JP2004140142A - 半導体レーザおよび光通信用素子 - Google Patents

Abstract

【課題】出射角度がずれることなく光を出射できる、窓構造を有する半導体レーザを提供する。
【解決手段】活性層で発生した光が、窓部を経て出射される半導体レーザにおいて、基板上に形成された窓部は、第１のキャリア濃度で形成された、第１の半導体層と、第１の半導体層上に、活性層の延長面を含むように形成され、かつ、第１のキャリア濃度より低い第２のキャリア濃度で形成された、第２の半導体層とを有している。窓部にはさらに、第２の半導体層の上方に、第３のキャリア濃度で形成された第３の半導体層が設けられている。第３の半導体層により、窓部の光の屈折率の分布は、活性層の延長面を中心にして積層方向に対称である。これにより、発生した光は均等に伝播されるので、上下方向（積層方向）にずれることなく光を出射させることができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザおよび半導体レーザと他の光素子とを集積化した光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザの出射端面は、面発光レーザ等の特殊なレーザを除き、通常へき開により形成される。へき開の後には、半導体レーザの用途に応じて、出射端面に高反射コーティング、低反射コーティング、無反射コーティング等のコーティングが施される。
【０００３】
半導体レーザには、レーザが出射される端面における反射光が半導体レーザの活性層に戻ると問題が生じるものが存在する。例えば、光通信に用いられる分布帰還型レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ；　ＤＦＢ−ＬＤ）、中でもλ／４シフトＤＦＢ−ＬＤと呼ばれるレーザである。このようなレーザでは、その端面に無反射コーティングが行われる。この無反射コーティングとは、理想的には反射率が０のコーティング膜を施すコーティングをいう。反射率は０であることが好ましいが、コーティング膜の作製精度のばらつき等が原因となり、完全に０にすることはできない。よって無反射コーティングを行った場合でも、レーザの出射端面では実際には反射が生じている。
【０００４】
無反射端面が必要とされるレーザでは、いわゆる窓構造が採用されることが多い（窓構造の原理については非特許文献１参照）。窓構造により、端面からの反射戻り光が半導体レーザの活性層に戻らないようにできるからである。
【０００５】
窓構造を採用することにより、反射戻り光が活性層に戻らないようにできる理由は以下のとおりである。すなわち、窓構造部分には導波路構造が存在しないので、活性層から窓部に入射した光は徐々に広がりながら伝搬する。その結果、レーザの端面では光の強度分布が広がった状態になる。端面に到達した光の一部は、無反射コーティングを施した場合でもわずかに反射するが、光の強度分布が広がっているため、反射光のかなりの部分は活性層に戻ることはない。よって、窓構造を設けることにより実効的に反射率を低下させることができる。
【０００６】
このほかにも、窓構造は、分布帰還型レーザと同じく端面反射率を実効的に下げるため、変調器とレーザとを集積化した素子においても用いられる。窓構造はさらに、高出力レーザにおいても用いられる。高出力レーザでは、端面での光密度が高い場合には部分的に温度上昇が生じやすく、端面部分が熱により損傷を起こしレーザの劣化を招くことがある。その劣化を回避するために、光を徐々に広げて端面での光密度を下げられる窓構造が有効になる。
【０００７】
【非特許文献１】
ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　Ｖｏｌ．ＱＥ−２０，　Ｎｏ．３，　ｐｐ．２３６−２４５　（１９８４）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の窓構造では、反射戻り光や光密度を下げられる一方、出射光の出射角度が上下方向（出射方向に垂直な方向）にずれやすい、という問題があった。その理由は以下のとおりである。
【０００９】
半導体レーザは、活性層を中心として、積層方向に関して本質的に非対称な構造となりやすい。なぜなら、半導体レーザはダイオードであり、ｐ型半導体とｎ型半導体から構成されているからである。通常は、活性層の下側がｐ型であれば上側はｎ型であり、下側がｎ型であれば上側はｐ型である。さらに、幅１〜２μｍの活性層に電流を集中させるための電流狭窄構造が、活性層の一方の側に設けられる場合もあり、非対称の一因となる。
【００１０】
ところで、ＩｎＰ系やＧａＡｓ系の材料を用いた半導体レーザでも同様に、導電型だけでなくキャリア濃度分布も上下非対称となりやすい。素子の製作を行う際、ｐ型のキャリア濃度を高めることが難しいからである。キャリア濃度の高低が生じると、プラズマ効果とよばれる現象により、材料の屈折率は変化する。その結果、素子内の光の屈折率も上下で非対称性となる。窓部においても例外ではなく、活性層の延長面を中心にして、積層方向の屈折率は上下で非対称である。
【００１１】
キャリア濃度分布に起因する材料の屈折率が非対称な半導体レーザでは、光の出射角度が、上下方向（積層方向）にずれる現象が見受けられる。光は屈折率の低い部分を避けて伝搬するからである。
【００１２】
以下、光の出射角度がずれる具体的な例を具体的に説明する。従来のレーザでは、窓部の光軸（活性層の延長面）直下に高キャリア濃度のｎ型ＩｎＰ層が存在する。ｎ型ＩｎＰ層は電流ブロック層として作用しており、キャリア濃度が低い場合には高温・高出力特性が劣化するという理由から、キャリア濃度を高くしている。この結果、高キャリア濃度のｎ型ＩｎＰ層の屈折率は、上述のプラズマ効果による屈折率変化により、その上方にあるｐ型ＩｎＰ層またはｎ型ＩｎＰ層の屈折率よりも０．６％ほど低くなる。このため出射光は、窓部を伝搬するにしたがって上方に曲がり、約５〜１０°の角度で端面から上方に出射される。
【００１３】
出射光の出射角度がずれてしまうと、例えば、レーザの出射光を光ファイバーに結合する際に、結合効率が低下する等の不具合が生じてしまう。
【００１４】
本発明の目的は、出射角度がずれることなく光を出射できる、窓構造を有する半導体光素子を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明による半導体レーザは、活性層で発生した光を、基板上に形成された窓部を経て出射する。窓部は、第１のキャリア濃度で形成された、第１の半導体層と、前記第１の半導体層上に、前記活性層の延長面を含むように形成され、かつ、前記第１のキャリア濃度より低い第２のキャリア濃度で形成された、第２の半導体層とを有する。窓部にはさらに、前記第２の半導体層の上方に、第３のキャリア濃度で形成された第３の半導体層を設けられており、該窓部の光の屈折率の分布を、前記活性層の延長面を中心にして積層方向に対称にしている。これにより上記目的が達成される。
【００１６】
前記第３のキャリア濃度は、前記第１のキャリア濃度とほぼ等しくてもよい。
前記第３の半導体層は、前記第２の半導体層上に積層されていてもよい。
前記第３の半導体層は、前記第２の半導体層上に積層された第４の半導体層上に積層されていてもよい。
【００１７】
前記第３の半導体層は、さらに前記活性層の上方にわたっても設けられていてもよい。
前記基板は、ｐ型ＩｎＰ基板であり、前記第１の半導体層、および、前記第３の半導体層は、ｎ型ＩｎＰ層であってもよい。
前記第２の半導体層は、ＩｎＧａＡｓＰにより形成されていてもよい。
【００１８】
本発明による上述の半導体レーザと、光変調器とを集積化して光通信用素子を得ることもできる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１の（ａ）は、実施の形態１による半導体レーザ１０の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’における半導体レーザ１０の断面図である。本実施の形態による半導体レーザ１０は、光を出射する端面に窓部を有する。ここで「窓部」とは、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２の端面から半導体レーザ１０の出射端面までの幅をもつ、電極７および電極８の間に挟まれている領域をいう。窓部を設けることにより、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２において発生した光は、その層２から出た後、窓部を通過して半導体レーザ１０外部に出射されることになる。
【００２１】
半導体レーザ１０は、ｐ型ＩｎＰ基板１と、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２と、ｎ型ＩｎＰクラッド層３と、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層４と、ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層５と、ｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６と、電極７および８とを有する。半導体レーザ１０では、電極７および８から注入された正孔および電子が、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２において結合し、光を発する。光はあらゆる方向に発するが、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２に平行な方向の光のみが取り出される。そして光は、窓部を経て外部へ出射される。
【００２２】
実施の形態１の特徴は、キャリア濃度を調整したｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６を設けて、窓部における光軸の上下の屈折率分布が等しくなるようにしたことにある。活性層２の延長面を中心にして、積層方向の屈折率分布が上下対称になるので、発生した光は均等に伝播し、上下方向（積層方向）にずれることなく出射される。
【００２３】
以下、半導体レーザ１０の形成工程を説明する。図１の（ａ）および（ｂ）に示す構造の半導体レーザ１０は、エピタキシャル成長法により各層を積層し、エッチングにより所定の個所を除去して形成できる。エピタキシャル成長法として、例えば、成長させる有機金属を含んだ気体を基板に向かって流し、基板表面上の化学反応によって成長させる有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ）や、有機金属を高真空中で基板に向かって蒸発させ、基板に付着させて成長させる有機金属分子線成長法（ＭＯＭＢＥ）が利用できる。
【００２４】
ＭＯＶＰＥを利用した具体的な積層手順を説明する。まず、ｐ型ＩｎＰ基板１上に、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２が積層される。その後、エッチングを行ってＩｎＧａＡｓＰ活性層２の一部を除去する。エッチングは、参照符号４で示される層の下部まで行われる。その後、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層４、ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層５、ｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６、およびｎ型ＩｎＰクラッド層３が順に積層される。そして最後に電極７および８を形成する。
【００２５】
本実施の形態では、ｐ型ＩｎＰ基板１のキャリア濃度は、例えば５×１０^１８個／ｃｍ^３である。以下、「個／ｃｍ^３」を便宜的に「ｃｍ^−３」と表現すると、他の層のキャリア濃度は、ｎ型ＩｎＰクラッド層３が１×１０^１８ｃｍ^−３、ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層４が８×１０^１８ｃｍ^−３、ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層５が１×１０^１８ｃｍ^−３、ｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６が８×１０^１８ｃｍ^−３である。ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層４は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２に電流を集中させるために設けられている。ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層４のキャリア濃度が高い理由は、良好な高温・高出力特性を得るためである。
【００２６】
半導体レーザ１０では、窓部の光軸直下に、高キャリア濃度のｎ型ＩｎＰ電流ブロック層４が存在する一方、光軸の直上に、同じキャリア濃度のｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６が設けられている。よって、窓部における屈折率分布は、活性層２の延長面を中心にして、積層方向（上下）でほぼ対称となる。その結果、発生した光は均等に伝播し、上下方向（積層方向）にずれることなく出射されると考えられる。図２は、半導体レーザ１０で発生した光の伝播の様子をＢＰＭにより計算した結果を示す図である。図から明らかなように、光の出射方向は実際に水平であり、光の出射の角度ずれは存在していない。
【００２７】
（実施の形態２）
実施の形態２では、共振器全体にわたってｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６が積層された半導体レーザを説明する。
【００２８】
図３の（ａ）は、実施の形態２による半導体レーザ３０の断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’における半導体レーザ３０の断面図である。本実施の形態による半導体レーザ３０もまた、実施の形態１と同様に窓構造を有する。
【００２９】
半導体レーザ３０の層構造は、ｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６の位置および範囲を除いて半導体レーザ１０（図１）と同様である。以下では主として、ｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６を説明する。なお、各層の濃度は実施の形態１と同様である。
【００３０】
ｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６は、ｎ型ＩｎＰクラッド層３の層に挿入されるように形成されている。すなわち、ｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６は、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２およびｐ型ＩｎＰ電流ブロック層５上に積層されたｎ型ＩｎＰクラッド層３上に設けられている。ｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６の上面には、再びｎ型ＩｎＰクラッド層３が積層されている。このような構造は、実施の形態１で説明したｐ型ＩｎＰ電流ブロック層５の積層の後に、ｎ型ＩｎＰクラッド層３、ｎ型ＩｎＰ屈折率調整層６、そして再びｎ型ＩｎＰクラッド層３を積層することにより得ることができる。このように構成することによっても、活性層２の延長面を中心にして、積層方向（上下）でほぼ対称にできる。よって、光９の出射の角度がずれることはない。
【００３１】
ただし、共振器全体にわたって高キャリア濃度層（屈折率調整層６）が存在するため、自由キャリア吸収によりレーザのしきい値電流が増加し、効率の低下を生じる。したがって、ｎ型ＩｎＰクラッド層３全体を高キャリア濃度層とするのではなく、ｎ型ＩｎＰクラッド層３の一部に屈折率調整層６を挿入したように構成し、自由キャリア吸収の影響を最小限に抑制することが必要である。
【００３２】
以上、実施の形態１および２を説明した。これらの実施の形態においては、例としてｎ型ＩｎＰブロック層４のキャリア濃度を８×１０^１８ｃｍ^−３とした。しかし、高温特性の改善などを目的として、例えば２×１０^１９ｃｍ^−３程度にまでｎ型ＩｎＰブロック層４のキャリア濃度を増加する場合も考えられる。この場合には、窓部の光軸付近の平均的な屈折率を増やすことが必要となる。その理由は、ｎ型ＩｎＰブロック層４の屈折率は、周囲のＩｎＰよりもおよそ２％も低下することから、実施の形態１または２に記載の発明を適用した場合、窓部の光軸付近の平均的な屈折率は、周囲のクラッド層３と比較してかなり低くなり、反導波作用が働き光は上下二手に分かれて伝播してしまうからである。よって、ｐ型ＩｎＰブロック層５（図１の（ａ）、（ｂ）、図３の（ａ）、（ｂ））をｐ型ＩｎＧａＡｓＰとすることが有効である。ただし、良好な高温・高出力特性を得るために、ＩｎＧａＡｓＰの組成は、可能な限り、ＩｎＰに近い組成（例えば１．２４ｅＶ以上のバンドギャップが得られる組成）とするのがよい。これにより、ｎ型ＩｎＰブロック層のキャリア濃度が非常に高い場合でも、光の出射角度にずれのない半導体レーザを得ることができる。
【００３３】
これまでの実施の形態１および２の説明では、各層の導電形を特定して説明した。しかし、これは例であり、本発明はそれらに限定されることなく適用できる。
【００３４】
本発明は、図１および図３の（ａ）および（ｂ）に示す構造を有するレーザに対してであれば、どのようなレーザにも適用できる。例えば、回折格子を有する分布帰還型レーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ　Ｌａｓｅｒ　（Ｄｉｏｄｅ）；　ＤＦＢレーザ）である。分布帰還型レーザとは、共振器内に回析格子で反射面を構成したレーザである。回析格子により単一モード発振することにより、特定の波長の光を出力することができる。特定の波長が得られるので超高速・長距離の光通信に有用である。また本発明は、別の例として、λ／４シフトＤＦＢレーザにも適用できる。これは、半導体レーザの縦モードを単一化するレーザの１つで、回析格子の位相を中央でπだけずらすことにより、ブラッグ条件を満たす最低次のモードだけを共振させて単一モードにするレーザである。そして本発明は、高出力レーザにも適用できる。窓構造を有するために光密度を低減できるとともに、光軸が傾くことなく光を出射できる。
【００３５】
上述の実施の形態では、ＩｎＰ系の材料からなるレーザについて説明したが、ＧａＡｓ系など他の材料系を用いたレーザについても適用できる。
【００３６】
本発明による半導体レーザは、光通信において有用である。光通信では、光に信号を重畳するには光を変調する必要がある。光変調には、半導体レーザの駆動パワーを変調する直接変調と、半導体レーザからの光を光源以外の手段で変調する外部変調とが知られている。外部変調で使用される変調器を一般に光変調器という。光変調器は、変調器に信号に応じて物理的変化を起こして、光の強度、位相等を変調する。本発明による半導体レーザと、このような光変調器とをモノリシック集積化した光通信用素子を構成しても、本発明の利点はそのまま得ることができる。すなわち、本発明による半導体レーザによって光軸がずれないため、光ファイバーへの結合効率を低下させることのない光通信が可能になる。
【００３７】
【発明の効果】
窓部において、キャリア濃度を調整した層６を設けて、光の屈折率の分布を、活性層の延長面（光軸）を中心にして積層方向に等しくなるようにした。これにより、発生した光は均等に伝播されるので、上下方向（積層方向）にずれることなく光を出射させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、実施の形態１による半導体レーザの断面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’における半導体レーザの断面図である。
【図２】半導体レーザで発生した光の伝播の様子をＢＰＭにより計算した結果を示す図である。
【図３】（ａ）は、実施の形態２による半導体レーザの断面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ’における半導体レーザの断面図である。
【符号の説明】
１　ｐ型ＩｎＰ基板、　２　ＩｎＧａＡｓＰ活性層、　３　ｎ型ＩｎＰクラッド層、　４　ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層、　５　ｐ型ＩｎＰ電流ブロック層、　６　ｎ型ＩｎＰ屈折率調整層、　７、８　電極、　９　光の出射方向

Claims (8)

1. 活性層で発生した光が、窓部を経て出射される半導体レーザであって、基板上に形成された該窓部が、
   第１のキャリア濃度で形成された、第１の半導体層と、
   前記第１の半導体層上に、前記活性層の延長面を含むように形成され、かつ、前記第１のキャリア濃度より低い第２のキャリア濃度で形成された、第２の半導体層と
   を有し、さらに、
   前記第２の半導体層の上方に、第３のキャリア濃度で形成された第３の半導体層を設け、該窓部の光の屈折率の分布を、前記活性層の延長面を中心にして積層方向に対称にした半導体レーザ。
2. 前記第３のキャリア濃度は、前記第１のキャリア濃度とほぼ等しい、請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記第３の半導体層は、前記第２の半導体層上に積層されている、請求項２に記載の半導体レーザ。
4. 前記第３の半導体層は、前記第２の半導体層上に積層された第４の半導体層上に積層されている、請求項２に記載の半導体レーザ。
5. 前記第３の半導体層は、さらに前記活性層の上方にわたっても設けられている、請求項２に記載の半導体レーザ。
6. 前記基板は、ｐ型ＩｎＰ基板であり、
   前記第１の半導体層、および、前記第３の半導体層は、ｎ型ＩｎＰ層である、請求項２に記載の半導体レーザ。
7. 前記第２の半導体層は、ＩｎＧａＡｓＰにより形成されている、請求項６に記載の半導体レーザ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の半導体レーザと、光変調器とを集積化した光通信用素子。

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