JPH0770791B2 - 半導体レーザ及びその製造方法 - Google Patents

半導体レーザ及びその製造方法

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JPH0770791B2
JPH0770791B2 JP4341745A JP34174592A JPH0770791B2 JP H0770791 B2 JPH0770791 B2 JP H0770791B2 JP 4341745 A JP4341745 A JP 4341745A JP 34174592 A JP34174592 A JP 34174592A JP H0770791 B2 JPH0770791 B2 JP H0770791B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光通信に用いられる分布
帰還型の半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】コヒーレント光伝送方式は、直接検波方
式に比べて受信感度が高くとれることから長距離の伝送
方式として注目されている。その中でも実現性の高いF
SK方式においては、半導体レーザを直接変調して、発
振周波数を変化させる。コヒーレント伝送用の光源とし
ては、高出力まで単一波長で安定に発振すること、周波
数変調(FM)の変調効率が高いこと、FM応答特性が
広い変調周波帯域に渡って平坦であること、発振スペク
トル線幅が狭いことなどが要求される。
【0003】コヒーレント伝送用の光源として分布帰還
型半導体レーザ(以下DFB−LDと略す)が主に用い
られ、上記の性能を得るため、従来以下のようなものが
報告されている。
【0004】(1)安定な単一波長動作を得るために
は、共振器構造の中央付近に光の位相がπ変化するよう
な機構が必要であり、通常は素子中央で、回折格子の位
相をπだけずらした構造が用いられている(λ/4位相
シフトDFB−LD)。このλ/4位相シフトDFB−
LDでは、発振スペクトル線幅1MHz以下、光出力3
0mW以上、FM変調効率は約200MHz/mA等の
特性が得られている。
【0005】この例が、アイイーイーイー フォトニク
ス テクノロジー レターズ(IEEE Photon
ics Technology Letters)Vo
l.3 No.4、305〜307頁(1991年)に
記載されている。
【0006】(2)位相シフトDFB−LDにおいて、
平坦なFM変調特性や高出力時まで安定な単一波長動作
を得るには、共振方向の光の電界分布を平坦にすること
が重要である。そのため、素子中央の100μm程度の
領域に渡って周囲よりも回折格子周期を大きく設定した
回折格子周期変調型位相シフトDFB−LD(以下CP
M−DFB−LDと略する)が開発された。このCPM
−DFB−LDでは、約100kHz以下の発振スペク
トル線幅、光出力約30mWが報告されている。(クレ
オ(CLEO:Conference on Lase
r and Electro−Optics)ポテトデ
ッドラインペーパー、CPDP40(1991年)参
照) (3)共振軸方向の光強度分布を制御するため、共振器
軸方向に電極を三つに分離した3電極DFB−LDが開
発された。これによって、発振スペクトル線幅約1MH
z以下、光出力約20mW、FM変調帯域15GHz以
下、FM変調効率約600MHz/mAが報告されてい
る。この例はアイイーイーイー フォトニクス テクノ
ロジ レターズ(IEEE Photonics Te
chnology Letters)Vol.2、N
o.3、165−166頁(1990)年に記載されて
いる。また、3電極CPM−DFB−LDでは、発振ス
ペクトル線幅100kHz以下、波長可変幅約1nmが
報告されている。(フォース・オプトエレクトロニクス
コンファレンス(Fourth Optoelect
ronics Conference OEC’92、
テクニカルダイジェスト、58−59頁(1992年)
参照。) (4)FM変調効率を向上させる一つ方法として利得レ
バー効果があり、GaAs系のFP−LDでは約20
(GHz/mA)という高いFM変調効率が報告されて
いる。これはアプライド フィジクス レターズ(Ap
plied Physics Letters)57巻
20号 2068−2070頁(1991年)に記載
されている。また活性層の組成が一様な半導体レーザに
おいて、電極を二つに分離し二つの領域への注入電流を
非対称にすると、発振波長での微分利得計数のキャリア
密度依存性によって、低い注入電流に設定した領域と高
い注入電流に設定した領域での微分利得計数はそれぞれ
高く、低くなる。従って、高い微分利得を有する低注入
領域で注入電流の変調を行なうと高注入領域でのキャリ
ア密度の変動が大きくなり、FM変調効率を高くするこ
とができる(利得レバー効果)。この様な利得レバー効
果を用いた2電極DFB−LDでは、FM変調効率は約
2GHz/mA、数百MHzのFM変調帯域が報告され
ている。これはアプライド フィジクス レターズ(A
pplied Physics Letters)55
巻 18号 1826−1828頁(1989年)に記
載されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来例にはそ
れぞれ以下のような問題がある。
【0008】(1)通常のλ/4位相シフトDFB−L
Dでは、共振器の中央付近に回折格子の位相をπすらし
た構造が必要となる。位相シフト回折格子は多層レジス
ト、マスク、電子ビームなどを用いて作製可能である
が、何れの方法でも位相シフト回折格子の作製は容易で
はないのが現状である。また、光の強度が位相シフト領
域付近に集中するため、光出力を増すと、そこでのキャ
リア密度が周囲に比べて減少し、安定な単一波長動作が
得られなくなったり、1GHz付近の高変調周波領域か
らFM変調効率が急激に低減したり、発振線幅が大きく
なったりする現象が観測された(軸方向ホールバーニン
グ効果)。この共振方向での光の強度分布を平坦にする
ことが重要である。
【0009】(2)軸方向ホールバーニング効果を抑制
するため考えられたCPM−DFB−LDでは、A(オ
ングストローム)オーダーのわずかな周期差の回折格子
を形成する必要がある。そのために、電子ビームリソグ
ラフィやルーリングエンジンと呼ばれる特殊な手法が必
要であり、生産性の点で問題がある。
【0010】(3)共振器方向に電極を3分割した3電
極の位相シフトDFBレーザでは、各々電極のバイアス
条件によって発振特性が大きく変化するため、バイアス
条件が厳しい。さらに、今後10Gb/sを越える高速
システムへの適用を考慮した場合、変調周波数と同程度
の周波数偏移を、高速ICで十分駆動できる程度の電流
振幅で生じさせる必要があり、より高いFM変調効率を
有し、かつ広帯域な応答特性が要求されている。
【0011】(4)従来の利得レバー効果を用いた2電
極DFB−LDでは、活性層媒質が一様であるため、高
いFM変調効率を得るためには二つの領域への注入電流
を非対称にする必要がある。この様な通常の利得レバー
効果を用いたレーザにおいては、低注入領域のキャリア
寿命時間が長く、また光強度が弱くなることからFM変
調帯域が狭くなる問題がある。
【0012】本発明の目的は上記の観点にたって、高出
力、狭発振スペクトル線幅、広い周波数範囲、かつ高い
FM変調効率を有する単一波長LDを安定に実現するた
めの半導体レーザ構造及びその作製方法を提供すること
にある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明が提供する半導体レーザ及びその作製方法は
以下の通りである。
【0014】(1)半導体基板上に少なくとも活性層、
回折格子の形成されたガイド層を有する分布帰還型半導
体レーザにおいて、光の共振方向にそって、前記活性層
のバンドギャップエネルギーの異なる領域が形成されて
いることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【0015】(2)第(1)項記載の分布帰還型半導体
レーザにおいて、活性層のバンドギャップエネルギーの
異なる領域に独立した電極が形成されていることを特徴
とする分布帰還型半導体レーザ。
【0016】(3)第(1)項記載の分布帰還型半導体
レーザにおいて、活性層のバンドギャップエネルギーが
素子中央部分と、両端部分とで異なることを特徴とする
分布帰還型半導体レーザ。
【0017】(4)第(1)項記載の分布帰還型半導体
レーザにおいて、活性層のバンドギャップエネルギー
が、素子の両端部分で異なることを特徴とする分布帰還
型半導体レーザ。
【0018】あるいは上記(1)、(2)、(3)また
は(4)のレーザであって、発振波長が、ハンドギャッ
プが異なる領域のそれぞれの利得波長の中間領域に設定
されていることを特徴とする半導体レーザである。
【0019】(5)回折格子が形成された半導体基板上
に異なる幅を持つストライプ状の絶縁膜を形成し、該ス
トライプ状絶縁膜の間の挟まれた領域に気相成長法によ
り選択的に活性層等の半導体導波路層を成長する工程を
含む半導体レーザの製造方法において、共振器方向で部
分的に前記絶縁膜の幅が異なることを特徴とする半導体
レーザの製造方法。
【0020】(6)第(5)項記載の半導体レーザの製
造方法において、前記絶縁膜の幅の異なる領域に独立し
た電極を形成する工程を含むことを特徴とする半導体レ
ーザの製造方法。
【0021】(7)第(5)項記載の半導体レーザの製
造方法において、前記絶縁膜の幅を素子中央で他の領域
よりも広く形成することを特徴とする半導体レーザの製
造方法。
【0022】(8)第(5)項記載の半導体レーザの製
造方法において、前記絶縁膜の幅を、共振器方向に一方
の側で広く形成することを特徴とする半導体レーザの製
造方法。
【0023】
【作用】我々はこれまで、半導体結晶成長技術におい
て、成長された結晶のバンドギャップエネルギや導波路
屈折率を部分的に変化させる技術を開発してきた。半導
体基板上にストライプ状の絶縁膜を形成し、そのストラ
イプ状絶縁膜の間の挟まれた領域にMOVPE法により
選択的に活性層などの半導体導波路層を成長する技術
(以下選択MOVPE成長と略する)は、導波路層を挟
んでいる絶縁膜の幅によって成長された導波路層の組成
や層厚が変化することから光集積回路の作製方法として
有望視されている。これまでに、活性領域と受動領域で
構成されたDFBレーザと変調器の集積光源等を作製し
てきた。
【0024】選択MOVPE成長法を用いたコヒーレン
トMQW−DFBレーザの研究を通じて以下の(1)、
(2)の新たな知見が得られた。
【0025】(1)図1を用いて本発明の第1の作用を
説明する。一定の周期の回折格子が形成された半導体基
板状にストライプ状の絶縁膜を形成し、該ストライプ状
絶縁膜の間の挟まれた領域に気相成長法により選択的に
活性層等の半導体導波路層を図1のように成長すると、
前記の絶縁膜幅が異なる領域においては成長層厚と組成
が変わり、二つの領域の間には伝搬定数差Δβ1 2 が生
じる。ここで、Δβ12 は領域Iの伝搬定数β1 と領域
IIの伝搬定数β2 の差(Δβ1 2 =β1 −β2 )であ
る。例えば、図1のように構成された半導体レーザでの
位相シフト量は近似的に、伝搬定数差Δβ1 2 と領域I
の長さL1 の積(φs h =Δβ1 2 ・L1 )になる。
【0026】この作製方法は素子中央の100μm程度
の領域に渡って周囲よりも回折格子周期を大きく設定し
た回折格子周期変調型位相シフトDFB−LDと動作原
理は同じであるが、従来のフォトリソグラフィと1回の
MOVPE成長で簡単に作製可能な事から生産性に優れ
ている技術だと言える。また、位相シフト領域(ここで
は領域I)が約100μm程度に分布されていることか
ら、位相シフト領域での光強度の集中が 緩和され、軸
方向ホールバーニング効果が改善される。その結果、平
坦なFM応答特性や狭い発振スペクトル線幅などが期待
される。
【0027】(2)FM変調効率を向上させる新たな方
法として利得レバー効果がある。活性層組成が一様な半
導体レーザでは、発振波長での注入キャリアに対する利
得系数が非線形になる。従来の利得レバー効果は、活性
層の組成が一様な半導体レーザにおいて、電極を二つに
分離し二つの領域への注入電流を非対称に設定すること
によって微分利得系数のキャリア密度依存性による二つ
の領域での微分利得差を利用したものである。しかし、
この様な通常のレーザにおいては、低注入領域のキャリ
ア寿命時間が長くなり、また光強度が弱くなることから
FM変調帯域が狭くなる問題がある。
【0028】半導体レーザにおいて微分利得は注入キャ
リアの量と発振波長(利得帯域内での発振波長位置)に
よって変化する。図2を用いて本発明の第2の作用を説
明する。選択MOVPE成長では、絶縁膜の幅が異なる
二つの領域では導波路組成と層厚が変化するため、図2
の(a)のように二つの領域で利得分布の波長依存性が
違うことになる。また、回折格子の周期を制御すること
により発振波長を二つの領域の中央付近に設定するのが
可能であり、その結果絶縁膜の幅が異なる二つの領域で
は図2の(b)のように微分利得に差が生じる。
【0029】半導体レーザの発振モード対しては、全モ
ード利得Gは全損失と同じでなければならない。つま
り、半導体レーザで電流変調を行なうと全モード利得の
変動分ΔGは零にならなければならない。いま、微分利
得が異なる領域を持つ半導体レーザにおいて、高い微分
利得を持つ領域Iで活性層でのキャリア密度ΔNI で変
調を行なうと図2の(b)のようにモード利得の変化分
ΔGI の変化が起こる。その時、低い微分利得を持つ領
域IIでは、領域Iでのモード利得の変化分ΔGI を補
うように変化する(ΔGI =−ΔGI I )。領域IIで
は微分利得が低いため、ΔGI I のモード利得の変化を
得るためには、大きな活性層でのキャリア密度の変化Δ
I I が必要となる。活性層内部での大きなキャリア密
度の変化ΔNI I は、大きな屈折率の変化を起こさせる
ため、発振する光の周波数が大きく変わることになる。
つまり、半導体レーザに微分利得が異なる二つの領域を
設け高い微分利得を持つ領域Iで変調を行なうと、高い
FM変調効率(単位=Hz/mA)が得られる。
【0030】このような選択MOVPE成長による利得
レバーでは利得分布の波長依存性を用いることによっ
て、二つの領域に同時にキャリア密度の高い状態に注入
しても微分利得差が生じ、高いFM変調効率、広いFM
変調帯域、同時に狭い発振線幅が期待される。さらに、
従来の利得レバー効果では電極を分離しなければならな
かったが、選択MOVPE成長による利得レバー効果は
単一電極でも効果が期待できる。
【0031】以上のことから選択MOVPE成長法を用
いたコヒーレントMQW−DFB−LDは作製工程が簡
単で、かつ高性能動作が実現できる。位相シフト領域で
の光強度の集中が緩和され、軸方向ホールバーニング効
果が低減される。その結果、平坦なFM応答特性や狭い
発振スペクトル線幅などが期待される。また、選択成長
による新しい利得レバー効果によって高いFM変調効率
と同時に広いFM変調帯域が実現可能である。
【0032】
【実施例】以下実施例を示す図面を用いて本発明をより
詳細に説明する。まず請求項2、3、6、7の発明を適
用した例を図3を用いて説明する。
【0033】図3は本発明の第1の実施例であるMQW
−DFB−LDの作製工程を示すための平面図、及び素
子断面図である。このようなDFB−LDを作製するに
はまず、発振波長が領域Iと領域IIの利得ピークの間
になるように回折格子8(周期2400オングストロー
ム(以下Aとする))を(100)面方位を有するn−
InP基板1の表面に形成する。CVD法により厚さ約
2000AのSiO2膜を形成し、図3(a)に示すよ
うに広い部分で幅12μm、狭い部分で6μmとなる平
行なストライプ状に間隔2μmでパターニングし、Si
2 マスク2を形成する。ここでマスク2の長手方向は
回折格子の繰り返し方向と同じ方向とし、広い部分は長
さ約50μm、繰り返し900μmとした。位相シフト
領域はマスクの幅の狭い部分の中央に位置するようにし
た。
【0034】次に基板1上にMOVPE法により、マス
ク2によって挟まれた領域に、発光波長1.15μm組
成のGaInAsPガイド層3を厚さ1500A、ノン
ドープInPスペーサ層4を厚さ500A、両脇のガイ
ド層を含むMQW活性導波路層5、p−InPクラッド
層6を厚さ3000A成長する(図3(b))。成長後
の回折格子深さは約250A、結合係数としては約30
cm- 1 とした。MQW活性導波路層5は70A厚のI
nGaAsウェル層を厚さ100Aのバリア層(1.1
5μm組成InGaAsP)で挟み、さらにその両わき
を1500A層のガイド層(1.15μm組成InGa
AsP)で挟んだ構造とした。
【0035】さらにマスク2の一部をストライプ上にエ
ッチングし、MQW活性導波路層を覆うように幅6μm
の領域にp−InPクラッド層7を厚さ2μm、p−G
aInAsコンタクト層9を厚さ0.5μm成長した
(図3(c))。この時、素子中央の位相シフト領域と
両脇の領域との伝搬定数差による位相シフトはλ/4に
等価になるようになる。また、中央の位相シフト領域で
は軸方向の光強度分布が拡がり、軸方向ホールバーニン
グが制御された構造となっている。
【0036】以上のように成長したレーザのウェハに全
面にSiO2 膜11を形成し、各々の領域に独立に電流
制御できるようにコンタクト層9上に電極12を形成
し、所望のMQW−DFB−LDを得る。中央部分が位
相シフト領域である。(図1の領域Iに対応)図4にこ
の様に作製されたMQW−DFB−LDの立体図を示し
た。この図ではそれぞれの領域に独立な電極12、1
3、14を設けた例を示した。このような素子において
は、光出力30mWと高出力動作条件下で1MHz以下
のスペクトル線幅を得た。また微分利得の高い中央領域
の電流を変調してFM応答を測定したところ1GHz/
mAの高いFM変調効率、変調帯域5GHzと優れた特
性が実現できた。
【0037】実施例1では素子中央の位相シフト領域と
両脇の領域との伝搬定数差による位相シフト量はλ/4
としたが、その位相シフト量を3λ/8に大きく設定し
た素子を試作したところ約1.5MHz/mA程度の大
きなFM変調効率が得られることが分かった。位相シフ
ト量としては0.25λ〜0.40λ程度とすると1〜
2GHz/mAの高いFM変調効率が得られた。これよ
り位相シフト量が大きいとFM変調効率は大きくなる
が、多モード発振しやすくなる。
【0038】図5に第2の実施例2を示した。これは、
請求項2、4、6、8の発明を適用した例である。共振
器方向に2つの異なるバンドギャップエネルギーの活性
層が形成されている。作製工程は第1の実施例と同様で
ある。この例では利得分布の波長依存性による利得レバ
ー効果が直接現れる。二つの領域共に高キャリア密度で
バイアスし、微分利得が高い(絶縁マスク幅が広い)領
域でFM変調を行なうことにより、高いFM変調効率が
期待される。第1の実施例とほぼ同等の特性を得た。
【0039】図6に第3の実施例の斜視図の示した。こ
れは請求項4、8の発明を適用した例である。図6は図
5と同じ構造であるが素子全体の電極を共通とした。異
なる成長層において電極が一つになっているのが違う。
利得レバーの本質は光導波路で微分利得が異なる二つの
領域を設けることであり、各領域の電極を分離すること
ではない。従来の利得レバーでは、活性層として同一組
成を用いたため、共振器方向に電極を分離し、異なる電
流バイアスのレベルを設定しなければならなかった。し
かし、本発明の様な利得分布の波長依存性を利用したレ
ザーでは電極を一つにしても利得レバー効果が期待でき
る。第3の実施例においても同様な優れた特性を実現し
た。
【0040】変形例として、第1の実施例のレーザにお
いて、各領域の電極を一つにした構造、第1の実施例の
レーザにおいて、位相シフト領域(図1の領域I)でS
iO2 幅を狭くした構造、さらにそのレーザにおいて、
電極を一つにした構造、等が考えられる。
【0041】実施例の1のMQW−DFB−LDの作製
において、幅が10μmと5μmで異なるSiO2 マス
ク2を用いた時、形成されたMQW波長の差は約50n
mであった。また、その時の二つ領域での微分利得には
約4倍程度の差が推定され、大きな利得レバー効果が予
想された。これらの結果に基づいて、実施例1の構造で
は二つの領域での伝搬定数差は約200cm- 1 であ
り、λ/4位相シフトの効果を出すためには領域Iの長
さは約50μm程度が適当であることが推定された。位
相領域が長さ約50μmに渡って分布されていることに
よる共振器内部光強度の平坦性は計算上約50%改善さ
れることが明らかになった。
【0042】なお本発明の実施例においてはInPを基
板とした発光波長1.2−1.6μm帯の素子を示した
が、もちろん用いる材料系はこれに限るものではなく、
GaInAs系など、他の材料系を用いて何等差し支え
ない。
【0043】
【発明の効果】以上述べたように本発明のMQW−DF
B−LDおよびその製造法においては、単一波長動作に
必要な位相シフト領域を一回の選択成長で作製可能であ
り、軸方向ホールバーニングを抑制することができる。
それによって、平坦な周波数応答特性を有するFM変調
特性と狭線幅動作を同時に実現でいる。
【0044】また、新たな利得レバー効果が期待され、
高いFM変調効率が達成できる。このような単一波長L
DはGb/sコヒーレント伝送方式に適用する上で有用
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の新しい位相シフト方法の原理を示す斜
視図。
【図2】本発明による新しい利得レバー効果を説明する
ための概念図。(a)は領域Iと領域IIでの光利得の
波長依存性を示す図で、(b)は領域Iと領域IIにお
いて、発振波長での注入キャリア密度に対する光利得の
変動を示す図である。
【図3】本発明の第1の実施例でるあるMQW−DFB
−LDの作製工程を示すための平面図(a)、及び断面
図(b)、(c)である。
【図4】本発明の第1の実施例の斜視図。
【図5】本発明の第2の実施例の2電極MQW−DFB
−LDの構造図。
【図6】本発明の第3の実施例の1電極MQW−DFB
−LDの構造図。
【符号の説明】
1 基板(n−InP) 2 絶縁膜マスク 3 ガイド層(n−InGaAsP) 4 スペーサ層(n−InP) 5 MQW活性層 6 p−InP層 7 クラッド層(p−InP) 8 回折格子 9 コンタクト層(p−InGaAs) 11 絶縁膜 10,12,13,14 電極

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に少なくとも活性層、回折
    格子の形成されたガイド層を有する分布帰還型半導体レ
    ーザにおいて、光の共振方向にそって、前記活性層のバ
    ンドギャップエネルギーの異なる領域が形成されている
    ことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
  2. 【請求項2】 活性層のバンドギャップエネルギーの異
    なる領域に独立した電極が形成されていることを特徴と
    する請求項1記載の分布帰還型半導体レーザ。
  3. 【請求項3】 活性層のバンドギャップエネルギーが素
    子中央部と、両端部分とで異なることを特徴とする請求
    項1記載の分布帰還型半導体レーザ。
  4. 【請求項4】 活性層のバンドギャップエネルギーが、
    素子の両端部分で異なることを特徴とする請求項1記載
    の分布帰還型半導体レーザ。
  5. 【請求項5】 回折格子が形成された半導体基板上に異
    なる幅を持つストライプ状の絶縁膜を形成し、該ストラ
    イプ状絶縁膜の間の挟まれた領域に気相成長法により選
    択的に活性層等の半導体導波路層を成長する工程を含む
    半導体レーザの製造方法において、共振器方向で部分的
    に前記絶縁膜の幅が異なることを特徴とする半導体レー
    ザの製造方法。
  6. 【請求項6】 絶縁膜の幅の異なる領域に独立した電極
    を形成する工程を含むことを特徴とする請求項5記載の
    半導体レーザの製造方法。
  7. 【請求項7】 絶縁膜の幅を、素子中央で他の領域より
    も広く形成することを特徴とする請求項5記載の半導体
    レーザの製造方法。
  8. 【請求項8】 絶縁膜の幅を、共振器方向に一方の側で
    広く形成することを特徴とする請求項5記載の半導体レ
    ーザの製造方法。
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