(57)【要約】変調速度１０Ｇｂ／ｓを越える直接変調光源で（１）低閾値電流特性、（２）高単一モード特性、（３）高ｆｒ特性、（４）高温度特性、（５）広い波長域への対応が可能な、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供する。  レーザ光の利得を発生させる利得発生領域３０と、利得発生領域３０の内部に形成された回折格子１３と、を備える分布帰還型半導体レーザ１である。利得発生領域３０を挟む前後２つの端面のうち前端面１ａの反射率は１％以下に設定されているとともに、後端面１ｂ側から前側を見た反射率は３０％以上に設定されている。回折格子１３の結合係数をκ、利得発生領域３０の長さをＬとすると、κは１００ｃｍ−１以上に、Ｌは１５０μｍ以下に、それぞれ設定されている。モード間利得差をΔα、閾値利得をｇｔｈ＝（内部損失αｉ＋ミラー損失αｍ）とすると、Δα／ｇｔｈが１以上となるκとＬの組み合わせを用いる。
2005053124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光の利得を発生させる利得発生領域と、該利得発生領域の内部に形成された回折格子と、を備える分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記利得発生領域を挟む前後２つの端面のうち前端面の反射率は１％以下に設定されているとともに、前記２つの端面のうち後端面側から前側を見た反射率は３０％以上に設定され、
前記回折格子の結合係数をκ、前記利得発生領域の長さをＬとすると、κは１００ｃｍ−１以上に、Ｌは１５０μｍ以下に、それぞれ設定され、
モード間利得差をΔα、閾値利得をｇｔｈとすると、Δα／ｇｔｈが１以上となるκとＬの組み合わせを用いていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２】
前記結合係数κと利得発生領域長Ｌとの積が１以上３以下であることを特徴とする請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項３】
Δα／ｇｔｈの利得発生領域長Ｌへの依存性をプロットした場合にΔα／ｇｔｈがピーク値となる利得発生領域の長さをＬｐとすると、利得発生領域長ＬはＬｐ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項４】
前記回折格子が、
利得結合構造、
損失結合構造、
或いは、利得結合、損失結合及び屈折率結合のうちの２つ或いは３つが混在する構造であるか、
又は、屈折率結合構造で且つλ／４シフト構造を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項５】
前記回折格子が、屈折率結合構造で且つλ／４シフト構造を有し、該λ／４シフト位置が、前記利得発生領域の前後方向の長さを１００％としたとき、該利得発生領域の前端より７５％±５％後方の位置とされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項６】
前記利得発生領域の後端面がエッチングにより形成され、
当該分布帰還型半導体レーザを含む素子全体の前後長は１５０μｍよりも長いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項７】
前記素子は、前記エッチングにより形成された端面ギャップを介して当該分布帰還型半導体レーザの後方側に集積された他の機能領域を含む構造とされていることを特徴とする請求項６に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項８】
前記他の機能領域が、受光機能を有することを特徴とする請求項７に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項９】
前記他の機能領域の前端面が、前記利得発生領域の後端面に対し傾斜状態に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１０】
前記他の機能領域が、前記利得発生領域側への反射機能を有することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１１】
前記利得発生領域の後端面の反射率が９０％以上に設定されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１２】
前記利得発生領域の後端面は、該後端面に高反射膜が設けられたことにより９０％以上の反射率とされていることを特徴とする請求項１１に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１３】
前記高反射膜には、前記利得発生領域内より光を導出させるための光導出用窓が形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１４】
前記利得発生領域を構成する材料が、Ａｌ、Ｎ及びＳｂのうちの少なくとも何れか１つを含むことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１５】
当該分布帰還型半導体レーザの直列抵抗が５０Ω±１０Ωであることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１６】
請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザをアレイ状にモノリシックに備え、且つ各分布帰還型半導体レーザの波長が相互に異なることを特徴とする分布帰還型半導体レーザアレイ。
【請求項１７】
請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ又は請求項１６に記載の分布帰還型半導体レーザアレイを備えることを特徴とする光モジュール。
【請求項１８】
予め定められた所定値以下の極短に短尺化された利得発生領域を有し、
前記利得発生領域の内部に回折格子が配設され、
単一モード安定指標をΔα／ｇｔｈ（ただし、Δαはモード間利得差、ｇｔｈは閾値利得であり内部損失αｉとミラー損失αｍの和）とし、該Δα／ｇｔｈは、副モードが発振するためには主モードの発振に必要な所定倍の利得が必要であることに対応する値又は該値以上に設定され、単一モード安定性を有する、ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１９】
前記利得発生領域を挟む前後の端面の反射率について、
前端面の反射率は相対的に低い値の第１の値以下とされ、
後端面側から前側を見た反射率は相対的に高い値の第２の値以上とされる、ことを特徴とする請求項１８記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２０】
前記回折格子の結合係数が予め定められた所定値以上とされ、
前記回折格子の結合係数及び前記利得発生領域の長さの値の組み合わせとして、前記単一モード安定指標Δα／ｇｔｈが、副モードが発振するためには主モードの発振に必要な２倍の利得が必要であることを示す値以上となるような組み合わせが用いられる、ことを特徴とする請求項１８記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２１】
請求項１又は１８記載の分布帰還型半導体レーザの後に外部反射器を備えている、ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２２】
レーザ光の利得を発生させる利得発生領域と、該利得発生領域の内部に形成された回折格子とを備える分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記利得発生領域の後方に外部反射器を備えている、ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、分布帰還型半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザアレイ及び光モジュールに関し、特に光通信用途に利用できる分布帰還型半導体レーザ、分布帰還型半導体レーザアレイ及び光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、テレコムからデータコムへと通信コンテンツシフトが進むなか、インターネットトラフィックを流れる情報量は、飛躍的な増大を続けている。現在、光通信システムの容量拡大ボトルネックは、メトロ・アクセス系領域であり、システムキーデバイスとして、低コストな直接変調光源が求められている。【０００３】  そのような光源に求められる特性は、
（Ａ）  高速変調性（＞１０Ｇｂｐｓ、即ち高い緩和振動周波数ｆｒが必要）
（Ｂ）  低消費電力（Ｕｎｃｏｏｌｅｄ、即ち高温度特性が必要）
（Ｃ）  低電圧・低駆動電流
（Ｄ）  広波長域対応（１．３μｍ帯〜１．５５μｍ帯）
であり、これらの要求に応えられるレーザとして、（１）直接変調ＤＦＢレーザ、（２）直接変調  面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、（３）直接変調  短共振器ＦＰレーザ等が研究されている。【０００４】  例えば、（１）の直接変調ＤＦＢレーザでは、非特許文献１に、１．３μｍ帯で共振器長（利得発生領域長）１７０〜３００μｍのＩｎＧａＡｌＡｓ系ＤＦＢレーザが報告され、共振器長１７０μｍを用いることで、８５℃での緩和振動周波数１９ＧＨｚが得られている。また、非特許文献２においては、同じく１．３μｍ帯において、ドライエッチング回折格子を用いて、共振器長２００μｍのＤＦＢレーザで、１１５℃で１２．５Ｇｂｐｓの変調を実現し、実用上十分な性能を得ることができている。【０００５】  また、（２）のＶＣＳＥＬについては、まず、短波系ＶＣＳＥＬ（７８０ｎｍ〜９８０ｎｍ帯等）で１０Ｇｂｐｓを超える高速変調特性が実現され（例えば、非特許文献３参照）、より長波長化を目指した研究開発が進められている（例えば、非特許文献４参照）。【０００６】  そして、（３）のＦＰレーザについては、開発の歴史も古く、ドライエッチングによる端面形成技術（例えば、非特許文献５参照）を用いて究極的な極短共振器化の試みがなされ、非特許文献６では、共振器長２０μｍ程度のレーザも報告されている。一方、構造最適化も進められており、非特許文献７にあるように、共振器長２００μｍで両端面ＨＲコーティングを施したレーザで、８５℃で１１．９ＧＨｚのｆｒを実現した例もある。また、共振器長を６０μｍ程度以下とすることで、単一モード性を向上させる手法も開示されている（例えば、特許文献１参照）。【０００７】  他に、ＤＢＲレーザにおいて共振器長（利得発生領域長）を短くし、電流注入による波長チューニング時のモードポップを抑制したり、低閾値発振や高速応答性を満足したりする構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。【０００８】  なお、半導体レーザにモノリシックにモニタＰＤ（フォトダイオード）を集積する構成は、特許文献３に開示されている。
【特許文献１】特許第２６２４１４０号公報
【特許文献２】特開２００３−４６１９０号公報
【特許文献３】特許第２５４５９９４号公報
【非特許文献１】Ｍ．Ａｏｋｉ  他，“８５℃−１０Ｇｂｉｔ／ｓ  ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  １．３−μｍ  ＩｎＧａＡｌＡｓ  ＭＱＷ−ＤＦＢ  ｌａｓｅｒ”，ＥＣＯＣ２０００  ｖｏｌ．１，ｐ．１２３−１２４．
【非特許文献２】Ｋ．Ｎａｋａｈａｒａ  他，“１１５℃，１２．５−Ｇｂ／ｓ  ｄｉｒｅｃｔ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  １．３−μｍ  ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ  ＲＷＧ  ＤＦＢ  ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  ｎｏｔｃｈ−ｆｒｅｅ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  ｄａｔａｃｏｍ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，”，ＯＦＣ２００３  ＰＤＰ４０．
【非特許文献３】Ｇ．Ｓｈｔｅｎｇｅｌ他，“Ｈｉｇｈ−Ｓｐｅｅｄ  Ｖｅｒｔｉｃａｌ−Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ，”ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，１９９３．，ｖｏｌ．５，ｎｏ．１２，ｐ．１３５９−１３６２
【非特許文献４】Ａ．Ｒａｍａｋｒｉｓｈｎａｎ  他，“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ  ｐｕｍｐｅｄ  １０  Ｇｂｉｔ／ｓ  ＭＯＶＰＥ−ｇｒｏｗｎ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  １．３μｍ  ＶＣＳＥＬ  ｗｉｔｈ  ＧａＩｎＮＡｓ  ａｃｔｉｖｅｒｅｇｉｏｎ，”ＩＥＥ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，２００２．，ｖｏｌ．３８，ｎｏ．７
【非特許文献５】Ｍ．Ｕｃｈｉｄａ  他，“Ａｎ  ＡｌＧａＡｓ  Ｌａｓｅｒ  ｗｉｔｈ  Ｈｉｇｈ−Ｑｕａｌｉｔｙ  Ｄｒｙ  Ｅｔｃｈｅｄ  Ｍｉｒｒｏｒｓ  Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  Ｕｓｉｎｇ  ａｎ  Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｉｎ  Ｓｉｔｕ  Ｄｒｙ  Ｅｔｃｈｉｎｇ  ａｎｄ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ，”ＩＥＥＥ  Ｊ．ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，１９８８．，Ｖｏｌ．２４，ｎｏ．１１，ｐ．２１７０−２１７６
【非特許文献６】Ｔ．Ｙｕａｓａ  他，“Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｏｆ  Ｄｒｙ−ｅｔｃｈｅｄ  ｓｈｏｒｔ  ｃａｖｉｔｙ  ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ  ｍｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ  ｌａｓｅｒｓ，”Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，１９８８．，Ｖｏｌ．６３，ｎｏ．５，ｐｐ．１３２１−１３２７
【非特許文献７】Ｔ．Ａｏｙａｇｉ  他，“Ｒｅｃｅｎｔ  ｐｒｏｇｒｅｓｓ  ｏｆ  １０Ｇｂ／ｓ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅｓ  ｆｏｒ  ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ  ａｒｅａ  ｎｅｔｗｏｒｋｓ，”ＳＰＩＥ，２００１．，ｖｏｌ．４５８０，ＡＰＯＣ  ２００１，Ｂｅｉｊｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  ［１］課題の説明
このように、（１）の直接変調ＤＦＢレーザ（共振器長（利得発生領域長）Ｌ＞１７０μｍ程度）では、ほぼ実用レベルの特性が得られてきている。しかし、実際の使用を考えると、まだまだ駆動電流が大きく、１０Ｇｂｐｓ以上の超高速変調で、数十ｍＡの電流を変調させうるドライバＩＣを必要としている。つまり、これまでの直接変調ＤＦＢレーザでは、駆動電流が大きい（＞５０ｍＡ）が故に、ＩＣへの負担が大きいという課題が残存しているのである。【００１０】  これに対して、（２）のＶＣＳＥＬは、低駆動電流化（閾値電流Ｉｔｈ＜１ｍＡ、駆動電流Ｉｏｐ＜１０ｍＡ）が可能なデバイスであり、（１）の直接変調ＤＦＢレーザに代わる次世代光源として期待されている。しかしながら、共振器長があまりに短いため、発振させるためには、低損失の高反射ミラーを作り込む必要があり、ミラー面に光学損失を発生させるドーピングを十分行うことが出来ない。そのため、抵抗が高くなり、駆動電圧が高い（３Ｖ以上必要）という問題がある。【００１１】  更に、共振器体積があまりに小さいため、光出力が低いこと（２ｍＷ以下）や、別の問題として、長波長化が困難なこと（波長１．３４μｍを越えることが困難）、も大きな課題として存在している。【００１２】  （３）のＦＰレーザは、比較的容易に短共振器化が図れるが、たとえ、非特許文献６のように、２０μｍ程度まで極短共振器化したとしても、ＶＣＳＥＬレベル（＜数μｍ）まで超短共振器化できなければ、ＧＨｚ以上の超高速変調で１０ｋｍ程度の伝送に耐えうるに十分な“動的”単一モード性、チャーピング特性を得ることはできない。【００１３】  このように、上記三つのタイプのレーザは、基本的に、それぞれが課題を内在しているといえる。そして、ここまでの説明から、上記課題の解決策の糸口として、次のことが考えられるだろう。即ち、極短共振器ＦＰレーザの“動的”単一モード性を、何らかの手段で向上させることができれば、ＶＣＳＥＬを凌駕し、そしてＤＦＢレーザをも凌駕しうる特性の超高速直接変調光源が実現できる、ということである。【００１４】  では、“動的”単一モード性の向上策は何か？類推される、最も単純な方法は、ＤＦＢレーザの共振器長（利得発生領域長）をもっと短く、但し、ＶＣＳＥＬよりも長い共振器長で、且つ、十分な単一モード性と低閾値電流特性を両立できる構造を見いだす、ということであろう。確かに、これができれば上記（１）〜（３）の問題を全て解決できるはずである。しかし、従来の結合係数κ＝５０ｃｍ−１程度のＤＦＢレーザ（両端面ＡＲ−ＡＲ、又はＨＲ−ＡＲ構造）を、単に短共振器化していくことを考えると、この場合は、著しい閾値電流の上昇を招くため、実際の使用には耐えられない。即ち、非特許文献７でも述べられているように、回折格子を有するＤＦＢレーザの極短共振器化を考える場合には、少なくとも閾値電流低減を図るため、極めて大きなκの導入が必要不可欠なのである。しかし、そのような高κ構造で、低閾値電流特性と高い単一モード安定性の両立を図れる構造が存在するかどうかは不明であり、そもそも両立が可能かどうかも明らかではなかった。なぜなら、極めて大きなκの導入は、回折格子反射率の波長依存性が平坦化すると���うことを意味しており、単一モード性が悪化するからである。その結果、ＤＦＢレーザの短共振器化の試みは、２００３年７月現在においても、１７０μｍ程度が下限であった。【００１５】  なお、特許文献２には、共振器長（利得発生領域長）が１８μｍ以上２００μｍ以下のレーザが開示されているが、このレーザは、ＦＰ活性領域の外側にのみ回折格子を付与したＤＢＲ構造である。ＤＢＲレーザは、ＤＦＢレーザよりも基本的に単一モード安定性そのものが悪いため、我々の目的である超高速変調に用いるには安定性が十分とはいえない。また、特許文献２の基本構成においては、活性領域に多モード導波路（ＭＭＩ）を用いる必要があるため、その部分に回折格子を描画することができず、我々の提案するようにＤＦＢレーザ化することも不可能である（仮にＭＭＩ領域に回折格子を形成した場合、多モード導波路なので、かえって多モード発振してしまうため）。【００１６】  ［２］発明の目的
本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、上記（１）〜（３）のタイプのレーザにおける課題を全て解決すること、即ち（Ｉ）低閾値電流（低駆動電流）特性、（ＩＩ）高単一モード特性を両立し、更に（ＩＩＩ）高ｆｒ特性、（ＩＶ）高温度特性、（Ｖ）広い波長域への対応を可能にすることである。即ち、従来の直接変調ＤＦＢレーザ、ＶＣＳＥＬ、ＦＰレーザの特性を凌駕しうる特性を有する極短共振器（利得発生領域が極短い）分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】  ［１］発明の特徴
本発明の分布帰還型半導体レーザは、レーザ光の利得を発生させる利得発生領域と、該利得発生領域の内部に形成された回折格子と、を備える分布帰還型半導体レーザにおいて、前記利得発生領域を挟む前後２つの端面のうち前端面の反射率は１％以下に設定されているとともに、前記２つの端面のうち後端面側から前側を見た反射率は３０％以上に設定され、前記回折格子の結合係数をκ、前記利得発生領域の長さをＬとすると、κは１００ｃｍ−１以上に、Ｌは１５０μｍ以下に、それぞれ設定され、モード間利得差をΔα、閾値利得をｇｔｈとすると、Δα／ｇｔｈが１以上となるκとＬの組み合わせを用いていることを特徴としている。【００１８】  ここで「利得発生領域を挟む前後２つの端面のうち後端面側から前側を見た反射率」とは、「利得発生領域を挟む前後２つの端面のうち後端面の反射率」である場合（利得発生領域の後方側に反射機能領域を備えていない場合）と、「利得発生領域を挟む前後２つの端面のうち後端面による反射に加えて、利得発生領域の後方側に配された反射機能領域（反射器）からの反射を含んだ反射率」である場合がある。なお、「利得発生領域の前端面」は、レーザ光の射出端面である。【００１９】  また、モード間利得差Δαとは、基本モードと隣接モードとのミラー損失の差であり、閾値利得ｇｔｈ＝（内部損失αｉ＋ミラー損失αｍ）である。【００２０】  なお、本発明の分布帰還型半導体レーザは、従来と比べて利得発生領域長が極短い分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）であるが、特に、当該ＤＦＢレーザの後方に反射機能を構えていない場合（例えば、図７、図１５）には、利得発生領域長＝共振器長であるため、「極短共振器ＤＦＢレーザ」と表現することができる。他方、ＤＦＢレーザの後方に反射機能を構えている場合（例えば、図１６）には利得発生領域長＝共振器長とはならないため、この場合も含めて、本発明の分布帰還型半導体レーザを「利得発生領域長が極短いＤＦＢレーザ」或いは「極短い利得発生領域長のＤＦＢレーザ」と表現することがある。【００２１】  本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、結合係数κと利得発生領域長Ｌとの積（κＬ値）が１以上３以下であることが好ましい。【００２２】  本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、Δα／ｇｔｈの利得発生領域長Ｌへの依存性をプロットした場合にΔα／ｇｔｈがピーク値となる利得発生領域の長さをＬｐとすると、前記利得発生領域の長さＬはＬｐ以下であることが好ましい。【００２３】  本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、前記回折格子が、（１）利得結合構造であるか、（２）損失結合構造であるか、（３）利得結合、損失結合及び屈折率結合のうちの２つ或いは３つが混在する構造であるか、又は、（４）屈折率結合構造で且つλ／４シフト構造を有していること、が好ましい。【００２４】  特に、回折格子が、屈折率結合構造で且つλ／４シフト構造を有する場合は、該λ／４シフト位置が、前記利得発生領域の前後方向の長さを１００％としたとき、該利得発生領域の前端より７５％±５％後方の位置とされていることが好ましい。【００２５】  また、本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、前記利得発生領域の後端面がエッチングにより形成され、当該分布帰還型半導体レーザを含む素子全体（つまりワンチップ）の前後長は１５０μｍよりも長いことが好ましい。【００２６】  この場合、前記素子は、前記エッチングにより形成された端面ギャップを介して当該分布帰還型半導体レーザの後方側に集積された他の機能領域を含む構造とされていることも好ましい。【００２７】  加えて、これらの場合、前記他の機能領域が、受光機能を有することを好ましい例とする。【００２８】  また、前記他の機能領域が受光機能を有する場合、その前端面が、前記利得発生領域の後端面に対し傾斜状態に形成されていることが好ましい。【００２９】  また、前記他の機能領域が、前記利得発生領域側への反射機能を有することも好ましい。すなわち、この場合に、「利得発生領域を挟む前後２つの端面のうち後端面側から前側を見た反射率」が、「利得発生領域を挟む前後２つの端面のうち後端面による反射に加えて、利得発生領域の後方側に配された反射機能領域からの反射を含んだ反射率」となる。【００３０】  また、本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、前記利得発生領域の後端面の反射率が９０％以上に設定されていることが好ましい。【００３１】  具体的には、例えば、前記利得発生領域の後端面は、該後端面に高反射膜が設けられたことにより９０％以上の反射率とすることができる。【００３２】  この場合、前記高反射膜には、前記利得発生領域内より光を導出させるための光導出用窓が形成されていることが好ましい。【００３３】  また、本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、前記利得発生領域を構成する材料が、Ａｌ、Ｎ及びＳｂのうちの少なくとも何れか１つを含むことが好ましい。【００３４】  また、本発明の分布帰還型半導体レーザの直列抵抗は５０Ω±１０Ωであることが好ましい。【００３５】  また、本発明の分布帰還型半導体レーザアレイは、本発明の分布帰還型半導体レーザをアレイ状にモノリシックに備え、且つ各分布帰還型半導体レーザの波長が相互に異なることを特徴としている。【００３６】  また、本発明の光モジュールは、本発明の分布帰還型半導体レーザ又は本発明の分布帰還型半導体レーザアレイを備えることを特徴としている。【００３７】  ［２］作用
（１）単一モード安定性指標の導出
本発明では、まず、極短共振器の（利得発生領域が極短い）分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）の単一モード安定性を評価するのに必要な指標の導出から説明しなければならない。なぜなら、本発明のＤＦＢレーザを従来と同一の指標で考えることは不適切だからである。【００３８】  従来、ＤＦＢレーザの単一モード安定性を量る指標としては、実験的には、副モード抑圧比（Ｓｉｄｅ  Ｍｏｄｅ  Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｒａｔｉｏ、ＳＭＳＲ、ｄＢ単位である）が広く用いられてきており、また解析では、より直接的に理解できるパラメータとして、基本モードと隣接モードとのミラー損失の差であるΔα［ｃｍ−１］、またはΔαに共振器長（利得発生領域長）Ｌを乗算したΔα・Ｌが用いられてきた。この指標は、従来の共振器長Ｌ＝２００〜６００μｍ程度のＤＦＢレーザについて考える場合には、過去の実験的裏付け（実験的に得られる単一モード歩留まりと設計パラメータとの対応）等があったため、十分目安となる指標であった。しかし、本発明のように、従来にないほどに極短共振器化をはかるＤＦＢレーザの構造を最適なものにするためには、同一の指標で考えることが、そもそもできない。【００３９】  例えば、Ｌ＝２５０μｍの通常のＤＦＢレーザに対して、十分な単一モード安定性を得るために必要なΔα・Ｌが０．５だったとする。この場合に、同じ０．５をＬ＝５０μｍのＤＦＢレーザで実現するために必要なΔαを、Δα・Ｌを指標として導くならば、Ｌ＝２５０μｍと比べて５倍のΔαが要求されることになってしまうが、これは到底正しいとは考えられない。また、基本的に、高κの導入（即ち、ミラー損失曲線が平坦化し、Δαは小さくなる傾向を生じる）が必要な、利得発生領域が極短いＤＦＢレーザの単一モード安定性を考えるために、Δαのみを用いることにも疑問がある。【００４０】  そこで、本発明者は、まず、極短い利得発生領域を有するレーザに対して十分適用でき、且つデバイスパラメータとの相関が明確な、単一モード安定性を示す指標の導出を行った。その為に、ＳＭＳＲの基本式に立ち返り、見直しを行った。【００４１】  ＳＭＳＲの式は、以下の（１）式のように、主モード（波長λ０）と、次に強い副モード（＝隣接モード、波長λ１）との光出力Ｐ（λｎ）の比で表される。【００４２】
【数１】
2005053124.tif 000003
【００４３】  また、それぞれの光出力は、以下の（２）式で表される。【００４４】
【数２】
2005053124.tif 000004
【００４５】  上記の（２）式において、Ｆ１：片側の端面出力／全光出力、ｖｇ：群速度、αｍ：ミラーロス、Ｎｐ：光子密度、ｈ：プランク定数、Ｖｐ：共振器の体積である。【００４６】  そして、ＳＭＳＲの式は以下の（３）式で表すことができる。【００４７】
【数３】
2005053124.tif 000005
【００４８】ここで、ｇｔｈ：閾値利得、Ｉｔｈ：閾値電流、βｓｐ：自然放出光係数であり、ｇｔｈは内部損失αｉとミラー損失αｍとの和である。添え字の１、０は、０が主モード、１が副モードを意味する。ＳＭＳＲは、閾値電流との比であるＩ／Ｉｔｈ，０を固定すれば利得と損失の関数であり、利得発生領域長Ｌには依存しない。ここで、利得が周波数（つまり波長）に依存しない（Δｇ〜０）と近似すると、ＳＭＳＲの式は、次の（４）式のように変形することができる。【００４９】
【数４】
2005053124.tif 000006
【００５０】  即ち、ＳＭＳＲはΔα／ｇｔｈ，０の関数として表せることを意味している。【００５１】  ここで、図１にαｉ＝２０ｃｍ−１、βｓｐ＝５×１０−５としたときのＳＭＳＲのΔα／ｇｔｈ依存性を示す。同図から、ＳＭＳＲは、Δα／ｇｔｈが大きくなるほど増大し、単一モード安定性が高くなることがわかる。また、ＳＭＳＲは、Δα／ｇｔｈが０から１にかけて急激に増大するが、１以上の領域では飽和傾向にあり、緩やかに増加することもわかる。Δα／ｇｔｈ＝１の物理的意味は、副モードが発振するためには、主モードの発振に必要な利得の２倍の利得が必要であることを意味している。例えば、Ｉ／Ｉｔｈ＝５のとき、Δα／ｇｔｈ＝１のＳＭＳＲは、４６ｄＢであることから、Δα／ｇｔｈ＞１の範囲では、高い単一モード安定性が期待できる。この新たに見いだした“Δα／ｇｔｈ”というパラメータは、従来、単一モード安定性指標として用いられてきたΔαを分子に有し、且つ閾値電流に直結するｇｔｈを分母に有しているため、デバイス構造パラメータとの相関が非常にわかりやすい指標といえる。利得発生領域長が極短いＤＦＢレーザを考えるためには、この指標をこそ用いなければならないと考える。【００５２】  よって、本発明では、Δα／ｇｔｈというパラメータを単一モード安定性を量る指標として用いる。そして、利得発生領域長が極短いＤＦＢレーザにおいて、Δα／ｇｔｈが１以上となる構造こそが、高い単一モード安定性が得られる構造であるということを見いだしたわけである。以下では、このように高い単一モード安定性と低閾値電流特性を両立できるデバイス構造が、どのような構造であるか、具体的に説明する。【００５３】  （２）共振器端面反射率（利得発生領域を挟む前後２つの端面の反射率）について
単一モード安定性向上を考える上で、最初に考えるパラメータは、共振器の両端面の反射率、及びλ／４シフト位置である。ＤＦＢレーザで最も高い単一モード安定性を得るには、両端面を低反射率（ＡＲ）化（反射率は１％以下）することであるが、利得発生領域長が極短い構造で低閾値電流化するためには、いくら高いκの回折格子を導入するといえども、回折格子の反射率だけでは、基本的に反射率が不足するため、利得発生領域を挟む前後２つの端面のうち、少なくとも片端面は、劈開端面（Ｒ〜３０％）以上に高反射率（ＨＲ）化する必要がある。つまり、１％以下のＡＲ端面と、３０％以上の端面が必要と考えられる。更に、３０％側の端面反射率を、誘電体多層膜や金属膜等の高反射膜により高反射化させ、より高い９０％以上にすることができれば、低閾値電流化には極めて有効である。【００５４】  なお、ここで、利得発生領域の後端面側については、該後端面単体で３０％以上（好ましくは９０％以上）の反射率を有していても良いが、利得発生領域の後方に配設された反射機能領域からの反射分を含めることによって、このように３０％以上（好ましくは９０％以上）の反射率を実現することとしても良い。【００５５】  加えて、このような構造（利得発生領域を挟む前後２つの端面のうち前端面の反射率は１％以下に、後端面側から前側を見た反射率は３０％以上にした構造）で、しかも高い単一モード歩留まりが得られる構造を見いだすことは、重要であろう。もちろん、従来の共振器長（〜３００μｍ）のＤＦＢレーザに対しては、このような非対称な端面構造の解析は、既に多くの報告がなされており、高い単一モード歩留まりを得るための指針も明らかにされている。しかし、本発明のような極短い利得発生領域のＤＦＢレーザについても同様の指針が当てはまるかどうかは不明であったため、Δα／ｇｔｈパラメータを用いて、その検証を行った。【００５６】  計算した構造は、（１）非対称λ／４（λ／４位置は、利得発生領域を前後方向において２５：７５の比に分けた場合のＨＲ側２５の位置）でＨＲ−ＡＲの各反射率が（９０％−０％）の構造、（２）λ／４シフト無しのＨＲ−ＡＲの各反射率が（９０％−０％）の構造、（３）λ／４シフト無しのＨＲ−ＣＬの各反射率が（９０％−３０％）の構造である。なお、通常の（共振長が２００〜６００μｍの場合）ＤＦＢレーザでは、（１）の構造が最も高い単一モード歩留まりが得られることが解っている。実際に計算に用いたパラメータは、Ｌ＝５０μｍ、κ＝４００ｃｍ−１、実効屈折率ｎ＝３．２２６、回折格子周期２０３．０４ｎｍ、キャリア寿命τｓ＝５×１０−９ｓ、内部損失αｉ＝２０ｃｍ−１そしてβｓｐ＝５×１０−５とした。【００５７】  単一モード歩留まりは、ＨＲ端面位相を０〜πまで８等分、ＣＬ端面位相を０〜πまで４等分して得られる合計３２個の素子におけるそれぞれのΔα／ｇｔｈを計算により求め、その求めた値が１以上となる素子の割合で評価した。図２に計算結果を示す。【００５８】  図２から分かるように、本発明のような極短共振器ＤＦＢレーザについても従来のＤＦＢレーザと同様の傾向が見積もられ、非対称λ／４構造では、最も良い５９％の歩留まりが得られた。一方ＨＲ−ＣＬ構造では、ミラー損失αｍ自体の大きさは、非対称λ／４構造より小さな値が得られたのだが（即ち閾値電流は小さくなる）、Δα／ｇｔｈ＞１を満たす結果は得られず、歩留まりは０％となった。以上の結果から、本発明のような極短い利得発生領域長のＤＦＢレーザにおいても、少なくとも、通常のＤＦＢレーザと同様に利得発生領域を２５：７５の比に分けた非対称λ／４構造は、高単一モード歩留まりが得られる基本構造として有効であることが確認された。なお、非対称λ／４構造を有効とするために好ましいλ／４シフト位置の許容ずれは、例えば±５％程度以内である。【００５９】  以上では、本発明の分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）の回折格子が、屈折率結合のみからなる場合について説明した。その場合、λ／４シフトの導入が有効であり、利得発生領域内におけるλ／４シフト位置を２５：７５の位置にすることが有効であることを示した。但し、その他にも、回折格子が、利得結合、もしくは損失結合、もしくは利得結合や損失結合や屈折率結合が混在する回折格子となっている場合は、λ／４シフトの導入無しで、同様の効果（高単一モード歩留まり）を得ることが出来る。【００６０】  これらのうち、利得結合構造からなる回折格子、損失結合構造からなる回折格子、及び、屈折率結合構造で且つλ／４シフト構造を有している回折格子は、何れも理論的な単一モード歩留まりが１００％となる。また、利得結合、損失結合及び屈折率結合のうちの２つ或いは３つが混在する構造の回折格子の場合には、理論的な単一モード歩留まりが１００％には達しないものの、それに近い歩留まりを得ることも可能であり、λ／４シフト構造以外の純粋な屈折率結合構造の場合よりも格段に単一モード歩留まりが向上する。【００６１】  次に、実使用を考えた場合、どのような利得発生領域長で、どのような結合係数を用いると、上記のようなλ／４シフトや端面構造で、更に高い単一モード安定性と低閾値電流特性を両立できるか、について説明する。【００６２】  （３）結合係数κ、利得発生領域長（共振器長）Ｌについて
ここでは、利得発生領域長が極短いＤＦＢレーザの“単一モード安定性”に着目し、結合係数κ、利得発生領域長Ｌの最適構造の導出を行う。ここで、Δα／ｇｔｈという指標は、原理的に、内部損失αｉというパラメータを含んでおり、αｉ依存性についても考えなければならない。αｉは、レーザを作製する場合に活性層の層厚やドーピング濃度によって、下限として数ｃｍ−１、上限として２５ｃｍ−１程度の値をとる。よって、この範囲で検討する必要がある。【００６３】  利得発生領域長が極短いＤＦＢレーザの計算モデルを図３に示す。ＨＲとして９０％、ＡＲとして０％の反射率を考え、Ｌ１：Ｌ２＝２５：７５を用いた。【００６４】  まず図４に、αｉが上限の２５ｃｍ−１の場合において、種々のκに対して、Δα／ｇｔｈの利得発生領域長Ｌへの依存性を調べた結果を示す。従来の直接変調ＤＦＢレーザのκは５０〜６０ｃｍ−１程度であるが、例えばκ＝５０ｃｍ−１では、どのような利得発生領域長Ｌに対しても、Δα／ｇｔｈは１以下しか得られない。また、κ＝５０ｃｍ−１程度の場合は、Δα／ｇｔｈの利得発生領域長依存性は、なだらかでありＬに鈍感である。これに対して、κが１００ｃｍ−１以上で、利得発生領域長が１５０μｍ以下の場合、Δα／ｇｔｈが１を越える領域が存在する。典型的には、１００ｃｍ−１以上の高いκを有するＤＦＢレーザでは、κが大きくなればなるほど、より利得発生領域が短くなる側にΔα／ｇｔｈが１を越す領域が存在し、しかもピークを持つことがわかる。この１を越す領域は、高κほど利得発生領域が短くなる側にシフトし、且つピークの値自体も大きくなる。つまり、κを大きくしつつ、利得発生領域の短尺化を行う場合、Δα／ｇｔｈが鋭いピークを呈するため、精密な利得発生領域長Ｌとκの組み合わせを用いる必要があることを意味している。【００６５】  ここで明らかになったことは、αｉが上限値と考えられる２５ｃｍ−１程度の場合でも、κを１００ｃｍ−１以上とし、Ｌを１５０μｍ以下とすることで、Δα／ｇｔｈ＞１の領域を得ることができる、ということである。【００６６】  次に、図５に、αｉが下限の５ｃｍ−１の場合において、種々のκに対して、Δα／ｇｔｈの利得発生領域長Ｌへの依存性を調べた結果を示す。このとき、従来のκ＝５０ｃｍ−１の場合は、利得発生領域長Ｌが１５０μｍ以上でΔα／ｇｔｈ＞１を得ることができる。しかし、利得発生領域長Ｌが１５０μｍ以下では、Δα／ｇｔｈは１以下となる。しかし、κを１００ｃｍ−１以上とすることで、Ｌが１５０μｍ以下の領域のΔα／ｇｔｈを１より遙かに大きくすることができる。【００６７】  このように、κを１００ｃｍ−１以上とし、Ｌを１５０μｍ以下とする構成は、利得発生領域長が極短いＤＦＢレーザにおいてこそ、高い単一モード安定性を得る上で有効な組み合わせということができ、内部損失が数ｃｍ−１程度の下限から２５ｃｍ−１程度の上限に亘る広い範囲で有効である。そして、ある内部損失αｉに対して、利得発生領域長Ｌの下限長は、Δα／ｇｔｈが１以下になる長さとして規定することができる。【００６８】  ここで、上記、κとＬの組み合わせについて、もう一つ考慮しなければならない効果がある。それは、閾値電流以上の駆動状態において軸方��空間ホールバーニング現象にともなう単一モード安定性劣化である。軸方向空間ホールバーニング現象は、基本的に利得発生領域内の軸方向光強度分布に依存している。そして、端面構造（ＡＲ−ＨＲ）、λ／４シフト位置が決められたＤＦＢレーザの場合、光強度分布は、結合係数κと利得発生領域長Ｌとの積（κＬ）の絶対値のみで決定される。軸方向空間ホールバーニングの影響を抑制し、より安定な動作を実現するためには、κＬの値は、１以上３以下の範囲に設定すると良い。【００６９】  （４）閾値電流について
ここでは、“低閾値電流特性”との両立について考え、より“低駆動電流化”に有効なパラメータを絞り込む。即ち、“安定な単一モード特性”が得られ、且つ、“低閾値電流特性”が得られるデバイスパラメータを見いだす。【００７０】  図６に、αｉ＝２０ｃｍ−１において、種々のκに対して、Δα／ｇｔｈ≧１を満たすＬのみに対して、閾値電流（Ｉｔｈ）を計算した結果を示す。【００７１】  κ＝５０ｃｍ−１では、いかなる利得発生領域長でもΔα／ｇｔｈ≧１が得られないが、κ＝５０ｃｍ−１でプロットしているグラフは、従来のＤＦＢレーザ構造のリファレンスとして示している。【００７２】  また、図６の各曲線上に点で示したポイントは、各κに対してΔα／ｇｔｈがピークとなる利得発生領域長Ｌを示している。計算結果から、閾値電流は、ほぼΔα／ｇｔｈがピークとなる利得発生領域長Ｌで最小となることがわかった。また、同じＬでもκが大きくなるほど閾値電流は小さくなり、κ＝３００ｃｍ−１では、Ｒｅｆ構造の１／３以下まで低い閾値電流が見積もられた。【００７３】  利得発生領域長が極短いＤＦＢレーザにおいて閾値電流が低減される理由は、（１）Ｌが短い領域では、体積縮小により絶対値として発振に必要な電流が下がる、（２）κが大きい構造では、高い反射率が得られるため、閾値利得が下がり、閾値電流が下がる、という二つの理由が考えられるが、高い緩和振動周波数ｆｒを得るためには、体積縮小効果は極めて有効であるので、高ｆｒ特性まで含めて考えると、最適な利得発生領域長は、Δα／ｇｔｈがピークとなる共振器長以下で、Δα／ｇｔｈ＞１が得られる範囲ということができる。【００７４】  （５）利得発生領域長が極短いＤＦＢレーザの利点をより増大させる、その他の構造について
ここでは、結合係数κと利得発生領域長Ｌの値の組み合わせ等に加えて、更に素子特性を向上させる上で有効な、利得発生領域長が極短いＤＦＢレーザの構造について説明する。【００７５】  本発明では、利得発生領域長を１５０μｍ以下と、利得発生領域長の極短尺化を図っている。このような構造の場合、従来のように両端面を劈開することは、極めて困難である。また、他にもハンドリング問題がある。つまり、たとえ劈開ができたとしても、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）を含む素子全体の長さが１５０μｍ以下であれば、モジュール等へ搭載する場合に、ハンドリングが極めて困難になる。しかし、利得発生領域の前端面は、１％以下に低反射化しなければならないため、無反射コーティングを行う関係上、フラットな劈開面とすることが望ましい。つまり、片端面は劈開面としなければならないのである。【００７６】  このような状況を鑑み、本発明では、反射率３０％以上が必要な利得発生領域後端面の形成にエッチングを用いる。高反射側端面は、その形状が多少凸凹していたとしても、３０％以上の反射率を実現するためのコーティングは十分可能だからである。高反射膜には、例えば、電流注入用の金属電極膜等を用いることもできる。エッチングで裏側端面を形成することにより、ＤＦＢレーザの利得発生領域長そのものは１５０μｍ以下に維持し、素子全体の長さ（前後長さ）は１５０μｍより長く、ハンドリング装置の能力に応じて適当な長さにする。適当な長さとは、例えば１７０μｍ程度以上である。【００７７】  エッチングで後方端面を形成することは、もう一つのメリットを生む。すなわち、他の機能領域の集積化である。本発明の場合、ＤＦＢレーザ領域長は、１５０μｍ以下であり、素子長は、ハンドリングを考えて１５０μｍより長く、従来の単機能光源程度の長さにするわけであるから、その余分な長さの領域に、別の機能領域を集積できれば、より高機能な集積素子を小さいサイズで実現でき、素子の高付加価値化がはかれる。本発明では、例えば、エッチングにより形成された端面ギャップを介して集積する他の機能には、モニタ用受光機能がある。このとき、集積された機能領域からＤＦＢレーザ（利得発生領域、光導波路）への反射戻り光を抑制するために、本発明では、利得発生領域の後端面と、該後端面と対向する機能領域の前端面とを平行にはせず、該機能領域の前端面を利得発生領域の後端面に対し傾斜状態となるように形成する。【００７８】  このような構造は、集積された他の機能領域の端面もエッチングで形成することにより容易に実現できる。【００７９】  なお、半導体レーザにモノリシックにモニタＰＤ（フォトダイオード）を集積する構成は、特許文献３に開示されている。しかし、モニタＰＤの集積は、本発明のように、利得発生領域が極短いＤＦＢレーザと組み合わせることで初めて、素子全体の長さを従来の半導体レーザと同程度に短く維持しつつ、モニタ機能をも付加できるため、より一層メリットがある。また、本発明のように、ＤＦＢレーザの後端面（モニタＰＤ側の端面）の反射率は、ある程度高くし、且つ、モニタＰＤの前端面（ＤＦＢレーザへの対向面）も、ＤＦＢレーザ端面に対し傾斜状態にして、反射戻り光を抑制しな���れば、近接するモニタＰＤからの反射戻り光が、レーザの安定動作に悪影響を与えてしまう。このような端面形状の構成、集積素子小型化による本発明のメリットは、モニタＰＤ以外の他の機能領域を集積する場合にも当てはまる。つまり、本発明によって、集積素子の全体サイズの低減が可能となり、ウエハからの素子収量が向上し、コスト低減が可能となるのである。【００８０】  また、本発明では、集積された機能領域に回折格子等を形成して光の反射機能を持たせることも好ましい。この場合、ＤＦＢレーザ（の利得発生領域）の後方端面に高反射膜等の形成を不要とすることができる。更に、上記、光反射機能を有する領域の光導波路組成をレーザの発振波長を考慮して適当に選ぶことで、反射だけでなく、光の受光機能をも同時に付与することができる。【００８１】  ここで一つ述べておくことがある。上記、ＤＦＢレーザの後方端面を高反射膜で覆って高反射化させている場合、本発明では、後方のモニタＰＤへ、モニタするために十分な光量を取り出す（導出させる）ため、高反射膜の一部を、反射率を劣化させない程度にエッチングで除去し、光取り出し窓（光導出用窓）を形成する。【００８２】  一方、利得発生領域が極短いＤＦＢレーザを構成する材料としては、高温度特性が期待できる、ＡｌＧａＩｎＡｓ等のＡｌ系材料、ＧａＩｎＮＡｓ等のＮ系材料或いはＳｂ系材料の導入が、上記κ、Ｌ等の構造最適化と組み合わせることで、より有効に働く。【００８３】  利得発生領域が極短いＤＦＢレーザを高速変調させる場合、駆動５０Ω系とのインピーダンスマッチングを考えると、極短共振器の特徴、即ち、高抵抗化が可能ということを利用して、本発明では、ちょうどレーザの直列抵抗が５０Ω±１０Ωとなるようにドーピング濃度、クラッド厚等のパラメータを選ぶことが好ましい。【００８４】  加えて、アレイ化することも有効である。即ち、本発明では、利得発生領域が極短いＤＦＢレーザがアレイ状にモノリシックに並べられ、且つ各々のＤＦＢレーザの波長が異なるＤＦＢレーザアレイとすることで、波長多重光通信システム用の多波長光源を、安価に提供することができるようになる。【００８５】  更に、本発明では、上記ＤＦＢレーザ、もしくは、上記ＤＦＢレーザアレイを少なくとも含む光モジュールとすることで、モジュールとして製品を提供することができるようになる。
【発明の効果】
【００８６】  第一の効果は、レーザ光の利得を発生させる利得発生領域と、該利得発生領域の内部に形成された回折格子と、を備える分布帰還型半導体レーザにおいて、利得発生領域を挟む前後２つの端面のうち前端面の反射率は１％以下に設定されているとともに、２つの端面のうち後端面側から前側を見た反射率は３０％以上に設定され、回折格子の結合係数をκ、利得発生領域の長さをＬとすると、κは１００ｃｍ−１以上に、Ｌは１５０μｍ以下に、それぞれ設定され、モード間利得差をΔα、閾値利得をｇｔｈとすると、Δα／ｇｔｈが１以上となるκとＬの組み合わせを用いているので、極めて単一モード安定性が良く、しかも低閾値電流で発振可能、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００８７】  第二の効果は、上記の構造に加えて、結合係数κと利得発生領域長Ｌとの積が１以上３以下とすることで、軸方向空間ホールバーニングの影響を抑制することができ、発振閾値以後の動作条件において、高出力特性を得る上で、より安定な単一モード動作を実現し、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００８８】  第三の効果は、上記の構造に加えて、Δα／ｇｔｈの利得発生領域長Ｌへの依存性をプロットした場合にΔα／ｇｔｈがピーク値となる利得発生領域の長さをＬｐとすると、利得発生領域長ＬはＬｐ以下とすることで、安定な単一モード動作及び低い閾値電流に加えて、高い緩和振動周波数ｆｒを有し、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００８９】  第四の効果は、利得発生領域の内部に形成された回折格子が、利得結合構造を有しているか、損失結合構造を有しているか、利得結合、損失結合及び屈折率結合のうちの２つ或いは３つが混在する構造を有しているか、又は、屈折率結合構造で且つλ／４シフト構造を有しているので、高い単一モード歩留まりを有し、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００９０】  第五の効果は、特に、利得発生領域の内部に形成された回折格子が、屈折率結合構造で且つλ／４シフト構造を有し、該λ／４シフト位置が、前記利得発生領域の前後方向の長さを１００％としたとき、該利得発生領域の前端より７５％±５％後方の位置とされているので、より高い単一モード歩留まりを有し、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００９１】  第六の効果は、前記利得発生領域の後端面がエッチングにより形成され、当該分布帰還型半導体レーザを含む素子全体の前後長は１５０μｍよりも長い構成とすることで、極短利得発生領域の分布帰還型半導体レーザにおける劈開困難性を克服し、ハンドリング悪化を改善し、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００９２】  第七の効果は、前記素子を、前記エッチングにより形成された端面ギャップを介して当該分布帰還型半導体レーザの後方側に集積された他の機能領域を含む構造とすることで、更に高機能化による高付加価値化を実現し、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００９３】  第八の効果は、集積され��他の機能領域に、受光機能を付与することで、モニタＰＤが集積され、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００９４】  第九の効果は、第八の効果を促進する効果であるが、集積された他の機能領域の前端面を、前記利得発生領域の後端面に対し傾斜状態に形成することで、他の機能領域から利得発生領域内への反射戻り光を抑制することができ、安定な分布帰還型レーザ動作を実現し、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００９５】  第十の効果は、集積された他の機能領域に、反射機能を持たせることにより、例えば、利得発生領域の後端面に高反射膜を形成する必要性を無くし、モニタ用後方光をより多く出力させることもできる。更に、他の機能領域に反射機能とともに光受光機能を持たせることにより、コンパクトなモニタＰＤ集積型で、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００９６】  第十一の効果は、利得発生領域の後端面の反射率を９０％以上に設定することで、より低閾値電流を有し、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。なお、利得発生領域の後端面の反射率を９０％以上とするには、例えば、該後端面に高反射膜が設けると良い。【００９７】  第十二の効果は、利得発生領域の後端面に設けられた高反射膜に、利得発生領域内より光を導出させるための光導出用窓を形成することにより、効率よく十分なモニタ用後方光を取り出すことの出来、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００９８】  第十三の効果は、利得発生領域を構成する材料に、Ａｌ、Ｎ及びＳｂのうちの少なくとも何れか１つを含むようにすることで、高温度動作特性に優れ、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【００９９】  第十四の効果は、分布帰還型半導体レーザの直列抵抗を５０Ω±１０Ωとすることで、レーザを高速変調させる場合に、容易に、駆動５０Ω系とのインピーダンスマッチングが可能で、且つ、利得発生領域が極短い分布帰還型半導体レーザを提供することができる。【０１００】  第十五の効果は、本発明の分布帰還型半導体レーザをアレイ状にモノリシックに並べ、且つ各分布帰還型半導体レーザの波長が相互に異なる分布帰還型半導体レーザアレイとすることで、波長多重光通信システム用の多波長光源を、安価に提供することができる。【０１０１】  第十六の効果は、更に、本発明の分布帰還型半導体レーザ、もしくは、本発明の分布帰還型半導体レーザアレイを備える光モジュールとすることで、高い単一モード安定性、低い閾値電流、そして高いｆｒ特性等を有する光源を、システム構築者が扱いやすいモジュールという形で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）のΔα／ｇｔｈ依存性を示す図である。
【図２】各構造のＤＦＢレーザにおける単一モード歩留まりを示す図である。
【図３】ＤＦＢレーザのモデルを示す図である。
【図４】内部損失αｉ＝２５ｃｍ−１の場合の、各κに対するΔα／ｇｔｈの利得発生領域長Ｌ依存性を示す図である。
【図５】内部損失αｉ＝５ｃｍ−１の場合の、各κに対するΔα／ｇｔｈの利得発生領域長Ｌ依存性を示す図である。
【図６】Δα／ｇｔｈ≧１を満たす閾値電流の利得発生領域長Ｌ依存性を示す図である。
【図７】本発明の第一の実施形態に係る、モニタＰＤとモノリシック集積されたＤＦＢレーザの構造を示す模式的な斜視図である。
【図８】図７の素子の模式的な上面図である。
【図９】図７の素子の製造プロセスにおけるＭＱＷ−ＳＣＨ成長及び回折格子形成を説明するための模式的な斜視図である。
【図１０】図７の素子の製造プロセスにおけるｐ−ＩｎＰクラッド及びｐ＋−ＩｎＧａＡｓキャップの成長を説明するための模式的な斜視図である。
【図１１】図７の素子の製造プロセスにおける導波路メサの形成を説明するための模式的な斜視図である。
【図１２】図７の素子の製造プロセスにおける高抵抗ＩｎＰブロック層の成長を説明するための模式的な斜視図である。
【図１３】図７の素子の製造プロセスにおける素子分離を説明するための模式的な斜視図である。
【図１４】図７の素子の製造プロセスにおける電極形成を説明するための模式的な斜視図である。
【図１５】本発明の第二の実施形態に係るＤＦＢレーザの構造を示す模式的な斜視図である。
【図１６】本発明の第三の実施形態に係る、外部反射器とモノリシック集積されたＤＦＢレーザの構造を示す模式的な斜視図である。
【図１７】本発明の第四の実施形態に係るレーザアレイの構造を示す模式的な斜視図である。
【図１８】図１７のレーザアレイとＡＷＧ合波器とをハイブリッド集積した状態を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１０３】１      分布帰還型半導体レーザ
１ａ    前端面
１ｂ    後端面
２      モニタＰＤ（受光機能を有する他の機能領域）
３      外部反射器（反射機能を有する他の機能領域）
１３    回折格子
１８ａ  ＤＦＢレーザ用ｐ電極（一部が高反射膜を構成する）
２９    素子
３０    利得発生領域
３１    λ／４シフト位置
３５    素子
３３    素子
３４    アレイ状素子（分布帰還型半導体レーザアレイ）
ＧＬ    ギャップ距離（端面ギャップ）
【発明を実施するための最良の形態】
【０１０４】  次に、本発明に係る実施形態について図面を参照して詳細に説明する。【０１０５】  〔第一の実施形態〕
図７を参照すると、本発明の第一の実施形態として、ＤＦＢレーザ（分布帰還型半導体レーザ）１とモニタＰＤ（受光機能を有する他の機能領域）２とが一体的に集積された素子２９の斜視図が示されている。また、図８は、図７に示す素子２９の上面模式図である。なお、図７では、ＤＦＢレーザ１の層構造を見せるために、ＦｅドープＩｎＰ電流ブロック層１６を一部破断として透視状態にしている。更に、図７では、モニタＰＤ２の層構造を見せるために、該モニタＰＤ２の前端面に形成されたＳｉＮ膜１７を透視状態としている。【０１０６】  図７及び図８に示すように、素子２９は、モノリシック集積されたＤＦＢレーザ（分布帰還型半導体レーザ）１とモニタＰＤ２を備える。【０１０７】  この素子２９の全体の前後長は、例えば２５０μｍである。つまり、ＤＦＢレーザ１を含む素子全体の前後長は１５０μｍよりも長い。また、ＤＦＢレーザ１（の利得発生領域３０）の前後長は、例えば１００μｍであり、従来と比べて利得発生領域長が極短い。【０１０８】  なお、本実施形態の場合、ＤＦＢレーザ１の後方に反射機能を備えないため、本実施形態のＤＦＢレーザ１は、「極短共振器ＤＦＢレーザ」と表現することもできる。また、本実施形態で説明するのは、利得発生領域３０の後方側に反射機能領域を備えない例であるため、本実施形態の場合、「利得発生領域３０を挟む前後２つの端面１ａ、１ｂのうち後端面１ｂ側から前側を見た反射率」は、後端面１ｂの反射率となる。【０１０９】  ＤＦＢレーザ１は、ｎ−ＩｎＰ基板１０上に配設された、ＩｎＧａＡｌＡｓ系の１０層の多重量子井戸（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ−Ｑｕａｎｔｕｍ−Ｗｅｌｌ、ＭＱＷ）１１、ＡｌＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ系からなる光閉じこめ層（Ｓｅｐａｒａｔｅ−ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ−ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ＳＣＨ）１２ａ、１２ｂ、及び屈折率結合構造で且つλ／４シフト構造の回折格子１３を含む光導波路と、ｐ−ＩｎＰクラッド１４と、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓキャップ層１５と、Ｆｅドープ高抵抗ＩｎＰ１６と、電流阻止用絶縁膜としてのＳｉＮ１７（ＳｉＮ１７はＰＤパシベーション膜としても兼用）と、ＤＦＢレーザ用ｐ電極１８ａと、ｎ電極１９（ｎ電極１９はモニタＰＤ２にも兼用）と、を備える。【０１１０】  なお、このうちＭＱＷ１１及び回折格子１３により利得発生領域３０が構成されている。【０１１１】  ここで、本実施形態の層構造においては、ＭＱＷ１１を構成する各単層あたりのキャリア密度を下げて、微分利得を向上させるために多層のＭＱＷ１１を導入しているが、内部損失が２０ｃｍ−１程度と高めであったため、図４のグラフを参照し、回折格子１３の結合係数は２００ｃｍ−１とし、利得発生領域３０の前後長さは１００μｍとした。【０１１２】  すなわち、回折格子１３の結合係数をκ、利得発生領域３０の前後長さをＬとすると、κは１００ｃｍ−１以上に、Ｌは１５０μｍ以下に、それぞれ設定されている。更に、モード間利得差をΔα、閾値利得をｇｔｈとすると、Δα／ｇｔｈが１以上となるκとＬの組み合わせを用いている。しかも、結合係数κと利得発生領域長Ｌとの積が１以上３以下である。加えて、Δα／ｇｔｈの利得発生領域長Ｌへの依��性をプロットした場合にΔα／ｇｔｈがピーク値となる利得発生領域の長さをＬｐとすると、利得発生領域長ＬはＬｐ以下である。【０１１３】  また、本実施形態では、ＤＦＢレーザ１の後端面１ｂ（図８参照）はＩＣＰドライエッチング等により形成し、更に、該後端面１ｂを、ＤＦＢレーザ用ｐ電極１８ａを構成するＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの金属多層膜で被覆することにより、該後端面１ｂを、例えば９５％以上の反射率に高反射化している。【０１１４】  他方、ＤＦＢレーザ１の前端面１ａ（図８参照）は、劈開により形成すると共に、該前端面１ａには反射率０．１％以下の無反射（ＡＲ）コーティング（図示略）を施している。【０１１５】  すなわち、利得発生領域３０を挟む前後２つの端面のうち前端面１ａの反射率は１％以下に設定されているとともに、後端面１ｂの反射率は３０％以上に設定されている。【０１１６】  このような本実施形態の構造では、Δα／ｇｔｈが十分１以上となり、κＬ値も２であるので、軸方向空間ホールバーニングの影響を抑制できた。よって、安定な単一モード動作（ＳＭＳＲ＞５０ｄＢ）と、低閾値電流動作（＜２ｍＡ）が実現できた。また、４０ｍＡ以上の駆動電流により、３ｍＷ以上の前方光ファイバ出力と、２０ＧＨｚを越える高ｆｒ特性と、を得ることができ、超高速、低駆動電流、低駆動電圧の超高性能直接変調光源を実現することができた。【０１１７】  一方、後端面１ｂからの光出力モニタに関して言えば、本実施形態では、後端面１ｂを金属被覆しているため、金属による吸収で後端面１ｂから後方への出射パワーが小さくなることが予測された。よってモニタＰＤ２をも集積化し、漏れ光を検知する構成とした。
このようにモニタＰＤ２も集積化することには、素子２９における余裕領域を有効利用しつつ、該素子２９をハンドリングに適したサイズにできるというメリットもある。【０１１８】  なお、モニタＰＤ２への入力パワーをより増大するために、ＤＦＢレーザ１の後端面１ｂにおける電極被覆形状を工夫し、反射率が落ちない程度に、一部、光取り出し窓（光導出用窓；図示略）を設けることが有効である。例えば、ＤＦＢレーザ用ｐ電極１８ａにおいて、ＤＦＢレーザ１の後端面１ｂを被覆する部分のうち、光導波路から４μｍ程度横にずれた位置に幅２μｍ程度の矩形状に電極を除去することにより、光取り出し窓を形成する。【０１１９】  また、集積されたモニタＰＤ２も、基本的な層構造及び組成波長はＤＦＢレーザ１と同じであるが、モニタＰＤ２のレーザ側の端面（つまり、モニタＰＤ２において、ＤＦＢレーザ１と対向する前端面２ａ（図８参照））は、ＤＦＢレーザ１の光導波路内への反射戻り光を抑制するため、図８に示すように、ＤＦＢレーザ１の後端面１ａに対し平行にはせず、該後端面１ａに対し傾斜状態に形成する。ここで、傾斜角度θは、ＤＦＢレーザ１の後端面３０ａとモニタＰＤ２の前端面２ａとのギャップ距離（端面ギャップ）ＧＬに応じて、反射戻り光がレーザ側の光導波路に戻らないように設定する。本実施形態では、ギャップ距離ＧＬは、例えば５０μｍ程度であり、傾斜角度θは、例えば１０°としている。【０１２０】  このようにＤＦＢレーザ１と一体に集積されたモニタＰＤ２を用いることにより、ＤＦＢレーザ１のオートパワーコントロール動作を制御するに十分なモニタ出力電流を得ることが出来た。また、素子２９の全素子長は、２５０μｍと、従来の１０Ｇ直接変調型のＤＦＢレーザと等しい。つまり、従来と同じ素子サイズで光モニタ機能をも付与した高付加価値の直接変調光源を実現することが出来た。また、駆動電流４０ｍＡ以上でｆｒ＞２０ＧＨｚが得られているが、１０Ｇｂｐｓ動作を考えた場合、必要な電圧、電流をより一層低減することができ、超高速の１０Ｇ−ＣＭＯＳドライバによる駆動も可能なレベルとなる。実際、本発明の光源とＣＭＯＳのＬＤドライバを内蔵したＵｎｃｏｏｌｅｄの直接変調光源モジュールとしたところ、１０ＧＨｚの動作周波数では十分な特性が得られ、ドライバを含めて、より低コストなモジュールを実現することができた。【０１２１】  次に、図９乃至図１４を参照して製造方法を説明する。【０１２２】  なお、図９乃至図１３の各図において、ＤＦＢレーザ１の形成領域には、未だＤＦＢレーザ１の全体が形成されていない状態であってもＤＦＢレーザ１と示している。同様に、図１１乃至図１４の各図において、モニタＰＤ２の形成領域には、未だモニタＰＤ２の全体が形成されていない状態であってもモニタＰＤ２と示している。また、図９乃至図１４の各図には、便宜的に単体の素子部分のみを示しているが、例えば、劈開により切り出すまでは、ウェハの状態であるものとする。【０１２３】  まず始めに、図９に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板１０上に、有機金属気相成長法を用いて、ｎ−ＩｎＧａＡｌＡｓの第１ＳＣＨ層１２ａ（１００ｎｍ厚）と、圧縮歪１％のＩｎＧａＡｌＡｓウエル（５ｎｍ厚）及び引���張り歪み−１％のＩｎＧａＡｌＡｓ（５ｎｍ厚）バリアからなる１０層のＭＱＷ１１と、ＩｎＧａＡｌＡｓ（５０ｎｍ厚）／ＩｎＡｌＡｓ（５０ｎｍ厚）／ＩｎＧａＡｓＰ（１５０ｎｍ厚）からなる第２ＳＣＨ層１２ｂと、極薄いｐ−ＩｎＰカバー層（図示略；５０ｎｍ厚）と、をこの順に成長する。【０１２４】  次に、ｐ−ＩｎＰカバー層（図示略）に対し、ＥＢ露光法を用いて、ＤＦＢレーザ１の形成領域のみに対し、λ／４シフトを有する回折格子１３の回折格子パターン（図示略）を描画する。ここで、回折格子周期は、例えば約２００ｎｍで、λ／４シフト位置３１（図３参照）は、ＤＦＢレーザ１の前端から７５μｍ±５μｍ後の位置である。すなわち、回折格子１３は、屈折率結合構造で且つλ／４シフト構造を有し、該λ／４シフト位置３１が、利得発生領域３０の前後方向の長さを１００％としたとき、該利得発生領域３０の前端より７５％±５％後方の位置とされている。【０１２５】  そして、このように描画された回折格子パターンをドライエッチングを用いて半導体へ転写する。ここで、回折格子の深さは、例えば約１００ｎｍとし、回折格子パターンに対するドライエッチングは、Ａｌを含む層（つまり第２ＳＣＨ層１２ｂのＩｎＡｌＡｓ層）まで到達しないよう第２ＳＣＨ層１２ｂのＩｎＧａＡｓＰ層でストップさせる。これは、Ａｌを含む層の酸化による問題発生を回避するためである。以上により、図９に示すように、部分的（ＤＦＢレーザ１の形成領域のみ）に回折格子１３が形成されたウエハが得られる。【０１２６】  次に、図１０に示すように、部分的に回折格子１３が形成されたウエハに、有機金属気相成長法を用いて、例えば２μｍ厚のｐ−ＩｎＰクラッド層１４と、３００ｎｍ厚のｐ＋−ＩｎＧａＡｓキャップ層１５と、をこの順に成長する。【０１２７】  次に、図１１に示すように、ドライエッチングを用いて、ＤＦＢレーザ１とモニタＰＤ２の各領域を含む導波路メサ３２を形成する。つまり、ＤＦＢレーザ１とモニタＰＤ２の各形成領域を含むメサを残して、ｐ＋−ＩｎＧａＡｓキャップ層１５から第１ＳＣＨ層１２Ａまでの各層をドライエッチングにより除去する。ここで、導波路メサ３２の幅（導波方向に対する直交方向の寸法）は、ＤＦＢレーザ１の形成領域では例えば１．５μｍ程度とする一方で、モニタＰＤ２の形成領域では、受光面積を広くするために例えば５０μｍ程度とする。【０１２８】  次に、図１２に示すように、導波路メサ３２の両側部に、有機金属気相成長法を用いて、ＦｅドープＩｎＰ電流ブロック層１６を、該導波路メサ３２と同じ高さまで成長する。なお、本実施形態では、電流ブロック層として、Ｆｅをドーピングして高抵抗化したＦｅドープＩｎＰ電流ブロック層１６を採用する例を説明するが、これに限らず、ドーパントには例えばＲｕを用いても良い。【０１２９】  次に、図１３に示すように、ドライエッチングを用いて、モニタＰＤ２の周囲をコ字状にエッチングすることにより、導波路メサ３２を、ＤＦＢレーザ１とモニタＰＤ２とに分離する。なお、このエッチングでは、ｎ−ＩｎＰ基板１０の表層部までを除去する。このエッチングにより、ＤＦＢレーザ１の後端面１ｂ（図８；利得発生領域３０の後端面でもある）とモニタＰＤ２の前端面２ａ（図８）とが形成される。【０１３０】  このうちモニタＰＤ２の前端面２ａは、図８に示すように、ＤＦＢレーザ１の後端面１ｂと平行にならないよう、該後端面１ｂに対して例えば１０°以上の傾斜をもたせている。なお、ＤＦＢレーザ１とモニタＰＤ２との間の距離（ギャップ距離ＧＬ）は約５０μｍである。【０１３１】  次に、図１４に示すように、ＳｉＮ膜１７を素子２９における上面側の全表面に形成する。このＳｉＮ膜１７は、電流阻止用絶縁膜並びにパシベーション用膜として機能するものである。【０１３２】  次に、ＳｉＮ膜１７には、ＤＦＢレーザ１の領域では電流注入用の窓１７ａを開口し、モニタＰＤ２の領域では電流抽出用の窓（図示略；窓１７ａと同様の形状）を開口する。【０１３３】  次に、図１４に示すように、素子２９の上面にｐ電極を形成する。【０１３４】  すなわち、ＤＦＢレーザ１の領域では、ＳｉＮ膜１７上を覆い、且つ、該ＳｉＮ膜１７に形成された電流注入用の窓１７ａを介してｐ＋−ＩｎＧａＡｓキャップ層１５上を覆うように、ＤＦＢレーザ用ｐ電極１８ａを形成する。【０１３５】  ここで、ＤＦＢレーザ用ｐ電極１８ａは、例えば、ＴｉＰｔＡｕからなる。このＤＦＢレーザ用ｐ電極１８ａは、ＤＦＢレーザ１の後端面１ｂも被覆するように形成する。これによりＤＦＢレーザ１の後端面１ａの反射率として例えば９０％以上の高反射率を得ることができる。【０１３６】  また、ＤＦＢレーザ用ｐ電極１８ａは、必要最小限の面積に形成する。これにより、ＤＦＢレーザ用ｐ電極１８ａのキャパシタンスを十分に小さくすることができるので、ＤＦＢレーザ１が目的とする変調周波数を損うことがない。【０１３７】  他方、モニタＰＤ２の領域でも、同様に、ＳｉＮ膜１７上を覆い、且つ、該ＳｉＮ膜１７に形成された電流注出用の窓（図示略）を介してｐ＋−ＩｎＧａＡｓキャップ層１５上を覆うように、モニタＰＤ用ｐ電極１８ｂを形成する。【０１３８】  また、ウエハ裏面を研磨後、該裏面上に、ｎ電極１９を形成する。なお、このｎ電極１９は、ＤＦＢレーザ１及びモニタＰＤ２に兼用のものである。また、ウェハ裏面の研磨は、劈開を容易とさせるために行うものであり、例えばウェハが１００μｍ〜３５０μｍ程度まで薄くなるように行う。【０１３９】  以上により、ウエハ状態での素子作製工程が終了する。【０１４０】  次に、劈開によりウェハからバー状態に素子を切り出した後、そのバー状態（アレイ状態）で、一体となっている各ＤＦＢレーザ１の前端面に通常の無反射コーティングを一括して施す。この無反射コーティングにより、ＤＦＢレーザ１の前端面の反射率として１％以下の反射率を得ることができた。【０１４１】  更に、ＤＦＢレーザ１及びモニタＰＤ２を１個ずつ含む素子に分離して、素子作製が完了した。【０１４２】  なお、ＤＦＢレーザ１単体の直列抵抗は、約８Ωであった。【０１４３】  本実施形態の素子２９のサイズは、従来のＤＦＢレーザと同程度の長さ２５０μｍ、幅２５０μｍであるため、２インチウエハからの素子総収量は約２万個、素子歩留まりは６０％であり、良品数は約１万２千個という極めて良好な値を得ることができた。得られた特性は、記述のとおりである。【０１４４】  ���上のような第一の実施形態によれば、上記第一乃至第九の効果、並びに、上記第十一乃至第十三の効果を得ることができる。【０１４５】  なお、上記の第一の実施形態においては、光導波路の材料（利得発生領域３０を構成する材料）にＡｌ系材料が含まれる例を示したが、本発明は、この例に限らず、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ等のＮ系材料においても同様に実施可能である。この場合、ＧａＡｓウエハをベースとして素子を作り込むことができるため、より大きいウエハでプロセスを進められる等のメリットを享受できる。また、光導波路の材料は、Ｓｂ系材料であっても良い。このように、利得発生領域３０を構成する材料が、Ａｌ、Ｎ及びＳｂのうちの少なくとも何れか１つを含むようにすることにより、上記第十三の効果を得ることができる。【０１４６】  また、上記第一の実施形態において、ｐ−ＩｎＰクラッド１４のドーピング濃度を低減したり、ＤＦＢレーザ１のメサ幅１．５μｍを更に低減したり、利得発生領域長を一層短くしたりすること等によって、ＤＦＢレーザ１の直列抵抗を５０Ω±１０Ω程度にすることもでき、これにより、上記第十四の効果を得ることができる。【０１４７】  〔第二の実施形態〕
上記の第一の実施形態では、素子２９にＤＦＢレーザ１とモニタＰＤ２とが一体的に集積されている例を説明したが、本発明はこれに限らず、例えば図１５に示すように、ＤＦＢレーザ１のみが搭載された素子３５とすることもできる。すなわち、この第二の実施形態に係る素子３５は、図７に示す素子２９と比べてモニタＰＤ２を有しない点でのみ異なる。【０１４８】  図１５に示す第二の実施形態に係る素子３５を得るためには、図１１の段階で行うエッチングにてＤＦＢレーザ１の領域のみの導波路メサ（図示略）を形成するとともに、モニタＰＤ２を形成するための各工程を省略する。【０１４９】  図１５に示す素子３５の場合、素子３５全体の前後長は例えば２００μｍ程度と更に短尺化することができるとともに、ＤＦＢレーザ１の後端面１ｂの高反射膜には、ＤＦＢレーザ用ｐ電極１８ａの代わりに誘電体多層膜（図示略）を用いることもできる。【０１５０】  第二の実施形態によれば、上記第一乃至第六の効果、並びに、上記第十一乃至第十三の効果を得ることができる。【０１５１】  〔第三の実施形態〕
また、上記第一の実施形態において、図１３の状態とした後で、モニタＰＤ２の領域に適当な周期で短冊状のエッチングを施すことにより、図１６に示すように、複数部分に分割構成された外部反射器３を集積した素子３３とすることもできる。外部反射器３における各分割部分の配置周期は、例えば、ＤＦＢレーザ１の領域の約２倍の４００ｎｍ程度である。ここで、外部反射器３における各分割部分の端面（前端面及び後端面）は、モニタＰＤ２の場合とは異なり、ＤＦＢレーザ１の後端面１ｂと平行である必要があり、上記短冊状のエッチングはそのように行う必要がある。【０１５２】  図１６に示すように外部反射器３を集積する場合、外部反射器３の助けにより反射率が向上するため、ＤＦＢレーザ１の後端面１ｂには高反射膜を形成しないで良い。なお、図１６に示す例の場合、ＤＦＢレーザ１の利得発生領域長は、例えば８０μｍ程度としている。【０１５３】  なお、本実施形態の場合、利得発生領域３０の後方側に反射機能領域すなわち外部反射器３を備えているため、「利得発生領域３０を挟む前後２つの端面１ａ、１ｂのうち後端面１ｂ側から前側を見た反射率」は、後端面１ｂによる反射に加え、外部反射器３からの反射を含んだ反射率となる。【０１５４】  以上のような第三の実施形態によれば、上記第一乃至第七の効果、上記第十の効果、並びに、上記第十三の効果を得ることができる。【０１５５】  なお、上記の第三の実施形態では、更に、外部反射器３に適宜電極を形成し、電流を取り出せるようにすることで、該外部反射器３にモニタＰＤ機能を付与することも可能であり、この場合には、上記第八の効果も得ることができる。但し、この場合、モニタＰＤの端面と外部反射器３の反射率が若干低下するため、ＤＦＢレーザ１の利得発生領域長を長くする等の工夫が必要である。なお、モニタＰＤ機能を付与するのは、外部反射器３における何れか１つの分割部分であっても良いし、複数の分割部分であっても良い（例えば、全ての分割部分であることが好ましい）。【０１５６】  〔第四の実施形態〕
また、モニタＰＤ２と一体的に集積されたＤＦＢレーザ１（図７）を、図１７に示すように、モノリシックに複数配列してアレイ化することができる。この場合は、アレイ状素子３４の上面にｐとｎの各電極を備える構成とする必要がある。このため、Ｆｅ−ＩｎＰ等の高抵抗基板２０上に、ｎ−ＩｎＰコンタクト層２１を成長した後、上記実施形態と同様の層構造を形成し、アレイ状に素子化する。【０１５７】  例えば、ＣＷＤＭ用途の場合は、アレイ状素子（分布帰還型半導体レーザアレイ）３４に含まれる各々のＤＦＢレーザ１の発振波長が約２０ｎｍ程度ずつ異なるように、各ＤＦＢレーザ１の回折格子１３の周期を調整する。すなわち、図１７に示すように４つのＤＦＢレーザ１からなるアレイ状素子３４の場合に、室温の発振波長が、例えば、λ１（第１のＤＦＢレーザ１）＝１２９０ｎｍ、λ２（第２のＤＦＢレーザ１）＝１３１０ｎｍ、λ３（第３のＤＦＢレーザ１）＝１３３０ｎｍ、λ４（第３のＤＦＢレーザ１）＝１３５０ｎｍとなるように各回折格子１３の周期を設定する。【０１５８】  また、アレイ状素子３４に含まれる各ＤＦＢレーザ１を独立に駆動するため、各ＤＦＢレーザ１の間は、分離溝２６によって電気的に絶縁する。この分離溝２６は、エッチングにより、基板２０内にまで達するように形成する。【０１５９】  また、各ＤＦＢレーザ１の利得発生領域３０間での相互の熱干渉についても回避するため、各ＤＦＢレーザ１の間隔（利得発生領域３０の中心位置のピッチ）は例えば５００μｍ以上としている。【０１６０】  最終的に、上記第一の実施形態と同様にＤＦＢレーザ用ｐ電極１８ａ及びモニタＰＤ用ｐ電極１８ｂを形成するのに加えて、ＤＦＢレーザ用ｎ電極２３及びモニタＰＤ用ｎ電極２４もアレイ状素子３４の上面側に形成する。これにより、各ＤＦＢレーザ１をアレイ状素子３４の上面側から独立に直接変調できることとなる。【０１６１】  ここで、第四の実施形態の場合には、図１８に示すように、ＤＦＢレーザ用ｎ電極２３及びモニタＰＤ用ｎ電極２４をｎ−ＩｎＰコンタクト層２１に接続した状態に形成する必要があるため、図１２の状態から図１３の状態とするためのエッチングは、ｈ字状（図１８の場合、ｈを鏡像反転させたような形状）に行う必要がある。【０１６２】  このようにして得られるアレイ状素子３４を、例えば、図１８に示すようにＡＷＧ合波器２７とハイブリッド集積し、出力導波路２８に全光出力（λ１〜λ４）をまとめて取り出せる様にし、光ファイバへ接続することで、ＣＷＤＭ用途に適用可能な、ＤＦＢレーザアレイ光源を実現することができる。【０１６３】  なお、図１８に示すＡＷＧ合波器２７に代えて、例えば、誘電体フィルタ及びミラーを用いることとしても良いし、或いは、その他の合波器を用いることとしても良い。【０１６４】  以上のような第四の実施形態によれば、上記第一乃至第九の効果、上記第十一乃至第十三の効果、並びに、上記第十五の効果を得ることができる。【０１６５】  また、本発明は、以上において説明したほかに、上記第一乃至第三の実施形態に係る素子２９、３５、３３、もしくは、上記第四の実施形態に係るアレイ状素子３４を備える光モジュールとしてもよく、この場合には、上記第十六���効果を得ることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年5月24日(2005.5.24)
【手続補正００１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】特許請求の範囲
【請求項１】レーザ光の利得を発生させる利得発生領域と、該利得発生領域の内部に形成された回折格子と、を備える分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記利得発生領域を挟む前後２つの端面のうち前端面の反射率は１％以下に設定されているとともに、前記２つの端面のうち後端面側から前側を見た反射率は３０％以上に設定され、
前記回折格子の結合係数をκ、前記利得発生領域の長さをＬとすると、κは１００ｃｍ−１以上に、Ｌは１５０μｍ以下に、それぞれ設定され、
モード間利得差をΔα、閾値利得をｇｔｈとすると、Δα／ｇｔｈが１以上となるκとＬの組み合わせを用いていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２】前記結合係数κと利得発生領域長Ｌとの積が１以上３以下であることを特徴とする請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項３】Δα／ｇｔｈの利得発生領域長Ｌへの依存性をプロットした場合にΔα／ｇｔｈがピーク値となる利得発生領域の長さをＬｐとすると、利得発生領域長ＬはＬｐ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項４】前記回折格子が、
利得結合構造、
損失結合構造、
或いは、利得結合、損失結合及び屈折率結合のうちの２つ或いは３つが混在する構造であるか、
又は、屈折率結合構造で且つλ／４シフト構造を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項５】前記回折格子が、屈折率結合構造で且つλ／４シフト構造を有し、該λ／４シフト位置が、前記利得発生領域の前後方向の長さを１００％としたとき、該利得発生領域の前端より７５％±５％後方の位置とされていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項６】前記利得発生領域の後端面がエッチングにより形成され、
当該分布帰還型半導体レーザを含む素子全体の前後長は１５０μｍよりも長いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項７】前記素子は、前記エッチングにより形成された端面ギャップを介して当該分布帰還型半導体レーザの後方側に集積された他の機能領域を含む構造とされていることを特徴とする請求項６に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項８】前記他の機能領域が、受光機能を有することを特徴とする請求項７に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項９】前記他の機能領域の前端面が、前記利得発生領域の後端面に対し傾斜状態に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１０】前記他の機能領域が、前記利得発生領域側への反射機能を有することを特徴とする請求項７乃至９のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１１】前記利得発生値域の後端面の反射率が９０％以上に設定されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１２】前記利得発生領域の後端面は、該後端面に高反射膜が設けられたことにより９０％以上の反射率とされていることを特徴とする請求項１１に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１３】前記高反射膜には、前記利得発生領域内より光を導出させるための光導出用窓が形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１４】前記利得発生領域を構成する材料が、Ａｌ，Ｎ及びＳｂのうちの少なくとも何れか１つを含むことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１５】当該分布帰還型半導体レーザの直列抵抗が５０Ω±１０Ωであることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１６】請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザをアレイ状にモノリシックに備え、且つ各分布帰還型半導体レーザの波長が相互に異なることを特徴とする分布帰還型半導体レーザアレイ。
【請求項１７】請求項１乃至１５のいずれか一項に記載の分布帰還型半導体レーザ又は請求項１６に記載の分布帰還型半導体レーザアレイを備えることを特徴とする光モジュール。
【請求項１８】（削除）
【請求項１９】（削除）
【請求項２０】（削除）
【請求項２１】請求項１記載の分布帰還型半導体レーザの後に外部反射器を備えている、ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【手続補正００２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３０】
また、モニタＰＤ２と一体的に集積されたＤＦＢレーザ１（図７）を、図１７に示すように、モノリシックに複数配列してアレイ化することができる。この場合は、アレイ状素子３４の上面にｐとｎの各電極を備える構成とする必要がある。このため、Ｆｅ−ＩｎＰ等の高抵抗基板２０上に、ｎ−ＩｎＰコンタクト層２１を成長した後、上記実施形態と同様の層構造を形成し、アレイ状に素子化する。
【０１５７】  例えば、ＣＷＤＭ用途の場合は、アレイ状素子（分布帰還型半導体レーザアレイ）３４に含まれる各々のＤＦＢレーザ１の発振波長が約２０ｎｍ程度ずつ異なるように、各ＤＦＢレーザ１の回折格子１３の周期を調整する。すなわち、図１７に示すように４つのＤＦＢレーザ１からなるアレイ状素子３４の場合に、室温の発振波長が、例えば、λ１（第１のＤＦＢレーザ１）＝１２９０ｎｍ、λ２（第２のＤＦＢレーザ１）＝１３１０ｎｍ、λ３（第３のＤＦＢレーザ１）＝１３３０ｎｍ、λ４（第３のＤＦＢレーザ１）＝１３５０ｎｍとなるように各回折格子１３の周期を設定する。
【０１５８】  また、アレイ状素子３４に含まれる各ＤＦＢレーザ１を独立に駆動するため、各ＤＦＢレーザ１の間は、分離溝２６によって電気的に絶縁する。この分離溝２６は、エッチングにより、基板２０内にまで達するように形成する。
【０１５９】  また、各ＤＦＢレーザ１の利得発生領域３０間での相互の熱干渉についても回避するため、各ＤＦＢレーザ１の間隔（利得発生領域３０の中心位置のピッチ）は例えば５００μｍ以上としている。
【０１６０】  最終的に、上記第一の実施形態と同様にＤＦＢレーザ用ｐ電極１８ａ及びモニタＰＤ用ｐ電極１８ｂを形成するのに加えて、ＤＦＢレーザ用ｎ電極２３及びモニタＰＤ用ｎ電極２４もアレイ状素子３４の上面側に形成する。これにより、各ＤＦＢレーザ１をアレイ状素子３４の上面側から独立に直接変調できることとなる。
【０１６１】（補正後）ここで、第四の実施形態の場合には、図１７に示すように、ＤＦＢレーザ用ｎ電極２３及びモニタＰＤ用ｎ電極２４をｎ−ＩｎＰコンタクト層２１に接続した状態に形成する必要があるため、図１２の状態から図１３の状態とするためのエッチングは、ｈ字状（図１７の場合、ｈを鏡像反転させたような形状）に行う必要がある。
【０１６２】  このようにして得られるアレイ状素子３４を、例えば、図１８に示すようにＡＷＧ合波器２７とハイブリッド集積し、出力導波路２８に全光出力（λ１〜λ４）をまとめて取り出せ
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【国際調査報告】
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