(57)【要約】【課題】波長可変幅の増大と高速応答を実現する波長可変半導体レーザを提供する。【解決手段】ｎ型のＧａＡｓ基板１１１上に半導体多層膜からなる光導波路が形成されている。光導波路は３領域に分割され、発光再結合する活性層１１３を含む利得領域１０１、導波光の位相を制御する位相制御領域１０２、電流注入により屈折率変化を生じる回折格子層１１５ａを有し、発振波長を選択する機能を持つＤＢＲ領域１０３から構成されている。各領域間の境界はコンタクト層１１９から第一クラッド層１１２までエッチングされている部分１００ａ、およびコンタクト層１１９のみがエッチングされている部分１００ｂが存在し、光導波路の横に溝が形成されている。【選択図】  図１
2004281517.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を含む光導波路を備えた共振器と、前記光導波路に沿って配置された第１の電流注入領域および第２の電流注入領域と、前記第１の電流注入領域と前記第２の電流注入領域との間に形成された分離領域とを有し、前記第１の電流注入領域の幅が前記第２の電流注入領域の幅よりも狭いことを特徴とする波長可変半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記共振器方向に対して少なくとも一箇所以上の分離領域を有し、前記分離領域の幅が前記第一の領域の素子幅と等しいことを特徴とする波長可変半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記第１の電流注入領域に回折格子が形成されていることを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体レーザ装置。
【請求項４】
活性層を有する光導波路を形成する工程と、前記光導波路に対しマスクを形成する工程と、前記光導波路に対し垂直な方向に帯状のパターンになるようにマスクを除去し、さらに前記帯状のパターンに対して片側の光導波路に対し前記光導波路に沿って帯状にマスクを残す工程と、前記光導波路に対してエッチングを施し、互いに幅の異なる２つの領域およびこれら２つの領域を分離する分離領域を形成する工程とを有することを特徴とする波長可変半導体レーザ装置の製造方法。
【請求項５】
前記光導波路に対してエッチングを施すのに、硫酸系およびクエン酸系エッチャントを用いてエッチングを施すことを特徴とする、請求項３記載の波長可変半導体レーザ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光情報処理および光計測などの光源として有用である波長可変半導体レーザ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
波長可変半導体レーザ装置は光通信の幹線系の波長多重伝送システム、波長分割光交換システムなどへの応用の他に、光情報処理および光計測の分野においてもその重要性が増してきている。これまでに波長可変半導体レーザ装置の主なものとして、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ：  Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）レーザおよび分布帰還型（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザがある（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。これらのレーザは、回折格子のピッチの長さとその光導波路の屈折率によって発振波長が決まり、その物理量を変えられれば発振波長を変えることができる。
【０００３】
実用性を考えると、屈折率を変えることによって波長を変化させる波長可変半導体レーザ装置が有用であり、その一例として図７に示すような３電極型ＤＢＲレーザが開発された。この３電極型ＤＢＲレーザは、基板５１１の上に第１クラッド層５１２、活性層５１３、第二クラッド層５１４、第三クラッド層５１６、電流ブロック層５１７、第四クラッド層５１８、コンタクト層５１９が順次形成された構成を有している。また、この３電極レーザは、利得領域５０１、位相制御領域５０２および回折格子５１５ａを有するＤＢＲ領域５０３から形成され、各領域個別に電流注入することができる。
【０００４】
この構造において、利得領域５０１の活性層５１３に電流注入することでレーザ発振が生じる。このとき、レーザ発振光は回折格子５１５ａによる最も反射率の高い発振波長が選択されＤＢＲモード発振を生じることになる。さらに、ＤＢＲ領域５０３に電流注入を行えば、選択波長を変えることが可能になる。このとき、モードホップを抑制するために、位相制御領域５０２へ電流注入を行えば位相を制御することができる。したがって、図７のＤＢＲレーザを用いれば、モードホップを抑制した状態で発振波長を数ｎｍ変化させることが可能な波長選択性のあるレーザを実現することが可能である。また、屈折率を変化させる方法がプラズマ効果ではなく熱効果を用いているために、キャリア密度のゆらぎが生じず、スペクトル線幅が大きく劣化しない特徴がある。なお、図７中５２１は分離溝幅を示し、５２１はＤＢＲ領域幅を示す。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−２５２４１４号公報
【特許文献２】
特開２００２−２８９９６５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の構造では波長可変幅が狭い、波長可変の応答性が低いなどの課題があった。すなわち、従来の構造では熱抵抗が小さく、かつ熱容量が大きい。一般に、熱容量は材料の比熱、密度および体積に比例する。この場合、体積は活性層からヒートシンクへの熱流が流れる領域となる。したがって、熱容量は発熱源である活性層周辺に存在する領域が大きく影響する。従来の構造においては、活性層周辺に存在する領域が大きいことに加え、電流注入による発熱量が小さい。その結果、温度変化の時定数が増加し、動作電流を大きくせざるを得ない。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来の課題を解決するものであり、動作電流の増加を引き起こすことなく波長可変幅の増大と高速応答の両立を可能とする波長可変半導体レーザ装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の波長可変半導体レーザ装置は、以下のような構成としている。
【０００９】
本発明の波長可変半導体レーザ装置は、活性層を含む光導波路を備えた共振器と、前記光導波路に沿って配置された第１の電流注入領域および第２の電流注入領域と、前記第１の電流注入領域と前記第２の電流注入領域との間に形成された分離領域とを有し、前記第１の電流注入領域の幅が前記第２の電流注入領域の幅よりも狭いものである。この構成により、光導波路幅が狭くなるために熱抵抗を増加させることができる。したがって、注入電流による発熱にともなう、光導波路の屈折率変化を効果的に増加することができる。すなわち、小さい注入電流の増加で、光導波路部分の温度が上昇して、ブラッグ波長が長波長側ヘシフトし、発振波長を長波長化させることが可能である。また、活性層周辺に存在する半導体層が減少しているために熱容量が減少する。熱抵抗の増加と同時に熱容量を減少させることができるために、光導波路に関する屈折率変化の応答性低下を避けることができる。
【００１０】
本発明の波長可変半導体レーザ装置は、さらに前記共振器方向に対して少なくとも一箇所以上の分離領域を有し、前記分離領域の幅が前記第一の領域の素子幅と等しいものである。この好ましい構成によれば、光導波路内における光分布を乱すことがないため、前記第一の領域と前記第二の領域間の結合効率を低下させることがない。したがって、動作電流の増加を引き起こすことなく、上記屈折率変化の増大を実現することができる。
【００１１】
本発明の波長可変半導体レーザ装置は、さらに前記第１の電流注入領域に回折格子が形成されたことが好ましい。この好ましい構成によれば、この構成により、上記の屈折率変化が発振波長の長波長化を可能にする。したがって、波長可変幅の増大と応答性を両立することができる。
【００１２】
本発明の波長可変半導体レーザ装置の製造方法は、活性層を有する光導波路を形成する工程と、前記光導波路に対しマスクを形成する工程と、前記光導波路に対し垂直な方向に帯状のパターンになるようにマスクを除去し、さらに前記帯状のパターンに対して片側の光導波路に対し前記光導波路に沿って帯状にマスクを残す工程と、前記光導波路に対して硫酸系およびクエン酸系エッチャントを用いてエッチングを施し、互いに幅の異なる２つの領域およびこれら２つの領域を分離する分離領域を形成する工程とを有するものである。この構成により、前記第二の領域の素子幅より狭く素子幅を形成する工程を含むことにより、前記第一の領域の光導波路幅を選択的に狭くなるために、熱抵抗の増加と熱容量の減少を同時に実現することができる。したがって、波長可変幅の増大と高速応答を実現することができる。
【００１３】
本発明の波長可変半導体レーザ装置の製造方法は、エッチングを施す際に、さらに硫酸系およびクエン酸系エッチャントを用いることが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態における波長可変半導体レーザ装置であるＤＢＲレーザを示す図面である。
【００１５】
ｎ型のＧａＡｓ基板１１１上にｎ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第一クラッド層１１２、ＧａＡｓ井戸層／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ障壁層の量子井戸構造からなる活性層１１３、ｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第二クラッド層１１４、回折格子１１５ａが形成されたｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ回折格子層、ｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第三クラッド層１１６、ｎ型のＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ電流ブロック層１１７、ｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第四クラッド層１１８、およびｐ型のＧａＡｓコンタクト層１１９の半導体多層膜からなる光導波路が形成されている。光導波路は３領域に分割され、これら３領域のそれぞれが共振器方向に直列に並ぶように配置され、発光再結合する活性層１１３を含む利得領域１０１、導波光の位相を制御する位相制御領域１０２、電流注入により屈折率変化を生じる回折格子１１５ａを有し、発振波長を選択する機能を持つＤＢＲ領域１０３から構成されている。各領域間の境界はコンタクト層１１９から第一クラッド層１１２までエッチングされている部分１００ａ、およびコンタクト層１１９のみがエッチングされている部分１００ｂが存在し、光導波路の横に溝が形成されている。以下、各領域間の溝を分離溝と呼ぶ。このような分離溝の形成により、各領域に対して個別に電流注入を行うことが可能になると同時に、電流注入による発熱量を遮断することができる。ただし、分離溝の幅１２０は、光導波路内における光分布を乱すことがないようにするため、２０μｍ以上とする。これにより、各領域間の結合効率を低下させることがない。
【００１６】
ＤＢＲ領域１０３においては、ＤＢＲ領域の幅１２１を分離溝の幅１２０と等しくするために、利得領域１０１および位相制御領域１０２に比べて、光導波路の幅が狭い。このように光導波路の幅を狭くすることにより、ＤＢＲ領域１０３の熱抵抗の増加と熱容量の低減を同時に実現できる。
【００１７】
図２〜図４は本発明の実施形態におけるＤＢＲレーザの製造工程図である。図２（ａ）に示すように、ｎ型のＧａＡｓ基板２１１上にＭＯＣＶＤ法あるいはＭＢＥ法を用いた第一の結晶成長工程において、ｎ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第一クラッド層２１２（厚さ３μｍ）、ＧａＡｓ井戸層（厚さ４２Å）／Ａｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ障壁層（厚さ７５Å）からなる二重量子井戸構造からなる活性層２１３、ｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第二クラッド層２１４（厚さ８００Å）、ｐ型のＡｌ０．２Ｇａ０．８Ａｓ回折格子層２１５（厚さ２００Å）を形成する。
【００１８】
活性層は本実施の形態では無歪の多重量子井戸を用いているが、歪量子井戸あるいはバルクを用いても良い。また、活性層の導電型は特に記載していないが、ｐ型であっても、ｎ型であっても、もちろんアンドープであっても構わない。
【００１９】
次に図２（ｂ）に示すように、干渉露光法や電子ビーム露光法などとウェットエッチングあるいはドライエッチングにより、回折格子層２１５に光共振器方向に周期を持つ回折格子２１５ａを形成する。
【００２０】
次に図２（ｃ）に示すように、回折格子層の一部をウェットエッチングおよびドライエッチングにより除去し、利得領域および位相制御領域を形成する。
【００２１】
次に図２（ｄ）に示すように、利得領域上のみにレジスト、あるいはＳｉＯ２、ＳｉＮｘといった保護膜２０４を形成し、全面にイオン注入あるいは不純物拡散を行う。この結果、保護膜２０４が形成されていない部分の活性層２１３は無秩序化され、そのバンドギャップの大きさが増大する。
【００２２】
次に図３（ｅ）に示すように、第二の結晶成長工程において、回折格子層２１５と露出したｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第二クラッド層２１４上にｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第三クラッド層２１６（厚さ８００Å）、ｎ型のＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ電流ブロック層２１７（厚さ０．７μｍ）を形成する。
【００２３】
なお、電流ブロック層２１７の厚さが薄いと横方向の光の閉じ込めが不十分となり横モードが不安定になる。電流ブロック層２１７の厚さは０．４μｍ以上が望ましい。
【００２４】
次に図３（ｆ）に示すように、ｎ型のＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ電流ブロック層２１７上にフォトリソグラフィー技術を用いて、ウェットエッチングによりストライプを形成し、ｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第三クラッド層２１６を露出させる。
【００２５】
次に図３（ｇ）に示すように、第三の結晶成長工程において、ｎ型のＡｌ０．６Ｇａ０．４Ａｓ電流ブロック層２１７と露出したｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第三クラッド層２１６上にｐ型のＡｌ０．５Ｇａ０．５Ａｓ第四クラッド層２１８（厚さ２．５μｍ）、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層２１９（厚さ２．５μｍ）を形成する。
【００２６】
次に図３（ｈ）に示すように、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層２１９上にフォトリソグラフィー技術を用いて、硫酸系エッチャントによるウェットエッチングでｎ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第一クラッド層２１２の一部まで除去する。この結果、ＤＢＲ領域幅２２１が決定される。
【００２７】
次に図４（ｉ）に示すように、クエン酸系エッチャントによるウェットエッチングを用いて、ｐ型のＧａＡｓコンタクト層２１９を除去し、利得領域２０１、位相制御領域２０２、ＤＢＲ領域２０３を形成する。また、分離溝幅２２０も同時に形成される。
【００２８】
次に図４（ｊ）に示すように、ウェットエッチング、あるいはドライエッチングによりＤＢＲ領域２０３のｎ型のＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓ第一クラッド層２１２、ｎ型のＧａＡｓ基板２１１を除去する。
【００２９】
図５は図１に示すＤＢＲレーザにおいて、ＤＢＲ領域１０３の熱抵抗と熱容量の光導波路幅依存性を理論計算した結果である。光導波路の幅Ｗを狭くしていくにともない、熱容量に大きく寄与する活性層周辺の領域を減少することができる。したがって、光導波路の幅Ｗを小さくすることにより熱抵抗の増加と応答性の向上が実現できる。従来のようにＤＢＲ領域１０３の幅が利得領域１０１の幅と等しい場合（Ｗ＝３００μｍに相当）に比べて、幅を狭くしたことによる効果が現れるのは、光導波路の幅Ｗが１５０μｍ以下の場合である。ただし、光導波路の幅Ｗを小さくしすぎると、ＤＢＲ領域１０３と位相制御領域１０２との結合効率が低下する。結合効率の低下は、動作電流の増加を引き起こすので望ましくない。図６は結合効率の光導波路幅依存性を理論計算した結果である。Ｗ≧２０μｍにおいては結合効率は変化しないが、Ｗ＜２０μｍでは急激に結合効率が低下することがわかる。したがって、ＤＢＲ領域の熱抵抗を増加させ、かつ結合効率の低下を防ぐには、光導波路の幅Ｗを２０μｍ以上、１５０μｍ以下にする必要がある。なお、本実施の形態では分離溝幅と同一の３０μｍとした。
【００３０】
この構造において、利得領域１０１への電流注入によりレーザ発振が生ずる。そして、発振波長はＤＢＲ領域１０３への電流注入により制御することができる。電流注入によりＤＢＲ領域１０３の活性層１１３が発熱し、実効屈折率が増加する。その結果、ブラッグ波長が長波長側へシフトする。同様に、位相制御領域１０２への電流注入による発熱により実効屈折率が増加し、導波光の位相が変化する。そのため、縦モードを連続的に変化させることができる。ＤＢＲ領域１０３への電流注入だけは実現できない連続的な発振波長の制御は、位相制御領域１０２への電流注入を適切に設定することにより可能となる。
【００３１】
ＤＢＲ領域１０３の光導波路幅を狭くしない従来のＤＢＲレーザにおいて、ＤＢＲ領域１０３に電流１００ｍＡ（印加電圧２Ｖ、投入電力０．２Ｗ）を注入した場合、発振波長の変化幅は２ｎｍであった。一方、本実施の形態のＤＢＲレーザの場合、同じ投入電力０．２Ｗでも発振波長の変化幅が４ｎｍと従来の２倍に増加した。さらに、発振波長変化が安定するまでの時間は、光導波路幅を狭くしない従来の構造では１μｓｅｃであったのに対し、本実施の形態の構造では０．５μｓｅｃに減少した。
【００３２】
このように本実施の形態の構造により、発振波長の可変幅の増大と高速応答を両立することができる。また、本実施の形態のＤＢＲレーザ構造は従来のＤＢＲ領域の光導波路幅を狭くしない構造に比べて、光導波路幅が２０μｍ以上であれば、ＤＢＲ領域１０３と位相制御領域１０２間の結合効率が低下せず、動作電流の増加を引き起こすことがない。
【００３３】
なお、本発明の実施形態ではＡｌＧａＡｓ系の半導体材料を用いて説明したが、ＡｌＧａＩｎＰ系、ＢＡｌＧａＩｎＮ系およびＡｌＧａＩｎＮＡｓ系材料からなる半導体材料を用いてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明は、共振器方向におけるＤＢＲ領域の光導波路幅を他の領域の光導波路幅より狭くすることにより、熱抵抗の増加と同時に熱容量を減少させることができる。すなわち、投入電力あたりの実効屈折率の変化量が増加し、屈折率変化の応答性の低下を避けることができる。その結果、ＤＦＢレーザやＤＢＲレーザなどの波長可変半導体レーザ装置において、動作電流の増加を引き起こすことなく、波長可変幅の増大と高速応答の両立を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるＤＢＲレーザの斜視図
【図２】（ａ）〜（ｄ）本発明の実施形態におけるＤＢＲレーザの製造工程図
【図３】（ｅ）〜（ｈ）本発明の実施形態におけるＤＢＲレーザの製造工程図
【図４】（ｉ），（ｊ）本発明の実施形態におけるＤＢＲレーザの製造工程図
【図５】従来の形態と本発明の実施形態におけるＤＢＲ領域の熱抵抗および熱容量の光導波路幅依存性の理論計算結果を示す図
【図６】本発明の実施形態におけるＤＢＲ領域と位相制御領域間における結合効率の光導波路幅依存性の理論計算結果を示す図
【図７】従来のＤＢＲレーザの斜視図
【符号の説明】
１００ａ、１００ｂ、２００ａ、２００ｂ  境界部分
１０１、２０１、５０１  利得領域
１０２、２０２、５０２  位相制御領域
１０３、２０３、５０３  ＤＢＲ領域
１１１、２１１、５１１  基板
１１２、２１２、５１２  第一クラッド層
１１３、２１３、５１３  活性層
１１４、２１４、５１４  第二クラッド層
１１５ａ、２１５ａ、５１５ａ  回折格子
１１６、２１６、５１６  第三クラッド層
１１７、２１７、５１７  電流ブロック層
１１８、２１８、５１８  第四クラッド層
１１９、２１９、５１９  コンタクト層
１２０、２２０、５２０  分離溝幅
１２１、２２１、５２１  ＤＢＲ領域幅
２０４  保護膜
２１５  回折格子層
【図１】
2004281517.tif 000003
【図２】
2004281517.tif 000004
【図３】
2004281517.tif 000005
【図４】
2004281517.tif 000006
【図５】
2004281517.tif 000007
【図６】
2004281517.tif 000008
【図７】
2004281517.tif 000009