半導体レーザ及び光半導体装置
【課題】安定な単一縦モード発振を保ったまま、効率的に光出力を増大させることができる半導体レーザ及び光半導体装置を提供する。
【解決手段】基板１と、基板１の上に形成されている、半導体レーザ活性層２、位相シフト構造８を有する回折格子７が形成された回折格子形成層３、上部クラッド層４とを有しており、光の出射端面９と、レーザ後端面１０とに無反射コーティング１１，１２が施されている半導体レーザにおいて、回折格子形成層３は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子７が形成されていない領域３Ｂを有している構成とする。
【解決手段】基板１と、基板１の上に形成されている、半導体レーザ活性層２、位相シフト構造８を有する回折格子７が形成された回折格子形成層３、上部クラッド層４とを有しており、光の出射端面９と、レーザ後端面１０とに無反射コーティング１１，１２が施されている半導体レーザにおいて、回折格子形成層３は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子７が形成されていない領域３Ｂを有している構成とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回折格子を有する半導体レーザや、この半導体レーザと半導体光変調器とを同一基板上に集積した光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の光通信の利用の爆発的な広がりのために、その光源として使用される半導体レーザの需要が、供給数、性能の両面において非常に高まっている。半導体レーザ光源の個数の増大に伴い、その消費電力も同様に増加していくため、エネルギーの消費を抑えつつ、従来と同様のコストで生産可能な半導体レーザ光源が必要である。
【０００３】
このような半導体レーザなどの光半導体装置は、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も使用されている。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は、例えば半導体レーザの活性層に適用されており、歪が加えられ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を向上させる。
【０００４】
また、光出力の向上のために複数の歪量子井戸を、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。この多重量子井戸に電流を注入すると、伝導帯の各量子井戸には電子が、価電子帯の各量子井戸には正孔（ホール）が捕獲され、伝導帯、価電子帯間でキャリアの再結合が発生し、発光が起きる。更に、光を効率的に閉じ込めるため、例えば上部クラッド層をエッチングして、いわゆるリッジメサ構造（光導波路構造）を形成することで、光が伝搬する方向を決定し、光ファイバ中のモードと似た形をもつモードに発振させる。
【０００５】
量子井戸の材料には、光通信で用いられる1.3，1.5μｍ帯の発光が可能な、例えば、In1-xGaxAsyP1-yやIn1-x-yAlxGayAsなどが用いられ、所望の波長の発光をするように井戸層の厚さや歪量が決定される。しかし、通常、量子井戸からの発光スペクトルは非常に広く、そのまま光信号の伝送を行ってしまうと、多数の波長成分が含まれるため光ファイバの波長分散により波形の劣化がはげしくなる。そのため、より高品質な伝送を行うためには、共振器から取り出される光の波長（縦モード）を単一にすることが求められる。
【０００６】
そのために、半導体レーザ中に回折格子を設けることで、単一縦モード発振をする半導体レーザが研究開発されてきた。この回折格子は通常、量子井戸層の上部又は下部にある半導体の薄膜を電子ビームにより描画したパターンにそって、光の進行方向に周期的な凸凹をつくることで形成される。通常この凸凹は化学薬品によるウェットエッチングによって形成する。 InP基板上に形成する半導体レーザの場合には、量子井戸層の下部又は上部に回折格子を形成する層を成長した後に回折格子を形成し、その上にさらに活性層、クラッド層を再成長する。
【０００７】
この周期構造にそって伝搬する光は、周期構造による反射波と結合し、ブラッグの回折条件を満足する波長（ブラッグ波長）で強い反射を示すようになる。そのため、共振器のなかにはブラッグ波長の光が優先的に閉じ込められ、その波長でレーザ発振を起こすため、単一縦モード発振が可能となる。このとき、凸凹の深さが深いほど、大きな反射率を得ることができ、浅いほど反射率が小さくなる。また、この回折格子中に位相シフト領域を意図的に形成し、半導体レーザの両端面に無反射コーティングをほどこすことで、より安定的な単一縦モード発振が可能であることが広く知られている。（非特許文献１）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】L.A. Coldren and S.W. Corzine, "Diode lasers and photonic integrated circuits," Wiley, 1995.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、このような位相シフトが形成された回折格子を半導体レーザに用いると、半導体レーザの共振器内に光が強く閉じ込められ、共振器外に取り出される光（すなわち光出力）が小さくなってしまう。このように、位相シフトを用いることで安定的な単一縦モード発振を得ることはできるが、光出力が低下する。従って、光通信に必要な大きさの光出力を確保するためには、より大きな注入電流が必要となり、消費電力が増加する。
【００１０】
また、光出力を増大する方法としては、位相シフトを導入せず、均一回折格子を形成し、光の出斜端面側を無反射コーティングし、後端面側を高反射コーティングする方法があるが、この方法では、端面の位相条件を制御することが困難であり、単一縦モード発振するレーザの割合が低下する。
【００１１】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、安定な単一縦モード発振を保ったまま、効率的に光出力を増大させることができる半導体レーザ及び光半導体装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する第１発明の半導体レーザは、基板と、前記基板の上に形成されている、半導体レーザ活性層、位相シフト構造を有する回折格子が形成された回折格子形成層、上部クラッド層とを有しており、光の出射端面とレーザ後端面に無反射コーティングが施されている半導体レーザにおいて、
前記回折格子形成層は、前記レーザ後端面側の領域に前記回折格子が形成され、前記光の出射端面側に前記回折格子が形成されていない領域を有していることを特徴とする。
【００１３】
また、第２発明の半導体レーザは、第１発明の半導体レーザにおいて、
前記回折格子が形成されている前記レーザ後端面側の部分と、前記回折格子が形成されていない前記光の出射端面側の部分とを、同一の電極で駆動する構成であることを特徴とする。
【００１４】
また、第３発明の光半導体装置は、第１又は第２発明の半導体レーザと半導体光変調器とが同一の基板上に集積されており、前記半導体光変調器側の端面である光の出射端面と、前記半導体レーザ側の端面であるレーザ後端面に無反射コーティングが施されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体レーザによれば、基板と、前記基板の上に形成されている、半導体レーザ活性層、位相シフト構造を有する回折格子が形成された回折格子形成層、上部クラッド層とを有しており、光の出射端面とレーザ後端面に無反射コーティングが施されている半導体レーザにおいて、前記回折格子形成層は、前記レーザ後端面側の領域に前記回折格子が形成され、前記光の出射端面側に前記回折格子が形成されていない領域を有していることを特徴としているため、安定な単一縦モード発振を保ったまま、効率的に光出力を増大させることができる。
即ち、従来の半導体レーザでは回折格子形成層（半導体レーザ活性層と回折格子形成層から成る半導体レーザ活性領域）の全域に回折格子が形成（描画）されていたのに対して、本発明の半導体レーザでは回折格子形成層（半導体レーザ活性領域）の光の出射端面側において回折格子の形成を部分的に省き、半導体レーザの前後両端面に無反射コーティングを施したことにより、安定な単一縦モード発振を保ったまま、光出力、外部量子効率、温度特性に関する半導体レーザの性能を向上させることが可能になる。
また、本発明の半導体レーザは従来の半導体レーザと同工程で作製可能でありながら、消費電力を大幅に削減可能なため、光通信の更なる普及に大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態例の半導体レーザの構造を示す斜視図、（ｂ）は前記第１実施形態例の半導体レーザの構造を示す縦断面図（共振器方向断面図：（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面）である。
【図２】比較例である従来の半導体レーザの構造を示す縦断面図（共振器方向断面図）である。
【図３】比較例である従来の半導体レーザと半導体光増幅器を集積した素子の構造を示す縦断面図（共振器方向断面図）である。
【図４】（ａ）は前記従来の半導体レーザの電流対光出力依存性を示す図、（ｂ）は前記従来の半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。
【図５】（ａ）は前記第１実施形態例の半導体レーザの電流対光出力依存性を示す図、（ｂ）は前記第１実施形態例の半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態例の半導体レーザの構造を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態例の電界吸収型変調器集積半導体レーザの構造を示す縦断面図（共振器方向断面図）である。
【図８】本発明の第４実施形態例のマッハツェンダ型変調器集積半導体レーザの構造を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
＜第１実施形態例＞
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本発明の第１実施形態例の半導体レーザは、半導体混晶からなる基板であるn型のInP基板１と、このn型のInP基板１の上に形成されている、InGaAlAs歪量子井戸層を含む半導体レーザ活性層２、InGaAsP回折格子形成層３、コンタクト層を含むp型のInP上部クラッド層４とを有して成るものである。また、上部クラッド層４の上面にはp電極５が形成され、InP基板１の下面にはn電極６が形成されている（図１（ａ）では電極を図示省略：図１（ｂ）参照）。
【００１９】
半導体レーザ活性層２はフォトルミネッセンス（PL）ピーク波長で1.3μｍ付近の光を発光するような量子井戸構造であり、回折格子形成層３にはブラッグ波長が1.3μｍ程度になるような周期、深さをもつ回折格子７が形成されている。回折格子７中には、位相シフト構造８を形成した領域が存在している。また、レーザ前端面である光の出射端面９には無反射コーティング１１が施され、レーザ後端面１０には無反射コーティング１２が施されている。
【００２０】
そして、本第１実施形態例の半導体レーザにおける回折格子形成層３は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子７が形成されていない領域３Ｂを有していることを特徴としている。
【００２１】
即ち、図２に示すように従来の半導体レーザでは、回折格子形成層３（隣接する半導体レーザ活性層２と回折格子形成層３から成る半導体レーザ活性領域）の全域に回折格子７が形成（描画）され、この回折格子７中に発振波長安定化のために位相シフト構造８が挿入されている。一方、図１（ｂ）に示すように本発明の半導体レーザにおける回折格子形成層３（隣接する半導体レーザ活性層２と回折格子形成層３から成る半導体レーザ活性領域）では、光の出射端面９側において部分的に回折格子７が形成されていない領域３Ｂが存在し、レーザ後端面１０側（領域３Ａ）に部分的に形成されている回折格子７中に発振波長安定化のために位相シフト構造８が挿入されている。
【００２２】
また、本発明の半導体レーザは、回折格子７が形成されているレーザ後端面１０側の部分１３Ａと、回折格子７が形成されていない光の出射端面９側の部分１３Ｂとを、同一の電極５，６で駆動する構成となっている。
【００２３】
次に、本第１実施形態例に係る半導体レーザの製造方法を説明する。まず、n型のInP基板１の上に、半導体レーザ活性層２と、回折格子形成層３を成長させる。次に、ウェットエッチング又はドライエッチングにより、回折格子形成層３に回折格子７を形成する。このとき、回折格子７はレーザ後端面１０側の領域３Ａにだけ形成する。また、回折格子７中には位相シフト構造８を挿入する。回折格子７を形成した後、コンタクト層を含む上部クラッド層４を成長させる。次に、ウェットエッチング又はドライエッチングにより、図１（ａ）に示すようなリッジ型のメサを形成し、スパッタリングにより絶縁膜を表面につけた後、電極５，６を形成する。この電極形成プロセス後、へき開により長さ600μｍの半導体レーザを作成し、このレーザ両端面９，１０に無反射コーティング１１，１２を施すことにより、半導体レーザの完成となる。無反射コーティング１１，１２を実現する方法はいくつかあるが、ここではTiO2とSiO2の多層膜をレーザ両端面９，１０に堆積した。
【００２４】
本発明の構造の半導体レーザに対して電極５，６から電流を注入すると、回折格子７が形成されている部分１３Ａ（領域３Ａ）には強く局在した光の定在波（縦モード）が形成され、その光はレーザ後端面１０から出射されるか、回折格子７が形成されていない部分１３Ｂ（領域３Ｂ）へと伝搬する。回折格子７が形成されていない部分１３Ｂ（領域３Ｂ）も、回折格子７が形成されている部分１３Ａ（３Ａ）と同様に電流が注入されているため、利得を持つことになり、そこへ伝搬した光は増幅され、レーザ前端面９から無反射コーティング１１を介して出射される。このとき、無反射コーティング１１，１２の反射率は０ではないため、レーザの前後両端面９，１０の間で一つの共振器が形成されることになり、安定な単一縦モードとして発振が可能となる。こうすることで、安定な単一縦モード発振を保ったまま、効率的に光出力を増大することが可能となる。
【００２５】
なお、本発明の半導体レーザと似た構成をもつ素子として、図３に示すような半導体レーザ２１と半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２を同一の基板１上に集積した光源が挙げられる。この構造では、半導体レーザ２１部で発生した光を、光の吸収が小さいパッシブ導波路２３を通してＳＯＡ２２へと伝搬させ、ＳＯＡ２２で光を増幅する。
【００２６】
この構造の素子に対する本発明の半導体レーザの利点は、まず、作製の容易さにある。ＳＯＡ２２を集積する場合には、図３に示すように、光の吸収の小さいパッシブ導波路２３を用いる必要があるので、半導体レーザ活性層２の結晶成長を行った後に、パッシブ導波路コア２４の層を再成長しなければならない。また、ＳＯＡ２２の利得層２は、半導体レーザ活性層２と同一とすることも可能だが、ＳＯＡ構造の最適化を行うために別構造とする場合には、その層２も再成長する必要がある。結晶の再成長には、再成長それ自体、及び、それに伴うフォトリソグラフィーによるパターニング、エッチングが必要であるため、素子作製の工程を大幅に増加させる。一方、本発明の半導体レーザでは、図１（ｂ）に示すように、結晶の再成長は必要無い。また、本発明の半導体レーザにおいてパッシブ導波路を必要としないということは、素子の大きさを小さくできることも意味し、一つの半導体基板から作製することのできる素子数が増す。
【００２７】
２つ目の利点は制御の簡便さにある。ＳＯＡ２２を集積する場合には、図３に示すように、半導体レーザ２１とＳＯＡ２２とを駆動するためにレーザ電極５ＡとＳＯＡ電極５Ｂとを別々に設けなければならないが、本発明の半導体レーザによれば、図１（ｂ）に示すように、たった一つの電極５で駆動（制御）することが可能である。
【００２８】
その他にも、適用する光通信のシステムによっては、そもそもＳＯＡの使用が許されない場合も多く、このような場合でも本発明の半導体レーザであれば適用することができるという利点などがある。例えば、2010年に標準化された100ギガビットイーサネット（登録商標）用の光源にはＳＯＡの使用は許されていないが、規格で要求されている光出力を可能なかぎり低い消費電力で得ることが求められる。このような要求にも本発明の半導体レーザであれば対応することができる。
【００２９】
図４（ａ）と図４（ｂ）には、共振器長（レーザ前端面９からレーザ後端面１０までの無さ）を600μｍとし、回折格子７を共振器全体（回折格子形成層３の全域）に形成し、共振器中心に４分の１波長分の位相シフト構造８を挿入した従来の半導体レーザにおける、光出力の注入電流依存性と、発振スペクトルとを示す。回折格子７の結合係数は35cm-1としている。波長1.3μｍで単一縦モード発振し、光出力は注入電流100mAで9mW程度となっている。
【００３０】
次に、図５（ａ）と図５（ｂ）には、共振器長（レーザ前端面９からレーザ後端面１０までの長さ）を600μｍとし、回折格子７を共振器中心からレーザ後端面１０まで形成し（回折格子７が形成されている領域３Ａの長さが300μｍ）、その中心(レーザ後端面１０から150μｍの位置)に４分の１波長分の位相シフト構造８を挿入した本発明の半導体レーザにおける、光出力の注入電流依存性と、発振スペクトルとを示す。図５の場合にも、図４の場合と同様に波長1.3μｍで単一縦モード発振しているが、図４の場合と比べて図５の場合には、光出力は大幅に改善され、注入電流100mAで19mWと２倍以上の光出力が得られていることがわかる。また、図４の場合と比べて図５の場合には、光出力9mWを得るために必要な注入電流は58mA程度であり、同じ光出力をだすために必要な消費電力がほぼ２分の１になることがわかる。
【００３１】
なお、ここでは、共振器方向において、回折格子７が形成されている領域３Ａの長さLgratingと、回折格子７が形成されていない領域３Ｂの長さLactiveとの比を１：１としているが、その比を変更しても同様な効果を得ることが可能である。但し、Lgratingの比が大きくなると、増幅するための半導体レーザ活性層２の長さが短くなるために、光出力の増幅倍率は小さくなる。また、Lactiveの比が大きくなると、増幅率は大きくなるが、半導体レーザが外部の要因（例えば戻り光）に対して弱くなり、発振の安定性が損なわれる。そのため、LgratingとLactiveの長さの比は大きすぎず、小さすぎないほうが良い。具体的には、Lgrating／Lactive = 0.3〜0.8くらいが良い。Lgratingの長さについては、結合係数κの大きさとの兼ね合いで決定されるが、通常、κLgrating = 0.7〜2.5程度が良い。また、位相シフト構造７を挿入する位置については、本第１実施形態例では回折格子７が形成されている領域３Ａの真中にしているが、中央でなくても同様の効果を得ることができる。
【００３２】
＜第２実施形態例＞
図６に示すように、本発明の第２実施形態例の半導体レーザは、半導体混晶からなる基板であるn型のInP基板１と、このn型のInP基板１の上に形成されている、InGaAlAs歪量子井戸層を含む半導体レーザ活性層２、InGaAsP回折格子形成層３、コンタクト層を含むp型のInP上部クラッド層４とを有し、更に、半導体レーザ活性層２と回折格子形成層３と上部クラッド層４の両脇を半絶縁性InPで埋め込んだ埋め込み部３１を有して成るものである。また、上部クラッド層４の上面とInP基板１の下面には、p電極とn電極（図示省略）がそれぞれ形成されている
【００３３】
そして、本第２実施形態例の半導体レーザにおいても、第１実施形態例と同様に回折格子形成層３は、図示は省略するが、レーザ後端面側の領域に回折格子が形成され、光の出射端面側に回折格子が形成されていない領域を有していることを特徴としている。回折格子中には位相シフト構造を有している。また、回折格子が形成されているレーザ後端面側の部分と、回折格子が形成されていない光の出射端面側の部分とを、同一の電極で駆動する構成となっている。従って、本第２実施の形態例の効果は、第１実施形態例と同様である。
【００３４】
＜第３実施形態例＞
図７に示すように、本発明の第３実施形態例の電界吸収型変調器集積半導体レーザ（光半導体装置）は、半導体レーザ４１と、半導体光変調器である電界吸収型変調器４２とを同一の基板１上に集積したものであり、半導体混晶からなる基板であるn型のInP基板１と、このn型のInP基板１の上に形成されている、InGaAlAs歪量子井戸層を含む半導体レーザ活性層２、InGaAsP回折格子形成層３、コンタクト層を含むp型のInP上部クラッド層４、InGaAlAs歪量子井戸層を含む電界吸収型変調器吸収層４３、エッチングストップ層４４、InGaAsPコア層４６、エッチングストップ層４７とから成っている。
【００３５】
即ち、半導体レーザ４１は、n型のInP基板１と、このn型のInP基板１の上に形成されている、半導体レーザ活性層２、回折格子形成層３、上部クラッド層４と有して成るものである。また、上部クラッド層４の上面には、レーザ電極としてのp電極５が形成され、InP基板１の下面にはn電極６が形成されている。半導体レーザ活性層２はPLピーク波長で1.3μｍ付近の光を発光するような量子井戸構造であり、回折格子形成層３にはブラッグ波長が1.3μｍ程度になるような周期、深さをもつ回折格子７が形成されている。
【００３６】
そして、本第３実施形態例においても、半導体レーザ４１における回折格子形成層３は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子７が形成されていない領域３Ｂを有していることを特徴としている。回折格子７中には位相シフト構造８を有している。また、半導体レーザ４１は、回折格子７が形成されているレーザ後端面１０側の部分１３Ａと、回折格子７が形成されていない光の出射端面９側の部分１３Ｂとを、同一の電極５，６で駆動する構成となっている。
【００３７】
電界吸収型変調器４２は、n型のInP基板１と、このn型のInP基板１の上に形成されている、変調器吸収層４３、エッチングストップ層４４、上部クラッド層４とを有して成るものである。また、上部クラッド層４の上面には、変調器電極としてのp電極４５が形成されている。なお、変調器吸収層４３には、PLピーク波長で1.24μｍ付近の光を発光するような量子井戸構造を用いている。InGaAsPコア層４６は半導体レーザ活性層２と変調器吸収層４３の間に介在し、エッチングストップ層４７は回折格子形成層３とエッチングストップ層４４の間に介在している。
【００３８】
また、変調器４２側の端面（前端面）である光の出射端面９には、無反射コーティング１１が施されており、半導体レーザ４１側の端面であるレーザ後端面１０には、無反射コーティング１２が施されている。
【００３９】
この第３実施形態例の電界吸収型変調器集積半導体レーザでも、半導体レーザ４１における回折格子形成層３は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子７が形成されていない領域３Ｂを有していることを特徴としているため、安定な単一縦モード発振を保ったまま、光出力の増大、もしくは、消費電力の低減が可能となる。特に、外部変調器と半導体レーザを集積した光源に関して、そこに用いられるレーザは高光出力で、低消費電力であるほど良いので、本発明による半導体レーザは外部変調器との集積光源への適用に関して大きな効果がある。
【００４０】
＜第４実施形態例＞
図８に示すように、本発明の第４実施形態例のマッハツェンダ型変調器集積半導体レーザ（光半導体装置）は、半導体レーザ５１と、半導体光変調器であるマッハツェンダ型変調器５２とを同一の基板１上に集積したものである。
【００４１】
図８中の黒の太線が光導波路５３の存在する位置を示しており、半導体レーザ５１の内部では１本の光導波路５３が形成されており、マッハツェンダ型変調器５２では光が２つの光導波路５３に分けられ、その２つの光導波路５３を導波する光に位相差をつけることにより光の変調動作を実現する。また、図示は省略するが、半導体レーザ５１は、基板１と、前記基板１の上に形成されている、半導体レーザ活性層、回折格子形成層、上部クラッド層とを有して成るものである。
【００４２】
そして、本第４実施形態例においても、半導体レーザ５１における回折格子形成層は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子７が形成されていない領域３Ｂを有していることを特徴としている。回折格子７中には位相シフト構造８を有している。また、半導体レーザ５１は、回折格子７が形成されているレーザ後端面１０側の部分１３Ａと、回折格子７が形成されていない光の出射端面９側の部分１３Ｂとを、同一の電極（図示省略）で駆動する構成となっている。
【００４３】
また、変調器４２側の端面（前端面）である光の出射端面９には、無反射コーティング１１が施されており、半導体レーザ５１側の端面であるレーザ後端面１０には、無反射コーティング１２が施されている。
【００４４】
この第４実施形態例のマッハツェンダ型変調器集積半導体レーザでも、半導体レーザ５１における回折格子形成層は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子が形成されていない領域３Ｂを有していることを特徴としているため、安定な単一縦モード発振を保ったまま、光出力の増大、もしくは、消費電力の低減が可能となる。
【００４５】
なお、本明細書における各実施形態例においては、半導体レーザの活性層をInGaAlAsとしたが、これがInGaAsPでもGaInNAsでも同じ効果を得ることができる。また、基板をInPとしているが、GaAs基板でもサファイア基板でも、その他の半導体基板でも同様な効果を得ることができる。また、半導体レーザの長さは600μｍとしているが、他の長さでも同様の効果を得ることができる。また、本明細書では、素子から出力される光の波長が1.3μｍ付近の光の例のみを示しているが、他の波長帯、例えば、1.55μｍ付近の光を発する半導体レーザについても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は半導体レーザ及び光半導体装置に関するものであり、歪量子井戸、もしくはバルク活性層と、回折格子形成層とを有する半導体レーザや、半導体レーザと半導体光変調器とを同一の基板上に集積した光半導体装置などに適用して有用なものである。
【符号の説明】
【００４７】
１ 基板
２ 半導体レーザ活性層
３ 回折格子形成層
３Ａ 回折格子が形成されているレーザ後端面側の領域
３Ｂ 回折格子が形成されていない光出射端面側の領域
４ 上部クラッド層
５ レーザ電極（p電極）
５Ａ レーザ電極（p電極）
５Ｂ ＳＯＡ電極（p電極）
６ n電極
７ 回折格子
８ 位相シフト構造
９ 光の出射端面（レーザ前端面）
１０ レーザ後端面
１１，１２ 無反射コーティング
１３Ａ 回折格子が形成されているレーザ後端面側の部分
１３Ｂ 回折格子が形成されていない光の出射端面側の部分
２１ 半導体レーザ
２２ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
２３ パッシブ導波路
２４ パッシブ導波路コア
３１ 埋め込み部
４１ 半導体レーザ
４２ 電界吸収型変調器
４３ 電界吸収型変調器吸収層
４４ エッチングストップ層
４５ 変調器電極（p電極）
４６ InGaAsPコア層
４７ エッチングストップ層
５１ 半導体レーザ
５２ マッハツェンダ型変調器
５３ 光導波路
【技術分野】
【０００１】
本発明は回折格子を有する半導体レーザや、この半導体レーザと半導体光変調器とを同一基板上に集積した光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の光通信の利用の爆発的な広がりのために、その光源として使用される半導体レーザの需要が、供給数、性能の両面において非常に高まっている。半導体レーザ光源の個数の増大に伴い、その消費電力も同様に増加していくため、エネルギーの消費を抑えつつ、従来と同様のコストで生産可能な半導体レーザ光源が必要である。
【０００３】
このような半導体レーザなどの光半導体装置は、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も使用されている。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は、例えば半導体レーザの活性層に適用されており、歪が加えられ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を向上させる。
【０００４】
また、光出力の向上のために複数の歪量子井戸を、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。この多重量子井戸に電流を注入すると、伝導帯の各量子井戸には電子が、価電子帯の各量子井戸には正孔（ホール）が捕獲され、伝導帯、価電子帯間でキャリアの再結合が発生し、発光が起きる。更に、光を効率的に閉じ込めるため、例えば上部クラッド層をエッチングして、いわゆるリッジメサ構造（光導波路構造）を形成することで、光が伝搬する方向を決定し、光ファイバ中のモードと似た形をもつモードに発振させる。
【０００５】
量子井戸の材料には、光通信で用いられる1.3，1.5μｍ帯の発光が可能な、例えば、In1-xGaxAsyP1-yやIn1-x-yAlxGayAsなどが用いられ、所望の波長の発光をするように井戸層の厚さや歪量が決定される。しかし、通常、量子井戸からの発光スペクトルは非常に広く、そのまま光信号の伝送を行ってしまうと、多数の波長成分が含まれるため光ファイバの波長分散により波形の劣化がはげしくなる。そのため、より高品質な伝送を行うためには、共振器から取り出される光の波長（縦モード）を単一にすることが求められる。
【０００６】
そのために、半導体レーザ中に回折格子を設けることで、単一縦モード発振をする半導体レーザが研究開発されてきた。この回折格子は通常、量子井戸層の上部又は下部にある半導体の薄膜を電子ビームにより描画したパターンにそって、光の進行方向に周期的な凸凹をつくることで形成される。通常この凸凹は化学薬品によるウェットエッチングによって形成する。 InP基板上に形成する半導体レーザの場合には、量子井戸層の下部又は上部に回折格子を形成する層を成長した後に回折格子を形成し、その上にさらに活性層、クラッド層を再成長する。
【０００７】
この周期構造にそって伝搬する光は、周期構造による反射波と結合し、ブラッグの回折条件を満足する波長（ブラッグ波長）で強い反射を示すようになる。そのため、共振器のなかにはブラッグ波長の光が優先的に閉じ込められ、その波長でレーザ発振を起こすため、単一縦モード発振が可能となる。このとき、凸凹の深さが深いほど、大きな反射率を得ることができ、浅いほど反射率が小さくなる。また、この回折格子中に位相シフト領域を意図的に形成し、半導体レーザの両端面に無反射コーティングをほどこすことで、より安定的な単一縦モード発振が可能であることが広く知られている。（非特許文献１）
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】L.A. Coldren and S.W. Corzine, "Diode lasers and photonic integrated circuits," Wiley, 1995.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、このような位相シフトが形成された回折格子を半導体レーザに用いると、半導体レーザの共振器内に光が強く閉じ込められ、共振器外に取り出される光（すなわち光出力）が小さくなってしまう。このように、位相シフトを用いることで安定的な単一縦モード発振を得ることはできるが、光出力が低下する。従って、光通信に必要な大きさの光出力を確保するためには、より大きな注入電流が必要となり、消費電力が増加する。
【００１０】
また、光出力を増大する方法としては、位相シフトを導入せず、均一回折格子を形成し、光の出斜端面側を無反射コーティングし、後端面側を高反射コーティングする方法があるが、この方法では、端面の位相条件を制御することが困難であり、単一縦モード発振するレーザの割合が低下する。
【００１１】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、安定な単一縦モード発振を保ったまま、効率的に光出力を増大させることができる半導体レーザ及び光半導体装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決する第１発明の半導体レーザは、基板と、前記基板の上に形成されている、半導体レーザ活性層、位相シフト構造を有する回折格子が形成された回折格子形成層、上部クラッド層とを有しており、光の出射端面とレーザ後端面に無反射コーティングが施されている半導体レーザにおいて、
前記回折格子形成層は、前記レーザ後端面側の領域に前記回折格子が形成され、前記光の出射端面側に前記回折格子が形成されていない領域を有していることを特徴とする。
【００１３】
また、第２発明の半導体レーザは、第１発明の半導体レーザにおいて、
前記回折格子が形成されている前記レーザ後端面側の部分と、前記回折格子が形成されていない前記光の出射端面側の部分とを、同一の電極で駆動する構成であることを特徴とする。
【００１４】
また、第３発明の光半導体装置は、第１又は第２発明の半導体レーザと半導体光変調器とが同一の基板上に集積されており、前記半導体光変調器側の端面である光の出射端面と、前記半導体レーザ側の端面であるレーザ後端面に無反射コーティングが施されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の半導体レーザによれば、基板と、前記基板の上に形成されている、半導体レーザ活性層、位相シフト構造を有する回折格子が形成された回折格子形成層、上部クラッド層とを有しており、光の出射端面とレーザ後端面に無反射コーティングが施されている半導体レーザにおいて、前記回折格子形成層は、前記レーザ後端面側の領域に前記回折格子が形成され、前記光の出射端面側に前記回折格子が形成されていない領域を有していることを特徴としているため、安定な単一縦モード発振を保ったまま、効率的に光出力を増大させることができる。
即ち、従来の半導体レーザでは回折格子形成層（半導体レーザ活性層と回折格子形成層から成る半導体レーザ活性領域）の全域に回折格子が形成（描画）されていたのに対して、本発明の半導体レーザでは回折格子形成層（半導体レーザ活性領域）の光の出射端面側において回折格子の形成を部分的に省き、半導体レーザの前後両端面に無反射コーティングを施したことにより、安定な単一縦モード発振を保ったまま、光出力、外部量子効率、温度特性に関する半導体レーザの性能を向上させることが可能になる。
また、本発明の半導体レーザは従来の半導体レーザと同工程で作製可能でありながら、消費電力を大幅に削減可能なため、光通信の更なる普及に大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態例の半導体レーザの構造を示す斜視図、（ｂ）は前記第１実施形態例の半導体レーザの構造を示す縦断面図（共振器方向断面図：（ａ）のＡ−Ａ線矢視断面）である。
【図２】比較例である従来の半導体レーザの構造を示す縦断面図（共振器方向断面図）である。
【図３】比較例である従来の半導体レーザと半導体光増幅器を集積した素子の構造を示す縦断面図（共振器方向断面図）である。
【図４】（ａ）は前記従来の半導体レーザの電流対光出力依存性を示す図、（ｂ）は前記従来の半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。
【図５】（ａ）は前記第１実施形態例の半導体レーザの電流対光出力依存性を示す図、（ｂ）は前記第１実施形態例の半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態例の半導体レーザの構造を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態例の電界吸収型変調器集積半導体レーザの構造を示す縦断面図（共振器方向断面図）である。
【図８】本発明の第４実施形態例のマッハツェンダ型変調器集積半導体レーザの構造を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態例を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
＜第１実施形態例＞
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、本発明の第１実施形態例の半導体レーザは、半導体混晶からなる基板であるn型のInP基板１と、このn型のInP基板１の上に形成されている、InGaAlAs歪量子井戸層を含む半導体レーザ活性層２、InGaAsP回折格子形成層３、コンタクト層を含むp型のInP上部クラッド層４とを有して成るものである。また、上部クラッド層４の上面にはp電極５が形成され、InP基板１の下面にはn電極６が形成されている（図１（ａ）では電極を図示省略：図１（ｂ）参照）。
【００１９】
半導体レーザ活性層２はフォトルミネッセンス（PL）ピーク波長で1.3μｍ付近の光を発光するような量子井戸構造であり、回折格子形成層３にはブラッグ波長が1.3μｍ程度になるような周期、深さをもつ回折格子７が形成されている。回折格子７中には、位相シフト構造８を形成した領域が存在している。また、レーザ前端面である光の出射端面９には無反射コーティング１１が施され、レーザ後端面１０には無反射コーティング１２が施されている。
【００２０】
そして、本第１実施形態例の半導体レーザにおける回折格子形成層３は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子７が形成されていない領域３Ｂを有していることを特徴としている。
【００２１】
即ち、図２に示すように従来の半導体レーザでは、回折格子形成層３（隣接する半導体レーザ活性層２と回折格子形成層３から成る半導体レーザ活性領域）の全域に回折格子７が形成（描画）され、この回折格子７中に発振波長安定化のために位相シフト構造８が挿入されている。一方、図１（ｂ）に示すように本発明の半導体レーザにおける回折格子形成層３（隣接する半導体レーザ活性層２と回折格子形成層３から成る半導体レーザ活性領域）では、光の出射端面９側において部分的に回折格子７が形成されていない領域３Ｂが存在し、レーザ後端面１０側（領域３Ａ）に部分的に形成されている回折格子７中に発振波長安定化のために位相シフト構造８が挿入されている。
【００２２】
また、本発明の半導体レーザは、回折格子７が形成されているレーザ後端面１０側の部分１３Ａと、回折格子７が形成されていない光の出射端面９側の部分１３Ｂとを、同一の電極５，６で駆動する構成となっている。
【００２３】
次に、本第１実施形態例に係る半導体レーザの製造方法を説明する。まず、n型のInP基板１の上に、半導体レーザ活性層２と、回折格子形成層３を成長させる。次に、ウェットエッチング又はドライエッチングにより、回折格子形成層３に回折格子７を形成する。このとき、回折格子７はレーザ後端面１０側の領域３Ａにだけ形成する。また、回折格子７中には位相シフト構造８を挿入する。回折格子７を形成した後、コンタクト層を含む上部クラッド層４を成長させる。次に、ウェットエッチング又はドライエッチングにより、図１（ａ）に示すようなリッジ型のメサを形成し、スパッタリングにより絶縁膜を表面につけた後、電極５，６を形成する。この電極形成プロセス後、へき開により長さ600μｍの半導体レーザを作成し、このレーザ両端面９，１０に無反射コーティング１１，１２を施すことにより、半導体レーザの完成となる。無反射コーティング１１，１２を実現する方法はいくつかあるが、ここではTiO2とSiO2の多層膜をレーザ両端面９，１０に堆積した。
【００２４】
本発明の構造の半導体レーザに対して電極５，６から電流を注入すると、回折格子７が形成されている部分１３Ａ（領域３Ａ）には強く局在した光の定在波（縦モード）が形成され、その光はレーザ後端面１０から出射されるか、回折格子７が形成されていない部分１３Ｂ（領域３Ｂ）へと伝搬する。回折格子７が形成されていない部分１３Ｂ（領域３Ｂ）も、回折格子７が形成されている部分１３Ａ（３Ａ）と同様に電流が注入されているため、利得を持つことになり、そこへ伝搬した光は増幅され、レーザ前端面９から無反射コーティング１１を介して出射される。このとき、無反射コーティング１１，１２の反射率は０ではないため、レーザの前後両端面９，１０の間で一つの共振器が形成されることになり、安定な単一縦モードとして発振が可能となる。こうすることで、安定な単一縦モード発振を保ったまま、効率的に光出力を増大することが可能となる。
【００２５】
なお、本発明の半導体レーザと似た構成をもつ素子として、図３に示すような半導体レーザ２１と半導体光増幅器（ＳＯＡ）２２を同一の基板１上に集積した光源が挙げられる。この構造では、半導体レーザ２１部で発生した光を、光の吸収が小さいパッシブ導波路２３を通してＳＯＡ２２へと伝搬させ、ＳＯＡ２２で光を増幅する。
【００２６】
この構造の素子に対する本発明の半導体レーザの利点は、まず、作製の容易さにある。ＳＯＡ２２を集積する場合には、図３に示すように、光の吸収の小さいパッシブ導波路２３を用いる必要があるので、半導体レーザ活性層２の結晶成長を行った後に、パッシブ導波路コア２４の層を再成長しなければならない。また、ＳＯＡ２２の利得層２は、半導体レーザ活性層２と同一とすることも可能だが、ＳＯＡ構造の最適化を行うために別構造とする場合には、その層２も再成長する必要がある。結晶の再成長には、再成長それ自体、及び、それに伴うフォトリソグラフィーによるパターニング、エッチングが必要であるため、素子作製の工程を大幅に増加させる。一方、本発明の半導体レーザでは、図１（ｂ）に示すように、結晶の再成長は必要無い。また、本発明の半導体レーザにおいてパッシブ導波路を必要としないということは、素子の大きさを小さくできることも意味し、一つの半導体基板から作製することのできる素子数が増す。
【００２７】
２つ目の利点は制御の簡便さにある。ＳＯＡ２２を集積する場合には、図３に示すように、半導体レーザ２１とＳＯＡ２２とを駆動するためにレーザ電極５ＡとＳＯＡ電極５Ｂとを別々に設けなければならないが、本発明の半導体レーザによれば、図１（ｂ）に示すように、たった一つの電極５で駆動（制御）することが可能である。
【００２８】
その他にも、適用する光通信のシステムによっては、そもそもＳＯＡの使用が許されない場合も多く、このような場合でも本発明の半導体レーザであれば適用することができるという利点などがある。例えば、2010年に標準化された100ギガビットイーサネット（登録商標）用の光源にはＳＯＡの使用は許されていないが、規格で要求されている光出力を可能なかぎり低い消費電力で得ることが求められる。このような要求にも本発明の半導体レーザであれば対応することができる。
【００２９】
図４（ａ）と図４（ｂ）には、共振器長（レーザ前端面９からレーザ後端面１０までの無さ）を600μｍとし、回折格子７を共振器全体（回折格子形成層３の全域）に形成し、共振器中心に４分の１波長分の位相シフト構造８を挿入した従来の半導体レーザにおける、光出力の注入電流依存性と、発振スペクトルとを示す。回折格子７の結合係数は35cm-1としている。波長1.3μｍで単一縦モード発振し、光出力は注入電流100mAで9mW程度となっている。
【００３０】
次に、図５（ａ）と図５（ｂ）には、共振器長（レーザ前端面９からレーザ後端面１０までの長さ）を600μｍとし、回折格子７を共振器中心からレーザ後端面１０まで形成し（回折格子７が形成されている領域３Ａの長さが300μｍ）、その中心(レーザ後端面１０から150μｍの位置)に４分の１波長分の位相シフト構造８を挿入した本発明の半導体レーザにおける、光出力の注入電流依存性と、発振スペクトルとを示す。図５の場合にも、図４の場合と同様に波長1.3μｍで単一縦モード発振しているが、図４の場合と比べて図５の場合には、光出力は大幅に改善され、注入電流100mAで19mWと２倍以上の光出力が得られていることがわかる。また、図４の場合と比べて図５の場合には、光出力9mWを得るために必要な注入電流は58mA程度であり、同じ光出力をだすために必要な消費電力がほぼ２分の１になることがわかる。
【００３１】
なお、ここでは、共振器方向において、回折格子７が形成されている領域３Ａの長さLgratingと、回折格子７が形成されていない領域３Ｂの長さLactiveとの比を１：１としているが、その比を変更しても同様な効果を得ることが可能である。但し、Lgratingの比が大きくなると、増幅するための半導体レーザ活性層２の長さが短くなるために、光出力の増幅倍率は小さくなる。また、Lactiveの比が大きくなると、増幅率は大きくなるが、半導体レーザが外部の要因（例えば戻り光）に対して弱くなり、発振の安定性が損なわれる。そのため、LgratingとLactiveの長さの比は大きすぎず、小さすぎないほうが良い。具体的には、Lgrating／Lactive = 0.3〜0.8くらいが良い。Lgratingの長さについては、結合係数κの大きさとの兼ね合いで決定されるが、通常、κLgrating = 0.7〜2.5程度が良い。また、位相シフト構造７を挿入する位置については、本第１実施形態例では回折格子７が形成されている領域３Ａの真中にしているが、中央でなくても同様の効果を得ることができる。
【００３２】
＜第２実施形態例＞
図６に示すように、本発明の第２実施形態例の半導体レーザは、半導体混晶からなる基板であるn型のInP基板１と、このn型のInP基板１の上に形成されている、InGaAlAs歪量子井戸層を含む半導体レーザ活性層２、InGaAsP回折格子形成層３、コンタクト層を含むp型のInP上部クラッド層４とを有し、更に、半導体レーザ活性層２と回折格子形成層３と上部クラッド層４の両脇を半絶縁性InPで埋め込んだ埋め込み部３１を有して成るものである。また、上部クラッド層４の上面とInP基板１の下面には、p電極とn電極（図示省略）がそれぞれ形成されている
【００３３】
そして、本第２実施形態例の半導体レーザにおいても、第１実施形態例と同様に回折格子形成層３は、図示は省略するが、レーザ後端面側の領域に回折格子が形成され、光の出射端面側に回折格子が形成されていない領域を有していることを特徴としている。回折格子中には位相シフト構造を有している。また、回折格子が形成されているレーザ後端面側の部分と、回折格子が形成されていない光の出射端面側の部分とを、同一の電極で駆動する構成となっている。従って、本第２実施の形態例の効果は、第１実施形態例と同様である。
【００３４】
＜第３実施形態例＞
図７に示すように、本発明の第３実施形態例の電界吸収型変調器集積半導体レーザ（光半導体装置）は、半導体レーザ４１と、半導体光変調器である電界吸収型変調器４２とを同一の基板１上に集積したものであり、半導体混晶からなる基板であるn型のInP基板１と、このn型のInP基板１の上に形成されている、InGaAlAs歪量子井戸層を含む半導体レーザ活性層２、InGaAsP回折格子形成層３、コンタクト層を含むp型のInP上部クラッド層４、InGaAlAs歪量子井戸層を含む電界吸収型変調器吸収層４３、エッチングストップ層４４、InGaAsPコア層４６、エッチングストップ層４７とから成っている。
【００３５】
即ち、半導体レーザ４１は、n型のInP基板１と、このn型のInP基板１の上に形成されている、半導体レーザ活性層２、回折格子形成層３、上部クラッド層４と有して成るものである。また、上部クラッド層４の上面には、レーザ電極としてのp電極５が形成され、InP基板１の下面にはn電極６が形成されている。半導体レーザ活性層２はPLピーク波長で1.3μｍ付近の光を発光するような量子井戸構造であり、回折格子形成層３にはブラッグ波長が1.3μｍ程度になるような周期、深さをもつ回折格子７が形成されている。
【００３６】
そして、本第３実施形態例においても、半導体レーザ４１における回折格子形成層３は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子７が形成されていない領域３Ｂを有していることを特徴としている。回折格子７中には位相シフト構造８を有している。また、半導体レーザ４１は、回折格子７が形成されているレーザ後端面１０側の部分１３Ａと、回折格子７が形成されていない光の出射端面９側の部分１３Ｂとを、同一の電極５，６で駆動する構成となっている。
【００３７】
電界吸収型変調器４２は、n型のInP基板１と、このn型のInP基板１の上に形成されている、変調器吸収層４３、エッチングストップ層４４、上部クラッド層４とを有して成るものである。また、上部クラッド層４の上面には、変調器電極としてのp電極４５が形成されている。なお、変調器吸収層４３には、PLピーク波長で1.24μｍ付近の光を発光するような量子井戸構造を用いている。InGaAsPコア層４６は半導体レーザ活性層２と変調器吸収層４３の間に介在し、エッチングストップ層４７は回折格子形成層３とエッチングストップ層４４の間に介在している。
【００３８】
また、変調器４２側の端面（前端面）である光の出射端面９には、無反射コーティング１１が施されており、半導体レーザ４１側の端面であるレーザ後端面１０には、無反射コーティング１２が施されている。
【００３９】
この第３実施形態例の電界吸収型変調器集積半導体レーザでも、半導体レーザ４１における回折格子形成層３は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子７が形成されていない領域３Ｂを有していることを特徴としているため、安定な単一縦モード発振を保ったまま、光出力の増大、もしくは、消費電力の低減が可能となる。特に、外部変調器と半導体レーザを集積した光源に関して、そこに用いられるレーザは高光出力で、低消費電力であるほど良いので、本発明による半導体レーザは外部変調器との集積光源への適用に関して大きな効果がある。
【００４０】
＜第４実施形態例＞
図８に示すように、本発明の第４実施形態例のマッハツェンダ型変調器集積半導体レーザ（光半導体装置）は、半導体レーザ５１と、半導体光変調器であるマッハツェンダ型変調器５２とを同一の基板１上に集積したものである。
【００４１】
図８中の黒の太線が光導波路５３の存在する位置を示しており、半導体レーザ５１の内部では１本の光導波路５３が形成されており、マッハツェンダ型変調器５２では光が２つの光導波路５３に分けられ、その２つの光導波路５３を導波する光に位相差をつけることにより光の変調動作を実現する。また、図示は省略するが、半導体レーザ５１は、基板１と、前記基板１の上に形成されている、半導体レーザ活性層、回折格子形成層、上部クラッド層とを有して成るものである。
【００４２】
そして、本第４実施形態例においても、半導体レーザ５１における回折格子形成層は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子７が形成されていない領域３Ｂを有していることを特徴としている。回折格子７中には位相シフト構造８を有している。また、半導体レーザ５１は、回折格子７が形成されているレーザ後端面１０側の部分１３Ａと、回折格子７が形成されていない光の出射端面９側の部分１３Ｂとを、同一の電極（図示省略）で駆動する構成となっている。
【００４３】
また、変調器４２側の端面（前端面）である光の出射端面９には、無反射コーティング１１が施されており、半導体レーザ５１側の端面であるレーザ後端面１０には、無反射コーティング１２が施されている。
【００４４】
この第４実施形態例のマッハツェンダ型変調器集積半導体レーザでも、半導体レーザ５１における回折格子形成層は、レーザ後端面１０側の領域３Ａに回折格子７が形成され、光の出射端面９側に回折格子が形成されていない領域３Ｂを有していることを特徴としているため、安定な単一縦モード発振を保ったまま、光出力の増大、もしくは、消費電力の低減が可能となる。
【００４５】
なお、本明細書における各実施形態例においては、半導体レーザの活性層をInGaAlAsとしたが、これがInGaAsPでもGaInNAsでも同じ効果を得ることができる。また、基板をInPとしているが、GaAs基板でもサファイア基板でも、その他の半導体基板でも同様な効果を得ることができる。また、半導体レーザの長さは600μｍとしているが、他の長さでも同様の効果を得ることができる。また、本明細書では、素子から出力される光の波長が1.3μｍ付近の光の例のみを示しているが、他の波長帯、例えば、1.55μｍ付近の光を発する半導体レーザについても同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は半導体レーザ及び光半導体装置に関するものであり、歪量子井戸、もしくはバルク活性層と、回折格子形成層とを有する半導体レーザや、半導体レーザと半導体光変調器とを同一の基板上に集積した光半導体装置などに適用して有用なものである。
【符号の説明】
【００４７】
１ 基板
２ 半導体レーザ活性層
３ 回折格子形成層
３Ａ 回折格子が形成されているレーザ後端面側の領域
３Ｂ 回折格子が形成されていない光出射端面側の領域
４ 上部クラッド層
５ レーザ電極（p電極）
５Ａ レーザ電極（p電極）
５Ｂ ＳＯＡ電極（p電極）
６ n電極
７ 回折格子
８ 位相シフト構造
９ 光の出射端面（レーザ前端面）
１０ レーザ後端面
１１，１２ 無反射コーティング
１３Ａ 回折格子が形成されているレーザ後端面側の部分
１３Ｂ 回折格子が形成されていない光の出射端面側の部分
２１ 半導体レーザ
２２ 半導体光増幅器（ＳＯＡ）
２３ パッシブ導波路
２４ パッシブ導波路コア
３１ 埋め込み部
４１ 半導体レーザ
４２ 電界吸収型変調器
４３ 電界吸収型変調器吸収層
４４ エッチングストップ層
４５ 変調器電極（p電極）
４６ InGaAsPコア層
４７ エッチングストップ層
５１ 半導体レーザ
５２ マッハツェンダ型変調器
５３ 光導波路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の上に形成されている、半導体レーザ活性層、位相シフト構造を有する回折格子が形成された回折格子形成層、上部クラッド層とを有しており、光の出射端面とレーザ後端面に無反射コーティングが施されている半導体レーザにおいて、
前記回折格子形成層は、前記レーザ後端面側の領域に前記回折格子が形成され、前記光の出射端面側に前記回折格子が形成されていない領域を有していることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記回折格子が形成されている前記レーザ後端面側の部分と、前記回折格子が形成されていない前記光の出射端面側の部分とを、同一の電極で駆動する構成であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体レーザと半導体光変調器とが同一の基板上に集積されており、前記半導体光変調器側の端面である光の出射端面と、前記半導体レーザ側の端面であるレーザ後端面に無反射コーティングが施されていることを特徴とする光半導体装置。
【請求項１】
基板と、前記基板の上に形成されている、半導体レーザ活性層、位相シフト構造を有する回折格子が形成された回折格子形成層、上部クラッド層とを有しており、光の出射端面とレーザ後端面に無反射コーティングが施されている半導体レーザにおいて、
前記回折格子形成層は、前記レーザ後端面側の領域に前記回折格子が形成され、前記光の出射端面側に前記回折格子が形成されていない領域を有していることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記回折格子が形成されている前記レーザ後端面側の部分と、前記回折格子が形成されていない前記光の出射端面側の部分とを、同一の電極で駆動する構成であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の半導体レーザと半導体光変調器とが同一の基板上に集積されており、前記半導体光変調器側の端面である光の出射端面と、前記半導体レーザ側の端面であるレーザ後端面に無反射コーティングが施されてい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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１４６７６１（Ｐ２０１２−１４６７６１Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６５７（Ｐ２０１１−２６５７）
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【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２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月１１日（２０１１．１．１１）
【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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