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    公开号:WO1992007401A1
    申请号:PCT/JP1991/001418
    申请日:1991-10-17
    公开日:1992-04-30
    发明作者:Kunio Tada；Yoshiaki Nakano；Takeshi Inoue；Takeshi Irita；Shin-Ichi Nakajima；Yi Luo；Hideto Iwaoka
    申请人:Optical Measurement Technology Development Co., Ltd.；
    IPC主号:H01S5-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書 半導体分布帰還型レ一ザ装置
    [0002] C技術分野 3
    [0003] 本発明は電気光変換素子として利用する半導体分希帰還型レーザ装置に閿する c 特に、 利得結合による分布帰還を用いた半導体分布帰還型レーザ （G C— D F B — L D、 Gain-Coupled Distributed - Feedback Laser Diode)に関する。
    [0004] 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、 その他光電子装置の光源として利用するに適する。
    [0005] C背景技術;！
    [0006] 活性簷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 り優れた発振スぺク 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。
    [0007] 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 俅層などにより囲み、 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められて 、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、 光導波路層の層 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一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 新たな ¾紙 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。
    [0008] すなわち、 光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。
    [0009] 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 つ 。
    [0010] —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、
    [0011] 一文献 1一
    [0012] kogelnik et al. , Coupled-Wave l'heory of Distributed Feedback Lasers", Journal of Appl ied Physics, 1972, Vol. 43, PP. 2327-2335
    [0013] に示されている。 しかし、 コゲルニックら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。
    [0014] 本願発明者の一部は、上記コゲルニックら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、 下の特許出願をした。
    [0015] 特願昭 63- 189593、 昭和 63年 7月 30曰出願
    [0016] 特開平 3- 34489 (特願平 1-168729、 平成 1年 6月 30日出願）
    [0017] 特開平 3- 49283〜49287 (特願平 1- 185001〜185005、 同年 7月 18曰出願） 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。 これらの特許出願に示した構造の多くは、 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ィ匕による利得係数の 新たな用紙 周期的な摂動を利用したものである。
    [0018] しかし、 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。 このため、 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 QD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。
    [0019] そこで本願発明者らの一部はさらに、 この屈折率結合的な摂動を抑制して利得 結合的な摂動のみになるよう設計できることにつ!/、て、
    [0020] 一文献 2 -
    [0021] Y. Luo, Y. akano, K. Tada, T. Inoue, H. Hosoraatsu and H. Iwaoka,
    [0022] "Purely gain-coupled distributed feedback semiconductor lasers，
    [0023] Appl.Phys. Lett.56(17), 23 April 1990， PP.1620-1622
    [0024] に示した。 この構造では、 活性層の厚さを周期的に変化させて利得結合成分を与 え、 活性層の凹凸形状によって生じる屈折率の摂動については、 位相が逆の凹凸 形状を近傍に設けることによつて相殺している。 このように屈折率結合成分を実 質的に含まない GC— DFB— LDを以下「真性 GC— DFB— LD」 という。
    [0025] しかし、 活性層からのキャリァのオーバーフロ一を抑制する必要があるため、 活性層を挟む層には、 活性層に比べてバンドギヤップが十分に広い材料を使用し なければならない。 このような材料は屈折率も低く、 二つの回凸形状の歯の高さ などの形状が少し変化しただけでも、 屈折率摂動の大きさが大きく変化してしま う。 したがって、 屈折率の摂動をうまく相殺するためには、 高い加工精度が要求 される。
    [0026] これまでに実現されてきた GaAs系の GC— DFB— LDでは、 回折格子の 作製が比較的再現性良くできることや、 A l GaAsでの成長形状の再現性も比 較的良好であるため、 加工精度の要求はあまり問遛にならなかった。 しかし、 G a A s系でもさらに完全に屈折率結合成分を除去しょうとする場合や、 屈折率の 摂動を相殺するための加工精度に ':がある材料系の場合には、徹底したプロセス 新たな用紙 管理が必要となる。
    [0027] 本発明は、 以上の課題を解決し、 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 §δ勺とする。
    [0028] 〔発明の開示〕
    [0029] 本発明の第一の観点によると、 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、 さらに、 凹凸形状に 接して、 低屈折率層より屈折率か ISく活性層より屈折率の低 ヽ中間屈折率層を備 えた半導体分布帰還型レ一ザ装置が提供される。
    [0030] 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。
    [0031] 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 ¾ より は屈折率の低 、中間屈折率層を成長させる。
    [0032] 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 §る。
    [0033] この半導体分布帰還型レーザ装置は、 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ている。 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—活性層一中間屈折率層 - の 周期構造が形成され、 頂部を通つて低屈折率層 -中間屈折率層―低屈折率層一中 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、 新たな用紙 溝側：高 （活性層） 一中一高一中— …
    [0034] 頂側： 低 —中—低—中— …
    [0035] 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。
    [0036] 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。
    [0037] 本発明の第二の観点によると、 誘導放射光を発生する活性層を備え、 この活性 層の近傍にはこの活性層が発生した誘導放射光を吸収する材料により形成された 光吸収層を備え、 この光吸収層には、 活性層が発生した誘導放射光に光分布帰還 を施す周期の膜厚変化が設けられた半導体分布帰還型レーザ装置において、屈折 率の異なる層の組み合わせにより光吸収層の膜厚の変化によつて生じる屈折率の 周期的変化を打ち消す層構造を備えた半導体分希帰還型レーザ装置が提供される。 上述した第一の観点では、 活性層の厚みに周期的な変化を設け、 屈折率の組み 合わせにより屈折率の摂動を相殺していた。 これに対して第二の観点では、 活性 層ではなく光吸収層の厚みに周期的な変ィ匕を設けて等価的に利得に変化を設け、 さらに、 光吸収層の膜厚変化による屈折率の摂動について、 屈折率の異なる層を 組み合わせて打ち消す。 これにより屈折率結合成分が除去され、 実質的に、 吸収 量の変化すわなち実効的な利得の変化のみによって光分布帰還が生じる。
    [0038] 周期的な光吸収層を活性層近傍に設けて利得結合による光分布帰還を得る構造 については、
    [0039] 一文献 3—
    [0040] Y. Luo, Y. akano, and . Tada,
    [0041] 'Fabrication and Characteristics of a Gain-Coupled Distributed - Feedback Laser Diode",
    [0042] Extended Abstracts of the 20th (1988 International) Conference on the Sol id State Devices and Materials, rokyo, pp. 327-330 新たな用紙 詳し (/、o
    [0043] 屈折率の周期的変化を打ち消す層構造は、 光吸収層の膜厚の周期と同位相で膜 厚が変化し屈折率が光吸収層より低 、低屈折率層と、 光吸収層の膜厚の周期とは 逆位相で膜厚が変ィ匕し屈折率が光吸収層と低屈折率層との間の値の中間屈折率層 とを含むことが望ましい。
    [0044] 屈折率結合成分を相殺するには、 電界強度の重みがかかることを考慮したうえ で、
    [0045] (1) 光吸収層と中間屈折率層とによって生じる屈折率の周期的変化と、 低屈折率 層と中間屈折率層とによって生じる屈折率の周期的変ィ匕とが互いに打ち消しあ うように、 または、
    [0046] (2) 光吸収層と低屈折率層とによって生じる屈折率の周期的変化と、 低屈折率層 と中間屈折率層とによって生じる屈折率の周期的変化とが互 、に打ち消しあう ように
    [0047] 光吸収層、 中間屈折率層および低屈折率層の屈折率、膜厚およびデューティを設 定すればよい。
    [0048] 高次の回折格子を用いる場合には、 この他に、上記の屈折率の周期的変化の互 いの位相をずらして、
    [0049] (3) 光吸収層と中間屈折率層とによって生じる屈折率の周期的変化と、 中間屈折 率層と低屈折率層とによって生じる屈折率の周期的変ィ匕とが互いに打ち消しあ うように、 または、
    [0050] (4) 光吸収層と低屈折率層とによって生じる屈折率の周期的変化と、 中間屈折率 層と低屈折率層とによって生じる屈折率の周期的変化とが互いに打ち消しあう ように
    [0051] 光吸収層、 中間屈折率層および低屈折率層の屈折率、 膜厚およびデューティを設 定することもできる。
    [0052] この場合に、 光吸収層と低屈折率層とが互いに接して、 または近接して配置さ れることが望ましい。 中間屈折率層については、 光吸収層を挟んで低屈折率層と 新たな用紙 反対側に配置してもよく、 低屈折率層を挟んで光吸収層と反対側に配置してもよ い。
    [0053] このような配置において、 結合係数の虚部すなわち利得結合係数は光吸収層の 吸収により発生するので、 それが相殺されることはない。 したがって、 実質的に 利得結合のみによる光分布帰還が行われる。
    [0054] 光吸 ΪΚによる損失を余分に増加させないためには、 光吸収層の薄い部分をでき るだけ薄くすることが望ましい。 さらには、 光吸収層が分断された形状となり、 厚い部分、 すなわち光吸収層の存在する部分が、 定在波の節の部分にのみ集中す ることか望ましい。
    [0055] 第一の観点および第二の観点で述べた屈折率の摂動を打ち消すための屈折率の 組み合わせは、 以下の式で表される回折格子の結合係数 iの実部が屈折率結合成 分を表すことから、 その値が相殺されるように選択される。 すなわち、 結合係数 は、 回折格子の面に垂直な方向を X、 光伝搬方向を zとして、
    [0056] ic= (koV2 β0Ρ) j"Aq(x) ε0(χ) e0*(x)dx
    [0057] k, 自由空間の波数
    [0058] β、 z方向の伝搬定数
    [0059] A. 屈折率の自乗の差を 2方向についてフーリェ展開したときの
    [0060] q次成分
    [0061] P ： {ε0(χ) ε0*(χ)} を χ方向に積分した定数
    [0062] で与えられる。 1次回折格子の場合にはフーリェ展開の係数 Aq (X)の符号は屈折 率の自乗差の符号で決まるので、 積分範囲での屈折率の自乗差の符号が反転して いれば結合係数はキャンセルされて小さくなり、 最適な場合には屈折率結合成分 を零に設計できる。 高次の回折格子では、 一周期内の幅すなわちデューティによ つても符号が反転することがあるので、 デューティも考慮して設計する。 上式は フーリェ展開を用いて結合係数を求めるもので、 新たな用紙 一文献 4一
    [0063] . Streifer et al.， IEEE J. Quantum Electronics QE-13, P. 134, 1977 に示されている。
    [0064] 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、 す なわち基板から離れる方向をいう。 また、 「下」 とはその逆の方向をいう。
    [0065] 〔図面の簡単な説明〕
    [0066] 第 1図は本発明第一 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。
    [0067] 第 3図は第 2図の線 3 - 3に沿った屈折率分布を示す図。
    [0068] 第 4図は第 2図の線 4 - 4に沿つた屈折率分布を示す図。
    [0069] 第 5図は本発明第二実施例の半導体分布帰還型レ—ザ装置の構造を示す斜視図。 第 6図はストラィプに沿った断面図。
    [0070] 第 Ί図は本発明の第三実施例の構造をストラィプに沿って示す断面図。
    [0071] 第 8図は本発明の第四実施例の構造をストラィプに沿って示す断面図。
    [0072] 第 9図は本発明の第五実施例の構造をストラィプに沿って示す断面図。
    [0073] 〔発明を実施するための最良の形態〕
    [0074] 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。
    [0075] このレ一ザ装置は、 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。
    [0076] 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 祈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。
    [0077] 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、 I n P系、 すなわち各層を I n Pに格子整合させる場合を例に説明する。 まず、高濃度 n形 I n P基板 1上にダブルへテロ接合構造の各層を二段階にわ 新たな用紙 けてェピタキシャル成長させる。 各層は I n P基板 1に格子整合させる。
    [0078] ェピタキシャル成長の第一段階では、 基板 1の上に、例えば、 1 μ m厚の n形 I n Pクラッド層 3と、 0.12jum厚の低不純物濃度 I n 0.53G a 0.47Λ s活性層 5と、 40nm厚の p形 I nP低屈折率層 6とを順次結晶成長させる。 次に、 干渉露 光法と化学エッチングにより、 低屈折率層 6と活性層 5とに周期 256nm、 深さ 80 nmの回折格子 （凹凸形状） を印刻する。
    [0079] ェ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 60nm厚の p形 I nGaAs P (光波長で表した禁制帯幅 g =1.3 fi ) 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〃m厚の p形 I nPクラッド層 8と 、 0.5 um厚の高濃度 p形 I n0.53Ga0.47As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。
    [0080] ここで、 エッ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。 I nP系では、適切な処理をした場合には欠陥の発生の間题が生じ ないことが、 例えば、
    [0081] 一文献 5一
    [0082] J. Cryst. Growth, 93 (1988) PP.365-369
    [0083] に報告されている。
    [0084] 二回目のェピタキシャル成長が終了した後、 S i 02絶縁層 12をコンタクト層 9の上面に堆積させ、 例えば幅 lO zmのストライプ状窓を形成し、 その後に電極 層 11および 10を蒸着する。 さらに、 これを劈開して、 個々の半導体レーザ素子を 兀 3义する ο
    [0085] 有機金属気相成長による成長条件としては、 例えば、 新たな用紙 〔原料〕 ホスフィ ン PH3
    [0086] アルシン AsH3
    [0087] ト リェチルイ ンジウム （C2H5)3I n
    [0088] ト リェチルガリウム (C2H5)3Ga
    [0089] ジメチルジンク (CH3)2Zn
    [0090] 硫化水素 H2S
    [0091] 〔条件〕 圧力 76 Torr
    [0092] 全流量 6 slm
    [0093] 基板温度 700T: (1回目成長） 、 650 (2回目成長） とする。
    [0094] 上述した各層の導電型および組成を以下に示す。
    [0095] 基板 1 n+— I n P
    [0096] クラッ ド層 3 II - I nP
    [0097] 活性層 5 1― I n 0. 53G a 0. 47 A s
    [0098] 低屈折率層 6 p- I nP
    [0099] 中間屈折率層 7 P- I nGa As P g =1.3 鋒）
    [0100] クラッ 卜'層 8 p— I nP
    [0101] コンタク ト層 9 p +— I n 0. 53G a 0. 7 A s
    [0102] 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図および第 4図はそ れぞれ第 2図の線 3— 3、 4一 4に沿った屈折率分布を示す。
    [0103] 回折格子が印刻された活 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。 新たな用紙 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。
    [0104] 第 5図は本発明第二実施例の半導体分布帰還型レーザ装置の構造を示す斜視図 であり、 第 6図はストライプに沿った断面図である。
    [0105] 基板 1上にはクラッド層 3を備え、 このクラッド層 3上には誘導放射光を発生 する活性層 5を備える。 活性層 5の上にはキャリア閉じ込め層 14を備え、 さらに その上には、 低屈折率層 15、 光吸収層 16および中間屈折率層 17を備える。 中間屈 折率層 17の上にはクラッド層 8を備え、 さらにその上にはコンタクト層 9を備え る。 基板 1の裏面には電極 1 0が接続され、 コンタクト層 9の上面には、 絶縁層 1 2に設けられたストラィプ状の窓を通して電極 1 1が接続される。
    [0106] 低屈折率層 15の上面には周期的な凹凸形状が設けられ、 その凸部に光吸収層 16 が配置される。 この構造は、 低屈折率層 15と光吸収層 16とをそれぞれ平坦にェピ タキシャル成長させた後に、 光吸収層 16が分断されるようにエッチングすること により得られる。 また、 結晶面を制御しながら低屈折率層 15および光吸収層 16を 成長させることによつても得られる。 中間屈折率層 17は、 分断された形状の光吸 収層 16を埋め込むように形成される。 光吸収層 16が周期的に分断された形状であ るため、 この周期で吸収量が変化し、 光分布帰還を実現できる。
    [0107] 低屈折率層 15と中間屈折率層 17とは、 異なる屈折率の組み合わせにより光吸収 層 16の膜厚の変ィ匕によつて生じる屈折率の周期的変化を打ち消すように設定され る。 すなわち、 低屈折率層 15および中間屈折率層 17のそれぞれの屈折率および膜 厚は、 光吸収層 16の屈折率および膜厚との閱係により、 光吸収層 16と中間屈折率 層 17とによって生じる屈折率の周期的変化と、 低屈折率層 15と中間屈折率層 17と によって生じる屈折率の周期的変化とが互いに打ち消しあうように設定される。 光吸収層 16と中間屈折率層 17とが同一面内に交互に配置されている部分、 すな わち第 61ϋの A— Aで示した部分と、 中間屈折率層 17と低屈折率層 15とが同一面 新たな用紙 内に交互に配置された部分、 すなわち、 B— Bで示した部分とでは、 屈折率が、
    [0108] A— A：中一高一中一高一中一
    [0109] B-B：中一低一中一低一中一
    [0110] のように変化する。 屈折率が高いのは光吸収層 16の部分である。 したがって、互 いの屈折率変ィ匕は打ち消される。 この正確な相殺条件は、 ストレイファーらの計 算方法により結合係数を計算することによって求められる。 したがって、 吸収量、 すなわち利得の大きさの変化による光分布帰還を実現できる。
    [0111] 低屈折率層 15および中間屈折率層 17は、 光吸収量が十分に小さく、 なおかつ光 吸収層 16に近い屈折率となる組成を選ぶことが望ましい。 I n P系を例にして、 導電型と組成の一例を以下に示す
    [0112] 基板 1 n+ 一 I n P
    [0113] クラッド層 3 n- I n P
    [0114] 活性層 5 i— I nGaAs P ^ Λ g =1.3 〃m)と I n 0.53G a 0.
    [0115] A sとの多重量子井戸構造 （等価的な；
    [0116] キヤリア閉じ込め層 14： p - I n P
    [0117] 低屈折率層 15 ： p— I nGaA s P Ug =1.3 fim)
    [0118] 光吸収層 16 ： p— I nGaA s P (λ9 =1.55〃m)
    [0119] 中間屈折率層 17 : p— I nGaAs P ( 9 =1.4 jum)
    [0120] クラッド層 8 ： P— I n P
    [0121] コンタクト層 9 ： p+ — I n 0. 53 Ga As
    [0122] ただし、 ス9 は禁制帯幅に相当する光の ¾であり、 四元混晶は I n Pに格子整 合している。
    [0123] 活性層 5または光吸収層 16として、 単一ある 、は多重量子井戸を用いることも できる。 また、 混晶を用いることもできる。 さらに、 光吸収層 16と低屈折率層 15 との位置を逆にしてもよい。
    [0124] 第？図は本発明の第三鍾例の構造をストラィプに沿って示す断面図である。 この実施例は、 低屈折率層 15、 光吸収層 16および中間屈折率層 17の位置関係お 新たな用紙 よびその形状が第二実施例と異なる。 すなわち、 キャリア閉じ込め層 14の上には 中間屈折率層 17が設けられ、 その上面は周期的な凹凸形状に形成される。 中間屈 折率層 17の上には、 その凹凸形状の影響を残すように低屈折率層 15が形成され、 さらにその上には、 凹凸形状が実質的になくなるように光吸収層 16が形成される。 すなわち、 光吸収層 16には周期的な厚みの変化が設けられる。
    [0125] 光吸収層 16と低屈折率層 15とが同一面内に交互に配置されている部分、 すなわ ち第 7図の A— Aで示した部分と、 低屈折率層 15と中間屈折率層 17とが同一面内 に交互に配置された部分、すなわち、 B— Bで示した部分とでは、 屈折率が、
    [0126] A— A：高一低一高一低—高一
    [0127] B - B：低—中一低—中—低—
    [0128] のように変化する。 したがって、 これらの屈折率変化は打ち消される。 また、 上 下の凹凸形状が互 、に食 、込んで、
    [0129] 一高一低一中—低一高一低一中一低—高一
    [0130] のような部分が生じてもよく、 結合係数の計算を同様に行うことができる。
    [0131] この実施例の各層の導電型および組成としては、 上述したものを同様に利用で ¾る。
    [0132] 第 8図は本発明の第四実施例の構造をストライプに沿って示す断面図である。 この実施例は、 光吸収層 16と低屈折率層 15とを入れ替えたことが第三実施例と異 なる。 動作は第三実施例と同等である。
    [0133] 第 9図は本発明の第五実施例の構造をストラィプに沿って示す断面図である。 この実施例は、 低屈折率層 15、 光吸収層 16および中間屈折率層 17からなる部分 の位置と、 活性層 5の位置とが入れ替えられたことが第二実施例と異なる。 すな わち、 クラッド層 3の上に低屈折率層 15、 光吸収層 16および中間屈折率層 17が設 けられ、 その上に、 キャリア閉じ込め層 14を介して活性層 5が設けられる。 ただ しこの構造では、 一部の層の導電型が第二実施例と逆になる。 導電型および組成 の一例を以下に示す。 新たな用紙 基板 1 n+ — I nP
    [0134] クラッド層 3 n- I nP
    [0135] 低屈折率層 15 n- I nGa As Ρ ( 9 =1.3 ν)
    [0136] 光吸収層 16 n— I nGa As P ( λ g =1.55〃m)
    [0137] 中間屈折率層 17： n— I n G a A s P (ス g =1.4 〃m)
    [0138] キヤリア閉じ込め層 14： n- I nP
    [0139] 活性層 5 ： i - I nGa As P (λ9 =1.3 ； um)と I n 0.53G a 0.47
    [0140] A sとの多重量子井戸構造 （等価的な λ g
    [0141] クラッド層 8 ： P- I nP
    [0142] コンタク ト層 9 ： P+ - I no.53G a o. 47A s
    [0143] ただし、 は禁制帯幅に対応する光の波長であり、四元混晶は I n Pに格子整 合している。
    [0144] 第三実施例および第四実施例に対しても同様に、 低屈折率層 15、 光吸収層 16お よび中間屈折率層 17からなる部分の位置と、 活性層 5の位置とを入れ替えること ができる。
    [0145] 〔産 m±の利用可能性〕
    [0146] 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 性層の厚さあるいは吸収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。
    [0147] 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 P方止措置も要らずに簡 新たな用歉 単に完全単一縦モ一ド化を実現できる。
    [0148] 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 拆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。
    [0149] また、 活 として量子井戸構造を用いることが容易であり、 量子井戸活性層 のもつ利点を利用できる。 例えば、 量子井戸活性層は TEモードの利得が TMモ ―ドの利得に比較して大きく、 TEモ一ドを選択的に発振させることができる。 本発明の半導体分布帰還型レーザ装置では、 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一ビングも小さ ヽと期待される。
    [0150] 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うる高性能の小型光源としての利用が見 込まれる。
    [0151] 特に、 吸収量の摂動、すなわち実効的な利得の周期的変化に基づく光分布帰還 を利用した場合には、 従来の光吸収層を付加しただけの構造に比べて屈折率結合 成分を小さくでき、 モード利得差を大きくできる ど、 特性の改善を期待できる。 また、活性層厚を周期的に変化させた構造において近傍の形状の工夫により屈 折率結合成分を相殺させた場合と比較して、 以下の点で製造が容易になる効果が ある。
    [0152] まず第一に、 屈折率結合成分の相殺が容易になる。 これは、 光吸収層を用いた 場合には、 活性層 場合と異なり、 キヤリアのオーバ一フローの問題で低屈折率 層と中間屈折率層との組成を制限されることがなくなるためであり、 光吸収層と 屈折率層および中間屈折率層との屈折率差を小さく選べることになる。 したが つて、 形状に多^のばらつきが生じても、 それにより残留する屈折率結合の大き さは屈折率差 （正確には屈折率の自乗の差） を小さくした分だけ小さくなり、 製 造精度の点で余裕ができる。 新たな用紙 第二に、 効果的に光を吸収するような組成を選ぶことにより光吸収層を薄くで きるので、 必要な凹凸の深さを小さくできる。 これは、 凹凸形状のエッチング条 俘や凹凸上への再成長の条件を緩和する。
    [0153] 第三に、活性層を凹凸形状に加工する場合に比べて、 損傷の影響が活性層にお よぶ可能牲が少なく、 また、 再成長の問題も光吸収層なら活性層の場合に比べて 影響が少ないと考えられる。
    [0154] 本発明は材料にそれほど限定されることなく実施でき、 G a A s系だけでなく I n P系など種々の材料系で真性 G C - D F B - L Dを実現できる効果がある。
    [0155] 新たな用紙
    权利要求:
    Claims 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周期構造と、
    この周期構造によって生じる屈折率の周期的変化を打ち消す屈折率キヤンセル 構造と
    を備えた半導体分布帰還型レーザ装置において、
    前記周期構造は前記活性層の表面の凹凸形状として形成され、
    前記屈折率キャンセル構造は、
    前記凹凸形状の各頂部には設けられた前記活性層より屈折率の低 ヽ低屈折率層 と、
    前記凹凸形状に接して設けられた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 ヽ中間屈折率層と
    を含む
    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変化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一ザ装置。
    3. 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周期構造と、
    この周期構造によつて生じる屈折率の周期的変化を打ち消す屈折率キヤンセル 構造と
    を備えた半導体分 帰還型レ一ザ装置において、
    前記活性層の近傍にはその活性層が発生した誘導放射光を吸収する材料により 形成された光吸収層を備え、 斩たな用紙 前記周期構造はこの光吸収層の膜厚変化として形成され、 前記屈折率キャンセル構造は、 屈折率の異なる層の組み合わせにより前記光吸 収層の膜厚の変化によって生じる屈折率の周期的変化を打ち消す層構造を含む ことを特徵とする半導体分布帰還型レーザ装置。
    4. 屈折率の周期的変化を打ち消す層構造は、
    光吸収層の膜厚の周期と同位相で膜厚が変化し屈折率が光吸収層より低い低屈 折率層と、
    前記光吸収層の膜厚の周期とは逆位相で膜厚が変化し屈折率が前記光吸収層と 前記低屈折率層との間の値の中間屈折率層と
    を含む
    請求項 3記載の半導体分布帰還型レ一ザ装置。
    5. 光吸収層は低屈折率層と中間屈折率層との間に配置された請求項 4記載の半 導 分布帰還型レ一ザ装置。
    6. 低屈折率層は光吸収層と中間屈折率層との間に配置された請求項 4記載の半 導体-分布帰還型レ一ザ装置。
    新たな用紙
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    1992-04-30| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
    1992-04-30| AL| Designated countries for regional patents|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): DE FR GB |
    1992-06-24| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1991917810 Country of ref document: EP |
    1992-10-14| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1991917810 Country of ref document: EP |
    1996-02-28| WWG| Wipo information: grant in national office|Ref document number: 1991917810 Country of ref document: EP |
    优先权:
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