JP2006203205A - 単一モード分布帰還型レーザー - Google Patents

Abstract

【課題】製造が容易であり、かつ向上した単一モード特性を有する分布帰還型レーザーを提供する。
【解決手段】単一モードの光を生成する分布帰還型レーザー２００は、半導体基板２１０と、所定の周期で隔てられるように配列された複数の格子２２１を有し、半導体基板２１０上に形成された下部クラッド２２０と、格子２２１の配列方向に対して垂直方向に湾曲するように形成され、光を発振させるために下部クラッド２２０上に設けられた導波路２３０と、導波路２３０上に形成された上部クラッド２４０と、上部電極２５１と、下部電極２５２とを有する。
【選択図】図５

Description

本発明は、単一モード分布帰還型の半導体レーザーに関し、特に、格子を有する分布帰還型レーザーに関するものである。

通常、分布帰還型レーザー（Distributed feedback laser）は、導波路上に形成されたブラッグ格子（Bragg gratings）を含み、単一モードの光を生成するための光源として光通信に広く使用されている。

図１は、従来の分布帰還型レーザーを示す図である。同図に示すように、従来の分布帰還型レーザー１００は、半導体基板１１０と、格子１２１が形成された下部クラッド１２０と、この下部クラッド１２０上に形成（成長）された導波路１３０と、導波路１３０上に形成（成長）された上部クラッド１４０と、下部電極及び上部電極１５１、１５２と、真空蒸着により形成された無反射層及び高反射層１６１、１６２とを含んでいる。

導波路１３０は、下部クラッド１２０上に順次に形成（成長）された下部導波路１３１、多重量子井戸１３２及び上部導波路１３３からなる。また、導波路１３０は、格子１２１によってブラッグ波長を中心とした左右対称の一対のピーク（Peak）を有する光を生成し、生成された光のピークのうち無反射層１６１と高反射層１６２との間で位相（grating phase）が一致するピークをレーザー光として発振させる。そして、無反射層１６１は、高反射層１６２に比べて高い出力が得られるため、分布帰還型レーザー１００からの発振されたレーザー光は、無反射層１６１を通して出力される。

一般に、分布帰還型レーザー１００において、８００〜１６００ｎｍ波長帯域のレーザー光を生成するためには、ＩｎＰ、ＧａＡｓ系の半導体物質から構成される下部クラッド１２０に、１００〜２５０ｎｍの周期を有する格子１２１が形成される。この従来の分布帰還型レーザー１００は、格子の位相関係だけでなく、無反射層１６１と高反射層層１６２との間の長さの変化よって、その内部の電場分布（Electric Field Distribution）が変わり、電場分布の変化は、発振されるレーザー光の単一モード特性をも変化させる。

そして、従来の分布帰還型レーザー１００から発振されたレーザー光の単一モード特性は、前記格子１２１と無反射層及び高反射層１６１、１６２が形成された壁界面との間の統計的な位相分布に基づくものであり、当該単一モード特性は、製造工程において制御不可能である。このために、従来の分布帰還型レーザー１００では、単一モード特性に対する歩留まりが、著しく低下することになる。

上述した分布帰還型レーザー１００のブラッグ波長は、格子１２１の周期と導波路１３０の有効屈折率との関係によって決まり、分布帰還型レーザー１００の単一モード特性を向上させるための方法としては、導波路１３０のメサ幅を変化（相違）させて形成するストライプエンジニアド構造（Stripe engineered structure）や互いに異なる周期を有する複数の格子からなるチャープ格子（Chirped grating）構造などが提案されている。

チャープ格子構造は、互いに異なる周期を有する複数の格子が形成された構造である。一般に、チャープ格子構造の分布帰還型レーザーでは、既存のホログラムリソグラフィ（Hologram lithography）の代わりに電子ビームリソグラフィ（Electron-Beam Lithography）を用いてチャープ格子を形成している（非特許文献１参照）。しかしながら、チャープ格子を形成するための電子ビームリソグラフィは、工程が複雑であり、格子の間隔を所望通りに精密に制御することが難しく、さらには、製造コストも高くなるという課題がある。

また、一般的な半導体レーザーでは、横方向の単一モードを得るために、リッジ構造や埋め込みへテロ（Buried hetero）構造の導波路を形成する方法が用いられている。このような構造においては、導波路のストライプ幅を変化させることで有効屈折率（ｎ_ｅｆｆ）を変化させる、ストライプエンジニアド格子方法（Stripe engineered grating method）が知られている。このストライプエンジニアド格子方法は、電子ビームリソグラフィなどにより製造されるチャープ格子構造の分布帰還型レーザーに代替する方法として提案されている。下記に示す数式は、格子のブラッグ波長、有効屈折率及び格子周期の関係を示すものである。

上記数式１において、λ_Bは格子のブラッグ波長を、Λは格子の周期を、そして、ｎ_ｅｆｆは導波路の有効屈折率をそれぞれ示している。図２は、導波路のメサ幅とそれに基づく有効屈折率の変化を説明するためのグラフであり、当該図２からわかるように、メサ幅と有効屈折率とは比例関係にある。

なお、上述のストライプエンジニアド格子構造は、導波路の幅が光の進行方向によって変わる構造である（非特許文献２及び非特許文献３参照）。

図３は、ストライプエンジニアド格子構造を有する分布帰還型レーザーにおいて生じるキンク（Kink）現象を示すグラフである。すなわち、ストライプエンジニアド格子構造を有する分布帰還型レーザーは、導波路の特定の位置でメサの幅が変わるテーパー状（Tapered configuration）であり、実際の電圧は一定に印加されても、図３のグラフで示したように、半導体レーザーにおいて閾値電流の近くで印加される電流が急激に変化するような動作特性を有するキンク現象が現れるという問題がある。

このようなキンク現象は、導波路の線幅を異ならせるように形成する場合に、当該導波路の幅に依存して引き起こされる電流差の発生により現れるもので、レーザー発振前後で電流の流れが急激に変化することになる。

"Modeling of Distributed Feedback Semiconductor Laser with Axially-Varying Parameters"[ G. P. Agrawal and A. H. Bonbeck、IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 24, No. 12, pp. 2407〜2414, December, 1988]

"Analysis, Fabrication, and Characterization of 1.55-μｍ Selection-Free Tapered Stripe DFB Lasers"［F. Grillot, B. Thedrez, F. Mallecot, C. Chaumont, S. Hubert, M. F. Martineau, A. Pinquier, and L. Roux、IEEE Photonics Technology Letters, vol. 14, No. 8, pp. 1040〜1042, August 2002］

"Feedback Sensitivity and Coherence Collapse Threshold of Semiconductor DFB Lasers with Complex Structures"［F. Grillot, B. Thedrez, F. Mallecot and G. H. Duan、IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 40, No. 3, pp. 231〜240, March 2004］

本発明は、上述のような従来の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、製造が容易であり、かつ向上した単一モード特性を有する分布帰還型レーザーを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明の単一モードの光を生成する分布帰還型レーザーは、半導体基板と、所定の周期で隔てられるように配列された複数の格子を有し、半導体基板上に形成（成長）された下部クラッドと、格子の配列方向に対して垂直方向に湾曲するように形成され、光を発振させるために下部クラッドに設けられた導波路と、導波路上に形成（成長）された上部クラッドと、該上部クラッド上に形成された上部電極と、半導体基板の下部に形成された下部電極とを有することを特徴とする。

本発明によれば、ストライプエンジニアド格子構造のように、メサ線幅が変化する導波路構造を形成しなくても、分布帰還型レーザーの好適な単一モード特性を得ることが可能となる。すなわち、分布帰還型レーザーの単一モード特性を向上させるために、工程が複雑で、かつ製造コストが高いストライプエンジニアド格子又はチャープ格子を適用する必要がないため、製造コストを低減させつつ、向上した単一モード特定を有する分布帰還型レーザーを提供することが可能となる。

また、本発明によれば、ストライプエンジニアド格子を含まない構成であることから、メサ線幅の差異によるキンク現象を制御（抑制）することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、下記の説明において、本発明の要旨のみを明瞭にするために、公知の機能や構成についての詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図４は、本発明の好適な第１の実施形態における分布帰還型レーザーを示す図である。同図において、本実施形態の分布帰還型レーザー２００は、半導体基板２１０と、一定の周期で隔てられるように配列されている（所定間隔で配列された）複数の格子２２１を備え、半導体基板２１０上に成長された下部クラッド２２０と、格子２２１の配列方向に対して垂直方向に湾曲するように下部クラッド２２０上に成長された光を発振させるための導波路２３０と、導波路２３０上に成長された上部クラッド２４０と、分布帰還型レーザー２００に電流を印加するために形成されている上部電極及び下部電極２５１、２５２と、無反射層２６１、２６２とを含んでいる。

下部クラッド２２０は、半導体基板２１０上に成長され、その内部に複数の格子２２１が一定の周期（Λ）で離隔するように形成されている。導波路２３０は、下部クラッド２２０上に順次に積層された下部導波路２３１と、多重量子井戸２３２と、上部導波路２３３とを含むように構成されている。

図５は、図４に示した分布帰還型レーザー２００の導波路２３０を示す断面（Ｘ−Ｘ´）図である。図５に示すように、本実施形態の導波路２３０は、格子２２１の配列方向に対して直線状に形成された第１領域２３０ａと、この第１領域２３０ａから延長され、格子２２１の配列方向に直交する方向（垂直方向）に所定の角度で湾曲した第２領域２３０ｂとから構成されている。

導波路２３０は、下部クラッド２２０から一定の高さを有するように成長され、成長後もメサエッチング（Mesa etching）又はリッジ（ridge）エッチングによって第１領域２３０ａから延長された第２領域２３０ｂを形成することができる。

このように、本実施形態では、導波路２３０の第２領域２３０ｂが格子２２１の配列方向に対し垂直方向に所定の角度を有するように湾曲形成されているため、格子２２１の物理的な実際の周期間隔（Λ）は一定であるが、第２領域２３０ｂの下部に位置する格子２２１の有効格子周期（間隔）は、第２領域２３０ｂの湾曲角（傾き角）θによって変化する。すなわち、格子２２１は、チャープ格子形成に一般に用いられる電子ビームリソグラフィ工程を経ることなく形成することができる。

言い換えれば、第２領域２３０ｂに形成された格子２２１は、有効格子周期が長くなることと同様の動作特性を有することになり、第２領域２３０ｂで生成される光のブラッグ（Bragg）波長は、長波長側へ移動することになる。以下の数式２は、本実施形態における格子２２１のブラッグ波長、有効屈折率及び格子周期の関係を示すものである。

ここで、λ_Bはブラッグ波長を、ｎ_ｅｆｆは導波路２３０の有効屈折率を、θは第２領域２３０ｂが格子２２１の配列方向に対して垂直方向に湾曲した角度を表し、Λは、格子２２１の周期をそれぞれ表している。

導波路２３０は、ブラッグ波長を中心に左右対称の一対のピーク（Peak）を有する光を生成し、格子２２１の周期と分布帰還レーザー２００の位相とが一致する当該ピークの光が、レーザー光として発振される。このように、単一波長レーザー光を発振させる分布帰還型レーザー２００の特性を単一モード特性という。

また、上記数式２を参照すると、光のブラッグ波長は、格子２２１の周期と、導波路２３０の有効屈折率と、第２領域２３０ｂが格子２２１の配列方向に対して湾曲した角度θによって決定されることがわかる。

本実施形態の第１領域２３０ａは、第１ブラッグ波長を有する第１光を生成し、第２領域２３０ｂは、第１ブラッグ波長に対して所定の波長間隔だけ隔てられている第２ブラッグ波長を有する第２光を生成する。当該第１及び第２光は、それぞれのブラッグ波長を中心として左右対称の一対のピークを有している。すなわち、本実施形態の分布帰還型レーザー２００は、発振されるレーザー光の中心波長と同じ波長を有する第１及び第２光のピークを重ね合わせることにより、向上した単一モード特性を有するレーザー光を発振させることが可能になる。具体的には、第２領域２３０ｂの湾曲した角（傾き角）θを調節することで、第１及び第２光の特定のピークを発振されるレーザー光の中心波長と重ね合わせることが可能になる。

図６は、導波路２３０の傾き角θに基づく波長の変化を示すグラフである。同図に示すように、第２領域２３０ｂの傾き角θがそれぞれ０°、４°、７°である場合では、傾き角θが４°の周辺におけるブラッグ反射効果が、傾き角θが０°であるときに比べて、顕著な長波長側のピーク特性を示しており、これによってチャープ格子特性を有することが分かる。これに対し、傾き角θが７°であるときは、結合係数が既に小さくなり、チャープ格子のような動作特性を有することができないことが分かる。

このために本実施形態では、例えば、第２領域２３０ｂが７０〜１００μｍの長さを有し、かつ５〜１０μｍ以内の範囲でその傾き角が０〜７°以内であることが好ましい。より具体的に説明すると、第２領域２３０ｂの傾き角θを、第２領域２３０ｂ内において０〜７°の範囲内で連続的に変えることで、設計上の素子と実際製造された素子間の小さな変動にあまり影響されないようにすることが好ましい。すなわち、第２領域２３０ｂは、その単位長さ（５〜１０μｍ）当たりの傾き角θが０°〜７°の範囲で形成され、当該第２領域２３０ｂが全体として連続的に湾曲するように形成される。言い換えれば、第２領域２３０ｂは、光の進行方向に対して直交する方向に湾曲して形成されるが、その湾曲は、第２領域２３０ｂ全体で一定の曲率を有するものではなく、その単位長さ当たりに０°〜７°の傾き角で湾曲し、第２領域２３０ｂ全体として、光の進行方向に対して直交する方向に連続的に湾曲するように形成されている。

図７は、本実施形態の分布帰還型レーザー２００の長手方向におけるブラッグ波長の変化（図７（ａ））及び結合係数の変化（図７（ｂ））を示すグラフである。図７（ａ）において、傾き角θが０°で約４ｎｍ程度のストップバンド（Stop band）を含む高い結合係数を有する格子を本実施形態の分布帰還型レーザー２００に適用することにより、チャープ格子の動作特性を実現可能であることがわかる。

（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態における分布帰還型レーザーの格子構造を示す図である。図８において、格子３１１は、導波路３１０の両端に窓領域３２１、３２２を含んでおり、格子３１１の窓領域３２１、３２２は、導波路３１０のメサエッチング工程で形成することが可能である。

また、窓領域３２１、３２２は、無反射層（図示せず）を通して分布帰還型レーザーの内部へ光が入力されることを防止する役割を果たすことができるため、窓領域３２１、３２２は、約２０μｍの長さを有するように形成されることが好ましい。

（第３の実施形態）
図９は、本発明の第３の実施形態における分布帰還型レーザーの格子構造を示す図である。図９において、導波路４１０は、エッチング工程中にモニターフォトダイオード（ＭＰＤ）４２０と所定の間隔隔てられるように形成される。そして、導波路４１０及びモニターフォトダイオード４２０上に格子４１１が更に形成されている。モニターフォトダイオード４２０は、導波路４１０から約３０μｍ離隔された位置でＦｅ添加ＩｎＰ再成長工程による電気的絶縁に通じて形成することができる。

以上、本発明を具体的な実施形態に則して詳細に説明したが、本発明の範囲は、前述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載及びこれと均等なものの範囲により定められるべきである。

従来の分布帰還型レーザーを示す図である。 従来の分布帰還型レーザーのメサ幅に基づく有効屈折率の変化を説明するためのグラフである。 従来のストライプエンジニアド構造を有する分布帰還型レーザーにおけるキンク現象を説明するためのグラフである 本発明の好適な第１の実施形態における分布帰還型レーザーを示す図である。 図４に示した分布帰還型レーザーの導波路を示す断面図である。 本発明の好適な第１の実施形態における導波路の傾き角と発振モードの波長変化の関係を説明するためのグラフである。 本発明の好適な第１の実施形態におけるブラッグ波長と結合係数分布を説明するためのグラフである。 本発明の第２の実施形態における格子及び導波路構造を示す図である。 本発明の第３の実施形態における格子及び導波路構造を示す図である。

符号の説明

２００ 分布帰還型レーザー
２１０ 半導体基板
２２０ 下部クラッド
２２１ 格子
２３０ 導波路
２３１ 下部導波路
２３２ 多重量子井戸
２３３ 上部導波路
２４０ 上部クラッド
２５１ 上部電極
２５２ 下部電極
２６１、２６２ 無反射層

Claims (16)

1. 単一モードの光を生成する分布帰還型レーザーであって、
   半導体基板と、
   所定の周期で隔てられるように配列された複数の格子を有し、前記半導体基板上に設けられた下部クラッドと、
   前記格子の配列方向に対して垂直方向に湾曲するように形成されて光を発振させるために前記下部クラッド上に設けられた導波路と、
   前記導波路上に形成された上部クラッドとを有することを特徴とする単一モード分布帰還型レーザー。
2. 前記分布帰還型レーザーは、前記光が出力される第１面及び該第１面に対向する第２面に蒸着された複数の無反射層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の単一モード分布帰還型レーザー。
3. 前記導波路は、前記下部クラッド上に順次に積層された下部導波路、多重量子井戸、及び上部導波路を含むことを特徴とする請求項１に記載の単一モード分布帰還型レーザー。
4. 前記導波路は、メサ構造を有するようにエッチングされて形成されることを特徴とする請求項１に記載の単一モード分布帰還型レーザー。
5. 前記導波路に接するように前記下部クラッド上に形成された電流遮断層をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の単一モード分布帰還型レーザー。
6. 前記導波路は、前記格子の配列方向に対して直線状に形成された第１領域と、前記第１領域から延び、前記格子の配列方向に対して直交する方向に所定角度で湾曲した第２領域とを有することを特徴とする請求項１に記載の単一モード分布帰還型レーザー。
7. 前記第１領域の長さは、２００μｍ〜３００μｍであることを特徴とする請求項６に記載の単一モード分布帰還型レーザー。
8. 前記第２領域の長さは、前記第１領域から前記光の進行方向へ７０〜１００μｍであることを特徴とする請求項６に記載の単一モード分布帰還型レーザー。
9. 前記第２領域は、その単位長さ当たりの傾き角度が０°〜７°の範囲内で前記光の進行方向に対して直交する方向に湾曲するように連続的に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の単一モード分布帰還型レーザー。
10. 前記半導体基板の下部に形成された下部電極と、
    前記上部クラッド上に形成された上部電極とをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の単一モード分布帰還型レーザー。
11. 単一モードの光を生成する分布帰還型レーザーの製造方法であって、
    所定の周期で隔てられるように配列された複数の格子を有する下部クラッドを、半導体基板上に形成する段階と、
    前記格子の配列方向に対して垂直方向に湾曲するように形成された光を発振させるための導波路を前記下部クラッド上に形成する段階と、
    前記導波路上に上部クラッドを形成する段階とを有することを特徴とする単一モード分布帰還型レーザー製造方法。
12. 前記光が出力される第１面及び該第１面に対向する第２面に蒸着された複数の無反射層を形成する段階をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の単一モード分布帰還型レーザー製造方法。
13. 前記導波路は、メサ構造を有するようにエッチングされて形成されることを特徴とする請求項１１に記載の単一モード分布帰還型レーザー製造方法。
14. 前記導波路に接するように前記下部クラッド上に電流遮断層を形成する段階をさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の単一モード分布帰還型レーザー製造方法。
15. 前記導波路を形成する段階は、
    前記格子の配列方向に対して直線状に形成された第１領域を形成する段階と、
    前記第１領域から延のび、前記格子の配列方向に対して直交する方向に所定の角度で湾曲した第２領域を形成する段階とを有することを特徴とする請求項１１に記載の単一モード分布帰還型レーザー製造方法。
16. 前記半導体基板の下部に下部電極を形成する段階と、
    前記上部クラッド上に上部電極を形成する段階とをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の単一モード分布帰還型レーザー製造方法。

Images