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JP2624279B2 - スラブ導波光出射半導体レーザー - Google Patents

スラブ導波光出射半導体レーザー

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JP2624279B2
JP2624279B2 JP63008239A JP823988A JP2624279B2 JP 2624279 B2 JP2624279 B2 JP 2624279B2 JP 63008239 A JP63008239 A JP 63008239A JP 823988 A JP823988 A JP 823988A JP 2624279 B2 JP2624279 B2 JP 2624279B2
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waveguide
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ストライプ状のレーザー共振器中に形成さ
れたグレーティングによりレーザー発振光波の一部をブ
ラッグ回折させ、ストライプ部側部に形成されたスラブ
導波路に出射させる構造を有する半導体レーザーに関す
る。
〔従来の技術〕
従来、光集積回路の応用例として光スペクトラムアナ
ライザが提案されている。この動作原理を第14図をもと
に説明する。スラブ導波路101の端面に結合されている
半導体レーザー103からの光は発散光108としてスラブ導
波路101を伝搬し、導波路レンズ104によってコリメート
される。コリメートされた光波109はくし型電極106で励
起された弾性表面波112によって回折をうけ、さらに、
導波路レンズ105によってフーリエ変換されて光波110,1
11になる。このように、フーリエ変換面を端面に設定
し、CCD等のライセンサを端面に設けることによって、
印加されたrf（radio frequency）信号のスペクトル分
析が可能となる。以上の例に限らず、その他多くの実例
において半導体レーザーを光集積回路等に応用する際に
は、例えばスラブ導波路内での導波路レンズのような、
何らかのビームコリメート手段を必要とされる。一方、
コリメートされたスラブ導波光を得る手段として第15図
に示すように、グレーティング125を具備するチャネル
導波路124からの回折光を用いる提案がなされている
（特開昭62−124510号公報）。チャネル導波路124の端
面に結合された半導体レーザー123によって出射される
光波126は均一周期のグレーティング125によってブラッ
グ回折をうけ、光波126の一部がスラブ導波路を伝搬す
るスラブ導波光127に結合される。このように均一周期
のグレーティングを用いることによって位相のそろった
コリメートビームを得ることが可能となる。また、コリ
メート手段を特に用いることなく線状の光源を提供する
従来例としては例えば、文献「Edge−and surface−emi
tting distributed Bragg reflector laser with multi
quantum well active/passive waveguides」（K.Kojima
etal Appl.Phys.Lett.50.5.227−229頁（1987））に開
示されている様に、２次の回折を反射として利用するDF
B（分布帰還型）レーザーにおいて、光出力の一部が１
次の回折波に結合し、基板と垂直方向に出力されるレー
ザーの試作の報告がある。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、第14図に示した光スペクトラムアナラ
イザでは導波路レンズ104の製造やデザイスの小型化が
困難であるなど、デバイスの実用化の大きな障害となっ
ていた。一方、上記第15図に示した従来例では、チャネ
ル導波路124を伝搬する光波126はスラブ導波路120に結
合されることによってその光パワーが減少していく傾向
を示す。その結果、得られるスラブ導波光127の強度分
布は横方向（第15図におけるｘ方向）に不均一となり、
後段に取付ける光利用器機等の性能に悪影響を及ぼすこ
とになる。なお、均一な強度分布の出力を得る方法とし
ては、グレーティングの結合強度（屈折率変化、リレー
フ深さ等に依存）をテーパ化する方法があるが、この方
法によっても作製上の制御性が悪く、光の利用効率が低
いなどの欠点がある。線状の光源を提供する従来例にお
いては、共振器中を双方向に伝搬する光波が存在するた
め出射角が非常に近接した２つのビームが出射されるこ
とになり、これらのビームの結像を行った場合、２つの
スポットとなって表われるという問題点がある。また、
出射方向が基板に垂直となるため、他の導波路に結合す
る場合、２つの基板を接近させる必要があり、電極など
の存在する上面から発光するタイプのLD（Laser Diod
e）との結合では、構成が複雑になるという問題点があ
る。
本発明の目的は、以上の問題点を解決し、光集積回路
の応用に有用な線状の光源を提供することにある。
〔課題を解決するための手段〕
本発明のスラブ導波光出射半導体レーザーは、半導体
基板上にレーザー発振可能なレーザー構造をなすストラ
イプ部が形成され、該ストライプ部はチャネル導波路を
形成する半導体レーザーにおいて、 前記ストライプ部の両端部にはスライプ部の両端面か
ら光を実質的に出射しない反射ミラーを有し、前記スト
ライプ部側部に平面状のスラブ導波路を有し、前記スト
ライプ部内にはグレーティングを有し、該グレーティン
グのグレーティングベクトルの方向及び大きさは、前記
チャネル導波路を伝搬する前記半導体レーザー発振の第
１の光波を前記スラブ導波路に伝搬する第２の光波にブ
ラッグ条件で結合させるように設定され、第１の光波が
第２の光波として取り出せることを特徴とするものであ
る。
この場合、前記第２の光波は、前記スラブ導波路の端
面であるへき開面から出射されることとしてもよい。
また、前記第２の光波は、前記スラブ導波路に形成さ
れた第２のグレーティングによって前記半導体レーザー
の上方に出射されることとしてもよい。
さらに、前記第２の光波を取り出すスラブ導波路の端
面には反射防止のための誘電体多層膜を形成してもよ
い。
〔作用〕
この結果、上記構成により、レーザー共振器面を対向
して、チャネル導波路を伝搬するレーザー発振の光波は
それぞれ、選択的に左右のスラブ導波路にふり分けら
れ、両光波の混在がなくなるとともに、両光波のスラブ
導波光への結合効率も高められる。また、レーザー共振
器内部で光結合させることによって光出力の制御、出力
光波の強度分布の一様性を達成することが可能となる。
さらに、レーザー出力の形態がレーザー共振器側部のス
ラブ導波路を伝搬する光波となっているため、光集積回
路の応用上、有用な線状の発光源を提供することがで
き、異種基板との結合の上でも有利である。
〔実施例〕
次に本発明の実施例について図面を参照して説明す
る。
＜実施例１＞ 第１図は本発明のスラブ導波光出射半導体レーザーの
第１実施例を示す模式斜視図、第２図は第１図の詳細断
面図である。第１図においては微細な同波構造、電極構
造は層略されており、チャネル導波路２（光共振器に対
応）とその周辺に付随するスラブ導波路６に簡略化して
表現されている。すなわち、第１図に表現されているグ
レーティング３及びスラブ導波光4,5は上面電極10の下
に存在し、実際には観測できない構造となっている。以
下の実施例についても同様の表現方法を用いた。
レーザー構造の一例であるリッジ型とされた本実施例
では、GaAs等の半導体基板１上にスラブ導波路６とリッ
ジによって形成され、かつグレーティング３を有するチ
ャネル導波路２が設けられ、共振器が構成されていると
ともに電流注入が選択的に行なわれるようになってい
る。グレーティング３はチャネル導波路２に斜めに刻ま
れて形成されており、共振器発振のレーザー光は前後の
端面22,23をミラーとして発振し、前進波9bと後進波9a
が共振器内部（チャネル導波路２）に存在することにな
るが、前進波9bはグレーティング３によってブラッグ反
射をうけ左に伝搬するスラブ導波光４に結合され、一方
後進波9aは右に伝搬するスラブ導波光５に結合される。
スラブ導波光45はそれぞれ端面21,20において線状の光
源となり、基板の厚さ方向にのみ発散する円柱状の出射
光7,8となる。
なお、共振器として利用する前後の端面22,23は高い
反射率を示すようになっており、出力端面21,20には反
射防止の条件を満足するように誘導多層膜20a（Si/Si、
Al2O3/SiO2等）が形成されており、これによりデバイス
の効率化が図れる。また、各端面20,21,22,23はGaAs結
晶の垂直へき開あるいはエッチングによって形成されて
いる。
次に、第２図を参照して作製方法を説明する。
半導体基板１上に順次、ｎ型エピタキシャル膜19、Ga
AlAs活性層12、ｐ型エピタキシャル膜18をエピタキシャ
ル成長により積層する。ｎ型エピタキシャル膜19、ｐ型
エピキシャル膜18は、MBE法、MOCVD等の方法で、積層す
ればよい。その後、グレーティング３の形成のため、こ
のｐ型エピキシャル膜18にホログラフィック干渉、電子
ビーム露光等の技術を適用する。さらに、Ｐ型エピタキ
シャル膜18をエッチングした後、ｐ型エピタキシャル膜
17およびキャップ層16を形成する。グレーティング３の
結合係数は上下のｐ型エピタキシャル膜17,18の屈折率
差で調節することができる。リッジはフォトリソ技術を
用いてエッチングによって形成し、半導体基板１の下
面、SiNx層11の上面にそれぞれ下部電極13、上部電極10
を形成して、第２図のレーザー構造を作製する。
リッジ構造によって光波は横方向にも閉じ込められ、
かつ電流は狭窄され、リッジに沿うレーザー共振器で発
振可能となる。なお、第２図のGaAlAs活性層12、ｐ型エ
ピタキシャル膜18、ｎ型エピタキシャル膜19は第１図の
スラブ導波路６に相当し、出射光7,8はGaAlAs活性層12
から出射する。チャネル導波路２（リッジ部）の両側部
であるスラブ導波路６においてもスラブ導波光4,5は基
板１の厚さ方向に閉じ込められ、チャネル導波路２を伝
搬する光波14（即ち、レーザーの発振光）は、グレーテ
ィング３によってスラブ導波光15a,15bに放射結合され
ることになる。
第３図、第４図は、それぞれ第１図におけるチャネル
導波光の前進波9b、後進波9aとスラブ導波光の結合を示
すベクトル図である。ここで、 はそれぞれ前進波9b、後進波9aのベクトル、βＦ、βＢ
はそれぞれ前進波9b、後進波9aの伝搬定数であり、 の関係にある。また、 はそれぞれ左方向、右方向に伝搬するスラブ導波光4,5
のベクトル、βＬ、βＲはそれぞれスラブ導波光4,5の
伝搬定数であり、 の関係にある。なお、ψはグレーティングを傾き角、 はグレーティングベクトル、Ｋはグレーティングベクト
ル の大きさを示し、グレーティング周期をΛとすると、Ｋ
＝２π／Λの関係にある。前進波9bとスラブ導波光４、
後進波9aとズラブ導波光５の高い結合効率を達成するた
めにはこれらのベクトルが第３図（ａ）、第４図（ｂ）
に示したように閉じている、すなわちブラッグ条件を満
足していることが必要である。グレーティング周期Λは
例えば、スラブ導波光の偏向出射角θを45゜、波長λを
0.78μｍ、各導波路の等価屈曲率Ｎを等しくして、Ｎ＝
β/k＝3.3（ｋ＝２π／λ）すれば、 ブラック条件の式:2βsinθ/2＝ＫからΛ＝λ/2Nsin
θ/2＝0.309μｍとなる。また、グレーティングの傾き
角ψはψ＝θ/2＝22.5となる。上記のグレーティング周
期Λは一次の回折を用いた場合であり、２次の回折を利
用する場合のグレーティング同期Λ′はΛ′＝２Λ＝0.
618μm2となる。またｎ次の回折におけるグレーティン
グ周期ΛｎはΛｎ＝ｎΛの関係にある。ただしグレーテ
ィングの傾き角ψはψ＝22.5゜のままに維持しておく必
要がある。以上の本実施例のような均一周期のグレーテ
ィングを用いた場合、レーザー発振のチャンネル導波光
の一部を効率良く側部のスラブ導波路に結合させ、コリ
メートされたスラブ導波光を得ることが可能となる。
＜実施例２＞ 第５図は本発明の第２の実施例を示す模式斜視図であ
る。
本実施例は第１の実施例において、スラブ導波路６の
一部にグレーティング30,33を設けたものであって、ス
ラブ導波光5,4を半導体基板１の２上方に光ビーム31,32
として取り出し、２次元のコリメートビームを得る半導
体レーザーである。スラブ導波路６の上面は第２図に示
した様に、金属電極で覆われているため、グレーティン
グ30,33形成時、グレーティングが形成される部分にエ
ッチングをほどこす必要がある。グレーティング30,33
の形成はホログラフィック露光あるいは電子ビーム露光
を用いればよい。出力された光ビーム31,32は均一な変
調のグレーティング３に対しては幅方向（第５図のｘ方
向）には均一であるが、伝搬方向（第５図中のｙ方向）
には指数関数的に減少するため、不均一なビームとな
る。より均一なビームを得るためにはグレーティング３
の変調（屈折率変化、レリーフ深さ）をテーパ化し、最
適化を図る必要があるが、本実施例によれば、従来のス
トライプ構造のレーザーの性質を生かしたままで、グレ
ーティング３の変調をテーパせずに面発光型のレーザー
光源が提供できることになる。なお、光ビーム31,32の
横幅Ｗはチャネル導波路２のグレーティング３の長さW1
で規定されるのに対し、縦幅Ｄはグレーティング30,33
の結合長で決まる値となる。従って、グレーティング3
0,33の変調を最適に調整し、所望のビーム形状を得るよ
うにすることが設計上必要である。つまり、第６図に示
すように、通常のグレーティング30では、一般にスラブ
導波光15は空気側放射光31a、基板側放射光31bにふり分
けられ、基板側放射光31bは一般的に損失である。この
損失を小さくするためには例えば、第６図に示した様に
活性層12の下層にGaAuAsからなる多送反射層34を形成
し、基板側放射光31bを反射光31a′として反射させ、こ
れと空気側放射光31aと同位相で重ね合わせ光ビーム31
とすることができる。同位相で重ねるため多層膜反射層
34およびバッファ層19の膜厚を調節する必要がある。
＜実施例３＞ 第７図は本発明の第３の実施例を示す模式斜視図であ
る。
本実施例はレーザー共振器のチャネル導波路２に複数
の傾き角の異なるグレーティング40,41を設けて、それ
ぞれ異なる出射角の複数のスラブ導波路4,43,44,45を得
る半導体レーザーである。本実施例では、異なる傾き角
を持つグレーティングがチャネル導波路２に形成された
デハイスを示したが、同一の傾き角を持つ複数のグレー
ティングでも良い。
＜実施例４＞ 第８図は本発明の第４図の実施例を示す模式斜視図で
ある。上述した第３の実施例においては、グレーティン
グ40,41の傾き角は異なっていたが、均一な周期を有し
ていたために、グレーティング40,41では発振レーザー
の波長、伝搬定数が変化するとそれらはブラッグ条件を
満足せず、このため、光出力が急激に減少する場合があ
る。また、グレーティング40,41の周期、傾き角の作製
誤差もデバイス性能の低下につながる。本実施例におい
ては上記のレーザー発振状態の変化、グレーティング作
成誤差に対するためグレーティングとして周期が徐々に
変化するチャープ型グレーティング52を用いている。こ
れにより、チャネル導波路の光波はブラッグ条件を満足
するグレーティング領域でのみ回折されて、スラブ導波
光50,51になる。
＜実施例５＞ 第９図は本発明の第５の実施例を示す模式斜視図であ
る。本実施例ではグレーティング55のグレーティング周
期、傾き角とも一様でないため、チャネル導波光を片側
で集束光56、他の側で発散光57として得ることができ
る。つまり、グレーティング55は一種のレンズとして機
能し、グレーティング周期、傾き角はレンズの焦点位置
から求めることができる。
＜実施例６＞ 第10図（ａ）は本発明の第６の実施例を示す模式上面
図である。本実施例はレーザー共振器のミラーとしてグ
レーティング61,62を用いたDBR（分布反射）型のレーザ
ー構造に本発明を適用したものである。前述までの実施
例によれば、第１図の両側の端面20,21（通常のへき開
端面を用いるとレーザー共振器ミラー面と直交する。）
における入射角は前述のブラッグ条件で決まる偏光出射
角θに対応し、入射角の増大に伴って空気側へのビーム
出力はスネルの法則に従って大きな角度を有することに
なり、入射角がさらに全反射角を超えると出力光は空気
側には取り出さないことになる。これは、チャネル導波
路が高い屈折率を持っていることに起因するものであ
る。しかし、本実施例によれば、結晶へき開面をミラー
として用いないので、結晶軸に対してレーザー共振器
（チャネル導波路）の傾き角を自由に選択できることに
なる。このように、レーザー共振器を結晶軸に傾きをも
って作製することにより、常に出力光64,65を両側の端
面20,21に垂直にとり出すことが可能となる。
なお、第10図（ｂ）に示す様にグレーティング61,62
のDBR構造のかわりにエッチングで形成された端面68,69
を用いても同様の効果が得られることは言うまでもな
い。
＜実施例７＞ 第11図、第12図はそれぞれ本発明の第７の実施例の模
式断面図、模式斜視図である。
本実施例では、スラブ導波光を一方の端面のみから出
力させるため、片側のスラブ導波路にスラブ導波光を終
端させるための溝70が形成されている。溝70の深さは活
性層12より下に位置するように、エピタキシャル膜がエ
ッチングされている。これにより、第11図、第12図にお
いて、右方に回折された光波73はそのまま出力され、誘
導多層膜21aが形成された端面20から出射される。一
方、左方に回折された光波74は溝70が形成するエッチン
グ面76によって反射され右方に回折される光波75とな
る。回折された光波73,75は２つの線状光源となり、一
般に異なった角度で、出射光71a,71bとして出射するこ
とになる。
なお、エッチング端面76で反射された光波75は正反射
でない限りブラッグ条件を満たさないため、グレーティ
ング３によって再びチャネル導波路２にカップリングさ
れることはない。しかしながら、上述したような出射の
異なる２つの光波が出射されるのを望まない場合もあ
る。このような場合には、溝70のエッチング端面76を垂
直斜面とせずに傾きをもたせたエッチング面とすること
によって光波75に位相ずれを与え反射率を下げるように
すればよく、光波の大部分は基板方向に散乱され、損失
となる。他の方法としては、左方に回折する光波74が正
反射で溝70のエッチング端面76に入射する様に溝70の傾
きを調整して右方に回折する光波73と重ね合わせる。光
波73と光波75の位相を一致させるためにはレーザー共振
器に対し溝70の傾き角（基板面内）、溝の位置（往復の
位相差）を精度良く設定する必要がある。
上記実施例においてはエッチングによる端面形成の例
を示したが、へき開による端面形成を用いてもよい。
＜実施例８＞ 第13図は本発明の第８の実施例の模式斜視図であり、
第14図の従来例の光スペクトラムアナライザを小型化し
たものである。
本実施例の線状発光半導体レーザーの基本構成はLiNb
O3基板81と光検出器基板82である。光共振器80からコリ
メートされた入射光波89は端面結合によってTi拡散され
たLiNbO3導波路92に結合される。さらに、くし型電極85
で励起された弾性表面波93によって入射光波89は回折を
うけ、さらに導波路レンズ87によってフーリエ変換され
た光波90は、導波路端面に印加rf周波数に応じたスペク
トル分布として現われる。さらに、光検出器アレー88で
電気信号に変換され、信号として取り出される。本実施
例によれば、従来例（第14図）で必要とされていたコリ
メート用導波路レンズが不要となり、長さ方向に半分程
度の小型化が図れることになる。また各基板のアライメ
ントに対しても有利となる。
以上の実施例においては、レーザー構造としてリッジ
型に例にをあげたが、埋め込み型等種々のストライプ型
レーザーにも本発明を適用できることは言うまでもな
い。
なお、スラブ導波光が、チャネル導波光に対し直交す
る角度近傍で出射する場合には一般にレーザーのTEモー
ドは電界の振動方向と伝搬方向が重なる条件となるた
め、偏光効率は著しく減少することが予想される。この
場合には、レーザー発振がTEモードからTMモードになる
ように温度変化等の工夫をすれば、本発明を適用するこ
とは可能である。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明のスラブ導波光出射半導
体レーザーはストライプ型レーザーの共振器内部にグレ
ーティングを設けることによって、レーザーの発振光で
あるチャネル導波光の一部とチャネル導波路のスラブ導
波光とを効率よく結合ができ、位相がそろい強度分布も
均一なスラブ導波光の出力が可能となる。また、本発明
においてグレーティングを均一周期とし、スラブ導波光
を端面から取り出すレーザー構造とすることによって、
コリメート手段を用いることなく、光集積回路の応用上
有用なコリメートされた線状発光レーザーを提供するこ
とが可能となる。さらに、グレーティングとして種々の
タイプのものを組み込むことにより、種々のスラブ導波
光を得ることが可能となり、従来共振器の構造に強く制
約されていた半導体レーザーの出力光の設計の自由度を
著しく高めることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明のスラブ導波光出射レーザーの一実施例
を示す模式斜視図、第２図は第１図の詳細断面図、第３
図，第４図はグレーティングによるブラッグ回折のベク
トル図、第５図は本発明の第２の実施例を示す模式斜視
図、第６図は第５図の基板に多層膜反射層を設けた場合
の断面図、第７図，第８図，第９図は本発明の第3,第4,
第５の実施例を示す模式斜視図、第10図（ａ），（ｂ）
は本発明の第６の実施例を示す上面図、第11図，第12図
はそれぞれ本発明の第７の実施例を示す模式断面図、模
式斜視図、第13図は本発明の第８の実施例を示す模式斜
視図、第14図，第15図は従来例を示す模式斜視図であ
る。 1,121,102……半導体基板、 2,83,124……チャネル導波路、 3,30,33,40,41,52,55,61,62,63,84,125……グレーティ
ング、 4,5,15,15a,15b,42,43,44,45,50,51,127……スラブ導波
光、 6,101,120,127……スラブ導波路、 7,8,71,71a,71b……出射光、 9a……後進波、9b……前進波、10,13……電極、 11……SiNx層、12……GaAlAs活性層、 14,72,73,74,75,109,110,111,126……光波、 16……キャップ層、 17,18……ｐ型エピタキシャル膜、 19……ｎ型エピタキシャル膜（バッファー層）、 20,21,22,23,68,69……端面、 20a……誘導多層膜 31,32……光ビーム、31a,31b……放射光、 31a′……反射光、34……多層反射層、 56……集束光、57,108……発散光、 64,65……出力光、66,67……出射光、 70……溝、76……エッチング端面、 80……光共振器、85,106……くし型電極、 81……LiNbO3基板、82……光検出器基板、 86,107……電源、 87,104,105……導波路レンズ、 88……光検出器アレー、89……入射光波、 92……LiNbO3導波路、 103,123……半導体レーザー、 93,112……弾性表面波。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】半導体基板上にレーザー発振可能なレーザ
    ー構造をなすストライプ部が形成され、該ストライプ部
    はチャネル導波路を形成する半導体レーザーにおいて、 前記ストライプ部の両端部にはストライプ部の両端面か
    ら光を実質的に出射しない反射ミラーを有し、ストライ
    プ部側部に平面状のスラブ導波路を有し、前記ストライ
    プ部内にはグレーティングを有し、該グレーティングの
    グレーティングベクトルの方向及び大きさは、前記チャ
    ネル導波路を伝搬する前記半導体レーザー発振の第１の
    光波を前記スラブ導波路に伝搬する第２の光波にブラッ
    グ条件で結合させるように設定され、第１の光波が第２
    の光波として取り出せることを特徴とするスラブ導波光
    出射半導体レーザー。
  2. 【請求項２】前記第２の光波は、前記スラブ導波路の端
    面であるへき開面から出射される請求項１記載のスラブ
    導波光出射半導体レーザー。
  3. 【請求項３】前記第２の光波は、前記スラブ導波路に形
    成された第２のグレーティングによって前記半導体レー
    ザーの上方に出射される請求項１記載のスラブ導波光出
    射半導体レーザー。
  4. 【請求項４】前記第２の光波を取り出すスラブ導波路の
    端面には反射防止のための誘電体多層膜が形成されてい
    る請求項１記載のスラブ導波光出射半導体レーザー。
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