JP2006186250A - 半導体発光素子および外部共振器型レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 端面に対する光導波路の交差角を大きくすることなく端面反射による戻り光の強度を低くする。
【解決手段】 活性層１４をｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１８とで挟んだ構造を有する光導波路が、劈開によって形成された第１端面１０ａとその反対側の第２端面１０ｂとの間に連続して形成され、第１端面１０ａ側が低反射率に形成された半導体発光素子１０において、第１端面１０ａに対して光導波路の一端側が斜めに交差するように形成し、且つｎ型クラッド層１４をｐ型クラッド層１２より屈折率の高い組成で構成することにより、光導波路内の光のスポットサイズを拡大し、端面からの戻り光の強度を低減している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体発光素子およびそれを用いた外部共振器型レーザ光源において、半導体発光素子のスペクトル変調を低減し、外部共振器型レーザ光源としての発振波長を安定化させるための技術に関する。

各種光源のうち、出射光の波長を可変できる可変波長光源として、図１７に示すように、半導体発光素子１を用いた外部共振器型のものが従来から知られている。

図１７において、半導体発光素子１は、劈開によって形成された互いに平行な第１端面１ａと第２端面１ｂの間に光導波路２が直線的に且つ直交するように形成され、第１端面１ａには光に対して低い反射率（つまり高い透過率）を示す低反射率膜（ＬＲ膜）４がコーティングされ、第２の端面１ｂには光に対して高い反射率を示す高反射率膜（ＨＲ膜）５がコーティングされている。なお、ここでは図示しないが、半導体発光素子１は、一般的に素子内部に、活性層をｎ型クラッドとｐ型クラッドとで挟んだ多層構造が設けられ、これらの層の重なり合う部分が光導波路２を形成している。

そして、この半導体発光素子１に対する電源供給により放出された光は光導波路２を経由して第１端面１ａ側から出射され、回折格子やミラー等のように入射光の少なくとも一部を同一光軸で逆向きに帰還させる機能を有する光帰還部６に入射され、その帰還光が半導体発光素子１の第１端面１ａ側に戻される。

したがって、半導体発光素子１の高反射率の第２端面１ｂと光帰還部６との間に、両者の位置関係で決まる波長の定在波光が生じることになり、例えば、この帰還光の波長を変えることで、定在波光の波長（外部共振波長）を変化させることができる。

このような外部共振器型の光源に要求される特性の一つとして、波長選択性および効率が高いことが要求され、波長選択性を良くする方法として、第１端面１ａにおける光の反射率を下げて、素子端面間に生起される不要な定在波光を抑圧することが効果的である。

この不要な定在波光を抑圧するために、低反射率膜４の構造を吟味して低反射率膜自体の反射率を下げることは有効であるが、より少ない損失の要求に応えるには限界があった。

これを解決するための技術として、図１８に示す半導体発光素子１′のように、低反射率の第１端面１ａに対して光導波路２′の一端側を斜めに交差させ、低反射率膜４で反射した光が光導波路２′に戻らないようにし、その戻り成分による不要波長の定在波光の生起を抑圧したものが知られている（特許文献１）。

このように光導波路２の一端を低反射率の第１端面１ａに対して斜めに交差させる構成の場合、図１９に示すように、第１端面１ａの法線方向に対する光導波路２の交差角θ１を大きくする程、反射による戻り光の強度を低くすることができる。なお、図１９において、反射による戻り光の強度は、交差角θ１が０°のとき（即ち、第１端面１ａに直交するとき）の強度との比で表している。

米国特許５９７８４００号明細書

しかし、図１８に示しているように、第１端面１ａ側から出射される光の出射角θ２は、光導波路２′の等価屈折率をｎとすると、スネルの法則により、
θ２＝sin ^−１（ｎ・sin θ１）
となる。

ここで、等価屈折率ｎを３とすると、sin θ１は１／３以下の値をとり得るが、反射率を下げるために交差角θ１を極端に大きくする（sin
θ１を１／３に近づける）と出射角θ２が９０度に近づき、光帰還部６のような外部の光学系との結合が困難となる。

また、交差角θ１を大きくするということは、光導波路２′の曲りを急角度あるいは小さな曲率半径にしなければならず、その急な曲り部分での光損失が大きくなってしまう。

本発明は、端面に対する光導波路の交差角を大きくすることなく端面反射率を低くできる半導体発光素子およびそれを用いた外部共振器型レーザ光源を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の半導体発光素子は、
活性層（１４）をｎ型クラッド層（１２）とｐ型クラッド層（１８）とで挟んだ構造を有する光導波路（３０）が、劈開によって形成された第１端面（１０ａ）とその反対側の第２端面（１０ｂ）との間に連続して形成され、前記第１端面側が低反射率に形成された半導体発光素子において、
前記第１端面に対して前記光導波路の一端側が斜めに交差するように形成し、且つ前記ｎ型クラッド層を前記ｐ型クラッド層より屈折率の高い組成で構成したことを特徴とする。

また、本発明の請求項２の半導体発光素子は、請求項１記載の半導体発光素子において、
前記第２端面側が高反射率に形成され、
前記光導波路の他端側が前記第２端面に対して直交していることを特徴とする。

また、本発明の請求項３の半導体発光素子は、請求項１記載の半導体発光素子において、
前記第２端面側が低反射率に形成され、
前記光導波路の他端側が前記第２端面に対して斜めに交差していることを特徴とする。

また、本発明の請求項４の半導体発光素子は、請求項１または請求項２または請求項３記載の半導体発光素子において、
前記ｐ型クラッド層がＩｎＰにより構成され、前記ｎ型クラッド層がＩｎＧａＡｓＰにより構成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項５の外部共振器型レーザ光源は、
活性層（１４）をｎ型クラッド層（１２）とｐ型クラッド層（１８）とで挟んだ構造を有する光導波路（３０）が、劈開によって形成された第１端面（１０ａ）とその反対側の第２端面（１０ｂ）との間に連続して形成され、前記第１端面側が低反射率に形成された半導体発光素子（１０、１０′）と、
前記半導体発光素子の前記光導波路を経由して前記第１端面側から出射された光を受け、その光の少なくとも一部を前記第１端面側に帰還させる光帰還部（５１、５２）とを備え、前記光帰還部による前記半導体発光素子への光帰還により発振する外部共振器型レーザ光源において、
前記半導体発光素子は、
前記光導波路の一端側が前記第１端面に対して斜めに交差するように形成され、且つ前記ｎ型クラッド層が前記ｐ型クラッド層より屈折率の高い組成で構成されていることを特徴とする。

また、本発明の請求項６の外部共振器型レーザ光源は、請求項５記載の外部共振器型レーザ光源において、
前記半導体発光素子の前記第２端面側が高反射率に形成され、前記光導波路の他端側が前記第２端面に直交していることを特徴とする。

また、本発明の請求項７の外部共振器型レーザ光源は、請求項５または請求項６記載の外部共振器型レーザ光源において、
前記半導体発光素子の前記ｐ型クラッド層がＩｎＰにより構成され、前記ｎ型クラッド層がＩｎＧａＡｓＰにより構成されていることを特徴とする。

上記のように、本発明では、劈開によって形成された半導体発光素子の端面のうち、低反射率に形成されている端面に対して内部の光導波路が斜めに交差するように形成されているとともに、光導波路を構成するｎ型クラッド層がｐ型クラッド層より屈折率の高い組成で構成されており、この屈折率の高いｎ型クラッド層により、光導波路内の光のスポットサイズが大きくなり、低反射率の端面に対する光導波路の交差角を大きくすることなく、その端面からの戻り光を抑圧でき、素子単体として発光スペクトラムにおけるリップルの少ない光を外部の光学素子に効率よく供給できる。

また、この半導体発光素子を用いた外部共振器型レーザ光源では、半導体発光素子の低反射率の端面における戻り光が抑圧されているので、光帰還部との間で決まる波長の光を高い波長選択度で発振出力でき、また、半導体発光素子の活性層幅を拡げることが可能となり、外部共振器型レーザ光源としての効率を格段に向上させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した半導体発光素子１０の斜視図、図２はその平面図、図３は一方の素子内部の構造を示す拡大断面図である。

これらの図に示しているように、半導体発光素子１０は、内部に活性層１４をｎ型クラッド層１２とｐ型クラッド層１８とで挟んだ多層構造を有し、これらの層の重なりあった部分からなる光導波路３０が、劈開によって形成され互いに平行に対向する第１端面１０ａと第２端面１０ｂとの間に連続的に設けられている。

第１端面１０ａには、低反射率膜（ＬＲ膜）４１がコーティングされ、第２端面１０ｂには、高反射率膜（ＨＲ膜）４２がコーティングされている。なお、ここでは、第２端面１０ｂ側を高反射率にするために膜をコーティングしているが、膜のコーティングを行わない場合もある。

図２に示しているように、光導波路３０は、第２端面１０ｂに直交し、第２端面１０ｂから第１端面１０ａの近傍まで直線的に延びた直交部３０ａと、直交部３０ａの先端から所定の曲率半径で円弧状に曲る曲り部３０ｂと、曲り部３０ｂの先端から第１端面１０ａまで直線的に延び、第１端面１０ａに対して斜めに交差する斜め交差部３０ｃとにより構成されている。

なお、第１端面１０ａに対する斜め交差部３０ｃの交差角θ１が小さい場合、円弧状の曲り部３０ｂを省略して、直交部３０ａの先端から斜め交差部３０ｃに直接つながるようにしてもよく、また、直交部３０ａと斜め交差部３０ｃとの間を、それらと異なる角度の直線（複数でもよい）で連結してもよい。

さらに、円弧状の曲り部３０ｂの先端を斜め交差部として第１端面１０ａと斜めに交差させてもよい。この場合、第１端面１０ａの法線方向と曲り部３０ｂの先端部の接線方向とのなす角が交差角θ１となる。

一方、この半導体発光素子１０の内部構造は、図１、図３に示しているように、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなる半導体基板１１上に、ｎ型クラッド層１２、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなるＳＣＨ（Separate Confinement Heterostructure 光閉込構造）層１３、ＩｎＧａＡｓＰからなる活性層１４、ＩｎＧａＡｓＰからなるＳＣＨ層１５が順番に積層されている。

ｎ型クラッド層１２、ＳＣＨ層１３、活性層１４、ＳＣＨ層１５はメサ型に形成されている。このメサ型の両側にｐ型ＩｎＰからなる下部埋込層１６およびｎ型ＩｎＰからなる上部埋込層１７が形成されている。

また、ＳＣＨ層１５の上側および上部埋込層１７の上面には、ｐ型ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８が形成され、このｐ型クラッド層１８の上面には、ｐ型コンタクト層１９が形成され、さらにこのｐ型コンタクト層１９の上面には、ｐ電極２０が設けられている。また、半導体基板１１の下面にはｎ電極２１が設けられている。

良好な発振特性を得るために、活性層１４として、一つの均一物質で構成されたバルク構造の他に、図４に示しているように、複数の井戸層１４ａとこの各井戸層１４ａの両側に位置する複数の障壁層１４ｂとを積層したＭＱＷ（Multi Quantuｍ Well 多量子井戸）構造が採用されている。

さらに、このＭＱＷ構造を有した活性層１４の下側に位置するＳＣＨ層１３を複数の層１３ａ、１３ｂ、１３ｃからなる多層構造とし、同様に、活性層１４の上側に位置するＳＣＨ層１５を複数の層１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなる多層構造としている。

なお、上記ｎ型クラッド層１２、ＳＣＨ層１３、１５、活性層１４およびｐ型クラッド層１８の逆台形の下層部は、それぞれが光導波路３０の直交部３０ａ、曲り部３０ｂおよび斜め交差部３０ｃに対応する部分を有しており、これらが重なりあって光導波路３０を形成しているが、光導波路３０としては、ＳＣＨ層１３、１５を有しない構造であってもよい。

活性層１４として、図２に示すように、４層の井戸層１４ａとこの各井戸層１４ａの両側に位置する５層の障壁層１４ｂとを積層した４層のＭＱＷ（多重量子井戸）構造が採用されている。この４層のＭＱＷ構造を有した活性層１４の下側に位置するＳＣＨ層１３を複数の層１３ａ、１３ｂ、１３ｃからなる多層構造とし、同様に、活性層１４の上側に位置するＳＣＨ層１５を複数の層１５ａ、１５ｂ、１５ｃからなる多層構造としている。

図３に示しているように、活性層１４における障壁層１４ｂの屈折率をｎ_ｓ、ｎ型クラッド層１２の屈折率をｎ_ａ、ｐ型クラッド層１８の屈折率をｎ_ｂとする。また、ＳＣＨ層１３を構成する各層１３ａ、１３ｂ、１３ｃの屈折率および厚さをそれぞれｎ_１、ｎ_２、ｎ_３、ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３とし、同様に、ＳＣＨ層１５を構成する各層１５ａ、１５ｂ、１５ｃの屈折率および厚さをそれぞれｎ_１、ｎ_２、ｎ_３、ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３とする。

そして、各屈折率の大小関係は、次のように、活性層１４から遠ざかる程小さくなるように設定され、且つ、ｎ型クラッド層１２は、その屈折率ｎ_ａが、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の屈折率ｎ_ｂより高くなるように、４元素組成のＩｎＧａＡｓＰによって構成されている。

ｎ_ｓ＞ｎ_１＞ｎ_２＞ｎ_３＞ｎ_ａ＞ｎ_ｂ

さらに、この半導体発光素子１０においては、図４に示しているように、各ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、活性層１４からクラッド層１２、１８へ向かう程小さくなるように設定されている。

即ち、
ｎ_ｓ−ｎ_１＞ｎ_１−ｎ_２＞ｎ_２−ｎ_３＞ｎ_３−ｎ_ｂ＞ｎ_３−ｎ_ａ
となるように設定されている。

また、ＳＣＨ層１３、１５を構成する各層１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１５ａ、１５ｂ、１５ｃの厚みｔ_１、ｔ_２、ｔ_３は等しく設定されている。

このように構成された半導体発光素子１０では、ｐ電極２０とｎ電極２１との間に直流電圧を印加すると、活性層１４で光が放出され、光導波路３０内を伝搬して低反射率の第１端面１０ａから出射される。

この場合、図４の屈折率特性に示したように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差が、活性層１４から各クラッド層１２、１８へ向かう程小さくなるように設定されているので、ＳＣＨ層１３、１５内における活性層１４の近傍領域の屈折率の高い領域においては屈折率が急激に低下し、両クラッド層の近傍領域の屈折率の低い領域においては、屈折率が緩慢に低下する。

このため、光導波路３０内で光の集中度を緩和する、即ち、光閉じ込め係数を低くすることができ、内部損失が低下し、スポットサイズが大きくなる。

また、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層１２の屈折率ｎ_ａは、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の屈折率ｎ_ｂより高いので、図５に示しているように、層厚方向の光の分布が、両クラッド層をＩｎＰにしたときの従来素子の特性Ａ′に対して、特性Ａのようにｎ型クラッド層１２側に偏って分布し、また、その分布Ａのスポット径ωｙが広がることが確認されている。

このため、活性層１４およびＳＣＨ層１３、１５における光閉じ込め係数を低くしたことで、キャリアの生成による光吸収の損失を抑え、さらにｐ型クラッドへの光分布を低くしたことで、ｐ型クラッド層１８における価電子帯間光吸収による光損失の増加を抑制することができる。

また、活性層１４とｎ型クラッド層１２との屈折率差が従来のものより小さくなるので、横高次モードを抑圧できる最大の活性層幅も拡大することができる等の理由から、図５のように、活性層幅方向の光の分布特性Ｂのスポット径ωｘが、両クラッド層がＩｎＰからなる従来素子の特性Ｂ′のものより大きくできることが確認されている。

このように価電子帯間光吸収による光損失の増加を抑制しながら、スポットサイズを大きくしたことで、第１端面１０ａにおける反射率を格段に下げることができ、上記したような小さな交差角θ１でより低い反射率を実現できる。

即ち、斜め端面による戻り光の導波路結合効率ηは、
η＝exp （−４π^２ω^２θ１^２／λ^２）
で表されるため、スポットサイズωを大きくすることで、交差率θ１を拡げることなく、結合効率ηを低くすることができる。

図６は、交差角θ１に対する戻り光強度（交差角０゜の戻り光強度を１に規格化したもの）および出射角度θ２の関係を、スポットサイズωをパラメータとして表したものである。なお、この例では、ω＝ωｘ＝ωｙ、つまりスポットが真円とするが、楕円の場合もある。

図６に示しているように、スポットサイズωが１μｍで、交差角θ１が６゜の場合の戻り光強度はほぼ０．４であるのに対し、同じ交差角θ１＝６°であっても、スポットサイズωが１．５μｍまで広がると、戻り光強度をほぼ１／４の０．１３まで下げることができ、２μｍまで広がると、戻り光強度を１／１６のほぼ０．０２５まで下げることができる。

また、交差角θ１＝６゜、スポットサイズωが１μｍのときの戻り光強度０．４と同等の戻り光強度を、ビームスポット幅ω＝１．５μｍ、交差角θ１＝４°で実現でき、スポットサイズω＝２μｍ、交差角θ１＝３°で実現できる。

よって、交差角を大きくすることなく、より低い反射率（例えば全体として０．０１パーセント）が得られ、素子単体として発光させた場合に両端面間の反射によって生じるスペクトラムの周期的変動（リップル）の幅を格段に小さくすることができ、外部共振型レーザ光源として用いた場合には、その波長選択性が格段に向上する。また、出射角も小さくて済むので、外部光学系への結合が容易となる。

また、ｐ型クラッド層１８の厚さを増加させる必要がなく、素子抵抗値の増加による光出力の低下を招く恐れもない。

なお、ここでは、活性層１４およびＳＣＨ層１３、１５における光の閉じ込め係数を低減するための一つの方法として、ＳＣＨ層１３、１５を構成する各層の隣接するもの同士の屈折率差が活性層１４から遠くなる程小さくなるように設定し、各層の厚さを等しくしていたが、図７に示すように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差を等しくし、各層１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃの厚みｔ_１、ｔ_２、ｔ_３を活性層１４から遠いものほど大きくなるように設定してもよい。

即ち、
ｎ_ｓ−ｎ_１＝ｎ_１−ｎ_２＝ｎ_２−ｎ_３＝ｎ_３−ｎ_ｂ
＞ｎ_３−ｎ_ａ
ｔ_１＜ｔ_２＜ｔ_３
となるように設定してもよい。

また、図８に示すように、ＳＣＨ層１３、１５を構成する隣接する層相互間の屈折率差が活性層１４から遠くなる程小さくなり、しかも、各層１３ａ〜１３ｃ、１５ａ〜１５ｃの厚みｔ_１、ｔ_２、ｔ_３を活性層１４から遠いものほど大きくなるように設定してもよい。

即ち、
ｎ_ｓ−ｎ_１＞ｎ_１−ｎ_２＞ｎ_２−ｎ_３＞ｎ_３−ｎ_ｂ＞ｎ_３−ｎ_ａ
ｔ_１＜ｔ_２＜ｔ_３
となるように設定してもよい。

次に、上記した図８の構成の半導体発光素子の各部の屈折率、厚さについて具体的な数値例とその特性を示す。

素子長２．３ｍｍ、端面の一方がＨＲ膜、他方がＬＲ膜、活性層幅２．５μｍとする。

また、各屈折率を組成波長で表し、以下のように設定した。なお、ｐ型クラッド層１８は組成が決まっているＩｎＰによって構成されているので、その組成波長ｎ_ｂは一義的に０．９２５μｍとなる。

ｎ_ｓ＝１．２μｍ
ｎ_１＝１．１５μｍ
ｎ_２＝１．０８μｍ
ｎ_３＝０．９９μｍ
ｎ_ａ＝０．９５μｍ

また、各層の厚さを以下のように設定した。
ｔ_１＝３．０ｎｍ
ｔ_２＝８．０ｎｍ
ｔ_３＝２５ｎｍ

また、ｎ型クラッド層１２の厚さは約７．５μｍとしているが、４元素組成であるＩｎＧａＡｓＰを格子間間隔を合わせてこのような大きな厚さに形成することは通常は困難であり、特に組成波長０．９５μｍの場合、ＧａとＡｓの割合がＩｎやＰに対して微量となってさらに困難さが増すが、希釈原料の導入や各ガスの流量と成長速度の制御によってこれを実現している。

以下、上記半導体発光素子１０の製造工程の一例を説明する。
先ず始めに、不純物濃度１〜２×１０^１８／ｃｍ^３のｎ型ＩｎＰの半導体基板１１上に、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いて、層厚が７．５μｍで不純物濃度が１〜２×１０^１８／ｃｍ^３、組成波長０．９５μｍのＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層１２を形成する。

次いで、組成波長が０．９９μｍ、１．０８μｍ、１．１５μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰをそれぞれ２５ｎｍ、８ｎｍ、３ｎｍの厚さで積層して、ＳＣＨ層１３を形成する。

そして、ＳＣＨ層１３の上に、ＩｎＧａＡｓＰの井戸層１４ａとＩｎＧａＡｓＰの障壁層１４ｂを交互に成長し、井戸層数４の多重量子井戸構造の活性層１４を形成する。

次に、活性層１４の上に、組成波長が１．１５μｍ、１．０８μｍ、０．９９μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰをそれぞれ３ｎｍ、８ｎｍ、２５ｎｍの厚さで積層して、ＳＣＨ層１５を形成する。

そして、ＳＣＨ層１５の上に不純物濃度が５〜７×１０^１７／ｃｍ^３で厚さ０．５μｍのＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の下層部を成長する。

その後、プラズマＣＶＤ法等により全面にＳｉＮｘ膜を数１０ｎｍ程度堆積し、これをフォトリソグラフィ工程で幅７μｍ程度のストライプ状に形成したものをエッチングマスクとして、塩酸、過酸化水素水、水の混合液からなるエッチング溶液に浸し、メサ形状を形成する。これにより活性層部分の幅はおよそ２．５μｍとなる。

続いて、前記ＳｉＮｘ膜を成長阻害マスクに利用して、ＭＯＶＰＥ法により、ｐ型ＩｎＰの下部埋込層１６、ｎ型ＩｎＰの上部埋込層１７を積層して、メサ両側部を埋め込んだ後、ＳｉＮｘ膜を除去する。

その後全面に不純物濃度５〜７×１０^１７／ｃｍ^３のＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８の上層部を２．５μｍ成長し、さらに、不純物濃度５×１０^１８／ｃｍ^３程度のＩｎＧａＡｓのｐ型コンタクト層１９を０．３μｍ成長する。

なお、上記ｎ型クラッド層１２、ＳＣＨ層１３、１５、活性層１４およびクラッド層１８の逆台形の下層部は、それぞれが光導波路３０の直交部３０ａ、曲り部３０ｂおよび斜め交差部３０ｃに対応する部分を有しており、これらが重なりあって光導波路３０を形成する。

そして、ｐ型コンタクト層１９の上面にｐ電極２０を形成し、半導体基板１１の下側にｎ電極２１を形成した後、長さ２．３ｍｍで劈開によって切り出し、その一方の第１端面１０ａに低反射率膜（ＬＲ膜）４１、反対側の第２端面１０ｂに高反射率膜（ＨＲ膜）４２をコーティングすることにより、上記半導体発光素子１０が完成する。

ここで、上記した半導体発光素子１０のように、光導波路３０のち、第１端面１０ａに斜めに交差する部分（斜め交差部３０ｃ）を直線状にした場合、劈開位置が素子の長さ方向に多少ずれても、交差角θ１は変化しないという利点がある。

図９に実線で示した特性Ｓは、上記構成の半導体発光素子１０を、素子長０．９ｍｍで作製し、素子単体でＳＬＤ（スーパールミネッセントダイオード）として動作させたときの発光スペクトラムの特性である。また、破線で示した特性Ｓ′は、ｎ型クラッド層１２の代わりに屈折率がｐ型クラッド層１８と等しい従来のｎ型クラッド層を用いた活性層幅２μｍの半導体発光素子の発光スペクトラムである。

この図９から、波長の変化に対するスペクトラムの変化幅（リップルの大きさ）は、従来の素子に比べて、２ｄＢから０．５ｄＢへと大幅に低減していることが判る。このリップルの低減は、活性層幅の拡大（スポットサイズの拡大）により端面反射率が１／１０以下に低減された効果によるものである。また、この効果により外部共振器レーザ光源として動作させる際の波長選択性も格段に向上する。

なお、前記した半導体発光素子では、ｎ型の半導体基板１１上に各層を形成した例を示したが、図１０に示すように、ｐ型の半導体基板１１′上に各層を形成した半導体発光素子においても、そのｎ型クラッド層１２を、ＩｎＰからなるｐ型クラッド層１８より屈折率が高い４元組成のＩｎＧａＡｓＰによって構成することで、上記同様の効果を得ることができる。

また、上記した各半導体発光素子では、ＳＣＨ層１３の最も外側の層１３ｃの組成波長を、ＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層１２の組成波長より長くしていたが、図１１に示すように、ＳＣＨ層１３の最も外側の層１３ｃの組成波長をＩｎＧａＡｓＰからなるｎ型クラッド層１２の組成波長より短くしてもよい。

また、上記した半導体発光素子では、ｎ型クラッド層１２を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長を０．９５μｍとしていたが、これは本発明を限定するものではない。ただし、活性層への光閉じ込め係数にもよるが、一般的にＩｎＧａＡｓＰの組成波長を０．９７μｍより大きくすると、導波光はこのｎ側クラッドの影響を強く受け過ぎて、導波モードが存在できなくなるので、ｎ型クラッド層１２を構成するＩｎＧａＡｓＰの組成波長は０．９７μｍ以下にするのが望ましい。

また、上記した各半導体発光素子では、活性層１４の両側にＳＣＨ層１３、１５が設けられていたが、図１２に示すように、ＳＣＨ層１３、１５が設けられておらず、活性層１４の両側に両クラッド層１２、１８が隣接している半導体発光素子や、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の他の半導体発光素子についても本発明を同様に適用できる。

図１３は、上記構成の半導体発光素子１０を用いた外部共振器型レーザ光源５０の概略構成を示すものであり、半導体発光素子１０の第１端面１０ａ側に、光帰還部として回折格子５１およびその回折格子５１を回動させる回動装置５２を配置した構成を有している。ただし、半導体発光素子１０と回折格子５１の間のコリメートレンズは図示していない。

この外部共振器型レーザ光源５０では、上記構成の半導体発光素子１０の低反射率の第１端面１０ａ側から出射された光を回折格子５１の回折面５１ａで受けてその回折光を第１端面１０ａ側に帰還させ、半導体発光素子１０の高反射率の第２端面１０ｂから光導波路３０を経由して回折格子５１の回折面５１ａに至る光路長（素子内の屈折率を考慮した実効長）と、回折格子５１の回折面５１ａの角度とによって一義的に決まる波長の光を発振させる。

そして、回折格子５１の角度、即ち回折面５１ａの角度を回動装置５２によって変えることにより発振する光の波長を可変している。なお、光源としての出射光は、例えば、第１端面１０ａ側と回折格子５１との間に光分岐手段（図示せず）を設けてその分岐光を用いる。

このように構成された外部共振器型レーザ光源５０では、前記したように、スポットサイズが広い半導体発光素子１０を用いているため、第１端面１０ａにおける光の出射角を大きくすることなく端面反射率を下げることができ、光帰還部としての回折格子５１との光学的な結合が容易となる。また、半導体発光素子１０の端面反射率が低いため、光帰還部との間で発振する光の波長選択性が高くなる。また、ｐ型クラッド層よりｎ型クラッド層の屈折率を高くしていることにより価電子帯間吸収による損失が小さくなり、且つ広い活性層幅による供給電流に対する抵抗値の減少により、高効率の外部共振器型レーザ光源を実現できる。

図１４は、上記構成の外部共振器型レーザ光源５０の供給電流対出力の特性を示している。この図１４において、特性Ｆは上記した活性層幅２．５μｍの半導体発光素子１０を用いた場合の特性であり、特性Ｆ′は活性層幅２μｍでｎ型クラッド層１２の屈折率がｐ型クラッド層１８と等しい従来の半導体発光素子を用いた場合の特性を示している。

この図１４から明らかなように、特性Ｆの傾きは特性Ｆ′より大きくなっており、しかも、出力飽和点も格段に高くなっている。特性Ｆの傾きが特性Ｆ′より大きくなっているのは、前記した素子自体の価電子帯吸収による損失が減少したことに起因しており、また、出力飽和点が高くなっているのは、広い幅の活性層により抵抗値が下がり、発熱量が小さくなったことによる。

なお、上記例では、半導体発光素子１０の第１端面１０ａのみが低反射率である場合について説明したが、図１５の（ａ）、（ｂ）に示す半導体発光素子１０′のように、第２端面１０ｂ側にも低反射率膜４１を設け、両端面１０ａ、１０ｂに対して光導波路３０′の両端が交差角θ１（あるいは互いに異なる交差角）で交差するように構成してもよい。

ここで、図１５の（ａ）の半導体発光素子１０′の光導波路３０′は、中央の直線部３０ｄが両端面１０ａ、１０ｂに直交する直線に沿って形成され、その一端側に曲り部３０ｂと斜め交差部３０ｃが形成され、他端側にも曲り部３０ｅと斜め交差部３０ｆが点対象に形成され、両斜め交差部３０ｃ、３０ｆが両端面１０ａ、１０ｂにそれぞれ同一交差角θ１で交差している。

また、図１５の（ｂ）の半導体発光素子１０′の光導波路３０′は、全体が直線で両端面１０ａ、１０ｂに同一交差角θ１で交差している。

上記のように両端が低反射率の半導体発光素子１０′は、低損失の光導波器、光増幅器等として利用でき、また、光を帰還するための固定の帰還部を外部に設けることで、外部共振器型レーザ光源にも使用できる。

図１６は、上記図１５の（ｂ）の半導体発光素子１０′を用いた外部共振器型レーザ光源５０′の構成例であり、第２端面１０ｂ側から出射される光を固定の帰還部としてのミラー５３の反射面５３ａで受けて第２端面１０ｂ側に帰還させる構成とし、このミラー５３から半導体発光素子１０′の光導波路３０′を経由して回折格子５１の回折面５１ａに至る光路長と、回折格子５１の角度とによって決まる波長の光を発振させる。

また、前記した外部共振器型レーザ光源５０、５０′では、外部共振波長を可変するための光帰還部を回動自在な回折格子５１により構成していたが、光帰還部としては、ミラーとフィルタを用いる構造でもよく、また、半導体発光素子１０の第１端面１０ａ側から出射された光を固定の回折格子で受け、その回折光を回折格子に対向する回動ミラーで受けて回折格子に再入射し、その再入射光に対する回折光を半導体発光素子１０へ戻す構造にしてもよい。

また、光帰還部としては、上記のような可動型だけでなく、供給される電気信号の変化あるいは周囲温度の変化等により屈折率等の光学特性を変化させる素子を用いてもよく、また、狭線幅光源やモードロック光源のように波長を可変しない外部共振器型レーザ光源の場合には、光学特性が変化しない素子により帰還部を構成することができる。

また、前記した半導体発光素子は、長波長系の素子であったが、例えばＡｌＧａＡｓ（アルミガリウム砒素）等の短波長系の素子についても本発明を同様に適用できる。

即ち、ｎ型ＧａＡｓの基板上に、ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓの活性層と、その活性層を挟むＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＰのｐ型クラッド層と、そのｐ型クラッド層より屈折率が高い組成のＡｌＧａＡｓまたはＩｎＧａＰのｎ型クラッド層（この場合３元組成）からなる多層構造を有し、これらの層が重なり合った部分で光導波路を形成し、その光導波路のうち、少なくとも低反射率に形成されている端面に対して斜めに交差させる。

本発明の実施形態の斜視図 本発明の実施形態の平面図 実施形態の内部の拡大断面図 実施形態の各層の屈折率特性を示す図 実施形態の光の分布特性を示す図 交差角およびビームスポット幅に対する反射率の変化を表す図 他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図 他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図 実施形態の素子単体のスペクトラム特性を示す図 ｐ型基板上に構成した例を示す図 他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図 他の実施形態の各層の屈折率特性を示す図 本発明の半導体発光素子を用いた外部共振器型レーザ光源の概略構成図 図１３の外部共振器型レーザ光源の供給電流対出力の特性を示す図 半導体発光素子の他の構成例を示す図 図１５の半導体発光素子を用いた外部共振器型レーザ光源の概略構成図 従来の半導体発光素子の平面図 端面に対して光導波路を斜めに交差させた半導体発光素子の平面図 交差角と戻り光強度との関係を示す図

符号の説明

１０、１０′……半導体発光素子、１０ａ、１０ｂ……端面、１１、１１′……半導体基板、１２……ｎ型クラッド層、１３、１５……ＳＣＨ層、１４……活性層、１６、１７……埋込層、１８……ｐ型クラッド層、１９……ｐ型コンタクト層、２０……ｐ電極、２１……ｎ電極、３０……光導波路、４１……低反射率膜、４２……高反射率膜、５０、５０′……外部共振器型レーザ光源、５１……回折格子、５１ａ……回折面、５２……回動装置、５３……ミラー、５３ａ……反射面

Claims (7)

1. 活性層（１４）をｎ型クラッド層（１２）とｐ型クラッド層（１８）とで挟んだ構造を有する光導波路（３０）が、劈開によって形成された第１端面（１０ａ）とその反対側の第２端面（１０ｂ）との間に連続して形成され、前記第１端面側が低反射率に形成された半導体発光素子において、
   前記第１端面に対して前記光導波路の一端側が斜めに交差するように形成し、且つ前記ｎ型クラッド層を前記ｐ型クラッド層より屈折率の高い組成で構成したことを特徴とする半導体発光素子。
2. 前記第２端面側が高反射率に形成され、
   前記光導波路の他端側が前記第２端面に対して直交していることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
3. 前記第２端面側が低反射率に形成され、
   前記光導波路の他端側が前記第２端面に対して斜めに交差していることを特徴とする請求項１記載の半導体発光素子。
4. 前記ｐ型クラッド層がＩｎＰにより構成され、前記ｎ型クラッド層がＩｎＧａＡｓＰにより構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２または請求項３記載の半導体発光素子。
5. 活性層（１４）をｎ型クラッド層（１２）とｐ型クラッド層（１８）とで挟んだ構造を有する光導波路（３０）が、劈開によって形成された第１端面（１０ａ）とその反対側の第２端面（１０ｂ）との間に連続して形成され、前記第１端面側が低反射率に形成された半導体発光素子（１０、１０′）と、
   前記半導体発光素子の前記光導波路を経由して前記第１端面側から出射された光を受け、その光の少なくとも一部を前記第１端面側に帰還させる光帰還部（５１、５２）とを備え、前記光帰還部による前記半導体発光素子への光帰還により発振する外部共振器型レーザ光源において、
   前記半導体発光素子は、
   前記光導波路の一端側が前記第１端面に対して斜めに交差するように形成され、且つ前記ｎ型クラッド層が前記ｐ型クラッド層より屈折率の高い組成で構成されていることを特徴とする外部共振器型レーザ光源。
6. 前記半導体発光素子の前記第２端面側が高反射率に形成され、前記光導波路の他端側が前記第２端面に直交していることを特徴とする請求項５記載の外部共振器型レーザ光源。
7. 前記半導体発光素子の前記ｐ型クラッド層がＩｎＰにより構成され、前記ｎ型クラッド層がＩｎＧａＡｓＰにより構成されていることを特徴とする請求項５または請求項６記載の外部共振器型レーザ光源。

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