(57)【要約】【課題】発振波長が1.290〜1.350μmの分布帰還型半導体レーザあるいはファブリペロー・レーザにおいて、高温下においても高出力を実現可能な素子を実現する。【解決手段】半導体レーザの活性層2に、高温下高出力に優れたInP基板上のInGaAlAs系材料の多重量子井戸構造の障壁層最適値 (In(1-x-y) Ga(x) Al(y) Asのx値及びy値)として、0.19 < x < 0.27、0.31 < y < 0.39、の範囲の数字を同時に持つようにした。【選択図】図５
2011129809.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振波長が1.290〜1.350μmの分布帰還型半導体レーザまたはファブリペロー・レーザにおいて、
活性層にIn(1-x-y) Ga(x) Al(y) As系材料の多重量子井戸構造を有し、その障壁層の組成x,yが以下の範囲の数字を同時に持つことを特徴とする半導体レーザ。
0.19 < x < 0.27
0.31 < y < 0.39
【請求項２】
請求項1の分布帰還型レーザと、電界吸収型変調器を同一のウェハに集積したことを特徴とする電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高温下で高出力を実現可能な半導体レーザ（、例えば分布帰還型レーザまたはファブリペロー・レーザ）及び電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光通信に用いられている半導体レーザは、一般に、温度制御素子(ペルチェ素子)で半導体レーザ素子の温度を一定に保ちながら使用されている。例えば、電界吸収型変調器(Electroabsorption moduletor:EA変調器)集積分布帰還型レーザ(DFBレーザ) (EADFBレーザ)は、小型・低チャープを特徴として10Gb/sの変調速度で広く実用化されているが、これらはいずれもペルチェ素子で温度を保った状態で使用されている。
【０００３】
近年のデータトラフィックの増大に伴い、光通信システムの低消費電力化が強く求められている。EADFBレーザの一般的な消費電力が0.2W程度であるのに対して、ペルチェ素子の消費電力は外部温度と設定温度の差にもよるが約1〜2W程度必要となる。
【０００４】
このことから温度制御不要(無温調動作)で、広い温度範囲で特性劣化のないEADFBレーザを実現できれば、大幅な消費電力の削減が実現できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】H. Temkin他、Appl. Phys. Lett., Vol.62, No.19, pp.2402-2404, 1993年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
広い温度範囲で特性劣化の無いEADFBレーザ実現のためには、DFBレーザ部分が広い温度範囲で出力劣化が無いようにする必要がある。
しかし、従来技術では、InP基板上のInGaAsP系材料を用いているために量子井戸構造を作製した際の伝導帯オフセット値が小さく、高温下で電子が井戸層からオーバーフローして特性劣化するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決する本発明の半導体レーザの構成は、
発振波長が1.290〜1.350μmの分布帰還型半導体レーザまたはファブリペロー・レーザにおいて、
活性層にIn(1-x-y) Ga(x) Al(y) As系材料の多重量子井戸構造を有し、その障壁層の組成x,yが以下の範囲の数字を同時に持つことを特徴とする。
0.19 < x < 0.27
0.31 < y < 0.39
【０００８】
また本発明の電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザの構成は、前記の分布帰還型レーザと、電界吸収型変調器を同一のウェハに集積したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、活性層にIn(1-x-y)Ga(x)Al(y)As系材料の多重量子井戸構造を有し、その障壁層の組成x,yが、0.19 < x < 0.27、0.31 < y < 0.39、という範囲の数字を同時に持つようにしたので、高温下の特性に優れる大きな伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）とホール不均一注入を起こさない小さな価電子帯オフセット値（ΔＥｖ）の両立が可能となる。
したがって、高温下で高出力をすることが可能な、発振波長が1.290〜1.350μmとなっている、分布帰還型半導体レーザまたはファブリペロー・レーザまたは電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】障壁層波長とオフセットの関係を示す特性図。
【図２】バンドギャップ波長と屈折率の関係を示す特性図。
【図３】２０℃でのＩ−Ｌ特性の障壁層組成依存性を示す特性図。
【図４】９５℃でのＩ−Ｌ特性の障壁層組成依存性を示す特性図。
【図５】実施例１に係る分布帰還型半導体レーザを示す構成図。
【図６】実施例１の作成手順を示す説明図。
【図７】実施例２に係る電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザを示す構成図。
【図８Ａ】実施例２の作成手順のうちの前半を示す説明図。
【図８Ｂ】実施例２の作成手順のうちの後半を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
［特徴］
本発明の特徴は、高温下高出力を実現するために、単に伝導帯オフセット値(ΔＥｃ)が大きくなるように障壁層を設定するだけではなく、伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）が大きくなる障壁層では屈折率が低下し光閉じ込めが小さくなることを考慮し、伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）に上限を設けるような障壁層組成を設定している点が従来技術と異なる。
【００１２】
［作用］
InGaAlAs材料とInGaAsP材料で多重量子井戸(multi quantum well:MQW)構造を作製した際の、障壁層のバンドギャップ波長と伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）及び価電子帯オフセット値(ΔＥｖ)の計算結果を図1に示す。MQWのPL波長が1.29μmで、InP基板に対して井戸層及び障壁層歪が+1.0%/-0.6%の場合である。図１よりInGaAlAs材料はInGaAsP材料に比べ伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）が大きく、価電子帯オフセット値（ΔＥｖ）が小さいことがわかる。
【００１３】
高温下では、発光に寄与する電子の持つエネルギー分布が広がるために、井戸層から電子があふれるオーバーフローの効果が表れるが、InGaAlAs材料は下記計算結果より従来のInGaAsP材料より伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）が大きくとれるためオーバーフローを抑制することが出来る。
【００１４】
また、価電子帯オフセット値（ΔＥｖ）が大きいと発光に寄与するホールが井戸層に注入されにくくなる問題がある。
InGaAsP材料では、伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）に比べ価電子帯オフセット値（ΔＥｖ）が大きいためにホールの不均一注入が起こりやすく、伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）を大きく出来ないという問題がある。
【００１５】
本発明では、InGaAlAs材料を用いているため、高温下の特性に優れる大きな伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）とホール不均一注入を起こさない小さな価電子帯オフセット値（ΔＥｖ）の両立が可能である。
【００１６】
図2は障壁層のバンドギャップ波長とその屈折率の関係を測定波長が1.30μmの場合で計算した結果である。障壁層にはInP基板に対して-0.6%に歪が入った状態で計算している。障壁層の波長が短波になるにしたがって、その屈折率は小さくなっていくことが分かる。
半導体レーザの活性層の光閉じ込めを考えた場合、障壁層の屈折率が大きい方が望ましい。なぜなら、障壁層の屈折率が大きい方が活性層全体の光閉じ込めが向上し、レーザ発振の低閾値化を達成できるからである。
【００１７】
上述した「障壁層波長とオフセットの関係」と「障壁層のバンドギャップ波長とその屈折率の関係」について考慮した場合、電子の閉じ込めについては障壁層が短波長のほうが望ましく、光の閉じ込めについては障壁層が長波長のほうが望ましい。実際に、InGaAlAs材料を用いて、PL波長は1.29μm、井戸層及び障壁層の歪量は+1.0%/-0.6%に固定して長さ500μmのファブリペロー・レーザを作製した。障壁層波長のみを0.85Q、0.90Q、0.95Q、1.0Q、1.1.1Qと変化させて作製し、20℃及び95℃での特性比較を行った。その結果を図3及び、図4に示す。
【００１８】
図4より、95℃で8mW以上の光出力を得るためには障壁層波長が0.9Q以上1.0Q以下であることが分かる。図1によると、伝導帯オフセットにして、220meV以上330meV以下である。
【００１９】
実際にレーザを作製する際には、作りたいレーザの発振波長から量子井戸構造のPL波長を決める。井戸層、障壁層の歪を決めて、MQWのPLが変化しないように井戸層波長、障壁層波長を変化させる。PL波長が1.28、1.30μmになるように設定した場合の、伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）、価電子帯オフセット値（ΔＥｖ）及びIn(1-x-y) Ga(x) Al(y) As組成を表1及び表２に示す。なお表１及び表２において、斜体字で示したものは、障壁層波長が０．９Ｑ〜１．０Ｑのものを示している。
【００２０】
【表１】
2011129809.tif 000003
【００２１】
【表２】
2011129809.tif 000004
【００２２】
表1及び表2は計算値である。実際にデバイスを作製する際は組成の0.1436といった数字の小数第3桁までの精度はない。よって、0.9Q〜1.0Qの組成にかかるには、
PL 1.28では、0.19 < x < 0.27、 0.31 < y < 0.39
PL 1.30では、0.19 < x < 0.27、 0.31 < y < 0.39
となる。
【実施例１】
【００２３】
以下、本発明の実施例１を、図面を用いて説明する。
【００２４】
（構成）
本発明の分布帰還型半導体レーザは、図５に示すように、基板としてn型InP基板1を用い、InGaAlAs材料のMQW活性層2、InGaAsPガイド層3、回折格子4、p型InPクラッド層5、InGaAsP若しくはInGaAsのコンタクト層6、誘電体多層膜９で構成される。
【００２５】
この場合、活性層2は、In(1-x-y) Ga(x) Al(y) As系材料の多重量子井戸構造となっており、その障壁層の組成x,yが以下の範囲の数字を同時に持っている。
0.19 < x < 0.27
0.31 < y < 0.39
【００２６】
このように、本実施例１では、InGaAlAs材料を用いている活性層２が、上記のような組成となっているため、高温下の特性に優れる大きな伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）とホール不均一注入を起こさない小さな価電子帯オフセット値（ΔＥｖ）の両立が可能となる。
したがって、高温下で高出力をすることが可能となる。
【００２７】
(作製方法)
作製の手順を図６を参照に説明する。なお、図６の手順１〜手順５において、左側は正面図を、右側は断面図を示すものである。
【００２８】
まず［手順1］より基板1を準備する。
基板1に［手順2］のようにMQW活性層2及びInGaAsPガイド層3をMOVPE(metal-organic vapor-phase epitaxy)法により結晶成長する。
【００２９】
その後、［手順3］のようにEB(electron beam)描画により、回折格子4をガイド層3に形成し、p型InPクラッド層5、InGaAsP若しくはInGaAsのコンタクト層6を結晶成長する。
［手順4］のように、リッジ型導波路を、CH4系ガスを用いてドライエッチングにより作製する。
【００３０】
その後［手順5］のように全体に絶縁膜としてSiO2膜7を成膜し、InGaAsP若しくはInGaAsのコンタクト層6の上部のSiO2膜のみをC2F6系ガスのドライエッチングを用いて除去し、その上にAuの金属パッド8をEB蒸着法を用いて形成する。
その後、へき開により素子を切り出し、切り出された素子の端面に誘電体多層膜9を形成して素子が完成する。
【００３１】
本実施例1の分布帰還型半導体レーザは、素子長が400μmであり、電流注入100mAにおける光出力は85(Cで10mW以上であった。
【実施例２】
【００３２】
（構成）
本発明の実施例２に係る電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザは、半導体レーザ部と電界吸収型変調器部とからなる。
即ち、図７に示すように、半導体レーザ部は、基板としてn型InP基板1を用い、レーザ部はInGaAlAs材料のMQW活性層2、InGaAsPガイド層3、回折格子4、p型InPクラッド層5、InGaAsP若しくはInGaAsのコンタクト層6で構成される。
また電界吸収型変調器部はInGaAlAs材料のMQW活性層10、InGaAsPガイド層11で構成される。
なお、図７において、７はSiO2膜、８はAuの金属パッド、９は誘電体多層膜である。
【００３３】
この場合、活性層2は、In(1-x-y) Ga(x) Al(y) As系材料の多重量子井戸構造となっており、その障壁層の組成x,yが以下の範囲の数字を同時に持っている。
0.19 < x < 0.27
0.31 < y < 0.39
【００３４】
このように、本実施１では、InGaAlAs材料を用いている活性層２が、上記のような組成となっているため、高温下の特性に優れる大きな伝導帯オフセット値（ΔＥｃ）とホール不均一注入を起こさない小さな価電子帯オフセット値（ΔＥｖ）の両立が可能となる。
したがって、高温下で高出力をすることが可能となる。
【００３５】
(作製方法)
作製の手順を図８Ａ及び図８Ｂを参照に説明する。なお、図８Ａの手順１〜手順６において、左側は正面図を、右側はＩ−Ｉ断面図を示し、図８Ｂの手順７〜手順１０において、左側は正面図を、中央はＩ−Ｉ断面図を、右側はII−II断面図を示すものである。
【００３６】
まず図８Ａに示すように、［手順1］より基板1を準備する。
基板1に［手順2］のようにMQW活性層2及びInGaAsPガイド層3をMOVPE(metal-organic vapor-phase epitaxy)法により結晶成長する。
【００３７】
その後、［手順3］のようにEB(electron beam)描画により、回折格子4をガイド層3に形成し、［手順4］のようにLD部以外の MＱＷ活性層2、ガイド層3、回折格子4をウェットエッチングによって除去する。
【００３８】
その後［手順5］のように、MOVPE法を用いて、電界吸収型変調器のInGaAlAs活性層である半導体層10及び、InGaAsPガイド層11を結晶成長する。
なお、回折格子4の形成は、本手順の順番でも良く、または、先に半導体層10、ガイド層11を結晶成長した後でもかまわない。
【００３９】
その後、［手順6］のようにp型InPクラッド層5、InGaAsP若しくはInGaAsのコンタクト層6を結晶成長する。
【００４０】
次に図８Ｂに示す［手順7］のように、LD部及び変調器部のリッジ型導波路を、同時にCH4系ガスを用いてドライエッチングにより作製する。
その後［手順8］のようにLD部及び変調器部の電極分離12をウェットエッチングによってInGaAsP若しくはInGaAsのコンタクト層6の一部を削ることで作製する。
【００４１】
その後［手順9］のように全体に絶縁膜としてSiO2膜7を成膜し、その上に有機物膜13を形成して導波路測部を埋め込む。
その後［手順10］のようにコンタクト層6の上部のSiO2膜7、有機物膜13のみをC2F6系ガスおよびO2系ガスのドライエッチングを用いて除去し、その上にAuの金属パッド8をEB蒸着法を用いて形成する。
その後、へき開により素子を切り出し、切り出された素子の端面に誘電体多層膜9を形成して素子が完成する。
【００４２】
本実施例２の電界吸収型変調器集積分布帰還型半導体レーザは、LD部長400μm、変調器部長200μmであり、LD部電流注入100mAにおける光出力は85(Cで10mW以上であった。
【実施例３】
【００４３】
本発明は、実施例１で示した分布帰還型レーザや、実施例２で示した電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザのみならず、ファブリペロー・レーザにも適用することができる。
【００４４】
つまり、発振波長が1.290〜1.350μmのファブリペロー・レーザにおいて、活性層にIn(1-x-y) Ga(x) Al(y) As系材料の多重量子井戸構造を採用し、その障壁層の組成x,yが以下の範囲の数字を同時に持つ構成とすることができる。
0.19 < x < 0.27
0.31 < y < 0.39
このようにすることにより、発振波長が1.290〜1.350μmのファブリペロー・レーザにおいても、高温下で高出力を実現することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１  ｎ型ＩｎＰ基板
２  ＩｎＧａＡｌＡｓ材料のＭＱＷ活性層
３  ＩｎＧａＡｓＰガイド層
４  回折格子
５  ｐ型ＩｎＰクラッド層
６  InGaAsP若しくはInGaAsのコンタクト層
７  ＳｉＯ2膜
８  Ａｕの金属パッド
９  誘電体多層膜
１０  ＩｎＧａＡｌＡｓ材料活性層である半導体層
１１  ＩｎＧａＡｓＰガイド層
１２  電極分離
１３  有機物膜
【図１】
2011129809.tif 000005
【図２】
2011129809.tif 000006
【図３】
2011129809.tif 000007
【図４】
2011129809.tif 000008
【図５】
2011129809.tif 000009
【図６】
2011129809.tif 000010
【図７】
2011129809.tif 000011
【図８Ａ】
2011129809.tif 000012
【図８Ｂ】
2011129809.tif 000013