特開 2019-207959 半導体レーザ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-207959(P2019-207959A)

(43)【公開日】2019年12月5日

(54)【発明の名称】半導体レーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/06 20060101AFI20191108BHJP

   H01S 5/12 20060101ALI20191108BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/06

   H01S5/12

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2018-103099(P2018-103099)

(22)【出願日】2018年5月30日

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100098394

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 茂樹

(74)【代理人】

【識別番号】100153006

【弁理士】

【氏名又は名称】小池 勇三

(74)【代理人】

【識別番号】100064621

【弁理士】

【氏名又は名称】山川 政樹

(72)【発明者】

【氏名】ディアマドプロス ニコラオス パデレイモン

(72)【発明者】

【氏名】硴塚 孝明

(72)【発明者】

【氏名】松尾 慎治

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AA22

5F173AA47

5F173AB13

5F173AD15

5F173AD30

5F173AF02

5F173AF04

5F173AF12

5F173AF13

5F173AH14

5F173AP05

5F173AP32

5F173AP33

5F173AR35

5F173AR46

(57)【要約】

【課題】周波数応答特性をより改善することができる半導体レーザを提供することを目的とする。
【解決手段】
半導体レーザ１は、ＴＥモードとＴＭモードの光を励起するとともに、ＴＥモードとＴＭモードの光を導波させる共振器の少なくとも一部を構成する活性層１０２と、ＴＥモードとＴＭモードの光の発振周波数の差を緩和振動周波数よりも高く設定する周波数差設定構造として回折格子１０３とを備える。
【選択図】 図２Ａ

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つのモードの光を励起するとともに、前記２つのモードの光を導波させる共振器の少なくとも一部を構成する活性層と、
前記２つのモードの光の発振周波数の差を緩和振動周波数よりも高く設定する周波数差設定構造と
を備えることを特徴とする半導体レーザ。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記活性層は導波方向に周期的に形成された回折格子を含む分布帰還構造を有し、
前記周波数差設定構造は、前記回折格子から構成されている
ことを特徴とする半導体レーザ。

【請求項3】

請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
前記活性層は分布帰還構造を有し、
前記共振器はさらに、
前記活性層の導波方向に連続して形成され、導波方向に沿って所定の長さを有する導波路領域と、
前記活性層とは反対側の前記導波路領域の端部に連続して形成された反射鏡と、
を備え、
前記活性層で励起された前記２つのモードの光は、前記導波路領域を導波して前記反射鏡で反射され、前記活性層にフィードバックされる
ことを特徴とする半導体レーザ。

【請求項4】

請求項３に記載の半導体レーザにおいて、
前記導波路領域は、前記２つのモードの光の位相を調整する位相調整領域を備えることを特徴とする半導体レーザ。

【請求項5】

請求項３または請求項４に記載の半導体レーザにおいて、
前記導波路領域は、前記２つのモードの光の偏光面を回転させる偏光回転領域を備えることを特徴とする半導体レーザ。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記活性層は、前記共振器の導波方向に垂直な断面において電流が注入される領域に対して偏在していることを特徴とする半導体レーザ。

【請求項7】

請求項１から５のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記活性層は、前記共振器の導波方向に垂直な断面が非対称な形状であることを特徴とする半導体レーザ。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記２つのモードの光は、ＴＥモードおよびＴＭモードの光であることを特徴とする半導体レーザ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体レーザに関し、特に光送信器の光源として利用される半導体レーザの構造に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、インターネットの普及に伴うネットワークトラフィック量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速化および大容量化が著しい。半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源デバイスとして発展を続けてきた。特に、分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）レーザによる単一モード光源の実現は、時分割多重方式、および波長分割多重（Ｗａｖｅｌｅｎｇｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＷＤＭ）方式による光ファイバ通信の高速化や大容量化に大きく寄与してきた。

【0003】

また近年、光通信は、コアネットワークやメトロネットワーク等のテレコム領域に限らず、データセンタ間、ラック間、さらにはボード間の短距離のデータ通信にも適用されている。１００Ｇｂイーサネット（登録商標）はＷＤＭ型の多波長アレイ光源の構成を用いて標準化されており、データ通信用の大容量化が急速に進んでいる。

【0004】

このような光通信において用いられる半導体光素子として、直接変調レーザが知られている。直接変調レーザは、レーザの入力電流に信号を重畳することにより強度変調を与えるレーザであり、消費電力が低いことから広く用いられ、光ファイバネットワークにおいては特に短距離通信において普及してきた。テレコム、データコムを問わず通信容量は増大の一途であり、今後はこれらをさらに進展させた、高速な直接変調レーザの実現が望まれる。

【0005】

直接変調レーザの周波数応答は、共振器内のキャリアとフォトンの寿命に起因した緩和振動周波数により制限される。緩和振動周波数は一般的な構造では最大３０ＧＨｚ程度に留まり、変調周波数に限界があることが課題であった。そのため、近年、結合共振器を用いて複数の縦モード間の相互作用を用いることにより光−光相互作用による共振周波数を発生させ、より高い周波数応答を実現する提案がなされている（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Ｇ．Ｍｏｒｔｈｉｅｒ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｊ． ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ３６，１２，ｐｐ．１４６８−１４７５（２０００），“Ｅｘｔｅｎｄｅｄ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｏｆ ＤＢＲ ａｎｄ Ｅｘｔｅｒｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｌａｓｅｒｓ ｂｙ Ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ａ Ｃａｖｉｔｙ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｆｏｒ Ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ”

【非特許文献2】Ｙ． Ｍａｔｓｕｉ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｊ． ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ．，３５，３，ｐｐ．３９７−４０３（２０１７），“５５ ＧＨｚ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒ”

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかし、非特許文献１および非特許文献２に記載されている従来の半導体レーザの構造は、複合共振器による複数の縦モードを用いており、安定した発振モードおよびより高速な変調動作を得ることが困難であった。

【0008】

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、周波数応答特性をより改善することができる半導体レーザ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】

【0009】

上述した課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザは、２つのモードの光を励起するとともに、前記２つのモードの光を導波させる共振器の少なくとも一部を構成する活性層と、前記２つのモードの光の発振周波数の差を緩和振動周波数よりも高く設定する周波数差設定構造とを備えることを特徴とする。

【0010】

また、本発明に係る半導体レーザにおいて、前記活性層は導波方向に周期的に形成された回折格子を含む分布帰還構造を有し、前記周波数差設定構造は、前記回折格子から構成されていてもよい。

【0011】

また、本発明に係る半導体レーザにおいて、前記活性層は分布帰還構造を有し、前記共振器はさらに、前記活性層の導波方向に連続して形成され、導波方向に沿って所定の長さを有する導波路領域と、前記活性層とは反対側の前記導波路領域の端部に連続して形成された反射鏡と、を備え、前記活性層で励起された前記２つのモードの光は、前記導波路領域を導波して前記反射鏡で反射され、前記活性層にフィードバックされてもよい。

【0012】

また、本発明に係る半導体レーザにおいて、前記導波路領域は、前記２つのモードの光の位相を調整する位相調整領域を備えていてもよい。

【0013】

また、本発明に係る半導体レーザにおいて、前記導波路領域は、前記２つのモードの光の偏光面を回転させる偏光回転領域を備えていてもよい。

【0014】

また、本発明に係る半導体レーザにおいて、前記活性層は、前記共振器の導波方向に垂直な断面において電流が注入される領域に対して偏在していてもよい。

【0015】

また、本発明に係る半導体レーザにおいて、前記活性層は、前記共振器の導波方向に垂直な断面が非対称な形状であってもよい。

【0016】

また、本発明に係る半導体レーザにおいて、前記２つのモードの光は、ＴＥモードおよびＴＭモードの光であってもよい。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、２つのモードの光の発振周波数の差を緩和振動周波数よりも高く設定する周波数差設定構造を有するので、周波数応答特性が改善された半導体レーザを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1A】図１Ａは、本発明の実施の形態係る半導体レーザの原理を説明するための図である。

【図1B】図１Ｂは、本発明の実施の形態係る半導体レーザの原理を説明するための図である。

【図1C】図１Ｃは、本発明の実施の形態係る半導体レーザの原理を説明するための図である。

【図2A】図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。

【図2B】図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す側面図である。

【図3】図３は、本発明の第２の実施の形態に係る半導体レーザを有する半導体装置の構成を示すブロック図である。

【図4】図４は、本発明の第２の実施の形態の変形例を示すブロック図である。

【図5】図５は、本発明の第３の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。

【図6A】図６Ａは、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。

【図6B】図６Ｂは、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。

【図6C】図６Ｃは、本発明の第４の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。

【図7A】図７Ａは、本発明の第５の実施の形態に係る半導体レーザを有する半導体装置の構成を示すブロック図である。

【図7B】図７Ｂは、本発明の第５の実施の形態に係る半導体レーザを有する半導体装置の構成を示すブロック図である。

【図8A】図８Ａは、本発明の第５の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。

【図8B】図８Ｂは、本発明の第５の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

以下、本発明の好適な実施の形態について、図１Ａから図８Ｂを参照して詳細に説明する。各図について共通する構成要素には、同一の符号が付されている。

【0020】

［発明の原理］
はじめに、本発明の実施の形態に係る半導体レーザの概要について図１Ａから図１Ｃを参照して説明する。
まず、図１Ａに、従来例の直接変調方式の半導体レーザにおける周波数応答特性を示す。図１Ａに示すように、従来から知られている直接変調方式の半導体レーザは、緩和振動周波数付近にのみ共振ピークを有している。

【0021】

これに対して、本発明の実施の形態に係る直接変調方式の半導体レーザでは、モードおよび周波数の異なる２つのレーザ光を共振させる。例えば、ＴＥモードの光とＴＭモードの光とが異なる発振周波数となり、かつ、発振周波数の周波数差が緩和振動周波数よりも高くなるように設定する。これにより、緩和振動周波数の高周波側に光−光共振周波数が生じ、周波数応答特性が改善する。

【0022】

この共振は、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、ＴＥモードとＴＭモードの結合がより高いほど周波数応答特性は改善する。この結合は、半導体レーザの共振器内でＴＥモードとＴＭモードが互いに遷移し得る状態を表すものである。結合がゼロの場合には、ＴＥモードとＴＭモードとにおいて半導体レーザは独立に動作する。

【0023】

［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザ１について、図２Ａおよび図２Ｂを参照して説明する。

【0024】

半導体レーザ１は、図２Ａに示すように、ｎ型半導体で構成される下部クラッド層１０１と、下部クラッド層１０１の上に形成された活性層１０２と、活性層１０２の上に形成された回折格子１０３（後述する）とを有する。半導体レーザ１は、さらに、活性層１０２および回折格子１０３を下部クラッド層１０１とで挟むように形成されたｐ型半導体で構成される上部クラッド層１０４と、上部クラッド層１０４の上部に形成されたコンタクト層１０５とを有する。

【0025】

下部クラッド層１０１、活性層１０２、および上部クラッド層１０４は所定の幅のストライプ構造に形成されている。半導体レーザ１は、ストライプ構造の側面に接して形成された高抵抗層１０６と、高抵抗層１０６の上部に形成された絶縁膜１０７とを有する。

【0026】

半導体レーザ１は、上部クラッド層１０４の上に形成されたコンタクト層１０５と、コンタクト層１０５を介して形成されたｐ型電極１０８と、下部クラッド層１０１の底部に形成されたｎ型電極１０９とを有する。ｐ型電極１０８は上部クラッド層１０４に電気的に接続し、ｎ型電極１０９は下部クラッド層１０１に電気的に接続する。

【0027】

また、半導体レーザ１は、図２Ｂに示すように、導波方向の端面に高反射膜１１０を有する。

【0028】

活性層１０２は、バルク構造を有する。活性層１０２は、図２Ａに示すように、導波方向に垂直な断面形状が、縦横比１に近い矩形となるように形成される。そのため、活性層１０２は、ＴＥモードとＴＭモードとに対する基本モードを有している。

【0029】

回折格子１０３は、ＴＥモードとＴＭモードとの発振周波数の差を緩和振動周波数よりも高く設定する周波数差設定構造として機能する。回折格子１０３は、図２Ｂに示すように、導波方向に沿って所定の回折格子ピッチの凹凸形状が形成されている。回折格子１０３の凹凸により屈折率差が生じ、特定の波長の光のみ選択的に反射させて、単一モード発振が実現される。本実施の形態では、分布帰還構造が用いられ、ブラッグ波長周辺の波長のみを選択的に発振させる。

【0030】

本実施の形態では、下部クラッド層１０１は、例えば、ｎ型のＩｎＰ基板上に形成されたｎ型のＩｎＰクラッドによって構成される。活性層１０２は、バルクＩｎＧａＡｓＰからなり、幅０．４６μｍ、厚さ０．４μｍとされている。回折格子１０３は、組成１．１ＱのＩｎＧａＡｓＰとされている。

【0031】

また、上部クラッド層１０４は、ｐ型のＩｎＰで構成されている。コンタクト層１０５は、ｐ型のＩｎＧａＡｓからなる。活性層１０２を含むストライプ構造の側面に設けられている高抵抗層１０６は、ＦｅがドープされたＩｎＰとされている。なお、高抵抗層１０６は、活性層１０２の屈折率よりも低い屈折率を有する。また、絶縁膜１０７はＳｉＯ₂とされている。図２Ｂに示す回折格子１０３からなる共振器構造の導波方向の長さは、２００μｍとされている。

【0032】

本実施の形態において、ＴＥモードの実行屈折率ｎ_eqTEは、３．２６２０、ＴＭモードの実行屈折率ｎ_eqTMは３．２６０９であり、実効屈折率差は０．０００１である。このときの回折格子１０３の回折格子ピッチΛは、ブラッグ波長１５５０ｎｍに対応する２３８．２ｎｍに設定する。ＴＥモードおよびＴＭモードの発振周波数差ｆは、次の式（１）で表される。

【0033】

【数1】

上式（１）において、ｃは真空中の光速度である。

【0034】

上式（１）より、ＴＥモードおよびＴＭモードの発振周波数差ｆ＝６４ＧＨｚが算出される。この周波数差ｆが半導体レーザ１における共振周波数となる。

【0035】

前述したように、活性層１０２はバルク構造であるため、ＴＥモードとＴＭモードの両方のモードを励起することが可能である。活性層１０２への光閉じ込め係数はＴＥモードの方が高いため、主モードはＴＥモードとなる。また、回折格子１０３における導波もしくは反射においてＴＥモードとＴＭモードの結合が生じ、共振周波数における応答の増大が生ずる。

【0036】

本実施の形態の例による半導体レーザ１の緩和振動周波数は最大で２０ＧＨｚ程度であるところ、図２Ｂに示すレーザ領域においてＴＥモードとＴＭモードの両モードによる競合が生じ、光−光相互作用によって８０Ｇｂｉｔ／ｓを超える高速な変調動作を実現できる。

【0037】

次に、上述した構成を有する半導体レーザ１の製造方法について説明する。まず、ＩｎＰ基板の上に、下部クラッド層１０１および活性層１０２となる化合物半導体層をエピタキシャル成長させる。例えば、よく知られた有機金属気相成長法により各層を成長させればよい。

【0038】

次に、活性層１０２の表面に回折格子を形成する。例えば、電子ビーム露光によるリソグラフィーで形成したレジストパタンをマスクとし、所定のエッチングによりパターニングすることで回折格子１０３を形成すればよい。

【0039】

次に、回折格子１０３を形成した部分に、上部クラッド層１０４とコンタクト層１０５となる化合物半導体層をエピタキシャル成長させる。

【0040】

次いで、公知のフォトリソグラフィー技術により作成したレジストパタンをマスクとしたウェットエッチングおよびドライエッチングなどにより、成長させた化合物半導体層などをパターニングし、下部クラッド層１０１、活性層１０２、上部クラッド層１０４、およびコンタクト層１０５からなるストライプ構造を形成する。なお、各パタンを形成した後は、レジストパタンを除去する。

【0041】

次に、高抵抗層１０６を、下部クラッド層１０１（ｎ型ＩｎＰ基板）の上面および活性層１０２を含むストライプ構造の脇の領域に再成長させて形成し、ストライプ構造を埋め込む。

【0042】

その後、高抵抗層１０６の上部に所定の堆積法により絶縁膜１０７を形成する。この後に、コンタクト層１０５の部分に開口を形成して、コンタクト層１０５に接続するｐ型電極１０８を形成する。一方で、下部クラッド層１０１の裏面にｎ型電極１０９を形成する。

【0043】

以上説明したように、第１の実施の形態によれば、活性層１０２の上部に設けられた回折格子１０３の回折格子ピッチをブラッグ波長に対応するピッチとすることで、ＴＥモードとＴＭモードとの発振周波数差を制御するので、半導体レーザ１における緩和振動周波数よりも高周波側に光−光共振周波数を生ずることができる。その結果として、半導体レーザ１における直接変調の変調帯域を改善することができる。

【0044】

また、本実施の形態に係る半導体レーザ１によれば、ＴＥモードとＴＭモードのそれぞれの基本モードのみの導波構造とすることにより、より安定した発振モードを得ることができる。

【0045】

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第１の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

【0046】

第１の実施の形態では、ＴＥモードとＴＭモードの発振周波数差を緩和振動周波数よりも高く設定する周波数差設定構造として回折格子１０３を用いた。これに対して、第２の実施の形態では、ＴＥモードとＴＭモードとの発振周波数の差の制御を、導波路によるフィードバックを用いて実現する。

【0047】

図３は、第２の実施の形態に係る半導体レーザ１Ａを備える半導体装置を示すブロック図である。半導体レーザ１Ａは、分布帰還（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）構造の活性層であるＤＦＢ領域２０１と、導波路領域２０２と、高反射膜（反射鏡）２０３とを備える。ＤＦＢ領域２０１は変調信号用の電流源２と接続している。また、導波路領域２０２は、後述する位相調整用の電圧源３（または電流源）と接続している。

【0048】

ＤＦＢ領域２０１は、第１の実施の形態と同様にバルク活性層によって構成され、ＴＥモードとＴＭモードとを励起する。

【0049】

導波路領域２０２は、ＤＦＢ領域２０１の導波方向に連続して形成されている。導波路領域２０２は、ＴＥモードとＴＭモードとの両モードを導波させる。導波路領域２０２は、導波方向において所定のフィードバック導波路長Ｌを有する。

【0050】

導波路領域２０２は、ＴＥモードとＴＭモードの帰還用の導波路としての機能に加えて、位相調整機能を備え、電圧源３から印加された電圧によってＴＥモードとＴＭモードの位相を調整し、共振周波数を制御してもよい。また、例えば、導波路領域２０２に隣接して電極や熱電素子を設け、電気光学効果や熱光学効果を利用して導波路領域２０２の実行屈折率を制御することでＴＥモードとＴＭモードとの周波数差を制御してもよい。

【0051】

高反射膜２０３は、ＤＦＢ領域２０１とは反対側の導波路領域２０２の導波方向の端部に連続して形成されている。高反射膜２０３は、導波路領域２０２を導波する光を反射してＤＦＢ領域２０１に帰還させる。

【0052】

次に、本実施の形態に係る半導体レーザ１Ａの動作について説明する。
まず、電流源２からの電流注入によりＤＦＢ領域２０１で発振光が発生する。発振光は、導波路領域２０２を介して高反射膜２０３で反射して、再びＤＦＢ領域２０１に帰還する。このときの光のフィードバック時間をτ、フィードバック導波路長をＬ、ＴＥモードの群屈折率をｎ_gTE、ＴＭモードの群屈折率をｎ_gTMとすると、光遅延によりＴＥモードとＴＭモードのフィードバック光には、次の式（２）で表される周波数差ｆが生ずる。

【0053】

【数2】

上式（２）において、ｃは真空中の光速度である。

【0054】

上式（２）からわかるように、半導体レーザ１Ａの共振周波数は、フィードバック導波路長Ｌと、ＴＥモードおよびＴＭモードの実行屈折率ｎ_gTE、ｎ_gTMによって決まる。

【0055】

本実施の形態では、導波路領域２０２の導波方向に垂直な方向の断面の縦横比を１からずらした非対称構造とする。これにより、ＴＥ偏光とＴＭ偏光に対する群屈折率が異なるように設定して、半導体レーザ１Ａの発振波長（発振周波数）に対して、バンドギャップ波長を短波長側に設定する。例えば、半導体レーザ１Ａの動作波長が１．５５μｍ付近の場合、バンドギャップ波長を１．２μｍとする。

【0056】

このような構成により、ＤＦＢ領域２０１または導波路領域２０２においてＴＥモードとＴＭモードとの結合が生ずるので、半導体レーザ１Ａにおける緩和振動周波数よりも高い共振周波数が生じ、より高速な変調動作が実現される。

【0057】

なお、導波路領域２０２が有する位相調整機能は、図４に示すように導波路領域２０２とは別に設けてもよい。例えば、図４に示すように、ＤＦＢ領域２０１と導波路領域２０２との間に位相調整機能を有する位相調整領域２０４を形成してもよい。

【0058】

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第１および第２の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

【0059】

第１の実施の形態では、導波方向に垂直な断面形状が縦横比で１に近い矩形の活性層１０２が形成される場合について説明した。これに対し、第３の実施の形態では、図２Ｂに示した導波路の全部もしくは一部が、図５に示すように、活性層１０２ａは、半導体層で形成される埋め込み層１１１に埋め込むように形成されている。また、活性層１０２ａの導波方向に垂直な断面形状は、半導体レーザ１Ｂの電流が注入される領域に対して偏在して形成されている。活性層１０２ａと埋め込み層１１１とは半導体レーザ１Ｂの共振器の一部を構成する。

【0060】

このような構成の活性層１０２ａを有することで、基本モードがＴＥモードとＴＭモードの混合状態となり、共振器内の光伝搬時に偏波の混合状態が変わることによって偏波回転が生じる。前述のとおり、ＴＥモードとＴＭモードの結合は、ＴＥモード成分のＴＭモード成分への遷移、およびＴＭモード成分のＴＥモード成分への遷移に起因する。したがって、導波路形状の非対称化、および対称な導波路との組み合わせによって、半導体レーザ１Ｂにおいて、ＴＥモードとＴＭモードとの相互作用がより強くなり、より高い光−光相互作用を得ることができる。

【0061】

［第４の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第１から第３の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

【0062】

第３の実施の形態では、活性層１０２ａの断面視における形状が電流が注入される領域に対して偏在している場合について説明した。これに対して、第４の実施の形態に係る半導体レーザ１Ｃは、図２Ｂに示した導波路の全部もしくは一部が、図６Ａから図６Ｃに示すように、活性層１０２ｂの導波方向に垂直な断面が非対称な形状を有する。

【0063】

例えば、図６Ａに示すように、活性層１０２ｂの導波方向に垂直な断面形状は、非等脚台形状に形成されていてもよい。また、図６Ｂに示すように、活性層１０２ｂの導波方向に垂直な断面形状は、直角台形状に形成されていてもよい。また、図６Ｃに示すように、活性層１０２の導波方向に垂直な断面形状は、階段形状に形成されていてもよい。

【0064】

このような構成の活性層１０２ｂを有することで、半導体レーザ１Ｃにおいて、共振器内の光伝搬時に偏波回転が生じることから、ＴＥモードとＴＭモードの相互作用がより強くなり、より高い光−光相互作用を得ることができる。なお、上記の活性層１０２ｂの非対称な断面形状は、目標とするＴＥモードとＴＭモードとの結合係数に応じて設計すればよい。

【0065】

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上述した第１から第４の実施の形態と同じ構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

【0066】

第２の実施の形態では、半導体レーザ１Ａにおいて、ＴＥモードとＴＭモードの帰還路として機能し、位相調整機能を有する導波路領域２０２が用いられる場合について説明した。これに対して、第５の実施の形態に係る半導体レーザ１Ｄは、図７Ａに示すように、導波路領域２０２と連続して形成された偏光回転領域２０５をさらに備える。

【0067】

偏光回転領域２０５は、ＴＥモードおよびＴＭモードの偏光面を回転させる。偏光回転領域２０５は導波路領域２０２と高反射膜２０３との間に形成される。偏光回転領域２０５は、第３の実施の形態および第４の実施の形態で説明した活性層１０２ａ、１０２ｂの断面形状（図５、図６Ａから図６Ｃ）と同様に、電流が注入される領域に対して偏在させたり、断面が非対称な形状とする。

【0068】

偏光回転領域２０５を上記のような形状とし、半導体レーザ１Ｄの動作波長に対してバンドギャップ波長を短波長側に設定する。例えば、動作波長が１．５５μｍの場合、波長１．２μｍとする。これにより、ＴＥモードとＴＭモードとにおいて、より強い相互作用を発生させることができる。

【0069】

また、偏光回転領域２０５は、位相調整機能を有する導波路領域２０２と同一の領域に形成してもよい。例えば、図７Ｂに示すように、ＤＦＢ領域２０１と高反射膜２０３との間に導波路としての機能、位相調整機能、および偏光回転機能を有する導波路領域２０６を設けてもよい。

【0070】

次に、偏光回転機能および位相調整機能を有する導波路領域２０６を備えた半導体レーザ１Ｄの断面図を図８Ａおよび図８Ｂに示す。

【0071】

図８Ａに示す半導体レーザ１Ｄの断面図の例では、活性層１０２ｃに多重量子井戸構造が用いられている。なお、図８Ａは、図７Ｂに示すＤＦＢ領域２０１を含む部分における半導体レーザ１Ｄの断面図を示している。活性層１０２ｃに量子井戸構造を採用することで、よりキャリアと光の相互作用が強くなり、微分利得が増大するために高速動作を実現できる。

【0072】

また、図８Ｂに示す半導体レーザ１Ｄの断面図の例では、電流が注入される領域に対して偏在している導波路層１１２が形成されている。なお、図８Ｂは、図７Ｂに示す導波路領域２０６を含む部分における半導体レーザ１Ｄの断面図を示している。導波路層１１２のバンドギャップ波長は１．２μｍとする。導波路層１１２の上下には電流注入用の電極が設けられており、順バイアス電圧による電流注入、あるいは逆バイアス電圧による電界効果によって導波路層１１２の屈折率を制御して位相条件を調整する。

【0073】

以上、本発明に係る半導体レーザの実施の形態について説明したが、本発明は説明した実施の形態に限定されるものではなく、請求項に記載した発明の範囲において当業者が想定し得る各種の変形を行うことが可能である。

【0074】

例えば、説明した第１から第４の実施の形態では、バルク構造を有する活性層を用いたが、第５の実施の形態のように量子井戸構造を有する活性層を代わりに用いてもよい。具体的には、導波路形状を活性層の縦横比率において、縦の比率がより小さい構造とし、活性層に伸長歪の量子井戸層を用いる。これにより、導波モードとしてはＴＥモードが主モードとなる一方で、ＴＭ偏光の光利得が高くなるため、両者の効果が相殺されて、ＴＥモードとＴＭモードの両モードにおける励振が可能となる。

【0075】

あるいは、活性層の縦横比率において、縦の比率がより大きい構造とし、活性層に無歪もしくは圧縮歪の量子井戸を用いる。これにより、導波モードとしてはＴＭモードが主モードとなる一方で、ＴＥ側の励振が高くなるため、両者の効果が相殺されることにより、ＴＥモードとＴＭモードの両モードにおける励振が可能となる。

【0076】

また、説明した実施の形態では、半導体レーザにＩｎＧａＡｓＰ材料を用いたが、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＡｌＧａＡｓ等のその他の半導体材料を用いた半導体レーザにも本発明を適用できることは明らかである。

【0077】

また、説明した実施の形態では、導波路を半絶縁埋め込みの半導体レーザ構造としたが、本発明はＴＥ偏光とＴＭ偏光の両モードにおける導波特性の設定により動作するものであるから、ｐｎ埋め込み構造やリッジ構造を用いても、導波モードの設計により、本実施の形態と同様の効果を実現できる。

【符号の説明】

【0078】

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ…半導体レーザ、１２…内壁、１０１…下部クラッド層、１０２…活性層、１０３…回折格子、１０４…上部クラッド層、１０５…コンタクト層、１０６…高抵抗層、１０７…絶縁膜、１０８…ｐ型電極、１０９…ｎ型電極、１１０…高反射膜。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】