JP3527061B2 - 分布帰還型半導体レーザ - Google Patents

分布帰還型半導体レーザ

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JP3527061B2 JP13413597A JP13413597A JP3527061B2 JP 3527061 B2 JP3527061 B2 JP 3527061B2 JP 13413597 A JP13413597 A JP 13413597A JP 13413597 A JP13413597 A JP 13413597A JP 3527061 B2 JP3527061 B2 JP 3527061B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光応用計
測、ホログラム等の光源として用いられる分布帰還型半
導体レーザに関する。
【0002】
【従来の技術】分布帰還型半導体レーザでは、Bragg散
乱を生じさせるために、微細な回折格子を形成する必要
がある。従来は、活性層(光導波路を兼ねる)内に周期
構造を形成した構造の分布帰還型半導体レーザが案出さ
れているが、この構造では、活性層にダメージを与え内
部量子効率が減少する等の問題がある。このため、活性
層内に回折格子を形成するのではなく、活性層の上部に
形成されたクラッド層に回折格子を形成して、活性層に
おける共振器長手方向の実効屈折率を周期的に変化させ
ることによって回折格子を形成した構造のいわゆる屈折
率結合型の分布帰還型レーザが案出されている。
【0003】図4は、このタイプの分布帰還型半導体レ
ーザの構成を示す断面図である。図4に示された断面図
は、共振器の長手方向、つまりレーザ光が伝搬する方向
に沿った断面図である。図4に示された従来の分布帰還
型半導体レーザは、基板52の下面に電極層51が形成
されており、基板52の上には、第1クラッド層53、
活性層54、第2クラッド層55が積層され、第2クラ
ッド層55の上面全域にコンタクト層56が形成されて
いる。第2クラッド層55は第2のクラッド層の下層5
5Aと第2のクラッド層の上層55Bとからなり、下層
55Aと上層55Bとの間にエッチングストップ層50
が介挿されている。
【0004】更に、コンタクト層56の上には電流スト
ップ層57が形成されており、この電流ストップ層57
の中央には、図示を省略しているが所定幅寸法、例えば
2.5μmの絶縁層のストライプ溝が開口されている。
また、電流ストップ層57の上面および電流ストップ層
57のストライプ溝内のコンタクト層56の上面には電
極層58が形成されている。この半導体エピタキシャル
基板において、コンタクト層56から第2のクラッド層
の上層55Bにわたって複数の凹部60がそれぞれ一定
間隔をあけてストライプ溝方向に並設して形成されてい
る。隣接する凹部60の中間は凸部61となり、これら
凹部60と凸部61により、回折格子が形成されてい
る。また、上記各凹部60の各底部はエッチングストッ
プ層50に到達されてエッチングストップ層50で止め
られており、各凹部60の底部は均一な深さにされてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】このように表面に回折
格子を形成した分布帰還型レーザでは、回折格子の凹部
のストライプ溝方向幅と深さの比(アスペクト比)にレ
ーザ発振特性に影響を与える結合係数の大きさが依存す
る。そのため、凹部の幅と深さの比(アスペクト比)が
小さい場合、帰還に必要な結合係数の値が確保できず、
レーザの閾電流値が増大する問題を生ずる。本発明は、
上記事情に鑑みてなされたものであり、レーザ発振の閾
電流値の低減が図れる分布帰還型半導体レーザを提供す
ることを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明にかかる分布帰還
型半導体レーザは、半導体基板上に、第1のクラッド層
と、活性層と、第2のクラッド層と、コンタクト層と、
電流通路を成すストライプ溝を有する電流ストップ層
と、電極層とを順次積層し、上記電極層から上記第2ク
ラッド層にわたった複数の凹部をそれぞれ一定間隔あけ
て上記ストライプ溝方向に並設し、上記凹部の底面に金
属膜を設けたものである。凹部の底面に金属膜を形成す
ることにより、活性層近傍のクラッド層上に金属膜が存
在することになり、光(電界)は吸収されてロスが発生
する。この吸収は凹部のみで発生するため、ストライプ
溝方向、即ち共振器方向において吸収(利得の減少)が
周期的に発生する。このことにより、利得結合の効果が
発生する。なお、回折格子により周期的な屈折率変化が
生ずるため、屈折率結合の効果も存在する。したがっ
て、結合係数が増大し、レーザ発振に必要な閾電流値が
低減する。
【0007】また、本発明は、上記金属膜が光(電界)
を吸収する作用をもつことにより、アルミニウム、チタ
ン、ニッケルもしくはクロムまたはこれら2種以上から
なる合金のいずれかであることが好ましい。これら金属
のうちアルミニウムまたはチタンは、発振波長における
光の吸収率が大きいため、アルミニウムまたはチタンを
用いることが望ましい。
【0008】また、本発明は、上記金属膜の厚さが0.
05μmないし0.2μmであることが望ましい。金属
膜の厚さが0.05μmより小さいと、光(電界)を吸
収する作用が小さい。また、金属膜の厚さが0.2μm
を超えると、回折格子による周期的な屈折率変化が小さ
くなるため、屈折率結合の作用が小さくなり、結合係数
が低下する。
【0009】なお、上記半導体基板はInPからなり、コ
ンタクト層はInGaAsもしくはInGaAsPから構成されてい
ることが好ましい。第1及び第2のクラッド層は、例え
ばInP等の半導体からなる。第1及び第2のクラッド層
は、一方がp型半導体層なら、他方がn型半導体層であ
る。活性層は、レーザ動作を起こす媒質であり、例えば
InGaAsPの半導体からなる。
【0010】コンタクト層は、電極層と半導体層である
第2のクラッド層との接触層との接触抵抗を減少させる
ためのものであり、例えばInGaAs等の半導体からなる。
このコンタクト層は、その下方にある第2のクラッド層
の半導体のn型、p型に対応してn型又はp型となる。
【0011】電流ストップ層は、Au等からなる電極層に
加えられた電流をストライプ溝を通してコンタクト層に
流す役割を持ち、例えばSiO2からなる。複数の凹部
のそれぞれの深さは最大1μmとする。これら凹部の数
は、共振器長が大略250〜400μmであり、グレー
ティング周期を0.2〜0.3μmとした場合、830
〜2,000の範囲となる
【0012】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態について説明する。図1は本発明の一実施形態
による分布帰還型半導体レーザの上方斜視図であり、図
2は図1中a−a線の断面図であり、図3は図1中b−
b線の正断面図である。まず、図1、図2、及び図3を
参照してこの半導体レーザの全体的な構造について説明
する。
【0013】この半導体レーザは、長方状のn型のInP
の半導体基板12の下面に金などからなる共通電極層1
1が形成されている。基板12の上には、n型InPから
なる第1クラッド層13、InGaAsPからなる活性層1
4、p型InPの第2クラッド層15が積層され、クラッ
ド層15は下層15Aと上層15Bとからなり、上層1
5Aと下層15Bとの間にInGaAsまたはInGaAsPからな
るエッチングストップ層10が介挿されている。
【0014】コンタクト層16には、基板12の長手方
向に延びるストライプ溝19を形成するようSi02
らなる電流ストップ層17を形成している。電流ストッ
プ層17の上面及びストライプ溝19内のコンタクト層
16の上面には電極層18が形成されている。電極層1
8から電流を注入した場合、ストライプ溝19の幅寸法
内の活性層14において、レーザ発振が行われる。
【0015】コンタクト層16から第2のクラッド層1
5にわたった複数の凹部20がそれぞれ一定間隔をあけ
てストライプ溝19方向に並設して形成されている。隣
接する凹部20の中間は、凸部21となり、これら凹部
20と凸部21により、回折格子が形成されている。こ
の回折格子は、絶縁層のストライプ溝19が形成されて
いない部分で、かつ、活性層14の近傍に形成されるも
のであり、図1,2の形態では、絶縁層のストライプ溝
19の両側部に回折格子が2列に形成されている。な
お、本発明構造において回折格子が絶縁層のストライプ
溝19の一方の側部に1列のみ形成されていてもよいの
は勿論である。
【0016】また、凹部20の各底部はエッチングスト
ップ層10に到達されてエッチングストップ層10で止
められており、各凹部20の底部は均一な深さにされて
いる。例えば、凹部20の上部開放端と底部の面までの
長さは、約0.65μmである。なお、凹部20のスト
ライプ溝19方向の間隔及びその幅は、発振波長に応じ
て設計される。各凹部20の底面には、膜厚0.05な
いし0.2μmの金属膜22形成されている。
【0017】金属膜22は、アルミニウム、チタン、ニ
ッケルもしくはクロムまたはこれら2種以上からなる合
金のいずれかを、例えば真空蒸着によって形成される
が、凹部20を形成した後に、金属膜22を形成する工
程を単に付加するだけである。
【0018】次に、この半導体レーザの動作について説
明する。まず、この半導体レーザの電界分布について説
明する。電極層18に電流が流されると、電流は絶縁層
17に形成されたストライプ溝19のみからコンタクト
層16へ注入される。コンタクト層16へ注入された電
流は第2のクラッド層の上層15B、エッチングストッ
プ層10、及び第2のクラッド層の下層15Aを介して
活性層14へ注入される。
【0019】電流が活性層14へ注入されると、反転分
布が生じ、誘導放出光が放出される。放出された誘導放
出光の強度は、活性層14の内ストライプ溝19の下部
で強く、ガウス分布状に強度が弱くなる。誘導放出光は
活性層14内を伝搬するが、活性層14と第2のクラッ
ド層15及び第1のクラッド層13の屈折率差によって
垂直方向の閉じこめ率が高くなるため、電界分布は垂直
方向に潰れ、図1中の線b−bに沿った方向(以下、平
行方向と称する)に延びた楕円状になる。
【0020】なお、誘導放出光の電界は活性層14内の
みに存在する訳ではなく、第2のクラッド層15内や第
1のクラッド層内13内に“しみ出す”。従って、レー
ザ光は凹部20及び凸部21による屈折率の変化によっ
て屈折率結合型の結合係数を得るとともに、金属膜22
の有無による利得の変化によって利得結合型の結合係数
を得る。
【0021】金属膜22を設けない場合、つまり0μm
の場合、利得結合型の周期構造によって得られる結合係
数が0であるので結合係数の比は1である。このときの
総合結合係数の値は約25である。
【0022】金属膜22の膜厚が0.05μmとなる
と、結合係数の比が1.2程度となるが、この場合単一
の縦モードと他の縦モードとのSN比が30dB程度と
なり、発振縦モードのSN比の改善が図れることにな
る。また、このときの総合結合係数は、結合係数の比が
1.2であるため、約30となり、安定な単一の縦モー
ドを得ることができる。金属膜22の膜厚が厚くなるに
つれて結合係数の比が大きくなるが、膜厚が0.2μm
を超えると、前述したように利得結合の効果が飽和する
ため結合係数の比が飽和してしまい、膜厚を厚くしても
結合係数の比が余り増加しなくなる。
【0023】また、金属膜22の膜厚が0.2μmを超
えると、図1〜3中の電極層18と短絡してしまう場合
がある。この場合、金属膜22から電流が注入されるこ
とになり、絶縁層18を設けて活性層14に注入される
電流を狭搾した意味が全く無くなってしまう。また、金
属膜22から電流が注入されると、レーザ発振に必要な
電流値は、ストライプ溝19から注入される電流の値と
金属膜22から注入される電流の値との和であるので、
実質的にレーザ発振閾値が増加してしまうことになる。
【0024】さらに、活性層14の凹部20の下方に位
置する部位においてもレーザ発振が生じてしまい、出射
されるレーザ光の近視野像及び遠視野像を変えてしま
う。つまり、金属膜22から注入される電流は全て損失
となってしまうので、金属膜22の膜厚が0.2μm以
下である必要がある。金属膜22の膜厚が0.2μmで
ある場合、結合係数の比は約1.58となり結合係数が
40近くの値を得ることができ、安定な単一縦モードを
得ることができるとともに、レーザ発振閾値を低くする
ことができる。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ストライプ溝方向に並設した複数の凹部の各底面に金属
膜を設けたので、レーザ発振の閾電流値の低減を図るこ
とができるという効果がある。その結果、単一の縦モー
ドを効率よく得ることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施形態による分布帰還型半導体
レーザの上方斜視図である。
【図2】 図1中a−a線の断面図である。
【図3】 図1中b−b線の正断面図である。
【図4】 従来の分布帰還型半導体レーザの構成を示す
断面図である。
【符号の説明】 12 半導体基板 13 第1のクラッド層 14 活性層 15 第2のクラッド層 16 コンタクト層 17 電流ストップ層 18 電極層 19 ストライプ溝 20 凹部 21 凸部 22 金属膜

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に、第1のクラッド層と、
    活性層と、第2のクラッド層と、コンタクト層と、電流
    通路を成すストライプ溝を有する電流ストップ層と、電
    極層とを順次積層し、前記電極層から前記第2クラッド
    層にわたった複数の凹部をそれぞれ一定間隔あけて前記
    ストライプ溝方向に並設し、前記凹部の底面に金属膜を
    設けたことを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
  2. 【請求項2】 前記金属膜は、アルミニウム、チタン、
    ニッケルもしくはクロムまたはこれら2種以上からなる
    合金のいずれかであることを特徴とする請求項1記載の
    分布帰還型半導体レーザ。
  3. 【請求項3】 前記金属膜の厚さは、0.05μmない
    し0.2μm以下であることを特徴とする請求項1記載
    の分布帰還型半導体レーザ。
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