JP3911002B2 - Semiconductor laser element - Google Patents
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Description
本発明は、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λe を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長λe のレーザ光を出射する半導体レーザ素子に関し、更に詳細には、広い温度範囲で安定した単一モード発振が可能であって、発振波長のモードと副モードの抑圧比(SMSR)が大きい、特に光通信用の光源として最適な半導体レーザ素子に関するものである。 The present invention includes a wavelength selection structure capable of selecting the oscillation wavelength λ e independently of the optical gain distribution of the active layer in the vicinity of the active layer in the resonator structure, and emits laser light having the selected oscillation wavelength λ e. More specifically, the semiconductor laser element is capable of stable single mode oscillation over a wide temperature range and has a large oscillation wavelength mode / submode suppression ratio (SMSR), and is particularly suitable as a light source for optical communication. The present invention relates to a semiconductor laser element.
分布帰還型半導体レーザ(以下、DFBレーザと言う)は、屈折率(複素屈折率)の実部または虚部が周期的に変化する回折格子を共振器内部に有し、特定の波長の光にだけ帰還がかかるようにすることにより、波長選択性を備えたレーザである。屈折率が周期的に周囲と異なる化合物半導体層からなる回折格子を活性層の近傍に備えたDFBレーザでは、DFBレーザの発振波長λDFBが、回折格子の周期Λと導波路の実効屈折率neffに基づいてλDFB=2neffΛの関係式によって決定されるので、回折格子の周期Λと導波路の実効屈折率neffとを調節することにより、活性層の光利得のピーク波長とは独立に発振波長λDFBを設定することができる。 A distributed feedback semiconductor laser (hereinafter referred to as a DFB laser) has a diffraction grating in which a real part or an imaginary part of a refractive index (complex refractive index) periodically changes, and emits light of a specific wavelength. By providing feedback only, the laser has wavelength selectivity. In a DFB laser having a diffraction grating composed of a compound semiconductor layer whose refractive index is periodically different from that of the surrounding, in the vicinity of the active layer, the oscillation wavelength λ DFB of the DFB laser is such that the diffraction grating period Λ and the effective refractive index n of the waveguide Since λ DFB = 2n eff Λ is determined based on eff , the peak wavelength of the optical gain of the active layer can be determined by adjusting the period Λ of the diffraction grating and the effective refractive index n eff of the waveguide. The oscillation wavelength λ DFB can be set independently.
例えば、DFBレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長よりも短波長側に設定すると、微分利得が大きくなるので、DFBレーザの高速変調特性などが向上する。また、DFBレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長程度に設定すると、室温での閾値電流が小さくなる。また、DFBレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長よりも長波長側に設定すると、温度特性が良好になり、高温での動作特性や、高温あるいは大電流注入時の高光出力特性が向上する。 For example, if the oscillation wavelength of the DFB laser is set to a wavelength shorter than the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer, the differential gain increases, so that the high-speed modulation characteristics of the DFB laser are improved. Further, when the oscillation wavelength of the DFB laser is set to about the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer, the threshold current at room temperature becomes small. In addition, when the oscillation wavelength of the DFB laser is set longer than the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer, the temperature characteristics are improved, the operating characteristics at high temperature, and the high light output characteristics at high temperature or large current injection. Will improve.
ところで、従来のDFBレーザでは、発振波長が活性層の光利得分布のピーク波長より短波長側にあっても、或いは長波長側にあっても、(1)しきい値電流を低く抑えられる、(2)単一モード動作を保持するなどの理由から、発振波長は、活性層の光利得分布のピーク波長から数十nm以内の近い波長範囲に設定されている。また、従来のDFBレーザでは、回折格子を構成する化合物半導体層は、活性層のバンドギャップ・エネルギー及び発振波長のエネルギーよりもかなり大きいバンドギャップ・エネルギーを有する。つまり、回折格子を構成する化合物半導体層のバンドギャップ波長は、通常、発振波長から100nm以上短波長側にあって、該化合物半導体層は発振波長に対して透明な、ほとんど光吸収のない、即ち損失のない層である。そして、屈折率の周期的変化を示す回折格子は、前記化合物半導体層を積層した後、エッチングして周期的に並列に存在する層の列を形成することにより、作製されている。 By the way, in the conventional DFB laser, whether the oscillation wavelength is shorter than the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer or longer, (1) the threshold current can be kept low. (2) The oscillation wavelength is set to a near wavelength range within several tens of nanometers from the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer for the reason of maintaining the single mode operation. In the conventional DFB laser, the compound semiconductor layer constituting the diffraction grating has a band gap energy much larger than the band gap energy of the active layer and the energy of the oscillation wavelength. That is, the band gap wavelength of the compound semiconductor layer constituting the diffraction grating is usually on the short wavelength side of 100 nm or more from the oscillation wavelength, and the compound semiconductor layer is transparent to the oscillation wavelength and has almost no light absorption. It is a layer without loss. And the diffraction grating which shows the periodic change of a refractive index is produced by laminating | stacking the said compound semiconductor layer, and etching and forming the row | line | column of the layer which exists periodically in parallel.
ここで、更に、従来のDFBレーザを具体的に説明すると、従来のDFBレーザは、図8(a)に示すように、λe が1550nmで、λg が1200nmから1300nmの範囲であって、λg <λmax <λe である第1の従来例と、図8(b)に示すように、λe が1550nmで、λg が1650nmであって、λmax <λe <λg である第2の従来例とに大別できる。第1の従来例では、λe −λg =300nmであり、一方、第2の従来例ではλe −λg =−100nmである。ここで、図8(a)及び(b)の実線の曲線は横軸の波長に対する活性層の光利得分布を示し、破線の曲線は横軸の波長に対する回折格子層の吸収(損失)量を示す曲線である。また、λe は回折格子の周期と導波路の実効屈折率で決まるDFBレーザの発振波長、λg は回折格子層のバンドギャップ波長、λmax は活性層の光利得分布のピーク波長、回折格子層の埋め込み層、通常はInP層のバンドギャップ波長はλInP (=920nm)である。 Here, the conventional DFB laser will be described more specifically. As shown in FIG. 8A, the conventional DFB laser has a wavelength of λ e of 1550 nm and a wavelength of λ g of 1200 nm to 1300 nm. As shown in FIG. 8B, the first conventional example in which λ g <λ max <λ e and λ e is 1550 nm, λ g is 1650 nm, and λ max <λ e <λ g It can be roughly divided into a second conventional example. In the first conventional example, λ e −λ g = 300 nm, while in the second conventional example, λ e −λ g = −100 nm. Here, the solid curve in FIGS. 8A and 8B shows the optical gain distribution of the active layer with respect to the wavelength on the horizontal axis, and the broken curve shows the absorption (loss) amount of the diffraction grating layer with respect to the wavelength on the horizontal axis. It is a curve shown. Λ e is the oscillation wavelength of the DFB laser determined by the period of the diffraction grating and the effective refractive index of the waveguide, λ g is the band gap wavelength of the diffraction grating layer, λ max is the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer, and the diffraction grating The band gap wavelength of the buried layer, usually the InP layer, is λ InP (= 920 nm).
しかし、従来のDFBレーザでは、回折格子の周期を調節してDFBレーザの発振波長を活性層の光利得分布のピーク波長から離して設定した場合、DFBレーザの設定発振波長ではなく、活性層の光利得分布のピーク波長でファブリー・ペロー発振する現象が生じることがあった。また、DFBレーザの設定発振波長で発振していても、DFBレーザの設定発振波長の発振モードと活性層の光利得分布のピーク波長付近のモードとの副モード抑圧比(SMSR)が、十分に大きく取れないという問題があった。例えば従来のDFBレーザでは、DFBレーザの発振波長のデチューニング量によって異なるものの、副モード抑圧比(SMSR)は35dBから40dBの範囲であって比較的小さかった。この結果、従来のDFBレーザでは、活性層の光利得分布のピーク波長に対するDFBレーザの発振波長のデチューニング量を大きくすることが出来ないという問題が生じていた。 However, in the conventional DFB laser, when the period of the diffraction grating is adjusted and the oscillation wavelength of the DFB laser is set apart from the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer, not the set oscillation wavelength of the DFB laser but the active layer A Fabry-Perot oscillation may occur at the peak wavelength of the optical gain distribution. In addition, even when oscillating at the set oscillation wavelength of the DFB laser, the submode suppression ratio (SMSR) between the oscillation mode of the set oscillation wavelength of the DFB laser and the mode near the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer is sufficiently high. There was a problem that it could not be taken big. For example, in a conventional DFB laser, the sub-mode suppression ratio (SMSR) is in the range of 35 dB to 40 dB, which is relatively small, although it varies depending on the amount of detuning of the oscillation wavelength of the DFB laser. As a result, the conventional DFB laser has a problem that the detuning amount of the oscillation wavelength of the DFB laser cannot be increased with respect to the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer.
更に説明すると、DFBレーザの発振波長λe が回折格子層のバンドギャップ波長λg より大きな第1の従来例は、発振波長λe の吸収損が小さく、従って閾値電流が小さく、光出力−注入電流特性が良好であるという利点を有するものの、回折格子層とInP埋め込み層との屈折率差が小さいので、回折格子と活性層との距離を小さくする必要がある。その結果、回折格子層の膜厚、デューティ(Duty)比によって結合係数が大きく変動し、同じ特性のDFBレーザを安定して作製することが難しい。また、DFBレーザの発振波長λe に対する吸収係数をαe 、活性層のバンドギャップ波長、つまり活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対する吸収係数をαmax とすると、αe ≒αmax ≒0であって、活性層の光利得分布のピーク波長付近のファブリー・ペロー発振モード及びDFBレーザの発振モードともに抑制効果が小さい。従って、デチューニング量の絶対値|λe −λmax |を大きくすると、縦モードの単一モード性が低下するので、デチューニング量の絶対値|λe −λmax |を大きくできないという問題があった。 With further explained, a large first conventional example than the bandgap wavelength lambda g of the oscillation wavelength lambda e in the DFB laser grating layer, the absorption loss of the oscillation wavelength lambda e is small and hence the threshold current is small, the light output - injection Although it has the advantage of good current characteristics, the difference in refractive index between the diffraction grating layer and the InP buried layer is small, so the distance between the diffraction grating and the active layer needs to be reduced. As a result, the coupling coefficient varies greatly depending on the thickness of the diffraction grating layer and the duty ratio, and it is difficult to stably manufacture a DFB laser having the same characteristics. Further, if the absorption coefficient for the oscillation wavelength λ e of the DFB laser is α e , and the band gap wavelength of the active layer, that is, the absorption coefficient for the peak wavelength λ max of the optical gain distribution of the active layer is α max , α e ≈α max ≈ The suppression effect is small for both the Fabry-Perot oscillation mode near the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer and the oscillation mode of the DFB laser. Therefore, if the absolute value of the detuning amount | λ e −λ max | is increased, the single mode property of the longitudinal mode is deteriorated, so that the absolute value of the detuning amount | λ e −λ max | cannot be increased. there were.
回折格子層のバンドギャップ波長λg がDFBレーザの発振波長λe がより大きな第2の従来例は、回折格子層とInP埋め込み層との屈折率差が大きいので、回折格子と活性層との距離を大きくすることができ、その結果、回折格子層の膜厚、デューティ(Duty)比によって結合係数が変動し難いので、同じ特性のDFBレーザを安定して作製することができるから、製品歩留りが高いという利点を有する。一方、発振波長λe に対する吸収損失が大きく、吸収型の回折格子となるために、閾値電流が大きく、光出力−注入電流特性が良好でないという問題を有する。また、αe ≒αmax >0であって、ファブリー・ペロー発振モード及びDFBレーザの発振モードともに抑制効果があるものの、デチューニング量の絶対値|λe −λmax |を大きくすると、縦モードの単一モード性が低下するので、デチューニング量の絶対値|λe −λmax |を大きくできないという問題があった。 The second conventional example in which the band gap wavelength λ g of the diffraction grating layer is larger than the oscillation wavelength λ e of the DFB laser has a large refractive index difference between the diffraction grating layer and the InP buried layer. The distance can be increased, and as a result, the coupling coefficient is difficult to vary depending on the film thickness and duty ratio of the diffraction grating layer, so that a DFB laser with the same characteristics can be stably manufactured. Has the advantage of high. On the other hand, a large absorption loss for the oscillation wavelength lambda e, in order to be absorbed type diffraction grating, the threshold current is large, the light output - has a problem that injection current characteristics are not good. In addition, α e ≈α max > 0 and both Fabry-Perot oscillation mode and DFB laser oscillation mode have a suppression effect, but if the absolute value of the detuning amount | λ e −λ max | As a result, the absolute value of the detuning amount | λ e −λ max | cannot be increased.
以上の説明では、DFBレーザを例に挙げて、活性層の光利得分布のピーク波長と発振波長とに関する問題を説明したが、この問題は、DFBレーザに限らず、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λe を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長λe のレーザ光を出射する半導体レーザ素子に普遍的に付随する問題である。 In the above description, the problem related to the peak wavelength and oscillation wavelength of the optical gain distribution of the active layer has been described by taking the DFB laser as an example. However, this problem is not limited to the DFB laser, and the optical gain distribution of the active layer Has a wavelength selection structure that can independently select the oscillation wavelength λ e in the vicinity of the active layer in the resonator structure, and is a problem that is universally associated with semiconductor laser elements that emit laser light of the selected oscillation wavelength λ e. is there.
そこで、本発明の目的は、上記のような問題を解決するため、第1には、DFBレーザの発振波長の吸収損失が小さく、かつ活性層の光利得分布のピーク波長の吸収損失が大きい、従って閾値電流が小さく、かつ光出力−注入電流特性が良好で、デチューニング量の絶対値|λe −λmax |を大きくしても、縦モードの良好な単一モード性を維持できる、半導体レーザ素子を提供することであり、第2には、DFBレーザの回折格子層の膜厚、デューティ(Duty)比によって結合係数が変動し難い、従って製品歩留りが高い構成の半導体レーザ素子を提供することである。 Therefore, the object of the present invention is to solve the above-mentioned problems. First, the absorption loss of the oscillation wavelength of the DFB laser is small, and the absorption loss of the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer is large. Accordingly, a semiconductor that has a small threshold current, good optical output-injection current characteristics, and can maintain good single mode characteristics in the longitudinal mode even when the absolute value of the detuning amount | λ e −λ max | is increased. The second object is to provide a semiconductor laser element having a structure in which the coupling coefficient hardly changes depending on the film thickness and the duty ratio of the diffraction grating layer of the DFB laser, and thus the product yield is high. That is.
上記目的を達成するために、本発明に係る半導体レーザ素子は、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λe を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長λe のレーザ光を出射する半導体レーザ素子において、活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対する吸収係数αmax が発振波長λe に対する吸収係数αe よりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域が、活性層の近傍に設けられ、かつ吸収領域では、前記λmax 付近のモードを選択的に吸収することを特徴としている。 In order to achieve the above object, a semiconductor laser device according to the present invention includes a wavelength selection structure capable of selecting an oscillation wavelength λ e independently of the optical gain distribution of the active layer, in the vicinity of the active layer in the resonator structure, In a semiconductor laser device that emits laser light having a selected oscillation wavelength λ e , a compound semiconductor in which the absorption coefficient α max for the peak wavelength λ max of the optical gain distribution of the active layer is larger than the absorption coefficient α e for the oscillation wavelength λ e An absorption region formed of a layer is provided in the vicinity of the active layer, and the absorption region selectively absorbs a mode in the vicinity of λmax .
本発明によれば、活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対する吸収係数αmax が発振波長λe に対する吸収係数αe よりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域を、活性層の近傍に設けることにより、例えばDFBレーザ素子では、活性層の光利得分布のピーク波長λmax 付近でのファブリー・ペローモードの発振を抑制することができ、設定した発振波長のモードと副モードの抑圧比(SMSR)を大きくすることができる。また、デチューニング量を大きく取ることができるので、広い温度範囲で安定した単一モード発振の持続が可能になる。 According to the present invention, the absorption region formed of the compound semiconductor layer in which the absorption coefficient α max with respect to the peak wavelength λ max of the optical gain distribution of the active layer is larger than the absorption coefficient α e with respect to the oscillation wavelength λ e is By providing in the vicinity, for example, in a DFB laser element, oscillation of the Fabry-Perot mode near the peak wavelength λ max of the optical gain distribution of the active layer can be suppressed, and the mode of the set oscillation wavelength and the suppression of the submode are suppressed. The ratio (SMSR) can be increased. In addition, since a large amount of detuning can be taken, stable single mode oscillation can be maintained over a wide temperature range.
本発明で、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λe を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長λe のレーザ光を出射する半導体レーザ素子とは、例えば分布帰還型(DFB)半導体レーザ素子、分布反射型(DBR)半導体レーザ素子、ファイバブラッググレーディング(FBG)付き半導体レーザ・モジュール等を言う。また、活性層の近傍とは、活性層で発生した光を感知できる範囲内にあることを意味する。 In the present invention, a wavelength selection structure capable of selecting the oscillation wavelength λ e independently of the optical gain distribution of the active layer is provided in the vicinity of the active layer in the resonator structure, and a laser beam having the selected oscillation wavelength λ e is emitted. The semiconductor laser element means, for example, a distributed feedback (DFB) semiconductor laser element, a distributed reflection (DBR) semiconductor laser element, a semiconductor laser module with fiber Bragg grading (FBG), or the like. Further, the vicinity of the active layer means that the light generated in the active layer is within a range that can be sensed.
本発明では、活性層の光利得分布のピーク波長に対する吸収係数が、半導体レーザ素子の発振波長に対する吸収係数よりも大きくなるような吸収領域を設け、活性層の光利得分布のピーク波長付近のモードのみ選択的に吸収して、活性層の光利得分布のピーク波長付近のファブリー・ペロー発振を抑制する。これにより、発振波長の波長選択性を高め、かつ副モード抑圧比(SMSR)を大きくして、単一モード性を向上させることができる。よって、製品歩留りが向上する。換言すれば、活性層の光利得分布のピーク波長付近のファブリー・ペロー発振を選択的に抑制するので、デチューニング量(λe −λmax )を大きくしても、縦モードの良好な単一モード性を維持できる。また、高い動作温度でも、単一モードを維持できるので、高温での高出力特性が良好である。 In the present invention, an absorption region is provided such that the absorption coefficient with respect to the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer is larger than the absorption coefficient with respect to the oscillation wavelength of the semiconductor laser element, and a mode near the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer is provided. Only selectively absorbs and suppresses Fabry-Perot oscillation near the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer. Thereby, the wavelength selectivity of the oscillation wavelength can be improved, and the submode suppression ratio (SMSR) can be increased to improve the single mode property. Therefore, the product yield is improved. In other words, since Fabry-Perot oscillation near the peak wavelength of the optical gain distribution of the active layer is selectively suppressed, even if the detuning amount (λ e −λ max ) is increased, a good single mode can be obtained. Modality can be maintained. In addition, since the single mode can be maintained even at a high operating temperature, high output characteristics at high temperatures are good.
本発明では、吸収領域での、活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対する吸収係数αmax と、発振波長λe に対する吸収係数αe との差、αmax −αe は大きければ大きいほど本発明の効果を奏する上で好ましいが、実用的には、導波路損失に換算してαmax −αe ≧1cm−1であれば、本発明の効果を得ることができる。αmax −αe ≧5cm−1であれば、さらに顕著な効果を得ることができる。また、吸収領域では、αe が実質的に0であること、つまり吸収領域が発振波長λe に対して透明であることが好ましい。これにより、吸収領域を設けても、発振波長の導波路損失が増加せず、閾値電流値や発光効率が劣化しない。 In the present invention, in the absorption region, the difference between the absorption coefficient α max with respect to the peak wavelength λ max of the optical gain distribution of the active layer and the absorption coefficient α e with respect to the oscillation wavelength λ e , α max −α e is larger. Although the effect of the present invention is preferable, practically, the effect of the present invention can be obtained if α max −α e ≧ 1 cm −1 in terms of waveguide loss. If α max −α e ≧ 5 cm −1 , a more remarkable effect can be obtained. In the absorption region, it is preferable that α e is substantially 0, that is, the absorption region is transparent to the oscillation wavelength λ e . Thereby, even if an absorption region is provided, the waveguide loss at the oscillation wavelength does not increase, and the threshold current value and the light emission efficiency do not deteriorate.
更に、本発明では、量子効果による急峻な吸収端を有する吸収領域を設けることにより、例えば、急峻な吸収端を有する量子井戸層や量子ドット層を選択的な吸収領域として設けることにより、活性層の利得ピーク波長に対する吸収係数αmax と、発振波長に対する吸収係数αe との間に大きな差を実現することができる。なお、ここで、量子化されているとは、吸収領域を構成する化合物半導体層のサイズが、電子の量子力学的波長程度まで薄く、量子効果を示すことができるサイズであることを意味する。 Furthermore, in the present invention, by providing an absorption region having a steep absorption edge due to the quantum effect, for example, by providing a quantum well layer or a quantum dot layer having a steep absorption edge as a selective absorption region, the active layer A large difference can be realized between the absorption coefficient α max for the gain peak wavelength and the absorption coefficient α e for the oscillation wavelength. Here, the term “quantized” means that the size of the compound semiconductor layer that constitutes the absorption region is as thin as the quantum mechanical wavelength of electrons and can exhibit a quantum effect.
更に、本発明では、波長選択構造が回折格子として構成されていても良いし、吸収領域として機能する選択的吸収層が、活性層の近傍に回折格子とは別に形成されていてもよい。なお、選択的吸収層は、活性層を挟んで回折格子と反対側に配置しても、或いは回折格子と同じ側に配置しても、問題はない。但し、反対側に配置した方が、活性層との距離を任意に選択可能であるから、設計の自由度は大きくなる。 Furthermore, in the present invention, the wavelength selection structure may be configured as a diffraction grating, or a selective absorption layer functioning as an absorption region may be formed separately from the diffraction grating in the vicinity of the active layer. There is no problem even if the selective absorption layer is disposed on the opposite side of the diffraction grating with the active layer interposed therebetween or on the same side as the diffraction grating. However, the arrangement on the opposite side increases the degree of freedom of design because the distance to the active layer can be arbitrarily selected.
また、本発明では、吸収領域を量子化された化合物半導体層によって形成し、かつ、活性層の光利得分布のピーク波長λmax を、DFBレーザの発振波長λe に対して、図10に示すように、λe <λmax の関係に設定することにより、高周波領域での微分利得が大きく、高速変調特性を良好にすることができる。 In the present invention, the absorption region is formed by a quantized compound semiconductor layer, and the peak wavelength λ max of the optical gain distribution of the active layer is shown in FIG. 10 with respect to the oscillation wavelength λ e of the DFB laser. Thus, by setting the relationship of λ e <λ max , the differential gain in the high frequency region is large, and the high-speed modulation characteristics can be improved.
以下に、実施形態例を挙げ、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例1
本実施形態例は、第1及び第2の発明に係る半導体レーザ素子を一つにしてDFBレーザ素子に適用した実施形態の一例であって、図1は本実施形態例の半導体レーザ素子の構造を示す部分断面斜視図、図2は図1の矢視I−Iの半導体レーザ素子の断面図である。なお、実施形態例1及び後述の実施形態例2で示す化合物半導体層の組成、膜厚等は本発明の理解のための例示であって、本発明はこれらの例示に限定されるものではない。本実施形態例の半導体レーザ素子10は、発振波長を1550nmに設定した埋め込みへテロ型DFBレーザ素子として構成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described specifically and in detail with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1
The present embodiment is an example of an embodiment in which the semiconductor laser devices according to the first and second inventions are combined and applied to a DFB laser device. FIG. 1 shows the structure of the semiconductor laser device of the present embodiment. FIG. 2 is a sectional view of the semiconductor laser device taken along the line II of FIG. In addition, the composition, film thickness, and the like of the compound semiconductor layer shown in Embodiment Example 1 and Embodiment Example 2 described later are examples for understanding the present invention, and the present invention is not limited to these examples. . The
DFBレーザ素子10は、n−InP基板12上に、MOCVD法等によって、順次、エピタキシャル成長させた、膜厚1μmのn−InPバッファ層14、MQW−SCH活性層16、膜厚200nmのp−InPスペーサ層18、周期Λが240nmであって、膜厚20nmのGaInAsP層からなる回折格子20、及び回折格子20を埋め込んだp−InP第1クラッド層22の積層構造を備えている。活性層16の光利得分布のピーク波長λg は約1530nmであり、回折格子20のバンドギャップ波長λg は約1510nmである。
The
n−InP基板12の上部、及び積層構造を構成するn−InPバッファ層14、活性層16、p−InPスペーサ層18、回折格子20、及び回折格子20を埋め込んだp−InP第1クラッド層22は、活性層16の幅が1.5μmになるメサストライプにエッチング加工されている。そして、メサストライプの両側には、p−InP層24及びn−InP層26からなるキャリアブロック構造が形成されている。更に、DFBレーザ素子10は、p−InP第1クラッド層22及びn−InP層26上に、膜厚2μmのp−InP第2クラッド層28、及び高濃度でドープされたp−GaInAsコンタクト層30を備え、また、コンタクト層30上にTi/Pt/Auの積層金属膜からなるp側電極32、及び基板12の裏面にAuGeNiからなるn側電極34を備えている。
The upper portion of the n-
本実施形態例では、バンドギャップ波長λg が約1510nmのGaInAsPで回折格子20を形成することにより、回折格子20では、バンド端のすその影響によって、活性層16の光利得分布のピーク波長の1530nm付近で多少の吸収が生じるものの、発振波長として設定した1550nm付近の波長に対しては、ほとんど吸収が起らない。即ち、活性層の光利得分布のピーク波長に対する吸収係数αmax が発振波長に対する吸収係数αe よりも大きくなっている。なお、回折格子20のバンドギャップ波長λg を活性層の光利得分布のピーク波長1530nmとDFBレーザ素子10の発振波長1550nmの間に設定することによって、大きな吸収係数の差を実現することとができる。
In this embodiment, the
本実施形態例のDFBレーザ素子10を評価するために、上述の積層構造を備えたウエハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージタイプのステムにボンディングした。前端面には無反射膜を、後端面には高反射率の膜をコーティングしてレーザ特性を測定したところ、以下に示すような測定結果を得た。DFBレーザ素子10は、良好な単一モードで安定して発振し、副モード抑圧比として45dB〜50dBの大きな値が得られた。なお、回折格子のバンドギャップ波長が大きい従来タイプのDFBレーザ素子(以下、従来型DFBレーザ素子と言う)では、このような大きな副モード抑圧比は得られ難く、おおよそ35dB〜40dB程度である。
In order to evaluate the
また、閾値電流も9mAと低く、発光効率も従来型DFBレーザ素子と比較して遜色はなかった。従って、回折格子20の発振波長に対する吸収は十分に小さいと思われる。そして、回折格子20が活性層16の光利得分布のピーク波長付近のモードに対してのみ選択吸収的に働き、利得ピーク波長付近のファブリー・ペロー発振が抑制されたことにより、副モード抑圧比が改善されたと考えられる。さらに、素子ごとでの結合係数のばらつきも小さく、均一性の良い特性が得られた。本実施形態例では、回折格子20のバンドギャップ波長λg (1510nm)を従来のDFBレーザ素子の回折格子のバンドギャップ波長λg 、例えば1200nmよりも大きくしたことにより、回折格子20の屈折率と周囲のInP層の屈折率の差が大きくなるので、p−InPスペーサ層18の膜厚を厚くして回折格子20を活性層16から離しても、十分に大きな回折格子結合係数を得ることができるため、回折格子の膜厚やデューティ比によって結合係数が変動しにくい。従って、結晶成長プロセスや作製プロセスでのトレランスが緩和され、安定した製造を行うことができる。
Further, the threshold current was as low as 9 mA, and the light emission efficiency was not inferior to that of the conventional DFB laser device. Accordingly, it is considered that the absorption of the
以下に、図3及び図4を参照して、実施形態例1のDFBレーザ素子10の作製方法を説明する。図3(a)から(c)、及び図4(d)と(e)は、それぞれ、実施形態例1のDFBレーザ素子10を作製する際の工程毎の断面図である。図3は図1の矢視I−Iでの断面であり、図4は図1の矢視II−IIでの断面である。先ず、MOCVD結晶成長装置を用い、成長温度600℃で、n−InP基板12上に、順次、膜厚1μmのn−InPバッファ層14、MQW−SCH活性層16、膜厚200nmのp−InPスペーサ層18、及び膜厚20nmのGaInAsP回折格子層20′をエピタキシャル成長させて、図3(a)に示すように、積層構造を形成する。
A method for manufacturing the
次いで、回折格子層20′上に電子ビーム(EB)描画用レジストを約100nmの厚さで塗布し、EB描画装置により描画して、周期Λが240nmの回折格子パターン21を形成する。続いて、回折格子パターン21をマスクとして、ドライエッチング装置によりエッチングを行い、回折格子層20′を貫通する溝23を形成し、溝底にp−InPスペーサ層18を露出させ、図3(b)に示すように、回折格子20を形成する。次に、回折格子パターン21を除去し、続いてMOCVD結晶成長装置によって、図3(c)に示すように、回折格子20を埋め込むp−InP第1クラッド層22を再成長させる。
Next, an electron beam (EB) drawing resist is applied on the
次に、p−InP第1クラッド層22上にSiNX 膜をプラズマCVD装置を用いて成膜し、続いてフォトリソグラフィと反応性イオンエッチング装置(RIE)により、SiNX 膜をストライプ形状に加工して、SiNX 膜マスク25を形成する。次いで、SiNX 膜マスク25をエッチングマスクとして、p−InP第1クラッド層22(回折格子20)、p−InPスペーサ層18、活性層16、n−InPバッファ層14及びn−InP基板12の上部をエッチングして、活性層幅が1.5μm程度のメサストライプに加工する。更に、SiNX 膜マスク25を選択成長マスクにして、順次、p−InP層24およびn−InP層26を選択成長させて、図4(d)に示すように、メサストライプの両脇にキャリアブロック構造を形成する。
Next, a SiN X film is formed on the p-InP
次に、SiNX 膜マスク25を除去した後、図4(e)に示すように、膜厚2μmのp−InP第2クラッド層28と、p側電極32とオーミックコンタクトを取るために高濃度にドープしたGaInAs層をコンタクト層30としてエピタキシャル成長させる。基板厚が120μm程度になるようにn−InP基板12の裏面を研磨し、続いてコンタクト層30上にTi/Pt/Au積層金属膜をp側電極32として形成し、基板裏面にはAuGeNi膜をn側電極34として形成する。以上の積層構造を作製したウエハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージタイプのステムにボンディングすることにより、図1にその積層構造を示すDFBレーザ素子10を形成することができる。
Next, after removing the SiN X film mask 25, as shown in FIG. 4 (e), a high concentration is formed in order to make ohmic contact with the p-InP
本実施形態例では、回折格子20のバンドギャップ波長を活性層16の光利得分布のピーク波長に近づけることにより、結果的に回折格子と周囲のInP層の屈折率差が大きくなっているので、従来のDFBレーザ素子よりも回折格子20を活性層16から離しても、所望の屈折率結合係数を得ることができる。従って、結晶成長プロセスや作製プロセスでのトレランスが緩和され、安定した製造を行うことができる。
In the present embodiment, the difference in refractive index between the diffraction grating and the surrounding InP layer is increased by bringing the band gap wavelength of the
実施形態例2
本実施形態例は、第1及び第2の発明に係る半導体レーザ素子を一つにしてDFBレーザ素子に適用した実施形態の別の例であって、図5は本実施形態例の半導体レーザ素子の構成を示す部分断面斜視図、及び図6は図5の矢視III−IIIの断面図である。実施形態例1のDFBレーザ素子10では、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λe を選択できる波長選択構造として形成された回折格子20が利得ピーク波長のモードの光を選択的に吸収する層として機能している。一方、本実施形態例の半導体レーザ素子40は、同じく、発振波長を1550nmに設定した埋め込みへテロ型DFBレーザ素子として構成されているが、活性層の光利得分布のピーク波長のモードの光を選択的に吸収する選択的吸収層を回折格子とは別に備えている。
Embodiment 2
This embodiment is another example of the embodiment in which the semiconductor laser elements according to the first and second inventions are combined and applied to the DFB laser element. FIG. 5 shows the semiconductor laser element according to this embodiment. FIG. 6 is a partial sectional perspective view showing the configuration of FIG. 6 and FIG. 6 is a sectional view taken along the arrow III-III in FIG. In the
DFBレーザ素子40は、n−InP基板42上に、MOCVD法等によって、順次、エピタキシャル成長させた、膜厚1μmのn−InPバッファ層44、膜厚5nmのInGaAs層からなる選択的吸収層45A、膜厚100nmのn−InPスペーサ層45B、MQW−SCH活性層46、膜厚100nmのp−InPスペーサ層48、周期Λが240nmであって、膜厚30nmのGaInAsP層からなる回折格子50、及び回折格子50を埋め込んだp−InP第1クラッド層52の積層構造を備えている。選択的吸収層45Aのバンドギャップ波長λg は1540nm、活性層46のバンドギャップ波長λg は1530nm、及び回折格子50のバンドギャップ波長λg が約1200nmである。従って、回折格子50は、活性層46の光利得分布のピーク波長約1530nmに対しても、またDFBレーザ素子40の発振波長として設定した波長1550nmに対しても十分に透明である。
The
選択的吸収層45Aの膜厚は、5nmと量子効果が発現されるほど十分に薄く、しかも吸収端波長(バンドギャップ波長に相当する)が約1540nm付近になるように膜厚が調節されており、量子井戸層として機能している。従って、選択的吸収層45Aの吸収係数は、活性層46の光利得分布のピーク波長の1530nm付近では多少吸収が生じるが、発振波長として設定した1550nm付近の波長に対しては、ほとんど吸収が起こらない。量子効果による急峻な吸収端を備えた選択的吸収層45Aを設けることにより、活性層46の光利得分布のピーク波長に対する吸収係数と、発振波長に対する吸収係数(ほとんどゼロ)に大きな違いを有する吸収領域を実現することができる。なお、本実施形態例では、選択的な吸収領域として1層の量子井戸層45Aを用いたが、多数層で形成することにより、より大きな吸収係数の差を実現することも可能である。また、実施形態例1のように回折格子=選択的な吸収領域=量子井戸構造としてもよい。
The film thickness of the
本実施形態例の半導体レーザ素子40では、選択的吸収層45Aとして、急峻な吸収端を有する量子井戸層や量子ドット層を選択的な吸収領域として設けることにより、利得ピーク波長と発振波長における吸収係数の差を大きくすることができる。なお、本実施形態例では、選択的吸収層45Aは、活性層を挟んで回折格子と反対側に配置しているが、回折格子と同じ側でも、問題はない。但し、反対側に配置した方が設計の自由度は大きくなる。
In the
n−InP基板42の上部、及び積層構造を構成するn−InPバッファ層44、選択的吸収層45A、n−InPスペーサ層45B、活性層46、p−InPスペーサ層48、回折格子50、及び回折格子50を埋め込んだp−InP第1クラッド層52は、活性層46の幅が1.5μmのメサストライプにエッチング加工されている。そして、メサストライプの両側には、p−InP層54及びn−InP層56からなるキャリアブロック構造が形成されている。
An n-
更に、半導体レーザ素子40は、p−InP第1クラッド層52及びn−InP層56上に、膜厚2μmのp−InP第2クラッド層58、及び高濃度でドープされたp−GaInAsコンタクト層60を備え、また、コンタクト層60上にTi/Pt/Auの積層金属膜からなるp側電極62、及び基板42の裏面にAuGeNiからなるn側電極64を備えている。
Further, the
本実施形態例のDFBレーザ素子40を評価するために、上述の積層構造を備えたウエハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージタイプのステムにボンディングし、前端面には無反射膜を、後端面には高反射率の膜をコーティングしてレーザ特性を測定したところ、以下に示すような測定結果を得た。DFBレーザ素子40は、意図した通り発振波長1550nmで良好な単一モードで安定した発振を持続した。副モード抑圧比は約50dBと非常に良好な値であり、閾値電流も8mAと従来のDFBレーザと同等の値であった。従って、選択的吸収層45Aによる発振波長に対する吸収はほとんど無視できると考えられる。また、活性層46の光利得分布のピーク波長付近のファブリー・ペローモードのピークと谷部の比は従来のDFBレーザよりも小さくなっており、この付近のモードが選択的吸収層45Aによる損失を受け、ファブリー・ペローモードの発振が抑制されていた。
In order to evaluate the
また、DFBレーザ素子40と同じ構造で、回折格子50の周期を長くして、発振波長を1570nmに設定したDFBレーザ素子でも、発振波長1570での単一モードの安定した発振の持続が観測された。このように、活性層の光利得分布のピーク波長(1530nm)から長波側に大きくデチューニングした場合でも、利得ピーク付近のモードは選択的吸収層45Aによって発振が抑制されるので、安定した単一モード発振を持続させることができる。
In addition, even in a DFB laser element having the same structure as that of the
次に、図7を参照して、実施形態例2の半導体レーザ素子40の作製方法を説明する。図7(a)から(c)は、それぞれ、実施形態例2の半導体レーザ素子40を作製する際の工程毎の断面図である。先ず、MOCVD結晶成長装置を用い、成長温度600℃で、図7(a)に示すように、n−InP基板42上に、順次、n−InPバッファ層44、InGaAs層からなる選択的吸収層45A、n−InPスペーサ層45B、MQW−SCH活性層46、p−InPスペーサ層48、及びInGaAsP層からなる回折格子層50′をエピタキシャル成長させる。
Next, with reference to FIG. 7, a method for manufacturing the
回折格子層50′上に電子ビーム(EB)描画用レジストを100nmの厚さで塗布し、EB描画装置により描画して、周期Λが240nmの回折格子パターン51を形成する。続いて、回折格子パターン51をエッチングマスクとして、ドライエッチング装置によりエッチングを行い、回折格子層50′を貫通する溝53を形成し、溝底にp−InPスペーサ層48を露出させ、図7(b)に示すように、回折格子50を形成する。図7(c)に示すように、回折格子50を埋め込むp−InP第1クラッド層52の再成長を行う。
An electron beam (EB) drawing resist is applied to the
以下、実施形態例1と同様にして、SiNX 膜マスクをエッチングマスクとして、p−InP第1クラッド層52、回折格子50、p−InPスペーサ層48、活性層46、n−InPスペーサ層45B、選択的吸収層45A、n−InPバッファ層44、及びn−InP基板42の上部をエッチングして、活性層幅が1.5μm程度のメサストライプに加工する。続いて、SiNX 膜マスクを選択成長マスクにして、順次、p−InP層54およびn−InP層56を選択成長させて、メサストライプの両脇にキャリアブロック構造を形成する。次いで、SiNX 膜マスクを除去した後、膜厚2μmのp−InPクラッド層58と高濃度にドープしたGaInAsコンタクト層60とをエピタキシャル成長させる。
Thereafter, in the same manner as in Embodiment 1, using the SiN X film mask as an etching mask, the p-InP
基板厚が120μm程度になるようにn−InP基板42の裏面を研磨し、続いてコンタクト層60上にTi/Pt/Au積層金属膜をp側電極62として形成し、基板裏面にはAuGeNi膜をn側電極64として形成する。以上の積層構造を作製したウエハを劈開によりチップ化し、キャンパッケージタイプのステムにボンディングすることにより、図5及び図6に積層構造を示す半導体レーザ素子40を形成することができる。
The back surface of the n-
実施形態例1及び2では、1550nm帯のDFBレーザ素子を例に挙げて説明したが、他の波長帯でも、同様に本発明に係る半導体レーザ素子を適用することができる。また、実施形態例では、共振器全体に選択的吸収層45A又は回折格子20を配置したが、共振器の一部に配置しても、本実施形態例と同様の効果を得ることができる。更には、DFBレーザ素子だけでなく、DBRレーザ素子、FBGレーザ素子など、活性層の光利得分布とは独立に発振波長λe を選択できる波長選択構造を共振器構造内の活性層の近傍に備え、選択された発振波長λe のレーザ光を出射する半導体レーザ素子に適用できる。
The first and second embodiments have been described by taking the DFB laser element in the 1550 nm band as an example, but the semiconductor laser element according to the present invention can be similarly applied to other wavelength bands. Further, in the embodiment example, the
10 実施形態例1のDFBレーザ素子
12 n−InP基板
14 n−InPバッファ層
16 MQW−SCH活性層
18 p−InPスペーサ層
20 回折格子
20′GaInAs層
21 回折格子パターン
22 回折格子を埋め込んだp−InP第1クラッド層
23 溝
24 p−InP層
26 n−InP層
28 p−InP第2クラッド層
30 p−GaInAsコンタクト層
32 p側電極
34 n側電極
40 実施形態例2のDFBレーザ素子
42 n−InP基板
44 n−InPバッファ層
45A 選択的吸収層
45B n−InPスペーサ層
46 MQW−SCH活性層
48 p−InPスペーサ層
50′ GaInAs層
50 回折格子
51 回折格子パターン
52 回折格子を埋め込んだp−InP第1クラッド層
53 溝
54 p−InP層
56 n−InP層
58 p−InP第2クラッド層
60 p−GaInAsコンタクト層
62 p側電極
64 n側電極
10
Claims (6)
活性層の光利得分布のピーク波長λmax に対する吸収係数αmax が発振波長λe に対する吸収係数αe よりも大きくなる化合物半導体層で形成された吸収領域が、共振器構造内に設けられ、かつ吸収領域では、前記λmax 付近のモードを選択的に吸収することを特徴とする半導体レーザ素子。 In a semiconductor laser device comprising a wavelength selection structure capable of selecting an oscillation wavelength λ e independently of the optical gain distribution of the active layer, in the vicinity of the active layer in the resonator structure,
An absorption region formed of a compound semiconductor layer in which the absorption coefficient α max with respect to the peak wavelength λ max of the optical gain distribution of the active layer is larger than the absorption coefficient α e with respect to the oscillation wavelength λ e is provided in the resonator structure; and A semiconductor laser device, wherein an absorption region selectively absorbs a mode in the vicinity of λmax .
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