JP2011066175A

JP2011066175A - 半導体レーザ

Info

Publication number: JP2011066175A
Application number: JP2009215168A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Kamioka; 裕之上岡; Hiromi Ohashi; 弘美大橋; Mitsuru Sugo; 満須郷; Nobuhiko Nishiyama; 伸彦西山; Shigehisa Arai; 滋久荒井
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-03-31

Abstract

【課題】安定したシングルモード性を有し、高い出力を得ることができる半導体レーザを提供することにある。
【解決手段】ＩｎＰ基板２と、ＩｎＰ基板２上に設けられたＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層３とを有し、ＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層３の一部が除去されて分離溝１１が形成され、分離溝１１にＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層３のＭＱＷ２５と異なる材料１２が埋め込まれた。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体レーザに関し、特に高い出力を安定して得ることができる半導体レーザに関する。

半導体レーザは小型、高効率、高信頼性などの優れた特徴を有するため、光通信分野や光記録分野での光源として広く用いられており、最近では高出力の半導体レーザの開発が進められている。しかしながら、光出力の増大に伴い、半導体レーザの光強度の高い領域に光出力を不安定化させるホールバーニング現象が起こりやすくなることが知られている。例えば、ファブリ・ペロー共振器を有する半導体レーザ（以下、ＦＰレーザと称す）は基板結晶の劈開面をミラーとするレーザであり、共振器内部よりも端面近傍において光密度が高くなるという特性を有している。ＦＰレーザにおいては高出力を得るために光を取り出す面に低反射膜（以下、ＬＲと称す）を、もう一方の端面には高反射膜（以下、ＨＲと称す）を施した構造が一般的である。活性層内の光強度はＨＲ端面からＬＲ端面側に向かって指数関数的に増大する。ＨＲ端面からの距離ｚでの光強度Ｉ（ｚ）は、ＨＲ端面の光強度をＩ₀とし単位長さあたりの内部利得をｇとすると、Ｉ（ｚ）＝Ｉ₀ｅｘｐ（ｇ・ｚ）で表される。

また、活性領域に作製された回折格子によるブラッグ反射を利用した半導体レーザは分布帰還型半導体レーザ（以下、ＤＦＢレーザと称す）であり、共振器構造の全域に均一回折格子を有する均一回折格子ＤＦＢレーザと、共振器構造の一部にレーザとλ／４分の位相シフト領域を有するλ／４シフトＤＦＢレーザとに大別される。ＤＦＢレーザにおいても端面のコーティングの有無により異なるが、活性領域内に光強度の高い領域が存在する。

半導体レーザへの電流注入量の増加により半導体レーザを高出力状態にすると光の強度が最大になる領域でホールバーニング現象が発生しやすくなる。ホールバーニング現象とは、光強度が最大となる領域で誘導放出が顕著となるため、注入キャリアの再結合による消費が増大しキャリア濃度が相対的に減少するというキャリアの局部的な枯渇現象である。ホールバーニング現象が発生しキャリア密度が減少すると活性層のキャリアプラズマ効果が弱くなり、共振器内の屈折率分布に変化が生じレーザ発振が不安定となるため、横モードが不安定になったり、光出力−電流特性にキンクが発生したりする。また、ストライプの中心部は光強度が高く出射面での光出力強度分布は中心部を頂点とする単峰性であるが、ホールバーニングにより中心部が凹んだ形状となり、光ファイバや光デバイスとの結合損失が増大するなどの問題があった。

ホールバーニング現象を回避するため、例えば、ＦＰレーザでは端面の発射率を最適化する方法（例えば、特許文献１参照）、そしてＤＦＢレーザでは共振器方向に電極を分割し注入電流を制御する方法（例えば、特許文献２参照）や位相シフト領域の回折格子の溝の深さを浅くし結合係数Ｋを低下させる方法（例えば、特許文献３参照）が試みられている。いずれの場合も最適な設計が難しく、製作時の歩留まりや安定動作に問題が残っている。また、横モードを安定化するためストライプ幅を狭める方法（例えば、非特許文献１参照）が取られるが光出力は制限されるという問題がある。

特開平６−８５３８２号公報特開平６−２６８３１２号公報特開平２−１７２２８９号公報

末松安晴、伊賀健一著「光ファイバ通信入門（改訂3版）」、株式会社オーム社、平成８年９月２０日、ｐ．１１２

以上のように、シングル横モードの高出力半導体レーザは、共振方向に対して垂直方向（横方向）に、ストライプの中心にピークがある単峯性ガウシアン形状の光強度分布を持っている。しかしながら、高出力化に伴い、空間ホールバーニングと呼ばれる効果により、光の強い部分つまりストライプの中心部分の利得が減少し最終的には単峯性ガウシアン形状が崩れていくという問題がある。

従って、本発明は上述のような課題を解決するために為されたものであって、安定したシングルモード性を有し、高い出力を得ることができる半導体レーザを提供することを目的としている。

上述した課題を解決する第１の発明に係る半導体レーザは、
半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた活性層とを有し、
前記活性層の一部が除去されて溝が形成され、
前記溝に前記活性層の材料と異なる材料が埋め込まれた
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第２の発明に係る半導体レーザは、
第１の発明に係る半導体レーザであって、
前記溝に埋め込まれる材料が、前記活性層よりも屈折率が小さい材料である
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る半導体レーザは、
第１または第２の発明に係る半導体レーザであって、
前記溝が、前記活性層の一部が除去されない構造において光強度が強い領域にのみ形成される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第４の発明に係る半導体レーザは、
第３の発明に係る半導体レーザであって、
一方の端面に形成された無反射コーティング膜と、
他方の端面に形成された高反射コーティング膜とをさらに有し、
前記溝は、前記活性層の幅方向中央部に形成される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第５の発明に係る半導体レーザは、
第４の発明に係る半導体レーザであって、
前記溝が、前記無反射コーティング膜から前記高反射コーティング膜に亘って形成される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第６の発明に係る半導体レーザは、
第４の発明に係る半導体レーザであって、
前記溝が、前記無反射コーティング膜近傍に形成される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第７の発明に係る半導体レーザは、
第３の発明に係る半導体レーザであって、
前記活性層上に形成されたガイド層と、
前記ガイド層上に形成され、当該ガイド層の長さ方向に沿って溝の深さを周期的に変化させた回折格子とを有し、
前記回折格子の長さ方向中央部に位相シフトが設けられ、
前記溝が、前記位相シフトに対向する箇所に形成される
ことを特徴とする。

上述した課題を解決する第８の発明に係る半導体レーザは、
第７の発明に係る半導体レーザであって、
前記溝が、前記活性層の幅方向にて縞状に複数形成され、
前記溝内における前記活性層の幅方向の大きさは、端面から出力されるレーザ光の波長と同じである
ことを特徴とする。

本発明に係る半導体レーザによれば、安定したシングルモード性を有し高い出力を得ることができる。

本発明の第１の実施例に係る半導体レーザの一部切欠断面図である。半導体レーザの製造方法を説明するための図であって、図２（ａ）に活性層成長工程を示し、図２（ｂ）にエッチング工程を示し、図２（ｃ）に埋め込み工程を示し、図２（ｄ）にエッチング工程を示す。分離溝の他例を説明するための図である。ＦＰレーザに適用した分離溝の形状を説明するための図であって、図４（ａ）に三角柱体状の場合を示し、図４（ｂ）に直方体状の場合を示す。本発明の第２の実施例に係る半導体レーザの断面図である。半導体レーザの分離溝を説明するための図である。分離溝構造を説明するための図であって、図７（ａ）にその斜視を示し、図７（ｂ）に図７（ａ）における囲み線ｂの拡大を示す。

本発明に係る半導体レーザについて、各実施例にて具体的に説明する。

本実施例に係る半導体レーザについて、図１〜図４を参照して説明する。
半導体レーザ１は、図１に示すように、ＩｎＰ基板２と、ＩｎＰ基板２上に設けられたＳＣＨ（分離閉じ込めヘテロ構造）歪ＭＱＷ（多重量子井戸構造）活性層３と、ＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層３上に設けられたｐクラッド層４と、ｐクラッド層４上に設けられたｐコンタクト層５とを有する。

ｐコンタクト層５の上面にはｐ側電極６が設けられる。ＩｎＰ基板２の下面にはｎ側電極７が設けられる。半導体レーザ１の一方の端面には無反射（ＡＲ）コーティング膜８が設けられ、他方の端面には高反射（ＨＲ）コーティング膜９が設けられる。

そして、ＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層３には、その一部が除去されて分離溝領域１０が形成される。分離溝領域１０は、ＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層３、具体的には、後述するＭＱＷ２５の幅方向中央部分にて、ＡＲコーティング膜８側からＨＲコーティング膜９側に亘って形成された分離溝１１と、この分離溝１１に埋め込まれ、ＭＱＷ２５とは異なる材料１２とを有する（図２参照）。これにより、ＡＲコーティング膜８側からレーザ光Ｌ１が出力される。

ここで、上述した半導体レーザ１の作製方法について図２（ａ）〜（ｄ）を参照して説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板２上に有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ）法を用いてＳＣＨ層２４を成長させ、このＳＣＨ層２４上にＭＯＶＰＥ法を用いてＭＱＷ２５を成長させてＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層３が作製される。ＳＣＨ層２４はＭＱＷ層よりバンドギャップエネルギーが大きくクラッド層より屈折率の大きい材料であり、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどが挙げられる。ＭＱＷ２５としては、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどが挙げられる。

次に、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィとエッチングによりＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層３の一部、具体的には、ＭＱＷ２５（活性層）の幅方向中央部分にて、一方の端面部側から他方の端面部側に亘って、ＭＱＷ２５が取り除かれて、分離溝１１が形成される。

次に、図２（ｃ）に示すように、結晶成長によりＭＱＷ２５とは異なる材料１２が分離溝１１に埋め込まれる。分離溝１１に埋め込まれる材料１２としては、ＭＱＷ２５よりも屈折率が小さい材料が適しており、例えば、ＩｎＰが挙げられる。また、材料１２としてＳＣＨ層２４と同じ材料を用いることも可能である。このような材料１２を用いることで、キャリアの局部的な枯渇現象を抑制できる。

続いて、図２（ｄ）に示すように、エッチングにより材料１２がＭＱＷ２５の上面まで取り除かれる。

続いて、ｐクラッド層４、ｐコンタクト層５、ｐ側電極６、ｎ側電極７、ＡＲコーティング膜８、およびＨＲコーティング膜９が形成される。これらの形成は、従来の半導体レーザの作製方法と同様な方法で行われる。これにより、上述した構成の半導体レーザ１が得られる。

したがって、本実施例に係る半導体レーザによれば、ＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層３の一部が除去されて分離溝１１が形成され、この分離溝１１内にＭＱＷ２５とは異なる材料１２が埋め込まれることにより、ＭＱＷ２５内における光強度が高い部分が除去されることになる。これにより、キャリアの局部的な枯渇現象が無くなる。その結果、安定したシングルモード性を有する高い出力を得ることができる。

さらに、分離溝１１は、ＭＱＷ２５の一部を除去しない構造において光強度が強い領域にのみ形成されることにより、ＭＱＷ２５内にて光強度が最も高い領域が効果的に除去される。これにより、キャリアの局部的な枯渇現象が無くなり、安定したシングルモード性を有する高い出力を確実に得ることができる。

なお、上記では、分離溝１１をＭＱＷ２５と同じ厚みで設けた半導体レーザ１を用いて説明したが、図３に示すように、分離溝領域２０の分離溝２１がＳＣＨ層２４の一部を含む領域まで形成された半導体レーザとすることも可能である。

上記では、一方の端面からその他方の端面に亘って形成された分離溝１１を有する分離溝領域１０を用いて説明したが、分離溝の構造や数に制限があるわけではなく、光強度の高い領域に溝を形成する、あるいは光強度の高い領域の溝を相対的に広くすることも可能であり、光を出力する端面の幅方向中央部分を含む領域にのみ分離溝領域を形成することも可能である。例えば、図４（ａ）に示すように、レーザ光Ｌ３が出力される端面側の幅方向中央部分に三角柱体状の溝３１が形成され、この溝３１内にＭＱＷ２５とは異なる材料１２が埋め込まれた分離溝領域３０とすることも可能である。また、図４（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌ４が出力される端面側の幅方向中央部分に直方体状の溝４１が形成され、この溝４１内にＭＱＷ２５とは異なる材料１２が埋め込まれた分離溝領域４０とすることも可能である。これらのような分離溝領域３０，４０であっても、上述した分離溝領域１０と同様、ＭＱＷ２５内における光強度が最も高い部分が除去され、キャリアの局部的な枯渇現象が無くなる。その結果、安定したシングルモード性を有する高い出力を得ることができる。特に、ＦＰレーザに適用した場合には、光強度が最も高い領域が効果的に除去されることになる。これにより、キャリアの局部的な枯渇現象が無くなり、安定したシングルモード性を有する高い出力を確実に得ることができる。

本発明の第２の実施例に係る半導体レーザについて、図５、図６、図７（ａ）および図７（ｂ）を参照して説明する。本実施例では、ＤＦＢ半導体レーザに適用した場合について説明する。

本実施例に係る半導体レーザ１０１は、ＩｎＰ基板１０２と、ＩｎＰ基板１０２上に設けられたＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層１０３と、ＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層１０３上に設けられたＩｎＧａＡｓＰガイド層１２３とを有する。ガイド層１２３上には、ガイド層１２３の長さ方向に沿って溝の深さを周期的に変化させた回折格子１２１が形成される。回折格子１２１の長さ方向中央部に位相シフト１２２が形成される。回折格子１２１および位相シフト１２２上にｐコンタクト層１０５が設けられる。

ｐコンタクト層１０５の上面にはｐ側電極１０６が設けられる。ＩｎＰ基板１０２の下面にはｎ側電極１０７が設けられる。半導体レーザ１０１の両方の端面には無反射（ＡＲ）コーティング膜１０８がそれぞれ設けられる。これにより、一方のＡＲコーティング膜１０８側からレーザ光Ｌ５１が出力され、他方のＡＲコーティング膜１０８からレーザ光Ｌ５２が出力される。

ＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層１０３におけるＳＣＨ層１２４の材料はＭＱＷ層よりバンドギャップエネルギーが大きくクラッド層より屈折率の大きい材料であり、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰなどが挙げられる。ＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層１０３におけるＭＱＷ１２５の材料としては、例えば、ＩｎＧａＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰなどが挙げられる。

そして、ＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層１０３には、その一部が除去されて分離溝領域５０が形成される。分離溝領域５０は、位相シフト１２２に対向する箇所に形成された分離溝５１と、この分離溝５１に埋め込まれ、ＭＱＷ１２５とは異なる材料５２とを有する。分離溝５１に埋め込まれる材料５２としては、ＭＱＷ１２５よりも屈折率が小さい材料が好適であり、例えば、ＩｎＰが挙げられる。また、材料５２として、ＳＣＨ層１２４と同じ材料をとすることも可能である。このような材料５２を用いることで、キャリアの局部的な枯渇現象を抑制できる。

ここで、上述した半導体レーザ１０１の分離溝領域５０の作製方法（分離溝の作製方法）は実施例１と同様である。すなわち、ｎ−ＩｎＰ基板１０２上にＭＯＶＰＥ法を用いてＳＣＨ層１２４を成長させ、このＳＣＨ層１２４上にＭＯＶＰＥ法を用いてＭＱＷ１２５を成長させてＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層１０３が作製される。次に、フォトリソグラフィとエッチングによりＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層１０３の一部、具体的には、ＭＱＷ２５（活性層）の幅方向中央部分、且つ長さ方向中央部分にて、ＭＱＷ１２５が取り除かれて、分離溝５１が形成される。次に、結晶成長によりＭＱＷ１２５とは異なる材料５２が分離溝５１に埋め込まれた後、エッチングにより材料５２がＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層１０３の上面まで取り除かれる。続いて、ガイド層１２３が設けられた後にレジストが塗布され、電子ビーム描画装置で回折格子および位相シフトのマスクパターンが形成され、エッチングされて回折格子１２１および位相シフト１２２が形成される。回折格子１２１および位相シフト１２２上にクラッド層１０４、コンタクト層１０５が結晶成長される。続いて、ｐ側電極１０６、ｎ側電極１０７、ＡＲコーティング膜１０８が形成される。これらの形成は、従来の半導体レーザの作製方法と同様な方法で行われる。これにより、上述した構成の半導体レーザ１０１が得られる。

したがって、上述した半導体レーザ１０１によれば、第１の実施例に係る半導体レーザ１と同様、ＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層１０３の一部が除去されて分離溝５１が形成され、この分離溝５１内にＭＱＷ１２５とは異なる材料５２が埋め込まれることにより、ＭＱＷ１２５内における光強度が高い部分が除去されることになる。これにより、キャリアの局部的な枯渇現象が無くなる。その結果、安定したシングルモード性を有する高い出力を得ることができる。よって、両端をＡＲコートが施されたλ／４ＤＦＢレーザに適用した場合には、光強度が高くなる位相シフト領域に分離溝が形成されることになる。これにより、ホールバーニングの発生を効果的に防止することができる。

なお、上記では、直方体形状の分離溝５１を有する分離溝領域５０を用いて説明したが、ストライプ状に分離溝を設けた分離溝領域とすることも可能である。例えば、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、ＭＱＷ１２５（活性層）の幅方向にて縞状に複数の分離溝６１を設けた分離溝領域６０とすることも可能である。このように複数の分離溝６１を設ける場合には、ＭＱＷ１２５の幅Ｌａを端面から出力されるレーザの波長と同じ大きさとし、隣接するＭＱＷ１２５の間隔をＬｄとし、分離溝６１の幅をＬｃとする。ＭＱＷ１２５の幅Ｌａとしては、出力波長と同じ大きさにすることが望ましく、例えば、通信用の１．５５μｍ帯のレーザ光では、Ｌａを１．５μｍ程度とすることが望ましい。Ｌａが狭すぎると光出力が低くなり、逆にＬａが広すぎるとモードが不安定になってしまう。

さらに、図３に示すように、導波路方向（活性層の長さ方向）における両端面間に亘って設けられた分離溝としたり、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すような端面近傍にのみ設けられた分離溝としたりすることも可能である。分離溝の体積を好ましくは小さくした方が良い。これにより、高い光出力を得ることができる。

本発明に係る半導体レーザによれば、安定したシングルモード性を有し、高い出力を得ることができる。そのため、通信産業などで有益に利用できる。

１，１０１半導体レーザ
２，１０２ＩｎＰ基板
３，１０３ＳＣＨ歪ＭＱＷ活性層
４，１０４ｐクラッド層
５，１０５ｐコンタクト層
６，１０６ｐ側電極
７，１０７ｎ側電極
８，１０８ＡＲコーティング膜
９ＨＲコーティング膜
１０，２０，３０，４０，５０，６０分離溝領域
１１，２１，３１，４１，５１，６１分離溝
１２，５２材料
２４，１２４ＳＣＨ層
２５，１２５ＭＱＷ
１２１回折格子
１２２位相シフト
１２３ＩｎＧａＡｓＰガイド層

Claims

半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられた活性層とを有し、
前記活性層の一部が除去されて溝が形成され、
前記溝に前記活性層の材料と異なる材料が埋め込まれた
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１に記載の半導体レーザであって、
前記溝に埋め込まれる材料が、前記活性層よりも屈折率が小さい材料である
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項１または請求項２に記載の半導体レーザであって、
前記溝は、前記活性層の一部が除去されない構造において光強度が強い領域にのみ形成される
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項３に記載の半導体レーザであって、
一方の端面に形成された無反射コーティング膜と、
他方の端面に形成された高反射コーティング膜とをさらに有し、
前記溝は、前記活性層の幅方向中央部に形成される
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項４に記載の半導体レーザであって、
前記溝は、前記無反射コーティング膜から前記高反射コーティング膜に亘って形成される
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項４に記載の半導体レーザであって、
前記溝は、前記無反射コーティング膜近傍に形成される
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項３に記載の半導体レーザであって、
前記活性層上に形成されたガイド層と、
前記ガイド層上に形成され、当該ガイド層の長さ方向に沿って溝の深さを周期的に変化させた回折格子とを有し、
前記回折格子の長さ方向中央部に位相シフトが設けられ、
前記溝は、前記位相シフトに対向する箇所に形成される
ことを特徴とする半導体レーザ。
請求項７に記載の半導体レーザであって、
前記溝は、前記活性層の幅方向にて縞状に複数形成され、
前記溝内における前記活性層の幅方向の大きさは、端面から出力されるレーザ光の波長と同じである
ことを特徴とする半導体レーザ。