JP2000299527A

JP2000299527A - 半導体レーザおよび半導体レーザモジュール

Info

Publication number: JP2000299527A
Application number: JP11106907A
Authority: JP
Inventors: Hideyoshi Horie; 秀善堀江; Toshinari Fujimori; 俊成藤森
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】外部共振器と結合したときに、広い温度範囲
および広い出力範囲にわたって波長が安定している半導
体レーザを提供すること。【解決手段】発振波長に対して基板が透明な端面発光
型の半導体レーザであって、少なくとも活性層と基板の
間に、活性層からの光を反射する反射領域を有すること
を特徴とする半導体レーザ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザおよ
び半導体レーザモジュールに関するものである。本発明
は、光ファイバー増幅器用励起光源等のように発振波長
が安定していることが求められる場合に好適に利用する
ことができる。

【０００２】

【従来の技術】近年における光情報処理技術、光通信技
術の進展には目ざましいものがある。例えば、光ファイ
バーネットワークによる双方向通信などはその代表例で
ある。たとえば、双方向通信を、高速に、しかも画像情
報の様な情報量の大きい伝送において実現するには大容
量の光ファイバー伝送路とともに、その伝送方式に対す
る柔軟性を持つ信号増幅用のアンプが不可欠である。こ
の代表例として、Ｅｒ ³⁺等の希土類をドープした光ファ
イバー増幅器（ＥＤＦＡ）の研究が各方面で盛んに行な
われている。そして、ＥＤＦＡのコンポーネントとして
不可欠な要素である、優れた励起光源用の半導体レーザ
の開発が待たれている。

【０００３】ＥＤＦＡ応用に供することのできる励起光
源の発振波長は、原理的に８００ｎｍ、９８０ｎｍ、１
４８０ｎｍの３種類存在する。このうち増幅器の特性か
ら見れば９８０ｎｍでの励起が、利得やノイズ特性等を
考慮すると最も望ましいことが知られている。このよう
な９８０ｎｍ帯の発振波長を有するレーザは、おもにＧ
ａＡｓ基板上にＩｎＧａＡＳを活性層として用いること
で実現されており、高出力でありながら長寿命であると
いう相反する要求を満たす必要がある。さらにこの近傍
の波長、例えば８９０〜１１５０ｎｍにおいてはＳＨＧ
光源等の要求もあり、その他種々の応用面においても優
れた特性を有するレーザの開発が待たれている。さら
に、情報処理分野では高密度記録を目的として半導体レ
ーザの短波長化が進んでいる。特に最近の青色レーザの
進展は目覚しく、ＡｌＯｘ等の基板上に成長されたＧａ
Ｎ系材料では、その信頼性も上昇しており、さらなる研
究が続いている。

【０００４】たとえばＧａＡｓ基板上の９８０ｎｍ帯の
レーザに求められる特性としては、前記のような高出力
特性や高信頼性の他に、発振波長の安定性もある。波長
安定性が重要視されるのは石英ファイバー中にドープさ
れたＥｒ³⁺の９８０ｎｍ近傍の吸収帯が他の１４８０ｎ
ｍ帯等に比較して、狭いため、この帯域から外れた光が
増幅器のゲインに寄与しなくなることを避けるためであ
る。ところが、半導体レーザは一般に光出力によって、
また環境温度によってその発振波長が変化するため、発
振波長の安定化を外部共振器によって実現しようとする
試みが各種成されている。

【０００５】この中には、石英ファイバー中の領域の一
部に屈折率の異なる部分を作り込み、反射する波長に対
して波長選択性を持たせたグレーティングとして機能さ
せるファイバーグレーティング等をレーザと結合させる
方法がある。この場合の半導体レーザとしては、外部共
振器との安定した結合が実現できる点が重要となる。し
かし、例えば９８０ｎｍ近傍のレーザは従来からＧａＡ
ｓ基板上にＩｎＧａＡｓ活性層を形成した構造により実
現されているが、ＧａＡｓ基板が活性層から放出される
光に対して透明であるために、外部共振器との安定な結
合、すなわち波長安定性が確保できないという問題があ
った（Journal of quantum electronics, vol.33 No.1
0,pp1801-1809 Octrber,1997）。

【０００６】すなわち、活性層から、特にその下側に放
出された自然放出光は基板に吸収されることなく基板中
に導波される。このため、基板由来の導波モードが存在
するようになる。特にその高次モードは、基板上に作り
込んだレーザ構造中を導波される通常のモードと結合す
るようになる。基板は一般に１００〜１５０μｍ程度の
厚みを有するが、この結果、発振スペクトルの構造中に
２〜３ｎｍ程度の波長間隔で、強度変調されるようにな
る。すなわち、９８０ｎｍのレーザでは本来単一波長で
発振することが望まれるのにも拘わらず、２〜３ｎｍ間
隔でいくつかの発振波長が競合するという問題が生じて
しまう。さらに、このような基板が発振波長に対して透
明な従来のレーザでは、周囲の温度が変化した際、また
出力を変動させた際に、モードホッピングを起こす。こ
のため、例えばファイバーグレーティングと結合させて
いる場合でも、９８０ｎｍレーザの場合に見られるよう
に、ある特定の狭い温度範囲、また限られた出力範囲を
超えると、ファイバー出力で見た際に単一波長発振が実
現できないという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の従来技
術の問題点を解決することを課題とした。具体的には、
本発明は、基板に対して透明な発振波長を有していなが
ら、優れた外部共振器との結合を実現できる半導体レー
ザを提供し、さらに該半導体レーザを用いて、波長が広
い温度範囲と広い出力範囲で安定している半導体レーザ
モジュールを提供することを解決すべき課題とした。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記課題を
解決するために鋭意検討を進めた結果、発振波長に対し
て基板が透明な端面発光型の半導体レーザにおいて、少
なくとも該半導体レーザの活性層と基板の間に、活性層
側からの特定の帯域の光、特に活性層で発振している帯
域の光を反射する反射領域を設けることが、実効的に基
板へ進入する光の量を抑制し、上記課題の解決に非常に
有効であることを見出し、本発明に到達した。すなわち
本発明は、発振波長に対して基板が透明な端面発光型の
半導体レーザであって、少なくとも活性層と基板の間
に、活性層からの光を反射する反射領域を有することを
特徴とする半導体レーザを提供するものである。また、
本発明は、発振波長に対して基板が透明な端面発光型の
半導体レーザであって、少なくとも活性層と基板の間
に、分布帰還型の反射領域を有することを特徴とする半
導体レーザを提供するものである。

【０００９】本発明の半導体レーザの好ましい実施態様
として、前記反射領域が半導体レーザの発振波長の光を
反射する態様；前記反射領域が屈折率が異なる複数の半
導体層を積層したものである態様；前記複数の半導体層
がＧａＡｓとＡｌＧａＡｓを含む態様；前記複数の半導
体層がＧａＡｓとＩｎ_0.5Ｇａ_0.5Ｐを含む態様；前記反
射領域が、基板と、基板と同じ導電型を持ち活性層と基
板との間に形成された第１導電型クラッド層との間に位
置する態様；前記反射領域が、基板とは反対側の活性層
上にも形成されている態様；前記反射領域が、基板とは
異なる導電型を持つ第２導電型クラッド層とコンタクト
層との間に位置する態様；両端面に誘電体または半導体
と誘電体との組み合わせからなるコーティング層を有
し、発振波長に対する反射率が一方の端面では１０％以
下であり、他方の端面では８０％以上である態様を挙げ
ることができる。また、本発明の半導体レーザの別の好
ましい実施態様として、前記活性層にＩｎを含む態様；
前記活性層がＩｎＧａＡｓである態様；前記活性層がＩ
ｎＧａＮである態様；前記基板がＧａＡｓである態様；
基板がＡｌＯｘである態様；基本横モードで発振する態
様を挙げることができる。

【００１０】また本発明は、上記半導体レーザを有する
半導体レーザモジュールも提供する。本発明の半導体レ
ーザモジュールの好ましい実施態様として、半導体レー
ザが光の出射方向に外部共振器を有し、単一波長のみで
発振する態様；前記外部共振器がファイバーグレーティ
ングである態様；および前記ファイバーグレーティング
のレーザ側への光の反射率がレーザの発振波長において
２〜１５％であり、かつ、その反射帯域が中心波長に対
して０．１〜５．０ｎｍである態様を挙げることができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下において、本発明の半導体レ
ーザおよび半導体レーザモジュールについて詳細に説明
する。本発明の半導体レーザは、発振波長に対して基板
が透明な端面発光型の半導体レーザである。そして、本
発明の半導体レーザの特徴は、少なくとも当該半導体レ
ーザの活性層と基板の間に、活性層側からの特定の帯域
の光を活性層側に反射する反射領域を有する点にある。
本発明の半導体レーザは、このような条件を満たすもの
であれば特にその構造の詳細や製造方法は制限されな
い。

【００１２】以下において、本発明の半導体レーザの好
ましい構成例およびその製造法について具体的に説明す
る。本発明の半導体レーザの構成としては、例えば屈折
率導波構造を有し、第２導電型クラッド層が二層に分か
れ、第２導電型第２クラッド層と電流ブロック層とで電
流注入領域を形成し、さらに電極との接触抵抗を下げる
ためのコンタクト層を有する。この例を始めとする様々
なレーザの基本的エピタキシャル構造の製法について
は、例えば特開平８−１３０３４４号公報を参考にする
ことができる。この種のレーザは光通信に用いられる光
ファイバー増幅器用の光源等に用いられ、層構成や使用
材料等を適宜選択することによってさらに様々な用途へ
応用することもできる。

【００１３】図１は、本発明の半導体レーザにおけるエ
ピタキシャル構造の一例としてグルーブ型の半導体レー
ザの構成を示した概略断面図である。基板（１）として
は、所望の発振波長、格子整合性、意図的に活性層等に
導入される歪、ガイド層等に用いられる活性層の歪み補
償等の点からＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等の単結晶基板
が使用される。場合によってはＡｌ₂Ｏ₃のような誘電体
基板も使用することができる。本発明の実施形態として
は、Ｖ族としてＡｓ、Ｐ等を含むＩＩＩ−Ｖ族半導体レ
ーザに対する格子整合性の観点から、ＩｎＰ基板やＧａ
Ａｓ基板を使用するのが望ましい。Ｖ族としてＡｓを含
む場合にはＧａＡｓ基板を使用するのが最も好ましい。
なお、本明細書において元素の＜族＞の記述はアラビア
数字で記載されているものはＩＵＰＡＣの記述にしたが
い、ローマ数字で記載されているものは旧来の表現方法
にしたがっている。

【００１４】また、Ａｌ₂Ｏ₃等の誘電体基板は、ＩＩＩ
−Ｖ族半導体レーザの中でもＶ族として窒素等を含む材
料に使用されることがある。基板はいわゆるジャスト基
板だけではなく、エピタキシャル成長の際の結晶性を向
上させる観点から、いわゆるオフ基板（miss oriented
substrate）の使用も可能である。オフ基板は、ステッ
プフローモードでの良好な結晶成長を促進する効果を有
しており、広く使用されている。オフ基板は０．５〜２
度程度の傾斜を持つものが広く用いられるが、量子井戸
構造を構成する材料系によっては傾斜を１０度前後にす
ることもある。基板には、ＭＢＥあるいはＭＯＣＶＤ等
の結晶成長技術を利用して半導体レーザを製造するため
に、あらかじめ化学エッチングや熱処理等を施しておい
てもよい。

【００１５】バッファ層（２）は、基板バルク結晶の不
完全性を緩和し、結晶軸を同一にしたエピタキシャル薄
膜の形成を容易にするために設けることが好ましい。バ
ッファ層（２）は、基板（１）と同一の化合物で構成す
るのが好ましく、基板がＧａＡｓの場合は通常、ＧａＡ
ｓが使用される。しかし、超格子層をバッファ層に使用
することも広く行われており、同一の化合物で形成され
ない場合もある。一方、誘電体基板を用いた場合には必
ずしも基板と同一の物質ではなく、その所望の発光波
長、デバイス全体の構造から、適宜、基板と異なった材
料が選ばれる場合もある。

【００１６】本発明の半導体レーザにおける反射領域
は、活性層からの光を活性層側に反射する機能を有す
る。活性層から発する光は、温度、出力等の条件により
変動する。しかしながら、本発明のレーザは、レーザの
通常の実用環境における発振波長の光を反射する反射領
域を有するものとする。たとえば、海底ケーブル用の中
継器内で用いられる９８０ｎｍ帯のＥＤＦＡ用励起光源
においては動作温度は５〜４０℃程度である。また、地
上系のネットワークに用いられるときには、温度制御機
能を有するため２５℃が主な動作温度となる。なお、本
明細書でいう「反射」とは、光を少なくとも０．０５％
以上、好ましくは１％以上、より好ましくは５％以上、
さらにより好ましくは２０％以上、特に好ましくは３０
％以上反射することを意味する。反射領域は、光を活性
層側に反射することによって、発振波長に対して透明で
あり、その部分での導波が不必要に本来の発振スペクト
ラムに対して強度変調等の悪影響を与える基板等への光
の進入を低減する。反射領域はこのような機能を有する
ものであれば、その構造や材料は特に制限されない。

【００１７】通常は、反射領域は、通常は層状に形成さ
れる（以下、層状に形成された反射領域を「反射ミラー
層」という）。その反射ミラー層は、基板と後述する第
１導電型クラッド層との間に位置することが望ましい。
また、反射ミラー層は後述のようにクラッド層を兼ねる
ことも可能である。さらに、図１に示されているよう
に、反射ミラー層が第１反射ミラー層（３）と第２反射
ミラー層（１０）に分かれ、第１反射ミラー層（３）
は、たとえば基板（１）と第１導電型クラッド層（４）
の間に、第２反射ミラー層（１０）は後述の第２導電型
第２クラッド層（７）と後述のコンタクト層（１１）の
間に、位置させることも可能である。この際、第１反射
ミラー層（３）は活性層側からの光が基板（１）へ進入
するのを抑制し、第２反射ミラー層（１０）は活性層側
からの光がコンタクト層（１１）へ進入するのを抑制す
る機能を果たす。また、第１反射ミラー層が第１導電型
クラッド層を、第２反射ミラー層が後述の第２導電型第
１クラッド層および／または第２導電型第２クラッド層
を兼ねることも可能である。

【００１８】具体的な反射ミラー層としては、反射率の
大きな単一の層を挿入することも可能であるが、いくつ
かの屈折率の異なる層を積層して形成する分布帰還型を
とることも可能である。分布帰還型の場合には特にＧａ
Ａｓ基板を用いた場合にはＧａＡｓとＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ
を交互に積層したものが望ましく使用される。反射ミラ
ー層が反射する光の帯域は、半導体レーザの使用目的に
応じて適宜設計が可能である。たとえば、ＧａＡｓ基板
上にＡｌ_0.77Ｇａ_0.23ＡｓとＧａＡｓをこの順に、７
８．６ｎｍ／６８．９ｎｍずつ１０対積層した場合に
は、ＧａＡｓ基板と反対側の空気中からの入射光に対す
る反射率の波長依存性は図２に示すとおりになる。

【００１９】また、９８０ｎｍにおける空気中から入射
する光に対する反射率を上記Ａｌ_0. ₇₇Ｇａ_0.23ＡｓとＧ
ａＡｓの対の数の関数として示すと図３中の○印で示す
とおりになる。また、ＧａＡｓ中から入射するとすると
図３中の＋印で示すとおりになる。これらのデータを適
宜取得しておくことにより、所望の機能を有する半導体
レーザを作製することが可能になる。反射ミラー層は発
振波長の光のみを反射するのではなく、発振波長の近傍
の帯域を含めて反射するように設計するのが望ましい。
この場合、その帯域はレーザの発振波長がデバイスの使
用温度と出力範囲において、常に反射帯域から外れない
ように設計することが望ましく、またその反射率はレー
ザの発振波長において高く設計することとが望ましい。

【００２０】第１導電型クラッド層（４）は一般的には
活性層（５）の平均的屈折率より小さな屈折率を有する
材料で構成され、所望の発振波長を実現するために準備
される基板（１）、バッファ層（２）、活性層（５）等
により適宜材料が規定される。例えば基板（１）として
ＧａＡｓが使用され、バッファ層（２）にもＧａＡｓが
使用されているときには、第１導電型クラッド層（４）
としてＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＡｓ系材料、Ａｌ
ＧａＩｎＰ系材料、ＩｎＧａＰ系材料等が用いられる。
また場合によっては、クラッド層全体またはその一部
に、反射ミラーを内在させることもできる。

【００２１】本発明の効果は活性層（５）の導電型、材
料、構造等の如何によらず認められるが、材料選択の観
点からは、活性層（５）はＩｎを含む系であるのが好ま
しい。最も好ましいのはＩｎＧａＡｓを含む系またはＩ
ｎＧａＮを含む系である。これは、一般に使用している
基板、すなわちＩｎＧａＡｓの場合にはＧａＡｓ基板
が、またＩｎＧａＮの場合にはＡｌ₂Ｏ₃が、それぞれの
発振波長に対して透明であるからである。

【００２２】また、活性層（５）の構造は、単一の層か
らなる通常のバルク活性層でもよいが、単一量子井戸
（ＳＱＷ）構造、二重量子井戸（ＤＱＷ）構造、多重量
子（ＭＱＷ）構造等の量子井戸構造も目的に応じて採用
することができる。量子井戸構造には、通常、光ガイド
層が併用され、必要に応じて量子井戸の分離のために障
壁層が併用される。活性層の構造としては、量子井戸の
両側に光ガイド層を設けた構造（ＳＣＨ構造）、光ガイ
ド層の組成を徐々に変化させることにより屈折率を連続
的に変化させた構造（ＧＲＩＮ−ＳＣＨ構造）等を採用
することができる。また、レーザの特性改善のためにひ
ずみ量子井戸構造を用いる場合がある。さらに活性層全
体としてはひずみが打ち消される様に、光ガイド層の材
料等を量子井戸層の有する歪みと逆の歪みを持つ様に選
択する場合等もある。光ガイド層の材料としてはＡｌＧ
ａＡｓ系材料、ＩｎＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＰ系、Ａ
ｌＧａＩｎＰ系材料、ＡｌＩｎＧａＡｓ系材料、ＩｎＧ
ａＡｓＰ系材料、ＧａＡｓＰ系材料等活性層にあわせて
選択することができる。

【００２３】また、光ガイド層は前記材料を組み合わせ
た超格子とすることも可能である。さらに、量子井戸と
光ガイド層の間に意図的にバンドギャップの大きな材料
を挿入して、温度特性の改善を行うことも可能である。

【００２４】第２導電型第１クラッド層（６）および第
２導電型第２クラッド層（７）は、第１導電型クラッド
層（４）と同様に一般的には活性層（５）の平均的屈折
率より小さな屈折率を有する材料で構成され、基板
（１）、バッファ層（２）、活性層（５）等により適宜
材料が規定される。例えば基板（１）としてＧａＡｓが
使用され、バッファ層（２）にもＧａＡｓが使用されて
いるときには、ＡｌＧａＡｓ系材料、ＩｎＧａＡｓ系材
料、ＩｎＧａＰ系、ＡｌＧａＩｎＰ系材料、ＡｌＩｎＧ
ａＡｓ系材料、ＩｎＧａＡｓＰ系材料、ＧａＡｓＰ系材
料等が用いられる。これらの層の全体または一部を、後
述のコンタクト層への光の染み出しを低減させる目的で
反射ミラー層とすることもできる。

【００２５】電流ブロック層（８）は、文字通り電流を
ブロックして実質的に流さないようにすることが要求さ
れるので、その導電型は第１導電型クラッド層（４）と
同一かあるいはアンドープとすることが好ましい。ま
た、例えばＡｌＧａＡｓ系で電流ブロック層（８）を形
成する場合であれば、Ａｌ_yＧａ_1-yＡｓ（０＜ｙ≦１）
からなる第２導電型第２クラッド層（７）より屈折率が
小さいことが好ましい。すなわち、電流ブロック層
（８）がＡｌ_zＧａ_1-zＡｓ（０≦ｚ≦１）であれば、混
晶比としてはｚ＞ｙになることが好ましい。また、ｙと
ｚの関係において、本発明は、おもに半導体レーザ、特
にレーザ構造自体よる導波が基本モードのみであるもの
に好適に利用されるが、この観点では、電流ブロック層
（８）と第２導電型第２クラッド層（７）の屈折率差に
よって主に規定される横方向の有効屈折率差は１０^-3の
オーダであることが望ましい。

【００２６】第２導電型第２クラッド層（７）の屈折率
は、通常、活性層（５）の屈折率以下である。また、第
２導電型第２クラッド層（７）は通常第１導電型クラッ
ド層（４）および第２導電型第１クラッド層（６）と同
一の屈折率とされる。またこれらの層の一部または全部
を反射ミラー層とする際にはそれぞれの層の平均屈折率
は同一になるようにするのが望ましい。第２導電型第２
クラッド層（７）の上には、後述のコンタクト層（１
１）への光の染み出しを抑制する目的で、図１にあるよ
うに第２反射ミラー層（１０）を設けることもできる。

【００２７】第２導電型第２クラッド層（７）または第
２反射ミラー層（１０）の上には、電極（１２）との接
触抵抗率を下げるため等の目的で、コンタクト層（１
１）を設けるのが好ましい。コンタクト層（１１）は、
通常、ＧａＡｓ材料にて構成される。この層は、通常電
極との接触抵抗率を低くするためにキャリア濃度を他の
層より高くする。この層がＧａＡｓで構成される場合に
はＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＮ等の材料が放出する発振波
長に対して透明となるため、第２導電型第２クラッド層
上等に挿入される第２反射ミラー層（１０）が有効とな
り、特にコンタクト層が厚い場合に有効である。

【００２８】半導体レーザを構成する各層の厚さは、そ
れぞれの層の機能を効果的に奏する範囲内で適宜選択さ
れる。通常、バッファ層（２）の厚さは０．１〜３μ
ｍ、第１導電型クラッド層（４）の厚さは０．５〜５μ
ｍ、活性層（５）の厚さは量子井戸構造の場合１層当た
り０．０００５〜０．０２μｍ、第２導電型第１クラッ
ド層（６）の厚さは０．０５〜０．３μｍ、第２導電型
第２クラッド層（７）の厚さは０．５〜５μｍ、電流ブ
ロック層（８）の厚さは０．３〜２μｍ、キャップ層
（９）の厚さは０．００５〜０．５μｍ、コンタクト層
（１１）の厚さは１〜１０μｍの範囲から選択される。
反射ミラー層の組成、厚み等は前述のように図２および
図３の特性および作製する半導体レーザの使用目的に応
じて適宜設計される。

【００２９】図１に示す半導体レーザは、さらに電極
（１２）および（１３）を形成することにより作製され
る。エピタキシャル層側電極（１２）は、ｐ型の場合、
コンタクト層（１１）表面に例えばＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを
順次に蒸着した後、合金化処理することによって形成さ
れる。一方、基板側電極（１３）は基板（１）の表面に
形成され、ｎ型電極の場合、例えばＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａ
ｕを基板表面に順に蒸着した後、合金化処理することに
よって形成される。

【００３０】製造した半導体ウエハーには、光の出射面
である端面を形成する。端面は共振器を構成する鏡とな
る。好ましくは、劈開により端面を形成する。劈開は広
く用いられる方法であり、劈開によって形成される端面
は使用する基板の方位によって異なる。例えば、好適に
利用されるnominally（１００）と結晶学的に等価な面
をもつ基板を使用して端面発光型レーザ等の素子を形成
する際には、（１１０）もしくはこれと結晶学的に等価
な面が共振器を形成する面となる。一方、オフ基板を使
用するときには、傾斜させた方向と共振器方向の関係に
よっては端面が共振器方向と９０度にならない場合もあ
る。例えば（１００）基板から、（１−１０）方向に向
けて角度を２度傾けた基板を使用した場合には端面も２
度傾くことになる。

【００３１】本発明では、露出した半導体端面上に、誘
電体、または誘電体および半導体の組合せからなるコー
ティング層（１５）および（１６）を形成するのが好ま
しい（図４）。コーティング層は、主に半導体レーザか
らの光の取り出し効率を上げる目的と、端面の保護する
という２つの目的のために形成する。また、後述の外部
共振器との結合を高めるために、発振波長に対して低反
射率（反射率１０％以下）のコーティング層を前端面に
施し、発振波長に対して高反射率（例えば８０％以上）
のコーティング層を後端面に施す非対称コーティングを
行うのが望ましい。これはさらなる波長安定化のために
使用される外部共振器から戻ってくる光を積極的にレー
ザ内部に取り込み、波長の安定化を促進する点で非常に
重要である。特にこの目的のためには前端面の反射率は
５％、より望ましくは２．５％以下であることが好まし
い。

【００３２】コーティング層（１５）および（１６）に
は、さまざまな材料を用いることができる。例えば、Ａ
ｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ、ＳｉＮ、ＳｉおよびＺｎ
Ｓからなる群から選ばれる１種または２種以上の組合せ
を用いることが好ましい。低反射率のコーティング層と
してはＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ等が、また高反射
率のコーティング層としてはＡｌＯｘ／Ｓｉの多層膜、
ＴｉＯｘ／ＳｉＯｘの多層膜等が用いられる。それぞれ
の膜厚を調節することによって、所望の反射率を実現す
ることができる。しかし、一般に低反射率のコーティン
グ層とするＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、ＳｉＯｘ等の膜厚は、
その波長λでの屈折率の実数部分をｎとしてλ／４ｎ近
傍になるように調整するのが一般的である。また、高反
射多層膜の場合も、膜を構成する各材料がλ／４ｎ近傍
になるように調整するのが一般的である。

【００３３】本発明の半導体レーザに対して波長安定化
をはかるためにレーザ外部に波長選択性のある鏡を準備
し、外部共振器と本発明のレーザを結合させることが望
ましい。特にファイバーグレーティングを用いて外部共
振器を形成させること望ましい。ファイバーグレーティ
ングはその目的に応じて中心波長、反射あるいは透過帯
域、ファイバーグレーティングが有するレーザ側への光
の反射率等を適宜選択可能である。特に前記ファイバー
グレーティングのレーザ側への光の反射率がレーザの発
振波長において２〜１５％、好ましくは５〜１０％であ
り、かつ、その反射帯域が中心波長に対して０．１〜
５．０ｎｍ、好ましくは０．５〜１．５ｎｍであること
が望ましい。

【００３４】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的
に説明する。以下の実施例に示す材料、濃度、厚さ、操
作手順等は、本発明の精神から逸脱しない限り適宜変更
することができる。したがって、本発明の範囲は以下の
実施例に示す具体例に制限されるものではない。

【００３５】（実施例１）図１の第２反射ミラー層（１
０）を有しないグルーブ型の半導体レーザを以下の手順
にしたがって製造した。キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3
のｎ型ＧａＡｓ基板（１）の（１００）面上に、ＭＢＥ
法にて、バッファ層（２）として厚さ１μｍでキャリア
濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓ層；第１反射ミラ
ー層（３）としてキャリア濃度１×１０ ¹⁸ｃｍ^-3のｎ型
のＡｌ_xＧａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．７７）７８．６ｎｍ／Ｇ
ａＡｓ６８．９ｎｍの対を８対；第１導電型クラッド層
（４）として厚さ１．５μｍでキャリア濃度１×１０¹⁸
ｃｍ^-3のｎ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ層；次いで、厚さ３
５ｎｍのアンドープのＧａＡｓ光ガイド層上に厚さ６ｎ
ｍのアンドープＩｎ_0.16Ｇａ_0.84Ａｓの単一量子井戸
（ＳＱＷ）、さらにその上に厚さ３５ｎｍのアンドープ
ＧａＡｓ光ガイド層を有する活性層（５）；第２導電型
第１クラッド層（６）として厚さ０．１μｍでキャリア
濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ層；
電流ブロック層（８）として厚さ０．５μｍでキャリア
濃度５×１０¹⁷ｃｍ^-3のｎ型Ａｌ_0.39Ｇａ_0.61Ａｓ層；
キャップ層（９）として厚さ１０ｎｍでキャリア濃度１
×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型ＧａＡｓ層を順次積層した。

【００３６】最上層の電流注入領域部分を除く部分に窒
化シリコンのマスクを設けた。このとき、窒化シリコン
マスクの開口部の幅は１．５μｍとした。ついで硫酸
（９８重量％）、過酸化水素（３０重量％水溶液）およ
び水を体積比で１：１：５で混合した混合液を用いて、
２５℃でキャップ層と電流ブロック層のエッチングを２
７秒間、第２導電型第１クラッド層に到達するまで行っ
た。次いでＨＦ（４９％）とＮＨ₄Ｆ（４０％）を１：
６で混合した混合液に２分３０秒浸漬して窒化シリコン
層を除去した。

【００３７】その後、ＭＯＣＶＤ法にて第２導電型第２
クラッド層（７）として、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ
^-3のｐ型Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ層を埋め込み部分（電流
注入領域部分）の厚さが１．５μｍになるように成長さ
せた。さらに、電極との良好な接触を保つためのコンタ
クト層（１１）として、キャリア濃度１×１０¹⁹ｃｍ ^-3
のｐ型ＧａＡｓ層を厚さ５μｍになるように成長させ
た。電流注入領域の幅Ｗ（第２導電型第１クラッド層と
の界面における第２導電型第２クラッド層の幅）は２．
２μｍであった。電流ブロック層（８）と第２導電型第
２クラッド層（７）の屈折率の差、およびＷの幅は、導
波モードが基本モードのみになるように設計し、クラッ
ド層、電流ブロック層等のＡｌ混晶比を決定した。ま
た、さらに、基板側電極（１３）であるｎ型電極として
ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕを、またエピタキシャル層側電極
（１２）であるｐ型電極としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕを蒸着
させ４００℃で合金化を５分間行って半導体ウエハーを
完成させた。

【００３８】続いて、大気中で、共振器長７００μｍの
レーザバーの状態に劈開して（１１０）面を露出させ
た。次いで、ＡｌＯｘ膜を発振波長９８０ｎｍにおいて
前端面の反射率が２．５％になるように真空中で１６５
ｎｍ製膜し、コーティング層（１５）を形成した。さら
に後端面側の処理を行うために、一度レーザバーを真空
層から取り出した。後端面側には、厚さ１７０ｎｍのＡ
ｌＯｘ層／厚さ６０ｎｍのアモルファスＳｉ層／厚さ１
７０ｎｍのＡｌＯｘ層／厚さ６０ｎｍのアモルファスＳ
ｉ層の４層からなるコーティング層（１６）を形成し、
反射率９２％の後端面を作製した。作製された半導体レ
ーザの電流光出力特性は図５に示すとおりであった。

【００３９】さらにレーザ前端面に９７７ｎｍでの反射
率が６．５％、反射帯域が１ｎｍのグレーティングファ
イバーを図６に示すようにレンズを介して配置して半導
体レーザモジュールを作製した。半導体レーザの環境温
度、および半導体レーザからの光出力を変化させて外部
共振器との結合の状態をスペクトラム安定性の観点から
観測した。この半導体レーザモジュールのファイバー出
力の電流光出力特性を図７に示す。発振スペクトルは図
８に示すとおりであり、単一波長発振を実現できること
が確認された。さらに、温度範囲０〜５０℃、ファイバ
ー出力１０〜１２０ｍＷの範囲内で、中心波長９７７ｎ
ｍ±０．２ｎｍ、サイドモード抑圧比１０ｄｂを安定的
に実現する範囲を確認した結果を図９に示す。図９から
明らかなように、温度範囲０〜５０℃、ファイバー出力
１０〜１２０ｍＷの全範囲にわたって波長が安定してい
ることが確認された。

【００４０】（実施例２）実施例１と同様に作成した半
導体レーザの前端面に、９７８ｎｍでの反射率が３．５
％、反射帯域が０．７ｎｍのグレーティングファイバー
をレンズを介して配置して半導体レーザモジュールを作
製した。半導体レーザの環境温度、および半導体レーザ
からの光出力を変化させて外部共振器との結合の状態を
スペクトラム安定性の観点から観測した。その結果、実
施例１と同様に、温度範囲０〜５０℃、ファイバー出力
１０〜１００ｍＷの範囲で中心波長９７８ｎｍ±０．２
ｎｍ、サイドモード抑圧比１０ｄｂを安定的に実現する
ことが確認された。

【００４１】（実施例３）実施例１と同様に作成した半
導体レーザの前端面に、９７８ｎｍでの反射率が１２
％、反射帯域が１．５ｎｍのグレーティングファイバー
をレンズを介して配置して半導体レーザモジュールを作
製した。半導体レーザの環境温度、および半導体レーザ
からの光出力を変化させて外部共振器との結合の状態を
スペクトラム安定性の観点から観測した。その結果、実
施例１と同様に、温度範囲０〜５０℃、ファイバー出力
１０〜１００ｍＷの範囲で中心波長９７８ｎｍ±０．２
ｎｍ、サイドモード抑圧比１０ｄｂを安定的に実現する
ことが確認された。

【００４２】（実施例４）第２反射ミラー層（１０）と
してキャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｎ型のＩｎ _xＧａ
_1-xＰ（ｘ＝０．５）７４．０ｎｍ／ＧａＡｓ６８．
９ｎｍを５対、第２導電型第２クラッド層とコンタクト
層の間に挿入した以外は実施例１と同様にして半導体レ
ーザを作製し、さらに実施例１と同様にレーザモジュー
ルを作製した。半導体レーザの環境温度、および半導体
レーザからの光出力を変化させて外部共振器との結合の
状態をスペクトラム安定性の観点から観測した。その結
果、実施例１と同様に、温度範囲０〜５０℃、ファイバ
ー出力１０〜１００ｍＷの範囲で中心波長９７７ｎｍ±
０．２ｎｍ、サイドモード抑圧比１０ｄｂを安定的に実
現することが確認された。

【００４３】（実施例５）第２反射ミラー層（１０）と
して、キャリア濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-3のｐ型のＡｌ_xＧ
ａ_1-xＡｓ（ｘ＝０．７７）７８．６ｎｍ／ＧａＡｓ６
８．９ｎｍを８対、第２導電型第２クラッド層とコンタ
クト層の間に挿入した以外は実施例１と同様にして半導
体レーザを作製し、さらに実施例１と同様にレーザモジ
ュールを作製した。半導体レーザの環境温度、および半
導体レーザからの光出力を変化させて外部共振器との結
合の状態をスペクトラム安定性の観点から観測した。そ
の結果、実施例１と同様に、温度範囲０〜５０℃、ファ
イバー出力１０〜１２０ｍＷの範囲で中心波長９７７ｎ
ｍ±０．２ｎｍ、サイドモード抑圧比１０ｄｂを安定的
に実現することが確認された。

【００４４】（比較例）第１反射ミラー層（３）を作製
しなかったこと以外は、実施例１と同様にして半導体レ
ーザを調製した。作製された半導体レーザの電流光出力
特性は図５に示すとおりであった。さらに実施例１と同
様に半導体レーザモジュールを作製した。製造した半導
体レーザモジュールの発振スペクトルは図１０に示すと
おりであり、単一波長発振を実現することはできなかっ
た。さらに、温度範囲０〜５０℃、ファイバー出力１０
〜１２０ｍＷの範囲内で、中心波長９７７ｎｍ±０．２
ｎｍ、サイドモード抑圧比１０ｄｂを安定的に実現する
範囲を確認した結果を図９に示した。図９から明らかな
ように、本発明の実施例１に比べると波長の安定性が劣
ることが確認された。

【００４５】

【発明の効果】本発明の半導体レーザは、外部共振器と
の優れた結合を実現することができる。このため、該半
導体レーザを用いた本発明の半導体レーザモジュール
は、波長が広い温度範囲および広い出力範囲にわたって
安定している。したがって、本発明の半導体レーザは、
多大な工業的利益を提供するものでありその応用範囲は
極めて多岐にわたる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の半導体レーザの一態様を示す断面図
である。

【図２】反射領域への入射光の波長と反射率の関係図
である。

【図３】反射領域を構成するＡｌ_0.77Ｇａ_0.23Ａｓと
ＧａＡｓの対の数と反射率の関係図である。

【図４】本発明の半導体レーザの一態様を示す斜視図
である。

【図５】実施例１および比較例の半導体レーザの電流
と光出力の関係図である。

【図６】本発明の半導体レーザモジュールの一態様を
示す概略図である。

【図７】実施例１の半導体レーザモジュールの電流と
ファイバー出力の関係図である。

【図８】実施例１の半導体レーザモジュールの発振ス
ペクトルである。

【図９】実施例１および比較例の半導体レーザモジュ
ールのサイドモード抑圧比１０ｄＢ以上の領域を示す図
である。

【図１０】比較例の半導体レーザモジュールの発振ス
ペクトルである。

【符号の説明】

１：基板２：バッファ層３：第１反射ミラー層４：第１導電型クラッド層５：活性層６：第２導電型第１クラッド層７：第２導電型第２クラッド層８：電流ブロック層９：キャップ層１０：第２反射ミラー層１１：コンタクト層１２：エピタキシャル層側電極１３：基板側電極１５：コーティング層１６：コーティング層２１：半導体レーザ２２：レンズ２３：レンズ２４：光ファイバー２５：ファイバーグレーティング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5F073 AA20 AA45 AA73 AA83 AA89 AB21 AB27 AB28 CA02 CA07 CB10 CB20 CB22 DA05 DA23 DA33 EA03 EA15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発振波長に対して基板が透明な端面発光
型の半導体レーザであって、少なくとも活性層と基板の
間に、活性層からの光を反射する反射領域を有すること
を特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】発振波長に対して基板が透明な端面発光
型の半導体レーザであって、少なくとも活性層と基板の
間に、分布帰還型の反射領域を有することを特徴とする
半導体レーザ。
【請求項３】前記反射領域が前記半導体レーザの発振
波長の光を反射することを特徴とする請求項１または２
に記載の半導体レーザ。
【請求項４】前記反射領域が屈折率が異なる複数の半
導体層を積層したものであることを特徴とする請求項１
〜３のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項５】前記複数の半導体層がＧａＡｓとＡｌＧ
ａＡｓを含むことを特徴とする請求項４に記載に半導体
レーザ。
【請求項６】前記複数の半導体層がＧａＡｓとＩｎ
_0.5Ｇａ_0.5Ｐを含むことを特徴とする請求項４に記載に
半導体レーザ。
【請求項７】前記反射領域が、基板と、基板と同じ導
電型を持ち活性層と基板との間に形成された第１導電型
クラッド層との間に位置することを特徴とする請求項１
〜６のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項８】前記反射領域が、基板とは反対側の活性
層上にも形成されていることを特徴とする請求項１〜７
のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項９】前記反射領域が、基板とは異なる導電型
を持つ第２導電型クラッド層とコンタクト層との間に位
置することを特徴とする請求項８に記載の半導体レー
ザ。
【請求項１０】両端面に誘電体または半導体と誘電体
との組み合わせからなるコーティング層を有し、発振波
長に対する反射率が一方の端面では１０％以下であり、
他方の端面では８０％以上であることを特徴とする請求
項１〜９のいずれかに記載の半導体レーザ。
【請求項１１】請求項１〜１０のいずれかに記載の半
導体レーザを有することを特徴とする半導体レーザモジ
ュール。
【請求項１２】前記半導体レーザが光の出射方向に外
部共振器を有し、単一波長のみで発振することを特徴と
する請求項１１に記載の半導体レーザモジュール。
【請求項１３】前記外部共振器がファイバーグレーテ
ィングであることを特徴とする請求項１２に記載の半導
体レーザモジュール。
【請求項１４】前記ファイバーグレーティングのレー
ザ側への光の反射率がレーザの発振波長において２〜１
５％であり、かつ、その反射帯域が中心波長に対して
０．１〜５．０ｎｍであることを特徴とする請求項１３
に記載の半導体レーザモジュール。