JP6183122B2 - 光半導体素子、光半導体素子アレイ、光送信モジュール及び光伝送システム - Google Patents

光半導体素子、光半導体素子アレイ、光送信モジュール及び光伝送システム Download PDF

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Description

本発明は、光半導体素子、光半導体素子アレイ、光送信モジュール及び光伝送システムに関する。
従来、半導体レーザ等の光半導体素子が通信において用いられている。インターネット等の普及に伴う通信量の増加に対応して、光半導体素子を用いた光通信又は光伝送における通信速度の高速化及び通信容量の増大が図られている。
例えば、４０Ｇｂ／ｓ以上の通信速度を有する光ファイバ伝送システム、又は２５ギガビットのデータをＣＷＤＭで４波束ねて１００ギガビットの通信量にして送信することが求められている。
そして、上述した通信を行うための光信号の生成を、半導体レーザを用いて、直接変調により行うことが期待されている。このような半導体レーザとして、活性領域に回折格子を有する分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）が挙げられる。
ＤＦＢレーザを用いて、高い周波数で直接変調を行うには、高い緩和振動周波数が求められる。ＤＦＢレーザでは、半導体レーザの活性層の体積を小さくすることにより、緩和振動周波数を大きくすることができる。例えば、ＤＦＢレーザの共振器長を１００μｍと短くすることにより、室温にて４０Ｇｂ／ｓでの変調を可能としたものがある。
また、ＤＦＢレーザの緩和振動周波数及び効率を向上させて、単一縦モードで発振するために、位相シフト部を有し、活性領域で生成された光を活性領域に反射する回折格子を有する分布反射鏡を備えた分布反射型レーザ（ＤＲレーザ）が提案されている。
図１は、ＤＲレーザである光半導体素子を示す図である。
光半導体素子１１０は、ＤＲレーザである。光半導体素子１１０は、第１分布反射鏡領域１１０ａと、活性領域１１０ｂと、第２分布反射鏡領域１１０ｃを備える。
活性領域１１０ｂは、基板１１１と、基板１１１上に配置される第１下クラッド層１１２と、第１下クラッド層１１２上に配置される第１回折格子層１１３と、第１回折格子層１１３内に配置され、πラジアンの位相シフト量を有する位相シフト部１１４を有する。第１回折格子層１１３上には、第２下クラッド層１１５が配置され、第２下クラッド層１１５上には、活性層１１６が配置され、活性層１１６上には、上クラッド層１１７が配置される。上クラッド層１１７上には、第１電極層１２０が配置され、基板１１１の下には、第２電極層１２１が配置される。第１電極層１２０及び第２電極層１２１は、活性層１１６に電流を注入する。基板１１１と、第１下クラッド層１１２と、第２下クラッド層１１５と、上クラッド層１１７は、第１分布反射鏡領域１１０ａ及び第２分布反射鏡領域１１０ｃに亘って延びている。
第１及び第２分布反射鏡領域１１０ａ、１１０ｃは、第１下クラッド層１１２上に配置される第２回折格子層１２２と、第２回折格子層１２２上に配置される第２下クラッド層１１５と、第２下クラッド層１１５上に配置される光ガイド層１２３を有する。第２回折格子層１２２は、第１回折格子層１１３と一体に形成されており、第１回折格子層１１３と同じ周期の回折格子を有する。光ガイド層１２３は、活性層１１６と光学的に接合する。
また、第１分布反射鏡領域１１０ａの開放端部には第１反射防止層１２８が配置され、第２分布反射鏡領域１１０ｃの開放端部には第２反射防止層１２９が配置される。
活性領域１１０ｂの活性層１１６は、電流が注入されて光を生成する。活性領域１１０ｂの両側に配置される第１及び第２分布反射鏡領域１１０ａ、１１０ｂは、活性領域１１０ｂで生成された光を活性領域１１０ｂに向かって反射する。活性領域１１０ｂは、第１回折格子層１１３の回折格子の２倍の周期の波長を有するレーザ光を発振する。活性領域１１０ｂが発振したレーザ光は、両光ガイド層１２３を伝搬して、光半導体素子１１０の両端部から出力される。
国際公開第２０１０／１００７３８号 特開２０００−５８９７０号公報
図１に示す光半導体素子１１０は、製造工程の変動等によって、設計値に対して、活性層１１６の組成が変化し、また層の厚さが変化する場合がある。
図２は、ＤＲレーザである光半導体素子の光出力と駆動電流との関係を示す図である。
図２に示すように、上述したような異常発振を示す光半導体素子は、駆動電流の増加に対して、光出力が急に減少するようなキンクを示す場合がある。
このような異常発振は、活性領域１１０ｂの発振波長と、第１又は第２分布反射鏡領域１１０ａ、１１０ｃの反射スペクトルとの間にずれが生じて、モード跳び又はモード競合等が生じるためと考えられる。
次に、異常発振が生じるメカニズムを、図面を参照して、以下に説明する。
まず、位相シフト部を有するＤＲレーザの例について、以下に説明する。
図３Ａは、位相シフト量がπラジアンの位相シフト部を有するＤＲレーザである光半導体素子の発振波長と反射スペクトルとの関係を示す図である。
図３Ａは、主発振モードＰ１が反射スペクトルＲの中央に位置する場合、及び主発振モードＰ１が反射スペクトＲルに対して短波長側に位置する場合について、主発振モードＰ１と反射スペクトルＲとの関係を示す。主発振モードＰ１は、主に、活性層１１６の組成波長、位相シフト部１１４及び第１回折格子層１１３の回折格子の周期によって決定される。反射スペクトルＲは、主に光ガイド層１２３の組成及び第２回折格子層１２２の回折格子の周期によって決定される。
まず、光半導体素子が設計通りに形成されており、主発振モードＰ１が反射スペクトルＲの中央に位置する場合について、以下に説明する。電流の活性層１１６への注入がない状態（Ａ）では、位相シフト部を有する光半導体素子１１０の主発振モードＰ１は、反射スペクトルの中央に位置する。主発振モードの波長は、設計において、光半導体素子１１０が発振するようになされた波長を意味する。
次に、活性層１１６に注入する電流を増加した発振のしきい値近傍の状態（Ｂ）では、活性層１１６内のキャリア密度の増加と共に、主発振モードＰ１が短波長側に移動する。主発振モードＰ１は反射スペクトルＲ内に位置するので、光半導体素子１１０は、主発振モードＰ１で発振を開始する。
次に、活性層１１６に注入する電流を更に増加した発振のしきい値以降の状態（Ｃ）では、活性層１１６内のキャリア密度は一定になるが、電流が生じるジュール熱により活性層１１６の温度の上昇に伴う屈折率の変化により、主発振モードＰ１が長波長側に移動する。主発振モードＰ１は反射スペクトルＲ内に位置するので、光半導体素子１１０は、主発振モードＰ１で発振を続ける。
そして、活性層１１６に注入する電流を更にまた増加した高電流領域の状態（Ｄ）では、主発振モードＰ１が長波長側に更に移動する。主発振モードＰ１は反射スペクトルＲ内に留まっているので、光半導体素子１１０は、主発振モードＰ１で発振を続ける。
次に、主発振モードＰ１が反射スペクトルＲに対して短波長側に位置する場合について、以下に説明する。
まず、電流の活性層１１６への注入がない状態（Ａ）では、光半導体素子１１０の主発振モードＰ１は、反射スペクトルＲ内の短波長側に位置する。このような主発振モードＰ１の反射スペクトルＲに対する位置のずれは、製造工程の変動等によって、活性層の組成の変化、又は層の厚さの変化により生じ得る。
次に、活性層１１６に注入する電流を増加した発振のしきい値近傍の状態（Ｂ）では、主発振モードＰ１が短波長側に移動する。主発振モードＰ１は反射スペクトルＲの外側に移動するので、主発振モードＰ１では発振しない。一方、ストップバンドの一方の副モードＰ２が、反射スペクトルＲ内に移動するので、光半導体素子１１０は、副モードＰ２で発振を開始する。
次に、活性層１１６に注入する電流を更に増加した発振のしきい値以降の状態（Ｃ）では、主発振モードＰ１が長波長側に移動して反射スペクトルＲ内に位置することになり、光半導体素子１１０は、主発振モードＰ１で発振を開始する。従って、副モードＰ２から主発振モードＰ１へのモード跳びが生じる。この時、光出力が低下すれば、図２に示すようなキンクが発生する。また、副モードＰ２が反射スペクトルＲ内に留まっていれば、光半導体素子１１０は、副モードＰ２と主発振モードＰ１との間でモード競合が発生する場合もある。
そして、活性層１１６に注入する電流を更にまた増加した高電流領域の状態（Ｄ）では、主発振モードＰ１が長波長側に更に移動する。主発振モードＰ１は反射スペクトルＲ内に留まっているので、光半導体素子１１０は、主発振モードＰ１で発振を続ける。副モードＰ２は、反射スペクトルＲの外側に移動するので、モード競合は停止する。
次に、位相シフト部を有さないＤＲレーザの例について、以下に説明する。
図３Ｂは、位相シフト部を有さないＤＲレーザである光半導体素子の発振波長と反射スペクトルとの関係を示す図である。位相シフト部を有さない光半導体素子は、図１に示す光半導体素子から位相シフト部を除去した構造を有する。
まず、反射スペクトルが２つの発振波長の中央に位置する場合について、以下に説明する。電流の活性層への注入がない状態（Ａ）では、位相シフト部を有さない光半導体素子では、反射スペクトルＲが、主発振モードであるストップバンドの２つの発振モードＰ１、Ｐ２の中央に位置する。
次に、活性層に注入する電流を増加した発振のしきい値近傍の状態（Ｂ）では、活性層内のキャリア密度の増加と共に、２つの発振モードＰ１、Ｐ２が短波長側に移動する。短波長側の発振モードＰ１は、反射スペクトルＲの外側に移動するが、長波長側の発振モードＰ２は、反射スペクトルＲ内に移動して、光半導体素子は、発振モードＰ２で発振を開始する。
次に、活性層に注入する電流を更に増加した発振のしきい値以降の状態（Ｃ）では、電流が生じるジュール熱により活性層の温度の上昇に伴う屈折率の変化により、２つの発振モードＰ１、Ｐ２が長波長側に移動する。光半導体素子は、発振モードＰ２で発振を続ける。
そして、活性層に注入する電流を更にまた増加した高電流領域の状態（Ｄ）では、２つの発振モードＰ１、Ｐ２が長波長側に更に移動する。再び、反射スペクトルＲが、ストップバンドの２つの発振モードＰ１、Ｐ２の中央に位置する状態となり、光半導体素子は、２つの発振モードＰ１、Ｐ２の間でモード競合が発生する。状態（Ｃ）から状態（Ｄ）へ移行する時、発振モードＰ２から発振モードＰ１へのモード跳びが生じる場合がある。
次に、発振波長が反射スペクトルに対して長波長側に位置する場合について、以下に説明する。
まず、電流の活性層への注入がない状態（Ａ）では、長波長側の発振モードＰ２は、反射スペクトルの外側に位置するが、短波長側の発振モードＰ１は、反射スペクトルＲ内に位置する。このような発振波長の反射スペクトルＲに対する位置のずれは、製造工程の変動等によって、活性層の組成の変化、又は層の厚さの変化により生じ得る。
次に、活性層に注入する電流を増加した発振のしきい値近傍の状態（Ｂ）では、２つの発振モードＰ１、Ｐ２が短波長側に移動する。短波長側の発振モードＰ１は、反射スペクトルＲの外側に移動するが、長波長側の発振モードＰ２は、反射スペクトルＲ内に移動して、光半導体素子は、発振モードＰ２で発振を開始する。
次に、活性層に注入する電流を更に増加した発振のしきい値以降の状態（Ｃ）では、２つの発振モードＰ１、Ｐ２が長波長側に移動する。反射スペクトルＲは、ストップバンドの２つの発振モードＰ１、Ｐ２の中央に位置する状態となり、光半導体素子は、２つの発振モードＰ１、Ｐ２の間でモード競合が発生する。状態（Ｂ）から状態（Ｃ）へ移行する時、発振モードＰ２から発振モードＰ１へのモード跳びが生じる場合がある。
そして、活性層に注入する電流を更にまた増加した高電流領域の状態（Ｄ）では、２つの発振モードＰ１、Ｐ２が長波長側に更に移動する。長波長側の発振モードＰ２は、反射スペクトルの外側に移動するが、短波長側の発振モードＰ１は、反射スペクトルＲ内に移動して、光半導体素子は、発振モードＰ１で発振を続ける。状態（Ｃ）から状態（Ｄ）へ移行する時、発振モードＰ２から発振モードＰ１へのモード跳びが生じる場合がある。
上述したように、動作範囲内で駆動電流を変化させた時に異常発振を示す光半導体素子は、不良品となり、歩留まりを低下させる要因となり得る。
特に、複数の光半導体素子を同一の基板上にモノリシックに形成した光半導体素子のアレイを製造する時には、何れかの光半導体素子が異常発振を示す場合には、アレイ全体が不良品として扱われることになる。
従って、製造工程の変動等に対する許容性が高く、モード跳び又はモード競合等の異常発振が生じ難い光半導体素子が求められている。
本明細書では、上述した問題点を解決する光半導体素子を提供することを目的とする。
本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、電流が注入されて光を生成する活性層と、一定の周期の第１回折格子を有する第１回折格子層と、上記第１回折格子層内に配置される位相シフト部と、を有する活性領域であって、上記位相シフト部の位相シフト量が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲を有する活性領域と、上記活性領域における光軸方向の第１端部に光学的に結合され、上記活性領域で生成された光を上記活性領域に向かって反射する第２回折格子を有する分布反射鏡領域と、を備える。
また、本明細書に開示する光半導体素子アレイの一形態によれば、基板と、電流が注入されて光を生成する第１活性層と、第１周期の第１回折格子を有する第１回折格子層と、上記第１回折格子層内に配置される第１位相シフト部と、を有する第１活性領域であって、上記第１位相シフト部の位相シフト量が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲を有する第１活性領域と、上記第１活性領域の第１端部に光学的に結合され、上記第１活性領域で生成された光を上記第１活性領域に向かって反射する第２回折格子を有する第１分布反射鏡領域と、を備え、上記基板上に配置される第１光素子部と、電流が注入されて光を生成する第２活性層と、第２周期の第３回折格子を有する第３回折格子層と、上記第３回折格子層内に配置される第２位相シフト部と、を有する第２活性領域であって、上記第２位相シフト部の位相シフト量が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲の周期を有する第２活性領域と、上記第２活性領域の第１端部に光学的に結合され、上記第２活性領域で生成された光を上記第２活性領域に向かって反射する第４回折格子を有する第２分布反射鏡領域と、を備え、上記基板上に上記第１光素子部と並んで配置される第２光素子部と、を備える。
また、本明細書に開示する光送信モジュールの一形態によれば、電流が注入されて光を生成する活性層と、一定の周期の第１回折格子を有する第１回折格子層と、上記第１回折格子層内に配置される位相シフト部と、を有する活性領域であって、上記位相シフト部の位相シフト量が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲を有する活性領域と、上記活性領域の第１端部に光学的に結合され、上記活性領域で生成された光を上記活性領域に向かって反射する第２回折格子を有する分布反射鏡領域と、を備える光半導体素子と、上記活性層に電流を供給する駆動部と、を備える。
更に、本明細書に開示する光伝送システムの一形態によれば、電流が注入されて光を生成する活性層と、一定の周期の第１回折格子を有する第１回折格子層と、上記第１回折格子層内に配置される位相シフト部と、を有する活性領域であって、上記位相シフト部の位相シフト量が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲を有する活性領域と、上記活性領域の第１端部に光学的に結合され、上記活性領域で生成された光を上記活性領域に向かって反射する第２回折格子を有する分布反射鏡領域と、を有する光送信モジュールと、上記光送信モジュールから送信された光を伝搬する光ファイバと、上記光ファイバが伝搬する光を受信する光受信モジュールと、を備える。
上述した本明細書に開示する光半導体素子の一形態によれば、製造工程の変動等に対する許容性が高く、モード跳び又はモード競合等の異常発振の発生が抑制される。
また、上述した本明細書に開示する光半導体素子アレイの一形態によれば、製造工程の変動等に対する許容性が高く、各光半導体素子のモード跳び又はモード競合等の異常発振の発生が抑制される。
また、上述した上述した本明細書に開示する光送信モジュールの一形態によれば、製造工程の変動等に対する許容性が高く、モード跳び又はモード競合等の異常発振の発生が抑制される。
更に、上述した本明細書に開示する光伝送システムの一形態によれば、製造工程の変動等に対する許容性が高く、モード跳び又はモード競合等の異常発振の発生が抑制される。
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
ＤＲレーザを示す図である。 ＤＲレーザの光出力と駆動電流との関係を示す図である。 波長シフト部を有するＤＲレーザの発振波長と反射スペクトルとの関係を示す図である。 波長シフト部を有さないＤＲレーザの発振波長と反射スペクトルとの関係を示す図である。 本明細書に開示する光半導体素子の第１実施形態を示す斜視図である。 図４のＸ１−Ｘ１線断面図である。 図４のＸ２−Ｘ２線断面図である。 図４のＸ３−Ｘ３線断面図である。 発振波長と反射スペクトルとの関係を示す図である。 位相シフト量と異常発振との関係を調べた結果を示す図である。 ＧａＩｎＡｓＰ及びＡｌＧａＩｎＡｓの屈折率変動と組成波長との関係を示す図である。 しきい値と位相シフト量との関係を示す図である。 スロープ効率と位相シフト量との関係を示す図である。 緩和振動周波数ｆｒと位相シフト量との関係を示す図である。 本明細書に開示する光半導体素子アレイの一実施形態を示す図である。 本明細書に開示する光半導体素子の第２実施形態を示す斜視図である。 図１５のＹ１−Ｙ１線断面図である。 図１５のＹ２−Ｙ２線断面図である。 図１５のＹ３−Ｙ３線断面図である。 本明細書に開示する光半導体素子の第３実施形態を示す斜視図である。 図１９のＺ１−Ｚ１線断面図である。 図１９のＺ２−Ｚ２線断面図である。 図１９のＺ３−Ｚ３線断面図である。 本明細書に開示する光半導体素子アレイの他の一実施形態を示す図である。 本明細書に開示する集積素子の一実施形態を示す図である。 本明細書に開示する光送受信モジュール対の一実施形態を示す図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その１）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その２）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その３）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その４）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その５）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その６）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その７）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その８）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その９）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その１０）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その１１）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その１２）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その１３）を説明する図である。 本明細書に開示する光半導体素子の製造方法の一実施形態の工程（その１４）を説明する図である。
以下、本明細書で開示する光半導体素子の好ましい第１実施形態を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
図４は、本明細書に開示する光半導体素子の第１実施形態を示す斜視図である。図５は、図４のＸ１−Ｘ１線断面図である。図６は、図４のＸ２−Ｘ２線断面図である。図７は、図４のＸ３−Ｘ３線断面図である。
本実施形態の光半導体素子１０は、第１分布反射鏡領域１０ａと、活性領域１０ｂと、第２分布反射鏡領域１０ｃを備えるＤＲレーザである。第１分布反射鏡領域１０ａは、活性領域１０ｂの光軸方向の第１端部に光学的に結合され、第２分布反射鏡領域１０ｃは、活性領域１０ｂの光軸方向の第２端部に光学的に結合される。ここで、光軸方向は、活性領域１０ｂが生成した光が伝搬する方向である。
光半導体素子１０は、光軸方向に延びるメサ部Ｍと、メサ部Ｍの両側を埋め込む埋め込み層２５を有しており、いわゆる埋め込みヘテロ構造を有する。
活性領域１０ｂは、基板１１と、基板１１上に配置される第１下クラッド層１２と、第１下クラッド層１２上に配置され、一定の周期の回折格子を有する第１回折格子層１３と、第１回折格子層１３内に配置され、活性領域１０ｂを伝搬する光の位相をシフトする位相シフト部１４を有する。基板１１及び第１下クラッド層１２は、第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃに亘って延びている。
位相シフト部１４は、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲の位相シフト量を有する。詳しくは後述するが、光半導体素子１０は、位相シフト部１４が上述した範囲の位相シフト量を有することにより、製造工程の変動等に対する許容性が高く、モード跳び又はモード競合等の異常発振が生じることが抑制される。
位相シフト部１４は、活性領域１０ｂ内の光の密度の高い所に配置して、効率良く所望の波長を有するレーザ光が発振されるようにすることが好ましい。
第１回折格子層１３上には、第２下クラッド層１５が配置される。第１回折格子層１３を形成する回折格子は、第１下クラッド層１２と第２下クラッド層１５との間に埋め込まれており、いわゆる埋め込み回折格子となっている。第２下クラッド層１５は、第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃに亘って延びている。
第２下クラッド層１５上には、電流が注入されて光を生成する活性層１６が配置される。活性層１６としては、量子井戸構造又はバルク構造を用いることができる。活性層１６の形成材料としては、化合物半導体等を用いることができる。
活性層１６上には、第１上クラッド層１７が配置される。第１上クラッド層１７上には、第２上クラッド層１８が配置される。第２上クラッド層１８は、光軸方向において、第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃに亘って延びている。第２上クラッド層１８上には、コンタクト層１９が配置される。コンタクト層１９上には、第１電極層２０が配置される。
メサ部Ｍは、第１分布反射鏡領域１０ａ及び活性領域１０ｂ及び第２分布反射鏡領域１０ｃにおける第１下クラッド層１２の上側の部分により形成される。
基板１１及び第１下クラッド層１２は、光軸方向と直交する方向において、メサ部Ｍの下から埋め込み層２５の下に向かって延びている。基板１１及び第１下クラッド層１２は、一方の埋め込み層２５の下から更に外方に向かって延びている。この埋め込み層２５の外側において、第１下クラッド層１２上には、第２電極層２１が配置される。
第１電極層２０及び第２電極層２１は、活性層１６に電流を注入する。
基板１１の下には、他の部材と接合するための接合層２７が配置される。
第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃは、第１下クラッド層１２上に配置される第２回折格子層２２と、第２回折格子層２２上に配置される第２下クラッド層１５を有する。第２下クラッド層１５上には、光ガイド層２３が配置される。光ガイド層２３は、活性層１６と光学的に接合する。光ガイド層２３上には、第３上クラッド層２４が配置され、第３上クラッド層２４上には、第２上クラッド層１８が配置される。
第２回折格子層２２は、第１回折格子層１３と同じ周期の回折格子を有する。第２回折格子層２２の回折格子の溝の深さは、第１回折格子層１３と同じ溝の深さを有することが、第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃが、活性領域１０ｂと同じ光の結合係数を有する観点から好ましい。光半導体素子１０では、第２回折格子層２２は、第１回折格子層１３と一体に形成される。
第１分布反射鏡領域１０ａの開放端部には第１反射防止層２８が配置され、第２分布反射鏡領域１０ｃの開放端部には第２反射防止層２９が配置される。図４において、第１反射防止層２８及び第２反射防止層２９は、鎖線で示されている。
メサ部Ｍは、第１分布反射鏡領域１０ａと、活性領域１０ｂと、第２分布反射鏡領域１０ｃとに亘って延びている。活性層１６及び光ガイド層２３は、メサ部Ｍに含まれる。埋め込み層２５は、好ましくは電気的に半絶縁性又は絶縁性を有し、電流をメサ部Ｍ内に閉じ込めて活性層１６に注入されるように働く。
メサ部Ｍ及び埋め込み層２５は、保護層２６に覆われている。また、埋め込み層２５の下から外方に延びている第２下クラッド層１５も、保護層２６に覆われている。
活性領域１０ｂの活性層１６は、電流が注入されて光を生成する。光軸方向において、活性領域１０ｂの両側に配置される第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｂは、活性領域１０ｂで生成された光を活性領域１０ｂに向かって反射する。活性領域１０ｂは、第１回折格子層１３の回折格子の２倍の周期の波長を有するレーザ光を発振する。活性領域１０ｂが発振したレーザ光は、光ガイド層２３を伝搬して、光半導体素子１０の両端部から出力される。
次に、光半導体素子１０の動作を、図面を参照して、以下に説明する。
図８は、発振波長と反射スペクトルとの関係を示す図である。
図８は、主発振モードＰ１が反射スペクトルＲに対して設計通りに位置する場合と、短波長側に位置する場合と、長波長側に位置する場合とについて、主発振モードＰ１と反射スペクトルＲとの関係を示す。主発振モードＰ１は、主に、活性層１６の組成波長、位相シフト部１４の位相シフト量及び第１回折格子層１３の回折格子の周期によって決定される。反射スペクトルＲは、主に光ガイド層２３の組成及び第２回折格子層２２の回折格子の周期によって決定される。
通常、反射スペクトルＲは、ストップバンドの幅と同程度の幅を有する。主発振モードＰ１は、位相シフト量がπラジアンの場合には、ストップバンドの中央に位置する。光半導体素子１０では、位相シフト量が１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲にあり、πラジアンよりも大きいので、主発振モードの発振波長は、ストップバンドの中央よりも長波長側に位置する。
まず、光半導体素子が設計通りに形成されており、主発振モードＰ１が反射スペクトルＲに対して設計通りに位置する場合について、以下に説明する。電流の活性層１６への注入がない状態（Ａ）では、光半導体素子１０の主発振モードＰ１は、反射スペクトルＲ内であって、ストップバンドの中央よりも長波長側に位置する。図８（Ａ）に示す例では、主発振モードＰ１は、反射スペクトルＲ内の長波長側の端部に位置している。
次に、活性層１６に注入する電流を増加した発振のしきい値近傍の状態（Ｂ）では、活性層１６内のキャリア密度の増加と共に、主発振モードＰ１が短波長側に移動する。主発振モードＰ１が反射スペクトルＲ内に位置するので、光半導体素子１０は、主発振モードＰ１で発振を開始する。
次に、活性層１６に注入する電流を更に増加した発振のしきい値以降の状態（Ｃ）では、活性層１６内のキャリア密度は一定になるが、電流が生じるジュール熱により活性層１６の温度の上昇に伴う屈折率の変化により、主発振モードＰ１が長波長側に移動する。主発振モードＰ１は反射スペクトルＲの中央付近に位置しており、光半導体素子１０は、主発振モードＰ１で発振を続ける。
そして、活性層１６に注入する電流を更にまた増加した高電流領域の状態（Ｄ）では、主発振モードＰ１が長波長側に更に移動する。主発振モードＰ１は反射スペクトルＲ内に留まっているので、光半導体素子１０は、主発振モードＰ１で発振を続ける。
次に、主発振モードの発振波長が反射スペクトルＲに対して短波長側に位置する場合について、以下に説明する。このような主発振モードの発振波長の反射スペクトルに対する位置のずれは、製造工程の変動等によって、活性層の組成の変化、又は層の厚さの変化により生じ得る。
まず、電流の活性層１６への注入がない状態（Ａ）では、光半導体素子１０の主発振モードＰ１は、反射スペクトルＲ内であって、ストップバンドの中央よりも長波長側に位置する。
次に、活性層１６に注入する電流を増加した発振のしきい値近傍の状態（Ｂ）では、主発振モードＰ１が短波長側に移動する。主発振モードＰ１は、反射スペクトルＲ内であって、反射スペクトルＲ内の短波長側の端部に位置している。主発振モードＰ１は反射スペクトルＲ内に留まっているので、光半導体素子１０は、主発振モードＰ１で発振を開始する。
次に、活性層１６に注入する電流を更に増加した発振のしきい値以降の状態（Ｃ）では、主発振モードＰ１が長波長側に移動する。主発振モードＰ１は、反射スペクトルＲ内であって、反射スペクトルＲの中央よりも若干短波長側に位置している。光半導体素子１０は、主発振モードＰ１で発振を続ける。
そして、活性層１６に注入する電流を更にまた増加した高電流領域の状態（Ｄ）では、主発振モードＰ１が長波長側に更に移動する。主発振モードＰ１は、反射スペクトルＲのほぼ中央に位置している。光半導体素子１０は、主発振モードＰ１で発振を続ける。
次に、主発振モードの発振波長が反射スペクトルＲに対して長波長側に位置する場合について、以下に説明する。このような発振波長の反射スペクトルに対する位置のずれは、製造工程の変動等によって、活性層の組成の変化、又は層の厚さの変化により生じ得る。
まず、電流の活性層１６への注入がない状態（Ａ）では、光半導体素子１０の主発振モードＰ１は、反射スペクトルＲよりも長波長側の外部に位置している。
次に、活性層１６に注入する電流を増加した発振のしきい値近傍の状態（Ｂ）では、主発振モードＰ１が短波長側に移動する。主発振モードＰ１は、反射スペクトルＲ内であって、反射スペクトルＲの中央よりも若干長波長側に位置している。主発振モードＰ１が反射スペクトルＲ内に位置するので、光半導体素子１０は、主発振モードＰ１で発振を開始する。
次に、活性層１６に注入する電流を更に増加した発振のしきい値以降の状態（Ｃ）では、主発振モードＰ１が長波長側に移動する。主発振モードＰ１は、反射スペクトルＲ内であって、ストップバンドの中央よりも長波長側に位置する。光半導体素子１０は、主発振モードＰ１で発振を続ける。
そして、活性層１６に注入する電流を更にまた増加した高電流領域の状態（Ｄ）では、主発振モードＰ１が長波長側に更に移動する。主発振モードＰ１は、反射スペクトルＲ内の長波長側の端部に位置している。主発振モードＰ１が反射スペクトルＲ内に位置するので、光半導体素子１０は、主発振モードＰ１で発振を続ける。
上述したように、光半導体素子１０の主発振モードＰ１の反射スペクトルＲに対する位置は、活性層１６への電流の注入量の増加と共に変化する。また、電流の活性層１６への注入がない状態における主発振モードＰ１の反射スペクトルＲに対する位置は、製造工程の変動等に起因して、設計された位置とは異なる場合がある。
そこで、光半導体素子１０では、位相シフト部１４が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲の位相シフト量を有するようにして、光半導体素子１０の動作領域において、主発振モードＰ１が反射スペクトルＲ内に位置するようになされている。
位相シフト部１４が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲の位相シフト量を有することを、発振波長λを用いて表現すると、位相シフト量が、３λ／８以上且つ１１λ／２４以下の範囲にあることを意味する。
反射スペクトルＲの幅を広げることにより、駆動電流と共に移動する主発振モードＰ１を、反射スペクトルＲ内に留め易くなる。この観点から、第１分布反射鏡領域１０ａ又は第２分布反射鏡領域１０ｃにおける第２回折格子層２２の回折格子の溝の深さを、第１回折格子層１３の回折格子の溝よりも深くしても良い。
次に、光半導体素子１０の位相シフト部１４が、上述した範囲の位相シフト量を有することにより、モード跳び又はモード競合等の異常発振を抑制することを確認した測定結果について、以下に説明する。
図９は、位相シフト量と異常発振との関係を調べた結果を示す図である。
図９は、位相シフト部が０ラジアン〜１．８３πラジアンの範囲で１０水準の異なる位相シフト量を有する光半導体素子を同じ基板上にアレイ状に作製した。このような７つのアレイ状の光半導体素子を作製し、光出力と駆動電流との関係を測定して、異常発振の有無を調べた。作製した光半導体素子は、図４〜７に示す構造を有する。
光半導体素子の活性層として、量子井戸構造を用いた。量子井戸構造は、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層、及び、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓバリア層を用いて形成された。ここで、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層は、厚さ４．２ｎｍ、圧縮歪量１．０％とした。また、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓバリア層は、組成波長１．００μｍ、厚さ１０ｎｍとした。量子井戸構造の積層数は１５層として、その発振波長は１３１０ｎｍであった。また、光半導体素子の光ガイド層は、組成波長１．２０μｍ、厚さ２５０ｎｍのアンドープＧａＩｎＡｓＰを用いて形成された。
作製した光半導体素子の寸法及び形成材料等のその他の条件については、後述する光半導体素子の製造方法の説明において説明する。
図９において、○は、光出力が３０ｍＷまでの範囲においてキンク等の異常発振が生じないか、又は、駆動電流が１００ｍＡ以下且つ２０ｍＷ以上の光出力の範囲において、キンク等の異常発振が生じなかった場合を示す。×は、上述した範囲で異常発振が生じた場合を示す。位相シフト量が１．６７πラジアン及び１．８３πラジアンの７番目の光半導体素子は素子作製工程の途中で喪失したため、異常発振については測定していない。
図９に示す結果によれば、位相シフト量が１．３３πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲では、異常発振が測定されなかった。
また、図９に示す結果によれば、位相シフト量が０ラジアン及び０．１７πラジアン及びπラジアンを有する光半導体素子では、異常発振を生じる場合と生じない場合とがある。これは、図３Ａ及び図３Ｂを参照して説明したように、製造工程の変動等によって、発振波長の反射スペクトルに対する位置のずれの大きさに違いが生じるためと推定される。
更に、図９に示す結果によれば、位相シフト量が０．３３πラジアン以上且つ０．６７πラジアン以下の範囲では、全ての光半導体素子が、異常発振を生じた。
従って、異常発振を抑制するには、位相シフト部の位相シフト量を、１．３３πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲とすることが好ましい。
具体的には、位相シフト量の下限値としては、特に（１．３３＋１．５０）π／２以上、更には１．５０πラジアン以上、また更には（１．５０＋１．６７）π／２以上、またまた更には１．６７π／２以上であることが好ましい。位相シフト量の下限値としては、異常発振を十分に抑制する観点から、１．５０πラジアン以上又は１．５０πラジアンよりも大きくすることが好ましい。
また、位相シフト量の上限値としては、特に（１．６７＋１．８３）π／２以下、更には１．６７π以下、また更には（１．５０＋１．６７）π／２以下であることが好ましい。
図９の測定のために作製した光半導体素子の光ガイド層は、上述したようにＧａＩｎＡｓＰを用いた。このＧａＩｎＡｓＰは、量子井戸構造を形成するのに用いたＡｌＧａＩｎＡｓと比べて屈折率変動が大きい材料である。
図１０は、ＧａＩｎＡｓＰ及びＡｌＧａＩｎＡｓの屈折率変動と組成波長との関係を示す図である。
図１０に示すように、ＧａＩｎＡｓＰは、ＡｌＧａＩｎＡｓと比べて、組成波長の変化に対する屈折率変動が大きい材料である。組成波長の変化は、製造工程の変動等による活性層の組成の変化として生じ得る。従って、上述した図９に示す結果によれば、製造工程の変動等による屈折率変動の大きいＧａＩｎＡｓＰを用いても、光半導体素子は、位相シフト量を１．３３πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲とすることにより、異常発振を防止できることになる。
次に、図９の測定に用いた光半導体素子について、発振のしきい値と位相シフト量との関係、スロープ効率と位相シフト量との関係、及び緩和振動周波数と位相シフト量との関係を測定した結果を、図面を参照して、以下に説明する。
図１１は、しきい値と位相シフト量との関係を示す図である。
位相シフト量が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲では、発振のしきい値が、位相シフト量が０ラジアンの時よりも低く、また、位相シフト量がπラジアンの時と同等以下である。従って、位相シフト量を１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲とすることにより、発振のしきい値を低減することができる。
図１２は、２ｍＷ出力時のスロープ効率と位相シフト量との関係を示す図である。
位相シフト量が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲では、スロープ効率が、位相シフト量がπラジアンの時よりも大きい。従って、位相シフト量を１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲とすることにより、位相シフト量がπラジアンの時よりも、効率を向上することができる。
図１３は、緩和振動周波数ｆｒと位相シフト量との関係を示す図である。
位相シフト量が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲では、位相シフト量が０ラジアンの時よりも、低い駆動電流の時から高い緩和振動周波数ｆｒが得られる。また、位相シフト量が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲では、位相シフト量がπラジアン（図１３中の外挿値）の時よりも、同等以上の緩和振動周波数ｆｒが得られると考えられる。従って、位相シフト量を１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲とすることにより、低い駆動電流の時から高い緩和振動周波数ｆｒが得られるので、広い周波数帯域を使用できるため、光半導体素子の消費電力を低減することができる。
上述した本実施形態の光半導体素子１０によれば、製造工程の変動等に対する許容性が高く、モード跳び又はモード競合等の異常発振の発生が抑制される。
上述した第１実施形態の光半導体素子を同じ基板上に複数並べて、モノリシックな光半導体素子アレイを形成しても良い。
図１４は、本明細書に開示する光半導体素子アレイの一実施形態を示す図である。
光半導体素子アレイ３０は、同じ基板１１上に並んで形成された４つの光半導体素子１０Ａ〜１０Ｄを有する。光半導体素子１０Ａ〜１０Ｄは、上述した第１実施形態の光半導体素子と同様の構造を有する。光半導体素子１０Ａ〜１０Ｄは、光軸方向をそろえて、同じ基板１１上に並んで配置される。なお、光半導体素子１０Ａ〜１０Ｄの構造は、図４〜図７に示す光半導体素子に対して、簡略して記載している。
４つの光半導体素子１０Ａ〜１０Ｂを、それぞれの発振波長が異なるように作製すれば、光半導体素子アレイ３０は、異なる４つの波長で同時にレーザ光を発振して動作できる。
本実施形態の光半導体素子アレイ３０によれば、製造工程の変動等に対する許容性が高く、異常発振が抑制された個々の光半導体素子を備える。従って、光半導体素子アレイ３０は、歩留まりの高い光半導体素子１０Ａ〜１０Ｂにより形成されているので、良品の光半導体素子アレイとなる。
次に、上述した光半導体素子の他の実施形態を、図面を参照しながら以下に説明する。他の実施形態について特に説明しない点については、上述の第１実施形態に関して詳述した説明が適宜適用される。また、同一の構成要素には同一の符号を付してある。
図１５は、本明細書に開示する光半導体素子の第２実施形態を示す斜視図である。図１６は、図１５のＹ１−Ｙ１線断面図である。図１７は、図１５のＹ２−Ｙ２線断面図である。図１８は、図１５のＹ３−Ｙ３線断面図である。
本実施形態の光半導体素子１０は、上述した第１実施形態と同様に、第１分布反射鏡領域１０ａと、活性領域１０ｂと、第２分布反射鏡領域１０ｃを備えるＤＲレーザである。
本実施形態の光半導体素子１０は、いわゆるリッジ型の構造を有する。本実施形態の光半導体素子１０は、活性層１６の上方に、光軸方向に延びる第２上クラッド層１８が配置される。第２上クラッド層１８の両側には、第２上クラッド層１８よりも屈折率の低い埋め込み層７２が配置され、活性層１６は、埋め込み層７２の下方に延在している。
光半導体素子１０について、更に、以下に説明する。
活性領域１０ｂは、基板１１と、基板１１上に配置される第１下クラッド層１２と、第１下クラッド層１２上に配置され、一定の周期の回折格子を有する第１回折格子層１３と、第１回折格子層１３内に配置され、活性領域１０ｂを伝搬する光の位相をシフトする位相シフト部１４を有する。基板１１及び第１下クラッド層１２は、第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃに亘って延びている。
位相シフト部１４は、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲の位相シフト量を有する。位相シフト部１４は、活性領域１０ｂ内の光の密度の高い所に配置して、効率良く所望の波長を有するレーザ光が発振されるようにすることが好ましい。
第１回折格子層１３上には、第２下クラッド層１５が配置される。第１回折格子層１３を形成する回折格子は、第１下クラッド層１２と第２下クラッド層１５との間に埋め込まれており、いわゆる埋め込み回折格子となっている。第２下クラッド層１５は、第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃに亘って延びている。
第２下クラッド層１５上には、電流が注入されて光を生成する活性層１６が配置される。活性層１６としては、量子井戸構造又はバルク構造を用いることができる。活性層１６の形成材料としては、化合物半導体等を用いることができる。
活性層１６上には、第１上クラッド層１７が配置される。第１上クラッド層１７上には、エッチングストッパ層７０が配置される。エッチングストッパ層７０は、第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃに亘って延びている。エッチングストッパ層７０上には、光軸方向に延びる第２上クラッド層１８が配置される。第２上クラッド層１８は、光軸方向において、第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃに亘って延びている。第２上クラッド層１８上には、コンタクト層１９が配置される。コンタクト層１９上には、第１電極層２０が配置される。
基板１１と第１下クラッド層１２と第１回折格子層１３と第２下クラッド層１５と位相シフト部１４と活性層１６と第１上クラッド層１７とエッチングストッパ層７０は、光軸方向と直交する方向において、第２上クラッド層１８の下から埋め込み層７２の下に向かって延びている。
一対の埋め込み層７２が、保護層７１を介在させて、第２上クラッド層１８を挟むように配置される。埋め込み層７２は、第２上クラッド層１８よりも低い屈折率を有し、電気的に半絶縁性又は絶縁性を有することが好ましい。埋め込み層７２は、例えば、ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）を用いて形成され得る。
埋め込み層７２と、エッチングストッパ層７０及び第２上クラッド層１８との間には、保護層７１が配置される。埋め込み層７２も、光軸方向において、第２上クラッド層１８と並んで、第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃに亘って延びている。
また、各埋め込み層７２における第２上クラッド層１８が位置するのとは反対側の位置には、保護層７１を介在させて、第４上クラッド層１８ａが配置される。第４上クラッド層１８ａは、埋め込み層７２と並んで、第１分布反射鏡領域１０ａから第２分布反射鏡領域１０ｃに亘って延びている。
基板１１及び第１下クラッド層１２は、光軸方向と直交する方向において、一方の第４上クラッド層１８ａの下から更に外方に向かって延びている。この第４上クラッド層１８ａの外側において、第１下クラッド層１２上には、第２電極層２１が配置される。
第１電極層２０及び第２電極層２１は、活性層１６に電流を注入する。
また、基板１１の下には、他の部材と接合するための接合層２７が配置される。
第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃは、第１下クラッド層１２上に配置される第２回折格子層２２と、第２回折格子層２２上に配置される第２下クラッド層１５を有する。第２下クラッド層１５上には、光ガイド層２３が配置される。光ガイド層２３は、活性層１６と光学的に接合する。光ガイド層２３上には、第３上クラッド層２４が配置され、第３上クラッド層２４上には、エッチングストッパ層７０が配置され、エッチングストッパ層７０には、第２上クラッド層１８が配置される。
上述した各層は、保護層２６に覆われている。
第２回折格子層２２は、第１回折格子層１３と同じ周期の回折格子を有する。第２回折格子層２２の回折格子の溝の深さは、第１回折格子層１３と同じ溝の深さを有することが、第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃが、活性領域１０ｂと同じ光の結合係数を有する観点から好ましい。光半導体素子１０では、第２回折格子層２２は、第１回折格子層１３と一体に形成される。
第１分布反射鏡領域１０ａの開放端部には第１反射防止層２８が配置され、第２分布反射鏡領域１０ｃの開放端部には第２反射防止層２９が配置される。図１５において、第１反射防止層２８及び第２反射防止層２９は、鎖線で示されている。
上述した本実施形態の光半導体素子１０は、上述した第１実施形態と同様に、位相シフト部１４が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲の位相シフト量を有するので、第１実施形態の光半導体素子と同様の効果を奏する。
図１９は、本明細書に開示する光半導体素子の第３実施形態を示す斜視図である。図２０は、図１９のＺ１−Ｚ１線断面図である。図２１は、図１９のＺ２−Ｚ２線断面図である。図２２は、図１９のＺ３−Ｚ３線断面図である。
本実施形態の光半導体素子１０は、活性領域１０ｂと、第２分布反射鏡領域１０ｃを備えるＤＲレーザである。本実施形態の光半導体素子１０は、上述した第１実施形態とは異なり、第１分布反射鏡領域を備えていない。
光半導体素子１０は、光軸方向に延びるメサ部Ｍと、メサ部Ｍの両側を埋め込む埋め込み層２５を有しており、いわゆる埋め込みヘテロ構造を有する。
光半導体素子１０について、更に、以下に説明する。
活性領域１０ｂは、基板１１と、基板１１上に配置され、一定の周期の回折格子を有する第１回折格子層１３と、第１回折格子層１３内に配置され、活性領域１０ｂを伝搬する光の位相をシフトする位相シフト部１４を有する。基板１１は、第１及び第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃに亘って延びている。本実施形態の光半導体素子１０は、上述した第１実施形態とは異なり、第１下クラッド層を備えていない。
位相シフト部１４は、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲の位相シフト量を有する。位相シフト部１４は、活性領域１０ｂ内の光の密度の高い所に配置して、効率良く所望の波長を有するレーザ光が発振されるようにすることが好ましい。
本実施形態では、第１回折格子層１３及び位相シフト部１４は、基板１１が加工されて形成されおり、いわゆる表面回折格子構造を有する。基板１１として、ｐ型又はｎ型の極性を有する化合物半導体基板を用いることができる。
第１回折格子層１３上には、第２下クラッド層１５が配置される。第２下クラッド層１５は、第２分布反射鏡領域１０ｃに亘って延びている。
第２下クラッド層１５上には、エッチングストッパ層８０が配置される。エッチングストッパ層８０には、電流が注入されて光を生成する活性層１６が配置される。活性層１６としては、量子井戸構造又はバルク構造を用いることができる。活性層１６の形成材料としては、化合物半導体等を用いることができる。エッチングストッパ層８０は、第２分布反射鏡領域１０ｃに亘って延びている。
活性層１６上には、第１上クラッド層１７が配置される。第１上クラッド層１７上には、光軸方向に延びる第２上クラッド層１８が配置される。第２上クラッド層１８は、光軸方向において、第２分布反射鏡領域１０ａ、１０ｃに亘って延びている。第２上クラッド層１８上には、コンタクト層１９が配置される。コンタクト層１９上には、第１電極層２０が配置される。
基板１１は、光軸方向と直交する方向において、メサ部Ｍの下から埋め込み層２５の下に向かって延びている。
基板１１の下には、第２電極層２１が配置される。本実施形態では、第２電極層２１として、いわゆるプラーナ型の電極を有する。
第１電極層２０及び第２電極層２１は、活性層１６に電流を注入する。
第２分布反射鏡領域１０ｃは、基板１１上に配置される第２回折格子層２２と、第２回折格子層２２上に配置される第２下クラッド層１５を有する。第２下クラッド層１５上には、エッチングストッパ層８０が配置される。エッチングストッパ層８０上には、光ガイド層２３が配置される。光ガイド層２３は、活性層１６と光学的に接合する。光ガイド層２３上には、第３上クラッド層２４が配置され、第３上クラッド層２４上には、第２上クラッド層１８が配置される。
第２回折格子層２２は、第１回折格子層１３と同じ周期の回折格子を有する。第２回折格子層２２の回折格子の溝の深さは、第１回折格子層１３と同じ溝の深さを有することが、第２分布反射鏡領域１０ｃが、活性領域１０ｂと同じ光の結合係数を有する観点から好ましい。光半導体素子１０では、第２回折格子層２２は、基板１１が加工されて、第１回折格子層１３と一体に形成される。
活性領域１０ｂの開放端部には第１反射防止層２８が配置され、第２分布反射鏡領域１０ｃの開放端部には第２反射防止層２９が配置される。図１９において、第１反射防止層２８及び第２反射防止層２９は、鎖線で示されている。
メサ部Ｍは、活性領域１０ｂ及び第２分布反射鏡領域１０ｃにおける第１回折格子層１３及び第２回折格子層２２を含む上側の部分により形成される。メサ部Ｍは、活性領域１０ｂと、第２分布反射鏡領域１０ｃとに亘って延びている。活性層１６及び光ガイド層２３は、メサ部Ｍに含まれる。埋め込み層２５は、好ましくは電気的に半絶縁性又は絶縁性を有し、電流が活性層１６に注入されるように働く。
メサ部Ｍ及び埋め込み層２５は、保護層２６に覆われている。
上述した本実施形態の光半導体素子１０は、上述した第１実施形態と同様に、位相シフト部１４が、１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲の位相シフト量を有するので、第１実施形態の光半導体素子と同様の効果を奏する。
上述した第３実施形態の光半導体素子を同じ基板上に複数並べて、モノリシックな光半導体素子アレイを形成しても良い。
図２３は、本明細書に開示する光半導体素子アレイの一実施形態を示す図である。
光半導体素子アレイ３０は、同じ基板１１上に並んで配置された４つの光半導体素子１０Ａ〜１０Ｄを有する。光半導体素子１０Ａ〜１０Ｄは、上述した第３実施形態の光半導体素子と同様の構造を有する。光半導体素子１０Ａ〜１０Ｄは、光軸方向をそろえて、同じ基板１１上に並んで配置される。なお、光半導体素子１０Ａ〜１０Ｄの構造は、図１９〜図２２に示す光半導体素子に対して、簡略して記載している。
光半導体素子１０Ａ〜１０Ｂそれぞれの発振波長を異なるように作製すれば、光半導体素子アレイ３０は、異なる４つの波長で同時にレーザ光を発振して動作できる。
本実施形態の光半導体素子アレイ３０によれば、製造工程の変動等に対する許容性が高く、歩留まりの高い光半導体素子１０Ａ〜１０Ｂにより形成されているので、歩留まりの高い光半導体素子アレイとなる。
また、光半導体素子アレイは、上述した第２実施形態の光半導体素子を並べて形成しても良い。
上述した本明細書に開示する光半導体素子又は光半導体素子アレイを用いて、モノリシックな集積素子を作製することもできる。
図２４は、本明細書に開示する集積素子の一実施形態を示す図である。
本実施形態の集積素子４０は、基板１１上に形成された光半導体素子アレイ３０と、基板１１上に形成され、各光半導体素子１０Ａ〜１０Ｄが出力するレーザ光を伝搬する光導波路４１を備える。
また、集積素子４０は、基板１１上に形成され、光導波路４１が伝搬したレーザ光を入力して合波する光結合部４２と、基板１１上に形成され、光結合部４２が出力する合波されたレーザ光を伝搬する光導波路４３を備える。光結合部４２としては、例えば、ＭＭＩ結合器、ＡＷＧ結合器等を用いることができる。
各光半導体素子１０Ａ〜１０Ｄの開放端面は、第１反射防止層４４に覆われており、光導波路４３の開放端面は、第２反射防止層４５に覆われている。
上述した本実施形態の集積素子４０によれば、歩留まりの高い光半導体素子アレイを用いて形成されるので、良品の集積素子を得ることができるので、各光半導体素子が出力したレーザ光に基づいて、波長分割多重された光信号を生成することができる。
また、本明細書に開示する光半導体素子又は光半導体素子アレイ又は集積素子を用いて、光送受信モジュール対を作製することもできる。
図２５は、本明細書に開示する光送受信モジュール対の一実施形態を示す図である。
本実施形態の光送受信モジュール対５０は、光送信モジュール５１と、光送信モジュール５１から出力された光を伝搬する光ファイバ５７と、光ファイバ５７が伝搬する光を受信する光受信モジュール５８を備える。
光送信モジュール５１は、図２４に示す集積素子と同様の構成を有する光送信部５２と、光送信部５２の各光半導体素子に電流を供給する駆動部５３と、光送信部５２から出力されるレーザ光を光ファイバ５７に結合するレンズ５６、５６ｂを有する。光送信部５２の各光半導体素子は、駆動部５３によって直接変調される。
また、光送信モジュール５１は、光ファイバ５７からの反射光が光送信部５２に侵入することを防止するアイソレータ５５と、光送信部５２が出力するレーザ光をモニタするモニタ部５４を有する。
光送信モジュール５１は、光送信部５２が出力する直接変調された光信号を光ファイバ５７に出力する。
光受信モジュール５８は、光受信部５９と、光ファイバ５７から出力されるレーザ光を光受信部５９に結合するレンズ６１と、光受信部５９を駆動する駆動部６０とを有する。
上述した本実施形態の光伝送システム５０によれば、波長分割多重された光信号を送受信することができる。
次に、上述した第１実施形態の光半導体素子の好ましい製造方法の一実施形態を、図面を参照しながら、以下に説明する。
まず、図２６に示すように、基板１１上に、第１下クラッド層１２と、回折格子形成層１３ａが順番に形成される。本実施形態では、基板１１として、半絶縁性のＩｎＰ基板を用いた。また、本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、各層の形成を行った。第１下クラッド層１２は、ｎ型ドープＩｎＰを用いて形成され、厚さは８００ｎｍであった。回折格子形成層１３ａは、ｎ型ドープＧａＩｎＡｓＰを用いて形成され、組成波長１１５０ｎｍ、厚さは１００ｎｍであった。
次に、図２７に示すように、回折格子形成層１３ａ上に第１回折格子層及び位相シフト部及び第２回折格子層を形成するためのパターニングされたマスク９０が形成される。本実施形態では、マスク９０のパターニングには、電子ビーム露光法を用いた。将来、第１分布反射鏡領域が形成される第１領域Ａ１の寸法は２５μｍであり、活性領域が形成される第２領域Ａ２の寸法は１２５μｍであり、第２分布反射鏡領域が形成される第３領域Ａ３の寸法は１００μｍとした。位相シフト部を形成するマスクの部分は、位相シフト部が１．５πラジアン以上且つ１．８３πラジアン以下の範囲の位相シフト量を有するように、第１領域Ａ１からの距離Ｌ１が８５μｍの位置に形成された。位相シフト部を形成するマスクの部分は、第３領域Ａ３からの距離Ｌ２は、４０μｍの位置になる。第１回折格子層及び第２回折格子層の回折格子の周期は、１９９．５０５ｎｍで一定に形成されるようにマスク９０を形成した。
次に、図２８に示すように、マスク９０を用いて、回折格子形成層１３ａを貫通し且つ第１下クラッド層１２の一部まで除去するようにエッチングして、第１回折格子層１３及び位相シフト部１４及び第２回折格子層２２が形成される。本実施形態では、エタン／水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）を用いた。第１下クラッド層１２の表面は、１０ｎｍの深さまでエッチングされた。
次に、図２９に示すように、マスク９０が除去される。
次に、図３０に示すように、第１回折格子層１３及び第２回折格子層２２の溝を埋め込むように、第２下クラッド層１５が、第１回折格子層１３及び位相シフト部１４及び第２回折格子層２２上に形成される。更に、第２下クラッド層１５上に、活性層１６と、第１上クラッド層１７とが順番に形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、各層の形成を行った。第２下クラッド層１５は、ｎ型ドープＩｎＰを用いて形成され、第１回折格子層１３及び第２回折格子層２２上の部分の厚さは６０ｎｍであった。
活性層１６として、量子井戸構造を用いた。本実施形態では、量子井戸構造は、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層、及び、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓバリア層を用いて形成された。ここで、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層は、厚さ４．２ｎｍ、圧縮歪量１．０％とした。また、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓバリア層は、組成波長１．００μｍ、厚さ１０ｎｍとした。量子井戸構造の積層数は１５層として、その発振波長は１３１０ｎｍであった。また、量子井戸構造の上下に、量子井戸構造を挟み込むように、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層を設けた。ここで、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ−ＳＣＨ層は、組成波長１．００μｍ、厚さは２０ｎｍであった。
また、量子井戸構造として、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓ井戸層を、厚さ６．０ｎｍ、圧縮歪量１．０％とし、アンドープＡｌＧａＩｎＡｓバリア層を、組成波長１．０５μｍ、厚さ１０ｎｍとし、量子井戸構造の積層数を１２層として、その発振波長を１３１０ｎｍとしても良い。
更に、量子井戸構造として、ＧａＩｎＡｓＰを用いて、井戸層及びバリア層を形成しても良い。
第１上クラッド層１７は、ｐ型ドープＩｎＰを用いて形成され、厚さは２００ｎｍであった。
そして、第１上クラッド層１７上に、マスク９１が形成された。本実施形態では、マスク９１は、ＣＶＤ法により、ＳｉＯ２を用いて形成され、厚さは４００ｎｍであった。
次に、図３１に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、第２領域Ａ２を覆うように、マスク９１がパターニングされる。
次に、図３２に示すように、マスク９１を用いて、マスクが形成されていない部分の第１上クラッド層１７及び活性層１６を選択性エッチングにより除去して、第２下クラッド層１５が露出する。
次に、図３３に示すように、露出している第２下クラッド層１５上に、光ガイド層２３と、第３上クラッド層２４とを順番に形成する。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、各層の形成を行った。活性層１６と光ガイド層２３とはバッティング接合される。また、第１上クラッド層１７と第３上クラッド層２４とはバッティング接合される。光ガイド層２３は、組成波長１．２０μｍ、厚さ２５０ｎｍのアンドープＧａＩｎＡｓＰを用いて形成された。第３上クラッド層２４は、厚さ２００ｎｍのアンドープＩｎＰを用いて形成された。この時、光ガイド層２３及び第３上クラッド層２４は、選択成長を用いて形成されるので、ＳｉＯ２により形成されるマスク９１上には成長しない。そして、マスク９１が除去される。
なお、光ガイド層２３は、組成波長１．１５μｍ、厚さ２５０ｎｍのアンドープＡｌＧａＩｎＡｓを用いて形成しても良い。
次に、図３４に示すように、第１上クラッド層１７及び第３上クラッド層２４上に、第２上クラッド層１８と、コンタクト層１９とが順番に形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、各層の形成を行った。第２上クラッド層１８は、Ｚｎをドープしたｐ型ＩｎＰを用いて形成され、厚さは２．５μｍであった。コンタクト層１９は、Ｚｎをドープしたｐ型ＧａＩｎＡｓを用いて形成され、厚さは３００ｎｍであった。そして、コンタクト層１９上に、マスク９２が形成された。本実施形態では、マスク９２は、ＣＶＤ法により、ＳｉＯ２を用いて形成され、厚さは４００ｎｍであった。
次に、図３５に示すように、メサ部を形成するため、フォトリソグラフィ技術を用いて、マスク９２がストライプの形状にパターニングされる。マスク９２は、第１領域Ａ１〜第３領域Ａ３の全体に亘るようにストライプ状に形成される。本実施形態では、マスク９２の幅Ｌ３が１．３μｍになるようにパターニングされた。
次に、図３６に示すように、ドライエッチング法により、マスク９２を用いて、マスクが形成されていない部分のコンタクト層１９から第１下クラッド層１２の表面の部分までをエッチングにより除去して、メサ部Ｍが形成される。本実施形態では、第１下クラッド層１２を表面から３００ｎｍの深さまで除去した。
次に、図３７に示すように、メサ部Ｍの側面を埋め込むように、第１下クラッド層１２上に、埋め込み層２５が形成される。本実施形態では、ＭＯＶＰＥ法を用いて、埋め込み層２５の形成を行った。埋め込み層２５は、半絶縁性を有するＦｅドープ型ＩｎＰを用いて形成された。そして、マスク９２が除去される。本実施形態では、マスク９２は、フッ酸を用いて除去された。
次に、図３８に示すように、メサ部Ｍ及びメサ部Ｍの両側の所定の範囲の埋め込み層２５の部分を覆うように、ＣＶＤ法及びフォトリソグラフィ技術を用いて、パターニングされたマスク９３が形成される。本実施形態では、マスク９３はＳｉＯ２を用いて形成された。
次に、図３９に示すように、ドライエッチング法により、マスク９３を用いて、マスクが形成されていない部分の埋め込み層２５を除去して、第１下クラッド層１２が露出する。そして、マスク９３が除去される。
次に、フォトリソグラフィ技術を用いて、第２領域Ａ２のメサ部Ｍ上位置するコンタクト層１９の部分以外のコンタクト層１９がエッチングにより除去される。そして、メサ部Ｍ及び第１下クラッド層１２を覆うように保護層２６が形成される。本実施形態では、保護層２６は、ＳｉＮを用いて形成された。そして、保護層２６に開口部を形成して、コンタクト層１９と接続する第１電極層２０と、第１下クラッド層１２と接続する第２電極層２１が形成される。そして、基板１１の下に接合層２７が形成される。更に、第１領域Ａ１の開放端面上に第１反射防止層２８が形成され、第３領域Ａ３の開放端面上に第２反射防止層２９が形成されて、図４〜図７に示す第１実施形態の光半導体素子が得られる。
本発明では、上述した実施形態の光半導体素子、光送信モジュール及び光伝送システムは、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。また、一の実施形態が有する構成要件は、他の実施形態にも適宜適用することができる。
例えば、上述した光半導体素子の製造方法において説明した活性層又は光ガイド層の形成材料は一例であり、他の化合物半導体等を用いて、活性層又は光ガイド層を形成しても良い。
また、上述した光半導体素子の製造方法において形成される光半導体素子では、第１下クラッド及び第２下クラッド層がｎ型の極性を有し、第１上クラッド及び第２上クラッド層がｐ型の極性を有していたが、これらの層が反対の極性を有するようにしても良い。
また、上述した光半導体素子の製造方法では、ＩｎＰ基板を用いていたが、ＧａＡｓ基板を用いても良い。また、光半導体素子を、シリコン基板上に貼り合わせ法を用いて形成しても良い。
また、上述した実施形態の光半導体素子は、１３１０ｎｍの波長の光を発振すると説明していたが、発振波長は、具体的な用途に応じて適宜設定されるものであり、限定されるものではない。
また、上述した第１及び第３実施形態の光半導体素子は、埋め込みヘテロ構造を有していたが、光半導体素子は、ｐｎｐｎサイリスタ構造の電流狭窄構造を有していても良い。
また、上述した第１及び第２実施形態の光半導体素子は、埋め込み型の回折格子を有しており、第３実施形態の光半導体素子は、表面回折格子構造を有していたが、回折格子の構造は特に限定されない。第１〜第３実施形態の光半導体素子は、異なる構造の回折構造を有していても良い。
また、上述した各実施形態の光半導体素子では、第１回折格子層が、活性層の基板側に配置されていたが、第１回折格子層を、活性層に対して基板とは反対側に配置しても良い。
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
１０ 光半導体素子
１０ａ 第１分布反射鏡領域
１０ｂ 活性領域
１０ｃ 第２分布反射鏡領域
１１ 基板
１２ 第１下クラッド層
１３ 第１回折格子層
１４ 位相シフト部
１５ 第２下クラッド層
１６ 活性層
１７ 第１上クラッド層
１８ 第２上クラッド層
１９ コンタクト層
２０ 第１電極層
２１ 第２電極層
２２ 第２回折格子層
２３ 光ガイド層
２４ 第３上クラッド層
２５ 埋め込み層
２６ 保護層
２７ 接合層
２８ 第１反射防止層
２９ 第２反射防止層
Ｍ メサ部
３０ 光半導体素子アレイ
４０ 集積素子（光送信モジュール）
４１ 光導波路
４２ 光結合部
４３ 光導波路
４４ 第１反射防止層
４５ 第２反射防止層
５０ 光送受信モジュール対（光伝送システム）
５１ 光送信モジュール
５２ 光送信部
５３ 駆動部
５４ モニタ部
５５ アイソレータ
５６ レンズ
５６ｂ レンズ
５７ 光ファイバ
５７ｂ、５７ｃ 光コネクタ
５８ 光受信モジュール
５９ 光受信部
６０ 駆動部
６１ レンズ
１８ａ 第４上クラッド層
７０ エッチングストッパ層
７１ 保護層
７２ 埋め込み層
８０ エッチングストッパ層
９０ マスク
９１ マスク
９２ マスク
９３ マスク
Ａ１ 第１領域
Ａ２ 第２領域
Ａ３ 第３領域
１１０ 光半導体素子
１１１ 基板
１１２ 第１下クラッド層
１１３ 第１回折格子層
１１４ 位相シフト部
１１５ 第２下クラッド層
１１６ 活性層
１１７ 上クラッド層
１２０ 第１電極層
１２１ 第２電極層
１２２ 第２回折格子層
１２３ 光ガイド層
１２８ 第１反射防止層
１２９ 第２反射防止層

Claims (9)

  1. 電流が注入されて光を生成する活性層と、一定の周期の第１回折格子を有する第１回折格子層と、前記第１回折格子層内に配置される位相シフト部と、を有する活性領域であって、前記位相シフト部の位相シフト量が、１．５π以上且つ１．８３π以下の範囲を有する活性領域と、
    前記活性領域における光軸方向の第１端部に光学的に結合され、前記活性領域で生成された光を前記活性領域に向かって反射する第２回折格子を有する分布反射鏡領域と、
    を備える光半導体素子。
  2. 前記第２回折格子の溝の深さは、前記第１回折格子と同じである請求項１に記載の光半導体素子。
  3. 前記第２回折格子の溝の深さは、前記第１回折格子よりも深い請求項１に記載の光半導体素子。
  4. 前記活性領域における光軸方向の第２端部に光学的に結合され、前記活性領域で生成された光を前記活性領域に向かって反射する第３回折格子を有する第２の分布反射鏡領域を備える請求項１〜３の何れか一項に記載の光半導体素子。
  5. 光軸方向の両端部に反射防止層を備える請求項１〜４の何れか一項に記載の光半導体素子。
  6. 前記位相シフト部の位相シフト量が、１．５πより大きい請求項１〜５の何れか一項に記載の光半導体素子。
  7. 基板と、
    電流が注入されて光を生成する第１活性層と、第１周期の第１回折格子を有する第１回折格子層と、前記第１回折格子層内に配置される第１位相シフト部と、を有する第１活性領域であって、前記第１位相シフト部の位相シフト量が、１．５π以上且つ１．８３π以下の範囲を有する第１活性領域と、
    前記第１活性領域の第１端部に光学的に結合され、前記第１活性領域で生成された光を前記第１活性領域に向かって反射する第２回折格子を有する第１分布反射鏡領域と、
    を備え、前記基板上に配置される第１光素子部と、
    電流が注入されて光を生成する第２活性層と、第２周期の第３回折格子を有する第３回折格子層と、前記第３回折格子層内に配置される第２位相シフト部と、を有する第２活性領域であって、前記第２位相シフト部の位相シフト量が、１．５π以上且つ１．８３π以下の範囲の周期を有する第２活性領域と、
    前記第２活性領域の第１端部に光学的に結合され、前記第２活性領域で生成された光を前記第２活性領域に向かって反射する第４回折格子を有する第２分布反射鏡領域と、
    を備え、前記基板上に前記第１光素子部と並んで配置される第２光素子部と、
    を備える光半導体素子アレイ。
  8. 電流が注入されて光を生成する活性層と、一定の周期の第１回折格子を有する第１回折格子層と、前記第１回折格子層内に配置される位相シフト部と、を有する活性領域であって、前記位相シフト部の位相シフト量が、１．５π以上且つ１．８３π以下の範囲を有する活性領域と、
    前記活性領域の第１端部に光学的に結合され、前記活性領域で生成された光を前記活性領域に向かって反射する第２回折格子を有する分布反射鏡領域と、
    を備える光半導体素子と、
    前記活性層に電流を供給する駆動部と、
    を備える光送信モジュール。
  9. 電流が注入されて光を生成する活性層と、一定の周期の第１回折格子を有する第１回折格子層と、前記第１回折格子層内に配置される位相シフト部と、を有する活性領域であって、前記位相シフト部の位相シフト量が、１．５π以上且つ１．８３π以下の範囲を有する活性領域と、
    前記活性領域の第１端部に光学的に結合され、前記活性領域で生成された光を前記活性領域に向かって反射する第２回折格子を有する分布反射鏡領域と、
    を有する光送信モジュールと、
    前記光送信モジュールから送信された光を伝搬する光ファイバと、
    前記光ファイバが伝搬する光を受信する光受信モジュールと、
    を備える光伝送システム。
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