JP2016051807A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】分布反射型レーザで、ＤＢＲの反射率の低下とＤＦＢでの空間ホールバーニングの発生を防止して、高出力の単一縦モード発振を実現する。【解決手段】 半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板上に位置し、活性層と第１の回折格子を有する活性領域と、前記半導体基板上に位置し、前記活性層と光軸方向で連続する導波層、及び前記第１の回折格子と前記光軸方向で連続する第２の回折格子を有する導波領域と、を有し、前記第２の回折格子の繰り返し周期は均一であり、前記第１の回折格子は繰り返し周期が不均一な部分を有し、前記第１の回折格子の格子存在密度は前記第２の回折格子の格子存在密度よりも小さく設定されている。【選択図】図３

Description

本発明は半導体レーザに関し、特に分布反射型レーザに関する。

近年、高速光通信用の半導体レーザとして、単一縦モード発振が可能な分布反射型（ＤＲ：Distributed Reflector）レーザが用いられている。分布反射型レーザとして、電流が注入されてレーザ発振する分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feedback）レーザと、電流が注入されず反射鏡として機能する分布反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg Reflector）を集積した半導体レーザが開発されている。ＤＦＢ領域では、活性層で発生した光のうち一定波長の光だけが回折格子の影響を受けてＤＦＢ領域内を往復する。ＤＢＲ領域は、ＤＦＢ領域（活性領域）の後端面の反射鏡として用いられ、回折格子により一定波長の光を反射する。

図1に示すように、分布反射型レーザは、ＤＦＢレーザの発振モードがＤＢＲミラーの反射スペクトルの中央にあるように設計される。しかし、電流注入による熱効果に起因する屈折率の上昇で、ＤＦＢレーザのブラッグ波長が長波長側にシフトして（レッドシフト）、モード跳びが発生することがある。また、光吸収によるキャリアの励起（キャリアプラズマ効果）で屈折率が低下し、ＤＦＢレーザのブラッグ波長が短波長側にシフト（ブルーシフト）して別モードで発振することがある。

モード跳びやマルチモード発振を防止するために、ＤＢＲミラー部の回折格子周期を共振器方向に沿って変化させてＤＢＲ反射帯域を拡張する構成が知られている（たとえば、特許文献１参照）。また、分布反射鏡領域の回折格子の結合係数を分布反射鏡領域の導波路の幅方向に同一とし、かつ、回折格子の幅方向の両側部分を幅方向の中央部分よりも活性領域から遠ざかる方向に湾曲させる構成が知られている（たとえば、特許文献２参照）。

特開２０１０−２５１６０９号公報 特開２０１１−１３５００８号公報

図２（Ａ）に示すように、ＤＢＲの反射帯域幅は、ＤＢＲ領域の導波方向(光軸方向)の長さＬに反比例するため、ＤＢＲ領域の長さＬを短くして反射帯域幅を広げることで、ＤＦＢ発振モードを反射帯域内に維持することができる。しかし、ＤＢＲ領域の長さＬを短くすると、ＤＢＲの反射率が低下するため、レーザの前後端出射比が低下する。

一般的な分布反射型レーザでは、ＤＢＲとＤＦＢで結合係数が同じになっており、ＤＢＲの反射率を維持するためにＤＢＲの回折格子の結合係数κを大きくすると、ＤＦＢの回折格子の結合係数も大きくなる。ＤＦＢの結合係数が大きくなると、出射端での電界強度が小さくなり、図２（Ｂ）に示すように光軸方向でキャリア密度が不均一になって空間ホールバーニングが生じる。図２（Ｂ）の縦軸は出射端（ＤＦＢ出射面）での電界強度に対する最大シフト位置での電界強度の比を表わすが、（ＤＢＲの結合係数の増大にともなう）ＤＦＢの結合係数の増大によって電界の局所的集中が顕著になる。

そこで、ＤＢＲの反射率の低下とＤＦＢでの空間ホールバーニングの発生を防止して、高出力の単一縦モード発振を実現することのできる半導体レーザの提供を課題とする。

上記課題を解決するために、ひとつの態様では、半導体レーザは、
半導体基板と、
前記半導体基板上に位置し、活性層と第１の回折格子を有する活性領域と、
前記半導体基板上に位置し、前記活性層と光軸方向で連続する導波層、及び前記第１の回折格子と前記光軸方向で連続する第２の回折格子を有する導波領域と、
を有し、
前記第２の回折格子の繰り返し周期は均一であり、
前記第１の回折格子は繰り返し周期が不均一な部分を有し、前記第１の回折格子の格子存在密度は前記第２の回折格子の格子存在密度よりも小さく設定されている。

上記構成により、ＤＢＲの反射率の低下と空間ホールバーニングの発生を防止して、高出力の単一縦モード発振を維持することができる。

半導体レーザで生じるモード跳びとマルチモード発振の問題を説明する図である。 ＤＢＲ領域の反射特性の調整で生じる問題を説明する図である。 第1実施形態の半導体レーザの構成を示す概略断面図である。 第２実施形態の半導体レーザの構成を示す概略断面図である。 実施形態の効果を示す図である。 実施形態の効果をＤＢＲ長を短縮する構成と比較して示す図である。 実施形態の効果をＤＢＲ長を短縮する構成と比較して示す図である。 実施形態の効果を従来構成と比較して示す図である。

以下、図面を参照して実施形態の半導体レーザについて説明する。
＜第1実施形態＞
図３は、第１実施形態の半導体レーザ１０Ａの導波方向に沿った概略断面図である。半導体レーザ１０Ａは、電流が注入されてレーザ発振する活性領域１と、電流が注入されず、活性領域１から出射されたレーザ光を反射させて活性領域１へ戻す導波領域２とを有する分布反射型レーザである。活性領域１と導波領域２は半導体基板１１上に隣接して集積されている。

活性領域１は、電流の注入により利得を生じる活性層２１と、第１の格子配置で第1の結合係数κ１を有する回折格子１３Ａを有する。回折格子１３Ａは、スペーサ層２０を挟んで活性層２１の下方に形成されている。活性層２１で発生した光のうち一定波長の光が回折格子１３Ａで反射（帰還）されてレーザ発振する。この意味で、活性領域１を「ＤＦＢレーザ領域」と称し、回折格子１３Ａを「ＤＦＢ回折格子」と称してもよい。

導波領域２は、電流が注入されず利得を生じない導波層２２と、第２の格子配置で第２の結合係数κ２（κ２＞κ１）を有する回折格子１４を有する。回折格子１４は、スペーサ層２０を挟んで導波層２２の下方に形成され、活性層２１から出射した光を反射して活性層２１へと帰還させる。この意味で、導波領域２を「受動領域」または「ＤＢＲミラー領域」と称し、回折格子１４を「ＤＢＲ回折格子」と称してもよい。

活性領域１の回折格子１３Ａは、所定の繰り返し周期で配置される格子パタン１７と、繰り返しが間引かれて周期が不均一になった間引きパタン１５Ａとを含む。格子パタン１７及び間引きパタン１５Ａの格子と格子の間は、回折格子１３Ａよりも屈折率の小さい埋め込み層１９が配置されている。間引きパタン１５Ａでは、屈折率変化の繰り返し密度が小さくなっている。

第1実施形態の間引きパタン１５Ａは、屈折率の高い部分、すなわち格子となる部分を多く残すパタンとして形成されている。格子残しを多くすることで、回折格子１３Ａ全体の結晶性を良好に維持することができる。間引きパタン１５Ａでの屈折率変化の繰り返し個数の間引き割合は、後述するように、回折格子１３Ａの結合係数κ１が導波領域２の結合係数κ２との関係で、半導体レーザ１０Ａの単一発振モードを実現でき、かつ高出力が得られる範囲になるように設計されている。

導波領域２の回折格子１４は、一定ピッチの格子パタン１８で構成され、格子パタン１８と格子パタン１８の間に、格子パタン１８よりも屈折率の小さい埋め込み層１９が配置されている。導波領域２の回折格子１４と活性領域１の回折格子１３Ａは連続して形成され、導波領域２と活性領域１の接続部分で導波光の位相が整合する。

実施形態では、導波領域２の回折格子１４を一定ピッチで形成し、活性領域１の回折格子１３Ａの繰り返し周期の一部を間引くことで、ＤＢＲ（導波路領域２）の結合係数κ２をＤＦＢ（活性領域１）の結合係数κ１よりも大きくしている。この構成により、反射帯域幅を広げるために導波領域２の長さを短くした場合でも、ＤＢＲミラーの反射率の低下を防止する。また、回折格子１３Ａの結合係数κ１を適切な値に維持したまま回折格子１４の結合係数κ２を大きくするので、ＤＦＢレーザの出射端での電界密度の低下（空間ホールバーニングの発生）を防止して、高出力を維持することができる。

導波領域２の回折格子１４の結合係数κ２を大きくするためには、回折格子１４の溝の深さを深くする、導波層２２と回折格子１４の距離を近づける、回折格子１４のピッチを小さくする、など任意の方法をとることができる。活性領域の回折格子１３Ａは、導波領域２の回折格子１４と同じ設計で作製されるが、回折格子１３Ａの屈折率変化の繰り返しを一部間引くことで、結合係数κ１を回折格子１４の結合係数κ２よりも小さくしている。図３の例では、導波領域２の光軸方向の長さは１５０μｍ、回折格子１４の深さは１００ｎｍ、格子パタン１８の導波方向の幅は１００ｎｍ、格子間隔は１００ｎｍである。活性領域１の長さは１５０μｍ、格子パタン１７の導波方向の幅と格子間隔は格子パタン１８と同じであり、間引きパタン１５Ａでの間引きの割合いは0.5である。ここで、「間引きの割合」とは、回折格子１３Ａで間引きを行わないときのｍコマの格子からｎコマ（ｍ＞ｎ）を間引いた時の割合ｎ／ｍとする。

半導体レーザ１０Ａの製造方法は以下のとおりである。ｎ型ＩｎＰ等の半導体基板１１の全面に、例えばＧａＩｎＡｓＰ膜を成膜し、ＧａＩｎＡｓＰ層上に電子線リソグラフィ法により図示しないレジストマスクを形成する。レジストマスクは、回折格子１３Ａに対応するパタンと領域と、回折格子１４に対応するパタン領域を有する。レジストマスクを用いてＧａＩｎＡｓＰ膜をＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）装置等でドライエッチングすることで、間引きパタン１５Ａを含む結合係数κ１の回折格子１３Ａと、一定ピッチを有し結合係数κ２（κ２＞κ１）の回折格子１４を同時に形成する。

回折格子１３Ａと回折格子１４が形成された半導体基板１１上に、ｎ型ＩｎＰ層を成膜して回折格子の間を埋める埋め込み層１９と、スペーサ層２０を連続して形成し、表面を平坦化する。

平坦化されたスペーサ層２０上の全面に、たとえばＡｌＧａＩｎＡｓ量子井戸層と障壁層を交互に積層して活性層２１を形成する。その後、活性領域１を覆うハードマスクをＳｉＯ２等で形成して、活性領域１以外の領域の活性層２１を除去する。その後、露出した領域のＩｎＰ層上に、ＡｌＧａＩｎＡｓの導波層２２を選択成長し、ＳｉＯ２ハードマスクを除去する。

その後、ウェハ全面にｐ型ＩｎＰのクラッド層２５を成長し、引き続いて高濃度のｐ型ＧａＩｎＡｓ層を成長する。その後、ストライプ状のハードマスクを用いて、ｎ型ＩｎＰ基板１１が一定の深さまで掘り込まれるまで積層構造をメサ状に加工してから、ハードマスクを除去する。その後、活性領域１を覆うマスクを形成し、活性領域１以外のＧａＩｎＡｓ層をエッチング除去し、活性領域１のＧａＩｎＡｓ層をコンタクト層２３として残す。ＧａＩｎＡｓ層が除去された領域にＳｉＯ２パッシベーション層２４を形成する。その後、ＧａＩｎＡｓコンタクト２３上に電流注入用のｐ型電極（図３では不図示）を形成し、半導体基板１１の裏面の対応する箇所にｎ型電極を形成する。

この方法により、間引きパタン１５Ａを含む結合係数κ１の回折格子１３Ａと、結合係数κ２の回折格子１４を、活性領域１と導波領域２のそれぞれに一括形成する。導波領域２の回折格子１４の結合係数κ２を、活性領域１の回折格子１３Ａの結合係数κ１よりも大きくすることで、導波領域２の長さを短くして反射帯域幅を広げる場合でも反射率の低下を防止し、かつ、空間ホールバーニングを抑制する。
＜第２実施形態＞
図４は、第２実施形態の半導体レーザ１０Ｂの導波方向に沿った概略断面図である。半導体レーザ１０Ｂは、電流が注入されてレーザ発振する活性領域１と、電流が注入されず、活性領域１から出射されたレーザ光を反射させて活性領域１へ戻す導波領域２とを有する分布反射型レーザである。活性領域１と導波領域２は半導体基板１１上に隣接して集積されている。

活性領域１は、電流の注入により利得を生じる活性層２１と、第１の格子配置で第1の結合係数κ１を有する回折格子１３Ｂを有する。回折格子１３Ｂは、スペーサ層２０を挟んで活性層２１の下方に形成されている。活性層２１で発生した光のうち一定波長の光が回折格子１３Ｂで反射（帰還）されてレーザ発振する。

導波領域２は、電流が注入されず利得を生じない導波層２２と、第２の格子配置で第２の結合係数κ２を有する回折格子１４を有する。回折格子１４は、スペーサ層２０を挟んで導波層２２の下方に形成され、活性層２１から出射された光を反射して活性層２１へと帰還させる。第1実施形態と同様に、結合係数κ２は結合係数κ１よりも大きい。

活性領域１の回折格子１３Ｂは、所定の間隔（ピッチ）で配置される個々の格子パタン１７と、間引きパタン１５Ｂとを含む。第２実施形態の間引きパタン１５Ｂは、格子パタン１７が一定周期（たとえば３つに一つ）で削除されたパタンである。この配置構成によっても、屈折率変化の繰り返し回数を間引いて結合係数κ１を小さくすることができる。

間引きパタン１５Ｂの削除周期は、回折格子１３Ｂの結合係数κ１が半導体レーザ１０Ａの単一発振モードを実現できる程度に大きく、かつ高出力が得られる程度に小さい範囲にあるように設計されている。κ１をこの範囲に設定し、かつ、導波領域２の回折格子１４の結合係数κ２をκ１よりも大きくする。

この構成により、導波領域２の長さを短くして反射帯域幅を広げる場合でも、ＤＢＲミラーの反射率の低下を防止し、かつＤＦＢレーザの出射端での電界密度の低下（空間ホールバーニング）を抑制して高出力を維持することができる。
＜効果確認＞
図５〜図８は、実施形態の構成による半導体レーザ（１０Ａまたは１０Ｂ）の効果を示す図である。図５は、回折格子の間引きの割合と結合係数との相関関係を示す図である。上述のように、「間引きの割合」とは、回折格子１３Ａまたは１３Ｂで間引きを行わないときのｍコマの格子からｎコマを間引いた時の割合ｎ／ｍと定義する（ｍ＞ｎ）。

図５（Ａ）は、ＤＦＢ（活性領域１）での間引き率と、ＤＢＲ（導波領域２）での反射率及び半値幅との関係を示し、図５（Ｂ）は、間引き率と結合係数変化率との関係を示す。

実施形態のように回折格子全体で均一にデューティ比（溝周期に対する溝幅）を変えるのではなく、回折格子１３Ａまたは１３Ｂの一部の繰り返しを間引く場合、実効的な結合係数κを、一般式
κ＝K₀（ｎ２−ｎ１）／２
で表現することが困難になる。ここでｎ１は回折格子内の凸部の実効屈折率、ｎ２は凹部の実効屈折率、k₀は伝搬光の真空中での波数である。

実施形態では、活性領域１で回折格子の繰り返しの一部を間引くことによってＤＦＢの結合係数κ１を所望の範囲に設計するため、別の指標を用いてＤＦＢの実効的な結合係数を評価する。

具体的には、回折格子の特性のひとつである反射率を実効的な結合係数の評価指標として用いることにする。ある割合で間引いた回折格子領域の反射率を解析により算出し、相当する反射率を有する間引いていない回折格子の結合係数を、間引いた回折格子の実効的な結合係数とする。間引いた回折格子の反射率は、一般的に多層膜の反射率解析に用いられるような転送行列法を用いて求める。

この手法で求めたのが、図５（Ａ）の間引きの割合と反射率の関係である。解析ではＤＢＲの長さを１５０μｍ、実効屈折率を3.27、中心波長を１．３μｍとしている。図５（Ａ）の右側の縦軸は、ＤＢＲの反射スペクトルの半値幅である。図５（Ａ）で求めた反射率を、一般的な（間引いていない回折格子の）結合係数と反射率の関係と対応させることで、図５（Ｂ）の間引き割合と、結合係数変化率の関係を求めることができる。なお、図５（Ｂ）では、間引いていない（間引き割合０）のときの結合係数で縦軸を規格化しており、縦軸の結合係数変化率をκ１／κ２で表している。

図５からわかるように、間引きの割合を０〜０．５に変化させることで、結合係数κ２に対する結合係数κ１の比率を小さくしていくことができる。なお、反射率を高く維持するという観点からは、間引きの割合は０．１〜０．３５の範囲であることが望ましい。

図６は、実施形態の効果をＤＢＲ長を短縮する従来手法と比較して示す図である。図６（Ｂ）のＤＢＲ長を短くする方法では、ストップバンド幅を広げるとピーク反射率が落ちてしまう。これに対し、図６（Ａ）の実施形態の構成、すなわちＤＦＢ（活性領域１）の回折格子を間引いてＤＢＲ（導波領域２）の回折格子の結合係数κ２を高く維持する構成では、ストップバンド幅（図６（Ａ）で右側の縦軸）を広げてもピーク反射率は落ちない。解析でＤＦＢのκ１を２００ｃｍ-1に固定してＤＢＲの結合係数κ２を相対的に大きくした場合、透過が阻止される反射帯域幅（ストップバンド）を広げつつ、反射率を高く維持することができる。これにより、熱効果によるレッドシフトやキャリアプラズマ効果によるブルーシフトが生じても、発振モードを反射帯域内に維持して、モード跳びやマルチモード発振を抑制しつつ、高出力を維持することができる。

図７は、図６（Ａ）と図６（Ｂ）の結果を比較して示す図であり、横軸はストップバンド幅、縦軸は反射率である。黒の四角マークが実施形態の間引きによるκ調整法の反射率特性、白の菱形マークが従来のＤＢＲ長の調整法の反射率特性である。図７から明らかなように、実施形態の結合係数κを間引き調整する方法では、ストップバンド幅を広げても高い反射率を維持している。

図８は、ＤＦＢの中心波長と各モードのしきい値利得ｇthの関係を示す図である。図８（Ａ）は実施形態の構成によるしきい値利得、図８（Ｂ）は比較例としてＤＦＢおよびＤＢＲで結合係数κを一定にした場合のしきい値利得を示す。

図８（Ａ）で、白の菱形マークで示すＤＦＢ中心モードにおいて、ＤＦＢの中心波長がシフトしてもしきい値利得が上昇せず、常に短波長側と長波長側の隣接モードのしきい値利得よりも低いしきい値利得が維持されている。したがってモードホッピングが抑制される。

これに対し、図８（Ｂ）では、ＤＦＢ中心波長が長波長側にシフトすると、ＤＦＢ中心モードと短波長側の隣接モードのしきい値利得が逆転し、短波長側の隣接モードで発振してしまう。

このように、実施形態の構成により半導体レーザで単一縦モード発振を抑制し、かつ高出力を維持することが可能になる。

１ 活性領域（ＤＦＢ領域）
２ 導波領域（ＤＢＲ領域）
１１ 半導体基板
１３Ａ、１３Ｂ ＤＦＢの回折格子
１４ ＤＢＲの回折格子
１５Ａ、１５Ｂ 間引きパタン
１７、１８ 格子パタン
２１ 活性層
２２ 導波層
２３ コンタクト層
κ１ ＤＦＢの結合係数
κ２ ＤＢＲの結合係数

Claims (6)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に位置し、活性層と第１の回折格子を有する活性領域と、
   前記半導体基板上に位置し、前記活性層と光軸方向で連続する導波層、及び前記第１の回折格子と前記光軸方向で連続する第２の回折格子を有する導波領域と、
   を有し、
   前記第２の回折格子の繰り返し周期は均一であり、
   前記第１の回折格子は繰り返し周期が不均一な部分を有し、前記第１の回折格子の格子存在密度は前記第２の回折格子の格子存在密度よりも小さく設定されている
   ことを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記繰り返し周期の不均一な部分は、１または複数の格子で光軸方向に沿った格子幅が広げられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
3. 前記繰り返し周期の不均一な部分は、格子と格子の間の溝幅が広げられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
4. 前記繰り返し周期の不均一な部分において、一定間隔で格子の繰り返しが間引きされており、前記間引きの割合は０．１〜０．３５であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
5. 前記第１の回折格子の前記繰り返し周期の不均一な部分を除く領域は、前記第２の回折格子の繰り返し周期と同じ繰り返し周期を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
6. 前記第１の回折格子は、前記半導体基板の基板面と垂直方向で、前記活性層の下方に位置し、
   前記第２の回折格子は、前記半導体基板の基板面と垂直方向で、前記導波層の下方に位置することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。

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