特許 6355888 半導体レーザ素子、及び光半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6355888

(24)【登録日】2018年6月22日

(45)【発行日】2018年7月11日

(54)【発明の名称】半導体レーザ素子、及び光半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/12 20060101AFI20180702BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/12

【請求項の数】6

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2013-17543(P2013-17543)

(22)【出願日】2013年1月31日

(65)【公開番号】特開2014-150145(P2014-150145A)

(43)【公開日】2014年8月21日

【審査請求日】2016年1月13日

【審判番号】不服2017-5891(P2017-5891/J1)

【審判請求日】2017年4月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】301005371

【氏名又は名称】日本オクラロ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000154

【氏名又は名称】特許業務法人はるか国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中原 宏治

(72)【発明者】

【氏名】若山 雄貴

【合議体】

【審判長】 森 竜介

【審判官】 恩田 春香

【審判官】 星野 浩一

(56)【参考文献】

【文献】 特開平４−３２６７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特公平２−１９９８７（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２０００−２７７８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１４２２３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−３１１５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２０３１００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−９５８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６１−４７６８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２８６５０２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−３０７１７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

H01S5/00-5/50

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１のピッチの周期的形状を有する第１の回折格子領域と、前記第１のピッチと異なる第２のピッチの周期的形状を有する第２の回折格子領域と、前記第１のピッチの周期的形状を有する第３の回折格子領域とが、光の出射側から光の進行方向に沿って順に接して並ぶ回折格子と、
光の出射側の端面に形成される反射抑制膜と、
前記光の出射側の端面とは反対側の端面に形成される反射膜と、
を備える半導体レーザ素子であって、
光の進行方向に沿う長さは、前記第１の回折格子領域が前記第３の回折格子領域より長く、
前記第１の回折格子領域の位相と前記第３の回折格子領域の位相が、０．６π以上０．９π以下の範囲でシフトするとともに、前記第１及び前記第２の回折格子領域の境界において前記第１及び前記第２の回折格子領域の位相が連続するよう、かつ前記第２及び前記第３の回折格子領域の境界において前記第２及び前記第３の回折格子領域の位相が連続するよう、前記第２の回折格子領域は、前記第２のピッチ及び前記第２の回折格子領域の光の進行方向に沿う長さを有し、
前記回折格子の光結合効率と前記回折格子の光の進行方向に沿う長さとの積が２．０以上２．５以下であり、共振器構造が分布帰還型である、
ことを特徴とする、半導体レーザ素子。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体レーザ素子であって、
リッジ型構造又は埋込型構造のいずれかの構造を有する、
ことを特徴とする、半導体レーザ素子。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子であって、
ＩｎＧａＡｌＡｓ多重量子井戸を含む活性層をさらに備える、
ことを特徴とする、半導体レーザ素子。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体レーザ素子であって、
前記回折格子の光結合効率が１２０ｃｍ^−１以上である、
ことを特徴とする、半導体レーザ素子。

【請求項5】

請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体レーザ素子であって、
前記回折格子の光の進行方向に沿う長さが１５０μｍ以下である、
ことを特徴とする、半導体レーザ素子。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体レーザ素子、を備える、光半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体レーザ素子及びそれを備える光半導体装置に関し、特に、回折格子を有する半導体レーザ素子の周波数特性の向上及び製造歩留まりの向上に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、より速い伝送速度の光半導体装置が望まれている。例えば、光ファイバ通信の通信光源が備えられる光半導体装置には、最近標準化された１００Ｇｂ／ｓの伝送速度を実現させるために、波長多重方式の半導体レーザ素子が用いられている。かかる光半導体装置は、１チャンネル当たり２５Ｇｂ／ｓ或いは２８Ｇｂ／ｓの伝送速度で駆動し、互いに異なる波長の光を出力する４チャンネルの半導体レーザ素子を備えており、大容量伝送を実現している。現在、２５〜２８Ｇｂ／ｓ以上の伝送速度の半導体レーザ素子として、吸収型変調器集積化レーザ素子が用いられており、光半導体装置として、かかるレーザ素子が送信光源として備えられる光送受信モジュールが実用化されている。しかし、高速ルータ内への高密度実装の観点から、１００Ｇｂ／ｓ光通信送受信モジュールの小型化、低消費電力化、低コスト化の要求が強い。直接変調レーザ素子は、構造が簡単で駆動方式も簡単なので、直接変調レーザ素子の高速動作が実現できれば、光半導体装置の小型化、低消費電力化、低コスト化などの実現が期待される。伝送速度１０Ｇｂ／ｓによる１０ｋｍ以下の短距離伝送では、既に直接変調レーザ素子が実用化されており、かかる直接変調レーザ素子は、その共振器構造が１０ｋｍ伝送可能なように単一の波長で発振する分布帰還型（Distributed FeedBack：以下、ＤＦＢと記す）であるＤＦＢレーザ素子である。例えば２５〜２８Ｇｂ／ｓといった速い伝送速度の直接変調レーザ素子においても、ＤＦＢレーザ素子を用いることが考えられる。なお、より速い伝送速度の直接変調レーザ素子として、研究段階では、例えば、２５Ｇｂ／ｓや２８Ｇｂ／ｓで駆動する直接変調半導体レーザ素子が非特許文献１に開示されている。

【0003】

ＤＦＢレーザ素子は、素子内部に光軸方向に沿って回折格子が形成される構造を有している。均一な回折格子構造では原理的に２つの波長が発振するので、回折格子を有する半導体レーザ素子には、単一モードで発振する工夫が施されている。その１つの技術として、１／４波長位相シフト（λ／４シフト）回折格子構造がある。また、半導体レーザ素子の両端面には、誘電体膜が形成されるが、端面における光の反射率が低反射率となる誘電膜が反射抑制膜（低反射膜）であり、端面における光の反射率が高反射率となる誘電膜が反射膜（高反射膜）である。λ／４シフト回折格子構造を有する半導体レーザ素子について、特許文献１乃至４に開示されている。特許文献１乃至４に開示される半導体レーザ素子では、回折格子におけるλ／４シフトのシフト位置の配置と、半導体レーザ素子の両端面に形成される誘電膜の選択とを組み合わせることにより、特性の向上がなされている。

【0004】

λ／４シフト回折格子構造を有する半導体レーザ素子では、λ／４シフトのシフト位置に光強度が局在化するために高光出力時に単一モードが維持できないという課題があった。それゆえ、光強度の局在を低減させる構造として、ＣＰＭ（Corrugation-Pitch-Modulated）回折格子構造を有する半導体レーザ素子が、非特許文献２に開示されている。ＣＰＭ回折格子構造を有する半導体レーザ素子では、位相シフトのための回折格子領域を回折格子が有し、かかる回折格子領域においてλ／４シフトを空間的に漸次にシフトさせている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開昭６２−９５８８６号公報

【特許文献2】特開昭６１−２１６３８３号公報

【特許文献3】特開昭６１−４７６８５号公報

【特許文献4】特開２０００−２８６５０２号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】G. Sakiano, et al, ‘25.8Gbps Direct Modulation AlGaInAs DFB Lasers with Ru-doped InP Buried Heterostructure for 70°C operation, ’ OFC/NFOEC 2012 Technical Digest, OTh3F.3, 2012.

【非特許文献2】Makoto Okai, ‘Spectral characteristics of distributed feedback semiconductor lasers and their improvements by corrugation-pitch-modulated structure, ’ Journal of Applied Physics, Vol. 75, No. 1, pp. 1-29, 1994.

【非特許文献3】K. Nakahara, et al, ‘12.5-Gb/s Direct Modulation Up to 115°C 1.3μm InGaAlAs-MQW RWG DFB Lasers With Notch-Free Grating Structure,’ IEEE Journal of Lightwave Technology, vol. 22, No. 1, pp. 159-165, 2004.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

回折格子を有する半導体レーザ素子の伝送速度を高速化させる手法として、活性層の共振器長Ｌを短くさせる手法と、回折格子の光結合効率κを上げる手法とが考えられる。前者の手法により活性層の体積を減少させることが出来、後者の手法により素子のしきい利得を低減し微分利得を向上させることが出来る。後者の手法は、特に、歪が導入された量子井戸レーザにおいてしきい利得を下げることにより微分利得が向上することが知られている。微分利得の向上により緩和振動周波数ｆ_ｒが増大する。緩和振動周波数ｆ_ｒは駆動電流Ｉ_ｍ（＝レーザへの注入電流−しきい電流）と共振器長Ｌとの間に、以下の（数式１）の関係がある。

【0008】

【数1】

【0009】

緩和振動周波数ｆ_ｒを増大させることにより、伝送速度の高速化を実現させるとともに、マスクマージンなどの特性を向上させることに寄与する。発明者らは、同一ウェハ内で、以下に説明するＤＦＢレーザ素子（以下、参考例に係る半導体レーザ素子）を作製し、その特性について検討を行った。参考例に係る半導体レーザ素子のうち、第１の参考例に係る半導体レーザ素子が、λ／４シフト回折格子構造を有するＤＦＢレーザ素子であり、第２の参考例に係る半導体レーザ素子が、ＣＰＭ回折格子構造を有するＤＦＢレーザ素子である。

【0010】

第１の参考例に係る半導体レーザ素子は、伝送速度１０Ｇｂ／ｓのλ／４シフト回折格子構造を有する従来のリッジ型ＤＦＢレーザ素子と同様の構造であって、従来のＤＦＢレーザ素子より回折格子の光結合効率κが大きいＤＦＢレーザ素子である。当該ＤＦＢレーザ素子の両端面のうち、信号光を取り出す前端面に反射抑制膜が、後端面に反射膜が、それぞれ形成されている。また、回折格子はλ／４シフトのシフト位置を後端面側に近づけて配置している非対称構造となっている。第１の参考例に係る半導体レーザ素子の構造は、非特許文献３に開示される１０Ｇｂ／ｓのλ／４シフト回折格子構造を有するリッジ型ＤＦＢレーザ素子と同じである。非特許文献３に開示されるＤＦＢレーザ素子では、κＬをおよそ１と、共振器長Ｌを２００μｍと、それぞれしており、光結合効率κはおよそ５０ｃｍ^−１である。これに対して、第１の参考例に係る半導体レーザ素子では、共振器長Ｌを１５０μｍとしている。さらに、回折格子の光結合効率κを１２０ｃｍ^−１と大きい値にしている。これにより、同じ駆動電流Ｉ_ｍでの緩和振動周波数ｆ_ｒが増大されることが確認された。

【0011】

しかし、発明者らは、第１の参考例に係る半導体レーザ素子の小信号変調周波数特性の低域側での変調特性劣化が顕著となることを見出した。以下、これについて説明をする。図８は、参考例に係る半導体レーザ素子の小信号光応答特性を示す図である。図には、第１の参考例に係る半導体レーザ素子の小信号光学応答特性が曲線１０１で、第２の参考例に係る半導体レーザ素子の小信号光応答特性が曲線１０２で、それぞれ示されている。図の縦軸は、光応答であり、１目盛は３ｄＢである。図の横軸は、周波数ｆ（ＧＨｚ）である。なお、図に示す破線は−３ｄＢの光応答を示している。また、半導体レーザ素子の駆動温度を５５℃とし、駆動電流Ｉ_ｍを５０ｍＡとしている。

【0012】

図８の曲線１０１が示す通り、第１の参考例に係る半導体レーザ素子の小信号光応答は、周波数の低い領域（０〜数ＧＨｚ）におけて、急激に低下しており（帯域のロールオフ）、応答特性が劣化している。その結果、周波数帯域を示すｆ３ｄＢは約４ＧＨｚと低くなっている。このような低域側での特性劣化は、一般には、半導体レーザの構造に起因する寄生抵抗や寄生容量が組み合わさってできる寄生回路に起因するものとして解釈されている。しかし、発明者らは、この原因について鋭意に検討した結果、第１の参考例に係る半導体レーザ素子の周波数特性の低域側での特性劣化は寄生回路に起因するのではなく、後述する通り、λ／４シフト構造に起因するとの知見を得た。

【0013】

第２の参考例に係る半導体レーザ素子は、第１の参考例に係る半導体レーザ素子と等しい光結合効率κを有し、λ／４シフトをＣＰＭ構造としたＤＦＢレーザ素子である。第２の参考例に係る半導体レーザ素子は、第１の参考例に係る半導体レーザ素子のλ／４シフトのシフト位置を中心に、ピッチが変調される回折格子領域を備えるＣＰＭ回折格子構造を有している。すなわち、かかる回折格子領域を後端面側に近づけて配置する非対称構造となっている。

【0014】

図８の曲線１０２が示す通り、第２の参考例に係る半導体レーザ素子の小信号光応答は、第１の参考例と異なり、低域での特性劣化が抑制されており、ｆ３ｄＢは２０ＧＨｚと顕著に高くなっている。よって、第１の参考例に係る半導体レーザ素子と比べて非常に高い周波数応答特性を得ることが出来ている。

【0015】

第１及び第２の参考例に係る半導体レーザ素子の周波数特性の違いのように、回折格子構造による周波数特性の違いは今まで公になっておらず、発明者らが初めて明らかにしたことである。また、この回折格子構造による低域での周波数応答特性の違いは、光結合効率κが７５ｃｍ^−１と小さい場合にはその差異は小さく、光結合効率κが１２０ｃｍ^−１
以上と大きい場合には差異が明確になることを、発明者らは実験より明らかにした。

【0016】

一方、第２の参考例に係る半導体レーザ素子は、第１の参考例に係る半導体レーザ素子と比較して、高い周波数応答特性を得ることが出来たが、単一モードの製造歩留まりが低下してしまうという問題があることを、発明者らは見出した。発明者らが複数作製した第２の参考例に係る半導体レーザ素子には、単一モード波長で発振する素子も含まれるものの、２つの波長で発振する２モード発振の素子や、注入電流を増やすと単一モードから２モード発振へ変わる素子が含まれていた。

【0017】

以上、説明した通り、λ／４シフト回折格子構造において、回折格子の光結合効率κを上げると、周波数特性の低域側での特性が劣化する（第１の参考例）。一方、ＣＰＭ回折格子構造とすることにより、周波数特性の低域側での特性は向上するが、単一モードの製造歩留まりが低下してしまう（第２の参考例）。本発明は、かかる課題を鑑みてなされてものであり、本発明の目的は、周波数特性の向上と製造歩留まりの向上がともに実現される半導体レーザ素子及び光半導体装置の提供とする。

【0018】

なお、第１及び第２の参考例に係る半導体レーザ素子の周波数特性の違いを、発明者らが鋭意に考察した結果、λ／４シフト回折格子構造とＣＰＭ回折格子構造における空間的ホールバーニングの違いで説明されることを、発明者らは見出しており、それを以下に説明する。

【0019】

図９Ａは、第１の参考例に係る半導体レーザ素子におけるキャリア密度と光密度の分布を示す図であり、図９Ｂは、第２の参考例に係る半導体におけるキャリア密度と光密度の分布を示す図である。考察を簡単にするために、第１の参考例におけるλ／４シフトのシフト位置を、素子の両端面の中心としており対称構造としている。同様に、第２の参考例における位相シフトのための回折格子領域（ピッチ変調領域ＣＰＭ）の中心を、素子の両端面の中心としている。図９Ａ及び図９Ｂそれぞれにおいて、光出力が大きい場合の光密度を曲線ＬＤ１で、光出力が小さい場合の光密度を曲線ＬＤ２で、それぞれ示している。さらに、光出力が大きい場合のキャリア密度を曲線ＣＤ１で、光出力が小さい場合のキャリア密度を曲線ＣＤ２で、それぞれ示している。

【0020】

図９Ａに示すλ／４シフト回折格子構造では、λ／４シフトのシフト位置に、光が集中するために誘導放出によりキャリアはシフト位置を中心に局所的に減少する。小信号変調特性を測定する時のように、半導体レーザ素子に注入されている電流がバイアス電流を中心に変調される場合について考える。注入されている電流が多く光出力が大きいとき、シフト位置付近の光密度が局所的に大きくなるので、キャリアの局所的な減少が大きくなる。キャリアが局所的に減少すると、キャリアの空間的な密度勾配（濃度勾配）が生じることになるので、キャリアは密度勾配を補償するように半導体レーザ素子の活性層内を光軸に沿う方向を含む横方向に移動する。注入されている電流が減るとシフト位置の光密度は相対的に減少するので、密度勾配は光出力が強い場合よりも緩くなり、活性層内を該横方向と反対方向に移動する。キャリアである自由電子と正孔のうち、正孔の移動度は低いので上述した活性層内の横方向のキャリア移動の応答速度は正孔の移動度で決まりその応答速度は遅くなる。このキャリアの横方向の移動により低域での特性劣化が起こっていると考えられる。

【0021】

これに対して、図９Ｂに示すＣＰＭ回折格子構造では、位相シフトが空間的に漸次的に起こっているために、シフト位置及びその近傍における光密度の増大は、図９Ａに示すλ／４シフト回折格子構造より緩やかで分散している。よって、誘導放出によるキャリア減少も緩やかなので、変調による光密度の増大に伴うキャリア密度の減少も空間的に緩やかになり、その結果、キャリアの密度勾配は小さく、横方向のキャリア移動も小さい。よって、ＣＰＭ回折格子構造では、周波数特性での低域での劣化が抑制され、特性の広帯域化が実現できると考えられる。

【課題を解決するための手段】

【0022】

（１）上記課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、｛第１のピッチの周期的形状を有する第１の回折格子領域と、前記第１のピッチと異なる第２のピッチの周期的形状を有する第２の回折格子領域と、前記第１のピッチの周期的形状を有する第３の回折格子領域とが、光の出射側から光の進行方向に沿って順に接して並ぶ回折格子｝と、光の出射側の端面に形成される反射抑制膜と、前記光の出射側の端面とは反対側の端面に形成される反射膜と、を備える半導体レーザ素子であって、光の進行方向に沿う長さは、前記第１の回折格子領域が前記第３の回折格子領域より長く、前記第１の回折格子領域の位相と前記第３の回折格子領域の位相が、０．６π以上０．９π以下の範囲でシフトするとともに、前記第１及び前記第２の回折格子領域の境界において前記第１及び前記第２の回折格子領域の位相が連続するよう、かつ前記第２及び前記第３の回折格子領域の境界において前記第２及び前記第３の回折格子領域の位相が連続するよう、前記第２の回折格子領域は、前記第２のピッチ及び前記第２の回折格子領域の光の進行方向に沿う長さを有する、ことを特徴とする。

【0023】

（２）上記（１）に記載の半導体レーザ素子であって、共振器構造が分布帰還型であってもよい。

【0024】

（３）上記（１）又は（２）に記載の半導体レーザ素子であって、リッジ型構造又は埋込型構造のいずれかの構造を有していてもよい。

【0025】

（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の半導体レーザ素子であって、ＩｎＧａＡｌＡｓ多重量子井戸を含む活性層をさらに備えていてもよい。

【0026】

（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の半導体レーザ素子であって、前記回折格子の光結合効率が１２０ｃｍ^−１以上であってもよい。

【0027】

（６）上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の半導体レーザ素子であって、前記回折格子の光の進行方向に沿う長さが１５０μｍ以下であってもよい。

【0028】

（７）本発明に係る光半導体装置は、上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の半導体レーザ素子、を備えていてもよい。

【発明の効果】

【0029】

本発明により、周波数特性の向上と製造歩留まりの向上がともに実現される半導体レーザ素子及び光半導体装置の提供が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0030】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子主要部の全体斜視図である。

【図2】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。

【図3】本発明の第１の実施形態に係る半導体レーザ素子のアイパターンを示す図である。

【図4】単一モード歩留まりと、ＣＰＭ回折格子領域における位相シフト量との関係の計算結果を示す図である。

【図5】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子主要部の全体斜視図である。

【図6】本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。

【図7】本発明の第３の実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。

【図8】参考例に係る半導体レーザ素子の小信号光応答特性を示す図である。

【図9A】第１の参考例に係る半導体レーザ素子におけるキャリア密度と光密度の分布を示す図である。

【図9B】第２の参考例に係る半導体レーザ素子におけるキャリア密度と光密度の分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0031】

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

【0032】

［第１の実施形態］
本発明に係る第１の実施形態に係る半導体レーザ素子は、ＣＰＭ回折格子構造を有するＤＦＢレーザ素子であり、１．３μｍ帯で発振するリッジ型レーザ素子である。すなわち、レーザ素子の共振器構造がＤＦＢ型（分布帰還型）であり、レーザ素子の光閉じ込め構造及び電流狭窄構造がリッジ型構造である。当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、光ファイバ通信用送信光源として用いることが出来る。図１は、当該実施形態に係る半導体レーザ素子主要部の全体斜視図であり、図２は、当該実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。図２には、レーザ素子内部の光の光軸を含み積層方向に広がる断面が示されている。

【0033】

当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、ｎ型ＩｎＰ基板１に半導体多層が積層された素子である。なお、ｎ型ＩｎＰ基板１の上表面にはｎ型ＩｎＰバッファ層が形成されているが、図１及び図２には図示されていない。図１及び図２に示す通り、ｎ型ＩｎＰ基板１に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層２、ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層３、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層４、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層５、ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層６、及びＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７が、順に積層され、半導体多層を形成している。ここで、ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層３は、５層の井戸層を有する多重量子井戸（Multi Quantum Well）層である。また、ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層６とＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７は、同一の組成でも良いし、異なる組成の混晶結晶でも良い。

【0034】

ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７の上表面のうち、光導波路の上方となる領域に、ローメサ構造のｐ型ＩｎＰクラッド層８及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９が、順に形成されている。すなわち、当該半導体レーザ素子はリッジ構造を有している。ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７の上表面のうちローメサ構造が形成されていない領域、及びローメサ構造の側面を覆うように、ＳｉＯ_２保護膜１０が形成されている。さらに、ＳｉＯ_２保護膜１０を覆うように、ポリイミド層１１が形成されている。さらに、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｐ型電極１２がｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９と接して形成され、ＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなるｎ型電極１３がｎ型ＩｎＰ基板１の下表面（裏面）に形成される。ここで、”／”は、左側の物質から右側の物質の順に積層されていることを意味している。また、ポリイミド層１１は、ｐ型電極１２のパッド部に起因する寄生容量を低減させるために形成されている。なお、図１は、説明を簡単にするために、当該実施形態に係る半導体レーザ素子の主要部が表されており、実際には、半導体多層は図の両側より広がって形成されている。また、後述するＩｎＧａＡｓＰ導波路層１４が形成される部分は図示されていない。図２には、説明を簡単にするために、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９、ｐ型電極１２、及びｎ型電極１３が省略されている。

【0035】

図２に示す半導体レーザ素子の右側端面は信号光が出射する端面（前端面）であり、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７には、光の出射側から順に、第１の回折格子領域２１（長さＬ_１）と、第２の回折格子領域２２（長さＬ_２）と、第３の回折格子領域２３（長さＬ_３）とが、光の進行方向（光導波路が延伸する方向）に沿って順に接して並んでいる。なお、図２に示すＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７は、光の進行方向に沿って位相の変化がわかるように正弦関数を用いて示されているが、実際には、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７は、各回折格子領域において、所定のピッチで周期的な凹凸形状をしている。半導体レーザ素子の右側端面と、ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層３及びＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７を含む半導体多層の右側端面との間には、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１４が形成されている。

【0036】

当該実施形態に係る半導体レーザ素子の光の進行方向に沿って形成される両端面のうち、信号光が出射する端面（前端面）は、第１の回折格子領域２１側の端面であり、当該端面に反射抑制膜１５が形成されている。ここで、反射抑制膜１５は端面における実効反射率が０．１％以下の低反射膜（低反射コーティング層）が望ましく、ここでは実効反射率０．１％以下の低反射膜を用いている。しかし、これに限定されることはなく、実効反射率が１％以下の低反射膜を用いることが出来る。また、前端面とは反対側の端面（後端面）は、第３の回折格子領域２３側の端面であり、当該端面に反射膜１６が形成されている。ここで、反射膜１６は端面における反射率が９０％以上の高反射膜（高反射コーティング層）が望ましく、ここでは反射率９５％の高反射膜を用いている。しかし、これに限定されることはなく、反射率が７０％以上の高反射膜を用いることが出来る。なお、端面に反射抑制膜（低反射膜）を形成することは低反射膜コーティングであり、端面に反射膜（高反射膜）を形成することは高反射コーティングである。

【0037】

光が発生する活性層は、ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層３を含んでおり、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７は、ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層３の近傍に、光の進行方向に沿って配置されている。なお、回折格子は、活性層又は活性層の近傍となる層に設けられればよい。ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層３及びＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７を含む半導体多層の光の進行方向に沿う長さが、共振器長Ｌ_ＯＳであり、ここでは１５０μｍとしている。ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１４の光の進行方向に沿う長さが導波路層長Ｌ_Ｗであり、ここでは５０μｍとしている。よって、半導体レーザ素子の両側端面間の距離であるレーザ素子長は２００μｍとなっており、共振器長Ｌ_ＯＳを１５０μｍと短くしているにもかかわらず、量産の製造工程において劈開を容易に行うことが可能となっている。

【0038】

ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７の凸部の高さは５３ｎｍであり、回折格子の光結合効率κは、第１の回折格子領域２１、第２の回折格子領域２２、及び第３の回折格子領域２３のいずれにおいても、１５０ｃｍ^−１である。第１の回折格子領域２１及び第３の回折格子領域２３は、ともに、ピッチ２００ｎｍ（第１のピッチ：Λ_ＳＴＤ）の周期的形状を有している。これに対して、第２の回折格子領域２２（ＣＰＭ回折格子領域）は、ピッチ２００．２９９６ｎｍ（第２のピッチ：Λ_ＣＰＭ）の周期的形状を有している。第１のピッチと第２のピッチは互いに異なっている。第２の回折格子領域２２の光の進行方向に沿う長さＬ_２をＣＰＭ回折格子の長さ（Ｌ_ＣＰＭ）とすると、当該実施形態に係る半導体レーザ素子では、ＣＰＭ回折格子の長さ（Ｌ_ＣＰＭ）を５０．０７５μｍとしている。第２の回折格子領域２２における等価的位相シフトが、第１の回折格子領域２１と第３の回折格子領域２３との間の位相シフトと同一のシフト量となるように、第２のピッチ（Λ_ＣＰＭ）及びＣＰＭ回折格子の長さ（Ｌ_ＣＰＭ）が決定される。第２ピッチ及びＣＰＭ回折格子の長さが適切に選択されることにより、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７における回折格子の位相が、第１乃至第３の回折格子領域に亘って連続して変化することが出来る。すなわち、第１の回折格子領域２１及び第２の回折格子領域２２の境界において、第１の回折格子領域２１の位相と、第２の回折格子領域２２の位相とが連続して接続され、第２の回折格子領域２２及び第３の回折格子領域２３の境界において、第２の回折格子領域２２の位相と、第３の回折格子領域２３の位相とが連続して接続される。なお、第２の回折格子領域２２の中心は、共振器長Ｌ_ＯＳとして示される部分（共振器部分）の右側端（前端）から共振器長Ｌ_ＯＳの７０％となる１０５μｍの位置に配置されている。すなわち、共振器長Ｌ_ＯＳの前方と後方の比が７：３となる位置である。当該実施形態では、第２の回折格子領域２２の中心を、共振器部分の前端から７０％となる位置としたがこれに限定されることはない。第２の回折格子領域２２の中心を、共振器部分の後端よりも前端に近づけて配置する（前端より共振器長の５０％未満に配置する）と、単一モード波長の歩留まりが著しく低下する。単一モード波長の歩留まりの観点からは、第２の回折格子領域２２の中心を、共振器部分の先端よりも後端に近づけて配置するのが望ましく、このとき、第１の回折格子領域の長さＬ_１は、第３の回折格子領域の長さＬ_３より長い。さらに、共振器部分の前端から第２の回折格子領域２２の中心までの距離が共振器長の５５％以上８０％以下となっているのが望ましい。ただし、第３の回折格子領域２３の長さＬ_３が存在する範囲とする。

【0039】

当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、回折格子の光結合効率κが１５０ｃｍ^−１と高い値を有しており、さらに、共振器長Ｌ_ＯＳが１５０μｍと小さい値を有しており、リッジ型ＤＦＢレーザ素子であるにもかかわらず、しきい電流は、２５℃において４．０ｍＡと、５５℃において５．８ｍＡとなっており、低いしきい電流を得ることが実現されている。さらに、パルス測定での波長の単一モード歩留まりは９０％以上と、歩留まりの向上が実現されている。駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆ_ｒの傾きは、２５℃及び５５℃において、それぞれ３．４ＧＨｚ／ｍＡ^１／２及び３．１ＧＨｚ／ｍＡ^１／２と優れた特性が実現されている。さらに、光結合効率κが大きいにもかかわらず、小信号周波数特性は、図８に曲線１０２で示すように、低域での特性劣化（帯域のロールオフ）が抑制されており、ｆ３ｄＢが約２０ＧＨｚと高い周波数特性を得ることが出来ている。

【0040】

図３は、当該実施形態に係る半導体レーザ素子のアイパターンを示す図である。図３において横軸の１目盛は５ｐｓ／ｄｉｖである。当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、低いしきい電流と高い周波数特性を有していることにより、ＯＴＵ４の規格である２７．９５２Ｇｂ／ｓの伝送速度で、バイアス電流が５８ｍＡ、駆動温度が５５℃の条件において、消光比は５．６４ｄＢが得られ、さらに、ＩＥＥＥマスクのマスクマージンは２１％と、高い特性が実現出来ている。なお、前述した第１の参考例に係る半導体レーザ素子についても評価を行ったが、駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆ_ｒの傾きは、当該実施形態とほとんど相違はなかった。それにもかかわらず、当該実施形態と同一条件でのマスクマージンは３％と、当該実施形態と比較して非常に小さくなっている。よって、これは、第１の参考例に係る半導体レーザ素子における低域での特性劣化（帯域のロールオフ）が起因している。アイ開口では０レベルで下がりきらないためにマスクマージンが低下すると考えられている。なお、当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、駆動温度５５℃における推定寿命時間は、３．２×１０^５時間と高い信頼性を得ることが出来ている。

【0041】

以上、当該実施形態に係る半導体レーザ素子について説明した。前述した第２の参考例に係る半導体レーザ素子において、単一モードの歩留まりが低下する原因について鋭意に検討をした結果、素子の両端面に形成される誘電体膜の選択によって、単一モードの歩留まりの観点から最適となるＣＰＭ回折格子領域（第２の回折格子領域２２）の位相シフト量が異なることを、発明者らが明らかにしたことにより、本発明はなされたものである。半導体レーザ素子の両端面に反射抑制膜が形成される場合には、ＣＰＭ回折格子領域の位相シフト量がπであることが最適であるとされている。これに対して、当該実施形態に係る半導体レーザ素子においては、光の出射側の端面（前端面）に反射抑制膜が形成され、その反対側の端面（後端面）に反射膜が形成されている。端面における反射率が非対称となっているために、最適とされる位相シフト量はπとは異なる。

【0042】

図４は、単一モード歩留まりと、ＣＰＭ回折格子領域における位相シフト量との関係の計算結果を示す図である。計算を施した半導体レーザ素子は、第２の参考例や当該実施形態と同様に、前端面に反射抑制膜が、後端面に反射膜が形成されており、ＣＰＭ回折格子領域の中心は、回折格子（共振器長Ｌとして示される部分）の前端より共振器長の７０％の位置に配置されている。すなわち、ＣＰＭ回折格子領域の中心は、回折格子の前端より後端側に近づけて配置されている。さらに、前端面に形成される反射抑制膜の反射率は０％と、後端面に形成される反射膜の反射率は９０％と、ＣＰＭ回折格子領域の長さは共振器長の１／３として、計算を行っている。

【0043】

上記条件下において、回折格子の光結合効率κと共振器長Ｌの積であるκＬが、１．０〜４．０の範囲で変化させた場合について、計算を行っている。図４の横軸の位相シフト量は、ＣＰＭ回折格子領域の両端における位相のずれを示すものである。例えば、λ／４シフトの場合には、位相シフト量はπであり、このときの位相シフト量は、図のグラフの右端の１．０（×π）として示されている。κＬが１．０〜４．０の範囲のいずれにある場合であっても、位相シフト量がπ（右端）から減少するにつれて、歩留まりは向上する。そして、歩留まりが最も高くなった点を過ぎると、その後、歩留まりが低下する。例えば、κＬが１．０である場合、位相シフト量がπであるときより歩留まりが向上する位相シフト量の範囲は、０．６π以上π未満である。κＬが２．０である場合、歩留まりが向上する位相シフト量の範囲は、０．４５π以上π未満であり、κＬが２．５である場合、歩留まりが向上する位相シフト量の範囲は、０．４π以上π未満であり、κＬが４．０である場合、歩留まりが向上する位相シフト量の範囲は、０．４２π以上π未満である。図６や製造精度などを鑑みて、ＣＰＭ回折格子領域の位相シフト量の範囲は０．６π以上０．９π以下が望ましい。なお、さらなる歩留まり向上のために、κＬが２〜２．５となる範囲において、位相シフト量の範囲は、歩留まりが８０％以上となる０．５５π以上０．７５π以下が望ましい。

【0044】

当該実施形態では、前述の通り、回折格子の光結合効率κは１５０ｃｍ^−１であり、共振器長Ｌ_ＯＳは１５０μｍとなっており、κＬは２．２５である。よって、ＣＰＭ回折格子領域（第２の回折格子領域２２）の位相シフト量を、当該実施形態では０．７５πとしている。さらに、第２のピッチ（Λ_ＣＰＭ）及びＣＰＭ回折格子の長さ（Ｌ_ＣＰＭ）が、第１のピッチ（Λ_ＳＴＤ）及び位相シフト量に基づいて、決定されている。詳細を以下の通り、説明する。第２のピッチ（Λ_ＣＰＭ）は、第１のピッチ（Λ_ＳＴＤ）及びＣＰＭ回折格子の長さ（Ｌ_ＣＰＭ）を用いて、以下の（数式２）で表すことが出来る。

【0045】

【数2】

【0046】

ここで、ｎは、位相シフト量の１／π倍の値であり、例えば、ｎ＝１のとき位相はπシフトしている。前述の通り、当該実施形態では、位相シフト量を０．７５πとしており、ｎ＝０．７５である。まず、第１の回折格子領域２１と第３の回折格子領域２３との位相シフトが０．７５π（ｎ＝０．７５）となるように、ＣＰＭ回折格子の長さ（Ｌ_ＣＰＭ）を、第１のピッチ（Λ_ＳＴＤ）の（ｎ／２＋Ｍ）倍（Ｍは自然数）に設定する。当該実施形態では、Ｍ＝２５０としており、Ｌ_ＣＰＭ＝５０．０７５μｍである。次に、（数式２）の関係を満たすように、第２のピッチ（Λ_ＣＰＭ）を求めると、Λ_ＣＰＭ＝２００．２９９６ｎｍとなる。なお、ここでは、ｎ＝０．７５としたが、これに限定されることはない。望ましいＣＰＭ回折格子領域の位相シフト量の範囲が０．６π以上０．９π以下であるので、ｎを０．６≦ｎ≦０．９となるように選択すればよい。

【0047】

さらに、位相シフト量がπであることと３π（＝π＋２ｋπ）であることは等価である。また、第２のピッチ（Λ_ＣＰＭ）を第１のピッチ（Λ_ＳＴＤ）より短くしても、所望の位相シフト量を実現することが出来る。よって、（数式２）においてｎを±（ｎ＋２ｋ）と置換することにより、（数式２）をさらに拡張することが出来る。ここで、ｋは０以上の整数（ｋ＝０，１，２・・・）である。

【0048】

なお、当該実施形態では、製造工程における劈開の容易さの観点から、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１４を形成しているが、これに限定されることはなく、導波路層を用いずに活性層（を含む半導体多層）を劈開することにより形成される半導体レーザ素子であっても、同様の効果が得られることは言うまでもない。また、当該実施形態では、ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層６の上面に、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７を直接形成しているが、これに限定されることはなく、例えば、回折格子を彫り込む厚さの組成波長を変えて回折格子の光結合効率κを向上させても良い。また、回折格子をＩｎＰ層の内部に形成するいわゆるフローティング型回折格子を用いても、本発明の効果が得られる。

【0049】

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る半導体レーザ素子は、本発明をＢＨレーザ素子に適用した場合であるが、レーザ素子の両端面に形成される誘電膜の構成は第１の実施形態と同じである。回折格子層の構造が第１の実施形態と異なっているが、これについては、後述する。なお、ＢＨレーザ素子とは、ＢＨ構造（Buried Hetero-structure）を有する半導体レーザ素子であり、ＢＨ構造とは、活性層を含む半導体多層のうち光導波路の両側となる領域が除去されて形成されるメサストライプ構造の両側が半絶縁性半導体層で埋め込まれている構造をいう。すなわち、レーザ素子の光閉じ込め構造及び電流狭窄構造が埋込型である。図５は、当該実施形態に係る半導体レーザ素子主要部の全体斜視図であり、図６は、当該実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図である。図６には、レーザ素子内部の光の光軸を含み積層方向に広がる断面が示されている。図５及び図６には、説明を簡単にするために、ｐ型電極１２、及びｎ型電極１３が省略されているが、実際には、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子同様に、ｐ型電極１２がｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９と接して形成されており、ｎ型電極１３がｎ型ＩｎＰ基板１の下表面（裏面）に形成されている。

【0050】

当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、ｎ型ＩｎＰ基板１に半導体多層が積層された素子であるが、前述の通り、ＢＨ構造を有しており、当該半導体多層はメサストライプ構造となっている。なお、ｎ型ＩｎＰ基板１の上表面にはｎ型ＩｎＰバッファ層が形成されているが、図１及び図２と同様に、図５及び図６には図示されていない。図５及び図６に示す通り、ｎ型ＩｎＰ基板１に、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層２、ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層３、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層４、ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層５、ＩｎＰ層１７、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７、ｐ型ＩｎＰクラッド層８、及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９が、順に積層され、半導体多層を形成している。ここで、ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層３は、９層の井戸層を有する多重量子井戸（Multi Quantum Well）層である。また、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７は、ＩｎＰ層１７及びｐ型ＩｎＰクラッド層８の間に形成されており、いわゆるフローティング型回折格子である。当該半導体多層のうち、光導波路の外側に広がる領域が、最上層であるｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層９から下方へｎ型ＩｎＰ基板１の一部まで除去されメサストライプ構造となっている。なお、メサストライプ構造のメサ幅は１．３μｍである。メサストライプ構造の両側（両脇）が半絶縁性半導体埋込層１８で埋め込まれており、当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、前述の通り、ＢＨ構造を有するＢＨレーザ素子である。半絶縁性半導体埋込層１８の材料は、例えば、鉄（Ｆｅ）又はルテニウム（Ｒｕ）をドーピングしたＩｎＰである。図９に示す通り、第１の実施形態と異なり、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１４は形成されておらず、半導体レーザ素子の右側端面は、ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層３及びＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７を含む半導体多層の右側端面と一致している。なお、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７には、第１の実施形態と同様に、光の出射側から順に、第１の回折格子領域２１と、第２の回折格子領域２２と、第３の回折格子領域２３とが、光の進行方向（光導波路が延伸する方向）に沿って順に接して並んでいる。

【0051】

当該実施形態に係る半導体レーザ素子において、信号光が出射する端面（前端面）には反射抑制膜１５が、その反対側の端面（後端面）には反射膜１６が、それぞれ形成されている。ここで、反射抑制膜１５は端面における実効反射率が０．１％以下の低反射膜（低反射コーティング層）であり、反射膜１６は端面における反射率が９０％の高反射膜（高反射コーティング層）である。

【0052】

ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層３及びＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７を含む半導体多層の光の進行方向に沿う長さが、共振器長Ｌ_ＯＳであり、半導体レーザ素子長は共振器長Ｌ_ＯＳである。ここでは１５０μｍとしている。ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７の凸部の高さは５２ｎｍであり、回折格子の光結合効率κは、第１の回折格子領域２１、第２の回折格子領域２２、及び第３の回折格子領域２３のいずれにおいても、１４５ｃｍ^−１である。よって、光結合効率κと共振器長Ｌの積であるκＬ＝２．１７５である。第１の回折格子領域２１及び第３の回折格子領域２３は、ともに、ピッチ２０２ｎｍ（第１のピッチ：Λ_ＳＴＤ）の周期的形状を有している。当該実施形態に係る半導体レーザ素子では、第２の回折格子領域２２（ＣＰＭ回折格子）の位相シフト量を０．７πとしており、（数式２）においてｎ＝０．７である。第１の回折格子領域２１と第３の回折格子領域２３との位相シフトが０．７π（ｎ＝０．７）となるように、ＣＰＭ回折格子の長さ（Ｌ_ＣＰＭ）を、第１のピッチ（Λ_ＳＴＤ）の（ｎ／２＋Ｍ）倍（Ｍは自然数）に設定しており、当該実施形態では、Ｍ＝３４７、Ｌ_ＣＰＭ＝７０．１６４７μｍである。第２の回折格子領域２２（ＣＰＭ回折格子領域）の第２のピッチ（Λ_ＣＰＭ）は（数式２）より求まり、第２の回折格子領域２２はピッチ２０２．２０３５ｎｍ（第２のピッチ：Λ_ＣＰＭ）の周期的形状を有している。これにより、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７における回折格子の位相が、第１乃至第３の回折格子領域に亘って連続して変化することが出来る。なお、第２の回折格子領域２２の中心は、共振器の前端から第２の回折格子領域２２の中心までの距離は、１０５μｍ（共振器長Ｌ_ＯＳの７０％）である。

【0053】

当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、回折格子の光結合効率κが１４５ｃｍ^−１と高い値を有しており、さらに、共振器長Ｌ_ＯＳが１５０μｍと小さい値を有している。それゆえ、しきい電流は、２５℃において２．４ｍＡと、５５℃において４．５ｍＡとなっており、低いしきい電流を得ることが実現されている。さらに、パルス測定での波長の単一モード歩留まりは９８％と、歩留まりの向上が実現されている。駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆ_ｒの傾きは、２５℃及び５５℃において、それぞれ４．２ＧＨｚ／ｍＡ^１／２及び３．４ＧＨｚ／ｍＡ^１／２と優れた特性が実現されている。さらに、光結合効率κが大きいにもかかわらず、小信号周波数特性は低域での特性劣化（帯域のロールオフ）が抑制されており、ｆ３ｄＢが約２３ＧＨｚと高い周波数特性を得ることが出来ている。当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、低いしきい電流と高い周波数特性を有していることにより、ＯＴＵ４の規格である２７．９５２Ｇｂ／ｓの伝送速度で、バイアス電流が５５ｍＡ、駆動温度が５５℃の条件において、消光比は５．７ｄＢが得られ、さらに、ＩＥＥＥマスクのマスクマージンは２３％と、高い特性が実現出来ている。なお、当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、駆動温度５５℃における推定寿命時間は、２．４×１０^５時間と高い信頼性を得ることが出来ている。

【0054】

当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、活性層（を含む半導体多層）を劈開することにより形成される半導体レーザであるが、これに限定されることはなく、導波路層を集積することにより共振器長をレーザ素子長より短くした半導体レーザ素子であっても、同様の効果が得られることは言うまでもない。また、当該実施形態に係る半導体レーザ素子では、いわゆるフローティング型回折格子を用いているが、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７の途中まで回折格子を彫り込み、その直下にｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層５を形成する回折格子を用いても、同様の効果を得られることは言うまでもない。

【0055】

［第３の実施形態］
本発明に係る第３の実施形態に係る半導体レーザ素子は、１．３μｍ帯で発振するリッジ型のＤＦＢレーザ素子であり、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１４が形成されていないことに加えて、以下に説明すること以外については、第１の実施形態に係る半導体レーザ素子と同じ構造をしている。図７は、当該実施形態に係る半導体レーザ素子の断面図であり、図２と同様に、図７には、レーザ素子内部の光の光軸を含み積層方向に広がる断面が示されており、図２に導波路層長Ｌ_Ｗとして示される部分（ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１４を含む）が示されていない以外は、図７は図２と同じである。

【0056】

当該実施形態に係る半導体レーザ素子では、共振器長Ｌ_ＯＳは１２０μｍである。ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７の凸部の高さは５８ｎｍであり、回折格子の光結合効率κは、第１の回折格子領域２１、第２の回折格子領域２２、及び第３の回折格子領域２３のいずれにおいても、１７０ｃｍ^−１である。よって、光結合効率κと共振器長Ｌの積であるκＬ＝２．０４である。第１の回折格子領域２１及び第３の回折格子領域２３は、ともに、ピッチ２０１ｎｍ（第１のピッチ：Λ_ＳＴＤ）の周期的形状を有している。当該実施形態に係る半導体レーザ素子では、第２の回折格子領域２２（ＣＰＭ回折格子）の位相シフト量を０．７１πとしており、（数式２）においてｎ＝０．７１である。第１の回折格子領域２１と第３の回折格子領域２３との位相シフトが０．７１π（ｎ＝０．７１）となるように、ＣＰＭ回折格子の長さ（Ｌ_ＣＰＭ）を、第１のピッチ（Λ_ＳＴＤ）の（ｎ／２＋Ｍ）倍（Ｍは自然数）に設定しており。当該実施形態では、Ｍ＝２４９、Ｌ_ＣＰＭ＝５０．１２０４μｍである。第２の回折格子領域２２（ＣＰＭ回折格子領域）の第２のピッチ（Λ_ＣＰＭ）は（数式２）より求まり、第２の回折格子領域２２はピッチ２０１．２８６ｎｍ（第２のピッチ：Λ_ＣＰＭ）の周期的形状を有している。これにより、ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層７における回折格子の位相が、第１乃至第３の回折格子領域に亘って連続して変化することが出来る。なお、第２の回折格子領域２２の中心は、共振器の前端から第２の回折格子領域２２の中心までの距離は、９０μｍ（共振器長Ｌ_ＯＳの７５％）である。

【0057】

当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、回折格子の光結合効率κが１７０ｃｍ^−１と高い値を有しており、さらに、共振器長Ｌ_ＯＳが１２０μｍと小さい値を有している。それゆえ、リッジ型レーザ素子であるにもかかわらず、しきい電流は、２５℃において２．４ｍＡと、５５℃において４．１ｍＡとなっており、低いしきい電流を得ることが実現されている。さらに、パルス測定での波長の単一モード歩留まりは９７％と、歩留まりの向上が実現されている。駆動電流の平方根に対する緩和振動周波数ｆ_ｒの傾きは、２５℃及び５５℃において、それぞれ４．８ＧＨｚ／ｍＡ^１／２及び３．７ＧＨｚ／ｍＡ^１／２と優れた特性が実現されている。さらに、光結合効率κが大きいにもかかわらず、小信号周波数特性は低域での特性劣化（帯域のロールオフ）が抑制されており、ｆ３ｄＢが約２８ＧＨｚと高い周波数特性を得ることが出来ている。当該実施形態に係る半導体レーザ素子は、低いしきい電流と高い周波数特性を有していることにより、ＯＴＵ４の規格である２７．９５２Ｇｂ／ｓの伝送速度で、バイアス電流が５８ｍＡ、駆動温度が５５℃の条件において、消光比は５．７３ｄＢが得られ、さらに、ＩＥＥＥマスクのマスクマージンは３２％と、高い特性が実現出来ている。

【0058】

以上、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子について説明した。前述の通り、半導体レーザ素子の伝送速度の高速化を実現するためには、共振器長Ｌを短くするのが望ましく、共振器長Ｌは１５０μｍ以下が望ましい。同様に、回折格子の光結合効率κをより高くするのが望ましく、光結合効率κは１２０ｃｍ^−１以上が望ましい。さらに、共振器長Ｌを短くすることと、光結合効率κを高くすることを両立しつつ、高い歩留まりを実現するために、その積であるκＬは、２．０以上２．５以下の範囲にあるのが望ましい。本発明により、回折格子構造を有する半導体レーザ素子を用いる直接変調レーザ素子を、伝送速度が１０Ｇｂ／ｓ以上の高速で動作させた場合に、しきい電流が低く、高速動作時のバイアス電流及び駆動電流が小さいことが実現し、さらに、光動作波形のアイパターンにおける規定マスクのマージンを向上させることが出来る。さらに、単一モード発振歩留まりの高くすることが出来る。本発明に係る光半導体光装置は、本発明に係る半導体レーザ素子を備える光半導体装置であり、例えば、本発明に係る半導体レーザ素子が送信光源として備えられる光送受信モジュールである。本発明により、高速動作が可能であり、かつ、低消費電力である、通信光源を搭載した光半導体装置が実現できる。

【0059】

インターネットはビジネスから家庭生活に至るまで現代社会に欠かすことのできないインフラストラクチャとして定着し、データ通信、ブログから通信販売、動画、電子書籍やＳＮＳ（Social Networking Service）などに至るまでその適用範囲を広げている。このような適用範囲の拡大によりインターネットを支える光ネットワークのトラフィック量は増加の一途をたどっている。それに伴い高速ルータ装置間を接続する光通信送受信モジュールの需要が拡大している。高速ルータ間の接続距離は従来の光伝送距離に比べて短距離であり１０ｋｍ以下が多い。

【0060】

伝送速度は従来の１０Ｇｂ／ｓから２５〜４０Ｇｂ／ｓ以上に高速化が進んでいる。直接変調レーザ素子が備えられる送受信モジュールが実用化できるかの鍵は２５−２８Ｇｂ／ｓ動作時においてアイパターン波形のマスクマージンの確保ができるかに依存する。信号を“１”と“０”に明確に判別するための基準となるマスクは通常アイパターンの中と外に設けられており、１００Ｇｂ／ｓではＩＥＥＥ （２５Ｇｂ／ｓ×４ｃｈ）やＩＴＵ−Ｔ（２８Ｇｂ／ｓ×４ｃｈ）で規格化されている。さらに、ルータ装置メーカでは、異なる製造メーカの送受信モジュール間の伝送をトラブル無く伝送するためにマスクのさらに外側にマスクマージンを要求することがほとんどである。そのため、直接変調レーザ素子には広いマスクマージンで動作することが求められる。本発明の第１乃至第３の実施形態に係る半導体レーザ素子では、かかる規格のマスクマージンを満たす広いマスクマージンが実現されており、通信光源として用いられる直接変調レーザ素子に最適である。さらに、本発明に係る光半導体装置は、直接変調レーザ素子が備えられる送受信モジュールに最適である。

【符号の説明】

【0061】

１ ｎ型ＩｎＰ基板、２ ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層、３ ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＭＱＷ層、４ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ−ＳＣＨ層、５ ｐ型ＩｎＡｌＡｓ電子ストップ層、６ ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層、７ ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、８ ｐ型ＩｎＰクラッド層、９ ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層、１０ ＳｉＯ_２保護膜、１１ ポリイミド層、１２ ｐ型電極、１３ ｎ型電極、１４ ＩｎＧａＡｓＰ導波路層、１５ 反射抑制膜、１６ 反射膜、１７ ＩｎＰ層、１８ 半絶縁性半導体埋込層、２１ 第１の回折格子領域、２２ 第２の回折格子領域、２３ 第３の回折格子領域、１０１，１０２，ＣＤ１，ＣＤ２，ＬＤ１，ＬＤ２ 曲線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】