JP5987251B2 - 半導体レーザー - Google Patents

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Description

本発明は、多モード光干渉導波路を備える半導体レーザー（semiconductor laser、ＬＤ：laser diode）に関する。
近年、インターネットによる情報通信社会の進展に伴い、基幹系ネットワークだけではなく、今後の情報需要や新しいサービスに対応するために、ローカルエリア系ネットワークにも波長多重技術（波長分割多重通信（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplex））が適用されるようになってきた。ただし、ローカルエリア系ネットワークでは、特にコストやネットワーク管理運用上の観点から、基幹系ネットワークで普及した波長多重方式(ＤＷＤＭ（Dense WDM）方式)ではなく、広い波長範囲を利用する波長多重方式（ＣＷＤＭ（Coarse WDM）方式)を利用するのが一般的である。
ローカルエリア系ネットワークにおける光源については、インターネットによる情報通信社会の進展に伴い、既存の光源では技術的な限界があり、更なる情報量を増大させる試みが検討されてきている。しかも、コストを可能な限り抑える必要があるため、基幹系ネットワークにおいて一般的である光変調器の使用はできる限り避け、半導体レーザーの直接変調を基本とし、その高速化を検討する必要がある。
これに対し、キャビティの一部を直接変調領域とし、緩和振動周波数を大きくすることのできる構造として、分布反射（ＤＲ：Distributed Reflector）及び分布フラッグ反射（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）型の半導体レーザーが報告されている（例えば、非特許文献１、非特許文献２参照）。
また、従来の半導体レーザーは、１×３型多モード光干渉導波路と、多モード光干渉導波路の一方の端部に設けられ、光を導波する１本の光導波路と、多モード光干渉導波路の他方の端部に設けられ、レーザー光を導波させる３本の光導波路（直線導波路及び曲線導波路）と、を備える。１本の直線導波路及び２本の曲線導波路の一部が、各前方端面において光の位相を整合させるように光位相整合領域を構成し、後方端面と前方端面との間で共振器が形成されている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の光導波路デバイスは、容易、かつ、確実に、接合界面における反射光の影響を抑制できるようにすべく、光導波路デバイスを、第１光導波路と、第１光導波路と異なる材料又は構造により形成され、第１光導波路に接合される第２光導波路と、第１光導波路及び第２光導波路の接合界面の近傍で第１光導波路及び第２光導波路の幅を広くして形成される１×１多モード干渉導波路とを備えるものとして構成する（例えば、特許文献２参照）。
特開２００９−５４６９９号公報 国際公開ＷＯ２００６／０７７６４１号パンフレット T.Kakitsuka他、「20-km Transmission of 40-Gb/s Signal using Frequency Modulated DBR Laser」、Optical Fiber Communication Conference 2009,OThG4 K.Otsubo他、「Low-Driving-Current High-Speed Direct Modulation up to 40 Gb/s Using 1.3-μm Semi-Insulating Buried-Heterostructure AlGaInAs-MQW Distributed Reflector (DR) Lasers」、Optical Fiber Communication Conference 2009,OThT6
従来の分布反射及び分布フラッグ反射型の半導体レーザーは、いずれも単一波長で発光するためのグレーティングを、導波路全体又はその一部に内包する構造となっており、結果として半導体レーザーの製造コストが比較的高くなるという課題がある。特に、従来の分布反射及び分布フラッグ反射型のレーザーは、低コスト化の要求が厳しいローカルエリア系ネットワーク等に対して、適用が困難であるという課題がある。
また、従来の半導体レーザーは、前方端面における光の位相を整合させる手段を開示しただけであり、単一波長の発振に至る手段を提供するものではない。
また、従来の光導波路デバイスは、ＤＦＢレーザ領域が導波路幅の狭い単一モード導波路であり、ＳＯＡ領域及び分離領域からなるＭＭＩ導波路のうち分離領域に活性層を有しないため、電流を注入する面積が狭く、半導体レーザーの高出力化が実現できないという課題がある。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、従来の半導体レーザーと比較して、低コストで安定動作に優れる光源が実現できると共に、副モード抑圧比（Side Mode Suppression Ratio：ＳＭＳＲ＝（セカンドピーク）／（中心波長におけるピークレベル））が高く、良好な単一モード動作を実現することができる半導体レーザーを提供するものである。また、この発明は、平面視における全領域に活性層を有する多モード光干渉導波路が、前方ポート及び後方ポートに接続する狭幅光導波路と比較して、導波路幅が広いことにより、高い電流を注入することができ、高出力化が容易に実現できる半導体レーザーを提供するものである。
本発明に係る半導体レーザーにおいては、一の前方ポート及び一又は複数の後方ポートが配設され、平面視における全領域に活性層を有する多モード光干渉導波路と、前方ポート及び後方ポートにそれぞれ接続される狭幅光導波路と、を備え、前方ポートが、多モード光干渉導波路の導波方向に対して垂直な活性層における基本モード光が結像する結像点に対応し、平面視における多モード光干渉導波路の導波方向に沿う中心線から偏心して配設されるものである。
本発明に係る半導体レーザーにおいては、グレーティングを不要とする導波路構造のみで単一波長特性が得られる集積化に適した構造であり、従来の半導体レーザーと比較して、低コストで安定動作に優れる光源を実現することができると共に、副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が高く、良好な単一モード動作を実現することができる。
（ａ）は第１の実施形態に係る半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す半導体レーザーの矢視Ａ−Ａ’線の断面図であり、（ｃ）は図１（ａ）に示す半導体レーザーの矢視Ｂ−Ｂ’線の断面図である。 （ａ）は図１（ａ）に示す多モード光干渉導波路の導波路長をビート長に一致させた場合における主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした光フィールドを示す説明図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す多モード光干渉導波路の導波路長をビート長の３／４倍にした場合における主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした光フィールドを示す説明図である。 （ａ）は図１（ａ）に示す多モード光干渉導波路の導波路長に対する半導体レーザーの透過率の透過特性を示すグラフであり、（ｂ）は図１（ａ）に示す多モード光干渉導波路の基準偏心量との差に対する半導体レーザーの透過率の透過特性を示すグラフである。 第１の実施形態に係る半導体レーザーの製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図１（ａ）に示す半導体レーザーの矢視Ａ−Ａ’線の断面図に対応するＭＯＶＰＥ法により結晶構造を製作した状態の断面図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す半導体レーザーの矢視Ａ−Ａ’線の断面図に対応するマスクを形成した状態の断面図である。 第１の実施形態に係る半導体レーザーの製造方法を説明する説明図であり、（ａ）は図１（ａ）に示す半導体レーザーの矢視Ａ−Ａ’線の断面図に対応するエッチングによりハイメサ構造を形成した状態の断面図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す半導体レーザーの矢視Ａ−Ａ’線の断面図に対応するＢＣＢで埋め込んだ状態の断面図である。 （ａ）は比較例１に係る半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は他の比較例に係る半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｃ）はさらに他の比較例に係る半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図である。 （ａ）は図６（ａ）に示す半導体レーザーによる透過スペクトル図であり、（ｂ）は図１（ａ）に示す半導体レーザーによる透過スペクトル図であり、図６（ｂ）に示す半導体レーザーによる透過スペクトル図である。 （ａ）は図１（ａ）に示す半導体レーザーの波長透過特性を示すグラフであり、（ｂ）は図６（ｃ）に示す半導体レーザーの波長透過特性を示すグラフである。 （ａ）は第２の実施形態に係る半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は図９（ａ）に示す半導体レーザーの矢視Ｃ−Ｃ’線の断面図であり、（ｃ）は図９（ａ）に示す半導体レーザーの矢視Ｃ−Ｃ’線の他の断面図である。 （ａ）は第３の実施形態に係る３×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は第３の実施形態に係る３×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の他の例を示す平面図である。 （ａ）は第３の実施形態に係る４×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は第３の実施形態に係る４×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の他の例を示す平面図である。 （ａ）は図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に示す半導体レーザーの矢視Ｄ−Ｄ’線の断面図であり、（ｂ）は図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に示す半導体レーザーの矢視Ｅ−Ｅ’線の断面図であり、（ｃ）は図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に示す半導体レーザーの矢視Ｆ−Ｆ’線の断面図である。 （ａ）は図１０（ａ）に示す３×１型多モード光干渉導波路の導波路長をビート長の１／３倍にした場合における主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした光フィールドを示す説明図であり、（ｂ）は図１１（ａ）に示す４×１型多モード光干渉導波路の導波路長をビート長の１／４倍にした場合における主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした光フィールドを示す説明図である。 第３の実施形態に係る半導体レーザーの製造方法を説明するための図１２（ｃ）に対応する断面図である。 図１４に示す半導体レーザーの製造方法の続きを説明するための断面図である。 （ａ）は第４の実施形態に係る３×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、（ｂ）は第４の実施形態に係る４×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図である。 （ａ）は図１６（ａ）に示す３×１型多モード光干渉導波路の導波路長をビート長に一致させた場合における主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした光フィールドを示す説明図であり、（ｂ）は図１６（ｂ）に示す４×１型多モード光干渉導波路の導波路長をビート長の３／４倍にした場合における主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした光フィールドを示す説明図である。
（本発明の第１の実施形態）
半導体レーザー１００は、基板１０上に、狭幅光導波路及び多モード光干渉導波路が配設され、内部のＰＮ接合間に順バイアスを加えて、正孔と電子が活性層に閉じ込められ、再結合して発光した光を外部に出射する。
本実施形態に係る半導体レーザー１００は、図１（ａ）に示すように、基板１０上に、後方狭幅導波路１と、前方狭幅導波路２と、多モード光干渉導波路３とが集積され、基板１０の一端面１０ａと他端面１０ｂとの間で、後方狭幅導波路１、多モード光干渉導波路３及び前方狭幅導波路２により、共振器が構成されている。
後方狭幅導波路１、前方狭幅導波路２及び多モード光干渉導波路３は、層構造が同一であり、ハイメサ導波路である。
また、これらの断面構造は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板を基材とする基板層１０上に、ｎ型半導体であるｎ−ＩｎＰからなるバッファ層１１、長波長帯（１．５５μｍ帯）の半導体レーザーを実現する活性層となるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰからなる発光層１２、真性半導体であるｉ−ＩｎＰからなる第１のクラッド層１３、ｐ型半導体であるｐ−ＩｎＰからなる第２のクラッド層１４、ｐ型半導体であるｐ−ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層１５が、それぞれ積層されたハイメサ構造である。また、ハイメサ構造に対しては、低誘電率有機膜であるＢＣＢ（benzocyclobutene：ベンゾシクロブテン）を非導波領域に埋め込み、埋め込み層１６が形成される。
このハイメサ構造は、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、非導波領域（ＢＣＢを埋め込む領域）において、コンタクト層１５、第２のクラッド層１４、第１のクラッド層１３、発光層１２及びバッファ層１１と共に、基板層１０の一部がエッチングにより除去された構造である。
なお、発光層１２は、ＳＣＨ（Separate Confinement Hetero-structure：分離閉じ込めヘテロ構造）と多重量子井戸（Multi-Quantum Well：ＭＱＷ）とからなる通常の発光層である。
特に、本実施形態においては、バッファ層１１の膜厚は１００ｎｍ程度であり、発光層１２の膜厚は１００ｎｍ程度であり、第１のクラッド層１３の膜厚は１００ｎｍ程度であり、第２のクラッド層１４の膜厚は９００ｎｍ程度であり、コンタクト層１５の膜厚は１５０ｎｍ程度である。
多モード光干渉導波路３は、一又は複数の後方ポート３ａ（光出射を想定しない一端面１０ａ側のポート）及び一の前方ポート３ｂ（光を出射させる他端面１０ｂ側のポート）が配設され、図１（ａ）に示す平面視における全領域に活性層（発光層１２）を有する、Ｍ×１型多モード光干渉導波路（Ｍは１以上の整数）である。
また、多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂは、多モード光干渉導波路３の導波方向に対して垂直な活性層（発光層１２）における基本（０次）モード光が結像する結像点４ａに対応し（図２（ａ）参照）、図１（ａ）に示す平面視における多モード光干渉導波路３の導波方向に沿う中心線Ｘ０から中心線Ｘ２を偏心して配設される。
なお、本実施形態においては、Ｍを１とする１×１型多モード光干渉導波路３を例に挙げて説明するが、この１×１型多モード光干渉導波路３に限られるものではない。特に、本実施形態に係る１×１型多モード光干渉導波路３は、光の導波方向に沿った導波路の長さ（以下、「導波路長」と称す）が１５８μｍ程度であり、導波路幅が７．４μｍ程度である、略矩形状の干渉領域を有する。
また、１×１型多モード光干渉導波路３の後方ポート３ａは、図１（ａ）に示す平面視における１×１型多モード光干渉導波路３の導波方向に沿う中心線Ｘ０から中心線Ｘ１を偏心して配設され、図１（ａ）に示す平面視における前方ポート３ｂの中心線Ｘ２から中心線Ｘ１を偏心して配設される。特に、１×１型多モード光干渉導波路３の後方ポート３ａと前方ポート３ｂとは、図１（ａ）に示す平面視において、１×１型多モード光干渉導波路３の中心に対して点対称の位置に配設される。
なお、多モード光干渉導波路３は、公知の技術を用いて設計できるのであるが、例えば、ＭＭＩ（Multimode Interference：多モード干渉）理論に基づいて、以下のように設計することができる。
ＭＭＩ理論によって導かれるビート長（Ｌπ）の式は、下記数１のように示すことができる。ただし、数１の式に示す、Ｗ１は多モード干渉領域の導波路幅を表し、Ｗｅは多モード干渉領域の実効導波路幅を表し、ｎｒは導波路（コア）の実効屈折率を表し、ｎｃはクラッドの実効屈折率を表し、λ0は入射光波長（中心波長）を表す。また、σはＴＥモードのときσ＝０を表し、ＴＭモードのときσ＝１を表す。
[数１]
Ｗe＝Ｗ1＋（λ0／π）（ｎｃ／ｎｒ）2σ（ｎｒ 2−ｎｃ 2）-1/2
Ｌπ＝４ｎｒＷe 2／３λ0 ・・・（１）
また、多モード光干渉導波路３は、下記数２の式で表されるとき、１×Ｎ型の光導波路として動作することができる。また、多モード光干渉導波路３は、下記数３の式で表されるとき、Ｍ×Ｎ型の光導波路として動作することができる。なお、Ｍ及びＮは正の整数であり、入力側のＭは１であってもよく、出力側のＮは２以上とすることができる。ただし、数２及び数３の式に示すＬＭＭＩは、多モード光干渉導波路３の導波路長を表す。
〔数２〕
ＬＭＭＩ＝（３／４Ｎ）Ｌπ（Ｎは正の整数） ・・・（２）
〔数３〕
ＬＭＭＩ＝（３／Ｎ）Ｌπ（Ｎは正の整数） ・・・（３）
ここで、数２のＮを１とし、前方狭幅導波路２の中心線Ｘ２を多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０及び後方狭幅導波路１の中心線Ｘ１から偏心した、図１に示す１×１型多モード光干渉導波路３（以下、必要に応じて「非対称ＭＭＩ３」と称す）において、例えば、主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした場合には、図２（ｂ）に示す光フィールドが得られる。
図２（ｂ）に示すように、非対称ＭＭＩ３の導波路長ＬＭＭＩが（３／４）×Ｌπ（ビート長）の場合には、基本モード光が非対称ＭＭＩ３の前方ポート３ｂ側の端面で２箇所に分散されており、一の前方ポート３ｂから射出される基本モード光の透過率が低くなる。
そこで、本願発明者は、非対称ＭＭＩ３の導波路長ＬＭＭＩを変化させて、一の前方ポート３ｂから射出される基本モード光の透過率を算出し、非対称ＭＭＩ３を備える半導体レーザー１００の透過特性を検証することで（図３（ａ）参照）、非対称ＭＭＩ３の最適な導波路長ＬＭＭＩの理論式を導出した（下記数４参照）。
〔数４〕
ＬＭＭＩ＝Ｌπ ・・・（４）
そして、数４に基づき、導波路長ＬＭＭＩをビート長Ｌπに一致させた非対称ＭＭＩ３においては、例えば、主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした場合に、図２（ａ）に示す光フィールドが得られた。すなわち、図２（ａ）に示すように、非対称ＭＭＩ３の導波路長ＬＭＭＩが１×Ｌπ（ビート長）の場合には、基本モード光が非対称ＭＭＩ３の前方ポート３ｂ側の端面で１箇所（前方ポート３ｂ）に結像し、一の前方ポート３ｂから射出される基本モード光の透過率を高くすることができる。
後方狭幅導波路１は、多モード光干渉導波路３の各後方ポート３ａに一端がそれぞれ接続されるＭ本の光導波路からなり、後方狭幅導波路１の各光導波路は、高次モード光を遮断するシングルモード導波路である。また、後方狭幅導波路１は、各光導波路の他端を反射面とする。なお、後方狭幅導波路１は、２次モード光を遮断する２次モードカットオフ導波路であってもよい。この場合には、半導体レーザー１００が１×１型多モード光干渉導波路３を備える構成において、基本（０次）モード光と２次モード光とが同時に発振することなく、良好な単一モード動作を実現することができる。
なお、本実施形態においては、１×１型多モード光干渉導波路３を例に挙げて説明するために、後方狭幅導波路１は、１本の光導波路からなる。特に、本実施形態に係る後方狭幅導波路１は、導波路長が５０μｍ程度であり、導波路幅が２．７μｍ程度である、直線領域のみからなる直線導波路である。また、後方狭幅導波路１の中心線Ｘ１は、図１（ａ）に示す平面視における後方ポート３ａの中心線Ｘ１に一致しており、後方狭幅導波路１は、図１（ａ）に示す平面視における１×１型多モード光干渉導波路３の導波方向に沿う中心線Ｘ０から中心線Ｘ１を偏心して配設される。
前方狭幅導波路２は、多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂに一端が接続される１本の光導波路からなり、高次モード光を遮断するシングルモード導波路である。また、前方狭幅導波路２は、他端を出射面とする。なお、前方狭幅導波路２は、２次モード光を遮断する２次モードカットオフ導波路であってもよい。この場合には、半導体レーザー１００が１×１型多モード光干渉導波路３を備える構成において、基本（０次）モード光と２次モード光とが同時に発振することなく、良好な単一モード動作を実現することができる。特に、本実施形態に係る前方狭幅導波路２は、導波路長が５０μｍ程度であり、導波路幅が２．７μｍ程度である、直線領域のみからなる直線導波路である。また、前方狭幅導波路２の中心線Ｘ２は、図１（ａ）に示す平面視における前方ポート３ｂの中心線Ｘ２に一致しており、前方狭幅導波路２は、図１（ａ）に示す平面視における１×１型多モード光干渉導波路３の導波方向に沿う中心線Ｘ０から中心線Ｘ２を偏心して配設され、図１（ａ）に示す平面視における後方狭幅導波路１の中心線Ｘ１から中心線Ｘ２を偏心して配設される。
つぎに、図１、図４及び図５を参照して、本実施形態に係る半導体レーザー１００の製造方法を説明する。
まず、通常のｎ−ＩｎＰ基板１０上に、ＭＯＶＰＥ（Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy：有機金属気相成長）法を用いて、ｎ−ＩｎＰ膜２１、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯膜２２、ｉ−ＩｎＰ膜２３、ｐ−ＩｎＰ膜２４、ｐ−ＩｎＧａＡｓ膜２５を順番に堆積し、積層を形成する（図４（ａ））。
そして、ステッパ（縮小投影露光装置）による通常のフォトリソグラフィ法を用いて、図１（ａ）に示す、後方狭幅導波路１、多モード光干渉導波路３、前方狭幅導波路２の平面形状に合わせて、ｐ−ＩｎＧａＡｓ膜２５上にエッチング用のマスク２６を形成する（図４（ｂ））。
このマスク２６を用いて、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）法によりドライエッチングを施して、コンタクト層１５となるｐ−ＩｎＧａＡｓ膜２５、第２のクラッド層１４となるｐ−ＩｎＰ膜２４、第１のクラッド層１３となるｉ−ＩｎＰ膜２３、発光層１２となるＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯膜２２、バッファ層１１となるｎ−ＩｎＰ膜２１における不要な部分を部分的（マスクが形成されていない部分のみ）に除去し、断面形状としてハイメサ構造を形成する（図５（ａ））。なお、図５（ａ）においては、エッチングの進行が、基板１０の表面まで達して一部が除去されており、基板１０にエッチング底面１０ｃを図示している。
この後、エッチングで除去した部分をＢＣＢで埋め込んで埋め込み層１６を形成し（図５（ｂ））、コンタクト層１５の直上にあるマスク２６を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図１（ｂ）、図１（ｃ））。
そして、ＰＮ接合間に順バイアスを加えるための外部電極となる図示しないＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を、コンタクト層１５上に電子ビーム蒸着法で形成する。なお、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ層は、コンタクト層１５上のみに選択的に形成してもよいし、コンタクト層１５及び埋め込み層１６上の基板１０全面に形成してもよい。しかしながら、コンタクト層１５上のみに選択的にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を形成する場合には、パターニングを行なう製造工程が増加するために、コンタクト層１５及び埋め込み層１６上の基板１０全面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を形成するのが好ましい。
その後、光導波路が形成されていない基板１０の裏面を研磨して、ＰＮ接合間に順バイアスを加えるための外部電極となる図示しないＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を、基板１０の裏面全面に電子ビーム蒸着法で形成する。
そして、複数の半導体レーザー１００素子が形成された基板１０に対して、半導体レーザー１００素子間の境界に沿って劈開することで、図１に示す構造を有する半導体レーザー１００素子を得ることができる。この劈開により、半導体レーザー１００素子の後方端面（基板１０の一端面１０ａ、後方狭幅導波路１の反射面）及び前方端面（基板１０の他端面１０ｂ、前方狭幅導波路２の出射面）がそれぞれ形成される。
最後に、前方端面に低反射防止膜を形成し、後方端面に高反射膜を形成して、半導体レーザー１００素子の製造を終了する。
なお、本実施形態に係る製造方法においては、結晶成長方法としてＭＯＶＰＥ法を用いているが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、ＭＢＥ（Molecular Beam Epitaxy：分子線エピタキシー）法であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る製造方法においては、エッチング方法としてＲＩＥ法を用いているが、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）法やウェットエッチング法であっても適用可能である。
また、本実施形態に係る製造方法においては、フォトリソグラフィ法にステッパを用いているが、必ずしもこれに限られるわけではなく、例えば、電子ビーム露光装置であっても適用可能である。
つぎに、本実施形態に係る半導体レーザー１００において、多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂ（前方狭幅導波路２）の中心線Ｘ２を多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０から偏心させて、多モード光干渉導波路３に前方ポート３ｂ（前方狭幅導波路２）を配設させることによる作用効果について説明する。
なお、本実施形態に係る半導体レーザー１００に対する比較例１として、図６（ａ）に示すように、３×１型多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂ（前方狭幅導波路２）の中心線Ｘ２が、３×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０に一致する、リッジ構造の半導体レーザーを例に挙げて説明する。
比較例１では、全長Ｌが１４００μｍである半導体レーザー１００素子の端面を劈開により形成し、−１０℃の条件下で、注入電流Ｉを１２５ｍＡとし、主干渉光（基本モード光）の波長λを１５５０ｎｍに設定して、連続波（ＣＷ：Continuous Wave）を発振し、発光スペクトルを測定したところ、図７（ａ）に示すように、副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が１２ｄＢであった。
これに対し、本実施形態に係る半導体レーザー１００では、図７（ｂ）に示すように、副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が３３ｄＢであり、良好な単一モード動作を実現することができるという作用効果を奏する。
なお、図６（ｂ）に示すように、ハイメサ構造のシングルモード導波路のみからなる半導体レーザーであれば、図７（ｃ）に示すように、副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が１２ｄＢである。特に、シングルモード導波路のみからなる半導体レーザーは、多モード光干渉導波路３の導波路幅Ｗ１と比較してシングルモード導波路の導波路幅が狭く、高い電流を注入することができないため、半導体レーザーの高出力化が実現できない。
これに対し、本実施形態に係る半導体レーザー１００では、全領域に活性層を有する非対称ＭＭＩ３を備えることにより、非対称ＭＭＩ３を発光領域として機能させて半導体レーザー１００の高出力化を実現できると共に、副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が３０ｄＢ以上であり、通信用単一波長特性を満足することができるという作用効果を奏する。
なお、本実施形態に係る半導体レーザー１００においては、半導体レーザーの効率の指標である量子効率で評価すると、通常の半導体レーザーと同等の量子効率が得られていた。
つぎに、多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０に対する前方ポート３ｂの中心線Ｘ２による偏心量ｄの許容範囲を検証する。
まず、下記表１に示す多モード光干渉導波路３の導波路幅Ｗ１が７．４μｍ、１０μｍ又は１５μｍの場合において、偏心量ｄを変化させて、半導体レーザー１００の最大透過率をそれぞれ算出した（下記表２参照）。
Figure 0005987251
Figure 0005987251
そして、本願発明者は、表２に示す結果に基づき、偏心量ｄと多モード光干渉導波路３の実効導波路幅Ｗｅとの関係に着目し、最大透過率が最も高くなる最適な偏心量ｄ（以下、「基準偏心量ｄ０」と称す）の理論式を導出した（下記数５参照）。
〔数５〕
ｄ０＝Ｗｅ／６ ・・・（５）
また、数５に基づき、表２に示す多モード光干渉導波路３の導波路幅Ｗ１が７．４μｍ、１０μｍ又は１５μｍの場合の各表を一の表にまとめ（下記表３参照）、図３（ｂ）に示すように、基準偏心量ｄ０との差及び半導体レーザーの透過率の関係を図示した。
Figure 0005987251
ここで、理論上の波長透過率が０．７以上の場合に通信用単一波長特性を満足する副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が３０ｄＢ以上になるため、表３及び図３（ｂ）に基づき、偏心量ｄの最適な範囲（許容範囲）は、多モード光干渉導波路３の実効導波路幅Ｗｅの１／６を基準として、±０．３μｍ以内であることがわかる。
また、偏心量ｄが１．２６μｍ、１．７μｍ又は２．５３μｍの場合において、半導体レーザー１００の波長透過特性を検証したところ、図８（ａ）に示すように、偏心量ｄを増加させると、波長依存性が強くなることがわかる。すなわち、多モード光干渉導波路３の大きさに制約がなければ、通信用単一波長特性を満足する波長安定性を得るうえで、偏心量ｄを増加させることが好ましいことがわかる。
なお、図６（ｃ）に示すように、多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０と後方ポート３ａの中心線Ｘ１及び前方ポート３ｂの中心線Ｘ２とが一致する多モード光干渉導波路（以下、「対称ＭＭＩ」と称す）ではあるが、ハイメサ構造の対称ＭＭＩ又はリッジ構造の対称ＭＭＩの場合において、半導体レーザーの波長透過特性を検証したところ、図８（ｂ）に示すように、ハイメサ構造の対称ＭＭＩが、リッジ構造の対称ＭＭＩと比較して、半導体レーザーの透過率が僅かに高いことがわかる。
以上のように、本実施形態に係る半導体レーザー１００においては、グレーティングを有していないにも関わらず、単一波長を選択する機構を内包することになり、単一波長による発振が得られるという作用効果を奏する。特に、本実施形態に係る半導体レーザー１００においては、グレーティングを利用したＤＦＢ−ＬＤ（distributed-feedback laser diode：分布帰還型半導体レーザー）等の従来の半導体レーザーと比較して、製造工程が簡素化でき、低コストの光源を実現することができるという作用効果を奏する。
また、本実施形態に係る半導体レーザー１００においては、１×１型の非対称ＭＭＩ３を備えることより、通信用単一波長特性を満足する副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が３０ｄＢ以上である３３ｄＢを達成し、良好な単一モード動作を実現することができるという作用効果を奏する。
なお、本実施形態に係る基準偏心量ｄ０（最大透過率が最も高くなる最適な偏心量ｄ）及び偏心量ｄの最適な範囲（許容範囲）は、主干渉光（基本モード光）の波長λが１５５０ｎｍである場合について説明したが、主干渉光（基本モード光）の波長λに依存しない。
すなわち、基準偏心量ｄ０は、多モード光干渉導波路３の実効導波路幅Ｗｅの１／６倍であり、偏心量ｄの最適な範囲（許容範囲）は、多モード光干渉導波路３の実効導波路幅Ｗｅの１／６を基準として、±０．３μｍ以内である。
なお、多モード光干渉導波路３の導波路長ＬＭＭＩは、例えば、主干渉光（基本モード光）の波長λを８５０ｎｍとした場合に、主干渉光（基本モード光）の波長λが１５５０ｎｍである場合の導波路長ＬＭＭＩの約１．８２（＝１５５０ｎｍ／８５０ｎｍ）倍になる。
（本発明の第２の実施形態）
図９（ａ）は第２の実施形態に係る半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示す半導体レーザーの矢視Ｃ−Ｃ’線の断面図であり、図９（ｃ）は図９（ａ）に示す半導体レーザーの矢視Ｃ−Ｃ’線の他の断面図である。図９において、図１乃至図８と同じ符号は、同一または相当部分を示し、その説明を省略する。
本実施形態に係る多モード光干渉導波路３は、図９（ｂ）に示すように、導波方向に対して垂直な仮想面４（基本モード光又は信号光が結像する結像点４ａを含む活性層（発光層１２））のうち結像点４ａを除く非結像領域４ｂに、高次モード光又は迷光を吸収する光吸収部５を備える。なお、仮想面４とは、例えば、図２（ａ）に示すように、光干渉の結果、入射光と同じ光フィールドが周期的に現れる結像位置（結像点４ａ）を与える、導波方向に対して垂直な面をいう。
光吸収部５は、例えば、多モード光干渉導波路３が、非結像領域４ｂに対応して、上面から活性層（発光層１２）の下層（バッファ層１１又は基板層１０）まで達する凹部５ａを有し、シリコーン樹脂を母材としてカーボンブラックを混合した光吸収体を凹部５ａ内に配設することで構成することができる。この構成により、光吸収部５は、高次モード光（迷光）を吸収して、多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂから高次モード光（迷光）を射出させる割合を低減させることができる。
ここで、光吸収部５を有さない、第１の実施形態に係る１×１型多モード光干渉導波路３において、例えば、主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした光フィールドは、図２（ａ）に示すように、１×１型多モード光干渉導波路３の後方ポート３ａ側の端面から所定の距離毎に結像点４ａ及び非結像領域４ｂが表れる。
そこで、本実施形態においては、図２（ａ）に示す光フィールドに基づき、図９（ａ）に示すように、１×１型多モード光干渉導波路３の後方ポート３ａ及び前方ポート３ｂ近傍にある非結像領域４ｂに対応させて、当該非結像領域４ｂの領域に収まる平面形状で光吸収部５を配設した。
なお、光吸収部５を配設する位置は、有効な光吸収部５を形成することができ、非結像領域４ｂに配設することができるのであれば、１×１型多モード光干渉導波路３の後方ポート３ａ及び前方ポート３ｂ近傍にある非結像領域４ｂに限られるものではない。
また、前述したように、シリコーン樹脂を母材としてカーボンブラックを混合した光吸収体を凹部５ａ内に配設して光吸収部５を構成する場合について説明したが、非結像領域４ｂに対応するコンタクト層１５を除去（電気的分離溝５ｂを形成）して、非結像領域４ｂに対応するＰＮ接合間に順バイアスを加えることができない構成にし、多モード光干渉導波路３における非結像領域４ｂに対応する領域を光吸収体（可飽和吸収領域）として機能させることも考えられる。
ここで、図９（ｃ）を参照して、電気的分離溝５ｂを有する多モード光干渉導波路３を備えた半導体レーザー１００の製造方法を説明する。
なお、この半導体レーザー１００の製造方法は、埋め込み層１６を形成し（図５（ｂ））、コンタクト層１５の直上にあるマスク２６を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図１（ｂ）、図１（ｃ））までは、第１の実施形態に係る半導体レーザー１００の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
マスク２６を除去して露出したコンタクト層１５における、電気的分離溝５ｂとなる領域を、ウェットエッチング法により除去し、電気的分離溝５ｂを形成する（図９（ｃ））。
そして、ＰＮ接合間に順バイアスを加えるための外部電極となる図示しないＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を、コンタクト層１５上に電子ビーム蒸着法で形成する。
その後、光導波路が形成されていない基板１０の裏面を研磨して、ＰＮ接合間に順バイアスを加えるための外部電極となる図示しないＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層を、基板１０の裏面全面に電子ビーム蒸着法で形成する。
そして、複数の半導体レーザー１００素子が形成された基板１０に対して、半導体レーザー１００素子間の境界に沿って劈開することで、図９（ａ）及び図９（ｃ）に示す構造を有する半導体レーザー１００素子を得ることができる。
最後に、前方端面に低反射防止膜を形成し、後方端面に高反射膜を形成して、半導体レーザー１００素子の製造を終了する。
なお、この第２の実施形態においては、多モード光干渉導波路３に光吸収部５を新たに配設するところのみが第１の実施形態と異なるところであり、後述する光吸収部５による作用効果以外は、第１の実施形態と同様の作用効果を奏する。
光吸収部５は、高次モード光を吸収して、多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂから高次モード光を射出させる割合を低減させ、副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）をさらに高くすることができるという作用効果を奏する。
（本発明の第３の実施形態）
図１０（ａ）は第３の実施形態に係る３×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、図１０（ｂ）は第３の実施形態に係る３×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の他の例を示す平面図である。図１１（ａ）は第３の実施形態に係る４×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、図１１（ｂ）は第３の実施形態に係る４×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の他の例を示す平面図である。図１２（ａ）は図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に示す半導体レーザーの矢視Ｄ−Ｄ’線の断面図であり、図１２（ｂ）は図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に示す半導体レーザーの矢視Ｅ−Ｅ’線の断面図であり、図１２（ｃ）は図１０（ｂ）及び図１１（ｂ）に示す半導体レーザーの矢視Ｆ−Ｆ’線の断面図である。図１３（ａ）は図１０（ａ）に示す３×１型多モード光干渉導波路の導波路長をビート長の１／３倍にした場合における主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした光フィールドを示す説明図であり、図１３（ｂ）は図１１（ａ）に示す４×１型多モード光干渉導波路の導波路長をビート長の１／４倍にした場合における主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした光フィールドを示す説明図である。図１４は第３の実施形態に係る半導体レーザーの製造方法を説明するための図１２（ｃ）に対応する断面図である。図１５は図１４に示す半導体レーザーの製造方法の続きを説明するための断面図である。図１０乃至図１５において、図１乃至図９と同じ符号は、同一または相当部分を示し、その説明を省略する。なお、図１２（ｃ）、図１４及び図１５に示す断面図は、後方狭幅導波路１における導波方向に沿った断面図であり、図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示す断面図は、前方狭幅導波路２及び多モード光干渉導波路３における導波方向に垂直な断面図であり、矢視線の方向が異なる。
前述した第１の実施形態に係る半導体レーザー１００においては、Ｍを１とする１×１型多モード光干渉導波路３を例に挙げて説明したが、この１×１型多モード光干渉導波路３に限られるものではない。
例えば、図１０に示すように、Ｍを３とする３×１型多モード光干渉導波路３であってもよいし、図１１に示すように、Ｍを４とする４×１型多モード光干渉導波路３であってもよい。
まず、３×１型多モード光干渉導波路３について、図１０を用いて説明する。
３×１型多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂは、第１の実施形態において前述したように、中心線Ｘ２と３×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０との間隔がＷｅ／６となるように偏心して配設される。
また、３×１型多モード光干渉導波路３の後方ポート３ａは、３×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０を基準にして、前方ポート３ｂと同じ（対向）側にある２つのポート（第１の後方ポート１０１ａ、第２の後方ポート１０２ａ）と、前方ポート３ｂと異なる（対角）側にある１つのポート（第３の後方ポート１０３ａ）とからなる。
第１の後方ポート１０１ａの中心線（第１の中心線Ｘ１ａ）及び第２の後方ポート１０２ａの中心線（第２の中心線Ｘ１ｂ）間の中間に位置する基準線（第１の基準線Ｘ３）は、３×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０からＷｅ／６だけ偏心する。
また、第１の後方ポート１０１ａ及び第２の後方ポート１０２ａは、第１の中心線Ｘ１ａ及び第２の中心線Ｘ１ｂが第１の基準線Ｘ３に対してＷｅ／（３Ｍ）（但し、Ｍ＝３）だけそれぞれ偏心し、第１の中心線Ｘ１ａ及び第２の中心線Ｘ１ｂ間の間隔が２Ｗｅ／（３Ｍ）（但し、Ｍ＝３）となるように偏心して、それぞれ配設される。
また、第３の後方ポート１０３ａは、中心線（第３の中心線Ｘ１ｃ）と３×１型多モード光干渉導波路３における第３の後方ポート１０３ａに最も近い側面との間隔がＷｅ／９となるように偏心して配設される。
ここで、第１の実施形態において前述した１×１型多モード光干渉導波路３に対応する数４は、Ｍ×１型多モード光干渉導波路３に対応するように次式（６）により拡張することができる。
〔数６〕
ＬＭＭＩ＝Ｌπ／Ｍ（Ｍは正の整数） ・・・（６）
なお、本実施形態に係る３×１型多モード光干渉導波路３の設計例としては、３×１型多モード光干渉導波路３の導波路幅ＷＭＭＩが１０μｍであり、３×１型多モード光干渉導波路３の導波路長ＬＭＭＩが９４μｍであり、後方狭幅導波路１及び前方狭幅導波路２の導波路幅Ｗａが１μｍである。
また、導波路長ＬＭＭＩをビート長Ｌπの１／３倍にした３×１型の非対称ＭＭＩ３においては、例えば、主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした場合に、図１３（ａ）に示す光フィールドが得られた。すなわち、図１３（ａ）に示すように、３×１型の非対称ＭＭＩ３の導波路長ＬＭＭＩがＬπ（ビート長）／Ｍ（但し、Ｍ＝３）の場合には、基本モード光が非対称ＭＭＩ３の前方ポート３ｂ側の端面で１箇所（前方ポート３ｂ）に結像し、一の前方ポート３ｂから射出される基本モード光の透過率を高くすることができる。
なお、３×１型多モード光干渉導波路３は、後方ポート３ａ（第１の後方ポート１０１ａ、第２の後方ポート１０２ａ、第３の後方ポート１０３ａ）に入射する光の位相（端面位相）を整合させなければ、半導体レーザー１００として発振することができない（大きな閾値になってしまう）。
このため、３×１型多モード光干渉導波路３を備える半導体レーザー１００は、第２の後方ポート１０２ａに入射される光の位相を基準（０［ｒａｄ］）として、第１の後方ポート１０１ａに入射される光の位相をπ／３［ｒａｄ］ずらし、第３の後方ポート１０３ａに入射される光の位相を−π／３［ｒａｄ］ずらすように、後方狭幅導波路１を位相整合導波路として機能させる。
なお、位相整合導波路の一例としては、図１０（ａ）に示すように、第２の後方ポート１０２ａに接続する後方狭幅導波路１（第２の後方狭幅導波路１ｂ）を直線導波路にし、第１の後方ポート１０１ａに接続する後方狭幅導波路１（第１の後方狭幅導波路１ａ）及び第３の後方ポート１０３ａに接続する後方狭幅導波路１（第３の後方狭幅導波路１ｃ）を湾曲部分を含む曲線導波路にして、第１の後方ポート１０１ａ、第２の後方ポート１０２ａ及び第３の後方ポート１０３ａに入射される光の位相を整合する。
また、位相整合導波路の他の例としては、図１０（ｂ）及び図１２（ｃ）に示すように、後方狭幅導波路１の長さ方向を横断するように、コンタクト層１５の一部を除去して後方狭幅導波路１を２つの領域（位相調整領域６ａ、導波路領域６ｂ）に分割し、この位相調整領域６ａ及び導波路領域６ｂに異なる電流を注入して発光層１２の屈折率を変化させることにより、第１の後方ポート１０１ａ、第２の後方ポート１０２ａ及び第３の後方ポート１０３ａに入射される光の位相を整合する。
ここで、位相整合導波路の他の例である位相調整領域６ａ及び導波路領域６ｂを備えた半導体レーザー１００の製造方法について、図１４及び図１５を用いて説明する。
なお、この半導体レーザー１００の製造方法は、埋め込み層１６を形成し（図５（ｂ））、コンタクト層１５の直上にあるマスク２６を、有機溶剤及びアッシング法により除去する（図１（ｂ）、図１（ｃ））までは、第１の実施形態に係る半導体レーザー１００の製造方法と同様であるので、説明を省略する。
マスク２６を除去して露出したコンタクト層１５及び埋め込み層１６上にフォトレジストを塗布し、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図１０（ｂ）に示す、位相調整領域６ａ及び導波路領域６ｂの境界（幅４μｍ〜１０μｍ程度）を除く領域の平面形状に合わせて、コンタクト層１５及び埋め込み層１６上にエッチング用のマスク２７を形成する（図１４（ａ））。
このマスク２７を用い、硫酸系薬品を用いたウェットエッチング法により、位相調整領域６ａ及び導波路領域６ｂの境界となるコンタクト層１５における不要な部分を部分的に除去する（図１４（ｂ））。
その後、コンタクト層１５上にあるマスク２７を、有機溶剤及びアッシング法により除去し、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法を用いて、露出した第２のクラッド層１４及びコンタクト層１５上にＳｉＯ２膜１７を堆積させて、絶縁層を形成する（図１４（ｃ））。
そして、ＳｉＯ２膜１７上にフォトレジストを塗布し、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、コンタクト層１５及び第１の外部電極７ａ間を接続するコンタクトホールを形成するために当該コンタクトホールを除く領域の平面形状に合わせて、ＳｉＯ２膜１７上にエッチング用のマスク２８を形成する（図１４（ｄ））。
このマスク２８を用いて、ウェットエッチング法により、ＳｉＯ２膜１７におけるコンタクトホールとなる部分を部分的に除去し、ＳｉＯ２膜１７の窓明けを行なう（図１５（ａ））。
その後、ＳｉＯ２膜１７上にあるマスク２８を、有機溶剤及びアッシング法により除去し、電子ビーム蒸着法を用いて、ＰＮ接合間に順バイアスを加えるための第１の外部電極７ａとなる金属（Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ）をコンタクトホール内及びＳｉＯ２膜１７上に堆積させて、第１のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層１８ａを形成する（図１５（ｂ））。
その後、第１のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層１８ａ上にフォトレジストを塗布し、ステッパによるフォトリソグラフィ法を用いて、図１０（ｂ）に示す、後方狭幅導波路１（位相調整領域６ａ及び導波路領域６ｂの境界を除く）、前方狭幅導波路２及び多モード光干渉導波路３の領域の平面形状に合わせて、第１のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層１８ａ上にエッチング用のマスク２９を形成する（図１５（ｃ））。
このマスク２９を用いて、イオンミリング法によりドライエッチングを施して、後方狭幅導波路１、前方狭幅導波路２及び多モード光干渉導波路３を除く領域（位相調整領域６ａ及び導波路領域６ｂの境界を含む）にある第１のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層１８ａを除去し（図１５（ｄ））、第１のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層１８ａ上にあるマスク２９を有機溶剤及びアッシング法により除去して、第１の外部電極７ａを形成する。
その後、光導波路が形成されていない基板１０の裏面を研磨して、ＰＮ接合間に順バイアスを加えるための第２の外部電極７ｂとなる第２のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層１８ｂを、基板１０の裏面全面に電子ビーム蒸着法で形成する（図１２）。
そして、複数の半導体レーザー１００素子が形成された基板１０に対して、半導体レーザー１００素子間の境界に沿って劈開することで、図１０（ｂ）及び図１２に示す構造を有する半導体レーザー１００素子を得ることができる。
最後に、前方端面に低反射防止膜を形成し、後方端面に高反射膜を形成して、半導体レーザー１００素子の製造を終了する。
つぎに、４×１型多モード光干渉導波路３について、図１１を用いて説明する。
４×１型多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂは、第１の実施形態において前述したように、中心線Ｘ２と４×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０との間隔がＷｅ／６となるように偏心して配設される。
また、４×１型多モード光干渉導波路３の後方ポート３ａは、４×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０を基準にして、前方ポート３ｂと同じ（対向）側にある２つのポート（第１の後方ポート１０１ａ、第２の後方ポート１０２ａ）と、前方ポート３ｂと異なる（対角）側にある２つのポート（第３の後方ポート１０３ａ、第４の後方ポート１０４ａ）とからなる。
第１の後方ポート１０１ａの中心線（第１の中心線Ｘ１ａ）及び第２の後方ポート１０２ａの中心線（第２の中心線Ｘ１ｂ）間の中間に位置する基準線（第１の基準線Ｘ３）は、４×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０からＷｅ／６だけ偏心する。
また、第１の後方ポート１０１ａ及び第２の後方ポート１０２ａは、第１の中心線Ｘ１ａ及び第２の中心線Ｘ１ｂが第１の基準線Ｘ３に対してＷｅ／（３Ｍ）（但し、Ｍ＝４）だけそれぞれ偏心し、第１の中心線Ｘ１ａ及び第２の中心線Ｘ１ｂ間の間隔が２Ｗｅ／（３Ｍ）（但し、Ｍ＝４）となるように偏心して、それぞれ配設される。
第３の後方ポート１０３ａの中心線（第３の中心線Ｘ１ｃ）及び第４の後方ポート１０４ａの中心線（第４の中心線Ｘ１ｄ）間の中間に位置する基準線（第２の基準線Ｘ４）は、４×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０からＷｅ／６だけ偏心する。
また、第３の後方ポート１０３ａ及び第４の後方ポート１０４ａは、第３の中心線Ｘ１ｃ及び第４の中心線Ｘ１ｄが第２の基準線Ｘ４に対してＷｅ／（３Ｍ）（但し、Ｍ＝４）だけそれぞれ偏心し、第３の中心線Ｘ１ｃ及び第４の中心線Ｘ１ｄ間の間隔が２Ｗｅ／（３Ｍ）（但し、Ｍ＝４）となるように偏心して、それぞれ配設される。
なお、本実施形態に係る４×１型多モード光干渉導波路３の設計例としては、４×１型多モード光干渉導波路３の導波路幅ＷＭＭＩが１５μｍであり、４×１型多モード光干渉導波路３の導波路長ＬＭＭＩが１５９μｍであり、後方狭幅導波路１及び前方狭幅導波路２の導波路幅Ｗａが１μｍである。
また、導波路長ＬＭＭＩをビート長Ｌπの１／４倍にした４×１型の非対称ＭＭＩ３においては、例えば、主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした場合に、図１３（ｂ）に示す光フィールドが得られた。すなわち、図１３（ｂ）に示すように、４×１型の非対称ＭＭＩ３の導波路長ＬＭＭＩがＬπ（ビート長）／Ｍ（但し、Ｍ＝４）の場合には、基本モード光が非対称ＭＭＩ３の前方ポート３ｂ側の端面で１箇所（前方ポート３ｂ）に結像し、一の前方ポート３ｂから射出される基本モード光の透過率を高くすることができる。
なお、４×１型多モード光干渉導波路３は、後方ポート３ａ（第１の後方ポート１０１ａ、第２の後方ポート１０２ａ、第３の後方ポート１０３ａ、第４の後方ポート１０４ａ）に入射する光の位相（端面位相）を整合させなければ、半導体レーザー１００として発振することができない（大きな閾値になってしまう）。
このため、４×１型多モード光干渉導波路３を備える半導体レーザー１００は、第２の後方ポート１０２ａ及び第３の後方ポート１０３ａに入射される光の位相を基準（０［ｒａｄ］）として、第１の後方ポート１０１ａに入射される光の位相をπ／４［ｒａｄ］ずらし、第４の後方ポート１０４ａに入射される光の位相を−π／４［ｒａｄ］ずらすように、後方狭幅導波路１を位相整合導波路として機能させる。
なお、位相整合導波路の一例としては、図１１（ａ）に示すように、第２の後方ポート１０２ａ及び第３の後方ポート１０３ａに接続する後方狭幅導波路１（第２の後方狭幅導波路１ｂ、第３の後方狭幅導波路１ｃ）を直線導波路にし、第１の後方ポート１０１ａに接続する後方狭幅導波路１（第１の後方狭幅導波路１ａ）及び第４の後方ポート１０４ａに接続する後方狭幅導波路１（第４の後方狭幅導波路１ｄ）を湾曲部分を含む曲線導波路にして、第１の後方ポート１０１ａ、第２の後方ポート１０２ａ、第３の後方ポート１０３ａ及び第４の後方ポート１０４ａに入射される光の位相を整合する。
また、位相整合導波路の他の例としては、図１１（ｂ）及び図１２（ｃ）に示すように、後方狭幅導波路１の長さ方向を横断するように、コンタクト層１５の一部を除去して後方狭幅導波路１を２つの領域（位相調整領域６ａ、導波路領域６ｂ）に分割し、位相調整領域６ａ及び導波路領域６ｂに異なる電流を注入して発光層１２の屈折率を変化させることにより、第１の後方ポート１０１ａ、第２の後方ポート１０２ａ、第３の後方ポート１０３ａ及び第４の後方ポート１０４ａに入射される光の位相を整合する。
（本発明の第４の実施形態）
図１６（ａ）は第４の実施形態に係る３×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図であり、図１６（ｂ）は第４の実施形態に係る４×１型多モード光干渉導波路を備える半導体レーザーの概略構成の一例を示す平面図である。図１７（ａ）は図１６（ａ）に示す３×１型多モード光干渉導波路の導波路長をビート長に一致させた場合における主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした光フィールドを示す説明図であり、図１７（ｂ）は図１６（ｂ）に示す４×１型多モード光干渉導波路の導波路長をビート長の３／４倍にした場合における主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした光フィールドを示す説明図である。図１６及び図１７において、図１乃至図１５と同じ符号は、同一または相当部分を示し、その説明を省略する。
前述した第３の実施形態に係る３×１型多モード光干渉導波路３及び４×１型多モード光干渉導波路３においては、多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０を基準にして後方ポート３ａの各中心線が非対称（不均等）に配設されている場合について説明したが、図１６に示すように、多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０を基準にして後方ポート３ａの各中心線が対称（均等）に配設されてもよい。
まず、３×１型多モード光干渉導波路３について、図１６（ａ）を用いて説明する。
３×１型多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂは、中心線Ｘ２と３×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０との間隔がＷｅ／３となるように偏心して配設される。
また、３×１型多モード光干渉導波路３の後方ポート３ａは、３×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０と一致する中心線（第２の中心線Ｘ１ｂ）を有する第２の後方ポート１０２ａと、３×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０を基準にして中心線（第１の中心線Ｘ１ａ、第３の中心線Ｘ１ｃ）が等間隔であり、前方ポート３ｂと同じ（対向）側にある第１の後方ポート１０１ａと、前方ポート３ｂと異なる（対角）側にある第３の後方ポート１０３ａとからなる。
また、第１の後方ポート１０１ａ及び第３の後方ポート１０３ａは、第１の中心線Ｘ１ａ及び第３の中心線Ｘ１ｃが３×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０に対してＷｅ／３だけそれぞれ偏心して配設される。特に、第１の後方ポート１０１ａの第１の中心線Ｘ１ａは、前方ポート３ｂの中心線Ｘ２と一致する。
ここで、第１の実施形態において前述した１×１型多モード光干渉導波路３に対応する数４は、複数の後方ポート３ａが対称（均等）に配設されたＭ×１型多モード光干渉導波路３に対応するように次式（７）により拡張することができる。
〔数７〕
ＬＭＭＩ＝３×Ｌπ／Ｍ（Ｍは正の整数） ・・・（７）
なお、本実施形態に係る３×１型多モード光干渉導波路３の設計例としては、３×１型多モード光干渉導波路３の導波路幅ＷＭＭＩが１０μｍであり、３×１型多モード光干渉導波路３の実効導波路幅Ｗｅが約１０．２μｍであり、３×１型多モード光干渉導波路３の導波路長ＬＭＭＩが約２８５μｍであり、後方狭幅導波路１及び前方狭幅導波路２の導波路幅Ｗａが１μｍである。
また、導波路長ＬＭＭＩをビート長Ｌπに一致させた（ビート長Ｌπの３／３倍にした）３×１型の非対称ＭＭＩ３においては、例えば、主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした場合に、図１７（ａ）に示す光フィールドが得られた。すなわち、図１７（ａ）に示すように、３×１型の非対称ＭＭＩ３の導波路長ＬＭＭＩが３×Ｌπ（ビート長）／Ｍ（但し、Ｍ＝３）の場合には、基本モード光が非対称ＭＭＩ３の前方ポート３ｂ側の端面で１箇所（前方ポート３ｂ）に結像し、一の前方ポート３ｂから射出される基本モード光の透過率を高くすることができる。
なお、３×１型多モード光干渉導波路３を備える半導体レーザー１００は、第２の後方ポート１０１ａに入射される光の位相を基準（０［ｒａｄ］）として、第２の後方ポート１０２ａに入射される光の位相をπ／３［ｒａｄ］ずらし、第３の後方ポート１０３ａに入射される光の位相を２π／３［ｒａｄ］ずらすように、後方狭幅導波路１を位相整合導波路として機能させる。
また、位相整合導波路としては、図示は省略するが、第１の後方狭幅導波路１ａを直線導波路にし、第２の後方狭幅導波路１ｂ及び第３の後方狭幅導波路１ｃを湾曲部分を含む曲線導波路にして、第１の後方ポート１０１ａ、第２の後方ポート１０２ａ及び第３の後方ポート１０３ａに入射される光の位相を整合してもよい。
つぎに、４×１型多モード光干渉導波路３について、図１６（ｂ）を用いて説明する。
４×１型多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂは、中心線Ｘ２と４×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０との間隔が３Ｗｅ／８となるように偏心して配設される。
また、４×１型多モード光干渉導波路３の後方ポート３ａは、４×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０を基準にして、前方ポート３ｂと同じ（対向）側にある２つのポート（第１の後方ポート１０１ａ、第２の後方ポート１０２ａ）と、前方ポート３ｂと異なる（対角）側にある２つのポート（第３の後方ポート１０３ａ、第４の後方ポート１０４ａ）とからなる。
また、第２の後方ポート１０２ａ及び第３の後方ポート１０３ａは、第２の中心線Ｘ１ｂ及び第３の中心線Ｘ１ｃが４×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０に対してＷｅ／８だけそれぞれ偏心して配設される。
また、第１の後方ポート１０１ａ及び第４の後方ポート１０４ａは、第１の中心線Ｘ１ａ及び第４の中心線Ｘ１ｄが４×１型多モード光干渉導波路３の中心線Ｘ０に対して３Ｗｅ／８だけ偏心してそれぞれ配設される。特に、第１の後方ポート１０１ａの第１の中心線Ｘ１ａは、前方ポート３ｂの中心線Ｘ２と一致する。
なお、本実施形態に係る４×１型多モード光干渉導波路３の設計例としては、４×１型多モード光干渉導波路３の導波路幅ＷＭＭＩが１０μｍであり、４×１型多モード光干渉導波路３の実効導波路幅Ｗｅが約１０．２μｍであり、４×１型多モード光干渉導波路３の導波路長ＬＭＭＩが２１４μｍであり、後方狭幅導波路１及び前方狭幅導波路２の導波路幅Ｗａが１μｍである。
また、導波路長ＬＭＭＩをビート長Ｌπの３／４倍にした４×１型の非対称ＭＭＩ３においては、例えば、主干渉光波長λが１５５０ｎｍの基本モード光の光強度をシミュレーションした場合に、図１７（ｂ）に示す光フィールドが得られた。すなわち、図１７（ｂ）に示すように、４×１型の非対称ＭＭＩ３の導波路長ＬＭＭＩが３×Ｌπ（ビート長）／Ｍ（但し、Ｍ＝４）の場合には、基本モード光が非対称ＭＭＩ３の前方ポート３ｂ側の端面で１箇所（前方ポート３ｂ）に結像し、一の前方ポート３ｂから射出される基本モード光の透過率を高くすることができる。
なお、４×１型多モード光干渉導波路３を備える半導体レーザー１００は、第１の後方ポート１０１ａ及び第４の後方ポート１０４ａに入射される光の位相を基準（０［ｒａｄ］）として、第２の後方ポート１０２ａに入射される光の位相を５π／４［ｒａｄ］ずらし、第３の後方ポート１０３ａに入射される光の位相をπ／４［ｒａｄ］ずらすように、後方狭幅導波路１を位相整合導波路として機能させる。
また、位相整合導波路としては、図示は省略するが、第１の後方狭幅導波路１ａ及び第４の後方狭幅導波路１ｄを直線導波路にし、第２の後方狭幅導波路１ｂ及び第３の後方狭幅導波路１ｃを湾曲部分を含む曲線導波路にして、第１の後方ポート１０１ａ、第２の後方ポート１０２ａ、第３の後方ポート１０３ａ及び第４の後方ポート１０４ａに入射される光の位相を整合してもよい。
なお、第３の実施形態並びに第４の実施形態に係る３×１型多モード光干渉導波路３及び４×１型多モード光干渉導波路３においても、前述した第２の実施形態と同様に、光吸収部５を非結像領域４ｂに備えてもよい。
この場合に、３×１型多モード光干渉導波路３においては、図１３（ａ）又は図１７（ａ）に示す光フィールドに基づき、４×１型多モード光干渉導波路３においては、図１３（ｂ）又は図１７（ｂ）に示す光フィールドに基づいて、多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂ近傍にある非結像領域４ｂに対応させて、当該非結像領域４ｂの領域に収まる平面形状で光吸収部５を配設することになる。
なお、光吸収部５を配設する位置は、有効な光吸収部５を形成することができ、非結像領域４ｂに配設することができるのであれば、多モード光干渉導波路３の前方ポート３ｂ近傍にある非結像領域４ｂに限られるものではない。
なお、複数の後方ポート３ａが対称（均等）に配設された本実施形態に係るＭ×１型多モード光干渉導波路３では、前述した数７から分かるように、複数の後方ポート３ａが非対称（不均等）に配設されたＭ×１型多モード光干渉導波路３の導波路長ＬＭＭＩと比較して、導波路長ＬＭＭＩが３倍になる。
このため、半導体レーザー１００としては、素子の小型化を図るうえで、複数の後方ポート３ａが非対称（不均等）に配設されたＭ×１型多モード光干渉導波路３であることが好ましい。
１ 後方狭幅導波路
１ａ 第１の後方狭幅導波路
１ｂ 第２の後方狭幅導波路
１ｃ 第３の後方狭幅導波路
１ｄ 第４の後方狭幅導波路
２ 前方狭幅導波路
３ Ｍ×Ｎ型多モード光干渉導波路，１×１型多モード光干渉導波路
３ａ 後方ポート
３ｂ 前方ポート
４ 仮想面
４ａ 結像点
４ｂ 非結像領域
５ 光吸収部
５ａ 凹部
５ｂ 電気的分離溝
６ａ 位相調整領域
６ｂ 導波路領域
１０ 基板，基板層
１０ａ 一端面
１０ｂ 他端面
１０ｃ エッチング底面
１１ バッファ層
１２ 発光層
１３ 第１のクラッド層
１４ 第２のクラッド層
１５ コンタクト層
１６ 埋め込み層
２１ ｎ−ＩｎＰ膜
２２ ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−１．５５μｍ帯膜
２３ ｉ−ＩｎＰ膜
２４ ｐ−ＩｎＰ膜
２５ ｐ−ＩｎＧａＡｓ膜
２６ マスク
１００ 半導体レーザー
１０１ａ 第１の後方ポート
１０２ａ 第２の後方ポート
１０３ａ 第３の後方ポート
１０４ａ 第４の後方ポート

Claims (7)

  1. 一の前方ポート及び一又は複数の後方ポートが配設され、平面視における全領域に活性層を有する多モード光干渉導波路と、
    前記前方ポート及び後方ポートにそれぞれ接続される狭幅光導波路と、
    を備え、
    前記前方ポートが、前記多モード光干渉導波路の導波方向に対して垂直な前記活性層における基本モード光が結像する結像点に対応し、平面視における前記多モード光干渉導波路の導波方向に沿う中心線から偏心して配設されることを特徴とする半導体レーザー。
  2. 前記請求項１に記載の半導体レーザーにおいて、
    前記多モード光干渉導波路の中心線に対する前記前方ポートの中心線の偏心量が、前記多モード光干渉導波路の実効導波路幅の１／６を基準として、±０．３μｍ以内であることを特徴とする半導体レーザー。
  3. 前記請求項１又は２に記載の半導体レーザーにおいて、
    前記多モード光干渉導波路の層構造が、ハイメサ構造であることを特徴とする半導体レーザー。
  4. 前記請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザーにおいて、
    前記後方ポートが、平面視における前記多モード光干渉導波路の導波方向に沿う中心線から偏心して配設され、平面視における前記前方ポートの中心線から偏心して配設されることを特徴とする半導体レーザー。
  5. 前記請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザーにおいて、
    前記狭幅光導波路が、高次モード光を遮断するシングルモード導波路であることを特徴とする半導体レーザー。
  6. 前記請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザーにおいて、
    前記狭幅光導波路が、２次モード光を遮断する２次モードカットオフ導波路であることを特徴とする半導体レーザー。
  7. 前記請求項１乃至６のいずれかに記載の半導体レーザーにおいて、
    前記多モード光干渉導波路の導波方向に対して垂直な前記活性層における基本モード光が結像する結像点を含む仮想面のうち当該結像点を除く非結像領域に、高次モード光を吸収する光吸収部を備えることを特徴とする半導体レーザー。
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