JP4297322B2 - 半導体レーザ素子、それを用いたレーザモジュール - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はファブリ・ペロー型の半導体レーザ素子とそれを用いて組み立てられたレーザモジュールに関し、更に詳しくは、戻り光を受けて動作することにより、その発振スペクトルがマルチモードであるレーザ光を発振する半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）通信方式が複数の信号光を伝送する光通信システムとして発展している。このシステムでは、光線路の所定箇所に例えばＥｒドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を配置し、ここに半導体レーザ素子を励起用光源とするポンピングレーザモジュールを接続し、このレーザモジュールから励起用レーザ光を前記ＥＤＦＡに入射して、信号光源から伝送されてきた信号光を光増幅することにより、光増幅した信号光を再び下流側へ伝送する。
【０００３】
その場合、レーザモジュールに組み込まれている半導体レーザ素子に対しては、信号光源の光出力の変動に追随して注入電流値を変化させることにより、レーザモジュールから出射する励起用レーザ光の光出力が安定化するような処置が採られている。
発振波長が１４８０nm波長域にある半導体レーザ素子の場合はＥＤＦＡにおける利得帯域が広いので上記したような処置は有効である。しかしながら、発振波長が９８０nm波長域にある半導体レーザ素子の場合には、ＥＤＦＡにおける利得帯域が狭いので、上記したような処置を採用することはできない。
【０００４】
このようなことから、発振波長が９８０nm波長域における半導体レーザ素子を用いてレーザモジュールを組み立てる場合には、組み立てたレーザモジュールから出射する励起用レーザ光の波長を、ＥＤＦＡの狭い利得帯域に対応できる波長に特定することが必要になる。
レーザ素子からの発振波長の安定化に関しては、例えば、当該レーザ素子の出射端面（前端面）に、所定の反射帯域幅を有するファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating：ＦＢＧ）を光結合して動作させることの有効性が知られている。ＦＢＧは、波長選択機能と光帰還機能を備えているからである。
【０００５】
この場合、レーザ素子から出射したレーザ光のうち、特定波長帯域内にある一部分の光がＦＢＧで反射して戻り光となり、この戻り光が再びレーザ素子に帰還する。そして、この戻り光の作用によりレーザ素子から発振するレーザ光の波長、したがってレーザモジュールから出射していく励起用レーザ光の波長は、ＦＢＧの反射帯域幅内の特定された値で安定化する。
【０００６】
しかしながら、発振波長が９８０nm波長域にある代表的な半導体レーザ素子であるＧａＡｓ系レーザ素子の場合、ＦＢＧと光結合させてレーザモジュールを組み立てると、得られる励起用レーザ光の波長はＦＢＧの反射帯域幅内に存在しているとはいえ、その励起用レーザ光の光出力の時間的な変動は大きく、不安定な光出力状態を呈する。例えば、レーザ素子への注入電流が変動したり、または周辺温度が変化するなどして駆動状態の変化が起こっただけでも、レーザモジュールから出射してくる励起用レーザ光の光出力は不安定化する。
【０００７】
これは、ＧａＡｓ系レーザ素子の場合、発振縦モードが不安定になりやすく、その光出力は数％のオーダで変動しやすいからであると考えられる。
レーザモジュールから出射する励起用レーザ光における光出力の変動は、通常、０.５％以下におさめることが規格化されていることを考えると、上記した問題は不都合である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＧａＡｓ系レーザ素子における上記した問題を解決し、レーザモジュールに光源として組み込んだときに、そのレーザモジュールからは、光出力が安定している励起用レーザ光の出射を可能にするように設計されているＧａＡｓ系の半導体レーザ素子と、それを用いたレーザモジュールの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、出射する励起用レーザ光の波長が安定化していて、同時に光出力も安定化しているレーザモジュールを組み立てる場合には、それに光源として組み込まれるレーザ素子から発振するレーザ光は、その発振波長が特定波長で安定化しているとともに、その発振縦モードがマルチモード化していることが必要であると考えられる。そこで、本発明においては、
量子井戸構造から成る活性層を有する層構造を備え、かつ戻り光の作用により安定化した波長のレーザ光を発振し、その発振スペクトルはマルチモードであるファブリ・ペロー型の半導体レーザ素子であって、
井戸層１層当たりの光閉じ込め係数をΓ、井戸層１層の厚みをｄ（nm）としたとき、Γとｄの間では、次式：
Γ／ｄ≦１.３×１０-3nm-1
で示される関係が成立していることを特徴とする半導体レーザ素子が提供される。
【００１０】
具体的には、前記戻り光は、ＦＢＧを好適例とする光帰還機構からの戻り光であり、また、井戸層の１層の厚み（ｄ）は８.５nm以上であることを好適とする。また、前記活性層における障壁層の伝導帯のバンドギャップエネルギーと井戸層の伝導帯のバンドギャップエネルギーの差が１７０meV以下になっていることを好適とする半導体レーザ素子が提供される。
【００１１】
また、前記活性層の上方には電流ブロッキング層が配置されていて、高出力駆動時におけるホールバーニングの発生を抑制するために、その電流ブロッキング層のストライプ幅が、注入キャリアの分布領域が発振レーザ光のプロファイル領域の中に含まれているように最適化されており、具体的には、３.５μｍ以下であることを好適とする半導体レーザ素子が提供される。
【００１２】
そして、前記活性層を挟んで光閉じ込め層が形成されていて、前記活性層と前記光閉じ込め層の間には、前記活性層の障壁層と前記光閉じ込め層のそれぞれの伝導帯におけるバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するキャリアブロック層が介装されていることを好適とする半導体レーザ素子、または、
前記活性層を挟んで、前記活性層の障壁層の伝導帯におけるバンドギャップエネルギー以上のバンドギャップエネルギーを有する分離閉じ込め層が形成されている半導体レーザ素子が提供される。
【００１３】
また、本発明においては、上記した半導体レーザ素子の出射端面に光ファイバが光結合されていることを特徴とするレーザモジュールが提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のレーザ素子は次のような設計思想に基づいて開発されたものである。（１）まず、出射する励起用レーザ光の光出力が安定しているレーザモジュールに光源として組み込まれるレーザ素子にとって必要とされる条件は次のことである。すなわち、当該レーザ素子からの発振レーザ光の発振波長が安定化していることと、同時にその光出力の変動が抑制されていることである。
【００１５】
（２）発振波長の安定化という課題は、例えばレーザ素子とＦＢＧを組み合わせ、そのときの戻り光を再びレーザ素子に帰還させて実現することができる。また、発振レーザ光の光出力の変動を抑制するためには、その発振レーザ光の発振スペクトルがマルチモード化するように設計すればよい。
（３）そして、戻り光が帰還してくるレーザ素子の場合、コヒーレントコラプス現象が発現すると、当該レーザ素子からの発振レーザ光はマルチモード化することが知られている。
【００１６】
（４）したがって、レーザ素子の活性層構造において、上記したコヒーレントコラプス現象が発現しやすくなる因子を見出すことは、発振レーザ光のマルチモード化、すなわち発振レーザ光の光出力の安定化にとって重要であると考えられる。
従来、活性層構造の作成に関しては、発振したレーザ光を効率よく活性層内に閉じ込めるという設計思想を主流にしている。しかしながら、発振レーザ光のマルチモード化を意図した場合には、全く逆に、むしろ発振が起こりづらい活性層構造を設計することが重要であると考えられる。
【００１７】
（５）本発明者らは、この観点に立ち、各種のレーザ素子につき、その井戸層の厚み（ｄ）、その井戸層における光閉じ込め係数（Γ）と発振レーザ光のマルチモード化との相関関係につき検討を加えたところ、戻り光の帰還を前提にすると、Γ／ｄ値は、活性層を構成する半導体材料の種類とは関係なく、コヒーレントコラプス現象を律速する因子であるとの新たな知見を得るに至った。
【００１８】
（６）そして更に研究を重ねた結果、上記したコヒーレントコラプス現象は井戸層の厚みが厚いほど発現しやすく、また、井戸層のポテンシャル深さが浅いほど発現しやすいという事実も見出した。
そして、本発明者らは、以上の知見に基づき、更にレーザ素子を高出力動作させるためには、その共振器長が長い方が有利であるという公知の事実に依拠して、前記した構成の本発明の半導体レーザ素子を開発したのである。
【００１９】
次に、上記した設計思想に基づいて開発された本発明のレーザ素子について詳述する。
まず、本発明のレーザ素子の使用形態を図１に概略図として示す。
図１において、後述するレーザ素子Ａと光ファイバＢは、光結合手段である例えばレンズＣを介して互いの光軸を合致させた状態で光結合され、レーザモジュールが構成されている。そして、光ファイバＢには、例えば所定の反射帯域幅を有するＦＢＧ Ｂ1が形成されている。
【００２０】
レーザ素子Ａからの発振レーザ光は、レンズＣで集光され、光ファイバＢの端面に入射する。入射した発振レーザ光のうち、ＦＢＧ Ｂ1の反射帯域幅内に存在する発振波長のレーザ光のみが当該ＦＢＧ Ｂ1で反射し、それは戻り光となってレーザ素子Ａに帰還する。
そして、本発明においては、レーザ素子Ａが次に説明する構成になっているので、当該レーザ素子Ａからの発振レーザ光は、その発振波長が安定化しているとともに、その発振スペクトルがマルチモードになる。
【００２１】
ここで、好適な層構造を有する本発明のレーザ素子の１例Ａ1を図２に示す。このレーザ素子Ａ1はＳＡＳ構造（Self-aligned structure）になっていて、全体は所定の共振器長（Ｌ）を有するファブリ・ペロー型のレーザ素子である。このレーザ素子Ａ1は、図２で示したように、例えばｎ−ＧａＡｓから成る基板１の上に、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓから成る下部クラッド層２Ａが形成され、更にその上に、後述する層構造Ｄが形成されている。そして、その層構造Ｄの上に例えばｐ−ＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層２Ｂ、例えばｐ−ＧａＡｓから成るコンタクト層３が順次形成され、基板１の裏面にはｎ型電極４Ａが、コンタクト層３の上にはｐ型電極４Ｂがそれぞれ形成された構造になっている。
【００２２】
上記した層構造Ｄは、機能材料vol.17, No.8, pp２６〜３３（１９９７年、８月号）において、完全分離閉じ込め構造（Decoupled Confinement Heterostructure：ＤＣＨ構造）として提案されている層構造である。
すなわち、層構造Ｄは、例えばＩｎＧａＡｓから成る２個の井戸層５Ａ1，５Ａ2、および各井戸層の両側に位置して例えばＡｌＧａＡｓから成る３個の障壁層５Ｂ0，５Ｂ1，５Ｂ2で構成されている量子井戸構造の活性層５を有している。
【００２３】
そして、活性層５内で、その厚み方向における両端に位置している障壁層５Ｂ1，５Ｂ2のそれぞれの外側には、他の層に比べるとそのバンドギャップエネルギーが大きい後述するキャリアブロッキング層が配置され、更にその外側には、例えばｎ−ＧａＡｓから成る下部光閉じ込め層７Ａとｐ−ＧａＡｓから成る上部光閉じ込め層７Ｂがそれぞれ配置されている。ここで、活性層５内でその両端に位置する障壁層５Ｂ1，５Ｂ2のことをそれぞれサイド障壁層と呼ぶ。
【００２４】
具体的には、サイド障壁層５Ｂ1と下部光閉じ込め層７Ａの間には、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓから成る下部キャリアブロッキング層６Ａが介装され、サイド障壁層５Ｂ2と上部光閉じ込め層７Ｂの間には例えばｐ−ＡｌＧａＡｓから成る上部キャリアブロッキング層６Ｂが介装されている。
そして、上部光閉じ込め層７Ｂの中（図では厚みの中間の位置）には、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓから成り、あるストライプ幅（Ｗ）を有する電流ブロッキング層８が形成されていて、ｐ型電極４Ｂからのキャリアが効率よく活性層５に注入できるようになっている。
【００２５】
ここで、上記した層構造Ｄに関するバンド構造図の１例を概略図として図３に示す。
このようなバンド構造図で示される層構造Ｄの場合、活性層５に注入されたキャリアは両側に位置するキャリアブロッキング層６Ａ，６Ｂの高いバンドギャップにより外側に拡散することなく効率よく当該活性層５の中に閉じ込められてレーザ光の発振に寄与する。そして、発振レーザ光は、全体としてこのＤＣＨ構造内に閉じ込められて導波していく。したがって、このＤＣＨ構造において、キャリアブロッキング層６Ａ，６Ｂの両側に位置する光閉じ込め層７Ａ，７Ｂは光導波層でもある。
【００２６】
以上のような層構造を有する本発明のレーザ素子Ａ1において、上記したＤＣＨ構造は次のように設計されている。
（１）まず、井戸層５Ａ1，５Ａ2のそれぞれの厚みをいずれもｄ（nm）とし、また井戸層１層当たりの光閉じ込め係数をΓとしたとき、ｄ値とΓ値との間には、次式：
Γ／ｄ≦１.３×１０-3nm-1 ・・・（１）
で示される関係が成立するように設計されている。
この関係が成立しているときにはじめて、後述するように、レーザ素子Ａ1への注入電流の全てにおいて、発振レーザ光の発振スペクトルはマルチモード化し、その光出力が時間的に安定化する。
【００２７】
（２）なお、上記した（１）式が成立していることを前提としたうえで、井戸層５Ａ1，５Ａ2の厚み（ｄ）は８.５nm以上に設計されていることが好ましい。井戸層を上記した厚みにすると、形成される量子井戸には基底準位に加えて高次準位が存在するようになる。そして、ｐ型電極４Ｂから注入されたキャリアの一部は、上記した高次準位に捕獲され、その結果、電流注入量に対する正味の利得増加率は小さくなる。
【００２８】
このことは逆にいえば、戻り光に基づく発振利得の微小変化によるレーザ素子への擾乱が拡大され、より一層、コヒーレントコラプス現象が起こりやすくなるということである。
【００２９】
しかし、井戸層の厚みの上限は井戸層の形成に用いる半導体材料の臨界膜厚で規定されるが、その臨界膜厚より薄い場合であっても、あまり厚くすると第２量子準位の発振が起こりはじめて発振レーザ光の劣化を招くので、概ね、１２nm程度の厚みを上限とすることが好ましい。
この井戸層の厚み（ｄ）を決定すると、それに応じて、井戸層における光閉じ込め係数（Γ）が（１）式を満足するような適宜な値として決定され、それに基づいて井戸層の成膜時に用いる半導体材料の種類や組成などが選定される。
【００３０】
（３）同様の原理により、層構造Ｄの活性層５において、図３で示したように、障壁層５Ｂ0（５Ｂ1，５Ｂ2）の伝導帯のバンドギャップエネルギーと、井戸層５Ａ1（５Ａ2）の伝導帯バンドギャップエネルギーの差（ΔＥｃ）は、１７０meV以下となるように設計されていることが好ましい。
上記したΔＥｃに設計されている場合には、注入キャリアの一部は井戸層から障壁層へ溢れ出て、やはり正味の利得増加率が小さくなる。
【００３１】
しかしながら、ΔＥｃ値が小さすぎると、そもそも注入キャリアの効率的な再結合は起こらなくなるので、ΔＥｃ値の下限は９５meV程度に設定することが好ましい。
このためには、サイド障壁層５Ｂ1，５Ｂ2を、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘは０以上０.１未満の数）で形成すればよく、とくに、ＧａＡｓでサイド障壁層を形成することが好適である。
【００３２】
（４）なお、レーザ素子Ａ1の共振器長（Ｌ）は格別限定されるものではないが、高出力化を意図して、その共振器長（Ｌ）を１５００μｍ以上に設計することが好ましい。しかし、実際の素子製作上、３０００μｍを超える共振器長（Ｌ）のレーザ素子を製作することは、実際問題として困難であるため、共振器長（Ｌ）の上限は３０００μｍ程度にすることが好ましい。
【００３３】
（５）なお、本発明のレーザ素子の場合、電流ブロッキング層におけるストライプ幅が、発振レーザ光のプロファイル領域の中に注入キャリアの大部分が含まれるように最適化されている。具体的には、ストライプ幅は３.５μｍ以下に設計されている。その設計思想を以下に説明する。
本発明のレーザ素子における設計思想は、前記したように、活性層構造がレーザ発振しにくい構造となるように設計することにより、発振レーザ光のマルチモード化を実現しようとするものである。
【００３４】
その場合、上記した設計思想に基づくからこそ、製作するレーザ素子に関しては、高いキンク出力を保持せしめることに配慮することが必要になる。
例えば、本発明のレーザ素子のように、、Γ値が小さく、更にｄ値が大きく（井戸層が厚い）設計されている場合には、いわゆる発振しきいキャリア密度は高くなる。
【００３５】
そのため、層構造の詳細とは無関係に、キャリア密度の変動に対して相対的に屈折率変動が大きくなり、総じていわゆるホールバーニングは顕著になり、その結果、低出力駆動段階から横モードが不安定化して、キンク現象が発現しやすくなる。
このようなことから、本発明のレーザ素子においては、ホールバーニング現象への対応策が求められることになる。具体的には、活性層５の上方に配置されている電流ブロッキング層８のストライプ幅（Ｗ）を最適化してホールバーニング現象の発現が抑制される。
【００３６】
ところで、発振レーザ光のプロファイル領域の大小は、そのレーザ素子内に形成されているストライプ幅の広狭と、電流ブロッキング層の形成など、主にレーザ構造によって生ずるストライプ内部とそれ以外の領域との間の実効的な屈折率差で決定される。
そして、電流ブロッキング層を有する半導体レーザ素子の場合、電流ブロッキング層におけるストライプ幅は、一般的には、４〜６μｍ程度に設計されている。
【００３７】
しかしながら、IEEE, Photonics Technology Letters, vol.6, No.12, p1409〜p1411, 1994によれば、このような半導体レーザ素子の場合、注入キャリアは活性層の横方向に拡散し、そのキャリア分布領域が発振レーザ光のプロファイル領域よりも広くなってしまう。そして、このことを起点として、そのレーザ素子は、高出力駆動時に発振レーザ光のプロファイルが不安定になる。すなわち、そのレーザ素子の高出力特性が損なわれる。
【００３８】
このようなことから、高出力駆動時にあっても発振レーザ光のプロファイルを安定化するためには、発振レーザ光のプロファイル領域の方が注入キャリアの分布領域よりも広くなっていて、前者の中に後者が含まれているような状態を実現させれば、ホールバーニングは抑制され、高いキンク出力を実現することができるものと考えられる。
【００３９】
そして、このことは、電流ブロッキング層におけるストライプ幅を充分に狭くすることにより、注入したキャリアの分布領域を狭くすれば実現可能であると考えられる。
この観点に立ち、後述するように、ストライプ幅とキンク出力との関係を調べたところ、本発明のレーザ素子においては、ストライプ幅を３.５μｍ以下に設計すれば、例えば２００mW以上の高出力駆動時においても、ホールバーニングを抑制する点で好適であるとの事実を見出したのである。
【００４０】
なお、その場合、発振レーザ光のプロファイル領域の大きさを概略一定に保つために、ストライプ内部とそれ以外の領域の間の実効的な屈折率差を上記ストライプ幅に対応して適切に調節することが必要になる。
レーザ素子Ａ1の製作に関しては、以上列記した設計項目を満足するように、各層を形成する半導体材料が選定される。
【００４１】
その場合、使用可能な半導体材料としては、例えば、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＮＡｓ系などをあげることができ、これら材料の種類、組成、成膜時の厚みを適宜に選定し、上記した各設計項目が充足せしめられる。
なお、上記したレーザ素子Ａ1はその層構造ＤがＤＣＨ構造の場合であったが、本発明のレーザ素子はこれに限定されることなく、例えば図５で示した層構造を有するレーザ素子Ａ2であってもよい。
【００４２】
このレーザ素子Ａ2は、図４で示したように、上部がリッジ導波路形状になっていて、全体は所定の共振器長（Ｌ）を有している。そして、例えばｎ−ＧａＡｓから成る基板１０の上に、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓから成る下部クラッド層１１Ａが形成され、更にその上に後述する層構造Ｅが形成され、基板１０の裏面にはｎ型電極１２Ａが形成され、前記層構造Ｅの上面には例えば窒化ケイ素（ＳｉＮx）から成る保護膜１３が形成され、その開口にｐ型電極１２Ｂが形成されている。
【００４３】
層構造Ｅは、例えばＩｎＧａＡｓから成る３個の井戸層１４Ａ0，１４Ａ1，１４Ａ2、および各井戸層の両側に位置して例えばＧａＡｓＰから成る４個の障壁層１４Ｂ1，１４Ｂ2，１４Ｂ3，１４Ｂ4で構成されている量子井戸構造の活性層１４を有する。
そして、活性層１４の両端に位置する障壁層１４Ｂ1，１４Ｂ4の両側には、例えばＡｌＧａＡｓから成る下部光閉じ込め層１５ＡとＡｌＧａＡｓから成る上部光閉じ込め層１５Ｂがそれぞれ配置されている。
【００４４】
この層構造Ｅは分離閉じ込め構造（Seperated Confinement Heterostructure：ＳＣＨ構造）と呼ばれるものであって、その伝導帯のバンド構造図の１例を図５に示す。
本発明においては、このＳＣＨ構造を有するレーザ素子Ａ2の場合であっても、そのＳＣＨ構造は前記した設計項目を充足するように設計されている。
【００４５】
このレーザ素子Ａ2の場合は、各井戸層の厚み（ｄ）が発振レーザ光の発振スペクトルのマルチモード化を規定する主たる要因である。具体的には、各井戸層の厚み（ｄ）を厚くすることが、発振スペクトルのマルチモード化にとって有用である。
なお、このレーザ素子Ａ2の場合、リッジ導波路の幅を調整してｐ型電極１２Ｂからの注入電流を制御することができる。
【００４６】
以上説明したレーザ素子Ａ1，Ａ2を用いて本発明のレーザモジュールが組み立てられる。組み立てたレーザモジュールの１例を図６に示す。
このレーザモジュールでは、パッケージ２０の底板２０ａの上にレーザ素子Ａ1（Ａ2）を冷却するためのペルチェモジュール２１が配置され、更にペルチェモジュール２１の上には例えばコバールから成るベース材２２が配置されている。
【００４７】
ベース材２２の上には、チップキャリア２３を介してレーザ素子Ａ1（Ａ2）が配置され、このレーザ素子Ａ1（Ａ2）と光軸を一致させた状態で、ＦＢＧ２４ａを有する光ファイバ２４が光結合されている。
光ファイバ２４はファイバ固定部材２５でベース材２２の上に固定され、また、その出射端側はパッケージ２０の筒状孔部内に気密に取り付けられたスリーブ２６を介してパッケージ２０から引き出されている。
【００４８】
また、レーザ素子Ａ1（Ａ2）の背面側にはフォトダイオード２７が配置され、レーザモジュールの光出力の大小をモニタできるようになっている。
なお、レーザ素子と光ファイバとの光結合効率を高めるためには、光ファイバとしてその先端がレンズ形状になっているものを用いることが好ましいが、先端がレンズ形状でなくても、途中にレンズを介在させることにより両者間の光結合効率を高めることができる。
【００４９】
また、光ファイバとして楔形光ファイバを用いると、組み立てたレーザモジュールは、光結合効率が高く、また組み立てに要する部品点数も低減し、総合的な製造コストが低減する。
このレーザモジュールでは、光源であるレーザ素子Ａ1（Ａ2）が前記したように設計されているので、ＦＢＧ２４ａから帰還する戻り光を受けることにより、レーザ素子Ａ1（Ａ2）の発振レーザ光はその発振波長が安定化しており、かつその発振スペクトルはマルチモード化していて光出力の時間的変動がない。
【００５０】
したがって、このレーザモジュールでは、上記した発振レーザ光が光ファイバ２４を伝送されているので、その出射光の光出力は非常に安定化している。
【００５１】
【実施例】
実施例１〜３、比較例
（１）レーザ素子の構造
ＤＣＨ構造を有し、全体として、図２で示した層構造のレーザ素子Ａ1を製作した。このときの各層の仕様は表１に示したとおりである。なお、共振器長（Ｌ）はいずれも２１００μｍである。また、いずれのレーザ素子の場合も、前端面の反射率は２％、後端面の反射率は９６％に設定した。更に、電流ブロッキング層８におけるストライプ幅は、いずれも、３.２μｍに設定した。
【００５２】
【表１】
【００５３】
したがって、実施例１〜３、比較例の各レーザ素子におけるΓ値とΓ／ｄ値は表２で示した値となる。
【００５４】
【表２】
【００５５】
（２）レーザ素子の特性
各レーザ素子を用いて図６で示したレーザモジュールを組み立てた。
なお、レーザ素子に光結合されたＦＧＢは、反射率４％、反射帯域幅０.５nm、中心波長９７５nmの波長選択特性を有するように設計されているものである。
１．実施例２のレーザ素子が組み込まれているレーザモジュールでレーザ素子の電流−光出力特性を測定した。その結果を図７に示した。
図７から明らかなように、このレーザ素子は注入電流８００mAまで極めて安定した状態で高光出力のレーザ光を出射している。
【００５６】
２．つぎに、レーザ素子の注入電流を５mA間隔で増加させていき、その都度、レーザモジュールからの光出力（Ｐｆ）とモニタ光強度（Ｉｍ）を測定し、その変化率（％）を算出した。その結果を図８に示す。
図８から明らかなように、このレーザ素子は、注入電流が変化してもその光出力の変化率は０.５％以下であり、注入電流値に対する光出力の安定性は良好である。
【００５７】
３．レーザ素子への注入電流を変化させ、そのときに、素子駆動開始から５秒経過した時点における発振レーザ光の発振スペクトルを測定した。その結果を図９に示した。
図９から明らかなように、このレーザ素子は、注入電流の全ての値において、マルチモードで発振している。そこで、図９の発振スペクトルにおいて、そのピーク値から光出力で１０dB低い位置におけるスペクトル幅（nm）を読み取り、それを各注入電流に対してプロットした。その結果を図１０に示す。
なお、比較例のレーザ素子についても上記と同様にして発振スペクトルを測定し、同様にして１０dB低い位置におけるスペクトル幅を読み取り、それも図１０に示した。
【００５８】
図１０から明らかなように、実施例２のレーザ素子の場合は、注入電流が変化しても上記したスペクトル幅の変動は少なく、マルチモード発振が維持されている。これに反し、比較例のレーザ素子の場合は、そのスペクトル幅が大幅に変動し、しばしばシングルモード発振が現出している。
なお、実施例１，３のレーザ素子についても同様の試験を行ったところ、ほとんど同じ結果が得られた。
【００５９】
また、実施例２の層構造において、電流ブロッキング層８におけるストライプ幅を変化させてレーザ素子を製作した。これらレーザ素子の電流−光出力特性を測定してキンク出力（ＰK：mW）を調べた。
その結果を、ストライプ幅との関係図として図１１に示した。
なお、実施例１，３のレーザ素子の場合も、図１１とほとんど同じ結果が得られた。
【００６０】
実施例４
（１）レーザ素子の構造
ＳＣＨ構造を有し、全体として図４で示した層構造のレーザ素子Ａ2を製作した。このときの各層の仕様は表３に示したとおりである。なお、共振器長（Ｌ）は１５００μｍと２０００μｍの２種類とした。また、これらのレーザ素子の場合、前端面の反射率は１％、後端面の反射率は９２％に設定した。
【００６１】
【表３】
【００６２】
これらのレーザ素子における井戸層の光閉じ込め係数（Γ）は０.０１１である。したがって、Γ／ｄ値は１.２×１０-3nm-1になっている。
このレーザ素子についても、実施例１〜３の場合と同様にマルチモードで発振することを確認することができた。
【００６３】
実施例５〜１５
表１で示したＤＣＨ構造を有する実施例２の層構造において、井戸層の厚みを変えることによりΓ／ｄ値を変化させ、また共振器長（Ｌ）も変えて、表４，５で示した各種のレーザ素子を製作した。これらのレーザ素子を用いて実施例１〜３の場合と同様のレーザモジュールを組み立てた。
【００６４】
【表４】
【００６５】
【表５】
【００６６】
そして、レーザ素子を発振させてその発振レーザ光の発振スペクトルを測定し、マルチモード化の有無を観察した。実施例５〜１５のレーザ素子は全て図９で示したような発振スペクトルを示した。共振器長（Ｌ）とΓ／ｄ（×１０-3nm-1）を座標軸とする座標上にプロットした。以上の結果を図１２に示した。
【００６７】
図中、□印は実施例５、＋印は実施例６，１３、△印は実施例７，１０、×印は実施例８、＊印は実施例９、−印は実施例１１、○印は実施例１２、▲印は実施例１４、■印は実施例１５を示す。
なお、参考のために、実施例４のレーザ素子Ａ2の場合の結果も図１２で◆印として示した。
【００６８】
図１２から明らかなように、Γ／ｄ値が１.３×１０-3nm-1以下となるように設計されている各実施例のレーザ素子は、共振器長（Ｌ）の長短に無依存で、いずれも、図９で示したように、マルチモードで発振し、しかもその光出力は安定化している。このことから、発振スペクトルのマルチモード化、すなわち光出力の安定化を実現するためには、Γ／ｄ値を１.３×１０-3nm-1以下に設定することの有効性が明らかである。
【００６９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のレーザ素子は、戻り光の作用で発振波長が安定化し、また井戸層の光閉じ込め係数（Γ）とその厚み（ｄ）との関係を、戻り光とコピーレントコラプス現象が発現するように設計しているので、発振レーザ光の発振スペクトルはマルチモード化し、もってその光出力が安定化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ素子の使用形態を示す概略図である。
【図２】本発明のレーザ素子の１例Ａ1の層構造を示す断面図である。
【図３】レーザ素子Ａ1における層構造Ｄのバンド構造図の１例である。
【図４】本発明の別のレーザ素子Ａ2の層構造を示す斜視図である。
【図５】レーザ素子Ａ2における層構造Ｅのバンド構造図の１例である。
【図６】本発明のレーザモジュールの１例を示す断面図である。
【図７】実施例２のレーザ素子の電流−光出力特性図である。
【図８】実施例２のレーザ素子を組み込んだレーザモジュールのＰｆ変化率とＩｍ変化率を示すグラフである。
【図９】各注入電流における発振スペクトル図である。
【図１０】図９の発振スペクトル図から誘導された注入電流とスペクトル幅との関係を示すグラフである。
【図１１】 電流ブロッキング層のストライプ幅とキンク出力の関係を示すグラフである。
【図１２】マルチモード発振した実施例５〜１５の半導体レーザ素子における、共振器長（Ｌ）とΓ／ｄ値とを座標上にプロットしたグラフである。
【符号の説明】
１ 基板
２Ａ 下部クラッド層
２Ｂ 上部クラッド層
３ コンタクト層
４Ａ ｎ型電極
４Ｂ ｐ型電極
５ 活性層
５Ａ1，５Ａ2 井戸層
５Ｂ0 障壁層
５Ｂ1，５Ｂ2 サイド障壁層
６Ａ 下部キャリアブロック層
６Ｂ 上部キャリアブロック層
７Ａ 下部光閉じ込め層
７Ｂ 上部光閉じ込め層
８ 電流ブロッキング層
２０ パッケージ
２０ａ パッケージ２０の底板
２１ ペルチェモジュール
２２ ベース材
２３ チップキャリア
２４ 光ファイバ
２４ａ ＦＢＧ
２５ ファイバ固定材
２６ スリーブ
２７ フォトダイオード
【発明の属する技術分野】
本発明はファブリ・ペロー型の半導体レーザ素子とそれを用いて組み立てられたレーザモジュールに関し、更に詳しくは、戻り光を受けて動作することにより、その発振スペクトルがマルチモードであるレーザ光を発振する半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）通信方式が複数の信号光を伝送する光通信システムとして発展している。このシステムでは、光線路の所定箇所に例えばＥｒドープ光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）を配置し、ここに半導体レーザ素子を励起用光源とするポンピングレーザモジュールを接続し、このレーザモジュールから励起用レーザ光を前記ＥＤＦＡに入射して、信号光源から伝送されてきた信号光を光増幅することにより、光増幅した信号光を再び下流側へ伝送する。
【０００３】
その場合、レーザモジュールに組み込まれている半導体レーザ素子に対しては、信号光源の光出力の変動に追随して注入電流値を変化させることにより、レーザモジュールから出射する励起用レーザ光の光出力が安定化するような処置が採られている。
発振波長が１４８０nm波長域にある半導体レーザ素子の場合はＥＤＦＡにおける利得帯域が広いので上記したような処置は有効である。しかしながら、発振波長が９８０nm波長域にある半導体レーザ素子の場合には、ＥＤＦＡにおける利得帯域が狭いので、上記したような処置を採用することはできない。
【０００４】
このようなことから、発振波長が９８０nm波長域における半導体レーザ素子を用いてレーザモジュールを組み立てる場合には、組み立てたレーザモジュールから出射する励起用レーザ光の波長を、ＥＤＦＡの狭い利得帯域に対応できる波長に特定することが必要になる。
レーザ素子からの発振波長の安定化に関しては、例えば、当該レーザ素子の出射端面（前端面）に、所定の反射帯域幅を有するファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating：ＦＢＧ）を光結合して動作させることの有効性が知られている。ＦＢＧは、波長選択機能と光帰還機能を備えているからである。
【０００５】
この場合、レーザ素子から出射したレーザ光のうち、特定波長帯域内にある一部分の光がＦＢＧで反射して戻り光となり、この戻り光が再びレーザ素子に帰還する。そして、この戻り光の作用によりレーザ素子から発振するレーザ光の波長、したがってレーザモジュールから出射していく励起用レーザ光の波長は、ＦＢＧの反射帯域幅内の特定された値で安定化する。
【０００６】
しかしながら、発振波長が９８０nm波長域にある代表的な半導体レーザ素子であるＧａＡｓ系レーザ素子の場合、ＦＢＧと光結合させてレーザモジュールを組み立てると、得られる励起用レーザ光の波長はＦＢＧの反射帯域幅内に存在しているとはいえ、その励起用レーザ光の光出力の時間的な変動は大きく、不安定な光出力状態を呈する。例えば、レーザ素子への注入電流が変動したり、または周辺温度が変化するなどして駆動状態の変化が起こっただけでも、レーザモジュールから出射してくる励起用レーザ光の光出力は不安定化する。
【０００７】
これは、ＧａＡｓ系レーザ素子の場合、発振縦モードが不安定になりやすく、その光出力は数％のオーダで変動しやすいからであると考えられる。
レーザモジュールから出射する励起用レーザ光における光出力の変動は、通常、０.５％以下におさめることが規格化されていることを考えると、上記した問題は不都合である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＧａＡｓ系レーザ素子における上記した問題を解決し、レーザモジュールに光源として組み込んだときに、そのレーザモジュールからは、光出力が安定している励起用レーザ光の出射を可能にするように設計されているＧａＡｓ系の半導体レーザ素子と、それを用いたレーザモジュールの提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、出射する励起用レーザ光の波長が安定化していて、同時に光出力も安定化しているレーザモジュールを組み立てる場合には、それに光源として組み込まれるレーザ素子から発振するレーザ光は、その発振波長が特定波長で安定化しているとともに、その発振縦モードがマルチモード化していることが必要であると考えられる。そこで、本発明においては、
量子井戸構造から成る活性層を有する層構造を備え、かつ戻り光の作用により安定化した波長のレーザ光を発振し、その発振スペクトルはマルチモードであるファブリ・ペロー型の半導体レーザ素子であって、
井戸層１層当たりの光閉じ込め係数をΓ、井戸層１層の厚みをｄ（nm）としたとき、Γとｄの間では、次式：
Γ／ｄ≦１.３×１０-3nm-1
で示される関係が成立していることを特徴とする半導体レーザ素子が提供される。
【００１０】
具体的には、前記戻り光は、ＦＢＧを好適例とする光帰還機構からの戻り光であり、また、井戸層の１層の厚み（ｄ）は８.５nm以上であることを好適とする。また、前記活性層における障壁層の伝導帯のバンドギャップエネルギーと井戸層の伝導帯のバンドギャップエネルギーの差が１７０meV以下になっていることを好適とする半導体レーザ素子が提供される。
【００１１】
また、前記活性層の上方には電流ブロッキング層が配置されていて、高出力駆動時におけるホールバーニングの発生を抑制するために、その電流ブロッキング層のストライプ幅が、注入キャリアの分布領域が発振レーザ光のプロファイル領域の中に含まれているように最適化されており、具体的には、３.５μｍ以下であることを好適とする半導体レーザ素子が提供される。
【００１２】
そして、前記活性層を挟んで光閉じ込め層が形成されていて、前記活性層と前記光閉じ込め層の間には、前記活性層の障壁層と前記光閉じ込め層のそれぞれの伝導帯におけるバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するキャリアブロック層が介装されていることを好適とする半導体レーザ素子、または、
前記活性層を挟んで、前記活性層の障壁層の伝導帯におけるバンドギャップエネルギー以上のバンドギャップエネルギーを有する分離閉じ込め層が形成されている半導体レーザ素子が提供される。
【００１３】
また、本発明においては、上記した半導体レーザ素子の出射端面に光ファイバが光結合されていることを特徴とするレーザモジュールが提供される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明のレーザ素子は次のような設計思想に基づいて開発されたものである。（１）まず、出射する励起用レーザ光の光出力が安定しているレーザモジュールに光源として組み込まれるレーザ素子にとって必要とされる条件は次のことである。すなわち、当該レーザ素子からの発振レーザ光の発振波長が安定化していることと、同時にその光出力の変動が抑制されていることである。
【００１５】
（２）発振波長の安定化という課題は、例えばレーザ素子とＦＢＧを組み合わせ、そのときの戻り光を再びレーザ素子に帰還させて実現することができる。また、発振レーザ光の光出力の変動を抑制するためには、その発振レーザ光の発振スペクトルがマルチモード化するように設計すればよい。
（３）そして、戻り光が帰還してくるレーザ素子の場合、コヒーレントコラプス現象が発現すると、当該レーザ素子からの発振レーザ光はマルチモード化することが知られている。
【００１６】
（４）したがって、レーザ素子の活性層構造において、上記したコヒーレントコラプス現象が発現しやすくなる因子を見出すことは、発振レーザ光のマルチモード化、すなわち発振レーザ光の光出力の安定化にとって重要であると考えられる。
従来、活性層構造の作成に関しては、発振したレーザ光を効率よく活性層内に閉じ込めるという設計思想を主流にしている。しかしながら、発振レーザ光のマルチモード化を意図した場合には、全く逆に、むしろ発振が起こりづらい活性層構造を設計することが重要であると考えられる。
【００１７】
（５）本発明者らは、この観点に立ち、各種のレーザ素子につき、その井戸層の厚み（ｄ）、その井戸層における光閉じ込め係数（Γ）と発振レーザ光のマルチモード化との相関関係につき検討を加えたところ、戻り光の帰還を前提にすると、Γ／ｄ値は、活性層を構成する半導体材料の種類とは関係なく、コヒーレントコラプス現象を律速する因子であるとの新たな知見を得るに至った。
【００１８】
（６）そして更に研究を重ねた結果、上記したコヒーレントコラプス現象は井戸層の厚みが厚いほど発現しやすく、また、井戸層のポテンシャル深さが浅いほど発現しやすいという事実も見出した。
そして、本発明者らは、以上の知見に基づき、更にレーザ素子を高出力動作させるためには、その共振器長が長い方が有利であるという公知の事実に依拠して、前記した構成の本発明の半導体レーザ素子を開発したのである。
【００１９】
次に、上記した設計思想に基づいて開発された本発明のレーザ素子について詳述する。
まず、本発明のレーザ素子の使用形態を図１に概略図として示す。
図１において、後述するレーザ素子Ａと光ファイバＢは、光結合手段である例えばレンズＣを介して互いの光軸を合致させた状態で光結合され、レーザモジュールが構成されている。そして、光ファイバＢには、例えば所定の反射帯域幅を有するＦＢＧ Ｂ1が形成されている。
【００２０】
レーザ素子Ａからの発振レーザ光は、レンズＣで集光され、光ファイバＢの端面に入射する。入射した発振レーザ光のうち、ＦＢＧ Ｂ1の反射帯域幅内に存在する発振波長のレーザ光のみが当該ＦＢＧ Ｂ1で反射し、それは戻り光となってレーザ素子Ａに帰還する。
そして、本発明においては、レーザ素子Ａが次に説明する構成になっているので、当該レーザ素子Ａからの発振レーザ光は、その発振波長が安定化しているとともに、その発振スペクトルがマルチモードになる。
【００２１】
ここで、好適な層構造を有する本発明のレーザ素子の１例Ａ1を図２に示す。このレーザ素子Ａ1はＳＡＳ構造（Self-aligned structure）になっていて、全体は所定の共振器長（Ｌ）を有するファブリ・ペロー型のレーザ素子である。このレーザ素子Ａ1は、図２で示したように、例えばｎ−ＧａＡｓから成る基板１の上に、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓから成る下部クラッド層２Ａが形成され、更にその上に、後述する層構造Ｄが形成されている。そして、その層構造Ｄの上に例えばｐ−ＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層２Ｂ、例えばｐ−ＧａＡｓから成るコンタクト層３が順次形成され、基板１の裏面にはｎ型電極４Ａが、コンタクト層３の上にはｐ型電極４Ｂがそれぞれ形成された構造になっている。
【００２２】
上記した層構造Ｄは、機能材料vol.17, No.8, pp２６〜３３（１９９７年、８月号）において、完全分離閉じ込め構造（Decoupled Confinement Heterostructure：ＤＣＨ構造）として提案されている層構造である。
すなわち、層構造Ｄは、例えばＩｎＧａＡｓから成る２個の井戸層５Ａ1，５Ａ2、および各井戸層の両側に位置して例えばＡｌＧａＡｓから成る３個の障壁層５Ｂ0，５Ｂ1，５Ｂ2で構成されている量子井戸構造の活性層５を有している。
【００２３】
そして、活性層５内で、その厚み方向における両端に位置している障壁層５Ｂ1，５Ｂ2のそれぞれの外側には、他の層に比べるとそのバンドギャップエネルギーが大きい後述するキャリアブロッキング層が配置され、更にその外側には、例えばｎ−ＧａＡｓから成る下部光閉じ込め層７Ａとｐ−ＧａＡｓから成る上部光閉じ込め層７Ｂがそれぞれ配置されている。ここで、活性層５内でその両端に位置する障壁層５Ｂ1，５Ｂ2のことをそれぞれサイド障壁層と呼ぶ。
【００２４】
具体的には、サイド障壁層５Ｂ1と下部光閉じ込め層７Ａの間には、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓから成る下部キャリアブロッキング層６Ａが介装され、サイド障壁層５Ｂ2と上部光閉じ込め層７Ｂの間には例えばｐ−ＡｌＧａＡｓから成る上部キャリアブロッキング層６Ｂが介装されている。
そして、上部光閉じ込め層７Ｂの中（図では厚みの中間の位置）には、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓから成り、あるストライプ幅（Ｗ）を有する電流ブロッキング層８が形成されていて、ｐ型電極４Ｂからのキャリアが効率よく活性層５に注入できるようになっている。
【００２５】
ここで、上記した層構造Ｄに関するバンド構造図の１例を概略図として図３に示す。
このようなバンド構造図で示される層構造Ｄの場合、活性層５に注入されたキャリアは両側に位置するキャリアブロッキング層６Ａ，６Ｂの高いバンドギャップにより外側に拡散することなく効率よく当該活性層５の中に閉じ込められてレーザ光の発振に寄与する。そして、発振レーザ光は、全体としてこのＤＣＨ構造内に閉じ込められて導波していく。したがって、このＤＣＨ構造において、キャリアブロッキング層６Ａ，６Ｂの両側に位置する光閉じ込め層７Ａ，７Ｂは光導波層でもある。
【００２６】
以上のような層構造を有する本発明のレーザ素子Ａ1において、上記したＤＣＨ構造は次のように設計されている。
（１）まず、井戸層５Ａ1，５Ａ2のそれぞれの厚みをいずれもｄ（nm）とし、また井戸層１層当たりの光閉じ込め係数をΓとしたとき、ｄ値とΓ値との間には、次式：
Γ／ｄ≦１.３×１０-3nm-1 ・・・（１）
で示される関係が成立するように設計されている。
この関係が成立しているときにはじめて、後述するように、レーザ素子Ａ1への注入電流の全てにおいて、発振レーザ光の発振スペクトルはマルチモード化し、その光出力が時間的に安定化する。
【００２７】
（２）なお、上記した（１）式が成立していることを前提としたうえで、井戸層５Ａ1，５Ａ2の厚み（ｄ）は８.５nm以上に設計されていることが好ましい。井戸層を上記した厚みにすると、形成される量子井戸には基底準位に加えて高次準位が存在するようになる。そして、ｐ型電極４Ｂから注入されたキャリアの一部は、上記した高次準位に捕獲され、その結果、電流注入量に対する正味の利得増加率は小さくなる。
【００２８】
このことは逆にいえば、戻り光に基づく発振利得の微小変化によるレーザ素子への擾乱が拡大され、より一層、コヒーレントコラプス現象が起こりやすくなるということである。
【００２９】
しかし、井戸層の厚みの上限は井戸層の形成に用いる半導体材料の臨界膜厚で規定されるが、その臨界膜厚より薄い場合であっても、あまり厚くすると第２量子準位の発振が起こりはじめて発振レーザ光の劣化を招くので、概ね、１２nm程度の厚みを上限とすることが好ましい。
この井戸層の厚み（ｄ）を決定すると、それに応じて、井戸層における光閉じ込め係数（Γ）が（１）式を満足するような適宜な値として決定され、それに基づいて井戸層の成膜時に用いる半導体材料の種類や組成などが選定される。
【００３０】
（３）同様の原理により、層構造Ｄの活性層５において、図３で示したように、障壁層５Ｂ0（５Ｂ1，５Ｂ2）の伝導帯のバンドギャップエネルギーと、井戸層５Ａ1（５Ａ2）の伝導帯バンドギャップエネルギーの差（ΔＥｃ）は、１７０meV以下となるように設計されていることが好ましい。
上記したΔＥｃに設計されている場合には、注入キャリアの一部は井戸層から障壁層へ溢れ出て、やはり正味の利得増加率が小さくなる。
【００３１】
しかしながら、ΔＥｃ値が小さすぎると、そもそも注入キャリアの効率的な再結合は起こらなくなるので、ΔＥｃ値の下限は９５meV程度に設定することが好ましい。
このためには、サイド障壁層５Ｂ1，５Ｂ2を、ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘは０以上０.１未満の数）で形成すればよく、とくに、ＧａＡｓでサイド障壁層を形成することが好適である。
【００３２】
（４）なお、レーザ素子Ａ1の共振器長（Ｌ）は格別限定されるものではないが、高出力化を意図して、その共振器長（Ｌ）を１５００μｍ以上に設計することが好ましい。しかし、実際の素子製作上、３０００μｍを超える共振器長（Ｌ）のレーザ素子を製作することは、実際問題として困難であるため、共振器長（Ｌ）の上限は３０００μｍ程度にすることが好ましい。
【００３３】
（５）なお、本発明のレーザ素子の場合、電流ブロッキング層におけるストライプ幅が、発振レーザ光のプロファイル領域の中に注入キャリアの大部分が含まれるように最適化されている。具体的には、ストライプ幅は３.５μｍ以下に設計されている。その設計思想を以下に説明する。
本発明のレーザ素子における設計思想は、前記したように、活性層構造がレーザ発振しにくい構造となるように設計することにより、発振レーザ光のマルチモード化を実現しようとするものである。
【００３４】
その場合、上記した設計思想に基づくからこそ、製作するレーザ素子に関しては、高いキンク出力を保持せしめることに配慮することが必要になる。
例えば、本発明のレーザ素子のように、、Γ値が小さく、更にｄ値が大きく（井戸層が厚い）設計されている場合には、いわゆる発振しきいキャリア密度は高くなる。
【００３５】
そのため、層構造の詳細とは無関係に、キャリア密度の変動に対して相対的に屈折率変動が大きくなり、総じていわゆるホールバーニングは顕著になり、その結果、低出力駆動段階から横モードが不安定化して、キンク現象が発現しやすくなる。
このようなことから、本発明のレーザ素子においては、ホールバーニング現象への対応策が求められることになる。具体的には、活性層５の上方に配置されている電流ブロッキング層８のストライプ幅（Ｗ）を最適化してホールバーニング現象の発現が抑制される。
【００３６】
ところで、発振レーザ光のプロファイル領域の大小は、そのレーザ素子内に形成されているストライプ幅の広狭と、電流ブロッキング層の形成など、主にレーザ構造によって生ずるストライプ内部とそれ以外の領域との間の実効的な屈折率差で決定される。
そして、電流ブロッキング層を有する半導体レーザ素子の場合、電流ブロッキング層におけるストライプ幅は、一般的には、４〜６μｍ程度に設計されている。
【００３７】
しかしながら、IEEE, Photonics Technology Letters, vol.6, No.12, p1409〜p1411, 1994によれば、このような半導体レーザ素子の場合、注入キャリアは活性層の横方向に拡散し、そのキャリア分布領域が発振レーザ光のプロファイル領域よりも広くなってしまう。そして、このことを起点として、そのレーザ素子は、高出力駆動時に発振レーザ光のプロファイルが不安定になる。すなわち、そのレーザ素子の高出力特性が損なわれる。
【００３８】
このようなことから、高出力駆動時にあっても発振レーザ光のプロファイルを安定化するためには、発振レーザ光のプロファイル領域の方が注入キャリアの分布領域よりも広くなっていて、前者の中に後者が含まれているような状態を実現させれば、ホールバーニングは抑制され、高いキンク出力を実現することができるものと考えられる。
【００３９】
そして、このことは、電流ブロッキング層におけるストライプ幅を充分に狭くすることにより、注入したキャリアの分布領域を狭くすれば実現可能であると考えられる。
この観点に立ち、後述するように、ストライプ幅とキンク出力との関係を調べたところ、本発明のレーザ素子においては、ストライプ幅を３.５μｍ以下に設計すれば、例えば２００mW以上の高出力駆動時においても、ホールバーニングを抑制する点で好適であるとの事実を見出したのである。
【００４０】
なお、その場合、発振レーザ光のプロファイル領域の大きさを概略一定に保つために、ストライプ内部とそれ以外の領域の間の実効的な屈折率差を上記ストライプ幅に対応して適切に調節することが必要になる。
レーザ素子Ａ1の製作に関しては、以上列記した設計項目を満足するように、各層を形成する半導体材料が選定される。
【００４１】
その場合、使用可能な半導体材料としては、例えば、ＧａＡｓ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＮＡｓ系などをあげることができ、これら材料の種類、組成、成膜時の厚みを適宜に選定し、上記した各設計項目が充足せしめられる。
なお、上記したレーザ素子Ａ1はその層構造ＤがＤＣＨ構造の場合であったが、本発明のレーザ素子はこれに限定されることなく、例えば図５で示した層構造を有するレーザ素子Ａ2であってもよい。
【００４２】
このレーザ素子Ａ2は、図４で示したように、上部がリッジ導波路形状になっていて、全体は所定の共振器長（Ｌ）を有している。そして、例えばｎ−ＧａＡｓから成る基板１０の上に、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓから成る下部クラッド層１１Ａが形成され、更にその上に後述する層構造Ｅが形成され、基板１０の裏面にはｎ型電極１２Ａが形成され、前記層構造Ｅの上面には例えば窒化ケイ素（ＳｉＮx）から成る保護膜１３が形成され、その開口にｐ型電極１２Ｂが形成されている。
【００４３】
層構造Ｅは、例えばＩｎＧａＡｓから成る３個の井戸層１４Ａ0，１４Ａ1，１４Ａ2、および各井戸層の両側に位置して例えばＧａＡｓＰから成る４個の障壁層１４Ｂ1，１４Ｂ2，１４Ｂ3，１４Ｂ4で構成されている量子井戸構造の活性層１４を有する。
そして、活性層１４の両端に位置する障壁層１４Ｂ1，１４Ｂ4の両側には、例えばＡｌＧａＡｓから成る下部光閉じ込め層１５ＡとＡｌＧａＡｓから成る上部光閉じ込め層１５Ｂがそれぞれ配置されている。
【００４４】
この層構造Ｅは分離閉じ込め構造（Seperated Confinement Heterostructure：ＳＣＨ構造）と呼ばれるものであって、その伝導帯のバンド構造図の１例を図５に示す。
本発明においては、このＳＣＨ構造を有するレーザ素子Ａ2の場合であっても、そのＳＣＨ構造は前記した設計項目を充足するように設計されている。
【００４５】
このレーザ素子Ａ2の場合は、各井戸層の厚み（ｄ）が発振レーザ光の発振スペクトルのマルチモード化を規定する主たる要因である。具体的には、各井戸層の厚み（ｄ）を厚くすることが、発振スペクトルのマルチモード化にとって有用である。
なお、このレーザ素子Ａ2の場合、リッジ導波路の幅を調整してｐ型電極１２Ｂからの注入電流を制御することができる。
【００４６】
以上説明したレーザ素子Ａ1，Ａ2を用いて本発明のレーザモジュールが組み立てられる。組み立てたレーザモジュールの１例を図６に示す。
このレーザモジュールでは、パッケージ２０の底板２０ａの上にレーザ素子Ａ1（Ａ2）を冷却するためのペルチェモジュール２１が配置され、更にペルチェモジュール２１の上には例えばコバールから成るベース材２２が配置されている。
【００４７】
ベース材２２の上には、チップキャリア２３を介してレーザ素子Ａ1（Ａ2）が配置され、このレーザ素子Ａ1（Ａ2）と光軸を一致させた状態で、ＦＢＧ２４ａを有する光ファイバ２４が光結合されている。
光ファイバ２４はファイバ固定部材２５でベース材２２の上に固定され、また、その出射端側はパッケージ２０の筒状孔部内に気密に取り付けられたスリーブ２６を介してパッケージ２０から引き出されている。
【００４８】
また、レーザ素子Ａ1（Ａ2）の背面側にはフォトダイオード２７が配置され、レーザモジュールの光出力の大小をモニタできるようになっている。
なお、レーザ素子と光ファイバとの光結合効率を高めるためには、光ファイバとしてその先端がレンズ形状になっているものを用いることが好ましいが、先端がレンズ形状でなくても、途中にレンズを介在させることにより両者間の光結合効率を高めることができる。
【００４９】
また、光ファイバとして楔形光ファイバを用いると、組み立てたレーザモジュールは、光結合効率が高く、また組み立てに要する部品点数も低減し、総合的な製造コストが低減する。
このレーザモジュールでは、光源であるレーザ素子Ａ1（Ａ2）が前記したように設計されているので、ＦＢＧ２４ａから帰還する戻り光を受けることにより、レーザ素子Ａ1（Ａ2）の発振レーザ光はその発振波長が安定化しており、かつその発振スペクトルはマルチモード化していて光出力の時間的変動がない。
【００５０】
したがって、このレーザモジュールでは、上記した発振レーザ光が光ファイバ２４を伝送されているので、その出射光の光出力は非常に安定化している。
【００５１】
【実施例】
実施例１〜３、比較例
（１）レーザ素子の構造
ＤＣＨ構造を有し、全体として、図２で示した層構造のレーザ素子Ａ1を製作した。このときの各層の仕様は表１に示したとおりである。なお、共振器長（Ｌ）はいずれも２１００μｍである。また、いずれのレーザ素子の場合も、前端面の反射率は２％、後端面の反射率は９６％に設定した。更に、電流ブロッキング層８におけるストライプ幅は、いずれも、３.２μｍに設定した。
【００５２】
【表１】
したがって、実施例１〜３、比較例の各レーザ素子におけるΓ値とΓ／ｄ値は表２で示した値となる。
【００５４】
【表２】
（２）レーザ素子の特性
各レーザ素子を用いて図６で示したレーザモジュールを組み立てた。
なお、レーザ素子に光結合されたＦＧＢは、反射率４％、反射帯域幅０.５nm、中心波長９７５nmの波長選択特性を有するように設計されているものである。
１．実施例２のレーザ素子が組み込まれているレーザモジュールでレーザ素子の電流−光出力特性を測定した。その結果を図７に示した。
図７から明らかなように、このレーザ素子は注入電流８００mAまで極めて安定した状態で高光出力のレーザ光を出射している。
【００５６】
２．つぎに、レーザ素子の注入電流を５mA間隔で増加させていき、その都度、レーザモジュールからの光出力（Ｐｆ）とモニタ光強度（Ｉｍ）を測定し、その変化率（％）を算出した。その結果を図８に示す。
図８から明らかなように、このレーザ素子は、注入電流が変化してもその光出力の変化率は０.５％以下であり、注入電流値に対する光出力の安定性は良好である。
【００５７】
３．レーザ素子への注入電流を変化させ、そのときに、素子駆動開始から５秒経過した時点における発振レーザ光の発振スペクトルを測定した。その結果を図９に示した。
図９から明らかなように、このレーザ素子は、注入電流の全ての値において、マルチモードで発振している。そこで、図９の発振スペクトルにおいて、そのピーク値から光出力で１０dB低い位置におけるスペクトル幅（nm）を読み取り、それを各注入電流に対してプロットした。その結果を図１０に示す。
なお、比較例のレーザ素子についても上記と同様にして発振スペクトルを測定し、同様にして１０dB低い位置におけるスペクトル幅を読み取り、それも図１０に示した。
【００５８】
図１０から明らかなように、実施例２のレーザ素子の場合は、注入電流が変化しても上記したスペクトル幅の変動は少なく、マルチモード発振が維持されている。これに反し、比較例のレーザ素子の場合は、そのスペクトル幅が大幅に変動し、しばしばシングルモード発振が現出している。
なお、実施例１，３のレーザ素子についても同様の試験を行ったところ、ほとんど同じ結果が得られた。
【００５９】
また、実施例２の層構造において、電流ブロッキング層８におけるストライプ幅を変化させてレーザ素子を製作した。これらレーザ素子の電流−光出力特性を測定してキンク出力（ＰK：mW）を調べた。
その結果を、ストライプ幅との関係図として図１１に示した。
なお、実施例１，３のレーザ素子の場合も、図１１とほとんど同じ結果が得られた。
【００６０】
実施例４
（１）レーザ素子の構造
ＳＣＨ構造を有し、全体として図４で示した層構造のレーザ素子Ａ2を製作した。このときの各層の仕様は表３に示したとおりである。なお、共振器長（Ｌ）は１５００μｍと２０００μｍの２種類とした。また、これらのレーザ素子の場合、前端面の反射率は１％、後端面の反射率は９２％に設定した。
【００６１】
【表３】
これらのレーザ素子における井戸層の光閉じ込め係数（Γ）は０.０１１である。したがって、Γ／ｄ値は１.２×１０-3nm-1になっている。
このレーザ素子についても、実施例１〜３の場合と同様にマルチモードで発振することを確認することができた。
【００６３】
実施例５〜１５
表１で示したＤＣＨ構造を有する実施例２の層構造において、井戸層の厚みを変えることによりΓ／ｄ値を変化させ、また共振器長（Ｌ）も変えて、表４，５で示した各種のレーザ素子を製作した。これらのレーザ素子を用いて実施例１〜３の場合と同様のレーザモジュールを組み立てた。
【００６４】
【表４】
【表５】
そして、レーザ素子を発振させてその発振レーザ光の発振スペクトルを測定し、マルチモード化の有無を観察した。実施例５〜１５のレーザ素子は全て図９で示したような発振スペクトルを示した。共振器長（Ｌ）とΓ／ｄ（×１０-3nm-1）を座標軸とする座標上にプロットした。以上の結果を図１２に示した。
【００６７】
図中、□印は実施例５、＋印は実施例６，１３、△印は実施例７，１０、×印は実施例８、＊印は実施例９、−印は実施例１１、○印は実施例１２、▲印は実施例１４、■印は実施例１５を示す。
なお、参考のために、実施例４のレーザ素子Ａ2の場合の結果も図１２で◆印として示した。
【００６８】
図１２から明らかなように、Γ／ｄ値が１.３×１０-3nm-1以下となるように設計されている各実施例のレーザ素子は、共振器長（Ｌ）の長短に無依存で、いずれも、図９で示したように、マルチモードで発振し、しかもその光出力は安定化している。このことから、発振スペクトルのマルチモード化、すなわち光出力の安定化を実現するためには、Γ／ｄ値を１.３×１０-3nm-1以下に設定することの有効性が明らかである。
【００６９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のレーザ素子は、戻り光の作用で発振波長が安定化し、また井戸層の光閉じ込め係数（Γ）とその厚み（ｄ）との関係を、戻り光とコピーレントコラプス現象が発現するように設計しているので、発振レーザ光の発振スペクトルはマルチモード化し、もってその光出力が安定化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ素子の使用形態を示す概略図である。
【図２】本発明のレーザ素子の１例Ａ1の層構造を示す断面図である。
【図３】レーザ素子Ａ1における層構造Ｄのバンド構造図の１例である。
【図４】本発明の別のレーザ素子Ａ2の層構造を示す斜視図である。
【図５】レーザ素子Ａ2における層構造Ｅのバンド構造図の１例である。
【図６】本発明のレーザモジュールの１例を示す断面図である。
【図７】実施例２のレーザ素子の電流−光出力特性図である。
【図８】実施例２のレーザ素子を組み込んだレーザモジュールのＰｆ変化率とＩｍ変化率を示すグラフである。
【図９】各注入電流における発振スペクトル図である。
【図１０】図９の発振スペクトル図から誘導された注入電流とスペクトル幅との関係を示すグラフである。
【図１１】 電流ブロッキング層のストライプ幅とキンク出力の関係を示すグラフである。
【図１２】マルチモード発振した実施例５〜１５の半導体レーザ素子における、共振器長（Ｌ）とΓ／ｄ値とを座標上にプロットしたグラフである。
【符号の説明】
１ 基板
２Ａ 下部クラッド層
２Ｂ 上部クラッド層
３ コンタクト層
４Ａ ｎ型電極
４Ｂ ｐ型電極
５ 活性層
５Ａ1，５Ａ2 井戸層
５Ｂ0 障壁層
５Ｂ1，５Ｂ2 サイド障壁層
６Ａ 下部キャリアブロック層
６Ｂ 上部キャリアブロック層
７Ａ 下部光閉じ込め層
７Ｂ 上部光閉じ込め層
８ 電流ブロッキング層
２０ パッケージ
２０ａ パッケージ２０の底板
２１ ペルチェモジュール
２２ ベース材
２３ チップキャリア
２４ 光ファイバ
２４ａ ＦＢＧ
２５ ファイバ固定材
２６ スリーブ
２７ フォトダイオード
Claims (8)
- 量子井戸構造から成る活性層を有する層構造を備え、かつ戻り光の作用により安定化した波長のレーザ光を発振し、その発振スペクトルはマルチモードであるファブリ・ペロー型の半導体レーザ素子であって、
前記井戸層１層当たりの光閉じ込め係数をΓ、井戸層の厚みをｄ（nm）としたとき、Γとｄの間では、次式：
Γ／ｄ≦１.３×１０-3nm-1
で示される関係が成立していることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 前記戻り光は、光帰還機構からの戻り光である請求項１の半導体レーザ素子。
- 前記光帰還機構が、ファイバブラッググレーティングである請求項２の半導体レーザ素子。
- 前記活性層における井戸層の１層の厚みは８.５nm以上である請求項１の半導体レーザ素子。
- 前記活性層における障壁層の伝導帯のバンドギャップエネルギーと井戸層の伝導帯のバンドギャップエネルギーの差が１７０meV以下になっている請求項１の半導体レーザ素子。
- 前記活性層を挟んで光閉じ込め層が形成されていて、前記活性層と前記光閉じ込め層の間には、前記活性層と前記光閉じ込め層のそれぞれの伝導帯におけるバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するキャリアブロック層が介装されている請求項４の半導体レーザ素子。
- 前記活性層を挟んで光閉じ込め層が形成されていて、前記活性層と前記光閉じ込め層の間には、前記活性層と前記光閉じ込め層のそれぞれの伝導帯におけるバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有するキャリアブロック層が介装されている請求項５の半導体レーザ素子。
- 請求項１〜７のいずれかの半導体レーザ素子の出射端面に光ファイバが光結合されていることを特徴とするレーザモジュール。
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