JP3244115B2 - 半導体レーザー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザー、
特に高光出力特性を提供する光導波路構造を有するシン
グルモード半導体レーザーに関する。

【０００２】

【従来の技術】今日光エレクトロニクス技術は、コンパ
クトディスク（ＣＤ）に代表される情報入出力技術、あ
るいは光ファイバーを使った光通信技術など、様々な分
野に利用されて発展してきた。この光エレクトロニクス
技術を支えるデバイスとして、半導体レーザー（ＬＤ）
が開発されている。例えば、ＣＤには近赤外もしくは可
視光帯の半導体レーザーが用いられ、光通信には長波長
帯の半導体レーザーが用いられるなど、様々な半導体レ
ーザーがこの光エレクトロニクス技術に貢献している。

【０００３】このようなＬＤには様々な構造のものがあ
るが、そのうちの導波路型のＬＤとしては、いわゆるシ
ングルモード（Transverse single-mode）光が得られる
ような導波路構造を有する構成が一般的である。ＣＤに
関しては、情報量を増加するためには記録密度が重要で
あり、この記録密度を高密度化するためにはシングルモ
ード光を得る必要がある。また、光通信に関しては、マ
ルチモード信号光を用いると、マルチモード分散の影響
により長距離伝送に適さないといった問題がある。その
ため、シングルモード光を出力する導波路型ＬＤが一般
的に使用されている。

【０００４】このシングルモード光を得るために、ＬＤ
の導波路として、導波路幅がある程度の細さに制限され
ておりマルチモード光に関してはカットオフするシング
ルモード導波路が一般的に採用されている。具体的に
は、ＬＤの導波路の活性層の幅が、２〜４μｍ程度の狭
い幅に制限されている。従って、ＬＤに注入できる電流
がある程度の小ささに制限され、それに伴って光出力に
限界がある。高い注入電流を許容し、飽和光出力レベル
を向上するためには、ＬＤの導波路幅を広くすることが
最も簡単な方法である。しかし、この方法は前述のシン
グルモード導波路を実現するための制約と相反するた
め、結局ＬＤの高出力化には技術的な限界があった。

【０００５】上記の課題を解決するためにこれまでに様
々な方法が提案されている。「アイトリプルイー・ジャ
ーナル・オブ・クォンタム・エレクトロニクス（IEEE J
ournal of Quantum Electronics） Ｖｏｌ．ＱＥ−２
３ Ｎｏ．６ １９８７」第７３０〜７３７頁（著者：
Patrick Vanwikelbergeなど）に、モードフィルターが
集積されたマルチモードＬＤが報告されている（第１の
従来例）。これは、主光励起領域を導波路幅の広いマル
チモードＬＤで構成し、飽和光出力を改善した構成であ
る。

【０００６】また別の方法として、「エレクトロニクス
・レターズ（Electronics Letters） Ｖｏｌ．３２
Ｎｏ．２４ １９９６」第２２７７〜２２７９頁（著
者：M.Sagawaなど）に、フレア形状のＬＤが報告されて
いる（第２の従来例）。これは、ＬＤの一方の端がシン
グルモード導波路と同等の狭い導波路幅に形成され、他
方の端に向かってフレア形状に導波路幅が広がる構造の
ＬＤである。広がった端の導波路幅は、通常のシングル
モード導波路よりも広いため、光出力が改善される。一
方、出力光のモードは幅の狭い端のシングルモード導波
路領域により制御され、最適なフレア形状に形成される
ことにより、他端の幅が広くてもシングルモード光を保
ち得る構造とすることができる。

【０００７】さらに別の方法として、「アプライド・フ
ィジクス・レターズ（Applied Physics Letters） Ｖ
ｏｌ．６０ Ｎｏ．６ １９９２」第６６８〜６７０頁
（著者：L.J.Mawstなど）に、 フェイズ・ロックトＬ
Ｄアレイ（Phase-locked Laser Diode Array）が報告さ
れている（第３の従来例）。これは、複数個（例えば２
０個）の半導体レーザーを、ある間隔を隔てて光の導波
方向に垂直に並べて集積し、お互いに共鳴させながら最
終的に高いシングルモード出力を得るものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】第１の従来例では、マ
ルチモード導波路領域がシングルモード光のみならず１
次モード、２次モードの光も励起するが、モードフィル
ターによりこの１次モード光および２次モード光を除去
することによって、シングルモード光が得られる構成で
ある。１次モード光および２次モード光の光エネルギー
はＬＤのシングルモード光出力には寄与しないので、通
常のシングルモードＬＤと比べても電気／光変換効率が
悪化するという問題がある。

【０００９】第２の従来例は、製造上の難点を抱えてい
る。すなわち、最適なフレア形状を求めることが難しい
上に、製造誤差等によりＬＤの長さが少しでも狂うと、
もはやフレア形状が最適形状ではなくなったり、また、
幅広の方の導波路幅が設計通りの幅に形成できなくなっ
たりすることにより所望の特性が得られないという問題
がある。

【００１０】第３の従来例は、構造が複雑で製造が難し
く、歩留まり良く素子を得ることが困難である。また、
共鳴条件を満たすような構造条件のトレランスが厳しく
（許容誤差が小さく）、再現性良く素子を製造すること
が困難であるという問題がある。

【００１１】以上の通り、従来一般的に用いられている
シングルモード光を得るための幅の狭い導波路幅を有す
る半導体レーザーは、許容注入電流量が低く制限され、
高出力化に限界があるという問題があった。この課題を
回避するために提案されている前記第１〜３従来例に関
しては、高い電気−光変換効率が得られにくい、再現性
良く素子を製造できない、製造トレランスが厳しい、構
造が複雑であるなどの問題がある。

【００１２】そこで本発明の目的は、構成が簡単で製造
が容易であり、シングルモード光が高出力で得られる半
導体レーザーを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、シング
ルモード光を出力する半導体レーザーであって、マルチ
モード干渉導波路領域を含む光導波路構造を有すること
にある。

【００１４】前記マルチモード干渉導波路領域は、１×
１マルチモード干渉型光導波路である。前記光導波路構
造は、前記マルチモード干渉導波路領域と、該マルチモ
ード干渉導波路領域の両端部に接続されている１対のシ
ングルモード導波路領域とからなる。そして、前記マル
チモード干渉導波路領域が、前記シングルモード導波路
領域よりも導波路幅が広い。

【００１５】このような構成とすることにより、導波路
幅の広いマルチモード干渉導波路を主な光導波路構造と
して有していながら、シングルモード出力光を実現する
半導体レーザーが、比較的単純な構造にて提供できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施形態について説明する。

【００１７】図１は、本発明の実施形態である１．５μ
ｍ帯半導体レーザーの概略斜視図である。この半導体レ
ーザーは、マルチモード干渉導波路領域１と、その両端
に接続されたシングルモード導波路領域２、３とから構
成されている。各領域の長さは、マルチモード干渉導波
路領域１が２８０μｍ程度、シングルモード導波路領域
２および３がそれぞれ共に５０μｍ程度、合計で素子長
は３８０μｍ程度となっている。図２には、図１の１点
鎖線Ａ−Ａ’（マルチモード干渉導波路領域１内の位
置）およびＢ−Ｂ’（シングルモード導波路領域２内の
位置）の断面の層構造が示してある。図２（ａ）および
（ｂ）に示されるＡ−Ａ’線およびＢ−Ｂ’線の断面の
層構造はほとんど同一であり、異なっている点は導波路
幅だけである。図２（ａ）のマルチモード干渉導波路領
域１の導波路幅Ｗ１および図２（ｂ）のシングルモード
導波路領域２の導波路幅Ｗ２は、それぞれＷ１＝１０μ
ｍ、Ｗ２＝２μｍである。

【００１８】次に、図３〜７を参照しながら本実施形態
による半導体レーザーの製造方法を説明する。まず、図
３に示すように、ｎ−ＩｎＰ基板２３上に、ｎ−ＩｎＰ
バッファ層２４と、１．５μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層２
５と、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６とが、ＭＯＶＰＥ法
（有機金属気相成長法）により順番に積層形成されてい
る。各層の層厚は、ｎ−ＩｎＰバッファ層２４が２００
ｎｍ程度、１．５μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層２５が１０
０ｎｍ程度、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６が２００ｎｍ程
度である。

【００１９】次に、図４に示すように、通常のフォトリ
ソグラフィ法により、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６上にエ
ッチング用マスク３１が形成される。その後、反応性イ
オンエッチング法（ＲＩＥ法）により、図５に示すよう
に、ｐ−ＩｎＰクラッド層２６と、１．５μｍ組成Ｉｎ
ＧａＡｓＰ２５と、ｎ−ＩｎＰバッファ層２４が、部分
的に（マスク３１が形成されていない部分のみ）除去さ
れ、メサ構造が形成される。

【００２０】次に、通常の熱ＣＶＤ法でＳｉＯ₂膜が全
面に形成された後に、通常のフォトリソグラフィ法によ
り、図６に示すように、メサ両脇に選択的結晶成長法に
よる埋め込み層形成のためのＳｉＯ₂マスク３２が形成
される。その後、ＭＯＶＰＥ法により、図７に示すよう
に、ｐ−ＩｎＰ埋め込み層２７およびｐ−ＩｎＧａＡｓ
キャップ層２８が形成される。ｐ−ＩｎＰ埋め込み層２
７は２μｍ程度、ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層は２００
ｎｍ程度の厚さである。

【００２１】そして、図示しないが、素子の裏面に研磨
が施され、裏面電極および表面電極が通常のスパッタリ
ング法により形成され、素子劈開後の端面に通常の無反
射（ＡＲ）コーティングおよび半反射（ＨＲ）コーティ
ングが施される。こうして、半導体素子の製造が完了す
る。以上が、本実施形態の半導体レーザーの製造方法の
一例である。

【００２２】このような半導体レーザーの特性について
次に説明する。本実施形態の半導体レーザーは、図１に
示すようにマルチモード干渉導波路領域１を含んだ構造
であり、このマルチモード干渉導波路領域は、ＭＭＩ
（Multimode Interference）理論によって、１×１動作
するように設計されている。

【００２３】このＭＭＩ理論は今まで主に、１×Ｎもし
くはＮ×Ｎ等の分岐・合流受動光導波路を設計する理論
として知られている（例えば、「ジャーナル・オブ・ラ
イトウェア・テクノロジー（Journal of Lightware Tec
hnology）Ｖｏｌ．１３ Ｎｏ．４ １９９５」第６１
５〜６２７頁（著者：Lucas B.Soldano）に開示）。こ
のＭＭＩ理論によって一般に導かれるＭＭＩ長Ｌπの式
を具体的に示す。

【００２４】

【数１】 ここで、ＬはＭＭＩ領域の長さ、Ｗ１はＭＭＩ領域の
幅、Ｎｒは導波路の屈折率、Ｎｃはクラッドの屈折率、
λ₀は入射光波長、σはＴＥモードのときσ＝０、軸モ
ードのときσ＝１である。

【００２５】ＭＭＩ理論によると、

【００２６】

【数２】 という条件を満たすとき、ＭＭＩ領域は１×Ｎ光導波路
として動作する。また、

【００２７】

【数３】 という条件を満たすとき、ＭＭＩ領域はＮ×Ｎ光導波路
として動作することが一般的に知られている。なお、Ｎ
は正の整数であり、１であっても勿論問題はない。

【００２８】この原理を利用すれば、ＭＭＩ領域は幅の
広いマルチモード光導波路でありながら、両端面におい
てはシングルモード光のみが伝搬する構造を実現する１
×１−ＭＭＩ光導波路の設計が可能になる。

【００２９】従来、このＭＭＩ理論は受動導波路に適用
できることが知られている。しかし、本発明者等は、最
近の研究によって、１×１−ＭＭＩ光導波路構造がＬＤ
の光導波路構造にも適用可能であることを見出し、「ヨ
ーロピアン・カンファレンス・オン・インテグレーテッ
ド・オプティクス ’９７ ８ｔｈ ポストデッドライ
ン・ペーパーズ（European Conference on Integrated
Optics '97 8th Postdeadline Papers） ＰＤ５−１〜
ＰＤ５−４頁にて開示した。

【００３０】図８には、２次元ＢＰＭ（ビーム伝搬法：
Beam Propagation Method）による、１０ｃｍ^-1の利得
を有する１×１−ＭＭＩ光導波路のシミュレーション結
果が示されている。図８は、光エネルギー強度をハッチ
ング等で表した図で、光エネルギー強度に応じてハッチ
ング密度等が変化させてある。ハッチングが存在しない
白色無地の部分が最も光エネルギー強度が強いことを示
している。図８に示すように、利得を有する光導波路で
あっても、１×１−ＭＭＩ光導波路構造が実現されてい
ることが分かる。

【００３１】通常のシングルモードＬＤにおいては、本
実施形態と同様な層構造を有する場合、その導波路幅は
全域にわたって２μｍ程度に制約される。すなわち、導
波路が全長にわたって本実施形態の両端部の領域２、３
と同程度の幅で形成されている必要がある。

【００３２】しかしながら本実施形態の半導体レーザー
では、前述のとおりＬＤが１×１−ＭＭＩとして動作す
るよう設計されているので、導波路幅が従来の５倍の１
０μｍとしても、シングルモード光（基本モード光）を
発振することが可能となる。本実施形態による半導体レ
ーザーはＭＭＩの原理を用いることにより、飽和注入電
流値の制限が緩和され、高電流注入によるＬＤの高出力
化が達成できる。また、極めて光の閉じ込めが強いマル
チモード干渉導波路領域を含む構造となっているため、
そのしきい値電流密度が大幅に低減される上に、ＬＤ内
の電界と光との重なり積分が大きくなる効果により、電
気−光変換効率が通常のシングルモードＬＤと比較して
改善される。

【００３３】また、本実施形態の素子の層構造は通常の
半導体レーザーの層構造と同等であり、通常の半導体レ
ーザーの製造工程と完全に同一工程とすることが出来
る。従ってこの半導体レーザーは、既に確立されている
製造方法のみを駆使して製造することが出来、再現性お
よび歩留まりに優れた比較的容易な製造工程で製造でき
る。またこのように構造が比較的単純であるため、集積
光デバイスにも適した構造である。

【００３４】なお、本実施形態は単純な埋め込み構造の
半導体レーザーであるが、本発明はこれに限定されるわ
けではなく、たとえば電流狭窄に優れたＤＣ−ＰＢＨ
（Double channel planner buried heterostructure）
構造を採用した半導体レーザーにも、本発明は充分に適
用可能である。また、本実施形態のレーザーの波長は
１．５μｍ帯であるが、もちろんこれに限るわけではな
く、可視光帯域であっても良いし、近赤外光帯であって
も、本発明は適用可能である。

【００３５】製造方法として、本実施形態では結晶成長
にＭＯＶＰＥ法が、メサ形成方法にＲＩＥ法がそれぞれ
採用されているが、もちろんこれに限定されるわけでは
なく、結晶成長方法として、例えばＭＢＥ法を用いるこ
とも可能であり、また、メサ形成方法として、ウェット
エッチング法を用いても構わない。

【００３６】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明による半導体
レーザーは、シングルモード出力光が得られ、かつ高光
出力化が達成され、低しきい値電流密度および高い電気
−光変換効率が得られる。また、本発明による半導体レ
ーザーは、構造が比較的単純で、歩留まり良くかつ再現
性良く素子を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態である半導体レーザーの概略
斜視図である。

【図２】図１に示す半導体レーザーの断面図である。

【図３】図１に示す半導体レーザーの第１の製造工程の
説明図である。

【図４】図１に示す半導体レーザーの第２の製造工程の
説明図である。

【図５】図１に示す半導体レーザーの第３の製造工程の
説明図である。

【図６】図１に示す半導体レーザーの第４の製造工程の
説明図である。

【図７】図１に示す半導体レーザーの第５の製造工程の
説明図である。

【図８】図１に示す半導体レーザーの動作を２次元ＢＰ
Ｍによってシミュレーションした結果を示す模式図であ
る。

【符号の説明】

１ マルチモード干渉導波路領域 ２ シングルモード導波路領域 ３ シングルモード導波路領域 ２３ ｎ−ＩｎＰ基板 ２４ ｎ−ＩｎＰバッファ層 ２５ １．５μｍ組成ＩｎＧａＡｓＰ層 ２６ р−ＩｎＰクラッド層 ２７ р−ＩｎＰ埋め込み層 ２８ ｐ−ＩｎＧａＡｓキャップ層 ３１ エッチング用マスク ３２ ＳｉＯ2マスク Ｗ１ マルチモード干渉導波路領域の幅 Ｗ２ シングルモード導波路領域の幅

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−108590（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−195895（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−78291（ＪＰ，Ａ) ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＬＩＧＨＴＷ ＡＶＥ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ，Ｖｏ ｌ．13，Ｎｏ．４，ｐ．６，2001年 ９ 月15日 ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥ ＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖ ｏｌ．６，Ｎｏ．６，ｐ，．2001年 ９ 月15日 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 G02B 6/12

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シングルモード光を出力する半導体レー
   ザーであって、マルチモード干渉導波路領域を含む光導
   波路構造を有する半導体レーザー。
2. 【請求項２】 前記マルチモード干渉導波路領域が、１
   ×１マルチモード干渉型光導波路である請求項１に記載
   の半導体レーザー。
3. 【請求項３】 前記光導波路構造が、前記マルチモード
   干渉導波路領域と、該マルチモード干渉導波路領域の両
   端部に接続されている１対のシングルモード導波路領域
   とからなる請求項１または２に記載の半導体レーザー。
4. 【請求項４】 前記マルチモード干渉導波路領域が、前
   記シングルモード導波路領域よりも導波路幅が広い請求
   項３に記載の半導体レーザー。