JPH01155677A

JPH01155677A - 分布帰還型半導体レーザ素子

Info

Publication number: JPH01155677A
Application number: JP62314374A
Authority: JP
Inventors: Junichi Kinoshita; 順一木下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1987-12-11
Filing date: 1987-12-11
Publication date: 1989-06-19

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は作り付けの回折格子を光フィードバックとして
利用して発振動作を行う分布帰還型半導体レーザ素子に
関する。

（従来の技術）近年、開発が盛んな分布帰還型半導体レーザ素子（ＤＦ
Ｂ−ＣＤ：　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃ
ｋ　Ｌａ５ｅｒＤｉｏｄｅ）は、その共振軸方向に同期
的な凹凸（回折格子）が形成されでおり、その回折格子
の周期に整合した縦モードのみを優先的に光フィードバ
ック（光帰還）を行い、単一縦モード発振（１本の発振
線）を可能としている。従って、このレーザ素子に寄せ
る期待は大きく、特に長距離人容？光通信用光源として
Ｇａ　ＩｎＡｓＰ／　ＴｎＰ系材系材用いた分布帰還型
半導体レーデ素子が実用化されている。

ところで、このような利点をもつ分布帰還型半導体レー
ず素子であるが、製造時において必然的に形成されてし
まう両端の反射端面の影響により単一縦モード性に関し
ては歩留り上の大きな不安がある。

この反射端面と回折格子の位相との位置関係が縦モード
の発振特性に大きな影響を与え実質的に両者の位置関係
の制御が困難であるため、この問題を確率的な問題に帰
着させてしまう。

この問題を解決するために、分布帰還型半導体レーザ素
子の共振器中央部に導波光波長λの１／４に相当する回
折格子の不連続部（λ／４位相シフト領域）を設けると
ともに、その両端面にＡＲコート（無反射コーティング
）を施して両端面の反射率を限りなく零に近づけるよう
に構成されている。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、このような位相シフト型分布帰還型レー
ザ素子においても、結合係数にと共振器長しとの積κＬ
（回折格子による光のフィードバック量に対応する）の
値が１．２５付近にないと軸方向のホールバーニングが
発生し、単一縦モード特性を損うことが指摘されている
（隻田他　電子情報通信学会、光ｍ子エレクトロニクス
研究会０ＱＥ８６−７ρｐ、　４９−５６．１９８１年
）。

また、λ／４位相シフト部は共振器長方向の中央部に正
確に設定する必要があり、さらには両端面を完全無反射
となるようにＡＲコート施さなくてはならず、その製作
工程は極めて複雑であった。

例えばλ／４位相シフト部の製作においては、ポジレジ
ストとネガレジストの両方を用いて回折格子を基板に転
写する方法（宇高他　昭和６０年春季応用物理学会　講
演会　予稿、講演番号２９ｐ−ＺＢ−１５）や、位相マ
スクを通して露光する方法（白崎他、昭和６０年度　電
子通信学会半導体材料部門　全国大会（秋）講演番号３
１１）等が知られている。

このように、従来の分布帰還型半導体レーザ素子では、
その作製において単一縦モード歩留りおよび製作工程が
複雑であるという問題点を有していた。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
で、比較的製作が容易でかつ単一縦モード特性が得られ
、歩留りを極めて高くして製造できる分布帰還型半導体
レーザ素子を提供するものである。

［発明の構成］（問題点を解決するための手段）本発明の分布帰還型半導体レーザ素子は、共振器軸方向
に均一な回折格子と均一な導波路構造を具備し、一方の
端面がほぼ３０％の光パワーの反射率を有している分布
帰還型半導体レーデ素子において、少なくとも他方の端
面の端面反射率を５〜１５％とするとともに結合係数に
と共振器長りとの積κＬの値を０．４≦κＬ≦１．３と
して構成したことを特徴とするものである。

即ち、比較的製作の容易な内部に位相シフト部を持たな
い−様な回折格子および導波路構造を有する分布帰還型
レーザ素子において、その回折格子の深さと共振器長等
に比例する規格化結合係数κＬの範囲と端面の反射率の
範囲を最適化することにより単一縦モード歩留りを大き
くすることができるものである。これらのパラメータは
外観により目立つものではないが、この種のレーザ素子
が反射率とκＬの値等でその特性が決定する意味から、
これらのパラメータの相違は１％　３ｉ７上の大きな違
いとみなすことができる。

（作　用）本発明の特徴は端面の反射率とκＬ値の最適値を決定す
るに際し、レーザ素子内部の光強度分布を考虫した点に
あり、共振器軸方向におりるホールバーニングの現象に
よるモードの不安定性をも考慮している。従来はしきい
値の一番低い縦モード（主モード）と次にしきい値の低
いモード（副モード）とのゲイン差Δα（＝α１−α０
）のみに首目し、その値が大きければ良いとされていた
。従って内部光分布にも着目してより現実に近いものと
し、従来とは異る最適値を見出したことに本発明の特徴
がある。

（実施例）以下、本発明の実施例について図を参照して説明する。

本発明はその原理および作用に重点のある根源的なもの
であるため、それを中心に説明する。

第１図は分布帰還型半導体レーザ素子の発振モード特性
の一例を示す図面である。

横軸原点はブラッグ（Ｂｒａａａ　）条件での発振を示
し、横軸は伝搬定数のブラッグ条件からのずれ（δ＝β
−βｏ１β０はブラッグ条件での伝搬定数）と共振器り
の積でプロットしている。また、縦軸はミラー損失分に
対応するしきい値ゲインαと共振器長しとの積である。

図中の白丸は各縦モードを示し、最低しきい値ゲインα
０を有するのが主モード（単一縦モード発振する）であ
る。

規格化しきい値ゲイン差Δαしは、主モードの規格化し
きい値ゲインαｏＬと次にしきい値ゲインの小さい一１
モードの規格化しきい値ゲインαＩＬとの差である。従
来はこの値が大きければそれだけ単一縦モード性が良い
とされ、規格化結合係数κＬが大きければ大きいほどΔ
αＬが大きくなるため、κＬを大きくすることが望まれ
ていた。

また片端面の反射率を下げることで大きいΔαＬを得る
確率を増やすことが推奨されており、この場合、片面の
反射率は２％程度まで落さなければならないとされてい
た。

しかしながら、前述したように１１発振以後の単−縦モ
ードの安定性はΔαのみによるものではなく、その共振
器軸方向における内部光強度分布の影響を強く受けるこ
とが指摘されており、この現象は軸方向のホールバーニ
ングと呼ばれている。

即ち、共振器側方向で光強度の強い領域があると、その
領域の注入主１１リア密度は他の領域と比較して減少す
る。このキャリア密度の軸方向の分布はプラズマ効果、
バンドギｔ・ツブの変化を通じて軸方向の屈折率分布を
不均一なものとする。分布帰還型レーデ素子の場合は等
価屈折率の変化は光波の位相が回折格子に対して部分的
に変化することを意味し、等測的な位相シフトを形成し
たことになる。このような構造上の変化は、分布帰還型
レーザ素子の発振条件の連続的な変化を誘起する原因と
なる。これが軸方向ホールバーニングと呼ばれるもので
ある。

この変化は、△αが大きければ△αが零になるまで連続
的に発生し続け、外微分ｍ子効率の変化、過渡現象波形
への悪影響、両端面からの光出力の非対称な増減関係等
のリニアではない不都合な現象を示す。△αが零になれ
ば、モードが次の縦モードにジャンプし電流−光出力特
性にも折れ曲り（キンク（Ｋｉｎｋ）　）を生じる。

従って、△αの小さい素子では余裕がないため、発振後
は容易にモードジャンプを起す。しかし、△αが小さく
てもこのボールバーニングが起らなければ単一縦モード
性は保持される。逆にΔαが大きい素子では軸方向ホー
ルバーニングによる電流−光出力特性に強い非直線性を
生じた後にモードジャンプを起こして単一縦モード性が
破壊されることがある。勿論、△αも大きく、内部光強
度分布も平坦で軸方向ホールバーニングが起らなければ
、それが最も好ましい。

このように分布帰還型半導体レーザ素子のレーザ発振後
の振舞いが実験、運命の両面から解明されつつある。

本発明はこのような現状を背景にΔαも大きく、また軸
方向ホールバーニングの彩管も少ない構造パラメータを
求めることにより、実際に安定な単−縦モード動作を実
現する分布帰還型半導体レーザ素子を歩留り良く作製す
ることが可能となる。

本発明の数値的限定は以下のＳＩ算によるものである。

即ち、規格化モードゲイン差△αＬが０．０５以上であ
り、共振器軸方向の光強度分布の最小値と最大値の比Ｆ
Ｒ＝　ｌｍ１ｎ　／　Ｉｍａｘが０．６以上である（Ｆ
Ｒの値が１に近づけば近づくほど、光分布が平坦で軸方
向ホールバーニングも小さい。例えば、へき開面を用い
た通常のファプリーペロー型レーザ素子ではＦＲは約０
．８強である）。

この二つの条件を同時に満足する分布帰還型半導体素子
は、比較的単一縦モード特性に優れているものと考えら
れる。尚、ＦＲの定濃を第２図に例示した。

上記二つの条件を満足するレーザ素子が、任意のへき開
面位相で得られる確立を、κＬの値ａ３よび片面の反射
率の値をパラメータとして等確率線図として表したもの
が、第３図および第４図である。第３図は、もう一方の
端面の反射率が３０％（へき開面）として固定したもの
を示し、第４図は、もう一方の端面の反射率が１０％と
して求めたものを示している。

この計算は結合波動方程式を用いた分布帰還型半導体レ
ーザ素子の基礎的な理論に基づいている。

第３図から片端面がへき開面である場合には０．５〈に
ｌ＜１．０でもう片面の反射率が１０％前後であれば４
０％以上の歩留りでＦＲと△αＬの両方の条件を満す素
子が得られる。

また、両・面の反射率を変化させた場合には、両面の反
射率が共に１０％であるときが最も高い歩留りが得られ
、１．０≦κＬ≦１２で６０％もの伯が１９られる。

このように本発明は理論的に最も単一縦モード性の良い
分布帰還型半導体レーザ素子の構造を定義したものであ
る。

ところで、現実の分布帰還型半導体レーザ素子の製作工
程においてはκＬの値を自在に制御し、また反射端面の
反！ｌ）１率を制御−づることちその精度において限界
がある。しかし、大雑把にはその傾向をみることができ
る。

Ｇａ　ＩｎＡｓＰ／　ＩｎＰ材料を用いた分布帰還型半
導体レーザ素子の両面へき開のものでは、κＬが１を越
えると第３図から甲−縦モード歩留りは落ち、レーザ発
振後、キンクの発生が多発するものがれ“６　！Ｊ：す
るものと予想されるが、視ににし値が１．５以上あると
思われたウェファからはキンクによるブー■ツタアウト
により、その歩留りは数％と極めて低かった。しかしな
がら、κＬが１より僅かに小さいと思われる素子では、
数１０％の歩留りで８ｍＷの光出力までｌ　−Ｌカーブ
にキンクのみられない素子が得られた。

［発明の効果］以上説明したように本発明の分布帰還型半導体レーデ素
子によれば、単一縦モード発振の得られるレー＋７素子
を著しく高歩留りで製作することが可能となる。本発明
は分布帰還型半導体レーデ素子の木質的特性に立脚した
ものであり、レーデ素子のｍ産生を可能とするものであ
る。従って、そのコストダウンと普及に対し大きく貢献
することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、△αＬを説明するためのαＬ−δＬダイアグ
ラム、第２図はＦＲの定義を説明するための分布帰還型
半導体レーザ素子の内部光強度分布の一例を示す図、第
３図は片面の反射率が３０％（へき開面）の場合のもう
一方の端面反ｒＪＪ率（縦軸）とκＬの値（横軸）を変
化さけたとき、△αＬの値が０．０５以上でＦＲ（内部
光強度分布の平坦性を示すパラメータ）が０．１以上で
ある素子の得られる歩留りを等高線表示した図、第４図
は第３図において片端面の反射率を１０％と固定した場
合の等高線表示を示す図である。出願人　　　　　　株式会社　東芝代理人　弁理士　　須　山　佐　− 〈　　　　　　１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）共振器軸方向に均一な回折格子と均一な導波路構
造を具備し、一方の端面がほぼ３０％の光パワーの反射
率を有している分布帰還型半導体レーザ素子において、少なくとも他方の端面の端面反射率を５〜１５％とする
とともに結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬの値を０．
４≦κＬ≦１．３として構成したことを特徴とする分布
帰還型半導体レーザ素子。
（２）他方の端面反射率を５〜１５％とし、このときの
結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬの値を０．４≦κＬ
≦１．０として構成したことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
（３）両端面の反射率を共に５〜１５％とし、このとき
の結合係数κと共振器長Ｌとの積κＬの値を０．６≦κ
Ｌ≦１．３として構成したことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の分布帰還型半導体レーザ素子。