JP3239387B2 - 半導体レーザおよびその製造方法 - Google Patents
半導体レーザおよびその製造方法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は光ファイバー通信等に必
要な高性能の半導体レーザおよびその製造方法に関する
ものである。
要な高性能の半導体レーザおよびその製造方法に関する
ものである。
【０００２】
【従来の技術】単一モード光ファイバーの伝送特性は、
ファイバーの損失は1.55μｍにおいて最小となる。しか
し、1.55μｍ帯においては、単一モード光ファイバーの
クロマティック分散のために、光源のＬＤにスペクトル
広がりがある場合には、伝送帯域が著しく制限される。
このため、従来の半導体レーザにおいては、高速直接変
調時においても単一モード動作を維持する動的単一モー
ドレーザ（ＤＳＭ−ＬＤ）が提案されてきた。このよう
に縦モードを安定に制御するために、分布帰還型（ＤＦ
Ｂ）レーザ（例えば、中村他,アイ・イ・イ・イ シ゛ャーナル オフ゛ カンタ
ム エレクトノニクス IEEEJ. Quantum Electorn. QE-11, 436 (19
75)）や、分布反射型（ＤＢＲ）レーザ（例えば、レインハー
ト他, アフ゜ライト゛ フィシ゛ックス レター、 Appl. Phys. Lett., 27, 4
5 (1975)）や、複合共振器型レーザ(例えば、末松他,エレ
クトロニクス レター Electron. Lett., 17, 954 (1981)) などに
よる単一モードかが試みられている。この中でもＤＦＢ
レーザは安定に高光出力が得られるため盛んに研究が進
められてきた。
ファイバーの損失は1.55μｍにおいて最小となる。しか
し、1.55μｍ帯においては、単一モード光ファイバーの
クロマティック分散のために、光源のＬＤにスペクトル
広がりがある場合には、伝送帯域が著しく制限される。
このため、従来の半導体レーザにおいては、高速直接変
調時においても単一モード動作を維持する動的単一モー
ドレーザ（ＤＳＭ−ＬＤ）が提案されてきた。このよう
に縦モードを安定に制御するために、分布帰還型（ＤＦ
Ｂ）レーザ（例えば、中村他,アイ・イ・イ・イ シ゛ャーナル オフ゛ カンタ
ム エレクトノニクス IEEEJ. Quantum Electorn. QE-11, 436 (19
75)）や、分布反射型（ＤＢＲ）レーザ（例えば、レインハー
ト他, アフ゜ライト゛ フィシ゛ックス レター、 Appl. Phys. Lett., 27, 4
5 (1975)）や、複合共振器型レーザ(例えば、末松他,エレ
クトロニクス レター Electron. Lett., 17, 954 (1981)) などに
よる単一モードかが試みられている。この中でもＤＦＢ
レーザは安定に高光出力が得られるため盛んに研究が進
められてきた。
【０００３】図４に従来のＤＦＢレーザの構造を示す。
ここで、１はｎ−ＩｎＰ基板、２は分布帰還型グレーテ
ィング、５はＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ）導波路
層、６はＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．５５μｍ）活性層、
７はｐ−ｎ−ｐＩｎＰ埋め込み層、８はｐ−ＩｎＧａＡ
ｓＰ（λ＝１．３μｍ）キャップ層、９はＡｕ／Ｚｎｐ
側電極、１０はＡｕ−Ｓｎ ｎ側電極、１１は酸化珪素
／アモルファス珪素多層反射膜、１２は窒化珪素無反射
膜である。
ここで、１はｎ−ＩｎＰ基板、２は分布帰還型グレーテ
ィング、５はＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ）導波路
層、６はＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．５５μｍ）活性層、
７はｐ−ｎ−ｐＩｎＰ埋め込み層、８はｐ−ＩｎＧａＡ
ｓＰ（λ＝１．３μｍ）キャップ層、９はＡｕ／Ｚｎｐ
側電極、１０はＡｕ−Ｓｎ ｎ側電極、１１は酸化珪素
／アモルファス珪素多層反射膜、１２は窒化珪素無反射
膜である。
【０００４】レーザの両端面の反射によるファブリペロ
モード発振を抑制してＤＦＢモードで発振させるため
に、レーザ共振器の両端面に無反射コートを施して、回
折格子の両方の終端において反射を無くした場合、ＤＦ
Ｂレーザでは回折格子の周期より求まるブラッグ波長に
対して対称に２つの縦モードが発生してしまう。その結
果、ファブリペロ発振を抑圧できても２本の縦モード波
長で発振するため単一モード発振を得ることができな
い。この改善のため、通常ＤＦＢレーザでは、レーザ端
面での反射率を非対称にすることが行われている。すな
わち、光を取り出す出射端はファブリペロモードの発振
を抑圧するため、端面反射率を抑え、もう一端は反射鏡
面としてへき開面を用いる構造が採られる。その結果、
端面反射率が非対称な構造のＤＦＢレーザの反射鏡損失
特性がブラッグ波長に対して非対称になるため、２つの
縦モードは強度比に差を生じて単一モード発振の確率が
高まる。
モード発振を抑制してＤＦＢモードで発振させるため
に、レーザ共振器の両端面に無反射コートを施して、回
折格子の両方の終端において反射を無くした場合、ＤＦ
Ｂレーザでは回折格子の周期より求まるブラッグ波長に
対して対称に２つの縦モードが発生してしまう。その結
果、ファブリペロ発振を抑圧できても２本の縦モード波
長で発振するため単一モード発振を得ることができな
い。この改善のため、通常ＤＦＢレーザでは、レーザ端
面での反射率を非対称にすることが行われている。すな
わち、光を取り出す出射端はファブリペロモードの発振
を抑圧するため、端面反射率を抑え、もう一端は反射鏡
面としてへき開面を用いる構造が採られる。その結果、
端面反射率が非対称な構造のＤＦＢレーザの反射鏡損失
特性がブラッグ波長に対して非対称になるため、２つの
縦モードは強度比に差を生じて単一モード発振の確率が
高まる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの構成
では、第１に、レーザの導波路層の反射鏡端面において
は光密度が急激に増大するために電子密度が減少し、屈
折率が減少する軸方向ホールバーニングにより高出力時
には単一モード特性が得られにくいことが報告されてい
る（嬰田他、信学技報、OQE-86-7,49,1986)。
では、第１に、レーザの導波路層の反射鏡端面において
は光密度が急激に増大するために電子密度が減少し、屈
折率が減少する軸方向ホールバーニングにより高出力時
には単一モード特性が得られにくいことが報告されてい
る（嬰田他、信学技報、OQE-86-7,49,1986)。
【０００６】図５にＤＦＢレーザ共振器内部の光強度、
電子密度、屈折率と共振器内部の位置との関係を示す。
レーザ共振器はＺ＝０に反射膜を、Ｚ＝Ｌに無反射膜を
コーティングしてある。その結果、共振器内部の光は反
射膜により反射されるため反射膜付近の光強度は局所的
に増大する。この光強度の増大する位置では電子と孔子
の再結合が促進され、電子の枯渇を生ずる。電子の枯渇
により屈折率が低下するためにゲインおよび発振波長が
変動して安定した単一モード発振は得られにくくなる。
電子密度、屈折率と共振器内部の位置との関係を示す。
レーザ共振器はＺ＝０に反射膜を、Ｚ＝Ｌに無反射膜を
コーティングしてある。その結果、共振器内部の光は反
射膜により反射されるため反射膜付近の光強度は局所的
に増大する。この光強度の増大する位置では電子と孔子
の再結合が促進され、電子の枯渇を生ずる。電子の枯渇
により屈折率が低下するためにゲインおよび発振波長が
変動して安定した単一モード発振は得られにくくなる。
【０００７】第２に、２つのＤＦＢ縦モード間の強度比
は端面における回折格子の周期に依存することになる。
図６に最低損失の主モードと次の副モードとのモード間
損失差ΔＡと端面の回折格子の端面反射鏡に於ける位相
θの関係を示す。これより、θ＝πの場合モード間損失
差は両方の端面で反射の無い場合と同様で０となり、２
本の等しい出力の縦モード発振を生ずる。通常のＤＦＢ
レーザでは回折格子の位相差θを制御することは不可能
であるため、一定の割合で２つの縦モードが存在するＤ
ＦＢ発振が得られ、単一モード発振となる歩留まりが著
しく低下していた。
は端面における回折格子の周期に依存することになる。
図６に最低損失の主モードと次の副モードとのモード間
損失差ΔＡと端面の回折格子の端面反射鏡に於ける位相
θの関係を示す。これより、θ＝πの場合モード間損失
差は両方の端面で反射の無い場合と同様で０となり、２
本の等しい出力の縦モード発振を生ずる。通常のＤＦＢ
レーザでは回折格子の位相差θを制御することは不可能
であるため、一定の割合で２つの縦モードが存在するＤ
ＦＢ発振が得られ、単一モード発振となる歩留まりが著
しく低下していた。
【０００８】一方、単一モード発振の不安定性を除去す
るためにＤＦＢレーザの中心部で回折格子の周期をλ／
４シフトさせてブラッグ波長と縦モードを一致させる方
法（λ／４シフトＤＦＢ−ＬＤ）がある。この場合、回
折格子の周期を周期をλ／４シフトさせる方法として、
厚みの異なるガラスの境界を利用して厚みの差を調節し
て回折格子をλ／４シフトさせているが、この方法の場
合境界部において回折格子が良好に形成できないという
問題点がある。
るためにＤＦＢレーザの中心部で回折格子の周期をλ／
４シフトさせてブラッグ波長と縦モードを一致させる方
法（λ／４シフトＤＦＢ−ＬＤ）がある。この場合、回
折格子の周期を周期をλ／４シフトさせる方法として、
厚みの異なるガラスの境界を利用して厚みの差を調節し
て回折格子をλ／４シフトさせているが、この方法の場
合境界部において回折格子が良好に形成できないという
問題点がある。
【０００９】本発明はかかる点に鑑み、一方の発振波長
が同じである異なる周期の回折格子を作製することで、
安定した単一モード発振が得られる半導体レーザを提供
する。
が同じである異なる周期の回折格子を作製することで、
安定した単一モード発振が得られる半導体レーザを提供
する。
【００１０】また、端面で屈折率の変化量を０とするこ
とで安定した単一モードが得られ、片端面反射コーティ
ングにより高光出力が得られる半導体レーザを提供する
ことを目的とする。
とで安定した単一モードが得られ、片端面反射コーティ
ングにより高光出力が得られる半導体レーザを提供する
ことを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明では、第1の分布帰還型回折格子と、前記第１
の分布帰還型回折格子とは周期の異なる第2の分布帰還
型回折格子とを備え、前記２つの回折格子の周期の差
が、片方の回折格子のみを用いて作製した分布帰還型レ
ーザのストップバンド幅に対応する半導体レーザとす
る。
に本発明では、第1の分布帰還型回折格子と、前記第１
の分布帰還型回折格子とは周期の異なる第2の分布帰還
型回折格子とを備え、前記２つの回折格子の周期の差
が、片方の回折格子のみを用いて作製した分布帰還型レ
ーザのストップバンド幅に対応する半導体レーザとす
る。
【００１２】また、第1の分布帰還型回折格子と、前記
第１の分布帰還型回折格子とは周期の異なる第2の分布
帰還型回折格子とを備え、前記第1の回折格子の発振モ
ードがλ１、λ２であり、前記第２の回折格子の発振モ
ードがλ３、λ４であり、λ２とλ３とが一致している
半導体レーザとする。
第１の分布帰還型回折格子とは周期の異なる第2の分布
帰還型回折格子とを備え、前記第1の回折格子の発振モ
ードがλ１、λ２であり、前記第２の回折格子の発振モ
ードがλ３、λ４であり、λ２とλ３とが一致している
半導体レーザとする。
【００１３】また、第1の分布帰還型回折格子と、前記
第１の分布帰還型回折格子とは周期の異なる第2の分布
帰還型回折格子とを備え、前記２つの回折格子周期の合
成波振幅が少なくとも１つの共振器端面でほぼ０となっ
ている半導体レーザとする。
第１の分布帰還型回折格子とは周期の異なる第2の分布
帰還型回折格子とを備え、前記２つの回折格子周期の合
成波振幅が少なくとも１つの共振器端面でほぼ０となっ
ている半導体レーザとする。
【００１４】また、第1の分布帰還型回折格子と、前記
第１の分布帰還型回折格子とは周期の異なる第2の分布
帰還型回折格子とを備え、前記２つの回折格子周期の合
成波振幅が共振器中央部でほぼ０となっている半導体レ
ーザとする。
第１の分布帰還型回折格子とは周期の異なる第2の分布
帰還型回折格子とを備え、前記２つの回折格子周期の合
成波振幅が共振器中央部でほぼ０となっている半導体レ
ーザとする。
【００１５】
【作用】本発明は上記構成により、導波路層両面に形成
する２種類の周期を持つ回折格子で決定される２本の発
振モードの内、それぞれ１本が同じ波長で発振するよう
にそれぞれの回折格子の周期を決定するものである。回
折格子の周期をΛとした場合発振波長λは（１）式で表
される。
する２種類の周期を持つ回折格子で決定される２本の発
振モードの内、それぞれ１本が同じ波長で発振するよう
にそれぞれの回折格子の周期を決定するものである。回
折格子の周期をΛとした場合発振波長λは（１）式で表
される。
【００１６】 λ1,2 ＝ ２・ｎ・Λ±（Δ／２） （１） ここで、ｎは実効屈折率である。Δはの間隔はストップ
バンド幅と呼ばれており、レーザのキャビティー長Ｌと
ファブリペロモードの発振波長λｆ１とλｆ２の関係で
（２）式で表される。
バンド幅と呼ばれており、レーザのキャビティー長Ｌと
ファブリペロモードの発振波長λｆ１とλｆ２の関係で
（２）式で表される。
【００１７】 Δ＝λｆ１−λｆ２＋α （２） Ｌ＝ｍ・λ１、 Ｌ＝（ｍ＋１）・λ２ ｍは整数、αは回折格子の振幅即ちκＬの関数で表さ
れ、κＬが大きくなるとαの幅も大きくなる。
れ、κＬが大きくなるとαの幅も大きくなる。
【００１８】いま、キャビティ長をＬ＝３００μｍ、κ
Ｌを２程度とするとα＝２ｎｍ、λｆ１−λｆ２＝４ｎ
ｍとなるため、Δ＝６ｎｍとなる。
Ｌを２程度とするとα＝２ｎｍ、λｆ１−λｆ２＝４ｎ
ｍとなるため、Δ＝６ｎｍとなる。
【００１９】屈折率をｎ＝３．２２３、導波路の裏面に
形成した回折格子の周期をΛ１＝２４０．０ｎｍとする
と式（１）よりλ１＝１．５４４μｍ、λ２＝１．５５
０μｍとなる。また、表面に形成した回折格子の周期を
Λ２＝２４０．９ｎｍとするとλ３＝１．５５０μｍ、
λ４＝１．５５６μｍとなる。
形成した回折格子の周期をΛ１＝２４０．０ｎｍとする
と式（１）よりλ１＝１．５４４μｍ、λ２＝１．５５
０μｍとなる。また、表面に形成した回折格子の周期を
Λ２＝２４０．９ｎｍとするとλ３＝１．５５０μｍ、
λ４＝１．５５６μｍとなる。
【００２０】回折格子が一種類だけ導波路の裏面に形成
されている従来の構造の場合、λ１とλ２の両方の波長
において発振する可能性がある。しかしながら、本発明
の構造によればλ２（＝λ３）の波長の光のみ両方の回
折格子により帰還を生じ、λ１やλ４の波長では帰還が
生じないためにλ２の波長の安定した単一モード発振が
実現することとなる。
されている従来の構造の場合、λ１とλ２の両方の波長
において発振する可能性がある。しかしながら、本発明
の構造によればλ２（＝λ３）の波長の光のみ両方の回
折格子により帰還を生じ、λ１やλ４の波長では帰還が
生じないためにλ２の波長の安定した単一モード発振が
実現することとなる。
【００２１】このように本発明は、二つの波長の回折格
子を導波路層内部に形成することで安定した単一縦モー
ド発振を実現する。
子を導波路層内部に形成することで安定した単一縦モー
ド発振を実現する。
【００２２】さらに、回折格子の位相についても考察す
ることにより、高い光出力で単一モード発振が可能とな
る。通常のＤＦＢレーザでは、反射端面に回折格子が形
成されているために共振器端面に反射が存在するため、
回折格子の位相により必ずしも安定に単一モードが得ら
れない。そこで、レーザ端面において回折格子による屈
折率の変動をなくすことにより、反射鏡での回折格子の
位相は０と近似され安定した単一縦モード発振が得られ
る。また、片端面に反射コーティングを施すことにより
出射光を一方の端面のみから集中的に取り出せ高出力化
が可能となる。
ることにより、高い光出力で単一モード発振が可能とな
る。通常のＤＦＢレーザでは、反射端面に回折格子が形
成されているために共振器端面に反射が存在するため、
回折格子の位相により必ずしも安定に単一モードが得ら
れない。そこで、レーザ端面において回折格子による屈
折率の変動をなくすことにより、反射鏡での回折格子の
位相は０と近似され安定した単一縦モード発振が得られ
る。また、片端面に反射コーティングを施すことにより
出射光を一方の端面のみから集中的に取り出せ高出力化
が可能となる。
【００２３】具体的に回折格子の周期を計算してみる。
実効屈折率は周期がΛ１＝２４０．０ｎｍとΛ２＝２４
０．９ｎｍの正弦波の和で（３）式のように表される。
実効屈折率は周期がΛ１＝２４０．０ｎｍとΛ２＝２４
０．９ｎｍの正弦波の和で（３）式のように表される。
【００２４】 n=n0・sin(2π・x/(Λ1+Λ2))・sin(π・x・(Λ1ーΛ2)/(Λ2+Λ1)2)（３） ｘは合成波の振幅が０となる部分からの距離である。
（３）式より合成波の振幅が０となるポイントはx・(Λ1
ーΛ2)/(Λ2+Λ1)2)=1よりｘは２５７μｍとなる。した
がって、合成波の振幅がレーザの両端で０に成るように
するためにはレーザのキャビティ長はＬ＝２５７μｍと
すれば良いこととなる。その結果、片端面無反射膜・片
端面高反射膜を有するのＤＦＢレーザにおいて、高反射
端面付近での合成波の振幅を０にすることにより、端面
反射における光密度の上昇を抑制して安定した単一モー
ド発振が可能になる。
（３）式より合成波の振幅が０となるポイントはx・(Λ1
ーΛ2)/(Λ2+Λ1)2)=1よりｘは２５７μｍとなる。した
がって、合成波の振幅がレーザの両端で０に成るように
するためにはレーザのキャビティ長はＬ＝２５７μｍと
すれば良いこととなる。その結果、片端面無反射膜・片
端面高反射膜を有するのＤＦＢレーザにおいて、高反射
端面付近での合成波の振幅を０にすることにより、端面
反射における光密度の上昇を抑制して安定した単一モー
ド発振が可能になる。
【００２５】一方、端面の影響を完全になくしファブリ
ペロモードの発振を抑制する場合にはレーザの両端面に
無反射膜を作製する必要がある。その場合、回折格子の
振幅κＬが大きいと光の強度が大きいレーザ中心部分で
屈折率が異常に変化するホールバーニングという現象が
生じ光強度が複雑に変化する。特にレーザをアナログ変
調する場合ホールバーニングにより伝送特性が悪化す
る。
ペロモードの発振を抑制する場合にはレーザの両端面に
無反射膜を作製する必要がある。その場合、回折格子の
振幅κＬが大きいと光の強度が大きいレーザ中心部分で
屈折率が異常に変化するホールバーニングという現象が
生じ光強度が複雑に変化する。特にレーザをアナログ変
調する場合ホールバーニングにより伝送特性が悪化す
る。
【００２６】これを防止するには光強度が増大するレー
ザ中心部で光の帰還を抑制する必要がある。今、レーザ
端面の回折格子振幅が最大になり、レーザ中心部の回折
格子の振幅が０となるようにレーザをへき開することで
全体の回折格子の振幅κＬを大きくしたにもかかわらず
ホールバーニングを生じにくいレーザを開発することが
出来る。つまり、レーザのキャビティ長をＬ＝２５７μ
ｍとして、レーザの中心部で合成波の振幅が０と成るよ
うにレーザをへき開すればよい。
ザ中心部で光の帰還を抑制する必要がある。今、レーザ
端面の回折格子振幅が最大になり、レーザ中心部の回折
格子の振幅が０となるようにレーザをへき開することで
全体の回折格子の振幅κＬを大きくしたにもかかわらず
ホールバーニングを生じにくいレーザを開発することが
出来る。つまり、レーザのキャビティ長をＬ＝２５７μ
ｍとして、レーザの中心部で合成波の振幅が０と成るよ
うにレーザをへき開すればよい。
【００２７】また本発明では、基板上に回折格子を形成
しておき、さらに導波路層を成長した後その上にも回折
格子を形成することで、活性層および導波路層の形状が
影響を受けず、かつλ／４構造を作製する場合のような
複雑な工程を有することなく安定した単一モード発振が
得られる。
しておき、さらに導波路層を成長した後その上にも回折
格子を形成することで、活性層および導波路層の形状が
影響を受けず、かつλ／４構造を作製する場合のような
複雑な工程を有することなく安定した単一モード発振が
得られる。
【００２８】本発明は、第２の回折格子の全面に成長し
たバッファ層と活性層上よりエリプソメータで屈折率の
最大の点を求め、ここをレーザ端面とする工程を有する
ことで、正確にレーザ端面の屈折率変化を０とすること
が出来る。
たバッファ層と活性層上よりエリプソメータで屈折率の
最大の点を求め、ここをレーザ端面とする工程を有する
ことで、正確にレーザ端面の屈折率変化を０とすること
が出来る。
【００２９】
【実施例】図１は本発明の第１の実施例における半導体
レーザの構成図を示すものである。図１において、１は
ｎ−ＩｎＰ基板、２は周期Λ１＝２００．０ｎｍの第１
の分布帰還型回折格子、３はＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．
３μｍ）導波路層、４は周期Λ２＝２００．５ｎｍの第
２の回折格子、５はＩｎＰバッファ層、６はＩｎＧａＡ
ｓＰ（λ＝１．５５μｍ）活性層、７はｐ−ｎ−ｐ−Ｉ
ｎＰ埋め込み層、８はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３
μｍ）キャップ層、９はＡｕ／Ｚｎｐ側電極、１０はＡ
ｕ−Ｓｎ ｎ側電極、１１は酸化珪素／アモルファス珪
素多層反射膜、１２は膜厚がλ／４の窒化珪素無反射膜
である。
レーザの構成図を示すものである。図１において、１は
ｎ−ＩｎＰ基板、２は周期Λ１＝２００．０ｎｍの第１
の分布帰還型回折格子、３はＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．
３μｍ）導波路層、４は周期Λ２＝２００．５ｎｍの第
２の回折格子、５はＩｎＰバッファ層、６はＩｎＧａＡ
ｓＰ（λ＝１．５５μｍ）活性層、７はｐ−ｎ−ｐ−Ｉ
ｎＰ埋め込み層、８はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３
μｍ）キャップ層、９はＡｕ／Ｚｎｐ側電極、１０はＡ
ｕ−Ｓｎ ｎ側電極、１１は酸化珪素／アモルファス珪
素多層反射膜、１２は膜厚がλ／４の窒化珪素無反射膜
である。
【００３０】以上のように構成されたこの実施例の半導
体レーザにおいて、以下その動作を説明する。電流はＡ
ｕ／Ｚｎ側電極９より供給され、埋め込み層７により挟
窄された後に活性層６に注入される。活性層で発生した
光は導波路層３にしみだし、回折格子２の周期により決
定される光の波長がλ１＝１．５４４μｍとλ２＝１．
５５０μｍの光と回折格子４の周期により決定される波
長がλ３＝１．５５０μｍとλ４＝１．５５６μｍの光
が発振できることになるが、実際は両方の回折格子で帰
還増幅されるλ２及びλ３の１．５５０μｍの光のみが
発振することになり、それ以外のλ１とλ４の波長の光
の発振は抑制されることとなる。
体レーザにおいて、以下その動作を説明する。電流はＡ
ｕ／Ｚｎ側電極９より供給され、埋め込み層７により挟
窄された後に活性層６に注入される。活性層で発生した
光は導波路層３にしみだし、回折格子２の周期により決
定される光の波長がλ１＝１．５４４μｍとλ２＝１．
５５０μｍの光と回折格子４の周期により決定される波
長がλ３＝１．５５０μｍとλ４＝１．５５６μｍの光
が発振できることになるが、実際は両方の回折格子で帰
還増幅されるλ２及びλ３の１．５５０μｍの光のみが
発振することになり、それ以外のλ１とλ４の波長の光
の発振は抑制されることとなる。
【００３１】図２は本発明の第２の実施例における半導
体レーザの構成図を示すものである。図２において、１
はｎ−ＩｎＰ基板、２は周期Λ１＝２００．０ｎｍの第
１の分布帰還型回折格子、３はＩｎＧａＡｓＰ（λ＝
１．３μｍ）導波路層、４は周期Λ２＝２００．５ｎｍ
の第２の回折格子、５はＩｎＰバッファ層、６はＩｎＧ
ａＡｓＰ（λ＝１．５５μｍ）活性層、７はｐ−ｎ−ｐ
−ＩｎＰ埋め込み層、８はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝
１．３μｍ）キャップ層、９はＡｕ／Ｚｎｐ側電極、１
０はＡｕ−Ｓｎ ｎ側電極、１１は酸化珪素／アモルフ
ァス珪素多層反射膜、１２は膜厚がλ／４の窒化珪素無
反射膜、１３はレーザ端面で回折格子の振幅が０となる
領域である。
体レーザの構成図を示すものである。図２において、１
はｎ−ＩｎＰ基板、２は周期Λ１＝２００．０ｎｍの第
１の分布帰還型回折格子、３はＩｎＧａＡｓＰ（λ＝
１．３μｍ）導波路層、４は周期Λ２＝２００．５ｎｍ
の第２の回折格子、５はＩｎＰバッファ層、６はＩｎＧ
ａＡｓＰ（λ＝１．５５μｍ）活性層、７はｐ−ｎ−ｐ
−ＩｎＰ埋め込み層、８はｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝
１．３μｍ）キャップ層、９はＡｕ／Ｚｎｐ側電極、１
０はＡｕ−Ｓｎ ｎ側電極、１１は酸化珪素／アモルフ
ァス珪素多層反射膜、１２は膜厚がλ／４の窒化珪素無
反射膜、１３はレーザ端面で回折格子の振幅が０となる
領域である。
【００３２】以上のように構成されたこの実施例の半導
体レーザにおいて、以下その動作を説明する。電流はＡ
ｕ／Ｚｎ側電極９より供給され、埋め込み層７により挟
窄された後に活性層６に注入される。活性層で発生した
光は導波路層３にしみだし、回折格子２の周期により決
定される光の波長がλ１＝１．５４４μｍとλ２＝１．
５５０μｍの光と回折格子４の周期により決定される波
長がλ３＝１．５５０μｍとλ４＝１．５５６μｍの光
が発振できることになるが、実際は両方の回折格子で帰
還増幅されるλ２及びλ３の１．５５０μｍの光のみが
発振することになり、それ以外のλ１とλ４の波長の光
の発振は抑制されることとなる。
体レーザにおいて、以下その動作を説明する。電流はＡ
ｕ／Ｚｎ側電極９より供給され、埋め込み層７により挟
窄された後に活性層６に注入される。活性層で発生した
光は導波路層３にしみだし、回折格子２の周期により決
定される光の波長がλ１＝１．５４４μｍとλ２＝１．
５５０μｍの光と回折格子４の周期により決定される波
長がλ３＝１．５５０μｍとλ４＝１．５５６μｍの光
が発振できることになるが、実際は両方の回折格子で帰
還増幅されるλ２及びλ３の１．５５０μｍの光のみが
発振することになり、それ以外のλ１とλ４の波長の光
の発振は抑制されることとなる。
【００３３】ここで、二つの回折格子２と４の波を合成
すると、周期Ｌ＝２５７μｍで振幅が変化した、周期
１．５５３μｍの波となる。従って、レーザの実効屈折
率はこの合成波と同様に変化することとなる。その結
果、実効屈折率の変化が周期Ｌ＝２５７μｍで０となる
ために、第２の回折格子を作製した段階でマイクロエリ
プソメータで屈折率を測定し屈折率変化が最小となる領
域をマーキングしておき、レーザの作製が完了した後マ
ークに従ってレーザをへき開する。
すると、周期Ｌ＝２５７μｍで振幅が変化した、周期
１．５５３μｍの波となる。従って、レーザの実効屈折
率はこの合成波と同様に変化することとなる。その結
果、実効屈折率の変化が周期Ｌ＝２５７μｍで０となる
ために、第２の回折格子を作製した段階でマイクロエリ
プソメータで屈折率を測定し屈折率変化が最小となる領
域をマーキングしておき、レーザの作製が完了した後マ
ークに従ってレーザをへき開する。
【００３４】レーザの端面に反射膜と無反射膜を形成し
ても、回折格子の位相の影響が無いためにレーザの発振
光強度はファブリペロタイプのレーザの反射率の計算と
同様となり、大きな光強度が獲られることとなる。
ても、回折格子の位相の影響が無いためにレーザの発振
光強度はファブリペロタイプのレーザの反射率の計算と
同様となり、大きな光強度が獲られることとなる。
【００３５】さらに、導波路層に反射膜１１を形成した
端面付近で合成波の振幅を０にすることができるので安
定した単一モード発振を実現できる。レーザの発振波長
の注入電流依存性を測定した結果、従来0.1nm/mAのもの
が0.045nm/mAに低下し、チャーピング量も３ＭＨｚから
９００ｋＨｚへと減少する。
端面付近で合成波の振幅を０にすることができるので安
定した単一モード発振を実現できる。レーザの発振波長
の注入電流依存性を測定した結果、従来0.1nm/mAのもの
が0.045nm/mAに低下し、チャーピング量も３ＭＨｚから
９００ｋＨｚへと減少する。
【００３６】さらに、ファブリペロ発振を抑圧しようと
した場合、１１も１２と同様に膜厚がλ／４の窒化珪素
無反射膜とする必要がある。この場合においても、合成
波の振幅が０となる領域をレーザ中心部とすることによ
り、レーザ中心部で生ずるホールバーニングの影響を抑
制することができる。その結果、レーザの歪量であるＩ
Ｍ２が−６０ｄＢｍ以下となり２００ｃｈで１００ｋｍ
の伝送を実現する。
した場合、１１も１２と同様に膜厚がλ／４の窒化珪素
無反射膜とする必要がある。この場合においても、合成
波の振幅が０となる領域をレーザ中心部とすることによ
り、レーザ中心部で生ずるホールバーニングの影響を抑
制することができる。その結果、レーザの歪量であるＩ
Ｍ２が−６０ｄＢｍ以下となり２００ｃｈで１００ｋｍ
の伝送を実現する。
【００３７】図３は本発明の半導体レーザの製造方法を
示すものである。図において、まずn-InP基板１上全面
にホログラッフィク露光法により回折格子２を形成し、
回折格子全面に第１のエピタキシャル成長としてＭＯＶ
ＰＥ法を用いてn-InGaAsP光導波路層３を0.15μｍ成長
する第１の回折格子作製工程を図３（ａ）に示す。
示すものである。図において、まずn-InP基板１上全面
にホログラッフィク露光法により回折格子２を形成し、
回折格子全面に第１のエピタキシャル成長としてＭＯＶ
ＰＥ法を用いてn-InGaAsP光導波路層３を0.15μｍ成長
する第１の回折格子作製工程を図３（ａ）に示す。
【００３８】その後、再び結晶全面にホログラッフィク
露光法により回折格子４を形成し、回折格子４全面に第
２のエピタキシャル成長としてＭＯＶＰＥ法を用いてIn
Pバッファ 層５を０．０５μｍ、InGaAsP活性層６を0.1
μｍ、p-InPクラッド層１４を0.5μｍ成長し成長する第
２の回折格子作製工程を図３（ｂ）に示す。次にクラッ
ド層１４、活性層６、バッファ層５光導波路層３、およ
び基板１の一部を幅１μｍに渡り＜０１１＞方向にエッ
チングによりストライプ１５を形成した後ｐ−ＩｎＰ層
・ｎ−ＩｎＰ層・ｐ−ＩｎＰ層７、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ
キャップ層８をストライプ埋め込み成長した後Ａｕ／Ｚ
ｎ ｐ側電極９とＡｕ−Ｓｎ ｎ側電極１０を蒸着によ
り形成し、無反射コーティングとして膜厚がλ／４の窒
化珪素膜１１、およびＢには反射コーティングとして酸
化珪素膜とアモルファス珪素多層膜１２を堆積し、図３
（ｃ）の構造を得る。
露光法により回折格子４を形成し、回折格子４全面に第
２のエピタキシャル成長としてＭＯＶＰＥ法を用いてIn
Pバッファ 層５を０．０５μｍ、InGaAsP活性層６を0.1
μｍ、p-InPクラッド層１４を0.5μｍ成長し成長する第
２の回折格子作製工程を図３（ｂ）に示す。次にクラッ
ド層１４、活性層６、バッファ層５光導波路層３、およ
び基板１の一部を幅１μｍに渡り＜０１１＞方向にエッ
チングによりストライプ１５を形成した後ｐ−ＩｎＰ層
・ｎ−ＩｎＰ層・ｐ−ＩｎＰ層７、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ
キャップ層８をストライプ埋め込み成長した後Ａｕ／Ｚ
ｎ ｐ側電極９とＡｕ−Ｓｎ ｎ側電極１０を蒸着によ
り形成し、無反射コーティングとして膜厚がλ／４の窒
化珪素膜１１、およびＢには反射コーティングとして酸
化珪素膜とアモルファス珪素多層膜１２を堆積し、図３
（ｃ）の構造を得る。
【００３９】なお、実施例において、回折格子の位置を
活性層の下としたが、活性層の上部に形成してもよい。
さらに、多層反射膜としては酸化珪素／アモルファス珪
素多層膜、反射膜としては窒化珪素膜としたが、多層反
射膜及び無反射膜はこの材料に限るものではない。ま
た、半導体結晶をＩｎＰとしたが、ＧａＡｓなど他の半
導体結晶基板でもよい。また、レーザのキャビティ長を
振幅が０となる周期としたがＬの整数倍であってもよ
い。
活性層の下としたが、活性層の上部に形成してもよい。
さらに、多層反射膜としては酸化珪素／アモルファス珪
素多層膜、反射膜としては窒化珪素膜としたが、多層反
射膜及び無反射膜はこの材料に限るものではない。ま
た、半導体結晶をＩｎＰとしたが、ＧａＡｓなど他の半
導体結晶基板でもよい。また、レーザのキャビティ長を
振幅が０となる周期としたがＬの整数倍であってもよ
い。
【００４０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
サイドモード抑圧比が大きく、安定した単一モード発振
が得られ、かつ片端面反射コーティングを適応できるこ
とで高光出力化およびレーザの歩留まりが向上する。
サイドモード抑圧比が大きく、安定した単一モード発振
が得られ、かつ片端面反射コーティングを適応できるこ
とで高光出力化およびレーザの歩留まりが向上する。
【図１】本発明の実施例における半導体レーザの構造図
【図２】本発明の実施例における半導体レーザの構造図
【図３】本発明の実施例における半導体レーザの製造方
法を示す斜視図
法を示す斜視図
【図４】従来のＤＦＢレーザの構造図
【図５】共振器内部の光強度、キャリア濃度、屈折率の
分布を示す図
分布を示す図
【図６】モード間損失差と位相の関係を示す図
１ ｎ−ＩｎＰ基板 ２ 分布帰還型回折格子 ３ ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ）導波路層 ４ 分布帰還型回折格子 ５ バッファ層 ６ ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．５５μｍ）活性層 ７ ｐ−ｎ−ｐＩｎＰ埋め込み層 ８ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ）キャップ層 ９ Ａｕ／Ｚｎｐ側電極 １０ Ａｕ−Ｓｎ ｎ側電極 １１ 酸化珪素／アモルファス珪素多層反射膜 １２ 窒化珪素無反射膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−349683（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−41290（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−222189（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−283192（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−77984（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50
Claims (11)
- 【請求項１】 活性層と、前記活性層に接しない導波路
層と、前記導波路層の下方に形成された、前記導波路層
とは組成が異なる第一の層と、前記導波路層の上方に形
成された、前記導波路層とは組成が異なる第二の層と、
前記導波路層と前記第一の層との界面に形成された第１
の分布帰還型回折格子と、前記導波路層と前記第二の層
との界面に形成された、前記第１の分布帰還型回折格子
とは周期の異なる第２の分布帰還型回折格子とを備え、
前記２つの回折格子の周期の差が、片方の回折格子のみ
を用いて作製した分布帰還型レーザのストップバンド幅
に対応する半導体レーザ。 - 【請求項２】 活性層と、前記活性層に接しない導波路
層と、前記導波路層の下方に形成された、前記導波路層
とは組成が異なる第一の層と、前記導波路層の上方に形
成された、前記導波路層とは組成が異なる第二の層と、
前記導波路層と前記第一の層との界面に形成された第１
の分布帰還型回折格子と、前記導波路層と前記第二の層
との界面に形成された、前記第１の分布帰還型回折格子
とは周期の異なる第２の分布帰還型回折格子とを備え、
前記第１の回折格子の発振モードがλ１、λ２であり、
前記第２の回折格子の発振モードがλ３、λ４であり、
λ２とλ３とが一致している半導体レーザ。 - 【請求項３】 導波路層と、前記導波路層の下方に形成
された、前記導波路層とは組成が異なる第一の層と、前
記導波路層の上方に形成された、前記導波路層とは組成
が異なる第二の層と、前記導波路層と前記第一の層との
界面に形成された第１の分布帰還型回折格子と、前記導
波路層と前記第二の層との界面に形成された第２の分布
帰還型回折格子とを備え、前記２つの回折格子の周期が
異なり、前記２つの回折格子の周期の合成波振幅が少な
くとも一つの共振器端面でほぼ０となっている半導体レ
ーザ。 - 【請求項４】 第１の分布帰還型回折格子と、前記第１
の分布帰還型回折格子とは周期の異なる第２の分布帰還
型回折格子とを備え、前記２つの回折格子周期の合成波
振幅が共振器の両方の端面でほぼ０となっている半導体
レーザ。 - 【請求項５】 第１の分布帰還型回折格子と、前記第１
の分布帰還型回折格子とは周期の異なる第２の分布帰還
型回折格子とを備え、前記２つの回折格子周期の合成波
振幅が少なくとも１つの共振器端面でほぼ０となってい
る半導体レーザであって、２つの回折格子周期の合成波
振幅がほぼ０となっている共振器端面には、反射コート
を施した半導体レーザ。 - 【請求項６】 第１の分布帰還型回折格子と、前記第１
の分布帰還型回折格子とは周期の異なる第２の分布帰還
型回折格子とを備え、前記２つの回折格子周期の合成波
振幅が共振器中央部でほぼ０となっている半導体レー
ザ。 - 【請求項７】 基板上に第１の回折格子を形成する工程
と、前記基板と組成が異なる導波路層を形成する工程
と、前記導波路層に第１の回折格子とは周期の異なる第
２の回折格子を形成する工程と、前記導波路層と前記活
性層が接しないように前記第２の回折格子上にバッファ
層を形成する工程とを有し、前記第１の回折格子の発振
モードがλ１、λ２であり、前記第２の回折格子の発振
モードがλ３、λ４であり、λ２とλ３とが一致してい
る半導体レーザの製造方法。 - 【請求項８】 基板上に第１の回折格子を形成する工程
と、前記基板と組成が異なる導波路層を形成する工程
と、前記導波路層に第１の回折格子とは周期の異なる第
２の回折格子を形成する工程とを有し、前記２つの回折
格子周期の合成波振幅が両方の共振器端面でほぼ０とな
っている半導体レーザの製造方法。 - 【請求項９】 基板上に第１の回折格子を形成する工程
と、前記基板と組成が異なる導波路層を形成する工程
と、前記導波路層に第１の回折格子とは周期の異なる第
２の回折格子を形成する工程とを有し、前記２つの回折
格子周期の合成波振幅が共振器中央部でほぼ０となって
いる半導体レーザの製造方法。 - 【請求項１０】 基板上に第１の回折格子を形成する工
程と、前記基板と組成が異なる導波路層を形成する工程
と、前記導波路層に第１の回折格子とは周期の異なる第
２の回折格子を形成する工程とを有し、前記第１の回折
格子の発振モードがλ１、λ２であり、前記第２の回折
格子の発振モードがλ３、λ４であり、λ２とλ３とが
一致している半導体レーザの製造方法であって、回折格
子による複合回折格子の振幅が最小となる位置をマーキ
ングしてへき開することを特徴とする半導体レーザの製
造方法。 - 【請求項１１】 基板上に第１の回折格子を形成する工
程と、前記基板と組成が異なる導波路層を形成する工程
と、前記導波路層に第１の回折格子とは周期の異なる第
２の回折格子を形成する工程とを有し、前記２つの回折
格子周期の合成波振幅が少なくとも１つの共振器端面で
ほぼ０となっている半導体レーザの製造方法であって、
回折格子による複合回折格子の振幅が最小となる位置を
マーキングしてへき開することを特徴とする半導体レー
ザの製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25516991A JP3239387B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 半導体レーザおよびその製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25516991A JP3239387B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 半導体レーザおよびその製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0595161A JPH0595161A (ja) | 1993-04-16 |
| JP3239387B2 true JP3239387B2 (ja) | 2001-12-17 |
Family
ID=17275016
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25516991A Expired - Fee Related JP3239387B2 (ja) | 1991-10-02 | 1991-10-02 | 半導体レーザおよびその製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3239387B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003204110A (ja) | 2001-11-01 | 2003-07-18 | Furukawa Electric Co Ltd:The | 半導体レーザ装置およびこれを用いた半導体レーザモジュール |
| JP6186865B2 (ja) * | 2013-05-08 | 2017-08-30 | 富士通株式会社 | 光半導体装置及び光半導体装置の製造方法 |
-
1991
- 1991-10-02 JP JP25516991A patent/JP3239387B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0595161A (ja) | 1993-04-16 |
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|---|---|---|---|
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