JP2507685B2 - 半導体レ―ザ - Google Patents
半導体レ―ザInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明はダブルヘテロ構造を有する埋込型の半導体レ
ーザに係り、特に、光導波路に沿って形成された回折格
子によって光帰還を行う分布帰還半導体レーザに好適す
る。
ーザに係り、特に、光導波路に沿って形成された回折格
子によって光帰還を行う分布帰還半導体レーザに好適す
る。
（従来の技術） 近年、光通信や光情報処理用の光源として、各種の半
導体レーザが盛んに使用されている。この中でも光導波
路に沿って周期的摂動（回折格子）を設けた分布帰還型
半導体レーザ（DFB（Distributed Feedback）laser）は
この回折格子の波長選択性により、単一波長（単一縦モ
ード）での発振が実現できる。特に、長距離高速光通信
用の光源としてGaInAsP/InP系材料を用いてこのDFBレー
ザの実用化が進んでいる。
導体レーザが盛んに使用されている。この中でも光導波
路に沿って周期的摂動（回折格子）を設けた分布帰還型
半導体レーザ（DFB（Distributed Feedback）laser）は
この回折格子の波長選択性により、単一波長（単一縦モ
ード）での発振が実現できる。特に、長距離高速光通信
用の光源としてGaInAsP/InP系材料を用いてこのDFBレー
ザの実用化が進んでいる。
一般に、半導体レーザは、その両方の端面を反射鏡と
して光のフィードバックをかけている。その例としてFP
型つまりFabry−Perot（ファブリ・ペロー）型がある。
これに対して、分布帰還型（DFB）半導体レーザは、波
長選択性のある回折格子によって光のフィードバックを
行っているのが特徴と言える。従って、基本的には端面
の反射はなくてもよい。しかし、このレーザでは、回折
格子の形状や深さ、および必然的に形成されてしまう端
面での反射の大きさと回折格子の位相によって単一縦モ
ード発振の実現性が決まる。最近では、両劈開端面の反
射率を低下させ、かつ共振器中央に回折格子の周期の不
連続部（例えば管内波長λの1/4に相当する位相だけシ
フトしている）を有する構造が注目されている。このλ
/4シフト構造の素子は縦モードのゲイン差も大きいた
め、単一縦モード動作に極めて有利である。しかし、こ
の素子にも問題がある。それは軸方向の空間的ホールバ
ーニングである。（例えば、雙田他、電子情報通信学
会、光量子エレクトロニクス研究会OQE87−7pp.49−5
6、1986年）。つまり、規格化結合係数κＬの値が1.25
より大きい場合には、λ/4位相シフタ位置に導波光が集
中する。この様な、共振器軸方向の光強度分布の大きな
偏りは、活性層内のキャリア密度を変化させる。さらに
はこの分布に対応して導波路の屈折率が変化する。この
導波路構造の変化により、せっかく大きい値であった縦
モード間のゲイン差Δαが小さくなる。つまり、単一縦
モード性が大きく損なわれる。加えて、このホールバー
ニングによってつぎのような不都合が生じる。つまり、
導波路の屈折率が大きく変化した部分では、伝搬する光
のモードが効率よく変換できず、放射モードとして導波
路の外に放射されてしまう。このような放射モード光は
導波路を伝搬し出力端面から出射される出力光と干渉す
る。この干渉により出力光の出射パターン（遠視野像:F
FP（Far Field Pattern））が乱れてしまう。従って、
他の光学部品に効率良く出力光を結合できないでいた。
して光のフィードバックをかけている。その例としてFP
型つまりFabry−Perot（ファブリ・ペロー）型がある。
これに対して、分布帰還型（DFB）半導体レーザは、波
長選択性のある回折格子によって光のフィードバックを
行っているのが特徴と言える。従って、基本的には端面
の反射はなくてもよい。しかし、このレーザでは、回折
格子の形状や深さ、および必然的に形成されてしまう端
面での反射の大きさと回折格子の位相によって単一縦モ
ード発振の実現性が決まる。最近では、両劈開端面の反
射率を低下させ、かつ共振器中央に回折格子の周期の不
連続部（例えば管内波長λの1/4に相当する位相だけシ
フトしている）を有する構造が注目されている。このλ
/4シフト構造の素子は縦モードのゲイン差も大きいた
め、単一縦モード動作に極めて有利である。しかし、こ
の素子にも問題がある。それは軸方向の空間的ホールバ
ーニングである。（例えば、雙田他、電子情報通信学
会、光量子エレクトロニクス研究会OQE87−7pp.49−5
6、1986年）。つまり、規格化結合係数κＬの値が1.25
より大きい場合には、λ/4位相シフタ位置に導波光が集
中する。この様な、共振器軸方向の光強度分布の大きな
偏りは、活性層内のキャリア密度を変化させる。さらに
はこの分布に対応して導波路の屈折率が変化する。この
導波路構造の変化により、せっかく大きい値であった縦
モード間のゲイン差Δαが小さくなる。つまり、単一縦
モード性が大きく損なわれる。加えて、このホールバー
ニングによってつぎのような不都合が生じる。つまり、
導波路の屈折率が大きく変化した部分では、伝搬する光
のモードが効率よく変換できず、放射モードとして導波
路の外に放射されてしまう。このような放射モード光は
導波路を伝搬し出力端面から出射される出力光と干渉す
る。この干渉により出力光の出射パターン（遠視野像:F
FP（Far Field Pattern））が乱れてしまう。従って、
他の光学部品に効率良く出力光を結合できないでいた。
この状況をGaInAsP/InP系埋込み型DFBレーザに適用し
た例について、以下図面を参照して詳細に説明する。
た例について、以下図面を参照して詳細に説明する。
第５図（ａ）は、GaInAsP/InP系埋込み型DFBレーザの
端面から見た斜視図、同図（ｂ）はレーザ・ストライプ
の断面つまり図示二点鎖線部に沿う断面図である。これ
は次のようにして製作される。
端面から見た斜視図、同図（ｂ）はレーザ・ストライプ
の断面つまり図示二点鎖線部に沿う断面図である。これ
は次のようにして製作される。
まず、ｎ型InP基板11上に二光束干渉露光法で１次の
回折格子12を形成し、その上にｎ型GaInAsP光導波層13
（λ＝1.3μｍ帯組成）、アンドープGaInAs活性層14
（1.55μｍ帯組成）、ｐ型InPクラッド層15、ｐ＋型GaI
nAsPオーミックコンタクト層16（λ＝1.15μｍ帯組成）
を順次積層する。そののち、エッチングにより、メサ・
ストライプ部を形成する。つぎに、その周囲を、ｐ型In
P層17、ｎ型InP層18、アンドープGaInAsPキャップ層19
（λ＝1.15μｍ帯組成）を連続成長して埋め込む（BH構
造…buried heterostructure）。このとき、埋め込み領
域ではｐ−ｎ逆バイアス接合20によって電流がブロック
されるため、活性層ストライプ14にのみ、電流が効率良
く注入される。
回折格子12を形成し、その上にｎ型GaInAsP光導波層13
（λ＝1.3μｍ帯組成）、アンドープGaInAs活性層14
（1.55μｍ帯組成）、ｐ型InPクラッド層15、ｐ＋型GaI
nAsPオーミックコンタクト層16（λ＝1.15μｍ帯組成）
を順次積層する。そののち、エッチングにより、メサ・
ストライプ部を形成する。つぎに、その周囲を、ｐ型In
P層17、ｎ型InP層18、アンドープGaInAsPキャップ層19
（λ＝1.15μｍ帯組成）を連続成長して埋め込む（BH構
造…buried heterostructure）。このとき、埋め込み領
域ではｐ−ｎ逆バイアス接合20によって電流がブロック
されるため、活性層ストライプ14にのみ、電流が効率良
く注入される。
また、光スペクトルモードの１本化のため、両劈開端
面の反射率をAR（Anti−reflection）コート21により低
下させ、かつその共振器の例えば中央の回折格子にλ/4
位相シフト部30を設けている。33,34はそれぞれＰ側電
極、Ｎ側電極である。
面の反射率をAR（Anti−reflection）コート21により低
下させ、かつその共振器の例えば中央の回折格子にλ/4
位相シフト部30を設けている。33,34はそれぞれＰ側電
極、Ｎ側電極である。
（発明が解決しようとする課題） 第６図はレーザ・チップの平面図と出力光の遠視野像
（FFP:θ ）である。ここでθ はレーザ出力光の遠視
野像の水平方向の半値全角を示す。またここではチップ
の平面図の横には、導波光の共振器方向の光強度分布
（Ｉ）を併用せて示してある。同図（ａ）はファブリ・
ペロー型半導体レーザの場合である。このものは光強度
分布Ｉが比較的平坦であるため、不要な干渉が無い。従
って、その遠視野像θ も滑らかな形状である。同図
（ｂ）はλ/4シフト型DFBレーザ素子の場合である。こ
の素子では、λ/4位相シフト部位置30に導波光が集中す
る（Ｉ）。これによる共振器軸方向の光強度分布の大き
な偏りは、活性層内のキャリア密度を変化させる。さら
にこの分布に対応して導波路の屈折率（ｎ）が変化す
る。前述のように屈折率が大きく変化した部分では、伝
搬する光のモードが効率よく変換できず、放射モードと
して導波路の外に放射される。この放射光31と出射光32
との干渉により遠視野像θ が同図（ｂ）のように乱れ
てしまう。
（FFP:θ ）である。ここでθ はレーザ出力光の遠視
野像の水平方向の半値全角を示す。またここではチップ
の平面図の横には、導波光の共振器方向の光強度分布
（Ｉ）を併用せて示してある。同図（ａ）はファブリ・
ペロー型半導体レーザの場合である。このものは光強度
分布Ｉが比較的平坦であるため、不要な干渉が無い。従
って、その遠視野像θ も滑らかな形状である。同図
（ｂ）はλ/4シフト型DFBレーザ素子の場合である。こ
の素子では、λ/4位相シフト部位置30に導波光が集中す
る（Ｉ）。これによる共振器軸方向の光強度分布の大き
な偏りは、活性層内のキャリア密度を変化させる。さら
にこの分布に対応して導波路の屈折率（ｎ）が変化す
る。前述のように屈折率が大きく変化した部分では、伝
搬する光のモードが効率よく変換できず、放射モードと
して導波路の外に放射される。この放射光31と出射光32
との干渉により遠視野像θ が同図（ｂ）のように乱れ
てしまう。
一般にλ/4シフト型素子に限らず、DFBレーザでは、
たとえ単一縦モードで動作していても僅かな屈折率変化
でその遠視野像が乱れ易いという欠点がある。
たとえ単一縦モードで動作していても僅かな屈折率変化
でその遠視野像が乱れ易いという欠点がある。
本発明は、上記従来技術の欠点を克服するものであ
り、滑かな遠視野像をもつDFBレーザを再現性良く得る
ためのレーザ構造を提供するものである。
り、滑かな遠視野像をもつDFBレーザを再現性良く得る
ためのレーザ構造を提供するものである。
［発明の構成］ （課題を解決するための手段と作用） 本発明は、 （１）ダブルヘテロ型の半導体レーザ本体を有し、かつ
活性層を含む光導波路層が該層よりも屈折率が小さい半
導体層による埋込領域で埋込まれて構成される埋込型半
導体レーザにおいて、前記半導体レーザ本体の両端面も
しくは片側出射端面から選定された距離だけ離れた前記
埋込領域中もしくは前記端面を含む前記埋込領域に、前
記光導波路層の下方まで達する深さに堀り込まれている
所定断面形状の抉れもしくは所定断面形状の穴が少なく
とも１カ所以上設けられることを特徴とする半導体レー
ザである。また本発明は、 （２）前記半導体レーザ本体は、光導波路層に沿って形
成された回折格子によって光帰還を行う分布帰還型半導
体レーザを構成する前記（１）に記載の半導体レーザで
ある。また本発明は、 （３）前記光導波路層の中間部の回折格子に位相シフト
部を設け、かつ前記光導波路層の劈開端面に反射率の低
いコートを設けたことを特徴とする請求項（２）に記載
の半導体レーザである。
活性層を含む光導波路層が該層よりも屈折率が小さい半
導体層による埋込領域で埋込まれて構成される埋込型半
導体レーザにおいて、前記半導体レーザ本体の両端面も
しくは片側出射端面から選定された距離だけ離れた前記
埋込領域中もしくは前記端面を含む前記埋込領域に、前
記光導波路層の下方まで達する深さに堀り込まれている
所定断面形状の抉れもしくは所定断面形状の穴が少なく
とも１カ所以上設けられることを特徴とする半導体レー
ザである。また本発明は、 （２）前記半導体レーザ本体は、光導波路層に沿って形
成された回折格子によって光帰還を行う分布帰還型半導
体レーザを構成する前記（１）に記載の半導体レーザで
ある。また本発明は、 （３）前記光導波路層の中間部の回折格子に位相シフト
部を設け、かつ前記光導波路層の劈開端面に反射率の低
いコートを設けたことを特徴とする請求項（２）に記載
の半導体レーザである。
即ち、本発明は、上記の克服すべき課題を、次のよう
な方法で解決するものである。つまり、レーザの端面の
両方若しくは片側出射端面から所定の距離だけ離れた埋
込領域中もしくは端面を含む埋込領域に、光導波路層の
下方まで達する深さに堀り込まれている所定断面形状の
抉れ、もしくは所定断面形状の穴を設けるものである。
な方法で解決するものである。つまり、レーザの端面の
両方若しくは片側出射端面から所定の距離だけ離れた埋
込領域中もしくは端面を含む埋込領域に、光導波路層の
下方まで達する深さに堀り込まれている所定断面形状の
抉れ、もしくは所定断面形状の穴を設けるものである。
レーザ導波路途中で発生した放射モード光は、これら
の抉れ、穴によって反射散乱され、出力端面に到達しな
い。従って、出力光として干渉せず遠視野像が滑らかに
なる。この効果は、前記（３）の如く構成して、スペク
トルモードを１本化する構成とした場合に顕著となる。
の抉れ、穴によって反射散乱され、出力端面に到達しな
い。従って、出力光として干渉せず遠視野像が滑らかに
なる。この効果は、前記（３）の如く構成して、スペク
トルモードを１本化する構成とした場合に顕著となる。
（実施例） 以下、従来例と同様に、本発明をGaInAsP/InP系埋込
み型DFBレーザに適用した一実施例について図面を参照
して説明する。
み型DFBレーザに適用した一実施例について図面を参照
して説明する。
第１図は、本発明を適用したGaInAsP/InP系埋込み型D
FBレーザの斜視図である。製作方法は第５図の従来例の
構造を実現するまでは共通である。
FBレーザの斜視図である。製作方法は第５図の従来例の
構造を実現するまでは共通である。
最後に両端面近傍の埋込み領域に、導波路ストライプ
14に対し例えば垂直な溝40を形成する。これは例えばレ
ジストを塗布し、溝40のパターン部分をイオン・ミリン
グを用いて導波路13より深く掘り下げたものである。
14に対し例えば垂直な溝40を形成する。これは例えばレ
ジストを塗布し、溝40のパターン部分をイオン・ミリン
グを用いて導波路13より深く掘り下げたものである。
レーザ導波路13途中で発生した放射モード光はこの溝
によってはばまれるように反射され、出力端面に到達し
ない。従って、出力光と干渉せず遠視野像が滑らかにな
る。
によってはばまれるように反射され、出力端面に到達し
ない。従って、出力光と干渉せず遠視野像が滑らかにな
る。
第２図は、本発明を適用した第２の実施例を示す埋み
込型DFBレーザの斜視図である。製作方法は第１図の実
施例と同様に第５図の従来例の構造を実現するまでは共
通である。最後は出力端面近傍の埋め込み領域に円柱状
の穴50（複数）を形成する。これもレジストを塗布し、
穴のパターンをイオン・ミリンダを用いて深く掘り下げ
て形成した。
込型DFBレーザの斜視図である。製作方法は第１図の実
施例と同様に第５図の従来例の構造を実現するまでは共
通である。最後は出力端面近傍の埋め込み領域に円柱状
の穴50（複数）を形成する。これもレジストを塗布し、
穴のパターンをイオン・ミリンダを用いて深く掘り下げ
て形成した。
この場合も、レーザ導波路途中で発生した放射モード
光は、この穴群50によってはばまれるように反射錯乱さ
れ、出力端面に到達しない。従って、出力光32と干渉せ
ず遠視野像が滑らかになる。この様子を第４図に示す。
なお、穴群50は放射モード光31が効果的に散乱されるよ
うに配置を設計した。第３図は、本発明を適用した第３
の実施例を示す埋め込み型DFBレーザの斜視図である。
これも製作方法は第１図の実施例と同様に従来例の構造
を実現するところまでは共通である。
光は、この穴群50によってはばまれるように反射錯乱さ
れ、出力端面に到達しない。従って、出力光32と干渉せ
ず遠視野像が滑らかになる。この様子を第４図に示す。
なお、穴群50は放射モード光31が効果的に散乱されるよ
うに配置を設計した。第３図は、本発明を適用した第３
の実施例を示す埋め込み型DFBレーザの斜視図である。
これも製作方法は第１図の実施例と同様に従来例の構造
を実現するところまでは共通である。
最後は出力端面近傍の埋め込み領域を端面ごと抉れ取
ってしまってしまうものである。これもイオン・ミリン
グを用いて深く掘り下げて形成した。この抉れ部60のカ
ーブも放射モード光が効果的に反射されて前面に出射さ
れないように設計してある。従って、出力光33と干渉せ
ず遠視野像が第４図と同様に滑らかになる。
ってしまってしまうものである。これもイオン・ミリン
グを用いて深く掘り下げて形成した。この抉れ部60のカ
ーブも放射モード光が効果的に反射されて前面に出射さ
れないように設計してある。従って、出力光33と干渉せ
ず遠視野像が第４図と同様に滑らかになる。
本発明は、本発明の趣旨を逸脱しない限り任意の形状
の抉れ、穴に適用され得るものである。また、DFBレー
ザに限らず、導波路に加工を施したファブリ・ペロー型
レーザー、複合共振器型レーザ等、一般の半導体レーザ
にも適用できるものである。
の抉れ、穴に適用され得るものである。また、DFBレー
ザに限らず、導波路に加工を施したファブリ・ペロー型
レーザー、複合共振器型レーザ等、一般の半導体レーザ
にも適用できるものである。
［発明の効果］ 本発明によれば、半導体レーザにおいて、導波路の屈
折率が大きく変化した部分からの放射モード光と出力端
面から出射される出力光との干渉を防ぎ、滑かな遠視野
像が得られる。また工程も比較的簡単である。
折率が大きく変化した部分からの放射モード光と出力端
面から出射される出力光との干渉を防ぎ、滑かな遠視野
像が得られる。また工程も比較的簡単である。
従って、他の光学部品に効率良く出力光を結合できる
ため、この素子の応用に対して大きな長所となるもので
ある。
ため、この素子の応用に対して大きな長所となるもので
ある。
第１図は、本発明を適用した第１の実施例を示すGaInAs
P/InP系埋込み型DFBレーザの斜視図、第２図は、本発明
を適用した第２の実施例を示す埋込み型DFBレーザの斜
視図、第３図は、本発明を適用した第３の実施例を示す
埋込みDFBレーザの斜視図、第４図は上記レーザ・チッ
プ平面図と出力光の遠視野像（FFP:θ ）、チップの平
面図の横に導波路光の共振器方向の光強度分布（Ｉ）あ
るいは屈折率分布（ｎ）も併せて示す特性図、第５図
（ａ）は、従来のλ/4シフト方GaInAsP/InP型埋め込み
型DFBレーザの端面から見た斜視図、同図（ｂ）は同図
（ａ）の２点鎖線に沿う断面図、第６図は従来例の特性
図である。 11…ｎ型InP基板、12…１次の回折格子、13…ｎ型GaInA
sP光導波層（λ＝1.3帯組成）、14…アンドープGaInAsP
活性層（λ＝1.55帯組成）、15…ｐ型InPクラッド層、1
6…ｐ＋型GaInAsPオーミックコンタクト層（λ＝1.55帯
組成）、17…ｐ型InP層、18…ｎ型InP層、19…アンドー
プGaInAsPキャップ層（λ＝1.55帯組成）、20…ｐ−ｎ
逆バイアス接合、30…λ/4位相シフト部、33…ｐ側電
極、34…ｎ側電極、40…放射光ブロックのための溝、50
…放射光ブロックのための穴、60…放射光ブロックのた
めの抉れ。
P/InP系埋込み型DFBレーザの斜視図、第２図は、本発明
を適用した第２の実施例を示す埋込み型DFBレーザの斜
視図、第３図は、本発明を適用した第３の実施例を示す
埋込みDFBレーザの斜視図、第４図は上記レーザ・チッ
プ平面図と出力光の遠視野像（FFP:θ ）、チップの平
面図の横に導波路光の共振器方向の光強度分布（Ｉ）あ
るいは屈折率分布（ｎ）も併せて示す特性図、第５図
（ａ）は、従来のλ/4シフト方GaInAsP/InP型埋め込み
型DFBレーザの端面から見た斜視図、同図（ｂ）は同図
（ａ）の２点鎖線に沿う断面図、第６図は従来例の特性
図である。 11…ｎ型InP基板、12…１次の回折格子、13…ｎ型GaInA
sP光導波層（λ＝1.3帯組成）、14…アンドープGaInAsP
活性層（λ＝1.55帯組成）、15…ｐ型InPクラッド層、1
6…ｐ＋型GaInAsPオーミックコンタクト層（λ＝1.55帯
組成）、17…ｐ型InP層、18…ｎ型InP層、19…アンドー
プGaInAsPキャップ層（λ＝1.55帯組成）、20…ｐ−ｎ
逆バイアス接合、30…λ/4位相シフト部、33…ｐ側電
極、34…ｎ側電極、40…放射光ブロックのための溝、50
…放射光ブロックのための穴、60…放射光ブロックのた
めの抉れ。
Claims (3)
- 【請求項１】ダブルヘテロ型の半導体レーザ本体を有
し、かつ活性層を含む光導波路層が該層よりも屈折率が
小さい半導体層による埋込領域で埋込まれて構成される
埋込型半導体レーザにおいて、前記半導体レーザ本体の
両端面もしくは片側出射端面から選定された距離だけ離
れた前記埋込領域中もしくは前記端面を含む前記埋込領
域に、前記光導波路層の下方まで達する深さに掘り込ま
れている所定断面形状の抉れもしくは所定断面形状の穴
が少なくとも１カ所以上設けられることを特徴とする半
導体レーザ。 - 【請求項２】前記半導体レーザ本体は、光導波路層に沿
って形成された回折格子によって光帰還を行う分布帰還
型半導体レーザを構成する請求項１に記載の半導体レー
ザ。 - 【請求項３】前記光導波路層の中間部の回折格子に位相
シフト部を設け、かつ前記光導波路層の劈開端面に反射
率の低いコートを設けたことを特徴とする請求項２に記
載の半導体レーザ。
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