JPS63285993A - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、活性領域または活性領域に近接して設けら
れた回折格子により光共振器が形成され特定の波長で発
振する、いわゆる分布帰還型または分布反射型半導体レ
ーザ装置に関するものである。

［従来の技術］ 光ファイバを利用した光情報処理システムあるいは光計
測システムにおける光源として用いる半導体レーザ素子
は、単−縦モードで発振する動作特性を有することが望
ましい。単−縦モード、すなわち単一波長のレーザ発振
特性を得るための半導体レーザ素子としては、活性領域
または活性領域に近接して周期的凹凸からなる回折格子
を形成した分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ素子または分布
反射型（Ｄ　Ｂ　Ｒ）レーザ素子が知られている（日経
エレクトロニクス１９８１゜１２．２１．ｐ。

６６〜ｐ、７０）。

この分布帰還型半導体レーザ素子は、たとえば、ｎ型Ｉ
ｎＰ基板表面に周期的な凹凸形状の回折格子を設け、そ
の上にｎ型ＩｎＧａＡｓＰ導波路層、Ｉ　ｎＧａＡｓ　
Ｐ活性層を設けた構造を有し、回折格子の中を光が往復
して共振するようになっている。

周期Ａの回折格子により光が共振するためには次の関係
を満たすことが必要となる。

Ａ−（Ｎ／２）　　・　（λ／ｎｏ）　　　　−（１）
ここで、λは発振波長、ｎＱは等価屈折率である。

またＮは自然数であり、回折格子の次数を表わすもので
ある。たとえば、λ−１．３〜１．５５μｍ、ｎＱ′″
”！３．　３、Ｎ−１の場合、Ａ−１９７０〜２３５０
Ａとなる。すなわち、１次の回折格子の周期は１９７０
〜２３５０Ａとなる。

一方、ＧａＡｓ基板上のＧａＡ店Ａｓを活性層とし、８
９００Ａ以下の発振波長が得られる分布帰還型半導体レ
ーザ素子では、λ≦ｇ９ｏｏＸ、ｎＯ夕３．４、Ｎ−１
の場合、Ａ＜１．１３１０Ａとなる。すなわち、１次の
回折格子の周期は１３１０Ａ以下となる。（１）式より
、回折格子の次数が大きくなると、次数に応じて回折格
子の周期Δは次数倍となる。

このような回折格子を形成するためには、Ｈｅ−Ｃｄレ
ーザ（波長λ０−３２５０人）を使用し、三光束干渉露
光法を用いている。すなわち、基板上にフォトレジスト
層を塗布し、Ｈｅ−Ｃｄレーザの干渉パターンで露光し
た後、現像すると一定周期の縞状のフォトレジスト層の
パターンができる。次にこのフォトレジスト層をマスク
として化学エツチングすると基板上に周期的凹凸からな
る回折格子が形成される。

次に、従来の分布帰還型半導体レーザ素子の回折格子の
形成方法について第４図を用いて説明する。

第４図に示すように、基板５０の（１００）面上に所定
の層を成長させた後、表面にフォトレジスト層４０を塗
布し、前記干渉露光法によって、＜０１１＞方向の干渉
縞が＜０１１＞方向に並ぶように露光し、現像すること
により、フォトレジスト層４０を周期的なパターンに整
形する。その後、このフォトレジスト層４０をマスクと
してエツチングを行ない、基板表面にく０了丁〉方向に
周期的に続く凹凸からなる回折格子を形成する。

この場合、（１１１）Ａ面のエツチング速度が遅いため
、（１１１）　Ａ面が露出するように矢印４１の方向に
エツチングされる。周期的パターンが＜０１１＞方向に
続く場合には、第４図に示すように、凹凸の断面形状は
（１１１）　Ａ面により形成される三角波形状になる。

ところで、回折格子の結合効率は、回折格子の深さが深
いほど大きくなり、回折格子の形状および回折格子の深
さが同一の場合には、次数の小さいものほど大きくなる
。しかし、短波長帯での１次の回折格子は、三光束干渉
露光法（光１Ｈｅ−Ｃｄレーザ：波長λ、−３２５０人
）では技術的に不可能であるため、現在、く０Ｔ丁〉方
向に周期的に続く２次の回折格子を用いている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上記の三角波形状の２次の回折格子は周
期Ａが極めて小さくなるため、作製が非常に困難であり
、回折格子の深さも浅くなるため、形状を制御すること
が困難となるという問題がある。

さらに、回折格子上に液相エピタキシャル成長させるこ
とによって回折格子がメルトバックして消失するという
問題もある。

そこでこの発明は、上記の問題点を解消し、回折格子の
作製および形状の制御が容易であり、また、回折格子の
結合効率が高く、しかも単一モードで安定に発振する半
導体レーザ装置を提供することを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明は、活性領域または活性領域に近接して周期的
凹凸からなる回折格子が設けられ、その回折格子によっ
て光帰還を行なう半導体レーザ装置において、前記回折
格子を３次の回折格子とし、かつ、前記周期的凹凸の断
面形状をほぼ矩形波形状としたものである。

［作用］ この発明に係る半導体レーザ装置においては、回折格子
の次数を３次とし、かつ、周期的凹凸の断面形状をほぼ
矩形波形状とすることによって、従来の断面三角波形状
の２次の回折格子に比べて、回折格子の周期が１゜５倍
となり、回折格子の深さも同時に１．５倍とすることが
できる。

これによって、回折格子の形成が容易となり、また、回
折格子の形状を制御することも容易となる。しかも回折
格子の深さが深くなることと形状の効果とによって、結
合効率が向上する。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１Ａ図および第１Ｂ図はこの発明を適用したＤＦＢ−
ＶＳ　Ｉ　Ｓレーザを示し、第１Ａ図は斜視図、第１Ｂ
図は光の進行方向に平行な面での中央部における縦断面
図である。

第１Ａ図および第１Ｂ図に示すように、ｐ型ＧａＡｓ基
板１上には、ｎ型電流阻止層２、ｐ型クラッド層３、ｐ
型活性層４、ｎ型ＩｎＧａＰＡｓ光ガイド層５、ｎ型ク
ラッド層６、キャップ層７が積層されており、ｐ型Ｇａ
Ａｓ基板１の下面およびキャップ層７の上面には電極８
，９がそれぞれ形成されている。

ｎ型電流阻止層２にはｐ型ＧａＡｓ基板１に達する深さ
の■字形溝１０がくＯＴｌ〉方向に形成されており、こ
のＶ字形溝１０の領域を通してｐ型活性層４に電流が注
入される。

また、ｎ型１ｎＧａＰＡｓ光ガイド層５とｎ型クラッド
層６との界面には周期的凹凸が形成されて回折格子とさ
れている。この回折格子の溝はく０了丁〉方向に向いて
おり、凹凸が＜０１１＞方向に周期的に連続している。

凹凸の周期は回折格子が３次になるように設定されてい
る。また、回折格子の形状は、第１Ｂ図に示すように、
矩形波形状とされている。

この半導体レーザ装置は、前記回折格子の中を光が往復
して共振するものである。ｐ型活性層４の屈折率は、ｐ
型クラッド層３およびｎ型クラッド層６よりも大きく、
このため、光は主にこの中に閉じ込められ、先導波路が
形成される。ｎ型ＩｎＧａＰＡｓ光ガイド層５は、回折
格子とｐ型活性層４との間のバッファ層としての役割と
、ｐ型活性層４内の光を一部回折格子部分に漏らす役割
をする。

次に、この半導体レーザ装置の製造方法について説明す
る。

ｐ型ＧａＡｓ基板１の（１００）而」二にｎ型電流阻止
層２をエピタキシャル成長させ、フォトリソグラフィ技
術および化学エツチングによってそのｎ型電流阻止層２
の中央にｐ型ＧａＡｓ基板１に達する深さのＶ字形溝１
０を形成する。そして、このｎ型電流阻止層２上に、ｐ
型Ｇ　ａ　、−Ｘ　Ａ店、Ａｓクラッド層３　（Ｘ−０
，５〜０．６）　、ｐ型Ｇａ、−ｘＡＩＬ＜Ａｓ活性層
４　（Ｘ−０，１３、厚さ０．１μｍ）、ｎ型Ｉ　ｎｌ
−ｘ　Ｇａｘ　Ｐ、−ｙ　Ａｓ工光ガイド層５　（Ｘ−
０，６８、Ｙ−０，３６、厚さ０．２μｍ）を順次周知
の液相成長法により成長させる。

次に、前記ｎ型ＩｎＧａＰＡｓ光ガイド層５の表面にフ
ォトレジスト層を形成し、干渉露光法によって＜０１丁
〉方向に沿う縞状のパターンを露光し、現像する。この
フォトレジスト層をマスクとして飽和臭素水、リン酸お
よび水の混液によるエッチャントによって、ｎ型ＩｎＧ
ａＰＡｓ光ガイド層５の表面をエツチングし、所定の周
期でくＯＴｌ〉方向に続く凹凸を形成することにより３
次の回折格子を形成する。この実施例では、回折格子の
ピッチは３５００Ａ、深さは〜１５００Ａとなる。

さらに、この周期的凹凸が形成されたｎ型ＩｎＧａＰＡ
ｓ光ガイド層５上に、ｎ型Ｇａ、−ｘＡＩｌｊＸＡＳク
ラッド層６　（Ｘ−０，８）　、ｐ型ＧａＡＳキャップ
層７を順次エピタキシャル成長させる。

その後、電極８．９を形成し、素子に分離する。　゛こ
の実施例のように、回折格子の周期的パターンを＜０１
１＞方向に続くように形成した場合、第２図に示すよう
に、マスクとしてフォトレジスト層２０を用いることに
より、サイドエッチの効果も加味してエツチングは横方
向２１および深さ方向２２に進行する。その結果、凹凸
の形状は矩形波形状となる。

また、第３図に示すように、フォトレジスト層２０の代
わりに５ｉ０２膜や窒化膜３０をマスクとして用いると
、サイドエッチの効果が少なくなるため、エツチングは
深さ方向３１にのみ進行し、凹部の形状は（１１１）　
Ａ面により形成される逆メサ形状となる。

この実施例における矩形波形状の３次の回折格子（ピッ
チ３５００Ａ、深さ１５００人）の場合、結合効率には
に〜４Ｘ１０−’μｍ−’となるのに対し、従来の三角
波形状の２次の回折格子（ピッチ２３００′Ａ、深さ８
００人）の場合、結合効率にはに〜６Ｘ１０−’μｍ−
’　となる。但し、これはシングルへテロ構造での波長
λ０−８５０ｏＡのＴＥ、モードの結合効率の計算結果
である。

したがって、回折格子を３次の矩形波形状にすることで
結合効率ｋが従来の２次の三角波形状に比べ１０倍近く
向上する。

また、回折格子を３次の矩形派形状に形成することによ
って、回折格子のピッチが大きくなるため、印刻、形状
の制御が容易となり、また結合効率も向上することによ
りしきい値電流の低下が実現される。

なお、上記実施例の半導体レーザ装置は、ＧａＡｓ−１
ｎＧａＰＡｓ系ＤＦＢ半導体レーザであるが、この発明
はＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓＰ系その他の化合物半導体レー
ザにも広く適用できることは言うまでもない。

また、この発明は、ＤＦＢ半導体レーザだけでなく、分
布反射型（Ｄ　Ｂ　Ｒ）半導体レーザにも適用すること
ができる。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、回折格子の次数を３次
をとしかつ周期的凹凸の断面形状をほぼ矩形波形状とす
ることによって、回折格子の作製が容易となり、しかも
回折格子の結合効率が向上し、波長選択特性が強く現わ
れる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図はこの発明の一実施例を示す斜視図、第１Ｂ図
は同実施例の■字形溝部分における縦断面図、第２図は
この発明における回折格子の形成方法を説明するための
図、第３図はこの発明における回折格子の他の形成方法
を説明するための図、第４図は従来の半導体レーザ装置
の回折格子の形成方法を説明するための図である。 図において、１はｐ型ＧａＡｓ基板、２はｎ型電流阻止
層、３はｐ型クラッド層、４はｐ復活性層、５はｎ型Ｉ
ｎＧａＰＡｓ光ガイド層、６はｎ型クラッド層、７はキ
ャップ層、８，９は電極、１０はＶ字形溝を示す。 躬２０ 第３凹 め４回 Ｎ１１ｌＡＩｆｆ０ ４１　ニゲケン２゛友ｒす

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 活性領域または活性領域に近接して周期的凹凸からなる
   回折格子が設けられ、前記回折格子によって光帰還を行
   なう半導体レーザ装置において、前記回折格子が３次の
   回折格子であり、かつ、前記周期的凹凸の断面形状がほ
   ぼ矩形波形状であることを特徴とする半導体レーザ装置
   。