JP3329765B2 - 半導体レーザー及び半導体光増幅器 - Google Patents
半導体レーザー及び半導体光増幅器Info
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Description
び半導体光増幅器並びにそれらの製造方法に関する。
パクトディスクに代表される情報入出力技術、あるい
は、光ファイバーを使った光通信技術などの様々な分野
で適用されている。この光エレクトロニクス技術を支え
るデバイスとして、これまでに様々な半導体レーザーが
開発されてきた。例えば、コンパクトディスク用の半導
体レーザーとしては、近赤外もしくは可視光帯の半導体
レーザー、光通信用の半導体レーザーとしては、長波長
帯の半導体レーザーなどがある。
ザーがある。一般的に、この導波型半導体レーザーは、
光に信号を乗せて情報を伝搬させる場合や、光ファイバ
ー増幅器の励起光源として用いる場合には、基本モード
条件を満たすように、あるいは、擬似的に基本モードと
なるように、その導波路構造が設計される。
と、多モード分散の影響を受けるという問題、あるい
は、光ファイバーなど他の光導波路やレンズに信号光を
結合する場合に、信号光を効率よく結合することが難し
くなるという問題が生じるが、導波路構造を上述のよう
に形成することにより、これらの問題を回避することが
可能である。
までに様々な半導体レーザーが開発されてきている。し
かしながら、一方では、この基本モード条件を満たすた
めに設計された構造が、逆に、そのレーザー特性を制限
していた。
幅及び厚さは基本モード条件によって所定の範囲内の幅
及び厚さに限定されていた。特に、利得飽和レベルを改
善するためには、導波路幅を大きくすることが最も簡単
な方法の一つである。しかしながら、前述の基本モード
条件の制約を受けるため、導波路幅を大きくすることに
は限界があり、このため、半導体レーザーの高出力化に
関しては、技術的な限界があった。
避する一例として、PatrickVankwikel
bergeらがIEEE Journal of Qu
antum Electronics,Vol.QE−
23,No.6,1987において、モードフィルター
付きレーザーを報告している。
ては、利得飽和レベルを改善するために、主励起光領域
は多モード導波路として形成され、この多モード導波路
に基本モード導波路を接続した構成が採用されている。
このモードフィルター付きレーザーは、基本モード導波
路は多モード光を導波することができないという原理を
利用して、基本モード光のみを導波させ、多モード光は
放射させるものである。
光として放射される多モード光は、完全に放射してしま
うわけではなく、基本モード光の脇にも僅かに出射して
しまう。このため、上記のモードフィルター付きレーザ
ーには、この点が光出力フィールドの悪化の原因になる
という問題があった。
ィルター付半導体レーザーでは放射光を除去する能力が
不十分であったという問題点に鑑みてなされたものであ
り、放射光を十分に除去し、優れた出力光フィールドを
提供することができる半導体レーザー及び半導体光増幅
器並びにそれらの製造方法を提供することを目的とす
る。
め、本発明は、基本モード光を出力する半導体レーザー
であって、基本モード導波路と多モード干渉導波路とが
設けられた光導波路構造を有し、前記多モード干渉導波
路から非導波光として放射される多モード光であり、前
記基本モード光の脇に出射される放射光を除去する放射
光除去手段を有することを特徴とする半導体レーザーを
提供する。
波路に光学的に接続されている基本モード導波路を備え
ることが好ましい。
からなるフィルタから構成することができる。
体から構成することができる。
本モード導波路が形成されている領域における凹部とし
て形成することができる。
1多モード干渉導波路として構成することができる。
N(Nは正の整数)多モード干渉導波路として構成する
こともできる。
導波路の両端側に形成されていることをが好ましい。
ングなどの反射防止措置を施すことにより、半導体光増
幅器を実現することができる。このため、上述の半導体
レーザーはそのまま半導体光増幅器として用いることも
可能である。
本発明の第1の実施形態に係る半導体レーザーを示す。
図1は、本実施形態に係る半導体レーザーの平面図、図
2は図1のA−A線における断面図、図3は図1のB−
B線における断面図である。本実施形態に係る半導体レ
ーザーは埋め込み(BH)構造型、かつ、1.55μm
帯の半導体レーザーである。
体レーザーは、多モード導波路領域に形成されている多
モード干渉導波路2と、多モード干渉導波路2の光出射
端に接続された、基本モード導波路領域に形成されてい
る基本モード導波路1と、から構成されている。
導波路1の各光出射端には凹部32が形成されており、
この凹部32は全反射面から構成されている。このた
め、図1に示すように、多モード干渉導波路2から出射
された放射光33は凹部32において反射する。すなわ
ち、凹部32は放射光を除去する放射光除去手段として
機能する。
ード干渉導波路2は1入力かつ1出力型のマルチモード
干渉型導波路(以下、「1×1−MMI(Multim
ode Interference)」と呼ぶ)であ
る。
が約50μm、多モード干渉導波路2が約260μm、
半導体レーザーの全長は約310μmとなっている。
係る半導体レーザーは、凸状部を有するn−InP基板
21と、n−InP基板21の凸状部上にメサ状に形成
されたn−InPバッファ層22、活性層23及びp-
InP第一クラッド層24と、メサ30の周囲に積層さ
れたp-InP電流ブロック層25及びn-InP電流ブ
ロック層26と、p-InP第一クラッド層24及びn-
InP電流ブロック層26上に積層されたp-InP第
二クラッド層27及びp+−InGaAsキャップ層2
8と、からなる。
1.55μm組成InGaAsPからなり、p-InP
電流ブロック層25及びn-InP電流ブロック層26
による電流狭窄構造となっており、活性層23の上に
は、p-InP第一クラッド層24、p-InP第二クラ
ッド層27及びp+−InGaAsキャップ層28が積
層されている。
流ブロック層25及びn-InP電流ブロック層26
は、p-InP電流ブロック層25のみがメサ30の側
壁に接し、かつ、n-InP電流ブロック層26のみがp
-InP第二クラッド層27に接するように形成されて
いる。
に、基本モード導波路1と多モード干渉導波路2との第
一の相違点は導波路幅にある。図2に示すように、基本
モード導波路1の導波路幅(W1)はW1=2μmであ
り、また、図3に示すように、多モード干渉導波路2の
導波路幅(W2)はW2=10μmに設定されている。
は、放射光を除去するための凹部32が設けられている
点である。
に係る半導体レーザーの製造方法を説明する。
21上に、n-InPバッファ層22、1.55μm組成
InGaAsP活性層23、p-InP第一クラッド層2
4をMOVPE法を用いて順次積層する。
22は約100nm、1.55μm組成InGaAsP
活性層23は約100nm、p-InP第一クラッド層2
4は約100nmにそれぞれ設定されている。
ットエッチング法を用いて、p-InP第一クラッド層2
4上にメサ形成用マスク31を形成する。
E法)を用いて、p-InP第一クラッド層24と、
1.55μm組成InGaAsP活性層23と、n-In
Pバッファ層22と、n-InP基板21の一部を、図5
に示すように除去し、メサ30を形成する。
より、メサ30の周囲にp-InP電流ブロック層25
とn-InP電流ブロック層26とを形成する。これらの
電流ブロック層25、26の形成に際しては、p-In
P電流ブロック層25のみがメサ30の側壁に接し、か
つ、n-InP電流ブロック層26のみが表面に露出する
ようにする。
P電流ブロック層26の厚さはともに約1μmである。
ドフッ酸で除去する。
一クラッド層24及びn-InP電流ブロック層26上
に、p-InP第2クラッド層27及びp+−InGaA
sキャップ層28をMOVPE法により形成する。
ェットエッチング法を用いて、図8に示すように、メサ
30から離れた位置に放射光除去領域としての凹部32
を形成する。この凹部32は、p-InP電流ブロック
層25の途中まで達している。
及び図8から明らかであるように、ほぼ三角柱の形状を
なしている。ただし、凹部32の形状は三角柱に限定さ
れるものではなく、放射光を除去する機能を発揮し得る
形状である限りは、いかなる形状であってもよい。
全反射角による全反射面から構成されている。
面に研磨を施す。
パッタリング法を用いて形成する。
ザーの形成が完了する。
が、基本モードを発振するレーザーであり、従来の基本
モードレーザーに比べて高出力を達成することができ、
かつ、良好な出力光フィールドを提供することができる
原理を述べる。
は、主励起光領域を幅の広い多モード干渉導波路により
構成している。このため、主励起光領域が基本モード導
波路により構成される通常の半導体レーザーと比較し
て、飽和光出力レベルを改善することができる。
ーザーは、スネルの法則に基づく全反射角による全反射
面から構成される放射光除去手段としての凹部32を備
えている。このため、非導波光である放射光は凹部32
において除去される。
により除去されることに基づく効果を説明する。
路2は1×1−MMIから構成されているため、理想的
なマルチモード干渉型導波路(MMI)が実現されてい
る限りは、基本モード導波路1において放射光はほとん
ど生じない。
作される場合、ある程度の製作誤差が生じてしまうこと
は避けられない。
合の光出力フィールドを、図9乃至12に示したグラフ
に基づいて計算を行うことにより、見積もった。
値より0.25μmずれた場合について、その光出力フ
ィールドを2次元ビーム伝搬法により計算した近視野像
(NFP)を示す。図9から明らかであるように、基本
モードの両側に放射光が生じている。
視野像(FFP)は図10のようになり、光出力フィー
ルドが劣化している様子がわかる。すなわち、基本モー
ド導波路のみによっては、放射モード光を完全に放射さ
せることは困難であることがわかる。
基本モードの外側にある放射光を除去した場合の近視野
像(NFP)に対してフーリエ変換を行うと、図12に
示すように、良好な遠視野像(FFP)が得られている
ことがわかる。すなわち、放射光を除去しさえすれば、
良好な光出力フィールドを得ることができるということ
がわかる。
射面を利用して、放射光を積極的に除去する結果とし
て、安定して良好な光出力フィールドを得ることができ
る。
ザーについて述べたが、本半導体レーザーの両端面に無
反射コーティングその他の反射防止措置を施すことによ
って、半導体光増幅器を実現することができるため、本
実施形態は、半導体レーザーと同様に、半導体光増幅器
にも適用可能である。
実施形態においては、半導体レーザー構造を単純な埋め
込み構造(BH構造)としているが、本実施形態及び第
二の実施形態は埋め込み構造に限定されるものではな
く、他の層構造に対しても適用可能である。例えば、電
流狭窄に優れるDC−PBH(Double Chan
nel Planner Buried Hetero
structure)構造に対しても本実施形態及び第
二の実施形態を適用することができる。
波長を1.55μm帯としたが、これに限定されるもの
ではない。例えば、レーザーの波長は可視光帯域であっ
ても良いし、あるいは、0.98μm帯その他の近赤外
光帯であってもよい。
バルク構造としているが、活性層23を多重量子井戸
(MQW)構造とすることも可能である。
び以下に述べる第二の実施形態においては、結晶成長に
MOVPE法、メサ30の形成にRIE法を用いたが、
これらに限定されるものではない。例えば、結晶成長方
法としてMBE法を用いることも可能であり、また、メ
サ30の形成方法としてウェットエッチング法を用いる
ことも可能である。
明の第二の実施形態に係る半導体レーザーを示す。図1
3は、本実施形態に係る半導体レーザーの平面図、図1
4は図13のA−A線における断面図、図15は図13
のB−B線における断面図である。本実施形態に係る半
導体レーザーは埋め込み(BH)構造型、かつ、1.5
5μm帯の半導体レーザーである。
導体レーザーは、多モード干渉導波路42と、多モード
干渉導波路42の光出射端に接続された基本モード導波
路41と、から構成されている。各基本モード導波路4
1には基本モード導波路が形成されており、多モード干
渉導波路42には多モード干渉導波路が形成されてい
る。
ード導波路41の各光出射端には光吸収体62が形成さ
れている。このため、多モード干渉導波路42から出射
された放射光は光吸収体62に吸収される。すなわち、
光吸収体62は放射光を除去する放射光除去手段として
機能する。
多モード干渉導波路は1入力かつ1出力型のマルチモー
ド干渉型導波路(1×1−MMI)である。
1が約50μm、多モード干渉導波路42が約260μ
m、半導体レーザーの全長は約310μmに設定されて
いる。
態に係る半導体レーザーは、n−InP基板51と、n
−InP基板21上にメサ60の形状及び複数の光吸収
体62としての柱の形状に形成されたn−InPバッフ
ァ層52、活性層53及びp-InP第一クラッド層5
4と、メサ60及び複数の光吸収体62の周囲に積層さ
れたp-InP電流ブロック層55及びn-InP電流ブ
ロック層56と、p-InP第一クラッド層54及びn-
InP電流ブロック層56上に積層されたp-InP第
二クラッド層57及びp+−InGaAsキャップ層5
8と、からなる。
3は1.55μm組成InGaAsPからなり、p-I
nP電流ブロック層55及びn-InP電流ブロック層
56による電流狭窄構造となっており、活性層53の上
には、p-InP第一クラッド層54、p-InP第二ク
ラッド層57及びp+−InGaAsキャップ層58が
積層されている。
InP電流ブロック層55及びn-InP電流ブロック
層56は、p-InP電流ブロック層55のみがメサ6
0の側壁及び柱状の光吸収体62に接し、n-InP電
流ブロック層56のみがp-InP第二クラッド層57
に接するように、形成される。
ように、基本モード導波路41と多モード干渉導波路4
2との第一の相違点は導波路幅にある。図14に示すよ
うに、基本モード導波路41の導波路幅(W1)はW1
=2μmであり、また、図15に示すように、多モード
干渉導波路42の導波路幅(W2)はW2=10μmに
設定されている。
は、放射光を除去するための光吸収体62が設けられて
いる点である。
形態に係る半導体レーザーの製造方法を説明する。
板51上に、n-InPバッファ層52、1.55μm組
成InGaAsP活性層53、p-InP第一クラッド層
54をMOVPE法を用いて順次積層する。
52は約100nm、1.55μm組成InGaAsP
活性層53は約100nm、p-InP第一クラッド層5
4は約100nmにそれぞれ設定されている。
ットエッチング法を用いて、p-InP第一クラッド層5
4上にメサ60の形成用及び複数の柱状の光吸収体62
の形成用のマスク61を形成する。マスク61は二酸化
シリコンからなる。
E法)を用いて、p-InP第一クラッド層54と、
1.55μm組成InGaAsP活性層53と、n-In
Pバッファ層52と、n-InP基板21の一部を、図1
7に示すように除去し、多モード干渉導波路42にメサ
60を、基本モード導波路41に複数の光吸収体62を
それぞれ形成する。
ェットエッチング法を用いて、メサ60上のマスク61
のみを残し、各光吸収体62上のマスク61を除去す
る。
により、メサ60の周囲にp-InP電流ブロック層5
5とn-InP電流ブロック層56とを形成する。これら
の電流ブロック層55、56の形成に際しては、p-I
nP電流ブロック層55のみがメサ60の側壁及び複数
の光吸収体62に接し、かつ、n-InP電流ブロック層
56のみが表面に露出するようにする。
P電流ブロック層56の厚さはともに約1μmである。
ドフッ酸で除去する。
第一クラッド層54及びn-InP電流ブロック層56
上に、p-InP第2クラッド層57及びp+−InGa
Asキャップ層58をMOVPE法により形成する。
施す。
パッタリング法を用いて形成する。
ザーの形成が完了する。
が、基本モードを発振するレーザーであり、従来の基本
モードレーザーに比べて高出力を達成することができ、
かつ、良好な出力光フィールドを提供することができる
原理を述べる。
は、主励起光領域を幅の広い多モード干渉導波路により
構成している。このため、主励起光領域が基本モード導
波路により構成される通常の半導体レーザーと比較し
て、飽和光出力レベルを改善することができる。
ーザーは、放射光除去手段としての光吸収体62を備え
ている。この光吸収体62は、活性層53から構成され
ており、活性層53に電流が注入されない場合には、活
性層53は光吸収層として機能する。このため、非導波
光である放射光は光吸収体62において除去される。
3と同一の層を吸収体62として利用し、放射光を積極
的に除去する結果として、安定して良好な光出力フィー
ルドを得ることができる。
実施形態は半導体レーザーについて述べたが、本半導体
レーザーの両端面に無反射コーティングその他の反射防
止措置を施すことによって、半導体光増幅器を実現する
ことができるため、本実施形態は、半導体レーザーと同
様に、半導体光増幅器にも適用可能である。
光増幅器によれば、従来の基本モードレーザー又は光増
幅器に比べて高出力を達成することができ、かつ、放射
光除去手段により、放射光が十分に除去されるため、優
れた出力光フィールドを提供することができる。
の平面図である。
法の一工程における半導体レーザーの断面図である。
法の一工程における半導体レーザーの断面図である。
法の一工程における半導体レーザーの断面図である。
法の一工程における半導体レーザーの断面図である。
法の一工程における半導体レーザーの断面図である。
合の光出力フィールドの近視野像(NFP)を示すグラ
フである。
視野像(FFP)を示すグラフである。
近視野像(NFP)を示すグラフである。
遠視野像(FFP)を示すグラフである。
ーの平面図である。
方法の一工程における半導体レーザーの断面図である。
方法の一工程における半導体レーザーの断面図である。
方法の一工程における半導体レーザーの断面図である。
方法の一工程における半導体レーザーの断面図である。
Claims (16)
- 【請求項1】 基本モード光を出力する半導体レーザー
であって、基本モード導波路と多モード干渉導波路とが
設けられた光導波路構造を有し、前記多モード干渉導波
路から非導波光として放射される多モード光であり、前
記基本モード光の脇に出射される放射光を除去する放射
光除去手段を有することを特徴とする半導体レーザー。 - 【請求項2】 前記多モード干渉導波路に光学的に接続
されている基本モード導波路を備えることを特徴とする
請求項1に記載の半導体レーザー。 - 【請求項3】 前記放射光除去手段は、全反射面からな
るフィルタであることを特徴とする請求項1又は2に記
載の半導体レーザー。 - 【請求項4】 前記放射光除去手段は、光吸収体である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ
ー。 - 【請求項5】 前記放射光除去手段は、前記基本モード
導波路が形成されている領域における凹部として形成さ
れているものであることを特徴とする請求項2に記載の
半導体レーザー。 - 【請求項6】 前記多モード干渉導波路は1×1多モー
ド干渉導波路であることを特徴とする請求項1乃至5の
いずれか一項に記載の半導体レーザー。 - 【請求項7】 前記多モード干渉導波路は1×N(Nは
正の整数)多モード干渉導波路であることを特徴とする
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の半導体レーザ
ー。 - 【請求項8】 前記放射光除去手段は、前記多モード干
渉導波路の両端側に形成されていることを特徴とする請
求項1乃至7のいずれか一項に記載の半導体レーザー。 - 【請求項9】 基本モード光を出力する半導体増幅器で
あって、基本モード導波路と多モード干渉導波路が設け
られた光導波路構造を有し、前記多モード干渉導波路か
ら非導波光として放射される多モード光であり、基本モ
ード光の脇に出射される放射光を除去する放射光除去手
段を有することを特徴とする半導体光増幅器。 - 【請求項10】 前記多モード干渉導波路に光学的に接
続されている基本モード導波路を備えることを特徴とす
る請求項9に記載の半導体光増幅器。 - 【請求項11】 前記放射光除去手段は、全反射面から
なるフィルタであることを特徴とする請求項9又は10
に記載の半導体光増幅器。 - 【請求項12】 前記放射光除去手段は、光吸収体であ
ることを特徴とする請求項9又は10に記載の半導体光
増幅器。 - 【請求項13】 前記放射光除去手段は、前記基本モー
ド導波路が形成されている領域における凹部として形成
されているものであることを特徴とする請求項10に記
載の半導体光増幅器。 - 【請求項14】 前記多モード干渉導波路は1×1多モ
ード干渉導波路であることを特徴とする請求項9乃至1
3のいずれか一項に記載の半導体光増幅器。 - 【請求項15】 前記多モード干渉導波路は1×N(N
は正の整数)多モード干渉導波路であることを特徴とす
る請求項9乃至13のいずれか一項に記載の半導体光増
幅器。 - 【請求項16】 前記放射光除去手段は、前記多モード
干渉導波路の両端側に形成されていることを特徴とする
請求項9乃至15のいずれか一項に記載の半導体光増幅
器。
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