(57)【要約】【課題】異なる波長に対する光応答を均一化した光半導体装置を提供する。【解決手段】井戸層とバリア層とにより形成された多重量子井戸構造を有する光半導体装置において、井戸層のバンドギャップ波長λ1〜λNを、出力する光の波長の可変範囲に対応したバンドギャップ波長の範囲内Δλ＝λN−λ1で、不均一とした。【選択図】図５
2009124009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
井戸層とバリア層とにより形成された多重量子井戸構造を有する光半導体装置において、
出力する光の波長の可変範囲に対応したバンドギャップ波長の範囲内で、少なくとも１つの井戸層のバンドギャップ波長を、他の井戸層のバンドギャップ波長と異なるものとしたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光半導体装置において、
当該光半導体装置を、波長可変半導体レーザ又は半導体光増幅器とすることを特徴とする光半導体装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置において、
当該光半導体装置は、化合物半導体混晶からなる基板に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された前記多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造の上方に形成された上部クラッド層とを有し、
前記基板、前記下部クラッド層、前記上部クラッド層の組成をＩｎＰとし、前記井戸層と前記バリア層の組成を、組成比の異なるＩｎＧａＡｓＰとしたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置において、
当該光半導体装置は、化合物半導体混晶からなる基板に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された前記多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造の上方に形成された上部クラッド層とを有し、
前記基板、前記下部クラッド層、前記上部クラッド層の組成をＩｎＰとし、前記井戸層と前記バリア層の組成を、組成比の異なるＩｎＡｌＧａＡｓとしたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の光半導体装置において、
当該光半導体装置は、化合物半導体混晶からなる基板に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された前記多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造の上方に形成された上部クラッド層とを有し、
前記基板、前記下部クラッド層、前記上部クラッド層の組成をＩｎＰとし、前記井戸層の組成をＧａＩｎＮＡｓとし、前記バリア層の組成をＩｎＡｌＧａＡｓとしたことを特徴とする光半導体装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１つに記載の光半導体装置において、
前記多重量子井戸構造の両側を、ルテニウムをドープした半絶縁性結晶からなる埋込層で埋め込んだことを特徴とする光半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多重量子井戸構造を有する波長可変半導体レーザや半導体光増幅器などの光半導体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在のインターネットの爆発的な普及により、通信速度の大幅な向上が求められ、それに対応する技術として波長多重伝送技術（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）が開発されてきた。ＷＤＭ伝送では、統一規格で定められた光の波長ごとに情報を伝送している。特に、光ファイバの損失が最小となる光の波長１．５５μｍ付近では、最小０．８ｎｍ間隔で波長を使用するため、その光源には厳しい波長制御性が求められる。これらの光源には、低消費電力で動作し、波長安定性の良い半導体レーザが用いられている。しかし、用いる波長ごとに半導体レーザを用意するとコストが大きくなるので、１台で複数の波長をカバーできる波長可変半導体レーザがこれまで開発されてきた。
【０００３】
このような波長可変半導体レーザなどの光半導体装置は、半導体混晶基板を用いて形成され、その基板上に結晶を成長する工程などを経て完成される。その結晶成長の際には、基板材料と格子定数が整合する材料を選択することが多いが、格子定数が異なった材料からなる歪量子井戸も使用されている。歪量子井戸層は、多元系材料の組成をバリア層や基板と格子整合しない条件にすると共に、その膜厚を薄くして、強制的に基板と同じ格子定数になるようにしたものである。このような歪量子井戸は、例えば、半導体レーザの活性層に適用されており、歪を加えることによってエネルギーバンド構造の状態密度が変化し、半導体レーザの特性が向上する（非特許文献１）。
【０００４】
又、光出力の向上のために、複数の歪量子井戸を、バリア層を隔てて成長する多重量子井戸構造が多くの半導体レーザで採用されている。これらの量子井戸を含む活性部付近に、所望の波長に対してブラッグの回折条件を満足する回折格子を形成することで、電流を注入した際に、その波長で発振する半導体レーザとなる。波長可変半導体レーザでは、一般に、この回折格子や、外部に付加した位相調整領域に、電流や電圧を印加することで、回折格子のブラッグ波長を変化させ、発振する波長を変化させている。
【０００５】
【非特許文献１】Chung-En Zah et al., "High-Performance Uncooled 1.3-um Al(x)Ga(y)In(1-x-y)As/InP Strained-Layer Quantum-Well Lasers for Subscriber Loop Applications", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, Vol. 30, NO. 2, FEBRUARY 1994, PP.551-523
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、後述の図３に示すように、多重量子井戸構造に対する利得は、利得がピークとなる波長からずれると、その利得が急激に減少する。そのため、波長可変レーザでは、駆動波長が利得のピーク波長から離れるに従い、光出力が急激に減少し、外部に半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amp1ifier）などを接続して出力の均一化を図る必要がある。又、ＳＯＡ自体も増幅性能に波長依存性をもつため、波長の可変幅が広くなるほど、複雑な制御回路が必要となる。
【０００７】
本発明は上記課題に鑑みなされたもので、異なる波長に対する光応答を均一化した光半導体装置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】
【０００８】
上記課題を解決する第１の発明に係る光半導体装置は、
井戸層とバリア層とにより形成された多重量子井戸構造を有する光半導体装置において、
出力する光の波長の可変範囲に対応したバンドギャップ波長の範囲内で、少なくとも１つの井戸層のバンドギャップ波長を、他の井戸層のバンドギャップ波長と異なるものとしたことを特徴とする。
【０００９】
上記課題を解決する第２の発明に係る光半導体装置は、
上記第１の発明に記載の光半導体装置において、
当該光半導体装置を、波長可変半導体レーザ又は半導体光増幅器とすることを特徴とする。
【００１０】
上記課題を解決する第３の発明に係る光半導体装置は、
上記第１又は第２の発明に記載の光半導体装置において、
当該光半導体装置は、化合物半導体混晶からなる基板に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された前記多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造の上方に形成された上部クラッド層とを有し、
前記基板、前記下部クラッド層、前記上部クラッド層の組成をＩｎＰとし、前記井戸層と前記バリア層の組成を、組成比の異なるＩｎＧａＡｓＰとしたことを特徴とする。
【００１１】
上記課題を解決する第４の発明に係る光半導体装置は、
上記第１又は第２の発明に記載の光半導体装置において、
当該光半導体装置は、化合物半導体混晶からなる基板に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された前記多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造の上方に形成された上部クラッド層とを有し、
前記基板、前記下部クラッド層、前記上部クラッド層の組成をＩｎＰとし、前記井戸層と前記バリア層の組成を、組成比の異なるＩｎＡｌＧａＡｓとしたことを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決する第５の発明に係る光半導体装置は、
上記第１又は第２の発明に記載の光半導体装置において、
当該光半導体装置は、化合物半導体混晶からなる基板に形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に形成された前記多重量子井戸構造と、前記多重量子井戸構造の上方に形成された上部クラッド層とを有し、
前記基板、前記下部クラッド層、前記上部クラッド層の組成をＩｎＰとし、前記井戸層の組成をＧａＩｎＮＡｓとし、前記バリア層の組成をＩｎＡｌＧａＡｓとしたことを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する第６の発明に係る光半導体装置は、
上記第１〜第５のいずれか１つの発明に記載の光半導体装置において、
前記多重量子井戸構造の両側を、ルテニウムをドープした半絶縁性結晶からなる埋込層で埋め込んだことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、多重量子井戸構造のそれぞれの井戸層のバンドギャップ波長を、出力する光の波長の可変範囲に対応した範囲内で不均一とすることで、異なる光の波長に対する光応答（利得、閾値電流）の変動を低減して、光応答を均一化することができる。
【００１５】
例えば、波長１．５３〜１．５７μｍの範囲で可変させる波長可変半導体レーザに対しては、井戸層の数Ｎが３である場合には、井戸層のバンドギャップ波長を、その波長差Δλ＝５０〜１２５ｎｍの範囲で不均一とすることで、出力波長を安定させつつ、波長可変半導体レーザで問題となる光出力の変動を１．５３〜１．５７μｍの間で、従来と比較して大幅に低減することが可能となり、１．５５〜１．５６μｍの間では、従来と比較して更に大幅に低減することが可能となる。又、波長１．５３〜１．５７μｍの範囲に利得があるＳＯＡに対しても、井戸層の数Ｎが３である場合には、井戸層のバンドギャップ波長を、その波長差Δλ＝５０〜１２５ｎｍの範囲で不均一とすることで、ＳＯＡで問題となる利得の波長依存性を、１．５３〜１．５７μｍの間で、従来と比較して大幅に低減することが可能となり、１．５５〜１．５６μｍの間では、従来と比較して更に大幅に低減することが可能となる。
【００１６】
なお、井戸層のバンドギャップ波長を、出力する光の波長の可変範囲に対応した範囲内で不均一とする構成は、ＩｎＰ基板上に歪み量子井戸を形成可能なＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ及びＧａＩｎＮＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓを用いて多重量子井戸構造を形成することで容易に実現でき、上述した効果を確実に得ることができる。
【００１７】
又、多重量子井戸構造の両側を、ルテニウムをドープした半絶縁性結晶からなる埋込層で埋め込むことで、光半導体装置の放熱性を向上させて、温度変化による影響を低減させれば、上述した効果を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る光半導体装置の実施形態について、図面を参照して、詳細な説明を行う。
【実施例１】
【００１９】
図１（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る光半導体装置の実施形態の一例となる半導体レーザの構造を示したものであり、図１（ａ）は、その縦方向断面図、図１（ｂ）は、その横方向断面図である。ここで、縦方向、横方向は、それぞれ、光の進行方向に平行、垂直な方向を表す。又、後述する半導体量子井戸の特性は、半導体量子井戸の特性を極めて良く予測するｋ・ｐ摂動理論を用いて算出している。なお、これらの点は、後述する実施例においても同様である。
【００２０】
本実施例の光半導体装置である半導体レーザは、図１（ａ）に示すように、化合物半導体混晶であるｎ型のＩｎＰ基板１上に形成された厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層をＩｎＧａＡｓＰバリア層で挟み込んだ３層構造が下部クラッド層３上に多重に形成された多重量子井戸活性層２（多重量子井戸構造）、多重量子井戸活性層２上部に形成されたブラッグ波長１．５５μｍのＩｎＧａＡｓＰ回折格子層５、回折格子層５上に形成された厚さ１．５μｍのｐ−ｌｎＰ上部クラッド層４からなり、これらを積層した構造である。又、図１（ｂ）に示すように、この積層構造の両側は、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶の埋込層６からなり、積層構造を埋込層６で埋め込むようにして、放熱性を向上させて、温度変化による影響を低減させている。なお、本実施例の半導体レーザは、分布帰還型であり、波長可変半導体レーザとして駆動される。
【００２１】
又、本実施例では、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＩｎＧａＡｓＰバリア層に対しては、ＩｎＰ基板１との歪が０となるような組成とし、ＩｎＧａＡｓＰバリア層の厚さは１０ｎｍとしている。又、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層に対しては厚さを６ｎｍとすると共に、１％の圧縮歪が加えられる。
【００２２】
図２に、各井戸層のバンドギャップ波長を均一とした従来の多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を示す。例えば、Ｉｎ0.76Ｇａ0.24Ａｓ0.84Ｐ0.16井戸層をＩｎ0.79Ｇａ0.21Ａｓ0.46Ｐ0.54バリア層で挟み込む３層構造から、各井戸層が構成される場合、これらの組成に対して、井戸層のバンドギャップ波長は全てλw＝１．７６μｍ、バリア層のバンドギャップ波長は１．２μｍとなっている。以後、本実施例を含め、本発明においては、半導体混晶の組成比は、主に、歪とバンドギャップ波長によって特定している。
【００２３】
図３には、上述した従来の多重量子井戸構造の利得スペクトルを示す。ここでは、ピーク利得が半導体レーザの典型的な閾値である１０００ｃｍ-1となるキャリア密度（２×１０18ｃｍ-3）の場合を示している。図３に示すように、波長１．５５μｍをピークとして、そこから外れると利得が急激に減少している。ピーク利得から１０％減少した位置の波長幅をΔλcと定義すると、この場合、Δλcは２５ｎｍ程度である。
【００２４】
図４は、上述した従来の多重量子井戸構造において、その閾値電流の発振波長依存性を示している。ここでは、半導体レーザの閾値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-1とした場合を示している。図４において、縦軸は、発振波長１．５５μｍのときの値を１として規格化している。図４からわかるように、発振波長が中心波長からずれると、２０ｎｍ長波側では、閾値電流が２０％と大幅に増加する。
【００２５】
このような問題を解決するために、本発明においては、図５に示すように、多重量子井戸構造において、少なくとも１つの井戸層のバンドギャップ波長が、他の井戸層のバンドギャップ波長とは異なるようにしている。つまり、多重量子井戸構造中の各井戸層のバンドギャップ波長を不均一にしている。又、例えば、井戸層の数がＮ個あり、各井戸層のバンドギャップ波長を、基板１側から順番にλ1、λ2、・・・、λN-1、λNと大きくした場合には、両端の井戸層のバンドギャップ波長の差、つまり、最小のバンドギャップ波長と最大のバンドギャップ波長の差をΔλ＝λ1−λNとすると、出力（発振）する光の波長の可変範囲に対応したバンドギャップ波長の範囲内となるように、このΔλを設定している。
【００２６】
図６に、本実施例の多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を示す。ここでは、Ｎ＝３、Δλ＝１００ｎｍとし、λ1＝１．７１μｍ、λ2＝１．７６μｍ、λ3＝１．８１μｍであり、ピーク利得が１．５５μｍとなるように設定している。
【００２７】
図７に、Ｎ＝３、Δλ＝０（図中のuniform）、５０、１００、１２５ｎｍの場合において、ピーク利得が１０００ｃｍ-1となるキャリア密度での利得スペクトルを示す。Δλ＝０は、井戸層のバンドギャップ波長が均一であること、つまり、従来の多重量子井戸構造を示すものであり、Δλ＝１００ｎｍは、図６に示した本実施例の多重量子井戸構造を示すものである。なお、Δλ＝５０、１２５ｎｍの多重量子井戸構造に対しては、それぞれ、λ1＝１．７４μｍ、λ2＝１．７６５μｍ、λ3＝１．７９μｍ、λ1＝１．６７７５μｍ、λ2＝１．７４μｍ、λ3＝１．８０２５μｍとしている。
【００２８】
図７に示すように、Δλが大きくなるほど、利得スペクトルが広がっていくのがわかる。これは、バンドギャップ波長の異なるそれぞれの井戸層において、ピーク利得における波長が異なるためである。つまり、バンドギャップ波長の異なる井戸層は、それぞれ、異なる利得スペクトルを有しており、これらの異なる利得スペクトルを重ね合わせることで、全体の利得スペクトルとしては、スペクトル幅が広がったものを得ることが可能となる。
【００２９】
なお、ここでは、各井戸層のバンドギャップ波長を、基板側から線形に増大させているが、各井戸層へのバンドギャップ波長の重み付けの形は、他のどんなものであっても良い。例えば、基板（n-side）とは反対側(p-side)の井戸層から線形に増大させてもよいし（図８（ａ）参照）、線形ではなく放物線状に増大させてもよいし（図８（ｂ）参照）、最大と最小のバンドギャップ波長を両端の井戸層としなくてもよいし（図８（ｃ）参照）、Ｓ字状に増大させてもかまわない（図８（ｄ）参照）。望ましくは、発振する光の可変波長に応じて、バンドギャップ波長の重み付けを変えればよい。
【００３０】
図９に、ΔλcのΔλ依存性を示す。Δλを増加させると、利得スペクトルの波長幅Δλcは、最初、放物線状に増加し、Δλが５０ｎｍ程度から単調に増加していくが、１００ｎｍを超えると不安定になる。これは、あまりをΔλ大きくしすぎると、各井戸層間でのピーク利得の波長の差が大きくなりすぎて、全体でのピーク利得波長が不安定になるためである。しかしながら、この不安定性は、井戸層（量子井戸）の数Ｎを増やすことにより、改善することができる。なお、ここでは、井戸層の厚さを６ｎｍとしているが、他の井戸層の厚さでも、全く同様の効果を得ることができる。
【００３１】
図１０は、Ｎ＝３、Δλ＝０（図中のuniform）、５０、１００、１２５ｎｍの場合の閾値電流の波長依存性を示している。ここでも、半導体レーザの閾値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-1とした場合を示している。図１０に示すように、Δλを大きくすることで、波長変化に対する閾値電流の変動を大幅に抑制可能なことがわかる。
【００３２】
図１０に示している波長１．５５μｍを中心とした±２０ｎｍの範囲で、最大の閾値電流と最小の閾値電流の差をΔＩとして、図１１に、このΔＩのΔλ依存性を示す。図１１からわかるように、ΔＩはΔλ＝１００ｎｍ付近で最小値を持ち、Δλ＝５０〜１２５ｎｍの範囲で、閾値電流の波長無依存化に大きな効果がある。又、閾値電流の波長無依存化は、上述したように、井戸層（量子井戸）の数Ｎを増やすことにより更に改善可能である。
【００３３】
なお、閾値電流の波長無依存化の目安としては、可変波長範囲に対する閾値電流の変動ΔＩが１０％以下であればよく、望ましくは、５％以下であればよい。従って、図１１のグラフからは、Δλ＝４０〜１２５ｎｍであればよく、望ましくは、Δλ＝８０〜１０５ｎｍであればよい。
【００３４】
図１１に示すように、波長１．５３μｍから１．５７μｍの間では、閾値電流の変動ΔＩは、従来の多重量子井戸構造では、２０％であるのに対し、本実施例では、Δλ＝５０、１００、１２５ｎｍにおいて、それぞれ、７％、４％、１０％と大幅（最大１／５以下）に減少可能である。特に、波長１．５５μｍから１．５６μｍの間では、閾値電流の変動は、従来の多重量子井戸構造では、３．５％であるのに対し、本実施例では、Δλ＝５０、１００、１２５ｎｍにおいて、それぞれ、０．６％、０．２％、０．１％と更に大幅(最大１／３０以下)に低減することができる。これは、言い換えれば、中心発振波長における閾値電流が１０ｍＡである従来の波長可変半導体レーザでは、閾値電流の変動が発振波長１．５３μｍから１．５７μｍの間で１０〜１２ｍＡであるのに対し、本実施例では１０〜１０．４ｍＡまで低減することが可能となることを意味する。
【００３５】
以上のように、多重量子井戸構造のそれぞれの井戸層のバンドギャップ波長を、出力する光の波長の可変範囲に対応した範囲内で不均一とすることで、出力波長を安定させつつ、波長可変半導体レーザで問題となる波長に対する光出力の変動を、従来と比較して大幅に減少することが可能となる。
【実施例２】
【００３６】
図１２（ａ）、（ｂ）は、本発明に係る光半導体装置の実施形態の他の一例となるＳＯＡの構造を示したものであり、図１２（ａ）は、その縦方向断面図、図１２（ｂ）は、その横方向断面図である。
【００３７】
本実施例の光半導体装置であるＳＯＡは、図１２（ａ）に示すように、化合物半導体混晶であるｎ型のＩｎＰ基板１上に形成された厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層をＩｎＧａＡｓＰバリア層で挟み込んだ３層構造が下部クラッド層３上に多重に形成された多重量子井戸活性層２（多重量子井戸構造）、多重量子井戸活性層２上に形成された厚さ１．５μｍのｐ−ｌｎＰ上部クラッド層４からなり、これらを積層した構造である。又、図１２（ｂ）に示すように、この積層構造の両側は、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶の埋込層６からなり、積層構造を埋込層６で埋め込むようにして、放熱性を向上させて、温度変化による影響を低減させている。つまり、本実施例のＳＯＡの構造は、実施例１に示す半導体レーザの構造から回折格子層５を除いたものである。従って、実施例１に示す半導体レーザの構造と同等の構成要素には、同じ符号を付している。
【００３８】
又、本実施例でも、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＩｎＧａＡｓＰバリア層に対しては、ＩｎＰ基板１との歪が０となるような組成とし、ＩｎＧａＡｓＰバリア層の厚さは１０ｎｍとしている。又、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層に対しては厚さを６ｎｍとすると共に、１％の圧縮歪が加えられる。
【００３９】
本実施例のＳＯＡにおいても、実施例１の半導体レーザと同様に、多重量子井戸構造中の各井戸層のバンドギャップ波長を、出力（増幅）する光の波長の可変範囲に対応した範囲、つまり、波長差Δλ＝５０〜１２５ｎｍの範囲内で不均一にしている。従って、本実施例のＳＯＡの閾値電流の波長依存性は、実施例１と同様に、図１０に示す関係となり、ＳＯＡで問題となる利得の波長依存性を１．５３μｍから１．５７μｍの間で、従来と比較して大幅低減することが可能となり、１．５５μｍから１．５６μｍの間では、従来と比較して更に大幅に低減することが可能となる。
【実施例３】
【００４０】
本実施例の光半導体装置である半導体レーザは、実施例１の図１（ａ）、（ｂ）に示す半導体レーザと略同等の構成からなる。従って、実施例１に示す半導体レーザの構造と同等の構成要素には、同じ符号を付している。但し、本実施例は、実施例１とは、多重量子井戸活性層２、回折格子層５の組成が相違する。
【００４１】
図１（ａ）、（ｂ）を参照して説明すると、本実施例の半導体レーザは、化合物半導体混晶であるｎ型のＩｎＰ基板１上に形成された厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＩｎＡｌＧａＡｓ井戸層をＩｎＡｌＧａＡｓバリア層で挟み込んだ３層構造が下部クラッド層３上に多重に形成された多重量子井戸活性層２（多重量子井戸構造）、多重量子井戸活性層２上部に形成されたブラッグ波長１．５５μｍのＩｎＡｌＧａＡｓ回折格子層５、回折格子層５上に形成された厚さ１．５μｍのｐ−ｌｎＰ上部クラッド層４からなり、これらを積層した構造である。又、この積層構造の両側は、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶の埋込層６からなり、積層構造を埋込層６で埋め込むようにして、放熱性を向上させて、温度変化による影響を低減させている。なお、本実施例の半導体レーザも、分布帰還型であり、波長可変半導体レーザとして駆動される。
【００４２】
又、本実施例では、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層に対しては、ＩｎＰ基板１との歪が０となるような組成とし、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層の厚さは１０ｎｍとしている。又、ＩｎＡｌＧａＡｓ井戸層に対しては厚さを６ｎｍとすると共に、１％の圧縮歪が加えられる。
【００４３】
図１３に、本実施例の多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を示す。ここでは、Ｎ＝３、Δλ＝１００ｎｍとし、λ1＝１．７５５μｍ、λ2＝１．８０５μｍ、λ3＝１．８５５μｍであり、ピーク利得が１．５５μｍとなるように設定している。
【００４４】
図１４に、Ｎ＝３、Δλ＝０（図中のuniform）、５０、１００、１２５ｎｍの場合において、ピーク利得が１０００ｃｍ-1となるキャリア密度での利得スペクトルを示す。Δλ＝０は、井戸層のバンドギャップ波長が均一であること、つまり、従来の多重量子井戸構造を示すものであり、Δλ＝１００ｎｍは、図１３に示した本実施例の多重量子井戸構造を示すものである。なお、Δλ＝５０、１２５ｎｍの構造に対しては、それぞれ、λ1＝１．７８μｍ、λ2＝１．８０５μｍ、λ3＝１．８３μｍ、λ1＝１．７２７５μｍ、λ2＝１．７９μｍ、λ3＝１．８５２５μｍとしている。図１４に示すように、本実施例でも、実施例１の場合と同様に、Δλが大きくなるほど、利得スペクトルが広がっていくのがわかる。
【００４５】
なお、本実施例でも、各井戸層のバンドギャップ波長を基板側から線形に増大させているが、各井戸層へのバンドギャップ波長の重み付けの形は、図８に示したように、他のどんなものであっても良く、例えば、基板とは反対側の井戸層から線形に増大させてもよいし、線形ではなく放物線状に増大させてもよいし、最大と最小のバンドギャップ波長を両端の井戸層としなくてもよいし、Ｓ字状に増大させてもかまわない。望ましくは、発振する光の可変波長に応じて、バンドギャップ波長の重み付けを変えればよい。
【００４６】
図１５に、ΔλcのΔλ依存性を示す。Δλを増加させると、実施例１と同様に、利得スペクトルの波長幅Δλcは、最初、放物線的に増加し、Δλが５０ｎｍ程度から単調に増加していくが、１００ｎｍを超えると不安定になる。しかしながら、この不安定性も、井戸層（量子井戸）の数Ｎを増やすことにより、改善することができる。
【００４７】
図１６は、Ｎ＝３、Δλ＝０（図中のuniform）、５０、１００、１２５ｎｍの場合の閾値電流の波長依存性を示している。ここでも、半導体レーザの閾値利得を典型的な値である１０００ｃｍ-1とした場合を示している。
【００４８】
図１６に示している波長１．５５μｍを中心とした±２０ｎｍの範囲で、最大の閾値電流と最小の閾値電流の差をΔＩとして、図１７に、ΔＩのΔλ依存性を示す。図１７からわかるように、ΔＩはΔλ＝１００ｎｍ付近で最小値をもつことがわかり、Δλ＝５０〜１２５ｎｍの範囲で、閾値電流の波長無依存化に大きな効果がある。又、閾値電流の波長無依存化は、上述したように、井戸層（量子井戸）の数Ｎを増やすことにより更に改善可能である。
【００４９】
なお、閾値電流の波長無依存化の目安としては、可変波長範囲に対する閾値電流の変動ΔＩが１０％以下であればよく、望ましくは、５％以下であればよい。従って、図１７のグラフからは、Δλ＝２５〜１２５ｎｍであればよく、望ましくは、Δλ＝８０〜１０５ｎｍであればよい。
【００５０】
図１７に示すように、波長１．５３μｍから１．５７μｍの間では、閾値電流の変動ΔＩは、従来の多重量子井戸構造では、１３％であるのに対し、本実施例では、Δλ＝５０、１００、１２５ｎｍにおいて、それぞれ、６．９％、３．１％、１０％と大幅（最大１／４以下）に減少可能である。又、波長１．５４μｍから１．５６μｍの間でも、閾値電流の変動は、従来の多重量子井戸構造では、３％であるのに対し、本実施例では、Δλ＝５０、１００、１２５ｎｍにおいて、それぞれ、２．４％、０．７％、２．５％と大幅（最大１／４以下）に低減することができる。これは、言い換えれば、中心発振波長における閾値電流が１０ｍＡである従来の波長可変半導体レーザでは、閾値電流の変動が発振波長１．５３μｍから１．５７μｍの間で１０〜１１．３ｍＡであるのに対し、本実施例では１０〜１０．３ｍＡまで低減することが可能となることを意味する。
【００５１】
このように、本実施例でも、多重量子井戸構造中の各井戸層のバンドギャップ波長を、出力（発振）する光の波長の可変範囲に対応した範囲内で不均一にしているので、出力波長を安定させつつ、波長可変半導体レーザで問題となる波長に対する光出力の変動を低減することが可能となる。
【実施例４】
【００５２】
本実施例の光半導体装置であるＳＯＡは、実施例３に示す半導体レーザの構造から回折格子層５を除いたものであり、又、その構造としては、実施例２の図１２（ａ）、（ｂ）に示すＳＯＡと略同等の構成からなる。従って、実施例２に示すＳＯＡの構造と同等の構成要素には、同じ符号を付している。但し、本実施例は、実施例２のＳＯＡとは、多重量子井戸活性層２の組成が相違する。
【００５３】
図１２（ａ）、（ｂ）を参照して説明すると、本実施例の光半導体装置であるＳＯＡは、化合物半導体混晶であるｎ型のＩｎＰ基板１上に形成された厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＩｎＡｌＧａＡｓ井戸層をＩｎＡｌＧａＡｓバリア層で挟み込んだ３層構造が下部クラッド層３上に多重に形成された多重量子井戸活性層２（多重量子井戸構造）、多重量子井戸活性層２上に形成された厚さ１．５μｍのｐ−ｌｎＰ上部クラッド層４からなり、これらを積層した構造である。又、この積層構造の両側は、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶の埋込層６からなり、積層構造を埋込層６で埋め込むようにして、放熱性を向上させて、温度変化による影響を低減させている。
【００５４】
又、本実施例でも、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層に対しては、ＩｎＰ基板１との歪が０となるような組成とし、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層の厚さは１０ｎｍとしている。又、ＩｎＡｌＧａＡｓ井戸層に対しては厚さを６ｎｍとすると共に、１％の圧縮歪が加えられる。
【００５５】
本実施例のＳＯＡにおいても、実施例３の半導体レーザと同様に、多重量子井戸構造中の各井戸層のバンドギャップ波長を、出力（増幅）する光の波長の可変範囲に対応した範囲、つまり、波長差Δλ＝５０〜１２５ｎｍの範囲内で不均一にしている。従って、本実施例のＳＯＡの閾値電流の波長依存性は、実施例３と同様に、図１６に示す関係となり、ＳＯＡで問題となる利得の波長依存性を１．５３μｍから１．５７μｍの間で、従来と比較して大幅に低減することが可能となる。
【実施例５】
【００５６】
本実施例の光半導体装置である半導体レーザも、実施例１の図１（ａ）、（ｂ）に示す半導体レーザと略同等の構成からなる。従って、実施例１に示す半導体レーザの構造と同等の構成要素には、同じ符号を付している。但し、本実施例は、実施例１とは、多重量子井戸活性層２、回折格子層５の組成、井戸層の歪みが相違する。
【００５７】
図１（ａ）、（ｂ）を参照して説明すると、本実施例の半導体レーザは、化合物半導体混晶であるｎ型のＩｎＰ基板１上に形成された厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層をＩｎＡｌＧａＡｓバリア層で挟み込んだ３層構造が下部クラッド層３上に多重に形成された多重量子井戸活性層２（多重量子井戸構造）、多重量子井戸活性層２上部に形成されたブラッグ波長１．５５μｍのＩｎＡｌＧａＡｓ回折格子層５、回折格子層５上に形成された厚さ１．５μｍのｐ−ｌｎＰ上部クラッド層４からなり、これらを積層した構造である。又、この積層構造の両側は、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶の埋込層６からなり、積層構造を埋込層６で埋め込むようにして、放熱性を向上させて、温度変化による影響を低減させている。なお本実施例の半導体レーザも、分布帰還型であり、波長可変半導体レーザとして駆動される。
【００５８】
又、本実施例では、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層に対しては、ＩｎＰ基板１との歪が０となるような組成とし、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層の厚さは１０ｎｍとしている。又、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層に対しては厚さを６ｎｍとすると共に、１％の引張歪が加えられる。
【００５９】
そして、Ｎ＝３、Δλ＝１００ｎｍとし、λ1＝１．７μｍ、λ2＝１．７５μｍ、λ3＝１．８μｍとなるように設定している。このような設定とする場合、各ＧａＩｎＮＡｓ井戸層は、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３からから順に、Ｇａ0.58Ｉｎ0.42Ｎ0.01Ａｓ0.99、Ｇａ0.57Ｉｎ0.43Ｎ0.015Ａｓ0.085、Ｇａ0.56Ｉｎ0.44Ｎ0.02Ａｓ0.98の組成となる。
【００６０】
本実施例でも、多重量子井戸構造中の各井戸層のバンドギャップ波長を、出力（発振）する光の波長の可変範囲に対応した範囲内で不均一にしているので、実施例１、３と同様の効果が得られ、出力波長を安定させつつ、波長可変半導体レーザで問題となる波長に対する光出力の変動を、従来と比較して大幅に低減することが可能となる。
【実施例６】
【００６１】
本実施例の光半導体装置であるＳＯＡは、実施例５に示す半導体レーザの構造から回折格子層５を除いたものであり、又、その構造としては、実施例２の図１２（ａ）、（ｂ）に示すＳＯＡと略同等の構成からなる。従って、実施例２に示すＳＯＡの構造と同等の構成要素には、同じ符号を付している。但し、本実施例は、実施例２とは、多重量子井戸活性層２の組成、井戸層の歪みが相違する。
【００６２】
図１２（ａ）、（ｂ）を参照して説明すると、本実施例の光半導体装置であるＳＯＡは、化合物半導体混晶であるｎ型のＩｎＰ基板１上に形成された厚さ１．５μｍのｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層をＩｎＡｌＧａＡｓバリア層で挟み込んだ３層構造が下部クラッド層３上に多重に形成された多重量子井戸活性層２（多重量子井戸構造）、多重量子井戸活性層２上に形成された厚さ１．５μｍのｐ−ｌｎＰ上部クラッド層４からなり、これらを積層した構造である。又、この積層構造の両側は、ルテニウムなどをドープした半絶縁性結晶の埋込層６からなり、積層構造を埋込層６で埋め込むようにして、放熱性を向上させて、温度変化による影響を低減させている。
【００６３】
又、本実施例では、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層３、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層に対しては、ＩｎＰ基板１との歪が０となるような組成とし、ＩｎＡｌＧａＡｓバリア層の厚さは１０ｎｍとしている。又、ＧａＩｎＮＡｓ井戸層に対しては厚さを６ｎｍとすると共に、１％の引張歪が加えられる。
【００６４】
本実施例でも、多重量子井戸構造中の各井戸層のバンドギャップ波長を、出力（増幅）する光の波長の可変範囲に対応した範囲内で不均一にしているので、実施例２、４と同様の効果が得られ、ＳＯＡで問題となる利得の波長依存性を、従来と比較して大幅に低減することが可能となる。
【００６５】
なお、上記実施例１〜６においては、波長１．５５μｍ付近の光をターゲットとしているが、他の波長帯（１．３μｍ帯、２〜３μｍ帯など）の光をターゲットとする場合においても、多重量子井戸構造中の各井戸層のバンドギャップ波長を、出力する光の波長の可変範囲に対応した範囲内で不均一にすることで、全く同様の効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
本発明は、多重量子井戸構造を有する光半導体装置、例えば、波長可変半導体レーザやＳＯＡに好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】（ａ）は、本発明に係る光半導体装置の実施形態の一例である半導体レーザの縦方向断面図であり、（ｂ）は、その横方向断面図である。
【図２】従来の多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を説明する図である。
【図３】従来の多重量子井戸構造の利得スペクトルを示すグラフである。
【図４】従来の多重量子井戸構造の閾値電流スペクトルを示すグラフである。
【図５】本発明の多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布の概念図である。
【図６】実施例１における多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を説明する図である。
【図７】実施例１における多重量子井戸構造の利得スペクトルを示すグラフである。
【図８】本発明の多重量子井戸構造のバンドギャップ波長の重み付けの例を説明する概念図である。
【図９】実施例１の多重量子井戸構造の波長幅Δλcの波長差Δλ依存性を示すグラフである。
【図１０】実施例１の多重量子井戸構造の閾値電流スペクトルを示すグラフである。
【図１１】実施例１の多重量子井戸構造の閾値電流変動量ΔＩの波長差Δλ依存性を示すグラフである。
【図１２】（ａ）は、本発明に係る光半導体装置の実施形態の他の一例であるＳＯＡの縦方向断面図であり、（ｂ）は、その横方向断面図である。
【図１３】実施例３における多重量子井戸構造のポテンシャルエネルギー分布を説明する図である。
【図１４】実施例３における多重量子井戸構造の利得スペクトルを示すグラフである。
【図１５】実施例３の多重量子井戸構造の波長幅Δλcの波長差Δλ依存性を示すグラフである。
【図１６】実施例３の多重量子井戸構造の閾値電流スペクトルを示すグラフである。
【図１７】実施例３の多重量子井戸構造の閾値電流変動量ΔＩの波長差Δλ依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６８】
１    基板
２    多重量子井戸活性層
３    ク下部ラッド層
４    上部クラッド層
５    回折格子層
６    埋込層
【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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【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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