JP4804618B2

JP4804618B2 - Semiconductor laser

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Publication number: JP4804618B2
Application number: JP2000295801A
Authority: JP
Inventors: 務石川; 宏彦小林; 元小路
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2000-09-28
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: JP2002111126A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザに関するものであり、特に、光通信システムに用いる単一波長動作が可能な利得結合型ＤＦＢ（分布帰還型）半導体レーザにおける利得結合係数を大きくするとともに、散乱損失を減少させるための光導波路構造に特徴のある半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光通信システムの高速化、高機能化に伴い波長安定性に優れた半導体レーザが必要とされており、特に、高出力動作のために後端面に高反射膜を施した場合や、外部反射による戻り光が生じた場合にも波長飛びが生じないことが求められている。
【０００３】
従来、モード安定性の良い単一波長レーザとして、共振器方向に周期的な利得変調を設けた利得結合ＤＦＢ半導体レーザが提案されている。
なお、本明細書における利得結合ＤＦＢ半導体レーザとは、屈折率結合と利得結合とを併せ持つ複素結合ＤＦＢ半導体レーザを含むものである。
【０００４】
この場合の利得変調を実現する方法には幾つかの方法があり、例えば、活性層厚若しくはガイド層厚を周期的に変調する方法、活性層に隣接して周期的な電流阻止層を設ける方法、或いは、活性層に隣接して周期的な光吸収層を設けるといった方法が挙げられる。
【０００５】
なかでも、活性層中に周期的に分割したＭＱＷ（多重量子井戸）層と平坦なＭＱＷ層を併せ持つ構造、即ち、ＭＱＷ回折格子構造は、他の方法に比べて比較的大きな利得結合係数を確保できること、利得結合と屈折率結合の位相が合致すること、さらには、余計な吸収が発生しないことといった利点を備えている。
【０００６】
ここで、図１０を参照して、従来のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを一例を説明する。
図１０参照
図１０は従来のＭＱＷ回折格子ＤＦＢ半導体レーザの概略的断面図であり、ｎ型ＩｎＰ基板４１上に第１ＭＱＷ層４２及び第２ＭＱＷ層を成長させたのち、第２ＭＱＷ層を選択的にエッチングすることによって周期的凸部からなるＭＱＷ回折格子４６を形成し、次いで、ＭＱＷ回折格子４６の間の凹部をｉ型ＩｎＰ層４７で選択的に埋め込んだのち、全面にｐ型ＩｎＰクラッド層を成長させる。
この場合、平坦な第１ＭＱＷ層４２とＭＱＷ回折格子４６とによって、活性層を構成する。
【０００７】
次いで、図示は省略するものの、ストライプ状のＳｉＯ₂マスクを用いてストライプ状メサを形成したのち、ストライプ状メサの側面をｐ型ＩｎＰ埋込層及びｎ型ＩｎＰ電流ブロック層で埋め込み、次いで、ＳｉＯ₂マスクを除去したのち、全面にｐ型ＩｎＰクラッド層４８及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４９を順次成長させる。
【０００８】
最後に、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層４９に、ストライプ状開口を有するＳｉＯ₂膜を介してｐ側電極５０を設けるとともに、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面にｎ側電極５１を設けることによって、ＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの基本構造が完成する。
【０００９】
図１１（ａ）参照
この場合、第１ＭＱＷ層４２は、３層のＩｎＧａＡｓＰ井戸層４４を４層のＩｎＧａＡｓＰ障壁層４３，４５で挟んで構成するとともに、ＭＱＷ回折格子４６も、３層のＩｎＧａＡｓＰ井戸層４４を４層のＩｎＧａＡｓＰ障壁層４３，４５で挟んで構成し、両者に共通するＩｎＧａＡｓＰ障壁層４５を相対的に厚く形成することによって、ＭＱＷ回折格子４６を形成する際のエッチングが第１ＭＱＷ層４２を構成するＩｎＧａＡｓＰ井戸層４４に達しないようする。
【００１０】
上述のように、ＭＱＷ回折格子４６の間の凹部は、ＭＱＷ回折格子４６より禁制帯幅の大きな材料であるｉ型ＩｎＰ埋込層４７で埋め込まれているので、禁制帯幅の差に起因する電位障壁によって、図において矢印で示すように、電流はＭＱＷ回折格子４６に効率的に注入され、周期的に変調された利得が生ずることになる。
一方、平坦な第１ＭＱＷ層４２は、活性層全体の平均的な利得に寄与することになる。
【００１１】
このように、利得結合に寄与するＭＱＷ回折格子４６と、利得結合には寄与しない第１ＭＱＷ層４２とを併設することによって、利得結合係数と活性層全体の利得を独立に制御することが可能になり、設計の自由度を高めることができる。
即ち、必要な素子特性に対して最適な利得結合係数が得られるようにＭＱＷ回折格子４６の構造としきい値キャリア密度を決定し、そのしきい値キャリア密度が得られるように活性層全体の平均利得を第１ＭＱＷ層４２で制御すれば良い。
【００１２】
なお、この様なＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザにおいて、ＭＱＷ回折格子４６と第１ＭＱＷ層４２と構成する量子井戸構造は同じである必要はなく、各多重量子井戸構造を構成する井戸層及び障壁層は、互いに膜厚、材料組成、歪み量の少なくともいずれかが異なっていても良いものである（必要ならば、特願２０００−１２１４３６号参照）。
【００１３】
また、ＭＱＷ回折格子４６と第１ＭＱＷ層４２との間に、厚さが、６０ｎｍ程度の中間層を設けても良いものであり、それによって、ＭＱＷ回折格子４６を形成する際の分割加工が容易になり、素子特性の均一性を高めることが可能になる（必要ならば、特願２０００−７６９０８号参照）。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザにおいては、ＭＱＷ回折格子４６に効率的に電流を注入するために、ＭＱＷ回折格子４６の周囲をＭＱＷ回折格子４６を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料で埋め込む必要があり、それに伴って、利得結合係数を大きくしにくいという問題があるので、この事情を図１１（ｂ）を参照して説明する。
【００１５】
図１１（ｂ）参照
即ち、禁制帯幅の大きな埋込層の屈折率は一般に低く、図において平均屈折率分布に示すように、ｉ型ＩｎＰ埋込層４７或いはＭＱＷ回折格子４６の部分においては、導波光の感じる平均的な屈折率は小さくなりＭＱＷ回折格子４６での光閉じ込め効率は小さくなる。
この結果、導波光に対するＭＱＷ回折格子４６の利得が小さくなり、利得結合係数を大きくすることができなくなる。
【００１６】
また、ＭＱＷ回折格子構造では、伝搬方向に比較的大きな不連続が多数存在するため導波光が散乱される可能性が高くなる。
この場合、導波路不連続部分での散乱損失は、近似的に不連続前後での導波光の界分布の重なりに依存することになり、重なりが小さいほど損失が大きくなる。
【００１７】
再び、図１１（ｂ）参照
従来のＭＱＷ回折格子構造では、ＭＱＷ回折格子４６の存在する回折格子凸部とｉ型ＩｎＰ埋込層４７の存在する回折格子凹部における屈折率分布の中心軸がずれているため、導波光界分布の重なりが小さく散乱損失が大きくなってしまうという問題がある。
【００１８】
特に、上述のように第１ＭＱＷ層４２とＭＱＷ回折格子４６の間に中間層を設けた場合、中心軸の軸ずれｄが、例えば、７０ｎｍ程度と顕著になり、散乱損失がより大きくなる。
【００１９】
さらに、活性層全体の平均利得を大きくするためには、第１ＭＱＷ層４２の層数を増やしたり、或いは、第１ＭＱＷ層４２の下側に光閉じ込め層を設ければ良いが、この場合にも中心軸の軸ずれｄが増して、散乱損失が大きくなるという問題が生ずる。
【００２０】
したがって、本発明は、利得結合係数を大きくするとともに、中心軸の軸ずれによる散乱損失を低減することを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
図１は本発明の原理的構成の説明図であり、この図１を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上述の目的を達成するためには、本発明においては、平坦な第１の多重量子井戸活性層２と、周期的に分割した第２の多重量子井戸活性層３とを積層方向に直接接するように配置するとともに、前記第２の多重量子井戸活性層３の間を、前記第１の多重量子井戸活性層２と積層方向において直接接するように、前記第２の多重量子井戸活性層３を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料からなる埋込層５で埋め込んだ、或いは、平坦な第１の多重量子井戸活性層２と、前記第１の多重量子井戸活性層２の延在する領域の少なくとも一部の領域において、光の伝搬方向に、伝搬光の媒質内波長の半波長の整数倍の周期で分割された第２の多重量子井戸活性層３とを積層方向に中間層を介して接するように配置するとともに、前記第２の多重量子井戸活性層３の間を、前記第１の多重量子井戸活性層２と積層方向において前記中間層を介して接するように、前記第２の多重量子井戸活性層３を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料からなる埋込層５で埋め込んだ半導体レーザにおいて、第２の多重量子井戸活性層３の第１の多重量子井戸活性層２に近接する側と反対側に、光の伝搬方向に連続した前記埋込層５より屈折率の大きな光導波層６、例えば、バルク光導波層或いは平坦な第３の多重量子井戸層を設けたことを特徴とする。
【００２２】
この様に、周期的に分割した第２の多重量子井戸活性層３の上下にクラッド層７より高屈折率の第１の多重量子井戸活性層２及び光の伝搬方向に連続した光導波層６を設けることによって、第２の多重量子井戸活性層３の間に低屈折率の埋込層５が存在しても、第２の多重量子井戸活性層３と埋込層５の部分での光閉じ込め効率の低下を抑制することができるので、第１の多重量子井戸活性層２及び分割された第２の多重量子井戸活性層３からなる活性層４における利得結合係数を大きくすることができ、また、回折格子凸部と回折格子凹部における導波光の中心軸の軸ずれを小さくすることができるので、散乱損失を低減することができる。
【００２３】
なお、光導波層６は、バルク光導波層でも良いし、或いは、平坦な多重量子井戸層で構成しても良いものであり、平坦な多重量子井戸層で構成した場合には、屈折率分布の対称性をより高めることができる。
【００２４】
また、第１の多重量子井戸活性層２と第２の量子井戸活性層は直接接するように近接位置しても良いし、或いは、中間層を介して接するようにしても良く、直接接するようにした場合には、中心軸の軸ずれをより小さくすることができ、一方、中間層を介在させた場合には、第２の多重量子井戸活性層３の分割加工工程が容易になる。
【００２５】
また、第２の多重量子井戸活性層３は光導波層６と直接接するようにしても良いし、或いは、埋込層５を構成する半導体層又は光導波層６を構成する半導体層を介して接するようにしても良い。
埋込層５を構成する半導体層或いは光導波層６を構成する半導体層を介して接するようにした場合には、埋込層５の成長条件を緩和することができる。
【００２６】
また、第２の多重量子井戸活性層３の光伝搬方向と垂直な全ての側面を埋込層５で埋め込むことにより、分割された第２の多重量子井戸活性層３への電流注入効率を高めることができる。
【００２７】
なお、光通信システムへの適用を考慮するならば、半導体基板１としてはＩｎＰ基板が好適であり、また、多重量子井戸層を構成する井戸層及び障壁層としては、各種組成比のＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、或いは、ＩｎＡｌＡｓのいずれかが好適である。
また、埋込層５としてはＩｎＰが好適であり、光導波層６としては、ＩｎＧａＡｓＰ或いはＩｎＡｌＧａＡｓが好適である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
ここで、図２乃至図４を参照して本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、まず、図２及び図３を参照して本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの製造工程を説明する。
なお、図２（ａ）乃至（ｄ）は光の伝搬方向に沿った概略的断面図であり、図３（ｅ）乃至（ｇ）は、光の伝搬方向に垂直な概略的断面図である。
【００２９】
図２（ａ）参照
まず、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に、ＭＯＶＰＥ法（有機金属気相成長法）を用いて、第１ＭＱＷ層１２及び第２ＭＱＷ層１３を順次成長させる。
この場合、第１ＭＱＷ層１２及び第２ＭＱＷ層１３は、図２（ｃ）に示すように、各々バンドギャップ波長λ_gが１．５９μｍ組成で、厚さが、例えば、５ｎｍの３層のＩｎＧａＡｓＰ井戸層１７を、バンドギャップ波長λ_gが１．２５μｍ組成で、厚さが、例えば１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層１６と、厚さが、１５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８によって挟んで構成するものであり、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８が共有される構造となっており、発光波長は１．５５μｍとなる。
【００３０】
図２（ｂ）参照
次いで、レジストを塗布し、干渉露光法或いは電子ビーム露光法を用いて回折格子パターンを露光・現像することによって、回折格子周期が発振波長に対してブラッグ条件を満たすように、例えば、２４０ｎｍとしたレジストパターン１４を形成し、次いで、このレジストパターン１４をマスクとして、エタン＋水素＋微量酸素を用いた反応性イオンエッチングを施すことによって第２ＭＱＷ層１３を選択的に除去してＭＱＷ回折格子１５を形成する。
【００３１】
図２（ｃ）参照
図２（ｃ）は、図２（ｂ）における破線で示す円内の拡大図であり、両者が共有するＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８を厚く形成しているので、エッチングをＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８の中間部において再現性良く停止することができる。
【００３２】
図２（ｄ）参照
次いで、レジストパターン１４を除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法を用いて第２ＭＱＷ層１３の除去部にｉ型ＩｎＰ埋込層１９を選択的成長させて、ＭＱＷ回折格子１５の間をｉ型ＩｎＰ埋込層１９で埋め込む。
この場合、成長条件を制御することによって、第２ＭＱＷ層１３の除去部にのみｉ型ＩｎＰ埋込層１９を選択的に成長させることができる。
【００３３】
引き続いて、バンドギャップ波長λ_gが、例えば、１．１５μｍ組成で、厚さが、例えば、１００ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０、及び、厚さが、例えば、２００ｎｍのｐ型ＩｎＰクラッド層２１を順次成長させる。
【００３４】
図３（ｅ）参照
次いで、ＣＶＤ法によって厚さ０．３μｍのＳｉＯ₂膜を堆積させたのち、フォトレジストを塗布し、露光・現像することによって光の伝搬方向に伸びるストライプ状のレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてＳｉＯ₂膜の露出部をエッチングすることによってストライプ状のＳｉＯ₂マスク２２を形成し、次いで、ＳｉＯ₂マスク２２をマスクとして、エタン＋水素＋微量酸素からなるエタン系のガスを用いた反応性イオンエッチングを施すことによって、ｎ型ＩｎＰ基板１１に達するストライプ状メサ２３を形成する。
【００３５】
図３（ｆ）参照
次いで、ＳｉＯ₂マスク２２をそのまま選択成長マスクとして用いて、再び、ＭＯＶＰＥ法によってｐ型ＩｎＰ埋込層２４及びｎ型ＩｎＰ電流ブロック層２５を選択的に成長させて、ストライプ状メサ２３の側部を埋め込む。
【００３６】
図３（ｇ）参照
次いで、ＳｉＯ₂マスク２２を除去したのち、再び、ＭＯＶＰＥ法を用いて、全面にｐ型ＩｎＰクラッド層２６及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７を順次成長させる。
【００３７】
次いで、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層２７上にストライプ状の開口部を有するＳｉＯ₂膜２８を介してＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極を蒸着させてｐ側電極２９を形成するとともに、ｎ型ＩｎＰ基板１１の裏面にＡｕ−Ｇｅ／Ａｕ電極を蒸着させてｎ側電極３０を形成することによってＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの基本的構成が完成する。
【００３８】
図４（ａ）参照
この様に製作したＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザにおいても、ＭＱＷ回折格子１５の間の凹部は、ＭＱＷ回折格子１５より禁制帯幅の大きな材料であるｉ型ＩｎＰ層１９で埋め込まれているので、禁制帯幅の差に起因する電位障壁によって、図において矢印で示すように、電流はＭＱＷ回折格子１５に効率的に注入され、周期的に変調された利得が生ずることになる。
また、平坦な第１ＭＱＷ層１２とＭＱＷ回折格子１５とによって、活性層を構成する。
【００３９】
図４（ｂ）参照
この様に、周期的に分割したＭＱＷ回折格子１５の上下にｎ型ＩｎＰ基板１１及びｐ型ＩｎＰクラッド層２１，２６より高屈折率の第１ＭＱＷ層１２及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０を設けているので、ＭＱＷ回折格子１５の間に低屈折率のｉ型ＩｎＰ埋込層１９が存在しても、ＭＱＷ回折格子１５とｉ型ＩｎＰ埋込層１９の部分での光閉じ込め効率の低下を抑制し、利得結合係数を大きくすることができる。
また、回折格子凸部と回折格子凹部における伝播光の中心軸の軸ずれｄを小さく、例えば、３ｎｍ程度にすることができるので、散乱損失を低減することができる。
【００４０】
例えば、ＭＱＷ回折格子１５部分への平均的な光閉じ込め率は６．０％とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０を設けない場合に比べて約１．５倍にすることが期待でき、その結果、利得結合効率が増大する。
【００４１】
また、この様なＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの後端面に高反射膜を施した場合にも、戻り光が発生しても単一波長性を良好に保つことができ、例えば、光出力２ｍＷでのサイドモード抑圧比は５０ｄＢ以上であり、光出力が３０ｍＷまで、安定な単一波長動作が可能になる。
【００４２】
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、中間層を設けた以外は上記の第１の実施の形態と実質的に同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図５参照
この第２の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザは、第１ＭＱＷ層１２とＭＱＷ回折格子１５との間に、バンドギャップ波長λ_gが、例えば、１．２０μｍ組成で、厚さが、例えば、６０ｎｍのｉ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３１からなる中間層を設けるとともに、第１ＭＱＷ層１２とＭＱＷ回折格子１５とをともに４層構造にしたものであり、また、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０の厚さは、例えば、２００ｎｍとする。
なお、上記の第１の実施の形態におけるＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８は分割されて夫々ＩｎＧａＡｓＰ障壁層１６となる。
【００４３】
この場合、厚いｉ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３１からなる中間層を設けているので、ＭＱＷ回折格子１５を形成するエッチング工程における深さ許容度を大きくすることができ、素子特性の均一性を高めることができる。
【００４４】
この場合、回折格子凸部と回折格子凹部における伝搬光の軸ずれｄは５ｎｍ程度となり、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０を設けない場合の軸ずれであるｄ≒７０ｎｍに比べて大幅に低減することができ、それによって、散乱損失が大幅に低減され、低しきい値電流、高効率が実現される。
【００４５】
したがって、共振器長を３００μｍにするとともに、前端面に無反射膜を設け、後端面に高反射膜を設けた場合に、しきい値電流５ｍＡ、スロープ効率０．３３Ｗ／Ａが可能になる。
【００４６】
次に、図６を参照して、本発明の第３の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、第１ＭＱＷ層１２の下側にも光導波層を設けた以外は上記の第１の実施の形態と実質的に同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図６参照
この第３の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰ基板１１と第１ＭＱＷ層１２の間に、バンドギャップ波長λ_gが、例えば、１．１０μｍ組成で、厚さが、例えば、１００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３２を設けたものである。
【００４７】
この第３の実施の形態においては、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３２を設けているので、活性層全体の平均利得が大きくなり、しきい値キャリア密度を低減することが可能になる。
この場合、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３２を設けることによって、屈折率分布が下側に偏ることになるが、上側にｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０を設けているので、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３２を設けたことによる軸ずれの増大を抑制することができる。
【００４８】
次に、図７を参照して、本発明の第４の実施の形態の前提となるＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、光導波層として第３ＭＱＷ層を用いた以外は上記の第１の実施の形態と実質的に同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図７参照
この第４の実施の形態の前提となるＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザは、ｉ型ＩｎＰ埋込層１９を選択的に成長させたのち、バンドギャップ波長λ_ｇが１．２μｍ組成で、厚さが、例えば、１０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層３３とバンドギャップ波長λ_ｇが１．５９μｍ組成で、厚さが、例えば、５ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ井戸層３４とを交互に成長させて第３ＭＱＷ層３５としたものである。
【００４９】
第４の実施の形態は、上記の第３ＭＱＷ層３５を第２ＭＱＷ層と異なった構成にすることによって、利得を持たない単なる光導波層としたものであり、屈折率分布の上下対称性を高めることができる。
【００５０】
次に、図８を参照して、本発明の第５の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、埋込層がＭＱＷ回折格子の頂面を覆う以外は上記の第１の実施の形態と実質的に同様であるので、製造工程の説明は省略する。
図８参照
この第５の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザは、ｉ型ＩｎＰ埋込層１９を選択的に成長させる際に、ＭＱＷ回折格子１５の表面も薄く覆うようにしたものであり、この部分の厚さが伝搬光の波長程度に薄い場合には特段の問題は発生しない。
【００５１】
この第５の実施の形態においては、ｉ型ＩｎＰ埋込層１９を多少過剰成長させても良いので、ｉ型ＩｎＰ埋込層１９の選択成長条件を緩和することができる。
【００５２】
次に、図９を参照して、本発明の第６の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザを説明するが、ＭＱＷ回折格子を形成する前に、第２ＭＱＷ層の上に、光導波層と同じ組成の半導体層を予め設けておく以外は上記の第１の実施の形態と実質的に同様であるので、製造工程の説明は簡単にする。
図９参照
この第６の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザは、ＭＱＷ回折格子１５を形成する前に、第２ＭＱＷ層１３の上に、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２０と同じ組成のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３６を予め設けておき、ＭＱＷ回折格子１５を形成する際に同時にパターニングするものである。
【００５３】
この第６の実施の形態においては、ＭＱＷ回折格子１５の頂面にｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３６を設けているので、ｉ型ＩｎＰ埋込層１９を過剰成長させても、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３６の頂面がｉ型ＩｎＰ埋込層１９によって覆われることがなく、したがって、ＭＱＷ回折格子１５の側面を全てｉ型ＩｎＰ埋込層１９によって再現性良く覆うことができるので、ＭＱＷ回折格子１５への電流注入効率を高めることができる。
【００５４】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明は、各実施の形態に記載された構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、上記の各実施の形態においては、成長条件を制御することによってｉ型ＩｎＰ埋込層を選択的に成長させているが、電流ブロック層の成長工程と同様に、ＭＱＷ回折格子を形成する際にＳｉＯ₂マスクを用い、このＳｉＯ₂マスクを利用して選択成長させても良いものである。
【００５５】
また、上記の第１の実施の形態等においては、第１ＭＱＷ層１２と第２ＭＱＷ層１３に共有されるＩｎＧａＡｓＰ障壁層１８を他のＩｎＧａＡｓＰ障壁層１６よりも厚く形成しているが、ＩｎＧａＡｓＰ障壁層１６と同じ厚さにしても良いものであり、その場合には、製造マージンは低下するものの、軸ずれｄをより小さくすることができる。
【００５６】
また、上記の各実施の形態においては、ＭＱＷ回折格子１５の間を埋め込む埋込層及び光導波層を均一材料の単層で構成しているが、夫々複数の層によって構成しても良いものであり、或いは、積層方向に組成が連続的に変化するグレーデッド層によって構成しても良いものである。
【００５７】
また、上記の各実施の形態においては、第１ＭＱＷ層１２と第２ＭＱＷ層１３を同じ構造で構成しているが、互いに異なった構造としても良いものであり、例えば、各々の障壁層及び井戸層を互いに異なった組成或いは層厚の半導体層で構成しても良いものであり、また、層数もお互いに異なるように設定しても良いものである。
【００５９】
また、上記の各実施の形態においては、逆バイアスｐｎ接合によって電流狭窄構造を形成したＢＨ構造としているが、高速変調を行うためには電流ブロック層による寄生容量が問題となるので、ＦｅドープＩｎＰ高抵抗層によって埋め込んでも良いものである。
【００６０】
さらには、本発明は、ＢＨ構造に限られるものではなく、リッジ構造や、埋込リッジ構造等を用いても良いものであり、各種のストライプ構造が適用されるものである。
【００６１】
また、上記の各実施の形態においては、第１ＭＱＷ層１２と第２ＭＱＷ層１３を夫々３層構造或いは４層構造としているが、層数は任意であり、高出力化のためには長共振器長にするので、第１ＭＱＷ層１２と第２ＭＱＷ層１３を夫々２層構造としても良いものであり、また、高速変調化のためには短共振器長化が必要であるので、出力を稼ぐためには第１ＭＱＷ層１２と第２ＭＱＷ層１３の層数を多くすることになる。
【００６２】
また、上記の各実施の形態においては、ＭＱＷ層をＩｎＧａＡｓＰで構成しているが、ＩｎＧａＡｓＰに限られるものではなく、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＡｓＰ、ＩｎＡｌＧａＡｓ、或いは、ＩｎＡｌＡｓで構成しても良いものであり、特に、ＩｎＡｓＰを用いた場合には温度特性を良好にすることができる。
【００６３】
また、上記の各実施の形態においては、光導波層をＩｎＧａＡｓＰで構成しているが、ＩｎＧａＡｓＰに限られるものではなく、ＩｎＡｌＧａＡｓによって構成しても良いものである。
【００６４】
また、上記の各実施の形態においては、ｎ型ＩｎＰ基板１１上に直接第１ＭＱＷ層１２を成長させているが、ｎ型ＩｎＰバッファ層を介して成長させて良いものである。
【００６５】
また、上記の各実施の形態においては、ｎ型ＩｎＰ基板１１側に平坦な第１ＭＱＷ層１２を成長させているが、ｎ型ＩｎＰ基板１１上にｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層を設け、このｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層上にＭＱＷ回折格子１５を設け、次いで、ＭＱＷ回折格子１５をｉ型ＩｎＰ層１９によって埋め込んだ後、平坦な第１ＭＱＷ層１２を成長させても良いものである。
【００６６】
また、上記の各実施の形態においては、ｎ型基板を用いたＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザとして説明しているが、ｐ型基板を用いても良いものであり、その場合には、全ての半導体層の導電型を反転させれば良い。
【００６７】
また、上記の各実施の形態においては、夫々の特徴点を単独に用いているが、互いに矛盾した構成とならない限り夫々の特徴点を組み合わせた構成としても良いものであり、例えば、上記の第４の実施の形態の第３ＭＱＷ層を設ける構成は、他の実施の形態にも適用されるものである。
【００６８】
ここで、再び、図１を参照して、本発明の詳細な特徴を説明する。
図１参照
（付記１）平坦な第１の多重量子井戸活性層２と、前記第１の多重量子井戸活性層２の延在する領域の少なくとも一部の領域において、光の伝搬方向に、伝搬光の媒質内波長の半波長の整数倍の周期で分割された第２の多重量子井戸活性層３とを積層方向に直接接するように配置するとともに、前記第２の多重量子井戸活性層３の間を、前記第１の多重量子井戸活性層２と積層方向において直接接するように、前記第２の多重量子井戸活性層３を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料からなる埋込層５で埋め込んだ、或いは、平坦な第１の多重量子井戸活性層２と、前記第１の多重量子井戸活性層２の延在する領域の少なくとも一部の領域において、光の伝搬方向に、伝搬光の媒質内波長の半波長の整数倍の周期で分割された第２の多重量子井戸活性層３とを積層方向に中間層を介して接するように配置するとともに、前記第２の多重量子井戸活性層３の間を、前記第１の多重量子井戸活性層２と積層方向において前記中間層を介して接するように、前記第２の多重量子井戸活性層３を構成する材料よりも禁制帯幅の大きな材料からなる埋込層５で埋め込んだ半導体レーザにおいて、前記第２の多重量子井戸活性層３の前記第１の多重量子井戸活性層２と近接する側と反対側に、前記光の伝搬方向に連続した前記埋込層５より屈折率の大きな光導波層６を近接して設けたことを特徴とする半導体レーザ。
（付記２）前記光導波層６は、前記第２の多重量子井戸活性層３と近接して形成され、前記光導波層６は、前記埋込層５を構成する材料よりも禁制帯幅の小さな材料からなることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記３）前記第２の多重量子井戸活性層の頂面と前記光導波層に近接され、前記埋込層を構成する材料より禁制帯幅の小さな材料からなる層が形成されていることを特徴とする付記１に記載の半導体レーザ。
（付記４）前記埋込層が、ドーピングされていない材料で形成されていることを特徴とする付記１乃至付記３のいずれか１に記載の半導体レーザ。
（付記５）前記第１の多重量子井戸活性層２の前記第２の多重量子井戸活性層３と近接する側と反対側に、前記埋込層５よりも屈折率の大きな材料からなる少なくとも一層以上の光導波層を設けたことを特徴とする付記１乃至４のいずれか１に記載の半導体レーザ。
（付記６）前記第１の多重量子井戸活性層２と第２の多重量子井戸活性層３との間に、少なくとも一層以上の中間層を介在させたことを特徴とする付記１乃至付記５のいずれか１項に記載の半導体レーザ。
（付記７）前記分割された第２の多重量子井戸活性層３の前記光の伝搬方向に垂直な側面の全てが前記埋込層５によって覆われていることを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１に記載の半導体レーザ。
【００６９】
【発明の効果】
本発明によれば、ＭＱＷ回折格子を挟んで両側に平坦なＭＱＷ層と光導波層とを設けているので、回折格子凸部への電流注入効率を大きく保ったまま、利得結合係数を大きくすることができ、且つ、同時に散乱損失を低減することができ、それによって、低しきい値電流で高効率、且つ、モード安定性に優れ、反射戻り光があっても波長安定性に優れるので、高出力動作の利得結合型ＤＦＢ半導体レーザを実現することができ、ひいては、光通信システムの高性能化、普及・発展に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理的構成の説明図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの途中までの製造工程の説明図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの図２以降の製造工程の説明図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの特性の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的要部断面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的要部断面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態の前提となるＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的要部断面図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的要部断面図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的要部断面図である。
【図１０】従来のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの概略的断面図である。
【図１１】従来のＭＱＷ回折格子型ＤＦＢ半導体レーザの特性の説明図である。
【符号の説明】
１半導体基板
２第１の多重量子井戸活性層
３第２の多重量子井戸活性層
４活性層
５埋込層
６光導波層
７クラッド層
１１ｎ型ＩｎＰ基板
１２第１ＭＱＷ層
１３第２ＭＱＷ層
１４レジストパターン
１５ＭＱＷ回折格子
１６ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
１７ＩｎＧａＡｓＰ井戸層
１８ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
１９ｉ型ＩｎＰ埋込層
２０ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層
２１ｐ型ＩｎＰクラッド層
２２ＳｉＯ2 マスク
２３ストライプ状メサ
２４ｐ型ＩｎＰ埋込層
２５ｎ型ＩｎＰ電流ブロック層
２６ｐ型ＩｎＰクラッド層
２７ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
２８ＳｉＯ2 膜
２９ｐ側電極
３０ｎ側電極
３１ｉ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層
３２ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層
３３ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
３４ＩｎＧａＡｓＰ井戸層
３５第３ＭＱＷ層
３６ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波層
４１ｎ型ＩｎＰ基板
４２第１ＭＱＷ層
４３ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
４４ＩｎＧａＡｓＰ井戸層
４５ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
４６ＭＱＷ回折格子
４７ｉ型ＩｎＰ埋込層
４８ｐ型ＩｎＰクラッド層
４９ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
５０ｐ側電極
５１ｎ側電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor laser, and in particular, to increase a gain coupling coefficient and reduce scattering loss in a gain coupled DFB (distributed feedback) semiconductor laser capable of single wavelength operation used in an optical communication system. The present invention relates to a semiconductor laser characterized by the optical waveguide structure.
[0002]
[Prior art]
In recent years, there has been a need for semiconductor lasers with excellent wavelength stability as the speed and functionality of optical communication systems have increased. In particular, when a highly reflective film is applied to the rear end surface for high output operation, It is required that no wavelength jump occurs even when return light is generated by reflection.
[0003]
Conventionally, a gain-coupled DFB semiconductor laser in which periodic gain modulation is provided in the cavity direction has been proposed as a single wavelength laser with good mode stability.
Note that the gain-coupled DFB semiconductor laser in this specification includes a complex-coupled DFB semiconductor laser having both refractive index coupling and gain coupling.
[0004]
There are several methods for realizing gain modulation in this case, for example, a method of periodically modulating the thickness of the active layer or the guide layer, and a method of providing a periodic current blocking layer adjacent to the active layer. Alternatively, a method of providing a periodic light absorption layer adjacent to the active layer can be used.
[0005]
In particular, a structure having both an MQW (multiple quantum well) layer periodically divided in an active layer and a flat MQW layer, that is, an MQW diffraction grating structure, ensures a relatively large gain coupling coefficient compared to other methods. There are advantages that the phase of the gain coupling and the refractive index coupling match, and that no extra absorption occurs.
[0006]
Here, an example of a conventional MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser will be described with reference to FIG.
See FIG.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a conventional MQW diffraction grating DFB semiconductor laser. After the first MQW layer 42 and the second MQW layer are grown on the n-type InP substrate 41, the second MQW layer is selectively etched. Then, an MQW diffraction grating 46 composed of periodic protrusions is formed, and then the recesses between the MQW diffraction gratings 46 are selectively filled with an i-type InP layer 47, and then a p-type InP cladding layer is grown on the entire surface.
In this case, the flat first MQW layer 42 and the MQW diffraction grating 46 constitute an active layer.
[0007]
Next, although not shown, striped SiO ₂ After forming a striped mesa using a mask, the side surface of the striped mesa is buried with a p-type InP buried layer and an n-type InP current blocking layer, and then SiO 2 ₂ After removing the mask, a p-type InP cladding layer 48 and a p-type InGaAsP contact layer 49 are sequentially grown on the entire surface.
[0008]
Finally, the p-type InGaAsP contact layer 49 has a stripe-shaped opening SiO. ₂ By providing the p-side electrode 50 through the film and providing the n-side electrode 51 on the back surface of the n-type InP substrate 11, the basic structure of the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser is completed.
[0009]
Refer to FIG.
In this case, the first MQW layer 42 is configured by sandwiching the three InGaAsP well layers 44 between the four InGaAsP barrier layers 43 and 45, and the MQW diffraction grating 46 is also composed of the three InGaAsP well layers 44. The InGaAsP barrier layers 43 and 45 are sandwiched between the InGaAsP barrier layers 45, and the InGaAsP barrier layers 45 common to both are formed relatively thick so that the etching when forming the MQW diffraction grating 46 is an InGaAsP well that forms the first MQW layer 42. Do not reach layer 44.
[0010]
As described above, the recesses between the MQW diffraction gratings 46 are filled with the i-type InP buried layer 47, which is a material having a larger forbidden band width than the MQW diffraction grating 46, and thus are caused by the difference in the forbidden band widths. Due to the potential barrier, current is efficiently injected into the MQW diffraction grating 46, as shown by the arrows in the figure, resulting in a periodically modulated gain.
On the other hand, the flat first MQW layer 42 contributes to the average gain of the entire active layer.
[0011]
Thus, by providing the MQW diffraction grating 46 that contributes to gain coupling and the first MQW layer 42 that does not contribute to gain coupling, it becomes possible to independently control the gain coupling coefficient and the gain of the entire active layer. Therefore, the degree of freedom of design can be increased.
That is, the structure and threshold carrier density of the MQW diffraction grating 46 are determined so as to obtain an optimum gain coupling coefficient for the required element characteristics, and the average of the entire active layer is obtained so as to obtain the threshold carrier density. The gain may be controlled by the first MQW layer 42.
[0012]
In such an MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser, the quantum well structure constituting the MQW diffraction grating 46 and the first MQW layer 42 need not be the same, and the well layer and the barrier layer constituting each multiple quantum well structure. Are different from each other in at least one of film thickness, material composition, and amount of strain (see Japanese Patent Application No. 2000-121436, if necessary).
[0013]
In addition, an intermediate layer having a thickness of about 60 nm may be provided between the MQW diffraction grating 46 and the first MQW layer 42, thereby facilitating division processing when forming the MQW diffraction grating 46. Thus, the uniformity of device characteristics can be improved (see Japanese Patent Application No. 2000-76908 if necessary).
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser, in order to efficiently inject current into the MQW diffraction grating 46, the periphery of the MQW diffraction grating 46 has a forbidden band width than the material constituting the MQW diffraction grating 46. This situation will be described with reference to FIG. 11B because there is a problem that it is difficult to increase the gain coupling coefficient along with the necessity of embedding with a large material.
[0015]
Refer to FIG.
In other words, the refractive index of the buried layer having a large forbidden band is generally low, and as shown in the average refractive index distribution in the figure, the average of the guided light is felt in the i-type InP buried layer 47 or the MQW diffraction grating 46 portion. The refractive index becomes smaller and the light confinement efficiency in the MQW diffraction grating 46 becomes smaller.
As a result, the gain of the MQW diffraction grating 46 with respect to the guided light is reduced, and the gain coupling coefficient cannot be increased.
[0016]
Further, in the MQW diffraction grating structure, since there are many relatively large discontinuities in the propagation direction, there is a high possibility that the guided light is scattered.
In this case, the scattering loss at the waveguide discontinuity approximately depends on the overlap of the field distribution of the guided light before and after the discontinuity, and the loss increases as the overlap decreases.
[0017]
Refer again to FIG.
In the conventional MQW diffraction grating structure, the central axis of the refractive index distribution in the diffraction grating convex portion where the MQW diffraction grating 46 is present and the diffraction grating concave portion where the i-type InP buried layer 47 is present is shifted. There is a problem that the overlap of the light is small and the scattering loss becomes large.
[0018]
In particular, when the intermediate layer is provided between the first MQW layer 42 and the MQW diffraction grating 46 as described above, the axial deviation d of the central axis becomes remarkable, for example, about 70 nm, and the scattering loss becomes larger.
[0019]
Furthermore, in order to increase the average gain of the entire active layer, the number of the first MQW layers 42 may be increased or an optical confinement layer may be provided below the first MQW layer 42. There arises a problem that the axial deviation d of the central axis increases and the scattering loss increases.
[0020]
Therefore, an object of the present invention is to increase the gain coupling coefficient and reduce scattering loss due to the axial misalignment.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle configuration of the present invention. Means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
See Figure 1
In order to achieve the above object, in the present invention, a flat first multiple quantum well active layer 2 and a periodically divided second multiple quantum well active layer 3 are arranged in the stacking direction. To be in direct contact As well as Said Between the second multiple quantum well active layers 3 The first multiple quantum well active layer 2 is in direct contact with the first multi-quantum well active layer 2 in the stacking direction. It is made of a material having a larger forbidden band width than the material constituting the second multiple quantum well active layer 3 Buried layer 5 Embedded in Alternatively, in the flat first multi-quantum well active layer 2 and at least a part of the region where the first multi-quantum well active layer 2 extends, the light propagates in the medium of propagating light. The second multiple quantum well active layer 3 divided by a period that is an integral multiple of a half wavelength of the wavelength is disposed so as to be in contact with the stacking direction via an intermediate layer, and the second multiple quantum well active layer 3 A material having a larger forbidden band than the material constituting the second multiple quantum well active layer 3 so as to be in contact with the first multiple quantum well active layer 2 via the intermediate layer in the stacking direction. Embedded with embedded layer 5 In the semiconductor laser, the second multiple quantum well active layer 3 has a refractive index larger than that of the buried layer 5 continuous in the light propagation direction on the side opposite to the side close to the first multiple quantum well active layer 2. A wave layer 6, for example, a bulk optical waveguide layer or a flat third multiple quantum well layer is provided.
[0022]
Thus, the second multiple quantum well divided periodically Activity First multiple quantum wells having a higher refractive index than the cladding layer 7 above and below the layer 3 Activity Layer 2 and Continuous in the direction of light propagation By providing the optical waveguide layer 6, the second multiple quantum well is provided. Activity Even if there is a buried layer 5 having a low refractive index between the layers 3, the second multiple quantum well Activity Since the decrease in optical confinement efficiency in the layer 3 and the buried layer 5 can be suppressed, the first multiple quantum well Activity Layer 2 and divided second multiple quantum well Activity The gain coupling coefficient in the active layer 4 composed of the layer 3 can be increased, and the axial shift of the central axis of the guided light in the diffraction grating convex part and the diffraction grating concave part can be reduced, thereby reducing the scattering loss. be able to.
[0023]
The optical waveguide layer 6 may be a bulk optical waveguide layer or a flat multiple quantum well layer. When the optical waveguide layer 6 is formed of a flat multiple quantum well layer, Is bent The symmetry of the curvature distribution can be further increased.
[0024]
Also, the first multiple quantum well Activity Layer 2 and second quantum well Activity The layers may be in close proximity so as to be in direct contact, or may be in contact with each other through an intermediate layer, and in the case of direct contact, the axial deviation of the central axis can be further reduced, On the other hand, when an intermediate layer is interposed, the second multiple quantum well Activity The division process of layer 3 is facilitated.
[0025]
The second multiple quantum well Activity The layer 3 may be in direct contact with the optical waveguide layer 6, or may be in contact with the semiconductor layer constituting the buried layer 5 or the semiconductor layer constituting the optical waveguide layer 6.
When the contact is made through the semiconductor layer constituting the buried layer 5 or the semiconductor layer constituting the optical waveguide layer 6, the growth conditions of the buried layer 5 can be relaxed.
[0026]
The second multiple quantum well Activity A second multiple quantum well divided by embedding all side surfaces perpendicular to the light propagation direction of the layer 3 with the buried layer 5 Activity The efficiency of current injection into the layer 3 can be increased.
[0027]
In consideration of application to an optical communication system, an InP substrate is suitable as the semiconductor substrate 1, and InGaAsP and InGaAs having various composition ratios are used as the well layer and the barrier layer constituting the multiple quantum well layer. InAsP, InAlGaAs, or InAlAs is preferable.
The buried layer 5 is preferably InP, and the optical waveguide layer 6 is preferably InGaAsP or InAlGaAs.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Here, the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 to 4. First, the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. The manufacturing process of the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser of the embodiment will be described.
2A to 2D are schematic cross-sectional views along the light propagation direction, and FIGS. 3E to 3G are schematic cross-sectional views perpendicular to the light propagation direction. .
[0029]
See Fig. 2 (a)
First, the first MQW layer 12 and the second MQW layer 13 are sequentially grown on the n-type InP substrate 11 by using the MOVPE method (metal organic vapor phase epitaxy).
In this case, each of the first MQW layer 12 and the second MQW layer 13 has a bandgap wavelength λ as shown in FIG. _g For example, a three-layer InGaAsP well layer 17 having a composition of 1.59 μm and a thickness of 5 nm, for example. _g Is sandwiched between an InGaAsP barrier layer 16 having a thickness of, for example, 10 nm and an InGaAsP barrier layer 18 having a thickness of 15 nm, and the InGaAsP barrier layer 18 is shared. The emission wavelength is 1.55 μm.
[0030]
Refer to FIG.
Next, a resist is applied, and the diffraction grating pattern is exposed and developed using an interference exposure method or an electron beam exposure method, so that the diffraction grating period satisfies the Bragg condition with respect to the oscillation wavelength, for example, 240 nm. A resist pattern 14 is formed, and then the second MQW layer 13 is selectively removed by performing reactive ion etching using ethane + hydrogen + a trace amount of oxygen using the resist pattern 14 as a mask, thereby forming an MQW diffraction grating 15. Form.
[0031]
Refer to FIG.
FIG. 2C is an enlarged view in a circle indicated by a broken line in FIG. 2B, and since the InGaAsP barrier layer 18 shared by both is formed thick, etching is performed in the middle portion of the InGaAsP barrier layer 18. It can stop with good reproducibility.
[0032]
Refer to FIG.
Next, after removing the resist pattern 14, the i-type InP buried layer 19 is selectively grown on the removed portion of the second MQW layer 13 again using the MOVPE method, so that the i-type InP buried between the MQW diffraction gratings 15 is formed. Embed in embedded layer 19.
In this case, the i-type InP buried layer 19 can be selectively grown only in the removed portion of the second MQW layer 13 by controlling the growth conditions.
[0033]
Subsequently, the band gap wavelength λ _g However, for example, a p-type InGaAsP optical waveguide layer 20 having a composition of 1.15 μm and a thickness of, for example, 100 nm, and a p-type InP cladding layer 21 having a thickness of, for example, 200 nm are sequentially grown.
[0034]
Refer to FIG.
Next, a SiO film having a thickness of 0.3 μm is formed by CVD. ₂ After the film is deposited, a photoresist is applied, and exposed and developed to form a stripe-like resist pattern extending in the light propagation direction. Using this resist pattern as a mask, SiO 2 ₂ Striped SiO 2 by etching the exposed part of the film ₂ Mask 22 is formed and then SiO ₂ Stripe mesa 23 reaching n-type InP substrate 11 is formed by performing reactive ion etching using an ethane-based gas composed of ethane + hydrogen + trace oxygen using mask 22 as a mask.
[0035]
Refer to FIG.
Then SiO ₂ Using the mask 22 as it is as a selective growth mask, the p-type InP buried layer 24 and the n-type InP current blocking layer 25 are selectively grown again by the MOVPE method, and the side portions of the striped mesa 23 are buried.
[0036]
See Fig. 3 (g)
Then SiO ₂ After removing the mask 22, a p-type InP clad layer 26 and a p-type InGaAsP contact layer 27 are successively grown on the entire surface again using the MOVPE method.
[0037]
Next, SiO having a striped opening on the p-type InGaAsP contact layer 27. ₂ The Ti / Pt / Au electrode is deposited through the film 28 to form the p-side electrode 29, and the Au—Ge / Au electrode is deposited on the back surface of the n-type InP substrate 11 to form the n-side electrode 30. Thus, the basic configuration of the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser is completed.
[0038]
See Fig. 4 (a)
Also in the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser manufactured in this way, the recesses between the MQW diffraction gratings 15 are buried with the i-type InP layer 19 which is a material having a larger forbidden bandwidth than the MQW diffraction grating 15. Due to the potential barrier due to the difference in the forbidden bandwidth, current is efficiently injected into the MQW diffraction grating 15 as shown by the arrows in the figure, resulting in a periodically modulated gain.
The flat first MQW layer 12 and the MQW diffraction grating 15 constitute an active layer.
[0039]
Refer to FIG.
In this way, the first MQW layer 12 and the p-type InGaAsP optical waveguide layer 20 having a higher refractive index than the n-type InP substrate 11 and the p-type InP cladding layers 21 and 26 are provided above and below the periodically divided MQW diffraction grating 15. Therefore, even if the i-type InP buried layer 19 having a low refractive index exists between the MQW diffraction grating 15, the reduction of the optical confinement efficiency in the MQW diffraction grating 15 and the i-type InP buried layer 19 is suppressed. In addition, the gain coupling coefficient can be increased.
Moreover, since the axial deviation d of the central axis of the propagation light in the diffraction grating convex part and the diffraction grating concave part can be made small, for example, about 3 nm, the scattering loss can be reduced.
[0040]
For example, it can be expected that the average optical confinement ratio in the MQW diffraction grating 15 portion is 6.0%, which is about 1.5 times that in the case where the p-type InGaAsP optical waveguide layer 20 is not provided. Gain coupling efficiency increases.
[0041]
Further, even when such a MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser is provided with a highly reflective film on the rear end face, it is possible to maintain good single wavelength characteristics even when return light is generated. For example, the optical output is 2 mW. The side mode suppression ratio is 50 dB or more, and stable single wavelength operation is possible up to an optical output of 30 mW.
[0042]
Next, an MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5, but substantially the same as the first embodiment except that an intermediate layer is provided. Therefore, the description of the manufacturing process is omitted.
See Figure 5
The MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to the second embodiment includes a band gap wavelength λ between the first MQW layer 12 and the MQW diffraction grating 15. _g However, for example, an intermediate layer made of an i-type InGaAsP optical waveguide layer 31 having a composition of 1.20 μm and a thickness of, for example, 60 nm is provided, and the first MQW layer 12 and the MQW diffraction grating 15 are both formed into a four-layer structure. The thickness of the p-type InGaAsP optical waveguide layer 20 is, for example, 200 nm.
The InGaAsP barrier layer 18 in the first embodiment is divided into the InGaAsP barrier layer 16.
[0043]
In this case, since the intermediate layer made of the thick i-type InGaAsP optical waveguide layer 31 is provided, the depth tolerance in the etching process for forming the MQW diffraction grating 15 can be increased, and the uniformity of element characteristics can be improved. Can do.
[0044]
In this case, the axial deviation d of the propagating light in the diffraction grating convex part and the diffraction grating concave part is about 5 nm, which is significantly reduced compared to the axial deviation d≈70 nm when the p-type InGaAsP optical waveguide layer 20 is not provided. Thereby, scattering loss is greatly reduced, and low threshold current and high efficiency are realized.
[0045]
Therefore, when the resonator length is 300 μm, a non-reflective film is provided on the front end face, and a high reflective film is provided on the rear end face, a threshold current of 5 mA and a slope efficiency of 0.33 W / A are possible.
[0046]
Next, an MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6, except that an optical waveguide layer is also provided below the first MQW layer 12. Since this is substantially the same as the first embodiment, description of the manufacturing process is omitted.
See FIG.
The MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to the third embodiment has a band gap wavelength λ between the n-type InP substrate 11 and the first MQW layer 12. _g However, an n-type InGaAsP optical waveguide layer 32 having a composition of 1.10 μm and a thickness of, for example, 100 nm is provided.
[0047]
In the third embodiment, since the n-type InGaAsP optical waveguide layer 32 is provided, the average gain of the entire active layer But As a result, the threshold carrier density can be reduced.
In this case, the refractive index distribution is biased downward by providing the n-type InGaAsP optical waveguide layer 32. However, since the p-type InGaAsP optical waveguide layer 20 is provided on the upper side, the n-type InGaAsP optical waveguide layer 32 is provided. It is possible to suppress an increase in the axis deviation due to the provision of.
[0048]
Next, referring to FIG. 7, the fourth embodiment of the present invention Premise Although the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser will be described, since it is substantially the same as the first embodiment except that the third MQW layer is used as the optical waveguide layer, the description of the manufacturing process is omitted.
See FIG.
Of this fourth embodiment Premise In the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser, after the i-type InP buried layer 19 is selectively grown, the band gap wavelength λ _g Has a composition of 1.2 μm and a thickness of, for example, a 10 nm InGaAsP barrier layer 33 and a band gap wavelength λ. _g The third MQW layer 35 is formed by alternately growing InGaAsP well layers 34 having a composition of 1.59 μm and a thickness of, for example, 5 nm.
[0049]
4th Embodiment Is a simple optical waveguide layer having no gain by making the third MQW layer 35 different from the second MQW layer, Vertical symmetry of refractive index profile The Can be increased.
[0050]
Next, an MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8, except that the buried layer covers the top surface of the MQW diffraction grating. Since this is substantially the same as the embodiment, the description of the manufacturing process is omitted.
See FIG.
In the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser of the fifth embodiment, the surface of the MQW diffraction grating 15 is also thinly covered when the i-type InP buried layer 19 is selectively grown. When the thickness of the portion is as thin as the wavelength of propagating light, no particular problem occurs.
[0051]
In the fifth embodiment, since the i-type InP buried layer 19 may be somewhat overgrown, the selective growth conditions for the i-type InP buried layer 19 can be relaxed.
[0052]
Next, an MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 9. Before forming the MQW diffraction grating, an optical waveguide is formed on the second MQW layer. Since the semiconductor layer is substantially the same as the first embodiment except that a semiconductor layer having the same composition as that of the layer is provided in advance, the description of the manufacturing process is simplified.
See FIG.
The MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to the sixth embodiment has a p-type InGaAsP optical waveguide having the same composition as the p-type InGaAsP optical waveguide layer 20 on the second MQW layer 13 before the MQW diffraction grating 15 is formed. The wave layer 36 is provided in advance, and is patterned at the same time when the MQW diffraction grating 15 is formed.
[0053]
In the sixth embodiment, since the p-type InGaAsP optical waveguide layer 36 is provided on the top surface of the MQW diffraction grating 15, even if the i-type InP buried layer 19 is excessively grown, the p-type InGaAsP optical waveguide is provided. Since the top surface of the layer 36 is not covered with the i-type InP buried layer 19, the entire side surface of the MQW diffraction grating 15 can be covered with the i-type InP buried layer 19 with good reproducibility. The current injection efficiency to 15 can be increased.
[0054]
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications can be made.
For example, in each of the above-described embodiments, the i-type InP buried layer is selectively grown by controlling the growth conditions, but an MQW diffraction grating is formed in the same manner as the current block layer growth step. When SiO ₂ Using a mask, this SiO ₂ The selective growth may be performed using a mask.
[0055]
In the first embodiment and the like, the InGaAsP barrier layer 18 shared by the first MQW layer 12 and the second MQW layer 13 is formed thicker than the other InGaAsP barrier layers 16, but the InGaAsP barrier layer The thickness may be the same as 16, and in this case, the manufacturing margin is reduced, but the axis deviation d can be further reduced.
[0056]
In each of the above embodiments, the buried layer and the optical waveguide layer embedded between the MQW diffraction gratings 15 are formed of a single layer of a uniform material, but may be formed of a plurality of layers, respectively. Alternatively, it may be constituted by a graded layer whose composition continuously changes in the stacking direction.
[0057]
In each of the above embodiments, the first MQW layer 12 and the second MQW layer 13 have the same structure, but may have different structures. For example, each barrier layer and well layer May be composed of semiconductor layers having different compositions or layer thicknesses, and the number of layers may be set to be different from each other.
[0059]
In each of the above embodiments, a BH structure in which a current confinement structure is formed by a reverse bias pn junction is used. However, in order to perform high-speed modulation, parasitic capacitance due to the current blocking layer becomes a problem. It may be embedded with a high resistance layer.
[0060]
Furthermore, the present invention is not limited to the BH structure, and a ridge structure, a buried ridge structure, or the like may be used, and various stripe structures are applied.
[0061]
In each of the above embodiments, the first MQW layer 12 and the second MQW layer 13 have a three-layer structure or a four-layer structure, respectively. However, the number of layers is arbitrary, and a long resonator is used for high output. The first MQW layer 12 and the second MQW layer 13 may each have a two-layer structure because the length is long, and a short resonator length is necessary for high-speed modulation. Therefore, the number of the first MQW layer 12 and the second MQW layer 13 is increased.
[0062]
In each of the above embodiments, the MQW layer is made of InGaAsP. However, the MQW layer is not limited to InGaAsP, and may be made of InGaAs, InAsP, InAlGaAs, or InAlAs. When InAsP is used, the temperature characteristics can be improved.
[0063]
In each of the above embodiments, the optical waveguide layer is made of InGaAsP, but is not limited to InGaAsP, and may be made of InAlGaAs.
[0064]
Further, in each of the above embodiments, the first MQW layer 12 is grown directly on the n-type InP substrate 11, but it may be grown via the n-type InP buffer layer.
[0065]
Further, in each of the above embodiments, the flat first MQW layer 12 is grown on the n-type InP substrate 11 side. However, an n-type InGaAsP optical waveguide layer is provided on the n-type InP substrate 11 and this n-type InP substrate 11 is provided. The MQW diffraction grating 15 may be provided on the InGaAsP optical waveguide layer, and then the flat first MQW layer 12 may be grown after the MQW diffraction grating 15 is buried with the i-type InP layer 19.
[0066]
In each of the above-described embodiments, the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser using the n-type substrate is described. However, a p-type substrate may be used. The conductivity type of the semiconductor layer may be reversed.
[0067]
In each of the above embodiments, each feature point is used independently. However, the feature points may be combined as long as they do not contradict each other. The configuration in which the third MQW layer of the fourth embodiment is provided is also applied to the other embodiments.
[0068]
Here, referring again to FIG. 1, the detailed features of the present invention will be described.
See Figure 1
(Supplementary Note 1) In the flat first multiple quantum well active layer 2 and at least a part of the region where the first multiple quantum well active layer 2 extends, the medium of propagating light in the light propagation direction A second multiple quantum well active layer 3 divided in a cycle of an integral multiple of a half wavelength of the inner wavelength in the stacking direction To be in direct contact And between the second multiple quantum well active layers 3 The first multiple quantum well active layer 2 is in direct contact with the first multi-quantum well active layer 2 in the stacking direction. It is made of a material having a larger forbidden band width than the material constituting the second multiple quantum well active layer 3 Buried layer 5 Embedded in Alternatively, in the flat first multi-quantum well active layer 2 and at least a part of the region where the first multi-quantum well active layer 2 extends, the light propagates in the medium of propagating light. The second multiple quantum well active layer 3 divided by a period that is an integral multiple of a half wavelength of the wavelength is disposed so as to be in contact with the stacking direction via an intermediate layer, and the second multiple quantum well active layer 3 A material having a larger forbidden band than the material constituting the second multiple quantum well active layer 3 so as to be in contact with the first multiple quantum well active layer 2 via the intermediate layer in the stacking direction. Embedded with embedded layer 5 In the semiconductor laser, the refractive index of the second multiple quantum well active layer 3 is higher than that of the buried layer 5 continuous in the light propagation direction on the side opposite to the side close to the first multiple quantum well active layer 2. A semiconductor laser characterized in that a large optical waveguide layer 6 is provided in the vicinity.
(Supplementary Note 2) The optical waveguide layer 6 is formed close to the second multiple quantum well active layer 3, and the optical waveguide layer 6 has a forbidden band width than the material constituting the buried layer 5. The semiconductor laser as set forth in appendix 1, wherein the semiconductor laser is made of a small material.
(Supplementary note 3) A layer made of a material having a forbidden band width smaller than that of the material constituting the buried layer is formed near the top surface of the second multiple quantum well active layer and the optical waveguide layer. The semiconductor laser as set forth in appendix 1, which is characterized.
(Supplementary note 4) The semiconductor laser according to any one of supplementary notes 1 to 3, wherein the buried layer is formed of an undoped material.
(Supplementary Note 5) At least one layer made of a material having a refractive index larger than that of the buried layer 5 on the opposite side of the first multiple quantum well active layer 2 to the side adjacent to the second multiple quantum well active layer 3. 5. The semiconductor laser according to any one of appendices 1 to 4, wherein the above optical waveguide layer is provided.
(Supplementary note 6) The supplementary notes 1 to 5, wherein at least one intermediate layer is interposed between the first multiple quantum well active layer 2 and the second multiple quantum well active layer 3. The semiconductor laser according to any one of claims.
(Supplementary note 7) Supplementary notes 1 to 6 are characterized in that all of the side surfaces perpendicular to the light propagation direction of the divided second multiple quantum well active layer 3 are covered with the buried layer 5. The semiconductor laser according to any one of the above.
[0069]
【The invention's effect】
According to the present invention, the flat MQW layer and the optical waveguide layer are provided on both sides of the MQW diffraction grating, so that the gain coupling coefficient is increased while maintaining the efficiency of current injection into the diffraction grating convex portion. And, at the same time, the scattering loss can be reduced, whereby high efficiency with a low threshold current, excellent mode stability, and excellent wavelength stability even with reflected return light, A gain-coupled DFB semiconductor laser capable of high output operation can be realized, which in turn greatly contributes to high performance, spread and development of optical communication systems.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of the manufacturing process up to the middle of the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention;
3 is an explanatory diagram of the manufacturing process of FIG. 2 and subsequent drawings of the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to the first embodiment of the invention. FIG.
FIG. 4 is an explanatory diagram of characteristics of the MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of an essential part of an MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic sectional view of an essential part of an MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 shows the fourth embodiment of the present invention. Premise 1 is a schematic cross-sectional view of an essential part of an MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser.
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an essential part of an MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic sectional view of an essential part of an MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a conventional MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser.
FIG. 11 is an explanatory diagram of characteristics of a conventional MQW diffraction grating type DFB semiconductor laser.
[Explanation of symbols]
1 Semiconductor substrate
2 First multiple quantum well Activity layer
3 Second multiple quantum well Activity layer
4 Active layer
5 buried layer
6 Optical waveguide layer
7 Clad layer
11 n-type InP substrate
12 First MQW layer
13 Second MQW layer
14 resist pattern
15 MQW diffraction grating
16 InGaAsP barrier layer
17 InGaAsP well layer
18 InGaAsP barrier layer
19 i-type InP buried layer
20 p-type InGaAsP optical waveguide layer
21 p-type InP cladding layer
22 SiO2 mask
23 Striped Mesa
24 p-type InP buried layer
25 n-type InP current blocking layer
26 p-type InP cladding layer
27 p-type InGaAsP contact layer
28 SiO2 film
29 p-side electrode
30 n-side electrode
31 i-type InGaAsP optical waveguide layer
32 n-type InGaAsP optical waveguide layer
33 InGaAsP barrier layer
34 InGaAsP well layer
35 3rd MQW layer
36 p-type InGaAsP optical waveguide layer
41 n-type InP substrate
42 1st MQW layer
43 InGaAsP barrier layer
44 InGaAsP well layer
45 InGaAsP barrier layer
46 MQW diffraction grating
47 i-type InP buried layer
48 p-type InP cladding layer
49 p-type InGaAsP contact layer
50 p-side electrode
51 n-side electrode

Claims

In the flat first multi-quantum well active layer and at least a part of the region where the first multi-quantum well active layer extends, the half-wavelength of the in-medium wavelength of propagating light in the light propagation direction a second multiple quantum well active layer divided by an integer multiple of the period as well as arranged so as to be in direct contact with the stacking direction, between said second multiple quantum well active layer, said first multiple quantum well active so as to be in direct contact in a layer to the stacking direction, embedded in the buried layer made of a material having a large band gap than the material constituting the second multi-quantum well active layer, or a flat first multiple quantum well The active layer and at least a part of the extended region of the first multiple quantum well active layer are divided in the light propagation direction at a period that is an integral multiple of a half wavelength of the in-medium wavelength of the propagating light. The second multiple quantum well active layer in the stacking direction The second multiple quantum well active layer is disposed so as to be in contact with each other through an interlayer, and the second multiple quantum well active layer is in contact with the first multiple quantum well active layer via the intermediate layer in the stacking direction. In the semiconductor laser embedded with a buried layer made of a material having a larger forbidden band than the material constituting the second multiple quantum well active layer, the first multiple quantum well active layer of the second multiple quantum well active layer An optical waveguide layer having a refractive index larger than that of the buried layer that is continuous in the light propagation direction is provided on the opposite side to the side adjacent to the semiconductor laser.

The optical waveguide layer is formed close to the second multiple quantum well active layer, and the optical waveguide layer is made of a material having a smaller forbidden band width than a material constituting the buried layer. The semiconductor laser according to claim 1.

The top surface of the second multiple quantum well active layer and the optical waveguide layer are adjacent to each other, and a layer made of a material having a smaller forbidden band width than a material constituting the buried layer is formed. Item 2. The semiconductor laser according to Item 1.

4. The semiconductor laser according to claim 1, wherein the buried layer is made of an undoped material. 5.

At least one optical waveguide layer made of a material having a refractive index larger than that of the buried layer is provided on the opposite side of the first multiple quantum well active layer to the side adjacent to the second multiple quantum well active layer. The semiconductor laser according to any one of claims 1 to 4, wherein the semiconductor laser is characterized in that:

6. The method according to claim 1, wherein at least one intermediate layer is interposed between the first multiple quantum well active layer and the second multiple quantum well active layer. The semiconductor laser described in 1.