(57)【要約】【課題】分布帰還型の半導体レーザ装置において、発光効率を維持しつつ、高速・高温動作を両立する。【解決手段】本発明の半導体レーザ装置は、量子井戸層とこの量子井戸層よりも禁制帯幅の大きい障壁層を交互に重ね合わせた多重量子井戸よりなる活性層と、この活性層近傍に光導波方向に沿って設けられた位相シフト構造を含む回折格子層とを有し、この回折格子の結合係数κが100cm-1以上であり、活性層を構成する量子井戸層に歪みが印加されると共に、障壁層に量子井戸層とは逆極性の歪みが印加されるもので、量子井戸層に高歪みを印加することが可能になり、緩和振動周波数が高く広温度範囲で高速変調動作が可能なDFBレーザを提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、前記半導体基板の主面上に形成された、量子井戸層と前記量子井戸層よりも禁制帯幅の大きい障壁層とを交互に重ね合わせた多重量子井戸構造の活性層と、前記半導体基板の主面に沿う方向に回折格子を備えた回折格子層とを有し、前記回折格子の結合係数が100cm-1以上であり、活性層を構成する量子井戸層に歪みが印加されるとともに、前記障壁層には前記量子井戸層とは逆極性の歪みが印加されることを特徴とする半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記量子井戸層に歪量0.8%以上の圧縮歪みを印加し、前記障壁層に引張歪みを印加することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記障壁層に引張歪量0.2%以上の引張り歪を印加することを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記半導体基板がInPであり、前記量子井戸層がInx1Ga1-x1Asy1P1-y1からなり、x1およびy1が0.8≦x1≦1.0かつ2.5-2.25x1≦y1≦1.5-x1を満たすことを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記障壁層がInx2Ga1-x2Asy2P1-y2からなり、x2およびy2が0.37≦x2≦0.93かつ0.84-0.83x2≦y2≦2.22-2.31x2かつ1.6-2.15x2≦y2≦1.13-0.9x2を満たすことを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記回折格子層の回折格子を構成する屈折率の高い部分を組成波長λgが1.2≦λg≦1.3μmであるInGaAsPで形成することを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ装置に係わり、特に光通信用に用いられる位相シフト構造を有する回折格子層を備えた分布帰還型の半導体レーザ装置の高温・高速変調動作に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の分布帰還型の半導体レーザ装置（以下、DFBレーザ装置と記す）の、光導波方向に沿った断面における断面図を図８に示す。この半導体レーザ装置は、p型InP基板101、p型クラッド層102、p型光ガイド層103、活性層104、n型光ガイド層105、n型上部第1クラッド層106、回折格子層107、n型上部第2クラッド層108、n型コンタクト層109、n側電極120、p側電極121よりなる。
【０００３】
10Gbps等の高速動作が要求されるDFBレーザ装置では、活性層104には電子および正孔の実効状態密度の低減により光出力特性や緩和振動周波数の向上が期待できる多重量子井戸(MQW)構造が採用される。
【０００４】
回折格子層107 は、屈折率の高い部分107aと屈折率の低い部分107bからなるが、回折格子の位相と光導波方向の両端面の反射面との位置関係が単一縦モードの発振特性に影響するため、安定な単一モードを得るために位相シフト構造が採用されると共に、両端面に無反射コーティングを施し両端面での反射率をできるだけ小さくする構造が採られる。さらに、高速動作を実現するため、しきい値利得を低減し緩和振動周波数ｆｒが高められる高結合係数化が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−５１６４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、通信情報量の爆発的な増大に伴い、低コストで小型の高速・大容量光トランシーバ等の要求が高まっている。このような光トランシーバ用の光源としては、温調フリーのDFBレーザ装置が好適であり、高速動作することはもちろん、できるだけ高温まで安定に動作することが望まれる。DFBレーザ装置においては、結合係数κを高くするとしきい値利得が低下するため、緩和振動周波数を高くすることが可能になる。しかし、κを高くすると発光効率が低下するため、高温動作が困難になる。
【０００６】
上記課題に鑑み、本発明は、10Gbps以上の高速動作性と85℃以上の高温動作性とを兼ね備えたDFBレーザ装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明の半導体レーザ装置は、半導体基板と、前記半導体基板の主面上に形成された、量子井戸層と前記量子井戸層よりも禁制帯幅の大きい障壁層とを交互に重ね合わせた多重量子井戸構造の活性層と、前記半導体基板の主面に沿う方向に回折格子を備えた回折格子層とを有し、前記回折格子の結合係数が100cm-1以上であり、活性層を構成する量子井戸層に歪みが印加されるとともに、前記障壁層には前記量子井戸層とは逆極性の歪みが印加されるものである。
【０００８】
この構成により、量子井戸層に高歪みを印加することが可能になり、緩和振動周波数を高くしながら光出力特性を向上させることができる。
【０００９】
本発明の半導体レーザ装置は、さらに前記量子井戸層に歪量0.8%以上の圧縮歪みを印加し、前記障壁層に引張歪みを印加することが好ましい。この好ましい構成によれば、光出力特性の向上効果を大きくすることができる。
【００１０】
本発明の半導体レーザ装置は、さらに前記障壁層に引張歪量0.2%以上の引張り歪を印加することが好ましい。この好ましい構成によれば、通電劣化を小さくし、信頼性を高めることができる。
【００１１】
本発明の半導体レーザ装置は、さらに前記半導体基板がInPであり、前記量子井戸層がInx1Ga1-x1Asy1P1-y1からなり、x1およびy1が0.8≦x1≦1.0かつ2.5-2.25x1≦y1≦1.5-x1を満たすことが好ましい。この好ましい構成によれば、高温・高速動作を兼ね備えた1.3μm帯レーザ装置を提供することができる。
【００１２】
本発明の半導体レーザ装置は、さらに前記障壁層がInx2Ga1-x2Asy2P1-y2からなり、x2およびy2が0.37≦x2≦0.93かつ0.84-0.83x2≦y2≦2.22-2.31x2かつ1.6-2.15x2≦y2≦1.13-0.9x2を満たすことが好ましい。この好ましい構成によれば、高温・高速動作を兼ね備えた1.3μm帯レーザ装置の信頼性を高めることができる。
【００１３】
本発明の半導体レーザ装置は、さらに前記回折格子層の回折格子を構成する屈折率の高い部分を組成波長λgが1.2≦λg≦1.3μmであるInGaAsPで形成することが好ましい。この好ましい構成によれば、1.3μm帯の発振光の吸収損失を抑えながら容易に結合係数を高くすることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、位相シフト型DFBレーザ装置において、緩和振動周波数を高くしながら光出力特性を向上させることができる。そのため、光デバイス用の材料として実績が豊富なInGaAsP-InP系材料でも高温で高速動作が可能な単一モードの光源を実現することができ、低コストで小型の大容量光トランシーバ等の実現が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に説明する。
【００１６】
本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置の、光導波方向に沿った断面における断面図を図１（ａ）に示す。図１（ａ）に示す半導体レーザ装置は、以下（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示す構成を有する。
【００１７】
（Ａ）n型InP基板201、n型InP基板201上に配設された回折格子層202で、埋込み回折格子構造をしている。回折格子層202は202aの屈折率の大きな部分と202bの屈折率の小さな部分から構成される。屈折率の大きな部分202aはn型InGaAsPであり、屈折率の小さな部分202bはn型InPである。回折格子層202の厚さは例えば70nmである。
【００１８】
（Ｂ）回折格子層202上に配設された例えば厚さ60nmのn型InP中間層203、n型InP中間層203上に配設された例えば厚さ60nmで例えば組成波長1.08μmのInGaAsPからなる光ガイド層204、光ガイド層204上に配設されたInGaAsP系材料の活性層205を有する。活性層205は、例えば厚さ6nmの量子井戸層205aと例えば厚さ10nmの障壁層205bとの積層構造よりなり、例えば量子井戸層205aが10層、障壁層205bが9層である。
【００１９】
（Ｃ）活性層205上に配置された例えば厚さ60nmで例えば組成波長1.08μmのInGaAsPからなる光ガイド層206、光ガイド層206上に配設された例えば厚さ2μmのp型InPクラッド層207、p型InPクラッド層207上に配設された例えば厚さ0.1μmのp型InGaAsコンタクト層208、コンタクト層208上に配設されたp側電極220、n型InP基板201の裏面上に配設されたn側電極221を有する。
【００２０】
（Ｄ）なお、回折格子層202は光導波方向に沿って位相シフト構造が設けられている。
【００２１】
本発明の半導体装置のMQW活性層に印加された歪量を表す模式図を図１（ｂ）に示す。量子井戸層205aには圧縮歪みが印加され、障壁層205bには引張歪みが印加されている。
【００２２】
次に、しきい値利得を低く抑制するための結合係数の範囲について説明する。85℃におけるしきい値電流Ithの結合係数κ依存性を計算した結果を図２に示す。κが100cm-1以下でIthが急激に増大するため、しきい値利得を低く抑制するためにはκ≧100cm-1である必要がある。
【００２３】
次に、良好な光出力特性を得るための、多重量子井戸活性層を構成する量子井戸層に印加する歪量の範囲について説明する。70℃における光出力5mW時の動作電流Iopの量子井戸層歪量依存性を図３に示す。量子井戸層に0.8%以上の圧縮歪みを印加することでIopが急激に減少することが分かった。これらの試料では結合係数を約150cm-1としており、低しきい値利得が実現できている。さらに、量子井戸への圧縮歪みの導入による正孔の実効状態密度の低減効果が加わり、更なるしきい値利得の低減および発光効率の向上がもたらされたと考えられる。量子井戸に圧縮歪が加えられると、重い正孔の価電子帯と軽い正孔の価電子帯との縮退が解かれるが、歪量が大きいほど、それらの距離は離れていく。0.6%の圧縮歪みでは、まだ十分に重い正孔の価電子帯と軽い正孔の価電子帯とが分離しておらず、実効状態密度の低減はわずかであるが、0.8%以上の歪みを加えることで重い正孔の価電子帯と軽い正孔の価電子帯とが十分に分離し、実効状態密度が急激に低減したものと考えられる。高結合係数化による低しきい値利得と高歪み導入による正孔の実効状態密度の低減とがあいまって、はじめて高温での光出力特性が大きく改善できると考えられる。
【００２４】
さらに次に、多重量子井戸活性層を構成する障壁層に印加する歪量の範囲について説明する。MQW活性層を有する半導体レーザ装置においては、しきい値キャリア密度の低減と、正孔の不均一注入による微分利得の低下とのトレードオフの関係を考慮して量子井戸層数を設計する必要がある。温調フリーの10Gbps DFBレーザのような広温度範囲で高速動作が必要な半導体レーザ装置においては、共振器長を短くする必要もあることから量子井戸層数は多めの10層が好適である。
【００２５】
ACC(Auto Current Control)通電試験後のしきい値電流劣化率の量子井戸層歪量依存性を図４に示す。同図から、しきい値電流劣化率は歪量の増大に従って高くなるが、量子井戸層に印加される歪量が0.61%以下であればしきい値電流劣化率は15%以下になることが分かる。したがって、量子井戸層に歪量0.8%以上の圧縮歪みを印加する場合においては、障壁層に歪量0.2%以上の引張歪みを印加すれば、しきい値電流劣化率が低く信頼性の高い半導体レーザ装置を得ることができる。
【００２６】
さらに次に、10Gbpsイーサネット（登録商標）等に好適な1.3μm帯の光源が提供できるInGaAsP系材料の組成範囲について説明する。図５（ａ）および（ｂ）は、InxGa1-xAsyP1-yの組成変化に対する波長と歪量を示すグラフであり、それぞれ活性層を構成する量子井戸層および障壁層に適用する組成範囲を太線で囲っている。同図（ａ）に示すように、量子井戸層を0.8≦x1≦1.0かつ2.5-2.25x1≦y1≦1.5-x1を満たす組成範囲のInx1Ga1-x1Asy1P1-y1で構成すると、量子井戸層は波長1.2〜1.6μmで歪量が0.8%以上の圧縮歪みを有する結晶となり、量子効果や歪みによる禁制帯幅の変化を考慮すると1.3μm帯の発振波長のDFBレーザ装置の活性層として好適である。また同図（ｂ）に示すように、障壁層を0.37≦x2≦0.93かつ0.84-0.83x2≦y2≦2.22-2.31x2かつ1.6-2.15x2≦y2≦1.13-0.9x2を満たす組成範囲のInx2Ga1-x2Asy2P1-y2で構成すると、障壁層は波長0.95〜1.15μmで歪量が0.2%以上の引張歪みを有する結晶となり、1.3μm帯の発振波長のDFBレーザ装置の活性層として好適である。
【００２７】
さらに次に、回折格子層を構成する屈折率の高い部分のInGaAsP層の組成波長λgの範囲について説明する。図６はλgをパラメータとし、結合係数κのn型InP中間層厚ｄ依存性を計算した結果である。ｄが50nm以上であれば良好なMQW活性層を作製することが容易であると考えられる。そのため、λg=1.18μmでは120cm-1までのκしか得ることができないが、λgを長くすると160cm-1程度までの高結合係数も容易に得られる。ただし、λgが長くなり過ぎると発振光（λ=1310nm）を吸収し損失になるため、1.2μm≦λg≦1.3μmとすれば損失なく高い結合係数を容易に実現することができる。
【００２８】
図７（ａ）は、回折格子層202aの組成波長λg=1.25μm、n型InP中間層203の層厚60nmでκ=150cm-1を有し、量子井戸層205aに+1.0%の圧縮歪みを印加し、障壁層205bに-0.2%の引張歪みを印加した活性層を有する共振器長200μmの、λ/4位相シフト型DFBレーザの規格化緩和振動周波数の温度依存性を示す。同図には、比較のために量子井戸層205aに+0.6%の圧縮歪みを印加した素子の結果も示しているが、本発明の半導体レーザ装置では約100℃にいたる高温まで1GHz／√ｍＡ以上の規格化緩和振動周波数が得られることが確認できた。規格化緩和振動周波数は、主に微分利得に依存するが、この微分利得は、しきい値利得が小さいほど大きくなり、また伝導帯および価電子帯の対称性が良いほど大きくなる。150cm-1という高い結合係数により低いしきい値利得が確保されていることに加え、1.0%歪みの活性層では重い正孔の価電子帯と軽い正孔の価電子帯との縮退が解け、十分に距離が離れることにより価電子帯の対称性が改善されたものと考えられる。また、障壁層に-0.2%の引張り歪みを加えることで、量子井戸に1.0％という高圧縮歪みを導入してもしきい値利得を増大させるような欠陥を発生させなかったと考えられる。図７（ｂ）には、100℃において10.3Gbps 231-1  ＰＲＢＳパターンで変調した時のアイパターンを示すが、良好な開口が得られた。
【００２９】
実施の形態１では、半導体基板としてInP基板を使用した例を説明したが、GaAs等を基板に用いても構わないし、活性層を構成する材料についてもInGaAsP系材料に限るものではない。また、回折格子層の配置については、実施の形態１に示したように活性層の下方にあっても良いし、活性層の上方に配置しても本発明の効果が損なわれることはない。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明にかかる位相シフト型分布帰還型の半導体レーザ装置は、高温まで高速直接変調動作が可能である特徴を有し、低コストで小型の10Gbpsイーサネット（登録商標）用の光トランシーバ等に組み込む光源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る半導体レーザ装置を示す図であり、（ａ）光導波方向に沿った断面図、（ｂ）多重量子井戸活性層に印加された歪量を表す模式図
【図２】同半導体レーザ装置に係るしきい値電流の結合係数依存性を示す図
【図３】同半導体レーザ装置に係る光出力5mW時の動作電流の量子井戸層歪量依存性を示す図
【図４】同半導体レーザ装置に係るしきい値電流劣化率の量子井戸層歪量依存性を示す図
【図５】同半導体レーザ装置に係るInxGa1-xAsyP1-y系材料の組成変化に対する波長と歪量を表すグラフであり、（ａ）量子井戸層の組成範囲を示す図、（ｂ）障壁層の組成範囲を示す図
【図６】同半導体レーザ装置に係る結合係数のn型InP中間層厚依存性を示す図
【図７】（ａ）同半導体レーザ装置に係る規格化緩和振動周波数の温度依存性を示す図、（ｂ）同半導体レーザ装置に係る100℃における10Gbps変調波形を示す図
【図８】従来の半導体レーザ装置の光導波方向に沿った断面図
【符号の説明】
【００３２】
201  n型InP基板
202  回折格子層
202a  n型InGaAsP回折格子層
202b  n型InP回折格子層
203  n型InP中間層
204  n型InGaAsP光ガイド層
205  活性層
205a  InGaAsP歪量子井戸層
205b  InGaAsP歪障壁層
206  p型InGaAsP光ガイド層
207  p型InPクラッド層
208  p型InGaAsコンタクト層
220  p側電極
221  n側電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図５】
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