(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層の光利得分布とは独立に、発振波長λeを選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備えた、分布帰還型半導体レーザ素子において、
発振波長λeは、回折格子の周期と導波路の実効屈折率で決定される分布帰還型レーザ素子の発振波長を表し、
活性層の光利得分布のピーク波長λmaxに対する吸収係数αmaxが発振波長λeに対する吸収係数αeよりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域が、共振器構造内に設けられ、
吸収領域を構成する回折格子の材料のバンドギャップ波長λgと、発振波長λeとが、０＜λe−λg≦１００ｎｍの関係にあり、かつ出射端面側の端面反射率が１０％以上３０％以下であることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
【請求項２】
所定使用温度範囲のうちの少なくとも低温領域で、αmax＞αeが成立することを特徴とする請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
【請求項３】
使用温度の変化に応じてデチューニング量の絶対値｜λe−λmax｜が変化し、使用温度範囲内の使用温度でのデチューニング量の絶対値｜λe−λmax｜の最大値が３０ｎｍ以上となることを特徴とする請求項１または２に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
【請求項４】
出射端面側の端面反射率が１０％以上２０％以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布帰還型半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、広い温度範囲で安定した単一モード発振が可能であって、発振波長のモードと副モードの抑圧比（ＳＭＳＲ）が大きく、しかもデチューニング量の絶対値を大きくしても、光出力効率が高く、単一モード性が良好で、反射戻り光耐性が高い、特に光通信用の光源として最適な分布帰還型半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザと言う）は、屈折率（複素屈折率）の実部または虚部が周期的に変化する回折格子を共振器内部に有し、特定の波長の光にだけ帰還がかかるようにすることにより、波長選択性を備えたレーザである。
屈折率が周期的に周囲と異なる化合物半導体層からなる回折格子を活性層の近傍に備えたＤＦＢレーザでは、ＤＦＢレーザの発振波長λe が、回折格子の周期Λと導波路の実効屈折率ｎeffに基づいてλe ＝２ｎeffΛの関係式によって決定されるので、回折格子の周期Λと導波路の実効屈折率ｎeffとを調節することにより、活性層の光利得のピーク波長λmax とは独立に発振波長λe を設定することができる。
【０００３】
例えば、ＤＦＢレーザの発振波長λe を活性層の光利得分布のピーク波長λmax よりも短波長側に設定すると、微分利得が大きくなるので、ＤＦＢレーザの高速変調特性などが向上する。
また、ＤＦＢレーザの発振波長λe を活性層の光利得分布のピーク波長λmax 程度に設定すると、室温での閾値電流が小さくなる。
また、ＤＦＢレーザの発振波長λe を活性層の光利得分布のピーク波長λmax よりも長波長側に設定すると、温度特性が良好になり、高温での動作特性や、高温あるいは大電流注入時の高光出力特性が向上する。
【０００４】
ところで、従来のＤＦＢレーザでは、発振波長λe が活性層の光利得分布のピーク波長λmax より短波長側にあっても、或いは長波長側にあっても、▲１▼しきい値電流を低く抑えられる、▲２▼単一モード動作を保持するなどの理由から、発振波長λe は、活性層の光利得分布のピーク波長λmax から約±２０ｎｍ以内の近い波長範囲に設定されている。
また、従来のＤＦＢレーザでは、回折格子を構成する化合物半導体層は、活性層のバンドギャップ・エネルギー及び発振波長のエネルギーよりもかなり大きいバンドギャップ・エネルギーを有する。つまり、回折格子を構成する化合物半導体層のバンドギャップ波長λg は、通常、発振波長λe から１００ｎｍ以上短波長側にあって、該化合物半導体層は発振波長λe に対して透明な、ほとんど光吸収のない、即ち損失のない層である。そして、屈折率の周期的変化を示す回折格子は、前記化合物半導体層を積層した後、エッチングして周期的に並列に存在する層の列を形成することにより、作製されている。
【０００５】
ここで、更に、従来のＤＦＢレーザを具体的に説明すると、従来のＤＦＢレーザは、図５（ａ）に示すように、λe が１５５０ｎｍで、λg が１２００ｎｍから１３００ｎｍの範囲であって、λg ＜λe 〜λmax である第１の従来例と、図５（ｂ）に示すように、λe が１５５０ｎｍで、λg が１６５０ｎｍであって、λmax 〜λe ＜λg である第２の従来例とに大別できる。尚、λe 〜λmax 又はλmax 〜λe は、λe とλmax との大小関係は不定ないしどちらでも良いというこを意味する。
第１の従来例では、λe −λg ＝約３００ｎｍであり、一方、第２の従来例ではλe −λg ＝約−１００ｎｍである。
ここで、図５（ａ）及び（ｂ）の実線の曲線は横軸の波長に対する活性層の光利得分布を示し、破線の曲線は横軸の波長に対する回折格子層の吸収（損失）量を示す曲線である。
また、λe は回折格子の周期と導波路の実効屈折率で決まるＤＦＢレーザの発振波長、λg は回折格子層のバンドギャップ波長、λmax は活性層の光利得分布のピーク波長、回折格子層の埋め込み層、通常はＩｎＰ層のバンドギャップ波長はλInP （＝９２０ｎｍ）である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＤＦＢレーザでは、回折格子の周期を調節してＤＦＢレーザの発振波長λe を活性層の光利得分布のピーク波長λmax から離して設定した場合、ＤＦＢレーザの設定発振波長λe ではなく、活性層の光利得分布のピーク波長λmax でファブリ・ペロー発振する現象が生じることがあった。
また、ＤＦＢレーザの設定発振波長λe で発振していても、ＤＦＢレーザの設定発振波長λe の発振モードと活性層の光利得分布のピーク波長λmax 付近のモードとの副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が、十分に大きく取れないという問題があった。例えば従来のＤＦＢレーザでは、ＤＦＢレーザの発振波長λe のデチューニング量によって異なるものの、副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）は３５ｄＢから４０ｄＢの範囲であって比較的小さかった。この結果、従来のＤＦＢレーザでは、活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対するＤＦＢレーザの発振波長λe のデチューニング量（λe −λmax ）を大きくすることが出来ないという問題が生じていた。
【０００７】
更に説明すると、ＤＦＢレーザの発振波長λe が回折格子層のバンドギャップ波長λg より大きな第１の従来例は、発振波長λe の吸収損が小さく、従って閾値電流が小さく、光出力−注入電流特性が良好であるという利点を有するものの、回折格子層と回折格子の埋め込み層、例えばＩｎＰ埋め込み層との屈折率差が小さいので、回折格子と活性層との距離を小さくする必要がある。その結果、回折格子層の膜厚、デューティ（Duty) 比によって結合係数が大きく変動し、同じ特性のＤＦＢレーザを安定して作製することが難しい。
また、ＤＦＢレーザの発振波長λe に対する吸収係数をαe 、活性層のバンドギャップ波長、つまり活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対する吸収係数をαmax とすると、αe ≒αmax ≒０であって、活性層の光利得分布のピーク波長付近のファブリ・ペロー発振モード及びＤＦＢレーザの発振モードともに抑制効果が小さい。従って、デチューニング量の絶対値｜λe −λmax ｜を大きくすると、縦モードの単一モード性が低下するので、デチューニング量の絶対値｜λe −λmax ｜を大きくできないという問題があった。
【０００８】
回折格子層のバンドギャップ波長λg がＤＦＢレーザの発振波長λe がより大きな第２の従来例は、回折格子層とＩｎＰ埋め込み層との屈折率差が大きいので、回折格子と活性層との距離を大きくすることができ、その結果、回折格子層の膜厚、デューティ（Duty) 比によって結合係数が変動し難いので、同じ特性のＤＦＢレーザを安定して作製することができるから、製品歩留りが高いという利点を有する。
一方、発振波長λe に対する吸収損失が大きく、吸収型の回折格子となるために、閾値電流が大きく、光出力−注入電流特性が良好でないという問題を有する。また、αe ≒αmax ＞０であって、ファブリ・ペロー発振モード及びＤＦＢレーザの発振モードともに抑制効果があるものの、デチューニング量の絶対値｜λe −λmax ｜を大きくすると、縦モードの単一モード性が低下するので、デチューニング量の絶対値｜λe −λmax ｜を大きくできないという問題があった。
【０００９】
デチューニング量の絶対値｜λe −λmax ｜を大きくできないという上記の問題は、特にＤＦＢレーザを広い温度範囲、例えば−４０℃〜＋８５℃というような広い温度範囲で動作させる場合に顕著であった。
通常、ＤＦＢレーザの動作温度が変化すると、動作温度の変化に対する活性層の光利得分布のピーク波長λmax の変化量と、同じく動作温度の変化に対するＤＦＢレーザの発振波長λe の変化量とに差があるため、広い温度範囲にわたり活性層の光利得分布のピーク波長λmax とＤＦＢレーザの発振波長λe の差、つまりデチューニング量の絶対値｜λe −λmax ｜を一定に保つことはできなかった。
【００１０】
具体的には、例えば、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体材料では、活性層の光利得分布のピーク波長λmax の温度依存性は約０．４ｎｍ／℃であり、ＤＦＢレーザの発振波長λe の温度依存性は約０．１ｎｍ／℃である。
従って、−４０℃から＋８５℃までの温度範囲でＤＦＢレーザを動作させると、−４０℃のデチューニング量と＋８５℃のデチューニング量との間で、以下の計算のように、デチューニング量は約４０ｎｍの差がある。
（０．４−０．１）×（８５−（−４０））
＝３７．５ｎｍ
【００１１】
全動作温度範囲で単一モード性や変調特性などを良好に保つためには、ある温度（例えば室温）でのデチューニング量に注目すると、その温度でのデチューニング量をある一定の範囲内に収める必要がある。従って、デチューニング量を大きくすることが困難である。
上述の例では、高温（例えば＋８５℃）でデチューニング量を０ｎｍ程度にして、光利得の低下が著しい高温動作時で、光利得分布のピーク波長λmax で発振するように設計すると、低温（例えば−４０℃）におけるデチューニング量は＋４０ｎｍ程度の大きい値になってしまう。
このようにデチューニング量が大きい場合は、ＤＦＢレーザの設定発振波長λe ではなく、光利得分布のピーク波長λmax でファブリ・ペロー発振してしまうため、単一モード動作を実現することができなくなってしまう。
【００１２】
ところで、ＤＦＢレーザの設定発振波長λe と活性層の光利得分布のピーク波長λmax とが離れている場合に、つまりデチューニング量が大きい場合に、光利得分布のピーク波長λmax でのファブリ・ペロー発振を抑制するために、従来、レーザ端面の少なくとも一方に無反射コーティングを施して端面反射率を数％以下に低くすることが試みられている。
そして、光出力効率の観点から、通常、無反射コーティングはレーザ出射端面側に施されている。
【００１３】
しかし、このように、レーザの出射端面の端面反射率を低くすると、反射戻り光耐性が低下してしまうという問題があった。これは、レーザから出射した光が外部で反射して再びレーザ自身に戻ってきたときに、レーザの出射端面反射率が低いために、反射戻り光がレーザ共振器内部まで戻り易くなるからである。
そして、反射戻り光がレーザ共振器まで戻ると、レーザ発振の状態が影響を受けて雑音が誘起され、レーザ動作が不安定になる。
上述の例で、低温（例えば−４０℃）におけるデチューニング量が＋４０ｎｍ程度と大きくなり、ファブリ・ペロー発振し易くなる対策として、無反射コーティングを施すと、反射戻り光耐性が低下してしまうことになる。
【００１４】
以上の説明から判るように、ＤＦＢのレーザの設定発振波長λe と活性層の光利得分布のピーク波長λmax が離れているときに、つまりデチューニング量が大きいときに、光利得分布のピーク波長λmax のファブリ・ペロー発振を抑制し、かつ、反射戻り光耐性を低下させないように出来る、信頼するに足る技術は、従来は、確立されていなかった。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、上記のような問題を解決するため、第１には、ＤＦＢレーザの発振波長λe の吸収損失が小さく、かつ活性層の光利得分布のピーク波長λmax の吸収損失が大きい、従って閾値電流が小さく、かつ光出力−注入電流特性が良好で、デチューニング量の絶対値｜λe −λmax ｜を大きくしても、縦モードの良好な単一モード性を維持できる、半導体レーザ素子を提供することであり、第２には、ＤＦＢレーザの回折格子層の膜厚、デューティ（Duty）比によって結合係数が変動し難い、従って製品歩留りが高い構成のＤＦＢレーザを提供することである。
【００１６】
更に、本発明の目的は、以上の目的を達するＤＦＢレーザであって、しかも、ＤＦＢレーザの設定発振波長λe と活性層の光利得分布のピーク波長λmax が離れているときでも、つまりデチューニング量が大きいときでも、光利得分布のピーク波長λmax でのファブリ・ペロー発振を抑制し、かつ、反射戻り光耐性が高い分布帰還型半導体レーザ素子を提供することである。
つまり、本発明の目的は、デチューニング量の絶対値を大きくしても、縦モードの単一モード動作が保持でき、しかも反射戻り光に対して強い耐性を有するＤＦＢレーザを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述の出射端面の端面反射率と、光出力効率、縦モードの単一モード性、及び反射戻り光耐性との関係を調べるために、以下の実験を行った。
実験例
先ず、図６を参照して、実験に供したＤＦＢレーザ素子４０の構成を説明する。図６は実験に供したＤＦＢレーザ素子の構成を示す斜視図、図７は図６の矢視III −III の分布帰還型半導体レーザ素子の断面図である。
ＤＦＢレーザ素子４０は、発振波長λe を１５５０ｎｍに、回折格子材料のバンドギャップ波長λg を１５１０ｎｍに、活性層の２５℃付近の光利得分布のピーク波長λmax を１５３０ｎｍに設定した埋め込みへテロ型ＤＦＢレーザ素子である。
ＤＦＢレーザ素子４０は、ｎ−ＩｎＰ基板４２上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、順次、エピタキシャル成長させた、膜厚１μｍのｎ−ＩｎＰバッファ層４４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層４６、膜厚２００ｎｍのｐ−ＩｎＰスペーサ層４８、周期Λが２４０ｎｍであって、膜厚２０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層からなる回折格子５０、及び回折格子５０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層５２の積層構造を備えている。
【００１８】
ｎ−ＩｎＰ基板４２の上部、及び積層構造を構成するｎ−ＩｎＰバッファ層４４、活性層４６、ｐ−ＩｎＰスペーサ層４８、回折格子５０、及び回折格子５０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層５２は、活性層４６の幅が１．５μｍになるメサストライプにエッチング加工されている。
そして、メサストライプの両側には、ｐ−ＩｎＰ層５４及びｎ−ＩｎＰ層５６からなるキャリアブロック構造が形成されている。
更に、ＤＦＢレーザ素子４０は、ＩｎＰ第１クラッド層５２及びｎ−ＩｎＰ層５６上に、膜厚２μｍのｐ−ＩｎＰ第２クラッド層５８、及び高濃度でドープされたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層６０を備え、また、コンタクト層６０上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜からなるｐ側電極６２、及び基板１２の裏面にＡｕＧｅＮｉからなるｎ側電極６４を備えている。
【００１９】
上述のＤＦＢレーザ素子４０の構成を備え、後端面に９０％の高反射率の膜をコーティングし、前端面には反射率が１％、５％、１０％、２０％、３０％、及び５０％（但し、３０％は劈開端面のままの状態、つまりコーティング無しである）となるようにコーティング膜を施したものを実験例１から６のＤＦＢレーザ素子とした。
そして、それぞれの実験例のＤＦＢレーザ素子の光出力効率〔Ｗ／Ａ〕、単一モード歩留り、反射戻り光耐性歩留り、及び総合歩留りを測定ないし算出した。その結果は、表１に示す通りである。
【表１】
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【００２０】
単一モード歩留りとは、２５℃における副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）が３５ｄＢ以上のＤＦＢレーザ素子のうち、−４０℃〜＋８５℃の全温度範囲でＳＭＳＲが３５ｄＢ以上を保つＤＦＢレーザ素子の割合である。
反射戻り光耐性歩留りとは、外部の反射点での反射が−１５ｄＢ（約３％程度）あるときの相対強度雑音（ＲＩＮ）が−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下であるＤＦＢレーザ素子の割合である。
総合歩留りは、単一モード歩留りと反射戻り光耐性歩留りとの積として算出されている。
【００２１】
表１から判る通り、前端面の反射率が大きくなると、光出力効率と単一モード歩留まりは低下するが、反射戻り光耐性歩留まりは増加する。単一モード歩留まりと反射戻り光耐性歩留まりとの積である総合歩留まりは、出射端面の端面反射率が１０％から３０％の範囲で高くなっている。
また、０．３〔Ｗ／Ａ〕以上の光出力効率が必要であるとすると、出射端面の端面反射率の範囲は、１０％以上２０％以下である。
【００２２】
上記目的を達成するために、上述の実験の結果を踏まえて、本発明に係る分布帰還型半導体レーザ素子（以下、第１の発明と言う）は、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λe を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備えた、分布帰還型半導体レーザ素子において、
活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対する吸収係数αmax が発振波長λe に対する吸収係数αe よりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域が、共振器構造内に設けられ、
かつ出射端面側の端面反射率が１０％以上３０％以下であることを特徴としている。
【００２３】
第１の発明並びに後述の第２の発明で、活性層の近傍とは、活性層で発生した光を感知できる範囲内にあることを意味する。
活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対する吸収係数が、半導体レーザ素子の発振波長λe に対する吸収係数よりも大きくなるような吸収領域を設け、活性層の光利得分布のピーク波長λmax 付近のモードのみ選択的に吸収して、活性層の光利得分布のピーク波長λmax 付近のファブリ・ペロー発振を抑制する。これにより、発振波長λe の波長選択性を高め、かつ副モード抑圧比（ＳＭＳＲ）を大きくして、単一モード性を向上させることができる。よって、製品歩留りが向上する。
換言すれば、活性層の光利得分布のピーク波長λmax 付近のファブリ・ペロー発振を選択的に抑制するので、デチューニング量（λe −λmax ）を大きくしても、縦モードの良好な単一モード性を維持できる。また、高い動作温度でも、単一モードを維持できるので、高温での高出力特性が良好である。
【００２４】
本発明に係る別の分布帰還型半導体レーザ素子（以下、第２の発明と言う）は、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λe を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備えた、分布帰還型半導体レーザ素子において、
活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対する吸収係数αmax が発振波長λe に対する吸収係数αe よりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域が、共振器構造内に設けられ、
吸収領域のバンドギャップ波長λg と、発振波長λe とが、０＜λe −λg ≦１００ｎｍの関係にあり、
かつ出射端面側の端面反射率が１０％以上３０％以下であることを特徴としている。
【００２５】
第２の発明の吸収領域とは、化合物半導体層で形成された領域であって、その領域のバンドギャップ波長λg と発振波長λe とが、０＜λe −λg ≦１００ｎｍの関係にある領域を言い、回折格子層のみならず、回折格子層以外の化合物半導体層を含む広い概念である。また、従来技術の説明では、前述のように、回折格子層のバンドギャップ波長をλg と定義しているが、第２の発明では、従来技術のλg の定義を広げて、λg を、広く吸収領域のバンドギャップ波長と定義している。
【００２６】
第２の発明は、第１の発明の効果に加えて、更に次の効果を有する。
第２の発明では、吸収領域のバンドギャップ波長λg 、つまり回折格子層のバンドギャップ波長λg と分布帰還型半導体レーザ素子の発振波長λe との関係が、０＜λe −λg ≦１００ｎｍの関係にあって、分布帰還型半導体レーザ素子の発振波長λe が回折格子層のバンドギャップ波長λg より大きいので、発振波長λe の吸収損が小さく、従って閾値電流が小さく、光出力−注入電流特性が良好であるという利点を有する。
更には、回折格子の埋め込み層をＩｎＰ層としたとき、第２の従来例と同様に、回折格子層とＩｎＰ埋め込み層との屈折率差が大きいので、回折格子と活性層との距離を大きくすることができ、その結果、回折格子層の膜厚、デューティ（Duty) 比によって結合係数が変動し難いので、同じ特性の分布帰還型半導体レーザ素子を安定して作製することができるから、製品歩留りが高いという利点を有する。
つまり、第２の発明は、第１の従来例と第２の従来例のそれぞれの利点を合わせ有する。
【００２７】
第２の発明では、λe −λg の値は、０より大きく１００ｎｍ以下であり、さらに好適には０より大きく７０ｎｍ以下の範囲にある。
また、第２の発明では、活性層の光利得分布のピーク波長λmax は、図８（ａ）及び（ｂ）に示すように、λg ＜λmax ＜λe 、又はλmax ＜λg ＜λe の関係にある。
λg ＜λmax ＜λe のときには、これにより、温度特性が良好になり、高温での動作特性や、高温あるいは大電流注入時の高光出力特性が向上する、例えばλe −λmax ＝２０ｎｍに、λe −λg ＝４０ｎｍに設定する。また、λmax ＜λg ＜λe のときには、これにより、αmax を大きくすることができるので、ファブリペローモードを十分に抑制する効果があり、例えばλe −λmax ＝３０ｎｍ、λg −λmax は１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。
【００２８】
第１及び第２の発明では、吸収領域での、活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対する吸収係数αmax と、発振波長λe に対する吸収係数αe との差、αmax −αe は大きければ大きいほど本発明の効果を奏する上で好ましいが、実用的には、導波路損失に換算してαmax −αe ≧１ｃｍ-1であれば、本発明の効果を得ることができる。αmax −αe ≧５ｃｍ-1であれば、さらに顕著な効果を得ることができる。
また、吸収領域では、αe が実質的に０であること、つまり吸収領域が発振波長λe に対して透明であることが好ましい。これにより、吸収領域を設けても、発振波長の導波路損失が増加せず、閾値電流値や発光効率が劣化しない。
【００２９】
更に、第１及び第２の発明では、量子効果による急峻な吸収端を有する吸収領域を設けることにより、例えば、急峻な吸収端を有する量子井戸層や量子ドット層を選択的な吸収領域として設けることにより、活性層の利得ピーク波長に対する吸収係数αmax と、発振波長に対する吸収係数αe との間に大きな差を実現することができる。なお、ここで、量子化されているとは、吸収領域を構成する化合物半導体層のサイズが、電子の量子力学的波長程度まで薄く、量子効果を示すことができるサイズであることを意味する。
【００３０】
更に、第１及び第２の発明では、波長選択構造が回折格子として構成されていても良いし、吸収領域として機能する選択的吸収層が、活性層の近傍に回折格子とは別に形成されていてもよい。
なお、選択的吸収層を回折格子とは別に形成する場合、選択的吸収層は、活性層を挟んで回折格子と反対側に配置しても、或いは回折格子と同じ側に配置しても、問題はない。但し、反対側に配置した方が、活性層との距離を任意に選択可能であるから、設計の自由度は大きくなる。
【００３１】
また、第１及び第２の発明で、αmax ＞αe は所定使用温度範囲の全域で成立することが好ましいが、所定使用温度範囲の一部、例えば、０℃以下の低温領域のみにおいて、αmax ＞αe が成立するだけでも良い。その場合、特に低温におけるλmax 付近のファブリ・ペローモードの発振を抑制することができる。
更には、第１及び第２の発明では、使用温度の変化に応じてデチューニング量の絶対値｜λe −λmax ｜が変化し、使用温度範囲内の使用温度でのデチューニング量の絶対値｜λe −λmax ｜の最大値が３０ｎｍ以上となったとしても、縦モードの単一モード性や変調特性が良好で、しかも光出力効率が高く、反射戻り光耐性が良好であるという効果がある。
第１及び第２の発明で、光出力効率を高める点で、出射端面側の端面反射率を１０％以上２０％以下にすることが好ましい。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１
本実施形態例は、第１及び第２の発明に係る分布帰還型半導体レーザ素子を一体的に一つのＤＦＢレーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図１は本実施形態例の半導体レーザ素子の構造を示す部分断面斜視図、図２は図１の矢視Ｉ−Ｉの半導体レーザ素子の断面図である。尚、実施形態例１で示す化合物半導体層の組成、膜厚等は本発明の理解のための例示であって、本発明はこれらの例示に限定されるものではない。
本実施形態例の分布帰還型半導体レーザ素子１０は、発振波長λe を１５５０ｎｍに、回折格子材料のバンドギャップ波長λg を１５１０ｎｍに、活性層の２５℃付近の光利得分布のピーク波長λmax を１５３０ｎｍに設定した埋め込みへテロ型ＤＦＢレーザ素子であって、実験で使用したＤＦＢレーザ素子７０と同じ積層構造を備え、出射端面及び後端面は、それぞれの端面反射率が１０％及び９０％になるようにコーティングされている。
【００３３】
ＤＦＢレーザ素子１０は、ｎ−ＩｎＰ基板１２上に、ＭＯＣＶＤ法等によって、順次、エピタキシャル成長させた、膜厚１μｍのｎ−ＩｎＰバッファ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、膜厚２００ｎｍのｐ−ＩｎＰスペーサ層１８、周期Λが２４０ｎｍであって、膜厚２０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ層からなる回折格子２０、及び回折格子２０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層２２の積層構造を備えている。
活性層１６の光利得分布のピーク波長λg は約１５３０ｎｍであり、回折格子２０のバンドギャップ波長λg は約１５１０ｎｍである。
【００３４】
ｎ−ＩｎＰ基板１２の上部、及び積層構造を構成するｎ−ＩｎＰバッファ層１４、活性層１６、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１８、回折格子２０、及び回折格子２０を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層２２は、活性層１６の幅が１．５μｍになるメサストライプにエッチング加工されている。
そして、メサストライプの両側には、ｐ−ＩｎＰ層２４及びｎ−ＩｎＰ層２６からなるキャリアブロック構造が形成されている。
更に、ＤＦＢレーザ素子１０は、ＩｎＰ第１クラッド層２２及びｎ−ＩｎＰ層２６上に、膜厚２μｍのｐ−ＩｎＰ第２クラッド層２８、及び高濃度でドープされたｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層３０を備え、また、コンタクト層３０上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕの積層金属膜からなるｐ側電極３２、及び基板１２の裏面にＡｕＧｅＮｉからなるｎ側電極３４を備えている。
【００３５】
本実施形態例では、バンドギャップ波長λg が約１５１０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰで回折格子２０を形成することにより、回折格子２０では、バンド端のすその影響によって、活性層１６の光利得分布のピーク波長の１５３０ｎｍ付近で多少の吸収が生じるものの、発振波長として設定した１５５０ｎｍ付近の波長に対しては、ほとんど吸収が起らない。即ち、活性層の光利得分布のピーク波長に対する吸収係数αmax が発振波長に対する吸収係数αe よりも大きくなっている。
尚、回折格子２０のバンドギャップ波長λg を活性層の光利得分布のピーク波長１５３０ｎｍとＤＦＢレーザ１０の発振波長１５５０ｎｍの間に設定することによって、大きな吸収係数の差を実現することもできる。
【００３６】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０を評価するために、上述の積層構造を備えたウエハを劈開によりチップ化した。そして、出射端面に端面反射率が１０％の膜を、後端面には端面反射率が９０％の高反射率の膜をコーティングしてレーザ特性を測定したところ、以下に示すような測定結果を得た。
ＤＦＢレーザ素子１０は、良好な単一モードで安定して発振し、副モード抑圧比として４５ｄＢ〜５０ｄＢの大きな値が得られた。尚、回折格子のバンドギャップ波長が大きい従来タイプのＤＦＢレーザ素子（以下、従来型ＤＦＢレーザ素子と言う）では、このような大きな副モード抑圧比は得られ難く、おおよそ３５ｄＢ〜４０ｄＢ程度である。
【００３７】
また、閾値電流も９ｍＡと低く、発光効率も従来型ＤＦＢレーザ素子と比較して遜色はなかった。従って、回折格子２０の発振波長に対する吸収は十分に小さいと思われる。そして、回折格子２０が活性層１６の光利得分布のピーク波長付近のモードに対してのみ選択吸収的に働き、利得ピーク波長付近のファブリ・ペロー発振が抑制されたことにより、副モード抑圧比が改善されたと考えられる。さらに、素子ごとでの結合係数のばらつきも小さく、均一性の良い特性が得られた。
本実施形態例では、回折格子２０のバンドギャップ波長λg （１５１０ｎｍ）を従来のＤＦＢレーザ素子の回折格子のバンドギャップ波長λg 、例えば１２００ｎｍよりも大きくしたことにより、回折格子２０の屈折率と周囲のＩｎＰ層の屈折率の差が大きくなるので、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１８の膜厚を厚くして回折格子２０を活性層１６から離しても、十分に大きな回折格子結合係数を得ることができるため、回折格子の膜厚やデューティ比によって結合係数が変動しにくい。従って、結晶成長プロセスや作製プロセスでのトレランスが緩和され、安定した製造を行うことができる。
【００３８】
また、高温（＋８５℃）におけるデチューニング量は、約０ｎｍ（λmax 〜λe ）であるため、しきい値電流も２６ｍＡと良好であった。
更に、低温（−４０℃）において、デチューニング量が＋４０ｎｍ程度であり、出射端面反射率も１０％であるにもかかわらず、単一モード歩留まりは８５％と良好であった。このことは、回折格子２０によってλmax 付近のファブリ・ペローモードが選択的に吸収されて、発振が抑制されていることに起因していると考えられる。
また、出射端面の端面反射率が１０％であるので、光出力効率が０．３２〔Ｗ／Ａ〕と高く、反射戻り光耐性歩留りも高かった。
【００３９】
以下に、図３及び図４を参照して、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０の作製方法を説明する。図３（ａ）から（ｃ）、及び図４（ｄ）と（ｅ）は、それぞれ、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０を作製する際の工程毎の断面図である。図３は図１の矢視Ｉ−Ｉでの断面であり、図４は図１の矢視II−IIでの断面である。
先ず、ＭＯＣＶＤ結晶成長装置を用い、成長温度６００℃で、ｎ−ＩｎＰ基板１２上に、順次、膜厚１μｍのｎ−ＩｎＰバッファ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１６、膜厚２００ｎｍのｐ−ＩｎＰスペーサ層１８、及び膜厚２０ｎｍのＧａＩｎＡｓＰ回折格子層２０′をエピタキシャル成長させて、図３（ａ）に示すように、積層構造を形成する。
【００４０】
次いで、回折格子層２０′上に電子ビーム（ＥＢ）描画用レジストを約１００ｎｍの厚さで塗布し、ＥＢ描画装置により描画して、周期Λが２４０ｎｍの回折格子パターン２１を形成する。
続いて、回折格子パターン２１をマスクとして、ドライエッチング装置によりエッチングを行い、回折格子層２０′を貫通する溝２３を形成し、溝底にｐ−ＩｎＰスペーサ層１８を露出させ、図３（ｂ）に示すように、回折格子２０を形成する。
次に、回折格子パターン２１を除去し、続いてＭＯＣＶＤ結晶成長装置によって、図３（ｃ）に示すように、回折格子２０を埋め込むｐ−ＩｎＰ第１クラッド層２２を再成長させる。
【００４１】
次に、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層２２上にＳｉＮX 膜をプラズマＣＶＤ装置を用いて成膜し、続いてフォトリソグラフィと反応性イオンエッチング装置（ＲＩＥ）により、ＳｉＮX 膜をストライプ形状に加工して、ＳｉＮX 膜マスク２５を形成する。
次いで、ＳｉＮX 膜マスク２５をエッチングマスクとして、ｐ−ＩｎＰ第１クラッド層２２（回折格子２０）、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１８、活性層１６、ｎ−ＩｎＰバッファ層１４及びｎ−ＩｎＰ基板１２の上部をエッチングして、活性層幅が１．５μｍ程度のメサストライプに加工する。
更に、ＳｉＮX 膜マスク２５を選択成長マスクにして、順次、ｐ−ＩｎＰ層２４およびｎ−ＩｎＰ層２６を選択成長させて、図４（ｄ）に示すように、メサストライプの両脇にキャリアブロック構造を形成する。
【００４２】
次に、ＳｉＮX 膜マスク２５を除去した後、図４（ｅ）に示すように、膜厚２μｍのｐ−ＩｎＰ第２クラッド層２８と、ｐ側電極３２とオーミックコンタクトを取るために高濃度にドープしたＧａＩｎＡｓ層をコンタクト層３０としてエピタキシャル成長させる。
基板厚が１２０μｍ程度になるようにｎ−ＩｎＰ基板１２の裏面を研磨し、続いてコンタクト層３０上にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ積層金属膜をｐ側電極３２として形成し、基板裏面にはＡｕＧｅＮｉ膜をｎ側電極３４として形成する。
以上の積層構造を作製したウエハを劈開によりチップ化し、出射端面には反射率１０％、後端面には反射率９０％の膜コーティングを施した後、ボンディングする。これにより、図１にその積層構造を示すＤＦＢレーザ素子１０を形成することができる。
【００４３】
本実施形態例では、回折格子２０のバンドギャップ波長を活性層１６の光利得分布のピーク波長に近づけることにより、結果的に回折格子と周囲のＩｎＰ層の屈折率差が大きくなっているので、従来のＤＦＢレーザ素子よりも回折格子２０を活性層１６から離しても、所望の屈折率結合係数を得ることができる。従って、結晶成長プロセスや作製プロセスでのトレランスが緩和され、安定した製造を行うことができる。具体的には、回折格子の屈折率が３．４９、回折格子の周囲のＩｎＰ層の屈折率が３．１７であるので、屈折率差は０．３２と大きい。屈折率差が大きいほど回折格子を活性層から離すことができるが、目安としては、屈折率差は０．２５以上あれば良い。
【００４４】
実施形態例１では、１５５０ｎｍ帯のＤＦＢレーザ素子を例に挙げて説明したが、他の波長帯でも、同様に本発明に係る半導体レーザ素子を適用することができる。
また、実施形態例では、共振器全体に回折格子２０を配置したが、共振器の一部に配置しても、本実施形態例と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
【発明の効果】
第１の発明によれば、活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対する吸収係数αmax が発振波長λe に対する吸収係数αe よりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域を、活性層の近傍に設ける。これにより、活性層の光利得分布のピーク波長λmax 付近でのファブリ・ペローモードの発振を抑制することができ、設定した発振波長のモードと副モードの抑圧比（ＳＭＳＲ）を大きくすることができる分布帰還型半導体レーザを実現している。
また、デチューニング量を大きく取ることができるので、広い温度範囲で安定した縦モードの単一モード発振の持続が可能になる。
更には、出射端面に端面反射率が１０％以上３０％以下の膜を設けることにより、デチューニング量の絶対値が大きくても、縦モードの単一モード性が良好で、光出力効率が高く、しかも戻り光耐性が高い分布帰還型半導体レーザ素子を実現している。
【００４６】
第２の発明によれば、第１の発明の効果に加えて、吸収領域のバンドギャップ波長λg とＤＦＢレーザの発振波長λe との関係が、０＜λe −λg ≦１００ｎｍの関係にあって、ＤＦＢレーザの発振波長λe が回折格子層のバンドギャップ波長λg より大きいので、発振波長λe の吸収損が小さく、従って閾値電流が小さく、光出力−注入電流特性が良好な、分布帰還型半導体レーザ素子を実現している。
更には、埋め込み層をＩｎＰ層としたとき、回折格子層とＩｎＰ埋め込み層との屈折率差が大きいので、回折格子と活性層との距離を大きくすることができ、その結果、回折格子層の膜厚、デューティ（Duty) 比によって結合係数が変動し難くなるため、同じ特性のＤＦＢレーザを安定して作製することができるから、製品歩留りが高いという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の半導体レーザ素子の構造を示す部分断面斜視図である。
【図２】図１の矢視Ｉ−Ｉの半導体レーザ素子の断面図である。
【図３】図３（ａ）から（ｃ）は、それぞれ、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の断面図である。
【図４】図４（ｄ）と（ｅ）は、それぞれ、図３（ｃ）に引き続いて、実施形態例１の半導体レーザ素子を作製する際の工程毎の断面図であって、図１の矢視II−IIでの断面である。
【図５】図５（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、第１の従来例及び第２の従来例のλe 、λmax 、λg の関係を示す模式図である。
【図６】実験に供した分布帰還型半導体レーザ素子の構成を示す部分断面斜視図である。
【図７】図６の矢視III −III の分布帰還型半導体レーザ素子の断面図である。
【図８】図８（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、第２の発明のλe 、λmax 、λg の関係を示す模式図である。
【符号の説明】
１０  実施形態例１のＤＦＢレーザ素子
１２  ｎ−ＩｎＰ基板
１４  ｎ−ＩｎＰバッファ層
１６  ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
１８  ｐ−ＩｎＰスペーサ層
２０  回折格子
２０′ＧａＩｎＡｓ層
２１  回折格子パターン
２２  回折格子を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層
２３  溝
２４  ｐ−ＩｎＰ層
２６  ｎ−ＩｎＰ層
２８  ｐ−ＩｎＰ第２クラッド層
３０  ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
３２  ｐ側電極
３４  ｎ側電極
４０  実験に供したＤＦＢレーザ素子
４２  ｎ−ＩｎＰ基板
４４  ｎ−ＩｎＰバッファ層
４６  ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
４８  ｐ−ＩｎＰスペーサ層
５０  回折格子
５２  回折格子を埋め込んだｐ−ＩｎＰ第１クラッド層
５４  ｐ−ＩｎＰ層
５６  ｎ−ＩｎＰ層
５８  ｐ−ＩｎＰ第２クラッド層
６０  ｐ−ＧａＩｎＡｓコンタクト層
６２  ｐ側電極
６４  ｎ側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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