(57)【要約】【課題】周囲温度が上昇した場合にもしきい値電流の温度変化を抑制できる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２０は、活性層６と、該活性層を挟む２つのクラッド層３、１０とを含む積層構造体と、発振されるレーザ光の光軸方向について該積層構造体の相対する２つの端面部の少なくとも一方の端面部に光軸方向を法線方向として積層された多層反射膜３０とを備え、前記反射膜は、前記積層構造体の実効屈折率の平方根より大きい屈折率を有する第１反射膜２１と、小さい屈折率を有する第２反射膜２２とのそれぞれ一層以上が積層されており、前記反射膜は、２５℃での発振波長より１０ｎｍ以上短い波長で反射率の極小値を有し、極小値の波長から前記発振波長までの波長範囲において、反射率は波長の増加に依存して増加する。【選択図】　　　　図１
2004111622.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層と、前記活性層を挟む２つのクラッド層を含む積層構造体と、
前記活性層及び前記クラッド層に平行に発振されるレーザ光の光軸方向について前記積層構造体の相対する２つの端面部のうち、少なくとも一方の端面部に光軸方向を法線方向として積層された多層反射膜と
を備えた半導体レーザ素子であって、
前記多層反射膜は、前記積層構造体の実効屈折率の平方根より大きい屈折率を有する第１反射膜と、前記実効屈折率の平方根より小さい屈折率を有する第２反射膜とのそれぞれ一層以上が積層されて構成されており、
前記多層反射膜は、前記半導体レーザ素子の２５℃での発振波長より１０ｎｍ以上短い波長において反射率の極小値を有し、前記極小値の波長から前記発振波長までの波長範囲において、前記多層反射膜の反射率は波長の増大に依存して増加することを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記多層反射膜は、前記発振波長よりも１０ｎｍ短い波長において、反射率が１％以下であ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】
前記多層反射膜は、前記第１反射膜と、前記第２反射膜とが、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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理用の光源、光通信の信号源、あるいはファイバアンプの励起光源として用いられる半導体レーザ素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子は、光情報処理、光通信、ファイバアンプ等、多岐にわたる用途に用いられている。この半導体レーザ素子は、注入電流が所定のしきい値電流を越えた場合に損失と利得とが一致する発振条件を満足し、レーザ発振を生じ、レーザ光が照射される。
【０００３】
従来、半導体レーザ素子における注入電流の温度変化についての研究が知られている（Ｍｉｃｈａｅｌ　Ｃｈｏｙ　ｅｔ．　ａｌ．，　”Ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｉｓｏｌａｔｏｒ−ｆｒｅｅ　１３１０ｎｍｐｈｏｔｏｎｉｃ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｅｍｉｔｔｅｒ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ａｔ　２．５　Ｇｂ／ｓ　ｏｖｅｒ　１５ｋｍ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”，　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｘｈｉｂｉｔ　（ＯＦＣ２０００２），　Ａｎａｈｅｉｍ，　Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，　Ｕ．Ｓ．Ａ．，　Ｎｏ．　ＴｈＧＧ７７，　ｐｐ７１９−７２１，　Ｍａｒｃｈ　２００２）。上記研究によれば、半導体レーザのしきい値電流Ｉｔｈは、下記式（１）
【数１】
Ｉｔｈ∝ｅｘｐ（Ｔ／Ｔ０）　　　（１）
で表されるように温度上昇に伴って変化する。ここで、Ｔは活性層の温度（Ｋ）であり、Ｔ０は温度依存性の目安となる特性温度であり、通常、４５〜６０Ｋとされている。このため、図１５に示すように、周囲温度が０℃（２７３．１５Ｋ）から８５℃まで昇温されるに従って、しきい値電流Ｉｔｈは約１２ｍＡから約３０ｍＡ程度まで増加している。これは温度上昇に伴って発光効率が低下することに起因する現象である。
【０００４】
なお、従来、波長の増加とともに減少する損失を有し、最大動作温度に対応するレーザ光波長を中心とするピーク反射率を有する半導体レーザ素子がある（例えば、特許文献１参照）。また、端面において波長と共に大きくなる反射率を有する半導体レーザがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−８５４０３号公報
【特許文献２】
特開平７−７４４２７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザ素子には、上述の通り、周囲温度が上昇するに伴ってしきい値電流が大幅に増加するという問題がある。そのため、従来はペルティエ素子等によって冷却を行っていたが、高価なために半導体レーザ素子を含めた全体のコストアップが避けられなかった。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、周囲温度が上昇した場合にもしきい値電流の温度変化を抑制できる半導体レーザ素子を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザ素子は、活性層と、前記活性層を挟む２つのクラッド層とを含む積層構造体と、
前記活性層及び前記クラッド層に平行に発振されるレーザ光の光軸方向について前記積層構造体の相対する２つの端面部のうち、少なくとも一方の端面部に光軸方向を法線方向として積層された多層反射膜と
を備えた半導体レーザ素子であって、
前記多層反射膜は、前記積層構造体の実効屈折率の平方根より大きい屈折率を有する第１反射膜と、前記実効屈折率の平方根より小さい屈折率を有する第２反射膜とのそれぞれ一層以上が積層されて構成されており、
前記多層反射膜は、前記半導体レーザ素子の２５℃での発振波長より１０ｎｍ以上短い波長において反射率の極小値を有し、前記極小値の波長から前記発振波長までの波長範囲において、前記多層反射膜の反射率は波長の増大に依存して増加することを特徴とする。
【０００９】
また、前記多層反射膜は、前記発振波長よりも１０ｎｍ短い波長において、反射率が１％以下であることが好ましい。
【００１０】
さらに、前記多層反射膜は、前記第１反射膜と、前記第２反射膜とが、交互に積層されていることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において実質的に同一の部材には同一の符号を付している。
【００１２】
実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子について、図１から図５を用いて説明する。図１は、レーザ光の光軸方向をｚ軸方向とした場合において、半導体レーザ素子の光軸方向に垂直なｘ−ｙ面の断面構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子２０は、リッジ導波路型半導体レーザ素子であって、量子井戸活性層６ａ、６ｂと、該活性層６ａ、６ｂを挟む２枚のクラッド層３、１０とからなる導波層を備えた積層構造体を有する。この積層構造体は、積層方向について、順に、ｎ側電極１、ｎ−ＧａＡｓ基板２、ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層３、ｎ側アンドープＡｌＧａＡｓガイド層４、ｎ側アンドープＧａＡｓガイド層５、アンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層６ａ、アンドープＧａＡｓバリア層７、アンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層６ｂ、ｐ側アンドープＧａＡｓガイド層８、ｐ側アンドープＡｌＧａＡｓガイド層９、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層１０、ｐ−ＧａＡｓキャップ層１１、Ｓｉ３Ｎ４絶縁層１２及びｐ側電極１３が順に積層されている。さらに、絶縁層１２には、凸部形状のリッジ領域１５の頂部で開口が設けられ、キャップ層１１とｐ側電極１３とが電気的に接続されている。また、ｐ側電極１３には金線１４が接続され、外部との電気的接続が行われる。このようにＳｉ３Ｎ４絶縁層１２に開口を設けることによって電流を閉じ込めることができる。
【００１３】
さらに、この半導体レーザ素子２０では、リッジ領域１５が光軸方向に延在して設けられており、該リッジ領域１５を挟んで２列の低屈折率領域１６が光軸方向に延在して設けられている。さらに、該リッジ領域１５と２列の低屈折率領域１６とを挟んで２列の高屈折率領域１７が光軸方向に延在して設けられている。この半導体レーザ素子２０は、リッジ領域１５の外側に低屈折率領域１６を設けているので、リッジ領域１５にレーザ光を効率的に閉じ込めることができる。
【００１４】
また、図２は、この半導体レーザ素子２０の上記積層構造体の端面部に設けられた多層反射膜３０の構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子２０では、２枚の上下クラッド層及び該クラッド層に挟まれた活性層とを含む導波層（実効屈折率ｎｃ＝３．３７）の端面に光軸方向のｚ軸を法線方向として多層反射層が積層されている。この多層反射層３０は、導波層の端面から、酸化タンタルＴａ２Ｏ５の第１層膜２１（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚ｄ１＝６９．１６ｎｍ）、アルミナＡｌ２Ｏ３の第２層膜２２（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚ｄ２＝８３．５６ｎｍ）が順に積層された２層反射膜３０で構成されている。２層反射膜３０のそれぞれの膜厚を上記のように設定することにより、２層反射膜３０の反射率が極小値を示す波長を９５０ｎｍに設定することができる。室温２５℃における発振波長が９８０ｎｍである場合、発振波長の温度係数が最大でも０．４℃であるので、通常使用される下限温度の０℃では、発振波長はおよそ室温２５℃の場合より１０ｎｍ程度短波長側にシフトする。そこで、上記のように２層反射膜の反射率の極小値を、２５℃の場合の発振波長より１０ｎｍ以上の短波長側にあらかじめ設定しておく。これにより、通常使用される０℃から８５℃の温度範囲において、発振波長は、２層反射膜の反射率が波長と共に増加する領域内にある。後述するように、反射膜の反射率が波長に依存して大きくなる場合には損失も波長に依存して変化する。発振は利得と損失が釣り合う波長で起こる。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。通常、上述の通り、しきい値電流は温度上昇に伴って大きくなるが、これを相殺するように、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００１５】
なお、多層反射膜は、上記アルミナ、酸化タンタルに限定されない。また、２５℃での発振波長をファイバアンプ用の９８０ｎｍの場合について説明したが、これに限定されない。
【００１６】
次に、２層反射膜３０の反射率の極小値を所定値に設定する条件について説明する。２層反射膜３０を構成する第１層膜２１及び第２層膜２２の位相変化をそれぞれφ１、φ２とすると、下記式（２）及び（３）のように定義される。
【数２】
2004111622.tif 000003
【数３】
2004111622.tif 000004
【００１７】
この場合に、振幅反射率ｒは次式（４）で表される。
【数４】
2004111622.tif 000005
【００１８】
上記式（４）の分母分子における実部Ｒｅ１、Ｒｅ２と虚部Ｉｍ１，Ｉｍ２は、それぞれ次式（５ａ）から式（５ｄ）のように表される。
【数５】
2004111622.tif 000006
【数６】
2004111622.tif 000007
【数７】
2004111622.tif 000008
【数８】
2004111622.tif 000009
【００１９】
また、電力反射率Ｒは、上記振幅反射率ｒを用いて｜ｒ｜２で表される。この電力反射率Ｒは、次式（６ａ）、（６ｂ）をそれぞれ満たす場合にその大きさがゼロとなる。
【数９】
2004111622.tif 000010
【数１０】
2004111622.tif 000011
【００２０】
この半導体レーザ素子２０では、導波層の等価屈折率ｎｃ＝３．３７、第１層膜が酸化タンタル（ｎ１＝２．０５７）、第２層膜がアルミナ（ｎ２＝１．６２）である。そこで、上記式（６ａ）、（６ｂ）を用いて、反射率の極小値が、２５℃での発振波長９８０ｎｍより１０ｎｍ以上短波長側の９５０ｎｍとなる条件を求める。この場合、第１層膜２１の膜厚ｄ１＝６９．１６ｎｍ、第２層膜の膜厚ｄ２＝８３．５６ｎｍとが得られる。図３は、この２層反射膜３０の反射率の波長依存性を示すグラフである。グラフの横軸は波長であり、縦軸は反射率である。このグラフに示すように、２層反射膜３０の反射率は、９５０ｎｍで極小値を示し、それより長波長側で単調増加する。単層膜では最適な反射率が得られない場合にも上記のように多層膜を積層することによって所望の反射率の条件を満足することができる。
【００２１】
図４及び図５は、半導体レーザ素子の損失と利得との関係を示すグラフである。グラフの横軸は波長、縦軸は損失又は利得の大きさである。また、各図には低温（実線）及び高温（点線）のそれぞれの場合の利得について示している。この損失と波長との関係について説明する。半導体レーザ素子における単位長さ当りの全損失αｔは、内部損失αｉｎと反射損失（ミラー損失：ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ　ｌｏｓｓ）とを用いて下記式（７）のように表すことができる。
【数１１】
2004111622.tif 000012
ここで、Ｌは共振器長（１５００μｍ）、Ｒｆは前端面反射率、Ｒｒは後端面反射率である。また、裏面反射率Ｒｒは９８％で波長に依存しないものとし、内部損失αｉｎは０とする。なお、共振器長Ｌは上記１５００μｍに限られない。また、裏面反射率Ｒｒは９８％に限定されず、内部損失αｉｎも０に限定されない。
【００２２】
半導体レーザ素子は、低温では短波長側で利得と損失が釣り合うが、温度が上昇すると半導体レーザ素子の活性層におけるバンドギャップが収縮するため、長波長側で利得と損失とが釣り合うようになる。例えば、端面反射率Ｒｆ、Ｒｔが波長に依存しない場合には、全損失αｔも波長に依存せず、図４に示すように、周囲温度が高温となって利得ピーク波長がλｌからλｈへ長波長側にシフトした場合にも損失は変化しない。一方、端面反射率Ｒｆ、Ｒｔが波長に依存して大きくなる場合には全損失αｔも波長に依存して変化する。そこで、図５に示すように、周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになり、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００２３】
実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子について、図６及び７を用いて説明する。図６は、この半導体レーザ素子２０の端面部に設けられた多層反射膜３０の構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子２０は、実施の形態１に係る半導体レーザ素子と比較すると、端面部における反射膜が酸化タンタルとアルミナの２層膜を２段重ねられた４層反射膜４０で構成されている点で相違する。この４層反射膜４０は、２枚の上下クラッド層及び該クラッド層３、１０に挟まれた活性層６ａ、６ｂとを含む導波層（実効屈折率ｎｃ＝３．３７）の端面に、酸化タンタルＴａ２Ｏ５の第１層膜２１（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ａｄ１）、アルミナの第２層膜２２（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ａｄ２）、酸化タンタルの第３層膜２３（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｂｄ１）、アルミナＡｌ２Ｏ３の第４層膜２４（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｂｄ２）が順に積層されている。また、この４層反射膜４０は屈折率１．０の自由空間４５と接している。ここで、Ａ、Ｂはパラメータであり、Ａ＝１．２、Ｂ＝０．８とし、ｄ１＝６１．８５ｎｍ、ｄ２＝１６９．４７ｎｍとしている。そこで、第１層膜２１から第４層膜２４にわたる膜厚は、順に、７４．２２ｎｍ／２０３．３６ｎｍ／４９．４８ｎｍ／１３５．５８ｎｍである。４層反射膜４０のそれぞれの膜厚を上記のように設定することにより、４層反射膜４０の反射率が極小値を示す波長を９５０ｎｍに設定することができる。これにより、通常使用される０℃から８５℃の温度範囲において、発振波長は、４層反射膜４０の反射率が波長と共に増加する領域内にある。前述の通り、反射膜の反射率が波長に依存して大きくなる場合には損失も波長に依存して変化する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００２４】
次に、この４層反射膜４０の反射率が所定波長で極小値をとるように設定する条件について検討する。４層反射膜４０の場合には、振幅反射率は下記式で表される。
【数１２】
2004111622.tif 000013
【００２５】
ここで、上記ｍｉｊ（ｉ，ｊは１又は２）は下記式で表される。
【数１３】
2004111622.tif 000014
なお、Ａ，Ｂは、第１層膜２１の膜厚Ａｄ１、第２層膜２２の膜厚Ａｄ２、第３層膜２３の膜厚Ｂｄ１、第４層膜２４の膜厚Ｂｄ２とした場合のパラメータである。
【００２６】
そこで、実施の形態１の２層膜の場合と同様に、波長λ＝９５０ｎｍにおいて振幅反射率ｒの実部及び虚部が共にゼロとなる各層の厚さを求める。その結果、パラメータＡ＝１．２、Ｂ＝０．８とした場合、ｄ１＝６１．８５ｎｍ、ｄ２＝１６９．４７ｎｍが得られる。そこで、第１層膜２１から第４層膜２４までの膜厚は、順に、７４．２２ｎｍ／２０３．３６ｎｍ／４９．４８ｎｍ／１３５．５８ｎｍである。図７は、この４層反射膜４０の反射率の波長依存性を示すグラフである。グラフの横軸は波長であり、縦軸は反射率である。このグラフに示すように、４層反射膜４０の反射率は、９５０ｎｍで極小値を示し、それより長波長側で単調増加する。なお、パラメータＡ，Ｂは上記値の組み合わせに限定されない。
【００２７】
実施の形態３．
本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子について、図８から１０を用いて説明する。図８は、この半導体レーザ素子２０の端面部に設けられた多層反射膜５０の構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子は、実施の形態１及び２に係る半導体レーザ素子と比較すると、端面部における多層反射膜がアルミナと酸化タンタルとの２層膜が３段重ねられ、さらにその上に積層された最外層のアルミナ膜との７層反射膜５０で構成されている点で相違する。単層膜では最適な反射膜が得られない場合にも多層膜とすることによって最適な反射率とすることができる。また、一対の２層膜の組み合わせを交互に積層することによって、反射率の算出が可能となり、パラメータを用いることで所望の反射率の波長依存性を設計することができる。
【００２８】
この半導体レーザ素子２０の端面部に設けられた反射膜５０の積層構造について図８を用いて説明する。反射膜５０は、２枚の上下クラッド層３、１０及び該クラッド層に挟まれた活性層６ａ、６ｂとを含む導波層（実効屈折率ｎｃ＝３．３７）の端面の上に、アルミナＡｌ２Ｏ３の第１層膜３１（屈折率ｎ１＝１．６２、層厚Ａｄ１）、酸化タンタルＴａ２Ｏ５の第２層膜３２（屈折率ｎ２＝２．０５７、層厚Ａｄ２）、アルミナの第３層膜３３（屈折率ｎ１＝１．６２、層厚Ｂｄ１）、酸化タンタルの第４層膜３４（屈折率ｎ２＝２．０５７、層厚Ｂｄ２）、アルミナの第５層膜３５（屈折率ｎ１＝１．６２、層厚Ｃｄ１）、酸化タンタルの第６層膜３６（屈折率ｎ２＝２．０５７、層厚Ｃｄ２）、アルミナの第７層膜３７（屈折率ｎ１＝１．６２、層厚Ｄｄ１）が順に積層されている。この７層反射膜５０は、屈折率１．０の自由空間と接している。ここで、Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃはパラメータであり、Ａ＝０．８、Ｂ＝２．０、Ｃ＝２．０、Ｄ＝２．０とした場合、第１層膜３１から第７層膜３７のそれぞれの膜厚は、順に、５１．９２ｎｍ／６２．１９ｎｍ／１２９．８０ｎｍ／１５５．４９ｎｍ／１５５．４９ｎｍ／１２９．８０ｎｍである。なお、この場合、アルミナ及び酸化タンタルの各層の位相変化φ１及びφ２をそれぞれφ１＝０．６９５３８８、φ２＝１．０５７６８とする。７層反射膜５０のそれぞれの膜厚を上記のように設定することにより、７層反射膜５０の反射率が極小値を示す波長を９５０ｎｍに設定することができる。これにより、通常使用される０℃から８５℃の温度範囲において、発振波長は、７層反射膜５０の反射率が波長と共に増加する領域内にある。前述の通り、反射膜の反射率が波長に依存して大きくなる場合には損失も波長に依存して変化する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００２９】
図９は、この７層反射膜５０の反射率の波長依存性を示すグラフである。グラフの横軸は波長であり、縦軸は反射率である。このグラフに示すように、７層反射膜５０の反射率は、９５０ｎｍで極小値を示し、それより長波長側で単調増加する。
【００３０】
図１０は、この半導体レーザ素子２０の損失と利得との関係を示すグラフである。グラフの横軸は波長、縦軸は損失又は利得の大きさである。また、図には低温（実線）及び高温（点線）のそれぞれの場合の利得について示している。この半導体レーザ素子２０では、波長の増加に応じて損失は減少する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には、利得と一致する損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００３１】
実施の形態４．
本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ素子について、図１１を用いて説明する。図１１は、この半導体レーザ素子の端面部に設けられた反射反射膜の波長依存性を示すグラフである。この半導体レーザ素子は、実施の形態３に係る半導体レーザ素子と比較すると、端面部に設けられた反射膜がアルミナと酸化タンタルの層が交互に積層された７層反射膜である点で同じである。一方、７層反射膜のそれぞれの膜厚について相違する。多層反射膜の各膜の膜厚を種々変化させることにより、反射膜全体の反射率の波長依存性を変化させ、反射率が極小値をとる波長を所定波長に設定することができる。それにより、波長の増加に対応して損失が減少する波長範囲を所望の発振波長を含むように設定することができる。
【００３２】
具体的には、この７層反射膜５０は、２枚の上下クラッド層３、１０及び該クラッド層に挟まれた活性層６ａ、６ｂとを含む導波層（実効屈折率ｎｃ＝３．３７）の端面の上に、アルミナＡｌ２Ｏ３の第１層膜３１（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｏｄ２）、酸化タンタルＴａ２Ｏ５の第２層膜３２（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ａｄ１）、アルミナの第３層膜３３（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ａｄ２）、酸化タンタルの第４層膜３４（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｂｄ１）、アルミナの第５層膜３５（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｂｄ２）、酸化タンタルの第６層膜３６（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｃｄ１）、アルミナの第７層膜３７（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｃｄ２）が順に積層されている。この７層反射膜５０は、屈折率１．０の自由空間と接している。ここで、Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃはパラメータであり、Ｏ＝０．２、Ａ＝２．０、Ｂ＝２．０、Ｃ＝２．０のとした場合、第１層膜３１から第７層膜３７までの膜厚は、順に、１４．５９ｎｍ／９２．５２ｎｍ／１４５．８７ｎｍ／９２．５２ｎｍ／１４５．８７ｎｍ／９２．５２ｎｍ／１４５．８７ｎｍである。７層反射膜５０のそれぞれの膜厚を上記のように設定することにより、図１１に示すように、７層反射膜５０の反射率が極小値を示す波長を９００ｎｍに設定することができる。これにより、通常使用される０℃から８５℃の温度範囲において、発振波長は、７層反射膜５０の反射率が波長と共に増加する領域内にある。前述の通り、反射膜の反射率が波長に依存して大きくなる場合には損失も波長に依存して変化する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には、損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００３３】
実施の形態５．
本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ素子について、図１２から図１４を用いて説明する。図１２は、この半導体レーザ素子の端面部における多層反射膜６０の構造を示す断面図である。この半導体レーザ素子２０は、実施の形態１から４に係る半導体レーザ素子と比較すると、端面部の多層反射膜が１層のアルミナ膜３１の上に、酸化タンタルとアルミナとの２層膜を４段重ねた９層反射膜６０で構成されている点で相違する。具体的には、この９層反射膜６０は、活性層６ａ、６ｂと該活性層を挟む２枚のクラッド層３、１０とを含む導波層（実効屈折率ｎ＝３．３７）の端面に、アルミナＡｌ２Ｏ３の第１層膜３１（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｏｄ２）、酸化タンタルＴａ２Ｏ５の第２層膜３２（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ａｄ１）、アルミナの第３層膜３３（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ａｄ２）、酸化タンタルの第４層膜３４（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｂｄ１）、アルミナの第５層膜３５（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｂｄ２）、酸化タンタルの第６層膜３６（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｃｄ１）、アルミナの第７層膜３７（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｃｄ２）、酸化タンタルの第８層膜３８（屈折率ｎ１＝２．０５７、層厚Ｄｄ１）、アルミナの第９層膜３９（屈折率ｎ２＝１．６２、層厚Ｄｄ２）が順に積層されている。また、該９層反射膜６０は、屈折率が１．０の自由空間４５に接している。この自由空間４５は、空気又は窒素等の気体が充満していてもよい。なお、Ｏ、Ａ、Ｂ、Ｃはパラメータである。ここでは、各パラメータをＯ＝０．５８、Ａ＝２．０、Ｂ＝２．０、Ｃ＝２．０、Ｄ＝２．０と設定している。反射膜の各膜の膜厚は、第１層膜３１から第９層膜３９にわたって順に５５．１３ｎｍ／５４．３９ｎｍ／１９０．１１ｎｍ／５４．３９ｎｍ／１９０．１１ｎｍ／５４．３９ｎｍ／１９０．１１ｎｍ／５４．３９ｎｍ／１９０．１１ｎｍである。各膜の膜厚を上記のように設定することによって、多層反射膜６０の反射率が９２０ｎｍで極小値を持つように設定することができる。これにより、通常使用される０℃から８５℃の温度範囲において、発振波長は、９層反射膜６０の反射率が波長と共に増加する領域内にある。前述の通り、反射膜の反射率が波長に依存して大きくなる場合には損失も波長に依存して変化する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には、損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００３４】
図１３は、この９層反射膜６０の反射率の波長依存性を示すグラフである。グラフの横軸は波長であり、縦軸は反射率である。このグラフに示すように、９層反射膜６０の反射率は、９２０ｎｍで極小値を示し、それより長波長側で単調増加する。
【００３５】
図１４は、この半導体レーザ素子２０の損失と利得との関係を示すグラフである。グラフの横軸は波長、縦軸は損失又は利得の大きさである。また、図には低温（実線）及び高温（点線）のそれぞれの場合の利得について示している。この半導体レーザ素子２０では、波長の増加に応じて損失は減少する。周囲温度が高温となって利得ピーク波長が長波長側にシフトした場合には、利得と一致する損失は減少し、少ない注入電流で発振に至るようになる。そこで、周囲温度が変化してもしきい値電流の変化を抑制することができる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明に係る半導体レーザ素子によれば、端面部に波長の増加に応じて反射率が増加する反射膜を設けているので、反射損失が波長に依存して小さくなる。このため、全損失も波長に依存して小さくなる。一方、高温になるにつれて長波長側で利得と損失が釣り合うようになる。そこで、周囲温度が高温になった場合でも少ない注入電流で発振に至るため、周囲温度が変化した場合でもしきい値電流の変化を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の構造を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の端面部の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子における端面部に設けられた反射膜の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図４】半導体レーザ素子の端面部における端面反射率が波長に依存しない場合の利得と損失との関係を示すグラフである。
【図５】半導体レーザ素子の端面部における端面反射率が長波長側で波長依存を示し、反射率が増加する場合の利得と損失の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子の端面部の構造を示す断面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る半導体レーザ素子における端面部に設けられた反射膜の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図８】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子の端面部の構造を示す断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子における端面部に設けられた反射膜の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る半導体レーザ素子の利得と損失との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態４に係る半導体レーザ素子の利得と損失との関係を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ素子の端面部の構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ素子における端面部に設けられた反射膜の反射率の波長依存性を示すグラフである。
【図１４】本発明の実施の形態５に係る半導体レーザ素子の利得と損失との関係を示すグラフである。
【図１５】従来の半導体レーザ素子における光出力電流特性を示す図である。
【符号の説明】
１　ｎ側電極、２　ｎ−ＧａＡｓ基板、３　ｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、４　ｎ側アンドープＡｌＧａＡｓガイド層、５　ｎ側アンドープＧａＡｓガイド層、６、６ａ、６ｂ　アンドープＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層、７　アンドープＧａＡｓバリア層、８　ｐ側アンドープＧａＡｓガイド層、９　ｐ側アンドープＡｌＧａＡｓガイド層、１０　ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層、１１　ｐ−ＧａＡｓキャップ層、１２　Ｓｉ３Ｎ４絶縁層、１３　ｐ側電極、１４　金線、１５　リッジ領域、１６　低屈折率領域、１７　高屈折率領域、１８　導波層、２０　半導体レーザ素子、２１　第１層膜（酸化タンタル）、２２　第２層膜（アルミナ）、２３　第３層膜（酸化タンタル）、２４　第４層膜（アルミナ）、３０　２層反射膜、３１　第１層膜（アルミナ）、３２　第２層膜（酸化タンタル）、３３第３層膜（アルミナ）、３４　第４層膜（酸化タンタル）、３５　第５層膜（アルミナ）、３６　第６層膜（酸化タンタル）、３７　第７層膜（アルミナ）、３８　第８層膜（酸化タンタル）、３９　第９層膜（アルミナ）、４０　４層反射膜、４５　自由空間、５０　７層反射膜、６０　９層反射膜
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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