JP2011258713A - Method of manufacturing distributed feedback type semiconductor laser element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、分布帰還型半導体レーザ素子の作製方法に関するものである。 The present invention relates to a method for manufacturing a distributed feedback semiconductor laser element.
特許文献1には、所定のデチューニング条件を満足し、多数の相互に異なる波長のレーザ光を出射する複数の分布帰還型(Distributed FeedBack:DFB)レーザ素子からなるDFBレーザ素子群を一つのウエハから一括して作製することを企図した方法が記載されている。この文献に記載された方法は、利得ピーク波長がウエハ面内の領域毎に周期的に異なる活性層を含む化合物半導体層の積層構造をウエハ上に形成する積層構造形成工程と、活性層の利得ピーク波長をウエハ面内で測定する測定工程と、測定した活性層の利得ピーク波長のウエハ面内分布に基づき、デチューニング量が所定範囲内に入るような周期を有する回折格子を形成する回折格子形成工程とを含む。
In
特許文献2には、回折格子に位相シフト部を有するDFBレーザ素子において、伝送特性を支配する素子パラメータである回折格子結合係数・素子長積κL及び発振波長の利得ピークからのデチューニング量Δλの範囲を限定することにより、直接変調時の波形チャーピングを抑制することを企図した方法が記載されている。この文献に記載された方法では、半導体レーザの共振器を共振器長さ方向に二つの領域に分け、各領域の光ガイド層に同周期の回折格子を形成し、この二つの領域の間に位相シフト量λ/n(16>n>4)の位相シフト部が設けられる。κL及びΔλは、κL+ξΔλ≧σ(0.06nm≧ξ≧0.04nm−1、5.0≧σ≧3.0)の関係式を満足する。ξとσは、Δλ−κL平面において、伝送特性の良い素子と伝送特性の悪い素子とを概略分ける直線であるκL+ξΔλ=σから求まる。 Patent Document 2 discloses that in a DFB laser element having a phase shift unit in a diffraction grating, a diffraction grating coupling coefficient / element length product κL, which are element parameters governing transmission characteristics, and a detuning amount Δλ from a gain peak of an oscillation wavelength. A method is described that is intended to suppress waveform chirping during direct modulation by limiting the range. In the method described in this document, the resonator of the semiconductor laser is divided into two regions in the length direction of the resonator, and a diffraction grating having the same period is formed in the light guide layer of each region. A phase shift unit having a phase shift amount λ / n (16> n> 4) is provided. κL and Δλ satisfy the relational expression of κL + ξΔλ ≧ σ (0.06 nm ≧ ξ ≧ 0.04 nm−1, 5.0 ≧ σ ≧ 3.0). ξ and σ are obtained from κL + ξΔλ = σ, which is a straight line that roughly divides an element with good transmission characteristics and an element with poor transmission characteristics in the Δλ-κL plane.
上述した特許文献1及び2に記載されているデチューニング量とは、主に回折格子のピッチに基づく発振波長と、活性層の組成に起因する発光波長との差に相当する。単一縦モードで発振するDFBレーザ素子では、広い温度範囲において単一モード動作を得るために、デチューニング量を好ましい範囲に収める必要がある。また、変調速度の上限を規定する緩和振動周波数を高める方法として、DFB構造の回折格子ピッチに基づく発振波長を利得ピーク波長に対して短波長側に設定する、いわゆるマイナスデチューニング方式が知られている。上述した特許文献1では、活性層を形成後に活性層の発光波長分布を測定して、その測定結果に基づいて活性層上の回折格子ピッチを決定することにより、デチューニング量を制御している。
The detuning amounts described in
しかしながら、DFBレーザ素子には、活性層の下、すなわち活性層と基板との間に回折格子が配置されるものがある(例えば特許文献2を参照)。このようなDFBレーザ素子では、活性層より先に回折格子を作成する必要があるので、特許文献1に記載された方法を使用できない。このため、活性層の組成の変動による発光波長(すなわち利得ピーク波長)の変動がそのままデチューニング量の変動に繋がってしまい、発振電流閾値、副モード抑圧比(SMSR:Sub-Mode Suppression Ratio)、緩和振動周波数等の発光特性がウエハ間でばらつき、所望の発光特性を得ることが難しいという問題がある。
However, some DFB laser elements have a diffraction grating disposed under the active layer, that is, between the active layer and the substrate (see, for example, Patent Document 2). In such a DFB laser element, since it is necessary to create a diffraction grating prior to the active layer, the method described in
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、活性層と半導体基板との間に回折格子が設けられるDFBレーザ素子において、主に回折格子のピッチに基づく発振波長と、活性層の組成による発光波長(利得ピーク波長)との差を小さくすることが可能なDFBレーザ素子の作製方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and in a DFB laser element in which a diffraction grating is provided between an active layer and a semiconductor substrate, the oscillation wavelength mainly based on the pitch of the diffraction grating, and the active It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a DFB laser device capable of reducing a difference from an emission wavelength (gain peak wavelength) due to a layer composition.
上述した課題を解決するために、本発明による第1の分布帰還型半導体レーザ素子の作製方法は、半導体基板上に回折格子を含む半導体層を形成する回折格子形成工程と、半導体層上に活性層を形成する活性層形成工程と、活性層の利得ピーク波長を測定する測定工程と、少なくとも活性層を所定方向に延びるメサ形状に成形することにより光導波路を形成するメサ形成工程とを含み、メサ形成工程において、所定方向と交差する方向における活性層の幅及び回折格子の周期に依存する、当該分布帰還型半導体レーザ素子の発振波長と、測定工程において得られる活性層の利得ピーク波長との差が所定の範囲内となるように、活性層の幅を決定することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a first distributed feedback semiconductor laser device fabrication method according to the present invention includes a diffraction grating forming step of forming a semiconductor layer including a diffraction grating on a semiconductor substrate, and an active on the semiconductor layer. An active layer forming step of forming a layer, a measuring step of measuring a gain peak wavelength of the active layer, and a mesa forming step of forming an optical waveguide by forming at least the active layer into a mesa shape extending in a predetermined direction, In the mesa formation process, the oscillation wavelength of the distributed feedback semiconductor laser element, which depends on the width of the active layer in the direction intersecting the predetermined direction and the period of the diffraction grating, and the gain peak wavelength of the active layer obtained in the measurement process The width of the active layer is determined so that the difference is within a predetermined range.
この第1のDFBレーザ素子の作製方法では、活性層形成工程の前に回折格子形成工程を行うので、活性層と半導体基板との間に回折格子を有するDFBレーザ素子が作製される。そして、活性層を形成した後に活性層の利得ピーク波長を測定し、この利得ピーク波長とDFBレーザ素子の発振波長との差が所定の範囲内とするために、この第1のDFBレーザ素子の作製方法は、次の工程を含む。すなわち、DFBレーザ素子の発振波長が回折格子の周期だけでなく光導波路の実効屈折率にも依存しており、光導波路の実効屈折率は活性層の幅に依存することから、活性層形成工程の後に行われるメサ形成工程において、発振波長と利得ピーク波長との差が所定の範囲内となるように、活性層の幅を決定する。これにより、DFBレーザ素子の発振波長と、活性層の組成による発光波長(利得ピーク波長)との差を小さくすることが可能となる。 In this first method for fabricating a DFB laser element, since the diffraction grating forming step is performed before the active layer forming step, a DFB laser element having a diffraction grating between the active layer and the semiconductor substrate is fabricated. Then, after forming the active layer, the gain peak wavelength of the active layer is measured, and the difference between the gain peak wavelength and the oscillation wavelength of the DFB laser element is within a predetermined range. The manufacturing method includes the following steps. That is, the oscillation wavelength of the DFB laser element depends not only on the period of the diffraction grating but also on the effective refractive index of the optical waveguide, and the effective refractive index of the optical waveguide depends on the width of the active layer. In the mesa formation step performed after the step, the width of the active layer is determined so that the difference between the oscillation wavelength and the gain peak wavelength is within a predetermined range. Thereby, the difference between the oscillation wavelength of the DFB laser element and the emission wavelength (gain peak wavelength) due to the composition of the active layer can be reduced.
また、本発明による第2の分布帰還型半導体レーザ素子の作製方法は、半導体基板上に回折格子を含む半導体層を形成する回折格子形成工程と、半導体層上に活性層を形成する活性層形成工程と、活性層の利得ピーク波長を測定する測定工程と、活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい光閉じ込め層を活性層上に形成する光閉じ込め層形成工程とを含み、光閉じ込め層形成工程において、光閉じ込め層の厚さ及び回折格子の周期に依存する、当該分布帰還型半導体レーザ素子の発振波長と、測定工程において得られる活性層の利得ピーク波長との差が所定の範囲内となるように、光閉じ込め層の厚さを決定することを特徴とする。 The second distributed feedback semiconductor laser device fabrication method according to the present invention includes a diffraction grating forming step of forming a semiconductor layer including a diffraction grating on a semiconductor substrate, and an active layer formation of forming an active layer on the semiconductor layer. A step of measuring the gain peak wavelength of the active layer, and a step of forming a light confinement layer having a band gap energy larger than that of the active layer on the active layer. The difference between the oscillation wavelength of the distributed feedback semiconductor laser element, which depends on the thickness of the optical confinement layer and the period of the diffraction grating, and the gain peak wavelength of the active layer obtained in the measurement process is within a predetermined range. Determining the thickness of the optical confinement layer.
この第2のDFBレーザ素子の作製方法では、上述した第1の作製方法と同様に、活性層と半導体基板との間に回折格子を有するDFBレーザ素子が作製される。そして、活性層を形成した後に活性層の利得ピーク波長を測定し、この利得ピーク波長とDFBレーザ素子の発振波長との差が所定の範囲内とするために、この第2のDFBレーザ素子の作製方法は、次の工程を含む。すなわち、DFBレーザ素子の発振波長が回折格子の周期だけでなく光導波路の実効屈折率にも依存しており、光導波路の実効屈折率は光閉じ込め層の厚さに依存することから、活性層形成工程の後に行われる光閉じ込め層形成工程において、発振波長と利得ピーク波長との差が所定の範囲内となるように、光閉じ込め層の厚さを決定する。これにより、DFBレーザ素子の発振波長と、活性層の組成による発光波長(利得ピーク波長)との差を小さくすることが可能となる。 In this second DFB laser element manufacturing method, a DFB laser element having a diffraction grating between the active layer and the semiconductor substrate is manufactured as in the first manufacturing method described above. Then, after forming the active layer, the gain peak wavelength of the active layer is measured, and the difference between the gain peak wavelength and the oscillation wavelength of the DFB laser element is within a predetermined range. The manufacturing method includes the following steps. That is, the oscillation wavelength of the DFB laser element depends not only on the period of the diffraction grating but also on the effective refractive index of the optical waveguide, and the effective refractive index of the optical waveguide depends on the thickness of the optical confinement layer. In the optical confinement layer formation step performed after the formation step, the thickness of the optical confinement layer is determined so that the difference between the oscillation wavelength and the gain peak wavelength is within a predetermined range. Thereby, the difference between the oscillation wavelength of the DFB laser element and the emission wavelength (gain peak wavelength) due to the composition of the active layer can be reduced.
また、本発明による第3の分布帰還型半導体レーザ素子の作製方法は、半導体基板上に回折格子を含む半導体層を形成する回折格子形成工程と、半導体層上に活性層を形成する活性層形成工程と、活性層の利得ピーク波長を測定する測定工程と、活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい光閉じ込め層を活性層上に形成する光閉じ込め層形成工程とを含み、光閉じ込め層形成工程において、光閉じ込め層の組成及び回折格子の周期に依存する、当該分布帰還型半導体レーザ素子の発振波長と、測定工程において得られる活性層の利得ピーク波長との差が所定の範囲内となるように、光閉じ込め層の組成を決定することを特徴とする。 The third distributed feedback semiconductor laser device fabrication method according to the present invention includes a diffraction grating forming step of forming a semiconductor layer including a diffraction grating on a semiconductor substrate, and an active layer formation of forming an active layer on the semiconductor layer. A step of measuring the gain peak wavelength of the active layer, and a step of forming a light confinement layer having a band gap energy larger than that of the active layer on the active layer. Depending on the composition of the optical confinement layer and the period of the diffraction grating, the difference between the oscillation wavelength of the distributed feedback semiconductor laser element and the gain peak wavelength of the active layer obtained in the measurement step is within a predetermined range. The composition of the optical confinement layer is determined.
この第3のDFBレーザ素子の作製方法では、上述した第1の作製方法と同様に、活性層と半導体基板との間に回折格子を有するDFBレーザ素子が作製される。そして、活性層を形成した後に活性層の利得ピーク波長を測定し、この利得ピーク波長とDFBレーザ素子の発振波長との差が所定の範囲内とするために、この第3のDFBレーザ素子の作製方法は、次の工程を含む。すなわち、DFBレーザ素子の発振波長が回折格子の周期だけでなく光導波路の実効屈折率にも依存しており、光導波路の実効屈折率は光閉じ込め層の組成に依存することから、活性層形成工程の後に行われる光閉じ込め層形成工程において、発振波長と利得ピーク波長との差が所定の範囲内となるように、光閉じ込め層の組成を決定する。これにより、DFBレーザ素子の発振波長と、活性層の組成による発光波長(利得ピーク波長)との差を小さくすることが可能となる。 In this third method for fabricating a DFB laser element, a DFB laser element having a diffraction grating between the active layer and the semiconductor substrate is fabricated, as in the first fabrication method described above. Then, after forming the active layer, the gain peak wavelength of the active layer is measured, and the difference between the gain peak wavelength and the oscillation wavelength of the DFB laser element is within a predetermined range. The manufacturing method includes the following steps. In other words, the oscillation wavelength of the DFB laser element depends not only on the period of the diffraction grating but also on the effective refractive index of the optical waveguide, and the effective refractive index of the optical waveguide depends on the composition of the optical confinement layer. In the optical confinement layer forming step performed after the step, the composition of the optical confinement layer is determined so that the difference between the oscillation wavelength and the gain peak wavelength is within a predetermined range. Thereby, the difference between the oscillation wavelength of the DFB laser element and the emission wavelength (gain peak wavelength) due to the composition of the active layer can be reduced.
また、上述した第1ないし第3の分布帰還型半導体レーザ素子の作製方法において、光閉じ込め層は、活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい第1の層と、第1の層上に設けられ、第1の層よりバンドギャップエネルギーが大きい第2の層とを含んでもよい。 In the first to third distributed feedback semiconductor laser device fabrication methods described above, the optical confinement layer is provided on the first layer having the band gap energy larger than that of the active layer, and on the first layer. And a second layer having a band gap energy larger than that of the first layer.
本発明による分布帰還型半導体レーザ素子の作製方法によれば、活性層と半導体基板との間に回折格子が設けられるDFBレーザ素子において、主に回折格子のピッチに基づく発振波長と、活性層の組成による発光波長(利得ピーク波長)との差を小さくすることが可能となる。 According to the method for manufacturing a distributed feedback semiconductor laser device according to the present invention, in a DFB laser device in which a diffraction grating is provided between an active layer and a semiconductor substrate, an oscillation wavelength mainly based on the pitch of the diffraction grating, The difference from the emission wavelength (gain peak wavelength) due to the composition can be reduced.
以下、添付図面を参照しながら本発明による分布帰還型半導体レーザ素子の作製方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Embodiments of a method for manufacturing a distributed feedback semiconductor laser device according to the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
図1は、本発明の一実施形態に係る分布帰還型半導体レーザ素子(以下、DFBレーザ素子という)の作製方法を示すフローチャートである。また、図2〜図6は、本実施形態によるDFBレーザの作製方法の各工程を概略的に示す図である。図2(a)は、DFBレーザの作製工程を光導波方向と垂直な方向から見た断面図である。図2(b)及び図3〜図6は、DFBレーザの作製工程を光導波方向から見た断面図である。 FIG. 1 is a flowchart showing a method for manufacturing a distributed feedback semiconductor laser element (hereinafter referred to as a DFB laser element) according to an embodiment of the present invention. 2 to 6 are diagrams schematically showing each step of the method for manufacturing the DFB laser according to the present embodiment. FIG. 2A is a cross-sectional view of the DFB laser manufacturing process viewed from a direction perpendicular to the optical waveguide direction. 2B and 3 to 6 are cross-sectional views of the manufacturing process of the DFB laser as seen from the optical waveguide direction.
図1に示すように、本実施形態の作製方法は、回折格子形成工程S11、活性層形成工程S12、測定工程S13、光閉じ込め層形成工程S14、メサ形成工程S15、電流ブロック領域形成工程S16、上部クラッド層形成工程S17、コンタクト層形成工程S18、電極形成工程S19、及びチップ化工程S20を含む。 As shown in FIG. 1, the manufacturing method of this embodiment includes a diffraction grating formation step S11, an active layer formation step S12, a measurement step S13, a light confinement layer formation step S14, a mesa formation step S15, a current block region formation step S16, It includes an upper clad layer forming step S17, a contact layer forming step S18, an electrode forming step S19, and a chip forming step S20.
まず、回折格子形成工程S11では、図2(a)に示されるように、半導体基板20上に回折格子10aを含む半導体層10を形成する。一実施例としては、半導体基板20としてn型InP基板が用いられる。このn型InP基板上に、厚さ550nmのn型InPクラッド層を成長させ、その上に厚さ60nm、バンドギャップ波長1.1μmのInGaAsP回折格子層を成長させる。この後電子ビーム(EB)描画用レジストを塗布し、EB描画装置を使用してEB描画を行い、周期Λ=243.8nmの回折格子パターンを有するレジスト膜を形成する。その後、エッチングによりレジスト膜を介してInGaAsP回折格子層を貫通するようにエッチングを施すことにより、回折格子10aを形成する。なお、このとき、回折格子10aの再現性に優れるドライエッチングによってエッチングを施すことが好ましい。このエッチングの後、EB描画用レジストは除去される。そして、厚さ140nmのアンドープInP層をInGaAsP回折格子層上に成長させることにより、回折格子10aを埋め込む。こうして、回折格子10aを含む半導体層10が形成される。
First, in the diffraction grating forming step S <b> 11, as shown in FIG. 2A, the
次に、活性層形成工程S12では、図2(b)に示されるように、半導体層10上に活性層12を形成する。一実施例としては、厚さ30nm、バンドギャップ波長1.1μmのアンドープInGaAsPから成る層と、厚さ20nm、バンドギャップ波長1.225μmのアンドープInGaAsPから成る層とを順に成長させることにより、下部光閉じ込め層11としてのステップ型GRIN−SCH(Graded-Index Separate-Confinement Heterostructure)層を形成する。続いて、この下部光閉じ込め層11上に、厚さ6.6nmを有し1.55μm帯の光を発生する7層のInGaAsP井戸層と、厚さ10nmを有しバンドギャップ波長が1.225μmである8層のInGaAsPバリア層とを交互に成長させることにより、多重量子井戸(MQW)構造を有する活性層12を形成する。
Next, in the active layer forming step S12, the
続いて、測定工程S13では、活性層12の利得ピーク波長を測定する。一実施例では、半導体基板20、半導体層10、及び活性層12を有する基板生産物に対してフォトルミネッセンス(PL)測定を行い、このPL測定により得られるPLスペクトルに基づいて、活性層12の利得ピーク波長を得る。このPLスペクトルは、活性層12に加えて半導体層10や半導体基板20の発光波長が重複したスペクトルとなるので、半導体基板20、半導体層10、及び活性層12の利得ピーク波長に関する情報が含まれる。しかし、活性層12のバンドギャップエネルギーが最も小さいことから、長波長側(バンドギャップエネルギーが最も小さい側)のスペクトルを活性層12に関するPLスペクトルとして特定することができる。また、光により励起されたキャリア(電子、正孔)はバンドギャップエネルギーが最も小さい層に落ち込んで再結合するので、活性層12のPLスペクトルが最も大きく現れる。従って、活性層12の利得ピーク波長を測定することができる。
Subsequently, in the measurement step S13, the gain peak wavelength of the
続いて、光閉じ込め層形成工程S14では、図3(a)に示されるように、上部光閉じ込め層13を活性層上に形成する。この上部光閉じ込め層13は、活性層12よりバンドギャップエネルギーが大きい。一実施例としては、厚さ20nm、バンドギャップ波長1.225μmのInGaAsPから成る第1の層と、厚さ30nm、バンドギャップ波長1.1μmのInGaAsPから成る第2の層とを順に活性層12上に成長させることにより、上部光閉じ込め層13としてのステップ型GRIN−SCH層を形成する。このように、上部光閉じ込め層13は、活性層12よりバンドギャップエネルギーが大きい第1の層と、第1の層上に設けられ、第1の層よりバンドギャップエネルギーが大きい第2の層とを含んでもよい。
Subsequently, in the light confinement layer forming step S14, as shown in FIG. 3A, the upper
ここで、後述するように、DFBレーザ素子の発振波長は、回折格子10aの周期だけでなく光導波路の実効屈折率にも依存しており、光導波路の実効屈折率は光閉じ込め層13の厚さや組成に依存する。従って、DFBレーザ素子の発振波長と、活性層の組成による発光波長との差を小さくするために、光閉じ込め層形成工程S14においては、発振波長と利得ピーク波長との差が所定の範囲内となるように、光閉じ込め層13の厚さ及び組成の少なくとも一方を決定する。
Here, as will be described later, the oscillation wavelength of the DFB laser element depends not only on the period of the
なお、光閉じ込め層形成工程S14ののち、図3(b)に示されるように、光閉じ込め層13の上にクラッド層14(例えば、厚さ400nmのp型InPクラッド層)を成長してもよい。
After the light confinement layer forming step S14, as shown in FIG. 3B, the clad layer 14 (for example, a p-type InP clad layer having a thickness of 400 nm) is grown on the
続いて、メサ形成工程S15では、図4(a)に示されるように、クラッド層14、光閉じ込め層13、活性層12および半導体層10を所定方向(光導波方向)に延びるメサ形状に成形することにより、光導波路15を形成する。一実施例としては、クラッド層14、光閉じ込め層13、活性層12および半導体層10にドライエッチング又はウェットエッチングを施す。光導波方向と交差する方向におけるメサの幅は、例えば1.25μmである。
Subsequently, in the mesa formation step S15, as shown in FIG. 4A, the
ここで、後述するように、DFBレーザ素子の発振波長は、回折格子10aの周期だけでなく光導波路の実効屈折率にも依存しており、光導波路の実効屈折率は、光導波方向と交差する方向における活性層12の幅にも依存する。従って、DFBレーザ素子の発振波長と、活性層の組成による発光波長(利得ピーク波長)との差を小さくするために、メサ形成工程S15においては、発振波長と利得ピーク波長との差が所定の範囲内となるように、活性層12の幅Wを決定する。なお、本工程において活性層12の幅をこのように決定する場合には、光閉じ込め層形成工程S14における、利得ピーク波長に応じた光閉じ込め層13の厚さ及び組成の決定を省略することができる。また、光閉じ込め層形成工程S14において光閉じ込め層13の厚さ及び組成の少なくとも一方を利得ピーク波長に応じて決定する場合には、本工程における、利得ピーク波長に応じた活性層12の幅の決定を省略することができる。
Here, as will be described later, the oscillation wavelength of the DFB laser element depends not only on the period of the
続いて、電流ブロック領域形成工程S16では、図4(b)に示されるように、電流ブロック領域16を形成する。一実施例としては、半導体基板20上において活性層12を含むメサ構造が形成された領域を除く領域上に、p型InP層16a及びn型InP層16bを順次成長させ、これらの層によってメサ構造の両側面を埋め込む。これにより、pn接合部を有する電流ブロック領域16が好適に形成される。
Subsequently, in the current block region forming step S16, the
続いて、上部クラッド層形成工程S17では、図5(a)に示されるように、活性層12を含むメサ構造上、及び電流ブロック領域16上に、上部クラッド層17を成長させる。一実施例としては、厚さ1600nmのp型InPから成る上部クラッド層17を成長させる。続いて、コンタクト層形成工程S18では、図5(a)に示されるように、上部クラッド層17上にコンタクト層18を成長させる。一実施例としては、厚さ500nmのp型InGaAsから成るコンタクト層18を成長させる。なお、コンタクト層形成工程S18ののち、図5(b)に示されるように、コンタクト層18から半導体基板20に達する溝19をメサ構造の両側面に沿って形成してもよい。
Subsequently, in the upper clad layer forming step S <b> 17, as shown in FIG. 5A, the upper clad
続いて、電極形成工程S19では、図6に示されるように、コンタクト層18の表面上および溝19の内面上に絶縁膜21を成膜したのち、活性層12の上方に形成された絶縁膜21の開口部にアノード電極22を形成する。また、半導体基板20の裏面上にカソード電極23を形成する。
Subsequently, in the electrode forming step S19, as shown in FIG. 6, after the insulating
最後に、チップ化工程S20では、半導体基板20を劈開することによってレーザ共振端面を形成し、更にチップ状に切断することによってDFBレーザ素子を形成する。共振端面の間隔すなわち共振器長は、例えば300μmである。
Finally, in the chip forming step S20, the laser resonant end face is formed by cleaving the
本実施形態に係るDFBレーザ素子の作製方法によって得られる作用及び効果について述べる。まず、本実施形態における作用及び効果の理解を容易にするため、比較例として、活性層の上側に回折格子が設けられるDFBレーザ素子の作製方法と、発振波長の調整方法について簡単に説明する。 Actions and effects obtained by the method for manufacturing the DFB laser device according to this embodiment will be described. First, in order to facilitate understanding of the operation and effect in the present embodiment, as a comparative example, a method for manufacturing a DFB laser element in which a diffraction grating is provided on the upper side of an active layer and a method for adjusting an oscillation wavelength will be briefly described.
半導体基板(例えばInP基板)の上に、クラッド層(n型InP)、下部光閉じ込め層(InGaAsP)、多重量子井戸活性層(InGaAsP)、上部光閉じ込め層(InGaAsP)、スペーサ層(p型InP)、及び回折格子層(p型InGaAsP)を順に成長させる。次に、この基板生産物に対してPL測定を行い、活性層の利得ピーク波長を取得する。そして、所望のDFBレーザ素子の発振波長と活性層12の利得ピーク波長との差(デチューニング量)が所望の範囲に含まれるように、回折格子ピッチを決定し、回折格子を形成する。その際、干渉露光ではなくEB露光によって回折格子パターンを形成する必要がある。その後、回折格子を埋め込むための層(p型InP)、クラッド層(p型InP)を成長させる。
On a semiconductor substrate (for example, an InP substrate), a cladding layer (n-type InP), a lower optical confinement layer (InGaAsP), a multiple quantum well active layer (InGaAsP), an upper optical confinement layer (InGaAsP), a spacer layer (p-type InP) ) And a diffraction grating layer (p-type InGaAsP). Next, PL measurement is performed on the substrate product to obtain the gain peak wavelength of the active layer. Then, the diffraction grating pitch is determined so that the difference (detuning amount) between the oscillation wavelength of the desired DFB laser element and the gain peak wavelength of the
このように、活性層の上側に回折格子が設けられるDFBレーザ素子を作製する場合には、プロセス中に活性層の利得ピーク波長を測定し、その結果を回折格子ピッチに反映させることで、デチューニング量を小さく抑えることができる。しかしながら、活性層の下側すなわち半導体基板と活性層との間に回折格子が設けられるDFBレーザ素子を作製する場合、活性層より先に回折格子を形成する必要があるので、このような方法を使用することはできない。そこで、本実施形態では、以下に述べるようにしてデチューニング量を小さく抑える。 Thus, when fabricating a DFB laser element having a diffraction grating on the upper side of the active layer, the gain peak wavelength of the active layer is measured during the process, and the result is reflected in the diffraction grating pitch. The amount of tuning can be kept small. However, when fabricating a DFB laser device in which a diffraction grating is provided below the active layer, that is, between the semiconductor substrate and the active layer, it is necessary to form the diffraction grating before the active layer. Cannot be used. Therefore, in this embodiment, the detuning amount is kept small as described below.
DFBレーザ素子の発振波長λDFBは、回折格子10aの周期Λと光導波路15の実効屈折率neffを用いて、次の数式(1)によって表すことができる。
λDFB=2×neff×Λ ・・・(1)
従って、周期Λ及び実効屈折率neffを調整することにより、発振波長λDFBを制御することができる。例えば、上部光閉じ込め層13の構成が上述した一実施例(ステップ型GRIN−SCH層)である場合、光導波路15の実効屈折率neffは3.1891となり、発振波長λDFBは、
λDFB=2×neff×Λ=2×3.1891×243.8×10−9=1555nm
となる。
The oscillation wavelength λ DFB of the DFB laser element can be expressed by the following formula (1) using the period Λ of the
λ DFB = 2 × neff × Λ (1)
Therefore, the oscillation wavelength λ DFB can be controlled by adjusting the period Λ and the effective refractive index neff. For example, when the configuration of the upper
λ DFB = 2 × neff × Λ = 2 × 3.11891 × 243.8 × 10 −9 = 1555 nm
It becomes.
ここで、活性層12の利得ピーク波長が1565nmである場合、DFBレーザ素子の発振波長と活性層12の発光波長との差(デチューニング量)は、1555nm−1565nm=−10nmとなる。一方、活性層12の利得ピーク波長は、活性層12の内部構造(井戸層及び障壁層の厚さや組成)によって決定されるので、エピタキシャル成長時の結晶品質によって左右され、目標値に対して概ね±数nmは変動する。このように利得ピーク波長が目標値からシフトすると、デチューニング量が変動し、緩和振動周波数や単一モード性も変動することになる。
Here, when the gain peak wavelength of the
本実施形態では、光導波路15の実効屈折率neffを調整することによって、発振波長λDFBを制御し、デチューニング量を所定の範囲内に収める。すなわち、活性層12まで成長させた後にPL測定を行うことにより、活性層12の利得ピーク波長を測定する。そして、上部光閉じ込め層13の厚さ及び組成のうち少なくとも一方、及び/又は活性層12の幅を調整することにより、光導波路15の実効屈折率を変化させ、発振波長(ブラッグ波長)λDFBを調整する。
In the present embodiment, the oscillation wavelength λ DFB is controlled by adjusting the effective refractive index neff of the
具体的には、活性層12の幅(基準値1.25μm)を、±0.25μmすなわち1.00μm〜1.50μmの範囲内で調整する。また、上部光閉じ込め層13の第1の層(活性層12に近い側の層)の厚さ(基準値20nm)を、+15nm〜−10nmすなわち10nm〜35nmの範囲内で調整する。なお、この第1の層のバンドギャップ波長は1.225μmである。また、上部光閉じ込め層13の第2の層(活性層12から遠い側の層)の厚さ(基準値30nm)を、±15nmすなわち15nm〜45nmの範囲内で調整する。なお、この第2の層のバンドギャップ波長は1.1μmである。
Specifically, the width of the active layer 12 (reference value 1.25 μm) is adjusted within a range of ± 0.25 μm, that is, 1.00 μm to 1.50 μm. Further, the thickness (
図7は、活性層12の幅、上部光閉じ込め層13の第1及び第2の層の厚さを上記のように変化させた場合の、発振波長(ブラッグ波長)λDFBの算出結果を示す図表である。図7に示される結果を、発振波長λDFBを従属変数とし、活性層12の幅、上部光閉じ込め層13の第1及び第2の層の各厚さを説明変数とすることにより重回帰分析を行った結果、発振波長λDFBは次の数式(2)によって算出される。
発振波長(nm)=8.9823×{活性層幅(μm)}
+0.03724×{第1の層の厚さ(nm)}
+0.09045×(第2の層の厚さ(nm)}
+1540.3(nm) ・・・(2)
FIG. 7 shows the calculation result of the oscillation wavelength (Bragg wavelength) λ DFB when the width of the
Oscillation wavelength (nm) = 8.9823 × {active layer width (μm)}
+ 0.03724 × {first layer thickness (nm)}
+ 0.09045 × (the thickness of the second layer (nm))
+1540.3 (nm) (2)
従って、数式(2)に基づき、例えば活性層12の幅を±0.1μm、上部光閉じ込め層13の第1及び第2の層の各厚さをそれぞれ±10nm調整することにより、発振波長λDFBを約±2nmにわたって調整することができる。すなわち、活性層12の利得ピーク波長が±2nm変動する場合であっても、DFBレーザ素子の発振波長と活性層12の発光波長との差(デチューニング量)を目標値に近い所定の範囲内に収めることができる。
Therefore, based on the formula (2), for example, by adjusting the width of the
なお、上述した説明では、活性層12の幅および上部光閉じ込め層13の厚さによって発振波長λDFBを調整しているが、上部光閉じ込め層13の組成を調整することにより、同様の作用効果を得ることができる。光導波路15の実効屈折率neffは、上部光閉じ込め層13の組成にも依存しているからである。
In the above description, the oscillation wavelength λ DFB is adjusted by the width of the
以上説明したように、本実施形態のDFBレーザ素子の作製方法によれば、活性層12と半導体基板20との間に回折格子10aが設けられるDFBレーザ素子において、発振波長λDFBと発光波長との差(デチューニング量)を小さくすることが可能となる。
As described above, according to the method for manufacturing the DFB laser device of this embodiment, in the DFB laser device in which the
本発明によるDFBレーザ素子の作製方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態に示された作製方法は、回折格子形成工程、活性層形成工程、測定工程、光閉じ込め層形成工程、及びメサ形成工程を含むが、光閉じ込め層の厚さ又は組成のみによって発振波長を調整する場合には、メサ形成工程を省略することができる。また、活性層幅のみによって発振波長を調整する場合には、光閉じ込め層形成工程を省略することができる。 The manufacturing method of the DFB laser device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible. For example, the manufacturing method shown in the above embodiment includes a diffraction grating formation step, an active layer formation step, a measurement step, a light confinement layer formation step, and a mesa formation step, but only by the thickness or composition of the light confinement layer. When adjusting the oscillation wavelength, the mesa forming step can be omitted. Further, when the oscillation wavelength is adjusted only by the active layer width, the optical confinement layer forming step can be omitted.
10…半導体層、10a…回折格子、11…下部光閉じ込め層、12…活性層、13…上部光閉じ込め層、14…クラッド層、15…光導波路、16…電流ブロック領域、17…上部クラッド層、18…コンタクト層、19…溝、20…半導体基板、21…絶縁膜、22…アノード電極、23…カソード電極。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
半導体基板上に回折格子を含む半導体層を形成する回折格子形成工程と、
前記半導体層上に活性層を形成する活性層形成工程と、
前記活性層の利得ピーク波長を測定する測定工程と、
少なくとも前記活性層を所定方向に延びるメサ形状に成形することにより光導波路を形成するメサ形成工程と
を含み、
前記メサ形成工程において、前記所定方向と交差する方向における前記活性層の幅及び前記回折格子の周期に依存する、当該分布帰還型半導体レーザ素子の発振波長と、前記測定工程において得られる前記活性層の利得ピーク波長との差が所定の範囲内となるように、前記活性層の幅を決定することを特徴とする、分布帰還型半導体レーザ素子の作製方法。 A method for producing a distributed feedback semiconductor laser device, comprising:
A diffraction grating forming step of forming a semiconductor layer including a diffraction grating on a semiconductor substrate;
An active layer forming step of forming an active layer on the semiconductor layer;
A measurement step of measuring a gain peak wavelength of the active layer;
A mesa forming step of forming an optical waveguide by forming at least the active layer into a mesa shape extending in a predetermined direction,
In the mesa formation step, the oscillation wavelength of the distributed feedback semiconductor laser element depends on the width of the active layer and the period of the diffraction grating in the direction intersecting the predetermined direction, and the active layer obtained in the measurement step A method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser device, wherein the width of the active layer is determined so that a difference from a gain peak wavelength of the active layer falls within a predetermined range.
半導体基板上に回折格子を含む半導体層を形成する回折格子形成工程と、
前記半導体層上に活性層を形成する活性層形成工程と、
前記活性層の利得ピーク波長を測定する測定工程と、
前記活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい光閉じ込め層を前記活性層上に形成する光閉じ込め層形成工程と
を含み、
前記光閉じ込め層形成工程において、前記光閉じ込め層の厚さ及び前記回折格子の周期に依存する、当該分布帰還型半導体レーザ素子の発振波長と、前記測定工程において得られる前記活性層の利得ピーク波長との差が所定の範囲内となるように、前記光閉じ込め層の厚さを決定することを特徴とする、分布帰還型半導体レーザ素子の作製方法。 A method for producing a distributed feedback semiconductor laser device, comprising:
A diffraction grating forming step of forming a semiconductor layer including a diffraction grating on a semiconductor substrate;
An active layer forming step of forming an active layer on the semiconductor layer;
A measurement step of measuring a gain peak wavelength of the active layer;
Forming an optical confinement layer on the active layer having a larger band gap energy than the active layer,
In the optical confinement layer forming step, the oscillation wavelength of the distributed feedback semiconductor laser element, which depends on the thickness of the optical confinement layer and the period of the diffraction grating, and the gain peak wavelength of the active layer obtained in the measurement step The thickness of the optical confinement layer is determined so that the difference between the two is within a predetermined range.
半導体基板上に回折格子を含む半導体層を形成する回折格子形成工程と、
前記半導体層上に活性層を形成する活性層形成工程と、
前記活性層の利得ピーク波長を測定する測定工程と、
前記活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい光閉じ込め層を前記活性層上に形成する光閉じ込め層形成工程と
を含み、
前記光閉じ込め層形成工程において、前記光閉じ込め層の組成及び前記回折格子の周期に依存する、当該分布帰還型半導体レーザ素子の発振波長と、前記測定工程において得られる前記活性層の利得ピーク波長との差が所定の範囲内となるように、前記光閉じ込め層の組成を決定することを特徴とする、分布帰還型半導体レーザ素子の作製方法。 A method for producing a distributed feedback semiconductor laser device, comprising:
A diffraction grating forming step of forming a semiconductor layer including a diffraction grating on a semiconductor substrate;
An active layer forming step of forming an active layer on the semiconductor layer;
A measurement step of measuring a gain peak wavelength of the active layer;
Forming an optical confinement layer on the active layer having a larger band gap energy than the active layer,
In the optical confinement layer forming step, the oscillation wavelength of the distributed feedback semiconductor laser element, which depends on the composition of the optical confinement layer and the period of the diffraction grating, and the gain peak wavelength of the active layer obtained in the measurement step, A method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser device, wherein the composition of the optical confinement layer is determined so that the difference between the two is within a predetermined range.
前記活性層よりバンドギャップエネルギーが大きい第1の層と、
前記第1の層上に設けられ、前記第1の層よりバンドギャップエネルギーが大きい第2の層と
を含むことを特徴とする、請求項2または3に記載の分布帰還型半導体レーザ素子の作製方法。 The optical confinement layer
A first layer having a larger band gap energy than the active layer;
4. The distributed feedback semiconductor laser device according to claim 2, further comprising: a second layer provided on the first layer and having a band gap energy larger than that of the first layer. 5. Method.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2014063052A (en) * | 2012-09-21 | 2014-04-10 | Mitsubishi Electric Corp | Manufacturing method of optical modulator and optical modulator |
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2010
- 2010-06-08 JP JP2010131361A patent/JP2011258713A/en active Pending
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