(57)【要約】【課題】垂直方向の遠視野像を狭くすること。【解決手段】本発明は、半導体基板１０上に設けられたｎ型の下部クラッド層１２と、下部クラッド層１２上に設けられ、複数の量子ドット３８が形成された量子ドット層３０と複数の量子ドットを覆うバリア層３２とが交互に複数積層された量子ドット活性層１４と、量子ドット活性層上に設けられたｐ型の上部クラッド層１６と、を備え、量子ドット活性層は、複数のバリア層のうち最も高い屈折率を有するバリア層よりも下部クラッド層側及び上部クラッド層側にあるバリア層の少なくとも一方で、バリア層の屈折率が、最も高い屈折率を有するバリア層から下部クラッド層又は上部クラッド層に最も近いバリア層に向かって低下する半導体レーザである。【選択図】図４
2012151309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に設けられ、第１導電型を有する下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に設けられ、複数の量子ドットが形成された量子ドット層と前記複数の量子ドットを覆うバリア層とが交互に複数積層された量子ドット活性層と、
前記量子ドット活性層上に設けられ、前記第１導電型と反対の導電型である第２導電型を有する上部クラッド層と、を備え、
前記量子ドット活性層は、複数の前記バリア層のうち最も高い屈折率を有するバリア層よりも前記下部クラッド層側にあるバリア層及び前記最も高い屈折率を有するバリア層よりも前記上部クラッド層側にあるバリア層の少なくとも一方で、前記バリア層の屈折率が、前記最も高い屈折率を有するバリア層から前記下部クラッド層に最も近い前記バリア層に向かって又は前記最も高い屈折率を有するバリア層から前記上部クラッド層に最も近い前記バリア層に向かって低下することを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記量子ドット活性層は、前記最も高い屈折率を有するバリア層よりも前記下部クラッド層側にある前記バリア層の屈折率が、前記最も高い屈折率を有するバリア層から前記下部クラッド層に最も近い前記バリア層に向かって低下し、且つ、前記最も高い屈折率を有するバリア層よりも前記上部クラッド層側にある前記バリア層の屈折率が、前記最も高い屈折率を有するバリア層から前記上部クラッド層に最も近い前記バリア層に向かって低下することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
前記最も高い屈折率を有するバリア層は、前記量子ドット活性層の膜厚方向の中央部にあることを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
【請求項４】
前記下部クラッド層に最も近い前記バリア層から連続する少なくとも１層の前記バリア層の屈折率は前記下部クラッド層の屈折率と同じ大きさであり、前記上部クラッド層に最も近い前記バリア層から連続する少なくとも１層の前記バリア層の屈折率は前記上部クラッド層の屈折率と同じ大きさであることを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ。
【請求項５】
前記下部クラッド層に最も近い前記バリア層から連続する少なくとも１層の前記バリア層の屈折率は前記下部クラッド層の屈折率よりも低く、前記上部クラッド層に最も近い前記バリア層から連続する少なくとも１層の前記バリア層の屈折率は前記上部クラッド層の屈折率よりも低いことを特徴とする請求項２又は３記載の半導体レーザ。
【請求項６】
前記下部クラッド層の屈折率と前記上部クラッド層の屈折率とは同じ大きさであり、
複数の前記バリア層の屈折率は、前記量子ドット活性層の膜厚方向の中央部を軸に対称となっていることを特徴とする請求項２から５のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項７】
１つの前記バリア層の屈折率は、前記バリア層の膜厚方向で一定であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項８】
前記量子ドット活性層は、前記量子ドット層が６層以上積層されていて、前記複数の量子ドットを覆う前記バリア層の膜厚は２５ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項記載の半導体レーザ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光モジュール。
【請求項１０】
請求項１から８のいずれか一項記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信装置。
【請求項１１】
請求項１から８のいずれか一項記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ及びそれを備えた光モジュール、光通信装置、光通信システムに関し、特に量子ドット活性層を用いた半導体レーザ及びそれを備えた光モジュール、光通信装置、光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、量子ドット活性層を用いた半導体レーザ（以下、量子ドット半導体レーザと称す）が開発されている（例えば、特許文献１）。量子ドットは、３次元の狭い領域にキャリアを閉じ込めた構造をしており、量子ドット内のキャリアは、運動が量子化され、離散的なエネルギー準位を形成する。これにより、量子ドット半導体レーザは、発振閾値の低下、温度特性の改善といった優れた特性が得られることが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−８５６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
量子ドット活性層は、複数の量子ドットが形成された量子ドット層と、複数の量子ドットを覆うバリア層と、が交互に積層された構造を有する。量子ドットには大きな歪みが生じることから、その歪みを抑えるため、バリア層を厚くしている。また、量子ドットは小さく、１つの量子ドットから発光できる光強度は小さいため、十分な光強度を得るために、量子ドット層とバリア層とを交互に複数積層している。これらのため、量子ドット半導体レーザでは、活性層が厚くなる傾向にある。
【０００５】
このように、量子ドット半導体レーザでは、活性層が厚くなるため、垂直方向（活性層の膜厚方向）の遠視野像（ＦＦＰ：Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）が拡がる傾向にある。半導体レーザと光ファイバとの光結合効率を向上させるには、半導体レーザからのレーザ光は円形に近いことが求められる。しかしながら、量子ドット半導体レーザでは、垂直方向の遠視野像が拡がってしまうことから、光ファイバに効率よく光結合させることが難しい。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、量子ドット活性層を用いた半導体レーザにおいて、垂直方向の遠視野像を狭くすることが可能な半導体レーザ及びそれを備えた光モジュール、光通信装置、光通信システム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】
【０００７】
本発明は、基板上に設けられ、第１導電型を有する下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、複数の量子ドットが形成された量子ドット層と前記複数の量子ドットを覆うバリア層とが交互に複数積層された量子ドット活性層と、前記量子ドット活性層上に設けられ、前記第１導電型と反対の導電型である第２導電型を有する上部クラッド層と、を備え、前記量子ドット活性層は、複数の前記バリア層のうち最も高い屈折率を有するバリア層よりも前記下部クラッド層側にあるバリア層及び前記最も高い屈折率を有するバリア層よりも前記上部クラッド層側にあるバリア層の少なくとも一方で、前記バリア層の屈折率が、前記最も高い屈折率を有するバリア層から前記下部クラッド層に最も近い前記バリア層に向かって又は前記最も高い屈折率を有するバリア層から前記上部クラッド層に最も近い前記バリア層に向かって低下することを特徴とする半導体レーザである。本発明によれば、量子ドット活性層の光の閉じ込め効果が弱まるため、垂直方向の近視野像を伸ばすことができ、その結果、垂直方向の遠視野像を狭くすることができる。
【０００８】
上記構成において、前記量子ドット活性層は、前記最も高い屈折率を有するバリア層よりも前記下部クラッド層側にある前記バリア層の屈折率が、前記最も高い屈折率を有するバリア層から前記下部クラッド層に最も近い前記バリア層に向かって低下し、且つ、前記最も高い屈折率を有するバリア層よりも前記上部クラッド層側にある前記バリア層の屈折率が、前記最も高い屈折率を有するバリア層から前記上部クラッド層に最も近い前記バリア層に向かって低下する構成とすることができる。この構成によれば、垂直方向の近視野像をより伸ばすことができるため、垂直方向の遠視野像をより狭くすることができる。
【０００９】
上記構成において、前記最も高い屈折率を有するバリア層は、前記量子ドット活性層の膜厚方向の中央部にある構成とすることができる。
【００１０】
上記構成において、前記下部クラッド層に最も近い前記バリア層から連続する少なくとも１層の前記バリア層の屈折率は前記下部クラッド層の屈折率と同じ大きさであり、前記上部クラッド層に最も近い前記バリア層から連続する少なくとも１層の前記バリア層の屈折率は前記上部クラッド層の屈折率と同じ大きさである構成とすることができる。この構成によれば、量子ドット活性層の屈折率の高い領域を量子ドット活性層の膜厚方向の中央近傍に寄せることができる。このため、垂直方向の近視野像をより伸ばすことができるため、垂直方向の遠視野像をより狭くすることができる。
【００１１】
上記構成において、前記下部クラッド層に最も近い前記バリア層から連続する少なくとも１層の前記バリア層の屈折率は前記下部クラッド層の屈折率よりも低く、前記上部クラッド層に最も近い前記バリア層から連続する少なくとも１層の前記バリア層の屈折率は前記上部クラッド層の屈折率よりも低い構成とすることができる。この構成によれば、量子ドット活性層とクラッド層との間の実効的な屈折率の差を小さくでき、量子ドット活性層の屈折率が高い領域を量子ドット活性層の膜厚方向の中央近傍により寄せることができる。このため、垂直方向の近視野像をより伸ばすことができるため、垂直方向の遠視野像をより狭くすることができる。
【００１２】
上記構成において、前記下部クラッド層の屈折率と前記上部クラッド層の屈折率とは同じ大きさであり、複数の前記バリア層の屈折率は、前記量子ドット活性層の膜厚方向の中央部に位置する前記バリア層を軸に対称となっている構成とすることができる。この構成によれば、近視野像の垂直方向の対象性を良好にすることができる。
【００１３】
上記構成において、１つの前記バリア層の屈折率は、前記バリア層の膜厚方向で一定である構成とすることができる。
【００１４】
上記構成において、前記量子ドット活性層は、前記量子ドット層が６層以上積層されていて、前記複数の量子ドットを覆う前記バリア層の膜厚は２５ｎｍ以上である構成とすることができる。
【００１５】
本発明は、上記記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光モジュールである。本発明によれば、垂直方向の遠視野像が改善されて狭くなった半導体レーザを用いているため、光ファイバへの結合効率が改善された光モジュールを得ることができる。
【００１６】
本発明は、上記記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信装置である。本発明によれば、垂直方向の遠視野像が改善されて狭くなった半導体レーザを用いているため、光ファイバへの結合効率が改善された光通信装置を得ることができる。
【００１７】
本発明は、上記記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光通信システムである。本発明によれば、垂直方向の遠視野像が改善されて狭くなった半導体レーザを用いているため、光ファイバへの結合効率が改善された光通信装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、量子ドット活性層の光の閉じ込め効果が弱まるため、垂直方向の近視野像を伸ばすことができ、その結果、垂直方向の遠視野像を狭くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１（ａ）は、実施例１に係る半導体レーザの断面模式図の例であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の一点鎖線領域の拡大図である。
【図２】図２は、量子ドット層とバリア層とが１層ずつ積層された状態の断面模式図の例である。
【図３】図３は、比較例１に係る半導体レーザの量子ドット活性層が有するバリア層の屈折率分布を説明する模式図の例である。
【図４】図４は、実施例１に係る半導体レーザの量子ドット活性層が有するバリア層の屈折率分布を説明する模式図の例である。
【図５】図５は、比較例２に係る半導体レーザの断面模式図の例である。
【図６】図６は、比較例２に係る半導体レーザの屈折率分布を説明する模式図の例である。
【図７】図７は、実施例２に係る半導体レーザの量子ドット活性層が有するバリア層の屈折率分布を説明する模式図の例である。
【図８】図８（ａ）は、実施例２に係る半導体レーザの実効的な屈折率を説明する模式図の例であり、図８（ｂ）は、実施例１に係る半導体レーザの実効的な屈折率を説明する模式図の例である。
【図９】図９は、下部クラッド層に最も近いバリア層から連続する２層のバリア層及び上部クラッド層に最も近いバリア層から連続する２層のバリア層のＡｌ組成比に対する、垂直方向遠視野像の半値全幅のシミュレーション結果である。
【図１０】図１０は、実施例３に係る光モジュールのブロック図の例である。
【図１１】図１１は、実施例４に係る光通信装置のブロック図の例である。
【図１２】図１２は、実施例５に係る光通信システムのブロック図の例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２１】
図１（ａ）は、実施例１に係る半導体レーザの断面模式図の例であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の一点鎖線領域の拡大図である。図１（ａ）のように、実施例１に係る半導体レーザ１００は、ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１０上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層からなる下部クラッド層１２が設けられている。下部クラッド層１２上に、量子ドット活性層１４が設けられている。量子ドット活性層１４の詳細については後述する。量子ドット活性層１４上に、ｐ型ＡｌＧａＡｓ層からなる上部クラッド層１６が設けられている。なお、下部クラッド層１２と上部クラッド層１６とは、反対の導電型であれば良く、例えば、ｐ型ＧａＡｓ基板を用い、下部クラッド層１２がｐ型クラッド層、上部クラッド層１６がｎ型クラッド層である場合でもよい。
【００２２】
上部クラッド層１６上に、ｐ型ＧａＡｓ層からなるコンタクト層１８が設けられている。上部クラッド層１６及びコンタクト層１８は、リッジ部２０を形成している。リッジ部２０の幅Ｗは２μｍである。リッジ部２０の両側には、量子ドット活性層１４に達して、その表面を露出させる凹部２２が形成されている。凹部２２には、酸化シリコン膜からなる保護膜２４が埋め込まれている。リッジ部２０のコンタクト層１８上に、ｐ電極２６が設けられている。ｎ型ＧａＡｓ半導体基板１０の下面には、ｎ電極２８が設けられている。
【００２３】
図１（ｂ）のように、量子ドット活性層１４は、複数の量子ドットが形成された量子ドット層３０と、量子ドット層３０上に設けられ、複数の量子ドットを覆うバリア層３２と、が交互に複数積層されている。量子ドット層３０の積層数は１０層である。量子ドット活性層１４と下部クラッド層１２との間には、ＡｌＧａＡｓ層からなる下部ガイド層３４が設けられている。量子ドット活性層１４と上部クラッド層１６との間には、ＡｌＧａＡｓ層からなる上部ガイド層３６が設けられている。上部ガイド層３６は、量子ドット活性層１４の最上層の量子ドット層３０に形成された量子ドットを覆うバリア層としての機能も有する。
【００２４】
図２は、量子ドット層３０とバリア層３２とが１層ずつ積層された状態の断面模式図の例である。図２のように、量子ドット層３０には、水平方向に設けられた複数の量子ドット３８が形成されている。量子ドット３８は、ＩｎＡｓにより形成され、その高さは５ｎｍである。量子ドット３８間には、膜厚が５ｎｍのＧａＡｓ層４０が設けられている。即ち、量子ドット層３０は、量子ドット３８と、その間に設けられたＧａＡｓ層４０と、で構成される。量子ドット層３０上には、量子ドット３８及びＧａＡｓ層４０を覆って、膜厚が３５ｎｍのＡｌＧａＡｓ層からなるバリア層３２が設けられている。なお、ＧａＡｓ層４０の代わりにＡｌＧａＡｓ層を設けてもよい。
【００２５】
上述したように、下部クラッド層１２、下部ガイド層３４、量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２、上部ガイド層３６、及び上部クラッド層１６は、全てＡｌＧａＡｓ層からなる。そこで、表１を用いて、各層のＡｌ組成比について説明する。表１のように、下部クラッド層１２と上部クラッド層１６（以下、下部クラッド層１２と上部クラッド層１６とを総称してクラッド層と称する）とのＡｌ組成比は同じである。下部ガイド層３４及び上部ガイド層３６のＡｌ組成比は、クラッド層と同じである。
【００２６】
量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２のＡｌ組成比は、量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部に位置するバリア層３２で０である。中央部に位置するバリア層３２から下部クラッド層１２側及び上部クラッド層１６側に向かって、バリア層３２のＡｌ組成比は、クラッド層のＡｌ組成比の１／３、２／３の順に高くなる。Ａｌ組成比がクラッド層の２／３となるバリア層３２よりも下部クラッド層１２側及び上部クラッド層１６側にあるバリア層３２のＡｌ組成比は、クラッド層のＡｌ組成比と同じである。つまり、下部クラッド層１２側から連続する２層のバリア層３２のＡｌ組成比と上部クラッド層１６側から連続する２層のバリア層３２のＡｌ組成比は、クラッド層のＡｌ組成比と同じである。
【表１】
2012151309.tif 000003
【００２７】
次に、比較例１に係る半導体レーザについて説明する。比較例１に係る半導体レーザは、量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２をＧａＡｓ層とし、下部ガイド層３４及び上部ガイド層３６もＧａＡｓ層とした場合の例である。その他の構成については、図１（ａ）から図２を用いて説明した実施例１に係る半導体レーザと同じであるため詳細な説明は省略する。
【００２８】
ここで、実施例１に係る半導体レーザと比較例１に係る半導体レーザとについて、垂直方向（量子ドット活性層１４の膜厚方向）の遠視野像についてシミュレーションを行った。シミュレーションは、クラッド層のＡｌ組成比が０．２５、０．３０、０．３５である場合について、比率で各層の屈折率を出して半値全幅を計算した。表２は、シミュレーション結果である。表２のように、実施例１に係る半導体レーザの垂直方向の遠視野像は、比較例１に係る半導体レーザの垂直方向の遠視野像に比べて狭くなり、半値全幅が６°〜８°程度低減されている。
【表２】
2012151309.tif 000004
【００２９】
このように、実施例１に係る半導体レーザでは、比較例１に係る半導体レーザに比べて垂直方向の遠視野像が狭くなるが、この理由を以下に説明する。
【００３０】
図３は、比較例１に係る半導体レーザの量子ドット活性層１４が有するバリア層３２の屈折率分布を説明する模式図の例である。図３のように、量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２は全てＧａＡｓ層であるため、バリア層３２の屈折率は、ＡｌＧａＡｓ層であるクラッド層の屈折率に対して相対的に高い。このため、量子ドット活性層１４は、量子ドット活性層１４で生成された光を閉じ込める効果が強く、比較例１に係る半導体レーザの近視野像（ＮＦＰ：Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｐａｔｔｅｒｎ）は図３の一点鎖線のように表され、垂直方向の近視野像は矢印線のような拡がりを持つ。
【００３１】
図４は、実施例１に係る半導体レーザの量子ドット活性層１４が有するバリア層３２の屈折率分布を説明する模式図の例である。図４のように、量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２の屈折率は、量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部に位置するバリア層３２のＡｌ組成比が０であることから、量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部で最も高くなる。中央部に位置するバリア層３２よりも下部クラッド層１２側及び上部クラッド層１６側に位置するバリア層３２は、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１６に向かうに連れてＡｌ組成比が順々に高くなるため、屈折率は順々に低下する。そして、下部クラッド層１２側から連続する２層のバリア層３２及び上部クラッド層１２側から連続する２層のバリア層３２は、クラッド層とＡｌ組成比が同じであるため、屈折率はクラッド層と同じ大きさになる。
【００３２】
このように、実施例１に係る半導体レーザでは、複数のバリア層３２の屈折率は、中央部に位置するバリア層３２が最も高く、中央部に位置するバリア層３２から下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２及び上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２に向かって低下する。このため、量子ドット活性層１４は、量子ドット活性層１４で生成された光を閉じ込める効果が弱まり、近視野像は図４の一点鎖線のように表せ、比較例１に係る半導体レーザに比べて、垂直方向の近視野像が伸びることとなる（矢印線参照）。この結果、実施例１に係る半導体レーザの遠視野像は、比較例１に係る半導体レーザの遠視野像に比べて狭くなる。
【００３３】
以上説明してきたように、実施例１によれば、図４のように、量子ドット活性層１４は、量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部に位置するバリア層３２の屈折率が最も高い。そして、中央部に位置するバリア層３２よりも下部クラッド層１２側にあるバリア層３２の屈折率は下部クラッド層１２に向かって低下し、中央部に位置するバリア層３２よりも上部クラッド層１６側にあるバリア層３２の屈折率は上部クラッド層１６に向かって低下する。即ち、最も高い屈折率を有するバリア層３２よりも下部クラッド層１２側にあるバリア層３２の屈折率は、最も高い屈折率を有するバリア層３２から下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２に向かって低下する。そして、最も高い屈折率を有するバリア層３２よりも上部クラッド層１６側にあるバリア層３２の屈折率は、最も高い屈折率を有するバリア層３２から上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２に向かって低下する。これにより、光の閉じ込め効果が弱まるため垂直方向の近視野像を伸ばすことができ、その結果、表２のように、垂直方向の遠視野像を狭くすることができる。よって、光ファイバとの光結合効率を改善することができる。
【００３４】
実施例１では、図４のように、最も高い屈折率を有するバリア層３２よりも下部クラッド層１２側にあるバリア層３２の屈折率は、最も高い屈折率を有するバリア層３２から下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２に向かって低下し、且つ、最も高い屈折率を有するバリア層３２よりも上部クラッド層１６側にあるバリア層３２の屈折率は、最も高い屈折率を有するバリア層３２から上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２に向かって低下する場合を例に示したがこれに限られる訳ではない。最も高い屈折率を有するバリア層３２よりも下部クラッド層１２側にあるバリア層３２及び上部クラッド層１６側にあるバリア層３２の少なくとも一方で、バリア層３２の屈折率が、最も高い屈折率を有するバリア層３２から下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２に向かって又は上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２に向かって低下する場合であればよい。この場合でも、垂直方向の近視野像を伸ばすことができるため、垂直方向の遠視野像を狭くすることができる。
【００３５】
しかしながら、図４のように、最も高い屈折率を有するバリア層３２よりも下部クラッド層１２側にあるバリア層３２及び上部クラッド層１６側にあるバリア層３２の両方で、バリア層３２の屈折率が、最も高い屈折率を有するバリア層３２から下部クラッド層１２又は上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２に向かって低下する場合が好ましい。この場合では、垂直方向の近視野像をより伸ばすことができ、垂直方向の遠視野像をより狭くすることができる。
【００３６】
実施例１では、量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部に位置するバリア層３２の屈折率が最も高い場合を例に示しているが、これに限られる訳ではない。最も高い屈折率を有するバリア層３２は、量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部から下部クラッド層１２側又は上部クラッド層１６側にずれている場合であってもよいし、また、最も高い屈折率を有するバリア層３２が複数層ある場合でもよい。これらの場合でも、垂直方向の近視野像を伸ばすことができるため、垂直方向の遠視野像を狭くすることができる。
【００３７】
ここで、量子井戸活性層を用いた半導体レーザ（以下、量子井戸半導体レーザと称す）においては、傾斜屈折率分離閉じ込めヘテロ（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ）構造とすることで、ビーム形状を円形化できることが知られている。図５は、比較例２に係る半導体レーザの断面模式図の例であり、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造の多重量子井戸半導体レーザの断面模式図の例である。図５のように、半導体基板５０上に、下部クラッド層５２が設けられている。下部クラッド層５２上には、屈折率が徐々に変化する第１中間層５４が設けられている。第１中間層５４上に、井戸層とバリア層とが交互に複数積層された多重量子井戸構造の活性層５６が設けられている。活性層５６上に、屈折率が徐々に変化する第２中間層５８が設けられている。第２中間層５８上に、上部クラッド層６０が設けられている。第１中間層５４の屈折率は、下部クラッド層５２の屈折率と活性層５６が有するバリア層の屈折率との間を徐々に変化する。同様に、第２中間層５８の屈折率は、上部クラッド層６０の屈折率と活性層５６が有するバリア層の屈折率との間を徐々に変化する。
【００３８】
図６は、比較例２に係る半導体レーザの屈折率分布を説明する模式図の例である。図６のように、下部クラッド層５２と活性層５６との間に第１中間層５４が設けられていることで、下部クラッド層５２から活性層５６にかけて屈折率が徐々に変化している。同様に、上部クラッド層６０と活性層５６との間に第２中間層５８が設けられていることで、上部クラッド層６０から活性層５６にかけて屈折率が徐々に変化している。
【００３９】
比較例２に係る半導体レーザによれば、図６のように、下部クラッド層５２と活性層５６との間及び上部クラッド層６０と活性層５６との間に、屈折率が徐々に変化する第１中間層５４及び第２中間層５８が設けられている。これにより、近視野像は、第１中間層５４と第２中間層５８とによって制限され、垂直方向の近視野像を伸ばすことができる。その結果、垂直方向の遠視野像を狭くすることができる。
【００４０】
しかしながら、量子ドット半導体レーザでは、下部クラッド層と量子ドット活性層との間及び上部クラッド層と量子ドット活性層との間に、屈折率が徐々に変化する中間層を設けたとしても、垂直方向の遠視野像が狭まる効果は小さい。以下に、この理由を説明する。
【００４１】
発明が解決しようとする課題で述べたように、量子ドット活性層の膜厚は、量子ドットの歪みを抑える点、十分な光強度を得る点、から厚くなる傾向にある。例えば、量子ドットの歪みを抑えるために、バリア層の厚さは、２５ｎｍ以上が好ましく、３０ｎｍ以上がより好ましく、３５ｎｍ以上がさらに好ましい。また、例えば、十分な利得を実現するために量子ドット層の層数は、６層以上が好ましく、８層以上がより好ましく、１０層以上がさらに好ましい。
【００４２】
一方、多重量子井戸構造の活性層の場合は、バリア層の厚さを、量子ドット活性層ほど厚くせずに済む。例えば、多重量子井戸構造でのバリア層の厚さは、１０ｎｍ程度でよい。つまり、多重量子井戸構造の活性層の膜厚はあまり厚くならずに済む。このため、多重量子井戸半導体レーザでは、下部クラッド層と活性層との間及び上部クラッド層と活性層との間に、屈折率が徐々に変化する中間層を設けたＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造とすることで、近視野像が中間層によって制限されて、垂直方向の近視野像を伸ばすことができる。
【００４３】
これに対して、量子ドット半導体レーザでは、量子ドット活性層の膜厚が厚くなるため、下部クラッド層と量子ドット活性層との間及び上部クラッド層と量子ドット活性層との間に、屈折率が徐々に変化する中間層を設けたとしても、近視野像は量子ドット活性層によって制限されてしまう。このため、垂直方向の近視野像の伸びが抑えられてしまう。したがって、量子ドット半導体レーザでは、ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造を採用したとしても、垂直方向の遠視野像を狭める効果は小さい。
【００４４】
そこで、実施例１では、量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２を、量子ドット活性層１４の膜厚方向で中央部から端部にかけて屈折率が変化する構成としている。これにより、図４で説明したように、垂直方向の近視野像を伸ばすことができ、その結果、表２に示したように、垂直方向の遠視野像を狭くすることができる。
【００４５】
実施例１では、図４のように、１つのバリア層３２における屈折率は、バリア層３２の膜厚方向で一定である。このように、１つのバリア層３２自体の屈折率は変化させずとも、量子ドット活性層１４全体として、膜厚方向の中央部から端部にかけて屈折率を変化させることで、垂直方向の近視野像を伸ばすことができる。また、１つのバリア層３２における屈折率を変化させる場合でもよいが、製造容易性及び特性の点からは、１つのバリア層３２における屈折率は一定である場合が好ましい。
【００４６】
また、図４のように、下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２から連続する少なくとも１層のバリア層３２の屈折率が下部クラッド層１２の屈折率と同じ大きさであり、上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２から連続する少なくとも１層のバリア層３２の屈折率が上部クラッド層１６の屈折率と同じ大きさである場合が好ましい。この場合、量子ドット活性層１４の屈折率の高い領域を量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央近傍に寄せることができる。このため、垂直方向の近視野像をより伸ばすことができ、その結果、垂直方向の遠視野像をより狭くすることができる。なお、この場合に限られるわけではなく、下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２の屈折率が下部クラッド層１２の屈折率と異なる場合や、上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２の屈折率が上部クラッド層１６の屈折率と異なる場合であってもよい。この場合でも、最も高い屈折率を有するバリア層３２から下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２又は上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２に向かってバリア層３２の屈折率が低下する場合であれば、垂直方向の遠視野像を狭くすることができる。
【００４７】
また、図４のように、下部クラッド層１２の屈折率と上部クラッド層１６の屈折率とが同じ大きさであり、量子ドット活性層１４を構成する複数のバリア層３２の屈折率が量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部に位置するバリア層３２を軸に対称である場合が好ましい。この場合、近視野像の垂直方向の対象性を良好にすることができる。なお、この場合に限られるわけではなく、下部クラッド層１２の屈折率と上部クラッド層１６の屈折率との大きさが異なる場合や、複数のバリア層３２の屈折率が、量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部であるバリア層３２を軸に対称となっていない場合でもよい。
【００４８】
図４のように、バリア層３２の屈折率が、量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部に位置するバリア層３２から下部クラッド層１２側及び上部クラッド層１６側に向かって規則的に変化する場合を例に示したが、この場合に限られる訳ではなく、不規則に変化する場合でもよい。つまり、バリア層３２の屈折率が、一定の大きさで変化する場合でもよいし、大きさが各ステップで変わる場合でもよい。
【００４９】
実施例１では、量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２は、ＡｌＧａＡｓ層である場合を例に示したが、これに限らず、その他の材料の場合でもよい。例えば、バリア層３２は、ＡｌＧａＡｓＳｂ層等である場合でもよい。バリア層３２をＡｌＧａＡｓ層やＡｌＧａＡｓＳｂ層とした場合は、比較例１に係る半導体レーザのようにバリア層３２をＧａＡｓ層とした場合に比べて、エネルギーバンドギャップが大きくなるため、電子の閉じ込め効果が向上し、特性の向上が図れる。また、量子ドット活性層１４を構成する量子ドット３８は、ＩｎＡｓである場合を例に示したが、これに限らず、その他の材料の場合でもよい。例えば、量子ドット３８は、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｌＡｓ等である場合でもよい。
【実施例２】
【００５０】
実施例２に係る半導体レーザは、量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２のうち、下部クラッド層１２側から連続する２層のバリア層３２及び上部クラッド層１６側から連続する２層のバリア層３２のＡｌ組成比、並びに、下部ガイド層３４及び上部ガイド層３６のＡｌ組成比を、クラッド層のＡｌ組成比よりも高くする場合の例である。その他の構成については、実施例１と同じであり、図１（ａ）から図２で説明しているため、ここでは説明を省略する。
【００５１】
表３は、下部クラッド層１２、下部ガイド層３４、量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２、上部ガイド層３６、及び上部クラッド層１６のＡｌ組成比を説明する表である。表３のように、下部クラッド層１２と上部クラッド層１６とのＡｌ組成比は同じである。下部ガイド層３４及び上部ガイド層３６のＡｌ組成比は、クラッド層のＡｌ組成比よりも高い。
【００５２】
量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２のＡｌ組成比は、下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２及び上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２で、クラッド層のＡｌ組成比よりも高い。量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部に位置するバリア層３２のＡｌ組成比は、実施例１と同じく０であり、中央部に位置するバリア層３２から下部クラッド層１２及び上部クラッド層１６に向かって、バリア層３２のＡｌ組成比は、実施例１と同じく、クラッド層のＡｌ組成比の１／３、２／３の順に高くなる。
【表３】
2012151309.tif 000005
【００５３】
図７は、実施例２に係る半導体レーザの量子ドット活性層１４が有するバリア層３２の屈折率分布を説明する模式図の例である。図７のように、下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２及び上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２は、Ａｌ組成比がクラッド層よりも高いため、屈折率はクラッド層よりも低くなる。
【００５４】
ここで、実効的な屈折率について説明する。量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２の屈折率が、量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部から端部にかけて変化する場合、量子ドット活性層１４と下部クラッド層１２との間の実効的な屈折率は、量子ドット活性層１４の屈折率の平均値と下部クラッド層１２の屈折率値とに依存する。同様に、量子ドット活性層１４と上部クラッド層１６との間の実効的な屈折率は、量子ドット活性層１４の屈折率の平均値と上部クラッド層１６の屈折率値とに依存する。
【００５５】
図８（ａ）は、実施例２に係る半導体レーザの実効的な屈折率を説明する模式図の例である。また、比較のために、図８（ｂ）に、実施例１に係る半導体レーザの実効的な屈折率を説明する模式図の例を記載する。図８（ａ）のように、実施例２に係る半導体レーザでは、下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２及び上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２の屈折率が、クラッド層の屈折率よりも低いことから、量子ドット活性層１４とクラッド層との間の実効的な屈折率差は小さくなる（図８（ａ）の楕円参照）。一方、図８（ｂ）のように、実施例１に係る半導体レーザでは、下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２及び上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２の屈折率は、クラッド層の屈折率と同じ大きさであることから、量子ドット活性層１４とクラッド層との間の実効的な屈折率差は大きくなる（図８（ｂ）の楕円参照）。
【００５６】
ここで、表３に示す構造を基に、下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２及び上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２、並びに、下部ガイド層３４及び上部ガイド層３６のＡｌ組成比を変化させて、垂直方向の遠視野像がどのように変化するかシミュレーションを行った。図９は、シミュレーション結果であり、横軸にＡｌ組成比を、縦軸に垂直方向遠視野像の半値全幅を示している。図９中の太実線は、クラッド層のＡｌ組成比が０．２５の場合、太一点鎖線は０．３０の場合、太二点鎖線は０．３５の場合のシミュレーション結果である。なお、参考に、量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２をＧａＡｓ層とした比較例１に係る半導体レーザについての垂直方向遠視野像のシミュレーション結果を細実線、細一点鎖線、及び細二点鎖線で示す。細実線は、クラッド層のＡｌ組成比が０．２５の場合、細一点鎖線は０．３０の場合、細二点鎖線は０．３５の場合のシミュレーション結果である。
【００５７】
図９のように、クラッド層のＡｌ組成比が０．２５、０．３０、０．３５のいずれの場合であっても、下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２及び上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２のＡｌ組成比が高くなるほど、垂直方向の遠視野像の半値全幅が小さくなることがわかる。
【００５８】
例えば、クラッド層のＡｌ組成比が０．２５の場合（太実線）を見ると、クラッド層に近いバリア層３２のＡｌ組成比が、クラッド層のＡｌ組成比と同じ０．２５の場合では、半値全幅が４２．５°であるのに対し、クラッド層のＡｌ組成比よりも高い０．４５の場合では、半値全幅が３５°程度となり、約７．５°低減されている。同様に、クラッド層のＡｌ組成比が０．３０、０．３５の場合でも、クラッド層に近いバリア層３２のＡｌ組成比が、クラッド層のＡｌ組成比と同じ大きさである場合の半値全幅に対して、クラッド層のＡｌ組成比よりも高い０．４５の場合の半値全幅では、約３°〜５．５°低減されている。
【００５９】
このように、下部クラッド層１２及び上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２から連続する２層のバリア層３２のＡｌ組成比を、クラッド層のＡｌ組成比よりも高くすることで、垂直方向の遠視野像の半値全幅がより小さくなるのは、図８（ａ）のように、量子ドット活性層１４とクラッド層との間の実効的な屈折率差を小さくでき、屈折率の高い領域を量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部に寄せることができるため、遠視野像狭窄化の効果が大きくなったことによるものである。
【００６０】
以上説明してきたように、実施例２によれば、図７のように、量子ドット活性層１４を構成するバリア層３２のうち、下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２から連続する少なくとも１層のバリア層３２の屈折率を下部クラッド層１２の屈折率よりも低くし、上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２から連続する少なくとも１層のバリア層３２の屈折率を上部クラッド層１６の屈折率よりも低くしている。これにより、図８（ａ）のように、量子ドット活性層１４とクラッド層との間の実効的な屈折率の差を小さくでき、屈折率の高い領域を量子ドット活性層１４の膜厚方向の中央部により寄せることができる。このため、垂直方向の近視野像をより伸ばすことができ、その結果、垂直方向の遠視野像をより狭くすることができる。
【００６１】
図９のように、下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２から連続する少なくとも１層のバリア層３２及び上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２から連続する少なくとも１層のバリア層３２のＡｌ組成比を高くするほど、垂直方向の遠視野像を狭くすることができる。しかしながら、Ａｌ組成比が高くなると抵抗が高くなるため、Ａｌ組成比は０．５０以下の場合が好ましく、０．４５以下の場合がより好ましい。
【００６２】
量子ドット活性層１４とクラッド層との間の実効的な屈折率差が小さいほど、遠視野像狭窄化の効果が大きくなる。よって、下部クラッド層１２に最も近いバリア層３２から連続する少なくとも１層のバリア層３２及び上部クラッド層１６に最も近いバリア層３２から連続する少なくとも１層のバリア層３２の屈折率は、量子ドット活性層１４とクラッド層との間の実効的な屈折率の差が無くなるように設定する場合が好ましい。
【実施例３】
【００６３】
実施例３は、実施例１又は２に係る半導体レーザを備えた光モジュールの例である。図１０は、実施例３に係る光モジュールのブロック図の例である。図１０のように、実施例３に係る光モジュール２００は、実施例１又は２に係る半導体レーザ１００、光導波部２１０、光変調部２２０を有する。半導体レーザ１００から出射されたレーザ光は、光導波部２１０を通って光変調部２２０に導かれる。光変調部２２０では、入射された光を変調する。変調された光は光導波部２１０を通って、光ファイバ結合部２３０で光結合した光ファイバに入射され、光ファイバ内を伝搬する。
【００６４】
実施例３によれば、垂直方向の遠視野像が改善されて狭くなった半導体レーザ１００を用いているため、光ファイバへの結合効率が改善された光モジュールを得ることができる。
【実施例４】
【００６５】
実施例４は、実施例３に係る光モジュールを備えた光通信装置の例である。図１１は、実施例４に係る光通信装置のブロック図の例である。図１１のように、実施例４に係る光通信装置３００は、送信部として機能する実施例３に係る光モジュール２００、受信部３１０、制御部３２０を有する。光モジュール２００は、制御部３２０からの送信データ信号を光に変換して出射する。出射された光は、光ファイバに入射され、光ファイバ内を伝搬する。受信部３１０は、光ファイバ内を伝搬してきた光を受光し、受信データとして制御部３２０に出力する。
【００６６】
実施例４によれば、垂直方向の遠視野像が改善されて狭くなった半導体レーザ１００を用いているため、光ファイバへの結合効率が改善された光通信装置を得ることができる。
【実施例５】
【００６７】
実施例５は、実施例４に係る光通信装置を備えた光通信システムの例である。図１２は、実施例５に係る光通信システムのブロック図の例である。図１２のように、光通信システム４００は、第１の光通信装置３００ａ、第２の光通信装置３００ｂ、及び第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとを接続する光ファイバ４１０、を有する。第１の光通信装置３００ａは、光モジュール２００ａ、受信部３１０ａ、及び制御部３２０ａを有する。第２の光通信装置３００ｂは、光モジュール２００ｂ、受信部３１０ｂ、及び制御部３２０ｂを有する。例えば、第１の光通信装置３００ａの光モジュール２００ａが、制御部３２０ａからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光は、光ファイバ４１０内を伝搬し、第２の光通信装置３００ｂの受信部３１０ｂで受光される。受信部３１０ｂで光を受光すると、受信データが制御部３２０ｂに出力される。同様に、第２の光通信装置３００ｂの光モジュール２００ｂが、制御部３２０ｂからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光は、光ファイバ４１０内を伝搬し、第１の光通信装置３００ａの受信部３１０ａで受光される。受信部３１０ａで光を受光すると、受信データが制御部３２０ａに出力される。これにより、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとの間でデータ通信を行うことができる。
【００６８】
実施例５によれば、垂直方向の遠視野像が改善されて狭くなった半導体レーザ１００を用いているため、光ファイバへの結合効率が改善された光通信システムを得ることができる。
【００６９】
実施例５のように、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとの間で光ファイバ４１０を用いてデータ通信を行う光通信システム４００は、ＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ  Ｔｏ  Ｔｈｅ  Ｈｏｍｅ）や光通信基幹網に用いられる場合が好ましい。また、光ファイバ４１０を用いずに、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとが、空間に出射した光を受光することで、データ通信を行う場合でもよい。この場合、第１の光通信装置３００ａと第２の光通信装置３００ｂとは、例えばパーソナルコンピュータとすることができ、また、第１の光通信装置３００ａ及び第２の光通信装置３００ｂの一方はパーソナルコンピュータとし、他方は携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の電子機器やプロジェクタとしてもよい。
【００７０】
以上、発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  半導体基板
１２  下部クラッド層
１４  量子ドット活性層
１６  上部クラッド層
１８  コンタクト層
２０  リッジ部
２２  凹部
２４  保護膜
２６  ｐ電極
２８  ｎ電極
３０  量子ドット層
３２  バリア層
３４  下部ガイド層
３６  上部ガイド層
３８  量子ドット
４０  ＧａＡｓ層
５０  半導体基板
５２  下部クラッド層
５４  第１中間層
５６  活性層
５８  第２中間層
６０  上部クラッド層
１００  半導体レーザ
２００  光モジュール
２１０  光導波部
２２０  光変調部
２３０  光ファイバ結合部
３００  光通信装置
３１０  受信部
３２０  制御部
４００  光通信システム
４１０  光ファイバ
【図１】
2012151309.tif 000006
【図２】
2012151309.tif 000007
【図３】
2012151309.tif 000008
【図４】
2012151309.tif 000009
【図５】
2012151309.tif 000010
【図６】
2012151309.tif 000011
【図７】
2012151309.tif 000012
【図８】
2012151309.tif 000013
【図９】
2012151309.tif 000014
【図１０】
2012151309.tif 000015
【図１１】
2012151309.tif 000016
【図１２】
2012151309.tif 000017