DE102017200061A1

DE102017200061A1 - Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung

Info

Publication number: DE102017200061A1
Application number: DE102017200061.9A
Authority: DE
Inventors: Masahiro HITAKA; Yutaka Takagi; Takahiro Sugiyama
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2017-01-04
Publication date: 2017-07-13
Also published as: JP2017123445A; US20170201069A1; US9859683B2; JP6807643B2

Abstract

Ein DFB-Laserelement umfasst eine aktive Schicht 4 mit einer Mehrfachquantentopfstruktur, die eine Vielzahl von Quantentopfschichten 4B mit unterschiedlichen Dicken aufweist, eine mit der aktiven Schicht 4 optisch gekoppelte Beugungsgitterschicht 6 und ein Paar von Mantelschichten, zwischen mit dem die aktive Schicht 4 und die Beugungsgitterschicht 6 angeordnet sind. Ein effektiver Brechungsindex der Beugungsgitterschicht 6 weist einen hohen Wert auf, und eine Dicke der Quantentopfschicht 4B nimmt mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 zu. Mit dieser Struktur ist es möglich, bei Miniaturisierung des DFB-Halbleiterlaserelements die Abhängigkeit von der Temperatur zu verringern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung (DFB).
Hintergrund der Erfindung
Aus dem Stand der Technik ist ein Fabry-Perot-Laserelement (FP-Laserelement) bekannt, das einen Fabry-Perot-Resonator als Halbleiterlaserelement verwendet. Da die Stabilität einer Schwingungsmode bei diesem FP-Laserelement gering ist, wurde ein DFB-Halbleiterlaserelement als verbessertes Halbleiterlaserelement vorgeschlagen. In dem DFB-Halbleiterlaserelement ist ein Beugungsgitter innerhalb eines Resonators vorgesehen, wobei Laserlicht mit einer durch das Beugungsgitter ausgewählten Längenwellenkomponente verstärkt wird.
In einem DFB-Halbleiterlaserelement, das in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 9-283837 beschrieben ist, ist eine Sperrschicht zwischen Quantentopfschichten mit unterschiedlichen Dicken in einer aktiven Schicht mit einer Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) angeordnet, wobei die Schichten aus InGaAsP gebildet sind.
In einem Halbleiterlaserelement auf InGaAsP-Basis, das in dem japanischen Patent Nr. 2647018 beschrieben ist, tritt das Problem auf, dass bei Änderung einer Betriebstemperatur ein Verstärkungspeak aufgrund der Abhängigkeit einer Bandlückenenergie eines Halbleiters von der Temperatur und eine Bragg-Wellenlänge aufgrund der Abhängigkeit eines Brechungsindex des Halbleiters von der Temperatur schwanken.
Somit sind in dem japanischen Patent Nr. 2647018 Quantentopfschichten mit unterschiedlichen Dicken abwechselnd angeordnet und eine Vielzahl von Verstärkungsspektren, die einer Gruppe von Quantentopfschichten mit entsprechenden Dicken entsprechen, sind derart eingestellt, dass die Abhängigkeit einer optischen Verstärkungspeakwellenlänge von der Temperatur verringert wird.
Bei einem DFB-Halbleiterlaserelement auf InGaAsP-Basis, das in der ungeprüften japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 7-249829 beschrieben ist, werden in ähnlicher Weise die Filmdicken einer Vielzahl von Quantentopfschichten verändert.
Mit abnehmendem Abstand von dem Beugungsgitter nehmen die Schichtdicken der Quantentopfschichten zu, nimmt die Emissionswellenlänge zu und nimmt die Abhängigkeit einer optischen Verstärkungspeakwellenlänge von der Temperatur ab.
Zusammenfassung der Erfindung
Jedoch ist im industriellen Bereich mit einer weiteren Miniaturisierung eines DFB-Halbleiterlaserelements, das eine Vielzahl von Quantentopfschichten entsprechend dem Stand der Technik aufweist, zu rechnen. Das heißt, es kann eine Elementgröße durch Verkürzen einer Resonatorlänge des DFB-Halbleiterlaserelements verringert werden. Wird jedoch eine Resonatorlänge L einfach verringert, verteilen sich die Moden nicht gleichmäßig in dem Resonator und es kann keine Lichtemlssion mit ausreichender Intensität verwirklicht werden. Bei einem herkömmlichen eindimensionalen DFB-Halbleiterlaser ist bekannt, dass Moden gleichmäßig in dem Resonator verteilt werden können, wenn ein Produkt aus einem Kopplungskoeffizienten κ des Beugungsgitter und einer Resonatorlänge L auf etwa 1 bis 3 eingestellt wird. Somit ist eine Erhöhung des Kopplungskoeffizienten κ zur Miniaturisierung des Resonators erforderlich. Es wird angenommen, dass die Emissionsintensität durch Erhöhung eines optischen Einschlussfaktors Γg auf einem geeigneten Wert gehalten werden kann, da der Kopplungskoeffizient κ proportional zum optischen Einschlussfaktor Γg eines Beugungsgitterabschnitts ist. Wird in diesem Fall ein Brechungsindex in der Nähe einer Beugungsgitterschicht des DFB-Halbleiterlaserelements auf einen höheren Wert festgelegt als jener der aktiven Schicht, nimmt der optische Einschlussfaktor Γg verhältnismäßig zu. Jedoch befindet sich eine Peakposition einer optischen Feldintensitätsverteilung in der Nähe einer Position der Beugungsgitterschicht von der aktiven Schicht. Daher befindet sich die aktive Schicht in einem Bereich, in dem eine Änderung der optischen Feldintensitätsverteilung abrupt stattfindet, und die optische Ausgabe kann in Folge einer Änderung der optischen Feldintensitätsverteilung aufgrund einer Temperaturänderung oder dergleichen schwanken.
Somit bleibt in dem Fall, in dem das DFB-Halbleiterlaserelement miniaturisiert wird, die Temperaturabhängigkeit in einem herkömmlichen Verfahren hoch.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts derartiger Problems konzipiert, und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Laserelement mit einer verteilten Rückkopplung bereitzustellen, das in der Lage ist, bei einer Miniaturisierung des DFB-Halbleiterlaserelements die Temperaturabhängigkeit zu verringern.
Zur Lösung der obigen Probleme umfasst ein Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung (DFB) gemäß der vorliegenden Erfindung: Eine aktive Schicht mit einer Mehrfachquantentopfstruktur (MQW), die eine Vielzahl von Quantentopfschichten mit unterschiedlichen Dicken aufweist; eine Beugungsgitterschicht, die mit der aktiven Schicht optische gekoppelt ist; und ein Paar von Mantelschichten, zwischen dem die aktive Schicht und die Beugungsgitterschicht angeordnet ist; wobei, wenn ein zwischen den Mantelschichten angeordneter Bereich als eine Kernschicht definiert ist, die Beugungsgitterschicht eine Schicht mit einem Brechungsindex umfasst, der höher als der durchschnittliche Brechungsindex der Kernschicht ist, und eine Dicke der Quantentopfschicht mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht zunimmt.
Für den durchschnittlichen Brechungsindex (oder durchschnittliche dielektrische Konstante) der Kernschicht, insbesondere beispielsweise dann, wenn die Schichten in der Kernschicht der Reihe nach von einer P-Mantelschicht als 1, 2, ..., m (m ist eine natürliche Zahl) nummeriert werden, werden die Parameter in den nummerierten Schichten wie folgt festgelegt. ·Dielektrische Konstante: ε1, ε2, ..., εm·Brechungsindex: N₁, N₂, ..., nm·Filmdicke: W₁, W₂, ..., W_m.
In diesem Fall wird eine durchschnittliche dielektrische Konstante (ein Quadrat des Brechungsindex) ε_ave zu einem Durchschnitt pro Volumen einer Dielektrizitätskonstante jeder Schicht und w durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückt. (Gleichung 1)
Indem eine Quadratwurzel der durchschnittlichen Dielektrizitätskonstante gezogen wird, wird der durchschnittliche Brechungsindex N_ave entsprechend der nachfolgenden Gleichung definiert. (Gleichung 2)
Das heißt, in der vorliegenden Erfindung wurde ein Aufbau verwendet, bei dem eine Zunahme des Brechungsindex der Beugungsgitterschicht zu einer Zunahme des optischen Einschlussfaktors Γ führt und der das resultierende Problem löst, d. h., bei dem die Dicke der Quantentopfschicht mit zunehmenden Abstand von der Beugungsgitterschicht zunimmt, um einer schnelleren Verschlechterung der optischen Feldstärke im Hinblick auf eine Position in der aktiven Schicht entgegenzuwirken.
Das heißt, da die Dicke der Quantentopfschicht mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht zunimmt, werden die optischen Einschlussfaktoren Γqw in jeder Quantentopfschicht vereinheitlicht und das Verstärkungsspektrum entsprechend der Quantentopfschicht in jeder Wellenlänge stabilisiert. Da stabile Verstärkungsspektren mit unterschiedlichen Peakwellenlängen gemäß der Vielzahl von Quantentopfschichten erzeugt werden, kann eines der Verstärkungsspektren und ein ausgewähltes Spektrum mit einer Wellenlänge (Energieband-Endwellenlänge), die durch die Beugungsgitterschicht gewählt wird, selbst dann übereinstimmen, wenn eine Temperaturänderung auftritt, und die Abhängigkeit des Emissionsspektrums von der Temperatur, die durch die Überlagerung der Spektren verursacht wird, kann ebenfalls verringert werden.
Ferner umfasst in einem zweiten Aspekt das Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung eine oder mehrere Schichten mit einem höheren Brechungsindex als ein Modusäquivalenter Brechungsindex in Bezug auf Licht, das sich durch die Kernschicht zwischen der Beugungsgitterschicht und den Quantentopfschichten ausbreitet.
In einem dritten Aspekt beträgt in dem Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung die Anzahl der Quantentopfschichten zwei oder mehr.
In einem vierten Aspekt beträgt in dem Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung eine relative Änderung in Γ(N) 10% oder weniger, wenn N eine natürliche Zahl ist, eine Dicke einer N-ten Quantentopfschicht aus der Beugungsgitterschicht unter den mehreren Quantentopfschichten d(N) ist, und der optische Einschlussfaktor der N-ten Quantentopfschicht Γ(N) ist.
In einem fünften Aspekt erfüllt in dem Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung, wenn die Beugungsgitterschicht eindimensional ist, der Kopplungskoeffizient κ der Beugungsgitterschicht die folgende Beziehung: 20 cm^–1 ≤ κ ≤ 1000 cm^–1.
In einem sechsten Aspekt ist in dem Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung die Beugungsgitterschicht eine zweidimensionale Beugungsgitterschicht.
In einem siebenten Aspekt umfasst in dem Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung die Beugungsgitterschicht: eine Basisschicht; und mehrere Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex, die einen Brechungsindex aufweisen, der sich von der Basisschicht unterscheidet, wobei der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex an einer Gitterpunktposition auf einem quadratischen Gitter angeordnet ist, das horizontale Linien, die Winkelpositionen von 0° bis 180° verbinden, und vertikale Linien, die Winkelpositionen von 90° und 270° in einer Draufsicht aus einer Richtung senkrecht zur Basisschicht betrachtet verbinden, umfasst, wobei die Beugungsgitterschicht eine zweidimensionale quadratische Gitterbeugungsgitterschicht bildet, und ein Kopplungskoeffizient κ1 in einer 90°-Richtung und ein Kopplungskoeffizient κ3 in einer 180°-Richtung die folgende Beziehung erfüllen: 100 cm^–1 ≤ κ1 ≤ 5000 cm^–1 und 50 cm^–1 ≤ κ3 ≤ 5000 cm^–1.
In einem achten Aspekt umfasst in dem Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung die aktive Schicht eine Sperrschicht zwischen den Quantentopfschichten, wobei eine Bandlückenenergie der Sperrschicht niedriger als die Bandlückenenergie der Mantelschicht eingestellt ist, und eine Bandlückenenergie der Quantentopfschicht niedriger als die Bandlückenenergie der Sperrschicht eingestellt ist.
In einem neunten Aspekt umfasst das Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung zwischen der aktiven Schicht und der Beugungsgitterschicht eine Trägersperrschicht, die die Bewegung von Trägern zwischen der aktiven Schicht und der Beugungsgitterschicht unterdrückt.
In einem zehnten Aspekt umfasst das Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung eine aktive Schicht mit einer Mehrfachquantentopfstruktur, die eine Vielzahl von Quantentopfschichten mit unterschiedlichen Materialien aufweist; eine Beugungsgitterschicht, die mit der aktiven Schicht optische gekoppelt ist; und ein Paar von Mantelschichten, zwischen dem die aktive Schicht und die Beugungsgitterschicht angeordnet ist, wobei, wenn ein zwischen den Mantelschichten angeordneter Bereich als eine Kernschicht definiert ist, die Beugungsgitterschicht eine Schicht mit einem Brechungsindex umfasst, der höher als der durchschnittliche Brechungsindex der Kernschicht ist, und eine Bandlückenenergie, die durch ein Material der Quantentopfschichten definiert ist, mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht abnimmt.
Gemäß dem DFB-Halbleiterlaserelement der vorliegenden Erfindung ist es möglich, bei der Miniaturisierung des DFB-Halbleiterlaserelements die Temperaturabhängigkeit zu verringern.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines DFB-Halbleiterlaserelements.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Beugungsgitterschicht.
3A zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Z-Achsenrichtungsposition und einer optischen Feldintensität I darstellt, und 3B zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur in der Nähe einer aktiven Schicht darstellt.
4A zeigt ein Energiebanddiagramm in einem DFB-Halbleiterlaserelement, und 4B zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur darstellt.
5A zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Z-Achsenrichtungsposition und einem Brechungsindex n in einem DFB-Halbleiterlaserelement darstellt, 5B zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer Z-Achsenrichtungsposition und einer optischen Feldintensität I darstellt, und 5C zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur darstellt.
6A und 6B zeigen Diagramme, die eine Beziehung zwischen einer X-Achsenrichtungsposition und einem Brechungsindex n in DFB-Halbleiterlaserelementen mit unterschiedlichen Brechungsindexverteilungsstrukturen darstellen.
7A zeigt ein Energiebanddiagramm in einem DFB-Halbleiterlaserelement, in dem eine Quantentopfschichttiefe verändert wurde und 7B zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur darstellt.
8A zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer X-Achsenrichtungsposition und einer optischen Feldintensität I in einem DFB-Halbleiterlaserelement mit vier Quantentopfschichten darstellt, und 8B zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur in der Nähe einer aktiven Schicht darstellt.
9A zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur eines DFB-Halbleiterlaserelements mit einer weiteren Struktur darstellt, und 9B zeigt eine Ansicht, die eine ebene Struktur einer Beugungsgitterschicht darstellt.
10A zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur eines DFB-Halbleiterlaserelements mit einer weiteren Struktur darstellt, und 10B zeigt eine Ansicht, die eine ebene Struktur der Beugungsgitterschicht darstellt.
11A zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur eines DFB-Halbleiterlaserelements mit einer weiteren Struktur darstellt, und 11B zeigt eine Ansicht, die eine ebene Struktur der Beugungsgitterschicht darstellt.
12A zeigt ein Diagramm eines Niedertemperaturspektrums, 12B zeigt ein Diagramm eines Hochtemperaturspektrums.
13 zeigt eine Tabelle über physikalische Eigenschaften einer jeden Halbleiterschicht.
14 zeigt ein Diagramm, das Verteilungskurven für eine normalisierte Wellenlängenbreite V und einer normalisierten Ausbreitungskonstanten b darstellt.
Detaillierte Beschreibung
Im Nachfolgenden wird ein DFB-Halbleiterlaserelement gemäß einer Ausführungsform beschrieben. Gleiche Elemente werden mit den gleichen Bezugszeichen versehen und deren Beschreibung wird nicht wiederholt.
(1) Kantenemittierendes DFB-Halbleiterlaserelement
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines DFB-Halbleiterlaserelements 100. Ein XYZ-dreidimensionales orthogonales Koordinatensystem ist derart festgelegt, dass eine Dickenrichtung des DFB-Halbleiterlaserelements 100 als die Z-Achse und die zwei Achsen senkrecht zur X-Achse als eine X-Achse und eine Y-Achse festgelegt sind. Wird Laserlicht von einer Stirnfläche emittiert, wird eine Emissionsrichtung des Laserlichts derart festgelegt, dass sie parallel zur Y-Achse verläuft.
Bei der Herstellung dieses DFB-Halbleiterlaserelements 100 werden eine untere Mantelschicht 2, die aus einem ersten Leitfähigkeitstyp (N-Typ) aus AlGaAs gebildet ist, eine untere Lichtleiterschicht 3, die aus AlGaAs gebildet ist, eine aktive Schicht 4 mit einer Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) (Sperrschicht: AlGaAs, und Quantentopfschicht: InGaAs), eine obere Lichtleiterschicht 5 aus AlGaAs und eine Beugungsgitterschicht 6 (Brechungsindexmodulationsschicht) aus GaAs durch Kristallwachstum auf einem Halbleitersubstrat 1, das einen ersten Leitfähigkeitstyp (N-Typ) aus GaAs aufweist, unter Verwendung eines metallorganischen Dampfphasenepitaxie(MOCVD)-Verfahrens oder eines Molekularstrahlepitaxie(MBE)-Verfahrens hergestellt.
Anschließend wird eine eindimensionale Streifenstruktur auf einer Oberfläche der Beugungsgitterschicht 6 unter Verwendung einer Mikrofertigungstechnologie gebildet. in diesem Fall wird eine Gitterperiode A derart festgelegt, dass eine optische Länge derselben eine Länge ist, die einer halben Wellenlänge des Laserlichts (Λ = λ) entspricht, um einem Beugungsgitter erster Ordnung zu entsprechen (siehe 2). Das heißt, die Beugungsgitterschicht 6 ist im Wesentlichen eine gewachsene Schicht, in der eine gebildete Basisschicht 6A (GaAs) unter Verwendung eines Fotolithografieverfahrens mit einer Streifenform ausgebildet wird, und ein Material mit einem Brechungsindex, der sich von jenem der Basisschicht 6A unterscheidet, beispielsweise ein Gebiet mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B aus AlGaAs, in die Zwischenräume zwischen den Streifen unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens ausgebildet wird. Jeder Streifen erstreckt sich in einer Richtung (X-Achsenrichtung) senkrecht zu einer Y-Achsenrichtung, die einer Richtung einer Resonatarlänge entspricht. Beispielsweise kann Laserlicht in den 940-, 980- und 1060 nm-Bändern als Emissionswellenlängen verwende werden. Wird zudem eine Beugung höherer Ordnung verwendet, kann die Emissionswellenlänge derart festgelegt werden, dass sie ein ganzzahliges Vielfaches der Gitterperiode A ist.
Danach wird eine obere Mantelschicht 7 mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp (P-Typ) aus AlGaAs und eine Kontaktschicht 8 mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp (P-Typ) aus GaAs durch Kristallwachstum auf der Beugungsgitterschicht 6 unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens gebildet. Die obere Mantelschicht 7 kann nach dem Schritt des Bildens der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B in der Beugungsgitterschicht 6 gebildet werden. Es kann Luft oder ein inertes Gas für die Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex in der Beugungsgitterschicht 6 verwendet werden, oder die Bereiche 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex können sich einem Vakuumzustand befinden.
Bereiche an beiden Enden in einer Breitenrichtung der oberen Mantelschicht 7 werden entfernt, indem eine Maske gebildet wird, um das Wachstum zum Zeitpunkt des Kristallwachstums zu begrenzen, oder indem nach dem Kristallwachstum ein Ätzprozess durchgeführt wird. Ferner werden die Bereiche an beiden Seiten in der X-Achsenrichtung der Kontaktschicht 8 unter Verwendung eines Fotolithografieverfahrens entfernt, sodass lediglich ein länglicher Bereich entlang der X-Achsenrichtung, die einer Resonatorlängenrichtung entspricht, übrigbleibt. Dementsprechend wird eine streifenförmige Mesastruktur, die die Mantelschicht 7 und die Kontaktschicht 8 umfasst, gebildet.
Danach wird eine Isolierschicht 9 gebildet, um die freigelegte Fläche der Streifenstruktur zu bedecken. Die Isolierschicht 9 auf der Kontaktschicht 8, die einem Resonator entspricht, wird durch Ätzen entfernt, um die Kontaktschicht 8 freizulegen, und anschließend wird eine obere Elektrode E2 in Kontakt mit der Kontaktschicht 8 gebildet. Indes wird eine untere Elektrode E1 auf einer unteren Fläche des Halbleitersubstrats 1 gebildet. Als Verfahren zur Bildung der unteren Elektrode E1 und der oberen Elektrode E2 kann ein Dampfabscheidungsverfahren oder ein Sputterverfahren verwendet werden.
Eine Trägersperrschicht CB kann zwischen der aktiven Schicht 4 und der Beugungsgitterschicht 6 unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens oder eines MBE-Verfahrens gebildet werden. Die Trägersperrschicht CB unterdrückt die Bewegung der Ladungsträger zwischen der aktiven Schicht und der Beugungsgitterschicht 6. In dieser Ausführungsform ist die Trägersperrschicht CB aus AlGaAs gebildet und in der oberen Lichtleiterschicht 5 vorgesehen. Eine Bandlückenenergie der Trägersperrschicht CB ist höher als jene der oberen Lichtleiterschicht 5.
Danach wird, wenn eine Richtung des Mesastreifens eine Y-Achse ist, das Verbundhalbleitersubstrat in einen Chip, das ein Halbleiterlaserelement bildet, auf eine Abstandslänge von etwa 1 bis 3 mm in eine Y-Achsenrichtung gespalten, eine Antireflexionsschicht (nicht dargestellt) auf der gespaltenen Stirnfläche (Lichtausgangsfläche: XZ-Ebene) und eine hochreflektierende Schicht (nicht dargestellt) auf einer Fläche gegenüber der Lichtausgangsfläche gebildet.
Anschließend wird die Elektrode E2, die in einem oberen Abschnitt des Halbleiterlaserelements angeordnet ist, mit einem Lötmaterial auf einem Montageelement befestigt, und anschließend wird das Montageelement unter Verwendung eines Lötmaterials mittels Diebonden an einer Basis befestigt. Als Lötmaterialien können in beiden Fällen In, Au/Sn, oder dergleichen verwendet werden. Die Elektrode E1, die in dem unteren Abschnitt angeordnet ist, wird mit einer Basiselektrode mittels Drahtbonden, beispielsweise einem Au-Draht, verbunden, sodass ein Stromantrieb verwirklicht werden kann. Mit dem zuvor erwähnten Prozess wird eine Halbleiterlaserelementeinheit gebildet.
In einem Verbundhalbleiter auf AlGaAs-Basis beträgt eine Bandlückenenergie von GaAs 1,47 eV und eine Bandlückenenergie von AlAs 2,16 eV. Durch Erhöhen eines Al-Zusammensetzungsanteils X erhöht sich die Bandlückenenergie.
Ein Al-Zusammensetzungsanteil X einer jeden Schicht in Al_xGa_1-xAs ist gleich hoch wie eine Ordnung der Bandlückenenergien. Ist ferner in mit einem großen Atomradius in der Kristallstruktur enthalten, nimmt die Bandlückenenergie ab. Der Al-Zusammensetzungsanteil X ist in dem Halbleitersubstrat 1 und der Kontaktschicht 8 aus GaAs am geringsten, und beträgt X = 0. Jedoch kann etwas Al enthalten sein. Ferner ist die Bandlückenenergie in einer Schicht, in der In in GaAs enthalten ist, geringer, und die Bandlückenenergie der Quantentopfschichten aus InGaAs ist am geringsten. Somit nimmt das Al-Zusammensetzungsverhältnis der Reihe nach von der Sperrschichten in der aktiven Schicht 4, der Lichtleiterschicht (die untere Lichtleiterschicht 3 und die obere Lichtleiterschicht 5), der Trägersperrschicht CB und der Mantelschichten (die untere Mantelschicht 2 und die obere Mantelschicht 7) zu.
Nimmt im Allgemeinen der Al-Zusammensetzungsanteil X zu oder nimmt das In-Zusammensetzungsverhältnis ab, sodass die Bandlückenenergie zunimmt, nimmt die dielektrische Konstante ε und der Brechungsindex n des Materials ab. Vorzugsweise wird der Brechungsindex n erhöht, um das Laserlicht in einer Schichtrichtung zu begrenzen. Mit anderen Worten wird der Al-Zusammensetzungsanteil X vorzugsweise verringert. Da in der Beugungsgitterschicht 6 die Basisschicht aus einem Material, das GaAs oder etwas Al enthält, gebildet ist und ein Gebiet mit einem höheren Brechungsindex als der Durchschnittsbrechungsindex der Kernschicht umfasst, wird das optische Feld in Richtung der Beugungsgitterschicht 6 vorgespannt. Wenn nicht anders angegeben, ist der Brechungsindex ein Brechungsindex in Bezug auf Licht mit einer Wellenlänge von 980 nm.
Das in einer jeden Schicht verwendete Material ist in 13 dargestellt, wobei eine Spalte für die Dicke einen bevorzugten Bereich angibt, und ein Wert in Klammern einen Wert eines bestimmten Beispiels angibt. Die Einzelheiten sind wie folgt.
Das Halbleitersubstrat 1 ist aus GaAs gebildet, eine Dicke desselben beträgt 150 μm, der Leitfähigkeitstyp ist ein N-Typ und eine Verunreinigungskonzentration desselben beträgt 1 × 10¹⁸ cm^–3. Die Dicke beträgt vorzugsweise 80 μm oder mehr und 350 μm oder weniger, und die Verunreinigungskonzentration beträgt vorzugsweise 1 × 10¹⁹ cm^–3 oder mehr und 1 × 10¹⁷ cm^–3 oder weniger.
Die untere Mantelschicht 2 ist aus Al_xGa_1-xAs gebildet, ein Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt 0,7, eine Dicke derselben beträgt 2 μm, der Leitfähigkeitstyp ist ein N-Typ und eine Verunreinigungskonzentration derselben beträgt 1 × 10¹⁸ cm^–3. Der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt vorzugsweise 0,3 oder mehr, die Dicke davon vorzugsweise 1 μm oder mehr und 3 μm oder weniger und die Verunreinigungskonzentration derselben vorzugsweise 1 × 10¹⁹ cm^–3 oder mehr und 1 × 10¹⁷ cm^–3 oder weniger.
Die untere Lichtleiterschicht 3 ist aus Al_XGa_1-XAs gebildet, ein Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt 0,1, eine Dicke beträgt 150 nm, der Leitfähigkeitstyp ist ein I-Typ und eine Verunreinigungskonzentration derselben beträgt 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger. Der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt vorzugsweise 0,1 oder mehr und gleich oder weniger als eine Sperrschichtzusammensetzung, eine Dicke derselben beträgt vorzugsweise 0 nm oder mehr und 300 nm oder weniger und eine Verunreinigungskonzentration davon beträgt 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger.
Es wird angenommen, dass ein I-Typ ein I-Typ ist, dessen Verunreinigungskonzentration 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger beträgt.
Eine Sperrschicht in der aktiven Schicht 4 ist aus Al_XGa_1-XAs gebildet, ein Al-Zusammensetzungsanteil X derselben beträgt 0,1, eine Dicke 10 nm, und der Leitfähigkeitstyp ist ein I-Typ, Der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt vorzugsweise 0,3 oder mehr und gleich oder weniger als eine Zusammensetzung einer unteren Mantelschicht, und eine Dicke derselben beträgt vorzugsweise 10 nm oder mehr und 100 nm oder weniger. Beträgt die Dicke 10 nm oder weniger, können die Quantentopfschichten um 10 nm oder mehr voneinander beabstandet sein, da die Quantenniveaus zwischen den Quantentopfschichten gebunden sind und zu einer komplizierten Niveaubildung führen.
Eine Quantentopfschicht in der aktiven Schicht 4 ist aus In_γGa_1-γAs gebildet, ein In-Zusammensetzungsverhältnis Y beträgt 0,19, eine Dicke derselben 10 nm und der Leitfähigkeitstyp ist ein I-Typ. Das In-Zusammensetzungsverhältnis Y beträgt vorzugsweise 0,1 oder mehr oder 0,25 oder weniger, und die Dicke beträgt vorzugsweise 5 nm oder mehr bis 15 nm oder weniger.
Die obere Lichtleiterschicht 5 ist aus Al_XGa_1-XAs gebildet, ein Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt 0,1, eine Dicke derselben beträgt 10 nm, der Leitfähigkeitstyp ist ein I-Typ und eine Verunreinigungskonzentration derselben beträgt 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger. Der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt vorzugsweise 0,1 oder mehr und gleich oder weniger als eine Sperrschichtzusammensetzung, die Dicke beträgt vorzugsweise 0 nm oder mehr und 300 nm oder weniger, und die Verunreinigungskonzentration beträgt vorzugsweise 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger.
Eine Trägersperrschicht CB ist aus Al_XGa_1-XAs gebildet, der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt 0,4, eine Dicke davon beträgt 25 nm, der Leitfähigkeitstyp ist ein I-Typ und eine Verunreinigungskonzentration derselben beträgt 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger. Der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt vorzugsweise 0,3 oder mehr und gleich oder weniger als eine Mantelschichtzusammensetzung, die Dicke beträgt vorzugsweise 10 nm oder mehr und 100 nm oder weniger, und die Verunreinigungskonzentration beträgt vorzugsweise 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger.
Eine Basisschicht 6A der Beugungsgitterschicht 6 ist aus GaAs gebildet, ein Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt 0, eine Dicke desselben beträgt 300 nm, der Leitfähigkeitstyp ist ein I-Typ und eine Verunreinigungskonzentration derselben beträgt 1 × 10¹⁶ cm^–3. Der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt vorzugsweise 0 oder mehr oder 0,3 oder weniger, die Dicke beträgt vorzugsweise 100 nm oder mehr und 400 nm oder weniger, und die Verunreinigungskonzentration beträgt vorzugsweise 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger.
Der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B der Beugungsgitterschicht 6 ist aus Al_XGa_1-XAs gebildet, der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt 0,4, eine Dicke davon beträgt 200 nm, der Leitfähigkeitstyp ist ein I-Typ oder ein P-Typ, und eine Verunreinigungskonzentration im Falle des P-Typs beträgt 1 × 10¹⁸ cm^–3. Der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt vorzugsweise 30% oder mehr, die Dicke beträgt vorzugsweise 100 nm oder mehr und 300 nm oder weniger, und die Verunreinigungskonzentration beträgt vorzugsweise 1 × 10¹⁶ cm^–3 oder weniger.
Die obere Mantelschicht 7 ist aus Al_XGa_1-XAs gebildet, der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt 0,4, eine Dicke derselben beträgt 2 μm, der Leitfähigkeitstyp ist ein P-Typ, und eine Verunreinigungskonzentration derselben ist 1 × 10¹⁸ cm^–3. Der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt vorzugsweise 0,3 oder mehr, die Dicke beträgt vorzugsweise 1 μm oder mehr und 3 μm oder weniger, und die Verunreinigungskonzentration beträgt vorzugsweise 1 × 10¹⁷ cm^–3 oder mehr und 1 × 10¹⁹ cm^–3 oder weniger.
Die Kontaktschicht 8 ist aus GaAs gebildet, der Al-Zusammensetzungsanteil X ist 0, eine Dicke derselben beträgt 200 nm, der Leitfähigkeitstyp ist ein P-Typ, und eine Verunreinigungskonzentration derselben beträgt 1 × 10²⁰ cm^–3. Der Al-Zusammensetzungsanteil X beträgt vorzugsweise 0, die Dicke beträgt vorzugsweise 50 nm oder mehr und 500 nm oder weniger, und die Verunreinigungskonzentration beträgt vorzugsweise 1 × 10¹⁹ cm^–3 oder mehr und 1 × 10²⁰ cm^–3 oder weniger.
Als Isolierschicht 9 kann Siliziumnitrid (SiNx), Siliziumdioxid (SiO₂) oder dergleichen verwendet werden.
Ferner kann als Material für die untere Elektrode E1 ein Material verwendet werden, das in der Lage ist, einen ohmschen Kontakt mit dem Material des Halbleitersubstrats 1 herzustellen, wie beispielsweise AuGe/Au, da das Material des Halbleitersubstrats 1 den ersten Leitfähigkeitstyp aufweist (N-Typ).
Als Material für die obere Elektrode E2 kann ein Material verwendet werden, das in der Lage ist, einen ohmschen Kontakt mit dem Material der Kontaktschicht herzustellen, wie beispielsweise Ti/Au, Ti/Pt/Au oder Cr/Au, da das Material der Kontaktschicht den zweiten Leitfähigkeitstyp umfasst (P-Typ).
In der zuvor beschriebenen Struktur können für ein Materialsystem, eine Schichtdicke und eine Schicht verschiedene Konfigurationen verwendet werden, solange die Konfigurationen die aktive Schicht 4 und die Beugungsgitterschicht 6 umfassen. Ferner wird bei der Herstellung des Halbleiterlaserelements vorzugsweise ein metallorganisches chemisches Dampfabscheideverfahren (MOCVD-Verfahren) zum Aufwachsen einer jeden Verbundhalbleiterschicht verwendet. In dem zuvor beschriebenen Kristallwachstum wird zunächst ein Kristallwachstum auf einer (001)-Ebene des Halbleitersubstrats 1 durchgeführt, wobei jedoch die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Ferner beträgt bei der Herstellung eines Halbleiterlaserelements, das AlGaAs verwendet, eine Wachstumstemperatur für AlGaAs 500°C bis 850°C. Es kann TMA (Trimethylaluminium) als Al-Rohmaterial während des Züchtens verwendet werden, und TMG (Trimethylgallium) und TEG (Triethylgallium) können als Galliumrohmaterial verwendet werden, AsH₃ (Arsen) kann als Rohmaterial verwendet werden, Si₂H₈ (Disilan) kann als Rohmaterial für eine N-Verunreinigung und DEZn (Diethylzink) oder dergleichen kann als Rohmaterial für eine P-Verunreinigung verwendet werden. Falls erforderlich, kann die Isolierschicht, die die Substratfläche bedeckt, unter Verwendung eines Plasma-CVD-Verfahrens (PCVD-Verfahren) gebildet werden.
Das heißt, in dem zuvor beschriebenen Halbleiterlaserelement werden unter Verwendung eines epitaktischen Wachstumsverfahrens (MOCVD) eine N-Mantelschicht (AlGaAs) 2, eine untere Lichtleiterschicht (AlGaAs) 3, eine aktive Schicht 4 mit einer Mehrfachquantentopfstruktur (IGaAs/AlGaAs), eine obere Lichtleiterschicht (AaGaAs) 5, eine Trägersperrschicht (AlGaAs) CB und eine Basisschicht (GaAs) 6A der Beugungsgitterschicht der Reihe nach epitaktisch auf dem N-Halbleitersubstrat (GaAs) 1 gewachsen.
Anschließend wird die Basisschicht 6A der Beugungsgitterschicht mit einem Resist beschichtet, und eine eindimensionale oder zweidimensionale Feinstruktur in einer Elektronenstrahlzeichenvorrichtung gezeichnet und auf dem Resist entwickelt, um eine eindimensionale oder zweidimensionale Feinstruktur zu bilden, die ein Beugungsgitter auf einem Resist bildet. Anschließend wird unter Verwendung des Resists als eine Maske ein zweidimensionales Feinstrukturmuster mit einer Tiefe von etwa 100 bis 300 nm auf die Basisschicht 6A übertragen, in dem ein Trockenätzvorgang zur Bildung von Löchern verwendet wird, und das Resist entfernt. Anschließend werden der Bereich (AlGaAs) 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex, die obere Mantelschicht (AlGaAs) 7 und die Kontaktschicht (GaAs) 8 der Reihe nach unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens gebildet, und ein entsprechendes Elektrodenmaterial auf den oberen und unteren Flächen des Substrats unter Verwendung von Dampfabscheidung zur Bildung der ersten und zweiten Elektrode gebildet. Ferner kann, falls erforderlich, eine Isolierschicht auf der oberen und unteren Fläche des Substrats unter Verwendung eines Plasma-CVD-Verfahrens (PCVD) oder dergleichen gebildet werden. Beim Elektronenstrahlzeichnen kann statt der Resistmaske eine Hartmaske aus SiN oder SiO₂ aufgebracht werden.
Ferner kann auf die Trägersperrschicht CB verzichtet werden und eine Position derselben kann in eine geeignete Position in der oberen Lichtleiterschicht 5 geändert werden.
3A zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen einer X-Achsenrichtungsposition und einer optischen Feldintensität I darstellt, und 3B zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur in der Nähe der aktiven Schicht darstellt.
In diesem Fall umfasst die Mehrfachquantentopfstruktur der aktiven Schicht 4 die Quantentopfschichten 4B, die wenigstens zwei unterschiedliche Breiten, in diesem Beispiel drei unterschiedliche Breiten, aufweisen. Die Anzahl der Quantentopfschichten 4B mit den unterschiedlichen Breiten kann vier oder mehr betragen. Die aktive Schicht 4 umfasst eine Quantentopfschicht 4B und eine Sperrschicht 4A neben der Quantentopfschicht 4B. Eine Breite der Sperrschicht zwischen den Quantentopfschichten beträgt 10 nm oder mehr, um eine Bindung der Quantenniveaus zwischen den beabstandeten Quantentopfschichten 4B zu verhindern.
Ferner liegt eine Peakposition der optischen Feldintensität 1 näher an der Beugungsgitterschicht 6 als an der aktiven Schicht 4. Mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 nimmt die Dicke der Quantentopfschicht 4B ab. Mit anderen Worten nimmt die Dicke der Quantentopfschicht 4B mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 zu. Da die Dicke der Quantentopfschicht 4B mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 zunimmt, werden die optischen Einschlussfaktoren in jeder Quantentopfschicht vereinheitlicht und ein Verstärkungsspektrum, das der Quantentopfschicht 4B einer jeden Wellenlänge entspricht, stabilisiert. Da stabile Verstärkungsspektren mit unterschiedlichen Peakwellenlängen entsprechend der Vielzahl von Quantentopfschichten 4B erzeugt werden, kann ein beliebiges Verstärkungsspektrum und ein ausgewähltes Spektrum mit einer Wellenlänge (Energieband-Endwellenlänge), die durch die Beugungsgitterschicht 6 gewählt wird, selbst dann übereinstimmen, wenn eine Temperaturänderung auftritt, und die Abhängigkeit des Emissionsspektrums von der Temperatur, die durch die Überlagerung der Spektren verursacht wird, kann ebenfalls verringert werden.
12A zeigt ein Diagramm eines schematischen Niedertemperaturspektrums, und 12B zeigt ein Diagramm eines schematischen Hochtemperaturspektrums. Sind, wie zuvor beschrieben, beispielsweise drei Quantentopfschichten 4B vorhanden, wird Licht mit einem Verstärkungsspektrum gemäß einer Bandlücke der Quantentopfschichten 4B erzeugt.
Es wird angenommen, dass N eine natürliche Zahl ist und eine Dicke der N-ten Quantentopfschicht der Beugungsgitterschicht 6 aus der Vielzahl von Quantentopfschichten 4B d(N) ist. Umfassen die Quantentopfschichten 4B drei Schichten, dann beträgt N = 1, N = 2 und N = 3, und es wird ein Verstärkungsspektrum der Bandkantenemission aus jeder der Quantentopfschichten erhalten. Das in den Quantentopfschichten 4B erzeugte Licht ist optisch mit der Beugungsgitterschicht 6 gekoppelt, und das Licht in einem bestimmten ausgewählten Spektrumsabschnitt schwingt entsprechend der Charakteristik der Beugungsgitterschicht 6 und wird dabei verstärkt.
Bei niedriger Temperatur, wenn N = 3 (die Quantentopfschicht, die am entferntesten von der Beugungsgitterschicht angeordnet ist) und die ausgewählten Spektren, wie in 12A dargestellt, eiander überlagern, wird Laserlicht mit dem ausgewählten Spektrum erhalten, und es kann beispielsweise eine Verteilung der optischen Feldintensität 1, wie in 3A dargestellt, in dem Halbleiterlaserelement erhalten werden.
Ferner wird bei hoher Temperatur (= Temperatur zum Zeitpunkt der niederen Temperatur +40°C), wenn N = 2 (eine mittlere Quantentopfschicht von den drei Quantentopfschichten) und das ausgewählte Spektrum, wie in 12B dargestellt, die größte Überlagerung aufweist, Laserlicht mit diesem ausgewählten Spektrum erhalten, und es kann beispielsweise eine Verteilung der optischen Feldintensität 1, wie in 3A dargestellt, in dem Halbleiterlaserelement erhalten werden.
Für eine Bewegung der Wellenlänge λ in diesem Beispiel bewegt sich die Verstärkungspeakwellenlänge mit 0,3 nm/K und die Bandkantenwellenlänge erhöht sich mit 0,07 nm/K.
Die optische Feldintensität 1 in dem DFB-Halbleiterlaserelement kann einer quadratischen Funktion angenähert werden, die unter Verwendung eines Verfahrens der kleinsten Quadrate in der aktiven Schicht 4 erhalten wird, wenn ein Maximalwert der optischen Feldstärke I in dem Fall, in dem eine Position einer oberen freigelegten Fläche der Kontaktschicht 8 Z(μm) = 0 μm ist, auf 1 normiert wird. Es ist ein Beispiel für den Fall gezeigt, bei dem eine Position entlang einer Dickenrichtung der N-ten Quantentopfschicht des Beispiels 1 D(N) und die Dicke d(N) betragen. Wird eine Quantentopfschicht mit einer Dicke von 10 nm aus InGaAs mit einer In-Zusammensetzung von 0,19 in der AlGaAs-Sperrschicht mit einer Al-Zusammensetzung von 0,4 gebildet, beträgt eine Mittellängenwelle etwa 978 nm. Betragen in diesem Fall die Schichtdicken der Quantentopfschichten 9 nm und 11 nm, sind die mittleren Wellenlängen jeweils 967 nm und 987 nm, und es tritt eine Änderung in der mittleren Wellenlänge von etwa 10 nm bezüglich einer Änderung von 1 nm in der Schichtdicke der Quantentopfschicht auf. Werden somit drei Quantentopfschichten bereitgestellt, kann eine Verteilung in einem Bereich einer mittleren Wellenlänge von etwa 20 nm verwirklicht werden. Ein Anordnungsbeispiel in diesem Fall (das als Anordnungsbeispiel (A) bezeichnet wird) ist wie folgt. d(1) = 9 nm D(1) = 2445 nm d(2) = 10 nm D(2) = 2490 nm d(3) = 11 nm D(3) = 2515 nm.
Mit dieser Anordnung ist es möglich, den optischen Einschlussfaktor einer jeden Quantentopfschicht auf 0,0155 anzugleichen.
Nimmt die Anzahl der Quantentopfschichten für die Dicke d(N) und den Abstand d(N) zu, kann die Lichtintensitätsverteilung I in der aktiven Schicht als eine lineare Gleichung oder eine quadratische Gleichung ausgedrückt werden, und die Integralwerte davon werden auf einen gleichen Wert festgelegt, sodass das Licht einer jeden Quantentopfschicht und der Einschlussfaktor angeglichen werden können.
Es ist möglich, die Abhängigkeit des Emissionsspektrums von der Temperatur zu verringern, indem die zuvor beschriebenen Bedingungen erfüllt werden.
Ferner genügt der Kopplungskoeffizient κ des Beugungsgitters vorzugsweise einer nachfolgenden Beziehung, um eine Resonatorlänge auf beispielsweise einige zehn bis hunderte μm einzustellen, bei der eine gleichförmige Modenverteilung verwirklicht werden kann, wobei angenommen wird, dass eine Länge 20 μm bis 500 μm beträgt und die Beziehung κL ≈ 1 bis 3 erfüllt ist. 20 cm^–1 ≤ κ ≤ 1000 cm^–1.
In einer zweidimensionalen DFB-Struktur wird gemäß K. Sakai et al., "Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization", IEEEJ. Quantum Electron. 46, S. 788–795 (2010), beispielsweise in einem quadratischen zweidimensionalen Beugungsgitter zur Erzielung einer gleichmäßigen Modenverteilung ein Kopplungskoeffizient innerhalb eines Bereichs von 1,66 < κ1L < 13,29, 0,5 < κ3L < 4,0, und wenn L = 100 μm, 166 cm^–1 < κ1 < 1329 cm^–1 und 50 cm^–1 < κ3 < 400 cm^–1, festgelegt.
Andererseits wurde in K. Hirose et al., "Watt-class high-power, high-beam-quality photonic-crystal lasers", Nature Photon. 8, S. 406–411 (2014), für eine Struktur mit L = 200 μm, eine Struktur verwirklicht, bei der eine Kopplung zwischen Moden höherer Ordnung auf einen zweimal so hohen Wert als in dem Nicht-Patentdokument 1 festgelegt ist, und es wurde eine Ausgang im Wattbereich realisiert, in dem der Kopplungskoeffizient auf einen hohen Wert eingestellt wurde. Wie zuvor beschrieben, wird zur Verwirklichung einer gleichmäßigen zweidimensionalen Resonanz in einem Bereich von einigen zehn bis hunderte um vorzugsweise die nachfolgende Beziehung erfüllt. (Bedingungen für κ1 und κ3)·100 cm^–1 ≤ κ1 ≤ 5000 ccm^–1·500 cm^–1 ≤ κ3 ≤ 5000 cm^–1.
In diesen Fall ist es möglich, eindimensionale und zweidimensionale DFB-Strukturen zu verwirklichen, die mit hoher Effizienz eine stabile Schwingung verwirklichen, und eine Struktur bereitzustellen, die für eine Miniaturisierung auf einige hundert um oder weniger geeignet ist.
(Beispiel 1) Beträgt ferner der Brechungsindex n der Basisschicht 6A (GaAs) in der Beugungsgitterschicht 6 mit einer Dicke von 300 nm 3,52, beträgt der Brechungsindex n des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B (AlGaAs) 3,25, ein Prozentsatz (Füllfaktor: FF) einer Fläche des Bereichs 6B mit unterschiedlichem Brechungsindex, in Draufsicht, aus Sicht der Z-Achsenrichtung, einer Gesamtfläche 50%, der Brechungsindex n der oberen Mantelschicht 7 (AlGaAs) 3,25, der Brechungsindex n der unteren Mantelschicht 2 (AlGaAs) 3,11 und eine Gesamtdicke der aktiven Schicht 4 mit den drei Quantentopfschichten mit einer Dicke von 10 nm und den Sperrschichten sowie der oberen und unteren Lichtleiterschicht 200 nm, und der durchschnittliche Brechungsindex der elektromagnetischen Feldkernschicht 3,438, wobei jedoch der Brechungsindex der Basisschicht der Beugungsgitterschicht 6A 3,52 beträgt und die elektrischen Feldmoden in Richtung der Beugungsgitterschicht vorgespannt sind. Da ein V-Parameter, der im Nachfolgenden beschrieben wird, 2,493 beträgt, und der Cut-Off-Wert des V-Parameters zur Festlegung der Anzahl der Moden in der Dickenrichtung auf 1 3,761 beträgt, wird eine Einmodenschwingung sichergestellt.
Die optische Feldintensität I in dem DFB-Halbleiterlaserelement kann der nachfolgenden quadratischen Funktion angenähert werden, die unter Verwendung eines Verfahrens der kleinsten Quadrate in der aktiven Schicht 4 erhalten wird, wenn ein Maximalwert der optischen Feldstärke I in dem Fall, in dem eine Position in der oberen freigelegten Fläche der Kontaktschicht 8 Z(μm) = 0 μm ist, auf 1 normiert wird.
Unter Verwendung einer Gleichung –8,766Z² + 41,343Z – 47,771 = 0 wird die Dicke der Quantentopfschichtdicke sequenziell in einer Epi-Dickenrichtung von der Beugungsgitterschicht 6 auf so große Werte wie 9, 10, 11 nm zurückgesetzt. Indem eine Anfangsposition der Quantentopfschicht gemäß des zuvor beschriebenen Anordnungsbeispiels (A) eingestellt wird, können die Quantentopfschichten mit einem optischen Einschlussfaktor von etwa 0,0155 einer jeden Quantentopfschicht angeglichen werden.
In diesem Fall ist es möglich, die Abhängigkeit des Emissionsspektrums von der Temperatur zu verringern.
Ferner ist vorzugsweise für eine Peakposition der optischen Feldintensitätsverteilung in dem DFB-Halbleiterlaserelement ein Abstand von einem Schwerpunkt der Beugungsgitterschicht 6 kürzer als ein Abstand von einem Schwerpunkt der N-ten (N = 1) Quantentopfschicht. Die Lichtintensität in der aktiven Schicht kann beispielsweise einer quadratischen Funktion angenähert werden und wird durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückt:
I(Z) = AZ² + BZ + C. Ist in diesem Fall eine Anfangsposition der N-ten Quantentopfschicht Z_N und eine Breite davon d_N, erfüllt ein Beispiel für einen optischen Einschlussfaktor Γ(N) der N-ten Quantentopfschicht die nachfolgende Gleichung. Γ(N) = (AZ_N ² + BZ_N + C)d_N ² + (AZ + B/2)d_N + Ad_N/3
Es können die Position und die Breite der Quantentopfschichten in solcher Weise bestimmt werden, dass die optischen Einschlussfaktoren der N-ten Quantentopfschichten gleichförmig sind. Da in diesem Fall die Lichtintensitätsverteilung zur Beugungsgitterschicht 6 vorgespannt wird, nimmt die Lichtintensitätsverteilung tendenziell mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 in der aktiven Schicht ab. Somit nimmt die Breite der Quantentopfschicht mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 zu.
Es ist möglich, die Abhängigkeit des Emissionsspektrums von der Temperatur zu verringern, indem die zuvor beschriebenen Bedingungen erfüllt werden.
Ferner ist die Trägersperrschicht CB, die eine Bewegung der Träger zwischen der aktiven Schicht 4 und der Beugungsgitterschicht 6 unterdrückt, zwischen der aktiven Schicht und der Beugungsgitterschicht 6 angeordnet. Vorzugsweise trägt die Trägersperrschicht CB eine Bandlückenenergie auf, die höher als jene der oberen Lichtleiterschicht und niedriger als jene der oberen Mantelschicht ist.
Indem die Verstärkungspeakwellenlängen der Vielzahl von Quantentopfschichten, wie zuvor beschrieben, zu einer längeren Wellenlänge verschoben werden, beispielsweise um 10 nm, und die Verstarkungspeakwellenlangen angeordnet werden, kann eine Änderung in der Verstärkung entsprechend einer Temperaturänderung unterdrückt werden, sodass ein Betrieb in einem breiten Temperaturbereich erwartet wird. In diesem Fall nimmt in der Quantentopfschicht, die ein Verstärkungsspektrum mit einer langen Wellenlänge aufweist, die Quantentopfschichtdicke zu, wenn das gleiche Quantentopfschichtmaterial verwendet wird. Da sich somit der optische Einflussfaktor ändert, kann keine einheitliche Verstärkung in einem breiten Temperaturbereich gemäß der Anordnung erzielt werden. Da der Brechungsindex der Beugungsgitterschicht im Allgemeinen hoch ist, wird ein elektrisches Feld tendenziell zur Beugungsgitterschicht vorgespannt. Indem jedoch die Quantentopfschicht mit einer höheren Schichtdicke und einer längeren Wellenlänge an einer Position entfernt von der Brechungsindexmodulationsschicht angeordnet wird, ist es möglich, eine Schwankung in dem optischen Einschlussfaktor aufgrund der Unterschiede zwischen der Schichtdicken zu minimieren und eine einheitliche Verstärkung in einem breiten Temperaturbereich zu erzielen.
(Beispiel 2) Die zuvor beschriebenen Effekte können selbst dann verwirklicht werden, wenn in dem zuvor beschriebenes DFB-Halbleiterlaser die Beugungsgitterschicht 6 eine Schicht einen Brechungsindex aufweist, der höher als der durchschnittliche Brechungsindex der Kernschicht ist, und die Bandlückenenergie, die durch ein Material der Quantentopfschicht 4B bestimmt wird, mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 abnimmt, wobei der DFB-Halbleiterlaser die aktive Schicht 4 mit der Mehrfachquantentopfstruktur umfassend die Vielzahl von Quantentopfschichten 4B aus unterschiedlichen Materialien, die Beugungsgitterschicht 6, die mit der aktiven Schicht 4 optisch gekoppelt ist, und ein Paar von Mantelschichten, zwischne dem die aktive Schicht 4 und die Beugungsgitterschicht 6 angeordnet ist, umfasst,
Im Allgemeinen steht die Bandlückenenergie in umgekehrter Korrelation zum Brechungsindex, sodass der Brechungsindex mit abnehmender Bandlückenenergie tendenziell zunimmt. Somit erhöht sich der Ausrichtungseffekt des optischen Einschlussfaktors aufgrund der Zunahme des Brechungsindex der Quantentopfschicht, die sich entfernt von der Beugungsgitterschicht 6 befindet.
Es ist möglich, die Abhängigkeit des Emissionsspektrums von der Temperatur zu verringern, indem die zuvor beschriebenen Bedingungen erfüllt werden.
4A zeigt ein Energiebanddiagramm in dem DFB-Halbleiterlaserelement und 4B zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur darstellt.
In 4A sind eine untere Endenergie Ec eines Leitungsbandes und eine obere Endenergie Ev eines Valenzbandes dargestellt. Werden die von der unteren Mantelschicht 2 und der oberen Mantelschicht 7 eingebrachten Ladungsträger in die aktive Schicht 4 eingebracht, wird Licht durch Emissionsrückkopplung in der Quantentopfschicht in der aktiven Schicht 4 emittiert. In diesem Fall ist es möglich, ein Entweichen von Elektronen in die Beugungsgitterschicht 6 mit einer geringen Bandlückenenergie aufgrund der Energiebarriere der Trägersperrschicht CB zu unterdrücken und die Elektronen auf effektive Weise in der Nähe einer lichtemittierenden Schicht einzuschließen.
5A zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Z-Achsenrichtungsposition und dem Brechungsindex n in dem DFB-Halbleiterlaserelement darstellt, 5B zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Z-Achsenrichtungsposition und der optischen Feldintensität 1 darstellt, und 5C zeigt eine Ansicht, die die XZ-Querschnittsstruktur darstellt.
Der Brechungsindex n steht in umgekehrter Korrelation zu dem unteren Energieniveau Ec des Leitungsbande S. Nimmt der Brechungsindex zu, wird das Licht auf einfache Weise begrenzt und der Peak der optischen Feldstärke wird der Nähe der Beugungsgitterschicht 6 mit einem hohen Brechungsindex verteilt. Das in der aktiven Schicht 4 erzeugte Licht ist optisch mit dem Inneren der Beugungsgitterschicht 6 gekoppelt, und es werden Lichtwellen mit einer bestimmten Wellenlänge und einem Wellenzahlvektor ausgewählt. In diesem Fall ist es möglich, eine Einmodenschwingung durch Einstellen eines V-Parameters zu erhalten, der durch eine Dicke jeder Schicht und Abmessungen des Beugungsgitters definiert ist, um eine Bedingung für eine einzelne Mode zu erfüllen.
Ein Energieniveau E21 oder E22 an einem unteren Ende des Leitungsbandes der unteren Mantelschicht 2 kann entweder gleich wie oder unterschiedlich zu einem Energieniveau E23 an einem unteren Ende des Leitungsbandes der oberen Mantelschicht 7 sein. Der Brechungsindex der unteren Mantelschicht 2 kann geringer als jener der oberen Mantelschicht 7 sein, in dem das Energieniveau E22 verwendet wird. In diesem Fall wird das optische Feld in Bezug auf die aktive Schicht 4 auf die Beugungsgitterschicht 6 vorgespannt, da die optische Feldverteilung in Bezug auf die aktive Schicht auf die obere Mantelschicht vorgespannt ist.
Da ein Materialbrechungsindex einer Basisschicht der Beugungsgitterschicht 6 höher als ein durchschnittlicher Brechungsindex der Kernschicht ist, wird das optische Feld auf die Beugungsgitterschicht 6 vorgespannt.
Es können verschiedene Beispiele der Brechungsindexverteilung konzipiert werden.
6A und 6B zeigen Diagramme, die eine Beziehung zwischen einer Z-Achsenrichtungsposition und einem Brechungsindex n in den DFB-Halbleiterlaserelementen darstellen, die andere Brechungsindexverteilungsstrukturen aufweisen.
6A zeigt ein Beispiel einer Brechungsindexverteilung, in der eine Struktur der Beugungsgitterschicht 6 eine Basisschicht 6A (GaAs) und einen Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex (AlGaAs), wie zuvor beschrieben, umfasst.
6B zeigt ein Beispiel einer Brechungsindexverteilung, in der die Struktur der Beugungsgitterschicht 6 die Basisschicht 6A (GaAs) und einen Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex (Luft) aufweist. Die Bedingungen entsprechen jenen der 13 mit der Ausnahme, dass der Brechungsindex n der Basisschicht 6A (GaAs) in der Beugungsgitterschicht 6 mit einer Dicke von 300 nm 3,52 beträgt, der Brechungsindex n in dem Bereich mit dem unterschiedlichen Brechungsindex 6B (Luft) 1 beträgt und ein Prozentsatz (Füllfaktor FF) einer Fläche des Brechungsindexbereichs 6B, in einer Draufsicht aus Sicht der Z-Achsenrichtung, in einer Gesamtfläche 15% beträgt. Ein V-Parameter, der nachfolgend beschrieben wird, beträgt 2,314 und ein Cut-Off-Wert des V-Parameters, der dafür sorgt, dass die Anzahl der Moden in der Dickenrichtung 1 beträgt, ist 3,811.
Da der Brechungsindex der Basisschicht der Beugungsgitterschicht 6 3,52 beträgt und höher als der durchschnittliche Brechungsindex neff = 3,391 der Kernschicht ist, wird das optische Feld in Richtung der Beugungsgitterschicht vorgespannt.
Die optische Feldintensität I in dem DFB-Halbleiterlaserelement kann an die nachfolgende quadratische Funktion angenähert werden, die unter Verwendung eines Verfahrens der kleinsten Quadrate in der aktiven Schicht 4 erhalten wird, wenn ein Maximalwert der optischen Feldstärke I in dem Fall, in dem eine Position der oberen freigelegten Fläche der Kontaktschicht 8 Z(μm) = 0 μm ist, auf 1 normiert wird. –13,324Z² + 64,423Z – 76,875 = 0
Somit ist es in diesem Fall möglich, die Abhängigkeit des Emissionsspektrums von der Temperatur zu verringern, indem die Dicke der Quantentopfschichten auf 9, 10 und 11 nm erhöht wird, wenn der Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 zunimmt, und die Integralwerte derart angeordnet werden, dass die Integralwerte angeglichen sind.
(Beispiel 3) Wird die Beugungsgitterschicht 6 in 2 in einer vertikalen Richtung umgedreht, befindet sich die Basisschicht 6A in einem oberen Abschnitt des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B. In diesem Fall ist der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B, der eingebettet wurde, in der gleichen Weise wie zuvor aus AlGaAs gebildet, und die weiteren Bedingungen sind so wie in 13 gezeigt.
Der Brechungsindex n der Basisschicht 6A (GaAs) in der Beugungsgitterschicht 6 mit einer Dicke von 300 nm beträgt 3,52, der Brechungsindex n des Gebiets mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B (AlGaAs) beträgt 3,25, der Prozentsatz (Füllfaktor: FF) einer Fläche des Brechungsindexbereichs 6B, in einer Draufsicht aus Sicht der Z-Achsenrichtung, einer Gesamtfläche beträgt 50%, der Brechungsindex n der oberen Mantelschicht 7 (AlGaAs) beträgt 3,25, der Brechungsindex n der unteren Mantelschicht 2 (AlGaAs) beträgt 3,11, und eine Gesamtdicke der aktiven Schicht 4, die die drei Quantentopfschichten mit einer Dicke von 10 nm und die Sperrschichten aufweist, und die obere und untere Lichtleiterschicht betragen 200 nm. Der im Nachfolgenden beschriebene V-Parameter beträgt 2,493 und der Cut-Off-Wert des V-Parameters, der dafür sorgt, dass die Anzahl der Moden in der Dickenrichtung 1 beträgt, beträgt 3,761. Da in diesem Fall der durchschnittliche Brechungsindex der Kernschicht 3,438 beträgt und niedriger ist als der Brechungsindex der Basisschicht der Beugungsgitterschicht 6, wird das optische Feld auf die Beugungsgitterschicht 6 vorgespannt.
Die optische Feldintensität I in dem DFB-Halbleiterlaserelement kann der nachfolgenden quadratischen Funktion angenähert werden, die unter Verwendung eines Verfahrens der kleinsten Quadrate in der aktiven Schicht 4 erhalten wird, wenn ein Maximalwert der optischen Feldintensität I in dem Fall, in dem eine Position der oberen freigelegten Fläche der Kontaktschicht 8 Z(μm) = 0 μm ist, auf 1 normiert wird. –10,096Z² + 48,292Z – 56,847 = 0
Dementsprechend ist es möglich, die Abhängigkeit des Emissionsspektrums von der Temperatur zu verringern, indem die Dicken der Quantentopfschichten auf so große Werte wie 9, 10 und 11 nm festgelegt werden, wenn ein Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 zunimmt, und indem die Quantentopfschichten derart angeordnet werden, dass die obigen Integralwerte angeglichen sind.
7A zeigt ein Energiebanddiagramm in dem DFB-Halbleiterlaserelement, in dem eine Tiefe der Quantentopfschichten verändert wurde, und 7B zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur darstellt.
Das heißt, ein Beispiel in 7A und 7B wird erhalten, indem eine Tiefe des Quantentopfes einer jeden Quantentopfschicht 4B in der in 4A und 4B gezeigten Struktur verändert wird, wobei andere Bedingungen dieselben wie in 4A und 4B sind. Wenn ein In-Zusammensetzungsverhältnis in der Quantentopfschicht 4B verändert wird, verändert sich die Bandlückenenergie. Wird ein In-Zusammensetzungsverhältnis erhöht, nimmt die Bandlückenenergie Eg ab, und wird ein In-Zusammensetzungsverhältnis verringert, nimmt die Bandlückenenergie Eg zu. Da die Bandlückenenergie von GaAs 1,47 eV und die Bandlückenenergie von InAs 0,36 eV betragen, weist die Energiebandlücke von InGaAs einen dazwischen liegenden Wert auf.
Ferner ist der Brechungsindex von GaAs bei einer Wellenlänge von etwa 900 nm 3,6, und der Brechungsindex von InAs ist in etwa 3,7. Der Brechungsindex von AlAs beträgt bei einer Wellenlänge von etwa 900 nm 3,0.
Im Falle einer Struktur der 7A und 7B nimmt die Bandlückenenergie der Quantentopfschicht 4B ab (ein In-Zusammensetzungsverhältnis nimmt zu) und eine Tiefe des Potenzialtopfes nimmt mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 zu. In diesem Fall nimmt mit abnehmender Bandlückenenergie der Brechungsindex tendenziell zu. Dementsprechend wird der optische Einflussfaktor durch Erhöhen des Brechungsindex der Quantentopfschicht, die sich entfernt von der Beugungsgitterschicht 6 befindet, angeglichen.
8A zeigt ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Z-Achsenrichtungsposition und der optischen Feldintensität I in einem DFB-Halbleiterlaserelement mit vier Quantentopfschichten darstellt, und 8B zeigt ein Diagramm, das eine XZ-Querschnittsstruktur in der Nähe der aktiven Schicht darstellt.
Das heißt, in der in 3A und 3B gezeigten Struktur ist die aktive Schicht mit den drei Quantentopfschichten 4B dargestellt, während in dem Beispiel der 8A und 8B die Anzahl der Quantentopfschichten 4B 4 beträgt, wobei die anderen Bedingungen gleich sind. Die Anzahl der Quantentopfschichten 4B kann vier oder mehr sein. Da in diesem Fall die Anzahl der Emissionsspektren von jeder Quantentopfschicht 4B zunimmt, kann eine Änderung in den Emissionsspektren im Hinblick auf eine Temperaturänderung weiter verringert werden.
(2) Oberflächenemittierendes DFB-Halbleiterlaserelement
9A zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur eines DFB-Halbleiterlaserelements mit einer anderen Struktur darstellt, und 9B zeigt eine Ansicht, die eine ebene Struktur der Beugungsgitterschicht darstellt.
Diese unterscheidet sich von dem zuvor beschriebenen kantenemittierenden DFB-Halbleiterlaserelement dahingehend, dass eine ebene Struktur der Beugungsgitterschicht 6 und die streifenförmige Mesastruktur in einem oberen Abschnitt nicht ausgebildet sind, während die anderen Bedingungen gleich bleiben. Die zuvor beschriebene Struktur kann eine Querschnittsstruktur der Beugungsgitterschicht 6 und einer Struktur der aktiven Schicht 4 verwendet werden.
Wird dieses DFB-Halbleiterlaserelement 100 hergestellt, werden eine untere Mantelschicht 2 mit einem ersten Leitfähigkeitstyp (N-Typ) aus AlGaAs, eine untere Lichtleiterschicht 3 aus AlGaAs, eine aktive Schicht 4 mit einer Mehrfachquantentopfstruktur (MQW) (Sperrschicht: AlGaAs, und Quantentopfschicht: InGaAs), eine obere Lichtleiterschicht 5 aus AlGaAs, eine optionale Trägersperrschicht CB und eine Beugungsgitterschicht 6 (eine Brechungsindexmodulationsschicht) aus GaAs durch Kristallwachstum auf einem Halbleitersubstrat 1 mit dem ersten Leitfähigkeitstyp (N-Typ) aus GaAs unter Verwendung eines metallorganischen Dampfphasen-Epitaxieverfahrens (MOCVD) oder eines Molekularstrahl-Epitaxieverfahrens (MBE) erzeugt.
Anschließend wird eine eindimensionale Streifenstruktur auf einer Fläche der Beugungsgitterschicht 6 unter Verwendung eines Mikrofabrikationsverfahrens hergestellt. In diesem Fall wird, wie in 9 gezeigt, eine Gitterperiode A so eingestellt, dass deren optische Länge eine Länge ist, die einer Wellenlänge des Laserlichts (Λ = λ) entspricht, um einen Beugungsgitter zweiter Ordnung zu entsprechen. Das heißt, die Beugungsgitterschicht 6 ist ursprünglich eine gewachsene Schicht, in der die gebildete Basisschicht 6A (GaAs) unter Verwendung eines Fotolithografieverfahrens mit einer Streifenform ausgebildet wird, und ein Material mit einem Brechungsindex, der sich von jenem der Basisschicht 6A unterscheidet, beispielsweise der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B aus AlGaAs, wird in Zwischenräumen zwischen den Streifen unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens eingebettet. Jeder Streifen erstreckt sich in einer Richtung der Resonatorlänge (Y-Achsenrichtung), und die Dicke des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B ist geringer als jene der Basisschicht 6A, wobei diese jedoch die gleiche Dicke aufweisen können. Beispielsweise kann Laserlicht in den 940-, 980- und 1060 nm-Bändern als Emissionswellenlängen verwendet werden.
Eine Ausbreitungsrichtung der Streifen kann, wie in 10A und 10B gezeigt, eine X-Achsenrichtung sein, oder eine beliebige Richtung in der XY-Ebene. Das in 10A und 10B dargestellte Halbleiterlaserelement wird durch Drehen der Beugungsgitterschicht 6 des in 9A und 9B gezeigten Halbleiterlaserelement um 90° um die Z-Achse erhalten, wobei die anderen Bedingungen gleich wie jene des in 9A und 9B gezeigten Halbleiterlaserelements sind.
Anschließend werden die obere Mantelschicht 7 mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp (P-Typ) aus AlGaAs und die Kontaktschicht 8 mit einem zweiten Leitfähigkeitstyp (P-Typ) aus GaAs durch Kristallwachstum auf der Beugungsgitterschicht 6 unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens gebildet. Die obere Mantelschicht 7 kann nach dem Prozess zur Ausbildung des Bereichs mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B in der Beugungsgitterschicht 6 gebildet werden. Es kann Luft oder ein inertes Gas als Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B in der Beugungsgitterschicht 6 verwendet werden, oder der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B kann sich einem Vakuumzustand befinden.
Anschließend wird eine Antireflexionsschicht 11 aus SiNx oder dergleichen auf der unteren Fläche des Halbleitersubstrats 1 gebildet, wobei die Antireflexionsschicht 11 unter Verwendung eines Fotolithografieverfahrens zur Entfernung eines Bereichs davon strukturiert und die untere Elektrode E1, deren mittlerer Bereich in einer Draufsicht aus Sicht der X-Achsenrichtung offen ausgebildet ist, in diesem entfernten Bereich gebildet wird. Die untere Elektrode E1 ist physisch und elektrisch mit dem Halbleitersubstrat 1 verbunden und weist eine Öffnungsform auf. Daher wird eine Wellenlänge des Laserlichts, das in der Nähe der aktiven Schicht erzeugt wird, durch die Beugungsgitterschicht 6 ausgewählt, und das Laserlicht wird in der Z-Achsenrichtung durch das Innere der Öffnung der unteren Elektrode ausgegeben.
Ferner wird ein Umfangsabschnitt der Kontaktschicht 8 durch Strukturieren unter Verwendung eines Fotolithografieverfahrens geätzt, sodass lediglich ein mittlerer Bereich davon übrigbleibt. Die Isolierschicht 9, die als Schutz dient, wird derart ausgebildet, dass sie eine freigelegte Fläche der Kontaktschicht 8 bedeckt. Die Isolierschicht 9 auf der Kontaktschicht 8 wird durch Ätzen entfernt, um die Kontaktschicht 8 freizulegen, wobei die obere Elektrode E2 in Kontakt mit der Kontaktschicht 8 ausgebildet wird. Für ein Verfahren zur Bildung der unteren Elektrode E1 und der oberen Elektrode E2 kann ein Dampfabscheidungsverfahren oder ein Sputterverfahren verwendet werden.
Es kann eine Trägersperrschicht CB zwischen der aktiven Schicht 4 und der Beugungsgitterschicht 6 unter Verwendung eines MOCVD-Verfahrens oder eines MBE-Verfahrens gebildet werden. Die Trägersperrschicht CB unterdrückt die Bewegung der Träger zwischen der aktiven Schicht 4 und der Beugungsgitterschicht 6. In diesem Beispiel ist die Trägersperrschicht CB aus AlGaAs gebildet und in der oberen Lichtleiterschicht 5 ausgebildet. Eine Bandlückenenergie der Trägersperrschicht CB ist höher als jene der oberen Lichtleiterschicht 5 und niedriger als die obere Mantelschicht 7.
Anschließend wird das Verbundhalbleitersubstrat in Form eines Chips, der ein Halbleiterlaserelement ist, auf eine Länge eines Intervalls von etwa 1 bis 3 mm in einer Y-Achsenrichtung gespalten.
Anschließend wird die obere Elektrode E2 des Halbleiterlaserelements mit einem Lötmaterial auf einem Montageelement befestigt, und anschließend wird das Montageelement mittels Diebonden mit einer Basis unter Verwendung eines Lötmaterials verbunden. Für beide Lötmaterialien kann In, Au/Sn oder dergleichen verwendet werden. Eine untere Öffnungselektrode E1 ist mit der Basiselektrode mittels Drahtbonden, wie beispielsweise einem Au-Draht, verbunden, sodass ein Stromantrieb verwirklicht werden kann. Mit dem zuvor beschriebenen Prozess wird das Halbleiterlaserelement gebildet.
Die Materialien, Verunreinigungskonzentrationen, Dicken und dergleichen der entsprechenden Verbundhalbleiterschichten sind gleich wie jene, die mit Bezug auf 1 bis 10 beschrieben wurden.
(3) DFB-Halbleiterlaserelement mit photonischem Kristall
11A zeigt eine Ansicht, die eine XZ-Querschnittsstruktur eines DFB-Halbleiterlaserelements mit einer weiteren Struktur darstellt, und 11B zeigt eine Ansicht, die eine ebene Struktur der Beugungsgitterschicht zeigt.
Das in 11A und 11B gezeigte DFB-Halbleiterlaserelement unterscheidet sich von den in den 9A und 9B oder 10A und 10B gezeigten lediglich in einer zweidimensionalen Struktur der Beugungsgitterschicht 6, wobei der weitere Aufbau gleich ist. In der Beugungsgitterschicht 6 dieses Beispiels ist der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B an einer Gitterpunktposition auf dem zweidimensionalen quadratischen Gitter angeordnet, wobei diese Beugungsgitterschicht 6 einen sogenannten photonischen Kristall bildet, das DFB-Halbleiterlaserelement einen photonischen Kristalllaser (PCSEL) bildet, und eine Ausgabe in der Z-Achsenrichtung erhalten wird. Obwohl die ebene Form der Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B ein rechtwinkliges gleichschenkliges Dreieck ist, kann eine andere dreieckige Form, eine polygonale Form, wie eine vier- oder mehreckige Form, oder eine Kreisform verwendet werden. Ein Gitterabstand A kann derart eingestellt werden, dass die optische Länge einer Wellenlänge des Laserlichts gemäß einem Beugungsgitter zweiter Ordnung entspricht (n = neff × λ, neff: äquivalenter Brechungsindex). Vorzugsweise beträgt λ = 290 nm, um ein Laserlicht mit einer Wellenlänge von λ = etwa 980 nm zu erhalten.
Wie zuvor beschrieben, wird in dem DFB-Halbleiterlaserelement der Kopplungskoeffizient κ des Beugungsgitters auf einen sehr hohen Wert eingestellt, wodurch die Beugungseffizienz zunimmt. In diesem Fall nimmt in einem Bereich mit einer Mehrfachquantenstruktur, die eine Vielzahl von Wellenlängen erzeugt, eine Änderungsrate der Feldintensität gemäß der Position zu, und das Emissionsspektrum ist stark von der Temperatur abhängig. Somit wird in jeder Quantentopfschicht eine Struktur verwendet, in der die optischen Feldintensitäten (die optischen Einflussfaktoren) angeglichen werden, um die Verstärkungsspektrumintensität entsprechend der Quantentopfschicht einer jeden Wellenlänge zu vereinheitlichen und die Stabilität entsprechend der Temperaturänderung zu erhöhen.
In dem DFB-Halbleiterlaserelement kann κL als ein Index für die Beugungseffizienz verwendet werden. κ ist eine Kopplungseffizienz, L gibt eine Resonatorlänge an, L liegt typischerweise in der Größenordnung von hunderten μm bis einigen mm und κ liegt typischerweise bei einigen cm^–1 bis einigen zehn pro cm^–1. Wird κL auf 1 bis 3 eingestellt (1 ≤ κL ≤ 3), können die Moden des optischen Feldes innerhalb des Resonators vereinheitlicht werden, wodurch auch eine stabile Schwingung in der Struktur aus dem Stand der Technik zu erwarten ist.
Wie bei der vorliegenden Erfindung ist es bei dem DFB-Halbleiterlaserelement mit hoher Beugungseffizienz jedoch möglich, Platz zu sparen, indem κ auf einige zehn bis einhundert cm^–1 eingestellt wird. Somit ist es zur Verwirklichung eines hohen κ (beispielsweise 20 cm^–1 ≤ κ ≤ 1000 cm^–1) erforderlich, dass die optische Feldintensität (der optische Einschlussfaktor Γg) einer Schicht mit einem Beugungsgitter erhöht ist, und es ist erforderlich, dass der Peak der Feldintensität innerhalb der Beugungsgitterschicht oder in der Nähe der Beugungsgitterschicht angeordnet ist.
Andererseits ist es zur Erzielung einer hinreichend hohen optischen Verstärkung erforderlich, dass die Lichtfeldintensität (der optische Einschlussfaktor Γqw), die die Quantentopfschicht von Natur aus aufweist, als eine hohe Lichtfeldintensität aufrecht gehalten wird, und es ist erforderlich, dass ein Abstand zwischen der Beugungsgitterschicht und der Quantentopfschicht hunderte nm oder weniger beträgt. In diesem Fall überlagert eine Mehrfachquantentopfschicht mit einer Mehrfachwellenlänge einen Bereich, in dem eine Änderung der Feldintensität abrupt erfolgt. Ist folglich, wie zuvor beschrieben, die Struktur keine Struktur, in der die optische Feldintensitäten (die optischen Einflussfaktoren Γqw1, Γqw2, ...) der entsprechenden Schichten angeglichen sind, tritt eine Ungleichmäßigkeit in den Verstärkungsspektrumintensitäten entsprechend der Quantentopfschicht einer jeden Wellenlänge auf, und die Struktur kann im Hinblick auf die Temperaturänderung nicht stabil arbeiten. Somit wird in der zuvor beschriebenen Ausführungsform eine Struktur verwendet, in der die Quantentopfschicht mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht dicker wird.
Ferner wurde experimentell festgestellt, dass in einem photonischen Kristalllaser mit einer zweidimensionalen periodischen Struktur ein Modus in der Ebene durch Erhöhen des Kopplungskoeffizienten κ auf hunderte bis tausende cm^–1 stabilisiert wird. Wie in den zuvor beschriebenen Bedingungen für κ1 und κ3 beschrieben, wird in dem photonischen Kristall in einer Quadratgitteranordnung der Kopplungskoeffizient κ1 in einer 90°-Richtung auf etwa 100 cm^–1 ≤ κ1 ≤ 5000 cm^–1 und der Kopplungskoeffizient κ3 in einer 180°-Richtung auf etwa 50 cm^–1 ≤ κ1 ≤ 5000 cm^–1 eingestellt. Somit erfolgt eine Änderung der Feldintensität in der Mehrfachquantentopfschicht mit der Mehrfachwellenlänge abrupt, und eine Struktur, in der die Quantentopfschicht mit zunehmenden Abstand von der Beugungsgitterschicht dick wird, arbeitet zuverlässiger im Hinblick auf die Stabilisierung des Emissionsspektrums.
Zuvor wurde das DFB-Halbleiterlaserelement gemäß der Ausführungsform beschrieben, jedoch wird Laserlicht einer einzelnen Mode in der Dickenrichtung der zuvor beschriebenen Struktur erzeugt. Weist das Laserlicht eine zweidimensionale Verteilung auf, konkurriert das Laserlicht einer Grundmode 0-ter Ordnung und das Laserlicht einer Mode erster hoher Ordnung miteinander, so dass wahrscheinlich ist, dass eine Schwingung an einem Antitoleranzpunkt eines photonischen Bandes erzeugt wird. Das heißt, liegt beispielsweise die Position des Gebiets mit unterschiedlichem Brechungsindex 6B auf einem Gitterpunkt eines dreieckigen Gitters, kann ein hexagonaler Strahl erzeugt werden. Bei der Einmodenschwingung werden vorzugsweise zur Unterdrückung der Erzeugung eines derartiger Strahlenmusters die Brechungsindizes und die Dicken der aktiven Schicht und der Beugungsgitterschicht auf bestimmte Bereiche beschränkt, um eine Einmodenschwingung zu erzeugen.
Da ferner die Peakposition der optischen Feldintensität auf der Beugungsgitterschichtseite liegt, nimmt die optische Feldintensität der aktiven Schicht mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht nach und nach ab. Die Quantentopfschicht bewirkt, dass die optische Feldintensität I(N) an einer Position N und eine Integration (der optische Einflussfaktor Γ(N) = ∫I(N)dz: TE-Modus) in einer Dickenrichtung einer jeder Quantentopfschicht im Wesentlichen konstant sind. Das heißt, Γ(N) = konstantes C ± Fehler Δ und ein Fehler Δ = C × 10%.
Das heißt, ist N eine natürliche Zahl, ist eine Dicke der N-ten Quantentopfschicht von der Beugungsgitterschicht unter der Vielzahl von Quantentopfschichten d(N) und ist der optische Einschlussfaktor der N-ten Quantentopfschicht Γ(N), beträgt eine relative Änderung in Γ(N) 10% oder weniger.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform kann die Peakwellenlänge des Verstärkungsspektrums, wenn die Quantentopfschichten zwei oder mehr Quantentopfschichtbreiten (Dicken) aufweisen, entsprechend den Quantentopfbreiten geändert werden, und eine Vielzahl von Verstärkungsspektren mit einer Wellenlängenbreite von etwa 10 nm Halbwertsbreite in einem nahen Infrarotbereich können einander überlagern. Dementsprechend ist es möglich, eine Wellenlängenbreite des Verstärkungsspektrums der Quantentopfschicht im Vergleich mit einer Struktur einer einzelnen Quantentopfschichtbreite auszuweiten, um ein breites Verstärkungsspektrum zu erhalten. Somit ist es möglich, eine Änderung in der Verstärkungsspektrumintensitat im Hinblick auf die Änderung des Verstärkungsspektrums gemäß der Temperaturänderung zu minimieren.
Da das Laserlicht einer einzelnen Mode in der Dickenrichtung der Schicht erzeugt wird, kann eine Konkurrenz von Moden höherer Ordnung unterdrückt werden, und es können Schwingungseigenschaften mit guter Linearität mit hoher Effizienz erhalten werden. Wird ferner eine Mode hoher Ordnung in einem zweidimensionalen Beugungsgitter oszilliert, tritt ein bestimmtes Strahlenmuster durch einen Antitoleranzpunkt des Bandes auf, wobei dies jedoch bei einer Einmodenschwingung unterdrückt werden kann.
Ferner nähert sich die optische Feldverteilung in der aktiven Schicht in der Nähe der Beugungsgitterschicht einer primären und sekundären Funktion an, und es können die Beugungsbeteiligung in den entsprechenden Quantentopfschichten angeglichen werden, indem die Quantentopfschichten derart angeordnet werden, dass die Integralwerte (die optischen Einschlussfaktoren) der Lichtfeldverteilung angeglichen werden. Somit ist es möglich, eine Schwankung der Beugungseffekte gemäß einer Temperaturänderung zu unterdrücken.
Die Bedingungen zur Erzeugung einer einzelnen Mode sind aus dem Dokument "Yasuo Kokubun, 'Lightwave Engineering', S. 144, Kyoritsu Publishing" bekannt und können aus Verteilungskurven (14) für eine normierte Wellenlängenbreite V und eine normierte Ausbreitungskonstante b erhalten werden.
Das heißt, eine Struktur, bei der die Beugungsgitterschicht und die aktive Schicht zwischen einem Paar von Mantelschichten angeordnet sind, kann eine derartige Schichtstruktur an eine dreischichtige Plattenwellenleiterstruktur unter der Annahme, dass die Beugungsgitterschicht und die aktive Schicht Kernschichten sind, angenähert werden. In diesem Fall können der Brechungsindex und die Filmdicke, in der nur eine Grundmode vorhanden ist, unter Verwendung des nachfolgenden Schemas berechnet werden.
Eine elektromagnetische Feldverteilung in einer derartigen Wellenleiterstruktur kann durch numerisches Lösen einer maxwellschen Wellengleichung unter Randbedingungen berechnet werden. In diesem Fall kann in einer äquivalenten asymmetrischen dreischichtigen Plattenwellenleiterstruktur, wenn jede Schicht mit einer Zahl i bezeichnet wird, eine Dicke einer jeden Schicht w(i) ist, und die dielektrische Konstante ε(i) ist, eine äquivalente dielektrische Konstante ε_Eq einer jeden Schicht unter Verwendung ε_Eq = Σ(w(i)ε(i))/Σw(i) erhalten werden. Die Addition von Σ erfolgt von einer Schicht i = 1 bis zu einer Schicht einer letzten Zahl.
Ferner ist die Anzahl der Moden in einem asymmetrischen dreischichtigen Plattenwellenleiter durch einen V-Parameter und eine normierte Ausbreitungskonstante b, die in den nachfolgenden Gleichungen gezeigt sind, gekennzeichnet. V = k₀n₁d(2Δ)^0,5 und b = ((β/k₀)² – N₂ ²)/(n₁ ² – N₂ ²).
Hierbei bezeichnet k₀ eine Wellenzahl in Vakuum, n₁ ist der Brechungsindex der unteren Mantelschicht, d ist eine Schichtdicke der Kernschicht, Δ ist eine Nichtbrechungsindexdifferenz, β ist eine Ausbreitungskonstante und n₂ ist ein Brechungsindex der oberen Mantelschicht.
Ferner weist der V-Parameter und der asymmetrische dreischichtigen Platterwellenleiterstruktur einen Wert auf, der eine Eigenwertgleichung erfüllt, die in der folgenden Gleichung (*) mit Bezug auf die normoertre Ausbreitungskonstante b gezeigt ist. V = 1/(1 – b)^0,5[tan^–1χ²(b/(1 – b))_0,5 + tan^–1χ₃((b + a')/(1 – b))^0,5 + Kπ]
Wenn a' ein asymmetrischer Parameter, κ eine beliebige positive Zahl und die Brechungsindizes der i-ten Schicht (i = 1, i = 2 und i = 3), n₁, n₂ und n₃ sind, ist das Ergebnis wie folgt. i = 1 ist eine untere Mantelschicht, i = 2 ist eine Schicht, die sich einer Kernschicht zwischen den Mantelschichten annähert, und i = 3 gibt eine obere Mantelschicht an. a' = (n₂ ² – n₃ ²)/(n₁ ² – n₂ ²)
Ferner ist χi eine Konstante, die von der TE-Mode und der TM-Mode der i-ten Schicht abhängt, und erfüllt die nachfolgenden Werte im Falle des Brechungsindex ni der i-ten Schicht. χi = 1 (zum Zeitpunkt der TE-Mode), χi = (n₁/n_l)² (in einer TM-Mode).
In der zuvor beschriebenen Struktur des Beispiels 1 sind, wenn die Berechnung unter Verwendung der Wellenlänge λ = 980 nm durchgeführt wird, die Brechungsindizes n₁ = 3,44, n₂ = 3,26 und n₃ = 3,11, und eine Beziehung von V und b, die die Gleichung (*) des V-Parameters in der TE-Mode erfüllt, ist in 14 dargestellt. In diesem Fall bildet in dem Bereich von V, der von einer gepunkteten Linie umgeben wird, b lediglich eine Lösung, so dass die einzelne Mode schwingt. Aus dieser Beziehung kann die Dicke der Beugungsgitterschicht und der aktiven Schicht, die eine Einmodenschwingung aufweisen, bestimmt werden. Da in dem zuvor beschriebene, (Beispiel 1) V = 2,134 und kleiner als V = 3,176 ist, das in einer Mode erster Ordnung auftritt, schwingt die einzelne Mode.
Obwohl das DFB-Halbleiterlaserelement gemäß der Ausführungsform zuvor beschrieben wurde, können die Bestandteilmaterialien oder Leitfähigkeitstypen auf unterschiedliche Weise modifiziert werden. Die Bandlückenenergie der Quantentopfschicht ist unter Verwendung einer Materialzusammensetzung, einer Verzerrung oder dergleichen einstellbar, wobei die Bandlückenenergien der Quantentopfschichten, wie zuvor beschrieben, gleich oder unterschiedlich sein können. Ferner wird der P-Typ als erster Leitfähigkeitstyp und der N-Typ als zweiter Leitfähigkeitstyp verwendet, wobei dieselben Funktionen auch dann erzielt werden, wenn die Leitfähigkeitstypen vertauscht werden. Ferner kann in einigen Fällen auf die Lichtleiterschicht verzichtet werden.
Wie zuvor beschrieben, umfasst das zuvor beschriebene (DFB)-Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkoppelung die aktive Schicht 4 mit der Mehrfachquantentopfstruktur (MQW), die die Vielzahl von Quantentopfschichten mit unterschiedlichen Dicken aufweist, die Beugungsgitterschicht 6, die optisch mit der aktiven Schicht 4 gekoppelt ist, und ein Paar von Mantelschichten 2 und 7, zwischen dem die aktive Schicht 4 und die Beugungsgitterschicht 6 angeordnet ist, wobei die Beugungsgitterschicht 6 eine Schicht mit einem höheren Brechungsindex als der durchschnittliche Brechungsindex der Kernschicht umfasst, wenn ein Bereich zwischen den Mantelschichten 2 und 7 als eine Kernschicht definiert wird, und die Dicke der Quantentopfschicht mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 zunimmt.
Für den durchschnittlichen Brechungsindex (oder die durchschnittliche dielektrische Konstante) der Mantelschicht, insbesondere wenn die Schichten in der Mantelschicht der Reihe nach von der P-Mantelschicht als 1, 2, ..., m (m ist eine natürliche Zahl) nummeriert werden, werden die Parameter in den nummerierten Schichten wie folgt eingestellt. Dielektrische Konstante: ε1, ε2, ..., εm·Brechungsindex: N₁, N₂, ..., nm·Schichtdicke: W₁, W₂, ..., W_m.
In diesem Fall wird eine durchschnittliche dielektrische Konstante (ein Quadrat des Brechungsindex) ε_ave zu einem Durchschnitt pro Volumen einer dielektrischen Konstante einer jeden Schicht und durch die nachfolgende Formel ausgedrückt. (Gleichung 3)
Durch Ziehen der Quadratwurzel der durchschnittlichen dielektrischen Konstante wird der durchschnittliche Brechungsindex N_ave als nachfolgende Formel definiert. (Gleichung 4)
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform wurde ein Aufbau verwendet, bei dem eine Erhöhung des Brechungsindex der Beugungsgitterschicht zu einer Erhöhung des optischen Einschlussfaktors Γ führt und der das daraus resultierende Problem löst, d. h. ein Aufbau, bei dem die Dicke der Quantentopfschicht mit zunehmenden Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 zunimmt, um eine schnelle Verschlechterung der optischen Feldintensität entsprechend einer Position in der aktiven Schicht auszugleichen.
Das heißt, da die Dicke der Quantentopfschicht mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 zunimmt, werden die optischen Einschlussfaktoren Γqw in jeder Quantentopfschicht vereinheitlicht und das Verstärkungsspektrum entsprechend der Quantentopfschicht einer jeden Wellenlänge stabilisiert. Da stabile Verstärkungsspektren mit unterschiedlichen Peakwellenlängen entsprechend der Vielzahl von Quantentopfschichten erzeugt werden, kann eines der Verstärkungsspektren und ein ausgewähltes Spektrum mit einer Wellenlänge (Energieband-Endwellenlänge), die durch die Beugungsgitterschicht ausgewählt wird, selbst dann übereinstimmen, wenn eine Temperaturänderung auftritt, und zudem kann die Abhängigkeit des Emissionsspektrums von der Temperatur aufgrund einer Überlappung der Spektren ebenfalls verringert werden.
Wenn der zwischen den Mantelschichten angeordnete Bereich als Kernschicht definiert wird, umfasst das Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkoppelung, wie zuvor beschrieben, eine oder mehrere Schichten mit einem höheren Brechungsindex als ein modenäquivalenter Brechungsindex im Hinblick auf Licht, das sich durch die Kernschicht zwischen der Beugungsgitterschicht 6 und der Quantentopfschicht 4B ausbreitet. In diesem Beispiel wird wenigstens eine Sperrschicht der aktiven Schicht, die diese Bedingung erfüllt, zwischen der Beugungsgitterschicht und der Quantentopfschicht angeordnet.
Beträgt die Anzahl der Quantentopfschichten zwei oder mehr, ist es möglich, eine ausreichende Menge an Ladungsträgern zu halten, die zur Bindung der Quantentopfschichten erforderlich sind, und den Freiheitsgrad bei der Ausbildung zu verbessern.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform beträgt eine relative Änderung in Γ(N) 10% oder weniger, wobei N eine natürliche Zahl ist, eine Dicke der N-ten Quantentopfschicht von der Beugungsgitterschicht aus der Vielzahl von Quantentopfschichten d(N) ist und der optische Einschlussfaktor der N-ten Quantentopfschicht Γ(N) ist. Da in diesem Fall keine abrupte Änderung in der Dicke auftritt, kann die Lichtemission noch besser stabilisiert werden.
Ist die Beugungsgitterschicht 6 eindimensional und der modifizierte Brechungsindexbereich ausgerichtet und entlang einer geraden Linie angeordnet, erfüllt ein Kopplungskoeffizient κ der Beugungsgitterschicht 6 vorzugsweise die folgende Beziehung; 20 cm^–1 ≤ κ ≤ 1000 cm^–1.
Ferner ist in der zuvor beschriebenen Ausführungsform ein Beispiel gezeigt, bei dem die Beugungsgitterschicht 6 eine zweidimensionale Beugungsgitterschicht ist.
In einer derartigen zweidimensionalen Beugungsgitterschicht umfasst die Beugungsgitterschicht vorzugsweise eine Basisschicht; und eine Vielzahl von Bereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex, die einen Brechungsindex aufweisen, der sich von jenem der Basisschicht unterscheidet, wobei der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex an einer Gitterpunktposition auf einem quadratischen Gitter angeordnet ist, das (eine Vielzahl von) horizontale Linien, die Winkelpositionen von 0° und 180° verbinden, und vertikalen Linien, die in einer Draufsicht aus einer Richtung senkrecht zur Basisschicht betrachtet Winkelpositionen von 90° und 270° verbinden, umfasst, wobei die Beugungsgitterschicht eine zweidimensionale Quadratgitter-Beugungsgitterschicht bildet, und wobei vorzugsweise ein Kopplungskoeffizient κ1 in einer 90°-Richtung und ein Kopplungskoeffizient κ3 in einer 180°-Richtung die nachfolgende Beziehung erfüllen: 100 cm^–1 ≤ κ1 ≤ 5000 cm^–1 und 50 cm^–1 ≤ κ3 ≤ 5000 cm^–1. Eine solche Struktur ist für eine Miniaturisierung geeignet, und es kann eine stabile Oszillation mit hoher Effizienz verwirklicht werden.
Ferner umfasst in der aktiven Quantentopfschicht die aktive Schicht 4 die Sperrschicht zwischen den Quantentopfschichten, die Bandlückenenergie der Sperrschicht ist auf einen niedrigeren Wert als die Bandlückenenergie einer und/oder beider Mantelschichten eingestellt, und die Bandlückenenergie der Quantentopfschicht ist niedriger als die Bandlückenenergie der Sperrschicht eingestellt. Die Träger können somit effizient in der Quantentopfschicht eingeschlossen werden.
In der zuvor beschriebenen Ausführungsform wurde das Beispiel gezeigt, bei dem die Trägersperrschicht CB, die die Bewegung der Träger zwischen der aktiven Schicht 4 und der Beugungsgitterschicht 6 unterdrückt, zwischen der aktiven Schicht 4 und der Beugungsgitterschicht 6 enthalten ist. Es ist möglich, ein Entweichen von Elektronen in die Beugungsgitterschicht 6 mit einer geringen Bandlückenenergie unter Verwendung der Trägersperrschicht CB zu unterdrücken, und die Träger in der Nähe der lichtemittierenden Schicht auf effektive Weise einzuschließen.
Wie zuvor beschrieben, umfasst das zuvor beschriebene Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkoppelung die aktive Schicht 4 mit der Mehrfachquantentopstruktur, die eine Vielzahl von Quantentopfschichten mit unterschiedlichen Materialien aufweist, die Beugungsgitterschicht 6, die optisch mit der aktiven Schicht 4 gekoppelt ist, und ein Paar von Mantelschichten 2 und 7, zwischen dem die aktive Schicht 4 und die Beugungsgitterschicht 6 angeordnet ist, wobei die Beugungsgitterschicht 6 eine Schicht mit einem Brechungsindex aufweist, der höher als der durchschnittliche Brechungsindex der Kernschicht ist, wenn der Bereich zwischen den Mantelschichten 2 und 7 als eine Kernschicht definiert ist, und wobei die Bandlückenenergie, die durch das Material der Quantentopfschicht definiert ist, mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht 6 abnimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 9-283837 [0003]
JP 2647018 [0004, 0005]
JP 7-249829 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

K. Sakai et al., ”Coupled-Wave Theory for Square-Lattice Photonic Crystal Lasers With TE Polarization”, IEEEJ. Quantum Electron. 46, S. 788–795 (2010) [0087]
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Dokument ”Yasuo Kokubun, 'Lightwave Engineering', S. 144, Kyoritsu Publishing” [0151]

Claims

Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung, umfassend: eine aktive Schicht mit einer Mehrfachquantentopfstruktur, die eine Vielzahl von Quantentopfschichten mit unterschiedlichen Dicken aufweist; eine Beugungsgitterschicht, die mit der aktiven Schicht optisch gekoppelt ist; und ein Paar von Mantelschichten, zwischen dem die aktive Schicht und die Beugungsgitterschicht angeordnet ist, wobei, wenn ein zwischen den Mantelschichten angeordneter Bereich als eine Kernschicht definiert ist, die Beugungsgitterschicht eine Schicht mit einem Brechungsindex, der höher als der durchschnittliche Brechungsindex der Kernschicht ist, umfasst, und eine Dicke der Quantentopfschicht mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht zunimmt.
Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung nach Anspruch 1, umfassend: eine oder mehrere Schichten mit einem höheren Brechungsindex als ein Modus-äquivalenter Brechungsindex in Bezug auf Licht, das sich durch die Kernschicht zwischen der Beugungsgitterschicht und den Quantentopfschichten ausbreitet.
Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der Quantentopfschichten zwei oder mehr beträgt.
Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei, wenn N eine natürliche Zahl ist, eine Dicke einer N-ten Quantentopfschicht aus der Beugungsgitterschicht unter den mehreren Quantentopfschichten d(N) ist und der optische Einschlussfaktor der N-ten Quantentopfschicht Γ(N) ist, eine relative Änderung in Γ(N) 10% oder weniger beträgt.
Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei, wenn die Beugungsgitterschicht eindimensional ist, der Kopplungskoeffizient κ der Beugungsgitterschicht die folgende Beziehung erfüllt: 20 cm^–1 ≤ κ ≤ 1000 cm^–1.
Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Beugungsgitterschicht eine zweidimensionale Beugungsgitterschicht ist.
Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung nach Anspruch 6, wobei die Beugungsgitterschicht umfasst: eine Basisschicht; und mehrere Bereiche mit unterschiedlichem Brechungsindex, die einen Brechungsindex aufweisen, der sich von jenem der Basisschicht unterscheidet, wobei der Bereich mit unterschiedlichem Brechungsindex an einer Gitterpunktposition auf einem quadratischen Gitter angeordnet ist, das horizontale Linien, die Winkelpositionen von 0° und 180° verbinden, und vertikale Linien, die in einer Draufsicht aus einer Richtung senkrecht zur Basisschicht betrachtet Winkelpositionen von 90° und 270° verbinden, umfasst, wobei die Beugungsgitterschicht eine zweidimensionale quadratische Gitter-Beugungsgitterschicht bildet, und ein Kopplungskoeffizient κ1 in einer 90°-Richtung und ein Kopplungskoeffizient κ3 in einer 180°-Richtung die folgende Beziehung erfüllen: 100 cm^–1 ≤ κ1 ≤ 5000 cm^–1, und 50 cm^–1 ≤ κ1 ≤ 5000 cm^–1.
Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung nach Anspruch 7, wobei die aktive Schicht eine Sperrschicht zwischen den Quantentopfschichten aufweist, eine Bandlückenenergie der Sperrschicht niedriger als die Bandlückenenergie der Mantelschicht eingestellt ist, und eine Bandlückenenergie der Quantentopfschicht niedriger als die Bandlückenenergie der Sperrschicht eingestellt ist.
Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend: zwischen der aktiven Schicht und der Beugungsgitterschicht, eine Trägersperrschicht, die die Bewegung von Trägern zwischen der aktiven Schicht und der Beugungsgitterschicht unterdrückt.
Halbleiterlaserelement mit verteilter Rückkopplung, umfassend: eine aktive Schicht mit einer Mehrfachquantentopfstruktur, die eine Vielzahl von Quantentopfschichten mit unterschiedlichen Materialien aufweist; eine Beugungsgitterschicht, die mit der aktiven Schicht optisch gekoppelt ist; und ein Paar von Mantelschichten, zwischen dem die aktive Schicht und die Beugungsgitterschicht angeordnet ist, wobei, wenn ein zwischen den Mantelschichten angeordneter Bereich als eine Kernschicht definiert ist, die Beugungsgitterschicht eine Schicht mit einem Brechungsindex, der höher als der durchschnittliche Brechungsindex der Kernschicht ist, umfasst, und eine Bandlückenenergie, die durch ein Material der Quantentopfschichten definiert ist, mit zunehmendem Abstand von der Beugungsgitterschicht abnimmt.