JP5286198B2

JP5286198B2 - 分布帰還形半導体レーザ

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Publication number: JP5286198B2
Application number: JP2009196259A
Authority: JP
Inventors: 淳一浅岡; 敏昭内田; 康義大手; 謙司平位; 信頼都築
Original assignee: NTT Electronics Corp
Current assignee: NTT Electronics Corp
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: JP2011049346A

Description

本発明は、分布帰還形半導体レーザに関し、特に、高速変調特性を有し、発振の単一モード性に優れ、使用温度範囲の広い通信用分布帰還形半導体レーザに関するものである。

一般に単一モードで発信する通信用半導体レーザは、分布帰還型（ＤＦＢ：ＤｉｓｒｉｂｕｔｅｄＦｅｅｄｂａｃｋ）半導体レーザが中・長距離の光通信システム用として用いられている。特に、近年はインターネットの発展に伴う光通信における伝送容量の爆発的な増大により、低コスト化及び高速化が求められている。低コスト化のためには、冷却手段を用いないことが必要であるが、この場合、半導体レーザの使用環境温度が８５℃のとき、半導体レーザの素子温度は９５℃となる。そのため、冷却手段を用いずに１０Ｇｂｐｓの変調速度でかつ素子温度９５℃以上で動作する直接変調用ＤＦＢレーザが望まれる。

上記のような半導体レーザは、最高使用温度で電流−光出力特性が劣化しないことが基本的な要求条件であるが、さらに、低温度領域から高温度領域まで安定した単一モード発振が可能なこと、かつ、高速変調特性が高温度領域で劣化しないことが要求される。しかし、単一モード発振の安定性と高速変調特性を同時に満足させることは、レーザ構造の設計パラメータとして矛盾する項目であるために非常に困難である。

例えば、高効率・高出力特性と高い単一モード発振の安定性を得る半導体レーザが提案されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。従来の半導体レーザは、図１２に示すように、共振器方向の一部に回折格子５０１が形成されたガイド層５０５と、共振器方向の全体にわたって形成される活性層５０４と、高反射膜が形成されていた高反射率端面５０２と、低反射膜が形成された低反射率端面５０３と、を備え、低反射率端面５０３からレーザ光が出射される。

上記の半導体レーザは高効率・高出力特性と高い単一モード発振の安定性を得ることを目的としたものであり、素子温度９５℃かつ１０Ｇｂｐｓ以上の高速特性を達成することはできない。その理由として、山谷が形成されない領域にはガイド層５０５が残るためその残ったガイド層５０５はＤＦＢ発振に寄与しないことは言うまでもないが、ガイド層５０５はクラッド層５０８に比べ屈折率が大きい組成であるがゆえに光の吸収ロスが大きくなる。吸収ロスが大きいと発振しきい値の増大と発光効率の低下を招くため、発熱が増え温度特性が悪化する。

また、山谷が形成されないガイド層５０５が残った領域では、山谷が形成された領域に比べ、光がガイド層５０５側に引っ張られる。すなわち、ガイド層５０５が残った領域では活性層５０４の光閉じ込め係数が小さくなる。光閉じ込め係数の劣化と吸収ロスの増大により、変調時の緩和振動周波数が減少して高速変調特性が劣化する。

以上に述べた理由により、高い使用温度領域で１０Ｇｂｐｓ以上の高速特性を達成することはできなかった。

一方、特許文献３に記載の従来の半導体レーザでは、山谷が形成されない領域にはガイド層が残らない構造が開示されているが、このレーザはＣＷ（連続）発振で、高出力、スペクトル狭線幅化（１ＭＨｚ以下）を狙ったもので、共振器長が５００μｍ以上であることから、高速変調特性を有しない。

特開平５−１０２５９７号公報特開平１１−６８２２０号公報特開２００４−３１４０２号公報

以上のように、従来の半導体レーザでは、高速変調特性を有し、発振の単一モード性に優れ、かつ、使用温度範囲の広い半導体レーザを実現することは困難であった。本発明の目的は、使用温度範囲の広い特に９５℃以上の素子温度領域でも１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調特性を有し、高い単一モード安定性に優れた半導体レーザを実現することにある。

上記目的を達成するために、本願発明の分布帰還形半導体レーザは、活性層と、前記活性層の下側又は上側に配置されたガイド層と、一方の端面に形成された低反射膜と、他方の端面に形成された高反射膜と、前記一方の端面側に形成された回折格子と、を有する分布帰還形半導体レーザであって、前記両端面間の長さが１７０μｍ以上２８０μｍ以下であり、前記回折格子は、一定の周期で前記ガイド層の全てが除去され、前記ガイド層の除去された部位がクラッド層に埋め込まれることにより形成され、前記回折格子を形成する領域の長さが、前記両端面間の長さの６０％であり、前記他方の端面側において、前記回折格子が形成されていない領域の前記ガイド層の全てが除去されており、前記分布帰還形半導体レーザの緩和振動周波数ｆ _ｒが１０ＧＨｚ以上であることを特徴とする。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によって、使用温度範囲の広い特に９５℃以上の素子温度領域でも１０Ｇｂｐｓ以上の高速変調特性を有し、高い単一モード安定性に優れた分布帰還形半導体レーザを実現することができる。さらに、低しきい値特性を得ることもできる。

本発明の一実施形態の構成を示す断面図である。本発明による分布帰還型半導体レーザの構造断面図である。本発明による分布帰還型半導体レーザの斜視図である。本実施形態に係る分布帰還形半導体レーザの共振器長と緩和振動周波数の関係を示す図である。共振器長Ｌに対する回折格子形成領域の長さＬｇの割合と本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの緩和振動周波数の関係を示す。共振器長Ｌに対する回折格子形成領域の長さＬｇの割合と本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの発振しきい値の関係を示す。共振器長Ｌに対する回折格子形成領域の長さＬｇの割合と本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの直列抵抗値の関係を示す。本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの効果を説明するための図で、分布帰還形半導体レーザに流す電流と分布帰還形半導体レーザの発光効率の関係を示す図である。比較例の分布帰還形半導体レーザにおける、分布帰還形半導体レーザに流す電流と分布帰還形半導体レーザの発光効率の関係を示す図である。本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの効果を説明する図で、分布帰還形半導体レーザに流す電流と分布帰還形半導体レーザの緩和振動周波数の関係を示す図である。比較例の分布帰還形半導体レーザにおける、分布帰還形半導体レーザに流す電流と分布帰還形半導体レーザの緩和振動周波数の関係を示す図である。従来の半導体レーザの構成を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰返しの説明は省略する。また、本発明の実施例の形態、効果について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施例の構成を示す断面図である。本実施形態に係る分布帰還形半導体レーザは、活性層５０４と、活性層５０４の上側に配置されたガイド層５０５と、一方の端面に低反射膜が形成された低反射率端面５０３と、他方の端面に高反射膜が形成された高反射率端面５０２と、一方の端面側に形成された回折格子１０と、を有する。両端面間の長さである共振器長Ｌが１７０μｍ以上２８０μｍ以下である。

回折格子１０は、一定の周期でガイド層５０５の全てが除去され、ガイド層５０５の除去された部位がクラッド層５０８に埋め込まれることにより形成されている。回折格子１０は、他方の高反射率端面５０２側において、ガイド層５０５の全てが除去されている。すなわち、本実施形態に係る分布帰還形半導体レーザは、回折格子１０は光出射側の低反射率端面５０３側にのみ形成されており、後方の高反射率端面５０２側にはガイド層５０５がまったく存在しない構成になっている。

本実施形態に係る分布帰還形半導体レーザでは、回折格子１０を形成する領域の長さＬｇが、共振器長Ｌの４０％以上８０％以下であることが好ましい。これにより、１０Ｇｂｐｓの高速動作を素子温度９５℃で実現することができる。

図２は、本実施例による分布帰還形半導体レーザの構造断面図である。一例として、１．３μｍ帯リッジ導波路型の分布帰還形半導体レーザを示した。本実施例では、ｎ型ＩｎＰの基板１上に、ｎ型ＩｎＰのクラッド層２、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＳＣＨ層３、図１に示す活性層の５０４としてのＩｎＧａＡｌＡｓ系の歪量子井戸層からなる多重量子井戸（ＭＱＷ）層４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＳＣＨ層５、ｐ型ＩｎＡｌＡｓのキャリアストップ層６、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰのリッジ形成時のエッチングストップ層７、ｐ型ＩｎＰのスペーサ層（５０５の下の８の部分）、Ｐ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層５０５が、有機金属気相成長法で順次、多層成長されてなる。

この後、フォトリソグラフィ技術、電子線描画技術、及びエッチング技術を用いて、共振器方向の一方の端面側において一定の周期でガイド層５０５を除去し、回折格子１０の構造を形成し、同時に他方の端面側においてはガイド層５０５を全て除去する。一方の端面側の回折格子構造は、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層５０５が完全に除去された部分と完全に残った部分が共振器方向に周期的に形成される。

次に、再び有機金属気相成長法を用いて、回折格子構造を形成した多層基板上に、ガイド層５０５を埋め込む構造でｐ型ＩｎＰのクラッド層８を再成長する。これにより、ガイド層５０５の除去された部位がクラッド層で埋められ共振器方向の一方の端面側に回折格子１０が形成される。そして、ｐ型ＩｎＰのクラッド層８上にｐ型ＩｎＧａＡｓのコンタクト層９を再成長する。

次に、図３に示すように、熱ＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの絶縁膜形成技術、フォトリソグラフィ技術、およびエッチング技術を用いて、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰのエッチングストップ層７を用いて、ｐ型ＩｎＰのクラッド層８をエッチングして、リッジ形状の光導波路構造を形成する。

次に、光導波路構造にｐ型ＩｎＧａＡｓのコンタクト層９を介して電気的に接続されるｐ型電極１２と、ｎ型ＩｎＰの基板１に電気的に接続されたｎ型電極１１とを形成する。このリッジの頂上を除く表面にはＳｉＯ_２絶縁膜が配置され、ｐ型電極１２とリッジ頂上を除く半導体層とは絶縁されている。図３ではＳｉＯ_２絶縁膜とリッジ頂上以外の部分のｐ型電極は省略した。ｎ型電極１１は、ｐ型電極１２を形成した後に、バー状にへき開が可能な厚さにまでｎ型ＩｎＰの基板１の裏面側を研磨した後に形成される。

その後、出射端面側と後端面側でバー状にへき開し、半導体レーザの回折格子層が形成された出射端面側に低反射率膜を形成し、半導体レーザの後端面側に高反射率膜を形成した後、半導体レーザ素子にチップ化する。

＜レーザの変調特性についての検討＞
変調周波数特性Ｒｍは次式で表される。

ｆ_ｒは緩和振動周波数、Γはダンピングレート、Ｃはｎ型電極１１とｐ型電極１２の間の寄生容量、Ｒはｎ型電極１１とｐ型電極１２の間の直列抵抗を示す。

３ｄＢ帯域制限を考慮すると、緩和振動周波数ｆ_ｒを変化させたときに変調周波数特性Ｒｍが３ｄＢ変化するのは、周波数ｆが１．５５ｆ_ｒのときである。寄生容量Ｃ及び直列抵抗Ｒを変化させたときに変調周波数特性Ｒｍが３ｄＢ変化するのは、周波数ｆが１／（２πＣＲ）のときである。したがって、高速特性を上げるためには、緩和振動周波数ｆ_ｒを大きくし、寄生容量Ｃ又は直列抵抗Ｒを小さくする必要がある。

寄生容量Ｃを小さくするには共振器長Ｌを短くすればよい。一方、直列抵抗Ｒを小さくするには多重量子井戸層４の幅を広く、共振器長Ｌを長くすればよいが、後者は寄生容量Ｃを小さくすることと逆行する。

＜レーザの温度特性についての検討＞
レーザの温度特性を向上する方法としては、３つの方法が考えられる。
第１の方法は、発光効率を上げることである。これにはレーザの低しきい値化が有効である。レーザの発振しきい値を下げることによって動作電流が小さくなり、発熱量が減少するからである。発熱量の減少によって、吸収ロスは低減する。
第２の方法は、直列抵抗Ｒを小さくすることである。これは、直列抵抗Ｒでの発熱量が減少することによる。
第３の方法は、熱拡散を大きくすることである。これには共振器長Ｌを長くしたり、ペルチェ素子を利用したりすることが有効である。共振器長Ｌを長くすると直列抵抗Ｒも小さくなる。しかし、共振器長Ｌを長くすると寄生容量Ｃが大きくなるため、変調周波数特性Ｒｍが劣化する。一方のペルチェ素子は、アンクールドレーザの場合は利用できない。

上記検討より、本実施形態に係る分布帰還形半導体レーザでは、第１の方法を採用し、レーザの発振しきい値を下げることでレーザの温度特性を改善している。具体的には、図１に示す回折格子１０の構成を採用することで、ガイド層５０５での吸収ロスを減らしてレーザの発振しきい値を下げている。

＜分布帰還形半導体レーザの共振器長Ｌについての検討＞
図４に、本実施形態に係る分布帰還形半導体レーザの共振器長Ｌと緩和振動周波数ｆ_ｒの関係を示す。レーザの素子温度は９５℃、電流値は６０ｍＡ、Ｌｇ／Ｌは６０％である。
共振器長Ｌが２２０μｍ付近で緩和振動周波数ｆ_ｒが最大値を示した。共振器長Ｌが大きい場合は、しきい値電流が大きくなるとともにレーザの寄生容量Ｃが大きくなるため、緩和振動周波数ｆ_ｒが劣化する。逆に、共振器長Ｌが小さい場合は、しきい値電流は小さくかつレーザの寄生容量Ｃも小さくなるが、レーザの発光効率の温度特性が発熱の影響で劣化するため、緩和振動周波数ｆ_ｒが劣化する。

１０Ｇｂｐｓの高速変調動作を満足するためには緩和振動周波数ｆ_ｒが１０ＧＨｚ以上の条件を満たす必要があり、図４に示すように、共振器長Ｌが１７０μｍ以上２８０μｍ以下の範囲で緩和振動周波数ｆ_ｒが１０ＧＨｚ以上であることから、共振器長Ｌは１７０μｍ以上２８０μｍ以下であることが好ましい。

＜共振器長Ｌに対する回折格子形成領域の長さＬｇの割合についての検討＞
図５は、共振器長Ｌに対する回折格子形成領域の長さＬｇの割合と本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの緩和振動周波数の関係を示す。横軸は、共振器長Ｌに対する回折格子形成領域の長さＬｇの割合すなわちＬｇ／Ｌを示し、縦軸は緩和振動周波数ｆ_ｒ（ＧＨｚ）を示す。素子温度は９５℃で、緩和振動周波数ｆ_ｒは電流値６０ｍＡでの値である。

Ｌｇ／Ｌが１００％の場合、すなわち回折格子領域が共振器長Ｌの全体の場合では、分布帰還形半導体レーザの発振しきい値が大きくなり、かつ発光効率が小さく、吸収ロスも大きくなるため緩和振動周波数ｆ_ｒも小さくなる。Ｌｇ／Ｌが１００％から少なくなるに従い、発振しきい値が小さくなり、緩和振動周波数ｆ_ｒも大きくなる。Ｌｇ／Ｌが６０％付近で緩和振動周波数ｆ_ｒが最大となり、Ｌｇ／Ｌがさらに小さくなると緩和振動周波数ｆ_ｒが小さくなる。Ｌｇ／Ｌが６０％より小さくなるに従い緩和振動周波数ｆ_ｒが小さくなるのは、回折格子領域の減少により微分利得が小さくなるためである。

ここで、１０Ｇｂｐｓの高速動作を素子温度９５℃で実現するためには、１０ＧＨｚ以上の緩和振動周波数ｆ_ｒが必要である。本実施例に係る分布帰還形半導体レーザでは、Ｌｇ／Ｌの値が、４０％以上８０％以下の範囲で緩和振動周波数ｆ_ｒが１０ＧＨｚ以上であることから、回折格子を形成する領域の長さＬｇは、共振器長Ｌの４０％以上８０％以下であることが好ましい。

なお、図６に、共振器長Ｌに対する回折格子形成領域の長さＬｇの割合と本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの発振しきい値の関係を示す。横軸は共振器長Ｌに対する回折格子形成領域の長さＬｇの割合すなわちＬｇ／Ｌを示し、縦軸は分布帰還形半導体レーザの発振しきい値（ｍＡ）を示す。素子温度は９５℃である。

Ｌｇ／Ｌが大きい場合は、回折格子１０の吸収ロスの増加により発振しきい値が大きくなるため、発振特性は劣化する。一方、Ｌｇ／Ｌが小さい場合は、ＤＦＢの微分利得の低下により発振しきい値が大きくなるため、発振特性は劣化する。

また、図７に、共振器長Ｌに対する回折格子形成領域の長さＬｇの割合と本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの直列抵抗値の関係を示す。横軸は共振器長Ｌに対する回折格子形成領域の長さＬｇの割合すなわちＬｇ／Ｌを示し、縦軸は分布帰還形半導体レーザの直列抵抗値を示す。素子温度は９５℃、直列抵抗値は電流値６０ｍＡでの値である。

共振器長Ｌに対する回折格子形成領域の割合が大きいと回折格子１０を構成するガイド層５０５とクラッド層８とのヘテロ界面領域が多くなり、このヘテロ界面による抵抗増加によって直列抵抗Ｒが大きくなる。直列抵抗Ｒが大きいと抵抗による発熱量が増加するため、高温度領域でのレーザ特性（発振効率、高速特性）が劣化する。

＜本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの効果＞
次に、本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの効果について図を用いて説明する。
図８は、本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの効果を説明するための図で、分布帰還形半導体レーザに流す電流と分布帰還形半導体レーザの発光効率の関係を示す図である。多重量子井戸層（図２に示す符号４）の層数が８、共振器長Ｌが２００μｍ、低反射率端面５０３側に配置される低反射率膜の反射率が１％、高反射率端面５０２側に配置される高反射率膜の反射率が８０％、回折格子領域が共振器長Ｌの６７％の１３４μｍ、回折格子１０の結合係数κと回折格子形成領域の長さＬｇの積が１．２で、素子温度９５℃の場合を示す。縦軸は、発光効率（Ｗ／Ａ）で、この値が大きいほど分布帰還形半導体レーザの光出力特性が優れていることを示す。発光効率がゼロから急激に大きくなっている電流値がいわゆるしきい値電流である。

図９は、比較例の分布帰還形半導体レーザにおける、分布帰還形半導体レーザに流す電流と分布帰還形半導体レーザの発光効率の関係を示す図である。比較例で作製した構造は、図２に示す回折格子１０の構造が異なるのみであり、その他の構造は図２に示す本実施例に係る分布帰還形半導体レーザと同じとした。具体的には、比較例で作製した構造は、回折格子１０が、本実施例の図２及び図３で示したｐ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層５０５とは異なり、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰのガイド層５０５に図１２に示す回折格子５０１のような山谷が形成された形状となっている。

本実施例に係る分布帰還形半導体レーザのしきい値電流は、図８に示すように、１５．７ｍＡであった。一方、比較例に係る分布帰還形半導体レーザのしきい値電流は、図９に示すように、２１．１ｍＡであった。このように、本実施例に係る分布帰還形半導体レーザのしきい値電流の方が大幅に小さくなっている。これは、本実施例では、山谷が形成されていないガイド層５０５が残った領域による吸収ロスがないためである。また、発光効率についても、本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの方が比較例よりも大きいことがわかる。

さらに、電流値を大きくしていくと、発光効率がいずれはゼロになる、すなわち、これ以上電流を増やしてもレーザの光出力が増えない電流値は、図９に示す比較例では約９２ｍＡであるに対し、図８に示す本実施例では１００ｍＡよりはるかに大きくなった。このように、本実施例に係る分布帰還形半導体レーザは、半導体レーザの温度特性の大幅な改善が達成されたことが、この電流−発光効率特性でわかる。

図１０は、本実施例に係る分布帰還形半導体レーザの効果を説明する図で、分布帰還形半導体レーザに流す電流と分布帰還形半導体レーザの緩和振動周波数の関係を示す図である。図２と同じ素子で、同じ条件、すなわち素子温度９５℃での電流−緩和振動周波数特性を示す。図１１は、比較例の分布帰還形半導体レーザにおける、半導体レーザに流す電流と半導体レーザの緩和振動周波数の関係を示す図である。

図１０及び図１１から明らかなように、本実施例では、電流値６０ｍＡのときに、緩和振動周波数ｆ_ｒは１１．１ＧＨｚであった。比較例では、電流値６０ｍＡのときに、緩和振動周波数ｆ_ｒは９．０ＧＨｚであり、本実施例の緩和振動周波数ｆ_ｒが大幅に大きくできていることがわかる。本実施例では、山谷が形成されていないガイド層５０５が残った領域による、光閉じ込め係数の劣化と吸収ロスの増大がないためである。

なお、図２及び図３に示す本実施例では、回折格子１０が多重量子井戸層４上側に形成された場合を示したが、多重量子井戸層４の下側、いわゆる基板１側に形成された場合も効果は同様である。また、本実施例では、基板１としてｎ型ＩｎＰ基板を用いたが、ｐ型ＩｎＰ基板を用いることも可能である。

また、本実施例では、光の横方向の閉じ込め構造として、リッジ導波路型を用いたが、埋め込みヘテロ構造型を用いることも可能である。さらに、本実施例では、多重量子井戸層４の材料として、ＩｎＧａＡｌＡｓ系を用いたが、ＩｎＧａＡｓＰ系を用いることも可能である。

本発明の分布帰還形半導体レーザは、通信用半導体レーザに用いられるため、情報通信産業に適用することができる。

１：ｎ型ＩｎＰの基板
２：ｎ型ＩｎＰのクラッド層
３：ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＳＣＨ層
４：ＩｎＧａＡｌＡｓ系の多重量子井戸層
５：ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓのＳＣＨ層
６：ｐ型ＩｎＡｌＡｓのキャリアストップ層
７：ｐ型ＩｎＧａＡｓＰのエッチングストップ層
８：ｐ型ＩｎＰのクラッド層
９：ｐ型ＩｎＧａＡｓのコンタクト層
１０：回折格子
１１：ｎ型電極
１２：ｐ型電極
５０１：回折格子
５０２：高反射率端面
５０３：低反射率端面
５０４：活性層
５０５：ガイド層
５０６：ｎ型電極
５０７：ｐ型電極
５０８：クラッド層

Claims

活性層と、
前記活性層の下側又は上側に配置されたガイド層と、
一方の端面に形成された低反射膜と、
他方の端面に形成された高反射膜と、
前記一方の端面側に形成された回折格子と、を有する分布帰還形半導体レーザであって、
前記両端面間の長さが１７０μｍ以上２８０μｍ以下であり、
前記回折格子は、一定の周期で前記ガイド層の全てが除去され、前記ガイド層の除去された部位がクラッド層に埋め込まれることにより形成され、
前記回折格子を形成する領域の長さが、前記両端面間の長さの６０％であり、
前記他方の端面側において、前記回折格子が形成されていない領域の前記ガイド層の全てが除去されており、
前記分布帰還形半導体レーザの緩和振動周波数ｆ _ｒが１０ＧＨｚ以上である、
ことを特徴とする分布帰還形半導体レーザ。