JP6588859B2

JP6588859B2 - 半導体レーザ

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Publication number: JP6588859B2
Application number: JP2016096821A
Authority: JP
Inventors: 硴塚　孝明; 孝明硴塚; 英隆西; 松尾　慎治; 慎治松尾; 拓郎藤井; 浩司武田; 浩一長谷部
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2019-10-09
Anticipated expiration: 2036-05-13
Also published as: JP2017204601A

Description

本発明は、光送信器用光源などに利用される半導体レーザに関する。

インターネットの普及に伴うネットワークトラフィック量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が著しい。半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源デバイスとして発展を続けてきた。特に、分布帰還型(Distributed Feedback：ＤＦＢ)レーザによる単一モード光源の実現は、時分割多重方式、および波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭ）方式による光ファイバ通信の高速化、大容量化に大きく寄与してきた。

近年、光通信はコアネットワークやメトロネットワーク等のテレコム領域に限らず、データセンタ間、ラック間、さらにはボード間の短距離のデータ通信にも適用されている。１００Ｇｂイーサネット（登録商標）は、ＷＤＭ型の多波長アレイ光源の構成を用いて標準化されており、データ通信用の大容量化は急速に進んでいる。

データ通信用途においては、低消費電力化が必須である。低消費電力な変調光源としては、直接変調半導体レーザが有望であり、低消費電力化に向けては、小型化とそれに伴う共振器の適切な高Ｑ値化が設計指針となる。このことから、小型かつ高Ｑ値な共振器を有する半導体レーザが検討されてきた。データ通信用の小型レーザとしては、活性層の上下に周期的な屈折率構造を有する誘電体多層膜からなるブラッグ反射鏡を形成し、素子の表面から光を取り出す面発光レーザ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）が実用化されている。反射率の高い反射鏡を形成し、活性層体積を小さくすることにより、閾値電流が１ｍＡ程度の消費電力の小さいレーザが実現されている。

しかし、ＶＣＳＥＬは結晶成長を用いた反射鏡の膜厚制御により発振波長の制御を行うため、同一基板上に作製したレーザ毎の波長制御が困難であるという課題がある。以上の背景から、モノリシック集積型のアレイ光源を実現するには、導波路型の波長多重変調光源が重要な役割を果たすと期待される。

導波路型のＷＤＭ用光源として代表的なレーザは先述したＤＦＢレーザである（非特許文献１）。単一モード化に向けては、λ／４シフト構造が実用化されてきた。回折格子の位相シフトのパタンは電子ビーム露光等で形成することができ、簡易に単一モード発振を得られるため、これまでＷＤＭシステムを始め、単一モード光源として多く実用化されてきている。この他、短共振器化により５０Ｇｂｉｔ／ｓで高速動作するＤＦＢレーザ（非特許文献２）や、電界変調器を集積したアレイ型光源も報告されている（非特許文献３）。今後はこれらをさらに進展させた、データ通信に適用可能な超小型・低消費電力のレーザの実現が望まれる。

H. SODA and H. IMAI, "Analysis of the Spectrum Behavior Below the Threshold in DFB Lasers", IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.QE-22, no.5, pp.637-641, 1986. W. Kobayashi et al., "50-Gb/s Direct Modulation of a 1.3-μm InGaAlAs-Based DFB Laser With a Ridge Waveguide Structure", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, vol.19, no.4, pp.1500908-1500908, 2013. T. Fujisawa et al., "Ultracompact, 160-Gbit/s transmitter optical subassembly based on 40-Gbit/s × 4 monolithically integrated light source", OPTICS EXPRESS, vol.21, no.1, pp.182-189, 2013. M. Matsuda et al., "1.3-μm-Wavelength AlGaInAs Multiple-Quantum-Well Semi-Insulating Buried-Heterostructure Distributed-Reflector Laser Arrays on Semi-Insulating InP Substrate", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol.21, no.6, 1502307, 2015.

ＤＦＢレーザの更なる小型化に向けては、回折格子の結合係数κの値を増大させて共振器のＱ値を上げることが重要となる。しかし、従来型のλ／４シフトＤＦＢレーザは、Ｑ値を増大させると発振モードが不安定となる課題があった。λ／４シフトＤＦＢレーザにおいては、位相シフト領域がいわゆる欠陥モードとして働くため、回折格子の結合係数を高くすると位相シフト位置付近に光が局在化する。この状態においては、キャリア密度が活性層中央部で減少する、いわゆる空間ホールバーニングが生じる。回折格子内に屈折率分布が発生すると、共振器内のブラッグ波長が不均一化し、モード選択性が著しく低下して発振が不安定になる。

これらの問題を解決して短共振器かつ高Ｑ値を実現するため、ＤＦＢレーザの前後に分布ブラッグ反射（ＤＢＲ）鏡を形成して高反射率を得る、いわゆる分布反射型（ＤＲ）レーザが提案されている（非特許文献４）。以下、図１２Ａ，図１２Ｂ，図１２Ｃ，図１２Ｄに、ＤＢＲ領域とＤＦＢ領域からなるＤＲレーザの構成、動作原理などを説明する。

図１２Ａは、レーザの構成を示す構成図であり、断面を模式的に示している。このレーザは、後側のＤＢＲ領域と、前側のＤＦＢ領域から構成されている。ＤＦＢ領域およびＤＢＲ領域は、各々均一な回折格子を有している。

図１２Ｂは、上記レーザにおける素子内の位置に対する回折格子のバンド図を示す。一般に、活性層内に電流注入を行うと、キャリアプラズマ効果により屈折率が低下する。従って、ＤＦＢ領域のブラッグ波長が短波長化し、ＤＢＲのブラッグ波長に対して短波長側にシフトする。このことにより、ＤＢＲによりＤＦＢの長波長側のストップバンド端のみが選択され、単一モード発振が得られる。

次に、図１２Ｃおよび図１２Ｄを用いて発光スペクトルの概念を説明する。図１２Ｃは、ＤＦＢ領域の発光スペクトルとＤＢＲの反射スペクトルを示す特性図である。図１２Ｃに示すように、ＤＦＢの長波長側のストップバンド発光のみがＤＢＲ反射鏡による帰還を受けるため、図１２Ｄに示すように、ＤＦＢ側のみから、長波長側ストップバンドからの発光を取り出すことができる。このように、ＤＲレーザにおいては光出力の非対称化と、単一モード発振を共に実現することができる。

しかし、従来型のＤＲレーザにおいて安定な単一モード発振を得るためには、ＤＢＲ領域とＤＦＢ領域のブラッグ波長を正確に制御する必要がある。ＤＢＲ領域とＤＦＢ領域の相対的な波長関係は、電流注入に伴うキャリアプラズマ効果や発熱により変化する。また、製造誤差によっても変動する。従って、従来では、ＤＲレーザにおいて安定な単一モード発振を得ることが容易ではないという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＤＲレーザにおける安定な単一モード発振が、容易に実現できるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された第１回折格子と、活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、ｐ型半導体層に接続するｐ型電極とを有する分布帰還活性領域と、活性層に連続して形成されたコア層と、コア層の上に形成された第２回折格子とを有して分布帰還活性領域に連続して配置された分布ブラッグ反射鏡領域とを備え、分布帰還活性領域のブラッグ波長は、中央部分から両端部分にかけて増大または減少し、第１回折格子の周期長は全域で均一とされ、活性層は、導波方向に複数の領域に分割されて隣り合う領域の間に設けられた位相シフト領域を備え、分布帰還活性領域の位相シフト量Δφ _i （ｚ）は、以下の式で示されるように設計されている。

上記半導体レーザの一構成例において、第２回折格子の結合係数が第１回折格子の結合係数よりも高い。

以上説明したことにより、本発明によれば、ＤＲレーザにおける安定な単一モード発振が、容易に実現できるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの斜視図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す断面図である。図１Ｃは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す断面図である。図２Ａは、分布帰還活性領域１３１の活性層１０３（ＤＦＢ）および分布ブラッグ反射鏡領域１３２のコア層１１３（ＤＢＲ）におけるストップバンドの分布を示す説明図である。図２Ｂは、実施の形態１における半導体レーザの発振における分布ブラッグ反射鏡領域１３２（ＤＢＲ）の反射スペクトルおよび分布帰還活性領域１３１（ＤＦＢ）の発光スペクトルを示す特性図である。図２Ｃは、実施の形態１における半導体レーザの発振における分布ブラッグ反射鏡領域１３２（ＤＢＲ）の発光強度および分布帰還活性領域１３１（ＤＦＢ）の発光強度を示す特性図である。図３Ａは、分布帰還活性領域１３１の活性層１０３（ＤＦＢ）および分布ブラッグ反射鏡領域１３２のコア層１１３（ＤＢＲ）における、他の構成におけるストップバンドの分布を示す説明図である。図３Ｂは、実施の形態１における半導体レーザの発振における分布ブラッグ反射鏡領域１３２（ＤＢＲ）の反射スペクトルおよび分布帰還活性領域１３１（ＤＦＢ）の発光スペクトルを示す特性図である。図３Ｃは、実施の形態１における半導体レーザの発振における分布ブラッグ反射鏡領域１３２（ＤＢＲ）の発光強度および分布帰還活性領域１３１（ＤＦＢ）の発光強度を示す特性図である。図４Ａは、分布帰還活性領域１３１の活性層１０３（ＤＦＢ）および分布ブラッグ反射鏡領域１３２のコア層１１３（ＤＢＲ）における、他の構成におけるストップバンドの分布を示す説明図である。図４Ｂは、実施の形態１における半導体レーザの発振における分布ブラッグ反射鏡領域１３２（ＤＢＲ）の反射スペクトルおよび分布帰還活性領域１３１（ＤＦＢ）の発光スペクトルを示す特性図である。図４Ｃは、実施の形態１における半導体レーザの発振における分布ブラッグ反射鏡領域１３２（ＤＢＲ）の発光強度および分布帰還活性領域１３１（ＤＦＢ）の発光強度を示す特性図である。図５は、第１回折格子１２１の構成例を説明するための説明図である。図６Ａは、活性層中央部分よりも活性層両側領域のブラッグ波長が長い、連続的なブラッグ波長分布を示す特性図である。図６Ｂは、図６Ａのブラッグ波長分布を式（２）に従って導出した位相分布の例を示す特性図である。図７は、位相関数を位相シフト量に応じて離散化して活性層を複数領域に分割し、各領域間に位相シフトを設けた状態を示す説明図である。図８Ａは、実施の形態１における半導体レーザの発振モードの閾値利得を示す特性図である。図８Ｂは、実施の形態１における半導体レーザの発振モードと高次モードの閾値利得差を示す特性図である。図８Ｃは、実施の形態１における半導体レーザの発振波長を示す特性図である。図９は、素子分割の他の例を説明するための説明図である。図１０Ａは、本発明の他の実施の形態における半導体レーザの斜視図である。図１０Ｂは、本発明の他の実施の形態における半導体レーザの断面図である。図１０Ｃは、本発明の他の実施の形態における半導体レーザの断面図である。図１１Ａは、本発明の他の実施の形態における半導体レーザの斜視図である。図１１Ｂは、本発明の他の実施の形態における半導体レーザの断面図である。図１１Ｃは、本発明の他の実施の形態における半導体レーザの断面図である。図１２Ａは、従来のＤＲレーザの構成を示す構成図である。図１２Ｂは、図１２Ａに示すＤＲレーザにおける素子内の位置に対する回折格子のバンド図を示す特性図である。図１２Ｃは、図１２Ａに示すＤＲレーザにおけるＤＦＢの発光スペクトルとＤＢＲの反射スペクトルを示す特性図である。図１２Ｄは、図１２Ａに示すＤＲレーザにおけるＤＢＲの発光強度およびＤＦＢの発光強度を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの斜視図である。図１Ｂ，図１Ｃは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す断面図であり、光出射方向に垂直な断面を示している。
この半導体レーザは、分布帰還活性領域１３１と、分布帰還活性領域１３１に連続して配置された分布ブラッグ反射鏡領域１３２とを備える。この半導体レーザは、いわゆるＤＲレーザである。

分布帰還活性領域１３１は、基板１０１の上に形成された活性層１０３と、活性層１０３の上に形成された第１回折格子１２１と、活性層１０３に接して形成されたｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６と、ｎ型半導体層１０５に接続するｎ型電極１０９と、ｐ型半導体層１０６に接続するｐ型電極１１０とを備える。

分布ブラッグ反射鏡領域１３２は、活性層１０３に連続して形成されたコア層１１３と、コア層１１３の上に形成された第２回折格子１２２とを備える。

上記構成とした実施の形態１における半導体レーザは、分布帰還活性領域１３１のブラッグ波長が、中央部分から両端部分にかけて増大または減少しているところに大きな特徴がある。

なお、基板１０１の上には、下部クラッド層１０２が形成され、この上に、活性層１０３が形成されている。コア層１１３も下部クラッド層１０２の上に形成されている。また、活性層１０３は、基板１０１から見て上下の方向に、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂに挾まれている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造が、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６に挾まれている。ｐ型半導体層１０６およびｎ型半導体層１０５は、基板１０１の平面に平行な方向で活性層１０３を挾んで形成されている。

ここでは、半導体層１０４ａの上に接して活性層１０３が形成され、活性層１０３の上に接して半導体層１０４ｂが形成されている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造の側部に接し、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６が形成されている。なお、分布ブラッグ反射鏡領域１３２において、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６は形成していない。

また、ｎ型電極１０９は、ｎ型半導体層１０５にコンタクト層１０７を介して接続し、ｐ型電極１１０は、ｐ型半導体層１０６にコンタクト層１０８を介して接続する。この構成では、活性層１０３には、基板１０１の平面に平行な方向で電流が注入される。なお、分布ブラッグ反射鏡領域１３２において、ｎ型電極１０９およびｐ型電極１１０は形成していない。

また、活性層１０３は、光出射方向に所定の長さで延在し、この延在方向の分布帰還活性領域１３１において、活性層１０３の上に第１回折格子１２１が形成されている。なお、ここでは、半導体層１０４ｂの上面に第１回折格子１２１を形成している。また、このように延在している活性層１０３に連続してコア層１１３が形成されている。第２回折格子１２２は、コア層１１３の上面に形成している。

また、図１Ａでは省略しているが、コンタクト層１０７とコンタクト層１０８との間の半導体層１０４ｂ、ｎ型半導体層１０５、ｐ型半導体層１０６の上面は、絶縁膜１１１により保護されている。また、半導体レーザは、出力端面に、図示しない無反射膜が形成されている。

基板１０１は、例えば、シリコンから構成され、下部クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）から構成されている。また、活性層１０３は、ＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層とバリア層が交互に積層された厚さ１００ｎｍの量子井戸構造とされている。また、活性層１０３は、幅０．８μｍ程度とされている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂを合わせた厚さは、２５０ｎｍとされている。なお、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６も、各々厚さ２５０ｎｍとされている。量子井戸構造とされている活性層１０３の発光波長は、１．５５μｍである。また、第１回折格子１２１は、ブラッグ波長が１．５５μｍとされている。

また、例えば、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂは、アンドープのＩｎＰ（ｉ−ＩｎＰ）から構成されている。また、活性層１０３を挾む、一方のｎ型半導体層１０５は、Ｓｉが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドープされたｎ型のＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）から構成され、他方のｐ型半導体層１０６は、Ｚｎが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドープされたｐ型のＩｎＰ（ｐ−ＩｎＰ）から構成されている。

また、コンタクト層１０７は、Ｓｉが１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度ドープされたｎ型のＩｎＧａＡｓ（ｎ−ＩｎＧａＡｓ）から構成され、コンタクト層１０８は、Ｚｎが１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度ドープされたＩｎＧａＡｓ（ｐ−ＩｎＧａＡｓ）から構成されている。また、絶縁膜１１１は、例えば、ＳｉＯ₂から構成されている。

また、コア層１１３は、アンドープのＩｎＰ（ｉ−ＩｎＰ）から構成され、幅２μｍ程度とされ、厚さは、２５０ｎｍとされている。

例えば、まず、酸化シリコンから構成された下部クラッド層１０２を備える基板（シリコン基板）１０１を用意する。

一方で、ＩｎＰ基板の上に、ＩｎＧａＡｓからなる犠牲層、半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａ，コア層１１３となる化合物半導体の層をエピタキシャル成長させる。例えば、よく知られた有機金属気相成長法により、各層を成長させれば良い。次いで、このエピタキシャル成長した基板の半導体層１０４ａ面と、前述したシリコン基板１０１の酸化シリコン面を公知のウエハ接合技術により直接接合し、この後、ＩｎＰ基板と犠牲層を除去する。次いで、公知のフォトリソグラフィー技術により作成したレジストパタンをマスクとしたウエットエッチングおよびドライエッチングなどにより、成長させた各化合物半導体の層をパターニングし、半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａ，コア層１１３からなるストライプ構造を形成する。

次に、形成した半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａの両脇に、ｎ型のＩｎＰとＩｎＧａＡｓ層、ｐ型のＩｎＰとＩｎＧａＡｓ層を再成長させ、ｎ型半導体層１０５とコンタクト層１０７、およびｐ型半導体層１０６とコンタクト層１０８を形成する。なお、半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａの両脇に、アンドープのＩｎＰとＩｎＧａＡｓを再成長させた後、イオン注入や熱拡散などによりｎ型の不純物、ｐ型の不純物を導入することで、ｎ型半導体層１０５とコンタクト層１０７，ｐ型半導体層１０６とコンタクト層１０８を形成してもよい。

次に、半導体層１０４ｂの表面に、第１回折格子１２１を形成する。例えば、電子ビーム露光によるリソグラフィーで形成したレジストパタンをマスクとし、所定のエッチングによりパターニングすることで、第１回折格子１２１を形成すれば良い。同様に、コア層１１３の表面に第２回折格子１２２を形成する。

次に、形成した第１回折格子１２１を覆うように、絶縁膜１１１を形成する。例えば、よく知られたスパッタ法やプラズマＣＶＤ法などによりＳｉＯ₂を堆積することで、絶縁膜１１１を形成すれば良い。半導体と、誘電体（絶縁体）もしくは空気間の高い屈折率差を用いることで、高い結合係数を有する回折格子を得ることができる。また、コンタクト層１０７の上にｎ型電極１０９を形成し、コンタクト層１０８の上にｐ型電極１１０を形成する。

上述した実施の形態１における半導体レーザによれば、分布帰還活性領域１３１のブラッグ波長を、中央部分から両端部分にかけて増大または減少させるようにしたので、ＤＲレーザにおける安定な単一モード発振が、容易に実現できるようになる。

次に、実施の形態１における半導体レーザについて、図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃを用いてより詳細に説明する。図２Ａは、分布帰還活性領域１３１の活性層１０３（ＤＦＢ）および分布ブラッグ反射鏡領域１３２のコア層１１３（ＤＢＲ）におけるストップバンドの分布を示す説明図である。

前述したように、ＤＦＢの領域（分布帰還活性領域１３１）は、両側のブラッグ波長が中央領域よりも増大しているまたは減少しており、第１回折格子１２１は、変調回折格子となっている。なお、分布ブラッグ反射鏡領域１３２における第２回折格子１２２は、均一回折格子となっている。図２Ａ、図２Ｂ、図２Ｃでは、両側のブラッグ波長が中央領域よりも増大している場合について示している。また、この例では、ＤＢＲのブラッグ波長は、ストップバンド内にＤＦＢの長波長側のバンド端のみが入るように設定している。ＤＦＢ領域においては、ブラッグ波長は波長に対して下に凸となるように分布する。

長波長側のストップバンド端に着目すると、ＤＦＢの中央付近においては、回折格子がなく、かつ両端にＤＦＢ反射層を有する構造と等価であり、欠陥モードを生じる構造となっている。このことにより、長波長側のストップバンド端側で、ＤＦＢ中央付近に光の局在モードが生じ、主モードとして発振する。一方、短波長側のストップバンド端は、実効的に活性長が短くなることから、利得不足によって発振が抑制される。

また、半導体レーザの後段となる部分にＤＢＲを設けることにより、光をＤＦＢ側のみから取り出すことができる。このＤＢＲの反射スペクトルとＤＦＢの発光スペクトルを図２Ｂに示す。ＤＦＢ側の発光スペクトルは、長波長側のストップバンド端のみからの発光となり、さらに後段ＤＢＲは、ＤＦＢの長波長側のストップバンドのみを反射する。このことにより、図２Ｃに示すように、長波長側のみの安定な発振、かつＤＦＢ側からのみの光出力を得ることができる。

また、電流注入による屈折率変化に対する耐性を向上させることも可能である。例えば、後段のＤＢＲの回折格子の結合係数を高くし、ＤＦＢよりもストップバンド幅が広い構成とする、もしくは、ＤＦＢへの電流注入に伴い活性層領域が発熱し、ＤＦＢ領域のブラッグ波長が長波長化した場合を考える。

この場合、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃに示す状態となる。図３Ａは、分布帰還活性領域１３１の活性層１０３（ＤＦＢ）および分布ブラッグ反射鏡領域１３２のコア層１１３（ＤＢＲ）におけるストップバンドの分布を示す説明図である。

図３Ａ，図３Ｂに示すように、ＤＢＲのストップバンド内に、ＤＦＢの両端のストップバンドが入る状況が想定される。しかし、先述した通り、ＤＦＢ領域においては変調回折格子としている第１回折格子１２１の効果によって、長波長側のストップバンド端のみが選択されており、この状態においても図３Ｃに示すように長波長側のみを選択的に発振させることができる。この特徴は、作製誤差によってＤＦＢとＤＢＲの波長ずれが生じた際にも有効に機能するため、レーザの歩留り向上に寄与することは明らかである。

上述では、両側のブラッグ波長を中央領域よりも増大させた場合について示したが、両側のブラッグ波長を中央領域よりも減少させてもよい。この場合について、図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃを用いて説明する。図４Ａは、分布帰還活性領域１３１の活性層１０３（ＤＦＢ）および分布ブラッグ反射鏡領域１３２のコア層１１３（ＤＢＲ）におけるストップバンドの分布を示す説明図である。

また、この例では、ＤＢＲのブラッグ波長は、ストップバンド内にＤＦＢの短波長側のバンド端のみが入るように設定している。ＤＦＢ領域においては、ブラッグ波長は波長に対して上に凸となるように分布する。

この構成におけるレーザ発振モードは、先述と同様の原理により、短波長側のストップバンド端でＤＦＢ中央付近に光の局在モードが生じ、主モードとして発振する。一方、長波長側のストップバンド端の発振は抑制される。

さらに、ＤＦＢに連続してＤＢＲを設けることによって光をＤＦＢ側のみから取り出すことができる。この構成におけるＤＢＲの透過スペクトルとＤＦＢの発光スペクトルを図４Ｂに示す。ＤＦＢ側の発光スペクトルは短波長側のストップバンド端のみからの発光となり、さらに後段ＤＢＲは、ＤＦＢの短波長側のストップバンドのみを反射する。このことにより、図４Ｃに示すように、短波長側のみの安定な発振、かつＤＦＢ側からのみの光出力を得ることができる。ＤＦＢとＤＢＲの波長ずれに対する耐性向上の効果も先述の場合と同様である。

次に、第１回折格子１２１の構成例について、図５を用いて説明する。第１回折格子１２１の周期は、全領域にわたり均一周期Λで形成し、５つの領域に分割する。領域長は、各々２２μｍ、１２μｍ、１２μｍ、１２μｍ、２２μｍとする。また、各領域間には、０．２πの位相シフト（位相シフト領域）を設ける。

次に、領域分割および位相シフトの構成方法について図６Ａ，図６Ｂを用いて詳細に説明する。図６Ａは、活性層中央部分よりも活性層両側領域のブラッグ波長が長い、連続的なブラッグ波長分布である。ブラッグ波長λ_bは、実効屈折率ｎ_eq、位相φ_i、位置の関数ｚを用いて、以下の式（１）のように表される。従って、素子内の位相分布を以下の式（２）で示されるように設計すれば、所望のブラッグ波長分布が得られる。

図６Ｂは、図６Ａのブラッグ波長分布を式（２）に従って導出した位相分布の例である。図５を用いて説明した第１回折格子１２１の構成例は、ブラッグ波長の変調幅が４ｎｍ、放物線形状のブラッグ波長分布関数に対応する。実際の素子の作製にあたっては、連続的な位相シフトを行わなくとも、素子を領域分割して離散的に位相シフトを挿入することで所望の位相分布を作製することができる。具体的には、図７に示すように、位相関数を位相シフト量に応じて離散化し、活性層を複数領域に分割して、各領域間に位相シフトを設ければよい。この構成は、位相シフト量を０．２πで離散化した例である。

また、ここではＤＦＢの両側のブラッグ波長を中央部に対して長波長化した場合（ブラッグ波長を中央部分から両端部分にかけて増大させた場合）の例を示したが、ＤＦＢの両側のブラッグ波長を中央部に対して短波長化した場合（ブラッグ波長を中央部分から両端部分にかけて減少させた場合）も同様に構成できる。

次に、図８Ａ，図８Ｂ，図８Ｃを用いて実施の形態１における半導体レーザによる効果について説明する。実施の形態１における半導体レーザ（図中「本発明」）と、ＤＦＢにおける回折格子を均一としたＤＲレーザ（図中「均一回折格子」）とについて、ＤＢＲとＤＦＢのブラッグ波長差に対する発振モードの安定性を比較した。

回折格子の結合係数は、ＤＢＲ（第２回折格子）およびＤＦＢ（第１回折格子）共に６００ｃｍ^-1である。ＤＦＢのブラッグ波長は１．５５μｍであり、ＤＢＲのブラッグ波長を１．５５μｍから１．５９μｍまで変化させた。図８Ａは発振モードの閾値利得を示し、図８Ｂは、発振モードと高次モード間の閾値利得差を示し、図８Ｃは、発振波長を示す。

閾値利得を比較すると、本発明の効果により、閾値利得の低下が得られている。また、閾値利得差を比較すると、均一回折格子構造の場合は、波長ずれ量が０ｎｍ、あるいは２５ｎｍ以上になると閾値利得差がゼロとなり、モード跳びが生じる可能性がある。一方で、本発明の構造においては、波長ずれが４０ｎｍになっても、十分な閾値利得差が得られており、発振波長も極めて安定している。このように、本発明によって、低消費電力、かつ、安定な単一モード発振可能なレーザを実現することができる。分布帰還活性領域における第１回折格子の最適なブラッグ波長の変調幅は、要求特性に応じて自由に設計可能である。特に、片側ストップバンドにおける波長選択性は、第１回折格子に変調を入れさえすれば効果を得ることができる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、ブラッグ波長分布を位相シフトにより形成したが、ブラッグ波長分布形成は、他の回折格子構造でも可能である。回折格子のブラッグ波長は、回折格子の周期長（一周期分の長さ）により規定できる。従って、回折格子の周期長を所望のブラッグ波長分布に応じて変えればよい。例えば、活性層両側のブラッグ波長を長波長化するためには、活性層両端における第１回折格子の周期長を活性層中央よりも広くすればよい。一方、活性層両側のブラッグ波長を短波長化するためには、活性層両端における第１回折格子の周期長を活性層中央よりも狭くすればよい。また、周期長は連続的に変えていくことが理想的であるが、離散的でもよい。

図９に素子分割の例を示す。実施の形態１と同様の導波路構造を用いる。素子は複数の均一周期長回折格子からなる領域に分割する。導波方向に分割する。分割した領域毎に、ブラッグ波長を離散的に変化させている。この構成を用いても、所望のブラッグ波長分布を得ることができ、前述した実施の形態１と同様に、安定な単一モード発振を得ることができる。

以上に説明したように、本発明では、分布帰還活性領域と、分布帰還活性領域に連続して配置された分布ブラッグ反射鏡領域を備える半導体レーザ（ＤＲレーザ）において、分布帰還活性領域のブラッグ波長は、分布帰還活性領域の中央部分から両端部分にかけて増大するまたは減少する構成とした。この結果、本発明によれば、ＤＲレーザにおける安定な単一モード発振が、容易に実現できるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

例えば、上述では、回折格子の形状が矩形である場合を示したが、回折格子の形状は台形やサイン関数などの他の形状でも構わない。

また、本発明は、次に示す構成の半導体レーザに適用することもできる。図１０Ａの斜視図、図１０Ｂ，図１０Ｃの断面図に示すように、分布帰還活性領域２３１と、分布帰還活性領域２３１に連続して配置された分布ブラッグ反射鏡領域２３２とを備えるようにしてもよい。図１０Ｂは、分布帰還活性領域２３１の断面を示し、図１０Ｃは、分布ブラッグ反射鏡領域２３２の断面を示している。

分布帰還活性領域２３１は、基板２０１の上に形成された活性層２０３と、活性層２０３の上に形成された第１回折格子２２１と、活性層２０３に接して形成されたｎ型半導体層２０５およびｐ型半導体層２０６と、ｎ型半導体層２０５に接続するｎ型電極２０９と、ｐ型半導体層２０６に接続するｐ型電極２１０とを備える。分布帰還活性領域２３１のブラッグ波長が、中央部分から両端部分にかけて増大または減少している。

分布ブラッグ反射鏡領域２３２は、活性層２０３に連続して形成されたコア層２１３と、コア層２１３の上に形成された第２回折格子２２２とを備える。

この半導体レーザは、例えば鉄をドープすることで高抵抗とした半絶縁性のＩｎＰからなる基板２０１の上に形成されている。活性層２０３は、基板２０１から見て上下の方向に、キャリア分離閉じ込め層２０２ａ，２０２ｂに挾まれている。また、これらは、基板２０１から見て上下の方向に、半導体層２０４ａ，半導体層２０４ｂに挾まれている。

また、半導体層２０４ａ，キャリア分離閉じ込め層２０２ａ，活性層２０３，キャリア分離閉じ込め層２０２ｂ，半導体層２０４ｂの積層構造が、ｎ型半導体層２０５およびｐ型半導体層２０６に挾まれている。ｐ型半導体層２０６およびｎ型半導体層２０５は、基板２０１の平面に平行な方向で活性層２０３を挾んで形成されている。なお、分布ブラッグ反射鏡領域２３２において、ｎ型半導体層２０５およびｐ型半導体層２０６は形成していない。分布ブラッグ反射鏡領域２３２においては、例えば、基板２０１の上に再成長したアンドープのＩｎＰの層２０１ａによりコア層２１３が埋め込まれている。

また、ｎ型電極２０９は、ｎ型半導体層２０５にコンタクト層２０７を介して接続し、ｐ型電極２１０は、ｐ型半導体層２０６にコンタクト層２０８を介して接続する。この構成では、活性層２０３には、基板２０１の平面に平行な方向で電流が注入される。なお、分布ブラッグ反射鏡領域２３２において、ｎ型電極２０９およびｐ型電極２１０は形成していない。

また、活性層２０３は、光出射方向に所定の長さで延在し、この延在方向の共振器領域２３１において、活性層２０３の上に第１回折格子２２１が形成されている。半導体層２０４ｂの上面に第１回折格子２２１を形成している。また、このように延在している活性層２０３に連続してコア層２１３が形成されている。第２回折格子２２２は、コア層２１３を埋め込んでいるＩｎＰの層のコア層２１３上部の上面に形成している。

また、図１０Ａでは省略しているが、コンタクト層２０７とコンタクト層２０８との間の半導体層２０４ｂ、ｎ型半導体層２０５、ｐ型半導体層２０６の上面は、絶縁膜２１１により保護されている。

活性層２０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰからなる井戸層とバリア層が交互に積層された厚さ２２０ｎｍの量子井戸構造とされている。また、活性層２０３は、幅０．８μｍ程度とされている。活性層２０３（量子井戸層）の発光波長は１．５５μｍである。また、キャリア分離閉じ込め層２０２ａ，２０２ｂは、バンドギャップ波長１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰから構成され、厚さ１３０ｎｍ程度とされている。

また、例えば、半導体層２０４ａ，半導体層２０４ｂは、アンドープのＩｎＰから構成され、ｎ型半導体層２０５は、Ｓｉが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドープされたｎ型のＩｎＰから構成され、ｐ型半導体層２０６は、Ｚｎが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドープされたｐ型のＩｎＰから構成されている。

また、コンタクト層２０７は、Ｓｉが１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度ドープされたｎ型のＩｎＧａＡｓから構成され、コンタクト層２０８は、Ｚｎが１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度ドープされたＩｎＧａＡｓから構成されている。また、絶縁膜２１１は、例えば、ＳｉＯ₂から構成されている。また、半導体レーザは、レーザ出射端面に、図示しない無反射膜が形成されている。

この半導体レーザに、本発明の構成を提供することによっても、安定な単一モード発振が、容易に実現できる。

また、図１１Ａ，図１１Ｂ，図１１Ｃに示す垂直方向電流注入型の埋め込み型レーザに、本発明の構成を提供することによっても、安定な単一モード発振が、容易に実現できる。図１１Ａは、半導体レーザの構成を示す斜視図、図１１Ｂ，図１１Ｃは、半導体レーザの構成を示す断面図である。

このレーザは、分布帰還活性領域３３１と、分布帰還活性領域３３１に連続して配置された分布ブラッグ反射鏡領域３３２とを備える。図１１Ｂは、分布帰還活性領域３３１の断面を示し、図１１Ｃは、分布ブラッグ反射鏡領域３３２の断面を示している。

分布帰還活性領域３３１は、ｎ型のＩｎＰからなる基板３０１の上に形成されたｎ型ＩｎＰからなるクラッド層３０２と、この上に形成された活性層３０３と、活性層３０３の上に形成された第１回折格子３２１とを備える。活性層３０３は、光出射方向に延在するストライプ状に形成されている。また、活性層３０３の両脇は、高抵抗なＩｎＰからなる電流阻止層３０６に埋め込まれている。また、活性層３０３の上には、ｐ型のＩｎＰからなるクラッド層３０４が形成されている。第１回折格子３２１は、活性層３０３とクラッド層３０４との間に形成されている。

また、クラッド層３０４の上には、ｐ型のＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層３０５が形成され、コンタクト層３０５の上には、ＳｉＯ₂からなる絶縁膜３０７が形成されている。また、絶縁膜３０７の開口部でコンタクト層３０５に接続するｐ型電極３１１が形成され、基板３０１の裏面には、ｎ型電極３１２が形成されている。分布帰還活性領域３３１のブラッグ波長が、中央部分から両端部分にかけて増大または減少している。

分布ブラッグ反射鏡領域３３２は、活性層３０３に連続して形成されたコア層３１３と、コア層３１３の上に形成された第２回折格子３２２とを備える。コア層３１３も、光出射方向に延在するストライプ状に形成されている。また、コア層３１３の両脇も、電流阻止層３０６に埋め込まれている。また、コア層３１３の上にも、クラッド層３０４が形成されている。第２回折格子３２２は、コア層３１３とクラッド層３０４との間に形成されている。

この構成では、活性層３０３には、基板３０１の平面に垂直な方向で電流が注入される。なお、分布ブラッグ反射鏡領域３３２において、ｐ型電極３１１は形成していない。この半導体レーザに、本発明の構成を提供することによっても、安定な単一モード発振が、容易に実現できる。

また、上述では、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体を用いたが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系やＧａＡｓ系など、他の化合物半導体材料を用いることもできることは言うまでも無い。

１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…活性層、１０４ａ…半導体層、１０４ｂ…半導体層、１０５…ｎ型半導体層、１０６…ｐ型半導体層、１０７…コンタクト層、１０８…コンタクト層、１０９…ｎ型電極、１１０…ｐ型電極、１１１…絶縁膜、１１３…コア層、１２１…第１回折格子、１２２…第２回折格子、１３１…分布帰還活性領域、１３２…分布ブラッグ反射鏡領域。

Claims

基板の上に形成された活性層と、
前記活性層の上に形成された第１回折格子と、
前記活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
前記ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、
前記ｐ型半導体層に接続するｐ型電極と
を有する分布帰還活性領域と、
前記活性層に連続して形成されたコア層と、
前記コア層の上に形成された第２回折格子と
を有して前記分布帰還活性領域に連続して配置された分布ブラッグ反射鏡領域と
を備え、
前記分布帰還活性領域のブラッグ波長は、中央部分から両端部分にかけて増大または減少し、
前記第１回折格子の周期長は全域で均一とされ、
前記活性層は、導波方向に複数の領域に分割されて隣り合う前記領域の間に設けられた位相シフト領域を備え、
前記分布帰還活性領域の位相シフト量Δφ _i （ｚ）は、以下の式で示されるように設計されていることを特徴とする半導体レーザ。
請求項１記載の半導体レーザにおいて、
前記第２回折格子の結合係数が前記第１回折格子の結合係数よりも高いことを特徴とする半導体レーザ。