(57)【要約】【課題】  分布帰還型半導体レーザ素子において、発振波長は実効屈折率と回折格子周期で決定されるブラッグ波長であり、温度特性は０.１nm/K程度である。これに対し、量子井戸活性層によって決定される利得波長の温度特性は、約０.４nm/Kである。このレーザ素子を、広温度範囲に適用した場合、ブラッグ波長と利得波長各々の温度特性の差異により、ブラッグ波長ピークが利得波長ピークから外れてしまい、利得は低下して、発振閾値電流増加、光変換効率低下となる。【解決手段】  活性層領域に井戸幅が等しく、Egの差が１８meV以下で３層以上の量子井戸層を形成する。各量子井戸では、禁制帯幅が異なり、利得スペクトラム１は、広い波長範囲で利得を有する。これは、ブラッグ波長２に対し、広温度範囲における利得の均一性を実現する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導電型の半導体基板上に、第１の導電型の光クラッド層と、第１の導電型のInGaAlAs光ガイド層と、InGaAlAs量子井戸活性層と、第２の導電型のInGaAlAs光ガイド層と、第２の導電型の光クラッド層と、回折格子層と、コンタクト層とを積層形成された半導体レーザであって、
前記InGaAlAs量子井戸活性層に、少なくとも３層の禁制帯幅換算値がそれぞれ異なる量子井戸を設け、前記量子井戸の禁制帯幅換算値の差が所定値となるように前記量子井戸の井戸幅または禁制帯幅を調整されたことを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
第１の導電型の半導体基板上に、第１の導電型の光クラッド層と、第１の導電型のInGaAlAs光ガイド層と、InGaAlAs量子井戸活性層と、第２の導電型のInGaAlAs光ガイド層と、第２の導電型の光クラッド層と、回折格子層と、コンタクト層とを積層形成された半導体レーザであって、
前記InGaAlAs量子井戸活性層に、少なくとも３層の井戸幅が概ね等しく禁制帯幅がそれぞれ異なる量子井戸を設け、前記量子井戸の禁制帯幅の差を概ね１８meVとすることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項３】
第１の導電型の半導体基板上に、第１の導電型の光クラッド層と、第１の導電型のInGaAlAs光ガイド層と、InGaAlAs量子井戸活性層と、第２の導電型のInGaAlAs光ガイド層と、第２の導電型の光クラッド層と、回折格子層と、コンタクト層とを積層形成された半導体レーザであって、
前記InGaAlAs量子井戸活性層に、少なくとも３層の井戸幅がそれぞれ異なり禁制帯幅が概ね等しい量子井戸を設け、前記量子井戸の井戸幅の差を概ね０.７nmとすることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の半導体レーザ素子であって、
第１の導電型は、ｎ型であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項５】
第１の導電型の半導体基板上に、第１の導電型の光クラッド層と、第１の導電型のInGaAlAs光ガイド層と、InGaAlAs量子井戸活性層と、第２の導電型のInGaAlAs光ガイド層と、第２の導電型の光クラッド層と、回折格子層と、コンタクト層とを積層形成され、前記InGaAlAs量子井戸活性層に、少なくとも３層の禁制帯幅換算値がそれぞれ異なる量子井戸を設け、前記量子井戸の禁制帯幅換算値の差が概ね１８meVとなるように前記量子井戸の井戸幅または/および禁制帯幅を調整された半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子収容するケースとからなる光送信器モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザおよび光送信器モジュールに係り、特に使用温度範囲の広い半導体レーザおよび光送信器モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザ素子は、その活性層を活性層の禁制帯幅よりの広い禁制帯幅の半導体層で挟んだダブルへテロ構造が、基本的な素子構造として知られている。非特許文献１には、このダブルへテロ構造の活性層に、禁制帯幅の広い超薄膜半導体層で禁制帯幅の狭い超薄膜半導体層を挟み、禁制帯幅の狭い超薄膜半導体中のキャリアが離散的なエネルギ状態をとるようにした量子井戸構造を取り入れることにより、キャリアの状態密度が離散的になり、低発振閾値、高光変換効率で、かつ良好な温度特性となることが記載されている。
【０００３】
【非特許文献１】N. Holonyak, jr.,et al.、"Quantum-well heterostructure lasers"、IEEE、Journal of Quantum Electronics、1980年、Vol.QE-16  pp.170-186
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
分布帰還型半導体レーザにおいて、発振波長は、実効屈折率と回折格子周期で決定されるブラッグ波長であり、その温度特性は０.１nm/K程度である。これに対し、量子井戸活性層によって決定される利得波長の温度特性は、約０.４nm/Kである。
【０００５】
半導体レーザを広温度範囲に適用した場合、ブラッグ波長と利得波長の各々の温度特性の差異により、ブラッグ波長ピークが利得波長ピークから外れてしまい、利得は低下して、発振閾値電流増加、光変換効率低下となる。例えば、０℃から８５℃でのブラッグ波長ピークと利得波長ピークの差は、最大約２５.５nmとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
量子井戸活性層に、少なくとも３層の井戸幅が概ね等しく禁制帯幅がそれぞれ異なる量子井戸を設け、前記量子井戸の禁制帯幅の差を概ね１８meVとする。また、量子井戸活性層に、少なくとも３層の井戸幅がそれぞれ異なり禁制帯幅が概ね等しい量子井戸を設け、前記量子井戸の井戸幅の差を概ね０.７nmとする。さらに、これらを組み合わせて、量子井戸の禁制帯幅換算値の差が概ね１８meVとなるように前記量子井戸の井戸幅または/および禁制帯幅を調整する。
【発明の効果】
【０００７】
上記手段により、０℃から８５℃の全温度領域において、ブラッグ波長は広範囲エネルギを有する利得スペクトルから利得を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について実施例を用いて図面を参照しながら説明する。各実施例について等価の部分には同じ符号を振り、説明は繰り返さない。
【実施例１】
【０００９】
本発明の第１の実施の形態である半導体レーザについて、図１ないし図３を用いて説明する。ここで、図１は、多重量子井戸構造の活性層を持つ半導体レーザの光軸方向断面図である。図２は、量子井戸のエネルギーギャップを説明する図である。また、図３は、利得の波長依存性を説明する図である。
【００１０】
まず、図１を用いて、半導体レーザの製造プロセスを説明する。図１（ａ）において、n型InP基板３上に、有機金属気相成長法を用いて、n型InAlAs光クラッド層４、n型InGaAlAs光ガイド層５、InGaAlAs井戸層とInGaAlAs障壁層とを交互に５回積層した量子井戸活性層６、p型InGaAlAs光ガイド層７、p型InGaAsPエッチング停止層８、p型InGaAsP回折格子層９を結晶成長する。次に、図１（ｂ）に示すように、p型InGaAsP回折格子層９にホトリソグラフィの手法で、回折格子を形成する。
【００１１】
なお、量子井戸活性層６のInGaAlAs井戸層の成長時には、膜厚（６.３nm）とInとAsとの組成比は、各成長回とも一定として、Gaの組成比を１回ごとに増やし、Alの組成比を１回ごとに減らす。
【００１２】
図１（ｃ）に移って、p型InPクラッド層１０、p型InGaAsコンタクト層１１を結晶成長する、基板表面にp電極１２、基板裏面にn電極１３形成し、劈開したのち、素子前方端面には無反射膜１４、後方端面には高反射膜１５を形成した。共振器長は１５０μmとした。
【００１３】
この素子構造の量子井戸活性層は、図２に示すように、井戸幅が等しく、禁制帯幅の異なる５つの量子井戸となった。量子井戸の禁制帯幅は、それぞれEg１＝０.９７２eV、Eg２＝０.９６７eV、Eg３＝０.９６３eV、Eg４＝０.９５８eV、Eg５＝０.９５４eVとした。
【００１４】
また、図３において、利得は禁制帯幅の違いに対応して、５つのピークを持つ。これは、広いエネルギ範囲で利得を持つことを意味する。この結果、広い温度範囲で利得を低下させないことができる。Eg１−Eg５＝１８ｍeVなので、Eg１とEg５の利得ピーク差（所定値）は、２６nmである。この所定値は、使用する温度範囲と、ブラッグ波長ピークの温度特性と、利得波長ピークの温度特性とから、計算できる。
【００１５】
この半導体レーザ素子は、素子温度０℃から８５℃において、発振閾値の温度特性１００K、光変換効率の温度依存性１.１ｄBと、禁制帯幅一定の場合の発振閾値の温度特性７０K、光変換効率の温度依存性２.０dBから向上した。
【００１６】
なお、量子井戸活性層６のInGaAlAs井戸層の成長時には、膜厚とInとAsとの組成比は、各成長回とも一定として、Alの組成比を１回ごとに増やし、Gaの組成比を１回ごとに減らしてもよい。ランダムに異なっても良い。井戸の層数が２層の場合、デイップを生ずる。したがって、井戸の層数は好ましくは３層以上であり、さらに好ましくは５層以上である。また、当業者なら容易に理解できるように、導電型（ｐ型またはｎ型）を逆転させてもよい。これは、これ以降の実施例でも同様である。
【実施例２】
【００１７】
半導体レーザの実施例２について、図１、図３、図４を用いて説明する。ここで、図４は、量子井戸の構造を説明する図である。
実施例２の半導体レーザの構造は、基本的には図１と同じである。しかし、実施例１では、InGaAlAs井戸層の成長時に、膜厚を一定としてGaとAlの組成比を変えていたのに対し、InGaAlAsの組成は一定として、膜厚（すなわち井戸幅）を変える。具体的には、井戸層は５層とし、各々の井戸幅WはW１=６.０nm、W２=６.２nm、W３=６.３nm、W４=６.５nm、W５=６.７nmとした。
【００１８】
この実施例の量子井戸の構造は、図４に示すように、禁制帯幅（０.９６３eV）は一定で、幅の異なる５つの井戸で表される。また、実施例１で説明した利得の波長依存性（図３）は、実施例２でも共通である。すなわち、換算されたEg１と換算されたEg５の利得ピーク差は、２６nmである。
【００１９】
この半導体レーザ素子は、素子温度０℃から８５℃において、発振閾値の温度特性１００K、光変換効率の温度依存性１.１ｄBを得た。
なお、井戸の幅は、最初広くして徐々に狭めても良い。また、井戸幅は、ランダムに変えても良い。井戸の層数は好ましくは３層以上であり、さらに好ましくは５層以上である。
【００２０】
さらに、井戸幅と禁制帯幅との組み合わせで、禁制帯幅に換算して１８meV程度の差を持った少なくとも３層の井戸としてもよい。換言すれば、井戸幅または/および禁制帯幅を調整して、禁制帯幅に換算して１８meV程度の差を持った少なくとも３層の井戸としてもよい。
【実施例３】
【００２１】
半導体レーザの実施例３について、図５を用いて説明する。図５は、多重量子井戸構造の活性層を持つ半導体レーザの光軸方向断面図である。
【００２２】
図５に示すのは、分布反射型半導体レーザの光軸方向断面図である。図５を用いて、半導体レーザの製造プロセスを説明する。n型InP基板３上に、有機金属気相成長法を用いて、n型InAlAs光クラッド層４、n型InGaAlAs光ガイド層５、InGaAlAs井戸層とInGaAlAs障壁層とを交互に５回積層した量子井戸活性層６、p型InGaAlAs光ガイド層７、p型InGaAsPエッチング停止層８結晶成長する。ここで、量子井戸活性層６のInGaAlAs井戸層の成長時には、膜厚とInとAsとの組成比は、各成長回とも一定として、Gaの組成比を１回ごとに増やし、Alの組成比を１回ごとに減らす。
【００２３】
次に、中央の活性層部をマスクし、両脇の光出力導波路部分の各層をn型InGaAlAs光ガイド層５まで、エッチング除去する。次にバッドジョイント（Butt Joint）部となるInGaAlAsパッシブ導波路１５を、活性層の両脇に結晶成長させ、光出力導波路１６を形成する。この光出力導波路１６は、量子井戸活性層６と光結合する。光導波路部とバットジョイント部の上にエッチング停止層８ａとp型InGaAsP回折格子層１７を形成する。p型InGaAsP回折格子層１７にホトリソグラフィの手法で、回折格子を形成する。
【００２４】
続いて、p型InPクラッド層１０、p型InGaAsコンタクト層１１を結晶成長し、p電極１２形成、裏面研磨、n電極１３形成、劈開工程を経て、素子を作製した。なお、この素子前方後方端面には無反射膜１４を形成した。共振器長は、活性層部を１５０μm、活性層を挟んだ二つの光出力導波路部をそれぞれ２００μmとした。
【００２５】
この素子構造での量子井戸活性層は、図１に示すように、井戸幅が等しく、組成波長が異なる複数の量子井戸層を形成した。量子井戸層は５層とし、各々の禁制帯幅はEg１=０.９７２eV、Eg２=０.９６７eV、Eg３=０.９６３eV、Eg４=０.９５８eV、Eg５=０.９５４eVとした。このとき、Eg１とEg５の利得ピーク差は、実施例１に示したように２６nmである。
【００２６】
本構造の半導体レーザ素子は素子温度０℃から８５℃において、発振閾値の温度特性７０K、光変換効率の温度依存性２.０dBを得た。
なお、実施例２と同様に、量子井戸活性層を、組成波長が等しく、井戸幅の異なるものとした場合でも、同様の特性が得られた。
【実施例４】
【００２７】
本発明の第２の実施の形態である光送信器モジュールについて、図６を用いて説明する。ここで、図６は、光送信器モジュールの回路ブロック図である。
【００２８】
図６に示す光送信器モジュール２００は、実施例１ないし実施例３の半導体レーザ素子１００、１００’を、光送信器モジュールに搭載したものである。光送信器モジュール２００は、接地された金属ケース１０７内部に、半導体レーザ素子１００、フォトダイオード１０１、サーミスタ１０２、ドライバＩＣ１０３にて構成されている。ドライバＩＣ１０３には、電源線１０６とＤＡＴＡ入力線１０４とが接続され、半導体レーザ素子１００を直接変調する。半導体レーザ素子１００の前端から出射された光信号は、図示しない光ファイバ伝送路に結合し伝送される。一方、半導体レーザ素子１００の後端から出射された光信号は、フォトダイオード１０１に入射し、半導体レーザ素子１００の前方出力をモニタされる。金属ケース１０７内には、サーミスタ１０２を設け、半導体レーザ素子温度が、０℃から８５℃の範囲にあることをモニタする。
【００２９】
この光送信器モジュール２００は、０℃から７５℃（ケース温度）の全温度において動作可能な、発振閾値変化、光変換効率変化の少ない特性を実現した。
本実施例に拠れば、金属ケース内に温度調節装置が不要な光送信器モジュールを実現できた。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】多重量子井戸構造の活性層を持つ半導体レーザの光軸方向断面図である。
【図２】量子井戸のエネルギーギャップを説明する図である。
【図３】利得の波長依存性を説明する図である。
【図４】量子井戸の構造を説明する図である。
【図５】多重量子井戸構造の活性層を持つ半導体レーザの光軸方向断面図である。
【図６】光送信器モジュールの回路ブロック図である。
【符号の説明】
【００３１】
１…利得スペクトラム、２…ブラッグ波長、３…n型InP基板、４…n型InAlAs光クラッド層、５…n型InGaAlAs光ガイド層、６…量子井戸活性層、７…p型InGaAlAs光ガイド層、８…p型InGaAsPエッチストッパー層、９…p型InGaAsP回折格子層、１０…p型InPクラッド層、１１…p型InGaAsコンタクト層、１２…p電極、１３…n電極、１４…無反射膜、１５…InGaAlAsパッシブ導波路、１６…InGaAlAs光出力導波路、１７…p型InGaAsP回折格子、１００…半導体レーザ素子、１０１…フォトダイオード、１０２…サーミスタ、１０３…ドライバＩＣ、１０４…ＤＡＴＡ線、１０５…光出力、１０６…電源線、１０７…金属ケース、２００…光送信器モジュール。
【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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