JP7778496B2 - 半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザに関する。

埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造：Buried-Heterostructure）の半導体レーザは、出力特性および信頼性において優れている。ＢＨ構造は、メサ構造への光閉じ込め係数が大きいので、出力光の縦横比を１に近づけやすい。また、メサ幅を広げることで、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）の電流密度を低減し、さらに高出力化および高信頼性化することができる。

特開２０１０－２１２６６４号公報

メサ構造への光閉じ込め係数が大きいと、ＮＦＰ（Near Field Pattern）の面積が小さくなるので、ＦＦＰ（Far Field Pattern）の広がり角が大きくなり、光結合トレランスの低下につながる。また、メサ幅が高次横モードカットオフ幅を超えると、横高次モードが現れ、光結合効率の低下につながり、出力が低下する。

特許文献１には、メサ構造の下に、ｎ－ＩｎＰバッファ層４とｎ－ＩｎＧａＡｓＰガイド層３を配置することが開示されている。ｎ－ＩｎＧａＡｓＰガイド層３は、回折格子を埋めるために配置されている。回折格子は、光学特性に非常に大きな影響を与える要素、具体的には、光の結合係数であるκを決める主たる要素である。そのため、κとの兼ね合いもあり、ｎ－ＩｎＧａＡｓＰガイド層３の設計自由度は低い。また、ｎ－ＩｎＰバッファ層４は、３０ｎｍと薄いので、その下のｎ－ＩｎＧａＡｓＰガイド層３によって、メサ構造への光閉じ込め係数が大きくなると推測され、カットオフ幅は狭くなると推測される。

本発明は、出力特性および信頼性の向上を目的とする。

半導体レーザは、メサ構造に含まれる多重量子井戸層と、前記メサ構造の両側のそれぞれに接触する、半絶縁性半導体からなる埋め込み層と、前記メサ構造および前記埋め込み層の下にあって、前記多重量子井戸層よりも屈折率において低い、第１導電型の第１クラッド層と、前記メサ構造および前記埋め込み層の下方で、前記第１クラッド層の下にあって、前記第１クラッド層よりも前記屈折率において高く、前記多重量子井戸層で発振する光を吸収しない高屈折率層と、前記高屈折率層とは非接触で、前記多重量子井戸層で発振する前記光を回折可能な回折格子を少なくとも部分的に構成する回折格子層と、前記高屈折率層の下にある、前記第１導電型の基板と、前記多重量子井戸層の上にある、前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２クラッド層と、を有する。

屈折率の高い高屈折率層があることで、光の分布が拡大する。これにより、高次横モードカットオフ幅が大きくなり、ＮＦＰの面積が大きくなり、ＦＦＰの広がり角が小さくなって、出力特性および信頼性が向上する。

第１の実施形態に係る半導体レーザの平面図である。 図１に示す半導体レーザのII－II線断面図である。 図１に示す半導体レーザのIII－III線断面図である。 比較例に係る半導体レーザのレーザ発振部の断面図である。 第１クラッド層に対するカットオフ幅のシミュレーション結果を示す図である。 第１クラッド層に対する縦方向ＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。 第１クラッド層に対する横方向ＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。 第１クラッド層に対するアスペクト比のシミュレーション結果を示す図である。 高屈折率層に対するカットオフ幅のシミュレーション結果を示す図である。 高屈折率層に対する縦方向ＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。 高屈折率層に対する横方向ＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。 高屈折率層に対するアスペクト比のシミュレーション結果を示す図である。 変形例１に係る半導体レーザの断面図である。 変形例２に係る半導体レーザの断面図である。 第２の実施形態に係る半導体レーザの平面図である。 図９に示す半導体レーザのＸ－Ｘ線断面図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。全図において同一の符号を付した部材は同一又は同等の機能を有するものであり、その繰り返しの説明を省略する。なお、図形の大きさは倍率に必ずしも一致するものではない。

近年注目を集めているシリコンフォトニクスは、その性質から高出力の半導体光素子を必要としており、特に、高出力の半導体レーザが要求されている。半導体レーザの構造として、リッジ型と埋め込みヘテロ構造（ＢＨ構造：Buried-Heterostructure）が知られている。ＢＨ構造を有する半導体レーザは、ＢＨ型半導体レーザと呼ばれる。

リッジ型半導体レーザでは、多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）が基板上に広く配置され、その上の半導体層（主としてクラッド層）がリッジ部を備えている。リッジ部の側面は、絶縁膜や半導体層で覆われる。ＢＨ型半導体レーザでは、ＭＱＷを含む半導体層がメサ構造（ストライプ形状）になっており、そのメサ構造の両側に半絶縁性半導体からなる埋め込み層が隣接する。

リッジ型半導体レーザとＢＨ型半導体レーザを比較すると、ＭＱＷの両側が熱伝導率の高い埋め込み層で覆われているＢＨ型半導体レーザが放熱性に優れる。

ＢＨ型半導体レーザは、一般的に、ＭＱＷがほぼ同じ半導体材料（例えばＩｎＰ）で上下左右から囲まれていることや、さらにリッジ型半導体レーザと比較して表面の凹凸が少ないことから、ＭＱＷへかかる応力は小さい。そのため応力起因による信頼性の観点では、ＢＨ型半導体レーザは、リッジ型半導体レーザより優れる。

出力光の形状は、外部の光学部品との光結合特性に影響する。光結合効率が悪い場合は、半導体レーザの出力光強度が大きくてもそれを十分に生かすことができない。例えば半導体レーザをレンズに光結合させる場合、その光結合効率および光軸調整時のトレランスの観点から、半導体レーザの出力光のＦＦＰ（Far Field Pattern）の広がり角は小さいほうが好ましく、縦横比は１に近いほうが好ましい。ＢＨ型半導体レーザは、一般的に、リッジ型半導体レーザより出力光の縦横比が１に近く、光結合特性においては優位である。

上記の理由により、高出力特性および高信頼性等を満たす半導体レーザとしてＢＨ構造の半導体レーザは優れている。なお、上述した内容はあくまで比較した場合であって、リッジ型半導体レーザもＢＨ型半導体レーザもそれぞれ最適化することで十分実用に耐える半導体レーザを提供することはできる。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る半導体レーザの平面図である。図２は、図１に示す半導体レーザのII－II線断面図である。図３は、図１に示す半導体レーザのIII－III線断面図である。半導体レーザは、ＢＨ型半導体レーザであり、連続発振レーザまたは直接変調レーザである。

［メサ構造］
半導体レーザは、メサ構造１０を有する。メサ構造１０は、所定の波長の光をレーザ発振させるレーザ発振部１２を有する。レーザ発振部１２は、連続光を出力するようになっている。レーザ発振部１２の発振波長は、１．３μｍ帯であるが、１．５５μｍ帯など他の波長であっても構わない。レーザ発振部１２は、ＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザである。メサ構造１０は、レーザ発振部１２では、１．７μｍの幅（メサ幅）を有する。

メサ構造１０は、スポットサイズ変換部１４を含む。スポットサイズ変換部１４は、レーザ発振部１２に隣接する。スポットサイズ変換部１４は、光出力方向に直交する幅（メサ幅）が漸減する。メサ幅が細くなるにつれ、メサ構造１０の光閉じ込め係数が減少する。スポットサイズ変換部１４は、レーザ光の出射エリアを調整することで、ＮＦＰの面積を調整し、ＦＦＰの広がり角を調整するようになっている。

レーザ発振部１２およびスポットサイズ変換部１４は、一の共通のｐ－ｉ－ｎ構造を有する。「一の共通のｐ－ｉ－ｎ構造」とは、本願においては、同一材料で構成され、かつ、同一プロセスで形成されたｐ－ｉ－ｎ構造を意味する。一の共通のｐ－ｉ－ｎ構造を有するため、レーザ発振部１２からスポットサイズ変換部１４にわたって利得帯域が変動しない。利得帯域とは、利得スペクトルの波長範囲である。メサ構造１０は、ｐ－ｉ－ｎ構造の複数層からなる。

［多重量子井戸層］
半導体レーザは、多重量子井戸層１６を有する。多重量子井戸層１６はメサ構造１０に含まれる。多重量子井戸層１６は、複数の量子井戸層と複数の障壁層を交互に挟み込んだ多重構造になっており、合計層厚が１００ｎｍである。多重量子井戸層１６は、ＩｎＧａＡｓＰで構成されているが、ＩｎＧａＡｌＡｓで構成してもよい。

［埋め込み層］
半導体レーザは、埋め込み層１８を有する。メサ構造１０の両側のそれぞれに、埋め込み層１８が接触する。メサ構造１０の両側面のそれぞれは、埋め込み層１８で覆われている。埋め込み層１８は、半絶縁性半導体からなる。埋め込み層１８は、半絶縁性のＩｎＰ（例えばＦｅ－ＩｎＰ）を含有する。

［第１クラッド層］
半導体レーザは、第１クラッド層２０を有する。第１クラッド層２０は、メサ構造１０および埋め込み層１８の下にある。第１クラッド層２０の一部（例えば上面にある凸部）が、メサ構造１０に含まれる。あるいは、第１クラッド層２０がメサ構造１０に含まれていなくてもよい。第１クラッド層２０は、ＩｎＰから構成されている。ＩｎＰは、ＩｎＧａＡｓＰ等と比較して熱伝導度が高いので、第１クラッド層２０をＩｎＰで構成して、多重量子井戸層１６からの放熱性を高くすることが好ましい。第１クラッド層２０は第１導電型（例えばｎ型）である。第１クラッド層２０は、多重量子井戸層１６よりも屈折率において低い。第１クラッド層２０の厚さは、５００ｎｍ以上（例えば１０００ｎｍ）であり、１５００ｎｍ以下である。

［第２クラッド層］
半導体レーザは、第２クラッド層２２を有する。第２クラッド層２２は多重量子井戸層１６の上にある。第２クラッド層２２は、第１導電型とは反対の第２導電型（例えばｐ型）である。第２クラッド層２２は、メサ構造１０に含まれる。第２クラッド層２２は、ＩｎＰから構成され、厚さは２０００ｎｍである。

［回折格子層］
半導体レーザは、回折格子層２４を有する。回折格子層２４は、ＩｎＧａＡｓＰから構成され、厚さは１０ｎｍである。回折格子層２４は、第２クラッド層２２の内部にある。回折格子層２４は、メサ構造１０に含まれる。回折格子層２４は、多重量子井戸層１６で発振する光を回折可能な回折格子を少なくとも部分的に構成する。例えば、回折格子層２４は、多重量子井戸層１６の組成に対応して、レーザ発振部１２が１．３μｍ帯で発光するように形成されている。

回折格子層２４は、スポットサイズ変換部１４では、多重量子井戸層１６で発振する光を回折しない格子を構成する。例えば、回折格子層２４は、スポットサイズ変換部１４では、１．３μｍ帯に対して屈折・反射が起きない間隔の格子が形成されている。つまり、回折格子層２４には、実効的には回折格子として機能しない間隔で格子が形成されている。あるいは、回折格子層２４は、スポットサイズ変換部１４では格子が形成されていなくても構わない。スポットサイズ変換部１４とレーザ発振部１２の構造的な違いはメサ幅と回折格子だけである。

［第１光閉じ込め層］
半導体レーザは、第１光閉じ込め（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層２６を有する。第１光閉じ込め層２６は、多重量子井戸層１６と第１クラッド層２０の間にある。第１光閉じ込め層２６は、メサ構造１０に含まれる。第１光閉じ込め層２６は第１導電型である。第１光閉じ込め層２６は、ＩｎＧａＡｓＰから構成され、厚さは５０ｎｍである。あるいは、第１光閉じ込め層２６は、ＩｎＧａＡｌＡｓで構成してもよい。

［第２光閉じ込め層］
半導体レーザは、第２光閉じ込め層２８を有する。第２光閉じ込め層２８は、多重量子井戸層１６と第２クラッド層２２の間にある。第２光閉じ込め層２８は、メサ構造１０に含まれる。第２光閉じ込め層２８は第２導電型である。第２光閉じ込め層２８は、ＩｎＧａＡｓＰから構成され、厚さは５０ｎｍである。あるいは、第２光閉じ込め層２８はＩｎＧａＡｌＡｓで構成してもよい。第２光閉じ込め層２８は、組成波長において、第１光閉じ込め層２６と同一であるが異なっても構わない。

［高屈折率層］
半導体レーザは、高屈折率層３０を有する。高屈折率層３０は、メサ構造１０および埋め込み層１８の下方にある。高屈折率層３０は、メサ構造１０に含まれない。回折格子層２４は、高屈折率層３０とは非接触である。回折格子層２４は、高屈折率層３０とは別に設けられているので、設計の自由度が高い。高屈折率層３０は、メサ構造１０より幅広で埋め込み層１８の少なくとも一部に重なっていればよく、埋め込み層１８の全体に重ならなくてもよい。

高屈折率層３０は、第１クラッド層２０の下にある。高屈折率層３０は、第１クラッド層２０よりも屈折率において高い。高屈折率層３０は、屈折率において多重量子井戸層１６よりも低い。高屈折率層３０は、半導体レーザで発振する光を吸収しないように、組成波長が設定されている。ここで光を吸収しないとは、半導体レーザの発振波長の中心より、高屈折率層３０の組成波長が短波であることを意味しており、半導体レーザの光スペクトルに含まれる全ての波長を吸収しないことは意味していない。高屈折率層３０の厚さは、５０ｎｍ以上である。高屈折率層３０の厚さは、１００ｎｍ以下である。高屈折率層３０は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｌＡｓのいずれかを含有する。高屈折率層３０は、第１導電型である。屈折率の高い高屈折率層３０があることで、光Ｌの分布が拡大する。ただし、十分な厚さの第１クラッド層２０があることで、光Ｌの分布の拡大は、多重量子井戸層１６の光閉じ込め係数を大きくしないようになっている。

［基板］
半導体レーザは、基板３２を有する。基板３２は高屈折率層３０の下にある。基板３２は第１導電型である。基板３２は、ＩｎＰから構成されている。

［その他］
半導体レーザは、レーザ出射面に、低反射コーティング膜３４を有する。半導体レーザは、レーザ出射面とは反対側の面に、高反射コーティング膜３６を有する。埋め込み層１８の上面には、メサ構造１０の近傍を除いて、絶縁膜３８が配置されている。

半導体レーザは、裏面側に裏面電極４０を有する。半導体レーザは、第２クラッド層２２の上に表面電極４２を有する。第２クラッド層２２と表面電極４２との間に図示しないコンタクト層が介在する。裏面電極４０および表面電極４２は、外部電源（不図示）からの電流を半導体レーザへ注入するのに用いられる。

裏面電極４０および表面電極４２は、レーザ発振部１２のみならず、スポットサイズ変換部１４にも設けられている。これは、レーザ発振部１２を駆動するとともにスポットサイズ変換部１４も増幅器としても活用するためである。あるいは、表面電極４２は、スポットサイズ変換部１４の上になくてもよい。あるいは、レーザ発振部１２の表面電極４２とは別体の、図示しない表面電極をスポットサイズ変換部１４の上配置しても構わない。また、スポットサイズ変換部１４の先端に例えばＦｅ－ＩｎＰで構成された、図示しない窓構造を設けてもよい。

［比較例］
図４は、比較例に係る半導体レーザのレーザ発振部の断面図である。レーザ発振部は、第１クラッド層２０と高屈折率層３０を有しない点で、第１の実施形態のレーザ発振部１２と異なる。その他の特徴（材料、組成波長等）において、両者は同一である。

比較例では、レーザ発振部で発振する光Ｌ´は、第１光閉じ込め層２６、多重量子井戸層１６および第２光閉じ込め層２８から、屈折率の低い、第２クラッド層２２、埋め込み層１８および基板３２に染み出す。そのため、光Ｌ´は、第１光閉じ込め層２６、多重量子井戸層１６および第２光閉じ込め層２８を中心として導波する。メサ構造１０およびその直下の、光Ｌ´が強く集まる領域の両側の領域（埋め込み層１８および基板３２）は、屈折率の低い材料（例えばＩｎＰ）から構成される。なお光Ｌおよび光Ｌ´の分布は、第１の実施形態と比較例の違いを説明するために模式的に示しただけであり、必ずしもＮＦＰと一致するわけではない。

第１の実施形態と比較例について、レーザ発振部１２のカットオフ幅、縦方向ＦＦＰ、横方向ＦＦＰおよびアスペクト比（縦/横）についてシミュレーションを行った。メサ幅は１．７μｍとした。アスペクト比は、縦方向ＦＦＰ／横方向ＦＦＰである。その結果を表１に示す。

本結果より明らかなように、カットオフ幅の拡大およびＦＦＰの縮小の効果が得られた。

第１の実施形態では、メサ構造１０の下方で、高屈折率層３０（例えばＩｎＧａＡｓＰ）は、第１クラッド層２０（例えばＩｎＰ）より屈折率が高い。そのため、比較例と比べて、高屈折率層３０によって光Ｌの分布が全体的に下方向に広がる。しかも、高屈折率層３０は、埋め込み層１８の下方に広がっているために、光Ｌの分布は横方向にも広がる。

第１の実施形態においては、比較例よりも、光Ｌが強く集まる領域の両側の領域の屈折率が大きくなる。その結果、光Ｌが強く集まる領域とその両側の領域との間で、屈折率差は小さくなる。屈折率差が小さくなると、高次横モードカットオフ幅（以下、カットオフ幅）が広がる。カットオフ幅が広がれば、横方向の高次モードを発生させずにメサ幅を広げることが可能になり、多重量子井戸層１６の電流密度を下げることが可能となる。その結果、信頼性を向上させ、より多くの電流を注入できることより高出力化を図ることができる。

［レーザ発振部１２のシミュレーション］
第１クラッド層２０の厚さの依存性について検討した。詳しくは、第１クラッド層２０の厚さを変えると特性がどのように変化するかについてシミュレーションを行った。メサ幅を１．７μｍとし、高屈折率層３０の厚さを５０ｎｍとした。

図５Ａは、第１クラッド層２０に対するカットオフ幅のシミュレーション結果を示す図である。破線は、表１に示す比較例のカットオフ幅の値を示す。第１クラッド層２０の厚さが５００ｎｍ未満の場合は、カットオフ幅は比較例より狭くなっている。これは、高屈折率層３０がメサ構造１０に近いために、光をメサ構造１０に集める効果が強く出ているためであると推測される。したがって、第１クラッド層２０の厚さは５００ｎｍ以上が好ましいことが分かる。さらに、１０００ｎｍを超えるとカットオフ幅は概ね一定となり、１０００ｎｍ以上とすることで安定した特性とすることが可能となる。

図５Ｂは、第１クラッド層２０に対する縦方向ＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。破線は、表１に示す比較例の縦方向ＦＦＰの値を示す。第１クラッド層２０の厚さが５００ｎｍ未満の場合は、縦方向ＦＦＰは比較例より大きくなっている。したがって、第１クラッド層２０の厚さは５００ｎｍ以上が好ましい。

図５Ｃは、第１クラッド層２０に対する横方向ＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。破線は、表１に示す比較例の横方向ＦＦＰの値を示す。第１クラッド層２０の厚さが５００ｎｍ未満の場合は、横方向ＦＦＰは比較例より大きくなっている。したがって、第１クラッド層２０の厚さは５００ｎｍ以上が好ましい。

図５Ｄは、第１クラッド層２０に対するアスペクト比のシミュレーション結果を示す図である。破線は、表１に示す比較例のアスペクト比の値を示す。なお、アスペクト比は、縦方向ＦＦＰ／横方向ＦＦＰである。アスペクト比は、第１クラッド層２０の厚さが１０００ｎｍ付近で最小となり、１５００ｎｍを超えると大きくなる傾向が見られた。要求されるアスペクト比は、使用するレンズによって異なるので、第１クラッド層２０の厚さを適宜設定すればよい。

次に、高屈折率層３０の厚さの依存性について検討した。詳しくは、高屈折率層３０の厚さを変えると特性がどのように変化するかについてシミュレーションを行った。メサ幅を１．７μｍとし、第１クラッド層２０の厚さを１０００ｎｍとした。

図６Ａは、高屈折率層３０に対するカットオフ幅のシミュレーション結果を示す図である。破線は、表１に示す比較例のカットオフ幅の値を示す。高屈折率層３０の厚さが３０ｎｍ以下では、カットオフ幅は、比較例とほとんど変わらず効果が小さいことがわかる。高屈折率層３０の厚さが５０ｎｍ以上であれば、カットオフ幅は広がっていく。

図６Ｂは、高屈折率層３０に対する縦方向ＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。破線は、表１に示す比較例の縦方向ＦＦＰの値を示す。高屈折率層３０が厚くなるにつれて、縦方向ＦＦＰの値は小さくなっていく。ただし、高屈折率層３０の厚さが１５０ｎｍを超えると、縦方向ＦＦＰの値が急激に大きくなる傾向が見られた。

図６Ｃは、高屈折率層３０に対する横方向ＦＦＰのシミュレーション結果を示す図である。破線は、表１に示す比較例の横方向ＦＦＰの値を示す。高屈折率層３０が厚くなるにつれて、ＦＦＰの値は小さくなっていく。横方向ＦＦＰは、単調減少の傾向であった。

図６Ｄは、高屈折率層３０に対するアスペクト比のシミュレーション結果を示す図である。破線は、表１に示す比較例のアスペクト比の値を示す。なお、アスペクト比は、縦方向ＦＦＰ／横方向ＦＦＰである。アスペクト比は、高屈折率層３０が１００ｎｍを超えたあたりから、大幅に増加する傾向が見られる。

以上のことから、カットオフ幅の観点では高屈折率層３０の厚さは５０ｎｍ以上であれば、より大きくても構わない。一方、ＦＦＰ、特にアスペクト比も考慮するのであれば、高屈折率層３０は１００ｎｍ以下が好ましい。

なお、本実施形態の数値は一例に過ぎない。必要とする特性に応じて、第１クラッド層２０の厚さや高屈折率層３０の厚さは適宜選択すればよい。ただし、図５Ａより明らかなように、十分な効果を得るためには、第１クラッド層２０は５００ｎｍ以上が好ましい。これより薄い場合は、多重量子井戸層１６の光閉じ込め係数を大きくしてしまう懸念がある。また高屈折率層３０の厚さは、５０ｎｍ以上が好ましい。

［スポットサイズ変換部１４のシミュレーション］
高屈折率層３０は幅が変わらないため、レーザ発振部１２と比べて幅が狭くなるスポットサイズ変換部１４では、全体として高屈折率層３０に光Ｌの分布が寄る。高屈折率層３０は、メサ構造１０の一部となっておらず、広く広がっているため、光Ｌは横方向にも広がる。結果として、縦方向および横方向のＦＦＰを大きくすることが可能となる。例えば、スポットサイズ変換部１４の先端のメサ幅を０．９μｍとすると、縦方向のＦＦＰは２２．３°、横方向のＦＦＰは１６．１°、アスペクト比は１．３８となる。表１で示したレーザ発振部１２の光分布と比べて、アスペクト比をそれほど変えずにＦＦＰを小さくすることが可能である。その結果、レンズまたは導波路との光結合のトレランスを向上させることができる。

［効果］
屈折率の高い高屈折率層３０があることで、縦方向および横方向に、光Ｌの分布が拡大する。これにより、ＮＦＰの面積が大きくなり、ＦＦＰの広がり角が小さくなって、レンズ等の光学部品との光結合のトレランスが大きくなるなど信頼性が向上する。

屈折率の高い高屈折率層３０があることで、高次横モードカットオフ幅が大きくなる。したがって、メサ幅を広げることができる。メサ幅が広いと、メサ構造１０の電流密度が下がるので、より多くの電流を注入することができ、これにより高出力化を図ることができる。

屈折率の高い高屈折率層３０があることで、光Ｌの分布が下側（基板３２への方向）に拡大する。これにより、材料によっては高出力化を図ることができる。例えば、第１クラッド層２０および高屈折率層３０などの下側にあるｎ型の半導体層は、第２クラッド層２２などの上側にあるｐ型の半導体層よりも、光吸収量が小さい。そのため、上側にある半導体層の光閉じ込め係数が小さくなり、光吸収による内部ロスが小さくなり、出力強度が大きくなる。

第１の実施形態の効果を十分に得るためには、高屈折率層３０は、多重量子井戸層１６が発振する光を吸収しない組成波長であることに加えて、第１クラッド層２０より屈折率が高いことが好ましく、具体的には、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｌＡｓ、またはＩｎＧａＡｓから構成されることが好ましい。

第１クラッド層２０は、高屈折率層３０および第１光閉じ込め層２６よりも、屈折率において小さい材料（具体的にはＩｎＰ）からなる。第１クラッド層２０が、屈折率においてＩｎＰよりも大きい材料から構成されると、光Ｌの分布をより多重量子井戸層１６に寄せてしまうことがある。厚さや組成を調整することで、上述した効果を得ることができるかもしれないが、設計の自由度を低減させる。さらに、高出力化の観点として、多重量子井戸層１６で発生した熱をできるだけ多く他の領域に逃がすことが好ましい。

なお、上述した実施形態では第１導電型はｎ型、第２導電型はｐ型としたが逆であっても構わない。第１導電型がｐ型であれば、高屈折率層３０がｐ型であるため、内部ロスが増加して高出力化が十分に得られない可能性があるが、カットオフ幅を広げることが可能であるため、より多くの電流を注入することで、高出力化を達成することができる。またＦＦＰの広がり角を小さくする効果は十分に得られる。

［変形例１］
図７は、変形例１に係る半導体レーザの断面図である。複数の第１クラッド層２０Ａ，２０Ｂおよび複数の高屈折率層３０Ａ，３０Ｂは、交互に積層されている。基板３２の上に、高屈折率層３０Ａ、第１クラッド層２０Ａ、高屈折率層３０Ｂおよび第１クラッド層２０Ｂが配置されている。第１クラッド層２０Ｂには、メサ構造１０の下端部となる凸部が形成されている。

複数の第１クラッド層２０Ａ，２０Ｂは、厚さが異なり、多重量子井戸層１６に近いほど厚い。第１クラッド層２０Ａは、ｎ－ＩｎＰから構成され、厚さは７５０ｎｍである。第１クラッド層２０Ｂは、ｎ－ＩｎＰから構成され、厚さは１０００ｎｍである。

複数の高屈折率層３０Ａ，３０Ｂは、多重量子井戸層１６に近い上層と、多重量子井戸層１６から遠い下層の２層からなる。上層は、下層よりも薄い。下層である高屈折率層３０Ａは、ｎ－ＩｎＧａＡｓＰから構成され、厚さは７５ｎｍである。上層である高屈折率層３０Ｂは、ｎ－ＩｎＧａＡｓＰから構成され、厚さは５０ｎｍである。

本変形例の構造を採用すると、カットオフ幅は２．０７μｍになり、第１の実施形態のレーザ発振部１２の１．７４μｍと比較して、大幅に広くすることができた。また、メサ幅１．７μｍにおける縦方向ＦＦＰは２２．４°になり、横方向ＦＦＰは１５．９°になり、第１の実施形態のレーザ発振部１２より小さくなった。ただし、縦横比は１．４１と若干劣化する。

本変形例でも、スポットサイズ変換部１４を適用し、メサ幅を０．９μｍとすると、縦方向ＦＦＰは１８．１°、横方向ＦＦＰは１２．３°とさらに小さくすることができた。アスペクト比は１．４７と劣化したが、絶対値としてはそれほど大きいわけではなく、カットオフ幅の増加による高出力化の恩恵が大きいので、トータルとしては高出力化を実現することができる。

［変形例２］
図８は、変形例２に係る半導体レーザの断面図である。複数の第１クラッド層２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆおよび複数の高屈折率層３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｆは、交互に積層されている。基板３２の上に、高屈折率層３０Ｃ、第１クラッド層２０Ｃ、高屈折率層３０Ｄ、第１クラッド層２０Ｄ、高屈折率層３０Ｅ、第１クラッド層２０Ｅ、高屈折率層３０Ｆおよび第１クラッド層２０Ｆが配置されている。第１クラッド層２０Ｆには、メサ構造１０の下端部となる凸部が形成されている。

複数の第１クラッド層２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆは、厚さが異なり、多重量子井戸層１６に近いほど厚い。複数の第１クラッド層２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆは、いずれもｎ－ＩｎＰでから構成され、厚さにおいて、最下層から順に、６００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍ、１２００ｎｍである。

複数の高屈折率層３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｆは、多重量子井戸層１６に最も近い最上層と、多重量子井戸層１６から最も遠い最下層と、最上層および最下層の間にある少なくとも１つの中間層を含む。少なくとも１つの中間層は、最上層および最下層よりも薄い。複数の高屈折率層３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｆは、いずれもｎ－ＩｎＧａＡｓＰから構成されている。厚さにおいて、最下層および最上層である高屈折率層３０Ｃ，３０Ｆが７０ｎｍ、中間層である高屈折率層３０Ｄ，３０Ｅが５０ｎｍである。

本変形例の構造を採用すると、カットオフ幅は２．２３μｍになり、第１実施形態のレーザ発振部１２および変形例１のレーザ発振部１２と比較して、大幅に広くすることができた。また、メサ幅１．７μｍにおける縦方向ＦＦＰは２１．９°になり、横方向ＦＦＰは１４．５°になり、第１の実施形態のレーザ発振部１２より小さくなった。アスペクト比は１．５１と大きくなった。

本変形例でも、スポットサイズ変換部１４を適用し、メサ幅を０．９μｍとすると、縦方向ＦＦＰは１４．７°、横方向ＦＦＰは１０．９°とさらに小さくすることができた。さらに、アスペクト比は１．３４となり、第１実施形態のレーザ発振部１２と同等にすることができた。

このように、複数の高屈折率層３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ，３０Ｆと複数の第１クラッド層２０Ｃ，２０Ｄ，２０Ｅ，２０Ｆを組み合わせることで、カットオフ幅の増加およびＦＦＰの縮小を実現しつつ、スポットサイズ変換部１４を利用することでアスペクト比も調整することが可能となる。

［第２の実施形態］
図９は、第２の実施形態に係る半導体レーザの平面図である。図１０は、図９に示す半導体レーザのＸ－Ｘ線断面図である。半導体レーザは、直接変調型の半導体レーザであり、１．３μｍ帯または１．５５μｍ帯で発振するＤＦＢレーザである。半導体レーザは、ＰＢＨ（Planer BH）構造を備えている。

メサ構造２１０は、第１光閉じ込め層２２６、多重量子井戸層２１６および第２光閉じ込め層２２８を含む。第１光閉じ込め層２２６は第１導電型であり、第２光閉じ込め層２２８は、第２導電型である。ＰＢＨ構造では、メサ構造２１０は、第２クラッド層２２２を含まないので、ＢＨ構造よりも低くなる。

メサ構造２１０の両側のそれぞれに、埋め込み層２１８が配置されている。ＰＢＨ構造では、図３に示すＢＨ構造と比較して、メサ構造２１０が低いことから、埋め込み層２１８が薄くなっており、そのために製造性に優れている。メサ構造２１０は、スポットサイズ変換部を有していない。

第２クラッド層２２２は、多重量子井戸層２１６および埋め込み層２１８の上にある。あるいは、メサ構造２１０および埋め込み層２１８の上に、第２クラッド層２２２がある。第２クラッド層２２２は、第２導電型（例えばｐ型）であり、ＩｎＰ層から構成されている。第２クラッド層２２２の上にはコンタクト層２４４が配置されている。コンタクト層２４４は、第２導電型であり、ＩｎＧａＡｓから構成されている。ＰＢＨ構造は、メサ構造２１０の上に広く第２クラッド層２２２およびコンタクト層２４４が配置された構造である。

高屈折率層２３０と基板２３２の間に第３クラッド層２４６がある。第３クラッド層２４６の上に、高屈折率層２３０および第１クラッド層２２０が積層されている。第３クラッド層２４６は、第１導電型（例えばｎ型）であり、ＩｎＰから構成されている。

回折格子層２２４は、第３クラッド層２４６と基板２３２の間にある。回折格子層２２４の上に第３クラッド層２４６が配置されている。基板２３２の上に回折格子層２２４が設けられている。回折格子層２２４は、高屈折率層２３０よりも基板２３２に近いが、第３クラッド層２４６の厚さの調整によって回折格子として機能し、半導体レーザはＤＦＢレーザとして駆動される。

半導体レーザは、一対の溝２４８を有する。一対の溝２４８は、メサ構造２１０が延びる方向に沿って、二つの端面（低反射コーティング膜２３４が形成された端面と高反射コーティング膜２３６が形成された端面）に及ぶように形成されている。一対の溝２４８は、半導体積層体の最上層（例えばコンタクト層２４４）の表面から基板２３２に及ぶ深さで形成されている。一対の溝２４８は、埋め込み層２１８および第１クラッド層２２０を経て基板２３２に至る深さを有する。

絶縁膜２３８が、メサ構造２１０の上方領域を除いて、半導体積層体の最上層の表面に配置され、一対の溝２４８の内面にも配置されている。表面電極２４２は、メサ構造２１０に沿って延びるメサ上電極２５０と、メサ構造２１０の片側のみに配置されたパッド電極２５２と、これらの間を接続する引き出し電極２５４を含む。引き出し電極２５４は、一対の溝２４８の一方の内面に接触している。

メサ構造２１０は、一対の溝２４８の間にある。メサ構造２１０は、パッド電極２５２から離れる方向に、半導体レーザの中央からずれた位置にある。光は、メサ構造２１０を中心に、図１０の横方向に広がって導波する。一対の溝２４８は、実質的にＦＦＰの値に影響しない領域に配置されている。つまり、実質的に外部のレンズと結合する光は、一対の溝２４８で挟まれた領域内に留まる。

ＰＢＨ構造では、コンタクト層２４４が広く配置されているために、ＢＨ構造と比較して寄生容量が大きくなる。しかし、一対の溝２４８を配置することで、第２クラッド層２２２に直接導通するコンタクト層２４４の面積を小さくすることができ、これにより寄生容量を低減することが可能となる。

一対の溝２４８により、高屈折率層２３０および第１クラッド層２２０が分断される。これにより、一対の溝２４８を超えた領域には光は広がらないが、第１の実施形態と同様に、高次横モードカットオフ幅を広げることができ、高出力のシングルモード伝送が可能になる。

高屈折率層２３０は、多重量子井戸層２１６が含まれるメサ構造２１０には含まれず、メサ構造２１０より幅広で、メサ構造２１０の全体および埋め込み層２１８の少なくとも一部（一対の溝２４８の間の部分）に連続的に重なっている。

［実施形態の概要］
（１）メサ構造１０に含まれる多重量子井戸層１６と、メサ構造１０の両側のそれぞれに接触する、半絶縁性半導体からなる埋め込み層１８と、メサ構造１０および埋め込み層１８の下にあって、多重量子井戸層１６よりも屈折率において低い、第１導電型の第１クラッド層２０と、メサ構造１０および埋め込み層１８の下方で、第１クラッド層２０の下にあって、第１クラッド層２０よりも屈折率において高く、多重量子井戸層１６で発振する光を吸収しない高屈折率層３０と、高屈折率層３０とは非接触で、多重量子井戸層１６で発振する光を回折可能な回折格子を少なくとも部分的に構成する回折格子層２４と、高屈折率層３０の下にある、第１導電型の基板３２と、多重量子井戸層１６の上にある、第１導電型とは反対の第２導電型の第２クラッド層２２と、を有する半導体レーザ。

（２）（１）に記載された半導体レーザであって、多重量子井戸層１６と第１クラッド層２０の間にあって、メサ構造１０に含まれる、第１導電型の第１光閉じ込め層２６と、多重量子井戸層１６と第２クラッド層２２の間にあって、メサ構造１０に含まれる、第２導電型の第２光閉じ込め層２８と、をさらに有する半導体レーザ。

（３）（１）又は（２）に記載された半導体レーザであって、第１クラッド層２０の厚さは、５００ｎｍ以上である半導体レーザ。

（４）（３）に記載された半導体レーザであって、第１クラッド層２０の厚さは、１５００ｎｍ以下である半導体レーザ。

（５）（１）から（４）のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、高屈折率層３０の厚さは、５０ｎｍ以上である半導体レーザ。

（６）（５）に記載された半導体レーザであって、高屈折率層３０の厚さは、１００ｎｍ以下である半導体レーザ。

（７）（１）から（６）のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、第１クラッド層は、複数の第１クラッド層２０Ａ～２０Ｆのそれぞれであり、高屈折率層は、複数の高屈折率層３０Ａ～３０Ｆのそれぞれであり、複数の第１クラッド層２０Ａ～２０Ｆおよび複数の高屈折率層３０Ａ～３０Ｆは、交互に積層されている半導体レーザ。

（８）（７）に記載された半導体レーザであって、複数の第１クラッド層２０Ａ～２０Ｆは、厚さが異なり、多重量子井戸層１６に近いほど厚い半導体レーザ。

（９）（８）に記載された半導体レーザであって、複数の高屈折率層３０Ａ～３０Ｂは、多重量子井戸層１６に近い上層と、多重量子井戸層１６から遠い下層の２層からなり、上層は、下層よりも薄い半導体レーザ。

（１０）（８）に記載された半導体レーザであって、複数の高屈折率層３０Ｃ～３０Ｆは、多重量子井戸層１６に最も近い最上層と、多重量子井戸層１６から最も遠い最下層と、最上層および最下層の間にある少なくとも１つの中間層と、を含み、少なくとも１つの中間層は、最上層および最下層よりも薄い半導体レーザ。

（１１）（１）から（１０）のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、メサ構造１０は、光出力方向に直交する幅が漸減するスポットサイズ変換部１４を含み、回折格子層２４は、スポットサイズ変換部１４では、多重量子井戸層１６で発振する光を回折しない格子を構成する半導体レーザ。

（１２）（１）から（１１）のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、第２クラッド層２２は、メサ構造１０に含まれる半導体レーザ。

（１３）（１２）に記載された半導体レーザであって、回折格子層２４は、第２クラッド層２２の内部にある半導体レーザ。

（１４）（１）から（１１）のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、第２クラッド層２２２は、多重量子井戸層２１６および埋め込み層２１８の上にある半導体レーザ。

（１５）（１４）に記載された半導体レーザであって、高屈折率層２３０と基板２３２の間に第３クラッド層２４６をさらに有し、回折格子層２２４は、第３クラッド層２４６と基板２３２の間にある半導体レーザ。

（１６）（１４）又は（１５）に記載された半導体レーザであって、メサ構造２１０は、埋め込み層２１８および第１クラッド層２２０を経て基板２３２に至る深さの一対の溝２４８の間にある半導体レーザ。

（１７）（１）から（１６）のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、第１導電型はｎ型であり、第２導電型はｐ型である半導体レーザ。

（１８）（１）から（１７）のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、高屈折率層３０は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｌＡｓのいずれかを含有する半導体レーザ。

（１９）（１）から（１８）のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、基板３２、埋め込み層１８、第１クラッド層２０および第２クラッド層２２の少なくとも１つは、ＩｎＰを含有する半導体レーザ。

（２０）（１）から（１９）のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、高屈折率層３０は、屈折率において多重量子井戸層１６よりも低い半導体レーザ。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施形態を説明した構成は、実質的に同一の構成、同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成で置き換えることができる。

１０ メサ構造、１２ レーザ発振部、１４ スポットサイズ変換部、１６ 多重量子井戸層、１８ 埋め込み層、２０ 第１クラッド層、２０Ａ 第１クラッド層、２０Ｂ 第１クラッド層、２０Ｃ 第１クラッド層、２０Ｄ 第１クラッド層、２０Ｅ 第１クラッド層、２０Ｆ 第１クラッド層、２２ 第２クラッド層、２４ 回折格子層、２６ 第１光閉じ込め層、２８ 第２光閉じ込め層、３０ 高屈折率層、３０Ａ 高屈折率層、３０Ｂ 高屈折率層、３０Ｃ 高屈折率層、３０Ｄ 高屈折率層、３０Ｅ 高屈折率層、３０Ｆ 高屈折率層、３２ 基板、３４ 低反射コーティング膜、３６ 高反射コーティング膜、３８ 絶縁膜、４０ 裏面電極、４２ 表面電極、２１０ メサ構造、２１６ 多重量子井戸層、２１８ 埋め込み層、２２０ 第１クラッド層、２２２ 第２クラッド層、２２４ 回折格子層、２２６ 第１光閉じ込め層、２２８ 第２光閉じ込め層、２３０ 高屈折率層、２３２ 基板、２３４ 低反射コーティング膜、２３６ 高反射コーティング膜、２３８ 絶縁膜、２４２ 表面電極、２４４ コンタクト層、２４６ 第３クラッド層、２４８ 溝、２５０ メサ上電極、２５２ パッド電極、２５４ 引き出し電極。

Claims (17)

1. メサ構造に含まれる多重量子井戸層と、
   前記メサ構造の両側のそれぞれに接触する、半絶縁性半導体からなる埋め込み層と、
   前記メサ構造および前記埋め込み層の下にあって、前記多重量子井戸層よりも屈折率において低い、第１導電型の第１クラッド層と、
   前記メサ構造および前記埋め込み層の下方で、前記第１クラッド層の下にあって、前記第１クラッド層よりも前記屈折率において高く、前記多重量子井戸層で発振する光を吸収しない高屈折率層と、
   前記高屈折率層とは非接触で、前記多重量子井戸層で発振する前記光を回折可能な回折格子を少なくとも部分的に構成する回折格子層と、
   前記高屈折率層の下にある、前記第１導電型の基板と、
   前記多重量子井戸層の上にある、前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２クラッド層と、
   を有し、
   前記第１クラッド層の厚さは、５００ｎｍ以上であり、１５００ｎｍ以下であり、
   前記第１クラッド層は、複数の第１クラッド層のそれぞれであり、
   前記高屈折率層は、複数の高屈折率層のそれぞれであり、
   前記複数の第１クラッド層および前記複数の高屈折率層は、交互に積層され、
   前記複数の高屈折率層は、前記多重量子井戸層に近い上層と、前記多重量子井戸層から遠い下層の２層からなり、
   前記上層は、前記下層よりも薄い半導体レーザ。
2. 請求項１に記載された半導体レーザであって、
   前記多重量子井戸層と前記第１クラッド層の間にあって、前記メサ構造に含まれる、前記第１導電型の第１光閉じ込め層と、
   前記多重量子井戸層と前記第２クラッド層の間にあって、前記メサ構造に含まれる、前記第２導電型の第２光閉じ込め層と、
   をさらに有する半導体レーザ。
3. 請求項１又は２に記載された半導体レーザであって、
   前記高屈折率層の厚さは、５０ｎｍ以上である半導体レーザ。
4. 請求項３に記載された半導体レーザであって、
   前記高屈折率層の厚さは、１００ｎｍ以下である半導体レーザ。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、
   前記複数の第１クラッド層は、厚さが異なり、前記多重量子井戸層に近いほど厚い半導体レーザ。
6. 請求項５に記載された半導体レーザであって、
   前記複数の高屈折率層は、前記多重量子井戸層に最も近い最上層と、前記多重量子井戸層から最も遠い最下層と、前記最上層および前記最下層の間にある少なくとも１つの中間層と、を含み、
   前記少なくとも１つの中間層は、前記最上層および前記最下層よりも薄い半導体レーザ。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、
   前記メサ構造は、光出力方向に直交する幅が漸減するスポットサイズ変換部を含み、
   前記回折格子層は、前記スポットサイズ変換部では、前記多重量子井戸層で発振する前記光を回折しない格子を構成する半導体レーザ。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、
   前記第２クラッド層は、前記メサ構造に含まれる半導体レーザ。
9. 請求項８に記載された半導体レーザであって、
   前記回折格子層は、前記第２クラッド層の内部にある半導体レーザ。
10. 請求項１から７のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、
    前記第２クラッド層は、前記多重量子井戸層および前記埋め込み層の上にある半導体レーザ。
11. 請求項１０に記載された半導体レーザであって、
    前記高屈折率層と前記基板の間に第３クラッド層をさらに有し、
    前記回折格子層は、前記第３クラッド層と前記基板の間にある半導体レーザ。
12. 請求項１０又は１１に記載された半導体レーザであって、
    前記メサ構造は、前記埋め込み層および前記第１クラッド層を経て前記基板に至る深さの一対の溝の間にある半導体レーザ。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、
    前記第１導電型はｎ型であり、前記第２導電型はｐ型である半導体レーザ。
14. 請求項１から１３のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、
    前記高屈折率層は、ＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＡｌＡｓのいずれかを含有する半導体レーザ。
15. 請求項１から１４のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、
    前記基板、前記埋め込み層、前記第１クラッド層および前記第２クラッド層の少なくとも１つは、ＩｎＰを含有する半導体レーザ。
16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載された半導体レーザであって、
    前記高屈折率層は、前記屈折率において前記多重量子井戸層よりも低い半導体レーザ。
17. メサ構造に含まれる多重量子井戸層と、
    前記メサ構造の両側のそれぞれに接触する、半絶縁性半導体からなる埋め込み層と、
    前記メサ構造および前記埋め込み層の下にあって、前記多重量子井戸層よりも屈折率において低い、第１導電型の第１クラッド層と、
    前記メサ構造および前記埋め込み層の下方で、前記第１クラッド層の下にあって、前記第１クラッド層よりも前記屈折率において高く、前記多重量子井戸層で発振する光を吸収しない高屈折率層と、
    前記高屈折率層とは非接触で、前記多重量子井戸層で発振する前記光を回折可能な回折格子を少なくとも部分的に構成する回折格子層と、
    前記高屈折率層の下にある、前記第１導電型の基板と、
    前記多重量子井戸層の上にある、前記第１導電型とは反対の第２導電型の第２クラッド層と、
    を有し、
    前記第１クラッド層は、複数の第１クラッド層のそれぞれであり、
    前記高屈折率層は、複数の高屈折率層のそれぞれであり、
    前記複数の第１クラッド層および前記複数の高屈折率層は、交互に積層され、
    前記複数の第１クラッド層は、厚さが異なり、前記多重量子井戸層に近いほど厚い半導体レーザ。