(57)【要約】【課題】  高光出力動作する半導体レーザ素子と、それを用いた光ファイバ増幅器用励起光源を提供する。【解決手段】  井戸層４Ａおよび障壁層４Ｂから成る多重量子井戸構造の活性層４に接合する光閉じ込め層３Ａ，３Ｂを介してクラッド層２Ａ，２Ｂが配置されており、かつ、共振器長が８００μｍ以上である半導体レーザ素子において、活性層４を構成する少なくとも１個の井戸層とその井戸層に隣接する少なくとも１個の障壁層には不純物ドープ領域８が形成されている半導体レーザ素子。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸層および障壁層から成る多重量子井戸構造の活性層に接合する光閉じ込め層を介してクラッド層が配置されており、かつ、共振器長が８００μｍ以上である半導体レーザ素子において、
前記活性層を構成する少なくとも１個の井戸層とその井戸層に隣接する少なくとも１個の障壁層にはｎ型の不純物がドーピングされていることを特徴とする半導体レーザ素子。
【請求項２】
前記光閉じ込め層の厚みが２０〜５０nmである請求項１の半導体レーザ素子。
【請求項３】
前記不純物のドーピング濃度が１×１０17〜３×１０18cm-3である請求項１または２の半導体レーザ素子。
【請求項４】
前記不純物が、Ｓ，Ｓｅ、およびＳｉの群から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜３のいずれかの半導体レーザ素子。
【請求項５】
前記共振器長が１０００μｍより長い請求項１〜４のいずれかの半導体レーザ素子。
【請求項６】
前記光閉じ込め層は、バンドギャップエネルギーが異なる複数の層で形成されている請求項１〜５のいずれかの半導体レーザ素子。
【請求項７】
前記光閉じ込め層に隣接して上部および下部クラッド層が形成され、それらクラッド層のバンドギャップエネルギーは、活性層およびそれに隣接する光閉じ込め層のバンドギャップエネルギーのいずれよりも大きい請求項１〜６のいずれかの半導体レーザ素子。
【請求項８】
前記光閉じ込め層は、クラッド層との接合端部におけるバンドギャップエネルギーが、活性層を構成する最外側の井戸層と障壁層との接合部におけるバンドギャップエネルギーよりも大きくなっている請求項１〜５のいずれかの半導体レーザ素子。
【請求項９】
前記クラッド層との接合端部におけるバンドギャップエネルギーと、前記障壁層との接合部におけるバンドギャップエネルギーとを結んで前記光閉じ込め層にバンドギャップエネルギー線を描画したときに、前記バンドギャップエネルギー線は直線形状、または、上もしくは下に凸のパラボリック形状になる請求項８の半導体レーザ素子。
【請求項１０】
前記光閉じ込め層は、２層以上で構成され、かつ、各層のバンドギャップエネルギーは前記バンドギャップエネルギー線の上に位置している請求項９の半導体レーザ素子。
【請求項１１】
前記井戸層は、０.５％以上の圧縮歪みを有している請求項１〜１０のいずれかの半導体レーザ素子。
【請求項１２】
前記井戸層が０．５〜１．５％の圧縮歪みを有する請求項１１の半導体レーザ素子。
【請求項１３】
前端面の反射率が５％以下、後端面の反射率が９０％以上である請求項１〜１２のいずれかの半導体レーザ素子。
【請求項１４】
発振波長が１２００〜１５５０nmである請求項１〜１３のいずれかの半導体レーザ素子。
【請求項１５】
パッケージの中に、請求項１〜１４のいずれかの半導体レーザ素子が冷却器の上に配設された状態で封入されており、前記半導体レーザ素子の出射端面には光ファイバの入射端面が対向配置されていることを特徴とする光ファイバ増幅器用励起光源。
【請求項１６】
前記光ファイバの入射端面の近傍には、光ファイバグレーティングが形成されている請求項１５の光ファイバ増幅器用励起光源。
【請求項１７】
請求項１〜１４のいずれかの半導体レーザ素子が組み込まれている光ファイバ増幅器用励起光源であって、更に、前記半導体レーザ素子の出力を光ファイバの端面に光結合する少なくとも１個のレンズを有し、かつ前記半導体レーザ素子が冷却素子に熱的に結合されていることを特徴とする光ファイバ増幅器用励起光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は多重量子井戸構造を活性層（発光領域）とするタイプの半導体レーザ素子とそれを用いた光ファイバ増幅器用励起光源に関し、更に詳しくは、キャリア注入効率が高く、そして従来に比べて高光出力動作を実現し、しかも高い動作信頼性を備えている半導体レーザ素子と、これを用いた光ファイバ増幅器用励起光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
多重量子井戸（以後、ＭＱＷという）構造を活性層（発光領域）とする半導体レーザ素子は、バルク活性層を有する半導体レーザ素子に比べて低いしきい値電流で発振し、また高光出力動作が可能であることが知られている。
このようなＭＱＷ構造のレーザ素子の断面構造の１例を図１に示す。
このレーザ素子は、ｎ型の半導体基板１の上に、例えばＭＯＣＶＤ法のようなエピタキシャル結晶成長法でｎ型の下部クラッド層２Ａ、ノンドープの下部光閉じ込め層３Ａ、活性層４、ノンドープの上部光閉じ込め層３Ｂ、ｐ型の上部クラッド層２Ｂ、およびｐ型のキャップ層５が順次積層された半導体材料の層構造を有している。そして、基板１の裏面にはｎ型の下部電極６Ａ、キャップ層５の上にはｐ型の上部電極６Ｂがそれぞれ形成されている。
【０００３】
また、下部光閉じ込め層３Ａ、活性層４、上部光閉じ込め層３Ｂの側面には、まず、下部クラッド層２Ａの上面を被覆した状態でｐ型の半導体層７Ａが積層され、更にその上にｎ型の半導体層７Ｂが積層されることにより、活性層４への電流注入用の狭窄部が形成されている。
このレーザ素子の上記層構造に対しては、ある決められた共振器長（Ｌ）となるような劈開が行われ、一方の劈開面には例えば窒化けい素から成る単層の低反射膜を成膜することにより、出射端面になる前端面Ｓ1が形成され、他方の端面には例えばα−Ｓｉ層と窒化けい素層を交互に積層して成る複数層の高反射膜を成膜することにより、後端面Ｓ2が形成される。
【０００４】
ここで、活性層４は、半導体材料から成る厚みがnmオーダの狭バンドギャップエネルギーを有する井戸層と、同じく厚みがnmオーダでそのバンドギャップエネルギーは井戸層を構成する半導体材料よりも広い半導体材料で構成された障壁層とを交互にヘテロ接合したＭＱＷ構造になっている。
また、上記した活性層４の上・下に位置する下部光閉じ込め層３Ａと上部光閉じ込め層３Ｂは、いずれも、ＳＣＨ構造（Separate-confinement-heterostructure）になっている。
【０００５】
これら光閉じ込め層３Ａ，３ＢをＳＣＨ構造にする理由は、活性層４へのキャリアの注入効率を高め、活性層４で発振したレーザ光の閉じ込め効果を高め、もって、レーザ素子の外部微分量子効率を高めて高光出力動作を可能たらしめるためである。
このような半導体レーザ素子は、ペルチェ素子から成る冷却装置の上に配置された状態でパッケージ内に収容されてレーザモジュールに組み立てられ、これは、光通信システムの信号光源や、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）のような光ファイバ増幅器の励起光源として使用される。
【０００６】
近年、ＷＤＭシステム構築の急速な進展に伴い、当該システムにおけるチャネル数が爆発的に増加しているが、その増加するチャネル数に対応するために、高光出力の光ファイバ増幅器を設計しようとする場合、超高光出力の励起光源としての半導体レーザ素子を開発することが不可欠となる。とくに、近年盛んに開発研究が進められている光ファイバラマン増幅器にあっては、超高光出力動作をし、また狭線幅スペクトル特性を備えた半導体レーザ素子が励起光源として必要になっている。
【０００７】
ところで、ＭＱＷ構造から成る活性層を有する半導体レーザ素子の高光出力動作を実現する方法の１つとして、その共振器長（Ｌ）を長くすることの有効性が知られている。これは、共振器長（Ｌ）が長い方が、素子抵抗や熱抵抗が低減するため、大きな駆動電流においても光出力の熱飽和が抑制されるためである。
しかしながら、レーザの端面反射率を固定した場合には、共振器長（Ｌ）が長くなるにつれて、内部吸収に基づくレーザ素子としての外部微分量子効率が低下するため、むしろ光出力は低下するようになる。このような問題は、前端面の反射率を小さくして共振器損失を大きくすることで量子効率を増加させ、もって光出力の低下をある程度抑制することが有効である。
【０００８】
しかしながら、その場合には、前端面（発光端面）Ｓ1の反射率の低下に伴う共振器損失の増加が、結果的に電子のオーバーフローを増加させ、前記反射率がある数値以下になると光出力の低下という問題が発生してくる。
ところで、近年、光ファイバ増幅器用励起光源としては高光出力の光源が要求されており、その駆動電流は年々増加している。このような状況下においては、従来は高光出力化に有利であった活性層の上・下に位置する光閉じ込め層をＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造にするという手段を採用しても、高光出力化を実現するために駆動電流を増加するにつれて、ｐ型の上部クラッド層２Ｂと上部光閉じ込め層３Ｂとの間のヘテロ障壁を超える電子のオーバフローや、価電子帯間吸収や、クラッド層における電子−正孔の発光再結合が増大し、結局、高光出力化が制限を受けるという問題が顕在化してきている。
【０００９】
また、非特許文献１に述べられているように、高光出力動作のためには、活性層、とくに井戸層への高いキャリアの注入効率が必要になる。
しかしながら、ＭＱＷ構造の活性層とその上・下に光閉じ込め層が位置しているレーザ素子構造の場合、活性層へのホールの捕獲時間が、高いキャリア注入効率を抑制する要因となる。その結果、光閉じ込め層においては、注入キャリアの増加とともに電子−正孔の発光再結合が増大し、レーザ出力が制限されるという問題が発生する。
【００１０】
更に、井戸層が３個以上のＭＱＷ構造の活性層の場合には、各井戸層へのホールの不均一注入が生じ、このことによる光閉じ込め層での発光再結合成分が増大する。そのため、これらの影響は注入キャリア密度が大きい程顕著であり、結果として大駆動電流でのレーザ素子の高効率動作および高出力動作を制限することになる。
また、ＭＱＷ構造の活性層を有する半導体レーザ素子の高光出力のための他の方法の１つとして、ＭＱＷ構造の井戸層をノンドープ状態のままにし、障壁層にｎ型ドーパントであるＳｅやＳを選択的に変調ドーピングし、形成された変調ドープ構造の働きで内部吸収を抑制して高光出力動作を可能にしたレーザ素子が提案されている（特許文献１）。
【非特許文献１】IEEE. J. Quantum Electron QE-30(1994), 54
【特許文献１】国際公開公報第ＷＯ００／０７０６３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記した先行技術において、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）を適用しようとすると、障壁層のみにｎ型ドーパントを選択的にドーピングして活性層内に急峻な変調ドープ構造を形成することは非常に困難である。例えばｎ型ドーパントがＳである場合には、電流狭窄部形成のための埋込み成長時の成長温度で当該Ｓが井戸層へも拡散してしまうことがあり、また、ｎ型ドーパントがＳｅである場合には、そのメモリー効果により、井戸層と障壁層の界面でＳｅの供給を遮断しても、井戸層にＳｅが残存してしまうので、急峻なドーピングプロファイルを実現するためには、結晶成長の中断が必要となる。その結果、活性層内に界面準位が形成され、非発光再結合成分が増加するので、高光出力動作が制限されることが懸念される。
【００１２】
本発明は、ＭＱＷ構造の活性層を有する半導体レーザ素子の高光出力動作時に発生する上記した問題を解決し、キャリア注入効率が高く、高キャリア注入時に無効電流が増加せず、そして従来のＭＱＷ構造のレーザ素子に比べて高光出力動作をする半導体レーザ素子と、それを用いた光ファイバ増幅器用励起光源の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記した目的を達成するために、本発明においては、
井戸層および障壁層から成る多重量子井戸構造の活性層に接合する光閉じ込め層を介してクラッド層が配置されており、かつ、共振器長が８００μｍ以上である半導体レーザ素子において、
前記活性層を構成する少なくとも１個の井戸層とその井戸層に隣接する少なくとも１個の障壁層にはｎ型の不純物がドーピングされていることを特徴とする半導体レーザ素子が提供される。
【００１４】
また、本発明においては、パッケージの中に、上記した半導体レーザ素子が冷却器の上に配設された状態で封入されており、前記半導体レーザ素子の出射端面には光ファイバの入射端面が対向配置されていることを特徴とする光ファイバ増幅器用励起光源が提供される。
更に、本発明によれば、上記の半導体レーザ素子の出力を光ファイバの端面に光結合する少なくとも１個のレンズを有し、かつ前記半導体レーザ素子が冷却素子に熱的に結合されていることを特徴とする光ファイバ増幅器用励起光源が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
以上の説明で明らかなように、本発明のレーザ素子は、キャリア注入効率が高く、光閉じ込め層の光閉じ込め効果も大きく、高光出力動作するので光ファイバ増幅器用の励起光源として有効である。したがって、本発明のレーザ素子は、エルビウムドープ光ファイバ増幅器や、ファイバブラッググレーティングと結合したラマン増幅器のようにＷ級の光出力が要求されるシステムを構成するときの励起光源として有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
まず、本発明のレーザ素子は、全体として図１で示した層構造を有しており、その共振器長（Ｌ）は８００μｍ以上の長さに設定される。
ここで、このレーザ素子の層構造におけるエネルギーバンド図の伝導帯と価電子帯の１例を図２に示す。
図２において、下部クラッド層２Ａの上に、下部光閉じ込め層３Ａ、活性層４、上部光閉じ込め層３Ｂ、および上部クラッド層２Ｂがこの順序で積層されている。そして、活性層４は、井戸層４Ａと障壁層４Ｂとを交互にヘテロ接合して成り、井戸数が５個であるＭＱＷ構造になっている。この活性層４とクラッド層２Ａ，２Ｂの間に位置する光閉じ込め層３Ａ，３Ｂは、活性層４を中心にして組成、厚みなどが上下対称（図２では左右対称）に形成されていて、全体としては２層の半導体材料層３Ｂ1（＝３Ａ1），３Ｂ2（＝３Ａ2）で構成されている。
【００１７】
このような層構造を有する本発明のレーザ素子における第１の特徴は、活性層４の少なくとも１個の井戸層４Ａとそれに隣接する障壁層４Ｂには不純物がドーピングされて不純物ドープ領域８が形成されていることである。
この不純物ドープ領域８は、図２で示したような互いに隣接する一対の井戸層４Ａと障壁層４Ｂに限定されるものではなく、更に多くの対数の井戸層と障壁層を含んでいてもよく、また活性層全体が不純物ドープ領域になっていてもよい。更に、活性層の全体に不純物ドープ領域が形成されていると、レーザ素子の直列抵抗および熱抵抗が小さくなり、そのことにより、レーザ素子の放熱性が改善されて光出力は大きくなるので好適である。
【００１８】
この不純物ドープ領域８を形成するために用いる不純物としては、ｎ型不純物が好適であり、具体的には、Ｓ，Ｓｅ，Ｓｉの１種または２種以上が用いられる。これらｎ型不純物のドーピング濃度は、１×１０17〜３×１０18cm-3に設定することが好ましい。ドーピング濃度が１×１０17cm-3でより低くなると、前記したドーピングの効果が得られず、高光出力化が不充分となり、また３×１０18cm-3より高くなると、活性層４の結晶性が劣化し、非発光成分が増加し、高光出力動作を妨げるとともに信頼性の確保が困難になる。
【００１９】
なお、不純物ドープ領域の形成に用いる不純物としては、ｐ型不純物であってもよい。その場合のｐ型不純物としては、例えばＢｅ，Ｍｇ，Ｚｎの１種または２種以上をあげることができる。
本発明のレーザ素子における第２の特徴は、図２で示した２個の光閉じ込め層３Ａ．３Ｂの厚みを、それぞれ、２０〜５０nmに設定することである。
【００２０】
光閉じ込め層３Ｂ（３Ａ）の厚みを２０nmより薄くすると、電子のオーバーフローのために、発振する光出力は飽和に達し、また光閉じ込め層３Ｂ（３Ａ）の厚みを５０nmよりも厚くすると、レーザ素子の直流抵抗成分が大きくなって熱飽和に基づく光出力の飽和やキンクが発生しはじめるからである。
この光閉じ込め層３Ｂ（３Ａ）は、活性層の最外側に位置する障壁層４Ｂとヘテロ接合し、また上部クラッド層２Ｂ（下部クラッド層２Ａ）ともヘテロ接合している。そして、クラッド層２Ｂ（２Ａ）との接合端部におけるバンドギャップエネルギーは、活性層４を構成する最外側の井戸層４Ａとそれに隣接する最外側の障壁層４Ｂとの接合部におけるバンドギャップエネルギーよりも大きくなっていることが好ましい。具体的には、図２で示したように、障壁層のバンドギャップエネルギーＥ1と、光閉じ込め層の最大バンドバンドギャップエネルギーＥ2との差が９０meV以上であることが好ましい。
【００２１】
また、図２で示した光閉じ込め層３Ｂ（３Ａ）の場合は、２層の半導体材料層３Ｂ1（３Ａ1），３Ｂ2（３Ａ2）で構成されている。その場合、この光閉じ込め層３Ｂにおいて、図３で示したように、クラッド層２Ｂとの接合端部Ａ0である層３Ｂ2のバンドギャップエネルギーと、井戸層４Ａと障壁層４Ｂとの接合部Ａ0’である障壁層４Ｂのバンドギャップエネルギーとを結んだときに、光閉じ込め層３Ｂ1，３Ｂ2の各バンドギャップエネルギーＡ1，Ａ2は、図３で示したように、包絡線の上に位置し、また、その包絡線は、その線が直線形状や、図３の破線で示したように上または下に凸のパラボリック形状になるように、各層３Ｂ1，３Ｂ2が形成されていることが好ましい（以下、この包絡線をバンドギャップエネルギー線という）。
【００２２】
例えば、図３の場合には、光閉じ込め層３Ｂにおける上記したバンドギャップエネルギー線を描画すると、層３Ｂ2のバンドギャップエネルギーは点Ａ2でこのバンドギャップエネルギー線の上に乗り、このバンドギャップエネルギー線は全体として直線形状になっている。すなわち、この光閉じ込め層３ＢはリニアＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造になっている。
この光閉じ込め層３Ｂは、上記した２層構造に限定されるものではなく、層数は更に多い方が好適である。
【００２３】
しかしながら、層数が多くなると各層の組成制御が必要となり、そのうちの１層でも格子整合条件から外れると結晶欠陥による結晶劣化をもたらし、高光出力動作・高信頼性の実現が困難となる。また、層数の増加により、成長操作の回数が増加するので、量産という点から問題となる。このようなことから、層数は、通常、５〜６層程度に設定することが好ましい。その場合であっても、光閉じ込め層を構成している複数の各半導体材料層は、いずれも、そのバンドギャップエネルギーが上記したバンドギャップエネルギー線の上に位置する組成で形成されることが好ましい。
【００２４】
以上の点を特徴点とする本発明のレーザ素子は、その井戸層４Ａが基板１に対して０.５％以上の圧縮歪みを有していることが好ましい。なお、歪補償構造を用いない場合の上限は１.５％程度が好適となる。
また、本発明のレーザ素子は、その共振器長（Ｌ）が８００μｍ以上に設定されるが、共振器長（Ｌ）を８００μｍより短くすると、電気抵抗および熱抵抗が大きくなり、駆動電流が増大すると、レーザ素子の光出力の熱飽和の影響が支配的になるからである。
【００２５】
そして、共振器長（Ｌ）を８００μｍ以上とすることから、本発明のレーザ素子においては、出射端面である前端面Ｓ1の反射率を５％以下に設定し、後端面Ｓ2の反射率を９０％以上に設定することが好適である。とくに、本発明では共振器長（Ｌ）が１０００μｍ以上という長共振器構造化に伴う効率低下を補償するための低反射膜の適用によって発生するキャリアのオーバーフローを抑制することができるので、従来構造と比較して、高駆動電流時の光出力低下を抑制することができる。
【００２６】
次に本発明の光ファイバ増幅器用励起光源の１例を図４に示す。
この励起光源は、既に説明した本発明のレーザ素子Ａが複数のペルチェ素子９ａから成る１個の冷却装置９に装荷された状態でパッケージ１０の中に封入された構造になっている。
そして、レーザ素子Ａの光出射端面側にはコリメータレンズ１１ａが配置され、更にパッケージ１０の前面には集光レンズ１１ｂを介して、光ファイバ１２が配置され、またレーザ素子Ａの背面にはホトダイオード１３が配置されている。
【００２７】
上記した励起光源に組み込む光ファイバ１２としては、中央のコア１２ａに光ファイバグレーティング１２ｂが形成されているものが好ましい。その場合、ファイバグレーティング１２ｂの反射帯域幅は２nm以下、とりわけ１.５nm以下であり、かつ、ファイバグレーティング１２ｂの反射帯域幅がレーザ素子Ａからの発振レーザ光における縦モードの波長間隔よりも大きくなっていることが好ましい。光ファイバ１２から出射するレーザ光の電流−光出力特性におけるキンクの低減が可能であり、出射するレーザ光のスペクトル幅を充分狭くすることができ、波長多重化時の多重化度を高めることができるからである。
【実施例】
【００２８】
１４８０nmの波長帯域で発振し、図１で示した層構造を有する本発明の半導体レーザ素子を次のようにして製造した。そのときに、各素子における上記各パラメータを変化させてそのパラメータとレーザ特性との関係を調べた。
１．活性層への不純物ドーピングの影響
ｎ型ＩｎＰから成る基板１の（１００）面に、ｎ型ＩｎＰから成るｎ型クラッド層２Ａを成膜した。
【００２９】
ついで、この下部クラッド層２Ａの上に、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料で次のようなＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造の下部光閉じ込め層３Ａを形成した。
まず、ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み２０μｍの層３Ａ2を成膜し、ついでその上に、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１.２μｍ）から成る厚み２０nmの層３Ａ1を成膜した。
【００３０】
この下部光閉じ込め層３Ａの上に後述する活性層４を形成し、更にその上に、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１.２μｍ）から成る厚み２０nmの層３Ｂ1と、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１.１μｍ）から成る厚み２０nmの層３Ｂ2を形成した。
ここで、活性層４は、ＧａＩｎＡｓＰから成る厚み４nmの井戸層４ＡとＧａＩｎＡｓＰから成る厚み１０nmの障壁層４Ｂで構成され、井戸層の数は５個であり、このＭＱＷ構造は全体として１％の圧縮歪みを有している。
【００３１】
そして、井戸層４Ａと障壁層４Ｂの成膜時には、ｎ型不純物であるＳｅをドーピングして次のような不純物ドープ領域８を形成した。すなわち、第１のドーピングは活性層４の井戸層４Ａと障壁層４Ｂの全部にドーピング濃度が１×１０17cm-3となるようにドーピングする態様（以下、フルドープ状態という）であり、第２のドーピングは活性層４の中央に位置している一対の井戸層４Ａと障壁層４Ｂにのみドーピング濃度が５×１０17cm-3となるようにドーピングする態様（以下、中央ドープという）である。
【００３２】
なお、上記した２種類のドーピングの外に、比較例として、ノンドープ状態の活性層４も形成した（以下、ノンドープ状態という）。
そして、上部光閉じ込め層３Ｂの上に、ｐ型ＩｎＰから成る上部クラッド層２Ｂを積層し、メサストライプを形成したのち電流狭窄のためのｐ型電流狭窄層７Ａ、ｎ型電流狭窄層７Ｂを形成し、そしてその上にｐ型ＩｎＰから成る上部クラッド層２Ｂ、ｐ型ＩｎＧａＡｓから成るコンタクト層５を順次成膜し、更に、コンタクト層５の上にｐ型上部電極６Ｂを形成したのち、基板１の裏面を研磨し、その研磨面にｎ型電極６Ａを形成した。
【００３３】
ついで、この層構造の全体を劈開して共振器長（Ｌ）を１０００μｍに設定し、前端面Ｓ1に反射率が１％の低反射膜を成膜し、後端面Ｓ2に反射率が９５％である高反射膜を成膜して、図１で示したレーザ素子を製造した。
以上、３種類のレーザ素子につき、電流駆動時の最大光出力（Ｐmax）を測定した。そして、ノンドープ状態のＰmaxに対する相対値を求めた。以上の結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
2005039297.tif 000003
【００３５】
表１から明らかなように、活性層にｎ型不純物をドーピングすると、そのレーザ素子は、ノンドープ状態の場合に比べて高光出力動作をする。そのとき、活性層の井戸層と障壁層の全部に不純物ドーピングしてフルドープ状態にすると高光出力動作の点で有効である。
そこで、フルドープ状態において、ｎ型不純物のＳｅのドーピング濃度を変化させてＰmaxを調べてみた。なお、用いたレーザ素子は、共振器長（Ｌ）が１３００μｍであったことを除いては、上記したレーザ素子と同じ構成のものである。
【００３６】
その結果を図５に示した。
図５から明らかなように、Ｓｅのドーピング濃度を１×１０18cm-3としたときのＰmaxは４００mWであり、１×１０17〜３×１０18cm-3程度にすると、レーザ素子のＰmaxは３７５mW以上となり、比較例と同程度以上の光出力が得られ、高光出力動作にとって好適であることがわかる。
【００３７】
２．ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造の厚みの影響
１項で説明したレーザ素子の製造時に、上部光閉じ込め層３Ｂと下部光閉じ込め層３Ａはいずれも層３Ｂ1（３Ａ1）と層３Ｂ2（３Ａ2）の２層構造したうえで、各層の厚みを変化させることにより、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造の厚みが異なっていることを除いては、１項のレーザ素子と同じ構成のレーザ素子を製造した。なお、活性層はＳｅ不純物のフルドープ状態（ドーピング濃度は１×１０18cm-3）になっている。
【００３８】
そして、このレーザ素子につきＰmaxを測定した。その結果を図６に示す。
図６から明らかなように、光閉じ込め層の厚みが４０mWであり、光閉じ込め層の厚みを２０〜５０nmとすることにより、３６０mW以上の高光出力動作が得られた。
３．クラッド層と障壁層とのバンドギャップエネルギー差の影響
１項で説明した層構造のレーザ素子において共振器長（Ｌ）を１３００μｍとし、活性層へのＳｅのドーピング濃度が５×１０17cm-3でかつフルドープ状態とし、そして、上部（下部）クラッド層の組成を変化させることにより、当該クラッド層と活性層の最外側に位置する障壁層とのバンドギャップエネルギー差（Ｅ2−Ｅ1）を変化させてレーザ素子を製造した。なお、Ｅ2−Ｅ1＝０となるレーザ素子も製造した。
【００３９】
これらのレーザ素子につきＰmaxを測定した。その結果を図７に示した。
また、各レーザ素子の光出力−電流特性を調べ、飽和出力電流を求めた。そして、その値をＥ2−Ｅ1の関係図として図８に示した。
図７から明らかなように、Ｅ2−Ｅ1値の増加とともに光出力が増加し、Ｅ2−Ｅ1値が９０meV以上になると３６０mW以上の光出力が得られ、４００mW程度で飽和する傾向が認められる。このとき、図８から、Ｅ2−Ｅ1値が９０meVになっているレーザ素子は、その飽和出力電流が略１２００mAよりも大きく、大きな注入電流による駆動が可能になっていて、更なる高光出力動作が可能になっている。
【００４０】
なお、本実施例は１４８０nmのレーザ素子を例にとって説明したが、本発明が１２００〜１５５０nmのラマン増幅用光源においても有効であることは言うまでもない。
さらに本実施例はＩｎＰ基板上のＧａＩｎＡｓＰ系のレーザ素子を例にとって説明したが、本発明がこれに限定されるものでないことは明らかであり、例えば、ＩｎＰ基板上のＡｌＧａＩｎＡｓＰ系のレーザ素子や、ＧａＡｓ基板上のＡｌＧａＩｎＰ系やＡｌＧａＩｎＮＡｓＰ系、ＧａＩｎＡｓＰ系のレーザ素子に適用しても良い。
【００４１】
更には基板の導電型はｐ型であってもよいことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の半導体レーザ素子の層構造例を示す断面図である。
【図２】本発明の活性層近傍の層構造を示すエネルギーバンド図である。
【図３】クラッド層と障壁層間のバンドギャップエネルギー線を示す模式図である。
【図４】本発明の励起光源の１例を示す概略図である。
【図５】活性層のＳｅドーピング濃度と最大光出力との関係を示すグラフである。
【図６】光閉じ込め層の厚みと最大光出力との関係を示すグラフである。
【図７】Ｅｇと最大光出力との関係を示すグラフである。
【図８】Ｅｇと飽和電流との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１        基板
２Ａ      下部クラッド層
２Ｂ      上部クラッド層
３Ａ      下部光閉じ込め層
３Ｂ      上部光閉じ込め層
４        活性層
４Ａ      井戸層
４Ｂ      障壁層
５        コンタクト層
６Ａ      下部電極
６Ｂ      上部電極
７Ａ      ｐ型半導体層
７Ｂ      ｎ型半導体層
Ｓ1       前端面
Ｓ2       前端面
９        冷却装置
９ａ      ペルチェ素子
１０      ハウジング
１１ａ    コリメータレンズ
１１ｂ    集光レンズ
１２      光ファイバ
１２ａ    コア
１２ｂ    ファイバグレーティング
１３      ホトダイオード
【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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