以下、添付図面を参照して、本発明の利� ��結合(GC)型の分布帰還型半導体レーザ素子(DF Bレーザ素子)を説明する。なお、添付図面は� ��本発明が理解できる程度に、各構成の形状� ��大きさ、及び配置を概略的に示してある。� ��た、以下に説明する数値的及びその他の条� ��は、単なる好適例にすぎず、本発明は、以� ��に説明される又は図示される例にのみ限定� ��れるものではない。

 本発明のGC型のDFBレーザ素子は、半導体� �板と、この半導体基板の1つの面側に形成さ� ��た導波路層及び活性層と、導波路層の1つの 面に形成され、光の導波方向に利得が周期的 に変化する回折格子構造とを備え、活性層は 、導波路層に隣接して配置されている。そし て、導波路層のバンドギャップ波長は、活性 層の発振波長の±0.1μm以内であり、導波路層� ��厚みは、5nm~30nmの範囲内であり、活性層の� �は、0.7μm~1.0μmの範囲内に形成されている。� ��えば、導波路層は、InGaAsP導波路層であり、 活性層は、InGaAsPバリア層とInGaAsPウェル層と� ��交互に積層された層である。

 一般的な形態において、InGaAsP導波路層は 、半導体基板であるInP基板上に形成され、活 性層は、InGaAsP導波路層上に形成され、利得� �周期的に変化する回折格子構造は、InP基板� �InGaAsP導波路層との境界を含む構造である。

 また、他の形態において、活性層は、半� ��体基板であるInP基板上に形成され、InGaAsP導 波路層は、活性層上に形成され、InGaAsP導波� �層上には、InP半導体層が形成され、利得が� �期的に変化する回折格子構造は、InGaAsP導波� ��層とInP半導体層との境界を含む構造である� ��

《第1の実施形態》
 図1(A)は、本発明の第1の実施形態に係るDFB� �ーザ素子の構造を概略的に示す一部切欠斜� �図であり、図1(B)は、第1の実施形態に係るDFB レーザ素子をメサストライプ方向に対して直 角な方向に切った半導体積層層のみを概略的 に示す部分断面図である。図1(A)及び(B)にお� �ては、DFBレーザ素子の構造の理解を容易に� �るために、断面部分にハッチングを描いて� �ない。このDFBレーザ素子は、発振波長を1.3μ mとしたGC型のDFBレーザ素子である。

 図1(A)に示されるように、第1の実施形態に� �るGC型のDFBレーザ素子10は、半導体基板100と� ��この半導体基板100の1つの面上に形成された 導波路層104と、導波路層104上に形成された活 性層106と、光の導波方向(図1(A)における方向D _L )に利得が周期的に変化する回折格子構造102� �有している。利得が周期的に変化する回折� �子構造102は、半導体基板100と導波路層104と� �境界を含む構造である。半導体基板100は、� �えば、n-InP基板である。導波路層104は、表面 が平坦化された、例えば、InGaAsP導波路層104� �ある。活性層106は、例えば、InGaAsP導波路層1 04上に、InGaAsPバリア層とInGaAsPウェル層とが� �互に積層された多重量子井戸(Multi Quantum Wel l:MQW)活性層106である。さらに、MQW活性層106上 に、p-InPクラッド層108とp-InGaAsコンタクト層11 0とが順に形成されている。第1の実施形態に� ��いては、導波路層104のバンドギャップ波長� ��、活性層106の発振波長の±0.1μm以内であり� �導波路層104の厚みは、5nm~30nmの範囲内であり 、活性層106の幅は、0.7μm~1.0μmの範囲内であ� �。

 また、図1(B)に示されるように、これら順次 形成された回折格子構造102からMQW活性層106ま でを含む半導体積層領域は、長手方向(図1(A)� ��おける方向D _L 、すなわち、図1(B)が描かれた紙面に垂直な� �向)に延びるメサストライプ形状に加工され� ��そのメサストライプ111の両外側に、p-InP層11 2及びn-InP層114が順次積層されてなる電流ブロ ック層116が埋め込まれている。なお、各半導 体積層層は、有機金属気相成長(Metal Organic V apor Phase Epitaxy:MOVPE)法によって形成される。 このように、第1の実施形態に係るGC型のDFBレ ーザ素子10の構造は、埋め込みヘテロ(Buried H etero:BH)構造となっている。

 また、図1(A)に示されるように、メサスト ライプ111の両外側の電流ブロック層116を含む 領域には、最上層のp-InGaAsコンタクト層110か� ��n-InP基板100の表面の一部分までエッチング� �去されたチャネル118aと118bとから成るダブル チャネル118が加工形成されている。

 また、図1(A)に示されるように、p-InGaAsコ� ��タクト層110上には、窒化シリコン膜120のコ� ��タクトホール122において、p-InGaAsコンタク� �層110とオーミック接触するAuZnから成るp側オ ーミック電極124が形成されている。p側オー� �ック電極124の一部は、窒化シリコン膜120上� �チャネル118aの外側まで延びている。また、n -InP基板100の裏面側は、エッチングを行い薄� �化した後、AuGeNi/Auから成るn側オーミック電� ��126が形成されている。

 また、第1の実施形態に係るDFBレーザ素子 10は、所望のレーザ素子の共振器長を決め、� ��サストライプ111の長手方向に垂直な端面を� ��るための劈開を行い、このレーザ素子の両� ��面の反射率を制御するための端面コーティ� ��グ処理を施すことによって、形成されてい� ��。第1の実施形態においては、共振器長は350 μmであり、端面コーティング処理された両端 面の発振波長に対する反射率は、出射端面側 で1%であり、後方端面側で80~90%である。

 既に述べたように、第1の実施形態に係るDFB レーザ素子10の特徴は、導波路層104のバンド� ��ャップ波長が、その上層として形成された� ��性層106の発振波長の±0.1μm以内であり、こ� �導波路層104の厚みT ₁₀₄ が、5nm~30nmの範囲内であり、及び、活性層106� ��幅W ₁₀₆ が、0.7μm~1.0μmの範囲内である点にある。

 そこで、第1の実施形態におけるInGaAsP導波� �層104のバンドギャップ波長及び厚みT ₁₀₄ を、第1の実施形態に係る発振波長1.3μmのGC型 のDFBレーザ素子10の相対強度雑音(RIN)を、非� �許文献1に記載されている方法と同様な方法� ��より測定した。図2(A)、図2(B)及び図2(C)は、� ��の測定結果を説明するための図である。

 図2(A)は、RINと伝送後のパワーペナルティ ー(受信感度劣化)の関係を示す図であり、パ� ��ーペナルティーはRINの値に依存する。図2(A) において、横軸はRINの値を単位dB/Hzで示し、� ��軸はパワーペナルティーの値を単位dBで示� �ている。通常、1.3μm帯の光通信では、RINの� �は-120dB/Hz以下が望ましいとされている。し� �がって、図2(A)から、望ましいパワーペナル� ��ィーの値は、約0.2dB以下となる。

 また、図2(B)は、InGaAsP導波路層104のバン� �ギャップ波長と、実際の使用条件、すなわ� �、上述のGE-PONシステム仕様である反射戻り� �として-15dBの外部反射がある条件として、第 1の実施形態に係るDFBレーザ素子10の出射端面 に反射戻り光を-15dBの強度で入射した状態で� ��RINとの関係を示す図である。図2(B)において 、横軸はInGaAsP導波路層104のバンドギャップ� �長を単位μmで示し、縦軸は第1の実施形態に� ��るDFBレーザ素子10のRINの値を単位dB/Hzで示し ている。図2(A)の説明においては、RINの値は-1 20dB/Hz以下が望ましいと説明したが、図2(B)及� ��(C)の説明においては、実際測定されるRINの� ��のバラツキを考慮し、標準偏差σが1.7dB/Hz程 度と仮定して、3σ(3シグマ範囲)が-120dB/Hzを超 えない条件を、好適な条件としている。この ため、図2(B)及び(C)の説明においては、RINの� �を-125dB/Hz以下とする条件を、好適な条件と� �ている。

 図2(B)に示される測定結果から、RINの値を -125dB/Hz以下とする条件を満足するInGaAsP導波� �層104のバンドギャップ波長の範囲は、1.2μm~1 .4μmの範囲内であり、また、第1の実施形態に 係るDFBレーザ素子10の発振波長1.3μmの±0.1μm� �内になっている。

 一方、図2(C)は、InGaAsP導波路層104の厚みT ₁₀₄ と、上述した実際の使用条件で強制的に第1� �実施形態に係るDFBレーザ素子10の出射端面に 反射戻り光を-15dBの強度で入射した状態でのR INの関係を示す図である。図2(C)において、横 軸はInGaAsP導波路層104の厚みT ₁₀₄ を単位nmで示し、縦軸は第1の実施形態に係る DFBレーザ素子10のRINの値を単位dB/Hzで示して� �る。図2(C)に示される測定結果から、RINの値� ��好適条件である-125dB/Hz以下とする条件を満� ��するInGaAsP導波路層104の厚みT ₁₀₄ の範囲は、5nm~30nmの範囲である。InGaAsP導波路 層104の厚みT ₁₀₄ の最小値は、回折格子102の深さが5nm~20nm程度� ��あるという理由、及び、InGaAsP導波路層104上 のMQW活性層106を平坦にするためには、InGaAsP� �波路層104の厚みは最低限5nm以上必要である� �いう理由からも制限される。

 第1の実施形態に係るDFBレーザ素子10におい� ��は、回折格子構造102の深さを決め、結合係� ��κの値を40~60cm ^-1 程度とし、レーザ素子の共振器長をL(cm)とし� ��とき、規格化結合係数κLの値が1~2程度とな� ��ように、MQW活性層106及びInGaAsP導波路層104の 最適化を行った。また、κ=κ _r +iκ _i で表される結合係数κの虚数成分κ _i の絶対値と実数成分κ _r の絶対値の比、すなわち、
|κ _i |/|κ _r |が、0.01~0.1程度となるように、MQW活性層106及 びInGaAsP導波路層104の最適化を行った。

 上述したように、第1の実施形態に係るDFBレ ーザ素子10において、反射戻り光の影響を低� ��するために、回折格子102上のInGaAsP導波路層 104のバンドギャップ波長及び厚みT ₁₀₄ を最適化させた。

 既に説明したように、GC型のDFBレーザ素子� �おいては、回折格子構造を、利得(又は損失) を周期的に変化させる構造によって形成して いるために、実際の使用条件を満足する出力 特性を得ることが難しかった。そこで、本発 明においては、GC型のDFBレーザ素子の出力特� ��を改善させるため、図1(B)に示したMQW活性層 106の幅W ₁₀₆ であるメサストライプ111の幅W ₁₁₁ も最適化している。

 第1の実施形態に係るDFBレーザ素子10におけ� ��、MQW活性層106の幅W ₁₀₆ であるメサストライプ111の幅W ₁₁₁ と出力特性の一つである高温(85℃での)動作� �の閾値電流の関係を図3に示す。図3において 、横軸はメサストライプ111の幅W ₁₁₁ を単位μmで示し、縦軸は第1の実施形態に係� �DFBレーザ素子10の85℃における閾値電流I _t85 を単位mAで示している。

 図3から、通常の使用条件を考慮した場合、 85℃程度の高温の動作時においても閾値電流I _t85 の値は25mA以下が望まれている。この要求は� �メサストライプ111の幅W ₁₁₁ を1.0μm以下にすることによって達成すること ができる。なお、図3に示される測定結果は� �活性層の構造や共振器長等による影響を受� �るため、他の実施形態にはそのまま当ては� �らないが、メサストライプの幅と閾値電流� �の関係は、他の実施形態においても同様の� �向を示す。

 また、図3に示される測定結果は、光の閉じ 込めの減少による閾値電流の増加を考慮して いない。実際には、メサストライプ111の幅W ₁₁₁ の値が小さすぎると閾値電流は増加すること 、及び、メサストライプ111の幅W ₁₁₁ の値が小さすぎるとメサストライプ111部分が 折れやすくなり製造プロセスの再現性や歩留 りが悪くなることから、メサストライプ111の 幅W ₁₁₁ の値は、0.7μm以上であることが望ましい。

 以上の結果から、メサストライプ111の幅W ₁₁₁ の値の好適な範囲、すなわち、第1の実施形� �に係るDFBレーザ素子10におけるMQW活性層106の 幅W ₁₀₆ は、0.7μm~1.0μmの範囲内が好適である。

 上述の説明から明らかなように、第1の実施 形態に係るDFBレーザ素子10は、反射戻り光の� ��響低減に対しては回折格子102上のInGaAsP導波 路層104のバンドギャップ波長及び膜厚T ₁₀₄ を最適化させ、そのために生じた出力特性の 劣化を、メサストライプ111の幅W ₁₁₁ 、すなわち、活性層106の幅W ₁₀₆ を最適化することにより改善している。

 最適化された実施形態に係るDFBレーザ素� ��10の特性は、規格化結合係数κLの値が1.3で� �り、動作温度0℃~90℃の範囲で単一縦モード� ��CW発振(連続発振)を示した。また、最適化さ れた実施形態に係るDFBレーザ素子10において� ��閾値電流及びスロープ効率は、25℃におい� �4.5mA及び0.44W/Aを示し、85℃において19.2mA及び 0.20W/Aを示した。また、最適化された実施形� �に係るDFBレーザ素子10において、発振主モー ドと副モードとの比を表すサイドモード抑圧 比(Side Mode Suppression Ratio:SMSR)は、90℃で15mW� �上の出力においても40dB以上を示し、高温下� ��いても安定した単一縦モードの発振特性が� ��られている。

《第2の実施形態》
 図4は、本発明の第2の実施形態に係るDFBレ� �ザ素子10aの構造を概略的に示す断面図であ� �。図4に示されるように、第2の実施形態に係 るGC型のDFBレーザ素子10aは、半導体基板100aと 、この半導体基板100aの1つの面上に形成され� ��活性層106aと、この活性層106a上に形成され� �導波路層104aと、この導波路層104a上に形成さ れた半導体層107aと、光の導波方向(図2におけ る方向D _L )に利得が周期的に変化する回折格子構造102a� ��有している。利得が周期的に変化する回折� ��子構造102aは、導波路層104aと半導体層107aと� ��境界を含む構造である。半導体基板100aは、 例えば、n-InP基板である。活性層106aは、例え ば、InGaAsPバリア層とInGaAsPウェル層とが交互� ��積層されたMQW活性層である。導波路層104aは 、例えば、InGaAsP導波路層である。半導体層10 7aは、例えば、InP半導体層である。また、InP� ��導体層107a上には、p-InPクラッド層108aとp-InGa Asコンタクト層110aとが順に形成されている。 さらに、導波路層104aのバンドギャップ波長� �、活性層106aの発振波長の±0.1μm以内であり� �導波路層104aの厚みは、5nm~30nmの範囲内であ� �、活性層106aの幅は、0.7μm~1.0μmの範囲内であ る。

 第2の実施形態に係るDFBレーザ素子10aは、 各層の配置の順番が、第1の実施形態に係るDF Bレーザ素子10と異なるが、回折格子構造とMQW 活性層が積層して形成されている点において 共通している。このため、第2の実施形態に� �るDFBレーザ素子10aにおいても、第1の実施形� ��に係るDFBレーザ素子10の場合と同様の条件� �適用することによって、同様の効果を得る� �とができる。

 なお、第2の実施形態において、上記以外 の点は、第1の実施形態の場合と同じである� �

《変形例》
 以上の説明においては、半導体基板としてn -InP基板を使用している場合を説明したが、� �発明はこのような態様に限定されず、n-InP基 板に代えてp-InP基板を用い、且つ、InP基板上� ��積層体の伝導型を逆にする態様にも適用す� ��ことができる。

 また、以上の説明においては、回折格子� ��周期を均一構造とした場合を説明したが、� ��発明はこのような態様に限定されず、λ/4シ フト構造の回折格子構造においても、本発明 は適用可能である。

 さらに、以上の説明においては、発振波� ��を1.3μm帯のGC型のDFBレーザ素子について述� �たが、本発明はこのような態様に限定され� �、他の発振波長帯、例えば、1.55μm帯あるい� ��1.49μm帯のGC型のDFBレーザ素子についても、� ��発明は適用可能である。

 さらにまた、以上の説明においては、BH構� �のGC型のDFBレーザ素子について述べたが、本 発明はこのような態様に限定されず、リッジ 導波路型のGC型のDFBレーザ素子についても、� ��発明は適用可能である。