JP4017196B2 - 分布帰還型半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、単一縦モードで発振する利得結合分布帰還型半導体レーザ装置（以下、「利得結合ＤＦＢ−ＬＤ」と略す）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
利得結合ＤＦＢ−ＬＤは、優れた単一縦モード発振が得られること、戻り光により雑音が生じにくいことといった特徴を有している。波長１．３３μｍ、１．５μｍを有する長波長の利得結合ＤＦＢ−ＬＤは超高速光通信用の光源として、概１μｍよりも短い波長の利得結合ＤＦＢ−ＬＤは光計測装置・高速光伝送装置・光記録装置の光源として重要である。
【０００３】
利得結合ＤＦＢ−ＬＤは、誘導放出光を発生する活性層がその誘導放出光に対して吸収を持たないクラッド層に挟まれたダブルヘテロ接合構造を有しており、活性層近傍に回折格子を備えており、活性層が発生する誘導放出光の利得が回折格子によって素子内部で位置的に周期的に変化することによって光の分布帰還が生じ、レーザ発振がもたらされる機構（これを「利得結合」と呼ぶ）を有している。
【０００４】
回折格子によって誘導放出光の利得を周期的に変化させる方法としては、活性層の利得そのものを周期的に摂動させる方法（利得性回折格子）と、活性層近傍に光吸収層を周期的に形成することによって実効的に利得の周期的摂動が生じる構造（吸収性回折格子）とが実現されている。後者に関しては、特公平６−７６２４に基本となる構造が示されており、活発に研究されている。
【０００５】
図７は活性層近傍に周期的な光吸収層を形成することによって実効的に利得の周期的摂動が生じる構造とした、従来の利得結合ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す図である（ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ４，ＮＯ．７，１９９２，Ｐ．６９２より）。すなわち、ｎ−ＧａＡｓ基板７０１上にｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７０２を１．０μｍ、ｕｎ−ＧａＡｓ活性層７０３を０．０９μｍ、ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層７０４を０．１μｍ、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１ガイド層７０５を０．１μｍ、ｎ−ＧａＡｓ光吸収層７０６を５０ｎｍ、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により連続的に結晶成長した後、二光束干渉露光法並びにウエットエッチング法により回折格子７０７を形成してｎ−ＧａＡｓ光吸収層７０６を周期的に除去し、その上にｐ−ＡｌＧａＡｓ第２ガイド層７０８を０．１μｍ、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７０９を１．０μｍ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層７１０を０．５μｍの結晶再成長を行い、素子を作製している。
【０００６】
図７における従来例では、吸収性回折格子の吸収飽和を抑制する為に、導電型を反転した吸収層が用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高出力で半導体レーザを駆動させる場合には素子内部の光密度が非常に大きくなる為、従来の利得結合ＤＦＢ−ＬＤにおいても光吸収層に吸収飽和が生じ得る。光吸収層の吸収飽和が生じると、吸収性回折格子による利得結合が生じなくなる為に単一縦モード発振特性を損なわれ、問題となる。
【０００８】
また、従来の構造では光吸収層として活性層に比較的近い禁制帯幅を有する半導体層が用いられてきた。この場合には、誘導放出光が周期的吸収層で吸収されるときの吸収の程度を示す「吸収係数」が、吸収層内の不純物添加量や活性層からの誘導放出光の波長の変動に強く影響されることになる。その結果、作製される素子の特性にばらつきが生じるほか、素子をレーザ発振させる時、その出力によって光吸収層の吸収係数が大きく変化し、安定した単一縦モード特性が確保されない問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る請求項１の分布帰還型半導体レーザ装置は、
ＡｌＧａＡｓ材料で形成された活性層近傍に光分布帰還を与える周期構造を備え、該周期構造が、前記活性層から発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的に変化する、周期的吸収層である利得結合分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記周期的光吸収層がｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦Ｘ≦１）で形成され、かつ、その厚さが電子のド・ブロイ波長よりも厚く、
かつ、前記周期的光吸収層におけるＡｌ混晶比が、前記誘導放出光のエネルギーｈνと前記周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgとの差が０．１３ｅＶ以上になるように、選ばれていることを特徴とする。
【００１２】
本発明にかかる請求項２の分布帰還型半導体レーザは、
ＡｌＧａＡｓ材料で形成された活性層近傍に光分布帰還を与える周期構造を備え、該周期構造が、前記活性層から発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的に変化する、周期的吸収層である利得結合分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記周期的光吸収層がｐ型Ａｌ x Ｇａ 1-x Ａｓ（０≦Ｘ≦１）で形成され、かつ、その厚さが電子のド・ブロイ波長よりも厚く、
かつ、前記周期的光吸収層におけるＡｌ混晶比が、前記誘導放出光のエネルギーｈνと前記周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgとの差が０．０８ｅＶ以上になるように、選ばれていることを特徴とする。
【００１５】
【作用】
周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgが、下記式（Ｉ）を満たすことにより、周期的吸収層の価電子帯の電子が、伝導帯における自由電子が熱的に分布するエネルギーレベルよりも高いエネルギーへ、誘導放出光によって励起されるように、周期的光吸収層の材料が選択されることとなり、光吸収層における吸収飽和が抑制される。
【００１６】
【数１】
【００１７】
請求項１においては、前記周期的光吸収層がｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦Ｘ≦１）で形成され、かつ、前記誘導放出光のエネルギーｈνと前記周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgとの差が０．１３ｅＶ以上であることにより、光吸収層における吸収飽和がより抑制されるものである。
【００１８】
請求項２においては、前記周期的光吸収層がｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦Ｘ≦１）で形成され、かつ、前記誘導放出光のエネルギーｈνと前記周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgとの差が０．０８ｅＶ以上であることにより、光吸収層における吸収飽和がより抑制されるものである。
【００２１】
このような作用をもたらす理由を、以下に説明する。図８に、光吸収層の厚さが電子のド・ブロイ波長（概１０ｎｍ）以上の時の、光吸収層のバンド構造を示す。活性層から発せられる光（図８（ａ）ではｈνで示されている。）が光吸収層で吸収される時（この時にＥc−Ｅv＜ｈνとなることが吸収が生じる条件）、光吸収層内でのキャリア（電子−正孔対）の生成を伴う。このときに生成されるキャリアの一部は図８（ｂ）に示される様に再結合消滅を起こすが、一部は定常的に伝導帯に蓄積されることになる。この時に光吸収層内に蓄積されることのできるキャリアの数には量子力学的に上限があり、その上限を越えると、それ以上にはキャリアが生成されなくなり、光吸収層における光吸収がもはや生じなくなる。この状態を「過飽和吸収」または「吸収飽和」と呼ぶ。光吸収層の伝導帯には、熱的に励起されている自由電子が予め存在しており、光吸収によって生成されるキャリアの上限を小さくする一つの要因となっている。
【００２２】
図９に過飽和吸収が生じた場合の利得結合ＤＦＢ−ＬＤの電流−光出力特性の一例を示すが、光出力が一定値Ｐsatを越えた時点で過飽和吸収が生じ、出力がＡ→Ｂへと不連続に切り変わると共に、Ｂ→Ｃの間では利得結合が生じないために単一縦モード特性が不良となる。
【００２３】
過飽和吸収を抑制する為の手段としては、光吸収層に蓄積することができるキャリアの数の量子力学的な上限（状態密度）をできるだけ大きくすることが効果的である。つまり、光吸収層内で生成されるキャリアのエネルギーが、熱的に励起されている自由電子よりも大きければ、熱的に励起されている自由電子による状態密度の低減の影響を受けず、過飽和吸収がより高出力まで起こらなくなる作用をもたらせる。
【００２４】
熱的に励起されている自由電子は、伝導帯の底（低エネルギー端部）から約０．１ｅＶの幅をもって高エネルギー側へ裾を引きながら分布する。よって、前記誘導放出光のエネルギーがｈνが周期的光吸収層の禁制体幅Ｅgよりも概ね０．１ｅＶ以上大きければ、熱的に励起されている自由電子による状態密度の低減の効果を受けず、高出力まで吸収が飽和しないことが予測される。
【００２５】
利得結合ＤＦＢ−ＬＤにおける種々の作製パラメータ（利得結合定数など）を一定にしたまま、種々の周期的光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光のエネルギーとの差をもつ素子を作製し、実験的に上記の事項を検証したところ、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）を光吸収層とした場合には前記の差が０．１３ｅＶ以上の時に、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）を光吸収層とした場合には前記の差が０．０８ｅＶ以上の時に高出力まで吸収が飽和しないことが確かめられた。
【００２６】
ｎ型の半導体層を光吸収層に用いた場合の方が過飽和吸収を生じやすいのは、ドナー不純物レベルから伝導帯へ熱的に励起される自由電子が多いことの影響である。
【００２７】
また、同様にしてＩｎ1-yＧａyＡｓ1-zＰz（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）系に対しては、ｎ型の層を光吸収層とした場合には前記の差が０．１５ｅＶ以上の時に、ｐ型の層を光吸収層とした場合には前記の差が０．０８ｅＶ以上の時に高出力まで吸収が飽和しないことが確かめられた。
【００２８】
ＡｌＧａＡｓ系の場合よりもＩｎＧａＡｓＰ系の場合の方が過飽和吸収を生じやすいのは、ＩｎＧａＡｓＰ系の方が電子の有効質量が小さいために、伝導帯の状態密度が小さいことによる。
【００２９】
上記請求項１、２においては他の作用がある。即ち、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数が周期的光吸収層内の不純物密度や光エネルギーに依存することがなくなり、作製される素子の特性にばらつきが生じないほか、素子をレーザ発振させた時にその出力や温度変化によって光吸収層の吸収係数が変化することが無くなり、安定した素子特性が再現性良く得られるものである。
【００３０】
この作用をもたらす理由を、周期的吸収層がＧａＡｓの場合を例に挙げて説明する。図１０（ａ）に、バルク状の（つまり厚さが電子のド・ブロイ波長以上となっている）ｎ型ＧａＡｓ、（ｂ）にｐ型ＧａＡｓの吸収係数の光エネルギー依存性を示す（Ｈ．Ｃ．Ｃａｓｅｙ，Ｊｒ．ａｎｄ Ｍ．Ｂ．Ｐａｎｉｓｈ：Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｌａｓｅｒｓ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ（１９７８）より）。半導体レーザの場合には添加する不純物密度は５×１０17〜２×１０18ｃｍ-1程度に制御されており、この範囲においては、光エネルギーとしてｎ型に対しては概１．５５ｅＶ、ｐ型に対しては概１．５０ｅＶ以下に対してＧａＡｓの吸収係数が不純物密度に大きく依存する。その結果、再現性良く予め設計された吸収係数が得られにくいと同時に、ＧａＡｓの吸収係数が光エネルギーに大きく依存することになり、素子間やロット間で周期的吸収層の吸収係数がばらつき、素子特性の再現性に問題が生じる。一方で光エネルギーがｎ型に対しては概１．５５ｅＶ、ｐ型に対しては概１．５０ｅＶ以上の光に対しては吸収係数は不純物密度や光エネルギーに依存せずにほぼ一定値１２０００〜１５０００ｃｍ-1の安定した値が確保され、素子作製時の再現性、素子動作の安定性に優れる構造となる。ＧａＡｓの禁制帯幅は１．４２ｅＶであることから、活性層と吸収層との禁制帯幅の差が概０．１３ｅＶ以上あれば上記の効果が期待できることになる。特に、不純物密度による吸収係数の変動が大きいｎ型ＧａＡｓ（図１０（ａ））では効果が大きい。
【００３１】
【実施例】
図１は本発明の第一の実施例の分布帰還型半導体レーザ装置の構造を示す図である。
【００３２】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０２を１μｍ、ｕｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ活性層１０３を０．０８μｍ、ｐ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓキャリアバリア層１０４を０．２μｍ、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓガイド層１０５を０．０５μｍ、ｎ−ＧａＡｓ光吸収層１０６を３０ｎｍ、第一回目のエピタキシャル成長により形成する。続いて、成長層の最上層である光吸収層１０６上に二光束干渉露光によりピッチ０．３６μｍを有する格子状のレジストマスクを得る。次にこのレジストマスクを用い、塩酸／過酸化水素水／純水の混液によるウエットエッチングにより光吸収層１０６が不連続になるようにエッチングし、三次の矩形形状回折格子を作製する。このときの回折格子のデューティは、光吸収層による吸収損失を抑える為に０．２程度の低デューティになるように作製されている。次にこの上に第二回目のエピタキシャル成長によりｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ上クラッド層１０７を０．８μｍ、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１０８を０．５μｍを第二回目のエピタキシャル成長により形成する。
【００３３】
次に、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１０８上にプラズマＣＶＤ法により窒化珪素の絶縁膜１０９を約０．２μｍ形成し、この窒化珪素の絶縁膜上へのホトリソグラフィーと緩衝フッ酸によるエッチングを用いて幅１０μｍのストライプ溝を空けた後、全面にＡｕＺｎの電極１１０を形成する。基板の厚さを約１００μｍにまで薄層化した後、裏面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ電極１１１を形成し、素子全体を４００℃で３分間の加熱処理をすることにより、素子が完成する。
【００３４】
ＡｌＧａＡｓ材料系を用いた本実施例では、活性層と光吸収層の混晶比の差が０．１となっており、誘導放出光のエネルギー（波長８００ｎｍ→エネルギー１．５５ｅＶに相当）と光吸収層との禁制帯幅（１．４２ｅＶ）の差は０．１３ｅＶに対応する。本素子では、吸収層の過飽和吸収によって生じる光出力−電流特性の不連続は光出力５０ｍＷ以上まで見られず、高出力まで安定した単一軸モードでの発振が確認された。
【００３５】
本実施例に示した構造において光吸収層のＡｌ混晶比をさまざまな値に変更した素子を作製し、周期的光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光のエネルギーとの差であるΔＥgと、光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収による特性劣化が見られた素子の割合との相関を調べた結果を図２に示す。Ａｌ混晶比の差が０．１以上、つまりΔＥgが０．１３ｅＶ以上の時に光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収が生じる素子の割合は零となっていることが実験的に確かめられた。光記録装置の光源としてＤＦＢ−ＬＤを使用する場合、少なくても２０ｍＷの出力が要求され、本実施例の素子ではこの要求を満足する特性が得られている。なお、これらの素子においては、ΔＥgを変更しても他の設計的パラメータ（利得結合定数、活性層光閉じ込め係数等）が一定となるように作製されている。
【００３６】
図３は本発明の第二の実施例の分布帰還型半導体レーザ装置の構造を示す図である。
【００３７】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上にｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層３０２を１μｍ、ｕｎ−Ａｌ0.13Ｇａ0.87Ａｓ活性層３０３を０．０８μｍ、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層３０４を０．２μｍ、ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ第一ガイド層３０５を０．１μｍを第一回目のエピタキシャル成長により形成する。続いて、成長層の最上層であるガイド層３０５上に高屈折率を有するプリズムを通した二光束干渉露光によりピッチ０．１２μｍを有する格子状のレジストマスクを得る。次にこのレジストマスクを用い、ウエットエッチングによりガイド層３０５をエッチングすることにより、回折格子を得る。次にこの上に第二回目のエピタキシャル成長によりバッファ層となるｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ第二ガイド層３０６を５ｎｍ、ｐ−ＧａＡｓ光吸収層３０７を２５ｎｍ成長する。このときＧａＡｓは回折格子の表面全体を覆うものの、三角形状の回折格子の谷間に特に厚く結晶成長し、回折格子の凸凹に応じて光吸収層の層厚が周期変化することになる。さらに連続的にｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ上クラッド層３０８を０．８μｍ、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層３０９を０．５μｍを第二回目のエピタキシャル成長により形成する。
【００３８】
次に、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層３０８上にプラズマＣＶＤ法により窒化珪素の絶縁膜３１０を約０．２μｍ形成し、この窒化珪素の絶縁膜上にホトリソグラフィーと緩衝フッ酸によるエッチングを用いて幅８μｍのストライプ状の溝を空けた後、全面にＡｕＺｎの電極３１１を形成する。基板を厚さ約１００μｍにまで薄層化した後、裏面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ電極３１２を形成し、素子全体を４００℃で加熱処理することにより、素子が完成する。
【００３９】
ＡｌＧａＡｓ材料系を用いた本実施例では、活性層３０３と光吸収層３０７の混晶比の差が０．１３となっており、これは誘導放出光のエネルギー（波長７８０ｎｍ→エネルギー１．５９ｅＶに相当）と光吸収層との禁制帯幅（１．４２ｅＶ）の差が０．１７ｅＶであることに対応する。本素子では、吸収層の過飽和吸収によって生じる光出力−電流特性の不連続は光出力１００ｍＷ以上まで見られず、高出力まで安定した単一軸モードでの発振が確認された。
【００４０】
本実施例に示した構造において光吸収層のＡｌ混晶比をさまざまな値に変更した素子を作製し、周期的光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光のエネルギーとの差であるΔＥgと、光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収による特性劣化が見られた素子の割合との相関を調べた結果を図４に示す。ΔＥgが０．０８ｅＶ以上の時に光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収が生じる素子の割合は零となっていることが実験的に確かめられた。なお、これらの素子においては、ΔＥgを変更しても他の設計的パラメータ（利得結合定数、活性層光閉じ込め係数等）が一定となるように作製されている。
【００４１】
図５は本発明の第三の実施例の分布帰還型半導体レーザ装置の構造を示す図である。
【００４２】
この実施例は、まず、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上にｎ−ＩｎＰ第一下クラッド層５０２を０．５μｍ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（Ｅg＝０．８０ｅＶ）光吸収層５０３を２５ｎｍ、第一回目のエピタキシャル成長により形成する。続いて、成長層の最上層である光吸収層５０３上に二光束干渉露光法とウエットエッチングにより一次の矩形形状回折格子（ピッチ約０．２４μｍ）を作製する。次にこの上に第二回目のエピタキシャル成長によりｎ−ＩｎＰ第二下クラッド層５０４を０．３μｍ、ｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ→エネルギー０．９５ｅＶに相当）活性層５０５を０．１μｍ、ｐ−ＩｎＰ上クラッド層５０６を１μｍ、Ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０７を０．５μｍ、第二回目のエピタキシャル成長により形成する。
【００４３】
次に、ホトリソグラフィーを用いて幅３μｍのストライプ状のレジストマスクを形成し、ウエットエッチングを用いて活性層の上部から０．３μｍの位置までコンタクト層５０７と上クラッド層５０６をエッチングしてリッジ形状にした後、表面全面にプラズマＣＶＤ法により窒化珪素の絶縁膜５０８を約０．２μｍ形成し、リッジの頂上の絶縁膜だけを除去する。最後に基板を厚さ約１００μｍにまで薄層化し、表面、裏面に電極５０９，５１０を真空蒸着して、素子が完成する。
【００４４】
吸収層の可飽和吸収によって生じる光出力−電流特性の不連続は、光出力５０ｍＷ以上まで見られず、安定した単一軸モードでの発振が確認された。
【００４５】
本実施例に示した構造において、光吸収層の導電型、及び、光吸収層の禁制帯幅をさまざまな値に変更した素子を作製し、周期的光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光のエネルギーとの差であるΔＥgと、光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収による特性劣化が見られた素子の割合との相関を調べた結果を図６に示す。ｎ型の光吸収層を用いた場合にはΔＥgが０．１５ｅＶ以上の時に、ｐ型の光吸収層を用いた場合にはΔＥgが０．１ｅＶ以上の時に、光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収が生じる素子の割合は零となっていることが実験的に確かめられた。なお、これらの素子においては、ΔＥgを変更しても他の設計的パラメータ（格子定数、利得結合定数、活性層光閉じ込め係数等）が一定となるように作製されている。
【００４６】
本発明において、吸収係数が周期的に変化する構造を含む利得結合ＤＦＢ−ＬＤであれば、その材料系は上記実施例のものに限定されるものでは無く、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）（Ｐ，Ａｓ，Ｎ）や（Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃｄ）（Ｓ，Ｓｅ）等を含む他の材料系に対しても本発明を適用することができる。また、活性層が量子井戸構造であっても問題はない。また、光吸収層の配置には限定されないことは言うまでもない。さらに、光伝搬領域に沿ったストライプ状の領域の形状や作製方法に限定が生じるものでは無い。また、屈折率の摂動と利得（損失）の摂動との周期が等しく位相がずれている構造や、周期的光吸収層を光伝搬領域に沿ったストライプ状の領域の外側に配置する構造に対しても本発明を適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明にかかる分布帰還型半導体レーザによれば、周期的吸収層の価電子帯の電子が、伝導帯における自由電子が熱的に分布するエネルギーレベルよりも高いエネルギーへ、前記誘導放出光によって励起されるように、周期的光吸収層の材料が選択されていることにより、光吸収層における吸収飽和を抑制するものである。その結果、高出力時にも安定した単一縦モード特性を有する構造を得ることができる。上記の構成は、活性層から発生する誘導放出光よりも周期的吸収層の禁制帯幅を一定値以上大きくすることによって達成され、効果的に過飽和吸収を抑制することができる。
【００４９】
また、請求項１、２の分布帰還型半導体レーザによれば、活性層と周期的吸収層との禁制帯幅の差が大きい場合、周期的吸収層の吸収係数が不純物密度や光エネルギーによって変動することなく、安定した特性を持つ素子を再現性良く作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の利得結合ＤＦＢ−ＬＤを示す図である。
【図２】実施例１の構造において、光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光の波長をエネルギーに換算した値との差ΔＥgと、過飽和吸収が生じる頻度との関係を示す図である。
【図３】実施例２の利得結合ＤＦＢ−ＬＤを示す図である。
【図４】実施例２の構造において、光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光の波長をエネルギーに換算した値との差ΔＥgと、過飽和吸収が生じる頻度との関係を示す図である。
【図５】実施例３の利得結合ＤＦＢ−ＬＤを示す図である。
【図６】実施例３の構造において、光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光の波長をエネルギーに換算した値との差ΔＥgと、過飽和吸収が生じる頻度との関係を示す図である。
【図７】従来の利得結合ＤＦＢ−ＬＤを示す図である。
【図８】光吸収層におけるキャリアの生成と消滅を説明するための図である。
【図９】過飽和吸収が素子の特性に与える影響を説明するための図である。
【図１０】（ａ）ｎ型ＧａＡｓ、（ｂ）ｐ型ＧａＡｓの吸収係数の光エネルギー依存性を示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
１０３ ｕｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層
１０４ ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
１０５ ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層
１０６ ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
１０７ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
１０８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１０９ 窒化珪素絶縁膜
１１０ ｐ側電極
１１１ ｎ側電極
３０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
３０２ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
３０３ ｕｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層
３０４ ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
３０５ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第一ガイド層
３０６ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第二ガイド層
３０７ ｐ−ＧａＡｓ光吸収層
３０８ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
３０９ ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層
３１０ 窒化珪素絶縁膜
３１１ ｐ側電極
３１２ ｎ側電極
５０１ ｎ−ＩｎＰ基板
５０２ ｎ−ＩｎＰ第一下クラッド層
５０３ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層
５０４ ｎ−ＩｎＰ第二下クラッド層
５０５ ｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層
５０６ ｐ−ＩｎＰ上クラッド層
５０７ ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
５０８ 窒化珪素絶縁膜
５０９，５１０ 電極
７０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
７０２ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
７０３ ｕｎ−ＧａＡｓ活性層
７０４ ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
７０５ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第一ガイド層
７０６ ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
７０７ 回折格子
７０８ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上第二ガイド層
７０９ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
７１０ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
【産業上の利用分野】
本発明は、単一縦モードで発振する利得結合分布帰還型半導体レーザ装置（以下、「利得結合ＤＦＢ−ＬＤ」と略す）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
利得結合ＤＦＢ−ＬＤは、優れた単一縦モード発振が得られること、戻り光により雑音が生じにくいことといった特徴を有している。波長１．３３μｍ、１．５μｍを有する長波長の利得結合ＤＦＢ−ＬＤは超高速光通信用の光源として、概１μｍよりも短い波長の利得結合ＤＦＢ−ＬＤは光計測装置・高速光伝送装置・光記録装置の光源として重要である。
【０００３】
利得結合ＤＦＢ−ＬＤは、誘導放出光を発生する活性層がその誘導放出光に対して吸収を持たないクラッド層に挟まれたダブルヘテロ接合構造を有しており、活性層近傍に回折格子を備えており、活性層が発生する誘導放出光の利得が回折格子によって素子内部で位置的に周期的に変化することによって光の分布帰還が生じ、レーザ発振がもたらされる機構（これを「利得結合」と呼ぶ）を有している。
【０００４】
回折格子によって誘導放出光の利得を周期的に変化させる方法としては、活性層の利得そのものを周期的に摂動させる方法（利得性回折格子）と、活性層近傍に光吸収層を周期的に形成することによって実効的に利得の周期的摂動が生じる構造（吸収性回折格子）とが実現されている。後者に関しては、特公平６−７６２４に基本となる構造が示されており、活発に研究されている。
【０００５】
図７は活性層近傍に周期的な光吸収層を形成することによって実効的に利得の周期的摂動が生じる構造とした、従来の利得結合ＤＦＢ−ＬＤの構造を示す図である（ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ４，ＮＯ．７，１９９２，Ｐ．６９２より）。すなわち、ｎ−ＧａＡｓ基板７０１上にｎ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７０２を１．０μｍ、ｕｎ−ＧａＡｓ活性層７０３を０．０９μｍ、ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層７０４を０．１μｍ、ｐ−ＡｌＧａＡｓ第１ガイド層７０５を０．１μｍ、ｎ−ＧａＡｓ光吸収層７０６を５０ｎｍ、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）により連続的に結晶成長した後、二光束干渉露光法並びにウエットエッチング法により回折格子７０７を形成してｎ−ＧａＡｓ光吸収層７０６を周期的に除去し、その上にｐ−ＡｌＧａＡｓ第２ガイド層７０８を０．１μｍ、ｐ−ＡｌＧａＡｓクラッド層７０９を１．０μｍ、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層７１０を０．５μｍの結晶再成長を行い、素子を作製している。
【０００６】
図７における従来例では、吸収性回折格子の吸収飽和を抑制する為に、導電型を反転した吸収層が用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高出力で半導体レーザを駆動させる場合には素子内部の光密度が非常に大きくなる為、従来の利得結合ＤＦＢ−ＬＤにおいても光吸収層に吸収飽和が生じ得る。光吸収層の吸収飽和が生じると、吸収性回折格子による利得結合が生じなくなる為に単一縦モード発振特性を損なわれ、問題となる。
【０００８】
また、従来の構造では光吸収層として活性層に比較的近い禁制帯幅を有する半導体層が用いられてきた。この場合には、誘導放出光が周期的吸収層で吸収されるときの吸収の程度を示す「吸収係数」が、吸収層内の不純物添加量や活性層からの誘導放出光の波長の変動に強く影響されることになる。その結果、作製される素子の特性にばらつきが生じるほか、素子をレーザ発振させる時、その出力によって光吸収層の吸収係数が大きく変化し、安定した単一縦モード特性が確保されない問題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る請求項１の分布帰還型半導体レーザ装置は、
ＡｌＧａＡｓ材料で形成された活性層近傍に光分布帰還を与える周期構造を備え、該周期構造が、前記活性層から発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的に変化する、周期的吸収層である利得結合分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記周期的光吸収層がｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦Ｘ≦１）で形成され、かつ、その厚さが電子のド・ブロイ波長よりも厚く、
かつ、前記周期的光吸収層におけるＡｌ混晶比が、前記誘導放出光のエネルギーｈνと前記周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgとの差が０．１３ｅＶ以上になるように、選ばれていることを特徴とする。
【００１２】
本発明にかかる請求項２の分布帰還型半導体レーザは、
ＡｌＧａＡｓ材料で形成された活性層近傍に光分布帰還を与える周期構造を備え、該周期構造が、前記活性層から発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的に変化する、周期的吸収層である利得結合分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記周期的光吸収層がｐ型Ａｌ x Ｇａ 1-x Ａｓ（０≦Ｘ≦１）で形成され、かつ、その厚さが電子のド・ブロイ波長よりも厚く、
かつ、前記周期的光吸収層におけるＡｌ混晶比が、前記誘導放出光のエネルギーｈνと前記周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgとの差が０．０８ｅＶ以上になるように、選ばれていることを特徴とする。
【００１５】
【作用】
周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgが、下記式（Ｉ）を満たすことにより、周期的吸収層の価電子帯の電子が、伝導帯における自由電子が熱的に分布するエネルギーレベルよりも高いエネルギーへ、誘導放出光によって励起されるように、周期的光吸収層の材料が選択されることとなり、光吸収層における吸収飽和が抑制される。
【００１６】
【数１】
請求項１においては、前記周期的光吸収層がｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦Ｘ≦１）で形成され、かつ、前記誘導放出光のエネルギーｈνと前記周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgとの差が０．１３ｅＶ以上であることにより、光吸収層における吸収飽和がより抑制されるものである。
【００１８】
請求項２においては、前記周期的光吸収層がｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦Ｘ≦１）で形成され、かつ、前記誘導放出光のエネルギーｈνと前記周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgとの差が０．０８ｅＶ以上であることにより、光吸収層における吸収飽和がより抑制されるものである。
【００２１】
このような作用をもたらす理由を、以下に説明する。図８に、光吸収層の厚さが電子のド・ブロイ波長（概１０ｎｍ）以上の時の、光吸収層のバンド構造を示す。活性層から発せられる光（図８（ａ）ではｈνで示されている。）が光吸収層で吸収される時（この時にＥc−Ｅv＜ｈνとなることが吸収が生じる条件）、光吸収層内でのキャリア（電子−正孔対）の生成を伴う。このときに生成されるキャリアの一部は図８（ｂ）に示される様に再結合消滅を起こすが、一部は定常的に伝導帯に蓄積されることになる。この時に光吸収層内に蓄積されることのできるキャリアの数には量子力学的に上限があり、その上限を越えると、それ以上にはキャリアが生成されなくなり、光吸収層における光吸収がもはや生じなくなる。この状態を「過飽和吸収」または「吸収飽和」と呼ぶ。光吸収層の伝導帯には、熱的に励起されている自由電子が予め存在しており、光吸収によって生成されるキャリアの上限を小さくする一つの要因となっている。
【００２２】
図９に過飽和吸収が生じた場合の利得結合ＤＦＢ−ＬＤの電流−光出力特性の一例を示すが、光出力が一定値Ｐsatを越えた時点で過飽和吸収が生じ、出力がＡ→Ｂへと不連続に切り変わると共に、Ｂ→Ｃの間では利得結合が生じないために単一縦モード特性が不良となる。
【００２３】
過飽和吸収を抑制する為の手段としては、光吸収層に蓄積することができるキャリアの数の量子力学的な上限（状態密度）をできるだけ大きくすることが効果的である。つまり、光吸収層内で生成されるキャリアのエネルギーが、熱的に励起されている自由電子よりも大きければ、熱的に励起されている自由電子による状態密度の低減の影響を受けず、過飽和吸収がより高出力まで起こらなくなる作用をもたらせる。
【００２４】
熱的に励起されている自由電子は、伝導帯の底（低エネルギー端部）から約０．１ｅＶの幅をもって高エネルギー側へ裾を引きながら分布する。よって、前記誘導放出光のエネルギーがｈνが周期的光吸収層の禁制体幅Ｅgよりも概ね０．１ｅＶ以上大きければ、熱的に励起されている自由電子による状態密度の低減の効果を受けず、高出力まで吸収が飽和しないことが予測される。
【００２５】
利得結合ＤＦＢ−ＬＤにおける種々の作製パラメータ（利得結合定数など）を一定にしたまま、種々の周期的光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光のエネルギーとの差をもつ素子を作製し、実験的に上記の事項を検証したところ、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）を光吸収層とした場合には前記の差が０．１３ｅＶ以上の時に、ｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦ｘ≦１）を光吸収層とした場合には前記の差が０．０８ｅＶ以上の時に高出力まで吸収が飽和しないことが確かめられた。
【００２６】
ｎ型の半導体層を光吸収層に用いた場合の方が過飽和吸収を生じやすいのは、ドナー不純物レベルから伝導帯へ熱的に励起される自由電子が多いことの影響である。
【００２７】
また、同様にしてＩｎ1-yＧａyＡｓ1-zＰz（０≦ｙ≦１、０≦ｚ≦１）系に対しては、ｎ型の層を光吸収層とした場合には前記の差が０．１５ｅＶ以上の時に、ｐ型の層を光吸収層とした場合には前記の差が０．０８ｅＶ以上の時に高出力まで吸収が飽和しないことが確かめられた。
【００２８】
ＡｌＧａＡｓ系の場合よりもＩｎＧａＡｓＰ系の場合の方が過飽和吸収を生じやすいのは、ＩｎＧａＡｓＰ系の方が電子の有効質量が小さいために、伝導帯の状態密度が小さいことによる。
【００２９】
上記請求項１、２においては他の作用がある。即ち、活性層から発生する誘導放出光に対する周期的光吸収層の吸収係数が周期的光吸収層内の不純物密度や光エネルギーに依存することがなくなり、作製される素子の特性にばらつきが生じないほか、素子をレーザ発振させた時にその出力や温度変化によって光吸収層の吸収係数が変化することが無くなり、安定した素子特性が再現性良く得られるものである。
【００３０】
この作用をもたらす理由を、周期的吸収層がＧａＡｓの場合を例に挙げて説明する。図１０（ａ）に、バルク状の（つまり厚さが電子のド・ブロイ波長以上となっている）ｎ型ＧａＡｓ、（ｂ）にｐ型ＧａＡｓの吸収係数の光エネルギー依存性を示す（Ｈ．Ｃ．Ｃａｓｅｙ，Ｊｒ．ａｎｄ Ｍ．Ｂ．Ｐａｎｉｓｈ：Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｌａｓｅｒｓ，Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ（１９７８）より）。半導体レーザの場合には添加する不純物密度は５×１０17〜２×１０18ｃｍ-1程度に制御されており、この範囲においては、光エネルギーとしてｎ型に対しては概１．５５ｅＶ、ｐ型に対しては概１．５０ｅＶ以下に対してＧａＡｓの吸収係数が不純物密度に大きく依存する。その結果、再現性良く予め設計された吸収係数が得られにくいと同時に、ＧａＡｓの吸収係数が光エネルギーに大きく依存することになり、素子間やロット間で周期的吸収層の吸収係数がばらつき、素子特性の再現性に問題が生じる。一方で光エネルギーがｎ型に対しては概１．５５ｅＶ、ｐ型に対しては概１．５０ｅＶ以上の光に対しては吸収係数は不純物密度や光エネルギーに依存せずにほぼ一定値１２０００〜１５０００ｃｍ-1の安定した値が確保され、素子作製時の再現性、素子動作の安定性に優れる構造となる。ＧａＡｓの禁制帯幅は１．４２ｅＶであることから、活性層と吸収層との禁制帯幅の差が概０．１３ｅＶ以上あれば上記の効果が期待できることになる。特に、不純物密度による吸収係数の変動が大きいｎ型ＧａＡｓ（図１０（ａ））では効果が大きい。
【００３１】
【実施例】
図１は本発明の第一の実施例の分布帰還型半導体レーザ装置の構造を示す図である。
【００３２】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板１０１上にｎ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓクラッド層１０２を１μｍ、ｕｎ−Ａｌ0.1Ｇａ0.9Ａｓ活性層１０３を０．０８μｍ、ｐ−Ａｌ0.45Ｇａ0.55Ａｓキャリアバリア層１０４を０．２μｍ、ｐ−Ａｌ0.2Ｇａ0.8Ａｓガイド層１０５を０．０５μｍ、ｎ−ＧａＡｓ光吸収層１０６を３０ｎｍ、第一回目のエピタキシャル成長により形成する。続いて、成長層の最上層である光吸収層１０６上に二光束干渉露光によりピッチ０．３６μｍを有する格子状のレジストマスクを得る。次にこのレジストマスクを用い、塩酸／過酸化水素水／純水の混液によるウエットエッチングにより光吸収層１０６が不連続になるようにエッチングし、三次の矩形形状回折格子を作製する。このときの回折格子のデューティは、光吸収層による吸収損失を抑える為に０．２程度の低デューティになるように作製されている。次にこの上に第二回目のエピタキシャル成長によりｐ−Ａｌ0.7Ｇａ0.3Ａｓ上クラッド層１０７を０．８μｍ、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１０８を０．５μｍを第二回目のエピタキシャル成長により形成する。
【００３３】
次に、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層１０８上にプラズマＣＶＤ法により窒化珪素の絶縁膜１０９を約０．２μｍ形成し、この窒化珪素の絶縁膜上へのホトリソグラフィーと緩衝フッ酸によるエッチングを用いて幅１０μｍのストライプ溝を空けた後、全面にＡｕＺｎの電極１１０を形成する。基板の厚さを約１００μｍにまで薄層化した後、裏面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ電極１１１を形成し、素子全体を４００℃で３分間の加熱処理をすることにより、素子が完成する。
【００３４】
ＡｌＧａＡｓ材料系を用いた本実施例では、活性層と光吸収層の混晶比の差が０．１となっており、誘導放出光のエネルギー（波長８００ｎｍ→エネルギー１．５５ｅＶに相当）と光吸収層との禁制帯幅（１．４２ｅＶ）の差は０．１３ｅＶに対応する。本素子では、吸収層の過飽和吸収によって生じる光出力−電流特性の不連続は光出力５０ｍＷ以上まで見られず、高出力まで安定した単一軸モードでの発振が確認された。
【００３５】
本実施例に示した構造において光吸収層のＡｌ混晶比をさまざまな値に変更した素子を作製し、周期的光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光のエネルギーとの差であるΔＥgと、光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収による特性劣化が見られた素子の割合との相関を調べた結果を図２に示す。Ａｌ混晶比の差が０．１以上、つまりΔＥgが０．１３ｅＶ以上の時に光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収が生じる素子の割合は零となっていることが実験的に確かめられた。光記録装置の光源としてＤＦＢ−ＬＤを使用する場合、少なくても２０ｍＷの出力が要求され、本実施例の素子ではこの要求を満足する特性が得られている。なお、これらの素子においては、ΔＥgを変更しても他の設計的パラメータ（利得結合定数、活性層光閉じ込め係数等）が一定となるように作製されている。
【００３６】
図３は本発明の第二の実施例の分布帰還型半導体レーザ装置の構造を示す図である。
【００３７】
まず、ｎ−ＧａＡｓ基板３０１上にｎ−Ａｌ0.6Ｇａ0.4Ａｓクラッド層３０２を１μｍ、ｕｎ−Ａｌ0.13Ｇａ0.87Ａｓ活性層３０３を０．０８μｍ、ｐ−Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓキャリアバリア層３０４を０．２μｍ、ｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ第一ガイド層３０５を０．１μｍを第一回目のエピタキシャル成長により形成する。続いて、成長層の最上層であるガイド層３０５上に高屈折率を有するプリズムを通した二光束干渉露光によりピッチ０．１２μｍを有する格子状のレジストマスクを得る。次にこのレジストマスクを用い、ウエットエッチングによりガイド層３０５をエッチングすることにより、回折格子を得る。次にこの上に第二回目のエピタキシャル成長によりバッファ層となるｐ−Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ第二ガイド層３０６を５ｎｍ、ｐ−ＧａＡｓ光吸収層３０７を２５ｎｍ成長する。このときＧａＡｓは回折格子の表面全体を覆うものの、三角形状の回折格子の谷間に特に厚く結晶成長し、回折格子の凸凹に応じて光吸収層の層厚が周期変化することになる。さらに連続的にｐ−Ａｌ0.75Ｇａ0.25Ａｓ上クラッド層３０８を０．８μｍ、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層３０９を０．５μｍを第二回目のエピタキシャル成長により形成する。
【００３８】
次に、ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層３０８上にプラズマＣＶＤ法により窒化珪素の絶縁膜３１０を約０．２μｍ形成し、この窒化珪素の絶縁膜上にホトリソグラフィーと緩衝フッ酸によるエッチングを用いて幅８μｍのストライプ状の溝を空けた後、全面にＡｕＺｎの電極３１１を形成する。基板を厚さ約１００μｍにまで薄層化した後、裏面にはＡｕＧｅ／Ｎｉ電極３１２を形成し、素子全体を４００℃で加熱処理することにより、素子が完成する。
【００３９】
ＡｌＧａＡｓ材料系を用いた本実施例では、活性層３０３と光吸収層３０７の混晶比の差が０．１３となっており、これは誘導放出光のエネルギー（波長７８０ｎｍ→エネルギー１．５９ｅＶに相当）と光吸収層との禁制帯幅（１．４２ｅＶ）の差が０．１７ｅＶであることに対応する。本素子では、吸収層の過飽和吸収によって生じる光出力−電流特性の不連続は光出力１００ｍＷ以上まで見られず、高出力まで安定した単一軸モードでの発振が確認された。
【００４０】
本実施例に示した構造において光吸収層のＡｌ混晶比をさまざまな値に変更した素子を作製し、周期的光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光のエネルギーとの差であるΔＥgと、光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収による特性劣化が見られた素子の割合との相関を調べた結果を図４に示す。ΔＥgが０．０８ｅＶ以上の時に光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収が生じる素子の割合は零となっていることが実験的に確かめられた。なお、これらの素子においては、ΔＥgを変更しても他の設計的パラメータ（利得結合定数、活性層光閉じ込め係数等）が一定となるように作製されている。
【００４１】
図５は本発明の第三の実施例の分布帰還型半導体レーザ装置の構造を示す図である。
【００４２】
この実施例は、まず、ｎ−ＩｎＰ基板５０１上にｎ−ＩｎＰ第一下クラッド層５０２を０．５μｍ、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（Ｅg＝０．８０ｅＶ）光吸収層５０３を２５ｎｍ、第一回目のエピタキシャル成長により形成する。続いて、成長層の最上層である光吸収層５０３上に二光束干渉露光法とウエットエッチングにより一次の矩形形状回折格子（ピッチ約０．２４μｍ）を作製する。次にこの上に第二回目のエピタキシャル成長によりｎ−ＩｎＰ第二下クラッド層５０４を０．３μｍ、ｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ（λ＝１．３μｍ→エネルギー０．９５ｅＶに相当）活性層５０５を０．１μｍ、ｐ−ＩｎＰ上クラッド層５０６を１μｍ、Ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層５０７を０．５μｍ、第二回目のエピタキシャル成長により形成する。
【００４３】
次に、ホトリソグラフィーを用いて幅３μｍのストライプ状のレジストマスクを形成し、ウエットエッチングを用いて活性層の上部から０．３μｍの位置までコンタクト層５０７と上クラッド層５０６をエッチングしてリッジ形状にした後、表面全面にプラズマＣＶＤ法により窒化珪素の絶縁膜５０８を約０．２μｍ形成し、リッジの頂上の絶縁膜だけを除去する。最後に基板を厚さ約１００μｍにまで薄層化し、表面、裏面に電極５０９，５１０を真空蒸着して、素子が完成する。
【００４４】
吸収層の可飽和吸収によって生じる光出力−電流特性の不連続は、光出力５０ｍＷ以上まで見られず、安定した単一軸モードでの発振が確認された。
【００４５】
本実施例に示した構造において、光吸収層の導電型、及び、光吸収層の禁制帯幅をさまざまな値に変更した素子を作製し、周期的光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光のエネルギーとの差であるΔＥgと、光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収による特性劣化が見られた素子の割合との相関を調べた結果を図６に示す。ｎ型の光吸収層を用いた場合にはΔＥgが０．１５ｅＶ以上の時に、ｐ型の光吸収層を用いた場合にはΔＥgが０．１ｅＶ以上の時に、光出力２０ｍＷ以下において過飽和吸収が生じる素子の割合は零となっていることが実験的に確かめられた。なお、これらの素子においては、ΔＥgを変更しても他の設計的パラメータ（格子定数、利得結合定数、活性層光閉じ込め係数等）が一定となるように作製されている。
【００４６】
本発明において、吸収係数が周期的に変化する構造を含む利得結合ＤＦＢ−ＬＤであれば、その材料系は上記実施例のものに限定されるものでは無く、（Ａｌ，Ｇａ，Ｉｎ）（Ｐ，Ａｓ，Ｎ）や（Ｚｎ，Ｍｇ，Ｃｄ）（Ｓ，Ｓｅ）等を含む他の材料系に対しても本発明を適用することができる。また、活性層が量子井戸構造であっても問題はない。また、光吸収層の配置には限定されないことは言うまでもない。さらに、光伝搬領域に沿ったストライプ状の領域の形状や作製方法に限定が生じるものでは無い。また、屈折率の摂動と利得（損失）の摂動との周期が等しく位相がずれている構造や、周期的光吸収層を光伝搬領域に沿ったストライプ状の領域の外側に配置する構造に対しても本発明を適用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明にかかる分布帰還型半導体レーザによれば、周期的吸収層の価電子帯の電子が、伝導帯における自由電子が熱的に分布するエネルギーレベルよりも高いエネルギーへ、前記誘導放出光によって励起されるように、周期的光吸収層の材料が選択されていることにより、光吸収層における吸収飽和を抑制するものである。その結果、高出力時にも安定した単一縦モード特性を有する構造を得ることができる。上記の構成は、活性層から発生する誘導放出光よりも周期的吸収層の禁制帯幅を一定値以上大きくすることによって達成され、効果的に過飽和吸収を抑制することができる。
【００４９】
また、請求項１、２の分布帰還型半導体レーザによれば、活性層と周期的吸収層との禁制帯幅の差が大きい場合、周期的吸収層の吸収係数が不純物密度や光エネルギーによって変動することなく、安定した特性を持つ素子を再現性良く作製することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の利得結合ＤＦＢ−ＬＤを示す図である。
【図２】実施例１の構造において、光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光の波長をエネルギーに換算した値との差ΔＥgと、過飽和吸収が生じる頻度との関係を示す図である。
【図３】実施例２の利得結合ＤＦＢ−ＬＤを示す図である。
【図４】実施例２の構造において、光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光の波長をエネルギーに換算した値との差ΔＥgと、過飽和吸収が生じる頻度との関係を示す図である。
【図５】実施例３の利得結合ＤＦＢ−ＬＤを示す図である。
【図６】実施例３の構造において、光吸収層の禁制帯幅と誘導放出光の波長をエネルギーに換算した値との差ΔＥgと、過飽和吸収が生じる頻度との関係を示す図である。
【図７】従来の利得結合ＤＦＢ−ＬＤを示す図である。
【図８】光吸収層におけるキャリアの生成と消滅を説明するための図である。
【図９】過飽和吸収が素子の特性に与える影響を説明するための図である。
【図１０】（ａ）ｎ型ＧａＡｓ、（ｂ）ｐ型ＧａＡｓの吸収係数の光エネルギー依存性を示す図である。
【符号の説明】
１０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
１０２ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
１０３ ｕｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層
１０４ ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
１０５ ｐ−ＡｌＧａＡｓガイド層
１０６ ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
１０７ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
１０８ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
１０９ 窒化珪素絶縁膜
１１０ ｐ側電極
１１１ ｎ側電極
３０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
３０２ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
３０３ ｕｎ−ＡｌＧａＡｓ活性層
３０４ ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
３０５ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第一ガイド層
３０６ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第二ガイド層
３０７ ｐ−ＧａＡｓ光吸収層
３０８ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
３０９ ｐ+−ＧａＡｓコンタクト層
３１０ 窒化珪素絶縁膜
３１１ ｐ側電極
３１２ ｎ側電極
５０１ ｎ−ＩｎＰ基板
５０２ ｎ−ＩｎＰ第一下クラッド層
５０３ ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ光吸収層
５０４ ｎ−ＩｎＰ第二下クラッド層
５０５ ｕｎ−ＩｎＧａＡｓＰ活性層
５０６ ｐ−ＩｎＰ上クラッド層
５０７ ｐ+−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
５０８ 窒化珪素絶縁膜
５０９，５１０ 電極
７０１ ｎ−ＧａＡｓ基板
７０２ ｎ−ＡｌＧａＡｓ下クラッド層
７０３ ｕｎ−ＧａＡｓ活性層
７０４ ｐ−ＡｌＧａＡｓキャリアバリア層
７０５ ｐ−ＡｌＧａＡｓ第一ガイド層
７０６ ｎ−ＧａＡｓ光吸収層
７０７ 回折格子
７０８ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上第二ガイド層
７０９ ｐ−ＡｌＧａＡｓ上クラッド層
７１０ ｐ−ＧａＡｓコンタクト層
Claims (2)
- ＡｌＧａＡｓ材料で形成された活性層近傍に光分布帰還を与える周期構造を備え、該周期構造が、前記活性層から発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的に変化する、周期的吸収層である利得結合分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記周期的光吸収層がｎ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦Ｘ≦１）で形成され、かつ、その厚さが電子のド・ブロイ波長よりも厚く、
かつ、前記周期的光吸収層におけるＡｌ混晶比が、前記誘導放出光のエネルギーｈνと前記周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgとの差が０．１３ｅＶ以上になるように、選ばれていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ装置。 - ＡｌＧａＡｓ材料で形成された活性層近傍に光分布帰還を与える周期構造を備え、該周期構造が、前記活性層から発生する誘導放出光に対する吸収係数が周期的に変化する、周期的吸収層である利得結合分布帰還型半導体レーザにおいて、
前記周期的光吸収層がｐ型ＡｌxＧａ1-xＡｓ（０≦Ｘ≦１）で形成され、かつ、その厚さが電子のド・ブロイ波長よりも厚く、
かつ、前記周期的光吸収層におけるＡｌ混晶比が、前記誘導放出光のエネルギーｈνと前記周期的光吸収層の禁制帯幅Ｅgとの差が０．０８ｅＶ以上になるように、選ばれていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ装置。
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