JPWO2016143579A1 - 半導体光素子 - Google Patents

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Abstract

活性層は、積層方向に利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層を有し、複数の量子井戸層には、ｎ型のドーパントが添加されている。前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層は、それぞれ厚さまたは組成が異なってもよい。前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層の数は２でもよい。前記複数の量子井戸層から発せられる光は、少なくとも第１の波長帯及び該第１の波長帯よりも長い波長帯である第２の波長帯を有し、前記第１の波長帯の長波長側の裾部が、前記第２の波長帯の短波長側の裾部へ重ね合わされていてもよい。

Description

本発明は、半導体光素子に関するものである。
半導体レーザ等の半導体光素子の活性層として、多重量子井戸構造と呼ばれる複数の量子井戸層（発光層）を積層した構造が広く用いられている。半導体レーザの利得帯域を広げる技術として、厚さがわずかに異なる量子井戸層を複数積層することが知られている。
また、半導体光増幅器の利得帯域を広げる技術として、伝搬方向に利得ピーク波長の異なる２つの量子井戸層を配設することが特許文献１に開示されている。
特許第４００５７０５号
しかしながら、厚さがわずかに異なる量子井戸層を多層化した場合や、伝搬方向に利得ピーク波長が異なる量子井戸層を配設した場合も、それぞれの利得ピーク波長の差を大きくしてしまうと、ピーク波長とピーク波長の間の波長では利得が低下し、平坦な利得特性が得られない。したがって、各量子井戸層のピーク波長の差を近づける必要がある。
しかしながら、各量子井戸層のピーク波長の差を近づける場合、平坦な利得帯域幅を広げるためには、多数の厚さの異なる量子井戸層が必要になるという問題があった。
また、広い範囲にピーク波長を持つ多数の厚さの異なる量子井戸層を積層した場合であっても、短波長側の光に対して、長波長側の利得を有する量子井戸層が吸収層として作用するため、実質的な利得帯域幅を広げることは困難である。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成でありながら利得帯域幅が広い半導体光素子を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体光素子は、量子井戸層を含む活性層を備えた半導体光素子であって、前記活性層は、積層方向に利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層を有し、前記複数の量子井戸層には、ｎ型のドーパントが添加されていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層は、それぞれ厚さまたは組成が異なることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層の数は２であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、前記複数の量子井戸層から発せられる光は、少なくとも第１の波長帯及び該第１の波長帯よりも長い波長帯である第２の波長帯を有し、前記第１の波長帯の長波長側の裾部が、前記第２の波長帯の短波長側の裾部へ重ね合わされていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、量子井戸層を含む活性層を備えた半導体光素子であって、前記活性層は光の伝搬方向に複数配設されており、前記複数の活性層は、光の伝搬方向において、利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層を有し、前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層には、ｎ型のドーパントが添加されていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層は、光の伝搬方向に厚さまたは組成が異なっていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層の数は２であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、前記量子井戸層から発せられる光は、少なくとも第１の波長帯及び該第１の波長帯よりも長い波長帯である第２の波長帯を有し、前記第１の波長帯の長波長側の裾部が、前記第２の波長帯の短波長側の裾部へ重ね合わされていることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、前記光の伝搬方向において、前記活性層の厚さまたは組成が離散的に変化していることにより、各厚さまたは各組成に対応する利得ピーク波長を有する光が複数発生していることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、前記活性層は、積層方向に利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層を有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、当該半導体光素子の波長に対する利得曲線における、短波側の下落曲線と長波側の下落曲線の間の利得が正であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、当該半導体光素子の波長に対する利得曲線における、短波側の下落曲線と長波側の下落曲線の間の利得曲線は、前記短波側の下落曲線と前記長波側の下落曲線よりも高くならないことを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、当該半導体光素子の波長に対する利得曲線における、短波側の下落曲線は、長波側の下落曲線よりも下落度が急峻であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、当該半導体光素子の波長に対する利得曲線は、単一のピークを有することを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、前記ｎ型のドーパントのドーピング濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、前記ｎ型のドーパントのドーピング濃度は、３×１０１７ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３であることを特徴とする。
本発明の一態様に係る半導体光素子は、前記ｎ型のドーパントが添加されている複数の量子井戸層の導電型はｎ型であることを特徴とする。
本発明によれば、簡易な構成でありながら利得帯域幅が広い半導体光素子を提供することができる。
図１は、第１実施形態に係る半導体光素子が備える活性層の積層構造の概略説明図である。 図２は、第１実施形態に係る半導体光素子が備える活性層から出力される自然放出光を基にしてレーザ発振させる場合の利得スペクトルの説明図である。 図３は、従来の活性層から出力される自然放出光を基にしてレーザ発振させる場合の利得スペクトルの概略説明図である。 図４は、従来の活性層から出力される自然放出光を基にしてレーザ発振させる場合の利得スペクトルの概略説明図である。 図５は、第２実施形態に係る半導体光素子が備える複数の活性層の積層構造の概略を示す側面図である。 図６は、第２実施形態に係る半導体光素子が備える活性層の製造方法の説明図である。 図７は、第３実施形態に係る半導体光素子の概略を示す平面図である。 図８は、第３実施形態に係る半導体光素子の概略を示す側面図である。 図９は、図７に示す半導体光素子のＡ−Ａ断面図である。 図１０は、第４実施形態に係る半導体光素子の概略を示す平面図である。 図１１は、第５実施形態に係る半導体光素子の概略を示す側面図である。 図１２は、実施例１の実験結果を示す図である。 図１３は、実施例１の実験結果を示す図である。 図１４は、実施例２の実験結果を示す図である。 図１５は、実施例３の実験結果を示す図である。 図１６は、実施例４の実験結果を示す図である。 図１７は、実施例４の実験結果を示す図である。 図１８は、実施例５の実験結果を示す図である。
以下に、図面を参照して本発明の実施形態に係る半導体光素子について説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、図面の記載において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係、各要素の比率などは、現実と異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態について説明する。第１実施形態では、本発明の実施形態に係る半導体光素子が備える活性層の積層構造について説明する。図１は、第１実施形態に係る半導体光素子が備える活性層１０の積層構造の概略説明図である。
活性層１０は、例えば、ｎ−ＩｎＰクラッド層及びｐ−ＩｎＰクラッド層に挟まれており、量子井戸層１３（発光層）と、障壁層１２と、これら量子井戸層１３と障壁層１２とを挟む光閉じ込め層１１、１４とを備えている。
光閉じ込め層１１、１４は、それぞれ３段（３層）の構造を有し、バンドギャップ波長（λｇ）が量子井戸層１３から離れるにつれて小さくなるように構成されている。具体的には、この３段の構造を有する光閉じ込め層１１、１４は、λｇが１．０５μｍ、１．１μｍ、１．１５μｍで厚さがすべて１５μｍのＧａＩｎＡｓＰ層である。光閉じ込め層１１、１４は、ノンドープとされており、ｎ−ＩｎＰクラッド層及びｐ−ＩｎＰクラッド層に格子整合する。
量子井戸層１３と障壁層１２とは、交互に積層されており、第１実施形態では、４層の量子井戸層１３と５層の障壁層１２とが交互に積層されている。すなわち、第１実施形態において、多重量子井戸構造は、４層の量子井戸層１３と５層の障壁層１２とからなっている。
ＧａＩｎＡｓＰ層からなる量子井戸層１３のＩｎＰ結晶に対する歪量は１％とされ、量子井戸層１３の厚さは、光閉じ込め層１１側の２層が４．０ｎｍ、光閉じ込め層１４側の２層が５．８ｎｍとされている。量子井戸層１３のλｇは、４層とも同一であり、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定による自然放出光の発光ピーク波長が、厚さ５．８ｎｍの量子井戸層のとき１．５４５μｍ、厚さ４．０ｎｍの量子井戸層のとき１．４９μｍとなるように調整されている。すなわち、第１実施形態において、活性層１０は、積層方向に利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層１３を有しているのである。
ＧａＩｎＡｓＰ層からなる障壁層１２は、ＩｎＰ結晶に対する歪量が−０．３％、λｇが１．２μｍ、厚さが１０ｎｍとされている。
また、すべての量子井戸層１３及び障壁層１２はｎ型のドーパントであるＳｅが添加され、ｎ型の導電型となっている。ドーピング濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３とされている。ドーピング濃度は、好ましくは、３×１０１７ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３である。なお、ｎ型のドーパントとしては、Ｓｅ以外にも、両性ドーパント以外のものなら如何なるものも適用することができる。ｎ型のドーパントとして、他に例えば、Ｓ、Ｓｉ等がある。
以上のような構成とされた第１実施形態に係る半導体光素子に用いられる活性層１０の積層構造においては、活性層１０が有する量子井戸層１３にはｎ型のドーパントが添加されているので、量子井戸層１３から発せられる自然放出光に基づく活性層１０の利得スペクトルは、ノンドープの場合よりも波長帯の半値全幅が拡大している。また、活性層１０は積層方向に利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層１３を有している。このように、半値全幅が拡大し、かつ互いに厚さの異なる２つの量子井戸層１３の波長帯が重ね合わされることにより、利得帯域幅が広い光を得ることができる。
図２は、第１実施形態に係る半導体光素子が有する活性層１０から出力される自然放出光を基にして発振させる場合の利得スペクトルの説明図である。図３は、従来の活性層から出力される自然放出光を基にして発振させる場合の利得スペクトルの概略説明図である。図４は、従来の活性層から出力される自然放出光を基にして発振させる場合の利得スペクトルの概略説明図である。
自然放出光を基にしてレーザ発振させる場合の利得スペクトルを測定するには、当該半導体光素子に、レーザ発振閾値電流以下の電流を供給したときに出力される自然放出光を測定して、非特許文献１に開示された手法を用いれば良い。
図２の破線で示された、波長帯Ａ１は厚さ４．０ｎｍの量子井戸層により得られる光の波長帯、波長帯Ｂ１は厚さ５．８ｎｍの量子井戸層１３により得られる光の波長帯である。これらの波長帯Ａ１、Ｂ１は、量子井戸層１３にｎ型のドーパントが添加されているため、半値全幅が広くなっている。すなわち、量子井戸層１３から出力される光の波長帯Ａ１、Ｂ１の裾部も広がっている。
このような半値全幅が広い２つの波長帯Ａ１、Ｂ１を重ね合わせた光が、活性層１０から発せられる光となるため、活性層１０から発せられる光の波長帯は、図２の実線の波長帯Ｃ１で示されるように、利得帯域幅が広くなる。換言すると、２つの量子井戸層１３から発せられる光は第１の波長帯Ａ１及び第１の波長帯Ａ１よりも長い波長帯である第２の波長帯Ｂ１を有し、第１の波長帯Ａ１の長波長側の裾部が、第２の波長帯Ｂ１の短波長側の裾部へ重ね合わされ、利得帯域が広い波長帯Ｃ１が形成されている。このように、第１実施形態では、２つの量子井戸層の各利得帯域が広いので、利得ピーク波長が互いに異なる量子井戸層の数が２であっても、十分平坦な広い利得帯域を得ることができる。
なお、波長帯Ｃ１を示す、波長に対する利得曲線において、下落曲線Ｃ１ａを短波長側の下落曲線、曲線Ｃ１ｂを長波長側の下落曲線と規定する。下落曲線Ｃ１ａは、波長帯Ｃ１を示す利得曲線の短波長側のピークよりも短波長側（図中左向き矢印で示す側）の曲線であり、利得が減少している波長帯域の利得曲線である。下落曲線Ｃ１ｂは、波長帯Ｃ１を示す利得曲線の長波長側のピークよりも長波長側（図中右向き矢印で示す側）の曲線であり、利得が減少している波長帯域の利得曲線である。
図２に示すように、波長帯Ｃ１を示す利得曲線における、短波側の下落曲線Ｃ１ａと長波側の下落曲線Ｃ１ｂの間の利得は正である。また、波長帯Ｃ１を示す利得曲線における、短波側の下落曲線Ｃ１ａと長波側の下落曲線Ｃ１ｂの間の利得曲線は、短波側の下落曲線Ｃ１ａと長波側の下落曲線Ｃ１ｂよりも高くならない。すなわち、短波側の下落曲線Ｃ１ａと長波側の下落曲線Ｃ１ｂの間の利得曲線における利得は、短波側の下落曲線Ｃ１ａにおける最大利得値および長波側の下落曲線Ｃ１ｂにおける最大利得値よりも小さい。さらに、波長帯Ｃ１を示す利得曲線における、短波側の下落曲線Ｃ１ａは、長波側の下落曲線Ｃ１ｂよりも、下落度が急峻である。なお、下落度が急峻とは、波長の変化に対する利得の減少が大きいことを意味する。
また、これら２種類の厚さの量子井戸層１３は、それぞれ利得ピーク波長が互いに接するように形成されていることが好ましい。具体的には、例えば２つの波長帯が、その利得ピークの半分の値の波長で重なるようにすることが好ましい。
一方、従来の積層構造においては、ｎ型のドーパントが添加されていないため半値全幅が狭く、図３に示すように、量子井戸層から発せられる自然放出光を基にしてレーザ発振させる場合の利得スペクトルでの波長帯Ａ２、Ｂ２の裾野が広がっておらず、光の波長帯Ａ２、Ｂ２を重畳した光の波長帯Ｃ２の利得帯域幅が狭くなる。
また、図４に示すように、従来の積層構造でも利得ピーク波長が互いに異なる量子井戸層を増やすことにより利得帯域幅を広げることができるが、この場合は、量子井戸層の数が増えてしまい、井戸層の歪が高い場合には作製が難しくなってしまう。すなわち、第１実施形態に係る積層構造は、比較的量子井戸層の数が少ない簡易な構成でありながらも利得帯域幅の広い光を発することができるのである。
なお、第１実施形態では、量子井戸層の厚さが互いに異なる場合について説明したが、量子井戸を構成する混晶（ここではＧａＩｎＡｓＰ）の組成が互いに異なるように構成することでも量子井戸層から発せられる光の波長帯を異ならせることができる。例えば、量子井戸層の組成は、ＧａＩｎＡｓＰに限定されるものではなく、ＩｎＰ基板上のＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＡｓなどの他の混晶を用いた多重量子井戸構造でも、量子井戸層から発せられる光の波長帯を異ならせることができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第１実施形態と異なる点は、第２実施形態に係る半導体光素子に用いられる活性層が、光の伝搬方向に複数配設され、光の伝搬方向において、互いに異なる利得ピーク波長を有する複数の量子井戸層が形成されている点である。
図５は、第２実施形態に係る半導体光素子が有する複数の活性層１１０、１２０の積層構造の概略を示す側面図である。この積層構造は、ｎ−ＩｎＰクラッド層１１５、１２５と、光閉じ込め層（図示なし）と、障壁層１１２、１２２と、量子井戸層１１３、１２３と、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１６、１２６とを有している。
活性層１１０、１２０は光の伝搬方向に並んで配設されている。これら活性層１１０、１２０はそれぞれ、互いに厚さの異なる量子井戸層１１３、１２３を有している。この互いに厚さの異なる２つの量子井戸層１１３、１２３においては、厚さが薄い量子井戸層１１３が、厚さが厚い量子井戸層１２３よりも波長の短い利得ピーク波長を有する光を発する。すなわち、第２実施形態の積層構造において、活性層１１０の領域は短波利得領域、活性層１２０の領域は長波利得領域となっているのである。
活性層１１０、１２０の構造はすべてＧａＩｎＡｓＰからなる多重量子井戸構造であり、長波利得領域の利得ピーク波長は１．５７μｍ、短波利得領域の利得ピーク波長は１．５２μｍとなっている。また、多重量子井戸構造の量子井戸層１１３、１２３及び障壁層１１２は、各層の成長時にＳｅが５×１０１７ｃｍ−３の濃度になるように添加されている。
第２実施形態の活性層１１０、１２０の積層構造の製造方法は以下の通りである。
まずｎ−ＩｎＰ基板上にＳｉＮｘを成膜し、通常のフォトリソグラフィ工程を用いて図６に示すようにパターニングをおこなう。ここで、ＳｉＮｘマスクに挟まれた領域Ｉにおいて活性層が選択的に厚く成長して図５に示す長波利得領域に、マスクのない領域ＩＩが短波利得領域となる。反応性イオンエッチング（ＣＦ４ガス）によりＳｉＮｘマスクにパターンを転写する。
フォトレジストを除去したのちに、有機金属気相成長装置（ＭＯＣＶＤ）にて以下に示すように各層の成長を連続しておこなう。ｎ−ＩｎＰバッファ層兼クラッド層１１５、１２５（ｎ＝１×１０１８ｃｍ−３、厚さ：０．５μｍ）、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸構造（量子井戸層厚さ：３．６ｎｍ、障壁層厚さ：１０ｎｍ、障壁層のλｇ＝１．２μｍ、ｐ−ＩｎＰクラッド層（ｐ＝１×１０１８ｃｍ−３、厚さ：０．１μｍ）を順に成長させる。
上記で示した厚さは、前述のＳｉＮｘマスクのない平坦な領域に成長される層の厚さ（膜厚）であり、ＳｉＮｘマスクに挟まれた領域Ｉでは、厚さ（膜厚）がおよそ１．５倍になっている。そのため、長波長利得領域の利得ピーク波長は、短波長利得領域のそれよりも５０ｎｍ長波長側に長くなっている。
以上のような構成とされた第２実施形態に係る積層構造においては、光の伝搬方向に利得ピーク波長が互いに異なる複数の（２つの）量子井戸層１１３、１２３を有し、複数の量子井戸層１１３、１２３はｎ型のドーパントが添加されているので、各量子井戸層１１３、１２３から発せられる光の半値全幅が広くなっている。すなわち、各量子井戸層１１３、１２３から発せられる光の波長帯の裾部が広がっている。このような２つの光の波長帯の重ね合わせが活性層全体から発せられる光となるため、利得帯域幅の広い光を得ることができる。
また、前述の２つの量子井戸層１１３、１２３は、それぞれ利得ピーク波長が互いに接するように形成されていることが好ましい。
上記第２実施形態では、伝搬方向において互いに厚さの異なる複数の量子井戸層１１３、１２３が形成されている場合について説明したが、伝搬方向において互いに組成が異なる複数の量子井戸層が形成されていても良い。
さらには、光の伝搬方向に複数の量子井戸層の厚さまたは組成が離散的に変化していることにより、各厚さまたは各組成に対応する離散的な利得ピーク波長を有する複数の光を発生させて利得帯域を広げる構成としても良い。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。第３実施形態に係る半導体光素子２０１は、半導体光増幅器（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）である。図７は、第３実施形態に係る半導体光素子２０１の概略を示す平面図である。図８は、第３実施形態に係る半導体光素子２０１の概略を示す側面図である。図９は、図７に示す半導体光素子２０１のＡ−Ａ断面図である。
半導体光素子２０１は、活性層２１０が埋め込み型の光導波路とされており、光導波路の入出射端面は、劈開面の法線方向に対して約７°となる曲げ導波路２３０となっている（図７〜９参照）。また、入出射端面には、それぞれ反射率１％以下の無反射コーティング膜２４０が形成されている。導波路長は１ｍｍ、導波路幅（活性層２１０の幅）はシングルモード伝搬を実現するために２μｍである。
また、第３実施形態の半導体光素子が有する活性層２１０は、ＧａＩｎＡｓＰ層からなる。この活性層２１０は、第１実施形態で説明した、積層方向に互いに異なる厚さの量子井戸層を含む構成とされている。また、半導体光素子の具体的な積層構造は、図９に示すように、電極２１１と、ｎ−ＩｎＰクラッド層２１２と、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層２１３と、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層２１４と、ｐ−ＩｎＰクラッド層２１５と、活性層２１０とを備えている。
以上のような構成とされた第３実施形態に係る半導体光素子２０１（ＳＯＡ）によれば、第１実施形態で説明した効果と同様に、利得帯域幅が広いＳＯＡを実現することができる。
なお、第３実施形態では、活性層２１０が積層方向に互いに異なる厚さの量子井戸層を含む場合について説明したが、これに限定されるものではなく、光の伝搬方向において、利得ピーク波長が互いに異なる複数の活性層を含む構成としても良い。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について説明する。第４実施形態に係る半導体光素子３０１は、波長可変レーザである。図１０は、第４実施形態に係る半導体光素子３０１の概略を示す平面図である。
半導体光素子３０１は、１２個の分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ−Ｂａｃｋ：ＤＦＢ）レーザ３１０と、ＤＦＢレーザ３１０から出力された光を導波する複数の導波路３２０と、この複数の導波路３２０からの光を単一導波路に結合する光カプラ３３０と、光カプラ３３０から出力された光を導波する導波路３４０と、導波路３４０から入力された光を増幅して出力するＳＯＡ３５０と、ＳＯＡ３５０から出力された光を導波する導波路３６０と備えている。
ＤＦＢレーザ３１０、光カプラ３３０、ＳＯＡ３５０と、それらをつなぐ導波路３２０、３４０、３６０とは、すべて埋め込み構造とされている。ＤＦＢレーザ３１０とＳＯＡ３５０とは、同一の構成の量子井戸層と障壁層とを有し、導波路３２０と光カプラ３３０は吸収損の小さい透明導波路とされている。
１２個のＤＦＢレーザ３１０は、それぞれ約３．５ｎｍの波長差で発振するように回折格子が形成され、動作温度を中心温度（例えば４０℃）±２０℃で制御することで、それぞれのＤＦＢレーザ３１０において±２ｎｍの範囲で波長制御を実現している。それぞれのＤＦＢレーザ３１０の発振波長が３．５ｎｍずつ異なっているため、ある特定のＤＦＢレーザ３１０を発振させ、素子全体を所望の温度に保つことで、約４０ｎｍに亘る波長範囲の中から任意の波長だけを得ることができる。
第４実施形態においては、ＤＦＢレーザ３１０とＳＯＡ３５０とのすべての活性層が同一であるため、長波長側での特性が中心付近の波長に比べて劣ることがある。例えば、ＳＯＡでは電流の注入により利得ピークがＤＦＢレーザから出力される光よりも短波長側にシフトすることがある。そのため短波長側では十分な利得が得られるが、長波長側で利得が飽和しやすい。したがって、これらの波長領域で十分な高出力を得るためにはＳＯＡへの注入電流を大きくする必要がある。そこで、第４実施形態においては、ＤＦＢレーザ３１０及びＳＯＡ３５０の活性層が含む量子井戸層を６層からなる構造とされ、量子井戸層は歪量１％、下側３層の厚さが５．８ｎｍ、上側３層の厚さが４．０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層、障壁層は歪量：−０．３％、λｇ＝１．２μｍ、厚さ１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層とされている。また、これらの量子井戸層及び障壁層は、Ｓｅが５×１０１７ｃｍ−３の濃度で添加されている。
量子井戸層のＧａＩｎＡｓＰのλｇは６層とも同一であり、フォトルミネッセンス（ＰＬ）測定による発光ピーク波長が、厚さ５．５ｎｍの量子井戸層で１．５６μｍ、厚さ３．６ｎｍで１．５１μｍとなるように調整した。また、すべての量子井戸層及び障壁層はＳｅがｎ＝５×１０１７ｃｍ−３の濃度で添加されている。
以上のような構成とされた第４実施形態に係る半導体光素子３０１（波長可変レーザ）によれば、ＳＯＡ３５０の利得帯域幅を、ＤＦＢレーザ３１０を波長変化させる４０ｎｍの範囲よりも広くできるので、ＤＦＢレーザ３１０を波長変化させる範囲において、上述した利得飽和の影響の発生を抑制または防止し、十分な高出力を得ることができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について説明する。第５実施形態に係る半導体光素子４０１は、モード同期レーザである。図１１は、第５実施形態に係る半導体光素子４０１の概略を示す側面図である。
半導体光素子４０１は、活性層が埋め込み型の光導波路になっており、光の伝搬方向に沿って互いに厚さの異なる量子井戸層４１３、４２３、４３３を有する三つの活性層４１０、４２０、４３０を有している。図１１に示すように、左側の活性層４１０は可飽和吸収領域（導波路長１００μｍ）、中央の活性層４２０は短波利得領域（導波路長４００μｍ）、右側の活性層４３０は長波利得領域（導波路長４００μｍ）となっている。
これらの活性層４１０、４２０、４３０は、ｎ−Ｉｎｐクラッド層４１５とｐ−ＩｎＰクラッド層４１６とによって挟まれており、ｎ−ＩｎＰクラッド層４１５の下面に下部電極（ｎ側電極）４１１が形成され、ｐ−ＩｎＰクラッド層４１６の上面には上部電極（ｐ側電極）４１２が形成されている。また半導体光素子４０１は、可飽和吸収領域と利得領域とで十分な電気的な分離抵抗を得るために、ｐ−ＩｎＰクラッド層４１６の一部をエッチングした分離溝４１７が設けられている。
活性層４１０、４２０、４３０はすべてＧａＩｎＡｓＰ層からなる多重量子井戸構造であり、この構造は、上述した第２実施形態と同様に、基板の一部に幅の異なるマスクを形成した選択領域成長方法を用いて製造されている。また多重量子井戸構造はＳｅがｎ＝５×１０１７ｃｍ−３の濃度で添加されている。それぞれの領域において、フォトルミネッセンス（PL）により測定された発光ピーク波長は、可飽和吸収領域で１．４５μｍ、長波利得領域で１．５６μｍ、短波利得領域で１．５１μｍである。
以上のような構成とされた第５実施形態に係る半導体光素子４０１は、過飽和吸収領域をＱスイッチングすることによりモード同期レーザとして動作するが、第２実施形態で説明した効果と同様に、帯域幅が広い光を出力することができる。
なお、上記の実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
（実施例１）
次に本発明の効果を確認するために行った実施例１〜５について説明する。まず実施例１について説明する。実施例１では、表１に示すように、量子井戸層の層数と厚さ、ｎ型のドーピング濃度を設定して評価対象となる積層構造を製造した。
Figure 2016143579
発明例１として、第１実施形態で説明した活性層１０を有する積層構造を製造した。
比較例１として、量子井戸層の厚さを６．０ｎｍの４層とし、量子井戸層及び障壁層にｎ型のドーパントを添加していない積層構造を製造した。
比較例２として、量子井戸層の数及び厚さは発明例１と同じにして、量子井戸層及び障壁層にｎ型のドーパントを添加していない積層構造を製造した。
比較例３として、量子井戸層の厚さを６．０ｎｍの４層とし、量子井戸層及び障壁層に発明例１と同様のｎ型のドーパントを添加した（ｎ＝５×１０１７ｃｍ−３）積層構造を製造した。
なお、比較例１〜３は、その他の構成については発明例１と同じ構成とした。
上述の積層構造は、すべてｎ−ＩｎＰ基板上に有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法で成長させて作成したファブリペローレーザ構造を用いて利得波長帯を測定した。利得スペクトルの測定結果を図１２に示す。なお、図１２において、両矢印で示される波長の幅は、半値全幅を示している。
図１２より、次のことがわかる。発明例１は、最も半値全幅（利得半値全幅）が広く、ピークは単一であり、かつ利得波長帯が平坦化している。また、比較例１は、利得のピーク強度はもっとも高いが、最も半値全幅が狭い。比較例２は２つの明瞭な利得ピークが観測され、半値全幅は発明例１に比べて狭い。比較例３は、半値全幅は比較例２よりも広いが、利得波長帯の平坦性は実施例１よりも劣る。
このように、厚さ（利得ピーク波長）が異なりかつｎ型のドーパントが添加された量子井戸層を積層構造が有することで、利得帯域幅が広く、かつ平坦な光を得ることができる。
次いで、発明例１に対して、ｎ型のドーパントのドーピング濃度を変化させ、利得半値全幅を測定した結果を図１３に示す。横軸はドーピング濃度、縦軸は利得波長帯の半値全幅である。ノンドープのものは比較例２を測定したときの結果である。１×１０１７ｃｍ−３以上の濃度でｎ型のドーパントを添加した積層構造では、半値全幅の拡大が確認された。また、平坦性についても１×１０１７ｃｍ−３以上で良好となることが確認され、特に、５×１０１７ｃｍ−３以上では下に凸のスペクトル形状が見られなかった。
（実施例２）
次に、実施例２について説明する。実施例２では、発明例２として、第２実施形態で説明した積層構造を製造した。
また、比較例４として、第２実施形態においてＳｉＮｘマスクを用いずに、厚さ４．５ｎｍの均一な量子井戸構造を有し、かつ量子井戸構造がｎ型のドーパントを添加していない活性層を作製した。その後、ＳｉＮｘマスクを除去した後に、ｐ−ＩｎＰクラッド層（ｐ＝１×１０１８ｃｍ−３、厚さ１．０μｍ）、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰキャップ層（λg＝１．３μｍ、厚さ０．５μｍ）を積層した。比較例４は、伝搬方向に対して利得波長がほぼ均一である。比較例４の活性層もＧａＩｎＡｓＰからなる多重量子井戸構造であり、利得ピーク波長は１．５６μｍであり、活性層の不純物濃度は１×１０１６ｃｍ−３以下である。比較例４のその他の構成については、発明例２と同一の構成とした。
発明例２の積層構造の光の利得波長帯の測定結果を図１４に示す。図１４に示すように、発明例２は単一のピークを有し、かつ広い半値全幅を有するのに対して、比較例４は発明例２と比較して半値全幅が狭くなった。
（実施例３）
次に実施例３について説明する。発明例３の活性層は、前述の発明例１と同様に、互いに異なる厚さの量子井戸層を含むｎ型のドーパントが添加された多重量子井戸構造とした。具体的には、第３実施形態で説明した半導体光素子２０１（ＳＯＡ）を発明例３とした。
比較例５として、前述の比較例１と同様な均一な厚さ、かつｎ型のドーパントを添加していない量子井戸層を有する半導体光素子（ＳＯＡ）を作製した。比較例５のその他の構成については発明例３と同じ構成とした。
これらの素子に５００ｍＡの電流を注入し、入射波長を変化させて得られた出力光強度から、それぞれの利得スペクトルを求めた結果を図１５に示す。図１５に示す通り、発明例３は単一のピークを有し、かつ利得の半値全幅（利得がピークの半分になる波長幅）は１３０ｎｍであるのに対し、比較例５は５０ｎｍであった。すなわち、発明例３では、８０ｎｍの半値全幅の拡大の効果が得られた。
（実施例４）
次に実施例４について説明する。発明例４として、第４実施形態で説明した半導体光素子３０１（波長可変レーザ）を製造した。
比較例６として，量子井戸層を厚さが４．５ｎｍでＰＬピーク波長が１．５４μｍとなる均一な６層とし、また井戸層及び障壁層（多重量子井戸構造）をノンドープとした構造の半導体光素子を作製した。比較例６の他の構成については、発明例４と同じ構成とした。
発明例４の素子における電流帯光出力特性を図１６に示す。この結果は素子温度４０℃における、３個のＤＦＢレーザ（波長：１．５３０μｍ、１．５５０μｍ、１．５６５μｍ）それぞれについて測定をした結果である。同様にして行った比較例６の光出力特性の結果を図１７に示す。このように発明例４ではＤＦＢごとの光出力に大きな相違は見られなかったが、比較例６においては、長波長側の素子で出力が低くなる傾向が見られた。この波長依存性は波長可変レーザに固有のものではなく、他の半導体光素子においても同様の傾向があることが確認された。
（実施例５）
次に、実施例５について説明する。発明例５として、第５実施形態の半導体光素子４０１を製造した。
また、比較例７として、２つの利得領域が同じＰＬピーク波長（１．５４μｍ）を持ち、多重量子井戸構造にドーピングが行われていない同様な構造の半導体光素子（モード同期レーザ）を製作し、その発振スペクトルの比較をおこなった。比較例７の他の構成については、発明例５と同じ構成とした。
レーザ発振をさせるためには、長波利得領域と短波利得領域に電流注入をおこない、可飽和吸収領域に４０ＧＨｚの変調信号電圧を印加している。測定の結果、図１８のような発振スペクトルが得られ、どちらの構造でも可飽和吸収領域に印加した４０ＧＨｚの周波数を隔てて、等間隔でピークを持つスペクトルになっていた。発明例６のスペクトルは、比較例７よりも広い波長帯域でそれぞれのピーク強度が揃っており、利得平坦化及び利得全幅の拡大の効果が得られていることが確認された。
なお、本発明に係る半導体光素子は、量子井戸層にｎ型のドーパントが添加されていれば、導電型がｎ型でなくても利得帯域幅の拡大の効果を発揮する。したがって、たとえば、量子井戸層にｎ型およびｐ型のドーパントの両方が添加され、その導電型がｐ型となっている場合も、利得帯域幅の拡大の効果が得られる。
以上のように、本発明に係る半導体光素子は、たとえば半導体レーザ素子に適用して好適なものである。
１０、１１０、１２０、２１０、４１０、４２０、４３０ 活性層
１１ 光閉じ込め層
１２ 、１１２、１２２ 障壁層
１３、１１３、１２３、４１３、４２３、４３３ 量子井戸層
１４ 光閉じ込め層
１１５、１２５、２１２、４１５ ｎ−ＩｎＰクラッド層
１１６、１２６、２１５、４１６ ｐ−ＩｎＰクラッド層
２０１、３０１、４０１ 半導体光素子
２１１ 電極
２３０ 曲げ導波路
２４０ 無反射コーティング膜
３１０ 分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）
３２０、３４０、３６０ 導波路
３３０ 光カプラ
３５０ ＳＯＡ
４１１ 下部電極（ｎ側電極）
４１２ 上部電極（ｐ側電極）
４１７ 分離溝

Claims (17)

  1. 量子井戸層を含む活性層を備えた半導体光素子であって、
    前記活性層は、積層方向に利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層を有し、
    前記複数の量子井戸層には、ｎ型のドーパントが添加されていることを特徴とする半導体光素子。
  2. 前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層は、それぞれ厚さまたは組成が異なることを特徴とする請求項１に記載の半導体光素子。
  3. 前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層の数は２であることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体光素子。
  4. 前記複数の量子井戸層から発せられる光は、少なくとも第１の波長帯及び該第１の波長帯よりも長い波長帯である第２の波長帯を有し、
    前記第１の波長帯の長波長側の裾部が、前記第２の波長帯の短波長側の裾部へ重ね合わされていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  5. 量子井戸層を含む活性層を備えた半導体光素子であって、
    前記活性層は光の伝搬方向に複数配設されており、前記複数の活性層は、光の伝搬方向において、利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層を有し、
    前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層には、ｎ型のドーパントが添加されていることを特徴とする半導体光素子。
  6. 前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層は、光の伝搬方向に厚さまたは組成が異なっていることを特徴とする請求項５に記載の半導体光素子。
  7. 前記利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層の数は２であることを特徴とする請求項５または６に記載の半導体光素子。
  8. 前記量子井戸層から発せられる光は、少なくとも第１の波長帯及び該第１の波長帯よりも長い波長帯である第２の波長帯を有し、
    前記第１の波長帯の長波長側の裾部が、前記第２の波長帯の短波長側の裾部へ重ね合わされていることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  9. 前記光の伝搬方向において、前記活性層の厚さまたは組成が離散的に変化していることにより、各厚さまたは各組成に対応する利得ピーク波長を有する光が複数発生していることを特徴とする請求項５から８のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  10. 前記活性層は、積層方向に利得ピーク波長が互いに異なる複数の量子井戸層を有することを特徴とする請求項５から９のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  11. 当該半導体光素子の波長に対する利得曲線における、短波側の下落曲線と長波側の下落曲線の間の利得が正であることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  12. 当該半導体光素子の波長に対する利得曲線における、短波側の下落曲線と長波側の下落曲線の間の利得曲線は、前記短波側の下落曲線と前記長波側の下落曲線よりも高くならないことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  13. 当該半導体光素子の波長に対する利得曲線における、短波側の下落曲線は、長波側の下落曲線よりも下落度が急峻であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  14. 当該半導体光素子の波長に対する利得曲線は、単一のピークを有することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  15. 前記ｎ型のドーパントのドーピング濃度は、１×１０１７ｃｍ−３〜５×１０１８ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載の半導体光素子。
  16. 前記ｎ型のドーパントのドーピング濃度は、３×１０１７ｃｍ−３〜３×１０１８ｃｍ−３であることを特徴とする請求項１５に記載の半導体光素子。
  17. 前記ｎ型のドーパントが添加されている複数の量子井戸層の導電型はｎ型であることを特徴とする請求項１から１６のいずれか一項に記載の半導体光素子。
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