JPS58105586A - 半導体レ−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】 本発明は、カラスファイバを用いた光通信方式において
光源として使用される発光素子で高速変調時にも単−縦
モードで発振しうる分布帰還形又は分布反射形半導体レ
ーザ素子に関するものである。

元通信用光源として用いられる半導体レーザには、発振
波長と発振モードが高速の変調時にも安定であることが
要求される。このような要求をみたす半導体レーザとし
ては、その内部に半導俸給　　−８層の膜厚が周期的に
変化する周期構造が形成されており、仁の周期構造に光
の反射機能をもたせレーザ発振を得るいわゆる分布帰還
形半導体レーザおよび分布反射形半導体レーザとが知ら
れていた。

このうち分布帰還形（以後ＤＦＢと称する）レーザは活
性層又は活性−と接して形成される光ガイド層に光の発
振する方向に沿って前記の周期構造をつくりつけるもの
であるが、素子製作上に大きな問題点を伴っていた。、
すなわち、それはこのレーザの製作工程のうち最後にあ
るベレット化の過程である。従来のファプリ・べｂ共振
器を用いる形式のレーザ（以後ＦＰレーザと称する）で
は、結晶のへきかい性を利用し、へきかいによってペレ
ット化するとともにへきかい面の鏡面でファプリ・ベロ
共振器を構成していた。しかし、ＤＦＢレーザにおいて
は、へきかいを利用してベレット化を行うとファプリ・
ベロ共振器も同時に構成されてしまうため、レーザ発振
時にＤＦＢモードでの発振の他にノアブリ・ベロモード
での発振も生じてしまい、ＤＦＢレーザとしての性能が
著しく損われることになる。この問題をさけるため、従
来のＤＦＢレーザにおいては、ベレット化のときワイヤ
ーソーを用いて切断し、ペレットの四周を粗面として形
成してノアブリ・ペロ共振器を形成することを防ぐが、
又は、へきかいにより大きなペレットを得てその一部に
だけ電極を形成し電流注入領域を限定することによりフ
ァプリ・ベロモードでの発振を防ぐといった構成がとら
れていた。

しかし、これらの構成のうちワイヤーノーを用いるもの
では結晶に高密度の欠陥が導入される問題がわり、素子
の信頼性を低下させる欠点がある。

又、大きなペレットの一部を用いる構成では結晶の有効
利用という面からみて問題がある。

一方、分布反射形レーザ（以後ＤＢＲレーザと称する）
についても、７アプリ・ベロモードでの発振を抑圧する
ことが大きな課題であることはＤＦＢレーザと同様であ
った。

本発明は、これらの欠点を解決するためになされたもの
で、ＤＦＩ３４！ｌ！能又はＤＢＲ機能を有する埋めこ
み構造レーザの形を基本とし、活性層又は活性層と光ガ
イド層として働く結晶層の全周囲又は光のとりだし方向
のうちの一方を除いた他の全周囲をこれら結晶層とくら
べて格子定数が同−又は極めて近く、屈折率は小さいか
又は同一であシ、なお禁制帯幅は大きいか又は同一であ
る結晶層にょシ埋めこみ、発振しきい値の低減と、発振
横モードの安定化を図ると同時にレーザの光とりだし面
の両方又は一方での光の反射率を低下させ、ファプリ・
ベロモードでの発振をおさえ、ＤＦＢモード又はＩ’Ｂ
Ｒモードでのレーザ発振を効率良く得ることのできる半
導体レーザ装置を提供するものである。

以下図面によシ本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明にかかるＤＦＢレーザ素子の構造の一例
を示す断面図である。ここでは、ＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓ
Ｐ系の半導体材料を用いた素子について説明する。第１
図＋ａｌは本素子の光とりだし方向に垂直で活性層、光
ガイド層を含んだ部分の横断面図であり、第１図＋１３
＋は本素子の光とりだし方向に沿って素子中央部で切断
した場合の縦断面図である。

第１図において、１はｎ形ＩｎＰ結晶基板、２はｎ形Ｉ
ｎＰ結晶基板１の上に形成された回折格子、３は光ガイ
ド層として作用するｎ形ＧａＩｎＡａＰ　４元混晶層、
４は活性層となるＧａＩｎＡｓＰ４元混晶層、５はｐ形
ＩｎＰ結晶層、６はｐ形ＩｎＰの半導体結晶層、７はｎ
形ＩｎＰの半導体結晶層である。８はへきかいで形成し
た元とりだし面、９及び１０はケミカルエツチング等の
手段により活性層４及び光ガイド層３に対して傾いて形
成した傾斜面である。１１はｎ形オーミック電極、１２
はｐ形オーミック電極であり、１３は放射されるレーザ
光を表わす。

本構造においては、電極１２から１１へむけての電流注
入に応じ活性層４で発生した光はガイド層３べもれて３
と４の結晶層中をでんばんする。この足するように定め
ておけば、いわゆるＤＦＢモードでのレーザ発振がひき
おこされる。このとき、λはレーザ発振の波長、ｎは３
と４とで構成される光導波路の実効屈折率、ｍは回折格
子の次数である。一方、光導波路の両端からの光の反射
にょシ生じるファプリ・ベロモードでのレーザ発振を考
えると、へきかいにより形成した面８においては充分な
反射率（約３０　％　）を有するが、他方の面９におい
ては面が導波路に対して傾いている上に面９は結晶６と
７でおおわれｙいるので、結晶間の屈折率差が小さく、
従って光の反射率もきわめて低い。又、導波路を構成す
る結晶層３及び４がら結晶６及び７中へ出射した光は導
波構造がないために大きく広′がり、しかも面１０で反
射した光は面１０が導波路３及び４に垂直でないため、
面１０で反射して導波路３及び４にもどる光の量は極め
て少い。

従って、ファプリ・ペロモードでのレーザ発振ははぼ完
全にさけることができる。

面９及び面１０と結晶層３及び４とがなす角度θ１及び
θ２は小さい方が望ましいが７００以下又は１１０’以
上なら充分である。又、この角度がたとえ９ｏ０であっ
ても本発明の効果は顕著である。しかも素子の構造はい
わゆる埋めこみ構造となっており、注入した電流は結晶
層６，７で形成されるｐｎ接合の逆バイアスにより制限
され、活性領域にのみ電流の集中が生じ電流の有効な利
用が行なわれ、又活性層及び光ガイド層を埋めこみガイ
ド構造とすることが可能であるので、発生した光の閉じ
込めが行われ、発振しきい値の低減と横モードの制御が
実現される。

以下に本発明の実施例について説明する。液相成長法を
用いてＩｎＰ／ＧａＩｎＡｓＰ系材料にょシ本発明の系
材例としてレーザ素子を実現した。この場合、各結晶層
の構成は第１図の状態において次の通りである。

１　：　５ｎ−ｄｏｐｅｄ　ｎ形ＩｎＰ基板、厚み８０
　ｐｍ　１キヤ！Ｊ　ヤ密［５ＸｌＯ”ｃｆＩｖａ％Ｅ
ＰＤ　５Ｘ１０’ｍ−”３　：　Ｇ＆ｏ、２６■ｎｏ、
ｒ＜ＡＢｏ、５ａＰｏ、ａａ　４元混晶活性層）厚み０
．２　ｐｍ　％　Ｓｎ　−ｄｏｐｅｄ　ｓ　キャリヤ密
度７Ｘ１０　　百 ４　：　ｃａ（ｔ４２ｉｎ０．５８Ａ８０．８＋ｔｐＬ
１２４元混晶活性層、厚み０．１３　ｐｍ　ｓ　　ｕｙ
ｔｄｏｐｅｄ５：ｐ形ｒｎＰ結晶層、厚み２．５ｐｍ％
Ｚｎ−ｄｏｐａｄｓキャリヤ密度Ｉ　Ｘ　１０　”　ｅ
ｙｘ”６：ｐ形ｒｎＰ結晶層、厚み１．５ｐｍｓ　Ｚｎ
−ｄｏｐｅｄｓキャリヤ密度４ＸＩＱｃｍ ７：ｎ形ＩｎＰ結晶層、厚み１　ｐｍｓ　Ｔｅ−ｄｏｐ
ｅｃＬキャリヤ密度３　Ｘ　１０　”　ａｎ　’これら
の結晶層の液相成長には、通常のいわゆるスライドポー
ト法が用りられ、各結晶層の成長温度は６０５℃から５
９０℃の間にある。

なお、結晶Ｊｆｉ　３　、４　、５の成長の前に（１０
０）結晶基板１上にＡｒイオンレーザの４８８ＯＡの光
の干渉を利用し、＜１１０＞方向の１つに沿ってビ、チ
４５２２Ａの回折格子をフォトエツチング技術を利用し
て形成した。回折格子の深さは約１５０ＯＡである一０
用いたフォトレジストはＡＺ（商品名）であシ用いたエ
ツチング液はＨＣｔ：　Ｈ２Ｏ（１：　１　）　（２０
℃）である◇ 結晶層３，４．５の形成後Ｓ　ｉ０２膜をｒｆスパッタ
法によ多結晶表面に形成した。次に、やはシフォトエ、
チング技術を利用して回折格子を形成する直線状の凹凸
とは直角方向をなす＜１１０＞方向に沿って＠９　μｍ
　ｓ長さ４００ｐｍ、間隔２０ｐｍの繰シ返しでストラ
イプ薄膜を残し、ブロム・メタノール溶液によって６μ
ｍの深さまでメサエッチングを行なった。このとき、第
１図＋ｂｌにおけるθｌの値としては５０度を得た。続
いて、６．７の順に埋め込°み結晶成長を行ない、基板
側にｎ電極１１としてＡｕ−Ｇｅ　−Ｎｉ合金、結晶成
長層側にｐ電植１２としてＡｕ　−Ｚｎ合金を蒸着によ
シ形成した。その後、７ンタリングをほどこし、ストラ
イプの中央部とストライプとストライプの間隔の中央部
をへきかいにより分離し、（すなわちθ２−９０度）、
長さ２０５μｍの半導体レーザ素子を製作した。ｎ電極
１１を負に、ｐ電極１２ヲ正に直流電流を流したところ
２５℃において、５５ｍＡのしきい値で分布帰還モード
のレーザ発振を得た。このとき、発振スペクトルは発振
しきい値からしきい値の３倍以上まで単−縦モードであ
ることがみとめられた。

次にこのレーザに６５ｍＡの直流を流しておき、さらに
４００■ｔの正弦波電流（振幅２０ｍＡ）を印加したと
きのスペクトルを観察したが波長１．５１６μｍ付近で
やはり単−縦モードの分布帰還モードによるレーザ発振
をみとめた。その例を第２図に示す。

なお、結晶基板１としてｐ形のものを用いたときは他の
半導体結晶の伝導形を全て逆にすれば良いＯ 又、本実施例ではファイバ等への結合に便利であるよう
に光のとシだし方向をへきかいにより面８として形成し
たが、第３図に示す如く活性層４及び光ガイド層３の全
周囲を結晶層６及び７で埋めこんだ構造では素子両端で
の光の反射によるファプリ・ペロモードの抑圧はさらに
完全となることは明らかであろう〇 第４図に示すのは本発明にかかるＤＢＲレーザの−例で
あって、電流注入の生じる活性層４及びガイド層３には
回折格子を設けず、素子両端に回折格子２が形成されて
いる。さらに、活性層４及びガイド層３の両端は傾いた
面となシさらに結晶６及び７で埋めこまれている。この
構造により、本ＤＢＲレーザにおいてもフ了フ゛す・ベ
ロモードでの発振は容易に抑圧できる。

以上説明したように、本発明の素子においては、効率良
くファプリ・ベロモードのレーザ発振を抑圧できるので
、質の良い分布帰還モード又は分布反射モードのレーザ
発振を得やすい利点がある。また、レーザダイオードの
発振しきい値は低く横モードも制御されている点ですぐ
れ、また活性層４の片側は結晶層６に囲まれており、空
気と接していないので、端面の劣化が少ない利点もある
。従来素子の如く、ワイヤーノーを用いないので、素子
としての信頼性７ノ：高く又結晶利用の効率も高い。

尚、使用する半導体材料としてはＧａＡａ　−ＧａＭＡ
ｓ系、　Ｇａ５ｂ−ＧａＡｔＡｓＳｂ系なども本発明の
方法が応用できることは自明である。

〔本発明の構成例としては今まで述べてきたものの他に第４図に示すものが考えられることは明らかである。この構造では、電流注入は活性層４の一部分に対してのみ行なわれ活性層４の他部分は吸収による光の損失部として作用する。 その上、なお端面の一方が第１図と同じようにＩｎＰ結晶層６．７による埋め込み構造になっており、端面における光の反射を防いでいる。このため、ファブリペロモードでのレーザ発振は完全に防止できる。〕

（３）第１０鑓、最終行〔第４図〕を〔第５図〕に訂正
する。 （４）第１１頁、第１７行と第１８行との間に次の説明
を挿入する。 〔なお、本発明の構成においては、次のような利点も生
じうる。すなわち、ＤＦＢ、ＤＢＲレーザは端面の形状
が自由に構成しうるので、第６図に示す如くファイバ固
定用の溝を結晶につくりつけて、ファイバを直接レーザ
素子に接着してしまうことが可能である。ここで、１５
Ｆｉ接着剤、１６はガラスファイバ、１７はガラスファ
イノＺ１６のクラ、ド、１８はガラスファイツク１６の
コア、１９はファイバ固定用溝以外の部分を切断したと
きの結晶の外周部である。このような構造は、レーザと
ファイ゛バの結合に大きな信頼度を与え、特に海底光通
信方式における中継器などで使用するのに好適である。 〕 （５）第１２頁、第６行から第８行〔第４図１＆ｌ　（
ｂｌは・・・・・・である。〕を〔第４図は本発明にか
かるＤＦＢレーザ素子の構造の１例を示す断面図、第５
図ｆｉｌ　（ｂｌは本°発明ＫかかるＤＢＲレーザ素子
の構造の１例を示す横断面図及、び縦断面図、第６図は
本発明の利点を生かしたＤＦＢレーザ素子と７アイバと
の結合例を示す断ｍ１図モある。〕（６）第１２頁、下
から第３行〔。〕を削除し、次の説明を挿入する。 〔，１５・・・接着剤、１６・・・ガラスファイ・；、
１７・・・ガラスファイバのクラッド、１８・・・ガラ
スファイバのコア、１９・・・ファイバ同定用溝以外の
部分を切断したときの結晶の外周部。〕■　図面の訂正 第４図１ａｌ　＋ｂｌを第５図＋ａ＋＋ｂ１とし、新た
に第４図と第６図を追加するために、第４図以降を添付
のように訂正する。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上に形成した少くとも活性ノーを含む政教の
   単結晶薄膜からなる半導体結晶の一部分に膜厚が周期的
   に変化している周期構造が形成されている分布帰還又は
   分布反射の機能を有する半導体レーザ装置において、前
   記活性層又は前記活性層と光ガイド層として機能する結
   晶の全周囲又は光のとりだし方向のうちの一方を除いた
   他の周囲を前記結晶層とくらべて格子定数が同−又は極
   めて近く、屈折率は小さいか又は同一であり、なお禁制
   帝幅は大きいか又は同一である結晶ノーにより埋めこん
   だことを特徴とする半導体レーザ装置。