JP5418359B2 - 分布帰還型半導体レーザ - Google Patents

Description

この発明は、レーザ素子の内部に設けられた回折格子層にλ／４位相シフト部を備えている分布帰還型半導体レーザ（以下、単にＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザと称する。）に関し、特に、レーザ光出力を従来よりも高めることが可能なものに関する。

ＤＦＢレーザは、活性層で生成された誘導放出光を、活性層に接して並列に設けられた回折格子によりブラッグ反射することにより、縦モードを制御して単一縦モード光を放出する（例えば、非特許文献１及び２参照。）。

このようなＤＦＢレーザの一つとして、ＤＦＢレーザ共振器の光伝播方向の中央付近に設けたλ／４位相シフト部で、回折格子の位相をπ／２だけシフトさせたものがある。この種のＤＦＢレーザは、λ／４位相シフトＤＦＢレーザと称される。λ／４位相シフトＤＦＢレーザは、縦モードの単一性に優れているという利点を有している。

米津宏雄著，「光通信素子光学−発光・受光素子−」，第５版（１９８４），工学図書，ｐ．２５２〜２５５ 栖原敏明著，「半導体レーザの基礎」，第１版（１９９８），共立出版，ｐ１２３〜１３０

しかしながら、この種のλ／４位相シフトＤＦＢレーザでは、λ／４位相シフト部において電界集中が生じることが知られている。つまり、λ／４位相シフトＤＦＢレーザでは、一枚のプレート状の金属電極を設けているため、この金属電極から活性層に印加するバイアス電圧を高くするにつれて、電界がλ／４位相シフト部に集中し、活性層における電界強度分布が不均一となる。その結果、電界が集中するλ／４位相シフト部において空間的ホール・バーニングが発生し、出力されるレーザ光の強度が小さくなるという問題が生じていた。

発明者は、この問題について鋭意検討を行い、活性層に電圧を印加するための金属電極を、多数の櫛歯を有する櫛形に形成し、この櫛歯の間隔をλ／４位相シフト部において、他の部分よりも広げることにより、従来生じていた電界集中を可及的に回避して、上述した問題点を解決できることに想到した。

従って、この発明の目的は、活性層に電圧を印加した際に生じるλ／４位相シフト部における空間的ホール・バーニングを従来よりも抑制することにより、出力できるレーザ光の強度を従来よりも大きくすることが可能なλ／４位相シフトＤＦＢレーザを提供することにある。

上述した目的の達成を図るために、この発明の分布帰還型半導体レーザは、ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層との間に、誘導放出光を生成する活性層と、λ／４位相シフト部を備えた回折格子層とを備えており、ｐ型クラッド層上の活性層に対応する位置に、活性層に電流を注入するための金属電極が、誘導放出光の光伝播方向に沿って設けられている構造としている。

ここで、この金属電極は、光伝播方向に沿って互いに平行に延在するとともに、互いに電気的に接続された第１及び第２直線部と、第１直線部から第２直線部に向かって突出し、光伝播方向に沿ってλ／４位相シフト部から離間するにつれて、互いの櫛歯の間隔が徐々に狭まっていく、複数の第１櫛歯部と、第２直線部から、第１直線部の順次に隣接する２個の第１櫛歯部の間にそれぞれ一本ずつ突出する複数の第２櫛歯部とを備えている。

上述したこの発明の分布帰還型半導体レーザによれば、金属電極は、λ／４位相シフト部から離間するにつれて、互いの櫛歯、すなわち第１及び第２櫛歯部の間隔が徐々に狭まっていくように形成されている。つまり、λ／４位相シフト部において櫛歯の間隔が最も広く、λ／４位相シフト部から離れるにつれて櫛歯の間隔が徐々に狭くなっている。

その結果、この金属電極を用いることにより、電界集中が起こりやすいλ／４位相シフト部に対して、他の部分と比較して相対的に弱い電圧を印加することとなる。これによりλ／４位相シフト部で生じる電界集中を可及的に回避して、回折格子層の全領域に渡り従来よりも均一な電界を印加することができる。

上述の分布帰還型半導体レーザにおいて、第１及び第２櫛歯部の第１及び第２直線部からの突出長さは、第１及び第２直線部の間の間隔と等しい長さであってもよい。

このように構成することにより、金属電極を櫛歯状ではなく梯子状に形成することができる。

この発明は上述のような技術的な特徴を有している。その結果、この発明によれば、λ／４位相シフト部における電界集中を従来に比較して低減することにより、λ／４位相シフト部におけるホール・バーニングを抑えることで、レーザ光出力を従来よりも大きくすることが可能な分布帰還型半導体レーザが得られる。

この実施形態のＤＦＢレーザの概略的な構造を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿って切断した断面切り口を示す切断端面図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面切り口を示す切断端面図である。 ＤＦＢレーザの製造工程の中から一工程段階を抜き出して示す切断端面図である。 図４に引き続く工程段階を抜き出して示す切断端面図である。 図５に引き続く工程段階を抜き出して示す切断端面図である。 図６に引き続く工程段階を抜き出して示す切断端面図である。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。

（構造）
まず、始めに図１〜図３を参照して、この実施形態のＤＦＢレーザの構造について説明する。

図１は、この実施形態のＤＦＢレーザの概略的な構造を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿って切断した断面切り口を示す切断端面図である。図３は、図１のＢ−Ｂ線に沿って切断した断面切り口を示す切断端面図である。

まず、主に図２を参照して、ＤＦＢレーザ１０の断面構造について説明する。ＤＦＢレーザ１０は、ｐ型クラッド層１２とｎ型クラッド層１４との間に、誘導放出光を生成する活性層１６と、λ／４位相シフト部１８ａ（図３参照）を備えた回折格子層１８とを備えていて、ｐ型クラッド層１２上の活性層１６に対応する位置に、この活性層１６に電流を注入するための金属電極２０が、誘導放出光の光伝播方向に沿って設けられている。

より詳細には、ＤＦＢレーザ１０は、メサ型つまり、凸型に形成された基板としてのｎ型クラッド層１４上に形成されている。ここで、メサ型のｎ型クラッド層１４の凸部（突起部）をｎ型クラッド層凸部１４ａと称し、及びｎ型クラッド層１４の凸部以外の部分をｎ型クラッド層平坦部１４ｂと称する。ここで、ｎ型クラッド層１４は、この実施の形態に示す例では、好ましくは例えば、導電型がｐ型のＩｎＰ（以下、単にｎ−ＩｎＰと称する。）を材料として形成されている。

ｎ型クラッド層１４の表面にはｎ型クラッド層凸部１４ａ間を埋め込んで、図３に示したλ／４位相シフト部１８ａを有する回折格子層１８が形成されている。そして、この回折格子層１８上には、（１）導電型がｎ型のＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層、（２）１０周期の多重量子井戸構造、及び（３）ＩｎＧａＡｓＰからなる上側光導波層の３層がこの順序で積層されることで形成された活性層１６が設けられている。

活性層１６上には、逆メサ形状のｐ型クラッド層１２が設けられている。ここで、逆メサ型のｐ型クラッド層１２の凸部をｐ型クラッド層凸部１２ａと称し、及び凸部以外の部分をｐ型クラッド層平坦部１２ｂと称する。つまり、活性層１６の表面に、ｐ型クラッド層凸部１２ａが配置されており、ｐ型クラッド層凸部１２ａ上にｐ型クラッド層平坦部１２ｂが配置されている。ここで、ｐ型クラッド層１２は、この実施の形態に示す例では、好ましくは例えば、導電型がｐ型のＩｎＰ（以下、単にｐ−ＩｎＰと称する。）を材料として形成されている。

ｐ型クラッド層１２上には導電型がｐ型のＩｎＧａＡｓからなるｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２２が設けられている。ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２２上には、素子を保護するための保護膜としての絶縁膜２４が形成されている。絶縁膜２４は、この実施の形態に示す例では、好ましくは例えば、材料をＳｉＯ_２とする。絶縁膜２４の活性層１６に対応する位置には、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２２の表面に至る開口が設けられていて、活性層１６に電流を注入するための金属電極２０が設けられている。この金属電極は、この実施の形態に示す例では、好ましくは例えば、Ｔｉ／Ａｕ合金を材料とする。

電流ブロック層２６は、ｎ型クラッド層１４の凸部に形成されているｎ型クラッド層凸部１４ａ、回折格子層１８、活性層１６及びｐ型クラッド層凸部１２ａを、凸部の両側から挟んで埋め込むように設けられている。より詳細には、電流ブロック層２６は、ｐ型ＩｎＰブロック層２６ａとｎ型ＩｎＰブロック層２６ｂとを備えていて、ｎ型クラッド層１４のメサ部を囲んで、ｎ型クラッド層平坦部１４ｂ上には、ｐ型ＩｎＰブロック層２６ａが形成されており、及び、ｐ型ＩｎＰブロック層２６ａと、ｐ型クラッド層平坦部１２ｂとの間には、ｎ型ＩｎＰブロック層２６ｂが形成されている。

また、ｎ型クラッド層１４の裏面１４ｃにおいて、活性層１６に対応する位置には、第２金属電極３２が設けられている。

続いて、図３を参照して、回折格子層１８の構造について簡単に説明する。回折格子層１８は、上述のように、活性層１６に隣接する積層膜構造体として形成されている。より具体的には、回折格子層１８は、ＤＦＢレーザ１０で生成される誘導放出光の光伝播方向に関して互いに向かい合った両端面１０ａ，１０ｂ間に渡って形成された周期的な凹凸構造である。回折格子層１８には、その光伝播方向の中央部に、縦モードの単一性を高めるために、回折格子の位相をπ／２だけシフトさせたλ／４位相シフト部１８ａが形成されている。具体的には、λ／４位相シフト部１８ａは、回折格子の凹凸が存在しない領域として形成されている。

続いて、図１を参照して、主に金属電極２０の構造について説明する。なお、図１においては、回折格子層１８のλ／４位相シフト部１８ａの位置を仮想線で示してある。金属電極２０は、活性層１６に電流を注入するための電極であり、コンタクト電極２８と接続されていて、コンタクト電極２８から電流が供給される。

金属電極２０は、櫛のフレームと、このフレームの延在方向に対してフレームから横方向に突出する櫛歯とで構成される２組の構造体を組み合わせた構造として形成されている。この実施の形態では、金属電極２０は、それぞれのフレームに相当する第１及び第２直線部２０_１ａ及び２０_２ａを備えていて、これらは、光伝播方向に沿って延在し、互いに平行であるとともに、電気的に接続されている。

また、それぞれの櫛歯に第１及び第２櫛歯部２０_１ｂ及び２０_２ｂが相当しており、第１櫛歯部２０_１ｂは第１直線部２０_１ａから第２直線部２０_２ａに向かって直角に突出し、光伝播方向に沿ってλ／４位相シフト部１８ａから離間するにつれて、互いの櫛歯の間隔が徐々に狭まっていく態様で設けられている。同様に、第２櫛歯部２０_２ｂは、複数個設けられていて、各第２櫛歯部２０_２ｂは、第２直線部２０_２ａから、第１直線部２０_１ａの順次に隣接する２個の第１櫛歯部２０_１ｂ，２０_１ｂ，・・・の間に１本ずつ突出する態様で設けられている。

より詳細には、金属電極２０の第１直線部２０_１ａと第２直線部２０_２ａとは、ＤＦＢレーザ１０の光伝播方向の両端面１０ａ，１０ｂにそれぞれ設けられた接続部２０ｃ及び２０ｃにより互いに電気的に接続されている。

ここで、第１及び第２櫛歯部２０_１ｂ，２０_２ｂの第１及び第２直線部２０_１ａ及び２０_２ａの単位長さ当たりの突出本数を、「櫛歯線密度」と称すると、櫛歯線密度は、λ／４位相シフト部１８ａから、ＤＦＢレーザ１０の両端面１０ａ，１０ｂに向かうにつれて増加していく。つまり、活性層１６に電圧を印加するための電極（櫛歯）の数がλ／４位相シフト部１８ａから離間するにつれて多くなっていく。

櫛歯線密度の光伝播方向に沿った変化の態様、つまり、第１及び第２直線部２０_１ａ及び２０_２ａから突出させる櫛歯の本数の分布は、最も好ましくは、活性層１６に対して電圧を印加した際にλ／４位相シフト部１８ａで生じる電界集中を補償して、金属電極２０の全体に渡り平坦な電界分布が得られるような櫛歯線密度とすることが好ましい。このような櫛歯線密度は、ＤＦＢレーザ１０に印加する電圧や、構造などにより変化するために、一概に好適な分布を言うことはできないが、少なくとも櫛歯の間隔が５μｍ以下であることが好ましい。

（製造方法）
続いて、図２及び図４〜図７を参照して、ＤＦＢレーザ１０の製造法について説明する。

まず、図４に示すような構造体を作成する。すなわち、後の工程でｎ型クラッド層１４となるｎ−ＩｎＰ基板Ｓ上に、ポジ型フォトレジストとネガ型フォトレジストとを組み合わせた二光束干渉露光法によるフォトリソグラフィー及びウエットエッチングにより、回折格子層１８を形成する。なお、回折格子層１８の光伝播方向の中央部に設けられるλ／４位相シフト部１８ａは、フォトレジストをマスクとすることにより形成される。

次いで、回折格子層１８の上部に従来周知のＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる光導波層と、１０周期の多重量子井戸構造と、ＩｎＧａＡｓＰからなる上側光導波層とをこの順序で積層した活性層１６を形成する。

次いで、活性層１６上に、後の工程でｐ型クラッド層凸部１２ａとなる、ｐ−ＩｎＰを材料とするｐ型クラッド層凸部前駆体１２Ｚを従来周知のＭＯＣＶＤ法により形成する。

続いて、ｐ型クラッド層凸部前駆体１２Ｚの全面にＳｉＯ_２膜を従来周知のＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成する。そして、好ましくは例えば、ＣＦ４をエッチングガスとして用いたＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法による従来周知のフォトリソグラフィーを実施し、このＳｉＯ_２膜を活性層１６に対応する位置に沿って延在する直線的な帯状にパターニングして、エッチング保護用ＳｉＯ_２膜３０を形成する。これにより、図４に示すような構造体が得られる。

続いて、図５に示すような構造体を作成する。すなわち、エッチング保護用ＳｉＯ_２膜３０をマスクとして、ＲＩＥ法により、ｐ型クラッド層凸部前駆体１２Ｚ、活性層１６、回折格子層１８及びｎ−ＩｎＰ基板Ｓの一部を、従来周知の方法に従いドライエッチングする。ドライエッチングは、エッチングされずに残留するメサ部の高さＨが適切な値となるようにエッチング時間を調整する。

ドライエッチングの終了後、従来公知のウエットエッチングによりメサ部の幅Ｗを調整する。より詳細には、このウエットエッチングは、メサ部の幅Ｗがエッチング保護用ＳｉＯ_２膜３０の幅よりも狭くなるまで行う。これにより、ｎ−ＩｎＰ基板Ｓは凸型にエッチング形成されてメサ型のｎ型クラッド層１４すなわち、ｎ型クラッド層凸部１４ａとｎ型クラッド層平坦部１４ｂが形成される。また、これにより、ｐ型クラッド層凸部前駆体１２Ｚは一部を残して除去されて、残留部分としてのｐ型クラッド層凸部１２ａが形成される。その結果、図５に示すような構造体が形成される。

続いて、図６に示すような構造体を作成する。すなわち、エッチング保護用ＳｉＯ_２膜３０をマスクとして、従来公知のＭＯＣＶＤ法により、ｐ型ＩｎＰブロック層２６ａ及びｎ型ＩｎＰブロック層２６ｂを連続的にエピタキシャル結晶成長させる。その結果、ｎ型クラッド層凸部１４ａ、回折格子層１８、活性層１６およびｐ型クラッド層凸部１２ａは、ｐ型ＩｎＰブロック層２６ａ及びｎ型ＩｎＰブロック層２６ｂにより両側から埋め込まれ、図６に示すような構造体が形成される。

続いて、図７に示すような構造体を作成する。すなわち、エッチング保護用ＳｉＯ_２膜３０を、フッ酸（ＨＦ）を用いたウエットエッチングにより除去した後に、露出したｐ型クラッド層凸部１２ａ及びｎ型ＩｎＰブロック層２６ｂの表面に、従来公知のＭＯＣＶＤ法により、ｐ−ＩｎＰ層１２Ｚａ及びｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２２を、この順序で連続的にエピタキシャル結晶成長させる。その結果、エッチング保護用ＳｉＯ_２膜３０の直下に存在していたｐ型クラッド層凸部１２ａと、エピタキシャル成長されたｐ−ＩｎＰ層１２Ｚａとは同一材料であるので、一体化し、これにより、逆メサ型のｐ型クラッド層１２が形成される。このようにして、図７に示すような構造体が形成される。

最後に、図２に示すようなＤＦＢレーザ１０を完成させる。より詳細には、レーザ素子の保護のために、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層２２上に、ＣＶＤ法によりＳｉＯ_２膜からなる絶縁膜２４を成膜する。さらに、金属電極２０の形成予定領域に存在するＳｉＯ_２膜をフッ酸（ＨＦ）処理により取り除き、開口を形成する。

そして、スパッタリング法により金属電極２０の材料としてのＴｉ／Ａｕを成膜し、次いでフォトリソグラフィー法により、金属電極２０に特徴的な櫛形構造のパターニングを行う。そして、Ａｕエッチング液及びＴｉエッチング液を用いてエッチングを行い、金属電極２０を完成する。

最後にＤＦＢレーザ１０のｎ型クラッド層１４の裏面を研磨して、常法に従い第２金属電極３２を形成することにより、図２に示したＤＦＢレーザ１０が得られる。

（動作）
続いて、ＤＦＢレーザ１０の動作について説明する。ＤＦＢレーザ１０は、従来のＤＦＢレーザとほぼ同様に、金属電極２０に正電圧及び第２金属電極３２に負電圧を印加すると、金属電極２０には正孔が、第２金属電極３２には電子が注入され、これらは活性層１６に向かって移動する。このようにして移動した電子と正孔とは、活性層１６の中で再結合し、ほぼ禁制帯幅のエネルギーに相当する波長の光を発生し、誘導放出される。この誘導放出光は、回折格子層１８でブラッグ反射されレーザ発振が生じてコヒーレントな光が出力される。

図１で示したように、ＤＦＢレーザ１０の金属電極２０は、櫛歯線密度がλ／４位相シフト部１８ａから離間するほど大きくなるように形成されている。その結果、活性層１６に電圧を印加した際に、従来はλ／４位相シフト部１８ａに印加される電圧が最も高くなっていたが、ＤＦＢレーザ１０では、活性層１６の全域にわたって均一な電界が印加される。よって、λ／４位相シフト部１８ａで生じていたホール・バーニングが抑えられ、レーザ光出力が向上する。

（変形例）
（１）この実施形態では、活性層１６にＩｎＧａＡｓＰの多重量子井戸構造を用いた場合について例示した。しかし、活性層１６として、多重量子井戸構造ではないＩｎＧａＡｓＰバルク品を用いてもよい。

（２）この実施形態では、ＩｎＰをクラッド層として用い、ＩｎＧａＡｓＰを活性層としたＤＦＢレーザについて説明したが、本発明は、λ／４位相シフト部を有するものであれば例えば、ＡｌＧａＡｓ系や、ＰｂＳｎＴｅ系等を材料とした分布帰還型半導体レーザに適用することができる。

（３）この実施形態では、櫛状の金属電極２０を示して説明したが、金属電極は、例えば梯子状であっても構わない。

１０ ＤＦＢレーザ
１０ａ，１０ｂ 端面
１２ ｐ型クラッド層
１２ａ ｐ型クラッド層凸部
１２ｂ ｐ型クラッド層平坦部
１２Ｚ ｐ型クラッド層凸部前駆体
１４ ｎ型クラッド層
１４ａ ｎ型クラッド層凸部
１４ｂ ｎ型クラッド層平坦部
１４ｃ 裏面
１６ 活性層
１８ 回折格子層
１８ａ λ／４位相シフト部
２０ 金属電極
２０_１ａ 第１直線部
２０_１ｂ 第１櫛歯部
２０_２ａ 第２直線部
２０_２ｂ 第２櫛歯部
２０ｃ 接続部
２２ ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２４ 絶縁膜
２６ 電流ブロック層
２６ａ ｐ型ＩｎＰブロック層
２６ｂ ｎ型ＩｎＰブロック層
２８ コンタクト電極
３０ エッチング保護用ＳｉＯ_２膜
３２ 第２金属電極

Claims (2)

1. ｐ型クラッド層とｎ型クラッド層との間に、誘導放出光を生成する活性層と、λ／４位相シフト部を備えた回折格子層とを備えていて、
   前記ｐ型クラッド層上の前記活性層に対応する位置に、該活性層に電流を注入するための金属電極が、前記誘導放出光の光伝播方向に沿って設けられており、
   該金属電極は、
   前記光伝播方向に沿って互いに平行に延在するとともに、互いに電気的に接続された第１及び第２直線部と、
   前記第１直線部から前記第２直線部に向かって突出し、前記光伝播方向に沿って前記λ／４位相シフト部から離間するにつれて、互いの櫛歯の間隔が徐々に狭まっていく、複数の第１櫛歯部と、
   前記第２直線部から、前記第１直線部の順次に隣接する２個の前記第１櫛歯部の間にそれぞれ一本ずつ突出する複数の第２櫛歯部と、
   を備えていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
2. 前記第１及び第２櫛歯部の前記第１及び第２直線部からの突出長さは、前記第１及び第２直線部の間の間隔と等しい長さであることを特徴とする請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ。