JP2013239682A - Semiconductor laser - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザに関し、より詳細には、吸収線を用いたガス濃度計測用の半導体レーザ光源に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly to a semiconductor laser light source for gas concentration measurement using an absorption line.
近年、環境ガスモニタ用の光源として、単一縦モード発振半導体レーザ(LD:Laser Diode)が注目されている。これは、ガス計測システムの光源を実用的な半導体レーザにすることにより、システムの小型化、低消費電力化及び低価格化が一層進むことが期待されるためである。 In recent years, a single longitudinal mode oscillation semiconductor laser (LD: Laser Diode) has attracted attention as a light source for environmental gas monitoring. This is because the use of a practical semiconductor laser as the light source of the gas measurement system is expected to further reduce the size, power consumption, and cost of the system.
半導体レーザは、既に、通信用、及びCD・DVD記録・再生用として開発され商用化されている。これらの中で、通信用InGaAsP(活性層)/InP(基板)系DFB(Distributed feedback)レーザは、1.5μmと1.3μmの近赤外の波長において単一縦モードで発振する。従って、活性層の組成を変化させ1.6μmより長波長側でも高品質な活性層を実現できれば、InP基板を使った通信用半導体レーザの作製技術をそのまま利用し、2μm波長帯半導体レーザの開発が可能となる。ここで、2μm波長帯半導体レーザとは、光ファイバ通信では用いられない1.7μmよりも長い発振波長を持ち、一方でInP基板を使った通信用半導体レーザ活性層の作製技術で実現できる2.4μmよりも短い発振波長を持つ半導体レーザのことである。 Semiconductor lasers have already been developed and commercialized for communication and CD / DVD recording / reproduction. Among these, a communication InGaAsP (active layer) / InP (substrate) -based DFB (Distributed feedback) laser oscillates in a single longitudinal mode at near infrared wavelengths of 1.5 μm and 1.3 μm. Therefore, if the active layer composition can be changed and a high-quality active layer can be realized even at wavelengths longer than 1.6 μm, a 2 μm wavelength band semiconductor laser can be developed using the communication semiconductor laser manufacturing technology using the InP substrate as it is. Is possible. Here, the 2 μm wavelength band semiconductor laser has an oscillation wavelength longer than 1.7 μm, which is not used in optical fiber communication, and can be realized by a communication semiconductor laser active layer manufacturing technique using an InP substrate. A semiconductor laser having an oscillation wavelength shorter than 4 μm.
これまでに、高品質な高歪み活性層を実現するため、障壁層の格子歪み制御、少量のSb添加、成長温度の低減の技術が開発され、2.1μm帯(高歪みInGaAs)と2.3μm帯(高歪みInAs)の埋込み構造型DFBレーザが実現されている。 So far, in order to realize a high-quality high-strain active layer, techniques for controlling the lattice strain of the barrier layer, adding a small amount of Sb, and reducing the growth temperature have been developed, and 2.1 μm band (high-strain InGaAs) and 2. A 3 μm band (high strain InAs) buried structure type DFB laser has been realized.
図1に、従来の2μm波長帯半導体レーザの一例として、非特許文献1に示されたp−InP/n−InP埋込み構造型DFBレーザの構造を示す。図1に示すDFBレーザは、n−InP基板8上に順次積層されたn−InPバッファー層5、下部SCH層(1.3μm組成のn−InGaAsP層)2、MQW(Multiple Quantum Well:多重量子井戸)層1、上部SCH層(1.3μm組成のp−InGaAsP層)3、p−InPクラッド層6及びp+−InGaAsPキャップ層7を備える。n−InPバッファー層5、下部SCH層2、MQW層1、上部SCH層3及びp−InPクラッド層6はメサ構造12である。上部SCH層3にはグレーティング4が形成されており、p−InPクラッド層6は当該グレーティング4上に積層される。MQW層1は、活性層を構成している。例えば、MQW層1は、InGaAs障壁層(図示しない)とともに、活性層(InGaAs活性層)を構成している。
FIG. 1 shows a structure of a p-InP / n-InP buried structure type DFB laser shown in
また、図1に示すDFBレーザは、n−InPバッファー層5とp−InPクラッド層6との間に、メサ構造12の両側に接したp−InP埋込み層15及び該p−InP埋込み層15上に積層されたn−InP埋込み層16を備える。
Further, the DFB laser shown in FIG. 1 includes a p-InP buried layer 15 in contact with both sides of the mesa structure 12 between the n-
さらに、図1に示すDFBレーザは、p+−InGaAsPキャップ層7上にメサ構造12の長手方向(レーザ出射方向)に沿って形成されたp電極10を備え、p電極10には電極パッド11が接続されている。InP基板8のn−InPバッファー層5が積層された面と別の面にn電極9を備える。
Further, the DFB laser shown in FIG. 1 includes a p-
さらにまた、図1に示すDFBレーザは、レーザ出射端面に低反射膜(AR(Antireflection)膜)17を備え、当該低反射膜17と対抗する端面に高反射膜(HR(High reflection)膜)18を備える。
Furthermore, the DFB laser shown in FIG. 1 includes a low reflection film (AR (Antireflection) film) 17 on the laser emission end face, and a high reflection film (HR (High reflection) film) on the end face facing the
電流はp電極10から注入され、p−InP埋込み層15とn−InP埋込み層16により電流ブロックされ、効率よく活性層1に集中される構造になっている。さらに、この活性層1で発生したレーザ光は活性層を中心に導波し、主に低反射膜17から出射される構造になっている。レーザチップはAlNヒートシンク上にマウントされ、マウント全体を5.6mmTO Can(Transistor Outline Can)に実装される。
The current is injected from the p-
図2に、雰囲気温度による光出力・電圧の駆動電流依存性を示す。閾値電圧は約0.7Vとなり、InGaAs活性層の低バンドギャップを反映した特性となっている。光出力は駆動電流の増加とともにリニアに増加し、p−InP埋込み層15及びn−InP埋込み層16が良好な電流ブロック特性が実現されている。その結果、最大光出力は雰囲気温度25℃で8mW以上となり、60℃までのレーザ発振が得られている。
FIG. 2 shows the drive current dependence of the optical output and voltage depending on the ambient temperature. The threshold voltage is about 0.7 V, which reflects the low band gap of the InGaAs active layer. The optical output increases linearly with an increase in driving current, and the p-InP buried layer 15 and the n-InP buried
図3に、従来の2μm波長帯DFBレーザの駆動電流による発振波長依存性を示す。発振波長2.1μmにはN2Oの吸収線波長があり、N2Oガスの検知に有用な光源となる。図3に示すように、駆動電流を20mAから140mAに増加させると、発振波長は約0.49nm長波長にシフトしている。ここで、0.1nm/Kと仮定すると、この場合、レーザ内部で4.9℃温度上昇していると見積もられる。 FIG. 3 shows the oscillation wavelength dependence depending on the driving current of the conventional 2 μm wavelength band DFB laser. The oscillation wavelength 2.1μm have absorption lines wavelength of N 2 O, a useful light source for detection of N 2 O gas. As shown in FIG. 3, when the drive current is increased from 20 mA to 140 mA, the oscillation wavelength is shifted to a long wavelength of about 0.49 nm. Here, assuming that the thickness is 0.1 nm / K, in this case, it is estimated that the temperature is increased by 4.9 ° C. inside the laser.
発振波長が1.26μmから1.675μmの通信用半導体レーザは光出力一定又は電流一定で動作させ、波長変化はほとんどないことが望まれる。具体的には、レーザにおいては注入電流による発熱の影響を抑制する層構成が求められる。 It is desirable that a communication semiconductor laser having an oscillation wavelength of 1.26 μm to 1.675 μm is operated with a constant optical output or a constant current and has almost no wavelength change. Specifically, in a laser, a layer structure that suppresses the influence of heat generation due to an injection current is required.
一方、環境ガスモニタ用の光源である2μm波長帯半導体レーザはこれとは異なり、発振波長の変化が大きいことが望ましい。これは環境ガスモニタでは波長をスイープさせ、ガス吸収線波長と一致した波長で光がガスに吸収され透過率が下がることを利用して測定するためである。レーザの発振波長は、レーザ素子をマウントしたヒートシンクの温度を変化させるか、レーザへの注入電流を変化させることによりスイープさせることができる。前者のヒートシンクの温度を変化させる方法では波長スイープに長い時間がかかるが、後者の注入電流を変化させる方法では短時間での波長スイープが可能である。このため、実用的な環境ガスモニタ用の光源では、後者の注入電流により波長スイープを行う必要がある。しかしながら、従来の2μm波長帯半導体レーザでは、注入電流による発振波長の変化は小さく、スイープできる波長範囲が狭いという課題があった。 On the other hand, a 2 μm wavelength band semiconductor laser, which is a light source for environmental gas monitoring, is desirably different in oscillation wavelength. This is because the environmental gas monitor sweeps the wavelength and uses the fact that light is absorbed by the gas at a wavelength that matches the gas absorption line wavelength and the transmittance decreases. The oscillation wavelength of the laser can be swept by changing the temperature of the heat sink on which the laser element is mounted or changing the injection current to the laser. The former method of changing the temperature of the heat sink takes a long time for the wavelength sweep, but the latter method of changing the injection current enables the wavelength sweep in a short time. For this reason, in a practical light source for environmental gas monitoring, it is necessary to perform wavelength sweep by the latter injection current. However, the conventional 2 μm wavelength band semiconductor laser has a problem that the change in the oscillation wavelength due to the injection current is small and the wavelength range that can be swept is narrow.
本発明は、このような目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、半導体基板と、前記半導体基板の上に順次形成された、バッファー層、第1のSCH層、活性層、第2のSCH層、クラッド層及びキャップ層からなるレーザエピタキシャル層とを備えた半導体レーザであって、前記クラッド層は、アクセプタ濃度が1×1017cm−3以上且つ4×1017cm−3以下のp型半導体であることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a semiconductor substrate and a buffer layer, a first SCH layer, an active layer, and a buffer layer, which are sequentially formed on the semiconductor substrate. A semiconductor laser comprising a laser epitaxial layer comprising a second SCH layer, a cladding layer, and a cap layer, wherein the cladding layer has an acceptor concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more and 4 × 10 17 cm −3. It is the following p-type semiconductor.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の半導体レーザであって、発振波長が1.7μmより長く2.4μmより短いことを特徴とする。
The invention according to
以上説明したように、アクセプタ濃度が1×1017cm−3以上且つ4×1017cm−3以下のp型半導体をクラッド層とすることにより、クラッド層の抵抗は数Ωとなり、レーザへの注入電流を増減させることにより、従来の構造よりも効果的に活性層の温度を増減させることができ、その結果、電流スイープ駆動時の半導体レーザの温度変化が大きくなり、発振波長を大きく変化させることができる。さらに、アクセプタ濃度が1×1017cm−3以上且つ4×1017cm−3以下のp型半導体をクラッド層とすることにより2μm波長帯半導体レーザで顕著となるp型半導体における光損失も抑制することもできる。従来の2μm波長帯半導体レーザでは、注入電流によりクラッド層を効率的に発熱させ、発振波長を大きく変化させるという概念はなく、また、アクセプタ濃度を低減することにより光損失を抑制するという概念もなかった。 As described above, by using a p-type semiconductor having an acceptor concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more and 4 × 10 17 cm −3 or less as a cladding layer, the resistance of the cladding layer becomes several Ω, By increasing / decreasing the injection current, the temperature of the active layer can be increased / decreased more effectively than the conventional structure. As a result, the temperature change of the semiconductor laser during current sweep driving increases, and the oscillation wavelength changes greatly. be able to. Furthermore, by using a p-type semiconductor having an acceptor concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more and 4 × 10 17 cm −3 or less as a cladding layer, optical loss in a p-type semiconductor that is noticeable in a 2 μm wavelength band semiconductor laser is also suppressed. You can also In the conventional 2 μm wavelength band semiconductor laser, there is no concept of efficiently generating heat in the cladding layer by the injection current and greatly changing the oscillation wavelength, and there is no concept of suppressing optical loss by reducing the acceptor concentration. It was.
上述の2μm波長帯半導体レーザで顕著となるp型半導体における光損失も抑制について、以下に説明する。p型半導体における光吸収は、そのアクセプタ濃度の増加に伴って増大し、さらに光の波長が長くなるに従って増大することが知られている(例えば、非特許文献2参照)。この光吸収の増加によりレーザ光が吸収されるため、光損失が増大する。図4は、非特許文献2をもとに、InP基板を使った半導体レーザでクラッド層に用いられるInPにおける波長1.55μmと2μmの光の光吸収係数とアクセプタ濃度の関係を示した図である。図4より、アクセプタ濃度が同じ場合、波長2μmの光吸収係数は波長が1.55μmの光吸収係数よりも大きいことが分かる。一方、前述したように通信用半導体レーザでは、注入電流による発熱の影響を抑制する層構成が求められており、InPクラッド層のアクセプタ濃度を増加させ、抵抗を小さくする必要がある。具体的には、一般的な通信用半導体レーザのp型InPクラッド層では、5×107cm−3以上のアクセプタ濃度が必要とされる。しかしながら、図4で示されるようにアクセプタが濃度5×107cm−3の場合、波長2μmの光吸収係数は通信用波長帯である波長1.55μmの光吸収係数(約11cm−1)の1.5倍にもなる。このため、2μm波長帯半導体レーザを通信用波長帯レーザと同程度の光吸収係数にするためには、アクセプタ濃度を4×1017cm−3以下に設定する必要がある。なお、アクセプタ濃度が1×1017cm−3以下の場合、抵抗が十Ω以上となり、さらに、この領域ではアクセプタ濃度により急激に抵抗が変化することから、再現性に問題が残る。このため、アクセプタ濃度の下限は1×1017cm−3となる。
The suppression of optical loss in the p-type semiconductor, which is noticeable in the above-described 2 μm wavelength band semiconductor laser, will be described below. It is known that light absorption in a p-type semiconductor increases with an increase in the acceptor concentration, and further increases as the wavelength of light increases (for example, see Non-Patent Document 2). The laser light is absorbed by this increase in light absorption, so that light loss increases. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the light absorption coefficient and the acceptor concentration of light having wavelengths of 1.55 μm and 2 μm in InP used for the cladding layer of a semiconductor laser using an InP substrate based on Non-Patent
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。同一または類似の要素は、同一または類似の参照符号を用い、詳細な説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The same or similar elements are denoted by the same or similar reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[第1の実施の形態]
図5に、本発明に係る半導体レーザの一実施形態のリッジ導波路構造型2μm波長帯DFBレーザの構造図を示す。図5に示すDFBレーザは、n−InP基板8上に順次積層されたn−InPバッファー層5、下部SCH層(1.3μm組成のn−InGaAsP層)2、MQW(Multiple Quantum Well:多重量子井戸)層1、上部SCH層(1.3μm組成のp−InGaAsP層)3、p−InPクラッド層6及びp+−InGaAsPキャップ層7を備える。上部SCH層3にはグレーティング4が形成されており、p−InPクラッド層6は当該グレーティング4上に積層される。MQW層1は、InGaAs障壁層(図示しない)とともに、活性層(InGaAs活性層)を構成している。本実施形態の2μm波長帯DFBレーザは、p−InPクラッド層6及びp+−InGaAsPキャップ層7がリッジ構造13である点で、図1に示した半導体レーザと異なる。
[First Embodiment]
FIG. 5 shows a structural diagram of a ridge
また、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザは、n−InPバッファー層5、下部SCH層2、MQW層1、上部SCH層3及びp−InPクラッド層6がメサ構造では無い点で、図1に示した半導体レーザと異なる。すなわち、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザには、図1に示したような、n−InPバッファー層5とp−InPクラッド層6との間に、メサ構造12の両側に接したp−InP埋込み層15及び該p−InP埋込み層15上に積層されたn−InP埋込み層16が形成されてない。
Further, the 2 μm wavelength band DFB laser of the present embodiment is different from that shown in FIG. 1 in that the n-
本実施形態の2μm波長帯DFBレーザでは、上部SCH層3のリッジ13が形成されていない部分にSiO2膜(絶縁膜)14が形成されている。SiO2膜(絶縁膜)14は、リッジ13の側面を覆うように形成されている。
In the 2 μm wavelength band DFB laser of the present embodiment, the SiO 2 film (insulating film) 14 is formed on the portion of the
さらに、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザは、リッジ13の頂上部(p+−InGaAsPキャップ層7の上部)に接して形成されたp電極10を備え、p電極10には電極パッド11が接続されている。InP基板8のn−InPバッファー層5が積層された面と別の面にn電極9を備える。
Furthermore, the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment includes a p-
さらにまた、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザは、レーザ出射端面に低反射膜(AR(Antireflection)膜)17を備え、当該低反射膜17と対向する端面に高反射膜(HR(High reflection)膜)18を備える。 Furthermore, the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment includes a low reflection film (AR (Antireflection) film) 17 on the laser emission end face, and a high reflection film (HR (High reflection) film on the end face facing the low reflection film 17. ) Membrane) 18.
本実施形態の2μm波長帯DFBレーザにおいて、p−InPクラッド層6のドーピング濃度を4×1017cm−3とした。導波路は埋込み構造に比べ放熱の小さいリッジ13の幅を2μmとした。このリッジ13はp−InPクラッド層6とp+−InGaAsPキャップ層7から成っている。また、リッジ頂上を除く半導体表面にはSiO2絶縁膜14があり、半導体とp電極10を絶縁する構造になっている。素子長は600μmである。電流はリッジ13の頂上から注入される。活性層1で発生したレーザ光は、垂直方向には活性層1を中心に、また、水平方向にはリッジ領域13を中心に閉じ込められ導波する構造となっている。レーザチップはAlNヒートシンク上にマウントし、マウント全体を5.6mmのTO Can(Transistor Outline Can)に実装した。また、比較のために図1に示した2μm波長帯DFBレーザ(以下、従来型の2μm波長帯DFBレーザという)も作製した。従来型の2μm波長帯DFBレーザは、p−InPクラッド層6のドーピング濃度だけを5×1017cm−3に変えて作製した。従来型の2μm波長帯DFBレーザの実装方法は、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザと同じである。
In the 2 μm wavelength band DFB laser of the present embodiment, the doping concentration of the p-
図6に、従来型の2μm波長帯DFBレーザと本実施形態の2μm波長帯DFBレーザの光出力の駆動電流依存性を示す。図6は、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザが従来型の2μm波長帯DFBレーザに比べ、スロープ効率が1.07倍増加(駆動電流の低い50mA付近)し、光損失が低下したことを示している。さらに、光損失の低下を反映し、閾値電流が低下している。本実施形態の2μm波長帯DFBレーザの光出力は、駆動電流が140mAの時、7.8mWで従来型の2μm波長帯DFBレーザと一致している。この光出力の飽和傾向は駆動電流の増加とともに発熱し、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザの温度上昇が大きいことによるものである。従って、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザでは、スロープ効率と閾値電流が改善され、素子温度上昇による光出力低下が補償されることが確認された。 FIG. 6 shows the drive current dependence of the optical output of the conventional 2 μm wavelength band DFB laser and the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment. FIG. 6 shows that the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment has an increase in slope efficiency of 1.07 times (around 50 mA where the drive current is low) compared to the conventional 2 μm wavelength band DFB laser, and the optical loss is reduced. Show. Furthermore, the threshold current is reduced reflecting the reduction in optical loss. The optical output of the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment is 7.8 mW when the driving current is 140 mA, which is consistent with the conventional 2 μm wavelength band DFB laser. This saturation tendency of the optical output is due to the fact that heat is generated as the drive current increases and the temperature rise of the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment is large. Therefore, it was confirmed that the slope efficiency and the threshold current are improved in the 2 μm wavelength band DFB laser of the present embodiment, and the light output decrease due to the device temperature increase is compensated.
図3に、従来型の2μm波長帯DFBレーザと本実施形態の2μm波長帯DFBレーザの駆動電流による発振波長依存性を示す。本実施形態のDFBレーザでは駆動電流を20mAから140mAに増加させると、発振波長は約0.61nm長波長にシフトしている。0.1nm/Kと仮定すると、この場合、レーザ内部で温度が6.1℃上昇したと見積もられる。従って、従来型の埋込み構造型2μm波長帯DFBレーザに比べて、本実施形態のリッジ導波路型2μm波長帯DFBレーザでは波長変動は約1.24倍大きくなり、波長変動が大きくなることが確認された。
FIG. 3 shows the oscillation wavelength dependence of the driving current of the conventional 2 μm wavelength band DFB laser and the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment. In the DFB laser of this embodiment, when the drive current is increased from 20 mA to 140 mA, the oscillation wavelength is shifted to a long wavelength of about 0.61 nm. Assuming 0.1 nm / K, in this case, it is estimated that the temperature has increased by 6.1 ° C. inside the laser. Therefore, it is confirmed that the wavelength fluctuation is about 1.24 times larger and the wavelength fluctuation is larger in the
さらに、温度を45℃、光出力を3mW一定とし、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザのエイジングを実施したところ、5000時間を経過しても安定に動作することが確認できた。 Furthermore, when the aging of the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment was performed with the temperature set at 45 ° C. and the light output constant at 3 mW, it was confirmed that the operation was stable even after 5000 hours.
以上説明したように、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザでは、p−InPクラッド層6のドーピング濃度の低減により光出力低下が補償され、電流スイープにおける波長変動が改善された。さらに、信頼性も問題がないことが確認された。
As described above, in the 2 μm wavelength band DFB laser of the present embodiment, the decrease in the optical output is compensated by the reduction in the doping concentration of the p-
なお、本実施形態では、p−InPクラッド層6のドーピング(アクセプタ)濃度を3×1017cm−3とした例を示したが、上述したようにアクセプタ濃度が1×1017以上4×1017cm−3以下の時に同様の効果が得られる。
In the present embodiment, an example in which the doping (acceptor) concentration of the p-
[第2の実施の形態]
本実施形態のリッジ導波路構造型2μm波長帯DFBレーザの構造は、図5に示した第1の実施形態で示した構造と同様である。但し、本実施形態のDFBレーザでは、p−InPクラッド層6のドーピング濃度を3×1017cm−3とした。導波路は埋込み構造に比べ放熱の小さいリッジ構造とし、幅を2μm、素子長を600μm、とした。レーザチップはAlNヒートシンク上にマウントされ、マウント全体は5.6mmのTO Can(Transistor Outline Can)に実装した。なお、リッジ導波路構造を採用することにより、埋込みに関連した作製不良がなくなり、歩留まりが向上した。
[Second Embodiment]
The structure of the ridge
図6に、第1の実施形態で説明した従来型の2μm波長帯DFBレーザと本実施形態の2μm波長帯DFBレーザの光出力の駆動電流依存性を示す。図6は、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザは従来型の2μm波長帯DFBレーザに比べ、スロープ効率が1.07倍増加(駆動電流の低い50mA付近)し、光損失が低下したことを示している。さらに、光損失の低下を反映して、閾値電流が低下している。本実施形態の2μm波長帯DFBレーザ出力は130mAの時、7mWで従来型の2μm波長帯DFBレーザと一致し、第1の実施形態の2μm波長帯DFBレーザより温度上昇が大きいことを示している。このように、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザでは、スロープ効率と閾値電流が改善され、素子温度上昇による光出力低下が補償されることが確認された。 FIG. 6 shows the drive current dependence of the optical output of the conventional 2 μm wavelength band DFB laser described in the first embodiment and the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment. FIG. 6 shows that the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment has an increase in slope efficiency of 1.07 times (around 50 mA where the drive current is low) compared to the conventional 2 μm wavelength band DFB laser, and the optical loss is reduced. Show. Furthermore, the threshold current is reduced reflecting the reduction in optical loss. The output of the 2 μm wavelength band DFB laser in this embodiment is 7 mW at 130 mA, which matches the conventional 2 μm wavelength band DFB laser, indicating that the temperature rise is larger than that of the 2 μm wavelength band DFB laser in the first embodiment. . As described above, in the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment, it was confirmed that the slope efficiency and the threshold current were improved, and the light output decrease due to the device temperature increase was compensated.
図3に、従来型の2μm波長帯DFBレーザと本実施形態の2μm波長帯DFBレーザの駆動電流による発振波長依存性を示す。本実施形態の2μmDFBレーザでは駆動電流を20mAから140mAに増加させると、発振波長は約0.79nm長波長にシフトしている。0.1nm/Kと仮定すると、この場合、レーザ内部で温度が7.9℃上昇していると見積もられる。この結果、従来型の埋込み構造型2μm波長帯DFBレーザに比べて、本実施形態のリッジ導波路型2μm波長帯DFBレーザでは波長変動は約1.6倍大きくなり、大きな波長変動が確認された。
FIG. 3 shows the oscillation wavelength dependence of the driving current of the conventional 2 μm wavelength band DFB laser and the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment. In the 2 μm DFB laser of this embodiment, when the drive current is increased from 20 mA to 140 mA, the oscillation wavelength is shifted to a long wavelength of about 0.79 nm. Assuming 0.1 nm / K, in this case, it is estimated that the temperature is increased by 7.9 ° C. inside the laser. As a result, compared with the conventional embedded
また、温度を45℃、光出力を3mW一定とし、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザのエイジングを実施し、3000時間を経過しても安定に動作することを確認した。 In addition, the temperature was kept at 45 ° C., the light output was kept constant at 3 mW, and the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment was aged, and it was confirmed that the operation was stable even after 3000 hours.
以上説明したように、本実施形態の2μm波長帯DFBレーザでは、p−InPクラッド層6のドーピング濃度の低減により光出力低下が補償され、電流スイープにおける波長変動が大きくなった。さらに、信頼性も問題がないことが確認された。
As described above, in the 2 μm wavelength band DFB laser of this embodiment, the decrease in the optical output is compensated by the reduction in the doping concentration of the p-
上記第1および第2の実施形態で述べたように、p−InPクラッド層のドーピング濃度の低減により、素子温度が上昇しても光出力の低下を補償し、電流スイープ駆動時の半導体レーザの温度変化を大きくすることができた。また、信頼性も問題ないことが確認された。 As described in the first and second embodiments, the decrease in the doping concentration of the p-InP cladding layer compensates for the decrease in light output even when the device temperature rises, and the semiconductor laser during current sweep driving is compensated. The temperature change could be increased. It was also confirmed that there was no problem with reliability.
なお、p電極の抵抗を増加させても同様の効果が得られることは自明である。また、ここではN2Oガスの吸収線波長の光源として2.1μm波長発振のリッジ導波路構造型DFBレーザを示したが、CO2ガス検知として2.05μm発振のリッジ導波路構造型DFBレーザ、COガス検知として2.33μm発振のリッジ導波路構造型DFBレーザでも同様の効果が得られ、さらに、2μm波長帯以外の波長帯(1μm)であっても同様の効果が得られることは明らかである。 It is obvious that the same effect can be obtained even if the resistance of the p-electrode is increased. Here, although a ridge waveguide structure type DFB laser with 2.1 μm wavelength oscillation is shown as a light source having an absorption line wavelength of N 2 O gas, a ridge waveguide structure type DFB laser with 2.05 μm oscillation is used for CO 2 gas detection. It is clear that the same effect can be obtained with a ridge waveguide structure type DFB laser with 2.33 μm oscillation for CO gas detection, and the same effect can be obtained even with a wavelength band other than the 2 μm wavelength band (1 μm). It is.
1 MQW層
2 下部SCH層(1.3μm組成n−InGaAsP層)
3 上部SCH層(1.3μm組成p−InGaAsP層)
4 グレーティング
5 n−InPバッファー層
6 p−InPクラッド層
7 p+−InGaAsPキャップ層
8 n−InP基板
9 n電極
10 p電極
11 電極パッド
12 メサ
13 リッジ
14 SiO2膜(絶縁膜)
15 p−InP埋込み層
16 n−InP埋込み層
17 低反射膜(AR膜)
18 高反射膜(HR膜)
1
3 Upper SCH layer (1.3 μm composition p-InGaAsP layer)
4 grating 5 n-InP buffer layer 6 p-InP cladding layer 7 p + -InGaAsP cap layer 8 n-InP substrate 9 n electrode 10
15 p-InP buried layer 16 n-InP buried
18 High reflective film (HR film)
Claims (2)
前記半導体基板の上に順次形成された、バッファー層、第1のSCH層、活性層、第2のSCH層、クラッド層及びキャップ層からなるレーザエピタキシャル層と
を備えた半導体レーザであって、
前記クラッド層は、アクセプタ濃度が1×1017cm-3以上且つ4×1017cm-3以下のp型半導体であることを特徴とする半導体レーザ。 A semiconductor substrate;
A semiconductor laser comprising: a laser epitaxial layer comprising a buffer layer, a first SCH layer, an active layer, a second SCH layer, a clad layer, and a cap layer, which are sequentially formed on the semiconductor substrate;
2. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the clad layer is a p-type semiconductor having an acceptor concentration of 1 × 10 17 cm −3 or more and 4 × 10 17 cm −3 or less.
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