(57)【要約】【課題】  高温時でも光変調のＳ／Ｎ比が高く、かつ１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能な電界吸収型の半導体光変調器および半導体発光装置を提供する。【解決手段】  本発明の半導体光変調器は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層１０２、ＧａＡｓ下部光導波層１０３、多重量子井戸構造３０１、ＧａＡｓ上部光導波層１０５、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ第１クラッド層３０２、ｐ型ＡｌＡｓ層３０３、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ第２クラッド層１０８、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０９が順次積層されている。ここで、多重量子井戸構造３０１は、ＧａＩｎＮＡｓを井戸層とし、ＧａＩｎＰを障壁層として、３周期積層して構成されている。【選択図】      図１
2007219561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、多重量子井戸構造を光吸収層とする半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項２】
単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の光出射面と反対側の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項３】
単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置しており、半導体光変調器の変調用電極の少なくとも一方は、半導体光変調器に隣接した半導体分布ブラッグ反射鏡の１周期以下の位置に設けられていることを特徴とする半導体発光装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光装置において、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との電気的絶縁層として、ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓを選択酸化した層を用いたことを特徴とする半導体発光装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光装置において、面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層との間に組成傾斜層が設けられており、組成傾斜層の層厚が３０〜５０ｎｍであることを特徴とする半導体発光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体発光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、ＩｎＧａＡｓＰ系多重量子井戸構造を用いた半導体光変調器が示されている。すなわち、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系多重量子井戸構造は、量子閉じ込めシュタルク効果を利用した光変調器としても用いられている。量子閉じ込めシュタルク効果は、量子井戸層に電圧を印加すると、励起子の電子−ホール対間のエネルギーバンドギャップが縮小する現象である。量子井戸構造に電圧を印加しない場合に光吸収係数が０であるのに対して、電圧を印加すると量子閉じ込めシュタルク効果により量子井戸層のエネルギーバンドギャップが縮小して光吸収が大きくなる。これにより、光強度を変調できる電界吸収型の光変調器を形成できる。
【特許文献１】特開平１０−２２８００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系多重量子井戸構造を用いた電界吸収型の半導体光変調器においては、ＩｎＰ障壁層とＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層との伝導帯バンド不連続が比較的小さいため、電界印加によって電子が量子井戸層から漏れて、励起子が壊れてしまうという問題がある。特に、高温動作時には電子の漏れが顕著となるため、量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が小さくなり、光吸収係数の変化量が小さくなってしまう。そのため、光変調のＳ／Ｎ比が著しく低下してしまうという問題があった。
【０００４】
本発明は、高温時でも光変調のＳ／Ｎ比が高く、かつ１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能な電界吸収型の半導体光変調器および半導体発光装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明は次の如き構成を有している。すなわち、
【０００６】
請求項１記載の発明は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、多重量子井戸構造を光吸収層とする半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項２記載の発明は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の光出射面と反対側の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項３記載の発明は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置しており、半導体光変調器の変調用電極の少なくとも一方は、半導体光変調器に隣接した半導体分布ブラッグ反射鏡の１周期以下の位置に設けられていることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光装置において、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との電気的絶縁層として、ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓを選択酸化した層を用いたことを特徴としている。
【００１０】
また、請求項５記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光装置において、面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層との間に組成傾斜層が設けられており、組成傾斜層の層厚が３０〜５０ｎｍであることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１記載の発明によれば、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の共振器内または半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることにより、半導体光変調器の光強度変調のＳ／Ｎ比を高くすることができる。
【００１２】
また、請求項第２記載の発明によれば、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の光出射面と反対側の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることにより、半導体光変調器によって光吸収係数を変化させた場合に、高反射率側の分布ブラッグ反射鏡の反射率を低下させるため、閾電流をより大きく変化させることが可能となる。
【００１３】
また、請求項３記載の発明によれば、半導体光変調器の変調用電極の少なくとも一方は、半導体光変調器に隣接した半導体分布ブラッグ反射鏡の１周期以下の位置に設けられているため、半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗と容量による遅延の影響を低減して、より高周波で動作させることが可能となる。
【００１４】
また、請求項４記載の発明によれば、請求項１〜３のいずれか一項に記載の半導体発光装置において、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との電気的絶縁層として、ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓを選択酸化した層を用いることにより、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との絶縁耐圧を高くして信頼性を向上できる。
【００１５】
また、請求項５記載の発明によれば、面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡には、高屈折率層と低屈折率層との間に組成傾斜層が設けられており、組成傾斜層の層厚が３０〜５０ｎｍであるので、分布ブラッグ反射鏡を介して半導体光変調器にバイアスを印加する場合でも、分布ブラッグ反射鏡の抵抗と容量を低減して、より高い変調周波数で半導体光変調器を動作させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の半導体光変調器は、多重量子井戸構造を光吸収層とし、多重量子井戸構造に電界を印加するｐ側電極及びｎ側電極を備えた電界吸収型の半導体光変調器において、多重量子井戸構造は、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された量子井戸層と、ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰのいずれかの材料で構成した障壁層とにより構成されていることを特徴としている。
【００１７】
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等のＶ族元素としてＡｓとＮを含む混晶半導体は、ＧａＡｓやＧａＩｎＡｓＰやＧａＩｎＰとヘテロ接合を形成した場合、価電子帯側に対する伝導帯側のバンド不連続比を大きくできることが知られている。また、従来材料系であるＩｎＰ基板上では、ＩｎＡｌＡｓがバルク単結晶を形成可能な中で最もエネルギーバンドギャップの大きい材料であるのに対して、本発明ではＧａＡｓ基板を用いているため、ＧａＩｎＡｓＰやＧａＩｎＰといった更にエネルギーバンドギャップの大きい材料を障壁層に用いることができる。そのため、量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができ、高温動作時でも励起子の乖離を抑制できる。従って、高温動作時においても量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくでき、光変調のＳ／Ｎが低下することがない。
【００１８】
また、従来材料系では、価電子帯側のバンド不連続が大きいため、ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層での正孔閉じ込めが強すぎて、有効質量の大きい正孔が量子井戸層中に蓄積されてしまい、変調特性を劣化させてしまうという問題もあった。一方、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等のＶ族元素としてＡｓとＮを含む混晶半導体は、Ｎ組成を大きくしていくにつれて価電子帯バンド端位置が低下する。そのため、ＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＰ等の障壁層とヘテロ接合を形成した場合、価電子帯バンド不連続の増加を抑制することができる。従って、量子井戸層中に正孔が蓄積しにくくなり、１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能となる。
【００１９】
また、ＮとＡｌは化学的に活性であり、Ｎを構成元素として含む量子井戸層とＡｌを構成元素として含む障壁層を直接接して結晶成長させると、界面にＮが偏析してしまう。そこで、この第１の実施形態では障壁層として、構成元素にＡｌを含まないＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＰを採用することで、界面のＮ偏析を抑制し、高品質の量子井戸構造を形成している。
【００２０】
なお、障壁層として、構成元素にＡｌを含まないＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＰを用いているが、他のＩＩＩ−Ｖ族元素であるＢ，Ｎ，Ｓｂ等を含んでいても良い。
【００２１】
＜実施例１＞
図１（ａ），（ｂ）は、本発明に係る半導体光変調器の構成例を示す図である。なお、図１（ａ）は正面から見た断面図であり、図１（ｂ）は側面から見た断面図である。
【００２２】
図１を参照すると、この半導体光変調器は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層１０２、ＧａＡｓ下部光導波層１０３、多重量子井戸構造３０１、ＧａＡｓ上部光導波層１０５、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ第１クラッド層３０２、ｐ型ＡｌＡｓ層３０３、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ第２クラッド層１０８、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０９が順次積層されている。
【００２３】
ここで、多重量子井戸構造３０１は、ＧａＩｎＮＡｓを井戸層とし、ＧａＩｎＰを障壁層として、３周期積層して構成されている。
【００２４】
そして、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０９表面からｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層１０２の途中までストライプ状にエッチングされてリッジ導波路が形成されている。また、リッジストライプの側面からｐ型ＡｌＡｓ層３０３が選択的に酸化されてＡｌＯｘ絶縁領域３０４が形成されている。
【００２５】
また、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０９上にはｐ側電極１１０が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１裏面にはｎ側電極１１１が形成されている。また、劈開で形成した素子の両端面Ｔ１，Ｔ２には、反射率０．２％以下の無反射膜１１２，１１３が形成されている。
【００２６】
図１の半導体光変調器では、後端面Ｔ１から入射したレーザ光は、入射光の波長に対して光吸収係数が変化する多重量子井戸構造３０１を含む導波路を伝搬する過程で光強度が変調され、反対側の前端面Ｔ２から出射される構造となっている。基板１０１と垂直方向においては、ＧａＡｓ光導波層１０３，１０５が屈折率の低いクラッド層１０２，３０２，１０８ではさまれたＳＣＨ構造となっている。また、基板１０１に水平方向においては、エッチングによって形成されたリッジ導波路に光を閉じ込める構造となっている。
【００２７】
このような構成の半導体光変調器では、多重量子井戸構造３０１に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造３０１のエネルギーバンドギャップが縮小する。これにより、電圧を印加しない場合には入射光に対して多重量子井戸構造３０１は透明であるが、電圧を印加することで光吸収が増加する。従って、電界吸収型の光変調器として動作する。
【００２８】
ここで、両端面Ｔ１，Ｔ２に形成された無反射膜１１２，１１３は、光変調器に光が入力または出力されるときの反射損失を低減している。また、選択酸化により形成したＡｌＯｘ絶縁領域３０４は、多重量子井戸構造３０１近傍において、電流通路をリッジストライプ側面から離すことにより、リッジストライプ側面に露出した多重量子井戸構造３０１において発生する表面リーク電流を減少させる働きをしている。
【００２９】
図１の電界吸収型の半導体光変調器は、ＧａＡｓ基板１０１上にＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層を吸収層として備えていることを特徴としている。従って、光ファイバ伝送に用いられる１．３μｍや１．５５μｍの長波長帯に対応している。
【００３０】
そして、ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓ基板１０１上に単結晶薄膜を形成できるため、ワイドギャップ材料であるＧａＩｎＰを障壁層に用いることができる。そのため、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができ、高温動作時でも励起子の乖離を抑制できる。従って、高温動作時においても量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくでき、光変調のＳ／Ｎが低下することがない。
【００３１】
また、ＧａＩｎＮＡｓ等のＶ族元素としてＡｓとＮを含む混晶半導体は、Ｎ組成を大きくしていくにつれて価電子帯バンド端位置が低下する。そのため、ＧａＩｎＰ障壁層とヘテロ接合を形成した場合、価電子帯側のバンド不連続の増加を抑制することができる。従って、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層中に正孔が蓄積しにくくなり、１０〜５０ＧＨｚという高い周波数で変調させることが可能である。
【００３２】
また、ＮとＡｌは化学的に活性であり、Ｎを構成元素として含む層とＡｌを構成元素として含む層を直接接して結晶成長させると、界面にＮが偏析してしまう。そこで、本実施例１の多重量子井戸構造３０１においては、構成元素にＡｌを含まないＧａＩｎＰを障壁層に用いることにより、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層と障壁層の界面でＮが偏析するのを抑制し、高品質の量子井戸構造を形成している。なお、Ａｌを含まない障壁層としては、ＧａＩｎＰ以外にＧａＡｓやＧａＩｎＡｓＰを用いることが可能である。また、量子井戸層としては、ＧａＩｎＮＡｓの他にも、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂを用いることが可能である。
【００３３】
図１においては、１つの素子としての半導体光変調器となっているが、リッジストライプ構造を複数形成することにより、同一基板上にモノリシックアレイを形成することも可能である。
【００３４】
また、上記多重量子井戸構造３０１を用いて、光を基板と垂直方向に入出射させる面型の電界吸収型光変調器を構成することもできる。
【００３５】
（第２の実施形態）
また、本発明の第２の実施形態の半導体光変調器は、多重量子井戸構造を光吸収層とし、多重量子井戸構造に電界を印加するｐ側電極及びｎ側電極を備えた電界吸収型の半導体光変調器において、多重量子井戸構造は、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された量子井戸層と、ＡｌａＧａ１−ａＡｓ（０＜ａ≦１），（ＡｌｂＧａ１−ｂ）ＩｎＰ（０＜ｂ≦１），（ＡｌｃＧａ１−ｃ）ＩｎＡｓＰ（０＜ｃ≦１）のいずれかの材料で構成した障壁層と、量子井戸層と障壁層との間に設けられ、ＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰのいずれかの材料で構成された中間層とを有していることを特徴としている。
【００３６】
この第２の実施形態の構成では、多重量子井戸構造の障壁層としてＡｌａＧａ１−ａＡｓ（０＜ａ≦１），（ＡｌｂＧａ１−ｂ）ＩｎＰ（０＜ｂ≦１），（ＡｌｃＧａ１−ｃ）ＩｎＡｓＰ（０＜ｃ≦１）のいずれかの材料を用いている。上記材料は第１の実施形態において障壁層に用いたＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＰよりも更にバンドギャップが大きい材料である。従って、より一層量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができ、高温動作が可能となる。
【００３７】
また、この第２の実施形態では、障壁層に構成元素としてＡｌを用いているが、障壁層と量子井戸層の間に、構成元素としてＮとＡｌを含まないＧａＡｓ，ＧａＩｎＡｓＰ，ＧａＩｎＰからなる中間層を薄く設けている。この中間層により、障壁層と量子井戸層の界面にＮが偏析することを抑制し、高品質の量子井戸構造を形成することができる。
【００３８】
なお、特開平２０００−８９１８０号公報には、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層とし、ＺｎＣｄＳＳｅやＺｎＭｇＳＳｅ等のエネルギーバンドギャップの大きいＩＩ−ＶＩ族化合物半導体を障壁層に用いた量子井戸変調器が示されているが、本発明では、障壁層をＩＩ−ＶＩ族化合物半導体ではなく量子井戸層と同じＩＩＩ−Ｖ族化合物半導体で形成しており、これによって、量子井戸層と障壁層との界面で構成元素の相互拡散が小さく、良好な界面を形成することができる。
【００３９】
なお、上記のＧａＡｓ，ＧａＩｎＰ，ＧａＩｎＡｓＰのいずれかの材料で構成された中間層には、Ｂ，Ｓｂ等が含まれていても良い。重要なのは、ＮとＡｌが含まれていない点である。
【００４０】
（第３の実施形態）
また、本発明の半導体発光装置は、ＧａＡｓ基板（ＧａＡｓ単結晶基板）上に、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子と、第１または第２の実施形態に記載の半導体光変調器とが集積形成されていることを特徴としている。
【００４１】
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に１．２〜１．６μｍの波長帯で形成することができる。そして、特性温度が１５０〜２００Ｋと非常に高く、温度特性が良好な半導体レーザであることが実証されている。
【００４２】
また、第１または第２の実施形態の半導体光変調器もＧａＡｓ基板上に形成することができ、半導体レーザ素子の直接変調周波数を上回る１０ＧＨｚ以上の高速光変調が可能である。
【００４３】
本発明の半導体発光装置は、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子と、第１または第２の実施形態の電界吸収型の半導体光変調器とを集積して形成することで、特性温度が高く、かつ１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能な１．２〜１．６μｍ帯の半導体レーザ装置を形成することができる。
【００４４】
（第４の実施形態）
また、本発明の半導体発光装置は、ＧａＡｓ基板（ＧａＡｓ単結晶基板）上に、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子と、第１または第２の実施形態に記載の半導体光変調器とがモノリシックに集積形成されていることを特徴としている。
【００４５】
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子は、ＧａＡｓ基板上に１．２〜１．６μｍの波長帯で形成することができる。そして、特性温度が１５０〜２００Ｋと非常に高く、温度特性が良好な半導体レーザであることが実証されている。
【００４６】
また、第１または第２の実施形態の半導体光変調器もＧａＡｓ基板上に形成することができ、半導体レーザ素子の直接変調周波数を上回る１０ＧＨｚ以上の高速光変調が可能である。
【００４７】
本発明の半導体発光装置は、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子と、第１または第２の実施形態の電界吸収型の半導体光変調器とをモノリシックに形成することで、特性温度が高く、かつ１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能な１．２〜１．６μｍ帯の半導体レーザ装置を形成することができる。そして、半導体レーザ素子と光変調器をモノリシックに形成することで、半導体レーザ装置を小型化することができる。
【００４８】
＜実施例２＞
図２は、本発明に係る半導体発光装置の構成例を示す図である。図２の半導体発光装置は、光変調器集積型半導体レーザ装置として構成されており、レーザ光を発生する半導体レーザ素子部Ａと半導体レーザ素子部Ａで発生したレーザ光の強度を変調する電界吸収型半導体光変調器Ｂとが、同一のｎ型ＧａＡｓ基板１０１上にモノリシックに集積形成されたものとなっている。
【００４９】
ここで、半導体レーザ素子部Ａは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層１０２、ＧａＡｓ下部光導波層１０３、多重量子井戸活性層４０１、ＧａＡｓＰ回折格子層４０２、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層４０４、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０９が順次に積層されて構成されている。なお、多重量子井戸活性層４０１はＧａＩｎＮＡｓを井戸層とし、ＧａＡｓを障壁層として構成されている。
【００５０】
一方、電界吸収型半導体光変調器Ｂは、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層１０２、ＧａＡｓ下部光導波層１０３、多重量子井戸構造４０１、ＧａＡｓＰ上部光導波層４０３、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層４０４、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０９が順次積層されている。ＧａＡｓＰ上部光導波層４０３は、ＧａＡｓ基板よりも格子定数が小さくなっており、例えば０．５％程度の引張歪を有している。
【００５１】
そして、半導体レーザ素子部Ａと電界吸収型半導体光変調器Ｂとの間には、表面からｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層１０２に達するまでプロトンが注入されて、高抵抗領域４０５が形成されている。これにより、半導体レーザ素子部Ａと電界吸収型半導体光変調器Ｂとは、電気的に絶縁されている。
【００５２】
また、半導体レーザ素子部Ａのｐ型ＧａＡｓキャップ層１０９上にはｐ側電極４０６が形成され、また、電界吸収型半導体光変調器Ｂのｐ型ＧａＡｓキャップ層１０９上にはｐ側電極４０７が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側共通電極１１１が形成されている。
【００５３】
また、劈開で形成した素子（半導体発光装置）の両端面には、反射率０．２％以下の無反射膜１１２，１１３が形成されている。
【００５４】
図２の半導体発光装置では、半導体レーザ素子部Ａにおいて、ｐ側電極４０６とｎ側電極１１１に順方向バイアスを印加することにより、多重量子井戸活性層４０１にキャリアが注入される。多重量子井戸活性層４０１に注入されたキャリアはＧａＩｎＮＡｓ井戸層において発光再結合し、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のエネルギーバンドギャップに対応した１．３μｍ帯の光が放射される。多重量子井戸活性層４０１で発生した光は、ＧａＡｓＰ回折格子層４０２を含む光導波路を導波する過程で反射され、ブラッグ共振条件を満たす波長でレーザ発振する。
【００５５】
半導体レーザ素子部Ａでレーザ発振した光は、ＧａＡｓ下部光導波層１０３及びＧａＡｓＰ回折格子層４０２を導波して電界吸収型半導体光変調器Ｂに入力される。電界吸収型半導体光変調器Ｂにおいては、多重量子井戸構造４０１のバンドギャップ波長は、隣接するＧａＡｓＰ上部光導波層４０３の引張歪の影響で、短波長にシフトしている。
【００５６】
一方、半導体レーザ素子部Ａでは、ＧａＡｓＰ層４０２に回折格子が形成され微細な凹凸形状となっているため、ＧａＡｓＰ層の引張歪が緩和される。そのため、半導体レーザ素子部Ａの多重量子井戸活性層４０１のエネルギーバンドギャップはＧａＡｓＰ層４０２の歪の影響を受けない。
【００５７】
これにより、電界吸収型半導体光変調器Ｂの多重量子井戸構造のエネルギーバンドギャップは半導体レーザ素子部Ａの多重量子井戸活性層４０１のエネルギーバンドギャップよりも数１０ｍｅＶ程度大きくなっている。従って、電界吸収型半導体光変調器Ｂのｐ側電極４０７とｎ側電極１１１にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造４０１はレーザ光に対して透明となっている。
【００５８】
一方、ｐ側電極４０７とｎ側電極１１１に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造４０１のエネルギーバンドギャップが縮小して、レーザ光を吸収する。従って、ｐ側電極４０７とｎ側電極１１１との間のバイアス電圧のオン，オフにより、レーザ光の光強度を変調することができる。
【００５９】
なお、端面に形成した無反射膜１１２，１１３はファブリペロ―モードでレーザ発振するのを抑制する働きをしている。
【００６０】
図２の発光装置の半導体レーザ素子部Ａは、１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層を活性層に用いているため、ワイドギャップ材料であるＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓをクラッド層に用いることが可能である。この場合、活性層とクラッド層との電子閉じ込め障壁高さを大きくとることができ、量子井戸層からクラッド層への電子オーバーフローを抑制できる。これにより、１５０Ｋ以上の高い特性温度を有することができ、高温動作時においても閾電流の増加が小さくできる。
【００６１】
また、電界吸収型半導体光変調器Ｂにおいては、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層としＧａＡｓを障壁層とする多重量子井戸構造４０１を吸収層に用いている。ＧａＩｎＮＡｓは、ＧａＡｓとヘテロ接合を形成した場合、価電子帯側に対する伝導帯側のバンド不連続比を大きくできることが知られている。従って、従来材料系のＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ系多重量子井戸構造に比べて、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができ、高温動作時でも励起子の乖離を抑制できる。従って、高温動作時においても量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくでき、光変調のＳ／Ｎ比の低下を防止することができる。
【００６２】
このようにして、半導体発光装置として、温度特性が良好な光変調器集積型半導体レーザ装置を実現できる。
【００６３】
さらに、半導体光変調器に電界を印加する場合には、半導体レーザを電流注入で変調する場合に比べて、光の変調周波数を増大させることができる。従って、図２の例のように、電界吸収型の半導体光変調器を集積することにより、半導体レーザを電流注入で直接変調する場合よりも高い変調周波数（１０〜５０ＧＨｚ）でレーザ光を変調させることができる。そして、半導体レーザ素子と半導体光変調器とが同一基板上にモノリシックに集積形成されることで、装置サイズを小型化することができる。
【００６４】
（第５の実施形態）
また、本発明の半導体発光装置において、半導体レーザ素子を面発光半導体レーザ素子として構成することもできる。
【００６５】
光強度の変調を半導体レーザの直接変調ではなく、光変調器を用いる場合には、半導体レーザ素子は連続通電となる。従って、消費電力や発熱を抑制する上で、半導体レーザ素子の低閾電流化は重要である。第３の実施形態においては、面発光型半導体レーザ素子を用いているため、端面型半導体レーザ素子を用いる場合と比較して、半導体レーザ素子の閾電流を５ｍＡ以下と低くすることができる。従って、半導体発光装置の動作電流を低減して、消費電力を低減することができる。
【００６６】
また、上記発明の面型半導体レーザ素子はＧａＡｓ基板上にＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含んで構成されている。そのため、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓの低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を反射鏡に用いることができる。従来材料系であるＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ材料系では、高屈折率層にＩｎＧａＡｓＰの４元混晶を用いる必要があるため、ＤＢＲの熱抵抗が高くなってしまう。
【００６７】
また、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとの屈折率差が小さいため、高反射率を得るのに、多くの層数を必要としていた。それに対して、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料を用いたＤＢＲは、熱抵抗が低く、かつ高屈折率層と低屈折率層との屈折率差が大きいため、少ない層数で高反射率が得られる。従って、放熱に有利となっている。そのため、本発明の課題である高温動作時においても、安定に動作する。
【００６８】
＜実施例３＞
図３（ａ），（ｂ）は本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図である。なお、図３（ａ）は上面から見た図であり、図３（ｂ）は側面から見た断面図である。
【００６９】
図３（ａ），（ｂ）を参照すると、Ｓｉ基板１００１上に、面発光レーザアレイ１００２、４５°ミラー１００３を一方の面に備えた光導波路１００４、電界吸収型の半導体光変調器アレイ１００５、光ファイバ１００６が備えられている。
【００７０】
面発光レーザアレイ１００２は、ＧａＡｓ基板上に、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ下部ＤＢＲと、ＧａＩｎＮＡｓ活性層を含む共振器構造と、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上部ＤＢＲとが積層されて構成された垂直共振器型面発光レーザが、例えば４素子モノリシックに集積して形成されている。発振波長は、石英系光ファイバの伝送に適した１．３μｍ帯となっている。
【００７１】
４５°ミラー１００３を一方の面に備えた光導波路１００４は、石英材料またはＳｉまたは高分子材料等で形成されている。電界吸収型の半導体光変調器アレイ１００５は、図１に示した端面型の半導体光変調器を４素子モノリシックに集積して形成されている。
【００７２】
このような構成の半導体発光装置では、面発光レーザアレイ１００２の各面発光レーザから上方に出射した光が４５°ミラー１００３で折り曲げられて、光導波路１００４に入射される。光導波路１００４に入射された光は、光導波路１００４を導波して、半導体光変調器アレイ１００５に入射される。このとき、面発光レーザと半導体光変調器とは１対１に対応している。半導体光変調器アレイ１００５によって光強度が変調された光信号は、それぞれ光ファイバ１００６を通って外部に出力される。
【００７３】
図３に示した半導体発光装置においては、半導体光変調器アレイ１００５により光信号を１０ＧＨｚで変調することにより、４チャンネルで最大４０Ｇｂｐｓの光信号を伝送することが可能である。
【００７４】
図３において、面発光レーザアレイ１００２は、ＧａＡｓ基板上にＧａＩｎＮＡｓで構成された活性層を含んで構成されている。そのため、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌＧａＡｓの低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を反射鏡に用いることができる。従来材料系であるＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ材料系では、高屈折率層にＩｎＧａＡｓＰの４元混晶を用いる必要があるため、ＤＢＲの熱抵抗が高くなってしまう。また、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとの屈折率差が小さいため、高反射率を得るのに、多くの層数を必要としていた。
【００７５】
それに対して、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料を用いたＤＢＲは、熱抵抗が低く、かつ高屈折率層と低屈折率層との屈折率差が大きいため、少ない層数で高反射率が得られる。従って、放熱に有利となっている。そのため、本発明の課題である高温動作時においても、安定に動作する。
【００７６】
光強度の変調を半導体レーザの直接変調ではなく、光変調器を用いる場合には、半導体レーザ素子は連続通電となる。従って、消費電力や発熱を抑制する上で、半導体レーザ素子の低閾電流化は重要である。図３に示した半導体発光装置においては、面発光型半導体レーザ素子１００２を用いているため、端面型半導体レーザ素子を用いる場合と比較して、半導体レーザ素子の閾電流を５ｍＡ以下と低くすることができる。従って、半導体発光装置の動作電流を低減して、消費電力を低減することができる。
【００７７】
また、電界吸収型の半導体光変調器１００５の吸収層である多重量子井戸構造は、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層とし、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを障壁層として構成することにより、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができる。従って、高温動作時でも励起子の乖離を抑制し、量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくできる。よって、高温動作時でも光変調のＳ／Ｎの低下を防止することができる。
【００７８】
すなわち、図３の半導体発光装置では、Ｓｉ基板１００１上に、ＧａＩｎＮＡｓ活性層を含む面発光半導体レーザと、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層を吸収層とする電界吸収型半導体光変調器とを集積することで、温度特性が良好で、かつ１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能な１．３μｍ帯半導体レーザ装置を実現できる。
【００７９】
（第６の実施形態）
なお、上記本発明の半導体発光装置において、半導体レーザ素子を面発光半導体レーザ素子として構成し、面発光半導体レーザ素子と電界吸収型の半導体光変調器とを積層方向にモノリシックに集積して構成することもできる。すなわち、ＧａＡｓ単結晶基板の主平面と垂直方向に光を入出力する面型半導体光装置として構成することもできる。この場合には、光入出力面を劈開面で形成する必要がなく、従って、ＧａＡｓ単結晶基板上に、面型半導体発光装置をモノリシックに２次元アレイ化して形成することが可能となる。これにより、面型半導体発光装置を高密度に並列集積化することができる。
【００８０】
また、上記発明の面型半導体発光装置はＧａＡｓ基板上に形成できるため、ＧａＡｓ高屈折率層とＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓの低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）を反射鏡に用いることができる。従来材料系であるＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ材料系では、高屈折率層にＩｎＧａＡｓＰの４元混晶を用いる必要があるため、ＤＢＲの熱抵抗が高くなってしまう。
【００８１】
また、ＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとの屈折率差が小さいため、高反射率を得るのに、多くの層数を必要としていた。それに対して、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料を用いたＤＢＲは、熱抵抗が低く、かつ高屈折率層と低屈折率層との屈折率差が大きいため、少ない層数で高反射率が得られる。従って、放熱に有利となっている。そのため、本発明の課題である高温動作時においても、安定に動作する。
【００８２】
＜実施例４＞
図４（ａ）は本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図であり、図４（ａ）の半導体発光装置は、面型半導体発光装置（光変調器集積型面発光半導体レーザ装置）として構成されており、面発光型半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されたものとなっている。すなわち、レーザ光強度を変調する電界吸収型半導体光変調器Ｂは、面発光半導体レーザにおけるｐ側のＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）の途中に挿入されている。
【００８３】
具体的に、図４（ａ）において、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓのＤＢＲ２０１、ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層２０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓキャリアブロック層２０４、ｐ型ＧａＡｓ上部スペーサ層２０５、ｐ型ＡｌＡｓ層５０１、ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの第１ＤＢＲ５０２が順次に積層されている。
【００８４】
そして、ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの第１ＤＢＲ５０２上にはＡｌＯｘ絶縁層５０３が形成されており、さらに、ＡｌＯｘ絶縁層５０３上には、電界吸収型半導体光変調器Ｂを構成するｎ型ＧａＡｓコンタクト層５０４、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層５０５、多重量子井戸構造５０６、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層５０７が積層されている。
【００８５】
ここで、ＡｌＯｘ絶縁層５０３は、面発光半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器Ｂとを電気的に絶縁する働きをしている。
【００８６】
また、多重量子井戸構造５０６の積層構成は、例えば図４（ｂ）のようになっている。すなわち、図４（ｂ）の例では、多重量子井戸構造５０６は、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層５０６ａとし、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを障壁層５０６ｂとして交互に積層されている。そして、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０６ａとＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ障壁層５０６ｂとの界面には、層厚２ｎｍのＧａＡｓ中間層５０６ｃが設けられている。
【００８７】
このように、Ｎを構成元素として含むＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０６ａとＡｌを構成元素として含むＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ障壁層５０６ｂとの間に、構成元素としてＮとＡｌを含まないＧａＡｓ中間層５０６ｃを設けることで、界面のＮ偏析を抑制し、高品質の量子井戸構造を形成している。
【００８８】
ＡｌＯｘ絶縁層５０３の層厚、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５０４の層厚、またｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層５０５と多重量子井戸構造５０６とｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層５０７の合計層層は、それぞれレーザ発振波長に対して位相整合条件を満たすように（すなわち、１／４光学波長厚の整数倍となるように）、層厚が設定されている。
【００８９】
さらに、図４（ａ）の構成例では、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層５０７上には、ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの第２ＤＢＲ５０８が積層されている。
【００９０】
図４（ａ）において、このように順次に積層された積層構造は、３段の階段状にドライエッチングされて、柱状構造が形成されている。上から１段目は、ｎ型ＧａＡｓコンタクト層５０４の表面が露出するように形成されており、２段目はｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの第１ＤＢＲ５０２の最表面が露出するように形成されており、３段目はｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓのＤＢＲ２０１に達する深さまでエッチングされている。
【００９１】
また、柱状構造周辺部のｐ型ＡｌＡｓ層５０１は、エッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて、ＡｌＯｘ絶縁領域５０９を形成されている。また、面発光半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器Ｂとを電気的に絶縁しているＡｌＯｘ絶縁層５０３は、結晶成長したＡｌＡｓ層をエッチング側面から全て酸化することによって形成されている。この酸化工程は、ＡｌＯｘ絶縁領域５０９を形成する選択酸化工程と同時に実施することができる。
【００９２】
また図４（ａ）では、柱状構造最表面であるｐ型第２ＤＢＲ５０８の表面に、変調用のｐ側電極５１０が形成されている。そして、エッチングによりｎ型ＧａＡｓコンタクト層５０４表面が露出した１段目のテラス面には、変調用のｎ側電極５１１が形成されている。また、エッチングによりｐ型第１ＤＢＲ５０２の表面が露出した２段目のテラス面には、レーザ駆動用のｐ側電極１１０が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、レーザ光を外部に取り出すための開口部を除いて、レーザ駆動用のｎ側電極１１１が形成されている。
【００９３】
図４の構成では、面発光半導体レーザにおいて、ｐ側電極１１０とｎ側電極１１１に順方向バイアスを印加することにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３にキャリアが注入される。このとき、選択酸化で形成したＡｌＯｘ絶縁領域５０９によって、電流は柱状構造よりも狭い領域に狭窄される。これにより、電流を集中させて閾電流を低減させることができる。
【００９４】
ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３に注入されたキャリアは発光再結合して、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のバンドギャップに対応した１．３μｍ帯の光が放射される。そして、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３で発生した光は、ｎ型ＤＢＲ２０１と、ｐ型第１ＤＢＲ５０２及びｐ型第２ＤＢＲ５０８とで構成された共振器内で共振してレーザ発振する。
【００９５】
電界吸収型半導体光変調器Ｂにおいては、ｐ側電極５１０とｎ側電極５１１にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造５０６はレーザ光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ部の活性領域に対して、ｐ型第１ＤＢＲ５０２に加えてｐ型第２ＤＢＲ５０８からの反射光が戻るため、レーザ発振に必要な９９％以上の高い反射率が得られる。
【００９６】
一方、ｐ側電極５１０とｎ側電極５１１に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造５０６のエネルギーバンドギャップが縮小して、レーザ光を吸収する。そのため、実効的にｐ側のＤＢＲの反射率が低下して、レーザ発振が停止する。これにより、レーザ光の光強度を変調することができる。
【００９７】
図４の半導体発光装置において、ＧａＡｓ基板１０１上に形成された１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ系面発光半導体レーザでは、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓキャリアブロック層２０４との伝導帯バンド不連続を２００ｍｅＶ以上と大きくすることができる。そのため、高温動作時においても電子オーバーフローを抑制することができる。また、熱抵抗が低く、より少ない層数で、９９％以上の高反射率が得られるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料によって、ＤＢＲを形成することができる。従って、１．３μｍ帯において、温度特性が良好な面発光半導体レーザを形成することができる。
【００９８】
また、電界吸収型半導体光変調器Ｂの吸収層である多重量子井戸構造５０６は、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層とし、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを障壁層として構成することにより、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができる。従って、高温動作時でも励起子の乖離を抑制し、量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくできる。よって、高温動作時でも光変調のＳ／Ｎの低下を防止することができる。
【００９９】
そして、図４の半導体発光装置では、ＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＩｎＮＡｓ活性層を含む面発光半導体レーザと、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層を吸収層とする電界吸収型半導体光変調器Ｂとをモノリシックに集積することで、温度特性が良好で、かつ１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能な１．３μｍ帯半導体レーザ装置を実現できる。
【０１００】
また、図４の半導体発光装置では、図２に示した端面型の光変調器集積型半導体レーザ装置と比較して、低閾電流化が可能な垂直共振器型面発光レーザを用いているため、半導体レーザ装置の閾電流を低減できる。また、面発光半導体レーザは、モノリシックに２次元アレイ化が可能であり、高密度の並列集積化に有利である。
【０１０１】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態による半導体発光装置は、第６の実施形態に記載した半導体発光装置において、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の共振器内に位置している。この場合、半導体光変調器は、光を基板と垂直方向に入出射する面型の半導体光変調器として構成される。
【０１０２】
半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の共振器内に位置する場合には、半導体光変調器にバイアスを印加しないときには、多重量子井戸構造は光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ素子の共振器内において光吸収損失がないため、低い閾電流でレーザ発振する。一方、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造のエネルギーバンドギャップが縮小して、光を吸収する。そのため、共振器の光吸収損失が増大し、面発光半導体レーザ素子の閾電流が増加する。
【０１０３】
従って、注入電流を一定にした場合に、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加しない場合と印加した場合とで、レーザ発振状態とレーザ発振停止状態とをスイッチすることができる。これにより、半導体光変調器の光吸収層が１μｍ以下と薄くして光吸収係数の変化が小さい場合でも、レーザ光の光強度を大きく変えることができる。従って、光強度変調のＳ／Ｎ比を高くすることができる。
【０１０４】
また、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子は、石英光ファイバの伝送に適した１．２〜１．６μｍの波長帯で形成することができる。そして、特性温度が１５０〜２００Ｋと非常に高く、温度特性が良好な半導体レーザであることが実証されている。さらに、第１または第２の実施形態の半導体光変調器は、量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができ、高温動作が可能となる。
【０１０５】
従って、特性温度が高く、かつ半導体レーザ素子の直接変調周波数を上回る１０ＧＨｚ以上の高速光変調が可能な長波長帯面発光半導体レーザ装置を実現することができる。
【０１０６】
＜実施例５＞
図５は本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図であり、図５の半導体発光装置は、面型半導体発光装置（光変調器集積型面発光半導体レーザ装置）として構成されており、面発光型半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されたものとなっている。すなわち、レーザ光強度を変調する電界吸収型半導体光変調器は、面発光半導体レーザにおける共振器構造の途中に挿入されている。
【０１０７】
具体的に、図５において、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓのＤＢＲ２０１、ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層２０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３、第１のＧａＡｓ上部スペーサ層１１０１、ｐ型ＡｌＡｓ層５０１、第２のＧａＡｓ上部スペーサ層１１０２、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０３、多重量子井戸構造５０６、ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの上部ＤＢＲ１１０４が順次に積層されている。
【０１０８】
多重量子井戸構造５０６の積層構成は、例えば図４（ｂ）のようになっている。すなわち、図４（ｂ）の例では、多重量子井戸構造５０６は、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層５０６ａとし、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを障壁層５０６ｂとして交互に積層されている。そして、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０６ａとＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ障壁層５０６ｂとの界面には、層厚２ｎｍのＧａＡｓ中間層５０６ｃが設けられている。
【０１０９】
このように、Ｎを構成元素として含むＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０６ａとＡｌを構成元素として含むＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ障壁層５０６ｂとの間に、構成元素としてＮとＡｌを含まないＧａＡｓ中間層５０６ｃを設けることで、界面のＮ偏析を抑制し、高品質の量子井戸構造を形成している。
【０１１０】
ｎ型ＤＢＲ２０１とｎ型上部ＤＢＲ１１０４にはさまれた領域が、面発光半導体レーザ素子の共振器構造を構成している。下部ＧａＡｓスペーサ層２０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３、第１のＧａＡｓスペーサ層１１０１、ｐ型ＡｌＡｓ層５０１、第２のＧａＡｓスペーサ層１１０２、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０３、多重量子井戸構造５０６の合計層厚は、レーザ発振波長に対して１／２光学波長厚の整数倍となるように設定されている。
【０１１１】
図５において、このように順次に積層された積層構造は、２段の階段状にドライエッチングされて、柱状構造が形成されている。上から１段目は、ｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０３の表面が露出するように形成されており、２段目はｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓのＤＢＲ２０１に達する深さまでエッチングされている。
【０１１２】
また、柱状構造周辺部のｐ型ＡｌＡｓ層５０１は、エッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて、ＡｌＯｘ絶縁領域５０３が形成されている。これにより、電流を１段目のメササイズよりも狭い領域に狭窄して、閾電流を低減させている。
【０１１３】
また図５では、柱状構造最表面であるｎ型上部ＤＢＲ１１０４の表面に、光を取り出す領域を除いて変調用のｎ側電極５１１が形成されている。そして、エッチングによりｐ型ＧａＡｓコンタクト層１１０３表面が露出した１段目のテラス面には、ｐ側共通電極１１０が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、レーザ駆動用のｎ側電極１１１が形成されている。
【０１１４】
図５の構成では、面発光半導体レーザにおいて、ｐ側電極１１０とｎ側電極１１１に順方向バイアスを印加することにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３にキャリアが注入される。このとき、選択酸化で形成したＡｌＯｘ絶縁領域５０３によって、電流は柱状構造よりも狭い領域に狭窄される。ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３に注入されたキャリアは発光再結合して、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のバンドギャップに対応した１．３μｍ帯の光が放射される。そして、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３で発生した光は、ｎ型ＤＢＲ２０１と、ｎ型上部ＤＢＲ１１０４とで構成された共振器内で共振してレーザ発振する。レーザ光は、ＧａＡｓ基板１０１に対して垂直上方から取り出される。
【０１１５】
電界吸収型半導体光変調器においては、ｐ側電極１１０とｎ側電極５１１にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造５０６は光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザの共振器内において、光吸収損失がないためレーザ発振する。一方、ｐ側電極１１０とｎ側電極５１１に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造５０６のエネルギーバンドギャップが縮小して、光を吸収する。そのため、共振器内の光吸収損失が増加して、レーザ発振が停止する。これにより、レーザ光の光強度を変調したときに光強度変調のＳ／Ｎ比を高くとることができる。
【０１１６】
図５の半導体発光装置において、ＧａＡｓ基板１０１上に形成された１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓ系面発光半導体レーザでは、熱抵抗が低く、より少ない層数で、９９％以上の高反射率が得られるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料によって、ＤＢＲを形成することができる。従って、１．３μｍ帯において、温度特性が良好な面発光半導体レーザを形成することができる。また、端面型の半導体レーザ素子を用いる場合と比較して、低閾電流化が可能である。
【０１１７】
また、電界吸収型半導体光変調器の吸収層である多重量子井戸構造５０６は、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層とし、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを障壁層として構成することにより、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができる。従って、高温動作時でも励起子の乖離を抑制し、量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくできる。よって、高温動作時でも光変調のＳ／Ｎの低下を防止することができる。
【０１１８】
そして、図５の半導体発光装置では、ＧａＡｓ基板１０１上に、ＧａＩｎＮＡｓ活性層を含む面発光半導体レーザと、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層を吸収層とする電界吸収型半導体光変調器とをモノリシックに集積することで、温度特性が良好で、かつ１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能な１．３μｍ帯半導体レーザ装置を実現できる。
【０１１９】
（第８の実施形態）
また、本発明の第８の実施形態による半導体発光装置は、第６の実施形態に記載した半導体発光素子において、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡内に位置している。この場合、半導体光変調器は、光を基板と垂直方向に入出射する面型の半導体光変調器として構成される。
【０１２０】
半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡内に位置する場合には、半導体光変調器にバイアスを印加しないときに、多重量子井戸構造は光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ素子の活性領域に対して、半導体光変調器よりも外側の分布ブラッグ反射鏡からの反射光が戻るため、レーザ発振に必要な９９％以上の高い反射率が得られる。
【０１２１】
一方、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造のエネルギーバンドギャップが縮小して、光を吸収する。そのため、実効的に分布ブラッグ反射鏡の反射率が低下して閾電流が増加し、レーザ発振が停止する。これにより、半導体光変調器の光吸収層が１μｍ以下と薄い場合でも、レーザ光の光強度を大きく変えることができ、光強度変調のＳ／Ｎ比を高くすることができる。
【０１２２】
分布ブラッグ反射鏡内で半導体光変調器を設ける位置は、分布ブラッグ反射鏡の中で光強度分布の強い位置が望ましい。すなわち、共振器に近い側で腹の位置に設けることが望ましい。光強度分布の強い位置に半導体光変調器を設けると、レーザ素子内で半導体光変調器による光吸収の効果が大きくなるため、より小さい吸収係数の変化でレーザ光強度を変調することができる。
【０１２３】
また、半導体光変調器を共振器内に設けた場合には、共振器内に面発光半導体レーザ素子の１電極及び半導体光変調器の１電極を形成する必要がある。そのため、活性層から共振器にオーバーフローしたキャリアは、電極に流れ込んでしまう。一方、半導体光変調器を分布ブラッグ反射鏡内に設けた場合には、活性層から共振器にあふれたキャリアは、バンドギャップの大きい分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層でブロックされる。従って、活性層へのキャリア閉じ込めを高くすることができる。
【０１２４】
（第９の実施形態）
また、本発明の半導体発光装置において、半導体光変調器を面発光半導体レーザ素子の基板側の分布ブラッグ反射鏡内に位置させることもできる。
【０１２５】
面発光半導体レーザ素子の電流狭窄構造を形成する方法として、ＡｌＡｓ層を側面から水蒸気で選択的に酸化させて、ＡｌＯｘ絶縁領域を形成する方法が一般的である。半導体光変調器を基板と反対側の分布ブラッグ反射鏡（上部）内に設けた場合、半導体光変調器の下部電極及び面発光半導体レーザ素子の上部電極は、上部分布ブラッグ反射鏡の途中のテラス上に形成しなければならない。そのため、面発光半導体レーザ素子において活性層及びＡｌＡｓ層をエッチングして形成するメササイズは、テラスの分だけ大きくなる。
【０１２６】
一方、半導体光変調器を基板側の分布ブラッグ反射鏡（下部）内に設けた場合、半導体光変調器の上部電極及び面発光半導体レーザ素子の下部電極は、活性層及びＡｌＡｓ層よりも下側のテラスに形成することができる。従って、活性層及びＡｌＡｓ層をエッチングして形成するメササイズをより小さくすることができる。
【０１２７】
すなわち、同じ電流狭窄面積を形成するために、半導体光変調器を基板と反対側の分布ブラッグ反射鏡（上部）内に設けた場合には、選択酸化する距離を長くしなければならない。選択酸化する距離が長くなると、わずかな酸化レートの違いで、電流狭窄面積にばらつきが生じてしまい、面発光半導体レーザ素子の閾電流のばらつきを引き起こしてしまう。
【０１２８】
一方、半導体光変調器を基板側の分布ブラッグ反射鏡（下部）内に設けることにより、側面からＡｌＡｓ層を酸化する距離をより小さくできるため、選択酸化の制御が容易となり、電流狭窄面積のばらつきを抑制することができる。
【０１２９】
上記の効果は基板の導電型がｎ型である場合でも、ｐ型である場合でも同様に有している。また、電極が３端子である場合も、４端子である場合でも同様の効果を有している。ただし、選択酸化するＡｌＡｓ層は、少なくとも活性層からみてｐ型の側に設ける必要がある。重要な点は、半導体光変調器を基板側の分布ブラッグ反射鏡内に設けることにより、半導体光変調器の１電極及び面発光半導体レーザ素子の１電極を形成するためのテラスが、活性層及びＡｌＡｓ層よりも下側に設けることが可能となる点である。
【０１３０】
＜実施例６＞
図６は本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図であり、図６の半導体発光装置は、面型半導体発光装置（光変調器集積型面発光半導体レーザ装置）として構成されており、面発光型半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されたものとなっている。すなわち、レーザ光強度を変調する電界吸収型半導体光変調器は、面発光半導体レーザにおける基板側のＤＢＲ（分布ブラッグ反射器）の途中に挿入されている。
【０１３１】
具体的に、図６において、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上には、ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの下部ＤＢＲ１２０１、多重量子井戸構造５０６、ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの下部ＤＢＲ１２０２、ｐ型ＡｌＡｓ層５０１、ＧａＡｓ下部スペーサ層２０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３、ＧａＡｓ上部スペーサ層２０５、ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの上部ＤＢＲ１２０３が順次に積層されている。
【０１３２】
また、多重量子井戸構造５０６の積層構成は、例えば図４（ｂ）のようになっている。すなわち、図４（ｂ）の例では、多重量子井戸構造５０６は、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層５０６ａとし、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを障壁層５０６ｂとして交互に積層されている。そして、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０６ａとＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ障壁層５０６ｂとの界面には、層厚２ｎｍのＧａＡｓ中間層５０６ｃが設けられている。
【０１３３】
このように、Ｎを構成元素として含むＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０６ａとＡｌを構成元素として含むＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ障壁層５０６ｂとの間に、構成元素としてＮとＡｌを含まないＧａＡｓ中間層５０６ｃを設けることで、界面のＮ偏析を抑制し、高品質の量子井戸構造を形成している。
【０１３４】
多重量子井戸構造５０６の層層は、レーザ発振波長に対して位相整合条件を満たすように（すなわち、１／４光学波長厚の整数倍となるように）、層厚が設定されている。
【０１３５】
図６において、このように順次に積層された積層構造は、ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓの下部ＤＢＲ１２０２の最表面が露出するようにドライエッチングされて、柱状構造が形成されている。
【０１３６】
また、柱状構造周辺部のｐ型ＡｌＡｓ層５０１は、エッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて、ＡｌＯｘ絶縁領域５０３が形成されている。
【０１３７】
また図６では、柱状構造最表面であるｎ型上部ＤＢＲ１２０３の表面に、光を取り出す領域を除いてレーザ駆動用のｎ側電極１２０４が形成されている。そして、エッチングによりｐ型下部ＤＢＲ１２０２表面が露出したテラス面には、ｐ側共通電極５１０が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、変調用のｎ側電極１１１が形成されている。
【０１３８】
図６の構成では、面発光半導体レーザにおいて、ｐ側電極５１０とｎ側電極１２０４に順方向バイアスを印加することにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３にキャリアが注入される。このとき、選択酸化で形成したＡｌＯｘ絶縁領域５０９によって、電流は柱状構造よりも狭い領域に狭窄される。これにより、電流を集中させて閾電流を低減させることができる。
【０１３９】
ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３に注入されたキャリアは発光再結合して、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のバンドギャップに対応した１．３μｍ帯の光が放射される。そして、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３で発生した光は、ｎ型上部ＤＢＲ１２０３と、ｐ型下部ＤＢＲ１２０２及びｎ型下部ＤＢＲ１２０１とで構成された共振器内で共振してレーザ発振する。レーザ光は、ＧａＡｓ基板１０１に対して垂直上方から取り出される。
【０１４０】
電界吸収型半導体光変調器においては、ｐ側電極５１０とｎ側電極１１１にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造５０６は光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ部の活性領域に対して、ｐ型下部ＤＢＲ１２０２に加えてｎ型下部ＤＢＲ１２０１からの反射光が戻るため、レーザ発振に必要な９９％以上の高い反射率が得られる。
【０１４１】
一方、ｐ側電極５１０とｎ側電極１１１に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造５０６のエネルギーバンドギャップが縮小して、光を吸収する。そのため、実効的に基板側（下部）のＤＢＲの反射率が低下して、レーザ発振が停止する。これにより、レーザ光の光強度を変調することができる。
【０１４２】
図６に示した半導体発光装置においては、半導体光変調器を基板側の分布ブラッグ反射鏡（下部）内に設けており、半導体光変調器の上部電極及び面発光半導体レーザ素子の下部電極であるｐ側電極５１０は、活性層２０３及びＡｌＡｓ層５０１よりも下側のテラスに形成することができる。従って、活性層２０３及びＡｌＡｓ層５０１をエッチングして形成するメササイズをより小さくすることができる。
【０１４３】
すなわち、同じ電流狭窄面積を形成するために、半導体光変調器を基板と反対側の分布ブラッグ反射鏡（上部）内に設けた場合には、選択酸化する距離を長くしなければならない。選択酸化する距離が長くなると、わずかな酸化レートの違いで、電流狭窄面積にばらつきが生じてしまい、面発光半導体レーザ素子の閾電流のばらつきを引き起こしてしまう。
【０１４４】
一方、半導体光変調器を基板側の分布ブラッグ反射鏡（下部）内に設けることにより、側面からＡｌＡｓ層５０１を酸化する距離をより小さくできるため、選択酸化の制御が容易となり、電流狭窄面積のばらつきを抑制することができる。
【０１４５】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態による半導体発光装置は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、多重量子井戸構造を光吸収層とする半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴としている。
【０１４６】
面型の半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子とを、積層方向にシリアルに積層する場合には、面発光半導体レーザ素子で発振した光を半導体光変調器の光吸収層で吸収させて減衰させるのに、数１０μｍ以上の厚さが必要となり、作製が困難である。光吸収層の層厚が薄い場合、レーザ光が半導体光変調器を透過する場合と吸収される場合との光強度の違いが小さくなり、光強度変調のＳ／Ｎ比が低下してしまう。
【０１４７】
一方、この第１０の実施形態においては、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の共振器内または半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置しており、半導体光変調器にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造は光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ素子内において光吸収損失がないため、低い閾電流でレーザ発振する。一方、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造のエネルギーバンドギャップが縮小して、光を吸収する。そのため、面発光半導体レーザ素子内の光吸収損失が増大し、面発光半導体レーザ素子の閾電流が増加する。
【０１４８】
従って、注入電流を一定にした場合に、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加しない場合と印加した場合とで、レーザ発振状態とレーザ発振停止状態とをスイッチすることができる。これにより、半導体光変調器の光吸収層が１μｍ以下と薄くして光吸収係数の変化が小さい場合でも、レーザ光の光強度を大きく変えることができる。従って、光強度変調のＳ／Ｎ比を高くすることができる。なお、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加した場合、必ずしもレーザ発振が停止しなくても、閾電流が増加することで、光出力は大きく低下する。よって、レーザ発振させた状態で光強度を変調させることも可能である。
【０１４９】
特開平５−１５２６７４号公報には、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子をモノリシックに集積した構造が報告されている。特開平５−１５２６７４号公報では、面発光半導体レーザ素子でレーザ発振したレーザ光を半導体光変調器で外部変調しているものであり、レーザ発振した光を半導体光変調器で吸収させて光強度を変化させている。従って、光吸収層の層厚が薄い場合に、光強度変調のＳ／Ｎ比が低下してしまう課題は十分に解決されていない。一方、この第１０の実施形態では、半導体光変調器の光吸収層で半導体レーザの内部損失を変化させており、わずかな吸収率の変化で光出力を大きく変えることが可能となる。
【０１５０】
＜実施例７＞
図１４は、本発明に係る他の半導体発光装置の構成例を示す図である。図１４の半導体発光装置は、ｐ型ＧａＡｓ基板１４０１上に、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの下部ＤＢＲ１４０２、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸光吸収層１４０３、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１ＡｓのＤＢＲ１４０４、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ下部スペーサ層１４０５、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸活性層１４０６、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ上部スペーサ層１４０７、ｐ型ＡｌＡｓ層５０１、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの上部ＤＢＲ１４０８が順次に積層されている。
【０１５１】
そして、このように順次に積層された積層構造は、ドライエッチングされて、柱状構造が形成されている。柱状構造は、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１ＡｓのＤＢＲ１４０４に達する深さまでエッチングされている。
【０１５２】
そして、柱状構造周辺部のｐ型ＡｌＡｓ層５０１は、エッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて、ＡｌＯｘ絶縁領域５０９が形成されている。これにより、電流をメササイズよりも狭い領域に狭窄している。
【０１５３】
また、図１４では、柱状構造最表面であるｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓの上部ＤＢＲ１４０８の表面に、光を取り出す領域を除いてｐ側電極１４１３が形成されている。そして、エッチングにより表面が露出したテラス面には、ｎ側共通電極１４１２が形成されている。また、ｐ型ＧａＡｓ基板１４０１の裏面には、ｐ側電極１４１１が形成されている。
【０１５４】
図１４の構成では、ｐ側電極１４１３とｎ側電極１４１２に順方向バイアスを印加することにより、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸活性層１４０６にキャリアが注入される。このとき、選択酸化で形成されたＡｌＯｘ絶縁領域５０９によって、電流は柱状構造よりも狭い領域に狭窄される。ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸活性層１４０６に注入されたキャリアは発光再結合して、０．８５μｍ帯の光が放射される。そして、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸活性層１４０６で発生した光は、ｐ型下部ＤＢＲ１４０２及びｎ型ＤＢＲ１４０４と、ｐ型上部ＤＢＲ１４０８とで構成された共振器内で共振してレーザ発振する。図１４の半導体発光装置は、レーザ光を、ＧａＡｓ基板１４０１に対して垂直上方から取り出せる面発光半導体レーザ素子となっている。
【０１５５】
また、図１４の構成において、ｐ側電極１４１１とｎ側電極１４１２にバイアスを印加しない場合には、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸光吸収層１４０３は、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸活性層１４０６で発生する光に対して透明となるようにバンドギャップが設計されている。従って、面発光半導体レーザ素子内において、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸光吸収層１４０３は光吸収損失を生じることなく、低閾電流でレーザ発振する。
【０１５６】
一方、ｐ側電極１４１１とｎ側電極１４１２に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果によりＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸光吸収層１４０３のエネルギーバンドギャップが縮小する。これにより、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸活性層１４０６で発生した光を吸収するようになる。そのため、面発光半導体レーザ素子の内部光吸収損失が増加し、これにより、レーザの閾電流が増加する。
【０１５７】
従って、ｐ側電極１４１３とｎ側電極１４１２からＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸活性層１４０６に注入する電流値を、ｐ側電極１４１１とｎ側電極１４１２にバイアスを印加しない場合の閾電流値と、ｐ側電極１４１１とｎ側電極１４１２に逆バイアスを印加したときの閾電流値との間に設定しておくと、ｐ側電極１４１１とｎ側電極１４１２にバイアスを印加しない場合にはレーザ発振し、ｐ側電極１４１１とｎ側電極１４１２に逆バイアスを印加した場合にはレーザ発振が停止するようになる。これにより、出力光を大きく変化させることが可能となる。
【０１５８】
この実施例７では、レーザ発振した光を光吸収層で吸収させて光強度を変化させる方式に比べて、光吸収層の吸収係数の変化が小さくても、出力光強度を大きく変化させることができ、変調Ｓ／Ｎ比を高くすることができる。
【０１５９】
そして、半導体レーザ素子を直接変調する場合に比べて、ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸光吸収層１４０３に電界を加えて変調する方式は、高い変調周波数で動作させることができる。よって、面発光半導体レーザ素子の直接変調周波数の限界を超える１０ＧＨｚ以上、例えば２０〜５０ＧＨｚで変調することができ、大容量の光伝送システムに用いることができる。
【０１６０】
この実施例７では、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系材料を用いた０．８５μｍ帯の面発光半導体レーザ素子の例を示したが、この材料系に限定されるものではなく、ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ系やＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ系、ＩｎＧａＮ／ＡｌＧａＮ系、ＧａＩｎＮＡｓＳｂ／ＡｌＧａＡｓ系等の面発光半導体レーザに適用することができる。
【０１６１】
（第１１の実施形態）
また、本発明の第１１の実施形態による半導体発光装置は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の光出射面と反対側の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴としている。
【０１６２】
面発光半導体レーザ素子では、閾電流を低減するために、一般に分布ブラッグ反射鏡の反射率を９９％以上と高くする。特に、光出射面と反対側の分布ブラッグ反射鏡は、外部に光を取り出す必要がないため、例えば９９．９％と非常に高い反射率で設計する。それに対して、光出射面側の分布ブラッグ反射鏡の反射率は、光取り出し効率を上げるために、光出射面と反対側の分布ブラッグ反射鏡の反射率よりも低く設定する。
【０１６３】
この第１１の実施形態においては、半導体光変調器が、より高反射率を必要とする光出射面と反対側の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置している。従って、半導体光変調器によって光吸収係数を変化させた場合に、高反射率側の分布ブラッグ反射鏡の反射率を低下させるため、閾電流をより大きく変化させることが可能となる。
【０１６４】
（第１２の実施形態）
また、本発明の第１２の実施形態による半導体発光装置は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置しており、半導体光変調器の変調用電極の少なくとも一方は、半導体光変調器に隣接した半導体分布ブラッグ反射鏡の１周期以下の位置に設けられていることを特徴としている。
【０１６５】
半導体分布ブラッグ反射鏡は、バンドギャップエネルギーが異なる高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層して形成されている。そのため、高屈折率層と低屈折率層の界面にはヘテロスパイクが発生してキャリアの注入を妨げてしまい、抵抗が高くなってしまう。また、ヘテロ界面に形成される空乏層は、分布ブラッグ反射鏡の容量成分を増加させる。従って、半導体分布ブラッグ反射鏡は、高い抵抗と容量により、高周波伝達特性を劣化させてしまう。
【０１６６】
一方、この第１２の実施形態においては、半導体光変調器の光吸収層の光吸収係数を変化させる変調用電極が、半導体光変調器に隣接した半導体分布ブラッグ反射鏡の１周期以下の位置に設けられている。従って、変調用電極にバイアスを印加したときに、半導体分布ブラッグ反射鏡を１周期以上通ることなく光吸収層に電界がかかるため、抵抗と容量による遅延の影響を低減して、より高周波で動作させることが可能となる。
【０１６７】
＜実施例８＞
図１５は、本発明に係る他の半導体発光装置の構成例を示す図である。図１５の半導体発光装置は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓのＤＢＲ２０１、ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層２０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３、ｐ型ＧａＡｓ上部スペーサ層２０５、ｐ型ＡｌＡｓ層５０１、ｐ型ＧａＡｓ層１５０１が順次に積層されている。
【０１６８】
そして、ｐ型ＧａＡｓ層１５０１上には、ＡｌＯｘ絶縁層５０３が形成されており、さらに、ＡｌＯｘ絶縁層５０３上には、電界吸収型半導体光変調器を構成するｎ型ＧａＡｓ層１５０２、多重量子井戸構造５０６、ｐ型ＧａＡｓ層１５０３が積層されている。
【０１６９】
ここで、ＡｌＯｘ絶縁層５０３は、面発光半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器とを電気的に絶縁する働きをしている。
【０１７０】
また、多重量子井戸構造５０６の積層構成は、例えば図４（ｂ）のようになっている。すなわち、図４（ｂ）の例では、多重量子井戸構造５０６は、ＧａＩｎＮＡｓを量子井戸層５０６ａとし、Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓを障壁層５０６ｂとして交互に積層されている。そして、ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層５０６ａとＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ障壁層５０６ｂとの界面には、層厚２ｎｍのＧａＡｓ中間層５０６ｃが設けられている。
【０１７１】
図１５において、さらに、ｐ型ＧａＡｓ層１５０３上には、ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓのＤＢＲ５０８が積層されている。
【０１７２】
図１５において、このように順次に積層された積層構造は、４段の階段状にドライエッチングされて、柱状構造が形成されている。上から１段目は、ｐ型ＧａＡｓ層１５０３の表面が露出するように形成されており、２段目はｎ型ＧａＡｓ層１５０２の表面が露出するように形成されており、３段目はｐ型ＧａＡｓ層１５０１の表面が露出するように形成されており、４段目はｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓのＤＢＲ２０１に達する深さまでエッチングされている。
【０１７３】
また、柱状構造周辺部のｐ型ＡｌＡｓ層５０１は、エッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて、ＡｌＯｘ絶縁領域５０９が形成されている。また、面発光半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器とを電気的に絶縁しているＡｌＯｘ絶縁層５０３は、結晶成長したＡｌＡｓ層をエッチング側面から全て酸化することによって形成されている。この酸化工程は、ＡｌＯｘ絶縁領域５０９を形成する選択酸化工程と同時に実施することができる。
【０１７４】
また図１５において、エッチングによりｐ型ＧａＡｓ層１５０３表面が露出した１段目のテラス面には、変調用のｐ側電極５１０が形成されており、エッチングによりｎ型ＧａＡｓ層１５０２表面が露出した２段目のテラス面には、変調用のｎ側電極５１１が形成されている。また、エッチングによりｐ型ＧａＡｓ層１５０１の表面が露出した３段目のテラス面には、レーザ駆動用のｐ側電極１１０が形成されている。また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面には、レーザ駆動用のｎ側電極１１１が形成されている。
【０１７５】
図１５の構成では、ｐ側電極１１０とｎ側電極１１１に順方向バイアスを印加することにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３にキャリアが注入される。このとき、選択酸化で形成されたＡｌＯｘ絶縁領域５０９によって、電流は柱状構造よりも狭い領域に狭窄される。ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３に注入されたキャリアは、発光再結合して、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層のバンドギャップに対応した１．３μｍ帯の光が放射される。そして、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３で発生した光は、ｎ型ＤＢＲ２０１とｐ型ＤＢＲ５０８とで構成された共振器内で共振してレーザ発振する。
【０１７６】
電界吸収型半導体光変調器においては、ｐ側電極５１０とｎ側電極５１１にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造５０６はＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３で発生した光に対して透明となっている。従って、光吸収損失がなく低閾電流でレーザ発振する。
【０１７７】
一方、ｐ側電極５１０とｎ側電極５１１に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造５０６のエネルギーバンドギャップが縮小して、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３で発生した光を吸収する。そのため、実効的にｐ側のＤＢＲの反射率が低下して、閾電流が増加する。これにより、出力されるレーザ光の光強度を変調することができる。
【０１７８】
さらに、図１５の半導体発光装置においては、半導体光変調器の多重量子井戸構造５０６の光吸収係数を変化させる変調用電極５１０，５１１が、半導体光変調器に隣接したＧａＡｓ層１５０２，１５０３に設けられている。従って、変調用電極にバイアスを印加したときに、半導体分布ブラッグ反射鏡を通ることなく多重量子井戸構造５０６に電界がかかるため、半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗と容量による遅延の影響がなくなり、より高周波で半導体光変調器を動作させることできる。
【０１７９】
（第１３の実施形態）
上述した第６〜第１２のいずれかの半導体発光装置において、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との電気的絶縁層として、ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓを選択酸化した層を用いることもできる。
【０１８０】
半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との電気的絶縁には、ｐｎ逆バイアス接合が一般に用いられている。しかし、ｐｎ逆バイアス接合は、結晶欠陥等によりトンネルやブレークダウン等が生じて、大電流が面発光半導体レーザ素子の活性層に流れて素子が破壊されてしまう場合がある。
【０１８１】
一方、ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓを選択酸化した層は、良好な絶縁体であるＡｌＯｘを形成できる。そのため、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との絶縁耐圧を、例えば２０Ｖ以上に向上させることができる。
【０１８２】
また、ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓを選択酸化した層は、面発光半導体レーザ素子の電流狭窄構造にも用いられる。これにより、面発光半導体レーザ素子の電流狭窄用の選択酸化工程と、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との絶縁用の選択酸化工程とを、共通の工程で実施することもできる。この際、面発光半導体レーザ素子の電流狭窄用の選択酸化距離と、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との絶縁用選択酸化距離とが異なる場合には、面発光半導体レーザ素子の電流狭窄用のＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓ層と、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との絶縁用のＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓ層とで、層厚やＡｌ組成を変えることにより、選択酸化レートを調整することができる。すなわち、例えば、ＡｌＡｓまたはＡｌＧａＡｓ層の層厚を薄くすることで、酸化レートを低下できる。また、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成を減少させるにつれて、酸化レートを低下させることができる。
【０１８３】
以上説明した実施例においては、基板としてｎ型基板を用いているが、ｐ型基板を用いることも可能である。また、面発光半導体レーザ素子においては、活性層近傍にトンネル接合を形成して、活性層に電流を注入させることもできる。
【０１８４】
（第１４の実施形態）
また、本発明の第１４の実施形態による半導体発光装置は、上述した第６〜第１２のいずれかの半導体発光装置において、面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層との間に組成傾斜層が設けられており、組成傾斜層の層厚が３０〜５０ｎｍであることを特徴としている。
【０１８５】
図１６は組成傾斜層を含むＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射鏡（４周期）において、各層のドーピング濃度を７×１０１７ｃｍ−３とした場合の、分布ブラッグ反射鏡の抵抗値を計算した結果を示した図である。図１６より、組成傾斜層の層厚が３０ｎｍより厚くなると、分布ブラッグ反射鏡の抵抗値が急激に低下し、バルク抵抗値（図１６中の点線）に近くなることがわかる。
【０１８６】
図１７は、１．３μｍ帯のＧａＡｓ／ＡｌＡｓ分布ブラッグ反射鏡（２３周期）において、組成傾斜層の膜厚変化に対する分布ブラッグ反射鏡の反射率の変化を示した図である。図１７中に示した接線と比較すると、組成傾斜層の厚さが５０ｎｍ以上から急激に反射率が変化する。そのため、面発光レーザ素子の発振閾電流はこれに対応して急激に増加してしまう。
【０１８７】
従って、組成傾斜層の層厚を３０〜５０ｎｍにすることによって、低抵抗で、かつ高反射率の分布ブラッグ反射鏡を形成することができる。
【０１８８】
また、組成傾斜層を設けることにより、高屈折率層と低屈折率層の界面にキャリアをトラップするノッチが生じなくなるため、分布ブラッグ反射鏡の容量が低減される。
【０１８９】
これにより、分布ブラッグ反射鏡を介して半導体光変調器にバイアスを印加する場合でも、分布ブラッグ反射鏡の抵抗と容量が低減できるため、高い変調周波数で動作させることが可能となる。
【０１９０】
（第１５の実施形態）
また、本発明の波長可変レーザ装置は、一対の反射鏡で構成された共振器内に、ＡＳＥ（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）放射光源と、ＡＳＥ放射光源で発生した光を波長分波する波長分波器と、波長分波器を通って分波したそれぞれの波長の光を選択し増幅する光ゲートアレイと、光ゲートアレイを通った光の強度を変調する半導体光変調器とを備え、半導体光変調器として、前述した本発明（第１または第２の実施形態）の半導体光変調器が用いられることを特徴としている。
【０１９１】
ここで、ＡＳＥ放射光源には、次のような半導体光増幅器を用いたものを用いることができる。
【０１９２】
すなわち、半導体光増幅器として、ＧａＡｓ基板（例えばＧａＡｓ単結晶基板）と、利得領域と、利得領域に電流を注入するｐ側電極とｎ側電極とを備え、利得領域にはＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料からなる半導体層が用いられるものを使用することができる。
【０１９３】
ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂ等のＶ族元素としてＡｓとＮを含む混晶半導体は、ＧａＡｓ基板上に単結晶薄膜を結晶成長可能であり、しかも石英光ファイバの伝送損失が低い波長１．２〜１．６μｍ帯のバンドギャップ波長を有することが知られている。従って、光ファイバ伝送に用いられる１．３μｍや１．５５μｍのレーザ光に対して利得を有している。
【０１９４】
そして、Ｖ族元素としてＡｓとＮを含む混晶半導体は、ＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰ系材料とヘテロ接合を形成した場合、価電子帯側に対する伝導帯側のバンド不連続比を大きくできることが知られている。また、ＧａＡｓ基板上に形成できるため、ＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰといったエネルギーバンドギャップの大きい材料をクラッド層に用いることができる。従って、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料からなる利得領域とクラッド層との伝導帯バンド不連続を２００ｍｅＶ以上と大きくとることができる。
【０１９５】
そのため、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがなく、温度上昇による利得の減少を抑制することができる。従って、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料からなる利得領域を備えた半導体光増幅器においては、外部環境温度に対して光増幅率の変化を小さくすることができる。
【０１９６】
また、従来材料系であるＩｎＰ基板上ＩｎＧａＡｓＰ層の利得係数は、５００ｃｍ−１程度と低い値となっている（文献「ＩＥＥＥ  Ｊ．  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，Ｖｏｌ．２７，ｐｐ１８０４−１８１１」を参照）。一方、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ層（１．２μｍ帯）の利得係数は、２２４３ｃｍ−１という高い値が報告されている（文献「Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，Ｖｏｌ．３５，ｐｐ．２０６−２０９」を参照）。
【０１９７】
図７は、ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓを活性層とする端面型ＬＤを試作して、半導体レーザの閾電流密度Ｊｔｈと全損失αの関係を実験的に求めた結果である。図７より、１．３μｍ帯においても、ＧａＩｎＮＡｓ層の利得係数Ｇ０は１５００ｃｍ−１という高い値が得られることが判明した。従って、ＧａＡｓ基板上のＧａＩｎＮＡｓ層は、ＩｎＰ基板上のＩｎＧａＡｓＰ材料に比べて、高い利得係数を有しており、１．２〜１．３μｍ帯の半導体光増幅器の利得領域として用いるのに適している。
【０１９８】
なお、上記半導体光増幅器においては、前記利得領域は、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいづれかの材料からなる量子井戸層を複数積層した多重量子井戸構造で形成されており、該多重量子井戸構造は、エネルギーバンドギャップが異なる量子井戸層を複数積層して形成されている。
【０１９９】
このように、半導体光増幅器の利得領域がＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成された量子井戸層で構成されているときには、外部環境温度に対して光増幅率の変化を小さくできる。
【０２００】
さらに、各量子井戸層の混晶組成または井戸幅を変えることにより、量子井戸層のエネルギーバンドギャップを異なるものにすることができる。この場合、各量子井戸層は異なる波長帯域に対して利得を有することになる。従って、エネルギーバンドギャップの異なる量子井戸層を組み合わせた多重量子井戸構造は、各量子井戸層の利得帯域を重ねあわせることにより広帯域の増幅帯域を有することができる。このような広帯域の光増幅器は、波長間隔が比較的広い波長多重分割方式の光伝送システムに応用することができる。
【０２０１】
なお、異なるエネルギーバンドギャップを有する量子井戸層を組み合わせて増幅帯域（誤字修正）を広げる（得る：削除）場合に、各量子井戸層の利得を均一化することが重要である。しかし、エネルギーバンドギャップが異なると量子井戸層の利得係数が異なり、また、量子井戸層へのキャリア閉じ込め障壁高さも変化してしまう。
【０２０２】
これに対し、上記半導体光増幅器では、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂを用いて量子井戸層を構成しているので、量子井戸層に加える歪量やＮ組成を制御することにより、同じエネルギーバンドギャップのままで利得係数を変えることができる。
【０２０３】
また、Ｎ組成を増加することによって量子井戸層の伝導帯バンド端位置を低下でき、Ｓｂ組成を増加することによって伝導帯バンド端位置を上昇させることができる。これにより、量子井戸層の電子閉じ込め障壁高さをそろえることも可能である。従って、エネルギーバンドギャップの異なる量子井戸構造の利得係数を均一化することが可能となっている。
【０２０４】
図８（ａ），（ｂ）は上述した半導体光増幅器の構成例を示す図である。なお、図８（ａ）は正面から見た断面図であり、図８（ｂ）は側面から見た断面図である。
【０２０５】
図８を参照すると、この半導体光増幅器は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層１０２、ＧａＡｓ下部光導波層１０３、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０４、ＧａＡｓ上部光導波層１０５、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層１０６が順次積層されている。
【０２０６】
ここで、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０４は、例えば層厚７ｎｍのＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層と層厚１０ｎｍのＧａＡｓ障壁層を３周期積層されて構成されている。
【０２０７】
そして、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層１０６上には、電流注入するストライプ領域の両側にｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流ブロック層１０７が形成されている。これは、ｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層１０６上に、ｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流ブロック層１０７を結晶成長した後に、ストライプ領域を硫酸系エッチング溶液で化学エッチングして形成することができる。すなわち、硫酸系エッチング溶液は、ＡｌＩｎＰをエッチングしてＧａＩｎＰをエッチングしないので、ｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流ブロック層１０７のみをエッチングすることができる。
【０２０８】
そして、ｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流ブロック層１０７及びストライプ領域のｐ型Ｇａ０．５Ｉｎ０．５Ｐ第１クラッド層１０６上に、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ第２クラッド層１０８、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０９が順次積層されている。
【０２０９】
そして、ｐ型ＧａＡｓキャップ層１０９上にはｐ側電極１１０が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側電極１１１が形成されている。また、劈開で形成した素子の両端面Ｔ１，Ｔ２には、反射率０．２％以下の無反射膜１１２，１１３が形成されている。
【０２１０】
図８の半導体光増幅器は進行波型となっている。すなわち、後端面Ｔ１から入射したレーザ光は、入射光の波長に対して利得を有するＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０４を含む導波路を伝搬する過程で光増幅され、反対側の前端面Ｔ２から出射される構造となっている。基板１０１と垂直な方向においては、ＧａＡｓ光導波層１０３，１０５が屈折率の低いクラッド層１０２，１０６，１０８ではさまれたＳＣＨ構造となっている。
【０２１１】
また、基板１０１に水平な方向においては、ストライプ領域の外側に設けられたｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流ブロック層１０７の屈折率がｐ型クラッド層１０６，１０８よりも低いため、ストライプ領域の内外で実効屈折率差を形成して光をストライプ領域に閉じ込める構造となっている。なお、ｎ型Ａｌ０．５Ｉｎ０．５Ｐ電流ブロック層１０７は、導波路を伝搬する光に対して透明であるため、導波中に光を吸収することはない。
【０２１２】
図８の半導体光増幅器では、順方向バイアスを印加することにより、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層１０４にはｐ側電極１１０とｎ側電極１１１からそれぞれ正孔と電子が注入されて反転分布が形成される。そのため、入射光と共鳴して誘導放出光が発生し、光が増幅される。
【０２１３】
また、図８（ａ），（ｂ）の半導体光増幅器において、両端面に形成された無反射膜１１２，１１３はファブリペローモードによるレーザ発振を抑制しており、利得を平坦化するレーザ発振抑制手段としての機能を有している。図８の例では、ファブリペローモードによるレーザ発振を抑制するレーザ発振抑制手段として、両端面に無反射膜１１２，１１３を形成しているが、その他に、ストライプ構造の方向を光出射端面に垂直方向から傾ける方法や、光出射端面近傍に窓構造を形成する方法や、光出射端面近傍に光吸収領域を設ける方法や、これらの方法を無反射膜と併用する方法などを用いることもできる。
【０２１４】
図８の半導体光増幅器は、ＧａＡｓ基板１０１上にＧａＩｎＮＡｓを利得領域（量子井戸層）として備えている。ＧａＡｓ基板上に結晶成長したＧａＩｎＮＡｓは、バンドギャップ波長１．２〜１．６μｍを有している。従って、光ファイバ伝送に用いられる１．３μｍや１．５５μｍの波長に対して利得を有している。そして、ＧａＩｎＮＡｓは、ＡｌＧａＡｓやＡｌＧａＩｎＰ系材料とヘテロ接合を形成した場合、価電子帯に対する伝導帯のバンド不連続比が大きくできることが知られている。
【０２１５】
また、ＧａＡｓ基板上に形成できるため、ワイドギャップのＧａＩｎＰやＡｌＧａＡｓをクラッド層に用いることができる。従って、ＧａＩｎＮＡｓ利得領域とクラッド層との伝導帯バンド不連続を２００ｍｅＶ以上と大きくすることができる。そのため、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがなく、温度上昇による利得の減少を抑制することができる。従って、外部環境温度に対して光増幅率の変化を小さくすることができる。
【０２１６】
図８においては、ＧａＡｓ基板１０１上に形成する長波長帯の利得領域（量子井戸層）として、ＧａＩｎＮＡｓ材料を用いたが、このかわりに、ＧａＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料を用いることもでき、この場合でも同様な効果が得られる。
【０２１７】
また、図８においては、１つの素子としての半導体光増幅器となっているが、ストライプ領域を複数形成することにより、同一基板上に１次元アレイをモノリシックに形成することも可能である。
【０２１８】
また、図９は半導体光増幅器の他の構成例を示す図であるり、図９の例では、半導体光増幅器は面型半導体光増幅器として構成されている。すなわち、図９を参照すると、この半導体光増幅器は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上に、ｎ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓのＤＢＲ２０１、ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層２０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓキャリアブロック層２０４、ｐ型ＧａＡｓ上部スペーサ層２０５、ｐ型ＧａＡｓ／Ａｌ０．８Ｇａ０．２ＡｓのＤＢＲ２０６が順次に積層されている。
【０２１９】
ここで、ｎ型ＤＢＲ２０１及びｐ型ＤＢＲ２０６は、高屈折率であるＧａＡｓと低屈折率であるＡｌ０．８Ｇａ０．２Ａｓとを、動作波長の１／４の光学的厚さで交互に積層して形成した反射鏡である。
【０２２０】
また、ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層２０２、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３、ｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓキャリアブロック層２０４、ｐ型ＧａＡｓ上部スペーサ層２０５の層厚を合計した厚さは、動作波長の１／２の光学的厚さに対して整数倍となるように設計されている。
【０２２１】
そして、図９の半導体光増幅器では、円形状の電流注入領域を除く活性層近傍にプロトンが注入されて高抵抗領域２０７が形成されている。
【０２２２】
また、図９において、ｐ型ＤＢＲ２０６上にはｐ側電極１１０が形成され、また、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１の裏面にはｎ側電極１１１が形成されている。そして、ｐ側電極１１０とｎ側電極１１１においては、それぞれ光を入出射させるために、電流注入領域の上下の電極が除去されて、開口部が形成されている。
【０２２３】
図９の半導体光増幅器は、光を基板主平面と垂直方向に入出射させる面型となっている。すなわち、ｐ側電極１１０側から光が入射し、入射光の波長に対して利得を有するＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層２０３を含むｐ型ＤＢＲ２０６とｎ型ＤＢＲ２０１の間で多重反射して光が増幅され、ｎ型ＧａＡｓ基板１０１側から出射される構造となっている。
【０２２４】
従って、ｐ型ＤＢＲ２０６とｎ型ＤＢＲ２０１間で共振する波長に対して高い利得を有する共振型光増幅器となっている。なお、ｎ型ＤＢＲ２０１の反射率は、高注入時においても半導体光増幅器自身がレーザ発振しないように、７０〜９０％に低下させている。
【０２２５】
図９の面型半導体光増幅器も、図８の半導体光増幅器と同様に、ＧａＡｓ基板１０１上にＧａＩｎＮＡｓを利得領域として備えている。従って、光ファイバ伝送に用いられる１．３μｍや１．５５μｍの長波長帯に対応している。そして、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層とｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓキャリアブロック層２０４との伝導帯バンド不連続を２００ｍｅＶ以上と大きくすることができる。
【０２２６】
そのため、外部環境温度が高くなっても、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層から電子が急激にオーバーフローすることがなく、温度上昇による利得の減少を抑制することができる。従って、外部環境温度に対して光増幅率の変化を小さくすることができる。
【０２２７】
また、図９の半導体光増幅器は面型であるため、図８の半導体光増幅器のように光入出射面を劈開面で形成する必要がない。従って、半導体光増幅器をＧａＡｓ基板上にモノリシック集積して、２次元アレイを形成することも可能である。従って、高密度の並列集積化に有利となっている。
【０２２８】
また、図９においては、光を基板の表面から裏面に透過させて増幅しているが、９９％以上の高反射率を有するｎ型ＤＢＲ２０１を用いて、光を基板の表面側から入出射する反射型増幅器を構成することも可能である。
【０２２９】
このように、上述した半導体光増幅器をＡＳＥ放射光源に用いることができる。すなわち、上述した半導体光増幅器は、利得領域に電流を注入して反転分布を形成している。そして、光を入出力させる端面の反射率を１％未満に抑制して光が共振しないようにしている。従って、利得領域で発生した自然放出光は誘導放出により増幅されて、高出力のＡＳＥが発生する。従って、半導体光増幅器に信号光を入射させない状態で、かつ高注入においてレーザ発振を抑制することにより、ＡＳＥを放射する光源として用いることができる。
【０２３０】
そして、上述した半導体光増幅器は、利得領域がＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成されているため、利得領域とクラッド層との伝導帯バンド不連続を２００ｍｅＶ以上と大きくすることができる。従って、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがない。そのため、高温時でも高出力のＡＳＥを発生させることが可能である。
【０２３１】
また、本発明の波長可変レーザ装置において、光ゲートアレイは、上述した半導体光増幅器をＧａＡｓ基板（ＧａＡｓ単結晶基板）上に複数個配列して形成することができる。
【０２３２】
すなわち、半導体光増幅器にバイアス電流を注入しない場合、利得領域は入射光を吸収する。一方、半導体光増幅器にバイアス電流を注入した状態で光を入射させると、１０〜２０ｄＢ程度光を増幅できる。従って、半導体光増幅器はバイアス電流によって入射光の通過／遮蔽を制御する光ゲートとして機能する。そして、このような半導体光増幅器を基板上に複数個配列することで、並列光信号の通過チャンネルを選択する光ゲートアレイを形成することができる。
【０２３３】
光ゲートアレイを構成する半導体光増幅器の利得領域は、半導体光増幅器に前述の半導体光増幅器を用いる場合、ＧａＮＡｓ，ＧａＩｎＮＡｓ，ＧａＮＡｓＳｂ，ＧａＩｎＮＡｓＳｂのいずれかの材料で構成されている。そのため、利得領域とクラッド層との伝導帯バンド不連続を２００ｍｅＶ以上と大きくすることができる。従って、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがなく、高温時でも高い光増幅率を維持することができる。そのため、光ゲートを通過する光信号のＳ／Ｎ比が劣化することがなく、外部環境温度に対して安定に動作する光ゲートアレイを形成することができる。
【０２３４】
このような構成の波長可変レーザ装置では、ＡＳＥ放射光源で発生した光は、発光スペクトル幅が広いＡＳＥ（ａｍｐｌｉｔｕｄｅ  ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）となっている。ＡＳＥ放射光源で発生した光は波長分波器を導波する過程で、各波長成分に空間的に分岐して出力される。波長分波器としては、例えばａｒｒａｙｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ素子が用いられる。
【０２３５】
波長分波器を通った光は、光ゲートアレイに入力される。光ゲートアレイを構成する各半導体光増幅器に入力される光は、波長分波器で波長が選択されて狭スペクトル幅の光となっており、それぞれ波長が異なっている。光ゲートアレイにおいては、異なる波長の中から所望の波長に対応した半導体光増幅器にだけバイアス電流を加えることにより、選択した波長の光のみを選択して増幅する。それ以外の波長の光は、バイアスしていない半導体光増幅器を導波する過程で吸収されて減衰する。
【０２３６】
光ゲートアレイで選択された波長の光は、ＡＳＥ放射光源の後端面側と光ゲートアレイの前端面側に設けられた反射鏡とで構成される共振器内で共振し、レーザ発振する。従って、波長は光ゲートアレイを構成する半導体光増幅器のアレイ数に対応してデジタル的に分割されて選択される。
【０２３７】
前述した半導体光増幅器を用いたＡＳＥ光源は、高温高出力動作が可能である。また、前述した半導体光増幅器を用いた光ゲートアレイは、外部環境温度に対して安定に動作する。従って、前述した半導体光増幅器を用いたＡＳＥ放射光源装置，光ゲートアレイを用いて波長可変レーザ装置を構成することにより、外部環境温度の変化に対して安定な光源を形成できる。そして、電子冷却装置による精密な温度制御を必要としないため、低コストで製造することができる。
【０２３８】
＜実施例９＞
図１０は、本発明に係る波長可変レーザ装置の構成例を示す図である。図１０を参照すると、この波長可変レーザ装置は、Ｓｉ基板６０６上に、光を発生するＡＳＥ放射光源６０１と、ＡＳＥ放射光源６０１で発生した光を波長分波する波長分波器６０２と、半導体光増幅器６０４がアレイ状にモノリシック集積して形成された光ゲートアレイ６０３と、光ゲートアレイ６０３から出力された光を１本の光導波路に結合する合波器６０５とを有している。合波器６０５から出力された光は半導体光変調器６０７で変調されて出力される。
【０２３９】
このような構成の波長可変レーザ装置は、次のように動作する。すなわち、ＡＳＥ放射光源６０１で発生した光は発光スペクトル幅が広いＡＳＥとなっている。ＡＳＥ光源６０１で発生した光は波長分波器６０１を導波する過程で、各波長成分に空間的に分岐して出力される。波長分波器６０２としては、ａｒｒａｙｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ素子を用いることができる。波長分波器６０２を通った光は、光ゲートアレイ６０３に入力される。光ゲートアレイ６０３は、ｎチャンネルの進行波型半導体光増幅器６０４がアレイ状にモノリシック集積して形成されている。
【０２４０】
光ゲートアレイ６０３の各半導体光増幅器６０４に入力される光は、波長分波器６０２で波長が選択された光となっており、それぞれ波長がλ１〜λｎまで異なっている。光ゲートアレイ６０３においては、λ１〜λｎの波長の中から所望の波長に対応した半導体光増幅器にだけバイアス電流を加えることにより、選択した波長の光のみを選択して増幅する。それ以外の波長の光は、バイアスしていない半導体光増幅器を導波する過程で吸収されて減衰する。
【０２４１】
光ゲートアレイ６０３で選択された波長の光は、ＡＳＥ放射光源６０１の後端面と半導体光増幅器６０４の前端面とで構成される共振器内で共振し、レーザ発振する。選択される波長は光ゲートアレイ６０３を構成する半導体光増幅器６０４のアレイ数に対応してデジタル的に分割される。光ゲートアレイ６０３から出力される光は、合波器６０５で共通の光導波路に結合されて、合波器６０５から出力された光は半導体光変調器６０７で変調されて外部に出射される。
【０２４２】
図１１（ａ），（ｂ）は、図１０に示した波長可変レーザ装置に用いられているＡＳＥ放射光源６０１の構成例を示す図である。なお、図１１（ａ）は正面から見た断面図であり、図１１（ｂ）は上面から見た図である。図１１（ａ）を参照すると、ＡＳＥ放射光源６０１の積層構成は、図８に示した半導体光増幅器と同様な構造となっている。
【０２４３】
そして、劈開で形成した素子の前端面Ｔ２には、反射率０．２％以下の無反射膜７０３が形成されており、後端面Ｔ１には反射率９９％の高反射膜７０２が形成されている。また、電流注入するストライプ領域７０４は、光を出射する前端面Ｔ２近傍では素子端面に垂直な方向から１０°傾けた構造となっている。
【０２４４】
図１１（ｃ）は、図１１（ａ）において活性領域であるＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造７０１の構造を示す図である。図１１（ｃ）を参照すると、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸構造７０１は、４層のＧａＩｎＮＡｓ井戸層７０５ａ，７０５ｂ，７０５ｃ，７０５ｄの上下をＧａＡｓ障壁層７０６ではさんだ構成となっている。
【０２４５】
４層のＧａＩｎＮＡｓ井戸層のバンドギャップ波長は、混晶組成及び井戸幅を変えることにより、それぞれ異なっている。各井戸層７０５ａ，  ７０５ｂ，  ７０５ｃ，  ７０５ｄのバンドギャップ波長は、例えば７０５ａが１．２０μｍ、７０５ｂが１．２４μｍ、７０５ｃが１．２８μｍ、７０５ｄが１．３２μｍに設定することができる。
【０２４６】
図１１のＡＳＥ放射光源は、図８に示した半導体光増幅器を応用している。すなわち、図１１において、ｐ側電極１１０とｎ側電極１１１に順方向バイアス電流を加えると、多重量子井戸活性層７０１中で正孔と電子が再結合して、自然放出及び誘導放出が発生する。
【０２４７】
前端面Ｔ２に無反射膜７０３が形成されているため、多重量子井戸活性層７０１で発生した光は多重反射による共振が抑制されて、レーザ発振することなく前端面Ｔ２から出射される。このとき、自然放出光が利得領域自身の反転分布により光増幅されてＡＳＥとして放射される。
【０２４８】
半導体光増幅器をＡＳＥ放射光源として用いる場合、信号光を後端面Ｔ１から素子に入力させる必要がない。従って、図１１に示すＡＳＥ放射光源では後端面Ｔ１に反射率９９％の高反射膜７０２を形成して、ＡＳＥを効率良く前端面Ｔ２から取り出せるようにしている。
【０２４９】
また、電流注入するストライプ領域７０４が図１１（ｂ）に示すように、光出射端面近傍では端面に垂直な方向から１０°傾けた構造となっている。従って、前端面Ｔ２で反射されて利得領域にもどる光の成分を更に低減させて、半導体光増幅器の両端面で形成される共振器内でレーザ発振することを抑制している。
【０２５０】
そして、図１１に示すＡＳＥ放射光源においては、利得領域がＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層で構成されているため、利得領域とＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層との伝導帯バンド不連続を２００ｍｅＶ以上と大きくすることができる。従って、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがない。そのため、高温時でも反転分布状態を維持して高出力のＡＳＥを発生させることが可能である。
【０２５１】
また、図１１のＡＳＥ放射光源では、図１１（ｃ）に示すように、利得領域である多重量子井戸活性層７０１を構成する４層のＧａＩｎＮＡｓ井戸層７０５ａ，７０５ｂ，７０５ｃ，７０５ｄのバンドギャップ波長が異なるように形成されている。そのため、各ＧａＩｎＮＡｓ井戸層７０５ａ，７０５ｂ，７０５ｃ，７０５ｄは異なる波長帯域に対して利得を有することになる。
【０２５２】
従って、エネルギーバンドギャップの異なるＧａＩｎＮＡｓ井戸層を組み合わせた多重量子井戸活性層７０１は、各井戸層の利得帯域を重ねあわせることにより、１．２０〜１．３２μｍと広帯域の増幅帯域を有することができる。従って、図１１のＡＳＥ放射光源は広帯域のＡＳＥを発生させることができるため、図１０に示す波長可変レーザ装置の波長変化量を拡大することができる。
【０２５３】
また、図１０の波長可変レーザ装置において、光ゲートアレイ６０３は、ＧａＡｓ基板上に図８に示したような進行波型半導体光増幅器６０４をアレイ状にｎ個モノリシック集積して構成されている。ここで、アレイ数は、例えば８に設定されている。
【０２５４】
この場合には、光ゲートアレイ６０３によって１．２０〜１．３２μｍの波長範囲から８波長を選択可能となっている。また、ＡＳＥ放射光源６０１の後端面と半導体光増幅器６０４の前端面とで共振器を構成するために、半導体光増幅器６０４の前端面には反射率１０％の低反射膜を形成している。
【０２５５】
光ゲートアレイ６０３において、半導体光増幅器６０４の利得領域はＧａＩｎＮＡｓで構成されており、利得領域とＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層との伝導帯バンド不連続を２００ｍｅＶ以上と大きくすることができる。従って、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがなく、高温時でも高い光増幅率を維持することができる。そのため、光ゲートアレイを通過する光信号のＳ／Ｎ比の劣化を防止することができ、外部環境温度に対して安定に動作する。
【０２５６】
以上述べたように、図１０の波長可変レーザ装置は、高温高出力動作が可能であるＡＳＥ放射光源６０１と、外部環境温度に対して安定に動作する光ゲートアレイ６０３とを能動素子に用いている。従って、外部環境温度の変化に対して安定な光源を形成することができる。そして、電子冷却装置によって装置を精密に温度制御する必要がないため、低コストで製造することができる。
【０２５７】
ところで、本発明の波長可変レーザ装置においては、波長分波した光の光強度を電界吸収型半導体光変調器６０７によって変調している。電界を印加する場合の変調周波数は、電流注入で変調する場合に比べて光の変調周波数を増大することができる。従って、レーザ装置の変調周波数を増加させることができる。
【０２５８】
更に、本発明の波長可変レーザ装置では、前述した本発明（第１または第２の実施形態）の電解吸収型半導体光変調器を用いることにより、高温動作時でも光変調のＳ／Ｎ比の低下を防止することができ、安定に動作させることができる。また、１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能となっている。
【０２５９】
（第１６の実施形態）
また、本発明の多波長レーザ装置は、一対の反射鏡で構成された共振器内に、波長分波器と、波長分波器を通って分波したそれぞれの波長の光を選択し増幅する半導体光増幅器と、半導体光増幅器で増幅された光の強度を変調する半導体光変調器とを備え、半導体光変調器として、前述した本発明（第１または第２の実施形態）の半導体光変調器が用いられることを特徴としている。
【０２６０】
ここで、半導体光増幅器には、前述した半導体光増幅器（例えば、図８や図９の半導体光増幅器）を用いることができる。
【０２６１】
一対の反射鏡で構成された共振器内に設けられた半導体光増幅器で発生した光は発光スペクトル幅が広いＡＳＥとなっている。半導体光増幅器で発生した光は波長分波器に入力され、波長分波器を導波して半導体光増幅器に帰還する。このとき、半導体光増幅器に帰還する光は、波長分波器によって波長が空間的に分岐されて狭スペクトル幅の光となっているため、特定の波長の光のみが増幅される。
【０２６２】
これを繰り返すことにより、波長分波器によって選択された光は、共振器内でレーザ発振する。そして、波長分波器が異なる波長を出力する位置に半導体光増幅器を複数設けることにより、それぞれ別の波長でレーザ発振する多波長レーザ装置を実現できる。
【０２６３】
前述した半導体光増幅器は、外部環境温度に対して光増幅率の変化が小さくすることができ、高温時でも安定して高い増幅率を有している。従って、前述した半導体光増幅器を多波長レーザ装置に用いることにより、外部環境温度の変化に対して安定な多波長レーザ装置を形成できる。また、電子冷却装置による精密な温度制御を必要としないため、低コストで製造することができる。
【０２６４】
ところで、本発明の多波長レーザ装置においては、波長分波した光の光強度を電界吸収型の半導体光変調器によって変調している。電界を印加する場合の変調周波数は、電流注入で変調する場合に比べて光の変調周波数を増大することができる。従って、レーザ装置の変調周波数を増加させることができる。
【０２６５】
更に、本発明の多波長レーザ装置では、前述した本発明（第１または第２の実施形態）の電界吸収型半導体光変調器を用いることにより、高温動作時でも光変調のＳ／Ｎ比の低下を防止することができ、安定に動作させることができる。また、１０ＧＨｚ以上の高速変調が可能となっている。
【０２６６】
（第１７の実施形態）
また、本発明は、複数の波長の光信号を送信する光送信モジュールと、光信号を伝送する光ファイバと、光信号を受光する光受信モジュールを備えた波長分割多重方式の光伝送システムにおいて、光送信モジュールに前述した本発明の多波長レーザ装置が用いられることを特徴としている。
【０２６７】
波長分割多重方式は、１本の光ファイバ中を複数の波長の光信号で多重化して並列に伝送することにより、伝送容量を増加させる方式である。この場合、波長の異なる光信号源が必要であり、低コストの多波長光源が求められている。本発明の波長分割多重方式の光伝送システムにおいては、前述した多波長レーザ装置を光送信モジュールに用いている。
【０２６８】
前述した本発明の多波長レーザ装置は、既に述べたように外部環境温度の変化に対して光出力や変調特性が安定して動作する。そのため、電子冷却装置による精密な温度制御を必要とせず、多波長レーザ装置を低コストで製造することができる。従って、これを用いた波長分割多重方式の光伝送システムについても低コスト化することができる。
【０２６９】
＜実施例１０＞
図１２は、本発明に係る光伝送システムの構成例を示す図である。図１２の光伝送システムは、光送信モジュール８０１と、光受信モジュール８０２と、光ファイバケーブル８０３とを備えている。
【０２７０】
ここで、光ファイバケーブル８０３としては、石英をコア及びクラッドとするシングルモードファイバを用いることができる。そして、光送信モジュール８０１は、駆動制御回路８０５と多波長レーザ装置８０４とを備えており、１本の光ファイバ中を互いに異なる複数の波長の光信号で多重化して並列に伝送することにより、伝送容量を増加させる波長多重分割方式を採用している。また、光受信モジュール８０２は、受信装置８０６と、受信回路８０７とを備えている。
【０２７１】
このような構成の光伝送システムでは、光送信モジュール８０１に入力した電気信号は、最初に駆動制御回路８０５に入力される。駆動制御回路８０５では、多波長レーザ装置８０４の各波長のレーザに電流を注入して発振させ、また信号に応じてレーザ光強度を変調する。多波長レーザ装置８０４は、複数の波長のレーザ光を独立に変調して１本の光ファイバケーブル８０３に光信号を送り込む。
【０２７２】
光信号は光ファイバケーブル８０３を導波して光受信モジュール８０２中の受光装置８０６に入力される。受光装置８０６では、光信号を波長分波器で別々の波長成分に分離した後に、各波長成分の光をフォトダイオードやアバランシェフォトダイオード等で電気信号に変換する。その後、受信回路８０７で電気信号が増幅、波形整形されて出力される。
【０２７３】
図１３は、図１２に示した光伝送システムに用いられている多波長レーザ装置８０４の構成を示す図である。図１２において、符号６０４はＡＳＥを発生させ、また発生したＡＳＥを増幅する機能を有する半導体光増幅器である。半導体光増幅器６０４は同一基板上に複数個モノリシック集積して形成されている。
【０２７４】
また、符号６０２は半導体光増幅器６０４で発生した光を波長分波する波長分波器である。波長分波器６０２において、半導体光増幅器６０４が設けられている側と反対側には高反射膜９０１が形成されている。また、符号９０２は波長分波器６０２で分波されたそれぞれの光強度を変調する電界吸収型半導体光変調器であり、符号６０５は波長分波器６０２で分波された光を１本の光導波路に結合する合波器である。また、符号６０６は上記の部品が配列されているＳｉ基板である。
【０２７５】
このような構成の多波長レーザ装置の動作は次のとおりである。すなわち、半導体光増幅器６０４で発生した光は発光スペクトル幅が広いＡＳＥとなっている。半導体光増幅器６０４で発生した光は波長分波器６０２に入力され、波長分波器６０２を導波して反対側に設けられた高反射膜９０１で反射され、再び波長分波器６０２を導波して半導体光増幅器６０４に帰還する。
【０２７６】
このとき、半導体光増幅器６０４に帰還する光は、波長分波器６０２によって波長が空間的に分岐されて狭スペクトル幅の光となっているため、特定の波長の光のみが増幅される。半導体光増幅器６０４の前端面には反射率１０％の低反射膜を形成されており、高反射膜９０１と半導体光増幅器６０４の前端面とで共振器を構成してレーザ発振する。
【０２７７】
半導体光増幅器６０４は、波長分波器６０２が異なる波長を出力する位置に複数設けられており、それぞれ別の波長の光を増幅してレーザ発振させることにより、多波長レーザ装置を実現できる。図１３の例では、４素子の半導体光増幅器を用いており、それぞれ１．２０μｍ，１．２４μｍ，１．２８μｍ，１．３２μｍでレーザ発振させている。
【０２７８】
図１３の多波長レーザ装置において、半導体光増幅器６０４には図８に示した半導体光増幅器を用いられている。従って、利得領域がＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層で構成されているため、利得領域とＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓクラッド層との伝導帯バンド不連続を２００ｍｅＶ以上と大きくすることができる。従って、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがない。そのため、高温時でも高い光増幅率を維持することができ、外部環境温度に対して安定に動作する。
【０２７９】
また、図１３の多波長レーザ装置では、レーザ光強度を変調するために、電界吸収型半導体光変調器９０２が設けられている。ここで、電界吸収型光変調器としては、本発明の半導体光変調器（例えば、図１に示したような電界吸収型半導体光変調器）を用いている。これにより、高温動作時でもＳ／Ｎ比の低下がなく安定に動作する。従って、外部環境温度の変化に対して安定な多波長レーザ装置を形成できる。また、電子冷却装置による精密な温度制御を必要としないため、低コストで製造することができる。
【０２８０】
さらに、図１の電界吸収型半導体光変調器は、１０〜５０ＧＨｚの高速変調が可能となっている。図１２の光伝送システムにおいては、４波長のレーザ光をそれぞれ２５ＧＨｚで変調することにより、最大１００Ｇｂｉｔ／ｓの大容量伝送が可能となる。
【０２８１】
図１２の波長分割多重方式の光伝送システムは、外部環境温度の変化に対して光出力や変調特性が安定して動作し、低コストの多波長レーザ装置を用いている。従って、１００Ｇｂｉｔ／ｓの大容量伝送が可能な光伝送システムを、安価でかつ高い信頼性で構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【０２８２】
【図１】本発明に係る半導体光変調器の構成例を示す図である。
【図２】本発明に係る半導体発光装置の構成例を示す図である。
【図３】本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図である。
【図４】本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図である。
【図５】本発明に係る面型半導体発光装置の他の構成例を示す図である。
【図６】本発明に係る面型半導体発光装置の他の構成例を示す図である。
【図７】ＧａＡｓ基板上に１．３μｍ帯のＧａＩｎＮＡｓを活性層とする端面型半導体レーザを試作して、半導体レーザの閾電流密度Ｊｔｈと全損失αの関係を実験的に求めた結果を示す図である。
【図８】本発明に係る半導体光増幅器の構成例を示す図である。
【図９】本発明に係る半導体光変調器の他の構成例を示す図である。
【図１０】本発明に係る波長可変レーザ装置の構成例を示す図である。
【図１１】図１０の波長可変レーザ装置に用いられているＡＳＥ放射光源の構成例を示す図である。
【図１２】本発明に係る光伝送システムの構成例を示す図である。
【図１３】図１２に示した光伝送システムに用いられている多波長レーザ装置の構成例を示す図である。
【図１４】本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図である。
【図１５】本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図である。
【図１６】分布ブラッグ反射鏡の抵抗率と組成傾斜層厚さとの関係を示す図である。
【図１７】分布ブラッグ反射鏡の反射率の変化率と組成傾斜層厚さとの関係を示す図である。
【符号の説明】
【０２８３】
１０１：  ｎ型ＧａＡｓ基板
１０２：  ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
１０３：  ＧａＡｓ下部光導波層
１０４：  ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
１０５：  ＧａＡｓ上部光導波層
１０６：  ｐ型ＧａＩｎＰ第１クラッド層
１０７：  ｎ型ＡｌＩｎＰブロック層
１０８：  ｐ型ＡｌＧａＡｓ第２クラッド層
１０９：  ｐ型ＧａＡｓキャップ層
１１０：  ｐ側電極
１１１：  ｎ側電極
１１２：  後端面無反射膜
１１３：  前端面無反射膜
２０１：  ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ  ＤＢＲ
２０２：  ｎ型ＧａＡｓ下部スペーサ層
２０３：  ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
２０４：  ｐ型ＡｌＧａＡｓキャリアブロック層
２０５：  ｐ型ＧａＡｓ上部スペーサ層
２０６：  ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ  ＤＢＲ
２０７：  高抵抗領域
３０１：  多重量子井戸構造
３０２：  ｐ型ＡｌＧａＡｓ第１クラッド層
３０３：  ｐ型ＡｌＡｓ
３０４：  ＡｌＯｘ絶縁領域
４０１：  ＧａＡｓＰ回折格子層
４０２：  ＧａＡｓＰ上部光導波層
４０３：  ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
４０４：  高抵抗領域
４０５：  ｐ側電極
４０６：  ｐ側電極
５０１：  ｐ型ＡｌＡｓ層
５０２：  ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ第１ＤＢＲ
５０３  ：  ＡｌＯｘ絶縁層
５０４：  ｎ型ＧａＡｓコンタクト層
５０５：  ｎ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
５０６：  多重量子井戸構造
５０６ａ：  ＧａＩｎＮＡｓ量子井戸層
５０６ｂ：  ＡｌＧａＡｓ障壁層
５０６ｃ：  ＧａＡｓ中間層
５０７：  ｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層
５０８：  ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ第２ＤＢＲ
５０９：  ＡｌＯｘ絶縁領域
５１０：  変調用ｐ側電極
５１１：  変調用ｎ側電極
６０１：  ＡＳＥ光源
６０２：  分波器
６０３：  光ゲートアレイ
６０４：  半導体光増幅器
６０５：  合波器
６０６：  Ｓｉ基板
７０１：  ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ多重量子井戸活性層
７０２：  無反射膜
７０３：  高反射膜
７０４：  ストライプ領域
７０５ａ，ｂ，ｃ，ｄ：  ＧａＩｎＮＡｓ井戸層
７０６：  ＧａＡｓ障壁層
８０１：  光送信モジュール
８０２：  光受信モジュール
８０３：  光ファイバケーブル
８０４：  多波長レーザ装置
８０５：  駆動制御回路
８０６：  受光装置
８０７：  受信回路
９０１：  高反射膜
９０２：  電界吸収型光変調器
１００１：  Ｓｉ基板
１００２：  面発光レーザアレイ
１００３：  ４５°ミラー
１００４：  光導波路
１００５：  光変調器アレイ
１００６：  光ファイバ
１１０１：  第１の上部ＧａＡｓスペーサ層
１１０２：  第２の上部ＧａＡｓスペーサ層
１１０３：  ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１１０４：  ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ  上部ＤＢＲ
１２０１：  ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ  下部ＤＢＲ
１２０２：  ｐ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ  ＤＢＲ
１２０３：  ｎ型ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上部ＤＢＲ
１２０４：  ｎ側電極
１４０１：ｐ型ＧａＡｓ基板
１４０２：ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ下部ＤＢＲ
１４０３：ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸光吸収層
１４０４：ｎ型  Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ  ＤＢＲ
１４０５：Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ下部スペーサ層
１４０６：ＧａＡｓ／Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ多重量子井戸活性層
１４０７：  Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ上部スペーサ層
１４０８：  ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ上部ＤＢＲ
１４１１：ｐ側電極
１４１２：ｎ側電極
１４１３：ｐ側電極
１５０１：ｐ型ＧａＡｓ層
１５０２：ｎ型ＧａＡｓ層
１５０３：ｐ型ＧａＡｓ層
【図１】
2007219561.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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【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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【図１６】
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【図１７】
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