JP2003060309A

JP2003060309A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2003060309A
Application number: JP2001249719A
Authority: JP
Inventors: Goro Sasaki; 吾朗佐々木
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2003-02-28

Abstract

(57)【要約】【課題】低リーク電流でかつ横モード制御のための埋
め込み構造を備え、高出力でかつ高信頼性の光ファイバ
増幅器励起用半導体レーザを提供する。【解決手段】ｎ型ＩｎＰ基板１０上に、ｎ型ＩｎＰク
ラッド層２０、光閉じ込め層２２、ＭＱＷ活性層２４、
光閉じ込め層２６、及びｐ型ＩｎＰクラッド層２８とが
順次積層して、ストライプ状の活性層導波路がメサ型に
形成されている。活性層導波路の両側には、Ｆｅドープ
ＩｎＰ層４０が埋め込まれて形成されている。活性層導
波路とＦｅドープＩｎＰ層４０との上には、ｐ型ＩｎＧ
ａＡｓコンタクト層３０が積層される。このような構造
においては、活性層への電流狭窄とＦｅドープＩｎＰ埋
め込み層４０中でのフリーキャリア吸収による光損失が
格段に低減でき、大きな発光効率および発光出力を有
し、かつＳＭＦにも良好に光結合することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ラマン増幅または
希土類元素添加光ファイバを用いた光増幅器を励起する
ための半導体レーザ光源に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバ増幅器は、光通信システムに
おいて信号光が光伝送路を伝搬する際の光損失を補償す
べく信号光を光増幅するものであり、光増幅用光ファイ
バおよび励起光供給手段を備えている。すなわち、励起
光供給手段により光増幅用光ファイバに所定波長の励起
光が供給され、この光増幅用光ファイバに信号光が入力
すると、この入力した信号光は光増幅用光ファイバにお
いて光増幅されて出力される。また、このような光ファ
イバ増幅器として、希土類元素が光導波領域に添加され
た光ファイバを光増幅用光ファイバとして用いるもの
（以下、希土類元素添加光ファイバ増幅器という。）
と、ラマン増幅を利用するもの（以下、ラマン増幅器と
いう。）とがある。

【０００３】これらの光ファイバ増幅器用の励起光源と
して、半導体レーザ（以下、光ファイバ増幅器励起用半
導体レーザという。）が用いられる。信号光の波長（例
えば１．５５μｍ）および励起光の波長（例えば１．４
８μｍ）は、共にシングルモードであり、光ファイバの
基底モード（ＬＰ_０１モード）のみを伝搬させる。光フ
ァイバ増幅器の利得を高めるためには、励起光源として
用いられる半導体レーザとして、シングルモードファイ
バ（ＳＭＦ）に結合させるために、所定の波長の基底モ
ード（シングルモード）のみを出力し、かつ高効率かつ
高出力であることが要求される。また、光ファイバ増幅
器励起用半導体レーザは直流電流によって駆動され、励
起光としてＣＷ光（連続発振光）が用いられる。

【０００４】ラマン増幅器は、例えば、文献１「S. Ham
idi, et al., Electronics Letters, Vol. 28, No. 18,
pp. 1768-1770 (1992)」、文献２「E. Desurvire, et
al.,Electronics Letters, Vol. 19, No. 19, pp. 752-
753 (1983)」等に記載されている。また、光ファイバ増
幅器励起用半導体レーザについては、文献３「I. Mito,
et al., Optical Amplifiers and their Applications
1991 (COLORADO, USA), Technical Digest, WC-1」等
に記載されている。

【０００５】従来の光ファイバ増幅器用の励起光源とし
て用いる光ファイバ増幅器励起用半導体レーザの断面図
を、図６に示した。発光層である半導体活性層２４（以
下「活性層」という）を含むストライプ状の光導波路が
形成され、その両側には活性層への電流狭窄および光閉
じ込めによる横モード制御のための多層半導体埋め込み
層８０が形成されている。活性層としては、例えばＧａ
ＩｎＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造が用いられ、多
層半導体埋め込み層８０の材料として、活性層より屈折
率が小さく、かつバンドギャップの大きな半導体層（例
えばＩｎＰ）が用いられる。また、活性層に注入電流を
集中し、多層半導体埋め込み層８０には電流が流れない
ようにするために、ｐｎ接合の逆耐圧特性を利用したｎ
−ｐ−ｎ−ｐサイリスタ構造が、半導体埋め込み層の構
造として形成される。なお、多層半導体埋め込み層８０
は、ｐ型半導体層７２及びｎ型半導体層７４から構成さ
れる。

【０００６】ところで、半導体レーザは、光ファイバ増
幅器用の励起光源以外にも、光通信用の光源として一般
に用いられる。この光通信用半導体レーザは、光ファイ
バ増幅器励起用半導体レーザとは、用途、使用方法およ
び半導体レーザの構造等が異なる。より具体的に説明す
れば、光通信用半導体レーザは、光伝送路である光ファ
イバの最低損失波長である１．３μｍ或は１．５５μｍ
の波長のレーザ光を放射し、このレーザ光を信号光とし
て利用する。光通信用半導体レーザには、バイアス電圧
（または電流）に高速の電気信号が重畳されて印加さ
れ、直接変調されることによって、高速のデジタル電気
信号が光信号に変換され、信号光が光ファイバに結合さ
れる。光通信で用いられる信号光の光強度は１ｍＷ程度
で十分であるので、光通信用半導体レーザの光出力とし
ては、５ｍＷ程度に設定される。この光出力を得るため
に光通信用半導体レーザに注入する駆動電流としては、
３０ｍＡ程度である。光通信用半導体レーザでは、高速
のデジタル電気信号を光信号に直接変換するために、直
接変調したときの半導体レーザの応答速度が重要であ
る。光通信用半導体レーザの応答速度を律速する要因と
して、半導体レーザの素子容量があり、より高速動作さ
せるために、主に素子容量の低減が図られる。

【０００７】光通信用半導体レーザにおいても、光ファ
イバ増幅器励起用半導体レーザと同様に発光層である活
性層に電流を集中し、かつ横モードを制御し光導波路を
形成するために、活性層の周囲に活性層より屈折率の小
さな半導体材料で構成された半導体単一層または半導体
多層膜を埋め込む電流狭窄構造が形成される。電流狭窄
構造としては、図６に示した従来の光ファイバ増幅器励
起用半導体レーザと同様のｎ−ｐ−ｎ−ｐサイリスタ構
造を埋め込む構造と、高抵抗の半絶縁性半導体層を埋め
込む構造の２種類がある。ただし、光通信用半導体レー
ザにおける高抵抗の半絶縁性半導体層を埋め込む電流狭
窄構造は、素子容量を低減し高速動作を実現することを
目的とする。半導体層を高抵抗化するために、埋め込み
層にＦｅ（鉄）不純物をドープする。さらに、素子容量
を低減するために、半導体レーザのエピタキシャル成長
した側に設けられる電極層には電極面積を極力小さくす
るためのパターン電極が設けられ、エピタキシャル成長
した側が上面になるように、半導体基板側電極層をサブ
マウントあるいはパッケージに半田固定するように実装
される（エピアップ実装形態）。

【０００８】高抵抗の半絶縁性半導体層を埋め込んだ高
速動作の光通信用半導体レーザについては、例えば、文
献４「H. Lipsanen, et al., IEEE Photonics Technolo
gy Letters, Vol. 4, No. 7, pp. 673-675 (1992)」等
に記載されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
光ファイバ増幅器励起用半導体レーザには、以下のよう
な問題点を有していることを本願発明者は見出した。す
なわち、従来の光ファイバ増幅器励起用半導体レーザで
は、注入した電流が発光層である活性層以外の領域に漏
れて、無効なリーク電流が存在する、或いは光導波路以
外の光吸収のために光損失が大きくなるといった問題が
あり、高効率および高出力化に限界があることが判明し
た。

【００１０】さらに、従来の光ファイバ増幅器励起用半
導体レーザの問題点を明らかにするために、図６を用い
て詳細に説明する。光ファイバ増幅器励起用半導体レー
ザには、光通信用の信号光を放射する光通信用半導体レ
ーザとは異なり、光ファイバ増幅器の利得を向上させる
ために１００ｍＷ以上の大きな光出力を得ることが要求
される。この１００ｍＷ以上の大きな光出力を得るため
に、半導体レーザ素子には４００ｍＡ以上の大きな電流
が注入される。従来のｎ−ｐ−ｎ−ｐサイリスタ構造か
らなる多層半導体埋め込み層の構造では、図６に示した
ように、活性層を含むストライプ状の光導波路の側面に
接したｐ−ＩｎＰ埋め込み層７２を通じて流れるリーク
電流が存在する。このリーク電流は、比較的低電流で駆
動する光通信用半導体レーザでは、あまり問題にならな
いが、上記で述べた大電流をバイアス条件として用いる
励起用半導体レーザにおいては、上記のリーク電流は無
視できない。また、ｎ−ｐ−ｎ−ｐサイリスタ構造にお
いて、ある一定の大きなバイアス電圧（または電流）を
印加したとき、サイリスタ構造のゲート層であるｎ−Ｉ
ｎＰ層７４への少数キャリアの注入が起こり、サイリス
タのターンオン現象が生じる。これにより、ｎ−ｐ−ｎ
−ｐサイリスタ構造を通じて流れるリーク電流も急激に
増加し、電流ブロック機能を果たさなくなる。したがっ
てリーク電流の増加にともない、活性層への注入電流が
急激に低下するため、レーザ光出力が著しく低下する。

【００１１】さらに、ｎ−ｐ−ｎ−ｐサイリスタ構造の
多層半導体埋め込み層では、多層半導体埋め込み層８０
に異なる導電型の不純物を１ｘ１０^１８ｃｍ^−３以上の
高濃度にドープしているため、活性層２４を含むストラ
イプ状の光導波路から半導体埋め込み層に漏れて伝搬す
る光が、フリーキャリアによる光吸収を受け半導体レー
ザの内部損失を増加させる。これにより、半導体レーザ
の発光効率が低下する。特に大きな光出力を出射する光
ファイバ増幅器励起用半導体レーザでは、このフリーキ
ャリアによって吸収された光は主に熱に変換されるた
め、一層素子特性を劣化させ、さらに素子の信頼性を劣
化させることから重要な問題となり得る。

【００１２】以上のように、従来の光ファイバ増幅器励
起用半導体レーザに用いられているｎ−ｐ−ｎ−ｐサイ
リスタ構造による多層半導体埋め込み層構造では、活性
層以外へのリーク電流、および多層半導体埋め込み層構
造における不純物のフリーキャリア吸収による光損失の
増大により、半導体レーザの発光効率および発光出力が
低下するという問題がある。なお、光ファイバ増幅器の
励起手段として、複数の半導体レーザ光源を使用するこ
とにより、光増幅用光ファイバに供給する励起光のパワ
ーを高めることも考えられるが、この場合には、光ファ
イバ増幅器の構成が複雑になり高価となる。

【００１３】そこで、本発明の目的は、活性層以外の半
導体埋め込み層への電流リークを低減し、かつ半導体レ
ーザの内部損失が低減できる電流狭窄構造を備え、発光
効率および発光出力を格段に向上できる光ファイバ増幅
器励起用半導体レーザを提供することとした。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明のうちで請求項１記載のファイバ増幅器励
起用半導体レーザの特徴は、半導体基板上に形成された
第１の導電型の第１クラッド層と、前記第１クラッド層
上に形成された半導体活性層と、前記半導体活性層上に
形成された第２の導電型の第２クラッド層と、より構成
される光導波路層と、ストライプ状のメサ構造とされた
前記光導波路層の両側面に接して設けられた電流狭窄の
ための埋め込み層を備え、前記埋め込み層の少なくとも
一部若しくは全体が高抵抗半導体層であることである。

【００１５】従来の光ファイバ増幅器励起用半導体レー
ザで用いられているｎ−ｐ−ｎ−ｐサイリスタ構造の埋
め込み層に代えて、活性層を含むストライプ状の光導波
路層の両側面に、電流狭窄のための高抵抗の半絶縁性半
導体層を埋め込むことにより、従来のｎ−ｐ−ｎ−ｐサ
イリスタ構造の埋め込み層で問題となっていた、活性層
を含むストライプ状の光導波路の側面に接したｐ−Ｉｎ
Ｐ埋め込み層を通じて流れるリーク電流を無くすことが
できる。また、大電流で駆動したときのｎ−ｐ−ｎ−ｐ
サイリスタ構造のターンオン現象による急激な光出力の
低下も防ぐことができる。

【００１６】また、高抵抗の半導体埋め込み層中のキャ
リア密度と電気抵抗は逆比例の関係にあるから、高抵抗
であるほどキャリア密度は少ない。したがって、高抵抗
の半導体層を埋め込むことにより、ストライプ状の光導
波路に沿って伝搬する光の中で、光導波路層から埋め込
み層に漏れた光が受けるフリーキャリアによる光吸収を
格段に低減することができる。これにより、半導体レー
ザの内部損失を大幅に低減でき、光ファイバ増幅器励起
用半導体レーザの効率および光出力を向上することがで
きる。さらに、埋め込み層での光吸収による素子の発熱
も無いので、素子の信頼性も向上する。

【００１７】請求項２記載のファイバ増幅器励起用半導
体レーザは、請求項１記載のファイバ増幅器励起用半導
体レーザにおいて、活性層の発光波長が１３００ｎｍか
ら１６００ｎｍであることを特徴とする。

【００１８】エルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素添加光
ファイバ増幅器では、励起用半導体レーザの波長として
１．４８μｍのレーザ光を用い、約１．５５μｍの波長
を有する信号光（Ｃバンド：１５２７ｎｍ〜１５６３ｎ
ｍの波長）を増幅できる。また、ラマン増幅器では、誘
導ラマン効果を用いて、励起用半導体レーザの波長に応
じてさらに広い範囲の波長の信号光を増幅できる。した
がって、ファイバ増幅器励起用半導体レーザの発光波長
を１３００ｎｍから１６００ｎｍにすることによって、
光通信で用いられる波長帯,特に光波長多重通信（ＷＤ
Ｍ：Wavelengthdivision multiplexing）方式に利用さ
れる波長帯である１３００ｎｍから１６１０ｎｍまでの
信号光をファイバ増幅器を用いて増幅することができ
る。

【００１９】請求項３記載のファイバ増幅器励起用半導
体レーザは、請求項１または請求項２記載のファイバ増
幅器励起用半導体レーザにおいて、ＩｎＰ基板上に形成
されており、ストライプ状のメサ構造とされた光導波路
層の両側面に接して設けられた電流狭窄のための埋め込
み層が、高抵抗半導体としてＦｅ（鉄）が不純物として
添加されたＩｎＰより構成されていることを特徴とす
る。ＩｎＰ中に添加されたＦｅ不純物は、電子をトラッ
プする深い準位として作用し、ＩｎＰ半導体中あるいは
ＩｎＰ半導体に拡散した電子をトラップし、高抵抗化す
る。

【００２０】請求項４記載のファイバ増幅器励起用半導
体レーザは、請求項１または請求項２記載のファイバ増
幅器励起用半導体レーザにおいて、ＩｎＰ基板上に形成
されており、ストライプ状のメサ構造とされた光導波路
層の両側面に接して設けられた電流狭窄のための埋め込
み層が、高抵抗半導体としてＴｉ（チタン）が不純物と
して添加されたＩｎＰより構成されていることを特徴と
する。ＩｎＰ中に添加されたＴｉ不純物は、正孔をトラ
ップする深い準位として作用し、ＩｎＰ半導体中あるい
はＩｎＰ半導体に拡散した正孔をトラップし、高抵抗化
する。

【００２１】請求項５記載のファイバ増幅器励起用半導
体レーザは、請求項１または請求項２記載のファイバ増
幅器励起用半導体レーザにおいて、ＩｎＰ基板上に形成
されており、ストライプ状のメサ構造とされた光導波路
層の両側面に接して設けられた電流狭窄のための埋め込
み層が、高抵抗半導体としてＩｎＰと格子整合し、かつ
ＩｎＰよりバンドギャップエネルギーの大きな半絶縁性
ＡｌＩｎＡｓ半導体層からなることを特徴とする。

【００２２】請求項６記載のファイバ増幅器励起用半導
体レーザは、請求項１または請求項２記載のファイバ増
幅器励起用半導体レーザにおいて、活性層の幅が２．０
μｍ以上で、かつ４．０μｍ以下であり、前記半導体レ
ーザの共振器長が５００μｍ以上であることを特徴とす
る。電気信号を直接光信号に変換するために使用される
光通信用半導体レーザでは、活性層の幅は約２．０μｍ
以下に制限して作製される。これは、光通信用半導体レ
ーザでは、１Gb/s以上の高速の電気信号で直接変調され
るため、半導体レーザの単一基本横モード条件が、非常
に厳しい制限を受けることによる。一方、ファイバ増幅
器励起用半導体レーザにおいて、活性層幅とファイバ増
幅器励起用半導体レーザの発振モードの関係を詳細に実
験調査した結果、ファイバ増幅器励起用半導体レーザに
おいては、活性層幅を４．０μｍ以下にすることによ
り、ファイバ増幅器励起用半導体レーザの横モードを単
一基本横モードに制御できることが明らかになった。こ
れは、ファイバ増幅器励起用半導体レーザでは、直流電
流で駆動されるため活性層を含むストライプ状光導波路
内部の光分布およびキャリア密度分布がある程度安定に
保持され、これにより単一基本横モード条件が、光通信
用半導体レーザに比較して緩和されることによる。さら
に、ファイバ増幅器励起用半導体レーザでは、活性層に
集中的に注入された電流により、レーザ利得が周辺領域
に比較し一層活性層で大きくなる様に分布し、これに合
わせて光分布が単一横モード発振に好適な分布となるよ
うに形成される。以上の効果により、ファイバ増幅器励
起用半導体レーザでは、活性層幅を４．０μｍ以下にす
ることにより、安定な横基本モード発振が得られ、シン
グルモード光ファイバ（ＳＭＦ）に励起レーザ光を安定
かつ高効率に結合することができる。また、活性層幅が
２．０μｍ以上にすることにより、安定してファイバ増
幅器励起用半導体レーザからの光出力を高出力に保持す
ることができる。また、半導体レーザの共振器長を５０
０μｍ以上の長い共振器長を備えることにより、半導体
レーザのミラーロスが低減することにより発振しきい値
電流密度の低減および量子効率の増大が得られる。さら
に、大電流を注入したときの利得飽和効果が緩和され、
また素子で発生した熱がより効果的に放熱される。これ
により、単一横モード（シングルモード）を維持しなが
ら、レーザ光出力を向上することができる。

【００２３】請求項７記載のファイバ増幅器励起用半導
体レーザは、請求項１または請求項２記載のファイバ増
幅器励起用半導体レーザにおいて、活性層が多重量子井
戸構造であることを特徴とする。ファイバ増幅器励起用
半導体レーザの活性層に多重量子井戸構造を用いること
により、しきい値の低減、量子効率の向上および光出力
の向上に効果的である。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る諸々の実施形
態の構成および作用について、図１ないし図４を参照し
て説明する。なお、図面の説明においては同一の要素に
は同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、
図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していな
い。

【００２５】（第１の実施形態）図１は第１の実施形態
に係る光ファイバ増幅器励起用半導体レーザの構造を示
す断面図を示す。図１において、ｎ型半導体基板１０上
に、第１の半導体層としてｎ型半導体クラッド層２０、
ノンドープ光閉じ込め層２２、第２の半導体層としてノ
ンドープＭＱＷ活性層２４、ノンドープ光閉じ込め層２
６、第３の半導体層としてｐ型半導体クラッド層２８と
が順次積層して、ストライプ状の活性層導波路が形成さ
れている。ストライプ状の活性層導波路は、メサ型に形
成され、さらに、そのメサ部の底面が、ｎ型半導体基板
１０まで達するように形成されている。ストライプ状の
活性層導波路の両側には、第４の半導体層として高抵抗
半導体層４０が埋め込まれて形成されている。ストライ
プ状の活性層導波路と高抵抗半導体層４０との上には、
ｐ型半導体コンタクト層３０が積層される。このｐ型半
導体コンタクト層３０の上には、第１の電極層としてｐ
型電極層５０が、ｐ型半導体コンタクト層３０に対して
オーミック接触して形成されている。なお、ｐ型半導体
コンタクト層３０およびその上のｐ型電極層との接触面
積は、コンタクト抵抗を低減し、素子の発熱を極力低減
するために、可能な限り広い面積が確保される。励起レ
ーザ光の出射端面には、ＳｉＮ膜による低反射コーティ
ング６０が施されている。低反射コーティング６０の反
射率は約２％である。また、その反対の端面にはアモル
ファスＳｉ膜とＳｉＮ膜を交互に積層した高反射多層膜
６２が施されている。高反射多層膜６２の反射率は約８
５％である。なお、光ファイバ増幅器励起用半導体レー
ザ１は、実際に駆動したときに発生する熱が素子特性を
劣化させるのを防ぎ、さらに素子の信頼性を向上させる
ために、アノード電極がサブマウントと接するような形
態（エピダウン実装方式）にて、通常のダイボンド法を
用いて半田によりサブマウントに固定実装される。

【００２６】なお、ｎ型半導体基板１０は、Ｓを濃度約
２．０ｘ１０^１８ｃｍ^−３でドープされたｎ型のＩｎＰ
で構成されている。ｎ型半導体クラッド層２０は、第１
の半導体材料としてＩｎＰを用いることにより、第１導
電型の不純物としてＳｉを濃度約１．０ｘ１０^１８ｃｍ
^−３でドープしたｎ型のＩｎＰで構成されており、層厚
約５００ｎｍを有する。ノンドープ光閉じ込め層２２
は、バンドギャップ波長が１．１５μｍのＧａＩｎＡｓ
Ｐを用いることにより、故意に不純物をドープしない、
いわゆるｉ型のＧａＩｎＡｓＰで構成されており、層厚
約５０ｎｍを有する。ノンドープＭＱＷ活性層２４は、
バンドギャップ波長が１．４８μｍのＧａＩｎＡｓＰ／
ＧａＩｎＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱＷ）構造（井戸層の
数は５）で構成されている。ノンドープ光閉じ込め層２
６は、バンドギャップ波長が１．１５μｍのＧａＩｎＡ
ｓＰを用いることにより、故意に不純物をドープしな
い、いわゆるｉ型のＧａＩｎＡｓＰで構成されており、
層厚約５０ｎｍを有する。ｐ型半導体クラッド層２８
は、第３の半導体材料としてＩｎＰを用いることによ
り、第１導電型とは異なる第２導電型の不純物としてＺ
ｎを濃度約７．０ｘ１０^１７ｃｍ^−３でドープしたｐ型
のＩｎＰで構成されており、層厚約１．５μｍを有す
る。ところで、上記のノンドープＧａＩｎＡｓＰ／Ｇａ
ＩｎＡｓＰＭＱＷ活性層２４のバンドギャップ波長
は、光ファイバ増幅器の利得が最大になるように、上記
の井戸層およびバリア層の組成乃至厚みを適宜調整し、
１３００ｎｍから１６００ｎｍの波長範囲で最適な波長
に設定される。井戸層の材料としてＩｎＧａＡｓ層を用
いてもよい。また、ノンドープ活性層を構成する半導体
材料として、所定のバンドギャップ波長を有するノンド
ープＧａＩｎＡｓＰバルク結晶を用いてもよい。

【００２７】ストライプ状のメサ型活性層導波路の両側
に形成された埋め込み半導体層４０は、第４の半導体材
料としてＩｎＰが用いられ、不純物としてＦｅを濃度約
５ｘ１０^１５ｃｍ^−３でト゛ープされた高抵抗ＩｎＰで構
成されている。このＦｅがドープされたＩｎＰ半導体埋
め込み層の比抵抗率は１０^４Ω／ｃｍ以上であり、この
埋め込み領域へのリーク電流はほとんど流れない。この
高抵抗ＩｎＰ層の電気抵抗は、ＩｎＰ層中のフリーキャ
リア密度に依存している。不純物としてドープしたＦｅ
は電子に対する深い電子トラップとして作用し、ＩｎＰ
結晶中に拡散した電子をトラップし、電子濃度を低減す
る。また、高抵抗ＩｎＰ層と接するｐ型コンタクト半導
体層３０からの正孔の拡散は、バンドギャップエネルギ
ーの大きな高抵抗ＩｎＰ層４０とバンドギャップエネル
ギーの小さなｐ型コンタクト半導体層３０との境界で
の、所謂ヘテロ障壁により抑制されるため、高抵抗Ｉｎ
Ｐ層中の正孔濃度も低減される。従って、高抵抗ＩｎＰ
層中のキャリア密度は、格段に低減でき、高抵抗ＩｎＰ
層４０は半絶縁性となり、良好な電流狭窄構造が形成さ
れている。なお、高抵抗ＩｎＰ層にドープされる不純物
として、Ｆｅ不純物以外に、ＩｎＰに対して正孔に対す
る深い準位として作用するＴｉ不純物をドープしてもよ
い。また、高抵抗ＩｎＰ半導体層の代わりに、ＩｎＰ半
導体よりバンドギャップの大きな半絶縁性ＡｌＩｎＡｓ
半導体層を用いてもよい。

【００２８】また、半導体埋め込み層における光吸収の
原因となるキャリア密度が低減されることにより、フリ
ーキャリア吸収による光損失も格段に低減できる。リー
ク電流の低減による活性層への電流集中と光損失の低減
により、励起用半導体レーザの発光効率および発光出力
が格段に向上する。

【００２９】ｐ型コンタクト半導体層３０は、第２導電
型の不純物としてＺｎを濃度約１ｘ１０^１９ｃｍ^−３で
ドープしたｐ型のＧａＩｎＡｓ半導体で構成されてお
り、層厚約５００ｎｍを有する。

【００３０】また、カソード電極５２は、ＡｕＧｅ／Ｎ
ｉで構成されており、ＡｕＧｅ領域及びＮｉ領域の各層
厚として約１００ｎｍ及び約３０ｎｍをそれぞれ有す
る。アノード電極５０は、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕで構成され
ており、Ｔｉ領域、Ｐｔ領域及びＡｕ領域の各層厚とし
て約２０ｎｍ、約４０ｎｍ及び約１００ｎｍをそれぞれ
有する。

【００３１】次に、光ファイバ増幅器励起用半導体レー
ザ１の製造工程について、図５を用いて説明する。ま
ず、図５（ａ）に示すように、通常の有機金属気相成長
（MOVPE; Metal Organic Vapor Phase Epitaxy）法に基
づいて、ｎ型ＩｎＰ基板１０の表面上にｎ型ＩｎＰクラ
ッド層２０、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層２
２、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰＭＱ
Ｗ活性層２４、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層
２６、およびｐ型ＩｎＰクラッド層２８を、順次積層し
て形成する。ＩＩＩ族原料としてトリエチルガリウム(T
EG; Triethyl Gallium)及びトリメチルインジウム(TMI;
Trimethyl Indium)、を、Ｖ族原料としてアルシン（As
H₃; Arsine）及びホスフィン(PH₃; Phosphine)を用い
た。また、ドーパント不純物の原料としては、ｎ型半導
体に対してはシラン(SiH_４)が使用でき、ｐ型半導体に
対してはジエチル亜鉛（DEZ; Diethyl Zinc）が使用で
きる。上記のガスを適宜所定の流量で供給することによ
り、所望の厚さ、混晶組成およびキャリア濃度が実現さ
れる。ｎ型ＩｎＰクラッド層２０乃至ｐ型ＩｎＰクラッ
ド層２８の成長温度は適宜設定されて良いが、結晶性を
考慮すれば、いずれの層についても６００℃〜７５０℃
が好ましい。

【００３２】次に、通常のフォトリソグラフィ技術に基
づいて、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８上に、ストライプ状
の第１のマスク層３７を、［０１１］結晶軸と平行また
は垂直に形成する。第１のマスク層３７はＳｉＮ膜から
構成されているが、ＳｉＯ２膜及びＳｉＯＮ膜等の絶縁
性シリコン化合物膜を使用できる。

【００３３】続いて、図５（ｂ）に示したように、この
第１のマスク層３７をマスクにして、通常のウエットエ
ッチング法に基づいて、第１のマスク層３７から露出し
たｐ型ＩｎＰクラッド層２８、ノンドープＧａＩｎＡｓ
Ｐ光閉じ込め層２６、ノンドープＧａＩｎＡｓＰＭＱ
Ｗ活性層２４、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層
２２、ｎ型ＩｎＰクラッド層２０を、ｎ型ＩｎＰ基板１
０が露出する深さまで、臭素を溶解したメタノールをエ
ッチング液として除去する。このエッチングの結果、光
導波路として機能するストライプ状の活性層光導波路部
メサが形成される。また、本実施例において、活性層光
導波路部メサ領域の活性層幅は２．４μｍ程度である。
本実施例の光ファイバ増幅器励起用半導体レーザが単一
横モードで動作するための活性層導波路のメサ幅を決定
するために、本願発明者は活性層幅とレーザ発振時のレ
ーザ横モードの関係を実験により調査検討し、単一横モ
ードを維持するための活性層導波路のメサ幅として、
４．０μｍ以下にする必要があることを見出した。しか
し、最大光出力を大きくするために、可能なかぎりメサ
幅を広げる必要がある。従って、単一横モードを維持し
ながら、高光出力を得るためのメサ幅として２．０μｍ
以上で、かつ４．０μｍ以下の範囲にするのが、光ファ
イバ増幅器励起用半導体レーザとして好適である。

【００３４】続いて、第１のマスク層３７を残した状態
で、通常のＭＯＶＰＥ法を用いてｎ型ＩｎＰ基板１０上
に、第４の半導体層としてＦｅ不純物をドープした高抵
抗ＩｎＰ層４０がエピタキシャル成長により埋め込まれ
る。Ｆｅ不純物の原料としては、フェロセン（Fe(C₅H₅)
₂:Ferrocene）が使用できる。この高抵抗ＩｎＰ層４０
を成長する際、第１のマスク層３７上には、半導体結晶
は成長されない。これによって、ストライプ状の活性層
光導波路部メサの周囲にのみ高抵抗ＩｎＰ層４０が埋め
込まれ、平坦化される。この後に、第１のマスク層３７
を除去する。

【００３５】続いて、図５（ｃ）に示したように、通常
のＭＯＶＰＥ法を用いて、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト
層３０が、ストライプ状の活性層光導波路部メサの上
面、および高抵抗ＩｎＰ層４０の上面に、全面に渡って
順次成長される。

【００３６】ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０上に、
通常の真空蒸着法に基づいて、アノード電極５０を形成
する。次に、へき開によりｎ型ＩｎＰ基板１０の上に作
製した複数の励起用半導体レーザ素子を素子分離するた
めに、ｎ型ＩｎＰ基板１０の裏面を１００μｍ程度ま
で、通常の研磨工程により薄くされる。その後、ｎ型Ｉ
ｎＰ基板１０の裏面の全面に通常の真空蒸着法に基づい
て、カソード電極５２を形成する。その後、所定のレー
ザ共振器長になるように、へき開による素子分離が行わ
れる。励起レーザ光の出射端面には、通常のプラズマＣ
ＶＤ法を用いてＳｉＮ膜による低反射コーティング６０
が施される。また、同様の方法を用いて、その反対の端
面にはアモロファスＳｉ膜とＳｉＮ膜を交互に積層した
高反射多層膜６２が施される。以上により、図１に示し
た光ファイバ増幅器励起用半導体レーザ１が完成する。
なお、光ファイバ増幅器励起用半導体レーザ１の共振器
長は約９００μｍである。

【００３７】このような製造工程においては、単一のＦ
ｅ不純物をドープした単層のＩｎＰ半導体層４０で、活
性層導波路メサの周囲を埋め込むので、成長プロセスが
簡略化でき、安定に歩留まりよく製造することができ
る。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０が、スト
ライプ状の活性層光導波路部メサの上面、および高抵抗
ＩｎＰ層４０の上面に、全面に渡って成長されているの
で、高抵抗ＩｎＰ層を埋め込んだ後の埋め込み層と活性
層光導波路部メサとの境界に残された段差を平坦化で
き、電極形成あるいは、サブマウント等への実装がスム
ーズに行える。

【００３８】次に、光ファイバ増幅器励起用半導体レー
ザ１の作用について説明する。この光ファイバ増幅器励
起用半導体レーザ１においては、ストライプ状の活性層
導波路の周囲に電流狭窄および横モード制御のためのＦ
ｅドープ高抵抗ＩｎＰ半導体層４０が埋め込まれてい
る。ＩｎＰを高抵抗化するためにドープされたＦｅ不純
物は、電子をトラップする深い準位として作用し、Ｉｎ
Ｐ半導体中あるいはＩｎＰ半導体に拡散した電子をトラ
ップする。これによりＩｎＰ中の電子に対するフリーキ
ャリア密度が著しく低減し、ＩｎＰ半導体層の高抵抗化
を実現できる。一方、本実施例の光ファイバ増幅器励起
用半導体レーザ１では、Ｆｅドープ高抵抗ＩｎＰ半導体
層４０中あるいはｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０か
らの拡散による正孔に対するフリーキャリアも十分に低
減できる。図１において、Ｆｅドープ高抵抗ＩｎＰ半導
体層４０（バンドギャップエネルギー：Ｅｇ＝１．３４
７ｅＶ）と、このＦｅドープ高抵抗ＩｎＰ半導体層４０
と接しているｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０（バン
ドギャップエネルギー：Ｅｇ＝０．７３６ｅＶ）との境
界には、所謂ヘテロバリアが存在し、伝導帯および価電
子帯にバンド不連続が生じる。特に価電子帯でのバンド
不連続（ΔＥｖ）は約２４０ｍｅＶである。ｐ型ＩｎＧ
ａＡｓコンタクト層３０からＦｅドープ高抵抗ＩｎＰ半
導体層４０への正孔の拡散に対して、この価電子帯での
大きなバンド不連続が障壁として機能する。以上によ
り、ＩｎＰ半導体層の電気抵抗を低減する要因となる電
子およびホールのフリーキャリア密度を格段に低減で
き、励起用半導体レーザの電流狭窄層として十分に高い
抵抗を有する高抵抗ＩｎＰ半導体層が実現できる。従っ
て、Ｆｅドープ高抵抗ＩｎＰ半導体層は、活性層導波路
に対して十分に高い電気抵抗を有し半絶縁性であるた
め、Ｆｅドープ高抵抗ＩｎＰ半導体層４０へのリーク電
流は無視できる程度に小さく、活性層導波路に電流を集
中させることができる。

【００３９】また、光吸収の原因である光吸収の原因で
ある埋め込み半導体層中のフリーキャリア密度は約１ｘ
１０^１５ｃｍ^−３以下に低減できる。これにより、埋め
込み半導体層中でのフリーキャリア吸収による光損失も
格段に低減できる。リーク電流の低減による活性層への
電流集中と光損失の低減により、励起用半導体レーザの
発光効率および発光出力が格段に向上する。また、スト
ライプ状の活性層導波路の活性層メサ幅は、単一横モー
ド（シングルモード）で発振可能な幅のほぼ最大の幅に
設定され、かつ共振器長も９００μｍの長い共振器長を
備えることにより大電流を注入したときの利得飽和効果
が緩和され、また素子で発生した熱がより効果的に放熱
される。これにより、単一横モード（シングルモード）
を維持しながら、レーザ光出力を向上することができ
る。

【００４０】この光ファイバ増幅器励起用半導体レーザ
１の発振波長は１．４８μｍであり、発振しきい値電流
が約２０ｍＡ、低反射コート膜を形成した端面からの最
大光出力が２００ｍＷ以上の素子を歩留まりよく作製す
ることができた。このときの横モードは安定に維持さ
れ、基本横モードでのレーザ発振を実現できた。

【００４１】（第２の実施形態）図２は、第２の実施形
態の光ファイバ増幅器励起用半導体レーザの断面図を示
す。図２に示す半導体層及び構造は、第１の実施の形態
で示された製造工程とほぼ同様にして形成される。

【００４２】第２の実施形態の光ファイバ増幅器励起用
半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰ半導体基板１０上に、ｎ型
ＩｎＰクラッド層２０、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ光閉
じ込め層２２、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＡ
ｓＰＭＱＷ活性層２４、ノンドープＧａＩｎＡｓＰ光
閉じ込め層２６、ｐ型ＩｎＰクラッド層２８およびｐ型
ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０とを備え、ストライプ状
の活性層導波路メサが構成されている。ストライプ状の
活性層導波路メサの両側には、Ｆｅをドープした高抵抗
ＩｎＰ層４０が埋め込まれて形成されている。ＳｉＯ２
絶縁体層５５が、高抵抗ＩｎＰ層４０とｐ型ＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層３０との上に形成され、ｐ型ＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層３０の上部には電極とのコンタクト用に
開口部が設けてある。ＳｉＯ２絶縁体層５５とｐ型Ｉｎ
ＧａＡｓコンタクト層３０の上には、アノードに電位を
与えるように設けられたｐ型電極層５０が形成されてい
る。このｐ型電極層５０は、上記開口部において、ｐ型
ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０に対してオーミック接触
して形成されている。また、カソードに電位を与えるよ
うに設けられた電極５２を備える。なお、上記の絶縁体
層５５はＳｉＯ２膜から構成されているが、ＳｉＮ膜及
びＳｉＯＮ膜等の絶縁性シリコン化合物膜を使用でき
る。

【００４３】第２の実施形態の光ファイバ増幅器励起用
半導体レーザにおいては、アノード電極層５０と高抵抗
ＩｎＰ層４０との間にＳｉＯ２絶縁体層５５が挿入され
ており、アノード電極層５０から高抵抗半導体層４０へ
のホールの拡散が抑制される。これにより、アノード電
極層５０から高抵抗半導体層４０を通じてｎ型半導体基
板１０へ流れるリーク電流を遮断することができるた
め、一層活性層に電流を集中することができる。

【００４４】また、光吸収の原因である埋め込み半導体
層中のフリーキャリア密度を約１ｘ１０^１５ｃｍ^−３以
下に低減することができる。これにより、埋め込み半導
体層中でのフリーキャリア吸収による光損失も格段に低
減できる。リーク電流の低減による活性層への電流集中
と光損失の低減により、励起用半導体レーザの発光効率
および発光出力が格段に向上する。また、ストライプ状
の活性層導波路の活性層メサ幅は、単一横モード（シン
グルモード）で発振可能な幅のほぼ最大の幅に設定さ
れ、かつ共振器長も９００μｍの長い共振器長を備える
ことにより大電流を注入したときの利得飽和効果が緩和
され、また素子で発生した熱がより効果的に放熱され
る。これにより、単一横モード（シングルモード）を維
持しながら、レーザ光出力を向上することができる。

【００４５】（第３の実施形態）図３は、第３の実施形
態の光ファイバ増幅器励起用半導体レーザの断面図を示
す。図３に示す半導体層及び構造は、第１の実施の形態
で示された製造工程とほぼ同様にして形成される。

【００４６】第３の実施形態の光ファイバ増幅器励起用
半導体レーザは、第１の実施形態の光ファイバ増幅器励
起用半導体レーザ１において、ストライプ状の活性層導
波路メサの両側の埋め込み層として、Ｆｅをドープした
高抵抗ＩｎＰ層４０およびｎ型ＩｎＰ層４５が順次埋め
込まれて形成されている。

【００４７】第３の実施形態の光ファイバ増幅器励起用
半導体レーザにおいては、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト
層３０からＦｅドープ高抵抗ＩｎＰ半導体層４０へ拡散
する正孔に対するフリーキャリアを一層低減するため
に、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０と高抵抗ＩｎＰ
層４０との間にｎ型ＩｎＰ層４５が挿入される。ｎ型Ｉ
ｎＰ層４５には約２ｘ１０^１８ｃｍ^−３のＳｉ不純物が
ドープされている。ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０
とｎ−ＩｎＰ層４５との境界におけるヘテロ障壁に加え
て、ｐ−ｎ接合での拡散電位による障壁が付加されるた
め、キャリア（正孔）に対する障壁を一段と大きくする
ことができる。これにより、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタク
ト層３０からのキャリア（正孔）拡散が格段に抑制され
る。Ｆｅ不純物による電子のトラップとｐ型ＩｎＧａＡ
ｓコンタクト層からの正孔の拡散の抑制により、一層大
きなバイアス電流（または電圧）まで、Ｆｅドープ高抵
抗ＩｎＰ半導体層の抵抗が高抵抗のまま維持される。

【００４８】また、光吸収の原因である埋め込み半導体
層中のフリーキャリア密度を約１ｘ１０^１５ｃｍ^−３以
下に低減することができる。これにより、埋め込み半導
体層中でのフリーキャリア吸収による光損失も格段に低
減できる。リーク電流の低減による活性層への電流集中
と光損失の低減により、励起用半導体レーザの発光効率
および発光出力が格段に向上する。また、ストライプ状
の活性層導波路の活性層メサ幅は、単一横モード（シン
グルモード）で発振可能な幅のほぼ最大の幅に設定さ
れ、かつ共振器長も９００μｍの長い共振器長を備える
ことにより大電流を注入したときの利得飽和効果が緩和
され、また素子で発生した熱がより効果的に放熱され
る。これにより、単一横モード（シングルモード）を維
持しながら、レーザ光出力を向上することができる。

【００４９】（第４の実施形態）図４は、第４の実施形
態の光ファイバ増幅器励起用半導体レーザの断面図を示
す。図４に示す半導体層及び構造は、第１の実施の形態
で示された製造工程とほぼ同様にして形成される。

【００５０】第４の実施形態の光ファイバ増幅器励起用
半導体レーザは、第３の実施形態の光ファイバ増幅器励
起用半導体レーザにおいて、ストライプ状の活性層導波
路メサの上と、ストライプ状の活性層導波路メサの両側
にエピタキシャル成長により順次積層され形成されたＦ
ｅをドープした高抵抗ＩｎＰ層４０およびｎ型ＩｎＰ層
４５から構成された半導体埋め込み層の上に、厚み１．
５μｍのｐ型ＩｎＰ第２クラッド層２９および厚み０．
５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０が順次形成
されている。

【００５１】第４の実施形態の光ファイバ増幅器励起用
半導体レーザにおいては、ｐ型ＩｎＰ第２クラッド層２
９が、ストライプ状の活性層光導波路部メサの上面、お
よびｎ型ＩｎＰ層埋め込み層４５の上面に、全面に渡っ
て成長されているので、半導体埋め込み層４５と活性層
光導波路部メサとの境界に残された段差を一層平坦化で
き、電極形成あるいは、サブマウント等への実装がスム
ーズに行え、素子の信頼性が向上する。また、ｐ型Ｉｎ
Ｐ第２クラッド層からＦｅドープ高抵抗ＩｎＰ半導体層
４０中へのキャリア（正孔）拡散は、ｐ−ｎ接合での拡
散電位による障壁によって抑制できる。Ｆｅ不純物によ
る電子のトラップとｐ型ＩｎＰ第２クラッド層２９から
の正孔の拡散の抑制により、十分高い抵抗を有する電流
狭窄構造が得られる。

【００５２】また、光吸収の原因である埋め込み半導体
層中のフリーキャリア密度を約１ｘ１０^１５ｃｍ^−３以
下に低減することができる。これにより、埋め込み半導
体層中でのフリーキャリア吸収による光損失も格段に低
減できる。リーク電流の低減による活性層への電流集中
と光損失の低減により、励起用半導体レーザの発光効率
および発光出力が格段に向上する。また、ストライプ状
の活性層導波路の活性層メサ幅は、単一横モード（シン
グルモード）で発振可能な幅のほぼ最大の幅に設定さ
れ、かつ共振器長も９００μｍの長い共振器長を備える
ことにより大電流を注入したときの利得飽和効果が緩和
され、また素子で発生した熱がより効果的に放熱され
る。これにより、単一横モード（シングルモード）を維
持しながら、レーザ光出力を向上することができる。

【００５３】

【発明の効果】本発明によれば、活性層への電流狭窄と
埋め込み半導体層中でのフリーキャリア吸収による光損
失が格段に低減でき、大きな発光効率および発光出力を
有し、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）にも良好に
結合することができる光ファイバ増幅器励起用半導体レ
ーザが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る光ファイバ増幅
器励起用半導体レーザの構造を示す断面図である。
（ａ）は光の進路に沿った断面構造図であり、（ｂ）は
横断面構造図である。

【図２】本発明の第２の実施形態に係る光ファイバ増幅
器励起用半導体レーザの構造を示す断面図である。

【図３】本発明の第３の実施形態に係る光ファイバ増幅
器励起用半導体レーザの構造を示す断面図である。

【図４】本発明の第４の実施形態に係る光ファイバ増幅
器励起用半導体レーザの構造を示す断面図である。

【図５】図１の光ファイバ増幅器励起用半導体レーザの
製造工程を順次示す斜視図である。

【図６】従来の光ファイバ増幅器励起用半導体レーザの
構造を示す断面図である。

【符号の説明】

１…光ファイバ増幅器励起用半導体レーザ１０…半導体基板２０…ｎ型ＩｎＰクラッド層２２…ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層２４…ＭＱＷ活性層２６…ＧａＩｎＡｓＰ光閉じ込め層２８…ｐ型ＩｎＰクラッド層３０…ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層４０…ＦｅドープＩｎＰ埋め込み層５０…ｐ型オーミック電極５２…ｎ型オーミック電極６０…低反射コート膜６２…高反射コート膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ファイバ増幅器の励起に用いられる半導
体レーザであって、半導体基板上に形成された第１の導
電型の第１クラッド層と、前記第１クラッド層上に形成
された半導体活性層と、前記半導体活性層上に形成され
た第２の導電型の第２クラッド層と、より構成される光
導波路層と、ストライプ状のメサ構造とされた前記光導波路層の両側
面に接して設けられた電流狭窄のための埋め込み層を備
え、前記埋め込み層の少なくとも一部若しくは全体が高抵抗
半導体層であることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】前記半導体活性層の発光波長が１３００ｎ
ｍから１６００ｎｍであることを特徴とする請求項１に
記載の半導体レーザ。
【請求項３】前記半導体基板がＩｎＰ基板であり、前記
高抵抗半導体層として鉄が不純物として添加されたＩｎ
Ｐより構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。
【請求項４】前記半導体基板がＩｎＰ基板であり、前記
高抵抗半導体層としてＴｉが不純物として添加されたＩ
ｎＰより構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。
【請求項５】前記半導体基板がＩｎＰ基板であり、前記
高抵抗半導体層がＩｎＰに格子整合しかつＩｎＰよりバ
ンドギャップエネルギーの大きな半絶縁性ＡｌＩｎＡｓ
半導体層であ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。
【請求項６】前記半導体活性層の幅が２．０μｍ以上
で、かつ４．０μｍ以下であり、前記半導体レーザの共
振器長が５００μｍ以上であることを特徴とする請求項
１乃至請求項５に記載の半導体レーザ。
【請求項７】前記半導体活性層は、多重量子井戸構造で
あることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の半
導体レーザ。