JP2000357841A - 半導体レーザ素子、半導体レーザモジュール、希土類添加光ファイバ増幅器、およびファイバレーザ - Google Patents

半導体レーザ素子、半導体レーザモジュール、希土類添加光ファイバ増幅器、およびファイバレーザ

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JP2000357841A
JP2000357841A JP2000101089A JP2000101089A JP2000357841A JP 2000357841 A JP2000357841 A JP 2000357841A JP 2000101089 A JP2000101089 A JP 2000101089A JP 2000101089 A JP2000101089 A JP 2000101089A JP 2000357841 A JP2000357841 A JP 2000357841A
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waveguide
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Satoru Okada
岡田　　知
Takeshi Fujimoto
毅 藤本
Yasuo Oeda
靖雄 大枝
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Mitsui Chemicals Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 結合効率の設計自由度や製造自由度が高い回
折格子を備えた導波構造を実現し、動的単一モード半導
体レーザを容易に再現性よく高い歩留まりおよび高い信
頼性で提供する。 【解決手段】 半導体レーザ素子は、活性層５と、活性
層を間に挟む上部導波層７ａ，７ｂおよび下部導波層３
と、活性層並びに上部および下部導波層を間に挟む上部
クラッド層１１および下部クラッド層２と、活性層５へ
の電流注入領域を規定する電流狭窄層１３とを備え、共
振器方向に周期的な構造を有する回折格子１０が上部ま
たは下部のいずれかの導波層内に埋め込まれており、回
折格子１０が少なくとも電流注入領域の一部に存在し、
さらに回折格子１０が埋め込まれた導波層と該導波層に
隣接するクラッド層との界面が共振器方向に実質的に平
坦である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、分布帰還型半導体
レーザ、分布ブラッグ反射型半導体レーザ等の動的単一
モード半導体レーザのように、縦モードを制御するため
の回折格子を有する導波構造を備えた半導体レーザ素子
に関する。また本発明は、こうした半導体レーザ素子を
用いた半導体レーザモジュール、希土類添加光ファイバ
増幅器、およびファイバレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】動的単一モード発振を実現する半導体レ
ーザ（ＬＤ：Laser Diodes）の構造として、分布帰還
（ＤＦＢ：Distributed Feedback）型半導体レーザある
いは分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ：Distributed Bragg
Reflector） 型半導体レーザなどがよく知られている。
これらの半導体レーザを構成する導波構造の内部には、
いずれも波長選択機能をもつ回折格子が作りこまれてい
る。屈折率ステップによる導波構造は一般的に、高屈折
率の導波層を低屈折率のクラッド層で挟み込む形で構成
されている。以下では、回折格子が導波構造のどの部分
に形成されているかに着目して従来の技術を概観してみ
る。
【０００３】第１の従来技術である特開平8-316566号に
は、導波層とクラッド層の界面に回折格子を形成した例
が開示されている。図１６には上記公開公報で開示され
たＤＦＢ型半導体レーザ構造の共振器方向に沿った断面
図、また図１７には垂直方向導波構造の屈折率分布の概
略図が示されている。この例では上部導波層４１と上部
クラッド層４２との界面に形成された凹凸により屈折率
変調型の回折格子４３が構成されている。上部導波層ま
で結晶成長した後、通常の二光束干渉露光工程およびウ
ェットエッチング工程で表面に凹凸を形成し、上部クラ
ッド層以降を結晶再成長して凹凸形状を埋め込むことで
回折格子を作製している。
【０００４】一方、第２の従来技術としてクラッド層の
内部に埋込型回折格子を設けた例が、Journal of Light
wave Technology, Vol.7, No.12, p2072-2077, 1989.
”1.3-μm Distributed Feedback Laser Diode with a
Grating AccuratelyControlled by a New Fabrication
Technique” に開示されている。図１８には共振器方
向に沿った断面図、図１９には垂直方向導波構造の屈折
率分布の概略図が示されている。n-InPから成るクラッ
ド層５３の内部に、クラッド層よりも屈折率の高いn-In
GaAsPから成る回折格子層５２で構成される回折格子が
埋め込まれている。n-InPから成るバリア層５１、n-InG
aAsPから成る回折格子層５２まで結晶成長を行い、この
積層構造に対して二光束干渉露光工程とウェットエッチ
ング工程によってバリア層５１に達する深さの溝を形成
し、共振器に垂直な方向に配向し共振器方向に複数配置
されたストライプ構造を形成している。このストライプ
構造をバリア層と同じ材料であるn-InP から成るクラッ
ド層５３で埋め込んで回折格子５４を作製している。
【０００５】埋込型回折格子の結合効率は、回折格子の
断面形状、厚さ、回折格子の導波構造中心からの距離、
回折格子層と回折格子が埋め込まれた層の屈折率などの
要因で決定される。上述の文献では、クラッド層とバリ
ア層が同一組成のため導波モードへの影響が小さい、回
折格子の厚さが結晶成長により制御性よく決定される、
などのメリットが挙げられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】第１の従来技術のよう
な凹凸型回折格子の結合効率は、凹凸の形状、深さ、回
折格子の導波構造中心からの距離、回折格子の上下各層
の屈折率などの要因を調整することにより設計される。
一方で、導波層／クラッド層の界面の位置を含む導波構
造の設計は導波モード形状とビーム放射角に強く制限さ
れている。さらに、再成長界面近傍の結晶性を良好に保
つために導波層を構成する材料（屈折率）にも制限が加
えられていた。従って、導波層／クラッド層の界面に設
けられた凹凸型回折格子の結合効率を導波構造から独立
して設計するための要素は少なく、設計自由度は小さか
った。また、設計通りの結合効率を持つ凹凸型回折格子
をウェットエッチングで作製するためには、エッチング
で形成される凹凸の深さを均一かつ精密に制御すること
が要求される。しかし、ウェットエッチングの深さを精
密に制御することは難しく、結合効率の均一性、再現性
を確保することは困難であった。
【０００７】一方、屈折率ステップで構成される導波構
造の内部を伝播する導波モードは高屈折率の導波層に集
中した形状となり、低屈折率のクラッド層内部では導波
モードの強度は指数関数的に急激に減衰していく。結合
係数は導波モードと回折格子の重なりによって決定され
るため、第２の従来技術のようなクラッド層内部に埋め
込まれた回折格子において所定の結合係数を得るために
は高い精度で回折格子の位置を決定することが要求され
ることになる。このため、設計と製造のいずれにおいて
も厳しい制限が加わり、マージンは小さかった。また、
特に発振波長が1μｍ程度以下の半導体レーザにおいて
は低屈折率のクラッド層にAlGaAsなどのAl を含む材料
系がしばしば用いられる。Alを含む材料系で構成される
クラッド層内に回折格子を埋め込む場合、回折格子の形
成工程で酸化されたクラッド層表面を結晶再成長前に清
浄化することは非常に困難である。このため、再成長界
面近傍の結晶性が劣化して素子の信頼性を損なってしま
う恐れがあった。
【０００８】上述したように、Alを含む材料系への適用
が可能であり、かつ結合係数に関する設計自由度や製造
自由度の高い回折格子を備えた導波構造が強く求められ
ていた。
【０００９】本発明は、Alを含む材料系への適用が可能
であり、かつ結合効率の設計自由度や製造自由度が高い
回折格子を備えた導波構造を実現し、動的単一モード半
導体レーザを容易に再現性よく高い歩留まりおよび高い
信頼性で提供できるようにすることを目的とする。
【００１０】また本発明は、光ファイバを主要構成要素
とする光ファイバ増幅器や光ファイバレーザなどの装置
と容易で高効率な接続ができる半導体レーザモジュール
および、長距離で高速の光通信に貢献できる希土類添加
光ファイバ増幅器およびファイバレーザを提供すること
を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、活性層と、活
性層を間に挟む上部および下部導波層と、前記活性層並
びに上部および下部導波層を間に挟む上部および下部ク
ラッド層と、活性層への電流注入領域を規定する電流狭
窄構造とを備えた半導体レーザ素子において、共振器方
向に周期的な構造を有する回折格子が前記上部または下
部のいずれかの導波層内に埋め込まれており、前記回折
格子が少なくとも電流注入領域の一部に存在し、さらに
前記回折格子が埋め込まれた導波層と該導波層に隣接す
るクラッド層との界面が共振器方向に実質的に平坦であ
ることを特徴とする半導体レーザ素子である。
【００１２】本発明に従えば、上述したように、屈折率
ステップで構成される導波構造の内部を伝播する導波モ
ードは高屈折率の導波層内部にピークを持つ形状にな
る。従って、導波層内部では導波モードの強度は比較的
ゆるやかな分布をもつことになる。導波層内部に回折格
子を埋め込むことにより、回折格子の位置精度に対する
制限を緩和して設計や製造のマージンを拡大することが
できる。また、埋込型回折格子の特長として回折格子の
厚さや導波層中心からの距離などのパラメータを導波構
造とは全く独立に設計することができるため、大きな設
計自由度を確保することができる。
【００１３】また、活性層におけるキャリア密度分布は
電流注入領域で高くなるため、光強度分布も電流注入領
域で高くなる。そのため、回折格子を少なくとも電流注
入領域の一部に存在させることによって、光と回折格子
との結合効率が高くなり、縦モードの安定性がより向上
する。
【００１４】また、半導体レーザ素子の製造工程におい
て、結晶成長は表面に対して垂直方向に進行する。その
ため、表面にたとえば傾斜面を有する凹凸形状が形成さ
れていて、この凹凸形状を保持したまま結晶成長を行な
うと、隣接する斜面同士では結晶成長方向が交差して、
結晶成長面が衝突してしまう。すると、隣接する斜面が
接触する位置、特に凹部の底では結晶欠陥が蓄積され易
くなる。こうした結晶欠陥が導波層に蓄積されると、光
吸収などの損失を引き起こし、素子の発振特性や信頼性
に悪影響を及ぼす。そこで、回折格子が埋め込まれた導
波層と該導波層に隣接するクラッド層との界面が共振器
方向に実質的に平坦であることによって、表面に形成し
た凹凸形状を埋め込むプロセスにおいて結晶成長表面が
平坦になるため、上述のような結晶欠陥の蓄積を回避で
きる。これによって素子の発振特性や信頼性を改善でき
る。
【００１５】また本発明は、前記回折格子が前記上部の
導波層内に埋め込まれていることを特徴とする。
【００１６】本発明に従えば、回折格子を上部の導波層
内に設けることによって、回折格子の形状が活性層の形
状や特性に与える影響を極力少なくできる。すなわち、
回折格子を下部の導波層内に埋め込んだ場合、活性層は
回折格子の上部に位置することになり、凹凸のある表面
上の結晶再成長によって発生する恐れのある結晶構造の
変化や欠陥などが活性層に影響を与える可能性がある。
そこで、回折格子を活性層の上部に配置することによっ
て、こうした可能性を回避し、発光効率の低下を避ける
ことができる。
【００１７】また、表面に形成した凹凸形状を埋め込む
プロセスにおいて、結晶成長に伴って表面形状は次第に
平坦に近付いていく。回折格子が埋め込まれた導波層と
該導波層に隣接するクラッド層との界面が共振器方向に
平坦でない素子構造の場合には、上述した結晶成長の傾
向から、導波に影響する微細な界面形状を設計通りに作
製することは非常に困難となる。一方、この界面が共振
器方向に平坦である素子構造の場合、設計通りの界面形
状を容易に作製できる。
【００１８】また本発明は、横マルチモード発振するこ
とを特徴とする。本発明に従えば、共振器方向に垂直
で、活性層と平行な水平方向に複数の横モードが分布す
る横マルチモード導波構造であることにより、高出力が
得られるが、電流注入領域に回折格子が形成されること
によって、電流注入領域内に設けられた回折格子と各横
モードとの結合効率が高くなり、さらに回折格子が導波
層内に埋め込まれることと相まって結合効率がより高く
なる。その結果、高出力で単一縦モードのレーザ発振を
実現できる。なお、電流注入領域内での横マルチモード
導波構造は、水平幅が広い屈折率導波構造あるいは電流
注入領域内外の屈折率差が大きい屈折率導波構造で形成
してもよく、利得導波構造で形成してもよい。
【００１９】また本発明は、前記電流狭窄構造が、活性
層から見てクラッド層と導波層の界面より遠い位置に設
けられたことを特徴とする。
【００２０】本発明に従えば、電流狭窄構造を活性層か
ら見てクラッド層と導波層の界面より遠い位置に設け、
特に導波層の外側に配置することによって、電流狭窄構
造が導波モードに与える影響が少なくなり、利得導波型
になる。利得導波型の横マルチモード導波構造を形成し
た場合、各横モードの実効屈折率の差が小さいため、各
横モードにおいて回折格子で規定される発振波長がほぼ
一致するようになる。したがって、各横モードの発振ス
ペクトルを重ね合わせた素子全体の発振スペクトルも狭
い線幅になり、単一波長化が図られる。
【００２１】なお、電流狭窄構造は、半導体層の埋め込
み、あるいはイオン注入による半導体層の高抵抗化な
ど、半導体レーザ素子に通常採用されている方法で作製
できる。例えば、ストライプ電極構造や誘電体膜パター
ンを用いた電流注入領域の制限、などの方法が挙げられ
る。
【００２２】また、電流狭窄構造によって規定される電
流注入領域の幅は１０μｍ以上であることが好ましく、
これによって利得導波型の横マルチモード導波構造を容
易に実現できる。
【００２３】また本発明は、前記導波層と前記活性層を
合わせた導波領域への導波モードの閉じ込め係数が０．
８以上であることを特徴とする。
【００２４】本発明に従えば、前記導波層と前記活性層
を合わせた導波領域への導波モードの閉じ込め係数を
０．８以上に増大させることで、回折格子と導波モード
の重なりを大きくすることが可能になり、結合係数の設
計範囲を大幅に拡大することが可能になる。また、埋込
型回折格子の特長として回折格子の厚さや導波層中心か
らの距離などのパラメータを導波構造とは全く独立に設
計することができるため、大きな設計自由度を確保する
ことができる。なお、導波モード閉じ込め係数は、多層
スラブ導波構造の解析方法を用いて計算できる（「光デ
バイスのための光結合系の基礎と応用」152-161頁、著
者：河野健治、出版：現代工学社、1998年）。
【００２５】なお、回折格子が埋め込まれた導波層がAl
を含まない半導体材料からなることが好ましく、そのよ
うな半導体材料のより好ましい例としてＧａＡｓ，また
はＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎＧａＰが挙げられる。
【００２６】また、前記回折格子に接するAlを含まない
半導体層である再成長界面保護層が回折格子の基板側に
設けられ、前記回折格子とともに前記導波層に埋め込ま
れていることが好ましく、そのような半導体材料のより
好ましい例としてＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰまたはＩｎ
ＧａＰが挙げられる。
【００２７】低屈折率のクラッド層にAlを含む材料系を
用いたとしても、高屈折率の導波層をGaAsなどのAlを含
まない材料系で構成することにより、回折格子の形成工
程で酸化された表面を結晶再成長前に清浄化すること可
能になる。このため、再成長界面近傍の結晶性を良好に
保ち素子の信頼性を向上させることができる。
【００２８】また、クラッド層および導波層にAlを含む
材料系を用いたとしても、Alを含まない材料系で構成す
る再成長界面保護層を挿入することで、上述と同様の効
果を得ることができる。再成長界面保護層をGaAs,InGaA
sPまたはInGaP で構成することで屈折率を導波層とほぼ
同じに調整することが可能になり、導波モードに与える
影響も充分に小さくすることができる。
【００２９】また本発明は、活性層と上部または下部導
波層の間に、その導波層よりも禁制帯幅の大きいキャリ
アブロック層が設けられていることを特徴とする。
【００３０】本発明に従えば、導波層と活性層の間に禁
制帯幅の大きいキャリアブロック層を設けることによっ
て、活性層に近接したキャリアブロック層により注入キ
ャリアが逆導電型の層へ溢れ出すことを阻止できるた
め、高効率な発振が実現される。また導波層内部には電
子あるいは正孔のいずれか一方しか存在していないた
め、回折格子を埋め込むために導波層を直接加工して結
晶再成長を行っても、レーザ特性や信頼性を低下させる
キャリア再結合を確実に抑制することができる。このこ
とが電流注入領域に近く、かつ活性層に近い導波層に回
折格子を埋め込むことを容易にした。そして導波モード
は厚い導波層内にゆるやかに閉じ込められるため、活性
層での光ピーク強度の低減により高出力動作が可能にな
り、導波モードの拡大により良好な放射パターンと低放
射角の両立が可能になると同時に、回折格子を設ける位
置のマージンが大きくなり、設計自由度や製造自由度が
増す。
【００３１】こうしたキャリアブロック層は、逆導電型
のキャリアの溢れ出しを充分に阻止し、かつ導波モード
を乱さない程度の厚さを有しており、具体的には５〜５
０ｎｍの厚さであることが望ましい。
【００３２】また、回折格子は、基板面に平行な面上で
共振器方向に直角方向に延びるストライプが共振器方向
に周期的に並列したものである。共振器方向に平行な断
面で見た場合にこのストライプ断面は四角形でもよい
し、三角形でもよい。そしてストライプ状の回折格子層
はAlを含まない材料からなることが、加工時の酸化劣化
を防ぐ点で好ましい。
【００３３】さらに、回折格子の共振器方向の配置はＤ
ＦＢ型（分布帰還型）でもよいしＤＢＲ型（分布ブラッ
グ反射器型）でもよい。
【００３４】また本発明は、上記の半導体レーザ素子
と、半導体レーザ素子が発振するレーザ光を受ける光フ
ァイバと、半導体レーザ素子および光ファイバの入射部
を固定するためのホルダとを備えることを特徴とする半
導体レーザモジュールである。
【００３５】本発明に従えば、上に述べた高出力で単一
モード発振の半導体レーザ素子を使用することによっ
て、高出力で単一波長のレーザ光を光ファイバで伝送で
きるため、光ファイバ増幅器や光ファイバレーザとの接
続が容易になり、これらの装置の高出力化、出力安定化
を実現できる。
【００３６】また本発明は、希土類添加光ファイバを備
えた希土類添加光ファイバ増幅器であり、希土類の励起
源として上記の半導体レーザモジュールを備えたことを
特徴とする希土類添加光ファイバ増幅器である。
【００３７】本発明に従えば、光通信システムにおける
高密度波長分割多重(DWDM)方式に好適なＥｒ添加光ファ
イバ増幅器において上記の半導体レーザモジュールを使
用することによって、高出力での励起が可能になり、し
かも励起波長が固定されるため、安定した増幅出力が得
られる。
【００３８】また本発明は、希土類をドープしたファイ
バレーザであり、励起光源として請求項１から６のいず
れかに記載の半導体レーザ素子を備えたことを特徴とす
るファイバレーザである。
【００３９】本発明に従えば、光通信システムにおける
高密度波長分割多重(DWDM)方式に好適なファイバレーザ
において上記の半導体レーザモジュールを使用すること
によって、高出力での励起が可能になり、しかも励起波
長が固定されるため、安定した増幅出力が得られる。
【００４０】
【発明の実施の形態】本発明の第１の実施例を途中の製
造工程も含めて共振器方向に沿った断面図で図１に示
す。また垂直方向導波構造の屈折率分布の概略図を図３
に示す。n-GaAsから成る基板１の上に順次、n-Al0.15Ga
0.85Asから成る厚さ１．５μｍの下部クラッド層２、n-
GaAsから成る厚さ０．５μｍの下部導波層３、n-Al0.4G
a0.6Asから成る厚さ０．０４μｍのキャリアブロック層
４、InGaAs/AlGaAsから成る量子井戸活性層５、p-Al0.4
Ga0.6Asから成る厚さ０．0４μｍのキャリアブロック層
６、p-GaAsから成る厚さ０．４μｍの上部導波層７ａ、
p-Al0.2Ga0.8Asから成る厚さ０．０１５μｍの回折格子
層８、p-GaAsから成る厚さ０．０１μｍのキャップ層９
が形成される（図１(a)）。
【００４１】二光束干渉露光工程とウェットエッチング
工程によって上部導波層７ａに達する深さの溝が形成さ
れ、周期が約0.28μｍで共振器に垂直な方向に配向し共
振器方向に複数配置されたストライプから成る回折格子
１０が形成される（図１(b)）。この周期は発振波長0.9
8μｍに対して二次の回折格子に相当する。
【００４２】さらに順次、p-GaAsから成る厚さ０．１μ
ｍの上部導波層７ｂ、p-Al0.15Ga0. 85Asから成る厚さ
１．５μｍの上部クラッド層１１、p-GaAsから成るコン
タクト層１２がそれぞれ形成される（図１(c)）。コン
タクト層１２の上面および基板１の下面にはオーミック
電極層がそれぞれ形成される。素子の両端面はへき開な
どによって光共振器の反射面が形成され、さらに反射防
止膜などがコーティングされる。
【００４３】このような構造で発振波長９８０ｎｍの単
一縦モードの半導体レーザ素子が得られる。
【００４４】次に本発明の第２実施例を途中の工程も含
めて、共振器方向に沿った断面図で図２に示す。また垂
直方向導波構造の屈折率分布の概略図を図４に示す。n-
GaAsから成る基板２１の上に順次、n-Al0.22Ga0.78Asか
ら成る厚さ１．５μｍの下部クラッド層２２、n-Al0.18
Ga0.82Asから成る厚さ１．０μｍの下部導波層２３、n-
Al0.5Ga0.5Asから成る厚さ０．０２μｍのキャリアブロ
ック層２４、GaAs/AlGaAsから成る量子井戸活性層２
５、p-Al0.5Ga0.5As から成る厚さ０．０２μｍのキャ
リアブロック層２６、p-Al0.18Ga0.82Asから成る厚さ
０．８μｍの上部導波層２７ａ、p-In0.1Ga0.9As0.8P
0.2 から成る厚さ０．０１μｍの再成長界面保護層２
８、p-Al0.4Ga0.6Asから成る厚さ０．０１５μｍの回折
格子層２９、p-In0. 1Ga0.9As0.8P0.2から成る厚さ０．
０１μｍのキャップ層３０が形成される（図２(a)）。
【００４５】二光束干渉露光工程とウェットエッチング
工程によって再成長界面保護層２８に達する深さの溝が
形成され、周期が約0.26μｍで共振器に垂直な方向に配
向し共振器方向に複数配置されたストライプから成る回
折格子３１が形成される（図２(b)）。この周期は発振
波長0.86μｍに対して二次の回折格子に相当する。
【００４６】さらに順次、p-Al0.18Ga0.82Asから成る厚
さ０．２μｍの上部導波層２７ｂ、p-Al0.22Ga0.78Asか
ら成る厚さ１．５μｍの上部クラッド層３２、p-GaAsか
ら成るコンタクト層３３がそれぞれ形成される（図２
(c)） 。コンタクト層３３の上面および基板１の下面に
はオーミック電極層がそれぞれ形成される。素子の両端
面はへき開などによって光共振器の反射面が形成され、
さらに反射防止膜などがコーティングされる。
【００４７】このような構造で発振波長８６０ｎｍの単
一縦モードの半導体レーザ素子が得られる。
【００４８】次に本発明の第３実施例を途中の製造工程
も含めて共振器方向に沿った断面図で図５に示す。また
垂直方向導波構造の屈折率分布の概略図を図７に示す。
n-GaAsから成る基板１０１の上に順次、n-Al0.2Ga0.4In
0.4Pから成る下部クラッド層１０２、In0.5Ga0.5P から
成る厚さ０．３μｍの下部導波層１０３、InGaAs/InGaA
sPから成る量子井戸活性層１０４、In0.5Ga0.5Pから成
る厚さ０．２５μｍの上部導波層１０５ａ、GaAsから成
る厚さ０．０２μｍの回折格子層１０６が形成される
（図５(a)）。
【００４９】干渉露光工程とウェットエッチング工程に
よって上部導波層１０５ａに達する深さの溝が形成さ
れ、周期が約0.29μｍで共振器に垂直な方向に配向し共
振器方向に複数配置されたストライプから成る回折格子
１０７が形成される（図５(b)）。この周期は発振波長
0.94μｍに対して二次の回折格子に相当する。
【００５０】さらに順次、In0.5Ga0.5Pから成る厚さ
０．０５μｍの上部導波層１０５ｂ、p-Al0.2Ga0.4In
0.4Pから成る上部クラッド層１０８、p-GaAsから成るコ
ンタクト層１０９がそれぞれ形成される（図５(c)）。
コンタクト層１０９の上面および基板１０１の下面には
オーミック電極層がそれぞれ形成される。素子の両端面
はへき開などによって光共振器の反射面が形成され、さ
らに反射防止膜などがコーティングされる。
【００５１】このような構造で発振波長９４０ｎｍの単
一縦モードの半導体レーザ素子が得られる。
【００５２】また、下部導波層１０３、上部導波層１０
５ａ，１０５ｂおよび活性層１０４を合わせた導波領域
への導波モードの閉じ込め係数が０．８以上であるた
め、回折格子と導波モードの重なりを大きくすることが
可能になる。
【００５３】次に本発明の第４の実施例を途中の工程も
含めて、共振器方向に沿った断面図で図６に示す。また
垂直方向導波構造の屈折率分布の概略図を図８に示す。
n-GaAsから成る基板１２１の上に順次、n-Al0.6Ga0.4As
から成る下部クラッド層１２２、n-Al0.3Ga0.7Asから成
る厚さ０．３μｍの下部導波層１２３、GaAs/AlGaAsか
ら成る量子井戸活性層１２４、p-Al0.3Ga0.7Asから成る
厚さ０．２５μｍの上部導波層１２５ａ、p-In0.15Ga
0.85As0.7P0.3から成る厚さ０．０１μｍの再成長界面
保護層１２６、p-Al0.5Ga0.5Asから成る厚さ０．０２μ
ｍの回折格子層１２７、p-In0.15Ga0.85As0.7P0.3から
成る厚さ０．０１μｍのキャップ層１２８が形成される
（図６(a)）。
【００５４】干渉露光工程とウェットエッチング工程に
よって再成長界面保護層１２６に達する深さの溝が形成
され、周期が約0.27μｍで共振器に垂直な方向に配向し
共振器方向に複数配置されたストライプから成る回折格
子１２９が形成される（図６(b)）。この周期は発振波
長0.86μｍに対して二次の回折格子に相当する。
【００５５】さらに順次、p-Al0.3Ga0.7Asから成る厚さ
０．０５μｍの上部導波層１２５ｂ、p-Al0.6Ga0.4Asか
ら成る上部クラッド層３０、p-GaAsから成るコンタクト
層１３１がそれぞれ形成される（図６(c)）。コンタク
ト層１３１の上面および基板１の下面にはオーミック電
極層がそれぞれ形成される。素子の両端面はへき開など
によって光共振器の反射面が形成され、さらに反射防止
膜などがコーティングされる。
【００５６】このような構造で発振波長８６０ｎｍの単
一縦モードの半導体レーザ素子が得られる。
【００５７】また、下部導波層１２３、上部導波層１２
５ａ，１２５ｂおよび活性層１２４を合わせた導波領域
への導波モードの閉じ込め係数が０．８以上であるた
め、回折格子と導波モードの重なりを大きくすることが
可能になる。
【００５８】本発明の第５実施例の斜視図を図９(a)(b)
に示す。また電流注入領域での垂直方向導波構造の屈折
率分布の概略図は図３と同じである。n-GaAsから成る基
板１の上に順次、n-Al0.15Ga0.85Asから成る厚さ１．５
μｍの下部クラッド層２、n-GaAsから成る厚さ０．５μ
ｍの下部導波層３、n-Al0.4Ga0.6Asから成る厚さ０．０
４μｍのキャリアブロック層４、InGaAs/AlGaAs から成
る量子井戸活性層５、p-Al0.4Ga0.6Asから成る厚さ０．
０４μｍのキャリアブロック層６、p-GaAsから成る厚さ
０．４μｍの上部導波層７ａ、p-Al0.2Ga0.8Asから成る
厚さ０．０１５μｍの回折格子層８、p-GaAsから成る厚
さ０．０１μｍのキャップ層９が形成される。
【００５９】二光束干渉露光工程とウェットエッチング
工程によって上部導波層７ａに達する深さの溝が形成さ
れ、周期が約0.28μｍで共振器に垂直な方向に配向し共
振器方向に複数配置されたストライプから成る回折格子
１０が形成される。この周期は発振波長0.98μｍに対し
て二次の回折格子に相当する。
【００６０】さらに順次、p-GaAsから成る厚さ０．１μ
ｍの上部導波層７ｂ、p-Al0.15Ga0. 85Asから成る厚さ
１．５μｍの上部クラッド層１１、p-GaAsから成る厚さ
０．５μｍのバッファ層１４、n-GaAsから成る厚さ０．
３μｍの電流狭窄層１３がそれぞれ形成される。一般的
に用いられているフォトリソグラフィ工程とウェットエ
ッチング工程によってバッファ層１４に達する深さの溝
が形成され、幅５０μｍの電流窓を有する電流注入領域
が画定される。さらにp-GaAsから成るコンタクト層１２
がそれぞれ形成される。コンタクト層１２の上面および
基板１の下面にはオーミック電極層がそれぞれ形成され
る。素子の両端面はへき開などによって光共振器の反射
面が形成され、さらに反射防止膜などがコーティングさ
れる。
【００６１】このような構造で発振波長９８０ｎｍの単
一縦モードの半導体レーザ素子が得られる。
【００６２】次に回折格子の形状および配置について説
明する。ストライプ状の窓を有する電流狭窄層１３(n-G
aAs)は上部クラッド層よりも上のバッファ層１４とコン
タクト層１２の間に埋め込まれ、活性層５への電流注入
領域Ｑを規定している。回折格子層８は、いずれも同じ
組成である上部導波層７ａ、キャップ層９、上部導波層
７ｂの中に埋め込まれる。回折格子は、電流注入領域Ｑ
を含むように、活性層５に沿って素子の共振器方向に直
角である横方向全幅に渡って形成される。その結果、光
と回折格子との結合効率が高くなり、縦モードの安定性
がより向上する。
【００６３】ここでは、図１に示した第１実施例の素子
構造の上部クラッド層までを用いた例で説明したが、第
２〜第４実施例の素子構造の上部クラッド層までを用い
た場合についても同様に適用できる。
【００６４】図１０は本発明の第６実施例を示し、図１
０（ａ）は全体斜視図、図１０（ｂ）は回折格子の形状
および配置を示す部分斜視図である。これは、図１に示
した第１実施例の素子構造に電流狭窄層を追加して設け
た例であるが、第２〜第４実施例の素子構造についても
同様に適用できる。これは、回折格子が横方向で電流注
入領域Ｑの一部のみに形成されている以外は第５実施例
と同じ構造である。
【００６５】図１１は本発明の第７実施例を示し、図１
１（ａ）は全体斜視図、図１１（ｂ）は回折格子の形状
および配置を示す部分斜視図である。図１１で、基板１
の上に順次、下部クラッド層２、下部導波層３ａ，３
ｂ、キャリアブロック層４、量子井戸活性層５、キャリ
アブロック層６、上部導波層７、上部クラッド層１１が
積層されており、ここまでの組成は第１実施例と全く同
じである。下部導波層３ａ，３ｂには第１実施例と同様
の回折格子層８が横方向全幅に埋め込まれている。そし
て上部クラッド層１１の上には、p-GaAsから成るバッフ
ァ層１４とコンタクト層１２の間にn-GaAsから成る電流
狭窄層１３が埋め込まれている。
【００６６】これは、図１に示した第１実施例の素子構
造では上部導波層に埋め込まれている回折格子を下部導
波層内に設け、かつ電流狭窄層を追加して設けた例であ
るが、第２〜第４実施例の素子構造についても同様に変
形して適用できる。
【００６７】図１２は本発明の第８実施例を示し、図１
２（ａ）は全体斜視図、図１２（ｂ）は回折格子の形状
および配置を示す部分斜視図である。これは、回折格子
が横方向で電流注入領域Ｑの一部のみに形成されている
以外は第７実施例と同じ構造である。
【００６８】以上の各実施例において、回折格子の埋め
込まれた導波層と隣接するクラッド層との界面は共振器
方向に平坦である。
【００６９】回折格子の埋め込まれた導波層と回折格子
層のエネルギーギャップは、どちらが大きくてもよい
が、活性層＜導波層＜回折格子層であることがより好ま
しい。回折格子の結合効率を高めるためには、回折格子
層と導波層の屈折率差が大きい方がよいが、上の大小関
係であれば光吸収を気にせず材料設計の自由度が増すか
らである。
【００７０】図１３は、本発明に係る半導体レーザモジ
ュールの一例を示す斜視図である。半導体レーザモジュ
ール１５０は、ホルダ１５１，１５２，１５３と、レー
ザホルダ１５４と、半導体レーザ素子１５５と、受光素
子１５６と、温度センサ１５７と、光ファイバ１５８な
どで構成される。
【００７１】半導体レーザ素子１５５はレーザホルダ１
５４を介してホルダ１５２に固定される。ホルダ１５２
には温度モニタ用の温度センサ１５７が取り付けられ
る。光ファイバ１５８のの入射部はホルダ１５３に固定
される。ホルダ１５２，１５３はホルダ１５１に固定さ
れる。
【００７２】半導体レーザ素子１５５は、共振器方向に
沿って前後にレーザ光を放射し、前方に放射したレーザ
光は光ファイバ１５８に入射して光通信に供され、後方
に放射したレーザ光は光出力モニタ用の受光素子１５６
に入射する。
【００７３】半導体レーザ素子１５５として、第１〜第
８実施例で示した高出力で単一波長発振の半導体レーザ
素子を使用することができ、高出力で単一波長のレーザ
光を光ファイバで伝送できるため、光ファイバ増幅器や
光ファイバレーザとの接続が容易になり、これらの装置
の高出力化、出力安定化を実現できる。
【００７４】図１４は、本発明に係るＥｒ添加光ファイ
バ増幅器の一例を示すブロック図である。Ｅｒ添加光フ
ァイバ増幅器２００は、光アイソレータ２０１と、ＷＤ
Ｍ（波長分割多重：Wavelength Division Mul tiplexin
g）カプラ２０２と、Ｅｒ添加光ファイバ２０３と、Ｗ
ＤＭカプラ２０４と、光アイソレータ２０５とが光ファ
イバを介して直列的に接続され、さらにＷＤＭカプラ２
０２，２０４に光ファイバを介して励起光をそれぞれ供
給する半導体レーザモジュール２０６，２０７と、半導
体レーザモジュール２０６，２０７の動作を制御する制
御回路２０８とで構成される。
【００７５】光通信システムに要求される情報の伝送許
容量は近年急激に増加している。波長分割多重方式の光
通信システムでは多重度（波長チャンネルの数）を増や
すことにより伝送量の増大に対応することが可能であ
り、このような光通信システムは高密度波長分割多重(D
WDM:Dense WDM)方式と呼ばれる。一方、ＷＤＭ方式の光
通信システムでは複数の波長チャンネルの信号をＥｒ添
加光ファイバ増幅器（EDFA:Erbium doped fiber amplif
ier)を用いて一括して増幅することに特徴があり、ＥＤ
ＦＡの励起光源である半導体レーザ（モジュール）には
概ね多重度に比例した出力が要求される。従来のＥＤＦ
Ａには単一横モード半導体レーザ（波長制御機構なし）
が用いられているのに対し、本発明の好ましい実施形態
である横マルチモードＤＦＢ半導体レーザを用いること
により、a)より高出力での励起が可能になる、b)励起波
長が固定されているため、より安定したＥＤＦＡ増幅出
力が得られる、などの効果がある。このようなＥＤＦＡ
に用いられるＥｒ添加光ファイバは従来の単一クラッド
型であってもよいし、ダブルクラッド型であってもよ
い。ダブルクラッド型のＥｒ添加光ファイバを用いたＥ
ＤＦＡの場合には、励起光源のモード径（励起用半導体
レーザモジュールの光ファイバ径）が大きくても効率的
に増幅作用が得られるので、より好ましい結果が得られ
る。
【００７６】図１５は本発明に係わるファイバレーザの
一例を示すブロック図である。光ファイバ２１０として
コア部にＥｒ、Ｙｂ、Ｎｄなどの希土類がドープされた
希土類添加ファイバをもちいる。半導体レーザ素子２０
６の出射光は結合系２０９を通して光ファイバ端に励起
光として入射される。光ファイバ２１０の一つの端面は
光ファイバのレーザ発振波長に対してフィードバックが
掛かるよう高反射手段を、もう一方の端面はフレネル反
射面を有する。
【００７７】入射された励起光は光ファイバ内で希土類
ドーパントにより吸収され誘導放射光を生じ、高反射面
とフレネル反射面で反射されフィードバックされレーザ
発振を生じさせることができる。
【００７８】レーザ出射光の一部のパワーをビームスプ
リッタ２１１から検出器２１２に取り込み、ここでモニ
タし一定出力となるように制御回路２０８で半導体レー
ザ２０６の出力をコントロールする。
【００７９】半導体レーザ素子２０６から結合系２０９
までは光ファイバで導いてもよいし、または半導体レー
ザ素子から直接に結合系としてのレンズを通して希土類
添加光ファイバの端面に入射させてもよい。
【００８０】従来のファイバレーザの励起には横モード
マルチのブロードエリア半導体レーザ（波長制御機構な
し）が用いられているのに対して、本発明の好ましい実
施形態である横モードマルチモードＤＦＢ半導体レーザ
を用いることにより、 ａ）より高出力での励起が可能となる、 ｂ）励起波長が固体されているため、より安定したファ
イバレーザ出力が得られるなどの効果がある。
【００８１】このようなファイバレーザのファイバ形状
は従来の単一クラッド型でも良いしダブルクラッド型で
もよい。ダブルクラッド型のファイバを用いた場合には
励起光源のモード径が大きくても効率的にレーザ発振す
るのでより好ましい効果が得られる。
【００８２】
【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、高
屈折率の導波層内部に回折格子を埋め込むことにより、
Alを含む材料系への適用が可能でありかつ結合効率の設
計自由度や製造自由度が高い回折格子付き導波構造を実
現し、動的単一モード半導体レーザを容易に再現性よく
高い歩留まりおよび高い信頼性で提供できる。
【００８３】また、こうした半導体レーザを用いた半導
体レーザモジュール、希土類添加光ファイバ増幅器およ
びファイバレーザは、長距離で高速の光通信を実現でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の共振器方向に沿った断面
図である。
【図２】本発明の第２実施例の共振器方向に沿った断面
図である。
【図３】第１実施例の垂直方向導波構造の屈折率分布の
概略図である。
【図４】第２実施例の垂直方向導波構造の屈折率分布の
概略図である。
【図５】本発明の第３実施例の共振器方向に沿った断面
図である。
【図６】本発明の第４実施例の共振器方向に沿った断面
図である。
【図７】第３実施例の垂直方向導波構造の屈折率分布の
概略図である。
【図８】第４実施例の垂直方向導波構造の屈折率分布の
概略図である。
【図９】本発明の第５実施例を示し、図９（ａ）は全体
斜視図、図９（ｂ）は回折格子の形状および配置を示す
部分斜視図である。
【図１０】本発明の第６実施例を示し、図１０（ａ）は
全体斜視図、図１０（ｂ）は回折格子の形状および配置
を示す部分斜視図である。
【図１１】本発明の第７実施例を示し、図１１（ａ）は
全体斜視図、図１１（ｂ）は回折格子の形状および配置
を示す部分斜視図である。
【図１２】本発明の第８実施例を示し、図１２（ａ）は
全体斜視図、図１２（ｂ）は回折格子の形状および配置
を示す部分斜視図である。
【図１３】本発明に係る半導体レーザモジュールの一例
を示す斜視図である。
【図１４】本発明に係るＥｒ添加光ファイバ増幅器の一
例を示すブロック図である。
【図１５】図１５は本発明に係わるファイバレーザの一
例を示すブロック図である。
【図１６】第１の従来例の共振器方向に沿った断面図で
ある。
【図１７】第１の従来例の垂直方向導波構造の屈折率分
布の概略図である。
【図１８】第２の従来例の共振器方向に沿った断面図で
ある。
【図１９】第２の従来例の垂直方向導波構造の屈折率分
布の概略図である。
【符号の説明】
１，２１，１０１，１２１ 基板 ２，２２，１０２，１２２ 下部クラッド層 ３，２３，１０３，１２３ 下部導波層 ４，６，２４，２６ キャリアブロック層 ５，２５，１０４，１２４ 量子井戸活性層 ７，２７，１０５ａ，１０５ｂ，１２５ 上部導波層 ８，２９，１０６，１２７ 回折格子層 ９，３０，１２８ キャップ層 １０，３１，１０７，１２９ 回折格子 １１，３２，１０８，１３０ 上部クラッド層 １２，３３，１０９，１３１ コンタクト層 ２８，１２６ 再成長界面保護層
【手続補正書】
【提出日】平成１２年７月３日（２０００．７．３）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１２】本発明に従えば、上述したように、屈折率
ステップで構成される導波構造の内部を伝播する導波モ
ードは高屈折率の導波層内部にピークを持つ形状にな
る。従って、導波層内部では導波モードの強度は比較的
ゆるやかな分布をもつことになる。導波層内部に回折格
子を埋め込むことにより、回折格子の位置精度に対する
制限を緩和して設計や製造のマージンを拡大することが
できる。また、埋込型回折格子の特長として回折格子の
厚さや導波構造中心からの距離などのパラメータを導波
構造とは全く独立に設計することができるため、大きな
設計自由度を確保することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２４
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２４】本発明に従えば、前記導波層と前記活性層
を合わせた導波領域への導波モードの閉じ込め係数を
０．８以上に増大させることで、回折格子と導波モード
の重なりを大きくすることが可能になり、結合係数の設
計範囲を大幅に拡大することが可能になる。また、埋込
型回折格子の特長として回折格子の厚さや導波構造中心
からの距離などのパラメータを導波構造とは全く独立に
設計することができるため、大きな設計自由度を確保す
ることができる。なお、導波モード閉じ込め係数は、多
層スラブ導波構造の解析方法を用いて計算できる（「光
デバイスのための光結合系の基礎と応用」152-161頁、
著者：河野健治、出版：現代工学社、1998年）。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３６】また本発明は、希土類添加光ファイバを備
えた希土類添加光ファイバ増幅器であり、希土類の励起
源として上記の半導体レーザ素子を備えたことを特徴と
する希土類添加光ファイバ増幅器である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正内容】
【００３９】本発明に従えば、光通信システムにおける
高密度波長分割多重(DWDM)方式に好適なファイバレーザ
において上記の半導体レーザモジュールを使用すること
によって、高出力での励起が可能になり、しかも励起波
長が固定されるため、安定した出力が得られる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００６２】次に回折格子の形状および配置について説
明する。ストライプ状の窓を有する電流狭窄層１３(n-G
aAs)は上部クラッド層１１よりも上のバッファ層１４と
コンタクト層１２の間に埋め込まれ、活性層５への電流
注入領域Ｑを規定している。回折格子層８は、いずれも
同じ組成である上部導波層７ａ、キャップ層９、上部導
波層７ｂの中に埋め込まれる。回折格子は、電流注入領
域Ｑを含むように、活性層５に沿って素子の共振器方向
に直角である横方向全幅に渡って形成される。その結
果、光と回折格子との結合効率が高くなり、縦モードの
安定性がより向上する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１０】
【手続補正７】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１２】
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｓ 3/10 Ｈ０１Ｓ 3/094 Ｓ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 活性層と、 活性層を間に挟む上部および下部導波層と、 前記活性層並びに上部および下部導波層を間に挟む上部
    および下部クラッド層と、 活性層への電流注入領域を規定する電流狭窄構造とを備
    えた半導体レーザ素子において、 共振器方向に周期的な構造を有する回折格子が前記上部
    または下部のいずれかの導波層内に埋め込まれており、
    前記回折格子が少なくとも電流注入領域の一部に存在
    し、さらに前記回折格子が埋め込まれた導波層と該導波
    層に隣接するクラッド層との界面が共振器方向に実質的
    に平坦であることを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. 【請求項２】 前記回折格子が前記上部の導波層内に埋
    め込まれていることを特徴とする請求項１に記載の半導
    体レーザ素子。
  3. 【請求項３】 横マルチモード発振することを特徴とす
    る請求項１または２に記載の半導体レーザ素子。
  4. 【請求項４】 前記電流狭窄構造が、活性層から見てク
    ラッド層と導波層の界面より遠い位置に設けられたこと
    を特徴とする請求項３に記載の半導体レーザ素子。
  5. 【請求項５】 前記導波層と前記活性層を合わせた導波
    領域への導波モードの閉じ込め係数が０．８以上である
    ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の半導
    体レーザ素子。
  6. 【請求項６】 活性層と上部または下部導波層の間に、
    その導波層よりも禁制帯幅の大きいキャリアブロック層
    が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の半
    導体レーザ素子。
  7. 【請求項７】 請求項１〜６のいずれかに記載の半導体
    レーザ素子と、 半導体レーザ素子が発振するレーザ光を受ける光ファイ
    バと、 半導体レーザ素子および光ファイバの入射部を固定する
    ためのホルダとを備えることを特徴とする半導体レーザ
    モジュール。
  8. 【請求項８】 希土類元素添加光ファイバを備えた希土
    類元素添加光ファイバ増幅器であり、希土類元素の励起
    源として請求項１から６のいずれかに記載の半導体レー
    ザ素子を備えたことを特徴とする希土類元素添加光ファ
    イバ増幅器。
  9. 【請求項９】 希土類をドープしたファイバレーザであ
    り、励起光源として請求項１から６のいずれかに記載の
    半導体レーザ素子を備えたことを特徴とするファイバレ
    ーザ。
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