JP3950604B2 - 半導体レーザ装置、半導体レーザアレー装置及び光伝送装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は光通信用半導体レーザ装置に関するものである。本願発明の係る単一モード発振半導体レーザ装置は、高密度波長多重伝送用に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの普及及び発展に伴い、各家庭への伝送情報は大容量化する。この要請によって、大容量の伝送が可能な高密度波長多重伝送方式 (Dense Wavelength Division Multiplexing：以下 ＤＷＤＭと略記する ) の開発が盛んである。この方式では、伝送容量を増加させるために、１本の光ファイバーで伝送する光の波長の数を、増加させる。一方、この波長の数の増加は、隣接する波長間隔の狭幅化を促す。これは、光通信の適用可能なファイバの損失特性に制約があることから、実用に供される伝送波長の帯域が制約されるためである。この波長間隔の狭幅化は伝送波長間での混信が生じ易くする。この混信を避ける為、要求される伝送波長の精度は、より厳しくなる。例えば、６０ｎｍの波長帯域に、０.８ｎｍ間隔で伝送波長を配置した場合、例えば、６４チャンネル、或いは８０チャンネルの情報を伝送することができる。この場合、この伝送時に要求される波長の安定性は、±０.０１ｎｍである。この為、現在では、光源となる半導体レーザ装置の波長歩留りが極めて高く要求される。従って、このような波長仕様を満足させる送信光源は極めて高いコストとなる。
【０００３】
一方で、将来のＤＷＤＭシステムでは、必要とされる送信光源数は、さらに増加する。従って、伝送の単一チャンネルあたりの単価の更なる低減が望まれる。そこで、送信光源においては、低コスト、堅牢及びコンパクトな、異なる発振波長の半導体レーザを集積した半導体レーザアレイの実現が必要となる。
【０００４】
ＤＷＤＭに用いられる送信光源は、単一波長化のための波長選択機能を有する。例えば、単一モード発振レーザとして代表的な分布帰還型半導体レーザ (Distributed Feedback Laser ; 以下、ＤＦＢレーザと略記 ) は、光導波路層の近傍に、鋸刃状の回折格子構造を有する。この回折格子構造の屈折率の周期性は、導波路中の伝播光に光学的に作用する。この光学的な効果によって、単一モードの半導体レーザの発振波長 (λ) は、以下の式により決定される。
【０００５】
λ＝(２×ｎ×Λ) / ｍ
ここで、ｎは、伝送する光導波路の等価屈折率、Λは回折格子構造の間隔、そしてｍは次数である。この式から、精密に発振波長を制御するためには、等価屈折率(ｎ)のばらつきを抑制することが望ましいことが理解される。この為には、等価屈折率(ｎ)が素子作成上、容易かつ精密に制御できることが望ましい。
【０００６】
上式の等価屈折率(ｎ)は、光の伝播する活性層の材料の有する屈折率だけでなく、加えて、その形状寸法と、活性層の周辺構造の屈折率とにより定められる。このように、精密に発振波長を制御するためには、半導体レーザ素子の活性層の形状寸法とその周辺構造の屈折率のばらつきをも抑制する必要がある。
【０００７】
従来、半導体レーザの基本構造は、利得導波路型と屈折率導波路型に大別される。代表的な利得導波路型半導体レーザは、リッジ型半導体レーザである。この半導体レーザは、基本となる半導体積層構造を１回の結晶成長のみで形成した後、発光領域を残して、これを挟む領域の上側クラッド層をエッチングし、ポリイミド樹脂で埋め込む構造となっている。
【０００８】
一方、埋込み型半導体レーザに代表される屈折率導波路型では、半導体積層体における光の伝播領域のみを残し、他の領域を基板材料で埋め込んだ構造となっている。この単一モード発振半導体レーザの作製プロセスでは、エッチングした後、再成長工程により電流狭窄層を形成する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記リッジ型半導体レーザの構造は、作製プロセスが簡略であることから、ファブリペロー型半導体レーザの場合、作製歩留りは非常に高い。一方で、上側クラッド層のリッジ形状は、側壁がポリイミドで覆われている。従って、半導体材料である活性層と非半導体材料であるリッジ側面の屈折率差は非常に大きい。この為、リッジ側の電流注入幅のばらつきに伴う、等価屈折率(ｎ)のばらつきに反映して、単一モード発振レーザでの発振波長のばらつきは顕著となる。
【００１０】
一方、埋め込み型半導体レーザでは、リッジ導波路型半導体レーザに比べ、活性層の形状寸法ばらつきは大きい。従って、本来の埋め込み型半導体レーザが有する等価的な屈折率のばらつきは顕著となり、精密に発振波長を制御することは困難となる。
【００１１】
更に、ＤＷＤＭの送信光源では、素子作製上における発振波長の精密性以外の問題も存在する。この問題とは、システムに搭載した送信光源自身の経時変化による、波長変動である。これに対し送信光源では、波長可変レーザの開発も行なわれている。この波長可変レーザとは、薄膜ヒータを単一モード発振半導体レーザに搭載し、活性層に温度を加えることにより、発振波長を変化させる。一方で、この活性層への加熱により、半導体レーザの特性は損なわれる。従って、ＤＷＤＭ用送信光源の開発では、精密に要求波長を満たして発振する単一モード発振半導体レーザの作製と同時に、波長可変レーザとして使用するための、半導体レーザ自身の温度特性向上が不可欠となる。従来の半導体レーザにおける温度特性の悪化要因を以下に述べる。前述のリッジ型導波路半導体レーザでは、温度が上昇するに従い、活性層に注入されるキャリアは横方向に拡散していく。従って、この温度上昇に伴う利得低下を補う以上に、キャリアを注入する必要が生じる。
【００１２】
一方、埋込み型半導体レーザの場合、エッチングされた活性層と、それを埋め込んだ半導体材料の界面近傍では、電気抵抗が低下している。従って、温度上昇とともに、キャリアは、この領域を介して流れてしまい、効果的に活性層に注入されなくなる。
【００１３】
以上に述べた、技術的背景の下に、本願の第１の目的は、高精度の発振波長を確保することが出来る半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することである。
【００１４】
本願の第２の目的は、高精度の発振波長を確保しつつ、雰囲気温度の影響を抑えた半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することである。
【００１５】
本願の第３の目的は、前記第１あるいは第２の目的を達成しつつ、且つ製造歩留まりを確保できる半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することである。
【００１６】
こうした諸特性を有する単一モード発振の半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することが出来る。
【００１７】
本願の別な目的は、安定した波長での伝送を可能となす光システム、あるいは光伝送装置を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本願発明の骨子を図１の例を参酌して説明する。図１は本願発明に係わる半導体レーザ装置の例を示す斜視図である。図は２つの発光部の例が示されており、左側の発光部１はその概観を示す図、右側は本構造の理解を容易にする為に一部を切断した断面を示している。
【００１９】
半導体基板１１の上部にバッファー層１２および基板側のクラッド層１３（光ガイド層とも通称する）が形成され、この上部に活性層領域４、および上部のクラッド層２１が配置される。こうして、活性層領域４が光導波路を構成する。一般にこの活性層領域４は量子井戸構造で構成される。量子井戸構造は、例えば、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、あるいは歪量子井戸構造、歪補償型量子井戸構造など、一般に半導体レーザ素子に適用されている構造を、当該半導体レーザ素子の要請に応じて用いることが出来る。尚、具体的例として、本例では歪量子井戸構造を例示している。
【００２０】
縦単一モードでの発振を確保するに、光帰還は回折格子１０を用いることがわけても好ましい。本願発明は、この例のＤＦＢ型レーザの外に、回折格子を用いたいわゆるＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）型のレーザが好ましい。以下の実施の諸形態に例示する具体的構造に示される回折格子の配置が好ましい例であるが、本願明細書に例示された以外の層上あるいは部位に光帰還を生ぜせしめる所定の回折格子を配置しても良いことは言うまでもない。要は、ＤＦＢ型あるいはＤＢＲ型のレーザ発振を可能ならしめれば良い。勿論、光帰還の手段の如何によらず、後述する第１の電流狭窄層領域ならびに第２の電流狭窄層領域を配置する本願の基本思想は十分な電流狭窄の効果を奏することは言うまでもない。
【００２１】
本願の代表的な発明の形態は、次の特性を有する第１の電流狭窄層領域３を、当該半導体レーザ装置の活性層領域を挟んで設けることにある。当然、この第１の電流狭窄層領域は、光共振器の光の進行方向に交差する両側面に配置される。第１の電流狭窄層領域３に相当する領域は、当該半導体レーザ装置の活性層領域と電気抵抗が異なり且つ基板材料よりも大きな屈折率を有する領域と言うことが出来る。この第１の電流狭窄層領域３ないしは前記の当該半導体レーザ装置の活性層領域と電気抵抗が異なり且つ基板材料よりも大きな屈折率を有する領域は、当該半導体レーザ装置を構成する基本的な半導体積層体にイオン注入した例が代表的な例である。
【００２２】
本願の更なる発明の形態は、前記第１の電流狭窄層領域３の上部に半絶縁性の半導体材料になる第２の電流狭窄層領域６を配置することである。更に、この第２の電流狭窄層領域３は前記第１の電流狭窄層領域３と自己整合的にその領域幅が形成されていることも実用的に重要な点である。具体的な形成例としては、前記第１の電流狭窄層領域３をイオン注入で形成し、この際用いたマスクをそのまま第２の電流狭窄層領域６を選択的に結晶成長させることによって、達成することが出来る。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本願発明の実施の諸形態を説明するに先立って、前記した本願の第１および第２の発明の骨子たる両電流狭窄層領域３、６の諸形態についてより詳細に説明する。以下、図１を参酌する。図１において電流注入幅を符号５、電流狭窄層領域を符号７として示している。この電流狭窄層領域７は、前記二つの電流狭窄層領域３、６によって規定されている。図１において、符号１１は半導体基板、１２はバッファ層、１３はクラッド層（光ガイド層とも称する）、２は歪量子井戸構造、６は絶縁性ないしは半絶縁性の特性を有する母材が半導体なる半導体層、９は凹凸部、１０は回折格子の形成された領域、２１は上部のクラッド層、２２はコンタクト層、２３は絶縁物層、２４は第１の電極、２４‘は第２の電極である。
【００２４】
本願発明の素子構造では、活性層領域を構成する半導体積層領域、例えば、代表的な歪多重量子井戸層２に、イオン注入することによって、第１の電流狭窄層領域に相当する領域３を形成することが出来る。この時、イオンを注入しない領域は、半導体レーザ素子１における活性層領域４となる。イオン注入技術は、その工程中にエッチング及び再成長を用いないため、大面積及び高い均一度でのプロセスとして有効である。この時注入するイオンの種類は、活性層領域４に使用する半導体材料において、電流経路を形成できる種類であれば、すべて適用できる。そのイオンの代表例は、例えば、プロトン、酸素、鉄などである。特に、寸法精度の向上のためには、質量の大きい元素が有用である。それは、例えば、鉄などの重金属元素である。これは、イオン注入時におけるイオンの横方向への移動が、小さくなるためである。一方で、プロトンなどの軽元素では、イオンの横方向の移動が大きく、形成する電流注入幅５の寸法精度向上の効果は損なわれやすい。このイオン注入量は、半導体層を絶縁化ないしは半絶縁化せしめ得る濃度で良い。それは、化合物半導体材料ＩｎＰの場合、概ね、１×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ2以上である。
【００２５】
また、本第１の電流狭窄層領域３は少なくとも、発光活性層領域の両側面を覆う程度の厚さを確保すれば良い。
【００２６】
次に、本願に係わる第２の電流狭窄層領域について詳細説明を行う。
【００２７】
第２の電流狭窄層領域に相当する代表的な領域は、前記第１の電流狭窄層３の上に、半絶縁性のＩｎＰ結晶を選択的に再成長することによって得ることが出来る。この第２の電流狭窄層６は、活性層領域４の直上にＳｉＯ2膜などの誘電体膜を蒸着し形成した上で、選択成長を行う。この時の、第２の電流狭窄層６に含まれる鉄の濃度は、概ね一般的に用いられている４×１０17〜３×１０18/ｃｍ3程度である。この濃度は少なくとも半導体材料における半絶縁化の特性を有することが前提となる。
【００２８】
この第２の電流狭窄層領域６あるいは少なくとも半絶縁性の半導体材料層の厚さは、概ね０．６μｍ以上程度で設定される。
【００２９】
この結晶の再成長により活性層領域に対して形成される電流の注入領域の幅（以下、電流注入幅と略称する）５は、選択成長用の誘電体膜による。従って、電流注入幅５はこの選択成長用の誘電体膜をパターンニングする際のフォトリソグラフ精度のみに律速される。従って、活性層領域４おいて、作製寸法の高精度化が図られる。
【００３０】
次に、本願発明に係わる第１の電流狭窄層領域と第２の電流狭窄層領域の効果を例示する。図２は、前述した埋め込み型の単一モード発振半導体レーザ装置、逆メサリッジ型の単一モード発振半導体レーザ装置及び本願発明の各装置構造諸例における発振波長の電流注入幅に対する依存性の比較である。横軸は電流注入幅（μｍ）、縦軸は単一モードでの発振波長（ｎｍ）を示す。尚、電流の注入幅を本願の例に即して述べれば、図１における符号５の幅に相当する。他の半導体レーザ装置の例においても、類似の領域の幅に相応する。
【００３１】
尚、比較した逆メサリッジ型半導体レーザ装置は、ｎ型ＩｎＰ基板にｎ型ＩｎＰ層を設け、この上部に活性層領域、上部クラッド層にｐ型ＩｎＰ層を用いた。このｐ型ＩｎＰ層が逆メサ構造を有し、逆メサ構造の両側部がポリイミド樹脂で埋め込まれている。この逆メサ構造は、活性層領域近傍で概ね電流の注入幅の幅を有し、光の進行方向に延在している。他方、比較した埋め込み型半導体レーザ装置は、ｐ型ＩｎＰ基板にｐ型ＩｎＰ層を有し、この上部に活性層領域を有する。活性層領域から前記ｐ型ＩｎＰ層にかけてメサ構造となされ、この両側部が次の半導体層で埋め込まれている。これらの各層は、ｎ型ＩｎＰ層、ｐ型ＩｎＰ層である。更に、この上部全域にｎ型ＩｎＰ層が設けられている。前記埋め込み層が電流狭窄層の役割を果たし、前記メサ構造の領域が電流注入の領域となっている。
【００３２】
図２に示された結果は、本願発明の装置構造（ａ）が、発振波長の電流の注入幅に対する依存性が、最も小さいことがわかる。リッジ型（ｂ）および埋め込み型（ｃ）の特性は、類似したものとなっている。
【００３３】
本願発明が特性的に優位を示すのは、電流注入幅５に相当する領域の等価屈折率(ｎ)が、電流の注入幅５の変化に対して、影響を受け難いことに起因する。即ち、本願発明の構造では、活性層領域４と第１の電流狭窄層領域３が、同じ材料になる歪多重量子井戸層２を基に形成されているため、前記の埋め込み型の半導体レーザ等と比較して、活性層領域４と第１の電流狭窄層領域３の屈折率の差は小さくなる。
【００３４】
リッジ導波路型の半導体レーザの場合、本願発明の構造の第２の電流狭窄層領域６に対応する部分は、有機樹脂のポリイミド樹脂である。従って、この領域の有機樹脂と活性層領域の半導体材料との屈折率差は大きく、活性層領域周辺の等価屈折率は、寸法に敏感に反映する。また、埋め込み型の半導体レーザでは、第２の電流狭窄層領域６は本発明構造と同じ屈折率である。しかし、本発明構造における第１の電流狭窄層領域３に相当する領域の屈折率は、基板８材料と同等の屈折率である。従って、この構造での光導波の効果は本願に比較し劣ったものとなる。
【００３５】
以上の結果を参酌すれば、従来から用いられているリッジ型半導体レーザ及び埋め込み型半導体レーザに比べ、本願発明が、最も作製上の発振波長の安定性に優れていることがわかる。
【００３６】
以上の説明から理解される様に、本願発明は、電流注入幅領域５と電流狭窄領域７の等価屈折率差が、リッジ導波路型と埋め込み型半導体レーザよりも小さくすることが基本的事項である。従って、本願発明では、電流狭窄領域７は、電流狭窄領域７の等価屈折率を、電流注入領域５の等価屈折率に近づけることを目的としたあらゆる層構造の組み合わせを考えることが出来る。当然、当該等価屈折率はＩｎＰ基板の屈折率を越え、一方、活性層領域の屈折率を越えない範囲に設定されることは言うまでもない。
【００３７】
例えば、図１の例の即せば、電流狭窄領域７における第２の電流狭窄層領域６の上に、有機樹脂、例えば熱硬化性有機樹脂、その代表例たるポリイミド樹脂などを配置する場合である。この目的の樹脂として、ポリイミド樹脂の外にポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂などを挙げることが出来る。この場合、ポリイミド系樹脂等を用いるものの、前記第２の電流狭窄層領域６の存在によって、当該電流注入領域５と電流狭窄層領域７との屈折率の差が、これまでのリッジ導波路型と埋め込み型半導体レーザよりも小さくすることが出来るのである。この構成は、モジュールへの半導体光素子の実装形態により、要請される場合がある。
【００３８】
前記ポリイミド系樹脂を用いる例は、例えば次のような例である。図１の半導体レーザ部１では、構造の最終形態が、電極近傍で凹凸形状９を残すことになる。それは、第２の電流狭窄層領域６を有するが故に、結晶成長用の基体は段差を有する。この為、この凹凸を有する結晶成長用の基体に半導体材料により第２の電流狭窄層６を、結晶成長によって埋め込んだ結果である。電極近傍で凹凸形状９を残すことになる。従って、実装時に、半導体光素子の表面の平坦化が必要な場合、凹凸形状９の凸領域を、第２の電流狭窄層６近傍までエッチングし、この除去部分をポリイミドで埋め込めば、素子の表面を平面構造とした素子を提供することができる。この例の場合も、本願発明の当初の目的を達成出来ることは言うまでもない。
【００３９】
次に、半導体光装置に複数の発光部を有せしめる、即ち、素子のアレイ化の場合に関して説明する。
【００４０】
高密度波長多重伝送システムにおける単一チャンネルあたりの製造コストを低減するためには、単一モード発振半導体レーザを同一基板上に集積したアレイ型の送信光源を使用することが望ましい。一方でこの場合、隣り合う単一モード発振半導体レーザの発振波長を、変化させ、その波長間隔を高精度に制御する必要がある。この手法に関して以下に説明する。このためには、各半導体レーザ構造ごとに構成される回折格子間隔(Λ)を変化させる。この回折格子間隔を変化させる手法は、既存の電子ビーム描画装置などを用いることにより可能である。
【００４１】
この回折格子の手法は、前述のＤＦＢ型あるいはＤＢＲ型のいずれの半導体レーザにおいても用いることが可能である。
【００４２】
次に上記構造が、半導体レーザの温度特性改善にも効果があることを示唆する。これは、加熱型の波長可変機能を半導体レーザに設ける上で重要である。本願発明の構造では、活性層領域４の横に第１の電流狭窄層３を設けている。従って、リッジ型導波路半導体レーザでのキャリアの横方向拡散は存在しない。
【００４３】
さらに、第１の電流狭窄層３をイオン注入により製造すれば、活性層領域と埋め込みに用いた半導体層の界面近傍での、母材となる半導体各層が予め同一層として形成されている為、電気抵抗の低下は存在しない。従って、この界面近傍での電流の漏れが低減される為、高温動作時において、発振に寄与しない無効な電流を抑制することができる。
【００４４】
さらなる温度特性の改善には、活性層領域４構造をｎ型変調ドーピングの構造とすることが好ましい。活性層領域が量子井戸構造を有する場合、その障壁層にｎ型ドーピングを施すことにより、当該半導体レーザ素子のしきい値電流密度は低減する。これは、ｎ型不純物をドーピングすることにより、活性層中でのキャリアの横方向拡散が抑制されたためである。一方、一般的に障壁層のドーピング濃度が、３×１０18/ｃｍ3以上では、しきい値電流密度は増加する。これは、ｎ型不純物が増加しすぎたため、活性層内部の光損失が増加したことによる。このしきい値電流密度の低減化は、高温動作時におけるキャリアの注入量の抑制につながり、結果として温度特性の改善に繋がる。さらに本構造における第１の電流狭窄層３に鉄が打ちこまれている場合、この電流狭窄層は、電子のトラップとして働くことから、よりキャリアの横方向拡散が抑制できる。以上より、本発明構造をより効果的に実現するためには、活性層領域４に３×１０18/ｃｍ3以下の濃度で、ｎ型ドーピングすることが好ましい。
【００４５】
本願発明は、半導体材料なかんずく化合物半導体材料を用いた半導体光装置において実施することが出来る。光通信用の半導体レーザ装置は、ＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体材料、わけても最後に、ＩｎＧａＡｓＰ系材料が好ましい。更には、Ａｌ元素などの他元素を含む化合物半導体材料を用いた場合、あるいはＩＩ―ＶＩ族化合物半導体材料を用いた場合にも、本願発明が有効であることはいうまでもない。当該量子井戸構造を構成するＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体材料を例示すれば、次のものを挙げることが出来る。それらは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ／ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｌＮ／ＩｎＧａＡｌＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、およびＧａＩｎＮＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓである。
【００４６】
以下、本願発明の代表的な諸形態を列挙する。
【００４７】
本願の第１の形態は、半導体基板の上部に、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００４８】
本願の第２の形態は、半導体基板の上部に、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ当該光を導波せしむる為の第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に当該第１の半導体領域と自己整合的に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００４９】
本願の第３の形態は、活性層領域と、結晶成長用の半導体基板側の第１のクラッド領域および前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に配置された第１の電流狭窄層領域および前記第１の電流狭窄層領域の上部の第２の電流狭窄層領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを有し、前記第１の電流狭窄層領域は前記活性層領域と電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００５０】
本願の第４の形態は、半導体基板の上部に、半導体基板側の第１のクラッド層領域と、量子井戸構造の領域と、前記量子井戸構造の領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド層領域と、量子井戸構造の領域の共振器を構成する領域の光の進行方向に平行な両側部は前記量子井戸構造の領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域であり、前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に当該第１の半導体領域と自己整合的に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００５１】
本願の第５の形態は、半導体基板の上部に、半導体基板側の第１のクラッド領域と、量子井戸構造の領域と、前記量子井戸構造の領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、量子井戸構造の領域の共振器を構成する領域の光の進行方向に平行な両側部は前記量子井戸構造の領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域であり、前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００５２】
本願の第６の形態は、半導体基板の上部に、量子井戸構造の領域と、前記量子井戸構造の領域を挟む半導体基板側の第１のクラッド層領域および前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド層領域と、量子井戸構造の領域の共振器を構成する領域の光の進行方向に平行な両側部は前記量子井戸構造の領域と比較し電気抵抗が高く且つ光の導波が可能な第１の半導体領域であり、前記第１の半導体領域と前記第１のクラッド領域の一部との間に当該第１の半導体領域と自己整合的に形成された絶縁性ないしは半絶縁性のエピタキシャル半導体層領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００５３】
本願の第７の形態は、半導体基板の上部に、量子井戸構造の領域と、前記量子井戸構造の領域を挟む半導体基板側の第１のクラッド層領域および前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド層領域と、量子井戸構造の領域の共振器を構成する領域の光の進行方向に平行な両側部はイオン打ち込みによる第１の半導体領域で前記量子井戸構造の領域と比較し電気抵抗が高く且つ光の導波が可能なあり、前記第１の半導体領域と前記第１のクラッド領域の一部との間に当該第１の半導体領域と自己整合的に形成された絶縁性ないしは半絶縁性のエピタキシャル半導体層領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００５４】
本願の第８の形態は、半導体基板の上部に複数の半導体レーザ部が配置され、前記半導体レーザ部は、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを有することを特徴とする半導体レーザアレイ装置である。
【００５５】
本願の第９の形態は、半導体基板の上部に相互に発振波長の異なる複数の単一モード発振の半導体レーザ部が配置され、前記単一モード発振の半導体レーザ部は、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを有することを特徴とする半導体レーザアレイ装置である。
【００５６】
本願の第１０の形態は、半導体基板の上部に複数の半導体レーザ部が配置され、前記半導体レーザ部は、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極と、前記活性層領域に近接して温度制御手段を有することを特徴とする半導体レーザアレイ装置である。本例に示された前記活性層領域に近接して温度制御手段は、半導体レーザアレー装置に限らず、本願明細書に開示されたその他の形態の半導体レーザ装置あるいは半導体レーザアレー装置に適用することが出来る。この温度制御手段は、活性層領域の側面側より上面側に配置することが好ましい。それは、半導体積層の構造上、熱は半導体基板に対して横方向より縦方向の方が影響大きいからである。尚、温度制御手段の具体例は実施の形態３の項に例示される。
【００５７】
本願の第１１の形態は、前記第１より第９に記載された発明の諸形態において、活性層領域あるいは量子井戸構造の領域が量子井戸層および障壁層の、少なくとも一方がｎ型半導体層なることを特徴とする半導体レーザ装置あるいは半導体レーザアレー装置である。即ち、量子井戸活性層領域はｎ型変調ドーピングされているのが好ましい。
【００５８】
本願の第１２の形態は、前記第１より第１０に記載された発明の諸形態において、第２の半導体領域、絶縁性ないしは半絶縁性のエピタキシャル半導体層領域あるいは第２の電流狭窄層領域の上部に有機樹脂層が配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置あるいは半導体レーザアレー装置である。この有機樹脂はポリイミド系樹脂がわけても有用である。この有機樹脂層によって当該半導体積層体の上面が実質的に平面を構成することは実装上好ましい。
【００５９】
本願発明に係わる半導体レーザ装置あるいは半導体レーザアレー装置を諸光システムあるいは光伝送装置等に用いて極めて有用である。
【００６０】
実施の形態１
図３Ａより図３Ｅは本実施の形態の装置を製造する工程をその工程順に示した半導体積層体の斜視図である。図４は完成した半導体レーザ装置の斜視図である。図４にはその一部の部分拡大図を円形内に示した。本例は第１および第２の電流狭窄層領域を有する半導体レーザ装置の例である。
【００６１】
ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3) 基板１１上に、ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)バッファ層１２を０.１５μｍ成長した。その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５uｍ、無歪、キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)下側ガイド層１３を、厚さ１００ｎｍで成長する。次に、歪多重量子井戸導波路構造１００を成長する。この歪多重量子井戸導波路構造１００は、６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.６７μｍ、圧縮歪量１.２％) 歪量子井戸層１４と１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪)障壁層１５ との ６周期構造である。さらにＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪) 上側ガイド層１６を７０ｎｍ成長した（図３Ａ）。尚、図４の円形枠内にこの歪多重量子井戸導波路構造１００の領域の積層状態の断面が例示されている。
【００６２】
その後、準備された半導体積層体に周知の方法によって回折格子構造１７を形成した。尚、図では理解を容易ならしめる為に回折格子の部分は拡大して図示されている。この上にＳｉＯ2膜を蒸着し、この上部に、フォトレジストをストライプ状１８に形成する。この時のストライプ１８幅は２.０μｍである。さらに、このフォトレジストの領域をマスク領域としてＳｉＯ2膜をエッチングする（図４Ｂ）。即ち、本例の共振器はＤＦＢ型である。
【００６３】
この後、鉄イオンを加速電圧４０ＫｅＶ、ドーズ量１×１０13/ｃｍ2でイオン注入を行なった。これにより、第１の電流狭窄層領域１９が形成される(図４Ｃ)。この第１の電流狭窄層領域１９は鉄イオンのイオン打ち込みによって活性層領域とは電気抵抗が異なり且つ基板材料よりも大きな屈折率を有している。
【００６４】
更に、前記フォトレジストを除去した後、結晶性回復のために通例の熱処理を施した。その後、鉄ドープを行った膜厚０.７μｍである半絶縁性のＩｎＰ層２０を結晶成長した(図４Ｄ)。このＩｎＰ層２０は本願発明の係わる第２の電流狭窄層領域に相当する。このＩｎＰ層２０は鉄を含有するので半絶縁性を有し、本願の目的を達成するに十分な電気的特性を有する。且つ、このＩｎＰ層２０は、前記ストライプ状のＳｉＯ2膜１８を有する基体上に選択成長されるので、前記鉄イオンの打ち込みによって形成された第１の電流狭窄層領域１９と、いわゆる自己整合的にその幅が規定されている。
【００６５】
ストライプ状１８に蒸着されているＳｉＯ2膜のマスクを除去し、厚さ１.５μｍのベリリウムドープのｐ型ＩｎＰ(キャリア濃度 １.５×１０18/ｃｍ3) クラッド層２１を再成長する。その後、高濃度ＩｎＧａＡｓ (ドーピング量１.５×１０19/ｃｍ3)コンタクト層 ２２を厚さ０.２μｍ成長する(図４Ｅ)。
【００６６】
最後に、通例のパッシベーション膜としてＳｉＯ2膜２３を蒸着し、更に第１の電極２４および第２の電極２４' 形成を行う。そして、結晶の両面をへき開する。このへき開面の前方及び後方の両面を共に、通例の反射膜を蒸着した(図４)。尚、図４ではこの反射膜の図示は省略されている。
【００６７】
本例の半導体レーザ装置の発振しきい電流は８ｍＡ、発振波長は１５５１ｎｍであった。本実施の形態では、電流注入の幅のばらつきの影響を実質的に回避し、また、発振波長に対する製造上の歩留りは向上した。
【００６８】
実施の形態２
図５は本例の完成した半導体レーザ装置の斜視図である。図５にはその一部の部分拡大図を円形内に示した。実施の形態２は、活性層領域をｎ型変調ドープにした例である。
【００６９】
基本的な製造工程は前述の実施の形態１の場合と同様である。ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3) 基板２５上に、ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)バッファ層２６を０.１５μｍ成長した。その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪、キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)下側ガイド層２７を、厚さ１００ｎｍで成長する。次に、歪多重量子井戸導波路構造を成長する。この歪多重量子井戸導波路構造は、６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.６７μｍ、圧縮歪量１.２％) 歪量子井戸層２８と１０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪、キャリア濃度３×１０17/ｃｍ3) 障壁層２９との ６周期構造である。尚、図４の円形枠内にこの歪多重量子井戸導波路構造１００の領域の積層状態の断面が例示されている。
【００７０】
更に、ＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪) 上側ガイド層３０を７０ｎｍ成長した。その後、回折格子構造を通例の方法によって形成した。この上にＳｉＮ膜を蒸着し、更にこの上部にフォトレジストをストライプ状に形成する。この時のストライプ幅は２.０μｍである。さらに、このフォトレジストをマスク領域としてＳｉＮ膜をエッチングする。
【００７１】
この後、鉄イオンを加速電圧４０ＫｅＶ、ドーズ量１×１０13/ｃｍ2でイオン注入を行なった。これにより、第１の電流狭窄層領域３１が形成される。さらに、フォトレジストを除去した後、結晶性の回復のために熱処理を施した。
【００７２】
再成長により鉄ドープを行った膜厚０.７μｍの半絶縁性ＩｎＰ３２及びアン（uｎ）ドープのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.０５μｍ、無歪 ) エッチストッパ層３３を順次成長した。このＩｎＰ層３２は本願発明の係わる第２の電流狭窄層領域に相当する。このＩｎＰ層３２は鉄を含有するので半絶縁性を有し、本願の目的を達成する電気的特性を有する。且つ、このＩｎＰ層３２は、前記ストライプ状のＳｉＮ膜を有する基体上に選択成長されるので、前記鉄イオンの打ち込みによって形成された第１の電流狭窄層領域３１と、いわゆる自己整合的にその幅が規定されている。
【００７３】
この後、活性層となるメサ上に蒸着されているＳｉＮ膜の選択成長用のマスクを除去し、厚さ１.５μｍのベリリウムドープのｐ型ＩｎＰ(キャリア濃度 １.５×１０18/ｃｍ3) クラッド層３４を及びＩｎＧａＡｓコンタクト層３５を順次、再結晶成長する。
【００７４】
再度、幅４μｍのストライプを活性層の直上に形成し、前記ＩｎＧａＡｓＰ層エッチストッパー層３３までエッチングする。その後、ＳｉＯ2膜３６、ポリイミド樹脂３７にてメサ形状の両側部を埋め込む。更に、第１の電極３８および第２の電極３８' 形成を行う。そして、結晶の両面をへき開する。このへき開面は、前方及び後方の面を共に反射膜を蒸着した。尚、図５ではこの反射膜の図示は省略されている。
【００７５】
本例の半導体レーザのしきい値電流は６ｍＡであった。この時の発振波長は、１５５０.５ｎｍであった。
【００７６】
実施の形態２では、本実施の形態では、電流注入の幅のばらつきの影響を実質的に回避し、また、発振波長に対する製造上の歩留りは向上した。同時に、本例では、活性層にｎ型半導体を用いて構成する、いわゆるｎ型変調ドーピングの構成を取ることによって、一般の量子井戸構造を有する形態に比較して、より低しきい値化を図ることが出来る。 ｎ型変調ドーピングは、少なくとも井戸層あるいは障壁層のいずれかにｎ型不純物を導入すれば良い。通例は障壁層にドーピングすることが多い。
【００７７】
＜実施の形態３＞
図６は本例の完成した半導体レーザ装置の斜視図である。図６にはその一部の部分拡大図を円形内に示した。実施の形態３は、半導体レーザ装置に、特に波長可変の為の機能を搭載した例である。
【００７８】
基本的な製造工程は前述の実施の形態１あるいは２の場合と同様である。ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3) 基板３９上に、ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)バッファ層４０を０.１５μｍ成長した。その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪、キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)下側ガイド層４１を、厚さ１００ｎｍで成長する。次に、歪多重量子井戸導波路構造１０２を成長する。この厚歪多重量子井戸導波路構造１０２は、６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.６７μｍ、圧縮歪量１.２％) 歪量子井戸層４２と１０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪、キャリア濃度３×１０17/ｃｍ3) 障壁層４３ との ６周期構造である。本例もｎ型変調ドーピングを用いている。尚、図６の円形枠内にこの歪多重量子井戸導波路構造１０２の領域の積層状態の断面が例示されている。さらにＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪) 上側ガイド層４４を厚さ７０ｎｍ成長した。
【００７９】
その後、ＤＦＢ型レーザの為、回折格子構造を通例の方法で形成した。この上にＳｉＮ膜を蒸着し、フォトレジストを所望のストライプ形状に形成する。この時のストライプ幅は２.０μｍである。さらに、このフォトレジストをマスク領域としてＳｉＮ膜をエッチングする。この後、鉄イオンを加速電圧４０ＫｅＶ、ドーズ量１×１０13/ｃｍ2で注入した。これにより第１の電流狭窄層領域４５が形成される。さらに、フォトレジストを除去した後、結晶性の回復のために通例の熱処理を施した。
【００８０】
再び結晶成長により鉄ドープの半絶縁性のＩｎＰ層４６を厚さ０.７μｍ、更にアン（uｎ）ドープのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.０５μｍ、無歪 ) エッチストッパ層４７を順次成長した。このＩｎＰ層４６は本願発明の係わる第２の電流狭窄層領域に相当する。このＩｎＰ層４６は鉄を含有するので半絶縁性を有し、本願の目的を達成する電気的特性を有する。且つ、このＩｎＰ層４６は、前記ストライプ状のＳｉＮ膜を有する基体上に選択成長されるので、前記鉄イオンの打ち込みによって形成された第１の電流狭窄層領域４５と、いわゆる自己整合的にその幅が規定されている。
【００８１】
この後、活性層となるメサの上部に蒸着されているＳｉＮ膜のマスクを除去し、厚さ１.５μｍのベリリウムドープのｐ型ＩｎＰ(キャリア濃度 ２×１０18/ｃｍ3) クラッド層４８を再成長する。その後、高濃度ＩｎＧａＡｓ (ドーピング量１.５×１０19/ｃｍ3)コンタクト層 ４９を厚さ０.２μｍに成長する。
【００８２】
再度、幅４μｍのストライプを活性層の直上に形成し、ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪) エッチストッパー層４７までエッチングする。その後、ＳｉＯ2誘電体膜５０、上部電極５１及び薄膜ヒータ５２を形成する。更には、下部電極５１' 、そして、へき開した後、前方及び後方の面を共に反射膜を蒸着した。尚、図６ではこの反射膜の図示は省略されている。
【００８３】
本例は、発振活性層領域の近傍に、温度制御手段、例えば、前記の如くヒータ５２を設けて、熱的に当該半導体レーザ装置の発振波長を可変となすものである。このことによって、外界の雰囲気あるいは半導体光素子自体の発熱等の影響で発振波長の変動が発生した折、正規の所望の発振波長に制御することが可能となる。具体的には半導体レーザの発振波長を監視し、所定の波長よりのずれを検知し、当該温度制御手段に信号を入力する。この信号に基づき、温度制御手段、代表例、たるヒータの電流を制御し、発振波長を所定の値となす。
【００８４】
本例では、温度制御用のヒータが、光の進行方向と平行な側面で且つ活性層領域の両側に配置されているが、当該活性層領域の上部に配置しても良い。活性層領域の上部から熱的影響を与えても十分本実施の形態に特徴的な波長可変を実現することが出来る。本願発明の温度制御手段としてのヒータの具体的材料としては、白金（ＰＴ）やチタニウム（Ｔｉ）を挙げることが出来る。ヒータ材料の膜厚や幅等は、どの程度のヒートパワーを要求されるかによるが、白金な場合、１００ｎｍより４００ｎｍ程度の厚さ、チタニウムの場合、５０ｎｍより１００ｎｍ程度を多用する。その製造方法は通例の蒸着法で十分である。ヒータへの通電によりレーザ発光部の動作温度を調整する。
【００８５】
尚、熱的な制御によって発振波長が可変となること自体は知られた現象である。
【００８６】
本例では、発振しきい電流は８ｍＡであった。更に、装荷したヒータを所望に加熱し、活性層領域の温度を制御することにより、波長可変幅として３ｎｍを実現することが出来た。
【００８７】
本願発明を、波長可変レーザに適用することにより、高い発振波長の信頼性を有し、さらに高性能である波長多重伝送システム用の送信光源を得ることができた。
【００８８】
尚、本例は活性層領域にｎ型変調ドーピングの領域を用いたが、通例の量子井戸構造、歪量子井戸構造あるいは歪補償量子井戸構造等を用いて、且つ波長可変となす事も可能なことは言うまでもない。
【００８９】
実施の形態４
図７は本例の完成した半導体レーザアレー装置の斜視図である。図７にはその一部の部分拡大図を円形内に示した。実施の形態４は波長多重伝送における４チャンネルの送信光源を集積化した半導体レーザアレイ装置の例である。
【００９０】
基本的な製造工程は、発光部を複数個、同一基板上に形成する以外は、前述の実施の形態１あるいは２の場合等と同様である。又、発光部を複数個、同一基板上に形成し、いわゆるレーザアレーを構成すること自体は通例の半導体レーザアレー装置と同様の方法で良い。本例等では、本願発明に係わる第１および第２の電流狭窄層領域を形成する工程を追加することで良い。
【００９１】
ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3) 基板５３上に、ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)バッファ層５４を０.１５μｍ成長した。その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪、キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)下側ガイド層５５を、厚さ１００ｎｍで成長する。次に、歪多重量子井戸導波路構造１０３を成長する。この歪多重量子井戸導波路構造１０３は６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.６７μｍ、圧縮歪量１.２％) 歪量子井戸層５６と１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪)障壁層５７との ６周期構造のものである。尚、図７の円形枠内にこの歪多重量子井戸導波路構造１０３の領域の積層状態の断面が例示されている。さらにＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪) 上側ガイド層５８を７０ｎｍ成長した。
【００９２】
この上にＳｉＯ2膜を蒸着し、この上部にフォトレジストを所望のストライプ状に形成する。このストライプの方向は光の進行方向と平行は方向である。この時のストライプ間隔は３００μｍである。また、この時のストライプ幅は２.０μｍである。
【００９３】
このフォトレジストをマスク領域としてＳｉＯ2膜をエッチングする。この後、鉄イオンを加速電圧４０ＫｅＶ、ドーズ量１×１０13/ｃｍ2でイオン注入を行なった。これにより第１の電流狭窄層領域５９が形成される。
【００９４】
さらに、フォトレジストを除去した後、結晶性の回復のために通例の熱処理を施した。結晶の再成長に基づいて鉄ドープがなされる半絶縁性のＩｎＰ６０を膜厚０.７μｍの厚さに及びアンドープのＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪) エッチストッパー層６１を３０ｎｍ成長した。
【００９５】
この後、活性層となるメサ上に蒸着されているマスク領域のＳｉＯ2膜を除去した。その後、各ストライプに回折格子を周知の方法によって、各ストライプ毎に対応波長を順次を変化させて形成した。これらの各回折格子は、各々２３６.３ｎｍ、２３６.５ｎｍ、２３６.６ｎｍ、２３６.８ｎｍに対応するの種類である。この加工には、電子ビーム描画装置を用いた。
【００９６】
次に、厚さ１.３μｍのベリリウムドープのｐ型ＩｎＰ(キャリア濃度 ２×１０18/ｃｍ3) クラッド層６２を再成長する。その後、高濃度ＩｎＧａＡｓ (ドーピング量１.５×１０19/ｃｍ3)コンタクト層６３を厚さ０.２μｍ成長する。
【００９７】
この後、再度、幅４μｍのＳｉＯ2膜のストライプ状マスクを活性層の直上に形成し、ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪) エッチストッパー層６１までエッチングする。その後、ＳｉＯ2の誘電体膜６４、第１の電極６５および第２の電極６５' を形成する。へき開した後、共振器の前方及び後方に反射膜を蒸着した。図７ではこれらの反射膜を省略されている。
【００９８】
実施の形態４の４チャンネルの半導体レーザアレイの発振波長は、それぞれ１５５０、１５５１、１５５２、１５５３ｎｍであった。本願発明を適用することにより、所望の発振波長及び波長間隔を有する半導体レーザアレイの素子歩留りが向上した。
【００９９】
本例は発光部が４つの例であるが、発光部は任意の個数を設けることが出来る。又、量子井戸構造に関しても、前述の実施の形態１より実施の形態３で説明した諸形態を、必要に応じて採用することが出来る。活性層 としてｎ型ドーピングの構成を採用すること出来る。
【０１００】
更に、波長可変の手段を本例のレーザアレー装置に併用することも当然可能である。複数の波長を搭載した本例の如き半導体レーザアレー装置の場合、こうした発振波長の制御手段を有することは極めて有用である。
【０１０１】
実施の形態５
実施の形態５は、本願発明の係る半導体レーザアレイ装置を搭載した送信モジュールの例を示す。本例は、波長１.５５μｍ帯の導波路型光変調器を内蔵した光伝送装置を用いた例である。
【０１０２】
図８は本願発明を用いた多波長送信装置の例を示す斜視図である。図は多波長送信装置の例の概括構成を示すものである。
【０１０３】
光伝送装置の基本構成の概要は次の通りである。筐体６６の一方の壁面よりファイバスリーブ７６に納められた光ファイバ７５が、その外部に導出されている。この光ファイバ７５に光学的に接続された光アイソレータ７４、光学レンズ７３を経て半導体光素子部７１が設置されている。この半導体光素子部７１は半導体光素子実装基板７０に搭載され、これらが温度調整器６７の上部に搭載されている。この温度調整器６７はヒートシンクである。これにはペルチエ素子が用いられたり、ヒートシンクと併用されることもある。尚、この温度調整器は当然半導体レーザ装置全体の温度の調整を行う為のもので、前述の発振波長の微細な調整の為の制御手段とは別異のものである。半導体光素子部７１自体の構成の詳細は後述される。必要に応じて、筐体６６の他方の壁面側に、前記半導体光素子部７１に面してモニタ用受光素子６８が設けられる。尚、筐体６６の側壁からは、所望の電気入力線６９が外部に引き出される。筐体６６、温度調整器６７、モニタ用受光素子６８、電気入力線６９、光学レンズ７３、光アイソレータ７４、光ファイバ７５、ファイバスリーブ７６などはそれ自体、これまでに知られた諸技術を用いて十分である。半導体光素子部７１は、光通信用の例として、通例ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ材料またはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓ材料またはその両者等を用いて形成される。特に実施の形態４で説明した半導体レーザアレイ装置を用いることにより、当該光モジュールの低コスト化が実現できる。尚、半導体レーザアレイ装置自体の構造は、実施の形態４にて詳細に説明したのでここでは省略する。
【０１０４】
光デバイスの側面についてはこれまで詳細に説明したところであるが、光システム、光伝送装置の諸側面から本例を見ると、本願発明の適用により、波長多重伝送システムにおける、単一チャンネルあたりのコストが低減した。結果として、波長多重伝送用モジュールの部品コストを低減させることが出来る。
【０１０５】
実施の形態６
本願発明による半導体レーザアレイ装置を搭載した光伝送システムの例を図９に示す。本実施形態は、波長１.５５μｍ帯の光伝送装置を作製した例である。
【０１０６】
光伝送装置では光送信モジュール７７より、光が光ファイバー７５を通じて送信される。この光送信モジュール７７にはこれまで述べてきた諸光発光装置を用いることが出来る。光送信モジュール７７は半導体レーザ部及び光変調器領域を有し、これらの駆動の為、レーザ駆動回路７８、光変調器用ドライバー７９が接続されている。尚、半導体レーザ部は通例の光出力安定化回路８１が設けられている。更に、半導体レーザ部および光変調器領域に設けられた温度制御手段の各々に波長制御回路、変調器温度制御回路が接続されている。当該光送信モジュール７７はペルチエ素子よりなる温度制御手段の上部に搭載される。そして、それは温度安定化回路８０に接続されている。
【０１０７】
一方、光変調器ドライバ７９の当該光伝送装置の入力端子８５、および８６に入力された諸信号に基づき、光通信用の信号がクロック発生部８２よりクロック信号と共に、合周波器８３に入力される。合周波器８３よりは所定の信号が変調ドライバ７９に入力され、対象たる光通信モジュール７７に変調信号が入力される。尚、光源以外の諸構成は周知の光通信用モジュールと同等であるので、その詳細説明は省略する。
【０１０８】
これにより、チャンネル波長数の増大と高信頼な波長多重伝送用送信光源装置を低製造コストに実現できる。
【０１０９】
本願発明を適用することにより、高密度波長多重伝送システムにおいて、単一チャンネルあたりのコストが低減した。
【０１１０】
【発明の効果】
本願発明は、高精度の発振波長を確保することが出来る半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することが出来る。更に、本願発明は、高精度の発振波長を確保しつつ、雰囲気温度の影響を抑えた半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することが出来る。本願発明は前記諸効果を有しつつ、且つ製造歩留まりを確保できる半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することが出来る。
【０１１１】
更に、本願発明は、安定した波長での伝送を可能となす光システム、あるいは光伝送装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本願発明の骨子を説明する為の半導体レーザアレー装置の斜視図である。
【図２】図２は本願発明と他の型の諸半導体レーザ装置における電流注入の幅と発振波長との関係を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは代表的な実施の形態を製造工程順に示した斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは代表的な実施の形態を製造工程順に示した斜視図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは代表的な実施の形態を製造工程順に示した斜視図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは代表的な実施の形態を製造工程順に示した斜視図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは代表的な実施の形態を製造工程順に示した斜視図である。
【図４】図４は代表的な実施の形態を示す斜視図である。
【図５】図５は別な実施の形態を示す斜視図である。
【図６】図６は更に別な実施の形態を示す斜視図である。
【図７】図７は半導体レーザアレー装置の例を示す斜視図である。
【図８】図８は半導体光装置を実装したモジュールの例を示す斜視図である。
【図９】図９は光システムの例を示す図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザ、２…歪量子井戸層領域、３、１９、３１、４５、５９…第１の電流狭窄層領域、４…活性層領域、５…電流注入幅、６…第２の電流狭窄層領域、７…電流狭窄領域、８、１７…回折格子構造、１１、２５、３９、５３…ｎ型基板、１２、２６、４０、５４…ｎ型バッファー層、
１３、２７、４１、５５…ｎ型下側ガイド層、１４、２８、４２、５６…歪量子井戸層、１５、２９、４３、５７…障壁層、１６、３０、４４、５８…上側ガイド層、１８、マスクストライプ、２０、３２、４６、６９…鉄ドープ埋込み層、３３、４７、６１…ｎ型エッチストッパ層、２１、３４、４８、６２…上側ｐ型クラッド層、２２、３５、４９、６３…ｐ型コンタクト層、２３、３６、５０、６４…誘電体膜、３７…ポリイミド樹脂、２４、３８、５１、６５…電極、５２…薄膜ヒータ、６６…筐体、６７…温度調整器（ヒートシンク）、６８…モニタ用受光素子、６９…電気入力端子、７０…光素子実装基板、７１…半導体光素子集積体、７２…光変調器、７３…光学レンズ、７４…光アイソレータ、７５…光ファイバ、７６…ファイバスリープ、７７…光送信モジュール、７８…レーザ駆動回路、７９…変調器ドライバ、８０…温度安定化回路、８１…光出力安定化回路、８２…クロック発生部、８３…合周波器、８４…光ファイバである。
【発明の属する技術分野】
本願発明は光通信用半導体レーザ装置に関するものである。本願発明の係る単一モード発振半導体レーザ装置は、高密度波長多重伝送用に有用である。
【０００２】
【従来の技術】
インターネットの普及及び発展に伴い、各家庭への伝送情報は大容量化する。この要請によって、大容量の伝送が可能な高密度波長多重伝送方式 (Dense Wavelength Division Multiplexing：以下 ＤＷＤＭと略記する ) の開発が盛んである。この方式では、伝送容量を増加させるために、１本の光ファイバーで伝送する光の波長の数を、増加させる。一方、この波長の数の増加は、隣接する波長間隔の狭幅化を促す。これは、光通信の適用可能なファイバの損失特性に制約があることから、実用に供される伝送波長の帯域が制約されるためである。この波長間隔の狭幅化は伝送波長間での混信が生じ易くする。この混信を避ける為、要求される伝送波長の精度は、より厳しくなる。例えば、６０ｎｍの波長帯域に、０.８ｎｍ間隔で伝送波長を配置した場合、例えば、６４チャンネル、或いは８０チャンネルの情報を伝送することができる。この場合、この伝送時に要求される波長の安定性は、±０.０１ｎｍである。この為、現在では、光源となる半導体レーザ装置の波長歩留りが極めて高く要求される。従って、このような波長仕様を満足させる送信光源は極めて高いコストとなる。
【０００３】
一方で、将来のＤＷＤＭシステムでは、必要とされる送信光源数は、さらに増加する。従って、伝送の単一チャンネルあたりの単価の更なる低減が望まれる。そこで、送信光源においては、低コスト、堅牢及びコンパクトな、異なる発振波長の半導体レーザを集積した半導体レーザアレイの実現が必要となる。
【０００４】
ＤＷＤＭに用いられる送信光源は、単一波長化のための波長選択機能を有する。例えば、単一モード発振レーザとして代表的な分布帰還型半導体レーザ (Distributed Feedback Laser ; 以下、ＤＦＢレーザと略記 ) は、光導波路層の近傍に、鋸刃状の回折格子構造を有する。この回折格子構造の屈折率の周期性は、導波路中の伝播光に光学的に作用する。この光学的な効果によって、単一モードの半導体レーザの発振波長 (λ) は、以下の式により決定される。
【０００５】
λ＝(２×ｎ×Λ) / ｍ
ここで、ｎは、伝送する光導波路の等価屈折率、Λは回折格子構造の間隔、そしてｍは次数である。この式から、精密に発振波長を制御するためには、等価屈折率(ｎ)のばらつきを抑制することが望ましいことが理解される。この為には、等価屈折率(ｎ)が素子作成上、容易かつ精密に制御できることが望ましい。
【０００６】
上式の等価屈折率(ｎ)は、光の伝播する活性層の材料の有する屈折率だけでなく、加えて、その形状寸法と、活性層の周辺構造の屈折率とにより定められる。このように、精密に発振波長を制御するためには、半導体レーザ素子の活性層の形状寸法とその周辺構造の屈折率のばらつきをも抑制する必要がある。
【０００７】
従来、半導体レーザの基本構造は、利得導波路型と屈折率導波路型に大別される。代表的な利得導波路型半導体レーザは、リッジ型半導体レーザである。この半導体レーザは、基本となる半導体積層構造を１回の結晶成長のみで形成した後、発光領域を残して、これを挟む領域の上側クラッド層をエッチングし、ポリイミド樹脂で埋め込む構造となっている。
【０００８】
一方、埋込み型半導体レーザに代表される屈折率導波路型では、半導体積層体における光の伝播領域のみを残し、他の領域を基板材料で埋め込んだ構造となっている。この単一モード発振半導体レーザの作製プロセスでは、エッチングした後、再成長工程により電流狭窄層を形成する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前記リッジ型半導体レーザの構造は、作製プロセスが簡略であることから、ファブリペロー型半導体レーザの場合、作製歩留りは非常に高い。一方で、上側クラッド層のリッジ形状は、側壁がポリイミドで覆われている。従って、半導体材料である活性層と非半導体材料であるリッジ側面の屈折率差は非常に大きい。この為、リッジ側の電流注入幅のばらつきに伴う、等価屈折率(ｎ)のばらつきに反映して、単一モード発振レーザでの発振波長のばらつきは顕著となる。
【００１０】
一方、埋め込み型半導体レーザでは、リッジ導波路型半導体レーザに比べ、活性層の形状寸法ばらつきは大きい。従って、本来の埋め込み型半導体レーザが有する等価的な屈折率のばらつきは顕著となり、精密に発振波長を制御することは困難となる。
【００１１】
更に、ＤＷＤＭの送信光源では、素子作製上における発振波長の精密性以外の問題も存在する。この問題とは、システムに搭載した送信光源自身の経時変化による、波長変動である。これに対し送信光源では、波長可変レーザの開発も行なわれている。この波長可変レーザとは、薄膜ヒータを単一モード発振半導体レーザに搭載し、活性層に温度を加えることにより、発振波長を変化させる。一方で、この活性層への加熱により、半導体レーザの特性は損なわれる。従って、ＤＷＤＭ用送信光源の開発では、精密に要求波長を満たして発振する単一モード発振半導体レーザの作製と同時に、波長可変レーザとして使用するための、半導体レーザ自身の温度特性向上が不可欠となる。従来の半導体レーザにおける温度特性の悪化要因を以下に述べる。前述のリッジ型導波路半導体レーザでは、温度が上昇するに従い、活性層に注入されるキャリアは横方向に拡散していく。従って、この温度上昇に伴う利得低下を補う以上に、キャリアを注入する必要が生じる。
【００１２】
一方、埋込み型半導体レーザの場合、エッチングされた活性層と、それを埋め込んだ半導体材料の界面近傍では、電気抵抗が低下している。従って、温度上昇とともに、キャリアは、この領域を介して流れてしまい、効果的に活性層に注入されなくなる。
【００１３】
以上に述べた、技術的背景の下に、本願の第１の目的は、高精度の発振波長を確保することが出来る半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することである。
【００１４】
本願の第２の目的は、高精度の発振波長を確保しつつ、雰囲気温度の影響を抑えた半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することである。
【００１５】
本願の第３の目的は、前記第１あるいは第２の目的を達成しつつ、且つ製造歩留まりを確保できる半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することである。
【００１６】
こうした諸特性を有する単一モード発振の半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することが出来る。
【００１７】
本願の別な目的は、安定した波長での伝送を可能となす光システム、あるいは光伝送装置を提供するものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本願発明の骨子を図１の例を参酌して説明する。図１は本願発明に係わる半導体レーザ装置の例を示す斜視図である。図は２つの発光部の例が示されており、左側の発光部１はその概観を示す図、右側は本構造の理解を容易にする為に一部を切断した断面を示している。
【００１９】
半導体基板１１の上部にバッファー層１２および基板側のクラッド層１３（光ガイド層とも通称する）が形成され、この上部に活性層領域４、および上部のクラッド層２１が配置される。こうして、活性層領域４が光導波路を構成する。一般にこの活性層領域４は量子井戸構造で構成される。量子井戸構造は、例えば、単一量子井戸構造、多重量子井戸構造、あるいは歪量子井戸構造、歪補償型量子井戸構造など、一般に半導体レーザ素子に適用されている構造を、当該半導体レーザ素子の要請に応じて用いることが出来る。尚、具体的例として、本例では歪量子井戸構造を例示している。
【００２０】
縦単一モードでの発振を確保するに、光帰還は回折格子１０を用いることがわけても好ましい。本願発明は、この例のＤＦＢ型レーザの外に、回折格子を用いたいわゆるＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｒｅｃｔｉｏｎ）型のレーザが好ましい。以下の実施の諸形態に例示する具体的構造に示される回折格子の配置が好ましい例であるが、本願明細書に例示された以外の層上あるいは部位に光帰還を生ぜせしめる所定の回折格子を配置しても良いことは言うまでもない。要は、ＤＦＢ型あるいはＤＢＲ型のレーザ発振を可能ならしめれば良い。勿論、光帰還の手段の如何によらず、後述する第１の電流狭窄層領域ならびに第２の電流狭窄層領域を配置する本願の基本思想は十分な電流狭窄の効果を奏することは言うまでもない。
【００２１】
本願の代表的な発明の形態は、次の特性を有する第１の電流狭窄層領域３を、当該半導体レーザ装置の活性層領域を挟んで設けることにある。当然、この第１の電流狭窄層領域は、光共振器の光の進行方向に交差する両側面に配置される。第１の電流狭窄層領域３に相当する領域は、当該半導体レーザ装置の活性層領域と電気抵抗が異なり且つ基板材料よりも大きな屈折率を有する領域と言うことが出来る。この第１の電流狭窄層領域３ないしは前記の当該半導体レーザ装置の活性層領域と電気抵抗が異なり且つ基板材料よりも大きな屈折率を有する領域は、当該半導体レーザ装置を構成する基本的な半導体積層体にイオン注入した例が代表的な例である。
【００２２】
本願の更なる発明の形態は、前記第１の電流狭窄層領域３の上部に半絶縁性の半導体材料になる第２の電流狭窄層領域６を配置することである。更に、この第２の電流狭窄層領域３は前記第１の電流狭窄層領域３と自己整合的にその領域幅が形成されていることも実用的に重要な点である。具体的な形成例としては、前記第１の電流狭窄層領域３をイオン注入で形成し、この際用いたマスクをそのまま第２の電流狭窄層領域６を選択的に結晶成長させることによって、達成することが出来る。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本願発明の実施の諸形態を説明するに先立って、前記した本願の第１および第２の発明の骨子たる両電流狭窄層領域３、６の諸形態についてより詳細に説明する。以下、図１を参酌する。図１において電流注入幅を符号５、電流狭窄層領域を符号７として示している。この電流狭窄層領域７は、前記二つの電流狭窄層領域３、６によって規定されている。図１において、符号１１は半導体基板、１２はバッファ層、１３はクラッド層（光ガイド層とも称する）、２は歪量子井戸構造、６は絶縁性ないしは半絶縁性の特性を有する母材が半導体なる半導体層、９は凹凸部、１０は回折格子の形成された領域、２１は上部のクラッド層、２２はコンタクト層、２３は絶縁物層、２４は第１の電極、２４‘は第２の電極である。
【００２４】
本願発明の素子構造では、活性層領域を構成する半導体積層領域、例えば、代表的な歪多重量子井戸層２に、イオン注入することによって、第１の電流狭窄層領域に相当する領域３を形成することが出来る。この時、イオンを注入しない領域は、半導体レーザ素子１における活性層領域４となる。イオン注入技術は、その工程中にエッチング及び再成長を用いないため、大面積及び高い均一度でのプロセスとして有効である。この時注入するイオンの種類は、活性層領域４に使用する半導体材料において、電流経路を形成できる種類であれば、すべて適用できる。そのイオンの代表例は、例えば、プロトン、酸素、鉄などである。特に、寸法精度の向上のためには、質量の大きい元素が有用である。それは、例えば、鉄などの重金属元素である。これは、イオン注入時におけるイオンの横方向への移動が、小さくなるためである。一方で、プロトンなどの軽元素では、イオンの横方向の移動が大きく、形成する電流注入幅５の寸法精度向上の効果は損なわれやすい。このイオン注入量は、半導体層を絶縁化ないしは半絶縁化せしめ得る濃度で良い。それは、化合物半導体材料ＩｎＰの場合、概ね、１×１０18ａｔｏｍ／ｃｍ2以上である。
【００２５】
また、本第１の電流狭窄層領域３は少なくとも、発光活性層領域の両側面を覆う程度の厚さを確保すれば良い。
【００２６】
次に、本願に係わる第２の電流狭窄層領域について詳細説明を行う。
【００２７】
第２の電流狭窄層領域に相当する代表的な領域は、前記第１の電流狭窄層３の上に、半絶縁性のＩｎＰ結晶を選択的に再成長することによって得ることが出来る。この第２の電流狭窄層６は、活性層領域４の直上にＳｉＯ2膜などの誘電体膜を蒸着し形成した上で、選択成長を行う。この時の、第２の電流狭窄層６に含まれる鉄の濃度は、概ね一般的に用いられている４×１０17〜３×１０18/ｃｍ3程度である。この濃度は少なくとも半導体材料における半絶縁化の特性を有することが前提となる。
【００２８】
この第２の電流狭窄層領域６あるいは少なくとも半絶縁性の半導体材料層の厚さは、概ね０．６μｍ以上程度で設定される。
【００２９】
この結晶の再成長により活性層領域に対して形成される電流の注入領域の幅（以下、電流注入幅と略称する）５は、選択成長用の誘電体膜による。従って、電流注入幅５はこの選択成長用の誘電体膜をパターンニングする際のフォトリソグラフ精度のみに律速される。従って、活性層領域４おいて、作製寸法の高精度化が図られる。
【００３０】
次に、本願発明に係わる第１の電流狭窄層領域と第２の電流狭窄層領域の効果を例示する。図２は、前述した埋め込み型の単一モード発振半導体レーザ装置、逆メサリッジ型の単一モード発振半導体レーザ装置及び本願発明の各装置構造諸例における発振波長の電流注入幅に対する依存性の比較である。横軸は電流注入幅（μｍ）、縦軸は単一モードでの発振波長（ｎｍ）を示す。尚、電流の注入幅を本願の例に即して述べれば、図１における符号５の幅に相当する。他の半導体レーザ装置の例においても、類似の領域の幅に相応する。
【００３１】
尚、比較した逆メサリッジ型半導体レーザ装置は、ｎ型ＩｎＰ基板にｎ型ＩｎＰ層を設け、この上部に活性層領域、上部クラッド層にｐ型ＩｎＰ層を用いた。このｐ型ＩｎＰ層が逆メサ構造を有し、逆メサ構造の両側部がポリイミド樹脂で埋め込まれている。この逆メサ構造は、活性層領域近傍で概ね電流の注入幅の幅を有し、光の進行方向に延在している。他方、比較した埋め込み型半導体レーザ装置は、ｐ型ＩｎＰ基板にｐ型ＩｎＰ層を有し、この上部に活性層領域を有する。活性層領域から前記ｐ型ＩｎＰ層にかけてメサ構造となされ、この両側部が次の半導体層で埋め込まれている。これらの各層は、ｎ型ＩｎＰ層、ｐ型ＩｎＰ層である。更に、この上部全域にｎ型ＩｎＰ層が設けられている。前記埋め込み層が電流狭窄層の役割を果たし、前記メサ構造の領域が電流注入の領域となっている。
【００３２】
図２に示された結果は、本願発明の装置構造（ａ）が、発振波長の電流の注入幅に対する依存性が、最も小さいことがわかる。リッジ型（ｂ）および埋め込み型（ｃ）の特性は、類似したものとなっている。
【００３３】
本願発明が特性的に優位を示すのは、電流注入幅５に相当する領域の等価屈折率(ｎ)が、電流の注入幅５の変化に対して、影響を受け難いことに起因する。即ち、本願発明の構造では、活性層領域４と第１の電流狭窄層領域３が、同じ材料になる歪多重量子井戸層２を基に形成されているため、前記の埋め込み型の半導体レーザ等と比較して、活性層領域４と第１の電流狭窄層領域３の屈折率の差は小さくなる。
【００３４】
リッジ導波路型の半導体レーザの場合、本願発明の構造の第２の電流狭窄層領域６に対応する部分は、有機樹脂のポリイミド樹脂である。従って、この領域の有機樹脂と活性層領域の半導体材料との屈折率差は大きく、活性層領域周辺の等価屈折率は、寸法に敏感に反映する。また、埋め込み型の半導体レーザでは、第２の電流狭窄層領域６は本発明構造と同じ屈折率である。しかし、本発明構造における第１の電流狭窄層領域３に相当する領域の屈折率は、基板８材料と同等の屈折率である。従って、この構造での光導波の効果は本願に比較し劣ったものとなる。
【００３５】
以上の結果を参酌すれば、従来から用いられているリッジ型半導体レーザ及び埋め込み型半導体レーザに比べ、本願発明が、最も作製上の発振波長の安定性に優れていることがわかる。
【００３６】
以上の説明から理解される様に、本願発明は、電流注入幅領域５と電流狭窄領域７の等価屈折率差が、リッジ導波路型と埋め込み型半導体レーザよりも小さくすることが基本的事項である。従って、本願発明では、電流狭窄領域７は、電流狭窄領域７の等価屈折率を、電流注入領域５の等価屈折率に近づけることを目的としたあらゆる層構造の組み合わせを考えることが出来る。当然、当該等価屈折率はＩｎＰ基板の屈折率を越え、一方、活性層領域の屈折率を越えない範囲に設定されることは言うまでもない。
【００３７】
例えば、図１の例の即せば、電流狭窄領域７における第２の電流狭窄層領域６の上に、有機樹脂、例えば熱硬化性有機樹脂、その代表例たるポリイミド樹脂などを配置する場合である。この目的の樹脂として、ポリイミド樹脂の外にポリイミドアミド樹脂、ポリアミド樹脂などを挙げることが出来る。この場合、ポリイミド系樹脂等を用いるものの、前記第２の電流狭窄層領域６の存在によって、当該電流注入領域５と電流狭窄層領域７との屈折率の差が、これまでのリッジ導波路型と埋め込み型半導体レーザよりも小さくすることが出来るのである。この構成は、モジュールへの半導体光素子の実装形態により、要請される場合がある。
【００３８】
前記ポリイミド系樹脂を用いる例は、例えば次のような例である。図１の半導体レーザ部１では、構造の最終形態が、電極近傍で凹凸形状９を残すことになる。それは、第２の電流狭窄層領域６を有するが故に、結晶成長用の基体は段差を有する。この為、この凹凸を有する結晶成長用の基体に半導体材料により第２の電流狭窄層６を、結晶成長によって埋め込んだ結果である。電極近傍で凹凸形状９を残すことになる。従って、実装時に、半導体光素子の表面の平坦化が必要な場合、凹凸形状９の凸領域を、第２の電流狭窄層６近傍までエッチングし、この除去部分をポリイミドで埋め込めば、素子の表面を平面構造とした素子を提供することができる。この例の場合も、本願発明の当初の目的を達成出来ることは言うまでもない。
【００３９】
次に、半導体光装置に複数の発光部を有せしめる、即ち、素子のアレイ化の場合に関して説明する。
【００４０】
高密度波長多重伝送システムにおける単一チャンネルあたりの製造コストを低減するためには、単一モード発振半導体レーザを同一基板上に集積したアレイ型の送信光源を使用することが望ましい。一方でこの場合、隣り合う単一モード発振半導体レーザの発振波長を、変化させ、その波長間隔を高精度に制御する必要がある。この手法に関して以下に説明する。このためには、各半導体レーザ構造ごとに構成される回折格子間隔(Λ)を変化させる。この回折格子間隔を変化させる手法は、既存の電子ビーム描画装置などを用いることにより可能である。
【００４１】
この回折格子の手法は、前述のＤＦＢ型あるいはＤＢＲ型のいずれの半導体レーザにおいても用いることが可能である。
【００４２】
次に上記構造が、半導体レーザの温度特性改善にも効果があることを示唆する。これは、加熱型の波長可変機能を半導体レーザに設ける上で重要である。本願発明の構造では、活性層領域４の横に第１の電流狭窄層３を設けている。従って、リッジ型導波路半導体レーザでのキャリアの横方向拡散は存在しない。
【００４３】
さらに、第１の電流狭窄層３をイオン注入により製造すれば、活性層領域と埋め込みに用いた半導体層の界面近傍での、母材となる半導体各層が予め同一層として形成されている為、電気抵抗の低下は存在しない。従って、この界面近傍での電流の漏れが低減される為、高温動作時において、発振に寄与しない無効な電流を抑制することができる。
【００４４】
さらなる温度特性の改善には、活性層領域４構造をｎ型変調ドーピングの構造とすることが好ましい。活性層領域が量子井戸構造を有する場合、その障壁層にｎ型ドーピングを施すことにより、当該半導体レーザ素子のしきい値電流密度は低減する。これは、ｎ型不純物をドーピングすることにより、活性層中でのキャリアの横方向拡散が抑制されたためである。一方、一般的に障壁層のドーピング濃度が、３×１０18/ｃｍ3以上では、しきい値電流密度は増加する。これは、ｎ型不純物が増加しすぎたため、活性層内部の光損失が増加したことによる。このしきい値電流密度の低減化は、高温動作時におけるキャリアの注入量の抑制につながり、結果として温度特性の改善に繋がる。さらに本構造における第１の電流狭窄層３に鉄が打ちこまれている場合、この電流狭窄層は、電子のトラップとして働くことから、よりキャリアの横方向拡散が抑制できる。以上より、本発明構造をより効果的に実現するためには、活性層領域４に３×１０18/ｃｍ3以下の濃度で、ｎ型ドーピングすることが好ましい。
【００４５】
本願発明は、半導体材料なかんずく化合物半導体材料を用いた半導体光装置において実施することが出来る。光通信用の半導体レーザ装置は、ＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体材料、わけても最後に、ＩｎＧａＡｓＰ系材料が好ましい。更には、Ａｌ元素などの他元素を含む化合物半導体材料を用いた場合、あるいはＩＩ―ＶＩ族化合物半導体材料を用いた場合にも、本願発明が有効であることはいうまでもない。当該量子井戸構造を構成するＩＩＩ―Ｖ族化合物半導体材料を例示すれば、次のものを挙げることが出来る。それらは、ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＡｓＰ／ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＩｎＡｓ、ＧａＩｎＡｓ／ＡｌＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ、ＧａＩｎＡｓ／ＩｎＰ、ＩｎＧａＡｌＮ／ＩｎＧａＡｌＮ、ＡｌＧａＮ／ＧａＮ、ＡｌＧａＮ／ＡｌＧａＮ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＡｌＧａＡｓ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、およびＧａＩｎＮＡｓ／ＩｎＡｌＧａＡｓである。
【００４６】
以下、本願発明の代表的な諸形態を列挙する。
【００４７】
本願の第１の形態は、半導体基板の上部に、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００４８】
本願の第２の形態は、半導体基板の上部に、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ当該光を導波せしむる為の第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に当該第１の半導体領域と自己整合的に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００４９】
本願の第３の形態は、活性層領域と、結晶成長用の半導体基板側の第１のクラッド領域および前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に配置された第１の電流狭窄層領域および前記第１の電流狭窄層領域の上部の第２の電流狭窄層領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを有し、前記第１の電流狭窄層領域は前記活性層領域と電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００５０】
本願の第４の形態は、半導体基板の上部に、半導体基板側の第１のクラッド層領域と、量子井戸構造の領域と、前記量子井戸構造の領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド層領域と、量子井戸構造の領域の共振器を構成する領域の光の進行方向に平行な両側部は前記量子井戸構造の領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域であり、前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に当該第１の半導体領域と自己整合的に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００５１】
本願の第５の形態は、半導体基板の上部に、半導体基板側の第１のクラッド領域と、量子井戸構造の領域と、前記量子井戸構造の領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、量子井戸構造の領域の共振器を構成する領域の光の進行方向に平行な両側部は前記量子井戸構造の領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域であり、前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００５２】
本願の第６の形態は、半導体基板の上部に、量子井戸構造の領域と、前記量子井戸構造の領域を挟む半導体基板側の第１のクラッド層領域および前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド層領域と、量子井戸構造の領域の共振器を構成する領域の光の進行方向に平行な両側部は前記量子井戸構造の領域と比較し電気抵抗が高く且つ光の導波が可能な第１の半導体領域であり、前記第１の半導体領域と前記第１のクラッド領域の一部との間に当該第１の半導体領域と自己整合的に形成された絶縁性ないしは半絶縁性のエピタキシャル半導体層領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００５３】
本願の第７の形態は、半導体基板の上部に、量子井戸構造の領域と、前記量子井戸構造の領域を挟む半導体基板側の第１のクラッド層領域および前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド層領域と、量子井戸構造の領域の共振器を構成する領域の光の進行方向に平行な両側部はイオン打ち込みによる第１の半導体領域で前記量子井戸構造の領域と比較し電気抵抗が高く且つ光の導波が可能なあり、前記第１の半導体領域と前記第１のクラッド領域の一部との間に当該第１の半導体領域と自己整合的に形成された絶縁性ないしは半絶縁性のエピタキシャル半導体層領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００５４】
本願の第８の形態は、半導体基板の上部に複数の半導体レーザ部が配置され、前記半導体レーザ部は、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを有することを特徴とする半導体レーザアレイ装置である。
【００５５】
本願の第９の形態は、半導体基板の上部に相互に発振波長の異なる複数の単一モード発振の半導体レーザ部が配置され、前記単一モード発振の半導体レーザ部は、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを有することを特徴とする半導体レーザアレイ装置である。
【００５６】
本願の第１０の形態は、半導体基板の上部に複数の半導体レーザ部が配置され、前記半導体レーザ部は、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極と、前記活性層領域に近接して温度制御手段を有することを特徴とする半導体レーザアレイ装置である。本例に示された前記活性層領域に近接して温度制御手段は、半導体レーザアレー装置に限らず、本願明細書に開示されたその他の形態の半導体レーザ装置あるいは半導体レーザアレー装置に適用することが出来る。この温度制御手段は、活性層領域の側面側より上面側に配置することが好ましい。それは、半導体積層の構造上、熱は半導体基板に対して横方向より縦方向の方が影響大きいからである。尚、温度制御手段の具体例は実施の形態３の項に例示される。
【００５７】
本願の第１１の形態は、前記第１より第９に記載された発明の諸形態において、活性層領域あるいは量子井戸構造の領域が量子井戸層および障壁層の、少なくとも一方がｎ型半導体層なることを特徴とする半導体レーザ装置あるいは半導体レーザアレー装置である。即ち、量子井戸活性層領域はｎ型変調ドーピングされているのが好ましい。
【００５８】
本願の第１２の形態は、前記第１より第１０に記載された発明の諸形態において、第２の半導体領域、絶縁性ないしは半絶縁性のエピタキシャル半導体層領域あるいは第２の電流狭窄層領域の上部に有機樹脂層が配置されていることを特徴とする半導体レーザ装置あるいは半導体レーザアレー装置である。この有機樹脂はポリイミド系樹脂がわけても有用である。この有機樹脂層によって当該半導体積層体の上面が実質的に平面を構成することは実装上好ましい。
【００５９】
本願発明に係わる半導体レーザ装置あるいは半導体レーザアレー装置を諸光システムあるいは光伝送装置等に用いて極めて有用である。
【００６０】
実施の形態１
図３Ａより図３Ｅは本実施の形態の装置を製造する工程をその工程順に示した半導体積層体の斜視図である。図４は完成した半導体レーザ装置の斜視図である。図４にはその一部の部分拡大図を円形内に示した。本例は第１および第２の電流狭窄層領域を有する半導体レーザ装置の例である。
【００６１】
ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3) 基板１１上に、ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)バッファ層１２を０.１５μｍ成長した。その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５uｍ、無歪、キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)下側ガイド層１３を、厚さ１００ｎｍで成長する。次に、歪多重量子井戸導波路構造１００を成長する。この歪多重量子井戸導波路構造１００は、６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.６７μｍ、圧縮歪量１.２％) 歪量子井戸層１４と１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪)障壁層１５ との ６周期構造である。さらにＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪) 上側ガイド層１６を７０ｎｍ成長した（図３Ａ）。尚、図４の円形枠内にこの歪多重量子井戸導波路構造１００の領域の積層状態の断面が例示されている。
【００６２】
その後、準備された半導体積層体に周知の方法によって回折格子構造１７を形成した。尚、図では理解を容易ならしめる為に回折格子の部分は拡大して図示されている。この上にＳｉＯ2膜を蒸着し、この上部に、フォトレジストをストライプ状１８に形成する。この時のストライプ１８幅は２.０μｍである。さらに、このフォトレジストの領域をマスク領域としてＳｉＯ2膜をエッチングする（図４Ｂ）。即ち、本例の共振器はＤＦＢ型である。
【００６３】
この後、鉄イオンを加速電圧４０ＫｅＶ、ドーズ量１×１０13/ｃｍ2でイオン注入を行なった。これにより、第１の電流狭窄層領域１９が形成される(図４Ｃ)。この第１の電流狭窄層領域１９は鉄イオンのイオン打ち込みによって活性層領域とは電気抵抗が異なり且つ基板材料よりも大きな屈折率を有している。
【００６４】
更に、前記フォトレジストを除去した後、結晶性回復のために通例の熱処理を施した。その後、鉄ドープを行った膜厚０.７μｍである半絶縁性のＩｎＰ層２０を結晶成長した(図４Ｄ)。このＩｎＰ層２０は本願発明の係わる第２の電流狭窄層領域に相当する。このＩｎＰ層２０は鉄を含有するので半絶縁性を有し、本願の目的を達成するに十分な電気的特性を有する。且つ、このＩｎＰ層２０は、前記ストライプ状のＳｉＯ2膜１８を有する基体上に選択成長されるので、前記鉄イオンの打ち込みによって形成された第１の電流狭窄層領域１９と、いわゆる自己整合的にその幅が規定されている。
【００６５】
ストライプ状１８に蒸着されているＳｉＯ2膜のマスクを除去し、厚さ１.５μｍのベリリウムドープのｐ型ＩｎＰ(キャリア濃度 １.５×１０18/ｃｍ3) クラッド層２１を再成長する。その後、高濃度ＩｎＧａＡｓ (ドーピング量１.５×１０19/ｃｍ3)コンタクト層 ２２を厚さ０.２μｍ成長する(図４Ｅ)。
【００６６】
最後に、通例のパッシベーション膜としてＳｉＯ2膜２３を蒸着し、更に第１の電極２４および第２の電極２４' 形成を行う。そして、結晶の両面をへき開する。このへき開面の前方及び後方の両面を共に、通例の反射膜を蒸着した(図４)。尚、図４ではこの反射膜の図示は省略されている。
【００６７】
本例の半導体レーザ装置の発振しきい電流は８ｍＡ、発振波長は１５５１ｎｍであった。本実施の形態では、電流注入の幅のばらつきの影響を実質的に回避し、また、発振波長に対する製造上の歩留りは向上した。
【００６８】
実施の形態２
図５は本例の完成した半導体レーザ装置の斜視図である。図５にはその一部の部分拡大図を円形内に示した。実施の形態２は、活性層領域をｎ型変調ドープにした例である。
【００６９】
基本的な製造工程は前述の実施の形態１の場合と同様である。ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3) 基板２５上に、ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)バッファ層２６を０.１５μｍ成長した。その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪、キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)下側ガイド層２７を、厚さ１００ｎｍで成長する。次に、歪多重量子井戸導波路構造を成長する。この歪多重量子井戸導波路構造は、６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.６７μｍ、圧縮歪量１.２％) 歪量子井戸層２８と１０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪、キャリア濃度３×１０17/ｃｍ3) 障壁層２９との ６周期構造である。尚、図４の円形枠内にこの歪多重量子井戸導波路構造１００の領域の積層状態の断面が例示されている。
【００７０】
更に、ＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪) 上側ガイド層３０を７０ｎｍ成長した。その後、回折格子構造を通例の方法によって形成した。この上にＳｉＮ膜を蒸着し、更にこの上部にフォトレジストをストライプ状に形成する。この時のストライプ幅は２.０μｍである。さらに、このフォトレジストをマスク領域としてＳｉＮ膜をエッチングする。
【００７１】
この後、鉄イオンを加速電圧４０ＫｅＶ、ドーズ量１×１０13/ｃｍ2でイオン注入を行なった。これにより、第１の電流狭窄層領域３１が形成される。さらに、フォトレジストを除去した後、結晶性の回復のために熱処理を施した。
【００７２】
再成長により鉄ドープを行った膜厚０.７μｍの半絶縁性ＩｎＰ３２及びアン（uｎ）ドープのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.０５μｍ、無歪 ) エッチストッパ層３３を順次成長した。このＩｎＰ層３２は本願発明の係わる第２の電流狭窄層領域に相当する。このＩｎＰ層３２は鉄を含有するので半絶縁性を有し、本願の目的を達成する電気的特性を有する。且つ、このＩｎＰ層３２は、前記ストライプ状のＳｉＮ膜を有する基体上に選択成長されるので、前記鉄イオンの打ち込みによって形成された第１の電流狭窄層領域３１と、いわゆる自己整合的にその幅が規定されている。
【００７３】
この後、活性層となるメサ上に蒸着されているＳｉＮ膜の選択成長用のマスクを除去し、厚さ１.５μｍのベリリウムドープのｐ型ＩｎＰ(キャリア濃度 １.５×１０18/ｃｍ3) クラッド層３４を及びＩｎＧａＡｓコンタクト層３５を順次、再結晶成長する。
【００７４】
再度、幅４μｍのストライプを活性層の直上に形成し、前記ＩｎＧａＡｓＰ層エッチストッパー層３３までエッチングする。その後、ＳｉＯ2膜３６、ポリイミド樹脂３７にてメサ形状の両側部を埋め込む。更に、第１の電極３８および第２の電極３８' 形成を行う。そして、結晶の両面をへき開する。このへき開面は、前方及び後方の面を共に反射膜を蒸着した。尚、図５ではこの反射膜の図示は省略されている。
【００７５】
本例の半導体レーザのしきい値電流は６ｍＡであった。この時の発振波長は、１５５０.５ｎｍであった。
【００７６】
実施の形態２では、本実施の形態では、電流注入の幅のばらつきの影響を実質的に回避し、また、発振波長に対する製造上の歩留りは向上した。同時に、本例では、活性層にｎ型半導体を用いて構成する、いわゆるｎ型変調ドーピングの構成を取ることによって、一般の量子井戸構造を有する形態に比較して、より低しきい値化を図ることが出来る。 ｎ型変調ドーピングは、少なくとも井戸層あるいは障壁層のいずれかにｎ型不純物を導入すれば良い。通例は障壁層にドーピングすることが多い。
【００７７】
＜実施の形態３＞
図６は本例の完成した半導体レーザ装置の斜視図である。図６にはその一部の部分拡大図を円形内に示した。実施の形態３は、半導体レーザ装置に、特に波長可変の為の機能を搭載した例である。
【００７８】
基本的な製造工程は前述の実施の形態１あるいは２の場合と同様である。ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3) 基板３９上に、ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)バッファ層４０を０.１５μｍ成長した。その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪、キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)下側ガイド層４１を、厚さ１００ｎｍで成長する。次に、歪多重量子井戸導波路構造１０２を成長する。この厚歪多重量子井戸導波路構造１０２は、６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.６７μｍ、圧縮歪量１.２％) 歪量子井戸層４２と１０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪、キャリア濃度３×１０17/ｃｍ3) 障壁層４３ との ６周期構造である。本例もｎ型変調ドーピングを用いている。尚、図６の円形枠内にこの歪多重量子井戸導波路構造１０２の領域の積層状態の断面が例示されている。さらにＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪) 上側ガイド層４４を厚さ７０ｎｍ成長した。
【００７９】
その後、ＤＦＢ型レーザの為、回折格子構造を通例の方法で形成した。この上にＳｉＮ膜を蒸着し、フォトレジストを所望のストライプ形状に形成する。この時のストライプ幅は２.０μｍである。さらに、このフォトレジストをマスク領域としてＳｉＮ膜をエッチングする。この後、鉄イオンを加速電圧４０ＫｅＶ、ドーズ量１×１０13/ｃｍ2で注入した。これにより第１の電流狭窄層領域４５が形成される。さらに、フォトレジストを除去した後、結晶性の回復のために通例の熱処理を施した。
【００８０】
再び結晶成長により鉄ドープの半絶縁性のＩｎＰ層４６を厚さ０.７μｍ、更にアン（uｎ）ドープのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.０５μｍ、無歪 ) エッチストッパ層４７を順次成長した。このＩｎＰ層４６は本願発明の係わる第２の電流狭窄層領域に相当する。このＩｎＰ層４６は鉄を含有するので半絶縁性を有し、本願の目的を達成する電気的特性を有する。且つ、このＩｎＰ層４６は、前記ストライプ状のＳｉＮ膜を有する基体上に選択成長されるので、前記鉄イオンの打ち込みによって形成された第１の電流狭窄層領域４５と、いわゆる自己整合的にその幅が規定されている。
【００８１】
この後、活性層となるメサの上部に蒸着されているＳｉＮ膜のマスクを除去し、厚さ１.５μｍのベリリウムドープのｐ型ＩｎＰ(キャリア濃度 ２×１０18/ｃｍ3) クラッド層４８を再成長する。その後、高濃度ＩｎＧａＡｓ (ドーピング量１.５×１０19/ｃｍ3)コンタクト層 ４９を厚さ０.２μｍに成長する。
【００８２】
再度、幅４μｍのストライプを活性層の直上に形成し、ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪) エッチストッパー層４７までエッチングする。その後、ＳｉＯ2誘電体膜５０、上部電極５１及び薄膜ヒータ５２を形成する。更には、下部電極５１' 、そして、へき開した後、前方及び後方の面を共に反射膜を蒸着した。尚、図６ではこの反射膜の図示は省略されている。
【００８３】
本例は、発振活性層領域の近傍に、温度制御手段、例えば、前記の如くヒータ５２を設けて、熱的に当該半導体レーザ装置の発振波長を可変となすものである。このことによって、外界の雰囲気あるいは半導体光素子自体の発熱等の影響で発振波長の変動が発生した折、正規の所望の発振波長に制御することが可能となる。具体的には半導体レーザの発振波長を監視し、所定の波長よりのずれを検知し、当該温度制御手段に信号を入力する。この信号に基づき、温度制御手段、代表例、たるヒータの電流を制御し、発振波長を所定の値となす。
【００８４】
本例では、温度制御用のヒータが、光の進行方向と平行な側面で且つ活性層領域の両側に配置されているが、当該活性層領域の上部に配置しても良い。活性層領域の上部から熱的影響を与えても十分本実施の形態に特徴的な波長可変を実現することが出来る。本願発明の温度制御手段としてのヒータの具体的材料としては、白金（ＰＴ）やチタニウム（Ｔｉ）を挙げることが出来る。ヒータ材料の膜厚や幅等は、どの程度のヒートパワーを要求されるかによるが、白金な場合、１００ｎｍより４００ｎｍ程度の厚さ、チタニウムの場合、５０ｎｍより１００ｎｍ程度を多用する。その製造方法は通例の蒸着法で十分である。ヒータへの通電によりレーザ発光部の動作温度を調整する。
【００８５】
尚、熱的な制御によって発振波長が可変となること自体は知られた現象である。
【００８６】
本例では、発振しきい電流は８ｍＡであった。更に、装荷したヒータを所望に加熱し、活性層領域の温度を制御することにより、波長可変幅として３ｎｍを実現することが出来た。
【００８７】
本願発明を、波長可変レーザに適用することにより、高い発振波長の信頼性を有し、さらに高性能である波長多重伝送システム用の送信光源を得ることができた。
【００８８】
尚、本例は活性層領域にｎ型変調ドーピングの領域を用いたが、通例の量子井戸構造、歪量子井戸構造あるいは歪補償量子井戸構造等を用いて、且つ波長可変となす事も可能なことは言うまでもない。
【００８９】
実施の形態４
図７は本例の完成した半導体レーザアレー装置の斜視図である。図７にはその一部の部分拡大図を円形内に示した。実施の形態４は波長多重伝送における４チャンネルの送信光源を集積化した半導体レーザアレイ装置の例である。
【００９０】
基本的な製造工程は、発光部を複数個、同一基板上に形成する以外は、前述の実施の形態１あるいは２の場合等と同様である。又、発光部を複数個、同一基板上に形成し、いわゆるレーザアレーを構成すること自体は通例の半導体レーザアレー装置と同様の方法で良い。本例等では、本願発明に係わる第１および第２の電流狭窄層領域を形成する工程を追加することで良い。
【００９１】
ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3) 基板５３上に、ｎ型ＩｎＰ (キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)バッファ層５４を０.１５μｍ成長した。その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪、キャリア濃度１×１０18/ｃｍ3)下側ガイド層５５を、厚さ１００ｎｍで成長する。次に、歪多重量子井戸導波路構造１０３を成長する。この歪多重量子井戸導波路構造１０３は６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.６７μｍ、圧縮歪量１.２％) 歪量子井戸層５６と１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪)障壁層５７との ６周期構造のものである。尚、図７の円形枠内にこの歪多重量子井戸導波路構造１０３の領域の積層状態の断面が例示されている。さらにＩｎＧａＡｓＰ (組成波長１.１５μｍ、無歪) 上側ガイド層５８を７０ｎｍ成長した。
【００９２】
この上にＳｉＯ2膜を蒸着し、この上部にフォトレジストを所望のストライプ状に形成する。このストライプの方向は光の進行方向と平行は方向である。この時のストライプ間隔は３００μｍである。また、この時のストライプ幅は２.０μｍである。
【００９３】
このフォトレジストをマスク領域としてＳｉＯ2膜をエッチングする。この後、鉄イオンを加速電圧４０ＫｅＶ、ドーズ量１×１０13/ｃｍ2でイオン注入を行なった。これにより第１の電流狭窄層領域５９が形成される。
【００９４】
さらに、フォトレジストを除去した後、結晶性の回復のために通例の熱処理を施した。結晶の再成長に基づいて鉄ドープがなされる半絶縁性のＩｎＰ６０を膜厚０.７μｍの厚さに及びアンドープのＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪) エッチストッパー層６１を３０ｎｍ成長した。
【００９５】
この後、活性層となるメサ上に蒸着されているマスク領域のＳｉＯ2膜を除去した。その後、各ストライプに回折格子を周知の方法によって、各ストライプ毎に対応波長を順次を変化させて形成した。これらの各回折格子は、各々２３６.３ｎｍ、２３６.５ｎｍ、２３６.６ｎｍ、２３６.８ｎｍに対応するの種類である。この加工には、電子ビーム描画装置を用いた。
【００９６】
次に、厚さ１.３μｍのベリリウムドープのｐ型ＩｎＰ(キャリア濃度 ２×１０18/ｃｍ3) クラッド層６２を再成長する。その後、高濃度ＩｎＧａＡｓ (ドーピング量１.５×１０19/ｃｍ3)コンタクト層６３を厚さ０.２μｍ成長する。
【００９７】
この後、再度、幅４μｍのＳｉＯ2膜のストライプ状マスクを活性層の直上に形成し、ＩｎＧａＡｓＰ(組成波長１.１５μｍ、無歪) エッチストッパー層６１までエッチングする。その後、ＳｉＯ2の誘電体膜６４、第１の電極６５および第２の電極６５' を形成する。へき開した後、共振器の前方及び後方に反射膜を蒸着した。図７ではこれらの反射膜を省略されている。
【００９８】
実施の形態４の４チャンネルの半導体レーザアレイの発振波長は、それぞれ１５５０、１５５１、１５５２、１５５３ｎｍであった。本願発明を適用することにより、所望の発振波長及び波長間隔を有する半導体レーザアレイの素子歩留りが向上した。
【００９９】
本例は発光部が４つの例であるが、発光部は任意の個数を設けることが出来る。又、量子井戸構造に関しても、前述の実施の形態１より実施の形態３で説明した諸形態を、必要に応じて採用することが出来る。活性層 としてｎ型ドーピングの構成を採用すること出来る。
【０１００】
更に、波長可変の手段を本例のレーザアレー装置に併用することも当然可能である。複数の波長を搭載した本例の如き半導体レーザアレー装置の場合、こうした発振波長の制御手段を有することは極めて有用である。
【０１０１】
実施の形態５
実施の形態５は、本願発明の係る半導体レーザアレイ装置を搭載した送信モジュールの例を示す。本例は、波長１.５５μｍ帯の導波路型光変調器を内蔵した光伝送装置を用いた例である。
【０１０２】
図８は本願発明を用いた多波長送信装置の例を示す斜視図である。図は多波長送信装置の例の概括構成を示すものである。
【０１０３】
光伝送装置の基本構成の概要は次の通りである。筐体６６の一方の壁面よりファイバスリーブ７６に納められた光ファイバ７５が、その外部に導出されている。この光ファイバ７５に光学的に接続された光アイソレータ７４、光学レンズ７３を経て半導体光素子部７１が設置されている。この半導体光素子部７１は半導体光素子実装基板７０に搭載され、これらが温度調整器６７の上部に搭載されている。この温度調整器６７はヒートシンクである。これにはペルチエ素子が用いられたり、ヒートシンクと併用されることもある。尚、この温度調整器は当然半導体レーザ装置全体の温度の調整を行う為のもので、前述の発振波長の微細な調整の為の制御手段とは別異のものである。半導体光素子部７１自体の構成の詳細は後述される。必要に応じて、筐体６６の他方の壁面側に、前記半導体光素子部７１に面してモニタ用受光素子６８が設けられる。尚、筐体６６の側壁からは、所望の電気入力線６９が外部に引き出される。筐体６６、温度調整器６７、モニタ用受光素子６８、電気入力線６９、光学レンズ７３、光アイソレータ７４、光ファイバ７５、ファイバスリーブ７６などはそれ自体、これまでに知られた諸技術を用いて十分である。半導体光素子部７１は、光通信用の例として、通例ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ材料またはＩｎＰ／ＩｎＧａＡｌＡｓ材料またはその両者等を用いて形成される。特に実施の形態４で説明した半導体レーザアレイ装置を用いることにより、当該光モジュールの低コスト化が実現できる。尚、半導体レーザアレイ装置自体の構造は、実施の形態４にて詳細に説明したのでここでは省略する。
【０１０４】
光デバイスの側面についてはこれまで詳細に説明したところであるが、光システム、光伝送装置の諸側面から本例を見ると、本願発明の適用により、波長多重伝送システムにおける、単一チャンネルあたりのコストが低減した。結果として、波長多重伝送用モジュールの部品コストを低減させることが出来る。
【０１０５】
実施の形態６
本願発明による半導体レーザアレイ装置を搭載した光伝送システムの例を図９に示す。本実施形態は、波長１.５５μｍ帯の光伝送装置を作製した例である。
【０１０６】
光伝送装置では光送信モジュール７７より、光が光ファイバー７５を通じて送信される。この光送信モジュール７７にはこれまで述べてきた諸光発光装置を用いることが出来る。光送信モジュール７７は半導体レーザ部及び光変調器領域を有し、これらの駆動の為、レーザ駆動回路７８、光変調器用ドライバー７９が接続されている。尚、半導体レーザ部は通例の光出力安定化回路８１が設けられている。更に、半導体レーザ部および光変調器領域に設けられた温度制御手段の各々に波長制御回路、変調器温度制御回路が接続されている。当該光送信モジュール７７はペルチエ素子よりなる温度制御手段の上部に搭載される。そして、それは温度安定化回路８０に接続されている。
【０１０７】
一方、光変調器ドライバ７９の当該光伝送装置の入力端子８５、および８６に入力された諸信号に基づき、光通信用の信号がクロック発生部８２よりクロック信号と共に、合周波器８３に入力される。合周波器８３よりは所定の信号が変調ドライバ７９に入力され、対象たる光通信モジュール７７に変調信号が入力される。尚、光源以外の諸構成は周知の光通信用モジュールと同等であるので、その詳細説明は省略する。
【０１０８】
これにより、チャンネル波長数の増大と高信頼な波長多重伝送用送信光源装置を低製造コストに実現できる。
【０１０９】
本願発明を適用することにより、高密度波長多重伝送システムにおいて、単一チャンネルあたりのコストが低減した。
【０１１０】
【発明の効果】
本願発明は、高精度の発振波長を確保することが出来る半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することが出来る。更に、本願発明は、高精度の発振波長を確保しつつ、雰囲気温度の影響を抑えた半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することが出来る。本願発明は前記諸効果を有しつつ、且つ製造歩留まりを確保できる半導体レーザ装置および半導体レーザアレー装置を提供することが出来る。
【０１１１】
更に、本願発明は、安定した波長での伝送を可能となす光システム、あるいは光伝送装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本願発明の骨子を説明する為の半導体レーザアレー装置の斜視図である。
【図２】図２は本願発明と他の型の諸半導体レーザ装置における電流注入の幅と発振波長との関係を示す図である。
【図３Ａ】図３Ａは代表的な実施の形態を製造工程順に示した斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは代表的な実施の形態を製造工程順に示した斜視図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは代表的な実施の形態を製造工程順に示した斜視図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは代表的な実施の形態を製造工程順に示した斜視図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは代表的な実施の形態を製造工程順に示した斜視図である。
【図４】図４は代表的な実施の形態を示す斜視図である。
【図５】図５は別な実施の形態を示す斜視図である。
【図６】図６は更に別な実施の形態を示す斜視図である。
【図７】図７は半導体レーザアレー装置の例を示す斜視図である。
【図８】図８は半導体光装置を実装したモジュールの例を示す斜視図である。
【図９】図９は光システムの例を示す図である。
【符号の説明】
１…半導体レーザ、２…歪量子井戸層領域、３、１９、３１、４５、５９…第１の電流狭窄層領域、４…活性層領域、５…電流注入幅、６…第２の電流狭窄層領域、７…電流狭窄領域、８、１７…回折格子構造、１１、２５、３９、５３…ｎ型基板、１２、２６、４０、５４…ｎ型バッファー層、
１３、２７、４１、５５…ｎ型下側ガイド層、１４、２８、４２、５６…歪量子井戸層、１５、２９、４３、５７…障壁層、１６、３０、４４、５８…上側ガイド層、１８、マスクストライプ、２０、３２、４６、６９…鉄ドープ埋込み層、３３、４７、６１…ｎ型エッチストッパ層、２１、３４、４８、６２…上側ｐ型クラッド層、２２、３５、４９、６３…ｐ型コンタクト層、２３、３６、５０、６４…誘電体膜、３７…ポリイミド樹脂、２４、３８、５１、６５…電極、５２…薄膜ヒータ、６６…筐体、６７…温度調整器（ヒートシンク）、６８…モニタ用受光素子、６９…電気入力端子、７０…光素子実装基板、７１…半導体光素子集積体、７２…光変調器、７３…光学レンズ、７４…光アイソレータ、７５…光ファイバ、７６…ファイバスリープ、７７…光送信モジュール、７８…レーザ駆動回路、７９…変調器ドライバ、８０…温度安定化回路、８１…光出力安定化回路、８２…クロック発生部、８３…合周波器、８４…光ファイバである。
Claims (10)
- 半導体基板の上部に、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置。
- 半導体基板の上部に、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ当該光を導波せしむる為の第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に当該第１の半導体領域と自己整合的に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置。
- 活性層領域と、結晶成長用の半導体基板側の第１のクラッド領域および前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に配置された第１の電流狭窄層領域および前記第１の電流狭窄層領域の上部の第２の電流狭窄層領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを有し、前記第１の電流狭窄層領域は前記活性層領域と電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有することを特徴とする半導体レーザ装置。
- 半導体基板の上部に、半導体基板側の第１のクラッド層領域と、量子井戸構造の領域と、前記量子井戸構造の領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド層領域と、量子井戸構造の領域の共振器を構成する領域の光の進行方向に平行な両側部は前記量子井戸構造の領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域であり、前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に当該第１の半導体領域と自己整合的に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置。
- 半導体基板の上部に、半導体基板側の第１のクラッド領域と、量子井戸構造の領域と、前記量子井戸構造の領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、量子井戸構造の領域の共振器を構成する領域の光の進行方向に平行な両側部は前記量子井戸構造の領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域であり、前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置。
- 半導体基板の上部に、量子井戸構造の領域と、前記量子井戸構造の領域を挟む半導体基板側の第１のクラッド層領域および前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド層領域と、量子井戸構造の領域の共振器を構成する領域の光の進行方向に平行な両側部は前記量子井戸構造の領域と比較し電気抵抗が高く且つ光の導波が可能な第１の半導体領域であり、前記第１の半導体領域と前記第１のクラッド領域の一部との間に当該第１の半導体領域と自己整合的に形成された絶縁性ないしは半絶縁性のエピタキシャル半導体層領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極と第２の電極とを、有することを特徴とする半導体レーザ装置。
- 半導体基板の上部に複数の半導体レーザ部が配置され、前記半導体レーザ部は、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを有することを特徴とする半導体レーザアレイ装置。
- 半導体基板の上部に相互に発振波長の異なる複数の単一モード発振の半導体レーザ部が配置され、前記単一モード発振の半導体レーザ部は、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極とを有することを特徴とする半導体レーザアレイ装置。
- 半導体基板の上部に複数の半導体レーザ部が配置され、前記半導体レーザ部は、前記半導体基板側の第１のクラッド領域と、活性層領域と、前記活性層領域を挟んで前記半導体基板と反対側に配された第２のクラッド領域と、活性層領域における光の進行方向に平行な当該活性層領域の両側部に前記活性層領域と比較し電気抵抗が高く且つ前記半導体基板より大きな屈折率を有する第１の半導体領域および前記第１の半導体領域と前記第２のクラッド領域の一部との間に形成された絶縁性ないしは半絶縁性の第２の半導体領域と、前記活性層領域に電流を注入する為の第１の電極および第２の電極と、前記活性層領域に近接して温度制御手段を有することを特徴とする半導体レーザアレイ装置。
- 請求項１より請求項６のいずれかに記載の半導体レーザ装置および請求項７より請求項９のいずれかに記載の半導体レーザアレー装置の群より選ばれた少なくとも一者を有することを特徴とする光伝送装置。
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