(57)【要約】【課題】少ない注入電流でも効果的に波長掃幅広げることができ、低消費電力で高性能な長波長帯半導体レーザを提供すること。【解決手段】ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ型にドープしたＩｎＡｌＡｓからなるｎ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層１０２、圧縮歪のＩｎＡｓ量子井戸とＩｎＧａＡｓ障壁層からなる３層多重量子井戸構造の活性層１０３が順に積層されている。活性層１０３上にはエッチングされて回折格子を構成するＩｎＧａＡｓＰ層が形成され、その上にｐ型にドープしたＩｎＰからなるｐ型ＩｎＰクラッド層１０５、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０６が順に積層されたリッジ構造が形成されている。そのリッジ構造の周囲にはポリイミド埋め込み層１０８が積層されている。この層構造のｎ型IｎＰ基板１０１側にはｎ型電極１０９が形成され、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０６上にはｐ型電極１１０が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＰ基板上に積層された第１のクラッド層と、
前記第１のクラッド層上に積層された活性層と、
前記活性層上に形成された回折格子と、
前記回折格子上に積層された第２のクラッド層と、
を備え、前記第１のクラッド層がＩｎＡｌＡｓからなることを特徴とする長波長帯半導体レーザ。
【請求項２】
前記第２のクラッド層は、ＩｎＰ又はＩｎＧａＡｌＡｓからなることを特徴とする請求項１に記載の長波長帯半導体レーザ。
【請求項３】
前記活性層は、ＩｎＡｓ量子井戸又はＩｎＧａＡｓ量子井戸とＩｎＧａＡｓ障壁層とからなる３層多重量子井戸構造をなすことを特徴とする請求項１又は２に記載の長波長帯半導体レーザ。
【請求項４】
前記回折格子は、ＩｎＧａＡｓＰからなることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の長波長帯半導体レーザ。
【請求項５】
前記活性層の利得を持つ波長は、１．６μｍ〜２．４μｍであることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の長波長帯半導体レーザ。
【請求項６】
前記回折格子および前記第２のクラッド層は、リッジ構造をなしていることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の長波長帯半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンシング用光源等として用いられる長波長帯半導体レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
メタン、一酸化炭素、二酸化炭素などの多くのガスは、その分子の振動エネルギーに対応した波長１．６μｍ〜２．４μｍの波長帯に狭いスペクトル幅の吸収を持っている。そのため、レーザ光をガスに照射してその透過光のスペクトルを測定することでガスのセンシングが行われている。このようなガスセンシング用光源等としては、ＩｎＰ基板上の長波長帯レーザが用いられてきた。ＩｎＰ基板上のレーザには、１．６μｍ帯付近では材料としてＩｎＧａＡｓＰやＩｎＧａＡｌＡｓなどが用いられ、それより長波長ではＩｎＧａＡｓが用いられ、さらに２．０μｍ帯以上ではＩｎＡｓ量子井戸が用いられてきた。
【０００３】
ガスセンシング用光源としてのレーザには、狭い発振波長線幅と広い掃引幅が要求されていることから、光ファイバを用いた高速通信用の分布帰還型半導体レーザ光源が用いられてきた。その際、半導体レーザの発振波長をガスの吸収線に合せたり、吸収線の前後を掃引するために、注入電流を変化させ内部のジュール熱による屈折率変化による波長の変化を用いたり、ペルチェなどの温度調節器による環境温度変化による波長変化を用いたりしてきた。図４に、従来のＩｎＰクラッドを用いた長波長帯半導体レーザの一次元モデルでの１００ｍＡ注入時の温度上昇を示す。この場合活性層の温度上昇は２３℃である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２２７３２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、現在、回折格子を有する分布帰還型半導体レーザにおいては、注入電流を変化させることにより、自己発熱を変化させることで回折格子を形成する部分の屈折率を変化させ、分布帰還型半導体レーザの共振波長を変化させているが、この方法では波長変化量が小さく、複数の吸収線を一度に掃引するのに必要な掃引幅がとれないという課題があった。また、その波長掃引幅を広げるために、ペルチェなどによる温度調節器により、活性層付近を温度上昇させ方法を用いるが、消費電力量が大きくなってしまうことや、調節に時間がかかるという課題があった。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、少ない注入電流でも効果的に波長掃幅広げることができ、低消費電力で高性能な長波長帯半導体レーザを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明は、長波長帯半導体レーザであって、ＩｎＰ基板上に積層された第１のクラッド層と、前記第１のクラッド層上に積層された活性層と、
前記活性層上に形成された回折格子と、前記回折格子上に積層された第２のクラッド層と、を備え、前記第１のクラッド層がＩｎＡｌＡｓからなることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の長波長帯半導体レーザにおいて、前記第２のクラッド層は、ＩｎＰ又はＩｎＧａＡｌＡｓからなることを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の長波長帯半導体レーザにおいて、前記活性層は、ＩｎＡｓ量子井戸又はＩｎＧａＡｓ量子井戸とＩｎＧａＡｓ障壁層とからなる３層多重量子井戸構造をなすことを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の長波長帯半導体レーザにおいて、前記回折格子は、ＩｎＧａＡｓＰからなることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れかに記載の長波長帯半導体レーザにおいて、前記活性層の利得を持つ波長は、１．６μｍ〜２．４μｍであることを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５の何れかに記載の長波長帯半導体レーザにおいて、前記回折格子および前記第２のクラッド層は、リッジ構造をなしていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、少ない注入電流でも効果的に波長掃幅広げることができ、低消費電力で高性能なガスセンシング用レーザの実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態１に係る長波長帯半導体レーザの層構造を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る長波長帯半導体レーザでの１００ｍＡ注入時の温度上昇を示す図である。
【図３】本発明の実施形態２に係る長波長半導体レーザの層構造を示す図である。
【図４】従来のＩｎＰクラッドを用いた長波長帯半導体レーザの一次元モデルでの１００ｍＡ注入時の温度上昇を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、熱伝導率が低いＩｎＡｌＡｓをクラッド層に用いることで、ＩｎＰクラッド層を用いた従来の通信用レーザに比べ、少ない注入電流でも効果的に活性層の温度を上昇させ、波長掃引幅を拡大させることができる。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１７】
（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係る長波長帯半導体レーザの層構造を示す。ｎ型ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ型にドープしたＩｎＡｌＡｓからなるｎ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層１０２、圧縮歪のＩｎＡｓ量子井戸とＩｎＧａＡｓ障壁層からなる３層多重量子井戸構造の活性層１０３が順に積層されている。活性層１０３上にはエッチングされて回折格子を構成するＩｎＧａＡｓＰ層１０４が形成され、その上にｐ型にドープしたＩｎＰからなるｐ型ＩｎＰクラッド層１０５、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０６が順に積層されたリッジ構造が形成されている。そのリッジ構造の周囲にはＳｉＯ２層１０７、ポリイミド埋め込み層１０８が積層されている。ｐ型ＩｎＰクラッド層１０５はリッジ構造にした際に酸化を抑える必要があり、酸化しにくいＩｎＰとしている。
【００１８】
この層構造のｎ型IｎＰ基板１０１側にはｎ型電極１０９が形成され、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０６上にはｐ型電極１１０が形成されている。
【００１９】
このように、本発明の長波長帯半導体レーザは、活性層１０３をｎ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層１０２とｐ型ＩｎＰクラッド層１０５とで挟んだダブルへテロレーザ構造を有している。
【００２０】
次に、実施形態１に係る長波長帯半導体レーザの作製方法について説明する。各層の成長には、有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いることができる。ｎ型ＩｎＰ基板１０１上にＳｉを１ｘ１０１８（ｃｍ−３）ドープした厚さ１．５μｍのｎ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層１０２を成長し、その上に活性層１０３を成長する。活性層１０３の上にＩｎＧａＡｓＰ層１０４を成長して回折格子を作製後、さらにｐ型ＩｎＰクラッド層１０５を１．５μｍの厚さに成長し、その上にｐ型に２ｘ１０１９（ｃｍ−３）ドープした厚さ３００ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０６を成長する。
【００２１】
この上にスパッタリングでＳｉＯ２層１０７を堆積し、さらにフォトリソグラフィによってストライプ状のマスクを形成する。ドライエッチングにより幅１．７μｍのメサストライプを形成する。この両脇をポリイミド埋め込み層１０８で埋め込み、ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０６上のＳｉＯ２層をフッ酸等でエッチングしてｎ型ＩｎＰ基板１０１を研磨後に上下に電極を形成する。
【００２２】
この層構造を共振器長が３００μｍになるようにへき開し、光出射する側は低反射率コーティングを施し、反対側の面には９０％程度の高反射率が得られるコーティングを施す。
【００２３】
図２に、本発明の実施形態１に係る長波長帯半導体レーザでの１００ｍＡ注入時の温度上昇を示す。図４に示すように、従来のＩｎＰクラッドを用いた長波長帯半導体レーザでは活性層の温度上昇は２３℃であったのに対し、ＩｎＡｌＡｓクラッドを用いた本発明では活性層１０３の温度上昇は９５℃である。この上昇温度の差は７２℃であり、本発明は、従来のＩｎＰクラッドを用いた長波長帯半導体レーザに比べて、最大約７ｎｍの波長掃引幅が拡大する。波長の変化量は必要な光出力や電流の可変幅により調整可能である。
【００２４】
以上のように外部の温度調節器無しでも波長掃引幅を拡大できるため、消費電力の低減や掃引の高速化が可能になる。
【００２５】
尚、実施形態１ではｐ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層１０２を用いたが、これに替えてｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層とすることも可能である。
【００２６】
（実施形態２）
図３に、本発明の実施形態２に係る長波長半導体レーザの層構造を示す。実施形態２では、基板にｐ型にドープしたものを用い、活性層にＩｎＧａＡｓ量子井戸とＩｎＧａＡｓ障壁層からなる３層多重量子井戸構造を用いる点が実施形態１と異なる。
【００２７】
ｐ型ＩｎＰ基板３０１上に、ｐ型にドープしたＩｎＡｌＡｓからなるｐ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層３０２、圧縮歪のＩｎＧａＡｓ量子井戸とＩｎＧａＡｓ障壁層からなる３層多重量子井戸構造の活性層３０３が順に積層されている。活性層３０３上にはエッチングされて回折格子を構成するＩｎＧａＡｓＰ層３０４が形成され、その上にｎ型にドープしたＩｎＰからなるｎ型ＩｎＰクラッド層３０５、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層１０６が順に積層されたリッジ構造が形成されている。そのリッジ構造の周囲にはＳｉＯ２層３０７、ポリイミド埋め込み層３０８が積層されている。ｎ型ＩｎＰクラッド層３０５はリッジ構造にした際に酸化を抑える必要があり、酸化しにくいＩｎＰとしている。
【００２８】
この層構造のｐ型ＩｎＰ基板３０１側にはｐ型電極３０９が形成され、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０６上にはｎ型電極３１０が形成されている。
【００２９】
このように、本発明の長波長帯半導体レーザは、活性層３０３をｐ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層３０２とｎ型ＩｎＰクラッド層３０５とで挟んだダブルへテロレーザ構造を有している。
【００３０】
次に、実施形態２に係る長波長帯半導体レーザの作製方法について説明する。各層の成長には、実施形態１と同様に有機金属気相成長法（ＭＯＶＰＥ法）を用いることができる。ｐ型ＩｎＰ基板３０１上にＣ（炭素）を１ｘ１０１８（ｃｍ−３）ドープした厚さ１．５μｍのｐ型ＩｎＡｌＡｓ層３０２を成長し、その上に活性層３０３を成長する。活性層３０３の上にＩｎＧａＡｓＰ層３０４を成長して回折格子を作製後、さらにｎ型ＩｎＰクラッド層３０５を１．５μｍの厚さに成長し、その上にｎ型に２ｘ１０１９（ｃｍ−３）ドープした厚さ３００ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０６を成長する。
【００３１】
この上にスパッタリングでＳｉＯ２層３０７を堆積し、さらにフォトリソグラフィによってストライプ状のマスクを形成する。ドライエッチングにより幅１．７μｍのメサストライプを形成する。この両脇をポリイミド埋め込み層３０８で埋め込み、ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層３０６上のＳｉＯ２層をフッ酸等でエッチングしてｐ型ＩｎＰ基板３０１を研磨後に上下に電極を形成する。
【００３２】
この層構造を共振器長が３００μｍになるようにへき開し、光出射する側は低反射率コーティングを施し、反対側の面には９０％程度の高反射率が得られるコーティングを施す。
【００３３】
実施形態２では、実施形態１と同様に、従来のＩｎＰクラッドを用いた長波長帯半導体レーザに比べて、活性層３０３の温度上昇は高く、波長掃引幅が拡大する。
【００３４】
実施形態２では、ｐ型のクラッド層として、ＩｎＰよりもバンドギャップの大きいＩｎＡｌＡｓを用いることで、活性層が高温になった場合に問題となる、電子のｐ側への漏れ（キャリアオーバーフロー）を抑えることができる。そのため、実施形態１よりも広い電流注入範囲でのレーザ発振が期待でき、最大波長可変幅の拡大が期待される。
【００３５】
尚、実施形態２ではｎ型ＩｎＡｌＡｓクラッド層３０２を用いたが、これに替えてｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓクラッド層とすることも可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０１  ｎ型ＩｎＰ基板
１０２  ｎ型ＩｎＡｌＡｓ層
１０３  活性層
１０４  ＩｎＧａＡｓＰ層
１０５  ｐ型ＩｎＰクラッド層
１０６  ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
１０８  ポリイミド埋め込み層
１０９  ｎ型電極
１１０  ｐ型電極
３０１  ｐ型ＩｎＰ基板
３０２  ｐ型ＩｎＡｌＡｓ層
３０３  活性層
３０４  ＩｎＧａＡｓＰ層
３０５  ｎ型ＩｎＰクラッド層
３０６  ｎ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層
３０８  ポリイミド埋め込み層
３０９  ｐ型電極
３１０  ｎ型電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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