JP2004128372A - 分布帰還型半導体レーザ素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】大きな共振器長を有し、単一モードで発振し、且つモード間遷移が抑制された分布帰還型半導体レーザ素子を提供する。
【解決手段】共振器長が１２００μｍの分布帰還型半導体レーザ素子１０では、回折格子１５を構成する個々の回折パターン２６が、３本毎に１本が間引かれた構成を有している。
【選択図】 図２
【解決手段】共振器長が１２００μｍの分布帰還型半導体レーザ素子１０では、回折格子１５を構成する個々の回折パターン２６が、３本毎に１本が間引かれた構成を有している。
【選択図】 図２
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素子に関し、特に、大きな共振器長を有し、単一モードで発振し、且つモード間遷移が抑制された分布帰還型半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還型半導体レーザ素子（ＤＦＢレーザ素子）は、共振器内部に屈折率の実部又は虚部が周期的に変化する構造（以下、回折格子と言う）を有するレーザ素子である。回折格子により特定の波長の光にのみ帰還がかかるため、ＤＦＢレーザ素子は波長選択性を有し、単一モード（単一波長）でレーザ発振することが可能である。
【０００３】
ＤＦＢレーザ素子は、その高い単一モード性のため、光通信用信号光源として好適に使用できる。光通信用信号光源としてのＤＦＢレーザ素子には、用途によって、連続波（ＣＷ）、直接変調（ＤＭ）、電界吸収型光変調器・内蔵型（ＥＡ−ＤＦＢ）など様々なタイプがある。これらのうち、ＣＷタイプのＤＦＢレーザ素子（ＣＷ−ＤＦＢレーザ）は、外部変調器と組み合わせて用いられ、例えばＷＤＭ用の基幹系の信号光源やＣＡＴＶ等のアナログ伝送などに使用されており、高出力でレーザ発振することが要求される。
【０００４】
高出力のＣＷ−ＤＦＢレーザでは通常、光出射側となる一方の端面（以下、前端面と言う）に低反射率膜を、他方の端面（以下、後端面と言う）に高反射率膜をそれぞれ形成する非対称な反射膜構造が採用される。この場合、共振器の前端面側からレーザ光の大半を取り出すことができ、高効率でレーザ出力が得られる。
【０００５】
ＣＷ−ＤＦＢレーザでは、通常、単一モード性、効率等を考慮し、結合係数κが最適化される。つまり、κが大き過ぎると高出力が得られず、κが小さ過ぎると単一モード性が得られない。このため、κを適当な範囲に制御する必要があり、上述の単一モード性、効率等の歩留まりの観点から、κと共振器長Ｌとの積κＬとして１程度の値が最も良いと考えられている。結合係数κは、屈折率結合であるＤＦＢレーザ素子の場合、回折格子の膜厚、組成、屈折率の大きな部分と小さな部分の幅の比であるデューティ（ｄｕｔｙ）比、及び回折格子と活性層との距離などの様々なパラメータを調節することによって所定の値に設定することができる。
【０００６】
高出力化のためには、また、共振器長Ｌを長くするのが有効である。この場合、大きな駆動電流による発熱がもたらす熱飽和を抑えつつ高い出力を得ることができる。この際に、前述のようにκＬ＝１程度に制御する必要があるため、Ｌの増大に伴って結合係数κを小さくする必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えばＬ＝１０００μｍとなるような非常に大きな共振器長Ｌを採用する場合には、上述のκＬ＝１程度を実現しようとすると、κ＝１０ｃｍ−１となるような非常に小さな結合係数κを実現する必要がある。しかし、このように非常に小さなκを実現するのは容易ではない。ここで、小さなκを実現するには、例えば回折格子の膜厚を薄くする方法や、回折格子とこれを埋め込んだ導波路層との間の屈折率差を小さくするなどの手法が考えられる。しかし、何れも非常に高い製造精度が要求されるため、一定の結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することは難しく、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることが出来ないという問題があった。
【０００８】
小さなκを実現する方法として、共振器の一部にのみ回折格子を形成する部分回折格子を採用することができる。部分回折格子では、共振器長に対する部分回折格子の長さの割合によって、実効的な結合係数κを小さくすることができる。しかし、この構造では、部分回折格子が形成された領域と、形成されない領域の境界で電界強度分布が不連続となり、電流注入時にキャリア濃度の不均一が起こり易い。このため、モード間の発振利得差が小さくなり、高出力下においてモード間遷移が発生し、またこれに伴って光出力の電流依存性にキンクが発生するという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、大きな共振器長を有し、単一モードで発振し、且つモード間遷移が抑制されたＤＦＢレーザ素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決する研究の過程で、回折格子を構成する回折パターンを周期的に間引く構造に着想し、この構造が上記課題の解決に有効ではないかと考え、以下の考察を行った。即ち、回折パターンを周期的に間引くことにより、大きな共振器長Ｌを有するＤＦＢレーザ素子で、実効的な結合係数κを十分に小さくでき、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して製造できる。ここで、回折パターンが間引かれる周期の長さを、例えばサブミクロン単位の小さな値にすることにより、部分回折格子を有するＤＦＢレーザ素子で発生していたような、電界強度分布の不連続性を抑制し、モード間遷移の発生を抑制できるのではないかと考えた。そして、種々の実験を経て、本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、上記目的を達成する本発明に係るＤＦＢレーザ素子は、共振器に隣接し共振器方向に配列された複数の回折パターンから成る回折格子を備える分布帰還型半導体レーザ素子において、
前記回折格子が複数の回折パターン群から構成され、該回折パターン群では、所定ピッチで配設される回折パターンのうち所定数の回折パターンがそれぞれ間引かれていることを特徴としている。
【００１２】
回折パターン群では、所定ピッチで配設される回折パターンのうち所定数の回折パターンがそれぞれ間引かれることにより、実効的な結合係数κを小さくすることが可能となる。このため、小さい結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することが可能となり、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができる。また、回折格子を構成する複数の回折パターン群の長さを適当に調節することによって、共振器内部の電界強度分布の不連続性を抑え、高出力下でのモード間遷移の発生を抑制することができる。
【００１３】
本発明の好適な実施態様では、前記回折パターン群では、対応する位置の回折パターンがそれぞれ間引かれている。これにより、共振器内部の電界強度分布の不連続性を効果的に抑え、高出力下でのモード間遷移の発生を効果的に抑制することができる。
【００１４】
本発明の好適な実施態様では、前記回折パターン群は、共振器方向に３０μｍ以下の長さを有する。これにより、共振器内部の電界強度分布の不連続性を十分に抑制し、高出力下でのモード間遷移の発生を効果的に抑制することができる。本発明の好適な実施態様では、前記回折パターン群は、共振器方向に３μｍ以下の長さを有する。高出力下でのモード間遷移の発生をより効果的に抑制することができる。
【００１５】
本発明は、好適には、前記所定数が、各回折パターン群に含まれる回折パターンの数の１／５〜１／２である。上記所定数が上記回折パターンの数の１／５以下だと、大きい共振器長を有するレーザ素子で、一定の小さい結合係数κ有するレーザ素子を安定して製造することが難しく、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができない。一方、上記所定数が上記回折パターンの数の１／２以上だと、回折パターンが間引かれる割合が大き過ぎるため、単一モード性などのレーザ特性に悪影響を及ぼす。
【００１６】
本発明は、前記共振器の長さが５００μｍ以上のＤＦＢレーザ素子に適用することにより、長い共振器長を有するＤＦＢレーザ素子で、一定の小さな結合係数κ有するレーザ素子を安定して製造することが難しいという問題を解決し、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的且つ詳細に説明する。
実施形態例１
図１は、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の一部を断面で示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面を示す断面図である。本ＤＦＢレーザ素子は、発振波長を１５５０ｎｍに設定した、共振器長が１２００μｍの埋め込みヘテロ型のＤＦＢレーザ素子である。本ＤＦＢレーザ素子１０は、膜厚１２０μｍ程度のｎ−ＩｎＰ基板１１上に形成された、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２、ＭＱＷ−ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏ−Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）活性層１３、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１４、膜厚１０ｎｍの回折格子１５、回折格子１５を埋め込むｐ−ＩｎＰ埋込み層１６、及び、ｐ−ＩｎＰクラッド層１７から成る積層構造を有する。ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３は、量子井戸活性層（ＭＱＷ）中に６層の量子井戸層を含む。
【００１８】
回折格子１５は、４元系材料から成るバンドギャップ波長λｇが１１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰで構成される。回折格子１５は、図２に示すように、そのパターン周期が２４０ｎｍであり、且つ回折格子１５を構成する個々の回折パターン２６が、３本毎に１本が間引かれた構成を有している。更に、回折パターン２６の幅と、隣接する回折パターン２６間の距離との比が、３：７である。このような回折格子１５の構成により、約１０ｃｍ−１の結合係数κを得ることができる。
【００１９】
本実施形態例では、上述のように回折パターン２６が３本毎に１本が間引かれた構成を有することにより、同様の条件で共振器の全領域で一様な回折パターンが形成された回折格子と比較して、実効的な結合係数κの大きさを２／３に低減することが可能である。また、回折パターン２６が間引かれる周期が、サブミクロン程度の大きさであるため、従来、部分回折格子を有するＤＦＢレーザ素子で問題となっていた、電界強度分布の不連続性を抑えることができる。
【００２０】
積層構造のうち、ｐ−ＩｎＰクラッド層１７、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１６、回折格子１５、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３、及び、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２の上部は、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３が約１．８μｍの幅を有するように、メサストライプ状に加工されている。メサストライプの両側は、ｐ−ＩｎＰ層２０及びｎ−ＩｎＰ層２１の積層構造からなるキャリアブロック層で埋め込まれている。
【００２１】
ｐ−ＩｎＰクラッド層１７及びその両側のｎ−ＩｎＰ層２１上には、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１８、及び高ドープＧａＩｎＡｓコンタクト層１９が、順次に積層されている。高ドープＧａＩｎＡｓコンタクト層１９は、後述するｐ側電極２２とオーミックなコンタクトを取るために、ｐ型ドーパントが高濃度にドープされている。
【００２２】
高ドープＧａＩｎＡｓコンタクト層１９上には、ｐ側電極２２としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜が、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面には、ｎ側電極２３としてＡｕＧｅＮｉ膜が、それぞれ設けてある。ＤＦＢレーザ素子３０の前端面２４には無反射コーティングが、後端面２５には反射率が９０％程度のＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コーティングが、それぞれ施されている。
【００２３】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０の作製に当たっては、先ず、ＭＯＣＶＤ装置を使って、成長温度６００℃で、ｎ−ＩｎＰ基板１１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１４、回折格子形成層１５ａを成長させる。回折格子形成層１５ａの成長にあたっては、バンドギャップ波長λｇが１１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰを成長させる。ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３の成長にあたっては、量子井戸活性層（ＭＱＷ）中に６層の量子井戸層を含むように成長させる。
【００２４】
次いで、回折格子形成層１５ａ上に電子ビーム（ＥＢ）描画用レジストを約１００ｎｍの厚さで塗布し、ＥＢ描画装置を使ってＥＢ描画を行い、図３に示すような回折格子形成マスク２７を形成する。回折格子形成マスク２７は、そのパターン周期が２４０ｎｍであり、且つ回折格子形成マスク２７を構成する各長方形パターン２８が、３本毎に１本が間引かれた形状に形成する。また、各長方形パターン２８の幅と、隣接する長方形パターン２８間の距離との比が、３：７となるように形成する。
【００２５】
次いで、メタン・水素系のドライエッチングにより、回折格子形成マスク２７上から回折格子形成層１５ａを貫通するようにエッチングして、回折格子１５を形成する。続いて、ＭＯＣＶＤ装置を使って、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１６及びｐ−ＩｎＰクラッド層１７を成長させ、回折格子１５の埋め込み再成長を行う。
【００２６】
ＤＦＢレーザ素子１０は、前述のように、回折パターン２６が３本毎に１本が間引かれた構成を有する回折格子１５を採用したことにより、同様の条件で共振器の全領域で一様な回折パターンを有する回折格子と比較して、実効的な結合係数κの大きさを２／３に低減することが可能である。このため、回折格子１５の形成にあたっては、非常に高い製造精度は要求されず、本実施形態例のように１０ｃｍ−１程度の小さい結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することができる。
【００２７】
次いで、プラズマＣＶＤ装置を用いて、基板全面にＳｉＮｘ膜を成膜し、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、回折格子１５の周期方向に延びるストライプ状にＳｉＮｘ膜をエッチングして、ＳｉＮｘ膜マスク（図示せず）を形成した。続いて、ストライプ状のＳｉＮｘ膜マスクをエッチングマスクとして用い、ｐ−ＩｎＰクラッド層１７、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１６、回折格子１５、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３、及び、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２の上部をエッチングして、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３が約１．８μｍの幅を有するように、メサストライプ状に加工した。
【００２８】
次いで、ＳｉＮｘ膜マスクを選択成長マスクとして用い、ｐ−ＩｎＰ層２０及びｎ−ＩｎＰ層２１を、順次に選択成長させて、メサストライプの両脇を埋め込み、キャリアブロック層とした。続いて、ＳｉＮｘ膜マスクを除去した後、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１８、及び、高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層１９を順次に成長させた。
【００２９】
次いで、高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層１９上に、ｐ側電極２２としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜を形成した。また、ｎ−ＩｎＰ基板１１の厚さが１２０μｍ程度になるように、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面を研磨し、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面には、ｎ側電極２３としてＡｕＧｅＮｉ膜を設けた。
【００３０】
次いで、得られたウエハを、レーザ素子の共振器長Ｌが１２００μｍになるように、前端面２４及び後端面２５で壁開した。続いて、各前端面２４には無反射コーティングを、各後端面２５には反射率が約９０％のＨＲコーティングをそれぞれ施し、更に、個々のレーザ素子に分割した後に、チップ化してボンディングした。
【００３１】
本実施形態例では、上述のように、回折パターン２６が３本毎に１本が間引かれた構成を有する回折格子１５を採用したことにより、回折格子１５の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られる。このため、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、回折パターン２６が間引かれる周期が、サブミクロン程度の大きさであるため、従来、部分回折格子を有するＤＦＢレーザ素子で問題となっていた電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移の発生を抑制するため、キンクの発生が防止できる。
【００３２】
比較例
上記実施形態例のＤＦＢレーザ素子の性能を評価するために、ＤＦＢレーザ素子１０、及び、従来のＤＦＢレーザ素子として、比較例のＤＦＢレーザ素子を試作した。比較例のＤＦＢレーザ素子は、回折パターンが共振器の全領域で一様に形成され、且つ発振波長が１５５１ｎｍに設定されることを除いては、ＤＦＢレーザ素子１０と同様の構成を有する。このような回折格子１５により、約１５ｃｍ−１の結合係数κが得られる。比較例のＤＦＢレーザ素子は、回折パターンを共振器の全領域で一様に形成し、且つ発振波長を１５５１ｎｍに設定することを除いては、ＤＦＢレーザ素子１０と同様に製造することができる。
【００３３】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０及び比較例のＤＦＢレーザ素子について、発振波長λＤＦＢに対する光出力効率ＳＥ（Ｓｌｏｐｅ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の特性を調べたところ、図４（ａ）に示すグラフが得られた。光出力効率ＳＥとは、レーザ素子の注入電流に対する光出力の勾配をいう。同図中、（ｉ）は本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０の特性を示し、（ｉｉ）は比較例のＤＦＢレーザ素子の特性を示す。光出力効率ＳＥは、回折格子に対する後端面の位相位置θにより影響を受けるため、それぞれ発振波長を中心に広がりを有する。発振波長においてθ＝０で、両端においてθ＝−π、πである。
【００３４】
同図より、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０では、光出力効率ＳＥの最大値が約０．３５ｍＷ／ｍＡであり、比較例のＤＦＢレーザ素子では、光出力効率ＳＥの最大値が約０．２８ｍＷ／ｍＡである。よって、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０は、比較例のＤＦＢレーザ素子と比較して、光出力効率ＳＥの最大値が約１．２５倍に増加し、良好な光出力効率ＳＥの特性が得られたものと評価できる。
【００３５】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０、及び比較例の構成を有するＤＦＢレーザ素子について、発振波長λＤＦＢに対するしきい値利得差ΔαｔｈＬの特性についてシミュレーションを行い、図４（ｂ）に示す結果を得た。同図中、（ｉ）は本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０の特性を示し、（ｉｉ）は比較例のＤＦＢレーザ素子の特性を示す。しきい値利得差ΔαｔｈＬは、主モードと副モードとの発振しきい値利得差であり、ＤＦＢレーザ素子の単一モード性を表すパラメータである。しきい値利得差ΔαｔｈＬは、回折格子に対する後端面の位相位置θにより影響を受けるため、それぞれ発振波長を中心に広がりを有する。発振波長においてθ＝０で、両端においてθ＝−π、πである。
【００３６】
同図より、（ｉ）のグラフと（ｉｉ）のグラフとの間に大きな違いは見られず、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０は比較例のＤＦＢレーザ素子と比較して、単一モード性について同等の性能を有するものと評価できる。
【００３７】
実施形態例２
図５（ａ）は、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の構成を示す平面図である。本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、部分回折格子が周期的に繰り返された構成を有するレーザ素子であり、共振器方向に設定された４つのゾーンに、後端面２５側から回折格子が形成される部分回折格子領域２９と回折格子が形成されないファブリペロー領域３０とが交互に設けられている。部分回折格子２９とファブリペロー領域３０との長さの比は２：１である。部分回折格子領域２９では、図２に示した実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０の回折パターン２６と同様の構成を有する回折パターンが、間引かれることなく一様に形成されている。このような回折格子の構成により、約１０ｃｍ−１の結合係数κを得ることができる。その他の構成は、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０と同様である。
【００３８】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の製造方法は、ＥＢ描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に４つのゾーンを設定し、後端面２５側から回折格子マスクが形成される領域（図示なし）と、回折格子マスクが形成されない領域（図示なし）とを交互に設ける。回折格子マスクが形成される領域と回折格子マスクが形成されない領域との長さの比を２：１とする。回折格子マスクが形成される領域では、図３に示した実施形態例１のＤＦＢレーザ素子の長方形パターン２８と同様の構成を有する長方形パターンを、間引くことなく一様に形成する。その他の製造方法は、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０の製造方法と同様である。
【００３９】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子では、部分回折格子２９とファブリペロー領域３０との長さの比を２：１としたことにより、同様の条件で共振器の全領域で一様に回折格子が形成された場合と比較して、実効的な結合係数κの大きさを２／３に低減することが可能である。このため、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、共振器方向に設定された４つのゾーンに、部分回折格子領域２９とファブリペロー領域３０とが交互に設けられることにより、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子ほどではないものの、電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【００４０】
実施形態例３
図５（ｂ）は、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の構成を示す平面図である。本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された８つのゾーンに、後端面２５側から回折格子が形成される部分回折格子領域２９と回折格子が形成されないファブリペロー領域３０とが交互に設けられていることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子と同様の構成を有している。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の製造方法は、ＥＢ描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に８つのゾーンを設定し、後端面２５側から回折格子マスクが形成される領域（図示なし）と、回折格子マスクが形成されない領域（図示なし）とを交互に設けることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子の製造方法と同様である。
【００４１】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、部分回折格子２９とファブリペロー領域３０との長さの比を２：１としたことにより、実施形態例２と同様に、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された８つのゾーンに、部分回折格子領域２９とファブリペロー領域３０とが交互に設けられることにより、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子ほどではないものの、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子より効果的に電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【００４２】
実施形態例４
図５（ｃ）は、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の構成を示す平面図である。本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された１６のゾーンに、後端面２５側から回折格子が形成される部分回折格子領域２９と回折格子が形成されないファブリペロー領域３０とが交互に設けられていることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子と同様の構成を有している。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の製造方法は、ＥＢ描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に１６のゾーンを設定し、後端面２５側から回折格子マスクが形成される領域（図示なし）と、回折格子マスクが形成されない領域（図示なし）とを交互に設けることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子の製造方法と同様である。
【００４３】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、部分回折格子２９とファブリペロー領域３０との長さの比を２：１としたことにより、実施形態例２と同様に、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された１６のゾーンに、部分回折格子領域２９とファブリペロー領域３０とが交互に設けられることにより、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子ほどではないものの、実施形態例３のＤＦＢレーザ素子より効果的に電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【００４４】
実施形態例５
図５（ｄ）は、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の構成を示す平面図である。本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された３２のゾーンに、後端面２５側から回折格子が形成される部分回折格子領域２９と回折格子が形成されないファブリペロー領域３０とが交互に設けられていることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子と同様の構成を有している。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の製造方法は、ＥＢ描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に３２のゾーンを設定し、後端面２５側から回折格子マスクが形成される領域（図示なし）と、回折格子マスクが形成されない領域（図示なし）とを交互に設けることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子の製造方法と同様である。
【００４５】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、部分回折格子２９とファブリペロー領域３０との長さの比を２：１としたことにより、実施形態例２と同様に、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された３２のゾーンに、部分回折格子領域２９とファブリペロー領域３０とが交互に設けられることにより、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子ほどではないものの、実施形態例４のＤＦＢレーザ素子より効果的に電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【００４６】
実施形態例１〜５の構成を有するＤＦＢレーザ素子について、共振器内部の電界強度分布のシミュレーションを行ったところ、図６に示すグラフが得られた。同図中、（ｉ）〜（ｖ）は実施形態例１〜５のＤＦＢレーザ素子の特性をそれぞれ示す。同図より、実施形態例２〜５のＤＦＢレーザ素子では、ゾーン数を増加させるに従って、電界強度分布の不連続性がより効果的に抑えられていく様子が判る。また、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０では、回折パターンを間引く周期をサブミクロンの単位に制御したことによって、共振器内部の電界強度分布の不連続性を大幅に緩和し、高出力下におけるモード間遷移がこれらのうちで最も発生しにくい構造を有するものと評価できる。
【００４７】
本発明の製造方法によれば、回折パターンの間引き方法を設定するだけでレーザ素子の実効的な結合係数κを調節することができる。このため、大きな共振器長を有するレーザ素子に限らず、１枚のウエハ上に様々な結合係数κを有するレーザ素子を同時に、且つ従来同様の工程数で製造することができ、製造の効率化を図ることが可能である。
【００４８】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明のＤＦＢレーザ素子は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したＤＦＢレーザ素子も、本発明の範囲に含まれる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、回折パターン群で、所定ピッチで配設される回折パターンのうち所定数の回折パターンがそれぞれ間引かれることにより、実効的な結合係数κを小さくすることが可能となる。このため、小さな結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することが可能となり、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができる。また、回折格子を構成する複数の回折パターン群の長さを適当に調節することによって、共振器内部の電界強度分布の不連続性を抑え、高出力下でのモード間遷移の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１のＤＦＢレーザ素子の一部を断面で示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面を示す断面図である。
【図３】実施形態例１のＤＦＢレーザ素子の一製造工程段階に係る平面図である。
【図４】（ａ）は、実施形態例１及び比較例のＤＦＢレーザ素子における、発振波長λＤＦＢと光出力効率ＳＥとの関係をそれぞれ示すグラフであり、（ｂ）は、実施形態例１及び比較例のＤＦＢレーザ素子における、発振波長λＤＦＢとしきい値利得差ΔαｔｈＬとの関係をそれぞれ示すグラフである。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、実施形態例２〜５のＤＦＢレーザ素子の構成をそれぞれ示す平面図である。
【図６】実施形態例１〜５のＤＦＢレーザ素子における、共振器内部の電界強度分布をそれぞれ示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 実施形態例１のＤＦＢレーザ素子
１１ ｎ−ＩｎＰ基板
１２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
１３ ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
１４ ｐ−ＩｎＰスペーサ層
１５ 回折格子
１５ａ 回折格子の形成層
１６ ｐ−ＩｎＰ埋込み層
１７ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１８ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１９ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２０ ｐ−ＩｎＰ層
２１ ｎ−ＩｎＰ層
２２ ｐ側電極
２３ ｎ側電極
２４ 出射面
２５ 後端面
２６ 回折パターン
２７ 回折格子形成マスク
２８ 長方形パターン
２９ 部分回折格子領域
３０ ファブリペロー領域
【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素子に関し、特に、大きな共振器長を有し、単一モードで発振し、且つモード間遷移が抑制された分布帰還型半導体レーザ素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
分布帰還型半導体レーザ素子（ＤＦＢレーザ素子）は、共振器内部に屈折率の実部又は虚部が周期的に変化する構造（以下、回折格子と言う）を有するレーザ素子である。回折格子により特定の波長の光にのみ帰還がかかるため、ＤＦＢレーザ素子は波長選択性を有し、単一モード（単一波長）でレーザ発振することが可能である。
【０００３】
ＤＦＢレーザ素子は、その高い単一モード性のため、光通信用信号光源として好適に使用できる。光通信用信号光源としてのＤＦＢレーザ素子には、用途によって、連続波（ＣＷ）、直接変調（ＤＭ）、電界吸収型光変調器・内蔵型（ＥＡ−ＤＦＢ）など様々なタイプがある。これらのうち、ＣＷタイプのＤＦＢレーザ素子（ＣＷ−ＤＦＢレーザ）は、外部変調器と組み合わせて用いられ、例えばＷＤＭ用の基幹系の信号光源やＣＡＴＶ等のアナログ伝送などに使用されており、高出力でレーザ発振することが要求される。
【０００４】
高出力のＣＷ−ＤＦＢレーザでは通常、光出射側となる一方の端面（以下、前端面と言う）に低反射率膜を、他方の端面（以下、後端面と言う）に高反射率膜をそれぞれ形成する非対称な反射膜構造が採用される。この場合、共振器の前端面側からレーザ光の大半を取り出すことができ、高効率でレーザ出力が得られる。
【０００５】
ＣＷ−ＤＦＢレーザでは、通常、単一モード性、効率等を考慮し、結合係数κが最適化される。つまり、κが大き過ぎると高出力が得られず、κが小さ過ぎると単一モード性が得られない。このため、κを適当な範囲に制御する必要があり、上述の単一モード性、効率等の歩留まりの観点から、κと共振器長Ｌとの積κＬとして１程度の値が最も良いと考えられている。結合係数κは、屈折率結合であるＤＦＢレーザ素子の場合、回折格子の膜厚、組成、屈折率の大きな部分と小さな部分の幅の比であるデューティ（ｄｕｔｙ）比、及び回折格子と活性層との距離などの様々なパラメータを調節することによって所定の値に設定することができる。
【０００６】
高出力化のためには、また、共振器長Ｌを長くするのが有効である。この場合、大きな駆動電流による発熱がもたらす熱飽和を抑えつつ高い出力を得ることができる。この際に、前述のようにκＬ＝１程度に制御する必要があるため、Ｌの増大に伴って結合係数κを小さくする必要がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えばＬ＝１０００μｍとなるような非常に大きな共振器長Ｌを採用する場合には、上述のκＬ＝１程度を実現しようとすると、κ＝１０ｃｍ−１となるような非常に小さな結合係数κを実現する必要がある。しかし、このように非常に小さなκを実現するのは容易ではない。ここで、小さなκを実現するには、例えば回折格子の膜厚を薄くする方法や、回折格子とこれを埋め込んだ導波路層との間の屈折率差を小さくするなどの手法が考えられる。しかし、何れも非常に高い製造精度が要求されるため、一定の結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することは難しく、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることが出来ないという問題があった。
【０００８】
小さなκを実現する方法として、共振器の一部にのみ回折格子を形成する部分回折格子を採用することができる。部分回折格子では、共振器長に対する部分回折格子の長さの割合によって、実効的な結合係数κを小さくすることができる。しかし、この構造では、部分回折格子が形成された領域と、形成されない領域の境界で電界強度分布が不連続となり、電流注入時にキャリア濃度の不均一が起こり易い。このため、モード間の発振利得差が小さくなり、高出力下においてモード間遷移が発生し、またこれに伴って光出力の電流依存性にキンクが発生するという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、大きな共振器長を有し、単一モードで発振し、且つモード間遷移が抑制されたＤＦＢレーザ素子を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題を解決する研究の過程で、回折格子を構成する回折パターンを周期的に間引く構造に着想し、この構造が上記課題の解決に有効ではないかと考え、以下の考察を行った。即ち、回折パターンを周期的に間引くことにより、大きな共振器長Ｌを有するＤＦＢレーザ素子で、実効的な結合係数κを十分に小さくでき、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して製造できる。ここで、回折パターンが間引かれる周期の長さを、例えばサブミクロン単位の小さな値にすることにより、部分回折格子を有するＤＦＢレーザ素子で発生していたような、電界強度分布の不連続性を抑制し、モード間遷移の発生を抑制できるのではないかと考えた。そして、種々の実験を経て、本発明を完成するに至った。
【００１１】
即ち、上記目的を達成する本発明に係るＤＦＢレーザ素子は、共振器に隣接し共振器方向に配列された複数の回折パターンから成る回折格子を備える分布帰還型半導体レーザ素子において、
前記回折格子が複数の回折パターン群から構成され、該回折パターン群では、所定ピッチで配設される回折パターンのうち所定数の回折パターンがそれぞれ間引かれていることを特徴としている。
【００１２】
回折パターン群では、所定ピッチで配設される回折パターンのうち所定数の回折パターンがそれぞれ間引かれることにより、実効的な結合係数κを小さくすることが可能となる。このため、小さい結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することが可能となり、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができる。また、回折格子を構成する複数の回折パターン群の長さを適当に調節することによって、共振器内部の電界強度分布の不連続性を抑え、高出力下でのモード間遷移の発生を抑制することができる。
【００１３】
本発明の好適な実施態様では、前記回折パターン群では、対応する位置の回折パターンがそれぞれ間引かれている。これにより、共振器内部の電界強度分布の不連続性を効果的に抑え、高出力下でのモード間遷移の発生を効果的に抑制することができる。
【００１４】
本発明の好適な実施態様では、前記回折パターン群は、共振器方向に３０μｍ以下の長さを有する。これにより、共振器内部の電界強度分布の不連続性を十分に抑制し、高出力下でのモード間遷移の発生を効果的に抑制することができる。本発明の好適な実施態様では、前記回折パターン群は、共振器方向に３μｍ以下の長さを有する。高出力下でのモード間遷移の発生をより効果的に抑制することができる。
【００１５】
本発明は、好適には、前記所定数が、各回折パターン群に含まれる回折パターンの数の１／５〜１／２である。上記所定数が上記回折パターンの数の１／５以下だと、大きい共振器長を有するレーザ素子で、一定の小さい結合係数κ有するレーザ素子を安定して製造することが難しく、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができない。一方、上記所定数が上記回折パターンの数の１／２以上だと、回折パターンが間引かれる割合が大き過ぎるため、単一モード性などのレーザ特性に悪影響を及ぼす。
【００１６】
本発明は、前記共振器の長さが５００μｍ以上のＤＦＢレーザ素子に適用することにより、長い共振器長を有するＤＦＢレーザ素子で、一定の小さな結合係数κ有するレーザ素子を安定して製造することが難しいという問題を解決し、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的且つ詳細に説明する。
実施形態例１
図１は、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の一部を断面で示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面を示す断面図である。本ＤＦＢレーザ素子は、発振波長を１５５０ｎｍに設定した、共振器長が１２００μｍの埋め込みヘテロ型のＤＦＢレーザ素子である。本ＤＦＢレーザ素子１０は、膜厚１２０μｍ程度のｎ−ＩｎＰ基板１１上に形成された、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２、ＭＱＷ−ＳＣＨ（Ｓｅｐａｒａｔｅ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏ−Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）活性層１３、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１４、膜厚１０ｎｍの回折格子１５、回折格子１５を埋め込むｐ−ＩｎＰ埋込み層１６、及び、ｐ−ＩｎＰクラッド層１７から成る積層構造を有する。ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３は、量子井戸活性層（ＭＱＷ）中に６層の量子井戸層を含む。
【００１８】
回折格子１５は、４元系材料から成るバンドギャップ波長λｇが１１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰで構成される。回折格子１５は、図２に示すように、そのパターン周期が２４０ｎｍであり、且つ回折格子１５を構成する個々の回折パターン２６が、３本毎に１本が間引かれた構成を有している。更に、回折パターン２６の幅と、隣接する回折パターン２６間の距離との比が、３：７である。このような回折格子１５の構成により、約１０ｃｍ−１の結合係数κを得ることができる。
【００１９】
本実施形態例では、上述のように回折パターン２６が３本毎に１本が間引かれた構成を有することにより、同様の条件で共振器の全領域で一様な回折パターンが形成された回折格子と比較して、実効的な結合係数κの大きさを２／３に低減することが可能である。また、回折パターン２６が間引かれる周期が、サブミクロン程度の大きさであるため、従来、部分回折格子を有するＤＦＢレーザ素子で問題となっていた、電界強度分布の不連続性を抑えることができる。
【００２０】
積層構造のうち、ｐ−ＩｎＰクラッド層１７、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１６、回折格子１５、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３、及び、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２の上部は、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３が約１．８μｍの幅を有するように、メサストライプ状に加工されている。メサストライプの両側は、ｐ−ＩｎＰ層２０及びｎ−ＩｎＰ層２１の積層構造からなるキャリアブロック層で埋め込まれている。
【００２１】
ｐ−ＩｎＰクラッド層１７及びその両側のｎ−ＩｎＰ層２１上には、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１８、及び高ドープＧａＩｎＡｓコンタクト層１９が、順次に積層されている。高ドープＧａＩｎＡｓコンタクト層１９は、後述するｐ側電極２２とオーミックなコンタクトを取るために、ｐ型ドーパントが高濃度にドープされている。
【００２２】
高ドープＧａＩｎＡｓコンタクト層１９上には、ｐ側電極２２としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜が、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面には、ｎ側電極２３としてＡｕＧｅＮｉ膜が、それぞれ設けてある。ＤＦＢレーザ素子３０の前端面２４には無反射コーティングが、後端面２５には反射率が９０％程度のＨＲ（Ｈｉｇｈ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ）コーティングが、それぞれ施されている。
【００２３】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０の作製に当たっては、先ず、ＭＯＣＶＤ装置を使って、成長温度６００℃で、ｎ−ＩｎＰ基板１１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１４、回折格子形成層１５ａを成長させる。回折格子形成層１５ａの成長にあたっては、バンドギャップ波長λｇが１１００ｎｍのＩｎＧａＡｓＰを成長させる。ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３の成長にあたっては、量子井戸活性層（ＭＱＷ）中に６層の量子井戸層を含むように成長させる。
【００２４】
次いで、回折格子形成層１５ａ上に電子ビーム（ＥＢ）描画用レジストを約１００ｎｍの厚さで塗布し、ＥＢ描画装置を使ってＥＢ描画を行い、図３に示すような回折格子形成マスク２７を形成する。回折格子形成マスク２７は、そのパターン周期が２４０ｎｍであり、且つ回折格子形成マスク２７を構成する各長方形パターン２８が、３本毎に１本が間引かれた形状に形成する。また、各長方形パターン２８の幅と、隣接する長方形パターン２８間の距離との比が、３：７となるように形成する。
【００２５】
次いで、メタン・水素系のドライエッチングにより、回折格子形成マスク２７上から回折格子形成層１５ａを貫通するようにエッチングして、回折格子１５を形成する。続いて、ＭＯＣＶＤ装置を使って、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１６及びｐ−ＩｎＰクラッド層１７を成長させ、回折格子１５の埋め込み再成長を行う。
【００２６】
ＤＦＢレーザ素子１０は、前述のように、回折パターン２６が３本毎に１本が間引かれた構成を有する回折格子１５を採用したことにより、同様の条件で共振器の全領域で一様な回折パターンを有する回折格子と比較して、実効的な結合係数κの大きさを２／３に低減することが可能である。このため、回折格子１５の形成にあたっては、非常に高い製造精度は要求されず、本実施形態例のように１０ｃｍ−１程度の小さい結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することができる。
【００２７】
次いで、プラズマＣＶＤ装置を用いて、基板全面にＳｉＮｘ膜を成膜し、フォトリソグラフィ及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）により、回折格子１５の周期方向に延びるストライプ状にＳｉＮｘ膜をエッチングして、ＳｉＮｘ膜マスク（図示せず）を形成した。続いて、ストライプ状のＳｉＮｘ膜マスクをエッチングマスクとして用い、ｐ−ＩｎＰクラッド層１７、ｐ−ＩｎＰ埋込み層１６、回折格子１５、ｐ−ＩｎＰスペーサ層１４、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３、及び、ｎ−ＩｎＰバッファ層１２の上部をエッチングして、ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層１３が約１．８μｍの幅を有するように、メサストライプ状に加工した。
【００２８】
次いで、ＳｉＮｘ膜マスクを選択成長マスクとして用い、ｐ−ＩｎＰ層２０及びｎ−ＩｎＰ層２１を、順次に選択成長させて、メサストライプの両脇を埋め込み、キャリアブロック層とした。続いて、ＳｉＮｘ膜マスクを除去した後、膜厚約２μｍのｐ−ＩｎＰクラッド層１８、及び、高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層１９を順次に成長させた。
【００２９】
次いで、高ドープＩｎＧａＡｓコンタクト層１９上に、ｐ側電極２２としてＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ多層金属膜を形成した。また、ｎ−ＩｎＰ基板１１の厚さが１２０μｍ程度になるように、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面を研磨し、ｎ−ＩｎＰ基板１１の裏面には、ｎ側電極２３としてＡｕＧｅＮｉ膜を設けた。
【００３０】
次いで、得られたウエハを、レーザ素子の共振器長Ｌが１２００μｍになるように、前端面２４及び後端面２５で壁開した。続いて、各前端面２４には無反射コーティングを、各後端面２５には反射率が約９０％のＨＲコーティングをそれぞれ施し、更に、個々のレーザ素子に分割した後に、チップ化してボンディングした。
【００３１】
本実施形態例では、上述のように、回折パターン２６が３本毎に１本が間引かれた構成を有する回折格子１５を採用したことにより、回折格子１５の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られる。このため、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、回折パターン２６が間引かれる周期が、サブミクロン程度の大きさであるため、従来、部分回折格子を有するＤＦＢレーザ素子で問題となっていた電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移の発生を抑制するため、キンクの発生が防止できる。
【００３２】
比較例
上記実施形態例のＤＦＢレーザ素子の性能を評価するために、ＤＦＢレーザ素子１０、及び、従来のＤＦＢレーザ素子として、比較例のＤＦＢレーザ素子を試作した。比較例のＤＦＢレーザ素子は、回折パターンが共振器の全領域で一様に形成され、且つ発振波長が１５５１ｎｍに設定されることを除いては、ＤＦＢレーザ素子１０と同様の構成を有する。このような回折格子１５により、約１５ｃｍ−１の結合係数κが得られる。比較例のＤＦＢレーザ素子は、回折パターンを共振器の全領域で一様に形成し、且つ発振波長を１５５１ｎｍに設定することを除いては、ＤＦＢレーザ素子１０と同様に製造することができる。
【００３３】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０及び比較例のＤＦＢレーザ素子について、発振波長λＤＦＢに対する光出力効率ＳＥ（Ｓｌｏｐｅ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）の特性を調べたところ、図４（ａ）に示すグラフが得られた。光出力効率ＳＥとは、レーザ素子の注入電流に対する光出力の勾配をいう。同図中、（ｉ）は本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０の特性を示し、（ｉｉ）は比較例のＤＦＢレーザ素子の特性を示す。光出力効率ＳＥは、回折格子に対する後端面の位相位置θにより影響を受けるため、それぞれ発振波長を中心に広がりを有する。発振波長においてθ＝０で、両端においてθ＝−π、πである。
【００３４】
同図より、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０では、光出力効率ＳＥの最大値が約０．３５ｍＷ／ｍＡであり、比較例のＤＦＢレーザ素子では、光出力効率ＳＥの最大値が約０．２８ｍＷ／ｍＡである。よって、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０は、比較例のＤＦＢレーザ素子と比較して、光出力効率ＳＥの最大値が約１．２５倍に増加し、良好な光出力効率ＳＥの特性が得られたものと評価できる。
【００３５】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０、及び比較例の構成を有するＤＦＢレーザ素子について、発振波長λＤＦＢに対するしきい値利得差ΔαｔｈＬの特性についてシミュレーションを行い、図４（ｂ）に示す結果を得た。同図中、（ｉ）は本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０の特性を示し、（ｉｉ）は比較例のＤＦＢレーザ素子の特性を示す。しきい値利得差ΔαｔｈＬは、主モードと副モードとの発振しきい値利得差であり、ＤＦＢレーザ素子の単一モード性を表すパラメータである。しきい値利得差ΔαｔｈＬは、回折格子に対する後端面の位相位置θにより影響を受けるため、それぞれ発振波長を中心に広がりを有する。発振波長においてθ＝０で、両端においてθ＝−π、πである。
【００３６】
同図より、（ｉ）のグラフと（ｉｉ）のグラフとの間に大きな違いは見られず、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子１０は比較例のＤＦＢレーザ素子と比較して、単一モード性について同等の性能を有するものと評価できる。
【００３７】
実施形態例２
図５（ａ）は、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の構成を示す平面図である。本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、部分回折格子が周期的に繰り返された構成を有するレーザ素子であり、共振器方向に設定された４つのゾーンに、後端面２５側から回折格子が形成される部分回折格子領域２９と回折格子が形成されないファブリペロー領域３０とが交互に設けられている。部分回折格子２９とファブリペロー領域３０との長さの比は２：１である。部分回折格子領域２９では、図２に示した実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０の回折パターン２６と同様の構成を有する回折パターンが、間引かれることなく一様に形成されている。このような回折格子の構成により、約１０ｃｍ−１の結合係数κを得ることができる。その他の構成は、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０と同様である。
【００３８】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の製造方法は、ＥＢ描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に４つのゾーンを設定し、後端面２５側から回折格子マスクが形成される領域（図示なし）と、回折格子マスクが形成されない領域（図示なし）とを交互に設ける。回折格子マスクが形成される領域と回折格子マスクが形成されない領域との長さの比を２：１とする。回折格子マスクが形成される領域では、図３に示した実施形態例１のＤＦＢレーザ素子の長方形パターン２８と同様の構成を有する長方形パターンを、間引くことなく一様に形成する。その他の製造方法は、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０の製造方法と同様である。
【００３９】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子では、部分回折格子２９とファブリペロー領域３０との長さの比を２：１としたことにより、同様の条件で共振器の全領域で一様に回折格子が形成された場合と比較して、実効的な結合係数κの大きさを２／３に低減することが可能である。このため、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、共振器方向に設定された４つのゾーンに、部分回折格子領域２９とファブリペロー領域３０とが交互に設けられることにより、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子ほどではないものの、電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【００４０】
実施形態例３
図５（ｂ）は、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の構成を示す平面図である。本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された８つのゾーンに、後端面２５側から回折格子が形成される部分回折格子領域２９と回折格子が形成されないファブリペロー領域３０とが交互に設けられていることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子と同様の構成を有している。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の製造方法は、ＥＢ描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に８つのゾーンを設定し、後端面２５側から回折格子マスクが形成される領域（図示なし）と、回折格子マスクが形成されない領域（図示なし）とを交互に設けることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子の製造方法と同様である。
【００４１】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、部分回折格子２９とファブリペロー領域３０との長さの比を２：１としたことにより、実施形態例２と同様に、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された８つのゾーンに、部分回折格子領域２９とファブリペロー領域３０とが交互に設けられることにより、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子ほどではないものの、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子より効果的に電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【００４２】
実施形態例４
図５（ｃ）は、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の構成を示す平面図である。本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された１６のゾーンに、後端面２５側から回折格子が形成される部分回折格子領域２９と回折格子が形成されないファブリペロー領域３０とが交互に設けられていることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子と同様の構成を有している。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の製造方法は、ＥＢ描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に１６のゾーンを設定し、後端面２５側から回折格子マスクが形成される領域（図示なし）と、回折格子マスクが形成されない領域（図示なし）とを交互に設けることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子の製造方法と同様である。
【００４３】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、部分回折格子２９とファブリペロー領域３０との長さの比を２：１としたことにより、実施形態例２と同様に、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された１６のゾーンに、部分回折格子領域２９とファブリペロー領域３０とが交互に設けられることにより、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子ほどではないものの、実施形態例３のＤＦＢレーザ素子より効果的に電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【００４４】
実施形態例５
図５（ｄ）は、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の構成を示す平面図である。本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された３２のゾーンに、後端面２５側から回折格子が形成される部分回折格子領域２９と回折格子が形成されないファブリペロー領域３０とが交互に設けられていることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子と同様の構成を有している。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子の製造方法は、ＥＢ描画により回折格子形成マスクを形成する際に、共振器方向に３２のゾーンを設定し、後端面２５側から回折格子マスクが形成される領域（図示なし）と、回折格子マスクが形成されない領域（図示なし）とを交互に設けることを除いては、実施形態例２のＤＦＢレーザ素子の製造方法と同様である。
【００４５】
本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、部分回折格子２９とファブリペロー領域３０との長さの比を２：１としたことにより、実施形態例２と同様に、回折格子の形成にあたっては、非常に高い製造精度を必要とすることなく、小さな結合係数κを有するレーザ素子が得られ、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して提供できる。また、本実施形態例のＤＦＢレーザ素子は、共振器方向に設定された３２のゾーンに、部分回折格子領域２９とファブリペロー領域３０とが交互に設けられることにより、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子ほどではないものの、実施形態例４のＤＦＢレーザ素子より効果的に電界強度分布の不連続性を抑え、モード間遷移およびキンクの発生を抑制することができる。
【００４６】
実施形態例１〜５の構成を有するＤＦＢレーザ素子について、共振器内部の電界強度分布のシミュレーションを行ったところ、図６に示すグラフが得られた。同図中、（ｉ）〜（ｖ）は実施形態例１〜５のＤＦＢレーザ素子の特性をそれぞれ示す。同図より、実施形態例２〜５のＤＦＢレーザ素子では、ゾーン数を増加させるに従って、電界強度分布の不連続性がより効果的に抑えられていく様子が判る。また、実施形態例１のＤＦＢレーザ素子１０では、回折パターンを間引く周期をサブミクロンの単位に制御したことによって、共振器内部の電界強度分布の不連続性を大幅に緩和し、高出力下におけるモード間遷移がこれらのうちで最も発生しにくい構造を有するものと評価できる。
【００４７】
本発明の製造方法によれば、回折パターンの間引き方法を設定するだけでレーザ素子の実効的な結合係数κを調節することができる。このため、大きな共振器長を有するレーザ素子に限らず、１枚のウエハ上に様々な結合係数κを有するレーザ素子を同時に、且つ従来同様の工程数で製造することができ、製造の効率化を図ることが可能である。
【００４８】
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明のＤＦＢレーザ素子は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したＤＦＢレーザ素子も、本発明の範囲に含まれる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、回折パターン群で、所定ピッチで配設される回折パターンのうち所定数の回折パターンがそれぞれ間引かれることにより、実効的な結合係数κを小さくすることが可能となる。このため、小さな結合係数κを有するレーザ素子を安定して製造することが可能となり、高い単一モード性を有するレーザ素子を安定して得ることができる。また、回折格子を構成する複数の回折パターン群の長さを適当に調節することによって、共振器内部の電界強度分布の不連続性を抑え、高出力下でのモード間遷移の発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１のＤＦＢレーザ素子の一部を断面で示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面を示す断面図である。
【図３】実施形態例１のＤＦＢレーザ素子の一製造工程段階に係る平面図である。
【図４】（ａ）は、実施形態例１及び比較例のＤＦＢレーザ素子における、発振波長λＤＦＢと光出力効率ＳＥとの関係をそれぞれ示すグラフであり、（ｂ）は、実施形態例１及び比較例のＤＦＢレーザ素子における、発振波長λＤＦＢとしきい値利得差ΔαｔｈＬとの関係をそれぞれ示すグラフである。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は、実施形態例２〜５のＤＦＢレーザ素子の構成をそれぞれ示す平面図である。
【図６】実施形態例１〜５のＤＦＢレーザ素子における、共振器内部の電界強度分布をそれぞれ示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 実施形態例１のＤＦＢレーザ素子
１１ ｎ−ＩｎＰ基板
１２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
１３ ＭＱＷ−ＳＣＨ活性層
１４ ｐ−ＩｎＰスペーサ層
１５ 回折格子
１５ａ 回折格子の形成層
１６ ｐ−ＩｎＰ埋込み層
１７ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１８ ｐ−ＩｎＰクラッド層
１９ ＩｎＧａＡｓコンタクト層
２０ ｐ−ＩｎＰ層
２１ ｎ−ＩｎＰ層
２２ ｐ側電極
２３ ｎ側電極
２４ 出射面
２５ 後端面
２６ 回折パターン
２７ 回折格子形成マスク
２８ 長方形パターン
２９ 部分回折格子領域
３０ ファブリペロー領域
Claims (6)
- 共振器に隣接し共振器方向に配列された複数の回折パターンから成る回折格子を備える分布帰還型半導体レーザ素子において、
前記回折格子が複数の回折パターン群から構成され、該回折パターン群では、所定ピッチで配設される回折パターンのうち所定数の回折パターンがそれぞれ間引かれていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。 - 前記回折パターン群では、対応する位置の回折パターンがそれぞれ間引かれている、請求項１に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
- 前記回折パターン群は、共振器方向に３０μｍ以下の長さを有する、請求項１又は２に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
- 前記回折パターン群は、共振器方向に３μｍ以下の長さを有する、請求項１又は２に記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
- 前記所定数が、各回折パターン群に含まれる回折パターンの数の１／５〜１／２である、請求項１〜４の何れかに記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
- 前記共振器の長さが５００μｍ以上である、請求項１〜５の何れかに記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
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Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| JP2011119434A (ja) * | 2009-12-03 | 2011-06-16 | Renesas Electronics Corp | 半導体レーザ素子及びその製造方法 |
| JP2016051807A (ja) * | 2014-08-29 | 2016-04-11 | 富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 | 半導体レーザ |
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|---|---|---|---|---|
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08172243A (ja) * | 1994-12-17 | 1996-07-02 | Canon Inc | 光伝送装置及びその変調方式 |
| JPH09129958A (ja) * | 1995-10-31 | 1997-05-16 | Oki Electric Ind Co Ltd | 波長可変素子 |
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-
2002
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08172243A (ja) * | 1994-12-17 | 1996-07-02 | Canon Inc | 光伝送装置及びその変調方式 |
| JP2000510602A (ja) * | 1995-10-06 | 2000-08-15 | ブリティッシュ・テレコミュニケーションズ・パブリック・リミテッド・カンパニー | 光フィルタ |
| JPH09129958A (ja) * | 1995-10-31 | 1997-05-16 | Oki Electric Ind Co Ltd | 波長可変素子 |
| JPH11163464A (ja) * | 1997-11-28 | 1999-06-18 | Nec Corp | 分布帰還型半導体レーザ |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011119434A (ja) * | 2009-12-03 | 2011-06-16 | Renesas Electronics Corp | 半導体レーザ素子及びその製造方法 |
| US8477819B2 (en) | 2009-12-03 | 2013-07-02 | Renesas Electronics Corporation | Semiconductor laser diode device and method of fabrication thereof |
| US9455550B2 (en) | 2014-01-23 | 2016-09-27 | Mitsubishi Electric Corporation | Distributed feedback laser diode |
| JP2016051807A (ja) * | 2014-08-29 | 2016-04-11 | 富士通オプティカルコンポーネンツ株式会社 | 半導体レーザ |
| US9502861B2 (en) | 2014-08-29 | 2016-11-22 | Fujitsu Optical Components Limited | Semiconductor laser |
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| JPWO2017138668A1 (ja) * | 2016-02-12 | 2018-12-06 | 古河電気工業株式会社 | 半導体レーザ素子、回折格子構造、および回折格子 |
| US10923880B2 (en) | 2016-02-12 | 2021-02-16 | Furukawa Electric Co., Ltd. | Semiconductor laser device, diffraction grating structure, and diffraction grating |
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