JP2024052471A - 半導体レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】ＳＭＳＲ歩留りに優れた半導体レーザを提供すること。【解決手段】基板と、前記基板上に、位相シフト部を含む回折格子層と活性層とを含んで形成されたメサ構造と、前記メサ構造の長手方向の両端と両端面との間に配置された窓構造と、前記両端面に形成された低反射端面コーティング膜と、を備え、前記窓構造の実効屈折率は、前記活性層の実効屈折率より低い、半導体レーザ。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザに関する。

光通信に用いられる光源として半導体レーザが広く使われている。半導体レーザの一つに、分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）が知られている。ＤＦＢレーザは回折格子を備えている。また端面反射による戻り光を抑える方法として窓構造が知られている。

特開２００３－１１０１９５号公報

半導体レーザは、光を生成する活性層を備えている。活性層が生成する光の波長はある程度の幅を持っている。特定の波長の光を強く発振させるために回折格子が配置される。さらに、回折格子に位相シフト構造を採用することで、単一の波長で発振させることができる。この時、特定の波長と他の波長との強度比が大きいほうが光通信の信号源としては好ましい。この強度比はサイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ；Side Mode Suppression Ratio）と呼ばれる。ＳＭＳＲは半導体レーザの端面における光の反射の位相状態の影響を受ける。そのため端面においてレーザ光が反射した場合、共振器長のばらつきなどにより所望のＳＭＳＲが得られない場合がある。端面における反射を防止する方法として、端面に低反射端面コーティング膜（以下、ＡＲ膜）を形成する構造がある。しかし、ＡＲ膜の製造上のばらつきなどにより十分に端面における反射を抑制できない場合があり、ＳＭＳＲの不良が発生し、半導体レーザのコスト上昇の一因となっている。

本発明は端面における光の反射を低減する半導体レーザを提供することを目的としている。

（１）本発明に係る半導体レーザは、基板と、前記基板上に、位相シフト部を含む回折格子層と活性層とを含んで形成されたメサ構造と、前記メサ構造の長手方向の両端と両端面との間に配置された窓構造と、前記両端面に形成された低反射端面コーティング膜と、を備え、前記窓構造の実効屈折率は、前記活性層の実効屈折率より低い。

本発明により、ＳＭＳＲ歩留りに優れた半導体レーザを提供できる。

図１は、第１の実施形態にかかる半導体レーザの上面図である。 図２は、図１に示す半導体レーザのII－II線に沿う概略断面図である。 図３は、図１に示す半導体レーザのIII－III線に沿う概略断面図である。 図４は、第２の実施形態にかかる半導体レーザの上面図である。 図５は、図４に示す半導体レーザのV－V線に沿う概略断面図である。 図６は、第３の実施形態にかかる半導体レーザの上面図である。 図７は、図６に示す半導体レーザのVII－VII線に沿う概略断面図である。 図８は、図６に示す半導体レーザのVIII－VIII線に沿う概略断面図である。 図９は、図６に示す半導体レーザのIX－IX線に沿う概略断面図である。

以下に、図面に基づき、本発明の実施形態を具体的かつ詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。なお、以下に示す図は、あくまで、実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態にかかる半導体レーザ１の上面図である。図２は、図１のII-II線に沿う概略断面図を表す。図３は、図１のIII-III線に沿う概略断面図を表す。半導体レーザ１は、裏面に第１電極２、表面に第２電極３を備える。第１電極２及び第２電極３は金属層である。第１電極２と第２電極３との間に電流を注入することで、端面から光が出射される。なお、以下において、端面は、後述するメサ構造１５の長手方向における半導体レーザ１の端面（図１の左右方向の端面）を意味するものとする。本実施形態では、両端面に低反射端面コーティング膜４（以下、ＡＲ膜４）が形成されている。ここでＡＲ膜４は、半導体レーザ１が出射する光の波長に対して、反射率が１％未満となるように設計された絶縁膜多層である。なお反射率は一例であり、ここでは反射率が５％以下のコーティング膜をＡＲ膜と呼称する。

半導体レーザ１は、第１導電型の基板５の上に第１導電型の光閉じ込め層（ＳＣＨ層）６、活性層７、第２導電型の光閉じ込め層（ＳＣＨ層）８、第２導電型のクラッド層９、第２導電型のコンタクト層１０の順で積層された半導体層を含む。また、第２導電型のクラッド層９には回折格子層１１が形成されている。なお、基板５と第１導電型のＳＣＨ層６との間にバッファ層が含まれていてもよい。バッファ層は基板５と同じ材料で同じ導電型の層であり、実質的には基板５と一体的なものである。ここでは基板と呼称した場合、バッファ層も構造に含まれるものとする。基板５は第１導電型のクラッド層としても機能する。半導体レーザ１は、ＤＦＢレーザである。活性層７は、例えば多重量子井戸層で形成されている。また多重量子井戸層は、真性半導体もしくはｎ型半導体であってよい。なお、ここでは第１導電型はｎ型、第２導電型はｐ型であるが、逆であっても構わない。また、これらの半導体層は、メサ構造１５を有している。なおメサ構造１５の最下部は、基板５の一部で構成される。すなわち、メサ構造１５は、基板５上に、位相シフト部１３を含む回折格子層１１と活性層７とを含んで形成されている。メサ構造１５の短手方向の両側に埋め込み層１２を備える。メサ構造１５の両側は、半絶縁性の埋め込み層１２で覆われている。なお埋め込み層１２は、ｐ型、ｎ型の半導体層の積層体であっても構わない。

回折格子層１１は、メサ構造１５の長手方向に配置されている。回折格子層１１の格子周期は一定であるが、回折格子層１１は、メサ構造１５の長手方向に見た時の略中央部に位相シフト部１３を備える。ここでは位相シフト部１３は、λ／４位相シフト部である。位相シフト部１３の位置、シフト量は一例に過ぎない。

半導体レーザ１は、表面に絶縁膜１４を備える。絶縁膜１４は、メサ構造１５の上面付近を除いて半導体レーザ１の表面を覆っている。第２電極３は、メサ構造１５の上であって、絶縁膜１４が配置されていない領域において、第２導電型コンタクト層１０と電気的、物理的に接している。

半導体レーザ１は、メサ構造１５の端部とＡＲ膜４が形成されている端面との間に窓構造２０を備えている。窓構造２０は、メサ構造１５の長手方向の両端とＡＲ膜４が形成されている両端面との間にそれぞれ配置されている。窓構造２０は、活性層７の実効屈折率より低い実効屈折率を有する半導体層である。ここでは、窓構造２０は、埋め込み層１２と同じ材料で形成された半絶縁性の半導体層である。また、例えば、窓構造２０は、基板５と同じ材料で形成されても構わない（ただし、基板５とは極性が異なる。基板５は導電型であるのに対し、窓構造２０は半絶縁性である）。なお、窓構造２０は、埋め込み層１２と異なる材料であっても構わない。窓構造２０のメサ構造１５側の側部は、基板５の一部、第１導電型のＳＣＨ層６、活性層７、第２導電側のＳＣＨ層８、第２導電型のクラッド層９、そして第２導電型のコンタクト層１０に接している。ここでは、窓構造２０の高さ（第２導電型のコンタクト層１０の上面から基板５までの距離）は、埋め込み層１２の高さ（基板５の上面から埋め込み層１２の上面までの距離）と略一致している。窓構造２０の高さと埋め込み層１２の高さとを同一とすることにより、窓構造２０と埋め込み層１２の形成を同一の工程で行うことができ、製造が容易になる。また窓構造２０の底部は基板５に接している。

[発明の効果]
端面にＡＲ膜４が設けられたとしても、レーザ光の一部は端面で反射する。反射されて活性層７に戻る光は、ＳＭＳＲ歩留りを低下させる要因となる。半導体レーザ１は、両端面に窓構造２０を備える。窓構造２０はメサ構造１５より実効屈折率が低いため、メサ構造１５から出射される光は窓構造２０内で広がる。広がった光の大部分は、ＡＲ膜４により、端面で反射せず外部に出射される。しかし一部の光は端面で反射されて、窓構造２０側に戻ってくる。すなわち、窓構造２０により光を拡散することで、反射された光のうち活性層７に戻る光を抑制することができる。従って、ＳＭＳＲ歩留りの低下を抑制することができる。さらに本実施形態では両端面に窓構造２０とＡＲ膜４を配置しているため、活性層７に戻る光を大きく低減することができる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態にかかる半導体レーザ２０１の上面図である。図５は、図４のV-V線に沿う概略断面図を表す。第２の実施形態は、光増幅部２０３がレーザ部２０２の長手方向の片側に配置される点で第１の実施形態と異なる。

半導体レーザ２０１は、レーザ部２０２と光増幅部２０３が一体的に集積された半導体光増幅器集積レーザである。レーザ部２０２の多層構造は、第１の実施形態の半導体レーザ１と同様である。光増幅部２０３は、回折格子１１を備えていていない点を除いて、レーザ部２０２と同一の多層構造を備える。また、光増幅部２０３におけるメサ構造２１５の幅は、レーザ部２０２におけるメサ構造２１５の幅より広い。具体的には、メサ構造２１５の幅は、一定ではなく、レーザ部２０２から離れるにつれて広くなり、レーザ部２０２とは逆側の端面に向かって細くなる。また第１電極２および第２電極３は、レーザ部２０２と光増幅部２０３の両者に跨って共通の電極となっている。従って、レーザ部２０２と光増幅部２０３には同じ電流が注入される構造となっている。半導体レーザ１の両端面には窓構造２０とＡＲ膜４が形成されている。

光増幅部２０３は、レーザ部２０２が発振した光を増幅する。メサ構造２１５の幅は増幅率を大きくするために広げている。しかし、メサ構造２１５の幅を広げると出射光のファーフィールドパターン（ＦＦＰ）が変化し、外部に配置されるレンズとの光結合率が低下する恐れがある。そのため、端面に向かってメサ構造２１５の幅は狭くなっている。ここでは、メサ構造２１５と窓構造２０とが接する部分におけるメサ構造２１５の幅と、レーザ部２０２と光増幅部２０３とが接する部分におけるメサ構造２１５の幅と、は同一とした。ただし、これに限定はされない。

光増幅部２０３は反射されて活性層７に戻る光も増幅する。そのため窓構造２０が配置されていない場合、反射されて活性層７に戻る光の影響は大きく、ＳＭＳＲ歩留りが低下する。本実施形態では窓構造２０により反射された光が活性層７に入ることを抑制し、ＳＭＳＲ歩留りの低下を抑制できる。

［第３の実施形態］
図６は、第３の実施形態にかかる半導体レーザ３０１の上面図である。図７は、図６のVII-VII線に沿う概略断面図を表す。図８は、図６のVIII-VIII線に沿う概略断面図を表す。図９は、図６のIX-IX線に沿う概略断面図を表す。

半導体レーザ３０１は、レーザ部３０２と光増幅部３０３が一体的に集積された半導体光増幅器集積レーザである。半導体レーザ３０１は、光増幅部３０３におけるメサ構造３１５の幅が一定である点と、高屈折率層３３０、第１導電型のクラッド層３４０を備えている点を除いて、第２の実施形態に示した半導体レーザ２０１と同一の構造である。

高屈折率層３３０は、メサ構造３１５及び埋め込み層１２の下方に配置されている。高屈折率層３３０は、両端面まで延伸している。図７に示すように、窓構造２０は、高屈折率層３３０を避けて配置されている。言い換えると、窓構造２０の底部は高屈折率層３３０の上部に配置される。高屈折率層３３０は、基板５および窓構造２０より実効屈折率が高い半導体層である。高屈折率層３３０と第１導電型のＳＣＨ層６との間には第１導電型のクラッド層３４０が配置されている。第１導電型のクラッド層３４０は基板５と同じ材料、同じ導電型の層であるが、必ずしもこれに限定されない。メサ構造３１５の最下部は第１導電型のクラッド層３４０の一部で構成されている。

また、回折格子層１１は、高屈折率層３３０と非接触である。回折格子層１１は、高屈折率層３３０とは別に設けられているため、設計の自由度が高い。高屈折率層３３０の幅は、メサ構造３１５の幅よりも広いことが望ましい。ただし、高屈折率層３３０は、埋め込み層１２の少なくとも一部に重なっていればよく、埋め込み層１２の全体に重ならなくてもよい。

高屈折率層３３０は、活性層７を中心に広がる光を基板５側に寄せる効果がある。上述したように活性層７（メサ構造３１５）から出射された光は、窓構造２０において広がる。広がった光の内、絶縁膜１４側に向かった光が絶縁膜１４や第２電極３などで反射をする場合がある。この反射光は散乱光となり、半導体レーザ３０１の出射光のＦＦＰの形状を乱す要因となる。ＦＦＰの形状が乱れると外部の光学部品８（例えばレンズ）との結合効率を低下させる要因となる。本実施形態では、窓構造２０の下方に高屈折率層３３０が配置されている。高屈折率層３３０は、窓構造２０より実効屈折率が高い。そのため、光は高屈折率層３３０側に寄せられる。その結果、絶縁層１４などの上方での光の反射を低減することができ、ＦＦＰ形状の乱れを抑制することができる。ここで高屈折率層３３０は端面まで延伸しているため、高屈折率層３３０付近を導波する光は端面で反射して高屈折率層３３０に戻る。しかし、ＳＭＳＲを決定する主要因は活性層７および回折格子層１１であるため、端面で反射して高屈折率層３３０に戻る光はＳＭＳＲ歩留りにほとんど影響を与えない。従って、本実施形態であってもＳＭＳＲ歩留りの低下を抑制することができる。なお、高屈折率層３３０を第１の実施形態に示した半導体レーザ１と組み合わせても構わない。

屈折率の高い高屈折率層３３０があることで、光の分布が拡大する。これにより、高次横モードカットオフ幅（以下、カットオフ幅）が大きくなり、ＮＦＰの面積が大きくなり、ＦＦＰの広がり角が小さくなり、出力特性および信頼性が向上する。具体的には、高屈折率層３３０を設ける第３の実施形態は、高屈折率層３３０を設けない第２の実施形態よりも、光が強く集まる領域の両側の領域の屈折率が大きくなる。その結果、光が強く集まる領域とその両側の領域との間で、屈折率差は小さくなる。屈折率差が小さくなると、カットオフ幅が広がる。カットオフ幅が広がれば、横方向の高次モードを発生させずにメサ幅を広げることが可能になり、多重量子井戸層の電流密度を下げることが可能となる。その結果、信頼性を向上させ、より多くの電流を注入できることより高出力化及び高信頼性を図ることができる。

本発明は、両端面にＡＲ膜が形成され、位相シフト部を含む回折格子層を備えた半導体レーザにおいてＳＭＳＲ歩留りの低下を抑制する。本発明の実施形態は、両端面に窓構造を備えることによってこれを達成する。ＡＲ膜は反射防止効果があるが、一部の光は端面で反射をし、活性層に戻る。この活性層に戻る光は、ＳＭＳＲ歩留りの低下を招く。両端面に窓構造を配置することで、両端面から活性層に戻る光を抑制し、ＳＭＳＲ歩留りの低下を軽減する。窓構造は、活性層より実効屈折率が高い。半導体レーザは、レーザ部と光増幅部が集積された集積型半導体レーザあっても構わない。また窓構造の下方に窓構造より実効屈折率の高い高屈折率層を配置しても構わない。

１、２０１、３０１ 半導体レーザ、２ 第１電極、３ 第２電極、４ 低反射端面コーティング膜、５ 基板、６ 第１導電型の光閉じ込め層、７ 活性層、８ 第２導電型の光閉じ込め層、９ 第２導電型のクラッド層、１０ 第２導電型のコンタクト層、１１
回折格子層、１２ 埋め込み層、１３ 位相シフト部、１４ 絶縁膜、 １５、２１５、３１５ メサ構造、２０２、３０２ レーザ部、２０３、３０３ 光増幅部、３３０ 高屈折率層、３４０ 第１導電型のクラッド層。

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に、位相シフト部を含む回折格子層と活性層とを含んで形成されたメサ構造と、
   前記メサ構造の長手方向の両端と両端面との間に配置された窓構造と、
   前記両端面に形成された低反射端面コーティング膜と、
   を備え、
   前記窓構造の実効屈折率は、前記活性層の実効屈折率より低い、
   半導体レーザ。
2. 請求項１に記載の半導体レーザであって、
   前記メサ構造の短手方向の両側に埋め込み層を備える、半導体レーザ。
3. 請求項２に記載の半導体レーザであって、
   前記窓構造は、前記埋め込み層と同一の材料で形成される、
   半導体レーザ。
4. 請求項３に記載の半導体レーザであって、
   前記窓構造と、前記埋め込み層との深さは同一である、
   半導体レーザ。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体レーザであって、
   前記回折格子層を含むレーザ部と、
   前記レーザ部の前記長手方向の片側に配置された光増幅部と、備える
   半導体レーザ。
6. 請求項５に記載の半導体レーザであって、
   前記光増幅部における前記メサ構造の幅は、前記レーザ部における前記メサ構造の幅より広い、
   半導体レーザ。
7. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体レーザであって、
   前記メサ構造の最下部は前記基板の一部で構成され、
   前記窓構造の底部は、前記基板に接している、
   半導体レーザ。
8. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の半導体レーザであって、
   前記メサ構造および前記窓構造の前記基板側に、前記窓構造より実効屈折率が高い高屈折率層をさらに備える、
   半導体レーザ。
9. 請求項８に記載の半導体レーザであって、
   前記高屈折率層の幅は、前記メサ構造の幅よりも広い、
   半導体レーザ。
10. 請求項８に記載の半導体レーザであって、
    前記窓構造は、前記高屈折率層を避けて配置されている、
    半導体レーザ。
    

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