(57)【要約】【課題】  量産性を損なうことなく、高い光出力を低い動作電流で実現でき、高い光ファイバ結合効率と優れた高温特性を実現できる通信用高出力半導体レーザを提供する。【解決手段】  ｎ型ＩｎＰ基板１０１とｎ型ＩｎＰクラッド層１０３との間にｎ型ＩｎＧａＡｓＰモード拡大層１０２を設け、ｎ側光ガイド層１０４とｐ側光ガイド層１０６が、その組成または層厚またはその両方が異なる構造であり、モード拡大層１０２はｎ型クラッド層１０３とは屈折率の異なる単数もしくは複数の層で構成された高屈折率層であり、その実効屈折率がｐ型クラッド層１０７の実効屈折率と比べて高く、ｎ側光ガイド層１０４とモード拡大層１０２との距離を０．２μｍ以上とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に、ＩｎＧａＡｓＰ系またはＩｎＧａＡｌＡｓ系化合物半導体からなる活性層を有し、ｎ型クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、ｐ側光ガイド層、ｐ型クラッド層をこの順で有する半導体レーザにおいて、ｎ型クラッド層中の一部に、ｎ型クラッド層とは屈折率の異なる単数もしくは複数の層で構成された高屈折率層が設けられ、該高屈折率層の実効屈折率がｐ型クラッド層の実効屈折率と比べて高く、前記ｎ側光ガイド層と前記高屈折率層との間に、前記活性層の実効屈折率および前記高屈折率層の実効屈折率より低い実効屈折率を有するｎ型クラッド層が介在し、該介在するｎ型クラッド層の層厚が０．２μｍ以上であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記高屈折率層は、層厚が０．０１μｍ以上１μｍ以下であり、且つ、前記介在するｎ型クラッド層の層厚が２μｍ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。
【請求項３】
前記高屈折率層の実効屈折率は、前記ｐ型クラッド層の実効屈折率と比べて１．５％以上高いことを特徴とする、請求項１または２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記ｐ型クラッド層の屈折率が一様であるか、または層厚方向で単調に変化していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記ｎ側光ガイド層と前記ｐ側光ガイド層とは、その実効屈折率、層厚のいずれかまたはその両方が異なることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記ｎ型クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、ｐ側光ガイド層、ｐ型クラッド層がメサ構造に形成されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項７】
前記ｎ側光ガイド層の層厚が０．０１μｍ以上０．５μｍ以下であり、且つ、前記ｐ側光ガイド層の層厚が０．０１μｍ以上０．１μｍ以下であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記高屈折率層の屈折率分布が層厚方向で変化していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項９】
前記ｎ側光ガイド層と前記ｐ側光ガイド層のいずれかまたはその両方が、屈折率の異なる複数の層で構成されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項１０】
前記ｎ側光ガイド層と前記ｐ側光ガイド層のいずれかまたはその両方の屈折率分布が層厚方向で変化していることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【請求項１１】
ｎ型ＩｎＰ半導体基板上に、ｎ型ＩｎＰクラッド層、ｎ側光ガイド層、ＩｎＧａＡｓＰ系またはＩｎＧａＡｌＡｓ系化合物半導体からなる活性層、ｐ側光ガイド層、ｐ型ＩｎＰクラッド層をこの順で有する半導体レーザにおいて、ｎ型ＩｎＰクラッド層中の一部に単数もしくは複数の層で構成されたｎ型ＩｎＧａＡｓＰまたはｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ高屈折率層が設けられ、その高屈折率層の実効屈折率が、活性層の実効屈折率以下であって、ｐ型ＩｎＰクラッド層の実効屈折率よりも高いことを特徴する半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザに関し、特に、高い光出力を低い動作電流で実現する通信用半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
通信用高出力半導体レーザ、例えば光ファイバアンプ励起用半導体レーザでは、高い光出力を得るために、共振器長を長くすることで、素子の発熱を抑制し放熱性を改善する工夫がなされている。
【０００３】
しかし、従来の半導体レーザは、レーザ光に対する内部損失（光吸収）が大きいため、長共振器化に伴い量子効率（電気−光変換効率）が大きく低下し、動作電流が増大するという問題があった。従って、高い光出力を低い動作電流で実現するには、内部損失を低減することが重要となる。
【０００４】
ＧａＡｓ系等の化合物半導体を用いた半導体レーザとして、活性層を活性層よりもバンドギャップの大きい半導体（クラッド層）で挟んだ、いわゆるダブルヘテロ構造（Double Heterostructure：以下「ＤＨ」という)を有する半導体レーザが知られており、電子と正孔の再結合、発光領域での光閉じ込め効果に優れている。さらに、低しきい値電流への要求に対して、活性層とクラッド層の間に、クラッド層よりも屈折率が高く、活性層より屈折率の低い光ガイド層を形成したＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure）構造や、その光ガイド層の屈折率を連続的に変化させたＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Graded Index Separate Confinement Heterostructure）構造などが提案されている。
【０００５】
図６は、ＤＨ構造の通信用半導体レーザにおいて、内部損失を低減する工夫がなされた半導体レーザの層構造である。通常はＩｎＰ（屈折率≒３．１８）で構成されるｎ型クラッド層が、ＩｎＰより僅かに屈折率の高いＩｎＧａＡｓＰ６０２（屈折率≒３．２０）で構成されており、その上に活性層６０３、ｐ型ＩｎＰクラッド層６０４がこの順で設けられている。この半導体レーザでは、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰクラッド層６０２の屈折率がｐ型ＩｎＰクラッド層６０４に比べて僅かに高いため、レーザ光分布がｎ側にシフトする。これにより、内部損失の主要因である価電子帯間吸収（ｐ型ＩｎＰクラッド層での光吸収）が抑制され、内部損失を低減することが可能となる（参照：非特許文献１）。
【０００６】
一方、光ディスク用光源等の半導体レーザとして、０．６μｍ帯に発振波長を有するＡｌＧａＩｎＰ系可視半導体レーザが知られている。例えば、特許文献１では、ＡｌＧａＩｎＰ活性層の両側に光ガイド層を設けたＳＣＨ構造において、ｎ側の光ガイド層の膜厚をｐ側の光ガイド層の膜厚より大きくした非対称ＳＣＨ構造とし、ｎクラッド層内にクラッド層よりも屈折率の高いＡｌＧａＩｎＰからなる高屈折率層を設け、高屈折率層の屈折率を活性層および光ガイド層からなるＳＣＨ構造（導波層）の平均屈折率と同程度とした半導体レーザが開示されている。該構造によって、レーザ内部の導波モードの中心をｎクラッド層側にシフトさせることにより、レーザ端面近傍での光吸収が低減され、光損傷レベルを高めてレーザの高出力化が図れるとしている。また、導波モードをｎクラッド層側にシフトさせることで、光の大部分がｎクラッド層側に集中してｐクラッド層への光の漏れが減少するため、ｐクラッド層を０．８μｍと薄くでき、比較的抵抗率の高いｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層を薄くすることによって、素子抵抗の低減が図れるというものである。
【非特許文献１】学会誌・論文等（刊行物）記載          筆者  アンリツ株式会社          刊行物の題名  ニュースリリース（Web掲載）          発行年月日  ２００２年１２月９日          説明ページ・行・図面            http://www.anritsu.co.jp/J/news_events/PressRelease/021209.asp
【特許文献１】特開平５−２４３６６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、非特許文献１の半導体レーザの場合、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰクラッド層６０２の屈折率があまり高くないため、レーザ光をｎ側へ十分にシフトさせるには、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰクラッド層６０２を７μｍ以上と相当厚くする必要がある。従って、エピタキシャル成長時間が従来に比べて倍以上かかるなど、量産性が著しく低下してしまう。
【０００８】
また、この半導体レーザの場合、ｎ型クラッド層の屈折率を変えると、素子の水平横方向の屈折分布が変化するため、光ファイバとの高効率結合に適した出射ビーム形状を得るには導波路幅を変更する必要があるなど、導波路の設計や製造工程に制約が生ずるという欠点がある。
【０００９】
一方、特許文献１では、本発明の目的とするＩｎＧａＡｓＰ系またはＩｎＧａＡｌＡｓ系とは異なるＡｌＧａＩｎＰ系半導体レーザであり、該構成をそのままＩｎＧａＡｓＰ系またはＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体レーザへと適用できるものではない。なお、該特許文献１では、高屈折率層と光ガイド層との間に設ける低屈折率のバリア層膜厚を５ｎｍ〜４０ｎｍにすることが請求項７に開示されているが、その根拠について何ら記載していない。
【００１０】
本発明は、通信用高出力半導体レーザ、特に光ファイバアンプ励起用半導体レーザにおいて、量産性を損なうことなく、高い光出力を低い動作電流で実現でき、且つ、高い光ファイバ結合効率と優れた高温特性を実現できる半導体レーザの構造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】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明は、以下の（１）〜（１０）からなる。
【００１２】
（１）半導体基板上に、ＩｎＧａＡｓＰ系またはＩｎＧａＡｌＡｓ系化合物半導体からなる活性層を有し、ｎ型クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、ｐ側光ガイド層、ｐ型クラッド層をこの順で有する半導体レーザにおいて、ｎ型クラッド層中の一部に、ｎ型クラッド層とは屈折率の異なる単数もしくは複数の層で構成された高屈折率層が設けられ、その高屈折率層の実効屈折率がｐ型クラッド層の実効屈折率と比べて高く、前記ｎ側光ガイド層と前記高屈折率層との間に、前記活性層の実効屈折率および前記高屈折率層の実効屈折率より低い実効屈折率を有するｎ型クラッド層が介在し、該介在するｎ型クラッド層の層厚が０．２μｍ以上であることを特徴とする半導体レーザ。
【００１３】
（２）前記高屈折率層は、層厚が０．０１μｍ以上１μｍ以下であり、且つ、前記介在するｎ型クラッド層の層厚が２μｍ以下であることを特徴とする、（１）に記載の半導体レーザ。
【００１４】
（３）前記高屈折率層の実効屈折率は、前記ｐ型クラッド層の実効屈折率と比べて１．５％以上高いことを特徴とする、（１）または（２）に記載の半導体レーザ。
【００１５】
（４）前記ｐ型クラッド層の屈折率が一様であるか、または層厚方向で単調に変化していることを特徴とする（１）から（３）のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【００１６】
（５）前記ｎ側光ガイド層と前記ｐ側光ガイド層とは、その実効屈折率、層厚のいずれかまたはその両方が異なることを特徴とする、（１）から（４）のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【００１７】
（６）前記ｎ型クラッド層、ｎ側光ガイド層、活性層、ｐ側光ガイド層、ｐ型クラッド層がメサ構造であることを特徴とする、（１）から（５）のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【００１８】
（７）前記ｎ側光ガイド層の層厚が０．０１μｍ以上０．５μｍ以下であり、且つ、前記ｐ側光ガイド層の層厚が０．０１μｍ以上０．１μｍ以下であることを特徴とする、（１）から（６）のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【００１９】
（８）前記高屈折率層の屈折率分布が層厚方向で変化していることを特徴とする、（１）から（７）のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【００２０】
（９）前記ｎ側光ガイド層と前記ｐ側光ガイド層のいずれかまたはその両方が、屈折率の異なる複数の層で構成されていることを特徴とする、（１）から（８）のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【００２１】
（１０）前記ｎ側光ガイド層と前記ｐ側光ガイド層のいずれかまたはその両方の屈折率分布が層厚方向で変化していることを特徴とする、（１）から（９）のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、内部損失が低く、高い光出力を低い動作電流で実現できる半導体レーザを、量産性を損なうことなく実現できる。加えて、光ファイバ結合効率の向上、温度特性の改善を同時に実現することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明になる半導体レーザの構造は、半導体基板上に、ＩｎＧａＡｓＰ系またはＩｎＧａＡｌＡｓ系化合物半導体からなる活性層を有する半導体レーザにおいて、ｐ型ＩｎＰクラッド層より十分に高い実効屈折率を有する高屈折率層がｎ型ＩｎＰクラッド層中に設けられていることを特徴とする。加えて、光ガイド層（ＳＣＨ；Separate Confinement Heterostructure）の実効屈折率、層厚のいずれかまたはその両方が、ｎ側とｐ側で異なることを特徴とする。便宜上、本発明では、前記ｎ型ＩｎＰクラッド層中の高屈折率層を「モード拡大層」と呼ぶ。モード拡大層は、例えば、組成波長が１μｍ以上のＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓで構成される。以下、ＩｎＧａＡｓＰモード拡大層を例として説明する。
【００２４】
ｎ側ＩｎＰクラッド層中に実効屈折率の高いモード拡大層を挿入することで、比較的薄いＩｎＧａＡｓＰ層厚であっても、レーザ光をｎ側へ十分にシフトできる。従って、エピタキシャル成長時間の増加を極力抑えた構造でありながら、内部損失を十分に低減できる。
【００２５】
更に、本発明の半導体レーザは、導波路の設計や製造工程を変更することなく、光ファイバとの高効率結合が可能となる。その理由を、発明者らのシミュレーション検討および実験結果を踏まえて、以下に述べる。
【００２６】
垂直横方向のレーザ光分布は、モード拡大層の実効屈折率、層厚、および光ガイド層からの距離でほぼ決定され、光ガイド層の実効屈折率および層厚にはほとんど影響されない。一方、水平横方向のレーザ光分布は、素子の水平横方向の屈折率分布に大きく依存するため、モード拡大層（実効屈折率、層厚、距離）および光ガイド層（実効屈折率、層厚）の両方から決定される。従って、垂直横方向のビーム形状をモード拡大層で設計した後、水平横方向のビーム形状を光ガイド層で設計することで、両者を独立に最適化することが可能となる。これにより、導波路幅を変更することなく高効率光ファイバ結合を実現できる。
【００２７】
更に、本発明の半導体レーザは、上記の効果に加えて、高温特性を改善することが可能である。その理由を、発明者らのシミュレーション検討および実験結果を踏まえて、以下に述べる。
【００２８】
ｐ側光ガイド層は、有効質量の小さい電子に対するポテンシャル障壁の役割を有するため、その組成、層厚を変えると、電子のオーバーフローが大きく変化する。一方、ｎ側光ガイド層は、有効質量の大きい正孔に対するポテンシャル障壁となるため、その組成、層厚を変えても、素子の電気的特性にはほとんど影響しない。従って、モード拡大層の最適化で垂直横方向のビーム形状を制御し、ｐ側光ガイド層の最適化で電子オーバーフローを最小化し、ｎ側光ガイド層の最適化で水平横方向のビーム形状を制御することで、内部損失の低減、光ファイバ結合効率の向上、温度特性の改善を同時に実現することができる。
【００２９】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施の形態である半導体レーザの断面を示す図である。ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に形成された、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰモード拡大層１０２、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０３、ｎ側光ガイド層１０４、活性層１０５、ｐ側光ガイド層１０６、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０７からなるメサ１０８が、ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層１０９およびｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１１０で埋め込まれており、メサ１０８およびｎ型ＩｎＰ電流ブロック層１１０の上面がｐ型ＩｎＰクラッド層１１１で覆われた、いわゆるＢＨ（Buried Heterostructure）レーザである。
【００３１】
図２は、本発明の第１の実施の形態である半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。本発明の特徴は、ｎ型ＩｎＰ基板２０１とｎ型ＩｎＰクラッド層２０３との間にｎ型ＩｎＧａＡｓＰモード拡大層２０２が挿入されている点である。あるいは、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰモード拡大層２０２と活性層２０５の間にｎ型ＩｎＰクラッド層２０３を備える点である。加えて、ｎ側光ガイド層２０４とｐ側光ガイド層２０６とが、その実効屈折率、層厚のいずれかまたはその両方が異なる点である。
【００３２】
図７は、本発明の第１の実施の形態におけるシミュレーション例であり、内部損失のモード拡大層屈折率依存性を示したグラフである。モード拡大層の屈折率が高くなるに従い、レーザ光のｎ側へのシフト量が大きくなり、内部損失を低減できることが計算により示された。我々の計算によれば、ｐ型ＩｎＰクラッド層の実効屈折率に対するモード拡大層の屈折率が１．５％以上高ければ、内部損失の低減効果が十分に得られることがわかった。一方、モード拡大層の屈折率が活性層の実効屈折率より高くなると、活性層への光閉じ込め率が小さくなりすぎて素子特性が悪化するため、モード拡大層の実効屈折率は活性層の実効屈折率以下とするのが望ましい。
【００３３】
図８は、本発明の第１の実施の形態におけるシミュレーション例であり、内部損失のモード拡大層厚依存性を示したグラフである。モード拡大層厚が厚くなるに従い、レーザ光のｎ側へのシフト量が大きくなり、内部損失を低減できることが計算により示された。我々の計算によれば、モード拡大層厚が１０ｎｍ以上であれば、内部損失の低減効果が十分に得られることがわかった。なお、モード拡大層厚が１μｍより厚くなると、活性層の光閉じ込め率が小さくなりすぎて素子特性が悪化し、また厚くなるほどエピタキシャル成長時間の増加を招き量産性が低下するため、モード拡大層の上限は１μｍ以下とするのが望ましい。
【００３４】
図９は、本発明の第１の実施の形態におけるシミュレーション例であり、内部損失のｎ側光ガイド層〜モード拡大層間距離依存性の例を示したグラフであり、層厚０．１５μｍのモード拡大層において、屈折率３．２５の場合（「低」と表示）と、屈折率３．４の場合（「高」と表示）を示している。モード拡大層が光ガイド層から離れる、すなわち、両者の間に設ける低屈折率のｎ型クラッド層の層厚が大きくなるに従い、レーザ光のｎ側へのシフト量が大きくなり、内部損失を低減できることが計算により示された。ただし、モード拡大層が光ガイド層から離れすぎると、モード拡大層の光閉じ込め率が小さくなるため、レーザ光のｎ側へのシフト量が小さくなり、内部損失は増加することがわかった。屈折率や層厚の異なる種々のモード拡大層について検討した結果、モード拡大層の光ガイド層からの距離が０．２μｍ以上２μｍ以下の範囲で、内部損失の低減効果が十分に得られることがわかった。
【００３５】
以上のように、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰモード拡大層２０２を、屈折率がｐ型ＩｎＰクラッド層２０７の実効屈折率と比べて１．５％以上高く且つ活性層の実効屈折率以下、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰモード拡大層２０２の層厚が０．０１μｍ以上１μｍ以下、ｎ側光ガイド層からの距離が０．２μｍ以上２μｍ以下の範囲で最適に設計することで、量産性を損なうことなく、内部損失を大幅に低減することができる。
【００３６】
より具体的には、例えばｎ型ＩｎＧａＡｓＰモード拡大層２０２の屈折率を３．３、層厚を０．２μｍ、ｎ側光ガイド層との距離を０．５μｍとすることで、モード拡大層がない構造と比べて内部損失を３０％以上低減できる。この時、エピタキシャル層厚増加分は、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰモード拡大層２０２がない構造と比べて高々０．７μｍである。このように、本発明によると、図６に示した従来の構造と比べて、層厚増加分が１／１０以下でありながら同等以上の内部損失低減効果が得られる。
【００３７】
また、モード拡大層は、他の組成、層厚、距離の組み合わせでも同様の効果が得られる。例えばモード拡大層の屈折率を３．３５、層厚を０．１μｍ、ｎ側光ガイド層との距離を０．６μｍとしても、内部損失を３０％以上低減できる。従って、内部損失低減と同時に、それ以外の特性改善、例えば、垂直横方向のレーザ光分布が高効率光ファイバ結合に適した形状となるように最適化設計することが可能である。
【００３８】
図１０は、本発明の第１の実施の形態におけるシミュレーション例であり、電子オーバーフローのｐ側ガイド層厚依存性を示したグラフである。ｐ側ＳＣＨ構造は、有効質量の小さな電子に対するポテンシャル障壁の役割を有するため、ｐ側ガイド層厚を最適化することで、電子オーバーフローを最小化できることが計算により示された。同様に、ｐ側ガイド層の屈折率についても最適化が可能である。
【００３９】
以上のように、ｐ側光ガイド層２０６は、実効屈折率をｐ型ＩｎＰクラッド層２０７の実効屈折率以上且つ活性層の実効屈折率以下、層厚を０．０１μｍ以上０．１μｍ以下の範囲で最適に設計することで、電子のオーバーフローを効果的に抑制できる。具体的には、例えばｐ側光ガイド層２０６の実効屈折率を３．３５、層厚を０．０３μｍとすることで、電子のオーバーフローは極小値となる。この時、本発明による半導体レーザの垂直横方向のレーザ光分布は、活性層２０５とモード拡大層２０２でほぼ決定されるため、ｐ側光ガイド層２０６の組成、層厚を変えてもほとんど変化しない。従って、ｐ側光ガイド層２０６を最適に設計することで、内部損失と光ファイバ結合効率を悪化させることなく、高温特性を改善することができる。
【００４０】
また、ｐ側光ガイド層は、他の組成、層厚の組み合わせでも同様の効果が得られる。例えばｐ側光ガイド層を、屈折率が３．３および３．４の２段で構成し、それぞれの層厚を０．０２μｍとしても、電子のオーバーフローを極小とすることができる。同様に、３段以上の多段構造としてもよい。また、層厚方向で組成が徐々に変化する、いわゆるＧＲＩＮ−ＳＣＨ（Graded Index Separate Confinement Heterostructure）としてもよい。
【００４１】
図１１は、本発明の第１の実施の形態におけるシミュレーション例であり、ファイバ結合効率のｎ側ガイド層厚依存性を示したグラフである。本例の場合、ｎ側光ガイド層厚が厚くなるに従い、素子の水平方向の屈折率分布が大きくなり、水平横モードのビーム形状がファイバ結合に適した形状に近づくため、ファイバ結合効率を向上できることが計算により示された。我々の計算によれば、ｎ側光ガイド層厚が１０ｎｍ以上であれば、ファイバ結合効率の改善効果が十分に得られることがわかった。また、ｎ側光ガイド層厚が０．５μｍより厚くなると、素子の等価屈折率が大きくなりすぎて基本モードのカットオフ条件を満たさなくなることもわかった。
【００４２】
以上のように、ｎ側光ガイド層２０４は、実効屈折率をｎ型ＩｎＰクラッド層２０３の実効屈折率以上且つ活性層の実効屈折率以下、層厚を０．０１μｍ以上０．５μｍ以下の範囲で最適に設計することで、水平横方向のレーザ光分布が高効率光ファイバ結合に適した形状となるように制御可能である。具体的には、例えばｎ側光ガイド層２０４の実効屈折率を３．３５、層厚を０．１μｍとすることで、導波路幅を変えることなく、９０％以上の光ファイバ結合効率を実現できる。この時、ｎ側光ガイド層２０４の組成、層厚を変えても、垂直横方向のレーザ光分布、および正孔オーバーフローにはほとんど影響を与えない。従って、ｎ側光ガイド層２０４を最適に設計することで、内部損失と高温特性を悪化させることなく、高効率光ファイバ結合を実現できる。
【００４３】
また、ｎ側光ガイド層は、他の組成、層厚の組み合わせでも同様の効果が得られる。例えばｎ側光ガイド層を、屈折率が３．３および３．４の２段で構成し、それぞれの層厚を０．０４μｍおよび０．０６μｍとしても、９０％以上の光ファイバ結合効率を実現できる。同様に、３段以上の多段構造としてもよい。また、層厚方向で組成が徐々に変化する、いわゆるＧＲＩＮ−ＳＣＨとしてもよい。
【００４４】
なお、前記の範囲で最適に設計した結果であれば、ｐ側光ガイド層とｎ側光ガイド層の組成および層厚は如何様でもよい。
【００４５】
屈折率の調整は、ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓ系半導体においてＧａまたはＡｓの組成比を調整することで任意に調整することができる。具体的には、ＧａまたはＡｓの少なくとも一方の組成比を多くすると屈折率が高くなる傾向がある。
【００４６】
図３は、本発明の第２の実施の形態である半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。第１の実施の形態との違いは、モード拡大層３０２が屈折率の異なる複数の高屈折率層間に低屈折率層を挟んだ多重構造（「多重モード拡大層」という）である点である。この場合、垂直横方向のレーザ光分布を、より精密に制御することが可能となるため、光ファイバ結合効率をさらに高めることができる。なお、図３では、モード拡大層３０２が活性層３０５から離れるに従い、屈折率が低く、層厚が厚く、間隔が広くなる場合を示したが、垂直方向のレーザ光分布を高効率光ファイバ結合に適した形状に制御する点においては、モード拡大層３０２の組成、層厚、間隔は如何様でもよい。例えば、組成、層厚、間隔のいずれかもしくは全てが同じであってもよい。また、モード拡大層３０２の層数は３層に限らず、２層でもよく、４層以上の多重構造でもよい。
【００４７】
図４は、本発明の第３の実施の形態である半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。第１の実施の形態との違いは、モード拡大層４０２が多段である点である（「多段モード拡大層」という）。この場合、垂直横方向のレーザ光分布を、より精密に制御することが可能となるため、光ファイバ結合効率をさらに高めることができる。なお、図４では、モード拡大層４０２内で最も屈折率の高い層が１段設けられ、その両側の低屈折率層の組成、層厚が異なる場合を示したが、垂直方向のレーザ光分布を高効率光ファイバ結合に適した形状に制御する点においては、モード拡大層４０２を構成する層の組成、層厚、間隔は如何様でもよい。例えば、モード拡大層４０２内で最も屈折率の高い層の両側に設けられた低屈折率層の組成、層厚が同じでもよい。また、モード拡大層４０２内で最も屈折率の高い層の片側のみに低屈折率層を有する構造でもよい。また、本発明の第２の実施の形態と組み合わせて、モード拡大層４０２内で屈折率の高い層が複数設けられてもよい。同様に、第２の実施の形態で示したモード拡大層３０２の各層が、それぞれ多段で構成されてもよい。
【００４８】
図５は、本発明の第４の実施の形態である半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。第１の実施の形態との違いは、モード拡大層５０２の組成が層厚方向で徐々に変化する点である（「傾斜モード拡大層」という）。この場合、垂直横方向のレーザ光分布を、より精密に制御することが可能となるため、光ファイバ結合効率をさらに高めることができる。なお、図５では、モード拡大層５０２の屈折率分布が非対称の場合を示したが、垂直方向のレーザ光分布を高効率光ファイバ結合に適した形状に制御する点においては、モード拡大層５０２の層厚方向に対する組成の変化は如何様でもよい。例えば、モード拡大層５０２の屈折率分布が対称でもよい。また、モード拡大層５０２の組成の変化が直線状でもよい。また、本発明の第２の実施の形態、あるいは、第３の実施の形態、あるいはその両方と組み合わせた構造であってもよい。
【００４９】
なお、モード拡大層はＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＡｌＡｓ系化合物半導体に限定されることはなく、ｐ型クラッド層に対して実効屈折率の高い他の材料で構成してもよい。
【００５０】
また、ｎ型クラッド層およびｐ型クラッド層はＩｎＰに限定されることなく、他の組成、あるいは他の材料で構成された半導体レーザにも適用できる。また、ｎ型クラッド層とｐ型クラッド層とが異なる組成、材料で構成された半導体レーザにも適用できる。この場合にも、モード拡大層はｐ型クラッド層に対して実効屈折率の高い組成、あるいは材料で構成すればよい。
【００５１】
なお、ｎ型クラッド層の多数キャリアである電子は有効質量が小さいため、ｎ型クラッド層中にモード拡大層のような比較的ポテンシャル障壁の大きい層が存在していても、電流−電圧特性などの素子特性をほとんど悪化させることはない。ただし、ｐ型クラッド層の多数キャリアである正孔は有効質量が大きく、ポテンシャル障壁の存在が素子特性に与える影響が大きいため、ｐ型クラッド層はポテンシャル障壁がないか、もしくは、層厚方向で単調に変化していることが望ましい。あるいは、ｐ型クラッド層の屈折率が一様であるか、もしくは、層厚方向で単調に変化していることが望ましい。
【００５２】
また、活性層は、バルク、単一量子井戸、多重量子井戸など、如何様の構造であっても適用できる。
【００５３】
また、ＢＨレーザに限らず、他の構造を有する半導体レーザにも適用できる。例えば、ＤＣ−ＰＢＨ（Double Channel Planar Buried Heterostructure）レーザにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施の形態の半導体レーザの断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態の半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の半導体レーザのメサにおける垂直方向の屈折率分布を示した図である。
【図６】従来の半導体レーザの断面図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態におけるシミュレーション例（内部損失のモード拡大層屈折率依存性）を示すグラフである。
【図８】本発明の第１の実施の形態におけるシミュレーション例（内部損失のモード拡大層厚依存性）を示すグラフである。
【図９】本発明の第１の実施の形態におけるシミュレーション例（内部損失のｎ側光ガイド層〜モード拡大層間距離依存性）を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１の実施の形態におけるシミュレーション例（電子オーバーフローのp側光ガイド層厚依存性）を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施の形態におけるシミュレーション例（ファイバ結合効率のｎ側光ガイド層厚依存性）を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１０１・・・ｎ型ＩｎＰ基板
１０２・・・ｎ型ＩｎＧａＡｓＰモード拡大層
１０３・・・ｎ型ＩｎＰクラッド層
１０４・・・ｎ側光ガイド層
１０５・・・活性層
１０６・・・ｐ側光ガイド層
１０７・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層
１０８・・・メサ
１０９・・・ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層
１１０・・・ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層
１１１・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層
２０１・・・ｎ型ＩｎＰ基板
２０２・・・ｎ型ＩｎＧａＡｓＰモード拡大層
２０３・・・ｎ型ＩｎＰクラッド層
２０４・・・ｎ側光ガイド層
２０５・・・活性層
２０６・・・ｐ側光ガイド層
２０７・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層
３０１・・・ｎ型ＩｎＰ基板
３０２・・・多重モード拡大層
３０３・・・ｎ型ＩｎＰクラッド層
３０４・・・ｎ側光ガイド層
３０５・・・活性層
３０６・・・ｐ側光ガイド層
３０７・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層
４０１・・・ｎ型ＩｎＰ基板
４０２・・・多段モード拡大層
４０３・・・ｎ型ＩｎＰクラッド層
４０４・・・ｎ側光ガイド層
４０５・・・活性層
４０６・・・ｐ側光ガイド層
４０７・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層
５０１・・・ｎ型ＩｎＰ基板
５０２・・・傾斜モード拡大層
５０３・・・ｎ型ＩｎＰクラッド層
５０４・・・ｎ側光ガイド層
５０５・・・活性層
５０６・・・ｐ側光ガイド層
５０７・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層
６０１・・・ｎ型ＩｎＰ基板
６０２・・・ｎ型ＩｎＧａＡｓＰクラッド層
６０３・・・活性層
６０４・・・ｐ型ＩｎＰクラッド層
６０５・・・ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層
６０６・・・ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層
６０７・・・ｐ型ＩｎＰ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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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