JP2609776B2 - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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Description
特に、光を分布帰還させるための周期構造を有する分布
帰還型半導体レーザに関するものである。
体レーザは、大容量光通信システムには不可欠のキーデ
バイスである。分布帰還型半導体レーザは、原理的に2
つの縦モードで発振する。縦単一モードでの発振を得る
ためには、 (1)周期構造(回折格子)の一部にその周期の約πだ
け回折格子の位相をずらした部分を設ける、 (2)伝搬定数の異なる2つあるいはそれ以上の部分か
らなる導波路を設け、約π/2の整数倍だけ光の位相が
ずれる構造とする、
た半導体レーザは、位相シフト分布帰還型半導体レーザ
と呼ばれ、この構造では縦単一モードでのレーザ発振が
可能になる。
ーザについては、例えば、エレクトロニクスレターズ
(ELECTRONICS LETTERS )誌、第20巻、第2号、第80頁
および第81頁,第20巻、第2号、第82頁から第84頁、な
どに報告されている。以下、前記(1)および(2)の
分布帰還型半導体レーザの構成例を説明する。まず、前
記(1)の分布帰還型半導体レーザの例を主な製造工程
とともに説明する。
向の断面図である。まず、n−InP(n型−インジウ
ム・燐)基板21上に周期構造の回折格子22を形成する。
この際、回折格子22の周期πだけ位相をずらした部分23
を作り込む。次に、この回折格子22上にn−InGaA
sP(n型−インジウム・ガリウム・ひ素・燐)ガイド
層24、InGaAsP活性層25、p−InPクラッド層
26、およびオーミック層27を結晶成長により順次形成す
る。次に、フォトリソグラフィー技術とウェットエッチ
ング法により、図8のような逆メサ状のストライプ構造
を形成する。この後、再度、結晶成長を行ない、p−I
nP層28、n−InP層29を成長させる。次に、上記の
工程にて作製したウェーハに電極金属30を蒸着し、幅約
400μm、長さ約300μmにへき開する。さらに、
共振器面にSiNx (シリコン窒化膜)等の無反射膜を
プラズマCVD(Chemical Vapor Deposition )法で形
成することにより、前記(1)の分布帰還型半導体レー
ザを得ることができる。次に、前記(2)の分布帰還型
半導体レーザの例を説明する。
レーザ素子断面図である。まずn−InP基板31上に回
折格子32を形成し、深さd、長さLの溝33をエッチング
により作製する。この際、導波路33′の部分の伝搬定数
をβ1 、導波路33″の部分の伝搬定数をβ2 とした時、 |β1 −β2 |・L=n・π/2 ただし、nは整数、β1 ≠β2 の条件を満たすようにする。この後、溝33を形成した基
板上にn−InGaAsPガイド層34、InGaAsP
活性層35、p−InPクラッド層36、およびオーミック
層37を結晶成長する。次に、フォトリソグラフィー技術
とウェットエッチング法により、逆メサ状のストライプ
を形成する。この後、再度、結晶成長を行ない、p−I
nP層、n−InP層を成長させる。次に、上記の工程
にて作製したウェーハに電極金属を蒸着し、幅約400
μm、長さ約300μmにへき開する。さらに、共振器
面にSiNx 等の無反射膜をプラズマCVD法で形成す
ることにより、前記(2)の分布帰還型半導体レーザを
得ることができる。
還型半導体レーザにおいては、図10に示すように、共
振器内部の光子密度が軸方向に沿って著しく変化するこ
とがある。なお、同図は、横軸に共振器軸方向の位置、
縦軸に光子密度を取り作成した分布図である。同図から
わかるように、位相シフタや溝が有る部分では、急激に
光子密度が高くなっている。また、レーザ発振後は軸方
向のホールバーニング効果により、軸方向に沿って光子
密度の分布が変化し、電流−光出力特性(以下、I−L
特性と略称する)の直線性の低下、サブモードとの利得
差の低下などを引き起こす。
特性を示す。レーザ発振後にホールバーニングが起こる
ため、同図のように直線性の悪いI−L特性となってい
る。さらに、レーザ素子ごとに固有の導波路形状や端面
位相にばらつきがあるため、ホールバーニングが起こる
度合が異なる。これらが分布帰還型半導体レーザの歩留
りを低下させる原因であった。ホールバーニングを抑制
するためには、規格化結合係数κLを最適化すると良い
が、実際はκLの制御は非常に難しい。
導体レーザは、共振器内部の光子密度が軸方向に沿って
著しく変化することがあり、またレーザ発振後は軸方向
のホールバーニング効果により、軸方向に沿って光子密
度の分布が変化し、電流−光出力特性の直線性の低下,
サブモードとの利得差の低下などを引き起こすという問
題があった。
に鑑み成されたもので、その目的は、ホールバーニング
を抑制し、レーザ特性、製造歩留りを改善できる半導体
レーザを提供することにある。
は、光を分布帰還させる周期構造と、この周期構造に沿
って光を導波せしめ、且つ前記周期構造の共振器の軸方
向に沿って光の閉じ込め係数が異なる導波路とを有し、
前記導波路での光の位相シフト量の合計と、前記周期構
造の位相による等価的な光の位相シフト量との合計シフ
ト量がπの整数倍以外であることを特徴とする。
の位相シフト量の合計と、前記周期構造の位相による等
価的な光の位相シフト量との合計シフト量がπの整数倍
以外であり、且つ周期構造の共振器の軸方向に沿って導
波路の光の閉じ込め係数が異なっている。このため、縦
単一モードでの発振を確保しながら、共振器の軸方向で
の光子密度分布の制御が可能となり、ホールバーニング
を抑制できる。
体レーザの実施例を説明する。
を説明するための図である。図1は、レーザ共振器面に
対して垂直な方向のレーザ素子断面図、図2はレーザ素
子の導波路を上から見た図である。この第1の実施例
は、前記導波路での光の位相シフト量の合計がπの整数
倍で、前記周期構造の位相による等価的な光の位相シフ
ト量の合計がπの整数倍以外である場合の半導体レーザ
を示している。
形成する。この際、回折格子2の周期のπだけ位相をず
らした部分、すなわち位相シフタ3を作り込む。周期構
造、すなわち回折格子の位相をπずらすということは、
等価的な光の位相シフト量をπ/2ずらすということで
ある。この回折格子2上にn−InGaAsPガイド層
4、InGaAsP活性層5、p−InPクラッド層
6、およびp+ −InGaAsP7を結晶成長する。
おいて幅W2 (μm)、共振器端において幅W1 (μ
m)となる光導波路8をウエットエッチング法とフォト
リソグラフィー技術により形成する。この光導波路8
は、n−InGaAsPガイド層4とInGaAsP活
性層5とからなっている。この時、導波領域での等価的
な位相シフト量の合計値がπの整数倍となるように
W1 ,W2 を設計する。例えば、ガイド層の厚さを0.
07μm、活性層の厚さを0.10μm、共振器の長さ
を約300μmとした場合には、W1 ,W2 をそれぞれ
1.0μm、0.5μmとする。この実施例における導
波路の幅の違いによる位相シフト量の合計は、導波路の
幅が微小に異なる多数の導波領域からなると仮定するこ
とで計算できる。次に、再度結晶成長を行ない、p−I
nP層、n−InP層を成長させる。このように各層を
形成したウェーハに電極金属を蒸着し、幅約400μ
m、長さ約300μmにへき開する。さらに、共振器面
にSiNx 等の無反射膜をプラズマCVDで形成し、分
布帰還型半導体レーザを得る。
による光の位相シフト量はπの整数倍であり、位相シフ
タによる光の位相シフト量には影響を与えないと考えて
良い。従って、縦単一モードでの発振を確保しながら、
共振器の軸方向での光子密度分布の制御が可能となる。
実施例を示す。図3は、レーザ共振器面に対して垂直な
方向のレーザ素子断面図、図4はレーザ素子の導波路を
上から見た図である。なお、図3において、図1と同一
材料の箇所については同一番号を付した。この第二の実
施例は、前記導波路での光の位相シフト量の合計がπの
整数倍以外で、前記周期構造の位相による等価的な光の
位相シフト量の合計がπの整数倍以外である場合の半導
体レーザを示している。
形成し、回折格子2上にn−InGaAsPガイド層
4、InGaAsP活性層5、p−InPクラッド層
6、およびp+ −InGaAsP7を結晶成長する。次
に、図4に示すような階段形状の光導波路8′をウエッ
トエッチング法とフォトリソグラフィー技術により形成
する。この光導波路8′、すなわちn−InGaAsP
ガイド層4とInGaAsP活性層5とは伝搬定数の異
なる3種類の部分からなり、伝搬定数をそれぞれβ1 、
β2 、β3 、導波路の長さをそれぞれL1 、L2 、L3
とした時、 |β1 −β2 |・L1 =n・π/2 ただし、nは正の奇数、β1 ≠β2 |β2 −β3 |・(L2 −L1 )=n・π ただし、β2 ≠β3 の条件を満足する寸法とする。この実施例における導波
路の幅の違いによる位相シフト量の合計ωは、 ω=|β1 −β2 |・L1 +|β2 −β3 |・(L2
−L1 ) によって計算できる。
…) |β2 −β3 |・(L2 −L1 )=n・π ただし、β1 ≠β2 、β2 ≠β3 を満たすように、各導波領域を設定すると、導波路の幅
の違いによる位相シフト量の合計ωはπの整数倍となる
ことはない。例えば、伝搬定数β1 の部分の導波路の幅
をW1 、伝搬定数β2 の部分の導波路の幅をW2 、伝搬
定数β3 の部分の導波路の幅をW3 とし、ガイド層の厚
さを0.07μm、活性層の厚さを0.10μmとした
場合には、W1 ,W2 ,W3 をそれぞれ1.5μm,
1.0μm,0.5μmとし、L1 ,L2 ,L3 をそれ
ぞれ20μm,30μm,40μmとすることにより、
導波路の幅の違いによる位相シフト量の合計ωはπの整
数倍以外となる(伝搬定数βは、活性層とガイド層の厚
さ、各導波領域の幅、各導波領域の長さにより決ま
る)。
ト量は、周期構造に位相シフタがないためにπの整数倍
であると考えて良い。従って、導波路での光の位相シフ
ト量の合計と、前記周期構造の位相による等価的な光の
位相シフト量との合計シフト量はπの整数倍以外とな
り、縦単一モードでの発振を確保しながら、共振器方向
での光子密度分布の制御が可能となる。
P層、n−InP層を成長させる。次に、上記の工程に
て作製したウェーハに、電極金属を蒸着し、幅約400
μm、長さ約300μmにへき開する。さらに、共振器
面にSiNx等の無反射膜をプラズマCVD法で形成し
分布帰還型半導体レーザを得る。
布帰還型半導体レーザでは、共振器の軸方向の光閉じ込
め係数を変えることにより光子密度の分布を従来のレー
ザより平坦にできる。
め係数A、光子密度Bの共振器の軸方向の分布を示す。
なお、同図は、横軸に共振器の軸方向の位置、縦軸に光
の閉じ込め係数と光子密度とを取り作成した分布図であ
る。同図からわかるように、本発明のレーザ構造では、
共振器中央部分では光の閉じ込めが弱くなるため、共振
器中央部分で光子密度が高くなるのを防ぐ作用がある。
力(I−L)特性、dL/dI特性を示す。本発明のレ
ーザでは、レーザ発振後のホールバーニングは殆ど起こ
らず、同図のように直線性の良いI−L特性が得られ
る。また、ホールバーニングが起こらないため、レーザ
発振後にモード間の利得差が大きく変化することはな
く、安定に縦単一モードで発振するレーザが歩留り良く
得られる。
軸方向に沿って変調することにより光の閉じ込め係数、
光子密度の分布を改善する場合を示したが、本発明はこ
の実施例に限られるものではなく、導波路の厚さを共振
器の軸方向に沿って変調してもよい。
ーザによれば、ホールバーニングを抑制し、レーザ特
性、製造歩留りを改善できる半導体レーザを提供でき
る。
器面に垂直な方向の断面図。
路の平面図。
器面に垂直な方向の断面図。
路の平面図。
じこめ係数と光子密度の共振器の軸方向の分布を示す
図。
/dI特性とを示す図。
の断面図(第一の例)。
の断面図。
の断面図(第二の例)。
軸方向の分布を示す図。
dL/dI特性を示す図。
分,4…n−InGaAsPガイド層,5…InGaA
sP活性層,6…p−InPクラッド層,7…p+ −I
nGaAsPオーミック層,8,8′…導波路。
Claims (2)
- 【請求項1】 共振器の軸方向に光を分布帰還させる周
期構造と、 この周期構造に沿って前記共振器の軸方向に設けられ、
少なくとも伝搬定数の異なる3種類の領域からなる導波
路とを具備し、 前記導波路の、各領域の伝搬定数をそれぞれβ 1 、β
2 、β 3 、各領域の長さをそれぞれL 1 、L 2 、L 3 と
した時、各領域が |β 1 −β 2 |・L 1 =n・π/2(n=1、3、5、…) |β 2 −β 3 |・(L 2 −L 1 )=n・π ただし、β 1 ≠β 2 、β 2 ≠β 3 の条件を満足するように設定されてなる ことを特徴とす
る半導体レーザ。 - 【請求項2】 前記各領域が前記条件を満足する場合、
各領域の幅の違いによる位相シフト量の合計がπの整数
倍以外となることを特徴とする請求項1に記載の半導体
レーザ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3140218A JP2609776B2 (ja) | 1990-06-12 | 1991-06-12 | 半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP15153990 | 1990-06-12 | ||
JP2-151539 | 1990-06-12 | ||
JP3140218A JP2609776B2 (ja) | 1990-06-12 | 1991-06-12 | 半導体レーザ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04229687A JPH04229687A (ja) | 1992-08-19 |
JP2609776B2 true JP2609776B2 (ja) | 1997-05-14 |
Family
ID=26472816
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3140218A Expired - Lifetime JP2609776B2 (ja) | 1990-06-12 | 1991-06-12 | 半導体レーザ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2609776B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3186705B2 (ja) | 1998-08-27 | 2001-07-11 | 日本電気株式会社 | 分布帰還型半導体レーザ |
US6574261B2 (en) | 1998-08-27 | 2003-06-03 | Nec Corporation | Distributed feedback semiconductor laser |
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Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH0220087A (ja) * | 1988-07-08 | 1990-01-23 | Toshiba Corp | 分布帰還型半導体レーザ素子 |
JP2732604B2 (ja) * | 1988-09-06 | 1998-03-30 | 株式会社東芝 | 分布帰還型レーザ |
-
1991
- 1991-06-12 JP JP3140218A patent/JP2609776B2/ja not_active Expired - Lifetime
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04229687A (ja) | 1992-08-19 |
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