特開 2025-13087 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】P2025013087

(43)【公開日】2025-01-24

(54)【発明の名称】半導体レーザ

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/12 20210101AFI20250117BHJP

   H01S 5/227 20060101ALI20250117BHJP

   H01S 5/11 20210101ALI20250117BHJP

   H01S 5/028 20060101ALI20250117BHJP

【ＦＩ】

H01S5/12

H01S5/227

H01S5/11

H01S5/028

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023146509

(22)【出願日】2023-09-08

(31)【優先権主張番号】P 2023114263

(32)【優先日】2023-07-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】515288122

【氏名又は名称】ルーメンタム オペレーションズ エルエルシー

【氏名又は名称原語表記】Ｌｕｍｅｎｔｕｍ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｓ ＬＬＣ

(74)【代理人】

【識別番号】110000154

【氏名又は名称】弁理士法人はるか国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 厚

【テーマコード（参考）】

5F173

【Ｆターム（参考）】

5F173AA05

5F173AA47

5F173AA48

5F173AB14

5F173AB16

5F173AB65

5F173AB72

5F173AD17

5F173AF33

5F173AF96

5F173AL03

5F173AR14

5F173AR33

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高光出力特性と横高次モードの発生の低減を両立した半導体レーザの提供
【解決手段】基板と、前記基板上に形成された活性層と、前記活性層の上に形成されたクラッド層と、第１屈折率領域と第２屈折率領域を含む回折格子層と、を備え、前記クラッド層の一部はメサ構造を形成し、前記メサ構造が第１幅を持つ第１領域１０と、前記第１幅より広い第２幅を持つ第２領域２０を含み、前記第１領域は、ブラッグ波長の光を反射する前記第１屈折率領域と前記第２屈折率領域が同じ周期で交互に配置された回折格子領域を備え、前記第２領域は、前記ブラッグ波長の光を反射する前記第１屈折率領域と前記第２屈折率領域が交互に配置された回折格子領域と、前記ブラッグ波長の光を透過する非回折格子領域を備え、前記第１領域の回折格子領域と前記第２領域の回折格子領域は、共振器を構成し、前記第１領域の規格化結合係数は、前記第２領域の規格化結合係数より大きい。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上のメサ構造内に形成された活性層と、
前記メサ構造内の前記活性層の上に形成されたクラッド層と、
前記クラッド層の中に形成され、複数の第１屈折率領域及び複数の第２屈折率領域を含む回折格子層と、
前記メサ構造の延伸する方向の両端面に設けられた低反射端面コーティング膜と、
を備え、
前記メサ構造は、平面視で、第１幅を持つ第１領域と、前記第１幅より広い第２幅を持つ第２領域を含み、
前記第１領域は、ブラッグ波長の光を反射させるための前記第１屈折率領域と前記第２屈折率領域が交互に配置された第１回折格子領域を備え、
前記第２領域は、前記第１屈折率領域と前記第２屈折率領域が交互に配置された第２回折格子領域と、前記ブラッグ波長の光を透過する非回折格子領域を備え、
前記第１回折格子領域と前記第２回折格子領域は、共振器を構成し、
前記第１領域の規格化結合係数は、前記第２領域の規格化結合係数より大きい、半導体レーザ。

【請求項2】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記第１幅は、前記ブラッグ波長の光に対して、カットオフ幅以下である、半導体レーザ。

【請求項3】

請求項２に記載の半導体レーザであって、
前記第２幅は、前記ブラッグ波長の光に対して、カットオフ幅以上である、半導体レーザ。

【請求項4】

請求項２または３に記載の半導体レーザであって、
前記第２幅は、前記第１幅の１．２倍以上である、半導体レーザ。

【請求項5】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記第１幅は、前記ブラッグ波長の１．５倍以下である、半導体レーザ。

【請求項6】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記第１領域の規格化結合係数は、前記半導体レーザ全体の規格化結合係数の６０％以上である、半導体レーザ。

【請求項7】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記第１領域の規格化結合係数は、前記半導体レーザ全体の規格化結合係数の８０％以下である、半導体レーザ。

【請求項8】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記第１回折格子領域の前記メサ構造が延伸する方向の長さは、前記回折格子層層全体の長さの、４０％以下である、半導体レーザ。

【請求項9】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記第２回折格子領域および前記非回折格子領域は、複数ある、半導体レーザ。

【請求項10】

請求項９に記載の半導体レーザであって、
前記複数の第２回折格子領域および前記複数の非回折格子領域の前記メサ構造が延伸する方向の長さは、各々異なる、半導体レーザ。

【請求項11】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記第２回折格子領域および前記非回折格子領域は、それぞれ１つである、半導体レーザ。

【請求項12】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記メサ構造は、前記第１領域と前記第２との間に第３領域をさらに備え、
前記第３領域のメサ幅は前記第１幅から前記第２幅に変化する、半導体レーザ。

【請求項13】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
スポットサイズ変換部をさらに備え、
前記スポットサイズ変換部は、前記第２領域に接し、
前記スポットサイズ変換部は、前記回折格子領域を含まず、
前記スポットサイズ変換部の前記メサ構造の幅は、前記第２幅より徐々に小さくなる、半導体レーザ。

【請求項14】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記第１領域は、前記第２領域側に非回折格子領域を含む、半導体レーザ。

【請求項15】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記活性層に電圧を印加するための電極、をさらに備え、
前記電極は、前記第１領域と前記第２領域に跨って一体的に配置される、半導体レーザ。

【請求項16】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記第１領域は、前記第１回折格子領域の前記第２領域側の先端に、λ／４位相シフト部を含む、半導体レーザ。

【請求項17】

請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記活性層に電流を注入するためのスルーホールを備える、半導体レーザ。

【請求項18】

請求項１７に記載の半導体レーザであって、
前記スルーホールは、前記第１領域および前記第２領域に跨って配置される、半導体レーザ。

【請求項19】

請求項１７に記載の半導体レーザであって、
前記スルーホールは、前記第１領域において、離散的に配置される、半導体レーザ。

【請求項20】

請求項１７に記載の半導体レーザであって、
前記スルーホールは、前記第１領域において、平面視で、前記第１領域全体の２０％以上５０％以下の領域に配置される、半導体レーザ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体レーザに関する。

【背景技術】

【0002】

光通信に用いられる光源として半導体レーザが広く使われている。半導体レーザの一つに、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）が知られている。ＤＦＢレーザは回折格子を備えている。また特性向上のために、回折格子に位相シフト部を備えた構造が知られている。半導体レーザの両端面に無反射膜（低反射膜）を形成し、回折格子にλ／４シフト部を配置することで安定した単一波長動作が得られる（特許文献１）。特許文献１では、位相シフト部の前後でブラッグ反射の光に対する反射率を変更することで、一方の端面からの出力を大きくすることが開示されている。

【0003】

また結合係数κを調整するために、一定周期で回折格子を除去した構造が知られている
（特許文献２、３、４）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開昭６１－４７６８５

【特許文献2】特開２００４－１２８３７２

【特許文献3】特開２００４－２５９９２４

【特許文献4】特開２０１１－１１９４３４

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

駆動のために注入された電流を一部に集中させることを目的として、メサ構造を備えた半導体レーザが知られている。メサ構造が延伸する方向に垂直な方向の幅（以下、メサ幅）を狭くすることで電流が注入される領域を限定することができる。光出力を増加させるためにはメサ幅を広げることが有効である。メサ幅が広い場合は、実効的に駆動される活性層の幅が広くなり、高光出力が得られる。

【0006】

メサ幅は導波路を伝搬する光のモードを決定する役割も担う。メサ幅が狭い場合は、横モードは基本モードのみが伝搬するが、メサ幅が広くなると横高次モードも伝搬する。横高次モードを含む光出力は、光通信用の光源としては望ましくない。以上のように光出力を増加させるためにメサ幅を広げた場合、横高次モードの発生が問題となる。横高次モードの発生は、電流と光出力特性の連続性の低下、いわゆるキンクの発生へとつながり、通信用の光源としては好ましくない。

【0007】

本発明は、高光出力特性と横高次モードの発生の低減を両立した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】

【0008】

本願の第１態様による半導体レーザは、基板と、前記基板上のメサ構造内に形成された活性層と、前記メサ構造内の前記活性層の上に形成されたクラッド層と、前記クラッド層の中に形成され、複数の第１屈折率領域及び複数の第２屈折率領域を含む回折格子層と、前記メサ構造の延伸する方向の両端面に設けられた低反射端面コーティング膜と、を備え、前記メサ構造は、平面視で、第１幅を持つ第１領域と、前記第１幅より広い第２幅を持つ第２領域を含み、前記第１領域は、ブラッグ波長の光を反射させるための前記第１屈折率領域と前記第２屈折率領域が同じ周期で交互に配置された第１回折格子領域を備え、前記第２領域は、前記第１屈折率領域と前記第２屈折率領域が同じ周期で交互に配置された第２回折格子領域と、前記ブラッグ波長の光を透過する非回折格子領域を備え、前記第１回折格子領域と前記第２回折格子領域は、共振器を構成し、前記第１領域の規格化結合係数は、前記第２領域の規格化結合係数より大きい、ことを特徴とする。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１の実施形態にかかる半導体レーザの上面図である。

【図2】図１に示す半導体レーザのII－II線に沿う概略断面図である。

【図3】図１に示す半導体レーザのIII－III線に沿う概略断面図である。

【図4】図１に示す半導体レーザのIV－IV線に沿う概略断面図である。

【図5】第１の実施形態にかかる半導体レーザの上面図である。

【図6】第１の実施形態の変形例に係る半導体レーザの上面図である。

【図7】第２の実施形態にかかる半導体レーザの上面図である。

【図8】図７に示す半導体レーザのVIII－VIII線に沿う概略断面図である。

【図9】第３の実施形態にかかる半導体レーザの上面図である。

【図10】第４の実施形態にかかる半導体レーザの上面図である。

【図11】第４の実施形態にかかる半導体レーザの概略断面図である。

【図12】第４の実施形態の変形例に係る半導体レーザの上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

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。なお、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。

【0011】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ１の上面図である。図２は、図１のII-II線に沿う概略断面図を表す。図３は、図１のIII-III線に沿う概略断面図を表す。図４は、図１のIV-IV線に沿う概略断面図を表す。図５は、半導体レーザ１の上面図であって、内部に含まれる各領域の位置について説明するための図である。半導体レーザ１は、裏面に第１電極２、表面に第２電極３を備える。第１電極２及び第２電極３は金属層である。第１電極２と第２電極３との間に電流を注入することで、前方端面４０（図１で左側の端面）から光が出射される。後述するメサ構造の延伸する方向の両端面、すなわち、前方端面４０および後方端面５０（図１で右側の端面）には低反射端面コーティング膜４が形成されている。低反射端面コーティング膜４の反射率は、１％以下である。

【0012】

半導体レーザ１は、第１導電型の基板５の上に第１導電型の光閉じ込め層（ＳＣＨ層）６、活性層７、第２導電型の光閉じ込め層８（ＳＣＨ層）、第２導電型のクラッド層９、第２導電型のコンタクト層１３の順で半導体層が積層されている。また、第２導電型のクラッド層９の中には回折格子層１１が形成されている。半導体レーザ１は、ＤＦＢレーザである。活性層７は、例えば多重量子井戸層で形成されている。また多重量子井戸層は、真性半導体もしくはｎ型半導体であってよい。なお、ここでは第１導電型はｎ型、第２導電型はｐ型であるが、逆であっても構わない。また、上記各層を含む半導体層は、メサ構造１５を有している。例えば、活性層７は、基板５上のメサ構造内に形成されており、クラッド層９は、メサ構造１５内の活性層７の上に形成されている。メサ構造１５は、光を取り出す方向（第１方向Ｄ１）に延伸している。なおメサ構造１５の下部は基板５の一部である。メサ構造１５の両側は半絶縁性の半導体埋め込み層１７で覆われている。なお、埋め込み層１７はｐ型、ｎ型の半導体層の積層体であっても構わない。図１の点線は、メサ構造１５の上部と埋め込み層１７の境界の位置を示している。

【0013】

半導体レーザ１は、表面に絶縁膜１４を備える。絶縁膜１４は一部を除いて半導体レーザ１の表面を覆っている。絶縁膜１４は、メサ構造１５の上部に相当する領域に開口（スルーホール）１８を含む。第２電極３と第２導電型のコンタクト層１３はスルーホール１８を介して接続され、メサ構造１５を有する半導体層に電気信号が印加される（電流が注入される）。ここでスルーホール１８は第１方向Ｄ１に沿って設けられている。また第１方向Ｄ１に垂直な第２方向Ｄ２において、スルーホール１８の幅はメサ構造１５の幅より広い。ただし、両者は同じ幅であっても構わない。

【0014】

回折格子層１１は、複数の第１屈折率領域及び複数の第２屈折率領域を含む。具体的には、回折格子層１１はフローティング型であり、断面視で、第２導電型クラッド層９の屈折率とは異なる第１屈折率の領域と、第２導電型のクラッド層９が配置された第２屈折率の領域と、で構成されている。すなわち、回折格子層１１は、第１屈折率領域１１Ａと第２屈折率領域１１Ｂが交互に配置された構造である。ここでは第１屈折率は第２屈折率より高い。ただし、屈折率の関係は逆であっても構わない。

【0015】

メサ構造１５は、第１方向Ｄ１に垂直な第２方向Ｄ２において、第１方向Ｄ１が延伸する方向で異なる幅の領域を有する。以降、メサ構造１５の第２方向Ｄ２方向の幅をメサ幅と呼ぶ。半導体レーザ１はメサ幅Ｗ１である第１領域１０と、メサ幅がＷ２である第２領域２０を含む。ここでＷ２はＷ１より広い。すなわち、メサ構造は、平面視で、第１幅を持つ第１領域と、第１幅より広い第２幅を持つ第２領域を含む。また、メサ構造１５は、第１領域１０と第２領域２０の間であって、メサ幅がＷ１からＷ２に徐々に変化する第３領域３０を含む。第２電極３は、第１領域１０、第２領域２０、そして第３領域３０に跨って一体的に配置されている。なお、それぞれの領域に、第２電極３が個別に配置されても構わないが、この場合、個別に配置された各電極は同一の電源に接続されることが望ましい。

【0016】

図５は半導体レーザ１の上面図であって、回折格子層１１に含まれる各領域の位置を説明するための図である。説明のために一部の要素を図示していない。回折格子層１１のうち、第１屈折率領域１１Ａと第２屈折率領域１１Ｂが同じ周期で交互に配置された領域を回折格子領域１２Ａと呼称する。一方、回折格子層１１のうち、第１屈折率領域１１Ａのみ、もしくは第２屈折率領域１１Ｂのみが配置された領域を非回折格子領域１２Ｂと呼称する。本実施形態では非回折格子領域１２Ｂは第２屈折率領域１１Ｂで構成されている。第１領域１０における回折格子層１１は、回折格子領域１２Ａが一つ配置されている。なお、本実施形態の回折格子領域１２Ａは、第１方向Ｄ１に第１屈折率領域１１Ａと第２屈折率領域１１Ｂが同じ周期で交互に配置された均一回折格子構造を有する。すなわち、第１領域１０は、ブラッグ波長の光を反射させるための第１屈折率領域１１Ａと第２屈折率領域１１Ｂが同じ周期で交互に配置された回折格子領域を備える。本回折格子のブラッグ波長は１．３μｍ帯に対応させている。なお、１．５５μｍ帯など他のブラッグ波長であっても構わない。第１領域１０は、第３領域３０との接続箇所に近い方に非回折格子領域１２Ｂを有する。なお、第１領域１０が非回折格子領域１２Ｂを含まず、第１領域１０の全領域に回折格子領域１２Ａが配置されていても構わない。

【0017】

第２領域２０は、回折格子領域１２Ａと非回折格子領域１２Ｂが交互に配置されている。ここで、回折格子領域１２Ａおよび非回折格子領域１２Ｂは、第２領域２０の中に第１領域１０から伝達されるブラッグ波長の光を反射するように配置される。特定の波長（ブラッグ波長）の光を強く反射させるためには、第１屈折率領域１１Ａと第２屈折率領域１１Ｂの周期（回折格子周期）を調整する必要がある。また回折格子周期とブラッグ波長の関係は実効屈折率に依存する。本実施形態では、第１領域１０と比較して第２領域２０はメサ幅が広いために、実効屈折率が大きい。しかし、同時に第２領域２０全体で見た時に回折格子構造がない領域（非回折格子領域１２Ｂの領域）が多いために、その分だけ実効屈折率は小さくなる。トータルとしてメサ幅が広くなることによる実効屈折率の増加分と、回折格子構造が配置されていないことによる実効屈折率の低減分の両者によって、第２領域２０全体の平均的な実効屈折率が決定される。この第１領域１０と第２領域２０のそれぞれの平均実効屈折率の違いを考慮して、第２領域２０に配置される回折格子領域１２Ａと非回折格子領域１２Ｂは決定される。ここで、第２領域２０の回折格子領域１２Ａの回折格子周期は、第１領域１０の回折格子領域１２Ａの回折格子周期と異なっていても構わないし、同じであっても構わない。同一の回折格子周期とする場合は、複数の回折格子領域１２Ａと複数の非回折格子領域１２Ｂのそれぞれの第１方向Ｄ１の長さや、それぞれの間隔を調整して、第２領域２０全体の平均的な回折格子周期が所望のブラッグ波長の光を反射するように設定すればよい。以下、特に区別する場合には、第１領域１０に含まれる回折格子領域１２Ａを第１回折格子領域と呼称し、第２領域２０に含まれる回折格子領域１２Ａを第２回折格子領域と呼称する。なお、第２領域２０の回折格子領域１２Ａと非回折格子領域１２Ｂの各々の第１方向Ｄ１の長さは、各々異なっていてもよい。例えば、所望のブラッグ波長で反射するような条件の下で、各々の長さはブラッグ波長に対して高次の回折後散乱を抑制するように異なっていることが好ましい。

【0018】

高い波長単一性を得るためには、第１領域１０と第２領域２０で共振器を構成することが望ましい。第１領域１０と第２領域２０で共振器を構成するためには、互いの回折格子領域の位相がπシフトしている必要がある。ここで回折格子領域の位相とは、回折格子構造の位相である。例えば第１領域１０と第２領域２０の実効屈折率が同じである場合、単純に第１回折格子領域（第１領域１０の回折格子領域１２Ａ）の位相に対して、第２回折格子領域（第２領域２０の回折格子領域１２Ａ）の位相をπシフトさせて配置すればよい。しかし、本実施形態では第１領域１０と第２領域２０の実効屈折率が異なる。そのため、第２回折格子領域の位相は、第１回折格子領域の位相をπシフトした位相と異なる必要がある。本実施形態では、第１回折格子領域の位相と第２回折格子領域の位相はπシフトではないが、第１領域１０と第２領域２０で共振器を構成している。さらに、本実施形態では両端面に低反射端面コーティング膜４が形成されているために、非常に高い波長単一性を有する。なお、第１領域１０と第２領域２０には第２電極３が跨って配置されており、注入される電流量による実効屈折率の変化具合は、略同一であり、広い動作条件において高い波長単一性を実現する。

【0019】

本実施形態においては、第１領域１０の規格化結合係数κ１Ｌ１は、第２領域２０の規格化結合係数κ２Ｌ２より大きい。ここで第１領域１０の結合係数κ１と第２領域２０の結合係数κ２は、メサ幅の違いなどにより同一でない場合がある。しかし、その差は小さく、第１領域１０と第２領域２０の規格化結合係数の違いの要因は、それぞれに含まれる回折格子領域１２Ａの第１方向Ｄ１における長さが支配的である。ここで、第１領域１０の長さＬ１は、第１回折格子領域の長さである。すなわち、第１領域１０の長さＬ１は、メサ幅がＷ１である領域の長さではなく、回折格子領域１２Ａが配置されている領域の長さである。第２領域２０の長さＬ２は、複数の第２回折格子領域のトータルの長さである。非回折格子領域１２Ｂは、ブラッグ波長の光が反射しないため、結合係数κは事実上０と見なすことができる。そのため規格化結合係数κＬに寄与する長さＬ２は、複数の第２回折格子領域が配置されている領域のトータルの長さとなる。第１領域１０のκ１Ｌ１が第２領域２０のκ２Ｌ２より大きいために、前方端面４０から出力される光出力強度は、後方端面５０から出力される光出力強度より大きくなる。第１領域１０と第２領域２０の規格化結合係数が同じ値の場合は、前方端面４０と後方端面５０から出力される光出力強度は同一となる。本発明では、複数の第２回折格子領域が配置される領域のトータルの長さを第１回折格子領域が配置される領域の長さより短くすることで、前方端面４０から出力される光の強度を大きくしている。なお、ここで前方および後方とは便宜上の呼び方に過ぎず、光出力が大きい方の端面を前方端面と呼称しているに過ぎない。一般的な光通信においては、光強度は大きい方が好ましく、前方端面からの光が通信に用いられる。また複数の第２回折格子領域の第１方向Ｄ１のトータルの長さは、複数の非回折格子１２Ｂのトータルの長さより短い。本構造により、第２領域２０の結合係数κ２を小さくすることによる前方からの光出力の増大効果を高めることができる。

【0020】

第３領域３０は、回折格子領域１２Ａを含まない。ただし、第１領域１０との接続箇所付近に第１領域１０に配置された回折格子領域１２Ａと同じ回折格子構造が含まれていてもよい。同様に第２領域２０との接続箇所付近に第２領域２０に配置された回折格子領域１２Ａと同じ回折格子構造が含まれていてもよい。なお、第３領域３０の全体に回折格子領域１２Ａを配置する場合は、メサ幅の変化に伴う実効屈折率の変化に応じて第１屈折率領域１１Ａと第２屈折率領域１１Ｂのそれぞれの幅や両者の間隔を調整することが望ましい。

【0021】

第１領域１０のメサ幅Ｗ１は、ブラッグ波長の光に対して、横高次モードが発生しない幅以下に設定される。換言するとＷ１は、カットオフ幅以下に設定される。例えば、Ｗ１は、２μｍ以下である。また駆動条件により横高次モードの発生条件が変わることもある。安定した横高次モードの抑制効果を得るためには、Ｗ１はブラッグ波長の１．５倍以下が好ましい。例えばブラッグ波長が１．３μｍであれば、Ｗ１は１．９５μｍ以下が好ましい。

【0022】

第２領域２０のメサ幅Ｗ２はＷ１より広い。メサ幅Ｗ２は、Ｗ１の１．２倍以上、より好ましくは１．５倍以上が好ましい。またＷ２は、カットオフ幅以上であっても構わない。換言すると、第２領域２０は、ブラッグ波長の光の横高次モードが導波できる幅であっても構わない。例えば、Ｗ２は、３μｍ以上である。メサ幅が広いほど生成される光の総量が多くなるため、半導体レーザ１の光出力強度を増加させることができる。なお、第３領域３０のメサ幅は、第１領域１０と第２領域２０との間が滑らかに接続されるように、第１領域１０から第２領域２０へ向かって徐々に広くなることが望ましい。すなわち、第３領域３０のメサ構造は、上面から見て第１方向Ｄ１に対して傾斜したテーパ形状を有することが好ましいが、これに限定はされない。例えば、第３領域３０のメサ構造と埋め込み層１７との境界は、上面から見て直線的に変化しても曲線を含んで変化しても構わない。

【0023】

本発明に係る半導体レーザ１においては、第２領域２０のメサ幅Ｗ２がカットオフ幅以上である場合であっても、端面から出力される光は横高次モードを含まず、横高次モードを原因とするキンクが発生しない優れた光出力特性を有する。これは第１領域１０のメサ幅Ｗ１がカットオフ幅以下であることに起因する。半導体レーザ１の内部で共振するレーザ光は、第１領域１０、第２領域２０及び第３領域３０を含む全体の構造で決定される。仮に第２領域２０で横高次モードの光が発生したとしても、その光は、第１領域１０では導波できないため第１領域１０で反射されることはない。そのため、その光は、半導体レーザ１内で強い強度として存在できない。一方、第１領域１０を導波できる横基本モードの光は、第２領域２０でも導波できる。そのため、横基本モードの光は、第１領域１０と第２領域２０の間で反射されて強め合うことで、非常に強い光（いわゆるレーザ光）となって端面より出力される。ここで、本効果を十分に得るためには横高次モードの光が第１領域１０で発生しないように十分に抑える必要がある。そのためには、第１領域１０の規格化結合係数κ１Ｌ１は、第２領域２０の規格化結合係数κ２Ｌ２より大きい必要がある。例えば、半導体レーザ１の全体の規格化結合係数に対して、κ１Ｌ１は６０％以上（すなわちκ２Ｌ２は４０％以下）であることが好ましい。さらにＬ１を長くすることでκ１Ｌ１を大きくすると、光出力を増加させる第２領域２０の素子全体に対する比率が小さくなる。この場合、高出力化の効果が十分に得られなくなってしまうため、κ１Ｌ１は８０％以下が好ましい。より高出力特性が必要な場合は、κ１Ｌ１は７０％以下が好ましい。

【0024】

ここで半導体レーザ１の共振器長は、第１領域１０、第２領域２０、そして第３領域３０全体の第１方向Ｄ１の合計の長さである。本実施形態では、前方端面４０から出力される光出力強度を後方端面５０から出力される光出力強度より大きくすることも目的である。そのためには、第１領域１０（より厳密には第１回折格子領域）は、後方側にある方が好ましい。例えば、第１回折格子領域は、共振器の後方端部（ここでは後方端面５０）から共振器長の４０％以下までの領域に配置されていることが好ましい。すなわち、第１回折格子領域のメサ構造が延伸する方向の長さは、回折格子層層全体の長さの、４０％以下である、ことが好ましい。さらに好ましくは３０％以下が良い。換言すると、第１回折格子領域の第３領域３０側の端部Ｇｔは、共振器長の後方側から４０％以下、もしくは３０％以下の位置に配置されることが好ましい。Ｇｔの位置は小さい方が好ましいが、小さすぎるとκ１Ｌ１が小さくなりすぎる。例えばκ１Ｌ１が１より小さくなると、発振の閾値が大きくなり、消費電力の観点で好ましくない。そのためκ１Ｌ１は１以上となる、より好ましくは１．５以上となるようにκ１Ｌ１を設定する必要がある。

【0025】

以上の構成により、半導体レーザ１は、光路長を考慮した回折格子位相がπシフトしている第１領域１０と第２領域２０を有し、かつ両端面に低反射端面コーティング膜４が形成されていることで、高い波長単一性を有する。さらに、第１領域１０の規格化結合係数κ１Ｌ１が第２領域２０の規格化結合係数κ２Ｌ２より大きいために、前方端面４０からの光出力強度を大きくすることができる。さらに、第２領域２０のメサ幅Ｗ２が第１領域１０のメサ幅Ｗ１より広いために、第２領域２０と第１領域１０のメサ幅が同じ構造のものと比較して、本実施形態に係る半導体レーザ１は高出力特性を備える。そして、第１領域１０のメサ幅Ｗ１がカットオフ幅以下であるために、横高次モードが発生しない、つまりキンクが発生しない優れた光出力特性を実現できる。

【0026】

[変形例]
図６は、第１の実施形態の変形例にかかる半導体レーザ１の上面図である。図６は、図５に対応する図である。変形例にかかる半導体レーザ１の第２領域２０には、一つの回折格子領域１２Ａと非回折格子領域１２Ｂが含まれる。本変形例においては、第２領域２０の規格化結合係数を決定する長さは、一つの回折格子領域１２Ａの第１方向Ｄ１の長さである。第１の実施形態同様に、第２領域２０の規格化結合係数κ２Ｌ２は、第１領域１０の規格化結合係数κ１Ｌ１より小さい。以上のように、第２領域２０において必ずしも複数の回折格子領域１２Ａと非回折格子領域１２Ｂを配置する必要はない。ただし第１回折格子領域の先端Ｇｔから第２回折格子領域の第１領域１０側の先端Ｇｔ２までの長さは、第１回折格子領域の長さの半分以下であることが好ましい。ＧｔからＧｔ２の間の領域は非回折格子領域１２Ｂであり、この非回折格子領域１２Ｂの長さが第１領域１０の長さの半分より大きい場合は、所望のブラッグ波長とは異なる波長の発振が生じる場合がある。なお、第１の実施形態のように複数の非回折格子領域１２Ｂを含む場合は、第３領域３０を含むすべての非回折格子領域１２Ｂの長さが、それぞれ第１回折格子領域の長さの半分以下であればよく、複数の非回折格子領域１２Ｂの合計の長さが第１回折格子領域より長くても構わない。

【0027】

[第２の実施形態]
図７は、第２の実施形態にかかる半導体レーザ２０１の上面図である。図８は、図７のVIII-VIII線に沿う概略断面図を表す。第２の実施形態は、半導体レーザ２０１が第２領域２０と前方端面４０との間にスポットサイズ変換部６０を備える点で第１の実施形態と異なる。

【0028】

スポットサイズ変換部６０は、基板５の上に、第１導電型のＳＣＨ層６，活性層７，第２導電型のＳＣＨ層８，そして第２導電型のクラッド層９の順で積層された半導体層を有する。第２導電型のクラッド層９の上には絶縁膜１４が配置される。なお、クラッド層９と絶縁膜１４の間にコンタクト層１３が含まれていてもよい。スポットサイズ変換部６０には回折格子領域１２Ａは含まれない。回折格子層１１と同じ高さの領域には、第２導電型のクラッド層９、つまり第２屈折率領域１１Ｂが配置される。スポットサイズ変換部６０もメサ構造２１５の一部である。スポットサイズ変換部６０と第２領域２０の境界におけるメサ幅はＷ２であり、スポットサイズ変換部６０のメサ幅は、前方端面４０に向かってＷ２より徐々に細くなる。最も狭い箇所は前方端面４０と接する箇所である。スポットサイズ変換部６０の最も前方端面４０側のメサ幅は、所望の光出力形状が得られるように設定される。当該メサ幅は、例えばＷ１より小さい。また、第２電極２０３の一部がスポットサイズ変換部６０まで至っているが、これに限定はされず、第２電極２０３はスポットサイズ変換部６０の全体に配置されていても構わない。またスポットサイズ変換部６０にコンタクト層１３および第２電極２０３が配置されていても構わない。

【0029】

本実施形態においても、第１領域１０および第２領域２０の構造、特に回折格子層１１の構造は第１の実施形態と同じであり、高出力、高波長単一性、そしてキンクフリーの特性を実現する。

【0030】

［第３の実施形態］
図９は、第３の実施形態にかかる半導体レーザ３０１の上面図である。スルーホール３１８の形状以外は、第１の実施形態の半導体レーザ１と同じ構造である。図９では説明のために、メサ構造３１５の位置を破線、スルーホール３１８の位置を二点鎖線で示している。また第２電極３は図示していない。

【0031】

スルーホール３１８は、絶縁膜３１４に設けられた開口である。スルーホール３１８は第１領域３１０において、メサ構造３１５の上面の一部には配置されていない。換言すると、スルーホール３１８は、第１領域３１０において、離散的に配置される。すなわち、第１領域３１０においては、メサ構造３１５の上面の一部には絶縁膜３１４が配置されている。第２領域３２０および第３領域３３０においては、スルーホール３１８は全体に設けられている。なお第２電極３はスルーホール３１８全体を覆っている。

【0032】

第１の実施形態で説明したように、第１領域３１０の規格化結合係数κ１Ｌ１は第２領域３２０の規格化結合係数κ２Ｌ２より大きい。第１領域３１０の第１方向Ｄ１と第３領域３３０との境は、半導体レーザ３０１の中央部より後方側（図９の右側）に配置されている。そのため、第１領域３１０の光子密度は第２領域３２０の光子密度よりも小さくなる。誘導放出によるキャリアの消費は光子密度が大きいほど大きくなるため、第１領域３１０と第２領域３２０の注入電流密度が等しい場合は、第１領域３１０のキャリア密度は第２領域３２０のキャリア密度より大きくなる。キャリア密度の増大は、半導体レーザの特性、例えば相対雑音強度特性を劣化させる要因となる。キャリア密度は、注入される電流量に依存する。そこで、本実施形態では、第１領域３１０において、電流が注入される領域を制限することでキャリア密度の増大を低減する。電流が注入される領域を制限するために、第１領域３１０のスルーホール３１８は、メサ構造３１５の上面全体ではなく、一部に配置されない構造を備える。換言すると第１領域３１０のメサ構造３１５の上面は、第１方向Ｄ１に沿って開口部（スルーホール３１８）と非開口部（絶縁膜３１４）が交互に配置されている。非開口部（絶縁膜３１４）が配置されている領域には電流は注入されないため、第１領域３１０全体のキャリア密度を低減することができる。

【0033】

第１領域３１０全体に対する開口部が設けられた割合は、６０％以下が好ましい。より好ましくは、スルーホール３１８は、第１領域３１０において、平面視で、第１領域３１０全体の２０％以上５０％以下の領域に配置されることが望ましい。

【0034】

［第４の実施形態］
図１０は、第４の実施形態にかかる半導体レーザ４０１の上面図である。図１０は、第１の実施形態の図５に相当し、説明のために回折格子層５１１に含まれる各領域の位置を表示している。図１１は、第１の実施形態の図２に相当し、メサ構造４１５が延伸する方向の概略断面図である。第１の実施形態との違いは、第１領域４１０に位相シフト部４７０が含まれている点である。図１１に示すように、位相シフト部４７０は、２個の第１屈折率領域１１Ａが連続で配置された構造（すなわち、他の第１屈折率領域１１Ａの２倍の長さ）を有するλ／４位相シフト部である。換言すると、位相シフト部４７０の前後で回折格子構造の位相はπシフトしている。なお、位相シフト部４７０は、２個の第２屈折率領域１１Ｂが連続で配置された構造であってもよい。ここで第１領域４１０内であって、位相シフト部４７０より第２領域４２０側に配置される回折格子構造の領域を位相シフト回折格子領域１２Ｃと呼称する。第１領域４１０は、均一回折格子構造である一つの回折格子領域１２Ａ、位相シフト部４７０、そして位相シフト回折格子領域１２Ｃを含む。なお、図１１には位相シフト回折格子領域１２Ｃと第３領域４３０との間に非回折格子領域１２Ｂが含まれるが、この非回折格子領域１２Ｂは無くてもよい。第１領域４１０の回折格子領域１２Ａと位相シフト回折格子領域１２Ｃは、位相シフト部４７０を挟んで共振器構造を形成しているといえる。

【0035】

第２領域４２０の回折格子領域１２Ａの位相は、位相シフト回折格子領域１２Ｃと同じ位相である。ただし、メサ構造４１５の幅の違いによる実効屈折率の差に応じた光路長の違いを加味して微調整している。換言すると、第１の実施形態同様に第１領域４１０の回折格子領域１２Ａと第２領域４２０で共振器を構成している。

【0036】

本実施形態において、第１領域４１０の規格化結合係数κ１Ｌ１を決定する回折格子構造の長さＬ１は、第１回折格子領域（第１領域４１０の回折格子領域１２Ａ）の長さである。ここで、回折格子領域１２Ａは、後方端面５０から位相シフト部４７０までの間である。一方、第２領域４２０の規格化結合係数κ２Ｌ２を決定する回折格子構造の長さＬ２は、複数の第２回折格子領域（第２領域４２０に含まれる回折格子領域１２Ａ）の合計の長さである。本実施形態おいても、κ１Ｌ１はκ２Ｌ２よりも大きい。また第１領域４１０のメサ構造４１５の幅Ｗ１は、第２領域４２０のメサ構造４１５の幅Ｗ２の幅より狭い。なお、位相シフト回折格子領域１２Ｃ部分の規格化結合係数も、前方端面４０から出力される光の強度に影響を与える。そのため、位相シフト回折格子領域１２Ｃの規格化結合係数と第２領域４２０の規格化結合係数κ２Ｌ２の合計が、第１領域４１０の規格化結合係数κ１Ｌ１より小さい必要がある。例えば、位相シフト回折格子領域１２Ｃの第１方向Ｄ１の長さは、第１領域４１０の回折格子領域１２Ａの長さの１／５以下が望ましい。

【0037】

[変形例]
図１２は第５の実施形態の変形例に係る半導体レーザ５０１の上面図である。本変形例では位相シフト部４７０が第３領域４３０に配置されている。本変形例のように位相シフト部４７０は必ずしも第１領域４１０に配置される必要はない。ここで前方端面４０から出力される光強度を高めるためには、位相シフト部４７０を境に後方側（図１２の右側）の規格化結合係数が、前方側の規格化結合係数より大きい必要がある。後方側の規格化結合係数は、位相シフト部４７０より後方端面５０側に配置される回折格子領域の長さにより決定される。具体的には第１回折格子領域（第１領域４１０の回折格子領域１２Ａ）の長さＬ１（ここでは第１領域の長さと同じ）と、第３領域４３０に配置される回折格子領域のうち位相シフト部４７０より第１領域４１０側の領域の長さＬ３の合計できまる。一方、前方側の規格化結合係数を決める回折格子領域の長さは、位相シフト回折格子領域１２Ｃの長さと、第２領域４２０の複数の回折格子領域１２Ａの合計の長さである。しかし、第３領域４３０に配置される回折格子領域の長さＬ３は、第１領域４１０および第２領域４２０に配置される回折格子領域と比較すると短い。例えば、Ｌ３は、第１回折格子領域の長さ（Ｌ１）と比較して１／２以下である。そのため、本実施形態においても第１領域４１０の規格化結合係数κ１Ｌ１が第２領域４２０の規格化結合係数κ２Ｌ２より大きくすれば、前方端面４０からの光出力強度を大きくすることができる。

【0038】

以上のように、本発明はメサ幅の狭い第１領域とメサ幅の広い第２領域が共振器を構成することで、高出力特性と高い単一波長性を実現できる。さらに第１領域のメサ幅Ｗ１をカットオフ幅以下とすることで、横高次モードの発生を抑制しつつ高出力特性を得ることができる。ここで、第１領域と第２領域が共振器を構成するとは、光路長を加味した回折格子位相がπシフトした関係にあることを示す。例えば、第１の実施形態においては位相がπシフトする領域は、第１回折格子領域の先端Ｇｔと、第２回折格子領域のうち最も第１領域１０に近い側の先端と、の間の領域である。第１領域１０を伝達した光は、第２領域２０で第１領域１０側に反射される。同様に第２領域２０を伝達した光は、第１領域１０で第２領域２０に反射される。このように反射の境となる箇所が位相シフト部となる。そして互いに反射するために共振器を構成しているといえる。また、第４の実施形態に示したように、回折格子層１１に第１屈折率領域１１Ａもしくは第２屈折率領域１１Ｂが連続して配置された位相シフト部４７０を配置してもよい。

【0039】

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。また埋め込み型の半導体レーザに限定されず、リッジ型の半導体レーザあっても適用できる。半導体レーザは、ＣＷ光源であっても直接変調型レーザあっても構わない。また、第１実施形態から第５実施形態では、メサ構造の幅がＷ１とＷ２の２種である例を挙げたが、メサ構造の幅は３種以上であってもよい。具体的には、例えば第１実施形態において、第２領域２０の前方端面４０（図１で左側の端面）側に、Ｗ２よりも広い幅Ｗ３を有するメサ構造が設けられた第４領域と、該第４領域と第２領域の間に設けられた第５領域と、が設けられてもよい。ここで、第５領域は、第３領域と同様に、メサ幅がＷ２からＷ３に徐々に変化する。このような構成であっても、横高次モードの発生を低減しつつ、より高光出力特性を向上することができる。

【0040】

本発明は、メサ構造を有する半導体レーザにおいて、高出力特性と高波長単一性、そして横モードのキンクを低減する。本発明の実施形態は、メサ構造はＷ１の幅を持つ第１領域と、Ｗ１より幅の広いＷ２の幅を持つ第２領域で構成され、第１領域の第１回折格子領域と第２領域の第２回折格子領域で共振器を構成し、第１領域の規格化結合係数は第２領域の規格化結合係数より大きいことで、これを実現する。第１領域と第２領域の互いの光路長を加味した回折格子の位相は、πシフトしている。第１領域は、ブラッグ波長の光を反射させるための第１屈折率領域と第２屈折率領域が同じ周期で交互に配置された第１回折格子領域を備える。第２領域は、第１屈折率領域と第２屈折率領域が同じ周期で交互に配置された第２回折格子領域と、ブラッグ波長の光を透過する非回折格子領域を備える。非回折格子領域は、第１屈折率領域もしくは第２屈折率領域のみで構成される。第２領域の回折格子領域と非回折格子領域を複数備える。ただし、それぞれ一つずつでも構わない。複数の回折格子領域と複数の非回折格子領域は、それぞれが異なる長さであってもよい。第１領域のメサ構造の幅Ｗ１は、ブラッグ波長の光に対してカットオフ幅以下であってよい。またＷ１はブラッグ波長の１．５倍以下であってもよい。第２領域のメサ構造の幅Ｗ２は、Ｗ１の１．２倍、より好ましくは１．５倍以上であってよい。第２領域のメサ構造の幅Ｗ２は、ブラッグ波長の光に対してカットオフ幅以上であってよい。第１領域の規格化結合係数は、半導体レーザ全体の規格化結合係数の６０％以上であってよい。第１領域と第２領域の間にメサ構造の幅がＷ１からＷ２に変化する第３領域を配置してもよい。また、第２領域の前方にスポットサイズ変換部を備えてもよい。回折格子層領域は、活性層の上にあっても下にあってもよい。半導体レーザは、メサ構造が半導体で埋め込まれた埋め込み型でもよいし、メサ構造が半導体層で埋め込まれていないリッジ型であってもよい。さらに第１領域のキャリア密度を低減することで特性を向上できる。キャリア密度を低減するために、第１領域のスルーホールの開口割合は６０％以下、好ましくは２０％以上～５０％以下がよい。本発明の半導体レーザは１．３μｍ帯もしくは１．５５μｍ帯の波長を発振する。だだし、他の波長帯であっても構わない。

【符号の説明】

【0041】

１ 半導体レーザ
２ 第１電極
３ 第２電極
４ 低反射端面コーティング膜
５ 基板
６ 第１導電型の光閉じ込め層
７ 活性層
８ 第２導電型の光閉じ込め層
９ 第２導電型のクラッド層
１１ 回折格子層
１１Ａ 第１屈折率領域
１１Ｂ 第２屈折率領域
１２Ａ 回折格子領域
１２Ｂ 非回折格子領域
１３ 第２導電型のコンタクト層
１４ 絶縁膜
１５ メサ構造
１７ 埋め込み層
１８ スルーホール
１０ 第１領域
２０ 第２領域
３０ 第３領域
４０ 前方端面
５０ 後方端面
６０ スポットサイズ変換部
２０１ 半導体レーザ
２０３ 第２電極
２１５ メサ構造
２２０ 第１領域
２３０ 第２領域
３０１ 半導体レーザ
３１４ 絶縁膜
３１５ メサ構造
３１８ スルーホール
３１０ 第１領域
３２０ 第２領域
３３０ 第３領域
４０１ 半導体レーザ
４１５ メサ構造
４１０ 第１領域
４２０ 第２領域
４３０ 第３領域
１２Ｃ 位相シフト回折格子領域
４７０ 位相シフト部
Ｄ１ 第１方向
Ｄ２ 第２方向
Ｗ１ メサ幅
Ｗ２ メサ幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】