JP2004140142A - 半導体レーザおよび光通信用素子 - Google Patents
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Abstract
【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
【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5×1018個/cm3である。以下、「個/cm3」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1×1018cm−3、n型InP電流ブロック層4が8×1018cm−3、p型InP電流ブロック層5が1×1018cm−3、n型InP屈折率調整層6が8×1018cm−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8×1018cm−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2×1019cm−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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
- 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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