JP6224495B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、半導体レーザ装置に関する。
シリコン（Ｓｉ）フォトニクス技術により、光配線用光素子と送受信回路の高密度集積化や低コスト量産化が可能になりつつある。しかしながら、間接遷移材料であるＳｉ、ＳｉＧｅ、Ｇｅ等を用いた光源は極めて効率が悪いため、光源にはＩＩＩ−Ｖ族半導体を発光層とする半導体レーザを用いるのが一般的である。Ｓｉ基板上、あるいはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上にＩＩＩ−Ｖ族半導体レーザを集積化する方法として、半導体レーザをフリップチップ実装する方法もあるが、半導体レーザ出力光を微細なＳｉ導波路に低損失・高歩留りで結合するのが難しい。この問題を解決する手段として、ＳｉとＩＩＩ−Ｖ活性層を直接、あるいは非常に薄い絶縁層を介して基板接着して一体の導波路構造としたＳｉハイブリッドレーザが提案されている。
安定に数Ｇｂｐｓ〜数十Ｇｂｐｓの高速光信号伝送を行うためには、分布帰還型（ＤＦＢ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザや分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザのような単一モードレーザを用いることが望ましい。これらのレーザは、Ｓｉ基板上で形成困難な反射端面が不要で、テーパ構造により出力光のかなりの割合を安定にＳｉ導波路に結合できるので、Ｓｉ上への集積化に適したレーザと言える。波長可変範囲の広いレーザが欲しい場合は受動導波路部に設けられた回折格子の屈折率をチューニングできるＤＢＲ系レーザ（ＳＳＧ（ｓｕｐｅｒ−ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ）ＤＢＲレーザ、ＳＧ（ｓａｍｐｌｅｄ−ｇｒａｔｉｎｇ）ＤＢＲレーザなどを含む）が有望であるが、波長を大きく振る必要がないオンチップ光配線向けには、ＤＦＢレーザの方が小型化しやすく、高効率である。
ＤＦＢレーザは、高注入時の軸方向ホールバーニングによるモードの不安定化を避けるために、中央にl／４位相シフタを設け、回折格子の結合係数κと共振器長Ｌの積κＬを１．２５付近に設定することが望ましい。横モードはＳｉ導波路に効率よく光を結合できる基本（０次）横モードで発振することが前提となる。また、モードの不安定化を避けるためには、出力導波路からの反射戻り光も十分小さく抑える必要がある。
ＳｉハイブリッドＤＦＢレーザとして最も報告例が多いのは、Ｓｉ層に形成された導波路を伝搬する光がＩＩＩ−Ｖ活性層にエバネセント結合しているＳｉ導波型（エバネセントレーザ）である。Ｓｉ導波路に基本モードを閉じ込めるために厚め（≧５００ｎｍ）のＳｉリブ導波路を用い、また、ＩＩＩ−Ｖ半導体メサが広いのでプロトン注入による半絶縁化等により電流経路をＳｉリブ導波路に整合するように狭窄するのが一般的である。Ｓｉリブ導波路への光結合が楽なこと、ＩＩＩ−Ｖメサ上部の電極抵抗を下げやすいこと、ＩＩＩ−Ｖメサの外側を介して熱を逃がすことができることなどが利点であるが、活性層への光閉じ込め係数Γが小さいためモード利得が小さく、スロープ効率が低いこと、通常、回折格子の結合係数κ（＞１００ｃｍ−１）が大きくなりすぎて軸方向のホールバーニングを抑制するのが難しいこと、厚いＳｉリブ導波路を用いるため、曲がり導波路の半径を小さくして光配線密度を上げるのが困難なことなどが課題である。
この点を改善できる構造として、活性領域では主として化合物半導体側に光を閉じ込めるようにし、出力部で徐々にＳｉ導波路に光を移動させるようにしたスーパーモード型のＳｉハイブリッドレーザが提案されている。しかし、Ｓｉに回折格子を形成する場合、活性領域のＳｉ導波路にもある程度の断面積が必要になる。ＩＩＩ−Ｖ側にもＳｉ側にも導波構造を有する複合導波路になるので、Ｓｉ側にも活性層側にも複数のモードが存在し、その一部はＳｉ側と活性層側のモードが結合したスーパーモードになる。スロープ効率が大きくなるよう、活性層側のパワーが大きな基本モードで発振させたいところであるが、活性層側の高次モードに加えてΓは小さいがκの大きなＳｉ側のモードや、κもΓも比較的大きなスーパーモードも競合する。また、スーパーモードはわずかな構造パラメータのずれでκやΓの値が大きく変化するため、モード競合を起こさないよう、また所望の特性になるよう制御するのが難しい。
さらに、この点も改善できる構造として、活性領域のＳｉ導波路をＳｉスラブ層で置き換えたＩＩＩ−Ｖ導波型のＳｉハイブリッドレーザが提案されている。Ｓｉ側には導波モードが存在しないので、スーパーモード型と比べてモード制御がずっと容易になる。ＩＩＩ−Ｖメサ中央下のＳｉスラブ表面（１次モードの節の位置）にＩＩＩ−Ｖメサ幅より十分に狭い回折格子を形成することで、１次モードに対する回折格子の結合係数（以下「１次モードの結合係数」のように略記する）を基本（０次）モードの結合係数より十分に小さくすることができる。したがって、メサ幅を２次以上の横モードが立たない範囲に抑えれば、０次モードで単一モード発振させることが可能になる。Ｓｉ導波型と比べて活性層の光閉じ込め係数が大きいので、高効率である。また、回折格子の結合係数も適正な範囲に制御しやすいので、軸方向のホールバーニングを抑制して広い動作条件範囲にわたってモードを安定化することが容易である。Ｓｉスラブは薄くてよいので、出力テーパを介してＳｉ細線導波路（例えば、厚さ２２０ｎｍ×幅４５０ｎｍ）に光を出力させることができ、光集積回路の小型・高密度化にも有利である。
しかしながら、ＳｉハイブリッドレーザはトップＳｉ層の下に厚い（≧１ mｍ）埋めこみＳｉＯ２（ＢＯＸ：ｂｕｒｉｅｄ ｏｘｉｄｅ）層があるため、熱抵抗が高く、温度特性が悪い。Ｓｉ導波型のＳｉハイブリッドレーザにおいては、ＩｎＰメサの半絶縁化した部分の下のＢＯＸ層にポリシリコンを埋め込んだ熱シャント構造により、熱抵抗を４０Ｋ／Ｗ以下にできることが示されている。しかし、ＩＩＩ−Ｖメサ幅を広くできないＩＩＩ−Ｖ導波型のＳｉハイブリッドレーザは、熱抵抗を下げるのが難しく、レーザの温度特性改善が課題となっている。
米国特許出願公開第２００９／０１１６５２３明細書
本発明が解決しようとする課題は、温度特性に優れた半導体レーザ装置を提供することにある。
実施形態の半導体レーザ装置は、レーザ光を発する活性層を含み、第１のメサ構造を有す
る化合物半導体層と、前記化合物半導体層に積層され、前記第1のメサ構造に対向する表
面に、前記第１のメサ構造の伸長方向に伸びる１本の主回折格子と、前記主回折格子の両
側に配置される２本の副回折格子とを含む回折格子を有するシリコン層と、を備え、前記
主回折格子が前記レーザ光の１次の高次モードの節を含む位置に配置され、前記副回折格
子が前記レーザ光の２次の高次モードの節を含む位置に配置され、かつ前記副回折格子は
、前記主回折格子と周期、および位相が一致するように配置される。
第１の実施形態の半導体レーザ装置の模式断面図。 第１の実施形態の回折格子の配置の説明図。 第１の実施形態のＴＥ導波モードの説明図。 第１の実施形態のＴＥ導波モードの結合係数κと光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果を示す図。 比較形態のＴＥ導波モードの結合係数κの計算結果を示す図。 第１の実施形態のメサ幅と熱抵抗の計算結果を示す図。 第１の実施形態の出力テーパ構造の模式平面図。 第１の実施形態の出力テーパ構造の光結合特性を示す図。 第２の実施形態の半導体レーザ装置の模式断面図。 第２の実施形態のＴＥ導波モードの説明図。 第２の実施形態のＴＥ導波モードの結合係数κと光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果を示す図。 第３の実施形態の半導体レーザ装置の模式断面図。 第３の実施形態のＴＥ導波モードの説明図。 第３の実施形態のＴＥ導波モードの結合係数κと光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果を示す図。 比較形態のＴＥ導波モードの結合係数κの計算結果を示す図。 ＴＥ導波モードの結合係数κと光閉じ込め係数ΓＱＷのＳｉ導波路層の膜厚依存性を示す図。 第４の実施形態の半導体レーザ装置の模式断面図。 第４の実施形態のＴＥ導波モードの結合係数κと光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果を示す図。 比較形態のＴＥ導波モードの結合係数κの計算結果を示す図。 第５の実施形態の半導体レーザ装置の模式断面図。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。なお、図面の縦横比、寸法等は、便宜上、実際の縦横比や寸法と異なって描かれている場合がある。
また、本明細書中、同一または類似の部材等には同一の符号を付し、一度説明した部材等については適宜その説明を省略する。
また、本明細書中、部品等の相対的位置関係を示すために、便宜上、「上」、「下」との用語を用いるが、これらの用語は重力方向との関係を示す用語ではない。
（第１の実施形態）
本実施形態の半導体レーザ装置は、レーザ光を発する活性層を含み第１のメサ構造を有する化合物半導体層を備える。また、化合物半導体層側の表面に形成される回折格子を有し、化合物半導体層と積層されるシリコン層を備える。回折格子は、第１のメサ構造の伸長方向に伸びる１本の主回折格子と、主回折格子の両側に形成される２本の副回折格子とを含む。
図１は、本実施形態の半導体レーザ装置の模式断面図である。本実施形態の半導体レーザ装置は、ＩＩＩ−Ｖ導波型のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザである。図１は、共振器の伸長方向に垂直な断面である。
本実施形態の半導体レーザ装置は、Ｓｉ基板１、Ｓｉ基板１上のＳｉＯ２層２、ＳｉＯ２層２上のＳｉ層（シリコン層）３を備える。また、Ｓｉ層（シリコン層）３上に化合物半導体層として、ｎ−ＩｎＰ層１１、活性層／導波層（以下、単に活性層とも記載）１２、ｐ−ＩｎＰクラッド層１３、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４が積層されている。化合物半導体層はメサ（第１のメサ構造）１５を有する。
化合物半導体層とシリコン層３は、光学的に結合されて一体の光導波路を形成する。本実施形態では、化合物半導体層とシリコン層３が直接接する。
Ｓｉ層（シリコン層）３の化合物半導体層側の表面に回折格子２１が形成される。回折格子２１は、第１のメサ構造１５の伸長方向に伸びる１本の主回折格子２１ａと、主回折格子２１ａの両側に形成される２本の副回折格子２１ｂを含む。
そして、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４上にｐ電極３１、ｎ−ＩｎＰ層１１上にｎ電極３２が設けられる。以下、本実施形態の構造を、一具体例を示して説明する。
Ｓｉ基板１と、厚さ１μｍの埋め込みＳｉＯ２（ＢＯＸ）層２と、厚さ２２０ｎｍのトップＳｉ層（シリコン層）３とからなるＳＯＩ基板の表面に、厚さ２２５ｎｍのｎ−ＩｎＰ層１１と、厚さ３００ｎｍの活性層／導波層１２と、厚さ９５０ｎｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１３と、厚さ２００ｎｍのｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４とからなるＩＩＩ−Ｖエピタキシャル成長層（化合物半導体層）が貼りつけられている。
ＩＩＩ−Ｖエピタキシャル成長層のうち活性層１２、ｐ−ＩｎＰクラッド層１３、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４は、エッチングにより幅３．３μｍのメサ（第１のメサ構造）１５に加工されている。上部をメサ１５に加工されたＩＩＩ−Ｖエピタキシャル成長層とＳｉ層３により、一体の光導波路が形成されている。
メサ１５下のＳｉ層３表面にはＳｉ／ＳｉＯ２回折格子２１が形成されている。回折格子は、主回折格子２１ａと副回折格子２１ｂを含む。
また、メサ１５の上部にはｐ電極３１、ｎ−ＩｎＰ層１１のメサ１５から少し離れた部分の上にはｎ電極３２が形成されており、電極３１、３２を介して活性層１２に電流を注入することができる。活性層１２に電流が注入されることで、レーザ発振が生じ活性層１２がレーザ光を発する。
本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザは、あらかじめトップＳｉ層３に光導波路と回折格子２１が形成されたＳＯＩ基板上に、表面にエピタキシャル成長層が形成されたＩｎＰ基板を直接基板接着により貼り付け、ＩｎＰ基板を除去した後、残ったエピタキシャル成長層をトップＳｉ層３に形成されたパターンに合わせてメサ加工し、電極等を形成することにより作製することができる。
なお、実際にはメサ１５の側壁やｎ−ＩｎＰ層１１の露出部はＳｉＯ２膜で覆われており、その上はポリイミドで埋め込まれている。そして、ポリイミドの上や内部には電極配線が形成されている。このような実施形態の本質に係らない構造については、図面への記載や説明を省略している。
活性層１２は、例えば、厚さ６ｎｍの圧縮歪Ｉｎ０．７１Ｇａ０．１１Ａｌ０．１８Ａｓ井戸層と厚さ１０ｎｍの伸張歪Ｉｎ０．４９Ｇａ０．２１Ａｌ０．３０Ａｓ障壁層が交互に形成された歪補償量子井戸活性層（井戸数１０）をＩｎＧａＡｌＡｓ組成傾斜導波層ではさんだ構造となっている。量子井戸活性層の利得ピーク波長は１．３μｍ付近にある。圧縮歪井戸層を用いているので、電流注入によりＴＥ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ）モードに利得を生じる。量子井戸活性層とその上下の部分は不純物ドーピングを行っていないが、活性層下の組成傾斜導波層のｎ−ＩｎＰに接する部分はｎ型、上側の組成傾斜導波層のｐ−ＩｎＰに接する部分は１０１７ｃｍ−３台のｐ型である。
ｎ−ＩｎＰ層１１の抵抗が高いと、電流がメサの側壁に近い部分に集中して、メサ中央で十分な利得が得られないおそれがある。このため、本実施形態ではｎ−ＩｎＰ層１１のキャリア密度を（２〜３）×１０１８ｃｍ−３とし、Ｓｉハイブリッドレーザとしてはやや厚めの２２５ｎｍとする。
また、ｐ−ＩｎＰクラッド層１３はアクセプタ濃度に傾斜をつけて、活性層に近い側の吸収を小さくなるようにする。また、ｐ電極をＴｉ／Ｐｔ／Ａｕノンアロイ電極として、熱伝導率の悪いｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４の膜厚を比較的薄く設定する。ただし、このような細部の構造は、必要に応じて様々な変形が可能である。
図２は、本実施形態の回折格子の配置の説明図である。メサ１５の下のＳｉ層３の表面に形成された回折格子２１の配置を説明する図である。
回折格子２１は、シリコン層３表面に設けられ、シリコン酸化膜で充填された凹部で形成される。回折格子２１を構成する各格子の周期Λは２００ｎｍ、深さは４０ｎｍで、ほぼ矩形の凹凸断面をもつ。Ｓｉが削られた部分はＳｉＯ２で埋め込まれており、Ｓｉのフィリングファクタは７０％（Ｓｉ：１４０ｎｍ／ＳｉＯ２：６０ｎｍ）である。
本実施形態の回折格子２１は、図示するように、３本の回折格子からなる。すなわち、第１のメサ構造１５の伸長方向に伸びる１本の主回折格子２１ａと、主回折格子２１ａの両側に形成される２本の副回折格子２１ｂで構成される。
３本の回折格子は、周期と位相が、それぞれ一致する。例えば、電子ビーム露光で３本の回折格子をパターニングする際に、各格子の溝の中心が光の伝搬方向に対して垂直な直線上に並ぶようにパターニングすることで、３本の回折格子の周期と位相を一致させることができる。本実施形態の回折格子の周期は一定であるが、長さ方向に周期が変調される変形実施形態においては、平行に並んでいる各部分において３本の回折格子の周期と位相が一致するように配置すればよい。
中央の主回折格子２１ａは、メサ（第１のメサ構造）１５を２等分する線に沿って形成されており、主回折格子２１ａの両側の副回折格子２１ｂは、メサ１５を３等分する線に沿って形成されている。言い換えれば、主回折格子２１ａが第１のメサ構造１５の幅の中点直下に配置され、副回折格子２１ｂが第１のメサ構造１５の幅を３等分する点の直下に配置される。主回折格子２１ａの幅ｗ１は、メサ幅（第１のメサ構造の幅）ｗ０の５％である。副回折格子２１ｂの幅ｗ２はメサ幅ｗ０の３％である。
メサ幅ｗ０が３．３ μｍのとき、ｗ１＝１６５ｎｍ、ｗ２＝９９ｎｍとなる。ＤＦＢレーザの共振器長（Ｌ）は２４０μｍで、中央部には四分の一波長（λ／４）の位相シフタ２２が形成されている。なお、共振器長（Ｌ）は、回折格子２１のメサ（第１のメサ構造）１５の伸長方向の長さで規定される。
λ／４位相シフタ２２は、回折格子２１を構成する格子間の距離を、１．５Λとして形成する。λ／４位相シフタ２２がないと、ストップバンドの長波長側と短波長側に発振に必要な利得がほとんど同じモード（縦モード）ができ、モード間の競合が起こる。λ／４位相シフタ２２を設けると、ストップバンドの中央、すなわちＢｒａｇｇ波長にモード（縦モード）が形成される。このモードはストップバンドの外側にあるサイドモード（縦モード）より発振に必要な利得が小さいので、端面反射等による擾乱を十分小さく抑えれば、ストップバンドの中央のモードで単一縦モード発振させることができる。なお、位相シフト量がλ／４から少しずれていたとしても、ストップバンド内にできる縦モードの波長がＢｒａｇｇ波長から少しずれるだけなので、ずれが極端に大きくない限り単一縦モード発振させることができる。また、軸方向のホールバーニングが起こると位相シフト量が変化して、ストップバンド内のモードの位置（波長）が変化する。ここでいうλ／４位相シフタは、ストップバンド内に形成されるモードで単一縦モード発振させるために設けた位相シフタのことであって、位相シフト量は厳密にλ／４である必要はない。
図３は、本実施形態のＴＥ導波モード（横モード）の説明図である。メサ幅が３．３ μｍの場合のＴＥ導波モードは、図３に示した０次（ＴＥ００）モード、１次（ＴＥ１０）モード、２次（ＴＥ２０）モード、３次（ＴＥ３０）モード、４次（ＴＥ４０）モードの五つである。（ここでは、ＴＥｉｊモードは横方向にｉ個、厚さ方向にｊ個の節をもつモードと定義する。）
基本モードであるＴＥ００モードの量子井戸層への光閉じ込め係数ΓＱＷは１４．３％である。高次モードのうちＴＥ１０〜ＴＥ３０モードのΓＱＷは１３．２〜１４．１％で、基本モードよりやや小さい程度である。最も高次のＴＥ４０モードは両サイドのＳｉ層３に長く尾を引いたリーキーなモード（ΓＱＷ＝７．９％）で、発振には関われないので、以下の議論では説明を省く。
図３の座標系は活性／導波層１２の中心を原点にとっている。主回折格子２１ａの中心、Ｘ＝０、Ｙ＝−０．３９５はＴＥ１０モードとＴＥ３０モードの節に位置している。また、副回折格子２１ｂの中心、Ｘ＝±０．５５、Ｙ＝−０．３９５はＴＥ２０モードの節に位置している。このため、ＴＥ１０モードとＴＥ３０モードは主回折格子２１ａによる回折をほとんど受けず、ＴＥ２０モードは副回折格子２１ｂによる回折をほとんど受けない。
本実施形態のメサ側壁は垂直なのでメサ幅（第１のメサ構造の幅）の定義は単純であるが、そうでないケースもある。例えば、メサ側壁が傾斜している場合は、メサ幅（第１のメサ構造の幅）は、メサ１５の底部、すなわちシリコン層３に最も近い部分での幅と定義する。
メサが左右対称ならば、ＴＥ１０モードの節は常にメサの中央にできる。メサ側壁が傾斜している場合、ＴＥ２０モードの節はメサ底部、ないしは活性／導波層１２のＳｉ層３に近い界面の幅を三等分する位置の近傍にできる。
もちろん、メサが左右非対称な場合、メサ側壁に大きな段差がある場合、活性／導波層を含むメサ底部がだらだらと外側に尾を引いていてメサ底部の位置を単純に定義できない場合等も想定される。このような場合でも、各モードの節の位置は市販のモードソルバ等を使って容易に特定することができる。
本実施形態では、ＴＥ１０モードの結合係数κとＴＥ２０モードの結合係数κがほぼ等しくなるように、副回折格子２１ｂの幅ｗ２を主回折格子２１ａの幅ｗ１の０．６倍とした。その結果、基本（ＴＥ００）モードの結合係数κが５１．７ｃｍ−１なのに対し、ＴＥ１０モード、ＴＥ２０モード、ＴＥ３０モード、ＴＥ４０モードの結合係数κはそれぞれ２５．４ｃｍ−１、２６．３ｃｍ−１、２６．５ｃｍ−１、２７．０ｃｍ−１で、いずれも基本モードの結合係数κの５２．２％以下となる。
ＤＦＢレーザは、高注入時の軸方向ホールバーニングによるモードの不安定化を避けるために、回折格子２１の基本（０次）モードに対する結合係数κと、回折格子２１の第１のメサ構造の伸長方向の長さで規定される共振器長Ｌとの積κＬが１以上１．５以下であることが望ましい。特に、回折格子２１の結合係数κと共振器長Ｌの積κＬを１．２５付近に設定することが望ましい。本実施形態では、共振器長は２４０μｍなので、基本モードのκＬは１．２４となり、軸方向のホールバーニングはほぼ最小に抑えられている。
一方、高次モードのκＬは０．６１〜０．６５の範囲にあり、基本モードに比べて共振器内への光閉じ込めが弱い（光子寿命が短い）。ＴＥ００〜ＴＥ３０モードの光閉じ込め係数ΓＱＷはほとんど差がないので、光子寿命が長く、発振に必要なモード利得が最小の基本モードで単一モード発振する。
図４は、本実施形態のＴＥ導波モードの結合係数κと光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果を示す図である。本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザでメサ１５の幅ｗ０を変化させた場合の、各ＴＥ導波モードの（ａ）結合係数κと、（ｂ）量子井戸の光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果である。メサ幅ｗ０に対する主回折格子２１ａ、副回折格子２１ｂの幅の比は、ｗ１／ｗ０＝０．０５、ｗ２／ｗ０＝０．０３で一定とした。
メサ幅１．８〜３．３μｍの領域には３〜５個のＴＥ導波モードが存在するが、この範囲内の高次モードの結合係数κは基本（ＴＥ００）モードの結合係数κの半分程度に抑えられている。基本モードのΓＱＷはメサ幅によらずほぼ一定（〜１４％）である。
高次モードのΓＱＷは、モードの立ち上がりでは両端の光分布がＳｉスラブ層に尾を引くため小さいが、メサを広げるにしたがって両端部の分布も活性層側に移動するので、基本モードのΓＱＷに近づく。メサ幅が３．５μｍを超えるとＴＥ４０モードのκやΓＱＷがＴＥ１０モードのκやΓＱＷとコンパラブルになり、モード競合が起こりやすくなる。
図５は、比較形態のＴＥ導波モードの結合係数κの計算結果を示す図である。比較のため、メサ中央のみにメサ幅の１２％の幅の回折格子を設けた場合の各ＴＥモードのκを図５に示す。なお、各ＴＥモードの井戸層への光閉じ込め係数ΓＱＷは、図４（ｂ）の場合とそれほど大きく違わない。
ＴＥ１０モードとＴＥ３０モードのκは本実施形態より小さいが、メサ幅２．２μｍを超えるとＴＥ２０モードのκやΓＱＷが基本モードのκやΓＱＷに近づくので、モード競合が起きりやすくなる。
したがって、本実施形態によれば、横モードの競合を起こさないためのメサ幅の上限を、回折格子をメサ中央のみに形成した場合の約１．５倍に広げることができる。
なお、各ＴＥ導波モードの結合係数κ、および、回折格子２１の結合係数κと共振器長Ｌの積κＬを適切な値に調整し、良好な単一モード発振とする観点から、主回折格子２１ａの幅（ｗ１）が、第１のメサ構造１５のシリコン層３側の幅の１０％以下であることが望ましい。また、副回折格子２１ｂの幅（ｗ２）が、主回折格子２１ａ（ｗ１）の幅よりも狭く、かつ、主回折格子２１ａの幅の半分より大きいことが望ましい。
図６は、本実施形態のメサ幅と熱抵抗の計算結果を示す図である。ポリシリコン熱シャントのような格別の熱抵抗低減策は講じていない。本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザによれば、メサ幅を広げて熱抵抗を低減することができるので、温度特性の改善を図ることができる。このほか、メサ幅を広げると、メサ側壁の凹凸による散乱損失や表面再結合の影響を相対的に減じることができる。また、Ｓｉ層３側とメサ１５の位置ずれに対するトレランスも大きくとれる。
また、メサ幅を広げると、同一共振器長で比べて動作電流は大きくなるが、出力パワーは増す。レーザの両端から出力された光を多数のチャネルに分岐して、それぞれをＳｉ光変調器で高速変調して並列伝送する場合、並列チャネル数を増やすことができる。個々のチャネルごとに光源を用意するより、このような集中光源方式の方が出力パワー、波長等を容易に管理することができる。
逆に、同じ出力パワー出すのに必要な共振器長を短くすることもできる。井戸数を増やして長さあたりの利得を増やしたり、回折格子の結合係数を大きめに設定したりする等の対応は必要になるが、短共振器化することにより、光素子の集積密度を上げたり、温度上昇の影響が及ぶ範囲を狭めたりすることが可能になる。
本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザ共振器の両端には、メサ幅６００ｎｍの出力Ｓｉ光細線導波路５へ光を結合するためのテーパ構造が直列につながっている。
出力テーパは本実施形態の本質部分ではないが、本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザからＳｉ光細線導波路へ出力光を結合できることを示すために。出力テーパ構造の一例について説明する。なお、下記に説明する出力テーパ構造一例であって、このほかにも様々な出力テーパ構造が考えられる。
図７は、本実施形態の出力テーパ構造の模式平面図である。なお、説明の都合上、導波路の長さ方向を導波路の幅方向に対して大幅に圧縮して描いており、各部の寸法や形状は実際と大きく異なる。図の実線はＩｎＰメサ１５の側壁、破線はｎ−ＩｎＰ層１１の側壁、点線はＳｉ層３の側壁を表している。
このテーパ構造は、ＤＦＢレーザ共振器４０に近い方から順に、第１のテーパ部４１、第２のテーパ部４２、第３のテーパ部４３、第４のテーパ部４４、第５のテーパ部４５の５段構成になっており、第５のテーパ部４５の先に厚さ２２０ｎｍ、幅６００ｎｍのＳｉ細線導波路５が接続されている。第１から第５までの各テーパ部の長さを、順にＬＴ１、ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４、ＬＴ５とし、ＬＴ１からＬＴ５まで合計したテーパ全長をＬＴＴとする。
ＤＦＢレーザ部４０におけるＩｎＰメサ１５の幅は３．３μｍであるが、第１のテーパ部４１のメサテーパ１５ｂで幅０．８μｍに、次いで第２のテーパ部４２のメサテーパ１５ｂで０．４μｍまで幅を狭めたのち、終端している。ｎ−ＩｎＰ層１１は、第２のテーパ部４２までメサの両側にスラブ状に伸びており、第３のテーパ部４３で幅１．８μｍまで狭め、ついで第４のテーパ部４４のテーパ１１ｂで０．４μｍまで幅を狭めたのち、終端している。ＤＦＢレーザ部４０への反射戻り光を減らすため、各終端面は光の伝搬方向に対して垂直にならないような形状に加工している。
一方、ＤＦＢレーザ部４０でスラブ状に広がっていたＳｉ層３は、第１のテーパ部４１から第５のテーパ部４５までのＳｉテーパ導波路３ｂを介して光細線導波路５に接続されている。Ｓｉテーパ導波路３ｂとＳｉ細線導波路５の導波路から両側に数μｍ離れた位置には再びＳｉ層３が広がっており、この間はＳｉＯ２クラッド７で埋め込まれ、平坦化されている。
Ｓｉテーパ導波路３ｂの第１のテーパ部４１の入射端から第２のテーパ部４２の出射端までの部分では、幅を直線状に４．３μｍから１μｍまで狭めている。次の第３のテーパ部４３から第４のテーパ部４４にかけては幅１μｍのままとし、最後の第５のテーパ部４５で幅を６００ｎｍまで狭めている。
図８は、本実施形態の出力テーパ構造の光結合特性を示す図である。テーパ部に利得も損失もないと仮定してＦＤＴＤ（ｆｉｎｉｔｅ−ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ）法により計算した、ＳｉハイブリッドＤＦＢレーザ４０端から出力Ｓｉ細線導波路５への光パワー結合比のテーパ全長（ＬＴＴ）依存性である。この計算例では、ＬＴ２＝８μｍ、ＬＴ３＝５μｍ、ＬＴ４＝７μｍ、ＬＴ５＝４μｍに固定し、ＬＴ１のみを変化させた。
テーパ部にはＳｉ側にも導波構造があるので、多数の高次モードが存在する。ＬＴ１が短くテーパが急峻な場合はＴＥ２０モードやＴＥ０１モードへの結合が増え、その大部分は途中で失われるので、出力Ｓｉ導波路の基本モードに結合する光の割合が減る。ＬＴ１を長くするほどメサテーパ１５ｂの先端におけるＴＥ００モードのパワー比は大きくできるが、メサテーパ１５ｂ終端面で存在できなくなったＴＥ０１モードの一部がＴＥ００モードに干渉するため、最終的なパワー結合比のテーパ長依存性には凹凸が重畳する。ＬＴＴ＝４５μｍ（ＬＴ１＝２１μｍ）のときの出力Ｓｉ導波路５へのパワー結合比は９２．２％である。
なお、活性層は注入キャリア密度が低いときは吸収層として作用する。そこで、第１のテーパ部４１のメサ上にＤＦＢレーザ部とは独立したｐ電極３３（図７）を設け、ｎ−ＩｎＰ層１１上のｎ電極３２を第１のテーパ部４１まで伸ばして、活性層へのキャリア注入により第１のテーパ部を伝搬する光の損失を補償できるようにする。
図７への記載は省略したが、ＤＦＢレーザ部４０とテーパ部４１の境界部には、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４を除去した部分を設けてある。一方、第２のテーパ部４２には電極を設けず、活性層を吸収層として残した。第２のテーパ部４２では、基本（ＴＥ００）モードのピークは活性／導波層１２側からＳｉテーパ導波路３ｂに移行し、逆にＴＥ０１モードのピークがＳｉ側から活性／導波層１２側に移る。したがって、テーパ端で反射される割合の大きいＴＥ０１モードの損失が増えるので、ＤＦＢレーザ部４０に戻る反射光を減らすことができる。
本実施形態は、様々な変形が可能である。例えば、本実施形態の回折格子２１はトップＳｉ層３に形成した溝にＳｉＯ２が埋め込まれてなるが、他のＳｉより屈折率の低い材料で埋め込んでもよいし、あるいは空気や真空のまま残してもよい。また、Ｓｉ層に溝を形成する代わりに、Ｓｉ層を凸状に残すようにして回折格子２１を形成することもできる。
軸方向のホールバーニングを抑えるためには、少なくともκＬが１以上１．５以下の範囲に入るよう、さらに望ましくはκＬ＝１．２５に近づくようにκの値を調節するのが好ましい。
本実施形態によれば、共振器長が異なる場合でも、主回折格子２１ａと副回折格子２１ｂの幅、深さ、Ｓｉフィリングファクタ、断面形状等を変えることにより、κの値を比較的容易に調節することができる。本実施形態では主回折格子２１ａと副回折格子２１ｂの幅を変えてＴＥ１０モードとＴＥ２０モードのκのバランスを取った場合について説明したが、Ｓｉフィリングファクタなど、他のパラメータを変えてもよいし、複数のパラメータを同時に変えてもよい。なお、回折格子２１の側壁が垂直でないときは、回折格子２１の幅やＳｉフィリングファクタは、深さ方向に平均化した値で定義するものとする。
回折格子の構造については、共振器中央のλ／４位相シフタを複数の位相シフタに分割したり、共振器長方向に沿って回折格子の周期、幅等のパラメータをチャープさせたり、メサ幅を変えたりすることもできる。また、共振器長の大部分の回折格子がＴＥ１０モードの節の位置とＴＥ２０モードの節の位置に形成されていて、高次モードのκが基本モードκに対して十分に小さくなってさえいれば、部分的にこれに該当しない部分、例えば主回折格子２１ａと副回折格子２１ｂの一方のみがある部分や、主回折格子２１ａと副回折格子２１ｂがつながっている部分が含まれていても構わない。
なお、メサ幅を広げると、活性層を流れる電流がｎ電極に近いメサ端に偏ってしまい、メサの中央付近の利得が小さくなってしまうおそれがある。そのような場合、ｐ−ＩｎＰクラッド層１３を順メサ形状にしたり、メサ両端部のｐ電極３１やｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４を除去したり、ｐ−ＩｎＰクラッド層１３上半分の両端部をプロトン注入により高抵抗化したりして、メサの両脇部分の電流を流れにくくすることができる。
以上、波長１．３μｍ帯に利得を有する歪ＩｎＧａＡｌＡｓ系量子井戸を活性層とするＳｉハイブリッドＤＦＢレーザの実施形態について説明したが、他の波長帯や他のＩＩＩ−Ｖ材料系を用いたＳｉハイブリッドＤＦＢレーザについても本実施形態を適用できることは言うまでもない。ＩＩＩ−Ｖ材料系以外の化合物半導体を用いることも可能である。
また、ＳＯＩ基板のＢＯＸ層をＳｉ基板や他の基板上に熱酸化やＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で形成したＳｉＯ２層、ないし他の絶縁層に変更した場合や、ＳＯＩ基板のトップＳｉ層をアモルファスＳｉ層に変更した場合についても、本実施形態を適用することが可能である。アモルファスＳｉ層には水素、ゲルマニウム等、他の元素が含まれていてもよい。
以上、本実施形態の半導体レーザ装置によれば、主回折格子２１ａとその両側に設けられる副回折格子２１ｂを備える回折格子２１を適用することにより、メサ（第１のメサ構造）１５の幅を広くすることが可能となる。したがって、温度特性に優れた半導体レーザ装置を提供することが可能となる。また、高効率でモード安定性に優れた半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
（第２の実施形態）
本実施形態の半導体レーザ装置は、化合物半導体層とシリコン層との間に、厚さ１００ｎｍ以下の絶縁層を、さらに備えること以外は第１の実施形態と同様である。したがって、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
図９は、本実施形態の半導体レーザ装置の模式断面図である。本実施形態の半導体レーザ装置は、ＩＩＩ−Ｖ導波型のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザである。
本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザの基本的な構造や機能は第１の実施形態と同じである。しかし、Ｓｉ層（シリコン層）３とｎ−ＩｎＰクラッド層１１の間に、厚さ１００ｎｍ以下、例えば厚さ５０ｎｍのＳｉＯ２層（絶縁層）４がある点が異なる。以下、本実施形態の構造を、一具体例を示して説明する。
本実施形態の半導体レーザ装置を製造する場合、ｎ−ＩｎＰ層１１表面とＳｉ層３の表面に薄いＳｉＯ２層を付けて、それぞれＣＭＰ（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）により平坦化した後ＳｉＯ２層同士を接着することにより、基板接着の歩留まりを上げることができる。しかし、活性／導波層１２とＳｉ層３の表面に形成した回折格子２１の間に、屈折率の低い絶縁層４を入れると、回折格子２１と導波モードのオーバーラップが悪くなり、回折格子２１の結合係数が小さくなってしまう。
そこで、本実施形態では、Ｓｉ層３を、例えば、４００ｎｍと厚くして、活性／導波層１２から回折格子２１への光の滲みだしを大きくしている。メサ幅ｗ０は５μｍで、主回折格子１２１ａの幅ｗ１は４００ｎｍ（＝０．０８ｗ０）、副回折格子２１ｂの幅ｗ２は２５０ｎｍ（＝０．０５ｗ０＝０．６２５ｗ１）とする。その他の構造は、基本的に第１の実施形態とほぼ同じである。
図１０は、本実施形態のＴＥ導波モードの説明図である。導波路には、ＴＥ００、ＴＥ１０、ＴＥ２０の三つのモードが存在する。第１の実施形態と同様に、座標の原点は、活性／導波層１２の中心にとっている。主回折格子２１ａの中心はＸ＝０、Ｙ＝−０．４２μｍ、副回折格子２１ｂの中心はＸ＝±０．８３３μｍ、Ｙ＝−０．４２μｍにあり、それぞれＴＥ１０モード、ＴＥ２０モードの節の位置に相当している。
図１１は、本実施形態のＴＥ導波モードの結合係数κと光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果を示す図である。本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザのＴＥ導波モードの（ａ）結合係数κと、（ｂ）量子井戸の光閉じ込め係数ΓＱＷのメサ幅依存性の計算結果を示す。メサ幅ｗ０に対する主回折格子２１ａ、副回折格子２１ｂの幅の比は、ｗ１／ｗ０＝０．０８、ｗ２／ｗ０＝０．０５一定とした。
本実施形態では、Ｓｉ層３の厚膜化により導波モードの数が減るので、メサ幅を６μｍ程度まで広げることが可能となっている。基本モードのΓＱＷは約１２％である。
本実施形態のＤＦＢレーザはＩｎＰメサ幅が５μｍと広いので、第１の実施形態と比べて長い出力テーパ構造が必要になる。出力テーパ構造の一例についてのＦＤＴＤシミュレーションによれば、本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザからスラブ厚２００ｎｍ、メサ高さ２００ｎｍ、メサ幅６００ｎｍの出力Ｓｉリブ導波路に結合できる光の割合は、全長５４μｍのテーパで約８０％、全長６９μｍのテーパで約９０％であった。
なお、ＳｉＯ２層４がさらに厚い場合、Ｓｉ層３も厚くすることで、ΓＱＷの低下をある程度緩和することができる。例えば、ＳｉＯ２層４の厚さが７５ｎｍの場合、Ｓｉ層３の厚さを４２５ｎｍにすれば、基本モードの光閉じ込め係数ΓＱＷを１０％程度にできる。
主回折格子２１ａの幅をｗ１＝０．０８ｗ０、副回折格子２１ｂの幅をｗ２＝０．０５ｗ０（＝０．６２５ｗ１）とすると、メサ幅ｗ０＝７．２μｍまで高次モードのκを基本モードのκの半分程度に抑えることができる。基本モードのκは、メサ幅４．８μｍで５６ｃｍ−１、メサ幅７．２μｍで５０ｃｍ−１であった。ただし、Ｓｉ層厚を４５０ｎｍにすると基本モードもＩＩＩ−Ｖメサに閉じ込められなくなるので、ＳｉＯ２層厚が１００ｎｍより厚いと本実施形態を適用することが困難になる。
以上、本実施形態の半導体レーザ装置によれば、主回折格子２１ａとその両側に設けられる副回折格子２１ｂを備える回折格子２１を適用することで、第１の実施形態同様、温度特性に優れた半導体レーザ装置を提供することが可能となる。また、高効率でモード安定性に優れた半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
本実施形態は、必要に応じ、様々に変形、応用することができる。
例えば、本実施形態のようにメサ幅が広い場合は、ＩＩＩ−Ｖメサ両端部のｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４を除去して、ｐ−ＩｎＰクラッド層１３の表面に直接ｐ電極３１が接するようにしてもよい。電流は主として接触抵抗の低いメサ中央部のｐ−ＩｎＧａＡｓ層１４とｐ電極３１が接している部分を流れる。一方、活性／導波層１２やｐ−ＩｎＰクラッド層１３で発生した熱の一部は、熱伝導率の悪いｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４を介さずにｐ−ＩｎＰクラッド層１３からｐ電極３１へ直接逃がすことができるので、熱抵抗を低減できる。メサ幅が広いので、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４、ｐ−ＩｎＰクラッド層１３、ともにｐ電極３１との接触面積を十分に確保することができる。
（第３の実施形態）
本実施形態の半導体レーザ装置は、シリコン層が第２のメサ構造を備える点、および、化合物半導体層の第１のメサ構造の一部が半絶縁化されている点で第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
図１２は、本実施形態の半導体レーザ装置の模式断面図である。本実施形態の半導体レーザ装置は、Ｓｉ導波型のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザである。以下、本実施形態の構造を、一具体例を示して説明する。
Ｓｉ基板１と厚さ１μｍの埋め込みＳｉＯ２（ＢＯＸ）層２と厚さ４００ｎｍのトップＳｉ層（シリコン層）３とからなるＳＯＩ基板の表面に、厚さ２２５ｎｍのｎ−ＩｎＰ層１１と厚さ３００ｎｍの活性／導波層１２と厚さ９５０ｎｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１３と厚さ２００ｎｍのｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１４とからなるＩＩＩ−Ｖエピタキシャル成長層（化合物半導体層）が貼りつけられる。ＩＩＩ−Ｖ化合物半導体層１１〜１４の層構造は第１の実施形態と基本的に同様である。
Ｓｉ層３には、両脇を深さ２００ｎｍ、幅２．５μｍに渡ってエッチングしてＳｉＯ２５で埋め込むことにより、幅ｗ０＝４．２μｍのＳｉリブ導波路（第２のメサ構造）３ａが形成されている。ＳｉＯ２５の下側のＳｉ層３は、膜厚の薄いＳｉスラブ３ｃとなっている。
ＩＩＩ−Ｖエピタキシャル成長層のうち活性／導波層１２、ｐ−ＩｎＰクラッド層１３、ｐコンタクト層１４は、Ｓｉリブ導波路（第２のメサ構造）３ａと中心がほぼ一致する幅１４μｍのメサ（第１のメサ構造）１５に加工されている。
ｐ−ＩｎＰクラッド層１３のうち、Ｓｉリブ導波路３ａの外側に当たる部分１６は、プロトン注入とアニールにより半絶縁化されている。また、メサ１５の上部にはｐ電極３１、ｎ−ＩｎＰ層１１のメサ１５から少し離れた部分の上にはｎ電極３２が形成されており、電極３１、３２を介して活性／導波層１２のＳｉリブ導波路３ａと対向している部分に電流を注入して、レーザ発振させることができる。
Ｓｉリブ導波路（第２のメサ構造）３ａのメサ中央表面にはＳｉ／ＳｉＯ２主回折格子２１ａ、メサを三等分する位置にはＳｉ／ＳｉＯ２副回折格子２１ｂが形成されている。言い換えれば、主回折格子２１ａが第２のメサ構造３ａの幅の中点に配置され、副回折格子２１ｂが第２のメサ構造の幅を３等分する点に配置される。
主回折格子２１ａの幅ｗ１は０．０１５ｗ０＝６３ｎｍ、副回折格子２１ｂの幅ｗ２は０．０１２ｗ０＝５０．４ｎｍとする。共振器長は２００μｍで、共振器（回折格子）の中央部にはλ／４位相シフタ２２が設けられている。
図１３は、本実施形態のＴＥ導波モードの説明図である。活性／導波層１２とＳｉリブ導波路３ａは光学的に結合して一体の光導波路となっている。この光導波路には、図１３に示すように４つのＴＥ導波モードが存在する。
このうちＴＥ３０モードは活性／導波層１２のプロトン注入領域１６の下の部分に長く尾を引いているため、損失が大きい。他のモードはいずれもピークがＳｉリブ導波路３ａ内にある。主回折格子２１ａの中心（Ｘ＝０μｍ）はＴＥ１０モードの節の位置、副回折格子２１ｂの中心（Ｘ＝±０．７μｍ）はＴＥ２０モードの節の位置に当たる。
その結果、ＴＥ００モードのκが６２．９ｃｍ−１なのに対し、ＴＥ１０モード、ＴＥ２０モード、ＴＥ３０モードのκをそれぞれ２８．７ｃｍ−１、３２．１ｃｍ−１、２１．８ｃｍ−１に抑えることができた。それぞれ、基本モードのκの４６％、５１％、３５％に相当する。基本モードのκＬは１．２５８なので、軸方向のホールバーニングはほぼ最小化されている。
図１４は、本実施形態のＴＥ導波モードの結合係数κと光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果を示す図である。本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢ ＬＤのＳｉリブ導波路の幅ｗ０を変化させた場合の各ＴＥモードの（ａ）回折格子の結合係数κ 、（ｂ）量子井戸のＳｉリブ導波路３ａと対向する幅ｗ０の部分への光閉じ込め係数の計算結果である。
回折格子幅とメサ幅（第２のメサ構造幅）ｗ０の比は、ｗ１＝０．０１５ｗ０、ｗ２＝０．０１２ｗ０で一定とした。κの計算値に凹凸を生じているのは、回折格子２１の幅に比べて電界分布の計算メッシュが十分に細かくないために生じた計算誤差による。
ＴＥ３０モードが立ち上がるｗ０＝４．２ μｍまでの範囲では、高次モードの結合係数κを基本（ＴＥ００）モードのκのほぼ半分かそれ以下に抑えることができている。ΓＱＷは約５％である。なお、図１３（ｄ）のＴＥ３０モードの場合のように、立ち上がりかけの高次モードでは両端のピークが活性／導波層２１２側にあるため、ΓＱＷが大きくなる。
図１５は、比較形態のＴＥ導波モードの結合係数κの計算結果を示す図である。Ｓｉリブ導波路３ａの中央のみにメサ幅の４％の幅の回折格子を形成した場合の各ＴＥモードのκ のメサ幅依存性の計算結果を示す。メサ幅が３μｍを超えるとＴＥ２０モードのκが急激に大きくなり、メサ幅３．５μｍ以上の領域では基本モードのκを上回る。
ＴＥ２０モードはこの領域で最も大きなΓＱＷを有しているので、基本モードに比べて伝搬損失を十分大きくできないかぎり、ＴＥ２０モードが最も発振しやすいモードとなる。
したがって、本実施形態によれば、基本横モードで発振させるためのメサ幅の上限を、回折格子が１列の場合と比較して、約１．４倍に広げられたことになる。
なお、各ＴＥ導波モードの結合係数κ、および、回折格子２１の結合係数κと共振器長Ｌの積κＬを適切な値に調整し、良好な単一モード発振とする観点から、主回折格子２１ａの幅（ｗ１）が、第２のメサ構造１５の幅の１０％以下であることが望ましい。また、副回折格子２１ｂの幅（ｗ２）が、主回折格子２１ａ（ｗ１）の幅よりも狭く、かつ、主回折格子２１ａの幅の半分より大きいことが望ましい。
Ｓｉリブ導波路３ａの幅を広げたことにより、側壁の凹凸による散乱損失や表面再結合の影響を相対的に減じられる点、Ｓｉ側とＩＩＩ−Ｖ側の位置ずれに対するトレランスが拡大できる点、同一共振器長でより大きなパワーを得ることができる（あるいは、同一出力パワーをより短い共振器長で実現できる）点等は、第１および第２の実施形態と共通している。
しかし、プロトン注入領域を介して基板側に放熱できるＳｉ導波型のＳｉハイブリッドレーザでは、元々熱抵抗がＩＩＩ−Ｖ導波型と比べて低いので、Ｓｉリブ導波路のメサ幅を広げても熱抵抗の改善効果はそれほど大きくない。その代り、Ｓｉメサ（第２のメサ構造）幅を拡大できる分、Ｓｉ層３を薄めにできるので、集積密度の改善が図れる。
図１６は、ＴＥ導波モードの結合係数κと光閉じ込め係数ΓＱＷのＳｉ導波路層の膜厚依存性を示す図である。図１６（ａ）は結合係数κ、図１６（ｂ）は光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果である。
プロトン非注入領域幅４μｍ、Ｓｉメサ幅２μｍで回折格子がＳｉメサと同じ幅で形成されている場合のＳｉ導波型Ｓｉハイブリッドレーザで、Ｓｉ導波路層３の厚さを変えた場合の計算結果である。
Ｓｉスラブ層３ｂの厚さはＳｉ層３厚の半分を仮定した。Ｓｉ層を５００ｎｍ以下にすると基本モードのΓＱＷが急激に増大する。Ｓｉ層を少し薄くするだけで基本モードのΓＱＷをかなり大きくできるので、スロープ効率の改善を図ることができる。ただし、Ｓｉ層３を薄くしすぎるとモードの中心がＩｎＰ側に移り、Ｈ＋注入領域下の非励起領域に広がってしまうので、Ｓｉ層３厚は４００ｎｍ以上とすることが望ましい。この領域ではκも極端に大きくなる（６００〜７５０ｃｍ−１）ので、回折格子幅を狭めてκを適切な値にすることが望ましい。
この例に限らず、Ｓｉ導波型のＳｉハイブリッドレーザでは、回折格子の形成されたＳｉ導波路側に光が集中するので、κが大きくなりすぎる傾向がある。また、光閉じ込め係数が低めなので、十分な出力を得るために共振器長Ｌを長めにする必要があり、κＬを１．５以下にするためのκの範囲はＩＩＩ−Ｖ導波型のＳｉハイブリッドレーザより小さくなる。回折格子の深さやデューティだけでκを一桁以上小さくするのは、回折格子溝エッチングの制御性、均一性、再現性の観点で困難である。回折格子幅を狭めるのが最も簡単であるが、Ｓｉリブ導波路の幅が狭い場合、κ を所望の値に調整するためには回折格子の横幅を回折格子の溝幅以下に狭めなければならず、作製プロセスのトレランスが小さかった。本実施形態によりＳｉリブ導波路の幅を広くできれば、共振器長Ｌも短くでき、適正なκ を得るための回折格子幅も広げられるので、κＬ を適正範囲に制御するためのプロセス上のトレランスを大きくとることができる。
以上、本実施形態の半導体レーザ装置によれば、主回折格子２１ａとその両側に設けられる副回折格子２１ｂを備える回折格子２１を適用することで、第１の実施形態同様、温度特性に優れた半導体レーザ装置を提供することが可能となる。また、高効率でモード安定性に優れた半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
（第４の実施形態）
本実施形態の半導体レーザ装置は、化合物半導体層とシリコン層との間に、厚さ１００ｎｍ以下の絶縁層を、さらに備えること以外は第３の実施形態と同様である。したがって、第３の実施形態と重複する内容については記述を省略する。
図１７は、本実施形態の半導体レーザ装置の模式断面図である。本実施形態の半導体レーザ装置は、Ｓｉ導波型のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザである。
本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザの基本的な構造は第３の実施形態と同じであるが、Ｓｉ層３とｎ−ＩｎＰクラッド１１の間に、厚さ１００ｎｍ以下、例えば厚さ５０ｎｍのＳｉＯ２基板接着層（絶縁層）４がある点が異なる。以下、本実施形態の構造を、一具体例を示して説明する。
本実施形態では、ＳｉＯ２層４の挿入で導波モードと回折格子のオーバーラップが低下するのを回避するため、Ｓｉ層３を第３の実施形態より厚めの４２５ｎｍとする。
Ｓｉリブ導波路３ａのメサ高さとその両脇のＳｉスラブ３ｂの厚さはともに２１２．５ｎｍである。主回折格子３２１ａと副回折格子３２１ｂの幅は、それぞれｗ１＝０．０６５ｗ０、ｗ２＝０．０４ｗ０とした。ただし、第１〜第３の実施形態と異なり、回折格子の中心線は、Ｓｉメサ（第２のメサ構造）幅を３：２：２：３に分ける位置に設定した。ＴＥ２０モードが活性／導波層１２のプロトン注入領域１６下の部分に尾を引くため、節の位置がメサを３等分する位置より外側にずれるためである。
図１８は、本実施形態のＴＥ導波モードの結合係数κと光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果を示す図である。図１８（ａ）が結合係数κ、図１８（ｂ）が光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果である。
Ｓｉメサ（第２のメサ構造）幅８．１μｍまでの範囲で高次モードのκを基本モードのκ（６０〜７０ｃｍ−１）の６０％以下に抑えることができている。このとき、基本モードの光閉じ込め係ΓＱＷは８％以上、κは６０〜７０ｃｍ−１で、いずれも妥当な範囲に収まっている。
図１９は、比較形態のＴＥ導波モードの結合係数κの計算結果を示す図である。図１９ａ）が結合係数κ、図１９（ｂ）が光閉じ込め係数ΓＱＷの計算結果である。
比較のため、メサ中央にｗ＝０．２５ｗ０の回折格子を形成した場合のＳｉメサ幅依存性の計算結果を示す。Ｓｉメサ幅を広げると、回折格子部の光電界低下が顕著になるため、基本モードκが低下する。また、モード形状が回折格子の配置に敏感なため、回折格子を分割しない場合と３分割した場合のΓＱＷの違いが大きくなっている。ＴＥ２０モードの競合を避けるためには、メサ幅を５．７μｍ以下にすることが望ましい。
すなわち、本実施形態よれば、回折格子を分割形成しなかった場合に比べてメサ幅を１．４倍に広げることができる。メサ幅拡大の効果は、第３の実施形態と同様である。
以上、本実施形態の半導体レーザ装置によれば、主回折格子２１ａとその両側に設けられる副回折格子２１ｂを備える回折格子２１を適用することで、第３の実施形態同様、温度特性に優れた半導体レーザ装置を提供することが可能となる。また、高効率でモード安定性に優れた半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
（第５の実施形態）
本実施形態の半導体レーザ装置は、第１〜第４の半導体レーザ装置が、活性層がｎ型半導体層とｐ型半導体層の間に挟まれているバンド間発光型の半導体レーザであったのに対し、サブバンド間遷移で発光する量子カスケードレーザ（ＱＣＬ：ｑｕａｎｔｕｍ ｃａｓｃａｄｅ ｌａｓｅｒ）である点で、異なっている。
図２０は、本実施形態の半導体レーザ装置の模式断面図である。本実施形態の半導体レーザ装置は、ＳｉハイブリッドＤＦＢ−ＱＣＬである。図２０は、波長８μｍ帯のＳｉハイブリッドＤＦＢ−ＱＣＬの共振器の伸長方向に垂直な断面を模式的に示す図である。
図２０では、説明を容易にする観点から構造を変形して描いているため、図の寸法は実際とは異なる。レーザの波長が長いので、第１〜第４の実施形態と比べて各層の厚さや幅は数倍大きい。共振器長は例えば３ｍｍである。
本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢ−ＱＣＬは、表面側を加工したＳｉ基板にＩｎＰ基板ベースの化合物半導体エピ層を直接基板接着し、ＩｎＰ基板を薄くし、メサ加工し、必要な絶縁膜、電極、配線金属等を形成することにより作製される。説明を簡略化するため、絶縁膜や配線金属は図への記載を省略した。また、チップ外のサブマウント、冷却機構、モジュール等についても説明を省略する。以下、本実施形態の構造を、一具体例を示して説明する。
ｎ型Ｓｉ基板５０１の表面から１μｍ程度内部には、イオン注入とアニールにより１０１９〜１０２０ｃｍ−３台の高濃度ｎ型Ｓｉ層５０６が形成されている。高濃度ｎ型Ｓｉ層５０６の上にはｎ型Ｓｉ層（シリコン層）５０３が残されている。ｎ型Ｓｉ層５０３の上には、ｎ−ＩｎＰ層５１１、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子活性層５１２、ｎ−ＩｎＰ層５１３からなる積層構造（化合物半導体層）が接着され、メサ加工されている。ｎ−ＩｎＰ層５１３は上側でキャリア密度が高くなるようにドーピングされている。
メサ（第１のメサ構造）の上には電極５３１が、ｎ型Ｓｉ基板５０１の裏面には電極５３２が形成されている。ｎ−ＩｎＰ層５１３とｎ型Ｓｉ層５０３の界面には電気的な障壁が残るので、ｎ−ＩｎＰ層５１１をメサ５１５から左右に引き出し、その上に電極５３２と電気的に接続された補助電極５３３を設けている。
電極５３１から注入された電子は、ｎ−ＩｎＰ層５１３、超格子活性層５１２、ｎ−ＩｎＰ層５１３と流れ、その一部はｎ型Ｓｉ層５０３、高濃度ｎ型Ｓｉ層５０６、ｎ型Ｓｉ基板５０１、電極５３２のルートで、残りはｎ−ＩｎＰ層５１１から左右の補助電極５３３から排出される。電子の流れる向きを逆にした設計も可能である。
波長９μｍ以上ではＳｉの２フォノン吸収の影響が大きくなるが、波長８μｍ帯であればＳｉ層による光吸収は小さい。光は、横方向については主としてメサ構造により、上下方向については主としてキャリア・プラズマ効果により閉じ込められる。キャリア・プラズマ効果による屈折率の低下はおおむね波長の２乗に比例するので、ｎ型Ｓｉ層５０３と高濃度ｎ型Ｓｉ層５０６の間に比較的大きな屈折率差を実現することができる。したがって、第２および第４の実施形態のように基板と光導波層の間にＳｉＯ２層を挟む必要はない。
ｎ型Ｓｉ光導波層５０３の表面には、メサ５１５中央の下部に主回折格子５２１ａが、メサ５１５を三等分する位置に副回折格子５２１ｂが形成されている。回折格子５２１の溝にはＳｉＯ２が埋め込まれている。ＤＦＢ−ＱＣＬでは上部電極面かメサ側壁に凹凸構造を設けるのが一般的であるが、本実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢ−ＱＣＬでは、回折格子が導波路内部に埋め込まれている点が特徴的である。
本実施形態のＳｉハイブリッドＦＦＢ−ＱＣＬによれば、第１〜第４の実施形態のＳｉハイブリッドＤＦＢレーザと同様の効果により、メサ幅を広げても単一横モード発振させることができる。従来の波長８μｍ帯のＤＦＢ−ＱＣＬの典型的なメサ幅は３０μｍ以下であるが、本実施形態のＤＦＢ−ＱＣＬではメサ幅を４０μｍ程度まで広げることができる。
量子カスケードレーザ（ＱＣＬ）の代表的な動作原理は以下のようなものである。超格子層５１２は、いずれも超格子からなるインジェクター層と発光層が数十周期積層されてなる。インジェクター層の一部にドナー不純物が変調ドープされているため、超格子層には電子が存在している。
超格子層５１２は、所定の電圧を印加したとき、上流側の発光層の下のサブバンドが次段のインジェクター層の上の準位と一致するように、また、インジェクター層の下の準位は次の発光層の上のサブバンドと一致するように設計されている。また、インジェクター層にはミニバンドが形成されており、インジェクター層の上の準位の電子はＬＯフォノンを放出して直ちに下の準位に緩和できるように設計されている。したがって、上流側の発光層で誘導放出により下の準位に落ちた電子は直ちに次の段の発光層の上の準位に緩和される。このような機構により、発光層で反転分布が形成されるため、各段の発光層で誘導放出利得を生じる。適切な共振器構造と組み合わせることで、レーザ発振させることができる。
このほかにも、インジェクターの準位がミニバンドではなく、エネルギー差がＬＯフォノンエネルギーに一致する三つのサブバンドからなるもの、発光層の上下準位が空間的に少しずれているものなど、様々な変形例があるが、本実施形態はこのような超格子層の構造の違いや波長に係らず、適用可能である。
いずれにせよ、インジェクター層で放出されたＬＯフォノンのエネルギーは、最終的に熱になる。大量のＬＯフォノンが放出されるＱＣＬでは、冷却して用いられる場合が多い。室温で発振するＱＣＬでも、放熱設計は非常に重要である。
ヒートシンク温度を変えると活性層の屈折率が変わることを利用して、ＤＦＢ−ＱＣＬの発振波長を変化させることが可能である。
本実施形態のＳｉ／ＩｎＰハイブリッドＤＦＢ−ＱＣＬによれば、広メサ化により活性層近傍の熱抵抗低減や、高出力化を図ることができる。また、ＩｎＰ基板の熱伝導率が８０Ｗ／ｍ／Ｋなのに対し、Ｓｉ基板の熱伝導率は１４８Ｗ／ｍ／Ｋなので、基板の熱抵抗を４割以上下げることができる。その結果、より大電流で、より高い温度まで動作させることが可能となり、高出力化や可変波長範囲の拡大を図ることができる。
以上、本実施形態の半導体レーザ装置によれば、主回折格子２１ａとその両側に設けられる副回折格子２１ｂを備える回折格子２１を適用することで、第１ないし第４の実施形態同様、温度特性に優れた半導体レーザ装置を提供することが可能となる。また、高効率でモード安定性に優れた半導体レーザ装置を提供することが可能となる。
なお、本実施形態も、必要に応じ、様々に変形、応用することができる。例えば、材料系はＩｎＰベースのＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ系に限定されるものではなく、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＳｂ／ＡｌＧａＡｓＳｂ系など、他の材料系にも適用することが可能である。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。例えば、一実施形態の構成要素を他の実施形態の構成要素と置き換えまたは変更してもよい。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
３ シリコン層
３ａ Ｓｉリブ導波路（第２のメサ構造）
４ ＳｉＯ２層（絶縁層）
１２ 活性層／導波層（活性層）
１５ メサ（第１のメサ構造）
２１ 回折格子
２１ａ 主回折格子
２１ｂ 副回折格子
２２ 位相シフタ

Claims (12)

  1. レーザ光を発する活性層を含み、第１のメサ構造を有する化合物半導体層と、
    前記化合物半導体層に積層され、前記第1のメサ構造に対向する表面に、前記第１のメ
    サ構造の伸長方向に伸びる１本の主回折格子と、前記主回折格子の両側に配置される２本
    の副回折格子とを含む回折格子を有するシリコン層と、
    を備え、
    前記主回折格子が前記レーザ光の１次の高次モードの節を含む位置に配置され、前記副回
    折格子が前記レーザ光の２次の高次モードの節を含む位置に配置され、かつ前記副回折格
    子は、前記主回折格子と周期、および位相が一致するように配置される半導体レーザ装置
    。
  2. 前記回折格子の中央部に、位相シフタが設けられる請求項１に記載の半導体レーザ装置
    。
  3. 前記回折格子の基本（０次）モードに対する結合係数κと、前記回折格子の前記第１の
    メサ構造の伸長方向の長さで規定される共振器長Ｌとの積κＬが１以上１．５以下である
    請求項２記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記主回折格子の幅が、前記第１のメサ構造の前記シリコン層側の幅の１０％以下であ
    る請求項１ないし請求項３いずれか一項記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記シリコン層が第２のメサ構造を備え、前記回折格子が前記第２のメサ構造表面に形
    成され、前記主回折格子の幅が、前記第２のメサ構造の幅の１０％以下である請求項１な
    いし請求項３いずれか一項記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記副回折格子の幅が、前記主回折格子の幅よりも狭く、かつ、前記主回折格子の幅の
    半分より大きい請求項１ないし請求項５いずれか一項記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記主回折格子が前記第１のメサ構造の幅の中点直下に配置され、前記副回折格子が前
    記第１のメサ構造の幅を３等分する点の直下に配置される請求項１ないし請求項４いずれ
    か一項記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記シリコン層が第２のメサ構造を備え、前記回折格子が前記第２のメサ構造表面に形
    成され、前記主回折格子が前記第２のメサ構造の幅の中点に配置され、前記副回折格子が
    前記第２のメサ構造の幅を３等分する点に配置される請求項１ないし請求項３いずれか一
    項記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記化合物半導体層と前記シリコン層が直接接する請求項１ないし請求項８いずれか一
    項記載の半導体レーザ装置。
  10. 前記化合物半導体層と前記シリコン層との間に、厚さ１００ｎｍ以下の絶縁層を、さら
    に備える請求項１ないし請求項８いずれか一項記載の半導体レーザ装置。
  11. 前記回折格子が前記シリコン層表面に設けられ、シリコン酸化膜で充填された凹部で形
    成される請求項１ないし請求項９いずれか一項記載の半導体レーザ装置。
  12. 前記半導体レーザ装置が、超格子のサブバンド間遷移で発光する量子カスケードレーザ
    である請求項１ないし請求項４いずれか一項記載の半導体レーザ装置。
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