JP4615184B2 - Distributed feedback laser diode - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布帰還型半導体レーザ素子に関し、特に、大きな共振器長を有し、単一モードで発振し、且つモード間遷移が抑制された分布帰還型半導体レーザ素子に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
分布帰還型半導体レーザ素子(DFBレーザ素子)は、共振器内部に屈折率の実部又は虚部が周期的に変化する構造(以下、回折格子と言う)を有するレーザ素子である。回折格子により特定の波長の光にのみ帰還がかかるため、DFBレーザ素子は波長選択性を有し、単一モード(単一波長)でレーザ発振することが可能である。
【0003】
DFBレーザ素子は、その高い単一モード性のため、光通信用信号光源として好適に使用できる。光通信用信号光源としてのDFBレーザ素子には、用途によって、連続波(CW)、直接変調(DM)、電界吸収型光変調器・内蔵型(EA−DFB)など様々なタイプがある。これらのうち、CWタイプのDFBレーザ素子(CW−DFBレーザ)は、外部変調器と組み合わせて用いられ、例えばWDM用の基幹系の信号光源やCATV等のアナログ伝送などに使用されており、高出力でレーザ発振することが要求される。
【0004】
高出力のCW−DFBレーザでは通常、光出射側となる一方の端面(以下、前端面と言う)に低反射率膜を、他方の端面(以下、後端面と言う)に高反射率膜をそれぞれ形成する非対称な反射膜構造が採用される。この場合、共振器の前端面側からレーザ光の大半を取り出すことができ、高効率でレーザ出力が得られる。
【0005】
CW−DFBレーザでは、通常、単一モード性、効率等を考慮し、結合係数κが最適化される。つまり、κが大き過ぎると高出力が得られず、κが小さ過ぎると単一モード性が得られない。このため、κを適当な範囲に制御する必要があり、上述の単一モード性、効率等の歩留まりの観点から、κと共振器長Lとの積κLとして1程度の値が最も良いと考えられている。結合係数κは、屈折率結合であるDFBレーザ素子の場合、回折格子の膜厚、組成、屈折率の大きな部分と小さな部分の幅の比であるデューティ(duty)比、及び回折格子と活性層との距離などの様々なパラメータを調節することによって所定の値に設定することができる。
【0006】
高出力化のためには、また、共振器長Lを長くするのが有効である。この場合、大きな駆動電流による発熱がもたらす熱飽和を抑えつつ高い出力を得ることができる。この際に、前述のようにκL=1程度に制御する必要があるため、Lの増大に伴って結合係数κを小さくする必要がある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えばL=1000μmとなるような非常に大きな共振器長Lを採用する場合には、上述のκL=1程度を実現しようとすると、κ=10cm-1となるような非常に小さな結合係数κを実現する必要がある。しかし、このように非常に小さなκを実現するのは容易ではない。ここで、小さなκを実現するには、例えば回折格子の膜厚を薄くする方法や、回折格子とこれを埋め込んだ導波路層との間の屈折率差を小さくするなどの手法が考えられる。しかし、何れも非常に高い製造精度が要求されるため、一定の結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することは難しく、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることが出来ないという問題があった。
【0008】
小さなκを実現する方法として、共振器の一部にのみ回折格子を形成する部分回折格子を採用することができる。部分回折格子では、共振器長に対する部分回折格子の長さの割合によって、実効的な結合係数κを小さくすることができる。しかし、この構造では、部分回折格子が形成された領域と、形成されない領域の境界で電界強度分布が不連続となり、電流注入時にキャリア濃度の不均一が起こり易い。このため、モード間の発振利得差が小さくなり、高出力下においてモード間遷移が発生し、またこれに伴って光出力の電流依存性にキンクが発生するという問題があった。
【0009】
そこで、本発明の目的は、大きな共振器長を有し、単一モードで発振し、且つモード間遷移が抑制されたDFBレーザ素子を提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決する研究の過程で、回折格子を構成する回折パターンを周期的に間引く構造に着想し、この構造が上記課題の解決に有効ではないかと考え、以下の考察を行った。即ち、回折パターンを周期的に間引くことにより、大きな共振器長Lを有するDFBレーザ素子で、実効的な結合係数κを十分に小さくでき、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して製造できる。ここで、回折パターンが間引かれる周期の長さを、例えばサブミクロン単位の小さな値にすることにより、部分回折格子を有するDFBレーザ素子で発生していたような、電界強度分布の不連続性を抑制し、モード間遷移の発生を抑制できるのではないかと考えた。そして、種々の実験を経て、本発明を完成するに至った。
【0011】
即ち、上記目的を達成する本発明に係るDFBレーザ素子は、共振器に隣接し共振器方向に配列された複数の回折パターンから成る回折格子を備える分布帰還型半導体レーザ素子において、
前記回折格子では、所定ピッチで配設される回折パターンのうち一つの回折パターンが周期的に間引かれており、
前記間引かれる回折パターンの数が、回折格子中の全回折パターンの数の1/5〜1/2であることを特徴としている。
【0012】
回折格子では、所定ピッチで配設される回折パターンのうち一つの回折パターンが周期的に間引かれることにより、実効的な結合係数κを小さくすることが可能となる。このため、小さい結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することが可能となり、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができる。また、回折格子を構成する複数の回折パターン群の長さを適当に調節することによって、共振器内部の電界強度分布の不連続性を抑え、高出力下でのモード間遷移の発生を抑制することができる。
【0013】
本発明の好適な実施態様では、前記回折パターン群では、対応する位置の回折パターンがそれぞれ間引かれている。これにより、共振器内部の電界強度分布の不連続性を効果的に抑え、高出力下でのモード間遷移の発生を効果的に抑制することができる。
【0014】
本発明の好適な実施態様では、前記間引かれる回折パターンの周期が、共振器方向に240nm以上、30μm以下の長さを有する。これにより、共振器内部の電界強度分布の不連続性を十分に抑制し、高出力下でのモード間遷移の発生を効果的に抑制することができる。本発明の好適な実施態様では、前記間引かれる回折パターンの周期が、共振器方向に240nm以上、3μm以下の長さを有する。高出力下でのモード間遷移の発生をより効果的に抑制することができる。
【0015】
本発明は、好適には、前記間引かれる回折パターンの数が、回折格子中の全回折パターンの数の1/5〜1/2である。上記間引かれる回折パターンの数が、回折格子中の全回折パターンの数の1/5以下だと、大きい共振器長を有するレーザ素子で、一定の小さい結合係数κ有するレーザ素子を安定して製造することが難しく、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができない。一方、上記間引かれる回折パターンの数が、回折格子中の全回折パターンの数の1/2以上だと、回折パターンが間引かれる割合が大き過ぎるため、単一モード性などのレーザ特性に悪影響を及ぼす。
【0016】
本発明は、前記共振器の長さが500μm以上、1200μm以下のDFBレーザ素子に適用することにより、長い共振器長を有するDFBレーザ素子で、一定の小さな結合係数κ有するレーザ素子を安定して製造することが難しいという問題を解決し、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的且つ詳細に説明する。
実施形態例1
図1は、本実施形態例のDFBレーザ素子の一部を断面で示す斜視図であり、図2は、図1のII−II断面を示す断面図である。本DFBレーザ素子は、発振波長を1550nmに設定した、共振器長が1200μmの埋め込みヘテロ型のDFBレーザ素子である。本DFBレーザ素子10は、膜厚120μm程度のn−InP基板11上に形成された、n−InPバッファ層12、MQW−SCH(Separate Confinement Hetero-Structure)活性層13、p−InPスペーサ層14、膜厚10nmの回折格子15、回折格子15を埋め込むp−InP埋込み層16、及び、p−InPクラッド層17から成る積層構造を有する。MQW−SCH活性層13は、量子井戸活性層(MQW)中に6層の量子井戸層を含む。
【0018】
回折格子15は、4元系材料から成るバンドギャップ波長λgが1100nmのInGaAsPで構成される。回折格子15は、図2に示すように、そのパターン周期が240nmであり、且つ回折格子15を構成する個々の回折パターン26が、3本毎に1本が間引かれた構成を有している。更に、回折パターン26の幅と、隣接する回折パターン26間の距離との比が、3:7である。このような回折格子15の構成により、約10cm-1の結合係数κを得ることができる。
【0019】
本実施形態例では、上述のように回折パターン26が3本毎に1本が間引かれた構成を有することにより、同様の条件で共振器の全領域で一様な回折パターンが形成された回折格子と比較して、実効的な結合係数κの大きさを2/3に低減することが可能である。また、回折パターン26が間引かれる周期が、サブミクロン程度の大きさであるため、従来、部分回折格子を有するDFBレーザ素子で問題となっていた、電界強度分布の不連続性を抑えることができる。
【0020】
積層構造のうち、p−InPクラッド層17、p−InP埋込み層16、回折格子15、p−InPスペーサ層14、MQW−SCH活性層13、及び、n−InPバッファ層12の上部は、MQW−SCH活性層13が約1.8μmの幅を有するように、メサストライプ状に加工されている。メサストライプの両側は、p−InP層20及びn−InP層21の積層構造からなるキャリアブロック層で埋め込まれている。
【0021】
p−InPクラッド層17及びその両側のn−InP層21上には、膜厚約2μmのp−InPクラッド層18、及び高ドープGaInAsコンタクト層19が、順次に積層されている。高ドープGaInAsコンタクト層19は、後述するp側電極22とオーミックなコンタクトを取るために、p型ドーパントが高濃度にドープされている。
【0022】
高ドープGaInAsコンタクト層19上には、p側電極22としてTi/Pt/Au多層金属膜が、n−InP基板11の裏面には、n側電極23としてAuGeNi膜が、それぞれ設けてある。DFBレーザ素子30の前端面24には無反射コーティングが、後端面25には反射率が90%程度のHR(High Reflective)コーティングが、それぞれ施されている。
【0023】
本実施形態例のDFBレーザ素子10の作製に当たっては、先ず、MOCVD装置を使って、成長温度600℃で、n−InP基板11上に、n−InPバッファ層12、MQW−SCH活性層13、p−InPスペーサ層14、回折格子形成層15aを成長させる。回折格子形成層15aの成長にあたっては、バンドギャップ波長λgが1100nmのInGaAsPを成長させる。MQW−SCH活性層13の成長にあたっては、量子井戸活性層(MQW)中に6層の量子井戸層を含むように成長させる。
【0024】
次いで、回折格子形成層15a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描画装置を使ってEB描画を行い、図3に示すような回折格子形成マスク27を形成する。回折格子形成マスク27は、そのパターン周期が240nmであり、且つ回折格子形成マスク27を構成する各長方形パターン28が、3本毎に1本が間引かれた形状に形成する。また、各長方形パターン28の幅と、隣接する長方形パターン28間の距離との比が、3:7となるように形成する。
【0025】
次いで、メタン・水素系のドライエッチングにより、回折格子形成マスク27上から回折格子形成層15aを貫通するようにエッチングして、回折格子15を形成する。続いて、MOCVD装置を使って、p−InP埋込み層16及びp−InPクラッド層17を成長させ、回折格子15の埋め込み再成長を行う。
【0026】
DFBレーザ素子10は、前述のように、回折パターン26が3本毎に1本が間引かれた構成を有する回折格子15を採用したことにより、同様の条件で共振器の全領域で一様な回折パターンを有する回折格子と比較して、実効的な結合係数κの大きさを2/3に低減することが可能である。このため、回折格子15の形成にあたっては、非常に高い製造精度は要求されず、本実施形態例のように10cm-1程度の小さい結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することができる。
【0027】
次いで、プラズマCVD装置を用いて、基板全面にSiNx膜を成膜し、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)により、回折格子15の周期方向に延びるストライプ状にSiNx膜をエッチングして、SiNx膜マスク(図示せず)を形成した。続いて、ストライプ状のSiNx膜マスクをエッチングマスクとして用い、p−InPクラッド層17、p−InP埋込み層16、回折格子15、p−InPスペーサ層14、MQW−SCH活性層13、及び、n−InPバッファ層12の上部をエッチングして、MQW−SCH活性層13が約1.8μmの幅を有するように、メサストライプ状に加工した。
【0028】
次いで、SiNx膜マスクを選択成長マスクとして用い、p−InP層20及びn−InP層21を、順次に選択成長させて、メサストライプの両脇を埋め込み、キャリアブロック層とした。続いて、SiNx膜マスクを除去した後、膜厚約2μmのp−InPクラッド層18、及び、高ドープInGaAsコンタクト層19を順次に成長させた。
【0029】
次いで、高ドープInGaAsコンタクト層19上に、p側電極22としてTi/Pt/Au多層金属膜を形成した。また、n−InP基板11の厚さが120μm程度になるように、n−InP基板11の裏面を研磨し、n−InP基板11の裏面には、n側電極23としてAuGeNi膜を設けた。
【0030】
次いで、得られたウエハを、レーザ素子の共振器長Lが1200μmになるように、前端面24及び後端面25で壁開した。続いて、各前端面24には無反射コーティングを、各後端面25には反射率が約90%のHRコーティングをそれぞれ施し、更に、個々のレーザ素子に分割した後に、チップ化してボンディングした。
【0031】
本実施形態例では、上述のように、回折パターン26が3本毎に1本が間引かれた構成を有する回折格子15を採用したことにより、回折格子15の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られる。このため、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、回折パターン26が間引かれる周期が、サブミクロン程度の大きさであるため、従来、部分回折格子を有するDFBレーザ素子で問題となっていた電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移の発生を抑制するため、キンクの発生が防止できる。
【0032】
比較例
上記実施形態例のDFBレーザ素子の性能を評価するために、DFBレーザ素子10、及び、従来のDFBレーザ素子として、比較例のDFBレーザ素子を試作した。比較例のDFBレーザ素子は、回折パターンが共振器の全領域で一様に形成され、且つ発振波長が1551nmに設定されることを除いては、DFBレーザ素子10と同様の構成を有する。このような回折格子15により、約15cm-1の結合係数κが得られる。比較例のDFBレーザ素子は、回折パターンを共振器の全領域で一様に形成し、且つ発振波長を1551nmに設定することを除いては、DFBレーザ素子10と同様に製造することができる。
【0033】
本実施形態例のDFBレーザ素子10及び比較例のDFBレーザ素子について、発振波長λDFBに対する光出力効率SE(Slope Efficiency)の特性を調べたところ、図4(a)に示すグラフが得られた。光出力効率SEとは、レーザ素子の注入電流に対する光出力の勾配をいう。同図中、(i)は本実施形態例のDFBレーザ素子10の特性を示し、(ii)は比較例のDFBレーザ素子の特性を示す。光出力効率SEは、回折格子に対する後端面の位相位置θにより影響を受けるため、それぞれ発振波長を中心に広がりを有する。発振波長においてθ=0で、両端においてθ=−π、πである。
【0034】
同図より、本実施形態例のDFBレーザ素子10では、光出力効率SEの最大値が約0.35mW/mAであり、比較例のDFBレーザ素子では、光出力効率SEの最大値が約0.28mW/mAである。よって、本実施形態例のDFBレーザ素子10は、比較例のDFBレーザ素子と比較して、光出力効率SEの最大値が約1.25倍に増加し、良好な光出力効率SEの特性が得られたものと評価できる。
【0035】
本実施形態例のDFBレーザ素子10、及び比較例の構成を有するDFBレーザ素子について、発振波長λDFBに対するしきい値利得差ΔαthLの特性についてシミュレーションを行い、図4(b)に示す結果を得た。同図中、(i)は本実施形態例のDFBレーザ素子10の特性を示し、(ii)は比較例のDFBレーザ素子の特性を示す。しきい値利得差ΔαthLは、主モードと副モードとの発振しきい値利得差であり、DFBレーザ素子の単一モード性を表すパラメータである。しきい値利得差ΔαthLは、回折格子に対する後端面の位相位置θにより影響を受けるため、それぞれ発振波長を中心に広がりを有する。発振波長においてθ=0で、両端においてθ=−π、πである。
【0036】
同図より、(i)のグラフと(ii)のグラフとの間に大きな違いは見られず、本実施形態例のDFBレーザ素子10は比較例のDFBレーザ素子と比較して、単一モード性について同等の性能を有するものと評価できる。
【0037】
実施形態例2
図5(a)は、本実施形態例のDFBレーザ素子の構成を示す平面図である。
本実施形態例のDFBレーザ素子は、部分回折格子が周期的に繰り返された構成を有するレーザ素子であり、共振器方向に設定された4つのゾーンに、後端面25側から回折格子が形成される部分回折格子領域29と回折格子が形成されないファブリペロー領域30とが交互に設けられている。部分回折格子29とファブリペロー領域30との長さの比は2:1である。部分回折格子領域29では、図2に示した実施形態例1のDFBレーザ素子10の回折パターン26と同様の構成を有する回折パターンが、間引かれることなく一様に形成されている。このような回折格子の構成により、約10cm-1の結合係数κを得ることができる。その他の構成は、実施形態例1のDFBレーザ素子10と同様である。
【0038】
本実施形態例のDFBレーザ素子の製造方法は、EB描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に4つのゾーンを設定し、後端面25側から回折格子マスクが形成される領域(図示なし)と、回折格子マスクが形成されない領域(図示なし)とを交互に設ける。回折格子マスクが形成される領域と回折格子マスクが形成されない領域との長さの比を2:1とする。回折格子マスクが形成される領域では、図3に示した実施形態例1のDFBレーザ素子の長方形パターン28と同様の構成を有する長方形パターンを、間引くことなく一様に形成する。その他の製造方法は、実施形態例1のDFBレーザ素子10の製造方法と同様である。
【0039】
本実施形態例のDFBレーザ素子では、部分回折格子29とファブリペロー領域30との長さの比を2:1としたことにより、同様の条件で共振器の全領域で一様に回折格子が形成された場合と比較して、実効的な結合係数κの大きさを2/3に低減することが可能である。このため、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、共振器方向に設定された4つのゾーンに、部分回折格子領域29とファブリペロー領域30とが交互に設けられることにより、実施形態例1のDFBレーザ素子ほどではないものの、電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【0040】
実施形態例3
図5(b)は、本実施形態例のDFBレーザ素子の構成を示す平面図である。本実施形態例のDFBレーザ素子は、共振器方向に設定された8つのゾーンに、後端面25側から回折格子が形成される部分回折格子領域29と回折格子が形成されないファブリペロー領域30とが交互に設けられていることを除いては、実施形態例2のDFBレーザ素子と同様の構成を有している。また、本実施形態例のDFBレーザ素子の製造方法は、EB描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に8つのゾーンを設定し、後端面25側から回折格子マスクが形成される領域(図示なし)と、回折格子マスクが形成されない領域(図示なし)とを交互に設けることを除いては、実施形態例2のDFBレーザ素子の製造方法と同様である。
【0041】
本実施形態例のDFBレーザ素子は、部分回折格子29とファブリペロー領域30との長さの比を2:1としたことにより、実施形態例2と同様に、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、本実施形態例のDFBレーザ素子は、共振器方向に設定された8つのゾーンに、部分回折格子領域29とファブリペロー領域30とが交互に設けられることにより、実施形態例1のDFBレーザ素子ほどではないものの、実施形態例2のDFBレーザ素子より効果的に電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【0042】
実施形態例4
図5(c)は、本実施形態例のDFBレーザ素子の構成を示す平面図である。
本実施形態例のDFBレーザ素子は、共振器方向に設定された16のゾーンに、後端面25側から回折格子が形成される部分回折格子領域29と回折格子が形成されないファブリペロー領域30とが交互に設けられていることを除いては、実施形態例2のDFBレーザ素子と同様の構成を有している。また、本実施形態例のDFBレーザ素子の製造方法は、EB描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に16のゾーンを設定し、後端面25側から回折格子マスクが形成される領域(図示なし)と、回折格子マスクが形成されない領域(図示なし)とを交互に設けることを除いては、実施形態例2のDFBレーザ素子の製造方法と同様である。
【0043】
本実施形態例のDFBレーザ素子は、部分回折格子29とファブリペロー領域30との長さの比を2:1としたことにより、実施形態例2と同様に、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、本実施形態例のDFBレーザ素子は、共振器方向に設定された16のゾーンに、部分回折格子領域29とファブリペロー領域30とが交互に設けられることにより、実施形態例1のDFBレーザ素子ほどではないものの、実施形態例3のDFBレーザ素子より効果的に電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【0044】
実施形態例5
図5(d)は、本実施形態例のDFBレーザ素子の構成を示す平面図である。
本実施形態例のDFBレーザ素子は、共振器方向に設定された32のゾーンに、後端面25側から回折格子が形成される部分回折格子領域29と回折格子が形成されないファブリペロー領域30とが交互に設けられていることを除いては、実施形態例2のDFBレーザ素子と同様の構成を有している。また、本実施形態例のDFBレーザ素子の製造方法は、EB描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に32のゾーンを設定し、後端面25側から回折格子マスクが形成される領域(図示なし)と、回折格子マスクが形成されない領域(図示なし)とを交互に設けることを除いては、実施形態例2のDFBレーザ素子の製造方法と同様である。
【0045】
本実施形態例のDFBレーザ素子は、部分回折格子29とファブリペロー領域30との長さの比を2:1としたことにより、実施形態例2と同様に、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、本実施形態例のDFBレーザ素子は、共振器方向に設定された32のゾーンに、部分回折格子領域29とファブリペロー領域30とが交互に設けられることにより、実施形態例1のDFBレーザ素子ほどではないものの、実施形態例4のDFBレーザ素子より効果的に電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【0046】
実施形態例1〜5の構成を有するDFBレーザ素子について、共振器内部の電界強度分布のシミュレーションを行ったところ、図6に示すグラフが得られた。同図中、(i)〜(v)は実施形態例1〜5のDFBレーザ素子の特性をそれぞれ示す。同図より、実施形態例2〜5のDFBレーザ素子では、ゾーン数を増加させるに従って、電界強度分布の不連続性がより効果的に抑えられていく様子が判る。また、実施形態例1のDFBレーザ素子10では、回折パターンを間引く周期をサブミクロンの単位に制御したことによって、共振器内部の電界強度分布の不連続性を大幅に緩和し、高出力下におけるモード間遷移がこれらのうちで最も発生しにくい構造を有するものと評価できる。
【0047】
本発明の製造方法によれば、回折パターンの間引き方法を設定するだけでレーザ素子の実効的な結合係数κを調節することができる。このため、大きな共振器長を有するレーザ素子に限らず、1枚のウエハ上に様々な結合係数κを有するレーザ素子を同時に、且つ従来同様の工程数で製造することができ、製造の効率化を図ることが可能である。
【0048】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明のDFBレーザ素子は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したDFBレーザ素子も、本発明の範囲に含まれる。
【0049】
【発明の効果】
本発明によれば、回折パターン群で、所定ピッチで配設される回折パターンのうち所定数の回折パターンがそれぞれ間引かれることにより、実効的な結合係数κを小さくすることが可能となる。このため、小さな結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することが可能となり、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができる。また、回折格子を構成する複数の回折パターン群の長さを適当に調節することによって、共振器内部の電界強度分布の不連続性を抑え、高出力下でのモード間遷移の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施形態例1のDFBレーザ素子の一部を断面で示す斜視図である。
【図2】図1のII−II断面を示す断面図である。
【図3】実施形態例1のDFBレーザ素子の一製造工程段階に係る平面図である。
【図4】(a)は、実施形態例1及び比較例のDFBレーザ素子における、発振波長λDFBと光出力効率SEとの関係をそれぞれ示すグラフであり、(b)は、実施形態例1及び比較例のDFBレーザ素子における、発振波長λDFBとしきい値利得差ΔαthLとの関係をそれぞれ示すグラフである。
【図5】(a)〜(d)は、実施形態例2〜5のDFBレーザ素子の構成をそれぞれ示す平面図である。
【図6】実施形態例1〜5のDFBレーザ素子における、共振器内部の電界強度分布をそれぞれ示すグラフである。
【符号の説明】
10 実施形態例1のDFBレーザ素子
11 n−InP基板
12 n−InPバッファ層
13 MQW−SCH活性層
14 p−InPスペーサ層
15 回折格子
15a 回折格子の形成層
16 p−InP埋込み層
17 p−InPクラッド層
18 p−InPクラッド層
19 InGaAsコンタクト層
20 p−InP層
21 n−InP層
22 p側電極
23 n側電極
24 出射面
25 後端面
26 回折パターン
27 回折格子形成マスク
28 長方形パターン
29 部分回折格子領域
30 ファブリペロー領域
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a distributed feedback semiconductor laser device, and more particularly to a distributed feedback semiconductor laser device having a large resonator length, oscillating in a single mode, and suppressing transition between modes.
[0002]
[Prior art]
A distributed feedback semiconductor laser element (DFB laser element) is a laser element having a structure (hereinafter referred to as a diffraction grating) in which a real part or an imaginary part of a refractive index periodically changes in a resonator. Since feedback is applied only to light of a specific wavelength by the diffraction grating, the DFB laser element has wavelength selectivity and can oscillate in a single mode (single wavelength).
[0003]
The DFB laser element can be suitably used as a signal light source for optical communication because of its high single mode property. There are various types of DFB laser elements as signal light sources for optical communication, such as continuous wave (CW), direct modulation (DM), and electroabsorption optical modulator / built-in type (EA-DFB). Among these, the CW type DFB laser element (CW-DFB laser) is used in combination with an external modulator, and is used, for example, for a WDM basic signal light source or an analog transmission such as CATV. It is required to oscillate at the output.
[0004]
A high-power CW-DFB laser usually has a low reflectance film on one end face (hereinafter referred to as the front end face) on the light emitting side and a high reflectance film on the other end face (hereinafter referred to as the rear end face). Asymmetrical reflecting film structures formed respectively are employed. In this case, most of the laser light can be extracted from the front end face side of the resonator, and laser output can be obtained with high efficiency.
[0005]
In the CW-DFB laser, the coupling coefficient κ is usually optimized in consideration of single mode characteristics, efficiency, and the like. That is, if κ is too large, a high output cannot be obtained, and if κ is too small, a single mode property cannot be obtained. For this reason, it is necessary to control κ within an appropriate range, and from the viewpoint of the yield such as the above-mentioned single mode property and efficiency, a value of about 1 is considered to be the best as the product κL of κ and the resonator length L. It has been. In the case of a DFB laser element having a refractive index coupling, the coupling coefficient κ is the film thickness and composition of the diffraction grating, the duty ratio that is the ratio of the width between the large refractive index portion and the small refractive index portion, and the diffraction grating and active layer. It can be set to a predetermined value by adjusting various parameters such as
[0006]
In order to increase the output, it is effective to increase the resonator length L. In this case, a high output can be obtained while suppressing thermal saturation caused by heat generated by a large drive current. At this time, since it is necessary to control to κL = 1 as described above, it is necessary to decrease the coupling coefficient κ as L increases.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a very large resonator length L such as L = 1000 μm is employed, for example, κ = 10 cm when the above-mentioned κL = 1 is to be realized.-1It is necessary to realize such a very small coupling coefficient κ. However, it is not easy to realize such a very small κ. Here, in order to realize a small κ, for example, a method of reducing the thickness of the diffraction grating or a method of reducing a difference in refractive index between the diffraction grating and the waveguide layer in which the diffraction grating is embedded can be considered. However, since both require extremely high manufacturing accuracy, it is difficult to stably manufacture a laser element having a certain coupling coefficient κ, and it is possible to stably obtain a laser element having high single mode characteristics. There was a problem that it could not be done.
[0008]
As a method for realizing a small κ, a partial diffraction grating in which a diffraction grating is formed only in a part of the resonator can be employed. In the partial diffraction grating, the effective coupling coefficient κ can be reduced by the ratio of the length of the partial diffraction grating to the resonator length. However, with this structure, the electric field intensity distribution is discontinuous at the boundary between the region where the partial diffraction grating is formed and the region where it is not formed, and the carrier concentration is likely to be nonuniform during current injection. For this reason, there is a problem that an oscillation gain difference between modes is reduced, a transition between modes occurs under a high output, and a kink occurs in the current dependency of the optical output.
[0009]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a DFB laser element having a large resonator length, oscillating in a single mode, and suppressing inter-mode transition.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In the course of research to solve the above problems, the present inventor has conceived a structure in which diffraction patterns constituting a diffraction grating are periodically thinned out, considers that this structure is effective in solving the above problems, and considers the following considerations. went. In other words, by periodically thinning out the diffraction pattern, the effective coupling coefficient κ can be made sufficiently small with a DFB laser element having a large resonator length L, and a laser element having high single mode characteristics can be manufactured stably. it can. Here, the discontinuity of the electric field intensity distribution, which is generated in a DFB laser element having a partial diffraction grating, by reducing the length of the period in which the diffraction pattern is thinned out to a small value, for example, in submicron units. We thought that we could suppress the occurrence of transition between modes. Through various experiments, the present invention has been completed.
[0011]
  That is, a DFB laser device according to the present invention that achieves the above object is a distributed feedback semiconductor laser device comprising a diffraction grating composed of a plurality of diffraction patterns adjacent to a resonator and arranged in the resonator direction.
  The diffraction caseChildIs a diffraction pattern arranged at a predetermined pitch.OneThe diffraction pattern ofPeriodicallyThinned outAnd
  The number of diffraction patterns to be thinned out is 1/5 to 1/2 of the total number of diffraction patterns in the diffraction grating.It is characterized by that.
[0012]
  diffractionlatticeThen, out of the diffraction patterns arranged at a predetermined pitchOneThe diffraction pattern ofPeriodicallyBy thinning out, the effective coupling coefficient κ can be reduced. Therefore, it is possible to stably manufacture a laser element having a small coupling coefficient κ, and it is possible to stably obtain a laser element having a high single mode property. In addition, by appropriately adjusting the length of the plurality of diffraction pattern groups constituting the diffraction grating, the discontinuity of the electric field strength distribution inside the resonator is suppressed, and the occurrence of transition between modes under high output is suppressed. be able to.
[0013]
In a preferred embodiment of the present invention, the diffraction patterns at the corresponding positions are thinned out in the diffraction pattern group. Thereby, the discontinuity of the electric field strength distribution inside the resonator can be effectively suppressed, and the occurrence of transition between modes under high output can be effectively suppressed.
[0014]
  In a preferred embodiment of the present invention,Thinned outDiffraction patternCycle ofIn the direction of the resonator240 nm or more,It has a length of 30 μm or less. Thereby, the discontinuity of the electric field strength distribution inside the resonator can be sufficiently suppressed, and the occurrence of transition between modes under high output can be effectively suppressed. In a preferred embodiment of the present invention,Thinned outDiffraction patternCycle ofIn the direction of the resonator240 nm or more,It has a length of 3 μm or less. Occurrence of transition between modes under high output can be more effectively suppressed.
[0015]
  In the present invention, preferably, the above-mentionedDiffraction pattern to be thinned outNumber,All in the diffraction grating1/5 to 1/2 of the number of diffraction patterns. the aboveThinned outNumber of diffraction patternsIs the number of all diffraction patterns in the diffraction gratingIf it is less than 1/5, it is difficult to stably manufacture a laser element having a large small resonator length and a constant small coupling coefficient κ, and a laser element having high single mode characteristics can be stably produced. Can't get. On the other hand, the aboveThinned outNumber of diffraction patternsIs the number of all diffraction patterns in the diffraction gratingIf it is 1/2 or more, the ratio of thinning out diffraction patterns is too large, which adversely affects laser characteristics such as single mode.
[0016]
  In the present invention, the length of the resonator is 500 μm or more.1200μm or lessTo solve the problem that it is difficult to stably manufacture a laser element having a small small coupling coefficient κ with a DFB laser element having a long cavity length by applying to a DFB laser element of Can be obtained stably.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below specifically and in detail with reference to the accompanying drawings.
Embodiment 1
FIG. 1 is a perspective view showing a part of the DFB laser device of this embodiment in section, and FIG. 2 is a cross-sectional view showing a II-II section in FIG. This DFB laser device is a buried hetero type DFB laser device having an oscillation wavelength set to 1550 nm and a resonator length of 1200 μm. The DFB laser device 10 includes an n-InP buffer layer 12, MQW-SCH (on a n-InP substrate 11 having a film thickness of about 120 μm.SeparateConfinementHetero-Structure) It has a laminated structure including an active layer 13, a p-InP spacer layer 14, a diffraction grating 15 having a thickness of 10 nm, a p-InP buried layer 16 in which the diffraction grating 15 is embedded, and a p-InP cladding layer 17. The MQW-SCH active layer 13 includes six quantum well layers in the quantum well active layer (MQW).
[0018]
The diffraction grating 15 is made of InGaAsP made of a quaternary material and having a band gap wavelength λg of 1100 nm. As shown in FIG. 2, the diffraction grating 15 has a pattern period of 240 nm, and each diffraction pattern 26 constituting the diffraction grating 15 is thinned out of every three lines. Yes. Furthermore, the ratio of the width of the diffraction pattern 26 to the distance between adjacent diffraction patterns 26 is 3: 7. With such a configuration of the diffraction grating 15, about 10 cm-1The coupling coefficient κ can be obtained.
[0019]
In the present embodiment example, as described above, the diffraction pattern 26 has a configuration in which one out of every three diffraction patterns 26 is thinned out, so that a uniform diffraction pattern is formed in the entire region of the resonator under the same conditions. Compared with the diffraction grating, the effective coupling coefficient κ can be reduced to 2/3. In addition, since the period in which the diffraction pattern 26 is thinned out is about a submicron, it is possible to suppress the discontinuity of the electric field intensity distribution, which has been a problem with conventional DFB laser elements having a partial diffraction grating. it can.
[0020]
Of the stacked structure, the p-InP cladding layer 17, the p-InP buried layer 16, the diffraction grating 15, the p-InP spacer layer 14, the MQW-SCH active layer 13, and the upper portion of the n-InP buffer layer 12 are MQW. The SCH active layer 13 is processed in a mesa stripe shape so as to have a width of about 1.8 μm. Both sides of the mesa stripe are buried with a carrier block layer having a stacked structure of a p-InP layer 20 and an n-InP layer 21.
[0021]
On the p-InP cladding layer 17 and the n-InP layers 21 on both sides thereof, a p-InP cladding layer 18 having a thickness of about 2 μm and a highly doped GaInAs contact layer 19 are sequentially stacked. The highly doped GaInAs contact layer 19 is highly doped with a p-type dopant in order to make ohmic contact with a p-side electrode 22 described later.
[0022]
A Ti / Pt / Au multilayer metal film is provided as the p-side electrode 22 on the highly doped GaInAs contact layer 19, and an AuGeNi film is provided as the n-side electrode 23 on the back surface of the n-InP substrate 11. The front end face 24 of the DFB laser element 30 is provided with a non-reflective coating, and the rear end face 25 is provided with a HR (High Reflective) coating having a reflectivity of about 90%.
[0023]
In producing the DFB laser device 10 of the present embodiment, first, an n-InP buffer layer 12, an MQW-SCH active layer 13 is formed on the n-InP substrate 11 at a growth temperature of 600 ° C. using an MOCVD apparatus. A p-InP spacer layer 14 and a diffraction grating forming layer 15a are grown. In growing the diffraction grating forming layer 15a, InGaAsP having a band gap wavelength λg of 1100 nm is grown. In the growth of the MQW-SCH active layer 13, the quantum well active layer (MQW) is grown so as to include six quantum well layers.
[0024]
Next, an electron beam (EB) drawing resist is applied on the diffraction grating forming layer 15a to a thickness of about 100 nm, and EB drawing is performed using an EB drawing apparatus. A diffraction grating forming mask 27 as shown in FIG. Form. The diffraction grating forming mask 27 has a pattern period of 240 nm, and each rectangular pattern 28 constituting the diffraction grating forming mask 27 is formed in a shape in which one is thinned out every three. Further, the ratio of the width of each rectangular pattern 28 to the distance between adjacent rectangular patterns 28 is set to 3: 7.
[0025]
Next, the diffraction grating 15 is formed by etching through the diffraction grating formation mask 27 so as to penetrate the diffraction grating formation layer 15 a by methane / hydrogen dry etching. Subsequently, the p-InP buried layer 16 and the p-InP clad layer 17 are grown using the MOCVD apparatus, and the burying regrowth of the diffraction grating 15 is performed.
[0026]
As described above, the DFB laser element 10 employs the diffraction grating 15 having a configuration in which one diffraction pattern 26 is thinned out for every three, so that it is uniform over the entire region of the resonator under the same conditions. As compared with a diffraction grating having a simple diffraction pattern, the effective coupling coefficient κ can be reduced to 2/3. For this reason, in forming the diffraction grating 15, very high manufacturing accuracy is not required, and 10 cm as in the present embodiment example.-1A laser element having a small coupling coefficient κ can be manufactured stably.
[0027]
Next, a SiNx film is formed on the entire surface of the substrate using a plasma CVD apparatus, and the SiNx film is etched in stripes extending in the periodic direction of the diffraction grating 15 by photolithography and reactive ion etching (RIE). Then, a SiNx film mask (not shown) was formed. Subsequently, using the striped SiNx film mask as an etching mask, the p-InP cladding layer 17, the p-InP buried layer 16, the diffraction grating 15, the p-InP spacer layer 14, the MQW-SCH active layer 13, and the n -The upper part of the InP buffer layer 12 was etched and processed into a mesa stripe shape so that the MQW-SCH active layer 13 had a width of about 1.8 μm.
[0028]
Next, using the SiNx film mask as a selective growth mask, the p-InP layer 20 and the n-InP layer 21 were selectively grown sequentially to fill both sides of the mesa stripe to form a carrier block layer. Subsequently, after removing the SiNx film mask, a p-InP clad layer 18 having a film thickness of about 2 μm and a highly doped InGaAs contact layer 19 were sequentially grown.
[0029]
Next, a Ti / Pt / Au multilayer metal film was formed as the p-side electrode 22 on the highly doped InGaAs contact layer 19. Further, the back surface of the n-InP substrate 11 was polished so that the thickness of the n-InP substrate 11 was about 120 μm, and an AuGeNi film was provided as an n-side electrode 23 on the back surface of the n-InP substrate 11.
[0030]
Next, the obtained wafer was opened at the front end face 24 and the rear end face 25 so that the resonator length L of the laser element was 1200 μm. Subsequently, each front end face 24 was coated with a non-reflective coating, and each rear end face 25 was coated with an HR coating having a reflectivity of about 90%, and further divided into individual laser elements, and then formed into chips and bonded.
[0031]
In this embodiment, as described above, since the diffraction grating 15 having a configuration in which one diffraction pattern 26 is thinned out every three is employed, the production of the diffraction grating 15 is extremely high. A laser element having a small coupling coefficient κ can be obtained without requiring accuracy. For this reason, it is possible to stably provide a laser element having a high single mode property. In addition, since the period in which the diffraction pattern 26 is thinned is about a submicron, the discontinuity of the electric field intensity distribution, which has been a problem in the DFB laser element having a partial diffraction grating, is suppressed, and the inter-mode is reduced. Since the occurrence of transition is suppressed, the occurrence of kinks can be prevented.
[0032]
Comparative example
In order to evaluate the performance of the DFB laser device of the above embodiment, a DFB laser device of a comparative example was prototyped as the DFB laser device 10 and a conventional DFB laser device. The DFB laser element of the comparative example has the same configuration as the DFB laser element 10 except that the diffraction pattern is uniformly formed in the entire region of the resonator and the oscillation wavelength is set to 1551 nm. With such a diffraction grating 15, approximately 15 cm-1The coupling coefficient κ is obtained. The DFB laser element of the comparative example can be manufactured in the same manner as the DFB laser element 10 except that the diffraction pattern is uniformly formed in the entire region of the resonator and the oscillation wavelength is set to 1551 nm.
[0033]
For the DFB laser element 10 of the present embodiment example and the DFB laser element of the comparative example, the oscillation wavelength λDFBWhen the characteristics of the light output efficiency SE (Slope Efficiency) with respect to were examined, the graph shown in FIG. 4A was obtained. The light output efficiency SE refers to the gradient of light output with respect to the injection current of the laser element. In the figure, (i) shows the characteristics of the DFB laser device 10 of the present embodiment, and (ii) shows the characteristics of the DFB laser device of the comparative example. Since the light output efficiency SE is affected by the phase position θ of the rear end face with respect to the diffraction grating, each has a spread around the oscillation wavelength. At the oscillation wavelength, θ = 0, and at both ends, θ = −π, π.
[0034]
From the figure, the maximum value of the light output efficiency SE is about 0.35 mW / mA in the DFB laser element 10 of the present embodiment, and the maximum value of the light output efficiency SE is about 0 in the DFB laser element of the comparative example. .28 mW / mA. Therefore, in the DFB laser device 10 of the present embodiment, the maximum value of the light output efficiency SE is increased by about 1.25 times compared to the DFB laser device of the comparative example, and the characteristics of the good light output efficiency SE are improved. It can be evaluated that it was obtained.
[0035]
For the DFB laser device 10 of the present embodiment and the DFB laser device having the configuration of the comparative example, the oscillation wavelength λDFBThreshold gain difference for αthA simulation was performed on the characteristics of L, and the results shown in FIG. In the figure, (i) shows the characteristics of the DFB laser device 10 of the present embodiment, and (ii) shows the characteristics of the DFB laser device of the comparative example. Threshold gain difference ΔαthL is an oscillation threshold gain difference between the main mode and the sub mode, and is a parameter representing the single mode property of the DFB laser element. Threshold gain difference ΔαthSince L is affected by the phase position θ of the rear end face with respect to the diffraction grating, each L has a spread around the oscillation wavelength. At the oscillation wavelength, θ = 0, and at both ends, θ = −π, π.
[0036]
From the figure, there is no significant difference between the graph of (i) and the graph of (ii), and the DFB laser device 10 of the present embodiment example has a single mode compared to the DFB laser device of the comparative example. It can be evaluated that the performance is equivalent.
[0037]
Embodiment 2
FIG. 5A is a plan view showing the configuration of the DFB laser element of this embodiment.
The DFB laser element according to the present embodiment is a laser element having a configuration in which partial diffraction gratings are periodically repeated, and diffraction gratings are formed from the rear end face 25 side in four zones set in the cavity direction. Partial diffraction grating regions 29 and Fabry-Perot regions 30 where no diffraction grating is formed are alternately provided. The length ratio between the partial diffraction grating 29 and the Fabry-Perot region 30 is 2: 1. In the partial diffraction grating region 29, a diffraction pattern having the same configuration as the diffraction pattern 26 of the DFB laser device 10 of the first embodiment shown in FIG. 2 is uniformly formed without being thinned out. Due to the configuration of such a diffraction grating, about 10 cm-1The coupling coefficient κ can be obtained. Other configurations are the same as those of the DFB laser device 10 of the first embodiment.
[0038]
In the method of manufacturing the DFB laser device according to this embodiment, when forming a diffraction grating forming mask by EB drawing, four zones are set in the resonator direction, and the diffraction grating mask is formed from the rear end face 25 side. (Not shown) and regions (not shown) where the diffraction grating mask is not formed are alternately provided. The length ratio of the region where the diffraction grating mask is formed and the region where the diffraction mask is not formed is 2: 1. In the region where the diffraction grating mask is to be formed, a rectangular pattern having the same configuration as the rectangular pattern 28 of the DFB laser element of Embodiment 1 shown in FIG. 3 is uniformly formed without being thinned out. Other manufacturing methods are the same as the manufacturing method of the DFB laser device 10 of the first embodiment.
[0039]
In the DFB laser element of this embodiment, the length ratio of the partial diffraction grating 29 and the Fabry-Perot region 30 is set to 2: 1, so that the diffraction grating can be uniformly distributed in the entire region of the resonator under the same conditions. Compared to the case where it is formed, the effective coupling coefficient κ can be reduced to 2/3. Therefore, in forming the diffraction grating, a laser element having a small coupling coefficient κ can be obtained without requiring a very high manufacturing accuracy, and a laser element having a high single mode can be provided stably. In addition, the partial diffraction grating regions 29 and the Fabry-Perot regions 30 are alternately provided in the four zones set in the resonator direction, so that the electric field intensity distribution is not as high as that of the DFB laser device of the first embodiment. It is possible to suppress discontinuity and suppress the transition between modes and the occurrence of kinks.
[0040]
Embodiment 3
FIG. 5B is a plan view showing the configuration of the DFB laser element of this embodiment. In the DFB laser element of this embodiment, a partial diffraction grating region 29 where a diffraction grating is formed from the rear end face 25 side and a Fabry-Perot region 30 where no diffraction grating is formed are formed in eight zones set in the cavity direction. Except for being provided alternately, it has the same configuration as the DFB laser element of the second embodiment. Also, in the method of manufacturing the DFB laser device of this embodiment, when forming the diffraction grating forming mask by EB drawing, eight zones are set in the resonator direction, and the diffraction grating mask is formed from the rear end face 25 side. The method is the same as the method for manufacturing the DFB laser device of the second embodiment except that regions (not shown) to be formed and regions (not shown) where the diffraction grating mask is not formed are alternately provided.
[0041]
In the DFB laser element according to the present embodiment, the ratio of the lengths of the partial diffraction grating 29 and the Fabry-Perot region 30 is set to 2: 1. In addition, a laser element having a small coupling coefficient κ can be obtained without requiring high manufacturing accuracy, and a laser element having high single mode characteristics can be provided stably. Further, the DFB laser element according to the present embodiment has the DFB laser according to the first embodiment by alternately providing the partial diffraction grating regions 29 and the Fabry-Perot regions 30 in the eight zones set in the cavity direction. Although not as large as the element, the discontinuity of the electric field strength distribution can be suppressed more effectively than the DFB laser element of the second embodiment, and the transition between modes and the occurrence of kinks can be suppressed.
[0042]
Embodiment 4
FIG. 5C is a plan view showing the configuration of the DFB laser element of this embodiment.
In the DFB laser element of the present embodiment example, a 16-zone set in the resonator direction includes a partial diffraction grating region 29 where a diffraction grating is formed from the rear end face 25 side and a Fabry-Perot region 30 where no diffraction grating is formed. Except for being provided alternately, it has the same configuration as the DFB laser element of the second embodiment. Further, in the method of manufacturing the DFB laser device of this embodiment, when forming the diffraction grating forming mask by EB drawing, 16 zones are set in the resonator direction, and the diffraction grating mask is formed from the rear end face 25 side. The method is the same as the method for manufacturing the DFB laser device of the second embodiment except that regions (not shown) to be formed and regions (not shown) where the diffraction grating mask is not formed are alternately provided.
[0043]
In the DFB laser element according to the present embodiment, the ratio of the lengths of the partial diffraction grating 29 and the Fabry-Perot region 30 is set to 2: 1. In addition, a laser element having a small coupling coefficient κ can be obtained without requiring high manufacturing accuracy, and a laser element having high single mode characteristics can be provided stably. Further, the DFB laser element of the present embodiment example has the DFB laser of the embodiment example 1 by alternately providing the partial diffraction grating regions 29 and the Fabry-Perot regions 30 in 16 zones set in the cavity direction. Although not as large as the element, it is possible to suppress the discontinuity of the electric field intensity distribution more effectively than the DFB laser element of Embodiment 3, and to suppress the transition between modes and the occurrence of kinks.
[0044]
Embodiment 5
FIG. 5D is a plan view showing the configuration of the DFB laser element of this embodiment.
In the DFB laser element of this embodiment example, a partial diffraction grating region 29 where a diffraction grating is formed from the rear end face 25 side and a Fabry-Perot region 30 where no diffraction grating is formed are formed in 32 zones set in the cavity direction. Except for being provided alternately, it has the same configuration as the DFB laser element of the second embodiment. Further, in the method of manufacturing the DFB laser device of this embodiment, when forming the diffraction grating forming mask by EB drawing, 32 zones are set in the resonator direction, and the diffraction grating mask is formed from the rear end face 25 side. The method is the same as the method for manufacturing the DFB laser device of the second embodiment except that regions (not shown) to be formed and regions (not shown) where the diffraction grating mask is not formed are alternately provided.
[0045]
In the DFB laser element according to the present embodiment, the ratio of the lengths of the partial diffraction grating 29 and the Fabry-Perot region 30 is set to 2: 1. In addition, a laser element having a small coupling coefficient κ can be obtained without requiring high manufacturing accuracy, and a laser element having high single mode characteristics can be provided stably. In addition, the DFB laser element according to the present embodiment has the DFB laser according to the first embodiment by alternately providing the partial diffraction grating regions 29 and the Fabry-Perot regions 30 in 32 zones set in the cavity direction. Although not as large as the element, the discontinuity of the electric field strength distribution can be suppressed more effectively than the DFB laser element of the fourth embodiment, and the transition between modes and the occurrence of kinks can be suppressed.
[0046]
When the electric field intensity distribution inside the resonator was simulated for the DFB laser elements having the configurations of the first to fifth embodiments, a graph shown in FIG. 6 was obtained. In the figure, (i) to (v) show the characteristics of the DFB laser elements of Embodiments 1 to 5, respectively. From the figure, it can be seen that in the DFB laser elements of Embodiments 2 to 5, the discontinuity of the electric field intensity distribution is more effectively suppressed as the number of zones is increased. Further, in the DFB laser device 10 of the first embodiment, the discontinuity of the electric field strength distribution inside the resonator is greatly relaxed by controlling the period of thinning out the diffraction pattern to a submicron unit, and the high power output is achieved. It can be evaluated that the transition between the modes has the structure that is least likely to occur.
[0047]
According to the manufacturing method of the present invention, the effective coupling coefficient κ of the laser element can be adjusted only by setting the thinning method of the diffraction pattern. For this reason, not only laser elements having a large resonator length, but also laser elements having various coupling coefficients κ can be manufactured on a single wafer at the same time and with the same number of steps as in the prior art, thereby improving manufacturing efficiency. Can be achieved.
[0048]
Although the present invention has been described based on the preferred embodiment thereof, the DFB laser element of the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment example. Modified and changed DFB laser elements are also included in the scope of the present invention.
[0049]
【The invention's effect】
According to the present invention, the effective coupling coefficient κ can be reduced by thinning out a predetermined number of diffraction patterns among diffraction patterns arranged at a predetermined pitch in the diffraction pattern group. For this reason, it becomes possible to stably manufacture a laser element having a small coupling coefficient κ, and a laser element having high single mode property can be stably obtained. In addition, by appropriately adjusting the length of the plurality of diffraction pattern groups constituting the diffraction grating, the discontinuity of the electric field strength distribution inside the resonator is suppressed, and the occurrence of transition between modes under high output is suppressed. be able to.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a part of a DFB laser element according to Embodiment 1 in section.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a II-II cross section of FIG.
3 is a plan view according to one manufacturing step of the DFB laser element of Embodiment 1; FIG.
FIG. 4A shows an oscillation wavelength λ in the DFB laser elements of the first embodiment and the comparative example.DFBAnd (b) shows the oscillation wavelength λ in the DFB laser elements of the first embodiment and the comparative example.DFBAnd threshold gain difference ΔαthIt is a graph which shows the relationship with L, respectively.
FIGS. 5A to 5D are plan views showing configurations of DFB laser elements according to Embodiments 2 to 5, respectively. FIGS.
FIG. 6 is a graph showing electric field strength distribution inside the resonator in the DFB laser elements of the first to fifth embodiments.
[Explanation of symbols]
10 DFB laser element of embodiment 1
11 n-InP substrate
12 n-InP buffer layer
13 MQW-SCH active layer
14 p-InP spacer layer
15 Diffraction grating
15a Diffraction grating formation layer
16 p-InP buried layer
17 p-InP cladding layer
18 p-InP cladding layer
19 InGaAs contact layer
20 p-InP layer
21 n-InP layer
22 p-side electrode
23 n-side electrode
24 Outgoing surface
25 Rear end face
26 Diffraction pattern
27 Diffraction grating mask
28 Rectangular pattern
29 Partial diffraction grating region
30 Fabry-Perot area

Claims (1)

共振器に隣接し共振器方向に配列された複数の回折パターンから成る回折格子を備え る分布帰還型半導体レーザ素子において、
前記回折格子では、所定ピッチで配設される回折パターンのうち一つの回折パターン が周期的に間引かれており、
前記間引かれる回折パターンの数が、回折格子中の全回折パターンの数の1/5〜1 /2であることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
In a distributed feedback semiconductor laser device including a diffraction grating composed of a plurality of diffraction patterns arranged adjacent to a resonator and in the direction of the resonator,
In the diffraction grating, one diffraction pattern among the diffraction patterns arranged at a predetermined pitch is periodically thinned out,
The distributed feedback semiconductor laser device, wherein the number of diffraction patterns to be thinned out is 1/5 to 1/2 of the total number of diffraction patterns in the diffraction grating.
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