JP4115593B2 - Gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device and manufacturing method thereof - Google Patents
Gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device and manufacturing method thereof Download PDFInfo
- Publication number
- JP4115593B2 JP4115593B2 JP21014698A JP21014698A JP4115593B2 JP 4115593 B2 JP4115593 B2 JP 4115593B2 JP 21014698 A JP21014698 A JP 21014698A JP 21014698 A JP21014698 A JP 21014698A JP 4115593 B2 JP4115593 B2 JP 4115593B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- layer
- gain
- laser device
- semiconductor laser
- vqw
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、利得結合型分布帰還半導体レーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
分布帰還半導体レーザ(DFB−LD)は、単一軸モードで動作する波長可変、波長安定のコヒーレント光源として利用され、光計測、光通信/伝送、光記録、レーザビームプリンタなどに対して要求が高まっている。DFB−LDでは、活性層またはガイド層に回折格子が設けられており、この回折格子により光が帰還されることによりレーザ発振動作が行われる。DFB−LDには、回折格子により屈折率を周期的に変化させて分布帰還を施す屈折率結合型(IC)DFB−LDと、回折格子により利得を周期的に変化させて分布帰還を施す利得結合型(GC)DFB−LDに大別される。IC−DFB−LDは原理的にブラッグ波長近傍にストップバンドが存在し、その両脇に最小しきい値利得をもつ縦モードが2つ対称に存在するので2モードでレーザ発振する可能性が高い。これに対し、GC−DFB−LDでは、端面位相によらずほぼ100%の確率で単一縦モード発振歩留まりが得られることが理論的に確かめられている。GC−DFB−LDにおいて、利得を周期的に変化させる方法の一つとして、活性層が発生した誘導放出光の一部を吸収する領域を周期的に設けることにより実効的に利得の周期変動が施される吸収性回折格子構造がある。
【0003】
LD素子の閾値利得を下げるには、吸収損失αLは小さくし、吸収性回折格子による光の分布帰還の程度を表すパラメータである利得結合係数κgLは大きくすることが望まれる。周期的に存在する吸収層の幅とその周期の比(デューティ)を大きくすると、利得結合係数をかせぐことができるが、吸収損失が大きくなり、閾値利得は上昇してしまう。吸収損失が小さく、かつ充分な程度の利得結合係数を得るためには、吸収層のデューティを小さくする必要がある(特開平5−160505号公報)。
【0004】
図8は従来の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置を示す構造図である。この従来例は、まず、n−GaAs基板80上にn−Al0.45Ga0.55Asクラッド層81、アンドープGaAs活性層82、p−Al0.45Ga0.55Asキャリアブロック層83、p−Al0.25Ga0.75Asガイド層84、p−GaAs光吸収層85を、MOCVD法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより255nm周期の回折格子を印刻する。その後、p−Al0.45Ga0.55Asクラッド層86、p−GaAsコンタクト層87を、MOCVD法により再成長して形成する。その後、電極881,882を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。図8は、共振器方向の断面を示している。
【0005】
この従来例では、吸収層はエッチングにより周期的に分離されており、周期的な利得の変動が施され、利得結合型DFB−LDとなっている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の実施例では、回折格子のデューティは二光束干渉露光法で形成されるレジストマスクのデューティ及びその後のエッチング量によって大きく変化するため、その制御は難しい。特に小さなデューティを再現よく制御することは非常に困難である。即ち利得結合係数と吸収損失の制御が難しく閾値利得の再現性が得られないという問題があった。本発明は、デューティの小さい吸収性回折格子を有するGC−DFB−LDを提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
この発明(請求項1)に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置は、活性層近傍に光導波方向に周期的な凹凸形状を形成し、該凹凸形状に隣接して、凹凸形状と同一周期に光吸収層を形成してなる利得結合型分布帰還半導体レーザ装置において、前記凹凸形状の谷部上にのみ前記光吸収層が形成され、残る凹凸形状に隣接した領域には埋込層が形成されてなり、前記光吸収層は、垂直量子井戸構造を有して、前記凹凸形状の山部よりも層厚方向の高さが高く、かつ、光導波方向において前記埋込層で挟まれていることによって上記目的を達成する。
【0008】
この発明(請求項2)に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置は、前記光吸収層が、導波する光の水平偏波成分および垂直偏波成分のどちらに対しても吸収する量子井戸光吸収層であることによって、上記目的を達成する。
【0009】
この発明(請求項3)に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板上に周期的な凹凸形状を形成する工程と、前記凹凸形状の上に、半導体層を成長させることにより、該半導体層の原料元素のマイグレーションの違いから、凹部の谷部上にのみ光吸収層が形成され、残る領域には埋込層を形成してなる工程と、を有することによって、上記目的を達成する。
【0010】
原料元素のマイグレーションの違いによって、同一の工程で結晶成長した半導体層であっても、活性層のエネルギー波長の光を吸収する領域と前記光に対して透明となる領域とが形成される。凹凸形状上の結晶成長層は、原料のマイグレーションの違いから、凹部上の混晶比が他の部分の混晶比と異なり(Journal of Crystal Growth 124 (1992) 513)、混晶比が凹凸形状の周期で変化する。これを活性層のエネルギー波長の光を吸収する領域及び該波長の光に対して透明となる領域で構成することにより、デューティの小さい吸収性回折格子を再現よく制御することが可能となる。
【0011】
この発明(請求項4)に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法は、半導体基板上に、周期的な凹凸形状を形成する工程と、前記凹凸形状の上に、III−V族化合物半導体層を成長させることにより、該半導体層の原料元素のマイグレーションの違いから、凹部の谷部にのみ光吸収層が形成され、残る領域には埋込層を形成してなる工程と、を有し、前記凹凸形状の両斜面が(n11)面であり、前記凹部の谷部が(100)面であることによって、上記目的を達成する。
【0012】
III族原料は、(100)面上と(111)面上を比較すると(111)面上には結合しにくく、(100)面上には結合しやすいため、(111)面上の原料の一部は(100)面にマイグレーションする。AlGaAs成長では、AlよりもGaの方がマイグレーションしやすい。(100)基板では凹凸形状をなすV溝上における両斜面が(111)面となり、谷部に向かってマイグレーションしやすくなる。谷部にGaの濃度が増加し、AlGaAsの混晶比が斜面部と谷部で変わり、VQWができるものである。
【0013】
また、凹凸形状が埋め込まれる際、高次の面((n11)面)が出ながら徐々に埋まっていき、凹部の谷部にのみ精度よくVQWが形成されるものである。
【0014】
VQWは一般的な混晶半導体に対して、原料のマイグレーションの違いを利用して形成することができる。また、III−V族化合物半導体では、上述のようにIII族原料のマイグレーションの違いを利用しても、V族原料のマイグレーションの違いを利用してもVQWを形成することができる。
【0015】
この発明(請求項5)に係る利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の製造方法は、前記凹凸形状の凹部の谷部はその幅が30nm以下であることによって、上記目的を達成する。
【0016】
凹凸形状の谷部に平坦部((100)面)があると、両斜面からマイグレーションしたGaは平坦部領域で広がるため、平坦部が狭いほど谷部でのGa濃度は高くなり、混晶比の差が出やすい。即ち、VQWでのキャリア閉じ込めが大きくなるため、吸収層としての効果が大きくなる。前記凹部の谷部はその幅が30nm以下であることが好ましく、10nm前後が最も好ましい。また、前記凹部の谷部が平坦部がない場合であってもVQWは得られることから、0nmのときも上記目的を達成する。平坦部と斜面の境界は急峻であっても、なだらかであってもよく、例えば(111)面と(100)面とが(311)面を介してつながった場合でもVQWは得られる。
【0017】
上述の凹凸形状が形成される半導体基板は、半導体の基板そのものや基板上に成長された半導体成長層を指す。
【0018】
また、成長方法としては、MOCVD法、MBE法、CBE法、MOMBE法、GSMBE法など、半導体層の成長方法として一般的なものを用いることができるが、MOCVD法が最も好ましい。
【0019】
【発明の実施の形態】
(実施例1)
図1は本発明の第一の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。この実施例は、まず、n−GaAs基板10上に厚さ1μmのn−Al0.6Ga0.4Asクラッド層11、0.08μmのアンドープAl0.14Ga0.86As活性層12、0.2μmのp−Al0.5Ga0.5Asキャリアバリア層13、0.1μmのp−Al0.2Ga0.8Asガイド層14を、MOCVD法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより120nm周期、深さ70nmの凹凸形状(三角波形状)を印刻する。その後、平均厚さ0.1μmのp−Al0.2Ga0.8As埋込層16、0.8μmのp−Al0.6Ga0.4Asクラッド層17、0.5μmのp−GaAsコンタクト層18を、MOCVD法により再成長して形成する。このとき、p−Al0.2Ga0.8As埋込層16を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該埋込層の混晶比よりも低い混晶比の層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に沿って垂直量子井戸(VQW)構造15が形成される。その後、光導波路ストライプ外のGaAsコンタクト層及びクラッド層を除去し、2mm幅のリッジストライプを形成する。その後、リッジ上部及び基板裏面に電極191,192を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。
【0020】
図1には、リッジ内部の共振器方向の断面を示している。この実施例は、p−Al0.2Ga0.8As埋込層16は、成長圧力76Torr、成長温度700℃、V/III比120、成長速度25nm/minでMOCVD成長しており、この際、GaのマイグレーションがAlのマイグレーションにくらべ大きく、凹凸形状上では、Gaは谷部にマイグレーションし、谷部ではGaの供給が増加する。その結果、凹凸形状の谷部に沿って基板に対して垂直な方向に埋込層16の他の部分よりもAl混晶比の低い層が形成されていき、垂直量子井戸(VQW)構造15が形成され、セルフアラインでデューティの小さいVQW光吸収層を構成している。
【0021】
フォトルミネッセンス測定より該VQW15のエネルギー波長は790nm、活性層12のエネルギー波長は775nmであった。即ち、p−Al0.2Ga0.8As埋込層16の内部で、活性層が発生した光の一部を吸収するVQW光吸収層と、活性層が発生した光に対して透明なAl0.2Ga0.8Asガイド層(740nm)が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のDFB−LDが実現された。このVQW光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できた。
【0022】
また、VQWは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大した。また、活性層が発生した光は、活性層に強度のピークを持ち、クラッド層まで光の一部が広がっているが、本実施例においても、光吸収層の存在するp−Al0.2Ga0.8As埋込層16全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているVQW光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、VQW部分では大きな吸収を感じ(図5(a)本実施例、図5(b)従来例参照)、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。
【0023】
一方、VQWの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、VQWでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い閾値利得が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。ここで、埋込層の混晶比と、埋込層により形成されるVQW構造のエネルギー波長の関係を、フォトルミネッセンス測定により調べた結果、図2に示すようになった。図3(d)に示す回折格子部分のA−A’断面における混晶比のプロファイルを図3(a)〜(c)示す。図4に埋込層の混晶比と吸収損失及び利得結合係数の関係を示す。
【0024】
ここで、埋込層16の混晶比を変えていったときの、吸収損失及び利得結合係数の関係を図2、3、4より説明する。埋込層の混晶比が、活性層の混晶比(0.14)より小さい場合(図2、3、4中領域(a))、埋込層自体が活性層が発生した光の一部を吸収するため、吸収損失が大きくなってしまう。
【0025】
また、VQW層による吸収層の周期的な分布が得られず、利得結合係数はかせげない。埋込層の混晶比が0.24より大きい場合(図2、3、4中領域(c))、吸収損失は小さくなるが、VQW層は活性層に対して透明となってしまうため、周期的な吸収の分布が得られず、利得結合係数は得られない。埋込層の混晶比が活性層の混晶比(0.14)より大きく、0.24より小さい場合(図2、3、4中領域(b))、VQWは活性層が発生した光の一部を吸収し、VQW以外の領域は活性層の発生した光に対して透明となるため、周期的な吸収の分布が得られる。吸収損失は、埋込層の混晶比を大きくすると、小さくなるが、利得結合系数は埋込層の混晶比を大きくすると小さくなってしまう。
【0026】
従って、埋込層の混晶比として、0.14以上0.24以下が必要であるが、望ましくは、0.16以上0.22以下であれば、吸収損失が小さく、かつ充分な程度の利得結合係数を得ることが可能となる。また、光導波領域に量子井戸構造が存在する場合、量子井戸に平行な電界成分を持つ光の遷移確率の方が量子井戸に垂直な電界成分を持つ光の遷移確率よりも大きく、吸収性回折格子に光が入ったとき、光は吸収されやすくなる。通常の成長により積層方向に形成される量子井戸吸収層は基板に平行に量子井戸ができているため、TE光は量子井戸に平行な、TEモード発振となり、TMモードを必要とする用途には使用できない。このVQW構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。従って、TE/TM両モード共量子井戸に平行な電界分布となるため、TE/TM両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造等によりTE発振/TM発振共に実現可能である。
【0027】
(実施例2)
図6は本発明の第二の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。この実施例は、まず、p−GaAs基板60上に厚さ1μmのp−Al0.6Ga0.4Asクラッド層61、0.08μmのアンドープAl0.14Ga0.86As活性層62、0.2μmのn−Al0.5Ga0.5Asキャリアバリア層63、0.1μmのn−Al0.2Ga0.8Asガイド層64を、MOCVD法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより360nm周期、深さ90nmの凹凸形状を印刻する。この凹凸形状の底は、18nmの平坦な部分を有する。
【0028】
その後、平均厚さ0.2μmのn−Al0.18Ga0.82As埋込層66、1μmのn−Al0.6Ga0.4Asクラッド層67、0.5μmのn−GaAsコンタクト層68を、MOCVD法により再成長して形成する。このとき、n−Al0.18Ga0.82As埋込層66を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該n−Al0.18Ga0.82As埋込層よりも混晶比の低い層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に沿って垂直量子井戸(VQW)構造65が形成される。その後、電極691,692を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。
【0029】
図には、共振器方向の断面を示している。この実施例は、成長圧力50Torr、成長温度650℃、V/III比180、成長速度10nm/minでn−Al0.18Ga0.82As埋込層66を、MOCVD成長しており、この際、GaのマイグレーションがAlのマイグレーションにくらべ大きく、凹凸形状上では、Gaは谷部にマイグレーションし、谷部ではGaの供給が増加する。その結果、凹凸形状の谷部に沿って基板に対して垂直な方向に吸収層66の他の部分よりもAl混晶比の低い層が形成されていき、垂直量子井戸(VQW)構造65が形成され、セルフアラインでデューティの小さいVQW光吸収層を構成している。
【0030】
ここで、凹凸形状の底部は18nmの平坦な部分があるため、18nmの幅で、垂直な方向にAl低混晶層が形成される。また、凹凸形状は徐々に平坦になりながら埋まっていくが、成長表面が平坦になった後は、マイグレーションのしかたが均一になるため、VQWはもはや出来なくなる。この実施例の成長条件では、埋込層66の成長は、凹部からの厚さが0.1μmで成長表面が平坦になり、埋込層66のそれより以降の部分ではVQWは出来ていない。
【0031】
フォトルミネッセンス測定より該VQW65のエネルギー波長は785nm、活性層62のエネルギー波長は775nmであった。即ち、n−Al0.18Ga0.82As埋込層66の内部で、活性層の発生する光を吸収するVQWと、活性層の発生する光に対して透明なAl0.18Ga0.82As(752nm)が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のDFB−LDが実現された。
【0032】
このVQW光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できる。また、VQWは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大している。また、光吸収層の存在するn−Al0.18Ga0.82As埋込層66全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているVQW光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、VQW部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。
【0033】
一方、VQWの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、VQWでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い発振閾値が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。また、このVQW構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。従って、TE/TM両モード共量子井戸に平行な電界分布となるため、TE/TM両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造等によりTE発振/TM発振共に実現可能である。
【0034】
ここで、VQWの高さは埋込層厚又は埋込層が平坦になる厚さで決まるが、VQWの高さが高いほど光を多く感じ、吸収を感じる部分が大きくなるため利得結合係数はより大きくなる。VQWの高さを変えたところ、VQWの高さが60nm以上で充分な利得結合係数が得られたが、より大きい利得結合係数が得るためにはVQWの高さは100nm以上あることが望ましい。
【0035】
また、第一の実施例では発振波長に対して1次の回折格子の周期、第二の実施例では発振波長に対して3次の回折格子の周期で凹凸形状を形成しているが、凹凸形状の周期として、それ以上の高次の回折格子の周期で形成しても上記実施例と同様の効果があった。
【0036】
また、凹凸形状の深さには関係なく、上記実施例の効果は得られたが、凹凸形状を形成する際のエッチングが、凹凸形状を形成するガイド層の厚さを超えて、キャリアバリア層まで達すると、再成長界面はAl混晶比の高い層となり、その上に成長する埋込層の結晶性が低下し、信頼性が低下するため、凹凸形状の深さは、凹凸形状を形成するガイド層の厚さを超えないことが望ましい。
【0037】
また、凹凸形状の深さは40nmより小さい値では埋込層成長時に、マイグレーションする量が少なくてVQWは形成されにくくなるため、凹凸形状の深さは40nm以上であることが好ましい。
【0038】
(実施例3)
図7は本発明の第三の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。この実施例は、まず、250nm周期、深さ220nmの凹凸形状を有するn−InP段差基板70上に、厚さ200nmのn−InGaAsP層72(エネルギー波長λg=1.5μm)を成長し、次いでn−InP層73で凹凸形状を埋め込んだ後、厚さ100nmのアンドープInGaAsPガイド層741(λg=1.4μm)、厚さ100nmのInGaAsP活性層75(λg=1.55μm)、厚さ100nmのInGaAsPガイド層742(λg=1.4μm)、厚さ1.5μmのp−InPクラッド層76、厚さ200nmのp−InGaAsコンタクト層77を、MOCVD法により順次形成する。
【0039】
このとき、n−InGaAsP層72を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該n−InGaAsP層よりもエネルギーの小さい層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に垂直量子井戸(VQW)構造71が形成される。その後、電極781,782を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。図には、共振器方向の断面を示している。
【0040】
この実施例では、n−InGaAsP層72の成長の際、InのマイグレーションはGaのマイグレーションに比べて大きく、凹凸形状上での成長は、成長表面上でInは谷部にマイグレーションし易く、谷部ではInの供給が増加し、In混晶比が高くなり、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に垂直量子井戸(VQW)構造が形成され、セルフアラインでデューティの小さいVQW光吸収層71を構成している。フォトルミネッセンス測定より該VQW71のエネルギー波長はλg=1.57μm、活性層75のエネルギー波長はλg=1.55μmであった。即ち、p−InGaAsP層の内部で、活性層の発生する光を吸収するVQWと、活性層の発生する光に対して透明なInGaAsP(λg=1.5μm)が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のDFB−LDが実現された。
【0041】
このVQW光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できる。また、VQWは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大している。
【0042】
また、光吸収層の存在するn−InGaAsP層72全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているVQW光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、VQW部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。一方、VQWの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、VQWでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い発振閾値が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。
【0043】
また、このVQW構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。即ち、TE/TM両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造によりTE発振/TM発振共に実現可能である。
【0044】
(実施例4)
図9は本発明の第四の実施例を示す利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の構造図である。
【0045】
この実施例は、まず、n−GaAs基板90上に厚さ1μmのn−Al0.3Ga0.7Asクラッド層91、0.05μmのアンドープGaAsガイド層92、5nmのGaInNAs量子井戸層および5nmのGaAsバリア層よりなるMQW活性領域93、0.1μmのGaAsガイド層94を、MOCVD法により形成する。続いて、成長層の最上層に二光束干渉露光法及びエッチングにより230nm周期、深さ70nmの凹凸形状を印刻する。その後、平均厚さ0.1μmのp−GaInNAs埋込層96(エネルギー波長λg=1.1μm)、1μmのp−Al0.3Ga0.7Asクラッド層97、0.5μmのp−GaAsコンタクト層98を、MOCVD法により再成長して形成する。このとき、p−GaInNAs埋込層96を成長する際、凹凸形状の谷部から基板に対して垂直な方向に、該埋込層のエネルギーよりも小さいエネルギーの層が形成され、即ち、凹凸形状の谷部に沿って垂直量子井戸(VQW)構造95が形成される。その後、電極991,992を蒸着し、最後にへき開して、この半導体レーザ素子を完成させる。図9には、共振器方向の断面を示している。
【0046】
この実施例は、p−GaInNAs埋込層96は、成長圧力76Torr、成長温度650℃、V/III比200、成長速度25nm/minでMOCVD成長しており、この際、成長雰囲気中のV族原料はウェハと接した領域で、NのマイグレーションがAsのマイグレーションにくらべ大きく、凹凸形状ウェハ上では、Nは谷部にマイグレーションし、谷部ではNの濃度が増加する。その結果、凹凸形状の谷部に沿って基板に対して垂直な方向に埋込層96の他の部分よりもN組成の高い層が形成されていき、垂直量子井戸(VQW)構造95が形成され、セルフアラインでデューティの小さいVQW光吸収層を構成している。フォトルミネッセンス測定より該VQW95のエネルギー波長は1.35μm、活性層92のエネルギー波長は1.3μmであった。
【0047】
即ち、p−GaInNAs埋込層96の内部で、活性層が発生した光の一部を吸収するVQW光吸収層と、活性層が発生した光に対して透明なGaInNAsガイド層(λg=1.1μm)が周期的に形成されており、周期的な利得分布が発生し、利得結合型のDFB−LDが実現された。このVQW光吸収層は、セルフアラインでデューティの小さい光吸収層を構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できた。
【0048】
また、VQWは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、吸収再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大した。また、活性層が発生した光は、活性層に強度のピークを持ち、クラッド層まで光の一部が広がっているが、本実施例においても、光吸収層の存在するp−GaInNAs埋込層96全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているVQW光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、VQW部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数を大きくすることができた。
【0049】
一方、VQWの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、VQWでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられた。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られたことから、低い閾値利得が再現良く得られ、動作電流が低減し再現性も向上した。
【0050】
【発明の効果】
利得結合型分布帰還半導体レーザ装置において、凹凸形状を埋め込む際、原料のマイグレーションの違いから、凹凸形状の谷部上の混晶比が他の部分の混晶比と異なり、凹凸形状の谷部上に垂直量子井戸構造(VQW)が形成される。この凹凸形状を埋込層の内部で活性層の発生する光を吸収するVQWと、活性層の発生する光に対して透明な領域が周期的に形成されており、周期的な利得分布が生じ、利得結合型の分布帰還半導体レーザを実現できる。VQW光吸収層は、セルフアラインで容易に低デューティの吸収性回折格子が構成できることから、小さい吸収損失と充分な利得結合係数を再現良く制御できる。
【0051】
また、VQWは原料のマイグレーションにより自然形成されるため、量子井戸の界面は徐々に混晶比の変わるグレイデッドな構造が自然に形成され、キャリアの再結合が効率良く行なわれ、利得結合係数が増大する。
【0052】
また、光吸収層の存在する半導体埋込層全体に、活性層が発生した光の一部が広がっており、埋込層中に垂直に構成されているVQW光吸収層は量子井戸の全面で光を感じるため、VQW部分では大きな吸収を感じ、デューティが小さいにもかかわらず利得結合係数が増大する。一方、VQWの井戸幅が薄い即ちデューティが小さいため、VQWでの総吸収量は小さく、吸収係数は小さく抑えられる。小さい吸収係数と大きい利得結合係数を再現良く得られることから、低い発振閾値が再現良く得られ、動作電流が低減し、再現性も向上した。
【0053】
また、このVQW構造は、光の導波方向に対して垂直に量子井戸が形成された構造になっている。即ち、TE/TM両モードに対して吸収する量子井戸光吸収層であり、活性層の構造によりTE発振/TM発振共に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第一の実施例を示す構造図である。
【図2】凹凸形状を埋め込む層のAl混晶比と、埋込層により形成されるVQW構造のエネルギー波長の関係を示す図である。
【図3】回折格子部分の混晶比のプロファイルである。
【図4】埋込層の混晶比と吸収損失及び利得結合係数の関係を示す図である。
【図5】回折格子部分の吸収係数の分布を示す図である。
【図6】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第二の実施例を示す構造図である。
【図7】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第三の実施例を示す構造図である。
【図8】従来の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置を示す構造図である。
【図9】本発明の利得結合型分布帰還半導体レーザ装置の第四の実施例を示す構造図である。
【符号の説明】
10、80 n−GaAs基板
11 n−Al0.6Ga0.4Asクラッド層
12、62 アンドープAl0.14Ga0.86As活性層
13 p−Al0.5Ga0.5Asキャリアバリア層
14 p−Al0.2Ga0.8Asガイド層
15、65、71 VQW光吸収層
16 p−Al0.2Ga0.8As埋込層
17 p−Al0.6Ga0.4Asクラッド層
18 p−GaAsコンタクト層
191、192、691、692、781、782、881、882 電極
60 p−GaAs基板
61 p−Al0.6Ga0.4Asクラッド層
63 n−Al0.5Ga0.5Asキャリアバリア層
64 n−Al0.2Ga0.8Asガイド層
66 p−Al0.18Ga0.82As埋込層
67 p−Al0.6Ga0.4Asクラッド層
68 p−GaAsコンタクト層
70 n−InP段差基板
72 n−InGaAsP層(エネルギー波長λg=1.5μm)
73 n−InP層
741、742 アンドープInGaAsPガイド層(λg=1.4μm)
75 InGaAsP活性層(λg=1.55μm)
76 p−InPクラッド層
77 p−InGaAsコンタクト層
81 n−Al0.45Ga0.55Asクラッド層
82 アンドープGaAs活性層
83 p−Al0.45Ga0.55Asキャリアブロック層
84 p−Al0.25Ga0.75Asガイド層
85 n−GaAs光吸収層
86 p−Al0.45Ga0.55Asクラッド層
87 p−GaAsコンタクト層
90 n−GaAs基板
91 n−Al0.3Ga0.7Asクラッド層
92 アンドープGaAsガイド層
93 アンドープGaInNAs/GaAs活性領域
94 アンドープGaAsガイド層
95 VQW光吸収層
96 p−GaInNAs埋込層
97 p−Al0.3Ga0.7Asクラッド層
98 p−GaAsコンタクト層
991、992 電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device.
[0002]
[Prior art]
Distributed feedback semiconductor laser (DFB-LD) is used as a wavelength-tunable, wavelength-stable coherent light source that operates in a single-axis mode, and there is an increasing demand for optical measurement, optical communication / transmission, optical recording, laser beam printers, etc. ing. In the DFB-LD, a diffraction grating is provided in an active layer or a guide layer, and a laser oscillation operation is performed when light is fed back by the diffraction grating. The DFB-LD includes a refractive index coupled (IC) DFB-LD that performs distributed feedback by periodically changing the refractive index by a diffraction grating, and a gain that performs distributed feedback by periodically changing the gain by the diffraction grating. It is broadly classified into coupled type (GC) DFB-LD. IC-DFB-LD has a stop band near the Bragg wavelength in principle, and there are two longitudinal modes with minimum threshold gain on both sides, so there is a high possibility of laser oscillation in two modes. . On the other hand, with GC-DFB-LD, it has been theoretically confirmed that a single longitudinal mode oscillation yield can be obtained with a probability of almost 100% regardless of the end face phase. In the GC-DFB-LD, as one method of periodically changing the gain, the periodic fluctuation of the gain can be effectively performed by periodically providing a region that absorbs part of the stimulated emission light generated by the active layer. There is an absorptive diffraction grating structure applied.
[0003]
In order to lower the threshold gain of the LD element, it is desirable to reduce the absorption loss αL and increase the gain coupling coefficient κgL, which is a parameter representing the degree of light distribution feedback by the absorptive diffraction grating. Increasing the ratio of the periodically present absorption layer and its period (duty) can increase the gain coupling coefficient, but increases the absorption loss and increases the threshold gain. In order to obtain a sufficient gain coupling coefficient with a small absorption loss, it is necessary to reduce the duty of the absorption layer (Japanese Patent Laid-Open No. 5-160505).
[0004]
FIG. 8 is a structural diagram showing a conventional gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device. In this conventional example, first, n-Al is formed on an n-
[0005]
In this conventional example, the absorption layer is periodically separated by etching, and periodic gain fluctuations are applied to form a gain-coupled DFB-LD.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described embodiment, the duty of the diffraction grating largely varies depending on the duty of the resist mask formed by the two-beam interference exposure method and the etching amount thereafter, and thus it is difficult to control. In particular, it is very difficult to control a small duty with good reproducibility. That is, there is a problem that it is difficult to control the gain coupling coefficient and absorption loss, and the reproducibility of the threshold gain cannot be obtained. An object of this invention is to provide GC-DFB-LD which has an absorptive diffraction grating with a small duty.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device according to the present invention (Claim 1), a periodic concavo-convex shape is formed in the optical waveguide direction in the vicinity of the active layer, and the concavo-convex shape is adjacent to the concavo-convex shape at the same period. In a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device formed with a light absorption layer, the light absorption layer is formed only on the concave and convex valleys, and a buried layer is formed in a region adjacent to the remaining concave and convex shapes. The light absorption layer has a vertical quantum well structure, is higher in the layer thickness direction than the concavo-convex peak, and is sandwiched between the buried layers in the optical waveguide direction. This achieves the above objective.
[0008]
In the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device according to the present invention (claim 2), the light absorption layer absorbs both the horizontal polarization component and the vertical polarization component of the guided light. The object is achieved by being an absorbing layer.
[0009]
A method for manufacturing a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device according to a third aspect of the present invention includes a step of forming a periodic uneven shape on a semiconductor substrate, and a semiconductor layer is grown on the uneven shape. A step in which a light absorption layer is formed only on the valley of the recess and a buried layer is formed in the remaining region due to the difference in migration of the raw material elements of the semiconductor layer. To achieve.
[0010]
Due to the difference in the migration of the raw material elements, a region that absorbs light having the energy wavelength of the active layer and a region that is transparent to the light are formed even in a semiconductor layer that has been crystal-grown in the same process. The crystal growth layer on the concavo-convex shape has a mixed crystal ratio on the concave portion different from the mixed crystal ratio of other portions due to the difference in the migration of the raw material (Journal of Crystal Growth 124 (1992) 513), and the mixed crystal ratio is concavo-convex shape. It changes with period. By configuring this with a region that absorbs light of the energy wavelength of the active layer and a region that is transparent to the light of the wavelength, it is possible to control an absorptive diffraction grating with a small duty with good reproducibility.
[0011]
A method for manufacturing a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device according to a fourth aspect of the present invention includes a step of forming a periodic concavo-convex shape on a semiconductor substrate, and a III-V group compound on the concavo-convex shape. By growing the semiconductor layer, there is a step in which a light absorption layer is formed only in the valley of the recess and a buried layer is formed in the remaining region due to the difference in migration of the raw material elements of the semiconductor layer. And the said objective is achieved because both the slopes of the said uneven | corrugated shape are (n11) planes, and the trough part of the said recessed part is a (100) plane.
[0012]
Group III raw materials are difficult to bond on the (111) plane and on the (100) plane when compared on the (100) plane and the (111) plane. Some migrate to the (100) plane. In AlGaAs growth, Ga is easier to migrate than Al. In the (100) substrate, both slopes on the V-shaped groove having the concavo-convex shape become the (111) plane, and migration toward the valley portion is facilitated. The Ga concentration increases in the valleys, and the mixed crystal ratio of AlGaAs changes between the slopes and the valleys, resulting in VQW.
[0013]
Further, when the concavo-convex shape is embedded, the higher-order surface ((n11) surface) is gradually filled and the VQW is accurately formed only in the valley portion of the recess.
[0014]
VQW can be formed using a difference in the migration of raw materials with respect to a general mixed crystal semiconductor. Further, in the III-V compound semiconductor, VQW can be formed by utilizing the difference in migration of the group III material as described above, or by utilizing the difference in migration of the group V material.
[0015]
The gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device manufacturing method according to the present invention (invention 5) achieves the above-described object by having a valley portion of the concave-convex shape having a width of 30 nm or less.
[0016]
If there is a flat part ((100) plane) in the concave and convex valleys, Ga migrated from both slopes spreads in the flat part region, so the narrower the flat part, the higher the Ga concentration in the valleys, and the mixed crystal ratio The difference is easy to come out. That is, since the carrier confinement in VQW is increased, the effect as an absorption layer is increased. The troughs of the recesses preferably have a width of 30 nm or less, and most preferably around 10 nm. Further, the VQW can be obtained even when the valley portion of the recess has no flat portion, and therefore the above object is achieved even when the thickness is 0 nm. The boundary between the flat portion and the slope may be steep or gentle. For example, even when the (111) plane and the (100) plane are connected via the (311) plane, the VQW can be obtained.
[0017]
The semiconductor substrate on which the above-described uneven shape is formed refers to a semiconductor substrate itself or a semiconductor growth layer grown on the substrate.
[0018]
As a growth method, a general method for growing a semiconductor layer such as MOCVD method, MBE method, CBE method, MOMBE method, and GSMBE method can be used, but MOCVD method is most preferable.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(Example 1)
FIG. 1 is a structural diagram of a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device showing a first embodiment of the present invention. In this embodiment, first, n-Al having a thickness of 1 μm is formed on an n-
[0020]
FIG. 1 shows a cross section in the resonator direction inside the ridge. This example is p-Al 0.2 Ga 0.8 The As buried
[0021]
From the photoluminescence measurement, the energy wavelength of the VQW15 was 790 nm, and the energy wavelength of the
[0022]
In addition, since VQW is naturally formed by the migration of the raw material, a graded structure in which the mixed crystal ratio gradually changes gradually forms at the interface of the quantum well, absorption recombination is performed efficiently, and gain coupling coefficient is increased. did. The light generated by the active layer has an intensity peak in the active layer and a part of the light spreads to the cladding layer. In this embodiment, p-Al is also present in the presence of the light absorption layer. 0.2 Ga 0.8 Since part of the light generated by the active layer spreads over the entire As buried
[0023]
On the other hand, since the well width of the VQW is thin, that is, the duty is small, the total absorption amount in the VQW is small, and the absorption coefficient is kept small. Since a small absorption coefficient and a large gain coupling coefficient were obtained with good reproducibility, a low threshold gain was obtained with good reproducibility, operating current was reduced, and reproducibility was improved. Here, as a result of investigating the relationship between the mixed crystal ratio of the buried layer and the energy wavelength of the VQW structure formed by the buried layer by photoluminescence measurement, the result is as shown in FIG. FIGS. 3A to 3C show mixed crystal ratio profiles in the AA ′ cross section of the diffraction grating portion shown in FIG. FIG. 4 shows the relationship between the mixed crystal ratio of the buried layer, the absorption loss, and the gain coupling coefficient.
[0024]
Here, the relationship between the absorption loss and the gain coupling coefficient when the mixed crystal ratio of the buried
[0025]
In addition, the periodic distribution of the absorption layer by the VQW layer cannot be obtained, and the gain coupling coefficient cannot be made. When the mixed crystal ratio of the buried layer is larger than 0.24 (FIG. 2, 3 and 4 middle region (c)), the absorption loss is reduced, but the VQW layer becomes transparent to the active layer. A periodic absorption distribution cannot be obtained, and a gain coupling coefficient cannot be obtained. When the mixed crystal ratio of the buried layer is larger than the mixed crystal ratio (0.14) of the active layer and smaller than 0.24 (the middle region (b) in FIGS. 2, 3 and 4), VQW is the light generated by the active layer. Since the region other than VQW is transparent to the light generated by the active layer, a periodic absorption distribution is obtained. The absorption loss decreases when the mixed crystal ratio of the buried layer is increased, but the gain coupling system number decreases when the mixed crystal ratio of the buried layer is increased.
[0026]
Accordingly, the mixed crystal ratio of the buried layer is required to be 0.14 or more and 0.24 or less. Preferably, if it is 0.16 or more and 0.22 or less, the absorption loss is small and sufficient. A gain coupling coefficient can be obtained. In addition, when a quantum well structure exists in the optical waveguide region, the transition probability of light having an electric field component parallel to the quantum well is larger than the transition probability of light having an electric field component perpendicular to the quantum well, and the absorption diffraction When light enters the grating, the light is easily absorbed. The quantum well absorption layer formed in the stacking direction by normal growth has a quantum well parallel to the substrate. Therefore, TE light is oscillated in a TE mode parallel to the quantum well and requires a TM mode. I can not use it. This VQW structure is a structure in which quantum wells are formed perpendicular to the light guiding direction. Therefore, since the electric field distribution is parallel to both the TE / TM mode co-quantum wells, it is a quantum well light absorbing layer that absorbs both the TE / TM modes, and both TE oscillation / TM oscillation are realized by the structure of the active layer. Is possible.
[0027]
(Example 2)
FIG. 6 is a structural diagram of a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, first, p-Al having a thickness of 1 μm is formed on a p-
[0028]
Thereafter, n-Al having an average thickness of 0.2 μm 0.18 Ga 0.82 As buried layer 66, 1 μm n-Al 0.6 Ga 0.4 An As cladding layer 67 and a 0.5 μm n-GaAs contact layer 68 are formed by regrowth by MOCVD. At this time, n-Al 0.18 Ga 0.82 When the As buried layer 66 is grown, the n-Al is formed in a direction perpendicular to the substrate from the uneven valley. 0.18 Ga 0.82 A layer having a mixed crystal ratio lower than that of the As buried layer is formed, that is, a vertical quantum well (VQW) structure 65 is formed along the uneven valley. Thereafter,
[0029]
The figure shows a cross section in the resonator direction. In this example, the growth pressure is 50 Torr, the growth temperature is 650 ° C., the V / III ratio is 180, and the growth rate is 10 nm / min. 0.18 Ga 0.82 The As buried layer 66 is grown by MOCVD. At this time, the migration of Ga is larger than the migration of Al. On the uneven shape, Ga migrates to the valley and the supply of Ga increases in the valley. As a result, a layer having a lower Al mixed crystal ratio than other portions of the absorption layer 66 is formed in a direction perpendicular to the substrate along the concave and convex valleys, and the vertical quantum well (VQW) structure 65 is formed. The VQW light absorption layer is formed and is self-aligned and has a small duty.
[0030]
Here, since the bottom of the concavo-convex shape has a flat portion of 18 nm, an Al low mixed crystal layer is formed in a vertical direction with a width of 18 nm. In addition, although the uneven shape is gradually flattened, it is buried, but after the growth surface is flattened, the method of migration becomes uniform and VQW can no longer be performed. Under the growth conditions of this embodiment, the growth of the buried layer 66 has a thickness of 0.1 μm from the recess and the growth surface becomes flat, and no VQW is produced in the portion after that of the buried layer 66.
[0031]
From the photoluminescence measurement, the energy wavelength of the VQW65 was 785 nm, and the energy wavelength of the
[0032]
Since this VQW light absorption layer can form a light absorption layer with a small duty by self-alignment, a small absorption loss and a sufficient gain coupling coefficient can be controlled with good reproducibility. In addition, since VQW is naturally formed by the migration of the raw material, a graded structure in which the mixed crystal ratio gradually changes is naturally formed at the interface of the quantum well, absorption recombination is performed efficiently, and the gain coupling coefficient is increased. is doing. In addition, n-Al having a light absorption layer 0.18 Ga 0.82 A part of the light generated by the active layer spreads over the entire As buried layer 66, and the VQW light absorption layer formed vertically in the buried layer senses light over the entire surface of the quantum well. I felt a large absorption, and I was able to increase the gain coupling coefficient even though the duty was small.
[0033]
On the other hand, since the well width of the VQW is thin, that is, the duty is small, the total absorption amount in the VQW is small, and the absorption coefficient is kept small. Since a small absorption coefficient and a large gain coupling coefficient were obtained with good reproducibility, a low oscillation threshold was obtained with good reproducibility, the operating current was reduced, and reproducibility was improved. The VQW structure is a structure in which quantum wells are formed perpendicular to the light guiding direction. Therefore, since the electric field distribution is parallel to both the TE / TM mode co-quantum wells, it is a quantum well light absorbing layer that absorbs both the TE / TM modes, and both TE oscillation / TM oscillation are realized by the structure of the active layer. Is possible.
[0034]
Here, the height of VQW is determined by the thickness of the buried layer or the thickness at which the buried layer becomes flat. However, the higher the VQW height, the more light is felt and the portion that feels absorption is larger. Become bigger. When the height of VQW was changed, a sufficient gain coupling coefficient was obtained when the height of VQW was 60 nm or more. However, in order to obtain a larger gain coupling coefficient, the height of VQW is preferably 100 nm or more.
[0035]
In the first embodiment, the concavo-convex shape is formed with the period of the first-order diffraction grating with respect to the oscillation wavelength, and in the second embodiment with the period of the third-order diffraction grating with respect to the oscillation wavelength. Even if it was formed with a higher-order diffraction grating period as the period of the shape, the same effect as in the above embodiment was obtained.
[0036]
In addition, the effects of the above examples were obtained regardless of the depth of the concavo-convex shape, but the etching in forming the concavo-convex shape exceeded the thickness of the guide layer forming the concavo-convex shape, and the carrier barrier layer The regrowth interface becomes a layer with a high Al mixed crystal ratio, and the crystallinity of the buried layer that grows on it deteriorates, reducing the reliability. It is desirable not to exceed the thickness of the guide layer.
[0037]
Further, if the depth of the concavo-convex shape is smaller than 40 nm, the amount of migration is small during the growth of the buried layer and VQW is difficult to be formed. Therefore, the depth of the concavo-convex shape is preferably 40 nm or more.
[0038]
(Example 3)
FIG. 7 is a structural diagram of a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device showing a third embodiment of the present invention. In this embodiment, first, an n-InGaAsP layer 72 (energy wavelength λg = 1) having a thickness of 200 nm is formed on an n-InP stepped
[0039]
At this time, when the n-
[0040]
In this embodiment, during the growth of the n-
[0041]
Since this VQW light absorption layer can form a light absorption layer with a small duty by self-alignment, a small absorption loss and a sufficient gain coupling coefficient can be controlled with good reproducibility. In addition, since VQW is naturally formed by the migration of the raw material, a graded structure in which the mixed crystal ratio gradually changes is naturally formed at the interface of the quantum well, absorption recombination is performed efficiently, and the gain coupling coefficient is increased. is doing.
[0042]
Further, a part of the light generated by the active layer spreads over the entire n-
[0043]
The VQW structure is a structure in which quantum wells are formed perpendicular to the light guiding direction. That is, it is a quantum well light absorption layer that absorbs both TE / TM modes, and both TE oscillation / TM oscillation can be realized by the structure of the active layer.
[0044]
Example 4
FIG. 9 is a structural diagram of a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device showing a fourth embodiment of the present invention.
[0045]
In this embodiment, first, n-Al having a thickness of 1 μm is formed on an n-
[0046]
In this embodiment, the p-GaInNAs buried
[0047]
That is, inside the p-GaInNAs buried
[0048]
In addition, since VQW is naturally formed by the migration of the raw material, a graded structure in which the mixed crystal ratio gradually changes gradually forms at the interface of the quantum well, absorption recombination is performed efficiently, and gain coupling coefficient is increased. did. The light generated by the active layer has an intensity peak in the active layer and a part of the light spreads to the cladding layer. In this embodiment, the p-GaInNAs buried layer in which the light absorption layer exists is also present. 96, a part of the light generated by the active layer spreads, and the VQW light absorption layer formed vertically in the buried layer feels light on the entire surface of the quantum well, and thus the VQW portion absorbs a large amount of light. It was felt that the gain coupling coefficient could be increased despite the small duty.
[0049]
On the other hand, since the well width of the VQW is thin, that is, the duty is small, the total absorption amount in the VQW is small, and the absorption coefficient is kept small. Since a small absorption coefficient and a large gain coupling coefficient were obtained with good reproducibility, a low threshold gain was obtained with good reproducibility, operating current was reduced, and reproducibility was improved.
[0050]
【The invention's effect】
In the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device, when embedding the concavo-convex shape, the mixed crystal ratio on the concavo-convex trough is different from the mixed crystal ratio of other portions due to the difference in the migration of the raw material. A vertical quantum well structure (VQW) is formed. This uneven shape has VQW that absorbs the light generated by the active layer inside the buried layer and a region transparent to the light generated by the active layer is periodically formed, resulting in a periodic gain distribution. A gain-coupled distributed feedback semiconductor laser can be realized. Since the VQW light absorption layer can easily form a low-duty absorptive diffraction grating by self-alignment, a small absorption loss and a sufficient gain coupling coefficient can be controlled with good reproducibility.
[0051]
In addition, since VQW is naturally formed by the migration of the raw material, a graded structure in which the mixed crystal ratio gradually changes is naturally formed at the interface of the quantum well, carrier recombination is performed efficiently, and the gain coupling coefficient is increased. Increase.
[0052]
In addition, a part of the light generated by the active layer spreads over the entire semiconductor buried layer where the light absorption layer exists, and the VQW light absorption layer formed vertically in the buried layer is formed on the entire surface of the quantum well. In order to feel light, a large absorption is felt in the VQW portion, and the gain coupling coefficient increases despite the small duty. On the other hand, since the VQW well width is thin, that is, the duty is small, the total absorption amount in the VQW is small, and the absorption coefficient is kept small. Since a small absorption coefficient and a large gain coupling coefficient can be obtained with good reproducibility, a low oscillation threshold value can be obtained with good reproducibility, operating current is reduced, and reproducibility is improved.
[0053]
The VQW structure is a structure in which quantum wells are formed perpendicular to the light guiding direction. That is, it is a quantum well light absorption layer that absorbs both TE / TM modes, and both TE oscillation / TM oscillation can be realized by the structure of the active layer.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a structural diagram showing a first embodiment of a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a relationship between an Al mixed crystal ratio of a layer in which an uneven shape is embedded and an energy wavelength of a VQW structure formed by the embedded layer.
FIG. 3 is a mixed crystal ratio profile of a diffraction grating portion.
FIG. 4 is a diagram illustrating a relationship between a mixed crystal ratio of an embedded layer, an absorption loss, and a gain coupling coefficient.
FIG. 5 is a diagram showing a distribution of absorption coefficients of a diffraction grating portion.
FIG. 6 is a structural diagram showing a second embodiment of the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 7 is a structural diagram showing a third embodiment of the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device of the present invention.
FIG. 8 is a structural diagram showing a conventional gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device.
FIG. 9 is a structural diagram showing a fourth embodiment of the gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device of the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 80 n-GaAs substrate
11 n-Al 0.6 Ga 0.4 As cladding layer
12, 62 Undoped Al 0.14 Ga 0.86 As active layer
13 p-Al 0.5 Ga 0.5 As carrier barrier layer
14 p-Al 0.2 Ga 0.8 As guide layer
15, 65, 71 VQW light absorption layer
16 p-Al 0.2 Ga 0.8 As buried layer
17 p-Al 0.6 Ga 0.4 As cladding layer
18 p-GaAs contact layer
191, 192, 691, 692, 781, 782, 881, 882 Electrode
60 p-GaAs substrate
61 p-Al 0.6 Ga 0.4 As cladding layer
63 n-Al 0.5 Ga 0.5 As carrier barrier layer
64 n-Al 0.2 Ga 0.8 As guide layer
66 p-Al 0.18 Ga 0.82 As buried layer
67 p-Al 0.6 Ga 0.4 As cladding layer
68 p-GaAs contact layer
70 n-InP step substrate
72 n-InGaAsP layer (energy wavelength λg = 1 . 5μm)
73 n-InP layer
741, 742 Undoped InGaAsP guide layer (λg = 1.4 μm)
75 InGaAsP active layer (λg = 1 . 55μm)
76 p-InP cladding layer
77 p-InGaAs contact layer
81 n-Al 0.45 Ga 0 . 55 As cladding layer
82 Undoped GaAs active layer
83 p-Al 0.45 Ga 0.55 As carrier block layer
84 p-Al 0.25 Ga 0.75 As guide layer
85 n-GaAs light absorption layer
86 p-Al 0.45 Ga 0.55 As cladding layer
87 p-GaAs contact layer
90 n-GaAs substrate
91 n-Al 0.3 Ga 0.7 As cladding layer
92 Undoped GaAs guide layer
93 Undoped GaInNAs / GaAs active region
94 Undoped GaAs Guide Layer
95 VQW light absorption layer
96 p-GaInNAs buried layer
97 p-Al 0.3 Ga 0.7 As cladding layer
98 p-GaAs contact layer
991, 992 Electrode
Claims (5)
前記凹凸形状の谷部上にのみ前記光吸収層が形成され、残る凹凸形状に隣接した領域には埋込層が形成されてなり、
前記光吸収層は、垂直量子井戸構造を有して、前記凹凸形状の山部よりも層厚方向の高さが高く、かつ、光導波方向において前記埋込層で挟まれていることを特徴とする利得結合型分布帰還半導体レーザ装置。In a gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device in which a periodic uneven shape is formed in the optical waveguide direction in the vicinity of the active layer, and a light absorption layer is formed adjacent to the uneven shape and in the same cycle as the uneven shape.
The light absorbing layer is formed only on the concave and convex valleys, and a buried layer is formed in a region adjacent to the remaining concave and convex shapes,
The light absorption layer has a vertical quantum well structure, has a height in the layer thickness direction higher than that of the concavo-convex ridge, and is sandwiched between the buried layers in the optical waveguide direction. A gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP21014698A JP4115593B2 (en) | 1997-07-28 | 1998-07-27 | Gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device and manufacturing method thereof |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9-201177 | 1997-07-28 | ||
JP20117797 | 1997-07-28 | ||
JP21014698A JP4115593B2 (en) | 1997-07-28 | 1998-07-27 | Gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device and manufacturing method thereof |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH11103128A JPH11103128A (en) | 1999-04-13 |
JP4115593B2 true JP4115593B2 (en) | 2008-07-09 |
Family
ID=26512626
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP21014698A Expired - Fee Related JP4115593B2 (en) | 1997-07-28 | 1998-07-27 | Gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device and manufacturing method thereof |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4115593B2 (en) |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3201475B2 (en) * | 1998-09-14 | 2001-08-20 | 松下電器産業株式会社 | Semiconductor device and method of manufacturing the same |
JP6813388B2 (en) * | 2017-02-22 | 2021-01-13 | 日本電信電話株式会社 | Optical topological device |
-
1998
- 1998-07-27 JP JP21014698A patent/JP4115593B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH11103128A (en) | 1999-04-13 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0546706B1 (en) | Article comprising a DFB semiconductor laser | |
US5459747A (en) | Semiconductor optical devices | |
EP0149462B1 (en) | Distributed-feedback semiconductor laser | |
US8319229B2 (en) | Optical semiconductor device and method for manufacturing the same | |
CA1275485C (en) | Quantum well light emitting device with diffraction grating | |
EP0706243A2 (en) | Distributed feedback semiconductor laser and method for producing the same | |
JPH07235732A (en) | Semiconductor laser | |
EP0177221B1 (en) | Semiconductor laser | |
US6224667B1 (en) | Method for fabricating semiconductor light integrated circuit | |
JP2701569B2 (en) | Method for manufacturing optical semiconductor device | |
JPH09232625A (en) | Side light-emitting optical semiconductor element and manufacture thereof | |
US5383216A (en) | Semiconductor laser with light modulator | |
EP0475714A2 (en) | A distributed feedback semiconductor laser device and a method of producing the same | |
JP4375834B2 (en) | Gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device and manufacturing method thereof | |
US5756373A (en) | Method for fabricating optical semiconductor device | |
US20030086464A1 (en) | Gain-coupled DFB laser diode | |
KR100278546B1 (en) | Semiconductor laser device | |
JP4115593B2 (en) | Gain-coupled distributed feedback semiconductor laser device and manufacturing method thereof | |
JP3548986B2 (en) | Optical semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JP2763090B2 (en) | Semiconductor laser device, manufacturing method thereof, and crystal growth method | |
JP4151043B2 (en) | Manufacturing method of optical semiconductor device | |
JPH0770785B2 (en) | Distributed reflection type semiconductor laser | |
US6734464B2 (en) | Hetero-junction laser diode | |
JP4615184B2 (en) | Distributed feedback laser diode | |
JP2002057405A (en) | Semiconductor laser device and its manufacturing method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20041008 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20071017 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071023 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071220 |
|
RD03 | Notification of appointment of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7423 Effective date: 20071220 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080129 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080229 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080408 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080416 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110425 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110425 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120425 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120425 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130425 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130425 Year of fee payment: 5 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |