JP2019096792A

JP2019096792A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2019096792A
Application number: JP2017226282A
Authority: JP
Inventors: 藤原　直樹; Naoki Fujiwara; 直樹藤原; 佐野　公一; Koichi Sano; 公一佐野; 石井　啓之; Hiroyuki Ishii; 啓之石井; 悠太上田; Yuta Ueda; 硴塚　孝明; Takaaki Kakizuka; 孝明硴塚; 松崎　秀昭; Hideaki Matsuzaki; 秀昭松崎; 拓也金井; Takuya Kanai
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2019-06-20
Anticipated expiration: 2037-11-24
Also published as: JP6853768B2

Abstract

【課題】歪補償を行いつつ、電子・正孔に対する障壁を無くすことができ、ゲイン低下が無く、発振波長が２μｍもしくはそれ以上で、より広い波長可変動作が可能な半導体レーザを提供する。【解決手段】ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層５０１と、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層５０２と、無歪ＩｎＧａＡｓ又はバンドギャップ波長がλｇ＝１．５μｍよりも大きい無歪ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層５０３Ｃとを有しＤＢＲ領域を有する半導体レーザにおいて、コア層と、上クラッド層と下クラッド層の少なくとも一方との間に圧縮歪ＩｎＧａＡｓの量子井戸層５０３Ａを有し、量子井戸層と、上クラッド層と下クラッド層の少なくとも一方との間に歪補償層５０３Ｂを有し、歪補償層のバンドギャップ波長が少なくともコア層のバンドギャップ波長より短く、上クラッド層と下クラッド層のバンドギャップ波長よりも長い構造を有する。【選択図】図５

Description

本発明は半導体レーザに関するものであり、より詳細には、発振波長が可変な光源に関する。

分布反射型レーザ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒＬａｓｅｒ：以降、ＤＢＲレーザと記述する）は分布反射器（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃｔｏｒ：以降、ＤＢＲ領域と記述する）への電流注入、もしくはＤＢＲ領域の局所的な加熱によりレーザの発振波長が可変で、通信波長帯であるＣ帯（１５３０−１５６５ｎｍ）やＬ帯（１５６５−１６２５ｎｍ）で研究開発・製品化が行われてきた。一方、近年ではＤＢＲ領域への電流注入による高速の波長可変機能が着目され、通信用途だけでなくガスセンシング用にも応用的開発が進められている。ガスセンシングの用途はアンモニア（ＮＨ₄）や二酸化炭素（ＣＯ₂）のモニタリングで、光の波長で２ μｍ付近、もしくはそれ以上の波長帯で用いられる。

ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ, Ｖｏｌ.２, Ｎｏ.２, １７０-１７５（２００５）

ＤＢＲ領域は電流注入による屈折率変化で回折格子の反射波長を変えられるが、クラマスクローニッヒの関係により、屈折率と同時に導波損失も増えてしまい、ＤＢＲレーザとして取り出される光出力が低下したり、レーザ発振自体が止まってしまう課題があった。よって、レーザの波長可変幅は発振停止により制約されることがあった。そのため、ＤＢＲ領域のコア層（ＩｎＧａＡｓＰ層）の中央部に量子井戸層を挿入し、電流注入時のロスを補償するためのゲインを持たせる構造が提案されている。（非特許文献１）。主に１．５μｍ帯のＤＢＲレーザを作製する場合、以下のような手法がとられていた。２μｍ帯ＤＢＲレーザの課題を説明する前に、まずは１．５μｍ帯の従来技術から説明する。

ＤＢＲ領域に図１のエネルギーバンドを有するレーザ素子の構造は、ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層１０１、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層１０２、ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層１０３を有する。符号１０４、１０５は、それぞれ、価電子帯、伝導帯である。ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層のバンドギャップ波長は、λｇ＝１．２〜１．４μｍである。このレーザ素子の構造において、正孔の流れる方向及び電子の流れる方向を、それぞれ、符号１０６及び１０７に示す。

１．５μｍ帯従来型Ａｃｔｉｖｅ−ＤＢＲの詳細な説明を次に示す。１．５μｍ帯用従来型Ａｃｔｉｖｅ−ＤＢＲには、量子井戸の歪に着目して２つのタイプがある。１つは、図２に示す構造でここではＴｙｐｅ１と呼ぶことにする。

ＤＢＲ領域に図２のエネルギーバンドを有するレーザ素子の構造は、ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層２０１、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層２０２、ＩｎＧａＡｓＰを含む層２０３を有し、ＩｎＧａＡｓＰを含む層２０３は、ＩｎＧａＡｓＰを含む量子井戸層２０３Ａ、ＩｎＧａＡｓＰを含む歪補償層２０３Ｂ、ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層２０３Ｃを有する。符号２０４、２０５は、それぞれ、価電子帯、伝導帯である。このレーザ素子の構造において、正孔の流れる方向及び電子の流れる方向を、それぞれ、符号２０６及び２０７に示す。

ＩｎＧａＡｓＰを含む量子井戸層２０３Ａは、量子井戸の発光波長λ＝１．５５μｍ（Ｃ帯の光源作成時）を示し、その歪は、＋１．０％（圧縮歪）である。ＩｎＧａＡｓＰを含む歪補償層２０３Ｂのバンドギャップ波長λｇは２０３Ｃと同じであり、その歪は、−０．５％（引張歪）である。ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層２０３Ｃは、バンドギャップ波長λｇ=１．２〜１．４μｍを示し、無歪である。

量子井戸自体に圧縮歪をかけ、その両脇に逆歪である引張歪をかけ、歪を補償するタイプである。２０３Ａは光のゲインを有する圧縮歪の量子井戸層、２０３Ｂは歪補償をするための引張歪層、２０３Ｃは光の導波路の機能を有するコア層で、膜厚は０．１μｍ以上ある厚い層で、結晶歪を持たない層、すなわち、ＩｎＰに格子整合している層である。２０３Ａ、２０３Ｂ、２０３Ｃの領域は全てＩｎＧａＡｓＰの層だが、その混晶比が異なる。１．５μｍ帯ＤＢＲ波長可変光源に対しては、ＤＢＲ領域のコア層は、通常、バンドギャップ波長λｇ=１．２〜１．４μｍの無歪のＩｎＧａＡｓＰ系混晶を用いる。バンドギャップ波長がこの範囲だと、ＩＩＩ族の組成とＶ族の組成を調整することで、歪量とバンドギャップ波長をほぼ独立パラメータとして扱い、設計することができる。したがって２０３Ｂと２０３Ｃは歪量（もしくは混晶比）が異なるがエネルギーギャップ（もしくはバンドギャップ波長）を等しく設計でき、電子・正孔の流れを考えた場合、エネルギー障壁無しに量子井戸まで到達できる。また、量子井戸に電子・正孔が注入された際、量子井戸に圧縮歪をかけているので、ヘビーホールと電子間の誘導放出が優勢となり、ＴＥ偏光（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄ）であるレーザ発振光に対して強いゲインを与える。

２つ目は、図３に示すＴｙｐｅ２である。量子井戸をＩｎＰに整合する無歪層で構成することで、Ｔｙｐｅ１で必要だった歪補償層は無くとも、品質の良い結晶を作製することができる。ただし、量子井戸の光のゲインはＴｙｐｅ１に劣る。

ＤＢＲ領域に図３のエネルギーバンドを有するレーザ素子の構造は、ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層３０１、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層３０２、ＩｎＧａＡｓＰを含む層３０３を有し、ＩｎＧａＡｓＰを含む層３０３は、ＩｎＧａＡｓＰを含む量子井戸層３０３Ａ、ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層３０３Ｃを有する。符号３０４、３０５は、それぞれ、価電子帯、伝導帯である。このレーザ素子の構造において、正孔の流れる方向及び電子の流れる方向を、それぞれ、符号３０６及び３０７に示す。

２μｍ帯ＤＢＲレーザに対しては、上記の技術をそのまま適用することができず、以下のような課題が生じる。

従来技術のＡｃｔｉｖｅ-ＤＢＲを２μｍ帯に適用する場合の課題を以下に示す。波長２μｍもしくはそれ以上を実現するために、ＤＢＲ領域のコア層をＩｎＧａＡｓとする場合が多いが、ＤＢＲ領域中の量子井戸は圧縮歪をかけたＩｎＧａＡｓで作製しないと長波長のゲインが得られない。よって、上述の従来型Ｔｙｐｅ２の構造は不可能である。従って、逆歪（引張歪）の歪補償層を井戸の上部もしくは下部、もしくは上下両方に形成しないと、その上のコア層の結晶品質が保持できなくなる。量子井戸の上下両方に歪補償層を形成した場合は、歪の観点から言うと、図２のＴｙｐｅ１に相当するが、エネルギーバンドで示すと図２と同一にならず、図４のようなバンド構造となる。

ＤＢＲ領域に図４のエネルギーバンドを有するレーザ素子の構造は、ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層４０１、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層４０２、ＩｎＧａＡｓを含む層４０３を含み、ＩｎＧａＡｓを含む層４０３は、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層４０３Ａ、ＩｎＧａＡｓを含む歪補償層４０３Ｂ、及びＩｎＧａＡｓを含むコア層４０３Ｃを含む。符号４０４、４０５は、それぞれ、価電子帯、伝導帯である。このレーザ素子の構造において、正孔の流れる方向及び電子の流れる方向を、それぞれ、符号４０６及び４０７に示す。

図４において、４０３Ａは量子井戸で、Ｉｎ_0.88Ｇａ_0.12Ａｓであり、その発光波長はおよそ２μｍ、４０３Ｂは歪補償層でＩｎ_0.39Ｇａ_0.61Ａｓでバンドギャップ波長λｇは１．５７μｍである。４０３Ｃはコア層のメイン部で、ＩｎＰに格子整合する（無歪の）Ｉｎ_0.54Ｇａ_0.46Ａｓである。なお、下付文字である０．５４や０．４６といった値はそれぞれの材料の混晶比である。４０３Ｃの層はバンドギャップ波長λｇが１．６５μｍだから、歪補償層はそれよりもバンドギャップ波長が短く（バンドギャップが大きく）、電子・正孔に対して障壁層となってしまう。このため、電子・正孔の井戸への注入効率、特に、正孔に対する注入効率が落ちることで、ゲインが低下してしまう。

上記の理由から、２μｍ帯のＤＢＲレーザには、Ａｃｔｉｖｅ−ＤＢＲの技術はこれまで適用できなかった。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、歪補償を行いつつ、電子・正孔に対する障壁を無くすことができ、ゲイン低下が無く、発振波長が２μｍもしくはそれ以上で、より広い波長可変動作が可能な半導体レーザを提供することにある。

本発明の半導体レーザの一様態は、ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層と、無歪ＩｎＧａＡｓ又はバンドギャップ波長がλｇ＝１．５μｍよりも大きい波長を示す無歪ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層とを有するＤＢＲ領域を有する半導体レーザにおいて、前記コア層と、前記ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層の少なくとも一方との間に圧縮歪ＩｎＧａＡｓの量子井戸層を有し、前記量子井戸層と、前記ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層の少なくとも一方との間に歪補償層を有し、前記歪補償層のバンドギャップ波長λｇが少なくとも前記コア層のバンドギャップ波長λｇより短く、前記ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層のバンドギャップ波長λｇよりも長い構造を有することを特徴とする。

前記半導体レーザにおいて、前記ＤＢＲ領域は、前記歪補償層と、前記ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層又は前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層との間に光閉じ込め層を有し、前記歪補償層のバンドギャップ波長λｇが少なくとも前記無歪ＩｎＧａＡｓ又は前記バンドギャップ波長λｇ=１．５μｍを超える無歪ＩｎＧａＡｓＰより短く、前記光閉じ込め層のバンドギャップ波長λｇと同じかそれよりも長いことを特徴とする。

本発明の半導体レーザの他の一様態は、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層と、前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層上の無歪ＩｎＧａＡｓ又はバンドギャップ波長がλｇ＝１．５μｍよりも大きい波長を示す無歪ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層と、前記コア層上のｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と、を有するＤＢＲ領域を有する半導体レーザにおいて、前記コア層と、前記ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層の少なくとも一方との間に圧縮歪ＩｎＧａＡｓの量子井戸層を有し、前記コア層上の回折格子領域は、前記量子井戸層から３００ｎｍ以上、前記上クラッド層側に離れていることを特徴とする。

井戸層を無歪ＩｎＧａＡｓコア層の中央部ではなく、最上部もしくは最下部に設けることで、歪補償を行いつつ、電子・正孔に対する障壁を無くすことができ、ゲイン低下が無い波長可変光源が製造できる。発振停止を防止できるようになるため、発振波長が２μｍもしくはそれ以上で、より広い波長可変動作が可能な半導体レーザを作製できる。

量子井戸構造を有しない通常のＤＢＲ領域のエネルギーバンドを示す図である。従来のＡｃｔｉｖｅＤＢＲのエネルギーバンド（Ｔｙｐｅ１：歪量子井戸と歪補償層を組み合わせたタイプ）を示す図である。従来のＡｃｔｉｖｅＤＢＲのエネルギーバンド（Ｔｙｐｅ２：量子井戸と無歪層により構成）を示す図である。図２のＴｙｐｅ１と同じ歪構造をＩｎＧａＡｓコアに適用した場合のエネルギーバンドを示す図である。実施例１のＡｃｔｉｖｅＤＢＲのエネルギーバンドを示す図である。実施例２のＡｃｔｉｖｅＤＢＲのエネルギーバンドを示す図である。実施例３のＡｃｔｉｖｅＤＢＲのエネルギーバンドを示す図である。ＤＢＲレーザの上面図を示す図である。ＤＢＲレーザのＡ−Ａ’断面を示す図である。ＤＢＲレーザのＢ−Ｂ’断面を示す図である。ＤＢＲレーザのＣ−Ｃ’断面を示す図である。ＤＢＲレーザのＣ−Ｃ’断面を示す図である。実施例１の波長可変特性及び比較用の通常ＤＢＲレーザの特性を示す図である。ＤＢＲ領域のＩ−Ｖ特性を示す図である。

以下、本発明のＤＢＲ領域を有するレーザ素子の形態について、図を用いて詳細に説明する。但し、本発明は以下に示す実施例の記載内容に限定されず、本明細書等において開示する発明の趣旨から逸脱することなく形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者にとって自明である。なお、以下に説明する発明の構成において、同一部分または同様な機能を有する部分には同一の符号を用い、その繰り返しの説明は省略することがある。

通信用で用いられるＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系の最も長波長の波長帯はＬ帯と呼ばれるが、本実施例はそれを超えてさらに長波長のＤＢＲ型波長可変光源（ＤＢＲレーザ）を作製した。そのためには、ゲイン領域の多重量子井戸は、井戸層を圧縮歪ＩｎＧａＡｓ、障壁層を引張歪ＩｎＧａＡｓとして、その上下に光閉じ込め層（ＳｅｐａｒａｔｅｄＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＳＣＨ）が積層してある層構造を作製した。これにより、無歪ＩｎＧａＡｓのバンドギャップ波長である１．６５μｍを大きく超えて、およそ２．１μｍ程度までゲイン波長を長波長化できる。ＤＢＲ領域をなるべく長波長組成の半導体で作ることで、波長可変電流注入時の屈折率変化を大きくとることができる。別の言葉で言うと、ＤＢＲ領域をなるべくエネルギーギャップの小さい半導体で形成することで、電流注入に対する波長可変の感度があがる。そこで、ＩｎＰに格子整合する無歪ＩｎＧａＡｓを使った。無歪ＩｎＧａＡｓ層を使ったＤＢＲ領域の等価屈折率はおよそ３．２〜３．４程度だが、電流注入により等価屈折率を０．０１〜０．０２減少させることができる。ＤＢＲ領域には凹凸状の回折格子が形成してあり、このピッチに相当する波長の光が選択的に反射されるので、波長選択ミラーとして機能し、単一モード発振する。物理的に凹凸のピッチが同じでも、等価屈折率が違うとその分だけ反射波長も変わる。電流注入により等価屈折率が減少するから、その分だけ波長が可変である。ＤＢＲレーザの構造は図８の上面図と、図９、図１０および図１１のＡ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’、Ｃ−Ｃ’断面図に示した。

図８に示すように、ＤＢＲレーザは、後ＤＢＲ領域８０１、レーザ光の位相調整により発振波長の微調整が可能な位相調整領域８０２、ゲイン領域８０３、前ＤＢＲ領域８０４、及び出力光強度の増幅と減衰により強度調整機能を持つＳＯＡ領域８０５を有する。後ＤＢＲ領域８０１及びゲイン領域８０３には、それぞれ、電極８０６ａ、８０６ｂを備える。

図９に示すように、ＤＢＲレーザの後ＤＢＲ領域８０１は、電極８０７、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層８０８、ＤＢＲ領域のコア層８０９ａ、絶縁膜８１０、ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層８１１、コンタクト層（ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ）８１２、電極８０６ａを備える。

後ＤＢＲ領域８０１及び前ＤＢＲ領域８０４には、図１１に示すように、加工した回折格子層８１３ａが有り、位相調整領域８０２には回折格子層が無いが、この点を除いて、基本的に、後ＤＢＲ領域８０１、位相調整領域８０２及び前ＤＢＲ領域８０４は構造が同じである。よって、後ＤＢＲ領域８０１、位相調整領域８０２及び前ＤＢＲ領域８０４の電極８０６ａの構造は同じである。

図１０に示すように、ＤＢＲレーザのゲイン領域８０３は、電極８０７、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層８０８、ＤＢＲ領域のコア層８０９ａ、ゲイン領域のコア層８０９ｂ、絶縁膜８１０、ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層８１１、コンタクト層（ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ）８１２、電極８０６ｂを備える。

ＤＢＲレーザのゲイン領域８０３及びＳＯＡ領域８０５では、コア層も電極８０６ｂも同じ構造である。

図１１に示すように、ＤＢＲ領域のコア層８０９ａ上に、回折格子層８１３ａがｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層８１１に埋め込まれている。

後ＤＢＲ領域８０１、位相調整領域８０２、及び前ＤＢＲ領域８０４の電極８０６ａには、波長調整電流が流れ、ゲイン領域８０３及びＳＯＡ領域８０５内の電極８０６ｂには、出力調整電流が流れる。複数の波長を反射することに加え、後ＤＢＲ領域８０１、位相調整領域８０２、ゲイン領域８０３、前ＤＢＲ領域８０４、及びＳＯＡ領域８０５に、これらの電流を流し、電流密度を増加させることで、その反射スペクトル群を一斉に短波長へシフトさせることができる。すなわち、ＤＢＲレーザへの電流量を調整することによって、発振波長を制御することができる。

ＤＢＲレーザは、ＤＢＲ領域のコア層にたまるキャリア密度（電子と正孔の量）を上げることでコア層の屈折率を減少させることができ、それに応じて等価屈折率も減少させることができる。その波長可変の応答速度は、キャリアの応答速度に因るので、ナノ秒オーダの高速波長可変レーザとして研究開発がすすめられてきた。欠点としては、前述の屈折率変化に伴い、光に対するロスも増加してしまう。これは、「クラマス・クローニッヒの関係」として専門家の間では良く知られた現象である。すなわち、波長可変のために電流注入を行いうと光のロスが増加しゲインが足りない状況になると、レーザ発振が停止していた。非特許文献１における１．５μｍ帯近傍のＤＢＲレーザでは、ＤＢＲ領域中に量子井戸を一層形成しておくことで、前述のレーザ発振停止を防止し、波長可変幅を拡大してきた。非特許文献１のＤＢＲレーザでは、ＤＢＲ領域に１．５μｍ帯にゲインを持たせればよいので、ＤＢＲ領域中の量子井戸は、ＩｎＰに格子整合する組成で形成することができた。従って、結晶品質も良好で故障の無い品質を実現できる。

「発明が解決しようとする課題」で述べたように、このような構造を２μｍＤＢＲ波長可変光源のＤＢＲ領域に適用することはできない。ＩｎＰに格子整合し、かつ、最も長波長組成のＩｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓを量子井戸部に用いると、そもそもバンドギャップ波長が１．６５μｍであり、さらに、量子効果によりその発光波長はさらに短波長にシフトする。よって、２μｍ帯のゲインを持たせるには、到底及ばない。

発光波長（光学利得のある波長）を２μｍまで延ばすために、量子井戸層に圧縮歪を導入することで長波長化する。量子井戸にかける圧縮歪は２％台となり、ＩｎＧａＡｓコア層の中央付近に量子井戸を形成する場合、量子井戸の上に結晶成長する（ｐ−ＩｎＰクラッド側の）ＩｎＧａＡｓコア層の結晶品質が保持できない。また、量子井戸層の上部もしくは下部、もしくはその両方に歪補償層と称する引張歪ＩｎＧａＡｓ層を導入する場合、バンドギャップ波長はコア層（無歪Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓ）のバンドギャップ波長より短波長化してしまう。そうすると、図４のエネルギーバンド図で示すように、電子・正孔から見ると、量子井戸に達するまでに障壁が生じてしまい、結果的に光学利得が低下する。そこで、Ｉｎ_0.53Ｇａ_0.47Ａｓコア層を全て結晶成長し終わった後に、圧縮歪２．１％のＩｎ_0.85Ｇａ_0.15Ａｓをおよそ７ｎｍ結晶成長し、引張歪２．０％、バンドギャップ波長１．３μｍで引張歪２％のＩｎ_0.38Ｇａ_0.62Ａｓ_0.74Ｐ_0.26を７ｎｍ結晶成長し、ｐ−ＩｎＰクラッド層を２００ｎｍ結晶成長した。このように作製したＡｃｔｉｖｅＤＢＲ領域用の層と、図４に示した構造で５００μｍのＤＢＲ領域を作製し、Ｉ−Ｖ特性を比較したグラフを図１４に示す。本発明の構造だと、前述の障壁が無いので抵抗率を下げられた。よって、図５に記載の層構造を採用した。

ＤＢＲ領域に図５のエネルギーバンドを有するレーザ素子の構造は、ｐ-ＩｎＰを含む上クラッド層５０１、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層５０２、ＩｎＧａＡｓを含む層５０３を含み、ＩｎＧａＡｓを含む層５０３はＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層５０３Ａ、ＩｎＧａＡｓＰを含む歪補償層５０３Ｂ、及びＩｎＧａＡｓを含むコア層５０３Ｃを含む。

なお、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層５０３Ａは、発光波長λ＝２．０μｍを示し、その歪は＋２．１％（圧縮歪）である。ＩｎＧａＡｓＰを含む歪補償層５０３Ｂは、バンドギャップ波長λｇ＝１．３μｍを示し、その歪は−２．０％（引張歪）である。ＩｎＧａＡｓを含むコア層５０３Ｃは、バンドギャップ波長λｇ＝１．６５μｍを示し、無歪である。ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層５０１、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層５０２のバンドギャップ波長λｇは、およそ０．９１８μｍである。符号５０４、５０５は、それぞれ、価電子帯、伝導帯である。このレーザ素子の構造において、正孔の流れる方向及び電子の流れる方向を、それぞれ、符号５０６及び５０７に示す。

ＩｎＧａＡｓを含むコア層５０３Ｃ上に、後で回折格子を加工・形成するためのＧｒａｔｉｎｇＬａｙｅｒである無歪ＩｎＧａＡｓ２５ｎｍを結晶成長し、ＩｎＰキャップ層を１００ｎｍ成長した。歪補償を施してあるから、ＧｒａｔｉｎｇＬａｙｅｒは、格子整合した構造の中で成長できるので、良好な結晶品質で作製できる。これらの結晶成長は、ＬＤのゲイン領域８０３用ＭＱＷ（多重量子井戸：Ｍｕｌｔｉ−ＱｕａｎｔｕｍＷｅｌｌ）をｎ−ＩｎＰ基板全面に成長した後、ゲイン領域８０３となる場所以外のＭＱＷを除去し、除去した場所にバットジョイント再成長を行う工程で成長した。これにより、バットジョイントしたレイヤより２μｍ帯の光学利得が得られる。ＬＤゲイン領域８０３は３５０μｍ、位相調整領域８０２は１００μｍ、前および後ＤＢＲ領域８０１の結合定数κはともに同じで３５ｃｍ^-1、前ＤＢＲ領域８０４の長さｌ₄は２００μｍ、後ＤＢＲ領域８０１の長さｌ₁は４００μｍとした。回折格子のピッチは、２μｍに反射ピークが得られるように、０．３μｍに設定した。また、比較のため、ＤＢＲ領域に量子井戸および歪補償層を設けないタイプのＤＢＲレーザも同時に作製した。それらの波長可変特性を図１３に示す。ＤＢＲレーザをモジュールに実装する際、前ＤＢＲ領域８０４と後ＤＢＲ８０１の電流端子をボンディングワイヤで結線し、前ＤＢＲ領域８０４および後ＤＢＲ８０１への注入電流密度が等しくなるように作製した。ゲイン領域８０３およびＳＯＡ（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｅｒ）領域８０５には、それぞれ、常に１２０ｍＡ流した。また、位相調整領域８０２には通電しなかった。図１３に示すグラフは、前述の前後ＤＢＲ領域８０１、８０４の共通端子からＤＢＲ電流のみを増加させた際の発振波長の変化をプロットしたものである。実施例の光源（ＤＢＲレーザ）では、ＤＢＲ電流５０ｍＡに至るまで波長シフトを続け、およそ１２ｎｍの波長可変幅が得られた。一方、従来型は、前述のクラマスクローニッヒの関係で増加する光損失により３０ｍＡ弱でレーザ発振が停止し、波長可変幅は９ｎｍ弱だった。実施例のＤＢＲレーザでは、ＤＢＲ電流に対する波長シフトの感度が、従来型に比べて若干悪いのは、ＤＢＲ領域に注入された電流の一部が量子井戸で消費されているためで、これによりＤＢＲ領域のロスの増加を量子井戸の光学利得によって補償している。波長シフト感度の低下は、正に、本発明の構造が効果を有することの裏づけになっている。

本実施例では、ＩｎＧａＡｓを含むコア層５０３Ｃとｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層５０１との間に、量子井戸層５０３Ａを有し、量子井戸層５０３Ａとｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層５０１との間に歪補償層５０３Ｂを有する半導体レーザの例を示したが、
ＩｎＧａＡｓを含むコア層５０３Ｃとｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層５０２との間に、
量子井戸層を有し、該量子井戸層とｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層５０２との間に歪補償層を有していてもよい。さらに、前記コア層の両側に複数の量子井戸層を設け、その複数の量子井戸層の外側に複数の歪補償層を設けてもよい。

「実施例１」のバットジョイント成長時（ＤＢＲ領域となる層の成長時）、図６に示すように下部のｎ−ＩｎＰクラッド（後述のｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層６０２に相当）と無歪ＩｎＧａＡｓコア層（後述のＩｎＧａＡｓを含むコア層６０３Ｃに相当）の間にバンドギャップ波長の１．３μｍの無歪Ｉｎ_0.72Ｇａ_0.28Ａｓ_0.61Ｐ_0.39（後述のＩｎＧａＡｓＰを含む光閉じ込め層６０３Ｄに相当）を６０ｎｍの膜厚で挿入し、また、歪補償層（ＩｎＧａＡｓＰを含む歪補償層６０３Ｂに相当）とＩｎＰ（ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層６０１に相当）２００ｎｍの間に同様に無歪Ｉｎ_0.72Ｇａ_0.28Ａｓ_0.61Ｐ_0.39（ＩｎＧａＡｓＰを含む光閉じ込め層６０３Ｄに相当）を６０ｎｍの膜厚で挿入した。

また、実施例１で挿入したＧｒａｔｉｎｇＬａｙｅｒ２５ｎｍはここでは成長しなかった。実施例１に対して新たにＩｎＧａＡｓを含むコア層６０３Ｃの上下側に挿入した１．３帯の無歪層は、光閉じ込め層（ＳｅｐａｒａｔｅｄＣｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔＨｅｔｅｒｏＳｔｒｕｃｔｕｒｅ：ＳＣＨ）やガイド層と呼ばれ、導波路の光閉じ込めを上げる事で、注入した電流による効果を上げる役割がある。この層の挿入により、この構造では５〜１０%程度、波長可変幅を拡大する効果がある。また、上部のｐ−ＩｎＰクラッド側のＳＣＨは、図１２で示すようにそれ自体に凹凸加工をすることで、回折格子層（ＧｒａｔｉｎｇＬａｙｅｒ）８１３ｂの役割を兼ねることができ、製造工程を簡略化・短縮する効果も有する。

ＤＢＲ領域に図６に示すエネルギーバンドを有するレーザ素子は、ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層６０１、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層６０２、ＩｎＧａＡｓを含む層６０３を含み、ＩｎＧａＡｓを含む層６０３は、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層６０３Ａ、ＩｎＧａＡｓＰを含む歪補償層６０３Ｂ、ＩｎＧａＡｓを含むコア層６０３Ｃ、ＩｎＧａＡｓＰを含む光閉じ込め層６０３Ｄを含む。

なお、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層６０３Ａは、量子井戸の発光波長λ＝２．０μｍを示し、その歪は、＋２．１％（圧縮歪）を示す。ＩｎＧａＡｓＰを含む歪補償層６０３Ｂは、バンドギャップ波長λｇ＝１．３μｍを示し、その歪は、−２．０％（引張歪）を示す。ＩｎＧａＡｓを含むコア層６０３Ｃは、バンドギャップ波長λｇ＝１．６５μｍを示し、無歪である。ＩｎＧａＡｓＰを含む光閉じ込め層６０３Ｄ、バンドギャップ波長λｇ＝１．３μｍを示し、無歪である。ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層６０１、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層６０２のバンドギャップ波長λｇは、およそ０．９１８μｍである。符号６０４、６０５は、それぞれ、価電子帯、伝導帯である。このレーザ素子の構造において、正孔の流れる方向及び電子の流れる方向を、それぞれ、符号６０６及び６０７に示す。

ＳＣＨの効果により、波長可変の感度が上がり、１３ｎｍの波長シフトが実現できた。なお、回折格子層（ＧｒａｔｉｎｇＬａｙｅｒ）８１３ａは、実施例１の図１１のように、上部ｐ−ＩｎＰクラッド中に埋め込む方法でも波長可変幅を拡大する効果は変わらない。

実施例１の構造とは異なり、図7に示すように歪補償層を有しない構造でレーザ素子（ＤＢＲレーザ）を作製した。

ただし、回折格子層（ＧｒａｔｉｎｇＬａｙｅｒ）と量子井戸（Ｗｅｌｌ）間のＩｎＰは、２００ｎｍから４００ｎｍに変更した。その理由は、回折格子層を製膜するまでにＩｎＰの厚さを増して、量子井戸層の歪を十分に緩和しないと、回折格子層の品質が低下するからである。また、コア層から回折格子を離し、回折格子にかかる光強度が下がるから、回折格子層を厚くしないと必要な反射強度（回折格子結合定数）が取れない。そこで、回折格子層は７０ｎｍまで厚膜化した。なお、回折格子層が量子井戸層から上クラッド層側に３００ｎｍ以上離れていることが望ましい。本構造においても、電子・正孔が量子井戸に達するまでの経路において、障壁層は無いので、波長シフト量は実施例１と同等の１２ｎｍが得られた。

図７のエネルギーバンドを有するＤＢＲ構造は、ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層７０１、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層７０２、ＩｎＧａＡｓを含む層７０３を有し、ＩｎＧａＡｓを含む層７０３は、ＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層７０３Ａ及びＩｎＧａＡｓを含むコア層７０３Ｃを有する。量子井戸層７０３Ａは、量子井戸の発光波長λ＝２．０μｍを示し、その歪は＋２．１％（圧縮歪）である。ＩｎＧａＡｓを含むコア層７０３Ｃは、λｇ＝１．６５μｍを示し、その歪は、無歪である。ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層７０１、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層７０２のバンドギャップ波長λｇは、およそ０．９１８μｍである。符号７０４、７０５は、それぞれ、価電子帯、伝導帯である。このレーザ素子の構造において、正孔の流れる方向及び電子の流れる方向を、それぞれ、符号７０６及び７０７に示す。
実施例１，２では、ＤＢＲ領域に図５，６のエネルギーバンドを有するレーザ素子について説明したが、図８に示した位相調整領域８０２を備えるレーザ素子においては、位相調整領域８０２も、図５，６に示したエネルギーバンドを有する構造としても良い。

本発明は半導体レーザ、より詳細には、発振波長が可変な光源の技術に適用することができる。

１０１，２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層
１０２，２０２，３０２，４０２，５０２，６０２，７０２ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層
１０３，２０３，３０３，ＩｎＧａＡｓＰを含む層
４０３，５０３，６０３，７０３ＩｎＧａＡｓを含む層
１０４，２０４，３０４，４０４，５０４，６０４，７０４価電子帯
１０５，２０５，３０５，４０５，５０５，６０５，７０５伝導帯
２０３Ａ，３０３Ａ，ＩｎＧａＡｓＰを含む量子井戸層
４０３Ａ，５０３Ａ，６０３Ａ，７０３ＡＩｎＧａＡｓを含む量子井戸層
0２０３Ｂ，４０３Ｂ，５０３Ｂ，６０３ＢＩｎＧａＡｓＰを含む歪補償層
２０３Ｃ，３０３Ｃ，ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層
４０３Ｃ，５０３Ｃ，６０３Ｃ，７０３ＣＩｎＧａＡｓを含むコア層
６０３ＤＩｎＧａＡｓＰを含む光閉じ込め層
１０６，２０６，３０６，４０６，５０６，６０６，７０６正孔の流れる方向
１０７，２０７，３０７，４０７，５０７，６０７，７０７電子の流れる方向
８０１後ＤＢＲ領域
８０２位相調整領域
８０３ゲイン領域
８０４前ＤＢＲ領域
８０５ＳＯＡ領域
８０６ａ，８０６ｂ電極
８０８ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層
８０９ａＤＢＲ領域のコア層
８０９ｂゲイン領域のコア層
８１０絶縁膜
８１１ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層
８１２コンタクト層（ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ）
８１３ａ，８１３ｂ回折格子層

Claims

ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と、ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層と、無歪ＩｎＧａＡｓ又はバンドギャップ波長がλｇ＝１．５μｍよりも大きい波長を示す無歪ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層とを有するＤＢＲ領域を有する半導体レーザにおいて、
前記コア層と、前記ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層の少なくとも一方との間に圧縮歪ＩｎＧａＡｓの量子井戸層を有し、
前記量子井戸層と、前記ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層の少なくとも一方との間に歪補償層を有し、
前記歪補償層のバンドギャップ波長λｇが少なくとも前記コア層のバンドギャップ波長λｇより短く、前記ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層のバンドギャップ波長λｇよりも長い構造を有することを特徴とする半導体レーザ。
前記ＤＢＲ領域は、前記歪補償層と、前記ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層又は前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層との間に光閉じ込め層を有し、前記歪補償層のバンドギャップ波長λｇが少なくとも前記無歪ＩｎＧａＡｓ又は前記バンドギャップ波長λｇ＝１．５μｍを超える無歪ＩｎＧａＡｓＰより短く、前記光閉じ込め層のバンドギャップ波長λｇと同じかそれよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層と、
前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層上の無歪ＩｎＧａＡｓ又はバンドギャップ波長がλｇ＝１．５μｍよりも大きい波長を示す無歪ＩｎＧａＡｓＰを含むコア層と、
前記コア層上のｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と、
を有するＤＢＲ領域を有する半導体レーザにおいて、
前記コア層と、前記ｐ−ＩｎＰを含む上クラッド層と前記ｎ−ＩｎＰを含む下クラッド層の少なくとも一方との間に圧縮歪ＩｎＧａＡｓの量子井戸層を有し、
前記コア層上の回折格子領域は、前記量子井戸層から３００ｎｍ以上、前記上クラッド層側に離れていることを特徴とする半導体レーザ。