JP5092928B2 - 光半導体装置 - Google Patents

Description

本発明は、光半導体装置に関し、特に、屈折率ガイド構造の導波路を備えた光半導体装置に関する。

近年、光ディスクの高速化に伴い半導体レーザの高出力化が求められている。半導体レーザの光出力を増加させるためには、注入電流を増加させる必要があるが、電流を注入する活性層面積も増やさなければ、高出力化は達成できない。活性層面積は、活性層幅と共振器長の積であるが、導波光の単一モード性維持のために、活性層幅の拡大には制約がある。このため、高出力化のためには一般的に共振器長を長くする必要がある。チップ長は共振器長と同一なので、共振器長増大とともに、ウェハー当たりのチップ収量が減少し、製造コストが増大する。

一方、活性層幅はチップ幅に対して十分細いので、活性層幅を広くした場合は、チップ面積が増加することは無くチップ製造コストは上昇しない。このようなことが背景となって、出力光の単一モード性を維持しながら、平均的な活性層幅を広くする試みがなされてきた。その方法の一つは、出力端付近のみ導波路幅を狭くし、内部で導波路幅を広げるものである。これを実現する手段として、テーパ導波路を備えた半導体レーザと多モード干渉（ＭＭＩ：Multi-mode Interference）半導体レーザとがある。これらの手法は、光ディスク用半導体レーザのみならず、光ファイバ通信用半導体レーザや半導体光増幅器などへの適用できる。

テーパ導波路を備えた半導体レーザとしては、例えば、特許文献１〜３などがある。テーパレーザに対しＭＭＩレーザは、急峻に導波路幅を拡大できる点に優位性がある。単一モード導波路とＭＭＩ導波路の幅が不連続であっても、単一モード導波路からＭＭＩ導波路へ入った導波光は、ＭＭＩ導波路から単一モード導波路へ切りかわる位置で、単一モードへと結像する。

光の波長をλとし、活性層領域の２次元スラブ導波路の等価屈折率をｎ_ｅｑとし、ＭＭＩ導波路幅をＷとした場合、例えば特許文献４により、ＭＭＩ導波路長Ｌは、０．９ｎ_ｅｑＷ^２／λ≦Ｌ≦１．１ｎ_ｅｑＷ^２／λと特徴づけられる。このようなＭＭＩ導波路長で結像する原理は次の通りである。

実効導波路幅がＷｅの時、０次モードの伝搬定数β_０とν次モードの伝搬定数β_νの差は、次式で表される。
β_０−β_ν≒ν（ν＋２）πλ／（４ｎ_ｅｑＷｅ^２）
導波路の対称性から偶モードのみ考えればよいので、νは偶数のみ考えればよい。従って、ν（ν＋２）／４は２の倍数である。
よって、Ｌ＝ｎ_ｅｑＷｅ^２／λにおいて、各モードの位相は一致し結像する。
ただし、導波路と導波路外の屈折率差が十分で無い時、閉じ込めモードの数が再結像のために十分な数に達していない場合がある。このような場合、光損失が発生する。

これを改善する手段として、単一モード導波路とＭＭＩ導波路の結合部にテーパ導波路を挿入する方法がよく使われている。特許文献５では、１×１−ＭＭＩ導波路に、単一モード導波路幅からＭＭＩ導波路幅まで幅を変化させるテーパ導波路を挿入している。ただし、テーパ長はアディアバティック長より短いと限定している。アディアバティック長とは、テーパ導波路において、導波光のモード拡大に伴う変換損失が無視できるほど小さくなる必要最低限のテーパ長のことである。テーパ長がアディアバティック長以上になると、ＭＭＩ導波路におけるモードはほとんどが０次モードになるため、ＭＭＩ効果が失われＭＭＩ導波路の動作には不適切となる。

ＭＭＩ導波路は、先に述べたＬの長さで結像するだけでなく、その整数倍の長さにおいても結像する。しかし、ＭＭＩ導波路長が長ければ長いほど、トレランスが厳しくなり、光損失が発生しやすくなる。特許文献６で述べられているように、この問題は、電流注入による屈折率変化や融着工程による歪の影響で顕著になる。半導体レーザをヒートシンクにマウントする際、半田を溶かすために、２００〜３００℃に加熱し室温に戻すという工程を経るが、半導体レーザとヒートシンクとの熱膨張係数の差により、半導体レーザに物理的歪みを内在させることになる。これは屈折率を変化させ、ＭＭＩ導波路の最適長さＬを変動させてしまうことになる。そこで、非特許文献１のようにＬの２倍、３倍・・・は用いず、Ｌの１倍の長さでいったん単一モード導波路に戻した上で改めてＭＭＩ導波路を接続するという方法をとるのが一般的である。このようなＭＭＩレーザの例を以下に具体的に述べる。

図１６はテーパ導波路を有するＭＭＩレーザの上面図である。図１６に示すように、屈折率ガイド構造の活性導波路が、単一モード導波路１１０、テーパ導波路１１、ＭＭＩ導波路１１２、テーパ導波路１３、単一モード導波路１１４と、導波路幅が連続的に変化するように接続されている。このような組み合わせが複数回繰り返され、出射端１５と端面１６においては単一モード導波路として、出射光が単一モードとなるようにしている。テーパ長Ｌ１７はアディアバティック長より短い１５μｍとし、ＭＭＩ導波路長Ｌ１１８＝４４μｍ、単一モード導波路長Ｌ１１９＝３０μｍとした。波長１．５５μｍの光に対しＩｎＰの屈折率は３．１７２であるのに対し、活性層領域の等価屈折率は３．２０８となっている。このような屈折率の組み合わせにおいて導波モードが単一モードとなるように、単一モード導波路幅Ｗ１２０＝１．５μｍとした。ＭＭＩ導波路幅Ｗ１２１＝４μｍとしたが、エバネッセント波侵入深さＷ２２があるために、ＭＭＩ導波路を設計する上で重要な実効ＭＭＩ導波路幅Ｗe≒５．３μｍとなっている。理論的な最適ＭＭＩ導波路長は３．２０８×５．３^２／１．５５＝５８μｍだが、テーパ導波路があるために最適ＭＭＩ導波路長はこれより短い値となる。

単一モード導波路１１０から１個のＭＭＩ導波路１１２だけを通って単一モード導波路１１４まで到達する透過係数を、２次元ビーム伝搬法により計算した結果が図１７である。ＭＭＩ導波路長を４４μｍとした時、光の波長１．５３〜１．６１μｍまでのＭＭＩ導波路１個あたりの透過係数は約９５〜９６％であり、損失は約４〜５％である。波長１．５３〜１．６１μｍは長距離光ファイバ通信に使われる光の波長帯全域に相当し、この全域にわたって損失の変化が小さいため、この波長帯の光を増幅する半導体光増幅器として用いることができる。また、この波長帯をカバーする波長可変レーザのアクティブ領域としても用いることができる。

このような４％程度の損失は、問題としないのが一般的である。特許文献５の図８にも同程度の損失が書かれているが問題視されていない。しかし、この損失は放射損失なので、半導体レーザの出力光と干渉して、遠視野像（ＦＦＰ：Far Field Pattern）を乱す場合がある。ＦＦＰが乱れると、光ファイバとの結合などで支障をきたす。４％のパワー損失といえども、電界比率で考えると４％の平方根の２０％もある。放射光の干渉は電界に対しておこるので、すべての放射損失が干渉に寄与したとすると、電界強度分布が±２０％で変動することになる。パワーは電界の２乗なので、パワー分布では±４０％の振動があることになる。さらに、複数のＭＭＩ導波路を接続したＭＭＩレーザの場合、複数の放射源があるので、ＦＦＰの乱れはより深刻になる。以上の見積もりは十分な定量性があるとは言えないが、少なくとも４％のパワー損失はＦＦＰの乱れを考える上で無視できないと考えられる。

実際、ＭＭＩレーザの放射光パターンの乱れが問題になることがあり、特許文献７ではその対策を講じている。その方法とは、出射端近傍の単一モード導波路の両脇に放射光除去手段である凹部などを設けることである。しかし、この凹部は、単一モード導波路の導波光に影響を与えないように、ある程度単一モード導波路との間に間隔を設ける必要がある。問題となる放射光はこの間隙も透過するので、除去能力には限界がある。また、凹部を設けると、半導体レーザの製造工程が増えチップコストが増大する。
特開平２−７８２９１号公報 特開平１０−１４４９９３号公報 特開２００６−１１４６０５号公報 特開２００３−４６１９０号公報 特開２００６−３３９４７７号公報 特開２００５−１９１３６４号公報 特開２０００−３２３７８２号公報 浜本、外４名、「Active multimode interferometer laser diode demonstrated via 1.48μm high power application」、Electron. Lett.、２０００年１月、ｖｏｌ．３６、ｐ．１３８−１３９

以上述べたＭＭＩレーザには、いくつかの問題がある。
第１に、ＦＦＰの乱れがあり、ファイバ結合に支障をきたす。これは、複数のＭＭＩ導波路がそれぞれ放射損失を有していることに起因する。わずかなパワーの放射光といえども電界比率では無視できず、レーザ出力光と干渉するためである。

第２に、放射光除去手段である凹部を設けても、なおＦＦＰの乱れが完全には改善されない。これは、凹部と単一モード導波路の間を放射光が通過し、レーザ出力光と干渉することに起因する。凹部は単一モード導波路のモードに影響を与えないようにある程度の間隔をあける必要があるため、放射光を完全に除去できない。また、このような凹部を設けると、製造工程が増え、チップコストが増大するという問題点も生じる。

第３に、効率が低い。これは、複数のＭＭＩ導波路がそれぞれ損失を有していることに起因する。レーザ発振する場合、導波光は両端面の間を往復する。その間、導波光は複数のＭＭＩ導波路を複数回通過することになるので、損失の蓄積が無視できず、効率が低下することになる。

本発明の目的は、製造工程を増やすことなく、ＦＦＰの乱れを抑えた光半導体装置を提供することにある。

本発明に係る光半導体装置は、
導波光の出射端面から内部へ形成された第１の導波路と、
前記第１の導波路よりも幅の広い第２の導波路と、
前記第１の導波路と前記第２の導波路を接続し、連続的に幅が変化したテーパ導波路とを備え、
真空中の光の波長をλ［μｍ］、
導波路領域の等価屈折率をｎ_ｅｑ、
グースヘンシェンシフトを考慮した前記第２の導波路の実効幅をＷｅ［μｍ］、
前記テーパ導波路の境界線を構成する直線又は曲線の平均傾きと、前記テーパ導波路と前記第２の導波路との接続点における前記直線又は曲線の傾きとの比率をａ、
０以上の整数Ｎ、とした場合、
前記第２の導波路の長さ［μｍ］が、（Ｎ＋ａ／２−０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上であることを特徴とする光半導体装置である。

本発明によれば、端面部以外の導波路幅を広くして、共振器長短尺化を可能とする光半導体装置において、製造工程を増やすことなく、ＦＦＰの乱れを抑えることができる。

ＭＭＩ半導体レーザでは、テーパ長を長くするとＭＭＩ効果が失われ、導波路幅を急峻に拡大する利点が失われる。ＭＭＩレーザのテーパ導波路を長くした極限は、モード変換損失を十分抑えたテーパ半導体レーザとなる。テーパ半導体レーザでは、ＭＭＩレーザよりテーパ導波路の占める比率が大きくなるため、活性層面積拡大効果が小さくなるが、短共振器化には有効である。テーパ半導体レーザでは、テーパ長を長くするほど導波光損失を低減できるが、活性層面積拡大効果は減退する。発明者は、活性層面積拡大効果を損なわず、導波光損失を低減できる方法を見出した。

以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、詳細に説明する。ただし、本発明が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

実施の形態１

図１は本発明の第１の実施の形態に係る光半導体装置の上面図である。図２は、図１の横断面図である。図２に示すように、この半導体レーザはｎ−ＩｎＰ基板１上に形成され、活性導波路領域は、ＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸構造を有する活性層２が、ｎ−ＩｎＰ基板１とｐ−ＩｎＰクラッド層３にはさまれた構造となっている。ｐ−ＩｎＰクラッド層３の上にはｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４とｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５が形成され、活性層２の両脇には、半絶縁性ＩｎＰブロック層６が形成されている。半絶縁性ＩｎＰブロック層６の上面は、誘電体膜７で保護されている。ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５の直上には表面電極８が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１の下には裏面電極９が形成されている。

このような屈折率ガイド構造の活性導波路が、図１のように、狭幅領域１０、テーパ導波路１１、広幅領域１２、テーパ導波路１３、狭幅領域１４と、導波路幅が連続的に変化するように接続されている。このような接続が複数回繰り返されている。そして、出射光が単一モードとなるように、出射端１５と端面１６には、狭幅領域１０が形成されている。すなわち、レーザ光の出射端１５から内部へ形成された第１の導波路である狭幅領域１０と、前記第１の導波路よりも幅の広い第２の導波路である広幅領域１２と、前記第１の導波路と前記第２の導波路を接続し、連続的に幅が変化したテーパ導波路１３とを備えている。

ここで、テーパ導波路１３は、その境界線を構成する形状が直線状の線形テーパである。テーパ長Ｌ１７はアディアバティック長より長い７０μｍとし、広幅領域長Ｌ１８＝３２μｍ、狭幅領域長Ｌ１９＝３０μｍとした。波長１．５５μｍの光においてＩｎＰの屈折率は３．１７２であるのに対し、活性層領域の等価屈折率ｎ_ｅｑは３．２０８となっている。このような屈折率の組み合わせに対し単一モードとなるように、狭幅領域幅Ｗ２０＝１．５μｍとした。広幅領域幅Ｗ２１＝４μｍとしたが、エバネッセント波侵入深さＷ２２があるため、広幅領域長Ｌ１８を設計する上で重要な実効広幅領域幅Ｗｅ＝約５．３μｍとなっている。広幅領域１２は２次モードまでが許容される導波路となっている。

図３は、図１の狭幅領域１０から１つの広幅領域１２だけを通って狭幅領域１４に到達する透過係数を、２次元ビーム伝搬法により計算した結果である。広幅領域長３０〜３２μｍに対し、光の波長λの範囲が１．５１〜１．７μｍまでの透過係数は９９．９〜９９．９５％であり、損失は０．１％以下と十分低く抑えられている。

実施の形態１の構成では、テーパ長Ｌ１７≧０．３×ｎ_ｅｑＷｅ^２／λとし、広幅領域長Ｌ１８を０．４×ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ≦Ｌ１８≦０．６×ｎ_ｅｑＷｅ^２／λとしたことにより、導波光の接続が滑らかとなり、損失が低減し、波長トレランスが格段に向上する。従って、ＦＦＰの乱れが発生せず、光出力効率が向上するという効果がもたらされる。

非常に広い波長範囲で低損失であるため、本実施の形態は、単なる半導体レーザだけではなく、波長可変レーザのアクティブ領域や、半導体光増幅器にも適用できる。また、光変調器においても、吸収係数や、屈折率変化による導波光の位相変化を増加させるために、導波路幅を広くすることが望ましい場合がある。このような光変調器にも適用できる。

また、光ファイバ通信用途の半導体レーザだけではなく、光ディスク用の青紫色レーザや赤色レーザ、赤外レーザにも適用できる。屈折率導波であれば、埋込ヘテロ構造以外のリッジレーザなど、他の種類の半導体レーザにも適用できる。

また、ＭＭＩレーザでは、伝搬定数の異なる複数のモードの干渉を利用して結像させることから、回折格子を形成した分布帰還型半導体レーザに適用することはできないが、本発明では、０次モードとほんのわずかの２次モードしか使わないため、分布帰還型半導体レーザに対しても有効である。

次に、図１、２を参照して第１の実施の形態の製造方法を説明する。
まず、ｎ−ＩｎＰ基板上１に、有機金属気相成長法により、ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造からなる活性層２、ｐ−ＩｎＰクラッド層３、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５を順次成長する。

次に、この結晶成長ウェハーの表面に、フォトリソグラフィーにより図１に示すような導波路領域のパターン形成を行う。このパターン形成により、導波路領域上にドライエッチングのための保護マスクである誘電体膜を形成する。

次に、ドライエッチングを行った後、有機金属気相成長法を用いて、エッチングされた部分を半絶縁性ＩｎＰブロック層６により埋込み成長する。
その後、導波路領域上の誘電体膜を除去し、誘電体膜７を形成する。
最後に、表面電極８、裏面電極９を形成し半導体レーザを得る。

実施の形態２
上記実施の形態１における線形テーパを、コサインテーパで構成することができる。そのための構成を、第２の実施の形態として図４に示す。図５は、狭幅領域１０から、コサインテーパ導波路２６、広幅領域１２、コサインテーパ導波路２７を通って狭幅領域１４までに到達する透過係数を、２次元ビーム伝搬法により計算した結果である。広幅領域長Ｌ１８＝４μｍに対し、光の波長λの範囲が１．５１〜１．６１μｍまでの透過係数は９９．９６％以上であり、損失は０．０４％以下と極めて低く抑えられている。図５はＮ＝０の最適点を用いたものだが、図６はＮ＝１の最適点を用いた場合である。広幅領域長６４μｍに対し、光の波長λの範囲が１．５１〜１．６１μｍまでの透過係数は９９．９５〜９９．９８％であり、損失は０．０５％以下と極めて低く抑えられている。また、光ファイバ通信においてＣ帯と呼ばれる波長帯をフルにカバーする１．５３〜１．５７μｍにおいて、損失が常に０．０５％以下となる広幅領域長は５８〜６４μｍと十分なトレランスがある。

本実施の形態２では、テーパ導波路の境界線を構成する形状がコサインカーブ状のコサインテーパを用いることにより、損失を著しく低減できるという格別な効果を奏する。ただし、波長トレランス幅では線形テーパの方が有利であり、用途により使い分けることが望ましい。

実施の形態３
上記実施の形態において、各広幅領域の広幅領域長を変化させて構成することもできる。そのための構成を、第３の実施の形態として図７に示す。半導体レーザは、一般に、所望の光出力により、全共振器長の設計が変わる。本発明では、広幅領域長が、（Ｎ＋ａ／２−０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上と限定されるので、許容される長さが飛び飛びになる。しかし、複数個の広幅領域を組み合わせるので、各広幅領域のＮ、Ｗｅを適宜変更すれば、任意の共振器長を構成することができるようになる。

また、半導体レーザでは、一般に、共振器軸方向で導波光強度が変化する。導波光強度が強い領域では、注入される電子キャリア、ホールキャリアの消費も多いため、より多量の電流注入が望まれる。従って、異なるＮ、異なる広幅領域幅の配置は、導波光強度が強い領域ほど、Ｎを大きく、広幅領域幅を広く配置するのが望ましい。通常の半導体レーザでは、出射端１５のコーティングの反射率を低く、後端面２５の反射率を高くするのが一般的である。この場合、導波光強度分布は、出射端１５に近いほど強くなるので、出射端１５に近いほどＮを大きく、広幅領域幅を広くするのが好ましい。

このような半導体レーザの一例として、図７では、後端面２５に近い広幅領域長Ｌ２４より、出射端１５に近い広幅領域長Ｌ１８を長くしている。ＭＭＩレーザではトレランスが厳しいため、一番目の結像点のみを用い、図７のような構成をとることができなかった。また、ＭＭＩレーザでは、一番目の結像点のみを用いることにより、ＭＭＩ導波路とＭＭＩ導波路との間に狭幅領域をはさまなければならなかったが、このことは、活性層面積の拡大に対して不利だった。このようなＭＭＩレーザに対し本発明は、１以上のＮが可能なため、狭幅領域の占める比率が減少し、活性層面積の増大に有利である。

図８は、ＭＭＩレーザと本発明の半導体レーザの平均導波路幅の例を、全共振器長を横軸にプロットしたグラフである。ＭＭＩレーザでは、狭幅領域長を３０μｍ、ＭＭＩ導波路長を４４μｍ、テーパ長を１５μｍとした。本発明については、狭幅領域長Ｌ１９＝３０μｍ、テーパ長Ｌ１７＝７０μｍとし、広幅領域長については３２μｍと９０μｍと１４９μｍとを組み合わせた。全共振器長２０２μｍについては、本発明の半導体レーザの方が、活性層面積が狭くなるが、劈開が困難になるのでこのような短い共振器長はあまり用いられず重要ではない。よく用いられる共振器長においては、本発明の半導体レーザの方がＭＭＩレーザより活性層面積が広く、低抵抗化、高光出力化、チップ小型化、低コスト化に有利である。

次に、上記実施の形態１〜３について、包括的に説明する。
まず、実施の形態１に係る図１において、導波光が、狭幅領域１０から、テーパ導波路１１、広幅領域１２、テーパ導波路１３を経て、狭幅領域１４までに到達する透過係数を計算した結果を、図９に示す。計算法は、２次元のビーム伝搬法であり、真空中の光の波長を１．５５μｍ、導波路領域の等価屈折率を３．２０８、導波路領域外のＩｎＰ領域の屈折率を３．１７２、狭幅領域幅Ｗ２０＝１．５μｍ、広幅領域幅Ｗ２１＝４μｍとした。テーパ導波路は線形テーパであり、テーパ長Ｌ_{ｔａｐｅｒ}は０、１５、５０、６０、７０、８０μｍとして計算した。Ｌ_{ｔａｐｅｒ}＝０μｍはＭＭＩレーザに相当する。Ｌ_{ｔａｐｅｒ}＝１５μｍはアディアバティック長以下であり、テーパ導波路を装備したＭＭＩレーザに相当する。テーパ長Ｌ_{ｔａｐｅｒ}＝５０、６０、７０、８０μｍはアディアバティック長以上であり、テーパレーザに相当する。

従来のテーパレーザでは、１個のテーパ導波路のモード変換損失を十分小さくするという設計のみを行っていたので、狭幅領域１０から、テーパ導波路１１、広幅領域１２、テーパ導波路１３を経て、狭幅領域１４までをすべて通過させた損失を計算するということはなかった。ところが、図９の計算結果により、損失は、単にテーパ長Ｌ_{ｔａｐｅｒ}に依存するだけでなく、広幅領域長１８にも依存することが判った。さらに特筆すべきことは、この最適長が、ＭＭＩレーザの最適長ｎ_ｅｑＷｅ^２／λと大きく異なっているということである。Ｎを０以上の整数として、最適広幅領域長は（Ｎ＋０．５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λに漸近している。ＭＭＩレーザとは大きく異なる原理で最適長が決まっていることが判る。

Ｎ＝０の場合を考察するとして、最適広幅領域長が０．５×ｎ_ｅｑＷｅ^２／λに漸近するには、ある程度以上テーパ長が長い時である。最適広幅領域長０．５ｎ_ｅｑＷｅ^２／λに両側のテーパ導波路の長さを足して、テーパ長０のＭＭＩの最適長であるｎ_ｅｑＷｅ^２／λを越えなければならない。このことにより、テーパ長は０．３×ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上が望ましい。一方、テーパ導波路の面積をＭＭＩの面積を超えて増やしても、活性層面積を増加させるという目的に寄与しなくなるので、テーパ長の長さは２×ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下が望ましい。

最適広幅領域長が決まる原理について説明する前に、実施の形態２の最適広幅領域長について述べる。実施の形態２では、図１の線形テーパを、コサインテーパとしている。この場合の透過係数の計算結果が図１０である。コサインテーパの場合は線形テーパと異なり、最適広幅領域長がＮを０以上の整数としてＮｎ_ｅｑＷｅ^２／λに漸近する。

このように線形テーパとコサインテーパとで、最適広幅領域長が異なる理由について述べるために、まず広幅領域における導波光モードについて説明する。広幅領域は少なくとも２次モードを許容する導波路であるとする。０次モードの導波光が狭幅領域からテーパを経て広幅領域に到達する場合のモード変換損失が１％である場合、その損失のほとんどは広幅領域の２次モードへの変換となっている。パワーでは１％であったとしても、図１１に示すように、フィールド強度では平方根である約１０％の比率となっている。広幅領域における０次モードと２次モードのフィールド分布は図１１のようになっており、導波路内では三角関数、導波路外では指数関数の分布となっている。三角関数を延長して０となる幅が実効広幅領域幅である。

０次モードと２次モードは伝搬定数が異なるため、進行方向の位置によりフィールドが足し合わさったり、差し引かれたりする。このような０次モードと２次モードの干渉の結果、図１２のように、導波光の光強度分布は進行方向の位置により太ったり細ったりする。パワー分布の半値全幅で、約２〜３μｍと変動することになる。この様子を図示したのが図１３である。広幅領域幅Ｗ３１＝４μｍとしたので、２〜３μｍの導波光強度幅の変動は決して無視できるものではない。導波光強度の半値全幅Ｗ３２は周期ｎ_ｅｑＷｅ^２／λで変動する。

線形テーパでは導波光強度の半値全幅がほぼ線形に変化するので、広幅領域における導波光強度の半値全幅Ｗ３２の変化率が最大の点、線形テーパ接続点３３において接続するのが望ましい。導波光強度の半値全幅Ｗ３２の変化率が最大となる点は、周期ｎ_ｅｑＷｅ^２／（２λ）の間隔で存在するので、最適広幅領域長の最小値はｎ_ｅｑＷｅ^２／（２λ）と、最適ＭＭＩ長の半分となる。

一方、コサインテーパでは、広幅領域との接続点において、導波路幅の変化率が０になることから、導波光強度の半値全幅の変化率も０となる。よって、広幅領域の導波光強度の半値全幅Ｗ３２の変化率も０となる点が、コサインテーパ接続点３５としてふさわしい。このように、線形テーパとコサインテーパでは、最適の接続点が異なるため、最適広幅領域長も異なる。

以上述べたように、本発明が０次モードと２次モードが干渉するという原理に基づいているため、広幅領域幅は、少なくとも２次モードを許容する導波路であることが望ましい。また、許容されるモードの数が多過ぎると導波光強度の半値全幅Ｗ３２の変動が複雑になるので、広幅領域は４次モード以上をカットオフする導波路であることが望ましい。

ここで、さらに、線形テーパとコサインテーパを任意の比率で合成した場合の最適広幅領域長について述べる。導波路幅をＷ、進行方向の座標をｚ、テーパ長をＬ_{ｔａｐｅｒ}、狭幅領域幅、広幅領域幅を、それぞれ、Ｗ_１、Ｗ_２とする。
線形テーパの導波路幅Ｗはｚの関数として、次式で与えられる。
Ｗ＝ｆ（ｚ）＝Ｗ_１＋（Ｗ_２−Ｗ_１）ｚ／Ｌ_{ｔａｐｅｒ}
コサインテーパの導波路幅Ｗはｚの関数として、次式で与えられる。
Ｗ＝ｇ（ｚ）＝（Ｗ_１＋Ｗ_２）／２＋（Ｗ_１−Ｗ_２）／２×ｃｏｓ（πｚ／Ｌ_{ｔａｐｅｒ}）
両者を線形結合した次式で表される曲線テーパの適用を考える。
Ｗ＝ａｆ（ｚ）＋（１−ａ）ｇ（ｚ）
ここで、ａはａ＝接続点傾き／平均傾きという幾何学的意味を有している。

この合成テーパについて、２次元ビーム伝搬法により最適広幅領域長を計算した結果が図１４である。最適広幅領域長はａに対して概ね線形に変化し、おおよそ（ａ／２）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ前後に最適値がある。Ｌ_{ｔａｐｅｒ}＝５０〜８０μｍに対し、適切な広幅領域長は、（ａ／２−０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上（ａ／２＋０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上の範囲内にある。この範囲外は広幅領域長として不適切である。広幅領域長の最適点は、図９、図１０のように、周期ｎ_ｅｑＷｅ^２／λで周期的に現れる。ＭＭＩレーザではトレランスの問題により２番目以降の結像点は使われなかったが、テーパ長がアディアバティック長以上に長い場合はトレランスが広がるので、より長い最適点も有効である。よって、広幅領域長として適切な範囲は、一般にＮを０以上の整数として、（Ｎ＋ａ／２−０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上である。

テーパ長は、長ければチップサイズが大きくなるが、損失は低減する。すなわち、トレードオフの関係にある。用途により、コストを優先するか、光出力性能を優先するかで分かれるので、テーパ長は用途に応じて使い分けることになる。損失の大きいＬ_{ｔａｐｅｒ}＝５０μｍを除いた場合では、適切な広幅領域長の範囲を（Ｎ＋ａ／２−０．１５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．１５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上に絞り込むことができる。さらにＬ_{ｔａｐｅｒ}＝７０μｍのみを使う場合を考える。テーパ長を７０μｍまで長くすると十分損失が小さくなり、また、７０μｍより長くしても損失の低減効果は小さい。Ｌ_{ｔａｐｅｒ}＝７０μｍのみの場合は、広幅領域長の適切な範囲はさらに絞られて、（Ｎ＋ａ／２−０．１）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．１）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上となる。

１％の損失といえども、電界比率は１０％なので、干渉によりＦＦＰが乱れる場合がある。損失は１％より下回ることが望ましい。図１５は、テーパ長７０μｍにおいて、損失が０．２％以下、損失が０．５％以下となる広幅領域長の範囲を図示したグラフである。常に損失が０．５％以下に抑えられる範囲の条件は、（Ｎ＋ａ／２−０．２）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．２）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上である。損失が常に０．２％以下となる条件は（Ｎ＋ａ／２−０．０５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．０５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上である。

ある特定の波長で発振する半導体レーザは、ある波長においてのみ損失が下がればよいが、半導体光増幅器や波長可変レーザにおいては波長トレランスが重要である。最適広幅領域長は波長に反比例する関係にあるので、波長トレランスと広幅領域長のトレランスには強い正の相関がある。線形テーパとコサインテーパの合成比率がある範囲内にある時、トレランスが大幅に向上する。テーパ長７０μｍの計算によれば、０．１２５≦ａ≦０．７５において、広幅領域長によらず損失は０．６％以下になる。また、０．２５≦ａ≦０．６２５において、広幅領域長によらず損失は０．５％以下になる。図１５において、損失０．５％の等高線が途切れているのはこのためである。０．３７５≦ａ≦０．５においては、広幅領域長によらず損失は０．４％以下になる。また、０≦ａ≦０．５において、最適広幅領域長における損失が０．０２％以下となっている。

以上の計算は、１．５５μｍ帯の光ファイバ通信用半導体レーザ、半導体光増幅器、波長可変レーザを対象とし、埋込ヘテロ構造のＩｎＧａＡｓＰ系多重量子井戸構造を前提とし、屈折率差は３．２０８−３．１７２＝０．０３６としたが、光ディスク用途のレーザやリッジレーザなど他の種類の半導体レーザでは、導波路の屈折率差が多様に異なってくる。このような場合、最適広幅領域長の範囲が異なってくる。

このようなことも含めて、これまでの議論を総括すると、広幅領域長の適切な範囲は、適用する半導体レーザの種類や用途により変化する。最低でも（Ｎ＋ａ／２−０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上が望ましい。また、望ましくはさらに、（Ｎ＋ａ／２−０．２）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．２）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上に限定するのがよい。さらに、（Ｎ＋ａ／２−０．１５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．１５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上が望ましい。さらに、（Ｎ＋ａ／２−０．１）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．１）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上が望ましい。さらには、（Ｎ＋ａ／２−０．０５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．０５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上が望ましい場合がある。

また、ａ＝接続点傾き／平均傾きの望ましい範囲は、用途により、０．１２５≦ａ≦０．７５である場合と、０．２５≦ａ≦０．６２５である場合と、０．３７５≦ａ≦０．５である場合と、０≦ａ≦０．５である場合がある。

なお、上述の通り、テーパ導波路は線形テーパとコサインテーパの合成テーパとしてもよい。さらに、１個の変曲点を有する曲線テーパでもよい。また、折れ線テーパでもよい。

本発明の効果は、以下の通りである。
第１の効果は、テーパにより導波路幅を拡大する光半導体装置において、広幅領域の長さを適切な範囲に限定することで、ＦＦＰ乱れの抑制を実現した光半導体装置を提供することができる。
第２の効果は、損失を低減することで、光出力効率の向上を実現した光半導体装置を提供することができる。
第３の効果は、ＭＭＩレーザよりトレランスを向上させ、より長い最適長を適用可能とすることで、活性層面積の拡大に寄与し、チップ長短尺化を実現した光半導体装置を提供することができる。
第４の効果は、前項により、チップコスト低減を実現した光半導体装置を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの上面図である。 図１の半導体レーザの横断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの損失の波長依存性を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザの上面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ（Ｎ＝０）の損失の波長依存性を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザ（Ｎ＝１）の損失の波長依存性を示すグラフである。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザの上面図である。 本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザの平均導波路幅を示すグラフである。 本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ及び関連する半導体レーザの透過係数を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態係る半導体レーザの透過係数を示すグラフである。 本発明のフィールド強度分布を示すグラフである。 本発明の光強度分布を示すグラフである。 本発明の導波光強度半値全幅を示すグラフである。 本発明の最適広幅領域長のテーパ接続点傾き／平均傾き依存性を示すグラフである。 本発明の損失を示す等高線図である。 関連する半導体レーザの上面図である。 関連する半導体レーザ装置の損失の波長依存性を示すグラフである。

符号の説明

１ ｎ−ＩｎＰ基板
２ 活性層
３ ｐ−ＩｎＰクラッド層
４ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
５ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
６ 半絶縁性ＩｎＰブロック層
７ 誘電体膜
８ 表面電極
９ 裏面電極
１０ 狭幅領域
１１ テーパ導波路
１２ 広幅領域
１３ テーパ導波路
１４ 狭幅領域
１５ 出射端
１６ 端面
Ｌ１７ テーパ長
Ｌ１８ 広幅領域長
Ｌ１９ 狭幅領域長
Ｗ２０ 狭幅領域幅
Ｗ２１ 広幅領域幅
Ｗ２２ エバネッセント波侵入深さ
Ｗ２３ 実効広幅領域幅
Ｌ２４ 広幅領域長
２５ 後端面
２６ コサインテーパ
２７ コサインテーパ
Ｗ３１ 広幅領域幅
Ｗ３２ 導波光強度の半値全幅
３３ 線形テーパ接続点
３４ ｎ_ｅｑＷｅ^２／（２λ）
３５ コサインテーパ接続点
１１０ 単一モード導波路
１１２ ＭＭＩ導波路
１１４ 単一モード導波路
Ｌ１１８ ＭＭＩ導波路長
Ｌ１１９ 単一モード導波路長
Ｗ１２０ 単一モード導波路幅
Ｗ１２１ ＭＭＩ導波路幅
Ｗ１２３ 実効ＭＭＩ導波路幅

Claims (11)

1. 導波光の出射端面から内部へ形成された第１の導波路と、
   前記第１の導波路よりも幅の広い第２の導波路と、
   前記第１の導波路と前記第２の導波路を接続し、連続的に幅が変化したテーパ導波路とを備え、
   真空中の光の波長をλ［μｍ］、
   導波路領域の等価屈折率をｎ_ｅｑ、
   グースヘンシェンシフトを考慮した前記第２の導波路の実効幅をＷｅ［μｍ］、
   前記テーパ導波路の境界線を構成する直線又は曲線の平均傾きと、前記テーパ導波路と前記第２の導波路との接続点における前記直線又は曲線の傾きとの比率をａ、
   ０以上の整数Ｎ、とした場合、
   前記第２の導波路の長さ［μｍ］が、（Ｎ＋ａ／２−０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋ａ／２＋０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上であることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記第１の導波路、前記第２の導波路及び前記テーパ導波路がいずれも屈折率ガイド構造の導波路であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
3. 前記テーパ導波路の境界線の形状が１次関数とコサイン関数の和で表されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体装置。
4. 前記テーパ導波路の境界線が直線であり、
   前記第２の導波路の長さ［μｍ］が（Ｎ＋０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋０．７５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体装置。
5. 前記テーパ導波路の境界線がコサインカーブであり、
   前記第２の導波路の長さ［μｍ］が（Ｎ−０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、（Ｎ＋０．２５）ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下、かつ０以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光半導体装置。
6. 前記第１の導波路は、０次モードのみ許容され、１次モード以上がカットオフされることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光半導体装置。
7. 前記第２の導波路は、少なくとも２次モードまで許容されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の光半導体装置。
8. 前記第２の導波路は、４次モード以上がカットオフされることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の光半導体装置。
9. 前記テーパ導波路の長さ［μｍ］は、０．３×ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以上、２×ｎ_ｅｑＷｅ^２／λ以下であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の光半導体装置。
10. 前記第２の導波路を複数備え、
    前記出射端面側に位置する第２の導波路の方が、その長さにおけるＮの値が大きいことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の光半導体装置。
11. 前記第２の導波路を複数備え、
    前記出射端面側に位置する第２の導波路の方が、その幅が大きいことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか一項に記載の光半導体装置。

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