(57)【要約】  厚さ方向においてｐ型クラッド層とｎ型クラッド層との間に位置する量子井戸活性層を備え、所定の波長のレーザ光を出射する光半導体装置において、前記量子井戸活性層と前記ｎ型クラッド層のとの間に位置する分離閉じ込め層と、前記分離閉じ込め層と前記ｎ型クラッド層との間に位置し、前記量子井戸活性層を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する２層以上の半導体層で構成された電界分布制御層と、を備える光半導体装置。
2013151145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向においてｐ型クラッド層とｎ型クラッド層との間に位置する量子井戸活性層を備え、所定の波長のレーザ光を出射する光半導体装置において、
前記量子井戸活性層と前記ｎ型クラッド層のとの間に位置する分離閉じ込め層と、
前記分離閉じ込め層と前記ｎ型クラッド層との間に位置し、前記量子井戸活性層を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する２層以上の半導体層で構成された電界分布制御層と、
を備えることを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
前記量子井戸活性層の幅方向両側に位置する電流狭窄構造をさらに備え、
前記電界分布制御層は、厚さ方向において前記電流狭窄構造と重畳するように形成されてい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】
前記電界分布制御層を構成する半導体層は、前記ｎ型クラッド層と同一のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる第１半導体層と、前記量子井戸活性層を構成する障壁層よりもバンドギャップエネルギーの大きい半導体材料からなる第２半導体層とで構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光半導体装置。
【請求項４】
前記第１半導体層はＩｎＰからなり、前記第２半導体層はＡｓ原子とＰ原子とを組成として含んでいるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする請求項３に記載の光半導体装置。
【請求項５】
前記第２半導体層は、ＧａＩｎＡｓＰからなり、かつ前記電界分布制御層を構成する前記第２半導体層の層厚の総和が１μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の光半導体装置。
【請求項６】
前記第２半導体層を構成するＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップ組成波長は１μｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の光半導体装置。
【請求項７】
半導体レーザ素子である請求項１〜６のいずれか一つに記載の光半導体装置と、
前記半導体レーザ素子の温度を制御する温度制御モジュールと、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を外部に導波する光ファイバと、
前記半導体レーザ素子と前記光ファイバとを光結合する光結合レンズ系と、
を備えることを特徴とする半導体レーザモジュール。
【請求項８】
前記半導体レーザ素子の光出力を測定するための光検出器と、
前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を透過させる光アイソレータと、
をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項９】
前記半導体レーザ素子の光出力を測定するための光検出器と、
前記光ファイバを伝播するレーザ光の一部を前記半導体レーザ素子に帰還させる光帰還器と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュールと、
増幅媒体を含む増幅用光ファイバと、
入力された信号光と前記半導体レーザモジュールから出射されたレーザ光とを合波して前記増幅用光ファイバに入射させる光カプラと、
を備えたことを特徴とする光ファイバ増幅器。
【請求項１１】
請求項７〜９のいずれか一つに記載の半導体レーザモジュールと、
信号光を伝送する光ファイバと、
前記半導体レーザモジュールから出射されたレーザ光を前記光ファイバに入射させる光カプラと、
を備え、ラマン増幅により光増幅を行なうことを特徴とする光ファイバ増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体装置、半導体レーザモジュールおよび光ファイバ増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの急速な普及や企業内ＬＡＮ間接続の急増等によって、データトラヒックの増大が問題となっている。そこで、その問題を解決すべく、ＷＤＭ（波長多重伝送）システムがめざましい発展を遂げ普及している。ＷＤＭシステムでは、複数の信号をそれぞれ異なる波長の光に乗せることにより、１本の光ファイバで従来の１００倍にも及ぶ大容量伝送を実現している。特に、ＷＤＭシステムでは、エルビウム添加光ファイバ増幅器（以下、ＥＤＦＡ）やラマン増幅器等の光ファイバ増幅器による光増幅が必須であり、この光増幅により広帯域・長距離伝送が可能とされている。ここで、ＥＤＦＡは、希土類元素であるエルビウムを添加した特殊な光ファイバ（以下、ＥＤＦ）内に、波長１４８０ｎｍあるいは波長９８０ｎｍ等の励起光を、励起用レーザから入力した際に、同時に入力する伝送信号光である波長１５５０ｎｍ帯の光が上記ＥＤＦの中で増幅されるという原理を応用した光ファイバ増幅器である。【０００３】
また、ＥＤＦＡの使用形態として、海底に敷設された伝送用光ファイバの途中で信号光の増幅を行なう場合に、励起用レーザを陸上に配置し、その励起用レーザから出射された励起光を伝送用の光ファイバを介してＥＤＦに入射させる、いわゆるリモートポンプ式が提案されている。リモートポンプ式のＥＤＦＡでは、励起用レーザを陸上に配置することで、励起用レーザの保守・交換を容易に行なうことができる。【０００４】
一方、ラマン増幅器は、ＥＤＦＡのようにエルビウム添加光ファイバといった特殊な光ファイバを必要とせずに、通常の伝送路としての光ファイバを利得媒体とする分布型の光ファイバ増幅器である。ラマン増幅器は、広帯域で平坦な利得を有するので、従来のＥＤＦＡをベースとしたＷＤＭ伝送システムに比べ、広帯域の伝送帯域を実現することができるという特徴を有している。なお、ラマン増幅器においては、その増幅利得がＥＤＦＡよりも小さいために、その励起用レーザにＥＤＦＡ以上の高出力特性が要求されている。【０００５】
よって、ＷＤＭシステムの安定性向上や中継数の低減を実現するためには、励起用レーザに対し、安定した高い光出力能力が求められる。励起用レーザとしては、埋め込みヘテロ（ＢＨ）構造等の種々の構造を有する半導体レーザ装置が用いられており、現在、上記した理由から特に高出力半導体レーザ装置の開発が盛んに行なわれている（非特許文献１、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１７４３９４号公報
【特許文献２】特許第３５２５２５７号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Jan  P.  van  der  Ziel,    et.al.,  “InGaAsP(λ＝1.3μm)    Stripe  Buried  Heterostructure  Lasers  Grown  by  MOCVD,”  IEEE  JORNAL  OF  QUANTUM  ELECTRONICS  VOL.27,  NO.11,  pp.  2378-2385,  1991
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、励起用レーザを構成する半導体レーザ装置の高出力化にともなって、以下の問題が生じている。すなわち、励起光源の高出力化に伴う駆動電流および駆動電圧の増加に伴い、励起光源の消費電力の増大が発生する。これにより、光通信システムのみならず、システムを冷却するための空調システムを含めて消費電力の増加が懸念され、大容量・超高速通信システムでは消費電力の低減が要求されている。【０００９】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高出力でありながら消費電力が小さい光半導体装置、半導体レーザモジュールおよびこれを用いた光ファイバ増幅器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】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光半導体装置は、厚さ方向においてｐ型クラッド層とｎ型クラッド層との間に位置する量子井戸活性層を備え、所定の波長のレーザ光を出射する光半導体装置において、前記量子井戸活性層と前記ｎ型クラッド層のとの間に位置する分離閉じ込め層と、前記分離閉じ込め層と前記ｎ型クラッド層との間に位置し、前記量子井戸活性層を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する２層以上の半導体層で構成された電界分布制御層と、を備えることを特徴とする。【００１１】
また、本発明に係る光半導体装置は、上記発明において、前記量子井戸活性層の幅方向両側に位置する電流狭窄構造をさらに備え、前記電界分布制御層は、厚さ方向において前記電流狭窄構造と重畳するように形成されていることを特徴とする。【００１２】
また、本発明に係る光半導体装置は、上記発明において、前記電界分布制御層を構成する半導体層は、前記ｎ型クラッド層と同一のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料からなる第１半導体層と、前記量子井戸活性層を構成する障壁層層よりもバンドギャップエネルギーの大きい半導体材料からなる第２半導体層とで構成されていることを特徴とする。【００１３】
また、本発明に係る光半導体装置は、上記発明において、前記第１半導体層はＩｎＰからなり、前記第２半導体層はＡｓ原子とＰ原子とを組成として含んでいるＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体からなることを特徴とする。【００１４】
また、本発明に係る光半導体装置は、上記発明において、前記第２半導体層は、ＧａＩｎＡｓＰからなり、かつ前記電界分布制御層に含まれる前記第２半導体層の層厚の総和が１μｍ以下であることを特徴とする。【００１５】
また、本発明に係る光半導体装置は、上記発明において、前記第２半導体層を構成するＧａＩｎＡｓＰのバンドギャップ組成波長は１μｍ以上であることを特徴とする。【００１６】
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子である上記発明の光半導体装置と、前記半導体レーザ素子の温度を制御する温度制御モジュールと、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を外部に導波する光ファイバと、前記半導体レーザ素子と前記光ファイバとを光結合する光結合レンズ系と、を備えることを特徴とする。【００１７】
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記半導体レーザ素子の光出力を測定するための光検出器と、前記半導体レーザ素子から出射されたレーザ光を透過させる光アイソレータと、をさらに備えることを特徴とする。【００１８】
また、本発明に係る半導体レーザモジュールは、上記発明において、前記半導体レーザ素子の光出力を測定するための光検出器と、前記光ファイバを伝播するレーザ光の一部を前記半導体レーザ素子に帰還させる光帰還器と、をさらに備えたことを特徴とする。【００１９】
また、本発明に係る光ファイバ増幅器は、上記発明の半導体レーザモジュールと、増幅媒体を含む増幅用光ファイバと、入力された信号光と前記半導体レーザモジュールから出射されたレーザ光とを合波して前記増幅用光ファイバに入射させる光カプラと、を備えたことを特徴とする。【００２０】
また、本発明に係る光ファイバ増幅器は、上記発明の半導体レーザモジュールと、信号光を伝送する光ファイバと、前記半導体レーザモジュールから出射されたレーザ光を前記光ファイバに入射させる光カプラと、を備え、ラマン増幅により光増幅を行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高出力でありながら消費電力が小さい光半導体装置を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、実施形態１にかかる半導体レーザ素子についての出射面に平行な断面図である。
【図２】図２は、実施形態１にかかる半導体レーザ素子についての長手方向の断面図である。
【図３】図３は、実施形態１にかかる半導体レーザ素子のバンドダイヤグラムを示す図である。
【図４Ａ】図４Ａは、実施形態１にかかる半導体レーザ素子における光の導波方向のストライプ形状を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、比較素子における光の導波方向のストライプ形状を示す図である。
【図５】図５は、実施形態１にかかる半導体レーザ素子および比較素子の電流―光出力特性を示す図である。
【図６】図６は、実施形態１にかかる半導体レーザ素子および比較素子の投入電力の光出力依存性を示す図である。
【図７】図７は、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子の活性層幅とＩＬキンクの発生率との関係を示す図である。
【図８】図８は、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子および比較素子のしきい値電流の活性層幅依存性を示す図である。
【図９】図９は、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子および比較素子の光出力(１．８Ａ駆動時)の活性層幅依存性を示す図である。
【図１０】図１０は、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子および比較素子の駆動電圧(１．８Ａ駆動時)の活性層幅依存性を示す図である。
【図１１】図１１は、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子および比較素子の微分抵抗(１．８Ａ駆動時)の活性層幅依存性を示す図である。
【図１２】図１２は、実施形態３にかかる半導体レーザモジュールの構造を示す側面断面図である。
【図１３】図１３は、実施形態１の素子または比較素子を用いた半導体レーザモジュールのファイバ端光出力と駆動電流との関係を示す図である。
【図１４】図１４は、実施形態１の素子または比較素子を用いた半導体レーザモジュールのファイバ端光出力と消費電力との関係を示す図である。
【図１５】図１５は、実施形態１の素子または比較素子を用いた半導体レーザモジュールの５００ｍＷファイバ端光出力時のモジュール消費電力とサーミスタ温度との関係を示す図である。
【図１６】図１６は、実施形態４にかかる光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
【図１７】図１７は、実施形態４にかかる光ファイバ増幅器の変形例１を示すブロック図である。
【図１８】図１８は、実施形態４にかかる光ファイバ増幅器の変形例２であって、前方励起方式を採用した光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
【図１９】図１９は、実施形態４にかかる光ファイバ増幅器の変形例３を示すブロック図である。
【図２０】図２０は、実施形態４にかかる光ファイバ増幅器の変形例４であって、双方向励起方式を採用した光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。
【図２１】図２１は、実施形態４にかかる光ファイバ増幅器の変形例５を示すブロック図である。
【図２２】図２２は、実施形態４またはその変形例にかかる光ファイバ増幅器を用いたＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、図面を参照して本発明に係る光半導体装置、半導体レーザモジュールおよび光ファイバ増幅器の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、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。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係や比率などは、現実のものとは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。
【００２４】
一般的に半導体レーザ素子の消費電力を低減するためには、主に以下の方法が挙げられる。
１）単一横モードを維持したまま活性層幅を広げて電気抵抗、および熱抵抗を低減する方法。
２）光の電界分布をｎ型クラッド層側に分布した非対称電界分布構造を導入することにより、ｐ型クラッド層側に分布する電界を低減させ、価電子帯間吸収の低減にともなう内部損失の低減による素子の外部微分量子効率の高効率化を図り、駆動電流・駆動電圧の低減で消費電力を低減させる方法。
【００２５】
上記、１）に関しては非特許文献１に、２）に関しては特許文献１に、１）と２）の組み合わせに関しては特許文献１にそれぞれの技術が開示されている。しかしながら、これらの公知技術には、以下に記す課題がある。
【００２６】
（非特許文献１）
ＧａＩｎＡｓＰ活性層の下層に導波層を配置して、光の電界分布の中心を基板側へシフトさせ、５μｍ幅でも単一横モード動作可能であることを開示している。しかしながら、導波層の厚さが厚いほどしきい値電流が増加し、しきい値電流の特性温度が小さくなることが課題である。これにより、しきい値キャリア密度が高くなることと、高温時のオージェ効果による非発光成分の増加と導波層へのリーク電流とにより、しきい値電流が増加するといった問題がある。また、量子効率は導波層の厚さに依存していないため、導波路層の損失が外部微分量子効率を制限しているという問題がある。
【００２７】
（特許文献１）
価電子帯間吸収による光損失の問題を解決する方法として、ｎ型クラッド層の内部に、そのｎ型クラッド層より屈折率が高く、活性層の屈折率に近い光フィールド制御層を設けて、光の分布をｎ型クラッド層側にシフトさせ、ｐ型クラッド層内に分布する光の量を減らす技術が開示されている。
しかし、光フィールド制御層は、活性層と同様の構造である。その結果、分離閉じ込め（Separate  Confinement  Heterostructure：ＳＣＨ）層から遠い位置に設けた場合、別の光導波路が形成されて光の分布が双峰特性になってしまうといった課題がある。
したがって、この光フィールド制御層は、下部ＳＣＨ層の近く設けなければならないが、このような屈折率が高い光フィールド制御層を下部ＳＣＨ層の近くに設けると、導波路全体の等価屈折率が高くなり、単一横モード動作が困難となり高次横モードが発現するという課題がある。また、この高次横モードへは、活性層とＳＣＨ層とを含めた領域の幅を狭くすることで防止できる。しかし、このように活性層とＳＣＨ層とを含めた領域の幅を狭くすると、素子の電気抵抗および熱抵抗を低減できないため、高注入時の活性層で発熱による光出力飽和が生じるといった課題がある。
【００２８】
（特許文献２）
活性層への光閉じ込め係数を低くした場合でも、簡単な構成で高出力が得られ、モード変移が起こりにくい半導体発光素子を提供することを目的としている。これを目的とした半導体発光素子は、ＩｎＰ基板上に、多重量子井戸活性層と、該活性層を挟むｎ型クラッド層およびＩｎＰからなるｐ型クラッド層を設けた構造で、ｎ型クラッド層をＩｎＧａＡｓＰによって構成したことを特徴としている。
このため、活性層およびＳＣＨ層における光閉じ込め係数を低くしたことによるｐ型クラッド層における価電子帯間光吸収による光損失の増加を抑制することができ、高出力なレーザ光を得ることができるとされている。
また、活性層とｎ型クラッド層との屈折率差が従来のものより小さくなるので、高次横モードを抑圧できる最大の活性層幅も拡大することができ、半導体レーザ素子の高出力化にさらに有利となる。
しかし、ｎ型クラッド層の厚さは約７．５μｍとしているが、結晶欠陥を抑制しながらＩｎＧａＡｓＰの格子間間隔をＩｎＰに合わせてこのような厚い厚さに形成することは通常困難である。特に組成波長０.９５μｍの場合、ＧａとＡｓの割合がＩｎやＰに対して微量となって、組成制御上、さらに困難さが増すといった課題がある。さらに、ｎ型クラッド層を積層するためには３時間程度を要し、製造時間がかかるという課題がある。また、結晶成長装置であるＭＯＣＶＤのリアクター内壁に付着した堆積物の一部がパーティクルとして成長基板表面に付着して、エピ表面欠陥の原因になることが課題となる。その結果、ウェハから取れる良品素子数が低減し、低コスト化の課題となる。
【００２９】
これに対して、以下に示す実施の形態は、少なくとも１つ以上の上述した課題に対して有効である。
【００３０】
（実施形態１）
本発明の実施形態１にかかる半導体レーザ素子について説明する。本実施形態１にかかる半導体レーザ素子は、励起用レーザとして用いられる高出力の埋め込みヘテロ構造の半導体レーザ素子であって、量子井戸活性層の下層に位置するＳＣＨ層とｎ−ＩｎＰクラッド層との間に電界分布制御層を備える。これによって、電界分布制御層がない構造と比較してｐ−ＩｎＰクラッド層への光の電界分布を低減させ、価電子帯間吸収を低減し、外部微分量子効率を増加させ高出力動作を可能としている。
【００３１】
電界分布制御層は、量子井戸活性層を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する半導体層で構成することにより、量子井戸活性層からの発光したレーザ光の吸収を抑制し、高出力動作を可能としている。
【００３２】
電界分布制御層は、ｎ−ＩｎＰクラッド層と障壁層との間のバンドギャップエネルギーを有する組成で構成されることが好ましい。これにより、注入キャリアが電界分布制御層で捕獲されにくく、量子井戸活性層へのキャリアの注入効率を低減することを抑制した構造となる。その結果、電界分布制御層の導入によるしきい値電流の増加、効率の低減、抵抗上昇を抑制することができる。
【００３３】
また、半導体レーザ素子がＢＨ構造の場合、電流狭窄構造を構成する電流阻止層の下層にも電界分布制御層を導入し、電流狭窄構造と電界分布制御層とが厚さ方向において重畳するようにすることで、活性層領域と電流阻止領域（電流狭窄領域）との等価屈折率差が低減できる。その結果、単一横モードを維持したまま活性層幅を広げることが可能となる。これにより、電気抵抗、熱抵抗の低減が可能となるので、低消費電力で熱飽和が抑制された高出力のレーザ装置を実現することができる。
【００３４】
特に、電界分布制御層を、ｎ型クラッド層と同一のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料である第１半導体層としてのＩｎＰ層と、量子井戸活性層を構成する障壁層よりもバンドギャップエネルギーの大きい半導体材料からなる第２半導体層としてのＧａＩｎＡｓＰ層とで構成することにより、ＧａＩｎＡｓＰ層だけで構成したときよりも前述の等価屈折率差が小さくすることができる。これにより、より広い活性幅を有する単一横モードレーザ装置を実現でき、低消費電力、熱飽和が発生しにくい高出力レーザ装置を実現できる。
【００３５】
また、電界分布制御層を構成する、第２半導体層としてのＧａＩｎＡｓＰ層の層厚の総和を１μｍよりも低減することで、結晶欠陥の少ない電界分布制御層を実現することができる。また、電界分布制御層としての充分な効果を得るためには、ＧａＩｎＡｓＰ層の層厚の総和を１００ｎｍ以上とすることが好ましい。また、電界分布制御層を構成する、第２半導体層としてのＧａＩｎＡｓＰ層のバンドギャップ組成波長を１μｍ以上とすることで、Ｇａ組成とＡｓ組成の制御が簡単にできるため、製造歩留まりの低下を抑制できる。さらに、電界分布制御層の厚さを３μｍ程度にできるため、特許文献２に記載のような７．５μｍのｎ−ＧａＩｎＡｓＰクラッド層を積層するよりも、４割程度の短時間で成長できる。これによって量産に適した低コストのレーザ装置を実現することが可能となる。
【００３６】
図１は、実施形態１にかかる半導体レーザ素子についての出射面に平行な断面図でありる。図２は、図１のＡ−Ａ’線で切断される長手方向の断面図である。図１および図２に示す半導体レーザ素子は、いわゆる埋め込みヘテロ構造を電流狭窄構造として適用したファブリ・ペロー型レーザである。
【００３７】
すなわち、ｎ−ＩｎＰ基板１上に順次ｎ−ＩｎＰクラッド層２、電界分布制御層１２、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ（Graded  Index-Separate  Confinement  Heterostructure  Multi  Quantum  Well：分布屈折率分離閉じこめ多重量子井戸）活性層３が積層されている。
【００３８】
ｎ−ＩｎＰクラッド層２の上部領域の電界分布制御層１２、および、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３は光出射方向に長手方向を有するメサストライプ状の構造となっている。このメサストライプ構造の幅方向両側に隣接して、電流狭窄構造としてのｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９が順に積層されている。ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９上にはｐ−ＩｎＰクラッド層６、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層７が積層されている。また、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層７上にはｐ側電極１０が形成され、ｎ−ＩｎＰ基板１の裏面にはｎ側電極１１が形成されている。さらに、図２で示すように、レーザ光を出射するレーザ光出射端面に出射側反射膜１５が形成され、その出射側反射膜１５と対向する反射端面に反射側反射膜１４が形成されている。
【００３９】
以下に、上記した各層の機能について簡単に説明する。まず、ｎ−ＩｎＰクラッド層２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の実効屈折率よりも低い屈折率を有することでＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３から発生する光を縦（厚さ）方向に閉じ込める機能を有する。
【００４０】
ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９は、ｐ側電極１０から注入された電流を内部で狭窄するとともに、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３から発生する光を横（幅）方向に閉じ込め、高次の水平横モードを抑制した単一横モード動作を実現する機能を担う。本実施形態１にかかる半導体レーザ素子においては、ｐ側電極１０が陽極として機能するため、ｐ側電極１０とｎ側電極１１との間に電圧が印加された際にはｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９とｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８との間には逆バイアスが印加される。そのため、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９からｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８に向けて電流が流れることはなく、ｐ側電極１０から注入された電流は、狭窄されてＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３に流入する。
【００４１】
反射側反射膜１４および出射側反射膜１５は、共振器を形成するためのミラーであり、それらの光反射率は、共振器長に応じて最適化される。なお、ここでは、反射側反射膜１４の反射率を９５％とし、出射側反射膜１５の反射率を１．５％としている。なお、反射側反射膜１４におけるレーザ光の反射率を９５％としたが、この端面から出射されるレーザ光は、この半導体レーザ素子を用いた半導体レーザモジュールを動作させる際には、出力安定化のためのモニタ光として利用される。従って、反射側反射膜１４については、適用されるシステムに応じて反射率が決定されるが、高出力レーザ装置としては、９０％以上の反射率があれば、特性に問題はない。
【００４２】
また、高出力化のためには、共振器長Ｌが８００μｍ以上であることが望ましく、たとえば１０００μｍまたは１３００μｍでもよい。本実施形態１にかかる半導体レーザ素子の共振器長は、Ｌ＝２０００μｍとしている。
【００４３】
ここまで説明した各層で形成される構造は、従来の埋め込みヘテロ構造と同様であり、上述した材料や導電型以外にも、同構造を形成する既知の材料で置換することができる。本実施形態１において特徴的なことは、このような埋め込みヘテロ構造において、ｎ−ＩｎＰクラッド層２の上部に上記した電界分布制御層１２を設けたことである。
【００４４】
以下に、この電界分布制御層１２の機能と効果について説明する。
電界分布制御層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３を構成する下側ＳＣＨ層とｎ−ＩｎＰクラッド２層との間に配置され、発振波長相当の光のエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する材料で形成されている。
【００４５】
電界分布制御層１２は、電界分布制御層１２がない構造と比較してｐ−ＩｎＰクラッド層６における光の電界分布を低減させ、価電子帯間吸収を低減し、外部微分量子効率を増加させ高出力動作を可能としている。
【００４６】
ここで、電界分布制御層１２は、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３を構成する障壁層のバンドギャップエネルギーよりも大きいバンドギャップエネルギーを有する半導体層で構成されることにより、活性層からの発光したレーザ光の吸収を抑制し、高出力動作を可能としている。
【００４７】
さらに、電界分布制御層１２は、ｎ−ＩｎＰクラッド層と障壁層との間のバンドギャップエネルギーとなる組成を有する。これにより、注入キャリアが電界分布制御層１２で捕獲されにくく、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３へのキャリアの注入効率を低減することを抑制した構造となる。これにより、電界分布制御層１２の導入によるしきい値電流の増加、効率の低減、抵抗上昇を抑制することができる。
【００４８】
また、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９の下層にも電界分布制御層１２を導入し、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９と電界分布制御層１２とが厚さ方向において重畳するようにすることで、活性層領域と電流阻止領域の等価屈折率差が低減できるので、単一横モードを維持したまま活性層幅を広げることが可能となる。これにより、電気抵抗、熱抵抗の低減が可能となるので低消費電力で熱飽和が抑制された高出力のレーザ装置を実現することができる。
【００４９】
特に、電界分布制御層１２を、ｎ―ＩｎＰクラッド層２と同一のバンドギャップエネルギーを有する半導体材料である第１半導体層としてのＩｎＰ層と、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３を構成する障壁層よりもバンドギャップエネルギーの大きい半導体材料からなる第２半導体層としてのＧａＩｎＡｓＰ層とで構成することにより、電界分布制御層１２をＧａＩｎＡｓＰ層のみで構成したときよりも前述の等価屈折率差が小さくすることができる。これにより、より広い活性幅を有する単一横モードレーザ装置を実現でき、低消費電力、熱飽和が発生しにくい高出力レーザ装置を実現できる。
【００５０】
また、電界分布制御層１２を構成する、第２半導体層としてのＧａＩｎＡｓＰ層の層厚の総和を１μｍよりも低減することで、結晶欠陥の少ない電界分布制御層１２を実現することができる。
【００５１】
特に、電界分布制御層１２を構成する、第２半導体層としてのＧａＩｎＡｓＰ層のバンドギャップ組成波長を１μｍ以上とすることで、Ｇａ組成とＡｓ組成の制御が簡単にできるため、製造歩留まりの低下を抑制できる。さらに電界分布制御層１２の厚さを３μｍ程度にできるため、特許文献２に記載のような７．５μｍのｎ−ＧａＩｎＡｓＰクラッド層を積層するよりも４割程度の短時間で成長できるため、量産に適した低コストのレーザ装置を実現することが可能となる。
【００５２】
図１に示す実施形態１にかかる半導体レーザ素子の製造工程の一例を以下に説明する。先ず始めに、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１上に、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法を用いて、層厚が０．５μｍで不純物濃度が１〜２×１０１８／ｃｍ３、ＩｎＰからなるｎ−ＩｎＰクラッド層２を形成する。
【００５３】
次いで、厚さ２．６μｍで構成される電界分布制御層１２を形成する。このとき、電界分布制御層１２は、たとえば組成波長０．９５μｍ、厚さ２０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層、厚さ１８０ｎｍのＩｎＰ層、組成波長１．０μｍ、厚さ４０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層と厚さ１６０ｎｍのＩｎＰ層を４周期、組成波長１．１μｍ、厚さ１６ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層と厚さ３８４ｎｍのＩｎＰ層を４周期で構成する。すなわち、電界分布制御層１２に含まれるＧａＩｎＡｓＰ層の総厚は２４４ｎｍであり、電界分布制御層１２の総厚(２６００ｎｍ)の９．４％を占めるような構造である。また、本実施形態１では、電界分布制御層１２を不純物濃度１×１０１８／ｃｍ３でドーピングし、ｎ型の電界分布制御層とする。
【００５４】
ここで、ｎ−ＩｎＰクラッド層の層厚の総和は、０．５μｍから３．５μｍ程度であることが望ましい。下限値は、基板からの転位を抑制するためのバッファ層の観点、上限値は、結晶成長時間が長くなることによる結晶成長装置への負荷や製造コストの観点から決定される。
第１半導体層がＩｎＰを材料として構成される場合は、個々の第１半導体層の層厚は１０〜５０ｎｍであることが好ましい。層厚が１０ｎｍよりも薄くなると量子サイズ効果が顕著になる。また、ＢＨ構造を形成するための再成長工程や電極形成プロセス時の熱処理工程において加えられる熱によって、第１半導体層と第２半導体層界面でＶ族原子の相互拡散が発生する。これにより設計よりも短波長で遷移する量子準位が形成されるが、層厚が薄いほど量子サイズ効果による短波長シフトの影響が顕著となる。また、製造時には、成長温度のバッチごとのばらつきもあるため、電界分布制御層の効果がばらつくこともある。
以上のことから、量子サイズ効果を抑制するために１０ｎｍ以上の層厚が好ましい。また、個々の第２半導体層の厚さは、前述と同様の理由により１０〜５０ｎｍであることが好ましい。
上記のように、複数の厚さの第１半導体層と第２半導体層を交互に設けることが双峰性の電界分布形状を抑制する観点から好ましい。
第１半導体層がＩｎＰからなる場合、第２半導体層の総厚が１μｍ以下になるよう、第１半導体層と第２半導体層との繰り返しの周期を２０〜１００周期とすることが好ましい。
また、第１半導体層がＧａＩｎＡｓＰからなる場合、第２半導体層の総厚が１μｍ以下になるよう、１０〜５０周期とすることが好ましい。
なお、ここでは、格子整合度が−０．０５％から０．０５％のＧａＩｎＡｓＰを用いているが、第１半導体層と第２半導体層で基板の格子定数に対して、正負の格子定数を持つような歪補償構造とすることで、ＧａＩｎＡｓＰの総厚を１μｍ以上としても欠陥の少ない結晶を実現できる。この場合は、周期の限定はなくなる。なお、第１半導体層と第２半導体層のそれぞれの総厚は、格子不整合度により規定された臨界膜厚以下の層厚となる。
また、第１半導体層および第２半導体層の好ましい組成は、以下の式を満足するバンドギャップを有するＧａＩｎＡｓＰである。
すなわち、ｎ−ＩｎＰクラッド層２のバンドギャップと活性層３を構成する障壁層のバンドギャップ差をＥ０(ｅＶ)とし、ｎ−ＩｎＰクラッド層２のバンドギャップと電界制御層を構成するＧａＩｎＡｓＰ層のバンドギャップ差をＥ１（ｅＶ）とすると、第１半導体層では、０≦Ｅ１／Ｅ０＜０．３５、第２半導体層では、０．１３≦Ｅ１／Ｅ０＜０．７１を満足する。この条件を満足するＧａＩｎＡｓＰを電界制御層に用いることで、ファイバ端光出力が３００ｍＷ以上の半導体レーザモジュールを低消費電力で駆動することができる。
なお、実施形態１では電界分布制御層１２において、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３から離れるにつれてバンドギャップエネルギーが大きくなるように半導体層を構成しているが、活性層３に近いほどバンドギャップエネルギーが大きくなるような構成にしても問題はない。
【００５５】
なお、実施形態１にかかる半導体レーザ素子は、ＩｎＰ基板上に形成した半導体レーザ素子であって、ＩｎＰ層とＧａＩｎＡｓＰ層で構成される電界分布制御層１２を用いているが、ＩｎＰ層とＡｌＧａＩｎＡｓＰ層で構成される電界分布制御層を用いてもよい。また、ＧａＡｓ基板上に形成する半導体レーザ素子では、ＧａＡｓ層とＡｌＧａＩｎＡｓＰ層で構成される電界分布制御層を用いることができる。
【００５６】
次いで、組成波長が０．９５μｍ、１．０μｍ、１．０５μｍ、１．１μｍ、１．１５μｍのノンドープＧａＩｎＡｓＰ層を積層して、層厚４０．８ｎｍの下側ＳＣＨ層を形成する。そして、下側ＳＣＨ層の上に、ＧａＩｎＡｓＰからなる井戸層とＧａＩｎＡｓＰからなる障壁層を交互に成長し、井戸層数３の多重量子井戸構造の活性層を形成する。本実施形態１では、発振波長が１４１５ｎｍになるように井戸層と障壁層の膜厚と組成を設定する。井戸層にはＩｎＰ基板との格子不整合度が１％程度の圧縮歪量子井戸構造を適用している。
【００５７】
なお、障壁層に引っ張り歪を導入した歪補償構造を導入することで、歪量子井戸活性層の正味の歪み量を小さくすることができるので、量子井戸層の格子不整合度が１％よりも大きな圧縮歪量子井戸構造が適用できる。
【００５８】
また、ｐ型不純物にＺｎを用いた場合は、Ｚｎの拡散係数が大きいために、製造工程の熱過程(たとえば、ＢＨ構造形成時の再成長時の成長温度など)により活性層にＺｎが拡散し、半導体レーザ素子の光出力の低下、しきい値電流の増加といった課題が生じ、特にファイバ増幅器用の励起光源では、光出力の低下は問題となる。そこで、本実施形態１では、活性層にｎ型不純物を０．３〜１×１０１８／ｃｍ３でドーピングすることでＺｎの活性層への拡散を抑制した構造としている。
【００５９】
次に、活性層の上に、組成波長が０．９５μｍ、１．０μｍ、１．０５μｍ、１．１μｍ、１．１５μｍのノンドープＧａＩｎＡｓＰを積層して、層厚４０．８ｎｍの上側ＳＣＨ層を形成する。上述の下側ＳＣＨ層、多重量子井戸構造の活性層、上側ＳＣＨ層を以ってＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３が構成される。
【００６０】
そして、上側ＳＣＨ層の上に不純物濃度が３〜９×１０１７／ｃｍ３で厚さ０．５μｍのＩｎＰからなるｐ−ＩｎＰクラッド層の下層部を成長する。
【００６１】
ここで、図３は、実施形態１にかかる半導体レーザ素子のＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３周辺のバンドダイヤグラムを示す図である。井戸層３ａと障壁層３ｂとは交互に積層しており、下側ＳＣＨ層３ｃと上側ＳＣＨ層３ｄとで挟まれている。ＧＲＩＮ−ＳＣＨである下側ＳＣＨ層３ｃと上側ＳＣＨ層３ｄ、および最も外側の障壁層３ｂを構成するＧａＩｎＡｓＰは、破線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４に示すような直線状に各層のバンドギャップが配置されるように膜厚および組成を設定している。これは、擬似的にリニアＳＣＨ構造を実現することで、活性層へのキャリアの注入効率を高くするためである。なお、破線Ｌ１とＬ２が上に凸形状、Ｌ３とＬ４が下に凸形状になるようなバンドダイヤグラムを形成し、２つの凸形状が対向するように形成されていれば、直線でなくても、キャリアを効率的に活性層に注入できるので問題はない。また、厳密な組成制御が可能であれば、組成元素であるＩＩＩ族元素とＶ族元素とが連続的に変化するリニアＳＣＨ構造を用いても問題はない。
【００６２】
なお、結晶成長方法として、有機金属気相成長の他に分子線エピタキシー（ＭＢＥ;Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法や化学線エピタキシー（ＣＢＥ;Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｂｅａｍ  Ｅｐｉｔａｘｙ）法を用いても良い。
【００６３】
その後、プラズマＣＶＤ法等により全面にＳｉＮｘ膜を１２０ｎｍ程度の厚さだけ堆積し、これをフォトリソグラフィ工程でストライプ状に形成したものをエッチングマスクとして、ウェットエッチング溶液に浸し、メサ形状を、特定面方位が出ずに曲面になるように形成する。このとき、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９が形成される領域には、電界分布制御層１２が１μｍ程度の厚さだけ残るようメサを形成する。
【００６４】
また、本製造方法ではウェットエッチングを用いて作製しているが、ドライエッチングでメサを形成し、ドライエッチングで形成したダメージ層をウェットエッチングで除去する工程でメサを形成しても問題はなく、活性層幅の面内均一性の点では、後者の方が望ましい。
【００６５】
続いて、ＳｉＮｘ膜を選択成長マスクに利用して、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９を積層して、メサ両側部を埋め込んだ後、ＳｉＮｘ膜を除去する。
【００６６】
その後全面に不純物濃度５〜７×１０１７／ｃｍ３のＩｎＰからなるｐ−ＩｎＰクラッド層の上層部を３．５μｍの厚さだけ成長し、さらに、不純物濃度５×１０１８／ｃｍ３程度のＧａＩｎＡｓＰからなるｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層７を０．５μｍの厚さだけ成長する。
【００６７】
ｐ−ＩｎＰクラッド層６は、厚さ０．５μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層の下層部と厚さ３．５μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層の上層部との合計４．０μｍの厚さで構成される。
【００６８】
そして、ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層７の上面にｐ側電極１０を形成し、ｎ−ＩｎＰ基板１の下側にｎ側電極１１を形成した後、長さ２ｍｍで切り出し、反射側反射膜１４と出射側反射膜１５とを施し、レーザ構造とする。これによって、実施形態１のかかる半導体レーザ素子が完成する。
【００６９】
図４Ａ、４Ｂは、それぞれ実施形態１にかかる半導体レーザ素子、比較素子における光の導波方向のストライプ形状を示す図である。比較素子は、電界分布制御層１２を備えていない従来のファブリ・ペロー型の半導体レーザ素子である。ここで比較素子はｎ−ＩｎＰクラッド層２の厚さを１．３μｍとし、電界分布制御層１２を含まない構造とした以外は、実施形態１にかかる半導体レーザ構造と同一の積層構造である。
【００７０】
図４Ａに示すように、本実施形態１については、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の幅は光の導波方向に沿っておよそ４．３μｍの活性層幅を有する半導体レーザ素子を作製した。
【００７１】
また、図４Ｂに示すように、比較素子では、単一横モードが制御されるように、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層３の活性層幅が、光の導波方向に沿って、活性層幅２．７μｍの直線状の領域(長さ３０μｍ：光出射側領域、７５０μｍ：光反射側領域)と、テーパー状に変化する領域(長さ３００μｍ)で光の出射端面近傍の幅よりも広い直線状の活性層幅を備えた領域(長さ６２０μｍ)を挟んだ構成の光の導波路構造とした。なお、比較素子の活性層幅は、活性層面積を共振器長で割った値で定義することとする。例えば、活性層幅４．３μｍの比較素子は、活性層面積が８．６μｍ2になるようにテーパー領域と光の出射端面近傍の幅よりも広い直線の活性層幅を調整することで実現している。なお、活性層幅２．７μｍでは、単一横モードが維持できるため、直線ストライプ構造を比較素子構造とした。このことにより、単一横モード制御と高電流注入時の熱による光出力飽和を回避する構造としている。
【００７２】
図５は、実施形態１にかかる半導体レーザ素子および比較素子の電流―光出力特性を示す図である。本実施形態１にかかる半導体レーザ素子および比較素子は、４．３μｍ幅のストライプを有しているが、図５の特性において不連続点であるキンクを生じることなく、８００ｍＷ以上の高出力動作を達成していることがわかる。
【００７３】
これは、ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８およびｎ−ＩｎＰ電流ブロック層９が形成される領域に、電界分布制御層１２が１μｍ程度の厚さだけ残るようにしているため、電流狭窄領域と活性層領域との屈折率差が低減した効果による。
【００７４】
また、図５に示すように、駆動電流が１８００ｍＡのとき、実施形態１にかかる半導体レーザ素子の光出力は、比較素子の光出力よりも７０ｍＷ程度高出力を示している。これは、電界分布制御層１２を本実施形態１の半導体レーザ素子において適用していることで、ｐ-ＩｎＰクラッド層６における価電子帯間吸収が低減し、内部損失の低減に伴い、外部量子効率が増加したためである。
【００７５】
以上のことから、比較素子では単一横モード制御するために図４に記すような複雑な導波路構造を適用していたが、本実施形態１の半導体レーザ構造では、簡単な構造で単一横モード制御が可能となり、かつ電界分布制御層１２の適用により、比較素子よりも高効率の半導体レーザを実現することができるといった効果を奏する。
【００７６】
実施形態１にかかる半導体レーザ素子および比較素子の投入電力の光出力依存性を示す図である。本実施形態１にかかる半導体レーザ素子では、比較素子と比較して低出力側から８００ｍＷの高出力までの広い範囲にわたって、低消費電力で駆動できる効果があることがわかる。
【００７７】
なお、本実施形態１の半導体レーザ素子において、量子井戸活性層の膜厚や組成を最適化することで、１４００ｎｍ〜１５５０ｎｍでのラマン増幅器用高出力励起光源を低消費電力で実現できることは、言うまでもない。
【００７８】
また、本実施形態１では活性層の幅が、光の伝搬方向に対して等しい直線状のメサストライプ構造であるが、光の伝搬方向に対してストライプ幅は変化している単一横モードを維持する構造、たとえばテーパー構造やアクティブＭＭＩ構造であってもよい。また、本実施形態１では、活性層幅を３μｍ以上にすることが可能となるので、比較素子構造に適用する場合は、光出射端面の直線領域の活性層幅を広げることができ、より活性層面積を大きくすることが可能となる。その結果、素子抵抗の低減ができ、消費電力の低い半導体レーザ素子を実現することができる。
【００７９】
本実施形態１は、ＢＨ構造の半導体レーザ素子であるが、本発明はリッジストライプ型レーザやＳＡＳ型レーザにも容易に適用できる。
【００８０】
また、本実施形態１は半導体レーザ素子であるが、本発明は、さまざまな態様の光半導体装置に適用でき、たとえば、ＭＯＰＡ構造、半導体光増幅器、または、同一基板上に複数の機能を集積した変調器集積レーザ、波長可変レーザといった光機能集積素子にも適用できる。
【００８１】
(実施形態２−１、２−２)
本発明の実施形態２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子とし、実施の形態１とは電界分布制御層１２の構成が異なる半導体レーザ素子を作製し、実施形態１にかかる半導体レーザ素子および比較素子とのレーザ特性の比較を行った。
【００８２】
実施形態２−１では、組成波長０．９５μｍ、厚さ２０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層、厚さ１８０ｎｍのＩｎＰ層、組成波長１．１μｍ、厚さ２０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層と厚さ１８０ｎｍのＩｎＰ層を８周期で構成した総厚１８００ｎｍの電界分布制御層１２を有する半導体レーザ素子である。また、実施形態２−２は、組成波長０．９５μｍ、厚さ２０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層、厚さ１８０ｎｍのＩｎＰ層、組成波長１．０μｍ、厚さ１００ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層と厚さ３００ｎｍのＩｎＰ層を４周期、組成波長１．０μｍ、厚さ４０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層と厚さ３６０ｎｍのＩｎＰ層を４周期で構成した総厚３４００ｎｍの電界分布制御層１２を有する半導体レーザ素子である。
【００８３】
実施形態２−１では、電界分布制御層１２に含まれるＧａＩｎＡｓＰ層の総厚は１８０ｎｍであり、電界分布制御層１２の総厚(１８００ｎｍ)の１０．０％である。実施形態２−２では、ＧａＩｎＡｓＰ層の総厚は５８０ｎｍであり、電界分布制御層１２の総厚(３４００ｎｍ)の１７．１％を占める。
計算により算出した活性層の光閉じ込め係数は、実施形態１が０．９％、実施形態２−１が０．９７％、実施形態２−２が０．９１％であり、比較素子の１．１％と比較して、若干、閉じ込めが小さい構造となっている。
【００８４】
また、内部損失の値は、実施形態１が２．７／ｃｍ、実施形態２−１が２．５／ｃｍ、実施形態２−２が２．４／ｃｍとほぼ同程度であり、比較素子の３．８／ｃｍと比較して小さい値が見積もられ、価電子帯間吸収の低減による外部微分量子効率の高効率化の可能性が期待できる。
【００８５】
半導体レーザ素子において、ＩＬキンク(光出力の不連続点)が発生すると、キンクの発生点以降の電流注入領域では、高次の横モードが発生する。これにより、レーザ光をレンズを介して光ファイバに結合した際に結合効率が大幅に劣化して、高出力の半導体レーザモジュールを実現できないという問題がある。また、光ファイバ増幅器は、一般的に光出力が一定になるように駆動電流を自動的に制御して使用(ＡＰＣ駆動)されるが、ＩＬキンクがあるとＡＰＣ制御ができなくなるといった問題がある。以上のことから、光ファイバ増幅器用励起光源では、駆動電流範囲においてキンクが発生しないことが重要である。
【００８６】
図７は、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子の活性層幅とＩＬキンクの発生率との関係を示す図である。実施形態１の半導体レーザ素子では、活性層幅が４．３μｍよりも大きいと、また、実施形態２−１の半導体レーザ素子では、活性層幅が３．３μｍよりも大きいとＩＬキンクの発生率が大きくなる。これに対して、実施の形態２−２の半導体レーザ素子では、活性層幅が４．８μｍでもＩＬキンクの発生率が抑えられていることがわかる。
【００８７】
ここで、実施形態１では、電流狭窄のためのＢＨ構造を構成するｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８の下層に残っている電界分布制御層１２の厚さ(残し厚)は、１μｍ(０．９５μｍ組成ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ＝２０ｎｍ／１８０ｎｍ、１μｍ組成ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ＝（６０ｎｍ／１４０ｎｍ）×４周期)であり、そのうちＧａＩｎＡｓＰ層の厚さは、２６０ｎｍである。
【００８８】
一方、実施の形態２−２ではｐ−ＩｎＰ電流ブロック層８の下層の電界分布制御層１２の残し厚は１．２μｍ(０．９５μｍ組成ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ＝２０ｎｍ／１８０ｎｍ、１μｍ組成ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ＝(１００ｎｍ／３００ｎｍ)×４周期)であり、そのうちＧａＩｎＡｓＰの厚さは、４２０ｎｍである。同様に実施形態２−１では、電界分布制御層１２の残し厚は０．２μｍ(０．９５μｍ組成ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ＝２０ｎｍ／１８０ｎｍ)であり、そのうちＧａＩｎＡｓＰ層の厚さは、２０ｎｍである。
【００８９】
以上のことから、電界分布制御層１２の残し厚が厚いほど、ＧａＩｎＡｓＰ層の占める厚さが大きくなり、ＢＨ領域と活性層領域との屈折率差が低減し、広い幅の活性層幅でもキンクが発生することなく高出力動作が実現できることがわかる。なお、残し厚が０．２μｍ以上あれば、３μｍ以上の広い幅の活性層幅でもキンクの発生を抑制できる。
【００９０】
図８〜図１１は、半導体レーザ素子の静特性の活性層幅依存性を示している。図８は、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子および比較素子のしきい値電流の活性層幅依存性を示す図である。
【００９１】
図８に示すように、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子のしきい値電流は、比較素子と比べると、しきい値電流は大きい値を示している。活性層幅４．３μｍでの比較で５ｍＡ程度大きくなっている。これは、電界分布制御層１２を導入することで電界がｎ−ＩｎＰ基板側に分布して、活性層の光の閉じ込めが小さくなったためである。
【００９２】
実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子のしきい値電流を比較すると、活性層幅が大きくなるに従い各実施形態におけるしきい値電流の差が小さくなる傾向が見られる。また、実施形態１や実施形態２−２においては、活性層幅がある活性層幅より小さくなるとしきい値電流が増加する。これは、活性層幅が小さくなるほど活性層へ注入されるキャリア密度が高くなり、電界分布制御層１２での非発光再結合成分が増加し、活性層への電流注入効率が低減するためと考えられる。特に、電界分布制御層１２に含まれるＧａＩｎＡｓＰ層の総厚が厚くなるに従い、すなわち、実施形態１よりも実施形態２−２の構造において、活性層幅が小さい領域でのしきい値電流の増加が大きくなっていることがわかる。このＧａＩｎＡｓＰ層の総厚の増加に起因したしきい値電流の増加は、活性層幅を３．３μｍ以上、より好適には４．３μｍ以上にすることによって、キャリア密度を低減させることで回避できる。
【００９３】
図９は、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子および比較素子の光出力(１．８Ａ駆動時)の活性層幅依存性を示す図である。実施形態１、実施形態２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子において、比較素子の光出力よりも３０−７０ｍＷ程度の高出力化が達成されている。これも、前述の価電子帯間吸収の低減による効果である。なお、比較素子の場合は、活性層幅が２．７μｍ〜５．１μｍにおいて、６６０ｍＷ〜６８０ｍＷ程度の出力である。
【００９４】
３つの実施形態の構造の中では、電界分布制御層１２の層厚が中間の厚さを有する実施形態１の構造で活性層幅が２．７μｍから４．２μｍの範囲で光出力が最も大きく、電界分布制御層１２の層厚に最適値があることがわかる。
【００９５】
すなわち、前述の単一横モード制御と高出力動作とに関してトレードオフの関係があることになるため、電界分布制御層１２を有する半導体レーザ素子で低消費電力かつ高出力動作を実現するには、電界分布制御層１２の最適化が重要であることがわかる。
ファイバ端光出力５００ｍＷの半導体レーザモジュールを１０Ｗ以下の駆動電力で動作させる歩留まりを９９．７％で実現するには、１．８Ａ駆動時の光出力が７２５ｍＷ以上必要であることがわかった。このことと図９の活性層幅が３．９μｍのそれぞれの実施形態の結果を元に電界分布制御層１２の総厚の最適範囲を求めると１．８μｍから３．５μｍとなる。
【００９６】
図１０は、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子および比較素子の駆動電圧(１．８Ａ駆動時)の活性層幅依存性を示す図である。図１１は、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子および比較素子の微分抵抗(１．８Ａ駆動時)の活性層幅依存性を示す図である。図１０、１１のいずれにおいても、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子と、比較素子とで、駆動電圧および微分抵抗と比べると、同一活性層幅で同等の値を示している。なお、活性層幅が２．７μｍ〜５．１μｍにおいても、実施形態１、２−１、２−２にかかる半導体レーザ素子と同等の値を示す。このことから、本実施形態で検討した程度の複数のヘテロ界面を有する電界分布制御層１２であれば、抵抗が小さく、電気特性に影響しないといった特徴を有することがわかる。
【００９７】
（実施形態３）
つぎに、本発明の実施形態３にかかる半導体レーザモジュールについて説明する。本実施形態３の半導体モジュールは、活性層幅が４．３μｍの実施形態１にかかる半導体レーザ素子を用いたものである。
【００９８】
図１２は、本発明の実施形態３にかかる半導体レーザモジュールの構造を示す側面断面図である。本実施形態３にかかる半導体レーザモジュールは、上述した実施形態１にかかる半導体レーザ素子に対応する半導体レーザ素子５２を備えている。なお、この半導体レーザ素子５２は、ｐ側電極がレーザマウント４８に接合されるジャンクションダウン構成とされている。本実施形態３にかかる半導体レーザモジュール半導体レーザモジュールの筐体である、セラミックなどによって形成されたパッケージ５１の内部底面上に、温度制御装置としての温調モジュール５０が配置される。
【００９９】
温調モジュール５０上にはベース４７が配置され、このベース４７上にはレーザマウント４８が配置される。温調モジュール５０には、図示しない電流が与えられ、その極性によって冷却および加熱を行う。なお、半導体レーザ素子５２の温度上昇による発振波長ずれを防止するため、主として冷却器として機能する。すなわち、温調モジュール５０は、レーザ光が所望の波長に比して長い波長である場合には、半導体レーザ素子５２を冷却して低い温度に制御し、レーザ光が所望の波長に比して短い波長である場合には、半導体レーザ素子５２を加熱して高い温度に制御する。
【０１００】
この温度制御は、具体的に、レーザマウント４８上であって、半導体レーザ素子５２の近傍に配置されたサーミスタ４９の検出値をもとに制御される。図示しない制御装置は、通常、レーザマウント４８の温度が一定に保たれるように温調モジュール５０を制御する。また、図示しない制御装置は、半導体レーザ素子５２の駆動電流を上昇させるに従って、レーザマウント４８の温度が下がるように温調モジュール５０を制御する。このような温度制御を行なうことによって、半導体レーザ素子５２の出力安定性を向上させることができ、歩留まりの向上にも有効となる。なお、レーザマウント４８は、たとえばダイヤモンドなどの高熱伝導率をもつ材質によって形成することが望ましい。これは、レーザマウント４８がダイヤモンドで形成されると、高電流印加時の発熱が抑制されるからである。
【０１０１】
ベース４７上には、半導体レーザ素子５２およびサーミスタ４９を配置したレーザマウント４８、光結合レンズ系である第１レンズ５３、および光モニタ用受光素子４６が配置される。半導体レーザ素子５２から出射されたレーザ光は、第１レンズ５３、アイソレータ５４、および光結合レンズ系である第２レンズ４４を介し、光ファイバ４５に導波される。第２レンズ４４は、レーザ光の光軸上であって、パッケージ５１上に設けられ、外部接続される光ファイバ４５に光学的に結合されている。光ファイバ４５はレーザ光を外部に導波する。なお、光モニタ用受光素子４６は、半導体レーザ素子５２の高反射膜側から漏れた光をモニタ検出し、半導体レーザ素子５２の光出力を測定するためのものである。
【０１０２】
ここで、この半導体レーザモジュールでは、他の光学部品などによる反射戻り光が共振器内に戻らないように、半導体レーザ素子５２と光ファイバ４５との間に、半導体レーザ素子５２から出射されたレーザ光を第２レンズ４４側に透過させる光アイソレータ５４を介在させている。なお、ここでは消光比−２０ｄＢの光アイソレータ５４を用いているが、モジュールまたは、システムを構成する部品からの反射を抑制するには、−２０ｄＢ以下のアイソレータを用いることが好ましい。なお、本実施形態の半導体レーザモジュールは、ファイバ端光出力５００ｍＷの時の消費電力が９Ｗであった。活性層幅４．３μｍの比較素子を用いたレーザモジュールでは、ファイバ端光出力５００ｍＷの時の消費電力が１１．６Ｗであったので、２３％ほど消費電力の低減を実現することができた。
【０１０３】
また、半導体レーザ素子５２を図１および図２に示す構造からなるものとした場合、光ファイバ４５内部には、光ファイバ４５を伝播するレーザ光の一部を半導体レーザ素子５２に帰還させる光帰還器としてのファイバグレーティングを配置し、半導体レーザ素子５２の反射側端面と共振器を形成する構造とする。この場合、光アイソレータ５４は半導体レーザモジュール内に配置するのではなく、ファイバグレーティングの後段に配置するインライン式にする必要がある。
【０１０４】
実施形態３の変形例として、実施形態３の構成において、光アイソレータを含まない、光ファイバの一部にファイバグレーティングを設けた構成の半導体レーザモジュールについて説明する。本実施形態の変形例では、実施形態１にかかる半導体レーザ素子を用いてファイバグレーティング(ＦＢＧ)付き半導体レーザモジュールを構成している。なお、比較素子を用いたファイバグレーティングを備えた半導体レーザモジュールを作製し特性の比較を行った。
なお、モジュールの作製に使用したＦＢＧの特性は、反射率１．８％、反射帯域幅(半値全幅)１．８ｎｍ、中心波長１４２５ｎｍである。
【０１０５】
比較素子を用いた半導体レーザモジュールでは、図４に記載の比較素子で活性層幅が４．３μｍの素子を用いた。実施形態１にかかる半導体レーザは、遠視野像が水平方向、垂直方向がそれぞれ、１１．８°および１６°であり、比較素子では、遠視野像が水平方向、垂直方向がそれぞれ、１２．５°および１９．６°であった。
【０１０６】
本発明の実施形態１の半導体レーザ素子では、比較素子よりも円形なビームが実現できるため、光ファイバとの高結合効率が可能となる。これによる駆動電流、駆動電圧の低減でモジュールの消費電力を低減できるといった効果を奏する。
【０１０７】
図１３は、実施形態１の素子または比較素子を用いた半導体レーザモジュールのファイバ端光出力と駆動電流との関係を示す図である。実施形態１の素子を用いた半導体レーザモジュールでは、ファイバ端光出力が５００ｍＷの時の駆動電流が比較素子を用いた半導体レーザモジュールよりも低減していることから、上述の消費電力の低減効果を確認できる。なお、実施形態１の素子を用いた半導体レーザモジュールの結合効率は、８２％であり、比較素子を用いた半導体レーザモジュールの結合効率は、７２％よりも大きな値を実現できることを確認できた。これは、実施形態１の素子の遠視野像が変化し、より円形ビームに近づいたことによる効果である。
【０１０８】
図１４は、実施形態１の素子または比較素子を用いた半導体レーザモジュールのファイバ端光出力と消費電力との関係を示す図である。実施形態１の素子を用いた半導体レーザモジュールでは、５００ｍＷファイバ端光出力時の消費電力は、比較素子を用いた半導体レーザモジュールの消費電力よりも２．７Ｗ程度低減している。また、実施形態１の素子を用いた半導体レーザモジュールにおいて、比較素子を用いた半導体レーザモジュールの５００ｍＷファイバ端光出力時の消費電力と同じ消費電力に設定した場合は、５８０ｍＷのファイバ端光出力であったので、１６％の光出力の改善が得られている。
また、比較素子を用いた半導体レーザモジュールでは最大光出力５６０ｍＷ程度のとき消費電力が１６Ｗであったが、本実施形態の半導体レーザモジュールでは、１２Ｗ程度の消費電力で６００ｍＷ以上のファイバ端光出力が得られている。
以上のことより、半導体レーザモジュールにおいて実施形態１にかかる半導体レーザ素子を用いることで高出力の光出力を低い低消費電力で実現できるといった効果を奏する。また、レーザ光の出射側反射率を０．５％以下、好ましくは０．２％以下とすると高出力時のキンクの発生を抑制でき、低出力域から高出力域までダイナミックレンジの広い高出力で波長安定化したファイバ増幅起用励起光源を実現できることが実験的にわかった。
【０１０９】
図１５は、実施形態１の素子または比較素子を用いた半導体レーザモジュールの５００ｍＷファイバ端光出力時のモジュール消費電力とサーミスタ温度との関係を示す図である。図１５では、半導体レーザ素子の温度を高温動作させた際の消費電力が示されている。ここでは、半導体レーザ素子の温度を変化させるためにモジュールのサーミスタ温度を変化させて評価を実施した。その結果、サーミスタ温度が２５℃の場合では、半導体レーザモジュールの消費電力は８Ｗ程度であったが、半導体レーザ素子を４０℃で駆動することで消費電力を６．２Ｗまで低減することができる。また、実施形態１の素子を用いた半導体レーザモジュールでは、比較素子を用いた半導体レーザモジュールに対しては、２．７Ｗ程度消費電力が低減している。
【０１１０】
これは、サーミスタの温度を上げることで、電子冷却器である温調モジュール５０の負荷が減り、温調モジュール５０の消費電力が下がったためである。
【０１１１】
したがって、半導体レーザモジュールに本実施形態１の半導体レーザ素子を用いることで、半導体レーザ素子を４０℃程度まででの高温駆動が可能となり、５００ｍＷのファイバ端光出力を６〜８Ｗ程度の低消費電力で駆動できる。その結果、この半導体レーザモジュールを光ファイバ増幅器に用いれば、光ファイバ増幅器の消費電力を低減できるといった効果を奏する。
【０１１２】
以上に説明したとおり、実施形態３にかかる半導体レーザモジュールは、半導体レーザ素子５２に実施形態１にかかる半導体レーザ素子を用いている。半導体レーザ素子５２は、低消費電力で高出力動作可能であり、光学部品を介して高い結合効率で光ファイバに結合できるといった特徴があるため、低消費電力の高出力半導体レーザモジュールを実現できる。さらに、半導体レーザ素子５２は、光―電気変換効率が高いといった特徴があるので、半導体レーザ素子５２の高温動作が可能となり、温調モジュール５０への負荷が減るため、より低消費電力の高出力半導体レーザモジュールを実現することが可能となる。
【０１１３】
なお、本実施形態では、２レンズ系を採用しているが、本発明の実施形態の半導体レーザ素子と集光レンズとアイソレータ、光ファイバなどの部品で構成される１レンズ系の半導体レーザモジュールを構成してもよい。また、本発明の実施形態の半導体レーザ素子とレンズファイバで構成される半導体レーザモジュールも構成可能である。特に、光ファイバの一部に回折格子を具備したファイバグレーティング付き半導体レーザモジュールでは、レーザ発振波長がファイバグレーティングにより選択された波長で安定化するといった効果を奏する。
【０１１４】
なお、本実施形態３ではバタフライパッケージを用いているが、Ｃａｎタイプのパッケージを用いた半導体レーザモジュールを構成してもよい。
【０１１５】
なお、上述したように、本実施の形態３の変形例において、反射率１．８％、反射帯域幅(半値全幅)１．８ｎｍ、中心波長１４２５ｎｍのＦＢＧを用いたとき、５００ｍＷのファイバ端光出力時の消費電力は８Ｗであった。これに対して、反射率が３．５％であり、他の特性は上記と同一のＦＢＧでは、５００ｍＷのファイバ端光出力時の消費電力は８．５Ｗであった。
【０１１６】
なお、ラマン増幅器では、励起光源のスペクトル線幅が細いと、光ファイバの非線形効果である誘導ブリュリアン散乱の影響で、十分なラマン利得が得られなくなるといった問題がある。
【０１１７】
この対策として、レーザ光のスペクトルにおいて、１ｎｍ以上のＦＢＧの反射帯域幅内に多数のファブリペローモードを含ませることが有効である。そのために、半導体レーザ素子の共振器長を長共振器化することや、ＦＢＧの反射帯域幅を広くすることが有効である。
【０１１８】
例えば、本変形例では、共振器長が２ｍｍのレーザでは、縦モード間隔が約０．１５ｎｍで、反射帯域幅内に１２本の縦モードが含まれる。さらに、共振器長を３ｍｍにすることで、縦モード間隔は０．１ｎｍとなり、上記の場合の１．５倍の縦モード数である１８本をＦＢＧの反射帯域幅内に含ませることが可能となる。
他の方法としては、レーザ光のコヒーレンスを崩壊させるため、２本のほぼ同一波長のＦＢＧを８０ｃｍから１００ｃｍ程度の間隔で配置するモジュール構成も、誘導ブリュリアン散乱の影響を抑制するには有効である。このとき、レーザ素子に近い方のＦＢＧは、チップからの距離が８０ｃｍ以上になるように配置される。
この構成で作製した実施形態１の素子(活性層幅４．３μｍ)を用いた半導体レーザモジュールでは、光出力５０ｍＷ以上で誘導ブリュリアン散乱の影響がないことを確認した。
さらに、前述の方法では、ＦＢＧを２本使用するため、コスト面で問題が生じる。低コストを目的に、１本のＦＢＧでレーザ光のコヒーレンスを崩壊させ、誘導ブリュリアン散乱の影響を抑制するには、レーザ端面の反射率とＦＢＧの反射率をほぼ同等にすることが有効である。
この構成で作製した実施形態１の素子(活性層幅４．３μｍ、レーザ出射端面反射率１％)を用いた半導体レーザモジュールでは、ＦＢＧ反射率が１．８％±０．３６％のとき、１００ｍＷ以上の光出力で、ＦＢＧ反射率が１．０％±０．２％のとき、５０ｍＷ以上の光出力で、誘導ブリュリアン散乱の影響が抑制されることが確認された。なお、高出力化と誘導ブリュリアン散乱の影響を抑制の両立には、レーザ出射端面反射率が１％で、ＦＢＧ反射率が１．０％±０．２％が好適である。
【０１１９】
なお、ラマン増幅器用の励起光源は、複数の励起光源からのレーザ光を波長多重して使用することが一般的であるため、波長多重する際の光合波器の損失を考慮して、ＦＢＧの反射帯域が２ｎｍ以下になるようすることが好適である。
【０１２０】
（実施形態４）
つぎに、本発明の実施形態４にかかる光ファイバ増幅器について説明する。本実施形態４は、上述した実施形態３の半導体レーザモジュールをラマン増幅器に適用したことを特徴としている。
【０１２１】
図１６は、実施形態４にかかるラマン増幅器である光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。このラマン増幅器は、ＷＤＭ通信システムに用いられる。図１６において、実施形態４にかかるラマン増幅器は、上述した実施形態３に示した半導体レーザモジュールと同一構成の半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄを用いた構成となっている。なお、半導体レーザモジュールに用いる半導体レーザ素子としては、実施形態１、２−１、２−２に示すものを使用することができる。
【０１２２】
各半導体レーザモジュール６０ａ，６０ｂは、偏波面保持光ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ａに出力し、各半導体レーザモジュール６０ｃ，６０ｄは、偏波面保持光ファイバ７１を介して、複数の発振縦モードを有するレーザ光を偏波合成カプラ６１ｂに出力する。ここで、半導体レーザモジュール６０ａ、６０ｂが発振するレーザ光は、同一波長である。また、半導体レーザモジュール６０ｃ、６０ｄが発振するレーザ光は、同一波長であるが半導体レーザモジュール６０ａ、６０ｂが発振するレーザ光の波長とは異なる。ラマン増幅は偏波依存性を有するので、偏波合成カプラ６１ａ、６１ｂによって偏波依存性が解消されたレーザ光として出力するようにしている。
【０１２３】
各偏波合成カプラ６１ａ、６１ｂから出力された、異なる波長をもったレーザ光は、ＷＤＭカプラ６２によって合成される。合成されたレーザ光は、ＷＤＭカプラ６５を介してラマン増幅用の励起光として増幅用光ファイバ６４に出力される。この励起光が入力された増幅用光ファイバ６４には、増幅対象の信号光が入力され、ラマン増幅される。
【０１２４】
増幅用ファイバ６４内においてラマン増幅された信号光（増幅信号光）は、ＷＤＭカプラ６５および光アイソレータ６６を介してモニタ光分配用カプラ６７に入力される。モニタ光分配用カプラ６７は、増幅信号光の一部を制御回路６８に出力し、残りの増幅信号光を出力レーザ光として信号光出力光ファイバ７０に出力する。
【０１２５】
制御回路６８は、入力された一部の増幅信号光をもとに各半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄのレーザ出力状態、たとえば光強度を制御し、ラマン増幅の利得帯域が平坦な特性となるようにフィードバック制御する。
【０１２６】
以上に説明したとおり、本実施形態４にかかる光ファイバ増幅器によれば、実施形態１、２−１、または２−２にかかる半導体レーザ素子が内蔵された半導体レーザモジュール６０ａを用いてラマン増幅器を構成しているので、半導体レーザモジュールから出射されるレーザ光の強度を高めることができる。
【０１２７】
図１７は、実施形態４にかかる光ファイバ増幅器の変形例１を示すブロック図である。図１６に示したラマン増幅器では、偏波合成カプラ６１ａ、６１ｂを用いているが、図１７に示すように、半導体レーザモジュール６０ａ、６０ｃから、それぞれ偏波面保持ファイバ７１を介して直接ＷＤＭカプラ６２に光出力するようにしてもよい。この場合、半導体レーザモジュール６０ａ、６０ｃから出射するレーザ光の偏波面は、偏波面保持光ファイバ７１に対して４５度となるように入射する。
【０１２８】
また、図１６および図１７に示したラマン増幅器は、後方励起方式であるが、前方励起方式であっても、双方向励起方式であっても、安定したラマン増幅を行なうことができる。
【０１２９】
たとえば、図１８は、実施形態４にかかる光ファイバ増幅器の変形例２であって、前方励起方式を採用したラマン増幅器である光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。図１８に示したラマン増幅器は、図１６に示したラマン増幅器において、ＷＤＭカプラ６５の代わりにＷＤＭカプラ６５’を光アイソレータ６３の近傍に設けている。このＷＤＭカプラ６５’には、半導体レーザモジュール６０ａ〜６０ｄ、偏波合成カプラ６１ａ、６１ｂおよびＷＤＭカプラ６２にそれぞれ対応した半導体レーザモジュール６０ａ’〜６０ｄ’、偏波合成カプラ６１ａ’，６１ｂ’およびＷＤＭカプラ６２’を有した回路が接続され、ＷＤＭカプラ６２’から出力される励起光を、信号光と同じ方向に出力する前方励起を行なう。
【０１３０】
同様に、図１９は、実施形態４にかかる光ファイバ増幅器の変形例３であって、前方励起方式を採用したラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図１９に示したラマン増幅器は、図１７に示したラマン増幅器において、ＷＤＭカプラ６５の代わりにＷＤＭカプラ６５’を光アイソレータ６３の近傍に設けている。このＷＤＭカプラ６５’には、半導体レーザモジュール６０ａ、６０ｃおよびＷＤＭカプラ６２にそれぞれ対応した半導体レーザモジュール６０ａ’、６０ｃ’およびＷＤＭカプラ６２’を有した回路が接続され、ＷＤＭカプラ６２’から出力される励起光を、信号光と同じ方向に出力する前方励起を行なう。
【０１３１】
また、図２０は、実施形態４にかかる光ファイバ増幅器の変形例４であって、双方向励起方式を採用したラマン増幅器である光ファイバ増幅器の構成を示すブロック図である。図２０に示したラマン増幅器は、図１６に示したラマン増幅器の構成に、図１８に示したＷＤＭカプラ６５’、半導体レーザモジュール６０ａ’〜６０ｄ’、偏波合成カプラ６１ａ’、６１ｂ’およびＷＤＭカプラ６２’をさらに設け、後方励起と前方励起とを行なう双方向励起方式としている。
【０１３２】
同様に、図２１は、実施形態４にかかる光ファイバ増幅器の変形例５であって、双方向励起方式を採用したラマン増幅器の構成を示すブロック図である。図２１に示したラマン増幅器は、図１７に示したラマン増幅器の構成に、図１９に示したＷＤＭカプラ６５’、半導体レーザモジュール６０ａ’，６０ｃ’およびＷＤＭカプラ６２’をさらに設け、後方励起と前方励起とを行なう双方向励起方式としている。
【０１３３】
上述した図１６〜図２１に示したラマン増幅器は、上述したようにＷＤＭ通信システムに適用することができる。図２２は、図１６〜図２１に示した実施形態４またはその変形例にかかるラマン増幅器である光ファイバ増幅器を適用したＷＤＭ通信システムの概要構成を示すブロック図である。
【０１３４】
図２２において、複数の送信機Ｔｘ１〜Ｔｘｎから送出された波長λ１〜λｎの光信号は、光合波器８０によって合波され、１つの光ファイバ８５に集約される。この光ファイバ８５の伝送路上には、図１６〜図２１に示したラマン増幅器に対応した複数のラマン増幅器８１、８３が距離に応じて配置され、減衰した光信号を増幅する。この光ファイバ８５上を伝送した信号は、光分波器８４によって、複数の波長λ１〜λｎの光信号に分波され、複数の受信機Ｒｘ１〜Ｒｘｎに受信される。なお、光ファイバ８５上には、任意の波長の光信号を付加し、取り出したりするＡＤＭ（Add/Drop  Multiplexer）が挿入される場合もある。
【０１３５】
なお、上述した実施形態４では、実施の形態１、２−１、２−１にかかる半導体レーザ素子あるいは実施形態３にかかる半導体レーザモジュールを、ラマン増幅用の励起光源に用いる場合を示したが、これに限らず、たとえば、９８０ｎｍ、１４８０ｎｍなどのＥＤＦＡ励起用光源として用い、増幅用光ファイバとして増幅媒体であるエルビウムを含むものを用いて、ＥＤＦＡである光ファイバ増幅器を実現できることは明らかである。
【０１３６】
本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ素子によれば、価電子帯間吸収の低減による内部損失低減で高効率化が可能となる。内部損失の低減によりｐ型クラッド層の層厚を低減することによる電気抵抗の低減、熱抵抗の低減が可能となる。また、電界分布制御層を含まない半導体レーザ素子と比較して、同じ効率を得るための共振器長を長くできるため、電気抵抗の低減、熱抵抗の低減が可能となる。これらの効果により所望の光出力を得るための駆動電流、駆動電圧が低減し低消費電力が可能となる。
【０１３７】
また、本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ素子を電流狭窄構造の半導体レーザ素子に適用することにより、活性層に効率的に電流注入ができるため、低しきい値電流で動作する半導体レーザを実現できる。さらには、電流狭窄領域にも電界分布制御層を介在させることで電流狭窄領域と活性層領域の屈折率差を低減することができるため、活性層幅を広げても単一横モード動作が可能な半導体レーザ素子を実現できる。これにより、電気抵抗、熱抵抗を下げることができるため、低消費電力で熱飽和が生じにくい高出力半導体レーザ素子を実現できる。また、電流狭窄構造として埋め込みヘテロ構造と組み合わせることで、ほぼ円形に近いビームのレーザ光を出射する半導体レーザ素子を実現できるので、レンズなどの光学部品を介して、光ファイバに高効率で結合可能な半導体レーザモジュールを実現できる。
【０１３８】
また、本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ素子によれば、活性層への電流注入効率を劣化させることがない。そのため、電界分布制御層を導入した際の抵抗上昇による電圧上昇、しきい値上昇、効率低減を抑制できるため、高効率・低消費電力の半導体レーザ素子を実現できる。
【０１３９】
また、本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ素子によれば、低消費電力、高出力なＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザ素子を実現できるので、大容量通信システムの高性能化、低消費電力化を実現できる。
【０１４０】
また、本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ素子によれば、電界分布制御層を構成するＧａＩｎＡｓＰ層の層厚が１μｍより薄いため、結晶欠陥や表面欠陥の少ない製造プロセスを実現できる。これによって、低消費電力、高出力な高信頼性のＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザを低コストで実現できる。また、ＩｎＰとＧａＩｎＡｓＰとで構成された電界分布制御層を用いた半導体レーザ素子では、ＧａＩｎＡｓＰクラッド層を適用した半導体レーザよりもＧａＩｎＡｓＰを含む割合が小さい。そのため、ジャンクションアップで組み立てたレーザモジュール、たとえば、リッジ導波路型レーザモジュールや光集積素子を用いたモジュールでは熱抵抗を低減できるため、高温動作に優れた光半導体装置を実現できる。
【０１４１】
また、本発明の実施の形態にかかる半導体レーザ素子によれば、電界分布制御層を構成するＧａＩｎＡｓＰ層のバンドギャップ組成波長が１μｍ以上となるため、Ｇａ、Ａｓの組成制御が容易な製造プロセスを実現できる。そのため、低消費電力、高出力な高信頼性のＧａＩｎＡｓＰ系半導体レーザを低コストで実現できる。
【０１４２】
また、本発明の実施の形態にかかる半導体レーザモジュールによれば、上記した半導体レーザ素子を用いているため、低消費電力で高出力動作が可能な半導体レーザモジュールを提供できるという効果を奏する。
【０１４３】
また、本発明の実施の形態にかかる光ファイバ増幅器によれば、上記した半導体レーザ素子または半導体レーザモジュールを使用することで増幅利得が安定し、かつ高利得の光ファイバ増幅器を提供できるという効果を奏する。
【０１４４】
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、上記の実施の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。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
以上のように、本発明に係る半導体光装置、半導体レーザモジュールおよび光ファイバ増幅器は、主に光通信の用途に利用して好適なものである。
【符号の説明】
【０１４６】
１  ｎ−ＩｎＰ基板
２  ｎ−ＩｎＰクラッド層
３  ＧＲＩＮ−ＳＣＨ−ＭＱＷ活性層
６  ｐ−ＩｎＰクラッド層
７  ｐ−ＧａＩｎＡｓＰコンタクト層
８  ｐ−ＩｎＰ電流ブロック層
９  ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層
１０  ｐ側電極
１１  ｎ側電極
１２  電界分布制御層
１４  反射側反射膜
１５  出射側反射膜
４４  第２レンズ
４５  光ファイバ
４６  光モニタ用受光素子
４７  ベース
４８  レーザマウント
４９  サーミスタ
５０  温調モジュール
５１  パッケージ
５２  半導体レーザ素子
５３  第１レンズ
５４，６３，６６  光アイソレータ
６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄ  半導体レーザモジュール
６１ａ、６１ｂ  偏波合成カプラ
６２，６５  ＷＤＭカプラ
６４  増幅用光ファイバ
６７  モニタ光分配用カプラ
６８  制御回路
７０  信号光出力光ファイバ
７１，７１ａ  偏波面保持光ファイバ
８０  光合波器
８１，８３  ラマン増幅器
８４  光分波器
８５  光ファイバ
【図１】
2013151145.tif 000003
【図２】
2013151145.tif 000004
【図３】
2013151145.tif 000005
【図４Ａ】
2013151145.tif 000006
【図４Ｂ】
2013151145.tif 000007
【図５】
2013151145.tif 000008
【図６】
2013151145.tif 000009
【図７】
2013151145.tif 000010
【図８】
2013151145.tif 000011
【図９】
2013151145.tif 000012
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【国際調査報告】
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