JP2000223787A

JP2000223787A - 半導体レーザー

Info

Publication number: JP2000223787A
Application number: JP11020861A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Numai; 貴陽沼居
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 1999-01-29
Publication date: 2000-08-11

Abstract

(57)【要約】【課題】共振器長或は導波路の等価屈折率が温度変化に
対してほぼ一定になる効果と温度変化に対する発振しき
い電流の変動を抑制する効果の少なくとも一方の効果を
奏する半導体レーザーである。【解決手段】共振器長或は導波路の等価屈折率が温度変
化に対してほぼ一定になる効果と温度変化に対する発振
しきい電流の変動を抑制する効果の少なくとも一方の為
に、屈折率の温度係数が負の半導体層３１が用いられて
いる。レーザー光の存在する領域にこの半導体層３１が
配置されていれば両方の効果が期待でき、レーザー光の
存在しない領域にこの半導体層が配置されていれば、発
振しきい電流の変動を抑制する効果が期待できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長多重光通信シ
ステムの光源等として用いられる半導体レーザー、特に
は、正と負の屈折率の温度係数を持つ半導体層を合わせ
持つ波長安定化半導体レーザーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザー（ＬａｓｅｒＤｉｏｄ
ｅ，ＬＤ）は、周囲の温度によって、その発振波長が
変動する。これは、温度によって、原子間隔が変わると
同時に格子振動の大きさが変わるために、エネルギーバ
ンドと屈折率が変化するためである。ここで、一般に、
バンドギャップが広くなれば、屈折率が小さくなる。

【０００３】導波型のファブリ・ペローＬＤは、利得ス
ペクトルの中に多数の共振モード（縦モード）を持ち、
共振モードの中で利得ピークに最も近い波長で発振す
る。この共振波長は光導波路の等価屈折率に比例し、利
得ピークはエネルギーバンドの形によって変化する。し
たがって、ファブリ・ペローＬＤの発振波長はエネルギ
ーバンドと屈折率の両方の影響を受ける。

【０００４】一方、ＤＦＢ−ＬＤの発振波長は、両端面
の反射が無視できるほど小さければ、内蔵した回折格子
のピッチと光導波路の等価屈折率で決まる。すなわち、
利得ピークの波長とは関係がない。したがって、屈折率
の影響のみを受ける。もちろん、利得ピークと共振波長
との差が大きく、共振波長で発振しきい利得に達しなけ
れば発振しない。しかし、発振波長が利得ピークの波長
の影響を受けるわけではない。ＤＢＲ−ＬＤでも、この
事情はほぼ同じである。

【０００５】さて、情報容量の増大に伴って、光ファイ
バー通信は、幹線系だけでなく家庭など加入者系でも使
われるようになってきている。このため、光源である半
導体レーザーが使用される環境は、大きな温度変化があ
るなど、幹線系と比べて過酷になってきている。さら
に、コストダウンの面からは、温度コントローラなしで
半導体レーザーを使用したいという要求も高まってい
る。

【０００６】また、情報容量を増大する１つの方法とし
て波長多重伝送があるが、波長多重伝送では波長を精密
に安定化することが必要となる。したがって、加入者系
で波長多重伝送が広く利用されるためには、過酷な温度
変動のある環境でも波長の安定な半導体レーザーが必要
である。このような波長安定化レーザーを提案した文献
としては、たとえば、特開平９−２１９５６１号公報が
ある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この提
案では、バンドギャップが温度に対して変化しない材
料、すなわち屈折率が温度に対して変化しない材料を活
性層と光ガイド層に用いる。そのため、非弾性歪みが入
らない様に格子定数が大きく違わない状態で結晶を形成
しようとすると、結晶間でほぼ格子整合していなければ
ならないので材料の組み合わせの選択範囲が狭いという
欠点があった。また、バンドギャップが温度によって変
化しないことから、温度上昇とともにキャリアのオーバ
ーフローが生じ、そのため発振しきい電流が増加すると
いう欠点もあった。

【０００８】本発明の目的は、共振器長或は導波路の等
価屈折率が温度変化に対してほぼ一定になる効果と温度
変化に対する発振しきい電流の変動を抑制する効果の少
なくとも一方の効果を奏する半導体レーザー、及び等価
屈折率を安定的にする為に導入される層を１種類或は数
少ない種類の材料だけを用いて構成し、波長が安定であ
るのみでなく、かつ発振しきい電流の変動も容易に小さ
くできる構造を持つ半導体レーザーを提供することにあ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するため、本出願に係る第１の発明は、共振器長或は
導波路の等価屈折率が温度変化に対してほぼ一定になる
効果と温度変化に対する発振しきい電流の変動を抑制す
る効果の少なくとも一方の為に、屈折率の温度係数が負
の半導体層が用いられていることを特徴とする。屈折率
の温度係数が負の半導体層によりこうした効果が奏され
る原理は後述される。レーザー光の存在する領域にこの
半導体層が配置されていれば両方の効果が期待でき、レ
ーザー光の存在しない領域にこの半導体層が配置されて
いれば、発振しきい電流の変動を抑制する効果が期待で
きる。

【００１０】また、上記目的を達成するため、本出願に
係る第２の発明は、共振器長或は導波路の等価屈折率が
温度変化に対してほぼ一定になる様に、屈折率の温度係
数が正の半導体層と、屈折率の温度係数が負の半導体層
がレーザー光が存在する領域に用いられていることを特
徴とする。この構成において、温度の変化に対して共振
器長或は光導波路の等価屈折率がほぼ一定となるように
設計できて、波長の安定な半導体レーザーを実現するこ
とができる。こうした効果が奏される原理も後述され
る。

【００１１】以下の如きより具体的な形態も可能であ
る。レーザー光が存在する領域に前記屈折率の温度係数
が正の半導体層と前記屈折率の温度係数が負の半導体層
がほぼ並行的に積層方向に積層されている。補償層（発
明の原理説明の所で後述）が積層方向に配置される形態
である。通常の半導体層成長プロセスで容易に作製され
る形態である。

【００１２】積層方向に配置される形態で、クラッド
層、光ガイド層、活性層のうち少なくとも１層が、夫
々、前記屈折率の温度係数が正の半導体層と前記屈折率
の温度係数が負の半導体層である様にできる。

【００１３】更に、前記屈折率の温度係数が正の半導体
層と前記屈折率の温度係数が負の半導体層の一方が半導
体活性層である形態にできる。活性層は必ず一定程度の
光閉じ込め係数を有するので、こうすれば、温度の変化
に対して共振器長或は光導波路の等価屈折率をほぼ一定
に設計し易くなる。この場合、前記半導体活性層を挟ん
だ上下の少なくとも一方に、屈折率の温度係数が正の半
導体層と屈折率の温度係数が負の半導体層の他方がほぼ
並行的に積層されていたりする。

【００１４】前記屈折率の温度係数が正の半導体層が半
導体活性層であれば、活性層の結晶品質を良好なものに
し易くてレーザーの特性向上に資する。また、この場
合、屈折率の温度係数が負の半導体層が活性層付近に配
置されることになるので、共振器長或は導波路の等価屈
折率が温度変化に対してほぼ一定になる効果と温度変化
に対する発振しきい電流の変動を抑制する効果の両方を
達成する構成が容易に実現できる。

【００１５】また、屈折率の温度係数が正の半導体層と
屈折率の温度係数が負の半導体層が積層方向を法線とす
るほぼ同一面内であって、かつ光の伝搬方向に垂直な方
向に配置され、かつレーザー光が存在する領域に前記屈
折率の温度係数が正の半導体層と前記屈折率の温度係数
が負の半導体層が配置されている。補償層が横方向に配
置される形態である。この場合、屈折率の温度係数が正
の半導体層と屈折率の温度係数が負の半導体層が交互に
並行的に配置されていたりする。

【００１６】横方向に配置される形態でも、前記屈折率
の温度係数が正の半導体層と前記屈折率の温度係数が負
の半導体層の一方が半導体活性層であってもよい。この
場合、前記半導体活性層を挟んだ左右の少なくとも一方
に、屈折率の温度係数が正の半導体層と屈折率の温度係
数が負の半導体層の他方がほぼ並行的に配置されていた
りする。前記屈折率の温度係数が正の半導体層が半導体
活性層であってもよい。これらの形態の利点は、積層方
向に配置される形態の説明の所で述べた通りである。

【００１７】更に、上記積層方向の層配置構造と、積層
方向と光の伝搬方向に垂直な方向（横方向）の層配置構
造を合わせ持つ構成にもできる。こうすれば、積層方向
および横方向の両方から等価屈折率を一定にすることが
できるので、より波長の安定な或は発振しきい電流の変
動をより抑制できるレーザーが実現できる。

【００１８】屈折率の正の温度係数αと、屈折率の負の
温度係数βと、前記屈折率の温度係数が負の半導体層に
対する光閉じ込め係数Γとの間にβ＝−（１−Γ）α／
Γなる関係があれば、より波長の安定なレーザーが実現
できる。

【００１９】上記の構造は、分布帰還型半導体レーザ
ー、分布反射型半導体レーザー、或はファブリ・ペロー
半導体レーザーとして構成され得る。

【００２０】本発明の原理を以下に説明する。先ず、半
導体レーザーの波長安定化について、上記構成におい
て、共振器長或は光導波路の等価屈折率を考える。簡単
のために、半導体レーザーを構成している材料の屈折率
をｎ_ｓとし、ここに屈折率を補償する層（正と負の屈折
率の温度係数を持つ層は、互いに屈折率変化を補償し合
う層であり、一方を他方に対してこう呼ぶが、単に補償
層とも呼ぶ）を導入する。補償層の屈折率をｎ、補償層
に対する光の閉じ込め係数をΓとすると（この層への光
強度分布の部分の含有割合による）、等価屈折率ｎ
_ｅｆｆは近似的に次式で与えられる（ファブリ・ペロー
ＬＤの場合、これに領域長を掛ければ共振器の光学長と
なり、ＤＢＲーＬＤの場合、これに活性層領域長を掛け
ればその領域の光学長になる）。

【００２１】ｎ_ｅｆｆ＝（１―Γ）ｎ_ｓ＋Γｎ（１）共振波長は等価屈折率或は共振器長に比例するので、波
長を安定化するには等価屈折率ｎ_ｅｆｆが一定となる条
件を求めればよい。ここで、屈折率の温度係数α、βを
導入し、温度変化△Ｔに対する屈折率の依存性をｎ_ｓ＝ｎ_ｓ０＋α△Ｔ（２）ｎ＝ｎ_０＋β△Ｔ（３）とおく。式（１）に式（２）、（３）を代入すると、等
価屈折率ｎ_ｅｆｆはｎ_ｅｆｆ＝［（１−Γ）ｎ_ｓ０＋Γｎ_０］＋［（１−Γ）α＋Γβ］△Ｔ（４）となる。この式において、第１項は一定だから、等価屈
折率ｎ_ｅｆｆが一定となり半導体レーザーの波長が安定
化するためには、次の条件を満たせばよい。 β＝−（１−Γ）／Γ・α （５）より緩やかには、（１−Γ）α＋Γβがゼロ付近になる
様に設計すればよい。半導体レーザーで用いられる半導
体材料の温度係数αの絶対値は１０^−４Ｋ^−１のオーダ
ーだから、たとえばβ＝−αの材料があるとすれば、光
閉じ込め係数Γを０．５とすればよい。

【００２２】次に、負の屈折率温度係数を持つ半導体層
に依る発振しきい電流の変動の抑制効果について述べ
る。半導体の吸収係数α（Ｅ）は、バンドギャップＥ_ｇ
以上のエネルギーＥをもつ光に対して、近似的に次式で
与えられる。 α（Ｅ）≒２×１０^４（Ｅ−Ｅ_ｇ）ｃｍ^−１（６）ただし、Ｅ、Ｅ_ｇの単位はｅＶである。

【００２３】クラマース・クローニッヒの関係から、屈
折率ｎ（Ｅ）はｎ（Ｅ）＝１＋ｃｈ／（２π^２）・∫α（Ｅ′）／（Ｅ′^２−Ｅ^２）・ｄＥ′ （積分範囲は０から∞）＝１＋ｃｈ／（２π^２）・∫α（Ｅ′）／（Ｅ′^２−Ｅ^２）・ｄＥ′ （積分範囲はＥ_ｇから∞）＝１＋ｃ・ｈ／（２πＥ）・１０^４（Ｅ＋Ｅ_ｇ）^１／２（式（６）を用いる）（７）で与えられる。ここで、ｃは真空中の光速、ｈはプラン
ク定数である。ただし、バンド端のテールの効果は無視
した（こうしても、考察に影響はない）。

【００２４】この式から、Ｅ＝Ｅ_ｇではｎ（Ｅ_ｇ）＝１＋ｃｈ／（２π）・１０^４（２／Ｅ_ｇ）^１／２（８）となる。したがって、Ｅ_ｇ＝０．８ｅＶ（λ_ｇ＝１．５
５μｍ）とし、式（８）の両辺を温度Ｔで微分すると、
次の関係が得られる。ｄｎ（Ｅ_ｇ）／ｄＴ＝−０．２ｄＥ_ｇ／ｄＴ（９）これから、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ＜０の材料では
ｄＥ_ｇ／ｄＴ＞０となることがわかる。したがって、温
度上昇にともなって、負の屈折率の温度係数を持つ層界
面のバンドオフセットが上昇するため、キャリアのオー
バーフローの抑制に効果があり発振しきい電流の変動が
小さくなる。

【００２５】負の屈折率の温度係数を持つ層が、レーザ
ー光が存在する領域に配置された上記補償層である場合
は、以上説明したように、波長だけでなく発振しきい電
流の変動も小さい、すなわち温度特性の優れた半導体レ
ーザーが実現できる。

【００２６】屈折率の温度係数が正の半導体層と屈折率
の温度係数が負の半導体層が積層方向を法線とする同一
面内に配置され、かつレーザー光が存在する領域に前記
屈折率の温度係数が正の半導体層と前記屈折率の温度係
数が負の半導体層が配置されている構成においても、上
記原理は同じである。すなわち、レーザー光は積層方向
に垂直な方向にも分布している。したがって、積層方向
に垂直な方向における光閉じ込め係数を考えれば、上の
説明と同じ原理に基づいて、波長だけでなく発振しきい
電流の変動も小さい、すなわち温度特性の優れた半導体
レーザーが実現できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】（第１の実施例）図１は本発明の
第１の実施例である波長安定化ＤＦＢ半導体レーザーの
特徴を最もよく表す図面であり、図１（ａ）は光の伝搬
方向に沿った断面図、図１（ｂ）は光の伝搬方向に垂直
な面内での断面図である。同図において、１１はアノー
ド、１２はカソード、２１はクラッド層、２２は光ガイ
ド層、２３は活性層、２４は光ガイド層、２５はクラッ
ド層２１と光ガイド層２２の間に形成された回折格子、
３１は補償層、４１は基板、５１は高抵抗層である。

【００２８】図１（ａ）の層構成は、下から、基板４１
（ＩｎＰ：屈折率３．１８８、厚み１００μｍ）、補償
層３１（屈折率ｎ、層厚ｄ）、光ガイド層２４（１．３
μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ：屈折率３．３５、層厚０．
１μｍ）、活性層２３（１．５５μｍ組成のＩｎＧａＡ
ｓＰ：屈折率３．４３、層厚０．１μｍ）、光ガイド層
２２（１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ：屈折率３．３
５、層厚０．１μｍ）、クラッド層２１（ＩｎＰ：屈折
率３．１８８、層厚３μｍ）である。光ガイド層２２の
上に形成された回折格子２５は、ピッチΛ＝２４００Å
の１次の回折格子である。なお、ここで示した屈折率の
値は３００Ｋでの値であり、活性層２３の屈折率温度係
数αと補償層３１の屈折率温度係数βは、夫々、α＝−
β＝１０ ^−４Ｋ^−１としている。この様に、本実施例で
は、活性層２３は正の温度係数を有し、補償層３１は負
の温度係数を有して、温度変化に対する導波路の等価屈
折率の安定性を確保して発振波長の安定化を図ってい
る。このときの発振波長は、両端面の反射が無視でき回
折格子２５に位相シフトがない場合は、ストップバンド
の両端の波長の何れかであり、回折格子２５に位相シフ
ト（λ／４シフト）がある場合は、格子ピッチと等価屈
折率で決まるブラッグ波長である。

【００２９】上記構成において、アノード１１とカソー
ド１２の間に順バイアス電圧を印加し、半導体レーザー
に発振しきい値以上の電流を流すと、レーザー発振が始
まる。なお、端面の断面を示す図１（ｂ）において、高
抵抗層５１はＦｅドープＩｎＰであり、発光部の他に余
分な電流が流れない様にするために導入されている。

【００３０】以下に、上記の構成において補償層３１の
層厚と３００Ｋでの屈折率を変化させたときに、レーザ
ーの種々の特性がどう変化するかを述べる。

【００３１】先ず、図２は、レーザー発振時の素子の中
のレーザー光の電界分布を数値解析によって求めた図で
あり、補償層３１の屈折率と層厚をそれぞれｎ＝３．３
０、ｄ＝０．８μｍとした。負の屈折率温度係数を持つ
補償層３１の材料は、たとえば、ＨｇＣｄＴｅ混晶、Ｈ
ｇＣｄＳｅ混晶、ＧａＩｎＡｓＢｉ混晶、ＧａＩｎＰＢ
ｉ混晶、ＧａＡｓＰＢｉ混晶、ＧａＩｎＴｌＰ混晶、Ａ
ｌＩｎＴｌＡｓ混晶、ＡｌＧａＩｎＴｌＰＡｓ混晶、Ｇ
ａＩｎＮＡｓ混晶、ＧａＩｎＮＡｓＰ混晶など（何れも
適当な組成比を持つもの）があるが、屈折率の温度係数
が負の材料であれば何でもよい。なお、補償層３１は活
性層２３から放出されるレーザー光に対して透明なこと
が望ましく、補償層３１のバンドギャップが活性層２３
のバンドギャップよりも大きい方がよい。或は、補償層
が第２の活性層として働く材料から成っていてもよい。

【００３２】上記式（５）からわかるように、補償層３
１に対する光閉じ込め係数Γが大きいほど、温度係数β
の絶対値が小さくてもよいので、補償層の材料の選択の
余地が広がり好ましい。それと同時に、活性層２３に対
する光閉じ込め係数Γ_ａが成るべく大きくなるようにす
ることが、低発振しきい電流を実現する上で重要であ
る。

【００３３】次に、図３は、補償層３１の屈折率をｎ＝
３．３０としたときの補償層３１と活性層２３の光閉じ
込め係数Γ、Γ_ａの補償層３１の層厚ｄに対する依存性
を示す図である。この図から分かるように、補償層３１
の層厚ｄが大きくなるにつれて、補償層３１に対する光
閉じ込め係数Γは大きくなるが、活性層２３に対する光
閉じ込め係数Γ_ａは徐々に小さくなる。しかし、低発振
しきい値を実現するためには、Γ_ａは０．１程度あるい
はそれ以上であれば十分であり、ここの計算では、おお
むねｄ≦１μｍの範囲でこの条件を満たしている。上記
のｎ＝３．３０、ｄ＝０．８μｍはこの条件を満たして
いる。また、補償層３１に対する光閉じ込め係数がΓ＝
０．５となるのは、ｄ＝０．６７μｍのときである。

【００３４】更に、ここでは、１．５５μｍ帯のＤＦＢ
−ＬＤを考えており、１次の回折格子のピッチはΛ＝２
４００Åである。このとき、発振波長のシフト△λは、
等価屈折率の変化△ｎ_ｅｆｆを用いて △λ＝２△ｎ_ｅｆｆΛ （１０）と表される。

【００３５】補償層３１の層厚をｄ＝０．６７μｍに固
定し、補償層３１の３００Ｋでの屈折率ｎをパラメータ
とすると、発振波長のシフト△λの温度依存性と活性層
２３に対する光閉じ込め係数Γ_ａの温度依存性は図４の
ようになる。図４（ａ）に示す様に、発振波長の温度に
対する変化は、ｎ＝３．３４においてほぼフラットにな
る。このときの最大波長シフトは−１．０６Åである。
波長変化がほぼフラットになる屈折率が３．３４であ
り、先に述べた３．３０よりも大きくなるのは、温度上
昇とともに補償層３１の屈折率が小さくなるため（補償
層３１の屈折率温度係数は負である）、補償層に対する
光閉じ込め係数Γが小さくなるからである。この屈折率
減少分を予め見込んで光導波路を設計することで、波長
変化の小さい半導体レーザーを実現することができる。
また、ｎ＝３．３２＜３．３４のときは△ｎ_ｅｆｆ／△
Ｔ＞０となるので（活性層２３の正の屈折率温度係数の
方が大きく効いている）、発振波長は長波側にシフト
し、ｎ＝３．３６＞３．３４のときは△ｎ_ｅｆｆ／△Ｔ
＜０となるので（補償層３１の負の屈折率温度係数の方
が大きく効いている）、発振波長は短波側にシフトす
る。

【００３６】図４（ｂ）は活性層２３に対する光閉じ込
め係数Γ_ａの温度依存性を示したものである。温度上昇
とともに、活性層２３の屈折率が上昇すると同時に（活
性層２３の屈折率温度係数は正である）、補償層３１の
屈折率が減少するので、活性層２３の光閉じ込め係数Γ
ａは大きくなる。一般に温度が上昇すると、キャリアの
オーバーフロー、非発光再結合過程に係るオージェ効
果、価電子帯間吸収などのため、発振しきい電流が上昇
する。しかし、Γ_ａの増加は発振しきい電流を低減する
効果があり、上記の構成は波長変化が小さいだけでなく
特性温度も大きくできると期待される。また、図４
（ｂ）から分かる様にｎ＝３．３４のときΓ_ａ≒０．１
であり、発振しきい電流そのものも十分小さいと考えら
れる。なお、補償層３１の屈折率ｎ＝３．３２＜３．３
４のときは、電界分布のピークがｎ＝３．３４の時より
も活性層２３側にシフトするため、Γ_ａが大きくなる。
一方、補償層３１の屈折率ｎ＝３．３６＞３．３４のと
きは、電界分布のピークが補償層３１側にシフトするた
め、Γ_ａが小さくなる。

【００３７】図５は、補償層３１の屈折率をｎ＝３．３
４に固定し、補償層の厚みｄをパラメータとしたとき、
発振波長のシフト△λの温度依存性と活性層２３に対す
る光閉じ込め係数Γ_ａの温度依存性を示した図である。
まず、発振波長のシフト△λを考える。図５（ａ）に示
すように、ｄ＝０．５７μｍ＜０．６７μｍの場合、補
償層３１に対する光の閉じ込めが小さいため、負の屈折
率温度係数を持つ補償層の寄与が小さく、発振波長は長
波側にシフトする。一方、ｄ＝０．７７μｍ＞０．６７
μｍのときは、補償層３１に対する光の閉じ込めが大き
過ぎるため、補償層の屈折率が小さくなる効果が優勢と
なり、発振波長は短波側にシフトする。図５（ｂ）は活
性層２３に対する光閉じ込め係数Γ_ａの温度依存性を示
したものである。図２にも示したように、基板４１に近
いところでは光の染み出しが小さい。したがって、補償
層３１の厚さを或る程度以上増していっても余り効果が
なくなり、図３のように、補償層３１の厚さｄを増して
いくと、活性層２３に対する光閉じ込め係数Γ_ａはｄの
変化に対して飽和傾向を示す。この結果、補償層３１の
厚さｄ＝０．６７μｍとｄ＝０．７７μｍとで、Γ_ａの
温度依存性がほぼ等しくなっている。

【００３８】本実施例の構成において、以上のことを考
慮して、場合に応じて補償層３１の厚さと３００Ｋでの
屈折率を設計すればよい。

【００３９】ところで、屈折率の温度係数ｄｎ／ｄＴ＜
０の材料を補償層３１として用いるが、このような材料
では、上記式（９）からｄＥ_ｇ／ｄＴ＞０である。した
がって、温度上昇にともなって、補償層界面のバンドオ
フセットが大きくなるため、これもキャリアのオーバー
フローの抑制にも効果がある。こうして、発振しきい電
流の温度変化に対する指標である特性温度は１５０Ｋで
あり、温度特性の優れたレーザーとなる。以上説明した
ように、第１の実施例によれば、発振波長だけでなく発
振しきい電流の変動も小さい、すなわち温度特性の優れ
た半導体レーザーが実現できる。

【００４０】なお、第１の実施例では、図１（ｂ）のよ
うに埋め込み構造としたが、光導波構造はリッジ導波路
やリブ導波路でもかまわない。また、光導波路が光ガイ
ド層を含まなくてもよい。回折格子を用いた半導体レー
ザーの場合、回折格子も光ガイド層ではなく、基板に形
成してあってもよい。また、ＤＦＢ−ＬＤだけでなく、
ＤＢＲ−ＬＤであっても本実施例と同様な効果が期待で
きる。ＤＢＲ−ＬＤの場合、回折格子（分布反射器）領
域と活性層領域の両方において、正と負の屈折率温度係
数の層を近くに形成した上記の様な層構成にする。

【００４１】回折格子を含まないファブリ・ペローＬＤ
でも、正と負の屈折率温度係数の層を近くに形成した層
構成にすれば、共振器長が安定にほぼ一定に維持され
て、温度変化に伴う共振波長の変動や発振しきい電流の
変動は小さくなる。但し、ファブリ・ペローＬＤの場合
は、発振波長は利得スペクトルの形状の変化の影響をも
受けるので（上記の構成では、正の屈折率温度係数を持
つ活性層による利得スペクトルの形状は温度変化で多少
変化する）、この波長安定性はＤＦＢ−ＬＤやＤＢＲ−
ＬＤの波長安定性より若干劣ることになる。

【００４２】また、本実施例では、補償層３１を基板４
１上に形成したが、レーザー光の電界が分布している範
囲であれば、どこに形成してもかまわないし、補償層３
１を光ガイド層、活性層、あるいはクラッド層として用
いてもよい（正の屈折率温度係数を持つ層は、当然、別
にある）。また、補償層の数も１層に限らず、複数でも
よい。層厚を大きくすると歪みによる転位が問題となる
場合には、補償層の層厚を小さくして複数層にするのが
良い。補償層以外の半導体材料についても、本実施例で
示したＩｎＧａＡｓＰ系に限らず、どのような材料であ
ってもよい。

【００４３】また、上記実施例では、活性層を正の屈折
率温度係数を持つ材料で形成し、補償層を負の屈折率温
度係数を持つ材料で形成したが、この逆であってもよ
い。但し、負の屈折率温度係数を持つ材料の結晶品質は
悪くなりがちであるので、活性層にはこの材料を用いな
い方が好ましいとは言える。また、温度上昇に伴うオー
バーフローの抑制の効果、活性層の閉じ込め係数の増大
の点では、この組み合わせは好ましいとは言えず、発振
しきい電流の安定性は上記実施例の構成に比べて劣る。

【００４４】（第２の実施例）図６は本発明の第２の実
施例の特徴を最もよく表す図面であり、同図において、
負の屈折率温度係数を持つ補償層３１が活性層２３の上
下に位置している。これは、回折格子が不図示としてＤ
ＦＢ−ＬＤと考えてもよいし、回折格子のないファブリ
・ペローＬＤと考えてもよい（ＤＢＲ−ＬＤの構成で
は、回折格子領域（ここでは活性層はガイド層に置き換
わっている）と活性層領域の両方が図６のような層構成
を持つと考えればよい）。図１の符号と同じものは同一
機能部分であることを示す。

【００４５】上記構成において温度が上昇すると、負の
屈折率温度係数を持つ補償層３１が活性層２３の上下に
あるので、電子、正孔両方に対するエネルギー障壁が大
きくなる。したがって、第１の実施例よりもさらにキャ
リアのオーバーフローを低減することができる。この結
果、発振しきい電流の変動が第１の実施例よりもさらに
小さくなる。特性温度は、第１の実施例では１５０Ｋで
あるが、第２の実施例では２５０Ｋまで向上し、温度特
性の優れたレーザーとなる。なお、補償層３１の数は２
層に限らず、３層以上であってもよい。その他の点は、
第１実施例と同じである。

【００４６】（第３の実施例）図７は本発明の第３の実
施例の特徴を最もよく表す図面である。同図は、端面の
断面を示しており、本実施例では、補償層３１が活性層
２３の横方向両脇に位置している。この例でも、回折格
子が不図示としてＤＦＢ−ＬＤと考えてもよいし、回折
格子のないファブリ・ペローＬＤと考えてもよい（ＤＢ
Ｒ−ＬＤの構成では、回折格子領域（活性層はガイド層
に置き換わっている）と活性層領域の両方が図７のよう
な層構成を持つと考えればよい）。図１の符号と同じも
のは同一機能部分であることを示す。

【００４７】この構成において、半導体層の積層方向と
光伝搬方向に垂直な方向にもレーザー光が分布してお
り、補償層３１を、レーザー光が分布している範囲内に
配置することで、第１の実施例と同じ効果が期待でき
る。さらに、もし補償層の結晶品質があまり良くなくて
も、補償層３１が活性層２３と積層方向に積層されてい
ないことから、活性層２３の結晶品質に悪影響を与える
ことなく素子を作製することができる。

【００４８】本実施例は、例えば、次の様に作製され
る。基板４１上に光ガイド層２２まで積層した後、横方
向を図７に示す様にエッチングし、そこにクラッド層２
１を、先ず、活性層２３のレベル辺りまで埋め込む。続
いて、マスクを用いて活性層２３の両脇に補償層３１を
選択的に成長し（その際、製法に起因して活性層２３と
補償層３１の間は図示の如く若干空くが、これは機能的
に要求されるものではない）、更にその上にクラッド層
２１を図示の如く積層する。

【００４９】なお、光導波構造は、埋め込み構造に限ら
ず、リッジ導波路やリブ導波路でもかまわない。また、
補償層３１も活性層２３の脇に位置されていさえすれば
よく、補償層３１と活性層２３の高さ方向の位置が異な
っていてもよい。

【００５０】温度変化に対して導波路の等価屈折率或は
共振器長がほぼ一定に保たれて波長安定化が図られる原
理は、第１実施例と同じであり、その他の点も第１実施
例と同じである。

【００５１】（第４の実施例）図８は本発明の第４の実
施例の特徴を最もよく表す図面である。同図は、端面の
断面を示しており、補償層３１と活性層２３が光の伝搬
方向に伸びて横方向に並行的に交互に並んでいる。この
例でも、回折格子が不図示としてＤＦＢ−ＬＤと考えて
もよいし、回折格子のないファブリ・ペローＬＤと考え
てもよい（ＤＢＲ−ＬＤの構成では、回折格子領域（活
性層はガイド層に置き換わっている）と活性層領域の両
方が図８のような層構成を持つと考えればよい）。図１
の符号と同じものは同一機能部分であることを示す。

【００５２】この構成においても、温度変化に対して導
波路の等価屈折率或は共振器長がほぼ一定に保たれて波
長安定化が図られる原理は、第１実施例と同じであり、
第１の実施例と同じ効果が期待できる。本実施例の交互
層構造は少し作製が面倒であるが、補償層３１と活性層
２３の光閉じ込め係数が容易に同程度にできる。

【００５３】交互配置の形態は、補償層３１と活性層２
３の層厚、幅、積層面の同異、周期性の程度等につい
て、多様であり得る。要は、共振器長或は等価屈折率が
温度変化に対してほぼ一定である様に構成されていれば
よい。

【００５４】但し、本実施例は、温度上昇に伴うオーバ
ーフローの抑制の効果は余り期待できない。その他の点
は第１実施例と同じである。

【００５５】（その他の実施例）図９は本発明の第５の
実施例の特徴を最もよく表す図面である。同図は、端面
の断面を示しており、補償層３１が活性層２３の両脇と
基板４１の上に形成されている。

【００５６】この構成において、第１の実施例よりも更
に波長変動と発振しきい電流の小さい優れた温度特性が
期待できる。その他の点は第１、第３の実施例と同じで
ある。

【００５７】さらに、図１０のように、図１の第１実施
例と図８の第４実施例を組み合わせた構造でも、同様な
効果が期待できる。

【００５８】この様に、光路長或は等価屈折率が温度変
化に対してほぼ一定になる様に、屈折率の温度係数が正
の半導体層と屈折率の温度係数が負の半導体層を並行
的、直列的等に適当に配置して形成する態様は多様であ
り、この他にも色々な形態が可能である。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体レ
ーザーによれば、温度の変化に伴う波長の変動（或は、
構成によっては、発振しきい電流の変動）の小さい温度
特性の優れた半導体レーザーを実現することができる。

【００６０】また、補償層の横方向配置構成によれば、
もし活性層以外の補償層の結晶品質があまり良くなくて
も、補償層が活性層と積層方向に積層されていないこと
から、活性層の結晶品質に悪影響を与えることのない素
子も作製できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る波長安定化半導体
レーザーの構造を説明する図である。

【図２】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザーの
中の電界分布を説明する図である。

【図３】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザーに
おいて、補償層と活性層の光閉じ込め係数の補償層の厚
みに対する依存性を説明する図である。

【図４】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザーに
おいて、波長シフトと活性層の光閉じ込め係数の温度上
昇に対する依存性を説明する図である。この図におい
て、補償層の厚みは一定であり、パラメータは補償層の
３００Ｋでの屈折率である。

【図５】本発明の第１の実施例に係る半導体レーザーに
おいて、波長シフトと活性層の光閉じ込め係数の温度上
昇に対する依存性を説明する図である。この図におい
て、補償層の３００Ｋでの屈折率は一定であり、パラメ
ータは補償層の厚みである。

【図６】本発明の第２の実施例に係る波長安定化半導体
レーザーの構造を説明する図である。

【図７】本発明の第３の実施例に係る波長安定化半導体
レーザーの構造を説明する図である。

【図８】本発明の第４の実施例に係る波長安定化半導体
レーザーの構造を説明する図である。

【図９】本発明の第５の実施例に係る波長安定化半導体
レーザーの構造を説明する図である。

【図１０】本発明の第６の実施例に係る波長安定化半導
体レーザーの構造を説明する図である。

【符号の説明】

１１アノード１２カソード２１クラッド層２２光ガイド層２３活性層２４光ガイド層２５回折格子３１補償層４１基板５１高抵抗層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共振器長或は導波路の等価屈折率が温度変
化に対してほぼ一定になる効果と温度変化に対する発振
しきい電流の変動を抑制する効果の少なくとも一方の為
に、屈折率の温度係数が負の半導体層が用いられている
ことを特徴とする半導体レーザー。
【請求項２】共振器長或は導波路の等価屈折率が温度変
化に対してほぼ一定になる様に、屈折率の温度係数が正
の半導体層と、屈折率の温度係数が負の半導体層がレー
ザー光が存在する領域に用いられていることを特徴とす
る請求項１記載の半導体レーザー。
【請求項３】レーザー光が存在する領域に前記屈折率の
温度係数が正の半導体層と前記屈折率の温度係数が負の
半導体層がほぼ並行的に積層方向に積層されていること
を特徴とする請求項２記載の半導体レーザー。
【請求項４】クラッド層、光ガイド層、活性層のうち少
なくとも１層が、夫々、前記屈折率の温度係数が正の半
導体層と前記屈折率の温度係数が負の半導体層であるこ
とを特徴とする請求項２または３記載の半導体レーザ
ー。
【請求項５】前記屈折率の温度係数が正の半導体層と前
記屈折率の温度係数が負の半導体層の一方が半導体活性
層であることを特徴とする請求項４記載の半導体レーザ
ー。
【請求項６】前記半導体活性層を挟んだ上下の少なくと
も一方に、屈折率の温度係数が正の半導体層と屈折率の
温度係数が負の半導体層の他方がほぼ並行的に積層され
ていることを特徴とする請求項５記載の半導体レーザ
ー。
【請求項７】前記屈折率の温度係数が正の半導体層が半
導体活性層であることを特徴とする請求項５または６記
載の半導体レーザー。
【請求項８】屈折率の温度係数が正の半導体層と屈折率
の温度係数が負の半導体層が積層方向を法線とするほぼ
同一面内であって、かつ光の伝搬方向に垂直な方向に配
置され、かつレーザー光が存在する領域に前記屈折率の
温度係数が正の半導体層と前記屈折率の温度係数が負の
半導体層が配置されていることを特徴とする請求項２記
載の半導体レーザー。
【請求項９】屈折率の温度係数が正の半導体層と屈折率
の温度係数が負の半導体層が交互に並行的に配置されて
いることを特徴とする請求項８記載の半導体レーザー。
【請求項１０】前記屈折率の温度係数が正の半導体層と
前記屈折率の温度係数が負の半導体層の一方が半導体活
性層であることを特徴とする請求項８または９記載の半
導体レーザー。
【請求項１１】前記半導体活性層を挟んだ左右の少なく
とも一方に、屈折率の温度係数が正の半導体層と屈折率
の温度係数が負の半導体層の他方がほぼ並行的に配置さ
れていることを特徴とする請求項１０記載の半導体レー
ザー。
【請求項１２】前記屈折率の温度係数が正の半導体層が
半導体活性層であることを特徴とする請求項１０または
１１記載の半導体レーザー。
【請求項１３】請求項３乃至７の何れかに記載の層構造
と、請求項８乃至１２の何れかに記載の層構造を合わせ
持つことを特徴とする半導体レーザー。
【請求項１４】屈折率の正の温度係数αと、屈折率の負
の温度係数βと、前記屈折率の温度係数が負の半導体層
に対する光閉じ込め係数Γとの間にβ＝−（１−Γ）α
／Γなる関係があることを特徴とする請求項２乃至１３
の何れかに記載の半導体レーザー。
【請求項１５】分布帰還型半導体レーザーとして構成さ
れていることを特徴とする請求項１乃至１４の何れかに
記載の半導体レーザー。
【請求項１６】分布反射型半導体レーザーとして構成さ
れ、回折格子領域と活性層領域の両方が請求項１乃至１
４の何れかに記載の層構成を有することを特徴とする半
導体レーザー。
【請求項１７】ファブリ・ペロー半導体レーザーとして
構成されていることを特徴とする請求項１乃至１４の何
れかに記載の半導体レーザー。