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分布帰還型半導体レーザ素子 - 株式会社日立製作所
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発明の名称 分布帰還型半導体レーザ素子
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平6−152053
公開日 平成6年(1994)5月31日
出願番号 特願平4−299551
出願日 平成4年(1992)11月10日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
発明者 佐川 みすず / 平本 清久 / 土屋 朋信 / 辻 伸二
要約 目的


構成
半導体基板上に光を発生する活性層と光を閉じ込めるp−,n−クラッド層2,6と、SCH光ガイド層4、それに隣接した高屈折率層3をもつ発振波長1.2μm 以下の半導体レーザにおいて、高屈折率層3を貫通するような回折格子10を設ける。この回折格子10は、2次の周期をもっているが、高屈折率層3を設けたために実効的には半分の周期である1次の回折格子10を形成する。
特許請求の範囲
【請求項1】半導体基板上に、光を発生する活性層と、光を閉じ込めるクラッド層と回折格子とを含む分布帰還型半導体レーザ装置において、光が感じる実効的な回折格子周期が、回折格子の実際の周期の半分となることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
【請求項2】請求項1において、その発振波長が1.2μm 以下である分布帰還型半導体レーザ素子。
【請求項3】請求項1または2において、上記クラッド層と上記活性層との間に、屈折率が上記クラッド層よりも大きく上記活性層の屈折率より大きくない物質から構成されている光ガイド層を有する分布帰還型半導体レーザ素子。
【請求項4】請求項3において、上記光ガイド層と上記クラッド層との間に、屈折率が上記光ガイド層及び上記クラッド層のいずれよりも大きい物質から構成されている層を有し、上記回折格子が前記層の一部を貫通して構成されている分布帰還型半導体レーザ素子。
【請求項5】請求項2,3または4において、上記光を発生する活性層がGaAs基板上のInGaAs歪量子井戸から構成される分布帰還型半導体レーザ素子。
発明の詳細な説明
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は発振波長1.2μm以下の半導体レーザの回折格子に関する。
【0002】
【従来の技術】現在、希土類添加光ファイバ増幅器励起用光源としてInGaAs歪量子井戸活性層を有する0.98μm 帯半導体レーザが盛んに研究されている。この様な用途として用いるにはその発振波長が雰囲気温度変化,光出力変化等外部環境に対して安定でなければならない。このため、発振波長安定性に優れた分布帰還型(Distributed-Feedback laser : DFB laser)を用いなければならない。0.98μm帯DFB半導体レーザは、アイ・イー・イー・イー・フォトニクス・テクノロジ・レターズ第4巻第4号296ページにおいてミラーらにより報告されている。彼らは、イオンビーム描画法及びドライエッチング法を用いて、3次のDFB回折格子を形成している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかし、イオンビーム描画法は量産性に不向きであり、歩留まりが低い。又、2次以上の高次の回折格子は、散乱損失が大きく効率の低下をまねき、高出力動作を妨げる。一方、従来の1.3μm帯DFB半導体レーザ、1.55μm帯DFB半導体レーザは、He−Cdレーザ又はArレーザによる2光束干渉露光法を用いて1次の回折格子が広く容易に再現性良く作製されている。しかし、この方法により作製することができる、回折格子の周期Λはレーザ光波長λに対して、λ>Λ>λ/2の周期、すなわち、最も短い周期は約175nmとなる。0.98μm帯レーザの1次の回折格子として用いるには周期約150nmが要求される。従って、この方法では1次の回折格子を得ることはできない。
【0004】本発明の目的は、希土類添加光ファイバ増幅器用光源として用いるための、実効的に1次回折格子をもつ0.98μm 帯DFB半導体レーザを容易に再現性良く高い歩留まりで提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明の分布帰還型半導体レーザ装置は、実際に光が感じる回折格子周期が、回折格子の実際の周期の半分となるように作製する。特に本発明の構成は、発振波長1.2μm 以下において効果が著しい。また、GaAs基板上のInGaAs歪量子井戸から構成される活性層を有する分布帰還型半導体レーザ装置において、その効果が著しい。
【0006】
【作用】以下、図1及び図2を用いて本発明による作用について説明する。図1は本発明によるDFB半導体レーザを示している。図2にこの構造における回折格子10を拡大して詳細に記述した。クラッド層2上に高屈折率層3が設けられ、更に、回折格子はこの高屈折率層3を突き抜けてエッチングすることにより形成されている。この回折格子上に光ガイド層4が設けられている。この時、形成された回折格子の周期は発振波長に対して2次となっている。ここで、クラッド層2,高屈折率層3,光ガイド層4の屈折率をそれぞれn1,n2,n3とする。この時、これらの屈折率は、n2>n3>n1の関係をみたすようにする。この様な構造にすることにより、実際に光が感じる実効屈折率P2を物理的な回折格子周期P1の半分とすることができる。すなわち、2次回折格子の周期により1次の回折を得ることができる。以下に、その作用について詳細に説明する。図2中で、高屈折率層3が存在する領域をR1とする。領域R1内では、高屈折率層の屈折率n2が大きいため、高屈折率層3の層厚が厚いほど光の感じる実効屈折率は大きくなる。従って、領域R1では、図2に示してあるように、中央部で実効屈折率が大きくなる。次に、高屈折率層3が存在しない領域R2について考える。ここでは、光ガイド層4の屈折率n3はクラッド層2の屈折率n1よりも大きいため、光ガイド層4が厚い方が光が感じる実効屈折率は大きくなる。従って、領域R2でも、図2に示してあるように、中央部で実効屈折率が大きくなる。2次の周期の回折格子は従来方法により容易に再現性良く作製することができる。従って、この方法を用いることにより実効的には1次の周期の回折格子を容易に再現性良く作製することができる。
【0007】
【実施例】本発明の実施例を図1ないし図3を用いて詳細に説明する。図1は素子の共振器方向の断面構造を示している。図2は、回折格子部の拡大図である。また、図3は図1におけるA−A′断面であり、横方向のモ−ド制御構造を示している。
【0008】n型GaAs基板1上にGaAs基板に格子整合したn−InGaPクラッド層2,n−GaAs高屈折率層3をMOCVD法またはガスソースMBE法により形成する。その後、He−CdレーザまたはArレーザを用いて2光束干渉露光法により、回折格子の溝の周期は2次の回折格子10を作製する。この時、回折格子のピッチは約300nmとする。また、回折格子の形状は図2で示したように、高屈折率層3を突き抜けて、n型クラッド層2まで達している。
【0009】次に、GaAs基板に格子整合したIn1-xGaxAsy1-y光ガイド層4(x=0.56,y=0.1,膜厚0.1μm),2層のInzGa1-zAs歪量子井戸層(z=0.2,井戸層厚7nm)とGaAs障壁層より構成される歪量子井戸活性層5,GaAs基板に格子整合したp−InGaPクラッド層6,p−GaAsキャップ層7をMOCVD法、又は、ガスソースMBE法により順次形成する。その後、ホトエッチング工程により、リッジストライプを形成する。リッジ幅は1〜15μmとする。その後、電流狭窄のための酸化膜11を形成する。この酸化膜11はホトエッチング工程により、リッジ上部をストライプ上に除去する。その後、p側電極8,n側電極9を形成した後、劈開法により共振器長約450μmのレーザ素子を得た。この後、素子の前面にλ/3(λ:発振波長)の厚みのSiO2による低反射膜を、素子の後面にSiO2とα−Siからなる4層膜による高反射膜を形成した。その後、素子を接合面を上にして、ヒートシンク上にボンディングした。
【0010】試作した素子はストライプ幅3μmの素子でしきい値電流約10mAでDFBモードで室温連続発振し、その発振波長は約980nmであった。また、そのストップバンドから、結合係数κと共振器長Lとの積κLとして2.5 が得られた。また、スロープ効率として、0.8W/A という値が得られた。これらの数値は、高い結合効率及び低い損失を示し、本DFBレーザの回折格子が1次回折格子として働いていることが分かる。
【0011】また、縦モードの環境温度依存性、及び、駆動電流依存性として、それぞれ、0.03nm/℃,0.002nm/mAの値が得られた。この素子は400mWまで安定に横単一モードで基本モード発振した。尚、ここではInGaAsP光ガイド層を活性層の片側に設けた構造を示したが、両側に設けられた構造についても同様の特性が得られた。また、GaAs光ガイド層を活性層の片側または両側に設けた素子についても同様の特性が得られた。
【0012】なお、本発明は実施例に示した発振波長約980nm前後に限らず、発振波長1.2μm 以下のInGaAsを活性層歪量子井戸層とする全ての波長帯において用いることができる。
【0013】また、本実施例では活性層としてInGaAs歪量子井戸を用いたが、GaAsまたはAlGaAsを活性層とするAlGaAs系半導体レーザに用いても良い。また、InGaPまたはInGaAlPを活性層とする0.6μm 帯半導体レーザに用いても良い。
【0014】さらに、本発明では活性層として光ガイド層が1層よりなるSCH構造を用いたが、光ガイド層が徐々に変化するGRIN−SCH構造を用いても良い。
【0015】ここでは、横モード制御構造としてリッジガイド構造を示したが、本発明は、本質的に横モード構造には依存しないので、本発明は、埋込構造,リッジ埋込型構造,ロスガイド型構造等、全ての横モード構造について適用できる。
【0016】
【発明の効果】本発明により、安定な縦単一モードで動作する低しきい値特性,高効率を有する歪量子井戸半導体レーザが得られた。また、環境温度の変化、及び、駆動電流変化による縦モード変化として、従来の10分の1程度の小さな値が得られた。




 

 


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