JP2004134486A - Semiconductor laser equipped with diffraction grating - Google Patents

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Masahide Kobayashi
小林 正英
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laser which is capable of realizing a κ modulation profile in the direction of a laser resonator necessary for obtaining a high optical signal output as it keeps a single mode yield as high as the other semiconductor laser where a λ/4 phase shifter or a phase control region is formed at the center of a laser resonator. <P>SOLUTION: A diffraction grating 102 equipped with a λ/4 phase shifter 103 is formed on a semiconductor substrate 101, and an optical guide layer 104 is formed thereon. The composition and/or the thickness of the optical guide layer 104 is modulated in the direction of an optical waveguide. The optical guide layer 104 is maintained at a level lower than the crest of the diffraction grating 102. A modulation profile of a diffraction grating coupling coefficient κ is precisely controlled not by the height of the diffraction grating 102 but by the optical guide layer 104. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折格子が形成された半導体レーザに関し、特にλ/4位相シフト部や位相調整領域を有する回折格子を備えた半導体レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】
【特許文献1】
特公平1−37872号公報
【特許文献2】
特開2001−36192号公報
【特許文献3】
特開平2−105593号公報
λ/4位相シフト部をレーザ共振器の中央に配し、回折格子の位相の影響がないように両端面を無反射構造とした分布帰還型半導体レーザ(DFB−LD: Distributed Feed Back Laser Diode)では、理論的に100%の単一モード歩留りが得られる。このような分布帰還型半導体レーザの一例を図19に示す。
【0003】
図19に示すように、半導体基板1101の表面に発振波長を選択するための回折格子1102が所定周期で形成されている。この回折格子1102には、レーザ光の共振器内定在波に対する4分の1波長(回折格子1102の2分の1周期)にあたるλ/4位相シフト部1103が形成されている。λ/4位相シフト部103の位置は、レーザ共振器の中央である。回折格子1102の上には、光ガイド層1104が形成され、その上に多重量子井戸(Multiple Quantum Well、MQW)構造を持つ活性層1106と、クラッド層1107とが順に積層形成されている。クラッド層1107の上には、p電極1109が形成されている。基板1101の裏面には、n電極1110が形成されている。前端面と後端面は、いずれも無反射(Anti−Reflection、AR)膜1111で覆われている。
【0004】
図19に示した従来の分布帰還型半導体レーザでは、信号光が出力される前方への光出力とモニタ光が出力される後方への光出力とが理論的には同一になるため、信号光の高出力化という点では、一方の端面を高反射膜(High−Reflection、HR)で覆って高反射構造とした分布帰還型半導体レーザに比べて劣るという問題がある。
【0005】
この問題を解決するための一つの方法として、λ/4位相シフト部をレーザ共振器の中央より後方にずらして形成し、そのλ/4位相シフト部より前方で回折格子結合係数κの値が小さく後方で大きくなるように、レーザ共振器内に二種類の高さを持つ回折格子を形成した分布帰還型半導体レーザが提案されている(特許文献1:特公平1−37872号公報参照)。この構成を図20に示す。
【0006】
図20の半導体レーザは、λ/4位相シフト部の位置が異なる以外は図19の半導体レーザと構成が同じであるから、構成の同じ部分については、同一要素に同一符号を付してその説明を省略する。
【0007】
図20に示すように、回折格子1102Aは、λ/4位相シフト部1103がレーザ共振器の中央よりわずかに後方にずらしてある。また、回折格子1102Aの高さは、λ/4位相シフト部1103より前方では相対的に低く、λ/4位相シフト部1103より後方では相対的に高くしてある。このため、λ/4位相シフト部1103より前方では回折格子結合係数κの値が小さく、その後方では大きい。つまり、λ/4位相シフト部1103より前方の部分は低κ領域1112であり、λ/4位相シフト部1103より後方の部分は高κ領域1113である。その結果、図19の従来の半導体レーザに比べて、レーザ共振器の前方に出力される信号光を多くすることができる、すなわち信号光の高出力化が達成できる。
【0008】
しかしながら、図20の構造では、位相シフト部1103の前後でκの値が急激に変化するため、設計通りの単一モード歩留りと高出力特性を得るためのκ値のトレランスが非常に狭い、という問題がある。また、κ値の制御を回折格子1102Aの高さを変えることにより実現しているため、当該半導体レーザを高歩留りで製造することが困難である、という問題もある。
【0009】
さらに、回折格子1102Aの高さが異なる領域間で等価屈折率が僅かに異なるため、その結果として、単一モード特性が極端に劣化することになるうえに、高出力時においてはホールバーニングの影響によりブラッグ反射条件が変化するために、モード飛びが生じやすいという問題もある。
【0010】
図19の半導体レーザの持つ上記問題を解決するための他の方法として、レーザ共振器の後方から前方に向かって回折格子の高さを連続的に減少させると共に、位相シフト部をレーザ共振器の中央より後方にずらして形成した分布帰還型半導体レーザが提案されている(特許文献2:特開平2001−36192号公報参照)。この構成を図21に示す。
【0011】
図21の半導体レーザは、λ/4位相シフト部の位置と回折格子の構成が異なる以外は図19の半導体レーザと構成が同じであるから、構成の同じ部分については、同一要素に同一符号を付してその説明を省略する。
【0012】
図21に示すように、回折格子1102Bは、λ/4位相シフト部1103がレーザ共振器の中央より後方にずらしてある。また、回折格子1102Bの高さは、レーザ共振器の後方から前方に向かって連続的に減少している。その結果、図19の従来の半導体レーザに比べて、設計通りの単一モード歩留りと高出力特性を得るためのκ値トレランス(許容幅)を拡大することができ、当該半導体レーザを高歩留りで作製できると期待される。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図21の従来の半導体レーザにおいても、図20の従来の半導体レーザと同様に、共振器に沿った所望κ値の変調プロファイルを回折格子高さの制御で実現していることには変わりがないから、κ値トレランスが図19の半導体レーザの場合に比べて拡大するにもかかわらず、κ値を精密に制御することは困難であり、やはり当該半導体レーザを高歩留りに製造することはできない。
【0014】
図21に示した従来の半導体レーザにおける回折格子の具体的な形成方法は、次のようなものである。すなわち、まず、エッチングにより半導体基板1101の表面に回折格子1102Bを形成し、その後、MOVPE(Metal−Organic Vapor Phase Epitaxy、有機金属気相成長)法により、回折格子1102B上に光ガイド層1104を成長させる。この時、光ガイド層1104を形成する半導体結晶は、回折格子1102Bの凹部と凸部の双方に成長する。この光ガイド層1104は、成長工程の当初(光ガイド層1104の厚さが小さい間)には回折格子1102Bの凹凸を反映した凹凸を有しているが、やがて回折格子1102Bの凹凸を埋め込んでいく。この光ガイド層1104の成長工程において、待機条件を最適化することにより、回折格子1102Bの高さが所望の値となるようにする。つまり、光ガイド層1104の厚さが回折格子1102Bの頂部と同じレベルか、それより高いレベルとなるようにする。結局、図21に示すように、回折格子1102Bの凹凸は光ガイド層1104によって埋め込まれる。
【0015】
光ガイド層1104の成長工程において、待機条件を変えることによりマストランスポートを制御するこの方法では、回折格子1102Bの高さの精密な制御は困難である。したがって、回折格子1102Bの高さの変動により、共振器方向のκ変調プロファイルが大きく変動し、その結果、当該半導体レーザの発振特性や単一モード歩留りが多大な影響を受けてしまう。
【0016】
本発明は、図21に示した従来の半導体レーザの持つ上述した問題点を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、λ/4位相シフト部や位相調整領域がレーザ共振器の中央に形成された半導体レーザと同等の単一モード歩留りを維持しながら、高い信号光出力を得るために必要なレーザ共振器方向のκ変調プロファイルを高精度に実現することができる半導体レーザを提供することにある。
【0017】
本発明の他の目的は、発振特性の再現性と均一性を向上することができる半導体レーザを提供することである。
【0018】
ここに明記しない本発明のさらに他の目的は、以下の説明および添付図面から明らかになる。
【0019】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の半導体レーザは、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された、λ/4位相シフト部あるいは位相調整領域を有する回折格子と、
前記回折格子に隣接して前記半導体基板上に形成された光ガイド層と、
前記光ガイド層に隣接して形成された活性層とを備え、
レーザ光を伝播する光導波路が前記活性層を含んで形成されている半導体レーザにおいて、
前記光ガイド層の組成および厚さの少なくとも一方が、光導波路方向に沿って変調されていると共に、前記光ガイド層がその全面にわたって前記回折格子の山頂よりも低いレベルにあることを特徴とするものである。
【0020】
(2) 本発明の半導体レーザでは、前記光ガイド層の組成および厚さの少なくとも一方が、光導波路方向に沿って変調されていると共に、前記光ガイド層がその全面にわたって前記回折格子の山頂よりも低いレベルにある。このため、回折格子結合係数κの値(κ値)の変調プロファイルは、前記回折格子の高さによってではなく、前記回折格子の山頂よりも低いレベルにあり且つその組成および厚さの少なくとも一方が変調された前記光ガイド層によって精密に制御される。よって、κ値の変調プロファイルに対するトレランスが広くなる。
【0021】
その結果、λ/4位相シフト部や位相調整領域がレーザ共振器の中央に形成された半導体レーザと同等の単一モード歩留りを維持しながら、高い信号光出力を得るために必要なレーザ共振器方向のκ変調プロファイルを高精度に実現することができる。また、κ変調プロファイルを高精度に実現できることにより、発振特性の再現性と均一性を向上することが可能となる。
【0022】
(3) なお、特許文献3(特開平2−105593号公報)には、回折格子を備えた半導体レーザにおいて、回折格子上に当該回折格子の山の高さよりも薄い膜厚でInGaAsP層を設けると共に、そのInGaAsP層の上に前記回折格子の山の高さと同程度もしくはそれ以上の膜厚で設けるという技術が開示されている。しかし、この技術は、回折格子の上に活性層を形成する際に、前記回折格子の影響を抑えてその活性層の結晶性を向上するためのものであるから、本発明とは明らかに異なる。
【0023】
(4) 本発明の半導体レーザの好ましい例では、前記光ガイド層の前記回折格子の山部における厚さが、前記回折格子の谷部における厚さの半分以下とされる。
【0024】
本発明の半導体レーザの他の好ましい例では、前記光ガイド層の組成波長が当該半導体レーザの発振波長よりも短く、前記回折格子による分布帰還動作が主として屈折率の周期的な変化により実現される。
【0025】
本発明の半導体レーザのさらに他の好ましい例では、前記回折格子の再成長界面における半導体変成層の厚さが、前記光ガイド層の体積の20%以下に設定される。
【0026】
本発明の半導体レーザのさらに他の好ましい例では、前記位相シフト部が、前記光導波路に沿って当該半導体レーザの中央より後方の位置にあり、当該半導体レーザの後端から前端に向かって前記回折格子の結合係数(κ値)が連続的に減少せしめられる。
【0027】
本発明の半導体レーザのさらに他の好ましい例では、前記光導波路方向でκ値が変化する領域(κ値変調領域)が、前記光導波路の全長の1/10以上、1/3以下の範囲に形成される。
【0028】
本発明の半導体レーザのさらに他の好ましい例では、前記活性層の両側にpnpnサイリスタ構成による電流狭窄構造が形成される。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
【0030】
(第1実施形態)
図1は、本発明第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの構成を示す、共振器(光導波路)に沿った概略縦断面図である。この分布帰還型半導体レーザの動作波長(発振波長)は、好ましくは、0.3〜1.7μmの範囲に設定される。
【0031】
図1に示すように、n型InPよりなる半導体基板101の(001)面上に、発振波長を選択するための回折格子102が0.243μm程度の周期で形成されている。この回折格子102の高さは、レーザ共振器の後端面から前端面まで一定である。回折格子102には、その途中にλ/4位相シフト部103が形成されており、そのλ/4位相シフト部103によってレーザ光の共振器内定在波に対する4分の1波長(λ/4)(すなわち回折格子102の2分の1周期)分の位相ズレが付与されている。したがって、回折格子102は、λ/4位相シフト部103の両側において(λ/4)だけ位相がずれている。
【0032】
当該半導体レーザの共振器(光導波路)の全長は600μmである。λ/4位相シフト部103の位置は、当該半導体レーザの信号光が出射される光出力の大きい側(図1では左側)を前方、モニタ光が出力される光出力の小さい側(図1では右側)を後方とし、前端面(図1では左側端面)を基準とすると、後方に向かって360μm程度の位置に形成されている。したがって、λ/4位相シフト部103は、共振器の中央より後方にある。
【0033】
回折格子102が形成されたn型InP基板101上には、回折格子102に重なるようにn型InGaAsPからなる光ガイド層104が形成されている。この光ガイド層104の組成は、当該レーザの後端から前端に向かってバンドギャップ波長(波長組成)が1.13μmから1.03μmと徐々に短くなるように設定されている。また、光ガイド層104の厚さは、当該レーザの後端から前端に向かって30nm程度から10nm程度に徐々に小さくなるように設定されている。こうすることにより、光導波路に沿った屈折率変動は、主として、回折格子102の谷部にのみ存在する光ガイド層404分により実現される。
【0034】
n型InGaAsPからなる光ガイド層104とそこから露出している回折格子102の上には、n型InPバッファ層(厚さ:0.1μm程度、不純物濃度:1×1018cm−3)105が形成されている。そのバッファ層105の上には、ノンドープInGaAsPよりなる分離閉じ込めヘテロ構造(Separate Confinement Heterostructure、SCH)層(波長組成:1.1μm、厚さ:50nm程度)と、ノンドープInGaAsPよりなるMQW構造(ウェル層:波長組成1.5μm、厚さ5nm程度、バリア層:波長組成1.2μm、厚さ10nm程度)からなるMQW活性層106が形成されている。活性層106の上には、p型InPクラッド層(厚さ:0.1μm程度、不純物濃度:1×1018cm−3)107が形成されている。n型InPバッファ層105と、ノンドープInGaAsPよりなる活性層106と、p型InPクラッド層107は、当該半導体レーザの前後方向に延在するストライプ状の光導波路を形成する。
【0035】
以上のように構成することにより、回折格子102の結合係数κの値の分布は図5に示すようになる。すなわち、当該半導体レーザの前端面(距離=0)ではκは10cm−1程度、後端面(距離=600μm)では100cm−1程度であって、前端面から後端面に向かって連続的に増加している。
【0036】
第1実施形態の半導体レーザは、図10に明瞭に示すように、ストライプ状のリッジ構造を有しており、バッファ層105と活性層106とクラッド層107の一部がそのリッジ構造の内部に位置している。リッジ構造の両側には、n型InPよりなる電流ブロック層121(厚さ:0.7μm程度)とp型InPよりなる電流ブロック層122(厚さ:0.7μm程度)がこの順に積層形成されている。クラッド層107の残りの部分(厚さ:3μm程度)は、リッジ構造の上部だけでなく電流ブロック層122の上部にまで及んでいる。
【0037】
クラッド層107の上には、p型InGaAsよりなるキャップ層108(厚さ:0.3μm程度)が形成されている。キャップ層108の上には、TiAuからなるp電極108が形成されている。基板101の裏面には、同じくTiAuからなるn電極109が形成されている。
【0038】
以上の構成を持つ半導体積層構造の前端面と後端面は、いずれも、TiOとSiOの積層膜からなり反射率0.1%以下の無反射(AR)膜111で覆われている。
【0039】
次に、上記構成を持つ第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法について図2〜図12を参照しながら説明する。
【0040】
まず最初に、図2に示すように、n型InPよりなる半導体基板101の(001)面上に、電子ビーム(EB)リソグラフィと、HBr:H:HO系のエッチング液を用いるウェットエッチングにより、発振波長を選択するための回折格子102を周期0.243μm程度で形成する。このとき、回折格子102には、上述した位置にλ/4位相シフト部103が形成されるようにする。
【0041】
その後、図3に示すように、回折格子102が表面に形成されたn型InP基板101の上に、SiOよりなる厚さ100nmの成長阻止マスク302を形成する。この成長阻止マスク302は、熱CVD、フォトリソグラフィ、および弗酸によるエッチングによってSiOより作られる。マスク302は、ストライプ状の開口部304を中央に配した台形(テーパ)状の二つのマスク部から構成される。二つのマスク部は、開口部304に対して左右対象に形成されている。マスク302の各マスク部の幅、すなわちマスク幅303は、後端面から前端面に向かって約50μmから約3μmに連続的に減少している。対向するマスク部分間の開口部304の幅は2.0μm程度であって、後端面から前端面まで一定である。開口部304は、後述するように光導波路用の所定の半導体層を選択成長させるために使用される。
【0042】
続いて、選択MOVPE成長により、成長阻止マスク302の開口部304より露出している回折格子102上に、図4に示すようにn型InGaAsPからなる光ガイド層104を成長させる。このとき、マスク302の台形状の二つのマスク部に起因して、光ガイド層104の組成は、後端面から前端面に向かって、1.13μm波長組成から1.03μm波長組成に連続的に変化せしめられる。また、光ガイド層104の厚さは、後端面から前端面に向かって、30nm程度から10nm程度に連続的に変化せしめられる。このように連続的に変化する波長組成と厚さを持つ光ガイド層104は、図3に示したマスク302を用いて、成長条件を適当に選定することにより得られる。
【0043】
図4より明らかなように、光ガイド層104の厚さは、その全長にわたって回折格子102の山部の高さよりも小さい。これは、光ガイド層104用の上記選択MOVPE成長プロセスにおいて、回折格子102の山部に成長するn型InGaAsP結晶の厚さがその谷部に成長するn型InGaAsP結晶の厚さの半分以下となるように、成長条件を最適化することにより、実現することができる。その結果、光導波路(レーザ共振器)に沿った屈折率変動は、主として、回折格子102の谷部に存在するn型InGaAsP結晶、すなわち光ガイド層104により実現される。また、図5に示すような回折格子102の結合係数κの分布が得られる。
【0044】
回折格子102上へのn型InGaAsP結晶の選択MOVPE成長では、成長初期の段階において、回折格子102のステップ密度の高い面にはほとんど成長せず、供給された原料の大部分はステップ密度の低い面に成長する。その後、n型InGaAsP結晶によって回折格子102の谷部が埋まっていくにつれて徐々に、回折格子102の山部の上にもn型InGaAsP結晶が成長するようになる。このため、共振器に沿った方向のκ値の変調プロファイルを精密に制御することが可能となり、発振特性の再現性、均一性、単一モード歩留りを大幅に向上させることができる。
【0045】
なお、回折格子102におけるn型InGaAsP結晶の再成長界面では、半導体変成層が生じるが、その厚さは、光ガイド層104の体積の20%以下に設定するのが好ましい。図4に示すような所望の光ガイド層104が確実に得られるからである。また、光ガイド層104の組成と厚さの双方が、後端面から前端面に向かって変化せしめられているが、組成と厚さのいずれか一方が変化せしめられていればよい。
【0046】
上記のようにして光ガイド層104を成長させた後、フォトリソグラフィと、弗酸を用いたウェットエッチングにより、回折格子102上にあるSiO製の成長阻止マスク302を整形し、図6に示すような成長阻止マスク603を得る。すなわち、成長阻止マスク302の台形状のマスク部302を選択的にエッチングし、マスク幅303がレーザ共振器に沿った方向に一様に幅3μmとなるようにする。その結果、ストライプ状の開口部605(幅2μm)の両側にストライプ状の二つのマスク部を配置してなる、図6に示すような成長阻止マスク603が得られる。各マスク部の幅すなわち、マスク幅604は、幅3μmでその前端面から後端面まで一定である。
【0047】
その後、SiO製の成長阻止マスク603を用いて選択MOVPE成長により、図7に示すように、n型InPよりなるバッファ層(厚さ:0.1μm程度、不純物濃度:1×1018cm−3)105を形成し、その上にノンドープInGaAsPよりなるSCH層(波長組成:1.1μm、厚さ:50nm程度)とノンドープInGaAsPよりなるMQW構造(ウェル層:波長組成1.5μm、厚さ5nm程度、バリア層:波長組成1.2μm、厚さ10nm程度)からなる活性層106を形成し、さらにその上にp型InPよりなるクラッド層(厚さ:0.1μm程度、不純物濃度:1×1018cm−3)の一部を形成する。
【0048】
こうして形成したn型InPバッファ層と、ノンドープInGaAsP活性層106と、p型InPとは、光導波路を構成する。成長阻止マスク603のマスク部で覆われた箇所では、半導体結晶は成長しないので、こうして形成された光導波路は、基板101の前端から後端まで延在するストライプ状のリッジ構造となる。その後、弗酸を用いて成長阻止マスク603を除去する。この時の状態は図7に示す通りである。
【0049】
続いて、熱CVDにより、基板101の全面にわたってSiO膜(図示せず)を堆積させてから、そのSiO膜を弗酸を用いてパターン化し、図8に示すように、リッジ構造(光導波路)の頂上のみを覆うストライプ状の成長阻止マスク801を形成する。そして、このマスク801を用いて選択MOVPE成長を行い、図9に示すように、n型InPよりなるバッファ層105の上に、p型InPよりなる電流ブロック層(厚さ:0.7μm程度)121とn型InPよりなる電流ブロック層(厚さ:0.7μm程度)122を順に形成する。その結果、電流ブロック層121と122は、リッジ構造(光導波路)の両側に形成される。その後、成長阻止マスク801を除去する。この時の状態は図9のようになる。
【0050】
次に、図10に示すように、p型InPからなるクラッド層107の残りの部分を厚さ3μm程度まで成長させる。クラッド層107の表面は平坦である。さらにその上に、p型InGaAsからなるキャップ層108を厚さ0.3μm程度に成長させる。
【0051】
続いて、キャップ層108の表面にTiAuからなるp電極108を形成し、基板101の裏面にTiAuからなるn電極109を形成する。その後、430℃でp電極109とn電極110の合金化のための熱処理を行う。こうして、半導体基板101上にレーザ構造が完成する。実際には、上述した工程を経て多数のレーザ構造が同時に半導体基板101上に形成されるので、共振器長が600μmとなるように各レーザ構造を分割する。その後、得られたレーザ構造の前後両端面にTiO/SiOからなる反射率0.1%以下の無反射(AR)膜111を塗布・形成すると、図1に示す構成を持つ第1実施形態の分布帰還型半導体レーザが完成する。
【0052】
以上の構成を持つ第1実施形態の分布帰還型半導体レーザでは、光ガイド層104の組成および厚さの双方が、光導波路の方向に沿って変調されていると共に、光ガイド層104がその全面にわたって回折格子102の山頂よりも低いレベルに抑えられている。このため、回折格子結合係数κの値(κ値)の変調プロファイルは、回折格子102の高さによってではなく、回折格子102の山頂よりも低いレベルにあり且つその組成および厚さが変調された光ガイド層104によって精密に制御される。よって、κ値の変調プロファイルに対するトレランスが広くなる。
【0053】
その結果、λ/4位相シフト部1−3がレーザ共振器の中央に形成された半導体レーザと同等の単一モード歩留りを維持しながら、高い信号光出力を得るために必要なレーザ共振器方向のκ変調プロファイルを高精度に実現することができる。また、κ変調プロファイルを高精度に実現できることにより、発振特性の再現性と均一性を向上することが可能となる。
【0054】
さらに、第1実施形態の分布帰還型半導体レーザでは、回折格子102の結合係数κの値の小さな領域(低κ領域)112が前方に、結合係数κの値の大きな領域(高κ領域)113が後方にあるため、当該半導体レーザの内部における電界強度は、図11に示すように、前方で大きく後方で小さくなる。また、単一モード歩留りを向上させるために導入するλ/4位相シフト部103(前端面からの距離360μmの位置にある)では、電界強度のピークが生じている。つまり、λ/4位相シフト部103で電界集中が起こる。その結果、図12に示すように、結合係数κの値がレーザ共振器内で一様な従来の構造に比べ、信号光が出射される素子前方の電流−光出力特性が向上する。
【0055】
なお、第1実施形態では、光ガイド層104の波長組成と厚さの双方が後端面と前端面の間で連続的に変調されているが、光ガイド層104の波長組成または厚さを変調するだけでもほぼ同様の効果が得られる。
【0056】
第1実施形態では、光導波路に沿った方向でκ値が変化する領域(κ値変調領域)が、その前記光導波路の全長に及んでいるが、これには限定されない。前記光導波路の全長の1/10以上、1/3以下の範囲に限定して形成されてもよい。
【0057】
(第2実施形態)
上述した第1実施形態では、n型InPバッファ層105とノンドープInGaAsP活性層106とp型InPクラッド層107からなる光導波路を、選択MOVPE成長により直接形成しているが、本発明では、適当なマスクを用いたウェットエッチングやドライエッチングによって光導波路を形成することも可能である。第2実施形態の分布帰還型半導体レーザは、このような方法により製造されるものである。
【0058】
第2実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を図13〜図15を参照しながら説明する。
【0059】
半導体基板101上に回折格子102を形成する工程からその上に光ガイド層104を形成する工程までは、第1実施形態の場合と同じである。すなわち、まず、図2に示すように、第1実施形態の場合と同様にして、n型InPよりなる半導体基板101の(001)面上に、λ/4位相シフト部103を持つ回折格子102を形成し、その後、SiO製の成長阻止マスク302を用いて、回折格子102の上に波長組成と厚さとが変調せしめられたn型InGaAsP光ガイド層104を成長させる。光ガイド層104の厚さは、その全長にわたって回折格子102の高さよりも小さい。
【0060】
その後、成長阻止マスク302を完全に除去してから、MOVPE成長により、光導波路層130を半導体基板101の全面にわたって形成する。光導波路層130は、n型InGaAsP光ガイド層104の上に形成されたn型InPバッファ層105と、n型InPバッファ層105の上に形成されたノンドープInGaAsP活性層106と、ノンドープInGaAsP活性層106の上に形成されたp型InPクラッド層107の一部とから構成される。活性層106は、ここでは、ノンドープInGaAsPよりなる第1SCH層(波長組成:1.1μm、厚さ:50nm程度)と、ノンドープInGaAsPよりなるMQW構造(ウェル層:波長組成1.5μm、厚さ5nm程度、バリア層:波長組成1.2μm、厚さ10nm程度)と、ノンドープInGaAsPよりなる第2SCH層(波長組成:1.1μm、厚さ:50nm程度)とから構成される。
【0061】
続いて、図13に示すように、p型InPクラッド層107の上に、光ガイド層104と共に回折格子102が形成された領域が完全に保護されるように、幅が2μmのストライプ状のマスク201を形成する。そして、このマスク201をエッチング用マスクとして、光導波路層130を選択的にエッチングし、溝131を形成する。この溝131により、光導波路層130からストライプ状の光導波路(リッジ構造)が形成される。
【0062】
その後、同じマスク201を成長阻止用マスクとして、MOVPE選択成長により、図14に示すように、溝131内に、p型InPよりなる電流ブロック層141とn型InPよりなる電流ブロック層142をこの順に積層形成する。この時、電流ブロック層141と142により溝131の全体が埋め込まれないようにする。
【0063】
さらに、マスク201を除去してから、半導体基板101の全面にp型InPクラッド層107の残りの部分を形成して、溝131の全体を埋め込むと共に、その上に所定厚さのクラッド層107が配置されるようにする。クラッド層107の上には、p型InGaAsからなるキャップ層108を形成する。
【0064】
その後の工程は、第1実施形態の場合と同様である。すなわち、キャップ層108の表面にTiAuからなるp電極108を形成し、基板101の裏面にTiAuからなるn電極109を形成してから、両電極109と110の合金化のための熱処理を行う。そして、共振器長が600μmとなるように基板101上の各レーザ構造を分割し、得られたレーザ構造の前後両端面に無反射(AR)膜111を塗布・形成すると、第2実施形態の分布帰還型半導体レーザが完成する。この第2実施形態の半導体レーザの共振器に沿った断面は、図1に示すものと同一である。
【0065】
以上の構成を持つ第2実施形態の分布帰還型半導体レーザでは、半導体基板101上に第1実施形態の場合と同じ回折格子102と光ガイド層104とが形成されているので、第1実施形態の場合と同じ効果が得られる。
【0066】
なお、第2実施形態では、電流ブロック層141と142とクラッド層107の残りの部分をMOVPE成長により形成しているが、LPE(Liquid Phase Epitaxy、液相成長法)を用いて形成してもよい。
【0067】
(第3実施形態)
上述した第1および第2の実施形態は、回折格子102がMQW活性層106の下方(基板101の側)に形成される構造であるが、本発明は、活性層成長後に回折格子を形成する構造においても有効である。第3実施形態の分布帰還型半導体レーザはそのような構成を持つものである。
【0068】
第3実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を図16〜図18を参照しながら説明する。
【0069】
まず、図16に示すように、回折格子と光ガイド層を形成していないn型InP基板101の(001)面上に、第1実施形態の場合と同様にして、n型InPよりなるバッファ層(厚さ:0.1μm程度、不純物濃度:1×1018cm−3)105を形成する。その後、バッファ層105の上に、ノンドープInGaAsPよりなる第1SCH層(波長組成:1.1μm、厚さ:50nm程度)と、ノンドープInGaAsPよりなるMQW構造(ウェル層:波長組成1.5μm、厚さ5nm程度、バリア層:波長組成1.2μm、厚さ10nm程度)と、ノンドープInGaAsPよりなる第2SCH層(波長組成:1.1μm、厚さ:50nm程度)とをこの順に積層形成し、MQW活性層106を形成する。さらに、MQW活性層106の上に、p型InPよりなるクラッド層(厚さ:0.1μm程度、不純物濃度:1×1018cm−3)107を形成する。こうして形成したn型InPバッファ層105とノンドープInGaAsP活性層106とp型InPクラッド層107は、光導波路層130を構成する。バッファ層105とMQW活性層106とクラッド層107、すなわち光導波路層130は、基板101の全面にわたって形成される。
【0070】
その後、EB露光とエッチングにより、クラッド層107の上に深さ30nmの回折格子(図示せず)を形成する。この回折格子は、λ/4位相シフト部を有しており、図16の紙面に垂直方向に延在する。この回折格子の上には、成長阻止マスク202が形成される。成長阻止マスク202は、図3に示したマスク302と同様の構成を持つ。
【0071】
続いて、選択MOVPE成長により、最大厚さが回折格子の深さの50%となるように、回折格子に重なるように光ガイド層を形成する。この時の状態は図4の場合と同様である。その後、成長阻止マスク202を除去する。
【0072】
次に、先に形成したp型InPクラッド層107の上に、p型InPクラッド層107の残りの部分を厚さ3μm程度で成長させ、その上にさらにp型InPキャップ層108を厚さ0.3μm程度で成長させる。p型InPクラッド層107とp型InPキャップ層108は、いずれも基板101の全面に形成する。この時の状態は図17のようになる。
【0073】
そして、p型InPキャップ層108の上に、SiO製のストライプ状のマスク部分を持つマスク203を形成した後、そのマスク203を用いてウェットエッチングまたはドライエッチングにより、導波路層130を選択的に除去する。こうして、図18に示すように、ストライプ状のマスク部分の両側に溝131が形成され、それによってリッジ構造を持つ光導波路が形成される。
【0074】
その後、溝131を埋め込むように、p型InPよりなる電流ブロック層141と、n型InPよりなる電流ブロック層142と、p型InPよりなる電流ブロック層143とをこの順に形成する。その結果、電流ブロック層141と142と143は、リッジ構造(光導波路)の両側に形成される。この時の状態は図18のようになる。その後、成長阻止マスク203を除去する。
【0075】
p型InP電流ブロック層141とn型InP電流ブロック層142とp型InP電流ブロック層143は、n型InP基板101と共にpnpnサイリスタ構成を提供する。
【0076】
その後のp電極108とn電極109の形成工程から、各レーザ構造の前後両端面に無反射(AR)膜111を塗布・形成する工程までは、第2実施形態の場合と同じである。こうして、第3実施形態の分布帰還型半導体レーザが完成する。
【0077】
以上の構成を持つ第3実施形態の分布帰還型半導体レーザでは、n型InPクラッド層107の上に第1実施形態の場合と同じ回折格子102と光ガイド層104とが形成されているので、第1実施形態の場合と同じ効果が得られる。
【0078】
(第4実施形態)
上述した第1〜第3実施形態では、単一モード歩留りを向上させるために、回折格子の一部にλ/4位相シフト部を導入しているが、これに代えて、公知の周期変調回折格子による位相調整領域を導入してもよい。第4実施形態の分布帰還型半導体レーザは、λ/4位相シフト部をこの位相調整領域に置き換えたものであり、それ以外の構成は上記第1実施形態もしくは第2実施形態の分布帰還型半導体レーザと同じ構成を持つ。よって、図示およびその構成の説明は省略する。
【0079】
位相調整領域では、回折格子の周期が他の部分よりも短くされ、回折格子周期変調領域における位相変化量の総和である累積位相変化量が、レーザ光の共振器内定在波の波長の4分の1(λ/4)となるように形成される。このようにして製造した半導体レーザでは、位相調整部での周期が短周期であり、また発振する波長は、回折格子の周期が均一な当該半導体レーザの前部と後部での周期よりもやや短周期として屈折率変化を感じるため、位相シフト量は当該半導体レーザの前部と後部での回折格子の周期に対してλ/4よりも若干大きな値となる。この半導体レーザでは、位相調整領域の電界集中が抑制されるため、第1実施形態または第2実施形態に示したλ/4位相シフト部を有する構造に比べて、光出力のより高い範囲まで安定な単一モード発振特性が得られる、という利点がある。
【0080】
なお、位相調整領域における累積位相シフト量は、λ/4に限らず、3λ/4、5λ/4等にすることも可能である。また、安定した単一モード特性を高歩留りに得るためには、回折格子の位相調整領域が当該半導体レーザの全長の1/10以上、1/3以下であることが望ましい。
【0081】
(変形例)
上述した第1〜第4の実施形態では、本発明を分布帰還(DFB)型半導体レーザに適用しているが、本発明はこれに限定されない。本発明は、半導体レーザと、回折格子が形成されたブラッグ導波路とを集積してなる分布ブラッグ反射(Distributed Bragg Reflector、DBR)型の半導体レーザや、半導体レーザと変調器とが集積された電界吸収型変調器集積型半導体レーザ等の光集積素子にも適用することができる。
【0082】
また、上述した第1〜第4の実施形態では、MQW活性層をInGaAsP/InP系材料により構成しているが、本発明はこれに限定されない。MQW活性層は、AlGaAs/GaAs系材料、AlGaInP/GaInP系材料、GaN系、ZnSe系、その他の化合物半導体材料を使用したものであってもよい。
【0083】
本発明は、回折格子を有する半導体レーザだけでなく、その半導体レーザを集積化した変調器集積化光源等の光集積素子にも適用できる。
【0084】
なお、本発明は、上記各実施形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、適宜変更可能であることは言うまでもない。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。
【0085】
【発明の効果】
本発明の半導体レーザでは、λ/4位相シフト部や位相調整領域がレーザ共振器の中央に形成された半導体レーザと同等の単一モード歩留りを維持しながら、高い信号光出力を得るために必要なレーザ共振器方向のκ変調プロファイルを高精度に実現することができる。また、発振特性の再現性と均一性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの構成を示す、共振器に沿った垂直縦断面図である。
【図2】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略斜視図である。
【図3】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略斜視図で、図2の続きである。
【図4】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図3の続きである。
【図5】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの軸方向における結合係数κの分布を示す図である。
【図6】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図4の続きである。
【図7】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図6の続きである。
【図8】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図7の続きである。
【図9】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図8の続きである。
【図10】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図9の続きである。
【図11】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの共振器に沿った方向における規格化電界強度分布を示すグラフである。
【図12】本発明の第1実施形態の分布帰還型半導体レーザの前方光出力Pと注入電流Iとの関係(電流−光出力特性)を示すグラフである。
【図13】本発明の第2実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図である。
【図14】本発明の第2実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図13の続きである。
【図15】本発明の第2実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図14の続きである。
【図16】本発明の第3実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図である。
【図17】本発明の第3実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図16の続きである。
【図18】本発明の第3実施形態の分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す概略断面図で、図17の続きである。
【図19】従来の分布帰還型半導体レーザの一例の構造を示す、共振器に沿った垂直縦断面図である。
【図20】従来の分布帰還型半導体レーザの他の例の構造を示す、共振器に沿った垂直縦断面図である。
【図21】従来の分布帰還型半導体レーザのさらに他の例の構造を示す、共振器に沿った垂直縦断面図である。
【符号の説明】
101 半導体基板
102 回折格子
103 λ/4位相シフト部
104 光ガイド層
105 バッファ層
106 MQW活性層
107 クラッド層
108 キャップ層
109 p電極
110 n電極
111 無反射(AR)膜
112 低κ領域
113 高κ領域
121、122 電流ブロック層
130 光導波路層
131 溝
141、142、143 電流ブロック層
201、202、203 マスク
302 マスク
303 マスク幅
304 マスク開口部
603 マスク
604 マスク幅
605 マスク開口部
801 マスク
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser having a diffraction grating, and more particularly to a semiconductor laser having a diffraction grating having a λ / 4 phase shift portion and a phase adjustment region.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Publication No. 1-38772
[Patent Document 2]
JP 2001-36192 A
[Patent Document 3]
JP-A-2-105593
A distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD: Distributed Feedback Back Laser Diode) in which a λ / 4 phase shift unit is arranged at the center of the laser resonator and both end faces have a non-reflection structure so as not to be affected by the phase of the diffraction grating. Can theoretically achieve a single-mode yield of 100%. FIG. 19 shows an example of such a distributed feedback semiconductor laser.
[0003]
As shown in FIG. 19, a diffraction grating 1102 for selecting an oscillation wavelength is formed on the surface of a semiconductor substrate 1101 at a predetermined period. The diffraction grating 1102 is provided with a λ / 4 phase shift unit 1103 corresponding to a quarter wavelength (a half cycle of the diffraction grating 1102) of the standing wave in the resonator of the laser light. The position of the λ / 4 phase shift unit 103 is at the center of the laser resonator. An optical guide layer 1104 is formed on the diffraction grating 1102, and an active layer 1106 having a multiple quantum well (MQW) structure and a cladding layer 1107 are sequentially formed thereon. On the cladding layer 1107, a p-electrode 1109 is formed. On the back surface of the substrate 1101, an n-electrode 1110 is formed. Both the front end face and the rear end face are covered with a non-reflection (anti-reflection, AR) film 1111.
[0004]
In the conventional distributed feedback semiconductor laser shown in FIG. 19, the forward optical output at which the signal light is output and the backward optical output at which the monitor light is output are theoretically the same. However, there is a problem that it is inferior to a distributed feedback semiconductor laser having a high reflection structure in which one end face is covered with a high reflection film (High-Reflection, HR).
[0005]
As one method for solving this problem, a λ / 4 phase shift portion is formed so as to be shifted backward from the center of the laser resonator, and the value of the diffraction grating coupling coefficient κ is determined before the λ / 4 phase shift portion. A distributed feedback semiconductor laser in which a diffraction grating having two different heights is formed in a laser resonator so as to be small and large at the rear has been proposed (see Patent Document 1: Japanese Patent Publication No. 1-37872). This configuration is shown in FIG.
[0006]
The semiconductor laser of FIG. 20 has the same configuration as that of the semiconductor laser of FIG. 19 except that the position of the λ / 4 phase shift section is different. Is omitted.
[0007]
As shown in FIG. 20, in the diffraction grating 1102A, the λ / 4 phase shift unit 1103 is slightly shifted backward from the center of the laser resonator. The height of the diffraction grating 1102A is relatively low before the λ / 4 phase shift unit 1103 and relatively high after the λ / 4 phase shift unit 1103. Therefore, the value of the diffraction grating coupling coefficient κ is small before the λ / 4 phase shift unit 1103, and large after the λ / 4 phase shift unit 1103. In other words, the part before the λ / 4 phase shift unit 1103 is the low κ region 1112, and the part after the λ / 4 phase shift unit 1103 is the high κ region 1113. As a result, as compared with the conventional semiconductor laser shown in FIG. 19, it is possible to increase the amount of signal light output in front of the laser resonator, that is, to increase the output of the signal light.
[0008]
However, in the structure of FIG. 20, since the value of κ rapidly changes before and after the phase shift unit 1103, the tolerance of the κ value for obtaining a single mode yield and high output characteristics as designed is very narrow. There's a problem. Further, since the control of the κ value is realized by changing the height of the diffraction grating 1102A, there is a problem that it is difficult to manufacture the semiconductor laser with a high yield.
[0009]
Furthermore, since the equivalent refractive index is slightly different between regions where the height of the diffraction grating 1102A is different, as a result, the single mode characteristics are extremely deteriorated, and at the time of high output, the effect of hole burning is high. As a result, the Bragg reflection condition changes, so that there is also a problem that mode jump is likely to occur.
[0010]
As another method for solving the above-described problem of the semiconductor laser of FIG. 19, the height of the diffraction grating is continuously reduced from the rear to the front of the laser resonator, and the phase shift unit is provided in the laser resonator. A distributed feedback semiconductor laser formed so as to be shifted rearward from the center has been proposed (see Patent Document 2: JP-A-2001-36192). This configuration is shown in FIG.
[0011]
The semiconductor laser of FIG. 21 has the same configuration as the semiconductor laser of FIG. 19 except that the position of the λ / 4 phase shift unit and the configuration of the diffraction grating are different. The description is omitted here.
[0012]
As shown in FIG. 21, in the diffraction grating 1102B, the λ / 4 phase shift unit 1103 is shifted backward from the center of the laser resonator. The height of the diffraction grating 1102B continuously decreases from the rear of the laser resonator to the front. As a result, as compared with the conventional semiconductor laser of FIG. 19, the single mode yield as designed and the κ value tolerance (allowable width) for obtaining high output characteristics can be increased, and the semiconductor laser can be manufactured at a high yield. It is expected that it can be produced.
[0013]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional semiconductor laser shown in FIG. 21 is similar to the conventional semiconductor laser shown in FIG. 20 in that a modulation profile of a desired κ value along the resonator is realized by controlling the height of the diffraction grating. Therefore, it is difficult to precisely control the κ value despite the fact that the κ value tolerance is expanded as compared with the case of the semiconductor laser of FIG. 19, and it is still impossible to manufacture the semiconductor laser at a high yield. Can not.
[0014]
The specific method of forming the diffraction grating in the conventional semiconductor laser shown in FIG. 21 is as follows. That is, first, the diffraction grating 1102B is formed on the surface of the semiconductor substrate 1101 by etching, and then the optical guide layer 1104 is grown on the diffraction grating 1102B by MOVPE (Metal-Organic Vapor Phase Epitaxy). Let it. At this time, the semiconductor crystal forming the light guide layer 1104 grows in both the concave and convex portions of the diffraction grating 1102B. The light guide layer 1104 has irregularities reflecting the irregularities of the diffraction grating 1102B at the beginning of the growth process (while the thickness of the light guide layer 1104 is small). Go. In the growth step of the light guide layer 1104, the height of the diffraction grating 1102B is adjusted to a desired value by optimizing the standby condition. That is, the thickness of the light guide layer 1104 is set to be equal to or higher than the top of the diffraction grating 1102B. Eventually, as shown in FIG. 21, the unevenness of the diffraction grating 1102B is buried by the light guide layer 1104.
[0015]
In this method of controlling the mass transport by changing the standby condition in the growth step of the light guide layer 1104, it is difficult to precisely control the height of the diffraction grating 1102B. Therefore, the fluctuation of the height of the diffraction grating 1102B greatly changes the κ modulation profile in the cavity direction, and as a result, the oscillation characteristics and single mode yield of the semiconductor laser are greatly affected.
[0016]
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the conventional semiconductor laser shown in FIG. 21, and an object of the present invention is to provide a λ / 4 phase shift unit and a phase adjustment region in a laser resonator. Provides a semiconductor laser that can realize a κ modulation profile in the laser cavity direction required for obtaining high signal light output with high accuracy while maintaining a single mode yield equivalent to that of a semiconductor laser formed in the center. Is to do.
[0017]
Another object of the present invention is to provide a semiconductor laser capable of improving reproducibility and uniformity of oscillation characteristics.
[0018]
Still other objects of the present invention not specified herein will become apparent from the following description and accompanying drawings.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
(1) The semiconductor laser of the present invention
A semiconductor substrate;
A diffraction grating having a λ / 4 phase shift portion or a phase adjustment region formed on the semiconductor substrate;
A light guide layer formed on the semiconductor substrate adjacent to the diffraction grating,
An active layer formed adjacent to the light guide layer,
In a semiconductor laser in which an optical waveguide that propagates laser light is formed including the active layer,
At least one of the composition and the thickness of the light guide layer is modulated along the optical waveguide direction, and the light guide layer is at a level lower than the peak of the diffraction grating over the entire surface. Things.
[0020]
(2) In the semiconductor laser of the present invention, at least one of the composition and the thickness of the light guide layer is modulated along the direction of the optical waveguide, and the light guide layer extends over the entire surface from the top of the diffraction grating. Is also at a low level. For this reason, the modulation profile of the value (κ value) of the diffraction grating coupling coefficient κ is not at the height of the diffraction grating, but at a level lower than the peak of the diffraction grating, and at least one of the composition and the thickness is different. It is precisely controlled by the modulated light guide layer. Therefore, the tolerance for the modulation profile of the κ value is widened.
[0021]
As a result, the laser resonator required to obtain a high signal light output while maintaining a single mode yield equivalent to that of the semiconductor laser in which the λ / 4 phase shift portion and the phase adjustment region are formed in the center of the laser resonator. The κ modulation profile in the direction can be realized with high accuracy. Further, since the κ modulation profile can be realized with high accuracy, the reproducibility and uniformity of the oscillation characteristics can be improved.
[0022]
(3) In Patent Document 3 (Japanese Patent Laid-Open No. 2-105593), in a semiconductor laser having a diffraction grating, an InGaAsP layer having a thickness smaller than the height of the peak of the diffraction grating is provided on the diffraction grating. In addition, there is disclosed a technique in which a film is provided on the InGaAsP layer with a thickness equal to or higher than the height of the peak of the diffraction grating. However, when this technique is used to form an active layer on a diffraction grating, the technique is intended to suppress the influence of the diffraction grating and improve the crystallinity of the active layer. .
[0023]
(4) In a preferred example of the semiconductor laser of the present invention, the thickness of the light guide layer at the peak of the diffraction grating is equal to or less than half the thickness at the trough of the diffraction grating.
[0024]
In another preferable example of the semiconductor laser of the present invention, the composition wavelength of the light guide layer is shorter than the oscillation wavelength of the semiconductor laser, and the distributed feedback operation by the diffraction grating is mainly realized by the periodic change of the refractive index. .
[0025]
In still another preferred example of the semiconductor laser of the present invention, the thickness of the semiconductor modified layer at the regrowth interface of the diffraction grating is set to 20% or less of the volume of the light guide layer.
[0026]
In still another preferred embodiment of the semiconductor laser of the present invention, the phase shift portion is located at a position behind the center of the semiconductor laser along the optical waveguide, and the diffraction is performed from a rear end to a front end of the semiconductor laser. The coupling coefficient (κ value) of the lattice is continuously reduced.
[0027]
In still another preferred example of the semiconductor laser of the present invention, a region where the κ value changes in the optical waveguide direction (κ value modulation region) is in a range of 1/10 or more and 以下 or less of the entire length of the optical waveguide. It is formed.
[0028]
In still another preferred embodiment of the semiconductor laser of the present invention, a current confinement structure having a pnpn thyristor structure is formed on both sides of the active layer.
[0029]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0030]
(1st Embodiment)
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view along a resonator (optical waveguide) showing a configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention. The operating wavelength (oscillation wavelength) of this distributed feedback semiconductor laser is preferably set in the range of 0.3 to 1.7 μm.
[0031]
As shown in FIG. 1, a diffraction grating 102 for selecting an oscillation wavelength is formed at a period of about 0.243 μm on a (001) plane of a semiconductor substrate 101 made of n-type InP. The height of the diffraction grating 102 is constant from the rear end face to the front end face of the laser resonator. In the diffraction grating 102, a λ / 4 phase shift unit 103 is formed in the middle thereof, and the λ / 4 phase shift unit 103 causes a quarter wavelength (λ / 4) of a standing wave in the resonator of the laser light. (Ie, a half cycle of the diffraction grating 102) is given a phase shift. Therefore, the phase of the diffraction grating 102 is shifted by (λ / 4) on both sides of the λ / 4 phase shift unit 103.
[0032]
The total length of the resonator (optical waveguide) of the semiconductor laser is 600 μm. The position of the λ / 4 phase shift unit 103 is set such that the side of the optical output from which the signal light of the semiconductor laser is emitted (the left side in FIG. 1) is forward, and the side of the optical output from which the monitor light is output is the small side (in FIG. The right side is defined as the rear side, and with reference to the front end face (the left side end face in FIG. 1), it is formed at a position of about 360 μm toward the rear side. Therefore, the λ / 4 phase shift unit 103 is located behind the center of the resonator.
[0033]
On the n-type InP substrate 101 on which the diffraction grating 102 is formed, a light guide layer 104 made of n-type InGaAsP is formed so as to overlap the diffraction grating 102. The composition of the light guide layer 104 is set such that the bandgap wavelength (wavelength composition) gradually decreases from 1.13 μm to 1.03 μm from the rear end to the front end of the laser. The thickness of the light guide layer 104 is set so as to gradually decrease from about 30 nm to about 10 nm from the rear end to the front end of the laser. In this way, the refractive index fluctuation along the optical waveguide is mainly realized by the light guide layer 404 existing only in the valley of the diffraction grating 102.
[0034]
An n-type InP buffer layer (thickness: about 0.1 μm, impurity concentration: 1 × 10 4) is formed on the light guide layer 104 made of n-type InGaAsP and the diffraction grating 102 exposed therefrom. 18 cm -3 ) 105 is formed. On the buffer layer 105, a separate confinement heterostructure (SCH) layer (wavelength composition: 1.1 μm, thickness: about 50 nm) made of non-doped InGaAsP, and an MQW structure (well layer) made of non-doped InGaAsP : Wavelength composition 1.5 μm, thickness about 5 nm, barrier layer: wavelength composition 1.2 μm, thickness about 10 nm). On the active layer 106, a p-type InP cladding layer (thickness: about 0.1 μm, impurity concentration: 1 × 10 18 cm -3 ) 107 are formed. The n-type InP buffer layer 105, the active layer 106 made of non-doped InGaAsP, and the p-type InP cladding layer 107 form a striped optical waveguide extending in the front-rear direction of the semiconductor laser.
[0035]
With the above configuration, the distribution of the value of the coupling coefficient κ of the diffraction grating 102 is as shown in FIG. That is, κ is 10 cm at the front end face (distance = 0) of the semiconductor laser. -1 Degree, 100 cm at the rear end face (distance = 600 μm) -1 And continuously increasing from the front end face to the rear end face.
[0036]
As clearly shown in FIG. 10, the semiconductor laser of the first embodiment has a stripe-shaped ridge structure, and the buffer layer 105, the active layer 106, and a part of the cladding layer 107 are inside the ridge structure. positioned. On both sides of the ridge structure, a current block layer 121 made of n-type InP (thickness: about 0.7 μm) and a current block layer 122 made of p-type InP (thickness: about 0.7 μm) are laminated in this order. ing. The remaining portion (thickness: about 3 μm) of the cladding layer 107 extends not only to the upper part of the ridge structure but also to the upper part of the current blocking layer 122.
[0037]
On the cladding layer 107, a cap layer 108 (thickness: about 0.3 μm) made of p-type InGaAs is formed. On the cap layer 108, a p-electrode 108 made of TiAu is formed. On the back surface of the substrate 101, an n-electrode 109 also made of TiAu is formed.
[0038]
Both the front end face and the rear end face of the semiconductor laminated structure having the above configuration are made of TiO. 2 And SiO 2 And is covered with an anti-reflection (AR) film 111 having a reflectance of 0.1% or less.
[0039]
Next, a method of manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment having the above configuration will be described with reference to FIGS.
[0040]
First, as shown in FIG. 2, electron beam (EB) lithography and HBr: H are formed on a (001) plane of a semiconductor substrate 101 made of n-type InP. 2 O 2 : H 2 A diffraction grating 102 for selecting an oscillation wavelength is formed with a period of about 0.243 μm by wet etching using an O-based etchant. At this time, the λ / 4 phase shift unit 103 is formed on the diffraction grating 102 at the position described above.
[0041]
Thereafter, as shown in FIG. 3, SiO 2 is placed on the n-type InP substrate 101 having the diffraction grating 102 formed on the surface. 2 A growth inhibition mask 302 having a thickness of 100 nm is formed. This growth blocking mask 302 is formed by thermal CVD, photolithography, and etching using hydrofluoric acid. 2 Made from. The mask 302 is composed of two trapezoidal (tapered) mask portions in which a stripe-shaped opening 304 is arranged at the center. The two mask portions are formed symmetrically with respect to the opening 304. The width of each mask portion of the mask 302, that is, the mask width 303 continuously decreases from about 50 μm to about 3 μm from the rear end face to the front end face. The width of the opening 304 between the opposing mask portions is about 2.0 μm, and is constant from the rear end face to the front end face. The opening 304 is used for selectively growing a predetermined semiconductor layer for an optical waveguide as described later.
[0042]
Subsequently, as shown in FIG. 4, an optical guide layer 104 made of n-type InGaAsP is grown on the diffraction grating 102 exposed from the opening 304 of the growth prevention mask 302 by selective MOVPE growth. At this time, due to the two trapezoidal mask portions of the mask 302, the composition of the light guide layer 104 continuously changes from the 1.13 μm wavelength composition to the 1.03 μm wavelength composition from the rear end face to the front end face. Can be changed. Further, the thickness of the light guide layer 104 is continuously changed from about 30 nm to about 10 nm from the rear end face to the front end face. The light guide layer 104 having a wavelength composition and a thickness that continuously changes in this manner can be obtained by appropriately selecting the growth conditions using the mask 302 shown in FIG.
[0043]
As is clear from FIG. 4, the thickness of the light guide layer 104 is smaller than the height of the peak of the diffraction grating 102 over its entire length. This is because, in the selective MOVPE growth process for the light guide layer 104, the thickness of the n-type InGaAsP crystal growing at the peak of the diffraction grating 102 is less than half the thickness of the n-type InGaAsP crystal growing at the valley. By optimizing the growth conditions, it can be realized. As a result, the refractive index fluctuation along the optical waveguide (laser resonator) is mainly realized by the n-type InGaAsP crystal existing in the valley of the diffraction grating 102, that is, the optical guide layer 104. Further, a distribution of the coupling coefficient κ of the diffraction grating 102 as shown in FIG. 5 is obtained.
[0044]
In the selective MOVPE growth of the n-type InGaAsP crystal on the diffraction grating 102, almost no growth occurs on the surface of the diffraction grating 102 having a high step density in the initial stage of growth, and most of the supplied raw material has a low step density. Grow on the surface. After that, as the valleys of the diffraction grating 102 are filled with the n-type InGaAsP crystal, the n-type InGaAsP crystal gradually grows on the peaks of the diffraction grating 102. Therefore, the modulation profile of the κ value in the direction along the resonator can be precisely controlled, and the reproducibility, uniformity, and single-mode yield of the oscillation characteristics can be greatly improved.
[0045]
Note that a metamorphic layer is formed at the regrowth interface of the n-type InGaAsP crystal in the diffraction grating 102, and its thickness is preferably set to 20% or less of the volume of the light guide layer 104. This is because a desired light guide layer 104 as shown in FIG. 4 can be reliably obtained. Further, both the composition and the thickness of the light guide layer 104 are changed from the rear end face to the front end face, but any one of the composition and the thickness may be changed.
[0046]
After growing the light guide layer 104 as described above, photolithography and wet etching using hydrofluoric acid are performed to remove the SiO 2 on the diffraction grating 102. 2 The growth inhibition mask 302 manufactured by the method is shaped to obtain a growth inhibition mask 603 as shown in FIG. That is, the trapezoidal mask portion 302 of the growth blocking mask 302 is selectively etched so that the mask width 303 is uniformly 3 μm in the direction along the laser resonator. As a result, a growth inhibition mask 603 as shown in FIG. 6 is obtained, in which two stripe-shaped mask portions are arranged on both sides of the stripe-shaped opening 605 (width 2 μm). The width of each mask portion, that is, the mask width 604 is 3 μm and is constant from the front end face to the rear end face.
[0047]
After that, the SiO 2 As shown in FIG. 7, a buffer layer of n-type InP (thickness: about 0.1 μm, impurity concentration: 1 × 10 5) is formed by selective MOVPE growth using a growth inhibition mask 18 cm -3 ) 105, on which an SCH layer made of non-doped InGaAsP (wavelength composition: 1.1 μm, thickness: about 50 nm) and an MQW structure made of non-doped InGaAsP (well layer: wavelength composition: 1.5 μm, thickness about 5 nm) , Barrier layer: an active layer 106 having a wavelength composition of about 1.2 μm and a thickness of about 10 nm), and a p-type InP cladding layer (thickness: about 0.1 μm, impurity concentration: 1 × 10 3) 18 cm -3 ).
[0048]
The n-type InP buffer layer, the non-doped InGaAsP active layer 106 and the p-type InP thus formed constitute an optical waveguide. Since the semiconductor crystal does not grow in the portion of the growth blocking mask 603 covered by the mask portion, the optical waveguide thus formed has a stripe-shaped ridge structure extending from the front end to the rear end of the substrate 101. After that, the growth inhibition mask 603 is removed using hydrofluoric acid. The state at this time is as shown in FIG.
[0049]
Subsequently, SiO 2 is deposited over the entire surface of the substrate 101 by thermal CVD. 2 After depositing a film (not shown), the SiO 2 The film is patterned using hydrofluoric acid to form a stripe-shaped growth inhibition mask 801 that covers only the top of the ridge structure (optical waveguide), as shown in FIG. Then, selective MOVPE growth is performed using this mask 801, and as shown in FIG. 9, a current blocking layer made of p-type InP (thickness: about 0.7 μm) is formed on a buffer layer 105 made of n-type InP. A current block layer 121 (thickness: about 0.7 μm) 122 made of n-type InP is formed in order. As a result, the current blocking layers 121 and 122 are formed on both sides of the ridge structure (optical waveguide). After that, the growth blocking mask 801 is removed. The state at this time is as shown in FIG.
[0050]
Next, as shown in FIG. 10, the remaining portion of the cladding layer 107 made of p-type InP is grown to a thickness of about 3 μm. The surface of the cladding layer 107 is flat. Further, a cap layer 108 made of p-type InGaAs is grown thereon to a thickness of about 0.3 μm.
[0051]
Subsequently, a p-electrode 108 made of TiAu is formed on the surface of the cap layer 108, and an n-electrode 109 made of TiAu is formed on the back surface of the substrate 101. Thereafter, a heat treatment for alloying the p-electrode 109 and the n-electrode 110 is performed at 430 ° C. Thus, a laser structure is completed on the semiconductor substrate 101. Actually, since a large number of laser structures are simultaneously formed on the semiconductor substrate 101 through the above-described steps, each laser structure is divided so that the cavity length becomes 600 μm. Then, TiO was added to the front and rear end faces of the obtained laser structure. 2 / SiO 2 By coating and forming an anti-reflection (AR) film 111 having a reflectance of 0.1% or less, the distributed feedback semiconductor laser of the first embodiment having the configuration shown in FIG. 1 is completed.
[0052]
In the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment having the above configuration, both the composition and the thickness of the light guide layer 104 are modulated along the direction of the optical waveguide, and the light guide layer 104 is formed on the entire surface thereof. Over a level lower than the peak of the diffraction grating 102. For this reason, the modulation profile of the value (κ value) of the diffraction grating coupling coefficient κ is not at the height of the diffraction grating 102 but at a level lower than the peak of the diffraction grating 102 and its composition and thickness are modulated. It is precisely controlled by the light guide layer 104. Therefore, the tolerance for the modulation profile of the κ value is widened.
[0053]
As a result, the [lambda] / 4 phase shifter 1-3 maintains the single mode yield equivalent to that of the semiconductor laser formed at the center of the laser resonator, while maintaining the laser resonator direction necessary for obtaining a high signal light output. Can be realized with high precision. Further, since the κ modulation profile can be realized with high accuracy, the reproducibility and uniformity of the oscillation characteristics can be improved.
[0054]
Further, in the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment, a region (low κ region) 112 having a small coupling coefficient κ of the diffraction grating 102 is located forward, and a region 113 having a large coupling coefficient κ (high κ region) 113. Is behind, the electric field strength inside the semiconductor laser is large in the front and small in the rear as shown in FIG. Further, in the λ / 4 phase shift unit 103 (located at a distance of 360 μm from the front end face) introduced to improve the single mode yield, a peak of the electric field intensity occurs. That is, electric field concentration occurs in the λ / 4 phase shift unit 103. As a result, as shown in FIG. 12, the current-light output characteristics in front of the element from which the signal light is emitted are improved as compared with the conventional structure in which the value of the coupling coefficient κ is uniform in the laser resonator.
[0055]
In the first embodiment, both the wavelength composition and the thickness of the light guide layer 104 are continuously modulated between the rear end face and the front end face, but the wavelength composition or the thickness of the light guide layer 104 is modulated. Almost the same effect can be obtained by simply performing the operation.
[0056]
In the first embodiment, the region where the κ value changes in the direction along the optical waveguide (κ value modulation region) extends over the entire length of the optical waveguide, but is not limited to this. The optical waveguide may be formed so as to be limited to a range of 1/10 or more and 1/3 or less of the entire length of the optical waveguide.
[0057]
(2nd Embodiment)
In the above-described first embodiment, the optical waveguide including the n-type InP buffer layer 105, the non-doped InGaAsP active layer 106, and the p-type InP clad layer 107 is directly formed by selective MOVPE growth. The optical waveguide can be formed by wet etching or dry etching using a mask. The distributed feedback semiconductor laser according to the second embodiment is manufactured by such a method.
[0058]
A method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
[0059]
The steps from the step of forming the diffraction grating 102 on the semiconductor substrate 101 to the step of forming the light guide layer 104 thereon are the same as in the first embodiment. That is, first, as shown in FIG. 2, in the same manner as in the first embodiment, the diffraction grating 102 having the λ / 4 phase shift portion 103 on the (001) plane of the semiconductor substrate 101 made of n-type InP. And then SiO 2 2 An n-type InGaAsP light guide layer 104 having a modulated wavelength composition and thickness is grown on the diffraction grating 102 by using a growth inhibition mask 302 made of GaAs. The thickness of the light guide layer 104 is smaller than the height of the diffraction grating 102 over its entire length.
[0060]
After that, after completely removing the growth blocking mask 302, the optical waveguide layer 130 is formed over the entire surface of the semiconductor substrate 101 by MOVPE growth. The optical waveguide layer 130 includes an n-type InP buffer layer 105 formed on the n-type InGaAsP light guide layer 104, a non-doped InGaAsP active layer 106 formed on the n-type InP buffer layer 105, and a non-doped InGaAsP active layer. And a part of the p-type InP cladding layer 107 formed on the upper surface 106. Here, the active layer 106 includes a first SCH layer (wavelength composition: 1.1 μm, thickness: about 50 nm) made of non-doped InGaAsP and an MQW structure (well layer: wavelength composition 1.5 μm, thickness 5 nm) made of non-doped InGaAsP. And a barrier layer: a wavelength composition of about 1.2 μm and a thickness of about 10 nm) and a second SCH layer made of non-doped InGaAsP (a wavelength composition of about 1.1 μm and a thickness of about 50 nm).
[0061]
Subsequently, as shown in FIG. 13, a stripe-shaped mask having a width of 2 μm is formed on the p-type InP cladding layer 107 so that the region where the diffraction grating 102 is formed together with the light guide layer 104 is completely protected. 201 is formed. Then, using the mask 201 as an etching mask, the optical waveguide layer 130 is selectively etched to form a groove 131. The groove 131 forms a striped optical waveguide (ridge structure) from the optical waveguide layer 130.
[0062]
Then, using the same mask 201 as a growth preventing mask, a current blocking layer 141 made of p-type InP and a current blocking layer 142 made of n-type InP are formed in the trench 131 by MOVPE selective growth, as shown in FIG. The layers are sequentially formed. At this time, the entire groove 131 is prevented from being buried by the current blocking layers 141 and 142.
[0063]
Further, after removing the mask 201, the remaining portion of the p-type InP cladding layer 107 is formed on the entire surface of the semiconductor substrate 101 to fill the entire groove 131, and the cladding layer 107 having a predetermined thickness is formed thereon. To be placed. On the cladding layer 107, a cap layer 108 made of p-type InGaAs is formed.
[0064]
Subsequent steps are the same as in the first embodiment. That is, a p-electrode 108 made of TiAu is formed on the surface of the cap layer 108, an n-electrode 109 made of TiAu is formed on the back surface of the substrate 101, and then heat treatment for alloying the two electrodes 109 and 110 is performed. Then, each laser structure on the substrate 101 is divided so that the cavity length becomes 600 μm, and an anti-reflection (AR) film 111 is applied and formed on both front and rear end surfaces of the obtained laser structure. A distributed feedback semiconductor laser is completed. The cross section along the resonator of the semiconductor laser of the second embodiment is the same as that shown in FIG.
[0065]
In the distributed feedback semiconductor laser of the second embodiment having the above-described configuration, the same diffraction grating 102 and light guide layer 104 as those of the first embodiment are formed on the semiconductor substrate 101. The same effect as in the case of is obtained.
[0066]
In the second embodiment, the remaining portions of the current blocking layers 141 and 142 and the cladding layer 107 are formed by MOVPE growth, but may be formed by LPE (Liquid Phase Epitaxy, liquid phase growth method). Good.
[0067]
(Third embodiment)
In the first and second embodiments described above, the diffraction grating 102 is formed below the MQW active layer 106 (on the side of the substrate 101). In the present invention, the diffraction grating is formed after growing the active layer. It is also effective in the structure. The distributed feedback semiconductor laser according to the third embodiment has such a configuration.
[0068]
A method of manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the third embodiment will be described with reference to FIGS.
[0069]
First, as shown in FIG. 16, a buffer made of n-type InP is formed on the (001) plane of the n-type InP substrate 101 on which the diffraction grating and the light guide layer are not formed in the same manner as in the first embodiment. Layer (thickness: about 0.1 μm, impurity concentration: 1 × 10 18 cm -3 ) 105 is formed. Thereafter, a first SCH layer (wavelength composition: 1.1 μm, thickness: about 50 nm) made of non-doped InGaAsP and an MQW structure made of non-doped InGaAsP (well layer: wavelength composition 1.5 μm, thickness) are formed on the buffer layer 105. 5 nm, barrier layer: wavelength composition: 1.2 μm, thickness: about 10 nm) and a second SCH layer made of non-doped InGaAsP (wavelength composition: 1.1 μm, thickness: about 50 nm) are laminated in this order, and MQW activity is increased. A layer 106 is formed. Further, on the MQW active layer 106, a cladding layer made of p-type InP (thickness: about 0.1 μm, impurity concentration: 1 × 10 18 cm -3 ) 107 is formed. The n-type InP buffer layer 105, the non-doped InGaAsP active layer 106, and the p-type InP clad layer 107 thus formed constitute an optical waveguide layer 130. The buffer layer 105, the MQW active layer 106, and the cladding layer 107, that is, the optical waveguide layer 130 are formed over the entire surface of the substrate 101.
[0070]
Thereafter, a diffraction grating (not shown) having a depth of 30 nm is formed on the cladding layer 107 by EB exposure and etching. This diffraction grating has a λ / 4 phase shift portion, and extends in the direction perpendicular to the plane of FIG. On this diffraction grating, a growth blocking mask 202 is formed. The growth blocking mask 202 has the same configuration as the mask 302 shown in FIG.
[0071]
Subsequently, an optical guide layer is formed by selective MOVPE growth so as to overlap the diffraction grating such that the maximum thickness is 50% of the depth of the diffraction grating. The state at this time is the same as in the case of FIG. After that, the growth blocking mask 202 is removed.
[0072]
Next, the remaining portion of the p-type InP cladding layer 107 is grown to a thickness of about 3 μm on the previously formed p-type InP cladding layer 107, and a p-type InP cap layer 108 is further formed thereon to a thickness of 0 μm. It grows to about 3 μm. Both the p-type InP cladding layer 107 and the p-type InP cap layer 108 are formed on the entire surface of the substrate 101. The state at this time is as shown in FIG.
[0073]
Then, on the p-type InP cap layer 108, SiO 2 2 After a mask 203 having a stripe-shaped mask portion is formed, the waveguide layer 130 is selectively removed by wet etching or dry etching using the mask 203. Thus, as shown in FIG. 18, grooves 131 are formed on both sides of the stripe-shaped mask portion, thereby forming an optical waveguide having a ridge structure.
[0074]
After that, a current block layer 141 made of p-type InP, a current block layer 142 made of n-type InP, and a current block layer 143 made of p-type InP are formed in this order so as to fill the trench 131. As a result, the current blocking layers 141, 142, and 143 are formed on both sides of the ridge structure (optical waveguide). The state at this time is as shown in FIG. After that, the growth blocking mask 203 is removed.
[0075]
The p-type InP current blocking layer 141, the n-type InP current blocking layer 142, and the p-type InP current blocking layer 143 together with the n-type InP substrate 101 provide a pnpn thyristor configuration.
[0076]
The steps from the subsequent steps of forming the p-electrode 108 and the n-electrode 109 to the steps of applying and forming the anti-reflection (AR) films 111 on the front and rear end faces of each laser structure are the same as those in the second embodiment. Thus, the distributed feedback semiconductor laser according to the third embodiment is completed.
[0077]
In the distributed feedback semiconductor laser of the third embodiment having the above configuration, the same diffraction grating 102 and light guide layer 104 as in the first embodiment are formed on the n-type InP cladding layer 107. The same effect as in the first embodiment can be obtained.
[0078]
(Fourth embodiment)
In the above-described first to third embodiments, a λ / 4 phase shift unit is introduced into a part of the diffraction grating in order to improve the single mode yield. A phase adjustment region using a grating may be introduced. The distributed feedback semiconductor laser according to the fourth embodiment is obtained by replacing the λ / 4 phase shift section with this phase adjustment region, and the other configuration is the same as the distributed feedback semiconductor laser according to the first or second embodiment. It has the same configuration as a laser. Therefore, illustration and description of the configuration are omitted.
[0079]
In the phase adjustment region, the period of the diffraction grating is made shorter than the other portions, and the accumulated phase change amount, which is the sum of the phase change amounts in the diffraction grating period modulation region, is a quarter of the wavelength of the standing wave in the resonator of the laser light. 1 (λ / 4). In the semiconductor laser manufactured in this manner, the period in the phase adjustment unit is short, and the wavelength of oscillation is slightly shorter than the period in the front and rear parts of the semiconductor laser in which the period of the diffraction grating is uniform. Since the change in the refractive index is felt as the period, the amount of phase shift is slightly larger than λ / 4 with respect to the periods of the diffraction gratings at the front and rear portions of the semiconductor laser. In this semiconductor laser, since the electric field concentration in the phase adjustment region is suppressed, the semiconductor laser is stable up to a higher light output range as compared with the structure having the λ / 4 phase shift portion shown in the first embodiment or the second embodiment. There is an advantage that an excellent single mode oscillation characteristic can be obtained.
[0080]
Note that the cumulative phase shift amount in the phase adjustment region is not limited to λ / 4, but may be 3λ / 4, 5λ / 4, or the like. In addition, in order to obtain stable single-mode characteristics at a high yield, it is desirable that the phase adjustment region of the diffraction grating is 1/10 or more and 1/3 or less of the entire length of the semiconductor laser.
[0081]
(Modification)
In the first to fourth embodiments described above, the present invention is applied to a distributed feedback (DFB) type semiconductor laser, but the present invention is not limited to this. The present invention provides a distributed Bragg reflector (DBR) type semiconductor laser obtained by integrating a semiconductor laser and a Bragg waveguide on which a diffraction grating is formed, and an electric field in which a semiconductor laser and a modulator are integrated. The present invention can be applied to an optical integrated device such as an absorption modulator integrated semiconductor laser.
[0082]
In the first to fourth embodiments described above, the MQW active layer is made of an InGaAsP / InP-based material, but the present invention is not limited to this. The MQW active layer may use an AlGaAs / GaAs-based material, an AlGaInP / GaInP-based material, a GaN-based material, a ZnSe-based material, or another compound semiconductor material.
[0083]
The present invention can be applied not only to a semiconductor laser having a diffraction grating but also to an optical integrated device such as a modulator integrated light source in which the semiconductor laser is integrated.
[0084]
It is needless to say that the present invention is not limited to the above embodiments, and can be appropriately changed within the scope of the technical idea of the present invention. Further, the number, position, shape, and the like of the constituent members are not limited to the above-described embodiment, but can be set to a number, position, shape, and the like suitable for carrying out the present invention.
[0085]
【The invention's effect】
In the semiconductor laser of the present invention, the λ / 4 phase shift portion and the phase adjustment region are necessary for obtaining a high signal light output while maintaining a single mode yield equivalent to that of the semiconductor laser formed in the center of the laser resonator. A highly accurate κ modulation profile in the laser cavity direction can be realized with high accuracy. In addition, the reproducibility and uniformity of the oscillation characteristics can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a vertical longitudinal sectional view along a resonator showing a configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view illustrating a method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic perspective view showing a method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention, and is a continuation of FIG. 2;
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating the method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention, which is a continuation of FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a distribution of a coupling coefficient κ in an axial direction of the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic sectional view illustrating the method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention, which is a continuation of FIG.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention, which is a continuation of FIG. 6;
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention, and is a continuation of FIG. 7;
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention, and is a continuation of FIG.
FIG. 10 is a schematic sectional view illustrating the method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention, which is a continuation of FIG. 9;
FIG. 11 is a graph showing a normalized electric field intensity distribution in a direction along a resonator of the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a graph showing a relationship (current-light output characteristic) between forward light output P and injection current I of the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a distributed feedback semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention, and is a continuation of FIG.
FIG. 15 is a schematic sectional view illustrating the method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention, which is a continuation of FIG.
FIG. 16 is a schematic sectional view illustrating a method for manufacturing a distributed feedback semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a schematic sectional view illustrating the method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention, which is a continuation of FIG. 16;
FIG. 18 is a schematic sectional view illustrating the method for manufacturing the distributed feedback semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention, which is a continuation of FIG. 17;
FIG. 19 is a vertical longitudinal sectional view taken along a resonator, showing a structure of an example of a conventional distributed feedback semiconductor laser.
FIG. 20 is a vertical longitudinal sectional view taken along a resonator, showing a structure of another example of a conventional distributed feedback semiconductor laser.
FIG. 21 is a vertical longitudinal sectional view along a resonator, showing a structure of still another example of the conventional distributed feedback semiconductor laser.
[Explanation of symbols]
101 semiconductor substrate
102 diffraction grating
103 λ / 4 phase shift unit
104 Light guide layer
105 buffer layer
106 MQW active layer
107 cladding layer
108 cap layer
109 p electrode
110 n electrode
111 Anti-reflection (AR) film
112 Low κ region
113 High κ region
121, 122 Current block layer
130 Optical waveguide layer
131 groove
141, 142, 143 Current block layer
201, 202, 203 mask
302 mask
303 Mask width
304 mask opening
603 mask
604 mask width
605 mask opening
801 mask

Claims (7)

半導体基板と、
前記半導体基板上に形成された、λ/4位相シフト部あるいは位相調整領域を有する回折格子と、
前記回折格子に隣接して前記半導体基板上に形成された光ガイド層と、
前記光ガイド層に隣接して形成された活性層とを備え、
レーザ光を伝播する光導波路が前記活性層を含んで形成されている半導体レーザにおいて、
前記光ガイド層の組成および厚さの少なくとも一方が、光導波路方向に沿って変調されていると共に、前記光ガイド層がその全面にわたって前記回折格子の山頂よりも低いレベルにあることを特徴とする半導体レーザ。
A semiconductor substrate;
A diffraction grating having a λ / 4 phase shift portion or a phase adjustment region formed on the semiconductor substrate;
A light guide layer formed on the semiconductor substrate adjacent to the diffraction grating,
An active layer formed adjacent to the light guide layer,
In a semiconductor laser in which an optical waveguide that propagates laser light is formed including the active layer,
At least one of the composition and the thickness of the light guide layer is modulated along the optical waveguide direction, and the light guide layer is at a level lower than the peak of the diffraction grating over the entire surface. Semiconductor laser.
前記光ガイド層の前記回折格子の山部における厚さが、前記回折格子の谷部における厚さの半分以下とされている請求項1に記載の半導体レーザ。2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein a thickness of the light guide layer at a peak of the diffraction grating is equal to or less than half a thickness at a valley of the diffraction grating. 前記光ガイド層の組成波長が当該半導体レーザの発振波長よりも短く、前記回折格子による分布帰還動作が主として屈折率の周期的な変化により実現される請求項1または2に記載の半導体レーザ。3. The semiconductor laser according to claim 1, wherein a composition wavelength of the light guide layer is shorter than an oscillation wavelength of the semiconductor laser, and the distributed feedback operation by the diffraction grating is mainly realized by a periodic change in a refractive index. 前記回折格子の再成長界面における半導体変成層の厚さが、前記光ガイド層の体積の20%以下に設定されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の半導体レーザ。4. The semiconductor laser according to claim 1, wherein a thickness of the semiconductor metamorphic layer at a regrowth interface of the diffraction grating is set to 20% or less of a volume of the light guide layer. 5. 前記位相シフト部が、前記光導波路に沿って当該半導体レーザの中央より後方の位置にあり、当該半導体レーザの後端から前端に向かって前記回折格子の結合係数(κ値)が連続的に減少せしめられている請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ。The phase shift unit is located at a position behind the center of the semiconductor laser along the optical waveguide, and a coupling coefficient (κ value) of the diffraction grating continuously decreases from a rear end to a front end of the semiconductor laser. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the semiconductor laser is provided. 前記光導波路方向でκ値が変化する領域が、前記光導波路の全長の1/10以上、1/3以下の範囲に形成されている請求項1〜5のいずれか1項に記載の半導体レーザ。The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 5, wherein a region where a κ value changes in the optical waveguide direction is formed in a range of 1/10 or more and 1/3 or less of the entire length of the optical waveguide. . 前記活性層の両側にpnpnサイリスタ構成による電流狭窄構造が形成されている請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体レーザ。7. The semiconductor laser according to claim 1, wherein a current confinement structure having a pnpn thyristor structure is formed on both sides of the active layer. 8.
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