JPH11307862A - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ

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JPH11307862A
JPH11307862A JP10110597A JP11059798A JPH11307862A JP H11307862 A JPH11307862 A JP H11307862A JP 10110597 A JP10110597 A JP 10110597A JP 11059798 A JP11059798 A JP 11059798A JP H11307862 A JPH11307862 A JP H11307862A
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Takahiro Nakamura
隆宏 中村
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NEC Corp
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    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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    • H01S5/22Structure or shape of the semiconductor body to guide the optical wave ; Confining structures perpendicular to the optical axis, e.g. index or gain guiding, stripe geometry, broad area lasers, gain tailoring, transverse or lateral reflectors, special cladding structures, MQW barrier reflection layers having a ridge or stripe structure
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 水平アクティブテーパ型スポットサイズ変換
レーザにおける、テーパ長を短かくすることによる光フ
ァイバとの結合効率の低減の問題をを改善した半導体レ
ーザ。 【解決手段】 共振器が第一の幅を有する実質的に矩形
の活性層領域105と、第一の幅より狭い第二の幅を有
する実質的に矩形の活性層領域107が一体として接合
された構成であり、前記第二の活性層領域において、レ
ーザ光の導波モードと放射モードとが干渉する。

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に関
し、特に高出力・高効率特性及び単一モード性に優れ、
且つ光ファイバーとの結合に優れる半導体レーザに関す
る。
【0002】
【従来の技術】半導体レーザダイオードや半導体スイッ
チ等の半導体光導波路デバイス(一方の光機能デバイ
ス)と、単一モード光ファイバ(他方の光機能デバイ
ス)との間を光結合させる場合、光導波路デバイスの端
面と光ファイバとを直接に突き合せ結合(バットジョイ
ント)させると、互いの光導波路光波のスポットサイズ
が異なっている為に、直接突き合せ部の結合損失が問題
になる。
【0003】通常、半導体光デバイスの光波スポットサ
イズ(モード径)は1μm程度であり、これに対して光
ファイバのスッポットサイズは約5μmであるので、こ
の場合の結合損失は約10dBになる。そこで、従来
は、レンズによりスポットサイズを変換することで光半
導体デバイスと光ファイバとの結合損失を低減化する方
法が、一般的にとられている。
【0004】しかしながら、レンズ等のアライメントの
トレランスが小さく、アセンブリの困難さから、一つ一
つのモジュールにかかるコストが高くなる。特に近年半
導体レーザダイオードの適用分野が基幹伝送系から、加
入者系、LAN、データリンク等のシステムに急速に広が
りつつある為、安価で大量の半導体レーザダイオードモ
ジュールが必要になっている。更にこれらのモジュール
コストの大部分がアセンブリの困難さにある為、部品点
数の削減とパッシブアライメントによる容易なアセンブ
リに変更している。
【0005】この為、様々な種類の光結合デバイスや光
結合デバイスを半導体レーザダイオードと集積化した光
源が開発されている。特に、例えば「1997 Internation
al Conference on Indium Phosphide and Related Mate
rial,Conference Proceedings, p.657」に記載されてい
る様な共振器全体が活性層領域で構成されている水平ア
クティブテーパ型スポットサイズ変換レーザは、優れた
温度特性や高い収率が実現できる。
【0006】この水平アクティブテーパ型スポットサイ
ズ変換レーザについて、図9(A)に構成図を示す。こ
れは図9(B)に示すテーパ状活性層領域を用いて、光
出射面に近い領域で活性層幅が狭くなるようにしている
ことが特徴である。この様な半導体レーザでは、共振器
全体が活性な領域である為に、素子長を比較的短くする
ことが可能であり、収率の点で有利である。又従来の均
一な活性層幅を有する半導体レーザと同じ製造工程によ
り作製が可能であることも特徴である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この様な水平
アクティブテーパ型スポットサイズ変換レーザで、一定
の共振器長でテーパ長を短くすると活性層体積が増加す
る為に利得が増大し、閾値電流や高温での動作電流は低
減されるが、一方テーパ長が短いほど放射モードへの結
合が増大し、光ファイバとの結合効率が減少するという
問題点がある。
【0008】短いテーパ長においても光ファイバとの高
結合効率を実現する為の機能を付加することにより高温
低閾値、高結合効率の面を両立できる半導体レーザが必
要とされる。本発明の目的は、上記の問題点を解決し、
結合効率が高い半導体レーザの構成を提供することにあ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、その共振器が第一の幅を有する実質的に矩形の活性
層領域と、第一の幅より狭い第二の幅を有する実質的に
矩形の活性層領域が一体として接合された構成であり、
前記第二の活性層領域において、レーザ光の導波モード
と放射モードとが干渉することを特徴とする。
【0010】又前記第二の活性層領域の長さが、前記導
波モードと放射モードの位相を同じに設定することで決
定されることを特徴とする。
【0011】更に前記半導体レーザにおいて、第二の活
性層領域に回折格子を設けた構造を有することを特徴と
する。
【0012】
【発明の実施の形態】次に本発明の半導体レーザについ
て、添付図面を参照して以下に詳細を説明する。最初に
本発明の第一の実施形態にかかる半導体レーザについて
説明する。
【0013】図1に半導体レーザの構成を示す。図1を
参照して、本構成はn−InP基板108上に設けられ
たn−InPクラッド層109の上に活性層領域101
として、図2に示す共振器が設けられている。この共振
器は300μmの共振器長のうち、光出射面側の60μ
mをその幅が0.6μmである第二の幅を有する活性層
領域107とし、他方の端面側はその幅が1.2μmで
ある第一の幅を有する活性層領域105である。
【0014】本発明の半導体レーザの製造方法を示す。
図3(A)を参照して、n-InP基板108上にn-InPクラッ
ド層109、活性層101、p-InPクラッド層110を形
成する。活性層は歪み多重量子井戸層により構成され、
1.3μm帯波長で発振するように設計している。次に
上記の様に作製したウエハに対して、図3(B)に示す様
に作製すべき共振器の形状に対応した幅3.2μmと
2.6μmの直線状のSiOマスク116を形成し、
図3(C)に示すようなストライプメサをウエットエッチ
ングにより形成する。このときサイドエッチングにより
活性層幅は各々1.2μm、0.6μmになる。続いて
図4(A)に示すように、有機金属気相成長法(MOVP
E)によりp-InP電流ブロック層113、n-InP電流ブロ
ック層114を成長させた後、SiOマスクをエッチ
ング除去し図4(B)に示すようにp-InP埋め込み層11
2、p-InGaAsPコンタクト層115をMOVPEにより
成長させる。この様にして作製したウエハに対して、通
常の電極プロセスにより電極を形成させ、劈開により3
00μmの長さに切り出し、前面には反射率30%であ
る低反射率膜103を、後面には反射率95%である高
反射率膜102を形成させる。以上の工程により作製し
た半導体レーザの構成が図1である。
【0015】本発明である半導体レーザの動作について
示す。図2を参照して、第一の幅を有する活性層領域1
05から伝搬した光は、第一と第二の幅を有する活性層
領域との接合部で第二の幅を有する活性層領域107の
導波モードと放射モードに結合する。この2つのモード
は伝搬定数が異なる為、第二の幅を有する活性層領域に
沿って伝搬するに従い干渉する。2つのモードが同位相
になるように第二の幅を有する活性層領域の長さ決定す
ると、端面でのスポットサイズが最も拡大されファイバ
ーへの結合効率が増大する。
【0016】本発明である半導体レーザの効果について
示す。上記製造方法により作製した半導体レーザを評価
したところ、1.31μmで発振し、電流―光出力特性
を評価したところ室温で発振閾値電流4.0mA、効率
0.6W/A、85℃で発振閾値電流15.0mA、効
率0.4W/Aであった。又85℃においても40mW
以上の光出力が得られた。コア径10μmの単一モード
光ファイバとの結合効率を測定した結果、最大で4.0
dBの結合効率が得られた。又半導体レーザと光ファイ
バの位置ずれにより結合効率が1dB減少する位置は、
約2.5μmであった。一方、同様な工程で60μm長
の従来技術であるテーパ状活性層領域を用いて半導体レ
ーザを作製したところ、光ファイバとの結合効率は最大
で6.0dBと約2dB悪化した。
【0017】図5に第二の幅を有する活性層領域の長さ
(変換器長:L)を変化させて単一モード光ファイバと
の結合損失を3次元ビーム伝搬法(3D-Beam Propagatio
nMethod (BPM))を用いて計算した結果を示す。導波
モードと放射モードの位相関係から変換器長:Lの変化
に伴い結合効率が減衰振動する。計算結果から変換器長
を60μmに設定すると従来のテーパ状活性層領域を利
用する場合より約2dBの結合効率が改善できる。
【0018】更に、半導体レーザではレーザ光が共振器
内を1往復する間に受ける導波路損失を小さくする必要
がある。図6に前端面で反射された光が再び第一の幅を
有する活性層領域105に結合する場合の結合効率を2
次元BPMで計算した結果を示す。図5の計算結果と同
様に導波モードと放射モードの位相関係から変換器長:
Lの変化に伴い結合効率が減衰振動する。光ファイバへ
の結合効率が最大となるように変換器長;Lを60μm
とした場合、導波モードと放射モードの位相が逆相に近
くビーム径が細くなり、第一の幅を有する活性層領域1
05に結合し易くなる。その結果、スポットサイズ変換
領域が60μmと従来のテーパ状活性層の1/5以下と
短く、また、半導体レーザの共振器内を1往復するのに
約0.2dBと小さな損失になり、高温でも低閾値、高
効率、高結合効率の半導体レーザが実現可能である。
【0019】次に、本発明の第二の実施形態にかかる半
導体レーザ装置について説明する。図7に半導体レーザ
の構成を示す。図7を参照して、この共振器は300μ
mの共振器長のうち、光出射面側の60μmをその幅が
0.6μmである第二の幅を有する活性層領域607を
設け、又他方の端面側にはその幅が1.2μmである第
一の幅を有する活性層領域605を設けている。更に図
8を参照して、第二の幅を有する活性層領域607の下
のみに周期204.3nmで回折格子が形成されてい
る。第二の幅を有する活性層領域607にのみ回折格子
を形成させることにより、図9に示した従来技術と同様
な単一モード性に加えて、単一モードファイバとの高結
合効率が実現できる。
【0020】本発明の半導体レーザの製造方法について
示す。本発明の半導体レーザの作製工程についてはn-In
P基板608上に電子ビーム露光により回折格子を設け
る以外は第一の実施形態にかかる半導体レーザ作製工程
と同じである。
【0021】本発明の半導体レーザの効果について示
す。上記製造方法により作製した半導体レーザを評価し
たところ、1.31μmで発振し、単一モード発振の安
定性の指標となる副モード抑圧比は45dBとなる。電
流―光出力特性を測定については、室温で発振閾値電流
4.0mA、効率0.5W/A、85℃で発振閾値電流
15.0mA、効率0.38W/Aとなる。又85℃に
おいても40mW以上の光出力が得られる。コア径10
μmの単一モード光ファイバとの結合効率の測定につい
ては、最大で4.0dBの結合効率が得られる。又半導
体レーザと光ファイバの位置ずれにより結合効率が1d
B減少する位置は、約2.5μmである。
【0022】
【発明の効果】本発明である半導体レーザ構造を用いる
ことにより、高温でも低閾値、高効率で且つ単一モード
ファイバとの高効率な結合が実現できる。更に、第二の
幅を有する活性層領域に回折格子を設けた構造を用いる
ことにより、単一モード安定性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施形態を説明する為の構成図
である。
【図2】本発明の第一の実施形態を説明する為の活性層
の形状を示す図である。
【図3】本発明の第一の実施形態における製作工程を示
す図である。
【図4】本発明の第一の実施形態における製作工程を示
す図である。
【図5】本発明の第一の実施形態と光ファイバーとの結
合効率を示す図である。
【図6】本発明の第一の実施形態と光ファイバーとの結
合効率を示す図である。
【図7】本発明の第二の実施形態を説明する為の構成図
である。
【図8】本発明の第二の実施形態を説明する為の活性層
の形状を示す図である。
【図9】従来の技術である水平アクティブテーパ型スポ
ットサイズ変換レーザである。図9(A)はその構成
図、図9(B)は活性層の形状を示す。
【符号の説明】 101 活性層 601 活性層 701 活性層 102 高反射率膜 602 高反射率膜 702 高反射率膜 103 低反射率膜 603 低反射率膜 703 低反射率膜 104 電極 604 電極 105 第一の幅を有する活性層領域 605 第一の幅を有する活性層領域 705 第一の幅を有する活性層領域 706 テーパ状活性層領域 107 第二の幅を有する活性層領域 607 第二の幅を有する活性層領域 108 n−InP基板 608 n−InP基板 708 n−InP基板 109 n−InPクラッド層 609 n−InPクラッド層 110 p−InPクラッド層 710 n−InP埋込み層 112 p−InP埋込み層 612 p−InP埋込み層 712 p−InP埋込み層 113 p−InP電流ブロック層 613 p−InP電流ブロック層 713 p−InP電流ブロック層 114 n−InP電流ブロック層 614 n−InP電流ブロック層 714 n−InP電流ブロック層 115 p−InGaAsPコンタクト層 615 p−InGaAsPコンタクト層 116 SiOマスク 617 回折格子

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 共振器が第一の幅を有する実質的に矩形
    の活性層領域と、第一の幅より狭い第二の幅を有する実
    質的に矩形の活性層領域が一体として接合されているこ
    とを特徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項2】 前記第二の活性層領域において、レーザ
    光の導波モードと放射モードとが干渉することを特徴と
    する請求項1記載の半導体レーザ。
  3. 【請求項3】 前記第二の活性層領域の長さが、前記導
    波モードと放射モードの位相を同じに設定することで決
    定されることを特徴とする請求項1又は2記載の半導体
    レーザ。
  4. 【請求項4】 単一モード光ファイバとの結合効率にお
    いて、結合効率が5.0dB以下である請求項1乃至3
    のうちのいづれかに記載の半導体レーザ。
  5. 【請求項5】 前記共振器内をレーザ光が往復する間に
    受ける導波路損失が約0.3dB以下である請求項1乃
    至3のうちのいづれかに記載の半導体レーザ。
  6. 【請求項6】 前記第二の活性層領域に回折格子を設け
    た請求項1記載の半導体レーザ。
  7. 【請求項7】 単一モード発振安定性において、副モー
    ド抑圧比が50dB以下である前記請求項6記載の半導
    体レーザ。
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