(57)【要約】【課題】周波数差が安定な２波長光を出力する半導体発光素子を提供する。【解決手段】ｎ型ＩｎＰ基板１０１上の電流注入領域１０２は、第１のレーザの活性層１０３と第２のレーザの活性層１０４を備え、その周囲には、第１の電流狭窄層１０７および第２の電球狭窄層１０８を備える。また半導体基板１０１の裏面にはｎ型下部電極１１１を、電流注入領域１０２の上部には第１の上部電極１０９を備え、第１のレーザの活性層１０３と第２のレーザの活性層１０４の間には第１のｐ型コンタクト層１０５およびｎ型コンタクト層１０６が配置され、両者は第２の上部電極１１０と電気的に接触している。上記構成により周波数差が安定な２波長光を出力する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同一基板上に設けられた、第１の発振波長を有する第１のレーザと、第２の発振波長を有する第２のレーザを備える半導体発光素子であって、前記第１の発振波長と前記第２の発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザがいずれも分布帰還型半導体レーザであり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザが基板に対して縦方向に積層して構成され、前記第１のレーザの発振領域と前記第２のレーザの発振領域の基板側と表面側に、前記第１のレーザの発振領域と前記第２のレーザの発振領域をはさんで第１の回折格子と第２の回折格子を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項２】
同一基板上に設けられた、第１の発振波長を有する第１のレーザと、第２の発振波長を有する第２のレーザを備える半導体発光素子であって、前記第１の発振波長と前記第２の発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザがいずれも分布帰還型半導体レーザであり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザが基板に対して縦方向に積層して構成され、前記第１のレーザの発振領域と前記第２のレーザの発振領域の間に回折格子を備えることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項３】
同一基板上に設けられた、第１の発振波長を有する第１のレーザと、第２の発振波長を有する第２のレーザを備える半導体発光素子であって、前記第１の発振波長と前記第２の発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザがいずれも分布帰還型半導体レーザであり、前記第１のレーザの活性層と前記第２のレーザの活性層が基板に対して同一平面上にあり、前記第１のレーザの活性領域と、前記第２のレーザの活性領域の間を隔てる距離が、２μｍ以上４００μｍ以下であり、前記第１のレーザに設けられた第１の回折格子と前記第２のレーザに設けられた第２の回折格子の周期が異なることを特徴とする半導体発光素子。
【請求項４】
基板上に設けられた、第１の発振波長を有する第１のレーザと、第２の発振波長を有する第２のレーザを備え、前記第１のレーザの活性領域と、前記第２のレーザの活性領域の間を隔てる距離が、１０ｎｍ以上４００μｍ以下であり、さらに前記第１の発振波長と前記第２の発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下である半導体発光素子と、光混合装置を備え、前記半導体発光素子から出射される第１の発振波長の光と第２の発振波長の光を前記光混合装置に入射することにより両者の差周波数に対応する電気信号あるいは電磁波を発生する発振装置。
【請求項５】
第１のレーザの活性領域と第２のレーザの活性領域の間を隔てる距離が、１００μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の半導体発光素子。
【請求項６】
第１のレーザおよび第２のレーザが基板に対して縦方向に積層して構成され、前記第１のレーザのｐｎ接合方向と前記第２のレーザのｐｎ接合方向が同一であることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項７】
第１のレーザおよび第２のレーザが単一の駆動装置により同一電流で駆動されることを特徴とする請求項１および請求項２に記載の半導体発光素子。
【請求項８】
光混合装置がフォトダイオード素子であることを特徴とする請求項４に記載の発振装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体発光素子に関し、また高周波領域で動作する発振装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
高周波領域で動作する発振装置として様々な方法がある。中でも２波長の光を混合して両者の差周波数に対応する信号を発生する手法は、連続発振動作が可能なため応用範囲が広い。
【０００３】
例えば第１の従来技術としてプローブ光とアイドラー光を利用した高周波発振装置が特許文献１に開示されている。図２は特許文献１で示された高周波信号の発振装置の構成図である。第１の波長の光としてプローブ光７と第２の波長の光としてアイドラー光８を非線形光学結晶１に入射し、差の周波数に対応する電磁波４を発生している。
【０００４】
また第２の従来技術として非特許文献１には図３の構成が示されている。２個の半導体レーザからの出射光を利用し、偏光面を調整し、さらに光増幅装置を介してフォトダイオードに入射することで差周波数の高周波信号を発生している。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−７２２６９号公報
【非特許文献１】
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  Ｖｏｌ．３７，Ｎｏ．２２（２００１），ｐ１３４８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術においては装置を小型化しようとすると出力信号の周波数安定性が損なわれる課題があった。
【０００７】
たとえば前記第１の従来技術においてはプローブ光７として波長１０６４ｎｍ（周波数約２８１，９５０ＧＨｚ）のＹＡＧレーザ光を入射し、アイドラー光８として波長１０７０．２ｎｍ（周波数約２８０，３２０ＧＨｚ）のＹｂファイバーレーザ光を入射することにより両者の差の周波数に対応する波長１８４ｎｍ（周波数約１，６３０ＧＨｚ）の電磁波信号を発生している。
【０００８】
入力光の光源としてはいずれも単色性に優れ、波長の安定した固体レーザ装置およびファイバーレーザ装置を利用しているが、これらはその躯体が大きく、小型化することが困難である。
【０００９】
これに対して前記第２の従来技術においては小型で単色性に優れたレーザ光源である分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ装置が用いられている。しかし半導体レーザには周囲の温度変化に応じてその発振波長が変化するという問題がある。通信用用途ではレーザ装置にペルチェ素子を用いた温度制御を行うこと等で波長の変動を抑制しているが、それでも０．０２５〜０．１ｎｍ程度の波長変動がある。
【００１０】
たとえば波長１５００ｎｍのＤＦＢレーザの発振波長が０．１ｎｍ変動すると、発生する電磁波は１３ＧＨｚ変動することになる。これは元のレーザ光の周波数に比較すると、わずかに１万分の１以下の変動でしかないが、１，０００ＧＨｚ程度の出力電磁波に対しては１％以上の周波数変動となる。出力信号を搬送波として通信に利用する用途を考えると、出力周波数変動は通信チャネルの占有周波数幅を拡げ、実効的な周波数利用効率を下げる問題を引き起こす。また周波数変動が大きくなることで受信側の設計が困難となる問題も生じる。
【００１１】
以上のように、従来技術により小型の装置で２波長光混合による差周波数信号発生を行おうとすると、周波数安定性の確保が難しかった。
【００１２】
本発明は前記従来技術の課題に鑑みて、周波数差が安定な２波長光を出力する新規の半導体発光素子および出力周波数が安定で小型化可能な発振装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の半導体発光素子は、同一基板上に設けられた、第１の発振波長を有する第１のレーザと、第２の発振波長を有する第２のレーザを備える半導体発光素子であって、前記第１の発振波長と前記第２の発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザがいずれも分布帰還型半導体レーザであり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザが基板に対して縦方向に積層して構成され、前記第１のレーザの発振領域と前記第２のレーザの発振領域の基板側と表面側に、前記第１のレーザの発振領域と前記第２のレーザの発振領域をはさんで第１の回折格子と第２の回折格子を備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また本発明の半導体発光素子は、同一基板上に設けられた、第１の発振波長を有する第１のレーザと、第２の発振波長を有する第２のレーザを備える半導体発光素子であって、前記第１の発振波長と前記第２の発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザがいずれも分布帰還型半導体レーザであり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザが基板に対して縦方向に積層して構成され、前記第１のレーザの発振領域と前記第２のレーザの発振領域の間に回折格子を備えることを特徴とするものである。
【００１５】
また本発明の半導体発光素子は、同一基板上に設けられた、第１の発振波長を有する第１のレーザと、第２の発振波長を有する第２のレーザを備える半導体発光素子であって、前記第１の発振波長と前記第２の発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザがいずれも分布帰還型半導体レーザであり、前記第１のレーザの活性層と前記第２のレーザの活性層が基板に対して同一平面上にあり、前記第１のレーザの活性領域と、前記第２のレーザの活性領域の間を隔てる距離が、２μｍ以上４００μｍ以下であり、前記第１のレーザに設けられた第１の回折格子と前記第２のレーザに設けられた第２の回折格子の周期が異なることを特徴とするものである。
【００１６】
また本発明の発振装置は、基板上に設けられた、第１の発振波長を有する第１のレーザと、第２の発振波長を有する第２のレーザを備え、前記第１のレーザの活性領域と、前記第２のレーザの活性領域の間を隔てる距離が、１０ｎｍ以上４００μｍ以下であり、さらに前記第１の発振波長と前記第２の発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下である半導体発光素子と、光混合装置を備え、前記半導体発光素子から出射される第１の発振波長の光と第２の発振波長の光を前記光混合装置に入射することにより両者の差周波数に対応する電気信号あるいは電磁波を発生することを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
前述のように本発明は、周波数差が安定な２波長光を出力する新規の半導体発光素子および出力周波数が安定で小型化可能な発振装置を提供する。
【００１８】
本発明の半導体発光素子を構成する半導体としては、ＧａＡｓ，  ＡｌＡｓ，  ＩｎＡｓ，  ＧａＰ，ＡｌＰ，  ＩｎＰ，  ＧａＮ，  ＡｌＮ，  ＩｎＮ等の３−５族化合物半導体材料、ＡｌＧａＡｓ，  ＧａＩｎＰ，  ＡｌＧａＩｎＰ，  ＩｎＧａＡｓＰ，  ＡｌＧａＮ，  ＩｎＧａＮ等の３元混晶材料、および４元混晶材料を用いることができる。
【００１９】
また本発明の半導体発光素子の基板として、上記化合物半導体により構成された半導体基板を用いることができる。
【００２０】
以下、具体的な例をあげて説明する。
【００２１】
（第１の実施形態）
図１に第１の実施形態に係るｐｎｐｎ型の半導体発光素子の構造を示す。本素子は、異なる発振波長を有する２個のＤＦＢレーザを縦方向（基板に対して垂直方向）に積層した構造を有する。ｎ型ＩｎＰ半導体基板１０１上に設けられた電流注入領域１０２は、第１のレーザの活性領域（活性層）１０３および第２のレーザの活性領域（活性層）１０４を備える。半導体基板１０１の裏面には下部電極としてｎ型電極１１１が設けられており、電流注入領域１０２の上部には第１の上部電極としてｐ型電極１０９が設けられている。
【００２２】
また第１のレーザの活性領域１０３と第２のレーザの活性領域１０４の間には第１のｐ型コンタクト層１０５およびｎ型コンタクト層１０６が設けられており、両者は第２の上部電極１１０と電気的に接触している。すなわち第２の上部電極１１０は下部のレーザに対してはｐ型電極として機能し、上部のレーザに対してはｎ型電極として機能する。
【００２３】
電流注入領域１０２の周囲には、第１のｐ型コンタクト層１０５およびｎ型コンタクト層１０６の下部では第１の電流狭窄層（絶縁層）１０７が設けられており、上部には第２の電球狭窄層（絶縁層）１０８が設けられている。本実施の形態では電流狭窄層はいずれも鉄（Ｆｅ）を不純物として添加した半絶縁性半導体層を用いている。電流狭窄層（絶縁層）としては半絶縁性半導体層に換えて、ｐ型半導体層とｎ型半導体層を積層した構造とし、逆バイアスｐｎ接合に発生する空乏層を利用することもできる。
【００２４】
図１の素子の電流注入領域１０２における半導体層の詳細な構成を、切断面１１２における断面図として図４に示す。
【００２５】
ｎ型ＩｎＰからなる半導体基板１０１上には、第１の回折格子１１３、第１のｎ型導波路層１１４、第１の活性領域（活性層）１０３、第１のｐ型導波路層１１５、第１のｐ型コンタクト層１０５、ｎ型コンタクト層１０６、第２のｎ型導波路層１１６、第２の活性領域（活性層）１０４、第２のｐ型導波路層１１７、第２の回折格子１１８、第２のｐ型コンタクト層１１９、そして第１の上部電極１０９が設けられている。第１の回折格子１１３と第２の回折格子１１８が第１の活性層１０３と第２の活性層１０４を挟んで配置される構成により、両者の発振波長を独立に制御することができ、またその精度が高い。
【００２６】
本実施の形態では、上記導波路層１１４・１１５・１１６・１１７および活性層１０３・１０４は、いずれもＩｎＧａＡｓＰ四元混晶により構成され、ｎ型およびｐ型コンタクト層１０５・１０６としてはＩｎＧａＡｓ混晶が用いられている。ここで第１のｐ型導波路層１１５と、第２のｎ型導波路層１１６の膜厚はいずれも５０ｎｍであり、第１の活性領域１０３と第２の活性領域１０４の間の距離は、２００ｎｍとなっている。
【００２７】
第１および第２の活性領域（活性層）１０３・１０４はいずれも多量子井戸層により構成され、第１の活性層１０３の発光波長が１５４８．２ｎｍであるのに対し、第２の活性層１０４の発光波長は１５５９．０ｎｍであり、両者のエネルギー差は５．５４ｍｅＶである。本発明の構成としては、第１のレーザと第２のレーザの発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であることにより、３０ＧＨｚから３０，０００ＧＨｚの高周波領域において電磁波信号を発生できるので用途が広く好ましい。
【００２８】
第１および第２の回折格子１１３・１１８は、屈折率回折格子、利得回折格子、あるいはその両者が同時に存在した構造のいずれでも良い。本実施の形態では共振器中央部付近の位相シフト領域を介して右側と左側の回折格子の位相が４分の１波長分シフトした構造を用いている。
【００２９】
本実施の形態による半導体発光素子は、第１の上部電極１０９と第２の上部電極１１０の間および第２の上部電極１１０と下部電極１１４の間に同時に電流を流すことによって、波長１５４８．２ｎｍと波長１５５９．０ｎｍの光を同時に放射し、両者を光混合することにより、周波数１３４２ＧＨｚの高周波信号を発生できる。従来技術の構成と異なり、２波長の光出力が同一の出射面の近接した領域から放出され、また両者の偏波面が揃っていることから、単一の光路を使用した簡単な構成で光混合が可能となり、またさらに偏波面の調整が不要となる。
【００３０】
また２個の活性領域が同一基板上の近接した領域にあることから熱的に結合しており、周囲の温度が変化しても両者の間の温度差はほとんどない。したがって周囲の温度が変化して素子の実効屈折率が変化し、レーザ共振器の光路長が変化しても２つの発振波長が同時に変化するので、光混合した結果としての高周波信号の周波数変動は両者の変化が相殺されて安定したものとなる。たとえば第１の発振波長が０．１ｎｍ増加するときは、第２の発振波長も同時に０．１ｎｍ増加するので、それぞれの光のエネルギーとしては１３ＧＨｚ変化するが、光混合後の高周波信号は１７０ＭＨｚしか変化しない。すなわち出力周波数変動は、従来技術に比較してほぼ百分の一程度に安定化できる。
【００３１】
ここで、第１の活性領域１０３と第２の活性領域１０４を近づけすぎると両者の光が結合してしまい、互いに独立した波長で安定して発振できない。一方両者が離れすぎると熱的結合が弱まり、外乱の影響を受けやすくなってしまう。本発明の構成では第１の活性領域１０３と第２の活性領域１０４の間の距離は、１００ｎｍ以上はなれていることにより共振器内で両者の光が独立した発振モードが保てるので好ましい。また４μｍ以下であることにより両者が熱的に結合して出力周波数差の変動が抑制されるので好ましい。
【００３２】
以上のように本発明の構成を用いることによって、従来になく周波数差が安定な２波長光を出力する半導体発光素子を提供できる。
【００３３】
なお本実施の形態ではｐｎｐｎ型の伝導形構成（第１のレーザのｐｎ接合方向と第２のレーザのｐｎ接合方向が同一）を有するので、第１の上部電極１０９から下部電極１１１へ流す電流を変化させることで第１の活性領域１０３からの発光と第２の活性領域１０４からの発光を互いに同位相で変調できる。また第１の上部電極１０９から下部電極１１１へ流す電流を一定とし、第２の上部電極１１０の電圧または電流を変化させることにより、第１の活性領域からの発光と第２の活性領域からの発光を互いに逆位相で変調できる。なお本実施の形態ではｐｎｐｎ型の伝導形を有する素子を示したが、ｎ型とｐ型を反転したｎｐｎｐ型の素子でも同様の効果がある。
【００３４】
また、第１の実施形態の１変形例として第１のレーザの上部層（第１のｐ型コンタクト層１０５）と第２のレーザの下部層（ｎ型コンタクト層１０６）の不純物濃度を十分高めることで両者の間をバンド間トンネル電流が流れるようにし、第２の上部電極１１０を省略することもできる。素子構造は図５に示すように、第１の絶縁層１０７と第２の絶縁層１０８がつながって一体となる。素子は通常の埋め込み型レーザと同様に２端子型となり、２つの活性領域１０３・１０４の発光を独立に制御することはできないが、作製プロセスを簡略化できる。また第１の上部電極１０９から下部電極１１１へ流す電流を変化させることで両者の発光強度を同位相で変化させることができる。
【００３５】
なお第１の実施形態で下部のレーザの伝導形のみをｐｎ型から反転させたｎｐ型とし、後述する第２の実施形態同様、全体としてｐｎｐ型の伝導形構成とすることもできる。この構成では第１のｐ型コンタクト層１０５の作成を省略できるので、素子作製を容易にできる。同様に上部のレーザの伝導形のみをｐｎ型から反転させたｎｐ型とし、全体としてｎｐｎ型の伝導形構成とすることでも同じ効果が得られる。
【００３６】
また第１の実施の形態ではＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ材料系による半導体レーザを例として示したが、ＧａＡｓ基板等、他の半導体基板を用いたり、ＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ等、他の材料系を用いたりレーザを用いることもできる。
【００３７】
この他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００３８】
（第２の実施形態）
図６に第２の実施形態に係るｐｎｐ型の半導体発光素子の構造を示す。本素子も第１の実施形態同様、異なる発振波長を有する２個のＤＦＢレーザを縦方向（基板に対して垂直方向）に積層した構造を有する。ｐ型ＩｎＰ半導体基板２０１上に設けられた電流注入領域２０２は、第１のレーザの活性領域（活性層）２０３および第２のレーザの活性領域（活性層）２０４を備える。半導体基板２０１の裏面には下部電極としてｐ型電極２１０が設けられており、電流注入領域２０２の上部には第１の上部電極としてｐ型電極２０８が設けられている。
【００３９】
また第１のレーザの活性領域２０３と第２のレーザの活性領域２０４の間にはｎ型導波路層２０５が設けられており、その一部は第２の上部電極であるｎ型電極２１０と電気的に接触している。本実施の形態では第２の上部電極２１０は下部のレーザに対しても上部のレーザに対しても同様にｎ型電極として機能する。
【００４０】
電流注入領域２０２の周囲には、第１の電流狭窄層（絶縁層）２０６と第２の電球狭窄層（絶縁層）２０７が設けられている。本実施の形態では電流狭窄層２０６・２０７はいずれも鉄（Ｆｅ）を不純物として添加した半絶縁性半導体層を用いている。電流狭窄層（絶縁層）２０６・２０７としては半絶縁性半導体層に換えて、ｐ型半導体層とｎ型半導体層を積層した構造とし、逆バイアスｐｎ接合に発生する空乏層を利用することもできる。
【００４１】
図６の素子の電流注入領域２０２における半導体層の詳細な構成を、切断面２１１における断面図として図７に示す。
【００４２】
ｐ型ＩｎＰからなる半導体基板２０１上には、第１のｐ型導波路層２１２、第１の活性領域（活性層）２０３、ｎ型導波路層２０５、第２の活性領域（活性層）２０４、第２のｐ型導波路層２１４、ｐ型コンタクト層２１４、そして上部ｐ型電極２０８が設けられている。またｎ型導波路層２０５は、その内部に回折格子２１３を備えている。回折格子２１３が第１の活性層１０３と第２の活性層１０４の間に挟まれて配置される構成により、回折格子２１３を作製する工程が１回で済むため、第１の実施形態に比較して素子作製が容易となる。ここで第１の活性層２０３と第２の活性層２０４の間で、活性層の組成、膜厚（量子井戸構造においては井戸層幅あるいは障壁層幅）、活性層２０３・２０４と回折格子２１３との間の距離、活性層２０３・２０４周囲の導波層組成のいずれかが異なる構成とすることにより、両者の実効屈折率を変えることができ、発振波長は異なったものとなる。すなわち本発明の構成を用いれば同一の回折格子２１３を用いても、２つの異なる波長の出射光を得ることができる。なお、図６に示されるようにｎ型導波路層２０５の一部は横方向に広がり第２の上部電極２０９に接触しているが、この領域は回折格子２１３の上部、下部あるいは回折格子を含む領域のいずれも用いても良い。
【００４３】
本実施の形態では、上記導波路層２０５・２１２・２１４および活性層２０３・２０４は、いずれもＩｎＧａＡｓＰ四元混晶により構成され、ｐ型コンタクト層２１４としてはＩｎＧａＡｓ混晶が用いられている。ここで第１のｐ型導波路層２１４と、第２のｎ型導波路層２０５の膜厚はいずれも５０ｎｍであり、第１の活性領域２０３と第２の活性領域２０４の間の距離は、２００ｎｍとなっている。
【００４４】
第１および第２の活性領域（活性層）２０３・２０４はいずれも多量子井戸層により構成され、第１の活性層２０３の発光波長が１５２７．３ｎｍであるのに対し、第２の活性層２０４の発光波長は１５５０．２ｎｍであり、両者のエネルギー差は１２．０ｍｅＶである。本発明の構成としては、第１のレーザと第２のレーザの発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であることにより、３０ＧＨｚから３０，０００ＧＨｚの高周波領域において電磁波信号を発生できるので用途が広く好ましい。
【００４５】
回折格子２１３は、屈折率回折格子、利得回折格子、あるいはその両者が同時に存在した構造のいずれでも良い。本実施の形態では共振器中央部付近の位相シフト領域を介して右側と左側の回折格子の位相が４分の１波長分シフトした構造を用いている。
【００４６】
本実施の形態による半導体発光素子は、第１の上部電極２０８と第２の上部電極２０９の間および第２の上部電極２０９と下部電極２１０の間に同時に電流を流すことによって２波長の光を同時に放射するので、両者を光混合することにより、周波数２９０２ＧＨｚの高周波信号を発生できる。第１の実施形態と同様、従来技術と異なり、２波長の光出力が同一の出射面の近接した領域から放出され、両者の偏波面が揃っている利点がある。また２個の活性領域が熱的に結合しており、光混合した高周波信号の周波数変動が安定化される利点もある。
【００４７】
ここで、第１の活性領域２０３と第２の活性領域２０４を近づけすぎると両者の光が結合してしまい、互いに独立した波長で安定して発振できない。一方両者が離れすぎると熱的結合が弱まり、外乱の影響を受けやすくなってしまう。本発明の構成では第１の活性領域と第２の活性領域の間の距離は、１００ｎｍ以上はなれていることにより共振器内で両者の光が独立した発振モードが保てるので好ましい。また４μｍ以下であることにより両者が熱的に結合して出力周波数差の変動が抑制されるので好ましい。
【００４８】
以上のように本発明の構成を用いることによって、従来になく周波数差が安定な２波長光を出力する半導体発光素子を提供できる。
【００４９】
なお本実施の形態ではｐｎｐ型の伝導形構成を有するので、第２の上部電極を流れる電流を一定とし、第１の上部電極あるいは下部電極の電圧または電流を変化させることにより、第１の活性領域からの発光と第２の活性領域からの発光を互いに逆位相で変調できる。なお本実施の形態ではｐｎｐ型の伝導形を有する素子を示したが、ｎ型とｐ型を反転したｎｐｎ型の素子でも同様の効果がある。
【００５０】
なお本実施の形態で示されるような、回折格子が２つの活性領域に挟まれる構成でも、第１の実施形態（図１）と同様ｐｎｐｎ型あるいはｎｐｎｐ型の構成（第１のレーザのｐｎ接合方向と第２のレーザのｐｎ接合方向が同一）とすることもできる。この場合は第１の実施形態と同様、第１の上部電極２０８から下部電極２１０へ流す電流を変化させることで第１の活性領域２０３からの発光と第２の活性領域２０４からの発光を互いに同位相で変調できる。
【００５１】
また第１の上部電極２０８から下部電極２１０へ流す電流を一定とし、第２の上部電極２０８の電圧または電流を変化させることにより、第１の活性領域２０３からの発光と第２の活性領域２０４からの発光を互いに逆位相で変調できる。さらに、第１の実施形態の１変形例（図５）と同様、第１のレーザの上部層と第２のレーザの下部層の不純物濃度を十分高めることで両者の間をバンド間トンネル電流が流れるようにし、第２の上部電極を省略することもできる。
【００５２】
この他、第１の実施形態と同様、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００５３】
（第３の実施形態）
図８に第３の実施形態に係る半導体発光素子の構造を示す。本素子は、異なる発振波長を有する２個のＤＦＢレーザを横方向（基板に対して水平方向）に集積した構造を有する。ｎ型ＩｎＰ半導体基板３０１上には第１の電流注入領域３０２と第２の電流注入領域３０３が設けられている。第１の電流注入領域３０２は、第１の回折格子３０４、第１のｎ型導波路層３０５、第１のレーザの活性領域（活性層）３０６、第１のｐ型導波路層３０７を備える。また同様に第２の電流注入領域３０３は、第２の回折格子３０８、第２のｎ型導波路層３０９、第２のレーザの活性領域（活性層）３１０、第２のｐ型導波路層３１１を備える。ここで第１のレーザの活性領域（活性層）３０６と第２のレーザの活性領域（活性層）３１０は同一のエピタキシャル成長層から形成されており、基板に対して同一平面上にある。同様に第１のｎ型導波路層３０５と第２のｎ型導波路層３０９、第１のｐ型導波路層３０７と第２のｐ型導波路層３１１も同一のエピタキシャル成長層から形成されており、基板に対して同一平面上にある。
【００５４】
第１の回折格子３０４の格子周期と第２の回折格子３０８の格子周期が異なることにより、同一組成で同一膜厚を有する２個の活性領域で異なる波長でレーザ発振する。なお、本実施の形態では本発明の構成では第１の活性領域と第２の活性領域の間の距離３１６を３μｍとしている。
【００５５】
ここで、第１の活性領域３０６と第２の活性領域３１０を近づけすぎると両者の光が結合してしまい、互いに独立した波長で安定して発振できない。一方両者が離れすぎると熱的結合が弱まり、外乱の影響を受けやすくなってしまう。本発明の構成では第１の活性領域３０６と第２の活性領域３１０の間の距離は、基板横方向２μｍ以上はなれていることにより共振器内で両者の光が独立した発振モードが保てるので好ましい。また４００μｍ以下であることにより両者が熱的に結合して出力周波数差の変動が抑制されるので好ましい。特に両者の距離が１００μｍ未満であることによりさらに熱的結合が強くなり、光出射領域が近づくので好ましい。距離が１００μｍ未満であることにより、たとえば光ファイバーを介して接続する際にも２本のファイバーを使用することなく、両方の出射光を単一の多モード光ファイバーに対して結合できる。この結果、光混合時にファイバカップラーや偏光調整装置を使用する必要がない。また両者の光出力を光学レンズ等で直接フォトダイオード等に結合する際にも、集光点の位置ズレを小さくできるので効率のよい光混合が可能となる。
【００５６】
第１の電流注入領域３０２の上部には第１の上部電極としてｐ型電極３１３があり、また第２の電流注入領域３０３の上部には第２の上部電極としてｐ型電極３１４がある。また基板裏面には下部電極としてｎ型電極３１５が設けられている。なお図示されていないが第１および第２の上部電極と第１および第２のｐ型導波路層の間には、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層が設けられている。
【００５７】
電流注入領域３０２および３０３の周囲には、電流狭窄層（絶縁層）３１２が設けられている。本実施の形態では電流狭窄層はいずれも鉄（Ｆｅ）を不純物として添加した半絶縁性半導体層を用いているが、ｐ型半導体層とｎ型半導体層を積層した構造とし、逆バイアスｐｎ接合に発生する空乏層を利用することもできる。
【００５８】
本実施の形態では、上記導波路層３０５・３０７・３０９・３１１および活性層３０６・３１０は、いずれもＩｎＧａＡｓＰ四元混晶により構成され、ｐ型コンタクト層としてはＩｎＧａＡｓ混晶が用いられている。第１および第２の活性領域（活性層）３０６・３１０はいずれも多量子井戸層により構成され、第１の活性層３０６の発光波長と第２の活性層３１０の発光波長はいずれも１．５μｍ帯にあり、両者のエネルギー差は約２０ｍｅＶである。本発明の構成としては、第１のレーザと第２のレーザの発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であることにより、３０ＧＨｚから３０，０００ＧＨｚの高周波領域において電磁波信号を発生できるので用途が広く好ましい。
【００５９】
第１および第２の回折格子３０４・３０８は、屈折率回折格子、利得回折格子、あるいはその両者が同時に存在した構造のいずれでも良い。
【００６０】
本実施の形態による半導体発光素子は、第１の上部電極３１３と下部電極３１５の間、および第２の上部電極３１４と下部電極３１５の間に同時に電流を流すことによって２波長の光を同時に放射するので、両者を光混合することにより、周波数２９０２ＧＨｚの高周波信号を発生できる。第１の実施形態や第２の実施形態と同様、従来技術と異なり、２波長の光出力が同一の出射面の近接した領域から放出され、両者の偏波面が揃っている利点がある。また２個の活性領域が熱的に結合していることにより、光混合した高周波信号の周波数変動が安定化される。
【００６１】
以上のように本発明の構成を用いることによって、従来になく周波数差が安定な２波長光を出力する半導体発光素子を提供できる。
【００６２】
なお本実施の形態では、第１の実施形態や第２の実施形態に比較すると２波長光の放射領域間の距離は離れ、熱的結合も弱くなるが、レーザ構造のエピタキシャル成長が単純化されるので素子作製が容易となる。
【００６３】
また本実施の形態でも下部電極３１５を流れる電流を一定とし、第１の上部電極３１３あるいは第２の上部電極３１４の電圧または電流を変化させることにより、第１の活性領域３０６からの発光と第２の活性領域３１０からの発光を互いに逆位相で変調できる。なお本実施の形態ではｐｎ型の伝導形を有する素子を示したが、ｎ型とｐ型を反転したｎｐ型の素子でも同様の効果がある。
【００６４】
この他、第１の実施形態、第２の実施形態と同様、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００６５】
（第４の実施形態）
図９に第４の実施形態に係る発振装置の構成を示す。発振装置４０１は、２波長の光を出射する半導体発光素子４０２と、光混合装置４０３と、半導体発光装置から出射される光を光混合装置４０３に結合する光学要素４０４と、半導体発光装置４０２を駆動する第１の駆動装置４０５および第２の駆動装置４０６と、光混合装置４０３にバイアス電圧を供給する直流電源４０７を備えている。
【００６６】
半導体発光素子４０２は、基板上に設けられた、第１の発振波長を有する第１のレーザと、第２の発振波長を有する第２のレーザを備えている。
【００６７】
ここで、第１のレーザの活性領域と第２のレーザの活性領域を近づけすぎると両者の光が結合してしまい、互いに独立した波長で安定して発振できない。一方両者が離れすぎると熱的結合が弱まり、外乱の影響を受けやすくなってしまう。本発明の構成では第１の活性領域と第２の活性領域の間の距離が、１０ｎｍ以上はなれていることにより共振器内で両者の光が独立した発振モードが保てる。また４００μｍ以下であることにより両者が熱的に結合して周囲温度等による変動を相殺され、出力周波数差のが安定化される。
【００６８】
特に両者の距離が１００μｍ未満であることによりさらに熱的結合が強くなり、光出射領域が近づくので好ましい。また距離が１００μｍ未満であることにより、たとえば光ファイバーを介して接続する際にも２本のファイバーを使用することなく、両方の出射光を単一の多モード光ファイバーに対して結合できる効果もある。この結果、光混合時にファイバカップラーや偏光調整装置を使用する必要がない。また両者の光出力を光学レンズ等で直接フォトダイオード等に結合する際にも、集光点の位置ズレを小さくできるので効率のよい光混合が可能となる。
【００６９】
また２個のレーザの出射光のエネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であることで、３０ＧＨｚから３０，０００ＧＨｚの高周波領域において電磁波信号を発生できるので用途が広く好ましい。
【００７０】
なお半導体発光素子４０２の具体的な構成としては、たとえば第１の実施形態から第３の実施形態に示されるものを利用できる。
【００７１】
光混合装置４０３としては、フォトダイオード素子、光パラメトリック発振装置、光導電素子等を用いることができる。ただし本発明では光源として半導体発光素子を用いることで発振装置が小型化され、消費電力も低減される効果があるのに対し、光混合装置が大型であったり高消費電力であったりする場合はその効果が減じられる。光混合素子としては特にフォトダイオード素子（ＵＴＣ（Ｕｎｉ−Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ−Ｃａｒｒｉｅｒ）−ＰＤ素子あるいはＭＳＭ素子）をもちいることにより、本発明の効果を享受でき好ましい。
【００７２】
光学要素４０４としては光ファイバーあるいは光学レンズのいずれかを用いることができる。
【００７３】
第１の駆動装置４０５は半導体発光装置４０１の第１のレーザを駆動し、第２の駆動装置４０６は半導体発光装置４０１の第２のレーザを駆動する。第１および第２のレーザはいずれもＤＦＢ型半導体レーザで構成されるが、その発光波長はわずかに異なり、本実施の形態では約１０ｍｅＶのエネルギー差を有する。２波長の光が含まれる出射光４０８は単一の光学要素としてたとえば微小光学レンズ４０４により光混合素子としてたとえばアンテナが集積されたＵＴＣ−ＰＤ素子４０３の受光部に集光される。ここで本実施の形態では２個のレーザの活性領域の間を隔てる距離が３００ｎｍと小さいので、２波長の光はほぼ同一の位置にスポットを形成する。また２波長の出射光の偏光方向がほぼ一致しているので、偏光方向を調整する必要はない。フォトダイオード４０３は直流電源４０７により逆バイアスされ、２波長光の差周波数に対応する２４２０ＧＨｚの高周波信号４０９が発生する。本実施の形態ではフォトダイオード４０３にアンテナを集積されていることにより高周波信号４０９は電磁波として直接空間中に放出される。
【００７４】
本実施の形態においても第１の実施形態と同様、２個のレーザの活性領域が熱的に結合し、周囲温度の変動に対して同一の挙動を取ることによりその影響が相殺され、出力される高周波信号４０９の周波数は安定化される。
【００７５】
第４の実施形態１変形例として単一の駆動装置を用いて半導体発光素子を駆動することもできる。たとえば半導体発光素子として第１の実施形態あるいは第１の実施形態の１変形例に示されるような、縦方向に積層されたｐｎｐｎ型の素子を用い、第１の上部電極と下部電極の間の電流のみを制御することで単一の駆動装置により２個のレーザを駆動できる。通常レーザ素子の駆動電流が変化すると、レーザの発振波長が変動するので、駆動電流の揺らぎが出力信号の周波数を変動させてしまう。しかし本変形例では駆動電流が変化しても第１のレーザと第２のレーザの両方の注入電流が同時に変化するので、温度変動の場合と同様両者の影響が相殺して安定化される効果がある。
【００７６】
以上のように本発明の構成を用いることによって、従来になく小型で周波数が安定な、高周波領域で動作する発振装置を提供できる。
【００７７】
なお本実施の形態では光学要素として光学レンズを用いているが、この他光ファイバーを用いることもできる。
【００７８】
この他、第１から第３の実施形態と同様、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明した通り本発明の半導体発光素子は、同一基板上に設けられた、第１の発振波長を有する第１のレーザと、第２の発振波長を有する第２のレーザを備える半導体発光素子であって、前記第１の発振波長と前記第２の発振波長の光エネルギー差が０．１ｍｅＶ以上２００ｍｅＶ以下であり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザがいずれも分布帰還型半導体レーザであり、前記第１のレーザおよび前記第２のレーザが基板に対して縦方向に積層して構成され、前記第１のレーザの発振領域と前記第２のレーザの発振領域の基板側と表面側に、前記第１のレーザの発振領域と前記第２のレーザの発振領域をはさんで第１の回折格子と第２の回折格子を備えるという構成により、周波数差が安定な２波長光を出力する新規の半導体発光素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る半導体発光素子の構造図
【図２】第１の従来技術に係る電磁波発生装置の構成図
【図３】第２の従来技術に係る電磁波発生装置の構成図
【図４】第１の実施形態に係る半導体発光素子の断面構造図
【図５】第１の実施形態の１変形例に係る半導体発光素子の構造図
【図６】第２の実施形態に係る半導体発光素子の構造図
【図７】第２の実施形態に係る半導体発光素子の断面構造図
【図８】第３の実施形態に係る半導体発光素子の構造図
【図９】第４の実施形態に係る発振装置の構成図
【符号の説明】
１０１  ｎ型基板
１０２  電流注入領域
１０３  第１の活性領域（活性層）
１０４  第２の活性領域（活性層）
１０５  第１のｐ型コンタクト層
１０６  ｎ型コンタクト層
１０７  第１の電流狭窄領域（絶縁層）
１０８  第２の電流狭窄領域（絶縁層）
１０９  第１の上部電極
１１０  第２の上部電極
１１１  下部電極
１１２  切断面
１１３  第１の回折格子
１１４  第１のｎ型導波路層
１１５  第１のｐ型導波路層
１１６  第２のｎ型導波路層
１１７  第２のｐ型導波路層
１１８  第２の回折格子
１１９  第２のｐ型コンタクト層
２０１  ｐ型基板
２０２  電流注入領域
２０３  第１の活性領域（活性層）
２０４  第２の活性領域（活性層）
２０５  ｎ型導波路層
２０６  第１の電流狭窄領域（絶縁層）
２０７  第２の電流狭窄領域（絶縁層）
２０８  第１の上部電極
２０９  第２の上部電極
２１０  下部電極
２１１  切断面
２１２  第１のｐ型導波路層
２１３  回折格子
２１４  第２のｐ型導波路層
２１５  ｐ型コンタクト層
３０１  ｎ型基板
３０２  第１の電流注入領域
３０３  第２の電流注入領域
３０４  第１の回折格子
３０５  第１のｎ型導波路層
３０６  第１の活性領域（活性層）
３０７  第１のｐ型導波路層
３０８  第２の回折格子
３０９  第２のｎ型導波路層
３１０  第２の活性領域（活性層）
３１１  第２のｐ型導波路層
３１２  電流狭窄領域（絶縁層）
３１３  第１の上部電極
３１４  第２の上部電極
３１５  下部電極
４０１  発振装置
４０２  半導体発光装置
４０３  光混合装置
４０４  光学要素
４０５  第１の駆動装置
４０６  第２の駆動装置
４０７  直流電源
４０８  ２波長光
４０９  高周波信号
【図１】
2004186301.tif 000003
【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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