JP2008219050A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】
キンク発生の原因である高次モードの発生を防ぐことのできる半導体レーザを提供する。
【解決手段】
リッジ型あるいは埋め込みリッジ型の屈折率導波構造を有する半導体レーザにおいて、ｎ−ＧａＡｓ基板１２と、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に配置されており、屈折率が基板から離れるにつれて増加するｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層１０ａと、下クラッド層１０ａ上に配置された活性層７ａと、活性層７ａ上に配置されており、屈折率が上記活性層から離れるにつれて減少する、その上部がリッジ形状を有するｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層４ａとを備え、下クラッド層１０ａの禁制帯幅と上クラッド層４ａの禁制帯幅とを、活性層７ａの禁制帯幅よりも大きくし、ｎ−ＧａＡｓ基板１２の高さ方向において、光強度分布が活性層を中心として基板側にシフトするように、下クラッド層１０ａと上クラッド層４ａとの屈折率分布を非対称とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は半導体レーザに関し、特に、情報処理あるいは光通信等の光源として用いられる半導体レーザに関するものである。

図９は、J. Hashimoto et. al., IEEE J. Quantum Electron., vol. 33, pp.66-70, 1997で開示された従来のリッジ型半導体レーザの構造を示す断面図（図９(a) ）及びその厚さ方向の屈折率分布を示す図（図９(b) ）であり、図において、１はｐ側電極、２は絶縁膜、３はｐ型（以下、ｐ−と称す）ＧａＡｓのコンタクト層、４はその上部がレーザ共振器長方向に延びるストライプ状のリッジ形状を有しているｐ−ＧａＩｎＰの上クラッド層、５はリッジ側のアンドープＧａＩｎＡｓＰからなる第２ガイド層、６はリッジ側のアンドープＧａＡｓからなる第１ガイド層、７は活性層、８はリッジ側第１ガイド層６と組成比及び厚さが同じである基板側のアンドープＧａＡｓからなる第１ガイド層、９はリッジ側第２ガイド層５と組成比及び厚さが同じである基板側のアンドープＧａＩｎＡｓＰからなる第２ガイド層、１０は上クラッド層４と組成比が同じで、クラッド層４のリッジ形状を有している部分との厚さが同じであるｎ型（以下、ｎ−と称す）ＧａＩｎＰの下クラッド層、１１はｎ−ＧａＡｓのバッファ層、１２はｎ−ＧａＡｓの基板、１３はｎ側電極である。

次に動作について説明する。上クラッド層４側から正孔が、下クラッド層１０側からは電子が活性層１０に注入され、再結合することによって光が発生する。
発生した光は、各半導体層の積層方向、即ち厚さ方向(x) 、及び厚さ方向(x) とレーザ共振器長方向(z) とに垂直な方向、即ち幅方向(y) の屈折率の影響を受けながら共振器長方向(z) に伝搬し、端面で反射しながら増幅して発振に至る。

従来の半導体レーザにおいては、厚さ方向(x) の屈折率分布は活性層７を中心としてその上下に位置する上クラッド層４，下クラッド層１０に達するまで対称に分布するようにしていた。つまり、図９(b) に示すように、リッジ側第１ガイド層６と基板側第１ガイド層８，リッジ側第２ガイド層５と基板側第２ガイド層９，上クラッド層４と下クラッド層１０はそれぞれ屈折率及び層厚が等しく設定されている。
J. Hashimoto et. al., IEEE J. Quantum Electron., vol. 33, pp.66-70, 1997

以上のように、従来のリッジ型半導体レーザは、屈折率分布が厚さ方向において活性層７から見て対称形を成すような構造を有しているため、導波される光は厚さ方向において活性層７から見てほぼ対称に分布していた。しかしながら、上クラッド層４がリッジ形状を有していることにより幅方向において屈折率差が生じているため、上記のように導波される光が活性層７を中心としてほぼ対称に分布すると、導波される光がリッジ部で受ける幅方向の屈折率の影響が大きくなり、高次モードが許容されている。この結果、モード競合によって生じるキンクが低出力動作時に生じ、実用上の高出力化が図れないという問題があった。

この発明は上記のような課題を解消するためになされたものであり、高次モードの発生をより高出力側へシフトすることができるリッジ構造を備えた半導体レーザを提供することを課題とする。

この発明に係る半導体レーザは、リッジ型あるいは埋め込みリッジ型の屈折率導波構造を有する半導体レーザにおいて、第１導電型半導体基板と、該第１導電型半導体基板上に配置されており、屈折率が基板から離れるにつれて増加する第１半導体層と、該第１半導体層上に配置された活性層と、該活性層上に配置されており、屈折率が上記活性層から離れるにつれて減少する、その上部がリッジ形状を有する第２半導体層とを備え、上記第１半導体層の禁制帯幅と上記第２半導体層の禁制帯幅とが、上記活性層の禁制帯幅よりも大きいものであり、上記半導体基板の高さ方向において、光強度分布が上記活性層を中心として基板側にシフトするように、上記第１半導体層と上記第２半導体層との屈折率分布を非対称となるようにしたものである。

また、この発明に係る半導体レーザは、上記第１半導体層を、第１導電型の下クラッド層と、該下クラッド層上に配置された基板側ガイド層とからなるようにし、上記第２半導体層を、リッジ側ガイド層と、該ガイド層上に配置された第２導電型の上クラッド層とからなるようにし、上記基板側ガイド層の厚さまたは屈折率の少なくとも一方を上記リッジ側ガイド層よりも厚くまたは大きくしたものである。

また、この発明に係る半導体レーザは、上記下クラッド層の屈折率を上クラッド層よりも大きくしたものである。

また、この発明に係る半導体レーザは、上記第１半導体層を、第１導電型の下クラッド層を有するものとし、上記第２半導体層を、第２導電型の上クラッド層を有するものとし、上記下クラッド層の屈折率または厚さの少なくとも一方を上クラッド層よりも大きくまたは厚くしたものである。

また、この発明に係る半導体レーザは、上記下クラッド層を、屈折率が活性層に向かって連続的に増加しているものとし、上記上クラッド層を、屈折率が活性層から離れるに連れて連続的に減少しているものとしたものである。

また、この発明に係る半導体レーザは、リッジ型の屈折率導波構造を有し、前記リッジ形状を覆うように形成され、前記リッジ形状上部に開口部を有する絶縁膜を具備するものである。

この発明によれば、リッジ型あるいは埋め込みリッジ型の屈折率導波構造を有する半導体レーザにおいて、第１導電型半導体基板と、該第１導電型半導体基板上に配置されており、屈折率が基板から離れるにつれて増加する第１半導体層と、該第１半導体層上に配置された活性層と、該活性層上に配置されており、屈折率が上記活性層から離れるにつれて減少する、その上部がリッジ形状を有する第２半導体層とを備えており、上記第１半導体層の禁制帯幅と上記第２半導体層の禁制帯幅とが、上記活性層の禁制帯幅よりも大きいものであり、上記半導体基板の高さ方向において、光強度分布が上記活性層から見た基板側にシフトするように、上記第１半導体層と上記第２半導体層との屈折率分布を非対称となるようにしたから、光を基板側により多く分布させることができ、上クラッド層のリッジ部とリッジ部の外側部分との屈折率差によって生じる幅方向の屈折率分布が導波光に対して与える影響を小さくして、キンク発生の原因である高次モードの発生を防ぐことができ、これにより、キンクの生じる光出力レベルを向上させることができ、実用的な高出力動作が可能なリッジ構造を備えた半導体レーザを提供できる。

また、この発明によれば、上記第１半導体層を、第１導電型の下クラッド層と、該下クラッド層上に配置された基板側ガイド層とからなるようにし、上記第２半導体層を、リッジ側ガイド層と、該ガイド層上に配置された第２導電型の上クラッド層とからなるようにし、上記基板側ガイド層の厚さまたは屈折率の少なくとも一方を上記リッジ側ガイド層よりも厚くまたは大きくしたから、光を基板側により多く分布させることができ、キンクの生じる光出力レベルを向上させることができ、実用的な高出力動作が可能なリッジ構造を備えた半導体レーザを提供できる。

また、この発明によれば、上記下クラッド層の屈折率を上クラッド層よりも大きくしたから、光を基板側により多く分布させることができ、キンクの生じる光出力レベルを向上させることができ、実用的な高出力動作が可能なリッジ構造を備えた半導体レーザを提供できる効果があるとともに、遠視野像の広がりを低減させて、光のアスペクト比を下げることができる。

また、この発明によれば、上記第１半導体層を、第１導電型の下クラッド層を有するものとし、上記第２半導体層を、第２導電型の上クラッド層を有するものとし、上記下クラッド層の屈折率または厚さの少なくとも一方を上クラッド層よりも大きくまたは厚くしたから、光を基板側により多く分布させることができ、キンクの生じる光出力レベルを向上させることができ、実用的な高出力動作が可能なリッジ構造を備えた半導体レーザを提供できる効果がある。また、特に下クラッド層の屈折率を大きくした場合においては、遠視野像の広がりを低減させて、光のアスペクト比を下げることができる。

また、この発明によれば、上記下クラッド層を、屈折率が活性層に向かって連続的に増加しているものとし、上記上クラッド層を、屈折率が活性層から離れるに連れて連続的に減少しているものとしたから、光を基板側により多く分布させることができ、キンクの生じる光出力レベルを向上させることができ、実用的な高出力動作が可能なリッジ構造を備えた半導体レーザを提供できる。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの構造を示す断面図（図１(a) ），及びその厚さ方向の屈折率分布を示す図（図１(b) ）であり、図において、ｎ−ＧａＡｓ基板１２上に第１半導体層としてのｎ−ＡｌＧａＡｓの下クラッド層１０ａ、アンドープＩｎＧａＡｓの活性層７ａ、第２半導体層としてのｐ−ＡｌＧａＡｓの上クラッド層４ａが順次配置されている。上クラッド層４の上部はレーザ共振器長方向にストライプ状に延びるリッジ部が設けられている。この上クラッド層４ａのリッジ部上にｐ−ＧａＡｓのコンタクト層３が配置されており、上クラッド層４ａの表面及びコンタクト層３の上部以外の表面は酸化シリコン膜等の絶縁膜２で覆われ、ｐ側電極１はこの絶縁膜２上、及びコンタクト層３上に配置されている。また、基板１２の裏面上にはｎ側電極１３が配置されている。

基板１２側の下クラッド層１０ａの厚さ及びその基板１２側の屈折率は、リッジ側の上クラッド層４ａの厚さ及びそのリッジ部の最上部の屈折率よりそれぞれ厚くかつ大きくなっている。ここでは、下クラッド層１０ａのＡｌ組成比を上クラッド層４ａのＡｌ組成比よりも小さくして屈折率を異なるものとしている。また、それぞれの屈折率分布は、活性層７ａから離れるにつれて、順次小さくなるようにしている。これによって、厚さ方向の上クラッド層４ａと下クラッド層１０ａとの間の屈折率分布が活性層７ａから見て非対称形になっている。

つぎに製造方法について簡単に説明する。まず、基板１２の表面に下クラッド層１０ａ、活性層７ａ、上クラッド層４ａ、及びコンタクト層３を結晶成長させる。なお、下クラッド層１０ａは、Ａｌ組成比を連続的に減少させるように成長させ、上クラッド層１０ｂはＡｌ組成比を連続的に増加させるように成長させる。

続いて、平面形状がストライプ形状の絶縁膜からなるマスク（図示せず）をコンタクト層３上に形成し、これをマスクとしてコンタクト層３及び上クラッド層４ａの上部を選択エッチングし、リッジ形状に加工し、マスクを除去した後、基板１２の表面に絶縁膜２を形成し、この絶縁膜２のコンタクト層３上の領域をエッチングにより除去し、さらに、基板１２の表面側にｐ側電極１を形成し、基板１２の裏面にｎ側電極１３を形成して、へき開によりレーザ共振器端面を形成して図１に示すような半導体レーザを得る。

次に動作について説明する。上クラッド層４ａのリッジ部上から正孔が、下クラッド層１０ａ側から電子が活性層７ａに注入され、そこで再結合することによって光が発生する。発生した光は、厚さ方向(x) 及び幅方向(y) において屈折率の影響を受けながらレーザ共振器長方向(z) に伝搬し、端面で反射しながら増幅して発振に至る。

本実施の形態１に係る半導体レーザにおいては、上述したように、厚さ方向(x) の屈折率分布が活性層７ａから見て非対称形となるよう、基板１２側の下クラッド層１０ａの厚さ及び屈折率を、リッジ側の上クラッド層４ａよりそれぞれ厚くかつ大きくしている。このように厚さ方向の屈折率分布を設定しているため、光は活性層７ａから見てリッジ側よりも基板１２側により多く分布するようになる。このため、上クラッド層４ａのリッジ部とリッジ部の外側部分との屈折率差によって生じる幅方向の屈折率分布が導波光に対して与える影響が小さくなり、キンク発生の原因である高次モードの発生を防ぐことができる。これにより、実用的な高出力動作が可能となる。また、リッジ幅を拡げた場合においても基本モードのみが許容されるようにすることができる。

なお、本実施の形態１においては、下クラッド層１０ａの厚さ及び屈折率を、上クラッド層４ａよりそれぞれ厚くかつ大きくして、活性層７ａから見た下クラッド層１０ａと上クラッド層４ａとの間の屈折率分布を非対称としたが、本発明においては、光強度分布が活性層を中心として基板側にシフトするよう屈折率分布を非対称とすればよく、例えば、ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層１０ａの厚さまたは屈折率のいずれか一方を、上クラッド層４ａよりも厚くまたは大きくして屈折率分布を非対称となるようにしてもよい。

また、本実施の形態１においては、上下クラッド層の屈折率が活性層に向かって連続的に増加するようにしたが、下クラッド層の厚さ及び屈折率が上クラッド層よりもそれぞれ厚くかつ大きくなっていれば、上下クラッド層の屈折率は厚さ方向に一定であってもよい。

（実施の形態２）
図２は，本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの構造を示す断面図（図２(a) ），及びその厚さ方向の屈折率分布を示す図（図２(b) ）であり、この実施の形態２に係る半導体レーザは、上記実施の形態１に係る半導体レーザにおいて、活性層と基板との間に単層の下クラッド層である第１半導体層を設ける代わりに、基板１２側から順次積層されたｎ−ＡｌＧａＡｓの下クラッド層１０ｂ、厚さｇ_L2の基板側のアンドープＡｌＧａＡｓからなる第２ガイド層９ａ、及び厚さｇ_L1の基板側のアンドープＧａＡｓからなる第１ガイド層８ａで構成される第１複合半導体層を設けるようにし、さらに、活性層上の上クラッド層である第２半導体層の代わりに、活性層７ａ上に順次積層された厚さｇ_U1のリッジ側のアンドープＧａＡｓからなる第１ガイド層６ａ、厚さｇ_U2のリッジ側のアンドープＡｌＧａＡｓからなる第２ガイド層５ａ、その上部にリッジ部を備えたｐ−ＡｌＧａＡｓの上クラッド層４ｂで構成される第２複合半導体層を設けるようにしたものである。基板側第１ガイド層８ａの層厚ｇ_L1及び基板側第２ガイド層９ａの層厚ｇ_L2は，それぞれリッジ側第１ガイド層６ａの層厚ｇ_U1及びリッジ側第２ガイド層５ａの層厚ｇ_U2より厚くなっている。下クラッド層１０ｂ、基板側第１ガイド層８ａ、基板側第２ガイド層９ａ、リッジ側第１ガイド層６ａ、リッジ側第２ガイド層５ａ及び上クラッド層４ｂは、それぞれの厚さ方向の屈折率が一定となっている。また、基板側第２ガイド層９ａのＡｌ組成比は、下クラッド層１０ｂのＡｌ組成比よりも低くなっており、リッジ側第２ガイド層５ａのＡｌ組成比は、上クラッド層４ｂのＡｌ組成比よりも大きくなっており、この結果、第１複合半導体層は、基板１２から離れるにつれて段階的に屈折率が増加する構造となっており、第２複合半導体層は、活性層７ａから離れるにつれて段階的に屈折率が減少する構造となっている。また、図において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示しており、Ｗはリッジ幅を、ｔは上クラッド層４ｂのリッジ脇の部分、即ちリッジ部以外の厚さを示している。

この半導体レーザは、上記実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法において、下クラッド層の代わりに、上記下クラッド層１０ｂ，第２ガイド層９ａ，第１ガイド層８ａを、また、上クラッド層の代わりに上記第１ガイド層６ａ，第２ガイド層５ａ，上クラッド層４ｂをそれぞれ成長させることにより形成する。

この半導体レーザにおいては、図２(b) に示すように基板側第１ガイド層厚ｇ_L1及び基板側第２ガイド層厚ｇ_L2を、それぞれリッジ側第１ガイド層厚ｇ_U1及びリッジ側第２ガイド層厚ｇ_U2より厚くなるようにして、上クラッド層４ｂと下クラッド層１０ｂとの間の活性層７ａから見た厚さ方向の屈折率分布が非対称になっている。このような構造にすることにより、導波される光の光強度分布が活性層７ａを基準としてみた場合に、リッジ側よりも基板側にシフトして、基板側に光が多く分布するため、リッジ部の存在による幅(y) 方向の屈折率分布の影響を受けにくくなり，高次モードの発生を抑制することができる。

以下に基板側の各ガイド層厚を厚くすることによる効果をシミュレーションの結果に基づいて説明する。図３は本発明の実施の形態２に係る半導体レーザのシミュレーション結果を示す図であり、縦軸はリッジ脇部分の上クラッド層４ｂの厚さｔを示し、横軸はリッジ幅Ｗを示している。また、実線及び破線は、この厚さｔとリッジ幅Ｗとから、透過屈折率法を用いて計算した基本モードのみが許される領域と１次モードも許容される領域との境界線をそれぞれ示しており、この境界線よりも下側が基本モードのみが許される領域で、その上側が一次モードも許容される領域となっている。このシミュレーションにおいては、上クラッド層４ｂは，Ａｌ組成比０．３とし、リッジ部の層厚はｔ＋１．４μｍ，リッジ側第２ガイド層５ａはＡｌ組成比０．２とし、活性層７ａは厚さ２０ｎｍのＧａＡｓ層をＩｎ組成比が０．１５で厚さが８ｎｍである２層のＩｎＧａＡｓで挟んだ量子井戸構造とし、基板側第２ガイド層９ａはＡｌ組成比０．２とし、下クラッド層１０ａはＡｌ組成比０．３で厚さｔ＋１．４μｍとする。破線で示した結果は、リッジ側第１ガイド層６ａと基板側第１ガイド層８ａの厚さが等しく０．０２μｍであり、かつリッジ側第２ガイド層５ａと基板側第２ガイド層９ａの厚さが等しく０．０４μｍであり、活性層７ａの上下において屈折率分布が対称な場合のもので、実線で示した結果は、リッジ側第２ガイド層５ａの層厚を０．０４μｍ，リッジ側第１ガイド層６ａの層厚を０．０２μｍ，基板側第１ガイド層８ａの層厚を０．０４μｍ，基板側第２ガイド層９ａの層厚を０．０６μｍとして、屈折率分布を図２に示すように非対称な構造にした場合を実線で示す。非対称構造にすると，対称構造の場合に比べて基本モードと１次モードの境界が上方にシフトすることが分かる。たとえば，ｔ＝０．４０μｍのとき対称構造ではリッジ幅ｗが約３．６５μｍに基本モードのみが許される領域と１次モードも許容される領域との境界があるのに対して，非対称構造では約４．０５μｍにとなる。対称構造の半導体レーザで基本モードと１次モードが許容されるためキンクが生じ易い領域においても、本実施の形態２に係る半導体レーザにおいては基本モードのみが許容されるのでキンクの発生を抑えられることがわかる。

なお、上記実施の形態２においては、基板１２側の第１ガイド層８ａの層厚及び第２ガイド層９ａの層厚をそれぞれ厚くして、光強度分布が基板１２側にシフトするようにしたが，第１ガイド層８ａあるいは第２ガイド層９ａのいずれか一方を厚くしても同様の効果を奏する。

また、上記実施の形態２においては、活性層７ａの上下に設けられるガイド層がそれぞれ２層からなるようにしたが、本発明においては、活性層７ａの上下に設けられるガイド層が１層のみとしても、基板側のガイド層を厚くすることにより同様の効果を奏する。

さらに、活性層７ａの上下に設けられるガイド層が３層以上の複数存在するときも、基板側のガイド層のいずれかひとつあるいは複数を厚くすることにより同様の効果を奏する。

また、上記実施の形態２においては、活性層７ａの上下に設けられる各ガイド層の屈折率が、その厚さ方向において一定であるようにしたが、本発明においては、活性層７ａの上下に設けられる各ガイド層の屈折率が活性層側に向かって連続的に増加する構造であっても、基板側のガイド層を厚くすることにより同様の効果を奏する。

（実施の形態３）
図４は，本発明の実施の形態３に係る半導体レーザの構造を示す断面図（図４(a) ），及びその厚さ方向の屈折率分布を示す図（図４(b) ）であり、この実施の形態３に係る半導体レーザは、上記実施の形態１に係る半導体レーザにおいて、活性層と基板との間に単層の下クラッド層である第１半導体層を設ける代わりに、基板側から順次積層されたｎ−ＡｌＧａＡｓの下クラッド層１０ｂ、屈折率ｎ_Lg2の基板側のアンドープＡｌＧａＡｓからなる第２ガイド層９ｂ、及び屈折率ｎ_Lg1の基板側のアンドープＧａＡｓからなる第１ガイド層８ｂで構成される第１複合半導体層を設けるようにし、さらに、活性層上のリッジ部を有する上クラッド層である第２半導体層の代わりに、活性層上に順次積層された屈折率ｎ_Ug1のリッジ側のアンドープＧａＡｓからなる第１ガイド層６ｂ、屈折率ｎ_Ug2のリッジ側のアンドープＡｌＧａＡｓからなる第２ガイド層５ｂ、その上部にリッジ部を備えたｐ−ＡｌＧａＡｓの上クラッド層４ｂで構成される第２複合半導体層を設けるようにしたものである。基板側第１ガイド層８ｂの屈折率ｎ_Lg1及び基板側第２ガイド層９ｂの屈折率ｎ_Lg2は，それぞれリッジ側第１ガイド層６ｂの屈折率ｎ_Ug1及びリッジ側第２ガイド層５ｂの屈折率ｎ_Ug2より大きくなっている。これらの半導体層をこのような屈折率とするためにはそれぞれのＡｌ組成比を変化させればよい。基板側第１ガイド層８ｂ、基板側第２ガイド層９ｂ、リッジ側第１ガイド層６ｂ及びリッジ側第２ガイド層５ｂの、それぞれの厚さ方向の屈折率は一定となっている。また、基板側第２ガイド層９ｂのＡｌ組成比は、下クラッド層１０ｂのＡｌ組成比よりも低くなっており、リッジ側第２ガイド層５ｂのＡｌ組成比は、上クラッド層４ｂのＡｌ組成比よりも大きくなっており、この結果、第１複合半導体層は、基板１２から離れるにつれて段階的に屈折率が増加する構造となっており、第２複合半導体層は、活性層７ａから離れるにつれて段階的に屈折率が減少する構造となっている。また、図において、図１，２と同一符号は同一または相当する部分を示している。

この半導体レーザは、上記実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法において、下クラッド層の代わりに、下クラッド層１０ｂ、基板側第２ガイド層９ｂ、及び基板側第１ガイド層８ｂを、また、上クラッド層の代わりにリッジ側第１ガイド層６ｂ、リッジ側第２ガイド層５ｂ、上クラッド層４ｂを、それぞれ成長させることにより形成する。

この半導体レーザにおいては、図４(b) に示すように基板側第１ガイド層８ｂの屈折率ｎ_Lg1及び基板側第２ガイド層９ｂの屈折率ｎ_Lg2を、それぞれリッジ側第１ガイド層６ｂの屈折率ｎ_Ug1及びリッジ側第２ガイド層５ｂの屈折率ｎ_Ug2より厚くなるようにして、上クラッド層４ｂと下クラッド層１０ｂとの間の, 活性層７ａから見た、厚さ方向の屈折率分布を非対称としている。このような構造にすることにより、導波される光の光強度分布が活性層７ａに対して基板側にシフトして、基板側に光が多く分布するため、リッジ部の存在による幅(y) 方向の屈折率分布の影響を受けにくくなり上記実施の形態１と同様の効果を奏する。

なお、上記実施の形態３においては、基板側の第１ガイド層８ｂ及び第２ガイド層９ｂの屈折率をそれぞれ大きくしたが，第１ガイド層８ｂあるいは第２ガイド層９ｂのいずれか一方の屈折率を大きくした場合においても同様の効果を奏する。

また，活性層７ａの上下に設けられるガイド層が１つのみである場合においても、基板側のガイド層の屈折率を大きくすることにより同様の効果を奏する。

さらに、活性層７ａの上下に設けられるガイド層が３層以上の複数存在するときも、基板側のガイド層のいずれかひとつあるいは複数の屈折率を大きくすることにより同様の効果を奏する。

また、上記実施の形態３においては、活性層７ａの上下に設けられる各ガイド層の屈折率が、その厚さ方向において一定であるようにしたが、本発明においては、活性層７ａの上下に設けられる各ガイド層の屈折率が活性層側に向かって連続的に増加する構造であっても、基板側の各ガイド層の屈折率を全体的に大きくすることにより同様の効果を奏する。

（実施の形態４）
図５は，本発明の実施の形態４に係る半導体レーザの構造を示す断面図（図５(a) ），及びその厚さ方向の屈折率分布を示す図（図５(b) ）であり、この実施の形態４に係る半導体レーザは、上記実施の形態１に係る半導体レーザにおいて、活性層と基板との間に単層の下クラッド層からなる第１半導体層を設ける代わりに、基板１２側から順次積層されたｎ−ＡｌＧａＡｓの下クラッド層１０ｂ、厚さｇ_L2，屈折率ｎ_Lg2の基板側のアンドープＡｌＧａＡｓからなる第２ガイド層９ｃ、及び厚さｇ_L1，屈折率ｎ_Lg1の基板側のアンドープＧａＡｓからなる第１ガイド層８ｃで構成される第１複合半導体層を設けるようにし、さらに、活性層上のリッジ部を有する上クラッド層である第２半導体層の代わりに、活性層７ａ上に順次積層された厚さｇ_U1，屈折率ｎ_Ug1のリッジ側のアンドープＧａＡｓからなる第１ガイド層６ｃ、厚さｇ_U2，屈折率ｎ_Ug2のリッジ側のアンドープＡｌＧａＡｓからなる第２ガイド層５ｃ、その上部にリッジ部を備えたｐ−ＡｌＧａＡｓの上クラッド層４ｂで構成される第２複合半導体層を設けるようにしたものである。基板側第１ガイド層８ｃの層厚ｇ_L1及び基板側第２ガイド層９ｃの層厚ｇ_L2は，それぞれリッジ側第１ガイド層６ｃの層厚ｇ_U1及びリッジ側第２ガイド層５ｃの層厚ｇ_U2より厚くなっている。基板側第１ガイド層８ｃの屈折率ｎ_LG1及び基板側第２ガイド層９ｃの屈折率ｎ_Lg2は，それぞれリッジ側第１ガイド層６ｃの屈折率ｎ_Ug1及びリッジ側第２ガイド層５ｃの屈折率ｎ_Ug2より大きくなっている。基板側第１ガイド層８ｃ、基板側第２ガイド層９ｃ、リッジ側第１ガイド層６ｃ及びリッジ側第２ガイド層５ｃの、それぞれの厚さ方向の屈折率は一定である。また、基板側第２ガイド層９ｃのＡｌ組成比は、下クラッド層１０ｂのＡｌ組成比よりも低くなっており、リッジ側第２ガイド層５ｃのＡｌ組成比は、上クラッド層４ｂのＡｌ組成比よりも大きくなっており、第１半導体層は基板１２から離れるにつれて段階的に屈折率が増加する構造となっており、第２半導体層は活性層７ａから離れるにつれて段階的に屈折率が減少する構造となっている。また、図において、図１，２と同一符号は同一または相当する部分を示している。

この半導体レーザは、上記実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法において、下クラッド層の代わりに、下クラッド層１０ｂ、基板側第２ガイド層９ｃ、及び基板側第１ガイド層８ｃを、また、上クラッド層の代わりにリッジ側第１ガイド層６ｃ、リッジ側第２ガイド層５ｃ、上クラッド層４ｂを、それぞれ成長させることにより形成する。

この半導体レーザにおいては、図５(b) に示すように基板側第１ガイド層厚ｇ_L1及び基板側第２ガイド層厚ｇ_L2を、それぞれリッジ側第１ガイド層厚ｇ_U1及びリッジ側第２ガイド層厚ｇ_U2より厚くなるようにし、かつ、基板側第１ガイド層８ａの屈折率ｎ_Lg1及び基板側第２ガイド層９ａの屈折率ｎ_Lg2を、それぞれリッジ側第１ガイド層６ｂの屈折率ｎ_Ug1及びリッジ側第２ガイド層５ｂの屈折率ｎ_Ug2より大きくなるようにして、上クラッド層４ｂと下クラッド層１０ｂとの間の、活性層７ａから見た、厚さ方向の屈折率分布を非対称としている。このような構造にすることにより、導波される光の光強度分布が活性層７ａを中心としてみた場合に基板側にシフトして、リッジ側よりも基板側に光が多く分布するため、リッジ部の存在による幅(y) 方向の屈折率分布の影響を受けにくくなり上記実施の形態１と同様の効果を奏する。

なお、上記実施の形態４においては、基板側の第１ガイド層８ｃ及び第２ガイド層９ｃの厚さ及び屈折率をリッジ側の第１ガイド層６ｃ及び第２ガイド層５ｃに対してそれぞれ厚くまたは大きくしたが，第１ガイド層８ｃあるいは第２ガイド層９ｃのいずれか一方の厚さ及び屈折率を厚くまたは大きくした場合においても同様の効果を奏する。

また，活性層７ａの上下に設けられるガイド層が１層のみである場合においても、基板側のガイド層の屈折率及び厚さを厚くまたは大きくすることにより同様の効果を奏する。

さらに、活性層７ａの上下に設けられるガイド層が３層以上の複数存在するときも、基板側のガイド層のいずれかひとつあるいは複数の厚さ及び屈折率を厚くまたは大きくすることにより同様の効果を奏する。

また、上記実施の形態においては、活性層７ａの上下に設けられる各ガイド層の屈折率が、その厚さ方向において一定であるようにしたが、本発明においては、活性層７ａの上下に設けられる各ガイド層の屈折率が活性層側に向かって連続的に増加する構造であっても、基板側の各ガイド層の屈折率及び厚さを大きくかつ厚くすることにより同様の効果を奏する。

（実施の形態５）
図６は，本発明の実施の形態５に係る半導体レーザの構造を示す断面図（図６(a) ），及びその厚さ方向の屈折率分布を示す図（図６(b) ）であり、この実施の形態５に係る半導体レーザは、上記実施の形態１に係る半導体レーザにおいて、活性層と基板との間に単層の下クラッド層である第１半導体層を設ける代わりに、基板側から順次積層された屈折率ｎＬｃであるｎ−ＡｌＧａＡｓの下クラッド層１０ｃ、基板側のアンドープＡｌＧａＡｓからなる第２ガイド層９ｄ、及び厚さｇ_L1，屈折率ｎ_Lg1の基板側アンドープＧａＡｓからなる第１ガイド層８ｄで構成される第１複合半導体層を設けるようにし、さらに、活性層上のリッジ部を有する上クラッド層である第２半導体層の代わりに、活性層７ａ上に順次積層された、基板側第１ガイド層８ｄと厚さ及び屈折率が同じであるリッジ側のアンドープＧａＡｓからなる第１ガイド層６ｄ、基板側第２ガイド層９ｄと厚さ及び屈折率が同じであるリッジ側のアンドープＡｌＧａＡｓからなる第２ガイド層５ｄ、その上部にリッジ部を備えた屈折率ｎ_Ucのｐ−ＡｌＧａＡｓの上クラッド層４ｃで構成される第２複合半導体層を設けるようにしたものであり、下クラッド層１０ｃと上クラッド層４ｃとのＡｌ組成比を異なるようにして、下クラッド層１０ｃの屈折率ｎ_Lcは、上クラッド層４ｃの屈折率ｎ_Ucより大きくしている。下クラッド層１０ｃ、基板側第２ガイド層９ｄ、基板側第１ガイド層８ｄ、リッジ側第１ガイド層６ｄ、リッジ側第２ガイド層５ｄ、及び上クラッド層４ｃの、それぞれの厚さ方向の屈折率は一定である。また、基板側第２ガイド層９ｃのＡｌ組成比は、下クラッド層１０ｂのＡｌ組成比よりも低くなっており、この結果、第１複合半導体層は基板１２から離れるにつれて段階的に屈折率が増加する構造となっており、第２複合半導体層は活性層７ａから離れるにつれて段階的に屈折率が減少する構造となっている。また、図において、図１と同一符号は同一または相当する部分を示している。

この半導体レーザは、上記実施の形態１に係る半導体レーザの製造方法において、下クラッド層の代わりに、下クラッド層１０ｃ、基板側第２ガイド層９ｄ、及び基板側第１ガイド層８ｄを、また、上クラッド層の代わりにリッジ側第１ガイド層６ｄ、リッジ側第２ガイド層５ｄ、上クラッド層４ｃを、それぞれ成長させることにより形成する。

この実施の形態５に係る半導体レーザにおいては、図６(b) に示すように，下クラッド層１０ｃの屈折率を上クラッド層４ｃの屈折率よりも大きくして、上クラッド層４ｃと下クラッド層１０ｃとの間の、活性層７ａから見た厚さ方向の屈折率分布を非対称としている。このような構造にすることにより、導波される光の光強度分布が活性層７ａの上下において基板側にシフトして、基板１２側に光が多く分布するため、リッジ部の存在による幅(y) 方向の屈折率分布の影響を受けにくくなり、上記実施の形態１と同様の効果を奏する。また、本実施の形態５においては下クラッド層１０ｃに多くの光が分布するようになり、光の導波パターン自体が拡がるので厚さ方向(x) の遠視野像（Far Field Pattern ：ＦＦＰ）が狭くなり，結果的に厚さ方向ＦＦＰと幅方向ＦＦＰの比であるアスペクト比が低減できるという効果がある。

次に、本実施の形態５について、基板１２側の下クラッド層１０ｃの屈折率を大きくすることによる効果を、以下にシミュレーションの結果に基づいて説明する。

図７は本発明の実施の形態５に係る半導体レーザのシミュレーション結果を示す図であり、縦軸はリッジ脇部分の上クラッド層４ｃの厚さｔを示し、横軸はリッジ幅Ｗを示している。また、実線及び破線は、この厚さｔとリッジ幅Ｗとから、透過屈折率法を用いて計算した基本モードのみが許される領域と１次モードも許容される領域との境界線をそれぞれ示しており、この境界線よりも下側が基本モードのみが許される領域で、その上側が一次モードも許容される領域となっている。このシミュレーションにおいては、上クラッド層４ｃは，Ａｌ組成比０．３とし、リッジ部の上クラッド層４ｃの層厚はｔ＋１．４μｍ，リッジ側第２ガイド層５ｄはＡｌ組成比０．２とし、活性層７ａは厚さ２０ｎｍのＧａＡｓ層をＩｎ組成比が０．１５で厚さが８ｎｍである２層のＩｎＧａＡｓで挟んだ量子井戸構造とし、基板側第２ガイド層９ａはＡｌ組成比０．２とし、下クラッド層１０ａはＡｌ組成比０．３または０．２８とし、その厚さをｔ＋１．４μｍとする。活性層７ａの上下において屈折率分布が対称な場合、即ち上クラッド層４ｃと下クラッド層１０ａとのＡｌ組成比が同じであって屈折率が等しい場合の結果を破線で、また、活性層７ａ上下において屈折率分布が非対称な場合、即ち上クラッド層４ｃよりも下クラッド層１０ａのＡｌ組成比が小さく、屈折率ｎ_Lc＞ｎ_Ucの場合の結果を実線で、それぞれ示している。

上下クラッド層の屈折率を非対称構造にすると，対称構造である場合に比べて基本モードと１次モードの境界が上方にシフトすることが分かる。たとえば，ｔ＝０．４０μｍのとき対称構造ではリッジ幅ｗが約３．５μｍに境界があるのに対して，非対称構造では約４．１５μｍとなる。従って実施の形態２の場合と同様の効果が見られる。

なお、本実施の形態５においては、下クラッド層１０ｃの屈折率のみを上クラッド層４ｃの屈折率に対して大きくして、屈折率分布の活性層７ａの上下で非対称としたが、本発明においては、上下クラッド層の屈折率を非対称にするとともに基板側の第１ガイド層及び第２ガイド層を上記実施の形態４に示すような構造にしても、上記実施の形態５と同様の効果を奏する。

（実施の形態６）
図８は，本発明の実施の形態６に係る半導体レーザの構造を示す断面図（図８(a) ），及びその厚さ方向の屈折率分布を示す図（図８(b) ）であり、この実施の形態６に係る半導体レーザは、上記実施の形態５に係る半導体レーザにおいて、リッジ部を埋め込むように、ｎ−ＧａＡｓの電流ブロック層１４を設けるようにして利得導波型の埋め込みリッジ型の半導体レーザとしたものであり、この電流ブロック層１４の上部には絶縁膜２ａを配置し、さらに、コンタクト層３の上部と接触するようにｐ側電極１ａを設けるようにしている。この半導体レーザは上記実施の形態５に係る半導体レーザの製造方法において、絶縁膜からなるマスクを用いてリッジ部を選択エッチングにより形成した後、このマスクを用いて電流ブロック層１４を選択成長させることにより形成することができる。

このような実施の形態６に係る埋め込みリッジ型の半導体レーザにおいても、上記実施の形態６と同様の効果を奏することができる。

なお、本実施の形態６においては、上記実施の形態５に係る半導体レーザのリッジ部を電流ブロック層１４で埋め込んで埋め込みリッジ型の半導体レーザとした場合について説明したが、上記実施の形態１〜４に係る半導体レーザにおいて、リッジ部を電流ブロック層で埋め込んで埋め込みリッジ型の半導体レーザとした場合においても上記各実施の形態１〜４と同様の効果を奏する。

また、本実施の形態６においては、電流ブロック層としてｎ−ＧａＡｓ層を用いるようにしたが、他の材料からなる電流ブロック層を用いるようにしても同様の効果を奏する。例えば上クラッド層よりもＡｌ組成比の高いｎ−ＡｌＧａＡｓ電流ブロック層を設けて屈折率導波型の半導体レーザとしても、上記実施の形態６と同様の効果を奏する。

なお、上記実施の形態１〜６においては、活性層と基板との間の第１半導体層と、活性層上の、リッジ部を上部に備えた第２半導体層とを構成する、下クラッド層、基板側の第１、第２のガイド層、リッジ側の第１、第２ガイド層、または上クラッド層の少なくともいずれか一つの厚さ又は屈折率を変化させて、活性層から見た屈折率分布を非対称とした場合について説明したが、本発明においては、基板と活性層との間に位置する第１半導体層、及び活性層上の第２半導体層の屈折率が、厚さ方向において一定、または活性層から離れるにつれて減少するようにするとともに、光強度分布が活性層を中心として基板側にシフトするよう、活性層を中心とした厚さ方向の屈折率分布を非対称となるものとすることにより、上記実施の形態１〜６と同様の効果を奏する。

屈折率導波型の半導体レーザについて、また、実施の形態６においては利得導波型の半導体レーザについて説明したが、本発明は、屈折率導波型の半導体レーザであっても、利得導波型の半導体レーザであっても同様の効果を奏する。

また、上記実施の形態１〜６においては、下クラッド層、基板側の第１、第２のガイド層、リッジ側の第１、第２ガイド層、及び上クラッド層がＡｌＧａＡｓからなる場合について説明したが、これらが他の材料からなる場合においても、上記実施の形態１〜６と同様の効果を奏する。

また、上記実施の形態１〜６においては、基板がＧａＡｓからなる場合について説明したが、本発明においては基板が他の材料からなる場合でも同様の効果を奏する。

本発明に係る半導体レーザは、光を基板側により多く分布させることができ、上クラッド層のリッジ部とリッジ部の外側部分との屈折率差によって生じる幅方向の屈折率分布が導波光に対して与える影響を小さくして、キンク発生の原因である高次モードの発生を防ぐことができ、これにより、キンクの生じる光出力レベルを向上させることができるので、実用的な高出力動作が可能なリッジ構造を備えた半導体レーザに有用である。

この発明の実施の形態１に係る半導体レーザの構造を説明するための図である。 この発明の実施の形態２に係る半導体レーザの構造を説明するための図である。 この発明の実施の形態２に係る半導体レーザのシミュレーション結果を示す図である。 この発明の実施の形態３に係る半導体レーザの構造を説明するための図である。 この発明の実施の形態４に係る半導体レーザの構造を説明するための図である。 この発明の実施の形態５に係る半導体レーザの構造を説明するための図である。 この発明の実施の形態５に係る半導体レーザのシミュレーション結果を示す図である。 この発明の実施の形態６に係る半導体レーザの構造を説明するための図である。 従来の半導体レーザの構造を説明するための図である。

符号の説明

１，１ａ ｐ側電極、２，２ａ 絶縁膜、３ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層、
４ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層、４ａ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層、
４ｂ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層、４ｃ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層、５ リッジ側アンドープＧａＩｎＡｓＰ第２ガイド層、５ａ リッジ側アンドープＡｌＧａＡｓ第２ガイド層、５ｂ リッジ側アンドープＡｌＧａＡｓ第２ガイド層、５ｃ リッジ側アンドープＡｌＧａＡｓ第２ガイド層、５ｄ リッジ側アンドープＡｌＧａＡｓ第２ガイド層、６ リッジ側アンドープＧａＡｓ第１ガイド層、６ａ リッジ側アンドープＧａＡｓ第１ガイド層、６ｂ リッジ側アンドープＧａＡｓ第１ガイド層、６ｃ リッジ側アンドープＧａＡｓ第１ガイド層、６ｄ リッジ側アンドープＧａＡｓ第１ガイド層、７ａ アンドープＩｎＧａＡｓ活性層、８ 基板側アンドープＧａＡｓ第１ガイド層、８ａ 基板側アンドープＧａＡｓ第１ガイド層、８ｂ 基板側アンドープＧａＡｓ第１ガイド層、
８ｃ 基板側アンドープＧａＡｓ第１ガイド層、８ｄ 基板側アンドープＧａＡｓ第１ガイド層、９ 基板側アンドープＡｌＧａＡｓ第２ガイド層、９ａ 基板側アンドープＡｌＧａＡｓ第２ガイド層、９ｂ 基板側アンドープＡｌＧａＡｓ第２ガイド層、９ｃ 基板側アンドープＡｌＧａＡｓ第２ガイド層、９ｄ 基板側アンドープＡｌＧａＡｓ第２ガイド層、１０ａ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層、１０ｂ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層、１０ｃ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層、１２ ｎ−ＧａＡｓ基板、１３ ｎ側電極、１４ ｎ−ＧａＡｓ電流ブロック層。

Claims (6)

1. リッジ型あるいは埋め込みリッジ型の屈折率導波構造を有する半導体レーザにおいて、
   第１導電型半導体基板と、
   該第１導電型半導体基板上に配置されており、屈折率が基板から離れるにつれて増加する第１半導体層と、
   該第１半導体層上に配置された活性層と、
   該活性層上に配置されており、屈折率が上記活性層から離れるにつれて減少する、その上部がリッジ形状を有する第２半導体層とを備え、
   上記第１半導体層の禁制帯幅と上記第２半導体層の禁制帯幅とは、上記活性層の禁制帯幅よりも大きく、
   上記半導体基板の高さ方向において、光強度分布が上記活性層を中心として基板側にシフトするように、上記第１半導体層と上記第２半導体層との屈折率分布を非対称となるようにしたことを特徴とする半導体レーザ。
2. 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
   上記第１半導体層は、第１導電型の下クラッド層と、該下クラッド層上に配置された基板側ガイド層とからなり、
   上記第２半導体層は、リッジ側ガイド層と、該ガイド層上に配置された第２導電型の上クラッド層とからなり、
   上記基板側ガイド層の厚さまたは屈折率の少なくとも一方を上記リッジ側ガイド層よりも厚くまたは大きくしたことを特徴とする半導体レーザ。
3. 請求項２に記載の半導体レーザにおいて、
   上記下クラッド層の屈折率を上クラッド層よりも大きくしたことを特徴とする半導体レーザ。
4. 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
   上記第１半導体層は、第１導電型の下クラッド層を有し、
   上記第２半導体層は、第２導電型の上クラッド層を有しており、
   上記下クラッド層の屈折率または厚さの少なくとも一方を上クラッド層よりも大きくまたは厚くしたことを特徴とする半導体レーザ。
5. 請求項４に記載の半導体レーザにおいて、
   上記下クラッド層は、屈折率が活性層に向かって連続的に増加しており、
   上記上クラッド層は、屈折率が活性層から離れるに連れて連続的に減少していることを特徴とする半導体レーザ。
6. 請求項１に記載の半導体レーザにおいて、
   リッジ型の屈折率導波構造を有し、
   前記リッジ形状を覆うように形成され、前記リッジ形状上部に開口部を有する絶縁膜を具備することを特徴とする半導体レーザ。

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