(57)【要約】【課題】簡易な構成であって単一波長の光を安定して出力可能な半導体レーザ素子を提供する。【解決手段】半導体レーザ素子は、光を生成する活性層１４を含むと共に半導体基板１１上に積層された複数の半導体層１２Ａ，１２Ｂ，１３Ａ，１３Ｂ，１４を有し、活性層で生成された光を第１の端面１０ａから出力する積層体１０と、積層体において第１の端面と対向する第２の端面１０ｂに略直交する方向に進行する弾性波Ｅを第２の端面から活性層に供給する弾性波供給手段５０とを備える。この場合、弾性波供給手段によって第２の端面から活性層に確実に弾性波Ｅが供給される結果、活性層内に弾性波Ｅの進行方向に沿った屈折率分布が形成される。よって、活性層で生成された光のうち屈折率分布の周期で決まるブラッグ条件を満たす波長の光を安定して出力することができる。【選択図】図２
2006135256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を生成する活性層を含むと共に半導体基板上に順に積層された複数の半導体層を有し、前記活性層で生成された光を第１の端面から出力する積層体と、  
前記積層体において前記第１の端面と対向する第２の端面に略直交する方向に進行する弾性波を前記第２の端面から前記活性層に供給する弾性波供給手段と、
を備えることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
複数の前記半導体層は同じ導電型を有し、
前記活性層は、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する複数の発光領域と、前記発光領域に電子を注入する複数の注入領域とを有し、複数の前記発光領域と複数の前記注入領域とが、複数の前記半導体層の積層方向に沿って交互に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記第２の端面における前記活性層上に設けられた絶縁膜を更に有し、
前記弾性波供給手段は、前記絶縁膜上に設けられると共に前記第２の端面に略直交する方向に伸縮する圧電素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記弾性波供給手段は、
前記第２の端面における前記活性層上に設けられると共に、前記半導体層の導電型と異なる導電型を有する半導体膜と、
前記半導体膜に電圧を供給する一対の電極と、
を有し、
前記一対の電極のうちの一方の電極は前記半導体膜上に設けられており、他方の電極は前記積層体上に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一波長の光を出力する半導体レーザ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
分光分析用光源に利用される半導体レーザ素子には、単一波長性が求められている。そして、単一波長性を有する半導体レーザ素子としては、活性層の近傍に回折格子が作り込まれた分布帰還型（ＤＦＢ）のものが知られている。分布帰還型の半導体レーザ素子では、活性層で生成される光のうち、ブラッグ条件を満たす波長の光が選択的に発振するため、単一波長の光が出力される。ただし、回折格子を半導体レーザ素子に作り込むには、非常に高度なリソグラフィー技術やエッチング技術などが要求されていた。
【０００３】
そこで、特許文献１及び特許文献２には、表面弾性波を利用した半導体レーザ素子が提案されている。これらの半導体レーザ素子は、光ガイド層（導波コア層）の直上の表面の一部に櫛形超音波振動子を備えており、櫛形超音波振動子によって発生した表面弾性波によって活性層に屈折率分布を形成する。この屈折率分布が回折格子として機能し、屈折率分布の周期によって決まる波長の光を出力する。この場合、超音波振動子の超音波の波長を変化させることによってレーザ発振波長を広帯域に変化させることができる。
【特許文献１】特開平４−３７２１８７号公報
【特許文献２】特開平３−７６０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の技術では、露出した半導体レーザ素子の表面を弾性波が伝搬するため弾性波の伝搬が半導体レーザ素子の表面状態に依存する。その結果、弾性波の伝搬損失が大きく活性層内に弾性波を伝搬させることが困難であり、単一波長の光を安定して出力することが困難であるという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、簡易な構成であって単一波長の光を安定して出力可能な半導体レーザ素子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】
【０００６】
上記課題を解決するために、光を生成する活性層を含むと共に半導体基板上に順に積層された複数の半導体層を有し、活性層で生成された光を第１の端面から出力する積層体と、積層体において第１の端面と対向する第２の端面に略直交する方向に進行する弾性波を第２の端面から活性層に供給する弾性波供給手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
この構成では、弾性波供給手段によって第２の端面から活性層に確実に弾性波が供給され、弾性波は第２の端面に略直交する方向に活性層内を進行する。その結果、活性層内に弾性波の進行方向に沿った屈折率分布が形成され、活性層で生成された光のうち屈折率分布の周期で決まるブラッグ条件を満たす波長の光を安定して出力することができる。そして、活性層内に屈折率分布が直接形成されるので、高効率な分布帰還動作を実現可能である。また、弾性波の周波数を変化させて、活性層内に形成される屈折率分布の周期を変えることにより、半導体レーザ素子から出力する光の波長を容易に変えることができる。
【０００８】
また、本発明に係る半導体レーザ素子では、複数の半導体層は同じ導電型を有しており、活性層は、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する複数の発光領域と、発光領域に電子を注入する複数の注入領域とを有し、複数の発光領域と複数の注入領域とが、複数の半導体層の積層方向に沿って交互に積層されていることが好ましい。
【０００９】
この構成の半導体レーザ素子は、いわゆる量子カスケードレーザ素子である。この場合、活性層でのサブバンド間遷移によって光を生成するため、中赤外から遠赤外領域の波長の光を出力可能である。そして、上記のように弾性波が活性層に供給されることで中赤外〜遠赤外領域の波長の光を単一波長で安定して出力することができ、また、波長を連続して変えることも可能である。その結果、半導体レーザ素子の構成は、例えば、分光分析用の光源に好適に利用できる構成である。
【００１０】
また、本発明に係る半導体レーザ素子では、第２の端面における活性層上に設けられた絶縁膜を更に有し、弾性波供給手段は、絶縁膜上に設けられると共に第２の端面に略直交する方向に伸縮する圧電素子であることが好適である。この場合、絶縁膜上に設けられた圧電素子を伸縮させるので弾性波を確実に活性層に供給することができる。
【００１１】
更に、半導体層が同じ導電型を有する本発明に係る上記半導体レーザ素子の弾性波供給手段は、（１）第２の端面における活性層上に設けられると共に、半導体層の導電型と異なる導電型を有する半導体膜と、（２）半導体膜に電圧を供給する一対の電極と、を有し、一対の電極のうちの一方の電極は半導体膜上に設けられており、他方の電極は積層体上に設けられていることが好ましい。
【００１２】
半導体膜と半導体層とは、異なる導電型を有しているので、半導体膜と活性層と境界には、空乏領域ができる。そして、この空乏領域に上記一対の電極によって高周波電圧を印可すると、圧電性駆動力が発生する。この圧電性駆動力によって活性層に加えた高周波電圧に対応する周波数の弾性波が活性層内を進行し、半導体レーザ素子で単一波長の光を生成できる。  
【発明の効果】
【００１３】
本発明の半導体レーザ素子によれば、簡易な構成であって単一波長の光を安定して出力することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して本発明に係る半導体レーザ素子の好適な実施形態について説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の斜視図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【００１６】
図１及び図２に示す半導体レーザ素子１は、量子井戸構造のサブバンド間遷移によって生成された光を出力するＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系量子カスケードレーザ素子であり、分光分析用の光源や光通信用の光源として利用される。
【００１７】
半導体レーザ素子１は積層体１０を有しており、この積層体１０はｎ型のＧａＡｓから形成された半導体基板１１を有する。そして、積層体１０では、半導体基板１１の上面１１ａ上にｎ型の半導体層としてのクラッド層１２Ａ、導波コア層１３Ａ、活性層１４、導波コア層１３Ｂ及びクラッド層１２Ｂが順に積層されている。クラッド層１２Ａ，１２Ｂ、導波コア層１３Ａ，１３Ｂ及び活性層１４は、半導体基板１１に対して隆起状のリッジ構造を形成しており、積層体１０は、ＧａＡｓからなる埋め込み層１５によってリッジ構造を埋め込むことでプレーナ型となっている。クラッド層１２Ａ，１２Ｂ、導波コア層１３Ａ、１３Ｂ及び活性層１４の典型的な厚さ及びキャリア濃度は、表１の通りである。
【表１】
2006135256.tif 000003
なお、以下の説明では、クラッド層１２Ａ，１２Ｂ、導波コア層１３Ａ，１３Ｂ及び活性層１４の積層方向をｚ軸とし、ｚ軸に直交すると共に上記リッジ構造の延在している方向（後述する共振器の光軸方向）をｘ軸とし、ｚ軸及びｘ軸に直交する方向をｙ軸とする。
【００１８】
積層体１０の半導体基板１１の下面１１ｂ上及びクラッド層１２Ｂ上には、それぞれ、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕ及びＴｉ／Ａｕからなる層状の電極２１，２２が形成されており、電極２１，２２は、レーザ素子駆動用の駆動電源３１に電気的に接続されている。
【００１９】
また、積層体１０の活性層１４は、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する半導体層である。ここで、図３及び図４を利用して活性層１４について説明する。図３は、活性層１４の基本周期構造の層構造を示す断面図である。また、図４は、活性層１４のバンド構造の一部を示す模式図である。
【００２０】
活性層１４は、量子井戸構造におけるサブバンド間遷移によって光を生成する発光領域１４Ａと、発光領域１４Ａに効率的に電子を注入するための注入領域１４Ｂとを有する。活性層１４は、発光領域１４Ａと注入領域１４Ｂとからなる基本周期構造を３０段積層したものであり、多段に設けられた複数の発光領域１４Ａの隣接する発光領域１４Ａ間に注入領域１４Ｂがそれぞれ設けられ、カスケード構造を形成している。
【００２１】
図３及び図４に示すように、発光領域１４Ａは、量子井戸層１０１としてのＧａＡｓ層１１０〜１１２と、量子障壁層１０２としてのＡｌＧａＡｓ層１１３〜１１６とを有する。ＧａＡｓ層１１０〜１１２及びＡｌＧａＡｓ層１１３〜１１６は、ｚ軸方向に沿って交互に積層されており、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓの３重量子井戸構造を形成している。そして、発光領域１４Ａでは、サブバンドＢ１、サブバンドＢ２が形成されている（図４参照）。各ＧａＡｓ層１１０〜１１２及びＡｌＧａＡｓ層１１３〜１１６の典型的な厚さやキャリヤ濃度は、表２に示すとおりである。
【００２２】
また、注入領域１４Ｂは、量子井戸層１０３としてのＧａＡｓ層１２０〜１２４と、量子障壁層１０４としてＡｌＧａＡｓ層１２５〜１２８とを有する。ＧａＡｓ層１２０〜１２４とＡｌＧａＡｓ層１２５〜１２８とは、交互に積層されており、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ超格子構造を形成している。各ＧａＡｓ層１２０〜１２４及びＡｌＧａＡ層１２５〜１２８の典型的な厚さやキャリヤ濃度は表２に示すとおりである。
【表２】
2006135256.tif 000004
【００２３】
ここで、図４を利用して、活性層１４における発光過程について説明する。なお、注入領域１４Ｂを挟んでいる２つの発光領域１４Ａ, １４Ａを区別するために、各発光領域１４Ａ，１４Ａを発光領域１４Ａ１，１４Ａ２とする。先ず、活性層１４にバイアス電圧を印加すると、電子１００が発光領域１４Ａ１のサブバンドＢ２に選択的に注入される。そして、サブバンドＢ２に注入された電子１００がサブバンドＢ１へと遷移する結果、サブバンドＢ１，Ｂ２のエネルギーギャップに対応する波長の光（例えば、波長９〜１０μｍの光）が生じる。
【００２４】
また、発光領域１４Ａ１のサブバンドＢ１へと遷移した電子１００は、サブバンドＢ１から注入領域１４Ｂを通過して次の発光領域１４Ａ２のサブバンドＢ２に選択的に注入され、発光領域１４Ａでのサブバンド間遷移によって光が生じる。ここでは、２つの発光領域１４Ａ１，１４Ａ２からの発光について説明したが、活性層１４では、発光領域１４Ａが多段に設けられたカスケード構造を有しているので、カスケード状に各発光領域１４ＡからサブバンドＢ１，Ｂ２間のエネルギーギャップに対応する波長の光が生成される。
【００２５】
半導体レーザ素子１では、図１及び図２に示すように、活性層１４で生成された光を導波させる導波路を形成するために、活性層１４に隣接して、ｎ型のＧａＡｓから形成される導波コア層１３Ａ，１３Ｂが設けられ、この導波コア層１３Ａ，１３Ｂに隣接してクラッド層１２Ａ，１２Ｂが設けられている。クラッド層１２Ａは半導体基板１１上に位置し、クラッド層１２Ｂは積層方向（ｚ軸方向）において導波コア層１３Ｂ上に位置する。クラッド層１２Ａ，１２Ｂは、ｎ型のＡｌＧａＡｓから形成されており、導波コア層１３Ａ，１３Ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する。よって、活性層１４で生成された光はｚ軸方向においてクラッド層１２Ａ，１２Ｂ間に閉じ込められて伝搬する。
【００２６】
また、活性層１４及び導波コア層１３Ａ，１３Ｂより低い屈折率を有するＧａＡｓからなる埋め込み層１５（図１参照）によってリッジ構造が埋め込まれているので、ｙ軸方向にも光は閉じ込められる結果、活性層１４によって生成された光はｘ軸方向に伝搬する。
【００２７】
また、積層体１０において、互いに対向する前側端面（第１の端面）１０ａ及び後側端面（第２の端面）１０ｂのうち、後側端面１０ｂ上には絶縁膜４０が設けられている。絶縁膜４０は、ＳｉＯ２やＳｉＮ等から形成されており、厚さ（ｘ軸方向の長さ）は約０．８μｍである。
【００２８】
半導体レーザ素子１の一部を構成する絶縁膜４０上には、金（Ａｕ）からなる金属膜５１が形成されている。金属膜５１の厚さは約０．３μｍであり、金属膜５１は、高反射膜コートとして機能するので前側端面１０ａと一緒に半導体レーザ素子１の共振器を構成する。なお、前側端面１０ａは、反射防止膜コートを施していてもよいし、施していなくてもよい。また、金属膜５１は、Ａｕからなるとしたが、これに限定されず、活性層１４で生成される波長の光に対して高い反射率を有していればよい。
【００２９】
また、図１及び図２に示すように、半導体レーザ素子１は、活性層１４に弾性波Ｅを供給する弾性波供給手段としての圧電素子５０を有する。
【００３０】
圧電素子５０は、金属膜５１と、金属膜５１上に形成されたＺｎＯなどの圧電材料からなる圧電膜５２と、圧電膜５２上に形成された金属膜５３とから構成されており、圧電膜５２を挟む一対の金属膜５１，５３は、高周波電源３２に電気的に接続されている。圧電膜５２は、後側端面１０ｂにおけるクラッド層１２Ａ，１２Ｂ、導波コア層１３Ａ，１３Ｂ及び活性層１４上、言い換えれば、ｘ軸方向において各半導体層の側方に位置しており、圧電膜５２の厚さは、例えば１μｍである。また、金属膜５３は、後側端面１０ｂにおける活性層１４及び導波コア層１３Ａ，１３Ｂ上（図２中の左側）に主に位置しており、金属膜５３の厚さは、例えば、約０．７μｍである。
【００３１】
絶縁膜４０上に設けられた圧電素子５０は、高周波電源２２による金属膜５１，５３への高周波電圧の印加によって、後側端面１０ｂに直交する方向（ｘ軸方向）に伸縮する。これによって、圧電素子５０は、後側端面１０ｂから活性層１４に、金属膜５１，５３に印加された高周波電圧の周波数に対応する周波数Ωを有する弾性波Ｅを供給する。
【００３２】
なお、圧電素子５０が伸縮したときには、クラッド層１２Ａ，１２Ｂ及び導波コア層１３Ａ，１３Ｂにも弾性波が供給される。ただし、クラッド層１２Ａ，１２Ｂにおける弾性波の伝搬速度は導波コア層１３Ａ，１３Ｂにおける伝搬速度よりも大きいので、あたかも光の場合の屈折率差による閉じ込めを用いた導波路構造と同じく弾性波は導波モードとしてｘ軸方向に伝搬していく。本明細書では、活性層１４及び導波コア層１３Ａ，１３Ｂを伝搬する弾性波を弾性波Ｅとし、特に断らない限り、レーザ発振への寄与が大きい活性層１４に弾性波Ｅが伝搬するものとして説明する。
【００３３】
次に、図５〜図７を利用して半導体レーザ素子１の製造方法について説明する。図５（ａ）〜図５（ｃ）は、半導体レーザ素子１の各製造工程を示す工程図である。なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）は、ｘ軸方向から見た場合の側面図である。また、図６は、図５（ｃ）に示した製造工程の後に続く工程を示す工程図であり、ｚ軸方向から見た平面図である。更に、図７は、図６に示した製造工程の後に続く工程を示す工程図であり、ｙ軸に直交する断面を示している。
【００３４】
先ず、図５（ａ）に示すように、ｎ型のＧａＡｓからなる半導体基板１１の（１００）面上に、固体ソースＭＢＥ法を利用して、クラッド層１２Ａ、導波コア層１３Ａ、活性層１４、導波コア層１３Ｂ及びクラッド層１２Ｂを順次成長させる。クラッド層１２Ａ、導波コア層１３Ａ、活性層１４、導波コア層１３Ｂ及びクラッド層１２Ｂを成長させるためには、例えば、ガスソースＭＢＥ法を利用してもよいし、更に、ＭＯＣＶＤ法などと組み合わせても良い。
【００３５】
次に、図５（ｂ）に示すように、リソグラフィー技術やエッチング技術等を利用して、クラッド層１２Ａ，１２Ｂ、導波コア層１３Ａ，１３Ｂ及び活性層１４をリッジストライプ状に加工した後、ＭＯＣＶＤ法によって、ＧａＡｓの埋め込み再成長を行って埋め込み層１５を形成し、プレーナ型の積層体６１とする。本実施形態では、この積層体６１が積層体１０に相当する。次に、図５（ｃ）に示すように、積層体６１の裏面及び表面にそれぞれ層状の電極２１，２２を形成する。その後、図６に示すように、電極２１，２２が形成された積層体６１を、所定の共振器長とするための位置（例えば、図中の一点鎖線の位置）で劈開してレーザバー６２を得る。
【００３６】
続いて、図７（ａ）に示すように、レーザバー６２における互いに対向する劈開面のうちの一方の劈開面上にＳｉＯ２又はＳｉＮ等からなる絶縁膜４０を形成する。この絶縁膜４０を形成した側の劈開面が後側端面１０ｂになり、残りの劈開面が前側端面１０ａになる。続いて、絶縁膜４０上にＡｕを蒸着することで、高反射膜コート及び電極としての金属膜５１を形成する。
【００３７】
その後、金属膜５１上に圧電材料（例えば、ＺｎＯ）を厚さが１μｍとなるように蒸着して圧電膜５２を形成し、更に、圧電膜５２上にＡｕを蒸着して金属膜５３を形成する。そして、金属膜５１，５３及び圧電膜５２からなる圧電素子５０が形成されたレーザバー６２をチップ化することで、半導体レーザ素子１を得る。なお、金属膜５１，５３及び圧電膜５２は、それぞれスパッタ法を利用して形成してもよい。
【００３８】
次に、半導体レーザ素子１の動作について説明する。駆動用電源３１から電極２１，２２に電圧を印加すると、活性層１４にサブバンド間遷移が生じ中赤外〜遠赤外の波長の光（例えば、波長９〜１０μｍの光）が生成される。活性層１４で生成された光は、導波コア層１３Ａ，１３Ｂ及び活性層１４内に閉じ込められてｘ軸方向に伝搬し、金属膜５１と前側端面１０ａとからなる共振器間で反射を繰り返す。
【００３９】
この際、高周波電源３２から電圧を所定の周波数で金属膜５１，５３に印加すると、印加された電圧の周波数で圧電素子５０がｘ軸方向に伸縮する。その結果、後側端面１０ｂから活性層１４に、高周波電圧の周波数に対応する周波数Ωを有する弾性波Ｅが供給される。この弾性波Ｅは後側端面１０ｂから前側端面１０ａに向かって共振器の光軸方向（ｘ軸方向）に進行し、活性層１４内には、弾性波Ｅの周波数Ωに対応した周期の屈折率分布がｘ軸方向に沿って形成される。
【００４０】
この屈折率分布が回折格子として機能する結果、活性層１４内で生成された光のうち、屈折率分布の周期によって決まるブラッグ条件を満たす波長の光Ｌ（図１参照）が選択的にレーザ発振し、積層体１０の前側端面１０ａから出力される。すなわち、後側端面１０ｂから活性層１４内に弾性波Ｅを供給することで分布帰還を実現することによって、単一波長の光Ｌを出力させている。なお、半導体レーザ素子１から出力される光の安定化のためのモニタ光は、半導体レーザ素子１の前側端面１０ａから出力された光Ｌの一部を分岐したものを利用すればよい。
【００４１】
ここで、波長約９μｍの光Ｌを出力する場合について、より具体的に半導体レーザ素子１の動作について説明する。
【００４２】
弾性波Ｅによって活性層１４に形成される屈折率分布の周期をΛとし、弾性波Ｅの伝搬速度をＶｓとすると、弾性波Ｅの周波数Ωは、
【数１】
2006135256.tif 000005
と表せる。
【００４３】
ＧａＡｓ等のＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体の実効的な屈折率を３とし、１次の回折を利用するとした場合、波長約９μｍの光を出力するために必要な回折格子の周期は、約１．５μｍである。ＧａＡｓ結晶中の縦波（弾性波Ｅ）の伝搬速度Ｖｓは約５．３×１０３ｍ／ｓであることが知られているので、式（１）より、弾性波Ｅの周波数Ωは３．５ＧＨｚとなる。
【００４４】
そこで、半導体レーザ素子１で、波長９μｍの光Ｌを出力する場合、高周波電源３２から金属膜５１，５３に約３．５ＧＨｚの高周波電圧を印加する。これによって、周波数３．５ＧＨｚの弾性波Ｅが活性層１４に供給され、活性層１４で生成された光のうち波長９μｍの光Ｌが選択的にレーザ発振して出力される。ここでは、波長９μｍの光を出力する場合を説明したが、波長５〜１０μｍの光を出力するためには、周期Λは約０．８〜１．６μｍとなる。
【００４５】
ところで、周期Λが０．８〜１．６μｍの回折格子を従来のように活性層１４近傍に作り込む場合、高度なリソグラフィー技術やエッチング技術を要する結果、半導体レーザ素子の製造工程が複雑になる。
【００４６】
これに対して、半導体レーザ素子１では、弾性波Ｅによって活性層１４内に屈折率分布を形成して分布帰還を実現しているため、回折格子を作り込む場合に比べて半導体レーザ素子１の製造が容易であり、半導体レーザ素子１の構成も簡易である。その結果、製造歩留まりの向上が図れ、また、製造コストの低減も図ることができる。
【００４７】
更に、半導体レーザ素子１では、金属膜５１，５３に供給する高周波電圧の周波数を変えて弾性波Ｅの周波数Ωを変化させることにより、発振波長を連続して調整可能である。このように、半導体レーザ素子１は、波長可変の光源として利用できる結果、分光分析や光通信の光源として有効に利用することができる。
【００４８】
また、半導体レーザ素子１では、サブバンド間遷移を利用して光を生成している結果、生成される光の偏波モードとしては、ＴＭモードが許容されている。ＧａＡｓ結晶中に縦波が伝搬する場合の光弾性係数をＰ１２とすると、ＴＭモードの光と周期的な屈折率分布との結合係数κＴＭは、
【数２】
2006135256.tif 000006
と表される。ただし、ｎはＧａＡｓの屈折率で、Ｓ１は、
【数３】
2006135256.tif 000007
である。また、βは、波長λの光の波数（２π／λ）、ρはＧａＡｓの密度、Ｉｓは弾性波Ｅのパワー密度である。
【００４９】
ここで、表３の条件で式（２）及び式（３）から結合係数κＴＭを計算すると、約１００ｃｍ―１程度となる、これは、弾性波Ｅによって形成させる屈折率分布によってほぼ１００％回折が生じることを示しているので、半導体レーザ素子１では、高効率な分布帰還動作を実現可能である。
【表３】
2006135256.tif 000008
【００５０】
更に、半導体レーザ素子１では、圧電素子５０を、後側端面１０ｂの絶縁膜４０上に設け、後側端面１０ｂを起点として活性層１４に弾性波Ｅを直接供給していることが重要である。
【００５１】
例えば、従来のように導波コア層の直上の表面の一部に櫛形超音波振動子を形成している場合には、表面弾性波を利用するため振動子を設けている表面状態の影響を受けたり、半導体層中の伝搬損失の影響で弾性波Ｅが活性層に十分達しない虞があった。また、波長の長い光を出力する半導体レーザ素子では、半導体基板上に積層された半導体層側を下にして他の基板上に搭載する搭載技術が熱対策の観点から有効であるが、この搭載技術を利用するためには、半導体レーザ素子がプレーナ型であることが好ましい。しかしながら、従来の櫛形超音波振動子を利用した半導体レーザ素子は、リッジ構造の頂部や活性層直上の表面の一部に振動子を設けなければならず、プレーナ型とすることができないため、上記搭載技術を利用することが困難である。
【００５２】
これらに対して、半導体レーザ素子１では、後側端面１０ｂから直接弾性波Ｅを供給するため、共振器の光軸方向に弾性波Ｅが活性層１４内を進行し、活性層１４内に屈折率分布が確実に形成される。この場合、後側端面１０ｂから活性層１４に弾性波Ｅを供給しているので、長期的に安定してシングルモードの光を出力することができる。
【００５３】
更に、半導体レーザ素子１では、弾性波供給手段としての圧電素子５０を後側端面１０ｂ上に設けているので、クラッド層１２Ａ，１２Ｂ、導波コア層１３Ａ，１３Ｂ及び活性層１４を埋め込み層１５で埋め込んでプレーナ型とすることができている。その結果、半導体レーザ素子１を他の基板などに搭載するとき、その基板と電極２２とを対面させた状態で搭載する上記搭載技術を適用できる結果、半導体レーザ素子１の放熱性が向上する。すなわち、半導体レーザ素子１の構成は、中赤外〜遠赤外帯の波長の光を室温で連続発振させる場合の熱対策に有効な構成となっている。
【００５４】
更に、半導体レーザ素子１では、共振器の光軸方向に進行する弾性波Ｅを利用して分布帰還動作を実現することで、戻り光などによる影響（例えば、光雑音）が発生しないという優れた効果を有する。この効果について図８を利用して説明する。図８は、活性層１４で発生する光、戻り光、弾性波及び戻り光の反射波の進行方向を示す模式図である。
【００５５】
活性層１４で生成された光であって、後側端面１０ｂ側から前側端面１０ａに向かう光を前進波Ｗ１（すなわち、光Ｌ）とし、前進波Ｗ１の周波数をω１とする。また、前進波Ｗ１の進行方向と逆方向に進行する光（戻り光）を後進波Ｗ２とし、後進波Ｗ２の周波数をω２とする。後進波Ｗ２は、例えば、半導体レーザ素子１から出力された光Ｌが外部の光学系などによって反射され戻ってきた光である。
【００５６】
活性層１４内を伝搬する弾性波Ｅによって形成される屈折率分布は、活性層１４内を共振器の光軸方向（前進波Ｗ１の進行方向）に弾性波Ｅと共に進行する移動グレーティングとみなせるので、いわゆるドップラー効果によって、前進波Ｗ１に対する後進波Ｗ２の周波数ω２は、
【数４】
2006135256.tif 000009
と表される。したがって、前進波Ｗ１の反射波としての後進波Ｗ２は、前進波Ｗ１に影響を与えない。
【００５７】
また、後進波Ｗ２が、例えば、金属膜５１で反射した反射波Ｗ３の周波数はω３は、
【数５】
2006135256.tif 000010
と表される。この場合、式（２）及び式（３）より、周波数ω３は結局周波数ω１となるので、後進波Ｗ２の反射波Ｗ３もレーザ発振の条件に影響を及ぼさない。
【００５８】
すなわち、半導体レーザ素子１では、進行する弾性波Ｅを利用して分布帰還を実現していることで、コヒーレンシーの高い単一波長性を維持したまま発振特性は戻り光によって影響を受けないという優れた効果を有している。これによって、半導体レーザ素子１を利用した光通信システムや分光分析装置などでは雑音の少ない安定した動作が得られる。また、例えば、半導体レーザ素子１への戻り光の入射を防止するために、アイソレータを利用したり無反射コートを形成したりしなくてもよいので、分光分析装置や光通信システムの構成を簡略化でき、結果として、低コスト化に資する。
【００５９】
なお、半導体レーザ素子１は、量子カスケードレーザ素子としているが、光を生成する活性層を有する半導体レーザであれば特に限定されない。
【００６０】
（第２の実施形態）
図９は、第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。半導体レーザ素子２は、活性層１４でのサブバンド間遷移によって光を生成する量子カスケードレーザ素子である。半導体レーザ素子２の構成は、活性層１４に弾性波Ｅを供給する弾性波供給手段７０が、積層体１０の後側端面１０ｂ上に設けられた半導体膜７１と、電極としての一対の金属膜７２，７３とを有する点で主に第１の実施形態の半導体レーザ素子１の構成と主に相違する。この点を中心にして半導体レーザ素子２について説明する。なお、以下の説明では、第１の実施形態の半導体レーザ素子１と同一の要素には、同じ符号を付けるものとし、重複した説明は省略する。
【００６１】
半導体膜７１は、クラッド層１２Ａ，１２Ｂ、導波コア層１３Ａ，１３Ｂ、活性層１４及び半導体基板１１が有する導電型（すなわち、ｎ型）と異なる導電型（すなわち、ｐ型）を有する。そして、この半導体膜７１上に金属膜７２が形成されている。
【００６２】
金属膜７２はＡｕから形成されており、前側端面１０ａと共振器の一部を構成している。なお、金属膜７２は、Ａｕに限らず、活性層１４で生成される波長の光に対して高い反射率を有するものであればよい。また、他方の金属膜７３は、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕから形成されており、後側端面１０ｂ側の半導体基板１１の下面１１ｂ上に設けられている。一対の電極としての金属膜７２，７３は、高周波電源３２に電気的に接続されている。
【００６３】
また、半導体基板１１の下面１１ｂ上には、金属膜７３に隣接して層状の電極８１が設けられており、クラッド層１２Ｂ上には、層状の電極８２が設けられている。電極８１，８２は、駆動用電源３１に電気的に接続されており、積層体１０に電圧を印加する。なお、図９に示すように、金属膜７３と電極８１との間に紙面に略直交する方向に延びる隙間を設けたり、金属膜７３と電極８１との間に絶縁体を充填することで、金属膜７３と電極８１とは絶縁されている。
【００６４】
上記構成の半導体レーザ素子２では、ｐ型の半導体膜７１がｎ型の半導体からなる積層体１０の後側端面１０ｂ上に設けられたｐｎ接合となっているので、半導体膜７１と積層体１０の間には空乏領域が発生する。半導体結晶（特にＩＩＩ−Ｖ族半導体結晶）は圧電性を有しており、一対の金属膜７２，７３に高周波電源３２から高周波電圧を印加すると、その電圧の大部分は空乏領域に印加され圧電性駆動力が発生する。その結果、高周波電圧の周波数に対応する周波数Ωの弾性波Ｅが後側端面１０ｂを起点として活性層１４に伝搬する。
【００６５】
したがって、半導体レーザ素子２では、第１の実施形態の半導体レーザ素子１と同様に、弾性波供給手段７０によって活性層１４に供給された弾性波Ｅによって分布帰還が実現される。
【００６６】
そして、弾性波Ｅが後側端面１０ｂを起点として活性層１４に供給され、活性層１４内に直接屈折率分布を形成することの効果は、第１の実施形態の半導体レーザ素子１の場合と同様である。また、半導体レーザ素子２でも、ｐ型半導体膜７１を後側端面１０ｂ上（図９では後側端面１０ｂの左側）に形成しているので、半導体レーザ素子２をプレーナ型とすることができており、例えば、電極８２側を下側にして、他の基板上に搭載する搭載技術を適用できる結果、熱対策に有効な構成となっている。
【００６７】
次に、上記半導体レーザ素子２の製造方法について説明する。先ず、第１の実施形態の半導体レーザ素子１の場合と同様にして、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、電極２１，２２が設けられた積層体６１を作製し、劈開してレーザバー６２を作製する。次いで、レーザバー６２の互いに対向する劈開面のうちの一方の劈開面側からｐ型不純物（例えば、Ｚｎ）を、不純物の拡散領域のｘ軸方向の幅ｄが数μｍ程度になるように拡散させることで、半導体膜７１を形成する。この際、積層体６２のうち、ｐ型不純物が拡散していない領域が図９に示した積層体１０となり、半導体膜７１と積層体１０との境界が積層体１０の後側端面１０ｂに相当する。
【００６８】
続いて、電極としての金属膜７２，７３及び電極８１，８２を形成した後に、チップ化して半導体レーザ素子２を得る。金属膜７１は、半導体膜７１上に蒸着法やスパッタ法などによって形成すればよい。また、金属膜７３及び電極８１は、電極２１の一部をエッチングして形成してもよいし、電極８１を形成後、更に、金属膜７３を蒸着法やスパッタ法などにより形成してもよい。更に、電極８２は、半導体膜７１上の電極２１の一部をエッチングなどにより除去することで形成すればよい。
【００６９】
本実施形態では、半導体膜７１をレーザバー６２の劈開面からｐ型不純物を拡散させることで形成しているが、例えば、積層体１０の後側端面１０ｂ上にｐ型の半導体を積層させて形成しても良い。
【００７０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。
【００７１】
第１及び第２の実施形態に示した半導体レーザ素子１，２の構成は、中赤外領域以上の波長の光を発光し、有効な光閉じ込めができれば特に限定されず、ＧａＡｓ層の代わりにＧａＩｎＮＡｓ層を利用することもできる。また、半導体レーザ素子１，２は、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓで構成された量子カスケードレーザとしたが、例えば、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓ／ＧａＳｂ、ＧａＮなど立方晶系ＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体より構成され中赤外領域以上の波長で発振する構成とすることもできる。
【００７２】
また、半導体レーザ素子１は、上述したように量子カスケードレーザ素子に限られないため、半導体レーザ素子１を構成する半導体基板１１、クラッド層１３Ａ，１３Ｂ、導波コア層１２Ａ，１２Ｂ及び活性層１４は、弾性波Ｅの伝搬に伴う歪みによって屈折率が変化するいわゆる音響光学効果を有する半導体から構成されていればよい。半導体レーザ素子２の場合には、半導体基板１１、クラッド層１３Ａ，１３Ｂ、導波コア層１２Ａ，１２Ｂ及び活性層１４は、上記音響光学効果を有すると共に圧電性を有する半導体から構成されていればよい。
【００７３】
また、圧電素子５０及び半導体膜７１は、後側端面１０ｂにおける活性層１４上に設けられていればよい。ただし、活性層１４に隣接して導波コア層１３Ａ，１３Ｂが設けられる場合は、活性層１４及び導波コア層１３Ａ，１３Ｂ上に渡って形成されていることが好ましい。
【００７４】
また、半導体レーザ素子１，２では、弾性波は、半導体基板１１上の複数の半導体層に供給されているが、第１及び第２の実施形態において、代表して説明したように活性層１４に供給されていればよい。ただし、半導体レーザ素子１，２のように活性層１４に隣接して導波コア層１３Ａ，１３Ｂが設けられているときは、活性層１４及び導波コア層１３Ａ，１３Ｂからなる導波路内に弾性波Ｅが伝搬することが好ましい。
【００７５】
更に、弾性波供給手段は、圧電素子５０や、ｐｎ接合を利用したものに限らず、後側端面（第２の端面）１０ｂを起点として高い周波数の弾性波を平面波に近い状態で活性層１４に供給できるものであればよい。また、半導体レーザ素子１，２は、リッジ構造を埋め込んでプレーナ型としているが、必ずしもプレーナ型に限定する必要はなく、例えば、リッジ構造を露出させたものとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明に係る半導体レーザ素子の一実施形態の斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。
【図３】活性層の基本周期構造の層構造を示す断面図である。
【図４】活性層のバンド構造を示す模式図である。
【図５】図１に示す半導体レーザ素子の製造工程を示す工程図ある。
【図６】図５（ｃ）の工程の後に続く製造工程を示す工程図である。
【図７】図６に示した製造工程の後に続く製造工程の工程図である。
【図８】半導体レーザ素子で発生する光、戻り光、弾性波及び戻り光の反射波の進行方向関係を示す模式図である。
【図９】本発明に係る半導体レーザ素子の他の実施形態の断面図である。
【図１０】図９に示した半導体レーザ素子の製造工程を示す工程図である。
【符号の説明】
【００７７】
１，２…半導体レーザ素子、１０ａ…前側端面（第１の端面）、１０ｂ…後側端面（第２の端面）、１０…積層体、１１…半導体基板、１２Ａ，１２Ｂ…クラッド層（半導体層）、１３Ａ，１３Ｂ…導波コア層（半導体層）、１４…活性層（半導体層）、１４Ａ…発光領域、１４Ｂ…注入領域、４０…絶縁膜、５０…圧電素子（弾性波供給手段）、７０…弾性波供給手段、７１…半導体膜、７２，７３…金属膜（一対の電極）、Ｂ１，Ｂ２…サブバンド。
【図１】
2006135256.tif 000011
【図２】
2006135256.tif 000012
【図３】
2006135256.tif 000013
【図４】
2006135256.tif 000014
【図５】
2006135256.tif 000015
【図６】
2006135256.tif 000016
【図７】
2006135256.tif 000017
【図８】
2006135256.tif 000018
【図９】
2006135256.tif 000019
【図１０】
2006135256.tif 000020