JP3576764B2 - グレーティング結合型面発光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、２次以上の回折格子によって共振器方向と垂直な方向に出力光を取り出すグレーティング結合型面発光装置に関し、特に、半導体レーザ及び半導体光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光加入者系システムの実現を目指し、光送受信端末装置の低コスト化の研究開発が盛んに展開されている。光送受信端末装置の低コスト化を実現するには、送信光源となる半導体レーザと光ファイバとをレンズを用いずに直接光結合させることにより、部品点数の削減をはかる必要がある。しかしながら、従来の導波型半導体レーザと光ファイバでは、そのスポットサイズが大きく異なるために結合効率が極めて低い。スポットサイズ変換導波路を集積化した半導体レーザでは、高い光結合効率が得られるものの、半導体レーザと光ファイバとの位置合わせ精度に対するマージンは不十分である。
【０００３】
一方、伝送情報量の大容量化に伴い情報処理用の各種光デバイスの開発も盛んである。中でも並列処理を容易にするため面発光型の発光装置が注目される。この面発光装置は、ビーム径が比較的大きいため光結合が容易であるという特徴も有している。特に短波長帯では、サブミリアンペアの発振しきい値を有する高性能な面発光レーザも開発されている。
【０００４】
しかしながら、光通信で有用な長波長帯においては、屈折率差の大きい材料系がないため高反射率のミラーが形成できなかったり、材料に固有な非発光成分が多いなどの材料的な制約から、良好な面発光レーザの報告はない。そのため、光通信用や光インターコネクション用に用いられる端面発光レーザのように優れた特性を持つ面発光レーザの登場が望まれている。
【０００５】
グレーティング結合型面発光レーザの検討もなされているが、このレーザでは出射する放射モード光が導波路方向に対し２つのピークを持つという問題がある。これを改善するために、複数の位相シフ卜構造を導波路に作り付けることが提案されている。しかし、この場合の放射モード光の発光パターンは、矩形状のパターンであり、ファイバの固有モードであるガウス分布とはかけ離れているため極めて結合効率が悪く、また軸ずれに対するトレランスも小さい。
【０００６】
また最近では、面発光装置を、並列光情報処理やＣＰＵ間の信号接続のバスラインに適用することが検討されている。面発光装置を多段接続するには、信号である光の減衰を防ぐための面発光型の半導体光増幅器が必要不可欠である。しかしながら、面発光型の半導体レーザに関しては多数の報告例があるものの、面発光型の半導体光増幅器に関する報告例は極めて少ないのが現状である。
【０００７】
面発光型半導体光増幅器に関する報告例が少ないのは、導波路型半導体光増幅器と比べて、その構造に起因して本質的に実現が困難であるからである。これは、面発光型半導体光増幅器では、光を増幅する利得媒質である活性層の厚さを十分に厚くすることが必要であることに起因する。現在の結晶成長技術では半導体基板の上に厚さ数ミクロン程度の活性層しか積層できないため、十分な増幅率が得られる面発光型光増幅器を実現するのは極めて困難である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように従来、光加入者系システムの光送受信端末装置の送信光源として面発光レーザが検討されている。しかし、この種のレーザでは、ビーム径を大きくすることはできるが長波長帯では発振しきい値が高くなり、光出力が弱くなるという問題がある。また、グレーティング結合型面発光レーザでは、放射モード光の発光パターンが矩形状であり光ファイバの固有モードであるガウス分布とはかけ離れている。このため、光ファイバとの結合効率が極めて悪く、また軸ずれに対するトレランスも小さいという問題がある。
【０００９】
また、従来知られる進行波型の面発光型半導体光増幅器においては、活性層の厚さを厚くすることが困難なために、十分な増幅率を得ることができないという問題がある。
【００１０】
本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、放射モード光の発光パターンを理想に近付けることができ、光ファイバ等との結合効率の向上をはかり得る長波長帯のグレーティング結合型面発光装置を提供することにある。
【００１１】
また、本発明の他の目的は、十分な増幅率の得られる進行波型の面発光型半導体光増幅器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の視点は、グレーティング結合型面発光装置において、
半導体層活性層と、
前記活性層を挟んで配設された、夫々第１及び第２導電型の第１及び第２半導体層と、
前記第１及び第２半導体層に接続された第１及び第２電極と、
前記活性層の発光から、前進波成分及び後退波成分を有する導波モード光を形成するための導波路と、
前記導波路に配設された、前記導波モード光に対して２次以上の次数を有する回折格子と、前記回折格子により前記導波モード光が前記導波路に対して垂直な方向の放射モード光として、光出力部から出力されることと、
前記回折格子の位相をシフトさせるための位相シフト手段と、前記位相シフト手段は、前記導波モード光の前記前進波成分及び後退波成分が、前記放射モード光として出力される際に、前記放射モード光の中心部分において互いに強め合うように干渉すると共に、前記放射モード光の両側部分において弱め合うように干渉することにより、前記放射モード光がガウス分布を有するように、前記回折格子の周期よりも長い距離に亘って且つ実質的に対称分布形状に配設されることと、
を具備することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第２の視点は、第１の視点の装置において、前記位相シフト手段は、前記回折格子を含む前記導波路の幅若しくは厚さを変調する手段からなることを特徴とする。
【００１４】
本発明の第３の視点は、第１の視点の装置において、前記位相シフト手段は、前記回折格子の周期を変調する手段からなることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第４の視点は、第１の視点の装置において、前記位相シフト手段は、前記回折格子を含む前記導波路の幅若しくは厚さを変調すると共に、前記回折格子の周期を変調する手段からなることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第５の視点は、第１の視点の装置において、前記回折格子が同心円状に配設されることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第６の視点は、第５の視点の装置において、前記位相シフト手段を設けた同心円状の前記回折格子の外側に放射状に配設された１つまたは複数のストライプ状の回折格子を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明の第７の視点は、第１の視点の装置において、前記回折格子の両側に、前記導波モード光に対して１次の回折格子が配設されることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第８の視点は、第１の視点の装置において、前記導波路において、前記光出力部に対応する領域はその両側の領域よりも短い吸収端波長を有するように設定されることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第９の視点は、第８の視点の装置において、前記光出力部に対応する領域及びその両側の領域は互いに異なる組成の材料からなることを特徴とする。
【００２１】
本発明の第１０の視点は、第８の視点の装置において、前記光出力部に対応する領域及びその両側の領域は互いに異なる井戸幅の多重量子井戸層を具備することを特徴とする。
【００２２】
本発明の第１１の視点は、第１の視点の装置において、前記光出力部に配設された、前記放射モード光に対して透明な半導体からなる半導体レンズを具備することを特徴とする。
【００２３】
本発明の第１２の視点は、第１１の視点の装置において、前記半導体レンズが凸レンズであり、前記出力部を越えて前記第１及び第２電極間の給電領域に延在する部分を有することを特徴とする。
【００２４】
本発明の第１３の視点は、第１の視点の装置において、前記活性層、前記第１及び第２半導体層は、Ｉｎ_ｘ Ｇａ_ｙ Ａｌ_{１−ｘ−ｙ} Ｎ、（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成式で表される材料から基本的になり、前記光出力部に蛍光体層が配設されることを特徴とする。
【００２５】
本発明の第１４の視点は、第１の視点の装置において、前記活性層を挟んで前記回折格子と対向するように配設された反射低減層を具備することを特徴とする。
【００２６】
本発明の第１５の視点は、第１４の視点の装置において、前記反射低減層を挟んで前記光出力部と対向するように配設された反射ミラー層を具備することを特徴とする。
【００２７】
本発明の第１６の視点は、第１の視点の装置において、前記導波路により形成される共振器構造の反射率を低下させるため、前記共振器構造が前記放射モード光に対して共振条件を満足することを特徴とする。
【００２８】
本発明の第１７の視点は、第１６の視点の装置において、前記共振器構造を挟んで前記光出力部と対向するように配設された反射ミラー層を具備することを特徴とする。
【００２９】
本発明の第１８の視点は、第１の視点の装置において、前記活性層及び前記導波路を挟んで前記光出力部と対向するように配設された光入力部を具備し、前記装置が光増幅器として機能することを特徴とする。
【００３０】
本発明の第１９の視点は、グレーティング結合型面発光装置において、
半導体層活性層と、
前記活性層を挟んで配設された、夫々第１及び第２導電型の第１及び第２半導体層と、
前記第１及び第２半導体層に接続された第１及び第２電極と、
前記活性層の発光から、前進波成分及び後退波成分を有する導波モード光を形成するための導波路と、
前記導波路に配設された、前記導波モード光に対して２次以上の次数を有する回折格子と、前記回折格子により前記導波モード光が前記導波路に対して垂直な方向の放射モード光として、光出力部から出力されることと、
ここで、前記導波路において、前記光出力部に対応する領域はその両側の領域よりも短い吸収端波長を有するように設定されることと、
を具備することを特徴とする。
【００３１】
本発明の第２０の視点は、第１９の視点の装置において、前記光出力部に対応する領域及びその両側の領域は互いに異なる組成の材料からなることを特徴とする。
【００３２】
本発明の第２１の視点は、第１９の視点の装置において、前記光出力部に対応する領域及びその両側の領域は互いに異なる井戸幅の多重量子井戸層を具備することを特徴とする。
【００３３】
本発明の第２２の視点は、グレーティング結合型面発光装置において、
半導体層活性層と、
前記活性層を挟んで配設された、夫々第１及び第２導電型の第１及び第２半導体層と、
前記第１及び第２半導体層に接続された第１及び第２電極と、
前記活性層の発光から、前進波成分及び後退波成分を有する導波モード光を形成するための導波路と、
前記導波路に配設された、前記導波モード光に対して２次以上の次数を有する回折格子と、前記回折格子により前記導波モード光が前記導波路に対して垂直な方向の放射モード光として、光出力部から出力されることと、
前記光出力部に配設された、前記放射モード光に対して透明な半導体からなる半導体レンズと、
を具備することを特徴とする。
【００３４】
本発明の第２３の視点は、第２２の視点の装置において、前記半導体レンズが凸レンズであり、前記出力部を越えて前記第１及び第２電極間の給電領域に延在する部分を有することを特徴とする。
【００３５】
本発明の第２４の視点は、グレーティング結合型面発光装置において、
半導体層活性層と、
前記活性層を挟んで配設された、夫々第１及び第２導電型の第１及び第２半導体層と、
前記第１及び第２半導体層に接続された第１及び第２電極と、
前記活性層の発光から、前進波成分及び後退波成分を有する導波モード光を形成するための導波路と、
前記導波路に配設された、前記導波モード光に対して２次以上の次数を有する回折格子と、前記回折格子により前記導波モード光が前記導波路に対して垂直な方向の放射モード光として、光出力部から出力されることと、
前記活性層を挟んで前記回折格子と対向するように配設された反射低減層と、を具備することを特徴とする。
【００３６】
本発明の第２５の視点は、第２４の視点の装置において、前記反射低減層を挟んで前記光出力部と対向するように配設された反射ミラー層を具備することを特徴とする。
【００３７】
本発明の第２６の視点は、グレーティング結合型面発光装置において、
半導体層活性層と、
前記活性層を挟んで配設された、夫々第１及び第２導電型の第１及び第２半導体層と、
前記第１及び第２半導体層に接続された第１及び第２電極と、
前記活性層の発光から、前進波成分及び後退波成分を有する導波モード光を形成するための導波路と、
前記導波路に配設された、前記導波モード光に対して２次以上の次数を有する回折格子と、前記回折格子により前記導波モード光が前記導波路に対して垂直な方向の放射モード光として、光出力部から出力されることと、
ここで、前記導波路により形成される共振器構造の反射率を低下させるため、前記共振器構造が前記放射モード光に対して共振条件を満足することと、
を具備することを特徴とする。
【００３８】
本発明の第２７の視点は、第２６の視点の装置において、前記共振器構造を挟んで前記光出力部と対向するように配設された反射ミラー層を具備することを特徴とする。
【００３９】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す平面図及び断面図である。
【００４０】
図示の如く、ｎ−ＩｎＰ基板１１１上に、厚さ１．０μｍのｎ−ＩｎＰクラッド層１１２、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層１１３（組成波長１．５５μｍ）、及び厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路層１１４（組成波長１．３μｍ）が成長形成される。導波路層１１４には周期４８０ｎｍの２次の回折格子１１５が形成される。導波路層１１４はエッチングにより、中央付近の２０μｍに亘って幅が狭いストライプ１２０として形成される。
【００４１】
露出した導波路層１１４及び活性層１１３上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１６及びｐ^＋ −コンタクト層１１７が成長形成される。コンタクト層１１７上に出力開口１１９ａを有するｐ側電極１１９が配設される。基板１１１の裏面にはｎ側電極１１８が配設される。なお、上記の各層１１２、１１３、１１４、１１６、１１７の形成には有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を用いた。
【００４２】
本実施の形態のレーザによれば、放射モードの発光出力パターンを導波方向に沿った断面においてガウス分布にすることができる。この場合、光フアイバの固有モードと放射光のモードをほぼ一致させることができるため、光ファイバとの結合効率をほぼ１００％にすることができる。この利点は、導波路層１１４に導波モード光に対し２次の回折格子１１５が配設されると共に、導波路ストラィプ１２０の幅がある一定区間で導波方向に対称分布となるように狭く形成されることにより得られる。
【００４３】
即ち、活性層１１３からの発光は、導波路層１１４により、導波路に沿って互いに逆方向に導波される第１及び第２方向成分（図１４（ｂ）図示の前進波Ｒ及び後退波Ｓ）を有する導波モード光となる。導波モード光は、回折格子１１５により導波路に対して垂直な方向の放射モード光として出力される。
【００４４】
導波路ストラィプ１２０の中央が幅の狭くなった形状は、等価的に、回折格子１１５の位相をシフトさせるための位相シフト手段として機能する。導波路ストラィプ１２０の幅の狭い部分、即ち位相シフト手段は、回折格子１１５の周期よりも長い領域に亘って且つ実質的に対称分布形状に配設される。位相シフト手段は導波モード光の第１及び第２方向成分（前進波Ｒ及び後退波Ｓ）が、放射モード光として出力される際に、放射モード光の中心部分において互いに強め合うように干渉すると共に、放射モード光の両側部分において弱め合うように干渉するように設定される。これにより、放射モード光がガウス分布を有するようになる。
【００４５】
図１４（ａ）は、このようにして得られるガウス分布を有する放射モード光の光強度分布を示す。同図はまた、出力開口１１９ａ、前進波Ｒ及び後退波Ｓが互いに強め合うように干渉している領域１３２、及び前進波Ｒ及び後退波Ｓが互いに弱め合うように干渉している領域１３４の相互の関係を示す。
【００４６】
本実施の形態におけるレーザの出射パターンを観測したところ、スポットサイズ（直径）１８μｍのガウス分布が得られることを確認できた。しきい値は５ｍＡであり、光出力は１０ｍＷであった。また、本実施の形態における光ファイバとの軸ずれトレランスの測定結果を図２に示す。従来のスポットサイズ変換付きレーザに比ベて格段にトレランスが増大していることが分かった。
【００４７】
なお、本実施の形態の構成に加え、導波路の中央部２０μｍを除き両端から５０μｍの距離に亘って回折格子の周期を２４０ｎｍとした１次の回折格子を設けて実験を行なった。この場合、両端からの放射モードは無いため、更に効率の良い発光が可能で１５ｍＷの出力が得られた。
【００４８】
次に、本実施の形態における構造上の特徴の原理について詳述する。
【００４９】
前述のように従来のグレーティング結合型表面発光型光デバイスでは、図１５（ａ）に示すように、表面に出射する放射モード光が導波路方向に対し２つのピークを持つという問題がある。これは、図１５（ｂ）に示すように、導波路内の前進波Ｒと後退波Ｓとの干渉効果によるものであることが知られている。これを改善するために、複数の位相シフト構造を導波路に作り付けることが提案されている。しかし、この場合の放射モード光の発光パターンは、図１６に示すように、回折格子位相が急激に変化することにより矩形状のパターンとなり、ファイバの固有モードであるガウス分布とはかけ離れている。そのため、ファイバとの結合効率が極めて悪く、また軸ずれに対するトレランスも小さい。
【００５０】
そこで本発明のように、２次以上の次数を有する回折格子を形成してその位相を徐々にシフトさせる位相シフト手段を有することが、大きな意味を持つ。この構成では、位相シフトを徐々に行うために前進波Ｒと後退波Ｓとの干渉効果も徐々に変化する。即ち、導波路方向に沿って光出力が弱め合うところから強め合うところまで徐々に変化していく。そのため、放射モードの導波方向の発光出力パターンを、位相シフト量の変化のさせ方を調整することにより自在に制御することが可能である。ちなみに、位相シフト量の変化のさせ方を対称分布にして前進波Ｒと後退波Ｓを図１４（ｂ）に示すように変化させることにより、図１４（ａ）に示すように放射モード光をガウス分布にすることができる。
【００５１】
そして、位相がシフトする領域の長さによりほぼスポットサイズを規定できるため、スポットサイズが１０μｍ以上あるガウス分布にすることも可能である。この場合、光フアイバの固有モードと放射光のモードをほぼ一致させることができるため、結合効率はほぼ１００％にすることができる。更に、基本構造は従来の高性能な端面発光型装置をほぼそのまま利用した構造のため、他のレーザ基本特性も優れたものにできる。そのため、光結合が容易で且つ発振しきい値の低い高性能な長波長帯の面発光レーザが得られる。
【００５２】
位相シフトを徐々に行う手段としては、図１（ａ）図示の如く、導波路ストライプの幅或いは厚さをある一定区間で変化させるいわゆる等価位相シフト法が容易である。なお、先の実施の形態では、導波路ストライプ１２０の中央部分の幅を狭くしたが、逆に、該中央部分の幅を広くするような設計を行なうこともできる。また、後述するように、回折格子の周期そのものを徐々に変化させるチャープトグレーティングを使用しても同様の効果が得られる。
【００５３】
図３は、本発明の別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図である。なお、本実施の形態の基本的な構成は図１（ａ）、（ｂ）図示の実施の形態と共通するため、同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００５４】
本実施の形態が図１（ａ）、（ｂ）の実施の形態と異なる点は、導波路層１１４に設けた回折格子１１５の周期を、周辺部では４８０ｎｍのままとしているが、中央部に向かうにつれて徐々に短くしている点にある。なお、導波路層１１４のストライプ幅は一定としてもよいし、先の実施の形態と同様に中央部の一定区間で狭くしたり広くしたりしてもよい。また、回折格子１１５の周期を中央部分に向かって徐々に長くするような設計を行なうこともできる。導波路層１１４のストライプ幅を中央部分で広くすると、軸方向空間的ホールバーニングを抑制できるため、高出力でも安定動作が得られる。
【００５５】
このような構成であっても、放射モードの導波方向の発光出力パターンをガウス分布にすることができ、先の実施の形態と同様の効果が得られる。そしてこの場合も、光フアイバの固有モードと放射光のモードをほぼ一致させることができるため、光ファイバとの結合効率をほぼ１００％にすることができる。
【００５６】
なお、上述の２つの実施の形態では材料系としてＩｎＰ系を用いているが、代わりにＧａＡｓ系を用いてもよい。また、同一基板上に複数の装置を集積化することも可能である。更に、回折領域と発光領域はそれぞれ異なる領域であってもよい。
【００５７】
図４は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を一部切欠いて示す斜視図である。
【００５８】
図示の如く、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層２０２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２０３（組成波長１．５５μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層２０４（組成波長１．３μｍ）、周期４８０ｎｍの２次の回折格子２０５、ｐ−ＩｎＰクラッド層２０６、及びｐ^＋ −コンタクト層２０７が形成される。ｐ^＋ −コンタクト層２０７上及びｎ−ＩｎＰ基板２０１の裏面上にｎ側電極２０８及びｐ側電極２０９が夫々配設される。
【００５９】
本実施の形態は、先の２つの実施の形態とは異なり、回折格子が同心円上に形成される。２次の回折格子２０５は中央から半径１０μｍに亘って位相がシフトされる。具体的には、半径１０μｍの位置から中央に向かうに伴い周期が徐々に短くなっている。
【００６０】
本実施の形態におけるレーザの出射パターンを観測したところ、スポットサイズ（直径）１８μｍのガウス分布が得られることを確認できた。しきい値は５ｍＡであり、光出力は１０ｍＷであった。また、光ファイバとの軸ずれトレランスの測定結果は前記図２に示すようになり、従来のスポットサイズ変換付きレーザに比べて格段にトレランスが増大していることが分かった。
【００６１】
図５は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を一部切欠いて示す斜視図である。なお、本実施の形態の基本的な構成は図４図示の実施の形態と共通するため、同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００６２】
本実施の形態においても、２次の回折格子２０５が中央から半径１０μｍに亘って位相をシフトするように形成される。本実施の形態が図４図示の実施の形態と異なる点は、中央を除く外側領域に、半径１００μｍに亘って回折格子の周期を２４０ｎｍとした１次の回折格子２１０を形成したことにある。
【００６３】
このような構成であれば、図４図示の実施の形態と同様の効果が得られるのは勿論のこと、周辺部からの放射モード光がなくなる。実験において、更に効率の良い発光が可能となり、１５ｍＷの光出力が得られた。
【００６４】
図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す平面図と、同図のＶＩＢ −ＶＩＢ 線、ＶＩＣ −ＶＩＣ 線、ＶＩＤ −ＶＩＤ 線に沿った断面図である。
【００６５】
ｎ−ＩｎＰ基板２３１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層２３２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２３３（組成波長１．５５μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層２３４（組成波長１．３μｍ）、周期４８０ｎｍの２次の回折格子２３５、ｐ−ＩｎＰクラッド層２３６、及びｐ^＋ −コンタクト層２３７が形成される。ｐ^＋ −コンタクト層２３７上及びｎ−ＩｎＰ基板２３１の裏面上にｎ側電極２３８及びｐ側電極２３９が夫々配設される。２次の回折格子２３５は図４図示の実施の形態と同様に、中央から半径１０μｍに亘って位相がシフトされる。更にその外側に、経線方向に沿って長さ２００μｍのストライプ状活性領域２４０が形成される。本実施の形態では更に、ストライプ状活性領域２４０上に周期が２４０ｎｍの１次の回折格子２４１が形成される。
【００６６】
本実施の形態の場合、活性領域を効率的に利用することで発振に必要な電流のしきい値を低減することが可能となる。実験において、僅か２ｍＡの注入電流でレーザ発振を得られた。
【００６７】
なお、ストライプ状活性領域は図６（ａ）〜（ｄ）図示のものに限るものではなく、図７（ａ）〜（ｃ）図示の如く適宜変更可能である。
【００６８】
図８は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザ、特に分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）の導波方向に沿った断面図である。
【００６９】
図示の如く、ｎ−ＩｎＰ基板３０１上に、ＩｎＧａＡｓＰ活性層３０２、ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３０３、前述の位相シフト手段の付いた２次の回折格子３０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層３０５、及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０６が形成される。ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０６上及びｎ−ＩｎＰ基板３０１の裏面上に、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕからなるｐ−オーミック電極３０７及びＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるｎ−オーミック電極３０８が夫々配設される。活性領域３１１の中心に、ＳｉＯ_２ からなる絶縁膜３０９で覆われた光取り出し領域３１２が配置される。装置の側部はＳｉＮｘ からなる無反射膜３１０で覆われる。
【００７０】
活性層３０２の組成波長及び発振波長は１．５６μｍ、光導波層３０３の組成波長は１．４８μｍである。光取り出し領域３１２では、出射光を遮らないように、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０６、ｐ−オーミック電極３０７を光導波層３０３の上方には設けていない。このため、光導波層３０３にはキャリアを注入することはできない。
【００７１】
しかしながら、光導波層３０３の組成波長は１．４８μｍに設定されており、波長１．５６μｍの発振光は、光導波層３０３で減衰することなく光取り出し領域３１２を導波することができる。即ち、本実施の形態においては、導波路領域において組成を変えることにより、光取り出し領域３１２の吸収端波長がその両側の活性領域３１１の吸収端波長よりも十分に短波長となるように設定している。これにより、光出力の低下を招くことなく、光出力を上方に取り出すことが可能であり、従来と比較して約２倍の光出力が得られる。
【００７２】
図９は、本発明の更に別の実施の形態に係るＤＦＢレーザの導波方向に沿った断面図である。なお、図８と同一部分には同一符号を付して、その詳しい説明は省略する。
【００７３】
本実施の形態では、活性層３０２及び光導波層３０３は、井戸幅の異なるＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸層から形成される。具体的には、活性層３０２及び光導波層３０３は選択成長法により作製した。活性層３０２よりも光導波層３０３の方が井戸幅は狭く、光導波層３０３の吸収端波長は発振波長よりも７０ｎｍ短波長側に位置する。即ち、本実施の形態においては、導波路領域において多重量子井戸層の井戸幅を変えることにより、光取り出し領域３１２の吸収端波長がその両側の活性領域３１１の吸収端波長よりも十分に短波長となるように設定している。従って、光取り出し領域３１２でキャリアの注入がなくても、発振光は減衰することなく導波することができる。
【００７４】
また、活性層３０２と光導波層３０３とでは、層厚が異なるためにモード屈折率も異なっている。このため、回折格子３０４の周期や導波層ストライプ幅が同じであるにも拘らず、光取り出し領域３１２は等価的に位相シフト手段の役目も担っている。このため、本実施の形態では、共振器方向に沿った断面においてガウス分布を有する出射光が得られる。この結果、光ファイバとの結合効率が高く、位置合わせ精度に対するマージンも大きい。
【００７５】
光ファイバとの結合に適したガウス分布の出射光を得るためには、位相シフト量の制御が極めて重要である。本実施の形態では、回折格子３０４の周期や導波層ストライプ幅を変える必要もなく、活性層３０２及び光導波層３０３の層厚と、光取り出し領域３１２の長さにより位相シフト量が決まる。このため、極めて高精度に位相シフト量を制御することが可能である。
【００７６】
即ち、図８及び図９図示の実施の形態は、少なくとも共振器方向の一部に２次の回折格子を有しており、共振器方向と垂直な方向に発振光が放射されるレーザの導波路において、光取り出し領域の吸収端波長がその両側の領域よりも十分短波長となるように設定される。これにより、キャリアの注入がなくても発振光は、光取り出し領域を減衰することなく導波することができる。従って、光出力の低下を生じることなく、導波方向と垂直な方向に光出力を取り出すことが可能となる。なお、これらの実施の形態における吸収端波長に関する特徴は、ガウス分布を得るための位相シフト手段を用いない場合にも利用することができる。
【００７７】
なお、図８及び図９図示の実施の形態では、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体レーザについて説明したが、これに限らずＡｌＧａＩｎＰ系、ＩｎＧａＡｓＳｂ系、ＺｎＣｄＳＳｅ系など、様々な材料系について本発明を適用することができる。また、これらの実施の形態では、共振器全体に２次の回折格子を有するＤＦＢレーザについて説明したが、２次の回折格子は少なくとも光取り出し領域に設けてあればよく、他にも分布ブラッグ反射型半導体レーザ（ＤＢＲレーザ）においても本発明は有効である。また、光導波層にはバルク材料を用いてもよいし、多重量子井戸構造を用いてもよい。更に、半導体基板の導電型もｎ型基板に限るものではない。
【００７８】
図１０は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図である。以下の構造を作製するため、ＭＯＣＶＤ法を用いた。
【００７９】
図示の如く、ｎ−ＩｎＰ基板４１１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層４１２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層４１２（組成波長１．５５μｍ）及びＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層４１３（組成波長１．３μｍ）が堆積される。光ガイド層４１３上に周期４８０ｎｍの２次の回折格子が作製された後、ｐ−ＩｎＰ層４１４で回折格子が埋め込まれる。
【００８０】
次に、ＳｉＯ_２ 膜を用いてメサ形状が作製され、半絶縁ＩｎＰ層４１５でメサ側面が埋設される。このとき、埋設する深さ、ｐ−ＩｎＰ層４１４の厚さ及びＳｉＯ_２ 膜の幅などにより、円柱型レンズの形状を制御することができる。その後、メサ上部を除く領域に電流ブロックとなるｎ−ＩｎＰ層４１６が選択的に堆積される。その上に、ｐ−ＩｎＰクラッド層４１７及びｐ−ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）コンタクト層４１８が堆積される。
【００８１】
次に、コンタクト層４１８がパターニングされ、更に、ＳｉＯ２ 膜４１９の堆積及び電極４２０の形成が行われる。具体的には、メサ部からその両側の一定距離部分までの領域、及び光取り出し領域を除いてコンタクト層４１８が除去される。コンタクト層４１８除去部分にＳｉＯ_２ 膜４１９が堆積され、次に、Ａｕ／ＡｕＺｎ電極４２０が形成される。また、装置裏面にはＡｕ／ＡｕＧｅ電極４２１が形成される。
【００８２】
光を取り出す領域の作製するため、該領域においてｐ−ＩｎＧａＡｓ（Ｐ）コンタクト層４１８がパターニングの際に除去される。そして、ＳｉＯ_２ 膜４１９の堆積後、この領域には電極４２０が形成されない。これにより、図１１（ａ）、（ｂ）に示すように光を取り出す領域４３０が形成される。
【００８３】
作製した面発光レーザの導波路に垂直な方向の放射角度を測定したところ、従来の３５度に対して、本実施の形態では約５度と狭いことが分かった。これは、端面発光型半導体レーザの数分の一の値である。発振しきい値は１２ｍＡであり、光出力は１０ｍＷであった。
【００８４】
このように本実施の形態によれば、光を出射する半導体表面上に放射モード光に対して透明な半導体からなる凸レンズ或いはフレネルレンズを設けることで放射モードを制御できる。従来の面発光レーザは扇状に発光するのに対し、本実施の形態の半導体レンズを有する面発光レーザでは、放射ビームを円形スポットにでき、光ファイバのスポット径にほぼ一致させることができる。これは、図１１（ｂ）図示の如く、導波路方向に垂直な方向の放射モードに作用するように円柱形にレンズが形成されるためである。
【００８５】
また、半導体レンズは発光波長に対して透明な半導体層で、円柱形の大きさ、発光層からの位置を自在に制御可能なため、放射角度を自在に制御できる。更に、従来の平坦な電極形成では電流の広がりが大きいため、コンタクト抵抗が増加して、レーザ発振のしきい値上昇を招いていた。本実施の形態においては、電流注入する給電領域においても光を取り出す領域と同様の円柱形構造を採用することができる。この場合、電流の広がりを抑え、コンタクト抵抗を低減でき、低しきい値の面発光レーザが得られる。
【００８６】
なお、本実施の形態では活性層を組成波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰとしたが、これに限らず適宜変更可能である。また、本実施の形態ではＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系を例としたが、赤色、青色発光材料系への適用が可能である。
【００８７】
次に、本発明を面型半導体光増幅器に適用した実施の形態について説明する。
【００８８】
図１２（ａ）〜（ｃ）は、光導波路の中央部において導波路の幅を狭くすることにより位相シフ卜を行う、いわゆる等価位相シフト構造を用いた場合の基板と垂直方向の放射パターンを説明する図である。図１２（ａ）は中央部で幅を変化させた光導波路の模式図、図１２（ｂ）は前進波Ｒと後退波Ｓの軸方向の電界強度分布、図１２（ｃ）は基板と垂直方向に放射される光の軸方向の強度分布であり、｜Ｒ＋Ｓ｜^２ に比例する強度分布となっている。
【００８９】
この光導波路の特徴は、位相が徐々に変化する位相シフト構造のある部分で、基板と垂直方向に強い放射が得られることである。また、このときの放射パターンは、位相シフト構造の形状や配置によって制御することが可能である。一方、このような構造の光導波路においては、基板に対して垂直方向に強い放射パターンが得られる位相シフト領域に、基板と垂直方向から光を入射すると、入射光は光導波路に結合される。
【００９０】
図１３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の更に別の実施の形態に係る面型半導体光増幅器の概略構成を模式的に示す平面図、縦断正面図、及び縦断側面図である。
【００９１】
図示の如く、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上に、ＩｎＧａＡｓＰ光導波層５０２（組成波長１．１５μｍ）、活性層５０３（組成波長１．３μｍ）、Ｆｅドープ半絶縁性ＩｎＰ層５０４、ｎ−ＩｎＰ層５０５、ｐ−ＩｎＰクラッド層５０６、及びｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５０７（組成波長１．１５μｍ）が形成される。ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５０７上及びｎ−ＩｎＰ基板５０１の裏面上にｐ側電極５０８及びｎ側電極５０９が配設される。光入力領域及び光出力領域においては、電極５０８、５０９が除去され、代わりにＳｉＮ無反射コート膜５１０、５１１で被覆される。
【００９２】
光導波層５０２には、周期が４２０ｎｍの２次の回折格子が形成され、その中央付近の１０μｍに亘る部分が、幅を狭くした位相シフト構造となっている。この位相シフト構造の真上と真下に対応する部分で、電極５０８、５０９に開口部が形成され、無反射コート膜５１０、５１１が施される。これにより、基板の下側から入力光を入射して、基板の上側より出力光を取り出すことが可能となる。
【００９３】
図１３（ａ）〜（ｃ）図示の実施の形態の光増幅器においては、電極５０８、５０９よりレーザ発振しない程度のバイアス電流を流した状態で使用される。この状態で、基板下側より入射された微弱な波長１．３μｍの入力光は、基板に対して水平方向に設けた光導波路で増幅され、基板上側より十分なパワーの出力光として取り出される。即ち、位相シフト構造の部分に入射した入力光は、活性層と水平方向に設けた回折格子付きの光導波路と結合し、活性層を水平方向に伝搬しながら増幅されると共に、基板と垂直方向に出力光として出射される。基板と水平方向の光導波路は数１００μｍ以上と十分に長くすることができるため、十分な増幅率を得ることができる。また、このような構造の面型半導体光増幅器においては、十分な増幅率が得られることに加えて、次のような利点があることも特徴である。
【００９４】
まず第１に、出力光のビーム形状を位相シフトの構造により制御することができる。例えば、図１３（ａ）〜（ｃ）図示の構造では、出力光のビーム形状はガウス分布で近似できるような形状となり、光ファイバとの結合を効率良く行うことも可能である。また、また比較的急激に位相を変化させる２個の位相シフトを用いると矩形に近い形状のビームで出力光を取り出すことも可能である。
【００９５】
第２に、出力光のビーム形状は、位相シフトの構造のみによって決まり、入力光のビーム形状には依存しないため、本発明の面型光増幅器にはビーム整形機能があるのも特徴のーつである。また第３に、本発明の面型光増幅器においては、回折格子のブラッグ波長に相当する光に対してのみ増幅作用があるため、波長フィルタとしての機能も備えている。
【００９６】
なお、上記の実施の形態においてはＩｎＰ系材料を用いた１．３μｍ帯の面型半導体増幅器を例にとって説明したが、本発明は本実施の形態に限定されるものではない。ＧａＡｓ系などの他の材料系或いは他の波長帯においても同様に適用されるものである。また、上記の実施の形態では、回折格子の位相シフトの構造として、光導波路の幅を変化させる手法を用いたが、回折格子の周期を徐々に変化させる、いわゆるチャープトグレーティングなどを用いてもよい。
【００９７】
図１７は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの導波方向に対して直角な断面図である。
【００９８】
図示の如く、サファイア基板５５１上に、アンドープＧａＮバッファ層５５２、ｎ−ＧａＮコンタクト層５５３、ｎ−ＧａＡｌＮクラッド層５５４、活性層５５５、ｐ−ＧａＡｌＮクラッド層５５６、及びｐ−ＧａＮコンタクト層５５７が形成される。活性層５５５は、アンドープＧａＮ光ガイド層５５５ａ、ＩｎＧａＮ／ＩｎＧａＮからなる量子井戸層５５５ｂ、及びｐ−ＧａＮ光ガイド層５５５ｃの積層構造からなる。活性層５５５とｐ−ＧａＡｌＮクラッド層５５６との間には、２次の回折格子５５８が、図１７の紙面に対して直角に延びるように形成される。また、回折格子５５８は、先の幾つかの実施の形態で述べたように、放射モード光がガウス分布を有するように、位相シフト構造を有する。
【００９９】
ｎ−ＧａＮコンタクト層５５３の一部が露出するように、ｐ−ＧａＮコンタクト層５５７からｎ−ＧａＡｌＮクラッド層５５４までがエッチングされ、メサ５６３が形成される。露出したｎ−コンタクト層５５３の表面にはｎ側電極５６１が形成され、ｐ−コンタクト層５５７の表面にはｐ側電極５６２が形成される。また、ｐ−コンタクト層５５７上の光取り出し領域に対応して、ｐ側電極５６２には開口部が形成され、この開口部に対応してｐ−コンタクト層５５７が蛍光体層５５９により被覆される。
【０１００】
本実施の形態のレーザにおいては、導波路と直角な放射モード光の進行方向上に蛍光対層５５９が配設されるため、出力光は白色光となる。従来、紫外の発光ダイオードと蛍光体とを用いた白色光源が知られているが、本実施の形態によれば、より発光強度が強く且つ理想的な強度分布を有するレーザ白色光源を提供することができる。実験において、本実施の形態のレーザの光取り出し領域から、概ねガウス分布の高輝度の白色発光を観察することができた。
【０１０１】
なお、本実施の形態においては、各層の組成を具体的に示したが、それらは、Ｉｎ_ｘ Ｇａ_ｙ Ａｌ_{１−ｘ−ｙ} Ｎ、（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）の組成式の範囲で種々変更可能である。
【０１０２】
図１８（ａ）〜（ｃ）は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す平面図、断面図、及び導波路の屈折率分布図である。
【０１０３】
図示如く、ｎ−ＩｎＰ基板６１１上に、厚さ１．０μｍのｎ−ＩｎＰクラッド層６１２、厚さｄ１のＩｎＧａＡｓＰ反射低減層６１３、厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層６１４（組成波長１．５５μｍ）、及び厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓＰ導波路層６１５が形成される。導波路層６１５には周期４８０ｎｍの２次の回折格子６１６が形成される。導波路層６１５は一部をエッチングしてストライプ状に形成される。
【０１０４】
導波路層６１５及び露出した活性層６１４上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層６１７及びｐ^＋ −コンタクト層６１８が成長形成される。コンタクト層６１８上に一部開口を有するｐ側電極６１９が形成され、基板６１１の裏面にはｎ側電極６２０が形成される。また、基板６１１の裏面は、基板側に放射された光が電極によって反射されて戻り光になるのを防ぐため、曇り硝子状の加工６２２が施される。ｐ側電極６１９に形成された開口には出射光を効率よく取り出すための、ＡＲ（Ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ）コート６２１が形成される。
【０１０５】
ストライプ６２３は水平方向の導波路構造を規定しており、ストライプ６２３の中央付近は２０μｍに亘って幅を狭くして形成される。前述の如く、ストライプ６２３の幅をある一定区間で導波方向に対称分布となるように狭くすることにより、放射モードの導波方向に沿った断面の発光出力パターンをガウス分布にすることができる。
【０１０６】
図１８（ｃ）は導波路の垂直方向の屈折率分布を示す。図中、ＩｎＰクラッド層６１２、反射低減層６１３、活性層６１４の屈折率を夫々ｎ_１１、ｎ_１２、ｎ_１３とし、回折格子６１６によって垂直方向に放射される光の波長をλとすると、
ｎ_１１＜ｎ_１２＜ｎ_１３
となるように反射低減層の組成を選べば、界面における放射光の反射を抑えることができる。特に、
ｎ_１２＝（ｎ_１１・ｎ_１３）^１／２
ｄ１＝λ／（４ｎ_１２）×（奇数）
とすれば、よく知られるように、通常０．０８程度ある導波路界面における振幅反射率をほぼ０に抑えることが可能となる。例えば、本実施の形態の場合には、ｎ_１１＝３．１７、ｎ_１３＝３．７０程度であるから、ｎ_１２＝３．４２とすればよい（これは砒素の組成比ｙ＝０．６４に相当する）。
【０１０７】
更にこのときには、最小の値で、ｄ１＝０．１１４μｍとなる。いわゆるλ／４の位相差は往復でπに相当するから、±π／４の作製誤差を許容するとその幅は±０．０２８５μｍになる。
【０１０８】
このように、本実施の形態によれば、反射低減層６１３を導波路に導入することにより、界面反射を抑え、干渉によるトータル出力の減少（最大１．５割）を低減すると共に、±１．５割の出力のばらつきをも抑えることができる。
【０１０９】
図１９（ａ）、（ｂ）は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図及び導波路の屈折率分布図である。
【０１１０】
図示の如く、ｎ−ＩｎＰ基板７１１上に、ｎ−ＩｎＰクラッド層７１２、ＩｎＧａＡｓＰ活性層７１３（１．５５μｍ組成）、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層７１４、周期４８０ｎｍの２次の回折格子７１５、ｐ−ＩｎＰクラッド層７１６、ｐ^＋ −コンタクト層７１７が形成される。ｐ^＋ −コンタクト層７１７上及びｎ−ＩｎＰ基板７１１上にｐ側電極７１８及びｎ側電極７１９が夫々配設される。また、基板７１１の裏面は、基板側に放射された光が電極によって反射されて戻り光になるのを防ぐため、曇り硝子状の加工７２２が施される。ｐ側電極７１８に形成された開口には出射光を効率よく取り出すための、ＡＲ（Ａｎｔｉ−ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ）コート７２１が形成される。
【０１１１】
導波路層７１４は一部をエッチングしてストライプ状に形成されており、このストライプは水平方向の導波路構造を規定している。ストライプの幅はある一定区間で導波方向に対称分布となるように狭くしてあり、放射モードの導波方向に沿った断面の発光出力パターンをガウス分布に制御してある。
【０１１２】
また、図１９（ｂ）は導波路の垂直方向の屈折率分布を示す。図中、クラッド層７１２、活性層７１３の屈折率を夫々ｎ_３１、ｎ_３２とし、活性層の厚さをｄ３とし、回折格子７１５によって垂直方向に放射される光の波長をλとすると、
ｎ_３２・ｄ３＝λ／２×（整数）
とすれば、よく知られるように、導波路によって形成される共振器の共振条件をほぼ満たすことができ、共振器の反射率を低減できる。
【０１１３】
このように、本実施の形態によれば、導波路による放射モードの反射を抑え、干渉によるトータル出力の減少（最大１．５割）を低減すると共に、±１．５割の出力のばらつきをも抑えることができる。
【０１１４】
図２０（ａ）、（ｂ）は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図及び導波路の屈折率分布図である。本実施の形態は、図１８（ａ）〜（ｃ）図示の実施の形態と同様に導波路に反射低減層を有する構造であり、同一部分には同一番号を付して、その詳しい説明を省略する。
【０１１５】
本実施の形態は、先の実施の形態とは導波路構造が上下逆転している点が異なり、その他は同様である。つまり、反射低減層６１３は図１８（ａ）〜（ｃ）図示の実施の形態と同じ条件を満たしている。本実施の形態によれば、反射低減層６１３を導波路に導入することにより、界面反射を抑え、表面側への放射光の取り出し効率を向上できる。
【０１１６】
図２１（ａ）、（ｂ）は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図及び導波路の屈折率分布図である。本実施の形態は、図１９（ａ）、（ｂ）図示の実施の形態と同様に導波路が放射光に対して共振条件を満たす構造であり、同一部分には同一番号を付して、その詳しい説明を省略する。
【０１１７】
本実施の形態は、先の実施の形態とは導波路構造が上下逆転している点が異なり、その他は同様である。つまり、活性層７１３は図２０（ａ）、（ｂ）図示の実施の形態と同じ条件を満たしている。本実施の形態によれば、活性層７１３が放射光に対して共振条件を満たすようにすることにより、導波路が形成する共振器による反射損失を低減することができる。
【０１１８】
図２２乃至図２５は本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図である。これらの実施の形態は、反射ミラーとしてＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ）６２４或いは７２４を加えた点で図１８乃至図２１図示の実施の形態と異なり、その他は同様である。従って、同一部分には同一番号を付して、その詳しい説明を省略する。
【０１１９】
図２２、図２３、図２４、及び図２５図示の各実施の形態は、夫々図１８、図１９、図２０、及び図２１図示の各実施の形態の改良となる。即ち、図２２及び図２４図示の構造においては、ｎ−ＩｎＰ基板６１１とｎ−ＩｎＰクラッド層６１２の間に反射ミラーとしてＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ）６２４が挿入される。また、図２３及び図２５図示の構造においては、ｎ−ＩｎＰ基板７１１とｎ−ＩｎＰクラッド層７１２の間に反射ミラーとしてＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ ）７２４が挿入される。
【０１２０】
これらの実施の形態によれば、先の実施の形態と比較すると、回折格子によって放射された２つの放射光のうち、出力側でない下方向に放射された光をミラーを用いて、出力側の上側に放射された光と効率よく結合することが可能となる。この場合、導波路界面によって反射損失が少ないことが要点となっている。クラッド層６１２或いは７１２の厚さを調節することにより、２つの放射光の位相を合わせ、単一放射光の場合のおよそ２倍の出力を得ることができる。なお、ミラーはＤＢＲに限らず、誘電体ミラーや裏面電極による反射でもその機能を満たすものであればよい。
【０１２１】
図１８乃至図２５図示の実施の形態によれば、回折格子によって放射された２つの光が導波路領域における層構造の反射で結合し、干渉して弱め合う効果を低減することができる。また、放射光を回折格子から見て活性層と反対側に取り出す場合には、該層構造による反射損失を低減することができる。
【０１２２】
例えば、回折格子から放射された放射モードの該層構造における干渉を抑制するように、導波路によって構成される層構造の反射界面の一部に低反射構造を設けることができる。この構造は、回折格子が主たる導波路に形成されている場合に有効な構造である。具体的には、活性層から見て回折格子とは反対側の界面に、その界面を構成する材料の中間の屈折率を持ち、反射光の波長の１／４の厚さの膜を挿入する。これにより、２つの光の結合につながる導波路における反射を抑制し、干渉を低減することができる。更に、放射光を活性層から見て回折格子と反対側に取り出す場合には、導波路界面における反射損失そのものを低減することができる。
【０１２３】
また、導波路領域が放射モードに対して形成する主たる共振器構造の反射率を低減させるように、該放射モード波長における該共振器構造の共振条件を、該共振器構造内の層厚あるいは屈折率を調整することにより満たすようにすることができる。この構造は、回折格子が主たる導波路に形成されていない場合に有効な構造である。これにより、回折格子から放射された光に対して導波路からなる共振器は低反射となり、反対方向に放射された２つの光の結合を抑制し、干渉を低減することができる。更に、放射光を活性層から見て回折格子と反対側に取り出す場合には、導波路界面における反射損失そのものを低減することができる。
【０１２４】
また、活性領域から見て回折格子とは反対側に反射鏡を更に配設することができる。これにより、出力側と反対側に放射され、通常は損失となる放射光を、導波路によって形成される共振器構造によって低減されることなく、出力側放射光と結合させることができ、有効に出力に寄与させることができる。
【０１２５】
なお、図１８乃至図２５図示の実施の形態においては、放射モードの導波方向に沿った断面の発光出力パターンをガウス分布にするため、位相シフト手段として、回折格子のストライプの幅を調節するか、或いは位相を調節している。しかし、これらの実施の形態における反射損失の低減や放射光の取り出し効率の向上等に関する構造の特徴は、ガウス分布を得るための位相シフト手段を用いない場合にも利用することができる。また、これらの構造の特徴は、発光部分ではなく、受動部分、例えば結合器に適用することができる。また、回折領域と発光領域とは夫々異なる領域とすることができる。また、光の取り出しを装置の表側からではなく、基板の裏側から行なう構造としてもよい。更に、上述の実施の形態では材料系としてＩｎＰ系を用いたが、この代わりに、例えばＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｌＰ系、ＧａＮ系、或いはその他の光学材料を用いてもよい。
【０１２６】
【発明の効果】
本発明によれば、高出力で且つ光ファイバ等との結合効率が高いグレーティング結合型面発光装置、例えば半導体レーザ、光増幅器を簡単な構造で実現することができる。その結果、光加人者系で用いる光ネットワーク装置や光情報処理システムで用いる発光装置を低コストで得られるのみならず、その信頼性は高いものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）、（ｂ）は、夫々本発明の実施の形態に係る面発光レーザの概略構造を示す平面図及び断面図。
【図２】図１図示の実施の形態における光ファイバとの軸ずれトレランスの測定結果を示す図。
【図３】本発明の別の実施の形態に係る面発光レーザの概略構造を示す断面図。
【図４】本発明の更に別の実施の形態に係る面発光レーザの概略構造を一部切欠いて示す斜視図。
【図５】本発明の更に別の実施の形態に係る面発光レーザの概略構造を一部切欠いて示す斜視図。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の更に別の実施の形態に係る面発光レーザの概略構造を示す平面図と、同図のＶＩＢ −ＶＩＢ 線、ＶＩＣ −ＶＩＣ 線、ＶＩＤ −ＶＩＤ 線に沿った断面図。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、図６（ａ）図示のストライプ状活性領域の変更例を示す模式図。
【図８】本発明の更に別の実施の形態に係るＤＦＢレーザの概略構造を示す導波方向に沿った断面図。
【図９】本発明の更に別の実施の形態に係るＤＦＢレーザの概略構造を示す導波方向に沿った断面図。
【図１０】本発明の更に別の実施の形態に係る面発光レーザの概略構造を示す断面図。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は、図１０図示の実施の形態における発光パターンを示す模式図。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は、図１３図示の実施の形態における放射パターンを説明するための図。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の更に別の実施の形態に係る面型半導体光増幅器の概略構成を模式的に示す平面図、縦断正面図、及び縦断側面図。
【図１４】（ａ）、（ｂ）は、図１図示の実施の形態における放射パターンを説明するための図。
【図１５】（ａ）、（ｂ）は、従来のグレーティング結合型面発光レーザにおける放射パターンを説明するための図。
【図１６】複数の位相シフト構造を導波路に作り付けたレーザにおける放射モード光の発光パターンを説明するための図。
【図１７】本発明の更に別の実施の形態に係る面発光レーザの概略構造を示す導波方向と直角な断面図。
【図１８】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す平面図、断面図、及び導波路の屈折率分布図。
【図１９】（ａ）、（ｂ）は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図及び導波路の屈折率分布図。
【図２０】（ａ）、（ｂ）は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図及び導波路の屈折率分布図。
【図２１】（ａ）、（ｂ）は、本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図及び導波路の屈折率分布図。
【図２２】本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図。
【図２３】本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図。
【図２４】本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図。
【図２５】本発明の更に別の実施の形態に係るグレーティング結合型面発光レーザの概略構造を示す断面図。
【符号の説明】
１１１…ｎ−ＩｎＰ基板
１１２…ｎ−ＩｎＰクラッド層
１１３…ＩｎＧａＡｓＰ活性層（組成波長１．５５μｍ）
１１４…ＩｎＧａＡｓＰ導波路層（組成波長１．３μｍ）
１１５…２次の回折格子
１１６…ｐ−ＩｎＰクラッド層
１１７…ｐ^＋ −コンタクト層
１１８…ｐ側電極
１１９…ｎ側電極

Claims (9)

1. 半導体活性層と、
   前記活性層を挟んで配設された、夫々第１及び第２導電型の第１及び第２半導体層と、
   前記第１及び第２半導体層に接続された第１及び第２電極と、
   前記活性層の発光から、前進波成分及び後退波成分を有する導波モード光を形成するための導波路と、
   前記導波路に配設された、前記導波モード光に対して２次の次数を有する回折格子であって、これにより前記導波モード光が前記導波路に対して垂直な方向の放射モード光として、光出力部から出力される回折格子と、
   を具備し、前記回折格子はその位相をシフトさせるための位相シフト手段を含み、前記位相シフト手段は、前記導波モード光の前記前進波成分及び後退波成分が、前記放射モード光として出力される際に、前記放射モード光の中心部分において互いに強め合うように干渉すると共に、前記放射モード光の両側部分において弱め合うように干渉することにより、前記放射モード光がガウス分布を有するように、前記回折格子の周期よりも長い距離に亘って且つ実質的に対称分布形状に配設されることを特徴とするグレーティング結合型面発光装置。
2. 前記位相シフト手段は、前記回折格子を含む前記導波路の幅若しくは厚さ、または前記回折格子の周期の少なくとも１つを変調する手段からなることを特徴とする請求項１に記載のグレーティング結合型面発光装置。
3. 前記回折格子が同心円状に配設されることを特徴とする請求項１に記載のグレーティング結合型面発光装置。
4. 前記位相シフト手段を設けた同心円状の前記回折格子の外側に放射状に配設された１つまたは複数のストライプ状の回折格子を有することを特徴とする請求項３に記載のグレーティング結合型面発光装置。
5. 半導体活性層と、
   前記活性層を挟んで配設された、夫々第１及び第２導電型の第１及び第２半導体層と、
   前記第１及び第２半導体層に接続された第１及び第２電極と、
   前記活性層の発光から、前進波成分及び後退波成分を有する導波モード光を形成するための導波路と、
   前記導波路に配設された、前記導波モード光に対して２次以上の次数を有する回折格子であって、これにより前記導波モード光が前記導波路に対して垂直な方向の放射モード光として、光出力部から出力される回折格子と、
   を具備し、前記導波路において、前記光出力部に対応する領域はその両側の領域よりも短い吸収端波長を有するように設定されることと、
   前記活性層を挟んで前記回折格子と対向するように反射低減層が配設されることと、
   を特徴とするグレーティング結合型面発光装置。
6. 前記光出力部に対応する領域及びその両側の領域は互いに異なる組成の材料からなることを特徴とする請求項５に記載のグレーティング結合型面発光装置。
7. 前記光出力部に対応する領域及びその両側の領域は互いに異なる井戸幅の多重量子井戸層を具備することを特徴とする請求項５に記載のグレーティング結合型面発光装置。
8. 前記光出力部に配設された、前記放射モード光に対して透明な半導体からなる半導体レンズを更に具備し、前記半導体レンズは、凸レンズであり且つ前記出力部を越えて前記第１及び第２電極間の給電領域に延在する部分を有することを特徴とする請求項１または５に記載のグレーティング結合型面発光装置。
9. 前記活性層を挟んで前記回折格子と対向するように配設された反射低減層を更に具備することを特徴とする請求項１に記載のグレーティング結合型面発光装置。

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