JPS6362390A - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は戻り光誘起雑音が少なくかつ単一軸モード発振
する確率の高い分布帰還型半導体レーザに関する。

〔従来の技術〕

現在、日本国内縦貫通信網、米国一日本を結ぶ海底中継
光フアイバ通信システムの計画など光フアイバ通信シス
テムの実用化が急ピッチで進展している。その中で、光
源である半導体レーザの特性向上は最も重要な課題であ
る。特に光通信用光源として使用される１、３μｍ、１
．５μｍ帯の半導体レーザにおいては、高速変調時にも
安定な単一軸モード発振を示し、伝送帯域及び伝送距離
を大きくとることができる分布帰還型半導体レーザ（以
下ＤＦＢ−ＬＤと記す〉の開発が進められている。ＤＦ
Ｂ−ＬＤは、素子内部に形成した回折格子による波長選
択機構により一本の軸モードで発振する半導体レーザで
ある。ところが通常のＤＦＢ−ＬＤにおいては、ブラッ
グ波長をはさんだ２本の軸モードに対するしきい値利得
差を大きくすることができないため、２本の軸モードで
発振する確率が高くなり、単一軸モードで発振する素子
の製造歩留りが悪い。この理由は、回折格子の周期と一
致するブラッグ波長では半導体レーザの導波路をほぼ中
央を前進する波と、回折格子による反射によりフィード
バックしてきた波の位相が１８０°異なるため、両者の
波がうちけしあう。

このため、ブラック条件では効率のよい光の反射かえら
れず、ブラッグ波長をはさむ２本の軸モードが発振しや
すくなる。そこで、回折格子の位相を半導体レーザ波長
く結晶内部での波長〉の位相でλ／４だけずらすことに
より前進波とフィードバックしてきた波の位相を一致さ
せ、ブラッグ条件で効率のよい反射波を作り出し、サブ
モードとの利得差を大きくとり単一軸モード発振するλ
／４シフト型ＤＦＢレーザが提案されている。

第４図は従来のλ／４シフト型ＤＦＢレーザの断面図で
ある。

５はλ／４シフト型回折格子、６は光ガイド層、７は活
性層、４は無反射膜である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、上に述べたλ／４シフト型ＤＦＢレーザにおい
て、歩留りをよくするためにはレーザ光出射面（２面あ
る）での光の反射率をＯにする必要がある。これは、フ
ァプリーペローモードを抑制するほか、両端無反射にし
ない場合、共振器内部の光の位相がへき開などにより形
成された反射端面での回折格子の位相により変化するた
め、λ／４シフト回折格子により整合のとれた位相条件
をかく乱してしまうためである０以上述べたようにλ／
４シフト型ＤＦＢ−ＬＤにおいては、光出射面を無反射
にしなければ、単一軸モードで発振するＬＤの歩留りが
悪い。

このように光出射面が無反射である半導体レーザを光通
信システム用光源として使用する場合には以下で述べる
ような問題点が生じてくる。半導体レーザを光通信シス
テム用光源として用いた時レーザ出射光を効率よく光フ
アイバ内に導入するため球面レンズなどの光学系、光フ
アイバ端面、及び光ファイバどうしの接合部などからレ
ーザの出力光の一部が反射・散乱されてレーザの共振器
内にフィードバックされる。このような戻り光があると
、戻り光量が極めてわずかであってもレーザ動作は、大
きな擾乱を受け、発振光のスペクトルの変化や出力強度
雑音の増大などレーザ発振が不安定になり、光通信シス
テムに大きな影響をあたえることが知られている。そこ
で通常レーザ出力面から光フアイバ端面の間にアイソレ
ータを用い、レーザ発振の不安定を防ぐことが常識であ
った。ところが、レーザ端面を無反射にすると戻り光誘
起雑音が増大し、アイソレータの許容範囲におさまらな
くなり、光通信システムの誤動作が増加するようになる
。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の分布帰還型半導体レーザは、半導体基板上に少
なくとも活性層と前記活性層よりも禁制帯幅が大きくか
つ一方の面に一部位相が反転した回折格子を形成した光
ガイド層とを有する＾／４シフト型分布帰還型半導体レ
ーザの共振軸方向において、ほぼ中央に前記反転した位
相の回折格子を有し活性層の利得が０以上のレーザ発光
領域と、前記レーザ発光領域の両端で位相が一致し連続
した回折格子を有し光導波層での利得が常に０以下の第
１．第２のブラッグ反射領域と、前記第１、第２のブラ
ッグ反射領域の前記レーザ発光領域と接していない方の
端面にそれぞれ形成された無反射膜とを含んでなるもの
である。

〔作用〕

本発明の作用について述べる前に戻り光誘起現象につい
て説明する。半導体レーザの共振器に光がフィードバッ
クされた時に生じるレーザ特性の変化はきわめて多様で
あるが、実用的には、戻り光の有無に伴う出力強度やス
ペクトルの変化、出力中の雑音の増大あるいは減少、さ
らには変調時の出力強度の応答特性などが特に問題とな
る。このような多様な変化をもたらす戻り光の効果を説
明する簡単なモデルを第５図に示す、このモデルは、戻
り光の原因となる外部反射Ｒ１１と半導体レーザ１０と
からなる複合共振器とみなすことができる、今、ＬＤ共
振器の内部電界を複素表示でｉΩｔ Ｅ（ｘ）ｅ　　　　と表し、励起された電子密度をｎと
すれば、この複合共振器半導体レーザの動作を表す方程
式は、 −ｎ＝−ｒ　ｏ−Ｇ　　Ｉ　　Ｅ（ｔ）ｌ　　２　＋Ｐ
　　　　　　　　　−・−（２）ｔ と書ける。ただしΩは発振周波数、ωはＬＤ共振器の共
振周波数、またＧはモード利得である。またγは自然放
出による電子密度の減衰定数、Ｐは共振器の単位体積・
時間あたりの電子励起数で注入電流に比例する。この式
の中でレーザ構造が大きく反映され、戻り光誘起現象に
大きな影響を与える項は、（１）式中の「と第２項のに
であるといえる。

「は、ｒ’　・（Ｃ／ｎＬｏ）ｊ’　、（１／Ｒ）　　
　　　−（３）で与えられレーザの端面透過損失の共振
器損失であり、Ｃは光速、ｎは光導波路の実効屈折率、
ＬＤはＬＤの共振器長である。には次式で定義される共
振器間の結合の強さを表すパラメータであり、戻り光量
に大きな影響を与える。

に・（１−Ｒｚ）（Ｒｓ／Ｒ２）１／２Ｃ／２ｏＬｏ　
　　　　−（４）ただし、ここでＲ１およびＲ２はそれ
ぞれＬＤの光出射端面での反射率で、Ｒ３は外部反射鏡
１１での反射率である。

今、ＤＦＢ−ＬＤを用いた通信システムに上記のモデル
を用い定性的に考察する。今、「及びにの値が大きくな
るということは、戻り光の影響が大きくなることを意味
している。つまり、戻り光の影響を小さくするには「の
値及びにの値をできるかぎり小さくすることが有効であ
るといえる。

（３）　、　（４）式から戻り光量の影響を小さくする
ためには、 ■、半導体レーザの端面反射率Ｒ１，Ｒ２を大きくする
。

■、半導体レーザの共振器長Ｌｏを長くする。

ことが有効であることがわかる。

ところが通常の半導体レーザの共振器長Ｌｏは２００〜
５００μｍであり、その特性上Ｌｏをあまり大きくする
ことはできない。そこで半導体レーザにおいて戻り光誘
起現象を低減させる構造パラメータはＩの条件つまり半
導体レーザの端面反射率Ｒ１，Ｒ２を大きくすることで
あるといえる。ところが上述したλ／４シフト型半導体
レーザにおいてはＲ，ζＲ２嬌０であり、実効的ににが
大きな値となっていると予想される（回折格子による反
射があるため（４）式をそのままは適応できない）。ゆ
えに従来型のλ／４シフト型ＤＦＢ−ＬＤは戻り光に弱
い素子構造となっている。

そこで＾／４シフト型ＤＦＢ−ＬＤで戻り光の影響を小
さくかつ単一軸モード発振を歩留りよくえるなめには、 ■、レーザ共振器端面で光の反射がない状態で、 ■、素子内部に戻り光を反射する機構を有することが重
要となってくる。このような条件を満足する素子構造と
しては、ブラッグ反射器が考えられる０本発明はこの点
に着目してλ／４シフＩ・型ＤＦＢ−ＬＤにゲイン利得
を有しない第１．第２のブラッグ反射領域を付加したも
のである。

以下、従来の端面無反射λ／４シフト型ＤＦＢ−ＬＤと
本発明の端面無反射ブラッグ反射領域付λ／４シフト型
ＤＦＢ−ＬＤの戻り光誘起雑音の相違について簡単に説
明する。

第６図（ａ）、（ｂ’）はそれぞれ従来型と本発明のＤ
ＦＢ−ＬＤに戻り光をフィードバックした時の戻り光の
電界強度分布図である。従来型（第６図（ａ））では素
子内部全領域がゲイン領域となっているため、フィード
バックされた戻り光は、回折格子での反射による減衰よ
り利得による増大がうわまわり、増幅され、素子内部の
電界を大きくかく乱してしまう。それに対し、本発明の
素子の場合、第６図（ｂ）に示すように利得Ｇ≦０の第
１のブラッグ反射領域を通過する。そこで、戻り光の一
部は、ブラッグ反射領域内にある回折格子により反射さ
れるため、その電界強度は弱められ、Ｇ≧Ｏのレーザ発
光領域へと進む。つまり、レーザ発光領域に達するまで
に戻り光の一部が反射される。このため、本発明の素子
においては実効的に端面反射率Ｒ２が大きくなり、にが
減少する。ゆえに、本発明のＤＦＢ−ＬＤは従来型のも
のより戻り光の影響をうけにくい構造になっていること
がわかる。

〔実施例〕

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１図は本発明の一実施例の断面図である。

この実施例は、ｎ　−１ｎＰからなる半導体基板８上に
少なくともＩｎＧａＡｓＰからなる活性層７と、活性層
７よりも禁制帯幅が大きくかつ一方の面に一部位相が反
転した回折格子５−１を形成した光ガイド層６とを有す
るλ／４シフト型分布帰還型半導体レーザの共振軸方向
において、ほぼ中央に反転した位相の回折格子５−１を
有し活性層７の利得が０以上のレーザ発光領域１とレー
ザ発光領域１の両端で位相が一致し連続した回折格子５
−２．５−３を有し光導波層での利得が常にＯ以下の第
１．第２のブラッグ反射領域２，３と、第１、第２のブ
ラッグ反射領域２．３のレーザ発光領域と接していない
方の端面にそれぞれ形成された無反射ｐＡ４−１．４−
２とを含んでなるものである。

第１．第２のブラッグ反射領域２，３は通常、レーザ発
光領域１と連続的につながったものでなければこの地点
で反射が生じていよう。それをふせぐため各領域での利
得ＧがＧ〉０である領域（レーザ発光領域１）とＧ〈０
である領域（ブラッグ反射領域２．３）に分離しである
。半導体レーザの場合、電流注入により利得Ｇをかせい
でいるので両領域は電流を注入するかしないかにより分
離できる。しかし、ブラッグ反射領域にまったく電流注
入を行なわない場合には、ブラッグ反射領域２，３はレ
ーザ発振波長の光を吸収する領域となってしまい、レー
ザの特性の低下をもたらす。そこでブラッグ反射領域２
，３をレーザ発振波長の光に対し透明領域にするため、
一定の電流を注入して利得がほぼゼロ（Ｇ＝Ｏ）とする
目的で、電極３ａ、３ｂをもうけである。

次に、この実施例の製造方法について説明する。

第２図（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施例の製造方
法を説明するため工程順に配置した半導体チップの断面
図である。

まず、第２図（ａ）に示すようにｎ−１ｎＰからなる半
導体基板８上に、一部位相が反転したようなλ／４シフ
ト型回折格子となる周期的凹凸１４．１５を形成する０
周期的凹凸１４．１５は同じ空間的周期を有しているが
、周期的凹凸１４の終端１６は凸部の中央にあたり、そ
こはまた周期的凹凸１５の始端で四部の中央にあたる。

次に、第２図（ｂ）に示すように、ｎ−１ｎＧａＡｓＰ
からなる光ガイド層６、ノンドープＩｎＧａＡｓＰから
なる活性層７、ｐ　−ＩｎＰからなるクラッド層１７を
順次積層し、二重へテロ接合構造体を形成する。その後
、電流狭窄と光の横モード制御を行なうための埋め込み
成長を行ないく図示しない）、次いで第２図（Ｃ）に示
すように、ｐ型及びｎ型オーミック電極用金属１８．９
を形成する。次に、第２図（ｄ）に示すように、位相シ
フト部をほぼ中央として左右ほぼ対称な位置のｐ型オー
ミック電極１８及びｐ　−１ｎＰクラッド層１７の一部
を取り除き、電極分離を行ない３電極構造にする。

この時レーザ発光領域１の長さは２００〜３００μｍ、
７”ラッグ反射領域２，３の長さは５０μｍ程度とした
。その後、へき開によりレーザチップ化してその両へき
開面に無反射コーティング膜４−１．４−２を形成する
ことにより、第１図に示した本発明の第１の実施例の半
導体レーザはでき上がる。そしてレーザ使用時にはブラ
ッグ反射領域２，３への電流注入量をほぼ利得Ｇ≦０の
状態に固定して使用する。

第３図（ａ）は本発明の第２の実施例の斜視図、第３図
（ｂ）は第３図（ａ）のｘ−ｘ’線断面図である。

この実施例は、光ガイド層６、ｎ　−１ｎＧａＡｓＰ層
１９からなる活性層及びｎ　−１ｎＰ層２０からなるク
ラッド層を含む二重へテロ接合構造体を有し、電流注入
領域２５及びＺｎ拡散領域２３を備えている。２１は酸
化シリコン等の絶縁膜、２２はｐ側オーミック電極であ
る。

レーザ発光領域からの発振光に対してブラッグ反射領域
での光導波層を透明にする方法としては、多重量子井戸
ＭＱＷを活性層として利用したり、不純物拡散により実
効的禁制帯幅差をつける方法などが考えられる。この実
施例は後者によっているが、同じキャリア濃度の半導体
結晶においてｎ型とｐ型ドーパントの不純物準位が異な
ることを利用しており、一般にｐ型の半導体結晶の方が
バンドシュリンケージが大きく、実効的に禁制帯幅が小
さくなる。そこでレーザ発光領域の活性層をｐ型としブ
ラッグ反射領域の活性層（光導波層）をｎ型にしてやる
とブラッグ反射領域での実効的禁制帯幅の方が広くなり
光の吸収をおさえることができる。また、同じキャリア
濃度のｎ型とｐ型の半導体結晶においてはキャリアの有
効質量の相違から屈折率に差ができる。この効果を利用
して半導体レーザの横モード制御ができることが知られ
ている。

次に、この実施例の製造方法について述べる。

第１の実施例と同様にして、ｎ　−ｌｏｔ’からなる半
導体基板８にまず一部位相が反転しているλ／４シフト
型回折格子となる凹凸を形成する。その上にｎ　−Ｉｎ
ＧａＡｓＰ層６からなる光ガイド層、２〜３×１０１８
Ｃ１１−３程度のキャリア濃度のｎ　−ＩｎＧａＡｓＰ
層１９からなる活性層、ｎ　−１ｎＰ層２０からなるク
ラッド層を順次エピタキシャル成長する。

その後、絶縁層２１をｎ　−ＩｎＰ層２層上０上長し、
電流注入領域を形成するために絶縁層２１を選択的にと
りのぞき、絶縁層２１をマスクとしてＺｎ拡散を行う。

その時、Ｚｎ拡散フロント２４は第３図に示すようにｎ
　−ＩｎＧａＡｓＰ層１つからなる活性層の近傍（下側
）にありｎ　−ＩｎＧａＡｓＰ活性層をキャリア濃度が
１〜２×１０Ｉ８Ｃ１１−３のｐ　−ＩｎＧａＡｓＰ活
性層に反転するように拡散時間及び拡散温度などを制御
する。その後、ｎ型オーミック電極２２及びｎ型オーミ
ック電極８を形成し、へき開などで半導体レーザチップ
とし、その光出射面に無反射コーティング膜４−１．４
−２を形成する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、ブラッグ反射領域により
戻り光の一部が反射されることやレーザ発光部での電界
強度が増加することにより従来型のλ／４シフト分布帰
還型半導体レーザよりも戻り光誘起雑音が少なく、しか
も従来型とほぼ同程度の確率で単一軸モード発振する半
導体レーザが得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の断面図、第２図（ａ）
〜（ｄ）は第１の実施例の製造方法を説明するための工
程順に配置した半導体チップの断面図、第３図（ａ）は
本発明の第２の実施例の斜視図、第３図（ｂ）は第３図
（ａ）のｘ−ｘ′線断面図、第４図は従来例の断面図、
第５図は戻り光効果を説明するモデルの模式図、第６図
（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来例及び本発明における戻
り光の電界強度分布図である。 ｌ・・・レーザ発光領域、２・・・第１のブラッグ反射
領域、３・・・第２のブラッグ反射領域、４．４−１．
４−２・・・端面無反射膜、５−１・・・＾／４シフ）
へ型回折格子、５−２．５−３・・・回折格子、６・・
・光ガイド層、７・・・活性層、８・・・半導体基板、
９・・・ｎ型オーミック電極、１０・・・半導体レーザ
、１１・・・外部反射鏡、１２・・・光の伝播、１３・
・・戻り光、１４．１５・・・周期的凹凸、１６・・・
１４の終端（１５の始端〉、１７・・・クラッド層、１
８・・・ｐ型オーミック電極、１９−ｎ　−ＩｎＧａＡ
ｓＰ層、２０　・−ｎ　−ＩｎＰ層、２１・・・絶縁層
、２２・・・ｐ型オーミック電極、２３・・・Ｚｎ拡散
領域、２４・・・拡散フロント、２５・・・電流注入領
域。 矛　／ＴｇＪ 峯　２　回 輩　３ｙ！Ｊ 茅５　回

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体基板上に少なくとも活性層と前記活性層よりも禁
   制帯幅が大きくかつ一方の面に一部位相が反転した回折
   格子を形成した光ガイド層とを有するλ／４シフト型分
   布帰還型半導体レーザの共振軸方向において、ほぼ中央
   に前記反転した位相の回折格子を有し活性層の利得が０
   以上のレーザ発光領域と、前記レーザ発光領域の両端で
   位相が一致し連続した回折格子を有し光導波層での利得
   が常に０以下の第１、第２のブラッグ反射領域と、前記
   第１、第２のブラッグ反射領域の前記レーザ発光領域と
   接していない方の端面にそれぞれ形成された無反射膜と
   を含んでなることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ
   。