(57)【要約】【課題】斜め光導波路構造を有するＳＬＤやＳＯＡ等の光半導体素子において、広帯域性を損なうことなく、高出力化を図る。【解決手段】光半導体素子１は、第１導電型半導体基板１１に、第１導電型電極４１と半導体活性層１５と第２導電型電極４２とが設けられた素子である。光半導体素子１においては、一素子端面１Ｒに形成された第１の光導波路口５１から、一素子端面１Ｒ又は他素子端面１Ｆに形成された第２の光導波路口５２に連通し、少なくとも一部が一素子端面１Ｒの法線方向に対して斜めに延びる光導波路５０が形成されており、かつ、光導波路５０が、第１の光導波路口５１の近傍部分及び第２の光導波路口５２の近傍部分を除く範囲内に、第１の光導波路口５１の幅Ｗ１及び第２の光導波路口５２の幅Ｗ２よりも広い幅広部５５を有する幅パターンで形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型半導体基板に、第１導電型電極と半導体活性層と第２導電型電極とが設けられた光半導体素子において、
前記半導体基板の基板面に対して非平行な一素子端面に形成された第１の光導波路口から、該一素子端面又は他素子端面に形成された第２の光導波路口に連通し、少なくとも一部が前記一素子端面の法線方向に対して斜めに延びる光導波路が形成されており、
かつ、該光導波路が、前記第１の光導波路口の近傍部分及び前記第２の光導波路口の近傍部分を除く範囲内に、前記第１の光導波路口の幅及び前記第２の光導波路口の幅よりも広い幅広部を有する幅パターンで形成されていることを特徴とする光半導体素子。
【請求項２】
前記幅広部は、光導波方向の幅分布が略均一であることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項３】
前記幅広部は、
光導波方向の幅分布が略均一である略均一幅部分と、
前記第１の光導波路口側から前記略均一幅部分に向けて光導波方向に連続的又は段階的に拡幅化する拡幅化部分と、
前記略均一幅部分から前記第２の光導波路口側に向けて光導波方向に連続的又は段階的に縮幅化する縮幅化部分とからなることを特徴とする請求項１に記載の光半導体素子。
【請求項４】
前記第１の光導波路口の幅及び前記第２の光導波路口の幅が基本横モードのみを許容する幅であり、前記幅広部の最大幅が基本横モードと高次横モードの双方を許容する幅であること特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光半導体素子。
【請求項５】
前記幅広部の最大幅が下記式（I）及び（II）を充足することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光半導体素子。
３×Ｗ１≦Ｗ３≦１０×Ｗ１・・・（I）、
３×Ｗ２≦Ｗ３≦１０×Ｗ２・・・（II）
（式中、Ｗ１は第１の光導波路口の幅、Ｗ２は第２の光導波路口の幅、Ｗ３は幅広部の最大幅である。）
【請求項６】
前記半導体活性層と前記第２導電型電極との間に、前記光導波路の前記幅パターンに対応した幅パターンで形成されたリッジ構造部を有する単数又は複数の第２導電型クラッド層を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光半導体素子。
【請求項７】
前記半導体活性層と前記第２導電型電極との間に、前記光導波路の前記幅パターンに対応した幅パターンで形成されたメサ構造部を有する単数又は複数の第２導電型クラッド層を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光半導体素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の光半導体素子と、
該光半導体素子から発せられた光を共振させる共振手段と、
該共振手段からの発振波長を選択し、かつ、該発振波長を変更可能な波長選択手段とを備えたことを特徴とする波長可変光源。
【請求項９】
前記波長選択手段は、入射光の光軸に対する格子面角度を変更可能な回折格子、又は光透過特性を変更可能な光フィルタからなることを特徴とする請求項８に記載の波長可変光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）や半導体光アンプ（ＳＯＡ）等として利用可能な光半導体素子、及びこれを備えた波長可変光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）は、発光ダイオードと同様に低コヒーレント性を示し、広帯域な発光スペクトルを示しながら、半導体レーザと同程度の出力を得ることが可能な光半導体素子である。ＳＬＤの発光は増幅自然出力光（ＡＳＥ光）と称され、反転分布の大きなレーザ媒質中でランダムに発生した自然出力光がレーザ媒質を通過する間に誘導放出過程で増幅されたものと言われている。
【０００３】
ＳＬＤは、基本的には半導体レーザから共振器構造を取り除いて、レーザ発振を抑制した構造を有している。レーザ発振を抑制するためには、端面における光反射率を抑制する必要がある。比較的簡易に端面反射率を低減する構造としては、例えば、光導波路の少なくとも一部を素子端面の法線方向に対して斜めとする斜め光導波路構造が提案されている。
【０００４】
ＳＬＤでは、光出力が高く、かつ発光スペクトルの半値幅が広いことが、好ましい。光出力を高めるには、（１）誘導放出による増幅利得の増大、あるいは（２）自然出力光成分の増大が必要と考えられる。
【０００５】
しかしながら、（１）誘導放出は、物質の放射遷移に伴う光子の放出過程であり、入射光強度に比例して入射光に等しい位相の光を放出する過程である。そのため、誘導放出による増幅利得を大きくすると、もともと広帯域な発光スペクトル形状をもつ自然出力光のうち強度の強い光波長が優先的に増幅を受け、発光スペクトルの半値幅は高出力化とともに狭くなってしまう。
【０００６】
広帯域なスペクトル形状を維持しつつ、光出力を高めるには、（２）自然出力光成分による光出力を増大させることが必要と考えられる。発光面積を増大させることで、自然出力光成分による光出力を増大させることができる。
【０００７】
発光面積を増大させるために、半導体レーザの共振器長に相当する素子奥行き長を長くすることは増幅利得をも大きくすることを意味してしまうため、好ましくない。
【０００８】
非特許文献１には、高出力化を目的として、光導波路を光入力側から光出力側に向けてテーパ状に拡幅させたＳＬＤが開示されている。
【非特許文献１】Jpn.J.Appl.Phys. Vol.38 (1999) pp.5121-5122
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１に記載の構造では、必然的に光導波路の光出力口の幅が最も大きくなる。かかる構造では、光導波路の光出力口の幅がある大きさを超えると、出力光が基本横モードから高次横モードに変わってしまう。
【００１０】
すなわち、非特許文献１に記載の構造では、基本横モードの出力光を得るには、光導波路の光出力口の幅を、基本横モードのみが許容される範囲内という限られた範囲内で幅広にせざるを得ず、発光面積の増大と高出力化には限界がある。
【００１１】
半導体光アンプ（ＳＯＡ）も、ＳＬＤと同様の素子構成を有する光半導体素子であり、高出力化には同様の課題を有している。
【００１２】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、広帯域性を損なうことなく、高出力化を図ることが可能な、ＳＬＤやＳＯＡ等の光半導体素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の光半導体素子は、第１導電型半導体基板に、第１導電型電極と半導体活性層と第２導電型電極とが設けられた光半導体素子において、
前記半導体基板の基板面に対して非平行な一素子端面に形成された第１の光導波路口から、該一素子端面又は他素子端面に形成された第２の光導波路口に連通し、少なくとも一部が前記一素子端面の法線方向に対して斜めに延びる光導波路が形成されており、
かつ、該光導波路が、前記第１の光導波路口の近傍部分及び前記第２の光導波路口の近傍部分を除く範囲内に、前記第１の光導波路口の幅及び前記第２の光導波路口の幅よりも広い幅広部を有する幅パターンで形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
本明細書において、「第１導電型」及び「第２導電型」はｐ型又はｎ型に相当し、導電型の異なることを示している。
【００１５】
前記幅広部は、光導波方向の幅分布が略均一なものでもよいし、幅分布を有するものでもよい。  
幅分布を有する前記幅広部としては、光導波方向の幅分布が略均一である略均一幅部分と、前記第１の光導波路口側から前記略均一幅部分に向けて光導波方向に連続的又は段階的に拡幅化する拡幅化部分と、前記略均一幅部分から前記第２の光導波路口側に向けて光導波方向に連続的又は段階的に縮幅化する縮幅化部分とからなるものが挙げられる。
【００１６】
本明細書において、「幅が略均一である」とは、基準幅±１０％の幅が維持されていることを意味する。
【００１７】
前記第１の光導波路口の幅及び前記第２の光導波路口の幅が基本横モード（シングル横モード）のみを許容する幅であり、前記幅広部の最大幅が基本横モード（シングル横モード）と高次横モード（マルチ横モード）の双方を許容する幅であることが好ましい。
【００１８】
また、前記幅広部の最大幅が下記式（I）及び（II）を充足することが好ましい。  
３×Ｗ１≦Ｗ３≦１０×Ｗ１・・・（I）、
３×Ｗ２≦Ｗ３≦１０×Ｗ２・・・（II）
（式中、Ｗ１は第１の光導波路口の幅、Ｗ２は第２の光導波路口の幅、Ｗ３は幅広部の最大幅である。）
【００１９】
本発明の光半導体素子の一態様としては、前記半導体活性層と前記第２導電型電極との間に、前記光導波路の前記幅パターンに対応した幅パターンで形成されたリッジ構造部を有する単数又は複数の第２導電型クラッド層を備えたものが挙げられる。
【００２０】
本発明の光半導体素子の他の態様としては、前記半導体活性層と前記第２導電型電極との間に、前記光導波路の前記幅パターンに対応した幅パターンで形成されたメサ構造部を有する単数又は複数の第２導電型クラッド層を備えたものが挙げられる。
【００２１】
本発明の光半導体素子は、光導波路の少なくとも一部が素子端面の法線方向に対して斜めに延びる斜め光導波路構造を有しており、この構成によって半導体レーザとは異なり素子内部に共振器構造を有していない。本発明の光半導体素子は、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）や半導体光アンプ（ＳＯＡ）等として利用可能なものである。
【００２２】
半導体レーザの分野においては、特開平7-297482号公報及び特開2000-183463号公報に、光導波路の第１の光導波路口の近傍部分及び第２の光導波路口の近傍部分が残りの部分より幅狭とされた素子構造が記載されている。これらの素子構造は、レーザビームの低アスペクト化（ビーム形状の真円化）等のレーザ特性の改善を目的としたものである。したがって、これらの素子構造では、幅広部は通常の基本横モードのみが許容される幅であり、光導波路の第１の光導波路口の近傍部分及び第２の光導波路口の近傍部分はそれよりもさらに幅狭になっている。
【００２３】
本発明が対象とするＳＬＤやＳＯＡ等の分野においては、光導波路が、第１の光導波路口の近傍部分及び第２の光導波路口の近傍部分を除く範囲内に、第１の光導波路口及び前記第２の光導波路口の幅よりも広い幅広部を有する素子構造は過去に報告されていない。また、半導体レーザの分野においても、第１の光導波路口の近傍部分及び前記第２の光導波路口の近傍部分の幅が基本横モードのみを許容する幅であり、幅広部の最大幅が基本横モードと高次横モードの双方を許容する幅である素子構造は過去に報告されていない。
【００２４】
本発明の波長可変光源は、上記の本発明の光半導体素子と、該光半導体素子から発せられた光を共振させる共振手段と、該共振手段からの発振波長を選択し、かつ、該発振波長を変更可能な波長選択手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００２５】
本発明の波長可変光源において、共振手段は本発明の光半導体素子とは独立した部材であってもよいし、本発明の光半導体素子自身が共振手段の一部を為していてもよい。
【００２６】
前記波長選択手段としては、入射光の光軸に対する格子面角度を変更可能な回折格子、又は光透過特性を変更可能な光フィルタが挙げられる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の光半導体素子は、ＳＬＤやＳＯＡ等の光半導体素子に適用可能なものであり、光導波路を、第１の光導波路口の近傍部分及び第２の光導波路口の近傍部分を除く範囲内に、第１の光導波路口の幅及び第２の光導波路口の幅よりも広い幅広部を有する幅パターンで形成する構成としている。
【００２８】
かかる構成では、光導波路に幅広部を設けているので、発光面積を増大させることができ、自然出力光成分による光出力を増大させることができる。
【００２９】
本発明における高出力化は、（１）誘導放出による増幅利得の増大ではなく、（２）自然出力光成分の増大によるものであるので、ＳＬＤやＳＯＡ等に必要な特性である広帯域性を損なうことなく、高出力化を実現できる。
【００３０】
また、本発明の光半導体素子では、光導波路の第１の光導波路口及び第２の光導波路口の幅は大きくする必要がないので、光導波路の第１の光導波路口の幅及び第２の光導波路口の幅を基本横モードのみを許容する幅とすることができる。したがって、出力光のモードを基本横モードに維持しつつ、光出力を増大させることができる。
【００３１】
以上のように、本発明によれば、広帯域性を損なうことなく、高出力化を図ることが可能な、ＳＬＤやＳＯＡ等の光半導体素子を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
「光半導体素子の第１実施形態」
図面を参照して、本発明に係る光半導体素子の第１実施形態の構成について説明する。図１は全体斜視図、図２（ａ）はＡ−Ａ’断面図（幅狭部５４を通る断面図）、図２（ｂ）はＢ−Ｂ’断面図（幅広部５５を通る断面図）である。本実施形態は、埋込型リッジストライプ構造の赤外発光ＳＬＤを例に挙げて説明する。図１には、光導波路５０を素子上面に投影したときの光導波路５０の幅パターンを破線で示してある。
【００３３】
図１に示す本実施形態の光半導体素子１においては、図示奥側の素子端面（一素子端面）が後方端面１Ｒであり、図示手前側の素子端面（他素子端面）が前方端面（光出力側の端面）１Ｆである。本実施形態では、後方端面１Ｒ及び前方端面１Ｆは、半導体基板１１の基板面に対して垂直であり、後方端面１Ｒ及び前方端面１Ｆは互いに平行である。
【００３４】
光半導体素子１には、後方端面１Ｒに形成された第１の光導波路口５１から前方端面１Ｆに形成された第２の光導波路口（光出力口）５２に連通する光導波路５０が形成されている。第１、第２の光導波路口５１、５２は実際には、後方端面１Ｒ、前方端面１Ｆにおいて、半導体活性層１５の後記電流注入領域１５ａ（図２を参照）及びその近傍部分に位置するが、図１では便宜上、素子上面に投影した光導波路５０のパターン上に図示してある。
【００３５】
以下、本実施形態の光半導体素子１の層構成について説明する。
【００３６】
光半導体素子１は、ｎ型（第１導電型）半導体基板１１の図示上面に、該基板側から、半導体活性層１５とｐ型（第２導電型）電極４１とが順次設けられ、半導体基板１１の図示下面にｎ型（第１導電型）電極４２が設けられた素子である。
【００３７】
半導体基板１１と半導体活性層１５との間には、半導体基板１１側から、ｎ型バッファ層１２とｎ型下部クラッド層１３とノンドープ下部光ガイド層１４とが順次積層されている。半導体活性層１５としては、多重量子井戸活性層が好ましい。
【００３８】
半導体活性層１５上には、ノンドープ上部光ガイド層１６とｐ型上部第１クラッド層１７とｐ型エッチングストップ層１８とが順次積層されている。
【００３９】
ｐ型エッチングストップ層１８上に、ｐ型上部第２クラッド層２１及びｐ型キャップ層２２の積層構造からなるメサストライプ状のリッジ構造部２０が形成されている。ｐ型のリッジ構造部２０は、同じくｐ型エッチングストップ層１８上に設けられたｎ型電流阻止層３１により挟まれている。本実施形態では、光導波方向に見て、リッジ構造部２０が特定の幅パターンで形成されており、これによって、光導波路５０が特定の幅パターンで形成されている。
【００４０】
ｐ型リッジ構造部２０及びｎ型電流阻止層３１の上に、ｐ型上部第３クラッド層３２とｐ型コンタクト層３３とｐ型電極４１とが順次積層されている。
【００４１】
ｐ型リッジ構造部２０及びｎ型電流阻止層３１は所定のパターンで形成されており、それ以外の層はすべて半導体基板１１の略全面に形成されている。
【００４２】
以下、半導体基板１１と各層の組成及び厚みの設計例を挙げる。  
半導体基板１１：ｎ−ＧａＡｓ基板、
ｎ型バッファ層１２：ｎ−ＧａＡｓ層（０．２μｍ厚、キャリア濃度５．０×１０１７ｃｍ−３）、
ｎ型下部クラッド層１３：ｎ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ層（２．０μｍ厚、キャリア濃度５．０×１０１７ｃｍ−３）、
下部光ガイド層１４：ノンドープＧａＡｓ層（３４ｎｍ厚） 、
半導体活性層１５：ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸活性層（６ｎｍ厚の量子井戸層と１０ｎｍ厚の障壁層とが交互に積層された積層構造）、
上部光ガイド層１６：ノンドープＧａＡｓ層（３４ｎｍ厚）、
ｐ型上部第１クラッド層１７：ｐ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ層（０．２μｍ厚、キャリア濃度７．０×１０１７ｃｍ−３）、
ｐ型エッチングストップ層１８：ｐ− ＧａＡｓ層（１０ｎｍ厚、キャリア濃度７．０×１０１７ｃｍ−３）、
ｐ型上部第２クラッド層２１： ｐ−Ｉｎ０．４９Ｇａ０．５１Ｐ層（０．５μｍ厚、キャリア濃度７．０×１０１７ｃｍ−３）、
ｐ型キャップ層２２：ｐ− ＧａＡｓ層（０．２μｍ厚、キャリア濃度７．０×１０１７ｃｍ−３）、
ｎ型電流阻止層３１：ｎ−Ｉｎ０．４９（Ａｌ０．１２Ｇａ０．８８)０．５１Ｐ層（０．５μｍ厚、キャリア濃度１．０×１０１８ｃｍ−３）、
ｐ型上部第３クラッド層３２：ｐ−Ａｌ０．５８Ｇａ０．４２Ａｓ層（１．３μｍ厚、キャリア濃度７．０×１０１７ｃｍ−３）、
ｐ型コンタクト層３３：ｐ−ＧａＡｓ層（２．０μｍ厚、キャリア濃度１．０×１０１９ｃｍ−３） 。
【００４３】
本実施形態において、電流阻止層３１は、該層の上下に形成された層１７、１８、３２及びリッジ構造部２０とは導電型が異なるように設計されている。すなわち、ｐ型上部第１クラッド層１７と電流阻止層３１との間の逆バイアス構造によって、ｎ型電流阻止層３１に流れる電流が無効化され、リッジ構造部２０をなすｐ型上部第２クラッド層２１に選択的に電流が流れるようになっている。かかる構成では、リッジ構造部２０の略下方に位置する半導体活性層１５の特定領域１５ａに選択的に電流が注入され、リッジ構造部２０の幅パターンに対応した幅パターンの光導波路５０が形成される。以下、特定領域１５ａを電流注入領域と称す。なお、図面上は、便宜上、半導体活性層１５の電流注入領域１５ａと非電流注入領域との境界を明確に図示してあるが、電流注入領域１５ａと非電流注入領域との境界は明確なものではない。
【００４４】
光導波路５０は、半導体活性層１５の電流注入領域１５ａ、及びその近傍部分（光ガイド層１４、１６の電流注入領域１５ａの近傍部分など）により構成される。
【００４５】
リッジ構造部２０と光導波路５０との幅パターンが対応していることを述べた。本実施形態では、ある断面におけるリッジ構造部２０の形状は、基板１１側からｐ型電極４１側に向けてテーパ状に縮幅した形状であり、厚み方向に分布を有している。かかる場合、ある断面におけるリッジ構造部２０の最大幅が、その断面における光導波路５０の幅とほぼ一致する。したがって、本実施形態では、ある断面におけるリッジ構造部２０の幅は、その断面におけるリッジ構造部２０の最大幅を意味するものとする。
【００４６】
以下、本実施形態における光導波路５０の幅パターンについて説明する。
【００４７】
光導波路５０は、後方端面１Ｒに形成された第１の光導波路口５１から前方端面１Ｆに形成された第２の光導波路口（光出力口）５２に連通しており、その光軸５０Ｘは後方端面１Ｒ及び前方端面１Ｆの法線方向Ｈに対して斜めとされている。光導波路５０の光軸５０Ｘの後方端面１Ｒ及び前方端面１Ｆの法線方向Ｈに対する傾き角θは特に制限なく、例えば３〜７°程度が好ましい。図面上は、θを実際よりも誇張して図示してある。
【００４８】
光導波路５０には、第１の光導波路口５１の近傍部分及び第２の光導波路口５２の近傍部分を除く範囲内に、第１の光導波路口５１及び第２の光導波路口５２の幅よりも広い幅広部５５が設けられている。本実施形態では、光導波路５０にかかる幅広部５５を設けることで、発光面積が増大されている。
【００４９】
すなわち、光導波路５０は、第１の光導波路口５１及びその近傍部分を含む範囲に形成された幅狭部５３と、第２の光導波路口５２及びその近傍部分を含む範囲に形成された幅狭部５４と、これら幅狭部５３／幅狭部５４間に形成された幅広部５５により構成されている。本実施形態では、幅狭部５３の光導波方向の幅分布、幅狭部５４の光導波方向の幅分布、及び幅広部５５の光導波方向の幅分布が、いずれも略均一である。
【００５０】
第１の光導波路口５１の幅（＝幅狭部５３の幅）をＷ１、第２の光導波路口５２の幅（＝幅狭部５４の幅）をＷ２、幅広部５５の幅をＷ３とすれば、Ｗ３＞Ｗ１、かつＷ３＞Ｗ２である。幅狭部５３の幅Ｗ１と幅狭部２４の幅Ｗ２は略同一であることが好ましい。
【００５１】
本実施形態においては、発光面積の増大効果が良好に得られ、かつ基本横モード出力光が安定的に得られることから、幅狭部５３、５４の幅Ｗ１、Ｗ２が基本横モードのみを許容する幅であり、幅広部５５の幅Ｗ３が基本横モードと高次横モードの双方を許容する幅であることが好ましい。
【００５２】
具体的には、幅狭部５３、５４の幅Ｗ１、Ｗ２は、２．０〜６．０μｍであることが好ましい。また、幅広部５５の幅Ｗ３は、下記式（I）及び（II）を充足することが好ましい。  
３×Ｗ１≦Ｗ３≦１０×Ｗ１・・・（I）、
３×Ｗ２≦Ｗ３≦１０×Ｗ２・・・（II）
【００５３】
幅広部５５の幅Ｗ３を幅狭部の幅Ｗ１、Ｗ２の３倍以上とすることで、発光面積の増大効果、及びこれによる高出力化の効果が、効果的に得られる。ただし、本実施形態の素子構造では、光導波路５０の幅広部５５で発生した光の全てが幅狭部５４に結合するわけではないので、幅広部５５の幅Ｗ３を幅狭部５３、５４の幅Ｗ１、Ｗ２の１０倍以上に極端に広げても、動作電流値が上昇するだけで、それに見合った光出力増は得られず、効果が飽和してしまう。したがって、幅広部５５の幅Ｗ３は、幅狭部５３、５４の幅Ｗ１、Ｗ２の１０倍以下とすることが好ましい。
【００５４】
半導体レーザの共振器長に相当する素子奥行き長をＬＴとすれば、ＬＴは例えば０．５０〜２．０ｍｍである。幅狭部５３、５４及び幅広部５５の各々の光導波方向の長さＬ１〜Ｌ３は特に制限なく、基本横モード光を出力する条件であることが好ましい。
【００５５】
すなわち、本実施形態においては、基本横モード光を出力する条件となる幅狭部５３、５４の光導波方向の長さＬ１、Ｌ２を確保し、これらを除いた範囲内（＝第１の光導波路口の近傍部分５１及び第２の光導波路口５２の近傍部分を除く範囲内）に、幅広部５５を設ける構成とすればよい。ＬＴ＝１．５〜２．０ｍｍであれば、Ｌ１、Ｌ２は例えば、基本横モード光を出力するのに最小限必要な長さ〜０．５ｍｍの範囲で、設計することができる。
【００５６】
以上、光導波路５０の幅パターンについて説明したが、本実施形態では図２（ａ）、（ｂ）に示す如くリッジ構造部２０が同様の幅パターンで形成されており、これによって上記幅パターンを有する光導波路５０が形成されている。
【００５７】
本実施形態の光半導体素子１では、光導波路５０を、第１の光導波路口５１の近傍部分及び第２の光導波路口５２の近傍部分を除く範囲内に、第１の光導波路口５１の幅及び第２の光導波路口５２の幅よりも広い幅広部５５を有する幅パターンで形成する構成とした。かかる構成では、光導波路５０に幅広部５５を設けているので、発光面積を増大させることができる。
【００５８】
ＳＬＤの光出力を制限しているのは、利得飽和と発熱による光出力の飽和現象である。本実施形態の光半導体素子１では、従来の素子に比べて発光領域が広がっていることから、同一光出力に対する活性層の利得を低減することができ、その結果として利得飽和出力を向上させることができる。また、発光領域の拡大によって熱抵抗も小さくなるので、発熱による熱飽和の光出力も向上させることができる。本実施形態では、これらの効果が相俟って、自然出力光成分による光出力を増大させることができる。
【００５９】
本実施形態における高出力化は、（１）誘導放出による増幅利得の増大ではなく、（２）自然出力光成分の増大によるものであるので、ＳＬＤやＳＯＡ等に必要な特性である広帯域性を損なうことなく、高出力化を実現できる。
【００６０】
また、本実施形態の光半導体素子１では、光導波路５０の第１の光導波路口５１の幅及び第２の光導波路口５２の幅は大きくする必要がないので、光導波路５０の第１の光導波路５１口の幅及び第２の光導波路口５２の幅を基本横モードのみを許容する幅とすることができる。したがって、出力光のモードを基本横モードに維持しつつ、光出力を増大させることができる。
【００６１】
以上のように、本実施形態によれば、広帯域性を損なうことなく、高出力化を図ることが可能な光半導体素子１を提供することができる。
【００６２】
（第１実施形態の設計変更例）
光導波路５０（リッジ構造部２０）の幅パターンは、適宜設計変更可能である。図３（ａ）〜（ｃ）に、その他の幅パターン例を示す。図３（ａ）〜（ｃ）は、図１に対応する斜視図である。
【００６３】
光導波路５０の幅広部５５は、光導波方向に幅分布を有するものでもよい。図３（ａ）に示す光導波路５０は、幅広部５５が、光導波方向の幅分布が略均一である略均一幅部分５５Ａと、第１の光導波路口５１側から略均一幅部分５５Ａに向けて光導波方向に連続的に拡幅化する拡幅化部分５５Ｂと、略均一幅部分５５Ａから第２の光導波路口５２側に向けて光導波方向に連続的に縮幅化する縮幅化部分５５Ｃとからなり、光導波方向に幅分布を有している。拡幅化部分５５Ｂ及び縮幅化部分５５Ｃにおける光導波方向の幅変化は、段階的な変化であってもよい。かかる構成では、幅広部５５の最大幅（略均一幅部分５５Ａの幅に相当）Ｗ３が、幅狭部５３、５４の幅Ｗ１、Ｗ２の３〜１０倍であることが好ましい。
【００６４】
素子内の共振を抑制できればよいので、光導波路５０の光軸５０Ｘは、少なくとも一部が素子端面１Ｒ、１Ｆの法線方向Ｈに対して斜めに延びていればよい。  
したがって、光導波路５０は、素子端面１Ｒ、１Ｆの法線方向Ｈに対して斜めに延びる部分と、素子端面１Ｒ、１Ｆの法線方向Ｈに対して平行に延びる部分とが組み合わされたものであってもよい。図３（ｂ）に示す例では、後方端面１Ｒ側の幅狭部５３及び幅広部５５が素子端面１Ｒ、１Ｆの法線方向Ｈに対して斜めに延び、前方端面１Ｆ側の幅狭部５４が素子端面１Ｒ、１Ｆの法線方向Ｈに対して平行に延びている。
【００６５】
光導波路５０の光軸５０Ｘは曲線状であってもよいし、直線状と曲線状との組み合わせであってもよい。
【００６６】
光導波路５０の第１の光導波路口５１と第２の光導波路口５２とは、同一素子端面に形成されてもよい。図３（ｃ）に示す例では、光導波路５０を、前方端面１Ｆから後方端面１Ｒに通じさせ、さらに後方端面１Ｒで光導波路５０をＶ字状に折り返して前方端面１Ｆに戻している。かかる構成においても、光導波路５０を、第１の光導波路口５１の近傍部分及び第２の光導波路口の近傍部分を除く範囲内に、第１の光導波路口５１の幅及び第２の光導波路口５２の幅よりも広い幅広部５５を有する幅パターンで形成することで、上記実施形態と同様の効果が得られる。
【００６７】
「光半導体素子の第２実施形態」
図４に基づいて、本発明に係る光半導体素子の第２実施形態の構成について説明する。本実施形態においても、ＳＬＤを例として説明する。図４は、図２（ｂ）に対応する断面図であり、第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明を省略する。
【００６８】
本実施形態においては、ｐ型上部第１クラッド層１７までの層構造は第１実施形態と同様である。
【００６９】
ｐ型上部第１クラッド層１７上に、ｐ型エッチングストップ層１８とｎ型電流阻止層３１とが開口部３０を有するパターンで積層されている。また、ｎ型電流阻止層３１上にｐ型上部第２クラッド層６１が形成されている。このｐ型上部第２クラッド層６１は、ｎ型電流阻止層３１の開口部３０内に入り込んでおり、ｐ型上部第２クラッド層６１のｎ型電流阻止層３１により挟まれた部分が、メサ構造部６０となっている。ｐ型上部第２クラッド層６１上に、ｐ型コンタクト層３３とｐ型電極４１とが順次積層されている。
【００７０】
本実施形態においても、第１実施形態と同様、ｐ型上部第１クラッド層１７と電流阻止層３１との間の逆バイアス構造によって、ｎ型電流阻止層３１に流れる電流が無効化され、ｐ型上部第２クラッド層６１のメサ構造部６０に選択的に電流が流れるようになっている。かかる構成では、メサ構造部６０の略下方に位置する半導体活性層１５の特定領域１５ａに選択的に電流が注入される。
【００７１】
本実施形態では、メサ構造部６０が、上記第１実施形態のリッジ構造部２０の幅パターンと同様のパターンで形成されており、これによって、第１実施形態と同様の幅パターンを有する光導波路５０が形成されている（図１を参照）。
【００７２】
本実施形態においては、ある断面におけるメサ構造部６０の形状は、基板１１側からｐ型電極４１側に向けて逆テーパ状に拡幅した形状であり、厚み方向に分布を有している。かかる場合、ある断面におけるメサ構造部６０の最小幅が、その断面における光導波路５０の幅とほぼ一致している。
【００７３】
光半導体素子２の層組成は適宜設計できる。以下に設計例を示す。  
半導体基板１１：ｎ−ＧａＡｓ基板、
ｎ型バッファ層１２：ｎ−ＧａＡｓ層、
ｎ型下部クラッド層１３：ｎ−ＧａＩｎＰ層、
下部光ガイド層１４：ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層、
半導体活性層１５：ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸活性層、
上部光ガイド層１６：ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ層、
ｐ型上部第１クラッド層１７：ｐ−ＧａＩｎＰ層、
ｐ型エッチングストップ層１８：ｐ− ＧａＡｓ層、
ｎ型電流阻止層３１：ｎ−ＧａＩｎＰ層、
ｐ型上部第２クラッド層６１： ｐ−ＡｌＧａＡｓ層、
ｐ型コンタクト層３３：ｐ−ＧａＡｓ層。
【００７４】
本実施形態においても、第１実施形態と同様の幅パターンを有する光導波路５０が形成されているので、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００７５】
（設計変更例）
本発明の光半導体素子の素子構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
【００７６】
光半導体素子の第１、第２実施形態では、ＳＬＤを例に挙げて説明したが、ＳＬＤと同様の素子構成の半導体光アンプ（ＳＯＡ）にも適用可能である。
【００７７】
「波長可変光源の第１実施形態」
図５に基づいて、本発明に係る波長可変光源の第１実施形態の構成について説明する。本実施形態では、リットマン配置の波長可変レーザを例として説明する。
【００７８】
本実施形態の波長可変光源４は、本発明の光半導体素子の一実施形態である光半導体素子３と、光半導体素子３から発せられた光を共振させるレーザ共振器（共振手段）８０と、レーザ共振器８０からの発振波長を選択し、かつ、発振波長を変更可能な回折格子（波長選択手段）９１とから概略構成されている。図中、符号７１〜７３は、必要に応じて設けられるレンズである。
【００７９】
光半導体素子３は、上記第１実施形態の光半導体素子１と同様の構造を有し、光導波路５０（リッジ構造部２０）の幅パターンが図３（ｂ）に示したパターンのＳＬＤである。すなわち、光半導体素子３は、光導波路５０が上記第１実施形態の光半導体素子１と同様に、幅狭部５３、５４と幅広部５５とからなる幅パターンを有するものであるが、後方端面１Ｒ側の幅狭部５３及び幅広部５５が素子端面１Ｒ、１Ｆの法線方向Ｈに対して斜めに延び、前方端面１Ｆ側の幅狭部５４が素子端面１Ｒ、１Ｆの法線方向Ｈに対して平行に延びた幅パターンを有するものである。
【００８０】
光半導体素子３には、前方端面１Ｆに部分反射（ＨＲ）コーティング、後方端面１Ｒに無反射（ＡＲ）コーティングが施されており、光半導体素子３と外部に配置した共振ミラー８１との間でレーザ共振器８０が構成されている。
【００８１】
上記レーザ共振器８０内に、波長選択手段として回折格子９１が備えられている。かかる構成では、レーザ共振器８０内で発振する複数の波長モードから回折格子９１によって１つの発振波長が選択され、光半導体素子３の前方端面１Ｆから基本横モードのレーザ光が出力される。
【００８２】
回折格子９１は、回折格子９１に入射する入射光の光軸（レーザ共振器の光軸）に対する格子面角度が変更可能とされており、回折格子９１の格子面角度に応じて、回折格子９１により選択される発振波長が変更されるようになっている。
【００８３】
また、共振ミラー８１に入射する入射光の光軸（レーザ共振器の光軸）に対する共振ミラー８１のミラー面角度を変更可能とすれば、レーザ共振器８０における共振光周波数を変えることができる。
【００８４】
レーザ共振器８０から出力されたレーザ光は、光ファイバ７５を介して外部に出力されるようになっている。光半導体素子３と光ファイバ７５との間には光アイソレータ７６が配置されている。光アイソレータ７６を介在させることで、光ファイバ７５の遠端からの反射光が光半導体素子３に結合することを防ぐことができる。
【００８５】
本実施形態の波長可変光源４は、本発明の一実施形態である光半導体素子３を備えたものであるので、高出力化を実現できるものとなる。また、光半導体素子３はＳＬＤに必要な広帯域性を有するので、本実施形態によれば、波長可変動作範囲が広く、高出力な波長可変光源４を提供することができる。
【００８６】
本実施形態ではリットマン配置について説明したが、本発明はかかる構成に限定されるものではなく、リトロー配置等でも構わない。
【００８７】
「波長可変光源の第２実施形態」
図６に基づいて、本発明に係る波長可変光源の第２実施形態の構成について説明する。本実施形態においても、波長可変レーザを例として説明する。本実施形態の波長可変光源５は、リング状のレーザ共振器を有するものであり、リングレーザと称されるものである。
【００８８】
本実施形態の波長可変光源５は、上記実施形態の光半導体素子１と、光半導体素子１から発せられた光を共振させるレーザ共振器（共振手段）８２と、レーザ共振器８２からの発振波長を選択し、かつ、該発振波長を変更可能な光フィルタ９２（波長選択手段）とから概略構成されている。図中、符号７１〜７４は、必要に応じて設けられるレンズである。
【００８９】
本実施形態においては、光半導体素子１及びリング状に配置された光ファイバ７５等によりリングレーザ共振器８２が構成されており、レーザ共振器８２内に波長選択手段である光フィルタ９２が配置されている。光半導体素子１からの自然出力光は光フィルタ９２に入射し、光フィルタ９２を透過した光がリング状に配置された光ファイバ７５に入射し、光半導体素子１に帰還するようになっている。
【００９０】
本実施形態の波長可変光源５では、光半導体素子１の持つ光利得がリングレーザ共振器８２の全損失を上回る状態になるとレーザ発振が生じる。
【００９１】
光フィルタ９２は多層誘電体膜からなり、特定の波長のみを通過させる特性を有する光学素子である。レーザ共振器８２からの発振波長は光フィルタ９２の透過中心波長により決まるので、光フィルタ９２によって、レーザ共振器８２内で発振する複数の波長モードから１つの発振波長が選択される。
【００９２】
また、光フィルタ９２は、光フィルタ９２に入射する入射光の光軸に対するフィルタ面角度が変更可能とされており、光フィルタ９２のフィルタ面角度に応じて、光フィルタ９２の光透過特性が変更され、光フィルタ９２により選択される発振波長が変更されるようになっている。
【００９３】
レーザ共振器８２内には、光アイソレータ７６が配置されている。光アイソレータ７６は光の周回方向を決めると共に、リングレーザの安定な発振動作にも寄与する光学素子である。
【００９４】
本実施形態では、リングレーザ共振器８２内の光を、リングレーザ共振器８２内に配置された光カプラ７７から外部に取り出すことができる。
【００９５】
本実施形態の波長可変光源５は、本発明の一実施形態である光半導体素子１を備えたものであるので、高出力化を実現できるものとなる。また、光半導体素子１はＳＬＤに必要な広帯域性を有するので、本実施形態によれば、波長可変動作範囲が広く、高出力な波長可変光源５を提供することができる。
【実施例】
【００９６】
本発明に係る実施例及び比較例について説明する。
【００９７】
（実施例１）
下記手順にて、上記実施形態の光半導体素子（ＳＬＤ）１を製造した。半導体基板１１と各層の組成及び厚みは、実施形態に挙げた設計例の通りとした。  
結晶成長は有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ）法により実施した。原料ガスとしては、ＴＥＧ（トリエチルガリウム）／ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム）／ＴＭＩ（トリメチルインジウム）／ＡｓＨ３（アルシン）／ＰＨ３（ホスフィン）を用いた。ｎ型ド−パント源としてはＳｉＨ４（シラン）、ｐ型ド−パント源としてはＤＥＺ（ジエチル亜鉛）を用いた。
【００９８】
はじめに、成長温度６００〜７００℃、圧力１０．１ｋＰａの条件下、ｎ型半導体基板１１上に、ｎ型バッファ層１２〜ｐ型エッチングストップ層１８、及びパターニング前のｐ型上部第２クラッド層２１とパターニング前のｐ型キャップ層２２とを順次結晶成長させた（１回目の結晶成長）。
【００９９】
次いで、リッジ構造部２０のパターンに対応したＳｉＯ２選択成長マスク（誘電体マスク）を形成し、これをマスクとして、ｐ型上部第２クラッド層２１とｐ型キャップ層２２とをエッチングして、上記実施形態で説明した幅パターンを有するリッジ構造部２０を形成した（図１の光導波路５０の幅パターンを参照）。
【０１００】
次に、上記ＳｉＯ２選択成長マスクをマスクとして、ｐ型エッチングストップ層１８上のリッジ構造部２０を除く領域に、ｎ型電流阻止層３１を結晶成長させた（２回目の結晶成長）。
【０１０１】
上記ＳｉＯ２選択成長マスクを除去した後、リッジ構造部２０及びｎ型電流阻止層３１上に、ｐ型上部第３クラッド層３２、ｐ型コンタクト層３３を順次結晶成長させた（３回目の結晶成長）。
【０１０２】
次に、素子の全体厚みが１００μｍ程度になるまで半導体基板１１を研磨し、ｐ型電極４１及びｎ型電極４２を蒸着及び熱処理により形成した。
【０１０３】
得られた素子から、素子奥行き長ＬＴ＝１．５０ｍｍ程度のＳＬＤバ−を劈開により切り出し、後方端面１Ｒ及び前方端面１ＦにＡＲコーティング（素子自体からの発光波長に対して０．５％以下の反射率のコ−ティング）を施した。
【０１０４】
最後に、劈開によりチップ化し、ＳＬＤチップを得た。このチップを、放熱効果を高めるために、放熱側であるｐ型電極４１側を下にして実装する、いわゆるジャンクションダウン方式にて駆動回路を備えた実装基板のヒートシンクに実装した。
【０１０５】
本実施例では、光導波路５０の光軸５０Ｘの後方端面１Ｒ及び前方端面１Ｆの法線方向Ｈに対する傾き角θ、及び光導波路５０の幅狭部５３、５４及び幅広部５５の幅と長さを、以下の通りとした。  
光導波路５０の光軸５０Ｘの傾き角θ：７°、
光導波路５０の幅狭部５３：幅Ｗ１＝３μｍ、光導波方向の長さＬ１＝０．３ｍｍ、
光導波路５０の幅狭部５４：幅Ｗ２＝３μｍ、光導波方向の長さＬ２＝０．３ｍｍ、
光導波路５０の幅広部５５：幅Ｗ３＝１０μｍ、光導波方向の長さＬ３＝０．９ｍｍ。
【０１０６】
（比較例１）
光導波路５０に幅広部を設けず、光導波路の幅を均一幅（３μｍ）とした以外は実施例１と同様にして、比較用のＳＬＤチップを得、実装基板に実装した。
【０１０７】
（実施例１・比較例１の評価）
実施例１と比較例１の素子について、電流−光出力特性の評価を行った。結果を図７に示す。
【０１０８】
実施例１の素子は、同光出力を得るための駆動動作電流値が比較例１に比べて大きいものの、３０ｍＷ出力における波長スペクトルの半値幅を測定したところ、比較例１では４０ｎｍであったのに対して、実施例１では８０ｎｍであり、より広帯域な発光スペクトルが得られた。
【０１０９】
このことは、発光スペクトルの帯域が同じ条件で比較すれば、実施例１の素子では比較例１より高い出力が得られることを示しており、実施例１の素子構成により、広帯域化と高出力化とを両立できることが示された。
【０１１０】
（実施例２）
上記実施例１と同様の素子構成であるが、光導波路５０（リッジ構造部２０）の幅パターンが図３（ｂ）に示したパターンの光半導体素子（ＳＬＤ）３を用いて、上記実施形態の波長可変光源（波長可変レーザ）４を製造した。
【０１１１】
ＳＬＤ３の光導波路５０の幅パターンは、後方端面１Ｒ側の幅狭部５３及び幅広部５５が素子端面１Ｒ、１Ｆの法線方向Ｈに対して斜めに延び、前方端面１Ｆ側の幅狭部５４が素子端面１Ｒ、１Ｆの法線方向Ｈに対して平行に延びた幅パターンである。
【０１１２】
光導波路５０の幅狭部５３、５４及び幅広部５５の設計は、以下の通りとした（基本的に実施例１と同様）。  
光導波路５０の後方端面１Ｒ側の幅狭部５３及び幅広部５５が素子端面１Ｒ、１Ｆの法線方向Ｈに対する傾き角θ：７°、
光導波路５０の幅狭部５３：幅Ｗ１＝３μｍ、光導波方向の長さＬ１＝０．３ｍｍ、
光導波路５０の幅狭部５４：幅Ｗ２＝３μｍ、光導波方向の長さＬ２＝０．３ｍｍ、
光導波路５０の幅広部５５：幅Ｗ３＝１０μｍ、光導波方向の長さＬ３＝０．９ｍｍ。
【０１１３】
（比較例２）
光導波路５０に幅広部を設けず、光半導体素子（ＳＬＤ）の光導波路の幅を均一幅（３μｍ）とした以外実施例２と同様にして、比較用の波長可変光源（波長可変レーザ）を製造した。
【０１１４】
（実施例２・比較例２の評価）
実施例２と比較例２の波長可変光源について波長可変動作範囲を評価した。比較例２の波長可変動作範囲は６０ｎｍであったのに対し、実施例２の波長可変動作範囲は１２０ｎｍであった。また、実施例２では飽和出力の向上も見られ、比較例２に対して約２倍の出力を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明の光半導体素子は、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）や半導体光アンプ（ＳＯＡ）等として利用可能な素子である。本発明の光半導体素子は、通信、計測、医療、印刷、画像処理等の分野に用いられる光源等として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明に係る光半導体素子の第１実施形態の全体斜視図
【図２】（ａ）は図１の光半導体素子のＡ−Ａ’断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ’断面図
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、光導波路のその他の幅パターン例を示す図
【図４】本発明に係る光半導体素子の第２実施形態の断面図
【図５】本発明に係る波長可変光源の第１実施形態の構成を示す図
【図６】本発明に係る波長可変光源の第２実施形態の構成を示す図
【図７】実施例１と比較例１の評価結果を示す図
【符号の説明】
【０１１７】
１、２  光半導体素子（ＳＬＤ）
１Ｒ  後方端面（一素子端面）
１Ｆ  前方端面（他素子端面）
１１  ｎ型（第１導電型）半導体基板
１５  半導体活性層
２０  リッジ構造部
２１、６１  ｐ型（第２導電型）クラッド層
４１  ｐ型（第２導電型）電極
４２  ｎ型（第１導電型）電極
５０  光導波路
５０Ｘ  光導波路の光軸
５１  第１の光導波路口
５２  第２の光導波路口
５３、５４  幅狭部
５５  幅広部
５５Ａ  略均一幅部分
５５Ｂ  拡幅化部分  
５５Ｃ  縮幅化部分
６０  メサ構造部
Ｗ１  第１の光導波路口の幅
Ｗ２  第２の光導波路口の幅
Ｗ３  幅広部の最大幅
４、５  波長可変光源
３  光半導体素子（ＳＬＤ）
８０、８２  レーザ共振器（共振手段）
９１  回折格子（波長選択手段）
９２  光フィルタ（波長選択手段）
【図１】
2007273690.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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