(57)【要約】【課題】GaAs傾斜基板上に逆メサ構造を持つAlGaInPまたはGaInP系の半導体レーザにおいて、導波路軸方向に対して正確に直交した状態に導波路端面を形成する。【解決手段】第１導電型GaAs基板１上に、少なくとも第１導電型AlGaInP下部クラッド層３、AlGaInP下部光ガイド層４、AlGaInPまたはGaInP量子井戸活性層５、AlGaInP上部光ガイド層６、第２導電型AlGaInP上部第一クラッド層７、GaInPエッチングストップ層８、第２導電型AlGaInP上部第二クラッド層11および第２導電型GaAsキャップ層14を有し、第２導電型AlGaInP上部第二クラッド層11が逆メサ形のリッジ状に形成された半導体レーザにおいて、第１導電型GaAs基板１として、面方位が（0 0 1)面から[1 -1 0]方向に７°から20°傾斜した基板を用い、ストライプ方向を[1 1 0]方向とする。【選択図】図１
2007103480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電型GaAs基板上に、少なくとも第１導電型AlGaInP下部クラッド層、AlGaInP下部光ガイド層、AlGaInPまたはGaInP量子井戸活性層、AlGaInP上部光ガイド層、第２導電型AlGaInP上部第一クラッド層、GaInPエッチングストップ層および第２導電型AlGaInP上部第二クラッド層を有し、
前記第２導電型AlGaInP上部第二クラッド層が逆メサ形のリッジ状に形成された上で、その両側方に設けられた第１導電型埋め込み層により電流狭窄する半導体レーザにおいて、
前記第１導電型GaAs基板として、面方位が（0 0 1)面から[1 -1 0]方向に７°から20°傾斜した基板が用いられ、
ストライプ方向が[1 1 0]方向とされていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項２】
前記第１導電型埋め込み層に、その上面から前記エッチングストップ層に達する深さを有して、該第１導電型埋め込み層を前記リッジ状の部分とそれと反対側の部分とに分断する溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】
第１導電型GaAs基板上に、少なくとも第１導電型AlGaInP下部クラッド層、AlGaInP下部光ガイド層、AlGaInPまたはGaInP量子井戸活性層、AlGaInP上部光ガイド層、第２導電型AlGaInP上部第一クラッド層、GaInPエッチングストップ層および第２導電型AlGaInP上部第二クラッド層を有し、
前記第２導電型AlGaInP上部第二クラッド層が逆メサ形のリッジ状に形成された半導体レーザにおいて、
前記第１導電型GaAs基板として、面方位が（0 0 1)面から[1 -1 0]方向に７°から20°傾斜した基板が用いられ、
ストライプ方向が[1 1 0]方向とされていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項４】
赤色領域の光を発する信号光源としての半導体レーザと、
この半導体レーザから発せられた信号光を伝播させるプラスチック光ファイバと、
このプラスチック光ファイバから射出した伝搬光を受光する受光素子とを備えてなる光通信装置において、
前記半導体レーザとして、請求項１から３いずれか１項記載の半導体レーザが用いられていることを特徴とする光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体レーザに関し、特に詳細には、AlGaInPまたはGaInP系可視光半導体レーザに関するものである。
【０００２】
また本発明は、上述のような半導体レーザを用いた光通信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
現在、光ファイバを家庭まで配置した光ネットワークが普及し始めており、ますます情報化社会が進展してきている。現状の光ファイバ通信は100Ｍｂｐｓ程度の速度であるが、今後ますます高速性を高めて伝送情報量を増やすことが望まれている。このような光ファイバ通信の普及に伴って、現在主流である石英系ファイバから、プラスチック光ファイバの方に注目が集まりつつある。すなわちプラスチック光ファイバは、製造コストが安い上に、コア径が太いために半導体レーザとの結合が容易で実装コストも低減できるという利点を有している。
【０００４】
プラスチック光ファイバの低損失領域にある波長の光を発する光源としては、波長650ｎｍ帯のAlGaInPまたはGaInP系半導体レーザが考えられている。この種の半導体レーザは、ＤＶＤなどの応用用途に作製されており、そのレーザ特性の改善もかなり進んでいる。しかし、これらの応用用途では高速周波数直接変調の必要が無いために、ＧＨｚ帯以上の高速変調性能に対応した半導体レーザは製造されていないのが現状である。
【０００５】
ところで、光通信の発信モジュールに用いる光源としては、シングルモードの半導体レーザが用いられる。一般にAlGaInP半導体レーザには、活性層上に成長したｐ型クラッド層をリッジ状にエッチングし、リッジの両側をｎ型GaAs電流ブロック層で埋め込んだＳＢＲ（Selectively Buried Ridge Waveguide:選択埋め込みリッジ導波路）構造が採用されるが、この構造においてシングルモードを実現するために、発光幅を約６μｍ以下にしなければならず、最も幅が狭くなるリッジの上部では発光幅が約４μｍ以下となる。
【０００６】
このようにして、リッジの上部において電流狭窄される幅が狭くなると、その部分が高抵抗化する。ＧＨｚ以上の周波数で高周波変調を行う際に、リッジ上部が高抵抗化していると、リッジ両側のｐｎ接合部に生じる空乏層容量に変調成分がリークするため、活性層への変調電流注入効率が悪くなる。また高抵抗化したことにより、通電時に発熱し、素子の温度特性が悪くなるばかりでなく、活性層が温度上昇する結果、駆動電流値も増加し、素子寿命が短くなるという不具合も認められる。
【０００７】
従来、このような問題に対処するための構成として、例えば特許文献１に示される逆メサ構造が知られている。この特許文献１には、面方位を（0 0 1)面から[1 -1 0]方向に傾斜させたGaAs基板の使用が開示されている。半導体レーザでは通常、共振器のミラー構造として、結晶の壁開面が利用されている。前述したｐ型クラッド層を逆メサ状にエッチングするためには、ストライプを[1 1 0]方向に作製しなければならないが、特許文献１に示される基板を用いると、ストライプの両端における壁開面はオフ角つまり面方位の傾きの分だけ傾斜するので、ストライプ方向に対して直角にならず、共振器を構成しなくなることが問題であった。
【特許文献１】特開平７−１９３３１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このような問題に対処するために特許文献１では、共振器ミラー面の形成にウェットエッチングを併用することが提案されている。しかしそうする場合、ストライプ方向つまり導波路軸方向に対して導波路端面を正確に直交させることは困難であり、さらに、通常なら必要無いウェットエッチングプロセスや検査工程を導入しなければならないため、半導体レーザのコストアップを招くという問題も認められる。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みて、ウェットエッチングプロセス等の複雑な工程を必要とせずに低コストで作製可能で、導波路軸方向に対して正確に直交した状態に導波路端面を形成することができる、逆メサ構造を持つAlGaInPまたはGaInP系の半導体レーザを提供することを目的とする。
【００１０】
また本発明は、上述のように低コストで作製可能な半導体レーザを用いることによって、安価に形成することができる光通信装置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】
【００１１】
本発明による第１の半導体レーザは、
第１導電型GaAs基板上に、少なくとも第１導電型AlGaInP下部クラッド層、AlGaInP下部光ガイド層、AlGaInPまたはGaInP量子井戸活性層、AlGaInP上部光ガイド層、第２導電型AlGaInP上部第一クラッド層、GaInPエッチングストップ層および第２導電型AlGaInP上部第二クラッド層を有し、
前記第２導電型AlGaInP上部第二クラッド層が逆メサ形のリッジ状に形成された上で、その両側方に設けられた第１導電型埋め込み層により電流狭窄する半導体レーザにおいて、
前記第１導電型GaAs基板として、面方位が（0 0 1)面から[1 -1 0]方向に７°から20°傾斜した基板が用いられ、
ストライプ方向が[1 1 0]方向とされたことを特徴とするものである。
【００１２】
この半導体レーザにおいては、前記第１導電型埋め込み層に、その上面から前記エッチングストップ層に達する深さを有して、該第１導電型埋め込み層を前記リッジ状の部分とそれと反対側の部分とに分断する溝が形成されていることが望ましい。
【００１３】
また、本発明による第２の半導体レーザは、
第１導電型GaAs基板上に、少なくとも第１導電型AlGaInP下部クラッド層、AlGaInP下部光ガイド層、AlGaInPまたはGaInP量子井戸活性層、AlGaInP上部光ガイド層、第２導電型AlGaInP上部第一クラッド層、GaInPエッチングストップ層および第２導電型AlGaInP上部第二クラッド層を有し、
前記第２導電型AlGaInP上部第二クラッド層が逆メサ形のリッジ状に形成された半導体レーザにおいて、
前記第１導電型GaAs基板として、面方位が（0 0 1)面から[1 -1 0]方向に７°から20°傾斜した基板が用いられ、
ストライプ方向が[1 1 0]方向とされたことを特徴とするものである。
【００１４】
一方、本発明による光通信装置は、
赤色領域の光を発する信号光源としての半導体レーザと、
この半導体レーザから発せられた信号光を伝播させるプラスチック光ファイバと、
このプラスチック光ファイバから射出した伝搬光を受光する受光素子とを備えてなる光通信装置において、
前記半導体レーザとして、上述した本発明によるいずれかの半導体レーザが用いられたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明による第１および第２の半導体レーザは、GaAs基板として、面方位が（0 0 1)面から[1 -1 0]方向に７°から20°傾斜した基板が用いられたものであるので、従来の半導体レーザと同様にエッチングにより逆メサ構造を形成して、リッジ上部電流狭窄部での抵抗を下げ、結果として寄生容量を低減し、かつ駆動時の活性層温度を下げることで駆動電流を下げ、高信頼性を実現できるものとなる。
【００１６】
その上でGaAs基板の面方位は（0 0 1)面から[1 -1 0]方向に傾斜し、そしてストライプ方向つまり導波路軸方向は[1 1 0]方向とされているので、劈開面は導波路軸方向に対して直交した面となる。したがってこの構成を有する本発明の半導体レーザは、ウェットエッチングプロセス等の複雑な工程を用いなくても、導波路軸方向に対して正確に直交した状態に導波路端面を形成して、低コストで作製可能となる。
【００１７】
なお、例えばJournal of Crystal Growth 113(1991)p.127-130等に示されているように、上記面方位の（0 0 1)面から[1 -1 0]方向へ傾斜させたとき、この傾斜が無い基板よりもキャリア濃度が高くなって抵抗値が下がるのは、傾斜角が７°以上の場合であることが知られているので、本発明ではこの傾斜角の下限値を７°とするものである。また、本発明者の研究によると、上記傾斜角が20°を超えると、リッジ構造の左右対称性が悪化し、リッジ構造を形成するときのレジストプロセス等が困難なものとなるので、本発明ではこの傾斜角の上限値を20°とするものである。
【００１８】
他方、本発明による光通信装置は、上述のように低コストで作製可能な半導体レーザを信号光源として用いたものであるから、安価に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の第１実施形態によるInAlGaP系赤色半導体レーザを示す概略立断面図である。図示の通り本実施形態の半導体レーザは、面方位が（0 0 1)面から[1 -1 0]方向に７°〜20°傾斜したGaAs基板１と、その上に順次積層されたｎ型GaAsバッファ層２、ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層３、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層４、GaInP（またはAlGaInP）からなる多重量子井戸活性層５、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層６、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第一クラッド層７、ｐ型Ga0.51 In0.49Pエッチングストップ層８、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層11、ｐ型GaInPヘテロバッファ層12およびｐ型GaAsコンタクト層13を有している。
【００２０】
上記ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層11、ｐ型GaInPヘテロバッファ層12およびｐ型GaAsコンタクト層13は逆メサストライプ状のリッジ構造とされ、その両側にはノンドープGaAs電流ブロック層９およびｎ型GaAs電流ブロック層10が形成され、上記リッジ構造およびｎ型GaAs電流ブロック層10の上にはｐ型GaAsキャップ層14、ｐ型GaAsコンタクト層15、SiO2絶縁膜16およびｐ電極17が形成されている。またGaAs基板１の下側には、ｎ電極18が形成されている。
【００２１】
なお上記リッジ構造の左右両側部分において、ｐ型GaAsコンタクト層15、ｐ型GaAsキャップ層14、ｎ型GaAs電流ブロック層10およびノンドープGaAs電流ブロック層９には、ｐ型Ga0.51 In0.49Pエッチングストップ層８まで達する狭窄溝19、19が形成されている。上記絶縁膜16はこれらの狭窄溝19、19内を基板側に延びて、ｐ型Ga0.51 In0.49Pエッチングストップ層８まで達しており、ｐ電極17はその上に被着する形に形成されている。また絶縁膜16は、上記リッジ構造の上方に位置する部分では除かれており、したがってこの部分では、ｐ電極17が直接ｐ型GaAsコンタクト層15に接している。
【００２２】
次に、この半導体レーザの作製方法について説明する。本実施形態ではMOCVD法により、GaAs基板１上にｎ型GaAsバッファ層２、ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層３、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層４、GaInP（またはInAlGaP）からなる多重量子井戸活性層５、ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層６、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第一クラッド層７、ｐ型Ga0.51In0.49Pエッチングストップ層８、ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層11、ｐ型GaInPヘテロバッファ層12およびｐ型GaAsコンタクト層13を順に成長させ、積層配置する。
【００２３】
そしてｐ型GaAsコンタクト層13の上に、上記リッジ構造に対応したストライプ状の誘電体マスクとなるSiO2選択成長マスク（図示せず）を形成し、これをエッチングマスクとして用いて、ｐ型GaAsコンタクト層13、ｐ型GaInPヘテロバッファ層12およびｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層11をエッチングして、逆メサストライプ状のリッジ構造を形成する。なお、このリッジ構造の延びる方向つまり図１の紙面に直角な方向が導波路軸方向となり、この方向は[1 1 0]方向とされている。
【００２４】
その後、上記リッジ構造を除く領域に、ノンドープGaAs電流ブロック層９およびｎ型GaAs電流ブロック層10を２回目の結晶成長により形成する。ノンドープGaAs電流ブロック層９はｐｎ接合容量を小さくするために、約500ｎｍの厚みとする。
【００２５】
さらに、上記SiO2選択成長マスクを除去した後に、上記リッジ構造およびｎ型GaAs電流ブロック層10の上に、ｐ型GaAsキャップ層14およびｐ型GaAsコンタクト層15を３回目の結晶成長により形成する。次にｐ型GaAsコンタクト層15、ｐ型GaAsキャップ層14およびｎ型GaAs電流ブロック層10をエッチングして２本の狭窄溝19を形成した後、SiO2絶縁膜16を成膜する。次に、電流狭窄部上のｐ型GaAsコンタクト層15上にｐ電極を作製するため、レジストプロセスによりSiO2絶縁膜16を部分的に除去した後、ｐ電極17を作製する。最後に全体の厚みが100μｍ程度になるまで基板の研磨を行い、ｎ電極18を基板裏側に蒸着及び熱処理により形成する。
【００２６】
上記のような構造を採用することで、リッジ上部の電流狭窄幅が従来の４μｍ程度に比べて、1.5倍以上広くできるため、電流狭窄部での抵抗が低減でき、変調電流が活性層に流れやすくなる。図２に、上記構造の等価回路図を示す。一例としてワイヤのインダクタンスＬを１ｎＨ、共振器長を300μｍとすると、電極−コンタクト層間で生じる接触抵抗Ｒ1は２Ω、ｐ型クラッド層から活性層までの注入領域の抵抗Ｒ2、Ｒ4は２Ω、0.05Ω、活性層抵抗Ｒ3は0.5Ω、リークパス抵抗は1.7Ω／μｍ、0.78ｐＦ／μｍである。狭窄幅Ｗ＝30μｍとすると、各容量はＣ1=1.8ｐＦ、Ｃ2=1.9ｐＦ、Ｃ3=2.0ｐＦ、Ｃ4=29ｐＦとなる。また、抵抗Ｒ5にはリーク抵抗１ｋΩが並列で存在する。
【００２７】
順メサリッジ構造を採用した素子における抵抗Ｒ2を4.5Ωとし、特性インピーダンス50Ωの同軸ケーブルを用いて高周波特性を測定し、寄生容量によって生じるロールオフを等価回路モデルで計算した。その結果を図３に示すように、順メサリッジ構造を採用した場合の遮断周波数(−３ｄＢ)は5.5ＧＨｚであったのに対し、本実施形態では6.5ＧＨｚまで向上できることが分かった。
【００２８】
また、GaAs基板１の面方位は（0 0 1)面から[1 -1 0]方向に傾斜し、そしてストライプ方向つまり導波路軸方向は[1 1 0]方向とされているので、劈開面は導波路軸方向に対して直交した面となる。したがって本実施形態の半導体レーザは、ウェットエッチングプロセス等の複雑な工程を用いなくても、導波路軸方向に対して正確に直交した状態に導波路端面を形成して、低コストで作製可能となる。
【００２９】
さらに本実施形態においては、前記リッジ構造の左右に、ｎ型GaAs電流ブロック層10並びにｐ型GaAsコンタクト層15およびｐ型GaAsキャップ層14を、リッジ構造側の部分とそれと反対側の部分とに分断する狭窄溝19が形成されているので、これにより寄生容量を低減する効果も得ることができる。
【００３０】
以上説明した通りの各効果は基本的に、図４、５、６に示す第２、３、４実施形態の半導体レーザにおいても同様に得られるものである。以下、これらの実施形態の半導体レーザについて説明する。なおこれらの図４、５、６において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する。
【００３１】
図４に示す第２実施形態の半導体レーザは、図１の半導体レーザと比較すると、ノンドープGaAs電流ブロック層９が省かれるとともに、狭窄溝19が形成されていない点が異なるものである。
【００３２】
また図５に示す第３実施形態の半導体レーザは、図４の半導体レーザと比較すると、リッジ構造部分の左右両側のｎ型GaAs電流ブロック層10および、リッジ構造部分の上側のｐ型GaAsキャップ層14も逆メサ状に形成された点が異なるものである。
【００３３】
また図６に示す第４実施形態の半導体レーザは、図４の半導体レーザと比較すると、リッジ構造部分の左右両側のｎ型GaAs電流ブロック層10および、リッジ構造部分の上側のｐ型GaAsキャップ層14並びにｐ型GaAsコンタクト層15が省かれて、ｐ型GaAsコンタクト層13の上に直接ｐ電極17が形成された点が異なるものである。
【００３４】
次に、本発明による光通信装置の実施形態について、図７を参照して説明する。この光通信装置は、送光部30、受光部40および、それらを光学的に接続するGI-MMF(屈折率分布型マルチモード光ファイバ)50から構成されている。
【００３５】
送光部30は、例えば前記第１実施形態の半導体レーザ31と、この半導体レーザ31から発せられた信号光としてのレーザビーム32を集光する集光レンズ33とからなる。半導体レーザ31は、例えばチップ状態のまま直径5.6ｍｍのCANパッケージ内に実装されている。一方集光レンズ33としては、球状の屈折率分布を有するGRINレンズが適用されている。他方受光部40は、GI-MMF50から出射した信号光32を集光する、例えば上記と同様のGRINレンズからなる集光レンズ42と、この集光レンズ42で集光された信号光32を検出する光検出器43とからなる。
【００３６】
信号光源としての半導体レーザ31は、上記パッケージの外に引き出された配線を介して図示外の変調駆動装置に接続され、伝送する情報に対して変調された信号光32を出射する。このようにして半導体レーザ31から出射した信号光32は集光レンズ33により集光されて、GI-MMF50のコア端面に照射され、コア内に入射してそこを伝搬する。GI-MMF50を伝搬した信号光32は、上記端面とは反対側のコア端面から出射し、集光レンズ42で集光された上で光検出器43によって検出される。
【００３７】
このような構成の光通信装置においては、コア径が例えば500μｍ以上と十分太いGI-MMF50を使用しても、１Ｇｂｐｓ以上の高速で光信号を送受信することが可能となっている。また信号光源として、前述したように低コストで作製可能な本発明による半導体レーザを用いていることにより、この光通信装置もコストダウンが達成される。
【００３８】
以上、光伝送体としてGI-MMFを用いる実施形態について述べたが、本発明の光通信装置は、その他のステップインデックス型マルチモードファイバ等を用いて構成することも可能である。
【００３９】
また、本発明の半導体レーザは光通信における信号光源等として好適に用いることができるが、このような用途に限らず、その他例えば、高速な情報・画像処理や、通信、計測、医療、印刷等の分野での光源としても勿論適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態による半導体レーザを示す概略立面図
【図２】図１の半導体レーザの等価回路図
【図３】図１の半導体レーザの高周波特性を、従来の半導体レーザのそれと比較して示すグラフ
【図４】本発明の第２の実施形態による半導体レーザを示す概略立面図
【図５】本発明の第３の実施形態による半導体レーザを示す概略立面図
【図６】本発明の第４の実施形態による半導体レーザを示す概略立面図
【図７】本発明の光通信装置の一実施形態を示す概略構成図
【符号の説明】
【００４１】
１    ｎ型GaAs基板
２    ｎ型GaAsバッファ層
３    ｎ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P下部クラッド層
４    ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P下部光ガイド層
５    GaInP多重量子井戸活性層
６    ノンドープIn0.49(Al0.5Ga0.5)0.51P上部光ガイド層
７    ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第一クラッド層
８    ｐ型Ga0.51In0.49Pエッチングストップ層
９    ノンドープGaAs電流ブロック層
10    ｎ型GaAs電流ブロック層
11    ｐ型In0.49(Al0.7Ga0.3)0.51P上部第二クラッド層
12    ｐ型GaInPヘテロバッファ層
13    ｐ型GaAsコンタクト層
14    ｐ型GaAsキャップ層
15    ｐ型GaAsコンタクト層
16    SiO2絶縁膜
17    ｐ電極
18    ｎ電極
19    狭窄溝
30    送光部
31    半導体レーザ
40    受光部
43    光検出器
50    屈折率分布型マルチモード光ファイバ
【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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