JP2001168456A - 利得結合分布帰還型半導体レーザ - Google Patents

利得結合分布帰還型半導体レーザ

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JP2001168456A
JP2001168456A JP2000298502A JP2000298502A JP2001168456A JP 2001168456 A JP2001168456 A JP 2001168456A JP 2000298502 A JP2000298502 A JP 2000298502A JP 2000298502 A JP2000298502 A JP 2000298502A JP 2001168456 A JP2001168456 A JP 2001168456A
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Japan
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gain
diffraction grating
layer
semiconductor laser
inp
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Masaki Funahashi
政樹 舟橋
Akihiko Kasukawa
秋彦 粕川
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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Publication date
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/1228DFB lasers with a complex coupled grating, e.g. gain or loss coupling
    • HELECTRICITY
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単一縦モード発振特性に関し、製品歩留りの
高い構成を有する利得結合DFBレーザを提供する。 【解決手段】 本利得結合DFBレーザ20は、発振波
長約1550nmのレーザであって、n−InP基板1
上に、n−InPバッファ層2、活性層3と、p−In
Pスペーサ層4、p−InP上部クラッド層6、及びp
−GaInAsコンタクト層7の積層構造を有する。ス
ペーサ層内には、ピッチ約240nmで周期的に形成さ
れた膜厚20nmのInGaAs吸収層からなる吸収性
回折格子13が設けてある。スペーサ層、活性層及びバ
ッファ層の上部は、メサストライプ状に加工され、その
両側はp/n−InP層8/9で埋め込まれている。共
振器長Lは400μm以上、利得結合係数の絶対値|κ
g |と、回折格子長Lg との積|κg |Lg が0.5≦
|κg |Lg ≦1.1で、デューティ比Dが0.2≦D
<0.4である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、利得結合分布帰還
型半導体レーザに関し、更に詳細には、良好な単一縦モ
ード発振特性を有し、かつ製品歩留りが高い構成を備え
た利得結合分布帰還型半導体レーザに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】分布帰還型半導体レーザ(以下、DFB
レーザと言う)は、共振器内部で屈折率の実部または虚
部が周期的に変化する構造(以下、回折格子と言う)を
活性領域の上に有し、特定の波長の光にだけ帰還がかか
るようにして波長選択性を持たせたレーザである。DF
Bレーザは、共振器内部で屈折率の実部のみが周期的に
変動しているタイプの回折格子を有する屈折率結合DF
Bレーザと、屈折率の実部も虚部も周期的に変動してい
るタイプの回折格子を有する利得結合DFBレーザ或い
は複素結合型DFBレーザとの2種類に大別される。
【0003】屈折率結合DFBレーザでは、ブラック波
長を挟んだ2つのモードのしきい値利得の差が小さいの
で、この2つのモードで発振し、単一縦モード発振動作
の実現が難かった。そこで、利得結合構造を採り入れる
ことにより、ブラック波長の両側2モード間でのしきい
値利得差を大きくし、単一縦モード発振特性に関して製
品歩留りを改善する試みがなされている。利得結合構造
は、誘導放出光を発生する活性層近傍に回折格子を備
え、活性層が発生する誘導放出光の利得又は損失が回折
格子によって周期的に変化することによって光の分布帰
還が生じてレーザ発振が生じる機構である。尚、本明細
書では、屈折率の実部及び虚部の少なくとも虚部が周期
的に変化しているものを利得結合DFBレーザと呼ぶ。
【0004】利得結合DFBレーザは、優れた単一縦モ
ード発振が得られること、戻り光により雑音が生じ難い
ことといった特徴を有している。1μmより短い波長の
利得結合DFBレーザは、光計測装置、高速光伝送装
置、光記憶装置の光源として重要であり、1μmより長
い波長の利得結合DFBレーザは長距離光通信装置の光
源として重要である。
【0005】ところで、DFBレーザの回折格子による
反射(=分布帰還)の強さを表すパラメータとして、レ
ーザ内の前進波と後退波の結合割合である結合係数が規
定されており、通常κと書く。屈折率結合DFBレーザ
と利得結合DFBレーザに対応して、屈折率結合係数と
利得結合係数とがあり、それぞれ、κi 、κg とする。
結合係数は、回折格子への光閉じ込め係数と回折格子の
屈折率の実部との差あるいは回折格子への光閉じ込め係
数と屈折率の虚部の差によって決定される。利得結合D
FBレーザにおいては、利得結合係数κg は、次の式
(数1)によって表される係数であって、利得結合係数
κg が大きいと、単一縦モード発振特性が良好と評価で
きる非常に重要なパラメータであり、κg の値により、
しきい値電流などのレーザの特性が大きく影響され、か
つ単一縦モード発振特性に関する製品歩留りを左右す
る。
【数1】
【0006】利得結合DFBレーザで使用される回折格
子には、2種類の回折格子があって、その一つは活性層
の利得そのものを周期的に摂動させる利得性回折格子で
あり、他方は活性層近傍に光吸収層を周期的に形成する
ことによって実効的に利得の周期的摂動を生じさせる吸
収性回折格子である。そして、吸収性回折格子は、利得
性回折格子に比べて作製し易いと言う理由から、吸収性
回折格子の利用が盛んに研究されているものの、回折格
子の作製時の再現性が悪いために、単一縦モード発振特
性に関し半導体レーザ素子の製品歩留りを向上させるこ
とが難しく、また、素子特性の再現性が好ましくないと
いう問題があった。
【0007】そこで、改善のための種々の提案が成され
ており、例えば、特開平8−242034号公報は、吸
収性回折格子を使った、発振波長が約800nmの利得
結合DFBレーザの吸収性回折格子において、回折格子
の作製時の制御が容易であると理由から、デューティ比
を0.4以上0.8以下にし、かつ、吸収層の厚さを6
nm以上30nm以下ににすることにより、半導体レー
ザ素子の製品歩留りを向上させることができるとしてい
る。ここで、デューティ比とは、周期的吸収層が存在す
る層内において、その周期毎の吸収領域の割合(体積
比)のことであって、例えば断面が矩形の場合、Λを回
折格子の一周期の長さ、Wを一周期の光吸収層の幅であ
るとすると、D=W/Λ(0≦D≦1)で与えられる値
のことである。更に実際的に言えば、 D=(光吸収層が存在する層内における光吸収層の体積
の和)/(光吸収層が存在する層の体積) で示される。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の利得結
合DFBレーザには、次に挙げるような、解決すべき問
題がある。第1には、特開平8−242034号公報に
開示されているデューティ比は0.4以上0.8以下と
いうものであるが、損失の観点からデューティ比は小さ
い方が良いと言うことは、特開平5−160505号公
報に示唆されている。したがって、課題は、適切なデュ
ーティ比を見いだし、その範囲でデューティ比の制御性
及び再現性を高めることである。
【0009】第2には、共振器長の長い半導体レーザに
対する利得結合係数の最適化の問題である。近年、利得
結合DFBレーザの高出力化のために共振器長を長くす
る傾向にあるが、特開平8−242034公報の例で
は、共振器長については約250μmと比較的短い場合
についてのみ検討がなされており、半導体レーザの高出
力化を目的として共振器長を長くした場合、利得結合係
数κg の最適値は共振器長が短い場合と異なるため、特
開平8−242034公報で特定されたデューティ比に
よって良好な素子特性が必ずしも得られないという問題
がある。即ち、共振器長が長い半導体レーザにあって
は、従来のような短い共振器長での利得結合係数の最適
値が、単一縦モード発振に関し高い製品歩留りを得るた
めの最適値かどうか不明であるから、共振器長が長い場
合であっても、単一縦モード発振特性に関し高い製品歩
留りを得るようにする利得結合係数κg を特定すること
が重要である。
【0010】第3の利得結合係数の設計の問題である。
利得結合係数κg が小さ過ぎると、利得結合の効果が十
分得られないために、単一縦モード発振特性に関し、製
品歩留りは屈折率結合型と同程度に低くなる。そして、
この場合、ストップバンドを挟んだ両側の2モードで発
振する素子の割合が多くなってしまう。逆にκg が大き
過ぎると、利得結合の影響が大きくなるために、ストッ
プバンドを挟んだ2つのモード間のしきい値利得差は大
きくなるが、ストップバンドに対して発振モードの同じ
側で隣接するモードとの間のしきい値利得差が小さくな
るために、やはり単一縦モード発振特性に関し製品歩留
りは低下する。この利得結合係数の最適値の上限は、特
開平8−242034で記述されている上限よりもずっ
と低いところにあると考えられ、特開平8−24203
4では、吸収損失のみから上限を決定していたことがそ
の原因であると思われてる。
【0011】そこで、本発明の目的は、比較的小さいデ
ューティ比で、単一縦モード発振に最適で、かつ製品歩
留りを向上させる利得結合係数κg を示す回折格子を有
し、高出力化に適した利得結合分布帰還型半導体レーザ
を提供することである。
【0012】
【課題を解決するための手段】ところで、利得結合分布
帰還型半導体レーザの単一縦モード発振特性に関する製
品歩留りは、従来は、上述のように、利得結合係数に依
存すると考えられていたが、本発明者は、利得結合分布
帰還型半導体レーザの高出力化を図るために共振器の長
さを長くする研究を重ねている間に、利得結合係数が一
定でも、その製品歩留りにばらつきが生じることを見い
出した。そこで、本発明者は、利得結合係数が一定であ
る場合に、単一縦モード発振特性に関し利得結合分布帰
還型半導体レーザの製品歩留りにばらつきを生じさせる
因子は何かについて研究した。
【0013】また、本発明者は、電子ビーム描画法によ
る回折格子の形成、或いはドライエッチングによる回折
格子の形成により、±0.05程度の厳密なデューティ
比の制御は可能であること、また、ウエットエッチング
法による場合でも、エッチング前のレジスト膜によるエ
ッチングマスクのデューティ比を適切な値に設定するこ
とにより、回折格子のデューティ比を±0.1以下の精
度で制御することができることを見い出した。
【0014】そして、次に説明するように、発振波長が
約1550nmであって、共振器長をパラメータとし、
吸収層の厚さを変えて利得結合係数κg の異なる吸収性
回折格子式の利得結合分布帰還型半導体レーザの試料レ
ーザを試作し、共振器長をパラメータとして、利得結合
係数κg と単一縦モード発振に関する製品歩留りとの関
係を調べた。
【0015】実験例1〜14 実験例1〜14は、共振器の全長にわたり回折格子を形
成した試料半導体レーザについての実験である。図2か
ら図4を参照して、実験例1の試料半導体レーザの作製
方法を説明する。図2(a)から(c)、図3(d)か
ら(f)及び図4(g)から(i)は、それぞれ、試料
半導体レーザを作製する際の工程毎の基板断面図であ
る。まず、図2(a)に示すように、n−InP基板1
上に、MOCVD法により、成長温度600℃で、n−
InPバッファ兼用クラッド層2、MQW−SCH活性
層3、膜厚100nmのp−InPスペーサ層4、及び
10nmのInGaAs吸収層5を成長させた。
【0016】次いで、図2(b)に示すように、基板上
に、フォトレジスト膜を約100nmの厚さで塗布し、
フォトレジスト膜に形成した回折格子のデューティ比が
0.5(50%)程度になるように、周期が約240n
mの回折格子パターンをEB描画装置により加工し、回
折格子パターンを備えたフォトレジスト膜マスクからな
るエッチングマスク12を形成した。続いて、図2
(c)に示すように、エッチングマスク12を使って、
InGaAs吸収層5とInPスペーサ層4との間でエ
ッチング選択性のない臭素系のエッチャントを用い、I
nGaAs吸収層5を貫通し、InPスペーサ層4の界
面から10nmの深さに達する深さの溝を多数本形成す
るようにエッチングを行って、エッチング後の回折格子
のデューティ比が0.3(30%)となる回折格子13
を形成した。
【0017】次にエッチングマスク12を除去した後、
図3(d)に示すように、基板面にMOCVD法により
p−InPスペーサ層4を再成長させ、回折格子13の
埋め込み再成長を行った。回折格子埋め込み再成長は、
回折格子の形が変形しないように、520℃程度の成膜
温度で行った。この再成長により、回折格子は平坦化さ
れ、基板表面は平らになった。続いて、図3(e)に示
すように、基板上にp−InP上部クラッド層6を成膜
した。次いで、上部クラッド層6上にSiNx 膜をプラ
ズマCVD法により成膜し、続いて、図3(f)に示す
ように、フォトリソグラフィと反応性イオンエッチング
(RIE)法により、メサストライプでの活性層幅が約
1.5μm程度となるようにマスクのストライプ幅を調
節して、SiNx 膜をストライプ形状に加工し、SiN
x 膜からなるエッチングマスク14を形成した。
【0018】そして、図4(g)に示すように、エッチ
ングマスク14を使って上部クラッド層6、回折格子1
3を含むInPスペーサ層4、活性層3及びクラッド層
2の上部をエッチングし、メサストライプを形成した。
次いで、図4(h)に示すように、SiNx エッチング
マスクを選択成長マスクとした選択成長法によりp型I
nP層8およびn型InP層9を成長させ、メサストラ
イプの両脇にpn接合型電流ブロッキング層を形成し
た。このタイプのレーザ構造は、いわゆる埋め込みヘテ
ロ型である。
【0019】次いで、SiNx マスクを除去後、図4
(i)に示すように、p−InPクラッド層6を更に2
μm程度成長させ、p側電極とコンタクトを取るため
に、高濃度にドーピングした膜厚約0.3μmのp−G
aInAsコンタクト層7をクラッド層6上に成長させ
た。更に、図4(i)に示すように、p側電極10とし
てGaInAsコンタクト層7上にTi/Pt/Au電
極を形成し、基板厚を120μm程度になるように基板
裏面を研磨して調整した後に、基板裏面にn側電極11
としてAuGeNi電極を形成した。更に、共振器長が
300μmになるように劈開し、キャンパッケージタイ
プのステムにボンディングをして、試料半導体レーザを
作製した。そして、両端面とも劈開端面の状態でI−L
特性やスペクトル特性の測定を行った。このように、両
端面が劈開端面の半導体レーザ素子の特性を測定するこ
とにより、端面コーティングを行った半導体レーザ素子
の特性を推測することができる。
【0020】InGaAs吸収層5の厚さを、20n
m、30nm、40nm、及び50nmの4通りに変
え、かつ、共振器長を変えて、表1に示すように、実験
例6、10、12、14の試料レーザを作製した。吸収
層の厚いものほど、利得結合係数の絶対値|κg |が大
きくなる。
【0021】実験例1、6、10、12、14の吸収層
の厚さの異なる5つの試料DFBレーザの利得結合係数
を算出するために、しきい値以下のスペクトルにフィッ
ティングをかける方法で利得結合係数の抽出を行った。
フィッティングによる利得結合係数の抽出方法について
は、T.Nakuva et al, "First observation of changing
couple coefficients in a gain-coupled DFB laser w
ith an absorptive grating by an automatic paramete
r extraction from subthreshold spectra," Proceedin
gs of "1997 Conference on Lasers and Electro-optic
s (CREO'97)"の文献を参考にした。利得結合係数の抽出
結果を表1にまとめた。利得結合係数がマイナスの値で
あるのは、本構造が、いわゆるアンティ・フェーズ・タ
イプ(Anti-Phaseタイプ)であることを示している。ア
ンティ・フェーズ・タイプとは、複素結合DFBレーザ
において、回折格子部分の屈折率が大きい部分で利得が
小さくなっているタイプである。屈折率が大きい部分で
利得も大きくなっているタイプは、イン・フェーズ・タ
イプ(In-Phaseタイプ)と呼び、この場合は利得結合係
数は正の値を取る。また、表1には参考のため、吸収層
への光閉じ込め係数の計算値も示した。
【表1】
【0022】同様にして、共振器長Lが、従って回折格
子長Lg が400μm、500μm、600μm及び9
00μmになるように共振器積層構造を劈開してチップ
化し、実験例2から5、7から9、11、13の試料半
導体レーザを作製し、しきい値電流と単一縦モード発振
特性に関する製品歩留りを測定した。その結果を表2に
纏めて示す。また、単一縦モード発振特性の製品歩留り
の基準は、しきい値電流+30mAにおいて副モード抑
圧比(SMSR)が35dB以上とした。
【表2】
【0023】特筆すべきは、κg の絶対値を大きくし
(例えば|κg |=17)、かつ共振器長を長くした場
合、例えば実験例6と実験例9に示すように、歩留りが
大幅に低下することである。そこで、表2の結果を基
に、利得結合係数κg の絶対値|κg |と回折格子長L
g との積|κg |Lg と製品歩留りの相対関係を調べ、
積|κg |Lg を横軸とし、縦軸に製品歩留りを取って
グラフにしたものが図5である。表2及び図5から、単
一縦モード発振に関する製品歩留りが、単にκg の値で
はなく、|κg |とLg との積|κg |Lg に依存して
いることが分かる。更に、高い単一縦モード発振に関す
る製品歩留り、例えば70%以上の製品歩留りを得るた
めには、利得結合係数κg の絶対値と回折格子長Lg
の積|κg|Lg を0.5以上1.1以下、最適には
0.5以上0.8以下とすれば良いことがわかる。
【0024】また、本実施形態例では、アンティ・フェ
ーズ・タイプの吸収性回折格子型の利得結合DFBレー
ザで実験を行なったが、理論的には、κg が正でも負で
も違いはないため、正のκg を持つイン・フェーズ・タ
イプの利得結合DFBレーザについても本結果を適用す
ることができる。しきい値電流については、イン・フェ
ーズ・タイプとアンティ・フェーズ・タイプとでは多少
差が出る可能性はあるが、単一縦モード発振特性に関す
る製品歩留りに関しては、イン・フェーズ・タイプでも
アンティ・フェーズ・タイプでも原理的には同様の結果
が得られる。
【0025】以上をまとめると、良好な単一縦モード発
振特性を示すDFBレーザを高い製品歩留りで作製する
ためには、利得結合係数κg の絶対値と回折格子長Lg
との積|κg |Lg が、 0.5≦|κg |Lg ≦1.1 最適には、0.5≦|κg |Lg ≦0.8 の範囲にすることが必要であることが判った。
【0026】実験例15〜30 実験例1〜14では、共振器の全長にわたって回折格子
を設けた半導体レーザについて、共振器長をパラメータ
として、利得結合係数κg と単一縦モード発振に関する
製品歩留りとの関係を調べたが、実験例15〜30で
は、共振器長の一部のみ回折格子を形成した場合の実験
結果について説明する。電子ビーム描画装置を用いて回
折格子を共振器長の一部にのみ形成したこと以外は、実
験例15〜30と同様にして、表3に示す吸収層の層
厚、共振器長、及び回折格子長を有する実験例15〜3
0の試料半導体レーザを作製した。実験例15〜30の
各試料半導体レーザの吸収層厚、利得結合係数κg 、共
振器長L、回折格子長Lg 、単一縦モード歩留り等は、
表3に示す通りである。また単一縦モード発振に関する
製品歩留りと|κg |Lg との関係は、図6に示す通り
である。
【表3】
【0027】図2及び表3から、実験例15〜30で
も、実験例1〜14と同様に、単一縦モード発振に関す
る製品歩留りが、単にκg の値ではなく、|κg |とL
g との積|κg |Lg に依存していることが分かる。更
に、高い単一縦モード発振に関する製品歩留り、例えば
70%以上の製品歩留りを得るためには、利得結合係数
κg の絶対値と回折格子長Lg との積|κg|Lg
0.5≦|κg |Lg ≦1.1、最適には0.5≦|κ
g |Lg ≦0.8とすれば良いことがわかる。
【0028】実験例1〜14及び実験例15〜30の結
果から、共振器長の一部に回折格子を形成した場合であ
っても、共振器長全体にわたって回折格子を形成した場
合であっても、|κg |Lg を適切な範囲にしておくこ
とにより、単一縦モード発振に関して高い製品歩留りを
実現させることができるとが判った。
【0029】共振器長を長くすると、素子抵抗や熱抵抗
が低下するために、高光出力特性が得られる。実際、共
振器長が600μm長の半導体レーザ素子は、300μ
m長の半導体レーザ素子よりも光出力の熱飽和が起こり
難く、最大光出力は1.6倍程度に増加していた。更
に、端面の反射率を一方の前端面で低く、他方の後端面
で高くすることにより、前端面からの光出力効率を高め
ることが可能である。表3の実験例22に示す、共振器
長が600μmで、回折格子長が300μmの半導体レ
ーザ素子において、前端面の端面反射率を3%、後端面
の端面反射率を95%とした場合、端面反射率が、前端
面及び後端面共に30%程度の場合に比べて、前端面か
らの光出力効率は平均で約2倍に向上した。尚、回折格
子は前端面側に形成した。
【0030】以上の結果からわかるように、単一縦モー
ド発振に関し、高い製品歩留りが得られる利得結合係数
の最適値は回折格子の長さによって異なるが、利得結合
係数の絶対値|κg |と回折格子長Lg の積|κg |L
g を0.5程度以上1.1程度以下の値にすることによ
り、単一縦モード発振に関し非常に高い製品歩留りの半
導体レーザ素子が得られることが判った。
【0031】上記目的を達成するために、得た知見に基
づいて、本発明に係る分布帰還型半導体レーザは、利得
又は損失が周期的に変化する回折格子部を備えた、利得
結合分布帰還型半導体レーザにおいて、利得結合係数の
絶対値|κg |と、回折格子長Lg との積|κg |Lg
が、0.5≦|κg |Lg ≦1.1であることを特徴と
している。
【0032】実験例1〜30の結果に示されるように、
|κg |Lg が、0.5≦|κg |Lg ≦1.1である
ことにより、単一縦モード発振特性を有する利得結合分
布帰還型半導体レーザを高い製品歩留りで作製すること
ができる。回折格子部の回折格子長Lg は、回折格子の
共振器方向の長さであって、cmで表される。また、共
振器の全長にわたり回折格子を備えている必要はなく、
本発明で特定したように、利得結合係数の絶対値|κg
|と、回折格子部の回折格子長Lg との積|κg |Lg
が、0.5≦|κg |Lg ≦1.1である限り、共振器
の一部、例えば共振器の出射端面側に共振器の1/2の
長さにわたり回折格子を形成したDFBレーザでも良
い。κg の単位は、cm-1で表される大きさであって、
従って、|κg |Lg は無次元の数値である。
【0033】尚、好適には、|κg |Lg の上限を小さ
くして、|κg |Lg が、0.5≦|κg |Lg ≦0.
8とする。これにより、更に、高い単一縦モード発振に
関する製品歩留りを向上させることができる。
【0034】|κg |Lg を所望の値にするには、活性
層と回折格子層の距離、例えば後述の実施形態例ではp
−InPスペーサ層4の膜厚を変えて、|κg |の値を
調整することにより、実現できる。活性層と回折格子層
との距離を大きくすれば、(数1)に示した式(1’)
のΓabs の値が小さくなるので、|κg |も小さくな
り、逆に両者の距離を小さくすれば、Γabs の値が大き
くなるので、|κg |も大きくなる。
【0035】本発明の好適な実施態様では、共振器長が
400μm以上である。これにより、放熱特性が向上
し、また電気抵抗が低減するため、高出力の利得結合分
布帰還型半導体レーザを実現することができる。本発明
の更に好適な実施態様では、デューティ比Dが、0.2
≦D≦0.4である。これはDが0.2よりも小さい
と、単一縦モード性の歩留り率が悪くなり、Dが0.4
よりも大きいと、損失不良が生じるからである。よっ
て、0.2≦D≦0.4とすることにより、単一縦モー
ド性の歩留り特性を向上させ、かつしきい値電流の低下
等の素子特性を向上させることができる。
【0036】また、本発明の好適な実施態様では、前端
面に反射率が5%以下の膜を設け、後端面に反射率が8
0%以上の膜を設け、更に望ましくは、前端面に反射率
が1%以下の膜を設け、後端面に反射率が95%以上の
膜を設ける。端面の反射率を一方の前端面で低く、他方
の後端面で高くすることにより、前端面からの光出力効
率を高めることが可能である。また、回折格子部のパタ
ーンを電子ビーム描画法によって形成することにより、
回折格子のデューティ比Dを設計通りに安定して再現性
良く形成することができる。
【0037】
【発明の実施の形態】以下に、実施形態例を挙げ、添付
図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細
に説明する。実施形態例1 本実施形態例は、本発明に係る分布帰還型半導体レーザ
の実施形態の一例であって、図1は本実施形態例の分布
帰還型半導体レーザの構成を示す部分断面斜視図であ
る。図1に示す符号のうち図2から図4に示すものと同
じものには同じ符号を付して説明を省略する。本実施形
態例の分布帰還型半導体レーザ(以下、簡単にDFBレ
ーザと表記する)10は、発振波長を約1550nmと
する吸収性回折格子式の利得結合DFBレーザである。
本実施形態例の利得結合DFBレーザ20は、板厚を約
120μmのn−InP基板1上に、順次、エピタキシ
ャル成長させた、膜厚1μmのn−InPバッファ兼ク
ラッド層2、膜厚約300nmのMQW−SCH活性層
3と、膜厚200nmのp−InPスペーサ層4、膜厚
約2μmのp−InP上部クラッド層6、及び膜厚0.
3μmのp−GaInAsコンタクト層7の積層構造を
有する。
【0038】p−InPスペーサ層4内には、ピッチ約
240nmで周期的に形成された膜厚20nmのInG
aAs吸収層からなる回折格子13が設けてある。回折
格子13を含むp−InPスペーサ層4、活性層3及び
n−InPバッファ兼クラッド層2の上部は、メサスト
ライプ状に加工され、メサストライプの両側は電流ブロ
ッキング層として形成されたp−InP層8及びn−I
nP層9で埋め込まれている。メサストライプの幅は、
活性層3の位置で、約1.5μmである。コンタクト層
7上にはp側電極10としてTi/Pt/Au電極が形
成され、基板裏面にn側電極11としてAuGeNi電
極が形成されている。
【0039】本実施形態例の利得結合DFBレーザ20
の共振器の共振器長Lは500μm、利得結合係数κg
は12cm-1、回折格子13の回折格子長Lg は500
μm(0.05cm)であって、利得結合係数の絶対値
|κg |と回折格子の回折格子長Lg との積|κg |L
g の値は0.6である。また、デューティ比Dの値は、
0.3である。
【0040】本実施形態例の利得結合DFBレーザ20
は、|κg |Lg が0.6であることによって、良好な
単一縦モード発振特性を示す利得結合DFBレーザを高
い製品歩留りで製作できる構成を有し、共振器長Lが5
00μmであることによって高出力が可能であり、また
デューティ比Dが0.3であることによって、低しきい
値や高効率といった素子特性が良好である。
【0041】本実施形態例では、共振器の全長にわたり
回折格子13を備えているが、共振器の全長にわたり回
折格子を備えている必要はなく、本発明で特定したよう
に、利得結合係数の絶対値|κg |と、回折格子部のμ
m表示の回折格子長Lg との積|κg |Lg が、0.5
≦|κg |Lg ≦1.1である限り、共振器の一部、例
えば共振器の出射端面側に共振器の1/2の長さにわた
り回折格子を形成したDFBレーザでも良い。
【0042】本実施形態例のDFBレーザ20は、実験
例1〜14の試料半導体レーザと同様にして作製するこ
とができる。そこで、図2から図4を参照して、本実施
形態例のDFBレーザ20の作製方法を説明する。ま
ず、図2(a)に示すように、n−InP基板1上に、
MOCVD法により、成長温度600℃で、膜厚1μm
のn−InPバッファ兼用クラッド層2、膜厚約300
nmのMQW−SCH活性層3、膜厚200nmのp−
InPスペーサ層4、及び膜厚20nmのInGaAs
吸収層5をエピタキシャル成長させる。
【0043】次いで、図2(b)に示すように、基板上
に、フォトレジスト膜を約100nmの厚さで塗布し、
フォトレジスト膜によって形成した回折格子マスクのデ
ューティ比が0.5(50%)程度になるように、周期
が約240nmの回折格子パターンをEB描画装置によ
り加工し、回折格子パターンを備えたフォトレジスト膜
マスクからなるエッチングマスク12を形成する。続い
て、図2(c)に示すように、エッチングマスク12を
使って、InGaAs吸収層5とInPスペーサ層4と
の間でエッチング選択性のない臭素系のエッチャントを
用い、InGaAs吸収層5を貫通し、InPスペーサ
層4の界面から10nmの深さに達する溝を多数本形成
するようにエッチングを行って、エッチング後の回折格
子のデューティ比が0.3(30%)となる回折格子1
3を形成する。
【0044】次に、エッチングマスク12を除去した
後、図3(d)に示すように、基板面にMOCVD法に
よりp−InPスペーサ層4を再成長させ、回折格子1
3の埋め込み再成長を行う。回折格子埋め込み再成長
は、回折格子の形が変形しないように、520℃程度の
成膜温度で行った。この再成長により、回折格子は平坦
化され、基板表面は平らになる。続いて、図3(e)に
示すように、基板上にp−InP上部クラッド層6をエ
ピタキシャル成長させる。次いで、上部クラッド層6上
にSiNx 膜をプラズマCVD法により成膜し、続い
て、図3(f)に示すように、フォトリソグラフィと反
応性イオンエッチング(RIE)法により、メサストラ
イプでの活性層幅が約1.5μm程度となるようにマス
ク幅を調節して、SiNx 膜をストライプ形状に加工
し、SiNx 膜からなるエッチングマスク14を形成す
る。
【0045】次に、図4(g)に示すように、エッチン
グマスク14を使って上部クラッド層6、回折格子13
を含むInPスペーサ層4、活性層3及びクラッド層2
の上部をエッチングし、メサストライプを形成する。次
いで、図4(h)に示すように、SiNx エッチングマ
スクを選択成長マスクとした選択成長法によりp型In
P層8およびn型InP層9を成長させ、メサストライ
プの両脇に電流ブロッキング層を形成する。
【0046】次いで、SiNx マスクを除去後、図4
(i)に示すように、全面にp−InPクラッド層6を
約2μm成長させ、p側電極とコンタクトを取るため
に、クラッド層6上に高濃度にドーピングした膜厚約
0.3μmのp−GaInAsコンタクト層7を成長さ
せる。本実施形態例では、図3(f)及び図4(i)に
示すように、p−InPクラッド層6を2段階で成長さ
せている。更に、p側電極10としてGaInAsコン
タクト層7上にTi/Pt/Au電極を形成し、基板厚
を120μm程度になるように基板裏面を研磨して調整
した後に、基板裏面にn側電極11としてAuGeNi
電極を形成することにより、図1に示すDFBレーザ2
0を作製することができる。
【0047】
【発明の効果】本発明によれば、利得結合係数の絶対値
|κg |と、回折格子長Lg との積|κg |Lg が0.
5≦|κg |Lg ≦1.1である回折格子を形成するこ
とにより、共振器長の長短に関せず、単一縦モード発振
特性に関し高い製品歩留りを達成できる構成の利得結合
分布帰還型半導体レーザを実現することができる。本発
明を長共振器長の利得結合分布帰還型半導体レーザに適
用し、前端面を低反射率、後端面を高反射率の端面反射
率にすることにより、前端面からの出力効率の高い、即
ち高光出力の利得結合分布帰還型半導体レーザを実現す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例のDFBレーザの構成を示す部分断
面斜視図である。
【図2】図2(a)から(c)は、それぞれ、試料半導
体レーザを作製する際の工程毎の基板断面図である。
【図3】図3(d)から(f)は、それぞれ、図2
(c)に続いて、試料半導体レーザを作製する際の工程
毎の基板断面図である。
【図4】図4(g)から(i)は、それぞれ、図3
(f)に続いて、試料半導体レーザを作製する際の工程
毎の基板断面図である。
【図5】実験例1〜14の試料半導体レーザの|κg
g と単一縦モード発振特性に関する製品歩留りとの関
係を示すグラフである。
【図6】実験例15〜30の試料半導体レーザの|κg
|Lg と単一縦モード発振特性に関する製品歩留りとの
関係を示すグラフである。
【符号の説明】
1 n−InP基板 2 n−バッファ層 3 MQW−SCH活性層 4 p−InPスペーサ層 5 GaInAs吸収性回折格子 6 p−InPクラッド層 7 GaInAsコンタクト層 8 p−InPブロッキング層 9 n−InPブロッキング層 10 p電極 11 n電極 12 エッチングマスク 13 回折格子 14 エッチングマスク 20 実施形態例のDFBレーザ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 利得又は損失が周期的に変化する回折格
    子部を備えた、利得結合分布帰還型半導体レーザにおい
    て、 利得結合係数の絶対値|κg |と、回折格子部の回折格
    子長Lg との積|κg|Lg が、0.5≦|κg |Lg
    ≦1.1であることを特徴とする利得結合分布帰還型半
    導体レーザ。
  2. 【請求項2】 利得結合係数の絶対値|κg |と、回折
    格子部の回折格子長Lg との積|κg |Lg が、0.5
    ≦|κg |Lg ≦0.8であることを特徴とする請求項
    1に記載の利得結合分布帰還型半導体レーザ。
  3. 【請求項3】 利得結合分布帰還型半導体レーザの長手
    方向の一部のみに回折格子を設けることを特徴とする請
    求項1及び2に記載の利得結合分布帰還型半導体レー
    ザ。
  4. 【請求項4】 共振器長が400μm以上であることを
    特徴とする請求項1から3に記載の利得結合分布帰還型
    半導体レーザ。
  5. 【請求項5】 デューティ比Dが、0.2≦D≦0.4
    であることを特徴とする請求項1から4に記載の利得結
    合分布帰還型半導体レーザ。
  6. 【請求項6】 前端面に反射率が5%以下の膜を設け、
    後端面に反射率が80%以上の膜を設けることを特徴と
    する請求項1から5に記載の利得結合分布帰還型半導体
    レーザ。
  7. 【請求項7】 前端面に反射率が1%以下の膜を設け、
    後端面に反射率が95%以上の膜を設けることを特徴と
    する請求項1から5に記載の利得結合分布帰還型半導体
    レーザ。
  8. 【請求項8】 回折格子部のパターンが電子ビーム描画
    法によって形成されていることを特徴とする請求項1か
    ら7に記載の利得結合分布帰還型半導体レーザ。
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