(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成されたコア層と、
前記コア層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプと
を備えた半導体レーザにおいて、
前記メサストライプの側面の上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記コア層の上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層をさらに備え、
前記コア層の厚さをｔcore、前記半導体基板に対して垂直方向の前記緩衝層の厚さをｔとすると、ｔcoreおよびｔで構成される座標軸上で、ｔcoreおよびｔが、
ｔcore＝１８０ｎｍの時のｔの上限値１８０ｎｍの点Ａ、
ｔcore＝１８０ｎｍの時のｔの下限値１２０ｎｍの点Ｂ、
ｔcore＝２３０ｎｍの時のｔの上限値１２０ｎｍの点Ｃ、
ｔcore＝２３０ｎｍの時のｔの下限値７０ｎｍの点Ｄ、
ｔcore＝２８０ｎｍの時のｔの上限値７５ｎｍの点Ｅ、および
ｔcore＝２８０ｎｍの時のｔの下限値２５ｎｍの点Ｆ
を、点Ａ、点Ｂ、点Ｄ、点Ｆ、点Ｅ、点Ｃ、点Ａの順に直線で結んで得られる領域の周上および内部にあることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
半導体基板と、
前記半導体基板の上に形成されたコア層と、
前記コア層の上に形成されたエッチストップ層と、
前記エッチストップ層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプと
を備えた半導体レーザにおいて、
前記メサストライプの側面の上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記エッチストップ層の上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層をさらに備え、
前記コア層の厚さをｔcore、前記半導体基板に対して垂直方向の前記緩衝層の厚さをｔとすると、ｔcoreおよびｔで構成される座標軸上で、ｔcoreおよびｔが、
ｔcore＝１８０ｎｍの時のｔの上限値１８０ｎｍの点Ａ、
ｔcore＝１８０ｎｍの時のｔの下限値１２０ｎｍの点Ｂ、
ｔcore＝２３０ｎｍの時のｔの上限値１２０ｎｍの点Ｃ、
ｔcore＝２３０ｎｍの時のｔの下限値７０ｎｍの点Ｄ、
ｔcore＝２８０ｎｍの時のｔの上限値７５ｎｍの点Ｅ、および、
ｔcore＝２８０ｎｍの時のｔの下限値２５ｎｍの点Ｆ
を、点Ａ、点Ｂ、点Ｄ、点Ｆ、点Ｅ、点Ｃ、点Ａの順に直線で結んで得られる領域の周上および領域の内部にあることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項３】
前記エッチストップ層は、アンドープのＩｎＧａＡｓＰ系材料であることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、
前記緩衝層は、
ＦｅもしくはＲｕがドープされた半絶縁性ＩｎＰ材料(ＳＩ−ＩｎＰ)、または、
アンドープのＩｎＰ材料(ｉ−ＩｎＰ)であること
を特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記緩衝層に密着するように形成された絶縁膜をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記コア層は、多重量子井戸層および光閉じ込め層からなることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の半導体レーザと、
前記メサストライプの側部を覆う低誘電率材料と、
前記低誘電率材料の少なくとも一部および前記メサストライプの上に形成された変調電極と
を備えたことを特徴とする直接変調レーザ（ＤＭＬ）。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、光通信の光源に使用される半導体レーザに関する。より詳細には、光ファイバとの高い結合効率を実現できるリッジ導波路型半導体レーザに関する。
【０００２】
スマートフォンやタブレットデバイスの普及が全世界的に広がる中で、インターネットトラフィック、データトラフィックの増加は止まるところがない。この通信容量の急速な拡大に対応して、２０１０年には１００ＧｂＥ（１００ギガビットイーサネット）の標準化がなされ、現在ではＢｅｙｏｎｄ  １００ＧｂＥの標準規格として、これを越える４００ＧｂＥ（４００ギガビットイーサネット）に注目が集まっている。４００ＧｂＥのシステム構成や光源単体に求められる仕様はまだ論議中であるが、従来の仕様を考慮すれば、光源単体には２５〜５０Ｇbit／ｓ以上のデータ伝送帯域が求められると考えられる。
【０００３】
４００ＧｂＥのための光源としては、高速な変調機能を持つ光源が必要とされる。その候補としては、電界吸収型変調器集積ＤＦＢレーザ（ＥＡＤＦＢ：Electro-Absorption Modulator integrated with DFB Laser）や、直接変調レーザ（ＤＭＬ：Directly Modulated Laser）が挙げられる。取り分け、ＤＭＬは、ＥＡＤＦＢと比較して光出力レベルが高く、低消費電力であるなどの利点を持っており、４００ＧｂＥのための５０Ｇbit／ｓの伝送動作を実現できる可能性のある光源として有力である。
【０００４】
図１は、リッジ型導波路を用いた直接変調レーザ（ＤＭＬ）の代表的な構成例を示す図である。その構造を簡単に説明すれば、ＤＭＬ１は、ｎ型ＩｎＰ基板２、ＩｎＧａＡｌＡｓ  ＭＱＷ（多重量子井戸：Multi-Quantum Well）層からなる活性層３、ｐ型ＩｎＰによるメサストライプ部９から構成される。ＤＭＬ１は、活性層３の上部にあるメサストライプ部９によって光を閉じ込めるリッジ型構造を利用しており、活性層３のエッチング加工を必要としない。このため、ＤＭＬのもう一つの代表的な構成である埋め込みヘテロ構造（ＢＨ： Buried Heterostructure）のレーザと比べて、より簡単な方法で作製できる。図１のＤＭＬでは、素子全体の寄生容量を減らすために、メサストライプ部９の両脇が低誘電率材料であるＢＣＢ（ベンゾシクロブテン）４ａ、４ｂなどで埋め込まれている。活性層３の上部には回折格子７が構成されており、メサストライプ部９の上面のｐ電極６ａと、基板２の下面の電極６ｂも備えている。発振光が取り出される基板の一方の端面上にはＡＲ（反射防止）膜５が形成され、反対側の端面には図には描かれていないがＨＲ（高反射）膜が形成されている。
【０００５】
図１に示したリッジ型導波路を用いたＤＭＬ（以下、簡単のためリッジ型ＤＭＬと呼ぶ）は、メサストライプ部９の脇に埋め込むＢＣＢが２．８程度の低い比誘電率を持っている。例えばＩｎＰなどの高い誘電率１２．４を持つ半導体材料を使用してメサストライプ部の脇を埋め込むＢＨ構造のＤＭＬと比べると、リッジ型ＤＭＬでは電極パッドなどの寄生容量を小さくすることができる。このため、リッジ型ＤＭＬは広帯域な変調動作が可能となり、１００ＧｂＥなどの変調用光源として広く用いられている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】小林他「１．３μｍ ＩｎＧａＡｌＡｓ直接変調レーザの高速５０Ｇbit／ｓ動作」信学技報、IEICE Technical Report、R2013-52他、p.117
【非特許文献２】Roberto Paoletti、"Highly Reliable and High-Yield 1300-nm InGaAlAs Directly Modulated Ridge FabryPerot Lasers, Operating at 10-Gb/s, up to 110 ゜C, With Constant Current Swing", JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL. 24, NO. 1, JANUARY 2006, p. 143.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、リッジ型ＤＭＬでは、以下に述べるような、発振光における電界強度分布の歪みのために、外部の光ファイバと結合する際の損失が大きいという問題があった。
【０００８】
図２は、リッジ型ＤＭＬおよびＢＨ型ＤＭＬの各構造および電界強度分布を比較して説明する図である。図２の（ａ）の左側には、リッジ型ＤＭＬのリッジ部を含む断面構造を示しており、図１におけるＤＭＬ１のリッジ部の長手方向に垂直であって発振光の出射端面と平行な面で切った断面を見た図である。断面図の右側には、同じ断面における電界強度分布を明暗の諧調によって示した分布図を示す。この電界強度分布の詳細については後述するが、断面図に示された各要素に対応する構造境界が示されており、電界強度分布の大まかな形状がわかる。
【０００９】
図２の（ａ）の断面図を参照すれば、ｎ−ＩｎＰ基板１１の上には、コア層１２およびエッチストップ層として機能するｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層１３およびメサストライプ部１４が順次形成されている。メサストライプ部１４の側壁およびエッチストップ層１３の上面には、絶縁膜１５が形成されている。この断面図には示していないが、メサストライプ部１５の両脇は、図１に示したようにＢＣＢなどの低誘電率材料によって埋め込まれている。ＢＣＢなどのポリイミド材料はスピンコートなどによって簡単に埋め込むことが可能である。前述のようにリッジ型ＤＭＬでは、コア層１２に対してエッチング加工などを行う必要が無く、コア層１２の成形工程が不要である。
【００１０】
ここでリッジ型ＤＭＬに対応する電界強度分布を見ると、図の中央付近であって、コア層１２内のメサストライプ部１４に対応する位置に電界が集中している。図２の電界強度分布図は、カラー表示されたものをモノクロ表示しているため、明度がそのまま電界強度を示しているわけではないことに留意されたい。すなわち、電界強度分布は、中心部のやや暗い部分において最も高い強度を持ち、周辺部に離れるにしたがって徐々に電界強度が低下している。また、メサストライプ部１４の下部の両脇にある稜線部分１６に着目すると、この稜線部分１６の近傍において、電界強度分布に「凹み」または「くびれ」が生じていることがわかる。この凹みまたはくびれは、電界強度分布に本来求められる円形形状から逸脱し、形状に歪みが生じていることを意味している。この歪みは、リッジ型構造において基板面と平行な横方向を見たとき、埋め込みＢＣＢ（比誘電率２．８）とリッジ部のＩｎＰ（比誘電率１２．４）との間の静電誘電率の急激な変化によるものと考えられている。リッジ型ＤＭＬでは、上述の電界強度分布の形状に凹みまたはくびれを伴い、電界強度分布は円状から逸脱して、概ねＵＦＯ様の形状を持つ。
【００１１】
図２の（ｂ）の左側には、比較のためＢＨ型ＤＭＬの断面構造を示しており、図２の（ａ）のリッジ型ＤＭＬに対応する断面を示す。図２の（ｂ）の断面図の右側には電界強度分布が示されている。図２の（ｂ）の断面図を参照すれば、ｎ−ＩｎＰ基板２１の上には、コア層２２、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層２３およびｐ−ＩｎＰ層２４が順次形成されている。コア層２２より上部側はエッチングによってメサ構造が形成されている。メサ構造の両脇および基板２１の上面は、結晶成長法等を用いて半絶縁性のＩｎＰ２５ａ、２５ｂを埋め込んでいる。
【００１２】
図２の（ｂ）の右側の電界強度分布を参照すると、リッジ型ＤＭＬ同様に電界強度分布は、中心部において最も高い強度を持ち、周辺部に離れるにしたがって徐々に電界強度が低下している。しかしながら、リッジ型ＤＭＬに見られた電界強度分布のコア部近傍での電界形状の凹み、くびれなどの歪みは見られない。これは、ＢＨ型構造のＤＭＬにおいて基板面と平行な横方向を見たとき、埋め込み材料の絶縁性のＩｎＰ２５ａ、２５ｂと、同じく半導体層からなるコア層２２との間の屈折率が緩やかになだらかに変化するためであると考えられる。
【００１３】
図２の（ｂ）に示したＢＨ型構造のＤＭＬの電界強度分布は、一見して、完全な円形（真円）よりも縦方向(基板面に垂直な方向)に圧縮されたものである。しかしながら、一般に半導体レーザにおいては、発振光の外部への取り出しは、デバイスの端面にレンズを配置して、横方向および縦方向の少なくとも１つの方向にパワーを持つ１つ以上のレンズを介して光ファイバと出射光を結合させて行う。したがって、横方向および／または縦方向について出射光を拡大すれば、電界強度分布は実質的に完全な円形（真円）とすることができる。この点で、図２の（ｂ）に示したＢＨ型ＤＭＬの出射光の電界強度分布は、円形状とみなすことができる。したがって、レーザデバイスと光ファイバとを結合させる場合にも、損失無く、ほぼ１００％の結合効率で光を結合させることができる。
【００１４】
上述の図２の（ａ）、（ｂ）の２つの電界強度分布を対照してみれば、リッジ型ＤＭＬでは、電界強度分布の円形から逸脱した凹み、くびれなどの歪みが顕著であることが理解できる。リッジ型導波路においては、縦方向（基板面に垂直な方向）の光閉じ込めは基板１１からｐ−ＩｎＰ層１４までの半導体の層構造による屈折率変化により実現する。また、横方向（基板面に平行な方向）の光閉じ込めは半導体によるメサストライプ部と空気（または埋め込みＢＣＢ）の屈折率差により実現する。導波路の幅を広くしていくと、横方向の高次モードが発生してしまう。このため、シングルモードで動作する導波路を実現するためには、導波路幅（すなわちメサストライプ部の幅に対応）を一定幅より狭くする必要がある。リッジ型導波路においては、空気（または埋め込みＢＣＢ）とメサストライプ部の半導体との間の屈折率の急激な変化と大きな屈折率差によって光閉じ込めを実現する一方で、電界強度分布の形状には歪が生じていた。
【００１５】
上述のように、半導体レーザからの出射光はレンズを用いて光ファイバ等に結合されるために、電界強度分布の形状に、レンズを用いても円形状に補正ができないような歪みあると、光ファイバとの結合効率が一定以上よりも高まらない問題点があった。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、リッジ型ＤＭＬなどのリッジ型導波路構造を用いた半導体レーザにおいて、コア層における電界強度分布を真円形状に近づけ、その結果、外部光ファイバとの間で高い結合効率を得るところにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成されたコア層と、前記コア層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプとを備えた半導体レーザにおいて、前記メサストライプの側面の上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記コア層の上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層をさらに備え、前記コア層の厚さをｔcore、前記半導体基板に対して垂直方向の前記緩衝層の厚さをｔとすると、ｔcoreおよびｔで構成される座標軸上で、ｔcoreおよびｔが、ｔcore＝１８０ｎｍの時のｔの上限値１８０ｎｍの点Ａ、ｔcore＝１８０ｎｍの時のｔの下限値１２０ｎｍの点Ｂ、ｔcore＝２３０ｎｍの時のｔの上限値１２０ｎｍの点Ｃ、ｔcore＝２３０ｎｍの時のｔの下限値７０ｎｍの点Ｄ、ｔcore＝２８０ｎｍの時のｔの上限値７５ｎｍの点Ｅ、ｔcore＝２８０ｎｍの時のｔの下限値２５ｎｍの点Ｆを、点Ａ、点Ｂ、点Ｄ、点Ｆ、点Ｅ、点Ｃ、点Ａの順に直線で結んで得られる領域の周上および領域の内部にあることを特徴とする半導体レーザである。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上に形成されたコア層と、前記コア層の上に形成されたエッチストップ層と、前記エッチストップ層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプとを備えた半導体レーザにおいて前記メサストライプの側面の上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記エッチストップ層の上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層をさらに備え、前記コア層の厚さをｔcore、前記半導体基板に対して垂直方向の前記緩衝層の厚さをｔとすると、ｔcoreおよびｔで構成される座標軸上で、ｔcoreおよびｔが、ｔcore＝１８０ｎｍの時のｔの上限値１８０ｎｍの点Ａ、ｔcore＝１８０ｎｍの時のｔの下限値１２０ｎｍの点Ｂ、ｔcore＝２３０ｎｍの時のｔの上限値１２０ｎｍの点Ｃ、ｔcore＝２３０ｎｍの時のｔの下限値７０ｎｍの点Ｄ、ｔcore＝２８０ｎｍの時のｔの上限値７５ｎｍの点Ｅ、および、ｔcore＝２８０ｎｍの時のｔの下限値２５ｎｍの点Ｆを、点Ａ、点Ｂ、点Ｄ、点Ｆ、点Ｅ、点Ｃ、点Ａの順に直線で結んで得られる領域の周上および領域の内部にあることを特徴とする半導体レーザである。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項２の半導体レーザであって、前記エッチストップ層は、アンドープのＩｎＧａＡｓＰ系材料であることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３いずれかの半導体レーザであって、前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、前記緩衝層は、ＦｅもしくはＲｕがドープされた半絶縁性ＩｎＰ材料(ＳＩ−ＩｎＰ)、または、アンドープのＩｎＰ材料(ｉ−ＩｎＰ)であることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかの半導体レーザであって、前記緩衝層に密着するように形成された絶縁膜をさらに備えたことを特徴とする。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかの半導体レーザであって、前記コア層は、多重量子井戸層および光閉じ込め層からなることを特徴とする。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７いずれかに記載の半導体レーザと、前記メサストライプの側部を覆う低誘電率材料と、前記低誘電率材料の少なくとも一部および前記メサストライプの上に形成された変調電極とを備えたことを特徴とする直接変調レーザである。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように、本発明によって、電界強度分布の凹み、くぼみなどの形状歪みを改善し、外部光ファイバとの間で高い結合効率を持つリッジ導波路型半導体レーザを実現できる。さらに、リッジ部を覆う絶縁層に起因した応力の影響を緩和することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、リッジ型導波路を用いた直接変調レーザ（ＤＭＬ）の代表的な構成例を示す図である。
【図２】図２は、リッジ型導波路を用いたＤＭＬおよびＢＨ型のＤＭＬの各構造並びに電界強度分布を比較して説明する図である。
【図３】図３は、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける半導体緩衝層の構成を説明する図である。
【図４】図４は、コア層の厚さｔcoreを標準的な２８０ｎｍとしたときの高次モードの電界強度分布を示す図である。
【図５】図５は、コア層の厚さｔcoreを標準的な２８０ｎｍとしたときのシングルモードの電界強度分布を示す図である。
【図６】図６は、コア層の厚さｔcoreを標準的な２８０ｎｍとしたときの結合効率と緩衝層の厚さｔとの関係を示すグラフである。
【図７】図７は、コア層の厚さｔcoreを極めて薄い１５０ｎｍとしたときの高次モードの電界強度分布を示す図である。
【図８】図８は、コア層の厚さｔcoreを１８０ｎｍとしたときのシングルモードの電界強度分布を示す図である。
【図９】図９は、コア層の厚さｔcoreを１８０ｎｍとしたときの高次モードの電界強度分布を示す図である。
【図１０】図１０は、コア層の厚さｔcoreを１８０ｎｍとしたときの結合効率と緩衝層の厚さｔとの関係を示すグラフである。
【図１１】図１１は、コア層の厚さｔcoreが１８０、２３０、２８０の各場合における緩衝層の厚さｔの上限値および下限値を示した図である。
【図１２】図１２は、本発明のリッジ導波路型半導体レーザの実施例１の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明のリッジ導波路型半導体レーザは、メサストライプの側壁およびコア層の上部に、半導体基板と同じ組成の半導体緩衝層を形成する。この緩衝層によって、メサストライプの横方向における屈折率の急激な変化を緩和し、電界強度分布の形状に生じる歪みを軽減する。この緩衝層によって、半導体レーザと光ファイバとの結合効率を改善することができる。以下の説明では、まず半導体レーザのコア層の厚さとの関係で緩衝層が有効に機能する条件について明らかにする。さらに、具体的なリッジ導波路型半導体レーザデバイスの作製例について説明する。
【００２７】
本発明のリッジ導波路型半導体レーザでは、メサストライプ構造の全体を覆うように、メサストライプの側面上、並びに、コア層もしくはコア層上のエッチストップ層の上面に、半導体基板と同じ組成を持つ別個の半導体緩衝層を設ける。以下、簡単のためこの半導体層を緩衝層と呼ぶ。
【００２８】
図３は、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層の構成を説明する図である。左側の断面図は従来技術のリッジ導波路型半導体レーザの構造を示している。基板３１上にコア層３２、エッチストップ層３３、上部クラッド層が順次形成される。その後、上部クラッド層をエッチング加工して、上部クラッド層のメサストライプ３４が形成される。本発明のリッジ導波路型半導体レーザでは、上述の従来技術の構造に加えて、メサストライプ全面を覆うように、メサストライプ３４の側面上およびエッチストップ層３３の上面に、緩衝層３５ａ、３５ｂを設けている。
【００２９】
リッジ導波路型半導体レーザにおける電界強度分布における凹み、くびれなどの形状の歪みを改善するため、本発明ではリッジ型導波路のメサストライプの側部を、半導体基板と同じ材料であってアンドープの材料、または、半導体基板と同じ材料であって半絶縁性になるようにドーピングした材料によって埋め込む。具体的な材料の例を挙げれば、基板３１としてｎ−ＩｎＰ基板を用いることができる。この場合、緩衝層３５ａ、３５ｂの材料として、ｉ−ＩｎＰ（アンドープ）、または、ＦｅもしくはＲｕをドーピングしたＳＩ−ＩｎＰ（ＳＩ：Semi-Insulating半絶縁）を使いメサストライプの側部埋め込む。ここで、基板と同じ材料とは、緩衝層の材料の構成元素が基板の主たる構成元素と同じであることを意味する。
【００３０】
したがって、本発明は、半導体基板３１と、前記半導体基板上に形成されたコア層３２と、前記コア層の上に形成されたエッチストップ層３３と、前記エッチストップ層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプ３４とを備えた半導体レーザにおいて、前記メサストライプの側面上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記エッチストップ層の上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層３５ａ、３５ｂをさらに備えたことを特徴とする半導体レーザとして実現できる。メサストライプ下部の稜線部における屈折率変化の緩和のために、メサストライプの側面上にある緩衝層とエッチストップ層上の緩衝層は、連続した一体のものであることが好ましい。
【００３１】
図３に示した本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層を形成する方法としては、メサストライプ３４の加工の際にエッチング量を本来よりも減らし、図３の右図のような形状に加工をすることも考えられる。しかし、メサストライプ３４のｐ−ＩｎＰ層のエッチング量を調整して削り残すことによって緩衝層を実現した場合、リッジ型導波路に電流を注入する際に、電流は緩衝層に沿って横方向に広がってしまう。これによって、活性層に効果的に電流を注入することができない。さらにエッチング工程において現在実現可能な加工精度では、緩衝層においてｎｍオーダの膜厚を面内均一性良く制御することは実用上難しい。
【００３２】
本発明のリッジ導波路型半導体レーザでは、ｐ−ＩｎＰ層において、一旦メサストライプ３４の加工を完了した上で、メサストライプ３４の側部全体にｉ−ＩｎＰまたはＳＩ−ＩｎＰを用いて積み増すことによって、活性層へ効果的に電流を注入可能とし、同時に電界強度分布における凹み、くびれなどの形状歪みを改善する。
【００３３】
以下では、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層が効果的に機能できる具体的な構造を明らかにするために、コア層近傍における電界強度分布のシミュレーションを行う。シミュレーションにより電界強度分布の凹み、くびれなどの形状歪みを改善可能な導波路および緩衝層の構成を明らかにした。図３に示した緩衝層３５ａ、３５ｂにおいて、コア層３２との距離が近く、光が感じるメサストライプ３４の側部の屈折率により大きな影響を与え得る点から、緩衝層の基板面に垂直な方向の厚さｔに着目した。さらに、光閉じ込めに大きな影響を与えるコア層の厚さｔcoreも同時に考慮した。緩衝層の厚さｔ [ｎｍ]を調整することによって、シングルモード動作が可能であって同時に電界強度分布の歪みを軽減してより円形状に近づけることのできる範囲を求めた。
【００３４】
以下の電界強度分布のシミュレーションでは、まずコア層の厚さｔcoreを固定し、異なる緩衝層の厚さtに対する複数の電界強度分布を計算により求めた。ここで、コア層の厚さｔcoreは、ＭＱＷ層厚およびＳＣＨ（光閉じ込め：Separated Confinement Heterostructure）層厚の合計の厚さとする。各コア層の厚さにおけるシミュレーションでは、横方向の光閉じ込めが実現できなくなるために高次モードが発生する最大の緩衝層厚さtを求める。さらに円形状の理想的な電界強度分布との重なり積分を計算することによって光ファイバとの結合効率を求め、この結合効率を指標として、電界強度分布の凹み、くびれなどの形状歪みを改善可能な最適な緩衝層厚さｔを求めた。コア層における電界強度分布の凹み、くびれなどの形状歪みが低減されれば、上記指標である結合効率が高くなり、レンズを介して発振光を光ファイバに結合する場合の損失が小さくなる。
【００３５】
結合効率は、円形状の理想的な電界強度分布と、シミュレーションで求まられた電界強度分布の重なり積分として求めることができる。すなわち、重なり積分の計算法は、それぞれの電界強度をＡ(x,y)、Ｂ(x,y)とした時に次式で表すことができる。
【００３６】
∬Ａ(x,y)Ｂ(x,y)dxdy／(Ａ2×Ｂ2)
リッジ導波路型半導体レーザでは、基板端面近くに配置する結合用レンズのタイプの選定次第で倍率等を変更できるため、発振光の形状は、縦方向（基板面に垂直な方向）または横方向（基板面に平行な方向）の少なくとも一方において、拡大（または縮小）したときに真円とすることができれば良い。したがって、本発明において電界強度分布を円形状とすることは、レンズによって発振光を拡大または縮小するデバイス実働時の操作を含めて、電界強度分を円形状とすることである点に留意されたい。
【００３７】
以下の電界強度分布のシミュレーションは、図２で既に示した従来技術のリッジ型およびＢＨ型の電界強度分布を含め、アポロフォトニクス社の導波路解析ソフト(ＡＰＳＳ)を用いて計算を行った。図２に示した電界強度分布の計算では、コア層３２は一般的な厚さとして２８０ｎｍを用い、コア層３２の屈折率は一般的なＩｎＰの値の３．３４８とした。また、ＩｎＰ基板、ｐ−ＩｎＰメサストライプの屈折率は３．１７とした。メサストライプ３４の幅は、発振波長１．３μｍ、１．５５μｍの半導体レーザで一般的に利用される構造例として、１．７μｍを利用した。以下のシミュレーションでは、指定がない場合には上記のコア層の厚さｔcore、屈折率、メサストライプ幅のパラメータを使用している。
【００３８】
以下のシミュレーションにおいては、メサストライプの両脇は、空気（屈折率１）として計算した。半導体レーザを変調器として利用する場合には、変調電極を構成することが必要であり、高速変調のためにＢＣＢなどの低誘電率材料でメサストライプの側部を埋め込むことになる。しかし、ＢＣＢの屈折率は、１．５程度であって、空気の屈折率１と大差が無く、電界分布のＢＣＢへの広がりも非常に少ない。シミュレーションの結果には大差が無いと考えられるため、簡単のためサストライプの両脇は、空気（屈折率１）として計算した。
【００３９】
後述するように本発明における緩衝層は、メサストライプを形成後にＣＶＤなどによって結晶成長させて作製する。このため、図３を再び参照すれば、緩衝層はエッチストップ層上に基板面に垂直に縦方向に堆積するたけでなく、メサストライプの側壁上に横方向にも堆積する。以下のシミュレーションでは、一般的な実際のプロセスで作製される緩衝層の形状なども考慮して、エッチストップ層上の厚さをｔとするときに、側壁上の横方向の厚さは、ｔ／３として計算した。本発明では、エッチストップ層上に基板面に垂直に形成された縦方向の厚さｔで規定する。
【００４０】
以下の本発明のリッジ導波路型半導体レーザのシミュレーションでは、コア層の厚さｔcoreを変更しながら、本発明の緩衝層の構造が電界強度分布の形状の改善効果を与えることができるコア層の厚さｔcoreを求める。次に、具体的な何種類かのコア層の厚さｔcoreを固定した条件下で、緩衝層の厚さｔを変化させて光が感じるメサストライプの側部の実質的な屈折率を変化させ、本発明が電界強度分布形状の改善効果を与えることができる緩衝層の厚さｔの範囲を求めた。最適な構成を求めるにあたっては考慮すべきは、緩衝層の厚さｔを大きくし過ぎると、横方向の光閉じ込めを実現できなくなり、横方向の高次モード光を生じてしまうことである。一方、逆に緩衝層の厚さｔが小さすぎると電界強度分布形状の改善効果が無くなってしまう。したがって、本発明のリッジ導波路型半導体レーザのコア層、メサストライプおよび緩衝層によって規定されるコア領域における電界強度分布が、単一の対称モードのみが存在し、かつ、高次の反対称モードが存在しないように、コア層厚さｔcoreおよび緩衝層厚さｔを設定する。上記を念頭に、まず、緩衝層の厚さtの上限値をシミュレーション結果から示す。
【００４１】
図４は、コア層の厚さｔcoreを標準的な２８０ｎｍとしたときの高次モードの電界強度分布を示す図である。図４の（ａ）に緩衝層の厚さｔが７５ｎｍの場合を、図４の（ｂ）に緩衝層の厚さｔが１００ｎｍの場合を示した。コア層の厚さｔcoreは、ＭＱＷ層およびＳＣＨ層の合計厚さである。一般に半導体レーザでは、発振光としてレーザ光束の横断面における光強度分布が中央部で最大となる最も単純なシングルモード光であることが求められる。したがって、シングルモード光が導波路のコア部に集中し、かつ、シングルモード光以外の高次モード光が発生しないかもしくは導波路のコア部内に存在しないことが求められる。
【００４２】
図４に示した２つの電界強度分布は、最初の高次モードである１次の反対称（非対称）モードを示している。２つのシミュレーション表示上で、コア層に沿った左右のａ、ｂで示した剣先状のやや暗い部分が電界強度最大となっている。この２つの最大電界部分から周辺に向かって電界強度が下がっており、コア中央部の隙間状の最も暗い部分が電界強度最小となっている。図４の（ａ）を参照すれば、ｔ＝７５ｎｍの場合では、反対称モードの電界強度分布は導波路内に閉じ込められずに基板側に放射されている。一方、図４の（ｂ）を参照すればｔ＝１００ｎｍの場合では、高次モードである1次の反対称モードが導波路内に閉じ込められており、ｔ＝１００ｎｍのリッジ型導波路がもはやシングルモードで動作していないことを示している。（ａ）および（ｂ）の両者の計算結果によれば、半導体レーザに基本的に求められる発振モードの観点から、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層の厚さｔの上限値は概ね７５ｎｍであると見積もることができる。
【００４３】
次に、発振モードがシングルモードである上述の緩衝層の厚さｔの条件下（ｔ＜７５ｎｍ）で、緩衝層の厚さｔを変化させたときに、シングルモードに対応する対称モードの電界強度分布についてシミュレーション計算した。先に定義したように、理想円形状の電界強度分布と、シミュレーション計算した電界強度分布との重なり積分を計算することで、結合効率（％）を求めた。この結合効率は、リッジ型導波路の電界強度分布が円形形状との一致している程度を示し、１００％であれば、電界強度分布が完全な円形（真円）であることを意味する。このとき、光ファイバとの結合も最大となり、損失が生じない。
【００４４】
図５は、コア層の厚さｔcoreを標準的な２８０ｎｍとしたときのシングルモードの電界強度分布を示す図である。図５の（ａ）に緩衝層の厚さｔが２５ｎｍの場合を、（ｂ）に緩衝層の厚さｔが５０ｎｍの場合を、（ｃ）に緩衝層の厚さｔが７５ｎｍの場合をそれぞれ示した。図５でも、電界強度分布を示す濃淡がカラー表示をモノクロに変換して表現している。シミュレーション表示上で、ＵＦＯ様の形の中心部ｃのやや暗い部分が電界強度最大となっており、ここから周辺部に向かって、電界強度が徐々に単調に減少している。直感的にはややわかりにくいが、緩衝層の厚さｔが大きく（厚く）なるに従い、光はメサストライプ構造による横方向の急激な屈折率の変化を感じ難くなるため、メサストライプ下部の稜線（際）近くの部分での電界強度分布の凹み、くぼみの程度が抑制されている。
【００４５】
図６は、コア層の厚さｔcoreを標準的な２８０ｎｍとしたときの結合効率と緩衝層の厚さｔとの関係を示すグラフである。図６のグラフを参照すれば、結合効率は緩衝層の厚さｔが大きくなるにしたがって上昇し、線ｂで示した２５ｎｍ＜ｔの範囲では、結合効率が９５％以上となる。図４に示した高次モードの電界強度分布および図５のシングルモード電界強度分布を考慮すると、シングルモード動作の条件が実現できる緩衝層の厚さｔの上限値は、線ａで示したように概ね７５ｎｍである。したがって、コア層の厚さｔcoreが標準的な２８０ｎｍの場合では、緩衝層の厚さｔが、概ね２５ｎｍ＜ｔ＜７５ｎｍの範囲において、シングルモード動作と高い結合効率を同時に実現することが可能であって、本発明のリッジ導波路型半導体レーザが有効に動作する。次に、標準的なコア厚ではない場合について、検討する。
【００４６】
図７は、コア層の厚さｔcoreを極めて薄い１５０ｎｍとしたときの高次モードの電界強度分布を示す図である。コア厚ｔcore＝１５０ｎｍとし、コア層の屈折率を３．３４８、緩衝層の厚さｔ＝０ｎｍの場合の計算結果を示している。図４〜図６で示したコア層の厚さｔcoreが２８０ｎｍの場合と比べて、コア層が薄いためにコア層における光閉じ込めの程度が下がる。図７では、シミュレーション表示のａ、ｂで示した下の左右の２つの角の部分（導波路がであって基板内）で電界強度が最大となっており、この部分から中央および上方（メサストライプ）に向かって概ね斜めに徐々に電界強度が下がっている。リッジ導波路を形成したときの両脇の空気（または埋め込みＢＣＢ）の屈折率の影響によって、電界強度分布がコア層から下方の基板側へ押し下げられ、結果として、従来技術の構成に対応する緩衝層の厚さｔ＝０の場合においてもシングルモード導波路を実現することができなかった。そこで、次にシングルモードで動作できる下限のコア層の厚さｔcoreを求めた。
【００４７】
図８は、コア層の厚さｔcoreをやや増やして１８０ｎｍとしたときのシングルモードの電界強度分布を示す図である。図８の（ａ）に緩衝層の厚さｔが０ｎｍの場合を、（ｂ）に緩衝層の厚さｔが６０ｎｍの場合を、（ｃ）に緩衝層の厚さｔが１５０ｎｍの場合をそれぞれ示した。ＵＦＯ様の形状の中心部のやや暗い部分が電界強度最大となっている。（ａ）の緩衝層の厚さｔが０ｎｍの場合は、空気とメサストライプとの間の横方向の屈折率差が直接コア層に影響するために、下方の基板方向に光閉じ込めが漏れてきているが、緩衝層の厚さｔが大きくなるに従い、メサストライプの直下のコア層の中心部にピークが鮮明となり、シングルモード導波路となっていることが確認できる。図８の電界強度分布から、コア層の最小厚さは１８０ｎｍとした。次にコア層の厚さｔcore＝１８０ｎｍ時に、シングルモード導波路を実現するための緩衝層の厚さｔについて述べる。
【００４８】
図９は、コア層の厚さｔcoreを１８０ｎｍとしたときの高次モードの電界強度分布を示す図である。図９の（ａ）に緩衝層の厚さｔが１２０ｎｍの場合を、（ｂ）に緩衝層の厚さｔが１５０ｎｍの場合を、（ｃ）に緩衝層の厚さｔが２００ｎｍの場合をそれぞれ示した。シミュレーション表示上において、ａ、ｂで表示した図面のコア層に沿った両端の剣先状のやや暗い部分が最も電界強度の高い部分である。この最大部分から周辺に向かって電界強度が徐々に下がっている。緩衝層の厚さｔが１２０ｎｍおよび１５０ｎｍの場合、最初の高次モードである反対称モードはコア層内に閉じ込められずに基板側に放射されている。一方で緩衝層の厚さｔが２００ｎｍの場合においては、最初の高次モードである反対称モードがコア層内に閉じ込められており、このリッジ型導波路がシングルモードではないことを示している。これらの計算結果からは、コア層の厚さｔcoreを１８０ｎｍとしたとき、半導体レーザに基本的に求められる発振モードの観点から、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層の厚さｔの上限値は、概ね２００ｎｍであると見積もることができる。
【００４９】
図１０は、コア層の厚さｔｃｏｒｅを１８０ｎｍとしたときの結合効率と緩衝層の厚さｔとの間の関係を示すグラフである。図１０によれば、結合効率は緩衝層の厚さtが大きくなるにしたがって上昇し、線ｂで示したように１２０ｎｍ＜ｔの範囲において結合効率が９５％以上となる。一方、緩衝層の厚さtが概ね２００ｎｍに達すると、結合効率はむしろ低下している。
【００５０】
図９の（ｃ）に示した緩衝層の厚さｔが２００ｎｍの場合でコア層内に高次モードの電界強度分布が認められたことも考慮すると、シングルモード動作の条件が実現できる緩衝層の厚さｔの上限値は、線ａで示したように概ね１８０ｎｍと考えることができる。したがって、コア層の厚さｔcoreが１８０ｎｍの場合では、緩衝層の厚さｔが、線ｂで示したように概ね１２０ｎｍ＜ｔ＜１８０ｎｍの範囲において、シングルモード動作および高い結合効率を同時に実現することが可能であり、本発明のリッジ導波路型半導体レーザは有効に動作する。
【００５１】
図６のコア層の厚さｔcoreが２８０ｎｍの場合、および、図１０のコア層の厚さｔcoreが１８０ｎｍの場合の中間の状態として、コア層の厚さｔcoreを２３０ｎｍとして、上述の各場合と同様のシミュレーション計算を行った。シングルモード動作の条件および結合効率が９５％以上となる両条件から、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおける緩衝層の厚さｔの上限値および下限値を求めた。
【００５２】
図１１は、コア層の厚さｔcoreが１８０、２３０、２８０の場合の緩衝層の厚さｔの上限値および下限値を示した図である。図１１によれば、本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおいて、緩衝層による電界強度分布形状の改善の効果を得ることができるのは、線ｃで示したように、シングルモード条件からコア層の厚さｔcoreが１８０ｎｍ以上である。また、シングルモード条件および結合効率の改善の条件から、コア層の厚さｔcoreが１８０ｎｍの場合は、緩衝層の厚さｔが概ね１２０ｎｍ以上で１８０ｎｍ以下、コア層の厚さｔcoreが２３０ｎｍの場合は緩衝層の厚さｔが概ね７０ｎｍ以上で１２０ｎｍ以下、コア層の厚さｔcoreが２８０ｎｍの場合は緩衝層の厚さｔが概ね２５ｎｍ以上で７５ｎｍ以下の各範囲で良好な結合効率が得られることがわかる。尚、コア層の厚さｔcoreが２８０ｎｍを越えると、緩衝層の厚さｔが０に近づき従来技術の構成に近づいてしまうことになる。したがって、図１１の線ａ、線ｂ、線ｃ上の６つのプロット点で囲まれる四角形上およびその内側の領域にあるコア層厚さｔcoreおよび緩衝層の厚さｔの組み合わせにおいて、本発明のリッジ導波路型半導体レーザは有効に動作する。
【００５３】
上述の電界強度分布の各計算は、コア層の屈折率を、ＩｎＰ基板の上に成長したＩｎＧａＡｌＡｓ活性層の値の３．３４８として行われた。しかし、１．３μｍまたは１．５５μｍの波長において発光機能を与える他の材料をコア層として用いても、これらの材料の屈折率は、上述のＩｎＧａＡｌＡｓ活性層の屈折率と比べ大きな差異は無い。このため、上述の検討で求められた図１１の領域の範囲内で緩衝層の厚さtの厚さをわずかに調整することで、コア層がＩｎＧａＡｌＡｓの場合と同様の効果を得ることができる。コア層の他の材料としては、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓなどが挙げられる。
【００５４】
本発明のリッジ導波路型半導体レーザでは、メサストライプの側壁およびコア層の上部に、半導体基板と同じ組成を持つ半導体層である緩衝層を設けることによって、電界強度分布形状の歪みの改善が可能となる。実際に半導体レーザを作製する際は、図２の（ａ）に示したように絶縁膜１５を形成するため、この絶縁膜１５による物理的応力がコア層１２にも加わる。本発明のリッジ導波路型半導体レーザにおいて、緩衝層３５ａ、３５ｂを導入することによって、この絶縁膜からの応力を低減することもできる。電界強度分布形状の改善と合わせて、レーザ素子の信頼性特性の向上も同時に実現することができる。次に、本発明のリッジ導波路型半導体レーザを実際に作製した実施例について説明する。
【００５５】
［実施例１］
図１２は、本発明のリッジ導波路型半導体レーザの実施例１の構成を示す図である。上図は実施例1の構造を示している。ＩｎＰ基板１０１の上のコア層１０２をＩｎＧａＡｌＡｓから形成している。コア層１０２の厚さは２３０ｎｍとした。コア層１０２の上には、ＩｎＧａＡｓＰのエッチングストップ層１０３が形成され、さらにその上にｐ−ＩｎＰ層が形成される。メサストライプの幅は１．７μｍであり、発振波長は１．５５μｍである。
【００５６】
図１２のリッジ導波路型半導体レーザの作製は、まずｐ−ＩｎＰ層を導波路状に加工し、ＩｎＧａＡｓＰ層１０３でエッチングをストップする。その後、エッチングに用いた絶縁膜（図には示されていない）を用いて、緩衝層１０７ａ、１０７ｂとして、ＭＯＣＶＤ法を使用してｉ−ＩｎＰを３０ｎｍ結晶成長する。その後エッチングに用いた絶縁膜を除去し、図１２に示された絶縁膜１０５ａ、１０５ｂを形成する。さらに低誘電率材料であるＢＣＢによりメサストライプ１０４の両脇を埋め込んで、メサ形状を平坦化し、その上に電極パッド１０６を形成した。電極パッドは、電流注入の他に、変調電極としても利用される。したがって、本発明のリッジ導波路型半導体レーザは、メサストライプの側部を覆う低誘電率材料と、前記低誘電率材料の一部および前記メサストライプの上に形成された変調電極とを備えたことを特徴とする直接変調レーザ光源としても利用できる。
【００５７】
作製したリッジ導波路型半導体レーザを、レンズを介して、波長１３１０ｎｍでモードフィールド系９μｍのシングルモードファイバ光ファイバに結合したところ、結合損失１ｄＢ以下（結合効率は８０％に相当）の良好な実装状態を実現できた。さらに８５℃で発振閾値電流が１５ｍＡ以下、１５０ｍＡ注入電流の下で４０ｍＷの光出力を実現した。
【００５８】
［実施例２］
本実施例では、図１２に示した実施例１と同一の構成であって発振波長の異なる構成例を示す。本実施例では、コア層をＩｎＧａＡｌＡｓから形成している。コア層の厚さは１８０ｎｍとした。メサストライプの幅は１．８μｍであり、発振波長は１．３０μｍである。
【００５９】
作製方法は、実施例1と同様である。作製したレーザを、レンズを介して同様の光ファイバに結合したところ、結合損失１ｄＢ以下（結合効率で８０％に相当）の良好な実装状態が実現できた。さらに８５℃で発振閾値が１５ｍＡ以下、１５０ｍＡ注入電流の下で４０ｍＷの光出力を実現した。
【００６０】
なお、コア層としては、多重量子井戸構造を２つのＳＣＨ層で挟んだ構造とすることができる。例えば厚さ５．５ｎｍのＡｌ0.13Ｇａ0.23Ｉｎ0.64Ａｓをウェルとし、厚さ１０ｎｍのＡｌ0.30Ｇａ0.23Ｉｎ0.47Ａｓをバリアとする４層の多重量子井戸構造を使用し、Ａｌ0.30Ｇａ0.23ＩｎＹ0.47Ａｓからなるｎ−下部ＳＣＨ層とｐ−上部ＳＣＨ層で上記多重量子井戸構造を挟んだ構造を取ることができる。このとき、ｎ−下部ＳＣＨ層とｐ−上部ＳＣＨ層は同じ厚さで、コア層全体の厚さは１８０ｎｍである。
【００６１】
上述のいずれの構成でも、コア層の上にエッチングストップ層があるものとして説明したが、エッチングストップ層を備えずに、コア層の上に直接上部クラッド層を形成した構成であっても良い。このときは、緩衝層は、上部クラッドの側面およびコア層の上面に形成されることになる。したがって、本発明は、半導体基板と、前記半導体基板上に形成されたコア層と、前記コア層の上に形成された上部クラッド層がリッジ形状に加工されたメサストライプとを備えた半導体レーザにおいて、前記メサストライプの側面上、および、前記側面と交差し前記リッジ形状を構成する前記コア層上に形成され、前記半導体基板と同じ組成を持つ緩衝層をさらに備えたことを特徴とする半導体レーザとしても実現できる。
【００６２】
以上詳細に説明したように、本発明のリッジ導波路型半導体レーザによれば、緩衝層を設けることによって、従来技術で生じていた電界強度分布の凹み、くぼみなどの形状の歪みを改善し、電界強度分布を真円形状に近づけ、その結果、外部光ファイバとの間で高い結合効率を得ることができる。さらに、絶縁膜によって生じる応力を緩和することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、一般的に通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの光源に利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１、３０、１００  リッジ導波路型半導体レーザ
２、１１、２１、３１、１０１  基板
３、１２、２２、３２、１０２  コア層
５  ＡＲ膜
６ａ、６ｂ、１０６  電極
７  回折格子
１３、２３、３３、１０３  エッチストップ層
４ａ、４ｂ、２５ａ、２５ｂ、１０６ａ、１０６ｂ  埋め込みＢＣＢ
９、１４、２４、３４、１０４  メサストライプ
１５、２６、１０５ａ、１０５ｂ  絶縁膜
３５ａ、３５ｂ、１０７ａ、１０７ｂ  緩衝層    
【図１】
0006405283.tif 000002
【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】
0006405283.tif 000008
【図８】
0006405283.tif 000009
【図９】
0006405283.tif 000010
【図１０】
0006405283.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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