JP3875799B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布帰還型半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光記録装置や固体レーザ励起用、光通信用の光源として、半導体レーザが広く使用されている。その中でも分布帰還型（DFB:Distributed Feedback）半導体レーザは、半導体レーザ内の光導波路中に周期的な凹凸を設けることによって回折格子を形成し、回折格子による光の帰還効果を利用して波長安定化を図っている。こうしたＤＦＢレーザは、安定な単一モードで発振するため、温度変化に伴って生じる縦モードホッピング現象が起こらず、通常のファブリペロー型半導体レーザに見られるモードホッピングノイズが発生しないため、特に低い高周波雑音レベルが要求される光源として優れている。また、ＤＦＢレーザは、発振波長の温度変化が小さいこと、回折格子の周期を変えることによって発振波長を選択できるなどの優れた特性があり、光通信用光源や固体レーザの励起光源といった目的にも好適である。
【０００３】
図６は従来のＤＦＢレーザの一例を示し、図６（ａ）は全体斜視図、図６（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。このＤＦＢレーザは、特開昭６０−６６４８４号公報に記載されているもので、ｎ型（以下、ｎ−と記す）ＧａＡｓ基板１０２の上に順次、ｎ−Ａｌ0.40Ｇａ0.60Ａｓクラッド層１０３、ノンドープＡｌ0.10Ｇａ0.90Ａｓ活性層１０４、ｐ型（以下、ｐ−と記す）Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ光ガイド層１０５、ストライプ状窓を有するｎ−ＧａＡｓ電流阻止層１０６、ｐ−Ａｌ0.40Ｇａ0.60Ａｓクラッド層１０７、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０８が形成され、基板１０２の下面およびコンタクト層１０８の上面に電極１０１、１０９が形成されている。
【０００４】
図６（ｂ）に示すように、光ガイド層１０５の上面でストライプ状窓の底になる部分１１１、および電流阻止層１０６の上面には、周期的な凹凸からなる回折格子１１２、１１３がそれぞれ形成されている。これらの回折格子１１２、１１３の上に、ストライプ状窓を埋めるようにクラッド層１０７が形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示す従来のＤＦＢレーザでは、電流は電流阻止層１０６のストライプ状窓を通って活性層１０４に注入される。そのため光ガイド層１０５のストライプ状窓の底になる部分１１１、すなわち電流注入領域にも回折格子が作製されている。
【０００６】
しかしながら、回折格子作製時のエッチング等のプロセスにおいて結晶表面が大気に曝されることなどにより基板表面の酸化が起こり多数の結晶欠陥が生成されてしまうため、図６の構造では活性層１０４の直上付近に結晶欠陥が集中して、結晶性が劣悪な部分が存在することになる。
【０００７】
このような半導体レーザでは、動作中に、既存の結晶欠陥が引金となって、結晶欠陥がさらに増加する傾向があり、寿命が極端に短くなる。また、レーザ共振器中の内部損失が大きくなり、発振閾値の増大や効率の低下などの問題が生ずる。
【０００８】
本発明の目的は、低い発振閾値で高い発振効率、高い信頼性、長寿命を持ち、発振波長が安定化された半導体レーザ装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両面側に、該活性層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対の光導波層がそれぞれ設けられ、
活性層および光導波層を挟むように、該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対のクラッド層がそれぞれ設けられ、
活性層と光導波層との間に、該活性層および該光導波層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層が設けられ、
該光導波層の少なくとも一方にストライプ状の窓を有する電流ブロック層が埋め込まれた自己整合型の半導体レーザ装置において、
前記電流ブロック層の活性層側の界面、または該活性層側の界面と活性層との間であって、ストライプ状の窓を除いた領域のみに、発振波長を制御するための回折格子が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００１９】
本発明に従えば、半導体レーザに電圧を印加するとキャリア（電子やホール）が注入され、光導波層を通過する際に電流ブロック層によって阻止される。そのため、キャリアは、電流ブロック層の存在しない部分、すなわちストライプ状の溝の部分のみを通過する。活性層に注入されたキャリアは再結合して光を輻射し、注入電流レベルを増加させていくと誘導放出が始まり、やがてレーザ発振に至る。レーザ光の一部は電流ブロック層の下部まで浸み出して、導波される。一方、活性層内のキャリアは、キャリアブロック層の存在によって活性層内に閉じ込められるため、再結合効率が向上する。
【００２０】
電流ブロック層の下部のみに発振波長を安定化するための回折格子を形成している。回折格子として、ａ）電流ブロック層の活性層側の界面に周期的凹凸を形成したものや、ｂ）この活性層側の界面と活性層との間にグレーティング層を形成したもの、等が可能である。ここで、周期的凹凸の周期Λあるいはグレーティング層の幅が変化する周期Λが、次式（１）を満足するように設定することによって、単一モード発振が得られる。
Λ＝ｍ・λ o ／（２・ｎｒ） …（１）
但し、ｍは１以上の整数（１、２、３、…）、ｎ r は光導波路の屈折率、λ o は発振波長である。
【００２１】
さらに、本発明では回折格子をストライプ状の窓を除いた領域のみに形成しており、電流が通過する電流注入領域には回折格子が存在しないため、この領域に結晶欠陥が発生していない。そのため、発振閾値の増加、発振効率の低下といった問題が生じる可能性は極めて少なくなる。また結晶欠陥の増殖による信頼性の低下も抑制できる。
【００２２】
このように活性層と光導波層との間にキャリアブロック層を設けることによって、活性層へのキャリア閉じ込めとは独立して、素子内の導波機構の設計を自由に行うことができるため、広い光導波層の採用によって導波モードを理想的なガウス型に近づけることが可能になる。これによって回折格子の屈折率や厚さを広い範囲で選択できるため、設計自由度が増し、しかも製造マージンが広くなり、、半導体レーザの製造歩留まりが向上する。これに対して、活性層と光導波層との間にキャリアブロック層を設けない構造である場合、導波モードは急峻なピークを持つ富士山型となる。一方、活性層と光導波層との間にキャリアブロック層を設けた場合、導波モードは富士山型と比べて肩が張り出した形状を持つガウス型となり、電場強度が大きい部分では電場強度の変化がより緩やかになる。したがって、ガウス型の導波モードを持つ半導体レーザにおいて、波長を制御するための回折格子を活性層から離れた位置に形成した場合であっても、回折格子が充分機能するとともに、電場強度変化が緩やかであることに起因して、活性層と回折格子との間の距離や屈折率分布が製造プロセスで多少変動しても、その影響が小さくて済み、素子の製造歩留まりを向上させることができる。
【００２３】
また本発明は、光導波層を形成する半導体材料を、ＧａＡｓもしくはＡｌ組成が０．３以下のＡｌＧａＡｓ、またはＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰのいずれかとすることを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば、発振波長を安定化する回折格子を形成するためのプロセスにおいて、大気に曝される光導波層を酸化劣化の小さい材料、すなわちＡｌ組成比の低い材料あるいはＡｌを含まない材料で形成している。したがって、回折格子を形成する領域やストライプ部で大気に曝される面の酸化が抑えられて、再成長する各層の結晶性が向上し、信頼性の高い半導体レーザが得られる。ここで、ＩｎＧａＰとＩｎＧａＡｓＰのそれぞれの元素の組成比は基板と格子整合がとれるものであればよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下の実施形態ではいずれも回折格子は、周知の方法である干渉露光法によりグレーティングを作り込んだレジストをマスクとして、回折格子を形成する層をエッチングすることにより作製した。すなわち回折格子を形成する層を成長させたところで、レジストを塗布し、レーザ光の干渉露光によりレジストをグレーティング状に露光した後現像し、そのレジストをマスクにして下の層を所定の深さエッチングして、マスクのレジストを除去した後、上の層を引き続いて成長させた。この工程で回折格子を形成する層は大気に曝されることになる。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態を示し、図１（ａ）は全体斜視図、図１（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。この半導体レーザ装置は、ＤＦＢレーザとして構成され、ｎ−ＧａＡｓから成る基板１の上に順次、ｎ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．５μｍ）から成るバッファ層２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．４、ｔ＝１．５μｍ）から成るクラッド層３、ノンドープＧａＡｓ井戸層（ｔ＝０．００８μｍ）／ノンドープＡｌＧａＡｓバリア層（ｘ＝０．２、ｔ＝０．００５μｍ）から成る二重量子井戸活性層４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４、ｔ＝１．６μｍ）から成るクラッド層６、ｐ−ＧａＡｓ（ｔ＝１．０μｍ）から成るコンタクト層７がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等を用いて形成され、さらにクラッド層６の中にストライプ状の窓を有するｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．１μｍ）から成る電流ブロック層５が埋め込まれている。基板１の下面およびコンタクト層７の上面には、電極９、８がそれぞれ形成されている。
【００２７】
ＡｌＧａＡｓ系材料は、Ａｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層４の禁制帯幅よりもクラッド層の禁制帯幅の方が大きくなる。
【００２８】
図１（ｂ）に示すように、電流ブロック層５の活性層側界面には、周期的な凹凸形状から成る回折格子１０が形成されており、電流ブロック層５が存在しないストライプ状の窓部１１、すなわち電流注入領域には回折格子は存在しない。回折格子１０の上には電流ブロック層５が形成され、さらに窓部１１を埋めるようにクラッド層６が形成される。
【００２９】
次に動作を説明する。コンタクト層７の電極８に正、基板１の電極９に負のバイアス電圧を印加すると、コンタクト層７から基板１に向かって電流が流れ、電流ブロック層５が存在しない領域、すなわちストライプ状の窓部１１のみを通過することによって、電流密度が増加する。
【００３０】
電流はキャリアとして活性層４に注入され、キャリア再結合によって光を輻射する。さらに、注入電流量を増加させていくと誘導放射が始まり、やがてレーザ発振に至る。レーザ光は、活性層４の両側にあるクラッド層３、６に浸み出し、電流ブロック層５の下部にも浸み出して、導波される。
【００３１】
ここで、回折格子１０の周期Λが式（１）を満足するように設定することによって、波長λo のみが選択的に発振し、その結果、単一モード発振が得られる。このとき、電流注入領域である窓部１１において、結晶性の劣化がないため、低発振閾値、高効率で、しかも寿命の長いＤＦＢ半導体レーザを実現できる。
【００３２】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態を示す斜視図である。この半導体レーザ装置は、ＤＦＢレーザとして構成され、ｎ−ＧａＡｓから成る基板２１の上に順次、ｎ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．５μｍ）から成るバッファ層２２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．４５、ｔ＝１．５μｍ）から成るクラッド層２３、ノンドープＡｌＧａＡｓ井戸層（ｘ＝０．１、ｔ＝０．００６μｍ）／ＡｌＧａＡｓバリア層（ｘ＝０．３、ｔ＝０．００５μｍ）から成る二重量子井戸活性層２４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．３、ｔ＝０．１５μｍ）から成る第１クラッド層２５、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５５、ｔ＝１．０μｍ）から成る第２クラッド層２７、ｐ−ＧａＡｓから成るコンタクト層２８がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等を用いて形成され、さらに第１クラッド層２５と第２クラッド層２７との間には、ストライプ状の窓を有するｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５８、ｔ＝０．１μｍ）から成る電流ブロック層２６が埋め込まれている。基板２１の下面およびコンタクト層２８の上面には、電極３０、２９がそれぞれ形成されている。
【００３３】
ここで、第１クラッド層２５は、活性層２４で発生した光を案内する光導波層として機能する。また、ＡｌＧａＡｓ系材料はＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層２４の禁制帯幅よりも第１クラッド層２５の禁制帯幅の方が大きく、さらに第１クラッド層２５よりも下側のクラッド層２３および上側の第２クラッド層２７の禁制帯幅の方が大きくなる。
【００３４】
電流ブロック層２６の活性層側界面には、周期的な凹凸形状から成る回折格子３１が形成されており、電流ブロック層２６が存在しないストライプ状の窓部１１、すなわち電流注入領域には回折格子は存在しない。
【００３５】
次に動作を説明する。コンタクト層２８の電極２９に正、基板２１の電極３０に負のバイアス電圧を印加すると、コンタクト層２８から基板２１に向かって電流が流れ、電流ブロック層２６が存在しない領域、すなわちストライプ状の窓部１１のみを通過することによって、電流密度が増加する。
【００３６】
電流はキャリアとして活性層２４に注入され、キャリア再結合によって光を輻射する。さらに、注入電流量を増加させていくと誘導放射が始まり、やがてレーザ発振に至る。レーザ光は、活性層２４の両側にあるクラッド層２３や第１クラッド層２５に浸み出し、電流ブロック層２６の下部にも浸み出して、導波される。
【００３７】
ここで、回折格子３１の周期Λが式（１）を満足するように設定することによって、波長λo のみが選択的に発振し、その結果、単一モード発振が得られる。このとき、電流注入領域である窓部１１において、結晶性の劣化がないため、低発振閾値、高効率で、しかも寿命の長いＤＦＢ半導体レーザを実現できる。
【００３８】
（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態を示す斜視図である。この半導体レーザ装置は、ＤＦＢレーザとして構成され、ｎ−ＧａＡｓから成る基板４１の上に順次、ｎ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．５μｍ）から成るバッファ層４２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層４３、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８８μｍ）から成る光導波層４４、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層４５、ノンドープＩｎＧａＡｓ井戸層（Ｉｎ組成比ｙ＝０．２、ｔ＝０．００８μｍ）／ノンドープＡｌＧａＡｓバリア層（Ａｌ組成比ｘ＝０．２、ｔ＝０．００６μｍ）から成る二重量子井戸活性層４６、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層４７、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８８μｍ）から成る光導波層４８、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層５０、ｐ−ＧａＡｓから成るコンタクト層５１がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等を用いて形成され、さらに光導波層４８の中にストライプ状の窓を有するｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．３３、ｔ＝０．１μｍ）から成る電流ブロック層４９が埋め込まれている。基板４１の下面およびコンタクト層５１の上面には、電極５３、５２がそれぞれ形成されている。
【００３９】
ＡｌＧａＡｓ系材料はＩｎＧａＡｓ系材料よりも禁制帯幅が大きく、またＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層４６の禁制帯幅よりも光導波層４４、４８の禁制帯幅の方が大きく、さらに光導波層４４、４８よりもクラッド層４３、５０の各禁制帯幅の方が大きく、また光導波層４４、４８よりもキャリアブロック層４５、４７の各禁制帯幅の方が大きくなる。
【００４０】
電流ブロック層４９の活性層側界面には、周期的な凹凸形状から成る回折格子６１が形成されており、電流ブロック層４９が存在しないストライプ状の窓部１１、すなわち電流注入領域には回折格子は存在しない。
【００４１】
次に動作を説明する。コンタクト層５１の電極５２に正、基板４１の電極５３に負のバイアス電圧を印加すると、コンタクト層５１から基板４１に向かって電流が流れ、電流ブロック層４９が存在しない領域、すなわちストライプ状の窓部１１のみを通過することによって、電流密度が増加する。
【００４２】
電流はキャリアとして活性層４６に注入され、キャリア再結合によって光を輻射する。さらに、注入電流量を増加させていくと誘導放射が始まり、やがてレーザ発振に至る。レーザ光は、活性層４６の両側にある光導波層４４、４８に浸み出し、電流ブロック層４９の下部にも浸み出して、導波される。一方、活性層４６内のキャリアは、キャリアブロック層４５、４７の存在によって活性層内に閉じ込められるため、再結合効率が向上する。
【００４３】
ここで、回折格子６１の周期Λが式（１）を満足するように設定することによって、波長λo のみが選択的に発振し、その結果、単一モード発振が得られる。このとき、電流注入領域である窓部１１において、結晶性の劣化がないため、低発振閾値、高効率で、しかも寿命の長いＤＦＢ半導体レーザを実現できる。
【００４４】
なお、本実施形態では電流ブロック層４９の活性層側界面に回折格子６１を形成する場合を説明したが、電流ブロック層４９のコンタクト層側界面に同様な回折格子を形成してもよい。
【００４５】
（第４実施形態）
図４は本発明の第４実施形態を示し、図４（ａ）は全体斜視図、図４（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。この半導体レーザ装置は、ＤＦＢレーザとして構成され、ｎ−ＧａＡｓから成る基板７１の上に順次、ｎ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．５μｍ）から成るバッファ層７２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層７３、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８３μｍ）から成る光導波層７４、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層７５、ノンドープＩｎＧａＡｓ井戸層（Ｉｎ組成比ｙ＝０．２、ｔ＝０．００８μｍ）／ノンドープＡｌＧａＡｓバリア層（Ａｌ組成比ｘ＝０．２、ｔ＝０．００６μｍ）から成る二重量子井戸活性層７６、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層７７、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８３μｍ）から成る光導波層７８、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層８０、ｐ−ＧａＡｓから成るコンタクト層８１がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等を用いて形成され、さらに光導波層７８の中にストライプ状の窓を有するｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．２４、ｔ＝０．１μｍ）から成る電流ブロック層７９が埋め込まれている。基板７１の下面およびコンタクト層８１の上面には、電極８３、８２がそれぞれ形成されている。
【００４６】
ＡｌＧａＡｓ系材料はＩｎＧａＡｓ系材料よりも禁制帯幅が大きく、またＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層７６の禁制帯幅よりも光導波層７４、７８の禁制帯幅の方が大きく、さらに光導波層７４、７８よりもクラッド層７３、８０の各禁制帯幅の方が大きく、また光導波層７４、７８よりもキャリアブロック層７５、７７の各禁制帯幅の方が大きくなる。
【００４７】
また本実施形態は、図３に示した波長制御用の回折格子６１の代わりに同等な機能を持つグレーティング層９１を設けている。
【００４８】
グレーティング層９１は、光導波層７８の中にｐ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．０５μｍ）を周期的パターンとなるように作製させたものであり、電流ブロック層７９の活性層側界面と活性層７６の間に位置し、窓部１１では均一な厚さに形成され、窓部１１の両側では周期的な凹凸形状に形成され、周期Λの回折格子の機能を果たす。この周期Λが式（１）を満足するように設定することによって、波長λo のみが選択的に発振し、その結果、単一モード発振が得られる。このとき、電流注入領域である窓部１１は、グレーティング層９１によって保護されるので、結晶性の劣化がなくなり、低発振閾値、高効率で、しかも寿命の長いＤＦＢ半導体レーザを実現できる。
【００４９】
（第５実施形態）
図５は本発明の第５実施形態を示し、図５（ａ）は全体斜視図、図５（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。この半導体レーザ装置は、ＤＦＢレーザとして構成され、ｎ−ＧａＡｓから成る基板７１の上に順次、ｎ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．５μｍ）から成るバッファ層７２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層７３、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８３μｍ）から成る光導波層７４、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層７５、ノンドープＩｎＧａＡｓ井戸層（Ｉｎ組成比ｙ＝０．２、ｔ＝０．００８μｍ）／ノンドープＡｌＧａＡｓバリア層（Ａｌ組成比ｘ＝０．２、ｔ＝０．００６μｍ）から成る二重量子井戸活性層７６、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層７７、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８３μｍ）から成る光導波層７８、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層８０、ｐ−ＧａＡｓから成るコンタクト層８１がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等を用いて形成され、さらに光導波層７８の中にストライプ状の窓を有するｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．２４、ｔ＝０．１μｍ）から成る電流ブロック層７９が埋め込まれている。基板７１の下面およびコンタクト層８１の上面には、電極５３、５２がそれぞれ形成されている。
【００５０】
ＡｌＧａＡｓ系材料はＩｎＧａＡｓ系材料よりも禁制帯幅が大きく、またＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層７６の禁制帯幅よりも光導波層７４、７８の禁制帯幅の方が大きく、さらに光導波層７４、７８よりもクラッド層７３、８０の各禁制帯幅の方が大きく、また光導波層７４、７８よりもキャリアブロック層７５、７７の各禁制帯幅の方が大きくなる。
【００５１】
また本実施形態は、図３に示した波長制御用の回折格子６１の代わりに同等な機能を持つグレーティング層９１を設けている。
【００５２】
グレーティング層９１は、光導波層７８の中にｐ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．０５μｍ）を周期的パターンとなるように作製させたものであり、電流ブロック層７９の活性層側界面と活性層７６の間に位置し、窓部１１の両側で周期的な凹凸形状に形成され、周期Λの回折格子の機能を果たす。窓部１１ではグレーティング層９１は形成されていない。窓部の両側にグレーティング層を形成する方法としては、グレーティング層の選択成長を利用する方法や、または窓部も含めて成長させたグレーティング層を窓部だけエッチングして除去する方法などがある。
【００５３】
この周期Λが式（１）を満足するように設定することによって、波長λo のみが選択的に発振し、その結果、単一モード発振が得られる。このとき、電流注入領域である窓部１１は、グレーティング層９１が無く、ストライプ状の窓部１１に屈折率の異なる層が存在しなくなるので、発振するレーザ光のモードを乱さないという利点が生まれる。
【００５４】
以上の実施形態では導波層はＡｌＧａＡｓとしたが、これらの構造では導波層はＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成ｘが０≦ｘ≦０．３）のようにＡｌが少ないかＡｌを含まない組成が好ましい。導波層をこのような組成にすることにより回折格子を形成する際の酸化によるダメージを抑制する効果がさらに高くなり、より高い信頼性を得ることができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、電流ブロック層の界面または該界面と活性層との間にのみ、発振波長を制御するための回折格子を形成することによって、周期的構造に基づく波長選択性が付与され、回折条件を満たす波長のみが選択的に発振するようになり、安定した単一モード発振が得られる。
さらに、こうした回折格子を電流注入領域には形成していないため、この領域における結晶欠陥が格段に少なくなり、その結果、低い発振閾値で高い発振効率、高い信頼性、長寿命を持つ半導体レーザ装置を実現できる。
【００５６】
さらに、こうした回折格子を電流注入領域には形成していないため、この領域における結晶欠陥が格段に少なくなり、その結果、低い発振閾値で高い発振効率、高い信頼性、長寿命を持つ半導体レーザ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示し、図１（ａ）は全体斜視図、図１（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の第４実施形態を示し、図４（ａ）は全体斜視図、図４（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。
【図５】本発明の第５実施形態を示し、図５（ａ）は全体斜視図、図５（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。
【図６】従来のＤＦＢレーザの一例を示し、図６（ａ）は全体斜視図、図６（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１、２１、４１、７１ 基板
２、２２、４２、７２ バッファ層
３、６、２３、４３、５０、７３、８０ クラッド層
４、２４、４６、７６ 活性層
５、２６、４９、７９ 電流ブロック層
７、２８、５１、８１ コンタクト層
８、９、２９、３０、５２、５３、８２、８３ 電極
１０、３１、６１ 回折格子
１１ 窓部
２５ 第１クラッド層
２７ 第２クラッド層
４４、４８、７４、７８ 光導波層
４５、４７、７５、７７ キャリアブロック層
９１ グレーティング層
【発明の属する技術分野】
本発明は、分布帰還型半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光記録装置や固体レーザ励起用、光通信用の光源として、半導体レーザが広く使用されている。その中でも分布帰還型（DFB:Distributed Feedback）半導体レーザは、半導体レーザ内の光導波路中に周期的な凹凸を設けることによって回折格子を形成し、回折格子による光の帰還効果を利用して波長安定化を図っている。こうしたＤＦＢレーザは、安定な単一モードで発振するため、温度変化に伴って生じる縦モードホッピング現象が起こらず、通常のファブリペロー型半導体レーザに見られるモードホッピングノイズが発生しないため、特に低い高周波雑音レベルが要求される光源として優れている。また、ＤＦＢレーザは、発振波長の温度変化が小さいこと、回折格子の周期を変えることによって発振波長を選択できるなどの優れた特性があり、光通信用光源や固体レーザの励起光源といった目的にも好適である。
【０００３】
図６は従来のＤＦＢレーザの一例を示し、図６（ａ）は全体斜視図、図６（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。このＤＦＢレーザは、特開昭６０−６６４８４号公報に記載されているもので、ｎ型（以下、ｎ−と記す）ＧａＡｓ基板１０２の上に順次、ｎ−Ａｌ0.40Ｇａ0.60Ａｓクラッド層１０３、ノンドープＡｌ0.10Ｇａ0.90Ａｓ活性層１０４、ｐ型（以下、ｐ−と記す）Ａｌ0.25Ｇａ0.75Ａｓ光ガイド層１０５、ストライプ状窓を有するｎ−ＧａＡｓ電流阻止層１０６、ｐ−Ａｌ0.40Ｇａ0.60Ａｓクラッド層１０７、ｐ−ＧａＡｓコンタクト層１０８が形成され、基板１０２の下面およびコンタクト層１０８の上面に電極１０１、１０９が形成されている。
【０００４】
図６（ｂ）に示すように、光ガイド層１０５の上面でストライプ状窓の底になる部分１１１、および電流阻止層１０６の上面には、周期的な凹凸からなる回折格子１１２、１１３がそれぞれ形成されている。これらの回折格子１１２、１１３の上に、ストライプ状窓を埋めるようにクラッド層１０７が形成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示す従来のＤＦＢレーザでは、電流は電流阻止層１０６のストライプ状窓を通って活性層１０４に注入される。そのため光ガイド層１０５のストライプ状窓の底になる部分１１１、すなわち電流注入領域にも回折格子が作製されている。
【０００６】
しかしながら、回折格子作製時のエッチング等のプロセスにおいて結晶表面が大気に曝されることなどにより基板表面の酸化が起こり多数の結晶欠陥が生成されてしまうため、図６の構造では活性層１０４の直上付近に結晶欠陥が集中して、結晶性が劣悪な部分が存在することになる。
【０００７】
このような半導体レーザでは、動作中に、既存の結晶欠陥が引金となって、結晶欠陥がさらに増加する傾向があり、寿命が極端に短くなる。また、レーザ共振器中の内部損失が大きくなり、発振閾値の増大や効率の低下などの問題が生ずる。
【０００８】
本発明の目的は、低い発振閾値で高い発振効率、高い信頼性、長寿命を持ち、発振波長が安定化された半導体レーザ装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、活性層の両面側に、該活性層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対の光導波層がそれぞれ設けられ、
活性層および光導波層を挟むように、該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対のクラッド層がそれぞれ設けられ、
活性層と光導波層との間に、該活性層および該光導波層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層が設けられ、
該光導波層の少なくとも一方にストライプ状の窓を有する電流ブロック層が埋め込まれた自己整合型の半導体レーザ装置において、
前記電流ブロック層の活性層側の界面、または該活性層側の界面と活性層との間であって、ストライプ状の窓を除いた領域のみに、発振波長を制御するための回折格子が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置である。
【００１９】
本発明に従えば、半導体レーザに電圧を印加するとキャリア（電子やホール）が注入され、光導波層を通過する際に電流ブロック層によって阻止される。そのため、キャリアは、電流ブロック層の存在しない部分、すなわちストライプ状の溝の部分のみを通過する。活性層に注入されたキャリアは再結合して光を輻射し、注入電流レベルを増加させていくと誘導放出が始まり、やがてレーザ発振に至る。レーザ光の一部は電流ブロック層の下部まで浸み出して、導波される。一方、活性層内のキャリアは、キャリアブロック層の存在によって活性層内に閉じ込められるため、再結合効率が向上する。
【００２０】
電流ブロック層の下部のみに発振波長を安定化するための回折格子を形成している。回折格子として、ａ）電流ブロック層の活性層側の界面に周期的凹凸を形成したものや、ｂ）この活性層側の界面と活性層との間にグレーティング層を形成したもの、等が可能である。ここで、周期的凹凸の周期Λあるいはグレーティング層の幅が変化する周期Λが、次式（１）を満足するように設定することによって、単一モード発振が得られる。
Λ＝ｍ・λ o ／（２・ｎｒ） …（１）
但し、ｍは１以上の整数（１、２、３、…）、ｎ r は光導波路の屈折率、λ o は発振波長である。
【００２１】
さらに、本発明では回折格子をストライプ状の窓を除いた領域のみに形成しており、電流が通過する電流注入領域には回折格子が存在しないため、この領域に結晶欠陥が発生していない。そのため、発振閾値の増加、発振効率の低下といった問題が生じる可能性は極めて少なくなる。また結晶欠陥の増殖による信頼性の低下も抑制できる。
【００２２】
このように活性層と光導波層との間にキャリアブロック層を設けることによって、活性層へのキャリア閉じ込めとは独立して、素子内の導波機構の設計を自由に行うことができるため、広い光導波層の採用によって導波モードを理想的なガウス型に近づけることが可能になる。これによって回折格子の屈折率や厚さを広い範囲で選択できるため、設計自由度が増し、しかも製造マージンが広くなり、、半導体レーザの製造歩留まりが向上する。これに対して、活性層と光導波層との間にキャリアブロック層を設けない構造である場合、導波モードは急峻なピークを持つ富士山型となる。一方、活性層と光導波層との間にキャリアブロック層を設けた場合、導波モードは富士山型と比べて肩が張り出した形状を持つガウス型となり、電場強度が大きい部分では電場強度の変化がより緩やかになる。したがって、ガウス型の導波モードを持つ半導体レーザにおいて、波長を制御するための回折格子を活性層から離れた位置に形成した場合であっても、回折格子が充分機能するとともに、電場強度変化が緩やかであることに起因して、活性層と回折格子との間の距離や屈折率分布が製造プロセスで多少変動しても、その影響が小さくて済み、素子の製造歩留まりを向上させることができる。
【００２３】
また本発明は、光導波層を形成する半導体材料を、ＧａＡｓもしくはＡｌ組成が０．３以下のＡｌＧａＡｓ、またはＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰのいずれかとすることを特徴とする。
【００２４】
本発明によれば、発振波長を安定化する回折格子を形成するためのプロセスにおいて、大気に曝される光導波層を酸化劣化の小さい材料、すなわちＡｌ組成比の低い材料あるいはＡｌを含まない材料で形成している。したがって、回折格子を形成する領域やストライプ部で大気に曝される面の酸化が抑えられて、再成長する各層の結晶性が向上し、信頼性の高い半導体レーザが得られる。ここで、ＩｎＧａＰとＩｎＧａＡｓＰのそれぞれの元素の組成比は基板と格子整合がとれるものであればよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下の実施形態ではいずれも回折格子は、周知の方法である干渉露光法によりグレーティングを作り込んだレジストをマスクとして、回折格子を形成する層をエッチングすることにより作製した。すなわち回折格子を形成する層を成長させたところで、レジストを塗布し、レーザ光の干渉露光によりレジストをグレーティング状に露光した後現像し、そのレジストをマスクにして下の層を所定の深さエッチングして、マスクのレジストを除去した後、上の層を引き続いて成長させた。この工程で回折格子を形成する層は大気に曝されることになる。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態を示し、図１（ａ）は全体斜視図、図１（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。この半導体レーザ装置は、ＤＦＢレーザとして構成され、ｎ−ＧａＡｓから成る基板１の上に順次、ｎ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．５μｍ）から成るバッファ層２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．４、ｔ＝１．５μｍ）から成るクラッド層３、ノンドープＧａＡｓ井戸層（ｔ＝０．００８μｍ）／ノンドープＡｌＧａＡｓバリア層（ｘ＝０．２、ｔ＝０．００５μｍ）から成る二重量子井戸活性層４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．４、ｔ＝１．６μｍ）から成るクラッド層６、ｐ−ＧａＡｓ（ｔ＝１．０μｍ）から成るコンタクト層７がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等を用いて形成され、さらにクラッド層６の中にストライプ状の窓を有するｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．１μｍ）から成る電流ブロック層５が埋め込まれている。基板１の下面およびコンタクト層７の上面には、電極９、８がそれぞれ形成されている。
【００２７】
ＡｌＧａＡｓ系材料は、Ａｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層４の禁制帯幅よりもクラッド層の禁制帯幅の方が大きくなる。
【００２８】
図１（ｂ）に示すように、電流ブロック層５の活性層側界面には、周期的な凹凸形状から成る回折格子１０が形成されており、電流ブロック層５が存在しないストライプ状の窓部１１、すなわち電流注入領域には回折格子は存在しない。回折格子１０の上には電流ブロック層５が形成され、さらに窓部１１を埋めるようにクラッド層６が形成される。
【００２９】
次に動作を説明する。コンタクト層７の電極８に正、基板１の電極９に負のバイアス電圧を印加すると、コンタクト層７から基板１に向かって電流が流れ、電流ブロック層５が存在しない領域、すなわちストライプ状の窓部１１のみを通過することによって、電流密度が増加する。
【００３０】
電流はキャリアとして活性層４に注入され、キャリア再結合によって光を輻射する。さらに、注入電流量を増加させていくと誘導放射が始まり、やがてレーザ発振に至る。レーザ光は、活性層４の両側にあるクラッド層３、６に浸み出し、電流ブロック層５の下部にも浸み出して、導波される。
【００３１】
ここで、回折格子１０の周期Λが式（１）を満足するように設定することによって、波長λo のみが選択的に発振し、その結果、単一モード発振が得られる。このとき、電流注入領域である窓部１１において、結晶性の劣化がないため、低発振閾値、高効率で、しかも寿命の長いＤＦＢ半導体レーザを実現できる。
【００３２】
（第２実施形態）
図２は、本発明の第２実施形態を示す斜視図である。この半導体レーザ装置は、ＤＦＢレーザとして構成され、ｎ−ＧａＡｓから成る基板２１の上に順次、ｎ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．５μｍ）から成るバッファ層２２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．４５、ｔ＝１．５μｍ）から成るクラッド層２３、ノンドープＡｌＧａＡｓ井戸層（ｘ＝０．１、ｔ＝０．００６μｍ）／ＡｌＧａＡｓバリア層（ｘ＝０．３、ｔ＝０．００５μｍ）から成る二重量子井戸活性層２４、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．３、ｔ＝０．１５μｍ）から成る第１クラッド層２５、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５５、ｔ＝１．０μｍ）から成る第２クラッド層２７、ｐ−ＧａＡｓから成るコンタクト層２８がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等を用いて形成され、さらに第１クラッド層２５と第２クラッド層２７との間には、ストライプ状の窓を有するｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５８、ｔ＝０．１μｍ）から成る電流ブロック層２６が埋め込まれている。基板２１の下面およびコンタクト層２８の上面には、電極３０、２９がそれぞれ形成されている。
【００３３】
ここで、第１クラッド層２５は、活性層２４で発生した光を案内する光導波層として機能する。また、ＡｌＧａＡｓ系材料はＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層２４の禁制帯幅よりも第１クラッド層２５の禁制帯幅の方が大きく、さらに第１クラッド層２５よりも下側のクラッド層２３および上側の第２クラッド層２７の禁制帯幅の方が大きくなる。
【００３４】
電流ブロック層２６の活性層側界面には、周期的な凹凸形状から成る回折格子３１が形成されており、電流ブロック層２６が存在しないストライプ状の窓部１１、すなわち電流注入領域には回折格子は存在しない。
【００３５】
次に動作を説明する。コンタクト層２８の電極２９に正、基板２１の電極３０に負のバイアス電圧を印加すると、コンタクト層２８から基板２１に向かって電流が流れ、電流ブロック層２６が存在しない領域、すなわちストライプ状の窓部１１のみを通過することによって、電流密度が増加する。
【００３６】
電流はキャリアとして活性層２４に注入され、キャリア再結合によって光を輻射する。さらに、注入電流量を増加させていくと誘導放射が始まり、やがてレーザ発振に至る。レーザ光は、活性層２４の両側にあるクラッド層２３や第１クラッド層２５に浸み出し、電流ブロック層２６の下部にも浸み出して、導波される。
【００３７】
ここで、回折格子３１の周期Λが式（１）を満足するように設定することによって、波長λo のみが選択的に発振し、その結果、単一モード発振が得られる。このとき、電流注入領域である窓部１１において、結晶性の劣化がないため、低発振閾値、高効率で、しかも寿命の長いＤＦＢ半導体レーザを実現できる。
【００３８】
（第３実施形態）
図３は、本発明の第３実施形態を示す斜視図である。この半導体レーザ装置は、ＤＦＢレーザとして構成され、ｎ−ＧａＡｓから成る基板４１の上に順次、ｎ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．５μｍ）から成るバッファ層４２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層４３、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８８μｍ）から成る光導波層４４、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層４５、ノンドープＩｎＧａＡｓ井戸層（Ｉｎ組成比ｙ＝０．２、ｔ＝０．００８μｍ）／ノンドープＡｌＧａＡｓバリア層（Ａｌ組成比ｘ＝０．２、ｔ＝０．００６μｍ）から成る二重量子井戸活性層４６、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層４７、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８８μｍ）から成る光導波層４８、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層５０、ｐ−ＧａＡｓから成るコンタクト層５１がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等を用いて形成され、さらに光導波層４８の中にストライプ状の窓を有するｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．３３、ｔ＝０．１μｍ）から成る電流ブロック層４９が埋め込まれている。基板４１の下面およびコンタクト層５１の上面には、電極５３、５２がそれぞれ形成されている。
【００３９】
ＡｌＧａＡｓ系材料はＩｎＧａＡｓ系材料よりも禁制帯幅が大きく、またＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層４６の禁制帯幅よりも光導波層４４、４８の禁制帯幅の方が大きく、さらに光導波層４４、４８よりもクラッド層４３、５０の各禁制帯幅の方が大きく、また光導波層４４、４８よりもキャリアブロック層４５、４７の各禁制帯幅の方が大きくなる。
【００４０】
電流ブロック層４９の活性層側界面には、周期的な凹凸形状から成る回折格子６１が形成されており、電流ブロック層４９が存在しないストライプ状の窓部１１、すなわち電流注入領域には回折格子は存在しない。
【００４１】
次に動作を説明する。コンタクト層５１の電極５２に正、基板４１の電極５３に負のバイアス電圧を印加すると、コンタクト層５１から基板４１に向かって電流が流れ、電流ブロック層４９が存在しない領域、すなわちストライプ状の窓部１１のみを通過することによって、電流密度が増加する。
【００４２】
電流はキャリアとして活性層４６に注入され、キャリア再結合によって光を輻射する。さらに、注入電流量を増加させていくと誘導放射が始まり、やがてレーザ発振に至る。レーザ光は、活性層４６の両側にある光導波層４４、４８に浸み出し、電流ブロック層４９の下部にも浸み出して、導波される。一方、活性層４６内のキャリアは、キャリアブロック層４５、４７の存在によって活性層内に閉じ込められるため、再結合効率が向上する。
【００４３】
ここで、回折格子６１の周期Λが式（１）を満足するように設定することによって、波長λo のみが選択的に発振し、その結果、単一モード発振が得られる。このとき、電流注入領域である窓部１１において、結晶性の劣化がないため、低発振閾値、高効率で、しかも寿命の長いＤＦＢ半導体レーザを実現できる。
【００４４】
なお、本実施形態では電流ブロック層４９の活性層側界面に回折格子６１を形成する場合を説明したが、電流ブロック層４９のコンタクト層側界面に同様な回折格子を形成してもよい。
【００４５】
（第４実施形態）
図４は本発明の第４実施形態を示し、図４（ａ）は全体斜視図、図４（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。この半導体レーザ装置は、ＤＦＢレーザとして構成され、ｎ−ＧａＡｓから成る基板７１の上に順次、ｎ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．５μｍ）から成るバッファ層７２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層７３、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８３μｍ）から成る光導波層７４、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層７５、ノンドープＩｎＧａＡｓ井戸層（Ｉｎ組成比ｙ＝０．２、ｔ＝０．００８μｍ）／ノンドープＡｌＧａＡｓバリア層（Ａｌ組成比ｘ＝０．２、ｔ＝０．００６μｍ）から成る二重量子井戸活性層７６、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層７７、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８３μｍ）から成る光導波層７８、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層８０、ｐ−ＧａＡｓから成るコンタクト層８１がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等を用いて形成され、さらに光導波層７８の中にストライプ状の窓を有するｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．２４、ｔ＝０．１μｍ）から成る電流ブロック層７９が埋め込まれている。基板７１の下面およびコンタクト層８１の上面には、電極８３、８２がそれぞれ形成されている。
【００４６】
ＡｌＧａＡｓ系材料はＩｎＧａＡｓ系材料よりも禁制帯幅が大きく、またＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層７６の禁制帯幅よりも光導波層７４、７８の禁制帯幅の方が大きく、さらに光導波層７４、７８よりもクラッド層７３、８０の各禁制帯幅の方が大きく、また光導波層７４、７８よりもキャリアブロック層７５、７７の各禁制帯幅の方が大きくなる。
【００４７】
また本実施形態は、図３に示した波長制御用の回折格子６１の代わりに同等な機能を持つグレーティング層９１を設けている。
【００４８】
グレーティング層９１は、光導波層７８の中にｐ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．０５μｍ）を周期的パターンとなるように作製させたものであり、電流ブロック層７９の活性層側界面と活性層７６の間に位置し、窓部１１では均一な厚さに形成され、窓部１１の両側では周期的な凹凸形状に形成され、周期Λの回折格子の機能を果たす。この周期Λが式（１）を満足するように設定することによって、波長λo のみが選択的に発振し、その結果、単一モード発振が得られる。このとき、電流注入領域である窓部１１は、グレーティング層９１によって保護されるので、結晶性の劣化がなくなり、低発振閾値、高効率で、しかも寿命の長いＤＦＢ半導体レーザを実現できる。
【００４９】
（第５実施形態）
図５は本発明の第５実施形態を示し、図５（ａ）は全体斜視図、図５（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。この半導体レーザ装置は、ＤＦＢレーザとして構成され、ｎ−ＧａＡｓから成る基板７１の上に順次、ｎ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．５μｍ）から成るバッファ層７２、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層７３、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８３μｍ）から成る光導波層７４、ｎ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層７５、ノンドープＩｎＧａＡｓ井戸層（Ｉｎ組成比ｙ＝０．２、ｔ＝０．００８μｍ）／ノンドープＡｌＧａＡｓバリア層（Ａｌ組成比ｘ＝０．２、ｔ＝０．００６μｍ）から成る二重量子井戸活性層７６、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．５、ｔ＝０．０２μｍ）から成るキャリアブロック層７７、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２、ｔ＝０．８３μｍ）から成る光導波層７８、ｐ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成＝０．２４、ｔ＝１．１μｍ）から成るクラッド層８０、ｐ−ＧａＡｓから成るコンタクト層８１がＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長法）等を用いて形成され、さらに光導波層７８の中にストライプ状の窓を有するｎ−ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成比ｘ＝０．２４、ｔ＝０．１μｍ）から成る電流ブロック層７９が埋め込まれている。基板７１の下面およびコンタクト層８１の上面には、電極５３、５２がそれぞれ形成されている。
【００５０】
ＡｌＧａＡｓ系材料はＩｎＧａＡｓ系材料よりも禁制帯幅が大きく、またＡｌ組成が増加するにつれて禁制帯幅も増加する傾向がある。本実施形態では、活性層７６の禁制帯幅よりも光導波層７４、７８の禁制帯幅の方が大きく、さらに光導波層７４、７８よりもクラッド層７３、８０の各禁制帯幅の方が大きく、また光導波層７４、７８よりもキャリアブロック層７５、７７の各禁制帯幅の方が大きくなる。
【００５１】
また本実施形態は、図３に示した波長制御用の回折格子６１の代わりに同等な機能を持つグレーティング層９１を設けている。
【００５２】
グレーティング層９１は、光導波層７８の中にｐ−ＧａＡｓ（厚さｔ＝０．０５μｍ）を周期的パターンとなるように作製させたものであり、電流ブロック層７９の活性層側界面と活性層７６の間に位置し、窓部１１の両側で周期的な凹凸形状に形成され、周期Λの回折格子の機能を果たす。窓部１１ではグレーティング層９１は形成されていない。窓部の両側にグレーティング層を形成する方法としては、グレーティング層の選択成長を利用する方法や、または窓部も含めて成長させたグレーティング層を窓部だけエッチングして除去する方法などがある。
【００５３】
この周期Λが式（１）を満足するように設定することによって、波長λo のみが選択的に発振し、その結果、単一モード発振が得られる。このとき、電流注入領域である窓部１１は、グレーティング層９１が無く、ストライプ状の窓部１１に屈折率の異なる層が存在しなくなるので、発振するレーザ光のモードを乱さないという利点が生まれる。
【００５４】
以上の実施形態では導波層はＡｌＧａＡｓとしたが、これらの構造では導波層はＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成ｘが０≦ｘ≦０．３）のようにＡｌが少ないかＡｌを含まない組成が好ましい。導波層をこのような組成にすることにより回折格子を形成する際の酸化によるダメージを抑制する効果がさらに高くなり、より高い信頼性を得ることができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上詳説したように本発明によれば、電流ブロック層の界面または該界面と活性層との間にのみ、発振波長を制御するための回折格子を形成することによって、周期的構造に基づく波長選択性が付与され、回折条件を満たす波長のみが選択的に発振するようになり、安定した単一モード発振が得られる。
さらに、こうした回折格子を電流注入領域には形成していないため、この領域における結晶欠陥が格段に少なくなり、その結果、低い発振閾値で高い発振効率、高い信頼性、長寿命を持つ半導体レーザ装置を実現できる。
【００５６】
さらに、こうした回折格子を電流注入領域には形成していないため、この領域における結晶欠陥が格段に少なくなり、その結果、低い発振閾値で高い発振効率、高い信頼性、長寿命を持つ半導体レーザ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示し、図１（ａ）は全体斜視図、図１（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。
【図２】本発明の第２実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の第３実施形態を示す斜視図である。
【図４】本発明の第４実施形態を示し、図４（ａ）は全体斜視図、図４（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。
【図５】本発明の第５実施形態を示し、図５（ａ）は全体斜視図、図５（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。
【図６】従来のＤＦＢレーザの一例を示し、図６（ａ）は全体斜視図、図６（ｂ）は回折格子の形状を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
１、２１、４１、７１ 基板
２、２２、４２、７２ バッファ層
３、６、２３、４３、５０、７３、８０ クラッド層
４、２４、４６、７６ 活性層
５、２６、４９、７９ 電流ブロック層
７、２８、５１、８１ コンタクト層
８、９、２９、３０、５２、５３、８２、８３ 電極
１０、３１、６１ 回折格子
１１ 窓部
２５ 第１クラッド層
２７ 第２クラッド層
４４、４８、７４、７８ 光導波層
４５、４７、７５、７７ キャリアブロック層
９１ グレーティング層
Claims (2)
- 活性層の両面側に、該活性層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対の光導波層がそれぞれ設けられ、
活性層および光導波層を挟むように、該光導波層の禁制帯幅以上の禁制帯幅を有する一対のクラッド層がそれぞれ設けられ、
活性層と光導波層との間に、該活性層および該光導波層の各禁制帯幅以上の禁制帯幅を有するキャリアブロック層が設けられ、
前記光導波層の少なくとも一方にストライプ状の窓を有する電流ブロック層が埋め込まれた自己整合型の半導体レーザ装置において、
前記電流ブロック層の活性層側の界面、または該活性層側の界面と活性層との間であって、ストライプ状の窓を除いた領域のみに、発振波長を制御するための回折格子が形成されていることを特徴とする半導体レーザ装置。 - 光導波層を形成する半導体材料を、ＧａＡｓもしくはＡｌ組成が０．３以下のＡｌＧａＡｓ、またはＩｎＧａＰ、ＩｎＧａＡｓＰのいずれかとすることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
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| JP26683097 | 1997-09-30 | ||
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-
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