(57)【要約】【課題】利得結合型分布帰還型半導体レーザにおいて、単一モード歩留まりを高くするとともに、前端面側の高出力効率を得る。【解決手段】利得結合型分布帰還型半導体レーザにおいて、レーザ光を放出する前端面１３には低反射率のコーティングが施され、後端面１５には高反射率のコーティングが施された非対称コーティングが行われている。さらに、光導波路に沿って吸収型の回折格子１０が設けられ、この回折格子に位相シフト領域１１を設けた構造とする。上記構造とすることにより、発振波長の単一モード歩留まりを高くするとともに、前端面１３側の出力効率を高くすることができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光が進行する光導波路と、
前記光導波路に沿って、所定の発振波長のレーザ光を選択する吸収部が設けられた回折格子と、
第１の反射率を有し、前記光導波路の一方の端部に設けられ、レーザ光を放出する前端面と、
前記第１の反射率よりも高い第２の反射率を有し、前記光導波路の他方の端部に設けられた後端面とを備え、
前記回折格子には位相シフト領域が設けられていることを特徴とする利得結合型分布帰還型半導体レーザ。
【請求項２】
前記位相シフト領域と前記前端面との間隔は、前記位相シフト領域と前記後端面との間隔よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の利得結合型分布帰還型半導体レーザ。
【請求項３】
前記回折格子は、前記光導波路に沿って周期Λで配列された複数の格子片を有し、
前記格子片の長さＷを前記周期Λで除したデューティ比Ｗ／Λが、１／２未満であることを特徴とする請求項１又は２に記載の利得結合型分布帰還型半導体レーザ。
【請求項４】
前記回折格子の一部に、前記デューティ比Ｗ／Λが他の領域よりも相対的に大きい第１の領域が設けられ、
前記第１の領域は、前記前端面に接触又は近接して設けられていることを特徴とする請求項３に記載の利得結合型分布帰還型半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は利得結合型分布帰還型半導体レーザに関し、特に、光ファイバ通信などの光源として使用する利得結合型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】
近年、光ファイバ通信など、大容量データの伝送用の光源として分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）が用いられている。例えば、非特許文献１には、利得結合型ＤＦＢ−ＬＤが開示されている。
【０００３】
利得結合型ＤＦＢ−ＬＤは、例えば、ｐ型InP基板を用いて形成される。以下、共振器の端面側から見たＤＦＢ−ＬＤの断面構造の例について説明する。ｐ型InP基板（以下、ｐ型を「ｐ-」、ｎ型を「ｎ-」と表記する）上に、ｐ-InPクラッド層が設けられている。その上に、所定幅でInGaAsP-MQW活性層、ｎ-InP中間層、ｎ-InGaAs吸収型回折格子、ｎ-InPキャップ層が積層されている。これらの層の両側には、ｐ-InPブロック層、ｎ-InPブロック層、ｐ-InPブロック層を順次積層した電流ブロック層が埋め込まれている。電流ブロック層およびｎ-InPキャップ層の上に、ｎ-InPコンタクト層が設けられている。その上にシリコン酸化膜が形成され、ｎ-InPコンタクト層の上面が露出するように開口部が設けられている。この開口部を埋め込むように、シリコン酸化膜の上に、Ti/Au表電極（ｎ電極）が設けられている。ｐ-InP基板の裏面には、Ti/Au裏電極（ｐ電極）が設けられている。
【０００４】
上記ＤＦＢ−ＬＤの共振器の一方の端部には、前端面（レーザ光の出射面）が設けられ、他方の端部には、後端面が設けられている。上記前端面および後端面には、低反射コーティング膜が形成されている。
【０００５】
上記ｎ-InGaAs吸収型回折格子は、MQW活性層で発生する所定の発振波長のレーザ光を選択し、発振波長の単一モード歩留まりを向上させることができる。
【０００６】
【非特許文献１】IEEE JOUNAL OF QUANTUM ELECTRONICS. VOL. 27. NO.6 JUNE 1991, pp.1732-1735,Nakano他、"Reduction of Excess Intensity Noise Induced by External Reflection in a Gain-Coupled Distributed Feedback Semiconductor Laser"
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来の利得結合型ＤＦＢ-ＬＤにおいて単一モード発振動作を得るためには、前端面、および後端面のいずれにも低反射率のコーティングを行う必要があった。このとき、レーザ光は前端面および後端面の両方からほぼ均等に出射される。このため、注入電流に対する前端面の光出力の効率が小さくなる。
【０００８】
また、前端面に低反射率のコーティングを施し、後端面に高反射率のコーティングを施して（すなわち非対称コーティングを施して）前端面側から十分な光出力を得ようとすると、発振するレーザ光が２モード化する。そうすると、単一波長による安定動作が得られず、光ファイバ通信用として使用できないという問題があった。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、利得結合型分布帰還型半導体レーザにおいて、発振波長の単一モード歩留まりを高くするとともに、前端面側の出力効率を高くすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る利得結合型分布帰還型半導体レーザは、レーザ光が進行する光導波路と、前記光導波路に沿って、所定波長のレーザ光を選択する吸収部が設けられた回折格子と、第１の反射率を有し、前記光導波路の一方の端部に設けられ、レーザ光を放出する前端面と、前記第１の反射率よりも高い第２の反射率を有し、前記光導波路の他方の端部に設けられた後端面とを備え、前記回折格子には位相シフト領域が設けられていることを特徴とする。本発明のその他の特徴については、以下において詳細に説明する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、利得結合型分布帰還型半導体レーザにおいて、発振波長の単一モード歩留まりを高くするとともに、前端面側の出力効率を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において同一または相当する部分には同一符号を付して、その説明を簡略化ないし省略する。
【００１３】
実施の形態１．
本実施の形態に係る利得結合型の分布帰還型半導体レーザ（以下、分布帰還型半導体レーザを「ＤＦＢ−ＬＤ」という）について説明する。
【００１４】
まず、上記ＤＦＢ−ＬＤの構造について説明する。この半導体レーザの前端面（レーザ光の出射面）側から見た断面図、すなわち共振器の長手方向に垂直な断面図を図１に示す。この半導体レーザは、ｐ-InP基板１を用いて形成されている。ｐ-InP基板１の上に、ｐ-InPクラッド層２が設けられている。その上に、所定幅で、InGaAsP-MQW（Multiple Quantum Well;多重量子井戸）活性層３、ｎ-InP中間層４、ｎ-InGaAs吸収型回折格子１０、ｎ-InPキャップ層１２が積層された積層膜が形成されている（以下、InGaAsP-MQW活性層３を単に「活性層３」という）。
【００１５】
これらの積層膜の両側には、ｐ-InPブロック層５ａ、ｎ-InPブロック層６、ｐ-InPブロック層５ｂを順次積層した電流ブロック層が埋め込まれている。この電流ブロック層およびｎ-InPキャップ層１２の上に、ｎ-InPコンタクト層７が設けられている。その上にシリコン酸化膜８が形成され、その中央部に開口部８ａが設けられている。開口部８ａには、ｎ-InPコンタクト層７の上面が露出している。この開口部８ａを埋め込むように、シリコン酸化膜８の上にTi/Au表電極（ｎ電極）９が設けられている。また、ｐ-InP基板１の裏面には、Ti/Au裏電極（ｐ電極）１６が設けられている。
【００１６】
図１のＡ−Ａ’の断面、すなわちＤＦＢ-ＬＤの共振器の長手方向に沿った断面図を図２に示す。図２に示すように、共振器の長手方向に沿って、活性層３が延在している。活性層３の内部でレーザ光が発生し、活性層３の長手方向に沿って進行する。すなわち活性層３は、レーザ光が進行する光導波路となっている。活性層３の長手方向（光導波路）の一方の端部には前端面１３が設けられ、他方の端部には後端面１５が設けられている。前端面１３は、活性層３で生成されたレーザ光を放出する面である。後端面１５は、前端面１３と対向する位置に設けられ、ＤＦＢ−ＬＤの内部を進行するレーザ光を反射する面である。
【００１７】
活性層３の上には、活性層３の長手方向、すなわち光導波路方向に沿って回折格子１０が設けられている。回折格子１０は複数の格子片を有し、バンドギャップ波長は１．６２μｍである。回折格子１０の中央部付近には、回折格子１０の周期をλ／４位相シフトさせた位相シフト領域１１が設けられている。ここで、図示しないが、回折格子１０には、所定の発振波長のレーザ光を選択する吸収部が、光導波路方向に沿って周期的に形成されている。
【００１８】
また、前端面１３には、０〜３％の低反射率（第１の反射率）のコーティングが施されている。後端面１５には、９０〜９８％の高反射率（第２の反射率）のコーティングが施されている。つまり、図２のＤＦＢ−ＬＤは、第１の反射率を有し、光導波路の一方の端部に設けられ、活性層３で発生したレーザ光を放出する前端面１３と、第１の反射率よりも高い第２の反射率を有し、光導波路の他方の端部に設けられた後端面１５とを有している。このように、前端面１３および後端面１５には、反射率が異なる非対称コーティングが施されている。これにより、前端面１３から出射されるレーザ光の出力を大きくし、後端面１５から出射するレーザ光の出力を小さく抑えることができる。従って、活性層３への注入電流に対する前端面１３の光出力の効率を向上させることができる。
【００１９】
ここで、本実施の形態では前端面１３および後端面１５に非対称コーティングが施されている。この場合、回折格子に位相シフト領域が設けられていないとすると、発振するレーザ光が２モード化し、単一波長による安定動作が得られない。しかし、図２に示したように、回折格子１０の中央部付近には、回折格子１０の周期をλ／４位相シフトさせた位相シフト領域１１が設けられている。これにより、ＤＦＢ−ＬＤの単一モード特性を向上させることができる。
【００２０】
上記半導体レーザを動作させる際には、ｐ電極１６に正電界が印加され、ｎ電極９に負電界が印加される。すると、ｐ-InPクラッド層２側から活性層３に正孔が注入され、ｎ-InPキャップ層１２側から活性層３に電子が注入される。これらの正孔および電子が結合し、活性層３にレーザ光が発生する。レーザ光は、図２に示した活性層３の長手方向（光導波路）に沿って進行し、前端面１３から放出される。
【００２１】
ここで、ＤＦＢ−ＬＤを動作させる際には、異なる波長で発振する２つのモード、すなわち主モードおよび副次モードのレーザ光が存在する。これらのレーザ光は、光導波路の利得が、それぞれの閾値利得より大きくなるとレーザ発振する。従って、主モードの閾値利得と副次モードの閾値利得との差（以下、「閾値利得差」という）が大きいほど単一モード性が良好となる。ここでは、閾値利得差が０．１以上であるとき、良好な単一モード性が得られるとする。
【００２２】
上記閾値利得差と、図２に示した位相シフト領域１１の位置との関係について説明する。図２に示した構造では、位相シフト領域１１を光導波路の中央部付近に配置するようにした。この位相シフト領域は、上記以外の位置、例えば光導波路の中央部よりも前端面１３に近い位置、又は後端面１５に近い位置とすることも可能である。このように位相シフト領域の位置を変えた場合の閾値利得差を図３に示す。位相シフト領域を光導波路の中央部付近に配置した場合（Ａ）、光導波路の中央部よりも前端面に近い位置に配置した場合（Ｂ）、光導波路の中央部よりも後端面に近い位置に配置した場合（Ｃ）について、後端面位相を横軸として、それぞれの閾値利得差がプロットされている。Ａ、Ｂの場合は、後端面での位相回転量が０度および１８０度付近の場合の特異点を除き、閾値利得差が０．１以上となる。そして、Ｃの場合と比較すると、Ａ、Ｂの場合は、閾値利得差が０．１以上となる後端面位相の範囲が大きくなる。すなわち、Ａ、Ｂの場合は、Ｃの場合と比較して、良好な単一モード性が得られている。
【００２３】
従って、位相シフト領域の位置を光導波路の中央部付近とした場合（図２参照）、又は図４に示すように、位相シフト領域の位置を光導波路の中央部よりも前端面１３に近い位置に配置した場合に、単一モード性を向上させることができる。つまり、位相シフト領域１１と前端面１３との間隔が、位相シフト領域１１と後端面１５との間隔と同等であるか、又は小さくなるように配置することにより、単一モード性を向上させることができる。これにより、発振波長の単一モード歩留まりを向上させることができる。
【００２４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、利得結合型分布帰還型半導体レーザにおいて、発振波長の単一モード歩留まりを高くするとともに、前端面側の出力効率を高くすることができる。
【００２５】
実施の形態２．
本実施の形態に係るＤＦＢ−ＬＤについて説明する。ここでは、実施の形態１と異なる点を中心に説明する。図２に示した回折格子１０の拡大図を図５に示す。回折格子１０は結合定数が一定であり、複数の格子片からなっている。これらの格子片は、光導波路に沿って周期Λで配列されている。本実施の形態２では、上記格子片の長さをＷとすると、長さＷを周期Λで除したデューティ比（Ｗ／Λ）を１／２未満（０．５未満）とする。その他の構成については、実施の形態１と同様である。
【００２６】
レーザ光が発振する場合、共振器内部には電界定在波１７が存在する。このとき、回折格子を上記構造とすることにより電界定在波１７の腹に相当する部分に、回折格子１０が存在する割合を小さくすることができる。これにより、レーザ光の光出力特性の効率を高くすることができる。従って、実施の形態１の効果に加えて、レーザ光の光出力特性の効率を高くすることができる。
【００２７】
次に、上記実施の形態２の変形例について説明する。本変形例では、回折格子１０のデューティ比Ｗ／Λが、回折格子全体にわたり１／２未満であり、かつ、回折格子１０の一部に、デューティ比Ｗ／Λを、他の領域よりも相対的に大きくした第１の領域が設けられた構造とする。そして、この第１の領域は、前端面１３に接触するように、又は近接するように設けられるようにする。例えば、図２に示した回折格子１０の前端面１３の近傍に、デューティ比Ｗ／Λが０．４５〜０．４９となる第１領域を設ける。そして、この領域以外の部分では、デューティ比Ｗ／Λが第１領域よりも相対的に小さい値、例えば０．４程度となるようにする。
【００２８】
ここで、図２、図４に示した回折格子１０は、所定の発振波長のレーザ光を選択する吸収型回折格子である。このため、戻り光（前端面から出射されたレーザ光のうち、反射などによりＤＦＢ−ＬＤに戻る光）を吸収することができる。従って、上記構造とすることにより、戻り光がＤＦＢ−ＬＤに進入した場合であっても、定在波と異なる位相の光を吸収することができる。これにより、ＤＦＢ−ＬＤの戻り光耐性を向上させることができる。従って、本変形例によれば、上記実施の形態２で得られる効果に加えて、戻り光耐性を向上させることができる。
【００２９】
以上説明した実施の形態において、回折格子の位相シフト領域を形成する際のリソグラフィでは、電子ビーム直接描画法（ＥＢ直描法）などが用いられる。また、前端面の低反射率コーティングの材料としては、アルミナのλ／４厚膜などが用いられる。後端面の高反射率コーティングの材料としては、シリコン酸化膜とシリコン膜とを交互に積層した多層膜などが用いられる。
【００３０】
また、以上説明した実施の形態では、発振波長が１．３μｍのＤＦＢ−ＬＤについて説明した。しかし、１．４９μｍ、１．５５μｍなどの他の波長で発振する半導体レーザにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】利得結合型ＤＦＢ−ＬＤの前端面側から見た断面図。
【図２】利得結合型ＤＦＢ−ＬＤの光導波路に沿った方向の断面図。
【図３】位相シフト領域の位置と閾値利得差の関係を示す図。
【図４】位相シフト領域を前端面に近い位置に配置した利得結合型ＤＦＢ−ＬＤの断面図。
【図５】回折格子のデューティ比を説明する図。
【符号の説明】
【００３２】
１  ｐ-InP基板、２  ｐ-InPクラッド層、３  InGaAsP-MQW活性層、４  ｎ-InP中間層、７  ｎ-InPコンタクト層、９  Ti/Au表電極（ｎ電極）、１０  ｎ-InGaAs回折格子、１１  位相シフト領域、１２  ｎ-InPキャップ層、１３  前端面、１５  後端面、１６  Ti/Au裏電極（ｐ電極）、１７  電界定在波、Λ  回折格子の周期、Ｗ  回折格子の格子片の長さ。
【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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