特許 7453650 半導体発光素子

(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】2024-03-12

(45)【発行日】2024-03-21

(54)【発明の名称】半導体発光素子

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/20 20060101AFI20240313BHJP

【ＦＩ】

H01S5/20

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020058453

(22)【出願日】2020-03-27

(65)【公開番号】P2021158269

(43)【公開日】2021-10-07

【審査請求日】2023-03-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(73)【特許権者】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001128

【氏名又は名称】弁理士法人ゆうあい特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鎌田 裕樹

(72)【発明者】

【氏名】大山 浩市

(72)【発明者】

【氏名】樽見 浩幸

(72)【発明者】

【氏名】▲濱▼本 貴一

(72)【発明者】

【氏名】姜 海松

【審査官】高椋 健司

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２００９／１１９１３１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００６／０１６４５３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１２－００９６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０１２３３１７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０６－１８８５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－００４８５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２６７７３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０９５６０４６５（ＣＮ，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】

レーザ光を出力する半導体発光素子であって、
第１導電型の第１クラッド層（２）と、
前記第１クラッド層上に配置された活性層（３）と、
前記活性層上に配置された第２導電型の第２クラッド層（４）と、
前記第２クラッド層と電気的に接続される上部電極（７）と、
前記第１クラッド層と電気的に接続される下部電極（８）と、を備え、
前記第１クラッド層、前記活性層、前記第２クラッド層が積層された部分が光導波路（１０）を構成しており、
前記光導波路は、２次モード以上の光の伝搬が可能とされた幅を有する第１導波路（１１）および第２導波路（１２）と、前記第１導波路と前記第２導波路との間に配置され、前記第１導波路および前記第２導波路より幅が広くされた多モード干渉光導波路（１３）とを有し、
前記活性層の面方向と交差する交差方向において、前記第１導波路と対向しつつ、少なくとも前記第１導波路を２次モード以上で伝搬する光を損失させる第１光損失層（２１）が配置され、前記第２導波路と対向しつつ、少なくとも前記第２導波路を２次モード以上のモードで伝搬する光を損失させる第２光損失層（２２）が配置されている半導体発光素子。

【請求項2】

前記第１光損失層は、前記交差方向において、前記第１導波路を挟むように配置されており、
前記第２光損失層は、前記交差方向において、前記第２導波路を挟むように配置されている請求項１に記載の半導体発光素子。

【請求項3】

前記第１光損失層および前記第２光損失層は、前記活性層上に配置されている請求項１または２に記載の半導体発光素子。

【請求項4】

前記第１光損失層および前記第２光損失層は、一部が前記活性層内に配置されている請求項１または２に記載の半導体発光素子。

【請求項5】

前記第１光損失層および前記第２光損失層は、全体が前記活性層より前記第１クラッド層側に配置されている請求項１または２に記載の半導体発光素子。

【請求項6】

前記第１光損失層および前記第２光損失層は、前記第２クラッド層と同じ材料を含んで構成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項7】

前記第１光損失層および前記第２光損失層は、金属で構成されている請求項１ないし５のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項8】

前記第１導波路および前記第２導波路は、幅が４μｍ以上とされている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項9】

前記交差方向において、前記第１光損失層と前記第１導波路との間隔（Ｌ１）、および前記第２光損失層と前記第２導波路との間隔（Ｌ２）は、１．５μｍ以下とされている請求項１ないし８のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項10】

前記交差方向において、前記第１光損失層と前記第１導波路との間隔、および前記第２光損失層と前記第２導波路との間隔は、１．１μｍ以下とされている請求項９に記載の半導体発光素子。

【請求項11】

前記交差方向において、前記第１光損失層と前記第１導波路との間隔（Ｌ１）、および前記第２光損失層と前記第２導波路との間隔（Ｌ２）は、０．７μｍ以上とされている請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項12】

前記第１導波路および前記第２導波路の幅に対する前記多モード干渉光導波路の幅の比率が１．３５以上とされている請求項１ないし１１のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【請求項13】

前記多モード干渉光導波路は、複数備えられている請求項１ないし１２のいずれか１つに記載の半導体発光素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、異なる幅の導波路を有する半導体発光素子に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来より、異なる幅の導波路を有する半導体発光素子が提案されている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、この半導体発光素子は、第１導波路および第２導波路と、第１導波路と第２導波路との間に配置され、第１導波路および第２導波路より幅が広くされた多モード光干渉導波路とを備えている。なお、第１導波路および第２導波路は、光の伝搬モードとして１次モードまでを許容する幅とされている。

【0003】

これによれば、例えば、導波路が第１導波路および第２導波路の幅で一定とされている場合と比較して、第３導波路の幅が広くされているため、低消費電力化を図ることができると共に、レーザ光の高出力化を図ることができる。

【0004】

また、第１導波路および第２導波路は、１次モードまでを許容する幅とされているが、多モード干渉光導波路により、第１導波路および第２導波路を伝搬する１次モードの光がフィルタリングされる。このため、上記のような半導体発光素子では、０次モード（すなわち、基本モード）の光に基づくシングルモードのレーザ光が出力される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２００６／０１６４５３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、現状では、シングルモードのレーザ光を出力しつつ、さらなる低消費電力化およびレーザ光の高出力化を図りたいという要望がある。

【0007】

本発明は上記点に鑑み、シングルモードのレーザ光を出力しつつ、さらなる低消費電力化およびレーザ光の高出力化を図ることのできる半導体発光素子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】

上記目的を達成するための請求項１では、レーザ光を出力する半導体発光素子であって、第１導電型の第１クラッド層（２）と、第１クラッド層上に配置された活性層（３）と、活性層上に配置された第２導電型の第２クラッド層（４）と、第２クラッド層と電気的に接続される上部電極（７）と、第１クラッド層と電気的に接続される下部電極（８）と、を備えている。そして、第１クラッド層、活性層、第２クラッド層が積層された部分が光導波路（１０）を構成しており、光導波路は、２次モード以上の光の伝搬が可能とされた幅を有する第１導波路（１１）および第２導波路（１２）と、第１導波路と第２導波路との間に配置され、第１導波路および第２導波路より幅が広くされた多モード光干渉導波路（１３）とを有し、活性層の面方向と交差する交差方向において、第１導波路と対向しつつ、第１導波路を２次モード以上で伝搬する光を損失させる第１光損失層（２１）が配置され、第２導波路と対向しつつ、第２導波路を２次モード以上のモードで伝搬する光を損失させる第２光損失層（２２）が配置されている。

【0009】

これによれば、第１導波路および第２導波路を２次モード以上の光の伝搬を許容する幅としている。そして、第１光損失層および第２光損失層を配置して２次モード以上の光を損失させることにより、第１導波路および第２導波路を伝搬する光のモードとして０次モードが支配的となるようにしている。このため、シングルモードのレーザ光を出力しつつ、光導波路の面積を増加させることができる。したがって、この半導体発光素子によれば、シングルモードのレーザ光を出力しつつ、さらに、低消費電力化およびレーザ光の高出力化を図ることができる。

【0010】

なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１実施形態における半導体発光素子の断面図である。

【図2】図１に示す半導体発光素子の平面模式図である。

【図3】実効屈折率と導波路幅との関係を説明するための図である。

【図4A】第１導波路を光が０次モードで伝搬する際の電界に関するシミュレーション結果を示す図である。

【図4B】第１導波路を光が１次モードで伝搬する際の電界に関するシミュレーション結果を示す図である。

【図4C】第１導波路を光が２次モードで伝搬する際の電界に関するシミュレーション結果を示す図である。

【図5】ＭＭＩ幅比と、透過損失差との関係に関するシミュレーション結果を示す図である。

【図6】活性層の面方向と交差する交差方向における第１導波路と第１光損失層との間隔と、伝搬損失との関係に関するシミュレーション結果を示す図である。

【図7】第１実施形態における半導体発光素子および従来の半導体発光素子と、面積および漏洩損失との関係を示す図である。

【図8】第２実施形態における半導体発光素子の断面図である。

【図9】第３実施形態における半導体発光素子の断面図である。

【図10】第４実施形態における半導体発光素子の平面模式図である。

【図11】第５実施形態における半導体発光素子および外部共振器を示す平面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

【0013】

（第１実施形態）
第１実施形態の半導体発光素子１００について、図面を参照しつつ説明する。なお、本実施形態では、半導体発光素子１００としての半導体レーザを例に挙げて説明する。半導体発光素子１００は、図１に示されるように、Ｎ型のＧａＡｓ（ガリウムヒ素）やＩｎＰ（インジウムリン）等で構成される基板１を備えている。そして、基板１上には、Ｎ型のＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウムヒ素）等で構成される第１クラッド層２が配置されている。第１クラッド層２上には、第１クラッド層２、後述する第２クラッド層４および絶縁膜６より屈折率が高くされた活性層３が配置されている。

【0014】

活性層３上には、Ｐ型のＡｌＧａＡｓ等で構成される第２クラッド層４が配置されている。なお、第２クラッド層４は、活性層３上の全面に配置されておらず、活性層３上に部分的に配置されている。本実施形態では、第２クラッド層４は、活性層３上において、基板１の面方向における一方向を長手方向として延設されている。そして、このような半導体発光素子１００では、第１クラッド層２、活性層３、第２クラッド層４が積層された部分にて光導波路１０が構成される。つまり、本実施形態の光導波路１０は、第２クラッド層４の長手方向が当該光導波路１０の長手方向となるように構成されている。

【0015】

ここで、本実施形態の光導波路１０は、第２クラッド層４の幅が調整されることにより、図２に示されるように、第１導波路１１および第２導波路１２と、第１導波路１１および第２導波路１２より幅が広くされた多モード干渉光導波路（以下では、単にＭＭＩともいう）１３とを有する構成とされている。

【0016】

なお、ここでの幅とは、光導波路１０の長手方向に沿った方向と直交する方向の長さであって、基板１の面方向に沿った方向の長さのことである。言い換えると、幅とは、光導波路１０の長手方向と直交する方向の長さであって、基板１、第１クラッド層２、活性層３、第２クラッド層４の積層方向と直交する方向の長さのことである。つまり、図２中では、紙面上下方向に沿った方向の長さが幅となる。また、図１は、図２中のI－I線に沿った断面図であるが、第２導波路１２を含む断面構成も同様となる。そして、ＭＭＩ１３を含む断面構成は、特に図示しないが、第２クラッド層４の幅が異なると共に、後述する第１光損失層２１が配置されていない以外は、図１と同様である。

【0017】

第１導波路１１および第２導波路１２は、ＭＭＩ１３を挟むように配置されている。つまり、本実施形態のＭＭＩ１３は、１入力かつ１出力型の１×１－ＭＭＩ１３とされている。また、第１導波路１１および第２導波路１２の幅は、２次モード以上の光の伝搬を許容する長さとされている。本実施形態の半導体発光素子１００における具体的な作動については後述するが、図３に示されるように、上記のように光導波路１０を構成した場合、導波路幅が４μｍ以上となると２次モードの光も伝搬可能となる。このため、第１導波路１１および第２導波路１２は、４μｍ以上とされており、本実施形態では、６μｍとされている。

【0018】

ＭＭＩ１３は、上記のように、第１導波路１１および第２導波路１２よりも幅が広くされており、本実施形態では、１０μｍとされている。本実施形態では、具体的には後述するが、第１導波路１１および第２導波路１２の幅に対するＭＭＩ１３の幅の比率（以下では、単にＭＭＩ幅比ともいう）が１．３５以上とされている。なお、第１導波路１１の幅に対するＭＭＩ１３の幅の比率とは、ＭＭＩ１３の幅／第１導波路１１の幅である。第２導波路１２の幅に対するＭＭＩ１３の幅の比率とは、ＭＭＩ１３の幅／第２導波路１２の幅である。また、ＭＭＩ１３における幅方向と直交する方向の長さ（以下では、ＭＭＩ１３の長手方向の長さともいう）は、本実施形態では、３００μｍとされている。

【0019】

なお、本実施形態では、光導波路１０における長手方向の全体の長さ（すなわち、共振器長）が１０００μｍとされている。つまり、第１導波路１１と第２導波路１２との光導波路１０における長手方向の長さの和は、７００μｍとされている。

【0020】

第２クラッド層４上には、図１に示されるように、Ｐ型のＧａＡｓ等で構成されるキャップ層５が形成されている。

【0021】

また、活性層３上には、第１光損失層２１および第２光損失層２２が配置されている。第１光損失層２１は、図２に示されるように、２つ備えられており、活性層３の面方向と交差する方向（以下では、単に交差方向ともいう）において、第１導波路１１と対向しつつ、第１導波路１１を挟むように配置されている。第２光損失層２２は、２つ備えられており、交差方向において、第２導波路１２と対向しつつ、第２導波路１２を挟むように配置されている。なお、交差方向においてとは、言い換えると、第１クラッド層２、活性層３、第２クラッド層４の積層方向から視たときということもでき、第１導波路１１、第２導波路１２、ＭＭＩ１３が配列される平面と交差する方向においてということもできる。

【0022】

また、第１光損失層２１および第２光損失層２２は、本実施形態では、図１に示されるように、活性層３からの高さが第２クラッド層４とキャップ層５とを積層した高さと同じとされている。第１光損失層２１および第２光損失層２２は、それぞれ幅が５μｍとされている。

【0023】

そして、活性層３上には、第２クラッド層４、キャップ層５、第１光損失層２１および第２光損失層２２を覆うように、酸化膜等で構成される絶縁膜６が配置されている。なお、絶縁膜６は、第２クラッド層４およびキャップ層５と、第１光損失層２１および第２光損失層２２との間の部分を埋め込むように配置されている。そして、絶縁膜６には、キャップ層５の一部を露出させるようにコンタクトホール６ａが形成されている。絶縁膜６上には、コンタクトホール６ａを通じてキャップ層５と電気的に接続されることにより、第２クラッド４層と電気的に接続される上部電極７が配置されている。また、基板１のうちの第１クラッド層２と反対側の裏面側には、基板１を介して第１クラッド層２と電気的に接続される下部電極８が配置されている。

【0024】

ここで、第１光損失層２１は、本実施形態では、第１光損失層２１と光導波路１０との間に挟まれる部分の屈折率より高い材料を含んで構成されている。第２光損失層２２は、本実施形態では、第２光損失層２２と光導波路１０との間に挟まれる部分の屈折率より高い材料を含んで構成されている。つまり、本実施形態では、第１光損失層２１および第２光損失層２２は、絶縁膜６よりも屈折率の高い材料で構成されている。

【0025】

具体的には、本実施形態の第１光損失層２１および第２光損失層２２は、活性層３上に配置されている。このため、第１光損失層２１および第２光損失層２２は、活性層３上に配置されると共に絶縁膜６よりも屈折率の高い第２クラッド層４と同じ材料を含んで構成されている。なお、第２クラッド層４を構成するＡｌＧａＡｓの屈折率は、約３．３であり、絶縁膜６を構成する酸化膜の屈折率は、約１．４４である。

【0026】

より詳しくは、本実施形態の第１光損失層２１および第２光損失層２２は、活性層３からの高さが第２クラッド層４とキャップ層５とを積層した高さと同じとされている。このため、本実形態の第１光損失層２１および第２光損失層２２は、第２クラッド層４と同じ高さに存在する部分が第２クラッド層４と同じ材料で構成され、キャップ層５と同じ高さに存在する部分がキャップ層５と同じ材料で構成されている。

【0027】

なお、図１中の交差方向における第１光損失層２１と第１導波路１１との間隔Ｌ１、および第２光損失層２２と第２導波路１２との間隔Ｌ２等については、具体的に後述する。

【0028】

また、半導体発光素子１００は、図２に示されるように、光導波路１０の長手方向と交差する相対する端面に低反射膜３１および高反射膜３２が配置されている。具体的には、出射面となる端面に低反射膜３１が配置され、反射面となる端面に、低反射膜よりも反射率が高い高反射膜３２が配置されている。そして、本実施形態では、第１導波路１１は、ＭＭＩ１３よりも出射面側に配置され、第２導波路１２は、ＭＭＩ１３よりも反射面側に配置されている。なお、図２は、断面図ではないが、理解をし易くするため、低反射膜３１および高反射膜３２にハッチングを施してある。

【0029】

以上が本実施形態における半導体発光素子１００の基本的な構成である。なお、本実施形態では、Ｎ型が第１導電型に相当し、Ｐ型が第２導電型に相当している。次に、第１光損失層２１および第２光損失層２２と、第１導波路１１および第２導波路１２との具体的な配置関係について、説明する。

【0030】

まず、上記のような半導体素子における基本的な作動について説明する。上記のような半導体発光素子１００は、上部電極７と下部電極８との間に電圧が印加されると、Ｎ型の第１クラッド層２からＰ型の第２クラッド層４に向かって電子が移動すると共に、Ｐ型の第２クラッド層４からＮ型の第１クラッド層２に向かって正孔が移動する。そして、半導体発光素子１００では、正孔と電子とが光導波路１０で再結合することによって光が発生する。また、半導体発光素子１００には、低反射膜３１および高反射膜３２が配置されている。このため、光導波路１０で発生した光は、低反射膜３１と高反射膜３２との間を往復しながら誘導放出を発生させ、増幅されることで出射面からレーザ光として出力される。

【0031】

この場合、本実施形態の第１導波路１１および第２導波路１２は、２次モード以上の光の伝搬を許容する幅とされている。このため、第１導波路１１および第２導波路１２では、光が０次モード、１次モード、または２次モード以上の高次モードとして伝搬する。

【0032】

ここで、第１導波路１１を光が０次モード、１次モード、２次モードで伝搬する際の電界について、図４Ａ～図４Ｃを参照しつつ説明する。なお、特に図示しないが、第２導波路１２を光が０次モード、１次モード、２次モードで伝搬する際の電界についても同様である。また、図４Ａ～図４Ｃは、図１の断面に相当する部分のシミュレーション結果を示す図である。

【0033】

図４Ａに示されるように、第１導波路１１を光が０次モードとして伝搬する場合、電界は、第１導波路１１の中央部が高くなることが確認される。これに対し、図４Ｂに示されるように、第１導波路１１を光が１次モードとして伝搬する場合、電界は、第１導波路１１の幅方向における両端側に高くなる部分が構成されることが確認される。そして、図４Ｃに示されるように、第１導波路１１を光が２次モードとして伝搬する場合、光が１次モードとして伝搬する場合と比較して、電界は、さらに、第１導波路１１の幅方向における両端側に高くなる部分が構成されることが確認される。

【0034】

なお、特に図示しないが、第１導波路１１を光が３次モード以上のモードで伝搬する場合も同様に、電界は、第１導波路１１の幅方向における両端側に高くなる部分が構成される。但し、光が３次モード以上で伝搬する場合、光が２次モードで伝搬する場合と比較して、電界は、さらに、第１導波路１１の幅方向における両端側に高くなる部分が構成される。

【0035】

また、図４～図４Ｃに示されるように、電界は、第１導波路１１よりも幅方向に広がることが確認される。そして、電界は、光の伝搬するモードが大きくなるほど幅方向への広がりが大きくなることが確認される。つまり、電界は、光が０次モードで伝搬する場合を基準とすると、１次モードで伝搬する場合、２次モードで伝搬する場合の順に幅方向への広がりが大きくなる。なお、特に図示しないが、第１導波路１１を光が３次モード以上の伝搬する場合も同様に、電界は、モードが大きくなるほど幅方向への広がりが大きくなる。

【0036】

そして、本実施形態では、交差方向において、第１導波路１１を挟むように、高屈折率である第１光損失層２１が配置されている。このため、第１導波路１１を伝搬する２次モード以上の光が第１光損失層２１に吸収されるように第１光損失層２１を配置することにより、少なくとも２次モードで伝搬する光の損失を大きくすることができる。

【0037】

ここで、まず、第１導波路１１および第２導波路１２を１次モードで伝搬する光は、ＭＭＩ１３で透過損失が発生する。具体的には、図５に示されるように、ＭＭＩ幅比が１より大きくなると、１次モードで伝搬する光の透過損失が大きくなり、０次モードで伝搬する光の透過損失と１次モードで伝搬する光の透過損失との差が大きくなり始める。そして、本発明者らの検討によれば、ＭＭＩ幅比が１．３５以上になると、透過損失差が１ｃｍ^－１となることが確認される。なお、図５中の透過損失差は、０次モードで伝搬する光の透過損失から１次モードで伝搬する光の透過損失を減算した値である。また、図５は、第１光損失層２１および第２光損失層２２を備えない半導体発光素子１００を用いたシミュレーション結果である。

【0038】

このため、本実施形態では、ＭＭＩ幅比は、１．３５以上とされている。これにより、第１導波路１１を１次モードで伝搬する光がＭＭＩ１３を透過し難くなり、第１導波路１１および第２導波路１２を伝搬する光として、１次モードよりも０次モードが支配的となるようにできる。なお、透過損失差を１ｃｍ^－１とすることの効果は、後述する。

【0039】

また、本発明者らは、第１光損失層２１と第１導波路１１との間隔Ｌ１についても詳細な検討を行い、図６に示される結果を得た。なお、第２光損失層２２と第２導波路１２との間隔Ｌ２についても同様である。また、図６は、上記のように、第１導波路１１の幅を６μｍとした場合のシミュレーション結果を示す図である。

【0040】

すなわち、図６に示されるように、２次モードで伝搬する光の伝搬損失は、第１導波路１１と第１光損失層２１との間隔Ｌ１を狭くするほど２次モード以上の光が第１光損失層２１に吸収されるため、大きくなる。この場合、上記半導体発光素子１００では、間隔Ｌ１が１．５μｍ以下となると２次モードの伝搬損失が０次モードの伝搬損失より大きくなることが確認される。そして、間隔Ｌ１が１．１μｍ未満になると、２次モードの伝搬損失と０次モードの伝搬損失との差が１ｃｍ^－１より大きくなることが確認される。したがって、本実施形態では、間隔Ｌ１および間隔Ｌ２は、１．５μｍ以下とされている。

【0041】

ここで、「電子情報通信学会論文誌C-1、Vol,J73-C-1 NO.5、pp.216-225」等の文献には、異なるモードの光の利得差が１ｃｍ^－１以上である場合、安定的に、損失が小さいモードの光に基づくレーザ光を出力できることが報告されている。なお、利得差とは、導波路を構成する材料に起因する利得差から損失差を減算した値である。そして、本実施形態では、第１、第２導波路１１、１２およびＭＭＩ１３が同じ材料で構成されているため、ここでの利得差は、損失差となる。

【0042】

したがって、本実施形態では、上記のように、ＭＭＩ幅比が１．３５以上とされている。また、間隔Ｌ１および間隔Ｌ２が１．１μｍ以下とされている。これにより、安定的に０次モードの光に基づくレーザ光を出力できる。

【0043】

但し、０次モードとして伝搬する光の透過損失と１次モードとして伝搬する光の透過損失とは、ＭＭＩ幅比が１より大きければ１次モードとして伝搬する光の透過損失の方が大きくなる。そして、ＭＭＩ幅比が１より大きければ、０次モードの光が支配的となることで０次モードの光に基づくシングルモードのレーザ光を出力できる。このため、ＭＭＩ幅比は、少なくとも１より大きくされていればよい。

【0044】

同様に、０次モードとして伝搬する光の伝搬損失と２次モードとして伝搬する光の伝搬損失とは、間隔Ｌ１および間隔Ｌ２が１．５μｍ以下であれば、２次モードとして伝搬する光の伝搬損失の方が大きくなる。そして、間隔Ｌ１および間隔Ｌ２が１．５μｍ以下であれば、０次モードの光が支配的となることで０次モードの光に基づくシングルモードのレーザ光を出力できる。このため、間隔Ｌ１および間隔Ｌ２は、少なくとも１．５μｍ以下とされていればよい。

【0045】

また、図４Ａに示されるように、第１導波路１１を０次モードとして光が伝搬する場合においても、電界は、第１導波路１１よりも幅方向に広がる。そして、図６に示されるように、間隔Ｌ１を短くし過ぎると、第１導波路１１を０次モードとして伝搬する光も第１光損失層２１に吸収される。つまり、間隔Ｌ１を短くし過ぎると、０次モードの光の伝搬損失も大きくなる。このため、第１光損失層２１および第２光損失層２２は、０次モードの光を吸収し難い位置に配置されることが好ましく、間隔Ｌ１および間隔Ｌ２が０．７μｍ以上となるように配置されることが好ましい。

【0046】

以上説明したように、本実施形態では、第１導波路１１および第２導波路１２を２次モード以上の光の伝搬を許容する幅としており、第１導波路１１および第２導波路１２を１次モードの光まで許容する場合と比較して、幅を長くしている。そして、第１光損失層２１および第２光損失層２２を配置して２次モード以上の光を損失させることにより、第１導波路１１および第２導波路１２を伝搬する光のモードとして０次モードが支配的となるようにしている。このため、０次モードの光に基づくシングルモードのレーザ光を出力しつつ、光導波路１０の面積を増加させることができる。したがって、本実施形態の半導体発光素子１００によれば、シングルモードのレーザ光を出力しつつ、低消費電力化およびレーザ光の高出力化を図ることができる。

【0047】

例えば、本実施形態の半導体発光素子１００では、上記のように、光導波路１０は、共振器長が１０００μｍとされ、ＭＭＩ１３の長手方向の長が３００μｍとされ、第１導波路１１および第２導波路１２の長手方向の長さの和が７００μｍとされている。また、ＭＭＩ１３は、幅が１０μｍとされ、第１導波路１１および第２導波路１２は、幅が６μｍとされている。このため、本実施形態の半導体発光素子１００では、図７に示されるように、光導波路１０の面積が７２００μｍ^２となる。これに対し、第１導波路１１および第２導波路１２の幅を１次モードの光が伝搬可能な長さとして、２次モードの光が発生し始める４μｍとした従来の半導体発光素子（以下では、単に従来の半導体発光素子ともいう）では、光導波路１０の面積が５８００μｍ^２となる。つまり、本実施形態の半導体発光素子１００では、面積を増加できる。

【0048】

この場合、従来の半導体発光素子では、漏洩損失が０．４４ｃｍ^－１となる。一方、本実施形態の半導体発光素子１００では、光導波路１０の面積を増加できるため、光の閉じ込め性を向上でき、漏洩損失を０．３７ｃｍ^－１とできる。したがって、本実施形態の半導体発光素子１００によれば、低消費電力化およびレーザ光の高出力化を図ることができる。

【0049】

また、本実施形態では、第１導波路１１および第２導波路１２は、活性層３上に配置され、第２クラッド層４と同じ材料を含んで構成されている。このため、第１導波路１１および第２導波路１２を第２クラッド層４を構成する際に同時に形成することができ、製造工程の簡略化を図ることができる。

【0050】

また、本実施形態では、第１導波路１１および第２導波路１２の幅に対するＭＭＩ１３の幅の比率が１．３５以上とされている。このため、第１導波路１１および第２導波路１２を伝搬する１次モードの光がＭＭＩ１３を透過し難くなり、０次モードが支配的となるようにできる。このため、さらに０次モードの光に基づくシングルモードのレーザ光を出力し易くなる。

【0051】

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、第１光損失層２１および第２光損失層２２を配置する場所を変更したものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

【0052】

本実施形態の半導体発光素子１００では、図８に示されるように、活性層３のうちの第１導波路１１となる部分と異なる部分から第１クラッド層２に渡って凹部４１が形成されている。なお、凹部４１は、交差方向において、第１導波路１１を挟むように形成されている。

【0053】

そして、第１光損失層２１は、凹部４１を埋め込むように配置されている。つまり、本実施形態の第１光損失層２１は、一部が活性層３内に位置するように配置されている。また、本実施形態の第１光損失層２１は、導体であるアルミニウム等の金属によって構成されている。

【0054】

なお、図８は、図２中のI－I線に沿った断面図に相当している。また、特に図示しないが、第２光損失層２２は、第１光損失層２１と同様に、交差方向において第２導波路１２を挟むように形成された凹部４１内に配置されていると共に、第１光損失層２１と同様に金属によって構成されている。

【0055】

このような半導体発光素子１００としても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、上記第１実施形態で参照した図４Ａ～図４Ｃに示されるように、電界は、第１導波路１１を構成する活性層３を中心に広がって構成されるが、第２クラッド層４側よりも第１クラッド層２側への広がりが大きい。このため、活性層３を含む部分に第１光損失層２１および第２光損失層２２を配置することにより、活性層３上に第１光損失層２１および第２光損失層２２を配置する場合と比較して、２次モードとして伝搬する光の損失を大きくし易くできる。

【0056】

なお、本実施形態では、第１光損失層２１および第２光損失層２２が金属で構成されている。このため、第１導波路１１を２次モード以上で伝搬する光は、電界が第１光損失層２１に吸収されることによって損失する。同様に、第２導波路１２を２次モード以上で伝搬する光は、電界が第２光損失層２２に吸収されることによって損失する。

【0057】

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第２実施形態に対し、第１光損失層２１および第２光損失層２２を配置する場所を変更したものである。その他に関しては、第２実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

【0058】

本実施形態の半導体発光素子１００では、図９に示されるように、活性層３のうちの第１導波路１１となる部分と異なる部分から第１クラッド層２に渡って凹部４２が形成されている。なお、凹部４２は、交差方向において、第１導波路１１を挟むように形成されている。但し、凹部４２は、上記第２実施形態と比較すると、深さが深くされている。

【0059】

そして、第１光損失層２１は、凹部４２に配置されることによって活性層３よりも基板１側に配置されている。なお、本実施形態では、第１光損失層２１は、凹部４２を埋め込むように配置されておらず、全体が活性層３よりも基板１側に位置するように凹部４２に配置されている。そして、凹部４２内には、絶縁膜６が入り込んだ状態となっている。

【0060】

なお、図９は、図２中のI－I線に沿った断面図に相当している。また、特に図示しないが、第２光損失層２２は、第１光損失層２１と同様に、全体が活性層３よりも基板１側に位置するように、凹部４２に配置されている。

【0061】

このような半導体発光素子１００としても、上記第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0062】

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対し、光導波路１０の構成を変更したものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

【0063】

本実施形態の半導体発光素子１００では、図１０に示されるように、光導波路１０は、第１導波路１１、第２導波路１２、第３導波路１４、２つのＭＭＩ１３を有する構成とされている。そして、２つのＭＭＩ１３の間に第３導波路１４が配置されている。また、一方のＭＭＩ１３を挟んで第３導波路１４と反対側に第１導波路１１が配置され、他方のＭＭＩ１３を挟んで第３導波路１４と反対側に第２導波路１２が配置されている。

【0064】

第３導波路１４は、第１導波路１１および第２導波路１２と同じ構成とされており、２次モード以上の光の伝搬を可能な幅とされ、本実施形態では、６μｍとされている。各ＭＭＩ１３は、上記第１実施形態と同様に幅が１０μｍとされているが、光導波路１０における長手方向に沿った方向の長さがそれぞれ３００μｍとされている。

【0065】

そして、本実施形態の半導体発光素子１００では、交差方向において、第３導波路１４を挟むように、第３光損失層２３が配置されている。第３光損失層２３は、第１光損失層２１および第２光損失層２２と同様に、活性層３上に配置され、第２クラッド層４と同じ材料を含んで構成されている。また、第３光損失層２３は、第３導波路１４との間隔Ｌ３が、第１光損失層２１と第１導波路１１との間隔Ｌ１、および第２光損失層２２と第２導波路１２との間隔Ｌ２と等しくされている。

【0066】

このように、ＭＭＩ１３を複数備える構成としても、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0067】

（第４実施形態の変形例）
上記第４実施形態の変形例について説明する。例えば、上記第４実施形態において、第３導波路１４は、複数備えられ、各第３導波路１４が２つのＭＭＩ１３をそれぞれ接続するように備えられていてもよい。また、上記第４実施形態において、ＭＭＩ１３は、２つではなく、さらに複数備えられていてもよい。すなわち、上記第４実施形態は、Ｎを整数とすると、複数のＮ×Ｎ－ＭＭＩ１３を備える構成とされていてもよい。

【0068】

（第５実施形態）
第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態の構成を半導体発光素子１００としての半導体光増幅器に適用したものである。その他に関しては、第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。

【0069】

本実施形態の半導体発光素子１００は、図１１に示されるように、低反射膜３１が配置される端面に対して第１導波路１１が斜めとなるように配置され、第１導波路１１と低反射膜３１との間の反射率が低くされた半導体光増幅器とされている。そして、当該低反射膜３１が配置される端面の近傍には、第１導波路１１から出力される光が入力可能となる位置に、外部共振器１１０が備えられている。これにより、本実施形態では、半導体発光素子１００および外部共振器１１０によってレーザ光が出力される。

【0070】

このように、半導体発光素子１００として半導体光増幅器を構成するようにしても、第１光損失層２１および第２光損失層２２が配置されていることにより、上記第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0071】

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

【0072】

例えば、上記各実施形態において、第１クラッド層２がＰ型とされ、第２クラッド層４およびキャップ層５がＮ型とされていてもよい。

【0073】

また、上記各実施形態において、第１光損失層２１は、１つのみ備えられ、交差方向において、第１導波路１１を挟むように配置されていなくてもよい。同様に、第２光損失層２２は、１つのみ備えられ、交差方向において、第２導波路１２を挟むように配置されていなくてもよい。

【0074】

そして、上記第１実施形態において、第１光損失層２１および第２光損失層２２は、活性層３からの高さが第２クラッド層４とキャップ層５とを積層した高さと同じとされていなくてもよい。例えば、第１光損失層２１および第２光損失層２２は、活性層３からの高さが第２クラッド層４とキャップ層５とを積層した高さより低くされていてもよい。つまり、第１光損失層２１および第２光損失層２２の高さは適宜変更可能である。

【0075】

また、上記第１実施形態において、第１導波路１１および第２導波路１２は、長手方向に沿って幅が一定とされていなくてもよく、部分的に幅が狭くされた細幅部を有する構成とされていてもよい。例えば、第１導波路１１および第２導波路１２は、長手方向における端部において、幅が次第に狭くされるテーパ部で構成される細幅部が形成されていてもよい。この場合、細幅部は、例えば、１次モード以下の光の伝搬のみを許容する幅とされていてもよい。

【0076】

さらに、上記第２、第３実施形態において、第１光損失層２１および第２光損失層２２は、金属ではなく、第２クラッド層４を含む材料を用いて構成されていてもよい。

【0077】

また、上記第２実施形態において、第１光損失層２１および第２光損失層２２は、一部が活性層３内に配置されるのであれば、活性層３上に位置する部分を有する構成とされていてもよい。

【0078】

そして、上記各実施形態を適宜組み合わせることもできる。例えば、上記第２、第３実施形態を上記第４実施形態に組み合わせ、第１、第２光損失層２１、２２の配置場所を変更しつつ、複数のＭＭＩ１３を有する構成としてもよい。また、上記第２、第３実施形態を上記第５実施形態に組み合わせ、第１、第２光損失層２１、２２の配置場所を変更した半導体光増幅器を構成するようにしてもよい。さらに、上記第４実施形態を上記第５実施形態に組み合わせ、複数のＭＭＩ１３を有する半導体光増幅器を構成するようにしてもよい。そして、上記実施形態を組み合わせたもの同士をさらに組み合わせるようにしてもよい。

【符号の説明】

【0079】

２ 第１クラッド層
３ 活性層
４ 第２クラッド層
７ 上部電極
８ 下部電極
１０ 光導波路
１１ 第１導波路
１２ 第２導波路
１３ ＭＭＩ（多モード光干渉導波路）
２１ 第１光損失層
２２ 第２光損失層

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】