JP2017139341A - 光素子、集積型光素子および光素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＢＲ構造を備え、当該ＤＢＲ構造においてより高い反射率を実現できる光素子を提供すること。【解決手段】クラッド層と、前記クラッド層よりも屈折率が高く、所定の方向に光を導波する導波路コア層とを有する導波路型の光素子であって、前記導波路コア層は、前記導波方向において連続的に存在する導波路領域と、前記導波方向において前記導波路領域と接続し、前記導波方向において周期的かつ離散的に存在する分布ブラッグ反射領域とを有し、前記分布ブラッグ反射領域において、前記離散的に存在する導波路コア層の間は前記クラッド層と同じ材料で埋め込まれており、前記分布ブラッグ反射領域において前記離散的に存在する導波路コア層の周期をΛ、前記導波路コア層の離散的な１つあたりの長さをＬとすると、Ｌ／Λ＞０．５が成り立つ。【選択図】図１

Description

本発明は、光素子、およびこれを用いた集積型光素子ならびに光素子モジュールに関するものである。

導波路に周期的な屈折率変調を与えることによって形成される回折格子が、導波路型光素子では多く用いられる。この回折格子を用いることによって所定の反射波長帯域を形成することができるので、この回折格子を活性領域に付与すればＤＦＢ(分布帰還)構造、受動領域に付与すればＤＢＲ(分布ブラッグ反射)構造を形成することができる。

導波路に周期的な屈折率変調を与える方法として、導波路コア層の近傍に回折格子を配置する構造が従来多用されてきた。それに対して、エッチング等により導波路コア層を周期的な構造にする方法が近年用いられている(特許文献1、非特許文献1)。導波路コア層はクラッド層との屈折率差が大きく、層への光閉じ込め係数も高い。このため、導波路コア層の近傍に回折格子を配置する場合に比べて、導波路コア層自体をエッチングして回折格子を形成した方が、導波路の屈折率変調を著しく大きくすることができる。これによって回折格子の結合係数を非常に大きくできるため、これをＤＢＲ構造に用いた場合には、光導波方向における回折格子の長さを短くすることができる。

特許文献１および非特許文献１はいずれも半導体光素子に関するものである。いずれも導波路コア層を周期的にエッチングした構造を有することは共通している。しかし、特許文献１では導波路コア層を離散的にエッチングし、エッチングした部分をクラッド層と同じ材料であるＩｎＰで埋め込んでいるのに比べて、非特許文献１ではエッチングおよび埋め込みをする量子井戸活性層の上下を、屈折率の高いＧａＩｎＡｓＰ層で挟み込んで、ＧａＩｎＡｓＰ層を含む全体をコアとしていることが異なる。

非特許文献１の構造に比べて、特許文献１の構造は作製が容易であるという利点を有する。これは、次の理由による。非特許文献１の構造の作製時には、下部ＧａＩｎＡｓＰ層上の量子井戸活性層をエッチングしたあと、エッチングした部分にｉ−ＩｎＰを選択的に埋め込み、その後その上部全体に上部ＧａＩｎＡｓＰ層とＩｎＰクラッド層を順次積層している。このため、エッチング部分のみを半導体材料で埋め込む工程と全体に半導体層を積層する工程との２つの結晶成長工程が必要となる。それに対して特許文献１の構造の作製時には、結晶成長工程は、全体をＩｎＰで埋め込むとともにＩｎＰクラッド層を形成する１回の工程でよい。また、非特許文献１では表面に凹凸のある半導体層付近にＧａＩｎＡｓＰを成長する必要がある。一方、ＩｎＰは２元材料であるために組成の安定性がよく、組成の変化が格子歪につながるＧａＩｎＡｓＰよりも凹凸面上での結晶成長が容易であるので、ＧａＩｎＡｓＰ結晶を凹凸面付近に成長しなくてもよい特許文献１の構造はこの点でも作製が容易である。

特許第５７９５１２６号公報

IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.11, NO.5, pp.1162-1168

回折格子の設計パラメータとして、Ｄｕｔｙ比がある（以下、Ｄｕｔｙと呼ぶ場合がある）。Ｄｕｔｙ比とは、光導波方向における回折格子の高屈折率部分の長さと低屈折率部分の長さとの割合を示すパラメータである。以降、高屈折率部分の長さＬを回折格子周期Λで除した値（Ｌ／Λ）をＤｕｔｙ比またはＤｕｔｙと呼ぶこととする。

非特許文献１では、回折格子周期を２４０ｎｍとして、高屈折率部分の長さ(wire width)を４０ｎｍ〜８０ｎｍの条件とすることで高反射率のＤＢＲ構造が得られるとされている。この条件は、Ｄｕｔｙ比で表すと、１７％〜３３％であって、５０％よりも小さい値である。非特許文献１のＦｉｇ．２からわかるように、これよりもＤｕｔｙ比が大きくなる（wire widthが長い）設計領域では、反射率が急激に低下する。これは、高屈折率部分を構成する量子井戸活性層の吸収損失によるものである。

このように、従来、活性層を周期的にエッチングして構成した回折格子構造においては、Ｄｕｔｙ比を５０％よりも十分に小さい値とすることが、高反射率を得るために必要であると考えられていた。

しかしながら、本発明者が鋭意検討した結果、特許文献１のＤＢＲ構造の場合、非特許文献１の記載にしたがってＤｕｔｙ比を設計しても、高い反射率を得られない場合があることが判明した。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、コア層が光導波方向に周期的かつ離散的に存在するＤＢＲ構造を備え、当該ＤＢＲ構造においてより高い反射率を実現できる光素子、およびこれを用いた集積型光素子ならびに光素子モジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る光素子は、クラッド層と、前記クラッド層よりも屈折率が高く、所定の方向に光を導波する導波路コア層とを有する導波路型の光素子であって、前記導波路コア層は、前記導波方向において連続的に存在する導波路領域と、前記導波方向において前記導波路領域と接続し、前記導波方向において周期的かつ離散的に存在する分布ブラッグ反射領域とを有し、前記分布ブラッグ反射領域において、前記離散的に存在する導波路コア層の間は前記クラッド層と同じ材料で埋め込まれており、前記分布ブラッグ反射領域において前記離散的に存在する導波路コア層の周期をΛ、前記導波路コア層の離散的な１つあたりの長さをＬとすると、Ｌ／Λ＞０．５が成り立つことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光素子は、０．８＞Ｌ／Λが成り立つことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光素子は、当該光素子の動作波長が、前記ブラッグ反射領域の反射波長帯域の中心波長よりも長いことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光素子は、前記導波路コア層が前記導波方向に連続的に存在するときのモード屈折率をｎ１、前記クラッド層の屈折率をｎ２とし、ブラッグ波長を２×（ｎ１×Ｌ＋ｎ２×（Λ−Ｌ））と定義したときに、当該光素子の動作波長が、前記ブラッグ波長よりも長いことを特徴とする。

本発明の一態様に係る光素子は、前記導波路コア層が、前記導波路領域と前記ブラッグ反射領域とを前記導波方向に繰り返し交互に配置したサンプルドグレーティング構造を有することを特徴とする。

本発明の一態様に係る光素子は、前記導波路コア層の前記導波路領域の近傍に回折格子を備え、前記導波路領域は電流注入によって発光する活性層であることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光素子は、前記導波路コア層が前記導波方向に連続的に存在するときのモード屈折率をｎ１、前記クラッド層の屈折率をｎ２とし、前記ブラッグ反射領域のブラッグ波長λ１を２×（ｎ１×Ｌ＋ｎ２×（λ−Ｌ））と定義し、前記回折格子の周期をΛ’とし、前記回折格子のブラッグ波長λ２を、２×ｎ１×Λ’と定義したときに、λ１＜λ２が成り立つことを特徴とする。

本発明の一態様に係る集積型光素子は、本発明の一態様に係る光素子を複数集積して構成されていることを特徴とする。

本発明の一態様に係る光素子モジュールは、本発明の一態様に係る光素子または集積型光素子を備えることを特徴とする。

本発明によれば、より高い反射率を有するＤＢＲ構造を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施形態１に係る半導体レーザ素子を光導波方向に沿って切断した模式的な断面図である。 図２は、ＤＢＲの反射スペクトルの計算結果を示す図である。 図３は、光の電界分布を示す図である。 図４は、Ｄｕｔｙと反射半値幅との関係を計算した結果を示す図である。 図５は、実施形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図６は、実施形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。 図７は、実施形態２に係る集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。 図８は、図７に示す集積型半導体レーザ素子のＡ−Ａ線断面図である。 図９は、実施形態３に係る半導体レーザモジュールの模式図である。 図１０は、実施形態４に係る半導体レーザ素子を光導波方向に沿って切断した模式的な断面図である。 図１１は、図１０に示す半導体レーザ素子の利得ＳＧ部と受動ＳＧ部との反射スペクトルを示す図である。 図１２は、図１０に示す半導体レーザ素子の受動ＳＧ部内にさらにバーニア効果を有する構造を形成した場合の利得ＳＧ部と受動ＳＧ部との反射スペクトルを示す図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る光素子、集積型光素子および光素子モジュールの実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る導波路型の光素子である半導体レーザ素子を光導波方向（紙面左右方向）に沿って切断した模式的な断面図である。図１に示すように、この半導体レーザ素子１００は、裏面にｎ側電極１０１が形成されたｎ型半導体層１０２と、ｎ型半導体層１０２上に形成された導波路コア層１０３と、導波路コア層１０３上に形成されたｐ型半導体層１０４と、ｐ型半導体層１０４上に形成された回折格子層１０５と、回折格子層１０５上に形成されたｐ型半導体層１０６と、ｐ型半導体層１０６上に形成されたｐ側電極１０７と、を備えている。

ｎ型半導体層１０２、導波路コア層１０３、ｐ型半導体層１０４、回折格子層１０５、およびｐ型半導体層１０６は、半導体積層構造を形成している。この半導体積層構造は、分布帰還型レーザ部１１０と、分布帰還型レーザ部１１０に隣接する分布ブラッグ反射部１２０とを有している。分布帰還型レーザ部１１０、分布ブラッグ反射部１２０の各端面１１１、１２１には不図示の反射防止膜が形成されている。

半導体積層構造の各構成要素について説明する。ｎ型半導体層１０２は、ｎ型ＩｎＰからなる基板上にｎ型ＩｎＰからなるクラッド層が形成された構成を有する。

導波路コア層１０３は、ＧａＩｎＡｓＰからなり、複数の障壁層と複数の井戸層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Ｍｕｌｔｉ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ）構造のＭＱＷ層と、ＭＱＷ層を上下から挟むように配置された上部および下部分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層とからなるＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する。ＭＱＷ層の厚さはたとえば４０ｎｍ〜６０ｎｍ、上部および下部ＳＣＨ層のそれぞれの厚さはたとえば３０ｎｍである。なお、導波路コア層１０３は、ＡｌＧａＩｎＡｓで構成してもよい。

ここで、分布帰還型レーザ部１１０では、導波路コア層１０３は、光導波方向において連続して存在し、連続した長さを有している導波路領域となっている。一方、分布ブラッグ反射部１２０では、導波路コア層１０３は、回折格子を形成するように離散的かつ周期的に存在し、分布ブラッグ反射領域となっている。導波路コア層１０３の間はｐ型半導体層１０４と同じ半導体材料（ｐ型ＩｎＰ）で埋められている。図１に示すように導波路領域と分布ブラッグ反射領域は光導波方向において接続している。

ｐ型半導体層１０４は、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層で構成される。ｐ型半導体層１０４の厚さはたとえば１００ｎｍ〜２００ｎｍである。

回折格子層１０５は、ＧａＩｎＡｓＰ層が所定の周期で離散的に配置して回折格子を形成し、かつＧａＩｎＡｓＰ層の間はｐ型ＩｎＰで埋められた構成を有する。たとえば、回折格子層１０５の厚さは５ｎｍ〜５０ｎｍであり、２０ｎｍ〜５０ｎｍがさらに好ましい。回折格子層１０５は導波路コア層１０３の近傍で導波路コア層１０３に沿って配置している。回折格子層１０５はその光導波方向の所定の位置にλ／４位相シフト部１０５ａが形成されている。

ｐ型半導体層１０６は、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層上にｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層が形成された構成を有する。

ｐ側電極１０７は、分布帰還型レーザ部１１０におけるｐ型半導体層１０６の最上層であるコンタクト層上に形成されている。コンタクト層は、ｐ側電極１０７との電気抵抗を低減する機能を有する。

なお、半導体レーザ素子１００の半導体積層構造は、図１の紙面と垂直方向の断面では、光導波方向に光を導波するための導波路構造としての公知の埋め込みメサ構造を有している。

つぎに、半導体レーザ素子１００の動作を説明する。まず、ｎ側電極１０１とｐ側電極１０７との間に電圧を印加して、駆動電流を注入する。ｐ側電極１０７は、分布帰還型レーザ部１１０におけるｐ型半導体層１０６上に形成されているので、駆動電流は分布帰還型レーザ部１１０の導波路コア層１０３に注入される。すると、駆動電流を注入された分布帰還型レーザ部１１０の導波路コア層１０３は、活性層として機能し、ＭＱＷ層を構成するＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップ波長に応じた、所定の波長帯域を有する光を発する。

ここで、分布帰還型レーザ部１１０は、導波路コア層１０３の近傍に導波路コア層１０３に沿って配置された回折格子層１０５を有するため、ＤＦＢレーザとして機能する。したがって、駆動電流が注入されると回折格子層１０５の周期に応じた波長でレーザ発振する。

一方、分布ブラッグ反射部１２０では、導波路コア層１０３が回折格子を形成するように離散的かつ周期的に存在しているので、ＤＢＲ領域として機能する。したがって、分布ブラッグ反射部１２０は、分布帰還型レーザ部１１０で発振したレーザ光Ｌ２０をブラッグ反射する。

したがって、半導体レーザ素子１００は分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）半導体レーザ素子として機能し、主に分布帰還型レーザ部１１０側の端面１１１からのみレーザ光Ｌ１０を出力する。

この半導体レーザ素子１００では、分布ブラッグ反射部１２０において導波路コア層１０３自体がＤＢＲ構造を構成しているため、導波路コア層１０３が形成する回折格子の結合係数κを大きくできる。

また、分布ブラッグ反射部１２０では、導波路コア層１０３は電流を注入されていないため、吸収媒体として機能するが、導波路コア層１０３は離散的に存在しているため、連続的な長さを有する場合よりも光吸収が少ない。その結果、出力されるレーザ光Ｌ１０の光強度の低下が抑制される。

（設計パラメータ）
ここで、半導体レーザ素子１００から出力されるレーザ光Ｌ１０のパワーを高くするためには、分布ブラッグ反射部１２０の反射率は高いことが望ましい。そのため、本実施形態１に係る半導体レーザ素子１００では、分布ブラッグ反射部１２０におけるＤｕｔｙを０．５より大きい０．６とし、レーザ光Ｌ１０の波長が、分布ブラッグ反射部１２０の反射波長帯域の中心波長である１.５４３μｍよりも長波長側である１.５４６μｍとなるように、分布帰還型レーザ部１１０の回折格子層１０５の周期を設定し、分布ブラッグ反射部１２０の反射率が高くなるようにしている。ここで、分布ブラッグ反射部１２０におけるＤｕｔｙを、高屈折率部分である導波路コア層１０３の長さＬを回折格子周期Λで除した値（Ｌ／Λ）とする。したがって、Ｌ／Λ＝０．６＞０．５が成り立っている。なお、回折格子周期Λは、離散的に配置された導波路コア層１０３のうちの１つの長さと、それに隣接する埋め込まれた部分（埋め込み部）の長さとの和として規定される。なお、導波路コア層１０３とそれに隣接する埋め込み部との境界が、導波路コア層１０３の厚さ方向に対して傾斜している場合は、導波路コア層１０３の厚さ方向の中央において、回折格子周期Λを規定する。

以下、具体的に説明する。
従来、分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）の反射率は、分離法やモード結合理論を用いた転送行列法によって計算されていた。しかし、本発明者らは、良好な反射特性のＤＢＲを得るべくその設計パラメータについて鋭意検討したところ、従来の計算方法には以下のような問題点があることを発見した。

すなわち、従来の方法は、光の導波方向のみの１次元的な構造について考慮して計算を行うものであって、それ以外の構造は反映していなかった。そこで、本発明者らは、２次元の解析方法である２次元ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ）法を用いて計算を行うことに想到した。そして、２次元ＦＤＴＤ法および１次元的な方法である分離法を用いてＤＢＲの反射率を計算し、比較を行った。なお、分離法とモード結合理論とはいずれも１次元的な方法であるが、分離法の方が、屈折率差が大きい場合に精度が高い、ブラッグ波長のＤｕｔｙ依存性を考慮できる、高屈折率部と低屈折率部とで損失に差をつけられる、といった利点があり、活性層としても機能する導波路コア層をエッチングして形成したＤＢＲの反射率を計算するのに適している。

図２は、ＤＢＲの反射スペクトルの計算結果を示す図である。図２（ａ）が分離法を用いた場合の結果を示し、図２（ｂ）が２次元ＦＤＴＤ法を用いた場合の結果を示している。なお、これらの計算では、回折格子を構成する導波路コア層には光損失があり、導波路コア層の間を埋め込んでいる半導体材料には光損失が無いものとしている。また、Ｄｕｔｙが１／６、１／３、１／２、２／３、および５／６について計算をおこなった。

図２（ａ）に示すように、１次元計算では、反射スペクトルは、反射帯域内で、長波長側ほど反射率が低く、またＤｕｔｙが大きいほど最大反射率が低いという結果が得られた。この計算結果は、反射率のＤｕｔｙ依存性に関して同様の計算を行っている非特許文献１の開示と同じ傾向である。一方で、図２（ｂ）に示すように、２次元計算では、１次元計算の場合とは逆に、反射帯域内では、短波長側ほど反射率が低く、またＤｕｔｙが小さいほど最大反射率が低いという結果が得られた。つまり、導波路への光閉じ込めまで考慮できて、素子の実構造により近い、２次元計算によれば、従来の１次元計算とは全く逆の結果が得られることがわかった。

上記のように短波長側ほど反射率が低くなる原因について解明するために、本発明者らはさらに検討を行った。まず、実施形態１の構造において、導波路を構成する半導体材料の光損失をゼロとした理想的なモデルを想定した。そして、このモデルについて、Ｄｕｔｙが０．５のＤＢＲの反射波長帯域の中心波長よりも長波長側(高反射率側)の波長である１．５４６μｍの光と、短波長側(低反射率側)の波長である１．５４０μｍの２つの波長の光のそれぞれについて、導波路領域側（分布帰還型レーザ部１１０側）から光を入射したときの電界分布を計算した。なお、反射波長帯域の中心波長は、たとえば反射スペクトルにおいて最大反射率の１／２の反射率となっている２つの波長の中間の波長とする。

図３は、光の電界分布を示す図である。図３（ａ）は長波長側の光、図３（ｂ）は短波長側の光に関する計算結果である。なお、図の左右方向の中心付近に分布帰還型レーザ部と分布ブラッグ反射部との境界があり、境界より左が分布帰還型レーザ部、右が分布ブラッグ反射部である。

図３（ａ）に示すように、長波長側では分布ブラッグ反射部に光が損失無く入り込んでいるが、図３（ｂ）に示すように、短波長側では、分布帰還型レーザ部と分布ブラッグ反射部との境界で大きい散乱損失があることが見て取れる。すなわち、長波長側では光の散乱損失が低いために分布ブラッグ反射部の反射率が高くなり、短波長側では光の散乱損失が高いために反射率が低くなる。

この現象は次のように解釈できる。分布ブラッグ反射部の反射帯域内では、光の導波方向の波数はブラッグ波数にほぼ固定される。このため、光の周波数が低い(真空中波長が長い)とモード屈折率が高く、光の周波数が高い(真空中波長が短い)とモード屈折率が低くなる。これは、光の周波数が低いときには分布ブラッグ反射部の高屈折率部分に定在波が分布し、周波数が高いときには分布ブラッグ反射部の低屈折率部分に定在波が分布することと関連している。

モード屈折率が高い場合、分布ブラッグ反射部の導波路コア層の鉛直方向（半導体積層方向）における光閉じ込めの強さは、分布帰還型レーザ部における連続した導波路コア層における光閉じ込めの強さに近いので、分布帰還型レーザ部と分布ブラッグ反射部とで導波モードの整合性は高くなる。一方、モード屈折率が低い場合、分布ブラッグ反射部の導波路コア層の鉛直方向における光閉じ込めの強さは、モード屈折率が高い場合よりも低くなる。このため、分布帰還型レーザ部と分布ブラッグ反射部とで導波モードの整合性が低くなって、両者の境界で大きい接続損失が発生すると考えられる。すなわち、分布ブラッグ反射部が高反射率となるためには、分布帰還型レーザ部を所定の導波モードで導波する光の、導波方向と垂直な断面における電界分布形状と、分布ブラッグ反射部を所定の導波モードで導波する光の、導波方向と垂直な断面における電界分布形状とが、一致するまたはより近い形状であることが好ましい。

以上のことから、分布ブラッグ反射部を高反射率とするために、分布ブラッグ反射部で反射させるべき光の波長が、分布ブラッグ反射部の反射帯域の中心波長よりも長波長側になるように分布ブラッグ反射部を設計することが有効である。より具体的な設計指針としては、１次元的な設計を行った分布ブラッグ反射部の反射波長帯域の中心波長となるブラッグ波長よりも長波側に、反射させるべき波長を位置させることが好ましい。以下、分布ブラッグ反射部で反射させるべき光の波長を、分布ブラッグ反射部の動作波長と呼ぶ場合がある。ここで、ブラッグ波長は、分布ブラッグ反射部における回折格子の周期をΛ、高屈折率部（導波路コア層）の長さをＬ、導波路コア層が光導波方向に連続的に存在するときのモード屈折率をｎ１、クラッド層の屈折率をｎ２として、２×(ｎ１×Ｌ＋ｎ２×(Λ−Ｌ))と定義することができる。

同様に、分布ブラッグ反射部におけるＤｕｔｙを小さくした場合には、分布ブラッグ反射部中の導波路コア部の割合が減少するので、導波路コア層の鉛直方向における光閉じ込めの強さが低くなる。このため、Ｄｕｔｙを小さくした場合には図３（ｂ）に示す場合と同様に光の散乱損失が大きくなって反射率が低下する。

以上の観点から、分布ブラッグ反射部の反射波長帯域の中心波長よりも長波長側を動作波長とする構成、Ｄｕｔｙが大きい構成、またはこの二つの構成を組み合わせた構成を用いれば、分布帰還型レーザ部を導波する光の電界分布形状と、分布ブラッグ反射部を導波する光の電界分布形状とが、一致するまたはより近い形状となるので、分布ブラッグ反射部の反射率を高くすることができる。なお、実施形態１に係る半導体レーザ素子１００では、上記二つの構成を組み合わせた構成を備えているので、分布ブラッグ反射部がより好適に高められている。

なお、図４は、実施形態１において長さを３００μｍとした分布ブラッグ反射部１２０について、Ｄｕｔｙと反射波長帯域の半値幅（反射半値幅）との関係を計算した結果を示す図である。図４に示すように、Ｄｕｔｙが０．５より大きい場合に、０．８より小さければ（すなわち、０．５＜Ｌ／Λの場合にＬ／Λ＜０．８が成り立てば、）、反射半値幅を十分に大きくでき、かつ反射率の低下も抑制できるので好ましい。

以上説明した散乱の効果は、光の進行方向のみの１次元的な計算によっては考慮できないことは明らかであり、２次元的な計算によって得られた結果との違いは、散乱の効果によるものである。

なお、非特許文献１の構造では、エッチングおよび埋め込みをする量子井戸活性層の上下を、屈折率の高いＧａＩｎＡｓＰ層で挟み込んで、ＧａＩｎＡｓＰ層を含む全体をコアとしているために、上記のような散乱の影響は支配的にはならない。したがって、１次元計算を用いたとしても、大きい差は生じない。

一方、特許文献１や本実施形態１のように、導波路コア層を離散的にエッチングし、エッチングした部分をクラッド材料で埋め込んだＤＢＲ構造に対しては、上記散乱の影響を勘案して、分布ブラッグ反射部におけるＤｕｔｙとレーザ光の波長とを設定することが好ましい。

なお、分布帰還型レーザ部１１０については、回折格子層１０５は、導波路コア層１０３をエッチングして形成したものではなく、導波路コア層１０３の近傍に配置したものである。このため、分布帰還型レーザ部１１０においては、回折格子層１０５のＤｕｔｙを０．５より大きくする必要は無く、０．５程度とすればＤｕｔｙのばらつきに対して結合係数のばらつきを抑えることができるので好ましい。また、Ｄｕｔｙを０．５よりも小さくすると、ｐ側電極１０７と導波路コア層１０３との間の回折格子層１０５による電気抵抗を低減することができるので好ましい。なお、たとえば製造上の観点から、分布帰還型レーザ部１１０の回折格子層１０５のＤｕｔｙと分布ブラッグ反射部１２０の導波路コア層１０３のＤｕｔｙとを異なるものにすることが難しい場合には、回折格子層１０５のＤｕｔｙを分布ブラッグ反射部１２０の導波路コア層１０３のＤｕｔｙと同じ（すなわち０．５より大きく、本実施形態１では０．６）としてもよい。回折格子層１０５のＤｕｔｙについては、これらのいずれの観点によって設計してもよいし、これらの総合的な観点で設計を選ぶことも可能である。

また、本実施形態１においては分布ブラッグ反射部１２０の反射波長帯域の中心波長よりも長波長側を用いるために、分布ブラッグ反射部１２０と分布帰還型レーザ部１１０とを以下のように設計している。すなわち、分布帰還型レーザ部１１０のように導波路コア層１０３が光導波方向に連続的に存在するときのモード屈折率をｎ１、クラッド層の屈折率をｎ２として、分布ブラッグ反射部１２０のブラッグ波長λ１を２×(ｎ１×Ｌ＋ｎ２×(Λ−Ｌ))と定義し、回折格子層１０５の周期をΛ’として、回折格子層１０５のブラッグ波長λ２を２×ｎ１×Λ’と定義したときに、λ１＜λ２が成り立つようにした。具体的な数値を例示すると、モード屈折率ｎ１が３．２１であり、クラッド層を構成するＩｎＰの屈折率ｎ２が３．１７であるときに、Λを２４０ｎｍ、Ｄｕｔｙ(Ｌ／Λ)を０．６とした場合、Λ’は(３．２１×０．６×２４０ｎｍ＋３．１７×０．４×２４０ｎｍ)／３．２１＝２３８．８０ｎｍよりも大きくなるように、２３９．２ｎｍとした。このようにすると、レーザ光Ｌ１０の波長は、分布帰還型レーザ部１１０のブラッグ波長近傍になるから、半導体レーザ素子１００の動作波長であるレーザ発振波長は、分布ブラッグ反射部１２０の反射波長帯域の中心波長よりも長波長側となる。

ここで、レーザ光Ｌ１０の波長を分布帰還型レーザ部１１０のブラッグ波長近傍とするために、本実施形態１では回折格子層１０５にλ／４位相シフト部１０５ａが設けられている。なお、この位相シフトの与え方を変えた場合、それに応じて分布ブラッグ反射部１２０のブラッグ波長と分布帰還型レーザ部１１０のブラッグ波長との相対関係を微調整することは、設計事項の範疇である。

本実施形態１によれば、容易な製造方法で非常に高い結合係数を得ることができる構造である、導波路コア層をエッチングしてエッチングした部分をクラッド材料で埋め込んだ構造において、散乱損失が小さく反射率が高いＤＢＲ構造の特性を得ることができる。その結果、本実施形態１に係る半導体レーザ素子１００のしきい値利得が非常に小さくなる。これによって、レーザ光の狭周波数線幅化や低消費電力化などの利点が生じる。

（製造方法）
図５、６は、本実施形態１に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。図５、６は図１の断面に対応する断面を示している。
はじめに、分布帰還型レーザ部１１０となる領域と、分布ブラッグ反射部１２０となる領域とを有する半導体積層構造を形成する工程について説明する。図５（ａ）に示すように、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）結晶成長装置等の結晶成長装置を用い、ｎ型ＩｎＰからなる基板上にｎ型ＩｎＰからなるクラッド層を形成してｎ型半導体層１０２を形成し、さらに、ｎ型半導体層１０２上に順次導波路コア層１０３、ｐ型半導体層１０４、回折格子層１０５、およびｐ型半導体層１０６の一部であるｐ型半導体層１０６ａを形成する。ただし、このとき回折格子層１０５は回折格子構造が無いＧａＩｎＡｓＰ層からなるものである。

つぎに、半導体積層構造のうち、分布帰還型レーザ部１１０となる領域の回折格子層１０５を所定の周期で離散的な配置となるようにエッチングする工程について説明する。図５（ａ）に示すように、たとえばＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によってｐ型半導体層１０６ａ上にＳｉＮからなるマスクＭ１を形成し、所定のマスクパターンにパターニングする。

このパターニングでは、分布帰還型レーザ部１１０となる領域と分布ブラッグ反射部１２０となる領域の両方の回折格子に対応したパターンを形成する。このとき、分布帰還型レーザ部１１０となる領域と分布ブラッグ反射部１２０となる領域とでそれぞれ所望の構造になるようにパターニングを行う。すなわち、上述したように、分布ブラッグ反射部１２０となる領域は分布帰還型レーザ部１１０となる領域よりもＤｕｔｙが大きく、周期も異なるようにパターニングする。また、分布帰還型レーザ部１１０となる領域はλ／４位相シフト部１０５ａが形成されるようにパターニングする。

つぎに、図５（ｂ）に示すように、マスクＭ１をマスクとして、たとえばＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ Ｐｌａｓｍａ）−ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｅｒ）によって、半導体積層構造をｐ型半導体層１０６ａおよび回折格子層１０５より深く、ｐ型半導体層１０４に到る深さの溝Ｇを形成するようにエッチングする。これによって、回折格子層１０５の回折格子構造が形成される。

つぎに、半導体積層構造のうち、分布ブラッグ反射部１２０となる領域の導波路コア層１０３を所定の周期で離散的な配置となるようにエッチングする工程について説明する。図５（ｃ）に示すように、溝Ｇを埋め、かつマスクＭ１を覆うようにマスクＭ２を形成し、さらに分布帰還型レーザ部１１０となる領域のマスクＭ２上にレジスト膜Ｒを形成する。ここで、マスクＭ２は、所定のエッチング液に対するエッチングレートがマスクＭ１のエッチングレートとは差がある材料とする。マスクＭ２の材料としてはたとえばＳｉＯ_２であり、ＳＯＧ（Ｓｐｉｎ Ｏｎ Ｇｌａｓｓ）を利用できる。なお、マスクＭ２がＳｉＯ_２からなるものであれば、マスクＭ１はシリコンや金属からなる膜でもよい。

つぎに、図５（ｄ）に示すように、レジスト膜Ｒをエッチングマスクとして、緩衝フッ酸液（Ｂｕｆｆｒｅｄ ＨＦ：ＢＨＦ）によって分布ブラッグ反射部１２０となる領域のマスクＭ２を除去し、溝Ｇを露出させる。このとき、ＢＨＦに対するマスクＭ２のエッチングレートは、ＢＨＦに対するマスクＭ１のエッチングレートよりも大きいため、マスクＭ２は選択エッチングされ、マスクＭ１は残存する。

つぎに、図６（ａ）に示すように、レジスト膜Ｒを除去する。さらに、図６（ｂ）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥによって溝Ｇをさらに導波路コア層１０３の底面に到る深さまで深くエッチングする。その結果、分布ブラッグ反射部１２０となる領域においては、導波路コア層１０３は溝Ｇによって分離され、周期的に配置された回折格子構造が形成される。一方、分布帰還型レーザ部１１０となる領域では導波路コア層１０３は光導波方向において連続した長さを有したままである。すなわち、第２エッチング工程は、分布帰還型レーザ部１１０となる領域の最表面にマスクＭ２を形成し、分布帰還型レーザ部１１０となる領域の導波路コア層１０３を該第２エッチング工程におけるエッチングから保護して行う工程である。

なお、分布ブラッグ反射部１２０においては、回折格子層１０５は必ずしも存在する必要はないが、回折格子層１０５も分布ブラッグ反射部１２０における結合係数κに寄与するので、製造工程において特に除去しなくてもよい。

その後、図６（ｃ）に示すように、マスクＭ１、Ｍ２を除去し、図６（ｄ）に示すように、結晶成長装置にて溝Ｇを、ｐ型半導体層１０４と同じ半導体材料である半導体材料Ｓで埋め込む。その後、公知の方法によって埋め込みメサ構造などの導波路構造の形成、ｐ型半導体層１０６の残部であるスペーサ層・コンタクト層の形成、および、たとえばＡｕＺｎからなるｐ側電極１０７およびＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ構造のｎ側電極１０１の形成を行い、さらに、反射防止膜の形成や素子分離等の必要な処理を行って、本実施形態１に係る半導体レーザ素子１００の構造を完成させる。

（実施形態２）
つぎに、実施形態１に係る半導体レーザ素子を用いた実施形態２に係る集積型光素子である集積型半導体レーザ素子について説明する。図７は、実施形態２に係る集積型半導体レーザ素子の模式的な平面図である。図７に示すように、本実施形態２に係る集積型半導体レーザ素子１０００は、それぞれがメサ構造を有する、ｎ個の半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎ（ｎは１以上の整数）を備える半導体レーザ部１００Ｎと、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎからの出力光がそれぞれ入力されるｎ個の光導波路２００−１〜２００−ｎを備える光導波路部２００Ｎと、ｎ個の入力ポートを有し光導波路２００−１〜２００−ｎの出力光を合流させて出力させることができる光合流器３００と、光合流器３００からの出力光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）４００とを一つの半導体基板上に集積し、埋め込み部１００２により埋め込んだ構造を有する。半導体レーザ部１００Ｎにおいて、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎ間の埋め込み部１００２には、トレンチ溝１０８−１〜１０８−ｍ（ｍ＝ｎ―１）を設けている。また、集積型半導体レーザ素子１０００の両端面には、戻り光によるノイズを防ぐため、反射防止膜１００１が形成されている。

ｎ個の半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎは、それぞれが実施形態１の半導体レーザ素子１００と同一の構成であり、各々が幅１．５μｍ〜３μｍのストライプ状の埋め込み構造を有する端面発光型レーザであり、集積型半導体レーザ素子１０００の一端において幅方向にたとえば２５μｍピッチで形成されている。半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎは、各半導体レーザ素子の設計パラメータを適切に設定することにより、出力光が単一モード発振のレーザ光となり、そのレーザ発振波長がたとえば約１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲で互いに相違するように構成されている。また、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎの各発振波長は、集積型半導体レーザ素子１０００の設定温度を変化させることにより微調整することができる。すなわち、集積型半導体レーザ素子１０００は、駆動する半導体レーザ素子の切り替えと温度制御とにより、広い波長可変範囲を実現している。

なお、温度調整による半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎのそれぞれのレーザ発振波長の微調整の範囲は、３ｎｍ程度以下とすることが好ましい。したがって、約１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの波長範囲をカバーするためには、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎの個数は１２以上が好ましく、たとえば１６である。ただし、ｎの値は特に限定されない。また、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎの発振波長の範囲は、たとえば約１５７０ｎｍ〜１６１０ｎｍとしてもよい。

図８は、図７に示す集積型半導体レーザ素子のＡ−Ａ線断面を示す図である。図８に示すように、半導体レーザ部１００Ｎの半導体層の構造は、実施形態１に係る半導体レーザ素子１００と同一であり、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎの他の半導体層の構造も、半導体レーザ素子１００と同一である。ただし、上述のとおり、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎは、その発振波長にあわせて、各パラメータが設定されており、たとえば１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの中央近傍、すなわち１５５０ｎｍ近傍に利得ピークの波長を有するように設定されている。このパラメータの設定による半導体レーザの利得ピークの波長は、集積型半導体レーザ素子１０００の動作温度である２０℃〜６０℃におけるものである。

光合流器３００は、ｎ個の入力ポートと１つの出力ポートとを有するｎ×１のＭＭＩ（Ｍｕｌｔｉ−Ｍｏｄｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）型光カプラである。図８に示すように、光合流器３００は、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎと同様の埋め込みメサ構造を有するが、ｎ側電極３０１、ｎ型半導体層３０２、導波路コア層３０３、ｐ型半導体層３０４は、それぞれ半導体レーザ素子１００のｎ側電極１０１、ｎ型半導体層１０２、導波路コア層１０３、ｐ型半導体層１０４と同一の構成であってよい。すなわち、ｎ型半導体層３０２は、ｎ型ＩｎＰであってよく、導波路コア層３０３は、ＧａＩｎＡｓＰであってよく、ｐ型半導体層３０４は、ｐ型ＩｎＰであってよい。ただし、導波路コア層３０３は、ＭＱＷ−ＳＣＨ構造ではなく、単一の組成からなる層であって、光が導波するコア層として機能する。なお、導波路コア層３０３は、導波路コア層１０３を構成するＭＱＷ層と略等しい厚さとされている。また、光合流器３００は、メサ幅が半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎよりも幅広く形成されている。また、光合流器３００には電流を注入しないため、光合流器３００の半導体層の上部には、ｐ側電極を形成しない。

なお、光合流器３００は、ＭＭＩ型光カプラに限定されず、たとえばフレネルカプラのような他のｎ×１光カプラでもよい。

光導波路２００−１〜２００−ｎは、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎと光合流器３００との間に形成されており、光合流器３００と同様の埋め込みメサ構造を有しており、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎと光合流器３００のｎ個の入力ポートとを光学的に接続している。図８に示すように、ｎ側電極２０１、ｎ型半導体層２０２、導波路コア層２０３、ｐ型半導体層２０４は、それぞれ光合流器３００のｎ側電極３０１、ｎ型半導体層３０２、導波路コア層３０３、ｐ型半導体層３０４と同一の構成であってよい。

ＳＯＡ４００は、光合流器３００の１つの出力ポート３００ａに接続している。ＳＯＡ４００は、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎと同様の埋め込みメサ構造を有する。ただし、ＳＯＡ４００は半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎとは異なり回折格子層１０５を有しない。ｎ側電極４０１、ｎ型半導体層４０２、導波路コア層４０３、ｐ型半導体層４０４、ｐ側電極４０５は、それぞれ半導体レーザ素子１００のｎ側電極１０１、ｎ型半導体層１０２、導波路コア層１０３、ｐ型半導体層１０４、ｐ側電極１０７と同一の構成であってよい。なお、導波路コア層４０３は、導波路コア層１０３のＭＱＷ層と同一の構成であってよく、多重量子井戸構造であり、両側にＳＣＨ層を備えていてもよい。また、ｐ型半導体層４０４は、ｐ型半導体層１０６と同様に、上部にｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層を備えていてもよい。また、ＳＯＡ４００においても、導波路コア層４０３の幅は、例えば１．４μｍ〜１．７μｍであるが、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎが出力するレーザ光を単一モードで導波できる幅であれば特に限定はされない。

つぎに、この集積型半導体レーザ素子１０００の動作を説明する。まず、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎの中から選択した１つの半導体レーザ素子を駆動し、所望の波長の単一モードレーザ光を出力させる。トレンチ溝１０８−１〜１０８−ｍは半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎ間を電気的に分離するので半導体レーザ素子間の分離抵抗が大きくなり、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎの中の１つを選択して駆動することが容易にできる。

つぎに、複数の光導波路２００−１〜２００−ｎのうち、駆動する半導体レーザ素子と光学的に接続している光導波路は、駆動する半導体レーザ素子からのレーザ光を単一モードで導波する。光合流器３００は、光導波路を導波したレーザ光を通過させて出力ポート３００ａから出力する。ＳＯＡ４００は、出力ポート３００ａから出力したレーザ光を増幅して、出力端４００ａから集積型半導体レーザ素子１０００の外部に出力する。ＳＯＡ４００は、駆動する半導体レーザ素子からのレーザ光の光合流器３００による光の損失を補うとともに、出力端４００ａから所望の強度の光出力を得るために用いられる。なお、光合流器３００がｎ個の入力ポートと１個の出力ポートとを有する場合、駆動する半導体レーザ素子からのレーザ光の強度は、光合流器３００によって約１／ｎに減衰される。

ここで、本実施形態２に係る集積型半導体レーザ素子１０００は、半導体レーザ素子として、実施形態１の半導体レーザ素子１００と同一の構造の半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎを備えている。そのため、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎのそれぞれは、分布ブラッグ反射部の反射率が高く、光出力が高いとともに周波数線幅が狭い。そのため、半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎのそれぞれの駆動電流値を下げることができる。これにより、集積型半導体レーザ素子１０００の消費電力を低下させることができる。

（実施形態３）
図９は、実施形態３に係る光素子モジュールである半導体レーザモジュールの模式図である。この半導体レーザモジュール１００００は、図７、８に示す実施形態２に係る集積型半導体レーザ素子１０００を備えるものである。

半導体レーザモジュール１００００の構成および動作を説明する。集積型半導体レーザ素子１０００は、駆動する半導体レーザ素子に対応する波長のレーザ光を出力する。コリメートレンズ１０００１は、集積型半導体レーザ素子１０００から出力されたレーザ光を平行光線とする。光アイソレータ１０００２は、コリメートレンズ１０００１からの平行光線を一方向にのみ透過する。ビームスプリッタ１０００３は、コリメートレンズ１０００１からの平行光線の大部分を透過し、一部を分岐する。パワーモニタＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１０００４は、ビームスプリッタ１０００３により分岐した光を検出し、検出した光強度に応じた電流を出力する。一方、集光レンズ１０００５は、ビームスプリッタ１０００３を透過した光を集光して光ファイバ１０００６に結合する。光ファイバ１０００６は結合した光を導波し、導波した光は信号光などとして用いられる。

光ファイバ１０００６からの光出力は一定であることが要求される。光出力を一定にするために、集積型半導体レーザ素子１０００において、駆動する半導体レーザ素子の駆動電流を一定に制御した状態で、パワーモニタＰＤ１０００４から出力される電流が一定となるように、ＳＯＡ４００の駆動電流を制御する光出力一定制御を行う。このような制御は、半導体レーザモジュール１００００の外部に設けられ、パワーモニタＰＤ１０００４から出力される電流が入力されるとともに、集積型半導体レーザ素子１０００に駆動電流を供給する制御装置によってなされる。

ここで、集積型半導体レーザ素子の半導体レーザ素子において分布帰還型レーザ部と分布ブラッグ反射部との境界に散乱損失がある場合、散乱した光が迷光となるという問題がある。このような迷光は、パワーモニタＰＤに到達してパワーモニタＰＤによる光強度モニタ精度を低下させ、光出力一定制御の精度も低下させるおそれがある。これを防止するためには、集積型半導体レーザ素子または半導体レーザモジュールに迷光対策を施す必要がある。

これに対して、この半導体レーザモジュール１００００では、集積型半導体レーザ素子１０００を構成する半導体レーザ素子１００−１〜１００−ｎのそれぞれは、分布帰還型レーザ部と分布ブラッグ反射部との境界における散乱損失が小さく、迷光が生じにくい。したがって、この半導体レーザモジュール１００００では、迷光対策を必要としない、または、簡易な迷光対策を施すだけでよいこととなる。

（実施形態４）
つぎに、実施形態４に係る光素子である半導体レーザ素子について説明する。本実施形態４に係る半導体レーザ素子は、連続する導波路領域とブラッグ反射領域とを光の導波方向に繰り返し交互に配置したＳＧ(サンプルドグレーティング)構造を備えている。ＳＧ構造は、波長に対して周期的な反射率(反射コム)を有するものであり、波長可変レーザ素子などに応用されている。

本発明に係る構成は、導波路領域とブラッグ反射領域との界面における散乱損失を低減する効果を有するものであるから、両者を繰り返し配置したＳＧ構造に適用して効果的である。すなわち、本発明に係る構成を用いないＳＧ構造では、光が繰り返し存在する界面を通過する毎に散乱損失を受け、ブラッグ反射領域の反射率が顕著に低下する。一方、本発明に係る構成を適用した場合は、散乱損失が低減される効果によって高い反射率を得ることができるため、導波路コア層を光導波方向に周期的かつ離散的に配置した分布ブラッグ反射構造をＳＧ構造に適用することが実使用上好適となる。

なお、ＳＧ構造においては、反射コムの反射率の均一性を高めるために、ブラッグ反射領域を短く(周期数を小さく)することが必要である。このため、所望の反射率を得るためにはブラッグ反射領域の結合係数を大きくすることが設計上必要となる。したがって、導波路コア層を導波方向に周期的かつ離散的に配置した分布ブラッグ反射構造をＳＧ構造に適用できるメリットは大きい。

図１０は、実施形態４に係る半導体レーザ素子を光導波方向に沿って切断した模式的な断面図である。図１０に示すように、半導体レーザ素子５００は、電流注入によって発光する活性層である導波路コア層５０３Ａを有する利得ＳＧ部５１０と、利得ＳＧ部５１０に隣接し、受動導波路コア層である導波路コア層５０３Ｂを有する受動ＳＧ部５２０とを備える。利得ＳＧ部５１０、受動ＳＧ部５２０の各端面５１１、５２１には不図示の反射防止膜が形成されている。

また、半導体レーザ素子５００は、裏面にｎ側電極５０１が形成されたｎ型半導体層５０２と、利得ＳＧ部５１０でｎ型半導体層５０２上に形成された導波路コア層５０３Ａと、受動ＳＧ部５２０でｎ型半導体層５０２上に形成された導波路コア層５０３Ｂと、導波路コア層５０３Ａ、５０３Ｂ上に形成されたｐ型半導体層５０４と、利得ＳＧ部５１０のｐ型半導体層５０４内に形成された回折格子層５０５Ａと、利得ＳＧ部５１０のｐ型半導体層５０４上に形成されたｐ側電極５０７と、受動ＳＧ部５２０のｐ型半導体層５０４上に形成されたＳｉＮからなる保護膜５０８と、保護膜５０８上に形成されたＴｉ／Ａｕからなるヒータ５０９と、を備えている。

ｎ型半導体層５０２は、ｎ型ＩｎＰからなる基板上にｎ型ＩｎＰからなるクラッド層が形成された構成を有する。
受動ＳＧ部５２０の導波路コア層５０３Ｂは、所定の周期で離散的に存在するＧａＩｎＡｓＰ層の間がｐ型半導体層５０４と同じ半導体材料（ｐ型ＩｎＰ）で埋められた分布ブラッグ反射領域である回折格子Ｇ１と、光導波路方向において回折格子Ｇ１と接続し、連続的に存在するＧａＩｎＡｓＰ層からなる導波路領域ＷＧ１と、からなるセグメント５０３Ｂａが、光導波方向に複数配列された構造を有する。導波路コア層５０３Ｂは６つのセグメント５０３Ｂａを有する。各セグメント５０３Ｂａに含まれる回折格子Ｇ１の周期数は１０、セグメント５０３Ｂａの長さは１８０μｍである。

利得ＳＧ部５１０の導波路コア層５０３Ａは、ＧａＩｎＡｓＰからなり、光導波方向において連続的に存在する導波路領域であり、ＭＱＷ層と、ＭＱＷ層を挟むように配置されたＳＣＨ層と、からなるＭＱＷ−ＳＣＨ構造を有する。ＭＱＷ層の厚さはたとえば４０ｎｍ〜６０ｎｍ、ＳＣＨ層の厚さはたとえば３０ｎｍである。利得ＳＧ部５１０の回折格子層５０５Ａは、導波路コア層５０３Ａの近傍で導波路コア層５０３Ａに沿って配置している。回折格子層５０５Ａは、所定の周期で離散的に配置されたＧａＩｎＡｓＰ層の間がｐ型ＩｎＰで埋められた分布ブラッグ反射領域である回折格子Ｇ２と、連続して存在するＧａＩｎＡｓＰ層からなる導波路領域ＷＧ２と、からなるセグメント５０５Ａａが、導波路コア層５０３Ａに沿って複数配列された構造を有する。導波路コア層５０３Ａは６つのセグメント５０５Ａａを有する。各セグメント５０５Ａａに含まれる回折格子Ｇ２の周期数は１５、セグメント５０５Ａａの長さは１６０μｍである。ただし、セグメント５０５Ａａのうち、受動ＳＧ部５２０に隣接したセグメント（セグメント５０５Ａｂとする）は他のセグメント５０５Ａａよりも長い。このセグメント５０５Ａｂは、さらに利得ＳＧ部５１０と受動ＳＧ部５２０との回折格子位相が実質的にλ／４ずれるようにする位相シフト部を含む。

ｐ型半導体層５０４は、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層およびスペーサ層上にｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層が形成された構成を有する。

ｐ側電極５０７は、利得ＳＧ部５１０におけるｐ型半導体層５０４の最上層であるコンタクト層上に形成されている。コンタクト層は、ｐ側電極５０７との電気抵抗を低減する機能を有する。

ヒータ５０９は、受動ＳＧ部５２０を加熱してその屈折率を変化させるために設けられている。

なお、半導体レーザ素子５００の半導体積層構造は、図１の紙面と垂直方向の断面では、光導波方向（紙面左右方向）に光を導波するための導波路構造としての公知の埋め込みメサ構造を有している。

この半導体レーザ素子５００は、波長可変レーザとして動作する。図１１は、半導体レーザ素子５００の利得ＳＧ部５１０と受動ＳＧ部５２０との反射スペクトルを示す図である。ＳＧ構造は、セグメントの長さに反比例する波長間隔の反射コムを有する。上述したように、利得ＳＧ部５１０と受動ＳＧ部５２０とで、セグメント５０５Ａａとセグメント５０３Ｂａの長さが異なるので、図１１に示すように、反射コムの波長間隔（隣接する反射率のピーク間の間隔）は両者で異なる。したがって、半導体レーザ素子５００では、２つの反射コムの間に生じるバーニア効果によって、２つの反射コムで反射ピークが一致した波長のみでレーザ発振させることができる。それとともに、受動ＳＧ部５２０の屈折率を変化させることによって、どの反射ピークを一致させるかを調整することで、波長可変動作が可能となる。なお、図１１では、波長１５５０ｎｍにおいて２つの反射コムの反射ピークが一致している状態を示している。

具体的には、まず、利得ＳＧ部５１０において、ｎ側電極５０１とｐ側電極５０７との間に電圧を印加して、駆動電流を注入する。駆動電流は利得ＳＧ部５１０の導波路コア層５０３Ａに注入される。すると、導波路コア層５０３Ａは活性層として機能し所定の波長帯域を有する光を発する。

一方、受動ＳＧ部５２０において、ヒータ５０９に電流を供給して加熱する。これにより受動ＳＧ部５２０の導波路コア層５０３Ｂが加熱される。その結果、受動ＳＧ部５２０の波長コムが波長軸上で全体的にシフトする。これにより、利得ＳＧ部５１０の波長コムと受動ＳＧ部５２０の波長コムとで反射ピークが一致する波長が調整される。そして、一致した波長において利得ＳＧ部５１０の回折格子層５０５Ａと受動ＳＧ部５２０の導波路コア層５０３Ｂとで光共振器が形成され、受動ＳＧ部５２０は利得ＳＧ部５１０で発振したレーザ光Ｌ５２０をブラッグ反射し、半導体レーザ素子５００は、主に利得ＳＧ部５１０の端面５１１からのみレーザ光Ｌ５１０を出力する。

ここで、半導体レーザ素子５００では、受動ＳＧ部５２０の導波路コア層５０３Ｂにおける回折格子Ｇ１のＤｕｔｙを０．６５としている。これにより、実施形態１に係る半導体レーザ素子１００の場合と同様に、散乱損失が小さく反射率が高い分布ブラッグ反射構造の特性を得ることができる。また、反射コムのピークの反射率を高くかつ均一にすることができる。その結果、半導体レーザ素子５００のしきい値利得が非常に小さくなるとともに、所望の波長可変帯域内でのしきい値利得のばらつきも小さくすることができる。これによって、レーザ光の狭周波数線幅化や低消費電力化などの利点が生じる。なお、回折格子Ｇ１のＤｕｔｙは、０．５より大きく、好ましくは０．８より小さい。

一方、利得ＳＧ部５１０の回折格子層５０５Ａにおける回折格子Ｇ２のＤｕｔｙについては、０．５程度とすれば、結合係数κを大きくすることができ、好ましい。

なお、半導体レーザ素子５００において、受動ＳＧ部５２０を、たとえばセグメント長１８０μｍの２つのセグメント、セグメント長１８４．３μｍの２つのセグメント、セグメント長１８８．６μｍの２つのセグメントを順に接続した構造の導波路コア層を有する受動ＳＧ部に置き換えてもよい。このような受動ＳＧ部は、受動ＳＧ部内にさらにバーニア効果を有する構造を形成したものとなる。この場合、受動ＳＧ部との反射スペクトルは図１２に示すような、所望の波長帯域（図１２の場合は波長１５５０ｎｍ周辺の波長帯域）においてピーク反射率が高く、所望の波長帯域から離れた波長帯域（たとえば１５３５ｎｍ以下または１５６５ｎｍ以上の波長帯域）ではピーク反射率が小さいスペクトル形状となる。これにより、波長１５５０ｎｍ周辺の波長帯域を選択的にレーザ発振しやすくなる。

（製造方法）
本実施形態４に係る半導体レーザ素子５００の製造方法の一例について説明する。
まず、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置等の結晶成長装置を用い、ｎ型ＩｎＰからなる基板上にｎ型ＩｎＰからなるクラッド層を形成してｎ型半導体層５０２を形成し、さらに、ｎ型半導体層５０２上に順次、導波路コア層５０３Ａの構造の導波路コア層、ｐ型半導体層、回折格子層５０５Ａ、およびｐ型半導体層５０４の一部を形成し、半導体積層構造を形成する。ただし、このとき回折格子層５０５Ａは回折格子構造が無いＧａＩｎＡｓＰ層からなるものである。

つぎに、半導体積層構造のうち、利得ＳＧ部５１０となる部分のみを覆うようにＳｉＮｘなどの誘電膜でマスクする。このマスクを用いて、その他の部分の半導体積層構造を上から導波路コア層まで除去する。除去した部分に、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置等の結晶成長装置を用いて、ＧａＩｎＡｓＰからなる導波路コア層（導波路コア層５０３Ｂとなる層）をバットジョイント法によって積層する。この後、誘電体のマスクを除去する。

つぎに、ＳｉＮからなるマスクを形成し、所定のマスクパターンにパターニングする。このパターニングでは、利得ＳＧ部５１０となる領域と受動ＳＧ部５２０となる領域の両方の回折格子Ｇ１、Ｇ２に対応したパターンを形成する。このとき、利得ＳＧ部５１０となる領域と受動ＳＧ部５２０となる領域とでそれぞれ所望の構造になるようにパターニングを行う。すなわち、受動ＳＧ部５２０となる領域は利得ＳＧ部５１０となる領域よりもＤｕｔｙが大きく、周期も異なるようにパターニングする。

つぎに、たとえばＩＣＰ−ＲＩＥによって、半導体積層構造を、回折格子層５０５Ａより深い溝Ｇを形成するようにエッチングする。これによって、回折格子層５０５Ａの回折格子構造が形成される。

つぎに、利得ＳＧ部５１０となる領域をさらにマスクで覆い、ＩＣＰ−ＲＩＥによって受動ＳＧ部５２０となる領域の溝を、さらに導波路コア層の底面に到る深さまで深くエッチングする。その結果、受動ＳＧ部５２０となる領域においては、導波路コア層は溝によって分離され、周期的に配置された回折格子構造である回折格子Ｇ１を有する導波路コア層５０３Ｂが形成される。一方、利得ＳＧ部５１０となる領域および受動ＳＧ部５２０となる領域の導波路領域ＷＧ１では導波路コア層は光導波方向にわたって連続した長さを有したままである。

その後、２つのマスクを除去し、結晶成長装置にて、回折格子構造形成のために形成した溝を、ｐ型半導体層と同じ半導体材料で埋め込む。その後、公知の方法によって埋め込みメサ構造などの導波路構造の形成、ｐ型半導体層５０４の残部であるスペーサ層・コンタクト層の形成、および、たとえばＡｕＺｎからなるｐ側電極５０７、Ｔｉ／Ａｕ構造のヒータ５０９およびＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ構造のｎ側電極５０１の形成を行い、さらに、反射防止膜の形成や素子分離等の必要な処理を行って、本実施形態４に係る半導体レーザ素子５００の構造を完成させる。

なお、上記実施形態では、光素子が半導体レーザ素子であるが、本発明は半導体レーザ素子に限定されない。たとえば、光素子は、活性層を有さず、入力された光を高い反射率で反射する反射素子として機能するブラッグ反射素子でもよい。このとき、入力されて反射される光の波長が、ブラッグ反射素子の動作波長を意味する。したがって、当該ブラッグ反射素子は、入力されるべき光の波長が、反射波長帯域の中心波長より長くなるように設計される。

また、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

１００、１００−１〜１００−ｎ、５００ 半導体レーザ素子
１００Ｎ 半導体レーザ部
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１ ｎ側電極
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２ ｎ型半導体層
１０３、２０３、３０３、４０３、５０３Ａ、５０３Ｂ 導波路コア層
１０４、１０６、１０６ａ、２０４、３０４、４０４、５０４ ｐ型半導体層
１０５、５０５Ａ 回折格子層
１０５ａ λ／４位相シフト部
１０７、４０５、５０７ ｐ側電極
１０８−１〜１０８−ｍ トレンチ溝
１１０ 分布帰還型レーザ部
１１１、１２１、５１１、５２１ 端面
１２０ 分布ブラッグ反射部
２００−１〜２００−ｎ 光導波路
２００Ｎ 光導波路部
３００ 光合流器
３００ａ 出力ポート
４００ ＳＯＡ
４００ａ 出力端
５０３Ｂａ、５０５Ａａ、５０３Ａｂ セグメント
５０８ 保護膜
５０９ ヒータ
５１０ 利得ＳＧ部
５２０ 受動ＳＧ部
１０００ 集積型半導体レーザ素子
１００１ 反射防止膜
１００２ 埋め込み部
１００００ 半導体レーザモジュール
１０００１ コリメートレンズ
１０００２ 光アイソレータ
１０００３ ビームスプリッタ
１０００４ パワーモニタＰＤ
１０００５ 集光レンズ
１０００６ 光ファイバ
Ｇ 溝
Ｇ１、Ｇ２ 回折格子
Ｌ１０、Ｌ２０、Ｌ５１０、Ｌ５２０ レーザ光
ＷＧ１、ＷＧ２ 導波路領域

Claims (9)

1. クラッド層と、前記クラッド層よりも屈折率が高く、所定の方向に光を導波する導波路コア層とを有する導波路型の光素子であって、
   前記導波路コア層は、前記導波方向において連続的に存在する導波路領域と、前記導波方向において前記導波路領域と接続し、前記導波方向において周期的かつ離散的に存在する分布ブラッグ反射領域とを有し、
   前記分布ブラッグ反射領域において、前記離散的に存在する導波路コア層の間は前記クラッド層と同じ材料で埋め込まれており、
   前記分布ブラッグ反射領域において前記離散的に存在する導波路コア層の周期をΛ、前記導波路コア層の離散的な１つあたりの長さをＬとすると、
   Ｌ／Λ＞０．５
   が成り立つことを特徴とする光素子。
2. ０．８＞Ｌ／Λ
   が成り立つことを特徴とする請求項１に記載の光素子。
3. 当該光素子の動作波長は、前記ブラッグ反射領域の反射波長帯域の中心波長よりも長いことを特徴とする請求項１または２に記載の光素子。
4. 前記導波路コア層が前記導波方向に連続的に存在するときのモード屈折率をｎ１、前記クラッド層の屈折率をｎ２とし、
   ブラッグ波長を２×（ｎ１×Ｌ＋ｎ２×（Λ−Ｌ））と定義したときに、
   当該光素子の動作波長は、前記ブラッグ波長よりも長いことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光素子。
5. 前記導波路コア層は、前記導波路領域と前記ブラッグ反射領域とを前記導波方向に繰り返し交互に配置したサンプルドグレーティング構造を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光素子。
6. 前記導波路コア層の前記導波路領域の近傍に回折格子を備え、
   前記導波路領域は電流注入によって発光する活性層であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光素子。
7. 前記導波路コア層が前記導波方向に連続的に存在するときのモード屈折率をｎ１、前記クラッド層の屈折率をｎ２とし、
   前記ブラッグ反射領域のブラッグ波長λ１を２×（ｎ１×Ｌ＋ｎ２×（λ−Ｌ））と定義し、
   前記回折格子の周期をΛ’とし、
   前記回折格子のブラッグ波長λ２を、２×ｎ１×Λ’と定義したときに、
   λ１＜λ２
   が成り立つことを特徴とする請求項６に記載の光素子。
8. 請求項６または７に記載の光素子を複数集積して構成されていることを特徴とする集積型光素子。
9. 請求項１〜７に記載の光素子、または請求項８に記載の集積型光素子を備えることを特徴とする光素子モジュール。