JP2017216348A - 端面出射型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】生産性と歩留を低下させることなく、温度変化に伴う発振波長ズレを抑制することができる端面出射型半導体レーザを得る。【解決手段】半導体基板１上に、第１の屈折率を持つ第１のクラッド層２が形成されている。第１のクラッド層２上に、第１の屈折率より高い第２の屈折率を持つ活性層３が形成されている。活性層３上に、λを発振波長、ｎを媒質の屈折率として、それぞれ厚さがλ／４ｎよりも厚い低屈折率層４ａと高屈折率層４ｂが交互に積み重ねられたブラッグ反射鏡４が形成されている。ブラッグ反射鏡４上に、活性層３よりも小さいバンドギャップエネルギーを持つ光吸収層５が形成されている。光吸収層５上に、第２の屈折率よりも低い第３の屈折率を持つ第２のクラッド層６が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、導波路端面から光を出射する端面出射型半導体レーザに関する。

半導体レーザでは、活性層を含む高屈折率のコア層が低屈折率のクラッド層で上下から挟まれて導波路が形成されている。活性層を挟む一方のクラッド層はｐ型に、もう一方はｎ型にドーピングされている。ｐ型クラッド層側から注入されたホールとｎ型クラッド層側から注入された電子が活性層内で再結合して発光する。活性層から生じた光の一部はコア層とクラッド層の界面で全反射し、活性層に戻ってくる。光は活性層を通過する間に利得を得て増幅し、再びコア層とクラッド層の界面で全反射する。これを繰り返して光は導波路内を伝搬し、増幅される。

また、半導体レーザ端面と出射媒質である空気の界面が反射鏡となっており、前後両端面の反射鏡でファブリペロー共振器を形成している。導波路内を伝搬した光は半導体端面で一部が外部に出射し、ミラー損失となる。残りの光は端面で反射し、再び導波路内を伝搬する。これらを繰り返すうちに、共振器内に定常波をもつ特定の波長のみが共振する。導波路伝搬時の内部損失および端面反射時のミラー損失の和と伝搬中に得る利得が等しくなったときにレーザ発振し、端面からコヒーレント光が出射する。

特開平７−２０２３２０号公報

光は屈折率が高いコア層と屈折率の低いクラッド層の界面で全反射を繰り返しながら導波する。この界面での反射率には波長依存性がないため、導波路そのものには波長選択性が無い。従って、温度が変化すると活性層のバンドギャップの変化によって発振波長がシフトするため、レーザの発振波長は所望の波長、例えば光ファイバの波長分散がゼロである１３１０ｎｍから大きくずれてしまう。この分散の影響により、光信号の伝送距離が制限されるという問題があった。

この問題を解決するための従来技術として、導波路に沿って回折格子を設けた分布帰還型レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）および分布反射型レーザ（ＤＢＲ−ＬＤ）があるが、デバイス作製時にサブミクロンオーダーでの加工が必要となるなど構造が複雑であり、生産性と歩留が低下するという問題があった。

また、λを発振波長、ｎを媒質の屈折率として、厚さが略λ／４ｎの２種類の化合物半導体層を交互に積層した半導体多層反射層を設けた半導体レーザが提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、当該厚さは、コア内を伝播する光の半導体多層反射層に対する入射角を考慮して設定したものではなかった。

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、その目的は生産性と歩留を低下させることなく、温度変化に伴う発振波長ズレを抑制することができる端面出射型半導体レーザを得るものである。

本発明に係る端面出射型半導体レーザは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、第１の屈折率を持つ第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に形成され、前記第１の屈折率より高い第２の屈折率を持つ活性層と、前記活性層上に形成され、λを発振波長、ｎを媒質の屈折率として、それぞれ厚さがλ／４ｎよりも厚い低屈折率層と高屈折率層が交互に積み重ねられたブラッグ反射鏡と、前記ブラッグ反射鏡上に形成され、前記活性層よりも小さいバンドギャップエネルギーを持つ光吸収層と、前記光吸収層上に形成され、前記第２の屈折率よりも低い第３の屈折率を持つ第２のクラッド層とを備えることを特徴とする。

本発明では、活性層と光吸収層の間に、それぞれ厚さがλ／４ｎよりも厚い低屈折率層と高屈折率層が交互に積み重ねられたブラッグ反射鏡を設けている。これにより、生産性と歩留を低下させることなく、温度変化に伴う発振波長ズレを抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。 ブラッグ反射鏡に光が入射したときの反射率スペクトルの計算値を示す図である。 ブラッグ反射鏡のペア数を変更させた場合の反射スペクトルを示す図である。 ブラッグ反射鏡の屈折率の組み合わせを変更させた場合の反射スペクトルを示す図である。 本発明の実施の形態２に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。 本発明の実施の形態３に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。 本発明の実施の形態４に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。 本発明の実施の形態５に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。 本発明の実施の形態６に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。

本発明の実施の形態に係る端面出射型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に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。ＩｎＰ基板１上に、第１の屈折率ｎ_{ｃｌａｄ１}を持つＩｎＰからなる第１のクラッド層２が形成されている。第１のクラッド層２上に、第１の屈折率ｎ_{ｃｌａｄ１}より高い第２の屈折率ｎ_ｃｏｒｅを持つ活性層３が形成されている。活性層３は、ＩｎＧａＡｓＰ系又はＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体から構成され、多重量子井戸層を有するものでもよい。活性層３の厚さはＤ_ｃｏｒｅである。

活性層３上に、ＩｎＧａＡｓＰ系又はＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体からなるブラッグ反射鏡４（ＤＢＲ）が形成されている。ブラッグ反射鏡４は、厚さｄ_Ｌ、屈折率ｎ_Ｌの低屈折率層４ａと、厚さｄ_Ｈ、屈折率ｎ_Ｈの高屈折率層４ｂとを交互に重ね合わせた周期構造となっている。ただし、ｎ_Ｈ＞ｎ_Ｌである。ブラッグ反射鏡４の周期構造は、活性層３に近い側は低屈折率層４ａで始まり、遠い側は高屈折率層４ｂで終わる。

ブラッグ反射鏡４上に、活性層３よりも小さいバンドギャップエネルギーを持つ光吸収層５が形成されている。光吸収層５は、ＩｎＧａＡｓＰ系又はＡｌＧａＩｎＡｓ系半導体からなる。光吸収層５の屈折率はｎ_ａ、膜厚はｄ_ａである。光吸収層５には光吸収係数が高くなるように発振波長よりもバンドギャップＥｇが十分小さい材料、例えば発振波長１３１０ｎｍの時場合にはＥｇ＝０．８８６ｅＶとなるＩｎＧａＡｓＰが用いられている。

光吸収層５上に、第２の屈折率ｎ_ｃｏｒｅよりも低い第３の屈折率ｎ_{ｃｌａｄ２}を持つＩｎＰからなる第２のクラッド層６が形成されている。第２のクラッド層６上に、Ａｕ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｐｔ、又はＴｉを含む金属からなる電極７が形成されている。ＩｎＰ基板１の下にはＡｕ、Ｇｅ、Ｚｎ、Ｐｔ、又はＴｉを含む金属からなる電極８が形成されている。この半導体層の上下にある電極７，８から電流を注入して活性層３からの発光を得る。

ＩｎＰ基板１がｐ型である場合は活性層３よりも下側にある第１のクラッド層２はｐ型に、活性層３より上側にあるブラッグ反射鏡４、光吸収層５、第２のクラッド層６はｎ型にドーピングされる。逆にＩｎＰ基板１がｎ型である場合は活性層３よりも下側にある第１のクラッド層２はｎ型に、活性層３よりも上側にあるブラッグ反射鏡４、光吸収層５、第２のクラッド層６はｐ型にドーピングされる。

各半導体層のドーピング濃度は、層内で均一、又は半導体層界面近傍でドーピング濃度が高くなるように各層内でグレーデッド又は階段状に分布し、１×１０^１６ｃｍ^−３から２×１０^１９ｃｍ^−３の範囲内の値をとる。素子の共振器長Ｌは１５０〜６００μｍとされることが多いが、特にこの範囲に限定されるものではない。

活性層３で生じた光は活性層３と第１のクラッド層２との界面、及び活性層３とブラッグ反射鏡４との界面で全反射を繰り返しながら伝搬角θ_ｃｏｒｅで導波する。活性層３とブラッグ反射鏡４の界面での反射率に波長依存性を持たせるため、まず前提条件として活性層３とブラッグ反射鏡４の低屈折率層４ａの界面で全反射が起きず、第１のクラッド層２と活性層３の界面では全反射が起きるように数式１を満たす必要がある。さらに、光吸収層５とブラッグ反射鏡４の高屈折率層４ｂの界面で全反射が起きず、光吸収層５と第２のクラッド層６の界面では全反射するように数式２を満たす必要がある。

さらに、光がレーザ端面から空気中（屈折率１）に出射するためには、数式３を満たす必要がある。

また、伝搬角θ_ｃｏｒｅは数式４によって決定される。ここでｄ_{ｐ−ＤＢＲ}、ｄ_{ｐ−ｃｌａｄ}はそれぞれブラッグ反射鏡４側および第１のクラッド層２側への光の染み出し深さである。

光の横モードとして基本モードのみが伝搬するためには数式４を満たすｍがｍ＝１のみとなるように活性層３の膜厚Ｄ_ｃｏｒｅと屈折率ｎ_ｃｏｒｅを設計しなければならない。例えば、発振波長λ＝１３１０ｎｍにおいてＤ_ｃｏｒｅ＝７６７ｎｍ、ｎ_ｃｏｒｅ＝３．３とすると、伝搬角はθ_ｃｏｒｅ＝１５°と近似できる。さらに、光吸収層５をｎ_ａ＝３．２９、ｄ_ａ＝２００ｎｍ、第１及び第２のクラッド層２，６をｎ_{ｃｌａｄ１}＝ｎ_{ｃｌａｄ２}＝３．１７とすると数式１〜３を満たすことができる。

ブラッグ反射鏡４の反射率Ｒ_ＤＢＲ（λ）は膜厚や屈折率の設計によって波長依存性を持たせることができる。ブラッグ反射鏡４の表面に対して入射角θ_ｉで波長λの光を入射した場合、ブラッグ反射鏡４の低屈折率層および高屈折率層の厚さｄ_Ｌ，ｄ_Ｈがそれぞれ数式５，６を満たすときに波長λでの反射率が最大となる。ブラッグ反射鏡４の各層の膜厚ｄ_Ｈ，ｄ_Ｌ及び屈折率ｎ_Ｈ，ｎ_Ｌは、所望のレーザの発振波長λにおいてＲ_ＤＢＲ（λ）が最大となるように設計する。また、光がコア内を伝搬するためには０°＜θ_ｉ＜９０°でなければならないため、数式５，６よりｄ_Ｌ，ｄ_Ｈはλ／４ｎよりも大きい値となる。

例えば、ブラッグ反射鏡４は、ｎ_Ｈ＝３．３１、ｎ_Ｌ＝３．２９、ｄ_Ｈ＝３８２ｎｍ、ｄ_Ｌ＝３８５ｎｍ、３０ペアからなるとすると、発振波長λ＝１３１０ｎｍにおいて最大の反射率を得ることができる。

このレーザが発振するためには数式７を満たさなければならない。ただし、Ｌは共振器長、Γは光閉じ込め係数、ｇは利得、α_ｉは内部損失、Ｒ_ｆ、Ｒ_ｒはそれぞれ前端面、後端面での反射率である。

反射率が高い波長帯の光はブラッグ反射鏡４での反射を繰り返しながら導波するが、反射率が低い波長帯の光では一部がブラッグ反射鏡４を透過し、その先の光吸収層５に達した後に、光吸収層５と第１のクラッド層２の界面で全反射して活性層３へ戻ってくる。この間に光の吸収が起きるため、数式７に含まれる半導体レーザの内部吸収損失α_ｉはブラッグ反射鏡４の反射率Ｒ_ＤＢＲ（λ）の関数となり、波長依存性をもつ。数式７より内部吸収損失α_ｉ（λ）が小さい波長、すなわち反射率Ｒ_ＤＢＲ（λ）が高い波長では、レーザ発振に必要なしきい値利得ｇ_ｔｈが小さい。一方、内部吸収損失α_ｉ（λ）が大きい波長、即ち反射率Ｒ_ＤＢＲ（λ）が低い波長では、レーザ発振に必要なしきい値利得ｇ_ｔｈが高く、高い電流値が必要である。このため、α_ｉ（λ）が小さい波長の方が低い電流値でレーザ発振する。この内部吸収損失α_ｉ（λ）の波長依存性により、導波路に波長選択性を持たせることができる。

図２は、ブラッグ反射鏡に光が入射したときの反射率スペクトルの計算値を示す図である。ブラッグ反射鏡は、ｎ_Ｈ＝３．３０５、ｎ_Ｌ＝３．２９５、５０ペアである。光の入射角は光の伝搬角θ_ｃｏｒｅと同じ１５°である。入射媒質の屈折率は活性層に相当する３．３、出射媒質の屈折率は吸収層に相当する３．２９とした。発振波長である１３１０ｎｍでは９５．９％の反射率が得られているが、そこから波長がずれると反射率は低下する。

図３は、ブラッグ反射鏡のペア数を変更させた場合の反射スペクトルを示す図である。ｎ_Ｈ＝３．３１、ｎ_Ｌ＝３．２９である。ブラッグ反射鏡のペア数を増やすとより高い反射率を得ることができる。

図４は、ブラッグ反射鏡の屈折率の組み合わせを変更させた場合の反射スペクトルを示す図である。ブラッグ反射鏡は３０ペアである。屈折率の組み合わせは（ｎ_Ｈ，ｎ_Ｌ）＝（３．３０５，３．２９５）、（３．３１，３．２９）、（３．３２，３．２８）である。ブラッグ反射鏡の膜厚はそれぞれ（ｄ_Ｈ，ｄ_Ｌ）＝（３８３ｎｍ，３８５ｎｍ）、（３８２ｎｍ，３８５ｎｍ）、（３８１ｎｍ，３８６ｎｍ）である。高反射率波長帯域幅はブラッグ反射鏡を構成する層の屈折率差で決定され、屈折率差を小さくするほど帯域が狭まり、より強い波長選択性を持たせることができる。従って、温度変化により活性層の利得スペクトルがシフトしても、導波路の波長選択性により、発振波長ズレを抑制することができる。

以上説明したように、本実施の形態では、活性層３と光吸収層５の間に、それぞれ厚さがλ／４ｎよりも厚い低屈折率層４ａと高屈折率層４ｂが交互に積み重ねられたブラッグ反射鏡４を設けている。これにより、生産性と歩留を低下させることなく、温度変化に伴う発振波長ズレを抑制することができる。なお、光吸収層５とブラッグ反射鏡４を活性層３の下側に形成しても同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。実施の形態１のブラッグ反射鏡４及び光吸収層５の代わりに、第１のクラッド層２上に光吸収層９が形成され、その上にブラッグ反射鏡１０が形成されている。活性層３はブラッグ反射鏡１０上に形成されている。ブラッグ反射鏡１０は、ブラッグ反射鏡４と同様に、それぞれ厚さがλ／４ｎよりも厚い低屈折率層１０ａと高屈折率層１０ｂが交互に積み重ねられたものである。その他の構成は実施の形態１と同様である。本実施の形態の構成でも実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。本実施の形態では、実施の形態１のブラッグ反射鏡４及び光吸収層５と実施の形態２の光吸収層９及びブラッグ反射鏡１０の両方が設けられている。このように吸収層とブラッグ反射鏡を活性層３の上側と下側の両方に設けることにより、実施の形態１よりも波長選択性を大きく取ることができる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。ｐ型にドープされた第２のブラッグ反射鏡４の低屈折率層４ａと高屈折率層４ｂは、価電子帯側の障壁ΔＥｖが小さいｐ型ＡｌＩｎＧａＡｓからなる。ｎ型にドープされたブラッグ反射鏡１０の低屈折率層１０ａと高屈折率層１０ｂは、伝導帯側の障壁ΔＥｃの小さいｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる。これにより、ホールが活性層３に注入されるまでに乗り越える価電子帯側の障壁、及び電子が活性層３に注入されるまでに乗り越える障壁が他の材料を用いた場合よりも低くなり、電流注入が効率よく行える。その他、実施の形態１と同様の効果が得られる。なお、ブラッグ反射鏡４，１０はどちらか一方のみでもよい。

実施の形態５．
図８は、本発明の実施の形態５に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。実施の形態１等では活性層３は多重量子井戸層を有していたが、本実施の形態では活性層３はＩｎＡｓ系半導体の量子ドット３ａを有する。量子ドット３ａはＧａＡｓ系の埋め込み層３ｂで埋め込まれて平坦化されている。量子ドット３ａの直径は１０ｎｍ以下である。このとき第１のクラッド層２、ブラッグ反射鏡４、第２のクラッド層６の材料をＡｌＧａＡｓ系半導体とする。本実施の形態の構成でも実施の形態１と同様の効果が得られる。なお、本実施の形態の構成を実施の形態２，３の構成と組み合わせてもよい。

実施の形態６．
図９は、本発明の実施の形態６に係る端面出射型半導体レーザを示す断面図である。ブラッグ反射鏡４は、ドーピングが実施されて光吸収係数を持ち、光吸収層５を兼ねている。ブラッグ反射鏡４のドーピング濃度は、活性層３に近いほど低く、活性層３から遠いほど高くなるようにグレーデッド又は階段状に変化する。具体的には、ブラッグ反射鏡４のドーピング濃度は、活性層３に近い領域では発振波長の吸収損失が低くなるように１×１０^１６ｃｍ^−３程度と低く、活性層３から遠いほど２×１０^１９ｃｍ^−３程度まで高くなる。本実施の形態の構成でも実施の形態１と同様の効果が得られる。なお、本実施の形態の構成を実施の形態２〜４の構成と組み合わせてもよい。

１ ＩｎＰ基板（半導体基板）、２ 第１のクラッド層、３ 活性層、３ａ 量子ドット、３ｂ 埋め込み層、４ ブラッグ反射鏡（第２のブラッグ反射鏡）、４ａ，１０ａ 低屈折率層、４ｂ，１０ｂ 高屈折率層、５ 光吸収層（第２の光吸収層）、６ 第２のクラッド層、７，８ 電極、９ 光吸収層（第１の光吸収層）、１０ ブラッグ反射鏡（第１のブラッグ反射鏡）

Claims (9)

1. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成され、第１の屈折率を持つ第１のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層上に形成され、前記第１の屈折率より高い第２の屈折率を持つ活性層と、
   前記活性層上に形成され、λを発振波長、ｎを媒質の屈折率として、それぞれ厚さがλ／４ｎよりも厚い低屈折率層と高屈折率層が交互に積み重ねられたブラッグ反射鏡と、
   前記ブラッグ反射鏡上に形成され、前記活性層よりも小さいバンドギャップエネルギーを持つ光吸収層と、
   前記光吸収層上に形成され、前記第２の屈折率よりも低い第３の屈折率を持つ第２のクラッド層とを備えることを特徴とする端面出射型半導体レーザ。
2. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成され、第１の屈折率を持つ第１のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層上に形成された光吸収層と
   前記光吸収層上に形成され、λを発振波長、ｎを媒質の屈折率として、それぞれ厚さがλ／４ｎよりも厚い低屈折率層と高屈折率層が交互に積み重ねられたブラッグ反射鏡と、
   前記ブラッグ反射鏡上に形成され、前記第１の屈折率より高い第２の屈折率と前記光吸収層よりも大きいバンドギャップエネルギーを持つ活性層と、
   前記活性層上に形成され、前記第２の屈折率よりも低い第３の屈折率を持つ第２のクラッド層とを備えることを特徴とする端面出射型半導体レーザ。
3. 前記ブラッグ反射鏡は、ｐ型にドープされた場合にはＡｌＧａＩｎＡｓ層を有し、ｎ型にドープされた場合にはＩｎＧａＡｓＰ層を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の端面出射型半導体レーザ。
4. 前記ブラッグ反射鏡のドーピング濃度は、前記活性層に近いほど低く、前記活性層から遠いほど高いことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の端面出射型半導体レーザ。
5. 半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成され、第１の屈折率を持つ第１のクラッド層と、
   前記第１のクラッド層上に形成された第１の光吸収層と
   前記第１の光吸収層上に形成され、λを発振波長、ｎを媒質の屈折率として、それぞれ厚さがλ／４ｎよりも厚い低屈折率層と高屈折率層が交互に積み重ねられた第１のブラッグ反射鏡と、
   前記第１のブラッグ反射鏡上に形成され、前記第１の屈折率より高い第２の屈折率と前記第１の光吸収層よりも大きいバンドギャップエネルギーを持つ活性層と、
   前記活性層上に形成され、それぞれ厚さがλ／４ｎよりも厚い低屈折率層と高屈折率層が交互に積み重ねられた第２のブラッグ反射鏡と、
   前記第２のブラッグ反射鏡上に形成され、前記活性層よりも小さいバンドギャップエネルギーを持つ第２の光吸収層と、
   前記第２の光吸収層の上に形成され、前記第２の屈折率よりも低い第３の屈折率を持つ第２のクラッド層とを備えることを特徴とする端面出射型半導体レーザ。
6. 前記第１及び第２のブラッグ反射鏡は、ｐ型にドープされた場合にはＡｌＧａＩｎＡｓ層を有し、ｎ型にドープされた場合にはＩｎＧａＡｓＰ層を有することを特徴とする請求項５に記載の端面出射型半導体レーザ。
7. 前記第１及び第２のブラッグ反射鏡のドーピング濃度は、前記活性層に近いほど低く、前記活性層から遠いほど高いことを特徴とする請求項５又は６に記載の端面出射型半導体レーザ。
8. 前記活性層は多重量子井戸層を有することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の端面出射型半導体レーザ。
9. 前記活性層は量子ドットを有することを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の端面出射型半導体レーザ。

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