JP5163355B2 - Semiconductor laser device - Google Patents
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Description
本発明は、共振器長を短くすることによって変調帯域を広くした半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser device having a wide modulation band by shortening a resonator length.
光通信は、大容量の情報伝送に適した技術である。光通信では、半導体レーザを用いて光信号が生成され、光ファイバーによってこの光信号が伝送される。光通信の大容量化は近年ますます伸展しおり、それに伴って光信号のビットレートも増大している。 Optical communication is a technology suitable for large-capacity information transmission. In optical communication, an optical signal is generated using a semiconductor laser, and this optical signal is transmitted by an optical fiber. In recent years, the increase in capacity of optical communication has been increasing, and the bit rate of optical signals has also increased.
光信号を生成する方法としては、半導体レーザに注入する電流を直接変調する方法や半導体レーザで発生した直流光を外部変調器で変調する方法がある。また、光信号を生成する新たな方法としては、半導体レーザと光変調器が集積化された変調器集積化光源を用意し、当該半導体レーザで発生した直流光を同一基板上に集積化された光変調器で変調する方法がある。 As a method of generating an optical signal, there are a method of directly modulating the current injected into the semiconductor laser and a method of modulating DC light generated by the semiconductor laser with an external modulator. In addition, as a new method for generating an optical signal, a modulator integrated light source in which a semiconductor laser and an optical modulator are integrated is prepared, and DC light generated by the semiconductor laser is integrated on the same substrate. There is a method of modulating with an optical modulator.
これらの中で半導体レーザを直接変調する方法すなわち直接変調方式は、光信号の生成に光変調器を必要としないため、光信号生成装置(送信装置)の構造が簡素であり、且つ光信号生成装置を形成する駆動回路も簡単である。従って、直接変調方式は、光変調器を必要とする他の方法に比べコスト面で優れている。 Among these, the method of directly modulating a semiconductor laser, that is, the direct modulation method does not require an optical modulator for generating an optical signal, so the structure of the optical signal generating device (transmitting device) is simple, and the optical signal generation is performed. The drive circuit forming the device is also simple. Therefore, the direct modulation method is superior in cost compared to other methods that require an optical modulator.
直接変調方式によって増加し続けるビットレートに対応するためには、半導体レーザの変調帯域を、現状の半導体レーザより更に広くする必要がある。 In order to cope with the bit rate that continues to increase by the direct modulation method, it is necessary to make the modulation band of the semiconductor laser wider than the current semiconductor laser.
よく知られているように、半導体レーザの変調帯域は、上限が半導体レーザの緩和振動数によって制限されている。また、半導体レーザの緩和振動数を高くするためには、半導体レーザの共振器長の短縮化が有効であることもよく知られている(尚、共振器長とは、光共振器に於いて、両端が反射鏡で挟まれた領域の長さのことである。)。 As is well known, the upper limit of the modulation band of a semiconductor laser is limited by the relaxation frequency of the semiconductor laser. It is also well known that shortening the cavity length of a semiconductor laser is effective in increasing the relaxation frequency of a semiconductor laser (note that the cavity length is an optical resonator) This is the length of the area where both ends are sandwiched between the reflecting mirrors.)
光通信用の半導体レーザとしては、単一の波長(単一縦モード)で発振する分布帰還型半導体レーザ(distributed feedback laser; DFB レーザ)が広く用いられている。 As a semiconductor laser for optical communication, a distributed feedback laser (DFB laser) that oscillates at a single wavelength (single longitudinal mode) is widely used.
DFBレーザでは、活性層に沿って回折格子が設けられ、この回折格子によって光共振器が形成される。従って、DFBレーザでは、共振器長と素子長が一致する。故に、DFBレーザを短共振器化するためには、素子自体を短くする必要がある。 In the DFB laser, a diffraction grating is provided along the active layer, and an optical resonator is formed by the diffraction grating. Therefore, in the DFB laser, the resonator length matches the element length. Therefore, in order to make the DFB laser a short resonator, it is necessary to shorten the element itself.
ところで、一般的に半導体レーザの両端は、へき開によって形成される。従って、半導体レーザの素子長の下限は、へき開が可能な半導体基板の最小長さである。一方、素子長が短くなると、へき開後の素子の取り扱いが困難になるという別の問題も発生する。 By the way, generally, both ends of the semiconductor laser are formed by cleavage. Therefore, the lower limit of the element length of the semiconductor laser is the minimum length of the semiconductor substrate that can be cleaved. On the other hand, when the element length is shortened, another problem that handling of the element after cleavage becomes difficult occurs.
具体的には、半導体レーザの素子長が150μm以下になると、へき開もその後の取り扱いも急激に困難になる。 Specifically, when the element length of the semiconductor laser is 150 μm or less, the cleavage and subsequent handling become rapidly difficult.
故に、DFBレーザの短共振器化は150μmが限界である。このため、DFBレーザの短共振器化によって達成できる緩和振動は、高々数GHzに止まっている。 Therefore, 150 μm is the limit for shortening the cavity length of the DFB laser. For this reason, the relaxation oscillation that can be achieved by shortening the resonator length of the DFB laser is at most several GHz.
そこで、共振器長が素子長に制限されない分布ブラッグ反射器型半導体レーザ(distributed-bragg reflector;DBRレーザ)に基づく、短共振器半導体レーザ装置が提案されている(非特許文献1)。 Therefore, a short cavity semiconductor laser device based on a distributed Bragg reflector type semiconductor laser (DBR laser) whose resonator length is not limited by the element length has been proposed (Non-patent Document 1).
図1は、DBRレーザに基づく短共振器半導体レーザ装置(以後、短共振器DBRレーザと呼ぶ)の構成を説明する斜視図である。図1には、短共振器DBRレーザ2が、光の導波方向に沿って大きく切断された状態で描かれている。
FIG. 1 is a perspective view illustrating the configuration of a short cavity semiconductor laser device (hereinafter referred to as a short cavity DBR laser) based on a DBR laser. In FIG. 1, the short
図1に示された短共振器DBRレーザ2では、InGaAs多重量子井戸で形成された活性層4にInGaAsP製の分布ブラッグ反射器6(以後、DBRと呼ぶ)が光学的に接続されている。短共振器DBRレーザ2の前面側の端面には反射防止膜8が設けられており、後面側の端面には高反射膜10が設けられている。
In the short
すなわち、分布ブラッグ反射器6と高反射膜10によって挟まれた領域に活性領域12が形成され、その中に活性層4が配置されている。
That is, an
非特許文献1に開示された例では、短共振器DBRレーザ2の素子長自体は200〜300μmと短くはないが、活性領域12の長さは10〜100μmとDFBレーザに基づく短共振器レーザより格段に短くなっている。
In the example disclosed in Non-Patent Document 1, the element length of the short
このように、DBRレーザに基づけば、半導体レーザの短共振器化は容易に実現できる。 Thus, based on the DBR laser, the shortening of the cavity of the semiconductor laser can be easily realized.
尚、他の短共振器半導体レーザ装置としては、短共振器DBRレーザに於いて活性層に沿って回折格子を設けたDRレーザ(distributed reflector laser)も提案されている(非特許文献2)。DRレーザも、短共振器DBRレーザと同様、短共振器化が容易な半導体レーザである。
ところで、短共振器DBRレーザでは、活性領域の短縮化に合わせて上部電極14も短縮化される(図1参照)。
Incidentally, in the short cavity DBR laser, the
これは、上部電極14が活性層4の上方を食み出してDBR6の上方まで延在していると、活性層4だけでなく、DBR6が形成されている領域18にも電流が注入されてしまうからである(尚、活性層4ではなく、DBR領域18に注入される電流を無効電流と呼ぶこととする。)。
This is because when the
上部電極14が短くなると、上部電極14が接触する半導体層(コンタクト層)と上部電極14との接触面積が小さくなる。その結果、コンタクト抵抗(上部電極14と上部クラッド層20の間の抵抗)等が増加し、素子抵抗が大きくなる。
When the
このため、短共振器DBRレーザでは、ジュール熱が大きくなり素子温度が上昇する。素子温度の上昇は、光子密度の低下を招来し、緩和振動周波数の増進を抑制する。 For this reason, in the short cavity DBR laser, the Joule heat increases and the element temperature rises. An increase in element temperature causes a decrease in photon density and suppresses an increase in relaxation oscillation frequency.
従って、短共振器DBRレーザで活性領域の短縮化を進めていくと、やがて緩和振動周波数の増進が鈍り、緩和振動周波数が飽和する。由って、変調帯域も飽和する。 Therefore, if the shortening of the active region is promoted with the short cavity DBR laser, the relaxation oscillation frequency is gradually increased and the relaxation oscillation frequency is saturated. Therefore, the modulation band is also saturated.
この現象は、短共振器DBRレーザと同様に、DRレーザにも共通する。 This phenomenon is common to DR lasers as well as short cavity DBR lasers.
そこで、本発明の目的は、分布ブラッグ反射器を利用して活性領域の短縮化を図る半導体レーザに於いて、活性領域の短縮化に起因する素子温度の上昇を抑制して、当該半導体レーザの変調帯域を広くすることである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a semiconductor laser that uses a distributed Bragg reflector to shorten the active region, and suppresses an increase in element temperature due to the shortening of the active region. This is to widen the modulation band.
上記の目的を達成するために、本半導体レーザ装置は、第1の電極が形成された第1の導電型を有する半導体基板と、前記半導体基板の上方に形成された活性層と、前記半導体基板の上方に形成され、且つ前記活性層に光学的に接続され、更に前記活性層が生成する光を反射する回折格子を備えた受動光導波層と、前記受動光導波層の上方に形成され、前記受動光導波層への電流の注入を阻止する電流狭窄層と、第2の導電型を有し、前記活性層及び前記電流狭窄層の上方に延在するように形成された上部クラッド層と、前記上部クラッド層の上方に形成され、前記活性層の上方を覆い且つ前記受動光導波層の上方に延在する、前記第2の導電型を有するコンタクト層と、前記コンタクト層の上方に形成され、前記活性層の上方を覆い且つ前記受動光導波層の上方に延在する第2の電極とを具備する。 In order to achieve the above object, the present semiconductor laser device includes a semiconductor substrate having a first conductivity type on which a first electrode is formed, an active layer formed above the semiconductor substrate, and the semiconductor substrate. And a passive optical waveguide layer that is optically connected to the active layer and includes a diffraction grating that reflects light generated by the active layer, and is formed above the passive optical waveguide layer. A current confinement layer for blocking current injection into the passive optical waveguide layer; an upper cladding layer having a second conductivity type and formed to extend above the active layer and the current confinement layer; A contact layer having the second conductivity type, formed above the upper clad layer, covering the active layer and extending above the passive optical waveguide layer; and formed above the contact layer Covering the active layer and in front And a second electrode which extends above the passive optical waveguide layer.
本半導体レーザ装置によれば、分布ブラッグ反射器を利用して光共振器長の短縮化を図る半導体レーザに於いて、光共振器の短縮化に起因する素子温度の上昇を抑制して、当該半導体レーザの変調帯域を広くすることができる。 According to the present semiconductor laser device, in a semiconductor laser that uses a distributed Bragg reflector to shorten the optical resonator length, an increase in element temperature due to the shortening of the optical resonator is suppressed, and The modulation band of the semiconductor laser can be widened.
以下、図面にしたがって本発明の実施の形態について説明する。但し、本発明の技術的範囲はこれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された事項とその均等物まで及ぶものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the matters described in the claims and equivalents thereof.
最初に、短共振器DBRレーザ等に於いて、変調帯域の拡大が飽和する理由を理論式に基づいて説明する。 First, the reason why the expansion of the modulation band is saturated in a short resonator DBR laser or the like will be described based on a theoretical formula.
よく知られているように、半導体レーザの緩和振動周波数frは、以下の式で表される。 As is well known, the relaxation oscillation frequency f r of the semiconductor laser is expressed by the following equation.
ここで、vgは、光共振器内における光の群速度である。また、g及びnは、夫々半導体レーザの利得及び活性層のキャリア濃度である。また、dg/dnは半導体レーザの微分利得である。またS0は光子密度であり、τpは光子寿命である。 Here, v g is the light group velocity of the optical resonator. G and n are the gain of the semiconductor laser and the carrier concentration of the active layer, respectively. Dg / dn is the differential gain of the semiconductor laser. S 0 is the photon density, and τ p is the photon lifetime.
この式から明らかように、緩和振動数frは光子密度S0の平方根に比例する。従って、光子密度S0が低下すると、緩和振動数frが低下する。 As is apparent from this equation, the relaxation frequency f r is proportional to the square root of the photon density S 0 . Therefore, when the photon density S 0 is decreased, the relaxation frequency fr is decreased.
ここで、光子密度S0は、以下の式で表される。 Here, the photon density S 0 is expressed by the following equation.
ここで、Iは半導体レーザへの注入電流であり、Ithはしきい値電流である。qは、素電荷である。L、w、及びdは、夫々活性層の長さ、幅、及び厚さである。また、gthはしきい値利得である。 Here, I is a current injected into the semiconductor laser, I th is the threshold current. q is an elementary charge. L, w, and d are the length, width, and thickness of the active layer, respectively. G th is a threshold gain.
式(2)から明らかのように、光子密度は、共振器長Lに反比例する。従って、共振器長を短くすると、光子密度が上昇し、緩和振動周波数frが高くなる(式(1)及び(2)参照)。 As is clear from Equation (2), the photon density is inversely proportional to the resonator length L. Therefore, when the resonator length is shortened, the photon density is increased and the relaxation oscillation frequency fr is increased (see equations (1) and (2)).
一方、活性領域長が短くなると素子抵抗が大きくなり、ジュール熱が増加して素子温度が上昇する。素子温度の上昇は、漏れ電流の増大を招来する。 On the other hand, when the active region length is shortened, the device resistance increases, the Joule heat increases, and the device temperature rises. An increase in element temperature leads to an increase in leakage current.
ここで、漏れ電流としては、活性層4に注入されない電流や活性層4から溢れ出る電流がある。活性層4に注入されない電流としては、活性層4を迂回してDBR領域18に注入される電流や、半導体レーザの埋め込み層を流れる電流がある。
Here, the leakage current includes a current that is not injected into the
式(2)では、このような漏れ電流は考慮されていない。従って、式(2)に代入する電流値Iとしては、半導体レーザに注入した電流から漏れ電流を差し引いた電流値を使用しなければならない。 In Formula (2), such a leakage current is not considered. Therefore, as the current value I to be substituted into the equation (2), a current value obtained by subtracting the leakage current from the current injected into the semiconductor laser must be used.
故に、素子温度が上昇すると漏れ電流が増加して電流値Iが低下し、光子密度S0が低下する。 Thus, the current value I decreases with increasing leakage current when the device temperature rises, the photon density S 0 is reduced.
由って、注入電流を一定として共振器長を短くしていくと、最初は、共振器長に反比例して光子密度S0が増加し、緩和振動周波数が増加する。しかし、共振器中の活性領域長の短縮化が進行すると、素子抵抗が増大し素子温度が上昇し始める。その結果、漏れ電流が増加して共振器長短縮化の効果が相殺される。その結果、光子密度S0が飽和し、緩和振動周波数の上昇も飽和する。 What reason, when gradually shortened resonator length the injection current is constant initially, increased photon density S 0 in inverse proportion to the resonator length, the relaxation oscillation frequency increases. However, when the shortening of the active region length in the resonator proceeds, the element resistance increases and the element temperature starts to rise. As a result, the leakage current is increased and the effect of shortening the resonator length is offset. As a result, the photon density S 0 is saturated and also the saturation increases the relaxation oscillation frequency.
このように、分布ブラッグ反射器を利用して光共振器長の短縮化を図る半導体レーザ(例えば、短共振器DBRレーザやDRレーザ)に於いて共振器長を短くすると、変調帯域は、最初は増進するが、やがて飽和する。 In this way, when the cavity length is shortened in a semiconductor laser (for example, a short cavity DBR laser or a DR laser) that shortens the optical cavity length by using a distributed Bragg reflector, the modulation band is first Will improve, but will eventually saturate.
このような変調帯域の飽和現象を解消するには、短共振器化に伴う素子抵抗の増加を回避することが有効と考えられる。しかしながら、上述したように、従来の短共振器半導体レーザでは、短共振器化に伴う素子抵抗の増大は不可避である。 In order to eliminate such a saturation phenomenon of the modulation band, it is considered effective to avoid an increase in element resistance due to the shortening of the resonator. However, as described above, in the conventional short cavity semiconductor laser, an increase in element resistance due to the shortening of the cavity is inevitable.
そこで、以下、各実施の形態に従って、光共振器を短縮化しても素子抵抗の増加を抑制し、従って変調帯域の一層の拡大が可能な短共振器半導体レーザ装置について説明する。 Accordingly, a short resonator semiconductor laser device capable of suppressing an increase in element resistance even if the optical resonator is shortened and thus further expanding the modulation band will be described in accordance with each embodiment.
なお、式(1)に式(2)を代入すると、緩和振動周波数frは、以下のように表される。 In addition, if the equation (2) is substituted into the equation (1), the relaxation oscillation frequency fr is expressed as follows.
式(3)を参照すると、光子寿命等が一定の場合には、共振器長の平方根に反比例して緩和振動周波数が高くなることが分かる。 Referring to equation (3), it can be seen that when the photon lifetime is constant, the relaxation oscillation frequency increases in inverse proportion to the square root of the resonator length.
(実施の形態1)
本実施の形態は、素子長の短縮化に起因する素子抵抗の増加を抑制して、変調帯域の飽和現象を解消した短共振器DBRレーザに関する。
(Embodiment 1)
The present embodiment relates to a short resonator DBR laser that suppresses the saturation phenomenon of the modulation band by suppressing an increase in element resistance caused by shortening the element length.
(1)構 成
図2は、本実施の形態に従う短共振器DBRレーザ24(本実施の形態に従う半導体レーザ装置)の平面図である。図3は、夫々図2のA−A線に於ける断面を矢印の方向から見て説明する図である。尚、図2には、後述する活性層4、受動光導波層28、及び回折格子26が透視された状態で図示されている。
(1) Configuration FIG. 2 is a plan view of short resonator DBR laser 24 (semiconductor laser device according to the present embodiment) according to the present embodiment. FIG. 3 is a view for explaining a cross section taken along line AA of FIG. 2 from the direction of the arrow. In FIG. 2, an
また、図4(a)及び図4(b)は、夫々、図2のB−B線、及びC−C線に於ける断面を矢印の方向から見て説明する図である。尚、図面が異なっても対応する部分には同一符号が付され、その説明は省略される(他の実施の形態及び変形例に於いても同じである。)。 FIGS. 4A and 4B are diagrams for explaining the cross sections taken along the lines BB and CC in FIG. 2 from the direction of the arrows, respectively. It should be noted that even if the drawings are different, corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted (the same applies to other embodiments and modifications).
本実施の形態に従う短共振器DBRレーザ24は、図2乃至図4に示しように、第1の電極(下部電極16)が形成された、第1の導電型(例えばn型)を有する、半導体基板20を具備している。
The short
また、本短共振器DBRレーザ24は、上記半導体基板20の上に形成された活性層4を具備している。
The short
また、本短共振器DBRレーザ24は、上記半導体基板20の上に形成され、且つ上記活性層4に光学的に接続され、更に、上記活性層4が生成する光を反射する回折格子26を備えた受動光導波層28を具備している。ここで回折格子26の周期は、本短共振器DBRレーザ24の予定発振波長に対してブラッグ条件を満たすように形成される。すなわち、上記「回折格子を備えた受動光導波層」とは、分布ブラッグ反射器(DBR)のことである。
The short
ここで、「回折格子を備えた受動光導波層」とは、当該受動光導波層を伝播する光に屈折率(又は、誘電率)の周期的変化を及ぼす回折格子を備えた受動光導波層のことをいう。例えば、図3に図示された受動光導波層28のように、受動光導波層に沿って回折格子が設けられ受動光導波層が、「回折格子を備えた受動光導波層」の一例である。
Here, the “passive optical waveguide layer having a diffraction grating” means a passive optical waveguide layer having a diffraction grating that periodically changes the refractive index (or dielectric constant) of light propagating through the passive optical waveguide layer. I mean. For example, like the passive
また、本短共振器DBRレーザ24は、上記受動光導波層28の上に形成され、上記受動光導波層28への電流の注入を阻止する電流狭窄層30を具備している。
The short
また、本短共振器DBRレーザ24は、第2の導電型(例えばp型)を有し、上記活性層4及び上記電流狭窄層30の上に延在するように形成された上部クラッド層32を具備している。
The short
更に、本短共振器DBRレーザ24は、上記上部クラッド層32の上に形成され、上記活性層4の上方を覆い且つ上記受動光導波層28の上方に延在する、第2の導電型(例えばp型)を有するコンタクト層34と、上記コンタクト層34の上に形成された第2の電極(上部電極36)を具備する。
Further, the short
本短共振器DBRレーザ24では、回折格子26を備えた受動光導波層28(DBR)によって光共振器が形成され、その中に活性層4が配置されている。
In the short
ところで、本短共振器DBRレーザ24では、コンタクト層34が上記活性層4の上方を覆い且つ上記受動光導波層28(DBR)の上方に延在している。従って、活性層4の長さ即ち共振器長を短くしても、コンタクト抵抗(上部電極36と上部クラッド層32の間の抵抗)等が大きくなって素子抵抗が高くなることはない。言い換えるならば、本短共振器DBRレーザ24では、共振器長(活性層4の長さ)を短くしても上部電極36の長さが一定なので、共振器長を短くしても素子抵抗の増加を抑制することができる(但し、素子長が一定の場合。)。
In the short
従って、本短共振器DBRレーザ24では、短共振器化による素子温度の上昇が抑えられる。
Therefore, in the short
しかも、本短共振器DBRレーザ24では、電流狭窄層30によって、受動光導波層28への電流注入が阻止される。このため、上部電極36から注入された電流は、受動光導波層28には供給されず、殆どが活性層4に注入される。すなわち、上部電極36から注入された電流は、電流狭窄層30によって狭窄されて活性層4に集中的に注入される。
Moreover, in the short
故に、本短共振器DBRレーザ24では、注入された電流の殆どが活性層4に供給されるので、上部電極36を受動光導波層28(DBR)の上方に延在させても無効電流は発生しない。
Therefore, in the short
従って、本短共振器DBRレーザ24では、活性層4ではなく受動光導波路層28に注入される無効電流は存在せず、しかも共振器長を短くしても素子温度が上昇しない。由って、本短共振器DBRレーザ24によれば、変調帯域の飽和現象は解消され、変調帯域が広くなる。
Therefore, in this short
ここで、活性領域長(レーザ光の進行方向における活性層4の長さ)は、へき開によって形成可能な素子長150μmより短いことが好ましく、更に好ましくは100μm以下である。このような場合に、本短共振器DBRレーザ24は、従来の短共振器半導体レーザより変調帯域が広くなる。
Here, the active region length (the length of the
一方、共振器長が短くなり過ぎるとミラー損失が増大してレーザ発振が困難になる。従って、共振器長は、5μm以上が好ましく、更に好ましくは10μm以上である。 On the other hand, if the resonator length becomes too short, the mirror loss increases and laser oscillation becomes difficult. Therefore, the resonator length is preferably 5 μm or more, more preferably 10 μm or more.
(2)製造方法
次に、製造手順に従って、本実施の形態に従う短共振器DBRレーザ24の構成を詳しく説明する。
(2) Manufacturing Method Next, the configuration of the short
図5は、本実施の形態に従う短共振器DBRレーザ24の製造手順を説明するフロー図である。図6及び図7は、本短共振器DBRレーザ24の製造手順を説明する工程平面図である。図8及び図9は、本短共振器DBRレーザ24の製造手順を、図6又は図7のA−A線に於ける断面を矢印の方向から見て説明する工程図である。図10(a)は、本実施の形態に従う短共振器DBRレーザ24の製造手順を、図7のB−B線に於ける断面を矢印の方向から見て説明する工程図である。図10(b)は、本実施の形態1に従う短共振器DBRレーザの製造手順を、図7のC−C線に於ける断面を矢印の方向から見て説明する工程図である。尚、特に断らない限り、下記各半導体層は、有機金属気相成長法によって形成されるものとする。
FIG. 5 is a flowchart illustrating a manufacturing procedure of short
(i)回折格子等の形成(ステップS1)
まず、分布ブラッグ反射器(DBR)の形成が予定されているn型のInP基板38の上に、回折格子26が、電子ビーム露光と反応性イオンエッチングによって形成される(図6(a)及び図8(a)参照)。尚、図6及び図7には、成長膜の内部を透視した状態で回折格子26が図示されている。
(I) Formation of diffraction grating or the like (step S1)
First, a
次に、回折格子26の形成されたn型InP基板38の上に、組成波長が1.15μmで厚さ70nmのn型InGaAsP層40と、厚さが30nmのn型InP層42が順次形成される(図8(a)参照)。
Next, an n-
次に、n型InP層42の上に、圧縮応力を内在する歪量子井戸44と厚さ100nmの第1のp型InP層46を順次形成する(図6(a)及び図8(a)参照)。
Next, a strain quantum well 44 having a compressive stress and a first p-
ここで歪量子井戸44は、AlGaInAs製の量子井戸と障壁層によって形成される。そして、歪量子井戸44を形成する各半導体層(量子井戸層及び障壁層)の組成及び膜厚は、歪量子井戸44の発光波長が1300nmになるように設定されている。 Here, the strained quantum well 44 is formed of a quantum well made of AlGaInAs and a barrier layer. The composition and film thickness of each semiconductor layer (quantum well layer and barrier layer) forming the strain quantum well 44 are set such that the emission wavelength of the strain quantum well 44 is 1300 nm.
本実施の形態では、n型InP基板38(組成波長は0.92μm)が、活性層4で発生する光に対して透明で、且つ後述する受動光導波層28及び活性層4より屈折率が低い。従って、n型InP基板38は下部クラッド層として機能する。但し、n型InP製の下部クラッド層を、回折格子26の下側に設けてもよい。
In the present embodiment, the n-type InP substrate 38 (composition wavelength is 0.92 μm) is transparent to the light generated in the
しかし、GaAs基板の上にGaAs製(又はAlGaAs製)の活性層を設けて、半導体レーザを製造する場合等には、半導体基板と活性層(及び受動光導波層)の間に下部クラッド層を形成する必要がある。 However, when a semiconductor laser is manufactured by providing an active layer made of GaAs (or AlGaAs) on a GaAs substrate, a lower cladding layer is provided between the semiconductor substrate and the active layer (and the passive optical waveguide layer). Need to form.
(ii)活性層及び受動光導波層の形成(ステップS2)
次に、活性層4の形成予定領域の上に、化学気相成長法とフォトリソグラフィ技術を用いて、厚さ300nmのSiO2膜48を形成する。
(Ii) Formation of active layer and passive optical waveguide layer (step S2)
Next, a 300 nm thick SiO 2 film 48 is formed on the region where the
次に、このSiO2膜48をエッチングのマスクとして、第1のp型InP層46及び歪量子井戸44をウエットエッチングする(図6(b)及び図8(b)参照)。
Next, the first p-
次に、SiO2膜48を選択成長膜として、歪量子井戸44と同じ厚さのAlGaInAs層50を成長する(図6(b)及び図8(b)参照)。ここで、AlGaInAs層50の組成波長は1.15μmである。
Next, an
本ステップによってウェットエッチングされずに残された歪量子井戸44は、活性層4となる。一方、ウェットエッチングされた歪量子井戸44の後に再成長されたAlGaInAs層50は、受動光導波層28となる。
The strained quantum well 44 left without being wet-etched by this step becomes the
ここで、活性層4と受動光導波層28は、上記再成長によって突合せ接合され、光学的に接続される。
Here, the
(iii)電流狭窄層の形成(ステップS3)
AlGaInAs層50の形成後、結晶成長を中断せずに、FeをドーピングしたInP層52と、n型InP層54を成長する(図6(c)及び図8(c)参照)。
(Iii) Formation of current confinement layer (step S3)
After the formation of the
FeがドーピングされたInP層52は半導体絶縁性になり、受動光導波層28への電流の注入を阻止する。
The
一方、n型InP層54は、後述する第2のp型InP層56の不純物(Zn等)とFeドープInP層52のFeが相互拡散して、InP層52の半絶縁性消滅を防止するためのものである。
On the other hand, in the n-
このFeがドーピングされたInP層52とn型InP層54によって、電流狭窄層30が形成される。尚、電流狭窄層30は、全体で100nmの厚さになるように形成される。
The
(iv)上部クラッド層及びコンタクト層の形成(ステップS4)
次に、SiO2膜48が、HFを主成分とするエッチャントによって除去される。
(Iv) Formation of upper clad layer and contact layer (step S4)
Next, the SiO 2 film 48 is removed by an etchant mainly composed of HF.
次に、SiO2膜48の除去された半導体層の上に、厚さ1500nmの第2のp型InP層56が形成される。その後、結晶成長を中断せずに、厚さ200nmのp型InGaAs層58が形成される(図7(a)及び図9(a)参照)。
Next, a second p-
本ステップで形成された第2のp型InP層56は、ステップS1で形成された第1のp型InP層46と一体となって、上部クラッド層32を形成する。
The second p-
一方、p型InGaAs層58は、コンタクト層34となる。
On the other hand, the p-
(v)埋め込み層の形成(ステップS5)
次に、化学気相成長法とフォトリソグラフィ技術によって、本短共振器DBRレーザ24の主要部(埋め込み層以外の部分)の形成予定位置にストライプ状(直線状)のSiO2膜60(厚さ500nm)が形成される(図7(b)参照)。
(V) Formation of buried layer (step S5)
Next, a striped (linear) SiO 2 film 60 (thickness) is formed at a position where a main portion (portion other than the buried layer) of the short
次に、SiO2膜60をエッチングマスクとして反応性イオンエッチングによって、n型InP基板38に到達するエッチングが実施される。このエッチングによって、高さ3000nmのメサ62が形成される(図10(a)及び図10(b)参照)。尚、図10(a)は、受動光導波層28を横切る断面図である。一方、図10(b)は、活性層4を横切る断面図である。
Next, etching reaching the n-
次に、SiO2膜60を選択成長膜として、FeがドーピングされたInP層64が形成される(図7(b)、図10(a)、及び図10(b)参照)。この半絶縁性のInP層64はメサ62を埋め込んで、埋め込み層66となる。
Next, an
ここで、埋め込み層66は、活性層4及び受動光導波層28を伝播する光を(メサ62の)横方向で閉じ込める。同時に、埋め込み層66は、短共振器DBRレーザ24に注入された電流を(メサ62の)横方向に閉じ込める。
Here, the buried
すなわち、本ステップでは、活性層4、受動光導波層28、及び上部クラッド層32の両脇が、半導体絶縁性の半導体層64によって埋め込まれる。
That is, in this step, both sides of the
(vi)電極の形成(ステップ6)
次に、n型InP基板38の裏面に、AuGe/Au電極68(下部電極16)が形成される(図9(b)参照)。
(Vi) Formation of electrodes (step 6)
Next, an AuGe / Au electrode 68 (lower electrode 16) is formed on the back surface of the n-type InP substrate 38 (see FIG. 9B).
次に、コンタク層34の上にAuZn/Au電極70が(上部電極36)形成される(図9(b)参照)。 Next, an AuZn / Au electrode 70 (upper electrode 36) is formed on the contact layer 34 (see FIG. 9B).
(vii)個別素子化(ステップS7)
次に、上記ステップによって形成された構造体がヘキ開されて、個々の素子に分割される。
(Vii) Individual elementization (step S7)
Next, the structure formed by the above steps is cleaved and divided into individual elements.
最後にヘキ開面に無反射コーティング膜72が形成されて、本短共振器DBRレーザ24が完成する(図7(c)及び図9(b))。
Finally, an
(3)動 作
次に、本短共振器DBRレーザ24のレーザ発振動作について説明する。
(3) Operation Next, the laser oscillation operation of the short
まず、本短共振器DBRレーザ24がレーザ光を生成する動作について説明する。
First, an operation in which the short
本短共振器DBRレーザ24を動作させるためには、図示されていない電源の正極及び負極が、夫々、上部電極36及び下部電極16に接続される。
In order to operate the short
次に、この電源から、上部電極36に電流が注入される。
Next, a current is injected from the power source into the
上部電極36から注入された電流は、電流狭窄層30によって活性層4に集中的に注入される。活性層4に注入された電流は、活性層4の光利得を上昇させ、回折格子26と受動光導波層28によって形成された一対のDBRの間にレーザ光を発生する。
The current injected from the
本短共振器DBRレーザ24では、活性領域の長さが150μmより短い。しかも、上部電極36が受動光導波層28の上方に延在しているので、上部電極36のコンタクト抵抗は低い。このため、素子抵抗に由来するジュール熱の発熱が抑制される。
In the short
故に、容易に高い緩和振動周波数を得ることができる。 Therefore, a high relaxation oscillation frequency can be easily obtained.
このようにして生成されたレーザ光は、無反射コーティング膜72が形成された両端面から放射されて出射光74となる(図3参照)。
The laser light generated in this way is emitted from both end surfaces where the
本短共振器DBRレーザ24を直接変調して光信号を生成する場合には、上記電源から本短共振器DBRレーザ24に注入される電流が変調される。注入電流が閾値を超えている間、本短共振器DBRレーザ24は、上記動作に従ってレーザ光を生成する。
When the optical signal is generated by directly modulating the short
ここで、本短共振器DBRレーザ24では、共振器長を短縮すれば、緩和振動周波数は飽和することなく増加する。従って、本短共振器DBRレーザ24によれば、従来の短共振器半導体レーザを凌ぐ、広変調帯域が実現される。
Here, in the short
(実施の形態2)
本実施の形態は、受動光導波層に加え活性層が回折格子を備えている半導体レーザ装置(DRレーザ)に関する。
(Embodiment 2)
The present embodiment relates to a semiconductor laser device (DR laser) in which an active layer includes a diffraction grating in addition to a passive optical waveguide layer.
(1)構 成
図11は、本実施の形態に従う半導体レーザ装置(DRレーザ)76の、レーザ光の進行方向に沿った断面図である。
(1) Configuration FIG. 11 is a cross-sectional view of the semiconductor laser device (DR laser) 76 according to the present embodiment along the laser beam traveling direction.
本半導体レーザ装置76の構成は、活性層4も回折格子78を備えている点を除いて、実施の形態1の短共振器DBRレーザと同じである。従って、回折格子78以外の構成部分については、説明が省略される。
The configuration of the
図11に示すように、本短共振器半導体レーザ装置76では、回折格子78が受動光導波層28の(下側の)近傍だけでなく、活性層4の(下側の)近傍にも形成されている。
As shown in FIG. 11, in the short resonator
ここで、回折格子78のブラッグ波長は、活性層4の下側でも、短共振器半導体レーザ装置76が予定発振波長で発光するように形成されている。なお、回折格子78は、活性層4の中央下側で、所謂1/4λシフトしていることが好ましい。
Here, the Bragg wavelength of the
(2)製造方法
本実施の形態に従う短共振器半導体レーザ装置76の製造方法は、受動光導波層28及び活性層4の形成予定領域に亘って、n型InP基板38の表面に回折格子78を形成する点を除き、実施の形態1に従う製造方法と略同じである。
(2) Manufacturing Method The manufacturing method of the short cavity
(3)動 作
本実施の形態に従う短共振器半導体レーザ装置76は、実施の形態1の短共振器DBRレーザに準じて動作する。従って、詳しい説明は省略する。
(3) Operation The short resonator
(実施の形態3)
本実施の形態は、実施の形態1に従う短共振器半導体レーザ装置に於いて、回折格子が受動光導波層に形成された短共振器半導体レーザ装置に関する。
(Embodiment 3)
The present embodiment relates to a short resonator semiconductor laser device in which a diffraction grating is formed in a passive optical waveguide layer in the short resonator semiconductor laser device according to the first embodiment.
(1)構 成
図12は、本実施の形態に従う短共振器半導体レーザ装置80の、レーザ光の進行方向に沿う断面図である。図13は、本実施の形態に従う短共振器半導体レーザ装置80の光の進行方向に垂直な断面図である。ここで、図13(a)は、受動光導波層28を垂直に横切る断面図である。一方、図13(b)は、活性層4を垂直に横切る断面図である。
(1) Configuration FIG. 12 is a cross-sectional view of short resonator
図12及び図13に示すように、本短共振器半導体レーザ装置80には、受動光導波層28の下側近傍に設けられるn型InGaAsP層40(図3参照)ではなく、受動光導波層28に直接回折格子26が形成される。その他の点では、本短共振器半導体レーザ装置80の構成は、実施の形態1の短共振器半導体レーザ装置24と略同じである(従って、本短共振器半導体レーザ装置80には、n型InGaAsP層40は設けられない。)。
As shown in FIGS. 12 and 13, the short cavity
(2)製造方法及び動作
本短共振器半導体レーザ装置80は、実施の形態1の製造方法に準じて製造される。また、本短共振器半導体レーザ装置80は、実施の形態1の短共振器半導体レーザ装置24の動作に準じて動作する。
(2) Manufacturing Method and Operation The short resonator
従って、短共振器半導体レーザ装置80の製造方法及び動作に関する説明は省略する。
Therefore, the description regarding the manufacturing method and operation of the short cavity
(変形例1)
以上説明した例では、FeをドーピングしたInP層52とn型InP層54が積層されて電流狭窄層30が形成される。
(Modification 1)
In the example described above, the
しかし、異なる構造の半導体層によって、電流狭窄層が形成されてもよい。 However, the current confinement layer may be formed by semiconductor layers having different structures.
図14乃至図16は、夫々、実施の形態1乃至3に於ける短共振器半導体レーザ装置において、電流狭窄層30が、p型半導体層84の上にn型半導体層86が積層されたpn電流ブロック層88によって形成された場合の断面図である。
FIGS. 14 to 16 show the pn in which the
本変形例に従う短共振器半導体レーザ装置でも、上部電極36から注入された電流は活性層4に集中する。従って、上部電極36が受動光導波層28の上方に延在するように形成されても、受動光導波層28に電流が注入されることはない。
Also in the short cavity semiconductor laser device according to this modification, the current injected from the
(変形例2)
図17は、本変形例に従う短共振器半導体レーザ装置82のレーザ光の進行方向に沿った断面図である。
(Modification 2)
FIG. 17 is a cross-sectional view of the short cavity
実施の形態2に従うDRレーザ76では、受動光導波層28及び活性層4の下側近傍に設けられたn型InGaAsP層40に回折格子78が形成されている。
In
しかしながら、本短共振器半導体レーザ装置82では、回折格子90が受動光導波層28及び活性層4に直接形成される。
However, in the short resonator
その他の点では、本短共振器半導体レーザ装置82の構成は、実施の形態2のDRレーザ76と略同じである。
In other respects, the configuration of the short cavity
尚、本短共振器半導体レーザ装置82の製造方法及び動作は、実施の形態2のDRレーザ76の製造方法及び動作に準じる。従って、製造方法及び動作の説明は省略する。
The manufacturing method and operation of the short cavity
(変形例3)
図18は、本変形例に従う短共振器半導体レーザ装置92のレーザ光の進行方向に沿った断面図である。
(Modification 3)
FIG. 18 is a cross-sectional view of the short cavity
変形例2に従う短共振器半導体レーザ装置92では、FeをドーピングしたInP層52とn型InP層54が積層されて電流狭窄層30が形成される。
In the short resonator
一方、本変形例に従う短共振器半導体レーザ装置92では、電流狭窄層30が、p型半導体層84の上にn型半導体層86が積層されたpn電流ブロック層88によって形成される。
On the other hand, in the short cavity
本変形例に従う短共振器半導体レーザ装置でも、上部電極36から注入された電流は活性層4に集中する。従って、上部電極36が受動光導波層28の上方に延在するように形成されても、受動光導波層28に電流が注入されることはない。
Also in the short cavity semiconductor laser device according to this modification, the current injected from the
上述した例は、n型InPを基板として、その上にAlGaInAs製の歪量子井戸層を活性層として形成した、短共振器半導体レーザ装置に関するものである。しかし、上記各例に従う短共振器半導体レーザ装置を形成する材料は、これらの材料に限られなくてもよい。 The example described above relates to a short resonator semiconductor laser device in which n-type InP is used as a substrate and an AlGaInAs strained quantum well layer is formed as an active layer thereon. However, the material for forming the short cavity semiconductor laser device according to each of the above examples is not limited to these materials.
また、上述した短共振器半導体レーザ装置の動作波長は、1.3μmである。しかし、上記各例に従う短共振器半導体レーザ装置の動作波長は1.3μmに限られなくてもよい。 The operating wavelength of the above-described short cavity semiconductor laser device is 1.3 μm. However, the operating wavelength of the short cavity semiconductor laser device according to each of the above examples need not be limited to 1.3 μm.
2・・・短共振器DBRレーザ(関連技術) 4・・・活性層
6・・・分布ブラッグ反射器(DBR) 8・・・反射防止膜
10・・・高反射膜 12・・・光共振器
14・・・上部電極 16・・・下部電極
18・・・DBRが形成されている領域 20・・・半導体基板
22・・・上部クラッド層 24・・・短共振器DBRレーザ(実施の形態1等)
26・・・回折格子 28・・・受動光導波層
30・・・電流狭窄層 32・・・上部クラッド層
34・・・コンタクト層 36・・・上部電極
38・・・n型InP基板 40・・・n型InGaAsP層
42・・・n型InP層 44・・・歪量子井戸
46・・・第1のp型InP層 48・・・SiO2膜
50・・・AlGaInAs層 52・・・FeをドーピングしたInP層(電流狭窄層)
54・・・n型InP層 56・・・第2のp型InP層
58・・・p型InGaAs層 60・・・SiO2膜
62・・・メサ 64・・・FeがドーピングされたInP層(埋め込み層)
66・・・埋め込み層 68・・・AuGe/Au電極
70・・・AuZn/Au電極 72・・・無反射コーティング膜
74・・・出射光
76・・・(実施の形態2に従う)短共振器半導体レーザ装置
78・・・(実施の形態2に従う)回折格子
80・・・(実施の形態3に従う)短共振器半導体レーザ装置
82・・・(変形例2に従う)短共振器半導体レーザ装置
84・・・p型半導体層 86・・・n型半導体層
88・・・pn電流ブロック層 90・・・(変形例2に従う)回折格子
92・・・(変形例2に従う)短共振器半導体レーザ装置
2 ... Short cavity DBR laser (related technology) 4 ... Active layer 6 ... Distributed Bragg reflector (DBR) 8 ...
26 ...
54 ... n-
66 ... Embedded
76 (according to the second embodiment) Short resonator semiconductor laser device 78 (according to the second embodiment) Diffraction grating 80 (according to the third embodiment) Short resonator
Claims (5)
前記半導体基板の上方に形成された長さが5μm以上150μm以下の活性層と、
前記半導体基板の上方に形成され、且つ前記活性層に突き合わせ結合により光学的に接続され、更に前記活性層が生成する光を反射する回折格子を備えた受動光導波層と、
前記受動光導波層の上方に前記受動光導波層に接して形成され、前記受動光導波層への電流の注入を阻止する電流狭窄層と、
第2の導電型を有し、前記活性層及び前記電流狭窄層の上方に延在するように形成された上部クラッド層と、
前記上部クラッド層の上方に形成され、前記活性層の上方を覆い且つ前記受動光導波層の上方に延在する、前記第2の導電型を有するコンタクト層と、
前記コンタクト層の上方に形成され、前記活性層の上方を覆い且つ前記受動光導波層の上方に延在する第2の電極とを具備し、
前記活性層に注入される電流が変調される
半導体レーザ装置。 A semiconductor substrate having a first conductivity type on which a first electrode is formed;
And the active layer above the length formed of the semiconductor substrate is 5μm or more 150μm or less,
Said formed above the semiconductor substrate, and wherein the active layer optical histological connected by butt coupling, the further passive optical waveguide layer in which the active layer is provided with a diffraction grating that reflects light to produce,
Wherein is the passive optical made form in contact with the passive optical waveguide layer over the waveguide layer, and the current confinement layer for blocking the injection of current into the passive optical waveguide layer,
An upper clad layer having a second conductivity type and formed to extend above the active layer and the current confinement layer;
A contact layer having the second conductivity type, formed above the upper cladding layer, covering the active layer and extending above the passive optical waveguide layer;
A second electrode formed above the contact layer and covering the active layer and extending above the passive optical waveguide layer ;
The current injected into the active layer is modulated
Semiconductors laser devices.
特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ装置。 That the active layer comprises a diffraction grating;
The semiconductor laser device according to claim 1.
前記電流狭窄層は、半導体絶縁性の半導体層の上にn型の半導体層が積層されて形成されていることを、
特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ装置。 The first and second conductivity types are n-type and p-type, respectively.
The current confinement layer is formed by stacking an n-type semiconductor layer on a semiconductor insulating semiconductor layer.
3. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is characterized in that:
特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ装置。 The current confinement layer is formed by laminating a semiconductor layer of the first conductivity type on a semiconductor layer having the second conductivity type.
3. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is characterized in that:
特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の半導体レーザ装置。 Both sides of the active layer, the passive optical waveguide layer, and the upper cladding layer are buried with a semiconductor insulating semiconductor layer,
The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device is characterized in that:
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