JP4652765B2 - 分布帰還型半導体レーザ素子及びそれを用いた半導体レーザモジュール - Google Patents

Description

本発明は、分布帰還型半導体レーザ素子及びそれを用いた半導体レーザモジュールに関するものである。

近年、ＣＡＴＶシステムや移動体通信システムでは、複数のサブキャリアを用いて低速で並列伝送する直交周波数分割多重（OFDM：Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式を用い、これによって高帯域マルチメディア通信の高速伝送を達成している。その光源としては、一般に単一波長性に優れた分布帰還型半導体レーザ素子（Distributed Feedback laser；以下、ＤＦＢレーザと言う）が用いられている。

特に、比較的短距離の都市幹線系及び加入者系では、直接変調可能でかつ素子の温度制御を行わない、例えばペルチェ素子などの素子冷却部品で冷却しない状態で用いる非冷却型（Uncooled）ＤＦＢレーザの導入が検討されている。このような非冷却型ＤＦＢレーザは、温度制御されない環境下で使用できるように、広い温度範囲、例えば−４０℃から＋８５℃で動作することが求められる。

一般に、ＤＦＢレーザは、共振器内部に屈折率の実部または虚部が周期的に変化する構造（以下、回折格子と言う）を有し、特定の波長の光にだけ帰還がかかるようにして波長選択性を持たせている。そのため、ＤＦＢレーザの発振波長λ_ＤＦＢは、活性層の利得ピーク波長λ_ＰＥＡＫとは独立に設定することができる。DFBレーザの回折格子の周期をΛ、導波路の等価屈折率をｎ_ｅｆｆとすると、ＤＦＢレーザの発振波長λ_ＤＦＢは、λ_ＤＦＢ＝２・Λ・ｎ_ｅｆｆと表される。なお、活性層の利得ピーク波長λ_ＰＥＡＫはフォトルミネッセンス（PL：Photo Luminescence）波長λ_ＰＬに相当する。

ＤＦＢレーザにおいて、前記回折格子はｐ側半導体層中、ｎ側半導体層中、もしくはその両方に設けられるが、埋め込み構造付近のリーク電流を抑制し、かつ発振波長と利得ピークを有する波長との間で精密に制御せねばならないという観点より活性層上部に形成されたｐ側半導体層中に設けることが好ましい。

ＤＦＢレーザでは埋め込みヘテロ（BH：Buried Hetero）構造が良く用いられる。ＢＨ構造のＤＦＢレーザの場合、埋め込み技術の容易さからｎ型半導体基板を用いることが多い。また、ｎ型半導体基板を用いた場合に回折格子をｐ側半導体層中に設けると、該回折格子は、活性層を形成した後に形成することになり、利得ピーク波長λ_ＰＥＡＫに相当する活性層のＰＬ波長λ_ＰＬを測定した後で、発振波長λ_ＤＦＢを決定する回折格子の周期Λを決めることができる。したがって、良好なレーザ発振特性を得るために必要な利得ピーク波長λ_ＰＥＡＫと発振波長λ_ＤＦＢとの差であるデチューニング量Δλ（Δλ＝λ_ＤＦＢ−λ_ＰＥＡＫ）の制御を容易に行うことができるのである。
さらに、回折格子をｐ側クラッド層中に設けると、活性層からの距離を離すことができるため、回折格子の周囲を埋め込む際の再成長条件を安定させることができる。

上術したようなＤＦＢレーザの一例について図６を参照して説明する。なお、ここで説明するＤＦＢレーザは特許文献１に記載されているものである。

図６に示したＤＦＢレーザ１００は、発振波長が１５５０ｎｍに設定され、共振器長Ｌが３００μｍのＢＨ構造を有している。具体的には、ｎ−ＩｎＰ基板１０２上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層１０３、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１０４、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１０５、ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０６、該ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０６を埋め込んだｐ−ＩｎＰ埋め込み層１０７、及びｐ−ＩｎＰ上クラッド層１０８の積層構造を有している。

ここで、ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０６とｐ−ＩｎＰ埋め込み層１０７は発振波長を制御する回折格子を形成している。すなわち、周期的に屈折率を変化させる回折格子を共振器内に備えている屈折率結合型ＤＦＢレーザとなっている。該屈折率結合型ＤＦＢレーザは共振器内部で屈折率が支配的である複素屈折率の実部が周期的に変動している。

なお、前記積層構造のうち、ｐ−ＩｎＰ上クラッド層１０８、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層１０７、ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０６、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１０５、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１０４、及びｎ−ＩｎＰバッファ層１０３の上部層は、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１０４が約１．５μｍの幅を有するように、メサストライプ状に加工されている。そして、メサストライプの両側は、ｐ型半導体からなる層（ｐ−ＩｎＰ層）１１１とｎ型半導体からなる層（ｎ−ＩｎＰ層）１１２からなる電流（キャリア）ブロック層が積層され、ＢＨ構造が形成されている。

また、ｐ−ＩｎＰ上クラッド層１０８及びその両側のｎ型半導体からなる層（ｎ−ＩｎＰ層）１１２上には、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０９及びｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１０が積層されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１１０上には、ｐ側電極１１４としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜が形成され、該ｐ型電極１１４が形成された領域を除いて絶縁膜１１５が形成されている。また、ｎ−ＩｎＰ基板１０２の裏面には、ｎ側電極１１６としてＡｕＧｅＮｉ膜が形成されている。

また、寄生容量低減のために、前記電流（キャリア）ブロッキング層を貫通するように、溝１１３が形成されている。さらに、高出力化を目的としてＤＦＢレーザ１００の前端面（出射端面）には無反射コーティング膜（図示せず）が、後端面には高反射コーティング膜（図示せず）が、それぞれ成膜されている。

特開２００３−２３４５４１号公報

図７はＤＦＢレーザ１００のＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１０４付近の伝導帯のバンドダイアグラムである。図７に示すように、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１０４は複数の障壁層１１７、井戸層１１８、及び分離光閉込め層（Separate Confinement Heterostructure；以下ＳＣＨ層という）１１９により構成されている。また、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１０４上のｐ−ＩｎＰスペーサ層１０５及びｐ−ＩｎＰ埋め込み層１０７は実線からなるバンドダイアグラムを有し、ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０６が存在する部分は点線からなるバンドダイアグラムを有している。

ここで、図６に示したＤＦＢレーザ１００は、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１０４に電流を注入していき、注入電流がしきい値を超えると、井戸層１１８において、電子と正孔の結合が活発に行なわれる。
しかしながら、実際には、電子が井戸層１１８にとどまらず、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１０４の外へオーバーフローしてしまい、本来得られるべき出力を得ることができない、という問題が生じていた。

発明者らがその原因について調査を行ったところ、以下のことが判明した。前記ｐ−ＩｎＰスペーサ層１０５の伝導帯のバンドエネルギーは、理想的には図７に実線で示したようになっているはずである。しかしながら、実際には一点鎖線で示したように、設計値よりも小さくなっていることが分かった。これは、ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０６のバンドギャップエネルギーがｐ−ＩｎＰスペーサ層１０５のバンドギャップエネルギーに比べて非常に小さいために、比較的薄いスペーサ層１０５の伝導帯のバンドエネルギーが前記ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層１０６の影響を受けて本来の値より小さくなり、その結果、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１０５の電子に対する障壁が小さくなって、電子のオーバーフローが発生したと考えられる。

そこで、本願発明は、レーザ発振時に本来得られるべき出力を得ることができるＤＦＢレーザ（分布帰還型半導体レーザ素子）の提供を目的とする。

請求項１に係る発明はｎ型半導体基板上に積層されたｎ型バッファ層、量子井戸構造の活性層、ｐ型のスペーサ層、バンドギャップエネルギーの大きさが異なる半導体材料からなる回折格子層、該回折格子層を埋め込んだｐ型埋め込み層、及びｐ型上部クラッド層の積層構造を有する分布帰還型半導体レーザ素子であって、前記回折格子層と前記埋め込み層からなる回折格子は、前記ｐ型上部クラッド層中に形成され、前記回折格子を構成する前記回折格子層のバンドギャップエネルギーの値である第１の値は、前記分布帰還型半導体レーザ素子の発振波長をエネルギーに換算した値である第２の値より大きく、かつ、第１の値と第２の値の差は、前記ｐ型のスペーサ層の伝導帯のバンドエネルギーが前記回折格子層の影響を受けて本来の値より小さくならない値以上であり、前記回折格子のデューティー比は３０％以下であることを特徴とする。

請求項２に係る分布帰還型半導体レーザ素子は、上記の発明において、第１の値と第２の値の差は１５０ｍｅＶ以上であることを特徴とする。

請求項３に係る分布帰還型半導体レーザ素子は、上記の発明において、回折格子のデューティー比は２０％以下であることを特徴とする。

請求項４に係る分布帰還型半導体レーザ素子は、上記の発明において、分布帰還型半導体レーザ素子の結合係数κと共振器長Ｌとの積は０．８以上２．０以下であることを特徴とする。

請求項５に係る分布帰還型半導体レーザ素子は、上記の発明において、回折格子が少なくとも１つの位相シフト領域を含むことを特徴とする。

請求項６に係る分布帰還型半導体レーザ素子は、上記の発明において、分布帰還型半導体レーザ素子の結合係数κと共振器長Ｌとの積が１．６以上４．０以下であることを特徴とする。

請求項７に係る分布帰還型半導体レーザ素子は、上記の発明において、分布帰還型半導体レーザ素子の利得ピーク波長と発振波長との差であるデチューニング量Δλの絶対値が２０ｎｍ以下であることを特徴とする。

請求項８に係る分布帰還型半導体レーザ素子は、上記の発明において、前記活性層が井戸層及び障壁層と、少なくとも前記ｐ型半導体層側に前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ前記ｐ型半導体層の最内層よりもバンドギャップエネルギーが小さい光閉じ込め層を有していることを特徴とする。

請求項１０に係る半導体レーザモジュールは、請求項１乃至９の何れか一項に記載の分布帰還型半導体を内蔵したことを特徴とする前記光閉じ込め層がバンドギャップエネルギーの異なる複数の層からなることを特徴とする。

本願発明に係るＤＦＢレーザ及び半導体レーザモジュールによれば、本来得られるべき出力を得ることができる。

本願発明の実施の形態にかかるＤＦＢレーザ１の部分破断斜視図を図１に示した。本実施の形態のＤＦＢレーザ１は、従来のＤＦＢレーザに対して、回折格子層６のバンドギャップエネルギーが、ＤＦＢレーザの発振波長をエネルギーバンドギャップに換算した値との差が１５０ｍｅＶ以上になるような化合物半導体で構成している点に特徴がある。このようにすると、スペーサ層５は回折格子層６の影響を受けず、スペーサ層５の伝導帯のバンドエネルギーを理想的な状態に維持することができる。その結果、ＭＱＷ−ＳＣＨ層４からの電子のオーバーフローを抑制することができる。

積層構造のうち、上クラッド層８、埋め込み層７、回折格子層６、スペーサ層５、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４、及びバッファ層３の上部層は、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４が閉じ込め光の横モードの単一性を有する程度の幅となるように、メサストライプ状に加工されている。該メサストライプの両側にはｐ型半導体からなる層１１とｎ型半導体からなる層１２との積層構造からなる電流（キャリア）ブロッキング層が形成され、ＤＦＢレーザ１はＢＨ構造を有している。

前記上クラッド層８及びその両側のｎ型半導体からなる層１２上には、ｐ型半導体からなるクラッド層９及コンタクト層１０が、順次積層されている。また、コンタクト層１０の上には、ｐ側電極１４が設けられた領域を除いて絶縁膜１５が形成されている。ｎ型半導体基板２の裏面には、ｎ側電極１６が設けられている。また、寄生容量低減のために、前記電流（キャリア）ブロッキング層を貫通するように溝１３が形成されている。さらに、ＤＦＢレーザ１の前端面（出射端面）には無反射コーティング膜（図示せず）が、後端面には高反射コーティング膜（図示せず）が、それぞれ、成膜されている。

ｎ型半導体基板２としては厚さ１２０μｍ程度のＩｎＰ基板を用いることができ、バッファ層３、スペーサ層５、埋め込み層７、上クラッド層８、クラッド層９、ｐ型半導体からなる層１１及びｎ型半導体からなる層１２としてはＩｎＰを用いることができる。そして、この場合は回折格子層６としてＧａＩｎＡｓＰ、コンタクト層１０にはＧａＩｎＡｓを用いることができる。

次に、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４の構成について、バンドダイアグラムを用いて説明する。すなわち、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４は図２に示すように、複数の障壁層１７、井戸層１８、ＳＣＨ層１９により構成されている。これらの各層は、ＩｎＰに格子整合するＧａＩｎＡｓＰにより構成されている。

ここで、ＳＣＨ層１９としては、前記障壁層１７よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつｐ型の半導体層の最内層であるスペーサ層５よりもバンドギャップエネルギーが小さい半導体層で形成される。このような活性層と光閉じ込め導波路層を別々に設けることにより、導波路損失を抑えた形で光閉じ込めを強くすることができるという効果を得ることができる。さらに、上述したように前記ＳＣＨ層１９を複数層で形成するとＳＣＨ層１９を単一層として形成するよりも、電流注入をより効率よく行うことができ、またキャリアのオーバーフローを抑制することができるという効果を得ることができる。
また、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４にキャリア密度が１×１０^１８〔ｃｍ^-3〕程度になるようにｎ型またはｐ型のドーピングを施すと、低抵抗になり好ましい。

また、回折格Aのデューティー比を３０％よりも小さく、より好ましくは２０％よりも小さくすると、回折格子に占めるバンドギャップエネルギーの小さな回折格子層６の割合が小さくなる。このことによって、スペーサ層５の伝導帯のバンドエネルギーへの影響を小さくすることができる。

また、図３に示したように回折格子に周期的に配置される回折格子層６を抜いたタイプの位相シフト領域２Ｘを設けると、出射光の単一性を向上させることができることに加え、前述したデューティー比を３０％よりも小さくした場合と同様に、回折格子に占めるバンドギャップエネルギーの小さな回折格子層６の割合が小さくなる。このことによって、スペーサ層５の伝導帯のバンドエネルギーへの影響を小さくすることができる。

また、高光出力効率、低しきい値電流を実現しながら、高い単一モード性を保つという理由から、ＤＦＢレーザの結合係数κと共振器長Ｌとの積は、前記位相シフト領域２Ｘを有していない場合は０．８以上２．０以下、前記位相シフト領域２Ｘを有している場合は１．６以上４．０以下であることが好ましい。

さらに、本願発明のＤＦＢレーザのデチューニング量Δλの絶対値は、２０ｎｍ以下とすることが好ましい。このようにすることで、本発明に係るＤＦＢレーザで広い温度範囲で単一モード発振を得ることができる良好なレーザ発振特性が得られる。

以上の構成からなるＤＦＢレーザでは、回折格子層６がスペーサ層５の伝導帯のバンドエネルギーに対して与える影響が小さいため、ＤＦＢレーザの出力が本来得られるべき出力値よりも低下してしまうという問題を解消することができる。かかるＤＦＢレーザは、温度制御されない環境下で使用される非冷却型ＤＦＢレーザとして特に適している。非冷却型ＤＦＢレーザでは、高温下で使用されると電子の熱エネルギーが高くなり、井戸層１８に注入された電子であっても井戸層１８から漏れてスペーサ層５を超え易くなるためである。

先ず、図１及び図２を参照して、本実施例のＤＦＢレーザの構成を説明する。図１は本実施例のＤＦＢレーザの構成を示す部分破断斜視図、図２は図１の矢視Ｉ−ＩのＤＦＢレーザの断面図である。

ＤＦＢレーザ１は、発振波長を１３１０ｎｍ（９４０ｍｅＶ）に設定し、共振器長が3００μｍのＢＨ構造のＤＦＢレーザであって、図１に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板２上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層３、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４、厚さが約１００ｎｍのｐ−ＩｎＰスペーサ層５、バンドギャップエネルギーが１２３０ｍｅＶであるＧａＩｎＡｓＰからなる回折格子層６、該回折格子層６を埋め込んだｐ−ＩｎＰ埋め込み層７、及びｐ−ＩｎＰ上クラッド層８の積層構造を有する。

ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４の井戸層１８のバンドギャップ波長は１３１０ｎｍである。また、図に詳細は記載しないが、ＳＣＨ層１９はバンドギャップ波長が９５０〜１１００ｎｍ（１３００〜１１２７ｍｅＶ）と変化する４層により構成されており、その傾きの絶対値は５．１ｍｅＶ／ｎｍである。前記傾きの絶対値とは、最も障壁層寄りのＳＣＨ層と最もスペーサ層５寄りのＳＣＨ層の頂点を結んだ際の傾きをいう。ここで、前記傾きの絶対値は発振波長が１３１０〜１６５０ｎｍであるＤＦＢレーザの場合には、４．５〜７．６ｍｅＶ／ｎｍ程度であることが好ましい。また、その最適値は、例えば、発振波長が１３１０ｎｍ近傍の場合は、４．５〜５．６ｍｅＶ／ｎｍ程度、発振波長が１４７０〜１５３０ｎｍのＤＦＢレーザの場合には、５．５〜６．７ｍｅＶ／ｎｍ程度、発振波長が１５１０〜１５７０ｎｍのＤＦＢレーザの場合には、５．４〜６．６ｍｅＶ／ｎｍ程度、発振波長が１５５０〜１６１０ｎｍのＤＦＢレーザの場合には、６．６〜７．６ｍｅＶ／ｎｍ程度が好ましい。

また、前記ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層６及びｐ−ＩｎＰ埋め込み層７からなる回折格子は、厚さが約２０ｎｍ、周期が約２００ｎｍ、デューティー比が３０％である。なお、回折格子を構成するＧａＩｎＡｓＰ回折格子層のバンドギャップエネルギーは１２３０ｍｅＶである。また、図３に示したように回折格子には、位相シフト領域２Ｘを設ける。本実施例の場合は、共振器方向に形成される回折格子の中央で、回析格子の位相がπ／２ずれた位相シフト領域２Ｘが設けられ、回折格子全体として、λ／８位相シフト型回折格子となるようにしてある。

前記積層構造のうち、ｐ−ＩｎＰ上クラッド層８、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層７、ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層６、ｐ−ＩｎＰスペーサ層５、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４、及びｎ−ＩｎＰバッファ層３の上部層は、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４が約１．５μｍの幅を有するように、メサストライプ状に加工されている。そして、メサストライプの両側は、ｐ−ＩｎＰ層１１とｎ−ＩｎＰ層１２との積層構造からなる電流（キャリア）ブロック層で埋め込まれており、ＢＨ構造が構成されている。

ｐ−ＩｎＰクラッド層８及びその両側のｎ−ＩｎＰ層１２上には、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層９及び高ドープＧａＩｎＡｓコンタクト層１０が、順次、積層されている。また、ドープＧａＩｎＡｓコンタクト層１０上には、ｐ側電極１４を設けた領域を除いて絶縁膜１５が形成されている。ｐ側電極１４は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜である。ｎ−ＩｎＰ基板２の裏面には、ｎ側電極１６としてＡｕＧｅＮｉ膜が設けてある。また、寄生容量低減のために、ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層１０、ｐ−ＩｎＰクラッド層９、及びｐ−ＩｎＰ層１１とｎ−ＩｎＰ層１２からなる電流（キャリア）ブロック層を貫通するように、溝１３が形成されている。更に、ＤＦＢレーザ１の前端面（出射端面）には無反射コーティング膜（図示せず）が、後端面には高反射コーティング膜（図示せず）が、それぞれ、成膜されている。

上述したＤＦＢレーザ１の作製に当っては、先ず、ＭＯＣＶＤ装置を使って、成長温度６００℃で、ｎ−ＩｎＰ基板２上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層３、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４、ｐ−ＩｎＰスペーサ層５、回折格子層６を成長させた。次いで、回折格子層６上に電子ビーム（EB；Electron Beam）描画装置を使って、周期が約２００ｎｍの回折格子パターンを有するレジスト膜を形成した。なお、上記半導体材料を使用することにより、デチューニング量Δλは＋０ｎｍとなる。また、レジスト膜形成時には、位相シフト領域２Ｘに相当する部分は、レジスト膜が残るようにする。続いて、ドライエッチング装置を使ってレジスト膜上からＧａＩｎＡｓＰ回折格子層６を貫通するようにエッチングした。

次いで、ＧａＩｎＡｓＰ回折格子層６が熱により変形することを防ぐため、成長温度を下げて、ＭＯＣＶＤ装置を使って、図３に示すように、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層７を積層して回折格子を形成し、その後ｐ−ＩｎＰ上クラッド層８を成長させた。

次に、プラズマＣＶＤ装置を用いて、基板全面にＳｉＮ_Ｘ膜を成膜し、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチング（RIE：Reactive Ion Etching）法により、共振器方向に延びるストライプ状（幅４μm）にＳｉＮ_Ｘ膜が残るようにエッチングして、ＳｉＮ_Ｘ膜マスク（図示せず）を形成した。続いて、前記ＳｉＮ_Ｘ膜マスクをエッチングマスクとして、ｐ−ＩｎＰ上クラッド層８、回折格子、ｐ−ＩｎＰスペーサ層５、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４、及びｎ−ＩｎＰバッファ層３の上部をエッチングして、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４が約１.５μｍの幅を有するメサストライプを形成した。

次いで、前記ＳｉＮ_Ｘ膜マスクを選択成長マスクとして使い、ｐ−ＩｎＰ層１１及びｎ−ＩｎＰ層１２を、順次、選択成長させて、メサストライプの両脇を埋め込み、電流（キャリア）ブロック層とした。その後、ＳｉＮ_Ｘ膜マスクを除去し、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層９及び高ドープＧａＩｎＡｓコンタクト層１０を成長させた。

次いで、ｎ−ＩｎＰ層１２、及びｐ−ＩｎＰ層１２をエッチングして溝１３を形成し、続いて全面に絶縁膜１５を成膜した。次いで、絶縁膜１５の一部を窓開けして、高ドープＧａＩｎＡｓコンタクト層１０上に、ｐ側電極１４としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜をパッド形状に設けた。また、基板厚が１２０μｍ程度になるように、ｎ−ＩｎＰ基板２の裏面を研磨し、ｎ−ＩｎＰ基板２の裏面には、ｎ側電極１６としてＡｕＧｅＮｉ膜を設けた。更に、ＤＦＢレーザ１の前端面には無反射コーティング膜を、後端面には高反射コーティング膜を成膜した後、チップ化した。

次にチップ化をしたＤＦＢレーザ１のモジュール化を行なった。図４は、ＤＦＢレーザ１、光学素子２１、光ファイバ２２により構成される半導体レーザモジュール２３である。図４のように、半導体レーザモジュール２３はＤＦＢレーザ１の前端面２４から出射される光を、光学素子２１により集光し、光ファイバ２２の一端に結合させる。そして、光ファイバ２２の他端から出射される光を利用する。

光学素子２１は上記作用を持たせるために、レンズが用いられ、必要に応じて、光ファイバ２２からの戻り光を阻止するためにアイソレータ、光路を変更するためのプリズム等を組み込む。ここで、符号２５はＤＦＢレーザ１の後端面、符号２６はＤＦＢレーザ１の光出力をモニタするための受光素子である。なお、この半導体レーザモジュール２３には温度調整機能が備えられていない。

上記半導体レーザモジュール、及びＤＦＢレーザ１として図６に示した従来技術に係るものを用いた同様な半導体レーザモジュールを比較例とし、それら特性の比較を同一の条件で行なった。その結果を図５（ａ）、（ｂ）に示した。図５（ａ）は本実施例に係る半導体レーザモジュールの電流／光出力特性であり、図５（ｂ）は従来技術に係るＤＦＢレーザを用いた比較例の半導体モジュールの電流／光出力特性である。

図５（ａ）、（ｂ）から明らかなように、本実施例に係る半導体レーザモジュールは、注入電流が２００ｍＡの高注入時においても、光出力の直線性が保たれていたのに対し、従来技術に係る分ＤＦＢレーザを用いた半導体モジュールでは、光出力の直線性を保つことができなかった。

なお、本実施例では、ＩｎＰ基板を用いたＤＦＢレーザを用いたが、いずれも一例でありこの実施の態様に限定されるものではない。例えばＧａＡｓ基板を用いたＤＦＢレーザであっても、該ＤＦＢレーザの発振波長と回折格子層を構成する半導体材料のバンドギャップエネルギーの差が１５０ｍｅＶ以上であれば、本発明の効果を得ることができる。このようなＤＦＢレーザとしては、例えば、光ディスクの読み書きに用いる赤色系のＤＦＢレーザが挙げられる。

また、ＧａＡｓ基板を用いたＤＦＢレーザであって、井戸層に窒化物を含む半導体を用いた長波長系のＤＦＢレーザであっても、ＤＦＢレーザの発振波長と、回折格子層を構成する半導体材料のバンドギャップエネルギーの差が１５０ｍｅＶ以上であれば、本発明の効果を得ることができる。

また、本実施例では、ＢＨ構造のＤＦＢレーザを採用したが、リッジ型や埋め込みリッジ型レーザにも適用することができる。

本発明に係るＤＦＢレーザの構成の概要を示す部分破断斜視図である。 図１のＤＦＢレーザのＭＱＷ−ＳＣＨ層近傍の伝導帯のバンドダイアグラムである。 図１の矢視Ｉ−Ｉの分布帰還型半導体レーザ素子の断面図である。 本実施例１の半導体レーザモジュールであるの概略構成図である。 （ａ）は本実施例に係る半導体レーザモジュールの電流／光出力特性、（ｂ）は従来技術に係るＤＦＢレーザを用いた比較例の半導体モジュールの電流／光出力特性である。 従来技術に係るＤＦＢレーザの構成の概要を示す部分破断斜視図である。 図６のＤＦＢレーザのＭＱＷ−ＳＣＨ層近傍の伝導帯のバンドダイアグラムである。

符号の説明

１、１００ ＤＦＢレーザ
２、１０２ 基板
３、１０３ バッファ層
４、１０４ ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
５、１０５ スペーサ層
６、１０６ 回折格子層
７、１０７ 埋め込み層
８、１０８ 上クラッド層
９、１０９ クラッド層
１０、１１０ コンタクト層
１１、１１１ ｐ型半導体からなる層
１２、１１２ ｎ型半導体からなる層
１３、１１３ 溝
１４、１１４ ｐ側電極
１５、１１５ 絶縁膜
１６、１１６ ｎ側電極
１７、１１７ 障壁層
１８、１１８ 井戸層
１９、１１９ ＳＣＨ層
２Ｘ 位相シフト領域
２０ 半導体レーザ素子
２１ 光学素子
２２ 光ファイバ
２３ 半導体レーザモジュール
２４ 前端面
２５ 後端面
２６ 受光素子

Claims (10)

1. ｎ型半導体基板上に積層されたｎ型バッファ層、量子井戸構造の活性層、ｐ型のスペーサ層、バンドギャップエネルギーの大きさが異なる半導体材料からなる回折格子層、該回折格子層を埋め込んだｐ型埋め込み層、及びｐ型上部クラッド層の積層構造を有する分布帰還型半導体レーザ素子であって、
   前記回折格子層と前記埋め込み層からなる回折格子は、前記ｐ型上部クラッド層中に形成され、
   前記回折格子を構成する前記回折格子層のバンドギャップエネルギーの値である第１の値は、前記分布帰還型半導体レーザ素子の発振波長をエネルギーに換算した値である第２の値より大きく、かつ、第１の値と第２の値の差は、前記ｐ型のスペーサ層の伝導帯のバンドエネルギーが前記回折格子層の影響を受けて本来の値より小さくならない値以上であり、
   前記回折格子のデューティー比は３０％以下である
   ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
2. 前記第１の値と第２の値の差は１５０ｍｅＶ以上であることを特徴とする請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
3. 前記回折格子のデューティー比は２０％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
4. 前記分布帰還型半導体レーザ素子の結合係数κと共振器長Ｌとの積は０．８以上２．０以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
5. 前記回折格子は少なくとも１つの位相シフト領域を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
6. 前記分布帰還型半導体レーザ素子の結合係数κと共振器長Ｌとの積は１．６以上４．０以下であることを特徴とする請求項５に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
7. 前記分布帰還型半導体レーザ素子の利得ピーク波長と発振波長との差であるデチューニング量Δλの絶対値は２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
8. 前記活性層は、井戸層及び障壁層と、少なくとも前記ｐ型半導体層側に前記障壁層よりもバンドギャップエネルギーが大きく、かつ前記ｐ型半導体層の最内層よりもバンドギャップエネルギーが小さい光閉じ込め層を有していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
9. 前記光閉じ込め層はバンドギャップエネルギーの異なる複数の層からなることを特徴とする請求項８に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
10. 前記請求項１乃至９の何れか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子を内蔵したことを特徴とする、温度調整機能を有しない半導体レーザモジュール。

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