JP6483521B2 - 半導体レーザ - Google Patents

Description

本発明は、光送信器用光源などに利用される半導体レーザに関する。

インターネットの普及に伴うネットワークトラフィック量の爆発的な増大により、光ファイバ伝送の高速・大容量化が著しい。半導体レーザは、光ファイバ通信を支える光源デバイスとして発展を続けてきた。特に、分布帰還型(ＤＦＢ)レーザによる単一モード光源の実現は、時分割多重方式、および波長分割多重（ＷＤＭ）方式による光ファイバ通信の高速化、大容量化に大きく寄与してきた。

近年、光通信は、コアネットワークやメトロネットワーク等のテレコム領域に限らず、データセンタ間、ラック間、更にはボード間、ボード内といった短距離のデータ通信にも適用されている。データ通信用の大容量化は急激に進んでいることから、今後はＷＤＭネットワークの適用が進むと考えられる。既に、１００Ｇｂイーサネット（登録商標）はＷＤＭ型の多波長アレイ光源を前提として標準化されており、この流れは今後も続くと考えられる。

データ通信用途においては、低消費電力化が重要である。半導体レーザの低消費電力化に向けては、小型化と共振器の高Ｑ値化が設計指針となる。このことから、小型かつ高Ｑ値を有する半導体レーザが検討されてきた。データ通信用の小型レーザとしては、活性層の上下に、周期的な屈折率構造を有する誘電体多層膜からなるブラッグ反射鏡を形成し、素子の表面から光を取り出す面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）が実用化されている。反射率の高い反射鏡を形成し、活性層体積を小さくすることができるため、閾値電流が１ｍＡ程度の消費電力の小さいレーザが実現されている。

しかし、ＶＣＳＥＬは、結晶成長を用いた反射鏡の膜厚制御により発振波長の制御を行うため、モノリシック集積のアレイ型集積光源を実現するにあたっては、レーザ素子毎の波長制御が困難であるという課題がある。従って、モノリシック集積型のアレイ光源を実現するには、導波路型の波長多重変調光源が重要な役割を果たすと考えられる。

導波路型のＷＤＭ用光源として代表的なレーザは先述したＤＦＢレーザである（非特許文献１）。半導体レーザの共振器に屈折率の周期構造を形成し、単一モード化を実現する。以下、埋め込み型ＤＦＢレーザについて、図１５Ａ、図１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａは、典型的な埋め込み型ＤＦＢレーザの構成を示す断面図であり、光出射方向に垂直な断面を示している。また、図１５Ｂは、典型的な埋め込み型ＤＦＢレーザの構成を示す斜視図である。

この埋め込み型ＤＦＢレーザは、ｎ型のＩｎＰからなる基板６０１の上に形成されたｎ型ＩｎＰからなるクラッド層６０２と、この上に形成された活性層６０３とを備える。活性層６０３は、光出射方向に延在するストライプ状に形成されている。また、活性層６０３の両脇は、ｐ型のＩｎＰからなる埋め込み層６０４と、ｎ型のＩｎＰからなる電流阻止層６０５に埋め込まれ、いわゆるｐｎ埋め込み構造とされている。また、活性層６０３の上部には、図１５Ｂに示すように、回折格子６２１が形成されている。また、活性層６０３の上には、ｐ型のＩｎＰからなるクラッド層６０６が形成されている。クラッド層６０６は、活性層６０３両脇の電流阻止層６０５の上にも形成されている。

また、クラッド層６０６の上には、ｐ型のＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層６０７が形成され、コンタクト層６０７の上には、ＳｉＯ₂からなる保護膜６０８が形成されている。また、保護膜６０８の開口部でコンタクト層６０７に接続するｐ電極６１１が形成され、基板６０１の裏面には、ｎ電極６１２が形成されている。

単一モード化に向けては、回折格子６２１が重要な役割を果たす。代表的な構造として、λ／４シフト構造が実用化されてきた。図１６は、λ／４シフト構造の屈折率分布の例を示す。図１６において、（ａ）は回折格子６２１をサイン波形状で形成した場合を例示し、（ｂ）は、回折格子６２１を矩形形状で形成した場合を例示している。均一な周期で形成された回折格子６２１の一部（図１６中央部）に、位相が反転する部分を形成する。この位相シフトにより、ブラッグ波長における単一モード発光が可能となる。

図１７は、発振付近の発光スペクトルを示す特性図である。素子長は５００μｍとし、回折格子６２１の結合係数は３０ｃｍ^-1とした。λ／４シフトは、活性層６０３の中央部に形成してある。図１７に示すように、このレーザは、ストップバンドの中心波長において単一モードで発光する。回折格子６２１の位相シフトのパタンは、電子ビーム露光などのリソグラフィー技術を用いることで形成することができ、簡易に単一モード発振を得られるため、上記埋め込み型ＤＦＢレーザは、これまでＷＤＭシステムを始め、単一モード光源として多く実用化されてきた。

近年は、短共振器化により５０Ｇｂｉｔ／ｓで高速動作するＤＦＢレーザ（非特許文献２）や、電界変調器を集積したアレイ型光源も報告されている（非特許文献３）。今後はこれらを更に進展させた、データ通信に適用可能な超小型・低消費電力のＤＦＢレーザの実現が望まれる。

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ＤＦＢレーザの更なる小型化に向けては、回折格子の結合係数κの値を増大させて反射率を上げることが設計指針となる。しかし、従来型のλ／４シフトＤＦＢレーザは、短共振器化、共振器の高Ｑ値化を行うと発振モードが不安定となる課題があった。また、小型化のみならず、共振器の高Ｑ値化により線幅の狭いレーザを実現する際の制限要因にもなっていた。

図１８Ａは、共振器長１００μｍ、κ＝８００ｃｍ^-1の場合のλ／４シフトＤＦＢレーザの共振器内の電界分布のシミュレーション結果を示す特性図である。図１８Ａにおいて、半導体レーザの両端面からの出力波長（Forward，Backward）は破線で示し、これらの合計（Total）を実線で示している。半導体レーザの両端面からの出力波長（Forward，Backwardは、一致している。また、図１８Ｂは、共振器長１００μｍ、κ＝８００ｃｍ^-1の場合のλ／４シフトＤＦＢレーザの共振器内のキャリア分布のシミュレーション結果を示す特性図である。

図１８Ａに示すように、活性層中央部で光が集中し、また、図１８Ｂに示すように、活性層中央部でキャリアは減少している。レーザ活性層内では光強度の高い領域でキャリアが多く消費されるために、活性層中央部のキャリア密度は低下する。

このように、レーザ内の光強度分布により共振器内にキャリア分布が発生する現象を、空間ホールバーニングと呼ぶ。この状態では、活性層中央部のキャリア密度が低下することから、活性層中央部の屈折率が他領域に対して高くなる。回折格子に屈折率分布が発生すると、反射波長の不均一性や反射率の低下によりモード選択性が著しく低下し、レーザの発振モードが不安定となる。

図１９Ａは、空間ホールバーニングが無い状態の発光スペクトルを示す特性図である。また、図１９Ｂは、空間ホールバーニングがある場合の発光スペクトル示す特性図である。空間ホールバーニングを含めない理想状態においては、図１９Ａに示すように中心のブラッグ波長で発光している。これに対し、空間ホールバーニングが生じると、図１９Ｂに示すように、回折格子のストップバンド端において強い発光が生じることがわかる。

このように、λ／４シフトＤＦＢレーザにおいては、小型化に向けて回折格子の反射率を増大させた際の発振モードの安定化に課題があった。

また、狭線幅レーザ用途としては、結合係数と共振器長の積κＬを１．５程度に留めて共振器内の光分布の局在化を抑制し、κの値を下げ、かつ共振器長Ｌを長くして共振器のＱ値を上げる手法がとられている。しかし、素子の小型化は望めず、また微小な回折格子制御が必要となる。

また、ＤＦＢレーザのモード安定化に向けては、λ／４シフトを設けずに共振器の端面に反射を設けて単一モード発振を行う手法があるが、端面と回折格子間の位相制御が困難であり、歩留まりよく単一モード発振を得ることは難しい。

また、端面反射に変えてＤＦＢレーザの前後に回折格子を形成して高反射率を得る、いわゆる分布反射型（ＤＲ）レーザが提案されている（非特許文献４参照）。しかしながら、ＤＦＢ領域に電流注入を行った際、ＤＲ領域に対して発振波長が大きくずれるために、広い電流注入領域で安定な発振を得ることは困難である。

また、回折格子の位相シフトを緩やかにすることで活性層内の電界分布の均一化を図る非対称周期変調型（ＣＰＭ）回折格子が提案されている（非特許文献５参照）。しかしながら、電界分布の均一化の効果は位相シフト付近の領域に限られることから、この技術においても、ストップバンド端における発振抑制には至らない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、安定した単一発振モードの状態で、分布帰還型レーザの短共振器化および共振器の高Ｑ値化ができるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された回折格子と、活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、ｐ型半導体層に接続するｐ型電極とを備える分布帰還型の半導体レーザであって、回折格子は、回折格子の屈折率の高い側に凸の部分の幅の溝周期に対する比であるデューティー比が０．５より大きい最大値となる領域を内部領域に備え、デューティー比が回折格子の両端部から最大値となる領域にかけて増大していき、回折格子の溝周期は、回折格子の全域で一定とされている。

本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された回折格子と、活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、ｐ型半導体層に接続するｐ型電極とを備える分布帰還型の半導体レーザであって、回折格子は、回折格子の屈折率の高い側に凸の部分の幅の溝周期に対する比であるデューティー比が０．５より小さい最小値となる領域を内部領域に備え、デューティー比が回折格子の両端部から最小値となる領域にかけて減少していき、回折格子の溝周期は、回折格子の全域で一定とされている。

本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された活性層と、活性層の上に形成された回折格子と、活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、ｐ型半導体層に接続するｐ型電極とを備える分布帰還型の半導体レーザであって、回折格子の屈折率の高い側に凸の部分の幅の溝周期に対する比であるデューティー比は、両端部より内部領域にかけて変化して内部領域の結合係数が両端部より低くなる状態に設定され、回折格子の溝周期は、回折格子の全域で一定とされている。

以上説明したように、本発明によれば、回折格子の溝周期に対する溝凸部の幅の比が、回折格子の両端部から中心部にかけて変化しているようにしたので、安定した単一発振モードの状態で、分布帰還型レーザの短共振器化および共振器の高Ｑ値化ができるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態における半導体レーザの構成を示す断面図である。 図１Ｂは、本発明の実施の形態における半導体レーザの構成を示す斜視図である。 図２は、本発明の実施の形態１における回折格子の状態を示す説明図である。 図３は、デューティー比に分布を設けない回折格子を用いた分布帰還型の半導体レーザの特性を示す特性図である。 図４は、中央部から端部にかけてデューティー比を増大させる分布を設けた不均一な回折格子１３２を用いた実施の形態１における分布帰還型の半導体レーザの特性を示す特性図である。 図５Ａは、実施の形態１における半導体レーザのデューティー比の状態（ａ−１），（ｂ−１）、結合係数（ａ−２），（ｂ−２）、平均実効屈折率（ａ−３），（ｂ−３）、ストップバンドの分布（ａ−４），（ｂ−４）を示す特性図である。 図５Ｂは、実施の形態１における半導体レーザのデューティー比の状態（ｃ−１）、結合係数（ｃ−２）、平均実効屈折率（ｃ−３）、ストップバンドの分布（ｃ−４）を示す特性図である。 図６は、図５Ａ，図５Ｂに示した３つの状態に対応する活性層１０３の閾値付近の発光スペクトルを示す特性図である。 図７は、本発明の実施の形態２における回折格子の状態を示す説明図である。 図８は、中央部から端部にかけてデューティー比を減少させる分布を設けた不均一な回折格子１３２を用いた実施の形態２における分布帰還型の半導体レーザの特性を示す特性図である。 図９は、本発明の実施の形態２における半導体レーザの電界分布を示す特性図である。 図１０は、空間ホールバーニングによる屈折率分布の発生により、活性層１０３における回折格子１３２両端の屈折率が低下してストップバンドの曲率が増大する状態を説明するための説明図である。 図１１Ａは、実施の形態２における半導体レーザのデューティー比の状態（ａ−１），（ｂ−１）、結合係数（ａ−２），（ｂ−２）、平均実効屈折率（ａ−３），（ｂ−３）、ストップバンドの分布（ａ−４），（ｂ−４）を示す特性図である。 図１１Ｂは、実施の形態２における半導体レーザのデューティー比の状態（ｃ−１）、結合係数（ｃ−２）、平均実効屈折率（ｃ−３）、ストップバンドの分布（ｃ−４）を示す特性図である。 図１２は、図１１Ａ，図１１Ｂに示した３つの状態に対応する活性層１０３の閾値付近の発光スペクトルを示す特性図である。 図１３は、本発明における回折格子のデューティー比の変調の形状例を示す説明図である。 図１４Ａは、本発明の実施の形態における他の半導体レーザの構成を示す断面図である。 図１４Ｂは、本発明の実施の形態における他の半導体レーザの構成を示す斜視図である。 図１５Ａは、埋め込み型ＤＦＢレーザの構成を示す断面図である。 図１５Ｂは、埋め込み型ＤＦＢレーザの構成を示す斜視図である。 図１６は、λ／４シフト構造の屈折率分布の例を示す説明図である。 図１７は、埋め込み型ＤＦＢレーザの発振付近の発光スペクトルを示す特性図である。 図１８Ａは、共振器長１００μｍ、κ＝８００ｃｍ^-1の場合のλ／４シフトＤＦＢレーザの共振器内の電界分布のシミュレーション結果を示す特性図である。 図１８Ｂは、共振器長１００μｍ、κ＝８００ｃｍ^-1の場合のλ／４シフトＤＦＢレーザの共振器内のキャリア分布のシミュレーション結果を示す特性図である。 図１９Ａは、空間ホールバーニングが無い状態のＤＦＢレーザの発光スペクトルを示す特性図である 図１９Ｂは、空間ホールバーニングがある場合のＤＦＢレーザの発光スペクトル示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１Ａは、本発明の実施の形態における半導体レーザの構成を示す断面図であり、光出射方向に垂直な断面を示している。また、図１Ｂは、本発明の実施の形態における半導体レーザの斜視図である。

この半導体レーザは、基板１０１の上に形成された活性層１０３と、活性層１０３の上に形成された回折格子１３２と、活性層１０３に接して形成されたｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６と、ｎ型半導体層１０５に接続するｎ型電極１０９と、ｐ型半導体層１０６に接続するｐ型電極１１０とを備える分布帰還型の半導体レーザである。また、回折格子１３２の溝周期に対する溝凸部の幅の比（デューティー比）が、回折格子１３２の両端部から中心部にかけて変化している。なお、ここでは溝凸部の幅としているが、これはより高い屈折率の側に凸となっている部分（高屈折率領域）の幅である。回折格子１３２の屈折率の高い側に凸の部分の幅の溝周期に対する比がデューティー比である。

なお、基板１０１の上には、下部クラッド層１０２が形成され、この上に、活性層１０３が形成されている。また、活性層１０３は、基板１０１から見て上下の方向に、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂに挾まれている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造が、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６に挾まれている。ｐ型半導体層１０６およびｎ型半導体層１０５は、基板１０１の平面に平行な方向で活性層１０３を挾んで形成されている。

ここでは、半導体層１０４ａの上に接して活性層１０３が形成され、活性層１０３の上に接して半導体層１０４ｂが形成されている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造の側部に接し、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６が形成されている。

また、ｎ型電極１０９は、ｎ型半導体層１０５にコンタクト層１０７を介して接続し、ｐ型電極１１０は、ｐ型半導体層１０６にコンタクト層１０８を介して接続する。この構成では、活性層１０３には、基板１０１の平面に平行な方向で電流が注入される。

また、活性層１０３は、光出射方向に所定の長さで延在し、この延在方向の共振器領域１３１において、活性層１０３の上に回折格子１３２が形成されている。なお、ここでは、半導体層１０４ｂの上面に回折格子１３２を形成している。

また、図１Ｂでは省略しているが、コンタクト層１０７とコンタクト層１０８との間の半導体層１０４ｂ、ｎ型半導体層１０５、ｐ型半導体層１０６の上面は、保護膜１１１により保護されている。また、半導体レーザは、共振器領域１３１の両端に、図示しない無反射膜が形成されている。

基板１０１は、例えば、シリコンから構成され、下部クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコンから構成されている。また、活性層１０３は、ＩｎＧａＡｓＰからなる層厚６ｎｍの井戸層が８層、および層厚９ｎｍのバリア層が９層、交互に積層された量子井戸構造とされている。また、活性層１０３は、幅０．８μｍ程度とされている。活性層１０３の発光波長は１．５５μｍである。

また、例えば、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂは、アンドープのＩｎＰ（ｉ−ＩｎＰ）から構成され、ｎ型半導体層１０５は、Ｓｉが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドープされたｎ型のＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）から構成され、ｐ型半導体層１０６は、Ｚｎが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドープされたｐ型のＩｎＰ（ｐ−ＩｎＰ）から構成されている。

また、コンタクト層１０７は、Ｓｉが１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度ドープされたｎ型のＩｎＧａＡｓ（ｎ−ＩｎＧａＡｓ）から構成され、コンタクト層１０８は、Ｚｎが１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度ドープされたＩｎＧａＡｓ（ｐ−ＩｎＧａＡｓ）から構成されている。また、保護膜１１１は、例えば、ＳｉＯ₂から構成されている。

例えば、まず、酸化シリコンから構成された下部クラッド層１０２を備える基板（シリコン基板）１０１を用意する。

一方で、ＩｎＰ基板の上に、ＩｎＧａＡｓからなる犠牲層、半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａとなる化合物半導体の層をエピタキシャル成長させる。例えば、よく知られた有機金属気相成長法により、各層を成長させれば良い。次いで、このエピタキシャル成長した基板の半導体層１０４ａ面と、前述したシリコン基板１０１の酸化シリコン面を公知のウエハ接合技術により直接接合し、この後、ＩｎＰ基板と犠牲層を除去する。次いで、公知のフォトリソグラフィー技術により作成したレジストパタンをマスクとしたウエットエッチングおよびドライエッチングなどにより、成長させた各化合物半導体の層をパターニングし、半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａからなるストライプ構造を形成する。

次に、形成した半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａの両脇に、ｎ型のＩｎＰとＩｎＧａＡｓ層、ｐ型のＩｎＰとＩｎＧａＡｓ層を再成長させ、ｎ型半導体層１０５とコンタクト層１０７、およびｐ型半導体層１０６とコンタクト層１０８を形成する。なお、半導体層１０４ｂ，活性層１０３，半導体層１０４ａの両脇に、アンドープのＩｎＰとＩｎＧａＡｓを再成長させた後、イオン注入や熱拡散などによりｎ型の不純物、ｐ型の不純物を導入することで、ｎ型半導体層１０５とコンタクト層１０７，ｐ型半導体層１０６とコンタクト層１０８を形成してもよい。

次に、半導体層１０４ｂの表面に、回折格子１３２を形成する。例えば、電子ビーム露光によるリソグラフィーで形成したレジストパタンをマスクとし、所定のエッチングによりパターニングすることで、回折格子１３２を形成すれば良い。回折格子１３２のデューティー比は、上記レジストパタンにより変えることができる。

次に、形成した回折格子１３２を覆うように、保護膜１１１を形成する。例えば、よく知られたスパッタ法やプラズマアシストＣＶＤ法などによりＳｉＯ₂を堆積することで、保護膜１１１を形成すれば良い。また、コンタクト層１０７の上にｎ型電極１０９を形成し、コンタクト層１０８の上にｐ型電極１１０を形成する。

上述した実施の形態１における半導体レーザによれば、半導体層１０４ｂと、ＳｉＯ₂から構成された保護膜１１１との間の高い屈折率差を用いるため、高い結合係数を有する回折格子１３２を得ることができ、高いＱ値が得られる。

次に、回折格子１３２について、図２を用いてより詳細に説明する。図２の（ａ）は、光出射方向に対して半導体レーザの側面から見た回折格子１３２の形状と共に実効屈折率の変化を示している。回折格子の周期は全領域にわたりΛで一定とし、実効屈折率の最大値はｎ_eq-H、最小値はｎ_eq-L、中間値はｎ_eq-Mである。この構成において、デューティー比に分布を設ける。デューティー比は、Λ_H（回折格子１周期内で、実効屈折率の中間値ｎ_eq-Mよりも高い屈折率領域の幅）／Λ（回折格子周期）で定義する。特に回折格子の形状が完全な矩形の場合は、［１周期あたりの高屈折率（ｎ_eq-H）領域の幅］／Λで与えられる。この例では、溝凸部が高屈折率領域に対応する。具体的には、活性層１０３の中央部（共振器領域１３１の中央部）から端側にかけてデューティー比が増大する状態に形成する。この状態では、回折格子１３２の中央部は、屈折率の高い領域の比が低くなるため、回折格子１周期内の平均実効屈折率が減少する。

図２の（ｂ）は、活性層１０３内の光出射方向のデューティー比の分布を示し、（ｃ）は、活性層１０３内の光出射方向の平均実効屈折率の分布を示している。デューティー比の高い領域では、平均実効屈折率が増大しており、デューティー比が高くなる活性層１０３の両端では、屈折率が高くなる。

次に、実施の形態１における半導体レーザについて、より詳細に説明する。まず、図３は、デューティー比に分布を設けない回折格子、いわゆる均一回折格子を用いた分布帰還型の半導体レーザの特性を示す特性図である。図３の（ａ）は、均一回折格子を設けた活性層内の位置および回折格子のストップバンドを示す特性図である。図３の（ａ）において、横軸は活性層内位置、縦軸は波長である。ストップバンド領域には、光は存在することができない。

図３の（ｂ）は、均一回折格子を設けた活性層による発光スペクトルを示す特性図である。回折格子の凹凸の実効屈折率差は０．０６１であり、結合係数は８００ｃｍ^-1である。活性層長（共振器領域１３１の長さ）は１００μｍである。この半導体レーザは、ストップバンドの両端の波長において、図３の（ｂ）に示すように、対称な２モード発光を生じる。なお、図３の（ｂ）では、半導体レーザの両端面からの出力波長を示しているが、両者は一致している。

次に、図４は、中央部から端部にかけてデューティー比を増大させる分布を設けた不均一な回折格子１３２を用いた分布帰還型の半導体レーザの特性を示す特性図である。図４の（ａ）は、回折格子１３２を設けた活性層１０３内の光出射方向位置、および回折格子１３２のストップバンドを示す特性図である。活性層１０３の共振器領域１３１の端側では、デューティー比を増大させていることから、平均の屈折率が相対的に高くなっており、ストップバンドが曲率を有する。この状態では、活性層１０３の光出射方向中心付近で共振モードが生じ、長波長側のストップバンド付近で発振することから、半導体レーザは、長波長側ストップバンド付近で単一モード発振する。

図４の（ｂ）は、不均一な回折格子１３２を設けた活性層１０３による発光スペクトルを示す特性図である。光出射方向に共振器領域１３１の中央部における回折格子１３２のデューティー比Ｄｃを０．４、端部のデューティー比Ｄｅを０．６とし、放物線状で変化させている。この構成では、ストップバンドが１５ｎｍと広いため、活性層１０３と発振波長を調節することにより、モード跳びのない安定した単一モード発振を得ることができる。なお、図４の（ｂ）では、半導体レーザの両端面からの出力波長を示しているが、両者は一致している。

次に、デューティー比の分布とストップバンドおよび発振モードについて、より詳細に説明する。まず、図５Ａにおいて、実施の形態１におけるデューティー比を放物線状に変化させた回折格子１３２を用いた半導体レーザにおいて、（ａ−１）に示すようにデューティー比を全領域で０．５以上にした場合の、結合係数（ａ−２）、平均実効屈折率（ａ−３）、ストップバンドの分布（ａ−４）を示す。

デューティー比を変えると、平均実効屈折率に加えて結合係数も変化する。一般に結合係数はデューティー比０．５の場合が最大となり、デューティー比が０．５からずれるに従い低下する。このため、結合係数は中央部が高くなり、回折格子１３２の中央部分におけるストップバンドが広くなる。

一方、図５Ａにおいて、デューティー比を放物線状に変化させた回折格子１３２を用いた半導体レーザにおいて、（ｂ−１）に示すようにデューティー比を全領域で０．５以下にした場合の、結合係数（ｂ−２）、平均実効屈折率（ｂ−３）、ストップバンドの分布（ｂ−４）を示す。この場合、結合係数は中央部が低くなるため、回折格子１３２の中央部分におけるストップバンドが狭くなる。

また、図５Ｂにおいて、デューティー比を放物線状に変化させた回折格子１３２を用いた半導体レーザにおいて、（ｃ−１）に示すように、回折格子１３２の両端のデューティー比が０．５を上回り、回折格子１３２中央部のデューティー比が０．５を下回る場合の、結合係数（ｃ−２）、平均実効屈折率（ｃ−３）、ストップバンドの分布（ｃ−４）を示す。この条件では、回折格子１３２の両端と中央部２か所で結合係数が低下し、この２か所においてストップバンドが狭くなる。

以上に説明したように、回折格子１３２におけるデューティー比の選択により、活性層１０３における結合係数および平均実効屈折率の分布は変化する。パタン形成が容易な回折格子のデューティー比の値を変えるのみで、エッチングの深さや膜厚、導波路幅の分布を制御することなく、結合係数や実効屈折率を自在に制御することができる。原理的にはストップバンドの曲率によるモード選択はいずれの場合にも得られるために、いずれも長波長側で安定な単一モード発振が得られる。

図６は、上述した３つの状態に対応する活性層１０３の閾値付近の発光スペクトルを示す特性図である。図６の（ａ）は、回折格子１３２の中央部のデューティー比Ｄｃを０．５とし、両端のデューティー比Ｄｅを０．７とした活性層１０３の発光スペクトルを示す。図６の（ｂ）は、回折格子１３２の中央部のデューティー比Ｄｃを０．３とし、両端のデューティー比Ｄｅを０．５とした活性層１０３の発光スペクトルを示す。図６の（ｃ）は、回折格子１３２の中央部のデューティー比Ｄｃを０．４とし、両端のデューティー比Ｄｅを０．６とした活性層１０３の発光スペクトルを示す。いずれも高いＱ値を得ると同時に、明瞭な単一モードの発光ピークが得られている。なお、図６では、いずれも半導体レーザの両端面からの出力波長を示しているが、両者は一致している。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。この半導体レーザは、図１Ａ，図１Ｂに示すように、基板１０１の上に形成された活性層１０３と、活性層１０３の上に形成された回折格子１３２と、活性層１０３に接して形成されたｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６と、ｎ型半導体層１０５に接続するｎ型電極１０９と、ｐ型半導体層１０６に接続するｐ型電極１１０とを備える分布帰還型の半導体レーザである。また、回折格子１３２の溝周期に対する溝凸部の幅の比（デューティー比）が、回折格子１３２の両端部から中心部にかけて変化している。なお、ここでは溝凸部の幅としているが、これはより高い屈折率の側に凸となっている部分（高屈折率領域）の幅である。回折格子１３２の屈折率の高い側に凸の部分の幅の溝周期に対する比がデューティー比である。

基板１０１の上には、下部クラッド層１０２が形成され、この上に、活性層１０３が形成されている。また、活性層１０３は、基板１０１から見て上下の方向に、半導体層１０４ａ，半導体層１０４ｂに挾まれている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造が、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６に挾まれている。ｐ型半導体層１０６およびｎ型半導体層１０５は、基板１０１の平面に平行な方向で活性層１０３を挾んで形成されている。

また、半導体層１０４ａの上に接して活性層１０３が形成され、活性層１０３の上に接して半導体層１０４ｂが形成されている。また、半導体層１０４ａ，活性層１０３，半導体層１０４ｂの積層構造の側部に接し、ｎ型半導体層１０５およびｐ型半導体層１０６が形成されている。

また、ｎ型電極１０９は、ｎ型半導体層１０５にコンタクト層１０７を介して接続し、ｐ型電極１１０は、ｐ型半導体層１０６にコンタクト層１０８を介して接続する。この構成では、活性層１０３には、基板１０１の平面に平行な方向で電流が注入される。

また、活性層１０３は、光出射方向に所定の長さで延在し、この延在方向の共振器領域１３１において、活性層１０３の上に回折格子１３２が形成されている。半導体層１０４ｂの上面に回折格子１３２を形成している。

また、図１Ｂでは省略しているが、コンタクト層１０７とコンタクト層１０８との間の半導体層１０４ｂ、ｎ型半導体層１０５、ｐ型半導体層１０６の上面は、保護膜１１１により保護されている。また、半導体レーザは、共振器領域１３１の両端に、図示しない無反射膜が形成されている。

上記構成は、前述した実施の形態１と同様であり、半導体層１０４ｂと、ＳｉＯ₂から構成された保護膜１１１との間の高い屈折率差を用いるため、高い結合係数を有する回折格子１３２を得ることができ、高いＱ値が得られる。

実施の形態２では、図７に示すように、活性層１０３の中央部（共振器領域１３１の中央部）から端側にかけてデューティー比が減少する状態としている。なお、図７の（ａ）は、光出射方向に対して半導体レーザの側面から見た回折格子１３２の形状と共に実効屈折率の変化を示している。回折格子の周期は全領域にわたりΛで一定とし、デューティー比（Λ_H／Λ）に分布を設けている。中央部から端側にかけてデューティー比が減少する実施の形態２では、回折格子１３２の中央部は、屈折率の高い領域の比が高くなるため、回折格子１周期内の平均実効屈折率が増大する。

図７の（ｂ）は、活性層１０３内の光出射方向のデューティー比の分布を示し、（ｃ）は、活性層１０３内の光出射方向の平均実効屈折率の分布を示している。デューティー比の高い領域では、平均実効屈折率が増大しており、デューティー比が高くなる活性層１０３の中央では、屈折率が高くなる。

次に、実施の形態２における半導体レーザについて、より詳細に説明する。図８は、中央部から端部にかけてデューティー比を減少させる分布を設けた不均一な活性層１０３による実施の形態２の半導体レーザの特性を示す特性図である。図８の（ａ）は、中央部から端部にかけてデューティー比を減少させる分布を設けた不均一な活性層１０３内の位置および回折格子のストップバンドを示す特性図である。

図８の（ｂ）は、中央部から端部にかけてデューティー比を減少させる分布を設けた不均一な活性層１０３による発光スペクトルを示す特性図である。なお、図８の（ｂ）では、半導体レーザの両端面からの出力波長を示しているが、両者は一致している。

回折格子１３２の凹凸の実効屈折率差は０．０６１であり、デューティー比０．５における結合係数は８００ｃｍ^-1である。活性層長（共振器領域１３１の長さ）は１００μｍである。また、出射方向に共振器領域１３１の中央部における回折格子１３２のデューティー比Ｄｃを０．６、端部のデューティー比Ｄｅを０．４とし、放物線状で変化させている。

活性層１０３の共振器領域１３１の端側では、デューティー比を減少させていることから、平均の屈折率が相対的に低くなっており、ストップバンドが曲率を有する。この状態においても、活性層１０３の光出射方向中心付近で共振モードが生じ、長波長側のストップバンド付近で発振することから、半導体レーザは、長波長側ストップバンド付近で単一モード発振する。

実施の形態２では、実施の形態１で示した安定な単一モード性に加え、空間ホールバーニングに対して優れた耐性を示す特徴がある。実施の形態２における半導体レーザの電界分布を図９に示す。図９において、半導体レーザの両端面からの出力波長において一端面からの出力波形（Forward）は破線で示し、他端面からの出力波形（Backward）は一点鎖線で示している。また、これらの合計（Total）を実線で示している。

図９に示すように、活性層１０３（回折格子１３２）の中心部にモードが集中する。このモード集中により、λ／４シフト型ＤＦＢレーザと同様に、空間ホールバーニングが発生し、活性層１０３両端のキャリア分布が中央部よりも高くなり、屈折率分布は、回折格子１３２両端の屈折率が中央部に対して低くなる。しかしながら、実施の形態２では、回折格子１３２両端の屈折率が中央よりも低くなる構成として単一モード発振動作するために、空間ホールバーニングが生じても発振の単一モード性が損なわれない。

例えば、図１０に示すように、図１０の（ａ），（ｂ）に示す状態より、空間ホールバーニングによる屈折率分布の発生により、図１０の（ｃ），（ｄ）に示すように、活性層１０３における回折格子１３２両端の屈折率が低下してストップバンドの曲率が増大しても、短波長側モードでの発振は損なわれない。また、長波長側のストップバンドで発振せず、加えて短波長側にも大きなモード跳びを誘発しないため、電流注入に伴う利得の短波長シフトの観点からも有利である。このように、実施の形態２の半導体レーザは、回折格子が均一に形成されているλ／４シフトレーザと比較して優れた特徴を有する。なお、図１０の（ｂ），（ｄ）では、半導体レーザの両端面からの出力波長を示しているが、両者は一致している。

次に、デューティー比の分布とストップバンドおよび発振モードについて、より詳細に説明する。まず、図１１Ａにおいて、実施の形態２におけるデューティー比を放物線状に変化させた回折格子１３２を用いた半導体レーザにおいて、（ａ−１）に示すようにデューティー比を全領域で０．５以上にした場合の、結合係数（ａ−２）、平均実効屈折率（ａ−３）、ストップバンドの分布（ａ−４）を示す。

デューティー比を変えると、平均実効屈折率に加えて結合係数も変化する。一般に結合係数はデューティー比０．５の場合が最大となり、デューティー比が０．５からずれるに従い低下する。このため、結合係数は中央部が低くなり、回折格子１３２の中央部分におけるストップバンドが狭くなる。

一方、図１１Ａにおいて、デューティー比を放物線状に変化させた回折格子１３２を用いた半導体レーザにおいて、（ｂ−１）に示すようにデューティー比を全領域で０．５以下にした場合の、結合係数（ｂ−２）、平均実効屈折率（ｂ−３）、ストップバンドの分布（ｂ−４）を示す。この場合、結合係数は中央部が高くなり、回折格子１３２の中央部分におけるストップバンドが広くなる。

また、図１１Ｂにおいて、デューティー比を放物線状に変化させた回折格子１３２を用いた半導体レーザにおいて、（ｃ−１）に示すように、回折格子１３２の両端のデューティー比が０．５を下回り、回折格子１３２中央部のデューティー比が０．５を上回る場合の、結合係数（ｃ−２）、平均実効屈折率（ｃ−３）、ストップバンドの分布（ｃ−４）を示す。この条件では、回折格子１３２の両端と中央部２か所で結合係数が低下し、この２か所においてストップバンドが狭くなる。

この場合も、デューティー比の選択により結合係数および平均実効屈折率の分布が変化するが、モード選択の機能はいずれの場合にも生じ、短波長側のストップバンドで安定な単一モード発振が得られる。

図１２は、上述した３つの状態に対応する活性層１０３の閾値付近の発光スペクトルを示す特性図である。図１２の（ａ）は、回折格子１３２の中央部のデューティー比Ｄｃを０．７とし、両端のデューティー比Ｄｅを０．５とした活性層１０３の発光スペクトルを示す。図１２の（ｂ）は、回折格子１３２の中央部のデューティー比Ｄｃを０．５とし、両端のデューティー比Ｄｅを０．３とした活性層１０３の発光スペクトルを示す。図１２の（ｃ）は、回折格子１３２の中央部のデューティー比Ｄｃを０．６とし、両端のデューティー比Ｄｅを０．４とした活性層１０３の発光スペクトルを示す。いずれも明瞭な単一モードの発光ピークが得られている。なお、図１２では、半導体レーザの両端面からの出力波長を示しているが、両者は一致している。

以上に説明したように、本発明によれば、回折格子の溝周期に対する溝凸部の幅の比が、回折格子の両端部から中心部にかけて変化しているようにしたので、安定した単一発振モードの状態で、分布帰還型レーザの短共振器化および共振器の高Ｑ値化ができるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

例えば、上述では、回折格子の形状が矩形である場合を示したが、回折格子の形状は台形やサイン関数などの他の形状でも構わない。また、デューティー比の変調の形状は放物線状としたが、その他の形状でも効果を得ることができるのは本発明の動作原理からも明らかである。例えば、図１３の（ａ）および（ｂ）に示すように、ガウシアン分布を有するデューティー比で変調してもよい。また、図１３の（ｃ）および（ｄ）に示すように、台形状のデューティー比で変調してもよい。

また、上述では、回折格子のデューティー比の分布は左右対称としたが、この分布を非対称にしてもよい。また、デューティー比の分布中心を、活性層（回折格子）中央からずらしても同様の効果が得られることは動作原理からも明らかである。

また、本発明は、次に示す構成の半導体レーザに適用することもできる。図１４Ａの断面図，図１４Ｂの斜視図に示すように、基板２０１の上に形成された活性層２０３と、活性層２０３の上に形成された回折格子２３２と、活性層２０３に接して形成されたｎ型半導体層２０５およびｐ型半導体層２０６と、ｎ型半導体層２０５に接続するｎ型電極２０９と、ｐ型半導体層２０６に接続するｐ型電極２１０とを備える。また、回折格子２３２の溝周期に対する溝凸部の幅の比（デューティー比）が、回折格子２３２の両端部から中心部にかけて変化している。

この半導体レーザは、例えば鉄をドープすることで高抵抗とした半絶縁性のＩｎＰからなる基板２０１の上に形成されている。活性層２０３は、基板２０１から見て上下の方向に、キャリア分離閉じ込め層２０２ａ，２０２ｂに挾まれている。また、これらは、基板２０１から見て上下の方向に、半導体層２０４ａ，半導体層２０４ｂに挾まれている。

また、半導体層２０４ａ，キャリア分離閉じ込め層２０２ａ，活性層２０３，キャリア分離閉じ込め層２０２ｂ，半導体層２０４ｂの積層構造が、ｎ型半導体層２０５およびｐ型半導体層２０６に挾まれている。ｐ型半導体層２０６およびｎ型半導体層２０５は、基板２０１の平面に平行な方向で活性層２０３を挾んで形成されている。

また、ｎ型電極２０９は、ｎ型半導体層２０５にコンタクト層２０７を介して接続し、ｐ型電極２１０は、ｐ型半導体層２０６にコンタクト層２０８を介して接続する。この構成では、活性層２０３には、基板２０１の平面に平行な方向で電流が注入される。

また、活性層２０３は、光出射方向に所定の長さで延在し、この延在方向の共振器領域２３１において、活性層２０３の上に回折格子２３２が形成されている。半導体層２０４ｂの上面に回折格子２３２を形成している。

また、図１４Ｂでは省略しているが、コンタクト層２０７とコンタクト層２０８との間の半導体層２０４ｂ、ｎ型半導体層２０５、ｐ型半導体層２０６の上面は、保護膜２１１により保護されている。また、半導体レーザは、共振器領域２３１の両端に、図示しない無反射膜が形成され、分布帰還型レーザを構成している。

活性層２０３は、例えば、ＩｎＧａＡｓＰからなる層厚６ｎｍの井戸層が１４層、層厚９ｎｍのバリア層が１５層、交互に積層された量子井戸構造とされている。また、活性層２０３は、幅０．８μｍ程度とされている。活性層２０３（量子井戸層）の発光波長は１．５５μｍである。また、キャリア分離閉じ込め層２０２ａ，２０２ｂは、バンドギャップ波長１．２μｍのＩｎＧａＡｓＰから構成され、厚さ１３０ｎｍ程度とされている。

また、例えば、半導体層２０４ａ，半導体層２０４ｂは、アンドープのＩｎＰから構成され、ｎ型半導体層２０５は、Ｓｉが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドープされたｎ型のＩｎＰから構成され、ｐ型半導体層２０６は、Ｚｎが１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度ドープされたｐ型のＩｎＰから構成されている。

また、コンタクト層２０７は、Ｓｉが１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度ドープされたｎ型のＩｎＧａＡｓから構成され、コンタクト層２０８は、Ｚｎが１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度ドープされたＩｎＧａＡｓから構成されている。また、保護膜１１１は、例えば、ＳｉＯ₂から構成されている。

この半導体レーザの回折格子２３２に、本発明の構成を提供することによっても、高Ｑ値および単一モード発振の効果が得られる。

また、図１５Ａ、図１５Ｂを用いて説明した埋め込み型ＤＦＢレーザの回折格子に本発明の回折格子構造を適用しても同様の効果が得られる。また、他のリッジレーザなどの回折格子にも本発明を適用することができるのは言うまでもない。

また、上述では、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導体を用いたが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系やＧａＡｓ系など、他の化合物半導体材料を用いることもできることは言うまでも無い。

１０１…基板、１０２…下部クラッド層、１０３…活性層、１０４ａ，１０４ｂ…半導体層、１０５…ｎ型半導体層、１０６…ｐ型半導体層、１０７，１０８…コンタクト層、１０９…ｎ型電極、１１０…ｐ型電極、１１１…保護膜、１３１…共振器領域、１３２…回折格子。

Claims (3)

1. 基板の上に形成された活性層と、
   前記活性層の上に形成された回折格子と、
   前記活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、
   前記ｐ型半導体層に接続するｐ型電極と
   を備える分布帰還型の半導体レーザであって、
   前記回折格子は、前記回折格子の屈折率の高い側に凸の部分の幅の溝周期に対する比であるデューティー比が０．５より大きい最大値となる領域を内部領域に備え、デューティー比が前記回折格子の両端部から最大値となる領域にかけて増大していき、
   前記回折格子の溝周期は、前記回折格子の全域で一定とされている
   ことを特徴とする半導体レーザ。
2. 基板の上に形成された活性層と、
   前記活性層の上に形成された回折格子と、
   前記活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、
   前記ｐ型半導体層に接続するｐ型電極と
   を備える分布帰還型の半導体レーザであって、
   前記回折格子は、前記回折格子の屈折率の高い側に凸の部分の幅の溝周期に対する比であるデューティー比が０．５より小さい最小値となる領域を内部領域に備え、デューティー比が前記回折格子の両端部から最小値となる領域にかけて減少していき、
   前記回折格子の溝周期は、前記回折格子の全域で一定とされている
   ことを特徴とする半導体レーザ。
3. 基板の上に形成された活性層と、
   前記活性層の上に形成された回折格子と、
   前記活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
   前記ｎ型半導体層に接続するｎ型電極と、
   前記ｐ型半導体層に接続するｐ型電極と
   を備える分布帰還型の半導体レーザであって、
   前記回折格子の屈折率の高い側に凸の部分の幅の溝周期に対する比であるデューティー比は、両端部より内部領域にかけて変化して内部領域の結合係数が両端部より低くなる状態に設定され、
   前記回折格子の溝周期は、前記回折格子の全域で一定とされている
   ことを特徴とする半導体レーザ。

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