JP2000286502A

JP2000286502A - 分布帰還型半導体レーザ

Info

Publication number: JP2000286502A
Application number: JP2000020598A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sato; 健二佐藤
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1999-01-29
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2000-10-13
Anticipated expiration: 2020-01-28
Also published as: JP3452131B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、共振器内での電界強度分布を非対
称とし、出力端からのレーザ光パワーが大きく、電流対
光出力変換効率の高い半導体レーザを提供することを目
的とする。【解決手段】分布帰還型半導体レーザ１のレーザ光の
出力側端面には低反射コーティング１２、その反対側の
後方側端面には高反射コーティング１１を設け、回折格
子として、出力側の領域の近傍に周期が所定の一定値で
あって合計で共振器内の全回折格子長の２分の１を越え
る長さを有する周期均一領域（第２の回折格子４）と、
レーザ共振器中央より後方側に異なる一定周期または変
調された周期を有する周期変動領域（第１の回折格子
３）を設ける。

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に関
し、特にデジタル光伝送システムに用いられるモード安
定性や効率の高い位相シフト分布帰還型（ＤＦＢ）半導
体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のデジタル光伝送システムには、レ
ーザ共振器中央に回折格子の位相を半周期シフトさせた
λ／４位相シフト分布帰還型半導体レーザと呼ばれる単
一モード性の高い半導体レーザが用いられている。λ／
４位相シフトＤＦＢ構造は公知の構造で、例えば、「１
９９４年、オーム社刊、応用物理学会編、半導体レーザ
２７２頁図１２・１２」に記載されている。

【０００３】λ／４位相シフト分布帰還型半導体レーザ
は図７に断面図を示すように、第１の回折格子４３と第
２の回折格子４４の位相を半周期分シフトさせたλ／４
位相シフト構造４８をレーザ共振器中央に有している。
この構造では、ｎ^effを実効屈折率とすると、回折格子
周期Λが決定するブラッグ波長λ^B、すなわちλ^B＝２Λ
ｎ^effで発振するため、副モード抑圧比が高くとれると
いう特徴がある。

【０００４】しかしこの構造では、レーザ共振器中央に
λ／４位相シフト構造が存在するため、この位相シフト
部で電界が非常に強くなり、バイアスを高くするにつれ
て内部の電界強度分布が極端に不均一になり、レーザ共
振器外部へ出力する光パワーが小さくなる。また、レー
ザ共振器の両端面には、低反射コーティングが施されて
おり、１％程度の反射しかないため、レーザの後方にも
前方と同じ程度の光が出力される。従って、この構造の
レーザでは、駆動電流に対するレーザ光出力の効率が低
く、高出力が得られないという問題があった。

【０００５】この問題を解決するために、特開平４−１
００２８７号公報には、レーザ共振器の１点でλ／４位
相シフト構造を配置するのではなく、等価的にλ／４位
相シフトされるような回折格子周期変調を共振器の一部
に施し、内部電界強度分布の１点集中を避ける構造が記
載されている。この構造では、内部に集中する電界が緩
和される分だけ、外部へ出力される光強度が高くなると
いう利点がある。

【０００６】しかし、この特開平４−１００２８７号公
報に記載の構造では、通常のλ／４位相シフト分布帰還
型レーザに比べて光出力の向上は認められるが、レーザ
共振器の両端面ともに低反射コーティングを施し、レー
ザ端面の両側からほぼ同じ出力の光が放出されるため、
後面側に高反射コーティングを施した半導体レーザに比
べて約半分の出力しか得られなかった。

【０００７】また、特開昭６１−２１６３８３号公報に
記載のレーザは、レーザの後方側の端面は劈開端面また
は高反射コーティングを施し、前方側の端面に低反射コ
ーティングを施して、さらにλ／４位相シフト構造を、
レーザ共振器の中央ではなく、３：７〜４：６の割合で
後方側端面に近づけるといった例が記載されている。こ
の構造では、レーザ後方側の端面反射率が、劈開端面で
あれば約３０％、高反射コーティングであれば９０％以
上になり、従来のλ／４位相シフトＤＦＢレーザのよう
に後方側へはあまり光が出力されず、前方からの光出力
が従来例よりも高くなる特徴がある。また、λ／４位相
シフト構造の位置がレーザ共振器の中央よりも後面側に
近づけることにより、単一モード性の悪化がλ／４位相
シフトＤＦＢレーザよりもわずかであることが記載され
ている。

【０００８】しかしながら、この構造では、従来のλ／
４位相シフト分布帰還型レーザと同様にλ／４位相シフ
ト構造部において、電界強度が極端に高くなり、そのλ
／４位相シフト構造がレーザ前方端面から遠く離れてい
るため、レーザ前方から出力される光強度は、従来のλ
／４位相シフトＤＦＢレーザよりも若干高くなるが、ま
だ十分高いとは言えない。本出願者の理論的検討による
と、仮に後方側の端面反射率を９５％にしたとしても、
前方と後方からの光出力比は４：１にとどまっている。
また、レーザ素子の劈開の段階で劈開位置が数ミクロン
の誤差が生じると光出力が設計よりも低くなり、劈開誤
差に対する設計の許容が小さい。レーザ後方端面を形成
する際の劈開が素子によって異なると、高反射側端面の
回折格子位相ばらつきにより、レーザ素子間の特性の分
布が大きくなるという問題があった。

【０００９】ところで、特公平６−６６５０９０号公報
（特開平６０−１２５８８２号公報）には、周期の異な
る２つの回折格子を共振器内に非対称に設けた構造が示
されている。しかし、この公報に記載されている構造
は、単一モード化のみを目的としており、一方の回折格
子の最小利得を持つ縦モード１本ともう一方の最小利得
をもつ縦モード１本が重なるように、それぞれの回折格
子は互いに特定の関係を満たす一定周期に設定されてい
る。従って、単にこの構造のみで出力端側からの出力が
十分に大きなレーザを得ることは困難であり、またこの
公報に出力を大きくする効果の記載は全くない。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
従来の問題点に鑑みてなされたものであり、レーザ光の
単一モード性の安定性が良く、出力端からのレーザ光パ
ワーが大きく、電流対光出力変換効率の高い半導体レー
ザを提供することを目的とする。

【００１１】さらに本発明は、レーザ後方側の端面の反
射率が１００％に近い場合でも、劈開誤差の影響を受け
にくく量産時における素子間の特性のばらつきが小さ
く、歩留まり良く生産することができる半導体レーザを
提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本出願の第１の発明は、
回折格子によって光帰還を行う分布帰還型半導体レーザ
において、レーザ光の出力側端面には低反射コーティン
グ、その反対側の後方側端面には高反射コーティングが
設けられ、前記回折格子は、少なくとも最も出力側の領
域を含んで設けられ周期が所定の一定値であって合計で
共振器内の全回折格子長の２分の１を越える長さを有す
る周期均一領域と、この周期均一領域の周期とは異なる
一定周期または変調された周期を有する周期変動領域と
を有し、この周期変動領域がレーザ共振器中央に対して
非対称になるように、後方側に寄せられて設けられてい
ることを特徴とする分布帰還型半導体レーザに関する。

【００１３】また、本出願の第２の発明は、回折格子に
よって光帰還を行う分布帰還型半導体レーザにおいて、
レーザ共振器の両方の端面に低反射コーティングが設け
られており、前記回折格子は、少なくとも最も出力側の
領域を含んで設けられ周期が所定の一定値であって合計
で共振器内の全回折格子長の３分の２以下の長さを有す
る周期均一領域と、この周期均一領域の格子周期とは異
なる変調された周期の回折格子を有する周期変動領域と
を有し、この周期変動領域がレーザ共振器中央に対して
非対称になるように、後方側に寄せられて設けられてい
ることを特徴とする分布帰還型半導体レーザに関する。

【００１４】さらに本出願の第３の発明は、回折格子に
よって光帰還を行う分布帰還型半導体レーザにおいて、
レーザ共振器の両方の端面に低反射コーティングが設け
られており、前記回折格子は、少なくとも最も出力側の
領域を含んで設けられ合計で共振器内の全回折格子長の
２分の１以下の長さを有し且つ領域内で周期が変調され
ている周期低変調領域と、この周期低変調領域の格子周
期とは異なる変調された周期の回折格子を有する周期変
動領域とを有し、前記周期低変調領域における変調量
は、前記周期変動領域における変調量より小さく、前記
周期変動領域がレーザ共振器中央に対して非対称になる
ように、後方側に寄せられて設けられていることを特徴
とする分布帰還型半導体レーザに関する。

【００１５】

【発明の実施の形態】従来のλ／４位相シフト分布帰還
型半導体レーザは、前述のように、光の帰還が中央付近
で強くなり過ぎるため、光の電界強度分布が中央付近に
集中するということと、前端面と後端面の両方に低反射
コーティングを施し、端面反射率が１％程度に抑えられ
ており、前方だけでなく、後方からも同程度の光出力が
あるという理由から、前方からのレーザ出力が低くな
る。前記の特開平４−１００２８７号公報に記載のレー
ザは、レーザ両端面からほぼ等しい光出力が得られる構
造になっていた。

【００１６】これに対して、本出願の第１の発明の構
造、即ち、出力側端面には低反射コーティング、その反
対側の後方側端面には高反射コーティングを設けた本出
願の第一の発明の構造においては、共振器内の回折格子
の中の周期変動領域が、レーザ共振器中央に対して非対
称になるように前記後方側端面の側に寄せて設けてあ
る。

【００１７】このような構造により、回折格子の周期が
レーザ共振器中央に対して非対称に分布し、共振器内の
分布帰還量が非対称になることで、内部電界強度分布が
非対称に分布する。これにより、例えば特開平４−１０
０２８７号公報に記載の構造に比べても、後方側端より
出力側端からの出力が大きい光出力が得られるようにな
る。さらに本発明では、後方側端面の高反射コーティン
グにより出力側の端面からの光出力をさらに大きくする
ことができる。また、本発明の構造は、特開昭６１−２
１６３８３号公報に記載のようなλ／４位相シフト位置
を後面側に移動させた構造と比べても、内部の電界分布
の集中が少ないため、光出力が高くなる。

【００１８】また、レーザの発振波長にとっては、周期
が変わることによる位相シフトと高反射コーティングに
よる位相シフトにより、共振器全体で等価的に約λ／４
位相シフトを与えるような回折格子周期変調とすること
により、レーザ単一モード性を保つことができる。

【００１９】また、一般に高反射コーティングされた端
面での回折格子位相が、素子間でばらつくことによっ
て、特性が大きく異なるが、本発明においては、高反射
コーティング側端面近傍に、元の回折格子周期と異なっ
た周期の回折格子があるため、その影響は従来例に比べ
て小さくなる。

【００２０】本出願の第１の発明において、周期均一領
域は少なくとも最も出力側の領域を含んで設けられ、ま
た合計で共振器内の全回折格子長の２分の１を越える長
さを有する。即ち、周期均一領域は、一つの連続する領
域であっても、いくつかに分断されていても良い。一つ
の連続する領域である場合は、共振器内の全回折格子の
うち、出力端側から中央を越える領域を周期均一領域が
占めることになる。

【００２１】また、周期均一領域が分断されている場合
は、その合計が共振器内の全回折格子長の２分の１を越
える長さとなればよい。この場合、合計の長さのうち、
少なくとも２分の１を越える長さが共振器中央より出力
端側に存在していることが好ましい。このようにするこ
とで、非対称性が確保され、レーザ発振の単一モード安
定性も高く保つことができる。

【００２２】また、周期変動領域とは、上記の周期均一
領域とは異なる格子周期を有している領域であり、一つ
の連続する領域であるか、あるいは複数の領域に分断さ
れていてもよいが、一つの連続する領域の方がレーザ発
振モード安定性上は好ましい。特に、最も後方端側の領
域を含む連続する領域に設けられていることが好まし
い。

【００２３】また周期変動領域は、周期均一領域とは異
なる周期であれば、周期が一定であっても、その中で変
調されていてもよい。周期が一定の場合は、周期均一領
域の格子周期との差があればよく、周期が短くても長く
ても本発明の効果は得られるが、長い方が特に好まし
い。また、周期変動領域内で周期が変調されている場合
においては、一般に単調に変化する方が好ましく、また
周期均一領域の格子周期との差が後方側の端に向かって
次第に大きくなることが好ましい。このようにすると、
高反射コーティングの端面位相のばらつきの影響をさら
に小さくすることができ、単一モード歩留まりを高くす
ることができる。このとき、周期均一領域の格子周期よ
り短くなるように変化させても良いが、特に長くなるよ
うに変化させることが好ましい。単調に変化するときに
は、例えば、増減のある部分で、線形に変化させる構造
等を挙げることができる。

【００２４】さらに、この周期変動領域と周期均一領域
との境界は、周期が連続していてもまた、周期が不連続
になっていてもどちらでも良い。

【００２５】本出願の第２の発明の構造は、レーザ共振
器の両方の端面に低反射コーティングが設けられている
ことと、周期変動領域内において、回折格子の周期が変
調されている場合に限られること、さらに周期均一領域
は少なくとも最も出力側の領域を含んで設けられ、また
合計で共振器内の全回折格子長の３分の２以下の長さを
有する点で第１の発明と異なっている。レーザ発振の単
一モード安定性の観点からは、２分の１程度以上が望ま
しいが、非対称性を増大させレーザをさらに高出力化す
るためには、２分の１以下にすることができる。但し、
３分の１以上の長さを有していることが好ましい。

【００２６】第２の発明のように両方の端面に低反射コ
ーティングが設けられている場合には、周期変動領域内
の格子が変調されていることが必須であり、それにより
回折格子の周期がレーザ共振器中央に対して非対称に分
布し、共振器内の分布帰還量が非対称になることで、内
部電界強度分布が非対称に分布するので、後方側端より
出力側端からの出力が大きいレーザが得られる。周期変
動領域内での格子周期が一定周期では、両端が低反射コ
ーティングの場合は、内部電界強度分布が非対称になら
ない場合があり、また、非対称になるとしてもその非対
称性は非常にわずかである。

【００２７】第２の発明において、周期変動領域の長さ
は共振器内の全回折格子長の３分の１以上とすることが
好ましく、また周期均一領域の必要な長さを確保するた
めに３分の２未満とすることが好ましい。

【００２８】第２の発明の構造でも、周期変動領域内
で、一般に単調に変化する方が好ましく、また周期均一
領域の格子周期との差が後方側の端に向かって次第に大
きくなることが好ましい。このようにすると、第１の発
明の場合と同様に端面位相のばらつきの影響をさらに小
さくすることができ、単一モード歩留まりを高くするこ
とができる。このとき、周期均一領域の格子周期より短
くなるように変化させても良いが、特に長くなるように
変化させることが第２の発明においては効果が極めて顕
著であり好ましい。単調に変化するときには、例えば、
増減のある部分で、線形に変化させる構造等を挙げるこ
とができる。さらに、この周期変動領域と周期均一領域
との境界は、周期が連続していてもまた、周期が不連続
になっていてもどちらでも良い。

【００２９】第２の発明の構造においてレーザの発振波
長にとっては、周期が変わることによる位相シフトによ
り、共振器全体で等価的に約λ／４位相シフトを与える
ことで、レーザ単一モード性を保つことができるが、レ
ーザ発振波長に明確なλ／４位相シフトを与えるため
に、共振器上のある一点で、位相シフト構造をもうける
ことにより、単一モード性をさらに向上させることがで
きる。

【００３０】ここにおける位相シフト量は、回折格子周
期変調による位相シフトと、合計で等価的に約λ／４位
相シフトになるように設定する。

【００３１】図６は、本構造の一点における位相シフト
量に対するしきい値利得差（単一モード性の指標）であ
る。このように位相シフトを回折格子周期変調と一点に
おける位相シフトとに分離することによる本発明構造の
単一モード性の改善は、図６から明らかなように、一点
における位相シフト量が回折格子の１／８周期から１／
２周期未満分の場合に有効である。

【００３２】ここで、一点シフト構造を設ける箇所は、
従来例のように共振器中央に設けてもよいが、周期均一
領域と周期変動領域の境界に設けることが好ましい。ま
た、第１の発明においてはレーザの後方側端面に近づけ
たり、第２の発明においては出力側端面に近づけたりす
ることもできる。

【００３３】このように、本出願の第２の発明において
も、電界が中央に集中することなく、共振器内部の電界
強度分布を中央に対して非対称に制御することができ、
レーザ光出力を高くすることができる。また、単一モー
ド歩留まりも従来のλ／４位相シフト分布帰還型レーザ
と同等にすることができる。

【００３４】本出願の第３の発明の構造は、前述の第２
の発明の構造において、周期均一領域を、領域内で周期
が変調されている周期低変調領域（周期が変調されてい
る領域であるが、変調量が周期変動領域より小さく、ま
た周期変動領域との混同をさけるためにこのように言う
ものとする。）に置き換えたものに相当する。但し、周
期低変調領域の領域の長さは、合計で共振器内の全回折
格子長の２分の１以下の長さを有する。そして、周期低
変調領域における変調量は、周期変動領域における変調
量より小さく設定される。具体的には、領域全体での変
調量の平均を比較したときに、周期低変調領域における
平均値が、周期変動領域の平均値より小さいことが好ま
しい。

【００３５】即ち、第２の発明において、位相シフト構
造が出力側端面に近づいた場合、前述のように、効率に
関しては優位にあるが、レーザ単一モード性に関して
は、位相シフト構造が中央に位置したものよりも悪化す
る方向にある。そこで、第３の発明では、この悪化を防
止するために、出力側の周期均一領域においても周期を
変調し、位相シフトを与え、レーザ単一モード安定性を
改善することができる。

【００３６】第３の発明の好ましい形態において、周期
変動領域は、その中の格子周期が、後方側の端に向かっ
て次第に長くなるか、または短くなるように単調に変化
し、周期低変調領域内において、その格子周期が後方側
の端に向かって次第に長くなるか、または短くなるよう
に単調に変化する。さらに好ましい形態においては、周
期変動領域は、その中の格子周期が、後方側の端に向か
って次第に長くなるように単調に変化し、周期低変調領
域内においても、その格子周期が後方側の端に向かって
次第に長くなるように単調に変化する。最も好ましい形
態は、格子周期が後方側の端に向かって直線的に増加す
る形態であり、周期低変調領域内での格子周期の傾き
（絶対値）が周期変動領域より小さい。

【００３７】本出願の第２の発明および第３の発明の構
造において、レーザ共振器の後方側の端に、一定の格子
周期を有する平坦領域を設けてもよい。このような平坦
領域を設けると、レーザ端面の劈開位置に誤差が生じて
も、特性のばらつきの小さなレーザを得ることができ
る。尚、本出願の第２の発明において、平坦領域におけ
る格子周期が周期均一領域における格子周期と等しいと
きは、平坦領域は周期均一領域の一部である。

【００３８】平坦領域の領域長は、劈開誤差が影響を小
さくするためには長い方が好ましく、例えば５μｍ以上
が好ましく、また周期変動領域と、周期均一領域（第２
の発明の場合）および周期低変調領域（第３の発明の場
合）の長さおよび位置を考慮して決めることができる。

【００３９】

【実施例】以下に実施例を示して本発明をさらに詳細に
説明する。以下の説明では、レーザ発振波長が光通信用
の１．３ミクロン波長帯を想定しているが、回折格子周
期の設定により、同じように光通信用の１．５５ミクロ
ン波長帯等のあらゆる波長帯のレーザに適用することが
できる。

【００４０】［実施例１］図１（Ａ）は、本発明の実施
例１の共振器幅が３００ミクロンである半導体レーザ１
の構造図である。この半導体レーザを形成するには、ま
ず、Ｎ型ＩｎＰ半導体基板２上に、周知の電子ビーム露
光法および周知のリソグラフィーにより周期変動領域と
して第１の回折格子３、および周期均一領域として第２
の回折格子４を形成する。第１の回折格子３、第２の回
折格子４を形成する際のエッチングの深さは、分布帰還
結合係数κが４０〜５０ｃｍー¹となるように０．０２ミ
クロンとする。

【００４１】この上に周知のエピタキシャル成長によ
り、Ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層５を層厚０．１ミク
ロン、多重量子井戸活性層６を層厚０．２ミクロン、Ｐ
型ＩｎＰクラッド層７を層厚３ミクロン、Ｐ型ＩｎＧａ
ＡｓＰキャップ層８を層厚０．２ミクロンの厚さにそれ
ぞれ形成する。次に、周知の電極形成法によりＰ型Ｉｎ
ＧａＡｓＰキャップ層８上にＰ型電極９、Ｎ型ＩｎＰ半
導体基板２下にＮ型電極１０を形成する。また、半導体
レーザ１の両端面には、第１の回折格子３側の端面には
高反射コーティング１１、第２の回折格子４側の端面に
は低反射コーティング１２を施す。

【００４２】このときの第１の回折格子３（周期変動領
域）および第２の回折格子４（周期均一領域）の周期分
布は、図１（Ｂ）に示す通り、第１の回折格子３は周期
が２０２．２ナノメートルで１００ミクロンの長さ、第
２の回折格子４は周期が２０２．０ナノメートルで２０
０ミクロンの長さである。ここで第１の回折格子３と第
２の回折格子４との間で位相が連続するように形成し
た。

【００４３】図４中に、この構造の共振器内での電界強
度分布を示した。この図から、共振器内で出力端（軸方
向座標３００μｍの位置）の方が後方側端（軸方向座標
０μｍの位置）より電界強度が大きいことが分かる。ま
た、共振器内での電界の集中が緩和されていることが分
かる。

【００４４】実際、この半導体レーザ１では、第２の回
折格子４側の端面からの光出力が、第１の回折格子３側
の端面にくらべて約６倍のパワーが得られた。また、レ
ーザのモード安定性を示すしきい値利得差については、
この構造の半導体レーザでは０．６が得られ、実用的な
レベルである０．５以上が達成されている。

【００４５】また、図５はレーザ劈開位置の誤差に対し
て、本実施例と後述する比較例３の効率を比較した図で
ある。図５に示すように、レーザの素子間で、レーザ端
面の劈開位置に誤差が生じても、特性のばらつきが小さ
くなっている。

【００４６】尚、本実施例においては、レーザ共振器の
長さを３００ミクロンとしたが、これに限定されるもの
ではない。

【００４７】［実施例２］図２（Ａ）に実施例２の半導
体レーザ２１の構造図を示す。この構造は、回折格子以
外は実施例１と同様であり、実施例１と同様にして形成
することができる。

【００４８】このときの第１の回折格子２３（周期変動
領域）および第２の回折格子２４（周期均一領域）の周
期分布は、図２（Ｂ）に示す通り、第１の回折格子２３
の周期は片方の端面において２０２．４ナノメートル
で、その端面から遠ざかるに従って、２０２．０ナノメ
ートルに成るように変化し、その端面から１００ミクロ
ンの長さである。第２の回折格子２４は、周期が２０
２．０ナノメートル周期で、２００ミクロンの長さであ
り、全共振器長は３００ミクロンである。第１の回折格
子２３と第２の回折格子２４との間は位相が連続するよ
うに形成した。

【００４９】図４中に、この構造の共振器内での電界強
度分布を示した。この図から、共振器内で出力端（軸方
向座標３００μｍの位置）の方が後方側端（軸方向座標
０μｍの位置）より電界強度が大きいことが分かる。ま
た、共振器内での電界の集中が緩和されていることが分
かる。

【００５０】実際、この半導体レーザ２１では、第２の
回折格子２４側の端面からの光出力が、第１の回折格子
２３側の端面にくらべて約５倍のパワーが得られた。ま
た、レーザのモード安定性を示すしきい値利得差につい
ては、この構造の半導体レーザでは０．６５が得られ、
実用的なレベルである０．５以上が達成されている。

【００５１】また、本実施例においては、レーザ共振器
の長さを３００ミクロンとしたが、これに限定されるも
のではなく、回折格子周期変調は線形に周期が変化する
としたが、線形でなくても同様の効果が得られる。

【００５２】また、本実施例においては、第１の回折格
子２３は、周期が変化しているが、レーザ端面近傍の１
０ミクロン程度の長さにおいては一定の周期になっても
良い。このようにすることで、レーザ劈開位置が数ミク
ロン程度ずれた場合でも、レーザ端面における回折格子
周期を設計値にすることができる。

【００５３】［実施例３］図３（Ａ）に実施例３の半導
体レーザ３１の構造図を示す。この構造は、回折格子
が、第１の回折格子３３（周期均一領域）、第２の回折
格子３４（周期変動領域）および第３の回折格子３５
（周期均一領域）からなり、実施例１と同様にして形成
することができる。第１の回折格子３３、第２の回折格
子３４および第３の回折格子３５を形成する際のエッチ
ングの深さは、分布帰還結合係数κが約７０ｃｍ^-1とな
るように０．０３ミクロンとする。さらにレーザの両端
面には、それぞれ第１の低反射コーティング３６と第２
の低反射コーティング３７を施す。

【００５４】このときの第１の回折格子３３、第２の回
折格子３４および第３の回折格子３５の周期分布は、図
３（Ｂ）に示す通り、第１の回折格子３３は周期が２０
２．０ナノメートルで、片方の端面から１０ミクロンの
長さである。第２の回折格子３４の周期は、第１の回折
格子３３と接している部分が２０２．２ナノメートルで
あり、第１の回折格子３３から遠ざかるに従って、２０
２．０ナノメートルに成るように変化し、１４０ミクロ
ンの長さである。第３の回折格子３５の周期は、２０
２．０ナノメートルであり、１５０ミクロンの長さであ
る。

【００５５】第１の回折格子３３と第２の回折格子３４
との間では、回折格子の位相が連続するように形成され
ている。また、第２の回折格子３４と第３の回折格子３
５との間では、位相が第３の回折格子３５の周期の１／
４周期（λ／８波長）だけシフトするような構造（位相
シフト構造３８）とした。

【００５６】図４中に、この構造の共振器内での電界強
度分布を示した。この図から、共振器内で出力端（軸方
向座標３００μｍの位置）の方が後方側端（軸方向座標
０μｍの位置）より電界強度が大きいことが分かる。ま
た、共振器内での電界の集中が緩和されていることが分
かる。

【００５７】実際、この半導体レーザ３１では、第３の
回折格子３５側の端面からの光出力が、第１の回折格子
３３側の端面にくらべて約２．５倍のパワーが得られ
た。また、レーザのモード安定性を示すしきい値利得差
については、この構造の半導体レーザでは０．７が得ら
れ、実用的なレベルである０．５以上が達成されてい
る。

【００５８】また、本実施例においては、レーザ共振器
の長さを３００ミクロンとしたが、これに限定されるも
のではなく、回折格子周期変調は線形に周期が変化する
としたが、線形でなくても同様の効果が得られる。

【００５９】［実施例４］この実施例の構造では、実施
例３において、第２の回折格子３４の周期が第３の回折
格子３５の周期とその境界部で連続する構造とした。即
ち、このときの第２の回折格子３４の周期は、第１の回
折格子３３と接している部分が２０２．３ナノメートル
であり、第１の回折格子３３から遠ざかるに従って、２
０２．０ナノメートルに成るように変化し、１４０ミク
ロンの長さである。また、第２の回折格子３４と第３の
回折格子３５との間では、位相が第３の回折格子３５の
周期の１／８周期（λ／１６波長）だけシフトするよう
な構造（位相シフト構造３８）とした。

【００６０】この構造の共振器内での電界強度分布は、
図４中の実施例３の電界強度分布と同一の分布を示し、
共振器内で出力端（軸方向座標３００μｍの位置）の方
が後方側端（軸方向座標０μｍの位置）より電界強度が
大きく、また、共振器内での電界の集中が緩和されてい
た。

【００６１】［実施例５］この実施例の構造では、実施
例４において、第１の回折格子と第２の回折格子の周期
を境界部で連続とした。即ち、図８に示すように、第１
の回折格子８３（平坦領域）の周期が２０２．３ナノメ
ートルで、１０ミクロンあり、第２の回折格子８４（周
期変動領域）の周期は第１の回折格子８３と接している
部分が２０２．３ナノメートルであり、第１の回折格子
８３から遠ざかるに従って、２０２．０ナノメートルに
成るように変化し、１４０ミクロンの長さである。第３
の回折格子８５（周期均一領域）の周期は２０２．０ナ
ノメートルであり、１５０ミクロンの長さである。

【００６２】また、第２の回折格子８４と第３の回折格
子８５との間では、位相が第３の回折格子８５の周期の
１／８周期（λ／１６波長）だけシフトするような構造
（位相シフト構造８８）とした。

【００６３】この構造の共振器内での電界強度分布も、
実施例３電界強度分布と同一の分布を示した。

【００６４】［実施例６］この実施例の構造では、実施
例５において、第２の回折格子８４の長さを１９０ミク
ロンとし、第３の回折格子８５の長さを１００ミクロン
とすると共に第３の回折格子の周期も変化させた。図９
に示すように、このときの第３の回折格子９５の周期
は、第２の回折格子９４と接している部分が２０２．０
ナノメートルであり、第２の回折格子９４から遠ざかる
に従って、２０１．９ナノメートルに成るように変化
し、１００ミクロンの長さである。即ち、第３の格子
（周期低変調領域）は、第２の格子（周期変動領域）よ
り周期変動の傾きが小さく形成されている。

【００６５】また、第２の回折格子９４と第３の回折格
子９５との間では、位相が第３の回折格子９５の周期の
１／４周期（λ／８波長）だけシフトするような構造
（位相シフト構造９８）とした。

【００６６】この構造の共振器内での電界強度分布は、
図４中の実施例３の電界強度分布と同一の分布を示し、
共振器内で出力端（軸方向座標３００μｍの位置）の方
が後方側端（軸方向座標０μｍの位置）より電界強度が
大きく、また、共振器内での電界の集中が緩和されてい
た。

【００６７】［比較例１〜３］本発明の実施例との比較
のために、λ／４位相シフト構造を中央に設けた構造
（比較例１）、特開平４−１００２８７号公報に記載さ
れているようなレーザ共振器の１点でλ／４位相シフト
構造を配置するのではなく、等価的にλ／４位相シフト
されるような回折格子周期変調を共振器の一部に施し、
内部電界強度分布の１点集中を避ける構造（比較例
２）、特開昭６１−２１６３８３号公報に記載されてい
るような、レーザの後方側の端面に高反射コーティング
を施し、前方側の端面に低反射コーティングを施して、
さらにλ／４位相シフト構造を３：７の割合で後方側端
面に近づけた構造（比較例３）について検討した結果を
図４に示した。

【００６８】図４から、比較例１では共振器中央におけ
る電界の集中が大きく、また比較例２では共振器中央で
の電界集中はある程度緩和されているが出力端における
電界強度が十分ではなく、さらに比較例３ではλ／４位
相シフト構造における電界集中が大きく出力端での電界
強度がまだ十分でないことがわかる。

【００６９】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ共振器内での一
点における電界集中を緩和しながら電界強度分布が非対
称になるようにすることにより、出力端からのレーザ光
パワーを大きくすることできるので、電流対光出力変換
効率の高い半導体レーザを提供することができる。

【００７０】さらに本発明によれば、レーザ後方側の端
面の反射率が１００％に近い場合でも、劈開誤差の影響
を受けにくく量産時における素子間の特性のばらつきが
小さく、歩留まり良く生産することができる半導体レー
ザを提供することができる。

【００７１】さらに本発明のレーザは、単一モード性の
安定性が良く、従来の半導体レーザに比べ、デジタル変
調時における符号誤り率を低い。

【００７２】従って、本発明のレーザを用いることによ
り、光通信において大容量の伝送が可能となり、加入者
数の増大、通信サービスの拡大を実現することができ
る。さらにまた、加入者向けの低コストな光通信システ
ムを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の半導体レーザ装置の断面構造図
（Ａ）と、その回折格子周期の分布を示した図（Ｂ）で
ある。

【図２】実施例２の半導体レーザ装置の断面構造図
（Ａ）と、その回折格子周期の分布を示した図（Ｂ）で
ある。

【図３】実施例３の半導体レーザ装置の断面構造図
（Ａ）と、その回折格子周期の分布を示した図（Ｂ）で
ある。

【図４】本発明の実施例と比較例の内部電界強度分布で
ある。

【図５】実施例１と比較例３の劈開位置の誤差による効
率の変動を示した図である。

【図６】実施例３の単一モード性の一点における位相シ
フト量依存性を示した図である。

【図７】従来例であるλ／４位相シフト型DFBレーザの
構造図である。

【図８】実施例５の半導体レーザ装置の断面構造図
（Ａ）と、その回折格子周期の分布を示した図（Ｂ）で
ある。

【図９】実施例６の半導体レーザ装置の断面構造図
（Ａ）と、その回折格子周期の分布を示した図（Ｂ）で
ある。

【符号の説明】

１半導体レーザ２Ｎ型ＩｎＰ半導体基板３第１の回折格子（周期変動領域）４第２の回折格子（周期均一領域）５Ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層６多重量子井戸活性層７Ｐ型ＩｎＰクラッド層８Ｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層９Ｐ型電極１０Ｎ型電極１１高反射コーティング１２低反射コーティング２１半導体レーザ２３第１の回折格子（周期変動領域）２４第２の回折格子（周期均一領域）３１半導体レーザ３３第１の回折格子（周期均一領域）３４第２の回折格子（周期変動領域）３５第３の回折格子（周期均一領域）３６第１の低反射コーティング３７第２の低反射コーティング３８位相シフト構造８１半導体レーザ８３第１の回折格子（平坦領域）８４第２の回折格子（周期変動領域）８５第３の回折格子（周期均一領域）８８位相シフト構造９１半導体レーザ９４第２の回折格子（周期変動領域）９５第３の回折格子（周期低変調領域）９８位相シフト構造

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回折格子によって光帰還を行う分布帰還
型半導体レーザにおいて、レーザ光の出力側端面には低反射コーティング、その反
対側の後方側端面には高反射コーティングが設けられ、前記回折格子は、少なくとも最も出力側の領域を含んで
設けられ周期が所定の一定値であって合計で共振器内の
全回折格子長の２分の１を越える長さを有する周期均一
領域と、この周期均一領域の周期とは異なる一定周期ま
たは変調された周期を有する周期変動領域とを有し、この周期変動領域がレーザ共振器中央に対して非対称に
なるように、後方側に寄せられて設けられていることを
特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２】前記周期変動領域は、レーザ共振器の後
方側半分の領域に設けられている請求項１記載の分布帰
還型半導体レーザ。
【請求項３】前記周期変動領域は、その中の格子周期
が、前記周期均一領域の格子周期より大きく一定である
ことを特徴とする請求項１または２記載の分布帰還型半
導体レーザ。
【請求項４】前記周期変動領域は、その中の格子周期
が、前記周期均一領域の格子周期との差が後方側の端に
向かって次第に大きくなるように形成されていることを
特徴とする請求項１または２記載の分布帰還型半導体レ
ーザ。
【請求項５】前記周期変動領域は、その中の格子周期
が、前記周期均一領域の格子周期より後方側の端に向か
って次第に長くなるように形成されていることを特徴と
する請求項４記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項６】回折格子によって光帰還を行う分布帰還
型半導体レーザにおいて、レーザ共振器の両方の端面に低反射コーティングが設け
られており、前記回折格子は、少なくとも最も出力側の領域を含んで
設けられ周期が所定の一定値であって合計で共振器内の
全回折格子長の３分の２以下の長さを有する周期均一領
域と、この周期均一領域の格子周期とは異なる変調され
た周期の回折格子を有する周期変動領域とを有し、この
周期変動領域がレーザ共振器中央に対して非対称になる
ように、後方側に寄せられて設けられていることを特徴
とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項７】前記周期変動領域は、レーザ共振器の後
方側半分の領域に設けられている請求項６記載の分布帰
還型半導体レーザ。
【請求項８】前記周期変動領域は、その中の格子周期
が、前記周期均一領域の格子周期との差が後方側の端に
向かって次第に大きくなるように形成されていることを
特徴とする請求項６または７記載の分布帰還型半導体レ
ーザ。
【請求項９】前記周期変動領域は、その中の格子周期
が、前記周期均一領域の格子周期より後方側の端に向か
って次第に長くなるように形成されていることを特徴と
する請求項８記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１０】共振器軸上のある一点において回折格
子の位相が１／８周期から１／２周期未満分シフトされ
るシフト構造を有していることを特徴とする請求項６〜
９のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１１】前記周期変動領域は、領域の長さが共
振器内の全回折格子長の４分の１以上２分の１未満であ
ることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の分
布帰還型半導体レーザ。
【請求項１２】前記周期変動領域は、領域の長さが共
振器内の全回折格子長の３分の１以上３分の２未満であ
ることを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載の
分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１３】回折格子によって光帰還を行う分布帰
還型半導体レーザにおいて、レーザ共振器の両方の端面に低反射コーティングが設け
られており、前記回折格子は、少なくとも最も出力側の領域を含んで
設けられ合計で共振器内の全回折格子長の２分の１以下
の長さを有し且つ領域内で周期が変調されている周期低
変調領域と、この周期低変調領域の格子周期とは異なる
変調された周期の回折格子を有する周期変動領域とを有
し、前記周期低変調領域における変調量は、前記周期変動領
域における変調量より小さく、前記周期変動領域がレーザ共振器中央に対して非対称に
なるように、後方側に寄せられて設けられていることを
特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１４】前記周期変動領域は、その中の格子周
期が、後方側の端に向かって次第に長くなるか、または
短くなるように形成されていることを特徴とする請求項
１３記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１５】前記周期変動領域は、その中の格子周
期が、後方側の端に向かって次第に長くなるように形成
されていることを特徴とする請求項１４記載の分布帰還
型半導体レーザ。
【請求項１６】共振器軸上のある一点において回折格
子の位相が１／８周期から１／２周期未満分シフトされ
るシフト構造を有していることを特徴とする請求項１３
〜１５のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項１７】前記周期低変調領域は、領域の長さが
共振器内の全回折格子長の４分の１以上であることを特
徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載の分布帰還
型半導体レーザ。
【請求項１８】前記周期変動領域は、領域の長さが共
振器内の全回折格子長の３分の１以上３分の２未満であ
ることを特徴とする請求項１３〜１７のいずれかに記載
の分布帰還型半導体レーザ。