JP2004241570A - 半導体レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】適切な結合係数を維持し、通信用光源として良好な特性を有するＴＴＧ−ＤＦＢレーザを提供する。
【解決手段】活性層から厚さ方向にある間隔を隔てて、活性層からの誘導放出光の波長よりも短い遷移波長を有するチューニング層が配置されている。活性層とチューニング層との間に、光共振器方向に関して屈折率が周期的に変化する回折格子層が配置されている。第１の電極が活性層に電流を供給する。第２の電極が、チューニング層に、活性層に供給される電流とは独立に電流を供給する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザに関し、特に、波長可変二重ガイド（ｔｕｎａｂｌｅ ｔｗｉｎ−ｇｕｉｄｅ）分布帰還型（ＤＦＢ）レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、大容量光通信ネットワークの基幹伝送系では、光信号を波長軸上で多重化することによって伝送容量を増大させる波長分割多重（ＷＤＭ）方式が用いられている。しかし、多重化数が増大するにつれて、光源となる半導体レーザの個数も増加する。さらにバックアップ用光源も同数以上必要となり、在庫管理が煩雑になる。そのため、波長可変光源により管理を簡素化したいという要請がある。また、波長によりルーチング先を動的に切り替える波長ルーチングが注目されている。ここでも、波長可変レーザが嘱望されている。
【０００３】
波長可変レーザとして、ＤＢＲレーザが知られている。図５（Ａ）に、従来の波長可変ＤＢＲレーザの断面図を示す。下側クラッド層１００の上に、活性層１０１、及び上側クラッド１０３が形成されている。光共振器の長さ方向に、利得領域Ｇ、位相調整領域Ｐ、及び分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）領域Ｒがこの順番に画定されている。ＤＢＲ領域Ｒにおいては、活性層１０１の近傍に回折格子１０２が配置されている。
【０００４】
電極１０４が利得領域Ｇに電流を供給し、電極１０５が位相調整領域Ｐに電流を供給し、電極１０６がＤＢＲ領域Ｒに電流を供給する。利得領域Ｇに電流を供給することにより、レーザ発振が得られる。ＤＢＲ領域Ｒに電流を注入することにより発振波長を変化させることができる。ただし、発振波長は、光共振器損失が最小となる波長に一番近い縦モードで決定されるため、波長変化は離散的なものになる。位相調整領域Ｐへの電流注入量を調整することにより、準連続的な波長変化を実現させることができる。
【０００５】
ところが、この方法では、ＤＢＲ領域Ｒへの注入電流と、位相調整領域Ｐへの注入電流との双方を制御する必要があり、制御システムが複雑になる。また、長時間動作させて波長と電流との関係がずれた場合には、波長追尾が困難であり、信頼性の点で問題が残る。
【０００６】
波長可変ＤＢＲレーザの制御の困難性を克服した半導体レーザとして、波長可変二重ガイド（ＴＴＧ）ＤＦＢレーザが知られている（非特許文献１参照）。
図５（Ｂ）に、ＴＴＧ−ＤＦＢレーザの断面図を示す。下側クラッドを兼ねる基板１１０の上に、チューニング層１１１、中間層１１２、活性層１１３、回折格子１１４、及び上側クラッド層１１５がこの順番に積層されている。チューニング層１１１から回折格子１１４までの各層は、光の伝搬モードの観点から見て同一のモード内に存在するように近接して配置される。基板１１７の裏面に電極１１７が形成され、上側クラッド層１１５の上に電極１１６が形成されている。
【０００７】
中間層１１２は、基板１１０及び上側クラッド層１１５のいずれとも反対の導電型とされており、チューニング層１１１及び活性層１１３は相互に電気的に独立している。すなわち、電極１１７からチューニング層１１１に注入される電流と、電極１１６から活性層１１３に注入される電流とは、相互に独立に制御される。
【０００８】
活性層１１３に電流を流すことによってレーザ発振を生じさせることができる。チューニング層１１１に電流を流すと、プラズマ効果によりチューニング層１１１の屈折率が変化する。レーザ光の伝搬モードの実効屈折率も変化するため、回折格子１１４で決定されるブラッグ波長も変化を受け、発振波長が変わる。このように、チューニング層１１１に注入する電流を制御するのみで、発振波長を連続的に変化させることができる。
【０００９】
図５（Ｃ）に、ＴＴＧ−ＤＦＢレーザの他の構成例を示す。図５（Ｂ）の場合には、回折格子１１４が活性層１１３を基準として中間層１１２の反対側に配置されていた。図５（Ｃ）の場合には、回折格子１１４が、チューニング層１１１を基準として中間層１１２の反対側に配置されている。
【００１０】
【非特許文献１】
Ｍ． Ｃ． Ａｍａｎｎ， Ｓ． ｌｌｌｅｋ， Ｃ． Ｓｃｈａｎｅｎ， ａｎｄ Ｗ． Ｔｈｕｌｋ， Ｔｕｎａｂｌｅ ｔｗｉｎ−ｇｕｉｄｅ ｌａｓｅｒ： Ａ ｎｏｖｅｌ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｗｉｔｈ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｕｎｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ， ”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ” Ｖｏｌ．５４， （１９８９）， ｐ．２５３２−２５３３
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
レーザ光源として十分な品質を実現するためには、光共振器内を伝搬する光と回折格子との結合係数κ（ｃｍ−１）を適切な値に設定する必要がある。通常、チューニング層１１１は、レーザ光を吸収しないように活性層１１３の遷移波長よりも短い遷移波長を有する半導体材料で形成される。チューニング層１１１の遷移波長を短くしすぎると、電流に対する屈折率変化を大きくすることができなくなるため、チューニング層１１１の遷移波長は、クラッドや中間層１１２の遷移波長よりも長くされる。
【００１２】
チューニング層１１１の屈折率が大きいので、光電界分布がチューニング層１１１側に引き寄せられる。図５（Ｂ）に示した構造のＴＴＧ−ＤＦＢレーザの場合、光電界分布がチューニング層１１１側に引き寄せられると、回折格子１１４に掛かる光電界が弱くなってしまう。このため、適切な結合係数κを得ることができなくなる。
【００１３】
一方、図５（Ｃ）に示した構造では、チューニング電流が小さい領域では、適切な結合係数κを得ることができる。しかしながら、チューニング電流を大きくしていくと、プラズマ効果によりチューニング層の屈折率が低下するため、光電界分布が活性層１１３側に引き寄せられる。すると、回折格子１１４に掛かる光電界が弱くなるため、結合係数κが減少し、発振閾値が上昇してしまう。さらに、自由キャリア吸収による損失が増加するため、相乗的に発振閾値が上昇する。
【００１４】
本発明の目的は、適切な結合係数を維持し、通信用光源として良好な特性を有するＴＴＧ−ＤＦＢレーザを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の一観点によると、キャリアの注入によって誘導放出光を放射する活性層と、前記活性層から厚さ方向にある間隔を隔てて配置され、前記活性層からの誘導放出光の波長よりも短い遷移波長を有するチューニング層と、前記活性層と前記チューニング層との間に配置され、光共振器方向に関して屈折率が周期的に変化する回折格子層と、前記活性層に電流を供給する第１の電極と、前記チューニング層に、前記活性層に供給される電流とは独立に電流を供給する第２の電極とを有する半導体レーザが提供される。
【００１６】
活性層で発生した光は、主として、活性層からチューニング層までの積層構造内に閉じ込められる。回折格子層が活性層とチューニング層との間に配置されているため、光と回折格子との結合係数を高めることができる。特に、光電界が活性層側、またはチューニング層側に偏った場合でも、大きな結合係数を維持することが可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の実施例によるＴＴＧ−ＤＦＢレーザの光共振器の長さ方向（光の伝搬方向）に平行な断面図を示す。ｐ型ＩｎＰからなる基板１の上に、ｐ型ＩｎＰからなる厚さ１μｍのバッファ層２が形成されている。バッファ層２の上に、チューニング層３、中間層４、回折格子層５、多重量子井戸活性層６がこの順番に積層されている。基板１及びバッファ層２が下側のクラッドを兼ねる。
【００１８】
チューニング層３は、アンドープのＧａ０．２８３Ｉｎ０．７１７Ａｓ０．６１１Ｐ０．３８９で形成され、その厚さは０．２８μｍである。中間層４は、ｎ型ＩｎＰで形成され、その厚さは０．１１μｍである。回折格子層５は、ｎ型のＩｎＰ層の中にｎ型のＧａ０．２１７Ｉｎ０．７８３Ａｓ０．４７２Ｐ０．５２８からなる回折格子が埋め込まれた構造を有する。その詳細な構造については、後に説明する。
【００１９】
多重量子井戸活性層６は、アンドープのＧａ０．３０５Ｉｎ０．６９５Ａｓ０．９０４Ｐ０．０９６からなる厚さ５．１ｎｍの井戸層と、アンドープのＧａ０．２８３Ｉｎ０．７１７Ａｓ０．６１１Ｐ０．３８９からなる厚さ１０ｎｍの障壁層とが、交互に積層されて構成される。最下層及び最上層は障壁層であり、井戸層が７層含まれている。
【００２０】
多重量子井戸活性層６の上に、アンドープのＧａ０．１８２Ｉｎ０．８１８Ａｓ０．３９７Ｐ０．６０３からなる厚さ２０ｎｍの分離閉込層（ＳＣＨ層）７が形成されている。ＳＣＨ層７の上に、ｐ型ＩｎＰからなる上部クラッド層８、ｐ＋型Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓからなるコンタクト層９が形成されている。
【００２１】
コンタクト層９に上部電極１０がオーミック接触している。基板１の裏面に、下部電極１１がオーミック接触している。
出射端面が無反射コーティングされ、その反対側の端面が高反射コーティングされている。
【００２２】
次に、図２及び図３を参照して、図１に示した実施例によるＴＴＧ−ＤＦＢレーザの製造方法について説明する。
図２（Ａ）に示すように、ｎ型ＩｎＰからなる基板１の上に、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）により、ｐ型ＩｎＰからなる厚さ１μｍのバッファ層２を成長させる。なお、以下に説明する各層も、ＭＯＣＶＤにより成長させる。Ｉｎ原料としてトチメチルインジウム、Ｇａ原料としてトリエチルガリウム、Ａｓ原料としてアルシン、Ｐ原料としてフォスフィン、キャリアガスとして水素を用いる。ｎ型不純物としてＳｉが用いられる。
【００２３】
バッファ層２の上に、アンドープのＧａ０．２８３Ｉｎ０．７１７Ａｓ０．６１１Ｐ０．３８９からなる厚さ０．２８μｍのチューニング層３、ｎ型ＩｎＰからなる厚さ０．１１μｍの中間層４を順番に成長させる。中間層４の上に、ｎ型のＧａ０．２１７Ｉｎ０．７８３Ａｓ０．４７２Ｐ０．５２８からなる厚さ３０ｎｍの第１の層５Ａ、ｎ型ＩｎＰからなる厚さ１０ｎｍの第２の層５Ｂを成長させる。
【００２４】
図２（Ｂ）に示すように、電子ビーム露光技術を用いて、第１の層５Ａ及び第２の層５Ｂに、光共振器の長さ方向に関して周期的に配置された溝を形成する。溝の周期は約２４０ｎｍとする。この溝は、第１の層５Ａを貫通し、溝の底面に中間層４が露出する。ＧａＩｎＡｓＰからなる第１の層５Ａは、エッチャントとしてＨ２ＳＯ４、Ｈ２Ｏ２、及びＨ２Ｏの混合液を用いてウェットエッチングすることができる。混合比を最適化することにより、ＩｎＰに対してＧａＩｎＡｓＰを選択的にエッチングすることができる。これにより、ＧａＩｎＡｓＰ領域が周期的に配置された回折格子が形成される。
【００２５】
図２（Ｃ）に示すように、回折格子をｎ型ＩｎＰからなる第３の層５Ｃで埋め込む。第３の層５Ｃは、第２の層５Ｂの上における厚さが１０ｎｍになるように形成される。第１の層５Ａ、第２の層５Ｂ及び第３の層５Ｃにより、回折格子層５が構成される。
【００２６】
回折格子層５の上に、アンドープのＧａ０．２８３Ｉｎ０．７１７Ａｓ０．６１１Ｐ０．３８９からなる厚さ１０ｎｍの障壁層６Ｂと、アンドープのＧａ０．３０５Ｉｎ０．６９５Ａｓ０．９０４Ｐ０．０９６からなる厚さ５．１ｎｍの井戸層６Ｗとを、交互に７周期分積層する。さらに、最上層に障壁層６Ｂを形成する。７層の井戸層６Ｗと８層の障壁層６Ｂにより多重量子井戸活性層６が構成される。
【００２７】
多重量子井戸活性層６の上に、アンドープのＧａ０．１８２Ｉｎ０．８１８Ａｓ０．３９７Ｐ０．６０３からなる厚さ２０ｎｍのＳＣＨ層７を成長させる。さらにその上に、ｐ型ＩｎＰからなる厚さ０．２μｍの第１のクラッド層８Ａを成長させる。
【００２８】
図３（Ｄ）〜（Ｆ）は、光共振器の長さ方向に垂直な断面図を示す。図３（Ｄ）に示すように、チューニング層３から第１のクラッド層８Ａまでの積層構造を有するストライプ状のメサ１８が残るように、メサ１８の両側の領域を、バッファ層２の表層部までエッチングする。このとき、第１のクラッド層８Ａの上にストライプ状のＳｉＯ２膜２０を形成し、このＳｉＯ２膜２０をエッチングマスクとして利用する。メサ１８の幅は約１μｍとする。
【００２９】
図３（Ｅ）に示すように、エッチングマスクとして利用したＳｉＯ２膜９（図３（Ｅ））を残した状態で、メサ１８の両側にｎ型ＩｎＰの選択成長を行い、埋込層１５を形成する。埋込層１５を形成した後、ＳｉＯ２膜２０を除去し、第１のクラッド層８Ａを露出させる。第１のクラッド層８Ａ及び埋込層１５の上に、ｐ型ＩｎＰからなる第２のクラッド層８Ｂを成長させる。第２のクラッド層８Ｂの表面はほぼ平坦になる。メサ１８の配置された領域の第１のクラッド層８Ａ及び第２のクラッド層８Ｂが、図１に示したクラッド層８に対応する。
【００３０】
第２のクラッド層８Ｂの上に、ｐ＋型Ｇａ０．４７Ｉｎ０．５３Ａｓからなるコンタクト層９を成長させる。
図３（Ｆ）に示すように、コンタクト層９及び第２のクラッド層８Ｂの一部を除去し、埋込層１５の表面の一部を露出させる。コンタクト層９の上に上部電極１０を形成する。基板１１の裏面に下部電極１１を形成する。露出された埋込層１５の表面に共通電極１２を形成する。上部電極１０及び下部電極１１は、基板側に配置された厚さ２００ｎｍのＡｕＺｎ層と、その上に配置された厚さ３μｍのＡｕ層との積層構造を有する。共通電極１２は、基板側に配置された厚さ２００ｎｍのＡｕＧｅ層と、その上に配置された厚さ３μｍのＡｕ層との積層構造を有する。
【００３１】
上部電極１０から注入された電流が、多重量子井戸活性層６、回折格子層５、中間層４、及び埋込層１５を経由して共通電極１２に流れる。下部電極１１から注入された電流が、バッファ層２、チューニング層３、中間層４、及び埋込層１５を経由して共通電極１２に流れる。上部電極１０及び下部電極１１に印加する電圧を制御することにより、多重量子井戸活性層６を流れる励起電流と、チューニング層３を流れるチューニング電流とを、相互に独立に制御することができる。
【００３２】
基板１をへき開することにより、個々のレーザチップに分割する。出射端面を無反射コーティングし、その反対側の端面を高反射コーティングする。
図４に、図１に示した実施例によるＴＴＧ−ＤＦＢレーザの積層方向に関する光電界強度分布を示す。横軸は積層方向の位置を単位「μｍ」で表し、縦軸は光電界強度を任意単位で表す。
【００３３】
図中の破線及び実線は、それぞれチューニング電流Ｉｔｕｎｅが０及び正のときの光電界強度分布を示す。いずれの場合も、光電界は、主としてチューニング層３から多重量子井戸活性層６までに亘って分布する。チューニング電流Ｉｔｕｎｅが０のとき、チューニング層３の屈折率が比較的に高いため、光電界がチューニング層３内にやや偏在する。チューニング電流Ｉｔｕｎｅを流すと、チューニング層３の屈折率が相対的に低下して、チューニング層３内の光電界が弱くなり、多重量子井戸活性層６内の光電界が強くなる。
【００３４】
回折格子層５が、チューニング層３と多重量子井戸活性層６との間に配置されているため、チューニング電流を流した状態でも、流さない状態でも、回折格子層５の位置における光電界強度が大きい。このため、比較的大きな結合係数κを得ることができる。
【００３５】
特に、チューニング電流を大きくすると、光電界が多重量子井戸活性層６内に偏って分布するようになり、回折格子層５内の光電界が大きくなる。このため、自由キャリア吸収による発振閾値の増大が抑制される。さらに、一般にチューニング電流を大きくすると、自然放出による発光に起因するショット雑音が増加し、発光スペクトルが拡がる。実施例の場合には、チューニング電流を大きくすると結合係数κが大きくなるため、発光スペクトルの広がりを抑制することができる。
【００３６】
チューニング電流が０の状態で結合係数κを適切な初期値に設定しておけば、任意のチューニング電流において、結合係数κが初期値よりも小さくなることがない。このため、実施例によるＴＴＧ−ＤＦＢレーザは、反射戻り光に対する耐性が高く、集積化への応用に適している。
【００３７】
比較のために、回折格子層がチューニング層よりも外側に配置された図５（Ｃ）の従来のＴＴＧ−ＤＦＢレーザの回折格子層５Ｐの位置を図４中に示す。回折格子層５Ｐが、多重量子井戸活性層６とチューニング層３とで挟まれた積層構造の外側に配置されているため、回折格子層５Ｐの位置における光電界が弱い。チューニング電流を流すと、光電界が多重量子井戸活性層６側に偏るため、回折格子層５Ｐの位置における光電界が、より弱くなる。このため、適切な結合係数κを維持することが困難になる。
【００３８】
実施例のように、回折格子層５を多重量子井戸活性層６とチューニング層３との間に配置することにより、チューニング電流の有無に関わらず比較的大きな結合係数κを得ることができる。
【００３９】
上記実施例では、１．５５μｍ帯のＴＴＧ−ＤＦＢレーザについて説明したが、多重量子井戸活性層、中間層、チューニング層の組成を変えることにより、他の波長域のＴＴＧ−ＤＦＢレーザを作製することができる。
【００４０】
また、上記実施例では、誘導放出を生じさせる活性層６を多重量子井戸で構成したが、単層の半導体層で構成してもよい。また、上記実施例では、チューニング層４を単層の半導体層で構成したが、多重量子井戸構造としてもよい。この場合、チューニング層４の遷移波長を、活性層で誘導放出される光の波長よりも短くする。これにより、チューニング層４内での光の吸収を防止することができる。
【００４１】
以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回折格子層を活性層とチューニング層との間に配置することにより、光共振器内を伝搬する光と回折格子との結合係数を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例によるＴＴＧ−ＤＦＢレーザの断面図である。
【図２】実施例によるＴＴＧ−ＤＦＢレーザの製造方法を説明するための断面図（その１）である。
【図３】実施例によるＴＴＧ−ＤＦＢレーザの製造方法を説明するための断面図（その２）である。
【図４】実施例によるＴＴＧ−ＤＦＢレーザの、積層方向の光電界強度分布を示すグラフである。
【図５】従来のＤＢＲレーザ、ＴＴＧ−ＤＦＢレーザの断面図である。
【符号の説明】
１ ｐ型ＩｎＰ基板
２ ｐ型ＩｎＰバッファ層
３ ＧａＩｎＳａＰチューニング層
４ ｎ型ＩｎＰ中間層
５ 回折格子層
６ 多重量子井戸活性層
６Ｂ 障壁層
６Ｗ 井戸層
７ ＧａＩｎＡｓＰ分離閉込層
８ ｐ型ＩｎＰクラッド層
９ ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層
１０ 上部電極
１１ 下部電極
１２ 共通電極
１５ ｎ型ＩｎＰ埋込層
１８ メサ
２０ ＳｉＯ２膜

Claims (6)

  1. キャリアの注入によって誘導放出光を放射する活性層と、
    前記活性層から厚さ方向にある間隔を隔てて配置され、前記活性層からの誘導放出光の波長よりも短い遷移波長を有するチューニング層と、
    前記活性層と前記チューニング層との間に配置され、光共振器方向に関して屈折率が周期的に変化する回折格子層と、
    前記活性層に電流を供給する第１の電極と、
    前記チューニング層に、前記活性層に供給される電流とは独立に電流を供給する第２の電極と
    を有する半導体レーザ。
  2. さらに、前記活性層、前記回折格子層、及び前記チューニング層の３層を挟む一対のクラッド層を有する請求項１に記載の半導体レーザ。
  3. 前記活性層が、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する請求項１または２に記載の半導体レーザ。
  4. 前記チューニング層が、量子井戸層と障壁層とが交互に積層された多重量子井戸構造を有する請求項１〜３のいずれかに記載の半導体レーザ。
  5. 前記回折格子層が、
    下地表面の上に、光共振器方向に関して周期的に配置された回折格子と、
    前記回折格子を埋め込むように、前記下地表面の上に形成され、該回折格子とは異なる屈折率を有する埋込層と
    を有する請求項１〜４のいずれかに記載の半導体レーザ。
  6. 前記中間層、前記回折格子、及び前記埋込層の導電型が同じである請求項５に記載の半導体レーザ。
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