(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
能動導波路から構成される半導体レーザであって、
該能動導波路は、基本モードのみを提供する基本モード導波路を設けず、かつ、
基本モード及び１次モードを提供する第１の導波路と、
該第１の導波路よりも広い幅であって、定在波として１次モードを除く多モードを提供する第２の導波路を備え、
該第１の導波路は、該基本モードのみを提供する基本モード導波路のおよそ２倍の幅を持ち、
該第２の導波路は、１入力かつＮ出力型である１×Ｎ（Ｎは正の整数）マルチモード干渉導波路であり、
該能動導波路は、該第１の導波路の幅より狭い導波路を有さず、発振される発振光として基本モードを提供する半導体レーザ。
【請求項２】
上記第２の導波路と上記第１の導波路との間に、該第２の導波路に近づくにつれて導波路幅が広くなるようなテーパー構造を有し、かつ、基本モードを少なくとも許容する導波路が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項３】
能動導波路から構成される半導体光アンプであって、
該能動導波路は、基本モードのみを提供する基本モード導波路を設けず、かつ、
基本モード及び１次モードを提供する第１の導波路と、
該第１の導波路よりも広い幅であって、定在波として１次モードを除く多モードを提供する第２の導波路を備え、
該第１の導波路は、該基本モードのみを提供する基本モード導波路のおよそ２倍の幅を持ち、
該第２の導波路は、１入力かつＮ出力型である１×Ｎ（Ｎは正の整数）マルチモード干渉導波路であり、
該能動導波路は、該第１の導波路の幅より狭い導波路を有さず、出射される増幅光として基本モードを提供する半導体光アンプ。
【請求項４】
上記第２の導波路と上記第１の導波路との間に、該第２の導波路に近づくに
つれて導波路幅が広くなるようなテーパー構造を有し、かつ、基本モードを少なくとも許容する導波路が接続されていることを特徴とする請求項３に記載の半導体光アンプ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ又は／及び半導体光アンプが搭載された光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、導波型の半導体レーザ、半導体光アンプ、及びこれらが搭載された光通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、光エレクトロニクス技術は、コンパクトディスクに代表される情報入出力技術、あるいは、光ファイバーを使った光通信技術などの様々な分野において適用されている。光エレクトロニクス技術を支えるデバイスとして、これまで様々な半導体レーザや半導体光アンプが開発されてきた。【０００３】
半導体レーザには様々な構造のものがあるが、その一つとして、導波型半導体レーザがある。一般的に、導波型半導体レーザは、光に信号を載せて情報を伝播させる場合や、光ファイバー増幅器の励起光源として用いる場合には、基本モード条件を満たすように導波路構造が設計される。基本モード条件にする理由は、以下のような問題を回避するためである。すなわち、一般に、多モード条件では、多モード分散の影響を受けてしまうという問題、光ファイバーなど他の光導波路やレンズに信号光を結合する場合に、信号光を効率よく結合することが難しくなるという問題等が生じるためである。【０００４】
従来、導波型半導体レーザにおいては基本モード光を得るために、導波路として基本モードのみを許容するものが用いられてきた。しかしながら、基本モードのみを許容する導波路は、導波路幅が狭い（２〜４μｍ程度）ため、半導体レーザに注入できる電流の大きさが制限されてしまうという問題があった。そして、当該問題により高光出力化には技術的な限界があった。【０００５】
そこで、本出願人は先に、基本モード光を出力可能であって、高光出力化が可能な半導体レーザを提案した（特許文献１、特許文献２）。特許文献１及び特許文献２に係る半導体レーザは、１入力かつＮ（Ｎは正の整数）出力型のマルチモード干渉導波路（以下、「１×Ｎ−ＭＭＩ（Multi mode Interference）と略記する）型半導体レーザ（非特許文献１参照）の前後に基本モード導波路が接続された構成となっている。基本モードのみを許容する導波路のみから構成される従来の導波路に比して、導波路幅を広げることができるため、高光出力化を達成することができる。
【特許文献１】特開平１１−６８２４１号公報
【特許文献２】特開平１１−６８２４２号公報
【非特許文献１】Ｌｕｃａｓ  Ｂ．Ｓｏｌｄａｎｏ、ジャーナル  オブ  ライトウェア  テクノロージ、Ｖｏｌ．１３  Ｎｏ．４  第６１５〜６２７頁、１９９５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、高速大容量通信を可能とする光通信技術は、大都市間を繋ぐ基幹系情報通信網のみならず、都市圏内を繋ぐいわゆるメトロ系情報通信網、及び各家庭やビルへと繋ぐいわゆるアクセス系情報通信網にまで適用されるようになってきた。メトロ系情報通信網やアクセス系情報通信網への光通信技術化に伴って、光通信技術を支えるデバイスたる半導体レーザや半導体光アンプ等の需要の拡大が見込まれている。【０００７】
このため、光通信技術を支えるデバイスたる半導体レーザの低消費電力化を図ることが切望されている。その一方で、加入者数の増加を補う目的で、半導体レーザにおいて、より高い光出力特性を実現することが求められている。【０００８】
なお、半導体レーザを例に説明したが、半導体光アンプにおいても同様の課題が生じ得る。【０００９】
本発明はこのような背景に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低消費電力特性を実現でき、かつ、高光出力特性も実現できる半導体レーザ、半導体光アンプ、及びこれらを搭載した光通信装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本発明の第１の態様に係る半導体レーザは、能動導波路から構成される半導体レーザであって、該能動導波路は、基本モードのみを提供する基本モード導波路を設けず、かつ、基本モード及び１次モードを提供する第１の導波路と、該第１の導波路よりも広い幅であって、定在波として１次モードを除く多モードを提供する第２の導波路を備え、該第１の導波路は、該基本モードのみを提供する基本モード導波路のおよそ２倍の幅を持ち、該第２の導波路は、１入力かつＮ出力型である１×Ｎ（Ｎは正の整数）マルチモード干渉導波路であり、該能動導波路は、該第１の導波路の幅より狭い導波路を有さず、発振される発振光として基本モードを提供するものである。
【００１１】
本発明の第１の態様に係る半導体レーザにおいては、低消費電力特性を実現でき、かつ、高光出力特性も実現可能な半導体レーザを提供することができる。その理由は、以下のとおりである。本発明の第１の態様に係る半導体レーザによれば、基本モード及び１次モードを提供する第１の導波路と、多モードを提供する第２の導波路とを有しているので、基本モードのみを提供する能動導波路や特許文献１に記載の基本モード導波路と多モード導波路との組み合わせによる能動導波路に比して導波路の幅を広く設定することができる。その結果、素子抵抗がより小さくなり低消費電力特性を実現できる。
【００１２】
また、特許文献１に記載の基本モード導波路と多モード導波路との組み合わせの能動導波路に比して、本件発明の第１の導波路と第２の導波路との組み合わせの能動導波路は、第１の導波路として、基本モードのみを提供する基本モード導波路のおよそ２倍の幅を持つものを用い、かつ、第１の導波路の幅より狭い導波路を有さない構成としているので、異なる導波路間における導波路幅の比を小さくすることができる。その結果、第１の導波路と第２の導波路との境界領域で生じる過剰損失を抑制できる。その結果、本発明の第１の態様に係る能動導波路においては、特許文献１に記載の基本モード導波路と多モード導波路との組み合わせによる能動導波路に比して高光出力特性を実現できる。
【００１４】
また、本発明の第１の態様に係る半導体レーザによれば、第２の導波路内において１次モードを定在波として許容しないので、能動導波路内において１次モードを定在波として存在させることができない。その結果、１次モードはレーザ発振には寄与できないことになる。従って、レーザ光として出射されるモードは、基本モードのみということになる。本発明の第１の態様に係る半導体レーザによれば、第１の導波路として基本モードのみを提供する導波路を用いる場合に比して、導波路幅を広く設定できる。その結果、素子抵抗を小さくすることができ低消費電力特性を実現できる。また、第１の導波路と第２の導波路との境界領域において生じる過剰損失を抑制できるので、高光出力特性を実現できる。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る半導体レーザは、上記第２の導波路と上記第１の導波路との間に、該第２の導波路に近づくにつれて導波路幅が広くなるようなテーパー構造を有し、かつ、基本モードを少なくとも許容する導波路が接続されていることを特徴とする上記第１の態様に記載のものである。
本発明の第２の態様に係る半導体レーザによれば、第１の導波路と第２の導波路との間に基本モードを少なくとも許容するテーパー導波路を設けているので、異なる導波路間の境界領域における過剰損失をより効果的に抑制できる。その結果、より効果的に高光出力化を達成できる。
【００１８】
本発明の第３の態様に係る半導体光アンプは、能動導波路から構成される半導体光アンプであって、該能動導波路は、基本モードのみを提供する基本モード導波路を設けず、かつ、基本モード及び１次モードを提供する第１の導波路と、該第１の導波路よりも広い幅であって、定在波として１次モードを除く多モードを提供する第２の導波路を備え、該基本モードのみを提供する基本モード導波路のおよそ２倍の幅を持ち、該第２の導波路は、１入力かつＮ出力型である１×Ｎ（Ｎは正の整数）マルチモード干渉導波路であり、該能動導波路は、該第１の導波路の幅より狭い導波路を有さず、出射される増幅光として基本モードを提供するものである。
【００１９】
本発明の第３の態様に係る半導体光アンプにおいては、低消費電力特性を実現でき、かつ、高光出力特性も実現可能な半導体光アンプを提供することができる。その理由は、以下のとおりである。本発明の第３の態様に係る半導体光アンプによれば、基本モード及び１次モードを提供する第１の導波路と、多モードを提供する第２の導波路とを有しているので、基本モードのみを提供する能動導波路や特許文献１に記載の基本モード導波路と多モード導波路との組み合わせによる能動導波路に比して導波路の幅を広く設定することができる。その結果、素子抵抗がより小さくなり低消費電力化が可能となる。
【００２０】
また、特許文献１に記載の基本モード導波路と多モード導波路との組み合わせの能動導波路に比して、本件発明の第１の導波路と第２の導波路との組み合わせの能動導波路は、第１の導波路として、基本モードのみを提供する基本モード導波路のおよそ２倍の幅を持つものを用い、かつ、第１の導波路の幅より狭い導波路を有さない構成としているので、異なる導波路間における導波路幅の比を小さくすることができる。その結果、第１の導波路と第２の導波路との境界領域で生じる過剰損失を抑制できる。その結果、本発明の第１の態様に係る能動導波路においては、特許文献１に記載の基本モード導波路と多モード導波路との組み合わせによる能動導波路に比して高光出力を達成できる。
【００２２】
また、本発明の第３の態様に係る半導体光アンプによれば、第２の導波路内において1次モードを定在波として許容しないので、能動導波路内において１次モードを定在波として存在させることができない。その結果、1次モードは増幅光に含まれないことになる。従って、増幅されて出射される光は、基本モードのみということになる。本発明の第３の態様に係る半導体光アンプによれば、第１の導波路として基本モードのみを提供する導波路を用いる場合に比して、導波路幅を広く設定できる。その結果、素子抵抗を小さくすることができ低消費電力特性を実現できる。また、第１の導波路と第２の導波路との境界領域で生じる過剰損失を抑制できるので、高光出力特性を実現できる。
【００２４】
本発明の第４の態様に係る半導体光アンプは、上記第２の導波路と上記第１の導波路との間に、該第２の導波路に近づくにつれて導波路幅が広くなるようなテーパー構造を有し、かつ、基本モードを少なくとも許容する導波路が接続されていることを特徴とする上記第３の態様に記載のものである。
本発明の第４の態様に係る半導体光アンプによれば、第１の導波路と第２の導波路との間にテーパー導波路を設けているので、異なる導波路間の境界領域における過剰損失をより効果的に抑制できる。その結果、より効果的に高光出力化を達成できる。
【００２６】
本発明の第５の態様に係る光通信装置は、上記第１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ又は／及び半導体光アンプが搭載されたものである。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、低消費電力特性を実現でき、かつ、高光出力特性も実現可能な半導体レーザ、及び半導体光アンプ、及びこれらを搭載した光通信装置を提供することができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態に係る半導体レーザの平面図。
【図２Ａ】図１のＡ−Ａ線における半導体レーザの断面図。
【図２Ｂ】図１のＢ−Ｂ線における半導体レーザの断面図。
【図３】実施形態に係る半導体レーザの活性層の断面図。
【図４Ａ】実施形態に係る半導体レーザの製造工程を説明するための断面図。
【図４Ｂ】実施形態に係る半導体レーザの製造工程を説明するための断面図。
【図４Ｃ】実施形態に係る半導体レーザの製造工程を説明するための断面図。
【図４Ｄ】実施形態に係る半導体レーザの製造工程を説明するための断面図。
【図４Ｅ】実施形態に係る半導体レーザの製造工程を説明するための断面図。
【図５】変形例１に係る半導体レーザの平面図。
【図６】変形例２に係る半導体レーザの平面図。
【図７】変形例３に係る半導体レーザの平面図。
【図８Ａ】図７のＣ−Ｃ線における半導体レーザの断面図。
【図８Ｂ】図７のＤ−Ｄ線における半導体レーザの断面図。
【符号の説明】
【００２９】
１１ａ、１１ｄ  第１の擬似基本モード導波路
１２ａ、１２ｂ、１２ｄ  １×１−ＭＭＩ導波路
１２ｃ  １×２−ＭＭＩ導波路
１３ｄ  第１のテーパー導波路
２１ａ、２１ｂ、２１ｄ  第２の擬似基本モード導波路
２３ｄ  第２のテーパー導波路
３１ｂ  第３の擬似基本モード導波路
３２ｂ  第３の１×１−ＭＭＩ導波路
４１ｂ  第４の擬似基本モード導波路
７０ａ  積層体
７１ａ  基板
７２ａ  クラッド層
７３ａ  活性層
７４ａ  クラッド層
７５ａ  メサ
７６ａ  ブロック層
７６ａ  電流ブロック層
７７ａ  電流ブロック層
７８ａ  クラッド層
７９ａ  コンタクト層
８１ａ  第１のＳＣＨ層
８２ａ  ＭＱＷ（多重量子井戸）層
８３ａ  第２のＳＣＨ層
８６ａ  埋め込み層
８７ａ  表面電極
８８ａ  裏面電極
９１ａ  反射防止膜
９２ａ  高反射膜
１００、１０１、１０２、１０３  アクティブＭＭＩ型半導体レーザ
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明を適用した実施形態の一例について説明する。なお、本発明の趣旨に合致する限り、他の実施形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。【００３１】
［実施形態］
図１は、本実施形態に係る半導体レーザの平面図である。図２Ａは、図１のＡ−Ａ線における断面図、図２Ｂは図１のＢ−Ｂ線における断面図である。本実施形態に係る半導体レーザは、アクティブＭＭＩ型半導体レーザ１００であり、埋め込み（ＢＨ）構造型、１．４８μｍ帯の半導体レーザである。【００３２】
本実施形態に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１００は、後述する活性層を含む能動導波路構造を備えている。能動導波路は、図１に示すように、第１の導波路領域Ｄ１、第２の導波路領域Ｄ２、第３の導波路領域Ｄ３により構成されている。第１の導波路領域Ｄ１及び第３の導波路領域Ｄ３は、それぞれ第１の擬似基本モード導波路１１ａと、第２の擬似基本モード導波路２１ａとから構成されている。第１の擬似基本モード導波路１１ａ及び第２の擬似基本モード導波路２１ａは、０次モード（基本モード）及び１次モード許容導波路である。
一方、第２の導波路領域Ｄ２は、１入力かつ１出力型のマルチモード干渉（以下、「１×１−ＭＭＩ（Multi mode Interference）」と略記する）導波路１２ａにより構成されている。【００３３】
半導体レーザ１００の全長（図１中のＬ１）は、６００μｍ程度である。このうち、第１の擬似基本モード導波路１１ａ及び第２の擬似基本モード導波路２１ａの長さは、それぞれ９０μｍ程度であり、１×１−ＭＭＩ導波路１２ａの長さは４２０μｍ程度である。【００３４】
１×１−ＭＭＩ導波路１２ａと、第１の擬似基本モード導波路１１ａ及び第２の擬似基本モード導波路２１ａとの相違点は、導波路幅にある。１×１−ＭＭＩ導波路１２ａの導波路幅（Ｗ２）はＷ２＝１３μｍであるのに対し、擬似基本モード導波路１１ａ及び第２の擬似基本モード導波路２１ａの導波路幅（Ｗ１）はＷ１＝４μｍに設定されている（図１及び図２参照）。【００３５】
本実施形態に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１００は、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、ｎ−ＩｎＰ基板７１ａを備えている。また、このｎ−ＩｎＰ基板７１ａ上には、メサ状に形成されたｎ−ＩｎＰクラッド層７２ａ、活性層７３ａ、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層７４ａを備えている。また、活性層７３ａ等を備える面（以下、「主面」という）側であって、活性層７３ａ等が形成されていないｎ−ＩｎＰ基板７１ａ上には、メサ７５ａの側壁に接するようにｐ−ＩｎＰ電流ブロック層７６ａ、ｎ−ＩｎＰ電流ブロック層７７ａがこの順に積層されている。また、前記ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層７４ａ及びｎ−ＩｎＰ電流ブロック層７７ａ上には、ｐ−ＩｎＰ第２クラッド層７８ａ、及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７９ａがこの順に積層されている（以下、これらの層をまとめて積層体７０ａという）。【００３６】
活性層７３ａは、図３に示すように、ＩｎＧａＡｓＰ−第１のＳＣＨ（分離閉じ込めヘテロ構造）層８１ａ上に、量子井戸を多層に積層したＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ（多重量子井戸）層８２ａが形成され、その上からＩｎＧａＡｓＰ−第２のＳＣＨ層８３ａが形成された構造となっている。【００３７】
上記積層体７０ａの上面には、表面電極８７ａが形成されている。また、ｎ−ＩｎＰ基板７１ａ上の主面に対して裏側の面（以下、単に「裏面」という）には、裏面電極８８ａが形成されている。【００３８】
上記積層体７０ａの前方端面には反射防止膜が、後方端面には高反射膜が設けられている。これにより、レーザ共振器の前後の反射鏡が構成されている。【００３９】
以下、本実施形態に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１００の製造方法について、図４を参照しつつ説明する。なお、下記の製造工程は典型的な一例であり、本発明の趣旨に合致する限り他の製造方法を採用することができることは言うまでもない。【００４０】
まず、ｎ−ＩｎＰ基板７１ａ上に、図４Ａに示すようにｎ−ＩｎＰクラッド層７２ａ、活性層７３ａ、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層７４ａを有機金属気相成長法（ＭＯ−ＶＰＥ法）により、この順に積層する。【００４１】
次に、図４Ｂに示すように熱化学気相堆積（ＣＶＤ）法を用いて前面にＳｉＯ２膜８５ａを堆積し、通常のフォトリソグラフィ法と反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法を用いて、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層７４ａ上にメサ形成用マスクを形成する。【００４２】
次いで、図４Ｃに示すように誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）法を用いて、メサ形成用マスクで覆われていないｐ−ＩｎＰ第１クラッド層７４ａ、活性層７３ａ、ｎ−ＩｎＰクラッド層７２ａを除去することによって図4Ｃに示すようなメサ７５ａを形成する。メサ７５ａを形成後、ＭＯ−ＶＰＥ法を用いて、メサ７５ａの周辺にｐ−ＩｎＰブロック層７６ａ、ｎーＩｎＰ電流ブロック層７７ａを形成し、メサ上部に残ったメサ形成用マスクをバッファード沸酸を用いて除去する。これにより、リッジメサを埋め込むことができる。ｐ−ＩｎＰブロック層７６ａ、ｎーＩｎＰ電流ブロック層７７ａからなる埋め込み層８６ａは、電流狭窄の働きをする。また、埋め込み層８６ａは、屈折率が活性層より小さいため、横方向に光を閉じ込める働きがある。【００４３】
その後、図４Ｄに示すようにｐ−ＩｎＰ第１クラッド層７４ａ及びｎーＩｎＰ電流ブロック層７７ａ上にｐ−ＩｎＰクラッド層７８ａ、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層７９ａを順次形成する。その後、図４Ｅに示すように電子ビーム蒸着法を用いて上面に表面電極８７ａを形成する。得られたｎ−ＩｎＰ基板７１ａの裏面を研磨した後、裏面電極８８ａを形成する。【００４４】
上記製造法に従って、基板上に複数のレーザ素子を形成する。そして、各レーザ素子間の境界に沿って劈開を行いレーザ素子を得る。劈開により形成されたレーザ端面の片側には反射防止膜９１ａを、もう一方のレーザ端面には高反射膜９２ａをそれぞれ形成する。このような工程を経て、本実施形態に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１００が製造される。【００４５】
なお、本実施形態においては、半導体レーザの例について説明したが、本実施形態に係るレーザ素子の端面に配設された反射防止膜.及び高反射膜に代えて、璧開直後に両端面に反射防止膜を配設せしめることにより、半導体光アンプとしての利用が可能である。【００４６】
以下に、本実施形態に係る半導体レーザが、低消費電力特性を実現でき、かつ、高光出力特性も実現可能な原理について述べる。【００４７】
本実施形態に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザは、表面電極８７ａ、裏面電極８８ａの間に所定のバイアス電圧を印加することで、電流ブロック層に制限されたメサ構造部の中央部に位置する活性層７３ａに電流を供給することができる。閾値電流未満では、自然放出と吸収が生じる。一方、閾値電流以上、すなわち誘導放出が吸収を上回る状態となるとレーザ発振可能な状態となる。【００４８】
レーザ発振可能な状態になると、誘導放出により増幅された光は、ＭＭＩ理論（上記非特許文献１参照）により、第２の導波路領域Ｄ２ではマルチモードとして伝播することになる。一方、その両端部にある第１の導波路領域Ｄ１、及び第２の導波路領域Ｄ３においては、０次モード及び１次モードとして伝播する。本実施形態においては、ＭＭＩ導波路の領域長を下記の式に従って設計している。
【数１】
0004893306.tif 000002
ただし、Ｌπはビート長であり、以下の数２を満足するものである。
【数２】
0004893306.tif 000003
また、ＬＭＭＩは第２の導波路の領域長、ｎは４の倍数を除く正の整数、ｎｒは導波領域の実効屈折率、ＷｅはＭＭＩ領域の実効導波路幅、λ０は波長、Ｎは１×Ｎ−ＭＭＩ導波路におけるＮ側ポートのポート数である。【００４９】
１×１−ＭＭＩ導波路１２ａの領域長を上記数１及び２の条件に合うように設計することにより、奇モードを１×１−ＭＭＩ導波路１２ａ内で励振させることができない。このため、奇モードは、能動導波路内（半導体レーザキャビティー内）において定在波として存在することができない。従って、第１の擬似基本モード導波路１１ａ及び第２の擬似基本モード導波路２１ａ内で１次モードが発生しても、１次モードは定在波として存在することができない。また、第１の擬似基本モード導波路１１ａ及び第２の擬似基本モード導波路２１ａは、０次モード（基本モード）及び１次モードのみを許容する導波路であることから、結局、レーザ発振光は基本モードとなる。【００５０】
この原理を利用することにより、擬似基本モード導波路をキャビティ内に配置することができる。すなわち、通常の基本モード導波路幅のおよそ２倍の幅が許される０次モード及び１次モード許容導波路が１×１−ＭＭＩ導波路に接続される構成とすることができる。本実施形態においては、擬似基本モード導波路に対するＭＭＩ導波路幅の比は３．２５となる。擬似基本モード導波路に代えて、基本モード導波路を適用する場合、その比はおよそ６．５となる。すなわち、本実施形態の態様とすることにより、基本モード導波路と１×１−ＭＭＩ導波路との組み合わせよりもその比を５０％低減することができる。その結果、ＭＭＩ導波路と擬似基本モード導波路との境界領域での過剰損失を抑制でき、高光出力を達成できる。【００５１】
また、本実施形態に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１００、飽和注入電流値が改善され、高電流注入による半導体レーザの高出力化を達成できる。また、極めて光の閉じ込めが強いマルチモード導波路領域を含む構造となっているため、その閾値電流密度が大幅に低減される。【００５２】
また、第１の導波路として基本モード導波路に代えて擬似基本モード導波路を採用することにより、導波路幅を広く設定することが可能となる。その結果、素子抵抗をより小さくすることができ、低消費電力特性が向上する。【００５３】
また、本実施形態に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１００の層構造は、通常の半導体レーザの層構造と同等である。このため、本実施形態に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１００は、通常の半導体レーザの製造工程と同一の工程で製造することが可能である。すなわち、すでに確立された製造方法のみによって製造することができ、再現性及び歩留まりに優れたものを提供することができる。従って、低コスト化を達成することができる。【００５４】
なお、結晶成長方法としては、上述したＭＯ−ＶＰＥ法に変えて、分子線ビーム成長法を用いることもできる。メサ形成工程として、ＩＣＰ法に変えて、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法などを利用することも可能である。さらに、半導体レーザ構造を単純な埋め込み構造（ＢＨ構造）としているが、リッジ構造や電流狭窄に優れるＤＣ−ＰＢＨ（Double Channel Planner Buried Heterostrucutre）構造などにすることもできる。また、レーザ波長を１．４８μｍ帯に代えて、可視光帯、０．９８μｍ帯、更には近赤外光帯など、他の波長とすることができる。【００５５】
［変形例１］
次に、上記実施形態のアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１００とは異なる変形例について説明する。図５は、本変形例１に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１０１の平面図である。なお、以降の説明において、上記実施形態と同一の構成部材は、同一の符号を付し適宜その説明を省略する。【００５６】
本変形例１に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１０１は、以下の点を除く基本的な構成は上記実施形態と同じである。すなわち、上記実施形態に係る能動導波路は、１つの１×１−ＭＭＩ導波路が２つの擬似基本モード導波路に挟持された構造となっていたのに対し、本変形例１に係る能動導波路は、３つの１×１−ＭＭＩ導波路を備え、各１×１−ＭＭＩ導波路の端部には、擬似基本モード導波路が接続されている構成となっている点が異なる。【００５７】
より具体的には、上記実施形態に係る能動導波路は、能動導波路が、第１の導波路領域Ｄ１、第２の導波路領域Ｄ２、第３の導波路領域Ｄ３により構成されているのに対し、本変形例に係る能動導波路は、図５に示すように、第１の導波路領域Ｄ４、第２の導波路領域Ｄ５、第３の導波路領域Ｄ６、第４の導波路領域Ｄ７、第５の導波路領域Ｄ８、第６の導波路領域Ｄ９、第７の導波路領域Ｄ１０により構成されている点が異なる。また、上記実施形態に係る擬似基本モード導波路は、第１の導波路領域Ｄ１（第１の擬似基本モード導波路１１ａ）及び第３の導波路領域Ｄ３（第２の擬似基本モード導波路２１ａ）に配設されているのに対し、本変形例１に係る擬似基本モード導波路は、第１の導波路領域Ｄ４（第１の擬似基本モード導波路１１ｂ）、第３の導波路領域Ｄ６（第２の擬似基本モード導波路２１ｂ）、第５の導波路Ｄ８（第３の擬似基本モード導波路３１ｂ）、及び、第７の導波路Ｄ１０（第４の擬似基本モード導波路４１ｂ）に配設されている点が異なる。また、上記実施形態に係る１×１−ＭＭＩ導波路は、第２の導波路領域Ｄ２（１×１−ＭＭＩ導波路１２ａ）に配設されていたのに対し、本変形例１に係る１×１−ＭＭＩ導波路は、第２の導波路領域Ｄ５（第１の１×１−ＭＭＩ導波路１２ｂ）、第４の導波路領域Ｄ７（第２の１×１−ＭＭＩ導波路２２ｂ）、第６の導波路領域Ｄ９（第３の１×１−ＭＭＩ導波路３２ｂ）に配設されている点が異なる。【００５８】
第１の１×１−ＭＭＩ導波路１２ｂ、第２の１×１−ＭＭＩ導波路２２ｂ、第３の１×１−ＭＭＩ導波路３２ｂは、それぞれが上記数１及び２を満足するように設計されている。【００５９】
本変形例１によれば、上記実施形態と同様の原理により高光出力特性、及び低消費電力特性を実現できる。また、すでに確立された製造方法のみによって製造することが可能なので、再現性及び歩留まりに優れたものを提供することができる。従って、低コスト化を達成することができる。【００６０】
なお、本変形例１においては第２の導波路たる１×１−ＭＭＩ導波路が３つある例について説明したが、その数は特に限定されないことは言うまでもない。【００６１】
［変形例２］
次に、上記実施形態、及び上記変形例１とは異なる変形例について説明する。図６は、本変形例１に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１０２の平面図である。本変形例２に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１０２は、以下の点を除く基本的な構成は上記実施形態と同じである。すなわち、上記実施形態に係る第２の導波路は１×１−ＭＭＩ導波路１２ａを用いているのに対し、本変形例１に係る第２の導波路は、図６に示すように１×２−ＭＭＩ導波路１２ｃを用いている点が異なる。図６に示すように、この導波路は、第１の導波路領域Ｄ１１、第２の導波路領域Ｄ１２、第３の導波路領域Ｄ１３により構成されている。第１の導波路領域Ｄ１及び第３の導波路領域Ｄ３は、それぞれ第１の擬似基本モード導波路１１ｃと、第２の擬似基本モード導波路２１ｃ、第３の擬似基本モード導波路３１ｃとから構成されている。１×２−ＭＭＩ導波路１２ｃは、無論、上記数１及び２を満足するように設計されている。【００６２】
本変形例２によれば、上記実施形態と同様の原理により高光出力特性、及び低消費電力特性を実現できる。また、すでに確立された製造方法のみによって製造することが可能なので、再現性及び歩留まりに優れたものを提供することができる。従って、低コスト化を達成することができる。【００６３】
なお、本変形例２においては第２の導波路たる１×２−ＭＭＩ導波路の例について説明したが、これに限定されるものではなく、１×Ｎ−ＭＭＩ導波路（Ｎは正の整数）について適用可能である。また変形例１と同様に複数のＭＭＩ領域を有する構成も適用可能である。【００６４】
［変形例３］
次に、上記実施形態、上記変形例１、及び上記変形例２とは異なる変形例について説明する。図７は、本変形例３に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１０３の平面図である。図８Ａは、図７のＣ−Ｃ線における断面図、図８Ｂは図７のＤ−Ｄ線における断面図である。【００６５】
本変形例３に係る半導体レーザ１０３は、以下の点を除く基本的な構成は上記実施形態と同じである。すなわち、上記実施形態に係る能動導波路は、第１の擬似基本モード導波路１１ａと、１×１−ＭＭＩ導波路１２ａとが直接端部において接続されていたが、本変形例３においては、図７及び図８に示すように擬似基本モード導波路と、１×１−ＭＭＩ導波路とがテーパー導波路を介して接続されている点が異なる。【００６６】
より具体的には、上記実施形態に係る能動導波路は、能動導波路が、第１の導波路領域Ｄ１、第２の導波路領域Ｄ２、第３の導波路領域Ｄ３により構成されているのに対し、本変形例３に係る能動導波路は、第１の導波路領域Ｄ１４、第２の導波路領域Ｄ１５、第３の導波路領域Ｄ１６、第４の導波路領域Ｄ１７、第５の導波路領域Ｄ１８により構成されている点が異なる。また、上記実施形態に係る擬似基本モード導波路は、第１の導波路領域Ｄ１（擬似基本モード導波路１１ａ）及び第３の導波路領域Ｄ３（第２の擬似基本モード導波路２１ａ）に配設されていたのに対し、本変形例３に係る擬似基本モード導波路は、第１の導波路領域Ｄ１４（第１の擬似基本モード導波路１１ｄ）、第５の導波路領域Ｄ１８（第２の擬似基本モード導波路２１ｄ）に配設されている点が異なる。また、上記実施形態に係る１×１−ＭＭＩ導波路は、第２の導波路領域Ｄ２（１×１−ＭＭＩ導波路１２ａ）に配設されているのに対し、本変形例３に係る１×１ーＭＭＩ導波路は、第３の導波路領域Ｄ１６（１×１−ＭＭＩ導波路１２ｄ）に配設されている点が異なる。また、上記実施形態においては、擬似基本モード導波路と１×１−ＭＭＩ導波路とが直接接続されているのに対し、本変形例３においては、第１の擬似基本モード導波路１１ｄと、１×１−ＭＭＩ導波路１２ｄとの間に第１のテーパー導波路１３ｄが配設され、第２の擬似基本モード導波路２１ｄと、１×１−ＭＭＩ導波路１２ｄとの間に第２のテーパー導波路２３ｄが配設されている点が異なる。【００６７】
第１のテーパー導波路１３ｄと、第２のテーパー導波路２３ｄとは、図７に示すように、擬似基本モード導波路との接合部は、擬似基本モード導波路幅と一致するように設計され、１×１−ＭＭＩ導波路１２ｄとの接合部に向けて導波路幅が広くなるように設計されている。【００６８】
アクティブＭＭＩ型半導体レーザ１０３の全長（図７中のＬ４）は、６００μｍ程度である。このうち、第１の擬似基本モード導波路１１ｄ及び第２の擬似基本モード導波路２１ｄの長さは、それぞれ６０μｍ程度であり、１×１−ＭＭＩ導波路１２ｄの長さは４２０μｍ程度である。また、第１のテーパー導波路１３ｄ及び第２のテーパー導波路２３ｄの長さは３０μｍ程度である。【００６９】
１×１−ＭＭＩ導波路１２ｄと、第１の擬似基本モード導波路１１ｄ及び第２の擬似基本モード導波路２１ｄ、並びに第１のテーパー導波路１３ｄ及び第２のテーパー導波路２３ｄとの相違点は、上記実施形態と同様に導波路幅にある。１×１−ＭＭＩ導波路１２ｄの導波路幅（Ｗ４）、第１の擬似基本モード導波路１１ｄ及び第２の擬似基本モード導波路２１ｄの導波路幅（Ｗ３）は、上記実施形態と同様とした。【００７０】
本変形例３に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１０３の層構成は、図７及び図８に示すように、上記実施形態と同様の構成である。また、製造方法も上記実施形態と同様の方法により製造することができる。【００７１】
以下に、本変形例３に係る半導体レーザが、従来のレーザに比して高光出力を達成でき、かつ、低消費電力を達成できる原理について述べる。【００７２】
本変形例３に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１０３では、図８Ａおよび図８Ｂに示す表面電極８７ａ、裏面電極８８ａの間に所定のバイアス電圧を印加することで、電流ブロック層に制限されたメサ構造部の中央部に位置する活性層７３ａに電流を供給することができる。閾値電流未満では、自然放出と吸収が生じる。一方、閾値電流以上、すなわち誘導放出が吸収を上回る状態となるとレーザ発振可能な状態となる。【００７３】
レーザ発振可能な状態になると、誘導放出により増幅された光は、ＭＭＩ理論（上記非特許文献１参照）により、第３の導波路領域Ｄ１６ではマルチモードとして伝播することになる。一方、その両端部にある第１の導波路領域Ｄ１４、及び第５の導波路領域Ｄ１８においては、０次モード及び１次モードとして伝播する。本変形例３においては、ＭＭＩ導波路の領域長を上記数１及び２に従って設計している。【００７４】
１×１−ＭＭＩ導波路１２ｄの領域長を上記数1及び２の条件に合うように設計することにより、奇モードを１×１−ＭＭＩ導波路１２ｄ内で励振させることができない。このため、奇モードは、能動導波路内（半導体レーザキャビティー内）において定在波として存在することができない。従って、第１の擬似基本モード導波路１１ｄ及び第２の擬似基本モード導波路２１ｄ内で１次モードが発生しても、１次モードは奇モードであるために定在波として存在することができない。また、第１の擬似基本モード導波路１１ｄ及び第２の擬似基本モード導波路２１ｄは、０次モード（基本モード）及び１次モードのみを許容する導波路であることから、結局レーザ発振光は０次モード（基本モード）のみ、出力することになる。この原理を利用することにより、擬似基本モード導波路及びテーパー導波路をキャビティ内に配置することができる。【００７５】
また、基本モード導波路に代えて擬似基本モード導波路を採用することにより、導波路幅を広く設定することが可能となる。その結果、素子抵抗をより小さくすることができ、低消費電力特性が向上する。また、テーパを設けることにより、異なる導波路の境界において過剰損失を究極的に抑制することが可能となる。その結果、さらに効果的に高光出力化を達成できる。【００７６】
ここで、第１の擬似基本モード導波路１１ｄ、第２の擬似基本モード導波路２１ｄに代えて、２μｍ幅の基本モード導波路をそれぞれに用いた場合、本変形例３と同程度の過剰損失を究極的に抑制するためのテーパー領域長を検討した。その結果、そのテーパー領域長を１２０μｍ又はそれ以上の長さにしなければならないことがわかった。この場合、ＭＭＩ領域以外の領域長が長くなってしまうという問題が生じる。能動導波路に占める第２の導波路たる１×１―ＭＭＩ導波路１２ｄの領域長の割合が低下すれば、レーザ素子全体としてみた場合の抵抗がむしろ上がってしまい、本来の目的である低抵抗化による低消費電力、高光出力特性の向上を達成できなくなってしまう。【００７７】
一方、本変形例３によれば、過剰損失を究極的に抑制するために、テーパーを設ける領域を、３０μｍ程度とすることができる。従って、基本モード導波路を適用する場合に比して、１×１−ＭＭＩ導波路１２ｄの能動導波路中の領域長の割合は、ほとんど低下しない。従って、低消費電力特性を実現しつつ、高光出力特性を実現可能なレーザを提供することができる。【００７８】
また、本変形例３に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザの層構造は、通常の半導体レーザの層構造と同等である。このため、本変形例３に係るアクティブＭＭＩ型半導体レーザ１０３は、通常の半導体レーザの製造工程と同一の工程で製造することが可能である。すなわち、すでに確立された製造方法のみによって製造することが可能なため、再現性及び歩留まりに優れたものを提供することができる。従って、低コスト化を達成できる。なお、本変形例３ではＭＭＩ領域を１×１としたが、これに限定されるものではなく１×Ｎ−ＭＭＩ（Ｎは正の整数）についても適用可能である。また変形例１と同様に複数のＭＭＩ領域を有する構成も適用可能である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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