(57)【要約】【課題】  信頼性の向上が図られた半導体レーザ素子及びそれに用いる光変調器を提供する。【解決手段】  本発明に係る半導体レーザ素子１０は、出射側端部を含む第１の部分１１ａの活性層１６Ａの絶縁領域の厚さが、第２の部分１１ｂの活性層１６の絶縁領域の厚さより厚いＥＡ型光変調器１１Ａを備える。この半導体レーザ素子１０においては、ＥＡ型光変調器１１Ａの第１の部分１１ａの絶縁領域の厚さが厚くなっているため、出射側端面１０ａに生じる電界の強度が効果的に低減されている。従って、この半導体レーザ素子１０では、端面破壊が生じる事態が抑制されており、信頼性の向上が実現されている。【選択図】  図１
2008305981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＤＦＢレーザと光変調器とを備える半導体レーザ素子であって、
前記光変調器が、出射側端部を含む第１の部分と、第２の部分とを有し、且つ、前記第１の部分の活性層の絶縁領域の厚さが、前記第２の部分の活性層の絶縁領域の厚さより厚い、半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記光変調器の活性層が、２つのＳＣＨ層と、それらの間に介在するＭＱＷ層とで構成されており、
前記第１の部分の前記ＭＱＷ層の厚さが、前記第２の部分の前記ＭＱＷ層の厚さより厚い、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記光変調器の活性層が、２つのＳＣＨ層と、それらの間に介在するＭＱＷ層とで構成されており、
前記第１の部分の活性層では少なくとも一方の前記ＳＣＨ層が絶縁性を有しており、前記第２の部分の活性層では前記各ＳＣＨ層が導電性を有している、請求項１に記載の半導体レーザ素子。
【請求項４】
ＤＦＢレーザと光変調器とを備える半導体レーザ素子に用いられる光変調器であって、
出射側端部を含む第１の部分と、第２の部分とを有し、且つ、前記第１の部分の活性層の絶縁領域の厚さが、前記第２の部分の活性層の絶縁領域の厚さより厚い、光変調器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ素子及びそれに用いる光変調器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この技術の分野における半導体レーザ素子は、例えば、下記特許文献１に開示されている。この公報に記載の半導体レーザ素子は、分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）と電界吸収型光変調器（ＥＡ型光変調器）とがモノリシックに集積されたＥＡ型光変調器集積型ＤＦＢレーザ素子（ＥＭＬ）であり、ＤＦＢレーザを連続発振させた状態で光変調器にパルス電圧を印加してレーザ変調をおこなう。そして、特許文献１には、ＥＡ型光変調器における局所的な温度上昇により、ＥＡ型光変調器の一部が溶融して、その特性が劣化することが開示されている。
【特許文献１】特開２００５−１２３３６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前述した従来の半導体レーザ素子のＥＡ型光変調器においては、温度上昇に起因する溶融だけでなく、静電放電等に起因する端面破壊でも、その特性が劣化し、素子の信頼性が損なわれてしまう。
【０００４】
そこで、本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、信頼性の向上が図られた半導体レーザ素子及びそれに用いる光変調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】
【０００５】
本発明に係る半導体レーザ素子は、ＤＦＢレーザと光変調器とを備える半導体レーザ素子であって、光変調器が、出射側端部を含む第１の部分と、第２の部分とを有し、且つ、第１の部分の活性層の絶縁領域の厚さが、第２の部分の活性層の絶縁領域の厚さより厚い。
【０００６】
この半導体レーザ素子においては、出射側端部を含む第１の部分の活性層の絶縁領域の厚さが厚くなっているため、出射側端面に生じる電界の強度が効果的に低減されている。従って、この半導体レーザ素子では、端面破壊が生じる事態が抑制されており、信頼性の向上が実現されている。
【０００７】
また、光変調器の活性層が、２つのＳＣＨ層と、それらの間に介在するＭＱＷ層とで構成されており、第１の部分のＭＱＷ層の厚さが、第２の部分のＭＱＷ層の厚さより厚い態様でもよい。この場合、光の閉じ込めを大きくできる。また、絶縁領域が全体として厚くなるため、逆方向に電圧が印加されたときの電界強度の低減が図られる。
【０００８】
また、光変調器の活性層が、２つのＳＣＨ層と、それらの間に介在するＭＱＷ層とで構成されており、第１の部分の活性層では少なくとも一方のＳＣＨ層が絶縁性を有しており、第２の部分の活性層では各ＳＣＨ層が導電性を有している態様でもよい。この場合、第１の部分の絶縁性のＳＣＨ層においてはドーパントの光吸収による損失が発生しない。また、絶縁領域が全体として厚くなるため、逆方向に電圧が印加されたときの電界強度の低減が図られる。
【０００９】
本発明に係る光変調器は、ＤＦＢレーザと光変調器とを備える半導体レーザ素子に用いられる光変調器であって、出射側端部を含む第１の部分と、第２の部分とを有し、且つ、第１の部分の活性層の絶縁領域の厚さが、第２の部分の活性層の絶縁領域の厚さより厚い。
【００１０】
この光変調器においては、出射側端部を含む第１の部分の活性層の絶縁領域の厚さが厚くなっているため、出射側端面に生じる電界の強度が効果的に低減されている。従って、この光変調器を用いることで、半導体レーザ素子の端面破壊が生じる事態が抑制され、信頼性の向上が実現される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、信頼性の向上が図られた半導体レーザ素子及びそれに用いる光変調器が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照して本発明を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００１３】
図１は、本実施形態に係る半導体レーザ素子１０を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した半導体レーザ素子１０のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００１４】
図１及び図２に示すように、半導体レーザ素子１０は、メサ構造を有しており、電界吸収型光変調器（以下、「ＥＡ型光変調器」）１１Ａ及び分布帰還型レーザ（以下、「ＤＦＢレーザ」）１１Ｂがモノリシックに集積された光変調器集積型の半導体レーザ素子である。この半導体レーザ素子１０は、レーザ共振器を構成する二つの端面１０ａ，１０ｂ、すなわち互いに対向する出射面１０ａと反射面１０ｂとを有している。出射面１０ａはＥＡ型光変調器１１Ａ側の端面であり、反射面１０ｂはＤＦＢレーザ１１Ｂの端面である。
【００１５】
ＥＡ型光変調器１１Ａ及びＤＦＢレーザ１１Ｂは、同一のｎ型基板１２上に集積されている。そして、ＥＡ型光変調器１１Ａ及びＤＦＢレーザ１１Ｂの部分にはそれぞれｎ型下部クラッド層１４、活性層１６，１７及びｐ型上部クラッド層１８が基板１２上に順次に積層されている。ＤＦＢレーザ１１Ｂの部分の活性層１７と上部クラッド層１８との界面には、図示しない回折格子が設けられており、ＤＦＢレーザ１１Ｂはこの回折格子の周期に応じて定まる発振波長のレーザ光を生成する。
【００１６】
なお、ＥＡ型光変調器１１Ａの部分の活性層１６とＤＦＢレーザ１１Ｂの部分の活性層１７とは、その端面同士を突き合わせて接合されており、活性層１６と活性層１７とは光学的に結合されて共通の光軸を有している。従って、ＥＡ型光変調器１１Ａの活性層１６は、ＤＦＢレーザ１１Ｂの活性層１７で生成されたレーザ光を受け取る。活性層１６は、活性層１７で生成されたレーザ光を増幅する作用を有すると共に、印加電界の強度に応じて変化する吸収係数を有する光変調層としても動作する。
【００１７】
また、図１に示すように、ＥＡ型光変調器１１Ａ及びＤＦＢレーザ１１Ｂのメサ構造の両側には、複数の半導体層で構成された電流狭窄用の埋め込み層１９が形成されている。
【００１８】
さらに、上部クラッド層１８上には、コンタクト層２０を介して、ＥＡ型光変調器用電極２２Ａ及びＤＦＢレーザ用電極２２Ｂが設けられており、これらの電極間は絶縁層２４で埋められ、２つの電極２２Ａ，２２Ｂは電気的に絶縁されている。なお、図示は省略しているが、基板１２の下面にはＥＡ型光変調器用電極２２Ａ及びＤＦＢレーザ用電極２２Ｂと対をなす電極が設けられている。
【００１９】
ここで、上述した半導体レーザ素子１０では、ＥＡ型光変調器１１Ａは出射側端部を含む第１の部分１１ａとその残部の第２の部分１１ｂで構成されており、第１の部分１１ａの活性層１６は再成長により形成して、第１の部分１１ａの構成を第２の部分１１ｂの構成と異ならせている。以下、図３を参照しつつ、ＥＡ型光変調器１１Ａの第１の部分１１ａの再成長について説明する。
【００２０】
図３（ａ）は、作製の途中段階における半導体レーザ素子を示した図であり、この状態では下部クラッド層１４、活性層１６，１７及び上部クラッド層１８が基板１２上に順次積層されている。このときの活性層１６，１７の具体的な構成は、図４（ａ）に示したとおりである。例えば、活性層１６については、下から順に、ｎ型ＳＣＨ層１６ａ、ｉ型（絶縁性の）ＭＱＷ層１６ｂ、ｐ型ＳＣＨ層１６ｃが積層された構成となっている。
【００２１】
この段階で、図３（ｂ）に示すように、ＥＡ型光変調器１１Ａ側の端面１０ａの端部を部分的にエッチング除去する。このとき、エッチングの際、除去厚さは端面１０ａからおよそ１０μｍ以下であることが好ましい。
【００２２】
そして、端面１０ａ側の端部のエッチング除去された部分に、下部クラッド層１４、活性層１６及び上部クラッド層１８の端面と突き合わせ接合されるように、これらと同一の半導体材料で下部クラッド層１４Ａ、活性層１６Ａ及び上部クラッド層１８Ａを再成長させて、図３（ｃ）に示したようにその部分を埋める。図４（ｂ）に示すとおり、活性層１６Ａの構成は活性層１６の構成と異なっており、下から順に、ｎ型ＳＣＨ層１６ａ、ｉ型ＭＱＷ層１６ｂ、ｉ型ＳＣＨ層１６ｃが積層された構成となっている。すなわち、活性層１６におけるＳＣＨ層１６ｃが導電性を有しているのに対して、活性層１６ＡにおけるＳＣＨ層１６ｃは絶縁性を有している点で異なる。そのため、ＥＡ型光変調器１１Ａにおいては、第１の部分１１ａの活性層１６Ａの絶縁領域の厚さが、その残部（第２の部分）１１ｂの活性層１６の絶縁領域の厚さより厚くなっている。ここでいう絶縁とは、１×１０１６ｃｍ−３以下の不純物濃度であって非常に高い電気抵抗を有していることを意味する。
【００２３】
発明者らは、第１の部分１１ａの活性層１６Ａの絶縁領域の厚さをこのように相対的に大きくすることで、端面１０ａにおける破壊が効果的に抑制できるとの知見を得た。発明者らがおこなった実験によれば、図５のグラフに示すように、活性層の絶縁領域の厚さを厚くするほどＭＱＷ層における電界強度が低下することがわかった。従って、上述したように、第１の部分１１ａの活性層１６Ａの絶縁領域の厚さを厚くすることで、ＭＱＷ層１６ｂの電界強度の低減が図られる。
【００２４】
このようにして電界強度を低減させた場合について、発明者らはその累積故障率を測定した。その測定結果は、図６のグラフに示すとおりであった。ここで、図６のグラフの横軸は逆方向のＥＳＤ電圧（ｋＶ）の大きさを示しており、その縦軸は累積故障率（％）を示している。そして、グラフ中のデータＤ１が再成長をおこなった素子（端部が図４（ｂ）の構成）のデータであり、Ｄ２は再成長をおこなわなかった素子（端部が図４（ａ）の構成）のデータである。この図６のグラフから明らかなように、高い逆方向電圧を印加した場合、再成長させた素子は、再成長をおこなわなかった素子よりも故障しにくくなっており、高い信頼性が実現されている。
【００２５】
以上で詳細に説明したとおり、半導体レーザ素子１０は、第１の部分１１ａの活性層１６Ａの絶縁領域の厚さが、第２の部分１１ｂの活性層１６の絶縁領域の厚さより厚いＥＡ型光変調器１１Ａを備えているため、ＥＡ型光変調器１１Ａの出射側端面１０ａに生じる電界の強度が効果的に低減されている。従って、この半導体レーザ素子１０では、端面破壊が生じる事態が抑制されており、信頼性の向上が実現されている。
【００２６】
発明者らのおこなった実験によれば、第１の部分１１ａの活性層１６Ａの絶縁領域の厚さを２７０ｎｍ以上にすることで、１ｋＶのＥＳＤ破壊試験に耐えうることがわかっている。一方、横単一モードを保持する観点から、活性層１６Ａの絶縁領域の厚さは５００ｎｍ以下にすることが好ましい。
【００２７】
なお、再成長の際、エッチング除去厚さが厚すぎる場合には、素子特性（高周波特性や変調特性など）が実用レベルを下回ってしまうおそれがあるが、端面１０ａからおよそ１０μｍ以下にすることで実用レベルの素子特性を保つことができる。
【００２８】
活性層１６Ａの構成は図７（ａ）に示すような態様であってもよい。図７（ａ）に示した活性層１６Ａは、下から順に、ｉ型ＳＣＨ層１６ａ、ｉ型ＭＱＷ層１６ｂ、ｐ型ＳＣＨ層１６ｃが積層された構成となっている。このように、活性層１６，１６Ａ，１７が、２つのＳＣＨ層１６ａ，１６ｃと、それらの間に介在するＭＱＷ層１６ｂとで構成されており、ＥＡ型光変調器１１Ａの第１の部分１１ａの活性層１６Ａでは一方のＳＣＨ層１６ｃが絶縁性を有しており、ＥＡ型光変調器１１Ａの第２の部分１１ｂの活性層１６では両方のＳＣＨ層１６ａ，１６ｃが導電性を有している態様にすることで、第１の部分１１ａの活性層１６Ａの絶縁領域の厚さを相対的に厚くすることができる。
【００２９】
活性層１６Ａの構成は図７（ｂ）に示すような態様であってもよい。図７（ｂ）に示した活性層１６Ａは、下から順に、ｎ型ＳＣＨ層１６ａ、ｉ型ＭＱＷ層１６ｂ、ｉ型ＳＣＨ層１６ｃが積層された構成となっている。つまり、２つのＳＣＨ層１６ａ，１６ｃのうち、少なくとも一方のＳＣＨ層１６ａ，１６ｃを絶縁性にすることで、第１の部分１１ａの活性層１６Ａの絶縁領域の厚さを相対的に厚くすることができる。
【００３０】
第１の部分１１ａにこのような活性層１６Ａを有するＥＡ型光変調器１１Ａでは、上述したＥＡ型光変調器同様、その絶縁領域の厚さが第２の部分１１ｂの活性層１６の絶縁領域の厚さより厚くなっているため、端面１０ａにおける破壊が効果的に抑制されて、高い信頼性が実現される。その上、第１の部分１１ａの絶縁性のＳＣＨ層１６ａ，１６ｃにおいてはドーパントの光吸収による損失が発生しないという利点がある。また、絶縁領域が全体として厚くなるため、逆方向に電圧が印加されたときの電界強度の低減が図られる。
【００３１】
さらに、活性層１６，１６Ａ，１７が、２つのＳＣＨ層１６ａ，１６ｃと、それらの間に介在するＭＱＷ層１６ｂとで構成されており、ＥＡ型光変調器１１Ａの第１の部分１１ａのＭＱＷ層１６ｂの厚さが、ＥＡ型光変調器１１Ａの第２の部分１１ｂのＭＱＷ層１６ｂの厚さより厚い態様でもよい。この場合でも、半導体レーザ素子１０の端面１０ａにおける破壊が効果的に抑制されて、高い信頼性が実現される。その上、光の閉じ込めを大きくできるという利点もある。また、絶縁領域が全体として厚くなるため、逆方向に電圧が印加されたときの電界強度の低減が図られる。
【００３２】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、各層の導電型（ｐ／ｎ）は必要に応じて適宜逆の導電型に変更してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本実施形態に係る半導体レーザ素子を示す斜視図である
【図２】図１に示した半導体レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図１及び図２に示した半導体レーザ素子の作製工程の一部を示した図である。
【図４】活性層の構成を示した図である。
【図５】活性層の絶縁領域の厚さとＭＱＷ層における電界強度との関係を示したグラフである。
【図６】累積故障率に関する実験の測定結果を示したグラフである。
【図７】異なる態様の活性層の構成を示した図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…半導体レーザ素子、１０ａ，１０ｂ…端面、１１Ａ…ＥＡ型光変調器、１１Ｂ…ＤＦＢレーザ、１１ａ…第１の部分、１１ｂ…第２の部分、１２…基板、１４…下部クラッド層、１６，１６Ａ，１７…活性層、１６ａ，１６ｃ…ＳＣＨ層、１６ｂ…ＭＱＷ層、１８…上部クラッド層。
【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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