JP4329978B2 - 半導体レーザモジュールと、光帰還機能を有する半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザモジュールと、光帰還機能を有する半導体レーザ素子に関し、更に詳しくは、出力するレーザ光が９４０〜９９０nmの波長域にあり、かつそのレーザ光の光出力が時間的に安定している半導体レーザモジュールと光帰還機能を有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、光増幅した信号光が再び下流側へ伝送される。
【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、励起用レーザ光の光出力を制御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波長域にある半導体レーザ素子を用いてレーザモジュールを構成する場合には、そこからの励起用レーザ光の波長を、狭い利得帯域に対応する波長に特定することが必要になる。そのために、光源である半導体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例えばファイバブラッググレーティングのような、波長選択機能を備え、同時に光帰還機能を有する要素を光結合して光帰還構造を形成することにより、レーザモジュールから出射する励起用レーザ光の波長を例えばファイバブラッググレーティングの反射帯域幅内で特定し、かつ安定化させることが検討されている。
【０００５】
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、ファイバブラッググレーティング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ファイバブラッググレーティングの反射帯域幅内にあるとはいえ、例えばレーザ素子への注入電流の変動や、レーザモジュールに加えられるわずかな機械的な振動や、またはレーザモジュールに対する光ファイバの配置が変化すると、そのレーザモジュールから得られる励起用レーザ光にはノイズが含まれてくるという問題がある。
【０００６】
これは、ＧａＡｓ系レーザ素子の場合、発振縦モードがシングルモードになりやすく、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。
【０００７】
したがって、上記したレーザモジュールにおいて、ファイバブラッググレーティングの反射帯域幅内で安定した励起用レーザ光を得ようとする場合には、光源であるＧａＡｓ系レーザ素子の発振レーザ光は、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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、発振波長が９８０nm波長域にあるＧａＡｓ系レーザ素子とファイバブラッググレーティングを光結合してレーザモジュールを組み立てたときにおける上記した問題を解決し、励起用レーザ光の波長はファイバブラッググレーティングの反射帯域幅内に存在すると同時に時間的に安定していて、ノイズの発生が抑制されている半導体レーザモジュールの提供を目的とする。具体的には、ファイバブラッググレーティングのような光帰還機能を有する要素の反射帯域幅内でマルチモード化した励起用レーザ光を発振し、励起用レーザ光の光出力が特定波長で時間的に安定しているレーザモジュールが提供される。また、それ自体で光帰還機能を有しているので励起用光源として使用可能な半導体レーザ素子が提供される。
【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、本発明においては、少なくともＧａとＡｓを含む半導体材料から成る井戸層とそれを囲む障壁層を形成した活性層を有する層構造がＧａＡｓ基板の上に形成され、前記基板に平行に光が共振する半導体レーザ素子と、光帰還機能を有する要素とを光結合した励起用光源に用いられる半導体レーザモジュールにおいて、
前記半導体レーザモジュールは、縦モードがマルチモードで発振し、かつ、前記活性層における井戸層の厚みが１０nm以上であることを特徴とする半導体レーザモジュールが提供される。
【００１０】
また、本発明においては、前記半導体レーザ素子の少なくとも前記活性層には、不純物、とりわけＳｉを好適とするｎ型不純物がドーピングされているか、または／および、前記層構造のｎ型クラッド層にはＳｉを好適とするｎ型不純物がドーピングされており、更には、前記量子井戸構造において、井戸層の厚みの方が障壁層の厚みよりも厚いことを好適とする半導体レーザモジュールが提供される。
【００１１】
更に、本発明において、少なくともＧａとＡｓを含む半導体材料から成る量子井戸構造の活性層を有する層構造がＧａＡｓ基板の上に形成されていて、
前記半導体レーザ素子の前記活性層における井戸層の厚みが厚く、かつ、前記活性層近傍にグレーティングを形成することにより光帰還機能を有する要素を形成した半導体レーザモジュールが提供される。
【００１２】
また、前記半導体レーザ素子における前記基板に平行に光が共振する共振器の長さをＬ（μｍ）としたとき、前記半導体レーザモジュールの光出力は、Ｌ×０.１mW／μｍ以上となる半導体レーザモジュールが提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体レーザモジュールは、後述する半導体レーザ素子と光帰還機能を有する要素とを光結合して構成されるが、そのときに用いる要素は、波長選択機能を有し、かつ特定波長に対して特定の反射率を示すものであれば何であってもよく、例えば、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）、誘電体多層膜フィルタ、分布ブラック反射鏡（ＤＢＲ）などをあげることができる。
【００１４】
本発明のレーザモジュールの１例Ａを図１に示す。
このレーザモジュールＡでは、パッケージ１の底板１ａの上に後述するレーザ素子Ｂ1を冷却するためのペルチェモジュール２が配置され、更にペルチェモジュール２の上には例えばコバールから成るベース材３が配置されている。
ベース材３の上には、チップキャリア４を介してレーザ素子Ｂ1が配置され、このレーザ素子Ｂ1と光軸を一致させた状態で、ファイバブラッググレーティング５ａを有する光ファイバ５が光結合されている。
【００１５】
光ファイバ５はファイバ固定部材６でベース材３の上に固定され、また、その出射端側はパッケージ１の筒状孔部１ｂ内に気密に取り付けられたスリーブ７を介してパッケージ１から引き出されている。
また、レーザ素子Ｂ1の背面側にはフォトダイオード８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。
【００１６】
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。
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。
【００１７】
このレーザモジュールＡに組み込まれる本発明のレーザ素子の１例Ｂ1を図２に示す。
このレーザ素子Ｂ1は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、ｎ−ＧａＡｓから成る基板１０の上に、後述する層構造Ｃが形成され、基板１０の裏面には例えばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから成る下部電極１２が形成され、前記層構造Ｃの上面には例えば窒化ケイ素（ＳｉＮx）から成る保護膜１３を介して例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る上部電極１４が形成されている。
【００１８】
層構造Ｃは、少なくともＧａとＡｓを含む半導体材料のエピタキシャル結晶成長層で構成されていて、共振器内における導波方向はｎ−ＧａＡｓ基板１０の表面と平行している。この層構造Ｃは、具体的には、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓから成る下部クラッド層１５、例えばｉ−ＡｌＧａＡｓから成る下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ａ、後述する活性層１７、例えばｉ−ＡｌＧａＡｓから成る上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ｂ、例えばｐ−ＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層１８、および例えばｐ−ＧａＡｓから成るキャップ層１９がこの順序で積層された構造になっている。
【００１９】
なお、層構造Ｃの上部表面を被覆して形成される保護膜１３は、リッジ導波路の上面の一部を被覆していない。そして保護膜１３の非被覆箇所から表出するキャップ層１９には、直接上部電極１４が接触していて、ここから層構造Ｃの活性層１７に注入電流が供給できるようになっている。
そして、出射端面（前端面）は例えば反射率が５％である誘電体膜（図示しない）で被覆され、他の端面（後端面）は例えば反射率が９２％の誘電体膜（図示しない）で被覆されていて、共振器で発振したレーザ光の光出力を効率よく取り出せるようになっている。
【００２０】
ここで、活性層１７は、１個または複数の井戸層とそれを囲む障壁層で形成されている。とくに、レーザモジュールＡからの励起用レーザ光の時間的安定性の点からすると、１個の井戸層とその両側にそれぞれ障壁層を有している量子井戸構造が好適である。
井戸層は通常例えば、発振波長が９８０nm波長域の場合はＩｎＧａＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓＳｂＰ，ＧａＡｓＳｂＰなどで形成されるが、発振波長が８７０nm波長域の場合はｉ−ＧａＡｓで形成されていてもよい。また、障壁層は発振波長が９８０nm波長域の場合は通常ｉ−ＩｎＧａＡｓで形成されるが、発振波長の関係で上記した他の半導体材料で形成されていてもよい。
【００２１】
この半導体レーザ素子は、上記した層構造Ｃにおいて、下記の条件を満たしていることを特徴とする。
（１）第１の条件：
まず、井戸層が従来に比べて厚くなっていることである。具体的には、１０nm以上になっている。これが基本的で必須な条件である。その場合、井戸層の厚みの上限は、当該井戸層の形成に用いる半導体材料の臨界膜厚で制限されることはいうまでもないが、その上限値は概ね２０nm程度である。
【００２２】
このような層構造Ｃを有する本発明のレーザ素子は、上部電極１４からの注入電流がしきい値電流（Ｉth）以上である場合には９４０〜９８０nmの波長域のレーザ光を前端面から発振する。
そして、このレーザ素子が組み込まれているレーザモジュールからの励起用レーザ光は、後述する光帰還機能との相互作用により、所定のファブリ・ペロー間隔を置く複数本の縦モードで構成されるマルチモードになり、その時間的な変動は抑制されてそのスペクトルは時間的に安定化する。
【００２３】
なお、ＧａＡｓ系レーザ素子における従来からの研究動向は、レーザ素子における利得スペクトルを制御するために、井戸層の厚みを実質的に１０nmより薄くすることが追求されていた。しかしながら、そのようなレーザ素子に例えばファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を光結合してレーザモジュールを組み立てても、ファイバブラッググレーティングからの帰還光はシングルモード化して、そのレーザモジュールから出力する励起用レーザ光のスペクトルは時間的に変動して不安定化する傾向を示していた。
【００２４】
本発明者らは、上記した問題を解決すべく鋭意研究を重ねたところ、従来とは全く逆に、レーザ素子における井戸層の厚みを１０nm以上に厚くすると、それが組み込まれているＦＢＧ付きレーザモジュールからの励起用レーザ光は、マルチモード化し、その時間的安定性は向上するとの知見を得るに至り、更に研究を重ねた結果、層構造Ｃにおける上記した第１の条件を確定したのである。
【００２５】
（２）第２の条件：
上記した第１の条件の充足を前提としたうえで、量子井戸構造の少なくとも１層には、不純物がドーピングされていることである。
その場合、不純物は井戸層または障壁層のいずれかにドーピングされていてもよく、また井戸層と障壁層の両方にドーピングされていてもよい。更には、複数の井戸層または複数の障壁層にドーピングされていてもよい。ドーピングは、均質に行われていてもよく、変化させて行われてもよい（例えば、傾斜ドーピング、またはあるドープ層とアンドープ層の組み合わせ）。いずれの場合であっても、井戸層にはキャリアが貯め込まれたことになる。
【００２６】
活性層に、上記した態様のいずれかで不純物がドーピングされていると、そのレーザ素子が組み込まれているレーザモジュールからの励起用レーザ光は時間的な変動が少なくその安定化が更に向上する。
その場合の不純物としては、ｎ型不純物、ｐ型不純物のいずれをも用いることができる。ｎ型不純物としては、例えば、Ｓｉ，Ｓ，Ｓｅの１種または２種以上を用いることができ、またｐ型不純物としては、例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｚｎの１種または２種以上を用いることができる。
【００２７】
これら不純物のうち、ｎ型不純物、その中でもとりわけＳｉを少なくとも１層にドーピングすると、そのレーザ素子からの発振レーザ光は確実にマルチモード化して、そのレーザ素子が組み込まれているレーザモジュールからの励起用レーザ光の時間的な変動は確実に抑制されて安定化するので好適である。その場合、Ｓｉの井戸層へのドーピング濃度を１×１０16／cm3〜５×１０ 18 ／cm 3 に設定すると、上記した効果が顕著に発現して有効である。Ｓｉのドーピング濃度が１×１０16／cm3より低い場合は、上記した効果の発現が不充分であり、逆にドーピング濃度が５×１０ 18 ／cm 3 より高濃度になると、井戸層や障壁層の純度低下をきたし、量子井戸層としての機能を喪失するようになる。
【００２８】
（３）第３の条件：
上記した第１の条件の充足を前提とした上で、活性層の上または下に位置していて、活性層で生成したレーザ光を閉じ込める１層以上の層のいずれかに不純物がドーピングされていることである。これらの層は、光閉じ込め層（例えば、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層）および／またはクラッド層であってもよい。
【００２９】
図２で示したレーザ素子Ｂ1の場合、具体的には、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成る下部クラッド層１５、ｉ−ＡｌＧａＡｓから成る下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ａ、ｉ−ＡｌＧａＡｓから成る上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ｂ、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層１８のいずれかまたは全部に不純物がドーピングされている。
【００３０】
とくに、クラッド層、それもｎ型の下部クラッド層に、ｎ型不純物であるＳｉがドーピングされていると、発振レーザ光のマルチモード化を確実に実現することができて好適である。その場合、Ｓｉのドーピング濃度は１×１０17／cm3〜４×１０17／cm3程度であることが好ましい。より好ましくは２×１０17／cm3〜４×１０17／cm3である。
【００３１】
このレーザ素子Ｂ1の場合、上記した３つの条件のうち、第１の条件は必須条件として充足していなければならない。組み立てたレーザモジュールからの励起用レーザ光の時間的安定性を実現することができなくなるからである。
その上で、第２の条件、第３の条件のいずれか、または両方が充足していると、第１の条件のみの場合よりも励起用レーザ光の時間的安定性が向上するので好適である。とくに、両方の条件を充足している場合、すなわち、第１〜第３の条件を全て充足している場合は、励起用レーザ光の時間的安定性が顕著に向上するので更に好適である。
【００３２】
また、このレーザ素子Ｂ1は次のような特性を備えている。それを以下に説明する。
その説明に先立ち、レーザ素子のしきい値電流（Ith）、自然放出（Amplified Spantaneous Emission ：ＡＳＥ）スペクトル、およびＡＳＥスペクトルのスペクトル幅（Δλ）について定義する。
【００３３】
駆動電流（Ｉ）で作動するレーザ素子の光出力（ＬOPT）をプロットしてＬOPT−Ｉのグラフを描くと、ある電流値（ＩA）より上では、光出力は電流値（Ｉ）とともに線形に増大していく。このグラフを図３に示す。
直線は、上記した線形特性のセグメントに適合している。そして、Ｉ軸（ＬOPT＝０のとき）がこの直線を遮断している電流値をしきい値電流（Ｉth）と定義する。
【００３４】
まず、このレーザ素子にしきい値電流（Ｉth）より小さい値（Ｉ）の電流を注入するとレーザ素子は自然放出光を出射する。自然放出光としてＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emmision：ＡＳＥ）に基づく出射端面（前端面）からの自然放出光を選択し、縦軸に光出力、横軸に波長をとり、各モードの光出力の包絡線から上記した自然放出光のスペクトル曲線を描く。得られたスペクトル曲線は、通常、図４で示したように、光出力の最大出力（ＰO）を有する非対称曲線になり、そしてこの曲線の中には複数本のファブリ・ペロー型の縦モードが包含されている。
【００３５】
このスペクトル曲線において、まず、最大出力（ＰO）よりも３dB低い光出力（Ｐ1）を示すスペクトル曲線上の点（Ｓ1，Ｓ2）をそれぞれ把握し、ついで、各点Ｓ1，Ｓ2に相当する自然放出光の波長（λ1，λ2，単位はnm）をそれぞれ把握する。
点Ｓ1から点Ｓ2までの自然放出光のスペクトル幅をここではΔλと定義する。そして、それは、スペクトル曲線の最大出力（ＰO）とそれよりも３dB低い両脇の出力（Ｐ1，Ｐ2）の範囲を含んでいる。図から明らかなように、Δλは（λ2−λ1）と等価である。
【００３６】
このレーザ素子Ｂ1が第１の条件を充足し、また、注入電流（Ｉ）が０.２≦Ｉ／Ｉth≦０.８の関係を満足する場合には、レーザ素子Ｂ1には、そのＩ値の全てにおいて、上記したΔλ値が１５nm以上となるような自然放出光を出射するという特性を備えている。
ここで、上記Δλ値が１５nmより小さい場合には、そのレーザ素子をＩth値以上の注入電流で駆動してレーザ光を発振させると、そのΔλ値内に包含されている縦モード（Ｆ−Ｐモード）の本数は少なくなる。そして、そのレーザ素子に例えばファイバブラッググレーティングを光結合してレーザモジュールを組み立ててそれを駆動すると、そこからの励起用レーザ光はシングルモードまたはシングルモードとマルチモードが時間的に交替する状態となり、その光出力は不安定化してノイズが発生する。
【００３７】
しかしながら、Δλ値が１５nmより大きい場合には、レーザ素子Ｂ1から発振するレーザ光のスペクトル曲線において、Δλ値内に包含されている縦モードの本数が多く、発振レーザ光は常にマルチモード化している。そのため、上記したレーザモジュールから得られる励起用レーザ光は、モジュール運転時に例えば光ファイバを動かしたり、またはモジュールの機械的な振動などの多少の外乱を受けても、ファイバブラッググレーティングの反射帯域幅内で安定な状態を保持する。すなわち、励起用レーザ光の不安定化は大幅に抑制される。
【００３８】
ここで、レーザ素子Ｂ1の発振レーザ光が上記した特性を示す理由は、基本的には、井戸層の厚みが１０nm以上（第１の条件）に設定されているからである。すなわち、井戸層の厚みは、前記したΔλ値の大小に影響を与え、またそれを律速する因子と規定することができると考えてよい。
この厚みを１０nmより薄くすると、ＡＳＥ時におけるΔλ値は１５nmより小さくなって発振レーザ光のマルチモード化は実現されにくくなり、その結果、レーザモジュールからの励起用レーザ光は変動してその時間的安定性が低下する。
【００３９】
なお、レーザ素子Ｂ1の場合、ＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線の形状は、前記した第１の条件〜第３の条件の関係で様々に変化するが、その変化する形状は便宜的に次のように区別立てすることができる。それを以下に説明する。
▲１▼まず、第１の条件〜第３の条件のいずれをも充足しない従来のレーザ素子の場合、ＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線は、傾向的に、図５で示したような形状になりやすい。
すなわち、光出力の最大強度付近におけるスペクトル曲線の形状が、図中の⇔印で示したように若干凹形状になりやすい。このような傾向を示すスペクトル曲線のタイプを、以後、タイプ１という。
【００４０】
▲２▼第１の条件と第２の条件を充足せず、第３の条件のみを充足しているレーザ素子の場合のＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線は、傾向的に、図６で示したような形状になりやすい。
すなわち、光出力の最大強度付近におけるスペクトル曲線の形状が、図中の丸印で示したように若干の凸形状になりやすい。このような傾向を示すスペクトル曲線のタイプを、以後、タイプ２という。
【００４１】
▲３▼第１の条件を必ず充足していて、第２の条件と第３の条件のいずれか一方のみを充足しているか、または第２の条件と第３の条件のいずれをも充足していないレーザ素子Ｂ1の場合、そのＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線は、傾向的に、図７で示したような形状になりやすい。
すなわち、光出力の最大強度付近におけるスペクトル曲線の形状は、図の⇔印で示したように、最大強度の箇所を跨いで全体が丸みを帯びた凸形状になりやすい。このような傾向を示すスペクトル曲線のタイプを、以後、タイプ３という。
【００４２】
▲４▼第１の条件〜第３の条件を同時に充足しているレーザ素子Ｂ1の場合、そのＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線は、傾向的に図８で示したような形状になりやすい。
すなわち、タイプ２とタイプ３を合成したような形状になっていて、最大強度の箇所を跨いで全体が丸みを帯びた凸形状になっていると同時に、最大強度付近におけるスペクトル曲線の形状は凸形状になりやすい。このような傾向を示すスペクトル曲線のタイプを、以後、タイプ４という。
【００４３】
すなわち、レーザ素子Ｂ1は、ＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線を描くと、そのスペクトル曲線はタイプ３またはタイプ４のいずれかの形状を示すという特性を備えているのである。
観点を変えれば、ＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線を描き、それがタイプ３またはタイプ４の形状を示すレーザ素子は、少なくとも前記した第１の条件を充足したレーザ素子Ｂ1になっている。したがって、それを用いて組み立てたレーザモジュールからの励起用レーザ光は時間的安定性が良好であることになる。すなわち、ＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線から、そのレーザ素子が励起用レーザ光の時間的安定性にとって有効か否かを判定することができる。
【００４４】
また、レーザ素子Ｂ1は次のような特性も備えていることが好ましい。それを図９に則して説明する。
まず、レーザ素子Ｂ1からレーザ光を発振させる。ここで、レーザ素子Ｂ1の長手方向（レーザ光の出射方向）をｘ軸方向、厚み方向、すなわち層構造Ｃにおける積層方向をｚ軸方向、幅方向をｙ軸方向とする３次元座標軸を仮定して、出射光のｚ軸方向成分に着目して説明する。
【００４５】
出射光はレーザ素子Ｂ1から出射し、光軸との直交面に遠視野像（Far-Feild Pattern：ＦＦＰ）が生ずる。この遠視野像（ＦＦＰ）のｚ軸成分は、最大出力Ｐ0を有する光出力分布曲線となっている。
このとき、半分の出力水準（１／２Ｐ0）のところに遠視野像ＦＦＰの垂直（ｚ軸）方向に沿って２個の点が認められ、また、レーザ素子の前端面から出射した光の上記２個の点のそれぞれに対する広がり角度θが認められる。
【００４６】
角度θは、半値幅角度（full-width half maximum angle）としても知られている。なぜならば、この角度は、前端面と、半分の出力水準である垂直軸上の２点間の全体の幅との間に形成されているからである。
レーザ素子Ｂ1は、上記した広がり角度θが２５°以下であることが好ましい。この広がり角度θが２５°以下になっていることにより、レーザ素子Ｂ1は光ファイバとの結合効率が充分に高くなり、ファイバ端光出力を高めることができるだけではなく、活性層への光閉じ込め係数が充分に小さくなっているため高効率になっている。
【００４７】
なお、以上の説明はリッジ導波路型レーザ素子の場合で行ったが、レーザ素子Ｂ1はそのような構造に限定されるものではなく、前記した第１の条件を満足する層構造を有するものであれば、自己整合型（ＳＡＳ型）の構造のものであってもよい。
上記したように、レーザ素子Ｂ1は、当該素子Ｂ1が形成されている半導体チップにとっては外在物である光帰還機能を有する要素５ａとともに、パッケージの中に組み込まれる。しかしながら、本発明は、光帰還機能を有する要素がレーザ共振器としての半導体チップ上に集積されている場合のレーザ素子に対しても等しく適用される。
【００４８】
そのような、集積された光帰還機能を有する要素を備えた本発明のレーザ素子について説明する。このレーザ素子の１例Ｂ2を部分切欠斜視図として図１０に示す。
このレーザ素子Ｂ2は、図２で示したレーザ素子Ｂ1の層構造Ｃにおいて、上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ｂと上部クラッド層１８の間にスペーサ層２０を介装し、このスペーサ層２０の中に所定周期のグレーティング２１を配置し、あわせて活性層１７の両側にｐ型層２２ａとｎ型層２２ｂを積層して成る電流ブロッキング層２２を形成したものである。
【００４９】
このレーザ素子Ｂ2は、活性層１７の近傍に、光帰還機能と波長選択特性を有する要素としてのグレーティング２１が配置されているので、それ自体として光帰還機能を備えており、グレーティング２１の反射帯域幅で規定される特定波長のレーザ光を出力する。
その場合、活性層１７は少なくとも前記した第１の条件を充足しており、また、第２の条件、第３の条件も充足させることにより、レーザ素子Ｂ2からのレーザ光は、図１で示した本発明のレーザモジュールの場合と同様に、マルチモード化していて、その光出力が時間的変動の少ない状態になる。
【００５０】
すなわち、このレーザ素子Ｂ2は、それ自体で図１で示したレーザモジュールＡと同等の機能を発揮することができる。
もち論、このレーザ素子Ｂ2を光源にして図１で示したレーザモジュールを組み立てることもできる。
なお、本発明における半導体レーザモジュールの最大光出力はＬ×０.１mW／μｍ以上であり、より好ましくはＬ×０.２５mW／μｍ以上である。ここで、Ｌは本発明において使用される半導体レーザ素子の共振器の長さ（単位：μｍ）である。以上の関係により、本発明における半導体レーザモジュールの最大光出力は、共振器長が８００μｍのときは８０mW、より好ましくは２００mWとなる。また、共振器長が１２００μｍのときの最大光出力は１２０mW、より好ましくは３００mWとなり、共振器長（Ｌ）が１８００μｍのときの最大光出力は１８０mW、より好ましくは４５０mWとなる。
【００５１】
【実施例】
１．レーザ素子Ｂ1の製造
ｎ−ＧａＡｓから成る基板の上に、表１、表２で示した各層を成膜して図２の層構造Ｃを形成した。
形成された層構造の上面に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を適用して幅４μｍ、高さ１.２μｍのリッジ導波路を形成したのち、その上にＳｉＮから成る保護膜１３を形成した。
【００５２】
ついで、基板１０の裏面を研磨してそこにＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから成る下部電極１２を形成し、またキャップ層１９の上面の保護膜の一部を除去したのち層構造の上面全体にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る上部電極１４を形成した。
そして、基板を劈開して共振器長（Ｌ）が８００μｍであるバーにしたのち、一方の端面にＳｉＮから成る反射率０.８％の低反射膜を成膜して前端面を形成し、他方の端面にＳｉＯ2／Ｓｉから成る反射率９２％の高反射膜を成膜して後端面を形成した。そして最後に、このバーを加工してチップとし、図２で示したレーザ素子Ｂ1を製造した。
【００５３】
【表１】
【００５４】
【表２】
【００５５】
なお、レーザ素子１の伝導帯バンド模式図を図１１に、またレーザ素子４の伝導帯バンド模式図を図１２にそれぞれ示す。図中の数字はいずれも図２で示した各層を示している。
【００５６】
２．レーザ素子の特性
表１、表２で示したレーザ素子に対し、ＡＱ６３１７（ＡＮＤＯ社製のOptical Spectrum Analyzer）を用いてＡＳＥ自然放出光を出射させ、それぞれのスペクトル曲線を求め、その形状を観察した。その結果を表３に示した。
また、各レーザ素子をレーザ発振させ、その発振レーザ光の遠視野像を、フォトダイオードを用いて測定し、スペクトル曲線の半値幅に対応する垂直方向の広がり角度θを求めた。その結果も表３に示した。
【００５７】
【表３】
【００５８】
また、レーザ素子１、レーザ素子３、レーザ素子４については、注入電流（Ｉ）を変化させて自然放出光を出射させてそれぞれのスペクトル曲線を描き、その最大出力（Ｐ0）よりも３dB低い出力の場合の２個の波長間で示されるスペクトル幅（Δλ値）を求めた。そして、Ｉ／Ｉth値とスペクトル幅（Δλ値）をプロットした。結果を図１３に示した。
【００５９】
以上の結果から次のことが明らかである。
（１）まず、図１３から明らかなように、レーザ素子１，３，４は、いずれも、Ｉ／Ｉth値が１以上、すなわち、注入電流がしきい値電流以上になればレーザ発振する。
しかしながら、自然放出光が出射するＩ値の注入電流の領域において、レーザ素子１の場合は、Ｉ値がＩth値に向かって増加するにつれて実質的に線形をなして減少している自然放出光におけるスペクトル幅（Δλ値）を有している。
【００６０】
これに反し、レーザ素子４のスペクトル幅（Δλ値）は、０.２と０.６の間のＩ／Ｉth値では概ね実質的に同じ値のままであり、そして、Ｉ／Ｉth値が０.６から約１.０に増加していくと、大きな傾きでゼロに向かって減少していく。
レーザ素子３の場合も、レーザ素子４の場合と略同じ挙動を示しているが、スペクトル幅（Δλ値）は減少する２つの顕著なステージを有し、そのステージ間には平坦領域がある。第１の減少ステージは比較的小さく、Ｉ／Ｉth値が０.２から約０.４までに増加する間で起こっている。第２の減少ステージは大きく、そしてＩ／Ｉth値が０.８から約１.０５に増加する間で起こっている。平坦領域はＩ／Ｉth値が約０.４と約０.８の間で起こっており、その場合のスペクトル幅Δλは実質的に一定である。
【００６１】
（２）いずれにしても、レーザ素子３とレーザ素子４の場合、Ｉ／Ｉth値の広い範囲（０.４と０.８の間）において、Δλ値は安定した値を示している。このことは、この範囲内でＩ値が変動しても、自然放出光のスペクトル曲線の形状はわずかに変化するのみであり、安定しているということを意味している。これは、しきい値よりも大きい注入電流（Ｉ）で駆動させたときの発振レーザ光の安定性を予告する指標であると考えられる。
【００６２】
そして、レーザ素子３とレーザ素子４のΔλ値を対比すると、Ｉ／Ｉth値が０.２と０.９の間（すなわち平坦領域）に対してはレーザ素子４の場合の方が大きい値を示しているが、このことは、レーザ素子４の方が駆動安定性に優れていることを示唆しているものと考えられる。
【００６３】
（３）ここで、表１、表２および表３を参照すると、井戸層の厚みが７nmで２層構造の量子井戸構造になっているレーザ素子１の場合、その自然放出光におけるスペクトル曲線の形状はタイプ１であり、そのΔλ値は図１３で示したように変化しているが、井戸層の厚みを１２nmと厚くして第１の条件を充足させ、また量子井戸構造を単層構造にしたレーザ素子３では、スペクトル曲線の形状はタイプ３に変化し、またΔλ値も安定している。
【００６４】
そして、第１の条件を満たすと同時に、第２の条件と第３の条件のいずれをも満たしているレーザ素子４の場合は、スペクトル曲線の形状はタイプ４となり、かつΔλ値も高位水準で安定化している。
【００６５】
（４）すなわち、井戸層の厚みを厚くすると、自然放出光のスペクトル曲線の形状はタイプ３に変化し、同時にΔλ値はＩ／Ｉth値の広い範囲で安定化する。そして、上記した第１の条件の充足を前提として、更に井戸層にＳｉドーピングを行い（第２の条件の充足）、またｎ型クラッド層に３×１０17／cm3の高濃度でＳｉドーピングを行う（第３の条件の充足）と、自然放出光のスペクトル曲線の形状は、タイプ２とタイプ３を合体した形状、すなわちタイプ４へと変化し、同時に、Δλ値はＩ／Ｉth値の広い範囲において高位水準で安定化するということが明らかとなった。
【００６６】
なお、上記した説明は、前端面の反射率が０.８％であるレーザ素子の場合についてであるが、この前端面の反射率を０.５〜１５％の範囲内で変化させた場合でも、それぞれのレーザ素子はいずれも上記したと同様の特性を示すことが確認された。
また、実施例では基板としてｎ型のものを用いたが、ｐ型であっても同様の特性が得られる。ただし、その場合、層構造Ｃにおける各層の導電型は実施例と逆にする。
【００６７】
３．レーザモジュールの組立て
表１および表２で示した各レーザ素子のうち、レーザ素子１とレーザ素子４を選択し、それぞれを、ファイバブラッググレーティングが形成されている光ファイバとレンズを介して光結合し、図１で示したレーザモジュールＡを組み立てた。
【００６８】
レーザ素子１が組み込まれている装置を装置Ａ1（従来装置）、レーザ素子４が組み込まれている装置を装置Ａ2（実施例装置）とする。
なお、レーザ素子１に光結合されたファイバブラッググレーティングは、反射率７％、反射帯域幅１.５nm、中心波長９７９nmの波長選択特性を有するように設計されており、また、レーザ素子４に光結合されたファイバブラッググレーティングは、反射率７％、反射帯域幅１.５nm、中心波長９７６nmの波長選択特性を有するように設計されている。
【００６９】
４．レーザモジュールの性能
（１）励起用レーザ光の時間安定性
装置Ａ1、装置Ａ2に２５０mAの電流を注入して、励起用レーザ光を出射させた。そして、そのレーザ光の光出力（Ｐｆ）を、Lightwave multimeter 8153A（アジレント社製）, Power Sensor Module 81533B（アジレント社製）, およびOptical Head 81525Aから成るシステムで測定し、またモニタ光強度（Ｉｍ）を、ADVANTEST Digital Electrometer R8240（アドバンテスト社製）とＩＬＸ Lightwave Laser Diode Controller LDC-3744B（ＩＬＸ ライトウェーブ社製）から成るシステムで測定した。ついで、約１分間の時間間隔を超えて、ＰｆとＩｍの測定値の変化率（％）を０.４秒間隔で算出した。
【００７０】
装置Ａ1の場合の結果を図１４に、装置Ａ2の場合の結果を図１５にそれぞれ示す。
図１４と図１５を対比して明らかなように、装置Ａ2は装置Ａ1に比べて発振レーザ光の時間的安定性が著しく優れている。
【００７１】
（２）駆動電流値に対する発振レーザ光の安定性
装置Ａ1と装置Ａ2への駆動電流をしきい値Ｉthから５mA間隔で増加させていき、その都度、（１）で用いた測定システムにより、励起用レーザ光の光出力（Ｐｆ）とモニタ光強度（Ｉｍ）の変化率（％）を算出した。
装置Ａ1の場合の結果を図１６に、装置Ａ2の場合の結果を図１７に示した。
図１６と図１７を対比して明らかなように、装置Ａ1の場合は駆動電流が変化するとＰｆ，Ｉｍはいずれも大きく変動しているが、装置Ａ2の場合は全く変動しておらず、この装置は駆動電流が変化したとしても極めて安定な励起用レーザ光を発振している。図１６と図１７から、許容できる最大変化率は０.５％であることがわかる。
【００７２】
（３）励起用レーザ光のスペクトルの時間安定性
装置Ａ1と装置Ａ2に２５０mAの駆動電流を注入して励起用レーザ光を出射させた。そして、駆動開始時点と、それから１０秒後、２０秒後、３０秒後、４０秒後におけるスペクトルを観察した。
その結果を、装置Ａ1の場合は図１８〜図２２に、装置Ａ2の場合は図２３〜図２７に示した。
【００７３】
以上の結果から次のことが明らかである。
▲１▼装置Ａ1と装置Ａ2の駆動開始直後における励起用レーザ光のスペクトル図（図１８と図２３）を対比すると、装置Ａ1の場合は、その中心波長がファイバブラッググレーティングの中心波長（９７９nm）付近でシングル縦モードで発振している。これに反し、装置Ａ2の場合は、ファイバブラッググレーティングの中心波長（９７６nm）付近でマルチ縦モードが発振している。
【００７４】
▲２▼また、装置Ａ1の励起用レーザ光は、時間が経過するにつれて、その発振スペクトルが変動している。しかしながら、装置Ａ2の場合は、駆動時間が経過しても、その発振スペクトルは駆動開始時点（図１８）の場合と実質的に同じである。
▲３▼すなわち、装置Ａ2は、時間安定性に優れた励起用レーザ光を出射している。
【００７５】
（４）光出力と光ファイバの状態との関係
装置Ａ2において、光ファイバを直径約１００mmで３ターンした状態にしてレーザ発振させた。そのときの発振スペクトルを図２８に示す。
ついで、光ファイバを前記した巻回状態から直径約１００mmで３ターンの巻回状態に巻き直し、同じ条件でレーザ発振させた。そのときの発振スペクトルを図２９に示す。
【００７６】
図２８と図２９から明らかなように、光ファイバの巻回状態が変化しても、装置Ａ2からの励起用レーザ光の発振スペクトルの変動は起こっていない。
一方、装置Ａ1において、光ファイバを直径１００mmで５ターンした状態にしてレーザ発振させた。そのときの発振スペクトルは図３０で示すようにマルチモードの発振になっていた。
【００７７】
ついで、光ファイバを上記した巻回状態から直径１００mmで４ターンの巻回状態に巻き直し、同じ条件でレーザ発振させた。そのときの発振スペクトルを図３１に示した。
図３０と図３１を対比して明らかなように、装置Ａ1の場合、光ファイバの巻回状態が変化すると、励起用レーザ光の発振スペクトルが変化してしまう。
【００７８】
このように、装置Ａ2は、光ファイバの巻回状態、より一般化していえば、光ファイバがどのような状態になっていても、出射するその励起用レーザ光は安定していることが判明した。
【００７９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のレーザモジュールは、井戸層の厚みを１０nm以上と従来に比べて厚くし、更には井戸層に不純物をドーピングしており、またクラッド層にｎ型不純物をドーピングしていることにより、発振レーザ光はマルチモード化するレーザ素子とファイバブラッググレーティングを光結合して組み立てられているので、まず、出射する励起用レーザ光の時間安定性に優れている。また、レーザ素子の駆動電流が変動しても出射する励起用レーザ光は安定している。更には、光ファイバの例えば巻回状態を変えても出射する励起用レーザ光は安定していて実用的な信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザモジュールの１例Ａを示す断面図である。
【図２】本発明のレーザ素子の１例Ｂ1を示す斜視図である。
【図３】レーザ素子のしきい値電流を定義するためのグラフである。
【図４】自然放出光のスペクトル曲線を示すグラフである。
【図５】レーザ素子の自然放出光におけるタイプ１のスペクトル曲線図である。
【図６】レーザ素子の自然放出光におけるタイプ２のスペクトル曲線図である。
【図７】レーザ素子の自然放出光におけるタイプ３のスペクトル曲線図である。
【図８】レーザ素子の自然放出光におけるタイプ４のスペクトル曲線図である。
【図９】遠視野像の広がり角度θを説明するための説明図である。
【図１０】本発明の半導体レーザ素子の１例Ｂ2を示す部分切欠斜視図である。
【図１１】レーザ素子１，２の伝導帯バンド模式図である。
【図１２】レーザ素子４の伝導帯バンド模式図である。
【図１３】レーザ素子におけるＩ／Ｉth値とスペクトル幅（Δλ）との関係を示すグラフである。
【図１４】装置ＡのＰｆ変化率とＩｍ変化率を示すグラフである。
【図１５】装置ＢのＰｆ変化率とＩｍ変化率を示すグラフである。
【図１６】装置Ａの駆動電流に対するＰｆとＩｍ変化率を示すグラフである。
【図１７】装置Ｂの駆動電流に対するＰｆとＩｍ変化率を示すグラフである。
【図１８】装置Ａの駆動開始時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図１９】装置Ａの駆動開始後１０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２０】装置Ａの駆動開始後２０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２１】装置Ａの駆動開始後３０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２２】装置Ａの駆動開始後４０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２３】装置Ｂの駆動開始時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２４】装置Ｂの駆動開始後１０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２５】装置Ｂの駆動開始後２０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２６】装置Ｂの駆動開始後３０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２７】装置Ｂの駆動開始後４０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２８】光ファイバを直径１００mmで３ターンの巻回状態にしたときにおける装置Ａの励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２９】光ファイバを直径１００mmで３ターンの巻回状態に変えたときにおける装置Ａの励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図３０】光ファイバを直径１００mmで５ターンの巻回状態にしたときにおける装置Ｂの励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図３１】光ファイバを直径１００mmで５ターンから４ターンの巻回状態に変えたときにおける装置Ｂの励起用レーザ光のスペクトル図である。
【符号の説明】
１ パッケージ
１ａ パッケージ１０の底板
１ｂ パッケージ１０の筒状孔部
２ ペルチェモジュール
３ ベース材
４ チップキャリア
５ 光ファイバ
５ａ ファイバブラッググレーティング
６ ファイバ固定部材
７ スリーブ
１０ 基板
１２ 下部電極
１３ 保護膜
１４ 上部電極
Ｃ 層構造
１５ 下部クラッド層
１６ａ 下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
１７ 量子井戸構造の活性層
１６ｂ 上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
１８ 上部クラッド層
１９ キャップ層
２０ スペーサ層
２１ グレーティング
２２ 電流ブロッキング層
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザモジュールと、光帰還機能を有する半導体レーザ素子に関し、更に詳しくは、出力するレーザ光が９４０〜９９０nmの波長域にあり、かつそのレーザ光の光出力が時間的に安定している半導体レーザモジュールと光帰還機能を有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、光増幅した信号光が再び下流側へ伝送される。
【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、励起用レーザ光の光出力を制御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波長域にある半導体レーザ素子を用いてレーザモジュールを構成する場合には、そこからの励起用レーザ光の波長を、狭い利得帯域に対応する波長に特定することが必要になる。そのために、光源である半導体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例えばファイバブラッググレーティングのような、波長選択機能を備え、同時に光帰還機能を有する要素を光結合して光帰還構造を形成することにより、レーザモジュールから出射する励起用レーザ光の波長を例えばファイバブラッググレーティングの反射帯域幅内で特定し、かつ安定化させることが検討されている。
【０００５】
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、ファイバブラッググレーティング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ファイバブラッググレーティングの反射帯域幅内にあるとはいえ、例えばレーザ素子への注入電流の変動や、レーザモジュールに加えられるわずかな機械的な振動や、またはレーザモジュールに対する光ファイバの配置が変化すると、そのレーザモジュールから得られる励起用レーザ光にはノイズが含まれてくるという問題がある。
【０００６】
これは、ＧａＡｓ系レーザ素子の場合、発振縦モードがシングルモードになりやすく、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。
【０００７】
したがって、上記したレーザモジュールにおいて、ファイバブラッググレーティングの反射帯域幅内で安定した励起用レーザ光を得ようとする場合には、光源であるＧａＡｓ系レーザ素子の発振レーザ光は、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。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、発振波長が９８０nm波長域にあるＧａＡｓ系レーザ素子とファイバブラッググレーティングを光結合してレーザモジュールを組み立てたときにおける上記した問題を解決し、励起用レーザ光の波長はファイバブラッググレーティングの反射帯域幅内に存在すると同時に時間的に安定していて、ノイズの発生が抑制されている半導体レーザモジュールの提供を目的とする。具体的には、ファイバブラッググレーティングのような光帰還機能を有する要素の反射帯域幅内でマルチモード化した励起用レーザ光を発振し、励起用レーザ光の光出力が特定波長で時間的に安定しているレーザモジュールが提供される。また、それ自体で光帰還機能を有しているので励起用光源として使用可能な半導体レーザ素子が提供される。
【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、本発明においては、少なくともＧａとＡｓを含む半導体材料から成る井戸層とそれを囲む障壁層を形成した活性層を有する層構造がＧａＡｓ基板の上に形成され、前記基板に平行に光が共振する半導体レーザ素子と、光帰還機能を有する要素とを光結合した励起用光源に用いられる半導体レーザモジュールにおいて、
前記半導体レーザモジュールは、縦モードがマルチモードで発振し、かつ、前記活性層における井戸層の厚みが１０nm以上であることを特徴とする半導体レーザモジュールが提供される。
【００１０】
また、本発明においては、前記半導体レーザ素子の少なくとも前記活性層には、不純物、とりわけＳｉを好適とするｎ型不純物がドーピングされているか、または／および、前記層構造のｎ型クラッド層にはＳｉを好適とするｎ型不純物がドーピングされており、更には、前記量子井戸構造において、井戸層の厚みの方が障壁層の厚みよりも厚いことを好適とする半導体レーザモジュールが提供される。
【００１１】
更に、本発明において、少なくともＧａとＡｓを含む半導体材料から成る量子井戸構造の活性層を有する層構造がＧａＡｓ基板の上に形成されていて、
前記半導体レーザ素子の前記活性層における井戸層の厚みが厚く、かつ、前記活性層近傍にグレーティングを形成することにより光帰還機能を有する要素を形成した半導体レーザモジュールが提供される。
【００１２】
また、前記半導体レーザ素子における前記基板に平行に光が共振する共振器の長さをＬ（μｍ）としたとき、前記半導体レーザモジュールの光出力は、Ｌ×０.１mW／μｍ以上となる半導体レーザモジュールが提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の半導体レーザモジュールは、後述する半導体レーザ素子と光帰還機能を有する要素とを光結合して構成されるが、そのときに用いる要素は、波長選択機能を有し、かつ特定波長に対して特定の反射率を示すものであれば何であってもよく、例えば、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）、誘電体多層膜フィルタ、分布ブラック反射鏡（ＤＢＲ）などをあげることができる。
【００１４】
本発明のレーザモジュールの１例Ａを図１に示す。
このレーザモジュールＡでは、パッケージ１の底板１ａの上に後述するレーザ素子Ｂ1を冷却するためのペルチェモジュール２が配置され、更にペルチェモジュール２の上には例えばコバールから成るベース材３が配置されている。
ベース材３の上には、チップキャリア４を介してレーザ素子Ｂ1が配置され、このレーザ素子Ｂ1と光軸を一致させた状態で、ファイバブラッググレーティング５ａを有する光ファイバ５が光結合されている。
【００１５】
光ファイバ５はファイバ固定部材６でベース材３の上に固定され、また、その出射端側はパッケージ１の筒状孔部１ｂ内に気密に取り付けられたスリーブ７を介してパッケージ１から引き出されている。
また、レーザ素子Ｂ1の背面側にはフォトダイオード８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。
【００１６】
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。
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。
【００１７】
このレーザモジュールＡに組み込まれる本発明のレーザ素子の１例Ｂ1を図２に示す。
このレーザ素子Ｂ1は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、ｎ−ＧａＡｓから成る基板１０の上に、後述する層構造Ｃが形成され、基板１０の裏面には例えばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから成る下部電極１２が形成され、前記層構造Ｃの上面には例えば窒化ケイ素（ＳｉＮx）から成る保護膜１３を介して例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る上部電極１４が形成されている。
【００１８】
層構造Ｃは、少なくともＧａとＡｓを含む半導体材料のエピタキシャル結晶成長層で構成されていて、共振器内における導波方向はｎ−ＧａＡｓ基板１０の表面と平行している。この層構造Ｃは、具体的には、例えばｎ−ＡｌＧａＡｓから成る下部クラッド層１５、例えばｉ−ＡｌＧａＡｓから成る下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ａ、後述する活性層１７、例えばｉ−ＡｌＧａＡｓから成る上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ｂ、例えばｐ−ＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層１８、および例えばｐ−ＧａＡｓから成るキャップ層１９がこの順序で積層された構造になっている。
【００１９】
なお、層構造Ｃの上部表面を被覆して形成される保護膜１３は、リッジ導波路の上面の一部を被覆していない。そして保護膜１３の非被覆箇所から表出するキャップ層１９には、直接上部電極１４が接触していて、ここから層構造Ｃの活性層１７に注入電流が供給できるようになっている。
そして、出射端面（前端面）は例えば反射率が５％である誘電体膜（図示しない）で被覆され、他の端面（後端面）は例えば反射率が９２％の誘電体膜（図示しない）で被覆されていて、共振器で発振したレーザ光の光出力を効率よく取り出せるようになっている。
【００２０】
ここで、活性層１７は、１個または複数の井戸層とそれを囲む障壁層で形成されている。とくに、レーザモジュールＡからの励起用レーザ光の時間的安定性の点からすると、１個の井戸層とその両側にそれぞれ障壁層を有している量子井戸構造が好適である。
井戸層は通常例えば、発振波長が９８０nm波長域の場合はＩｎＧａＡｓ，ＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＳｂ，ＩｎＧａＡｓＰ，ＩｎＧａＡｓＳｂＰ，ＧａＡｓＳｂＰなどで形成されるが、発振波長が８７０nm波長域の場合はｉ−ＧａＡｓで形成されていてもよい。また、障壁層は発振波長が９８０nm波長域の場合は通常ｉ−ＩｎＧａＡｓで形成されるが、発振波長の関係で上記した他の半導体材料で形成されていてもよい。
【００２１】
この半導体レーザ素子は、上記した層構造Ｃにおいて、下記の条件を満たしていることを特徴とする。
（１）第１の条件：
まず、井戸層が従来に比べて厚くなっていることである。具体的には、１０nm以上になっている。これが基本的で必須な条件である。その場合、井戸層の厚みの上限は、当該井戸層の形成に用いる半導体材料の臨界膜厚で制限されることはいうまでもないが、その上限値は概ね２０nm程度である。
【００２２】
このような層構造Ｃを有する本発明のレーザ素子は、上部電極１４からの注入電流がしきい値電流（Ｉth）以上である場合には９４０〜９８０nmの波長域のレーザ光を前端面から発振する。
そして、このレーザ素子が組み込まれているレーザモジュールからの励起用レーザ光は、後述する光帰還機能との相互作用により、所定のファブリ・ペロー間隔を置く複数本の縦モードで構成されるマルチモードになり、その時間的な変動は抑制されてそのスペクトルは時間的に安定化する。
【００２３】
なお、ＧａＡｓ系レーザ素子における従来からの研究動向は、レーザ素子における利得スペクトルを制御するために、井戸層の厚みを実質的に１０nmより薄くすることが追求されていた。しかしながら、そのようなレーザ素子に例えばファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を光結合してレーザモジュールを組み立てても、ファイバブラッググレーティングからの帰還光はシングルモード化して、そのレーザモジュールから出力する励起用レーザ光のスペクトルは時間的に変動して不安定化する傾向を示していた。
【００２４】
本発明者らは、上記した問題を解決すべく鋭意研究を重ねたところ、従来とは全く逆に、レーザ素子における井戸層の厚みを１０nm以上に厚くすると、それが組み込まれているＦＢＧ付きレーザモジュールからの励起用レーザ光は、マルチモード化し、その時間的安定性は向上するとの知見を得るに至り、更に研究を重ねた結果、層構造Ｃにおける上記した第１の条件を確定したのである。
【００２５】
（２）第２の条件：
上記した第１の条件の充足を前提としたうえで、量子井戸構造の少なくとも１層には、不純物がドーピングされていることである。
その場合、不純物は井戸層または障壁層のいずれかにドーピングされていてもよく、また井戸層と障壁層の両方にドーピングされていてもよい。更には、複数の井戸層または複数の障壁層にドーピングされていてもよい。ドーピングは、均質に行われていてもよく、変化させて行われてもよい（例えば、傾斜ドーピング、またはあるドープ層とアンドープ層の組み合わせ）。いずれの場合であっても、井戸層にはキャリアが貯め込まれたことになる。
【００２６】
活性層に、上記した態様のいずれかで不純物がドーピングされていると、そのレーザ素子が組み込まれているレーザモジュールからの励起用レーザ光は時間的な変動が少なくその安定化が更に向上する。
その場合の不純物としては、ｎ型不純物、ｐ型不純物のいずれをも用いることができる。ｎ型不純物としては、例えば、Ｓｉ，Ｓ，Ｓｅの１種または２種以上を用いることができ、またｐ型不純物としては、例えば、Ｂｅ，Ｍｇ，Ｚｎの１種または２種以上を用いることができる。
【００２７】
これら不純物のうち、ｎ型不純物、その中でもとりわけＳｉを少なくとも１層にドーピングすると、そのレーザ素子からの発振レーザ光は確実にマルチモード化して、そのレーザ素子が組み込まれているレーザモジュールからの励起用レーザ光の時間的な変動は確実に抑制されて安定化するので好適である。その場合、Ｓｉの井戸層へのドーピング濃度を１×１０16／cm3〜５×１０ 18 ／cm 3 に設定すると、上記した効果が顕著に発現して有効である。Ｓｉのドーピング濃度が１×１０16／cm3より低い場合は、上記した効果の発現が不充分であり、逆にドーピング濃度が５×１０ 18 ／cm 3 より高濃度になると、井戸層や障壁層の純度低下をきたし、量子井戸層としての機能を喪失するようになる。
【００２８】
（３）第３の条件：
上記した第１の条件の充足を前提とした上で、活性層の上または下に位置していて、活性層で生成したレーザ光を閉じ込める１層以上の層のいずれかに不純物がドーピングされていることである。これらの層は、光閉じ込め層（例えば、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層）および／またはクラッド層であってもよい。
【００２９】
図２で示したレーザ素子Ｂ1の場合、具体的には、ｎ−ＡｌＧａＡｓから成る下部クラッド層１５、ｉ−ＡｌＧａＡｓから成る下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ａ、ｉ−ＡｌＧａＡｓから成る上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ｂ、ｐ−ＡｌＧａＡｓから成る上部クラッド層１８のいずれかまたは全部に不純物がドーピングされている。
【００３０】
とくに、クラッド層、それもｎ型の下部クラッド層に、ｎ型不純物であるＳｉがドーピングされていると、発振レーザ光のマルチモード化を確実に実現することができて好適である。その場合、Ｓｉのドーピング濃度は１×１０17／cm3〜４×１０17／cm3程度であることが好ましい。より好ましくは２×１０17／cm3〜４×１０17／cm3である。
【００３１】
このレーザ素子Ｂ1の場合、上記した３つの条件のうち、第１の条件は必須条件として充足していなければならない。組み立てたレーザモジュールからの励起用レーザ光の時間的安定性を実現することができなくなるからである。
その上で、第２の条件、第３の条件のいずれか、または両方が充足していると、第１の条件のみの場合よりも励起用レーザ光の時間的安定性が向上するので好適である。とくに、両方の条件を充足している場合、すなわち、第１〜第３の条件を全て充足している場合は、励起用レーザ光の時間的安定性が顕著に向上するので更に好適である。
【００３２】
また、このレーザ素子Ｂ1は次のような特性を備えている。それを以下に説明する。
その説明に先立ち、レーザ素子のしきい値電流（Ith）、自然放出（Amplified Spantaneous Emission ：ＡＳＥ）スペクトル、およびＡＳＥスペクトルのスペクトル幅（Δλ）について定義する。
【００３３】
駆動電流（Ｉ）で作動するレーザ素子の光出力（ＬOPT）をプロットしてＬOPT−Ｉのグラフを描くと、ある電流値（ＩA）より上では、光出力は電流値（Ｉ）とともに線形に増大していく。このグラフを図３に示す。
直線は、上記した線形特性のセグメントに適合している。そして、Ｉ軸（ＬOPT＝０のとき）がこの直線を遮断している電流値をしきい値電流（Ｉth）と定義する。
【００３４】
まず、このレーザ素子にしきい値電流（Ｉth）より小さい値（Ｉ）の電流を注入するとレーザ素子は自然放出光を出射する。自然放出光としてＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emmision：ＡＳＥ）に基づく出射端面（前端面）からの自然放出光を選択し、縦軸に光出力、横軸に波長をとり、各モードの光出力の包絡線から上記した自然放出光のスペクトル曲線を描く。得られたスペクトル曲線は、通常、図４で示したように、光出力の最大出力（ＰO）を有する非対称曲線になり、そしてこの曲線の中には複数本のファブリ・ペロー型の縦モードが包含されている。
【００３５】
このスペクトル曲線において、まず、最大出力（ＰO）よりも３dB低い光出力（Ｐ1）を示すスペクトル曲線上の点（Ｓ1，Ｓ2）をそれぞれ把握し、ついで、各点Ｓ1，Ｓ2に相当する自然放出光の波長（λ1，λ2，単位はnm）をそれぞれ把握する。
点Ｓ1から点Ｓ2までの自然放出光のスペクトル幅をここではΔλと定義する。そして、それは、スペクトル曲線の最大出力（ＰO）とそれよりも３dB低い両脇の出力（Ｐ1，Ｐ2）の範囲を含んでいる。図から明らかなように、Δλは（λ2−λ1）と等価である。
【００３６】
このレーザ素子Ｂ1が第１の条件を充足し、また、注入電流（Ｉ）が０.２≦Ｉ／Ｉth≦０.８の関係を満足する場合には、レーザ素子Ｂ1には、そのＩ値の全てにおいて、上記したΔλ値が１５nm以上となるような自然放出光を出射するという特性を備えている。
ここで、上記Δλ値が１５nmより小さい場合には、そのレーザ素子をＩth値以上の注入電流で駆動してレーザ光を発振させると、そのΔλ値内に包含されている縦モード（Ｆ−Ｐモード）の本数は少なくなる。そして、そのレーザ素子に例えばファイバブラッググレーティングを光結合してレーザモジュールを組み立ててそれを駆動すると、そこからの励起用レーザ光はシングルモードまたはシングルモードとマルチモードが時間的に交替する状態となり、その光出力は不安定化してノイズが発生する。
【００３７】
しかしながら、Δλ値が１５nmより大きい場合には、レーザ素子Ｂ1から発振するレーザ光のスペクトル曲線において、Δλ値内に包含されている縦モードの本数が多く、発振レーザ光は常にマルチモード化している。そのため、上記したレーザモジュールから得られる励起用レーザ光は、モジュール運転時に例えば光ファイバを動かしたり、またはモジュールの機械的な振動などの多少の外乱を受けても、ファイバブラッググレーティングの反射帯域幅内で安定な状態を保持する。すなわち、励起用レーザ光の不安定化は大幅に抑制される。
【００３８】
ここで、レーザ素子Ｂ1の発振レーザ光が上記した特性を示す理由は、基本的には、井戸層の厚みが１０nm以上（第１の条件）に設定されているからである。すなわち、井戸層の厚みは、前記したΔλ値の大小に影響を与え、またそれを律速する因子と規定することができると考えてよい。
この厚みを１０nmより薄くすると、ＡＳＥ時におけるΔλ値は１５nmより小さくなって発振レーザ光のマルチモード化は実現されにくくなり、その結果、レーザモジュールからの励起用レーザ光は変動してその時間的安定性が低下する。
【００３９】
なお、レーザ素子Ｂ1の場合、ＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線の形状は、前記した第１の条件〜第３の条件の関係で様々に変化するが、その変化する形状は便宜的に次のように区別立てすることができる。それを以下に説明する。
▲１▼まず、第１の条件〜第３の条件のいずれをも充足しない従来のレーザ素子の場合、ＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線は、傾向的に、図５で示したような形状になりやすい。
すなわち、光出力の最大強度付近におけるスペクトル曲線の形状が、図中の⇔印で示したように若干凹形状になりやすい。このような傾向を示すスペクトル曲線のタイプを、以後、タイプ１という。
【００４０】
▲２▼第１の条件と第２の条件を充足せず、第３の条件のみを充足しているレーザ素子の場合のＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線は、傾向的に、図６で示したような形状になりやすい。
すなわち、光出力の最大強度付近におけるスペクトル曲線の形状が、図中の丸印で示したように若干の凸形状になりやすい。このような傾向を示すスペクトル曲線のタイプを、以後、タイプ２という。
【００４１】
▲３▼第１の条件を必ず充足していて、第２の条件と第３の条件のいずれか一方のみを充足しているか、または第２の条件と第３の条件のいずれをも充足していないレーザ素子Ｂ1の場合、そのＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線は、傾向的に、図７で示したような形状になりやすい。
すなわち、光出力の最大強度付近におけるスペクトル曲線の形状は、図の⇔印で示したように、最大強度の箇所を跨いで全体が丸みを帯びた凸形状になりやすい。このような傾向を示すスペクトル曲線のタイプを、以後、タイプ３という。
【００４２】
▲４▼第１の条件〜第３の条件を同時に充足しているレーザ素子Ｂ1の場合、そのＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線は、傾向的に図８で示したような形状になりやすい。
すなわち、タイプ２とタイプ３を合成したような形状になっていて、最大強度の箇所を跨いで全体が丸みを帯びた凸形状になっていると同時に、最大強度付近におけるスペクトル曲線の形状は凸形状になりやすい。このような傾向を示すスペクトル曲線のタイプを、以後、タイプ４という。
【００４３】
すなわち、レーザ素子Ｂ1は、ＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線を描くと、そのスペクトル曲線はタイプ３またはタイプ４のいずれかの形状を示すという特性を備えているのである。
観点を変えれば、ＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線を描き、それがタイプ３またはタイプ４の形状を示すレーザ素子は、少なくとも前記した第１の条件を充足したレーザ素子Ｂ1になっている。したがって、それを用いて組み立てたレーザモジュールからの励起用レーザ光は時間的安定性が良好であることになる。すなわち、ＡＳＥ時における自然放出光のスペクトル曲線から、そのレーザ素子が励起用レーザ光の時間的安定性にとって有効か否かを判定することができる。
【００４４】
また、レーザ素子Ｂ1は次のような特性も備えていることが好ましい。それを図９に則して説明する。
まず、レーザ素子Ｂ1からレーザ光を発振させる。ここで、レーザ素子Ｂ1の長手方向（レーザ光の出射方向）をｘ軸方向、厚み方向、すなわち層構造Ｃにおける積層方向をｚ軸方向、幅方向をｙ軸方向とする３次元座標軸を仮定して、出射光のｚ軸方向成分に着目して説明する。
【００４５】
出射光はレーザ素子Ｂ1から出射し、光軸との直交面に遠視野像（Far-Feild Pattern：ＦＦＰ）が生ずる。この遠視野像（ＦＦＰ）のｚ軸成分は、最大出力Ｐ0を有する光出力分布曲線となっている。
このとき、半分の出力水準（１／２Ｐ0）のところに遠視野像ＦＦＰの垂直（ｚ軸）方向に沿って２個の点が認められ、また、レーザ素子の前端面から出射した光の上記２個の点のそれぞれに対する広がり角度θが認められる。
【００４６】
角度θは、半値幅角度（full-width half maximum angle）としても知られている。なぜならば、この角度は、前端面と、半分の出力水準である垂直軸上の２点間の全体の幅との間に形成されているからである。
レーザ素子Ｂ1は、上記した広がり角度θが２５°以下であることが好ましい。この広がり角度θが２５°以下になっていることにより、レーザ素子Ｂ1は光ファイバとの結合効率が充分に高くなり、ファイバ端光出力を高めることができるだけではなく、活性層への光閉じ込め係数が充分に小さくなっているため高効率になっている。
【００４７】
なお、以上の説明はリッジ導波路型レーザ素子の場合で行ったが、レーザ素子Ｂ1はそのような構造に限定されるものではなく、前記した第１の条件を満足する層構造を有するものであれば、自己整合型（ＳＡＳ型）の構造のものであってもよい。
上記したように、レーザ素子Ｂ1は、当該素子Ｂ1が形成されている半導体チップにとっては外在物である光帰還機能を有する要素５ａとともに、パッケージの中に組み込まれる。しかしながら、本発明は、光帰還機能を有する要素がレーザ共振器としての半導体チップ上に集積されている場合のレーザ素子に対しても等しく適用される。
【００４８】
そのような、集積された光帰還機能を有する要素を備えた本発明のレーザ素子について説明する。このレーザ素子の１例Ｂ2を部分切欠斜視図として図１０に示す。
このレーザ素子Ｂ2は、図２で示したレーザ素子Ｂ1の層構造Ｃにおいて、上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層１６ｂと上部クラッド層１８の間にスペーサ層２０を介装し、このスペーサ層２０の中に所定周期のグレーティング２１を配置し、あわせて活性層１７の両側にｐ型層２２ａとｎ型層２２ｂを積層して成る電流ブロッキング層２２を形成したものである。
【００４９】
このレーザ素子Ｂ2は、活性層１７の近傍に、光帰還機能と波長選択特性を有する要素としてのグレーティング２１が配置されているので、それ自体として光帰還機能を備えており、グレーティング２１の反射帯域幅で規定される特定波長のレーザ光を出力する。
その場合、活性層１７は少なくとも前記した第１の条件を充足しており、また、第２の条件、第３の条件も充足させることにより、レーザ素子Ｂ2からのレーザ光は、図１で示した本発明のレーザモジュールの場合と同様に、マルチモード化していて、その光出力が時間的変動の少ない状態になる。
【００５０】
すなわち、このレーザ素子Ｂ2は、それ自体で図１で示したレーザモジュールＡと同等の機能を発揮することができる。
もち論、このレーザ素子Ｂ2を光源にして図１で示したレーザモジュールを組み立てることもできる。
なお、本発明における半導体レーザモジュールの最大光出力はＬ×０.１mW／μｍ以上であり、より好ましくはＬ×０.２５mW／μｍ以上である。ここで、Ｌは本発明において使用される半導体レーザ素子の共振器の長さ（単位：μｍ）である。以上の関係により、本発明における半導体レーザモジュールの最大光出力は、共振器長が８００μｍのときは８０mW、より好ましくは２００mWとなる。また、共振器長が１２００μｍのときの最大光出力は１２０mW、より好ましくは３００mWとなり、共振器長（Ｌ）が１８００μｍのときの最大光出力は１８０mW、より好ましくは４５０mWとなる。
【００５１】
【実施例】
１．レーザ素子Ｂ1の製造
ｎ−ＧａＡｓから成る基板の上に、表１、表２で示した各層を成膜して図２の層構造Ｃを形成した。
形成された層構造の上面に、フォトリソグラフィー技術とエッチング技術を適用して幅４μｍ、高さ１.２μｍのリッジ導波路を形成したのち、その上にＳｉＮから成る保護膜１３を形成した。
【００５２】
ついで、基板１０の裏面を研磨してそこにＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから成る下部電極１２を形成し、またキャップ層１９の上面の保護膜の一部を除去したのち層構造の上面全体にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕから成る上部電極１４を形成した。
そして、基板を劈開して共振器長（Ｌ）が８００μｍであるバーにしたのち、一方の端面にＳｉＮから成る反射率０.８％の低反射膜を成膜して前端面を形成し、他方の端面にＳｉＯ2／Ｓｉから成る反射率９２％の高反射膜を成膜して後端面を形成した。そして最後に、このバーを加工してチップとし、図２で示したレーザ素子Ｂ1を製造した。
【００５３】
【表１】
【表２】
なお、レーザ素子１の伝導帯バンド模式図を図１１に、またレーザ素子４の伝導帯バンド模式図を図１２にそれぞれ示す。図中の数字はいずれも図２で示した各層を示している。
【００５６】
２．レーザ素子の特性
表１、表２で示したレーザ素子に対し、ＡＱ６３１７（ＡＮＤＯ社製のOptical Spectrum Analyzer）を用いてＡＳＥ自然放出光を出射させ、それぞれのスペクトル曲線を求め、その形状を観察した。その結果を表３に示した。
また、各レーザ素子をレーザ発振させ、その発振レーザ光の遠視野像を、フォトダイオードを用いて測定し、スペクトル曲線の半値幅に対応する垂直方向の広がり角度θを求めた。その結果も表３に示した。
【００５７】
【表３】
また、レーザ素子１、レーザ素子３、レーザ素子４については、注入電流（Ｉ）を変化させて自然放出光を出射させてそれぞれのスペクトル曲線を描き、その最大出力（Ｐ0）よりも３dB低い出力の場合の２個の波長間で示されるスペクトル幅（Δλ値）を求めた。そして、Ｉ／Ｉth値とスペクトル幅（Δλ値）をプロットした。結果を図１３に示した。
【００５９】
以上の結果から次のことが明らかである。
（１）まず、図１３から明らかなように、レーザ素子１，３，４は、いずれも、Ｉ／Ｉth値が１以上、すなわち、注入電流がしきい値電流以上になればレーザ発振する。
しかしながら、自然放出光が出射するＩ値の注入電流の領域において、レーザ素子１の場合は、Ｉ値がＩth値に向かって増加するにつれて実質的に線形をなして減少している自然放出光におけるスペクトル幅（Δλ値）を有している。
【００６０】
これに反し、レーザ素子４のスペクトル幅（Δλ値）は、０.２と０.６の間のＩ／Ｉth値では概ね実質的に同じ値のままであり、そして、Ｉ／Ｉth値が０.６から約１.０に増加していくと、大きな傾きでゼロに向かって減少していく。
レーザ素子３の場合も、レーザ素子４の場合と略同じ挙動を示しているが、スペクトル幅（Δλ値）は減少する２つの顕著なステージを有し、そのステージ間には平坦領域がある。第１の減少ステージは比較的小さく、Ｉ／Ｉth値が０.２から約０.４までに増加する間で起こっている。第２の減少ステージは大きく、そしてＩ／Ｉth値が０.８から約１.０５に増加する間で起こっている。平坦領域はＩ／Ｉth値が約０.４と約０.８の間で起こっており、その場合のスペクトル幅Δλは実質的に一定である。
【００６１】
（２）いずれにしても、レーザ素子３とレーザ素子４の場合、Ｉ／Ｉth値の広い範囲（０.４と０.８の間）において、Δλ値は安定した値を示している。このことは、この範囲内でＩ値が変動しても、自然放出光のスペクトル曲線の形状はわずかに変化するのみであり、安定しているということを意味している。これは、しきい値よりも大きい注入電流（Ｉ）で駆動させたときの発振レーザ光の安定性を予告する指標であると考えられる。
【００６２】
そして、レーザ素子３とレーザ素子４のΔλ値を対比すると、Ｉ／Ｉth値が０.２と０.９の間（すなわち平坦領域）に対してはレーザ素子４の場合の方が大きい値を示しているが、このことは、レーザ素子４の方が駆動安定性に優れていることを示唆しているものと考えられる。
【００６３】
（３）ここで、表１、表２および表３を参照すると、井戸層の厚みが７nmで２層構造の量子井戸構造になっているレーザ素子１の場合、その自然放出光におけるスペクトル曲線の形状はタイプ１であり、そのΔλ値は図１３で示したように変化しているが、井戸層の厚みを１２nmと厚くして第１の条件を充足させ、また量子井戸構造を単層構造にしたレーザ素子３では、スペクトル曲線の形状はタイプ３に変化し、またΔλ値も安定している。
【００６４】
そして、第１の条件を満たすと同時に、第２の条件と第３の条件のいずれをも満たしているレーザ素子４の場合は、スペクトル曲線の形状はタイプ４となり、かつΔλ値も高位水準で安定化している。
【００６５】
（４）すなわち、井戸層の厚みを厚くすると、自然放出光のスペクトル曲線の形状はタイプ３に変化し、同時にΔλ値はＩ／Ｉth値の広い範囲で安定化する。そして、上記した第１の条件の充足を前提として、更に井戸層にＳｉドーピングを行い（第２の条件の充足）、またｎ型クラッド層に３×１０17／cm3の高濃度でＳｉドーピングを行う（第３の条件の充足）と、自然放出光のスペクトル曲線の形状は、タイプ２とタイプ３を合体した形状、すなわちタイプ４へと変化し、同時に、Δλ値はＩ／Ｉth値の広い範囲において高位水準で安定化するということが明らかとなった。
【００６６】
なお、上記した説明は、前端面の反射率が０.８％であるレーザ素子の場合についてであるが、この前端面の反射率を０.５〜１５％の範囲内で変化させた場合でも、それぞれのレーザ素子はいずれも上記したと同様の特性を示すことが確認された。
また、実施例では基板としてｎ型のものを用いたが、ｐ型であっても同様の特性が得られる。ただし、その場合、層構造Ｃにおける各層の導電型は実施例と逆にする。
【００６７】
３．レーザモジュールの組立て
表１および表２で示した各レーザ素子のうち、レーザ素子１とレーザ素子４を選択し、それぞれを、ファイバブラッググレーティングが形成されている光ファイバとレンズを介して光結合し、図１で示したレーザモジュールＡを組み立てた。
【００６８】
レーザ素子１が組み込まれている装置を装置Ａ1（従来装置）、レーザ素子４が組み込まれている装置を装置Ａ2（実施例装置）とする。
なお、レーザ素子１に光結合されたファイバブラッググレーティングは、反射率７％、反射帯域幅１.５nm、中心波長９７９nmの波長選択特性を有するように設計されており、また、レーザ素子４に光結合されたファイバブラッググレーティングは、反射率７％、反射帯域幅１.５nm、中心波長９７６nmの波長選択特性を有するように設計されている。
【００６９】
４．レーザモジュールの性能
（１）励起用レーザ光の時間安定性
装置Ａ1、装置Ａ2に２５０mAの電流を注入して、励起用レーザ光を出射させた。そして、そのレーザ光の光出力（Ｐｆ）を、Lightwave multimeter 8153A（アジレント社製）, Power Sensor Module 81533B（アジレント社製）, およびOptical Head 81525Aから成るシステムで測定し、またモニタ光強度（Ｉｍ）を、ADVANTEST Digital Electrometer R8240（アドバンテスト社製）とＩＬＸ Lightwave Laser Diode Controller LDC-3744B（ＩＬＸ ライトウェーブ社製）から成るシステムで測定した。ついで、約１分間の時間間隔を超えて、ＰｆとＩｍの測定値の変化率（％）を０.４秒間隔で算出した。
【００７０】
装置Ａ1の場合の結果を図１４に、装置Ａ2の場合の結果を図１５にそれぞれ示す。
図１４と図１５を対比して明らかなように、装置Ａ2は装置Ａ1に比べて発振レーザ光の時間的安定性が著しく優れている。
【００７１】
（２）駆動電流値に対する発振レーザ光の安定性
装置Ａ1と装置Ａ2への駆動電流をしきい値Ｉthから５mA間隔で増加させていき、その都度、（１）で用いた測定システムにより、励起用レーザ光の光出力（Ｐｆ）とモニタ光強度（Ｉｍ）の変化率（％）を算出した。
装置Ａ1の場合の結果を図１６に、装置Ａ2の場合の結果を図１７に示した。
図１６と図１７を対比して明らかなように、装置Ａ1の場合は駆動電流が変化するとＰｆ，Ｉｍはいずれも大きく変動しているが、装置Ａ2の場合は全く変動しておらず、この装置は駆動電流が変化したとしても極めて安定な励起用レーザ光を発振している。図１６と図１７から、許容できる最大変化率は０.５％であることがわかる。
【００７２】
（３）励起用レーザ光のスペクトルの時間安定性
装置Ａ1と装置Ａ2に２５０mAの駆動電流を注入して励起用レーザ光を出射させた。そして、駆動開始時点と、それから１０秒後、２０秒後、３０秒後、４０秒後におけるスペクトルを観察した。
その結果を、装置Ａ1の場合は図１８〜図２２に、装置Ａ2の場合は図２３〜図２７に示した。
【００７３】
以上の結果から次のことが明らかである。
▲１▼装置Ａ1と装置Ａ2の駆動開始直後における励起用レーザ光のスペクトル図（図１８と図２３）を対比すると、装置Ａ1の場合は、その中心波長がファイバブラッググレーティングの中心波長（９７９nm）付近でシングル縦モードで発振している。これに反し、装置Ａ2の場合は、ファイバブラッググレーティングの中心波長（９７６nm）付近でマルチ縦モードが発振している。
【００７４】
▲２▼また、装置Ａ1の励起用レーザ光は、時間が経過するにつれて、その発振スペクトルが変動している。しかしながら、装置Ａ2の場合は、駆動時間が経過しても、その発振スペクトルは駆動開始時点（図１８）の場合と実質的に同じである。
▲３▼すなわち、装置Ａ2は、時間安定性に優れた励起用レーザ光を出射している。
【００７５】
（４）光出力と光ファイバの状態との関係
装置Ａ2において、光ファイバを直径約１００mmで３ターンした状態にしてレーザ発振させた。そのときの発振スペクトルを図２８に示す。
ついで、光ファイバを前記した巻回状態から直径約１００mmで３ターンの巻回状態に巻き直し、同じ条件でレーザ発振させた。そのときの発振スペクトルを図２９に示す。
【００７６】
図２８と図２９から明らかなように、光ファイバの巻回状態が変化しても、装置Ａ2からの励起用レーザ光の発振スペクトルの変動は起こっていない。
一方、装置Ａ1において、光ファイバを直径１００mmで５ターンした状態にしてレーザ発振させた。そのときの発振スペクトルは図３０で示すようにマルチモードの発振になっていた。
【００７７】
ついで、光ファイバを上記した巻回状態から直径１００mmで４ターンの巻回状態に巻き直し、同じ条件でレーザ発振させた。そのときの発振スペクトルを図３１に示した。
図３０と図３１を対比して明らかなように、装置Ａ1の場合、光ファイバの巻回状態が変化すると、励起用レーザ光の発振スペクトルが変化してしまう。
【００７８】
このように、装置Ａ2は、光ファイバの巻回状態、より一般化していえば、光ファイバがどのような状態になっていても、出射するその励起用レーザ光は安定していることが判明した。
【００７９】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明のレーザモジュールは、井戸層の厚みを１０nm以上と従来に比べて厚くし、更には井戸層に不純物をドーピングしており、またクラッド層にｎ型不純物をドーピングしていることにより、発振レーザ光はマルチモード化するレーザ素子とファイバブラッググレーティングを光結合して組み立てられているので、まず、出射する励起用レーザ光の時間安定性に優れている。また、レーザ素子の駆動電流が変動しても出射する励起用レーザ光は安定している。更には、光ファイバの例えば巻回状態を変えても出射する励起用レーザ光は安定していて実用的な信頼性が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体レーザモジュールの１例Ａを示す断面図である。
【図２】本発明のレーザ素子の１例Ｂ1を示す斜視図である。
【図３】レーザ素子のしきい値電流を定義するためのグラフである。
【図４】自然放出光のスペクトル曲線を示すグラフである。
【図５】レーザ素子の自然放出光におけるタイプ１のスペクトル曲線図である。
【図６】レーザ素子の自然放出光におけるタイプ２のスペクトル曲線図である。
【図７】レーザ素子の自然放出光におけるタイプ３のスペクトル曲線図である。
【図８】レーザ素子の自然放出光におけるタイプ４のスペクトル曲線図である。
【図９】遠視野像の広がり角度θを説明するための説明図である。
【図１０】本発明の半導体レーザ素子の１例Ｂ2を示す部分切欠斜視図である。
【図１１】レーザ素子１，２の伝導帯バンド模式図である。
【図１２】レーザ素子４の伝導帯バンド模式図である。
【図１３】レーザ素子におけるＩ／Ｉth値とスペクトル幅（Δλ）との関係を示すグラフである。
【図１４】装置ＡのＰｆ変化率とＩｍ変化率を示すグラフである。
【図１５】装置ＢのＰｆ変化率とＩｍ変化率を示すグラフである。
【図１６】装置Ａの駆動電流に対するＰｆとＩｍ変化率を示すグラフである。
【図１７】装置Ｂの駆動電流に対するＰｆとＩｍ変化率を示すグラフである。
【図１８】装置Ａの駆動開始時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図１９】装置Ａの駆動開始後１０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２０】装置Ａの駆動開始後２０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２１】装置Ａの駆動開始後３０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２２】装置Ａの駆動開始後４０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２３】装置Ｂの駆動開始時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２４】装置Ｂの駆動開始後１０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２５】装置Ｂの駆動開始後２０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２６】装置Ｂの駆動開始後３０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２７】装置Ｂの駆動開始後４０秒経過時における励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２８】光ファイバを直径１００mmで３ターンの巻回状態にしたときにおける装置Ａの励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図２９】光ファイバを直径１００mmで３ターンの巻回状態に変えたときにおける装置Ａの励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図３０】光ファイバを直径１００mmで５ターンの巻回状態にしたときにおける装置Ｂの励起用レーザ光のスペクトル図である。
【図３１】光ファイバを直径１００mmで５ターンから４ターンの巻回状態に変えたときにおける装置Ｂの励起用レーザ光のスペクトル図である。
【符号の説明】
１ パッケージ
１ａ パッケージ１０の底板
１ｂ パッケージ１０の筒状孔部
２ ペルチェモジュール
３ ベース材
４ チップキャリア
５ 光ファイバ
５ａ ファイバブラッググレーティング
６ ファイバ固定部材
７ スリーブ
１０ 基板
１２ 下部電極
１３ 保護膜
１４ 上部電極
Ｃ 層構造
１５ 下部クラッド層
１６ａ 下部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
１７ 量子井戸構造の活性層
１６ｂ 上部ＧＲＩＮ−ＳＣＨ層
１８ 上部クラッド層
１９ キャップ層
２０ スペーサ層
２１ グレーティング
２２ 電流ブロッキング層
Claims (17)
- 少なくともＧａとＡｓを含む半導体材料から成る井戸層とそれを囲む障壁層を形成した活性層を有する層構造がＧａＡｓ基板の上に形成され、前記基板に平行に光が共振する半導体レーザ素子と、光帰還機能を有する要素とを光結合した励起用光源に用いられる半導体レーザモジュールにおいて、
前記半導体レーザモジュールは、縦モードがマルチモードで発振し、かつ、前記活性層における井戸層の厚みが１０nm以上であることを特徴とする半導体レーザモジュール。 - 少なくとも前記活性層には、不純物がドーピングされている請求項１の半導体レーザモジュール。
- 前記不純物がｎ型不純物である請求項２の半導体レーザモジュール。
- 前記ｎ型不純物がＳｉである請求項３の半導体レーザモジュール。
- 前記Ｓｉのドーピング濃度が１×１０16／cm3〜５×１０18／cm3である請求項４の半導体レーザモジュール。
- 前記層構造のｎ型クラッド層には、少なくともＳｉがドーピングされている請求項１〜５のいずれかの半導体レーザモジュール。
- 前記活性層における井戸層の数が１つである請求項１〜６のいずれかの半導体レーザモジュール。
- 前記井戸層の厚みは、前記障壁層の厚みよりも厚くなっている請求項１〜７のいずれかの半導体レーザモジュール。
- 前記活性層を構成する半導体材料が、ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ，ＧａＡｓＳｂ、またはＩｎＧａＡｓＳｂである請求項１〜８のいずれかの半導体レーザモジュール。
- 前記半導体レーザ素子の発振レーザ光の発振波長が９４０〜９９０nmである請求項１〜９のいずれかの半導体レーザモジュール。
- 前記半導体レーザ素子が、リッジ導波路型、または自己整合型のいずれかである請求項１〜１０のいずれかの半導体レーザモジュール。
- 前記半導体レーザ素子の発振レーザ光の光出力分布曲線の半値幅における垂直方向の広がり角度が２５°以下である請求項１〜１１のいずれかの半導体レーザモジュール。
- 前記半導体レーザ素子が、
次式：０.２≦Ｉ／Ｉth≦０.８
（式中、Ｉは注入電流、Ｉthはレーザ発振を開始するときの注入電流を表す）の関係を満たす電流を注入したときに出射する自然放出光のスペクトル曲線において、その最大強度から３dB低い強度を示す箇所のスペクトル幅が１５nm以上になる請求項１〜１２のいずれかの半導体レーザモジュール。 - 前記光帰還機能を有する要素が、ファイバブラッググレーティング、誘電体多層膜フィルタ、または分布ブラッグ反射鏡のいずれかである請求項１〜１３のいずれかの半導体レーザモジュール。
- 前記光帰還機能を有する要素が、楔形光ファイバに形成されたファイバブラッググレーティングである請求項１〜１４の半導体レーザモジュール。
- 前記半導体レーザ素子における前記活性層近傍にグレーティングを形成することにより前記光帰還機能を有する要素を形成した請求項１〜１３のいずれかの半導体レーザモジュール。
- 前記半導体レーザ素子における前記基板に平行に光が共振する共振器の長さをＬ（μｍ）としたとき、前記半導体レーザモジュールの光出力は、Ｌ×０.１mW／μｍ以上となる請求項１〜１６のいずれかの半導体レーザモジュール。
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