光半導体装置
【課題】光の波長変動に対する利得の変動を抑制した光半導体装置を提供する。
【解決手段】基板１の上に形成される下部クラッド層３と、前記下部クラッド層３の上に形成される量子井戸層及びバリア層からなる多重量子井戸構造を含む活性層２と、前記活性層２の上に形成される上部クラッド層４とを備え、前記多重量子井戸構造において、少なくとも１つの量子井戸層が他の量子井戸層とは異なる井戸幅を有することにより、前記量子井戸構造における利得スペクトルの幅が広がるようにした。
【解決手段】基板１の上に形成される下部クラッド層３と、前記下部クラッド層３の上に形成される量子井戸層及びバリア層からなる多重量子井戸構造を含む活性層２と、前記活性層２の上に形成される上部クラッド層４とを備え、前記多重量子井戸構造において、少なくとも１つの量子井戸層が他の量子井戸層とは異なる井戸幅を有することにより、前記量子井戸構造における利得スペクトルの幅が広がるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のインターネットの爆発的な普及により、通信速度の大幅な向上が求められ、それに対応する技術として波長多重伝送技術（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が開発されてきた。ＷＤＭ伝送では、統一規格で定められた光の波長ごとに情報を伝送する。
【０００３】
特に、光ファイバの損失が最小となる光の波長１．５５μｍ付近では、最小０．８ｎｍ間隔で波長を使用するため、その光源には厳しい波長制御性が求められる。これらの光源には、低消費電力で動作し、波長安定性の良い半導体レーザが用いられている。しかし、用いる波長ごとに半導体レーザを用意するとコストが大きくなるので、１台で複数の波長をカバーできる波長可変半導体レーザがこれまで開発されてきた。
【０００４】
このような波長可変半導体レーザ等の光半導体装置は、半導体混晶基板を用いて形成され、その基板上に結晶を成長する工程などを経て完成される。その結晶成長の際には、基板材料と格子定数が整合する材料を選択することが多いが、格子定数が異なった材料からなる歪量子井戸層も使用されている。
【０００５】
歪量子井戸層は、多元系材料の組成をバリア層や基板と格子整合しない条件にするとともに、その膜厚を薄くして、強制的に基板と同じ格子定数になるようにしたものである。このような歪量子井戸層は、例えば半導体レーザの活性層に適用されており、歪を加えることによってエネルギーバンド構造の状態密度が変化し、半導体レーザの特性が向上する。また、光出力の向上のために、複数の歪量子井戸層を、バリア層を隔てて成長する多重量子井戸構造が多くの半導体レーザで採用されている（下記非特許文献１参照）。
【０００６】
このような多重量子井戸構造を含む活性層付近に、所望の波長に対してブラッグの回折条件を満足する回折格子を形成することで、電流を注入した際に、その波長で発振する半導体レーザとなる。波長可変レーザでは、一般に、この回折格子部や、外部に付加した位相調整領域に、電流や電圧を印加することで、回折格子のブラッグ波長を変化させ、発振する波長を変化させる。
【０００７】
【非特許文献１】Ｊｏａｃｈｉｍ Ｐｉｐｒｅｋ、Ｊ． Ｋｅｎｔｏｎ Ｗｈｉｔｅ、Ａｎｔｈｏｎｙ Ｊ． ＳｐｒｉｎｇＴｈｏｒｐｅ、“Ｗｈａｔ Ｌｉｍｉｔｓ ｔｈｅ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｗｅｒ ｏｆ Ｌｏｎｇ‐Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ？”、ＩＥＥＥ ＪＯＵＭＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ ２００２、ＶＯＬ．３８、ＮＯ．９、ｐ．１２５３−１２５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、後述するように、ある多重量子井戸構造に対する利得は、利得がピークとなる波長からずれると、その利得が急激に減少する。そのため、波長可変レーザでは、駆動波長が利得のピーク波長から離れるに従い、光出力が急激に減少し、外部に半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などを接続して出力の均一化を図る必要がある。また、ＳＯＡ自体も増幅性能に波長依存性をもつため、波長の可変幅が広くなるほど、複雑な制御回路が必要となる。
【０００９】
以上のことから、本発明は、光の波長変動に対する利得の変動を抑制した光半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る光半導体装置は、
基板の上に形成される下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成される量子井戸層及びバリア層からなる多重量子井戸構造を含む活性層と、
前記活性層の上に形成される上部クラッド層と
を備え、
前記多重量子井戸構造において、少なくとも１つの量子井戸層が他の量子井戸層とは異なる井戸幅を有することにより、前記量子井戸構造における利得スペクトルの幅が広がる
ことを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決するための第２の発明に係る光半導体装置は、第１の発明に係る光半導体装置において、
前記多重量子井戸構造中で最大及び最小井戸幅をもつ量子井戸層の井戸幅の差が２〜６ｎｍである
ことを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決するための第３の発明に係る光半導体装置は、第１の発明又は第２の発明に係る光半導体装置において、
前記活性層の量子井戸層数が２〜２０層である
ことを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決するための第４の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第３の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記多重量子井戸構造中の量子井戸層には、利得が最大となる波長を１．５〜１．６μｍとする材料が選択され、その波長を達成する厚み及び歪を有している
ことを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決するための第５の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第４の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記多重量子井戸構造の両側に絶縁体で埋め込む場合、ルテニウムをドーピングした埋め込み層を用いる
ことを特徴とする。
【００１５】
上記の課題を解決するための第６の発明に係る光半導体装置は、
第１の発明から第５の発明のいずれかひとつに記載の光半導体装置が波長可変レーザである
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光の波長変動に対する利得の変動を抑制した光半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る光半導体装置の種々の実施例について図を用いて説明する。ここで、本発明に係る光半導体装置の半導体層構造について説明する。図１は、本発明に係る光半導体装置の半導体層構造を示した図である。図１に示すように、本発明に係る光半導体装置の半導体層構造は、ＩｎＰ基板１、バリア層及び量子井戸層からなる多重量子井戸構造を含む活性層２、下部クラッド層３及び上部クラッド層４からなっている。
【実施例１】
【００１８】
次に、本発明に係る光半導体装置の第１の実施例について説明する。
図２は、本発明に係る半導体レーザの構造を示した縦方向断面図である。図２に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に形成した厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、下部クラッド層３の上に形成したＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層及びＩｎＧａＡｓＰバリア層からなる３層の多重量子井戸構造を含む活性層２、活性層２の上に形成したブラッグ波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ回折格子層５、回折格子層５の上に形成した厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４からなっている。なお、活性層２の量子井戸層数は、本実施例では３層としたが、２〜２０層の間で適宜選択することが可能である。
【００１９】
本実施例では、下部クラッド層３、上部クラッド層４及びＩｎＧａＡｓＰバリア層に対しては、基板１との歪が０となるような組成とし、バリア層厚は１０ｎｍとしている。また、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層に対しては１％の圧縮歪が加えられる。なお、活性層２、下部クラッド層３及び上部クラッド層４は、Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により種々の組成比で組成することが可能である。
【００２０】
また、図３は、本発明に係る半導体レーザの構造を示した横方向断面図である。図３に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、上述した下部クラッド層３、活性層２、回折格子層５及び上部クラッド層４からなる積層構造の両側に、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶を用いた埋め込み層６を備えている。ここで、縦方向及び横方向はそれぞれ、光の進行方向に平行及び垂直な方向を表す。なお、本発明に係る量子井戸層の特性は、半導体量子井戸層の特性を極めて良く予測するｋ・ｐ摂動理論を用いて算出している。
【００２１】
図１４は、従来のＩｎ0.77Ｇａ0.23Ａｓ0.8Ｐ0.2量子井戸層（８ｎｍ）及びＩｎ0.79Ｇａ0.21Ａｓ0.46Ｐ0.54バリア層をもつ３層均一多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を示した図である。これらの組成に対して、図１４に示す量子井戸層のバンドギャップ波長はλw＝１．７０５μｍ、バリア層のバンドギャップ波長は１．２μｍとなっている。以後、半導体混晶の組成比は歪とバンドギャップ波長によって特定することとし、組成比を直接には述べない。なお、組成比は設定する歪とバンドギャップ波長に応じて適宜数値を設定するものとする。
【００２２】
図１５は従来の多重量子井戸構造に対する、ピーク利得が半導体レーザの典型的なしきい値である１０００ｃｍ-1となるキャリア密度（１．８５×１０18ｃｍ-3）の場合の利得スペクトルを示した図である。図１５に示すように、波長１．５５μｍをピークとして、そこから外れると利得が急激に減少している。ピーク利得から１０％減少した場合の波長幅をΔλcと定義すると、この場合Δλcは３２ｎｍ程度である。
【００２３】
図１６は、従来の半導体レーザにおいてしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-1とした場合の、半導体レーザのしきい値電流の発振波長依存性を示した図である。ここで、縦軸は発振波長１．５５μｍのときの値で規格化している。図１６からわかるように、発振波長が中心波長からずれると、２０ｎｍ長波側では、しきい値電流が１５％増しとなり、大幅に増加するという問題がある。
【００２４】
図４は、本発明に係る多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を示した図である。図４に示すように、上述した問題を解決するために、本発明では、多重量子井戸構造中の各量子井戸層の井戸幅を不均一にする。量子井戸層がＮ個ある場合、各量子井戸層の井戸幅を基板１（図２参照）側から順番にＬw1、Ｌw2・・・ＬwNとし、その中で最大及び最小の井戸幅の差をΔＬwとする。
【００２５】
図５は、本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、４、５、６ｎｍの場合のピーク利得が１０００ｃｍ-1となるキャリア密度での利得スペクトルを示した図である。ここで、ΔＬw＝０の構造では井戸幅は全て８ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７０５μｍ、ΔＬw＝４ｎｍの構造では、Ｌw1＝６ｎｍ、Ｌw1＝８ｎｍ、Ｌw1＝１０ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７４μｍ、ΔＬw＝５ｎｍの構造では、Ｌw1＝５．５ｎｍ、Ｌw1＝８ｎｍ、Ｌw1＝１０．５ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７２５μｍ、ΔＬw＝６ｎｍの構造では、Ｌw1＝５ｎｍ、Ｌw1＝８ｎｍ、Ｌw1＝１１ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７μｍである。
【００２６】
図５より、ΔＬwが大きくなるほど、利得スペクトルが広がっていくのがわかる。これは、井戸幅の異なるそれぞれの量子井戸層のピーク利得における波長が異なるためである。なお、ここでは、各量子井戸層の井戸幅を基板１（図２参照）側から線形に増大させているが、各量子井戸層への井戸幅の重み付けの形は他のそのようなものであっても良い。
【００２７】
図６は、本発明に係る多重量子井戸構造における量子井戸層の井戸層波長の重み付けの仕方の例を示した図である。図６に示すように、例えば、基板１（図２参照）とは反対側の量子井戸層から線形に増大させても、線形ではなく放物線状であっても、最大あるいは最小井戸幅をもつ量子井戸層が両端の量子井戸層でなくてもかまわない。
【００２８】
図７は、本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔλcのΔＬw依存性を示した図である。図７に示すように、ΔＬwを増加させると、利得スペクトルの幅は最初放物線状に増加し、ΔＬwが２ｎｍ程度から単調に増加していくが、６ｎｍを超えると不安定になる。これはあまりΔＬwを大きくしすぎると、各量子井戸層間でのピーク利得の波長の差が大きくなりすぎて、全体でのピーク利得波長が不安定になるためである。なお、ここでは、中心波長を１．５５μｍとなるような井戸層厚としているが、他の井戸層厚でもまったく同様の効果を得ることができる。
【００２９】
図８は、本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、４、５、６ｎｍの場合の半導体レーザのしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-１としたときの、しきい値電流の波長依存性を示した図である。なお、井戸層厚、バンドギャップ波長は図５の場合と同じである。ΔＬwを大きくすることで、波長変化に対するしきい値の変動を大幅に抑えることが可能なことがわかる。ここで、図８に示す波長１．５５μｍを中心とした±２０ｎｍの範囲で、最大のしきい値電流と最小のしきい値電流との差をΔＩとする。
【００３０】
図９は、本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔＩのΔＬw依存性を示した図である。図９から、ΔＩはΔλ＝５ｎｍ付近で最小値をもつことがわかり、ΔＬw＝２〜６ｎｍの範囲で、しきい値電流の波長無依存化に大きな効果がある。しきい値電流の変動は、従来の構造に対して約１５％であるのに対し、本発明ではΔＬw＝４、５、６ｎｍに対して、５．９％、１．５％、１０％と大幅に減少可能である。
【００３１】
以上のように、多重量子井戸構造中のそれぞれの量子井戸層の井戸幅を不均一とし、その変動量を２〜６ｎｍとすることで、出力波長を安定させつつ、波長可変レーザで問題となる光出力の変動を１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で従来の１０分の１に低減することが可能となる。
【００３２】
言い換えれば、中心発振波長におけるしきい値電流が１０ｍＡである従来の波長可変レーザでは、しきい値電流の変動が発振波長１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で１０〜１１．５ｍＡであるのに対し、本発明では１０〜１０．１５ｍＡまで低減することが可能となる。なお、しきい値電流の変動は、発振波長１．５μｍ〜１．６μｍ程度であれば許容の範囲内である。
【実施例２】
【００３３】
次に、本発明に係る光半導体装置の第２の実施例について説明する。
本発明の第２の実施例で示すＳＯＡの構造は第１の実施例の構造から、回折格子の層を除いたものである。図８より、多重量子井戸構造中のそれぞれの量子井戸層の井戸幅を不均一とし、その変動量を２〜６ｎｍとすることで、ＳＯＡで問題となる利得の波長依存性を発振波長１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で従来の１０分の１に低減することが可能となる。なお、発振波長は１．５μｍ〜１．６μｍ程度であれば許容の範囲内である。
【実施例３】
【００３４】
次に、本発明に係る光半導体装置の第３の実施例について説明する。
図２は、本発明に係る半導体レーザの構造を示した縦方向断面図である。図２に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に形成した厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、下部クラッド層３の上に形成したＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる３層の多重量子井戸構造を含む活性層２、活性層２の上に形成したブラッグ波長１．５５μｍのＩｎＡｌＧａＡｓ回折格子層５、回折格子層５の上に形成した厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４からなっている。なお、活性層２の量子井戸層数は、本実施例では３層としたが、２〜２０層の間で適宜選択することが可能である。
【００３５】
本実施例では、下部クラッド層３、上部クラッド層４及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層に対しては、基板１との歪が０となるような組成とし、バリア層厚は１０ｎｍとしている。また、ＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層に対しては１％の圧縮歪が加えられる。なお、活性層２、下部クラッド層３及び上部クラッド層４は、Ｉｎ1-x-yＡｌxＧａyＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により種々の組成比で組成することが可能である。
【００３６】
また、図３は、本発明に係る半導体レーザを示した横方向断面図である。図３に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、上述した下部クラッド層３、活性層２、回折格子層５及び上部クラッド層４からなる積層構造の両側に、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶を用いた埋め込み層６を備えている。ここで、縦方向及び横方向はそれぞれ、光の進行方向に平行及び垂直な方向を表す。
【００３７】
図１０は、本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、３、４、５ｎｍの場合のピーク利得が１０００ｃｍ-1となるキャリア密度での利得スペクトルを示した図である。ここで、ΔＬw＝０の構造では井戸幅は全て８ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７２μｍ、ΔＬw＝３ｎｍの構造では、ΔＬw＝６ｎｍ、Ｌｗ1＝１０ｎｍ、Ｌｗ1＝８ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７５５μｍ、ΔＬw＝４ｎｍの構造では、Ｌw1＝５．５ｎｍ、Ｌw1＝１０．５ｎｍ、Ｌw1＝８ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７７５μｍ、ΔＬw＝５ｎｍの構造では、Ｌw1＝５ｎｍ、Ｌw1＝１１ｎｍ、Ｌw1＝８ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７２μｍである。
【００３８】
図１０に示すように、本実施例では第１の実施例の場合と同様に、ΔＬwが大きくなるほど、利得スペクトルが広がっていくのがわかる。なお、ここでは、第１の実施例の場合とは異なり、各量子井戸層の井戸幅の重み付けの仕方を、中心の量子井戸層の井戸幅が最も広くなるように変更している（図６（ｃ）参照）。
【００３９】
図１１は、本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔλcのΔＬw依存性を示した図である。図１１に示すように、ΔＬwを増加させると、第１の実施例と同様に利得スペクトルの幅は最初放物線的に増加し、ΔＬwが２ｎｍ程度から単調に増加していくが、６ｎｍを超えると不安定になる。
【００４０】
図１２は、本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、３、４、５ｎｍの場合の半導体レーザのしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-1としたときの、しきい値電流の波長依存性を示した図である。井戸層厚、バンドギャップ波長は図１０の場合と同じである。
【００４１】
図１３は、本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔＩのΔＬw依存性を示した図である。図１３から、ΔＩはΔＬw＝４ｎｍ付近で最小値をもつことがわかり、ΔＬw＝２〜６ｎｍの範囲で、しきい値電流の波長無依存化に大きな効果がある。しきい値電流の変動は、従来の構造に対して１９％であるのに対し、本発明ではΔＬw＝３、４、５ｎｍに対して、６％、４．７％、１２％と大幅に減少可能である。
【００４２】
言い換えれば、中心発振波長におけるしきい値電流が１０ｍＡである従来の波長可変レーザでは、しきい値電流の変動が発振波長１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で１０〜１１．９ｍＡであるのに対し、本発明では１０〜１０．４７ｍＡまで低減することが可能となる。なお、しきい値電流の変動は、発振波長１．５μｍ〜１．６μｍ程度であれば許容の範囲内である。
【実施例４】
【００４３】
次に、本発明に係る光半導体装置の第４の実施例について説明する。
本発明の第４の実施例で示すＳＯＡの構造は第３の実施例の構造から、回折格子の層を除いたものである。図１２より、多重量子井戸構造中のそれぞれの量子井戸層のバンドギャップ波長を不均一とし、その変動量を２〜６ｎｍとすることで、ＳＯＡで問題となる利得の波長依存性を発振波長１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で従来の４分の１に低減することが可能となる。なお、発振波長は１．５μｍ〜１．６μｍ程度であれば許容の範囲内である。
【実施例５】
【００４４】
次に、本発明に係る光半導体装置の第５の実施例について説明する。
図２は、本発明に係る半導体レーザを示した縦方向断面図である。図２に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に形成した厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、下部クラッド層３の上に形成したＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる３層の多重量子井戸構造を含む活性層２、活性層２の上に形成したＩｎＡｌＧａＡｓ回折格子層５、回折格子層５の上に形成した厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４からなっている。なお、活性層２の量子井戸層数は、本実施例では３層としたが、２〜２０層の間で適宜選択することが可能である。
【００４５】
本実施例では、下部クラッド層３、上部クラッド層４及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層に対しては、基板１との歪が０となるような組成とし、バリア層厚は１０ｎｍとしている。また、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層に対しては１％の引張歪が加えられ、バンドギャップ波長を１．７μｍ（Ｇａ0.58Ｉｎ0.42Ｎ0.01Ａｓ0.99）としている。また、井戸層厚に関しては、下部クラッド層３側から順に井戸層厚を６、８、１０ｎｍとしている。なお、活性層２は、ＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とし、下部クラッド層３及び上部クラッド層４は、ＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y、Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y又はＩｎ1-x-yＡｌxＧａyＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により種々の組成比で組成することが可能である。
【００４６】
また、図３は本発明に係る半導体レーザを示した横方向断面図である。図３に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、上述した下部クラッド層３、活性層２、回折格子層５、上部クラッド層４からなる積層構造の両側に、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶を用いた埋め込み層６を備えている。ここで、縦方向及び横方向はそれぞれ、光の進行方向に平行及び垂直な方向を表す。本実施例で得られる効果は第１及び第３の実施例と同様である。
【実施例６】
【００４７】
次に、本発明に係る光半導体装置の第６の実施例について説明する。
本発明の第６の実施例で示すＳＯＡの構造は第５の実施例の構造から、回折格子の層を除いたものである。本実施例で得られる効果は第２及び第４の実施例と同様である。
【００４８】
以上のように、本発明によれば、多重量子井戸構造中のそれぞれの量子井戸層の井戸幅を不均一とし、その変動量を２〜６ｎｍとすることで、波長可変レーザに対しては、出力波長を安定させつつ、波長可変レーザで問題となる光出力の変動を１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で従来の１０分の１に低減することが可能となる。また、ＳＯＡに対しては、ＳＯＡで問題となる利得の波長依存性を発振波長１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で従来の１０分の１に低減することが可能となる。なお、発振波長は１．５μｍ〜１．６μｍ程度であれば許容の範囲内である。
【００４９】
なお、以上では、光の波長１．５５μｍ付近のレーザをターゲットとしたが、他の波長帯（１．３μｍ帯、２〜３μｍ帯など）のレーザに対しても、まったく同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、例えば、光半導体装置、特に歪量子井戸層を有する半導体レーザや半導体光増幅器のような光半導体装置に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る光半導体装置の半導体層構造を示した図である。
【図２】本発明に係る半導体レーザの構造を示した縦方向断面図である。
【図３】本発明に係る半導体レーザの構造を示した横方向断面図である。
【図４】本発明に係る多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を示した図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、４、５、６ｎｍの場合のピーク利得が１０００ｃｍ-1となるキャリア密度での利得スペクトルを示した図である。
【図６】本発明に係る多重量子井戸構造における量子井戸層の井戸層波長の重み付けの仕方の例を示した図である。
【図７】本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔλcのΔＬw依存性を示した図である。
【図８】本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、４、５、６ｎｍの場合の半導体レーザのしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-１としたときの、しきい値電流の波長依存性を示した図である。
【図９】本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔＩのΔＬw依存性を示した図である。
【図１０】本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、３、４、５ｎｍの場合のピーク利得が１０００ｃｍ-1となるキャリア密度での利得スペクトルを示した図である。
【図１１】本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔＩのΔＬw依存性を示した図である。
【図１２】本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、３、４、５ｎｍの場合の半導体レーザのしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-1としたときの、しきい値電流の波長依存性を示した図である。
【図１３】本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔＩのΔＬw依存性を示した図である。
【図１４】従来のＩｎ0.77Ｇａ0.23Ａｓ0.8Ｐ0.2量子井戸層（８ｎｍ）及びＩｎ0.79Ｇａ0.21Ａｓ0.46Ｐ0.54バリア層をもつ３層均一多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を示した図である。
【図１５】従来の多重量子井戸構造に対する、ピーク利得が半導体レーザの典型的なしきい値である１０００ｃｍ-1となるキャリア密度（１．８５×１０18ｃｍ-3）の場合の利得スペクトルを示した図である。
【図１６】従来の半導体レーザにおいてしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-1とした場合の、半導体レーザのしきい値電流の発振波長依存性を示した図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 基板
２ 活性層
３ 下部クラッド層
４ 上部クラッド層
５ 回折格子層
６ 埋め込み層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のインターネットの爆発的な普及により、通信速度の大幅な向上が求められ、それに対応する技術として波長多重伝送技術（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が開発されてきた。ＷＤＭ伝送では、統一規格で定められた光の波長ごとに情報を伝送する。
【０００３】
特に、光ファイバの損失が最小となる光の波長１．５５μｍ付近では、最小０．８ｎｍ間隔で波長を使用するため、その光源には厳しい波長制御性が求められる。これらの光源には、低消費電力で動作し、波長安定性の良い半導体レーザが用いられている。しかし、用いる波長ごとに半導体レーザを用意するとコストが大きくなるので、１台で複数の波長をカバーできる波長可変半導体レーザがこれまで開発されてきた。
【０００４】
このような波長可変半導体レーザ等の光半導体装置は、半導体混晶基板を用いて形成され、その基板上に結晶を成長する工程などを経て完成される。その結晶成長の際には、基板材料と格子定数が整合する材料を選択することが多いが、格子定数が異なった材料からなる歪量子井戸層も使用されている。
【０００５】
歪量子井戸層は、多元系材料の組成をバリア層や基板と格子整合しない条件にするとともに、その膜厚を薄くして、強制的に基板と同じ格子定数になるようにしたものである。このような歪量子井戸層は、例えば半導体レーザの活性層に適用されており、歪を加えることによってエネルギーバンド構造の状態密度が変化し、半導体レーザの特性が向上する。また、光出力の向上のために、複数の歪量子井戸層を、バリア層を隔てて成長する多重量子井戸構造が多くの半導体レーザで採用されている（下記非特許文献１参照）。
【０００６】
このような多重量子井戸構造を含む活性層付近に、所望の波長に対してブラッグの回折条件を満足する回折格子を形成することで、電流を注入した際に、その波長で発振する半導体レーザとなる。波長可変レーザでは、一般に、この回折格子部や、外部に付加した位相調整領域に、電流や電圧を印加することで、回折格子のブラッグ波長を変化させ、発振する波長を変化させる。
【０００７】
【非特許文献１】Ｊｏａｃｈｉｍ Ｐｉｐｒｅｋ、Ｊ． Ｋｅｎｔｏｎ Ｗｈｉｔｅ、Ａｎｔｈｏｎｙ Ｊ． ＳｐｒｉｎｇＴｈｏｒｐｅ、“Ｗｈａｔ Ｌｉｍｉｔｓ ｔｈｅ Ｍａｘｉｍｕｍ Ｏｕｔｐｕｔ Ｐｏｗｅｒ ｏｆ Ｌｏｎｇ‐Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ？”、ＩＥＥＥ ＪＯＵＭＡＬ ＯＦ ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ、ＳＥＰＴＥＭＢＥＲ ２００２、ＶＯＬ．３８、ＮＯ．９、ｐ．１２５３−１２５９
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、後述するように、ある多重量子井戸構造に対する利得は、利得がピークとなる波長からずれると、その利得が急激に減少する。そのため、波長可変レーザでは、駆動波長が利得のピーク波長から離れるに従い、光出力が急激に減少し、外部に半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などを接続して出力の均一化を図る必要がある。また、ＳＯＡ自体も増幅性能に波長依存性をもつため、波長の可変幅が広くなるほど、複雑な制御回路が必要となる。
【０００９】
以上のことから、本発明は、光の波長変動に対する利得の変動を抑制した光半導体装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するための第１の発明に係る光半導体装置は、
基板の上に形成される下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成される量子井戸層及びバリア層からなる多重量子井戸構造を含む活性層と、
前記活性層の上に形成される上部クラッド層と
を備え、
前記多重量子井戸構造において、少なくとも１つの量子井戸層が他の量子井戸層とは異なる井戸幅を有することにより、前記量子井戸構造における利得スペクトルの幅が広がる
ことを特徴とする。
【００１１】
上記の課題を解決するための第２の発明に係る光半導体装置は、第１の発明に係る光半導体装置において、
前記多重量子井戸構造中で最大及び最小井戸幅をもつ量子井戸層の井戸幅の差が２〜６ｎｍである
ことを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決するための第３の発明に係る光半導体装置は、第１の発明又は第２の発明に係る光半導体装置において、
前記活性層の量子井戸層数が２〜２０層である
ことを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決するための第４の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第３の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記多重量子井戸構造中の量子井戸層には、利得が最大となる波長を１．５〜１．６μｍとする材料が選択され、その波長を達成する厚み及び歪を有している
ことを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決するための第５の発明に係る光半導体装置は、第１の発明から第４の発明のいずれかひとつに係る光半導体装置において、
前記多重量子井戸構造の両側に絶縁体で埋め込む場合、ルテニウムをドーピングした埋め込み層を用いる
ことを特徴とする。
【００１５】
上記の課題を解決するための第６の発明に係る光半導体装置は、
第１の発明から第５の発明のいずれかひとつに記載の光半導体装置が波長可変レーザである
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、光の波長変動に対する利得の変動を抑制した光半導体装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明に係る光半導体装置の種々の実施例について図を用いて説明する。ここで、本発明に係る光半導体装置の半導体層構造について説明する。図１は、本発明に係る光半導体装置の半導体層構造を示した図である。図１に示すように、本発明に係る光半導体装置の半導体層構造は、ＩｎＰ基板１、バリア層及び量子井戸層からなる多重量子井戸構造を含む活性層２、下部クラッド層３及び上部クラッド層４からなっている。
【実施例１】
【００１８】
次に、本発明に係る光半導体装置の第１の実施例について説明する。
図２は、本発明に係る半導体レーザの構造を示した縦方向断面図である。図２に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に形成した厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、下部クラッド層３の上に形成したＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層及びＩｎＧａＡｓＰバリア層からなる３層の多重量子井戸構造を含む活性層２、活性層２の上に形成したブラッグ波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ回折格子層５、回折格子層５の上に形成した厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４からなっている。なお、活性層２の量子井戸層数は、本実施例では３層としたが、２〜２０層の間で適宜選択することが可能である。
【００１９】
本実施例では、下部クラッド層３、上部クラッド層４及びＩｎＧａＡｓＰバリア層に対しては、基板１との歪が０となるような組成とし、バリア層厚は１０ｎｍとしている。また、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層に対しては１％の圧縮歪が加えられる。なお、活性層２、下部クラッド層３及び上部クラッド層４は、Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により種々の組成比で組成することが可能である。
【００２０】
また、図３は、本発明に係る半導体レーザの構造を示した横方向断面図である。図３に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、上述した下部クラッド層３、活性層２、回折格子層５及び上部クラッド層４からなる積層構造の両側に、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶を用いた埋め込み層６を備えている。ここで、縦方向及び横方向はそれぞれ、光の進行方向に平行及び垂直な方向を表す。なお、本発明に係る量子井戸層の特性は、半導体量子井戸層の特性を極めて良く予測するｋ・ｐ摂動理論を用いて算出している。
【００２１】
図１４は、従来のＩｎ0.77Ｇａ0.23Ａｓ0.8Ｐ0.2量子井戸層（８ｎｍ）及びＩｎ0.79Ｇａ0.21Ａｓ0.46Ｐ0.54バリア層をもつ３層均一多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を示した図である。これらの組成に対して、図１４に示す量子井戸層のバンドギャップ波長はλw＝１．７０５μｍ、バリア層のバンドギャップ波長は１．２μｍとなっている。以後、半導体混晶の組成比は歪とバンドギャップ波長によって特定することとし、組成比を直接には述べない。なお、組成比は設定する歪とバンドギャップ波長に応じて適宜数値を設定するものとする。
【００２２】
図１５は従来の多重量子井戸構造に対する、ピーク利得が半導体レーザの典型的なしきい値である１０００ｃｍ-1となるキャリア密度（１．８５×１０18ｃｍ-3）の場合の利得スペクトルを示した図である。図１５に示すように、波長１．５５μｍをピークとして、そこから外れると利得が急激に減少している。ピーク利得から１０％減少した場合の波長幅をΔλcと定義すると、この場合Δλcは３２ｎｍ程度である。
【００２３】
図１６は、従来の半導体レーザにおいてしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-1とした場合の、半導体レーザのしきい値電流の発振波長依存性を示した図である。ここで、縦軸は発振波長１．５５μｍのときの値で規格化している。図１６からわかるように、発振波長が中心波長からずれると、２０ｎｍ長波側では、しきい値電流が１５％増しとなり、大幅に増加するという問題がある。
【００２４】
図４は、本発明に係る多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を示した図である。図４に示すように、上述した問題を解決するために、本発明では、多重量子井戸構造中の各量子井戸層の井戸幅を不均一にする。量子井戸層がＮ個ある場合、各量子井戸層の井戸幅を基板１（図２参照）側から順番にＬw1、Ｌw2・・・ＬwNとし、その中で最大及び最小の井戸幅の差をΔＬwとする。
【００２５】
図５は、本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、４、５、６ｎｍの場合のピーク利得が１０００ｃｍ-1となるキャリア密度での利得スペクトルを示した図である。ここで、ΔＬw＝０の構造では井戸幅は全て８ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７０５μｍ、ΔＬw＝４ｎｍの構造では、Ｌw1＝６ｎｍ、Ｌw1＝８ｎｍ、Ｌw1＝１０ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７４μｍ、ΔＬw＝５ｎｍの構造では、Ｌw1＝５．５ｎｍ、Ｌw1＝８ｎｍ、Ｌw1＝１０．５ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７２５μｍ、ΔＬw＝６ｎｍの構造では、Ｌw1＝５ｎｍ、Ｌw1＝８ｎｍ、Ｌw1＝１１ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７μｍである。
【００２６】
図５より、ΔＬwが大きくなるほど、利得スペクトルが広がっていくのがわかる。これは、井戸幅の異なるそれぞれの量子井戸層のピーク利得における波長が異なるためである。なお、ここでは、各量子井戸層の井戸幅を基板１（図２参照）側から線形に増大させているが、各量子井戸層への井戸幅の重み付けの形は他のそのようなものであっても良い。
【００２７】
図６は、本発明に係る多重量子井戸構造における量子井戸層の井戸層波長の重み付けの仕方の例を示した図である。図６に示すように、例えば、基板１（図２参照）とは反対側の量子井戸層から線形に増大させても、線形ではなく放物線状であっても、最大あるいは最小井戸幅をもつ量子井戸層が両端の量子井戸層でなくてもかまわない。
【００２８】
図７は、本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔλcのΔＬw依存性を示した図である。図７に示すように、ΔＬwを増加させると、利得スペクトルの幅は最初放物線状に増加し、ΔＬwが２ｎｍ程度から単調に増加していくが、６ｎｍを超えると不安定になる。これはあまりΔＬwを大きくしすぎると、各量子井戸層間でのピーク利得の波長の差が大きくなりすぎて、全体でのピーク利得波長が不安定になるためである。なお、ここでは、中心波長を１．５５μｍとなるような井戸層厚としているが、他の井戸層厚でもまったく同様の効果を得ることができる。
【００２９】
図８は、本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、４、５、６ｎｍの場合の半導体レーザのしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-１としたときの、しきい値電流の波長依存性を示した図である。なお、井戸層厚、バンドギャップ波長は図５の場合と同じである。ΔＬwを大きくすることで、波長変化に対するしきい値の変動を大幅に抑えることが可能なことがわかる。ここで、図８に示す波長１．５５μｍを中心とした±２０ｎｍの範囲で、最大のしきい値電流と最小のしきい値電流との差をΔＩとする。
【００３０】
図９は、本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔＩのΔＬw依存性を示した図である。図９から、ΔＩはΔλ＝５ｎｍ付近で最小値をもつことがわかり、ΔＬw＝２〜６ｎｍの範囲で、しきい値電流の波長無依存化に大きな効果がある。しきい値電流の変動は、従来の構造に対して約１５％であるのに対し、本発明ではΔＬw＝４、５、６ｎｍに対して、５．９％、１．５％、１０％と大幅に減少可能である。
【００３１】
以上のように、多重量子井戸構造中のそれぞれの量子井戸層の井戸幅を不均一とし、その変動量を２〜６ｎｍとすることで、出力波長を安定させつつ、波長可変レーザで問題となる光出力の変動を１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で従来の１０分の１に低減することが可能となる。
【００３２】
言い換えれば、中心発振波長におけるしきい値電流が１０ｍＡである従来の波長可変レーザでは、しきい値電流の変動が発振波長１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で１０〜１１．５ｍＡであるのに対し、本発明では１０〜１０．１５ｍＡまで低減することが可能となる。なお、しきい値電流の変動は、発振波長１．５μｍ〜１．６μｍ程度であれば許容の範囲内である。
【実施例２】
【００３３】
次に、本発明に係る光半導体装置の第２の実施例について説明する。
本発明の第２の実施例で示すＳＯＡの構造は第１の実施例の構造から、回折格子の層を除いたものである。図８より、多重量子井戸構造中のそれぞれの量子井戸層の井戸幅を不均一とし、その変動量を２〜６ｎｍとすることで、ＳＯＡで問題となる利得の波長依存性を発振波長１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で従来の１０分の１に低減することが可能となる。なお、発振波長は１．５μｍ〜１．６μｍ程度であれば許容の範囲内である。
【実施例３】
【００３４】
次に、本発明に係る光半導体装置の第３の実施例について説明する。
図２は、本発明に係る半導体レーザの構造を示した縦方向断面図である。図２に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に形成した厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、下部クラッド層３の上に形成したＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる３層の多重量子井戸構造を含む活性層２、活性層２の上に形成したブラッグ波長１．５５μｍのＩｎＡｌＧａＡｓ回折格子層５、回折格子層５の上に形成した厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４からなっている。なお、活性層２の量子井戸層数は、本実施例では３層としたが、２〜２０層の間で適宜選択することが可能である。
【００３５】
本実施例では、下部クラッド層３、上部クラッド層４及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層に対しては、基板１との歪が０となるような組成とし、バリア層厚は１０ｎｍとしている。また、ＩｎＡｌＧａＡｓ量子井戸層に対しては１％の圧縮歪が加えられる。なお、活性層２、下部クラッド層３及び上部クラッド層４は、Ｉｎ1-x-yＡｌxＧａyＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により種々の組成比で組成することが可能である。
【００３６】
また、図３は、本発明に係る半導体レーザを示した横方向断面図である。図３に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、上述した下部クラッド層３、活性層２、回折格子層５及び上部クラッド層４からなる積層構造の両側に、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶を用いた埋め込み層６を備えている。ここで、縦方向及び横方向はそれぞれ、光の進行方向に平行及び垂直な方向を表す。
【００３７】
図１０は、本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、３、４、５ｎｍの場合のピーク利得が１０００ｃｍ-1となるキャリア密度での利得スペクトルを示した図である。ここで、ΔＬw＝０の構造では井戸幅は全て８ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７２μｍ、ΔＬw＝３ｎｍの構造では、ΔＬw＝６ｎｍ、Ｌｗ1＝１０ｎｍ、Ｌｗ1＝８ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７５５μｍ、ΔＬw＝４ｎｍの構造では、Ｌw1＝５．５ｎｍ、Ｌw1＝１０．５ｎｍ、Ｌw1＝８ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７７５μｍ、ΔＬw＝５ｎｍの構造では、Ｌw1＝５ｎｍ、Ｌw1＝１１ｎｍ、Ｌw1＝８ｎｍ、バンドギャップ波長は１．７２μｍである。
【００３８】
図１０に示すように、本実施例では第１の実施例の場合と同様に、ΔＬwが大きくなるほど、利得スペクトルが広がっていくのがわかる。なお、ここでは、第１の実施例の場合とは異なり、各量子井戸層の井戸幅の重み付けの仕方を、中心の量子井戸層の井戸幅が最も広くなるように変更している（図６（ｃ）参照）。
【００３９】
図１１は、本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔλcのΔＬw依存性を示した図である。図１１に示すように、ΔＬwを増加させると、第１の実施例と同様に利得スペクトルの幅は最初放物線的に増加し、ΔＬwが２ｎｍ程度から単調に増加していくが、６ｎｍを超えると不安定になる。
【００４０】
図１２は、本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、３、４、５ｎｍの場合の半導体レーザのしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-1としたときの、しきい値電流の波長依存性を示した図である。井戸層厚、バンドギャップ波長は図１０の場合と同じである。
【００４１】
図１３は、本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔＩのΔＬw依存性を示した図である。図１３から、ΔＩはΔＬw＝４ｎｍ付近で最小値をもつことがわかり、ΔＬw＝２〜６ｎｍの範囲で、しきい値電流の波長無依存化に大きな効果がある。しきい値電流の変動は、従来の構造に対して１９％であるのに対し、本発明ではΔＬw＝３、４、５ｎｍに対して、６％、４．７％、１２％と大幅に減少可能である。
【００４２】
言い換えれば、中心発振波長におけるしきい値電流が１０ｍＡである従来の波長可変レーザでは、しきい値電流の変動が発振波長１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で１０〜１１．９ｍＡであるのに対し、本発明では１０〜１０．４７ｍＡまで低減することが可能となる。なお、しきい値電流の変動は、発振波長１．５μｍ〜１．６μｍ程度であれば許容の範囲内である。
【実施例４】
【００４３】
次に、本発明に係る光半導体装置の第４の実施例について説明する。
本発明の第４の実施例で示すＳＯＡの構造は第３の実施例の構造から、回折格子の層を除いたものである。図１２より、多重量子井戸構造中のそれぞれの量子井戸層のバンドギャップ波長を不均一とし、その変動量を２〜６ｎｍとすることで、ＳＯＡで問題となる利得の波長依存性を発振波長１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で従来の４分の１に低減することが可能となる。なお、発振波長は１．５μｍ〜１．６μｍ程度であれば許容の範囲内である。
【実施例５】
【００４４】
次に、本発明に係る光半導体装置の第５の実施例について説明する。
図２は、本発明に係る半導体レーザを示した縦方向断面図である。図２に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、ｎ型のＩｎＰ基板１の上に形成した厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、下部クラッド層３の上に形成したＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層からなる３層の多重量子井戸構造を含む活性層２、活性層２の上に形成したＩｎＡｌＧａＡｓ回折格子層５、回折格子層５の上に形成した厚さ１．５μｍのｐ−ＩｎＰ上部クラッド層４からなっている。なお、活性層２の量子井戸層数は、本実施例では３層としたが、２〜２０層の間で適宜選択することが可能である。
【００４５】
本実施例では、下部クラッド層３、上部クラッド層４及びＩｎＡｌＧａＡｓバリア層に対しては、基板１との歪が０となるような組成とし、バリア層厚は１０ｎｍとしている。また、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層に対しては１％の引張歪が加えられ、バンドギャップ波長を１．７μｍ（Ｇａ0.58Ｉｎ0.42Ｎ0.01Ａｓ0.99）としている。また、井戸層厚に関しては、下部クラッド層３側から順に井戸層厚を６、８、１０ｎｍとしている。なお、活性層２は、ＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）とし、下部クラッド層３及び上部クラッド層４は、ＧａxＩｎ1-xＮyＡｓ1-y、Ｉｎ1-xＧａxＡｓyＰ1-y又はＩｎ1-x-yＡｌxＧａyＡｓ（ここで、０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１）により種々の組成比で組成することが可能である。
【００４６】
また、図３は本発明に係る半導体レーザを示した横方向断面図である。図３に示すように、本実施例に係る半導体レーザは、上述した下部クラッド層３、活性層２、回折格子層５、上部クラッド層４からなる積層構造の両側に、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶を用いた埋め込み層６を備えている。ここで、縦方向及び横方向はそれぞれ、光の進行方向に平行及び垂直な方向を表す。本実施例で得られる効果は第１及び第３の実施例と同様である。
【実施例６】
【００４７】
次に、本発明に係る光半導体装置の第６の実施例について説明する。
本発明の第６の実施例で示すＳＯＡの構造は第５の実施例の構造から、回折格子の層を除いたものである。本実施例で得られる効果は第２及び第４の実施例と同様である。
【００４８】
以上のように、本発明によれば、多重量子井戸構造中のそれぞれの量子井戸層の井戸幅を不均一とし、その変動量を２〜６ｎｍとすることで、波長可変レーザに対しては、出力波長を安定させつつ、波長可変レーザで問題となる光出力の変動を１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で従来の１０分の１に低減することが可能となる。また、ＳＯＡに対しては、ＳＯＡで問題となる利得の波長依存性を発振波長１．５３μｍ〜１．５７μｍの間で従来の１０分の１に低減することが可能となる。なお、発振波長は１．５μｍ〜１．６μｍ程度であれば許容の範囲内である。
【００４９】
なお、以上では、光の波長１．５５μｍ付近のレーザをターゲットとしたが、他の波長帯（１．３μｍ帯、２〜３μｍ帯など）のレーザに対しても、まったく同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、例えば、光半導体装置、特に歪量子井戸層を有する半導体レーザや半導体光増幅器のような光半導体装置に利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る光半導体装置の半導体層構造を示した図である。
【図２】本発明に係る半導体レーザの構造を示した縦方向断面図である。
【図３】本発明に係る半導体レーザの構造を示した横方向断面図である。
【図４】本発明に係る多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を示した図である。
【図５】本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、４、５、６ｎｍの場合のピーク利得が１０００ｃｍ-1となるキャリア密度での利得スペクトルを示した図である。
【図６】本発明に係る多重量子井戸構造における量子井戸層の井戸層波長の重み付けの仕方の例を示した図である。
【図７】本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔλcのΔＬw依存性を示した図である。
【図８】本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、４、５、６ｎｍの場合の半導体レーザのしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-１としたときの、しきい値電流の波長依存性を示した図である。
【図９】本発明の第１の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔＩのΔＬw依存性を示した図である。
【図１０】本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、３、４、５ｎｍの場合のピーク利得が１０００ｃｍ-1となるキャリア密度での利得スペクトルを示した図である。
【図１１】本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔＩのΔＬw依存性を示した図である。
【図１２】本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるＮ＝３、ΔＬw＝０（均一）、３、４、５ｎｍの場合の半導体レーザのしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-1としたときの、しきい値電流の波長依存性を示した図である。
【図１３】本発明の第３の実施例に係る多重量子井戸構造におけるΔＩのΔＬw依存性を示した図である。
【図１４】従来のＩｎ0.77Ｇａ0.23Ａｓ0.8Ｐ0.2量子井戸層（８ｎｍ）及びＩｎ0.79Ｇａ0.21Ａｓ0.46Ｐ0.54バリア層をもつ３層均一多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を示した図である。
【図１５】従来の多重量子井戸構造に対する、ピーク利得が半導体レーザの典型的なしきい値である１０００ｃｍ-1となるキャリア密度（１．８５×１０18ｃｍ-3）の場合の利得スペクトルを示した図である。
【図１６】従来の半導体レーザにおいてしきい値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-1とした場合の、半導体レーザのしきい値電流の発振波長依存性を示した図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 基板
２ 活性層
３ 下部クラッド層
４ 上部クラッド層
５ 回折格子層
６ 埋め込み層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に形成される下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成される量子井戸層及びバリア層からなる多重量子井戸構造を含む活性層と、
前記活性層の上に形成される上部クラッド層と
を備え、
前記多重量子井戸構造において、少なくとも１つの量子井戸層が他の量子井戸層とは異なる井戸幅を有することにより、前記量子井戸構造における利得スペクトルの幅が広がる
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記多重量子井戸構造中で最大及び最小井戸幅をもつ量子井戸層の井戸幅の差が２〜６ｎｍである
ことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記活性層の量子井戸層数が２〜２０層である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記多重量子井戸構造中の量子井戸層には、利得が最大となる波長を１．５〜１．６μｍとする材料が選択され、その波長を達成する厚み及び歪を有している
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記多重量子井戸構造の両側に絶縁体で埋め込む場合、ルテニウムをドーピングした埋め込み層を用いる
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光半導体装置が波長可変レーザである
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項１】
基板の上に形成される下部クラッド層と、
前記下部クラッド層の上に形成される量子井戸層及びバリア層からなる多重量子井戸構造を含む活性層と、
前記活性層の上に形成される上部クラッド層と
を備え、
前記多重量子井戸構造において、少なくとも１つの量子井戸層が他の量子井戸層とは異なる井戸幅を有することにより、前記量子井戸構造における利得スペクトルの幅が広がる
ことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記多重量子井戸構造中で最大及び最小井戸幅をもつ量子井戸層の井戸幅の差が２〜６ｎｍである
ことを特徴とする請求項１に記載の光半導体装置。
【請求項３】
前記活性層の量子井戸層数が２〜２０層である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記多重量子井戸構造中の量子井戸層には、利得が最大となる波長を１．５〜１．６μｍとする材料が選択され、その波長を達成する厚み及び歪を有している
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記多重量子井戸構造の両側に絶縁体で埋め込む場合、ルテニウムをドーピングした埋め込み層を用いる
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光半導体装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光半導体装置が波長可変レーザである
ことを特徴とする光半導体装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−１５２２６１（Ｐ２００９−１５２２６１Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２６７３６（Ｐ２００７−３２６７３６）
【出願日】平成１９年１２月１９日（２００７．１２．１９）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月１９日（２００７．１２．１９）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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