JPS6320037B2 - - Google Patents
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- JPS6320037B2 JPS6320037B2 JP57041315A JP4131582A JPS6320037B2 JP S6320037 B2 JPS6320037 B2 JP S6320037B2 JP 57041315 A JP57041315 A JP 57041315A JP 4131582 A JP4131582 A JP 4131582A JP S6320037 B2 JPS6320037 B2 JP S6320037B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction 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
- H01S5/12—Construction 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 the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
本発明は、高速変調時にも単一縦モードで発振
し得る分布帰還形半導体レーザに関するものであ
る。 光通信用光源として用いられる半導体レーザ
は、発振波長、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。そこで、このような
要求を満たす半導体レーザとして、いわゆる分布
帰還形半導体レーザ（以下DFBレーザと称す）
が提案されている。このDFBレーザは、光導波
路を形成する半導体層（活性層又は活性層と接し
て形成される光ガイド層）の厚さを光の発振する
方向に沿つて周期的に変化させて周期構造を形成
し、この周期構造により導波路中に周期的屈折率
変化を導入し、この屈折率変化により光のフイー
ドバツク（帰還）機能を持たせてレーザ発振を可
能としたものである。ところが、上記周期構造の
最適周期は0.2〜0.3μｍと微細であるため、周期
構造を高精度に加工することが困難であり、その
ため光の帰還効率の高い周期構造が得難く、良好
な発振特性を有するDFBレーザを歩留り良く製
造するのが困難であつた。 本発明はこのような従来の欠点を改善したもの
であり、その目的は、周期構造の加工精度が従来
と同一であつても高い帰還効率が得られるように
したDFBレーザを提供することにある。以下実
施例について詳細に説明する。 第１図及び第２図は本発明実施例DFBレーザ
の素子断面図であり、第１図は光の出射方向に対
して垂直な断面図、第２図は光取り出し方向に沿
つて素子中央部で切断した場合の断面図である。
なお、各図において、１はＰ形InP基板等のｐ形
半導体基板、２はｐ形高濃度不純物含有半導体層
（以下p+層という）、３はp+層２によつて形成さ
れた回折格子、４はｐ形GaInAsP4元混晶層等の
ｐ形半導体層から成る光ガイド層、５は
GaInAsP4元混晶のｐ形又はｎ形半導体層から成
る活性層、６，７はｎ形InP結晶等のｎ形半導体
層、８はｐ形InP結晶等のｐ形半導体層、９は化
学エツチング等の手段により活性層５及び光ガイ
ド層４に対して傾いて形成された面、１０は劈開
で形成した光取り出し面、１１はｐ形オーミツク
電極、１２はｎ形オーミツク電極である。光ガイ
ド層４及び活性層５が光導波層となり、ｐ形半導
体基板１及びｎ形半導体層６が光閉じ込め層とな
る。 本実施例のDFBレーザが従来のDFBレーザと
相違するところは、従来のDFBレーザがｐ形半
導体基板１の表面を凹凸に加工して第２図のp+
層２相当領域を形成したのち光ガイド層４を形成
したのに対し、本実施例では、ｐ形半導体基板１
上にこれより不純物濃度の高い複数のp+層２を
一定間隔でストライプ状に設けて凹凸構造を形成
し、このp+層２及びｐ形半導体基板１上に光ガ
イド層４を形成して光ガイド層４の厚さをこの
p+層２により光取り出し方向に沿つて周期的に
変化せしめた点にある。 一般に、DFBレーザにおいては、回折格子３
の周期Λが Λ＝λm／2n ………(1) 但し、λはレーザ発振の波長、ｍは回折格子の
次数、ｎは光ガイド層４と活性層５で構成される
光導波路の実効屈折率である。 を満足する波長でDFBモードのレーザ発振が引
き起こされるが、そのレーザ特性は回折格子３に
よる回折効率が高いほど良くなる。回折効率は、
回折格子の形状と、回折格子を境界としてp+層
２と光ガイド層４との屈折率差によつて決められ
るので、回折格子の形状が同一であれば屈折率差
が大きいほど回折効率は高くなり、従つてDFB
レーザ特性が良くなる。 本実施例では、前述したように従来ｐ形半導体
基板１で形成していた凹凸をp+層２で形成して
いる。一般に半導体結晶では不純物を高濃度に添
加すると屈折率が低下するので、このような構造
にすると従来より屈折率差が大きくなり、回折効
率が高まることになる。また、第１図及び第２図
の構造から判るように、注入された電流は抵抗の
小さいp+層２に集中するため注入されたキヤリ
アの効果により更に屈折率が低下し、回折効率を
より高められる効果もある。 ＜具体例＞ 第１図及び第２図の各層を以下に示すような値
としたDFBレーザを製作した。 ｐ形半導体基板１ Znドープ（100）Ｐ形InP基板、厚さ80μｍ、キ
ヤリア密度５×1018／cm3、EPD（エツチピツト密
度）５×103／cm2 光ガイド層４ ZnドープGa0.26In0.74As0.56P0.44４元混晶導波路
層、厚さ0.2μｍ、キヤリア密度７×1017／cm3 活性層５ ノンドープGa0.42In0.58As0.88P0.12４元混晶活性
層、厚さ0.13μｍ ｎ形半導体層６ Snドープｎ形InP結晶層、厚さ2.5μｍ、キヤリ
ア密度１×1018／cm3 ｎ形半導体層７ Snドープｎ形InP結晶層、厚さ2μｍ、キヤリア
密度４×1017／cm3 ｐ形半導体層８ Znドープｐ形InP結晶層、キヤリア密度３×
1017／cm3 これらの結晶層は、通常の所謂スライドボート
法を用いた液相エピタキシヤル成長法により行な
い、各結晶層の成長温度は590℃から605℃の間に
あつた。製作手順は次の通りである。 (1) 上記InP基板全面に深さ0.2μｍまでZnを拡散
し、キヤリア密度３×1020／cm3のp+層２を形成
した。 (2) フオトレジストを基板表面に厚さ500Å塗布
し、二光束干渉法を用いて＜１10＞方向に沿つ
た干渉縞を露光し、現像後1MolK2Cr2O7：
HBr：CH3COOH＝３：１：１を用いて基板
をエツチングし、深さ0.2μｍの回折格子３を形
成した。 (3) 結晶層４，５，６を連続して成長させた後、
SiO2膜をrfスパツタ法を用いて結晶表面に形成
し、フオトエツチング技術を用いて＜110＞方
向に沿つて幅9μｍのSiO2膜のストライプパタ
ンを形成し、次いで、メタノールブロム液を用
いて6μｍの深さまでメサエツチングを行なつ
た。 (4) ｎ形半導体層７、ｐ形半導体層８の順に埋込
み層の結晶成長を行なつた後、SiO2膜を除去
した。 (5) 基板側にｐ形電極としてAu−Zn合金、結晶
成長層側にｎ形電極としてAu−Ge−Ni合金を
蒸着により形成し、その後合金化（シンタリン
グ）した。 (6) フオトレジストをマスクとして＜１10＞方向
に沿つて、間隔400μｍで幅30μｍ、深さ10μｍ
の溝を、1MolK2Cr2O7：HBr：CH3COOH＝
１：１：１のエツチング液を用いて形成した。
これにより面９が形成され、θ1＝54.5゜が得られ
た。 (7) ストライプの中央部を劈開により分離し（θ2
＝90゜）、長さ200μｍのDFBレーザを得た。 このようにして製造したDFBレーザのｐ形電
極１１を正極、ｎ形電極１２を負極にして直流電
流を流したところ、25℃において閾値55ｍＡで分
布帰還モードのレーザ発振を示した。発振スペク
トルは発振閾値からその３倍以上まで単一縦モー
ドであることが認められた。また、このDFBレ
ーザに65ｍＡの直流電流を流しておき、さらに
400MHzの正弦波電流（Ip-p＝20ｍＡ）を印加し
たときのスペクトルを観察したが、波長1.516μｍ
付近でやはり単一縦モードの分布帰還モードによ
るレーザ発振を認めた。第３図はそのときに観察
されたスペクトルの一例を示す線図である。 なお、上記工程中でZn拡散によるP+層２の形
成工程を除いた工程により形成した従来のDFB
レーザの閾値は、上述した工程で製作した素子の
約1.4倍であつた。また単一縦モードは、閾値電
流の1.8倍までしか保たれなかつた。 上述の実施例では、基板１としてｐ形のものを
用いたが、ｎ形基板を用いる場合には他の半導体
層の導電形を上述と反対にすれば良い。また、基
板表面の不純物濃度を上げるための方法としては
拡散の他、イオン打込み法で不純物を導入する方
法や、高不純物濃度の結晶を結晶成長させる方法
等を採用できる。更に、凹凸の周期構造を基板と
反対側に設ける構成としても良く、閉じ込め層と
活性層との間に光ガイド層を介しない場合には活
性層の膜厚を周期的に変化させれば良い。即ち光
導波層の厚さをp+層により周期的に変化させれ
ば良い。 上記実施例ではｐ形半導体基板１上に形成した
高不純物濃度層をエツチングする際、ｐ形半導体
基板１が完全に露出するまでエツチングを行ない
p+層２を形成した。これは、光ガイド層４の凸
部にp+層２が残存すると光ガイド層４の凸部か
ら基板１側を望む屈折率差は、p+層２がない場
合より大きくなるので、活性層５で発生した光の
基板１方向への進入程度が小さくなり、回折効率
が低下するので、それを防止するためである。従
つて、p+層２が残存する可能性のある場合には、
エツチング前のp+層２の厚さをその分だけ予め
大きくしておけば良い。 以上の説明から判るように、本発明は、光閉じ
込め層表面に周期的に形成された凹凸の凸部の不
純物濃度を高くすることにより凸部だけの屈折率
を下げたものであり、その上に閉じ込め層より屈
折率の高い光導波層（光ガイド層又は活性層）を
形成することにより、閉じ込め層表面の不純物濃
度が一様な従来のDFBレーザに比し、周期的に
分布している屈折率差を大きくすることができる
ので、みかけの凹凸の構造が同じでも分布帰還の
効率を大きくすることができ、DFBモードでの
レーザ発振の特性を向上することができる。 なお、使用する半導体材料としては、
GaInAsP／InP系以外にGaAs／GaAlAs系、
GaSb／GaAlAsSb系などが適用可能である。
し得る分布帰還形半導体レーザに関するものであ
る。 光通信用光源として用いられる半導体レーザ
は、発振波長、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。そこで、このような
要求を満たす半導体レーザとして、いわゆる分布
帰還形半導体レーザ（以下DFBレーザと称す）
が提案されている。このDFBレーザは、光導波
路を形成する半導体層（活性層又は活性層と接し
て形成される光ガイド層）の厚さを光の発振する
方向に沿つて周期的に変化させて周期構造を形成
し、この周期構造により導波路中に周期的屈折率
変化を導入し、この屈折率変化により光のフイー
ドバツク（帰還）機能を持たせてレーザ発振を可
能としたものである。ところが、上記周期構造の
最適周期は0.2〜0.3μｍと微細であるため、周期
構造を高精度に加工することが困難であり、その
ため光の帰還効率の高い周期構造が得難く、良好
な発振特性を有するDFBレーザを歩留り良く製
造するのが困難であつた。 本発明はこのような従来の欠点を改善したもの
であり、その目的は、周期構造の加工精度が従来
と同一であつても高い帰還効率が得られるように
したDFBレーザを提供することにある。以下実
施例について詳細に説明する。 第１図及び第２図は本発明実施例DFBレーザ
の素子断面図であり、第１図は光の出射方向に対
して垂直な断面図、第２図は光取り出し方向に沿
つて素子中央部で切断した場合の断面図である。
なお、各図において、１はＰ形InP基板等のｐ形
半導体基板、２はｐ形高濃度不純物含有半導体層
（以下p+層という）、３はp+層２によつて形成さ
れた回折格子、４はｐ形GaInAsP4元混晶層等の
ｐ形半導体層から成る光ガイド層、５は
GaInAsP4元混晶のｐ形又はｎ形半導体層から成
る活性層、６，７はｎ形InP結晶等のｎ形半導体
層、８はｐ形InP結晶等のｐ形半導体層、９は化
学エツチング等の手段により活性層５及び光ガイ
ド層４に対して傾いて形成された面、１０は劈開
で形成した光取り出し面、１１はｐ形オーミツク
電極、１２はｎ形オーミツク電極である。光ガイ
ド層４及び活性層５が光導波層となり、ｐ形半導
体基板１及びｎ形半導体層６が光閉じ込め層とな
る。 本実施例のDFBレーザが従来のDFBレーザと
相違するところは、従来のDFBレーザがｐ形半
導体基板１の表面を凹凸に加工して第２図のp+
層２相当領域を形成したのち光ガイド層４を形成
したのに対し、本実施例では、ｐ形半導体基板１
上にこれより不純物濃度の高い複数のp+層２を
一定間隔でストライプ状に設けて凹凸構造を形成
し、このp+層２及びｐ形半導体基板１上に光ガ
イド層４を形成して光ガイド層４の厚さをこの
p+層２により光取り出し方向に沿つて周期的に
変化せしめた点にある。 一般に、DFBレーザにおいては、回折格子３
の周期Λが Λ＝λm／2n ………(1) 但し、λはレーザ発振の波長、ｍは回折格子の
次数、ｎは光ガイド層４と活性層５で構成される
光導波路の実効屈折率である。 を満足する波長でDFBモードのレーザ発振が引
き起こされるが、そのレーザ特性は回折格子３に
よる回折効率が高いほど良くなる。回折効率は、
回折格子の形状と、回折格子を境界としてp+層
２と光ガイド層４との屈折率差によつて決められ
るので、回折格子の形状が同一であれば屈折率差
が大きいほど回折効率は高くなり、従つてDFB
レーザ特性が良くなる。 本実施例では、前述したように従来ｐ形半導体
基板１で形成していた凹凸をp+層２で形成して
いる。一般に半導体結晶では不純物を高濃度に添
加すると屈折率が低下するので、このような構造
にすると従来より屈折率差が大きくなり、回折効
率が高まることになる。また、第１図及び第２図
の構造から判るように、注入された電流は抵抗の
小さいp+層２に集中するため注入されたキヤリ
アの効果により更に屈折率が低下し、回折効率を
より高められる効果もある。 ＜具体例＞ 第１図及び第２図の各層を以下に示すような値
としたDFBレーザを製作した。 ｐ形半導体基板１ Znドープ（100）Ｐ形InP基板、厚さ80μｍ、キ
ヤリア密度５×1018／cm3、EPD（エツチピツト密
度）５×103／cm2 光ガイド層４ ZnドープGa0.26In0.74As0.56P0.44４元混晶導波路
層、厚さ0.2μｍ、キヤリア密度７×1017／cm3 活性層５ ノンドープGa0.42In0.58As0.88P0.12４元混晶活性
層、厚さ0.13μｍ ｎ形半導体層６ Snドープｎ形InP結晶層、厚さ2.5μｍ、キヤリ
ア密度１×1018／cm3 ｎ形半導体層７ Snドープｎ形InP結晶層、厚さ2μｍ、キヤリア
密度４×1017／cm3 ｐ形半導体層８ Znドープｐ形InP結晶層、キヤリア密度３×
1017／cm3 これらの結晶層は、通常の所謂スライドボート
法を用いた液相エピタキシヤル成長法により行な
い、各結晶層の成長温度は590℃から605℃の間に
あつた。製作手順は次の通りである。 (1) 上記InP基板全面に深さ0.2μｍまでZnを拡散
し、キヤリア密度３×1020／cm3のp+層２を形成
した。 (2) フオトレジストを基板表面に厚さ500Å塗布
し、二光束干渉法を用いて＜１10＞方向に沿つ
た干渉縞を露光し、現像後1MolK2Cr2O7：
HBr：CH3COOH＝３：１：１を用いて基板
をエツチングし、深さ0.2μｍの回折格子３を形
成した。 (3) 結晶層４，５，６を連続して成長させた後、
SiO2膜をrfスパツタ法を用いて結晶表面に形成
し、フオトエツチング技術を用いて＜110＞方
向に沿つて幅9μｍのSiO2膜のストライプパタ
ンを形成し、次いで、メタノールブロム液を用
いて6μｍの深さまでメサエツチングを行なつ
た。 (4) ｎ形半導体層７、ｐ形半導体層８の順に埋込
み層の結晶成長を行なつた後、SiO2膜を除去
した。 (5) 基板側にｐ形電極としてAu−Zn合金、結晶
成長層側にｎ形電極としてAu−Ge−Ni合金を
蒸着により形成し、その後合金化（シンタリン
グ）した。 (6) フオトレジストをマスクとして＜１10＞方向
に沿つて、間隔400μｍで幅30μｍ、深さ10μｍ
の溝を、1MolK2Cr2O7：HBr：CH3COOH＝
１：１：１のエツチング液を用いて形成した。
これにより面９が形成され、θ1＝54.5゜が得られ
た。 (7) ストライプの中央部を劈開により分離し（θ2
＝90゜）、長さ200μｍのDFBレーザを得た。 このようにして製造したDFBレーザのｐ形電
極１１を正極、ｎ形電極１２を負極にして直流電
流を流したところ、25℃において閾値55ｍＡで分
布帰還モードのレーザ発振を示した。発振スペク
トルは発振閾値からその３倍以上まで単一縦モー
ドであることが認められた。また、このDFBレ
ーザに65ｍＡの直流電流を流しておき、さらに
400MHzの正弦波電流（Ip-p＝20ｍＡ）を印加し
たときのスペクトルを観察したが、波長1.516μｍ
付近でやはり単一縦モードの分布帰還モードによ
るレーザ発振を認めた。第３図はそのときに観察
されたスペクトルの一例を示す線図である。 なお、上記工程中でZn拡散によるP+層２の形
成工程を除いた工程により形成した従来のDFB
レーザの閾値は、上述した工程で製作した素子の
約1.4倍であつた。また単一縦モードは、閾値電
流の1.8倍までしか保たれなかつた。 上述の実施例では、基板１としてｐ形のものを
用いたが、ｎ形基板を用いる場合には他の半導体
層の導電形を上述と反対にすれば良い。また、基
板表面の不純物濃度を上げるための方法としては
拡散の他、イオン打込み法で不純物を導入する方
法や、高不純物濃度の結晶を結晶成長させる方法
等を採用できる。更に、凹凸の周期構造を基板と
反対側に設ける構成としても良く、閉じ込め層と
活性層との間に光ガイド層を介しない場合には活
性層の膜厚を周期的に変化させれば良い。即ち光
導波層の厚さをp+層により周期的に変化させれ
ば良い。 上記実施例ではｐ形半導体基板１上に形成した
高不純物濃度層をエツチングする際、ｐ形半導体
基板１が完全に露出するまでエツチングを行ない
p+層２を形成した。これは、光ガイド層４の凸
部にp+層２が残存すると光ガイド層４の凸部か
ら基板１側を望む屈折率差は、p+層２がない場
合より大きくなるので、活性層５で発生した光の
基板１方向への進入程度が小さくなり、回折効率
が低下するので、それを防止するためである。従
つて、p+層２が残存する可能性のある場合には、
エツチング前のp+層２の厚さをその分だけ予め
大きくしておけば良い。 以上の説明から判るように、本発明は、光閉じ
込め層表面に周期的に形成された凹凸の凸部の不
純物濃度を高くすることにより凸部だけの屈折率
を下げたものであり、その上に閉じ込め層より屈
折率の高い光導波層（光ガイド層又は活性層）を
形成することにより、閉じ込め層表面の不純物濃
度が一様な従来のDFBレーザに比し、周期的に
分布している屈折率差を大きくすることができる
ので、みかけの凹凸の構造が同じでも分布帰還の
効率を大きくすることができ、DFBモードでの
レーザ発振の特性を向上することができる。 なお、使用する半導体材料としては、
GaInAsP／InP系以外にGaAs／GaAlAs系、
GaSb／GaAlAsSb系などが適用可能である。
第１図及び第２図は本発明実施例の素子断面
図、第３図は発振スペクトラムの一例を示す線図
である。 １はｐ形半導体基板、２はp+層、３は回折格
子、４は光ガイド層、５は活性層、６，７はｎ形
半導体層、８はｐ形半導体層、１１はｐ形オーミ
ツク電極、１２はｎ形オーミツク電極である。
図、第３図は発振スペクトラムの一例を示す線図
である。 １はｐ形半導体基板、２はp+層、３は回折格
子、４は光ガイド層、５は活性層、６，７はｎ形
半導体層、８はｐ形半導体層、１１はｐ形オーミ
ツク電極、１２はｎ形オーミツク電極である。
Claims (1)
- １ 光導波層の厚さを光の取り出し方向に沿つて
周期的に変化させて光の分布帰還を可能とした分
布帰還形半導体レーザにおいて、一導電形を有す
る光閉じ込め層の活性層に対向する面上に一定間
隔で配列され前記光閉じ込め層と同一導電形の複
数の高濃度不純物含有半導体層と、該複数の高濃
度不純物含有半導体層により光の取り出し方向に
沿つて周期的に層の厚さが変化する光導波層とを
具備したことを特徴とする分布帰還形半導体レー
ザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57041315A JPS58158987A (ja) | 1982-03-16 | 1982-03-16 | 分布帰還形半導体レ−ザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57041315A JPS58158987A (ja) | 1982-03-16 | 1982-03-16 | 分布帰還形半導体レ−ザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58158987A JPS58158987A (ja) | 1983-09-21 |
| JPS6320037B2 true JPS6320037B2 (ja) | 1988-04-26 |
Family
ID=12605072
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57041315A Granted JPS58158987A (ja) | 1982-03-16 | 1982-03-16 | 分布帰還形半導体レ−ザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58158987A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63124484A (ja) * | 1986-11-12 | 1988-05-27 | Sharp Corp | 半導体レ−ザ素子 |
| JP2804502B2 (ja) * | 1989-03-30 | 1998-09-30 | 沖電気工業株式会社 | 半導体レーザ素子及びその製造方法 |
-
1982
- 1982-03-16 JP JP57041315A patent/JPS58158987A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58158987A (ja) | 1983-09-21 |
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