JP2008227367A - 分布帰還型半導体レーザ素子 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ素子外部からの反射戻り光の影響を受けにくくするとともに、光アイソレータを使用することなく低価格な光モジュールを実現し、光モジュールへ搭載した場合の伝送特性を改善するＤＦＢレーザ素子を提供する。
【解決手段】ＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０であって、ｎ−ＩｎＰ基板１００と、この半導体基板の表面に形成した回折格子１０２と、回折格子上に形成したＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４と、導波路層上に形成したＭＱＷ活性層１０６とを具えており、導波路層のバンドギャップ波長が、活性層の発振波長の±０．１μｍ以内であり、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層の厚みが５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内であり、及び、ＭＱＷ活性層の幅が０．７μｍ〜１．０μｍの範囲内である。
【選択図】図１

Description

この発明は、分布帰還型半導体レーザ素子に関し、特に利得結合型の分布帰還型半導体レーザ素子に関するものである。

分布帰還型半導体レーザ素子（Distributed Feed Back Laser Diode；以下、ＤＦＢレーザ素子と称す）は、半導体基板の表面或いは表面側に回折格子を有し、これにより特定のレーザ光のみに帰還がかかるようにして波長選択性を持たせたレーザ素子である。又、このＤＦＢレーザ素子は、単一モードの波長で発振するために光通信用の光源として従来から広く利用されている。

従来の光通信用の光源としてのＤＦＢレーザ素子は、屈折率結合（Index Coupled：ＩＣ）型のＤＦＢレーザ素子が主に使用されていた。このＩＣ型のＤＦＢレーザ素子は、外部からの反射の影響を受けやすく、そのため光モジュール化を行う際には、外部からの反射戻り光を減衰させるための光アイソレータを搭載する必要があった。又、この光アイソレータは、光モジュールの構成部品の中でも特に高価であること、構成部品としての半導体素子と比較して体積が大きいこと、等の理由から低コスト化及び小型化が要求されるＧＥ−ＰＯＮ（Gigabit Ethernet（登録商標）- Passive Optical Network）システム仕様においては、この光アイソレータを不要にした光モジュールが要請されている。

上記の問題を解決するために、さまざまな技術が提案されている（例えば、特許文献１及び非特許文献１参照）。この提案例における共通の結論としては、ＤＦＢレーザ素子の中でも利得結合（Gain Coupled：ＧＣ）型のＤＦＢレーザ素子を用いて問題の解決を図っていることである。その理由は、このＧＣ型のＤＦＢレーザ素子は、単一縦モード発振の安定性に優れ、過渡的な出力変動が少なく、反射戻り光に対する耐性を有する、等の特長を持っているからである。
特開２００３−１３３６３８号公報 Y.Nakano et al., IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.27, pp.1732-1735 (1991)

しかしながら、従来のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子においては、利得（損失）を周期構造としているために、レーザ素子としての出力特性を劣化させ、その結果、実際の光モジュール化への使用に際してはこの出力特性の仕様を満足しないという欠点があった。具体的には、反射特性を向上させると出力特性が劣化し、出力特性を改善しようとすると反射特性が劣化する等の問題があり、実際の使用にはまだ不十分であった。従って、通常は出力特性の良いＩＣ型のＤＦＢレーザ素子を用いて、光アイソレータを搭載した高価な光モジュールを採用せざるを得なかった。

この発明の目的は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、レーザ素子外部からの反射戻り光の影響を受けにくくするとともに、光アイソレータを使用することなく低価格な光モジュールを実現し、光モジュールへ搭載した場合の伝送特性を改善するＤＦＢレーザ素子を提供することにある。

この目的を達成するために、この発明は、ＧＣ型のＤＦＢレーザ素子であって、半導体基板と、この半導体基板の表面に形成した回折格子と、回折格子上に形成した導波路層と、導波路層上に形成した活性層とを具えており、導波路層のバンドギャップ波長が、活性層の発振波長の±０．１μｍ以内であり、導波路層の厚みが５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内であり、及び、活性層の幅が０．７μｍ〜１．０μｍの範囲内であることを特徴としている。

この発明のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子によれば、導波路層及び活性層の構造を以下のように最適化してある。すなわち、導波路層のバンドギャップ波長が、活性層の発振波長の±０．１μｍ以内であり、導波路層の厚みが５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内であり、かつ、活性層の幅が０．７μｍ〜１．０μｍの範囲内とした。そのために、後述する実験データからも明らかなように、光モジュールへの搭載の際に光アイソレータが無くても、外部から反射の影響を受けにくい。従って、この発明のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子は、一般的な使用条件下でＩＥＥＥ８０２．３ａｈ標準化規格等で規定されているＧＥ−ＰＯＮシステム仕様である、例えば、反射戻り光として−１５ｄＢの外部反射がある状態においても、相対強度雑音（Relative Intensity Noise：ＲＩＮ）の値が−１１５ｄＢ／Ｈｚ以下である等の仕様を満足し、伝送後の受信感度の劣化が低減され、実際の仕様上問題なくＧＥ−ＰＯＮシステムに適用することが可能となる。又、その結果、光モジュールの構成において光アイソレータを省略することができ、光モジュールの低価格化が可能となる等の効果を有する。

以下、図を参照して、この発明の実施形態につき説明する。尚、これらの図は、この発明が理解できる程度に各構成要素の形状、大きさ及び配置関係を概略的に示してあるにすぎず、又、以下に説明する数値的及びその他の条件は単なる好適例であり、この発明は、この発明の実施形態にのみ何等限定されるものではない。尚、断面図において、図の複雑化を防ぐために、断面を表すハッチング等を省略して示してある。

（実施形態）
この実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子は、発振波長を１．３μｍとしたＧＣ型のＤＦＢレーザ素子である。すなわち、図１（Ａ）は、この発明のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０の構造を説明するための概略的な一部切欠斜視図であり、図中、部分的に切欠端面を示してある。

先ず、半導体基板１００として好ましくはｎ−ＩｎＰ基板を用いることとする。このｎ−ＩｎＰ基板１００の表面には回折格子１０２が形成されている。そして、この回折格子１０２上にこれを埋め込みかつ表面が平坦化されたＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４を形成し、このＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４上に、ＩｎＧａＡｓＰウェル層とＩｎＧａＡｓＰバリア層とが交互に積層された多重量子井戸（Multi Quantum Well：ＭＱＷ）活性層１０６を形成し、次にこのＭＱＷ活性層１０６上に、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０８とｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１０とを順次に形成してある。

又、図１（Ｂ）は、この発明のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０の構造を説明するためのメサストライプ方向に対して直角な方向に切った半導体積層層のみを示した部分断面図である。この図１（Ｂ）に示すように、これら順次形成された回折格子１０２からＭＱＷ活性層１０６までを含む半導体積層領域は、長手方向に延びるメサストライプ形状に加工され、そのメサストライプ１１１の両側に、ｐ−ＩｎＰ層１１２及びｎ−ＩｎＰ層１１４が順次積層されてなる電流ブロック層１１６が埋め込まれている。尚、各半導体積層層は、有機金属気相成長（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy：ＭＯＶＰＥ）法によって形成される。このように、この実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０の構造は、埋め込みヘテロ（Buried Hetero：ＢＨ）構造となっている。

又、図１（Ａ）に示すように、メサストライプの両外側の電流ブロック層１１６を含む領域には、最上層のｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１０からｎ−ＩｎＰ基板１００の表面の一部分までエッチング除去されたチャネル１１８ａと１１８ｂとから成るダブルチャネル１１８が加工形成されている。

電極構成は、窒化シリコン膜１２０を挟んでコンタクトホール１２２を通しｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層１１０とのオーミック接触用のＡｕＺｎから成るｐ側オーミック電極１２４が形成されている。又、ｎ−ＩｎＰ基板１００の裏面側は、エッチングを行い薄層化した後、ＡｕＧｅＮｉ／Ａｕから成るｎ側オーミック電極１２６が形成されている。

又、このＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０は、所望のレーザ素子の共振器長を決め、メサストライプ１１１の長手方向に垂直な端面を出すために劈開を行い、このレーザ素子の両端面の反射率を制御するための端面コーティング処理が成されている。この実施形態では、共振器長は３５０μｍであり、端面コーティング処理された両端面の発振波長に対する反射率は、出射端面側で１％、後方端面側で８０〜９０％である。

上述したＧＣ型のＤＦＢレーザ素子の特徴は、導波路層のバンドギャップ波長が、その上層に形成した活性層の発振波長の±０．１μｍ以内であり、この導波路層の厚みが５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内であり、及び、活性層の幅が０．７μｍ〜１．０μｍの範囲内である点にある。

そこで、この実施形態におけるＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４のバンドギャップ波長及び厚みに関し、この実施形態に係る発振波長１．３μｍのＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０のＲＩＮを非特許文献１に記載されている方法と同様な方法により測定し、好適なＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４のバンドギャップ波長及び厚みを調べた。

図２（Ａ）、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）は、その測定結果を説明するための図である。

図２（Ａ）は、ＲＩＮと伝送後のパワーペナルティー（受信感度劣化）の関係を示す図であり、パワーペナルティーはＲＩＮの値に依存する。図２（Ａ）において、横軸はＲＩＮの値を単位ｄＢ／Ｈｚで示し、及び縦軸はパワーペナルティーの値を単位ｄＢで示してある。通常、１．３μｍ帯の光通信では、ＲＩＮの値は−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下が望ましいとされており、この図からこの場合のパワーペナルティーの値は、約０．２ｄＢ以下となる。

又、図２（Ｂ）は、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４のバンドギャップ波長と、実際の使用条件、すなわち、上述のＧＥ−ＰＯＮシステム仕様である反射戻り光として−１５ｄＢの外部反射がある条件として、この実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０の出射端面に反射戻り光を−１５ｄＢの強度で入射した状態でのＲＩＮとの関係を示す図である。横軸にＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４のバンドギャップ波長を単位μｍで示し、及び縦軸はこの実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０のＲＩＮの値を単位ｄＢ／Ｈｚで示してある。図２（Ａ）の結果からＲＩＮの値として−１２０ｄＢ／Ｈｚ以下が望ましいとされたが、実際測定されるＲＩＮの値のバラツキを考慮し標準偏差σが１．７ｄＢ／Ｈｚ程度と仮定して３σで−１２０ｄＢ／Ｈｚを超えない条件として、ＲＩＮの値は−１２５ｄＢ／Ｈｚ以下が好適である。

すなわち、この条件範囲を満足するＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４のバンドギャップ波長の値の好適な範囲は１．２μｍ〜１．４μｍの範囲内であり、又、この実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０の発振波長１．３μｍの±０．１μｍ以内になっている。

一方、図２（Ｃ）は、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４の厚みと、上述した実際の使用条件で強制的にこの実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０の出射端面に反射戻り光を−１５ｄＢの強度で入射した状態でのＲＩＮの関係を示す図である。横軸にＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４の厚みを単位ｎｍで示し、及び縦軸はこの実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０のＲＩＮの値を単位ｄＢ／Ｈｚで示してある。測定結果から、図２（Ｂ）での説明と同様に、ＲＩＮの値の好適条件である−１２５ｄＢ／Ｈｚ以下の範囲のＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４の厚みの値は、５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲が好適な値である。このＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４の厚みの最小値は、回折格子１０２の深さが５ｎｍ〜２０ｎｍ程度であるという理由、及び、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４上のＭＱＷ活性層１０６を平坦にするためには、ＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４の厚みは最低限５ｎｍ以上必要であるという理由からも制限される。

この実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０においては、回折格子の深さを決め、結合係数κの値を４０〜６０ｃｍ^−１程度とし、レーザ素子の共振器長をＬ（ｃｍ）としたとき、規格化結合係数κＬの値として１〜２程度となるように、ＭＱＷ活性層１０６を含めてＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４の最適化を行った。又、κ＝κ_ｒ＋ｉκ_ｉで表される結合係数κの虚数成分と実数成分の絶対値の比（｜κ_ｉ｜：虚数成分／｜κ_ｒ｜：実数成分）を、０．０１〜０．１程度となるように最適化を行った。

以上、この実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０において、上述したように反射戻り光の影響を低減するために、回折格子１０２上のＩｎＧａＡｓＰ導波路層１０４のバンドギャップ波長及び厚みを最適化させた。

既に説明したように、従来のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子においては、利得（損失）を周期構造としているために、実際の使用条件を満足する出力特性が得られにくいという欠点があった。ＧＣ型のＤＦＢレーザ素子の出力特性を改善させるためには、図１（Ｂ）に示したＭＱＷ活性層１０６の幅であるメサストライプ１１１の幅も最適化する必要がある。

この実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０における、ＭＱＷ活性層１０６の幅であるメサストライプ１１１の幅と出力特性の一つである高温（８５℃での）動作時の閾値電流の関係を図３に示す。横軸はメサストライプの幅を単位μｍで示し、及び縦軸はこの実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０の８５℃における閾値電流を単位ｍＡで示した。

この図３から、通常の使用条件を考慮した場合、８５℃程度の高温の動作時においても閾値電流の値は２５ｍＡ以下が望まれており、そのためにはメサストライプの幅を１．０μｍ以下にすることによって達成することができる。尚、この結果は、活性層の構造や共振器長等に影響を受けるため、この実施形態に限ったことであり、その絶対値に関しては活性層や共振器長等の構造によって異なるが、関連性に関しては同様のことが言える。

又、この図３の測定結果は、光の閉じ込めの減少による閾値電流の増加を考慮しておらず、実際には、メサストライプの幅の値が小さすぎると閾値電流は増加すること、及び、製造プロセス上から考えて、メサストライプの幅の値が小さすぎるとメサストライプ部分が折れやすくなり製造プロセスの再現性や歩留りが悪くなることから、メサストライプの幅の値の下限値は０．７μｍである。

以上の結果から、メサストライプの幅の値の好適な範囲、すなわち、この実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０におけるＭＱＷ活性層１０６の幅は、０．７μｍ〜１．０μｍの範囲内が好適である。

上述の説明から明らかなように、この発明の実施形態のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子は、反射戻り光の影響低減に対しては回折格子上のＩｎＧａＡｓＰ導波路層のバンドギャップ波長及び膜厚を最適化させ、そのために生じた出力特性の劣化を、メサストライプの幅、すなわち、活性層の幅を最適化することにより改善している。

最適化された実施形態に係るＧＣ型のＤＦＢレーザ素子１０の特性は、規格化結合係数κＬの値が１．３であり、動作温度０℃〜９０℃の範囲で単一縦モードのＣＷ連続発振を示した。又、閾値電流及びスロープ効率は、２５℃において４．５ｍＡ及び０．４４Ｗ／Ａ、８５℃において１９．２ｍＡ及び０．２０Ｗ／Ａをそれぞれ示した。又、発振主モードと副モードとの比を表すサイドモード抑圧比（Side Mode Suppression Ratio：ＳＭＳＲ）は、９０℃で１５ｍＷ以上の出力においても４０ｄＢ以上を示し、高温下おいても安定した単一縦モードの発振特性が得られている。

尚、この実施形態においては、ｎ−ＩｎＰ基板を使用しているが、ｐ−ＩｎＰ基板を用いてこの実施形態における積層体の伝導型を逆にすることにより、同様にこの発明を適用することができる。

又、この実施形態においては、回折格子の周期を均一構造としたが、λ／４シフト構造の回折格子構造においても、この発明は適用可能である。

さらに、この実施形態においては、発振波長を１．３μｍ帯のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子について述べたが、他の発振波長帯、例えば、１．５５μｍ帯あるいは１．４９μｍ帯のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子についてもこの発明は適用可能である。

又、この実施形態においては、ＢＨ構造のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子について述べたが、リッジ導波路型のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子についてもこの発明は適用可能である。

（Ａ）は、この発明のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子の構造を説明するための一部切欠斜視図である。（Ｂ）は、この発明のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子の構造を説明するためのメサストライプ方向に対して直角な方向に切った半導体積層層のみを示した部分断面図である。 （Ａ）は、ＲＩＮとパワーペナルティーの関係を示す図である。（Ｂ）は、この発明のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子のＩｎＧａＡｓＰ導波路層のバンドギャップ波長とＲＩＮの関係を示した図である。（Ｃ）は、この発明のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子のＩｎＧａＡｓＰ導波路層の厚みとＲＩＮの関係を示した図である。 この発明のＧＣ型のＤＦＢレーザ素子のメサストライプの幅と高温動作時の閾値電流の関係を示す図である。

符号の説明

１０：ＧＣ型のＤＦＢレーザ素子
１００：ｎ−ＩｎＰ基板
１０２：回折格子
１０４：ＩｎＧａＡｓＰ導波路層
１０６：ＭＱＷ活性層
１０８：ｐ−ＩｎＰクラッド層
１１０：ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１１１：メサストライプ
１１２：ｐ−ＩｎＰ層
１１４：ｎ−ＩｎＰ層
１１６：電流ブロック層
１１８：ダブルチャネル
１２０：窒化シリコン膜
１２２：コンタクトホール
１２４：ｐ側オーミック電極
１２６：ｎ側オーミック電極

Claims (1)

1. 利得結合型の分布帰還型半導体レーザ素子であって、
   半導体基板と、
   該半導体基板の表面に形成した回折格子と、
   該回折格子上に形成した導波路層と、
   該導波路層上に形成した活性層とを具え、
   前記導波路層のバンドギャップ波長が、前記活性層の発振波長の±０．１μｍ以内であり、
   前記導波路層の厚みが５ｎｍ〜３０ｎｍの範囲内であり、及び、
   前記活性層の幅が０．７μｍ〜１．０μｍの範囲内である
   ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。

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