JP2012151141A - 半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の回折格子11を有する活性領域1と、第2の回折格子12を有する分布反射鏡領域2とを備え、第2の回折格子12は、第1の回折格子11から伝搬する光の波長に応じて光路を変更する第1の部分12Aと、第1の部分12Aから入射される光の波長に整合した格子周期を有する、例えば円弧形状の各格子を持つ第2の部分12Bとを有する。
【選択図】図1
Description
このように、閾値近傍、及び注入電流を増加してゆくと、マルチモード発振又はモード跳びが生じることが確認された。
閾値近傍におけるモード跳びの原因について調べた結果を図31に示す。図31では、(a)が注入電流のない場合、(b)が発振閾値の場合の発振強度をそれぞれ示す。
注入電流を増加してゆくと発生するモード跳びの原因ついて調べた結果を図32に示す。図32では、(a)が発振しきいの場合、(b)が注入電流を増加させた場合の発振強度をそれぞれ示す。
活性領域への電子の注入に伴うプラズマ効果のために、活性領域の屈折率が低下し活性領域のブラッグ波長は短波側にシフトする。このとき、分布反射領域には電流が注入されないため、反射波長帯域は変化せず、ブラッグ波長が分布反射鏡の有効反射帯域から外れる。その結果、ブラッグモードの発振閾値が増大し、その一方で活性領域のストップバンドの長波側のモードが分布反射鏡の有効反射帯域に侵入して発振閾値が低下し、マルチモード発振が生じる。
活性領域への電流注入に伴って、活性領域の温度が上昇する。そのため、活性領域のブラッグ波長は長波側にシフトするが、分布反射領域には電流が注入されないので反射波長帯域は変化せず、ブラッグ波長が分布反射鏡の有効反射帯域から外れる。その結果、ブラッグモードの発振閾値が増大し、その一方で活性領域のストップバンドの短波側のモードが分布反射鏡の有効反射帯域に侵入して発振閾値が低下し、マルチモード発振が生じる。
[半導体レーザの構成]
図1は、第1の実施形態による半導体レーザの概略構成を示す模式図である。
本実施形態による半導体レーザは、第1の回折格子11を有する活性領域(DFB領域)1と、第2の回折格子12を有する分布反射鏡領域2とを有して構成される。
第2の回折格子12は、第1の回折格子11の一端と並んで配置される第1の部分12Aと、第1の部分12Aから所定角度で分岐する第2の部分12Bとを有して構成される。
第1の部分12Aは、第1の回折格子11から伝搬する光の波長に応じて光路を変更するものであり、各格子12Aaが第1の回折格子11における光路に対して斜め方向に格子周期ΛDBR1で並列して構成される。
この場合、活性領域1の温度上昇に伴うブラッグモードの長波ドリフト(ブラッグ波長λ2)が生じても、ブラッグモードが常に最適な共鳴周期を有する分布反射領域2に導かれる。そのため、マルチモード発振及びモード跳びが抑制され、安定で良好な単一縦モード発振を維持することができる。
活性領域1の波長ドリフトがない状態でのDFB波長λDFB=1310nm、活性領域1の等価屈折率nDFB=3.275のとき、格子周期ΛDFBは、
ΛDFB=λDFB/2nDFB
より、ΛDFB=200nmとなる。
θin=90°−θDBR1=60°
となる。第1の部分12Aの格子周期ΛDBR1=2517nm、等価屈折率nDBR1=3.275とすると、第1の部分12Aに波長λDFBの光が入射したときの回折角をθoutとすると、
nDBR1・ΛDBR1(sinθin+sinθout)=λDFB
なる関係より、
θout=sin-1[(λDFB/nDBR1・ΛDBR1)−sinθin]
であるから、値を代入することでθout=−45°となる。
nDBR1・ΛDBR1(sinθin+sinθout)=λDFB=2nDBR2・ΛDBR2
であるから、
ΛDBR2=nDBR1・ΛDBR1(sinθin+sinθout)/2nDBR2
となる。
φ=−5°→θout=−50°→ΛDBR2≒126nm
φ=−0°→θout=−45°→ΛDBR2≒200nm
φ=+5°→θout=−40°→ΛDBR2≒280nm
となる。
図4は、上記のように算出された各値を、図1の半導体レーザに付した模式図である。
以下、上記した半導体レーザの具体的な製造方法について説明する。
図5〜図15は、第1の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
n型不純物、例えば錫(Sn)をドープしたn型InP基板101上に、電子ビームレジスト(例えば、日本ゼオン社製の製品名ZEP520)を塗布し、電子ビーム露光法により電子ビームレジストを加工する。レジストマスク102は、レジストパターン102a〜102cからなる。
レジストマスク102を用いて、エタン/水素混合ガスによるリアクティブ・イオン・エッチング(RIE)により、n型InP基板101の表面にレジストパターン102a〜102cを転写する。このときのエッチング深さは100nm程度である。
レジストマスク102は、灰化処理等によりn型InP基板101上から除去される。
n型不純物、例えばシリコン(Si)をドープしたGaInAsPを、有機金属気相成長法(MOVPE法)により、n型InP基板101上に組成波長1.20μm程度、厚み120nm程度に成長する。これにより、ガイド層103が形成される。
n型InP層104は、n型不純物、例えばSiをドープしたInPを厚み20nm程度に成長することで形成される。
量子井戸活性層105は、厚み6nm程度、圧縮歪量1.2%程度のアンドープAlGaInAsの量子井戸層、及び組成波長1.05μm程度、厚み10nm程度のアンドープAlGaInAsのバリア層で構成される。量子井戸層の層数は15層であり、その発光波長は1310nm程度である。また、これら量子井戸/バリア層は波長1.05μm程度、厚み20nm程度のアンドープAlGaInAs・SCH層で挟まれている。
クラッド層106は、p型不純物、例えば亜鉛(Zn)をドープしたInPを厚み250nm程度に成長することで形成される。
クラッド層106上を覆うように、通常の化学気相堆積法(CVD法)により、シリコン酸化膜を厚み400nm程度に堆積する。このシリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、活性領域となる部分を覆うようにシリコン酸化膜を残す。これにより、活性領域となる部分を覆うエッチングマスク107が形成される。
エッチングマスク107を用いて、クラッド層106及び量子井戸活性層105をエッチングする。これにより、活性領域となる部分以外の部分でn型InP層104の表面が露出する。
MOVPE法により、組成波長1.15μmで厚み250nm程度のアンドープAlGaInAs層108、及び厚み250nm程度のアンドープInP層109を順次選択成長する。この選択成長では、エッチングマスク107上にはアンドープAlGaInAs層108及びアンドープInP層109は成長しない。エッチングによって除去された活性領域となる部分以外の部分にのみ、アンドープAlGaInAs層108及びアンドープInP層109が形成される。
エッチングマスク107は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
MOVPE法により、全面に、p型不純物、例えばZnをドープしたp型InPを厚み2μm程度に成長し、クラッド層110を形成する。引き続き、Znをドープしたp型GaInAsを厚み300nm程度に成長し、コンタクト層111を形成する。
CVD法により、全面に、シリコン酸化膜を厚み400nm程度に堆積し、シリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、エッチングマスク112を形成する。
エッチングマスク112を用いて、n型InP基板101を0.7μm程度掘り込んだ深さまで、コンタクト層111からn型InP基板101の表層までドライエッチングし、メサ形状に加工する。
MOVPE法により、メサ形状部分の側面に、Feをドープした半絶縁性InPを成長する。これにより、メサ形状部分をその側面で埋め込む電流狭窄層113が形成される。
エッチングマスク112は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
コンタクト層111の活性領域となる部分以外の部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。CVD法により、全面に、シリコン酸化膜を堆積してパッシベーション膜114を形成する。パッシベーション膜114の活性領域となる部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。しかる後、上面及び下面にp型電極115n型及び電極116を形成し、両端面に無反射コート117,118を形成する。以上のように共振器構造が形成され、半導体レーザが作製される。
本実施形態による半導体レーザは、第1の実施形態による半導体レーザと類似の構成を有するが、第2の回折格子の第1の部分が異なる点で第1の実施形態と相違する。なお、第1の実施形態による半導体レーザの構成部材等と同一のものについては同符号を付する。
図16は、第2の実施形態による半導体レーザの概略構成を示す模式図である。
本実施形態による半導体レーザは、第1の回折格子11を有する活性領域(DFB領域)1と、第2の回折格子21を有する分布反射鏡領域20と、第3の回折格子31を有する他の分布反射鏡領域30とを有して構成される。
第1の部分21Aは、第1の回折格子11から伝搬する光の波長に応じて光路を変更するものであり、各格子21Aaが格子周期ΛDBR1で並列して構成される。
第2の部分21Bは、第1の部分21Aに対して凹状に湾曲した円弧形状の各格子21Baが、第1の部分21Aから入射される光の波長に整合した格子周期P1〜P2となるように並列して構成される。第2の部分21Bでは、当該第2の部分21Bを通過した光を反射して、当該反射光を第1の部分21Aを通って第1の回折格子11に戻す。
活性領域1の波長ドリフトがない状態でのDFB波長λDFB=1550nm、活性領域1の等価屈折率nDFB=3.23のとき、格子周期ΛDFBは、
ΛDFB=λDFB/2nDFB
より、ΛDFB=240nmとなる。
θin=90°
となる。第1の部分21Aの格子周期ΛDBR1=960nm、等価屈折率nDBR1=3.3とすると、第1の部分21Aに波長λDFBの光が入射したときの回折角をθoutとすると、
nDBR1・ΛDBR1(sinθin+sinθout)=λDFB
なる関係より、
θout=sin-1[(λDFB/nDBR1・ΛDBR1)−sinθin]
であるから、値を代入することでθout=−30°となる。
nDBR1・ΛDBR1(sinθin+sinθout)=λDFB=2nDBR2・ΛDBR2
であるから、
ΛDBR2=nDBR1・ΛDBR1(sinθin+sinθout)/2nDBR2
となる。
φ=−5°→θout=−35°→ΛDBR2≒205nm
φ=−0°→θout=−30°→ΛDBR2≒240nm
φ=+5°→θout=−25°→ΛDBR2≒277nm
となる。
図18は、上記のように算出された各値を、図16の半導体レーザに付した模式図である。
以下、上記した半導体レーザの具体的な製造方法について説明する。
図19〜図29は、第2の実施形態による半導体レーザの製造方法を工程順に示す概略斜視図である。
n型不純物、例えば硫黄(S)をドープしたn型InP基板201上に、電子ビームレジスト(例えば、日本ゼオン社製の製品名ZEP520)を塗布し、電子ビーム露光法により電子ビームレジストを加工する。レジストマスク202は、レジストパターン202a,202bからなる。
レジストマスク102を用いて、エタン/水素混合ガスによるRIEにより、n型InP基板201の表面にレジストパターン202a,202bを転写する。このときのエッチング深さは100nm程度である。
レジストマスク202は、灰化処理等によりn型InP基板201上から除去される。
n型不純物、例えばSiをドープしたGaInAsPを、MOVPE法により、n型InP基板201上に組成波長1.25μm程度、厚み120nm程度に成長する。これにより、ガイド層203が形成される。
n型InP層204は、n型不純物、例えばSiをドープしたInPを厚み20nm程度に成長することで形成される。
量子井戸活性層205は、厚み5.1nm程度、圧縮歪量1.2%程度のアンドープAlGaInAsの量子井戸層、及び組成波長1.20μm程度、厚み10nm程度のアンドープAlGaInAsのバリア層で構成される。量子井戸層の層数は15層であり、その発光波長は1550nm程度である。また、これら量子井戸/バリア層は波長1.15μm程度、厚み20nm程度のアンドープAlGaInAs・SCH層で挟まれている。
クラッド層206は、p型不純物、例えばZnをドープしたInPを厚み250nm程度に成長することで形成される。
クラッド層206上を覆うように、CVD法により、シリコン酸化膜を厚み400nm程度に堆積する。このシリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、活性領域となる部分を覆うようにシリコン酸化膜を残す。これにより、活性領域となる部分を覆うエッチングマスク207が形成される。
エッチングマスク207を用いて、クラッド層206及び量子井戸活性層205をエッチングする。これにより、活性領域となる部分以外の部分でn型InP層204の表面が露出する。
MOVPE法により、組成波長1.35μmで厚み230nm程度のアンドープAlGaInAs層208、及び厚み250nm程度のアンドープInP層209を順次選択成長する。この選択成長では、エッチングマスク207上にはアンドープAlGaInAs層208及びアンドープInP層209は成長しない。エッチングによって除去された活性領域となる部分以外の部分にのみ、アンドープAlGaInAs層208及びアンドープInP層209が形成される。
エッチングマスク207は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
MOVPE法により、全面に、p型不純物、例えばZnをドープしたp型InPを厚み2μm程度に成長し、クラッド層210を形成する。引き続き、Znをドープしたp型GaInAsを厚み300nm程度に成長し、コンタクト層211を形成する。
CVD法により、全面に、シリコン酸化膜を厚み400nm程度に堆積し、シリコン酸化膜をリソグラフィー及びドライエッチングで加工して、エッチングマスク212を形成する。エッチングマスク212は、分布反射鏡領域の第2の回折格子の第1の部分(図16における分布反射鏡領域20の第2の回折格子21の第1の部分21Aに相当する。)を形成する目的も有するマスクである。エッチングマスク212で形成する第1の部分は、格子周期が960nm程度の回折格子である。
エッチングマスク212を用いて、n型InP基板201を0.7μm程度掘り込んだ深さまで、コンタクト層211からn型InP基板201の表層までドライエッチングし、メサ形状に加工する。
MOVPE法により、メサ形状部分の側面に、Feをドープした半絶縁性InPを成長する。これにより、メサ形状部分をその側面で埋め込む電流狭窄層213が形成される。
エッチングマスク212は、フッ酸等を用いたウェットエッチング等により除去される。
コンタクト層211の活性領域となる部分以外の部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。CVD法により、全面に、シリコン酸化膜を堆積してパッシベーション膜214を形成する。パッシベーション膜214の活性領域となる部分のみを、リソグラフィー及びドライエッチングにより除去する。しかる後、上面及び下面にp型電極215n型及び電極216を形成し、両端面に無反射コート217,218を形成する。以上により、半導体レーザが形成される。
また、量子井戸層の発光波長は第1の実施形態では1310nm程度、第2の実施形態では1550nm程度としたが、それぞれ逆の波長帯としても良い。
また、量子井戸活性層105,205の代わりに、バルク型の半導体で構成されていても、同様の横高次モード抑制効果が得られる。
また、第1及び第2の実施形態では、n型InP基板101,201を用いたが、p型の導電性を有する基板を用いて、第1及び第2の実施形態の場合と逆の導電性で構成される構造を用いても、同様の効果が得られる。
また、第1及び第2の実施形態では、回折格子の構造として表面回折格子構造を例示したが、埋め込み型の回折格子の構造を適用しても良い。
また第1及び第2の実施形態では、活性領域1に対してn型InP基板101,201側に回折格子の構造を装荷しているが、n型InP基板101,201と反対側に回折格子の構造を装荷しても同様の効果が得られる。
また、第1及び第2の実施形態において、活性領域1と分布反射領域2,20,30との結合係数が同値としているが、素子設計によっては異なっても良い。
また、第1及び第2の実施形態において、回折格子の山谷比が50%の構造を示しているが、素子設計によっては異なる山谷比であっても良い。
第2の回折格子を有する分布反射鏡領域と
を含み、
前記第2の回折格子は、前記第1の回折格子から伝搬する光の波長に応じて光路を変更する第1の部分と、前記第1の部分から入射される光の波長に整合した格子周期を有する第2の部分とを備えることを特徴とする半導体レーザ。
前記第3の回折格子は、前記第1の回折格子の他端と並んで配置されることを特徴とする付記3に記載の半導体レーザ。
2 分布反射鏡領域
11 第1の回折格子
11A 位相シフト
11a,12Aa,12Ba 格子
12 第2の回折格子
12A 第1の部分
12B 第2の部分
101,201 n型InP基板
102,202 レジストマスク
102a〜102c,202a,202b レジストパターン
103,203 ガイド層
104,204 n型InP層
105,205 量子井戸活性層
106,206 クラッド層
107,112,207,212 エッチングマスク
108,208 アンドープAlGaInAs層
109,209 アンドープInP層
110,210 クラッド層
111,211 コンタクト層
113,213 電流狭窄層
114,214 パッシベーション膜
115,215 p型電極
116,216 n型電極
117,118,217,218 無反射コート
Claims (5)
- 第1の回折格子を有する活性領域と、
第2の回折格子を有する分布反射鏡領域と
を含み、
前記第2の回折格子は、前記第1の回折格子から伝搬する光の波長に応じて光路を変更する第1の部分と、前記第1の部分から入射される光の波長に整合した格子周期を有する第2の部分とを備えることを特徴とする半導体レーザ。 - 前記第2の部分は、自身を構成する各格子が円弧形状に形成さ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。
- 前記第1の部分は、前記第1の回折格子の一端と並んで配置されることを特徴とする請求項1又は2に記載の半導体レーザ。
- 前記第1の部分は、自身を構成する各格子が前記第1の回折格子における光路に対して斜め方向に配置されることを特徴とする請求項3に記載の半導体レーザ。
- 第3の回折格子を有する他の分布反射鏡領域を更に含み、
前記第3の回折格子は、前記第1の回折格子の他端と並んで配置されることを特徴とする請求項3に記載の半導体レーザ。
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