JP2012156378A - 半導体レーザ - Google Patents

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Abstract

【課題】出射ビーム形状を安定にすることができる半導体レーザを得る。
【解決手段】半導体レーザは、回折格子１０が設けられたＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）領域１１と、回折格子１０が設けられていないＦＰ（Fabry-Perot）領域１２とを有する。ＤＢＲ領域１１と出射端面１３との間に光導波路部１４が配置されている。共振器長方向において、光導波路部１４の長さはＤＢＲ領域１１の長さ以上である。
【選択図】図１

Description

本発明は、励起光源、モーションセンサー、光通信用光源などに用いられる半導体レーザに関する。
従来の半導体レーザでは、回折格子が設けられたＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）領域は出射端面に近接してｐ型ＡｌＧａＡｓクラッド層内に設けられていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−１６５３８３号公報
ＤＢＲ領域とそれ以外のＦＰ（Fabry-Perot）領域とでは、積層方向の屈折率分布が異なる。このため、ＦＰ領域を伝搬して出射端面に向う光がＤＢＲ領域で屈折率差による摂動を受け、光強度分布である導波モードが摂動を受ける。従って、出射ビーム形状である遠視野像（ＦＦＰ）が乱れ、その後の光学系に影響を与えるという問題があった。また、回折格子がＡｌＧａＡｓクラッド層内に設けられていたので、レーザの温度特性が悪いという問題があった。
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、第１の目的は出射ビーム形状を安定にすることができる半導体レーザを得るものである。第２の目的は温度特性の良好な半導体レーザを得るものである。
第１の発明に係る半導体レーザは、回折格子が設けられたＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）領域と、前記回折格子が設けられていないＦＰ（Fabry-Perot）領域とを有する半導体レーザにおいて、前記ＤＢＲ領域と出射端面との間に配置された光導波路部を備え、共振器長方向において、前記光導波路部の長さは前記ＤＢＲ領域の長さ以上であることを特徴とする。
第２の発明に係る半導体レーザは、活性層と、前記活性層を挟むＡｌＧａＩｎＰクラッド層と、前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層内に設けられた埋め込み層と、前記埋め込み層内に埋め込まれ、回折格子が形成された回折格子層とを備え、前記埋め込み層は、ＡｌＧａＡｓ、又は前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層と異なるＡｌ組成比を持つＡｌＧａＩｎＰであり、前記回折格子層は、前記埋め込み層とＡｌ組成比の異なるＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、又は前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層及び前記埋め込み層と異なるＡｌ組成比を持つＡｌＧａＩｎＰであることを特徴とする。
第１の発明により、出射ビーム形状を安定にすることができる。第２の発明により、温度特性の良好な半導体レーザを得ることができる。
本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの共振器長方向に沿った断面図である。 本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの共振器長方向に沿った断面図である。 本発明の実施の形態３に係る半導体レーザの共振器長方向に沿った上面図である。 図３のＡ−Ａ´に沿った断面図である。 図３のＢ−Ｂ´に沿った断面図である。 本発明の実施の形態４に係る半導体レーザの共振器長方向に沿った断面図である。
本発明の実施の形態に係る半導体レーザについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザの共振器長方向に沿った断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、光ガイド層３、活性層４、光ガイド層５、回折格子層６、埋め込み層７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８、及びｐ型コンタクト層９が順番に積層されている。
ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２は厚さ２μｍの（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ層、光ガイド層３は厚さ１５ｎｍのアンドープＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層、活性層４は厚さ６ｎｍのアンドープＧａＡｓ層、光ガイド層５は厚さ１５ｎｍのアンドープＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層、回折格子層６は厚さ２５ｎｍのｐ型Ａｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ層、埋め込み層７は厚さ５０ｎｍのｐ型Ａｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８は厚さ２μｍのｐ型（Ａｌ０．３０Ｇａ０．７０）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ層、ｐ型コンタクト層９は厚さ０．３μｍのｐ型ＧａＡｓ層である。
回折格子層６の一部を周期的にエッチングで除去し、その上に埋め込み層７を成長させることで、回折格子１０が設けられる。半導体レーザは、回折格子１０が設けられたＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）領域１１と、回折格子１０が設けられていないＦＰ（Fabry-Perot）領域１２とを有する。ＤＢＲ領域１１と出射端面１３との間に光導波路部１４が配置されている。共振器長方向において、光導波路部１４の長さＬｇはＤＢＲ領域１１の長さＬｄｂｒ以上である（Ｌｇ≧Ｌｄｂｒ）。
ＤＢＲ領域１１で受けた摂動が光導波路部１４において緩和されるため、出射ビーム形状を安定にすることができる。なお、この効果を高めるには、出射端面１３の反射率を回折格子１０で決まる反射率よりも小さくする必要があり、できれば出射端面１３が無反射であることが望ましい。
また、回折格子層６の厚さをｔｅ、屈折率をｎｅとし、埋め込み層７の厚さをｔｂ、屈折率をｎｂとすると、回折格子層６と埋め込み層７の平均屈折率は（ｎｅ・ｔｅ＋ｎｂ・ｔｂ）／（ｔｅ＋ｔｂ）となる。この平均屈折率を、回折格子層６と埋め込み層７にそれぞれ隣接するｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８やアンドープ光ガイド層３の屈折率よりも高くする。これにより、回折格子層６と埋め込み層７を合わせた部分における光強度が大きくなるので、回折格子１０での光強度分布（導波モード）の結合効率を高くすることができる。従って、ＤＢＲ領域１１を短くすることができるため、摂動を小さくすることができる。
実施の形態２．
図２は、本発明の実施の形態２に係る半導体レーザの共振器長方向に沿った断面図である。ＤＢＲ領域１１とＦＰ領域１２の間に第１のテーパ導波路１５が設けられ、ＤＢＲ領域１１と光導波路部１４の間に第２のテーパ導波路１６が設けられている。第１及び第２のテーパ導波路１５，１６において、ＤＢＲ領域１１に向かって半導体層が次第に薄くなる。
ＦＰ領域１２から伝搬してきた光は、第１のテーパ導波路１５によりスムーズにＤＢＲ領域１１に導かれる。そして、ＤＢＲ領域１１を伝搬した光は、第２のテーパ導波路１６によりスムーズに光導波路部１４に導かれる。従って、第１及び第２のテーパ導波路１５，１６を設けることで、出射ビーム形状を更に安定にすることができる。なお、第１及び第２のテーパ導波路１５，１６だけでは安定なモードに変換できないが、光導波路部１４で最終的に安定なモードへと変換される。
また、１回のエピタキシャル結晶成長で全ての半導体層を形成した後に、エッチングにより回折格子１０を形成している。エピタキシャル結晶成長が１回なので、再成長界面に起因した非発光再結合センターによる特性劣化を回避することができる。
実施の形態３．
図３は、本発明の実施の形態３に係る半導体レーザの共振器長方向に沿った上面図である。図４は図３のＡ−Ａ´に沿った断面図であり、図５は図３のＢ−Ｂ´に沿った断面図である。ＤＢＲ領域１１とＦＰ領域１２の間に第１のテーパ導波路１５が設けられ、ＤＢＲ領域１１と光導波路部１４の間に第２のテーパ導波路１６が設けられている。ＤＢＲ領域１１、ＦＰ領域１２、光導波路部１４、及び第１及び第２のテーパ導波路１５，１６においてリッジ１７が設けられている。第１及び第２のテーパ導波路１５，１６において、ＤＢＲ領域１１に向かってリッジ１７の幅が次第に狭くなる。ＤＢＲ領域１１、ＦＰ領域１２、及び光導波路部１４では、リッジ１７はストレート形状である。
ＦＰ領域１２から伝搬してきた光は、第１のテーパ導波路１５によりスムーズにＤＢＲ領域１１に導かれる。そして、ＤＢＲ領域１１を伝搬した光は、第２のテーパ導波路１６によりスムーズに光導波路部１４に導かれる。従って、第１及び第２のテーパ導波路１５，１６を設けることで、出射ビーム形状を更に安定にすることができる。なお、第１及び第２のテーパ導波路１５，１６だけでは安定なモードに変換できないが、光導波路部１４で最終的に安定なモードへと変換される。
また、回折格子１０は、電流が流れるリッジ１７中ではなく、リッジ１７の両脇に配置されている。このため、回折格子１０での非発光再結合センターによる特性劣化を防止することができる。なお、本実施の形態では回折格子１０を埋め込んでいるが、埋め込まなくても同様な効果が得られる。
なお、実施の形態１〜３のレーザはＡｌＧａＩｎＰクラッド層、ＡｌＧａＡｓガイド層、ＧａＡｓ活性層を備えた発振波長８３０ｎｍ近傍の半導体レーザであるが、これに限らず活性層及びガイド層がＩｎＧａＡｓＰでクラッド層がＩｎＰである通信用半導体レーザ、クラッド層及びガイド層がＡｌＧａＡｓである８００ｎｍ帯の半導体レーザ、ＩｎＧａＮ系の青紫半導体レーザ、ＡｌＧａＩｎＰ系の赤色半導体レーザ、その他の材料系を用いたＤＢＲ半導体レーザにも本発明は適用可能である。
実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る半導体レーザの共振器長方向に沿った断面図である。ｎ型ＧａＡｓ基板１上に、ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２、光ガイド層３、活性層４、光ガイド層５、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１８、回折格子層６、埋め込み層７、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８、及びｐ型コンタクト層９が順番に積層されている。
ｎ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層２は厚さ３μｍの（Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ層、光ガイド層３は厚さ２２ｎｍのアンドープＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層、活性層４は厚さ６ｎｍのアンドープＧａＡｓ層、光ガイド層５は厚さ２２ｎｍのアンドープＡｌ０．４Ｇａ０．６Ａｓ層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１８は厚さ１５０ｎｍのｐ型（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ層、回折格子層６は厚さ４５ｎｍのｐ型Ａｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ層、埋め込み層７は厚さ９０ｎｍのｐ型Ａｌ０．３５Ｇａ０．６５Ａｓ層、ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８は厚さ１．９μｍのｐ型（Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ層、ｐ型コンタクト層９は厚さ０．３μｍのｐ型ＧａＡｓ層である。
埋め込み層７はｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８，１８内に設けられ、回折格子１０が形成された回折格子層６は埋め込み層７内に埋め込まれている。ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１８は、従来のＡｌＧａＡｓクラッド層よりもバンドギャップエネルギーが大きいため、光ガイド層５との電子障壁を高くすることができる。従って、活性層４に注入された電子がｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層１８へオーバーフローし難くなるため、温度特性の良好な半導体レーザを得ることができる。
また、本実施の形態の変形例として、回折格子層６として厚さ４０ｎｍのｐ型Ｇａ０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ層を用い、埋め込み層７として厚さ８０ｎｍのｐ型（Ａｌ０．２０Ｇａ０．８０）０．５１Ｉｎ０．４９Ｐ層を用いても同様の効果を得ることができる。
また、埋め込み層７をＡｌＧａＡｓ、又はｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８，１８と異なるＡｌ組成比を持つＡｌＧａＩｎＰとし、回折格子層６を埋め込み層７とＡｌ組成比の異なるＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、又はｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層８，１８及び埋め込み層７と異なるＡｌ組成比を持つＡｌＧａＩｎＰとすることにより、埋め込み層７と回折格子層６の屈折率差を任意に設定することができる。
なお、本実施の形態ではＤＢＲレーザを例に説明したが、共振器長方向全体に回折格子が存在するＤＦＢレーザでも同様な効果が得られる。また、実施の形態１〜３と同様に光導波路部１４を設けてもよく、これにより出射ビーム形状を安定にすることができる。また、本実施の形態の半導体レーザの発振波長は８３０ｎｍ近傍であるが、これに限らず本発明はＡｌＧａＩｎＰクラッド層を用いる他の半導体レーザにも適用可能である。
４ 活性層
６ 回折格子層
７ 埋め込み層
８，１８ ｐ型ＡｌＧａＩｎＰクラッド層
１０ 回折格子
１１ ＤＢＲ領域
１２ ＦＰ領域
１３ 出射端面
１４ 光導波路部
１５ 第１のテーパ導波路
１６ 第２のテーパ導波路
１７ リッジ

Claims (5)

  1. 回折格子が設けられたＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）領域と、前記回折格子が設けられていないＦＰ（Fabry-Perot）領域とを有する半導体レーザにおいて、
    前記ＤＢＲ領域と出射端面との間に配置された光導波路部を備え、
    共振器長方向において、前記光導波路部の長さは前記ＤＢＲ領域の長さ以上であることを特徴とする半導体レーザ。
  2. 前記回折格子は、回折格子層の一部を周期的にエッチングで除去し、その上に埋め込み層を成長させることで設けられ、
    前記回折格子層と前記埋め込み層の平均屈折率は、前記回折格子層と前記埋め込み層にそれぞれ隣接する半導体層の屈折率よりも高いことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
  3. 前記ＤＢＲ領域と前記ＦＰ領域の間に設けられた第１のテーパ導波路と、
    前記ＤＢＲ領域と前記光導波路部の間に設けられた第２のテーパ導波路とを更に備え、
    前記第１及び第２のテーパ導波路において、前記ＤＢＲ領域に向かって半導体層が次第に薄くなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
  4. 前記ＤＢＲ領域と前記ＦＰ領域の間に設けられた第１のテーパ導波路と、
    前記ＤＢＲ領域と前記光導波路部の間に設けられた第２のテーパ導波路とを更に備え、
    前記ＤＢＲ領域、前記ＦＰ領域、前記光導波路部、及び前記第１及び第２のテーパ導波路においてリッジが設けられ、
    前記第１及び第２のテーパ導波路において、前記ＤＢＲ領域に向かって前記リッジの幅が次第に狭くなることを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ。
  5. 活性層と、
    前記活性層を挟むＡｌＧａＩｎＰクラッド層と、
    前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層内に設けられた埋め込み層と、
    前記埋め込み層内に埋め込まれ、回折格子が形成された回折格子層とを備え、
    前記埋め込み層は、ＡｌＧａＡｓ、又は前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層と異なるＡｌ組成比を持つＡｌＧａＩｎＰであり、
    前記回折格子層は、前記埋め込み層とＡｌ組成比の異なるＡｌＧａＡｓ、ＩｎＧａＰ、又は前記ＡｌＧａＩｎＰクラッド層及び前記埋め込み層と異なるＡｌ組成比を持つＡｌＧａＩｎＰであることを特徴とする半導体レーザ。
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