JP3331568B2 - 埋込型半導体レーザ - Google Patents
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Description
【０００１】本発明は、横モードが安定な埋込型半導体
レーザに関する。
レーザに関する。
【０００２】
【従来技術】埋込型半導体レーザは、光ファイバ通信等
の光源に用いられている。この埋込型半導体レーザにお
いて、基本横モードを得るためには、活性層幅は、「伊
藤良一，半導体レーザ［基礎と応用］ 培風館，９１−
１２３，１９８９」に記載されているように、１〜２μ
ｍ程度であることが好ましいと考えられていた。
の光源に用いられている。この埋込型半導体レーザにお
いて、基本横モードを得るためには、活性層幅は、「伊
藤良一，半導体レーザ［基礎と応用］ 培風館，９１−
１２３，１９８９」に記載されているように、１〜２μ
ｍ程度であることが好ましいと考えられていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
構造パラメータからなる埋込型半導体レーザにおいて
は、基本横モードは、ある狭い温度範囲内において不安
定になり、平均的な発振スペクトル幅が広くなる。
構造パラメータからなる埋込型半導体レーザにおいて
は、基本横モードは、ある狭い温度範囲内において不安
定になり、平均的な発振スペクトル幅が広くなる。
【０００４】通常２５℃付近の室温で、略１．３１μｍ
の発振波長をもつ埋込型半導体レーザをペルチェクーラ
等による温度調節を行わずに、−４５〜＋８５℃の温度
範囲で使用する場合、発振波長は、略０．４ｎｍ／℃の
温度係数を有するので、室温に対して低温および高温側
で発振波長は略１．３１μｍからそれぞれ短波長および
長波長側へシフトする。
の発振波長をもつ埋込型半導体レーザをペルチェクーラ
等による温度調節を行わずに、−４５〜＋８５℃の温度
範囲で使用する場合、発振波長は、略０．４ｎｍ／℃の
温度係数を有するので、室温に対して低温および高温側
で発振波長は略１．３１μｍからそれぞれ短波長および
長波長側へシフトする。
【０００５】一方、光ファイバは、いわゆる波長分散
（通常略１．３１μｍでゼロ分散）を有するため、特
に、室温に対して低温あるいは高温で、このように埋込
型半導体レーザ動作時の発振スペクトル幅が広くなる
と、波長による伝搬速度が異なるので、高ビットレート
の伝送ができなかった。
（通常略１．３１μｍでゼロ分散）を有するため、特
に、室温に対して低温あるいは高温で、このように埋込
型半導体レーザ動作時の発振スペクトル幅が広くなる
と、波長による伝搬速度が異なるので、高ビットレート
の伝送ができなかった。
【０００６】このため、高ビットレートの伝送を行うに
は、埋込型半導体レーザに温度調節機能を別途に備える
必要があった。ここで、温度調節機能を備えることなし
に、温度変化に対して安定な埋込型半導体レーザが提供
できれば、このような問題は一挙に解決される。
は、埋込型半導体レーザに温度調節機能を別途に備える
必要があった。ここで、温度調節機能を備えることなし
に、温度変化に対して安定な埋込型半導体レーザが提供
できれば、このような問題は一挙に解決される。
【０００７】（従来技術１）：半導体レーザの構造パラ
メータに関して、「K.Wakao et al., J. Appl. Phy
s., 62, 2153, 1987」では、高効率を達成する観点
から分布帰還型レーザの構造パラメータが検討されてい
る。
メータに関して、「K.Wakao et al., J. Appl. Phy
s., 62, 2153, 1987」では、高効率を達成する観点
から分布帰還型レーザの構造パラメータが検討されてい
る。
【０００８】（従来技術２）：「I.Ushijima et al.,
Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng., 1122, 4
06, 1989」では、高温下での動作を実現する観点か
ら、活性層の厚さに関して検討されている。
Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng., 1122, 4
06, 1989」では、高温下での動作を実現する観点か
ら、活性層の厚さに関して検討されている。
【０００９】（従来技術３）：「山田 博仁他、１９９
２年春季応用物理学関係連合講演会予稿集２９ａ−ＳＦ
−３」および「K.Matumoto et al.,Tecnical Report of
IEICE, OQE 92-176 (1993-02)」では、活性層を多
重量子井戸構造とすることで、温度特性が改善されるこ
とが示されているが、活性層の幅については検討を行っ
ていない。
２年春季応用物理学関係連合講演会予稿集２９ａ−ＳＦ
−３」および「K.Matumoto et al.,Tecnical Report of
IEICE, OQE 92-176 (1993-02)」では、活性層を多
重量子井戸構造とすることで、温度特性が改善されるこ
とが示されているが、活性層の幅については検討を行っ
ていない。
【００１０】（従来技術４）：「石田 朋子他、１９９
２年春季応用物理学関係連合講演会予稿集３０ａ−Ｃ−
１０」では、温度特性を改善するため、活性層幅の最適
値がシミュレーションによって検討され、この最適値
は、１．６〜２．０μｍであることが記載されている。
２年春季応用物理学関係連合講演会予稿集３０ａ−Ｃ−
１０」では、温度特性を改善するため、活性層幅の最適
値がシミュレーションによって検討され、この最適値
は、１．６〜２．０μｍであることが記載されている。
【００１１】（従来技術５）：「岡 聡彦他、１９９２
年秋季応用物理学関係連合講演会 予稿集１６ｐ−Ｖ−
７」では、活性層幅が１．５μｍの場合の埋込型半導体
レーザの光出力の温度特性が示されている。
年秋季応用物理学関係連合講演会 予稿集１６ｐ−Ｖ−
７」では、活性層幅が１．５μｍの場合の埋込型半導体
レーザの光出力の温度特性が示されている。
【００１２】（従来技術６）：「A.Oka et al.,Tecnica
l Report of IEICE,OQE92-168(1993-02)」では、埋込型
半導体レーザの共振器端面に高反射コーティングを施す
ことにより、このレーザが長時間の安定動作可能である
ことが検討されている。
l Report of IEICE,OQE92-168(1993-02)」では、埋込型
半導体レーザの共振器端面に高反射コーティングを施す
ことにより、このレーザが長時間の安定動作可能である
ことが検討されている。
【００１３】（従来技術７）：「後藤 勝彦他、１９９
２年秋季応用物理学関係連合講演会予稿集１８ｐ−Ｖ−
３」では、歪み量子井戸構造による１．３μｍ帯レーザ
の低閾値化について言及しているが、活性層の幅につい
ての検討は行われていない。
２年秋季応用物理学関係連合講演会予稿集１８ｐ−Ｖ−
３」では、歪み量子井戸構造による１．３μｍ帯レーザ
の低閾値化について言及しているが、活性層の幅につい
ての検討は行われていない。
【００１４】（従来技術８）：「N.Yoshida et al.J.Cr
ystal Growth,93,832,1988」では、分布帰還型レーザに
おいて、ダブルへテロ構造の活性層の幅を約１μｍに設
定して閾値電流について検討している。
ystal Growth,93,832,1988」では、分布帰還型レーザに
おいて、ダブルへテロ構造の活性層の幅を約１μｍに設
定して閾値電流について検討している。
【００１５】（従来技術９）：「A.Takemoto et al.,El
ectron.Lett.,23,1987」では分布帰還型レーザにおいて
活性層幅が１〜１．５μｍのレーザについて検討されて
いる。
ectron.Lett.,23,1987」では分布帰還型レーザにおいて
活性層幅が１〜１．５μｍのレーザについて検討されて
いる。
【００１６】本発明者は、このような点に着目し、温度
に対する安定性の観点からレーザデバイス自体の改良を
試みた。すなわち、埋込型半導体レーザの特性の向上の
ためには、このような温度に対するモードの安定性や閾
値電流の低減を達成する観点から、鋭意検討を重ねた結
果、構造上のパラメーターを適切に調整することが有効
であるとの知見を得、これらのパラメータを最適化する
ことで、温度変化に対して安定で、高ビットレートの伝
送を行うことのできる実用的な埋込型半導体レーザを実
現することができた。
に対する安定性の観点からレーザデバイス自体の改良を
試みた。すなわち、埋込型半導体レーザの特性の向上の
ためには、このような温度に対するモードの安定性や閾
値電流の低減を達成する観点から、鋭意検討を重ねた結
果、構造上のパラメーターを適切に調整することが有効
であるとの知見を得、これらのパラメータを最適化する
ことで、温度変化に対して安定で、高ビットレートの伝
送を行うことのできる実用的な埋込型半導体レーザを実
現することができた。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記の埋込型半導体レー
ザを実現するため、本発明に係る埋込型半導体レーザ
は、半導体基板上に順次形成された第１導電型第１クラ
ッド層、第１光ガイド層、多重量子井戸構造の活性層、
第２光ガイド層及び第２導電型第２クラッド層からなる
ダブルへテロ構造を有し、室温近傍で横モードが安定に
発振し、前記活性層の発光波長が略１．３μｍである埋
込型半導体レーザにおいて、前記活性層の幅が０．７μ
ｍ以上１．０μｍ未満であり、前記光導波層の厚さが
０．２μｍ以上０．３μｍ以下であることを特徴とす
る。また、活性層の井戸数は４乃至１０であることが好
ましい。また、前記半導体基板が、ｎ型ＩｎＰ基板であ
り、前記第１クラッド層が、ｎ型ＩｎＰ層であり、前記
第１光ガイド層および前記第２光ガイド層が、バンドギ
ャップ波長略１．１μｍのＧａＩｎＡｓＰ層であり、前
記多重量子井戸構造の活性層の、ウエル層がバンドギャ
ップ波長略１．３５乃至１．４５μｍで厚さ３０乃至６
０オングストロームのＧａＩｎＡｓＰ層であり、バリア
層がバンドギャップ波長略１．１μｍで厚さ１００乃至
１５０オングストロームのＧａＩｎＡｓＰ層であって、
井戸数が略１０であり、前記第２クラッド層が、ｐ型Ｉ
ｎＰ層であり、前記埋込層がｐ型ＩｎＰ層およびｎ型Ｉ
ｎＰ層の積層構造であることが好ましい。
ザを実現するため、本発明に係る埋込型半導体レーザ
は、半導体基板上に順次形成された第１導電型第１クラ
ッド層、第１光ガイド層、多重量子井戸構造の活性層、
第２光ガイド層及び第２導電型第２クラッド層からなる
ダブルへテロ構造を有し、室温近傍で横モードが安定に
発振し、前記活性層の発光波長が略１．３μｍである埋
込型半導体レーザにおいて、前記活性層の幅が０．７μ
ｍ以上１．０μｍ未満であり、前記光導波層の厚さが
０．２μｍ以上０．３μｍ以下であることを特徴とす
る。また、活性層の井戸数は４乃至１０であることが好
ましい。また、前記半導体基板が、ｎ型ＩｎＰ基板であ
り、前記第１クラッド層が、ｎ型ＩｎＰ層であり、前記
第１光ガイド層および前記第２光ガイド層が、バンドギ
ャップ波長略１．１μｍのＧａＩｎＡｓＰ層であり、前
記多重量子井戸構造の活性層の、ウエル層がバンドギャ
ップ波長略１．３５乃至１．４５μｍで厚さ３０乃至６
０オングストロームのＧａＩｎＡｓＰ層であり、バリア
層がバンドギャップ波長略１．１μｍで厚さ１００乃至
１５０オングストロームのＧａＩｎＡｓＰ層であって、
井戸数が略１０であり、前記第２クラッド層が、ｐ型Ｉ
ｎＰ層であり、前記埋込層がｐ型ＩｎＰ層およびｎ型Ｉ
ｎＰ層の積層構造であることが好ましい。
【００１８】
【作用】本発明の埋込型半導体レーザによれば、第１
に、多重量子井戸構造の活性層幅を１．０μｍ未満に設
定することにより、モード不安定発生率を小さくでき
る。第２に、多重量子井戸構造の活性層３の幅を０．７
μｍ以上に設定することによって、閾値電流を低くする
ことができる。少なくとも全光導波層厚が略０．２μｍ
以上０．３μｍ以下であれば、活性層幅を０．７〜１．
０μｍとすることによって本発明の効果は達成される。
この作用を奏する多重量子井戸構造の活性層幅は、発光
波長に依存することが確かめられており、活性層は発光
波長が略１．３μｍである必要がある。
に、多重量子井戸構造の活性層幅を１．０μｍ未満に設
定することにより、モード不安定発生率を小さくでき
る。第２に、多重量子井戸構造の活性層３の幅を０．７
μｍ以上に設定することによって、閾値電流を低くする
ことができる。少なくとも全光導波層厚が略０．２μｍ
以上０．３μｍ以下であれば、活性層幅を０．７〜１．
０μｍとすることによって本発明の効果は達成される。
この作用を奏する多重量子井戸構造の活性層幅は、発光
波長に依存することが確かめられており、活性層は発光
波長が略１．３μｍである必要がある。
【００１９】
【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づき
説明する。説明において同一要素には同一符号を用い、
重複する説明は省略する。
説明する。説明において同一要素には同一符号を用い、
重複する説明は省略する。
【００２０】（第１実施例） 図１（ａ）は、本発明の第１実施例に係る埋込型半導体
レーザの縦断面構成を示している。図示の通り、Ｓｎド
ープのｎ型ＩｎＰ基板４上に、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＰ
第１クラッド層１、ノンドープＧａa Ｉｎ1-a Ａｓb Ｐ
1-b （ａ＝０．１５，ｂ＝０．３１）第１光ガイド層１
１（層厚約５００オングストローム、バンドギャップ波
長略１．１μｍ）、多重量子井戸構造の活性層３、ノン
ドープＧａc Ｉｎ1-c Ａｓd Ｐ1-d （ｃ＝０．１５，ｄ
＝０．３１）第２光ガイド層１２（層厚約５００オング
ストローム、バンドギャップ波長略１．１μｍ）および
ｐ型ＩｎＰ第２クラッド層２が順次形成され、これらは
加工され、メサ型の活性領域が構成されている。
レーザの縦断面構成を示している。図示の通り、Ｓｎド
ープのｎ型ＩｎＰ基板４上に、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＰ
第１クラッド層１、ノンドープＧａa Ｉｎ1-a Ａｓb Ｐ
1-b （ａ＝０．１５，ｂ＝０．３１）第１光ガイド層１
１（層厚約５００オングストローム、バンドギャップ波
長略１．１μｍ）、多重量子井戸構造の活性層３、ノン
ドープＧａc Ｉｎ1-c Ａｓd Ｐ1-d （ｃ＝０．１５，ｄ
＝０．３１）第２光ガイド層１２（層厚約５００オング
ストローム、バンドギャップ波長略１．１μｍ）および
ｐ型ＩｎＰ第２クラッド層２が順次形成され、これらは
加工され、メサ型の活性領域が構成されている。
【００２１】また、このメサ型の活性領域の両側面を覆
うように、ｐ型ＩｎＰ埋込層５が配置され、さらにこの
Ｐ型ＩｎＰ埋込層５の外側にｎ型ＩｎＰ埋込層１０が配
置してある。この第２クラッド層２、ｎ型ＩｎＰ埋込層
１０、ｐ型ＩｎＰ埋込層５、第１クラッド層１で構成さ
れるｐｎｐｎ構造により、ｎ型ＩｎＰ埋込層１０、ｐ型
ＩｎＰ埋込層５を電流ブロック層として機能させること
ができる。ＩｎＰ基板４下には電極７が、第２クラッド
層２上にはｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９を介して電
極８が形成されている。
うように、ｐ型ＩｎＰ埋込層５が配置され、さらにこの
Ｐ型ＩｎＰ埋込層５の外側にｎ型ＩｎＰ埋込層１０が配
置してある。この第２クラッド層２、ｎ型ＩｎＰ埋込層
１０、ｐ型ＩｎＰ埋込層５、第１クラッド層１で構成さ
れるｐｎｐｎ構造により、ｎ型ＩｎＰ埋込層１０、ｐ型
ＩｎＰ埋込層５を電流ブロック層として機能させること
ができる。ＩｎＰ基板４下には電極７が、第２クラッド
層２上にはｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層９を介して電
極８が形成されている。
【００２２】ここで、多重量子井戸構造の活性層３は、
図面下方に抜き出して示すように（図１（ｂ））、ウエ
ル層１３がＧａu Ｉｎ1-u Ａｓv Ｐ1-v （ｕ＝０．３
１，ｖ＝０．６６）、バリア層１４がＧａx Ｉｎ1-x Ａ
ｓy Ｐ1-y （ｘ＝０．１５，ｙ＝０．３１）で構成され
ており、井戸数は１０である。なお、ウエル層１３とバ
リア層１４の厚さはそれぞれ約６０オングストローム、
約１５０オングストロームであり、組成は、波長に換算
してそれぞれ約１．３６μｍと約１．１μｍである。
図面下方に抜き出して示すように（図１（ｂ））、ウエ
ル層１３がＧａu Ｉｎ1-u Ａｓv Ｐ1-v （ｕ＝０．３
１，ｖ＝０．６６）、バリア層１４がＧａx Ｉｎ1-x Ａ
ｓy Ｐ1-y （ｘ＝０．１５，ｙ＝０．３１）で構成され
ており、井戸数は１０である。なお、ウエル層１３とバ
リア層１４の厚さはそれぞれ約６０オングストローム、
約１５０オングストロームであり、組成は、波長に換算
してそれぞれ約１．３６μｍと約１．１μｍである。
【００２３】また、多重量子井戸構造の活性層３の厚さ
は約０．２μｍ（全光導波層（活性層３＋第１ガイド層
１１＋第２ガイド層１２）厚は０．３μｍ）であり、共
振器長は３００μｍ、活性層幅は０．９μｍに設定して
ある。また、活性層３の幅Ｗは、図１中右方に抜き出し
て示すように（図１（ｃ））、多重量子井戸構造の活性
層断面上辺Ｌ２と下辺Ｌ１の長さ和の２分の１で定義す
る。
は約０．２μｍ（全光導波層（活性層３＋第１ガイド層
１１＋第２ガイド層１２）厚は０．３μｍ）であり、共
振器長は３００μｍ、活性層幅は０．９μｍに設定して
ある。また、活性層３の幅Ｗは、図１中右方に抜き出し
て示すように（図１（ｃ））、多重量子井戸構造の活性
層断面上辺Ｌ２と下辺Ｌ１の長さ和の２分の１で定義す
る。
【００２４】このような構造の埋込型半導体レーザにお
いて、従来の半導体埋込型半導体レーザの如く、活性層
の幅が１．２μｍの場合、図７に示す発振スペクトルか
ら明らかなように、５２〜６１℃の温度範囲で、発振ス
ペクトルはダブルピークを有しており、平均的なスペク
トル幅が広がっている。ただし、グラフ上の発振スペク
トルは、リニアスケールで書かれているため、スペクト
ル幅の広がりは明瞭には分からない。
いて、従来の半導体埋込型半導体レーザの如く、活性層
の幅が１．２μｍの場合、図７に示す発振スペクトルか
ら明らかなように、５２〜６１℃の温度範囲で、発振ス
ペクトルはダブルピークを有しており、平均的なスペク
トル幅が広がっている。ただし、グラフ上の発振スペク
トルは、リニアスケールで書かれているため、スペクト
ル幅の広がりは明瞭には分からない。
【００２５】このように平均的なスペクトル幅が広がる
と、前述のように、光ファイバの伝送において波長分散
が生じ、高いビットレートの伝送を行うことができな
い。
と、前述のように、光ファイバの伝送において波長分散
が生じ、高いビットレートの伝送を行うことができな
い。
【００２６】そこで、本発明者は、これら活性層の幅を
変化させて、上記構造の埋込型半導体レーザにおいて実
用上有効な活性層の幅を求めた。
変化させて、上記構造の埋込型半導体レーザにおいて実
用上有効な活性層の幅を求めた。
【００２７】図２は、上記構成の埋込型半導体レーザに
おいて、−４５〜＋８５℃の温度範囲で、多重量子井戸
構造の活性層３の幅に対するモード不安定発生率を測定
した結果を示している。
おいて、−４５〜＋８５℃の温度範囲で、多重量子井戸
構造の活性層３の幅に対するモード不安定発生率を測定
した結果を示している。
【００２８】ここで、モード不安定発生率は、以下のよ
うに定義する。
うに定義する。
【００２９】モード不安定発生率：−４５〜＋８５℃の
温度範囲で、複数の試料（埋込型半導体レーザ）の光強
度の波長依存性を測定した際、モード不安定な状態の発
生する試料の個数の割合。なお、モード不安定な状態と
は、波長に対する光強度のスペクトルが２以上のピーク
を有するものとする。
温度範囲で、複数の試料（埋込型半導体レーザ）の光強
度の波長依存性を測定した際、モード不安定な状態の発
生する試料の個数の割合。なお、モード不安定な状態と
は、波長に対する光強度のスペクトルが２以上のピーク
を有するものとする。
【００３０】本発明は、横モードが安定な埋込型半導体
レーザに関するものであり、−４５〜＋８５℃の温度範
囲で横モードが安定なものは、室温近傍においても安定
であるということを意味する。すなわち、本発明は、室
温近傍において、横モードが安定な埋込型半導体レーザ
を対象としている。
レーザに関するものであり、−４５〜＋８５℃の温度範
囲で横モードが安定なものは、室温近傍においても安定
であるということを意味する。すなわち、本発明は、室
温近傍において、横モードが安定な埋込型半導体レーザ
を対象としている。
【００３１】本測定にあたっては、被測定試料の数量は
１０〜３０、測定時の温度間隔は５℃で、光出力は５ｍ
Ｗで行った。
１０〜３０、測定時の温度間隔は５℃で、光出力は５ｍ
Ｗで行った。
【００３２】図２に示すように、多重量子井戸構造の活
性層３幅の減少に伴ってモード不安定率は減少し、この
幅が１．０μｍ以下の場合には、モード不安定な状態の
試料は殆ど存在しない。
性層３幅の減少に伴ってモード不安定率は減少し、この
幅が１．０μｍ以下の場合には、モード不安定な状態の
試料は殆ど存在しない。
【００３３】また、本実施例の埋込型半導体レーザの閾
値電流の多重量子井戸構造の活性層３幅に対する依存性
を測定した。この結果を図３に示す。なお、測定温度は
＋２５℃である。
値電流の多重量子井戸構造の活性層３幅に対する依存性
を測定した。この結果を図３に示す。なお、測定温度は
＋２５℃である。
【００３４】図３に示すように、多重量子井戸構造の活
性層３の幅の増加に伴って閾値電流は増加し、活性層３
幅が０．７μｍ以上では、閾値電流は７ｍＡ以下であっ
た。なお、閾値電流は温度の上昇によって増加する。
性層３の幅の増加に伴って閾値電流は増加し、活性層３
幅が０．７μｍ以上では、閾値電流は７ｍＡ以下であっ
た。なお、閾値電流は温度の上昇によって増加する。
【００３５】このように、閾値電流の特性を考慮した場
合、実際上有用な活性層３の幅は０．７μｍ以上１．０
μｍ以下であることが望ましい。
合、実際上有用な活性層３の幅は０．７μｍ以上１．０
μｍ以下であることが望ましい。
【００３６】なお、活性層３の幅および厚さは、走査型
電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定した。
電子顕微鏡（ＳＥＭ）で測定した。
【００３７】上記の埋込型半導体レーザで得られた発振
スペクトルを図４に示す。比較のため、活性層の幅が
１．２μｍである従来の多重量子井戸構造の発振スペク
トルを図５に示す。なお、測定時の温度は＋６５℃であ
る。図５から明らかなように、＋６５℃において、従来
の埋込型半導体レーザのスペクトルはダブルピークを有
し、平均的なスペクトル幅（ＲＭＳ法）は３．８２ｎｍ
以上である。しかし、図４に示すように、本実施例の埋
込型半導体レーザのスペクトル幅（ＲＭＳ法）は、０．
７４ｎｍであり、このスペクトル幅は、−４５〜＋８５
℃の温度範囲において、２．５ｎｍ以下であった。この
ように、活性層３の幅を０．７〜１．０μｍにすること
によって、埋込型半導体レーザのモード安定性は従来の
ものと比較して大幅に改善した。
スペクトルを図４に示す。比較のため、活性層の幅が
１．２μｍである従来の多重量子井戸構造の発振スペク
トルを図５に示す。なお、測定時の温度は＋６５℃であ
る。図５から明らかなように、＋６５℃において、従来
の埋込型半導体レーザのスペクトルはダブルピークを有
し、平均的なスペクトル幅（ＲＭＳ法）は３．８２ｎｍ
以上である。しかし、図４に示すように、本実施例の埋
込型半導体レーザのスペクトル幅（ＲＭＳ法）は、０．
７４ｎｍであり、このスペクトル幅は、−４５〜＋８５
℃の温度範囲において、２．５ｎｍ以下であった。この
ように、活性層３の幅を０．７〜１．０μｍにすること
によって、埋込型半導体レーザのモード安定性は従来の
ものと比較して大幅に改善した。
【００３８】さらに、本願発明の有効性を検証するため
に、上述のような特性の得られる埋込型半導体レーザの
構造因子について検討した。
に、上述のような特性の得られる埋込型半導体レーザの
構造因子について検討した。
【００３９】図１に示した埋込型半導体レーザの構造に
おいて、以下の構造因子を変化させて発振スペクトルの
モードの安定性を検証した。
おいて、以下の構造因子を変化させて発振スペクトルの
モードの安定性を検証した。
【００４０】（第２実施例） 多重量子井戸構造の活性層３厚さが、略０．０６９μｍ
であり、ウエル層厚が６０オングストローム、ウエル層
（井戸層）数４であり、バリア層厚が１５０オングスト
ローム、バリア層数３であり、活性層３幅が略０．９μ
ｍであり、第１ガイド層１１厚が略０．０６μｍであ
り、第２ガイド層１２厚が略０．０６μｍである、埋込
型半導体レーザの場合でも、上記と同様の効果が得られ
た。ここで全光導波層（活性層３＋第１ガイド層１１＋
第２ガイド層１２）厚は０．１８９μｍである。なお、
他のパラメータについては図１に示したパラメータと同
じである。
であり、ウエル層厚が６０オングストローム、ウエル層
（井戸層）数４であり、バリア層厚が１５０オングスト
ローム、バリア層数３であり、活性層３幅が略０．９μ
ｍであり、第１ガイド層１１厚が略０．０６μｍであ
り、第２ガイド層１２厚が略０．０６μｍである、埋込
型半導体レーザの場合でも、上記と同様の効果が得られ
た。ここで全光導波層（活性層３＋第１ガイド層１１＋
第２ガイド層１２）厚は０．１８９μｍである。なお、
他のパラメータについては図１に示したパラメータと同
じである。
【００４１】上記第２実施例の埋込型半導体レーザの結
果から全光導波層の層厚が少なくとも０．１８９μｍで
ある場合は、本発明の埋込型半導体レーザは、安定した
モードかつ低い閾値電流で発振する。
果から全光導波層の層厚が少なくとも０．１８９μｍで
ある場合は、本発明の埋込型半導体レーザは、安定した
モードかつ低い閾値電流で発振する。
【００４２】また、第１実施例により、モード安定な全
光導波層厚は０．３μｍ（活性層３の厚さが０．２μ
ｍ、第１ガイド層１１、第２ガイド層１２の厚さが０．
０５μｍ）であることが示されているので、第２実施例
の結果を考慮すると、少なくとも全光導波層厚が略０．
２μｍ以上０．３μｍ以下であれば、活性層３の幅を
０．７〜１．０μｍとすることによって上述の本発明の
効果は達成される。
光導波層厚は０．３μｍ（活性層３の厚さが０．２μ
ｍ、第１ガイド層１１、第２ガイド層１２の厚さが０．
０５μｍ）であることが示されているので、第２実施例
の結果を考慮すると、少なくとも全光導波層厚が略０．
２μｍ以上０．３μｍ以下であれば、活性層３の幅を
０．７〜１．０μｍとすることによって上述の本発明の
効果は達成される。
【００４３】また、少なくとも、全光導波層厚が略０．
２μｍ以上０．３μｍ以下の場合、第２実施例の結果か
ら活性層のウエル層厚が６０オングストロームであり、
バリア層厚が１５０オングストロームのＧａＩｎＡｓＰ
層であれば、本発明の埋込型半導体レーザは、安定した
モードかつ低い閾値電流で発振することから、第１実施
例の結果を考慮すると、ウエル層厚が３０〜６０オング
ストロームであり、バリア層厚が１００〜１５０オング
ストロームであれば、上記と同様の効果を奏する。
２μｍ以上０．３μｍ以下の場合、第２実施例の結果か
ら活性層のウエル層厚が６０オングストロームであり、
バリア層厚が１５０オングストロームのＧａＩｎＡｓＰ
層であれば、本発明の埋込型半導体レーザは、安定した
モードかつ低い閾値電流で発振することから、第１実施
例の結果を考慮すると、ウエル層厚が３０〜６０オング
ストロームであり、バリア層厚が１００〜１５０オング
ストロームであれば、上記と同様の効果を奏する。
【００４４】同様にして、第１および第２実施例の結果
から少なくとも井戸数は、４〜１０であれば上記と同様
の作用を奏する。
から少なくとも井戸数は、４〜１０であれば上記と同様
の作用を奏する。
【００４５】また、第１光ガイド層１１、第２光ガイド
層１２の組成は、Ｇａの組成比率が高いほど、エネルギ
ーバンドギャップが小さくなり、屈折率が大きくなるの
で、光の閉じ込め係数Γが大きくなる。よってこの場合
には、活性層幅は、若干狭くする必要があると考えられ
るが、活性層３の幅を０．７〜１．０μｍとすることに
よって、一定の確実性で上述の効果が達成されることに
変わりはない。ただし、光の閉じ込め係数Γは、導波光
の全エネルギーのうち導波層（活性層３）中にある部分
の割合である。
層１２の組成は、Ｇａの組成比率が高いほど、エネルギ
ーバンドギャップが小さくなり、屈折率が大きくなるの
で、光の閉じ込め係数Γが大きくなる。よってこの場合
には、活性層幅は、若干狭くする必要があると考えられ
るが、活性層３の幅を０．７〜１．０μｍとすることに
よって、一定の確実性で上述の効果が達成されることに
変わりはない。ただし、光の閉じ込め係数Γは、導波光
の全エネルギーのうち導波層（活性層３）中にある部分
の割合である。
【００４６】なお、第１クラッド層１、第２クラッド層
２、ｐ型ＩｎＰ埋込層５およびｎ型ＩｎＰ埋込層１０は
通常ＩｎＰを用いており、光のしみ出しに比較して十分
厚ければ、これらの導電型やキャリア濃度は、モードの
安定性にはほとんど影響を与えない。
２、ｐ型ＩｎＰ埋込層５およびｎ型ＩｎＰ埋込層１０は
通常ＩｎＰを用いており、光のしみ出しに比較して十分
厚ければ、これらの導電型やキャリア濃度は、モードの
安定性にはほとんど影響を与えない。
【００４７】しかし、上記作用を奏する多重量子井戸構
造の活性層３の幅は、発光波長に依存することが確かめ
られており、活性層３は、発光波長が略１．３μｍであ
る必要がある。
造の活性層３の幅は、発光波長に依存することが確かめ
られており、活性層３は、発光波長が略１．３μｍであ
る必要がある。
【００４８】以上、本発明の一実施例によれば、下記の
ような作用を奏することができる。
ような作用を奏することができる。
【００４９】第１に、多重量子井戸構造の活性層３の幅
を１．０μｍ未満に設定することにより、モード不安定
発生率を小さくすることができる。
を１．０μｍ未満に設定することにより、モード不安定
発生率を小さくすることができる。
【００５０】第２に、多重量子井戸構造の活性層３の幅
を０．７μｍ以上に設定することによって、閾値電流を
低くすることができる。
を０．７μｍ以上に設定することによって、閾値電流を
低くすることができる。
【００５１】（埋め込み型半導体レーザの製造方法） 図６は、図１に示した本発明の一実施例に係る埋込型半
導体レーザの製造方法を説明する図である。
導体レーザの製造方法を説明する図である。
【００５２】まず、減圧有機金属気相エピタキシ（ＭＯ
ＶＰＥ）法により、Ｓｎドープのｎ型ＩｎＰ基板２４上
に、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＰ第１クラッド層２１を形成
し、しかる後、ノンドープ型Ｇａa Ｉｎ1-a Ａｓb Ｐ
1-b （ａ＝０．１５，ｂ＝０．３１）第１光ガイド層、
多重量子井戸構造の活性層、ノンドープ型Ｇａc Ｉｎ
1-c Ａｓd Ｐ1-d （ｃ＝０．１５，ｄ＝０．３１）第２
光ガイド層からなる光導波層２３、ｐ型ＩｎＰ第２クラ
ッド層２２およびＩｎＧａＡｓキャップ層４０を順次形
成する。そして、このＩｎＧａＡｓキャップ層４０上に
ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 を堆積し、ＳｉＯ 2 膜を形成す
る。
ＶＰＥ）法により、Ｓｎドープのｎ型ＩｎＰ基板２４上
に、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＰ第１クラッド層２１を形成
し、しかる後、ノンドープ型Ｇａa Ｉｎ1-a Ａｓb Ｐ
1-b （ａ＝０．１５，ｂ＝０．３１）第１光ガイド層、
多重量子井戸構造の活性層、ノンドープ型Ｇａc Ｉｎ
1-c Ａｓd Ｐ1-d （ｃ＝０．１５，ｄ＝０．３１）第２
光ガイド層からなる光導波層２３、ｐ型ＩｎＰ第２クラ
ッド層２２およびＩｎＧａＡｓキャップ層４０を順次形
成する。そして、このＩｎＧａＡｓキャップ層４０上に
ＣＶＤ法によりＳｉＯ2 を堆積し、ＳｉＯ 2 膜を形成す
る。
【００５３】このＳｉＯ2 膜を図面の垂直方向に長い、
幅約３μｍのストライプ状のＳｉＯ2 膜４２を残して除
去する。（図６（ａ））。多重量子井戸構造の活性層
は、これのウエル層をＧａu Ｉｎ1-u Ａｓv Ｐ1-v （ｕ
＝０．３１，ｖ＝０．６６）、バリア層をＧａx Ｉｎ
1-x Ａｓy Ｐ1-y （ｘ＝０．１５，ｙ＝０．３１）で構
成する。活性層の井戸数は１０とする。なお、ウエル層
とバリア層の組成は、波長に換算してそれぞれ１．３６
μｍと１．１μｍに設定してある。
幅約３μｍのストライプ状のＳｉＯ2 膜４２を残して除
去する。（図６（ａ））。多重量子井戸構造の活性層
は、これのウエル層をＧａu Ｉｎ1-u Ａｓv Ｐ1-v （ｕ
＝０．３１，ｖ＝０．６６）、バリア層をＧａx Ｉｎ
1-x Ａｓy Ｐ1-y （ｘ＝０．１５，ｙ＝０．３１）で構
成する。活性層の井戸数は１０とする。なお、ウエル層
とバリア層の組成は、波長に換算してそれぞれ１．３６
μｍと１．１μｍに設定してある。
【００５４】つぎに、氷水で十分に冷却したブロムメタ
ノール（Ｂｒ2 ：メタノール＝２．５：１０００）で、
ストライプＳｉＯ2 膜４２をマスクとしてＩｎＧａＡｓ
キャップ層４０表面からｎ型ＩｎＰ基板２４までエッチ
ングする。エッチングは、ブロムメタノルールを撹拌し
ながら約５分間行い、ＩｎＧａＡｓキャップ層４０表面
からの深さが約２．０μｍ、ストライプＳｉＯ2 膜４２
のサイドエッチング量（アンダーカット）が１．０５μ
ｍのメサを形成する（図６（ｂ））。
ノール（Ｂｒ2 ：メタノール＝２．５：１０００）で、
ストライプＳｉＯ2 膜４２をマスクとしてＩｎＧａＡｓ
キャップ層４０表面からｎ型ＩｎＰ基板２４までエッチ
ングする。エッチングは、ブロムメタノルールを撹拌し
ながら約５分間行い、ＩｎＧａＡｓキャップ層４０表面
からの深さが約２．０μｍ、ストライプＳｉＯ2 膜４２
のサイドエッチング量（アンダーカット）が１．０５μ
ｍのメサを形成する（図６（ｂ））。
【００５５】つづいて、ストライプＳｉＯ2 膜４２を選
択成長用のマスクとして用い、減圧ＭＯＶＰＥ法によ
り、メサの両側面にＺｎドープｐ型ＩｎＰ埋込層２５
（厚さ約１μｍ）を堆積し、さらに、このｐ型ＩｎＰ埋
込層２５の外側にｎ型ＩｎＰ埋込層３０（厚さ約１μ
ｍ）を堆積する（図６（ｃ））。この際、ｐ型ＩｎＰ埋
込層２５およびｎ型ＩｎＰ埋込層３０はメサの下部から
上部に向かうにつれて徐々に薄くし、これらの上面が第
２クラッド層２の上面と略平行になるようにする。
択成長用のマスクとして用い、減圧ＭＯＶＰＥ法によ
り、メサの両側面にＺｎドープｐ型ＩｎＰ埋込層２５
（厚さ約１μｍ）を堆積し、さらに、このｐ型ＩｎＰ埋
込層２５の外側にｎ型ＩｎＰ埋込層３０（厚さ約１μ
ｍ）を堆積する（図６（ｃ））。この際、ｐ型ＩｎＰ埋
込層２５およびｎ型ＩｎＰ埋込層３０はメサの下部から
上部に向かうにつれて徐々に薄くし、これらの上面が第
２クラッド層２の上面と略平行になるようにする。
【００５６】しかる後、ふっ酸を用いてストライプＳｉ
Ｏ2 膜４２を除去した後、燐酸と過酸化水素の混合液
（燐酸：過酸化水素液＝５：１）を用いてＩｎＧａＡｓ
キャップ層４０を除去する。その後、減圧ＭＯＶＰＥ法
により、この素子の上面にｐ型ＩｎＰ第３クラッド層５
２（厚さ約１．５μｍ）、Ｚｎドープｐ型ＧａＩｎＡｓ
コンタクト層２９（厚さ約０．５μｍ）を順次形成す
る。最後に、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層２９上面と
ＩｎＰ基板２４下面に電極２８，２７を形成して、図１
に示した埋込型半導体レーザを得ることができる（図６
（ｄ））。なお、図１に示した図面上側のクラッド層２
は、詳細な一例としての図６ではクラッド層２２及び５
２として示される。
Ｏ2 膜４２を除去した後、燐酸と過酸化水素の混合液
（燐酸：過酸化水素液＝５：１）を用いてＩｎＧａＡｓ
キャップ層４０を除去する。その後、減圧ＭＯＶＰＥ法
により、この素子の上面にｐ型ＩｎＰ第３クラッド層５
２（厚さ約１．５μｍ）、Ｚｎドープｐ型ＧａＩｎＡｓ
コンタクト層２９（厚さ約０．５μｍ）を順次形成す
る。最後に、ｐ型ＧａＩｎＡｓコンタクト層２９上面と
ＩｎＰ基板２４下面に電極２８，２７を形成して、図１
に示した埋込型半導体レーザを得ることができる（図６
（ｄ））。なお、図１に示した図面上側のクラッド層２
は、詳細な一例としての図６ではクラッド層２２及び５
２として示される。
【００５７】以上のように、上述の埋込型半導体レーザ
は、（ａ）半導体基板（例えば、Ｓｎドープのｎ型Ｉｎ
Ｐ基板）上に形成された第１導電型の第１クラッド層
（例えば、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＰ層）と、（ｂ）第１
クラッド層上に形成された第１光ガイド層（例えば、ノ
ンドープＧａ a Ｉｎ 1-a Ａｓ b Ｐ 1-b 層（ａ＝０．１
５，ｂ＝０．３１））と第１光ガイド層上に形成された
多重量子井戸構造の活性層（例えば、井戸数１０、ウエ
ル層厚約６０オングストロームのＧａ u Ｉｎ 1-u Ａｓ v
Ｐ 1-v 層（ｕ＝０．３１，ｖ＝０．６６）、バリア層厚
約１５０オングストロームのＧａ x Ｉｎ 1-x Ａｓ y Ｐ
1-y 層（ｘ＝０．１５，ｙ＝０．３１））と活性層上に
形成された第２光ガイド層（例えば、ノンドープＧａ c
Ｉｎ 1-c Ａｓ d Ｐ 1-d 層（ｃ＝０．１５，ｄ＝０．３
１））とより構成される光導波層と、（ｃ ）第２光ガイ
ド層上に形成された第２導電型の第２クラッド層（例え
ば、ｐ型ＩｎＰ層）と、（ｄ）ストライプ構造とされた
前記光導波層の両側面に接して設けられた埋込層（例え
ば、ｐ型ＩｎＰ層とｎ型ＩｎＰ層との積層構造の埋込
層）とを備え、活性層の発光波長が略１．３μｍであ
り、活性層の幅が０．７μｍ以上１．０μｍ未満である
こととした。
は、（ａ）半導体基板（例えば、Ｓｎドープのｎ型Ｉｎ
Ｐ基板）上に形成された第１導電型の第１クラッド層
（例えば、Ｓｉドープのｎ型ＩｎＰ層）と、（ｂ）第１
クラッド層上に形成された第１光ガイド層（例えば、ノ
ンドープＧａ a Ｉｎ 1-a Ａｓ b Ｐ 1-b 層（ａ＝０．１
５，ｂ＝０．３１））と第１光ガイド層上に形成された
多重量子井戸構造の活性層（例えば、井戸数１０、ウエ
ル層厚約６０オングストロームのＧａ u Ｉｎ 1-u Ａｓ v
Ｐ 1-v 層（ｕ＝０．３１，ｖ＝０．６６）、バリア層厚
約１５０オングストロームのＧａ x Ｉｎ 1-x Ａｓ y Ｐ
1-y 層（ｘ＝０．１５，ｙ＝０．３１））と活性層上に
形成された第２光ガイド層（例えば、ノンドープＧａ c
Ｉｎ 1-c Ａｓ d Ｐ 1-d 層（ｃ＝０．１５，ｄ＝０．３
１））とより構成される光導波層と、（ｃ ）第２光ガイ
ド層上に形成された第２導電型の第２クラッド層（例え
ば、ｐ型ＩｎＰ層）と、（ｄ）ストライプ構造とされた
前記光導波層の両側面に接して設けられた埋込層（例え
ば、ｐ型ＩｎＰ層とｎ型ＩｎＰ層との積層構造の埋込
層）とを備え、活性層の発光波長が略１．３μｍであ
り、活性層の幅が０．７μｍ以上１．０μｍ未満である
こととした。
【００５８】かかる構造によれば、埋込型半導体レーザ
は、−４５〜＋８５℃の温度範囲内において、活性層の
幅が１．０μｍ未満であるので、安定なモードで動作で
きる。また、活性層の幅が０．７μｍ以上であることと
したので、埋込型半導体レーザの閾値電流を７ｍＡ以下
にすることができる。活性層の井戸数が４乃至１０であ
っても同様の作用を奏する。
は、−４５〜＋８５℃の温度範囲内において、活性層の
幅が１．０μｍ未満であるので、安定なモードで動作で
きる。また、活性層の幅が０．７μｍ以上であることと
したので、埋込型半導体レーザの閾値電流を７ｍＡ以下
にすることができる。活性層の井戸数が４乃至１０であ
っても同様の作用を奏する。
【００５９】
【発明の効果】以上の通り、本発明に係る埋込型半導体
レーザによれば、−４５〜＋８５℃の温度範囲内におい
て、このレーザは安定なモードで動作できるので、ペル
チェクーラー等の温度調節素子を備えなくても、６２２
Ｍｂｐｓの高いビットレートでファイバ長１５ｋｍまで
の光ファイバ通信が可能である。（ＣＣＩＴＴ規格
Ｇ．９５７による）また、活性層の厚さが０．７μｍ以
上であることとしたので、埋込型半導体レーザの閾値電
流を７ｍＡ以下にすることができ、消費電力を低減させ
ることができる。
レーザによれば、−４５〜＋８５℃の温度範囲内におい
て、このレーザは安定なモードで動作できるので、ペル
チェクーラー等の温度調節素子を備えなくても、６２２
Ｍｂｐｓの高いビットレートでファイバ長１５ｋｍまで
の光ファイバ通信が可能である。（ＣＣＩＴＴ規格
Ｇ．９５７による）また、活性層の厚さが０．７μｍ以
上であることとしたので、埋込型半導体レーザの閾値電
流を７ｍＡ以下にすることができ、消費電力を低減させ
ることができる。
【図１】本発明の一実施例に係る埋込型半導体レーザの
縦断面図である。
縦断面図である。
【図２】本発明の一実施例に係る埋込型半導体レーザの
モード不安定発生率の活性幅依存性を示す図である。
モード不安定発生率の活性幅依存性を示す図である。
【図３】本発明の一実施例に係る埋込型半導体レーザの
閾値電流の活性層幅依存性を示す図である。
閾値電流の活性層幅依存性を示す図である。
【図４】本発明の一実施例に係る埋込型半導体レーザの
発振スペクトルを示す図である。
発振スペクトルを示す図である。
【図５】従来の埋込型半導体レーザの発振スペクトルを
示す図である。
示す図である。
【図６】図１に示す埋込型半導体レーザの製造方法を説
明するための説明図である。
明するための説明図である。
【図７】活性層の幅が１．０μｍ以上の場合の発振スペ
クトルの温度依存性を示す図である。
クトルの温度依存性を示す図である。
４…基板、１…第１クラッド層、１１…第１光ガイド
層、３…活性層、２…１２…第２光ガイド層、第２クラ
ッド層、５，１０…埋込層。
層、３…活性層、２…１２…第２光ガイド層、第２クラ
ッド層、５，１０…埋込層。
Claims (3)
- 【請求項１】 半導体基板上に順次形成された第１導電
型第１クラッド層、第１光ガイド層、多重量子井戸構造
の活性層、第２光ガイド層及び第２導電型第２クラッド
層からなるダブルへテロ構造を有し、室温近傍で横モー
ドが安定に発振し、前記活性層の発光波長が略１．３μ
ｍである埋込型半導体レーザにおいて、 前記活性層の幅が０．７μｍ以上１．０μｍ未満であ
り、 前記光導波層の厚さが０．２μｍ以上０．３μｍ以下で
ある ことを特徴とする埋込型半導体レーザ。 - 【請求項２】 前記活性層の井戸数が４乃至１０である
ことを特徴とする請求項１に記載の埋込型半導体レー
ザ。 - 【請求項３】 前記半導体基板が、ｎ型ＩｎＰ基板であ
り、前記第１クラッド層が、ｎ型ＩｎＰ層であり、前記
第１光ガイド層および前記第２光ガイド層が、バンドギ
ャップ波長略１．１μｍのＧａＩｎＡｓＰ層であり、前
記多重量子井戸構造の活性層の、ウエル層がバンドギャ
ップ波長略１．３５乃至１．４５μｍで厚さ３０乃至６
０オングストロームのＧａＩｎＡｓＰ層であり、バリア
層がバンドギャップ波長略１．１μｍで厚さ１００乃至
１５０オングストロームのＧａＩｎＡｓＰ層であって、
井戸数が略１０であり、前記第２クラッド層が、ｐ型Ｉ
ｎＰ層であり、前記埋込層がｐ型ＩｎＰ層およびｎ型Ｉ
ｎＰ層の積層構造である、ことを特徴とする請求項２に
記載の埋込型半導体レーザ。
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|---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19856993A JP3331568B2 (ja) | 1993-08-10 | 1993-08-10 | 埋込型半導体レーザ |
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| JPH0758412A JPH0758412A (ja) | 1995-03-03 |
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- 1994-08-05 US US08/286,431 patent/US5436924A/en not_active Expired - Lifetime
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