(57)【要約】【課題】キンクフリーレベルを向上させ高光出力化を図ったリッジ型半導体レーザを提供する。【解決手段】第１導電型の下部クラッド層１１と、上方に突出するリッジ部１２ａを有する第２導電型の上部クラッド層１２と、下部クラッド層１１と上部クラッド層１２との間に挟まれた活性層１３とを第１導電型の半導体基板１４上に備えるとともに、上部クラッド層１２のリッジ部１２ａの両脇の上面側に上部電極１５が形成され、半導体基板１４の下面側に下部電極１６が形成されている半導体レーザ１０。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型の下部クラッド層と、上方に突出するリッジ部を有する第２導電型の上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に挟まれた活性層とを第１導電型の半導体基板上に備えるとともに、前記上部クラッド層のリッジ部の両脇の上面側に上部電極が形成され、前記半導体基板の下面側に下部電極が形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザ、特に希土類添加ファイバ増幅器の励起用光源に適したリッジ型半導体レーザの構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ増幅器は光ファイバ通信システムにおいて不可欠であり、特に希土類添加ファイバ増幅器の１つであるエルビウムドープファイバ増幅器（Er3+-doped Fiber Amplifier：ＥＤＦＡ）は１５５０ｎｍ帯伝送用に広く用いられている。ＥＤＦＡの励起用光源（ポンプレーザ）として発振波長９８０ｎｍおよび１４８０ｎｍの半導体レーザが用いられる。特に発振波長９８０ｎｍの半導体レーザは、ＥＤＦＡに用いた場合、発振波長１４８０ｎｍの半導体レーザに比べ雑音指数を小さくできるため、注目されている。
【０００３】
リッジ型半導体レーザは、活性層を空気に曝さないようにするため上部クラッド層にリッジ部を有し、リッジ部の両脇を半導体層で埋め込まない構造となっている。そして、一般的に発振波長９８０ｎｍの半導体レーザには、リッジ型構造が用いられる。このような従来のリッジ型半導体レーザ９０は、図７にその概略断面図を示すように、ｎ型の下部クラッド層９１と、上方に突出するリッジ部９２ａを有するｐ型の上部クラッド層９２と、下部クラッド層９１と上部クラッド層９２との間に挟まれた活性層９３とがｎ型の半導体基板９４上に設けられ、上部クラッド層９２のリッジ部９２ａの上面には上部電極９５が形成され、半導体基板９４の下面には下部電極９６が形成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平７−２７０７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
半導体レーザは、特に光ファイバ増幅器に用いられる場合、光ファイバ通信システム全体におけるコスト削減と信頼性向上のため、高光出力化が望まれている。半導体レーザは、リッジ部の上面に形成された上部電極からの電流注入の増加に伴い、注入電流−光出力特性にキンク（折れ曲がり）が現れる。このキンクが現れる電流値前後では、単一横モード発振から多横モード発振へと変化しており、光ファイバとの結合効率が著しく悪化するなど、レーザ特性が著しく損なわれる。そのため、キンクの発生する光出力レベルであるキンクフリーレベル以下の光出力でしか半導体レーザを使用することができない。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、キンクフリーレベルを向上させ高光出力化を図ったリッジ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】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の半導体レーザは、第１導電型の下部クラッド層と、上方に突出するリッジ部を有する第２導電型の上部クラッド層と、前記下部クラッド層と前記上部クラッド層との間に挟まれた活性層とを第１導電型の半導体基板上に備えるとともに、前記上部クラッド層のリッジ部の両脇の上面側に上部電極が形成され、前記半導体基板の下面側に下部電極が形成されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
請求項１に記載の半導体レーザによれば、第１導電型の下部クラッド層と、上方に突出するリッジ部を有する第２導電型の上部クラッド層と、下部クラッド層と上部クラッド層との間に挟まれた活性層とを第１導電型の半導体基板上に備えるとともに、上部クラッド層のリッジ部の両脇の上面側に上部電極が形成され、半導体基板の下面側に下部電極が形成されている。そのため、リッジ部の両脇の上部クラッド層の上面側に形成された２箇所の上部電極から電流注入が行われる。よって、リッジ部の上面に形成された上部電極から電流注入が行われる従来の半導体レーザに比べて、活性層の中央部で電子密度が大きくなることが抑制されることにより、屈折率減少が低減し、当該中央部で相対的な屈折率が高くなる。従って、高次モードの発生を抑制し基本モードの安定化を図ることができるので、キンクフリーレベルを向上させ高光出力化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明に係る半導体レーザについて、図面に基づき説明する。本半導体レーザ１０は、図１にその概念断面図を示すように、第１導電型の下部クラッド層１１と、上方に突出するリッジ部１２ａを有する第２導電型の上部クラッド層１２と、下部クラッド層１１と上部クラッド層１２との間に挟まれた活性層１３とを第１導電型の半導体基板１４上に備えるとともに、上部クラッド層１２のリッジ部１２ａの両脇の上面側に上部電極１５が形成され、半導体基板１４の下面側に下部電極１６が形成されている。上部電極１５は、電子が流入する側の電極であるアノードであり、下部電極１６は電子が放出される側の電極であるカソードである。
【０００９】
上部電極１５は、半導体レーザ１０の長手方向に延在するリッジ部１２ａの短手方向両外側下端に沿って長手方向に延在している。すなわち、上部電極１５は、上部クラッド層１２の平坦部１２ｂの上側に、それぞれリッジ部１２ａと近接して２個に分離して形成されている。図７に示した従来の半導体レーザ９０とは異なり、リッジ部１２ａの上側には電極は形成されていない。また、リッジ部１２ａのいずれの側面にも電極は形成されていない。
【００１０】
キンクが発生する原因は、光強度が大きくなると光強度のピーク部で自由キャリアが不足し、横方向のホールバーニングが生じ、光強度分布とキャリア分布のピークが一致しなくなり、高次モードが励起されるためである。図７に示した従来の半導体レーザ９０においては、リッジ部９２ａの上面側中央に上部電極９５がある。そのため、自由キャリアによるプラズマ効果によって活性層９３の中央部で電子密度が最も大きくなり屈折率が減少するので、高次モードが励起され基本モードが安定しくにい。一方、本発明に係る半導体レーザ１０においては、リッジ部１２ａの両脇に上部電極１５を配置することにより、リッジ部１２ａの側方外側の２箇所から電流注入を行っている。そのため、活性層１３の中央部で電子密度が大きくなることを抑制して屈折率減少を低減し、当該中央部で相対的な屈折率が高くなるので、高次モードの発生を抑制し基本モードの安定化を図ることができる。これにより、キンクフリーレベルを向上させ高光出力化を図ることが可能となる。
【００１１】
以下、本発明に係る半導体レーザ１０と図７に示した従来の半導体レーザ９０に対し、シルバコ・ジャパン社のＡＴＬＡＳデバイスシュミレータを用いて行ったシミュレーションについて説明する。このシミュレーションは、リッジ部１２，９２の高さを１．２μｍ、リッジ部１２，９２の幅を２．５μｍ、半導体レーザ１０，９０の全幅を２００μｍ、半導体レーザ１０の各上部電極１５の幅をそれぞれ１．２５μｍ、半導体レーザ９０の上部電極９５の幅を２．５μｍ、共振器長を１２００μｍ、端面の反射率を９０％、２パーセントとして行った。
【００１２】
シミュレーションの結果を図２から図４に示す。なお、図２から図４においては、半導体レーザ１０に係る結果を実線にて、半導体レーザ９０に係る結果を破線にて示している。活性層１３，９３における電子密度分布および等価屈折率分布をそれぞれ示す図２および図３から理解されるように、従来の半導体レーザ９０においては、活性層９３の中央部で電子密度が最も大きくなり屈折率が減少している。一方、本発明に係る半導体レーザ１０においては、電子密度が活性層１３の中央部付近で凹状に分布して、中央部での電子密度は従来よりも小さくなっている。これに伴い、屈折率が活性層１３の中央部付近で上下逆の凹状に分布し、中央部での屈折率が従来よりも高くなっている。そして、電流−光出力特性を示す図４から理解されるように、従来の半導体レーザ９０のキンクフリーレベルが約３０ｍＷであるのに対し、本発明に係る半導体レーザ１０のキンクフリーレベルは約６０ｍＷであり、従来の約２倍という高いレベルに向上している。なお、図４においては、キンク部分を矢印にて示している。
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る半導体レーザ１００およびその製造工程について図５（ａ）から図５（ｃ）および図６に基いて説明する。ここでは、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザである場合について説明する。まず、ＧａＡｓなどからなり厚さ約３００μｍあるいは４５０μｍのｎ型の半導体基板１０１を用意する。そして、図５（ａ）に示すように、半導体基板１０１の一方の表面部に、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）法、有機金属化学気相成長（ＭＯＣＶＤ）法等のエピタキシャル成長法などを用いて、ＧａＩｎＰなどから形成され厚さ約０．３μｍのｎ型のバッファ層１０２、ＡｌＧａＩｎＰなどから形成され厚さ約２μｍのｎ型の下部クラッド層１０３、ＡｌＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＰなどから形成され厚さ約０．１μｍの活性層１０４、ＡｌＧａＩｎＰなどから形成され厚さ約１μｍのｐ型の上部クラッド層１０５を、半導体基板１０１の厚み方向に順次結晶成長させる。
【００１４】
次に、図５（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー技術により作製したパターン幅２．５μｍのリッジ状のレジストパターン（不図示）を用いてリッジ部１０５ａを形成する。上部クラッド層１０５のレジストパターンで覆われていない領域をウェットエッチングまたはドライエッチングによって約１μｍエッチングして除去する。これにより、上部クラッド層１０５の表面部に幅２．５μｍ高さ約１μｍのリッジ部１０５ａが形成される。形成後、レジストは除去する。続いて、リッジ部１０５ａ全体、すなわちリッジ部１０５ａの上面および両側面、ならびにリッジ部１０５ａの両側に位置する平面部１０５ｂのリッジ部１０５ａからそれぞれ幅約１．２５μｍの部分を除く上部クラッド層１０５の表面に、プラズマ化学気相成長（Plasma−ＣＶＤ）法などを用いてＳｉＯ２などの誘電材料からなり厚さ約０．２μｍの誘電体膜１０６を成膜する。これによって、リッジ部１０５ａから両側方にそれぞれ長手方向に延び幅約１．２５μｍ以内の部分を除く上部クラッド層１０５の平坦部１０２ｂの表面に誘電体膜１０６が形成される。
【００１５】
次に、上部クラッド層１０５の平坦部１０５ｂの表面にレジスト膜を形成し、リッジ部１０５ａから両側方にそれぞれ幅５０μｍ以上に渡って長手方向に延びる開口を有するレジストパターン（不図示）を作製する。その後、Ａｕ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｐｔなど電気伝導度の小さい金属材料を厚さ約０．１μｍで上部クラッド層１０５の上面全面に渡って蒸着し、レジスト膜をその上に蒸着された各金属と共に除去（リフトオフ）する。これにより、上部クラッド層１０５と幅約１．２５μｍだけづつ直接接触することによりオーミック接触したアノード１０７が形成される。その後、半導体基板１０１の裏面を基板の厚みが約１００μｍとなるように研磨した上でカソード１０８を形成する。以上の工程により本発明の実施形態に係る半導体レーザ１００が得られる。そして、各アノード１０７には、図示しないが、ボンディング等によりそれぞれ電源に接続されるためのワイヤが接続される。
【００１６】
なお、本発明に係る半導体レーザ は、ＡｌＧａＩｎＰ系の半導体レーザに限定されず、ＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系などの半導体レーザであってもよい。この場合、半導体基板１０１、バッファ層１０２、下部クラッド層１０３、活性層１０４、上クラッド層１０５等の材料は、適宜選択される。
【００１７】
また、活性層１０４は、量子井戸構造であることが好ましい。量子井戸構造の活性層１０４を設けることによって、半導体レーザ１００の光出力を高めることができる。量子井戸構造の活性層１０４は、障壁層と、障壁層よりもバンドギャップの小さい井戸層とを含み構成される。この場合、活性層１０４は、単一量子井戸構造であっても、多重量子井戸構造であってもよい。また、アノード１０７と上部クラッド層１０５との界面に、オーミック接触を形成するためのキャップ層を挟む構造とすることが好ましい。
【００１８】
さらに、図１及び図５（ｃ）等において、リッジ部１２ａ，１０５ａの断面形状を長方形としたが、これに限定されず、台形や逆台形等であってもよい。また、リッジ部１２ａ，１０５ａと上部電極（アノード）１５，１０７との間に微小な隙間があるものであっても、リッジ部１２ａ，１０５ａの側壁の下端部と上部電極（アノード）１５，１０７とが接触するものであってもよい。また、図５（ｃ）及び図６において、２つのアノード１０７を形成する金属層が分離するものとしたが、これに限定されず、リッジ部１０７の上側にて金属層が連続して一体となっているものであってもよい。この場合、リッジ部１０７の上面にＳｉＯ２などの誘電材料からなる誘電体膜１０６を成膜しておけばよい。また、リッジ部の両脇を半導体層で埋め込まないリッジ型半導体レーザについて説明したが、埋込型半導体レーザに適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る半導体レーザ１０を示す概念断面図である。
【図２】活性層における電子密度分布をシミュレーションによって求めたグラフである。
【図３】活性層における等価屈折率分布をシミュレーションによって求めたグラフである。
【図４】活性層における等価屈折率分布をシミュレーションによって求めたグラフである。
【図５】本発明の実施の形態に係る半導体レーザ１００の製造工程を示す模式断面図である。
【図６】半導体レーザ１００を示す模式断面斜視図である。
【図７】従来の半導体レーザ９０を示す概念断面図である。
【符号の説明】
【００２０】
１０，１００  半導体レーザ
１１，１０３  下部クラッド層
１２，１０５  上部クラッド層
１２ａ，１０５ａ  リッジ部
１２ｂ，１０５ｂ  平坦部
１３，１０４  活性層
１４，１０１  半導体基板
１５，１０７  上部電極、アノード
１６，１０８  下部電極、カソード
【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５】
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【図６】
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【図７】
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