JP3700245B2 - 位相シフト型分布帰還半導体レーザ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザ素子の１種である分布帰還型半導体レーザに係わり、特に光通信用モジュール、光通信システム、光ネットワークに用いる好適な分布帰還型半導体レーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、幹線系のみならず加入者系の通信網の光化（光を通信媒体とする所謂光通信システムの導入）が急がれている。高速変調時にも安定な単一縦モード動作が実現可能な分布帰還型半導体レーザは、このような光通信システムの基本送信デバイスとして実用化が進んでいる。分布帰還型（又は、ＤＦＢ型：Distributed Feedback-type）と呼ばれる活性層に沿って回折格子（グレーティング）が形成された半導体レーザ素子は、例えば特開昭６３−１２２１８８号公報に記載されている。分布帰還型半導体レーザのうち、位相シフト型の回折格子を備えたλ／４位相シフト分布帰還型半導体レーザは、安定な単一縦モード動作を再現良く実現する上で特に好ましく、光通信の基本送信デバイスのこの主流構造になるものと見込まれる。
【０００３】
通常の分布帰還型レーザには、レーザ光を発振するための共振器長方向（レーザ光出射端面からこれに対向する他端面へ延伸する方向）に沿って形成された周期的な凹凸からなる回折格子が設けられている。これに対し、λ／４位相シフト分布帰還型半導体レーザの回折格子は、四分の一波長（λ／４）の位相シフトを発生させる位相シフト（Phase shift）領域をレーザ共振器の中央に形成したλ／４位相シフト型回折格子と呼ばれる構造を有する。その特徴は、共振器の両端面からＬなる周期（隣接し合う凸部の頂上間又は凹部の底間の距離）とＨなる振幅（凸部頂上と凹部の底との高低差）で繰り返さえて形成された凹凸の規則的なパターンが、共振器長の略中央にて凹部間に形成された高さＨ／２程度、幅Ｌ／２の凸部、又は、凸部間に形成された深さＨ／２程度、幅Ｌ／２の凹部により断たれた構成にある。この凹凸パターンの断続部により、活性層から発生した波長λの光の位相をλ／４分シフトさせてレーザ発振を行う。
【０００４】
λ／４位相シフト分布帰還型半導体レーザおよびその作製法は、例えばアプライドフィジックスレター、５５巻５号（１９８９年７月）、４１５−４１７頁（Applied Physics Letters, Vol.55, No.5, July 1989, pages 415-417）に開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述のλ／４位相シフト型分布帰還型半導体レーザを作製するにあたり、その回折格子の位相シフト領域（凹凸パターンの断続部）の幅を精度よく形成することが要請される。しかし、λ／４位相シフト型回折格子を高い歩留まりで大量生産作製する基本技術は未だ確立されていない。従って、λ／４位相シフト分布帰還型半導体レーザは広く実用化されるには至っていないのが現状である。
【０００６】
本発明は、従来の位相シフト型分布帰還型半導体レーザに比べて簡易な作製法で且つ再現性良く（高い歩留まりで）作製できる位相シフト型分布帰還半導体レーザの素子構造、およびその作製方法を提供することを目的とする。また、これらの光素子を搭載した低コストで高性能動作可能な光モジュール等の光学装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明者らは、レーザ共振器内部に回折格子が形成されていない領域を少なくとも一ケ所設けて、この領域での光波の伝搬定数を回折格子が形成された領域と異なる値に設定した構造（以下、部分回折格子構造）を採用し、これら二領域の伝搬定数の差Δβと回折格子が形成さない領域の長さ（共振器方向の長さ）の和Ｌｓとが数式１にしめす関係を満たすように半導体レーザ素子を構成した。
【０００８】
0.4π＜Δβ・Ｌｓ＜0.6π …（数式１）
このように半導体レーザ素子を構成することで、従来より簡易な手法で等価的なλ／４位相シフト型回折格子を有する分布帰還型半導体レーザを実現した。要するに、本発明の半導体レーザ素子は活性層と呼ばれる第１の半導体層と、これに接合される活性層より屈折率の小さい（光吸収の小さい）第２の半導体層（例えば、光ガイド層、クラッド層、バッファ層、又はこれらを組み合わせて積層したもの）とでレーザ発振のための共振器を構成し、第１の半導体層で発生した光が到達する位置において共振器長方向に回折格子を間欠的に形成すれば良いため、従来のような凹凸パターンの断続部の厳密な寸法出しの作業を回避できるのである。勿論、回折格子の間欠的な形成（部分回折格子構造の形成）において、(1)共振器の両端面部には回折格子を形成すること、(2)回折格子間を隔てる間隙領域（回折格子非形成領域）は１ヶ所でも複数箇所でも構わないが、その共振器長方向の長さ（複数箇所なら、長さの和）が上述の数式１の関係を満たすこと、の２点に配慮する必要はある。部分回折格子構造をバッファ層またはクラッド層のどちらか一方の中に形成すると、位相シフト量の制御性はさらに向上した。
【０００９】
図１の半導体レーザ素子の共振器長方向の断面図を参照して、本発明の半導体レーザ素子の設計の一例を説明する。図のように波長１．３μｍ帯の分布帰還型半導体レーザにおいて、部分的に形成された埋め込み型回折格子１３を有する層構造（以下、回折格子供給層）を実現する。「回折格子供給層」の由来は、実施例１で後述するようにクラッド層主面上にこれと組成の異なる「半導体層」を形成し、この半導体層に凹凸のパターンを形成して回折格子としたプロセス上の特徴にある。長さＬｃの共振器長の内、埋め込み型回折格子が存在する領域１８と存在しない領域１９とでは光波の伝搬定数が僅かに異なる。したがって図１の素子構造では、この伝搬定数差Δβと回折格子の存在しない領域１９の長さＬｓとの積Δβ・Ｌｓが光波に対する位相シフト量となる。この値がπ／２となるようにＬｓを調整すれば等価的なλ／４シフト型の回折格子が得られる。また、規格化光結合係数は光結合係数κを用いてκ（Ｌｃ−Ｌｓ）で与えられる。なお、κは具体的には回折格子の単位長さ（ここでは共振器長方向）の反射率（単位：ｍ~¹）を示す。
【００１０】
図２は図１の場合において、位相シフト量π／２を得るためのＬｓ値及び規格化光結合係数κ（Ｌｃ−Ｌｓ）値を回折格子供給層１３のInGaAsP四元の組成波長に対して計算した結果である。組成波長とは、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｓ及びＰの４種の元素から組成される化合物半導体の組成比によって決まる値であり、波長の値は禁制帯幅に対応する物理量である。Ｌｓとしては約６０〜１００μｍ程度で位相シフト量π／２が得られることが分かる。この長さは通常のレーザの共振器長４００μｍの１／７〜１／４と少ない割合であるため、規格化光結合係数κ（Ｌｃ−Ｌｓ）にも大きな減少はなく、２．5以上６以下が実現できることが分かる。一方、位相シフト量は回折格子のデューティー比にほぼ比例して変化する。通常の場合デューティー比は0.4〜0.6の範囲に設定できるため位相シフト量は0.4π〜0.6π程度に分布するが、この範囲であれば分布帰還型レーザの単一モード性に悪影響はないことが分かっている。
【００１１】
ところで、上述の数式１に示される伝搬定数βは媒質の有効屈折率ｎ_effと媒質を導波する光の波長λにより数式２のように求められる。
【００１２】
β＝２πｎ_eff／λ …（数式２）
数式２から、本発明の半導体レーザ素子において伝搬定数βは、これを構成する半導体材料に依存することが窺える。例えば、波長λは第１の半導体層における活性層（多重量子井戸構造の場合は井戸層）の材料で決まる。因みに有効屈折率ｎ_effの媒質を伝播する光の速度ｖは、数式３が示すようにｎ_effによって決まる（ｃは光速度：2.99792458×10⁸ｍ／ｓ）。
【００１３】
ｖ＝ｃ／ｎ_eff …（数式３）
本発明の半導体レーザ素子では伝搬定数の異なる回折格子形成領域と回折格子非形成領域との間で光の速度を変調してレーザ発振の位相シフトを行うことは、数式３から明らかである。
【００１４】
さて、図１に示す埋め込み型の回折格子１３を用いた素子構成では、回折格子形成領域と回折格子非形成領域との伝搬定数差Δβは回折格子供給層１３の厚み及び屈折率（組成に依存）により制御される。現在、有機金属気相成長法や分子線結晶成長法など結晶成長での膜厚や組成の制御性が極めて高い手法が確立されおり、これらを本発明の半導体レーザ素子の作製に適用することで位相シフト量の制御性が非常に高い位相シフト型分布帰還型半導体レーザが実現できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を示した実施例１乃至３とこれらに関連する図３乃至５を用い、本発明に関しさらに具体的に説明する。
【００１６】
＜実施例１＞
図３は本発明を用いて波長１．３μｍ帯の分布帰還型半導体レーザを作製した例である。図３(A)に示すように、ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板１０１上に有機金属気相成長法によりｎ型ＩｎＰバッファ層1.0μｍ１０２、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層（組成波長1.10μｍ）0.05μｍと５周期の多重量子井戸層（6.0ｎｍ厚の１％圧縮歪ＩｎＧａＡｓＰ（組成波長1.37μｍ）井戸層、10ｎｍ厚のＩｎＧａＡｓＰ（組成波長1.10μｍ）障壁層）とＩｎＧａＡｓＰ（組成波長1.10μｍ）上側光ガイド層0.05μｍとからなる活性層１０３、第一ｐ型ＩｎＰクラッド層0.1μｍ１０４、アンドープＩｎＧａＡｓＰ（組成波長1.15μｍ）回折格子供給層0.05μｍ１０５、ｐ型ＩｎＰキャップ層0.01μｍ１０６を順次形成する。多重量子井戸活性層１０３の発光波長は約１．３１μｍである。
【００１７】
次にフォトリソグラフィーと選択的ウェットエッチングによりキャップ層１０６および回折格子供給層１０５の一部（共振器長の略中央）を図３(B)に示すように除去する。ここでエッチングにより形成されるストライプ方向は［０１−１］とし、除去領域幅は８０μｍである。続いて、図３(C)に示すように干渉露光法とウェットエッチングを用いて均一周期241ｎｍの回折格子を基板上に積層された半導体層の上面全域に形成する。回折格子の深さは約80ｎｍとし、回折格子が回折格子供給層１０５を貫通し第一ｐ型ＩｎＰクラッド層１０４に達するようにする。
【００１８】
続いて、有機金属気相成長法により第二ｐ型ＩｎＰクラッド層1.7μｍ１０８、高濃度ｐ型ＩｎＧａＡｓキャップ層0.2μｍ１０９を順次形成する。この工程で、ＩｎＰクラッド層１０４に形成された凹部は、その上面に新たにＩｎＰクラッド層１０８を再成長させることで埋められ、その再成長界面の痕跡は殆ど消える。従って、ＩｎＰクラッド層１０４と１０８は実質上一体に形成され、再成長界面によるクラッド層内の光導波への影響は殆どない。
【００１９】
この結果、図３(D)に示すように回折格子がクラッド層内部に埋め込まれ、共振器中央部80μｍに渡って回折格子が形成されていない構造の分布帰還型レーザ構造が形成される。 横幅約1.5μｍの埋め込み型レーザ構造または横幅約2.2μｍのリッジ導波路型レーザ構造に加工形成した後、上部電極１１０、下部電極１１１を形成する。図３(E)に示すように劈開工程により素子長400μｍの素子に切り出した後、素子の両端面には反射率約１％の低反射膜１１２を例えばスパッタリング法により形成する。
【００２０】
作製した１．３μｍ帯の分布帰還型半導体レーザ素子は室温、連続条件においてしきい値電流１０ｍＡ、発振効率0.45Ｗ／Ａであった。また、簡易な作製を反映して、85℃の高温においてもしきい値電流２５ｍＡ、発振効率0.30Ｗ／Ａと良好な発振特性を得た。発振しきい値以下に順バイアスを印加した場合の、スペクトル形状を図３(F)に示した。λ／４シフト型の回折格子を反映してストップバンドの中央に発振主モードが現われる典型的なスペクトルが得られた。この結果、85℃の高温においても副モード抑圧比４０ｄＢ以上の安定な単一モード動作を９５％以上の高い作製歩留まりで実現した。本構造は１．３μｍ帯のみならず１．５５μｍ帯や他の波長帯の分布帰還型半導体レーザにも適用可能である。
【００２１】
＜実施例２＞
図４は本発明による位相シフト領域を複数有する１．３μｍ帯の分布帰還型半導体レーザを作製した例（共振器長方向の断面図）である。回折格子の形成された領域が異なること以外は構造は実施例１と同じである。図４に示すように、レーザ共振器の内部２ケ所で回折格子供給層は除去されており、それぞれの領域での位相シフト量は約π／２である。作製した素子において実施例１の特性の他、共振器内の光強度分布が実施の形態１の場合に比べてより平坦化されるため、４０ｍＷ以上の高出力動作時にも単一モード動作に優れた分布帰還型半導体レーザが実現できた。本構造は１．３μｍ帯のみならず１．５５μｍ帯や他の波長帯の分布帰還型半導体レーザにも適用可能である。
【００２２】
＜実施例３＞
本実施例では、実施例１または２で説明した分布帰還型半導体レーザを光学装置に応用した例について説明する。図５は、分布帰還型半導体レーザ２０１をヒートシンク２０２上に実装した後、光学レンズ２０３、後端面光出力モニタ用のフォトダイオード２０４と光ファイバ２０５とを一体化したモジュールの構造図である。室温、連続条件においてしきい値電流１０ｍＡ、発振効率0.20Ｗ／Ａであった。また、簡易な作製を反映して、８５℃の高温においてもしきい値電流２５ｍＡ、発振効率0.13Ｗ／Ａと良好な発振特性を得た。また、８５℃の高温においても副モード抑圧比４０ｄＢ以上の安定な単一モード動作を９５％以上の高い作製歩留まりで実現した。本レーザでは規格化光結合係数を２．５以上と高く設定できるため、モジュール実装での最大の課題であるファイバ端からの戻り光による発振特性の劣化は全く起こらなかった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明に係る半導体発光素子よれば、安定な単一モード可能な高出力分布帰還型半導体レーザやこれを搭載した光モジュールを極めて容易な手法で実現できる。本発明を用いれば、素子性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでなく、この素子を適用した光通信システムの低価格化、大容量化、長距離化を容易に実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体レーザ素子を説明するための共振器長方向の断面図である。
【図２】回折格子供給層（回折格子を形成する半導体材料）の組成波長と位相シフト領域長及び規格化光結合係数の関係を示す図である。
【図３】本発明の実施例１を説明するための図であり、(A)〜(E)は半導体レーザ素子の製造工程を示す流れ図、(F)は作製されたレーザ素子の発振光のスペクトルを示す図である。
【図４】本発明の実施例２に記載の半導体レーザ素子の共振器長方向の断面図である。
【図５】本発明の実施例３に記載の光モジュールの断面図である。
【符号の説明】
１１…ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、１２…活性層、１３…回折格子供給層、１４…クラッド層、１５…低反射膜、１６…上部電極、１７…下部電極、１０１…ｎ型（１００）ＩｎＰ半導体基板、１０２…バッファ層、１０３…圧縮歪多重量子井戸活性層、１０４…第一クラッド層、１０５…回折格子供給層、１０６…キャップ層、１０７…回折格子、１０８…第二クラッド層、１０９…キャップ層、１１０…上部電極、１１１…下部電極、１１２…低反射膜、２０１…分布帰還型半導体レーザ、２０２…ヒートシンク、２０３…光学レンズ、２０４…モニタフォトダイオード、２０５…光ファイバ。

Claims (5)

1. 第１の導電型の半導体基板上に第１の導電型のバッファ層、発光層と該発光層の近傍層に放出された光を分布反射するための光の進行方向に沿う回折格子、及び第２の導電型のクラッド層を有し、且つレーザ共振器内部に該回折格子が形成されていない領域を少なくとも一ケ所設けることによりこの領域での光波の伝搬定数を回折格子が形成された領域と異なる値に設定した部分回折格子構造の分布帰還半導体レーザにおいて、二領域の伝搬定数の差Δβと回折格子が形成されない領域の長さの和Ｌｓとの間に、
   0.4π＜Δβ・Ｌｓ＜0.6π
   の関係があり、
   上記バッファ層または上記クラッド層のどちらか一方の中に上記回折格子は設けられ、上記回折格子を構成する各格子はそれを構成する層の厚さが一定で、かつ、間欠的に設けられ、前記一の格子と隣接する他の一の格子との間は上記バッファ層または上記クラッド層を構成する材料で埋められていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
2. 上記回折格子を形成するための光ガイド層の導電型が周囲の層と異なることを特徴とした請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ。
3. 上記回折格子の規格化光結合係数κ(Lc-Ls)(ここで、κ；光結合係数であって、回折格子の単位長さ（ここでは共振器長方向）の反射率（単位：m^-1）, Lc；前記供給の長さ、Ls;位相シフト量が0.4πより大で、かつ、0.6π未満となるように定められた、回折格子が設けられていない部分の長さ)が２以上６以下であることを特徴とした請求項１から２に記載の分布帰還型半導体レーザ。
4. 第１の導電型の半導体基板上に第１の導電型のバッファ層、発光層と該発光層の近傍層に放出された光を分布反射するための光の進行方向に沿う回折格子、及び第２の導電型のクラッド層を有し、且つレーザ共振器内部に該回折格子が形成されていない領域を少なくとも一ケ所設けることによりこの領域での光波の伝搬定数を回折格子が形成された領域と異なる値に設定した部分回折格子構造の分布帰還半導体レーザにおいて、二領域の伝搬定数の差Δβと回折格子が形成されない領域の長さの和Ｌｓとの間に、
   0.4π＜Δβ・Ｌｓ＜0.6π
   の関係があり、
   上記バッファ層または上記クラッド層のどちらか一方の中に上記回折格子は設けられ、上記回折格子を構成する各格子はそれを構成する層の厚さが一定で、かつ、間欠的に設けられ、前記一の格子と隣接する他の一の格子との間は上記バッファ層または上記クラッド層を構成する材料で埋められており、
   上記周期的回折格子の規格化光結合係数κ(Lc-Ls)(ここで、κ；光結合係数であって、回折格子の単位長さ（ここでは共振器長方向）の反射率（単位：m^-1）, Lc；前記供給の長さ、Ls;位相シフト量が0.4πより大で、かつ、0.6π未満となるように定められた、回折格子が設けられていない部分の長さ)が２以上６以下であることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
5. 上記回折格子を形成するための光ガイド層の導電型が周囲の層と異なることを特徴とした請求項４に記載の分布帰還型半導体レーザ。

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