JP4488559B2

JP4488559B2 - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JP4488559B2
Application number: JP28530499A
Authority: JP
Inventors: 浩和田
Original assignee: Oki Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Lapis Semiconductor Co Ltd
Priority date: 1999-10-06
Filing date: 1999-10-06
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2019-10-06
Also published as: JP2001111163A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムや光情報処理システム等における光源として用いられる半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザ素子のしきい値電流や外部微分量子効率は温度に強く依存するので、温度変化に伴い半導体レーザ素子から出射されるレーザ光強度は変動する。レーザ光強度をほぼ一定に保つためには、ＡＰＣ（Automatic power control）と呼ばれる外部フィードバック回路により注入電流を制御したり、ぺルチェ素子を用いて温度変化を小さくするなどの対策がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記対策には、構成の複雑化や部品数の増加によるコストアップの問題があった。
【０００４】
また、特開平７−７４４２７号公報には、半導体レーザ素子のしきい値電流と外部微分量子効率の両方の温度依存性を同時に改善させる対策が開示されている。しかし、ここに開示された素子は、発振波長が長くなるほど反射率が増加する反射率制御膜のみを用いているので、光出射端の反対側に備えられた反射率制御膜の反射率を非常に大きく変化させる（発振波長が３０ｎｍ（１．３０μｍから１．３３μｍに）変化する間に反射率を２０％から８０％に変化させる）必要があり、このような反射率制御膜の作製は困難なものであった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、温度変化に伴うレーザ光強度の変動を低く抑えることができ、構成が単純で製造が容易な半導体レーザ素子を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る半導体レーザ装置は、互いに反対側に位置する第一の端面及び第二の端面を持ち、駆動電流が注入されてレーザ光を発生する光共振器と、上記第一の端面上に備えられ、上記光共振器で発生するレーザ光の発振波長が長くなると該レーザ光に対する反射率が低下する特性を持つ第一の反射鏡と、上記第二の端面上に備えられ、上記光共振器で発生するレーザ光の発振波長が長くなると該レーザ光に対する反射率が増加する特性を持つ第二の反射鏡と、上記光共振器に第一の値の上記駆動電流を注入する駆動手段とを有し、上記光共振器は、上記光共振器の温度上昇に応じて、上記光共振器で発生するレーザ光の発振波長が長くなり、且つ、上記光共振器のレーザ発振に要求されるしきい値電流が高くなる特性を有し、上記第一の反射鏡及び上記第二の反射鏡は、上記共振器の温度が上昇すると、上記光共振器に注入される上記駆動電流の単位増加量に対する上記第一の反射鏡を通して出射されるレーザ光強度の増加量が増加し、且つ、上記光共振器の温度が変化しても上記第一の反射鏡を通して出射されるレーザ光の強度を変化させない上記光共振器の駆動電流の第二の値が存在するように構成され、上記駆動手段は、上記駆動電流の上記第一の値を上記第二の値に設定したことを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１に係る半導体レーザ素子の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、実施の形態１の半導体レーザ素子は、互いに反対側に位置する前端面１ａ及び後端面１ｂを持つ光共振器１と、前端面１ａ上に備えられた反射率制御膜としての前端面反射鏡２と、後端面１ｂ上に備えられた反射率制御膜としての後端面反射鏡３とを有する。
【００１３】
光共振器１は、基板（図示せず）と、活性層４と、この活性層４を挟むクラッド層５，６と、活性層４に電流を注入するための電極膜（図示せず）とを有する。光共振器１としては、ダブルヘテロ構造のもの、埋め込みへテロ構造のもの、リッジ構造のもの等の各種構造を採用できる。尚、一般に、光共振器１における発振光の発振波長λは、光共振器１の温度上昇に伴って長くなる特性を持つ。
【００１４】
基板としては、例えば、ＧａＡｓ基板又はＩｎＰ基板が用いられる。活性層４及びクラッド層５，６としては、例えば、波長０．５μｍ〜０．９８μｍ程度の光を発生するのに適したＡｌＧａＡｓ系混晶材料やＡｌＧａＩｎＰ系混晶材料が用いられる。また、活性層４及びクラッド層５，６としては、例えば、波長１．２μｍ〜１．６μｍ程度の光を発生するのに適したＩｎＧａＡｓＰ系混晶材料やＡｌＧａＩｎＡｓ混晶材料を用いることもできる。また、活性層４の構成は、バルク型、量子井戸型、歪量子井戸型など、任意のものでよい。
【００１５】
例えば、ＩｎＰ基板上に作成されたＡｌＧａＩｎＡｓ系歪量子井戸を活性層４とした発振波長１．３μｍ帯のリッジ型半導体レーザ素子の場合には、ＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸は、厚さが７ｎｍで１％圧縮歪みがかかったＡｌＧａＩｎＡｓ層（バンドギャップ波長：約１．４μｍ）を井戸とし、これがバンドギャップ波長１．０μｍで厚さが１０ｎｍの無歪ＡｌＧａＩｎＡｓバリア層で挟まれている。この素子においては、井戸の層数は７であり、横方向の閉じこめ構造は幅２．５μｍのリッジ構造であり、共振器長は３５０μｍである。
【００１６】
また、光共振器１の前端面１ａ及び後端面１ｂは、結晶を劈開することにより形成される平行な２つの端面である。但し、エッチングなどの他の方法によって、前端面１ａ及び後端面１ｂを形成してもよい。
【００１７】
前端面反射鏡２は、例えば、高屈折率誘電体膜としてのアモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）７と、低屈折率誘電体膜としての窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）８の繰り返し積層構造からなる誘電体多層膜である。実施の形態１においては、３対のａ−Ｓｉ膜７とＳｉＮ膜８が光共振器１側から順にＳｉＮ膜７、ａ−Ｓｉ膜８、ＳｉＮ膜７、ａ−Ｓｉ膜８、ＳｉＮ膜７、ａ−Ｓｉ膜８の順になるように積層されている。実施の形態１においては、各ａ−Ｓｉ膜７の厚さ〔μｍ〕を、０．９１６／｛４×ｎ（ａ−Ｓｉ）｝とし、各ＳｉＮ膜８の厚さ〔μｍ〕を、０．９１６／｛４×ｎ（ＳｉＮ）｝としている。ここで、ｎ（ａ−Ｓｉ）は、ａ−Ｓｉ膜７の屈折率を示し、ｎ（ＳｉＮ）は、ＳｉＮ膜８の屈折率を示す。ただし、上記した前端面反射鏡２の材質、厚さ、及び誘電体膜の数は、一例に過ぎず、前端面反射鏡２として、発振波長が長くなるほど反射率が低下する機能を持つ他の構成を採用してもよい。前端面反射鏡２の他の構成としては、例えば、誘電体薄膜と空気とを交互に配列した構成がある。また、低屈折率誘電体膜の材質は、ＳｉＮに代えて、ＳｉＯ_xやＡｌ₂Ｏ₃等を使用することができる。
【００１８】
後端面反射鏡３は、高屈折率誘電体膜としてのアモルファスシリコン膜（ａ−Ｓｉ膜）９と、低屈折率誘電体膜としての窒化シリコン膜（ＳｉＮ膜）１０の繰り返し積層構造からなる誘電体多層膜である。実施の形態１においては、２対のａ−Ｓｉ膜９とＳｉＮ膜１０が光共振器１側から順にＳｉＮ膜１０、ａ−Ｓｉ膜９、ＳｉＮ膜１０、ａ−Ｓｉ膜９の順になるように積層されている。実施の形態１においては、各ａ−Ｓｉ膜の厚さ〔μｍ〕は、１．７６／｛４×ｎ（ａ−Ｓｉ）｝であり、ＳｉＮ膜１０の厚さ〔μｍ〕が１．７６／｛４×ｎ（ＳｉＮ）｝である。ここで、ｎ（ａ−Ｓｉ）は、ａ−Ｓｉ膜９の屈折率を示し、ｎ（ＳｉＮ）は、ＳｉＮ膜１０の屈折率を示す。ただし、上記した後端面反射鏡３の材質、厚さ、及び誘電体膜の数は、一例に過ぎず、後端面反射鏡３として、発振波長が長くなるほど反射率が増加する機能を持つ他の構成を採用してもよい。後端面反射鏡３の他の構成としては、例えば、誘電体薄膜と空気とを交互に配列した構成がある。また、低屈折率誘電体膜の材質は、ＳｉＮに代えて、ＳｉＯ_xやＡｌ₂Ｏ₃等を使用することができる。
【００１９】
図２は、光発振器１における発振光の発振波長λの変化に伴って変動する前端面反射鏡２及び後端面反射鏡３の反射率Ｒ_f及びＲ_rを示すグラフである。図２に示される曲線（破線）からわかるように、上記構成を有する前端面反射鏡２は、発振波長λが長くなるほど反射率Ｒ_fが低下するように設計されている。半導体レーザ素子の温度が２０℃である場合の発振波長１．３μｍにおけるこの前端面反射鏡２の反射率Ｒ_fは約３０％であり、この値は、前端面反射鏡２を備えない場合の反射率（光共振器１の前端面１ａの反射率）とほぼ等しい。半導体レーザ素子の温度が８０℃である場合の発振波長１．３３μｍにおける前端面反射鏡２の反射率Ｒ_fは約１６％であり、この値は、前端面反射鏡２を備えない場合の反射率より低い。
【００２０】
また、図２に示される曲線（実線）からわかるように、上記構成を有する後端面反射鏡３は、発振波長λが長くなるほど反射率Ｒ_rが増加するように設計されている。半導体レーザ素子の温度が２０℃である場合の発振波長１．３μｍにおけるこの後端面反射鏡３の反射率Ｒ_rは約３０％であり、この値は、後端面反射鏡３を備えない場合の反射率（光共振器１の後端面１ｂの反射率）とほぼ等しい。半導体レーザ素子の温度が８０℃である場合の発振波長１．３３μｍにおける後端面反射鏡３の反射率Ｒ_rは約４５％であり、この値は、後端面反射鏡３を備えない場合の反射率より高い。
【００２１】
図３は、図１の半導体レーザ素子における注入電流Ｉとレーザ光強度Ｌとの関係を素子温度が２０℃の場合と８０℃の場合について示すグラフである。以下に図３の関係が導出される過程を示す。一般に、半導体レーザ素子の前端面１ａからの光出力の外部微分量子効率η_fは、以下の式（１）のように表される。
【００２２】
【数１】

【００２３】
ここで、η_totalは、前後両端面からの総光出力に対する外部微分量子効率である。
【００２４】
例えば、ＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸リッジ型半導体レーザ素子の場合は、２０℃における総光出力に対する外部微分量子効率η_totalの典型値は約０．５であり、８０℃における総光出力に対する外部微分量子効率η_totalの典型値は２０℃における値の約０．８２倍、即ち、約０．４１であることが実験的に確認されている。図２において、素子温度が２０℃の場合には｛Ｒ_f、Ｒ_r｝＝｛０．３、０．３｝であり、素子温度が８０℃の場合には｛Ｒ_f、Ｒ_r｝＝｛０．１６、０．４５｝である。従って、式（１）を用いて計算すると、２０℃における前端面１ａからの光出力の外部微分量子効率η_f20は約０．２５であり、８０℃における前端面１ａからの光出力の外部微分量子効率η_f80は約０．２９５となる。
【００２５】
また、半導体レーザ素子のしきい値電流Ｉ_thは、一般に、以下の式（２）のように表すことができる。
【００２６】
【数２】

【００２７】
ここで、Ｉ_th20は、２０℃におけるしきい値電流、Ｔ₀は、しきい値電流の特性温度、δＴは、２０℃からの温度変化分を示す。実施の形態１の半導体レーザ素子の場合には、特性温度Ｔ₀におけるしきい値電流Ｉ₀は１５ｍＡ程度、Ｔ₀は９０Ｋ程度であるので、８０℃におけるしきい値電流Ｉ_th80は約２９ｍＡとなる。以上の結果より、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の電流−光出力（Ｉ−Ｌ）特性は、２０℃の場合には、（Ｉ，Ｌ）＝（１５，０）の点を通り傾斜が約０．２５の直線Ａ（実線）となり、８０℃の場合には、（Ｉ，Ｌ）＝（２９，０）の点を通り傾斜が約０．２９５の直線Ｂ（破線）となる。
【００２８】
図３に示されるように、実施の形態１に係る半導体レーザ素子の温度が２０℃から８０℃に上昇すると、しきい値電流Ｉ_thは１５ｍＡから２９ｍＡに上昇してしまうが、前端面１ａからの光出力の外部微分量子効率η_fは０．２５から０．２９５へと改善される。図３に示される特性を持つ実施の形態１の半導体レーザ素子においては、例えば、光共振器１への注入電流を約１１０ｍＡ（即ち、直線ＡとＢの交点）にすれば、半導体レーザ素子の温度が２０℃から８０℃に上昇しても光出力Ｌはほとんど変化しない。従って、この半導体レーザ素子の場合は、駆動電流を１１０ｍＡ付近にして使用すれば、温度変化に伴う光出力の変動はほとんどない。
【００２９】
尚、上述の例は、ＩｎＰ基板上に作製した１．３μｍ帯ＡｌＧａＩｎＡｓ歪量子井戸リッジ型半導体レーザ素子の実際の特性を例にしたものであるが、構成材料や構造によって、しきい値電流や外部微分量子効率、特性温度などは異なってくるので、それらに合わせて反射率スペクトルの設計をする必要がある。以下に、より一般的な設計の指針を示す。
【００３０】
温度ｉ〔℃〕におけるしきい値電流をＩ_thi〔ｍＡ〕、温度ｉ〔℃〕における光共振器１の前端面１ａからの光出力の外部微分量子効率をη_fiとすると、光出力Ｌ〔ｍＷ〕における駆動電流はＩ_opi〔ｍＡ〕は、
Ｉ_opi＝Ｉ_thi＋Ｌ／η_fi …式（３）
と表わすことができる。ここで、Ｉ_op20≧Ｉ_op80であれば、図３に示されるように、２０℃におけるＩ−Ｌ曲線Ａと、８０℃におけるＩ−Ｌ曲線Ｂが交差する。このように、Ｉ−Ｌ曲線ＡとＢとが交差するための条件は、上記式（１）及び式（２）から、以下の式（４）のように表すことができる。
【００３１】
【数３】

【００３２】
ここで、ｒ＝η_t80／η_t20であり、Ｒ_fi及びＲ_riはそれぞれ温度ｉ〔℃〕における前端面反射膜２及び後端面反射膜３の反射率である。
【００３３】
式（４）において等号が成り立つ場合は、２０℃におけるＩ−Ｌ曲線Ａと、８０℃におけるＩ−Ｌ曲線Ｂが交差する条件である。式（４）における各値ｒ、η_th20、Ｉ_th20、Ｔ₀は、すべて半導体レーザ素子の構成材料や構造に基づいて決定される特性値であるから、これら既知の値と式（４）を用いて反射率Ｒ_ri、Ｒ_fiを決定すればよい。但し、一般に後端面１ｂからの光出力より前端面１ａからの出力の方を大きくしたい場合が多いので、Ｒ_fi＜Ｒ_riとすることが好ましい。
【００３４】
以上のように、実施の形態１によれば、図２に示されるように、発振光の波長が長くなるほど後端面反射鏡３の反射率が増大すると同時に、前端面反射鏡３の反射率が減少するように構成している。このため、各反射鏡２，３における反射率変化を極端に大きくすることなく（即ち、波長λが３０ｎｍ変化する間に反射率が１５％程度変化すればよく）、前端面１ａからの光出力の外部微分量子効率η_fを温度上昇に伴って増大させることができる。
【００３５】
また、しきい値電流は温度とともに上昇してしまうものの、前端面１ａからの光出力の外部微分量子効率η_fを温度上昇に伴って増大させることができるので、例えば、電流約１１０ｍＡの一定電流で半導体レーザ素子を駆動すれば光出力がほとんど変化しない状況を実現できる。従って、この動作条件で半導体レーザ素子を使用すれば、ＡＰＣ回路やぺルチェ素子を用いなくとも光出力を一定に保つことができ低コストモジュールを実現することができる。
【００３６】
尚、図２及び図３に示す特性は、光共振器１がレーザ光を発生させる温度範囲において（少なくとも使用最低温度（例えば、−２０℃）における発振波長λ₁から使用最高温度（例えば、８５℃）における発振波長λ₂までの範囲内において）、備えることが望ましい。
【００３７】
実施の形態２
上記実施の形態１においては、ｉ〔℃〕における前端面反射鏡２の反射率Ｒ_fiとｉ〔℃〕における後端面反射鏡３の反射率Ｒ_riとの間に、Ｒ_fi＜Ｒ_riなる関係が成立すること、及び、式（４）を満たすことを要求していたが、ｉ〔℃〕における反射率Ｒ_fiとＲ_riは、それぞれ独立に決定しうるパラメータであった。
【００３８】
しかし、（Ｒ_fi×Ｒ_ri）が温度上昇に伴って小さくなる場合には（この場合においても上記実施の形態１で説明したような動作は実現可能であるが）、しきい値電流の特性温度Ｔ₀が、両端面に反射鏡を備えない場合の特性温度Ｔ₀よりも小さくなってしまい、しきい値電流が温度上昇に伴って大きく上昇してしまい、応用上問題になる場合がある。
【００３９】
そこで、実施の形態２においては、光共振器１がレーザ光を発生させる温度範囲において、又は、少なくとも使用最低温度（例えば、−２０℃）における発振波長λ₁から使用最高温度（例えば、８５℃）における発振波長λ₂までの範囲内において、（Ｒ_fi×Ｒ_ri）が一定になるように設計することにより、両端面に反射鏡を備えない場合と同じ特性温度Ｔ₀を示す状態で実施の形態１と同様の効果を得ることができる。また、発振光の波長が長くなるほど（Ｒ_fi×Ｒ_ri）が大きくなるように設計することにより、両端面に反射鏡を備えない場合より大きな特性温度Ｔ₀を示す状態で実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
一般に、半導体レーザ素子のしきい値利得ｇ_thは、
Γｇ_th＝Γα＋（１／２Ｌ）・ｌｎ（１／Ｒ_rＲ_f） …式（５）
で表すことができる。ここで、Γは所定の定数、αは損失、Ｌは共振器長を示す。従って、（Ｒ_fi×Ｒ_ri）が小さくなればしきい値利得ｇ_thは上がってしまい、逆に（Ｒ_fi×Ｒ_ri）が大きくなればしきい値利得ｇ_thは下がる。しきい値電流Ｉ_thはしきい値利得ｇ_thと正の相関があるので、端面に反射鏡を備えていない場合と同様に（Ｒ_fi×Ｒ_ri）が一定であれば、（Ｒ_fi×Ｒ_ri）が一定である温度範囲において、端面に反射鏡を備えていない場合と同じ特性温度Ｔ₀を示す。（Ｒ_fi×Ｒ_ri）が端面に反射鏡を備えていない場合より大きくなれば、より大きな特性温度Ｔ₀を示す。
【００４１】
従って、（Ｒ_fi×Ｒ_ri）が波長λ₁からλ₂の範囲内で一定になるようにすれば両端面に反射鏡を備えない場合と同じ特性温度Ｔ₀が確保されたまま、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることができる。また、Ｒ_f80×Ｒ_r80＞Ｒ_f20×Ｒ_r20の条件を満たすと同時に、式（４）の条件を満たす素子を作製すれば、両端面に反射鏡を備えない場合より大きな特性温度Ｔ₀を示すと同時に、実施の形態１の場合と同様の効果を得ることができる。尚、実施の形態２において、上記以外の点は、上記実施の形態１と同一である。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による半導体レーザ素子によれば、発振光の波長が長くなるほど後端面反射鏡の反射率が増大すると同時に前端面反射鏡の反射率が減少するように構成しているので、温度変化に伴うレーザ光強度の変動を低く抑えることができる。
【００４３】
また、レーザ光強度を安定させるための他の構成が不要であるので、構成が簡素になり、また、波長変動に伴う反射率変動を極端に大きくする必要がないので、後端面反射鏡と前端面反射鏡の製造が容易になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る半導体レーザ素子の構成を概略的に示す図である。
【図２】図１の光発振器における発振波長の変化に伴って変動する前端面反射鏡及び後端面反射鏡の反射率を示すグラフである。
【図３】図１の半導体レーザ素子における注入電流とレーザ光強度との関係を２０℃と８０℃について示すグラフである。
【符号の説明】
１光共振器、１ａ前端面、１ｂ後端面、２前端面反射鏡、後３後端面反射鏡、７，９アモルファスシリコン膜、８，１０窒化シリコン膜。

Claims

互いに反対側に位置する第一の端面及び第二の端面を持ち、駆動電流が注入されてレーザ光を発生する光共振器と、
上記第一の端面上に備えられ、上記光共振器で発生するレーザ光の発振波長が長くなると該レーザ光に対する反射率が低下する特性を持つ第一の反射鏡と、
上記第二の端面上に備えられ、上記光共振器で発生するレーザ光の発振波長が長くなると該レーザ光に対する反射率が増加する特性を持つ第二の反射鏡と、
上記光共振器に第一の値の上記駆動電流を注入する駆動手段と
を有し、
上記光共振器は、上記光共振器の温度上昇に応じて、上記光共振器で発生するレーザ光の発振波長が長くなり、且つ、上記光共振器のレーザ発振に要求されるしきい値電流が高くなる特性を有し、
上記第一の反射鏡及び上記第二の反射鏡は、上記共振器の温度が上昇すると、上記光共振器に注入される上記駆動電流の単位増加量に対する上記第一の反射鏡を通して出射されるレーザ光強度の増加量が増加し、且つ、上記光共振器の温度が変化しても上記第一の反射鏡を通して出射されるレーザ光の強度を変化させない上記光共振器の駆動電流の第二の値が存在するように構成され、
上記駆動手段は、上記駆動電流の上記第一の値を上記第二の値に設定した
ことを特徴とする半導体レーザ装置。