JPH04505687A - 分布帰還レーザ - Google Patents
分布帰還レーザInfo
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
分布帰還レーザ
〔技術分野〕
本発明は分布帰還レーザ(DFBレーザ)に関する。特にDFB半導体注入レー
ザに関するが、これに限定されるものではない。
DFBレーザは、従来からの7アブリベロー型のように共振ミラーを用いるので
はなく、レーザ媒体の屈折率およびまたは利得の周期的摂動による後方ブラッグ
散乱により、レーザ動作のために必要な光帰還を得ている。DFB構造には、フ
ァブリベロー構造に比較して、発振モードの周波数安定性に優れている利点があ
る。
半導体DFBレーザでは、一般に、周期的な摂動が回折格子によって与えられる
。回折格子は、通常は、その素子の活性層に隣接した半導体層に、その素子の光
軸に直交する歯または溝状の格子として形成される。典型的な回折格子はレーザ
の全長にわたり設けられるが、素子によっては、それより短い場合、すなわち回
折格子の終端が素子の終端から離れた位置にある場合もある。
ブラッグ効果に波長感度があるため、DFBレーザは高い波長選択性を示す。
DFBレーザのスペクトル線幅が狭いこ止は、光通信装置での使用に非常に適し
ていることを意味する。その理由の一つとして、狭線幅の光源を使用することに
より分散が制限さtz帯域幅の効果的な増加が可能であることがある。しかし、
残念ながらDFBレーザの光出力は、線幅が狭いものの完全に単色ではなく、通
常は二つ、ときには三つの縦モードが同時に発生し、主モードが最も高い出力強
度をもつ。主モードと付随モードとの間のパワー差が十分に大きければ、使用目
的によってはレーザの出力を単一モードとみなすこともできる。問題は、十分な
パワー差を得ることである。付随モードと主モードとのパワー比として、典型的
には4.0 d Bを達成することが目的きなっているが、より厳しい動作条件
、特に直接変調で使用する場合には、より大きいパワー比の実現が必要である。
ホースおよびシャンク著、IEEEジャーナル・オブ・クラオンタム・エレクト
ロニクス第QE12巻第9号第532頁から第539頁、1976年(flau
sand 5hank In IEEE JournaI of Quantu
m Electronics、Vow、口E12. No、9D pp、532
−539.1976)の報告によると、コゲルニクおよびシャンクにより解析さ
れたDFBL/−ザのモード・スヘクラム(Kogelnik and 5ha
nk、 J−Appl、Phys、、 Vol、43゜pp、2327−233
5.1972)は、「中心」周波数のギャップの両側にある等しきい値のモード
であると考えられた。ホースおよびシャンクは、このしきい値の縮退が、所望の
周波数で単一モード動作が必要な利用形態において欠点になると指摘している。
そして彼らは、しきい値の縮退を取り除くために、周期構造の結合係数を反対称
に漸減させることを示している。ホースおよびシャンクは、に(コゲルニクおよ
びシャンクによる帰還パラメータ)を反対称に漸減させたすべての構造が、局所
阻止帯の中心周波数におけるモードを維持することを示した。このモードは、レ
ーザ共振器内で使用するときには特に低しきい値となる。
ホースおよびシャンクは、にの値が段階的な構造をもつDFBレーザ、すなわち
回折格子の第一の部分と第二の部分とに位相シフトが設けられたレーザが、しき
い値の縮退かなく、基本モードと最初の高次モードとの間でしきい値をより良く
弁別できることを発見した。彼らはまた、均一な構造より段階的な構造のほうが
、主モードと一次モードとの間の周波数分離がよいことを発見した。
ホースおよびシャンクの研究により、現在では、DFBレーザには位相がシフト
した回折格子が設けられている。
理想的には、第一の部分と第二の部分との長さを回折格子の全体の長さのそれぞ
れ半分にする。
位相シフト回折格子を使用することには明らかに利点があるが、DFBレーザモ
ードとの間でしきい値が大きく異なるDFBレーザを提供することを目的とする
。
本発明の第一の観点によると、レーザ発振に必要な帰還をもたらす帰還手段がレ
ーザ発振領域のほぼ全長にわたり分布して設けられ、この帰還手段は、得られる
帰還レベルがその長さ方向で変化するように設定された分布帰還レーザにおいて
、帰還手段は、得られる帰還がその長さ方向の少なくとも一端で最小になるよう
に設定されたことを特徴とする。
帰還レベルを帰還手段の長さ方向の全体で一定にするのではなく、その手段の中
心部またはその近傍で最大とし、その手段の一端または両端で最小にするような
関数で帰還レベルを修正すると、モード弁別性が改善されることが判明した。
この関数としては、帰還手段の全長にわたり帰還強度の急激な変化がないような
ものが望ましい。
帰還手段は回折格子を含むことが望ましい。DFBレーザは位相調整されている
ことが望ましい。位相調整は、帰還手段の位相シフトにより得られる。位相シフ
トは、帰還手段の長さの中央点またはその近傍に設けられることが望ましい。
上述したホースおよびシャンクの研究に続いて、位相シフトを回折格子内に設け
るのではなく、半導体DFBレーザ内で位相調整する方法についても考えられい
る。セカルテジョ、ブロバーグ、コヤマ、フルヤおよびスエマッは、ジャパニー
ズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス第23巻第10号第791頁か
ら第794頁(Sekartedjo、 Broberg、 Koyama、
Furuya and Suematsu in JapB
J、Appl、Phys、、 Vol、23. No、10. pp、791−
794)において、位相調整された分布反射器レーザを示している。この分布反
射器レーザでは、レーザの溝が設けられた基板の幅方向に深さ0.15μm、長
さ12μmの溝を設けて位相調整を行っている(この素子の長さは約800μm
である)。この素子の活性層は液相エピタキシによってバッファ層上に形成され
、その他の処理工程は従来からのものである。
溝での光伝搬定数は導波路の他の部分とは異なり、そのため伝搬波に位相シフト
が生じる。
ソダ、ワカオ、スト−、タナハシおよびイマイは、エレクトロニクス・レターズ
第20巻第24号第1016頁から第1018頁(Electronics L
ett、 Vol、20゜No24. pp、1016−1018)において、
レーザの両端のバルク「均質」領域より広いまたは狭い60μm長の位相調整領
域における伝搬定数の差異により位相調整した位相調整DFBレーザを提案して
いる。伝搬領域と「均質」領域との幅の差異は、ストライブの幅を変化させるこ
とにより得られる。回折格子の波形は、素子の長さく400μm)にわたり位相
シフトなしに形成される。
これらの文献のε)ずれにもミ回折格子の結合を零になるまで変化させることに
利点があることについては示唆されていない。
本発明の望ましい実施例について図面を参照して説明する。
図1ないし図5は従来からのDFBレーザの製造方法を示す図であり、一連の工
程を同一面の断面図で示す図。
図6は従来のりッジ導波路DFB半導体レーザを示す斜視図であり、一部を露出
させて示す図。
図7は本発明実施例のリッジ導波路DFBレーザを示す同様の斜視図であり、新
しい回折格子の構成を示す図。
図8aは図7に示したレーザの回折格子を簡単に示す平面図。
図8bは図8aの回折格子における格子密度を位置に対してプロットした図。
図9は位相シフトが設けられた本発明実施例のレーザを示す斜視図。
図10は本発明のレーザに使用するための回折格子を示す図であり、歯の深さに
変化が設けられたために不均一な結合を生じる回折格子を示す図。
図11は本発明のレーザに使用するための回折格子を示す図であり、歯の密度に
変化が設けられたために不均一な結合を生じる回折格子を示す図。
図12は放物線状の重み付は関数を用い近接効果を補正しない場合にDFB回折
格子の線に照射される実効的な電子線照射量をプロットした図。
図13は近接効果を補正した場合についての同等の図。
図14は従来からのPSDFBレーザと本発明によるレーザとの利得差をにLの
関数としてめた結果を示す図。
図15は従来からのPSDFBレーザと本発明によるレーザとについて所望のΔ
α・Lを満足する素子の歩留りを示す図。
以下の説明および本明細書では、「〜の上」、「下側」などの用語を用いる。
これらの用語は説明のために使用するものであり、文章中で特に意図して指定し
ないかぎり、素子の特定の方向を示すものではない。
図6には従来型の半導体DFBレーザの一伊1を示す。このレーザは、本願出願
人によるヨーロッパ特許出願第85301599.8号に示されたD F B
リッジ導波路レーザである。この型のレーザを例に本発明を説明するが、本発明
はガラス・レーザやダイ・レーザなどの他の構造のレーザでも同様に実施でき、
埋め込みへテロ構造のレーザ゛や多重量子井戸レーザなどの他の構造の半導体レ
ーザでも同様に実施できる。
この素子を製造するための第一の段階を図1に断面図で示す。この工程では、厚
さが約200μmの高濃度にSが添加された(n+形)InP基板1の100面
に、液相エピタキシ(LPE)により四元系材料の三つの層3.4および5をそ
れぞれ0.2μmの厚さに成長させた。層3はTeが添加された(n形)Ga。
、1tlno、*5Asa、3sPo、s4であり、フォトルミネッセンスの測
定によるとそのバンドギャップは1.15μmの波長に等価である。層4は不純
物が添加されていないG ao、3s I no、s+Aso、ssP 0.
+2であり、そのバンドギャップは1.52μmに等価である。層5はZnが添
加されている(p形)ことを除いて層3と同等である。層4は素子が完成したと
きには活性層となり、層4.5は下側、上側の閉じ込め層(tたはバッファ層)
となる。
次に、ウェストプルツク他、エレクトロニクス・レターズ、1982年第18巻
第863頁から第865頁(Westbrook et al、、ε1ectr
onics Letters、 1982゜Vol、18. pp、863−8
65)に示された方法により、電子ビームを照射したレジストマスクを用い、化
学エツチングにより層5を波形に加工した。分布帰還波形6は二次の回折格子を
構成し、110方向に沿って、0.46μmの周期で形成される。
エツチングは111A面を側壁とする三角形の溝ができたときに自動的に停止す
る。溝の深さはほぼ0.16μmである。エツチングが自動的に停止することか
ら、レーザ帰還強度を制御でき、再現性もよい。
続いて波形の層5の上に、回折格子を保存したまま、大気圧の有機金属化学気相
成長(MOCVD)によりZnが添加された(p形)インジウム・リンの層7を
成長させる。この方法は公知である(ヨーロッパ特許出N第84.300243
0.3号およびNe1son et al、、 Electronics Le
tters、 1983. Vol、19. ppJ4−36)。ここでは、ト
リメチル・インジウムと、トリエチル・リンと、ジメチル亜鉛と、フォスフイン
と、水素とを100℃で試料上に通過させ、その試料を急速に650℃に加熱し
て結晶成長させた。層7の厚さは約1.5μmであった。
次に、再びMOCVDにより、Znが高濃度に添加された(p十形)三元系材料
の層8を約0.1μmの厚さに成長させた。その組成はI n O,S3G a
0.4?A Sである。
図1の構造を完成させるために、シランおよび酸素を用いた化学気相成長により
、層8の上にシリカの層9を0.2μmの厚さに成長させた。
続いて、基板を化学エツチングにより100μmの厚さに削り、レーザの裏面電
極(薄くされた基板1の下側の電極)をスズと金との成膜およびアロイングによ
り形成した。
上側の層の処理に続く工程を図2に示す。この工程では、シリカ層9の上に、厚
さ0. 1μmのチタン(層10)と、厚さ0.1μmの金(層11)とを成膜
する。次に、この金の上に約1μmのポジのレジスト(コダック820)を塗布
し、回折格子に対して直交して暗い部分を形成するマスクを使用して、レジスト
の領域12.12′の間にストライプ状の窓13を形成する。一つのウアハに、
2μm、4μm、6μmおよび15μmの窓を形成した。
図3の工程では、図2の工程で得られた試料を、ヨウ化力!J (4g>および
ヨウ素(1g)を水40m1に溶かした溶液に20℃で1分ないし1分半浸しく
これにより金層11がエツチングされる)、さらに、20℃で2分ないし2分半
、「二酸化ケイ素のカウントダウン・エツチング(10:1)Jを行う(これに
より、チタン層10とシリカ層9とがエツチングされる)。この結果、半導体材
料の一番上の層8がアンダカットにエツチングされる。次にチタンの蒸着フィラ
ントと金の蒸着フィラメントとに連続的に曝し、露出した半導体層の上に窓型(
14,15)を得た。このとき同時に、レジスト12.12′の上にチタン層1
6.16′および金層17.17′が成膜される。このとき、フィラメンは対象
物から10cm離し、得られた金属の厚さはそれぞれ約0. 1μmであった。
次に、図3に示した構造をアセトンに2分間浸し、レジスト12.12’、#よ
びそれに伴って層16.16’、17および17′を取り除いた。この結果、図
4に示すような初期半導体構造が得られる。この構造は、二つの連続する金属層
14.15と、誘電体分離層9.9′とを備え、誘電体分離層9.9′の上には
金属10.11および10’、11’が設けられる。金属層14.15のエツジ
と誘電体分離層9.9′のエツジとの間隔は約4μmである。
この構造を16重量パーセントのHNO,水溶液で20℃、20秒ないし1分処
理しくこれにより三元系の層8がエツチングされる)、続いて濃塩酸と90%正
リン酸との1:1混合液で20℃、30ないし40秒処理する(四元系の層5が
エツチングされる)。この結果、図5に示す構造が得られる。
図5は層8および7がエツチングされた状態を水平に示す。ただし、これは簡略
化した図であり、実用上は異なった形状となる。これまで使用した用語を用いる
と、基礎半導体部が層1.3.4および5により構成さ右−第一の高い半導体部
(リッジ)が層7′、8′により構成さL第二の高い半導体部が層7.8により
構成さね、第三の部分が層7.7′および8により構成される。第一の高い半導
体部にはチタンと金との金属層14.15が電気的に接続さねへ他の部分には誘
電体シリカ9.9′が設けられる。チャネル16.17には、実質的に誘電体も
金属もない。
従来からのように、上述のすべての工程は一枚のウアハ上で行わわ〜その後に複
数個の素子に切り分けられる。切り分けられた素子の例を図6に示す。図6では
、リッジと回折格子との方向関係を明確にするため、第二および第三の高い半導
体部を省略している。15までの参照番号はこれまでと同じである。この素子の
端面18は臂開面であり、他の三つの側面、例えば19は、DFB格子により選
択されるモードとは異なるファブリ・ペロー発振モードを抑えるような処理(ス
クライブまたは反射防止膜)が施されている。
図7は本発明の第一実施例を示す。図6と比較すると、この実施例は、回折格子
の長さ方向における格子の密度に変化が設けられている。図83および8bを参
照すると、格子の歯の密度が放物線状に変化し、歯の間隔がその回折格子の両端
に向かって増加していることがわかる。隣接する歯の中央の間隔は、基本ブラッ
グ周期の整数倍に設定される。
図9には本発明を埋め込みへテロ構造のレーザで実施した例を示す。この例では
、図8に示したと同等の回折格子の中央部に、位相シフトが設けられている。
図8.9に示した素子の端面には、反射防止膜が設けられる。この反射防止膜と
しては、できるだけ反射率の小さいものが望ましい。それは、本発明の素子が、
端面の反射率が小さいほど効果が大きいからである。したがって、端面の反射率
は1%以下であることが望ましく、さらには0. 5%以下、特に0.1%以下
であることが望ましい。本明細書において反射率とは、従来から用いられている
ように、素子の動作波長における値をいう。
格子の歯の間隔に変化をつける代わりに、歯の深さを変化させることにより回折
格子の結合係数を変化させることもできる。これについて図10に示す。回折格
子を形成するために電子線リングラフィを用いると、電子線の照射量を変化させ
ることにより、図10に示すように、歯の深さが変化する回折格子を製造できる
。また、図8に示したと同様に、歯の間隔により結合係数が変化する構造も得ら
れる。これを図11に示す。
電子線リングラフィを用いると、適当な照射パターン(実際には、回折格子の終
端に近づくと歯または溝の頻度が低下するパターン)を用いて均一に電子線を照
射することにより、その形状の回折格子を製造できる。電子線リソグラフィにお
ける近接効果のため、個々の線を描くときに同等の電子線を照射すると、離れた
線では近接した線よりも照射量が低下する。図12は、放物線状の重み付は関数
を用い、近接効果について補正しない場合について、DFB回折格子の線に照射
される有効照射量を示す。最も低照射量なのは回折格子の端部の線であり、ピー
ク照射量の73%しかない。このため、回折格子の線が細くなったり、不均一に
なったり、失われたりする。この問題は、回折格子を描くときに、均一な電子線
をできるだけ近づけて使用するこきにより解決できる。図13は、近接効果を補
正した場合のDFB回折格子への実効照射量を示す(図12において使用したと
同一の放物線状重み付は関数を用いた)。回折格子の端の線を描く時間を増やす
ことにより、照射量が最悪(最小)でもピーク照射量の94.4パーセントに増
加し、回折格子の線をより均一にエツチングできた。この方法は実施が非常に容
易であり、望ましい方法である。
歯の深さの変化と密度の変化とを組み合わせて回折格子の結合係数を変化させる
ことも可能である。
回折格子が形成された層(導波路)の屈折率を直接変化させて、回折格子の結合
係数を変化させることもできる。屈折率を変化させるには、例えば、屈折率を制
御するような材料を局所的に注入または拡散させればよい。この方法は、従来の
回折格子の構造にも利用できる。
本発明は、帰還レベルがレーザ回折格子の端で零になるように徐々に削減すると
、サイド・モードが抑圧さね、理論的な利得差、MSRおよび単一モード素子の
歩留り(与えられたウアハから得られる実質的に単一モードで使用できる素子の
百分率)がそれぞれ増加するという認識に基づいている。本発明者らの計算では
、重み付けを中心位相シフトに組み合わせることにより、位相シフトのみを用い
た場合に比べてずっと大きなモード抑圧比が得られることが判明した。図14は
基本レーザ発振モードと最も強いサイド・モードとの利得差Δα・Lを示す。
これは、位相シフトした構造に対するにLの関数として、本発明によるものと、
従来の位相シフ)DFBレーザとについて、端面反射率が零として計算したもの
である。この図に示したように、均一ではない回折格子を用いた場合のΔα・L
は、にL=2のとぎ単純な位相シフトDFB (PSDFB)の二倍になり、に
Lの値が大きくなるにつれてさらに増加する。このΔα・Lの増加により、かな
り大きな単一モード抑圧比が得られる。図15は与えられたΔα・Lの要求を満
たす素子の歩留りを百分率で示す。ここでも、重み付けしたものと均−PSDF
BRA構造とについて計算した。残留端面反射率は0.3%(それほど高品質で
もない反射防止膜を用いた場合の典型的な端面反射率)と仮定し、端面での位相
がランダムに分布していると仮定した。当業者には明らかなことであるが、残留
端面反射率が零ではないものの小さければ、均−PSDFB素子の単一モード性
は改善される傾向があるが、本発明の利点は、端面反射率が零の等価な素子の特
性に比べると減る傾向がある。それにもかかわらず、図15のグラフからは、本
発明による均一ではない回折格子により、大きなΔα・Lに対して、均−PSD
FB構造により得られるよりも大きな歩留りが得られることが明らかである。
以上の説明では、回折格子の両端で均等に結合が削減される対称な回折格子構造
について説明した。しかし、回折格子が非対称の構造のほうがよい場合もある。
特に、一方の端でのみ結合係数が零となるような回折格子が都合がよい。
既に説明したように、本発明は、ダイ・レーザやガラス・レーザなどの半導体レ
ーザ以外でも実施できる。
誤解を避けるために述べると、本明細書において使用した「分布帰還レーザ」お
よびrDFBレーザ」の用語は、分布ブラッグ反射(DBR)レーザとは異なる
ものである。
DBRレーザでは、回折格子領域が活性層から伝搬方向(z)に離れている。
このため回折格子は、活性層から伝搬方向に離れた波長選択ミラーとして作用す
る。これとは逆に、DFBレーザでは、一般に回折格子が活性層からXまたはy
方向に離れており、回折格子の全長にわたり活性層に平行に配置される(活性層
の全長にわたっている必要はない)。
補正書の写しく翻訳文)提出書(特許法184条の8)平成3年9月30日
Claims (18)
- 1.レーザ発振に必要な帰還をもたらす帰還手段がレーザ発振領域のほぼ全長に わたり分布して設けられへ この帰還手段は、得られる帰還レベルがその長さ方向で変化するように設定され た 分布帰還レーザにおいて、 前記帰還手段は、得られる帰還がその長さ方向の少なくとも一端で最小になるよ うに設定された ことを特徴とする分布帰還レーザ。
- 2.使用時には素子内の実質的にすべての光帰還が前記帰還手段により与えられ る請求項1記載の分布帰還レーザ。
- 3.帰還手段は、その帰還量が急激に変化することなく変化し、その帰還の度合 いがその長さ方向の少なくとも一端の近傍で零に近づくように設定された請求項 1または2記載の分布帰還レーザ。
- 4.帰還手段は回折格子を含む請求項1ないし3のいずれか記載の分布帰還レー ザ。
- 5.回折格子は、帰還レベルが変化するようにその長さ方向の特性に変化が設け られた請求項4記載の分布帰還レーザ。
- 6.回折格子はその歯の深さに変化が設けられた請求項5記載の分有帰還レーザ 。
- 7.回折格子はその歯の間隔に変化が設けられた請求項5記載の分布帰還レーザ 。
- 8.回折格子はその歯の深さとその周期とに変化が設けられた請求項5記載の分 布帰還レーザ。
- 9.回折格子はレーザ発振領域の実質的に全長にわたり設けられた請求項4ない し8のいずれか記載の分布帰還レーザ。
- 10.レーザは半導体注入レーザである請求項1ないし9のいずれか記載の分布 帰還レーザ。
- 11.少なくとも一方の光端面には、動作波長における反射率が1%となるよう な反射防止被膜が設けられた請求項10記載の分布帰還レーザ。
- 12.回折格子は導波路層の一つの面に形成され、活性層をさらに備え、 前記導波路層には、帰還変化が得られるようにその厚さおよびまたは幅に変化が 設けられた 請求項3に従属した請求項9または10記載の分布帰還レーザ。
- 13.リッジ導波路構造を備えた請求項9ないし11のいずれか記載の分布帰還 レーザ。
- 14.埋め込みヘテロ構造を備えた請求項9ないし12のいずれか記載の分布帰 還レーザ。
- 15.インジウム・リン基板を備えた請求項1ないし13のいずれか記載の分布 帰還レーザ。
- 16.動作波長が1.3ないし1.55μmである請求項1ないし15のいずれ か記載の分布帰還レーザ。
- 17.レーザ発振に必要な帰還をもたらす帰還手段がレーザ発振領域のほぼ全長 にわたり分布して設けられ、 この帰還手段は、得られる帰還レベルがその長さ方向で変化するように設定され た 分布帰還レーザにおいて、 前記帰還手段は、その帰還量が急激に変化することなく変化し、その帰還レベル がその長さ方向の少なくとも一端の近傍で零に近づくように設定されたことを特 徴とする分布帰還レーザ。
- 18.光帰還を与える回折格子が設けられ、この回折格子は、その光結合がその 長さ方向の位置により変化するように設定された 分布帰還レーザにおいて、 前記回折格子は、その長さ方向にわたり結合の急激な変化がなく、その少なくと も一方の端の近傍で結合が徐々に零になるように設定されたことを特徴とする分 布帰還レーザ。
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