JPH0240984A - 半導体分布帰還型レーザ装置 - Google Patents

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】 （産業上の利用分野） 本発明は、電子・正孔の再結合により誘導放出光を発生
させる活性半導体層に回折格子により光分布帰還を施し
た半導体分布帰還型レーザ装置に関し、特に、単一波長
の誘導放出光が安定に得られるようにしたものである。

（従来の技術） 活性層の近傍に内蔵した回折格子により活性層に光の分
布帰還を施して誘導放出光を発生させるこの種半導体分
布帰還型レーザ装置は、一般に、比較的簡単な構成によ
り優れた発振スペクトル特性の誘導放出光が得られるの
で、従来より幾多の研究開発が進められており、長距離
大容量光通信、光情報処理・記録、光応用計測等に用い
るに好適な光源装置としてその有用性が期待されている
。

しかしながら、従来のこの種半導体分布帰還型レーザ装
置については、活性層を透明なヘテロ接合半導体層等に
より囲繞して効率よく誘導放出光を発生させる光導波路
構造を採り、活性層に極く近接した透明な導波路層の一
方の界面に例えば鋸歯状断面形状の回折格子を形成して
透明導波路層の屈折率を周期的に変化させることによる
光分布帰還を活性層に施す方向の研究開発が専ら進めら
れているが、かかる構成の屈折率結合による光分布帰還
においては、光導波路層の層厚変化の周期に対応した反
射が行なわれるプラグ波長の光に対しては光位相につい
ての適正な帰還が行なわれないために安定なレーザ発振
が得られず、プラグ波長から上下に対称に離隔した二つ
の波長の縦モード発振が同時に生ずる可能性が高い。ま
た、かかる二つの波長の縦モード発振のうちの一方のみ
が生ずる場合にも、二つの波長のうちのいずれの波長の
縦モード発振を行なわせるかを予め選定することが困難
であるために、発振波長設定の精度が著しく損なわれる
ことになる。

（発明が解決しようとする課題） したがって、従来のこの種半導体分布帰還型レーザ装置
については、上述した先導波路層における屈折率の周期
的摂動に基づ（屈折率結合による光分布帰還に原理的に
付随して避は難い二波長縦モード発振縮重の問題を解消
して完全に単一波長の紺モード発振が得られるようにす
る手段が従来種々検討されているが、それら従来の縮重
解消手段は、例えば区波長移相手段など、いずれも、レ
ーザ装置の構成を複雑化し、縮重解消のためのみの製造
工程を付加する必要があったので、構成を特に複雑化す
ることなく完全に単一波長の縦モード発振が安定に得ら
れるようにするのが、この種半導体分布帰還型レーザ装
置について解決すべき従来の課題であった。

（課題を解決するための手段） 一方、分布帰還型レーザ装置一般について、上述のよう
に屈折率結合により光分布帰還を行なった場合にはプラ
グ波長領域に発振阻止帯が生するも、光損失を伴う損失
係数もしくは利得係数の周期的摂動に基づ（利得結合に
より光分布帰還を行なえば、かかる発振阻止帯の出現を
抑えて完全に単一波長の樅モード発振が得られる筈とい
う理論が、コゲルニク他「分布帰還レーザの結合波理論
（Ｃｏ、ｕｐｌｅｄ　　−Ｗａｖｅ　Ｔｈｅｏｒｙ　ｏ
ｆ　Ｄｉｓ−ｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ　Ｌａ
５ｅｒｓ）　」Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ
　Ｐｈｙｓｉｃｓ。

１９７２年、第４３巻、第２３２７頁乃至第２３３５頁
によって知られているが、従来の半導体分布帰還型レー
ザ装置の研究開発においては、全く顧みられていなかっ
た。

本発明の目的は、従来顧みられなかったコゲルニク他の
いうところの利得結合に着目し、この利得結合を半導体
レーザ装置に適用して具体化し、装置の構成を複雑化す
ることなく、完全に単一の樅モードによる発振がプラグ
波長上に得られる半導体分布帰還型レーザ装置を提供す
ることにある。

かかる目的を達成するために、本発明による半導体分布
帰還型レーザ装置は、 （ａ）ｆ、ｆＨ誘導放出光発生させる活性層のいずれか
の側に極く近接して禁制帯幅が活性層とほぼ等しいかよ
り小さい不透明層を設け、その不透明層のいずれかの界
面に回折格子を形成した第１の構成（Ｅｌ）　誘導放出
光を発生させる活性層を内包するレーザストライプ領域
の側方に接する両外側領域に、活性層に極く近接して禁
制帯幅が活性層とほぼ等しいかより小さい不透明層をそ
れぞれ設け、それらの不透明層のいずれかの界面に回折
格子をそれぞれ形成した第２の構成 などの構成とする。

すなわち、本発明半導体分布帰還型レーザ装置は、誘導
放出光を発生させる活性層の近傍に、精々当該活性層の
禁制帯幅にほぼ等しいかより小さい大きさの禁制帯幅を
有する半導体材料よりなる不透明層を設け、その不透明
層の一方の面に回折格子を形成し、当該不透明層の利得
係数および損失係数の少なくとも一方の前記回折格子に
よる周期的摂動に基づき、前記活性層に光分布帰還を施
して誘導放出光を発生させるようにしたことを特徴とす
るものである。

（作　用） したがって、本発明半導体分布帰還型レーザ装置におい
ては、例えば、上述した第１の構成とした場合には、半
導体レーザ共振器の軸方向に伝搬する光波の電磁界が、
活性層内のみならず、活性層の上もしくは下にも存在し
て回折格子を形成した不透明層にも及んでいるために、
共振器軸方向に伝搬する光波に対する正味の損失係数お
よび利得係数の少なくとも一方が回折格子の周期に一致
した周期で変化することになり、いわゆる利得結合によ
る分布帰還が実現され、また、例えば上述した第２の構
成とした場合には、半導体共振器の軸方向に伝搬する光
波の電磁界が、レーザストライプ領域内のみならず、そ
の両側方にそれぞれ接する外側領域内の回折格子を形成
した不透明層にも及んでいるために、共振器軸方向に伝
搬する光波が不透明層における損失係数の回折格子周期
の変化に感応して共振器軸方向における正味の損失係数
および利得係数の少なくとも一方の周期的摂動が生ずる
ことになり、同様に利得結合による分布帰還が実現され
る。

（実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

まず、上述した第１の構成（ａ）による本発明レーザ装
置の構成例を第１図に示す。図示の構成においては、高
濃度ｎ型砒化ガリウム（ｎ”−ＧａＡｓ）基板１３上に
ダブルへテロ接合構造の半導体レーザ素子の各層をエピ
タキシャル炉により２段階に分けて連続的に液相成長さ
せる。すなわち基板ｌａ上に、例えば、１μｍ厚のｎ型
砒化アルミニウムガリウム（ｎ　−Ａ　ｌ　ｏ、　ｘｓ
Ｇａｏ、　ｈ、八Ｓ）クラ・ンド層２ａ、０．２ｇｍ厚
の不純物無添加砒化ガリウム（ＧａＡｓ）活性層３ａ、
０．１　μｍ厚のｐ型砒化アルミニウムガリウム（ｐＡ
　１　ｏ、　３ｏＧａｏ、　？０ＡＳ）キャリヤ閉込め
層４および０、１５　ｕ　ｍ厚のＰ型砒化ガリウム（ｐ
　−ＧａＡｓ）不透明層５ａを順次に連続して液相エピ
タキシャル成長させ、かかる成長相の最上層たる不透明
層５ａに、干渉露光法および反応性イオンエツチング法
を適用して例えば周期２５５ｎｍの回折格子６を印刻す
る。

ついで、かかる回折格子６を印刻した不透明層５ａ上に
、０．９μｍｎ厚のｐ型砒化アルミニウムガリウム（ｐ
−八ｌ　ｏ、　ｚｓＧａｏ、　６５八Ｓ）クラ・ンド層
７ａおよび０．３μｍ厚の高濃度ρ型砒化ガリウム（ｐ
”−ＧａＡｓ）コンタクト層８ａを順次に連続して液相
エピタキシャル成長させてダブルへテロ接合構造を完成
させ、ついで、二酸化硅素（Ｓｉ（ｈ）絶縁層１１をｐ
型コンタクト層８ａの上面に堆積して、例えば幅約１０
μｍのストライプ状窓を形成し、ついで、正側金・亜鉛
（Ａｕ−Ｚｎ）電極層１０ａを全面に蒸着し、さらに、
ｎ型基板１ａの下面に負側金・ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇ
ｅ）電極層９ａを蒸着する。ついで、かかる構成の半導
体ブロックを所要寸法に襞間して個々の半導体レーザ素
子に切断し、襞間端面の一方を摩滅粗面化して不所望の
ファブリペローモード発振を抑圧し、光分布帰還による
所要の縦モード発振のみを行なう半導体レーザ素子を完
成する。

したがって、第１図示の構成例においては、活性層３ａ
と同一組成の半導体材料よりなる不透明層５ａの一方の
界面に印刻した回折格子による不透明層５ａの厚さの周
期的変化に応じた不透明層５ａにおける光吸収による損
失係数の変化、あるいは、ダブルへテロ接合に対する電
圧印加により光増幅が行なわれる場合にはその利得係数
から不透明層の光吸収による損失係数を差引いた正味の
利得係数および／または損失係数の変化が得られ、かか
る利得・損失係数の摂動に基づく光分布帰還により不透
明層の層厚変化の周期に対応したプラグ波長で単一モー
ド発振が得られることになる。

上述した第１図示の構成による本発明半導体分布帰還型
レーザ装置の発光スペクトル特性の実測結果の例を第２
図に示す。図示の発光スペクトル特性は温度１０°Ｃで
閾値電流Ｉ　ｔｈ＝１９５　ｍＡとなった第１図の構成
の試作レーザ装置について励起電流を１９０ｍ八、２へ
０ｍ八および２１０ｍ八と順次に増大させたときにそれ
ぞれ得られるスペクトルの波長分布特性ａ、ｂおよびＣ
を模式的に示したものである。

しかして、従来のこの種半導体分布帰還型レーザ装置に
おいては、前述したように、透明な導波路層に回折格子
を形成して得られる屈折率結合により分布帰還を行なっ
ているがために、第６図に示すように、その発振出カス
ベクトル中には、発振モードが存在しない阻止帯がプラ
グ波長を中心とした光波長領域に生ずるとともに、その
上下両側に対称に位置する二つの縦モードの双方もしく
はいずれか一方が実際に発振する。したがって、従来の
この種のレーザ装置について得られるスペクトル特性は
、かかる二つの縦モードのいずれを主発振モードとして
も、その主モード発振波長に対して上下非対称のスペク
トル特性となる。

一方、本発明レーザ装置について得られた第２図示のス
ペクトル特性における発振闇値近傍の励起電流１９０ｍ
Ａで得られたスペクトル特性ａに注目すると、第６図に
示したようなプラグ波長中心の阻止帯は現れておらず、
しかも、スペクトル特性の形状が主モード発振波長８７
８ｎｍに対して上下対称になっていることが判る。かか
るスペクトル特性が得られたことは、第１図示の構成に
よる本発明半導体分布帰還型レーザ装置においては、不
透明層に回折格子を形成して利得・損失係数の周期的摂
動を生じさせたことにより、前述したコゲルニク他の結
合波理論のとおりに、屈折率結合より利得結合が支配的
になった分布帰還が行なわれていることの証拠である。

したがって、本発明半導体分布帰還型レーザ装置におい
て発振闇値近傍の励起電流により発振に到達し得る縦モ
ードは第２図示のスペクトル特性の中央に位置する唯一
の主モードのみ・しか存在せず、コゲルニク他の結合波
理論どおりの発振縦モードの完全単一化が実現されてい
ることになる。

なお、本発明レーザ装置においても、励起電流の注入量
をその闇値から増大させるにつれて、第２図示のスペク
トル特性Ｃに見られるように、主モード発振スペクトル
の近傍に副次的な発振モードのスペクトルが現れて来る
が、励起電流の増大に伴って生ずるかかる副次的発振モ
ードは、いずれも、高次の水平横モードであり、したが
って、要すれば、従来周知慣用の横モード制御機構の導
入により、かかる副次的発振モードの発生を抑圧するこ
ともできる。

つぎに、第１図示の構成による本発明半導体分布帰還型
レーザ装置における発振波長および闇値電流の温度依存
特性の例を第３図にそれぞれ示す。

図示の温度依存特性は、半導体レーザ装置の温度上昇を
抑えるために装置を取付ける熱伝導率の大きい材料から
なるヒートシンクの温度変化に対する発振波長および闇
値電流の変化の実測結果の例を示したものである。図示
の温度依存特性から判るように、本発明レーザ装置にお
いては、５０度を超える温度変化によってもいわゆるモ
ード跳びを起さず、同−縦モードで動作し、発振波長、
闇値電流ともに連続的に円滑に変化しており、かかる温
度依存特性は、従来のこの種半導体分布帰還型レーザ装
置と比較しても遜色なく、したがって、半導体レーザ装
置の先導波路構造内に光損失を伴う不透明要素を導入し
ても、その不透明要素を介する利得結合により、従来の
屈折率結合によると同等の、十分な分布帰還の作用効果
が得られることは明らかである。

つぎに、前述した第２の構成（ｂ）によるレーザ装置の
構成例を第４図に示す。図示の構成においては、まず、
高濃度ｐ型砒化ガリウム（ｐ　”−ＧａＡｓ）基板ｌｂ
上に、アルミニウム置換組成比０．０５の高濃度ｎ型砒
化アルミニウムガリウム（ｎ　”−Ａ　（ｌ　ｏ、。。

Ｇａｏ、　ｑｓＡｓ）電流阻止兼水平横モード制御層５
ｂを液相エピキタシャル成長させ、ついで、その成長層
５ｂに、基板１ｂにまで達する深さの、例えば幅３μｍ
のストライプ溝１２を湿式化学エツチングによって形成
するとともに、ストライプ溝１２の両側に残存した表面
に、干渉露光法および反応性イオンエツチング法を適用
して例えば周期２２５ｎｍの回折格子６を印刻する。つ
いで、かかるストライプ溝１２および回折格子６を形成
した成長層５ｂ上に、さらに、ｐ型砒化アルミニウムガ
リウム（ｐ−八ｌ　ｏ、　ａｓＧａｏ、　５ｓＡｓ）ク
ラッド層２ｂ、アルミニウム置換組成比０．１２の不純
物無添加砒化アルミニウムガリウム（Ａｆｏ、＋ｚＧａ
ｏ、　ａｓＡｓ）活性層３ｂ、　ｎ型砒化アル、ミニラ
ムガリウム（ｎ−Ａｊ２ｏ。ａ、Ｇａｏ、　ａｓＡｓ）
クラッド層７ｂおよび高濃度ｎ型砒化ガリウム（ｎ　”
−ＧａＡｓ）コンタクト層８ｂを連続して順次に液相エ
ピタキシャル成長させる。ついで、最後に、ｎ型コンタ
クト層８ｂの上面に負側金・ゲルマニウム（Ａｕ−Ｇｅ
）電極層９ｂを蒸着するとともに、ｐ型基板１ｂの下面
に正側金・亜鉛（Ａｕ−Ｚｎ）電極層ｔａｂを蒸着した
うえで、かかる構成の半導体ブロックを所要寸法に襞間
して個々の半導体レーザ素子に切断する。

上述した第４図示の構成による本発明半導体分布帰還型
レーザ装置においては、高濃度ｎ型の電流阻止兼水平横
モード制御１ｓｂの組成は、活性層３ｂの組成に類似し
てはいるが、アルミニウム置換組成比が活性層３ｂの０
．１２に比して０６０５と格段に小さく、したがって、
禁制帯幅が活性層３ｂの禁制帯幅より格段に小さく、不
透明層として作用し、活性層３ｂで発生した誘導放出光
に対して強い吸収性を呈する。その結果、ストライプ溝
１２の両外側領域においては、かかる不透明層によって
レーザ発振が抑制されて、水平横モードは基本モードの
みに制御されるが、ストライプ溝領域で発生した誘導放
出光の電磁界はその両外側領域に滲み出してエバネセン
ト界を形成しており、したがって、回折格子の印刻によ
って厚さが周期的に変化する不透明層５ｂの層厚に応じ
てストライプ溝領域近傍における光損失量が変化するこ
とになり、かかる損失と電流励起による利得とを差引き
した正味の利得係数および損失係数の少なくとも一方が
周期的に摂動していわゆるプラグ反射による分布帰還が
行われることになる。

上述した第４図示の構成による本発明半導体レーザ装置
における闇値近傍の励起電流による発光スペクトル温度
依存特性の実測結果の例を第５図に示す。図示の温度依
存特性は、第２図示と同様の発光スペクトル特性を、ヒ
ートシンクの温度を０°Ｃから４５°Ｃまで変化させて
繰返し測定したものであり、各温度におけるスペクトル
特性は、第２図示のスペクトル特性と同様に、明確な阻
止帯は見られないにも拘らず、４５度もの広い温度範囲
に亘って同−縦モード発振が行われていることを示して
おり、したがって、第４図示の構成例においても、コゲ
ルニク他の結合波理論どおりの利得結合による分布帰還
が行なわれているものと見ることができる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明による半導体分
布帰還型レーザ装置においては、従来の半導体分布帰還
型レーザ装置とは異なり、完全に単一の波長の縦モード
発振が行なわれ、従来装置におけるような発振波長の不
確定性も見られない。

もっとも、従来の半導体分布帰還型レーザ装置について
も完全単一縦モード化は可能であるが、いずれも半導体
レーザ装置の構成が複雑化してその製作工程数が増大す
るのに対し、本発明の半導体レーザ装置においては、従
来の製作工程をはとんど複雑化することなく、簡単に完
全単一縦モード化を実現することができる。

また、本発明レーザ装置においては、利得結合によって
光分布帰還を達成しているので、反射戻り光などによっ
て誘起される干渉性ノイズは、生したとしても、従来の
屈折率結合による場合に比して格段に小さくなることが
期待される。

したがって、本発明半導体分布帰還型レーザ装置は、長
距離光通信用、波長多重光通信用などに必要な高性能光
源として有望であるばかりでなく、光情報の処理・記録
や光応用計測などの分野で従来用いられていた気体レー
ザ装置や固体レーザ装置に代替し得る高性能の小型光源
として重用されることが見込まれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明半導体分布帰還型レーザ装置の構成例を
示す斜視図、 第２図は同じくその構成例の発光スペクトル特性の実測
結果の例を示す特性曲線図、 第３図は同じくその構成例の発振波長および閾値電流の
温度依存特性の実測結果の例をそれぞれ示す特性曲線図
、 第４図は本発明半導体分布帰還型レーザ装置の他の構成
例を示す斜視図、 第５図は同じくその構成例の発光スペクトル特性の温度
依存性の実測結果の例を示す特性曲線図、第６図は従来
の半導体分布帰還型レーザ装置の典型的な発光スペクト
ル特性を模式的に示す特性曲線図である。 ｌａ、　ｌｂ・・・基板　　　　　２ａ、　２ｂ・・・
クラッド層３ａ、　３ｂ・・・活性層　　　　４・・・
キャリヤ閉込め層５ａ、　５ｂ・・・不透明層　　　６
・・・回折格子７ａ、　７ｂ・・・クラッド層　　８ａ
、　８ｂ・・・コンタクト層９ａ、　９ｂ・・・負側電
極層　　１０ａ、　１０ｂ・・・正側電極層１１・・・
絶縁層　　　　　　１２・・・ストライプ溝第１図 第２図 天衣Ｃｎｍ） 第４図 第３図 ヒート１７り１膚〔６Ｃ〕 第５図 ｆ　長　（ｎｍン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、誘導放出光を発生させる活性層の近傍に、精々当該
   活性層の禁制帯幅にほぼ等しいかより小さい大きさの禁
   制帯幅を有する半導体材料よりなる不透明層を設け、そ
   の不透明層の一方の面に回折格子を形成し、当該不透明
   層の利得係数および損失係数の少なくとも一方の前記回
   折格子による周期的摂動に基づき、前記活性層に光分布
   帰還を施して誘導放出光を発生させるようにしたことを
   特徴とする半導体分布帰還型レーザ装置。