JPS61216383A - 分布帰還型半導体レ−ザ - 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】 本発明は安定な単一波長で発振する分布帰還型半導体レ
ーザ（以下ＤＦＢレーザと称する）に関するものである
。

（従来技術とその問題点） ＤＦＢレーザは素子内部に形成した回折格子による分布
帰還とその波長選択性を利用して単一波長で発振する半
導体レーザである。このような単一波長半導体レーザを
光源に用いた光ファイノく通信システムにおいては、そ
の伝送媒体として波長分散（波長の違いＫよって伝送速
度が異なる性質）のある光、ファイバを用いても、長距
離伝送後の信号波形が乱れないという利点があるため、
ＤＦＢレーザは長距離光フアイバ通信用光源として有望
視　−されている。

ところで、従来のＤＦＢレーザは回折格子の周期によっ
て決まるブラッグ波長近傍に、ストップバンドと呼ばれ
る発振モードの存在しない波長帯を持ち、このストップ
バンドの両側に２本の発振可能モードを有しているため
、全ての素子が単一波長で発振するのではなく、中には
２本の軸モードで発振するものもあった。この問題を解
決するために、例えば１９８４年４月１２日発行のエレ
クトロニクスレターズ誌、第２０巻、第８号、ページ３
２６〜３２７では、ＤＦＢレーザの中央部分で、回折格
子の周期を伝搬波長（λ）のし４だけずらした構造（以
下シイシフト構造と称する）を提案している。このシ４
シフト構造ＤＦＢレーザではプラ。

グ波長に一致して発振可能モードが存在し、且つこのモ
ードの発振閾値利得が他のそ−ドに比べ著しく低くなる
ため、ブラッグ波長での安定な単一波長発振が得られる
。前記論文ではλ４シフト構造ＤＦＢレーザについて、
両端面の反射が無い場合、及び一方の端面の反射が無く
、他方の端面が反射率的３０％の臂開面である場合の理
論的な検討を行っておシ、前記λ４シフトの領域はどち
らの場合も素子中央部分にあるのが理想的であると述べ
ている。

しかし、本願の発明者の理論的検討によれば、前記論文
で示したλ４シフト領域の最適位置には若干の誤シがあ
ることが判明した。すなわち、両端面が無反射、あるい
は両端面の反射率が等しい場合には、λ４シフト領域の
最適位置は素子中央でよいのであるが、両端面の反射率
が非対称な場合には、その最適位置が素子中央部分から
ずれることが本発明者によって見い出された。一般にＤ
ＦＢレーザにおいては、不要モードであるファブリペロ
拳モードを抑制し且っ前端面からの光取シ出し効率を高
くすることを目的として、例えば１９８４年３月１５日
発行のエレクトロニクスレターズ誌、第２０巻、第６号
ページ２３３〜２３５で示されているように、素子前端
面に無反射コーティング（以下ＡＲココ−ィングと称す
る）を施すことが多い。このような場合においては、λ
４シフト領域をどこに設けたら良いかＫついての検討は
なされていなかった。

（発明の目的） 本発明は、特に非対称な端面反射率を有するＤＦＢレー
ザにおいて、安定な単一波長で発振するＤＦＢレーザを
提供することにある。

（発明の構成） 本発明による半導体レーザの構成は、ストライプ状発領
域と、このストライプ状発光領域に近接した光の進行方
向に沿う周期状凹凸構造を有する分布帰還型半導体レー
ザにおいて、前記ストライプ状発光領域の両端に反射率
の異なる２つの端面を備え、前記周期状凹凸構造の中央
部より前記反射率の高い方の端面に近い側で、前記周期
状凹凸構造を前記ストライプ方向に２分し、この２分す
る部分に２分された周期状凹凸構造の間で光学的な位相
ズレを生じさせる位相シフト領域を備えたことを特徴と
している。このような構造でも特に、前記位相シフト領
域での光学的位相ズレ量がシ２となるように、前記位相
シフト領域の長さを前記位相シフト領域を伝搬する光の
波長の（１＋２ｎン４倍（但し、ｎは０以上の整数）と
した構造、あるいは、前記位相シフト領域を伝搬する光
と前記周期状凹凸構造に沿って伝搬する光の伝搬定数の
差の逆数のガ倍となるように位相シフト領域の長さを定
めた構造で社効果が著しく大きくなる。

（発明の作用・原理） まず、乞シフト構造ＤＦＢレーザの原理について述べる
。第４図（ａ）はし４シフト構造ＤＦＢレーザの回折格
子の形状である。回折格子の周期Ａは一般にΔ＝ｍλｇ
／２（λｇは半導体中での光の伝搬波長、ｍは１以上の
整数）となるように設定するが、ここでは話を簡単にす
るためｍ＝１の１次の回折格子とするが一般性は失なわ
れない。両端には反射″ＩＫ　Ｒｔ　、Ｒｔの２つの端
面があり、回折格子の一部に長さΔＬの平担な位相シフ
ト領域がある構造を考える。このような回折格子を持つ
ＤＦＢレーザでは、図中Ａ点から左側を見た反射光と、
Ｂ点から右側を見た反射光のブラッグ波長での位相はそ
れぞれシ２である。従って、位相シフト領域がない（Δ
Ｌ＝０）一般のＤＦＢレーザでは、ブラッグ波長で共振
器内を一周する光にπの位相ズレが生じてしまい、ブラ
ッグ波長では発振モードは存在しない。これに対し、シ
４シフト構造ＤＦＢレーザでは、素子中央部（Ｌ、＝０
．ＳＬ）に設けた位相シフト領域（ここで言う位相シフ
ト領域とは、便宜上平組部両側の回折格子の凸部から凸
部とする。）の長さをΔＬ；λｇ／４とすることにより
、光がこの位相シフト領域を通過する際、片道で５／２
、往復で「だけ位相がシフトされ、左右の回折格子によ
る位相ズレを打ち消すため、ブラッグ波長での安定な単
一波長発振が得られる。

以上説明したように、従来の２／４シフト構造ＤＦＢレ
ーザにおける位相シフト領域は、ブラッグ波長での位相
整合をと石ことによって、プッ。

グ波長に一致した安定な単一波長発振を得ることを目的
としていた。また、その最適位置は素子中央部（Ｌ、　
＝　０．５　Ｌ）であるとされていた。しかし、ブラッ
グ波長でのよ多安定な単一波長発振を得るためには、位
相シフト領域において、位相整合のみならず、左右の反
射光の強度的な整合もとることが望ましい。これを実現
するためには左右の反射光の強度が等しくなる位置に位
相シフト領域を設ければよい訳である。一般に両端の反
射率が異なる（Ｒｘ４Ｒｔ）場合には、左右を見た反射
光の強度が等しくなる位置は素子中央部よりも高反射端
面倒にずれる。従って、位相シフト領域の最適位置も素
子中央部より高反射端面側にずれる。これを実証するた
めに次の様な計算による検討を試みた。第４図（ｂ）は
、左右の端面の反射率がそれぞれＲｚ＝３０％−Ｒｔ＝
０Ｏ場合ニツイテ、位相シフト領域の位置（Ｌｌ／Ｌ）
を変えた時の、ブラッグ波長に一致するメインモードと
その両側のサブモードの発振閾値利得の変化の様子を示
したものである。Ｌｎ／Ｌ＝０．３〜０．４の時、メイ
ンモードの発振閾値利得が最小となシ、サブモードにつ
いては最大となる。つまシ、位相シフト領域の位置を、
３ニア〜４：６の割合で高反射端面側に近づけることに
よって、ＤＦＢレーザの発振閾値が最小となシ、且つサ
ブそ−ドが抑制された安定な単一波長発振が得られるこ
とを示している。尚、両端面の反射率が等しい（Ｒ，＝
Ｒ，）場合には、位相シフト領域の最適位置は従来通シ
素子中央部分でよいため、本願は非対称な端面反射率を
有するし′４シフト構造ＤＦＢレーザについて有効であ
る。

（実施例１） 以下本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の第１の実施例であるＤＦＢレーザの縦
断面図である。ｎ−ＩｆｉＰ基板１の上に周期２０００
　Ａの回折格子２と長さλｇ／４（約１０００人）の平
担な位相シフト領域３を例えば電子ビーム露光法及び化
学エツチング法を用いて形成する。位相シフト領域３の
位置は端面から０．３５　：　０．６５の位置とする。

その後波長組成１．ｉμｍのｎ−ＩａＧａＡｓＰ光ガイ
ド層４、波長組成１．３μｍのノンドープ１、Ｇ、Ａ、
Ｐ活性層５、Ｐ−１，Ｐクラッド層６、Ｐ”−１，Ｇａ
Ａ、Ｐキａｒｙプ層７をそれぞれ順にＱ、１μｍｓ０．
１μｍ、３μｍ、０．５μｍの厚さにエピタキシャル成
長する。このようにして得られた多層半導体ウェハの上
下に電極８，９を形成し、また、位相シフト領域３から
遠い側の端面にＳｉＮ等によるＡＲコーティング膜１０
を形成して所望の構造が得られる。こうして得られたＤ
ＦＢレーザは、最も理想的なλ／４シフト構造となって
おり、そのほとんどの素子でブラッグ波長での安定な単
一波長発振を得ることができた。

尚、ここで示した回折格子２のように、位相シフト領域
３によって一部繰〕返し周期をずらした回折格子２は一
般に製作困難とされているが、発明者らは前述した電子
ビーム露光法によってそれを実現した。また昭和５９年
度電子通信学会光・電波部門全国大会講演論文集、分冊
２、第２６５番で示されているような、ポジおよびネガ
レジストの同時干渉露光法等によってもこのような回折
格子２を製作することができた。本実施例では位相シフ
ト領域３の長さΔＬをλｇ／４としたが、ΔＬ＝λｇ（
１＋２ｎ）／４（但しｎは０以上の整数）であれば位相
シフト領域３を通過する光の位相は片道で′／２ずれる
ため、ｎは必ずしも０である必要はない。

（実施例２） 実施例１では位相シフト領域３によって、一部周期をず
らした回折格子２を用いた例を示したが、このような回
折格子２は製作が難しいため、本実施例では製作容易な
位相シフト構造ＤＦＢレーザについて述べる。

第２図は本発明の第２の実施例であるＤＦＢレーザの縦
断面図である。ｎ　−Ｉ　ａ　Ｐ基板１の上に周期２０
００　Ａの均一な回折格子２を従来の干渉露光法と化学
エツチング法を用いて形成した後、端面から０．３５　
：　０．６５の位置に前記回折格子２の一部を深さ１μ
ｍ１長さ約２０μｍＫエツチング除去した位相シフト領
域３を形成する。その後頁に波長組成１．１μｍＯｎ−
ＩａＧａＡｓＰ光ガイド層４、波長組成１．３μｍのノ
ンドープＩｆｉＧａＡＩＰ活性屑５　、Ｐ−１，Ｐピタ
キシャル成長する。光ガイド層４の厚さは回折格子２の
上部で約１μｍ１位相シフト領域３において約２μｍで
あシ、他の層厚は実施例１と同じである。こうして得ら
れた多層半導体ウェハの上下に電極８，９を形成し、ま
た、位相シフト領域３から遠い端面側に人Ｒコーティン
グ膜１０を形成し所望の構造が得られる。この構造の素
子では、回折格子２が形成された領域と、位相シフト領
域３とでは光ガイド層４の厚さが異なるためそれぞれの
領域の等側屈折率が異なシ、そのため、真領域での光の
伝搬定数に差が生じる。この伝搬定数の差がΔβの時、
位相シフト領域３の長さΔＬをΔＬ＝π／２Δβと設定
することにより、位相シフト領域３を光が通過する時の
位相シフト量は片道で醇価的に５／２となる。本実施例
のように、光ガイド層４の厚さが位相シフト領域３にお
いて回折格子２の上部よりも約１μｍ程度厚くなりてい
る場合には、前記伝搬定数の差は約０．０８　（ｒａｄ
／ｌｔｍ）となシ、位相シフト領域３の長さは約２０μ
ｍでよいことになる。

本実施例で示したＤＦＢレーザは、等価的にλ／４シフ
ト構造と同じであ夛、実施例１で示したし′４シフト構
造ＤＦＢレーザと同様にブラッグ波長での安定な単一波
長発振を得ることができた。

更に本実施例で示したＤＦＢレーザは、実施例１で示し
たものと異な〕、回折格子２を１．Ｐ基板１の表面全体
に均一に形成した後、位相シフト領域３を後付けで形成
すればよいため、回折格子２の製作が容易である利点を
有している。

尚、本実施例では、光ガイド層４が位相シフト領域３に
おいて厚くなっている例を示したが、光ガイド層４は位
相シフト領域３において逆に薄くなっていてもよい。

（実施例３） 第３図（ａ）　、　（ｂ）は本発明の第３の実施例であ
るＤＦＢレーザの縦断面図及び水平断面図である。

本実施例も実施例２と同じく等価的な位相シフト領＃！
３を有する製作容易なりＦＢレーザである。

ｎ−ＩＭＦ基板１の上に周期２０００　Ａの均一な回折
格子２を形成した後、波長組成１．１μｍのＨ（ｍＱａ
７７＠Ｐ光ガイド層４及び波長組成１．３μｍのノンド
ープＩａＧａＡ＠Ｐ活性層５を端面から０．３５　：　
０．６５の位置で一部幅を拡くしたストライプ状に形成
した後、全面にＰ−１，Ｐクラッド層６　、　Ｐ−Ｉａ
ＧａＡ、Ｐキャ、プ層７を順にエピタキシャル成長する
。ストライプ状に形成した光ガイド層４と活性層５０幅
は狭い部分で２μｍ１広い部分で３μｍとし、位相シフ
ト領域３にあたるストライプ幅の広い部分の長さは約４
０μｍである。各層の厚さは実施例１と同じである。こ
うして得られた多層半導体ウェハの上下に電極８，９を
形成し、また前記位相シフト領。

域３から遠い端面側に人Ｒコーティング膜１０を形成し
、所望の構造が得られる。この構造においても、ストラ
イプ幅の狭い領域と位相シフト領域３との間で約０．０
４　（ｒａｄ／１１ｍ）の伝搬定数の差が生じるため、
位相シフト領域３の長さを約４０μｍとすることにより
実施例２と同様に等価的なし４シフト構造となっている
。このＤＦＢレーザにおいても、ブラッグ波長での安定
な単一波長発振が得られる。

尚、本実施例では、位相シフト領域３の長さが全体の共
振器長（約３００μｍ）に比べ短いことから、位相シフ
ト領域３に残された回折格子２の影響が小さいので、位
相シフト領域３に回折格子２を残したままの構造とした
が、位相シフト領域３には回折格子２がない方がより理
想的である。また、本実施例では位相シフト領域３０幅
をその両側より広くしたが、その逆に狭くしてもよい。

以上述べてきた本発明の実施例においては、片端面ＫＡ
Ｒコーティング膜ｌＯを形成した構造を示したが、本発
明は両端面の反射率が非対称であれば有効であシ、端面
構造は辷れに限定されない。

また本発明の実施例では発振波長１．３μｍｏＤＦＢレ
ーザの例を示したが、本発明は他の波長帯のＤＦＢレー
ザにおいても有効である。更に、本発明の実施例では、
回折格子２を活性層５よりも下に設けた構造を示したが
、活性層５の上に光ガイド層４を形成し、この光ガイド
層４０表面に回折格子２を形成してもよい。

本発明の実施例では、位相シフト領域３における位相シ
フト量をシ２となるようにその長さを設定したが、位相
シフト量がｎ〜？７４の範囲であれば位相シフ）Ｋよる
効果があるため、位相シフト貴社必ずしもシ２である必
要はない。また、本発明゛の実施例では、位相シフト領
域３の位置を０．３５　：　０．６５の割合で高反射端
面側に近づけた構成としたが、位相シフト領域３が素子
中央部より少しでも高反射端面側に近ければ、素子中央
に位相シフト領域３を設けたＤＦＢレーザよりもメイン
モードとサブモードの発振閾値利得差を大きくとること
ができるため、位相シフト領域３の位置は素子中央より
高反射端面寄シであれば特に限定されない。

（発明の効果） 本発明によるＤＦＢレーザでは、位相シフト領域３を持
たない従来のＤＦＢレーザや素子中央に位相シフト領域
３を持つＤＦＢレーザに比べ、発振閾値電流が低くなシ
、且つ、より安定な単一波長発振が得られるため、単一
波長で発振するＤＦＢ４１１或 第　３　図 ３イ立オ目シフトＱ域 ィ立オ目シフト冷自域 （ｂ） 手続補正書（自発） １゜事件の表示　　　昭和６０年　特許願第０５７３３
４号２６　　発明の名称　　　分布噌還盤半導体レーザ
３、補正をする者 事件との関係　　　　　　　出　願　人東京都港区芝五
丁目３３蕃１号 ４、代理人 〒１０８　　東京都港区芝五丁目３７番８号　住友三田
ビル日本電気株式会社内 （６５９１）　　弁理士　内　原　　（″晋電話　東京
（０３）４５６−３１　ｔ　１（大代表）５、補正の対
称　　゛ 明細書の発明の詳細な説明の欄 ６、補正の内容 ｌ）明細書第４２頁第３行目に「約１μｍ」とあるのを
「約０．１μｍ」と補正する。

２）明細書ａ１１２頁第４行目に「約２μｍ」とあるの
を「約０．２μｍ」と補正する。

３）明細書第１２頁第１８行目に「約１μｍ」とあるの
を「約０．１μｍ」と補正する。

４）明細書第１５頁第１３行目の後に次の文を挿入する
。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ストライプ状発光領域と、このストライプ状発光領
   域に近接して光の進行方向に沿う周期状の凹凸構造を有
   する分布帰還型半導体レーザにおいて、前記ストライプ
   状発光領域の両端に反射率の異なる２つの端面を備え、
   前記周期状凹凸構造の中央部より前記反射率の高い方の
   端面に近い側で前記周期状凹凸構造を前記ストライプ方
   向に２分し、この２分する部分に、２分された周期状凹
   凸構造の間で光学的な位相ズレを生じさせる位相シフト
   領域を備えたことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ
   。 ２）前記位相シフト領域での光学的位相ズレ量がｘ／２
   となるように、前記位相シフト領域の長さを前記位相シ
   フト領域を伝搬する光の波長の（１＋２ｎ）／４倍（但
   しｎは０以上の整数）としたことを特徴とする特許請求
   範囲第１項記載の分布帰還型半導体レーザ。 ３）前記位相シフト領域での光学的位相ズレ量が等価的
   にｘ／２となるように、前記位相シフト領域の長さを前
   記位相シフト領域を伝搬する光と前記周期状凹凸構造に
   沿って伝搬する光の伝搬定数の差の逆数のｘ／２倍とし
   たことを特徴とする特許請求範囲第１項記載の分布帰還
   型半導体レーザ。