JPH10209555A - 面発光型半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 円形の集束光ビームを取り出して効率的にフ
ァイバに結合することを可能にすると共に、劈開を行う
ことなく良否判定を行い得るようにした回折格子を利用
した面発光型半導体レーザを提供する。 【解決手段】 ｎ型半導体基板１にｎ型下部クラッド層
２、ｉ型活性層３を含む導波路層及びｐ型上部クラッド
層４が順次形成され、導波路層に沿って光の分布帰還の
ための回折格子が形成されたＤＦＢ型の半導体レーザで
あって、回折格子５は同心円パターンを描く２次の回折
格子として、その同心円パターンの中心を中心として基
板表面に平行な面内で３６０°方向にレーザ共振器を構
成し、得られるレーザ光を回折効果により基板表面に垂
直の方向に取り出すようにすると共に、回折格子５が形
成された領域の基板表面に同心円パターンのグレーティ
ングレンズ１０を形成して取り出される円形の出力光ビ
ームを集束光ビーム１１とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、回折格子を利用
した面発光型半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、単一縦モードの半導体レーザ
として、ＤＦＢ（Distributed Feed-Back）レーザやＤ
ＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザが知られ
ている。ＤＦＢレーザは、電流注入がなされる活性領域
で光の分布帰還を行うのに対し、ＤＢＲレーザは活性領
域とは離れた活性領域の両側（または片側）に分布反射
器を構成する点で異なるが、基本的に回折格子による光
の分布帰還を利用する点で共通する。従って以下、ＤＦ
ＢレーザをＤＢＲレーザを含む回折格子型の半導体レー
ザの総称として用いる。ＤＦＢレーザは他の多くの半導
体レーザと同様に基板表面と平行方向に出力光を射出す
る端面放射型である。この端面放射型では、出力光の垂
直方向の拡がり角と水平方向の拡がり角とを同じにする
ことは難しく、従って出力光のファイバ等への結合効率
がよくない。また、アセンブリも難しく、特に３次元的
に光結合を行うような大容量ファイバ通信その他の高機
能光集積回路システムを構築するには、不向きである。

【０００３】これに対して近年、基板表面に垂直方向に
レーザ出力光を取り出す面発光型半導体レーザが種々提
案されている。面発光型半導体レーザは、大きく垂直型
と水平型の２方式に分けられる。垂直型は、基板表面に
垂直な方向にファブリ・ペロー型共振器を構成するもの
で、室温連続発振も報告されている。水平型は、通常の
レーザと同様に基板表面に水平に共振器を構成して、回
折格子等を用いて垂直方向に光を取り出すものであり、
代表的には２次の回折格子を用いたＤＦＢレーザがあ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】垂直型の面発光半導体
レーザは、製造工程が複雑であり、また水平型と異なり
反射ミラーは劈開面ではないから高反射率のミラーを得
ることが難しいといった問題がある。これに対して、回
折格子型の面発光半導体レーザは、従来のＤＦＢレーザ
の製造技術をほぼそのまま利用できる点で有利である。
しかし、通常のＤＦＢレーザの構造では発光面が数１０
０μm という細長いものとなり、従ってファイバに対し
て効率的に結合することも難しいという問題がある。ま
た通常のＤＦＢレーザでは、例えば二つの劈開面の一方
を１００％反射ミラーとし、他方を反射防止膜をコーテ
ィングした出射端として利用することが行われるため、
最終的に劈開しないと、良否が判定できないという問題
もある。

【０００５】この発明は、上記事情を考慮してなされた
もので、円形の集束光ビームを取り出して効率的にファ
イバに結合することを可能にすると共に、劈開を行うこ
となく良否判定を行い得るようにした回折格子を利用し
た面発光型半導体レーザを提供することを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、半導体基板
に下部クラッド層、活性層を含む導波路層及び上部クラ
ッド層が順次形成され、前記導波路層に沿って光の分布
帰還のための回折格子が形成された半導体レーザであっ
て、前記回折格子は同心円パターンを描く２次の回折格
子として、その同心円パターンの中心を中心として基板
表面に平行な面内で３６０°方向にレーザ共振器を構成
し、得られるレーザ光を回折効果により基板表面に垂直
の方向に取り出すようにすると共に、前記回折格子が形
成された領域の基板表面に取り出される円形の出力光ビ
ームを集束光ビームとするための同心円パターンのグレ
ーティングレンズを形成してなることを特徴としてい
る。

【０００７】この発明によると、同心円パターンを描く
２次の回折格子を用いて、３６０°方向にレーザ共振器
を構成している。ある任意の断面に着目すれば、従来提
案されている面発光型のＤＦＢレーザと同様であり、活
性層で励起された光が回折格子で分布帰還されてレーザ
発振すると同時に、一部は回折して基板面に垂直方向に
取り出される。また垂直方向に回折された光の一部は更
に基板表面でフレネル反射して回折格子により再度導波
路層に結合する。以上の動作が回折格子の中心を中心と
する３６０°の全方向について行われて、劈開面による
反射を利用することなく、回折格子パターンの中心に光
強度のピークを持つ円形の出力光ビームが得られ、これ
が基板表面に形成されたグレーティングレンズによりレ
ンズ焦点位置に集光する円形の集束光ビームとなる。出
力は、ＤＦＢにより単一縦モードとなる。

【０００８】従ってこの発明によると、円形の出力光ビ
ームが得られかつこれがグレーティングレンズにより絞
られて集光されるから、ファイバ等への結合に際して高
い結合効率が得られる。また、レーザ共振に劈開面の反
射を利用しないから、劈開によらずチップの良否判定を
行うことができる。また、平面レーザアレイの作製が容
易であり、これにより３次元光集積回路の構築が容易に
なる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図１（ａ）（ｂ）はこの発明の一
実施例に係る面発光型ＤＦＢレーザの断面図と平面図で
ある。ｎ型の半導体基板１（好ましくは、バッファ層が
形成されている）の上に、ｎ型の下部クラッド層２、ｉ
型の活性層３及びｐ型の上部クラッド層４が順次形成さ
れている。活性層３はこの実施例の場合、下部クラッド
層２及び上部クラッド層４より屈折率の大きい材料から
なるＭＱＷ構造を有し、これがほぼそのまま導波路層と
なる。

【００１０】活性層３はこの実施例の場合、基板全域に
形成されており、その上部クラッド層４との界面近く
に、同心円パターンをなして２次の回折格子５が形成さ
れている。即ち同心円パターンを描く回折格子５全体の
下部に活性層３がある。この同心円パターンの回折格子
５は、例えば次のようにして作る。活性層３が形成され
たウェハに薄い導波路層８を形成し、この導波路層８上
にレジストを塗布して、電子ビーム露光を行う。電子ビ
ーム露光は、電子ビームをその露光量分布を調整しなが
ら走査する。そしてレジストを現像して、ある断面で膜
厚が三角波状の繰り返しとなるレジストパターンを形成
して、これを用いて導波路層８をエッチングする。

【００１１】この様に回折格子５が形成された上に上部
クラッド層４が積層され、更にオーミックコンタクト層
６が形成されて、この上に回折格子５の領域に重なるよ
うに同心円パターンのグレーティングレンズ１０が形成
される。このグレーティングレンズ１０は、例えばガラ
ス層により、基本的に回折格子５と同様の手法で形成さ
れる。このとき、電子ビームの露光走査時間をコントロ
ールすることにより、外側に行く程ピッチが小さくなる
いわゆるチャープトグレーティングとなる。そしてグレ
ーティングレンズ１０の外側にアノード電極７が形成さ
れ、基板１の裏面には全面にカソード電極９が形成され
る。

【００１２】具体的にＩｎＰ系のＤＦＢレーザの場合で
あれば、基板１，下部クラッド層２及び上部クラッド層
４には、ＩｎＰを用い、活性層３は、少しずつ組成比
ｘ，ｙを異ならせたＩｎ_xＧａ_1-xＡｓ_yＰ_1-y層を交互に
複数層積層してＭＱＷ構造を作る。導波路層８はＩｎＧ
ａＡｓＰ層とする。

【００１３】この実施例によるＤＦＢレーザは、回折格
子５の中心を通るどの断面も図１（ａ）に示す断面構造
となり、回折格子５の中心を中心とする３６０°方向に
ＤＦＢ共振器が構成されたことになる。そして、レーザ
共振により得られた光の一部は２次の回折格子５により
基板表面に垂直方向に取り出される。回折格子５により
上方に回折された光の一部は、基板表面でフレネル反射
を起こして活性層３に戻され、これにより同心円パター
ンの回折格子５の中心で励起光がピークとなる定在波が
立つ。そして同心円パターンのグレーティングレンズ１
０により、図１（ａ）に示すように、円形の集束光ビー
ム１１が得られる。

【００１４】この実施例によると、ＤＦＢ共振器により
単一縦モードのレーザ発振が得られることは勿論、同心
円パターンの回折格子５とグレーティングレンズ１０に
より円形の集束光ビーム１１とされて、ファイバに効率
的に結合することが可能になる。またレーザ共振に劈開
面の反射を利用していないから、劈開を行うことなく、
ウェハ段階でチップの良否判定を行うことができる。更
に、平面レーザアレイの作製も容易であり、三次元的な
高機能光集積回路を構築することが可能になる。

【００１５】図２は、図１の実施例を僅かに変形した実
施例である。図１の実施例では、回折格子５を電流の集
中するアノード電極７の直下の領域を避ける形でほぼ基
板全面に形成したのに対し、図２は電流が集中するアノ
ード電極７の領域にオーバーラップする形で、基板端面
まで達する大きさの回折格子５を形成している。この実
施例によっても、先の実施例と同様の効果が得られる。

【００１６】図３（ａ）（ｂ）は、更に別の実施例であ
り、電流注入される活性領域と回折格子５の領域を分離
したいわゆる分布反射器構造（ＤＢＲ構造）の場合の断
面図と平面図である。この実施例の場合、先の実施例と
同様にして上部クラッド層４まで形成されたウェハの上
部クラッド層４の一部を選択エッチングして導波路層８
を露出させ、ここに先の実施例と同様に同心円パターン
の回折格子５を形成する。その後更にｐ型上部クラッド
層４を形成し、この上部クラッド層４の回折格子５の領
域に重なる位置に同心円パターンのグレーティングレン
ズ１０を形成する。グレーティングレンズ１０に隣接す
る領域にはオーミック電極６を介してアノード電極７を
形成する。

【００１７】この実施例においても、アノード電極７直
下の活性領域で励起されて回折格子５の領域に導波され
た光は、この回折格子５により３６０°方向に分布帰還
され、レーザ発振による出力光が回折格子５の上方に取
り出される。また回折格子５の領域で増幅された光の一
部は通常のＤＢＲレーザと同様に分布反射されてアノー
ド電極７の直下の活性領域に帰還される。これにより、
先の実施例と同様の円形集束光ビーム１１を得ることが
できる。

【００１８】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、同
心円パターンの２次の回折格子を用いて円形出力光ビー
ムを基板面に垂直方向に取り出すようにし、更にこれを
グレーティングレンズにより集束光ビームとして、ファ
イバへの結合を容易にした面発光型半導体レーザを得る
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例に係るＤＦＢレーザの構
成を示す。

【図２】 他の実施例のＤＦＢレーザの構成を示す。

【図３】 他の実施例のＤＦＢレーザの構成を示す。

【符号の説明】

１…半導体基板、２…下部クラッド層、３…活性層、４
…上部クラッド層、５…回折格子、６…オーミックコン
タクト層、７…アノード電極、８…導波路層、９…カソ
ード電極、１０…グレーティングレンズ、１１…円形集
束光ビーム。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体基板に下部クラッド層、活性層を
   含む導波路層及び上部クラッド層が順次形成され、前記
   導波路層に沿って光の分布帰還のための回折格子が形成
   された半導体レーザであって、 前記回折格子は同心円パターンを描く２次の回折格子と
   して、その同心円パターンの中心を中心として基板表面
   に平行な面内で３６０°方向にレーザ共振器を構成し、
   得られるレーザ光を回折効果により基板表面に垂直の方
   向に取り出すようにすると共に、 前記回折格子が形成された領域の基板表面に取り出され
   る円形の出力光ビームを集束光ビームとするための同心
   円パターンのグレーティングレンズを形成してなること
   を特徴とする面発光型半導体レーザ。