JP3714984B2 - 分布帰還型半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、単一縦モードで発振する短波長の利得結合分布帰還型半導体レーザ装置(以下、「利得結合DFB−LD」と略す)に関する。
【0002】
【従来の技術】
利得結合DFB−LDは、優れた単一縦モード発振が得られること、戻り光により雑音が生じにくいことといった特徴を有している。特に、概1μmよりも短い波長を持つ、いわゆる「短波長」の利得結合DFB−LDは、光計測装置、高速光伝送装置、光記録装置の光源として重要である。
【0003】
利得結合DFB−LDは、誘導放出光を発生する活性層がその誘導放出光に対して吸収を持たないクラッド層に挟まれたダブルヘテロ接合構造を有しており、活性層近傍に回折格子を備えており、活性層が発生する誘導放出光の利得が回折格子によって周期的に変化することによって光の分布帰還が生じてレーザ発振が生じる機構(これを「利得結合」と呼ぶ)を有している。
【0004】
回折格子によって誘導放出光の利得を周期的に変化させる方法としては、活性層の利得そのものを周期的に摂動させる方法(利得性回折格子)と、活性層近傍に光吸収層を周期的に形成することによって実効的に利得の周期的摂動が生じる構造(吸収性回折格子)とが実現されている。後者に関しては、特公平6−7624に基本となる構造が示されており、活発に研究されている。
【0005】
当初、吸収性回折格子を有する利得結合DFB−LDに関しては、利得の周期的摂動を生じさせるのに不可欠となる周期的な光吸収層の導入の為に、誘導放出光そのものが吸収によって損失し、レーザ発振に必要な電流が通常よりも余分に必要となる問題点を有していた。つまり、単一縦モード発振特性を向上させる為に周期的な光吸収層を過剰に導入しすぎると、その周期的な光吸収層による損失の為にレーザ発振の効率が悪くなるという相反する事象を含んでいたのである。しかしながらこの問題に対しては、デューティの小さな吸収性回折格子を導入することによって、単一縦モード発振特性を向上させることとレーザ光の損失を小さく抑えることとを両立させることができるという概念がIEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.3, NO.5(1991),P.439(以下、文献1)によって初めて指摘された。なお、ここでの「デューティ」とは、周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合(体積比)のことを示す。特に断面が矩形の場合には、Λを回折格子の一周期の長さ、Wを一周期における光吸収層の幅であるとすると、D=W/Λ(0≦D≦1)で与えられる値のことである。この文献1での指摘以降、短波長領域における吸収性回折格子を有する利得結合DFB−LDでは、デューティの小さな吸収性回折格子が用いられている。
【0006】
図8は活性層近傍に周期的な光吸収層を形成することによって実効的に利得の周期的摂動が生じる構造とした、従来の短波長の利得結合DFB−LDの構造を示す図である(IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL4,NO.7,1992,P.692より)。すなわち、n−GaAs基板801上にn−Al0.45Ga0.55Asクラッド層802を1.0μm、un−GaAs活性層803を0.09μm、p−Al0.45Ga0.55Asキャリアバリア層804を0.1μm、p−Al0.3Ga0.7As第1ガイド層805を0.1μm、n−GaAs光吸収層806を50nm、有機金属気相成長法(MOCVD法)により連続的に結晶成長した後、二光束干渉露光法並びにウエットエッチング法により回折格子807を形成し、その上にp−Al0.25Ga0.75As第2ガイド層808を0.1μm、p−Al0.45Ga0.55Asクラッド層809を1.0μm、p−GaAsコンタクト層810を0.5μmの結晶成長を行い、素子を作製している。発振波長は880nmであり、回折格子の次数は3次となっている。
【0007】
また、この例では、図中のD=W/Λで定義される断面が矩形の回折格子のデューティは0.15〜0.20の範囲の小さな値で作製されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来例に見られるように、周期的吸収層を有する短波長の利得結合DFB−LDに於ては、単一縦モード発振特性を向上させることとレーザ光の損失を小さく抑えることとを両立させる為に、回折格子のデューティを0.1〜0.2程度の小さな値に高精度に制御されてきた。しかしながら、二光束干渉露光法(2つのレーザ光線の干渉縞をホトレジストに転写することによって半導体基板上に回折格子のパターンを得る方法)で回折格子のデューティを小さな値に高精度に制御することは容易ではなかった。その結果、回折格子の作製時の再現性が悪い為に素子の作製歩留まりが低下し、素子特性の再現性にも大きな問題があった。一般に上記の方法で作製される回折格子のデューティとして最も作製しやすい値は0.5であるにもかかわらず、0.1〜0.2といった作製しにくい値を制御して作製することには原理的に大きな困難さを含んでいる。回折格子のデューティを制御しやすく、かつ単一縦モード特性の向上とレーザ光の損失を小さく抑さえることとを両立することができる構造を実現することが課題となる。
【0009】
また、従来の周期的吸収層を有する利得結合DFB−LDに於ては、光吸収層として活性層に比較的近い禁制帯幅を有する半導体層が用いられてきた。この場合には、誘導放出光が周期的吸収層で吸収されるときの吸収の程度を示す「吸収係数」が吸収層内の不純物添加量・不純物の種類・吸収層内の光密度・混晶活性層の組成ばらつきによる誘導放出光の波長(つまり「光エネルギー」)のばらつきに強く影響され、素子の特性にばらつきが生じるほか、素子をレーザ発振させた時にその出力によって光吸収層の吸収係数が大きく変化する(多くの場合減少する)ことによって単一縦モード特性が変動する(多くの場合低下する)問題があった。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る分布帰還型半導体レーザ装置は、活性層近傍に光分布帰還を与える周期構造を備え、該周期構造が、前記活性層から発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的に変化する構造を含む利得結合分布帰還型半導体レーザにおいて、前記誘導放出光の波長が1μmよりも短く、前記周期構造が、前記誘導放出光に対して一次の次数を有する周期的吸収層を有してなり、前記周期構造における実効的なデューティD(ここで、周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合をDとする)が0.4以上0.8以下であることを特徴とするものである。
【0011】
本発明に係る分布帰還型半導体レーザ装置は、
前記周期的吸収層の実効的なデューティD(ここで、周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合をD(0≦D≦1)とする)が略0.5であることを特徴とするものである。
【0012】
前記周期的吸収層の厚さは、6nm以上30nm以下であることが好ましい。
【0013】
前記利得結合分布帰還半導体レーザは、GaAs基板の上に形成することができる。
【0014】
前記周期的吸収層は、一次の次数を有する回折格子で形成され、その断面形状が略矩形であることが好ましい。
前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅が、前記活性層の実効的な禁制帯幅より小さく、かつ、前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅と前記活性層の実効的な禁制帯幅との差が0.126eV以上であることが好ましい。
前記活性層がバルク状AlxGa1-XAsで形成され、前記周期的光吸収層がバルク状AlyGa1-yAsで形成されるとき、x−y≧0.1であることが好ましい。
【0015】
【作用】
本発明においては、前記誘導放出光の波長が1μmよりも短く、前記周期構造が、前記誘導放出光に対して一次の次数を有する周期的吸収層を有してなるものとし、このとき、前記周期的吸収層の実効的なデューティDが0.4以上0.8以下とし、かつ前記周期的吸収層の厚さが6nm以上30nm以下とである構成とすることにより、単一軸モード発振特性の向上とレーザ光の損失をより小さく抑えることとの両方が達成される。
【0016】
更に、上記本発明において、前記周期的吸収層の実効的なデューティDが略0.5である構成とすることにより、単一軸モード発振特性の向上とレーザ光の損失をより小さく抑えることとの両方がより最適に達成できる。
【0017】
更に、上記本発明において、前記周期的吸収層が、一次の次数を有する回折格子で形成され、その断面形状が略矩形である構成とすることにより、実効的なデューティがほぼ0.5である一次の回折格子のなかで、最も利得結合を強く生ぜしめることが可能になる。
【0018】
更に、上記本発明において、前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅が、前記活性層の実効的な禁制帯幅より小さく、かつ、前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅と前記活性層の実効的な禁制帯幅との差が0.126eV以上である構成とすることにより、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数が、その周期的光吸収層内の光密度や光エネルギーや不純物密度に依存することがなくなる。
【0019】
更に、上記本発明において、前記活性層がバルク状AlxGa1-xAsで形成され、前記周期的光吸収層がバルク状AlyGa1-yAsで形成されるとき、x−y≧0.1である構成とすることにより、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数が、その周期的光吸収層内の光密度や光エネルギーや不純物密度に依存することがなくなると同時に、AlzGa1-zAs(0≦Z≦1)半導体の積層時に重要な因子となる格子定数を一定に保ったまま、任意の禁制帯幅を選択することが可能になる。
【0020】
図9に、二光束干渉露光法の概念図を示す。図9(a)に見られるように、904と905で示される2つのレーザ光線を、半導体基板901上に形成されたホトレジスト902の上に照射すると、903で示されるような正弦波状の光強度分布を有する周期的な干渉縞が生る。この縞模様をホトレジストに露光することで半導体基板901上に周期的な縞模様を有する回折格子のパターンを転写することができる。干渉縞を用いて、例えばポジ型のホトレジストを露光する場合、従来の小さなデューティの回折格子を作製する場合には、図9(b)中でIBで示されている光強度を閾値露光量として露光することよって小さなデューティを持つ回折格子のパターンを得ることになり、他方、デューティ0.5の回折格子のパターンを得るためにはIAを閾値露光量として露光することになる。ここで問題となることは、現実にはレジストの感度の日毎の変化やプロセス上のばらつき等により閾値露光量は常に一定値とは限らないことであり、IA,IBといった閾値露光量はその値を中心として±Δの範囲で変動することになる。IAの様に正弦波状の光分布の中心の露光量を閾値露光量とした場合、この部分が最もコントラストが高くとれる閾値露光量であるとともに、IAが±Δの範囲で変動した時のレジスト幅の変動の割合が最も小さくなる閾値露光量であるために最も制御が容易となる。他方、IBの様に正弦波の谷底付近が閾値露光量の場合、IBが±Δの範囲で変動したときのレジストパターンの変動量は最も大きくなり、また、IBが図9(b)における「下方向(つまり、IB−Δ)」に変動した場合にはレジストが完全に消失してしまうという最悪の状態となる危険性を含んでいる為に制御が大変難しい。
【0021】
本発明においては、周期的吸収層をなす回折格子の実効的なデューティは0.5に制御されていることが好ましい。というのも、回折格子のデューティは0.5が最も作成し易く、尚且つ利得結合が強く生じる値であるからである。また、この周期的吸収層の実効的なデューティは0.4以上0.8以下の程度の範囲でばらついていても、素子間やロット間の実効的なデューティの中心値または平均値が略0.5であれば実質的に0.5に制御されていると考えることができる。本願発明による構成では、従来の0.1〜0.2といった小さなデューティとは異なり、回折格子のデューティを0.5前後の値とすることによって、回折格子の作製が容易になっており、工業上有効である。
【0022】
ところで、デューティ0.5の回折格子を用いた場合には、従来例の中で述べた、単一縦モード発振特性の向上とレーザ光の損失を小さく抑えることとの両立を満足させる構造に関して十分に最適化を行う必要が生じる。ここで、単一縦モード発振特性の程度を示す指標として、次式
【0023】
【数1】
【0024】
で定義される利得結合定数κg(κgが大きい方が単一縦モード特性が良い)を導入し、また、レーザ光の損失の程度を示す指標として、次式
【0025】
【数2】
【0026】
で定義される周期的吸収層による平均吸収損失α0(α0が小さい方がレーザ光の損失が少ない)を導入する。単一縦モード性を表すκgと損失を表すα0には、図10に示される様な一定の関係がある。(ただし、図中では回折格子のデューティは0.5、回折格子の形状は矩形を仮定している。)回折格子の次数に関して着目すると、回折格子の次数が小さい程、単一縦モード性を表すκgを大きくしながら損失を表すα0を小さくすることができ、単一縦モード発振特性の向上とレーザ光の損失を小さく抑えることとの両立の為には一次の回折格子が最も望ましいことが分かる。式(1'),(2)より、α0は周期的吸収層の厚さdabsと共に単調に増加することになり、図10の横軸は周期的吸収層の厚さdabsに読み変えることができる。つまり、ある特定のκg(つまり、ある良好な単一縦モード特性)を得る為に必要な周期的吸収層の厚さは回折格子の次数によって異なり、低次の回折格子ほど吸収層を薄くすることができ、吸収層が薄い事によって損失α0が十分に小さくなると理解される。よって、上記本発明構成である一次の回折格子と、薄い範囲の吸収層を用いることで「単一縦モード発振特性の向上」と「レーザ光の損失を小さく抑える」こととの両立が達成される効果が生じることになる。
【0027】
この周期的吸収層の厚さに関して最適な範囲を実験的に検討したところ、6nm〜30nmの範囲の十分に薄い周期的吸収層とすることで、上記の効果が達成される事を確かめた。6nmよりも薄い場合には、一次の回折格子でも十分なκgが得られなくなるために単一縦モード発振特性が悪化し、30nmよりも厚い場合には損失αoが大きくなりすぎるためにレーザ発振に必要な電流が大幅に増加することになり、不適当である。
【0028】
【実施例】
図1は本発明の第一の実施例の利得結合DFB−LDの構造を示す図である。この実施例は、まず、n−GaAs基板101上にn−Al0.6Ga0.4Asクラッド層102を1μm、un−Al0.13Ga0.87As活性層103を0.08μm、p−Al0.5Ga0.5Asキャリアバリア層104を0.2μm、p−Al0.25Ga0.75As第一ガイド層105を0.058μm、n−GaAs光吸収層106を12nmを、有機金属気相成長法を用いた第一回目のエピタキシャル成長により形成する。続いて、成長層の最上層である光吸収層106上に、希釈したポジ型レジストを約50nm塗布した後、屈折率1.54を持つプリズムを通した二光束干渉露光によってピッチ0.11μmを持つレジストマスクを作製する。引き続いて塩酸/過酸化水素水/純水の混液によるウエットエッチングにより深さ0.03μmの矩形形状回折格子107を作製する。このときの回折格子のデューティは、約0.5であった。次にこの上に第二回目のエピタキシャル成長によりp−Al0.25Ga0.75As第二ガイド層108を0.03μm、p−Al0.75Ga0.25As上クラッド層109を0.8μm、p+−GaAsコンタクト層110を0.5μm、第二回目のエピタキシャル成長により形成する。凹凸をもつ回折格子の上に、第二回目のエピタキシャル成長によって混晶比x=0.3以下のAlxGa1-xAsを最初に再成長することによって回折格子が平坦に埋め込まれ、その上に成長する上クラッド層の結晶性が向上する。
【0029】
次に、ホトリソグラフィーを用いて幅3μmのストライプ状のレジストマスクを形成し、ウエットエッチングを用いてp+−GaAsコンタクト層110とp−Al0.75Ga0.25As上クラッド層109を幅3μmのストライプ状に残して部分除去し、第二ガイド層108の最表面をエッチング停止層とすることで深さの制御性に優れたリッジ構造を作製することができる。リッジ形状を作製した後、表面全面にプラズマCVD法により窒化珪素の絶縁膜111を約0.2μm形成した後、リッジの頂上の絶縁膜だけを除去する。最後に基板101の裏面を厚さ約100μmにまで薄層化し、表面、裏面に電極112,113を真空蒸着により形成して、素子が完成する。
【0030】
素子は0〜100℃の温度範囲で単一縦モード発振が見られた。室温における閾値電流は素子長250μmの時に30mA,効率は0.35W/Aと、良好であった。
【0031】
本実施例の構成に於ては、κgは20cm-1,αoは55cm-1であり、単一縦モード発振を生じる利得結合DFB−LDとして機能するのに十分に大きなκgと、発振閾値電流が十分に小さくなるだけの小さなαoになっていた。
【0032】
図1に示された構造において、他の構造はそのままとし、吸収層106の厚さdabsだけを種々の大きさに変化させた構造を作製し、そのκgとαoを見積もった結果を図2に示す。κgとαoは共に、dabsの増加と共に単調に増加する。dabsが6nmよりも薄いもの、つまりκgが9cm-1よりも小さい素子では、単一縦モード発振を得ることができなかった為、dabsは少なくとも6nm以上であることが要求されことがわかった。他方、dabsが30nmよりも厚いもの、つまりαoが275cm-1を超える素子では、発振閾値電流が500mAを超えると共に、効率が0.01W/Aを下回る低い値に留まり、動作電力が著しく上昇して実用にならなかった為、dabsは30nm以下にする必要があった。dabsが6nm以上30nm以下の範囲であれば、吸収性回折格子の厚さが非常に薄いにもかかわらず一次の回折格子であることからκgとして大きな値を確保することができ、かつ、吸収層厚が薄い為に損失αoが低く抑さえて小さな電流で動作する構造が実現されることになる。より最適な値としては、κgとして20cm-1以上あることが望ましく、αoとしては110cm-1以下であることが望ましかった。このことから、dabsは12nm以上20nm以下がより好ましい範囲となる。
【0033】
図3(a),(b)に、図1に示された構造の素子において、二光束干渉露光法による回折格子作製時に閾値露光量がばらつき、作製された回折格子のデューティが狙いの0.5から変化した素子のκgとαoの変化の様子を示す。本実施例では回折格子のデューティは0.5であったが、たとえ回折格子のデューティが0.4〜0.8の範囲でばらついたとしても、狙いのκg(デューティ0.5で20cm-1)の80%以上の値が確保され、予め設計された特性をもつ利得結合DFB−LDとして機能するのに十分である。このことは、本発明では回折格子のデューティが0.5を中心とする作製が容易な値であるとともに、作られる素子側でもデューティが0.4〜0.8の範囲のばらつきが許容されて制御性に対する要求が緩くなっており、作製方法側・素子構造側の両面から再現性に優れた構造であることが示される結果となっている。なお、本実施例では光吸収層106の導電型が周囲の層と反転しているが、周囲の層と同じ導電型であっても上記の効果は同じである。
【0034】
比較の為に、図1に示された構造に対し、他の構造をそのままにして、従来例に見られる3次の回折格子を適用した場合、κgを稼ぐ為に吸収層の厚さを0.06μmにまで厚くする必要がある。図4(a),(b)に0.06μmの吸収層を有する3次の回折格子を適用した場合の回折格子のデューティとκg,αoの相関を示す。吸収層が厚いために過剰なαoの影響が大きく、最も作製しやすい回折格子のデューティ0.5ではαoが320cm-1にも達する為に実用にはならない。αoを抑さえるためにデューティを0.1〜0.3付近に収まる低デューティ構造にする必要がある。この場合、狙いのκg値(デューティ0.175で20cm-1)の80%以上の値を確保する為にはデューティを0.12〜0.25の範囲に制御する必要がある。特にデューティ0.33付近でκgがゼロにまで落ち込む点が存在し、作製プロセスの制御性に対する要求が厳しくなり、再現性に難が生じ、素子間やロット間の回折格子のデューティのばらつきに弱い構造となってしまう。
【0035】
一方、活性層と光吸収層との組み合わせに関しては、活性層の材料がAl0.14Ga0.86As、光吸収層の材料がGaAsであり、活性層と光吸収層との禁制帯幅の差が0.166eVと大きくなっている。その為に周期的光吸収層の吸収係数が安定し、良好な単一縦モード特性が再現性良く得られた。
【0036】
図5(a)にn型GaAs、(b)にp型GaAsの吸収係数の光エネルギー依存性を示す。半導体レーザの場合には添加する不純物密度は5×1017〜2×1018cm-3程度に制御されており、この範囲におけるGaAsに関してはn型,p型の何れの場合においても光エネルギー1.55eV以下ではGaAsの吸収係数がGaAsに含まれる不純物の密度に大きく依存しており、安定した吸収係数が確保されない。さらに、光エネルギー1.55eV以下ではGaAsの吸収係数が光エネルギーに大きく依存するため、半導体の混晶からなる活性層の混晶比が素子間やロット間でばらついた場合、活性層から発生される誘導放出光のエネルギー(つまり波長)が変動し、その為に素子間やロット間で周期的吸収層の吸収係数がばらつく結果となって素子特性の再現性に問題が生じる。一方で光エネルギー1.55eV以上の光に対してはGaAsの吸収係数は不純物密度や光エネルギーに依存せずにほぼ一定値12000〜15000cm-1の大きな値が確保され、素子作製時の再現性、素子動作の安定性に優れる構造となる。GaAsの禁制帯幅は1.424eVであることから、活性層と吸収層との禁制帯幅の差が0.126eV以上あれば上記の効果が期待できることになる。AlGaAsに限らず、(Al,Ga,In)(P,As,N),(Zn,Mg,Cd)(S,Se)等を含む他の材料系に対しても、活性層と光吸収層との禁制帯幅の差が0.126eV以上あれば同様の効果が生じる。活性層・光吸収層のうち少なくとも一方が量子井戸構造の場合、最もエネルギーが低い量子準位間での遷移エネルギーを実効的な禁制帯幅とみなすことで上記が成り立つことから、活性層・光吸収層は量子井戸構造であっても良い。また、本実施例の様に、Al混晶比を変えることで格子定数を一定に保ちながら自由に禁制帯幅を選択することができるAlxGa1-xAs系の材料では、活性層AlxGa1-xAsと周期的光吸収層AlyGa1-yAsとの混晶比の差x−yが0.1以上であることが禁制帯幅の差が0.126eV以上となる条件となり、安定した吸収係数を有する条件に相当する。なお、本実施例では光吸収層106の導電型が周囲の層と反転しているが、周囲の層と同じ導電型であっても上記の効果は同じである。
【0037】
図6は本発明の第二の実施例の利得結合DFB−LDの構造を示す図である。この実施例は、まず、n−GaAs基板601上にn−Al0.55Ga0.45As第一下クラッド層602を1.0μm、Al0.25Ga0.75Asガイド層603を0.1μm、有機金属気相成長法による第一回目のエピタキシャル成長により形成する。成長層の最上層であるガイド層603上に空気中での二光束干渉露光法とウエットエッチングにより2次の三角形状回折格子(ピッチ約0.24μm)を作製する。次にこの上に図7(a)に示すようにフォトレジスト703を二次の三角形状回折格子702の上に形成した後、現像液に浸し、(b)図に示す様にレジストの未感光部の膜減り現象を利用して回折格子のエッチング面を部分的に露出させてから、(c)図に示す様に第二回目のウエットエッチングを用いて回折格子の一部分704をエッチングし、(d)図に示す様に(a)図に示された回折格子の半分の周期、つまり一次の周期(ピッチ約0.12μm)を持つ、深さ約33nmの回折格子705を得る。
【0038】
この回折格子の上に、第二回目のエピタキシャル成長によりn−GaAs光吸収層604を30nm成長する。このとき光吸収層604は図6中に見られるように三角形状の回折格子の谷間だけに結晶成長する。この時、光吸収層による吸収性回折格子は三角形状となる。周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合(体積比)を実効的なデューティD(0≦D≦1)であるとすると、一般にDは式(3)で与えられる。
【0039】
【数3】
【0040】
本実施例での吸収性回折格子の実効的なデューティDはほぼ0.4であった。このような考え方のもとで、吸収性回折格子のデューティは矩形以外の形状に対しても定義される。式(3)で与えられる実効的なデューティDが実質的に0.4〜0.8に制御されていることが本発明の主旨であり、吸収性回折格子の形状には限定されない。
【0041】
次に光吸収層604の上に連続的にn−Al0.45Ga0.55As第二下クラッド層605を0.1μm、un−GaAs/Al0.2Ga0.8Asからなる多重量子井戸活性層606、p−Al0.5Ga0.5As上クラッド層607を1.5μm、p+−GaAsコンタクト層608を0.5μmを第二回目のエピタキシャル成長により形成する。
【0042】
次に、全面に電子ビーム蒸着法によって厚さ0.2μmの酸化硅素の絶縁膜609を蒸着した後、ホトリソグラフィーとウエットエッチングを用いて絶縁膜を幅10μmのストライプ状に除去する。最後に基板601の裏面を厚さ約100μmにまで薄層化し、表面、裏面に電極610,611を真空蒸着で形成して、素子が完成する。
【0043】
素子は0〜80℃の温度範囲で発振波長800nmを有する単一縦モード発振が見られた。室温における閾値電流は150mAであり、一次の吸収性回折格子を採用した効果により十分に低い閾値電流でのレーザ発振が得られた。
【0044】
本実施例の構成に於ては、κgは40cm-1,αoは110cm-1であり、単一縦モード発振を生じる利得結合DFB−LDとして機能するのに十分に大きなκgと、発振閾値電流が十分に小さくなるだけの小さなαoとなっていた。
【0045】
一方、活性層と光吸収層との組み合わせに関しては、活性層の材料がGaAs/Al0.2Ga0.8Asの多重量子井戸、光吸収層の材料がGaAsであり、活性層の最低量子準位と光吸収層との禁制帯幅の差が0.126eVと大きくなっていた。その為に周期的光吸収層の吸収係数が安定し、良好な単一縦モード特性が再現性良く得られた。
【0046】
なお、以上の実施例ではAlGaAsを材料としたものだけを示したが、吸収係数が周期的に変化する構造を含む利得結合DFB−LDであれば、その材料系は上記実施例のものに限定されるものでは無く、(Al,Ga,In)(P,As,N)や(Zn,Mg,Cd)(S,Se)等を含む他の材料系に対しても本発明を適用することができることは言うまでもない。さらに、光伝搬領域に沿ったストライプ状の領域の形状や作製方法に限定が生じるものでは無い。
【0047】
また、屈折率の摂動と利得(損失)の摂動との周期が等しく位相がずれている構造や、周期的光吸収層を光伝搬領域に沿ったストライプ状の領域の外側に配置する構造に対しても本発明を適用することができる。
【0048】
【発明の効果】
請求項1の分布帰還型半導体レーザ装置によれば、良好な単一縦モード特性と十分に小さな吸収損失を得ることができ、制御性、再現性にすぐれた分布帰還型半導体レーザを提供することが可能となる。
【0049】
請求項2の分布帰還型半導体レーザ装置によれば、良好な単一縦モード特性と十分に小さな吸収損失を得ることがより最適に行えるため、再現性にすぐれた分布帰還型半導体レーザを提供することが可能となる。
【0050】
請求項3の分布帰還型半導体レーザ装置によれば、一次の回折格子の内、最も利得結合を強く生ぜしめることができ、より効率のよい分布帰還型半導体レーザを提供することが可能となる。
【0051】
請求項4の分布帰還型半導体レーザ装置によれば、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数がその周期的吸収層内の光密度や光エネルギーや不純物密度に依存せず、その結果、周期的吸収層による利得結合定数が素子間やロット間で安定し、素子特性の再現性が向上するものである。
【0052】
請求項5の分布帰還型半導体レーザ装置によれば、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数がその周期的吸収層内の光密度や光エネルギーや不純物密度に依存せず、その結果、周期的吸収層による利得結合定数が素子間やロット間で安定しすると共に、格子定数のための整合性を考えることなく、素子特性の再現性が向上するものである。
【0053】
すなわち、本発明の利得結合DFB−LDでは、従来低デューティの回折格子が用いられてきた短波長での周期的吸収層を有する利得結合DFB−LDに於て、デューティ0.4〜0.8の一次吸収性回折格子を用い、最適に制御された薄い周期的吸収層を用いることにより、良好な単一縦モード特性と十分に小さな吸収損失を得ることができる効果をもたらせる。
【0054】
また、デューティ0.5付近は回折格子のデューティとして最も作製しやすく、再現性・制御性に優れており、さらに、一次の回折格子の場合にはデューティが0.4〜0.8付近まで大きくばらついても素子の特性には大きな影響はない。つまり、短波長の利得結合DFB−LDに対して、再現性、素子間・ロット間のばらつきに強い構造をもたらせる効果を有する。
【0055】
本発明では、周期的吸収層をもつ利得結合DFB−LDに於て、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数が、その周期的吸収層内の光密度や不純物密度や不純物の種類に依存しない材料からなることから、吸収性回折格子による利得結合定数が素子間やロット間で安定し、素子特性の再現性が向上する効果をもたらせる。上記のような材料は、周期的光吸収層として活性層よりも0.126eV以上実効的な禁制帯幅が狭い半導体材料を用いることで実現が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の利得結合DFB−LDを示す図である。
【図2】周期的吸収層の厚さと利得結合定数κg及び平均吸収損失αoとの相関を示す図である。
【図3】実施例1の利得結合DFB−LDにおける、一次回折格子のデューティと(a)利得結合定数κg,(b)平均吸収損失αoとの相関を示す図である。
【図4】実施例1の利得結合DFB−LDにおける、三次回折格子のデューティと(a)利得結合定数κg,(b)平均吸収損失αoとの相関を示す図である。
【図5】(a)n型GaAs,(b)p型GaAsの吸収係数の光エネルギー依存性を示す図である。
【図6】実施例2の利得結合DFB−LDを示す図である。
【図7】実施例2の利得結合DFB−LDにおける一次回折格子を作製する方法を説明する図である。
【図8】従来の利得結合DFB−LDを示す図である。
【図9】二光束干渉露光法における回折格子の作製過程を示す図である。
【図10】様々な次数の回折格子における利得結合定数κg及び平均吸収損失αoとの相関を示す図である。
【符号の説明】
101 n−GaAs基板
102 n−AlGaAs下クラッド層
103 un−AlGaAs活性層
104 p−AlGaAsキャリアバリア層
105 p−AlGaAs第1ガイド層
106 n−GaAs光吸収層
107 一次矩形回折格子
108 p−AlGaAs第2ガイド層
109 p−AlGaAs上クラッド層
110 p+−GaAsコンタクト層
111 窒化硅素絶縁膜
112 p型用電極
113 n型用電極
601 n−GaAs基板
602 n−AlGaAs第一下クラッド層
603 n−AlGaAsガイド層
604 n−GaAs光吸収層
605 n−AlGaAs第二下クラッド層
606 un−GaAs/AlGaAs多重量子井戸活性層
607 p−AlGaAs上クラッド層
608 p+−GaAsコンタクト層
609 酸化硅素絶縁膜
610 p型用電極
611 n型用電極
701 基板
702 2次回折格子
703 レジスト
704 2次回折格子の一部を再エッチングした部分
705 一次回折格子
801 n−GaAs基板
802 n−AlGaAs下クラッド層
803 un−GaAs活性層
804 p−AlGaAsキャリアバリア層
805 p−AlGaAs第1ガイド層
806 n−GaAs光吸収層
807 三次回折格子
808 p−AlGaAs第2ガイド層
809 p−AlGaAs上クラッド層
810 p−GaAsコンタクト層
901 半導体基板
902 ホトレジスト
903 レーザ光線が干渉したの光強度分布
904,905 レーザ光線
Claims (7)
- 活性層近傍に光分布帰還を与える周期構造を備え、該周期構造が、前記活性層から発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的に変化する構造を含む利得結合分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記誘導放出光の波長は、1μmよりも短く、
前記周期構造は、前記誘導放出光に対して一次の次数を有する周期的吸収層を有してなり、
前記周期構造における実効的なデューティD(ここで、周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合をDとする)は、0.4以上0.8以下である
ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ装置。 - 前記周期的吸収層の実効的なデューティD(ここで、周期的吸収層が存在する層内において、その周期毎の吸収領域の割合をD(0≦D≦1)とする)が、0.5である
ことを特徴とする請求項1に記載の分布帰還型半導体レーザ装置。 - 前記周期的吸収層の厚さが、6nm以上30nm以下である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の分布帰還型半導体レーザ装置。 - 前記利得結合分布帰還半導体レーザが、GaAs基板の上に形成されてなるものである
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置。 - 前記周期的吸収層が一次の次数を有する回折格子で形成され、その断面形状が略矩形である
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置。 - 前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅が、前記活性層の実効的な禁制帯幅より小さく、
かつ、前記周期的光吸収層の実効的な禁制帯幅と前記活性層の実効的な禁制帯幅との差が0.126eV以上である
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の分布帰還型半導体レーザ装置。 - 前記活性層がバルク状AlxGa1-XAsで形成され、前記周期的光吸収層がバルク状AlyGa1-yAsで形成されるとき、x−y≧0.1である
ことを特徴とする請求項6に記載の分布帰還型半導体レーザ装置。
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