JPH11307860A

JPH11307860A - 半導体レーザ及び半導体光アンプ

Info

Publication number: JPH11307860A
Application number: JP10107737A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Nanbu; 芳弘南部
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1998-04-17
Filing date: 1998-04-17
Publication date: 1999-11-05
Anticipated expiration: 2018-04-17
Also published as: JP3008927B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、レーザ光の横モード制御性に優れ
た半導体レーザや半導体光アンプを提供することを目的
とする。【解決手段】量子ドット構造を含む活性層１３を備え
た面発光型の半導体レーザにおいて、前記活性層内の量
子ドットの分布密度を空間的に制御することにより所望
の横モードを得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光情報処理や光通
信などの分野で用いられる半導体レーザや半導体光アン
プの実現方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザや光アンプは小型、低消費
電力、量産化可能で、安定した光出力が得られ、かつ出
力光に比較的簡単な手段により変調をかけることができ
るなどの、他のレーザにみられない優れた特徴を有する
ため、各種光情報処理機器や光通信機器に広く使われて
いる。

【０００３】半導体レーザは半導体結晶作製技術に依存
して作製されるが、これにより作製されうる光学活性媒
質は通常薄膜の形態を有する。半導体レーザは光共振器
の形成方法により端面発光型レーザと面発光レーザに大
きく分類される。端面発光型レーザは、光学共振器がこ
の光学活性な薄膜の面内に光軸があるように作製され、
面発光レーザは、光学共振器がこの光学活性な薄膜の面
の法線方向に光軸があるように作製されたものである。

【０００４】光学活性薄膜は、当初バルク材料とみなし
て構わないほど大きな厚さを有するものであったが、薄
膜作製技術の進歩に従い、キャリアの運動が薄膜面の法
線方向に閉じこめられ、量子化されているとみなされる
ほど小さな厚みを有する量子井戸材料が実現され、しき
い電流の低減、変調特性改善、温度特性改善などの性能
の向上が実現された。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな半導体レーザや光アンプには、以下に示すような問
題点があった。

【０００６】レーザにおいては、出力光ビームの形状お
よび空間強度分布を決める横モードを制御することが重
要である。例えば、半導体レーザの光出力を光ファイバ
ーに結合する場合、出力光ビームの形状および空間強度
分布を光ファイバーへの結合効率が最も高くなるように
制御できることが望ましい。また、例えば半導体レーザ
をレーザディスクやデジタルビデオディスクなどの光学
的情報記憶装置の光ピックアップに用いる場合を考える
と、記憶媒体の記録可能量の最大値や、読みとり精度な
どは、出力光ビームの形状や空間強度分布に依存する。
従って、この場合にも出力光の横モードを自在に制御で
きることが求められる。

【０００７】従来の半導体レーザや光アンプでは横モー
ド制御は主に活性層の形状を物理的に変化させることで
行っている。例えば端面発光レーザの場合、活性層の不
要部分をエッチングなどの方法により物理的に除去し、
横幅が数ミクロン程度のストライプ状の活性層を作製し
たり、活性層上に横幅が数ミクロン程度のストライプ状
の光導波層を作製したり、あるいは電流狭窄構造を作製
することにより活性層内の幅が数ミクロン程度のストラ
イプ状の領域のみに電流を注入するなどの方法により、
活性層に光導波路を物理的に作製することにより横モー
ド制御を行っている。

【０００８】面発光レーザにおいても基本的には同様な
手法により活性層の形状を物理的に変化させることによ
り横モード制御を行っている。

【０００９】しかしながら、このような方法のみから実
現されるレーザ光の横モード形状は限られている。例え
ば、基本モードに関して言えば、その光強度は導波路の
対称軸上で最大値を持ち、周辺部になるに従って減少す
るようなものだけが許される。従って、導波路内のいた
るところで均一な光強度分布を持つような横モードを有
する半導体レーザは、実現不可能であった。

【００１０】ところで、近年半導体レーザの一層の性能
向上を目指して、キャリアの運動を２次元的に閉じこめ
ることで量子化する量子細線材料や、キャリアの運動を
３次元的に閉じこめることで量子化する量子ドット材料
が研究されている。

【００１１】量子ドットと呼ばれる微小サイズの３次元
的キャリア閉じ込め構造は、キャリア閉じ込めサイズが
キャリア系の熱的ド・ブロイ波長λ_T（λ_T＝ｈ／（２π
ｍｋ _BＴ）^1/2、ここでｈ：プランク定数、ｍ：キャリア
の有効質量、ｋ_B：ボルツマン定数、Ｔ：温度）程度で
あることが特徴であり、このためにいわゆる量子効果と
呼ばれる効果が発現することが期待される。

【００１２】量子力学的サイズの３次元的キャリア閉じ
込め構造（以下量子閉じ込め構造と呼ぶ）を光デバイス
に適用した場合、その状態密度が急峻になる利点があ
る。これは、物理的に言えば媒質中に存在しうる双極子
（電子−ホール対）を、ある離散的な遷移エネルギー状
態に集中できるということを意味している。このような
ことが可能になるのは、キャリアを空間的に閉じ込める
ことによってキャリアの非個別性が失われ、その結果パ
ウリの排他律が緩和されるためである（パウリの排他律
が効かないと、交換相互作用が生じないためエネルギー
準位の縮退が解けない。）。

【００１３】また、量子ドットは人工的に自由に設計／
制御可能なパラメータがバルクや量子井戸に比べて多い
利点がある。例えば、量子ドットのサイズは制御可能な
パラメータであり、これを制御することにより遷移エネ
ルギーを制御することができる。また、量子ドット系全
体の状態密度のスペクトル形状を制御し、利得スペクト
ルの形状を制御することも可能である。本発明者は、こ
の考えに基づき、量子ドットを光学活性層に用い利得ス
ペクトルの形状を制御することにより広帯域な可変波長
レーザや光アンプが得られることを、特願平０９−１０
０３３２号に、安定なモード同期レーザが得られること
を特願平０８−２４０３４７号にすでに提案した。

【００１４】しかしながら、このような量子ドット構造
を用いて横モード形状を制御することは従来全く知られ
ていなかった。

【００１５】即ち、本発明はこのような問題点に鑑みて
なされたものであり、横モード制御性に優れた半導体レ
ーザや半導体光アンプを提供することを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は、量子ドット構
造を含む活性層を備えた面発光型の半導体レーザにおい
て、前記活性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制
御されていることを特徴とする面発光型半導体レーザに
関する。

【００１７】また、本発明は量子ドット構造を含む活性
層を備えた端面発光型の半導体レーザにおいて、前記活
性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御されてい
ることを特徴とする端面発光型半導体レーザに関する。

【００１８】さらに本発明は、量子ドット構造を含む活
性層を備えた面型の半導体光アンプにおいて、前記活性
層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御されている
ことを特徴とする面型半導体光アンプに関する。

【００１９】さらに本発明は、量子ドット構造を含む活
性層を備えた端面型の半導体光アンプにおいて、前記活
性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御されてい
ることを特徴とする端面型半導体光アンプに関する。

【００２０】

【発明の実施の形態】本発明では、このように量子ドッ
トの空間的配置を制御することにより、半導体レーザや
光アンプの横モード制御を行うものである。このような
空間制御は量子ドット独特の特性であり、量子井戸やバ
ルク材料のような空間的に一様な構造では実現できな
い。

【００２１】まず、図１を参照しながら、本発明の面発
光型レーザの概念を説明する。この例は、導波路内での
光強度がほぼ一様となるような横モードを得るための方
法である。

【００２２】図１中段は、面発光型レーザは構造であ
り、ミラー１１、出力ミラー１２の間に量子ドットを含
む活性層（量子ドット活性層１３）が形成されている。
この活性層内における量子ドットの空間的配置は、図１
上段に示すようにレーザ共振器軸上で密度が小さく、共
振器軸から離れるに従って密度が大きくなるように同心
円状に空間的に変調されている。活性層の正味利得は量
子ドット密度にほぼ比例し、同様の正味利得の空間変調
が生じる。

【００２３】このような空間的変調された正味利得によ
り発振するレーザモードは、図１下段に示すように、レ
ーザ共振器軸近辺でその光強度の空間的分布がなだらか
になる。

【００２４】このように量子ドット密度の空間的変調特
性を制御することにより、導波路内で光強度がほぼ一様
となるような横モードを得ることができる。

【００２５】この例ではレーザ共振器軸近辺での光強度
が平坦になるように制御したが、密度分布を変えること
により所望の横モード特性をもつ半導体レーザを得るこ
とができる。

【００２６】尚、本発明において、量子ドット構造によ
って前述の量子効果を利用するものでは必ずしもないの
で、量子ドットとは必ずしも厳密な量子力学的サイズの
３次元的キャリア閉じ込め構造を意味するものではな
く、発光部がドット状になっていれば良い。従って量子
ドットのサイズとして熱的ド・ブロイ波長λ_Tより大き
くても良く、例えばλ_Tの１０倍程度の大きさ以下であ
ればよい。

【００２７】次に、端面発光型レーザの横モード特性を
制御する例について、その概念を図２を参照しながら説
明する。

【００２８】図２（ａ）は、端面発光型レーザを共振器
軸に平行で、量子ドット活性層２２に垂直な面で切った
断面図であり、図２（ｂ）は、端面２１から共振器軸方
向を見た側面図である。この端面発光型レーザにおい
て、量子ドットを含む活性層（量子ドット活性層２２）
が水平方向の層として形成され、２つの端面２１により
共振器構造を形成し、上下に電極が設けられている。

【００２９】図２（ｂ）中段に示すように、量子ドット
活性層２２はクラッド２３に挟まれ、量子ドット活性層
２２内での量子ドット密度は、図２（ｂ）上段に示すよ
うにレーザ共振器軸上で小さく、共振器軸から離れるに
従って大きくなるように空間的に変調されている。この
ため、レーザ共振器軸近辺におけるこの方向のレーザ発
振光強度の空間変化は小さくなり、図２（ｂ）下段に示
すようにこの方向に導波路内で光強度がほぼ一様となる
ような横モードを得ることができる。

【００３０】さらに量子ドットの密度分布を変更するこ
とにより、図２（ｂ）の横方向に対して所望の横モード
特性を持つ端面発光型の半導体レーザを得ることができ
る。次に、図３を参照しながら、図２で示した方向に垂
直方向の横モード制御を行う方法の概念を説明する。

【００３１】図３中央の構造図は、端面発光型レーザを
共振器軸に平行で、量子ドット活性層３２に垂直な面で
切った断面図である。この端面発光型レーザにおいて、
量子ドットを含む活性層（量子ドット活性層３２）が水
平方向の層として形成され、２つの端面３１により共振
器構造を形成し、上下に電極が設けられている。

【００３２】図３左に示すように、量子活性層３２面と
垂直な方向について、量子ドット密度がレーザ共振器軸
上で小さく、共振器軸から離れるに従って大きくなるよ
うに空間的に変調されている。このため、図３右に示す
ように、レーザ共振器軸近辺におけるこの方向のレーザ
発振光強度の空間変化は小さくなり、この方向に導波路
内で光強度がほぼ一様となるような横モードを得ること
ができる。

【００３３】尚、図３中央の構造では、量子ドット活性
層として３層だけを示したが、所望の密度分布が得られ
るように適宜層数を調整することが好ましい。

【００３４】さらに、量子ドットの密度分布を変更する
ことにより、図３の垂直な方向に対して所望の横モード
特性を持つ端面発光型の半導体レーザを得ることができ
る。

【００３５】また、図２に示したような量子ドット活性
層内での量子ドット密度を変調する方法と、図３で示し
たような量子ドット活性層間で量子ドット密度を変調す
る方法とを方法を併用することにより、端面から出射す
るレーザ光が、直交する二方向に対して所望の横モード
特性を持つ半導体レーザを得ることができる。

【００３６】また、空間的に変調した量子ドット密度を
媒質として用いて半導体光アンプを構成することも可能
である。図４（ａ）中央に、端面出射型の半導体光アン
プの構造を示す。この半導体光アンプにおいて、量子ド
ットを含む活性層（量子ドット活性層４４）が水平方向
の層として形成され、その上下にクラッド４５が設けら
れ、さらにその外側に電極４３が設けられている。ま
た、２つの端面４１により共振器構造が形成され、端面
４１に低反射コート４２が形成されている。

【００３７】図４（ａ）右の構造図は、この半導体光ア
ンプを端面方向から見た断面図であり、量子ドット活性
層４４は横方向においてもクラッド４５に挟まれてい
る。量子ドット活性層４４内での量子ドット密度は、横
方向について見ると、図４（ａ）右の上段に示すように
レーザ共振器軸上で小さく、共振器軸から離れるに従っ
て大きくなるように空間的に変調されている。また、縦
方向、即ち量子ドット活性層に垂直方向に見ると、図４
（ａ）左に示すように、これも共振器軸から離れるに従
って大きくなるように空間的に変調されている。

【００３８】このような半導体光アンプに対して、図４
（ｂ）左に示すような、通常の半導体レーザ光を入力す
ると、横モード変換が起こり、導波路内で光強度がほぼ
一様となるような横モード出力光を得ることができる。
このように、通常の半導体レーザと本発明の半導体光ア
ンプを組み合わせて用いることにより、光ファイバーと
の結合効率の改善や、出力光の拡がりの低減、遠視野像
の改善等を図ることができる。

【００３９】

【実施例】以下に実施例を示してさらに本発明を詳細に
説明する。

【００４０】図５に、ＧａＡｓ基板上の面発光レーザに
本発明を適用した場合の一例の断面図を示した。始め
に、ＭＢＥ法により、ＳｉドープＧａＡｓ基板５７上に
ＧａＡｓ／ＡｌＡｓの多層構造よりなる分布型ブラッグ
反射鏡５４を成長し、その後クラッド層としてＡｌＧａ
ＡｓまたはＧａＡｓ層を形成する。さらに約６ｎｍ厚の
Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ量子井戸層を形成し、その表面をＧ
ａＡｓ層で覆う。

【００４１】次に、表面にレジストを塗布し、電子ビー
ムで露光する事により、直径が１０ｎｍの円形パターン
を形成する。このレジストをマスクとして用いて、反応
性イオンビームエッチングにより、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ
量子井戸層をエッチングすると、このパターン下部にＩ
ｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ量子井戸層がドット状に残る。その
後、レジストを除去し、その表面にクラッド層としてＡ
ｌＧａＡｓまたはＧａＡｓ層を成長させると、ドット状
のＩｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ量子井戸層はＡｌＧａＡｓまたは
ＧａＡｓ層の中に埋め込まれ、量子ドットを含む活性層
５３が形成されることになる。

【００４２】このとき、レジストで形成する量子ドット
パターンの密度を、例えば共振器軸近辺では面密度６．
２５×１０¹⁰ｃｍ^-2（４０ｎｍ間隔）程度になるように
し、周辺部に向かうほどｒ²（ｒは共振器軸からの距
離）に比例して密度が増大するようにし、後述する電極
５１の大きさで決まる活性層３の最周辺部（ｒ＝約５μ
ｍ）では、１０¹²ｃｍ^-2（１０ｎｍ間隔）程度になるよ
うにする。

【００４３】この表面に再度クラッド層を成長させ、量
子ドット活性層５３上部にＧａＡｓ／ＡｌＡｓの多層構
造よりなる分布型ブラッグ反射鏡５２を成長し、表面に
オーミック接合のためのＧａＡｓ層を成長する。

【００４４】その後、通常のフォトリソグラフィーおよ
びウエットエッチングにより、電流を注入するための電
極５１、５５を形成する。電極５１の大きさは直径１０
μｍ程度であり、電極５１下部の量子ドット活性層５３
の直径１０μｍ程度の領域に電流が注入され利得を生じ
る。

【００４５】本発明の実施例で作製した面発光レーザの
場合、共振器軸を中心としてｒ≦４μｍ以内の範囲では
光強度がほとんど変化しない横モード特性を持ったレー
ザ発振が得られることが確認された。

【００４６】尚、この実施例において、量子ドット活性
層を形成する際に多重量子井戸層を形成した後に、量子
ドット形状にパターニングするようにしても良い。ま
た、この実施例ではＩｎＧａＡｓを量子閉じ込め構造
に、ＧａＡｓをバリア層に用いた例を説明したが、Ｉｎ
Ｐ、ＩｎＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰなどの他の半導体材
料を用いてもよい。また、本実施例では面発光型レーザ
で半導体反射鏡を用いる例について示したが、他の構
造、例えば端面出射型レーザや半導体光アンプに適用し
てもよく、反射鏡として誘電体多層膜を用いた場合にも
適用できる。

【００４７】

【発明の効果】本発明によれば、横モード制御性に優れ
た半導体レーザや半導体光アンプを提供することができ
る。このような半導体レーザや半導体光アンプを用いる
ことにより、光ファイバーへの光結合率に優れた半導体
レーザや半導体光アンプ、大記憶容量を実現する光ピッ
クアップなどを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の面発光型レーザの１例を説明する概念
図である。

【図２】本発明の端面発光型レーザの１例を説明する概
念図である。

【図３】本発明の端面発光型レーザの１例を説明する概
念図である。

【図４】本発明の端面型半導体光アンプの１例を説明す
る概念図である。

【図５】本発明の面発光型レーザの１例を説明するため
の図である。

【符号の説明】

１１ミラー１２出力ミラー１３量子ドット活性層２１端面２２量子ドット活性層２３クラッド３１端面３２量子ドット活性層４１端面４２低反射コート４３電極４４量子ドット活性層４５クラッド５１カソード電極５２上部分布ブラッグ反射鏡５３活性層５４下部分布ブラッグ反射鏡５５アノード電極５６イオン注入領域５７ＧａＡｓ基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】量子ドット構造を含む活性層を備えた面
発光型の半導体レーザにおいて、前記活性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御さ
れていることを特徴とする面発光型半導体レーザ。
【請求項２】前記量子ドットの分布密度が、前記活性
層面内で２次元的に制御されていることを特徴とする請
求項１記載の面発光型半導体レーザ。
【請求項３】前記量子ドットの分布密度が、前記活性
層面内において、共振器軸付近で小さく、共振器軸から
離れるに従って同心円状に密度が大きくなり、共振器軸
近傍でのレーザ光強度が平坦になるように制御されてい
ることを特徴とする請求項１記載の面発光型半導体レー
ザ。
【請求項４】量子ドット構造を含む活性層を備えた端
面発光型の半導体レーザにおいて、前記活性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御さ
れていることを特徴とする端面発光型半導体レーザ。
【請求項５】前記量子ドットの分布密度が、前記活性
層面内で、共振器軸方向と直交する方向に１次元的に制
御されていることを特徴とする請求項４記載の端面発光
型半導体レーザ。
【請求項６】前記活性層は多層からなり、前記量子ド
ットの分布密度が、前記活性層の層毎に異なり、活性層
に垂直方向に１次元的に制御されていることを特徴とす
る請求項４記載の端面発光型半導体レーザ。
【請求項７】前記活性層は多層からなり、前記量子ド
ットの分布密度が、前記活性層の層毎に異なり、活性層
に垂直方向に１次元的に制御されていると共に、前記活
性層面内で、共振器軸方向と直交する方向に１次元的に
制御されていることを特徴とする請求項４記載の端面発
光型半導体レーザ。
【請求項８】量子ドット構造を含む活性層を備えた面
型の半導体光アンプにおいて、前記活性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御さ
れていることを特徴とする面型半導体光アンプ。
【請求項９】前記量子ドットの分布密度が、前記活性
層面内で２次元的に制御されていることを特徴とする請
求項８記載の面型半導体光アンプ。
【請求項１０】前記量子ドットの分布密度が、前記活
性層面内において、共振器軸付近で小さく、共振器軸か
ら離れるに従って同心円状に密度が大きくなり、共振器
軸近傍でのレーザ光強度が平坦になるように制御されて
いることを特徴とする請求項８記載の面型半導体光アン
プ。
【請求項１１】量子ドット構造を含む活性層を備えた
端面型の半導体光アンプにおいて、前記活性層内の量子ドットの分布密度が空間的に制御さ
れていることを特徴とする端面型半導体光アンプ。
【請求項１２】前記量子ドットの分布密度が、前記活
性層面内で、共振器軸方向と直交する方向に１次元的に
制御されていることを特徴とする請求項１１記載の端面
型半導体光アンプ。
【請求項１３】前記活性層は多層からなり、前記量子
ドットの分布密度が、前記活性層の層毎に異なり、活性
層に垂直方向に１次元的に制御されていることを特徴と
する請求項１１記載の端面型半導体光アンプ。
【請求項１４】前記活性層は多層からなり、前記量子
ドットの分布密度が、前記活性層の層毎に異なり、活性
層に垂直方向に１次元的に制御されていると共に、前記
活性層面内で、共振器軸方向と直交する方向に１次元的
に制御されていることを特徴とする請求項１１記載の端
面型半導体光アンプ。