(57)【要約】【課題】  特性ばらつきが少なく高スロープ効率のファブリ・ペロー型レーザダイオード、あるいは戻り光雑音を抑制できる分布帰還型レーザダイオード等の半導体レーザを得る。【解決手段】  少なくとも一つのレーザ光出射面に対し誘電体膜を形成した半導体レーザにおいて、誘電体膜として、出射面における反射率の波長依存性をレーザの発振波長近傍で極大または極小にし、かつレーザの発振波長における出射面の反射率を１０％以上、２５％以下に設定する複数種類の誘電体の積層膜を用いたものである。【選択図】        図１
2006128475.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つのレーザ光出射面に対し誘電体膜を形成した半導体レーザにおいて、前記誘電体膜は、前記出射面における反射率の波長依存性をレーザの発振波長近傍で極大または極小にし、かつレーザの発振波長における前記出射面の反射率を１０％以上、２５％以下に設定する複数種類の誘電体の積層膜としたことを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
レーザ光出射面は、劈開により作製されたことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
積層膜を形成する誘電体は、ｉ番目の誘電体の屈折率をｎｉ、膜厚をｄｉ、レーザの発光波長をλ０としたとき、
【数１】
2006128475.tif 000005
の条件を満たすことを特徴とする請求項１または請求項２記載の半導体レーザ。
【請求項４】
レーザ共振器内に回折格子を有したことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、レーザ光出射端面に誘電体の積層膜を形成した半導体レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ファブリ・ペロー型レーザダイオード（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ  ：以下、ＦＰ−ＬＤとする）は、一対の反射面間を光が往復、共振することによりレーザ発振を生じる。この反射面は通常、結晶の劈開によって形成され、レーザ光出射面にする劈開の一方の端面（前端面）の反射率をＲｆ、もう一方の端面（後端面）の反射率をＲｒとするとき、Ｒｆ＜Ｒｒとなるように設計されるのが一般的である。このような構成とすることにより、前端面からより多くのレーザ光が取り出せることから、レーザダイオード（以下、ＬＤとする）にとって重要な特性であるスロープ効率を高くできるという利点がある。
【０００３】
一方、端面の反射率は、ＬＤによってもう一つの重要な特性である閾値電流にも影響を与える。１／（２Ｌ）×１ｎ｛１／（ＲｆＲｒ）｝で与えられるミラー損失が大きいほど、閾値電流は高くなる。ここで、ＬはＬＤの共振器長である。この閾値電流が高くなる現象は高温で顕著であり、広温度範囲で使用するＦＰ−ＬＤにおいては、ＲｆＲｒはあまり小さくすることは好ましくない。一般に広温度範囲で使用されるＦＰ−ＬＤにおいては、Ｒｆ＝３０％前後、Ｒｒ＝６０％〜９５％程度で設計される。このとき、前端面には厚さλ／２（λはＬＤ発振光の媒質内波長）の誘電体単層膜（Ａｌ２Ｏ３やＳｉＯ２、ＳｉＮｘなどが一般的）がコーティングされることが多い。その理由は、ＬＤの結晶材料を誘電体膜により保護するため、また、安定した３０％前後の反射率が得易いためである。安定した反射率が得られる理由は、以下のとおりである。
【０００４】
厚さλ／２の透明な膜は光学的には全く影響を及ぼさないことが知られており、反射率はＬＤの半導体材料の屈折率と空気の屈折率によって決定される。例えばＩｎＰ系の１．３μｍ帯ＬＤの場合、前端面の反射率はおよそ２７％となる。このときの反射率の波長依存性を計算すると図６のようになる。ＬＤの発振波長１．３μｍ近傍で反射率が最大となり、広い波長範囲で安定した反射率が得られることが解る。このことは、ＬＤの発振波長のばらつき、および誘電体膜層の層厚や屈折率のばらつきに対して安定した反射率が得られることを意味する。
【０００５】
もう一つの技術として、レーザ共振器内に回折格子を設けた分布帰還型レーザダイオード（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ：以下、ＤＦＢ−ＬＤとする）がある。ＤＦＢ−ＬＤの前端面の反射率は３％以下とされることが多いが、前端面の反射率を１０％以上とすることで、ＬＤ外部からの反射戻り光による雑音を抑制できることが知られている（例えば、特許文献１参照）。この文献では、前端面をＳｉＮｘからなる誘電体単層膜により構成することで、１０％〜２０％の反射率を実現している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１３３６３８号公報
【特許文献２】特開平８−２９８３５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の半導体レーザにおいて、ＦＰ−ＬＤでは、前端面の反射率がおよそ３０％と高いため、高いスロープ効率が得られない。スロープ効率の向上には前端面の反射率を下げることが有効であるが、反射率が低すぎると閾値電流が高くなりすぎるため、１０％〜２５％程度とすることが最適である。しかしながら、このような反射率を従来の誘電体単層膜で実現しようとすると、例えば１．３μｍ帯ＬＤの場合、反射率の波長依存性は図７に示されるようになり、反射率の波長依存性が大きい領域で誘電体膜を作製することになる。その結果、ＬＤの発振波長のばらつきや、誘電体膜の層厚や屈折率のばらつきに対して、安定した反射率が得られず、ＬＤの特性ばらつきが大きくなるという問題があった。また、特許文献１に開示されているＤＦＢ−ＬＤにおいても、誘電体単層膜で１０％〜２０％の反射率を実現しようとしており、上記のＦＰ−ＬＤと同様な問題があった。
一方、半導体層を劈開またはエッチングした共振器の光出射端面に、最表面層がＭｇＦ２からなり、最表面以外の層が１種類以上の酸化物誘電体を構成材料として含んだ誘電体多層反射膜を形成するという技術がある（例えば、特許文献２参照）。しかし、この誘電体多層反射膜は、特性の経時変化を生じないようにするためのもので、特性ばらつきを少なくし高スロープ効率とすること、あるいは戻り光雑音を抑制するという目的を解決するものではなかった。
【０００８】
この発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、特性ばらつきが少なく高スロープ効率のＦＰ−ＬＤ、あるいは戻り光雑音を抑制できるＤＦＢ−ＬＤ等の半導体レーザを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る半導体レーザは、少なくとも一つのレーザ光出射面に対し誘電体膜を形成した半導体レーザにおいて、誘電体膜は、出射面における反射率の波長依存性をレーザの発振波長近傍で極大または極小にし、かつレーザの発振波長における出射面の反射率を１０％以上、２５％以下に設定する複数種類の誘電体の積層膜としたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、レーザダイオードの発振波長のばらつき、および誘電体膜の層厚や屈折率のばらつきに対して、安定した反射率が得られる端面誘電体膜構造を形成したので、ＦＰ−ＬＤにおいては特性ばらつきが少なく高スロープ効率が得られ、またＤＦＢ−ＬＤにおいては戻り光雑音を抑制できる半導体レーザを得る効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による半導体レーザの概略構造を示す断面図である。
図において、１はｐ型ＩｎＰ基板、２はＩｎＧａＡｓＰからなる活性層、３はｎ型ＩｎＰからなるクラッド層である。ここでは活性層２を１つの層として表しているが、活性層２は多重量子井戸としてもよい。また、活性層２の上下に光の界分布を調整する光閉じ込め層を設けてもよい。この例は、基板１の導電型をｐ型としたものであるが、極性を逆にし、ｎ型ＩｎＰ基板上に活性層とｐ型ＩｎＰクラッド層を設ける構造としてもよい。後端面には、ＳｉＯ２、Ｓｉ、Ａｌ２Ｏ３などからなる反射率９０％程度の多層高反射膜４を形成し、レーザ光出射面となる前端面には第１の誘電体膜５、第２の誘電体膜６からなる積層膜が形成されている。
【００１２】
次に、前端面に形成された誘電体の積層膜の構成について幾つかの例を示す。
（ａ）第１の誘電体膜５に厚さλ／８のＡｌ２Ｏ３膜（屈折率１．６５）を用い、第２の誘電体膜６に厚さ３λ／８のＳｉＯ２膜（屈折率１．４５）を用いた構成。
（ｂ）第１の誘電体膜５に厚さλ／４のＡｌ２Ｏ３膜を用い、第２の誘電体膜６に厚さλ／４のＳｉＯ２膜を用いた構成。
（ｃ）第１の誘電体膜５に厚さλ／４のＳｉＮｘ膜（屈折率２．０）を用い、第２の誘電体膜６に厚さλ／４のＡｌ２Ｏ３膜を用いた構成。
ここで、λはＬＤ発振光の各誘電体における媒質内波長であり、ＬＤの発光波長をλ０誘電体の屈折率をｎｒとすると、λ０／ｎｒで与えられる。誘電体膜５の屈折率と膜厚をそれぞれｎ５、ｄ５、誘電体膜６の屈折率と膜厚をそれぞれｎ６、ｄ６とすると、いずれの例においても次式の関係となるように、膜厚を決定することが必要である。
ｍλ０／４＝ｎ５ｄ５＋ｎ６ｄ６      （ｍは１以上の整数）          （１）
上記３例は、いずれもｍ＝２に相当する。
【００１３】
上記３種類の積層膜における反射率の波長依存性は図２のように表される。これらの例は、１．３μｍ帯のＬＤの場合について示しているが、他の波長帯でも同様な結果となる。発振波長１．３μｍにおける反射率は、上記例（ａ）の場合２３％、（ｂ）の場合１８％、（ｃ）の場合１４％である。いずれの例でも、反射率は発振波長近傍で極大となっており、ＬＤの発振波長のばらつき、および誘電体膜の層厚や屈折率のばらつきに対して、安定した反射率が得られる。
【００１４】
ＦＰ−ＬＤのスロープ効率ηは、前端面の反射率Ｒｆ、後端面の反射率Ｒｒ、ＬＤ両面からのスロープ効率の和ηｔｏｔａｌを用いて、次式のように表せる。
【数２】
2006128475.tif 000003
したがって、従来の膜厚λ／２の誘電体単層膜（反射率２７％）の場合と比較して、スロープの効率は上記例（ａ）の場合で５％、（ｂ）の場合で１２％、（ｃ）の場合で１９％と向上させることができる。
【００１５】
以上のように、この実施の形態１によれば、劈開により作製されたレーザ光出射面に対し、出射面における反射率の波長依存性をＬＤの発振波長近傍で極大にし、かつＬＤの発振波長における出射面の反射率を２３％、１８％、１４％に設定する複数種類の誘電体による２層の積層膜を形成したものである。したがって、反射率は発振波長近傍で極大となり、ＬＤの発振波長のばらつき、および誘電体膜の層厚や屈折率のばらつきに対して、安定した反射率を得ることができる。なお、出射面の反射率は、１０％以上、２５％以下に設定できるようにすることが好ましい。
【００１６】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２による半導体レーザの概略構造を示す断面図である。
図において、１１はｐ型ＩｎＰ基板、１２はＩｎＧａＡｓＰからなる活性層、１３はｎ型ＩｎＰからなるクラッド層である。後端面に形成された反射膜１４の構成は上記実施の形態１と同じ多層高反射膜である。レーザ光出射面となる前端面には、第１の誘電体膜１５、第２の誘電体膜１６、第３の誘電体膜１７からなる複数種類の誘電体の積層膜が形成されている。この積層膜の構成例として、第１の誘電体膜１５には厚さλ／４（λはＬＤ発振光の媒質内波長）のＳｉＯ２膜、第２の誘電体膜１６には厚さλ／４のＡｌ２Ｏ３膜、第３の誘電体膜１７には厚さλ／４のＳｉＯ２膜が用いられている。ここで、誘電体膜１５の屈折率と膜厚をそれぞれｎ１５、ｄ１５、誘電体膜１６の屈折率と膜厚をそれぞれｎ１６、ｄ１６、誘電体膜１７の屈折率と膜厚をそれぞれｎ１７、ｄ１７とすると、上記（１）式に対応する、膜厚を決定する関係式は次式の様になる。
ｍλ０／４＝ｎ１５ｄ１５＋ｎ１６ｄ１６＋ｎ１７ｄ１７    （ｍは１以上の整数）  （３）
上記例はｍ＝３に相当する。
【００１７】
上記例の場合の積層膜における反射率の波長依存性は図４のように表される。ここでは１．３μｍ帯のＬＤの場合を示しているが、他の波長帯でも同様な結果となる。発振波長１．３μｍにおける反射率は１１％である。反射率は発振波長近傍で極小となっており、ＬＤの発振波長のばらつき、および誘電体膜の層厚や屈折率のばらつきに対して、安定した反射率が得られる。
【００１８】
以上のように、この実施の形態２によれば、劈開により作製されたレーザ光出射面に対し、出射面における反射率の波長依存性をＬＤの発振波長近傍で極小にし、かつＬＤの発振波長における出射面の反射率を１１％に設定する複数種類の誘電体による３層の積層膜を形成したものである。したがって、反射率は発振波長近傍で極小となり、実施の形態１と同様に、ＬＤの発振波長のばらつき、および誘電体膜の層厚や屈折率のばらつきに対して、安定した反射率を得ることができる。
【００１９】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３による半導体レーザの概略構造を示す断面図である。
図において、２１はｐ型ＩｎＰ基板、２２はＩｎＧａＡｓＰからなる活性層、２３はｎ型ＩｎＰからなるクラッド層、２４はレーザ共振器内に設けられたｎ型ＩｎＧａＡｓＰからなる回折格子である。後端面反射膜２５の構成は上記実施の形態１と同じ多層高反射膜である。前端面には第１の誘電体膜２６、第２の誘電体膜２７が形成されている。誘電体膜の材料や厚さは上記実施の形態１と同じである。
以上のように、この実施の形態３によれば、レーザ共振器内に回折格子を有するＤＦＢ−ＬＤのレーザ光出射面に対し、実施の形態１または実施の形態２で述べた複数種類の誘電体からなる積層膜を形成するようにしたものである。したがって、レーザ光出射面となる前端面の反射率は、ＬＤの発振波長のばらつき、および誘電体膜の層厚や屈折率のばらつきに対して、安定した反射率が得られる。これにより、ＬＤ外部からの反射戻り光による雑音を抑制でき、かつ特性ばらつきの少ないＤＦＢ−ＬＤを得ることが可能となる。
【００２０】
なお、上記実施の形態では積層膜を２層および３層とした場合について述べてきたが、この発明の半導体レーザのレーザ光出射面となる前端面に複数種類の誘電体からなる積層膜を形成することにより実現できるものである。したがって、積層されたｉ番目の誘電体の屈折率をｎｉ、膜厚をｄｉ、レーザの発光波長をλ０とすると、膜厚ｄｉは、一般式として表される次式を満たすことが必要となる。
【数３】
2006128475.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の実施の形態１による半導体レーザの概略構造を示す断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る積層膜における反射率の波長依存性を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態２による半導体レーザの概略構造を示す断面図である。
【図４】この発明の実施の形態２に係る積層膜における反射率の波長依存性を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態３による半導体レーザの概略構造を示す断面図である。
【図６】従来のレーザダイオードの前端面の反射率と波長の関係を示す説明図である。
【図７】従来の１．３μｍ帯レーザダイオードの誘電体単層膜で実現した反射率の波長依存性を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２２】
１，１１，２１  ｐ型ＩｎＰ基板、２，１２，２２  活性層、３，１３，２３  クラッド層、４  多層高反射膜、５，１５，２６  第１の誘電体膜、６，１６，２７  第２の誘電体膜、１４，２５  後端面反射膜、１７  第３の誘電体膜、２４  回折格子。
【図１】
2006128475.tif 000006
【図２】
2006128475.tif 000007
【図３】
2006128475.tif 000008
【図４】
2006128475.tif 000009
【図５】
2006128475.tif 000010
【図６】
2006128475.tif 000011
【図７】
2006128475.tif 000012