特許 7072516 半導体レーザ素子

(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】

(24)【登録日】2022-05-12

(45)【発行日】2022-05-20

(54)【発明の名称】半導体レーザ素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/125 20060101AFI20220513BHJP

   H01S 5/12 20210101ALI20220513BHJP

【ＦＩ】

H01S5/125

H01S5/12

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2018545027

(86)(22)【出願日】2017-10-11

(86)【国際出願番号】 JP2017036834

(87)【国際公開番号】W WO2018070432

(87)【国際公開日】2018-04-19

【審査請求日】2020-07-17

(31)【優先権主張番号】P 2016200759

(32)【優先日】2016-10-12

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 理仁

(72)【発明者】

【氏名】清田 和明

(72)【発明者】

【氏名】小林 剛

【審査官】大和田 有軌

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１４／１２６２６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－１５０１４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第０３／１０３１０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／１１６１４０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０００－０５８９６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－０５４８３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－３２６７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０１－２３８１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－２１６３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－００６４４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２０４６０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２０４６００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｓ ５／００ － ５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発光する能動領域であり回折格子を有する分布帰還部と受動反射ミラーであり回折格子を有する分布反射部とを備える半導体レーザ素子であって、
前記分布帰還部は、
前記分布反射部に隣接する、発振するレーザ光の波長に対応して設定される標準周期の回折格子を有する第１領域と、
前記第１領域に隣接する、光共振器長方向に沿った長さが前記標準周期の２倍よりも長い位相シフト領域と、
前記位相シフト領域における前記第１領域と反対側に隣接する、前記標準周期の回折格子を有する第２領域と、
を備え、
前記位相シフト領域は、前記第１領域と前記第２領域との間におけるレーザ光の位相を光学的に変化させ、
前記位相シフト領域は、前記標準周期とは異なる周期の回折格子を有し、前記位相シフト領域における前記回折格子の周期は、前記受動反射ミラーの反射波長帯域の外側の波長に対応する周期である
ことを特徴とする半導体レーザ素子。

【請求項2】

前記位相シフト領域の長さは、前記標準周期の１００倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ素子。

【請求項3】

前記第１領域の長さは、前記第２領域の長さよりも短いことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。

【請求項4】

前記位相シフト領域における前記回折格子の周期は、前記受動反射ミラーの周期に対して１％以上ずれた周期である
ことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【請求項5】

前記分布反射部における回折格子の結合係数は、前記分布帰還部の前記第１領域および前記第２領域における回折格子の結合係数よりも大きい
ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の半導体レーザ素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体レーザ素子に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、光通信分野では通信速度を上げることができる多値変調方式の光通信が多く用いられている。この多値変調方式のうち代表的な方式として、位相シフトキーイング（ＰＳＫ；phase-shift keying）方式を用いたコヒーレント通信方式が知られている。このようなコヒーレント通信では、送信側の信号光源に加えて、受信側にも局所発振光源が必要となる。

【0003】

コヒーレント通信では光の位相に信号を変調させるため、信号光源および局所発振光源には位相揺らぎが小さいことを求められる。位相揺らぎの大きさの指標となる特性値としてレーザ発振光のスペクトル線幅が一般に用いられており、この指標を用いてコヒーレント通信に用いられる光源のスペクトル線幅を例示すると、２５ＧｂａｕｄのＱＰＳＫではスペクトル線幅が５００ｋＨｚ以下であり、今後さらなる多値化のためには３００ｋＨｚ以下のスペクトル線幅が求められている。また、これらのスペクトル線幅は多値変調方式の高度化に伴って変化し、ＱＡＭなどの多値度が高い変調方式ではさらに狭いスペクトル線幅が要求される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５７９５１２６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、半導体レーザ素子が発振するスペクトル線幅は理論的に、光出力、しきい値利得、線幅増大係数、および内部損失などに依存することが知られている。そして、レーザ発振のスペクトル線幅を小さくするためには、発振モードのしきい値利得を低減する共振器の設計が重要である。

【0006】

単一モード発振の半導体レーザ素子の構造として、従来からよく用いられている分布帰還型（ＤＦＢ；Distributed Feedback）の半導体レーザ素子に加えて、分布反射型（ＤＲ；Distributed Reflector）の半導体レーザ素子も一般化してきている。簡単にいうと、ＤＲ型の半導体レーザ素子は、ＤＦＢ型の半導体レーザ素子の後方にＤＢＲミラーを設けた構造を有し、この後方のＤＢＲミラーからの反射によって発振モードのしきい値利得を低減する構成である。このようなＤＲ型の半導体レーザ素子における低しきい値利得は、狭いスペクトル線幅が要求されるコヒーレント通信用の半導体レーザ素子に好適である（例えば特許文献１参照）。

【0007】

一方、ＤＲ型の半導体レーザ素子でも、ＤＦＢ型の半導体レーザ素子と同様に、単一モード発振のための位相シフトの構造を導入することが好ましい。この構造は、λ／４シフト、あるいはπシフトと呼ばれ、回折格子周期の半分の長さの位相シフトを半導体レーザ素子の中央付近に入れることによって、ストップバンド中央の波長におけるレーザ発振を得るためのものである。この位相シフトの構造を導入すると、レーザ光は位相シフトの位置を中心に、そこから離れるにつれて指数関数的に減衰するように分布する。

【0008】

この指数関数的な分布は、ＤＲ型の半導体レーザ素子の場合も、ＤＦＢ型の半導体レーザ素子と同様に、ＤＦＢ部分の結合係数が大きいほど急峻な減衰となる。この指数関数的な分布が急峻であれば、レーザの共振器内に光が強く閉じ込められるので、しきい値利得は低くなる。このため、スペクトル線幅の狭腺化のためには結合係数が高いことが好適である。しかしながら、ＤＲ型の半導体レーザ素子において、狭線幅のために設計上の結合係数を高めた場合に、単一モード発振が得られ難くなるという問題があった。

【0009】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、良好な単一モード性を維持しつつ、スペクトル線幅が狭い特性の半導体レーザ素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、発光する能動領域であり回折格子を有する分布帰還部と受動反射ミラーであり回折格子を有する分布反射部とを備える半導体レーザ素子であって、前記分布帰還部は、前記分布反射部に隣接する、所定の標準周期の回折格子を有する第１領域と、前記第１領域に隣接する、前記標準周期の２倍よりも長い位相シフト領域と、前記位相シフト領域における前記第１領域と反対側に隣接する、前記標準周期の回折格子を有する第２領域と、を備え、前記位相シフト領域は、前記第１領域と前記第２領域との間におけるレーザ光の位相を光学的に変化させることを特徴とする。

【0011】

本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記位相シフト領域の長さは、前記標準周期の１００倍以上であることを特徴とする。

【0012】

本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記第１領域の長さは、前記第２領域の長さよりも短いことを特徴とする。

【0013】

本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記位相シフト領域は、前記標準周期とは異なる周期の回折格子を有することを特徴とする。

【0014】

本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、この構成において、前記位相シフト領域における前記回折格子の周期は、前記受動反射ミラーの反射波長帯域の外側の波長に対応する周期であることを特徴とする。

【0015】

本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、この構成において、前記位相シフト領域における前記回折格子の周期は、前記受動反射ミラーの周期に対して１％以上ずれた周期であることを特徴とする。

【0016】

本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記位相シフト領域は、回折格子を有さない領域であることを特徴とする。

【0017】

本発明の一態様に係る半導体レーザ素子は、前記分布反射部における回折格子の結合係数は、前記分布帰還部の前記第１領域および前記第２領域における回折格子の結合係数よりも大きいことを特徴とする。

【発明の効果】

【0018】

本発明に係る半導体レーザ素子は、良好な単一モード性を維持しつつ、スペクトル線幅が狭い特性であるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】図１は、実施形態に係る半導体レーザ素子を光共振器長方向に沿って切断した模式的な断面図である。

【図2A】図２Ａは、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。

【図2B】図２Ｂは、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。

【図2C】図２Ｃは、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。

【図2D】図２Ｄは、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。

【図3A】図３Ａは、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。

【図3B】図３Ｂは、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。

【図3C】図３Ｃは、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。

【図3D】図３Ｄは、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。

【図4】図４は、組み合わせの例を示す図である。

【図5】図５は、実施例１に係る半導体レーザ素子における各領域のストップバンドを模式的に示した図である。

【図6】図６は、実施例１に係る半導体レーザ素子について発振候補のモードを計算したものを示す図である。

【図7】図７は、実施例２に係る半導体レーザ素子における各領域のストップバンドを模式的に示した図である。

【図8】図８は、実施例２に係る半導体レーザ素子について発振候補のモードを計算したものを示す図である。

【図9】図９は、実施例３に係る半導体レーザ素子における各領域のストップバンドを模式的に示した図である。

【図10】図１０は、実施例３に係る半導体レーザ素子について発振候補のモードを計算したものを示す図である。

【図11】図１１は、実施例４に係る半導体レーザ素子における各領域のストップバンドを模式的に示した図である。

【図12】図１２は、実施例４に係る半導体レーザ素子について発振候補のモードを計算したものを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する構成要素には適宜同一の符号を付している。また、図面は模式的なものであり、各層の厚さや厚さの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることがある。

【0021】

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子を光共振器長方向に沿って切断した模式的な断面図である。図１に示すように、半導体レーザ素子１００は、裏面にｎ側電極１０１が形成されたｎ型半導体層１０２と、ｎ型半導体層１０２上に形成された導波路コア層１０３と、導波路コア層１０３上に形成されたｐ型半導体層１０４と、ｐ型半導体層１０４上に形成された回折格子層１０５と、回折格子層１０５上に形成されたｐ型半導体層１０６と、ｐ型半導体層１０６上に形成されたｐ側電極１０７と、を備えている。なお、ｎ型半導体層１０２、導波路コア層１０３、ｐ型半導体層１０４、回折格子層１０５、およびｐ型半導体層１０６は、半導体積層構造を形成している。

【0022】

また、図１に示すように、半導体レーザ素子１００は、発光する能動領域であり回折格子層１０５を有する分布帰還型レーザ部１１０と、分布帰還型レーザ部１１０に隣接する、受動反射ミラーであり回折格子層１０５を有する分布ブラッグ反射部１２０とを備えている。半導体積層構造の端面（紙面左側および右側の端面）には不図示の反射防止膜が形成されている。なお、本発明の半導体レーザ素子は半導体光集積素子の一部をなすものであってもよく、その場合には素子の端のいずれかまたは両方にさらに導波路を接続することができる。

【0023】

また、図１に示すように、分布帰還部としての分布帰還型レーザ部１１０は、分布反射部としての分布ブラッグ反射部１２０に隣接する、所定の周期の回折格子層１０５を有する第１領域１０５ｂと、第１領域１０５ｂに隣接する、上述した周期の２倍よりも長い位相シフト領域１０５ａと、位相シフト領域１０５ａにおける第１領域１０５ｂと反対側に隣接する、所定の周期の回折格子層１０５を有する第２領域１０５ｃとを備えている。

【0024】

ここで、位相シフト領域１０５ａは、第１領域１０５ｂと第２領域１０５ｃとの間におけるレーザ光の位相を光学的に変化させるためのものであり、後に詳述するように、第１領域１０５ｂおよび第２領域１０５ｃにおける回折格子とは周期が異なる回折格子を有する構成や、回折格子を有さない領域である構成を採用し得る。位相シフト領域１０５ａは、いわゆるλ/4シフトあるいはπシフトと呼ばれるものと同様に、ストップバンド中央の波長におけるレーザ発振を得るためのものである。

【0025】

ここで、半導体積層構造における各構成要素について説明する。

【0026】

ｎ型半導体層１０２は、ｎ型ＩｎＰからなる基板上にｎ型ＩｎＰからなるクラッド層が形成された構成を有する。

【0027】

導波路コア層１０３は、ＧａＩｎＡｓＰからなり、複数の障壁層と複数の井戸層とからなる多重量子井戸（ＭＱＷ：Multi Quantum Well）構造のＭＱＷ層１０３ｂと、ＭＱＷ層１０３ｂを挟むように配置された分離閉じ込めヘテロ構造（ＳＣＨ：Separate Confinement Heterostructure）層１０３ａ、１０３ｃとからなるＭＱＷ－ＳＣＨ構造を有する。ＭＱＷ層１０３ｂの厚さは例えば４０ｎｍ～６０ｎｍ、ＳＣＨ層１０３ａ、１０３ｃの厚さは例えば３０ｎｍである。なお、導波路コア層１０３は、ＡｌＧａＩｎＡｓとしてもよい。

【0028】

なお、図１に示すように、分布帰還型レーザ部１１０における導波路コア層１０３は、光共振器長方向にわたって連続した長さ（以下、長さとは光共振器長方向に関するものをいう）を有しているが、分布ブラッグ反射部１２０における導波路コア層１０３は、回折格子を形成するように離散的かつ周期的に配置されており、導波路コア層１０３の間がｐ型半導体層１０４と同じ半導体材料で埋められている。

【0029】

ｐ型半導体層１０４は、ｐ型ＩｎＰからなるクラッド層で構成される。ｐ型半導体層１０４の厚さは例えば５０ｎｍ～２００ｎｍである。

【0030】

回折格子層１０５は、ＧａＩｎＡｓＰ層が所定の周期で離散的に配置して回折格子を形成し、かつＧａＩｎＡｓＰ層の間はＩｎＰ層で埋められた構成を有する。例えば、回折格子層１０５の厚さは５ｎｍ～５０ｎｍであり、１５ｎｍ～３０ｎｍがさらに好ましい。回折格子層１０５は導波路コア層１０３の近傍で導波路コア層１０３に沿って配置している。

【0031】

ｐ型半導体層１０６は、ｐ型ＩｎＰからなるスペーサ層上にｐ型ＧａＩｎＡｓＰからなるコンタクト層が形成された構成を有する。ｐ側電極１０７は、分布帰還型レーザ部１１０におけるｐ型半導体層１０６上に形成されている。ｐ型半導体層１０６のコンタクト層は、ｐ側電極１０７との電気抵抗を低減する機能を有する。

【0032】

つぎに、半導体レーザ素子１００の動作を説明する。

【0033】

半導体レーザ素子１００では、ｎ側電極１０１とｐ側電極１０７との間に電圧を印加して、駆動電流が注入される。ｐ側電極１０７は、分布帰還型レーザ部１１０におけるｐ型半導体層１０６上に形成されているので、駆動電流は分布帰還型レーザ部１１０の導波路コア層１０３に注入される。すると、駆動電流を注入された分布帰還型レーザ部１１０の導波路コア層１０３は、活性層として機能する。

【0034】

ここで、分布帰還型レーザ部１１０は、導波路コア層１０３の近傍に導波路コア層１０３に沿って配置された回折格子層１０５を有するため、駆動電流が注入されると回折格子層１０５の周期に応じた波長（当該周期の２倍）でレーザ発振する。したがって、分布帰還型レーザ部１１０における回折格子の周期は、発振を意図するレーザ光の波長に対応して設定されるものであり、以下では、この周期を標準周期という。

【0035】

一方、分布ブラッグ反射部１２０では、導波路コア層１０３が回折格子を形成するように離散的かつ周期的に配置されているので、ＤＢＲミラーとして機能し、分布帰還型レーザ部１１０で発振したレーザ光Ｌ２０は、分布ブラッグ反射部１２０によってブラッグ反射されることになる。

【0036】

つまり、半導体レーザ素子１００はＤＲ型の半導体レーザ素子として機能し、主に分布帰還型レーザ部１１０側の端面（紙面左側の端面）からのみレーザ光Ｌ１０を出力する。

【0037】

上述した構成の半導体レーザ素子１００では、分布ブラッグ反射部１２０において導波路コア層１０３自体がＤＢＲミラーを構成しているため、導波路コア層１０３が形成する回折格子の結合係数κを大きくできる。

【0038】

また、分布ブラッグ反射部１２０では導波路コア層１０３が離散的に配置されているため、連続的な長さを有する場合よりも光吸収が少ない。その結果、出力されるレーザ光Ｌ１０の光強度の低下が抑制される。

【0039】

以上のように、半導体レーザ素子１００は、光出力が高く、信頼性が高く、生産時の歩留りが良好であり、スペクトル線幅の狭線幅化も容易なので、例えば高ビットレートの多値変調方式を利用した通信方式における信号光源として好適なものである。

【0040】

（製造方法）
ここで、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法の一例について説明する。図２Ａ～Ｄおよび図３Ａ～Ｄは、実施形態に係る半導体レーザ素子の製造方法を説明する図である。なお、図２Ａ～Ｄおよび図３Ａ～Ｄに示される断面は、図１に示される断面に対応している。

【0041】

はじめに、導波路コア層１０３を含み該導波路コア層１０３に沿って配置された回折格子層１０５を含む分布帰還型レーザ部１１０となる領域と、導波路コア層１０３を含む分布ブラッグ反射部１２０となる領域とを有する半導体積層構造を形成する半導体積層構造形成工程について説明する。図２Ａに示すように、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）結晶成長装置等の結晶成長装置を用い、ｎ型ＩｎＰからなる基板上にｎ型ＩｎＰからなるクラッド層を形成してｎ型半導体層１０２を形成し、さらに、ｎ型半導体層１０２上に順次導波路コア層１０３、ｐ型半導体層１０４、回折格子層１０５、およびｐ型半導体層１０６を形成する。ただし、このとき回折格子層１０５は回折格子構造が無いＧａＩｎＡｓＰ層からなるものである。

【0042】

つぎに、半導体積層構造のうち、分布帰還型レーザ部１１０となる領域の回折格子層１０５を所定の標準周期で離散的な配置となるようエッチングする第１エッチング工程について説明する。まず、図２Ａに示すように、例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によってｐ型半導体層１０６上にＳｉＮからなるマスクＭ１を形成し、所定のマスクパターンにパターニングする。このパターニングでは、分布帰還型レーザ部１１０となる領域と分布ブラッグ反射部１２０となる領域の両方の回折格子に対応したパターンを形成する。

【0043】

つぎに、図２Ｂに示すように、マスクＭ１をマスクとして、例えばＩＣＰ（Inductive Coupling Plasma）－ＲＩＥ（Reactive Ion Etcher）によって、半導体積層構造をｐ型半導体層１０６および回折格子層１０５より深く、ｐ型半導体層１０４に到る深さの溝Ｇを形成するようにエッチングする。これによって、回折格子層１０５の回折格子構造が形成される。

【0044】

つぎに、半導体積層構造のうち、分布ブラッグ反射部１２０となる領域の導波路コア層１０３を所定の標準周期で離散的な配置となるようエッチングする第２エッチング工程について説明する。まず、図２Ｃに示すように、溝Ｇを埋め、かつマスクＭ１を覆うようにマスクＭ２を形成し、さらに分布帰還型レーザ部１１０となる領域のマスクＭ２上にレジスト膜Ｒを形成する。ここで、マスクＭ２は、所定のエッチング液に対するエッチングレートがマスクＭ１のエッチングレートとは差がある材料とする。マスクＭ２の材料としては例えばＳｉＯ₂であり、ＳＯＧ（Spin On Glass）を利用できる。なお、マスクＭ２がＳｉＯ₂からなるものであれば、マスクＭ１はシリコンや金属からなる膜でもよい。

【0045】

つぎに、図２Ｄに示すように、レジスト膜Ｒをエッチングマスクとして、緩衝フッ酸液（Buffred ＨＦ：ＢＨＦ）によって分布ブラッグ反射部１２０となる領域のマスクＭ２を除去し、溝Ｇを露出させる。このとき、ＢＨＦに対するマスクＭ２のエッチングレートは、ＢＨＦに対するマスクＭ１のエッチングレートよりも大きいため、マスクＭ２は選択エッチングされ、マスクＭ１は残存する。

【0046】

つぎに、図３Ａに示すように、レジスト膜Ｒを除去する。さらに、図３Ｂに示すように、ＩＣＰ－ＲＩＥによって溝Ｇをさらに導波路コア層１０３の底面に到る深さまで深くエッチングする。その結果、分布ブラッグ反射部１２０となる領域においては、導波路コア層１０３は溝Ｇによって分離され、周期的に配置された回折格子構造が形成される。一方、分布帰還型レーザ部１１０となる領域では導波路コア層１０３は光共振器長方向にわたって連続した長さを有したままである。すなわち、第２エッチング工程は、分布帰還型レーザ部１１０となる領域の最表面にマスクＭ２を形成し、分布帰還型レーザ部１１０となる領域の導波路コア層１０３を該第２エッチング工程におけるエッチングから保護して行う工程である。

【0047】

なお、分布ブラッグ反射部１２０においては、回折格子層１０５は必ずしも存在する必要はないが、回折格子層１０５も分布ブラッグ反射部１２０における結合係数κに寄与するので、製造工程において特に除去しなくてもよい。

【0048】

その後、図３Ｃに示すように、マスクＭ１、Ｍ２を除去し、図３Ｄに示すように、結晶成長装置にて溝Ｇを、ｐ型半導体層１０４と同じ半導体材料である半導体材料Ｓで埋め込む。その後、公知の方法によって埋め込みヘテロ構造などの導波路構造の形成や上部クラッド・コンタクト層の形成、例えばＡｕＺｎからなるｐ側電極１０７およびＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ構造のｎ側電極１０１を形成し、反射防止膜の形成や素子分離等の必要な処理を行って、半導体レーザ素子１００の構造を完成させる。

【0049】

（回折格子の設計）
ここで、半導体レーザ素子１００における回折格子の設計例について説明する。なお、ここでは、比較のためにＤＦＢ型の半導体レーザ素子における回折格子の設計についても併せて説明する。

【0050】

ＤＦＢ型の半導体レーザ素子では、位相シフトとしてλ/4シフト構造を用いた場合、シフト位置がある中央付近が最も光密度が高く、そこから離れるほど光密度が小さくなる。このため、光密度が高い中央ほど誘導放出がさかんに起こり、注入キャリアが消費されてキャリア密度が低くなる。これを(軸方向)空間的ホールバーニングと呼ぶ。空間的ホールバーニングが起こると、所望の光密度が高いところで利得が小さくなる一方で、光密度が低いところで利得が大きくなる。この利得の分布が、所望のモードとは別のモードの光密度が高いところで利得が大きくなるものであった場合には、その別のモードが発振しやすくなり、単一モード性が低下する。

【0051】

また、λ/4シフト構造では、位相シフトの量がπなので、分布帰還における回折格子のストップバンド帯域の中央波長に発振モードが発生する。ここで、位相シフト量がπからずれると、このモードはストップバンドの中央からずれることになり、一方、分布帰還の効果はストップバンドの中央が最も強く、そこから外れると弱くなるという性質がある。

【0052】

空間的ホールバーニングが起こると、キャリア密度が小さいところでは屈折率が高くなり、キャリア密度が大きいところでは屈折率が低くなる。このような屈折率分布があると、それによって実効的な位相シフト量が変化する。λ/4シフト構造の場合には位相シフトのある中央近辺のキャリア密度が低くなって屈折率が高くなるので、実効的な位相シフト量が大きくなる。すると、上述の性質によって、空間的ホールバーニングが起こると発振モードの分布帰還効果が弱くなり、しきい値が上昇し、一方で短波側のサイドモードのしきい値が低くなり、しきい値の差が小さくなって、単一モード性が低下することになる。

【0053】

このような二重の効果によって、空間的ホールバーニングは単一モード性の低下をもたらす。そこで、ＤＦＢ型の半導体レーザ素子において空間的ホールバーニングを抑制する設計が考案されている。その例が、ＣＰＭ（Corrugation Pitch Modulated）構造である。ＣＰＭ構造では、位相シフトを一点に集中して与えるのではなく、ある領域（以下、ＰＡＲ領域という；Phase Arrangement Region）に分布させて与える。このために、ＤＦＢ型の半導体レーザ素子の中央近傍の領域の回折格子の周期をその他の領域の回折格子の周期（標準周期）とわずかに異なるものとする。このわずかな周期の違いが、ＰＡＲ領域全体の累積として所望の位相シフトとなるように設計を行う。光密度はＰＡＲ領域の外では指数関数的に減少するが、ＰＡＲ領域ではなだらかな形状となる。これによって、光密度の空間分布が低減され、その結果空間的ホールバーニングが抑制される。

【0054】

なお、ＰＡＲ領域は、空間的ホールバーニングを抑制するために、光密度の空間分布を低減する効果が生じる長さに設計される。光密度の空間分布は、数１０μｍの長さのオーダで生じるものである。例えば仮に、ＰＡＲ領域の長さを回折格子の周期の１０．５倍とすると、２．５μｍ程度の長さに相当する。このような非常に短い領域であると、空間分布を低減すると言っても、光密度の空間依存性の長さのオーダに比べて１桁小さい領域であるためにあまり効果的とは言えない。この観点から、効果的なＰＡＲ領域の長さは回折格子の周期の１００倍以上のオーダとすることが好適である。

【0055】

上述したようにＤＦＢ型の半導体レーザ素子において空間的ホールバーニングを抑制する効果を有するＣＰＭ構造を、ＤＲ型の半導体レーザ素子においても適用することにより、ＤＲ型の半導体レーザ素子においても空間的ホールバーニングの抑制と単一モード性の向上が得られることが期待される。しかしながら、どのような設計でその組み合わせが可能となるかはわかっていなかった。以下、本発明の発明者らによって検討された組み合わせについて説明する。図４は、組み合わせの例を示す図である。

【0056】

図４に示すように、ＣＰＭ構造をＤＲ型の半導体レーザ素子に適用するにあたり、ＤＦＢ型の半導体レーザ素子の従来例における後方の標準周期ＤＦＢ領域をＤＢＲ領域に置き換えた、比較例１のような構成がまず考えられる。この構成では、前方の標準周期ＤＦＢ領域と後方のＤＢＲ領域の間での反射によってレーザ発振が起こる。しかしながら、この比較例１の構成ではレーザ発振が後方のＤＢＲ領域に大きく依存しており、その反射特性によってレーザの特性が大きく影響を受ける。

【0057】

一般に、受動部分であるＤＢＲ領域は、活性領域である標準周期ＤＦＢ領域と導波路構造が異なるため、屈折率を完全に一致させることが難しい。このため、作製誤差によって屈折率がずれると、ＤＢＲ領域における反射率が低下することがある。このようなずれによる影響は、電流注入を行ったときのキャリア密度や発熱による屈折率変化でも同様に作用する。屈折率のずれ以外に、ＤＢＲ領域に入る部分に散乱損失がある場合、反射率が低下する。これらの要因でＤＢＲ領域における反射率が低下したときに、レーザ発振がＤＢＲ領域における反射率のみに大きく依存する比較例１の構成では特性が顕著に悪化する。

【0058】

そこで、本発明の発明者らは、図４に示す実施例１から実施例４の構成を考案した。以下では、これら実施例１から実施例４に係る半導体レーザ素子の各構成を具体的に説明する。

【0059】

（実施例１）
実施例１に係る半導体レーザ素子の構成は、ＤＦＢ型の半導体レーザ素子における従来例の構成の後方にＤＢＲ領域を追加したものである。この構成によれば、ＤＦＢ型の半導体レーザ素子と同様に前方の標準周期ＤＦＢ領域と後方の標準周期ＤＦＢ領域との間での反射によってレーザ発振が可能であり、さらに後方のＤＢＲ領域における反射によって発振しきい値の低下が得られる。この構成では、後方の標準周期ＤＦＢ領域とＤＢＲ領域とが共に後方反射を担うため、比較例１の場合では問題になったＤＢＲ領域における反射率低下による特性変化が大幅に小さくなる。また、この構成のＤＲ型の半導体レーザ素子でも、空間的ホールバーニングをＣＰＭ構造によって低減するという効果が得られる。

【0060】

図５は、実施例１に係る半導体レーザ素子における各領域のストップバンドを模式的に示した図である。標準周期ＤＦＢ領域やＤＢＲ領域のように回折格子を有する構造では、その回折格子の周期に応じて光の伝播解が無くなるストップバンドという波長帯域ができ、このストップバンドの波長の光が反射されることになる。図５における、ハッチング領域はストップバンドの波長帯域を示しており、上部に示された各領域にて、縦軸で示された波長（λ）のストップバンドが存在することを模式的に表している。

【0061】

ＤＲ型の半導体レーザ素子では、ＤＢＲ領域における反射率を高くするため、そして、標準周期ＤＦＢ領域との屈折率差が生じても反射率が低下しにくくするために、ＤＢＲ領域の結合係数を高くしてストップバンドを広くする構成が好適である。このため、図５に示すように、ＤＢＲ領域のストップバンドは広く設計されている。また、図５に示すように、ＣＰＭ構造の形成としては、ＰＡＲ領域における回折格子の周期を標準周期と異なるものとするので、ＰＡＲ領域のストップバンドの波長帯域は、標準周期ＤＦＢ領域におけるストップバンドの波長帯域とは異なるものになる。

【0062】

以上のようなストップバンドの構成によれば、発振を意図した主モードは、前方の標準周期ＤＦＢ領域のストップバンドと後方の標準周期ＤＦＢ領域のストップバンドとによって反射を受け、後方における反射はさらにＤＢＲ領域のストップバンドで補佐されることによって形成される。

【0063】

なお、複数の領域のストップバンドに挟まれた波長に発振モードが形成されるので、実施例１の構成では、主モードの他にも発振モードが形成されることになり、それが、図中の干渉モードと記載した波長である。ここでは、ＰＡＲ領域のストップバンド(標準周期ＤＦＢ領域のストップバンドと異なる波長)とＤＢＲ領域のストップバンドとの両者に挟まれている領域間の反射によってレーザ発振が起こりうる。

【0064】

ここで、実施例１に係る半導体レーザ素子の具体的な設計値の例について開示する。ただし、以下に開示する値は単なる例示であり、発明をこの値に限定するものではない。例えば、所望の波長に応じて、全ての周期をスケーリングするなど適切な修正を加えても、本発明の要旨は変わることがない。

【0065】

例えば標準周期は２４０ｎｍとする。このとき、ＰＡＲ領域における回折格子の周期は２４０．２ｎｍであり、ＰＡＲ領域の長さを回折格子の１８００周期とするとその長さはおよそ４３２μｍである。前方の標準周期ＤＦＢ領域の長さはおよそ３１０μｍであり、後方の標準周期ＤＦＢ領域の長さもおよそ３１０μｍである。ＤＢＲ領域の屈折率が標準周期ＤＦＢ領域の屈折率よりも低いことから、ＤＢＲ周期は２４１ｎｍであり、ＤＢＲ領域の長さはおよそ１５０μｍである。各標準周期ＤＦＢ領域の結合係数は２０ｃｍ^－１であり、ＤＢＲ領域の結合係数は１００ｃｍ^－１である。

【0066】

図６は、実施例１に係る半導体レーザ素子について発振候補のモードを計算したものを示す図である。図６には、上述した設計値の半導体レーザ素子における発振モードの候補を（ａ）～（ｄ）の４つをミラー損失α_ｍが小さい順番に記載している。ミラー損失α_ｍは、発振しきい値利得に対応するものであり、図６には、発振候補のモードが発振しやすい順に左から記載していることになる。図６に示される（ａ）～（ｄ）の各グラフは、横軸が半導体レーザ素子における共振器方向の位置を示し、縦軸が発振モードの光強度を示している。

【0067】

図６に示されるように、実施例１に係る半導体レーザ素子では、（ａ）モード１のミラー損失α_ｍが最も低く、発振しやすい。また、（ａ）モード１のグラフを見るとわかるように、当該モードは、後方の標準周期ＤＦＢ領域にて最も光強度が高くなっており、上述の干渉モードであることが分かる。一方、次にミラー損失α_ｍが最も低い（ｂ）モード２は、ＰＡＲ領域にて最も光強度が高くなっており、上述の主モードであることが分かる。なお、同様に、（ｃ）モード３は主モードであり、（ｄ）モード４は干渉モードである。

【0068】

以上、図６に示されるように、実施例１に係る半導体レーザ素子では、計算上、発振を意図した主モードよりも干渉モードの方が発振しやすい状況にあるが、２つのモードのミラー損失は近接している。したがって、２つのモードのミラー損失は、実際に作製した素子では容易に逆転しうる。実際の素子においては、ＤＦＢ領域とＤＢＲ領域の間に散乱損失が存在することが常である。この境界に損失があると、後方反射がＤＢＲ領域のみに依存する干渉モードはミラー損失が大きくなる一方、後方反射をＤＦＢ領域とＤＢＲ領域の両方で負担する主モードはミラー損失があまり変化しない。このため、ある一定の歩留りをもって、実施例１に係る半導体レーザ素子では主モードにおける単一モード発振が得られる。また、実施例１に係る半導体レーザ素子を利用する場合、ＤＢＲ領域の結合係数を小さく抑えるなどの別途の工夫をすることで、より単一モード発振を得やすくすることができる。

【0069】

（実施例２）
実施例２に係る半導体レーザ素子の構成は、ＤＦＢ型の半導体レーザ素子における従来例の構成の後方にＤＢＲ領域を追加したものであり、実施例１に係る半導体レーザ素子の構成とほぼ同様の構成を有するが、後方の標準周期ＤＦＢ領域の長さは、前方の標準周期ＤＦＢ領域の長さよりも短いことを特徴としている。実施例２に係る半導体レーザ素子は、この構成により、干渉モードの発振を抑制することができ、発振を意図した主モードのみを良好に発振することができる。

【0070】

干渉モードは、特にＤＢＲ領域の結合係数が大きく、ストップバンドが広いと問題となりやすい。主モードとは異なる波長帯域にまでＤＢＲ領域のストップバンドが広がるためである。ＤＢＲ領域の結合係数が大きければ、小型のＤＢＲ領域でも反射率を高くできるのに加え、発熱などで電流注入を行う標準周期ＤＦＢ領域との間に屈折率差が生じても安定した反射を維持できるという利点がある。すなわち、干渉モードの発振を抑制することができることは、ＤＢＲ領域の結合係数を大きくすることができることを意味し、電流注入に伴う発熱に対する耐性を高めることも可能となり、メリットが大きい。

【0071】

図７は、実施例２に係る半導体レーザ素子における各領域のストップバンドを模式的に示した図である。図７におけるハッチング領域も、図５と同様にストップバンドの波長帯域を示しており、上部に示された各領域にて、縦軸で示された波長（λ）のストップバンドが存在することを模式的に表している。

【0072】

実施例２に係る半導体レーザ素子の構成では干渉モードの発振を抑制することができる理由は以下のとおりである。図７に示されるように、実施例２に係る半導体レーザ素子の構成では、後方の標準周期ＤＦＢ領域の長さは、前方の標準周期ＤＦＢ領域の長さよりも短い。ここで、２つのストップバンドに挟まれた間の領域では、レーザ光が利得によって増幅されることに留意すれば、この領域が短ければ、その領域に発生するモードは利得を受けづらいことが分かる。したがって、実施例２に係る半導体レーザ素子の構成では後方の標準周期ＤＦＢ領域の長さが短いので、干渉モードが発生する余地はあるものの、発振しきい値が高くなり、その結果、発振を意図した主モードのみを良好に発振することになる。

【0073】

ここで、実施例２に係る半導体レーザ素子の具体的な設計値の例について開示する。ただし、以下に開示する値は単なる例示であり、発明をこの値に限定するものではない。例えば、所望の波長に応じて、全ての周期をスケーリングするなど適切な修正を加えても、本発明の要旨は変わることがない。

【0074】

例えば標準周期は２４０ｎｍとする。このとき、ＰＡＲ領域における回折格子の周期は２４０．２ｎｍであり、ＰＡＲ領域の長さを回折格子の１８００周期とするとその長さはおよそ４３２μｍである。前方の標準周期ＤＦＢ領域の長さはおよそ４００μｍであり、後方の標準周期ＤＦＢ領域の長さはおよそ２２０μｍである。ＤＢＲ領域の屈折率が標準周期ＤＦＢ領域の屈折率よりも低いことから、ＤＢＲ周期は２４１ｎｍであり、ＤＢＲ領域の長さはおよそ１５０μｍである。各標準周期ＤＦＢ領域の結合係数は２０ｃｍ^－１であり、ＤＢＲ領域の結合係数は１００ｃｍ^－１である。

【0075】

図８は、実施例２に係る半導体レーザ素子について発振候補のモードを計算したものを示す図である。図８には、上述した設計値の半導体レーザ素子における発振モードの候補を（ａ）～（ｄ）の４つをミラー損失α_ｍが小さい順番に記載しており、発振候補のモードが発振しやすい順に左から記載していることになる。図８に示される（ａ）～（ｄ）の各グラフは、横軸が半導体レーザ素子における共振器方向の位置を示し、縦軸が発振モードの光強度を示している。

【0076】

図８に示されるように、実施例２に係る半導体レーザ素子では、（ａ）モード１のミラー損失α_ｍが最も低く、発振しやすい。また、（ａ）モード１のグラフを見るとわかるように、当該モードは、ＰＡＲ領域にて最も光強度が高くなっており、発振を意図した主モードであることが分かる。一方、次にミラー損失α_ｍが最も低い（ｂ）モード２も、ＰＡＲ領域にて最も光強度が高くなっており、主モードであることが分かる。なお、（ｃ）モード３は干渉モードであり、（ｄ）モード４は主モードである。

【0077】

以上、図８に示されるように、実施例２に係る半導体レーザ素子では、主モードと干渉モードとの間のミラー損失α_ｍに十分な差があり、発振を意図した主モードの方が、干渉モードの方よりも顕著に発振しやすい。つまり、実施例２に係る半導体レーザ素子は、ＤＲ型の半導体レーザ素子における低しきい値利得によってスペクトル線幅が小さく、スペクトルホールバーニングを抑えて、さらに干渉モードの発振を抑制した単一モード性が良好な半導体レーザ素子である。

【0078】

（実施例３）
実施例３に係る半導体レーザ素子の構成は、前方の標準周期ＤＦＢ領域と後方の標準周期ＤＦＢ領域との間におけるレーザ光の位相を光学的に変化させるための位相シフト領域として、回折格子を有さない領域を採用した構成である。すなわち、実施例３に係る半導体レーザ素子の構成は、実施例１および実施例２に係る半導体レーザ素子の構成とほぼ同様の構成を有するが、ＰＡＲ領域の代わりに、回折格子を有さない領域を設けている。

【0079】

図９は、実施例３に係る半導体レーザ素子における各領域のストップバンドを模式的に示した図である。図９におけるハッチング領域も、図５と同様にストップバンドの波長帯域を示しており、上部に示された各領域にて、縦軸で示された波長（λ）のストップバンドが存在することを模式的に表している。

【0080】

図９に示されるように、実施例３に係る半導体レーザ素子では、ＤＢＲ領域と対になって干渉モードを発生するストップバンドがそもそも存在しないため、干渉モードが生じないという利点がある。すなわち、実施例３に係る半導体レーザ素子は、ＤＲ型の半導体レーザ素子における低しきい値利得によってスペクトル線幅が小さく、ＣＰＭ構造を用いるよりもさらに単一モード性が良好な半導体レーザ素子である。

【0081】

なお、実施例３に係る半導体レーザ素子の製造方法は、実施例１の場合とほぼ同様である。違いは、回折格子を形成する際に、回折格子なし領域に相当する部分（図１における位相シフト領域１０５ａ）を全て抜くようにパターニングするのみである。なお、結果的に図１における位相シフト領域１０５ａは、ｐ型半導体層１０４と同じ半導体材料で埋められることになる。

【0082】

回折格子なし領域の長さは、発振させるモードの１／４波長の奇数倍となるように設定する。このとき、回折格子層が無いために屈折率がわずかに低くなることを考慮する。標準周期ＤＦＢ領域では回折格子層がある部分と無い部分が交互に繰り返されるため、モードの屈折率は両者の中間となるが、回折格子なし領域では回折格子が無い分だけ屈折率が異なるからである。

【0083】

なお、回折格子なし領域の長さは、発振させるモードの１／４波長の奇数倍に厳密に一致しなくてもよい。厳密な値よりも若干短い値とすると、空間的ホールバーニングがわずかに起きて、回折格子なし領域の屈折率が相対的に高くなったとしても、良好な単一モード性を維持することができるからである。

【0084】

ここで、実施例３に係る半導体レーザ素子の具体的な設計値の例について開示する。ただし、以下に開示する値は単なる例示であり、発明をこの値に限定するものではない。例えば、所望の波長に応じて、全ての周期をスケーリングするなど適切な修正を加えても、本発明の要旨は変わることがない。

【0085】

例えば標準周期は２４０ｎｍとする。このとき、回折格子なし領域の長さはおよそ４３２μｍであり、上述のように、発振させるモードの１／４波長の奇数倍となるように設定されている。前方の標準周期ＤＦＢ領域の長さはおよそ４００μｍであり、後方の標準周期ＤＦＢ領域の長さはおよそ２２０μｍである。ＤＢＲ領域の屈折率が標準周期ＤＦＢ領域の屈折率よりも低いことから、ＤＢＲ周期は２４１ｎｍであり、ＤＢＲ領域の長さはおよそ１５０μｍである。各標準周期ＤＦＢ領域の結合係数は２０ｃｍ^－１であり、ＤＢＲ領域の結合係数は１００ｃｍ^－１である。

【0086】

図１０は、実施例３に係る半導体レーザ素子について発振候補のモードを計算したものを示す図である。図１０には、上述した設計値の半導体レーザ素子における発振モードの候補を（ａ）～（ｄ）の４つをミラー損失α_ｍが小さい順番に記載しており、発振候補のモードが発振しやすい順に左から記載していることになる。図１０に示される（ａ）～（ｄ）の各グラフは、横軸が半導体レーザ素子における共振器方向の位置を示し、縦軸が発振モードの光強度を示している。

【0087】

図１０に示されるように、実施例３に係る半導体レーザ素子では、（ａ）モード１のミラー損失α_ｍが最も低く、発振しやすい。また、（ａ）モード１のグラフを見るとわかるように、当該モードは、ＰＡＲ領域にて最も光強度が高くなっており、発振を意図した主モードであることが分かる。また、図１０に示される（ａ）～（ｄ）のすべてのグラフにおいて、後方の標準周期ＤＦＢ領域に強い光強度を有するモードは存在しないので、実施例３に係る半導体レーザ素子では、干渉モードが発生していないこともわかる。

【0088】

（実施例４）
実施例４に係る半導体レーザ素子の構成は、実施例２と異なり、ＰＡＲ領域の回折格子の周期は、標準周期に比べて大きくずれている。すなわち、ＰＡＲ領域の回折格子の周期は、ＤＢＲ領域の反射波長帯域の外側の波長に対応する周期とする。具体的には、ＰＡＲ領域におけるストップバンドをＤＢＲ領域の反射帯域の外側にする。なお、ＤＢＲ領域の反射帯域とは、ストップバンドにおいて、例えば反射率が最大値の５０％以内となる波長帯域である。実施例４に係る半導体レーザ素子は、この構成により、干渉モードが存在しない状態になり、発振を意図した主モードのみを良好に発振することができる。

【0089】

また、実施例３に係る半導体レーザ素子の構成は、ＰＡＲ領域と標準周期ＤＦＢ領域との実効屈折率が互いに異なる。これは、標準周期ＤＦＢ領域においては、回折格子層がある部分と無い部分とが交互に繰り返されることから、モードの屈折率は回折格子層がある部分とない部分との中間になる一方、ＰＡＲ領域においては、回折格子層が存在しない部分の屈折率となるためである。これにより、ＰＡＲ領域の位相シフト量は、標準周期ＤＦＢ領域とＰＡＲ領域との屈折率差に依存し、導波路の幅や回折格子のデューティ比などの作製ばらつきの影響を受ける可能性がある。

【0090】

図１１は、実施例４に係る半導体レーザ素子における各領域のストップバンドを模式的に示した図である。図１１におけるハッチング領域も、図５と同様にストップバンドの波長帯域を示しており、上部に示された各領域にて、縦軸で示された波長（λ）のストップバンドが存在することを模式的に表している。

【0091】

実施例４に係る半導体レーザ素子の構成では干渉モードの発振を抑制することができる理由は以下のとおりである。図１１に示されるように、実施例４に係る半導体レーザ素子の構成では、ＰＡＲ領域の周期は標準周期に対してずれた周期である。ＰＡＲ領域の周期は標準周期に対して、増やす場合または減らす場合がある。これによって、ＰＡＲ領域のストップバンドの中心波長は、標準周期ＤＦＢ領域のストップバンドに対して長波長側または短波長側に大きくずれて、ＰＡＲ領域のストップバンドをＤＢＲ領域の反射帯域の外側にできる。ＰＡＲ領域のストップバンドをＤＢＲ領域の反射帯域の外側にするには、ＰＡＲ領域の周期を標準周期に対して、１％以上ずれた周期にすることが好ましい。この構成により、ＤＢＲ領域の反射帯域内に、ＰＡＲ領域とＤＢＲ領域とが対になって干渉モードを発生するストップバンドが存在しなくなることから、干渉モードが生じない。すなわち、実施例４に係る半導体レーザ素子の構成においては、実施例３と同様の効果が得られるのみならず、ＰＡＲ領域にも回折格子を設けているため、標準周期ＤＦＢ領域の実効屈折率とＰＡＲ領域の実効屈折率とが同一になり、作製ばらつきの影響を受けることなく、より精密に制御された位相シフト量を実現できる。

【0092】

ここで、実施例４に係る半導体レーザ素子の具体的な設計値の例について開示する。ただし、以下に開示する値は単なる例示であり、発明をこの値に限定するものではない。例えば、所望の波長に応じて、全ての周期をスケーリングするなど適切な修正を加えても、本発明の要旨は変わることがない。

【0093】

例えば標準周期を２４０ｎｍとする。このとき、ＰＡＲ領域における回折格子の周期は２４４．８ｎｍであり、ＰＡＲ領域の長さを回折格子の１７６５周期とするとその長さはおよそ４３２μｍである。前方の標準周期ＤＦＢ領域の長さはおよそ４００μｍであり、後方の標準周期ＤＦＢ領域の長さはおよそ２２０μｍである。ＤＢＲ領域の屈折率が標準周期ＤＦＢ領域の屈折率よりも低いことから、ＤＢＲ周期は２４１ｎｍであり、ＤＢＲ領域の長さはおよそ１５０μｍである。各標準周期ＤＦＢ領域の結合係数は２０ｃｍ^-1であり、ＤＢＲ領域の結合係数は１００ｃｍ^-1である。

【0094】

ここで、実施例４に係る半導体レーザ素子においては、ＤＢＲの反射帯域は約２０ｎｍであり、ＰＡＲ領域の周期は、標準周期に対して２％増やしている。そのため、ＰＡＲ領域におけるストップバンドの中心波長は、標準周期ＤＦＢ領域のストップバンドに対して長波長側に３０ｎｍずれて、ＤＢＲ領域の反射帯域の外側になる。なお、ＰＡＲ領域の周期を標準周期に対して増加させて、ＰＡＲ領域におけるストップバンドをＤＢＲの反射帯域に対して長波長側にずらす例を示したが、ＰＡＲ領域の周期を標準周期に対して低減させて、ＰＡＲ領域におけるストップバンドを、ＤＢＲの反射帯域に対して短波長側にずらしてもよい。

【0095】

図１２は、実施例４に係る半導体レーザ素子について発振候補のモードを計算したものを示す図である。図１２には、上述した設計値の半導体レーザ素子における発振モードの候補を（ａ）～（ｄ）の４つをミラー損失α_ｍが小さい順番に記載しており、発振候補のモードが発振しやすい順に左から記載していることになる。図１２に示される（ａ）～（ｄ）の各グラフは、横軸が半導体レーザ素子における共振器方向の位置を示し、縦軸が発振モードの光強度を示している。

【0096】

図１２に示されるように、実施例４に係る半導体レーザ素子では、（ａ）モード１のミラー損失α_ｍが最も低く、発振しやすい。また、（ａ）モード１のグラフを見るとわかるように、当該モードは、ＰＡＲ領域にて最も光強度が高くなっており、発振を意図した主モードであることが分かる。また、図１２に示される（ａ）～（ｄ）のすべてのグラフにおいて、後方の標準周期ＤＦＢ領域に強い光強度を有するモードは存在しないので、実施例４に係る半導体レーザ素子では、干渉モードが発生していないこともわかる。

【0097】

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、上述した実施形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明の範疇に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0098】

以上のように、本発明に係る半導体レーザ素子は、光通信等に用いられる光デバイスに有用である。

【符号の説明】

【0099】

１００ 半導体レーザ素子
１０１ ｎ側電極
１０２ ｎ型半導体層
１０３ 導波路コア層
１０３ａ、１０３ｃ ＳＣＨ層
１０３ｂ ＭＱＷ層
１０４ ｐ型半導体層
１０５ 回折格子層
１０５ａ 位相シフト領域
１０５ｂ 第１領域
１０５ｃ 第２領域
１０７ ｐ側電極
１１０ 分布帰還型レーザ部
１２０ 分布ブラッグ反射部

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図2C】

【図2D】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】