器の実施形態について図面を用いて説明する。

図１０に示すように、第４の実施形態の光パルス試験器７０は、光パルスを被測定光ファイバ３に向けて出力する発光部１と、被測定光ファイバ３からの光パルスの戻り光を電気信号に変換する受光部４と、受光部４によって変換された電気信号に基づいて被測定光ファイバ３の損失分布特性を解析する信号処理部５と、を主に備える。

発光部１は、第３の実施形態の半導体発光素子モジュール５０と、半導体発光素子モジュール５０が備える半導体発光素子１０（または半導体発光素子３０）に上記光パルスを発するためのパルス状の駆動電流を注入する発光素子駆動回路２と、を有する。

なお、信号処理部５は、発光素子駆動回路２が半導体発光素子１０にパルス状の駆動電流を注入するタイミングを制御する。

さらに、本実施形態の光パルス試験器７０は、発光部１からの光パルスをバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）６に出力するとともに、被測定光ファイバ３からの戻り光を受光部４に出力する光カプラ７と、被測定光ファイバ３と光結合する光コネクタ８と、信号処理部５の処理結果を表示する表示部９と、を備える。

次に、以上のように構成された本実施形態の光パルス試験器７０の動作を説明する。なお、以下の説明においては、本実施形態の光パルス試験器７０は半導体発光素子１０を備えているものとする。

まず、発光素子駆動回路２によって、半導体発光素子１０の第１の利得領域Ｉ（または第２の利得領域ＩＩ）にパルス状の駆動電流が注入されることにより、発光部１から１．５５μｍ帯（または１．３μｍ帯）の光パルスが出力される。

そして、発光部１から出力された光パルスが、光カプラ７、ＢＰＦ６、光コネクタ８を経て、被測定光ファイバ３に入射される。被測定光ファイバ３に入射された光パルスは、戻り光となって光カプラ７を介して受光部４に受光される。

戻り光は、受光部４によって電気信号に変換され、信号処理部５に入力される。そして、信号処理部５によって、被測定光ファイバ３の損失分布特性が算出される。算出された損失分布特性は表示部９に表示される。

以上説明したように、本実施形態の光パルス試験器７０は、１つの素子で複数の異なる波長帯の光を複数の縦モードで発振可能な半導体発光素子を備えるため、小型化及び低価格化を実現できる。

１ 発光部
２ 発光素子駆動回路
３ 被測定光ファイバ
４ 受光部
５ 信号処理部
１０，３０ 半導体発光素子
１０ａ，３０ａ 第１の光出射端面
１０ｂ，３０ｂ 第２の光出射端面
１３，３１ 第１の多重量子井戸型活性層
１３ａ，１４ａ，３１ａ，３２ａ，３３ａ ストライプ部
１３ｂ，３１ｂ，３２ｂ テーパ部
１４，３２ 第２の多重量子井戸型活性層
１６，３４，３５ バットジョイント接合部
２３ａ 高反射（ＨＲ）コート
２３ｂ 低反射（ＬＲ）コート
２４，４０，４１ 回折格子
３３ 第３の多重量子井戸型活性層
５０ 半導体発光素子モジュール
５１ レンズ
５２ パッケージ（筺体）
５３ 光ファイバ
７０ 光パルス試験器

Claims (8)

1. 劈開によって形成された第１の光出射端面（１０ａ，３０ａ）と第２の光出射端面（１０ｂ、３０ｂ）とを有し、異なる波長帯に利得帯域を有する複数の活性層（１３，１４，３１，３２，３３）が光の導波方向に結合されてなり、
   前記複数の活性層は、前記第１の光出射端面から前記第２の光出射端面に向かって前記利得帯域が短波化する順に配置され、
   隣接する２つの前記活性層のうち、短波側の利得帯域を有する活性層近傍、且つ、当該２つの活性層の境界面（１６，３４，３５）近傍に、当該短波側の利得帯域に含まれるブラッグ波長を有し、該ブラッグ波長近傍の複数の縦モードの光を反射する回折格子（２４，４０，４１）が形成されており、
   最も長波側の利得帯域を有する活性層で生成された光が、前記第１の光出射端面と前記第２の光出射端面とで構成される共振器で発振し、短波側の利得帯域を有する活性層で生成された光が、前記回折格子と前記第２の光出射端面とで構成される共振器で発振し、ともに前記第２の光出射端面から出射される半導体発光素子（１０，３０）において、
   前記活性層は、一定のストライプ幅を有するストライプ部（１３ａ，１４ａ，３１ａ，３２ａ，３３ａ）を含み、
   隣接する２つの前記活性層におけるストライプ幅は、長波側の利得帯域を有する活性層で生成された光が基本横モード導波となるカットオフ幅以下であり、
   前記長波側の利得帯域を有する活性層は、前記隣接する２つの活性層のストライプ部同士を接続し、当該隣接する２つの活性層のうち短波側の利得帯域を有する活性層のストライプ部に向かってその幅が連続的に減少するテーパ部（１３ｂ，３１ｂ，３２ｂ）をさらに含むことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記ストライプ幅は、最も長波側の利得帯域を有する活性層で生成された光が基本横モード導波となるカットオフ幅以下であることを特徴とする請求項１に記載の半導体発光素子。
3. 前記複数の活性層が互いにバットジョイント接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体発光素子。
4. 前記第２の光出射端面の反射率が、前記第１の光出射端面の反射率より低く形成されたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
5. 前記複数の活性層は、第１の多重量子井戸型活性層（１３）及び第２の多重量子井戸型活性層（１４）からなり、
   前記第１の多重量子井戸型活性層の発振波長が１．５２〜１．５８μｍであり、
   前記第２の多重量子井戸型活性層の発振波長が１．２８〜１．３４μｍであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
6. 前記複数の活性層は、第１の多重量子井戸型活性層（３１）、第２の多重量子井戸型活性層（３２）及び第３の多重量子井戸型活性層（３３）からなり、
   前記第１の多重量子井戸型活性層の発振波長が１．６０〜１．６５μｍであり、
   前記第２の多重量子井戸型活性層の発振波長が１．５２〜１．５８μｍであり、
   前記第３の多重量子井戸型活性層の発振波長が１．２８〜１．３４μｍであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体発光素子。
7. 請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体発光素子（１０，３０）と、
   前記半導体発光素子の前記第２の光出射端面から出射された光を集光するレンズ（５１）と、
   前記半導体発光素子及び前記レンズを格納する筺体（５２）と、
   前記筺体に接続され、前記レンズにより集光された前記光を前記筐体の外部に導く光ファイバ（５３）と、を備える半導体発光素子モジュール。
8. 光パルスを被測定光ファイバ（３）に出力する発光部（１）と、
   前記被測定光ファイバからの前記光パルスの戻り光を電気信号に変換する受光部（４）と、
   前記受光部によって変換された電気信号に基づいて前記被測定光ファイバの損失分布特性を解析する信号処理部（５）と、を備え、
   前記発光部は、
   請求項７に記載の半導体発光素子モジュール（５０）と、
   前記半導体発光素子モジュールが備える前記半導体発光素子に前記光パルスを発するためのパルス状の駆動電流を注入する発光素子駆動回路（２）と、を有することを特徴とする光パルス試験器。

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