JPH09307179A - 位相シフト型分布帰還半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】位相シフト型分布帰還型半導体レーザに関し、
特に簡易な作製法でλ／４位相シフト構造の作製を容易
に可能とする分布帰還型半導体レーザの構造及びその作
製方法を提供する。さらに、このようなレーザを搭載し
た低コストで高性能動作可能な光モジュールを提供す
る。 【解決手段】レーザ共振器内部において、共振器長方向
に回折格子を形成した領域を少なくとも１ヶ所の回折格
子非形成領域を挟んで設け、これらの領域での光波の伝
搬定数が互いに異なるように構成した部分回折格子構造
を採用し、さらにこれら２種類の領域の伝搬定数の差Δ
βと回折格子非形成領域の共振器長方向の長さ（複数形
成の場合は、その和）Ｌｓとが「0.4π＜Δβ・Ｌｓ＜
0.6π」なる関係を満たすように半導体レーザ素子を構
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザ素子の
１種である分布帰還型半導体レーザに係わり、特に光通
信用モジュール、光通信システム、光ネットワークに用
いる好適な分布帰還型半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、幹線系のみならず加入者系の通信
網の光化（光を通信媒体とする所謂光通信システムの導
入）が急がれている。高速変調時にも安定な単一縦モー
ド動作が実現可能な分布帰還型半導体レーザは、このよ
うな光通信システムの基本送信デバイスとして実用化が
進んでいる。分布帰還型（又は、ＤＦＢ型：Distribute
d Feedback-type）と呼ばれる活性層に沿って回折格子
（グレーティング）が形成された半導体レーザ素子は、
例えば特開昭６３−１２２１８８号公報に記載されてい
る。分布帰還型半導体レーザのうち、位相シフト型の回
折格子を備えたλ／４位相シフト分布帰還型半導体レー
ザは、安定な単一縦モード動作を再現良く実現する上で
特に好ましく、光通信の基本送信デバイスのこの主流構
造になるものと見込まれる。

【０００３】通常の分布帰還型レーザには、レーザ光を
発振するための共振器長方向（レーザ光出射端面からこ
れに対向する他端面へ延伸する方向）に沿って形成され
た周期的な凹凸からなる回折格子が設けられている。こ
れに対し、λ／４位相シフト分布帰還型半導体レーザの
回折格子は、四分の一波長（λ／４）の位相シフトを発
生させる位相シフト（Phase shift）領域をレーザ共振
器の中央に形成したλ／４位相シフト型回折格子と呼ば
れる構造を有する。その特徴は、共振器の両端面からＬ
なる周期（隣接し合う凸部の頂上間又は凹部の底間の距
離）とＨなる振幅（凸部頂上と凹部の底との高低差）で
繰り返さえて形成された凹凸の規則的なパターンが、共
振器長の略中央にて凹部間に形成された高さＨ／２程
度、幅Ｌ／２の凸部、又は、凸部間に形成された深さＨ
／２程度、幅Ｌ／２の凹部により断たれた構成にある。
この凹凸パターンの断続部により、活性層から発生した
波長λの光の位相をλ／４分シフトさせてレーザ発振を
行う。

【０００４】λ／４位相シフト分布帰還型半導体レーザ
およびその作製法は、例えばアプライドフィジックスレ
ター、５５巻５号（１９８９年７月）、４１５−４１７
頁（Applied Physics Letters, Vol.55, No.5, July 19
89, pages 415-417）に開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のλ／４位相シフ
ト型分布帰還型半導体レーザを作製するにあたり、その
回折格子の位相シフト領域（凹凸パターンの断続部）の
幅を精度よく形成することが要請される。しかし、λ／
４位相シフト型回折格子を高い歩留まりで大量生産作製
する基本技術は未だ確立されていない。従って、λ／４
位相シフト分布帰還型半導体レーザは広く実用化される
には至っていないのが現状である。

【０００６】本発明は、従来の位相シフト型分布帰還型
半導体レーザに比べて簡易な作製法で且つ再現性良く
（高い歩留まりで）作製できる位相シフト型分布帰還半
導体レーザの素子構造、およびその作製方法を提供する
ことを目的とする。また、これらの光素子を搭載した低
コストで高性能動作可能な光モジュール等の光学装置を
提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、レーザ共振器内部に回折格子が形成
されていない領域を少なくとも一ケ所設けて、この領域
での光波の伝搬定数を回折格子が形成された領域と異な
る値に設定した構造（以下、部分回折格子構造）を採用
し、これら二領域の伝搬定数の差Δβと回折格子が形成
さない領域の長さ（共振器方向の長さ）の和Ｌｓとが数
式１にしめす関係を満たすように半導体レーザ素子を構
成した。

【０００８】 0.4π＜Δβ・Ｌｓ＜0.6π …（数式１） このように半導体レーザ素子を構成することで、従来よ
り簡易な手法で等価的なλ／４位相シフト型回折格子を
有する分布帰還型半導体レーザを実現した。要するに、
本発明の半導体レーザ素子は活性層と呼ばれる第１の半
導体層と、これに接合される活性層より屈折率の小さい
（光吸収の小さい）第２の半導体層（例えば、光ガイド
層、クラッド層、バッファ層、又はこれらを組み合わせ
て積層したもの）とでレーザ発振のための共振器を構成
し、第１の半導体層で発生した光が到達する位置におい
て共振器長方向に回折格子を間欠的に形成すれば良いた
め、従来のような凹凸パターンの断続部の厳密な寸法出
しの作業を回避できるのである。勿論、回折格子の間欠
的な形成（部分回折格子構造の形成）において、(1)共
振器の両端面部には回折格子を形成すること、(2)回折
格子間を隔てる間隙領域（回折格子非形成領域）は１ヶ
所でも複数箇所でも構わないが、その共振器長方向の長
さ（複数箇所なら、長さの和）が上述の数式１の関係を
満たすこと、の２点に配慮する必要はある。部分回折格
子構造をバッファ層またはクラッド層のどちらか一方の
中に形成すると、位相シフト量の制御性はさらに向上し
た。

【０００９】図１の半導体レーザ素子の共振器長方向の
断面図を参照して、本発明の半導体レーザ素子の設計の
一例を説明する。図のように波長１．３μｍ帯の分布帰
還型半導体レーザにおいて、部分的に形成された埋め込
み型回折格子１３を有する層構造（以下、回折格子供給
層）を実現する。「回折格子供給層」の由来は、実施例
１で後述するようにクラッド層主面上にこれと組成の異
なる「半導体層」を形成し、この半導体層に凹凸のパタ
ーンを形成して回折格子としたプロセス上の特徴にあ
る。長さＬｃの共振器長の内、埋め込み型回折格子が存
在する領域１８と存在しない領域１９とでは光波の伝搬
定数が僅かに異なる。したがって図１の素子構造では、
この伝搬定数差Δβと回折格子の存在しない領域１９の
長さＬｓとの積Δβ・Ｌｓが光波に対する位相シフト量
となる。この値がπ／２となるようにＬｓを調整すれば
等価的なλ／４シフト型の回折格子が得られる。また、
規格化光結合係数は光結合係数κを用いてκ（Ｌｃ−Ｌ
ｓ）で与えられる。なお、κは具体的には回折格子の単
位長さ（ここでは共振器長方向）の反射率（単位：ｍ
~¹）を示す。

【００１０】図２は図１の場合において、位相シフト量
π／２を得るためのＬｓ値及び規格化光結合係数κ（Ｌ
ｃ−Ｌｓ）値を回折格子供給層１３のInGaAsP四元の組
成波長に対して計算した結果である。組成波長とは、Ｉ
ｎ、Ｇａ、Ａｓ及びＰの４種の元素から組成される化合
物半導体の組成比によって決まる値であり、波長の値は
禁制帯幅に対応する物理量である。Ｌｓとしては約６０
〜１００μｍ程度で位相シフト量π／２が得られること
が分かる。この長さは通常のレーザの共振器長４００μ
ｍの１／７〜１／４と少ない割合であるため、規格化光
結合係数κ（Ｌｃ−Ｌｓ）にも大きな減少はなく、２．
5以上６以下が実現できることが分かる。一方、位相シ
フト量は回折格子のデューティー比にほぼ比例して変化
する。通常の場合デューティー比は0.4〜0.6の範囲に設
定できるため位相シフト量は0.4π〜0.6π程度に分布す
るが、この範囲であれば分布帰還型レーザの単一モード
性に悪影響はないことが分かっている。

【００１１】ところで、上述の数式１に示される伝搬定
数βは媒質の有効屈折率ｎ_effと媒質を導波する光の波
長λにより数式２のように求められる。

【００１２】 β＝２πｎ_eff／λ …（数式２） 数式２から、本発明の半導体レーザ素子において伝搬定
数βは、これを構成する半導体材料に依存することが窺
える。例えば、波長λは第１の半導体層における活性層
（多重量子井戸構造の場合は井戸層）の材料で決まる。
因みに有効屈折率ｎ_effの媒質を伝播する光の速度ｖ
は、数式３が示すようにｎ_effによって決まる（ｃは光
速度：2.99792458×10⁸ｍ／ｓ）。

【００１３】 ｖ＝ｃ／ｎ_eff …（数式３） 本発明の半導体レーザ素子では伝搬定数の異なる回折格
子形成領域と回折格子非形成領域との間で光の速度を変
調してレーザ発振の位相シフトを行うことは、数式３か
ら明らかである。

【００１４】さて、図１に示す埋め込み型の回折格子１
３を用いた素子構成では、回折格子形成領域と回折格子
非形成領域との伝搬定数差Δβは回折格子供給層１３の
厚み及び屈折率（組成に依存）により制御される。現
在、有機金属気相成長法や分子線結晶成長法など結晶成
長での膜厚や組成の制御性が極めて高い手法が確立され
おり、これらを本発明の半導体レーザ素子の作製に適用
することで位相シフト量の制御性が非常に高い位相シフ
ト型分布帰還型半導体レーザが実現できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を示し
た実施例１乃至３とこれらに関連する図３乃至５を用
い、本発明に関しさらに具体的に説明する。

【００１６】＜実施例１＞図３は本発明を用いて波長
１．３μｍ帯の分布帰還型半導体レーザを作製した例で
ある。図３(A)に示すように、ｎ型（１００）ＩｎＰ半
導体基板１０１上に有機金属気相成長法によりｎ型Ｉｎ
Ｐバッファ層1.0μｍ１０２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側
ガイド層（組成波長1.10μｍ）0.05μｍと５周期の多重
量子井戸層（6.0ｎｍ厚の１％圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ
（組成波長1.37μｍ）井戸層、10ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓ
Ｐ（組成波長1.10μｍ）障壁層）とＩｎＧａＡｓＰ（組
成波長1.10μｍ）上側光ガイド層0.05μｍとからなる活
性層１０３、第一ｐ型ＩｎＰクラッド層0.1μｍ１０
４、アンドープＩｎＧａＡｓＰ（組成波長1.15μｍ）回
折格子供給層0.05μｍ１０５、ｐ型ＩｎＰキャップ層0.
01μｍ１０６を順次形成する。多重量子井戸活性層１０
３の発光波長は約１．３１μｍである。

【００１７】次にフォトリソグラフィーと選択的ウェッ
トエッチングによりキャップ層１０６および回折格子供
給層１０５の一部（共振器長の略中央）を図３(B)に示
すように除去する。ここでエッチングにより形成される
ストライプ方向は［０１−１］とし、除去領域幅は８０
μｍである。続いて、図３(C)に示すように干渉露光法
とウェットエッチングを用いて均一周期241ｎｍの回折
格子を基板上に積層された半導体層の上面全域に形成す
る。回折格子の深さは約80ｎｍとし、回折格子が回折格
子供給層１０５を貫通し第一ｐ型ＩｎＰクラッド層１０
４に達するようにする。

【００１８】続いて、有機金属気相成長法により第二ｐ
型ＩｎＰクラッド層1.7μｍ１０８、高濃度ｐ型ＩｎＧ
ａＡｓキャップ層0.2μｍ１０９を順次形成する。この
工程で、ＩｎＰクラッド層１０４に形成された凹部は、
その上面に新たにＩｎＰクラッド層１０８を再成長させ
ることで埋められ、その再成長界面の痕跡は殆ど消え
る。従って、ＩｎＰクラッド層１０４と１０８は実質上
一体に形成され、再成長界面によるクラッド層内の光導
波への影響は殆どない。

【００１９】この結果、図３(D)に示すように回折格子
がクラッド層内部に埋め込まれ、共振器中央部80μｍに
渡って回折格子が形成されていない構造の分布帰還型レ
ーザ構造が形成される。 横幅約1.5μｍの埋め込み型
レーザ構造または横幅約2.2μｍのリッジ導波路型レー
ザ構造に加工形成した後、上部電極１１０、下部電極１
１１を形成する。図３(E)に示すように劈開工程により
素子長400μｍの素子に切り出した後、素子の両端面に
は反射率約１％の低反射膜１１２を例えばスパッタリン
グ法により形成する。

【００２０】作製した１．３μｍ帯の分布帰還型半導体
レーザ素子は室温、連続条件においてしきい値電流１０
ｍＡ、発振効率0.45Ｗ／Ａであった。また、簡易な作製
を反映して、85℃の高温においてもしきい値電流２５ｍ
Ａ、発振効率0.30Ｗ／Ａと良好な発振特性を得た。発振
しきい値以下に順バイアスを印加した場合の、スペクト
ル形状を図３(F)に示した。λ／４シフト型の回折格子
を反映してストップバンドの中央に発振主モードが現わ
れる典型的なスペクトルが得られた。この結果、85℃の
高温においても副モード抑圧比４０ｄＢ以上の安定な単
一モード動作を９５％以上の高い作製歩留まりで実現し
た。本構造は１．３μｍ帯のみならず１．５５μｍ帯や
他の波長帯の分布帰還型半導体レーザにも適用可能であ
る。

【００２１】＜実施例２＞図４は本発明による位相シフ
ト領域を複数有する１．３μｍ帯の分布帰還型半導体レ
ーザを作製した例（共振器長方向の断面図）である。回
折格子の形成された領域が異なること以外は構造は実施
例１と同じである。図４に示すように、レーザ共振器の
内部２ケ所で回折格子供給層は除去されており、それぞ
れの領域での位相シフト量は約π／２である。作製した
素子において実施例１の特性の他、共振器内の光強度分
布が実施の形態１の場合に比べてより平坦化されるた
め、４０ｍＷ以上の高出力動作時にも単一モード動作に
優れた分布帰還型半導体レーザが実現できた。本構造は
１．３μｍ帯のみならず１．５５μｍ帯や他の波長帯の
分布帰還型半導体レーザにも適用可能である。

【００２２】＜実施例３＞本実施例では、実施例１また
は２で説明した分布帰還型半導体レーザを光学装置に応
用した例について説明する。図５は、分布帰還型半導体
レーザ２０１をヒートシンク２０２上に実装した後、光
学レンズ２０３、後端面光出力モニタ用のフォトダイオ
ード２０４と光ファイバ２０５とを一体化したモジュー
ルの構造図である。室温、連続条件においてしきい値電
流１０ｍＡ、発振効率0.20Ｗ／Ａであった。また、簡易
な作製を反映して、８５℃の高温においてもしきい値電
流２５ｍＡ、発振効率0.13Ｗ／Ａと良好な発振特性を得
た。また、８５℃の高温においても副モード抑圧比４０
ｄＢ以上の安定な単一モード動作を９５％以上の高い作
製歩留まりで実現した。本レーザでは規格化光結合係数
を２．５以上と高く設定できるため、モジュール実装で
の最大の課題であるファイバ端からの戻り光による発振
特性の劣化は全く起こらなかった。

【００２３】

【発明の効果】本発明に係る半導体発光素子よれば、安
定な単一モード可能な高出力分布帰還型半導体レーザや
これを搭載した光モジュールを極めて容易な手法で実現
できる。本発明を用いれば、素子性能、歩留まりが飛躍
的に向上するだけでなく、この素子を適用した光通信シ
ステムの低価格化、大容量化、長距離化を容易に実現で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による半導体レーザ素子を説明するため
の共振器長方向の断面図である。

【図２】回折格子供給層（回折格子を形成する半導体材
料）の組成波長と位相シフト領域長及び規格化光結合係
数の関係を示す図である。

【図３】本発明の実施例１を説明するための図であり、
(A)〜(E)は半導体レーザ素子の製造工程を示す流れ図、
(F)は作製されたレーザ素子の発振光のスペクトルを示
す図である。

【図４】本発明の実施例２に記載の半導体レーザ素子の
共振器長方向の断面図である。

【図５】本発明の実施例３に記載の光モジュールの断面
図である。

【符号の説明】

１１…ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、１２…活性
層、１３…回折格子供給層、１４…クラッド層、１５…
低反射膜、１６…上部電極、１７…下部電極、１０１…
ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、１０２…バッファ
層、１０３…圧縮歪多重量子井戸活性層、１０４…第一
クラッド層、１０５…回折格子供給層、１０６…キャッ
プ層、１０７…回折格子、１０８…第二クラッド層、１
０９…キャップ層、１１０…上部電極、１１１…下部電
極、１１２…低反射膜、２０１…分布帰還型半導体レー
ザ、２０２…ヒートシンク、２０３…光学レンズ、２０
４…モニタフォトダイオード、２０５…光ファイバ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第１の導電型の半導体基板上に第１の導電
   型のバッファ層、発光層と該発光層の近傍層に放出され
   た光を分布反射するための光の進行方向に沿う周期的回
   折格子、及び第２の導電型のクラッド層を有し、且つレ
   ーザ共振器内部に該回折格子が形成されていない領域を
   少なくとも一ケ所設けることによりこの領域での光波の
   伝搬定数を回折格子が形成された領域と異なる値に設定
   した部分回折格子構造の分布帰還半導体レーザにおい
   て、二領域の伝搬定数の差Δβと回折格子が形成されな
   い領域の長さの和Ｌｓとの間に、 0.4π＜Δβ・Ｌｓ＜0.6π の関係があ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】上記バッファ層またはクラッド層のどちら
   か一方の中に周期的回折格子を形成するための光ガイド
   層を有することを特徴とした請求項１に記載の分布帰還
   型半導体レーザ。
3. 【請求項３】上記周期的回折格子を形成するための光ガ
   イド層の導電型が周囲の層と異なることを特徴とした請
   求項２に記載の分布帰還型半導体レーザ。
4. 【請求項４】上記周期的回折格子の規格化光結合係数が
   ２以上６以下であることを特徴とした請求項１から３に
   記載の分布帰還型半導体レーザ。
5. 【請求項５】少なくとも光を集光するための光学レンズ
   と光を外部に導く光ファイバと請求項１から４に記載の
   分布帰還半導体レーザとを一体化した光モジュール。