JP3773880B2 - Distributed feedback semiconductor laser - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測に用いる光を出力する半導体レーザに係わり、特に、単一波長の光を出力する分布帰還型半導体レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信や光計測に用いる光を出力する半導体レーザにおいては、例えば、図13(a)に示すように、半導体基板1上に活性層2及びクラッド層3が積層されており、半導体基板1の下面とクラッド層3の上面との間に電圧を印加すると、活性層2の端面から光4が出力される。しかし、この光4は、詳細に検証すると、図13(b)に示すように、それぞれ波長λが微妙に異なる複数の光の集合とみなせる。
【0003】
そこで、単一波長λ0の光4を出力させるために、図13(c)に示すように、活性層2の隣接位置に光4の出射方向に回折格子5を形成した分布帰還型(Distributed Feedback :DFB)半導体レーザが提唱されている。このように回折格子5が組込まれた分布帰還型半導体レーザにおいては、光導波路の等価屈折率をn、格子間隔をdとすると、この活性層2で発生した多数の波長λを有する光のうち、波長λが、λ=2ndの条件を満たす単一波長λ0(=2nd)の光4aが出力される筈である。
【0004】
しかし、分布帰還型半導体レーザは、図13(c)に示すように内部に形成される回折格子5が光の出射方向に沿って一様な位相連続型の場合には、原理的に単一波長λ0のみで発振する「単一モード発振」は実現せず、図13(d)に示すように、λ=2ndの条件を満たす波長λ0は出力されずに、この波長λ0の左右に別の波長λ+1、λ-1の光が出力される。
【0005】
このような不都合を解消するためには、λ/4シフト構造と呼ばれる光の位相をλ/4だけ移相させる位相シフト構造を回折格子5の途中に形成することで「単一モード発振」を実現している。
【0006】
しかし、途中に位相シフト構造を有する回折格子5は、単純で量産性に優れたレーザ干渉露光法による一括露光作業工程では製造できず、一般的には電子ビーム描画装置を用いて長時間かけて描画する製造方法を採用しているのが実状である。これに対し、レーザ干渉露光法で製造した回折格子でもλ/4シフト構造と同等な効果を得るための技術が特許第1781186号(特公平4―67356号公報)に提案されている。
【0007】
すなわち、この提案された分布帰還型半導体レーザにおいては、図14に示すように、活性層2の下側に、第1、第2の回折格子導波路6a、6bと、第1、第2の回折格子導波路6a、6bを結合する平坦な結合導波路7とを同一面に一体構造で形成している。そして、第1、第2の回折格子導波路6a、6bの各回折格子は、レーザ干渉露光法を用いて仮想的な単一の回折格子の一部を構成するようにそれぞれの位相を整合させて形成している。
【0008】
そして、結合導波路7は、この結合導波路7が第1、第2の回折格子導波路6a、6bと同一構造を有していた場合に対して、伝送する光の位相をπの整数倍からずらす伝送特性を有する。
【0009】
なお、この提案では、「第1の回折格子導波路6aから第2の回折格子導波路6bへ伝送する光の位相をπの整数倍からずらす」としているが、製造された分布帰還型半導体レーザにおいて、単一波長の光が発生する確率が高い構造としては、「第1の回折格子導波路6aから第2の回折格子導波路6bへ伝送する光の位相がπの半奇数倍(π/2、3π/2、5π/2、…)になる」構造であることは明らかである。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図14に示した構造の分布帰還型半導体レーザにおいても、まだ解消すべき次のような課題があった。
【0011】
先ず、第1の回折格子導波路6aから第2の回折格子導波路6bへ伝送する光の位相をπの整数倍からずらす機能を有する結合導波路7の長さLについて詳細に検討する。
【0012】
一般に、結合導波路7において、この結合導波路7を伝送する光の位相がそこに回折格子がある場合と比較してずれるのは、回折格子の有無という光導波路の構造の違いによって、光の伝搬速度に対応する伝搬定数がわずかに異なるためである。光の伝搬定数は伝送する光が感じる等価屈折率nによって決まる。
【0013】
図15を用いて説明すると、第1、第2の回折格子導波路6a、6bの光の伝搬定数と結合導波路7の伝搬定数との差は、結合導波路7の等価屈折率n1と、第1、第2の回折格子導波路6a、6bの平均的な等価屈折率n0との差(n0―n1)に依存する。さらに、この等価屈折率の差(n0―n1)は、結合導波路7の厚みh1と、第1、第2の回折格子導波路6a、6bの各格子相互間に存在する溝の深さを考慮した平均厚みh0との差(h0―h1)に依存する。
【0014】
すなわち、この結合導波路7を伝送する光の位相のずれ量を正確にπの半奇数倍(π/2、3π/2、5π/2…)に近づけるためには、上述した差(h0―h1)を正確に制御する必要がある。
【0015】
しかしながら、図14に示す従来の分布帰還型半導体レーザにおいては、第1、第2の回折格子導波路6a、6bと結合導波路7との断面形状の差は固定されているので、差(n0―n1)は一定値である。
【0016】
その結果、位相ずれ量が、光の波長λ0を2πとした場合において、複数のπの半奇数倍(π/2、3π/2、5π/2、…)のうちの一つのπの半奇数倍に最も近くなるように、結合導波路長Lを設定する必要があり、この結合導波路長Lを任意に選択できなかった。
【0017】
光の出射方向に互いに離間した第1、第2の回折格子導波路6a、6bを有する分布帰還型半導体レーザにおいて、結合導波路長Lが任意に選択できないと、次のような課題が生じる。
【0018】
図16に示すように、結合導波路長Lが短いと、この分布帰還型半導体レーザ内における発生する光の強度分布はほぼ山形波形となる。その結果、この分布帰還型半導体レーザの両端面から出射される光4の出力光強度P0が低下する。その結果、空間的ホールバーニングによる出力低下や線幅劣化が生じやすい。
【0019】
逆に、結合導波路長Lが長いと、分布帰還型半導体レーザ全体の寸法形状が大きくなるのみならず、1枚のウエハで製造できる素子の数が減少し、素子の製造単価が上昇する。
【0020】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、結合層長を任意長に設定可能にでき、その結果、簡単に出力される光の光強度を上昇でき、かつ出力される光のスペクトル線幅を狭くでき、さらに出力される光の単一モード性を向上できる分布帰還型半導体レーザを提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体基板と、この半導体基板の上方に配置され、光の出射方向に結合層を挟んで互いに離間して配設された第1、第2の回折格子層と、この第1、第2の回折格子層及び結合層の上方に配置された活性層と、この活性層の上方に配置されたクラッド層とを備えた分布帰還型半導体レーザに適用される。
【0022】
そして、上記課題を解消するために、本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、第1の回折格子層は、所定の格子間隔dで配列された複数の格子を有する第1の回折格子で構成され、第2の回折格子層は、第1の回折格子の格子間隔と等しい格子間隔dで配列された複数の格子を有する第2の回折格子で構成されている。また、第1の回折格子の格子配列と第2の回折格子の格子配列との間に位相シフト量Δdが存在している。
そして、結合層の光の出射方向の長さLと第1、第2の回折格子層の等価屈折率n 0 と結合層の等価屈折率n 1 との差(n 0 ―n 1 )に基づいて求まる光の伝搬定数の差Bとの積(B・L)に位相シフト量Δdに対応する光の位相シフト量ΔΦを加算して得られる、光が結合層を伝搬する過程で生じる合計の位相のずれ量Φ(=B・L+ΔΦ)が、π/2になるように位相シフト量Δdが設定され、結果として、結合層の長さLを任意に設定可能としている。
【0023】
このように構成された分布帰還型半導体レーザにおいては、光の出射方向に互いに離間して配設された第1の回折格子と第2の回折格子とは仮想的に同一格子間隔(ピッチ)を有するが、位相が連続せずにシフトしている。すなわち、たとえ、第1の回折格子層と第2の回折格子層とが離間せずに連続していたとしても、この空間的な位相シフトの存在にて、第1の回折格子層と第2の回折格子層とを伝搬する光の位相がこの設定された位相シフト量だけずれる。
【0024】
前述したように、第1の回折格子層と第2の回折格子層とを回折格子が形成されていない結合層を介して離間配置することによって、第1の回折格子層と第2の回折格子層とを伝搬する光の位相をずらせることができる。この光の位相のずれ量は、第1、第2の回折格子層と結合層(結合導波路)との間の断面形状の差と結合層の長さLによって定まる。
【0025】
前述したように、第1の回折格子層と第2の回折格子層とを伝搬する光の位相のずれ量がπの半奇数倍(π/2、3π/2、5π/2…)に近くなればよい。よって、第1の回折格子と第2の回折格子との空間的な位相シフト量と、第1、第2の回折格子層と結合層との間の断面形状の差とを調整して、伝搬する光の位相のずれ量Φを、正確にπの半奇数倍(π/2、3π/2、5π/2、…)になる結合層の長さLを複数に亘って設定可能である。すなわち、この分布帰還型半導体レーザの結合層の長さLをほぼ任意に設定可能である。
【0026】
したがって、例えば、結合層の長さLを長く設定することにより、空間的ホールバーニングを抑制し、高電流注入時に高い効率で光を発生させることができるため、この分布帰還型半導体レーザの高効率化を図ることができる。
【0027】
ここで言う位相シフトとは、回折格子領域と平坦な結合層との伝搬定数差に起因する光の位相シフト量が、理想とするπ/2からずれてしまうような構造を余儀なくされる場合に、それを補完するために導入するものである。したがってπ/2やその近傍の量に限定されるものではない。素子の高出力化や狭スペクトル線幅化を優先する場合には、平坦な結合層の長さはできるだけ長くすることが望ましく、伝搬定数差に起因する光の位相シフト量はπ/2より大きくせざるを得なくなるが、この場合は回折格子に負の位相シフトを導入することで相殺することができる。
【0028】
一方、低価格で大量に製造することを優先する場合には、1枚のウエハから取り出せるチップ数(収率)を大きくすることが望ましい。そのためにはチップ長は短くなくてはならない。結合層の長さがチップ長を越えることはできないから、伝搬定数差に起因する光の位相シフト量がπ/2に満たない場合には回折格子に正の位相シフトを導入することでこれを補うことができる。こうして様々な要求に応えられる素子設計の自由度が生み出されるのである。
【0029】
また、別の発明においては、半導体基板と、この半導体基板の上方に配置された活性層と、この活性層の上方に配置され、光の出射方向に結合層を挟んで互いに離間して配設された第1、第2の回折格子層と、この第1、第2の回折格子層及び結合層の上方に配置されたクラッド層とを備えた分布帰還型半導体レーザに適用される。
【0030】
そして、上記課題を解消するために、本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、第1の回折格子層は、所定の格子間隔dで配列された複数の格子を有する第1の回折格子で構成され、第2の回折格子層は、第1の回折格子の格子間隔と等しい格子間隔dで配列された複数の格子を有する第2の回折格子で構成されている。
また、第1の回折格子の格子配列と第2の回折格子の格子配列との間に位相シフト量Δdが存在している。
そして、結合層の光の出射方向の長さLと第1、第2の回折格子層の等価屈折率n 0 と結合層の等価屈折率n 1 との差(n 0 ―n 1 )に基づいて求まる光の伝搬定数の差Bとの積(B・L)に位相シフト量Δdに対応する光の位相シフト量ΔΦを加算して得られる、光が結合層を伝搬する過程で生じる合計の位相のずれ量Φ(=B・L+ΔΦ)が、π/2になるように位相シフト量Δdが設定され、結果として、結合層の長さLを任意に設定可能としている。
【0031】
先の発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層の下方に第1、第2の回折格子層を配設したのに対して、この発明が適用される分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層の上方に第1、第2の回折格子層を配設している。その他の構成は、先の発明の分布帰還型半導体レーザに類似している。
【0032】
したがって、先の発明の分布帰還型半導体レーザとほぼ同じ作用効果を奏することが可能である。
【0033】
なお、活性層の下方に回折格子層を配設する場合においては、n型半導体基板を用いた際に、p側で再成長界面を作る必要がなく、Siのパイルアップによる特性の劣化を防止できる。
【0034】
また、活性層の上方に回折格子層を配設する場合においては、先に活性層を成長した上で回折格子の格子間隔(ピッチ)を設定できる。さらに、成長回数を1回減らすことができる。
【0035】
また、別の発明においては、上述した各発明の分布帰還型半導体レーザにおいて、第1の回折格子の結合効率κ1と、第2の回折格子の結合効率κ2とが互いに異なる値に設定されている。
【0036】
回折格子における結合効率κとは、回折格子を伝搬する光の前進波と後進波との結合の度合いを示す指標であり、結合効率κが高いことは光が回折格子上を進む間に前進波から後進波へ変換される度合いが強いことを示し、結合効率κが低いことは光が回折格子上を進む間に前進波から後進波へ変換される度合いが弱いことを示す。
【0037】
例えば、導波路中の回折格子における格子の体積と隙間を含む格子以外の部分が占める体積との比が大きいほど結合効率κが低くなる傾向を示し、回折格子における格子の屈折率と隙間を含む格子以外の部分の屈折率との差が小さいほど結合効率κが低くなる傾向を示す。
【0038】
第1の回折格子層の回折格子における結合効率κ1と第2の回折格子層の回折格子における結合効率κ2とが異なることは、第1の回折格子層における光の反射率と、第2の回折格子層における光の反射率とが異なることを示す。その結果、第1の回折格子層側の端面から出力される光の量と、第2の回折格子層側の端面から出力される光の量とを異ならせることが可能である。よって、故意に、分布帰還型半導体レーザの一方の端面から出力される光の強度を他方の端面から出力される光の強度に比較して上昇できる。
【0039】
さらに、別の発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、半導体基板はInPで形成され、第1、第2の回折格子層はInGaAsPで形成され、活性層はInGaAsPを含む材質で形成され、クラッド層はInPで形成されている。
【0040】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面を用いて説明する。
(第1実施形態)
図1は本発明の第1実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。
【0041】
n型InPからなる半導体基板11の上面に、n型InGaAsPからなる第1の回折格子層12aと、結合層13と、n型InGaAsPからなる第2の回折格子層12bとが形成されている。第1の回折格子層12aは複数の格子14と格子相互間に存在する複数の隙間15とからなる第1の回折格子16aで構成されている。一方、第2の回折格子層12bは複数の格子14と格子相互間に存在する複数の隙間15とからなる第2の回折格子16bで構成されている。そして、第1、第2の回折格子層12a、12bの間の領域を充填する結合層13は半導体基板11と同一材質で形成されている。
【0042】
図2に示すように、第1、第2の回折格子16a、16bの各格子14と各隙間15は同一形状を有しており、格子間隔dは等しく設定されている。しかし、第1、第2の回折格子16a、16bとの間で空間的に格子配列の位相がΔdの距離だけシフトしている。具体的には、結合層13が存在しなくて、第1の回折格子16aが、図2の点線で示すように、第2の回折格子16bまで延長したと仮定した場合に、第2の回折格子16bの格子配列の位相が第1の回折格子16aの格子配列の位相に比較してΔdだけシフトしている。この位相シフト量Δdは、結合層13の長さLとは独立して、この分布帰還型半導体レーザの製造過程で任意に設定可能である。
【0043】
また、第1、第2の回折格子層12a、12bを構成する各格子14の屈折率は半導体基板11の屈折率より高く設定されている。
【0044】
第1、第2の回折格子層12a、12b及び結合層13の上面には、半導体基板11と同一材料物質からなる緩衝層17が形成されている。なお、結合層13と緩衝層17とは一体形成されている。この緩衝層17の上面に、それぞれ適当な組成のInGaAsPからなる、下側SCH層、MQW層、上側SCH層を含む活性層18が形成されている。この活性層18の上面には、p型InPからなるクラッド層19が形成されている。
【0045】
クラッド層19の上面にp電極20が取付けられ、半導体基板11の下面にはn電極21が取付られている。さらに、光23が出射される活性層18、第1、第2の回折格子層12a、12bの端面には、反射防止膜22a、22bが形成されている。
【0046】
なお、クラッド層19とp電極20との間に、p型InGaAsPあるいはp型InGaAsからなるコンタクト層を介在させることも可能である。
【0047】
このように構成された第1実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいて、p電極20とn電極21との間に電圧を印加すると、活性層18は多波長を有する光を発光するが、この多くの波長を有する光のうち、第1、第2の各回折格子16a、16bの格子間隔dと第1、第2の回折格子層12a、12bの等価屈折率n0とで定まる単一波長λ0を有した光23が選択されてレーザ発振される。
【0048】
この場合、長さLの結合層13の存在、及び第1、第2の回折格子16a、16b相互間の位相シフト量Δdの存在によって、光23の前進波と後退波との位相がπの半奇数倍(π/2、3π/2、5π/2、…)だけずれるので、単一波長λ0を有した光23が出力される。
【0049】
次に、このように構成された第1実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける結合層13の長さLを設定する方法を図2を用いて説明する。
【0050】
光23が長さLの結合層13を伝搬する過程で生じる合計の位相のずれ量Φは、結合層13の長さLに光の伝搬定数の差Bを乗算した値に第1、第2の回折格子16a、16b相互間の位相シフト量Δdに相当する光の位相のずれ量ΔΦを加算した値である。伝搬定数の差Bは、前述したように、第1、第2の回折格子層12a、12bの等価屈折率n0と結合層13の等価屈折率n1との差(n0―n1)の関数f(n0―n1)で表現できる。よって、光の合計の位相のずれ量Φは下式となる。
【0051】
Φ=L・B+ΔΦ=L・[f(n0―n1)]+ΔΦ
この式から、結合層13の長さLは下式となる。
【0052】
L=(Φ―ΔΦ)/f(n0―n1
位相ずれ量Φは光の波長λ0を2πとした場合においてπの半奇数倍(π/2、3π/2、5π/2、…)であるので、複数のπの半奇数倍のうちの任意のπの半奇数倍の選択と、位相シフト量Δdと、等価屈折率の差(n0―n1)を適宜設定することによって、この分布帰還型半導体レーザの結合層13の長さLをほぼ任意に設定可能である。
【0053】
したがって、図3に示すように、結合層13の長さLを長く設定することにより、分布帰還型半導体レーザ内で発生する光23の強度分布特性24における中央部分を広い範囲に亘ってほぼ平坦にでき、光の強度分布特性24全体をなだらかにでき、空間的ホールバーニングを抑制できる。これにより、高電流注入時の出力飽和を抑制できる。
【0054】
その結果として、図4に示すように、分布帰還型半導体レーザの両端面から出射される光23の出力光強度P0を図14に示した従来の分布帰還型半導体レーザの光4の出力光強度P0に比較して大幅に向上でき、印加電流に対する光の出力特性25における直線応答性を、従来の分布帰還型半導体レーザにおける出力特性25aに比較して改善できる。
【0055】
さらに、第1、第2の回折格子層12a、12b相互間に存在する結合層13は、緩衝層17と同一物質で構成され、さらに、第1、第2の回折格子層12a、12bを構成する第1、第2の回折格子16a、16bは、光の出射方向に直交する上面から下面へ貫通する複数の隙間15を有している。一般に、回折格子は、複数の格子と格子相互間に存在する複数の溝とで構成さているが、この実施形態においては、各格子14間の溝が上面から下面へ貫通する隙間15で形成されている。
【0056】
このように、各格子14間の溝を隙間15で構成することによって、この回折格子をエッチングで製造する場合の形状及び寸法の精度が向上する。すなわち、第1、第2の回折格子層12a、12bの等価屈折率n0の素子相互間のバラツキが抑制され一定値に安定する。その結果、位相ずれ量Φの精度が向上し、出力される光23の波長安定性がより一層向上する。
【0057】
なお、この第1実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層18の下方に第1、第2の回折格子層12a、12bを配設しているので、n型半導体基板を用いた際に、p側で再成長界面を作る必要がなく、Siのパイルアップによる特性の劣化を防止できる。
【0058】
(第2実施形態)
図5は本発明の第2実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図1に示す第1実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【0059】
この第2実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第1、第2の回折格子層12a、12bの間に存在する結合層13は第1、第2の回折格子層12a、12bと同一物質で形成されている。さらに、第1実施形態と同様に、第1の回折格子16aと第2の回折格子16bとは空間的に位相シフト量Δdを有する。
【0060】
したがって、この位相シフト量Δdを調整することにより、結合層13の長さLを自由に設定することができる。よって、図1に示す第1実施形態の分布帰還型半導体レーザと同様に、分布帰還型半導体レーザ内で発生する光23の強度分布特性24における中央部分を任意の範囲に亘ってほぼ平坦にでき、光の強度分布特性24全体をなだらかにでき、空間的ホールバーニングを抑制できる。
【0061】
(第3実施形態)
図6は本発明の第3実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図1に示す第1実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明を省略する。
【0062】
この第3実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第1、第2の回折格子層12a、12bの間に存在する結合層13を下部層13aと上部層13bとの2層で構成している。上部層13bは、上側の緩衝層17と同一物質で形成されている。また、下部層13aは第1、第2の回折格子層12a、12bと同一物質で形成されている。
【0063】
このように、第1の回折格子層12a、第2の回折格子層12bとの間に存在する結合層13の下部層13aが、第1、第2の回折格子層12a、12bと同一の物質で形成されているので、第1、第2の回折格子層12a、12bと結合層13との間の境界面において等価屈折率が大きく変化することはなく、この境界面での光の反射を抑制でき、この分布帰還型半導体レーザで発生する光23の単一モード性をより一層向上できる。
【0064】
さらに、第1実施形態と同様に、第1の回折格子16aと第2の回折格子16bとは空間的に位相シフト量Δdを有する。したがって、前述した各実施形態と同様に、結合層13の長さLをほぼ任意に設定可能である。
【0065】
(第4実施形態)
図7は本発明の第4実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図1に示す第1実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【0066】
n型InPからなる半導体基板11の上面に、それぞれ適当な組成のInGaAsPからなる、下側SCH層、MQW層、上側SCH層を含む活性層18が形成されている。この活性層18の上面には、クラッド層19と同一材料物質からなる緩衝層17が形成されている。この緩衝層17の上面に、p型InGaAsPからなる第1の回折格子層12aと、結合層13と、p型InGaAsPからなる第2の回折格子層12bとが形成されている。
【0067】
第1、第2の回折格子層12a、12bを構成する第1、第2の回折格子16a、16bは、それぞれ複数の格子14と格子相互間に存在する複数の隙間15とで構成されており、第1実施形態と同様に、第1の回折格子16aと第2の回折格子16bとは空間的に位相シフト量Δdを有する。第1、第2の回折格子層12a、12bを構成する各格子14の屈折率は半導体基板11の屈折率より高く設定されている。
【0068】
そして、第1、第2の回折格子層12a、12b及び結合層13の上面には、p型InPからなるクラッド層19が形成されている。なお、結合層13bとクラッド層19とは一体形成されている。
【0069】
クラッド層19の上面にp電極20が取付けられ、半導体基板11の下面にはn電極21が取付られている。さらに、単一モードの光23が出射される活性層18、第1、第2の回折格子層12a、12bの端面には、反射防止膜22a、22bが形成されている。
【0070】
なお、クラッド層19とp電極20との間に、p型InGaAsPあるいはp型InGaAsからなるコンタクト層を介在させることも可能である。
【0071】
このように構成された第4実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいて、p電極20とn電極21との間に電圧を印加すると、活性層18は多波長を有する光を発振するが、この波長を有する光のうち、回折格子16の格子間隔dと第1、第2の回折格子層12a、12bの等価屈折率n0とで定まる単一波長λ0からなる光23が選択されてレーザ発振される。
【0072】
この場合、長さLの結合層13、及び第1、第2の回折格子16a、16bの間の空間的な位相シフト量Δdの存在によって、光23の位相がπの半奇数倍(π/2、3π/2、5π/2、…)だけずれるので、確実に単一波長λ0を有した光23が出力される。第1、第2の回折格子層12a、12bに挟まれた結合層13の光23の伝搬方向の長さLは、前述した第1実施形態の分布帰還型半導体レーザと同様に、第1、第2の回折格子16a、16bの間の空間的な位相シフト量Δdと、第1、第2の回折格子層12a、12bと結合層13との断面形状差とで定まる。
【0073】
したがって、前述した第1実施形態の分布帰還型半導体レーザと同様に、結合層13の光23の伝搬方向の長さLを、ほぼ任意の値に設定できるので、図1に示した第1実施形態の分布帰還型半導体レーザとほぼ同様の作用効果を奏することができる。
【0074】
なお、この第4実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、活性層18の上方に第1、第2の回折格子層12a、12bを配設しているので、活性層18から第1、第2の回折格子層12a、12bまでを1回の成長で形成できるので、成長回数を1回減らすことができる。また、先に活性層18を成長した上で第1、第2の回折格子層12a、12bにおける回折格子の格子間隔(ピッチ)を設定できる。
【0075】
(第5実施形態)
図8は本発明の第5実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図7に示す第4実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【0076】
この第5実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザにおいては、第1、第2の回折格子層12a、12bの間に存在する結合層13を下部層13aと上部層13bとの2層で構成している。上部層13bは上側のクラッド層19と同一物質で形成されている。また、下部層13aは第1、第2の回折格子層12a、12bと同一物質で形成されている。さらに、第1、第2の回折格子層12a、12bで形成される第1、第2の回折格子16a、16bの格子14相互間を、上下に貫通する隙間15でなく、貫通しない溝15aとしている。
【0077】
したがって、この第5実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、半導体素子内において、光23の出射方向に存在する第1の回折格子層12a、結合層13、第2の回折格子層12bの全領域に亘って、同一の物質で接続されることになる。よって、図6に示す第3実施形態の分布帰還型半導体レーザとほぼ同様の作用効果を奏することができる。
【0078】
(第6実施形態)
図9は本発明の第6実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図8に示す第5実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【0079】
この第6実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第5実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける第1、第2の回折格子16a、16bの格子14相互間を、上下に貫通する隙間15で形成している。第5実施形態と同様に、第1の回折格子16aと第2の回折格子16bとは空間的に位相シフト量Δdを有する。
【0080】
このように、第1、第2の回折格子16a、16bの格子14相互間を、上下に貫通する隙間15で構成することにより、この回折格子16a、16bをエッチングで製造する場合の形状及び寸法の精度が向上する。
【0081】
また、位相シフト量Δdを調整することにより、結合層13の長さLを長く設定することができるので、布帰還型半導体レーザ内における光の強度分布特性24全体をなだらかにでき、空間的ホールバーニングを抑制できる。
【0082】
(第7実施形態)
図10は本発明の第7実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図である。図1に示す第1実施形態の分布帰還型半導体レーザと同一部分には同一符号を付して重複する部分の詳細説明は省略する。
【0083】
この第7実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第1の回折格子層12aの第1の回折格子16aにおける結合効率κ1と、第2の回折格子層12bの第2の回折格子16bにおける結合効率κ2とが互いに異なる値に設定されている。
【0084】
この第7実施形態の分布帰還型半導体レーザにおいては、第1の回折格子層12aの回折格子16aの一つの格子間隔d内における格子14の体積と隙間15を含む格子14以外の部分が占める体積との割合を示す体積比v1と、第2の回折格子層12bの回折格子16bにおける体積比v2とが互いに異なる値に設定されている。
【0085】
第1、第2の回折格子層12a、12bの各回折格子16a、16bの格子15どうしと、隙間15どうしとが互いに同一材料で形成されているので、屈折率の寄与を考えないと、この各体積比v1、v2が第1、第2の回折格子16a、16bの各結合効率κ1、κ2に対応する。
【0086】
具体的には、結合層13を挟んで互いに離間して配設された第1、第2の回折格子層12a、12bとは、同一格子間隔(ピッチ)dを有するが、第1、第2の回折格子層12a、12bでそれぞれ形成される第1、第2の回折格子16a、16bの形状が互いに異なる。各回折格子16a、16bは、それぞれ一つの格子間隔dにおいては、1個の格子14と1個の隙間15(又は溝)とで構成されるが、この一つの格子間隔d内における格子14の体積と隙間15を含む格子14以外の部分が占める体積との割合を前述したように体積比vとする。この体積比vは、光23の進行方向と一致する方向の格子14の幅、格子14の高さ、及び光23の進行方向と直交する方向の格子14の幅等によって定まる。
【0087】
図10の第7の実施形態においては、第1の回折格子層12aの回折格子16aにおける格子14の光23の進行方向と一致する方向の高さに対して、第2の回折格子層12bの回折格子16bにおける格子14の光23の進行方向と一致する方向の高さを小さな値に設定することによって、第1の回折格子層12aの回折格子16aの体積比v1と、第2の回折格子層12bの回折格子16bの体積比v2とを異ならせている(v1>v2)。よって、第1の回折格子16aの結合効率κ1と第2の回折格子16bの結合効率κ2とが異なる(κ1>κ2)。
【0088】
その結果、第1の回折格子層12aの回折格子16aにおける光の反射率と、第2の回折格子層12bの回折格子16bにおける光の反射率とが異なる。第1の回折格子層12a側の端面から出力される光23aの量と、第2の回折格子層12b側の端面から出力される光23bの量とを異ならせることが可能である。
【0089】
よって、故意に、分布帰還型半導体レーザの一方の端面から出力される光の強度を他方の端面から出力される光の強度に比較して上昇できる。この図10の第7実施形態においては、第2の回折格子層12b側の端面から出力される光23bの強度を、第1の回折格子層12a側の端面から出力される光23aの強度より高く設定される。
【0090】
なお、図10の第7実施形態においては、第2の回折格子層12b側の端面に形成された反射防止膜22bの反射率を、第1の回折格子層12a側の端面に形成された反射防止膜22aの反射率より小さく設定することによって、第2の回折格子層12b側の端面から出力される光23bの強度をより高くしている。この場合、第1の回折格子層12a側の端面に形成された反射防止膜22aは、高反射膜であってもよく、へき開面のままであってもよい。
【0091】
なお、図6、図7、図8、図9の各実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける第1の回折格子層12aの回折格子16aの結合効率κ1と、第2の回折格子層12bの回折格子16bの結合効率κ2とを異ならせることも可能である。
【0092】
図11は、第1の回折格子層12aの回折格子16aの体積比v1(結合効率κ1)と、第2の回折格子層12bの回折格子16bの体積比v2(結合効率κ1)とを異ならせた(v1<v2)分布帰還型半導体レーザの製造方法における各回折格子16a、16b形成までを示す図である。
【0093】
なお、図11においては、図10の第7実施形態の分布帰還型半導体レーザに示すように、活性層18の下側に第1、第2の回折格子層12a、12bが存在する場合について述べる。
【0094】
先ず、図11(a)に示すように、n型InPからなる半導体基板11上に、第1、第2の回折格子層12a、12bとして、組成波長1.08μmのn型InGaAsPを厚さ0.1μm成長してから、その上に電子ビームレジスト(例えば日本ゼオン社製ZEP―520等)を0.2μm厚に塗布する。
【0095】
加熱処理後に電子ビーム描画装置で回折格子パターン描画を行う。図11(b)に、この実施形態における、回折格子16a、16bの格子間隔(ピッチ)dを240nmとした描画パターン及び描画条件を示す。回折格子部分の描画条件は、チップ加工後に出力側となる第1の回折格子層12a(図では左側)ではドーズ量を多く(例えば0.45nC/cm程度)、反対側の第2の回折格子層12bではドーズ量を少なく(0.3nC/cm程度)設定して照射する。周辺部は電子ビームあるいは紫外線照射などにより露光してもよい。
【0096】
そして、描画された回折格子パターンを現像する。図11(c)に示すように、この実施形態においては、現像後のレジストパターンは回折格子16a、16bの格子14相互間の間隙15がドーズ量を多くした部分では140nm程度、少なくした部分では70nm程度となる。
【0097】
この状態で飽和臭素水と燐酸の水溶液を用いて20秒程度エッチングを行う。すると、図11(d)に示すような断面形状となり、この後の結晶成長工程における加熱によって格子14の幅の違いは格子14の高さの違いに転写される。
【0098】
こうして光出射側の回折格子16aの体積比v1が小さく、反対側の回折格子16bの体積比v2が大きい(v1<v2)構造の分布帰還型半導体レーサが作製される。
【0099】
一方、ドーズ量変調以外の方法としては、エッチング時のエッチングレートがウエハ面露出面積に依存して変化すること利用することもできる。すなわち、ウエハ表面のうちレジストや誘電体膜などのエッチング阻害物質に覆われている面積が大きく、エッチングされる部分が小さい場合にはエッチングレートが速く、逆に、広い面積をエッチングする場合はエッチングレートが遅くなる現象が、上記の飽和臭素水と燐酸の水溶液などで知られている。この特徴を利用すれば、図12(a)(b)(c)に示すようなレジストパターンを作製することで体積比vの異なる回折格子を部分的に作製することが可能となる。
【0100】
図12(a)に示すように、周辺部のレジストを除去してからエッチングするとエッチングレートは遅くなる。
【0101】
図12(b)に示すように、光の導波方向に直交する方向への格子パターンの広がりを変えて(例えば20μmと100μm)エッチングレートを制御することも可能である。
【0102】
以上の説明はポジレジストを使用した場合について述べたが、ネガレジストを使用しても同様である。またいずれの場合も、n型InGaAsPに直接レジストを塗布するのでなく、例えば30nm厚程度のn型InP層を介在させ、エッチングを2段階に分けて選択性エッチャントを使用することも可能である。
【0103】
この場合は、レジストをエッチングマスクとして飽和臭素水を含むエッチャントで5秒程度エッチングしてInPを部分的に除去し、露出したn型InGaAsPを、今度は、n型InPをエッチングマスクとして硫酸と過酸化水素を含む水溶液によってエッチングする方法なども可能である。
【0104】
この方法であれば、硫酸と過酸化水素を含む水溶液がInGaAsPのみを選択的にエッチングすることから、特に活性層の上側に回折格子を形成する場合に、エッチングが緩衝層のInPとの界面で停止することから、誤って活性層までエッチングが到達するような事故を防ぐことが可能となる。
【0105】
一方、結合層13の部分は全面的に露出するため、エッチングレートが低くなり、第1、第2の回折格子16a、16bにおける隙間15部分がInPに達するまでエッチングされたとしても結合層13にはn型InGaAsP層(13a)が薄く残りやすい。この層(13a)を完全に除去したい場合には、図12(c)のように周辺部をレジスト等で覆って露出面積を狭め、エッチングレートを上げればよい。
【0106】
いずれにしても、この後の工程でレーザに加工される際、光23の出射方向に沿って幅2〜3μm程度のメサ形状にエッチングされてしまうため、その外側の領域はどのような状態であってもよい。
【0107】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の分布帰還型半導体レーザにおいては、第1、第2の回折格子層における第1、第2の回折格子との間で空間的に格子配列を位相シフトさせている。したがって、結合層の長さを任意長に設定可能となり、簡単に出力される光の光強度を上昇でき、かつ出力される光の波長を高い精度で目的波長に設定でき、さらに出力される光の波長安定性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図2】同実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける結合層の長さの設定方法を説明するための図
【図3】同実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける結合層の長さと光の強度分布特性との関係を示す図
【図4】同実施形態の分布帰還型半導体レーザにおける光の出力特性を示す図
【図5】本発明の第2実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図6】本発明の第3実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図7】本発明の第4実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図8】本発明の第5実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図9】本発明の第6実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図10】本発明の第7実施形態に係わる分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図11】分布帰還型半導体レーザの製造方法を示す図
【図12】分布帰還型半導体レーザの各回折格子を示す図
【図13】分布帰還型半導体レーザの動作原理を説明するための図
【図14】従来の分布帰還型半導体レーザの概略構成を示す断面模式図
【図15】従来の分布帰還型半導体レーザにおける結合導波路長の設定方法を説明するための図
【図16】同従来の分布帰還型半導体レーザの問題点を説明するための図
【符号の説明】
11…半導体基板
12a…第1の回折格子層
12b…第2の回折格子層
13…結合層
13a…下部層
13b…上部層
14…格子
15…隙間
15a…溝
16a…第1の回折格子
16b…第2の回折格子
17…緩衝層
18…活性層
19…クラッド層
20…p電極
21…n電極
22a、22b…反射防止膜
23、23a、23b…光
24…光の強度分布特性
25、25a…光の出力特性
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser that outputs light used for optical communication and optical measurement, and more particularly to a distributed feedback semiconductor laser that outputs light of a single wavelength.
[0002]
[Prior art]
In a semiconductor laser that outputs light used for optical communication or optical measurement, for example, as shown in FIG. 13A, an active layer 2 and a clad layer 3 are stacked on a semiconductor substrate 1. When a voltage is applied between the lower surface and the upper surface of the cladding layer 3, the light 4 is output from the end surface of the active layer 2. However, when this light 4 is verified in detail, it can be regarded as a set of a plurality of lights each having a slightly different wavelength λ, as shown in FIG.
[0003]
So single wavelength λ0As shown in FIG. 13C, a distributed feedback (DFB) semiconductor laser in which a diffraction grating 5 is formed in the emission direction of the light 4 at a position adjacent to the active layer 2 is used. Has been advocated. In the distributed feedback semiconductor laser in which the diffraction grating 5 is incorporated in this way, if the equivalent refractive index of the optical waveguide is n and the grating interval is d, of the light having a large number of wavelengths λ generated in the active layer 2 Λ is a single wavelength λ that satisfies the condition of λ = 2nd0(= 2nd) light 4a is to be output.
[0004]
However, as shown in FIG. 13C, the distributed feedback semiconductor laser is in principle single in the case where the diffraction grating 5 formed therein is a uniform phase continuous type along the light emission direction. Wavelength λ0As shown in FIG. 13D, the wavelength λ that satisfies the condition of λ = 2nd is not realized.0Is not output and this wavelength λ0Another wavelength λ+1, Λ-1Is output.
[0005]
In order to eliminate such inconvenience, a “single mode oscillation” can be achieved by forming a phase shift structure called a λ / 4 shift structure in the middle of the diffraction grating 5 to shift the phase of light by λ / 4. Realized.
[0006]
However, the diffraction grating 5 having a phase shift structure in the middle cannot be manufactured in a batch exposure operation process by a laser interference exposure method that is simple and excellent in mass productivity, and generally takes a long time using an electron beam lithography apparatus. The actual situation is that a manufacturing method for drawing is adopted. On the other hand, Japanese Patent No. 1781186 (Japanese Patent Publication No. 4-67356) proposes a technique for obtaining an effect equivalent to that of a λ / 4 shift structure even in a diffraction grating manufactured by a laser interference exposure method.
[0007]
That is, in the proposed distributed feedback semiconductor laser, as shown in FIG. 14, the first and second diffraction grating waveguides 6a and 6b and the first and second diffraction grating waveguides 6a and 6b are formed below the active layer 2, respectively. A flat coupling waveguide 7 that couples the diffraction grating waveguides 6a and 6b is formed as an integral structure on the same surface. The respective diffraction gratings of the first and second diffraction grating waveguides 6a and 6b are matched in phase so as to form a part of a virtual single diffraction grating using the laser interference exposure method. Formed.
[0008]
The coupled waveguide 7 has a phase of the transmitted light that is an integral multiple of π when the coupled waveguide 7 has the same structure as the first and second diffraction grating waveguides 6a and 6b. The transmission characteristic is shifted from
[0009]
In this proposal, “the phase of light transmitted from the first diffraction grating waveguide 6a to the second diffraction grating waveguide 6b is shifted from an integer multiple of π”, but the distributed feedback semiconductor laser manufactured is manufactured. The structure having a high probability of generating light of a single wavelength is as follows: “The phase of light transmitted from the first diffraction grating waveguide 6a to the second diffraction grating waveguide 6b is a half-odd multiple (π / It is clear that the structure is “2, 3π / 2, 5π / 2,.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the distributed feedback semiconductor laser having the structure shown in FIG. 14 still has the following problems to be solved.
[0011]
First, the length L of the coupling waveguide 7 having a function of shifting the phase of light transmitted from the first diffraction grating waveguide 6a to the second diffraction grating waveguide 6b from an integer multiple of π will be examined in detail.
[0012]
In general, the phase of the light transmitted through the coupling waveguide 7 in the coupled waveguide 7 is shifted as compared with the case where there is a diffraction grating due to the difference in the structure of the optical waveguide such as the presence or absence of the diffraction grating. This is because the propagation constant corresponding to the propagation speed is slightly different. The light propagation constant is determined by the equivalent refractive index n felt by the transmitted light.
[0013]
Referring to FIG. 15, the difference between the light propagation constant of the first and second diffraction grating waveguides 6 a and 6 b and the propagation constant of the coupling waveguide 7 is the equivalent refractive index n of the coupling waveguide 7.1And the average equivalent refractive index n of the first and second diffraction grating waveguides 6a and 6b0Difference from (n0-N1). Furthermore, this equivalent refractive index difference (n0-N1) Is the thickness h of the coupled waveguide 71And an average thickness h considering the depth of the grooves existing between the gratings of the first and second diffraction grating waveguides 6a and 6b.0Difference from (h0―H1).
[0014]
That is, in order to make the amount of phase shift of the light transmitted through the coupling waveguide 7 exactly half-odd times (π / 2, 3π / 2, 5π / 2...), The difference (h0―H1) Must be accurately controlled.
[0015]
However, in the conventional distributed feedback semiconductor laser shown in FIG. 14, the difference in cross-sectional shape between the first and second diffraction grating waveguides 6a and 6b and the coupling waveguide 7 is fixed.0-N1) Is a constant value.
[0016]
As a result, the amount of phase shift is the light wavelength λ.0Is 2π, the coupled waveguide length is closest to the half-odd multiple of one of a plurality of half-odd multiples of π (π / 2, 3π / 2, 5π / 2,...). It is necessary to set L, and this coupled waveguide length L cannot be arbitrarily selected.
[0017]
In the distributed feedback semiconductor laser having the first and second diffraction grating waveguides 6a and 6b separated from each other in the light emitting direction, the following problem occurs when the coupling waveguide length L cannot be arbitrarily selected.
[0018]
As shown in FIG. 16, when the coupled waveguide length L is short, the intensity distribution of the light generated in the distributed feedback semiconductor laser has a substantially chevron waveform. As a result, the output light intensity P of the light 4 emitted from both end faces of this distributed feedback semiconductor laser.0Decreases. As a result, output reduction and line width deterioration are likely to occur due to spatial hole burning.
[0019]
On the contrary, when the coupling waveguide length L is long, not only the size and shape of the entire distributed feedback semiconductor laser is increased, but the number of elements that can be manufactured with one wafer is decreased, and the unit manufacturing cost of the elements is increased.
[0020]
The present invention has been made in view of such circumstances, and the coupling layer length can be set to an arbitrary length. As a result, the light intensity of the output light can be easily increased, and the output light can be increased. An object of the present invention is to provide a distributed feedback semiconductor laser capable of narrowing the spectral line width and further improving the single-mode property of the output light.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention relates to a semiconductor substrate and above the semiconductor substrate.PlacedIn the light exit directionAcross the bonding layerFirst and second diffraction grating layers disposed apart from each other, and the first and second diffraction grating layersAnd bonding layerThe present invention is applied to a distributed feedback semiconductor laser including an active layer disposed above and a cladding layer disposed above the active layer.
[0022]
  In order to solve the above problem, in the distributed feedback semiconductor laser of the present invention,The first diffraction grating layer is composed of a first diffraction grating having a plurality of gratings arranged at a predetermined grating spacing d, and the second diffraction grating layer is a grating equal to the grating spacing of the first diffraction grating. It is composed of a second diffraction grating having a plurality of gratings arranged at intervals d. In addition, a phase shift amount Δd exists between the grating arrangement of the first diffraction grating and the grating arrangement of the second diffraction grating.
  The length L of the coupling layer in the light emission direction and the equivalent refractive index n of the first and second diffraction grating layers 0 And the equivalent refractive index n of the coupling layer 1 Difference from (n 0 -N 1 ) Obtained by adding the light phase shift amount ΔΦ corresponding to the phase shift amount Δd to the product (B · L) of the light propagation constant difference B obtained based on The phase shift amount Δd is set so that the total phase shift amount Φ (= B · L + ΔΦ) generated is π / 2. As a result, the length L of the coupling layer can be arbitrarily set.
[0023]
In the distributed feedback semiconductor laser configured as described above, the first diffraction grating and the second diffraction grating, which are disposed apart from each other in the light emitting direction, have virtually the same grating interval (pitch). Has a phase but is not continuous. That is, even if the first diffraction grating layer and the second diffraction grating layer are continuous without being separated from each other, the presence of the spatial phase shift causes the first diffraction grating layer and the second diffraction grating layer to be The phase of the light propagating through the diffraction grating layer is shifted by this set phase shift amount.
[0024]
As described above, the first diffraction grating layer and the second diffraction grating layer are separated from each other via the coupling layer in which the diffraction grating is not formed, so that the first diffraction grating layer and the second diffraction grating layer are disposed. The phase of light propagating through the layers can be shifted. The amount of phase shift of the light is determined by the difference in cross-sectional shape between the first and second diffraction grating layers and the coupling layer (coupling waveguide) and the length L of the coupling layer.
[0025]
As described above, the phase shift amount of light propagating through the first diffraction grating layer and the second diffraction grating layer is close to a half odd number multiple of π (π / 2, 3π / 2, 5π / 2...). It only has to be. Therefore, the spatial phase shift amount between the first diffraction grating and the second diffraction grating and the difference in cross-sectional shape between the first and second diffraction grating layers and the coupling layer are adjusted to propagate. It is possible to set a plurality of coupling layer lengths L that allow the phase shift amount Φ of the light to be exactly half-odd times (π / 2, 3π / 2, 5π / 2,...) Of π. That is, the length L of the coupling layer of this distributed feedback semiconductor laser can be set almost arbitrarily.
[0026]
Therefore, for example, by setting the length L of the coupling layer to be long, spatial hole burning can be suppressed and light can be generated with high efficiency at the time of high current injection. Therefore, the high efficiency of this distributed feedback semiconductor laser Can be achieved.
[0027]
The term “phase shift” as used herein refers to a structure in which the amount of phase shift of light due to the propagation constant difference between the diffraction grating region and the flat coupling layer is deviated from an ideal π / 2. Introduced to complement it. Therefore, it is not limited to π / 2 or the amount in the vicinity thereof. When priority is given to increasing the output of the device or narrowing the spectral line width, it is desirable to make the length of the flat coupling layer as long as possible, and the phase shift amount of light caused by the difference in propagation constant is larger than π / 2. In this case, it can be canceled by introducing a negative phase shift in the diffraction grating.
[0028]
On the other hand, when giving priority to mass production at a low price, it is desirable to increase the number of chips (yield) that can be taken out from one wafer. For this purpose, the chip length must be short. Since the length of the coupling layer cannot exceed the chip length, if the amount of phase shift of the light due to the propagation constant difference is less than π / 2, this is introduced by introducing a positive phase shift into the diffraction grating. Can be supplemented. This creates a degree of freedom in device design that can meet various requirements.
[0029]
  In another invention, a semiconductor substrate, an active layer disposed above the semiconductor substrate, and above the active layerArranged,In the direction of light emissionAcross the bonding layerFirst and second diffraction grating layers disposed apart from each other, and the first and second diffraction grating layersAnd bonding layerThe present invention is applied to a distributed feedback semiconductor laser including a cladding layer disposed above the semiconductor layer.
[0030]
  In order to solve the above problem, in the distributed feedback semiconductor laser of the present invention,The first diffraction grating layer is composed of a first diffraction grating having a plurality of gratings arranged at a predetermined grating spacing d, and the second diffraction grating layer is a grating equal to the grating spacing of the first diffraction grating. It is composed of a second diffraction grating having a plurality of gratings arranged at intervals d.
In addition, a phase shift amount Δd exists between the grating arrangement of the first diffraction grating and the grating arrangement of the second diffraction grating.
  The length L of the coupling layer in the light emission direction and the equivalent refractive index n of the first and second diffraction grating layers 0 And the equivalent refractive index n of the coupling layer 1 Difference from (n 0 -N 1 ) Obtained by adding the light phase shift amount ΔΦ corresponding to the phase shift amount Δd to the product (B · L) of the light propagation constant difference B obtained based on The phase shift amount Δd is set so that the total phase shift amount Φ (= B · L + ΔΦ) generated is π / 2. As a result, the length L of the coupling layer can be arbitrarily set.
[0031]
In the distributed feedback semiconductor laser of the previous invention, the first and second diffraction grating layers are disposed below the active layer, whereas in the distributed feedback semiconductor laser to which the present invention is applied, the active A first diffraction grating layer and a second diffraction grating layer are disposed above the layer. Other configurations are similar to the distributed feedback semiconductor laser of the previous invention.
[0032]
Accordingly, it is possible to achieve substantially the same operational effects as the distributed feedback semiconductor laser of the previous invention.
[0033]
In the case where a diffraction grating layer is disposed below the active layer, it is not necessary to create a re-growth interface on the p side when using an n-type semiconductor substrate, preventing deterioration of characteristics due to Si pileup. it can.
[0034]
When a diffraction grating layer is provided above the active layer, the grating interval (pitch) of the diffraction grating can be set after the active layer is grown first. Furthermore, the number of times of growth can be reduced by one.
[0035]
In another invention, in the distributed feedback semiconductor laser of each invention described above, the coupling efficiency κ of the first diffraction grating.1And the coupling efficiency κ of the second diffraction grating2Are set to different values.
[0036]
The coupling efficiency κ in the diffraction grating is an index indicating the degree of coupling between the forward wave and the backward wave of light propagating through the diffraction grating. A high coupling efficiency κ means that the forward wave while light travels on the diffraction grating. The degree of conversion from to the backward wave is strong, and the low coupling efficiency κ indicates that the degree of conversion from the forward wave to the backward wave while the light travels on the diffraction grating is weak.
[0037]
For example, the larger the ratio of the volume of the grating in the diffraction grating in the waveguide to the volume occupied by the part other than the grating including the gap, the lower the coupling efficiency κ, and the refractive index of the grating and the gap in the diffraction grating are included. The smaller the difference from the refractive index of the portion other than the grating, the lower the coupling efficiency κ.
[0038]
Coupling efficiency κ in the diffraction grating of the first diffraction grating layer1And the coupling efficiency κ in the diffraction grating of the second diffraction grating layer2Is different from the reflectance of light in the first diffraction grating layer and the reflectance of light in the second diffraction grating layer. As a result, it is possible to make the amount of light output from the end face on the first diffraction grating layer side different from the amount of light output from the end face on the second diffraction grating layer side. Therefore, the intensity of light output from one end face of the distributed feedback semiconductor laser can be intentionally increased as compared with the intensity of light output from the other end face.
[0039]
In the distributed feedback semiconductor laser of another invention, the semiconductor substrate is formed of InP, the first and second diffraction grating layers are formed of InGaAsP, the active layer is formed of a material containing InGaAsP, and the cladding layer Is made of InP.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
[0041]
A first diffraction grating layer 12a made of n-type InGaAsP, a coupling layer 13 and a second diffraction grating layer 12b made of n-type InGaAsP are formed on the upper surface of the semiconductor substrate 11 made of n-type InP. The first diffraction grating layer 12a includes a first diffraction grating 16a including a plurality of gratings 14 and a plurality of gaps 15 existing between the gratings. On the other hand, the second diffraction grating layer 12b is composed of a second diffraction grating 16b composed of a plurality of gratings 14 and a plurality of gaps 15 existing between the gratings. The coupling layer 13 that fills the region between the first and second diffraction grating layers 12 a and 12 b is formed of the same material as the semiconductor substrate 11.
[0042]
As shown in FIG. 2, the gratings 14 and the gaps 15 of the first and second diffraction gratings 16a and 16b have the same shape, and the grating interval d is set equal. However, the phase of the grating array is spatially shifted by a distance of Δd between the first and second diffraction gratings 16a and 16b. Specifically, when it is assumed that the coupling layer 13 is not present and the first diffraction grating 16a extends to the second diffraction grating 16b as shown by a dotted line in FIG. The phase of the grating arrangement of the grating 16b is shifted by Δd compared to the phase of the grating arrangement of the first diffraction grating 16a. This phase shift amount Δd can be arbitrarily set independently of the length L of the coupling layer 13 during the manufacturing process of the distributed feedback semiconductor laser.
[0043]
Further, the refractive index of each grating 14 constituting the first and second diffraction grating layers 12 a and 12 b is set higher than the refractive index of the semiconductor substrate 11.
[0044]
A buffer layer 17 made of the same material as the semiconductor substrate 11 is formed on the top surfaces of the first and second diffraction grating layers 12 a and 12 b and the coupling layer 13. The coupling layer 13 and the buffer layer 17 are integrally formed. An active layer 18 including a lower SCH layer, an MQW layer, and an upper SCH layer, each made of InGaAsP having an appropriate composition, is formed on the upper surface of the buffer layer 17. A clad layer 19 made of p-type InP is formed on the upper surface of the active layer 18.
[0045]
A p-electrode 20 is attached to the upper surface of the cladding layer 19, and an n-electrode 21 is attached to the lower surface of the semiconductor substrate 11. Further, antireflection films 22a and 22b are formed on the end surfaces of the active layer 18 from which the light 23 is emitted and the first and second diffraction grating layers 12a and 12b.
[0046]
A contact layer made of p-type InGaAsP or p-type InGaAs may be interposed between the clad layer 19 and the p-electrode 20.
[0047]
In the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment configured as described above, when a voltage is applied between the p electrode 20 and the n electrode 21, the active layer 18 emits light having multiple wavelengths. Among the light beams having the wavelengths of 1 and 2, the grating spacing d of the first and second diffraction gratings 16a and 16b and the equivalent refractive index n of the first and second diffraction grating layers 12a and 12b.0Single wavelength λ determined by0Is selected and laser oscillation is performed.
[0048]
In this case, the phase of the forward wave and the backward wave of the light 23 is π due to the presence of the coupling layer 13 having the length L and the phase shift amount Δd between the first and second diffraction gratings 16a and 16b. Since it is shifted by a half-odd multiple (π / 2, 3π / 2, 5π / 2,...), A single wavelength λ0Is output.
[0049]
Next, a method for setting the length L of the coupling layer 13 in the distributed feedback semiconductor laser of the first embodiment configured as described above will be described with reference to FIG.
[0050]
  Light 23Propagates the coupling layer 13 of length LOf the total produced in the processThe phase shift amount Φ is a value obtained by multiplying the length L of the coupling layer 13 by the difference B of the light propagation constant and the amount of light corresponding to the phase shift amount Δd between the first and second diffraction gratings 16a and 16b. It is a value obtained by adding the phase shift amount ΔΦ. As described above, the propagation constant difference B is equivalent to the equivalent refractive index n of the first and second diffraction grating layers 12a and 12b.0And the equivalent refractive index n of the coupling layer 131Difference from (n0-N1) Function f (n0-N1). Therefore,Of light totalThe phase shift amount Φ is expressed by the following equation.
[0051]
Φ = L · B + ΔΦ = L · [f (n0-N1]] + ΔΦ
From this formula, the length L of the bonding layer 13 is represented by the following formula.
[0052]
L = (Φ−ΔΦ) / f (n0-N1)
The amount of phase shift Φ is the wavelength of light λ0Is a half-odd multiple of π (π / 2, 3π / 2, 5π / 2,...), So that a half-odd multiple of an arbitrary π among a plurality of half-odd multiples of π is selected. , Phase shift amount Δd and equivalent refractive index difference (n0-N1) Is appropriately set, the length L of the coupling layer 13 of the distributed feedback semiconductor laser can be set almost arbitrarily.
[0053]
Therefore, as shown in FIG. 3, by setting the length L of the coupling layer 13 to be long, the central portion in the intensity distribution characteristic 24 of the light 23 generated in the distributed feedback semiconductor laser is substantially flat over a wide range. The light intensity distribution characteristic 24 as a whole can be made smooth, and spatial hole burning can be suppressed. Thereby, output saturation at the time of high current injection can be suppressed.
[0054]
As a result, as shown in FIG. 4, the output light intensity P of the light 23 emitted from both end faces of the distributed feedback semiconductor laser.0The output light intensity P of the light 4 of the conventional distributed feedback semiconductor laser shown in FIG.0The linear response in the light output characteristic 25 with respect to the applied current can be improved compared with the output characteristic 25a in the conventional distributed feedback semiconductor laser.
[0055]
Further, the coupling layer 13 existing between the first and second diffraction grating layers 12a and 12b is made of the same material as the buffer layer 17, and further constitutes the first and second diffraction grating layers 12a and 12b. The first and second diffraction gratings 16a and 16b have a plurality of gaps 15 penetrating from the upper surface to the lower surface perpendicular to the light emission direction. In general, the diffraction grating is composed of a plurality of gratings and a plurality of grooves existing between the gratings. In this embodiment, the grooves between the gratings 14 are formed by gaps 15 penetrating from the upper surface to the lower surface. ing.
[0056]
In this way, by forming the grooves between the gratings 14 with the gaps 15, the accuracy of the shape and dimensions when this diffraction grating is manufactured by etching is improved. That is, the equivalent refractive index n of the first and second diffraction grating layers 12a and 12b0The variation between the elements is suppressed and stabilized at a constant value. As a result, the accuracy of the phase shift amount Φ is improved, and the wavelength stability of the output light 23 is further improved.
[0057]
In the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment, since the first and second diffraction grating layers 12a and 12b are disposed below the active layer 18, the n-type semiconductor substrate is used. In addition, it is not necessary to form a regrowth interface on the p side, and deterioration of characteristics due to Si pileup can be prevented.
[0058]
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention. The same parts as those in the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment shown in FIG.
[0059]
In the distributed feedback semiconductor laser according to the second embodiment, the coupling layer 13 existing between the first and second diffraction grating layers 12a and 12b is the same material as the first and second diffraction grating layers 12a and 12b. It is formed with. Furthermore, as in the first embodiment, the first diffraction grating 16a and the second diffraction grating 16b have a spatial phase shift amount Δd.
[0060]
Therefore, the length L of the coupling layer 13 can be freely set by adjusting the phase shift amount Δd. Therefore, like the distributed feedback semiconductor laser of the first embodiment shown in FIG. 1, the central portion of the intensity distribution characteristic 24 of the light 23 generated in the distributed feedback semiconductor laser can be made almost flat over an arbitrary range. The entire light intensity distribution characteristic 24 can be made smooth, and spatial hole burning can be suppressed.
[0061]
(Third embodiment)
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to the third embodiment of the present invention. The same parts as those in the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment shown in FIG.
[0062]
In the distributed feedback semiconductor laser of the third embodiment, the coupling layer 13 existing between the first and second diffraction grating layers 12a and 12b is composed of two layers, a lower layer 13a and an upper layer 13b. Yes. The upper layer 13b is made of the same material as the upper buffer layer 17. The lower layer 13a is made of the same material as the first and second diffraction grating layers 12a and 12b.
[0063]
In this way, the lower layer 13a of the coupling layer 13 existing between the first diffraction grating layer 12a and the second diffraction grating layer 12b is the same material as the first and second diffraction grating layers 12a and 12b. Therefore, the equivalent refractive index does not change greatly at the interface between the first and second diffraction grating layers 12a and 12b and the coupling layer 13, and the reflection of light at this interface is reduced. The single mode property of the light 23 generated in this distributed feedback semiconductor laser can be further improved.
[0064]
Furthermore, as in the first embodiment, the first diffraction grating 16a and the second diffraction grating 16b have a spatial phase shift amount Δd. Therefore, the length L of the coupling layer 13 can be set almost arbitrarily as in the above-described embodiments.
[0065]
(Fourth embodiment)
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to the fourth embodiment of the present invention. The same parts as those in the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment shown in FIG.
[0066]
An active layer 18 including a lower SCH layer, an MQW layer, and an upper SCH layer, each made of InGaAsP having an appropriate composition, is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 11 made of n-type InP. A buffer layer 17 made of the same material as that of the cladding layer 19 is formed on the upper surface of the active layer 18. A first diffraction grating layer 12 a made of p-type InGaAsP, a coupling layer 13, and a second diffraction grating layer 12 b made of p-type InGaAsP are formed on the upper surface of the buffer layer 17.
[0067]
The first and second diffraction gratings 16a and 16b constituting the first and second diffraction grating layers 12a and 12b are each composed of a plurality of gratings 14 and a plurality of gaps 15 existing between the gratings. Similarly to the first embodiment, the first diffraction grating 16a and the second diffraction grating 16b spatially have a phase shift amount Δd. The refractive index of each grating 14 constituting the first and second diffraction grating layers 12 a and 12 b is set higher than the refractive index of the semiconductor substrate 11.
[0068]
A clad layer 19 made of p-type InP is formed on the top surfaces of the first and second diffraction grating layers 12 a and 12 b and the coupling layer 13. The coupling layer 13b and the cladding layer 19 are integrally formed.
[0069]
A p-electrode 20 is attached to the upper surface of the cladding layer 19, and an n-electrode 21 is attached to the lower surface of the semiconductor substrate 11. Further, antireflection films 22a and 22b are formed on the end surfaces of the active layer 18 from which the single-mode light 23 is emitted and the first and second diffraction grating layers 12a and 12b.
[0070]
A contact layer made of p-type InGaAsP or p-type InGaAs may be interposed between the clad layer 19 and the p-electrode 20.
[0071]
In the distributed feedback semiconductor laser of the fourth embodiment configured as described above, when a voltage is applied between the p electrode 20 and the n electrode 21, the active layer 18 oscillates light having multiple wavelengths. Of the diffraction grating 16 and the equivalent refractive index n of the first and second diffraction grating layers 12a and 12b.0Single wavelength λ determined by0Is selected and laser oscillation is performed.
[0072]
In this case, due to the presence of the coupling layer 13 having a length L and the spatial phase shift amount Δd between the first and second diffraction gratings 16a and 16b, the phase of the light 23 is a half odd number (π / 2), 3π / 2, 5π / 2,...0Is output. The length L in the propagation direction of the light 23 of the coupling layer 13 sandwiched between the first and second diffraction grating layers 12a and 12b is the same as that of the distributed feedback semiconductor laser of the first embodiment described above. It is determined by the spatial phase shift amount Δd between the second diffraction gratings 16 a and 16 b and the difference in cross-sectional shape between the first and second diffraction grating layers 12 a and 12 b and the coupling layer 13.
[0073]
Accordingly, the length L of the coupling layer 13 in the propagation direction of the light 23 can be set to an almost arbitrary value as in the distributed feedback semiconductor laser of the first embodiment described above, and therefore the first embodiment shown in FIG. The effects similar to those of the distributed feedback semiconductor laser of the form can be obtained.
[0074]
In the distributed feedback semiconductor laser according to the fourth embodiment, since the first and second diffraction grating layers 12a and 12b are disposed above the active layer 18, the first and second diffraction grating layers 12a and 12b are disposed from the active layer 18. Since up to two diffraction grating layers 12a and 12b can be formed by one growth, the number of times of growth can be reduced by one. Further, after the active layer 18 is first grown, the grating spacing (pitch) of the diffraction gratings in the first and second diffraction grating layers 12a and 12b can be set.
[0075]
(Fifth embodiment)
FIG. 8 is a schematic sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to the fifth embodiment of the present invention. The same parts as those of the distributed feedback semiconductor laser according to the fourth embodiment shown in FIG.
[0076]
In the distributed feedback semiconductor laser according to the fifth embodiment, the coupling layer 13 existing between the first and second diffraction grating layers 12a and 12b is composed of two layers, a lower layer 13a and an upper layer 13b. ing. The upper layer 13b is formed of the same material as the upper cladding layer 19. The lower layer 13a is made of the same material as the first and second diffraction grating layers 12a and 12b. Further, not the gap 15 penetrating vertically between the gratings 14 of the first and second diffraction gratings 16a and 16b formed by the first and second diffraction grating layers 12a and 12b, but a groove 15a that does not penetrate. Yes.
[0077]
Therefore, in the distributed feedback semiconductor laser according to the fifth embodiment, all of the first diffraction grating layer 12a, the coupling layer 13, and the second diffraction grating layer 12b existing in the emission direction of the light 23 in the semiconductor element. It will be connected by the same substance over a region. Therefore, substantially the same operational effects as the distributed feedback semiconductor laser of the third embodiment shown in FIG. 6 can be obtained.
[0078]
(Sixth embodiment)
FIG. 9 is a schematic sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to the sixth embodiment of the present invention. The same parts as those of the distributed feedback semiconductor laser according to the fifth embodiment shown in FIG.
[0079]
In the distributed feedback semiconductor laser of the sixth embodiment, a gap 15 penetrates vertically between the gratings 14 of the first and second diffraction gratings 16a and 16b in the distributed feedback semiconductor laser of the fifth embodiment. Forming. Similar to the fifth embodiment, the first diffraction grating 16a and the second diffraction grating 16b spatially have a phase shift amount Δd.
[0080]
In this way, by forming the gaps 15 penetrating vertically between the gratings 14 of the first and second diffraction gratings 16a and 16b, the shape and dimensions when the diffraction gratings 16a and 16b are manufactured by etching. Improves accuracy.
[0081]
Further, since the length L of the coupling layer 13 can be set long by adjusting the phase shift amount Δd, the entire light intensity distribution characteristic 24 in the cloth feedback semiconductor laser can be made smooth, and the spatial hole Burning can be suppressed.
[0082]
(Seventh embodiment)
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to the seventh embodiment of the present invention. The same parts as those in the distributed feedback semiconductor laser according to the first embodiment shown in FIG.
[0083]
In the distributed feedback semiconductor laser of the seventh embodiment, the coupling efficiency κ in the first diffraction grating 16a of the first diffraction grating layer 12a.1And the coupling efficiency κ of the second diffraction grating layer 12b in the second diffraction grating 16b.2Are set to different values.
[0084]
In the distributed feedback semiconductor laser according to the seventh embodiment, the volume occupied by a portion other than the grating 14 including the volume of the grating 14 and the gap 15 within one grating interval d of the diffraction grating 16a of the first diffraction grating layer 12a. Volume ratio v showing the ratio of1And the volume ratio v in the diffraction grating 16b of the second diffraction grating layer 12b.2Are set to different values.
[0085]
Since the gratings 15 of the diffraction gratings 16a and 16b and the gaps 15 of the first and second diffraction grating layers 12a and 12b are formed of the same material, it is necessary to consider the contribution of the refractive index. Each volume ratio v1, V2Are the coupling efficiencies κ of the first and second diffraction gratings 16a and 16b.1, Κ2Corresponding to
[0086]
Specifically, the first and second diffraction grating layers 12a and 12b that are spaced apart from each other with the coupling layer 13 in between have the same grating spacing (pitch) d, but the first and second The first and second diffraction gratings 16a and 16b formed by the diffraction grating layers 12a and 12b respectively have different shapes. Each of the diffraction gratings 16a and 16b is composed of one grating 14 and one gap 15 (or groove) at one grating interval d. The ratio of the volume and the volume occupied by the portion other than the lattice 14 including the gap 15 is defined as the volume ratio v as described above. The volume ratio v is determined by the width of the grating 14 in the direction coinciding with the traveling direction of the light 23, the height of the grating 14, the width of the grating 14 in the direction orthogonal to the traveling direction of the light 23, and the like.
[0087]
In the seventh embodiment of FIG. 10, the second diffraction grating layer 12b has a height in a direction that coincides with the traveling direction of the light 23 of the grating 14 in the diffraction grating 16a of the first diffraction grating layer 12a. The volume ratio v of the diffraction grating 16a of the first diffraction grating layer 12a is set by setting the height of the diffraction grating 16b in the direction matching the traveling direction of the light 23 of the grating 14 to a small value.1And the volume ratio v of the diffraction grating 16b of the second diffraction grating layer 12b.2Are different (v1> V2). Therefore, the coupling efficiency κ of the first diffraction grating 16a1And the coupling efficiency κ of the second diffraction grating 16b2Is different (κ1> Κ2).
[0088]
As a result, the reflectance of light in the diffraction grating 16a of the first diffraction grating layer 12a is different from the reflectance of light in the diffraction grating 16b of the second diffraction grating layer 12b. It is possible to make the amount of light 23a output from the end face on the first diffraction grating layer 12a side different from the amount of light 23b output from the end face on the second diffraction grating layer 12b side.
[0089]
Therefore, the intensity of light output from one end face of the distributed feedback semiconductor laser can be intentionally increased as compared with the intensity of light output from the other end face. In the seventh embodiment of FIG. 10, the intensity of the light 23b output from the end face on the second diffraction grating layer 12b side is greater than the intensity of the light 23a output from the end face on the first diffraction grating layer 12a side. Set high.
[0090]
In the seventh embodiment shown in FIG. 10, the reflectance of the antireflection film 22b formed on the end face on the second diffraction grating layer 12b side is set to reflect on the end face on the first diffraction grating layer 12a side. By setting it smaller than the reflectance of the prevention film 22a, the intensity of the light 23b output from the end face on the second diffraction grating layer 12b side is made higher. In this case, the antireflection film 22a formed on the end face on the first diffraction grating layer 12a side may be a highly reflective film or may remain a cleavage plane.
[0091]
It should be noted that the coupling efficiency κ of the diffraction grating 16a of the first diffraction grating layer 12a in the distributed feedback semiconductor laser of each of the embodiments of FIGS.1And the coupling efficiency κ of the diffraction grating 16b of the second diffraction grating layer 12b2Can be different.
[0092]
FIG. 11 shows the volume ratio v of the diffraction grating 16a of the first diffraction grating layer 12a.1(Coupling efficiency κ1) And the volume ratio v of the diffraction grating 16b of the second diffraction grating layer 12b2(Coupling efficiency κ1) And (v1<V2FIG. 4 is a diagram showing the steps up to the formation of diffraction gratings 16a and 16b in the method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser.
[0093]
In FIG. 11, the case where the first and second diffraction grating layers 12a and 12b are present below the active layer 18 will be described, as shown in the distributed feedback semiconductor laser of the seventh embodiment in FIG. .
[0094]
First, as shown in FIG. 11A, an n-type InGaAsP having a composition wavelength of 1.08 μm is formed on the semiconductor substrate 11 made of n-type InP as the first and second diffraction grating layers 12a and 12b with a thickness of 0. After the growth of 1 μm, an electron beam resist (for example, ZEP-520 manufactured by Nippon Zeon Co., Ltd.) is applied to the thickness of 0.2 μm.
[0095]
After the heat treatment, a diffraction grating pattern is drawn by an electron beam drawing apparatus. FIG. 11B shows a drawing pattern and drawing conditions in which the grating interval (pitch) d of the diffraction gratings 16a and 16b is 240 nm in this embodiment. The drawing condition of the diffraction grating portion is that the first diffraction grating layer 12a (left side in the figure) on the output side after chip processing has a large dose (for example, about 0.45 nC / cm), and the second diffraction grating on the opposite side. In the layer 12b, irradiation is performed with a small dose (about 0.3 nC / cm). The peripheral portion may be exposed by electron beam or ultraviolet irradiation.
[0096]
Then, the drawn diffraction grating pattern is developed. As shown in FIG. 11 (c), in this embodiment, the developed resist pattern has a gap 15 between the gratings 14 of the diffraction gratings 16a and 16b of about 140 nm when the dose is increased, and is less than about 140 nm. It is about 70 nm.
[0097]
In this state, etching is performed for about 20 seconds using an aqueous solution of saturated bromine water and phosphoric acid. Then, the cross-sectional shape shown in FIG. 11D is obtained, and the difference in the width of the lattice 14 is transferred to the difference in the height of the lattice 14 by heating in the subsequent crystal growth step.
[0098]
Thus, the volume ratio v of the diffraction grating 16a on the light exit side.1Is small and the volume ratio v of the diffraction grating 16b on the opposite side2Is large (v1<V2) A distributed feedback semiconductor racer having a structure is manufactured.
[0099]
On the other hand, as a method other than the dose modulation, it can be used that the etching rate during etching changes depending on the exposed area of the wafer surface. In other words, the etching rate is fast when the area of the wafer surface that is covered with an etching inhibitor such as a resist or dielectric film is large and the portion to be etched is small, and conversely, the etching is performed when etching a large area. The phenomenon in which the rate is slow is known in the above-mentioned saturated bromine water and phosphoric acid aqueous solutions. If this feature is used, it becomes possible to partially produce diffraction gratings having different volume ratios v by producing resist patterns as shown in FIGS. 12 (a), 12 (b), and 12 (c).
[0100]
As shown in FIG. 12A, when the etching is performed after removing the resist in the peripheral portion, the etching rate becomes slow.
[0101]
As shown in FIG. 12B, the etching rate can be controlled by changing the spread of the lattice pattern in the direction orthogonal to the light guiding direction (for example, 20 μm and 100 μm).
[0102]
Although the above description has been given for the case where a positive resist is used, the same applies to the case where a negative resist is used. In either case, instead of directly applying a resist to n-type InGaAsP, it is possible to use a selective etchant by dividing an etching into two stages by interposing an n-type InP layer having a thickness of about 30 nm, for example.
[0103]
In this case, the InP is partially removed by etching with an etchant containing saturated bromine water for about 5 seconds using the resist as an etching mask, and the exposed n-type InGaAsP is replaced with sulfuric acid using the n-type InP as an etching mask. A method of etching with an aqueous solution containing hydrogen oxide is also possible.
[0104]
In this method, since an aqueous solution containing sulfuric acid and hydrogen peroxide selectively etches only InGaAsP, etching is performed at the interface between the buffer layer and InP, particularly when a diffraction grating is formed above the active layer. Since the operation is stopped, it is possible to prevent an accident that the etching reaches the active layer by mistake.
[0105]
On the other hand, since the portion of the coupling layer 13 is exposed entirely, the etching rate is lowered, and even if the gap 15 in the first and second diffraction gratings 16a and 16b reaches InP even if it is etched, N type InGaAsP layer (13a) tends to remain thin. When it is desired to completely remove this layer (13a), the peripheral area is covered with a resist or the like as shown in FIG. 12C to reduce the exposed area and increase the etching rate.
[0106]
In any case, when being processed into a laser in the subsequent process, it is etched into a mesa shape having a width of about 2 to 3 μm along the emission direction of the light 23, so the outer region is in any state. There may be.
[0107]
【The invention's effect】
As described above, in the distributed feedback semiconductor laser of the present invention, the grating arrangement is spatially phase-shifted between the first and second diffraction gratings in the first and second diffraction grating layers. . Therefore, the length of the coupling layer can be set to an arbitrary length, the light intensity of the output light can be easily increased, the wavelength of the output light can be set to the target wavelength with high accuracy, and the output light can be further increased. Wavelength stability can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a view for explaining a method for setting the length of the coupling layer in the distributed feedback semiconductor laser according to the embodiment;
FIG. 3 is a view showing the relationship between the length of the coupling layer and the light intensity distribution characteristic in the distributed feedback semiconductor laser according to the embodiment;
FIG. 4 is a view showing light output characteristics of the distributed feedback semiconductor laser according to the embodiment;
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a distributed feedback semiconductor laser according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a view showing a method of manufacturing a distributed feedback semiconductor laser.
FIG. 12 is a diagram showing each diffraction grating of a distributed feedback semiconductor laser.
FIG. 13 is a diagram for explaining the operating principle of a distributed feedback semiconductor laser.
FIG. 14 is a schematic cross-sectional view showing a schematic configuration of a conventional distributed feedback semiconductor laser.
FIG. 15 is a diagram for explaining a method for setting a coupled waveguide length in a conventional distributed feedback semiconductor laser;
FIG. 16 is a diagram for explaining problems of the conventional distributed feedback semiconductor laser;
[Explanation of symbols]
11 ... Semiconductor substrate
12a ... 1st diffraction grating layer
12b ... Second diffraction grating layer
13 ... Bonding layer
13a ... Lower layer
13b ... upper layer
14 ... lattice
15 ... Gap
15a ... groove
16a ... 1st diffraction grating
16b ... Second diffraction grating
17 ... Buffer layer
18 ... Active layer
19 ... Clad layer
20 ... p electrode
21 ... n electrode
22a, 22b ... antireflection film
23, 23a, 23b ... light
24: Light intensity distribution characteristics
25, 25a ... Output characteristics of light

Claims (4)

半導体基板(11)と、この半導体基板の上方に配置され、光(23)の出射方向に結合層(13)を挟んで互いに離間して配設された第1、第2の回折格子層(12a、12b)と、この第1、第2の回折格子層及び前記結合層の上方に配置された活性層(18)と、この活性層の上方に配置されたクラッド層(19)とを備えた分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記第1の回折格子層は、所定の格子間隔dで配列された複数の格子(14)を有する第1の回折格子(16a)で構成され、
前記第2の回折格子層は、前記第1の回折格子の格子間隔と等しい格子間隔dで配列された複数の格子(14)を有する第2の回折格子(16b)で構成され、
前記第1の回折格子の格子配列と第2の回折格子の格子配列との間に位相シフト量Δdが存在し、
前記結合層の前記光の出射方向の長さLと前記第1、第2の回折格子層の等価屈折率n 0 と前記結合層の等価屈折率n 1 との差(n 0 ―n 1 )に基づいて求まる光の伝搬定数の差Bとの積(B・L)に前記位相シフト量Δdに対応する光の位相シフト量ΔΦを加算して得られる、光が前記結合層を伝搬する過程で生じる合計の位相のずれ量Φ(=B・L+ΔΦ)が、π/2になるように前記位相シフト量Δdが設定され、
前記結合層の長さLを任意に設定可能にしたことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
A semiconductor substrate (11), disposed above the semiconductor substrate, first and second diffraction grating layer disposed apart from each other across the bonding layer in the light emitting direction (23) (13) ( 12a, 12b), an active layer (18) disposed above the first and second diffraction grating layers and the coupling layer , and a cladding layer (19) disposed above the active layer. Distributed feedback semiconductor laser
The first diffraction grating layer is composed of a first diffraction grating (16a) having a plurality of gratings (14) arranged at a predetermined grating interval d,
The second diffraction grating layer is composed of a second diffraction grating (16b) having a plurality of gratings (14) arranged with a grating interval d equal to the grating interval of the first diffraction grating,
There is a phase shift amount Δd between the grating arrangement of the first diffraction grating and the grating arrangement of the second diffraction grating,
Wherein said length of outgoing direction of the light L of the binding layer first, the difference between the effective refractive index n 0 of the second diffraction grating layer and the equivalent refractive index n 1 of the coupling layer (n 0 -n 1) The process of light propagating through the coupling layer, obtained by adding the phase shift amount ΔΦ of the light corresponding to the phase shift amount Δd to the product (B · L) of the light propagation constant difference B obtained based on The phase shift amount Δd is set so that the total phase shift amount Φ (= B · L + ΔΦ) generated in step π / 2 becomes π / 2,
A distributed feedback semiconductor laser characterized in that the length L of the coupling layer can be arbitrarily set .
半導体基板(11)と、この半導体基板の上方に配置された活性層(18)と、この活性層の上方に配置され、光(23)の出射方向に結合層(13)を挟んで互いに離間して配設された第1、第2の回折格子層(12a、12b)と、この第1、第2の回折格子層及び前記結合層の上方に配置されたクラッド層(19)とを備えた分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記第1の回折格子層は、所定の格子間隔dで配列された複数の格子(14)を有する第1の回折格子(16a)で構成され、
前記第2の回折格子層は、前記第1の回折格子の格子間隔と等しい格子間隔dで配列された複数の格子(14)を有する第2の回折格子(16b)で構成され、
前記第1の回折格子の格子配列と第2の回折格子の格子配列との間に位相シフト量Δdが存在し、
前記結合層の前記光の出射方向の長さLと前記第1、第2の回折格子層の等価屈折率n 0 と前記結合層の等価屈折率n 1 との差(n 0 ―n 1 )に基づいて求まる光の伝搬定数の差Bとの積(B・L)に前記位相シフト量Δdに対応する光の位相シフト量ΔΦを加算して得られる、光が前記結合層を伝搬する過程で生じる合計の位相のずれ量Φ(=B・L+ΔΦ)が、π/2になるように前記位相シフト量Δdが設定され、
前記結合層の長さLを任意に設定可能にしたことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
The semiconductor substrate (11), the active layer (18) disposed above the semiconductor substrate, and the active layer (18) disposed above the active substrate are spaced apart from each other across the coupling layer (13) in the light (23) emission direction. And the first and second diffraction grating layers (12a, 12b), and the cladding layer (19) disposed above the first and second diffraction grating layers and the coupling layer. Distributed feedback semiconductor laser
The first diffraction grating layer is composed of a first diffraction grating (16a) having a plurality of gratings (14) arranged at a predetermined grating interval d,
The second diffraction grating layer is composed of a second diffraction grating (16b) having a plurality of gratings (14) arranged with a grating interval d equal to the grating interval of the first diffraction grating,
There is a phase shift amount Δd between the grating arrangement of the first diffraction grating and the grating arrangement of the second diffraction grating,
Wherein said length of outgoing direction of the light L of the binding layer first, the difference between the effective refractive index n 0 of the second diffraction grating layer and the equivalent refractive index n 1 of the coupling layer (n 0 -n 1) The process of light propagating through the coupling layer, obtained by adding the phase shift amount ΔΦ of the light corresponding to the phase shift amount Δd to the product (B · L) of the light propagation constant difference B obtained based on The phase shift amount Δd is set so that the total phase shift amount Φ (= B · L + ΔΦ) generated in step π / 2 becomes π / 2,
A distributed feedback semiconductor laser characterized in that the length L of the coupling layer can be arbitrarily set .
前記第1の回折格子(16a)の結合効率(κ1)と、前記第2の回折格子(16b)の結合効率(κ2)とが互いに異なる値に設定されたことを特徴とする請求項1又は2記載の分布帰還型半導体レーザ。Claim that bind efficiency (kappa 1) of the first diffraction grating (16a), characterized in that said first coupling efficiency (kappa 2) in the second diffraction grating (16b) and are set to different values 3. A distributed feedback semiconductor laser according to 1 or 2. 前記半導体基板はInPで形成され、前記第1、第2の回折格子層はInGaAsPで形成され、前記活性層はInGaAsPを含む材質で形成され、前記クラッド層はInPで形成されたことを特徴とする請求項1又は2記載の分布帰還型半導体レーザ。  The semiconductor substrate is made of InP, the first and second diffraction grating layers are made of InGaAsP, the active layer is made of a material containing InGaAsP, and the cladding layer is made of InP. A distributed feedback semiconductor laser according to claim 1 or 2.
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