JP2002532907A

JP2002532907A - 利得結合分布帰還半導体レーザ

Info

Publication number: JP2002532907A
Application number: JP2000588867A
Authority: JP
Inventors: ホン・ジン; マキノ・トシヒコ
Original assignee: Nortel Networks Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1999-11-10
Publication date: 2002-10-02
Also published as: WO2000036717A1; EP1055272A1; CA2310604A1

Abstract

(57)【要約】高次格子構造を有する利得結合ＤＦＢ半導体レーザが提供される。格子の次数およびデューティサイクル、並びに溝の形状を変えることによって、あらかじめ決められた比率の利得対インデックス結合係数が得られる。レーザは、多重量子井戸構造を含み、その格子は、活性領域の量子井戸に直接的にエッチングされることが有利である。深いエッチングは、レーザにおける強利得結合を確実にする一方で、高次格子の使用は、エッチングに関連するインデックス結合を低減させる。結果として、安定で、高歩留まり、高パワー、および単一モード動作のＤＦＢレーザが実現される。特定の回折次数、デューティサイクル、溝の形状、およびエッチング深さからなる格子に対して、インデックス結合は、実質的に低減されるか、または無くされることができる。それに対応して、純利得結合ＤＦＢレーザを得ることができる。より大きな製造上の許容誤差を可能とするより大きな格子周期に起因して、高次ＤＦＢレーザを製造することも容易である。あらかじめ決められた利得対インデックス結合を有する複素結合ＤＦＢ半導体レーザを製造する方法、および純利得／損失結合半導体ＤＦＢレーザを得る方法も提供される

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の属する技術分野本発明は、半導体レーザに関連し、具体的には、あらかじめ決められた比率の
利得対インデックス結合を有する複素結合分布帰還（distributed feedback；Ｄ
ＦＢ）半導体レーザ、あらかじめ決められた比率の利得対インデックス結合を有
する複素結合ＤＦＢ半導体レーザを製造する方法、および純利得／損失結合ＤＦ
Ｂ半導体レーザ（purely gain/loss coupled DFB semiconductor laser）に関連
する。

【０００２】従来の技術ファイバ光通信システムは、１．３０〜１．５６μｍの波長範囲において、単
一モード（single-mode）の、調整可能な（tunable）、細い線幅の発光を生成す
ることができる小型の発光源を必要とする。既存の半導体レーザのいくつか、例
えばＩｎＧａＡｓＰ型のＤＦＢレーザは、高出力および適正な波長のための要求
事項を満たすことができるが、高い動的単一モードの歩留まり（high dynamic s
ingle mode yield）は、実現することが困難である。従来技術のインデックスの
凹凸（index corrugation）を用いるインデックス結合（index coupling）ＤＦ
Ｂレーザは、低品位の単一モード性能をもたらす等しきい値利得（equal thresh
old gain）を有する２つの縦モードの存在における固有の問題を有する。例えば
それは、Ｈ．ＫｏｇｅｌｎｉｋおよびＣ．Ｖ．Ｓｈａｎｋによる論文「Coupled-
mode theory of distributed feedback lasers（J. Appl. Phys. , vol.43, no.
5, pp.2327-2355, 1972.）」に示される。複素結合ＤＦＢレーザでは、レーザ共
振器(lase cavity)に沿った従来技術のインデックスの凹凸があろうとなかろう
と周期的な光学的利得または損失の変調が、ＤＦＢレーザのストップバンド（st
op band）周辺の２つのブラッグモード（Bragg mode）間のモード縮退（mode de
generacy）を効果的に壊す。これにより従来技術のインデックス結合ＤＦＢレー
ザに対する深刻な固有の問題が避けられる。これは、Ｙ．Ｌｕｏ、Ｙ．Ｎａｋａ
ｏ、Ｋ．Ｔａｄａらによる発表「Purely gain-coupled distributed feedback s
emiconductor lasers (Appl. Phys. Lett. , vol. 56, pp. 1620-1622, 1990 )
」、およびＧ．Ｐ．Ｌｉ、Ｔ．Ｍａｋｉｎｏ、Ｒ．Ｍｏｏｒｅらによる発表「Pa
rtly gain-coupled 1.55um strained layer multi-quantum well DFB Laser (IE
EE J. Quantum Electronics, vol. QE-29, pp. 1736-1742, 1993.)」に示される
。ほんの小さな量の利得または損失結合の導入で、複素結合ＤＦＢレーザの動的
単一モードの歩留まりは、インデックス結合があるかどうかに関わらず急激に増
大する。それは、知られていないレーザ・ファセット位相（laser facet phase
）のランダムな分布に関わらず、ストップバンド周辺の当初の２つの劣化したも
のの間にある好ましい固定したブラッグモード上で、優勢なレージング（lasing
）を効果的に提供する。同相利得結合（in-phase gain coupled）ＤＦＢレーザ
においては、格子周期内の高インデックス領域（high index region）は、より
高い光学的モーダル利得（optical modal gain）を有し、主として右側のブラッ
グモード（right Bragg mode）をもたらして、レージング波長は、ブラッグ波長
より長くなる。理論と実験の両方がこの結論を確認した。逆位相損失結合（anti
-phase loss coupled）ＤＦＢレーザでは、格子周期内のより高いインデックス
領域は、より高い光学的損失を経験し、主として左側のブラッグモード（left B
ragg mode）のレージングをもたらして、レージング波長は、ブラッグ波長より
短くなる。

【０００３】ＤＦＢレーザにおける利得結合を実施するための有望なアプローチの一つは、
活性多重量子井戸領域（active multi quantum well region）に直接的にエッチ
ングを行って、共振器の方向に沿った効果的なモーダル利得の分布周期変調（di
stributed periodic modulation）を提供する格子を形成することである。例え
ば、これは、Ｊ．Ｈｏｎｇらの「Strongly gain-coupled coolerless(-40〜85℃
)DFB laser、(OECC’98, Chiba, Japan)」に示される。量子井戸が格子周期のあ
る部分内でエッチングされればされるほど、その部分の光学的利得および光の閉
じこめ（optical confinement）が高くなり、結果として有効モーダル利得が高
くなる。

【０００４】残念ながら、全ての種類の利得／損失結合ＤＦＢレーザは、ある程度インデッ
クス結合の存在の影響を被る。原則として、強利得結合（strong gain coupling
）も、強インデックス結合(strong index coupling)によって成し遂げられる。
例えば、レーザの活性化領域にエッチングされた格子構造を有するＤＦＢレーザ
において、ＱＷがエッチングされればされるほど、格子周期のエッチングされた
部分とエッチングされない部分との間の屈折率（index of refraction）のコン
トラストが高くなり、これによりインデックス結合が強くなる。強インデックス
結合は、多くのネガティブな効果の原因となる。第１に、レーザパワーを制限す
る共振器内の縦方向の空間的ホールバーニング（longitudinal spatial hole bu
rning）をもたらす。第２に、単一モードの歩留まりおよび利得／損失結合ＤＦ
Ｂレーザの特性を判断する重要なパラメータである利得対インデックス結合係数
の比率を減少させる。例えばこれは、Ｊ．Ｈｏｎｇらによる「Impact of random
facet phases on the modal properties of gain-coupled DFB lasers, (IEEE
Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, pp. 555-568, vol.3, n
o.2, 1997)」に示される。結果として、高い効率の単一モード動作は、実現する
のが困難である。

【０００５】たくさんのアプローチがＤＦＢレーザにおける強インデックス結合を無くす、
または低減するために使用されてきた。それらは以下のようなものである。

【０００６】１．少数のＱＷにエッチングする。例としては、Ｊ．Ｈｏｎｇらによる「Impa
ct of random facet phase on modal properties of partly gain-coupled DFB
lasers（J.Selected Topics on Quantum Electron., pp. 555-568 , vol.3 , no
.2 , April 1997）」に示される。

【０００７】２．上部の光閉じこめ層の厚さを減少する。例としては、Ｊ．Ｈｏｎｇらによ
る「Strongly gain-coupled coolerless DFB lasers (OECC’98, Chiba, Japan,
1998)」に示される。

【０００８】３．第１の再生材料（regrowth material）として４成分材料（quaternary ma
terial）を使用して、格子の２つの部分の間の屈折率の違いを補償する。

【０００９】４．短い共振器のＤＦＢレーザを使用する。

【００１０】各アプローチは、ＤＦＢレーザの性能にかなり影響を与える欠点を有する。第
１のアプローチにおいては、格子構造は、十分なモーダル利得の差を提供するこ
とができず、その結果、高い利得結合効果（high gain coupling effect）とな
る。第２のアプローチにおいては、光閉じこめ層の薄さおよび低い閉じこめ因子
（lower confinement factor）に起因して、レーザしきい値が増大し、レーザの
高温特性が犠牲になる。その一方で、インデックス結合は、部分的にしか減らさ
れない。第３のアプローチにおいては、材料のオーバー・グロース（over-growt
h）が制御困難である。結果として、格子をうまく規定して維持することができ
ず、レーザの信頼性を低下させる危険をまねく。第４のアプローチは、レーザ共
振器内部の低い温度放散（thermal dissipation）からの不利をまねく。これは
、高出力および／または高温動作のために受け入れられない。

【００１１】したがって、低減されたインデックス結合およびあらかじめ決められた単一モ
ード動作特性を提供するＤＦＢ半導体レーザの代替的な構造の開発のための工業
的な要求がある。

【００１２】発明の概要したがって、本発明は、先に述べた問題を回避しうる分布帰還複素結合半導体
レーザ、およびそのようなレーザの製造方法を提供する。

【００１３】したがって、本発明の一つの側面によれば、複素結合分布帰還半導体レーザが
提供される。そのレーザは、（ａ）基板、（ｂ）そこに形成される活性領域、（
ｃ）基板上に形成された高次の複素結合格子であって、共振器長方向に沿った溝
を有し、活性領域における利得／損失変調を提供する格子、および（ｄ）活性領
域をポンピングするための励起手段、を含む。溝の形状、格子の次数およびデュ
ーティサイクルは、あらかじめ決められた比率の利得／損失対インデックス結合
係数を提供するように規定される。

【００１４】このようにして、あらかじめ決められた比率の利得／損失対インデックス結合
を有する複素結合半導体レーザが提供される。レーザは、多重量子井戸構造を含
む活性領域を有することが有利である。格子は、活性領域に直接的に溝をつけら
れてエッチングすることによって形成される。ＤＦＢレーザは、利得結合格子を
含む利得結合レーザか、または損失結合格子を含む損失結合レーザのいずれかで
ある。格子の溝は、共振器長方向に沿ってエッチングされる。格子は、２次の均
一格子、またはチャープ格子であることが都合がよい。もう１つの方法として、
それは、３次格子または高次の格子であってよい。格子は、Ｖ形溝を有すること
が都合がよい。もう１つの方法として、溝は、長方形および台形の横断面を有し
てよい。理論は、特定の回折次数、デューティサイクル、および溝の形状からな
る格子に対するインデックス結合が、ある条件下で無くされることができること
を示す。実際には、それは、それが１次格子構造と比較して実質的に低減される
ことができることを意味し、結果として純利得／損失結合ＤＦＢレーザを実施す
ることが可能であることを意味する。たとえば２次ブラッグ格子に対してこれを
生じさせるためには、格子の溝は、０．５に等しいデューティサイクルを有する
長方形の横断面からならなければならない。すなわち、高および低屈折率を有す
る格子周期の部分は、共振器長方向に沿った長さに等しくなければならない。２
次および３次格子を含む他の既知の種類の高次格子は、先に記載されたＤＦＢレ
ーザにおいて使用されて、そのようなレーザにおけるインデックス結合を低減さ
せることもできる。

【００１５】レーザをポンピングするための励起手段は、レーザの活性領域への電流注入の
ために電気的接点を含む。もう１つの方法として、半導体レーザは、分布の反転
を生成する外部の光学的ポンピング源に結合することができてよい。電極は、レ
ーザの電流制限領域の上および基板の底部に形成されることが有利である。電流
制限領域は、好ましくはリッジ導波路または埋込ヘテロ構造である。

【００１６】対応する半導体材料の選択、並びに基板および電流制限リッジのためのドーピ
ングの種類によって、レーザは、ある波長範囲内で光を発生するように調整され
る。好ましくは、それらは、基板材料として利用されるIｎＰおよびＧａＡｓ合
金に対してそれぞれ１．３〜１．５６μｍおよび０．８〜０．９μｍである。

【００１７】さらに、レーザは、レージング・モード周辺のレーザ波長を調整するための手
段を含むことが有利である。

【００１８】本発明の別の側面によれば、あらかじめ決められた比率の利得対インデックス
結合を有する複素結合ＤＦＢ半導体レーザを生成する方法が提供される。その方
法は、基板に高次複素結合格子を形成するステップを含み、その格子は、共振器
長方向に沿った溝を有し、活性領域における利得／損失変調を提供する。溝の形
状、格子の次数およびデューティサイクルは、あらかじめ決められた比率の利得
／損失対インデックス結合係数を提供するように定められる。

【００１９】格子が活性領域に溝をエッチングすることによって形成されて、あらかじめ決
められた比率の利得／損失対インデックス結合がエッチングの深さによってさら
に定められることが有利である。

【００２０】本発明のさらに別の観点によれば、純利得／損失結合半導体ＤＦＢレーザを得
る方法が提供される。その方法は、レーザの活性領域に溝をエッチングすること
によって、高次複素結合格子を形成するステップを含む。格子の次数およびデュ
ーティサイクル、溝の形状、並びにエッチングの深さは、レーザ内のインデック
ス結合を実質的に無くすように定められる。

【００２１】このようにして、あらかじめ決められた比率の利得／損失対インデックス結合
係数を有する複素結合ＤＦＢ半導体レーザ、およびそのようなレーザを製造する
方法が提供される。

【００２２】本発明の実施形態の利点は、以下のようなものである。あらかじめ決められた
比率の利得対インデックス結合を提供することによって、有意なあらかじめ決め
られた特性（すなわち、効率、歩留まり、単一モード動作、およびサイドモード
抑圧比（ＳＭＳＲ））を有するＤＦＢレーザを製造することが可能になる。必要
に応じて、強インデックス結合（たとえば活性領域のＭＱＷに深くエッチングす
ることに関連して）は、実質的に低減されるか、または無くされることができる
。結果として、純利得結合ＤＦＢレーザが得られることができる。格子の周期が
大きいので高次レーザを製造することは、容易である。

【００２３】好ましい実施形態の詳細な説明構造本発明の第１の実施形態に従う分布帰還単一モード複素結合レーザ１０の模式
的断面図が図１に示される。素子１０は、第１の閉じこめ領域を提供する基板１
２、多重量子井戸構造１６およびそこに定められる２次格子構造（second order
grating structure）を含む活性領域１４、並びにオーバライング閉じこめ領域
（overlying confinement region）２０を含む。そこに形成されるレーザ素子の
励起のための手段は、基板への接点、電流制限リッジ（current confining ridg
e）２２、並びに素子構造に電流を注入するためにリッジ上および基板１２底面
のそれぞれに定められる接点電極（contact electrode）２４、２６を含む。レ
ーザの構造は、活性領域１４のＭＱＷに直接的にエッチングされ、あらかじめ決
められたパラメータを有する高次の格子（high order grating）を有する。これ
は、下で詳細に説明されるようなあらかじめ決められた比率の利得結合対インデ
ックス結合係数を有する。

【００２４】図２により詳細に構造を示す。これは、レーザ構造１０の斜め横断面を示す。
ＤＦＢ半導体レーザ素子１０は、III―Ｖ属の半導体材料から作られ、重Ｎドー
プＩｎＰ基板１２からなる。この上に、１．５μｍの厚さのＮドープＩｎＰバッ
ファ層３４が定められる。第１の分離閉じ込め領域３５がＮドープＩｎＧａＡｓ
Ｐの４つの閉じ込め層３６、３８、４０、および４２を含み、エネルギバンドギ
ャップが１．０μｍ、１．１μｍ、１．２μｍ、および１．３μｍの波長にそれ
ぞれ対応する。第１の分離した閉じ込め領域３５は、バッファ層３４上に提供さ
れる。各閉じ込め層の厚さは、２０ｎｍであり、１．０μｍの波長に対応する閉
じ込め層３６は、バッファ層３４に隣接する。活性領域１４は、閉じ込め領域３
５の上に横たわり、多重量子井戸（ＭＱＷ; multiple quantum well）構造１６
からなる。このＭＱＷは、いくつかのＮドープまたは非ドープＩｎＧａＡｓＰの
無ひずみ障壁（unstrained barrier）４６によって分離される４から８層の１％
圧縮ひずみ型Ｎドープまたは非ドープＩｎＧａＡｓＰ量子井戸４４を含み、それ
ぞれ５ｎｍの厚さである。バンドギャップは、１．２０μｍの波長に対応する。
それぞれの障壁は、１０ｎｍの厚さを有する。ＭＱＷ構造１６の合金組成および
層の厚さは、必要とされる波長でのレージングを与える特定のバンドギャップエ
ネルギを有するように仕立てられる。量子井戸の数の増加は、レーザ共振器の単
位長さ当りの高い利得を提供する。先に説明された量子井戸構造のバンドギャッ
プは、約１．５５μｍのレージング波長の素子を提供する。第２の分離閉じ込め
領域４７は、２つのＰドープＩｎＧａＡｓＰ閉じ込め層４８および５０を含み、
１．１μｍおよび１．２μｍの波長にそれぞれ対応するエネルギバンドギャップ
を有する。第２の分離閉じ込め領域４７は、ＭＱＷ活性領域の上部で成長する。
各層の厚さは、２０ｎｍの厚さである。

【００２５】格子構造１８は、共振器長方向に沿って活性領域１４に周期的に直接的にエッ
チングされた溝によって定められる。格子構造１８の溝が台形の横断面を持ち、
領域１４の量子井戸の総数の約５０％がエッチングされる。他の実験においては
、エッチングされるＱＷの部分は、レーザ性能の要求事項に依存して約３０％か
ら８０％まで様々であった。溝のピッチ（すなわち格子の周期）は、〜２００ｎ
ｍから〜２５０ｎｍまでの範囲にあるレージング波長のための２次格子を定める
ように選択される。高次の格子に対して、その周期は、１次格子の周期の倍数と
なり、ここで、その倍数の整数は、格子の次数に等しい。したがって、２次格子
に対して、格子の周期は、（２００〜２５０）ｎｍ×２＝（４００〜５００）ｎ
ｍに等しい。格子のデューティサイクルは、格子の周期１７の総長さに対する、
高い平均屈折率を有する周期部分１５の長さの比として定められ、０．２５に等
しい。したがってデューティサイクルの値は、常に０と１の間にある。

【００２６】ＰドープＩｎ層５２は、量子井戸のバンドギャップ波長より小さいバンドギャ
ップ波長を有し、溝を充填する。３ｎｍの厚さのＰドープＩｎＧａＡｓＰのエッ
チングストップ層５４は、底側でＰドープＩｎＰバッファ層５６、および上側で
次に形成されるＰ型ドープＩｎＰバッファ層５８によって囲まれる。バッファ層
は、それぞれに対応して１００ｎｍおよび２００ｎｍの厚さである。上部のＰ型
ＩｎＰの被覆層６０は、接触を増やすためにＩｎＧａＡｓの高ドープＰ型キャッ
ピング層６２によって続けられ、構造を完了する。それらは、それぞれに対応し
て１６００ｎｍおよび２００ｎｍの厚さを有する。レーザ波長を調整するために
、電流注入を制御可能に変化させ、レーザ温度を変えるための手段（図示せず）
が提供される。

【００２７】このようにしてレーザ１０の活性領域１４において利得を変調する高次格子１
８を有するＤＦＢ半導体レーザが提供される。

【００２８】先に述べたレーザ素子は、レーザ１０の活性領域１４のＭＱＷに直接的にエッ
チングすることによって形成される格子１８を有するが、レーザは、必要とされ
るパラメータを有して活性領域において利得／損失変調を提供する他のどのよう
な既知の種類の格子でも含むことができると考えられる。格子は、その近傍にお
ける活性領域の上または下のいずれかに形成されることができ、工業的に知られ
るどのような技術によっても作られることができる。

【００２９】先に述べたレーザ素子は、Ｎ型基板ウェーハ上に作られる。もう１つの方法と
して、相補的な構造がＰ型ウェーハ上に作られてもよい。

【００３０】先に述べたレーザ素子１０が製造される基板１２は、１．３〜１．５６μｍの
範囲内でレーザ光を発生することになるＩｎＰ材料から作られ、この材料の透過
性の窓（transparency window）に対応する。この実施形態の改良では、基板は
、ＧａＡｓ材料から作られてもよく、０．８〜０．９μｍの短波長範囲における
透過性の窓を有する。これは、この波長範囲で光を発生することになる。レージ
ング波長のより正確な計算は、活性領域および格子構造の特性にも依存する。

【００３１】第１の実施形態の格子構造１８は、台形の横断面、および０．２５に等しいデ
ューティサイクルを有する溝を持つが、代替的な実施形態においては、先に述べ
た格子構造は、他のどのような形状（例えば、長方形、三角形（Ｖ型））の溝、
および／または異なるデューティサイクルも有することができると考えられる。

【００３２】図３に示す第２の実施形態に従う半導体レーザ１００は、格子の次数およびデ
ューティサイクルを除いては、第１の実施形態のそれと同様のものである。第１
の実施形態における２次格子の代わりに、第２の実施形態は、１：３のデューテ
ィサイクルを有する３次格子を含む。すなわち高屈折率である格子周期１１５の
部分の長さは、全格子の周期１１７の１／３に等しい。溝は、先に述べたのと同
様のやり方で活性領域１１４にエッチングされる。３次格子の周期は、６００〜
７５０ｎｍの範囲内にあり、これは、１次格子の周期（またはそれに対応して選
択されるレージング波長）の３倍である。格子の溝の形状は、台形の横断面であ
り、ＱＷの総数の約５０％がエッチングされる（他の実験においては、エッチン
グされるＱＷの割合は、３０％から８０％まで様々である）。図１と簡単に比較
するために、図３に示す構造に対応する層を、同じ参照番号に１００を増分して
記載する。

【００３３】先に記載の実施形態の半導体レーザは、半導体ダイオード・レーザ構造である
。すなわち電流注入による活性領域の電気的励起のために接点２４および２６を
有する。図４に示すような第３の実施形態の半導体レーザ素子２００が、（たと
えば基板上の別の光源への適当な光学的結合で分布の反転（population inversi
on）を提供することによって）第１の実施形態に対応する電気的接点２４および
２６に置き換わる光学的なポンピング手段２３０で提供されることがあることも
考えられる。第３の実施形態に従うレーザ２００は、レーザの活性領域２１４の
ポンピングをするための励起手段２３０、および左側および右側のブラッグモー
ド（図示せず）周辺のレーザ波長をそれに対応して調整するための手段を有する
。それは、第１の分離閉じこめ領域を提供する基板２１２、ＭＱＷ構造２１６お
よびそこに定められる高次格子構造２１８を含む活性領域２１４、オーバライン
グ閉じこめ領域２２０、並びに閉じこめリッジ２２２を含む。格子構造２１８は
、第１の実施形態において説明されたような２次格子か、または第２の実施形態
において説明されたような３次格子構造を含んでよい。もう一つの方法として、
それは、適当なパラメータを有する任意の既知の種類の高次の格子を含んでもよ
く、その格子は、均一か、またはチャープ（chirped）である。

【００３４】先に述べた実施形態において、半導体レーザは、リッジ導波路レーザ素子（ri
dge waveguide laser device）である。代替的な実施形態における半導体レーザ
素子が、埋込ヘテロ構造（buried heterostructure）素子であってよいことも考
えられる。埋込ヘテロ構造レーザは、先に言及した高次の格子も含んでもよく、
その格子は、均一か、またはチャープである。

【００３５】動作動作原理は、第１の実施形態の複素結合ＤＦＢレーザ１０で実際に説明され、
以下のようなものである。

【００３６】複素結合ＤＦＢレーザの場合、レーザ効率は、インデックス結合の増大につれ
て減少する。これは、おもにＤＦＢレーザ共振器内部に存在する空間的ホールバ
ーニング（spatial hole burning）の効果が原因である。インデックス結合が高
くなればなるほど空間的ホールバーニングが大きくなり、結果としてレーザの外
部効率が低くなる。図５の曲線７０は、インデックス結合係数の関数として１次
格子を有するＤＦＢレーザの出力ファセット（output facet）の効率を示す。共
振器長と利得結合の積が、Ｋ_ｇＬ＝０．６に等しく、レーザが前および背面ファ
セットの両方からの２％の反射を有し、０のファセット位相（zero facet phase
）であると考える。図５から、インデックス結合が４〜６の大きさに達するとき
、ＡＲ／ＡＲコート型ＤＦＢレーザ（AR/AR coated DFB Laser）の効率が０．２
以下に落ちることがわかる（これは、エッチングされたいくつかのＱＷを有する
１次格子レーザに対して共通のことである）。それに対応して、レーザ性能は、
実質的に低下する。

【００３７】長方形の格子に対して、ｍ次のインデックス結合係数Ｋ_ｍが、１次インデック
ス結合係数Ｋ_１、およびブラッグ散乱次数（Bragg scattering order）ｍに関連
する倍数因子（multiple factor）によって定められることが証明されている。
これを下記の（数１）に示す。これは、「Coupling coefficient for distribut
ed feedback single- and double-heterostructure diode laser (IEEE J. of Q
uantum Electronics, vol. QE-11, No.11, pp. 867-873, 1975)」において、Ｗ
．Ｓｔｒｅｉｆｅｒ、Ｄ．Ｒ．Ｓｃｉｆｒｅｓ、およびＲ．Ｂｕｒｎｈａｍによ
って示された。（数１）において、Ｗは、図１、３、および４にそれぞれ対応す
る参照番号１５、１１５、および２１５によって指定される高い平均屈折率を有
する格子周期の部分を表し、Λは、図における参照番号１７、１１７、および２
１７によって指定される格子周期を表している。したがって、Ｗ／Λは、格子の
デューティサイクルである。

【００３８】

【数１】Ｋ_ｍ＝Ｋ_１＊ｓｉｎ（ｍπＷ／２Λ）／ｍ

【００３９】溝の任意の形状の格子およびデューティサイクルのために、工業的に知られるさ
まざまな計算方法を使用して計算がなされる。

【００４０】用語「複素結合係数（complex coupling coefficient）」（その実数および虚
数部としてインデックスおよび利得結合係数を含む）が、１次格子レーザに通常
関連することは、留意されることである。それは、レーザ共振器内の発光無しに
定められ、格子および材料の利得／損失変調のパラメータに依存する。この様に
して規定される結合係数は、レーザ構造に存在するインデックスおよび利得変調
によってのみ引き起こされるレーザ共振器内の前方と後方波との間の結合を記述
する。しかしながら、高次ＤＦＢレーザに存在する発光モードは、その波の間の
付加的な結合をもたらす。これは、通常複素数である。したがって高次の格子レ
ーザのための複素結合係数は、２種類の結合係数の合計によって規定されるべき
である。すなわち、その一つは、インデックスおよび利得変調によってもたらさ
れ、もう一つは、発光モードを通じた結合によってもたらされる。それらは、両
方とも複素数である。発光モードに起因する付加的な結合は、結果としてインデ
ックスおよび利得結合係数への対応する入力となり、この効果は、１次格子にお
けるインデックスおよび利得／損失結合と同様のものである。明細書全般を通じ
ての専門用語における統一性のために、用語「複素結合係数」、「インデックス
結合係数」および「利得／損失結合係数」が高次の格子に関して使用されるとき
は、発光モードによってもたらされる付加的な結合を考慮に入れる。

【００４１】ＤＦＢレーザにおける１次、２次、および３次の格子のための格子デューティ
サイクルの関数としてのインデックス結合係数の計算結果は（それぞれ対応する
曲線７２、７４、７６）、図６に示される。格子溝の形状は、長方形の横断面か
らなると考える。図６から、インデックス結合が、高次の格子構造を導入するこ
とによってかなり低減されることがわかる。デューティサイクルの現実的な範囲
内（０．１＜Ｗ／Λ＜０．９）では、インデックス結合は、２次および３次格子
（曲線７４、７６）と比較すると１次格子（曲線７２）の方がずっと高く、さら
にそれは、決して０にはならない。２次および３次の格子の使用は、インデック
ス結合を数回低下させ、特定の条件下で、理論的にそれを完全に無くすことがあ
る（図６においてインデックス結合が０に達するＡ、Ｂ、Ｃ点を参照）。実際の
用途に対する、長方形の横断面およびその他の限定要因からの格子形状のずれを
考慮に入れれば、それは、インデックス結合が実質的に低減することを意味する
。例えば（数１）および図６（曲線７４）からわかるように、０．５のデューテ
ィサイクルを有する２次格子の場合、インデックス結合係数は、偶次数のブラッ
グ散乱プロセスに対して０（点Ｂ）であり、奇次数のブラッグ散乱プロセスに対
してはブラッグ次数ｍに反比例する。長方形の格子構造を定められた井戸は、工
業的に広く知られるドライエッチング技術によって、うまく得られることできる
。結果として、インデックス結合は、効率的に低減されるか、または無くされる
ことができ、純利得結合ＤＦＢレーザ（purely gain coupled DFB laser）を容
易に製造することができる。

【００４２】図７は、長方形の横断面の溝を有する２次格子のための格子のデューティサイ
クルに対して計算されたインデックス結合係数の依存性を示す。曲線８０、８２
、８４、および８６は、それぞれ０、４００、８００、および１２００（１／ｃ
ｍ）に等しい活性領域内の材料利得に対応する。活性領域における利得が高くな
ればなるほど、レーザにおけるインデックス結合が低くなることがわかる。これ
は、高い材料利得を有する活性領域ＱＷへのキャリア注入（carrier injection
）によってもたらされる格子周期の２つの部分の間の減少した屈折率のコントラ
ストに起因する。図７から、高次のＤＦＢレーザにおいては、格子のデューティ
サイクルを変えることによって、活性領域における材料利得よりインデックス結
合を効果的に低減させることができることもわかる。

【００４３】図８は、長方形の横断面の溝を有する２次格子を有するＤＦＢレーザのための
利得結合係数に対するデューティサイクルの依存性を示す。曲線９０、９２、９
４、および９６は、それぞれ０、４００、８００、および１２００（１／ｃｍ）
に等しい活性領域における材料利得に対応する。十分な利得結合係数が存在する
ことがわかり、これは、１次ＤＦＢレーザにおける利得結合または損失結合の効
果と同様の増加した単一モードの歩留まりおよび改善されたＳＭＳＲを導く。図
７および図８から、利得対インデックス結合係数の比率が、デューティサイクル
および共振器に沿った材料利得変調の両方に依存することもわかる。したがって
、インデックス結合係数を低減し、高い利得対インデックス結合比（これは、Ｄ
ＦＢレーザのための重要なパラメータである）を得ることが可能である。利得対
インデックス結合比を高くすればするほど、レーザにおける単一モードの歩留ま
りおよびサイドモード抑圧比 (ＳＭＳＲ；side mode suppression ratio)が高く
なる。

【００４４】図９は、３次ＤＦＢレーザのための格子デューティサイクルに対してのインデ
ックス結合係数の依存性を図示している。格子が長方形の横断面の溝を有し、曲
線１５０、１５２、１５４、および１５６が、それぞれ０、４００、８００、お
よび１２００（１／ｃｍ）に等しい活性領域における材料利得に対応する。３次
格子ＤＦＢレーザに対する図９の結果は、２次格子ＤＦＢレーザに対しての図７
のそれと同様のものである。すなわち、活性領域における利得が高ければ高いほ
ど、レーザのインデックス結合が低くなる。

【００４５】図７と比較して、結合係数がその符合を変える、３次格子のためのデューティ
サイクルの２つの値（図９におけるＤおよびＦ点）が存在する。これは格子周期
に伴う２つの隣接する不連続点によってもたらされる部分的に反射された波の構
造的（constructive）および破壊的(destructive)干渉に主に起因する。格子の
次数が高くなればなるほど、デューティサイクルの増加と共に結合係数がその符
合を変える頻度も高くなる。３次格子の周期は大きく、このためインデックス結
合対利得結合係数の比率は、製造の観点から制御するのが容易となる。しかしな
がら重要な違いは、インデックス結合の大きさにある。３次格子は、２次格子Ｄ
ＦＢレーザにおけるそれと比較して、より小さな最大インデックス結合係数を示
す。

【００４６】図１０は、長方形の横断面の３次格子を有するＤＦＢレーザのためのデューテ
ィサイクルに対する利得結合係数の依存性を図示する。曲線１６０、１６２、１
６４、および１６６は、それぞれ０、４００、８００、および１２００（１／ｃ
ｍ）に等しい活性領域における材料利得に対応する。図１０の結果は、インデッ
クス結合係数のピークが３次格子レーザのために小さくなることを除いて、２次
格子のための図８のそれと等しい。結果として、インデックス結合係数に対する
利得のピーク比が高くなり、これは、より高い単一モードの歩留まりおよびＳＭ
ＳＲを得るために有益である。

【００４７】したがってＤＦＢレーザにおける高次格子の使用によって、インデックス結合
は、回折の特定の次数の格子、デューティサイクル、および溝の形状に対して実
質的に低減されるか、無くされることができる。結果として、あらかじめ決めら
れたインデックス結合対利得結合比が達せられ、これによりレーザは、高出力、
高温特性、および単一モード動作のために最適化されることができる。

【００４８】製造図１に示す第１の実施形態に従うＤＦＢ半導体レーザ１０の製造は、以下の４
つのステージにおいて進行する。１．基板および多重量子井戸構造の第１のエピタキシャル成長。２．格子構造のパターニング。３．オーバライング層の第２のエピタキシャル成長。４．レーザ製造の完了（例えばリッジ形成、接点）。

【００４９】用意された基板１２が商業的に利用可能なＣＶＤ成長漕にすばやく装填され、
第１の閉じこめ領域３５が成長させられ、その後に４つのＩｎＧａＡｓＰ層を含
むＩｎＰのバッファ層１４が成長させられる。７つのＰドープＩｎＧａＡｓＰ無
ひずみ障壁４６によって分離された８つの１％圧縮ひずみＰドープＩｎＧａＡｓ
Ｐ量子井戸４４を含む活性領域１４が成長させられる。

【００５０】次にウェーハは、成長漕から取り出され、活性領域１４にエッチングされた周
期的な溝による第２の格子構造１８を、フォトリソグラフィ的に形成するように
処理される。最初に、例えばＳｉＯ_２などの誘電体が、ウェーハの表面に成長さ
せられて溝のパターンが誘電体層に作られる。溝は、反応性イオンエッチングま
たは湿式化学エッチング工程を使用してエッチングされる。それから残りの誘電
体が取り除かれる。既知の結晶成長技術（例えば金属酸化ＣＶＤ（metal oxide
chemical vapor deposition））を使用して、ＩｎＰ層５２は、溝に成長させら
れる。ＩｎＧａＡｓＰのエッチングストップ（etch stop）層５４は、ＩｎＰの
２つのバッファ層５６と５８との間で成長し、ＩｎＰの被覆層６０およびＩｎＧ
ａＡｓのキャッピング層６２がこれに続き、構造が完成する。次にレーザの製造
は、標準的な工程を使用して完了する。例えば、格子構造１８の溝に垂直な長方
形リッジ導波路２２を形成するために、リッジマスク（ridge mask）が基板に提
供され、リッジがキャッピング層６２および被覆層６０を通ってエッチングされ
ることによって形成される、リッジは、２μｍの公称幅である。上部電極２４は
、メタライゼーション（metalization）ステップにおいて使用されるマスクによ
って定められ、リフト・オフ（lift-off）工程において作られる。複合複素結合
ＤＦＢレーザ（composite complex coupled DFB laser）の前方ファセットはＡ
Ｒコート（無反射コート）される。後方ファセットは、大きなストップバンド幅
を持つＤＦＢレーザのためにＡＲコートされるか、劈開されたままでもよい。さ
もなければ小さなストップバンド幅を有する効率的なＤＦＢレーザのためにＨＲ
コート（高反射コート）されてもよい。もう一つの方法として、第２の再成長の
後で、電流制限領域が活性領域上に形成されるときに埋込ヘテロ構造が成長され
てもよい。様々な次数の格子を含む先に説明されたレーザ素子の実施形態のため
に、湿式エッチング工程の代替えとして、電子ビーム（electron beam ; ＥＢ）
リソグラフィによって、またはウェーハ上にＥＢで直接書くことによって生成さ
れるフェーズマスク（phase mask）が使用されてもよい。格子構造は、ホログラ
フィック露光技術（holographic exposure technique）によって活性領域に隣接
する層に形成されてもよい。

【００５１】このように、ここに開示された構造は、２つのステップの有機金属ＣＶＤ成長
（metal organic chemical vapor deposition growth）およびリッジ導波路処理
ステップ（ridge waveguide processing step）によって作られ、十分に低減さ
れたインデックス結合、およびあらかじめ決められた利得対インデックス結合比
を提供する。その一方で、複素結合ＤＦＢレーザに固有の優れた動的単一モード
動作を維持する。

【００５２】したがって本発明の特定の実施形態が上記に詳細に説明される一方で、この形
態の多くの変形および改良が請求項に述べる発明の範囲内にあることは正当に評
価されることである

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の第１の実施形態にしたがうＤＦＢレーザの模式的断
面図である。

【図２】図２は、本発明の第１の実施形態にしたがうＤＦＢレーザの詳細な断
面図である。

【図３】図３は、本発明の第２の実施形態にしたがうＤＦＢレーザの模式的断
面図である。

【図４】図４は、本発明の第３の実施形態にしたがうＤＦＢレーザの模式的断
面図である。

【図５】図５は、ＤＦＢレーザにおけるインデックス結合係数の関数としての
出力レーザ効率の依存性を図示する。

【図６】図６は、ＤＦＢレーザにおける１次、２次、３次格子に対する格子の
デューティサイクルの関数としてのインデックス結合係数の依存性を図示する。

【図７】図７は、２次ＤＦＢレーザのための格子のデューティサイクルに対し
てインデックス結合係数の依存性を図示する。

【図８】図８は、２次ＤＦＢレーザのためのデューティサイクルに対して利得
結合係数の依存性を図示する。

【図９】図９は、３次ＤＦＢレーザのための格子のデューティサイクルに対し
てインデックス結合係数の依存性を図示する。

【図１０】図１０は、３次ＤＦＢレーザのためのデューティサイクルに対して
利得結合係数の依存性を図示する。

【符号の説明】

１０単一モード複素結合レーザ１２基板１４活性領域１６多重量子井戸構造１８格子構造２０オーバライング閉じこめ領域２２電流制限リッジ２４接点電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マキノ・トシヒコアメリカ合衆国95120カリフォルニア州サンノゼ、ハールストーン・レーン 956 Ｆターム(参考） 5F073 AA13 AA22 AA64 AA74 AA83 CA12 DA05 DA21 DA35 【要約の続き】び純利得／損失結合半導体ＤＦＢレーザを得る方法も提供される

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複素結合分布帰還半導体レーザであって、該半導体レーザが、（ａ）基板と、（ｂ）そこに形成された活性領域と、（ｃ）基板上に形成された高次複素結合格子であって、共振器長の方向に沿っ
た溝を有し、活性領域において利得／損失変調を提供する該格子と、（ｄ）活性領域をポンピングするための励起手段と、を含み、溝の形状、次数、および格子のデューティサイクルが、あらかじめ決められた
比率の利得／損失対インデックス結合係数を提供するように定められる前記半導
体レーザ。
【請求項２】活性領域が多重量子井戸構造を含む請求項１に記載のレーザ。
【請求項３】活性領域に溝をエッチングすることによって形成される格子を
有する請求項２に記載のレーザであって、あらかじめ決められた比率の利得／損
失対インデックス結合が、エッチングの深さによってさらに定められる該レーザ
。
【請求項４】レーザが利得結合格子を含む利得結合レーザである請求項１に
記載のレーザ。
【請求項５】レーザが損失結合格子を含む損失結合レーザである請求項１に
記載のレーザ。
【請求項６】格子が２次格子である請求項１に記載のレーザ。
【請求項７】格子が３次格子である請求項１に記載のレーザ。
【請求項８】格子が均一格子およびチャープ格子のうちの１つである請求項
１に記載のレーザ。
【請求項９】溝がＶ形状である請求項１に記載のレーザ。
【請求項１０】溝が長方形および台形の横断面の形状のうちの１つを有する
請求項１に記載のレーザ。
【請求項１１】活性領域をポンピングするための手段が、活性領域への電流
注入のために電気的接点を含む請求項１に記載のレーザ。
【請求項１２】電流制限領域が活性領域上に形成される請求項１に記載のレ
ーザ。
【請求項１３】電流制限領域がリッジ導波路である請求項１２に記載のレー
ザ。
【請求項１４】電流制限領域が埋込ヘテロ構造である請求項１２に記載のレ
ーザ。
【請求項１５】活性領域をポンピングするための手段が外部の光学的ポンピ
ング源を含む請求項１に記載のレーザ。
【請求項１６】基板がＰ型であり、リッジがＮ型である請求項１３に記載の
レーザ。
【請求項１７】基板がＮ型であり、リッジがＰ型である請求項１３に記載の
レーザ。
【請求項１８】基板がＩｎＰである請求項１３のレーザ。
【請求項１９】１．３〜１．５６μｍの波長範囲で光を発生することができ
る請求項１８に記載のレーザ。
【請求項２０】基板がＧａＡｓである請求項１３に記載のレーザ。
【請求項２１】０．８〜０．９μｍの波長範囲で光を発生することができる
請求項２０に記載のレーザ。
【請求項２２】レージング・モードの周辺でレーザ波長を調整するための手
段をさらに含む請求項１に記載のレーザ。
【請求項２３】２次格子が、高い屈折率の部分および低い屈折率の部分を含
み、該部分が、長方形の横断面を有し、共振器長方向に沿った長さに等しい請求
項６に記載のレーザ。
【請求項２４】あらかじめ決められた比率の利得対インデックス結合を有す
る複素結合ＤＦＢ半導体レーザを製造する方法であって、該方法が、基板に高次
複素結合格子を形成するステップを含み、格子が、共振器長方向に沿った溝を有
し、活性領域において利得／損失変調を提供し、溝の形状、次数、および格子の
デューティサイクルが、あらかじめ決められた比率の利得／損失対インデックス
結合係数を提供するように定められる該半導体レーザを製造する方法。
【請求項２５】格子が活性領域に溝をエッチングすることによって形成され
、あらかじめ決められた比率の利得／損失対インデックス結合がエッチングの深
さによってさらに定められる請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】純利得／損失結合半導体ＤＦＢレーザを得るための方法であ
って、該方法がレーザの活性領域に溝をエッチングすることによって高次複素結
合格子を形成するステップを含み、格子の次数およびデューティサイクル、溝の
形状、並びにエッチング深さが、実質的にレーザ内のインデックス結合を無くす
ように定められる該半導体ＤＦＢレーザを得るための方法。