JPH04155987A - 半導体分布帰還型レーザ装置およびその製造方法 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電気光変換素子として利用する半導体分布帰還
型レーザ装置に関する。

本発明は、長距離大容量光通信装置、光情報処理装置、
光記録装置、光応用計測装置、その地元電子装置の光源
として利用するに適する。

〔概　要〕

本発明は、回折格子としての周期的な凹凸形状が活性層
に設けられた半導体分布帰還型レーザ装置において、 その凹凸形状の各頂部に低屈折率層を設け、凹凸形状に
接して活性層と低屈折率層の中間の屈折率の層を設ける
ことにより、 屈折率の周期的摂動を抑制し、利得係数の周期的摂動を
主とした光分布帰還を行うものである。

〔従来の技術〕

活性層の近傍に設けた回折格子により活性層に光の分布
帰還を施して誘導放出光を発生させる半導体分布帰還型
レーザ装置は、一般に、比較的簡単な構成により優れた
発振スペクトル特性の誘導放出光が得られるので、従来
から幾多の研究開発が進められ、長距離大容量光通信、
光情報処理および記録、光応用計測などに用いる好適な
光源装置としてその有用性が期待されている。

このような半導体分布帰還型レーザ装置では、活性層を
透明なヘテロ接合半導体層などにより囲み、効率よく誘
導放出光を発生させる光導波路構造が採られている。特
に、活性層にごく近接した透明な導波路層の活性層から
遠い側の界面に例えば三角波状の断面形状をもつ回折格
子を形成し、導波路屈折率を周期的に変化させることに
より光分布帰還を施す方向の研究開発が専ら進釣られて
いる。

しかし、このような屈折率結合による光分布帰還におい
ては、先導波路層の層厚変化の周期に対応して反射する
ブラッグ波長の光に対して、光位相についての適正な帰
還が行われない。このため、安定なレーザ発振が得られ
ず、ブラッグ波長から上下に対称に離隔した二つの波長
の縦モード発振が同時に生じる可能性が高い。また、こ
のような二つの波長の縦モード発振のうちの一方のみが
生じる場合にも、二つの波長のうちのいずれの波長の縦
モード発振を行わせるかをあらかじめ選定することが困
難であるため、発振波長設定の精度が著しく損なわれる
ことになる。

すなわち、先導波路層における屈折率の周期的摂動に基
づく屈折率結合を利用した光分布帰還では、原理的に、
二波長縦モード発振縮重の問題が生じてしまい、これを
避けることは困難である。

もちろん、このような困難を解決する手段も従来から種
々検討されている。しかし、例えば回折格子のほぼ中央
で４分の１波長分だけ位相シフトさせる構造など、いず
れも、レーザ装置の構造を複雑化し、縮重解消のための
みの製造工程を付加する必要があり、その上、レーザ素
子端面に反射防止膜を形成する必要があった。

一方、上述のように屈折率結合により光分布帰還を行う
とブラッグ波長領域に発振阻止帯域が生じるが、利得係
数の周期的摂動に基づく利得結合により光分布帰還を行
うとすれば、発振阻止帯域は現れず完全に単一波長の縦
モード発振が得られるはずであるとの原理的な理論が、 コゲルニツタ他、「分布帰還レーザの結合波理論」、ア
プライド・フィツクス、１９７２年、第４３巻、第２３
２７頁ないし第２３３５頁（”Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖ
ｅＴｈｅｏｒｙ　ｏｆ　　Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　　
Ｆｅｅｄｂａｃｋ　　Ｌａ５ｅｒｓ”。

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　　Ａｐｐｌｉｅｄ　　Ｐｈｙｓ
ｉｃｓ、　１９７２　Ｖｏｌ、４３゜ｐｐ　２３２７−
２３３５） に示されている。しかし、コゲルニツタの論文はあくま
でも原理的な検討結果であって、具体的な構造について
は示されていない。

本願発明者の一部は、上記コゲルニツタ他の基礎理論を
適用した新しい半導体レーザ装置を発明し、以下の特許
出願をした。

特願昭６３−１８９５９３　、昭和６３年７月３０日出
願特願平１−１６８７２９、平成１年６月３０日出願特
願平１−１８５００１〜１８５００５、同年７月１８日
出願。

これらの特許出願のそれぞれの明細書および図面に示し
た構造により、利得結合による光分布帰還を実現できた
。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述の特許出願の多くは、活性層の表面に周期的な凹凸
形状を設け、このときの厚みの変化による利得係数の周
期的な摂動を利用したものである。

光を閉じ込める必要性から、活性層の屈折率はその周囲
の層と異なるのが一般的である。このたと１活性層に凹
凸形状を形成することは、必然的に屈折率の周期変化を
もたらしてしまう。すなわち、活性層に凹凸形状を設け
た構造では、利得結合のみによる光分布帰還を得ている
わけではなく、屈折率結合的な摂動による効果が残って
いた。

これを抑制して利得結合的な摂動のみになるよう設計で
きることを本願発明者め一部はアプライド・フィジック
ス・レターズ、１９９０年、第５６巻、第１６２０頁な
いし第１６２２頁（”Ｐｕｒｅｌｙ　ｇａｉｎ−ｃｏｕ
ｐｌｅｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　
　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　１ａｓｅｒｓ”。

Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　
１９９０．Ｖｏｌ、５６．ｐｐ、１６２０−１６２２）
に示した。

しかし、この構造では凹凸上に成長した活性層の形状に
依存しているため、屈折率結合の成分を精密に制御する
ことは困難であった。

本発明は、このような課題を解決し、屈折率結合による
光分布帰還を抑制し、利得結合を主とする光分布帰還が
得られる半導体分布帰還型レーザ装置を提供することを
目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の半導体分布帰還型レーザ装置は、活性層の表面
に回折格子として設けられた凹凸形状の各頂部に、活性
層より屈折率の低い低屈折率層を備え、凹凸形状に接し
て、低屈折率層より屈折率が高く活性層より屈折率の低
い中間屈折率層を備えたことを特徴とする。

活性層、中間屈折率層および低屈折率層のそれぞれの屈
折率、凹凸形状の深さおよび中間屈折率層の厚さは、活
性層と中間屈折率層とによって生じる屈折率実部の周期
的変化と、低屈折率層と中間屈折率層とによって生じる
屈折率実部の周期的変化とが互いに打ち消し合うように
設定されることが望ましい。

このようなレーザ装置を製造するには、基板上に活性層
およびこの活性層より屈折率の低い低屈折率層を成長さ
せ、低屈折率層および活性層に回折格子としての周期的
な凹凸形状を印刻し、さらに、低屈折率層より屈折率が
高く活性層よりは屈折率の低い中間屈折率層を成長させ
る。

ここで、中間屈折率層の屈折率と厚さを、低屈折率層と
活性層に印刻した回折格子の形状にあわせて調整するこ
とにより、屈折率結合的な成分を精密に制御できる。

本明細書において「上」とは、製造時における結晶成長
の方向と同じ方向をいう。また、「下」とはその逆の方
向をいう。

〔作　用〕

活性層の厚さを周期的に変化させることで、利得係数の
周期的摂動を得る。このとき、活性層の表面の凹凸形状
の各頂部に低屈折率層を設け、さらに、凹凸形状に接し
て中間屈折率層を設けると、凹凸形状の溝の部分を通っ
て活性層−中間屈折率層一活性層一中間屈折率層・・・
の周期構造が形成され、頂部を通って低屈折率層−中間
屈折率層一低屈折率層一中間屈折率層・・・の周期構造
が形成される。これを屈折率でみると、 溝側：高（活性層）−中一高一中−・・・頂側：　　低
　　　−中一低一中一・・・となる。すなわち、溝側と
頂側とのそれぞれの周期構造が逆相となり、互いの屈折
率実部の周期変化を打ち消し合うことができる。

すなわち、屈折率の周期的摂動が抑制され、活性層の厚
さの周期的な変化による利得係数の周期的摂動を主とし
た光分布帰還が行われ、安定な単一モード発振が得られ
る。

〔実施例〕

第１図は本発明実施例の半導体分布帰還型レーザ装置の
構造を示す。

このレーザ装置は、誘導放出光を発生させる活性層５を
備え、この活性層５が発生した誘導放出光に光分布帰還
を施す回折格子が、活性層５の表面の凹凸形状として形
成されている。

ここで本実施例の特徴とするところは、凹凸形状の各頂
部には活性層５より屈折率の低い低屈折率層６が設けら
れ、凹凸形状に接して、低屈折率層６より屈折率が高く
活性層５より屈折率の低い中間屈折率層７を備えたこと
にある。

このレーザ装置の構造について、製造方法と共にさらに
詳しく説明する。ここでは、ＩｎＰ系、すなわち各層を
ｆｎＰに格子整合させる場合を例に説明する。

まず、高濃度ｎ形１ｎＰ基板１上にダブルへテロ接合構
造の各層を二段階にわけてエピタキシャル成長させる。

各層はＩｎＰ基板１に格子整合させる。

エピタキシャル成長の第一段階では、基板１の上に、例
えば、１１ｔｒ＋１厚のｎ形１ｎＰクラッド層３と、０
．１２μｍ厚の低純物濃度１ｎｏ、　６３Ｇａｏ、　ａ
Ｊｓ活性層５と、４Ｑｎｍ厚のｐ形１ｎＰ低屈折率層６
とを順次結晶成長させる。次に、干渉露光法と化学エツ
チングにより、低屈折率層６と活性層５とに周期２５６
ｎｍ　、深さ８０ｎｍの回折格子（凹凸形状）を印刻す
る。

エピタキシャル成長の第二段階では、回折格子を印刻し
た活性層５と低屈折率層６との上に、平均５Ｑｎｍ厚の
ｐ形ｉｎｏ、７２Ｇａ０．２ｓＡｓｏ、　８１Ｐ０．３
９中間屈折率層７を成長させる。このとき、中間屈折率
層７の上面が平坦になるようにする。さらにこの上に、
１即厚のｐ形１ｎＰクラッド層８と、０．５ｐ厚の高濃
度ｐ形Ｉｎｏ、　ｓ、Ｇａｏ、　４ｆｆ＾Ｓコンタクト
層９とを順に連続して成長させ、ダブルへテロ接合構造
を完成させる。

ここで、エツチング後の結晶成長では活性層５の側面が
露出しているため、直前にごくわずかなエツチング等の
処理を行い、欠陥が生じないようにすることが必要であ
る。ＩｎＰ系では、適切な処理をした場合には欠陥の発
生の問題が生じないことが報告されている（ジャーナル
・オブ・クリスタルグロース第９３巻１９８８年第３６
５頁から第３６９頁（Ｊ、Ｃｒｙｓｔ、Ｇｒｏｗｔｈ、
　９３（１９８８）　ｐｐ、３６５−３６９））。

二回目のエピタキシャル成長が終了した後、５１０２絶
縁層１２をコンタクト層９の上面に堆積させ、例えば幅
１０鴻のストライブ状窓を形成し、その後に電極層１１
および１０を蒸着する。さらに、これを襞間して、個々
の半導体レーザ素子を完成する。

有機金属気相成長による成長条件としては、例えば、 〔原料〕ホスフィン　　　　　ＰＨ３ アルシン　　　　　　ＡｓＨ。

トリエチルインジウム（Ｃ２Ｈ５）３１ｎトリエチルガ
リウム　（Ｃ２Ｈ５）３Ｇａジメチルジンク　　　　（
ＣＨ，）　２Ｚｎ硫化水素　　　　　　Ｈ，Ｓ 〔条件〕圧力　　　７６　Ｔｏｒｒ 全流量　　　５　ｓｉｎ 基板温度　７００℃（１回目）、 ６５０℃（２回目） とする。

上述した各層の導電型および組成を表にまとめて示す。

（以下本頁余白） 第２図は上述の実施例の活性層近傍の層構造を示し、第
３図右よび第４図はそれぞれ第２図の線３−３．４−４
に沿った屈折率分布を示す。

回折格子が印刻された活性層５とその間を埋める中間屈
折率層７とによって生じる屈折率実部の摂動は、切断さ
れた低屈折率層６とその間を埋める中間屈折率層７とに
よって生じる位相が逆の屈折率実部の摂動によって打ち
消される。上述した組成や厚さは屈折率実部の摂動がほ
ぼ零となるように設計した一例である。

中間屈折率層７の上面を平坦にするのは、設計計算を簡
単にするためのものであって、この上面に凹凸が残る場
合には、その屈折率実部の摂動も考慮し、全体として摂
動を打ち消すようにする。

このようにして、屈折率実部の摂動を抑制し、回折格子
が印刻された活性層５による屈折率虚部、すなわち利得
係数の摂動が主となる光分布帰還を実現でき、利得係数
の周期に対応したブラッグ波長で単一モード発振を行う
半導体分布帰還型レーザ装置が得られる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体分布帰還型レーザ
装置は、屈折率実部の全体としての変化が小さく、屈折
率の周期的摂動が抑制される。これにより、活性層の厚
さの周期的な変化による利得係数の周期的摂動を主とし
た光分布帰還が行われ、単一モードで発振させることが
できる。

また、利得結合によって光分布帰還を達成しているので
、従来の屈折率結合型半導体分布帰還型レーザ装置とは
異なり、完全に単一の波長の縦モード発振が行われ、従
来装置におけるような発振波長の不確定性も見られない
と考えられる。もっとも、従来の半導体分布帰還型レー
ザ装置でも完全単一縦モード化は可能であるが、いずれ
も半導体レーザ装置の構成が複雑化し、その上、レーザ
素子端面への反射防止膜形成が必要など、その製造工程
数が増大するのに対し、本発明装置では、従来の製造工
程をほとんど変えることなく、反射防止措置も要らずに
簡単に完全単一縦モード化を実現できる。

さらに、利得結合による光分布帰還を利用しているため
、近端あるいは遠端からの反射戻り光などによって誘起
される干渉雑音は、生じたとしても、従来の屈折率結合
による場合に比較して格段に小さくなることが期待され
る。

また、本発明の半導体分布帰還型レーザ装置では、共振
器が電流注入による利得の周期分布に起因するため、高
速電流変調において超短パルス発生が可能であり、かつ
発振波長のチャーピングも小さいと期待される。

したがって、本発明の半導体分布帰還型レーザ装置は、
長距離光通信、波長多重通信などに必要な高性能光源と
して有望であるばかりでなく、光情報処理および記録や
、光応用計測、高速光学現象の光源などの分野で従来用
いられていた気体レーザ装置や固体レーザ装置に代替し
ろる高性能の小型光源としての利用が見込まれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例半導体分布帰還型レーザ装置の構
造を示す斜視図。 第２図は活性層近傍の層構造を示す断面図。 第３図は第２図の線３−３に沿った屈折率分布を示す図
。 第４図は第２図の線４−４に沿った屈折率分布を示す図
。 １・・・基板、３．８・・・クラッド層、５・・・活性
層、６・・・低屈折率層、７・・・中間屈折率層、９・
・・コンタクト層、１０．１１・・・電極層、１２・・
・絶縁層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、誘導放出光を発生させる活性層と、 この活性層が発生した誘導放出光に光分布帰還を施す回
   折格子と を備え、 この回折格子は前記活性層の表面の凹凸形状として形成
   された 半導体分布帰還型レーザ装置において、 前記凹凸形状の各頂部には前記活性層より屈折率の低い
   低屈折率層が設けられ、 前記凹凸形状に接して、前記低屈折率層より屈折率が高
   く前記活性層より屈折率の低い中間屈折率層を備えた ことを特徴とする半導体分布帰還型レーザ装置。 ２、活性層、中間屈折率層および低屈折率層のそれぞれ
   の屈折率、凹凸形状の深さおよび中間屈折率層の厚さは
   、前記活性層と前記中間屈折率層とによって生じる屈折
   率実部の周期的変化と、前記低屈折率層と前記中間屈折
   率層とによって生じる屈折率実部の周期的とが互いに打
   ち消し合うように設定された請求項１記載の半導体分布
   帰還型レーザ装置。 ３、基板上に活性層およびこの活性層より屈折率の低い
   低屈折率層を成長させる工程と、 前記低屈折率層および前記活性層に回折格子としての周
   期的な凹凸形状を印刻する工程と、前記低屈折率層より
   屈折率が高く前記活性層よりは屈折率の低い中間屈折率
   層を成長させる工程と を含む半導体分布帰還型レーザ装置の製造方法。