JPS5853519B2 - 二重導波路型半導体レ−ザ - Google Patents

二重導波路型半導体レ−ザ

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JPS5853519B2
JPS5853519B2 JP2521376A JP2521376A JPS5853519B2 JP S5853519 B2 JPS5853519 B2 JP S5853519B2 JP 2521376 A JP2521376 A JP 2521376A JP 2521376 A JP2521376 A JP 2521376A JP S5853519 B2 JPS5853519 B2 JP S5853519B2
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waveguide
layer
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勇 佐久間
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体レーザの改良に関するものである。
近年光エレクトロニクスが通信情報処理等の分野に大き
な可能性を持って出現し、エレクトロニクスにおける集
積回路のごとき、光集積回路化が要望され始めた。
この光集積化は、小形、簡素化、高密度化、高信頼化等
の点で当然半導体結晶を母体として進められるのが望し
い。
その中心部である発光源となるのが半導体レーザである
実現している半導体レーザを光集積回路中の一素子とし
て用いる際、次のような問題にぶつかる。
第一にモノリシックに光集積回路を作ろうとする時には
、反射鏡面の作成に骨間の方法が使えない。
第二に端面からの光を取り出す方法は光集積回路には不
適当であり、いかにして出力光を光共振器から取り出し
、しかも同一基板内の他の素子へ効率よく導くことが難
しいという問題である。
これらの問題点を解決する方法として、集積二重導波路
型半導体レーザや分布帰還型半導体レーザが提案されて
いる。
そしてそれはそれなりに一応前記問題点を解決したかに
みえるので、以下その詳細を考え、本発明を説明するた
めの足掛りとする。
まず、集積二重導波路型半導体レーザの概略図を第1図
に示し、その構造およびその機構等について、図面を用
いて簡単に説明する。
例えば、n型GaAs基板1の上に液相エピタキシャル
成長法を用いて、n型A4.35 G aO065As
層2、出力導波路のn型A 130.I G a 6.
g A s層3、n型Alo、25 G ao、75
A s層4、活性導波路のp型GaAs層(z−0の例
)5、p型AlO,35Ga□、65 A s層6、電
極用のp型G a A s層7を順次成長させる。
活性導波路5の反射鏡12を得るために、ウェーハー上
に110面と平行に設けたマスクを利用して、逆スパツ
タ法で、n型AA□、25 Ga□、7.A 3層4の
中途まで削り落す。
表面電流を除ぐために、S i02膜8を設け、その上
に電極と活性導波路の反射を増す目的をかねた金属膜9
を蒸着し、同時にn型電極10をつける。
出力導波路3の両端面11は骨間で形成し、集積二重導
波路型半導体レーザが製作される。
レーザ発振は電流励起により活性導波路5で生じた発振
光が、方向性結合器の原理により、下の出力導波路3に
入りこれを介して出力として端面11から取り出される
出力導波路3のAl成分比を変えて、禁止帯幅を活性導
波路5のそれより広くすることによって、出力導波路は
発振光の波長に対して吸収が起らない低損失導波器にで
きる。
また中間層のAlo、25Gao、7.As4の厚みを
適当に薄くすることで効率の良い光の結合が得られる。
活性導波路と出力導波路との結合を強くするためには、
それぞれの導波路の固有モードの伝搬定数が等しくなる
ようにする(位相整合)。
そのためには、活性導波路および出力導波路の屈折率と
厚みとを適当に選ぶ必要がある。
また、活性導波路と出力導波路とに並行な中間層の厚み
もまた結合度を左右する。
位相整合が不十分な場合でも中間層の厚みが薄くなれば
結合度は強まり、その厚みを活性導波路内の約半波長(
GaAsの場合は約0.125μm)以下にすると位相
整合に依存せず効率の良い結合が得られる。
故に中間層の厚みは0.125μm以下にする必要があ
る。
しかし、このような薄い層を液相成長法で得ることは、
実際問題非常に難しく、その再現性も悪い。
更に中間層が薄くなると、活性導波路の反射鏡を作る場
合、逆スパツタ法で不必要な層を削り落す寸法的精度が
厳しくなり製造技術的は困難生ずる。
以上纒々説明した事柄を総合的に判断すると、この集積
二重導波路型半導体レーザでは、再現性や信頼性の優れ
たものを製造するのは困難であるとの結論に達する。
この発明の目的は、従来の集積二重導波路型半導体レー
ザの有する欠点を除去し、効率の良い光結合が得られ、
信頼性の高いかつ容易に製作し得る新規な二重導波路型
半導体レーザを提供することである。
この発明によれば、活性導波路と出力導波路とからなる
ペテロ構造の半導体接合レーザであって、1)AlxG
a1−XASの3つの層の間にはさまれるように設けた
活性導波路のAlzGaI zAs層と出力導波路の
A !l y G ax −y A S層を有し、活性
導波路のAlzGal−2As層はその一方の界面で半
導体レーザのpnの接合を形成し、A 11 x G
a 1− x As層の中の少なくとも1つの層は中間
層であり、その両側に活性導波路のA A! z G
at −z A s層と出力導波路(7)A[。
Ga1 As層とを配置し、 2)前記出力導波路の禁止帯幅は前記活性導波路のそれ
より広く、A11xGa1−XAs層のそれより狭く即
ち(x>y>z≧O)とし、 3)レーザの光軸方向に前記各層が接合面と交わる方向
に少なくとも1個所以上屈曲すること、を特徴として備
えた二重導波路型半導体レーザを得る。
次に本発明の実施例について、図面を参照して説明する
第2図は、本発明の一実施例の二重導波路型半導体レー
ザの概略図である。
たとえば、100面を表面とするn型GaAs基板13
に<110>軸方向に平行な幅300μm、高さ5μm
の細長い台形を選択エツチングで形成する。
この基板上に液相成長法で厚み5μ、n型のAlo、3
Gao、7As層14、厚み1μm、p型GaAs活性
導波路15、厚み2μm、p型のAlo、3Gao、7
As中間層16、厚み3μm、p型のklo、1Ga□
、gAs出力導波路17、厚み2μm、p型のAl16
.3 G36.7 Ass層8を順次成長する。
次にp型Alo、3Gao、7As層18上にSiO2
膜19膜設9、選択エツチングによって台形上のみS
102膜を除去し電極金属20.21を両全面に蒸着す
る。
<110>軸方向に平行な幅300μmの台形を中心に
互いに600μmはなれた2つの反射面22を持つ棒状
の結晶片を(110)の襞間で形成し、更に反射面22
と交わる方向に幅100μm程度で細分成形して、本発
明を実施した二重導波路型半導体レーザができあがる。
このようにして製作した二重導波路型半導体レーザの電
極20に正、電極21に負の電圧を印加すると、S i
02膜19を除去した台形部真下、活性導波路23のみ
に電流注入がおこる。
そして、レーザ発振光がこの電流励起活性導波路23で
発生する。
本実施例によれば電流励起活性導波路23の光軸方向の
両端部、即ち台形部の両端24が接合面に交わる方向に
傾斜した階段状に屈曲し、それにつれて各々の成長層も
同様な形状を保ちながら連続的に積み重なった構造をな
している。
その結果、電流励起活性導波路23で発振した光の一部
は屈曲した非励起活性導波路内に浸み込む。
この非励起導波路は、自由キャリヤー濃度が大きいため
、浸み込んだ発振光に対して損失の大きな導波路として
働く。
したがって発振光は吸収によりしだいに減衰してしまう
又一部の発振光は、そのまま直進し、中間層16内に進
入する。
中間層16の禁止帯幅は活性導波路15のそれより十分
に広いため、発振光の波長に対して透明に近い特性を有
する。
故にその発振光は、中間層16中で減衰することなく通
り抜けて出力導波路17に達する。
出力導波路17は発振光に対して低損失の導波路として
機能するため、この領域に達した光は損失することなく
層内を伝播し、出力光として両端面22から外部に取り
出される。
このように電流励起活性導波路23で生じた発振光を、
非励起活性導波路になるべく浸み込ませないで、多くを
出力導波路17の端面22から取り出すには、すなわち
、光結合度を強めるためには、励起活性導波路を限定す
る傾斜階段状に屈曲している、境界面24と基板13の
基平面となす角θの値に大きく左右される。
この傾斜階段状に屈曲した境界面24で、接合面に平行
な光が全反射せずに透過するための境界面24の傾斜角
θは、θ>cos−1(1−−) 2 (ntはA I X G a 1− X A s中間層
の屈折率、n2は12Ga1−2As活性導波路の屈折
率を表わす。
)なる条件をみたす必要がある。
この条件下では、結合度は中間層16の厚みには無関係
となる。
Alo、3Gao、7AS GaAs(z=oのとき
)へテロ境界面を有する場合、各々の屈折率がn1=3
.5、n 2 = 3.6であるからθ〉14°となる
すなわち、活性導波路15の傾斜階段状屈曲部の境界面
24が基板13の基平面となす角度θが、14゜以上傾
斜しておればAlo、3Gao、7AS中間層16の厚
さが十分に厚くとも、出力導波路との効率の良い光結合
度が得られる。
傾斜階段状屈曲部の境界面は、G a A s基板の(
100)面内(011)方向に平行に形成するとすれば
、たとえば、Br CH20H系のエツチング液を用
いて容易に実現できる。
そのエツチングの側面がかならず(111)A面となる
からである。
この(111) A面は基板(100)と丁度54°4
4′の角度を有する。
したがって、このエツチング面をそまま用いるならば、
本発明の結合度の条件を満足する。
このように、エツチング液の結晶方位の選択性を利用す
るならば、屈曲部の階段状の傾斜面は非常に簡単に結晶
学的精度のものが得られる。
その結果、正確な面方位を持った形状の基板上の液相成
長は、その基板形状に忠実な成長層が得られやすいとい
う利点を利用出来る。
逆にθが14°以下の時は、中間層の厚みに依存し、そ
の厚さを活性導波路内の約半波長以下にすれば良いこと
になる。
中間層を透過した発振光を更に損失少なく出力導波路に
導くには、少なくとも出力導波路の一部分が励起活性導
波路と同じ高さの位置に配位するのが望ましい。
発振光が出力導波路に直進して浸入すれば、それだけ途
中での散乱損失がより少なくなるためである。
この位置合せは、都合の良いことに活性導波路の厚さに
比較して出力導波路の厚さをあつくしても発振特性に悪
い影響をおよぼさないため、出力導波路の厚さと中間層
の厚さとを適当に設計するのみで簡単に得られる。
発振電流密度は活性導波路の厚みdの関数として、 λ/2≦d≦3μm の間でほぼ直線的に減少する。
ここでλは活性導波路中で測定した発振光の波長である
一方、出力の放射角、特に接合面に垂直な方向の拡がり
角度は、活性導波路の厚さdが薄くなるにしたがい、す
なわち、発振電流密度の減少するにそって大きくなる。
この放射角が広いことは、端面からの出力光を他の素子
へ効率よく導くことが困難となる。
本発明によれば、活性導波路の厚みを発振電流密度が最
小になる厚さにしても、出力導波路を、それよりも十分
に厚くすることが可能なため、この放射角の問題は自ず
と解決される。
第3図に示した実施例は、第2図の実施例と逆の構造に
した場合で、励起活性導波路23を基板13に形成した
凹状の構に成長させ、出力導波路25が活性導波路15
より下層に位置する層構造としたものであるが、得られ
る機能、効果はなんら劣ることはない。
第4図の実施例は、第2図の実施例の出力導波路部17
に回折格子27を形成し、分布帰還型の光共振器を構成
した二重導波路型半導体レーザである。
このような構成にすると、出力端面を鏡面にする必要が
なくなるため、光集積回路における光源として更に適し
たものとなる。
しかも、回折格子を加工する。
際に発生する欠陥が、電流励起活性導波路に直接影響を
およぼさぬ様に構成できるのは従来の分布帰還型にない
本発明の卓譲した効果であり、その加工も結晶成長後の
プロセスで作れる利点がある。
従って本発明による二重導波路型半導体レーザは、高信
頼、長寿命、容易な製造で得られる等の数多くの利点が
ある。
なお、本発明を適用するに当って、第1図に示した従来
例の如く電極を取りやすくするための層7に相当する層
付加して設けても一部にかまわないし、それにより本発
明の効果が減じるものでもない。
以上詳述したように、本発明によれば、活性導波路の一
部をヘテロ境界面で光軸方向に限定し、出力導波路を集
積化することで、光結合度の太きい、製作が簡単で、信
頼性の高い全く新規な二重導波路型半導体レーザが得ら
れる。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来の集積二重導波路型半導体レーザの概略図
を、第2図および第3図は本発明の最も簡素な実施例で
ある二重導波路型半導体レーザの概略図を、第4図は本
発明の実施例に分布帰還型共振器を付加した二重導波路
型半導体レーザの概略図をそれぞれ示す。 図において、1,13・・・・・・n型GaAs基板、
2 、14”−n型A 1XGa1−X As層、3,
25””・・n型AlyGa1−yAs出力導波路、4
,26・・・・・・n型AAxGa1−>(As中間層
、5,15・・・・・・p型A7 z Ga1−2 A
s活性導波路、6 、18−−−−−・p型AlXGa
1−)(As層、7・・・・・・p型GaAs層、8.
19・・・・・・S t 02膜、9,10,20,2
1・・・・・・電極、11,22・・・・・・出力導波
路端面、12・・・・・・・・・活性導波路端面、16
・・・・・・p型AlxGa1−xAs中間層、17・
・・・・・p型A l y G a 1−yA s出力
導波路、23・・・・・・励起活性導波路、24・・・
・・・階段状へテロ境界面、27・・・・・・回折格子
、θ・・・・・・階段状へテロ境界面と基板の基平面と
のなす角、をそれぞれ示す。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 活性導波路と出力導波路とからなるヘテロ構造の半
    導体接合レーザであって、 1)AlxGa1−XAsの3つの層の間にはさまれる
    ように設けた活性導波路のA 73 z G al −
    z A S層と出力導波路のA[yGal−yAs層と
    を有し、活性導波路のklZGal−2As層はその一
    方の界面で半導体レーザのpn接合を形成し、AlxG
    a1−>(As層の中の少なくとも1つの層は中間層で
    あり、その両側に活性導波路のA12G al −2A
    s層と出力導波路のAl、Ga1−。 As層とを配置し、 2)前記出力導波路の禁止帯幅は前記活性導波路のそれ
    より広く、A# X Gal −x A s層のそれよ
    りは狭く、即ち(x>y>z≧0)とし、3)レーザの
    光軸方向に前記各層が接合面と交わる方向に少くとも1
    個所以上屈曲すること、を特徴として備えた二重導波路
    型半導体レーザ。
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