【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理や計測などの光源として用いるのに適した波長可変半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、コンパクトで低価格という利点を有する半導体レーザは光情報処理や光計測などの光源として広く利用されている。
【０００３】
半導体レーザのうち、半導体の劈開端面がミラーであるファブリペロー（ＦＰ）共振器を利用した半導体レーザは、作製が容易であり光ディスクのピックアップ光源として量産されている。しかし、温度により発振波長が変化する、高速変調時に複数の縦モードで発振するなどの欠点がある。
【０００４】
半導体レーザのコンパクトさを損なわずに上記の欠点を解決する技術として、鋭い波長選択特性を持つ回折格子を半導体共振器内に設けることにより帰還を行う半導体レーザが知られている。この種の半導体レーザが、分布ブラッグ反射（ＤＢＲ：Ｄｉｓｔｉｂｕｔｅｄ Ｂｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザや分布帰還（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｉｂｕｔｅｄ Ｆｅｅｄ Ｂａｃｋ）レーザである。また、ＤＢＲレーザと多電極ＤＦＢレーザは電流的に発振波長となるブラッグ波長を変化させることができる特長がある。
【０００５】
実用性を考えると、波長可変幅は大きいことが望まれる。例えば光通信においては、発振波長が広いほど多数の周波数チャンネルを利用でき、大容量送信が可能となる。
【０００６】
発振波長の制御は、電流注入により光導波路の屈折率が変化することにより行うことができる。電流注入によって半導体の屈折率Ｎが変化する機構は主に、プラズマ効果と熱効果の２つである。プラズマ効果は、注入キャリアにより発生する。熱効果は、電流注入による電力消費により発生する。電流Ｉによる屈折率の変化ΔＮＴは、次式で与えられる。
【０００７】
【数１】
【０００８】
【数２】
【０００９】
ここでＴは温度、ＺＴは熱抵抗、ＰＤは消費電力、Ｖｊはｐ−ｎ接合の順電圧、Ｒｓは直列抵抗であり、いずれも電流注入した領域における値である。
【００１０】
このうち、プラズマ効果による発振波長制御は、キャリア密度の揺らぎによってスペクトル線幅が増加する短所がある。光通信においてはスペクトル線幅が増加すると、波長多重に大容量伝送が困難となる。それに対して、熱効果による発振波長制御は、スペクトル線幅を増加させることがないという長所を有する。
【００１１】
熱効果を向上させ発振波長可変幅を増大するために、様々な素子構造が提案されている。例えば、特開平５−２８３８１８号公報においては図７に示すように多電極ＤＦＢレーザの１つの領域に、共振器に垂直な断面を狭いメサ状に形成するように溝３１２を形成した構造（以下従来構造Ａという）が記載されている。
【００１２】
また、特開平１０−２５６６７５号公報に記載された構造（以下、従来構造Ｂという）を図８に示す。この図はＤＦＢレーザのストライプ状の導波路を抜き出して模式的に示したものである。この構造では、多電極ＤＦＢレーザの１つの領域において、活性層３２３を含む光導波路の幅を通常の電流狭窄幅より狭くしている。
【００１３】
いずれの構造においても光導波路幅が狭いので熱抵抗が大きくなり、少ない消費電力ＰＤで光導波路の屈折率を大きく変化させることができる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来の構造には、波長可変の応答性が低い、動作電流が増加する、などの課題があった。すなわち、従来構造Ａにおいては、熱抵抗ＺＴが増加するために温度変化の時定数が増加してしまう。なぜならば、過渡状態での温度上昇ΔＴ（ｔ）は、下式の単純なモデルでは下式に従うからである。
【００１５】
【数３】
【００１６】
ここで、Ｃａｃｔｉｖｅは光導波路の熱容量である。一般に熱容量は材料の比熱と密度、体積に比例する。この場合、体積は活性層からヒートシンクへ熱流が流れる領域となる。従って、Ｃａｃｔｉｖｅには発熱源である活性層周辺に存在する領域の体積が大きく影響する。従来構造Ａにおいては溝３１２の深さが活性層まで達していず電流阻止層までしかエッチングせず、またメサ形状の幅が広い。その結果、活性層２の周辺に存在する領域の大きさの、メサ形状を形成している領域と形成していない領域での差は小さい。従って、ＣａｃｔｉｖｅはＺＴの増加に比べて減少が小さいので、ＺＴＣａｃｔｉｖｅは大きくなる。すなわち、温度変化の時定数が増加する。
【００１７】
一方、従来構造Ｂは、活性層３２３の幅が狭いために、活性層３２３での発熱が温度上昇させる領域が狭い。従って、Ｃａｃｔｉｖｅを減少することができるため、ＺＴが増加しても応答性の低下を避けることができる。しかし、光導波路層３２１、３２５や活性層３２３の幅が他の領域の電流狭窄幅より狭いため、光分布が他の領域と大きく異なる。その結果、この狭い導波路と他の導波路との結合効率が低下し、動作電流が増加してしまう。
【００１８】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、動作電流の増加を招くことなく発振波長可変幅の増大と高速応答との両立を可能とする波長可変半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の波長可変半導体レーザは、以下に示す構成を有するものである。
【００２０】
本発明の波長可変半導体レーザは、光導波路を両端面間に備え、前記両端面を結ぶ方向に第１の領域と第２の領域の少なくとも２つの領域を有し、前記第１の領域の領域における前記活性層の深さ位置での前記光導波路の幅が前記第２の領域における光導波路の幅より狭いものである。
【００２１】
この構成により、光導波路幅が狭くなるため熱抵抗を増加させることができる。従って、電流注入による発熱が効果的に光導波路の屈折率を変化させる。すなわち同じ消費電力でも屈折率変化量を増加させることができる。また、活性層の周辺に存在する半導体層が減少しているため、熱容量を低下させることができる。熱抵抗の増加と同時に熱容量を減少させることができるため、屈折率変化の応答性の低下を避けることができる。
【００２２】
本発明の波長可変半導体レーザは、さらに第１の領域における前記光導波路の幅が２０μｍ以上かつ１５０μｍ以下であることが好ましい。この好ましい構成によれば、光導波路の幅を１５０μｍ以下とすることにより第１の領域の熱抵抗を有効に増加させることができるとともに、光導波路の幅を２０μｍ以上とすることにより光導波路内における光分布の水平方向の広がり幅は２０μｍ程度であるため光分布を乱すことがなく、第１の領域と第２の領域との結合効率を低下させることがない。すなわち、動作電流の増加を招くことなく、屈折率変化の増大を実現できる。
【００２３】
本発明の波長可変半導体レーザは、さらに第１の領域にグレーティングが形成されていることが好ましい。この好ましい構成によれば、屈折率を変化させて発振波長を変化させることができる。すなわち、波長可変幅の増加と応答性を両立することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
（第一の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態における波長可変半導体レーザであるＤＢＲレーザを示す図面である。
【００２５】
ｎ型ＧａＡｓの基板１１１上にｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第１クラッド層１１２、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの量子井戸からなる活性層１１３、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第２クラッド層１１４、ｐ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの回折格子層１１５、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第３クラッド層１１６、ｎ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓの電流阻止層１１７、ｐ型ＧａＡｓのキャップ層１１８、ｎ型ＧａＡｓのコンタクト層１１９の半導体多層膜からなる光導波路が形成されている。共振器方向に光導波路は３領域に分割され、導波光を増幅する利得領域１０１、導波光の位相を制御する位相制御領域１０２、回折格子１１５ａが形成され発振波長であるブラッグ波長を制御するＤＢＲ領域１０３からなる。
【００２６】
位相制御領域１０２とＤＢＲ領域１０３の活性層１１３ａはＳｉイオン注入による無秩序化が施されている。そのため活性層１１３ａのバンドギャップエネルギーは、利得領域１０１の活性層１１３のバンドギャップより大きい。従って、活性層１１３で発生した導波光の吸収が低減されている。
【００２７】
ｎ電極１３１は基板１１１下に設置している。各領域間の境界部分１００のコンタクト層１１９を除去し、各領域のコンタクト層１１９の上にｐ電極１３２が設置されている。このような構成により、各領域に対して個別に電流注入による互いに独立な制御を行うことができる。
【００２８】
利得領域１０１近傍の端面には反射率５％の低反射率、ＤＢＲ領域１０３近傍の端面には反射率１％以下の無反射率のコーティングが施されている。
【００２９】
利得領域１０１とＤＢＲ領域１０３における、共振器に垂直な断面を図２に示す。図２（ａ）は図１のａ−ａ’における断面であり、図２（ｂ）はｂ−ｂ’における断面である。いずれの領域においても第３クラッド層１１６がリッジ状に形成され、電流阻止層１１７に埋め込まれていることによって電流狭窄と実効屈折率導波が実現する。第３クラッド層１１６のリッジ底での幅は、２μｍとする。
【００３０】
ただし、ＤＢＲ領域１０３においては、光導波路の幅Ｗを利得領域１０１の光導波路の幅より狭くするために、コンタクト層１１９から第１クラッド層１１２までエッチングにより光導波路の横に溝を形成している。このように光導波路幅を狭くすることで、ＤＢＲ領域の熱抵抗と熱容量を同時に低減することができると期待できる。なお、光導波路の活性層の側面からの酸化防止とジャンクション・ダウンでの実装時での側面にハンダ付着することによるショート防止のために、光導波路側面に絶縁膜１４１を形成している。
【００３１】
図３にＤＢＲ領域の熱抵抗と熱容量の光導波路幅依存性を理論計算した結果を示す。図３（ａ）は、従来のように光導波路の横にコンタクト層１１９から電流阻止層１１２までのエッチングにより溝を形成した場合である。図３（ｂ）は、本実施形態の場合である。従来構造の場合、Ｗを減少させるほど熱抵抗を大きくすることができるが、熱容量の減少は小さい。なぜならば、熱容量に大きく寄与する活性層周辺の領域の減少が小さいためである。その結果、応答の時定数を意味する熱抵抗×熱容量は、熱抵抗が大幅に増加するＷ≦１５０μｍにおいて増加してしまう。すなわち、熱抵抗の増加と応答性を両立させることが困難である。一方、本実施形態の構造では光導波路の幅を狭くするための溝が第１クラッド層１１２まで達しているため、Ｗの減少に伴い熱容量に大きく寄与する活性層周辺の領域を減少することができる。従って、Ｗを小さくすることにより熱抵抗を増加させても、熱抵抗×熱容量が減少する。すなわち、熱抵抗の増加と応答性の向上が実現できる。
【００３２】
ただし、Ｗがあまりに小さいと、ＤＢＲ領域１０３と位相制御領域１０２との結合効率が低下する。結合効率の低下は、動作電流の増加を招くので好ましくない。図４に結合効率の光導波路幅Ｗ依存性を、理論計算した結果を示す。Ｗ≧２０μｍにおいては結合効率が変化しないが、Ｗ＜２０μｍにおいては急激に結合効率が低下することが分かる。これは、導波光の水平方向（半導体多層膜の主面に平行方向）の光分布が、光導波路中心から左右約１０μｍほどで導波路中心での光強度の１００分の１以下となるためである。
【００３３】
従って、ＤＢＲ領域の熱抵抗を増大させ、かつ結合効率の低下を避けるには、光導波路幅Ｗは１５０μｍ以下、２０μｍ以上とすればよい。本実施形態ではＷ＝５０μｍとした。
【００３４】
利得領域１０１への注入電流により、利得領域の活性層１１３が発光し光導波路を光が導波する。利得領域１０１近傍の端面とＤＢＲ領域１０３の回折格子１１５ａによるＤＢＲとを２つの反射鏡として共振器が形成され、導波光が利得領域１０１で増幅されレーザ発振する。導波光は利得領域１０１近傍の端面から空間中へ放射され、レーザ光として利用できる。ＤＢＲレーザにおいて、ＤＢＲのブラッグ波長にもっとも波長の近い縦モードのみが、主にブラッグ反射しレーザ発振する。
【００３５】
出力は利得領域１０１への電流注入により制御する。発振波長の制御は、ＤＢＲ領域１０３への電流注入により行うことができる。電流注入によってＤＢＲ領域１０３の活性層が発熱し、実効屈折率が増加する。その結果、ブラッグ波長が長波側へシフトする。同様に位相制御領域１０２への電流注入による発熱により実効屈折率が増加し、導波光の位相が変化する。そのため縦モードを連続的に変化させることができる。ＤＢＲ領域１０３への電流注入だけでは実現できない連続的な発振波長の制御が、位相制御領域１０２への電流注入を適切に設定することによって可能となる。
【００３６】
ＤＢＲ領域の光導波路幅を狭くしない従来のＤＢＲレーザにおいて、ＤＢＲ領域１０３に電流１００ｍＡを注入した場合（印加電圧２Ｖ、投入電力０．２Ｗ）の発振波長の変化幅は、２ｎｍである。一方、本実施形態のＤＢＲレーザの場合には、同じ投入電力０．２Ｗでも発振波長の変化幅が４ｎｍと従来の２倍に増加する。また、従来のようにＤＢＲ領域の光導波路幅の光導波路の幅を側面の電流阻止層までの溝により狭くしたＤＢＲレーザも同様に発振波長の変化幅が４ｎｍに増加する。
【００３７】
しかし、ＤＢＲ領域の光導波路幅の幅を浅い溝により狭くした従来の構造では、発振波長の変化の応答速度が低下する。例えば、発振波長変化が安定するまでの時間は光導波路の幅を狭くしない従来構造では１μｓｅｃであったが、光導波路の幅を狭くした従来構造では１０μｓｅｃに増加した。一方、本実施形態では発振波長変化が安定するまでの時間が０．５μｓｅｃに減少した。
【００３８】
このように、本実施形態の構造により、発振波長可変幅の増大と高速応答性を両立することができる。また、本実施形態のＤＢＲレーザの動作電流は従来のＤＢＲ領域の光導波路幅を狭くしない構造における動作電流と差異がない。すなわち、本実施形態のように光導波路幅を狭くしても、光導波路の幅が２０μｍ以上であれば、ＤＢＲ領域１０３と位相制御領域１０２との間の結合効率が低下せず、動作電流の増加を招くことがない。
【００３９】
また、本実施形態ではＤＢＲ領域１０３の光導波路の幅を狭くしているが、位相制御領域１０２の光導波路の幅も同様に狭くしてもよい。この場合、ＤＢＲ領域１０３と同様に、応答速度の低下や動作電流の増加を招くことなく、少ない消費電力で位相制御が可能となる。
【００４０】
（第二の実施形態）
図５は、本発明の第二の実施形態における半導体光集積素子である２電極ＤＦＢレーザを示す図面である。
【００４１】
ｎ型ＧａＡｓの基板２１１上にｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第１クラッド層２１２、ｎ型Ａｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓの回折格子層２１５、ｎ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第２クラッド層２１４、ＧａＡｓ／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓの量子井戸からなる活性層２１３、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第３クラッド層２１６、ｎ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓの電流阻止層２１７、ｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓの第４クラッド層２１８、ｐ型ＧａＡｓのコンタクト層２１９の半導体多層膜からなる光導波路が形成されている。回折格子層２１５には回折格子２１５ａが形成されている。
【００４２】
共振器方向に光導波路は第１の分布帰還（ＤＦＢ）領域２０１と第２のＤＦＢ領域２０２と２分割されている。第１のＤＦＢ領域２０１近傍の端面には反射率１％以下の無反射率、第２のＤＦＢ領域２０２近傍の端面には反射率９０％の高反射率のコーティングが施されている。レーザ光は、第１のＤＦＢ領域２０１近傍の端面から放射させる。
【００４３】
ｎ電極２３１は基板２１１下に設置している。各領域間の境界部分２００のコンタクト層２１９を除去し、各領域のコンタクト層２１９の上にｐ電極２３２が設置されている。このような構成により、各領域に対して個別に電流注入による互いに独立な制御を行うことができる。
【００４４】
第１のＤＦＢ領域２０１と第２のＤＦＢ領域２０２における、共振器に垂直な断面を図６に示す。図６（ａ）は図５のａ−ａ’における断面であり、図６（ｂ）はｂ−ｂ’における断面である。いずれの領域においても電流阻止層２１７がストライプ状に開口し第４クラッド層２１８により埋め込まれることによって、電流狭窄と実効屈折率導波が実現している。電流阻止層２１７の開口幅は、２μｍとする。
【００４５】
ただし、第２のＤＦＢ領域２０２においては、光導波路の幅Ｗを第２のＤＦＢ領域２０１における光導波路の幅より狭くするために、コンタクト層２１９から第１クラッド層２１２までエッチングにより光導波路の横に溝を形成している。このように光導波路幅を狭くすることで、第２のＤＦＢ領域２０２の熱抵抗と熱容量を同時に低減することができる。なお、光導波路側面には光導波路の保護のために、絶縁膜２４１を形成している。
【００４６】
第１のＤＦＢ領域２０１と第２のＤＦＢ領域２０２への注入電流により、活性層２１３が発光し光導波路を光が導波する。ブラッグ波長近傍の導波光のみが増幅され、レーザ発振する。導波光は主に第１のＤＦＢ領域２０１近傍の端面から空間中へ放射され、レーザ光として利用できる。
【００４７】
各領域への注入電流比を制御することにより、光出力と発振波長を制御することができる。発振波長の制御は各領域への注入電流比により、ブラッグ波長を変化させることによって実現する。このように２電極ＤＦＢレーザは光出力と発振波長の制御が複雑化するが、制御を工夫することにより波長可変幅をＤＢＲレーザより増加させることが可能であることが知られている。
【００４８】
従来のように、第２のＤＦＢ領域２０２の光導波路幅を狭くしない２電極ＤＦＢレーザにおいて、第２のＤＦＢ領域２０２に電流１００ｍＡを注入した場合（印加電圧２Ｖ、投入電力０．２Ｗ）の発振波長の変化幅は、３ｎｍである。一方、本実施形態の２電極ＤＦＢレーザの場合には、同じ投入電力０．２Ｗでも発振波長の変化幅が６ｎｍと従来の２倍に増加する。また、従来のように第２のＤＦＢ領域における光導波路幅の側面に電流阻止層までの深さの溝を形成し光導波路の幅を５０μｍとした２電極ＤＦＢレーザも同様に発振波長の変化幅が４ｎｍに増加する。
【００４９】
しかし、従来のように第２のＤＦＢ領域における光導波路幅の幅を浅い溝により狭くした構造では、発振波長の変化の応答速度が低下する。例えば、発振波長変化が安定するまでの時間が光導波路の幅を狭くしない従来構造では０．８μｓｅｃであったが、光導波路の幅を狭くした従来構造では３μｓｅｃ増加した。一方、本実施形態では発振波長変化が安定するまでの時間が０．３μｓｅｃに減少した。
【００５０】
このように、本実施形態の構造により、２電極ＤＦＢレーザにおいても発振波長可変幅の増大と高速応答性を両立することができる。また、本実施形態の２電極ＤＦＢレーザの動作電流は、従来の第２のＤＦＢ領域の光導波路幅を狭くしない構造における動作電流と差異がない。すなわち、本実施形態のように光導波路幅を狭くしても、光導波路の幅が２０μｍ以上であれば、第１のＤＦＢ領域２０１と第２のＤＦＢ領域２０２との間の結合効率が低下せず、動作電流の増加を招くことがない。
【００５１】
なお、本発明の実施形態ではＡｌＧａＡｓ系の半導体材料を用い説明したが、ＩｎＰ材料、ＡｌＧａＩｎＰ系材料、ＢＡｌＧａＩｎＮ系材料、ＺｎＭｇＣｄＳＳｅ系材料、ＡｌＧａＩｎＮＡｓ、ＡｌＧａＩｎＮＰ系材料からなる半導体材料を用いてもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の波長可変レーザによれば、波長制御領域に関する光導波路の活性層における幅を他の領域よりより狭くすることで熱抵抗の増加と同時に熱容量を減少させることができる。すなわち、投入電力あたりの実効屈折率変化率を増加させつつ、実効屈折率変化の応答性の低下を避けることができる。
【００５３】
また、波長制御領域に関する光導波路の活性層における幅を２０μｍ以上、１５０μｍ以下とすることにより、結合効率の低下させることなく熱抵抗を増加させることができる。すなわち、動作電流の増加を招かず、投入電力あたりの実効屈折率変化率を増加させることができる。そして実効屈折率変化により発振波長の変化を生じるので、以上のような効果によりＤＦＢレーザやＤＢＲレーザなどの波長可変半導体レーザにおいて、動作電流の増加を招かずに発振波長可変幅の増大と高速応答との両立を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施形態におけるＤＢＲレーザの、共振器方向と平行の断面構造を示す共振器方向に沿った断面図
【図２】本発明の第一の実施形態におけるＤＢＲレーザの、共振器方向に対し垂直に切った断面構造を示す断面図
【図３】従来の形態と本発明の第一の実施形態における、ＤＢＲ領域の熱抵抗、熱容量、熱抵抗×熱容量の、光導波路幅依存性を示す図
【図４】本発明の第一の実施形態におけるＤＢＲ領域と位相制御領域との結合効率の光導波路幅依存性を示す図
【図５】本発明の第二の実施形態における２電極ＤＦＢレーザの、共振器方向と平行の断面構造を示す図
【図６】本発明の第二の実施形態における２電極ＤＦＢレーザの、共振器方向と垂直の断面構造を示す図
【図７】従来の多電極ＤＦＢレーザ（従来構造Ａ）の共振器方向に垂直な面で切った断面図
【図８】従来の多電極ＤＦＢレーザ（従来構造Ｂ）のストライプ状の導波路を抜き出して模式的に示した図
【符号の説明】
１００、２００、３００ 境界部分
１０１、３０１ 利得領域
１０２、３０２ 位相制御領域
１０３、３０３ ＤＢＲ領域
１１１、２１１、３１１ 基板
１１２、２１２、３１２ 第１クラッド層
１１３、２１３、３１３ 活性層
１１３ａ、３１３ａ 無秩序化した活性層
１１４、２１４、３１４ 第２クラッド層
１１５、２１５、３１５ 回折格子層
１１５ａ、２１５ａ、３１５ａ 回折格子
１１６、２１６、３１６ 第３クラッド層
１１７、２１７、３１７ 電流阻止層
１１８、３１８ キャップ層
１１９、２１９、３１９ コンタクト層
１３１、２３１、３３１ ｎ電極
１３２、２３２、３３２ ｐ電極
１４１、２４１ 絶縁膜
２０１ 第１のＤＦＢ領域
２０２ 第２のＤＦＢ領域
２１８ 第４クラッド層
３０１ ＩｎＰ基板
３０２ ＩｎＧａＡｓＰ光導波層を含むＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層
３０３ ｐ型ＩｎＰクラッド層
３０４ ｐ型ＩｎＰコンタクト層
３０５ ｐ型ＩｎＰ電流阻止層
３０６ ｎ型ＩｎＰ電流阻止層
３０７ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ電流阻止層
３０８ アンドープＩｎＧａＡｓＰ電流阻止層
３０９ 絶縁膜
３１０ Ｐ電極
３１１ 配線、ボンディングパッド
３１２ 溝
３２１ ＩｎＰ光閉込層
３２２ ＩｎＧａＡｓＰ下部光導波路層
３２３ ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ量子井戸活性層
３２４ 回折格子
３２５ ＩｎＧａＡｓＰ上部光導波路層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength tunable semiconductor laser suitable for use as a light source for optical information processing and measurement.
[0002]
[Prior art]
In recent years, semiconductor lasers having the advantage of being compact and inexpensive have been widely used as light sources for optical information processing and optical measurement.
[0003]
Among semiconductor lasers, a semiconductor laser using a Fabry-Perot (FP) resonator whose cleavage end face of the semiconductor is a mirror is easy to manufacture and is mass-produced as a pickup light source for an optical disk. However, there are disadvantages such as that the oscillation wavelength changes with temperature, and oscillation occurs in a plurality of longitudinal modes during high-speed modulation.
[0004]
As a technique for solving the above-mentioned disadvantage without impairing the compactness of the semiconductor laser, a semiconductor laser that performs feedback by providing a diffraction grating having a sharp wavelength selection characteristic in a semiconductor resonator is known. This type of semiconductor laser is a distributed Bragg reflector (DBR) laser or a distributed feedback (DFB) laser. Further, the DBR laser and the multi-electrode DFB laser have a feature that the Bragg wavelength, which becomes the oscillation wavelength in terms of current, can be changed.
[0005]
Considering practicality, it is desired that the wavelength variable width is large. For example, in optical communication, the wider the oscillation wavelength, the more frequency channels can be used, and large-capacity transmission becomes possible.
[0006]
The control of the oscillation wavelength can be performed by changing the refractive index of the optical waveguide by current injection. There are two main mechanisms by which the refractive index N of the semiconductor changes by current injection: a plasma effect and a thermal effect. The plasma effect is generated by the injected carriers. Thermal effects occur due to power consumption due to current injection. Change .DELTA.N T in the refractive index due to the current I is given by the following equation.
[0007]
(Equation 1)
[0008]
(Equation 2)
[0009]
Where T is the temperature, Z T is the thermal resistance, P D is the power consumption, V j is the forward voltage of the p-n junction, R s is the series resistance is a value at both the current injection region.
[0010]
Among them, the control of the oscillation wavelength by the plasma effect has a disadvantage that the spectral line width increases due to the fluctuation of the carrier density. In optical communication, when the spectral line width increases, it becomes difficult to transmit a large capacity by wavelength multiplexing. On the other hand, the oscillation wavelength control by the thermal effect has an advantage that the spectral line width is not increased.
[0011]
Various element structures have been proposed to improve the thermal effect and increase the oscillation wavelength variable width. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-283818 discloses a structure in which a groove 312 is formed in one region of a multi-electrode DFB laser such that a cross section perpendicular to the resonator is formed in a narrow mesa shape as shown in FIG. Conventional structure A) is described.
[0012]
FIG. 8 shows a structure described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-256675 (hereinafter referred to as a conventional structure B). This drawing schematically shows a striped waveguide of the DFB laser. In this structure, in one region of the multi-electrode DFB laser, the width of the optical waveguide including the active layer 323 is smaller than the normal current confinement width.
[0013]
Since any of the light waveguide width is narrower in the structure heat resistance increases, it is possible to greatly change the refractive index of the optical waveguide with low power consumption P D.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above-described conventional structure has problems such as a low tunable response and an increase in operating current. That is, in the conventional structure A, the time constant of the temperature change in the thermal resistance Z T is increased is increased. This is because the temperature rise ΔT (t) in the transient state follows the following equation in the simple model of the following equation.
[0015]
[Equation 3]
[0016]
Here, C active is the heat capacity of the optical waveguide. Generally, heat capacity is proportional to the specific heat, density, and volume of a material. In this case, the volume is an area where the heat flow flows from the active layer to the heat sink. Therefore, the volume of a region existing around the active layer, which is a heat source, greatly affects C active . In the conventional structure A, the depth of the groove 312 does not reach the active layer, only the current blocking layer is etched, and the width of the mesa shape is wide. As a result, the difference in the size of the region existing around the active layer 2 between the region forming the mesa and the region not forming the mesa is small. Therefore, since C active decreases less than Z T increases, Z T C active increases. That is, the time constant of the temperature change increases.
[0017]
On the other hand, in the conventional structure B, since the width of the active layer 323 is small, the region where the heat generated in the active layer 323 raises the temperature is narrow. Therefore, since C active can be reduced, a decrease in responsiveness can be avoided even if Z T increases. However, since the widths of the optical waveguide layers 321 and 325 and the active layer 323 are smaller than the current confinement widths of the other regions, the light distribution is significantly different from the other regions. As a result, the coupling efficiency between this narrow waveguide and another waveguide is reduced, and the operating current is increased.
[0018]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide a wavelength tunable semiconductor laser capable of achieving both an increase in the oscillation wavelength variable width and a high-speed response without causing an increase in operating current.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention has the following configuration.
[0020]
A wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention includes an optical waveguide between both end faces, has at least two areas of a first area and a second area in a direction connecting the both end faces, and has an area of the first area. Wherein the width of the optical waveguide at the depth position of the active layer is smaller than the width of the optical waveguide in the second region.
[0021]
With this configuration, the thermal resistance can be increased because the width of the optical waveguide is reduced. Therefore, the heat generated by the current injection effectively changes the refractive index of the optical waveguide. That is, the amount of change in the refractive index can be increased with the same power consumption. Further, since the number of semiconductor layers existing around the active layer is reduced, the heat capacity can be reduced. Since the heat capacity can be reduced at the same time as the increase in the thermal resistance, it is possible to avoid a decrease in the response of the change in the refractive index.
[0022]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention, it is preferable that the width of the optical waveguide in the first region is not less than 20 μm and not more than 150 μm. According to this preferred configuration, the thermal resistance of the first region can be effectively increased by setting the width of the optical waveguide to 150 μm or less, and the width in the optical waveguide can be increased by setting the width of the optical waveguide to 20 μm or more. Since the width of the light distribution in the horizontal direction is about 20 μm, the light distribution is not disturbed, and the coupling efficiency between the first region and the second region is not reduced. That is, an increase in the change in the refractive index can be realized without increasing the operating current.
[0023]
In the wavelength tunable semiconductor laser of the present invention, it is preferable that a grating is further formed in the first region. According to this preferred configuration, the oscillation wavelength can be changed by changing the refractive index. That is, it is possible to achieve both an increase in the wavelength variable width and responsiveness.
[0024]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(First embodiment)
FIG. 1 is a drawing showing a DBR laser which is a wavelength tunable semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
[0025]
A first cladding layer 112 of n-type Al 0.5 Ga 0.5 As, an active layer 113 composed of a quantum well of GaAs / Al 0.3 Ga 0.7 As, and a p-type Al 0 on an n-type GaAs substrate 111. .5 Ga 0.5 As second cladding layer 114 of, p-type Al 0.2 Ga 0.8 diffraction grating layer 115 of As, p-type Al 0.5 Ga 0.5 third cladding layer 116, n of As An optical waveguide composed of a semiconductor multilayer film of a current blocking layer 117 of type Al 0.6 Ga 0.4 As, a cap layer 118 of p-type GaAs, and a contact layer 119 of n-type GaAs is formed. The optical waveguide is divided into three regions in the direction of the resonator, a gain region 101 for amplifying the guided light, a phase control region 102 for controlling the phase of the guided light, and a DBR for forming a diffraction grating 115a and controlling a Bragg wavelength which is an oscillation wavelength. It consists of the area 103.
[0026]
The active layers 113a of the phase control region 102 and the DBR region 103 are disordered by Si ion implantation. Therefore, the band gap energy of active layer 113a is larger than the band gap of active layer 113 in gain region 101. Therefore, absorption of the guided light generated in the active layer 113 is reduced.
[0027]
The n-electrode 131 is provided below the substrate 111. The contact layer 119 in the boundary portion 100 between the regions is removed, and the p-electrode 132 is provided on the contact layer 119 in each region. With such a configuration, it is possible to independently control each region by current injection individually.
[0028]
An end face near the gain region 101 is coated with a low reflectivity of 5%, and an end face near the DBR region 103 is coated with a non-reflectivity of 1% or less.
[0029]
FIG. 2 shows a cross section of the gain region 101 and the DBR region 103 perpendicular to the resonator. FIG. 2A is a cross section taken along line aa ′ in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross section taken along line bb ′. In any region, the third cladding layer 116 is formed in a ridge shape, and is embedded in the current blocking layer 117, thereby realizing current confinement and effective refractive index waveguide. The width of the third cladding layer 116 at the ridge bottom is 2 μm.
[0030]
However, in the DBR region 103, in order to make the width W of the optical waveguide narrower than the width of the optical waveguide in the gain region 101, a groove is formed from the contact layer 119 to the first cladding layer 112 by etching to the side of the optical waveguide. I have. By thus reducing the width of the optical waveguide, it can be expected that the thermal resistance and the thermal capacity of the DBR region can be reduced at the same time. An insulating film 141 is formed on the side surface of the optical waveguide to prevent oxidation from the side surface of the active layer of the optical waveguide and to prevent short-circuit due to solder attachment to the side surface when mounting at the junction down.
[0031]
FIG. 3 shows the result of theoretical calculation of the optical waveguide width dependence of the thermal resistance and heat capacity of the DBR region. FIG. 3A shows a case where a groove is formed by etching from the contact layer 119 to the current blocking layer 112 beside the optical waveguide as in the conventional case. FIG. 3B shows the case of the present embodiment. In the case of the conventional structure, the thermal resistance can be increased as W is reduced, but the decrease in heat capacity is small. This is because the decrease in the area around the active layer, which greatly contributes to the heat capacity, is small. As a result, thermal resistance × heat capacity, which means the time constant of the response, increases when W ≦ 150 μm at which the thermal resistance increases significantly. That is, it is difficult to achieve both an increase in thermal resistance and responsiveness. On the other hand, in the structure of the present embodiment, since the groove for reducing the width of the optical waveguide reaches the first cladding layer 112, the area around the active layer, which greatly contributes to the heat capacity as W decreases, may be reduced. it can. Therefore, even if the thermal resistance is increased by reducing W, the thermal resistance × heat capacity decreases. That is, an increase in thermal resistance and an improvement in responsiveness can be realized.
[0032]
However, if W is too small, the coupling efficiency between DBR region 103 and phase control region 102 decreases. A decrease in coupling efficiency is not preferable because it causes an increase in operating current. FIG. 4 shows the result of theoretical calculation of the dependence of the coupling efficiency on the optical waveguide width W. It can be seen that the coupling efficiency does not change when W ≧ 20 μm, but decreases sharply when W <20 μm. This is because the light distribution in the horizontal direction (the direction parallel to the main surface of the semiconductor multilayer film) of the guided light is about 10 μm to the left and right from the center of the optical waveguide and is less than 1/100 of the light intensity at the center of the waveguide. is there.
[0033]
Therefore, in order to increase the thermal resistance of the DBR region and avoid a decrease in coupling efficiency, the optical waveguide width W may be set to 150 μm or less and 20 μm or more. In this embodiment, W = 50 μm.
[0034]
The active layer 113 in the gain region emits light due to the current injected into the gain region 101, and the light is guided through the optical waveguide. A resonator is formed using the end face near the gain region 101 and the DBR formed by the diffraction grating 115a in the DBR region 103 as two reflecting mirrors, and the guided light is amplified in the gain region 101 and laser oscillation occurs. The guided light is emitted into the space from the end face near the gain region 101 and can be used as laser light. In a DBR laser, only the longitudinal mode having the wavelength closest to the Bragg wavelength of the DBR mainly undergoes Bragg reflection and oscillates.
[0035]
The output is controlled by injecting current into the gain region 101. The oscillation wavelength can be controlled by injecting a current into the DBR region 103. The active layer in the DBR region 103 generates heat due to the current injection, and the effective refractive index increases. As a result, the Bragg wavelength shifts to the longer wavelength side. Similarly, the effective refractive index increases due to heat generated by current injection into the phase control region 102, and the phase of the guided light changes. Therefore, the vertical mode can be changed continuously. Control of the continuous oscillation wavelength, which cannot be realized only by current injection into the DBR region 103, becomes possible by appropriately setting current injection into the phase control region 102.
[0036]
In a conventional DBR laser in which the optical waveguide width of the DBR region is not narrowed, when a current of 100 mA is injected into the DBR region 103 (applied voltage: 2 V, input power: 0.2 W), the variation width of the oscillation wavelength is 2 nm. On the other hand, in the case of the DBR laser according to the present embodiment, the change width of the oscillation wavelength is 4 nm, which is twice as large as that of the related art even at the same input power of 0.2 W. Also, in the DBR laser in which the width of the optical waveguide in the DBR region is narrowed by the groove to the current blocking layer on the side surface as in the related art, the variation width of the oscillation wavelength similarly increases to 4 nm.
[0037]
However, in the conventional structure in which the width of the optical waveguide in the DBR region is narrowed by a shallow groove, the response speed of the change in the oscillation wavelength decreases. For example, the time required for the oscillation wavelength change to stabilize was 1 μsec in the conventional structure in which the width of the optical waveguide was not narrowed, but increased to 10 μsec in the conventional structure in which the width of the optical waveguide was narrowed. On the other hand, in the present embodiment, the time until the oscillation wavelength change stabilizes is reduced to 0.5 μsec.
[0038]
As described above, according to the structure of the present embodiment, it is possible to achieve both the increase in the oscillation wavelength variable width and the high-speed response. The operating current of the DBR laser of this embodiment is not different from the operating current of the conventional structure in which the width of the optical waveguide in the DBR region is not reduced. That is, even if the width of the optical waveguide is reduced as in the present embodiment, if the width of the optical waveguide is 20 μm or more, the coupling efficiency between the DBR region 103 and the phase control region 102 does not decrease, and the operating current is reduced. There is no increase.
[0039]
Further, in the present embodiment, the width of the optical waveguide in the DBR region 103 is reduced, but the width of the optical waveguide in the phase control region 102 may be similarly reduced. In this case, as in the case of the DBR region 103, phase control can be performed with low power consumption without lowering the response speed or increasing the operating current.
[0040]
(Second embodiment)
FIG. 5 is a drawing showing a two-electrode DFB laser which is a semiconductor optical integrated device according to the second embodiment of the present invention.
[0041]
An n-type Al 0.5 Ga 0.5 As first cladding layer 212, an n-type Al 0.2 Ga 0.8 As diffraction grating layer 215, and an n-type Al 0.5 Ga are formed on an n-type GaAs substrate 211. 0.5 As second cladding layer 214, GaAs / Al 0.3 Ga 0.7 As quantum well active layer 213, p-type Al 0.5 Ga 0.5 As third cladding layer 216, n An optical waveguide composed of a semiconductor multilayer film including a current blocking layer 217 of type Al 0.6 Ga 0.4 As, a fourth cladding layer 218 of p-type Al 0.5 Ga 0.5 As, and a contact layer 219 of p-type GaAs is formed. Is formed. A diffraction grating 215a is formed on the diffraction grating layer 215.
[0042]
The optical waveguide is divided into a first distributed feedback (DFB) region 201 and a second DFB region 202 in the direction of the resonator. An end face near the first DFB area 201 is coated with a non-reflectance of 1% or less in reflectance, and an end face near the second DFB area 202 is coated with a high reflectance of 90%. Laser light is emitted from the end face near the first DFB region 201.
[0043]
The n-electrode 231 is provided below the substrate 211. The contact layer 219 in the boundary portion 200 between the regions is removed, and the p-electrode 232 is provided on the contact layer 219 in each region. With such a configuration, it is possible to independently control each region by current injection individually.
[0044]
FIG. 6 shows a cross section of the first DFB region 201 and the second DFB region 202 perpendicular to the resonator. FIG. 6A is a cross section taken along line aa ′ of FIG. 5, and FIG. 6B is a cross section taken along line bb ′. In any region, the current blocking layer 217 is opened in a stripe shape and is buried by the fourth cladding layer 218, thereby realizing current confinement and effective refractive index waveguide. The opening width of the current blocking layer 217 is 2 μm.
[0045]
However, in the second DFB region 202, in order to make the width W of the optical waveguide narrower than the width of the optical waveguide in the second DFB region 201, the width of the optical waveguide from the contact layer 219 to the first cladding layer 212 is etched. A groove is formed in the groove. By thus narrowing the optical waveguide width, the thermal resistance and the thermal capacity of the second DFB region 202 can be reduced at the same time. Note that an insulating film 241 is formed on the side surface of the optical waveguide to protect the optical waveguide.
[0046]
The active layer 213 emits light due to the injection current into the first DFB region 201 and the second DFB region 202, and the light is guided through the optical waveguide. Only the guided light near the Bragg wavelength is amplified and oscillates. The guided light is mainly radiated into the space from the end face near the first DFB region 201 and can be used as laser light.
[0047]
By controlling the ratio of the injection current to each region, the light output and the oscillation wavelength can be controlled. The control of the oscillation wavelength is realized by changing the Bragg wavelength according to the ratio of the injection current to each region. As described above, the control of the optical output and the oscillation wavelength of the two-electrode DFB laser is complicated, but it is known that the wavelength variable width can be increased more than that of the DBR laser by devising the control.
[0048]
As in the conventional case, in a two-electrode DFB laser in which the optical waveguide width of the second DFB region 202 is not narrowed, oscillation when a current of 100 mA is injected into the second DFB region 202 (applied voltage: 2 V, input power: 0.2 W) The change width of the wavelength is 3 nm. On the other hand, in the case of the two-electrode DFB laser according to the present embodiment, the variation width of the oscillation wavelength is 6 nm, which is twice as large as that of the related art, even at the same input power of 0.2 W. Also, as in the conventional case, a two-electrode DFB laser in which a groove having a depth up to the current blocking layer is formed on the side surface of the width of the optical waveguide in the second DFB region and the width of the optical waveguide is 50 μm, similarly, the oscillation wavelength change width. Increases to 4 nm.
[0049]
However, in the conventional structure in which the width of the optical waveguide in the second DFB region is narrowed by the shallow groove, the response speed of the change of the oscillation wavelength is reduced. For example, the time required until the oscillation wavelength change stabilizes is 0.8 μsec in the conventional structure in which the width of the optical waveguide is not narrowed, but increases by 3 μsec in the conventional structure in which the width of the optical waveguide is narrowed. On the other hand, in the present embodiment, the time until the oscillation wavelength change stabilizes is reduced to 0.3 μsec.
[0050]
As described above, according to the structure of the present embodiment, it is possible to achieve both the increase in the oscillation wavelength variable width and the high-speed response even in the two-electrode DFB laser. The operating current of the two-electrode DFB laser of the present embodiment is not different from the operating current of the conventional structure in which the optical waveguide width in the second DFB region is not reduced. That is, even if the width of the optical waveguide is narrowed as in the present embodiment, if the width of the optical waveguide is 20 μm or more, the coupling efficiency between the first DFB region 201 and the second DFB region 202 decreases. Therefore, the operation current does not increase.
[0051]
In the embodiment of the present invention, an AlGaAs-based semiconductor material has been described, but a semiconductor material made of an InP material, an AlGaInP-based material, a BAlGaInN-based material, a ZnMgCdSSe-based material, an AlGaInNAs, or an AlGaInNP-based material may be used.
[0052]
【The invention's effect】
According to the tunable laser of the present invention, by making the width of the active layer of the optical waveguide related to the wavelength control region narrower than that of the other regions, it is possible to increase the thermal resistance and simultaneously decrease the heat capacity. That is, it is possible to avoid a decrease in the response of the effective refractive index change while increasing the effective refractive index change rate per input power.
[0053]
Further, by setting the width of the active layer of the optical waveguide with respect to the wavelength control region to 20 μm or more and 150 μm or less, it is possible to increase the thermal resistance without lowering the coupling efficiency. That is, it is possible to increase the effective refractive index change rate per applied power without increasing the operating current. Since the oscillation wavelength is changed by the change in the effective refractive index, the above-described effects allow the wavelength tunable semiconductor laser such as a DFB laser or a DBR laser to increase the oscillation wavelength tunable width and increase the high-speed response without increasing the operating current. Can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a DBR laser according to a first embodiment of the present invention, taken along a resonator direction showing a cross-sectional structure parallel to the resonator direction. FIG. 2 is a DBR laser according to a first embodiment of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a cross-sectional structure taken perpendicularly to a resonator direction. FIG. 3 is a diagram showing a light guide of a heat resistance, a heat capacity, and a heat resistance × heat capacity of a DBR region in a conventional embodiment and a first embodiment of the present invention. FIG. 4 is a diagram showing the dependence on the waveguide width. FIG. 4 is a diagram showing the dependence on the optical waveguide width of the coupling efficiency between the DBR region and the phase control region in the first embodiment of the present invention. FIG. 5 is a second embodiment of the present invention. FIG. 6 is a diagram showing a cross-sectional structure of a two-electrode DFB laser in a form parallel to a resonator direction. FIG. 6 is a diagram showing a cross-sectional structure of a two-electrode DFB laser in a second embodiment of the present invention perpendicular to the resonator direction. FIG. 7 shows a conventional multi-electrode DFB laser (conventional structure A Sectional view taken along a plane perpendicular to the resonator direction of FIG. 8 [REFERENCE NUMERALS] the conventional multi-electrode DFB lasers by extracting stripe waveguide schematically shown diagram of a (conventional structure B)
100, 200, 300 Boundary portions 101, 301 Gain regions 102, 302 Phase control regions 103, 303 DBR regions 111, 211, 311 Substrates 112, 212, 312 First cladding layers 113, 213, 313 Active layers 113a, 313a Disordered Active layers 114, 214, 314 Second cladding layers 115, 215, 315 Diffraction grating layers 115a, 215a, 315a Diffraction gratings 116, 216, 316 Third cladding layers 117, 217, 317 Current blocking layers 118, 318 Cap layers 119 Contact layer 131, 231, 331 n electrode 132, 232, 332 p electrode 141, 241 insulating film 201 first DFB region 202 second DFB region 218 fourth cladding layer 301 InP substrate 302 InGaAsP light InGaAs / InGaAs quantum well active layer 303 including wave layer 303 p-type InP cladding layer 304 p-type InP contact layer 305 p-type InP current blocking layer 306 n-type InP current blocking layer 307 p-type InGaAsP current blocking layer 308 undoped InGaAsP current blocking layer 309 Insulating film 310 P electrode 311 Wiring, bonding pad 312 Groove 321 InP optical confinement layer 322 InGaAsP lower optical waveguide layer 323 InGaAs / InGaAsP quantum well active layer 324 Diffraction grating 325 InGaAsP upper optical waveguide layer
