JPH0337874B2 - - Google Patents
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- JPH0337874B2 JPH0337874B2 JP60052606A JP5260685A JPH0337874B2 JP H0337874 B2 JPH0337874 B2 JP H0337874B2 JP 60052606 A JP60052606 A JP 60052606A JP 5260685 A JP5260685 A JP 5260685A JP H0337874 B2 JPH0337874 B2 JP H0337874B2
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
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- H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
- H01S5/1206—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers having a non constant or multiplicity of periods
- H01S5/1215—Multiplicity of periods
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- Electromagnetism (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
＜産業上の利用分野＞
本発明は波長選択性を付与するために回折格子
を形成した半導体レーザに関し、特に光通信用信
号光源として適するGaInAsP／InP系の分布帰還
形半導体レーザ（以下DFBレーザ）に関するも
のである。
を形成した半導体レーザに関し、特に光通信用信
号光源として適するGaInAsP／InP系の分布帰還
形半導体レーザ（以下DFBレーザ）に関するも
のである。
＜従来の技術＞
InPを基板として用いたGaInAsP／InP系ダブ
ルヘテロ構造の半導体レーザは発振波長1.0〜
1.6μｍの値を有するため、光フアイバ通信用光源
として適しており、そのうちでも活性領域近傍に
界面の周期的凹凸構造（回折格子）を付加した
DFBレーザは、変調時においても単一波長のレ
ーザ発振動作が得られることから、次世代の高水
準通信用光源として脚光をあびている。かかる半
導体レーザは、次のような方法により製造されて
いる。まず、第２図Ａに示す如くｎ型InP基板１
の表面に回折格子２を加工する。次いで、該基板
１の回折格子２が形成された面上に１回の液相成
長サイクルによりｎ型GaInAsPのガイド層３、
GaInAsPの活性層４、ｐ型InPのクラツド層５及
びｐ型GaInAsPのキヤツプ層６を順次連続的に
成長させ、第２図Ｂに示す如くダブルヘテロ接合
型のレーザ発振用多層結晶構造を形成する。上記
ガイド層３は活性層４より大きいバンドキヤツプ
を有しており、光は活性層４とガイド層３の双方
にまたがつて伝播するようになつている。一方、
注入されたキヤリアは活性層４の中に閉じ込めら
れており、いわゆるSCH（Separate
Confinement Heterostructure）構造が採用され
ている。
ルヘテロ構造の半導体レーザは発振波長1.0〜
1.6μｍの値を有するため、光フアイバ通信用光源
として適しており、そのうちでも活性領域近傍に
界面の周期的凹凸構造（回折格子）を付加した
DFBレーザは、変調時においても単一波長のレ
ーザ発振動作が得られることから、次世代の高水
準通信用光源として脚光をあびている。かかる半
導体レーザは、次のような方法により製造されて
いる。まず、第２図Ａに示す如くｎ型InP基板１
の表面に回折格子２を加工する。次いで、該基板
１の回折格子２が形成された面上に１回の液相成
長サイクルによりｎ型GaInAsPのガイド層３、
GaInAsPの活性層４、ｐ型InPのクラツド層５及
びｐ型GaInAsPのキヤツプ層６を順次連続的に
成長させ、第２図Ｂに示す如くダブルヘテロ接合
型のレーザ発振用多層結晶構造を形成する。上記
ガイド層３は活性層４より大きいバンドキヤツプ
を有しており、光は活性層４とガイド層３の双方
にまたがつて伝播するようになつている。一方、
注入されたキヤリアは活性層４の中に閉じ込めら
れており、いわゆるSCH（Separate
Confinement Heterostructure）構造が採用され
ている。
＜発明が解決しようとする問題点＞
GaInAsP／InP系DFBレーザは通信用光源と
して大きな期待を集めているものではあるが、し
かしながら上記従来の製造方法には、次のような
問題点があつた。第１の問題点は、成長したウエ
ハーを劈開により分割してDFBレーザとした場
合、両劈開面で構成されるフアブリペロー共振器
のモード（Ｆ−Ｐモード）がDFBモード以外に
発振し、安定なDFBモード発振が得られないこ
とである。これを防ぐために、実際のDFBレー
ザでは劈開面の片端面を斜め研摩する等の手段を
駆使してＦ−Ｐ共振モードの発振を抑圧してい
る。第２の問題点として、このような斜め研摩に
よつて片端面からの反射をなくしＦ−Ｐモードを
抑圧しても、もう一方の反射端面がDFBモード
に影響を与え、この端面の反射率と位相によつて
はDFBモードが単一とならず、複数のDFBモー
ドを発振する可能性がある。片面反射を考慮した
DFBモードの所要発振開始利得αは、素子長を
Ｌ、結合係数をκ、反射端面の反射率をRl＝
0.565exp（iθ）とすると、 （γL）2＋（κL）2sinh2（γL）（１−Rl） ＋2iκLRlγLsinh（γL）cosh（γL）＝０ γ＝（α−iΔβ）2＋κ2 と表わされる。ここで、Δβは伝播定数のブラツ
グ波長からのずれである。尚、ここではθ＝πと
した。第３図にこの式より得られたΔβLに対する
αLの依存性を示す。κ＝40cm-1、Ｌ＝500μｍと
するとκL＝2.0となり、ブラツグ波長の両側で二
つのモードがほぼ同じ所要発振開始利得をもつこ
ととなり、２モード発振の可能性がある。第４図
に上記の２モード発振の場合のスペクトルを示
す。図の如く２つのモードが発振するとDFBレ
ーザの目的である単一軸モード発振が得られな
い。以上の如くDFBレーザの端面反射率、その
位相及び結合定数の条件の組み合わせによつて
は、DFBレーザが単一軸モード発振しないこと
があり、光フアイバとの光学的結合等に際して支
障をきたすこととなる。
して大きな期待を集めているものではあるが、し
かしながら上記従来の製造方法には、次のような
問題点があつた。第１の問題点は、成長したウエ
ハーを劈開により分割してDFBレーザとした場
合、両劈開面で構成されるフアブリペロー共振器
のモード（Ｆ−Ｐモード）がDFBモード以外に
発振し、安定なDFBモード発振が得られないこ
とである。これを防ぐために、実際のDFBレー
ザでは劈開面の片端面を斜め研摩する等の手段を
駆使してＦ−Ｐ共振モードの発振を抑圧してい
る。第２の問題点として、このような斜め研摩に
よつて片端面からの反射をなくしＦ−Ｐモードを
抑圧しても、もう一方の反射端面がDFBモード
に影響を与え、この端面の反射率と位相によつて
はDFBモードが単一とならず、複数のDFBモー
ドを発振する可能性がある。片面反射を考慮した
DFBモードの所要発振開始利得αは、素子長を
Ｌ、結合係数をκ、反射端面の反射率をRl＝
0.565exp（iθ）とすると、 （γL）2＋（κL）2sinh2（γL）（１−Rl） ＋2iκLRlγLsinh（γL）cosh（γL）＝０ γ＝（α−iΔβ）2＋κ2 と表わされる。ここで、Δβは伝播定数のブラツ
グ波長からのずれである。尚、ここではθ＝πと
した。第３図にこの式より得られたΔβLに対する
αLの依存性を示す。κ＝40cm-1、Ｌ＝500μｍと
するとκL＝2.0となり、ブラツグ波長の両側で二
つのモードがほぼ同じ所要発振開始利得をもつこ
ととなり、２モード発振の可能性がある。第４図
に上記の２モード発振の場合のスペクトルを示
す。図の如く２つのモードが発振するとDFBレ
ーザの目的である単一軸モード発振が得られな
い。以上の如くDFBレーザの端面反射率、その
位相及び結合定数の条件の組み合わせによつて
は、DFBレーザが単一軸モード発振しないこと
があり、光フアイバとの光学的結合等に際して支
障をきたすこととなる。
＜発明の目的＞
本発明は上述の問題点に鑑み、DFBレーザの
端面の反射率、その位相及び結合定数の値にかか
わらず安定な単一モード発振を得ることが可能な
DFBレーザを提供することを目的とするもので
ある。
端面の反射率、その位相及び結合定数の値にかか
わらず安定な単一モード発振を得ることが可能な
DFBレーザを提供することを目的とするもので
ある。
＜発明の概要＞
本発明は上記目的を達成するため、レーザ発振
用活性層をはさむ上下２つのガイド層を設け、こ
のガイド層双方に互にピツチの異なる回折格子を
形成することによつて、所要発振開始利得の最小
のモードが、端面の反射率、その位相及び結合定
数にかかわらず常に１つであるようにして、安定
な単一モードのDFBレーザを得るように構成さ
れている。
用活性層をはさむ上下２つのガイド層を設け、こ
のガイド層双方に互にピツチの異なる回折格子を
形成することによつて、所要発振開始利得の最小
のモードが、端面の反射率、その位相及び結合定
数にかかわらず常に１つであるようにして、安定
な単一モードのDFBレーザを得るように構成さ
れている。
＜実施例＞
第１図Ａは本発明の１実施例を示す半導体レー
ザの模式構成図である。また第１図Ｂは第１図Ａ
に示す半導体レーザの原理説明に供するαLの波
長依存性を示している。以下製造工程順に説明す
る。
ザの模式構成図である。また第１図Ｂは第１図Ａ
に示す半導体レーザの原理説明に供するαLの波
長依存性を示している。以下製造工程順に説明す
る。
まず、（001）のｎ型InP基板１１の表面にピツ
チΛ1の回折格子１２を加工する。次いで、該基
板１１の回折格子１２側にエピタキシヤル成長法
でｎ型GaInAsPガイド層１３、ノンドーブ
GaInAsP活性層１４、ｐ型GaInAsPガイド層１
５を成長させ、レーザ発振用活性層１４の両界面
に１対のｎ型ガイド層１３とｐ型ガイド層１５を
接合させる。ｐ型ガイド層１５の表面にピツチ
Λ2（Λ2＞Λ1）の回折格子を加工する。
チΛ1の回折格子１２を加工する。次いで、該基
板１１の回折格子１２側にエピタキシヤル成長法
でｎ型GaInAsPガイド層１３、ノンドーブ
GaInAsP活性層１４、ｐ型GaInAsPガイド層１
５を成長させ、レーザ発振用活性層１４の両界面
に１対のｎ型ガイド層１３とｐ型ガイド層１５を
接合させる。ｐ型ガイド層１５の表面にピツチ
Λ2（Λ2＞Λ1）の回折格子を加工する。
次に、この活性層１４をガイド層１３，１５で
挾設した三層構造部上に再度エピタキシヤル成長
法でｐ型InPクラツド層１６及びｐ型GaInAsPキ
ヤツプ層１７を連続的に成長させて、ダブルヘテ
ロ接合構造のレーザ発振用多層結晶構造ウエハを
製作する。ここで活性層１４を挾設する上下２つ
の光ガイド層１３，１５は活性層１４よりも屈折
率が小さく禁制帯幅が大きくなるように混晶比が
設定されている。また各々に異なるピツチΛ1、
Λ2の回折格子を加工する理由は次の如くである。
挾設した三層構造部上に再度エピタキシヤル成長
法でｐ型InPクラツド層１６及びｐ型GaInAsPキ
ヤツプ層１７を連続的に成長させて、ダブルヘテ
ロ接合構造のレーザ発振用多層結晶構造ウエハを
製作する。ここで活性層１４を挾設する上下２つ
の光ガイド層１３，１５は活性層１４よりも屈折
率が小さく禁制帯幅が大きくなるように混晶比が
設定されている。また各々に異なるピツチΛ1、
Λ2の回折格子を加工する理由は次の如くである。
いま、第１図のDFBレーザにおいて、上下い
ずれか一方だけにピツチΛ1の回折格子を印刻し
たDFBレーザを仮定し、その結合定数をκ＝40
cm-1、共振器長をＬ＝500μｍとする。また回折格
子のピツチΛ1を発振波長λb1＝1.55μｍとなるよう
にブラツグ反射の条件より Λ1＝λb1／2neff＝1.55μｍ／２×3.50＝0.2214μｍ ＝2214Å （neff：有効屈折率） とする。更に活性層１４の四元混晶をλb1に対応
するようにIn0.65Ga0.35As0.79P0.21とする。この場
合のDFBレーザでは第３図よりκL＝2.0であるか
ら、ΔβL−4.0とΔβL2.0にほぼ互に等しい発
振開始利得がある。このため、この構造のレーザ
素子では次に示すように Δβ1＝β1−βb1＝2πneff（１／λ1−１／λb1） 2πneffλb1−λ1／λ2 b1 （βb：ブラツグ波長に対応する伝搬定数） となる。この式にΔβ1・Ｌ＝−４、λb1＝1.55μ
ｍ、neff＝3.50、Ｌ＝500μｍを代入すると λ1＝λb1−λ2 b1／Ｌ・2πneff×（−４）＝1.5509μ
ｍ となる。またΔβ1・Ｌ＝２の場合は λ1′＝λb1−λ2 b1／Ｌ・2πneff×(2)＝1.5496μｍ となり、λ1−λ1′＝13Å離れた２つの波長で発振
する可能性がある。
ずれか一方だけにピツチΛ1の回折格子を印刻し
たDFBレーザを仮定し、その結合定数をκ＝40
cm-1、共振器長をＬ＝500μｍとする。また回折格
子のピツチΛ1を発振波長λb1＝1.55μｍとなるよう
にブラツグ反射の条件より Λ1＝λb1／2neff＝1.55μｍ／２×3.50＝0.2214μｍ ＝2214Å （neff：有効屈折率） とする。更に活性層１４の四元混晶をλb1に対応
するようにIn0.65Ga0.35As0.79P0.21とする。この場
合のDFBレーザでは第３図よりκL＝2.0であるか
ら、ΔβL−4.0とΔβL2.0にほぼ互に等しい発
振開始利得がある。このため、この構造のレーザ
素子では次に示すように Δβ1＝β1−βb1＝2πneff（１／λ1−１／λb1） 2πneffλb1−λ1／λ2 b1 （βb：ブラツグ波長に対応する伝搬定数） となる。この式にΔβ1・Ｌ＝−４、λb1＝1.55μ
ｍ、neff＝3.50、Ｌ＝500μｍを代入すると λ1＝λb1−λ2 b1／Ｌ・2πneff×（−４）＝1.5509μ
ｍ となる。またΔβ1・Ｌ＝２の場合は λ1′＝λb1−λ2 b1／Ｌ・2πneff×(2)＝1.5496μｍ となり、λ1−λ1′＝13Å離れた２つの波長で発振
する可能性がある。
次にピツチΛ2の回折格子のみを印刻したDFB
レーザを仮定し、上記λ1、λ1′に対応する値を
λ2、λ2′とすると λ2＝λb2−λ2 b2／Ｌ・2πneff×（−４） λ2′＝λb2−λ2 b2／Ｌ・2πneff×(2) となる。
レーザを仮定し、上記λ1、λ1′に対応する値を
λ2、λ2′とすると λ2＝λb2−λ2 b2／Ｌ・2πneff×（−４） λ2′＝λb2−λ2 b2／Ｌ・2πneff×(2) となる。
次に第４図に示す２つの回折格子を印刻した構
造のDFBレーザにおいて各回折格子のピツチΛ1、
Λ2を以下によつて決定する。即ち、上述のピツ
チΛ1におけるブラツグ波長より長波長側の発振
閾値利得最小となる波長λ1とピツチΛ2における
ブラツグ波長より短波長側の発振閾値利得最小と
なる波長λ2′が等しい値（λ1＝λ2′）となるように
設定する。従つて、 λb1−λ2 b1／Ｌ・2πneff×（−４） ＝λb2−λ2 b2／Ｌ・2πneff×(2) となる。λb1とλb2を決定し Λ1＝λb1／2neff Λ2＝λb2／2neff よりΛ1、Λ2を決定する。
造のDFBレーザにおいて各回折格子のピツチΛ1、
Λ2を以下によつて決定する。即ち、上述のピツ
チΛ1におけるブラツグ波長より長波長側の発振
閾値利得最小となる波長λ1とピツチΛ2における
ブラツグ波長より短波長側の発振閾値利得最小と
なる波長λ2′が等しい値（λ1＝λ2′）となるように
設定する。従つて、 λb1−λ2 b1／Ｌ・2πneff×（−４） ＝λb2−λ2 b2／Ｌ・2πneff×(2) となる。λb1とλb2を決定し Λ1＝λb1／2neff Λ2＝λb2／2neff よりΛ1、Λ2を決定する。
上述の様にΛ1、Λ2を選定すると、各々の回折
格子によつて定まるΔβ1L、Δβ2L対αL特性は１
つのグラフに書き表わすと第１図Ｂの如くとな
る。同図にはΔβ1LとΔβ2Lに対応する波長も記し
てある。第１図Ａに示すDFBレーザにおけるαL
の波長依存性は、近似的には第１図Ｂに示す２つ
のαLの波長依存性の平均と考えてよい。このた
め、第１図ＡのDFBレーザでは第１図Ｂよりλ
＝1.5509μｍのとき発振開始利得が最小となりか
つ他の波長の発振開始利得よりも十分に小さい。
このため、発振スペクトルは常に単一となる。
格子によつて定まるΔβ1L、Δβ2L対αL特性は１
つのグラフに書き表わすと第１図Ｂの如くとな
る。同図にはΔβ1LとΔβ2Lに対応する波長も記し
てある。第１図Ａに示すDFBレーザにおけるαL
の波長依存性は、近似的には第１図Ｂに示す２つ
のαLの波長依存性の平均と考えてよい。このた
め、第１図ＡのDFBレーザでは第１図Ｂよりλ
＝1.5509μｍのとき発振開始利得が最小となりか
つ他の波長の発振開始利得よりも十分に小さい。
このため、発振スペクトルは常に単一となる。
なお、上述の実施例は片面反射で位相がπの場
合について記したが、詳細な計算によると、Λ1、
Λ2の値を同程度に違えることによつて、端面反
射率及び位相の値にかかわらず、最小利得を与え
る波長が唯一に決定され、単一軸モード発振が得
られる。また半導体レーザはGaInAsP／InP系に
限定されず他の材料を用いることも可能であり、
更にはDFBレーザ以外に分布ブラツグ反射型レ
ーザ（DBRレーザ）に適用することもできる。
合について記したが、詳細な計算によると、Λ1、
Λ2の値を同程度に違えることによつて、端面反
射率及び位相の値にかかわらず、最小利得を与え
る波長が唯一に決定され、単一軸モード発振が得
られる。また半導体レーザはGaInAsP／InP系に
限定されず他の材料を用いることも可能であり、
更にはDFBレーザ以外に分布ブラツグ反射型レ
ーザ（DBRレーザ）に適用することもできる。
＜発明の効果＞
以上詳述した如く、本発明によれば常に単一軸
モード発振が可能な半導体レーザを容易に得るこ
とができると共に発振波長を良好に制御できる等
顕著な効果を奏する。
モード発振が可能な半導体レーザを容易に得るこ
とができると共に発振波長を良好に制御できる等
顕著な効果を奏する。
第１図Ａ，Ｂは本発明の１実施例を示すDFB
レーザの模式断面図及びαLの波長依存性を示す
説明図である。第２図Ａ，Ｂは従来のDFBレー
ザを製造工程順に示す断面図である。第３図は所
要発振開始利得αLの波長依存性を示す説明図で
ある。第４図は２モード発振する分布帰還型レー
ザのスペクトル特性図である。 １１……ｎ型InP基板、１２……回折格子、１
３……ｎ型ガイド層、１４……ノンドープ活性
層、１５……ｐ型ガイド層。
レーザの模式断面図及びαLの波長依存性を示す
説明図である。第２図Ａ，Ｂは従来のDFBレー
ザを製造工程順に示す断面図である。第３図は所
要発振開始利得αLの波長依存性を示す説明図で
ある。第４図は２モード発振する分布帰還型レー
ザのスペクトル特性図である。 １１……ｎ型InP基板、１２……回折格子、１
３……ｎ型ガイド層、１４……ノンドープ活性
層、１５……ｐ型ガイド層。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 半導体基板上にレーザ発振用活性層と該活性
層の両界面に接合される該活性層より屈折率が小
さく禁制帯幅が大きい１対のガイド層とから成る
三層構造を成長形成し、前記両ガイド層の少なく
とも１界面に前記両ガイド層の各々間で配列ピツ
チが異なる回折格子を内設したことを特徴とする
半導体レーザ。 ２ 回折格子の各々のピツチに対応して定まるブ
ラツグ波長より長波長側と短波長側での発振閾値
利得最小となる発振波長が一致するように回折格
子の配列ピツチを設定した特許請求の範囲第１項
記載の半導体レーザ。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP60052606A JPS61222189A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 半導体レ−ザ |
| US06/839,869 US4803690A (en) | 1985-03-15 | 1986-03-13 | Semiconductor laser |
| DE8686301868T DE3678471D1 (de) | 1985-03-15 | 1986-03-14 | Halbleiterlaser. |
| EP86301868A EP0194894B1 (en) | 1985-03-15 | 1986-03-14 | A semiconductor laser |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP60052606A JPS61222189A (ja) | 1985-03-15 | 1985-03-15 | 半導体レ−ザ |
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Family Applications (1)
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