(57)【要約】【課題】  回折格子による波長選択性が好適に得られるとともに、レーザ光の高出力化が可能な分布帰還型半導体レーザを提供する。【解決手段】  半導体基板１０上に形成され、光を発生させる活性層２０と、活性層２０の一方の面上に形成された光ガイド層２１と、光ガイド層２１の活性層２０とは反対側の面上に形成され、光ガイド層２１よりも低い屈折率を有するとともに、光ガイド層２１との界面に回折格子２４が形成されたクラッド層２５とによって、分布帰還型半導体レーザ１Ａを構成する。また、光ガイド層２１を、活性層２０側の第１光ガイド層２２と、クラッド層２５側の第２光ガイド層２３とによって構成するとともに、第１、第２光ガイド層２２、２３の間に、光ガイド層よりも低い屈折率を有する低屈折率層３０を設ける。【選択図】  図１
2011049535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成され、光を発生させる活性層と、
前記活性層の一方の面上に形成された光ガイド層と、
前記光ガイド層の前記活性層とは反対側の面上に形成され、前記光ガイド層よりも低い屈折率を有するとともに、前記光ガイド層との界面に回折格子が形成されたクラッド層とを備え、
前記光ガイド層は、前記活性層側の第１光ガイド層と、前記クラッド層側の第２光ガイド層とによって構成され、前記第１光ガイド層と前記第２光ガイド層との間に、前記光ガイド層よりも低い屈折率を有する低屈折率層が設けられていることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２】
前記活性層、前記光ガイド層、前記低屈折率層、前記クラッド層、及び前記回折格子を含む光共振器の導波路構造は、その結合係数をκ、前記光共振器の共振器長をＬとしたときに、κＬが０．６以上０．８以下となるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項３】
前記光ガイド層、前記低屈折率層、前記クラッド層、及び前記回折格子は、前記活性層に対して前記半導体基板とは反対側に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項４】
前記低屈折率層は、前記第１光ガイド層側の第１低屈折率層と、前記第２光ガイド層側であって屈折率が前記第１低屈折率層から前記第２光ガイド層に向けて変化するグレーデッド構造を有する第２低屈折率層とによって構成されていることを特徴とする請求項３記載の分布帰還型半導体レーザ。
【請求項５】
前記第２光ガイド層及び前記クラッド層を含む積層部分は、前記低屈折率層をエッチストップ層として形成されたリッジ構造を有して構成されていることを特徴とする請求項３または４記載の分布帰還型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分布帰還型半導体レーザに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、活性層における発光と、光の共振によるレーザ光の生成とを利用した発光素子である。通常の半導体レーザでは、レーザ光を共振させる光共振器構造として、へき開面を利用したファブリペロー（ＦＰ）共振器が用いられる。これに対して、分布帰還型（ＤＦＢ：Distributed Feed Back）半導体レーザは、光共振器の導波路構造に対して回折格子を設けた構造を有するレーザ素子である。ＤＦＢレーザでは、このような導波路構造における回折格子の波長選択性により、単一モードでの発振を実現することができる（例えば、特許文献１、２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平４−４６４７７号公報
【特許文献２】特開２００２−５７４０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したＤＦＢレーザの導波路構造では、通常、活性層上に光ガイド層、及びクラッド層が設けられるとともに、光ガイド層とクラッド層との界面に形成された凹凸構造によって回折格子が構成され、この回折格子によって単一モード発振などの特性が実現される。しかしながら、このような構成では、レーザ光の発振に対する波長選択性が得られる一方で、レーザ光の高出力化が難しいという問題がある。
【０００５】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、回折格子による波長選択性が好適に得られるとともに、レーザ光の高出力化が可能な分布帰還型半導体レーザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このような目的を達成するために、本発明による分布帰還型半導体レーザは、（１）半導体基板上に形成され、光を発生させる活性層と、（２）活性層の一方の面上に形成された光ガイド層と、（３）光ガイド層の活性層とは反対側の面上に形成され、光ガイド層よりも低い屈折率を有するとともに、光ガイド層との界面に回折格子が形成されたクラッド層とを備え、（４）光ガイド層は、活性層側の第１光ガイド層と、クラッド層側の第２光ガイド層とによって構成され、第１光ガイド層と第２光ガイド層との間に、光ガイド層よりも低い屈折率を有する低屈折率層が設けられていることを特徴とする。
【０００７】
上記した分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）では、活性層に対して設けられる光ガイド層及びクラッド層による導波路構造において、活性層の一方側（上側または下側）にあって回折格子が形成された光ガイド層を第１、第２光ガイド層の２つの層部分に分割する。そして、それらの層部分の間であって、第２光ガイド層及びクラッド層の界面の回折格子と、活性層との間となる位置に、その屈折率が周囲の光ガイド層よりも低くなるように構成された低屈折率層を設けている。
【０００８】
このような構成では、低屈折率層の屈折率が第１、第２光ガイド層の屈折率よりも低いために、この低屈折率層が活性層から導波路構造の外側へと広がる光に対する障壁層として機能して、低屈折率層において光強度分布が減衰する。上記構成のＤＦＢレーザでは、この低屈折率層での光の減衰により、光共振器で往復するレーザ光前進波と後退波の結合係数κが調整、低減される。これにより、回折格子による波長選択性が好適に得られるとともに、レーザ光の高出力化が可能なＤＦＢレーザが実現される。
【０００９】
上記構成のＤＦＢレーザにおいて、低屈折率層による結合係数κの調整については、活性層、光ガイド層、低屈折率層、クラッド層、及び回折格子を含む光共振器の導波路構造は、その結合係数をκ、光共振器の共振器長をＬとしたときに、κＬが０．６以上０．８以下となるように構成されていることが好ましい。これにより、回折格子による波長選択性と、レーザ光の高出力化とを好適に両立することができる。
【００１０】
また、光ガイド層、低屈折率層、クラッド層、及び回折格子は、活性層に対して半導体基板とは反対側（活性層に対して上側）に設けられていることが好ましい。このような構成は、例えばＤＦＢレーザの製造工程において、回折格子を含む半導体積層構造を好適に形成する上で有効である。なお、このような構成において、活性層に対して下側についても、低屈折率層及び回折格子を除く通常の光ガイド層、クラッド層が設けられていることが好ましい。
【００１１】
また、この場合、低屈折率層は、第１光ガイド層側の第１低屈折率層と、第２光ガイド層側であって屈折率が第１低屈折率層から第２光ガイド層に向けて変化するグレーデッド構造を有する第２低屈折率層とによって構成されていることが好ましい。このように、低屈折率層のうちの上側の層部分をグレーデッド層によって構成することにより、低屈折率層、及びその上方の各半導体層を含む半導体積層構造を好適に形成することができる。なお、第１低屈折率層については、屈折率が略一定であることが好ましい。
【００１２】
また、ＤＦＢレーザにおいて、第２光ガイド層及びクラッド層を含む上方の半導体積層部分は、低屈折率層をエッチストップ層として形成されたリッジ構造を有して構成されていることが好ましい。このように、低屈折率層をエッチストップ層とすることにより、光を横方向に閉じ込めるためのリッジ構造を好適に形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の分布帰還型半導体レーザによれば、活性層上の光ガイド層及びクラッド層による導波路構造において、光ガイド層を第１、第２光ガイド層の２つの層部分に分割し、それらの層部分の間であって、第２光ガイド層及びクラッド層の界面の回折格子と、活性層との間となる位置に低屈折率層を設けることにより、回折格子による波長選択性が好適に得られるとともに、レーザ光の高出力化が可能なＤＦＢレーザが実現される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】分布帰還型半導体レーザの一実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図２】図１に示した分布帰還型半導体レーザの構成を示す斜視図である。
【図３】分布帰還型半導体レーザの導波路構造における光強度分布について示す模式図である。
【図４】分布帰還型半導体レーザの他の実施形態の構成を示す側面断面図である。
【図５】分布帰還型半導体レーザの製造方法の一例について示す図である。
【図６】従来の分布帰還型半導体レーザの構成の一例を示す斜視図である。
【図７】従来構造の分布帰還型半導体レーザの特性と、ファブリペロー型半導体レーザの特性とを比較するグラフである。
【図８】新規構造の分布帰還型半導体レーザの特性と、ファブリペロー型半導体レーザの特性とを比較するグラフである。
【図９】レーザ光の出力光強度の波長依存性を示すグラフである。
【図１０】分布帰還型半導体レーザの第１の構成例について示す図である。
【図１１】図１０に示した半導体レーザの特性について示す図表である。
【図１２】分布帰還型半導体レーザの第２の構成例について示す図である。
【図１３】図１２に示した半導体レーザの特性について示す図表である。
【図１４】回折格子の結合係数κについて示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面とともに本発明による分布帰還型半導体レーザの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１６】
図１は、本発明による分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）の一実施形態の構成を示す側面断面図である。この図１において、図１（ａ）では、ＤＦＢレーザの光共振器の導波路構造における光の共振方向に沿った側面断面図によって、ＤＦＢレーザでの半導体積層構造を示している。また、図１（ｂ）では、図１（ａ）の導波路構造における、積層方向についての屈折率分布を示している。また、図２は、図１に示したＤＦＢレーザの構成を示す斜視図である。
【００１７】
本実施形態によるＤＦＢレーザ１Ａは、半導体基板１０上に、下部クラッド層１５、下部光ガイド層１１、活性層２０、上部光ガイド層２１、上部クラッド層２５、及びコンタクト層２８をこの順で積層して構成されている。活性層２０は、単一量子井戸（ＳＱＷ）活性層、または多重量子井戸（ＭＱＷ）活性層によって構成され、本ＤＦＢレーザ１Ａの光共振器での共振によってレーザ光を生成するための光を発生させる。
【００１８】
活性層２０の下方の面側には、活性層よりも低い屈折率を有する厚さＸ０の下部光ガイド層１１が設けられている。また、下部光ガイド層１１に対して活性層とは反対側には、光ガイド層よりも低い屈折率を有する下部クラッド層１５が設けられている。一方、活性層２０の上方の面側には、活性層よりも低い屈折率を有する上部光ガイド層２１が設けられている。また、上部光ガイド層２１に対して活性層とは反対側には、光ガイド層よりも低い屈折率を有する上部クラッド層２５が設けられている。本ＤＦＢレーザ１Ａでは、このような半導体積層構造により、光共振器の導波路構造が構成されている。
【００１９】
下部光ガイド層１１と上部光ガイド層２１とは、好ましくは同一の半導体材料及び屈折率によって形成される。また、下部クラッド層１５と上部クラッド層２５とは、同様に、好ましくは同一の半導体材料及び屈折率によって形成される。また、上部光ガイド層２１と、上部クラッド層２５との界面には、厚さＸ３の層部分において、ＤＦＢレーザ１Ａを構成するための回折格子２４となる凹凸構造が形成されている。
【００２０】
本実施形態において、上部光ガイド層２１は、活性層２０側（下側）で厚さＸ１の第１光ガイド層２２と、クラッド層２５側（上側）で厚さＸ２の第２光ガイド層２３との２つの層部分によって構成されている。また、第１光ガイド層２２と第２光ガイド層２３との間には、光ガイド層２２、２３よりも低い屈折率を有する厚さＤの低屈折率層３０が設けられている。この低屈折率層３０は、図１の構成例に示すように、好ましくはクラッド層２５よりもさらに低い屈折率を有して構成される。
【００２１】
また、図２の斜視図に示すように、低屈折率層３０よりも上方の第２光ガイド層２３、上部クラッド層２５、及びコンタクト層２８は、エッチングにより、光共振器におけるレーザ光の共振方向に沿って延びるリッジ構造を有して形成されている。上記した低屈折率層３０は、好ましくは、このようなリッジ構造の形成において、エッチストップ層として機能するように構成される。
【００２２】
本実施形態によるＤＦＢレーザ１Ａの効果について説明する。
【００２３】
図１及び図２に示したＤＦＢレーザ１Ａでは、活性層２０に対して設けられる光ガイド層１１、２１、及びクラッド層１５、２５による導波路構造において、活性層２０の一方側にあって回折格子２４が形成された上部光ガイド層２１を、第１光ガイド層２２、及び第２光ガイド層２３の２つの層部分に分割する。そして、それらの層部分２２、２３の間であって、第２光ガイド層２３及び上部クラッド層２５の界面の回折格子２４と、活性層２０との間となる位置に、その屈折率が周囲の光ガイド層２２、２３よりも低くなるように構成された低屈折率層３０を設けている。
【００２４】
このような構成では、図１（ｂ）の屈折率分布のグラフに示すように、低屈折率層３０の屈折率が第１、第２光ガイド層２２、２３の屈折率よりも低いために、この低屈折率層３０が活性層２０から導波路構造の外側へと広がる光に対する障壁層として機能することで光が減衰する。上記構成のＤＦＢレーザ１Ａでは、この低屈折率層３０での光の減衰により、光共振器で往復するレーザ光前進波と後退波の結合係数κが調整、低減される。これにより、回折格子２４による波長選択性が好適に得られるとともに、レーザ光の高出力化が可能なＤＦＢレーザ１Ａが実現される。
【００２５】
ここで、図３は、ＤＦＢレーザの光共振器の導波路構造における光強度分布について示す模式図である。なお、図３（ａ）、図３（ｂ）では、回折格子２４については、図示の簡単のため、その形成範囲のみを破線によって示している。また、導波路構造での光強度分布については、光共振器での共振方向に直交する垂直方向（レーザ素子での半導体積層方向）における光強度分布を示している。
【００２６】
図３（ａ）は、上記した低屈折率層３０が設けられていない従来構造のＤＦＢレーザ２の導波路構造における光強度分布Ａ２を示している。このＤＦＢレーザ２の構成は、低屈折率層３０が設けられていないことを除けば、図１に示したＤＦＢレーザ１Ａと同様である。また、図３（ｂ）は、図１に示した低屈折率層３０を有するＤＦＢレーザ１Ａの導波路構造における光強度分布Ａ１を示している。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、従来構造のＤＦＢレーザ２では、光共振器の導波路構造内での光強度分布Ａ２は、活性層２０を中心とした略上下対称なガウス関数状の分布となる。また、このような光強度分布Ａ２において、共振レーザ光に対する結合係数κは、光強度分布Ａ２と回折格子２４との重なり部分Ｂ２の大きさ（光強度分布Ａ２の全体に対する重なり部分Ｂ２の割合Γ（Grating）＝Γ（Ｇ））によって決まる。
【００２８】
これに対して、上部光ガイド層２１内に低屈折率層３０を設けた新規構造のＤＦＢレーザ１Ａでは、図３（ｂ）に示すように、光強度分布Ａ１において、障壁層として働く低屈折率層３０で光強度が減衰する。これにより、光強度分布Ａ１と回折格子２４との重なり部分Ｂ１の大きさが減少し、回折格子２４まで到達する光が減少して結合係数κが低減される。このとき、共振方向の光強度分布が均一となり、ファブリペロー（ＦＰ）レーザの場合に近づくため、レーザ光の高出力化を達成することが可能となる。
【００２９】
上記構成のＤＦＢレーザ１Ａにおいて、低屈折率層３０による結合係数κの調整については、活性層２０、光ガイド層１１、２１、低屈折率層３０、クラッド層１５、２５、及び回折格子２４を含む光共振器の導波路構造は、結合係数をκ、光共振器の共振器長をＬとしたときに、κＬが、０．６以上０．８以下となるように構成されていることが好ましい。
【００３０】
このように結合係数κ及び共振器長Ｌを設定することにより、回折格子２４による波長選択性と、ＤＦＢレーザ１Ａでのレーザ光の高出力化とを好適に両立して、その特性を全体として向上することができる。また、結合係数κについては、光ガイド層２１、低屈折率層３０、及びクラッド層２５のそれぞれの屈折率、第１、第２光ガイド層２２、２３の厚さＸ１、Ｘ２、低屈折率層３０の厚さＤなどの各パラメータの設計値を制御することによって、所望の値に設定、調整することができる。
【００３１】
また、上記実施形態では、第１、第２光ガイド層２２、２３、低屈折率層３０、クラッド層２５、及び回折格子２４は、活性層２０に対して半導体基板１０とは反対側、すなわち活性層２０の上側に設けられている。このような構成は、例えばＤＦＢレーザ１Ａの製造工程において、回折格子２４を含む半導体積層構造を好適に形成する上で有効である。なお、このような構成において、活性層２０の下側についても、図１に示したように、低屈折率層及び回折格子を除く通常の光ガイド層１１、クラッド層１５が設けられ、それらの全体によって光共振器の導波路構造が構成されていることが好ましい。また、光ガイド層、低屈折率層、クラッド層、及び回折格子を含む積層部分については、一般には、活性層２０の下側（活性層２０に対して半導体基板１０側）に設けることも可能である。
【００３２】
また、このようなＤＦＢレーザ１Ａにおいて、図２の斜視図に示したように、第２光ガイド層２３及び上部クラッド層２５を含む上方の半導体積層部分は、低屈折率層３０をエッチストップ層として形成されたリッジ構造を有して構成されていることが好ましい。このように、レーザ素子の製造時において低屈折率層３０をエッチストップ層とすることにより、光を横方向に閉じ込めるためのリッジ構造を好適に形成することができる。
【００３３】
また、上記のように、低屈折率層３０及び回折格子２４を含む半導体積層構造を活性層２０に対して上側に設けた構成では、低屈折率層３０は、下側の第１低屈折率層と、上側でグレーデッド構造を有する第２低屈折率層とを有する構成としても良い。ここで、図４は、ＤＦＢレーザの他の実施形態の構成を示す側面断面図である。この図４において、図４（ａ）では、光の共振方向に沿った側面断面図によって、ＤＦＢレーザでの半導体積層構造を示している。また、図４（ｂ）では、導波路構造における、積層方向についての屈折率分布を示している。本実施形態のＤＦＢレーザ１Ｂでは、低屈折率層３０以外の構成については、図１に示したＤＦＢレーザ１Ａの構成と同様である。
【００３４】
図４に示すＤＦＢレーザ１Ｂでは、低屈折率層３０は、第１光ガイド層２２側であって屈折率が略一定の第１低屈折率層３１と、第２光ガイド層２３側であって屈折率が第１低屈折率層３１から第２光ガイド層２３に向けて変化するグレーデッド構造を有する第２低屈折率層３２とによって構成されている。このように、低屈折率層３０のうちの上側の層部分をグレーデッド層３２によって構成することにより、低屈折率層３０、及びその上方の各半導体層を含む半導体積層構造を好適に形成することができる。
【００３５】
ここで、特許文献１（特公平４−４６４７７号公報）には、活性層と光ガイド層との間にバリア層を挿入する構成について記載されている。しかしながら、文献１に記載されたバリア層は、光ガイド層に流入する無効電流を低減するためのものであり、本願のＤＦＢレーザにおいて結合係数κを調整するために導入された低屈折率層とは異なる。また、文献１の構成では、バリア層が活性層上に直接に形成されているために、結合係数κを好適に調整することができない。
【００３６】
また、特許文献２（特開２００２−５７４０５号公報）には、ＩｎＰクラッド層内に、ＩｎＧａＡｓＰのエッチング停止層を設けることが記載されている。しかしながら、このような構成では、ＩｎＧａＡｓＰ層はＩｎＰ層に比べて屈折率が高いため、結合係数κを調整するための低屈折率層として機能させることはできない。
【００３７】
これに対して、上記実施形態によるＤＦＢレーザ１Ａ、１Ｂでは、活性層２０上に直接に低屈折率層３０を形成するのではなく、光ガイド層２１を第１、第２光ガイド層２２、２３の２つの層部分に分割し、活性層２０に対して第１光ガイド層２２を介して低屈折率層３０を設ける構成としている。このような構成によれば、第１、第２光ガイド層２２、２３、低屈折率層３０のそれぞれの屈折率、及びそれらの半導体層の厚さ等を好適に設定することにより、導波路構造内での光強度分布、回折格子２４の結合係数κ、及びそれによるＤＦＢレーザの素子特性を好適に調整、設定することが可能である。
【００３８】
本発明によるＤＦＢレーザの製造方法の一例について、図５を参照して、ＤＦＢレーザにおける半導体積層構造の具体的な構成例とともに説明する。また、ここでは、図４に示したように、低屈折率層３０の構成について、下側の第１低屈折率層３１と、上側のグレーデッド層３２とを含んで構成された場合を例として説明する。
【００３９】
この例では、まず、図５（ａ）に示すように、第１の結晶成長において、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、厚さ１．５μｍのｎ型Ａｌ０．４３Ｇａ０．５７Ａｓ下部クラッド層１５、厚さ５００ｎｍのノンドープＡｌ０．３６Ｇａ０．６４Ａｓ下部光ガイド層１１、ＡｌＩｎＧａＡｓ量子井戸活性層２０、厚さ１５０ｎｍのノンドープＡｌ０．３６Ｇａ０．６４Ａｓ第１光ガイド層２２、厚さ２０ｎｍのノンドープＡｌ０．７０Ｇａ０．３０Ａｓ低屈折率層３１、厚さ５０ｎｍのノンドープＡｌ０．７０→０．３６Ｇａ０．３０→０．６４Ａｓグレーデッド層３２、及び厚さ３５０ｎｍのノンドープＡｌ０．３６Ｇａ０．６４Ａｓ第２光ガイド層２３を順に形成した後、いったん結晶成長炉から取り出す。
【００４０】
次に、第１の結晶成長で形成された半導体積層構造での最表面の第２光ガイド層２３上にホトレジスト膜を塗布し、干渉露光により、周期２４０ｎｍ程度でホトレジストの回折格子パターンを形成する。そして、図５（ｂ）に示すように、このホトレジストをマスクとして、化学エッチングによって溝を刻設して、深さ５０ｎｍ程度の回折格子２４を形成した後、ホトレジスト膜を除去する。
【００４１】
続いて、回折格子２４が形成された結晶構造体を再び成長炉へと導入し、第２の結晶成長において、厚さ１．０μｍのｐ型Ａｌ０．４３Ｇａ０．５７Ａｓ上部クラッド層２５、及びｐ型ＧａＡｓコンタクト層２８を形成する。さらに、低屈折率層３０をエッチストップ層とし、ウエットエッチングによってリッジ構造を形成する。これにより、図１、図２、及び図４に示した構造のＤＦＢレーザが得られる。なお、リッジ構造については、リッジ幅を例えば５μｍ程度とすることで、光を横方向に充分に閉じ込めて、単一横モード発振を実現することができる。
【００４２】
次に、上記構成を有する本発明による分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）の特性について、従来構造のＤＦＢレーザの特性、あるいはファブリペロー型半導体レーザ（ＦＰレーザ）の特性と比較しつつ説明する。図６は、従来のＤＦＢレーザの構成の一例を示す斜視図である。図６に示すＤＦＢレーザ３は、上部光ガイド層２１、上部クラッド層２５、及び低屈折率層３５の構成が、図１、図２に示した新規構造のＤＦＢレーザ１Ａとは異なっている。
【００４３】
すなわち、図６のＤＦＢレーザ３では、上部光ガイド層２１は、単一の半導体層によって構成されている。また、上部クラッド層２５は、光ガイド層２１側の第１クラッド層２６と、コンタクト層２８側の第２クラッド層２７とによって構成され、それらの間に低屈折率層３５が設けられている。また、低屈折率層３５よりも上方の第２クラッド層２７、及びコンタクト層２８は、リッジ構造を有して形成されている。
【００４４】
このような従来構造のＤＦＢレーザ３では、低屈折率層３５が回折格子２４よりも上方にあるために、結合係数κの低減は図られない。このとき、ＦＰレーザと比べて共振方向の光強度分布が大きくなるため、光出力特性が劣化し、あるいは素子毎の特性ばらつきが大きくなるなどの問題が生じる場合がある。
【００４５】
図７は、図６に示した従来構造のＤＦＢレーザの特性と、ＦＰレーザの特性とを比較するグラフである。ここで、ＦＰレーザの構造については、図６に示したＤＦＢレーザにおいて回折格子２４のみを除いた構造（従来構造のＦＰレーザ）を想定している。図７のグラフにおいて、横軸は注入電流（ｍＡ）を示し、縦軸は光出力（ｍＷ）を示している。また、Ｃ１で示す３つのグラフは、従来構造のＦＰレーザにおける電流−光出力特性を示している。また、Ｃ２で示す３つのグラフは、従来構造のＤＦＢレーザにおける電流−光出力特性を示している。
【００４６】
これらのグラフＣ１、Ｃ２では、ＦＰレーザのスロープ効率が約０．７２（Ｗ／Ａ）であるのに対し、ＤＦＢレーザにおいては、スロープ効率が約０．３５（Ｗ／Ａ）と低下している。これは、図６に示した従来構造では、その積層構造から結合係数κが１０〜３０ｃｍ−１程度と見積もられ、この値が大き過ぎて高出力化に適していないものと考えられる。ただし、結合係数κが小さ過ぎると回折格子２４が機能せず、単一波長発振が実現されないため、この結合係数κについては、適度な値に設定することが求められる。
【００４７】
図８は、図４に示した新規構造のＤＦＢレーザ（リッジ構造については図２参照）の特性と、ＦＰレーザの特性とを比較するグラフである。ここで、ＦＰレーザの構造については、図４に示したＤＦＢレーザにおいて回折格子２４のみを除いた構造（新規構造のＦＰレーザ）を想定している。
【００４８】
図８のグラフにおいて、Ｄ１で示すグラフは、新規構造のＦＰレーザにおける電流−光出力特性を示している。また、Ｄ２で示す３つのデータプロットは、光ガイド層の総厚をそれぞれ６００ｎｍ、８００ｎｍ、１０００ｎｍとした新規構造のＤＦＢレーザにおける電流−光出力特性を示している。なお、上記の３種類のＤＦＢレーザについては、活性層２０と低屈折率層３０との間の距離に相当する第１光ガイド層２２の厚さを１５０ｎｍで固定としている。
【００４９】
これらの各グラフにおいて、グラフＤ１では、新規構造のＦＰレーザのスロープ効率は約０．９３（Ｗ／Ａ）である。これに対して、３つのデータプロットＤ２では、光ガイド層２１とクラッド層２５との界面に回折格子２４を設けたＤＦＢ構造においても、光ガイド層２１内に低屈折率層３０を設けたことにより、ＦＰ構造と同等のスロープ効率が得られていることがわかる。この新規構造では、結合係数κは４ｃｍ−１程度に抑えられており、また、光ガイド層の総厚を上記のように変化させても、その特性に大きな変化は見られない。
【００５０】
ここで、低屈折率層３０が設けられていない従来構造のＤＦＢレーザでは、光ガイド層の厚さの変化に伴って結合係数κが大きく変化する。これに対して、活性層２０と回折格子２４との間に低屈折率層３０を設けた新規構造のＤＦＢレーザでは、導波路構造での光強度分布と回折格子２４との重なり部分が小さくなる。同時に、上記のように光ガイド層の厚さを変えても結合係数κの値が同程度に落ち着き、また、量子井戸活性層２０への光閉じ込め係数も同程度に制御される。これらの特性、効果により、新規構造のＤＦＢレーザでは、特性ばらつきが抑制され、製造歩留まりが向上するなど、レーザ素子の生産性においても大きな効果が期待できる。
【００５１】
図９は、半導体レーザから出力されるレーザ光の出力光強度の波長依存性（出力レーザ光の波長スペクトル）を示すグラフである。図９のグラフにおいて、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は出力光強度（ｄＢｍ）を示している。また、グラフＥ０は、ＦＰレーザの出力光スペクトルを示し、グラフＥ１は、光出力１００ｍＷでの新規構造のＤＦＢレーザの出力光スペクトルを示し、グラフＥ２は、光出力２００ｍＷでの新規構造のＤＦＢレーザの出力光スペクトルを示している。
【００５２】
ＤＦＢレーザの出力特性について、光出力１００ｍＷのグラフＥ１では、その中心波長は８１０．７２ｎｍとなっている。また、光出力２００ｍＷのグラフＥ２では、その中心波長は８１０．９６ｎｍとなっている。また、これらのグラフＥ１、Ｅ２では、ピーク幅は、ＦＰレーザのグラフＥ０に比べて充分に狭いＦＷＨＭ＜０．１５ｎｍとなっており、光出力２００ｍＷ程度まで、回折格子２４による波長選択性が充分に機能して、単一波長発振が実現されていることがわかる。
【００５３】
本発明によるＤＦＢレーザの構成及び特性について、図１０〜図１４を参照してさらに説明する。
【００５４】
図１０は、ＤＦＢレーザの第１の構成例について示す図である。本構成例は、半導体基板１０をＧａＡｓ基板とした場合のＡｌＧａＡｓ系材料によるＤＦＢレーザの構成を示している。本ＤＦＢレーザでは、図１０（ａ）に示すように、下部光ガイド層１１、及び上部光ガイド層の第１、第２光ガイド層２２、２３はＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝３６％）によって、クラッド層１５、２５はＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝４３％）によって、また、低屈折率層３０はＡｌＧａＡｓ（Ａｌ＝７０％）によって、それぞれ構成されている。
【００５５】
また、図１０（ｂ）の図表に示すように、本構成例では、発振波長を８１０ｎｍ、量子井戸活性層２０の屈折率を３．７、量子井戸の幅を１０ｎｍに設定している。この場合の活性層２０の半導体材料としては、例えばＡｌＧａＡｓ、ＩｎＡｌＧａＡｓがある。その他の各半導体層の屈折率、回折格子の次数、及び回折格子ｄｕｔｙ比（％）については、図１０（ｂ）に示す通りである。
【００５６】
図１１は、図１０に示したＡｌＧａＡｓ系材料のＤＦＢレーザの特性について示す図表である。ここでは、下部光ガイド層１１の厚さをＸ０＝５００ｎｍで固定とし、また、上部の第１、第２光ガイド層２２、２３の厚さについては、Ｘ１＋Ｘ２＝４５０ｎｍを満たすように設定している。
【００５７】
また、図１１の図表（ａ）、（ｂ）では、それぞれ、第１、第２光ガイド層２２、２３の厚さＸ１、Ｘ２、及び低屈折率層３０の厚さＤの設定値に対し、量子井戸活性層２０への光閉じ込めの割合Γ（ＱＷ）、導波路構造での光強度分布の全体に対する回折格子２４との重なり部分の割合Γ（Ｇ）（図３参照）、結合係数κ（ｃｍ−１）、及び光共振器の共振器長をＬ＝０．２ｃｍとしたときのκＬの値をシミュレーションによって求めた結果を示している。
【００５８】
ここで、量子井戸活性層２０への光閉じ込めを示すΓ（ＱＷ）は、レーザ素子における発振閾値や効率、寿命に関わる光学的端面損傷（ＣＯＤ）の機構など、デバイスの諸特性を決定付けるパラメータであり、このΓ（ＱＷ）の変化は素子特性に大きく影響する。また、κＬは、ＤＦＢレーザの特性を実効的に左右するパラメータであり、一般的なＤＦＢレーザでは、κＬ＝２〜３程度が適していると言われている。
【００５９】
図１１の図表（ａ）は、低屈折率層３０の厚さをＤ＝５０ｎｍで固定とし、光ガイド層内での低屈折率層３０の位置を変えたときのＤＦＢレーザの特性の変化を示している。また、図１１の図表（ｂ）は、光ガイド層内での低屈折率層３０の位置を固定とし、低屈折率層３０の厚さＤを変えたときのＤＦＢレーザの特性の変化を示している。
【００６０】
これらの構成において、単一波長発振の安定度という観点では、κＬが０．６以上であることが好ましいことがわかった。また、低屈折率層３０を導入しない従来構造のＤＦＢレーザの実験結果から、κＬの上限は０．８程度であると予測している。κＬが０．８よりも大きくなると、波長安定性が良くなる一方で、その出力が低下する。
【００６１】
また、通常のＦＰレーザの実験結果から、Γ（ＱＷ）は２弱程度とすることが、特性、寿命などの観点で好ましいことがわかった。これらの点から考えると、上記した新規構造のＤＦＢレーザにおける光共振器の導波路構造については、κＬが０．６以上０．８以下となるように構成することが好ましい。図１１の図表（ａ）、（ｂ）においては、それぞれ、このようなκＬの範囲をＲ１、Ｒ２によって示している。
【００６２】
図１２は、ＤＦＢレーザの第２の構成例について示す図である。本構成例は、半導体基板１０をＧａＡｓ基板とした場合のＡｌＩｎＧａＰ系材料によるＤＦＢレーザの構成を示している。本ＤＦＢレーザでは、図１２（ａ）に示すように、下部光ガイド層１１、及び上部光ガイド層の第１、第２光ガイド層２２、２３はＩｎＧａＰによって、クラッド層１５、２５はＡｌＩｎＧａＰ（Ａｌ＝１５％）によって、また、低屈折率層３０はＡｌＩｎＧａＰ（Ａｌ＝８０％）によって、それぞれ構成されている。
【００６３】
また、図１２（ｂ）の図表に示すように、本構成例では、発振波長を８０８ｎｍ、量子井戸活性層２０の屈折率を３．６、量子井戸の幅を１０ｎｍに設定している。この場合の活性層２０の半導体材料としては、例えばＩｎＧａＡｓＰがある。その他の各半導体層の屈折率、回折格子の次数、及び回折格子ｄｕｔｙ比（％）については、図１２（ｂ）に示す通りである。
【００６４】
図１３は、図１２に示したＡｌＩｎＧａＰ系材料のＤＦＢレーザの特性について示す図表である。ここでは、図１１と同様に、下部光ガイド層１１の厚さをＸ０＝５００ｎｍで固定とし、また、上部の第１、第２光ガイド層２２、２３の厚さについては、Ｘ１＋Ｘ２＝４５０ｎｍを満たすように設定している。
【００６５】
図１３の図表（ａ）は、低屈折率層３０の厚さをＤ＝５０ｎｍで固定とし、光ガイド層内での低屈折率層３０の位置を変えたときのＤＦＢレーザの特性の変化を示している。また、図１３の図表（ｂ）は、光ガイド層内での低屈折率層３０の位置を固定とし、低屈折率層３０の厚さＤを変えたときのＤＦＢレーザの特性の変化を示している。また、図１３の図表（ａ）、（ｂ）においては、それぞれ、上記した好適なκＬの範囲をＲ３、Ｒ４によって示している。
【００６６】
図１０〜図１３の第１、第２の構成例に示したように、ＤＦＢレーザにおける回折格子２４の結合係数κは、導波路構造での光強度分布の全体に対する回折格子２４との重なり部分の割合Γ（Ｇ）（％）に依存する。また、このΓ（Ｇ）は、ＤＦＢレーザに用いられる半導体材料系、発振波長などによって変化する。
【００６７】
図１４は、結合係数κについて示す図である。図１４のグラフ（ａ）において、横軸は上記した光強度分布と回折格子２４との重なり割合Γ（Ｇ）（％）を示し、縦軸は結合係数κ（ｃｍ−１）を示している。グラフＦ１は、ＡｌＧａＡｓ系材料のＤＦＢレーザにおける波長λ＝８１０ｎｍでのΓ（Ｇ）と結合係数κとの相関を示している。また、グラフＦ２は、ＡｌＩｎＧａＰ系材料のＤＦＢレーザにおける波長λ＝８０８ｎｍでのΓ（Ｇ）と結合係数κとの相関を示している。
【００６８】
図１４の図表（ｂ）は、図１４（ａ）のグラフＦ１に対応するデータを示している。また、図１４の図表（ｃ）は、図１４（ａ）のグラフＦ２に対応するデータを示している。これらのデータに示すように、上記構造のＤＦＢレーザにおいて、Γ（Ｇ）と結合係数κとは、略線形の相関を有しており、したがって、低屈折率層３０によってΓ（Ｇ）の値を調整することで、回折格子２４の結合係数κを調整することができる。
【００６９】
本発明による分布帰還型半導体レーザは、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、ＤＦＢレーザの半導体積層構造を構成する各半導体層の材料については、光共振器の導波路構造における上記した屈折率分布を実現可能なものであれば、具体的には様々な材料を用いて良い。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、回折格子による波長選択性が好適に得られるとともに、レーザ光の高出力化が可能な分布帰還型半導体レーザとして利用可能である。
【符号の説明】
【００７１】
１Ａ、１Ｂ…分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）、１０…半導体基板、１１…下部光ガイド層、１５…下部クラッド層、２０…活性層、２１…上部光ガイド層、２２…第１光ガイド層、２３…第２光ガイド層、２４…回折格子、２５…上部クラッド層、２８…コンタクト層、３０…低屈折率層、３１…第１低屈折率層、３２…第２低屈折率層（グレーデッド層）。
【図１】
2011049535.tif 000003
【図２】
2011049535.tif 000004
【図３】
2011049535.tif 000005
【図４】
2011049535.tif 000006
【図５】
2011049535.tif 000007
【図６】
2011049535.tif 000008
【図７】
2011049535.tif 000009
【図８】
2011049535.tif 000010
【図１０】
2011049535.tif 000011
【図１１】
2011049535.tif 000012
【図１２】
2011049535.tif 000013
【図１３】
2011049535.tif 000014
【図１４】
2011049535.tif 000015
【図９】
2011049535.tif 000016