JPH0268975A - 半導体レーザ - 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、低雑音かつ高光出力発振可能な半導体レーザ
（以下ＬＤと記す、）の構造に関する。

［従来の技術］ ＬＤを光情報処理装置、特に書き換え・消去可能な光デ
イスクシステム等に応用する際には、ＬＤに対して基本
的な要求事項である、安定した基本横モード発振・低非
点収差特性に加え、以下の項目を満足する必要がある。

１）ＬＤからの出射光の１部が、光デイスク面あるいは
外部光学系等により反射され再度ＬＤの共振器内に戻る
ことで、干渉効果によってＬＤからの出力光の雑音成分
（以下戻り光雑音と記す、）が増大し、実用に共するこ
とが不可能となる。故にこの戻り光雑音を低減した低雑
音特性。

２）光デイスク面に、情報を書き込んだりあるいはすで
に書き込まれている情報を消去したりする際には、ＬＤ
の光出力に対して、３０ｍＷあるいは４０ｍＷ以上とい
った高光出力が必要となる。

故に高光出力特性。

上記１）の低雑音特性に対しては、ＬＤをコヒーレント
長の短い縦マルチモード発振させる方法が一般に知られ
ている。これを実現する方法には、縦単一モード発振Ｌ
Ｄに数百ＭＨｚの高周波電流を駆動電流に加え合わせて
駆動することにより、縦マルチモード発振とする亮周波
重畳法、あるいは、特開昭６０−１４０７７４、特開昭
６０−１５０６８２等の様に、ＬＤ共振器端面近傍では
、光の導波が屈折率導波によってなされ、中央部分では
、利得導波あるいは屈折率導波と利得導波とが混在した
光導波をさせることにより、共振器中央部の導波機構を
反映した縦マルチモード発振を実現する等といった方法
があった。

また高光出力特性を実現する方法に、複数の発光ストラ
イブを有し、各ストライブ間に光結合を生じさせるフェ
ーズドアレイ型ＬＤがあった。公知例としては、第３２
回応用物理学関係講演会予稿集１４９頁に示されている
。

〔発明が解決しようとする課題〕 しかし、前述の従来技術では、共振器の光出射端面近傍
において、安定した基本横モード特性ならびに低非点収
差特性といった要求事項を満足させる為に、ＬＤのクラ
ッド層、活性層等各店の接合に平行な方向にも、光閉じ
込めが有効に行なわれるよう、活性領域とその他の領域
の間に実効的な屈折率段差（△ｎ＊ｔｊ）を持たせ、か
つ活性領域幅を、１次の横モードがカットオフされる程
度にまで細くしたいわゆる屈折率導波機構となっている
。加えて前述の従来技術で示したＬＤでは、この屈折率
導波機構を有する領域はただ１ケ所であることから、導
波される光は、活性領域である活性層内に強く閉じ込め
られ、活性層内での光密度は数ＭＷ／ｃｍ”にも達する
。一方光情報処理用装置で一般に広く利用されているＡ
ｌ２ＧａＡＳＬＤでは光密度が数Ｍ　Ｗ　／　ｃ　ｍ　
”に達すると端面破壊が生ずる現象が知られており、高
出力化の上限を決めている。したがって前述の例のＬＤ
では、単体のＬＤで書き込み消去可能な光デイスクシス
テム等、高出力かつ低雑音特性を必要とするシステムに
搭載することは、書き込み・消去時に必要とされる高光
出力が得られないという理由で実用に供せないという課
題を有する。

また端面部をフェーズドアレイ構造とするだけでは、高
光出力特性は得られるものの高次のスーパーモードが発
振する為に出射ビームは双峰性となり応用上支障を生ず
る。

そこで本発明はこのような課題を解決するもので、その
目的とするところは共振器端面部ではフェーズドアレイ
構造としかつ共振器中央付近にはモードフィルター機能
を持たせかつ利得導波機構とすることで、高光出力特性
・低雑音特性かつ安定した基本横モード発振するＬＤを
提供することにある。

〔課題を解決するための手段１ 本発明のＬＤは、リブ状の光導波路を有し、かつ該リブ
状の光導波路側面はＩＩ　−ＶＩ族化合物半導体暦で埋
め込まれてなる半導体レーザにおいて、少な（とも一方
の共振端面近傍では、電流注入幅と該リブ状の光導波路
の幅をほぼ等しくかつ細くして屈折率導波構造とした該
リブ状の光導波路を、相互に光結合を生ずる間隔で複数
本配置し、かつ共振器中央付近では該リブ状の光導波路
の幅を、屈折率導波構造を有する該リブ状の光導波路の
幅より広（かつ共振器端面部に複数本存在する屈折率導
波構造を有する該リブ状の光導波路の両脇間の間隔より
狭い幅として利得導波構造としたことを特徴とする。

〔実　施　例〕

第１図は本発明の実施例における構造図であり第１図（
ａ）は本発明のＬＤの上面図で、第１図（ｂ）および（
Ｃ）は、各々Ａ−Ａ′およびＢ−Ｂ′での断面構造図で
ある。ｎ型ＧａＡｓ基板１０１上のｎ型ＧａＡｓバッフ
ァー層１０２・ｎ型ＡｆｆＧａＡｓ第１のクラッド層１
０３・ＡｆｆＧａＡｓ活性層１０４−ｐ型Ａｇ、ＧａＡ
ｓ第２のクラッド層１０５・ｐ型ＧａＡｓコンタクト層
１０６よりなる二重異種接合構造（以下り、Ｈ構造）に
第１図（ａ）の斜線の如く形状に第２のタラッド屡の途
中までエツチングを施して形成したリブ状光導波路の側
面をＩＩ　−ＶＩ族化合物半導体たとえばＺｎ５ｅで埋
め込んだ構造である。１０８・１゜９は各々ｎ側電極・
ｎ側電極である。

続いて第２図を用いて説明を加える。

ｎ型ＧａＡｓ基板２０１上にｎ型ＧａＡｓバッファー層
２０２・ｎ型ＡεＧａＡｓ第１のクラッド層２０３　・
Ａｆ２ＧａＡｓ活性層２０４　・ｐ型Ａｆ２ＧａＡｓ第
２のクラッドＪＷ２０５・ｐ型ＧａＡｓコンタクト層２
０６を順次積層してＤＨ構造を形成する。このＤＨ構造
は、液相エピタキシャル成長法、有機金属気相成長法（
以下ＭＯＣＶＤ法と記す、）および分子線エピタキシャ
ル成長法（以下ＭＢＥ法と記す、）等の方法により形成
できる。ＤＨ構造形成後二酸化シリコン等誘電体マスク
２０７を形成する。（第２図（ａ））続いて通常のフォ
トエツチング工程を経て、まず第２図（ｃ）に斜線で示
す如く形状に誘電体マスク２０７をバターニングし、さ
らにＤＨ構造を有する基板のｐ型ＧａＡｓコンタクト層
２０６およびｐ型Ａｌ２ＧａＡｓ第２のクラッド層の途
中までエツチングを施す、エツチングは硫酸系等エッチ
ャントを用いたウェットエツチング工程あるいは塩素等
ガスを用いたドライエツチング工程により行なえる。（
第２図（ｂ））第２図（ｂ）では本発明のＬＤの共振器
端面部でのＬＤの構造しか示していないが、第２図（Ｃ
）の斜線部で示す形状はそのままりブ形成時のマスク形
状となっているので、ＬＤの中央部付近では幅広のリブ
となっている。

加えて、第２図（ｂ）に示した各リブの間隔は、ＬＤ発
振させた際隣接リブ間で光の電界の相互作用が生ずる程
度の狭い間隔とする６次ぎに、ウェハ全面にＩＩ　−Ｖ
Ｉ族化合物半導体層を積層する。ここではＺｎ５ｅ層と
するが他のＩＩ−ＶＩ族化合物半導体層の使用も可能で
ある。Ｚｎ５ｅ層の成長には、ＭＯＣＶＤ法あるいはＭ
ＢＥ法による成長が可能であるが２ここでは、ジメチル
亜鉛−ジメチルセレンよりなる付加体を源料とするＭＯ
ＣＶＤ法を用いた。この場合リブ上部にはリブエツチン
グの際マスクとした誘電体膜が残在することから、リブ
上部ではＺｎ５ｅ層の結晶性は悪（なり多結晶のＺｎ５
ｅ層が成長する、一方その他の部分では、Ｚｎ５ｅとＡ
βＧａＡｓの格子不整合度は小さい為、単結晶Ｚｎ５ｅ
層が成長する。第２図（ｄ）での斜線部が多結晶Ｚｎ５
ｅ層２０８であり、その他の部分が単結晶Ｚｎ５ｅ層２
０９である。ここで水酸化ナトリウム水溶液を用いて、
リブ上部の多結晶Ｚｎ５ｅＪｉｉｌ１２をエツチング除
去する。水酸化ナトリウム水溶液によるＺｎ５ｅ層のエ
ツチングは、Ｚｎ５ｅ層の結晶性によりそのエツチング
レートが異なる。すなわち、結晶性の悪い多結晶Ｚｎ５
ｅ層は、単結晶Ｚｎ５ｅ層よりエッチレートが早く、Ｚ
ｎ５ｅ層の膜厚を適当に定めることでリブ上部が露出し
、しかもリブ両側のＺｎ５ｅ層厚をリブの高さに等しく
残すことができ平坦化が実現される。（第２図（ｅ））
加えてＺｎ５ｅ層は抵抗率がｌＸｌ０’Ωｃｍ以上であ
り電流狭窄層として有効である。またＺｎ５ｅ層は屈折
率がいかなるＡＲ混晶比のＡβＧａＡｓ層よりも小さい
ことがらレーザ発振に重要な光閉じ込めに対しても有効
である。以後、ｎ側電極の形成、ウェハ裏面のケンマ工
程さらにｎ側電極形成工程を経てＬＤのプロセスが完了
する。こうして出来上がったウェハから、共振器長３０
０μｍ程度のＬＤチップを切り出し、ジャンクションダ
ウンで、シリコンサブマウントを介して銅ヒートシンク
上にボンディングし、特性の測定を行なう０本ＬＤでは
、屈折率導波機構を有するリブ状の光導波路が共振器端
面で複数本存在しておりかつ各リブ間の間隔は狭く設定
されているのでリブ部で発振した光は、リブ間で光結合
を生じフェーズドアレー構造が共振器端面部に形成され
ることになる６したがって共振器端面部での光密度の低
減が実現され高光出力発振が達成される。

しかし通常フェーズドアレイＬＤ構造では高次のスーパ
ーモードで発振が生じやすく出射ビームが双峰性となり
応用上支障を生ずる。高次のスーパーモードが選択され
る理由を第３図を用いて説明する。ここで同図（ａ）に
基本スーパーモードの電界分布を同図（ｂ）に高次スー
パーモードの電界分布を示す、また矢印部分が作りつけ
の光導波路いわゆる本ＬＤでのリブ状の光導波路部で屈
折率が大きく利得の高い部分である。同図より矢印の中
間部分いわゆる損失の大きい部分で基本スーパーモード
の電界分布は零にならないのに対して、高次スーパーモ
ードは零レベルを横ぎる。

したがって高次スーパーモードの受ける損失は、基本ス
ーパーモードより小さくなり高次スーパーモードの方が
しきい値利得が低くなり高次スーパーモードでの発振が
選択される。そこで本発明のＬＤでは基本スーパーモー
ドが選択されるよう共振器方向にくびれ部（第１図（ａ
）のＢ−Ｂ′部）を設けた。第３図より理解できるよう
に、基本スーパーモードは外側の光導波路はど電界のピ
ーク値は小さくなっているのに対して、高次スーパーモ
ードの電界ピークは光導波路の位置によらずほぼ同じで
ある。したがってこれら両スーパーモードに対して、共
振器中央付近にくびれ部を設けたことで、くびれ部分で
は利得領域となり、（ひれ部外では損失領域となるので
、損失領域で大きなピークを有する高次スーパーモード
の方が、基本スーパーモードよりも損失をより多く受け
ることになる。このため高次スーパーモードは基本スー
パーモードよりもしきい値利得が増大し、基本スーパー
モードが選択されることになる０以上の説明では、共振
器端面部で４本のフェーズドアレーについて説明したが
２本以上複数本でさえあれば同様の構造とすることで同
様の効果が得られる。

基本スーパーモードが選択されるが故に、放射されるビ
ームは単峰性であり、かつ非点収差も小さい、一方共振
器中央部付近では幅広のリブ状の光導波路を有している
ので、この領域での光導波は、利得導波あるいは利得導
波と屈折率導波が混在する機構により行なわれることに
なる。したがって利得導波機構を反映し、縦モードはマ
ルチモード化する。故にレーザ光のコヒーレント長が短
くなり戻り光等による干渉効果が低減され低雑音化が実
現されることになる。

実施例に示す４本の）二一ズドアレーを有する本発明の
ＬＤにおいて、屈折率導波機構を有する共振端近傍のリ
ブ状光導波路の幅および中心間距離を３ｕｍおよび５μ
ｍとし、両出射端でのリブ状光導波路の長さを５０μｍ
および１００μｍとし、かつ共振器中央部のくびれ部の
幅を１０ｕｍ、共振器長２５０μｍとした時、しきい値
電流は９０〜ｌｏｏｍＡ、非点収差６μｍ以下、相対雑
音強度〜６Ｘ１０”Ｈｚ−’さらに１００ｍＷをこえる
光出力まで安定した単峰性ビームが得られた０本発明に
よるＬＤは、ＡＪ２ＧａＡｓ系以外のレー系材外例えば
ＩｎＧａＡｓＰ系・ＩｎＧａＰ系の材料に対しても同様
に適用できる。またＬＤの構造としては上記実施例で示
した３層導波路を基本にするものに限らず、活性層の片
側に隣接して光ガイド層を設けるＬＯＧ構造や、活性層
の両側にそれぞれ隣接して光ガイド層を設けるＳＣＨ構
造およびこれらの光ガイド層の圧接率および禁制帯幅が
膜厚方向に分布しているＧＲＩＮ−３ＣＨ構造等に対し
ても同様に適用することができる。さらに活性層が量子
井戸構造をしているものに対しても有効である。また上
記実施例において導電形を全て反対にした構造（ｐをｎ
に、ｎをｐに置き換えた構造）においても同様の結果が
得られる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明のＬＤによれば以下のような多
大な効果が得られる。

１）光出射端面近傍では、リブ光導波路幅と電流注入幅
を同程度でかつ狭くして屈折率導波機構とししかも複雑
本近接して配置することによりフェーズドアレー構造と
したので、１００ｍＷをこえる高光出力発振が可能とな
った。

２）共振器中央部付近ではリブ光導波路幅を広くした構
造とすることで、この部分の光導波は利得導波あるいは
利得導波および屈折率導波が混在したものとなり、縦モ
ードは利得導波機構を反映してマルチモード化する。し
たがってコヒーレント長が短くなり、戻り光との干渉性
が低下し、低雑音化が実現される。

３）加λて共振中央部付近では、基本スーパーモードが
選択されるようモードフィルタ機能を有する構造とした
ので、単峰性の出射ビームが安定して得られる。

４）共振器中央部にくびれ部を設けたことから、２）で
述べた縦モードがマルチモード化する条件でこのくびれ
部を細くすることで、共振器中央部付近のリブ状の光導
波路の幅が広い領域でのコンタクト層・クラッド層内で
の注入キャリアの過剰な広がりが抑制され無効電流が減
少ししきい値電流が低減される。

５）共振器中央部の（ひれ部の幅の制御を適切に設定す
ることで、（ひれ部の光導波路部とそれ以外の部分との
間の利得差を大きくできるので、スーパーモード間のし
きい値利得差が大きくなり基本スーパーモードの選択が
容易となる。

６）通常低雑音特性実現に対しては、高周波重畳法が用
いられているが、その為には高周波発振回路をＬＤとと
もに搭載する必要がある。しかし本ＬＤではＬＤ自体低
雑音特性を有するものであり、付加回路等不必要となり
、光ヘッドの軽量化、さらにはアクセスタイムの短線等
の効果を有する。

７）本ＬＤ素子は作製工程、特に各層の成長においてＭ
ＯＣＶＤ法のみで実現されるものであり、大面積ウェハ
での成長可能・大面積にわたり膜特性が均一かつ膜厚の
制御性に秀れている等のＭＯＣＶＤ法の特徴を生かして
ＬＤ素子特性の均一化・高信頼化さらには低価格化が実
現される。

８）ＺｎＳｅ層は高抵抗・低屈折率材料でありキャリア
の閉じ込め、光の閉じ込めに有効である。加えてＺｎ５
ｅ層は、二酸化シリコン等誘電体層より熱伝導性に秀れ
ており、ＬＤ内部で発生した熱の放射に極めて有効に作
用する。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）〜（ｃ）は本発明のＬＤの１実施例を示す
構造図。 第２図（ａ）〜（ｆ）は本発明のＬＤのプロセス工程図
。 第３図（ａ）（ｂ）は、電界モードを示す図。 １０１　　・　２０１　　・ １０２　・　２０２　・　・ １０３　・　２０３　・　・ １０４　・　２０４　・　・ １０５　・　２０５　・　・ １０６　・ １０７　・ １０８　・ １０９　・ ２０７　・ ２０８　・ ２０９　・ ｎ型ＧａＡｓ基板 ｎ型ＧａＡｓバッファー層 ｎ型ＡｇＧａＡｓ第１のク ラッド層 ＡｎＧａＡｓ活性層 ｐ型ＡｇＧａＡｓ第２のク ラッド層 ・ｐ型ＧａＡｓコンタクト層 ・Ｚｎ５ｅ埋め込み層 ・ｎ側電極 ・ｎ側電極 ・誘電体マスク 多結晶Ｚｎ５ｅ層 ・単結晶Ｚｎ５ｅ層 （Ｃシン 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士　上　柳　雅　誉（他１名）（屓） 芽 ２図 （Ｃ，） 牛 杢 牛 令

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. リブ状の光導波路を有し、かつ該リブ状の光導波路側面
   はII−VI族化合物半導体層で埋め込まれてなる半導体レ
   ーザにおいて、少なくとも一方の共振端面近傍では、電
   流注入幅と該リブ状の光導波路の幅をほぼ等しくかつ細
   くして屈折率導波構造とした該リブ状の光導波路を、相
   互に光結合を生ずる間隔で複数本配置し、かつ共振器中
   央付近では該リブ状の光導波路の幅を、屈折率導波構造
   を有する該リブ状の光導波路の幅より広くかつ共振器端
   面部に複数本存在する屈折率導波構造を有する該リブ状
   の光導波路の両脇間の間隔より狭い幅として利得導波構
   造としたことを特徴とする半導体レーザ。