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JP3331568B2 - 埋込型半導体レーザ - Google Patents

埋込型半導体レーザ

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JP3331568B2
JP3331568B2 JP19856993A JP19856993A JP3331568B2 JP 3331568 B2 JP3331568 B2 JP 3331568B2 JP 19856993 A JP19856993 A JP 19856993A JP 19856993 A JP19856993 A JP 19856993A JP 3331568 B2 JP3331568 B2 JP 3331568B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】本発明は、横モードが安定な埋込型半導体
レーザに関する。
【0002】
【従来技術】埋込型半導体レーザは、光ファイバ通信等
の光源に用いられている。この埋込型半導体レーザにお
いて、基本横モードを得るためには、活性層幅は、「伊
藤良一,半導体レーザ[基礎と応用] 培風館,91−
123,1989」に記載されているように、1〜2μ
m程度であることが好ましいと考えられていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のような
構造パラメータからなる埋込型半導体レーザにおいて
は、基本横モードは、ある狭い温度範囲内において不安
定になり、平均的な発振スペクトル幅が広くなる。
【0004】通常25℃付近の室温で、略1.31μm
の発振波長をもつ埋込型半導体レーザをペルチェクーラ
等による温度調節を行わずに、−45〜+85℃の温度
範囲で使用する場合、発振波長は、略0.4nm/℃の
温度係数を有するので、室温に対して低温および高温側
で発振波長は略1.31μmからそれぞれ短波長および
長波長側へシフトする。
【0005】一方、光ファイバは、いわゆる波長分散
(通常略1.31μmでゼロ分散)を有するため、特
に、室温に対して低温あるいは高温で、このように埋込
型半導体レーザ動作時の発振スペクトル幅が広くなる
と、波長による伝搬速度が異なるので、高ビットレート
の伝送ができなかった。
【0006】このため、高ビットレートの伝送を行うに
は、埋込型半導体レーザに温度調節機能を別途に備える
必要があった。ここで、温度調節機能を備えることなし
に、温度変化に対して安定な埋込型半導体レーザが提供
できれば、このような問題は一挙に解決される。
【0007】(従来技術1):半導体レーザの構造パラ
メータに関して、「K.Wakao et al., J. Appl. Phy
s., 62, 2153, 1987」では、高効率を達成する観点
から分布帰還型レーザの構造パラメータが検討されてい
る。
【0008】(従来技術2):「I.Ushijima et al.,
Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng., 1122, 4
06, 1989」では、高温下での動作を実現する観点か
ら、活性層の厚さに関して検討されている。
【0009】(従来技術3):「山田 博仁他、199
2年春季応用物理学関係連合講演会予稿集29a−SF
−3」および「K.Matumoto et al.,Tecnical Report of
IEICE, OQE 92-176 (1993-02)」では、活性層を多
重量子井戸構造とすることで、温度特性が改善されるこ
とが示されているが、活性層の幅については検討を行っ
ていない。
【0010】(従来技術4):「石田 朋子他、199
2年春季応用物理学関係連合講演会予稿集30a−C−
10」では、温度特性を改善するため、活性層幅の最適
値がシミュレーションによって検討され、この最適値
は、1.6〜2.0μmであることが記載されている。
【0011】(従来技術5):「岡 聡彦他、1992
年秋季応用物理学関係連合講演会 予稿集16p−V−
7」では、活性層幅が1.5μmの場合の埋込型半導体
レーザの光出力の温度特性が示されている。
【0012】(従来技術6):「A.Oka et al.,Tecnica
l Report of IEICE,OQE92-168(1993-02)」では、埋込型
半導体レーザの共振器端面に高反射コーティングを施す
ことにより、このレーザが長時間の安定動作可能である
ことが検討されている。
【0013】(従来技術7):「後藤 勝彦他、199
2年秋季応用物理学関係連合講演会予稿集18p−V−
3」では、歪み量子井戸構造による1.3μm帯レーザ
の低閾値化について言及しているが、活性層の幅につい
ての検討は行われていない。
【0014】(従来技術8):「N.Yoshida et al.J.Cr
ystal Growth,93,832,1988」では、分布帰還型レーザに
おいて、ダブルへテロ構造の活性層の幅を約1μmに設
定して閾値電流について検討している。
【0015】(従来技術9):「A.Takemoto et al.,El
ectron.Lett.,23,1987」では分布帰還型レーザにおいて
活性層幅が1〜1.5μmのレーザについて検討されて
いる。
【0016】本発明者は、このような点に着目し、温度
に対する安定性の観点からレーザデバイス自体の改良を
試みた。すなわち、埋込型半導体レーザの特性の向上の
ためには、このような温度に対するモードの安定性や閾
値電流の低減を達成する観点から、鋭意検討を重ねた結
果、構造上のパラメーターを適切に調整することが有効
であるとの知見を得、これらのパラメータを最適化する
ことで、温度変化に対して安定で、高ビットレートの伝
送を行うことのできる実用的な埋込型半導体レーザを実
することができた。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記の埋込型半導体レー
ザを実現するため、本発明に係る埋込型半導体レーザ
は、半導体基板上に順次形成された第1導電型第1クラ
ッド層、第1光ガイド層、多重量子井戸構造の活性層、
第2光ガイド層及び第2導電型第2クラッド層からなる
ダブルへテロ構造を有し、室温近傍で横モードが安定に
発振し、前記活性層の発光波長が略1.3μmである埋
込型半導体レーザにおいて、前記活性層の幅が0.7μ
m以上1.0μm未満であり、前記光導波層の厚さが
0.2μm以上0.3μm以下であることを特徴とす
る。また、活性層の井戸数は4乃至10であることが好
ましい。また、前記半導体基板が、n型InP基板であ
り、前記第1クラッド層が、n型InP層であり、前記
第1光ガイド層および前記第2光ガイド層が、バンドギ
ャップ波長略1.1μmのGaInAsP層であり、前
記多重量子井戸構造の活性層の、ウエル層がバンドギャ
ップ波長略1.35乃至1.45μmで厚さ30乃至6
0オングストロームのGaInAsP層であり、バリア
層がバンドギャップ波長略1.1μmで厚さ100乃至
150オングストロームのGaInAsP層であって、
井戸数が略10であり、前記第2クラッド層が、p型I
nP層であり、前記埋込層がp型InP層およびn型I
nP層の積層構造であることが好ましい。
【0018】
【作用】本発明の埋込型半導体レーザによれば、第1
に、多重量子井戸構造の活性層幅を1.0μm未満に設
定することにより、モード不安定発生率を小さくでき
る。第2に、多重量子井戸構造の活性層3の幅を0.7
μm以上に設定することによって、閾値電流を低くする
ことができる。少なくとも全光導波層厚が略0.2μm
以上0.3μm以下であれば、活性層幅を0.7〜1.
0μmとすることによって本発明の効果は達成される。
この作用を奏する多重量子井戸構造の活性層幅は、発光
波長に依存することが確かめられており、活性層は発光
波長が略1.3μmである必要がある。
【0019】
【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基づき
説明する。説明において同一要素には同一符号を用い、
重複する説明は省略する。
【0020】(第1実施例) 図1(a)は、本発明の第1実施例に係る埋込型半導体
レーザの縦断面構成を示している。図示の通り、Snド
ープのn型InP基板4上に、Siドープのn型InP
第1クラッド層1、ノンドープGaa In1-a Asb
1-b (a=0.15,b=0.31)第1光ガイド層1
1(層厚約500オングストローム、バンドギャップ波
長略1.1μm)、多重量子井戸構造の活性層3、ノン
ドープGac In1-c Asd 1-d (c=0.15,d
=0.31)第2光ガイド層12(層厚約500オング
ストローム、バンドギャップ波長略1.1μm)および
p型InP第2クラッド層2が順次形成され、これらは
加工されメサ型の活性領域が構成されている
【0021】また、このメサ型の活性領域の両面を覆
うように、p型InP埋込層5が配置され、さらにこの
P型InP埋込層5外側にn型InP埋込層10が配
置してある。この第2クラッド層2、n型InP埋込層
10、p型InP埋込層5、第1クラッド層1で構成さ
れるpnpn構造により、n型InP埋込層10、p型
InP埋込層5を電流ブロック層として機能させること
ができる。InP基板4下には電極7が、第2クラッド
層2上にはp型GaInAsコンタクト層9を介して電
極8が形成されている。
【0022】ここで、多重量子井戸構造の活性層3は、
図面下方に抜き出して示すように(図1(b))、ウエ
ル層13がGau In1-u Asv 1-v (u=0.3
1,v=0.66)、バリア層14がGax In1-x
y 1-y (x=0.15,y=0.31)で構成され
ており、井戸数は10である。なお、ウエル層13とバ
リア層14の厚さはそれぞれ約60オングストローム、
約150オングストロームであり、組成は、波長に換算
してそれぞれ約1.36μmと約1.1μmである。
【0023】また、多重量子井戸構造の活性層3の厚さ
は約0.2μm(全光導波層(活性層3+第1ガイド層
11+第2ガイド層12)厚は0.3μm)であり、共
振器長は300μm、活性層幅は0.9μmに設定して
ある。また、活性層3の幅Wは、図1中右方に抜き出し
て示すように(図1(c))、多重量子井戸構造の活性
層断面上辺L2と下辺L1の長さ和の2分の1で定義す
る。
【0024】このような構造の埋込型半導体レーザにお
いて、従来の半導体埋込型半導体レーザの如く、活性層
の幅が1.2μmの場合、図7に示す発振スペクトルか
ら明らかなように、52〜61℃の温度範囲で、発振ス
ペクトルはダブルピークを有しており、平均的なスペク
トル幅が広がっている。ただし、グラフ上の発振スペク
トルは、リニアスケールで書かれているため、スペクト
ル幅の広がりは明瞭には分からない。
【0025】このように平均的なスペクトル幅が広がる
と、前述のように、光ファイバの伝送において波長分散
が生じ、高いビットレートの伝送を行うことができな
い。
【0026】そこで、本発明者は、これら活性層の幅を
変化させて、上記構造の埋込型半導体レーザにおいて実
用上有効な活性層の幅を求めた。
【0027】図2は、上記構成の埋込型半導体レーザに
おいて、−45〜+85℃の温度範囲で、多重量子井戸
構造の活性層3の幅に対するモード不安定発生率を測定
した結果を示している。
【0028】ここで、モード不安定発生率は、以下のよ
うに定義する。
【0029】モード不安定発生率:−45〜+85℃の
温度範囲で、複数の試料(埋込型半導体レーザ)の光強
度の波長依存性を測定した際、モード不安定な状態の発
生する試料の個数の割合。なお、モード不安定な状態と
は、波長に対する光強度のスペクトルが2以上のピーク
を有するものとする。
【0030】本発明は、横モードが安定な埋込型半導体
レーザに関するものであり、−45〜+85℃の温度範
囲で横モードが安定なものは、室温近傍においても安定
であるということを意味する。すなわち、本発明は、室
温近傍において、横モードが安定な埋込型半導体レーザ
を対象としている。
【0031】本測定にあたっては、被測定試料の数量は
10〜30、測定時の温度間隔は5℃で、光出力は5m
Wで行った。
【0032】図2に示すように、多重量子井戸構造の活
性層3幅の減少に伴ってモード不安定率は減少し、この
幅が1.0μm以下の場合には、モード不安定な状態の
試料は殆ど存在しない。
【0033】また、本実施例の埋込型半導体レーザの閾
値電流の多重量子井戸構造の活性層3幅に対する依存性
を測定した。この結果を図3に示す。なお、測定温度は
+25℃である。
【0034】図3に示すように、多重量子井戸構造の活
性層3の幅の増加に伴って閾値電流は増加し、活性層3
幅が0.7μm以上では、閾値電流は7mA以下であっ
た。なお、閾値電流は温度の上昇によって増加する。
【0035】このように、閾値電流の特性を考慮した場
合、実際上有用な活性層3の幅は0.7μm以上1.0
μm以下であることが望ましい。
【0036】なお、活性層3の幅および厚さは、走査型
電子顕微鏡(SEM)で測定した。
【0037】上記の埋込型半導体レーザで得られた発振
スペクトルを図4に示す。比較のため、活性層の幅が
1.2μmである従来の多重量子井戸構造の発振スペク
トルを図5に示す。なお、測定時の温度は+65℃であ
る。図5から明らかなように、+65℃において、従来
の埋込型半導体レーザのスペクトルはダブルピークを有
し、平均的なスペクトル幅(RMS法)は3.82nm
以上である。しかし、図4に示すように、本実施例の埋
込型半導体レーザのスペクトル幅(RMS法)は、0.
74nmであり、このスペクトル幅は、−45〜+85
℃の温度範囲において、2.5nm以下であった。この
ように、活性層3幅を0.7〜1.0μmにすること
によって、埋込型半導体レーザのモード安定性は従来の
ものと比較して大幅に改善した。
【0038】さらに、本願発明の有効性を検証するため
に、上述のような特性の得られる埋込型半導体レーザの
構造因子について検討した。
【0039】図1に示した埋込型半導体レーザの構造に
おいて、以下の構造因子を変化させて発振スペクトルの
モードの安定性を検証した。
【0040】(第2実施例) 多重量子井戸構造の活性層3厚さが、略0.069μm
であり、ウエル層厚が60オングストローム、ウエル層
(井戸層)数4であり、バリア層厚が150オングスト
ローム、バリア層数3であり、活性層3幅が略0.9μ
mであり、第1ガイド層11厚が略0.06μmであ
り、第2ガイド層12厚が略0.06μmである、埋込
型半導体レーザの場合でも、上記と同様の効果が得られ
た。ここで全光導波層(活性層3+第1ガイド層11+
第2ガイド層12)厚は0.189μmである。なお、
他のパラメータについては図1に示したパラメータと同
じである。
【0041】上記第2実施例の埋込型半導体レーザの結
果から全光導波層の層厚が少なくとも0.189μmで
ある場合は、本発明の埋込型半導体レーザは、安定した
モードかつ低い閾値電流で発振する。
【0042】また、第1実施例により、モード安定な全
光導波層厚は0.3μm(活性層3の厚さが0.2μ
m、第1ガイド層11、第2ガイド層12の厚さが0.
05μm)であることが示されているので、第2実施例
の結果を考慮すると、少なくとも全光導波層厚が略0.
2μm以上0.3μm以下であれば、活性層3の幅を
0.7〜1.0μmとすることによって上述の本発明の
効果は達成される。
【0043】また、少なくとも、全光導波層厚が略0.
2μm以上0.3μm以下の場合、第2実施例の結果か
ら活性層のウエル層厚が60オングストロームであり、
バリア層厚が150オングストロームのGaInAsP
層であれば、本発明の埋込型半導体レーザは、安定した
モードかつ低い閾値電流で発振することから、第1実施
例の結果を考慮すると、ウエル層厚が30〜60オング
ストロームであり、バリア層厚が100〜150オング
ストロームであれば、上記と同様の効果を奏する。
【0044】同様にして、第1および第2実施例の結果
から少なくとも井戸数は、4〜10であれば上記と同様
の作用を奏する。
【0045】また、第1光ガイド層11、第2光ガイド
層12の組成は、Gaの組成比率が高いほど、エネルギ
ーバンドギャップが小さくなり、屈折率が大きくなるの
で、光の閉じ込め係数Γが大きくなる。よってこの場合
には、活性層幅は、若干狭くする必要があると考えられ
るが、活性層3の幅を0.7〜1.0μmとすることに
よって、一定の確実性で上述の効果が達成されることに
変わりはない。ただし、光の閉じ込め係数Γは、導波光
の全エネルギーのうち導波層(活性層3)中にある部分
の割合である。
【0046】なお、第1クラッド層1、第2クラッド層
2、p型InP埋込層5およびn型InP埋込層10は
通常InPを用いており、光のしみ出しに比較して十分
厚ければ、これらの導電型やキャリア濃度は、モードの
安定性にはほとんど影響を与えない。
【0047】しかし、上記作用を奏する多重量子井戸構
造の活性層3の幅は、発光波長に依存することが確かめ
られており、活性層3は、発光波長が略1.3μmであ
る必要がある。
【0048】以上、本発明の一実施例によれば、下記の
ような作用を奏することができる。
【0049】第1に、多重量子井戸構造の活性層3の幅
を1.0μm未満に設定することにより、モード不安定
発生率を小さくすることができる。
【0050】第2に、多重量子井戸構造の活性層3の幅
を0.7μm以上に設定することによって、閾値電流を
低くすることができる。
【0051】(埋め込み型半導体レーザの製造方法) 図6は、図1に示した本発明の一実施例に係る埋込型半
導体レーザの製造方法を説明する図である。
【0052】まず、減圧有機金属気相エピタキシ(MO
VPE)法により、Snドープのn型InP基板24上
に、Siドープのn型InP第1クラッド層21を形成
し、しかる後、ノンドープ型Gaa In1-a Asb
1-b (a=0.15,b=0.31)第1光ガイド層、
多重量子井戸構造の活性層、ノンドープ型Gac In
1-c Asd 1-d (c=0.15,d=0.31)第2
光ガイド層からなる光導波層23、p型InP第2クラ
ッド層22およびInGaAsキャップ層4を順次形
成する。そして、このInGaAsキャップ層4上に
CVD法によりSiO2 を堆積し、SiO 2 膜を形成
る。
【0053】このSiO2 膜を図面の垂直方向に長い、
幅約3μmのストライプ状のSiO2 膜42を残して除
去する。(図6(a))。多重量子井戸構造の活性
、これのウエル層をGau In1-u Asv 1-v (u
=0.31,v=0.66)、バリア層をGax In
1-x Asy 1-y (x=0.15,y=0.31)で構
成する。活性層の井戸数は10とする。なお、ウエル層
とバリア層の組成は、波長に換算してそれぞれ1.36
μmと1.1μmに設定してある。
【0054】つぎに、氷水で十分に冷却したブロムメタ
ノール(Br2 :メタノール=2.5:1000)で、
ストライプSiO2 膜42をマスクとしてInGaAs
キャップ層4表面からn型InP基板24までエッチ
ングする。エッチングは、ブロムメタノルールを撹拌し
ながら約5分間行い、InGaAsキャップ層40表面
からの深さが約2.0μm、ストライプSiO2 膜42
のサイドエッチング量(アンダーカット)が1.05μ
mのメサを形成する(図6(b))。
【0055】つづいて、ストライプSiO2 膜42を選
択成長用のマスクとして用い、減圧MOVPE法によ
り、メサの両側面にZnドープp型InP埋込層2
(厚さ約1μm)を堆積し、さらに、このp型InP埋
込層25の外側にn型InP埋込層30(厚さ約1μ
m)を堆積する(図6(c))。この際、p型InP埋
込層25およびn型InP埋込層30はメサの下部から
上部に向かうにつれて徐々に薄くし、これらの上面が第
2クラッド層2の上面と略平行になるようにする。
【0056】しかる後、ふっ酸を用いてストライプSi
2 膜42を除去した後、燐酸と過酸化水素の混合液
(燐酸:過酸化水素液=5:1)を用いてInGaAs
キャップ層40を除去する。その後、減圧MOVPE法
により、この素子の上面にp型InP第3クラッド層5
2(厚さ約1.5μm)、Znドープp型GaInAs
コンタクト層29(厚さ約0.5μm)を順次形成す
る。最後に、p型GaInAsコンタクト層29上面と
InP基板24下面に電極28,27を形成して、図1
に示した埋込型半導体レーザを得ることができる(図6
(d))。なお、図1に示した図面上側のクラッド層2
は、詳細な一例としての図6ではクラッド層22及び5
2として示される。
【0057】以上のように、上述の埋込型半導体レーザ
は、(a)半導体基板(例えば、Snドープのn型In
P基板)上に形成された第1導電型の第1クラッド層
(例えば、Siドープのn型InP層)と、(b)第1
クラッド層上に形成された第1光ガイド層(例えば、ノ
ンドープGa a In 1-a As b 1-b 層(a=0.1
5,b=0.31))と第1光ガイド層上に形成された
多重量子井戸構造の活性層(例えば、井戸数10、ウエ
ル層厚約60オングストロームのGa u In 1-u As v
1-v 層(u=0.31,v=0.66)、バリア層厚
約150オングストロームのGa x In 1-x As y
1-y 層(x=0.15,y=0.31))と活性層上に
形成された第2光ガイド層(例えば、ノンドープGa c
In 1-c As d 1-d 層(c=0.15,d=0.3
1))とより構成される光導波層と、(c )第2光ガイ
ド層上に形成された第2導電型の第2クラッド層(例え
ば、p型InP層)と、(d)ストライプ構造とされた
前記光導波層の両側面に接して設けられた埋込層(例え
ば、p型InP層とn型InP層との積層構造の埋込
層)とを備え、活性層の発光波長が略1.3μmであ
り、活性層の幅が0.7μm以上1.0μm未満である
こととした。
【0058】かかる構造によれば、埋込型半導体レーザ
は、−45〜+85℃の温度範囲内において、活性層の
幅が1.0μm未満であるので、安定なモードで動作で
きる。また、活性層の幅が0.7μm以上であることと
したので、埋込型半導体レーザの閾値電流を7mA以下
にすることができる。活性層の井戸数が4乃至10であ
っても同様の作用を奏する。
【0059】
【発明の効果】以上の通り、本発明に係る埋込型半導体
レーザによれば、−45〜+85℃の温度範囲内におい
て、このレーザは安定なモードで動作できるので、ペル
チェクーラー等の温度調節素子を備えなくても、622
Mbpsの高いビットレートでファイバ長15kmまで
の光ファイバ通信が可能である。(CCITT規格
G.957による)また、活性層の厚さが0.7μm以
上であることとしたので、埋込型半導体レーザの閾値電
流を7mA以下にすることができ、消費電力を低減させ
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る埋込型半導体レーザの
縦断面図である。
【図2】本発明の一実施例に係る埋込型半導体レーザの
モード不安定発生率の活性幅依存性を示す図である。
【図3】本発明の一実施例に係る埋込型半導体レーザの
閾値電流の活性層幅依存性を示す図である。
【図4】本発明の一実施例に係る埋込型半導体レーザの
発振スペクトルを示す図である。
【図5】従来の埋込型半導体レーザの発振スペクトルを
示す図である。
【図6】図1に示す埋込型半導体レーザの製造方法を説
明するための説明図である。
【図7】活性層の幅が1.0μm以上の場合の発振スペ
クトルの温度依存性を示す図である。
【符号の説明】
4…基板、1…第1クラッド層、11…第1光ガイド
層、3…活性層、2…12…第2光ガイド層、第2クラ
ッド層、5,10…埋込層。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に順次形成された第1導電
    型第1クラッド層、第1光ガイド層、多重量子井戸構造
    の活性層、第2光ガイド層及び第2導電型第2クラッド
    層からなるダブルへテロ構造を有し、室温近傍で横モー
    ドが安定に発振し、前記活性層の発光波長が略1.3μ
    mである埋込型半導体レーザにおいて、 前記活性層の幅が0.7μm以上1.0μm未満であ
    前記光導波層の厚さが0.2μm以上0.3μm以下で
    ある ことを特徴とする埋込型半導体レーザ。
  2. 【請求項2】 前記活性層の井戸数が4乃至10である
    ことを特徴とする請求項1に記載の埋込型半導体レー
    ザ。
  3. 【請求項3】 前記半導体基板が、n型InP基板であ
    り、前記第1クラッド層が、n型InP層であり、前記
    第1光ガイド層および前記第2光ガイド層が、バンドギ
    ャップ波長略1.1μmのGaInAsP層であり、前
    記多重量子井戸構造の活性層の、ウエル層がバンドギャ
    ップ波長略1.35乃至1.45μmで厚さ30乃至6
    0オングストロームのGaInAsP層であり、バリア
    層がバンドギャップ波長略1.1μmで厚さ100乃至
    150オングストロームのGaInAsP層であって、
    井戸数が略10であり、前記第2クラッド層が、p型I
    nP層であり、前記埋込層がp型InP層およびn型I
    nP層の積層構造である、ことを特徴とする請求項2に
    記載の埋込型半導体レーザ。
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