(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の主面上に設けられ、
利得を有し、複数の回折格子部と前記複数の回折格子部の間に設けられるスペース部とからなる第１回折格子層を有する第１領域と、
前記第１領域と光接合され、回折格子が一定のピッチで連続して形成される第２回折格子層を有する第２領域と、
前記第１領域上のみに延在する上部電極と、
を備え、
前記第１領域の利得スペクトルのピーク間隔は、前記第２領域の反射スペクトルの反射帯域幅の８０％以上である、半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体レーザが、共通の前記半導体基板上において、レーザ共振方向と交差する方向に複数配列されて成る半導体レーザアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ及び半導体レーザアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１は、半導体レーザ素子を開示する。特許文献１では、分布帰還型半導体レーザ（Distributed FeedBack Laser；ＤＦＢレーザ）について説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２９７０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＤＦＢレーザでは、単一波長での安定的なレーザ発振のために、例えば、回析格子の中心部分にλ／４位相シフト領域が設けられる。図１０は、従来のＤＦＢレーザの共振器内における光電界強度分布を示す図である。図１０において、グラフＧ１１は前進波の光強度分布を示し、グラフＧ１２は後進波の光強度分布を示している。回析格子に設けられたλ／４位相シフト領域によって、共振器内で生じた前進波と後退波とは、一端面８１Ａと、この反対側に位置する他端面８１Ｂから、それぞれ約１：１の光強度比をもって出力される。従来のＤＦＢレーザでは、二つの端面８１Ａ，８１Ｂのうちいずれか一方に限って高い光出力を得ることができないので、単一波長でのレーザ発振が可能である一方で、出力光強度の向上が困難であった。
【０００５】
本発明は、単一波長でレーザ発振するとともに、出力光強度を向上できる半導体レーザ及び半導体レーザアレイ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】
本発明に係る半導体レーザは、半導体基板の主面上に設けられ、利得を有し、複数の回折格子部と複数の回折格子部の間に設けられるスペース部からなる第１回折格子層を有する第１領域と、第１領域と光接合され、回折格子が連続して形成される第２回折格子層を有する第２領域と、を備える。
【０００７】
本発明に係る半導体レーザアレイは、半導体レーザ素子が、共通の半導体基板上において、レーザ共振方向と交差する方向に複数配列されて成る。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、単一波長でレーザ発振するとともに、出力光強度を向上できる半導体レーザ及び半導体レーザアレイを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る半導体レーザを概略的に示した図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る第２領域の反射スペクトルを示した図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る利得スペクトルと反射スペクトルとを示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る図３の（ｂ）部において、第１位相調整部に位相シフトを与えたときの半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る半導体レーザの共振器内における光電界強度分布を示す図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る半導体レーザをレーザ共振方向に沿って概略的に表した側面断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る半導体レーザをレーザ共振方向に沿って概略的に表した側面断面図である。
【図８】本発明の第４実施形態に係る半導体レーザアレイを含むレーザ光源を概略的に示した図である。
【図９】比較例に係る利得スペクトルと反射スペクトルの反射帯域幅とを示した図である。
【図１０】従来のＤＦＢレーザの共振器内における光電界強度分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［本願発明の実施形態の説明］
最初に、本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の一実施形態に係る半導体レーザは、半導体基板の主面上に設けられ、利得を有し、複数の回折格子部と複数の回折格子部の間に設けられるスペース部からなる第１回折格子層を有する第１領域と、第１領域と光接合され、回折格子が連続して形成される第２回折格子層を有する第２領域と、を備える。
【００１１】
この半導体レーザによれば、第１回折格子層のスペース部分の長さを調整することで、第２領域における反射スペクトルの反射帯域の中に、第１領域における利得スペクトルが一つのみ存在するように構成することができる。第１回折格子層の結合反射率は回折格子が部分的にしか形成されていないため第２領域よりも低くなり、その結果、第１領域の出射端面（前端面）から高い光出力を得ることができる。
【００１２】
この半導体レーザにおいて、第２領域は利得を有してもよい。この半導体レーザでは、第２領域は反射器として機能する。そのため第２領域は利得導波路である必要はないが、大きな損失が生じるような構成は避けることが望ましい。これを実現する最も簡便な方法は、第１領域と第２領域とを同一材料で形成し、一つの電極で利得を与えるという形態である。第２領域を第１領域とは異なる材料で構成する形態も可能だが、異なる材料を形成させる工程で複雑さが生じる。
【００１３】
上記の半導体レーザにおいて、第１領域の利得スペクトルのピーク間隔は、第２領域の反射帯域幅より大きくてもよい。この半導体レーザは、第１領域で生成される複数の利得スペクトルの波長ピークのうち第２領域の反射帯域にある波長のみが選択されて発振する。したがって安定した単一モード発振を得るためには、第２領域の反射帯域内に一つの利得スペクトルの波長ピークが潜在する形態が望ましい。その点で第１領域のモード間隔は、第２領域の反射帯域より広く設計するのが好ましい。
【００１４】
上記の半導体レーザでは、第１領域の利得スペクトルのピーク間隔は、第２領域の反射スペクトルの反射帯域幅の８０％以上であり、かつ、該反射帯域幅より小さいことが好ましい。前述の利得スペクトルの波長ピーク間隔が、第２領域の反射帯域に比べあまりに広いと、場合によっては第２領域の反射帯域に利得スペクトルの波長ピークが合致しないという事態が生じ得る。第２領域の中心反射波長は第２領域回折格子のブラグ波長である。この波長は回折格子ピッチで決まるため、製造ばらつきはほとんどない。一方第１領域の利得スペクトルの波長ピークは、前記回折格子部の間隔の光路長によって決まる。この光路長は、等価屈折率の違いなどでややばらつきが大きい。そこで利得スペクトルの波長ピークの波長がばらついても、常に安定した単一モードが実現できるよう、第１領域の利得スペクトルのピーク間隔を、第２領域の反射スペクトルの反射帯域幅の８０％以上、かつ、該反射帯域幅より小さくなるよう、前記第１領域の回折格子部の間隔を設定するのが好ましい。この場合、利得スペクトルのピーク間隔が反射スペクトルの反射帯域幅より狭いため、利得スペクトルピークが、反射スペクトルの反射帯域内に２つ存在する場合が生じ得るが、第２領域の反射スペクトル強度が、これら２つの波長で全く等しくなる場合を除き、高歩留りで単一モード発振する素子を得ることができる。
【００１５】
上記の半導体レーザでは、第１領域の複数の回折格子部のうち第２領域に最も近い回折格子部と第２領域との間に設けられた第１位相調整部を更に備えることが好ましい。この半導体レーザによれば、第１位相調整部によって、発振状態を良好にすることができる。
【００１６】
上記の半導体レーザでは、隣り合う回折格子部の間に第２位相調整部を更に備えてもよい。この半導体レーザによれば、利得スペクトルの波長ピークが第２位相調整量により制御できるため、反射スペクトルの反射帯域内（好ましくは反射帯域の中心付近）に利得スペクトルピークが一つのみ存在するよう、反射スペクトルと利得スペクトルとの関係を好適に調整することが可能となる。
【００１７】
上記の半導体レーザでは、第１位相調整部の位相シフト量は、第２位相調整部の位相シフト量と異なってもよい。
【００１８】
上記の半導体レーザでは、第１領域上から第２領域上に延在する上部電極を備えてもよい。この半導体レーザによれば、一の上部電極により、第１領域及び第２領域に電圧を印加して、半導体レーザが単一波長でレーザ発振するように制御できる。
【００１９】
本発明の一実施形態に係る半導体レーザアレイは、半導体レーザ素子が、共通の半導体基板上において、レーザ共振方向と交差する方向に複数配列されて成る。
【００２０】
この半導体レーザアレイによれば、複数の半導体レーザが、例えばそれぞれ異なる回折格子ピッチを有することができる。このため、一の半導体レーザアレイにより、半導体レーザの個数に比例して発振波長を拡大できる。
【００２１】
［本願発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態にかかる半導体レーザ及び半導体レーザアレイの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図１は、第１実施形態に係る半導体レーザを概略的に示した図である。図１の（ａ）部は、レーザ共振方向に垂直な方向に沿って表した断面図であり、図１の（ｂ）部は、レーザ共振方向に沿って表した断面図である。
【００２３】
半導体レーザ１Ａは、半導体基板１０の主面上に設けられた半導体積層１１を備える。半導体基板１０は、例えば、ｎ型ＩｎＰからなることができる。このｎ型ＩｎＰには、例えば、Ｓｉがドープされ、このドーピング濃度は、例えば５×１０１８ｃｍ−３である。半導体積層１１には、下部クラッド層１２、回折格子層１３、埋込層１４、光導波路層１５、上部クラッド層１６、及びコンタクト層１７が、この順に設けられる。また、半導体積層１１の上には、上部電極１８が設けられる。半導体積層１１は、例えばメサ構造を有する。このメサ構造の半導体積層１１を埋め込むための高抵抗層１９が設けられる。高抵抗層１９の上には、絶縁層２０が設けられる。半導体基板１０の下には、下部電極３０が設けられる。メサ構造の半導体積層１１の厚さＨ１１は、例えば１．５μｍであり、メサ幅Ｗ１１は、例えば１．５μｍである。
【００２４】
下部クラッド層１２は、例えば、ｎ型ＩｎＰを含む。このｎ型ＩｎＰは、半導体基板１０の主面上にエピタキシャル成長される。引き続く説明において、半導体積層１１の結晶成長には、例えば、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法又は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法などが適用できる。下部クラッド層１２のｎ型ＩｎＰには、例えば、Ｓｉがドープされ、このドーピング濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３である。下部クラッド層１２の厚さは、例えば１００ｎｍである。
【００２５】
回折格子層１３は、例えば、ｎ型Ｇａ０．２２Ｉｎ０．７８Ａｓ０．４７Ｐ０．５３などのｎ型ＧａＩｎＡｓＰを含む。この回折格子層１３は、下部クラッド層１２上に成長される。回折格子層１３のＧａＩｎＡｓＰには、例えば、Ｓｉがドープされ、このドーピング濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３であることができる。回折格子層１３の厚さは、例えば６０ｎｍである。
【００２６】
回折格子層１３の上には、埋込層１４が成長される。埋込層１４は、例えば、ｎ型のＩｎＰからなることができる。埋込層１４には、例えば、Ｓｉがドープされ、このドーピング濃度は、例えば１×１０１８ｃｍ−３である。埋込層１４の厚さは、例えば１００ｎｍである。埋込層１４によって、回折格子層１３が平坦化される。
【００２７】
埋込層１４の上には、光導波路層１５が成長される。光導波路層１５は、例えば、ＩｎＰ基板と格子整合し、フォトルミネッセンス（ＰＬ）波長１．５５μｍで利得を有するＩｎＧａＡｓＰ量子井戸構造とすることができる。光導波路層１５の厚さは、例えば１００ｎｍである。
【００２８】
光導波路層１５の上には、上部クラッド層１６が成長される。上部クラッド層１６は、例えば、ｐ型ＩｎＰを含むことができる。上部クラッド層１６のｐ型ＩｎＰには、例えば、Ｚｎがドープされ、このドーピング濃度は、例えば５×１０１７ｃｍ−３である。上部クラッド層１６の厚さは、例えば１．０μｍである。
【００２９】
半導体積層１１は、利得を有する第１領域（Sampled-GratingDistributed Feedback Area：ＳＧ−ＤＦＢ領域）２１と、第１領域２１と光接合される第２領域（Distributed Feedback Area：ＤＦＢ領域）２２とを有し、第１領域２１及び第２領域２２は、半導体積層１１のレーザ共振方向Ｅ１に順に配列される。第１領域２１は、半導体レーザ１Ａの利得領域として機能する。第２領域２２は、利得を有する場合と利得を有さない場合の二通りの態様をとることができる。第１実施形態の第２領域２２は、利得を有し、半導体レーザ１Ａの利得領域として機能する。第１実施形態では、光導波路層１５は、第１領域２１及び第２領域２２において、半導体レーザの活性層としての機能を有する。
【００３０】
第１領域２１の回折格子層１３（第１回折格子層）、及び第２領域２２の回折格子層１３（第２回折格子層）は、例えば、第１回折格子３１及び第２回折格子３２（コルゲーション）をそれぞれ有する。第１回折格子３１及び第２回折格子３２は、例えば回折格子パターンを用いた電子ビーム（Electron Beam：ＥＢ) 露光法、或いは二光束干渉露光法により形成される。第２回折格子層１３では、第２回折格子３２が連続して形成されている。第１回折格子層１３は、複数の回折格子部４１〜４９と、複数の回折格子部４１〜４９の間に設けられるスペース部とからなる。具体的には、第１回折格子３１は、クラッド３３と、このクラッド３３に設けられた複数の回折格子部４１〜４９とを有する。回折格子部４１〜４９は、クラッド３３内において、所定の間隔（スペース部）をあけて離散的に配置される。複数の回折格子部４１〜４９は、レーザ共振方向Ｅ１に並んでいる。第１実施形態では、クラッド３３には、例えば、９つのセグメント５１〜５９が設けられ、このセグメント５１〜５９が、回折格子部４１〜４９を有する。二光束干渉露光法により第１回折格子３１が形成される場合、第１領域２１では、回折格子パターンがレジストに露光された後、回折格子が形成されない部分に再度露光が施される。これにより、回折格子が形成されないクラッド３３の領域には、回折格子パターンが転写されないようにすることができる。
【００３１】
クラッド３３は、第１領域２１における複数の回折格子部のうち、第２領域２２に最も近い回折格子部４９と第２領域２２との間に第１位相調整部（ＰＳ領域）６０を有する。第１位相調整部６０は、セグメント５９に含まれる。
【００３２】
第１領域２１の回折格子部の回折格子ピッチΛは、２３００〜２５００Åであり、例えば、２４００Åであることができる。回折格子部４１〜４９の長さ３１Ｌは、１０〜３０Λであり、例えば、２０Λであることができる。その場合、反射結合係数κは１５０ｃｍ−１である。回折格子部の間隔（ピッチ）Ｌ１〜Ｌ８は、２０〜３００μｍ程度の任意の値をとることができる。第１位相調整部６０の回折格子部を除いた幅Ｌ９は、例えば、６０．２μｍである。幅Ｌ９は、特に制約はないものの、回折格子部の間隔（ピッチ）Ｌ１〜Ｌ８の長さの２／３以下であることが望ましい。これはＬ９の長さがＬ１〜Ｌ８に比べて長いと、光が共振器内に閉じこもり、出射効率が低下するためである。
【００３３】
コンタクト層１７は、例えば、ｐ型Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓ結晶によって構成される。コンタクト層１７には、例えば、Ｚｎがドープされ、このドーピング濃度は、例えば５×１０１８ｃｍ−３である。絶縁層２０は、例えば、ＳｉＮ及びＳｉＯ２などの絶縁体からなる保護膜である。上部電極１８は、金などの導電性材料からなる。上部電極１８は、半導体積層１１の第１領域２１及び第２領域２２の上に設けられ、第１領域２１上から第２領域２２上に延在する。半導体レーザ１Ａは、端面７１Ａ及び端面７１Ａと反対側に位置する端面７１Ｂを有し、端面７１Ａ及び端面７１Ｂに、ＡＲコートが設けられる。このＡＲコートは、例えば１．０％程度以下の光反射率を有し、レーザ光が共振器内部から外部に出力されるときの端面７１Ａ及び端面７１Ｂでの光反射率を零に近づけることができる。高抵抗層１９は、例えばＦｅドープの半絶縁性ＩｎＰを含む。
【００３４】
図２は、第１実施形態に係る第２領域２２の反射スペクトルを示した図である。この反射スペクトルは、第２領域２２の外部から第２領域２２に入射した光の反射特性を表す。第２領域２２の回折格子部の回折格子ピッチΛは、第１領域２１の回折格子部の回折格子ピッチΛと同じである。すなわち、第２領域２２の回折格子部の回折格子ピッチΛは、２３００〜２５００Åであり、例えば、２４００Åであることができる。第２領域２２の第２回折格子層の長さＬ３２は、例えば１２０μｍであり、反射結合係数κは、第１領域２１の反射結合係数κと同じである。この反射スペクトルは、５．５ｎｍの反射帯域幅Ｂ１を有する。反射帯域幅とは、例えば、−３ｄＢ反射帯域幅のことをいう。
【００３５】
図３は、第１実施形態に係る利得スペクトルと反射スペクトルとを示した図である。図３の（ａ）部は、利得スペクトルのピーク間隔が反射スペクトルの反射帯域幅より大きい実施例を表す。回折格子部の間隔（ピッチ）Ｌ１〜Ｌ８は、それらの全てが、例えば５０μｍ又はその近傍の値を有する。図３の（ａ）部では、利得スペクトルのピーク間隔は６．０ｎｍであり、反射スペクトルの反射帯域幅の５．５ｎｍより大きいので、反射帯域内に利得スペクトルピークが一つのみ存在するように利得スペクトルのシフトが可能である。反射スペクトルの反射帯域幅の中に、利得スペクトルピークが一つのみ存在すると、半導体レーザ１Ａは安定的に単一波長でのレーザ発振を行うことができる。利得スペクトルピークが二つ以上存在すると、半導体レーザ１Ａのレーザ発振は不安定となる。第１実施形態では、第２位相調整部６１〜６８（図１の（ｂ）部を参照）により任意の位相シフトを与えることによって、利得スペクトルピークが反射スペクトルの反射帯域の中心付近に存在するように利得スペクトルをシフトさせることが可能である。第２位相調整部６１〜６８は、隣り合う回折格子部の間に設けられる。第２位相調整部６１〜６８の位相シフト量の調整は、導波路幅調整による等価位相シフト、又は、回折格子を描画する際に描画位置をずらす物理的シフトによって行うことができる。
【００３６】
図３の（ｂ）部は、利得スペクトルのピーク間隔が反射スペクトルの反射帯域幅の８０％以上であり、かつ、反射帯域幅より小さい実施例を表す。回折格子部の間隔（ピッチ）Ｌ１〜Ｌ８は、それらの全てが、例えば６５μｍ又はその近傍の値を有する。図３の（ｂ）部では、利得スペクトルのピーク間隔は５．０ｎｍであり、反射スペクトルの反射帯域幅の５．５ｎｍに比べて１０％小さい。利得スペクトルのピーク間隔が反射スペクトルの反射帯域幅に比べて小さいので、利得スペクトルピークが、反射スペクトルの反射帯域内に２つ存在し得る。ただし、図３の（ｂ）部では、例えば公差によって一の利得スペクトルピークがシフトした結果、その一の利得スペクトルピークが反射スペクトルの反射帯域外となっても、別の利得スペクトルピークが、反射スペクトルの反射帯域内に存在するようにシフトできる。このシフトは、図３の（ａ）部と同様に、第２位相調整部６１〜６８によって任意の位相シフトを与えることにより行うことができる。第１実施形態では、利得スペクトルのピーク間隔が反射スペクトルの反射帯域幅に比べて１０％程度小さいことがより好ましい。
【００３７】
図４は、図３の（ｂ）部において、第１位相調整部６０に位相シフトを与えたときの半導体レーザの発振スペクトルを示す図である。第１位相調整部６０の位相シフト量は、−０．４π（ｒａｄ）、又は、回折格子ピッチをΛ（ｎｍ）とすると０．４Λ（ｎｍ）である。図４に示されるように、半導体レーザ１Ａは、波長１５５０ｎｍ近傍の単一波長で安定的に発振する。第１位相調整部６０での位相シフトは、等価位相シフトあるいは描画位置シフトによる行うことができる。第１位相調整部６０の位相シフト量は、第２位相調整部６１〜６８の位相シフト量と異なることができる。
【００３８】
図５は、第１実施形態に係る半導体レーザ１Ａの共振器内における光電界強度分布を示す図である。なお、図５は、半導体レーザ１Ａが、図４の発振スペクトルを有する場合を示している。図５に示されるように、前進波Ｇ１は、端面７１Ａから高い光強度を有して出力される一方で、端面７１Ｂからは殆ど出力されない。後退波Ｇ２は、端面７１Ａから殆ど出力されず、また、端面７１Ｂからも、わずかに出力されるのみである。端面７１Ａでの前進波Ｇ１の光出力強度と、端面７１Ｂでの後退波Ｇ２の光出力強度との比は、約９５：５である。
【００３９】
以上に説明した半導体レーザ１Ａによって得られる効果について説明する。本実施形態の半導体レーザ１Ａによれば、第１回折格子３１のスペース部分の長さを調整することで、第２領域２２における反射スペクトルの反射帯域の中に、第１領域２１における利得スペクトルが一つのみ存在するように構成することができる。第１回折格子３１の結合反射率は回折格子が部分的にしか形成されていないため第２領域２２よりも低くなり、その結果、第１領域２１の出射端面（前端面）から高い光出力を得ることができる。
【００４０】
また、この半導体レーザ１Ａでは、第１回折格子３１の複数の回折格子部が互いに間隔をあけてレーザ共振方向に並んでいる。ところで、端面からの光出力強度は、反射結合係数κとレーザ共振器長Ｌの積（κＬ）によって決められる。ここで、κＬ値は、単純なファブリ・ペローレーザ（Fabry-Perot Laser Diode：ＦＰ−ＬＤ）における端面反射率に相当する指標であり、κＬ値が小さいと端面での反射率が低くなり、κＬが大きいと端面での反射率が高くなる。半導体レーザ１Ａでは、上述した第１回折格子３１の構成によって、前進波Ｇ１に対して、端面７１ＡのκＬ値が端面７１ＢのκＬ値よりも小さいので、前進波Ｇ１の端面７１Ａ及び端面７１Ｂの光出力強度の差が生じている。すなわち、前進波Ｇ１では、二つの端面７１Ａ及び７１Ｂのうち、一方の端面７１Ａにのみ高い光出力が得られている。後退波Ｇ２に対しては、端面７１Ａ及び端面７１Ｂにおいて、反射率が高くなるようにκＬ値が設定され、その結果、端面７１Ａ及び端面７１Ｂでの光出力強度が共に抑えられる。従って、この半導体レーザ１Ａによれば、そのレーザ出力を実質的に一の端面７１Ａに限ることができ、その結果、高い光出力を得ることができる。さらに、この半導体レーザ１Ａでは、第１領域２１に回折格子部が設けられるので、回折格子の全体の本数が少なくなり、半導体レーザ製造の安定性に優れる。
【００４１】
単純なＦＰ−ＬＤにおいてレーザ光の高出力が行われるときは、例えば、一端面の反射率を低くし、この反対側に位置する他端面の反射率を高くする、 いわゆるＬＲ−ＨＲの形態がよく用いられる。
【００４２】
一方、回析格子の中心部分にλ／４位相シフト領域を有するＤＦＢレーザでは、特殊な製造法を採らない限り、一様な反射結合係数κを持つ導波路が形成されるので、ＦＰ−ＬＤのように、二つの端面の反射率を互いに変えるようなことが困難である。二つの端面の反射率を変えるために、回析格子の中心部分にλ／４位相シフト領域の位置を中心から移動させるという手法が採られることもある。しかしこの手法では、レーザ光のスペクトル形状の劣化を招くので、たとえば高い単一モード性が要求される製品用途には不向きとなる。したがってこの場合、λ／４位相シフトは回析格子の中心部に設けざるを得ず、結果として前後端面から同等強度の光を出射されることになり、効率的な光出力が難しい。本実施形態の半導体レーザ１Ａでは、従来のＤＦＢレーザのような一様に回折格子を形成した構造は採られていない。
【００４３】
本構造はレーザ線幅特性においても有利である。近年、光通信システム技術の向上に伴い、狭線幅レーザ特性が求められている。レーザ線幅は、レーザ共振器内のフォトン数に反比例するので、狭線幅特性を得るには、フォトン数が多くなる長い共振器構造のレーザが有利である。一般に長共振器のＤＦＢレーザを安定性良く製造するのは難しい。ＤＦＢレーザは、反射結合係数κが小さいと閾値電流が増し、κが高いと光が取り出しにくくなる性質がある。そのためκには最適値が存在し、製造上管理が必要となるが、共振器が長いとそのばらつき許容範囲が狭くなる。これに対し本実施形態の半導体レーザ１Ａは、共振器を長くとっても光が閉じこもることはないため、κの繊細な管理が不要であり、それゆえ線幅に有利な共振器の長尺化も容易に行うことができる。
【００４４】
また、この半導体レーザ１Ａでは、第２領域は、利得を有することが好ましい。この半導体レーザによれば、第２領域は反射器として機能する。そのため第２領域は利得導波路である必要はないが、大きな損失が生じるような構成は避けなければならない。これを実現する最も簡便な方法は、第１領域と第２領域とを同一材料で形成し、一つの電極で利得を与えるという形態である。第２領域を第１領域とは異なる材料で構成する形態も可能だが、異なる材料を形成させる工程で複雑さが生じる。このような半導体レーザ１Ａによれば、第１領域２１に加えて、第２領域２２が利得を有するので、よりレーザ出力を向上させることができる。また、第１領域２１と第２領域２２とを、例えばバットジョイント法を用いることなく共通の半導体層によって形成できるので、製造工程を少なくできる。
【００４５】
また、上記の半導体レーザ１Ａのように、第１領域の利得スペクトルのピーク間隔は、第２領域の反射帯域幅より大きいことが好ましい。この半導体レーザでは、第１領域で生成される複数の利得スペクトルの波長ピークのうち第２領域の反射帯域にある波長のみが選択されて発振する。したがって安定した単一モード発振を得るためには、第２反射帯域に一つの利得スペクトルの波長ピークが潜在する形態が望ましい。その点で第１領域のモード間隔は、第２領域の反射帯域より広く設計するのが好ましい。
【００４６】
また、この半導体レーザ１Ａでは、第１領域の利得スペクトルのピーク間隔は、第２領域の反射スペクトルの反射帯域幅の８０％以上であり、かつ、該反射帯域幅より小さいことが好ましい。前述の利得スペクトルの波長ピーク間隔が、第２領域の反射帯域に比べあまりに広いと、場合によっては第２領域の反射帯域に利得スペクトルの波長ピークが合致しないという事態が生じ得る。第２領域の中心反射波長は第２領域回折格子のブラグ波長である。この波長は回折格子ピッチで決まるため、製造ばらつきはほとんどない。一方第１領域の利得スペクトルの波長ピークは、前記回折格子部の間隔の光路長によって決まる。この光路長は、等価屈折率の違いなどでややばらつきが大きい。そこで利得スペクトルの波長ピークの波長がばらついても、常に安定した単一モードが実現できるよう、第１領域の利得スペクトルのピーク間隔を、第２領域の反射スペクトルの反射帯域幅の８０％以上、かつ、該反射帯域幅より小さくなるよう、前記第１領域の回折格子部の間隔を設定するのが好ましい。この場合、利得スペクトルのピーク間隔が反射スペクトルの反射帯域幅より狭いため、利得スペクトルピークが、反射スペクトルの反射帯域内に２つ存在する場合が生じ得るが、第２領域の反射スペクトル強度が、これら２つの波長で全く等しくなる場合を除き、高歩留りで単一モード発振する素子を得ることができる。
【００４７】
また、本実施形態の半導体レーザ１Ａのように、第１領域２１の複数の回折格子部のうち第２領域２２に最も近い回折格子部４９と第２領域２２との間に第１位相調整部６０が設けられることが好ましい。この半導体レーザによれば、第１位相調整部６０によって、発振状態を良好にすることができる。第１位相調整部６０の位相調整は、第１領域２１と第２領域２２の反射位相整合に寄与し、低閾値特性を可能とする。
【００４８】
また、本実施形態の半導体レーザ１Ａのように、隣り合う回折格子部の間に第２位相調整部６１〜６８が設けられることが好ましい。この半導体レーザ１Ａによれば、第１領域２１における利得スペクトル全体がシフトするので、反射スペクトルの反射帯域内（好ましくは反射帯域の中心付近）に利得スペクトルピークが一つのみ存在するように、反射スペクトルと利得スペクトルとの関係を好適に調整することが可能となる。
【００４９】
また、本実施形態の半導体レーザ１Ａでは、第１位相調整部６０の位相シフト量は、第２位相調整部６１〜６８の位相シフト量と異なってもよい。この半導体レーザ１Ａによれば、第１位相調整部６０及び第２位相調整部６１〜６８において、それぞれの領域に好適な位相シフト量を実現することができる。
【００５０】
半導体レーザ１Ａでは、半導体積層１１の第１領域２１上から第２領域２２上に延在する上部電極１８を備えてもよい。この半導体レーザ１Ａによれば、一つの上部電極１８により、第１領域２１及び第２領域２２に電圧を印加して、半導体レーザ１Ａが単一波長でレーザ発振するように制御できる。
【００５１】
（第２の実施の形態）
図６は、第２実施形態に係る半導体レーザをレーザ共振方向に沿って概略的に表した断面図である。第２実施形態に係る半導体レーザ１Ｂでは、第１実施形態に係る半導体レーザ１Ａに対し、上部電極の構造が異なっている。すなわち、第２実施形態の半導体レーザ１Ｂは、第１領域２１及び第２領域２２それぞれに、互いに分離された上部電極１８Ａ及び上部電極１８Ｂそれぞれを有する。第２領域２２は、第１実施形態と同様に、利得を有する。
【００５２】
第２実施形態では、第１領域２１及び第２領域２２のそれぞれに上部電極１８Ａ及び上部電極１８Ｂを有するので、第１領域２１及び第２領域２２のそれぞれに、より適切な電圧を個別に印加することができる。例えば、第２領域２２は第１領域２１に比べて電流注入量に対する出射効率が低いので、第２領域２２は透明程度の電流注入条件にしておき、第１領域２１に大電流を流すことで、効率のよいレーザ出射が可能となる。
【００５３】
なお、第１領域２１に設けられた上部電極１８Ａを更に分割して、第１位相調整部６０上に独立した上部電極を設けることも可能である。これにより、第１位相調整部６０の等価屈折率を変化させて第１領域２１と第２領域２２の反射位相整合を最適化することができる。
【００５４】
（第３の実施の形態）
図７は、第３実施形態に係る半導体レーザをレーザ共振方向に沿って概略的に表した断面図である。第３実施形態に係る半導体レーザ１Ｃでは、第１実施形態に係る半導体レーザ１Ａに対し、上部電極の構成が異なっている。すなわち、第３実施形態の半導体レーザ１Ｃは、第１領域２１にのみ上部電極１８Ａを有し、第２領域２２には上部電極を有さない。第２領域２２は、第１実施形態と異なり、利得を有さない。このため、第２領域２２は、分布反射型（Distributed Bragg Reflector：ＤＢＲ）デバイスとしての機能のみを有する。第２領域２２は、第１領域２１のＤＦＢレーザが単一波長でレーザ発振できるような反射スペクトル（例えば図２を参照）を生成する。
【００５５】
（第４の実施の形態）
図８は、第４実施形態に係る半導体レーザアレイを含むレーザ光源を概略的に示した図である。レーザ光源２は、半導体レーザアレイ３、光合波器４、及び光導波路５を含む。半導体レーザアレイ３は、光合波器４に光学的に結合され、また、光合波器４を介して、光導波路５に光学的に結合される。半導体レーザアレイ３は、共通の半導体基板上において、レーザ共振方向Ｅ１と交差する方向Ｅ２に複数の半導体レーザが配列されて成ることができ、例えば１２本の半導体レーザの配列からなることができる。第４実施形態の半導体レーザは、第１実施形態の半導体レーザと同様の構成を有する。半導体レーザアレイ３は、主に前進波が出力される端面（図１の（ｂ）部での端面７１Ａに相当する）を揃えて光合波器４に結合される。光合波器４は、例えば１２×１のマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であることができる。光導波路５は、例えば、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）を備えることができる。
【００５６】
半導体レーザアレイ３では、例えば１２本の半導体レーザが配置されるので、例えば、いずれかの一の半導体レーザにレーザ発振のための電流が加えられると、その一の半導体レーザから、ある単一波長のレーザ光が高出力に得られる。また、別の一の半導体レーザにレーザ発振のための電流が加えられると、その別の半導体レーザから、別の単一波長のレーザ光が高出力に得られる。第１実施形態と同様に高出力化されたレーザ光Ｒ１は、第４実施形態では、光合波器４を通して、光導波路５から出力される。光導波路５がＳＯＡを備えると、更に高光強度のレーザ光Ｒ１が光導波路５から出力される。
【００５７】
本発明に係る半導体レーザアレイ３によれば、複数の半導体レーザが備えられ、この複数の半導体レーザは、それぞれ異なる回折格子ピッチを有することができる。このため、一の半導体レーザアレイ３により、半導体レーザの個数に比例して発振波長を拡大できる。
【００５８】
（比較例）
図９は、比較例に係る利得スペクトルと反射スペクトルの反射帯域幅とを示した図である。図９は、利得スペクトルのピーク間隔が反射スペクトルの反射帯域幅の８０％未満である例を表す。回折格子部の間隔（ピッチ）Ｌ１〜Ｌ８は、それらの全てが、例えば６５μｍ又はその近傍の値を有する。半導体レーザの構成は、回折格子部の間隔（ピッチ）Ｌ１〜Ｌ８を除いて、第１実施形態の図１と同様である。図９では、利得スペクトルのピーク間隔が、反射スペクトルの反射帯域幅の５．５ｎｍに比べて小さい。従って、利得スペクトルピークが、反射スペクトルの反射帯域内に常時二つ存在し得る。このため、二以上の波長のレーザ光が第２領域２２によって反射されるので、半導体レーザのレーザ発振が不安定となる。
【００５９】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることは、当業者によって認識される。本発明は、本実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来る全ての修正及び変更に権利を請求する。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明によれば、単一波長でレーザ発振するとともに、出力光強度を向上できる半導体レーザ及び半導体レーザアレイが提供される。
【符号の説明】
【００６１】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…半導体レーザ、３…半導体レーザアレイ、１０…半導体基板、１１…半導体積層、１３…回折格子層、１８…上部電極、２１…第１領域、２２…第２領域、３１…第１回折格子、３２…第２回折格子、４１〜４９…回折格子部、６０…第１位相調整部、６１〜６８…第２位相調整部、Ｅ１…レーザ共振方向。
【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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