JP2000244059A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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JP2000244059A
JP2000244059A JP11044398A JP4439899A JP2000244059A JP 2000244059 A JP2000244059 A JP 2000244059A JP 11044398 A JP11044398 A JP 11044398A JP 4439899 A JP4439899 A JP 4439899A JP 2000244059 A JP2000244059 A JP 2000244059A
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laser device
layer
semiconductor laser
carrier concentration
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Yuichi Inaba
雄一 稲葉
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 活性層３の前端面における断面積が小さくて
も、出射角の温度依存性が小さい半導体レーザ装置を提
供することを目的とする。 【解決手段】 ｎ型ＩｎＰで構成された半導体基板１上
に、ストライプ構造を有する活性層３を形成し、半導体
基板１上であって活性層３の近傍に、キャリア濃度が
３．０×１０17ｃｍ-3以上、５．３×１０17ｃｍ-3以下
のｐ型ＩｎＰで構成された第１の埋め込み層６と、第１
の埋め込み層６上に形成され、キャリア濃度が２．０×
１０18ｃｍ-3のｎ型ＩｎＰで構成された第２の埋め込み
層７と、第２の埋め込み層７上に形成され、キャリア濃
度が３．０×１０17ｃｍ-3以上、５．３×１０17ｃｍ-3
以下のｐ型ＩｎＰで構成された第３の埋め込み層８とを
順次形成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装置
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】まず、従来の半導体レーザ装置について
の図１０を用いて説明する。
【０００３】図１０（ａ）は、従来の半導体レーザ装置
の前端面を示す図であり、図１０（ｂ）は、同半導体レ
ーザ装置の後端面を示す図であり、図１０（ｃ）は、同
半導体レーザ装置のＸ−Ｙ断面を示す図である。図１０
（ａ）および図１０（ｂ）において、ｎ型ＩｎＰで構成
された半導体基板１上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波
長１．０５μｍ）で構成された厚さ６００ｎｍの光閉じ
込め層２、多重量子井戸構造を有する活性層３、ｐ型Ｉ
ｎＧａＡｓＰで構成された厚さ６００ｎｍの光閉じ込め
層４、およびｐ型ＩｎＰで構成された厚さ４００ｎｍの
クラッド層５が順次形成され、これらはメサ型のストラ
イプ構造を有している。活性層３は、１．０％以内の圧
縮歪を有する厚さ６ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ井戸層（図示
せず）と、圧縮歪を有しない厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡ
ｓＰ（組成波長１．０５μｍ）障壁層（図示せず）とが
交互にそれぞれ７層形成してなるものである。
【０００４】ところで、この活性層３は、図１０（ｃ）
に示すように半導体レーザ装置の前端面から深さ２５μ
ｍ以内の領域における幅が０．６μｍ、半導体レーザ装
置の後端面から深さ２５μｍ以内の領域におけるにおけ
る幅が１．６μｍ、前端面と後端面との間隔が４００μ
ｍのストライプ構造を有している。このストライプ構造
の幅は、後端面から前端面にかけて連続的に減少してお
り、前端面におけるストライプ幅は、後端面におけるス
トライプ幅よりも小さい構造となっている。これは、狭
い出射角特性および、高温度における低い動作電流特性
を実現するためのレーザの構造である（Y. Inaba et a
l., IEEE JSTQE, vol.3, 1399-1404, 1997.）。このと
き、活性層３内を伝播する光は、後端面から前端面にか
けて活性層３への光閉じ込めが効果が連続的に減少する
ために、前端面において、活性層３の外、つまり第１の
埋め込み層６ないし第３の埋め込み層８へしみだす光の
量が多い。
【０００５】活性層３の両側近傍には、半導体基板１側
から順に、キャリア濃度が７×１０ 17ｃｍ-3のｐ型Ｉｎ
Ｐで構成された第１の埋め込み層６、キャリア濃度が
２．０×１０18ｃｍ-3のｎ型ＩｎＰで構成された第２の
埋め込み層７、キャリア濃度が７×１０17ｃｍ-3のｐ型
ＩｎＰで構成される第３の埋め込み層８、およびｐ型Ｉ
ｎＧａＡｓＰ（組成波長１．３μｍ）で構成されるコン
タクト層９が順次形成されている。
【０００６】また、第１の埋め込み層６ないし第３の埋
め込み層８における寄生容量を減らし、半導体レーザ装
置の周波数応答特性を向上させる目的で、第１の埋め込
み層６に達する溝をエッチングにより形成している。
【０００７】コンタクト層９上には厚さ０．３μｍのＳ
ｉＯ２膜１０が形成されており、このＳｉＯ２膜１０に
設けられた開口部内にはＡｕ層、Ｚｎ層、Ａｕ層の３層
からなる金属多層膜１１が形成され、金属多層膜１１上
にはｐ型電極１２が形成されている。
【０００８】また、半導体基板１の裏側にはｎ型電極１
３が形成されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】図６は、従来の半導体
レーザ装置における動作環境温度と出射角との関係を示
すのもである。図６からわかるように、動作環境温度が
−４０度から８５度に変化したとき、出射角が１４．０
度から約１０．２度へと、約３．８度変化している。し
たがって、例えば、半導体レーザ装置から射出された光
を光ファイバに結合しようとしたとき、半導体レーザ装
置と光ファイバとの光の結合効率が温度条件によって変
わってしまい、光ファイバを伝搬する光の強度が変化
し、この結果、伝送特性に悪影響をまねくことになる。
これは、第１の埋め込み層６および第３の埋め込み層８
と、第２の埋め込み層７との間に０．０２５程度の屈折
率差が存在しているためであると考えられる。活性層３
の前端面における断面積が小さい（ストライプ幅が波長
よりも短い）ために活性層３からの光の漏れだしが大き
い半導体レーザ装置においては、特にこの問題が顕著に
なる。光ファイバを伝搬する光の強度の変化量は、−４
０度から８５度の温度変化に対して１ｄＢ以内という光
通信における実用上の基準を満たさなければ、伝送特性
が非常に悪く、半導体レーザ装置を使用することができ
ない。
【００１０】従来の半導体レーザ装置においては、光フ
ァイバを伝搬する光の強度の変動量が２ｄＢであるため
上記の基準を満たしていない。本発明は、活性層３の前
端面における断面積が小さくても、出射角の温度依存性
が小さい半導体レーザ装置を提供することを目的とす
る。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ装
置は、ｎ型ＩｎＰで構成された半導体基板と、前記半導
体基板上に形成されたストライプ構造を有する活性層
と、前記半導体基板上であって前記活性層の近傍に形成
され、キャリア濃度が３．０×１０17ｃｍ-3以上、５．
３×１０17ｃｍ-3以下のｐ型ＩｎＰで構成された第１の
埋め込み層と、前記第１の埋め込み層上に形成され、キ
ャリア濃度が２．０×１０18ｃｍ-3のｎ型ＩｎＰで構成
された第２の埋め込み層と、前記第２の埋め込み層上に
形成され、キャリア濃度が３．０×１０17ｃｍ-3以上、
５．３×１０17ｃｍ-3以下のｐ型ＩｎＰで構成された第
３の埋め込み層とを有するものである。
【００１２】本発明により、第１の埋め込み層および第
３の埋め込み層と、第２の埋め込み層との間の屈折率差
が減少し、これにより活性層を伝搬する光の、第１ない
し第３の埋め込み層への漏洩量が少なくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図を用いて説明する。
【００１４】（実施の形態１）図１（ａ）は、本発明の
実施の形態１における半導体レーザ装置の前端面を示す
図であり、図１（ｂ）は、同半導体レーザ装置の後端面
を示す図であり、図１（ｃ）は、同半導体レーザ装置の
Ｘ−Ｙ断面を示す図である。図１（ａ）および図１
（ｂ）において、ｎ型ＩｎＰで構成された半導体基板１
上に、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．０５μｍ）で
構成された厚さ６００ｎｍの光閉じ込め層２、多重量子
井戸構造を有する活性層３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰで構成
された厚さ６００ｎｍの光閉じ込め層４、およびｐ型Ｉ
ｎＰで構成された厚さ４００ｎｍのクラッド層５が順次
形成され、これらはメサ型のストライプ構造を有してい
る。活性層３は、１．０％以内の圧縮歪を有する厚さ６
ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ井戸層（図示せず）と、圧縮歪を
有しない厚さ１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．
０５μｍ）障壁層（図示せず）とが交互にそれぞれ７層
形成してなるものである。
【００１５】ところで、活性層３は、図１（ｃ）に示す
ように半導体レーザ装置の前端面から深さ２５μｍ以内
の領域における幅が０．６μｍ、半導体レーザ装置の後
端面から深さ２５μｍ以内の領域におけるにおける幅が
１．６μｍ、前端面と後端面との間隔が４００μｍのス
トライプ構造を有している。このストライプ構造の幅
は、後端面から前端面にかけて連続的に減少しており、
前端面におけるストライプ幅は、後端面におけるストラ
イプ幅よりも小さい構造となっている。
【００１６】活性層３の両側近傍には、半導体基板１側
から順に、キャリア濃度が３．０×１０17ｃｍ-3のｐ型
ＩｎＰで構成された第１の埋め込み層６、キャリア濃度
が２．０×１０１８ｃｍ−３のｎ型ＩｎＰで構成された
第２の埋め込み層７、キャリア濃度が３．０×１０17ｃ
ｍ-3のｐ型ＩｎＰで構成される第３の埋め込み層８、お
よびｐ型ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長１．３μｍ）で構成
されるコンタクト層９が順次形成されている。
【００１７】また、第１の埋め込み層６ないし第３の埋
め込み層８における寄生容量を減らし、半導体レーザ装
置の周波数応答特性を向上させる目的で、第１の埋め込
み層６に達する溝をエッチングにより形成している。
【００１８】コンタクト層９上には、厚さ０．３μｍの
ＳｉＯ２膜１０が形成されており、このＳｉＯ２膜１０
に設けられた開口部内には、Ａｕ層、Ｚｎ層、Ａｕ層の
３層からなる金属多層膜１１が形成され、金属多層膜１
１上には、ｐ型電極１２が形成されている。
【００１９】また、半導体基板１の裏側にはｎ型電極１
３が形成されている。
【００２０】図２は、本発明の実施の形態における半導
体レーザ装置１４から射出されるレーザ光１５を光ファ
イバ１６に入射させるための光学系を模式的に示したも
のである。
【００２１】図２において、半導体レーザ装置１４と光
ファイバ１６との間にはレンズ等の集光用光学部品が使
用されていない。このため、レーザ光１５の射出角が大
きい場合には、レーザ光１５が効率よく光ファイバ１６
に入射されない。
【００２２】図３は、第１の埋め込み層６および第３の
埋め込み層８のキャリア濃度と、半導体レーザ装置１４
から光ファイバ１６に光学結合される光の温度範囲−４
０度から８０度における変動量との関係を示す図であ
る。図３において、第１の埋め込み層６および第３の埋
め込み層８のキャリア濃度が低くなるほど、光ファイバ
１６中に結合される光の温度変化による変動量は低下し
ており、半導体レーザ装置１４と光ファイバ１６との光
学結合は良好になる。図３からわかるように、第１の埋
め込み層６および第３の埋め込み層８のキャリア濃度が
５．３×１０17ｃｍ-3以下のとき、光ファイバ１６に結
合される光の温度変化による変動量は、基準値（１ｄＢ
以下）を満たし、伝送特性の優れた半導体レーザ装置を
得ることができる。
【００２３】次に、第１の埋め込み層６および第３の埋
め込み層８のキャリア濃度の適正な下限値について説明
する。第１の埋め込み層６および第３の埋め込み層８の
キャリア濃度が３．０×１０17ｃｍ-3未満とした場合に
は、半導体レーザ装置の高温高出力動作時に、埋め込み
層においてサイリスタ特性が悪化するため、実際上、こ
の範囲では半導体レーザ装置を使用することはできな
い。
【００２４】なお、本実施の形態における半導体レーザ
装置の第１の埋め込み層６および第３の埋め込み層８の
キャリア濃度は、３．０×１０17ｃｍ-3でり、光ファイ
バ１６に結合される光の温度変化による変動量が約０．
５ｄＢに抑えられる。
【００２５】図４は、本実施の形態における半導体レー
ザ装置の動作環境温度と出射角との関係（線Ａ）を示す
のもである。なお、参考のために図６に示した従来の半
導体レーザ装置の動作環境温度と出射角との関係（線
Ｂ）を併せて示す。図４の線Ａからわかるように、本実
施の形態における半導体レーザ装置の動作環境温度が−
４０度から８５度に変化したとき、出射角は１２．３度
から約１０．８度へと変動しているが、その変動幅は約
２．５度に抑えられている。このとき、第１の埋め込み
層６および第３の埋め込み層８と、第２の埋め込み層７
との間の屈折率差は、約０．０１７に縮小されている。
【００２６】以上のことから、第１の埋め込み層６およ
び第３の埋め込み層８のキャリア濃度を３．０×１０17
ｃｍ-3以上、５．３×１０17ｃｍ-3以下とすれば、半導
体レーザ装置１４を伝送特性よく光ファイバ１６に光学
結合することができる。
【００２７】なお、本発明の実施の形態における半導体
レーザ装置は、半導体基板１および第２の埋め込み層７
の導電型がｎ型であって、第１の埋め込み層６および第
３の埋め込み層８の導電型がｐ型であるが、これとは逆
に、半導体基板１および第２の埋め込み層７の導電型が
ｐ型であって、第１の埋め込み層６および第３の埋め込
み層８の導電型がｎ型であってもよい。この場合は、第
２の埋め込み層７のキャリア濃度を３．０×１０17ｃｍ
-3以上、５．３×１０17ｃｍ-3以下に設定しなければな
らない。
【００２８】また、半導体基板１の表面に光の共振方向
に垂直な複数の溝を形成することにより回折格子を構成
すれば、屈折率結合型の分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レ
ーザ装置を作成することができ、回折格子のもつ波長選
択性により、半導体レーザ装置の単一波長動作が実現で
きるため、高速、大容量通信が可能となる。
【００２９】また、半導体基板１の表面に同様の回折格
子を形成し、回折格子の溝内にＩｎＡｓＰで構成される
光吸収物質を形成すれば、利得結合型の分布帰還型半導
体レーザ装置を作成することができる。このとき、端面
反射率の影響が少なくなるため、歩留まりが向上する。
【００３０】
【発明の効果】以上のように、本発明の半導体レーザ装
置は、ｐ型ＩｎＰで構成された第１の埋め込み層および
第３の埋め込み層のキャリア濃度を３．０×１０17ｃｍ
-3以上、５．３×１０17ｃｍ-3以下とすることにより、
出射角の温度依存性を低減できるため、光ファイバへ光
学結合したときの伝送特性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における半導体レ
ーザ装置の前端面の断面図 （ｂ）同半導体レーザ装置の後端面の断面図 （ｃ）同半導体レーザ装置のＸ−Ｙ断面を示す図
【図２】同半導体レーザ装置から射出されるレーザ光を
光ファイバに入射させるための光学系の斜視図
【図３】同半導体レーザ装置における第１の埋め込み層
および第３の埋め込み層のキャリア濃度と、光ファイバ
に結合される光の変動量との関係を示す図
【図４】同半導体レーザ装置の動作環境温度と出射角と
の関係を示す図
【図５】（ａ）従来の半導体レーザ装置における前端面
の断面図 （ｂ）同半導体レーザ装置における後端面の断面図 （ｃ）同半導体レーザ装置のＸ−Ｙ断面を示す図
【図６】同半導体レーザ装置の動作環境温度と出射角と
の関係を示す図
【符号の説明】
１ 半導体基板 ２，４ 光閉じ込め層 ３ 活性層 ５ クラッド層 ６ 第１の埋め込み層 ７ 第２の埋め込み層 ９ 第３の埋め込み層 １０ ＳｉＯ２膜 １１ 金属多層膜 １２ ｐ型電極 １３ ｎ型電極 １４ 半導体レーザ装置 １５ レーザ光 １６ 光ファイバ

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ｎ型ＩｎＰで構成された半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成されたストライプ構造を有する
    活性層と、前記半導体基板上であって前記活性層の近傍
    に形成され、キャリア濃度が３．０×１０17ｃｍ-3以
    上、５．３×１０ 17ｃｍ-3以下のｐ型ＩｎＰで構成され
    た第１の埋め込み層と、前記第１の埋め込み層上に形成
    され、キャリア濃度が２．０×１０18ｃｍ-3のｎ型Ｉｎ
    Ｐで構成された第２の埋め込み層と、前記第２の埋め込
    み層上に形成され、キャリア濃度が３．０×１０17ｃｍ
    -3以上、５．３×１０17ｃｍ-3以下のｐ型ＩｎＰで構成
    された第３の埋め込み層とを有することを特徴とする半
    導体レーザ装置。
  2. 【請求項２】 ｐ型ＩｎＰで構成された半導体基板と、
    前記半導体基板上に形成されたストライプ構造を有する
    活性層と、前記半導体基板上であって前記活性層の近傍
    に形成され、キャリア濃度が２．０×１０18ｃｍ-3のｎ
    型ＩｎＰで構成された第１の埋め込み層と、前記第１の
    埋め込み層上に形成され、キャリア濃度が３．０×１０
    17ｃｍ-3以上、５．３×１０17ｃｍ-3以下のｐ型ＩｎＰ
    で構成された第２の埋め込み層と、前記第２の埋め込み
    層上に形成され、キャリア濃度が２．０×１０18ｃｍ-3
    のｎ型ＩｎＰで構成された第３の埋め込み層とを有する
    ことを特徴とする半導体レーザ装置。
  3. 【請求項３】 前記活性層が２層の光閉じ込め層の間に
    挟まれて形成されていることを特徴とする請求項１また
    は請求項２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 【請求項４】 前端面における前記活性層の断面積が、
    後端面における前記活性層の断面積よりも小さいことを
    特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の
    半導体レーザ装置。
  5. 【請求項５】 前記前端面側に、前記前端面から射出し
    た光を入射させるための光ファイバを有することを特徴
    とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の半導
    体レーザ装置。
  6. 【請求項６】 前記半導体基板に回折格子が形成されて
    いることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれ
    かに記載の半導体レーザ装置。
  7. 【請求項７】 前記回折格子上に吸収層が形成されてい
    ることを特徴とする請求項６記載の半導体レーザ装置。
JP11044398A 1999-02-23 1999-02-23 半導体レーザ装置 Pending JP2000244059A (ja)

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