JPH0770781B2 - 半導体レーザアレイ - Google Patents

半導体レーザアレイ

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JPH0770781B2
JPH0770781B2 JP1075312A JP7531289A JPH0770781B2 JP H0770781 B2 JPH0770781 B2 JP H0770781B2 JP 1075312 A JP1075312 A JP 1075312A JP 7531289 A JP7531289 A JP 7531289A JP H0770781 B2 JPH0770781 B2 JP H0770781B2
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optical waveguide
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正人 石野
洋一 佐々井
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は波長多重光通信に必要な光源である集積化多波
長分布帰還型半導体レーザアレイに関する。
従来の技術 近年、大容量光通信として、光多重通信が盛んに研究開
発されている。このような波長多重信用光源には、異な
る発振波長の複数の半導体レーザが必要となるが、光源
の小型化 光軸の調整等の立場から同一基板上に異なる
発振波長のレーザを集積化した多波長集積化レーザアレ
イの研究開発も盛んになっている。このような多波長光
源では多重密度を上げるためにも高速変調時においても
安定な単一軸モード発振を有する分布帰還型半導体レー
ザ(以下DFB−LD)で構成されることが好ましい。
DFB−LDアレイにおいて、各LDの発振波長を変化させる
比較的容易な方法としては各LDを構成する回折格子のピ
ッチΛを各LDで変化させる方法がある〔参考文献H.Okud
a.et.al.ジャパンジェイアプライド フィジックス(J
pa.J.Appl.Phys.)23(1984)L904〕。
第6図Aは同一基板上に複数のLDを集積したLDアレイの
平面構造図である。ここでは代表的な2つのLD(1,2)
のみ示してある。第6図B,CはそれぞれのLD1,2のキャピ
ティ方向の断面a−a′,b−b′のエピタキシャルは構
造図である。ここで11はn型InP基板、12はn−nGaAsP
光導波層(バンドギャップ波長λ=1.1μm)、13はI
nGaAsP活性層(λ=1.3μm)、14はp型InPクラッド
層である。n型InP基板11上にはそれぞれピッチΛ=3
940ÅおよびΛ=3850Åの回折格子20,21が形成されて
いる。
LDの発振波長λはneffを実効屈折率,Nを回折次数とする
と、 λ=2neff・Λ/N ……(1) で決定される。ここでN=2,neffを3.30とすると、LDの
発信波長はそれぞれλ=1.30μm,λ=1.27μmと2
つのLDで30nmの発振波長差を得ることができる。このよ
うに各LDでの回折格子のピッチを変化させることにより
DFB−LDの発振波長は変化されることができる。
しかしながら、このDFB−LDアレイの各LD1,2の活性層13
のバンドギャップ波長λg,すなわちゲインピークは1.3
μmと同一であるので、発振波長とゲインピークのずれ
が問題となってくる。すなわち第7図A,BにLD1,LD2の発
振スペクトルを示すが、LD1においては発振波長はゲイ
ンピークに対応しているのに対し、LD2において回折格
子ピッチで決まる発振波長はゲインピークに対して大き
く短波長側にシフトしていることがわかる。このような
ずれは発振しきい値電流の上昇,発光効率の低下および
温度特性の劣化を生じることになる。さらに両者のずれ
が大きくなると、もはやDFBモードで発振しなくなる。
また作製上の問題として、同一基板上の異なる領域にピ
ッチの異なる回折格子を一般に用いられている二光束干
渉露光法で作製するには選択領域以外のマスキング工程
および二光干渉露光工程を多段階でくり返して作製しな
ければならないことがある。このような複雑な工程は歩
留りの低下のみならずデバイス特性の劣化 ばらつきの
原因となるものである。
発明が解決しようとする課題 以上、従来例における回折格子ピッチを変化させて発振
波長差を得る方法でのDFB−LDアレイにおいては、回折
格子ピッチによって決まるLDの発振波長と活性層バンド
ギャップによって決まるゲインピークのずれにより、ア
レイを構成するLD特性の低下やばらつきが問題となる。
さらに選択領域にピッチの異なる回折格子を形成するた
めには非常に複雑な工程を必要とし、歩留りの低下や特
性の劣化を来たすことになる。
課題を解決するための手段 本発明は、第1,第2の少なくとも2つの分布帰還型レー
ザ共振器を備え、各共振器で相違なる単一の発信波長の
レーザ光を発する半導体レーザアレイであって、 前記第1および第2のレーザ共振器は、 半導体基板と、前記基板上に形成された同一ピッチの回
折格子と、前記第1,第2のレーザ共振器の各領域で同時
に成長された光導波層、井戸層と障壁層の周期構造であ
る量子井戸活性層とで構成され、前記第1のレーザ共振
器の前記光導波層、井戸層、障壁層の膜厚は、前記第2
のレーザ共振器の前記光導波層、井戸層、障壁層の膜厚
より薄く、回折格子周期と共振器の実効屈折率で主に決
定される分布帰還型共振器の発振波長と、井戸層の膜厚
で主に決定される利得ピーク波長は、前記第1の共振器
ではともに短波長側にあり、前記第2の共振器では長波
長側にあり、かつ、発振波長と利得ピーク波長の差は、
前記第1の共振器と前記第2の共振器でともに小さくな
るように、前記光導波層、井戸層、障壁層の膜厚が設定
されている半導体レーザアレイとする。
作用 上述の手段により、アレイを構成する各分布帰還型レー
ザキャピティにおける実効屈折率差により発振波長差を
得るとともに、量子サイズ効果によりゲインピークも発
振波長シフトと同様のシフトを示し、発振波長とゲイン
ピークのずれによるレーザ特性劣化を抑えた分布帰還型
レーザアレイを非常に容易な手段で提供できるものであ
る。
実施例 以下、本発明による分布帰還型(DFB)LDアレイをInGaA
sP/InP系材料を用いた実施例について説明する。第1図
はこのアレイ構造を示すもので、A〜Cは従来例を示す
第6図の場合と同様、2つのLD(LD1,LD2)についての
平面図Aおよびキャビティ方向の断面基本構造図B,Cで
ある。従来例と同じくn−InP基板11上に回折格子100,I
nGaAsP光導波層12,活性層31,32,p−InPクラッド層で主
に構成される。
ここで従来例との違いは、従来例においては回折格子2
0,21のピッチがΛ1と異なり活性層13の組成および
層厚は同一であったのに対し、本実施例においては活性
層はそれぞれ層厚の異なる、InGaAsP井戸層(λ=1.3
μm)とInGaAsP障壁層(λ=1.05μm)から成る多
重子井戸(MQW)構造活性層31,32である。ここでMQW活
性層31は第1図Dにその拡大図を示すように50Åの井戸
層33と50Åの障壁層34の5対から成り、MQW活性層32は
第1図Eにその拡大図を示すように100Åの井戸層35と1
00Åの障壁層36の5対から成る。回折格子のピッチはこ
の場合両者ともΛ=4000Åで同じである。
DFB−LDにおける発振波長は従来例における(1)式に
従い、LDの導波モードの実効屈折率に依存する(第2図
A)。第1図において、LD1のneffは3.18であるのに対
し、LD2においては3.25である。このneffの差により第
2図Aに示すようにそれぞれの発振波長はそれぞれLD1
では1.27μm,LD2では1.30μmと30nmの差が得られてい
る。
一方、本発明の構造においてはLD1,LD2の活性層31,32は
それぞれ井戸層厚50Åおよび100ÅのMQW層であるので、
両者のバンドギャップエネルギーすなわちゲインピーク
は第2図Bに示すように量子サイズ効果により異なる。
すなわちLD1においては1.27μmであるのに対しLD2にお
いては1.30μmとなる。第3図に本発明の2つのLDの発
振スペクトルを示す。AはLD1、BはLD2に対応する。ゲ
インピークは発振波長にほぼ一致しており、第5図に示
した従来例のような両者のずれはほとんどない。これは
井戸層厚の変化に対して、neff変化による発振波長シフ
トと量子サイズ効果によるゲインピークシフトは同一方
向に生じるからである。
このように本発明のDFB−LDアレイでは発振波長とゲイ
ンピークのずれが小さく、アレイ中の各LDの特性のばら
つきは小さく、すべて良好な電流−光出力特性,温度特
性を示す。
次に、本発明の構造のDFB−LDアレイを作製プロセスに
ついて説明する。まず第4図Aに示すようにn型InP基
板上に二光束干渉露光法によりピッチΛ=4000Åの回
折格子を形成する。次に第4図Bに示すようにこの基板
上に、回折格子と垂直の方向に幅S1,S2の異なる複数の
メサストライプ35,36を通常のフォトリソグラフィーで
形成する。このメサ基板上に液相エピタキシャル成長法
で第3図Cに示すように、InGaAsP光導波層11,InGaAsPM
QW活性層(31,32),p−InP層14を順次形成する。液相成
長法によると、メサストライプ上のエピタキシャル層の
厚さは平坦部より薄く、かつメサトライプの幅に大きく
依存する。
第5図にMQW活性層の井戸層L2および実効屈折率のメサ
ストライプ幅S依存性を示す。メサストライプ幅の減少
とともに井戸層厚および実効屈折率はともに減少する。
S1を10μm,S2を20μmとすると第1図D,Eに示すMQW層3
1,32における井戸層厚33,35はそれぞれ50Åおよび100Å
となり、活性層の実効屈折率neffはそれぞれ3.18,3.25
と異なる。第2図 第3図に従い、この実効屈折率差に
より発振波長シフトと、井戸層厚差によるゲインピーク
シフトは同様の挙動を示すので、発振波長とゲインピー
クのずれの小さい良好な特性の多波長DFB−LDアレイを
得ることができる。
このように本作製法においては一回の回折格子形成プロ
セスと基本的に一回のエピタキシャル成長という非常に
簡単なプロセスにより、特性のばらつきの小さい集積化
波長DFB−LDアレイを得ることができる。
ところで本実施例においては簡単のため、2波長集積素
子を例にとって説明したが、3波長以上の多波長LDアレ
イの場合も全く同様である。またDFB−LDの構造は活性
層の下に回折格子が存在する構造であったが、活性層上
に回折格子を有するDFB−LD構造においても全く同じで
ある。またエピタキシャル成長法としては液相法につい
て説明したが、MOVPE法やMBE法等の他の方法においても
条件を選べば同様の効果を得ることができる。さらに材
料としてInGaAsP/InP系について説明したがAlGaAs/GaAs
系等の他のIII−V族半導体についても同様に適用でき
るものである。
発明の効果 以上、本発明は、第1、第2の少なくとも2つの分布帰
還型共振器を備え、各共振器で相異なる単一の発振波長
のレーザ光を発する半導体レーザアレイであって、 前記第1および第2のレーザ共振器は、 半導体基板と、前記基板上に形成された同一ピッチの回
折格子と、前記第1,第2のレーザ共振器の各領域で同時
に成長された光導波層、井戸層と障壁層の周期構造から
なる量子井戸活性層とで構成され、前記第1のレーザ共
振器の前記光導波層、井戸層、障壁層の膜厚は、前記第
2のレーザ共振器の前記光導波層、井戸層、障壁層の膜
厚より薄く、回折格子周期と共振器の実効屈折率で主に
決定される分布帰還型共振器の発振波長と、井戸層の膜
厚で主に決定される利得ピーク波長は、前記第1の共振
器ではともに短波長側にあり、前記第2の共振器では長
波長側にあり、かつ、発振波長と利得ピーク波長の差
は、前記第1の共振器と前記第2の共振器でともに小さ
くなるように、前記光導波層、井戸層、障壁層の膜厚が
設定されている半導体レーザアレイとすることにより、 1回の回折格子作製と1回のエピタキシャル成長でアレ
イを構成する各共振器構造を形成できるという、非常に
簡単なプロセスで多波長集積化レーザアレイを作製でき
るとともに、井戸層厚で決定されるゲインピーク波長と
光導波層、井戸層、障壁層の総膜厚で決まる発振波長の
差が各共振器で一定であるため各共振器の特性のばらつ
きが小さく、安定な単一波長を有するレーザをより広い
波長範囲で集積した多波長半導体レーザアレーを提供で
きるという格別の効果を発揮したものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のDFB−LDアレイの構造を示
し、同図Aはその平面図、同図B,Cはその光軸方向a−
a′,b−b′線での断面図、同図D,Eはそれぞれ同図B,C
におけるMQW層の拡大断面図である。 第2図Aは発振波長の実効屈折率依存性、Bはゲインピ
ークの井戸層厚依存性を示す図、第3図A,Bは本発明の
アレイの代表的な2つのLDの発振スペクトルを示す図、
第4図A,B,Cは本発明によるDFB−LDアレイの製造プロセ
スを示す斜視図 断面図 第5図は実効屈折率および井
戸層厚のメサストライプ幅依存性を示す図である。第6
図は従来例のレーザにおける構造を示し、同図Aはその
平面図、同図B,Cは同図Aのa−a′,b−b′線断面
図、第7図A,Bは第6図の発振スペクトルを示す図であ
る。 1……LD1、2……LD2、11……n型InP基板、12……InG
aAsP光導波層、14……p型InPクラッド層、100……回折
格子、31,32……MQW活性層、33,35……井戸層。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】第1,第2の少なくとも2つの分布帰還型レ
    ーザ共振器を備え、各共振器で相違なる単一の発振波長
    のレーザ光を発する半導体レーザアレイであって、 前記第1および第2のレーザ共振器は、 半導体基板と、 前記基板上に形成された同一ピッチの回折格子と、 前記第1,第2のレーザ共振器の各領域で同時に成長され
    た光導波層、井戸層と障壁層の周期構造である量子井戸
    活性層とで構成され、 前記第1のレーザ共振器の前記光導波層、井戸層、障壁
    層の膜厚は、前記第2のレーザ共振器の前記光導波層、
    井戸層、障壁層の膜厚より薄く、 回折格子周期と共振器の実効屈折率で主に決定される分
    布帰還型レーザ共振器の発振波長と、井戸層の膜厚で主
    に決定される利得ピーク波長は、前記第1の共振器では
    ともに短波長側にあり、前記第2の共振器では長波長側
    にあり、 かつ、発振波長と利得ピーク波長の差は、前記第1の共
    振器と前記第2の共振器でともに小さくなるように、前
    記光導波層、井戸層、障壁層の膜厚が設定されているこ
    とを特徴とする半導体レーザアレイ。
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