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WO2022259349A1 - 半導体レーザ - Google Patents

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WO2022259349A1
WO2022259349A1 PCT/JP2021/021676 JP2021021676W WO2022259349A1 WO 2022259349 A1 WO2022259349 A1 WO 2022259349A1 JP 2021021676 W JP2021021676 W JP 2021021676W WO 2022259349 A1 WO2022259349 A1 WO 2022259349A1
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WO
WIPO (PCT)
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diffraction grating
semiconductor laser
dbr
dfb
bragg reflection
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/021676
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
絵理奈 菅野
慎治 松尾
Original Assignee
日本電信電話株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日本電信電話株式会社 filed Critical 日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/10—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12—Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/125—Distributed Bragg reflector [DBR] lasers

Definitions

  • the present invention relates to semiconductor lasers used for optical communication transmission.
  • wavelength division multiplexing In wavelength division multiplexing (WDM) transmission, attempts have been made to introduce wavelength multiplexed light sources not only to metro networks but also to short-distance communication optical interconnects, such as chip-to-chip optical interconnects. When it is introduced into the inter-chip optical interconnect, the WDM light source is required to have single-mode oscillation, oscillation wavelength control, and low power consumption.
  • Non-Patent Document 1 As a wavelength multiplexing light source that realizes single mode oscillation and oscillation wavelength control, for example, there is a phase shift distributed feedback (DFB) laser (see Non-Patent Document 1).
  • DFB phase shift distributed feedback
  • a phase-shift DFB laser has a diffraction grating above the active layer, and can oscillate at the Bragg wavelength by inverting the phase of the diffraction grating halfway (phase shift).
  • the Bragg wavelength is determined by the pitch of the diffraction grating.
  • This diffraction grating can be precisely controlled by using electron beam lithography.
  • phase-shift DFB laser oscillation light is emitted from both ends of the laser, so when integration using a ring filter or the like is performed, light emitted from one end is lost.
  • a distributed reflector (DR) laser has a high reflectance distributed Bragg reflector (DBR) connected to one end of a phase shift DFB laser, and emits light from the other end. Since the light is emitted, the loss of emitted light can be reduced (hereinafter referred to as a “phase-shifted single-sided DR laser”; see Non-Patent Document 2).
  • DBR distributed Bragg reflector
  • a DR laser has also been proposed in which DBRs are provided at both ends of a phase shift DFB laser, the reflectance of one DBR is made lower than that of the other DBR, and light is emitted from the other DBR (hereinafter referred to as , referred to as a “phase-shifted double-sided DR laser” (see Non-Patent Document 3).
  • the configuration in which the DBR is provided on both sides can lower the oscillation threshold gain, which is advantageous for oscillation of a short cavity laser having a large loss.
  • phase-shifted double-sided DR laser it is expected to reduce the power consumption by shortening the length of the active region (active layer) in the waveguide direction.
  • K. Utaka et al. " ⁇ /4-Shifted InGaAsP/InP DFB Lasers," IEEE Journal of Quantum Electrons, Vol. QE-22, No. 7, pp. 1042 (1986).
  • K. Ohira et al. “GaInAsP/InP distributed reflector laser with phase-shifted DFB and quantum-wire DBR sections,” IEEE Electronic Express, Vol. 2, No. 11, pp. 356 (2005).
  • the reflectance of the diffraction grating is determined by the product of the coupling coefficient and the length of the diffraction grating, and the reflectance increases as this value increases.
  • phase-shifted double-sided DR laser errors in the laser manufacturing process, such as the positional deviation of the gain region and the deviation of the Bragg wavelength between the DBR and the DFB, make the single-mode property inferior to the phase-shifted DFB laser and the phase-shifted single-sided DR laser. This is a problem because it has a large effect on the oscillation wavelength controllability.
  • a semiconductor laser includes, in order, one distributed Bragg reflection region having a second diffraction grating, a distributed feedback active region having a first diffraction grating, and another distributed Bragg reflector region having a second grating, wherein the distributed feedback active region comprises a gain medium, the distributed Bragg reflector region comprises a non-gain medium, and the first grating is a phase-shifting and the coupling efficiency of the second diffraction grating is smaller than the coupling efficiency of the first diffraction grating.
  • the present invention it is possible to provide a semiconductor laser that is excellent in single-mode property and oscillation wavelength controllability and has a short active layer length.
  • FIG. 1A is a schematic top view showing the configuration of a semiconductor laser according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 1B is a schematic cross-sectional view taken along line IB-IB' showing the configuration of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1C is a schematic IC-IC' cross-sectional view showing the configuration of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a diagram for explaining the operation of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention;
  • FIG. 2B is a diagram for explaining the operation of the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention;
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the semiconductor laser according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the method of manufacturing the semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic top view showing an example of the configuration of the semiconductor laser according to the first embodiment of the invention.
  • FIG. 1 A semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
  • FIG. 1 A semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
  • FIG. 1 A semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
  • FIG. 1 A semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 5.
  • the semiconductor laser 10 has a distributed feedback active region (hereinafter referred to as "DFB portion") and a distributed Bragg reflection region (hereinafter referred to as "DBR portion").
  • DFB portion distributed feedback active region
  • DBR portion distributed Bragg reflection region
  • the DFB section 11 is arranged between the two DBR sections 12_1 and 12_2 in the light guiding direction (x direction in the figure).
  • the DFB section 11 and the DBR sections 12_1 and 12_2 are formed on a substrate, for example, on a Si substrate (not shown) via a silicon oxide (SiO2) layer (not shown).
  • SiO2 silicon oxide
  • the direction (y direction) perpendicular to the light guiding direction (x direction) is defined as the "width” direction
  • the current injection is defined as the "lateral” direction
  • the direction perpendicular to the horizontal plane (z direction) is defined as the "thickness” direction
  • the DFB portion 11 side is the “up” direction (z + direction)
  • the substrate side is the "thickness” direction with respect to the boundary surface between the DFB portion 11 and the substrate.
  • an end face parallel to the light guiding direction (x direction) is defined as a "side face”, and a perpendicular end face is defined as an input/output end face for laser light.
  • the p-type current injection layer 141 is arranged on one side surface of the DFB portion 11 and the DBR portions 12_1 and 12_2, and the n-type current injection layer 151 is arranged on the other side surface. Electrodes 142 and 152 are arranged on the upper surfaces of the p-type current injection layer 141 and the n-type current injection layer 151 on the sides of the DFB portion 11 , respectively.
  • the semiconductor laser has a so-called lateral current injection type configuration.
  • the p-type current injection layer 141 and the n-type current injection layer 151 are p-type and n-type semiconductor layers, respectively, such as p-type InP and n-type InP.
  • the p-type current injection layer 141 and the n-type current injection layer 151 may be arranged at least on the side surfaces of the DFB portion 11 .
  • the DFB section 11 has a gain medium and includes a lower clad 114, an active layer 113, and an upper clad 112 in order from the substrate side.
  • the active layer 113 is composed of an InGaAsP multiple quantum well with a 1.55 ⁇ m wavelength composition and a layer thickness of 150 nm, and the upper and lower clads are composed of undoped InP.
  • the DBR sections 12_1 and 12_2 are made of a non-gain medium such as undoped InP 122, and a second diffraction grating 121 is formed on the upper surface.
  • the DFB portion 11 and the DBR portions 12_1 and 12_2 each have a thickness of about 250 nm.
  • the first diffraction grating 111 of the DFB section 11 and the second diffraction grating 121 of the DBR section 12 have a periodic structure of concave and convex portions.
  • the depth of the concave portions (or the height of the convex portions) of the first diffraction grating 111 and that of the second diffraction grating 121 are substantially the same, and are about 20 to 50 nm.
  • substantially equivalent includes equality and the range of manufacturing error in the manufacturing process.
  • the first diffraction grating 111 of the DFB section 11 has a first-order period
  • the second diffraction grating 121 of the DBR section 12 has a second-order period, corresponding to the Bragg wavelength targeted by the semiconductor laser 10.
  • the second diffraction grating 121 has a smaller coupling coefficient than the first diffraction grating 111 .
  • the first diffraction grating 111 has a phase shift.
  • the semiconductor laser 10 according to this embodiment is a so-called phase-shifted double-sided DR laser.
  • the pitch of the first diffraction grating 111 of the DFB section 11 is set to 50% at the first order period of 287 nm
  • the second In the pitch of the diffraction grating 121 the duty ratio is assumed to be 25% at the secondary period of 574 nm.
  • the coupling coefficient of the DBR diffraction grating (second diffraction grating) 121 is approximately half the coupling coefficient of the DFB section 11 diffraction grating (first diffraction grating) 111 .
  • the length of the DFB portion 11 is 20 ⁇ m
  • the coupling coefficient of the first diffraction grating 111 is 1000 cm ⁇ 1
  • the length of one DBR portion 12_2 on the output side is 20 ⁇ m
  • the length of the other DBR portion 12_1 is 50 ⁇ m.
  • the coupling coefficient of the second diffraction grating 121 is 500 cm ⁇ 1
  • the oscillation threshold gain is 62 cm ⁇ 1 and laser oscillation is possible.
  • the length of one DBR portion is made shorter than the length of the other DBR portion and laser light is emitted from the one DBR portion.
  • the length of one DBR portion may be the same as the length of the other DBR portion. In this case, since laser light is emitted from both ends of one DBR section and the other DBR section, laser light from one of the DBR sections is lost.
  • ⁇ Operation of semiconductor laser> 2A and 2B show the relationship between the stopband and the Bragg wavelength in the DFB section 11 and the DBR sections 12_1 and 12_2.
  • the stopband edge (for example, the lower edge of the band) of the DFB section 11 is positioned within the stopbands of the DBR sections 12_1 and 12_2, so that not only the Bragg wavelength of the DFB section 11 but also the stopband of the DFB section 11 Oscillation may also occur at the edges (white circles in the figure).
  • FIG. 3 shows the Bragg wavelength of the DBR sections 12_1 and 12_2 and the mode with the lowest threshold mode gain when the Bragg wavelength of the DFB section 11 is 1550 nm and the coupling coefficient of the first diffraction grating 111 is 1000 cm ⁇ 1 . and the second smallest mode.
  • the parameters used for the calculation are that the DFB portion 11 has a length of 20 ⁇ m, a refractive index of 2.7, a coupling coefficient of 1000 cm ⁇ 1 , and a Bragg wavelength of 1550 nm.
  • the thickness is 20 ⁇ m and 50 ⁇ m, and the refractive index is 2.7.
  • the DBR sections 12_1 and 12_2 When the coupling coefficient of the second diffraction grating 121 of the DBR sections 12_1 and 12_2 is 1000 cm ⁇ 1 which is the same as the coupling coefficient of the first diffraction grating 111 of the DFB section 11 (white circles in the figure), the DBR sections 12_1 and 12_2 When the Bragg wavelength of is 1550 nm, that is, when the Bragg wavelengths of the DFB section 11 and the DBR sections 12_1 and 12_2 match, the threshold mode gain difference is sufficiently large to oscillate in a single mode.
  • the threshold mode gain difference becomes small, Multimode oscillation may occur.
  • the coupling coefficient of the second diffraction grating 121 of the DBR portions 12_1 and 12_2 is 500 cm ⁇ 1 (black squares in the figure)
  • the difference in threshold mode gain is sufficiently large as in the case where the DFB section 11 and the DBR sections 12_1 and 12_2 have the same Bragg wavelength. As a result, it oscillates in a single mode even if a wavelength shift occurs.
  • a semiconductor thin film including the active layer 113 and the InP layer 114 is formed by bonding wafers including the active layer 113 by a method such as wafer bonding and removing the support substrate. It is formed on the oxide film 17 on the Si substrate 16 (S1).
  • the region including the active layer is processed into a substantially rectangular parallelepiped shape elongated in the x direction by etching (S2).
  • the region including the active layer is filled with InP 112 and 122 by crystal regrowth (S3).
  • a first diffraction grating 111 is formed on the upper surface of the InP 112 above the active layer, and a second diffraction grating 121 is formed on the upper surface of the InP 122 other than above the active layer (S4).
  • the DFB portion 11 and the DBR portion are processed into a substantially rectangular parallelepiped shape elongated in the x direction (not shown).
  • p-type InP and p-type InGaAsP/InGaAs contact layers as the p-type current injection layer 141 on one side of the DFB portion 11 and the DBR portion 12 after processing, and n-type as the p-type current injection layer 141 on the other side.
  • InP and n-type InGaAsP/InGaAs contact layers are formed.
  • electrodes 142 and 152 are formed on the upper surfaces of the p-type contact layer and the n-type contact layer, respectively (not shown).
  • the DFB portion and the DBR portion have the same coupling coefficient.
  • Advantageous for oscillation are advantages.
  • production errors such as positional deviation of the gain region and deviation of the Bragg wavelength between the DBR and the DFB affect oscillation wavelength control and single-mode property as compared with the DFB laser and the single-sided DR laser.
  • a first-order diffraction grating with a first-order period is used in the DFB section corresponding to the target Bragg wavelength, and the DBR section uses the above-described one-order period.
  • the coupling coefficient of the DBR section is made lower than that of the DFB section.
  • the diffraction gratings of the DFB section and the DBR section can be collectively formed, they can be manufactured easily.
  • a first-order diffraction grating having a first-order period may be used for both the DFB section and the DBR section, and the duty ratio of the DFB section and the DBR section may be changed to reduce the coupling coefficient.
  • the DBR portion is made of InP
  • the DBR portion may be made up of an InP clad and an InGaAsP guide.
  • a second diffraction grating is formed at the boundary between the InP cladding and the InGaAsP guide.
  • a compound semiconductor substrate such as InP or GaAs may be used.
  • steps such as wafer bonding are not required in the manufacturing process.
  • electrodes can be formed on the upper surface of the DFB portion and the lower surface (rear surface) of the InP substrate to form a vertical current injection structure.
  • diffraction gratings are formed on the upper surfaces of the DFB portion and the DBR portion, but the present invention is not limited to this.
  • a first diffraction grating 211 and a second diffraction grating 221 may be formed on side surfaces of the DFB portion 21 and the DBR portions 22_1 and 22_2, respectively.
  • the configuration of the DFB portion 21 and the DBR portions 22_1 and 22_2 is the same as that of the semiconductor laser 10, and is formed on an n-type InP substrate, for example.
  • a p-type current injection layer and an electrode are formed on the DFB portion 21, and an electrode is formed on the lower surface (rear surface) of the n-type InP substrate, so that the semiconductor laser 20 can operate as a so-called vertical current injection type configuration.
  • a p-type current injection layer may be provided on the side surface of the DFB section 21 and an n-type current injection layer may be provided on the other side surface.
  • the present invention can be applied to optical communication transmission systems, particularly wavelength division multiplexing (WDM) transmission, and wavelength multiplexing light sources in short-distance communication optical interconnects.
  • WDM wavelength division multiplexing

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Abstract

本発明の半導体レーザ（１０）は、順に、第２の回折格子を有する一方の分布ブラッグ反射領域（１２＿２）と、第１の回折格子を有する分布帰還活性領域（１１）と、第２の回折格子を有する他方の分布ブラッグ反射領域（１２＿１）とを備え、分布帰還活性領域（１１）が利得媒質を有し、分布ブラッグ反射領域（１２＿１、１２＿２）が非利得媒質からなり、第１の回折格子（１１１）が位相シフトを有し、第２の回折格子（１２１）の結合効率が、第１の回折格子（１１１）の結合効率より小さい。　これにより、本発明は、単一モード性や発振波長制御性に優れ、活性層長が短い半導体レーザを提供できる。

Description

半導体レーザ
　本発明は、光通信伝送に用いられる半導体レーザに関する。
　波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）伝送において、波長多重光源をメトロネットワークだけではなく、短距離通信光インターコネクト、例えばチップ間光インターコネクトへ導入する試みがなされている。
チップ間光インターコネクトに導入する上で、波長多重光源には、単一モード発振や、発振波長制御とともに、低消費電力化が要求される。
　単一モード発振、発振波長制御を実現する波長多重光源としては、例えば、位相シフト分布帰還型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ：ＤＦＢ）レーザがある（非特許文献１参照）。
　位相シフトＤＦＢレーザは、活性層の上方に回折格子を有し、回折格子の位相を途中で反転させることにより（位相シフト）、ブラッグ波長で発振させることができる。ここで、ブラッグ波長は回折格子のピッチで決定される。この回折格子は電子線リソグラフィを用いることにより、精度よく制御できる。
　しかしながら、位相シフトＤＦＢレーザでは、発振光がレーザの両端から出射するため、リングフィルタなどによる集積を行う場合、一方の端部から出射する光は損失される。
　また、分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；ＤＲ）レーザは、位相シフトＤＦＢレーザの一方の端部に、高反射率の分布ブラッグ反射（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ；ＤＢＲ）を接続し、他方の端部から光を出射するので、出射光の損失を低減できる（以下、「位相シフト片側ＤＲレーザ」という。非特許文献２参照）。
　また、位相シフトＤＦＢレーザの両方の端部に各々ＤＢＲを設け、一方のＤＢＲに対して他方のＤＢＲの反射率を低くし、他方のＤＢＲから光を出射させるＤＲレーザも提案されている（以下、「位相シフト両側ＤＲレーザ」という。非特許文献３参照）。片側のみにＤＢＲを設けた構成に比較し、両側にＤＢＲを設ける構成では、発振しきい値利得を下げることができ、損失が大きい短共振器レーザの発振に有利となる。
　そこで、位相シフト両側ＤＲレーザにおいて、活性領域（活性層）の導波方向の長さを短くする構成とすることにより、低消費電力化することが期待される。
K. Utaka et al., "λ/4-Shifted InGaAsP/InP DFB Lasers," IEEE Journal of Quantum Electrons, Vol. QE-22, No. 7, pp. 1042 (1986). K. Ohira et al., "GaInAsP/InP distributed reflector laser with phase-shifted DFB and quantum-wire DBR sections," IEEE Electronic Express, Vol. 2, No. 11, pp. 356 (2005). K. Otsubo et al., "Low-Driving-Current High-Speed Direct Modulation up to 40 Gb/s Using 1.3-um Semi-Insulating Buried-Heterostructure AlGaInAs-MQW Distributed Reflector (DR) Lasers," OSA/OFC/NFOEC, OThT6 (2009).
　位相シフト両側ＤＲレーザにおいて活性層長を短くする構成とする場合、光の出射による損失（ミラー損）が増加するので、両端の反射率が大きくなければ発振条件を満たさない。ここで、回折格子の反射率は、結合係数と回折格子の長さの積によって決まり、この値が大きくなるほど、反射率は増加する。
　しかしながら、回折格子に位相シフトを有するレーザでは、反射率を増加させると、位相シフト部での電場の局在（空間的ホールバーニング）が生じ、発振モードが不安定になり、変調特性が劣化するので問題となる。
　また、位相シフト両側ＤＲレーザでは、利得領域の位置ずれ、ＤＢＲとＤＦＢのブラッグ波長のずれ等のレーザ製造工程における誤差により、位相シフトＤＦＢレーザと位相シフト片側ＤＲレーザに比べて、単一モード性や発振波長制御性における影響が大きいので問題となる。
　上述したような課題を解決するために、本発明に係る半導体レーザは、順に、第２の回折格子を有する一方の分布ブラッグ反射領域と、第１の回折格子を有する分布帰還活性領域と、前記第２の回折格子を有する他方の分布ブラッグ反射領域とを備え、前記分布帰還活性領域が利得媒質を有し、前記分布ブラッグ反射領域が非利得媒質からなり、前記第１の回折格子が位相シフトを有し、前記第２の回折格子の結合効率が、前記第１の回折格子の結合効率より小さいことを特徴とする。
　本発明によれば、単一モード性や発振波長制御性に優れ、活性層長が短い半導体レーザを提供できる。
図１Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示す上面概略図である。 図１Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示すＩＢ－ＩＢ’断面概略図である。 図１Ｃは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成を示すＩＣ－ＩＣ’断面概略図である。 図２Ａは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの動作を説明するための図である。 図２Ｂは、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの動作を説明するための図である。 図３は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの動作を説明するための図である。 図４は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を説明するための図である。 図５は、本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザの構成の一例を示す上面概略図である。
＜第１の実施の形態＞
　本発明の第１の実施の形態に係る半導体レーザについて、図１～図５を参照して説明する。
＜半導体レーザの構成＞
　本実施の形態に係る半導体レーザ１０は、図１Ａ～Ｃに示すように、分布帰還活性領域（以下、「ＤＦＢ部」という。）と、分布ブラッグ反射領域（以下、「ＤＢＲ部」という。）とを備え、光の導波方向（図中、ｘ方向）に、２つのＤＢＲ部１２＿１、１２＿２の間にＤＦＢ部１１が配置される。
　ＤＦＢ部１１とＤＢＲ部１２＿１、１２＿２とは、基板上に形成され、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層（図示せず）を介して、Ｓｉ基板（図示せず）上に形成される。
　以下、水平面（基板表面）において、光の導波方向（ｘ方向）に垂直な方向（ｙ方向）を「幅」方向とし、電流注入において「横」方向とする。また、水平面に垂直な方向（ｚ方向）を「厚さ」方向とし、ＤＦＢ部１１と基板との境界面に対して、ＤＦＢ部１１側を「上」方向（ｚ＋方向）、基板側を「下」方向（ｚ－方向）とし、電流注入において「縦」方向とする。
　また、光の導波方向（ｘ方向）に平行な端面を「側面」とし、垂直な端面をレーザ光の入出射端面とする。
　半導体レーザ１０において、ＤＦＢ部１１とＤＢＲ部１２＿１、１２＿２の一方の側面に、ｐ型電流注入層１４１が配置され、他方の側面に、ｎ型電流注入層１５１が配置される。ＤＦＢ部１１の側方のｐ型電流注入層１４１、ｎ型電流注入層１５１それぞれの上面に電極１４２、１５２が配置される。このように、半導体レーザは、いわゆる横方向電流注入型の構成である。ここで、ｐ型電流注入層１４１とｎ型電流注入層１５１はそれぞれ、ｐ型、ｎ型半導体層であり、例えば、ｐ型ＩｎＰ、ｎ型ＩｎＰである。また、ｐ型電流注入層１４１およびｎ型電流注入層１５１は、少なくともＤＦＢ部１１の側面に配置されればよい。
　ＤＦＢ部１１は、利得媒質を有し、基板側から順に、下部クラッド１１４と、活性層１１３と、上部クラッド１１２とを備え、上部クラッド１１２の上面に第１の回折格子１１１が形成される。
　例えば、活性層１１３は、１．５５μｍ波長組成で層厚１５０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸からなり、上部クラッドと下部クラッドは、アンドープＩｎＰからなる。　
　ＤＢＲ部１２＿１、１２＿２は、非利得媒質、例えばアンドープＩｎＰ１２２からなり、上面に第２の回折格子１２１が形成される。
　ＤＦＢ部１１とＤＢＲ部１２＿１、１２＿２の厚さは、それぞれ２５０ｎｍ程度である。
　ＤＦＢ部１１の第１の回折格子１１１と、ＤＢＲ部１２の第２の回折格子１２１とは、凹部と凸部の周期構造からなる。第１の回折格子１１１の凹部の深さ（または凸部の高さ）と第２の回折格子１２１のそれとは略同等であり、２０～５０ｎｍ程度である。ここで、略同等とは、同等を含み、製造プロセスにおける製造誤差の範囲を含む。
　半導体レーザ１０で対象とするブラッグ波長に対応して、ＤＦＢ部１１の第１の回折格子１１１は、１次周期を有し、ＤＢＲ部１２の第２の回折格子１２１は２次周期を有し、第２の回折格子１２１は第１の回折格子１１１より結合係数が小さい。ここで、第１の回折格子１１１は位相シフトを有する。本実施の形態に係る半導体レーザ１０は、いわゆる位相シフト両側ＤＲレーザである。
　例えば、屈折率２．７、ブラッグ波長を１５５０ｎｍと仮定し、ＤＦＢ部１１の第１の回折格子１１１のピッチにおいて、１次周期の２８７ｎｍでデューティー比を５０％とし、ＤＢＲ部１２の第２の回折格子１２１のピッチにおいて、２次周期の５７４ｎｍでデューティー比を２５％とする。この場合、ＤＢＲの回折格子（第２の回折格子）１２１の結合係数は、ＤＦＢ部１１の回折格子（第１の回折格子）１１１の結合係数の約半分である。
　このとき、ＤＦＢ部１１の長さを２０μｍ、第１の回折格子１１１の結合係数を１０００ｃｍ－１、出射側の一方のＤＢＲ部１２＿２の長さを２０μｍ、他方のＤＢＲ部１２＿１の長さを５０μｍ、第２の回折格子１２１の結合係数を５００ｃｍ－１とすると、発振しきい値利得は６２ｃｍ－１となり、レーザ発振可能である。
　本実施の形態では、一方のＤＢＲ部の長さを、他方のＤＢＲ部の長さより短くして、一方のＤＢＲ部よりレーザ光を出射する構成の一例を示したが、これに限らず、一方のＤＢＲ部の長さと他方のＤＢＲ部の長さを同等にしてもよい。この場合、一方のＤＢＲ部と他方のＤＢＲ部との両端からレーザ光が出射するので、いずれかのＤＢＲ部からのレーザ光が損失される。
＜半導体レーザの動作＞
　図２Ａ、Ｂに、ＤＦＢ部１１とＤＢＲ部１２＿１、１２＿２におけるストップバンドとブラッグ波長との関係を示す。
　図２Ａに示すように、ＤＦＢ部１１のストップバンドとＤＢＲ部１２＿１、１２＿２のストップバンドとが同程度の場合、例えば、回折格子の作製誤差等によりＤＢＲ部１２＿１、１２＿２のブラッグ波長がずれると（図中黒矢印）、ＤＦＢ部１１のストップバンド端（例えば、バンドの下端）がＤＢＲ部１２＿１、１２＿２のストップバンド内に位置するので、ＤＦＢ部１１のブラッグ波長だけでなくＤＦＢ部１１のストップバンド端でも発振が生じる可能性がある（図中、白丸）。
　一方、図２Ｂに示すように、ＤＢＲ部１２＿１、１２＿２のストップバンドがＤＦＢ部１１のストップバンドより小さい場合、ＤＢＲ部１２＿１、１２＿２のブラッグ波長がずれても（図中黒矢印）、ＤＦＢ部１１のストップバンド端がＤＢＲ部１２＿１、１２＿２のストップバンド内に位置しないので、ＤＦＢ部１１のストップバンド端での発振を抑制でき、ＤＦＢ部１１のブラッグ波長のみの単一モード発振が得られる（図中、白丸）。
　図３に、ＤＦＢ部１１のブラッグ波長が１５５０ｎｍ、第１の回折格子１１１の結合係数が１０００ｃｍ－１　であるときの、ＤＢＲ部１２＿１、１２＿２のブラッグ波長と、しきい値モード利得が最も小さいモードと２番目に小さいモードとのしきい値モード利得差の関係についての計算結果を示す。
　ここで、計算に用いたパラメータは、ＤＦＢ部１１が長さ２０μｍ、屈折率２．７、結合係数１０００ｃｍ－１、ブラッグ波長１５５０ｎｍであり、一方のＤＢＲ部１２＿２と他方のＤＢＲ部１２＿１それぞれの長さは２０μｍと５０μｍ、屈折率２．７である。
　ＤＢＲ部１２＿１、１２＿２の第２の回折格子１２１の結合係数が、ＤＦＢ部１１の第１の回折格子１１１の結合係数と同じ１０００ｃｍ－１である場合（図中、白丸）、ＤＢＲ部１２＿１、１２＿２のブラッグ波長が１５５０ｎｍのとき、すなわちＤＦＢ部１１とＤＢＲ部１２＿１、１２＿２とのブラッグ波長が一致しているとき、しきい値モード利得差は十分に大きく、単一モードで発振する。
　しかしながら、ＤＢＲ部１２＿１、１２＿２のブラッグ波長が１５４５または１５５５ｎｍのとき、すなわちＤＦＢ部１１とＤＢＲ部１２＿１、１２＿２とのブラッグ波長に５ｎｍの差が生じたとき、しきい値モード利得差が小さくなり、多モード発振する可能性がある。
　一方、ＤＢＲ部１２＿１、１２＿２の第２の回折格子１２１の結合係数を５００ｃｍ－１とした場合（図中、黒四角）、ＤＦＢ部１１とＤＢＲ部１２＿１、１２＿２とのブラッグ波長に５ｎｍの差が生じたとき、ＤＦＢ部１１とＤＢＲ部１２＿１、１２＿２のブラッグ波長が同等のときと同様に、しきい値モード利得差は十分に大きい。その結果、波長ずれが生じても単一モードで発振する。
＜半導体レーザの製造方法＞
　本実施の形態に係る半導体レーザの製造方法を、図４を参照して説明する。
　初めに、ウエハ接合等の手法により、活性層１１３を含むウエハを接合し、支持基板を除去することにより、活性層１１３とＩｎＰ層１１４を含む半導体薄膜を。Ｓｉ基板１６上の酸化膜１７上に形成する（Ｓ１）。
　次に、エッチングにより活性層を含む領域を、ｘ方向に長い略直方体形状に加工する（Ｓ２）。
　次に、結晶再成長により活性層を含む領域をＩｎＰ１１２、１２２で埋め込む（Ｓ３）。
　次に、活性層の上方のＩｎＰ１１２の上面に第１の回折格子１１１を形成し、活性層の上方以外のＩｎＰ１２２の上面に第２の回折格子１２１を形成する（Ｓ４）。
　次に、ＤＦＢ部１１とＤＢＲ部（図示せず）とを、ｘ方向に長い略直方体形状に加工する（図示せず）。加工後のＤＦＢ部１１とＤＢＲ部１２の一方の側方に、ｐ型電流注入層１４１としてｐ型ＩｎＰとｐ型ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓコンタクト層、他方の側方にｐ型電流注入層１４１としてｎ型ＩｎＰとｎ型ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓコンタクト層を形成する。
　最後に、ｐ型コンタクト層とｎ型コンタクト層それぞれの上面に電極１４２、１５２を形成する（図示せず）。
＜効果＞
　従来の位相シフト両側ＤＲレーザにおいて、ＤＦＢ部とＤＢＲ部が同じ結合係数を有するので、ＤＦＢレーザ、片側ＤＲレーザよりも発振しきい値利得を低くすることができるため、活性層長が短いレーザの発振に有利である。しかしながら、利得領域の位置ずれ、ＤＢＲとＤＦＢのブラッグ波長のずれ等の作製誤差により、ＤＦＢレーザ、片側ＤＲレーザに比べて、発振波長制御、単一モード性に影響を受ける。
　また、ＤＦＢ部とＤＢＲ部で異なる結合係数とするには、それぞれの回折格子の凹部を異なる深さとする構成が考えられるが、ＤＦＢ部とＤＢＲ部それぞれの回折格子を別工程で形成する必要があるので製造工程が複雑になる。
　一方、本実施の形態に係る半導体レーザによれば、位相シフト両側ＤＲレーザにおいて、対象となるブラッグ波長に対応して、ＤＦＢ部に１次周期の１次回折格子を用い、ＤＢＲ部は前記１次回折格子よりも結合係数の低い２次周期の２次回折格子を用いることにより、ＤＢＲ部の結合係数をＤＦＢ部の結合係数よりも低下させる。その結果、作製誤差に対して、より発振波長の制御性、単一モード性の高いレーザを実現することができる。
　また、ＤＦＢ部とＤＢＲ部それぞれの回折格子を一括で形成できるので、簡易に製造できる。
　本実施の形態では、ＤＦＢ部に１次の回折格子を用い、ＤＢＲ部に２次の回折格子を用いる例を示したが、これに限らない。ＤＦＢ部、ＤＢＲ部ともに１次周期の１次回折格子を用い、ＤＦＢ部とＤＢＲ部のｄｕｔｙ比を変えて、結合係数を低減させてもよい。
　本実施の形態では、ＤＢＲ部がＩｎＰからなる構成例を示したが、ＤＢＲ部がＩｎＰクラッドとＩｎＧａＡｓＰガイドからなる構成でもよい。この場合、ＩｎＰクラッドとＩｎＧａＡｓＰガイドとの境界に第２の回折格子が形成される。
　本実施の形態では、基板にＳｉを用いたが、ＩｎＰ、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板でもよい。とくに、ＩｎＰ基板を用いる場合には、製造工程においてウェハ接合等の工程が不要になる。また、ＤＦＢ部の上面とＩｎＰ基板の下面（裏面）に電極を形成して、縦型電流注入構造とすることができる。
　本実施の形態では、ＤＦＢ部とＤＢＲ部の上面に回折格子を形成する例を示したが、これに限らない。半導体レーザ２０の上面概略図（図５）に示すように、ＤＦＢ部２１とＤＢＲ部２２＿１、２２＿２それぞれの側面に第１の回折格子２１１、第２の回折格子２２１を形成してもよい。
　ここで、ＤＦＢ部２１とＤＢＲ部２２＿１、２２＿２の構成は、半導体レーザ１０と同様であり、例えばｎ型ＩｎＰ基板上に形成される。半導体レーザ２０では、例えば、ＤＦＢ部２１上にｐ型電流注入層と電極を形成し、ｎ型ＩｎＰ基板の下面（裏面）に電極を形成して、いわゆる縦方向電流注入型の構成として動作できる。または、ＤＦＢ部２１の側面にｐ型電流注入層、他方の側面にｎ型電流注入層を備えてもよい。
　本発明の実施の形態では、半導体レーザの構成、製造方法などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。半導体レーザの機能を発揮し効果を奏するものであればよい。
　本発明は、光通信伝送システム、とくに波長分割多重（ＷＤＭ）伝送、短距離通信光インターコネクトにおける波長多重光源に適用することができる。
１０　半導体レーザ
１１　分布帰還活性領域
１２＿１、１２＿２　分布ブラッグ反射領域
１１１、１２１　回折格子

Claims (7)

  1. 　順に、第２の回折格子を有する一方の分布ブラッグ反射領域と、
    　第１の回折格子を有する分布帰還活性領域と、
    　前記第２の回折格子を有する他方の分布ブラッグ反射領域とを備え、
    　前記分布帰還活性領域が利得媒質を有し、
    　前記分布ブラッグ反射領域が非利得媒質からなり、
    　前記第１の回折格子が位相シフトを有し、
    　前記第２の回折格子の結合効率が、前記第１の回折格子の結合効率より小さいことを特徴とする半導体レーザ。
  2. 　前記第１の回折格子が１次周期を有し、前記第２の回折格子が２次周期を有する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。
  3. 　前記一方の分布ブラッグ反射領域の長さが、前記他方の分布ブラッグ反射領域の長さより短い
    　ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の半導体レーザ。
  4. 　前記第１の回折格子を前記分布帰還活性領域の上面に有し、
    　前記第２の回折格子を前記一方の分布ブラッグ反射領域および前記他方の分布ブラッグ反射領域の上面に有する
    　ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
  5. 　前記第１の回折格子を前記分布帰還活性領域の側面に有し、
    　前記第２の回折格子を前記一方の分布ブラッグ反射領域および前記他方の分布ブラッグ反射領域の側面に有する
    　ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
  6. 　前記分布帰還活性領域の側面のうち一方の側面にｐ型半導体層を備え、他方の側面にｎ型半導体層を備える
    　ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
  7. 　前記一方の分布ブラッグ反射領域と、前記分布帰還活性領域と、前記他方の分布ブラッグ反射領域とを、Ｓｉ基板上の酸化層上に備える
    　ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の半導体レーザ。
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