JP2004342961A - Tunable semiconductor laser and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
【課題】熱の発生量が少なくて熱による特性変動、性能劣化及び信頼性の低下が回避できるとともに、波長可変幅が大きい波長可変半導体レーザ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】光の照射によりチューニング層12にキャリアが発生し発振波長が変化する主半導体レーザ10の下方に、チューニング層12のバンドギャップ波長よりも短波長の光を発生する面発光型副半導体レーザ30を配置する。主半導体レーザ10と副半導体レーザ30との間にレンズを配置してもよい。
【選択図】 図1A tunable semiconductor laser having a large tunable width and a method of manufacturing the tunable semiconductor laser having a small amount of heat and capable of avoiding characteristic fluctuation, performance deterioration and reliability deterioration due to heat, and a method of manufacturing the same.
A surface-emitting type sub-semiconductor that generates light having a wavelength shorter than the bandgap wavelength of the tuning layer below a main semiconductor laser in which a carrier is generated in the tuning layer by irradiation of light and the oscillation wavelength changes. The laser 30 is arranged. A lens may be arranged between the main semiconductor laser 10 and the sub semiconductor laser 30.
[Selection diagram] Fig. 1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光励起による屈折率変化を利用して発振波長を変化できるようにした波長可変半導体レーザ及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体レーザの発振波長を変えるためには、活性層のバンドギャップを変化させたり、共振器内の光路長を変化させることが考えられる。しかし、完成した半導体レーザの活性層のバンドギャップを変化させることは困難であるため、共振器を構成する半導体の屈折率を変化させることにより実効的な光路長を変化させて発振波長を変化させることが研究されている。
【0003】
半導体の屈折率を変化させる方法はいくつか知られているが、最も大きな屈折率変化を期待できるのは、キャリア励起による非線形光学効果を利用した方法である。IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 35, NO. 5, MAY 5(非特許文献1)には、この効果を利用した波長可変半導体レーザとしてチューナブル・ツイン・ガイドレーザが提案されている。
【0004】
しかし、上述のチューナブル・ツイン・ガイドレーザでは、複雑な電流注入構造の最適化が困難であり、現状では予想される特性が得られていない。また、この構造では順方向電流を注入して非線形光学効果を引き起こすため、波長可変幅を大きくするためには比較的大きな制御電流が必要である。この制御電流に伴って発生する熱量が大きく、しかも熱源が活性層の比較的近傍にあるため、熱による特性変動、性能の劣化及び信頼性の低下などが避けられないという問題点がある。また、熱を放散するために大型のヒートシンクも必要である。
【0005】
このような問題点を解消すべく、光励起による屈折率変化を利用したチューナブル・ツイン・ガイドレーザが提案されている(特開平9−148665号公報(特許文献1))。このレーザでは、主半導体レーザの共振器の端部に発光ダイオードを配置し、発光ダイオードで発生した光を主半導体レーザの光ガイド層に入射して光ガイド層でキャリアを発生し、屈折率を変化させている。これにより、前述した問題点を解消しつつ、発振波長を変化させることができる。
【0006】
【特許文献1】
特開平9−148665号公報
【非特許文献1】
IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 35, NO. 5, MAY 5
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の光励起による屈折率変化を利用したチューナブル・ツイン・ガイドレーザでは波長可変幅が小さいという欠点がある。このため、熱の発生量が少なくて熱による特性変動、性能劣化及び信頼性の低下が回避できるとともに、波長可変幅がより一層大きい半導体レーザが要求されている。
【0008】
以上から、本発明の目的は、熱の発生量が少なくて熱による特性変動、性能劣化及び信頼性の低下が回避できるとともに、波長可変幅が大きい波長可変半導体レーザ及びその製造方法を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記した課題は、光の照射によりチューニング層にキャリアが発生し発振波長が変化する主半導体レーザと、前記主半導体レーザのチューニング層にチューニング層の長さ方向に交差する方向から光を照射する光源とを有することを特徴とする波長可変半導体レーザにより解決する。
【0010】
上記した課題は、基板と、前記基板の第1の領域上に形成されて光の照射によりチューニング層にキャリアが発生し発振波長が変化する主半導体レーザと、前記基板の第2の領域上に形成された光源と、前記基板上に形成され、前記光源で発生した光を前記チューニング層にチューニング層の長さ方向に交差する方向から導入する光導波路層とを有することを特徴とする波長可変半導体レーザにより解決する。
【0011】
上記した課題は、基板上に、チューニング層形成領域、光励起層形成領域及び光導波路層形成領域が開口されたマスクを形成する工程と、前記マスクの開口部内側に光学材料を気相成長させて、チューニング層、光励起層及びそれらの間を連絡する光導波路層を同時に形成する工程と、前記マスクを除去する工程と、前記チューニング層の上方に活性層を形成する工程と、前記光励起層、前記光導波路層及び前記活性層を、それらよりも屈折率が低い材料で被覆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の製造方法により解決する。
【0012】
光励起により大きな屈折率変化を得るためには、チューニング層の長さ方向の広い範囲に亘って一様にキャリアを発生させることが有効である。このため、本発明においては、チューニング層の長さ方向に交差する方向から光を照射する。これにより、チューニング層の長さ方向の広い範囲に亘ってキャリアが発生し、屈折率が変化する。従って、波長を大きく変化させることが可能になる。
【0013】
なお、光源から放出された光をチューニング層に効率よく入射させるために、主半導体レーザと光源との間にレンズを配置することが好ましい。
【0014】
また、主半導体レーザと光源とを同一の基板上に形成することも可能である。この場合、主半導体レーザと光源とを個別に製造する場合に比べて製造工程が簡単になるとともに、波長可変半導体レーザの小型化が可能になり、且つ主半導体レーザと光源との光軸を合わせる工程が不要になるという利点がある。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
【0016】
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態の波長可変半導体レーザ(チューナブル・ツイン・ガイドレーザ)の構成を示す断面図、図2は同じくその上面図である。なお、図1は図2のI−I線の位置における断面を示している。
【0017】
本実施の形態の波長可変半導体レーザは、主半導体レーザ10と、この主半導体レーザ10の下方に配置されて主半導体レーザ10を下側から照射する面発光型副半導体レーザ30とにより構成されている。
【0018】
主半導体レーザ10は、n型InP基板11を用いて形成されている。すなわち、n型InP基板11の共振器形成領域、及びその共振器形成領域に接続する負極側電極形成領域の上には、多重量子井戸構造を有するチューニング層12が形成されている。このチューニング層12は、例えばバンドギャップ波長が1.25μmのInGaAsP層と、バンドギャップ波長が1.10μmのInGaAsP層とを20周期多重化して構成されている。
【0019】
チューニング層12の上にはn型InP層13が形成されている。負極側電極形成領域のn型InP層13上には負極側電極24aが形成されている。一方、共振器形成領域のn型InP層13の上には、アンドープInGaAsP層14と、多重量子井戸構造を有する活性層15と、アンドープInGaAsP層16と、1周期が240nmで深さが35nmの回折格子17と、p型InP層18とが下からこの順に積層されてなるメサ形積層体が形成されている。このメサ形積層体は図1の紙面に垂直な方向を長さ方向とするストライプ状であり、例えばメサ幅が1μm、ストライプ長が800μmである。
【0020】
InGaAsP層14,16はいずれもバンドギャップ波長が1.20μmである。また、活性層15は、例えば発振波長が1.55μmとなるように設計した7周期のInGaAsP/InGaAsP層により構成されている。
【0021】
このメサ形積層体の幅方向の両側にはp型InP層19及びn型InP層20が下からこの順に積層されて配置されている。
【0022】
メサ形積層体及びn型InP層20の上にはp型InP層21が形成されている。また、p型InP層21の上にはバンドギャップ波長が1.08μmのp型InGaAsP層22が形成されており、その上にはバンドギャップ波長が1.3μmのp型InGaAsP層23が形成されている。これらのp型InGaAsP層23、p型InGaAsP層22、p型InP層21、n型InP層20、p型InP層19、n型InP層13及びチューニング層12により構成される構造体は、図1に示すようにメサ形に形成されている。そして、p型InGaAsP層23の上に正極側電極24bが形成されている。
【0023】
一方、副半導体レーザは30、n型InP基板31を用いて形成されている。すなわち、n型InP基板31の一方の面上(図1では下側)にはn型InP層とn型InGaAsP層とを交互に積層した多層構造を有するDBR(Distributed Bragg Reflector )ミラー32が形成されている。このDBRミラー32の下には活性層33が図1の紙面に垂直な方向を長さ方向とするストライプ状に形成されている。活性層33は、バンドギャップ波長が1.10μmのInGaAsP層とバンドギャップ波長が1.20μmのInGaAsP層とを10周期多重化して形成されている。
【0024】
活性層33の下にはn型InP層とn型InGaAsP層とを交互に積層した多層構造を有するDBRミラー34が形成されている。これらの活性層33及びDBRミラー34の幅方向の両側にはFeをドープしたInP層(Fe−InP層)35が配置されている。
【0025】
そして、n型InP基板31の上には光が通過する開口部が設けられた負極側電極36aが形成されており、DBRミラー34及びFe−InP層35の下には正極側電極36bが形成されている。
【0026】
このように構成された本実施の形態の波長可変半導体レーザにおいて、主半導体レーザ10の電極24a,24b間に電圧を印加すると、活性層15で発生した光が図1の紙面に対し垂直な方向に出力される。このとき、副半導体レーザ30の電極36a,36b間に電圧を印加して発光させると、主半導体レーザ10のチューニング層12に光が照射され、光の強度に応じた量のキャリアが発生してチューニング層12の屈折率が変化する。これにより、主半導体レーザ10の回折格子の光学的な周期が変化するため、発振波長が変化する。
【0027】
この場合に、本実施の形態においては、主半導体レーザ10の下方から面発光レーザ30により主半導体レーザ10のチューニング層12の広い範囲に光を照射するので、チューニング層12に多くのキャリアを発生させることができる。これにより、主半導体レーザ10の発振波長を大きく変化させることができる。
【0028】
また、本実施の形態の波長可変半導体レーザは、光の照射によりキャリアを発生させるので、熱の発生量が少なく、熱による特性の変動、性能劣化及び信頼性の低下が回避できる。
【0029】
以下、本実施の形態の波長可変半導体レーザの製造方法について、図3〜図4に示す断面図を参照して説明する。
【0030】
最初に、主半導体レーザ10の製造方法について説明する。まず、図3(a)に示すように、n型InP基板11を用意する。そして、このn型InP基板11の上に、有機金属気相成長(MOCVD)法を用いて多重量子井戸構造のチューニング層12を形成する。このチューニング層12は、例えばバンドギャップ波長が1.25μmのInGaAsP層と、バンドギャップ波長が1.10μmのInGaAsP層とを20周期多重化して構成する。
【0031】
次に、図3(b)に示すように、チューニング層12の上にn型InP層13を形成する。そして、このn型InP層13の上に、バンドギャップ波長が1.20μmのアンドープInGaAsP層14と、多重量子井戸構造の活性層15と、バンドギャップ波長が1.20μmのアンドープInGaAsP層16とを順次形成する。活性層15の多重量子井戸構造は、例えば発振波長が1.55μmとなるように設計した7周期のInGaAsP/InGaAsP層により構成する。
【0032】
その後、InGaAsP層16上に、1周期が240nm、深さが35nmの回折格子17を形成する。そして、回折格子17の上にp型InP層18を形成する。
【0033】
次に、図3(c)に示すように、フォトリソグラフィ法により、p型InP層18、InGaAsP層16、活性層15及びInGaAsP層14の積層体をメサ形に加工する。
【0034】
次に、図4(a)に示すように、p型InP層18、InGaAsP層16、活性層15及びInGaAsP層14により構成されるメサ形積層体の幅方向の両側に、n型InP層19及びp型InP層20を形成する。その後、全面にp型InP層21を形成する。そして、p型InP層21の上にバンドギャップ波長が1.08μmのp型InGaAsP層22と、バンドギャップ波長が1.3μmのp型InGaAsP層23とを順次形成する。
【0035】
次いで、図4(b)に示すように、フォトリソグラフィ法により共振器形成領域のInGaAsP層22,23、p型InP層21、n型InP層20、p型InP層19、n型InP層13及びチューニング層12をエッチングしてメサ形の共振器を形成するとともに、負極側電極形成領域のn型InP層13を露出させる。そして、図1に示すように、n型InP層13の上に金属膜からなる負極側電極24aを形成し、p型InGaAsP層23の上に金属膜からなる正極側電極24bを形成する。このようにして、主半導体レーザ10が完成する。
【0036】
以下、副半導体レーザ30の製造方法について、図5を参照して説明する。まず、図5(a)に示すように、n型InP基板31を用意する。そして、このn型InP基板31の上に、n型InGaAsP層とInP層との多層構造からなるDBRミラー32を形成する。
【0037】
次に、図5(b)に示すように、バンドギャップ波長が1.10μmのInGaAsP層とバンドギャップ波長が1.2μmのInGaAsP層とを10周期多重化して、主半導体レーザ10のチューニング層12に比べて短波長で発光する多重量子井戸構造の活性層33を形成する。その後、活性層33の上に、p型InGaAsP層とp型InP層との多層構造からなるDBRミラー34を形成する。そして、フォトリソグラフィ法により、DBRミラー34及び活性層33をメサ形に加工する。その後、メサ形のDBRミラー34及び活性層33の両側にFeがドーピングされたInP層35を形成する。
【0038】
次いで、図1に示すように、n型InP基板31の下に金属膜からなるリング状の電極36aを形成し、DBRミラー34及びFe−Inp層35の上には金属膜からなるリング状の電極36bを形成する。これにより副半導体レーザ30が完成する。
【0039】
このようにして、主半導体レーザ10及び副半導体レーザ30を形成した後、副半導体レーザ30を主半導体レーザ10の下方に配置して固定する。これにより、本実施の形態の波長可変半導体レーザが完成する。
【0040】
なお、上記実施の形態では、副半導体レーザ30から出力された光を主半導体レーザ10のチューニング層12に照射してキャリアを発生させる場合について説明したが、副半導体レーザ30に替えて例えばチューニング層12のバンドキャップ波長よりも短波長で発光する発光ダイオード又はその他の光源を使用してもよい。
【0041】
(変形例1)
図6は第1の実施の形態の変形例1を示す断面図である。
【0042】
第1の実施の形態において、副半導体レーザ30から出射される光の照射域の幅は通常5μm以上となり、主半導体レーザ10のメサ幅1μmより大きい。チューニング層12のキャリアを効率的に励起するためには、レンズ等を用いて副半導体レーザ30から放出される光を主半導体レーザ10の共振器の幅と同程度に集光することが有効である。
【0043】
すなわち、図6に示すように、副半導体レーザ30と主半導体レーザ10との間にシリンドリカルレンズ41を配置すると、主半導体レーザ10の共振器を構成するチューニング層12に副半導体レーザ30から出射される光を効率よく照射することができる。これにより、第1の実施の形態に比して主半導体レーザ10の波長可変幅をより一層大きくすることが可能になる。
【0044】
(変形例2)
図7は第1の実施の形態の変形例2を示す断面図である。
【0045】
第1の実施の形態においては副半導体レーザ30を主半導体レーザ10の下方に配置したが、図7に示すように主半導体レーザ10の側方に配置してもよい。この場合も、副半導体レーザ30から出射された光により主半導体レーザ10の共振器を構成するチューニング層12を広い範囲に亘って均一に照射することができる。この変形例2においても、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【0046】
(変形例3)
図8は第1の実施の形態の変形例3を示す断面図である。
【0047】
この変形例3においては、副半導体レーザ30を主半導体レーザ10の側方に配置し、更に主半導体レーザ10と副半導体レーザ30との間にシリンドリカルレンズ41を配置している。この変形例3においても、変形例1と同様の効果を得ることができる。
【0048】
(第2の実施の形態)
図9は本発明の第2の実施の形態の波長可変半導体レーザ(チューナブル・ツイン・ガイドレーザ)の構成を示す断面図である。
【0049】
本実施の形態の波長可変半導体レーザは、主半導体レーザ50と副半導体レーザ70とが同一のn型InP基板51上に形成されている。
【0050】
すなわち、主半導体レーザ形成領域では、n型InP基板51の上にバンドギャップ波長が1.3μmのチューニング層52cが形成されている。このチューニング層52cの上にはn型InP層53、多重量子井戸構造を有する活性層54及びp型InP層55が下からこの順に積層して形成されている。これらのn型InP層53、活性層54及びp型InP層55の積層体は図9の紙面に垂直な方向を長さ方向とするメサ形に形成されている。このメサ形積層体の幅は、例えば1μmである。
【0051】
このメサ形積層体の幅方向の両側にはp型InP層56及びn型InP層57が下からこの順に積層して形成されている。p型InP層55及びn型InP層57の上にはp型InP層58が形成されており、このp型InP層58の上にはp型InGaAsP層59が形成されている。これらのp型InP層58及びp型InGaAsP層59はメサ形に加工されている。また、InGaAsP層59の上には、主半導体レーザ50の正極側電極71cが形成されている。
【0052】
一方、副半導体レーザ形成領域では、n型InP基板51の上に、バンドギャップ波長が1.2μmの光励起層52aが形成されている。この光励起層52aの上にはp型InP層58が形成されており、p型InP層58の上にはp型InGaAsP層59が形成されている。また、p型InGaAsP層59の上には、副半導体レーザ70の正極側電極71bが形成されている。なお、副半導体レーザ70は、主半導体レーザ50のチューニング層52cの長手方向(図9の紙面に垂直な方向)に沿って複数個が配置されている。
【0053】
そして、主半導体レーザ形成領域と副半導体レーザ形成領域との間のn型InP基板51の上には、バンドギャップ波長が1.15μmの光導波路層52bが形成されている。この光導波路層52bの上面及び側面は、p型InP層58に覆われている。また、n型InP基板51の下側には、主半導体レーザ50及び副半導体レーザ70に共通の負極側電極71aが形成されている。
【0054】
なお、光を共振器及び光導波路層52bに閉じ込めるために、p型InP層56、n型InP層57及びp型InP層58の屈折率は、活性層54、光励起層52a及び光導波路層52bの屈折率よりも低いことが必要である。
【0055】
このように構成された本実施の形態の波長可変半導体レーザにおいて、電極71a,71c間に電圧を印加すると、活性層54で発生した光が図9の紙面に対し垂直な方向に出力される。このとき,電極71b,71c間に電圧を印加すると、光励起層52aで光が発生する。この光は光導波路層52bを通って主半導体レーザ71cのチューニング層52に導入される。これにより、光の強度に応じた量のキャリアがチューニング層53に発生して屈折率が変化する。これにより、主半導体レーザ50の発振波長が変化する。
【0056】
この場合に、本実施の形態においては、主半導体レーザ50の側方から副半導体レーザ70によりチューニング層52cを広い範囲に亘って照射するので、発振波長を大きく変化させることができる。本実施の形態では、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができるのに加えて、主半導体レーザ50と副半導体レーザ70との光軸を合わせる組み立て作業が不要になるという効果を奏する。
【0057】
以下、本実施の形態の波長可変半導体レーザの製造方法について、図10の平面図及び図11〜図15の断面図を参照して説明する。なお、図10中の矢印は、主半導体レーザ50の光の出射方向を示している。
【0058】
まず、n型半導体基板51の上にSiO2 膜を形成する。そして、図10に示すように、フォトリソグラフィ法によりSiO2 膜をパターニングして、光励起層形成領域、光導波路層形成領域及びチューニング層形成領域が露出する開口部を有するSiO2 マスク61を形成する。
【0059】
次に、図11(a)に示すように、有機金属気相成長法を用いて、マスク61の開口部から露出したn型InP基板51の上にInGaAsPを成長させて、InGaAsPからなる光励起層52a、光導波路層52b及びチューニング層52cを形成する。このとき、チューニング層52cのバンドギャップ波長が1.3μmになるように有機金属気相成長時の条件を設定すると、In原子とGa原子との拡散長の違いにより、SiO2 マスク61に覆われていない部分では開口幅に応じた組成分布が生じる。その結果、光励起層52aのバンドギャップ波長は約1.2μmとなり、光導波路層52bのバンドギャップ波長は約1.15μmとなる。
【0060】
次に、SiO2 マスク61をウェットエッチングにより除去した後、図11(b)に示すように、チューニング層形成領域以外の領域を被覆するSiO2 マスク62を形成する。
【0061】
次に、図12(a)に示すように、チューニング層52cの上にn型InP層53、多重量子井戸構造を有する活性層54及びp型InP層55を順次成長する。活性層54の多重量子井戸構造は、発振波長が1.55μmとなるように設計した7周期のInGaAsP/InGaAsP層により構成する。
【0062】
次に、図12(b)に示すように、p型InP層55の上にSiO2 マスク63を形成する。そして、p型InP層55、活性層54及びn型InP層53の積層体をメサ形にエッチング加工する。
【0063】
次に、図13(a)に示すように、p型InP層55、活性層54及びn型InP層53により構成されるメサ形積層体の幅方向の両側に、p型InP層56及びn型InP層57を下からこの順に形成する。その後、図13(b)に示すように、SiO2 マスク62,63をウェットエッチングにより除去する。
【0064】
次に、図14(a)に示すように、n型InP基板51の上側全面にp型InP層58を形成し、その表面を平坦化にする。その後、p型InP層58の上にp型InGaAsP層59を形成する。このp型InGaAsP層59は、例えば厚さが約0.1μm、バンドギャップ波長が1.3μm、p型不純物濃度が8×1018cm−3とする。
【0065】
次に、図14(b)に示すように、p型InGaAsP層59の上に、所定のパターンでSiO2 マスク64を形成する。そして、図15に示すように、p型InGaAsP層59及びp型InP層58をエッチングし、主半導体レーザ50及び副半導体レーザ70の外形をメサ形に加工する。
【0066】
次いで、マスク64を除去した後、図9に示すように、n型半導体基板51の下面に電極71aを形成し、副半導体レーザ70のp型InGaAsP層59の上に電極71bを形成し、主半導体レーザ50のp型InGaAsP層59の上に電極71cを形成する。これにより、本実施の形態の波長可変半導体レーザが完成する。
【0067】
上述した本実施の形態の波長可変半導体レーザの製造方法では、SiO2 マスク61の開口幅の差を利用してバンドギャップ波長が異なる光励起層52a、光導波路層52b及びチューニング層52cを同時に形成するので、製造工程数が少なく、波長可変半導体レーザを比較的容易に製造することができる。
【0068】
また、本実施の形態の波長可変半導体レーザの製造方法においては、主半導体レーザ50と副半導体レーザ70とを同一基板上に形成するので、主半導体レーザ50と副半導体レーザ70との光軸を合わせる組立工程が不要であるという利点がある。
【0069】
(付記1)光の照射によりチューニング層にキャリアが発生し発振波長が変化する主半導体レーザと、前記主半導体レーザのチューニング層にチューニング層の長さ方向に交差する方向から光を照射する光源とを有することを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【0070】
(付記2)前記光源と前記主半導体レーザとの間にレンズが配置されていることを特徴とする付記1に記載の波長可変半導体レーザ。
【0071】
(付記3)前記光源が面発光型レーザであることを特徴とする付記1に記載の波長可変半導体レーザ。
【0072】
(付記4)前記光源が発光ダイオードであることを特徴とする付記1に記載の波長可変半導体レーザ。
【0073】
(付記5)前記光源が、前記チューニング層のバンドギャップ波長よりも短波長の光を発生することを特徴とする付記1に記載の波長可変半導体レーザ。
【0074】
(付記6)基板と、前記基板の第1の領域上に形成されて光の照射によりチューニング層にキャリアが発生し発振波長が変化する主半導体レーザと、前記基板の第2の領域上に形成された光源と、前記基板上に形成され、前記光源で発生した光を前記チューニング層にチューニング層の長さ方向に交差する方向から導入する光導波路層とを有することを特徴とする波長可変半導体レーザ。
【0075】
(付記7)基板上に、チューニング層形成領域、光励起層形成領域及び光導波路層形成領域が開口されたマスクを形成する工程と、前記マスクの開口部内側に光学材料を気相成長させて、チューニング層、光励起層及びそれらの間を連絡する光導波路層を同時に形成する工程と、前記マスクを除去する工程と、前記チューニング層の上方に活性層を形成する工程と、前記光励起層、前記光導波路層及び前記活性層を、それらよりも屈折率が低い材料で被覆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の製造方法。
【0076】
(付記8)前記チューニング層の長さ方向に沿って前記光励起層及び前記光導波路層を複数形成することを特徴とする付記7に記載の波長可変半導体レーザの製造方法。
【0077】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の波長可変半導体レーザによれば、主半導体レーザのチューニング層にチューニング層の長さ方向に交差する方向から光を照射するので、チューニング層の長さ方向の広い範囲に亘ってキャリアが発生し、屈折率が変化する。これにより、主半導体レーザの発振波長を大きく変化させることが可能になる。また、光によりキャリアを発生するので、熱の発生量が少なく、熱による特性の変動、性能劣化及び信頼性の低下を回避できる。
【0078】
本発明の波長可変半導体レーザの製造方法によれば、マスクの開口幅の差を利用してバンドギャップ波長が異なる光励起層、光導波路層及びチューニング層を同時に形成するので製造工程数が少なく、比較的容易に製造することができる。また、本発明によれば、主半導体レーザと光源とを同一基板上に形成するので、主半導体レーザと光源との光軸を合わせる組立工程が不要であるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の第1の実施の形態の波長可変半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図2】図2は、第1の実施の形態の波長可変半導体レーザの上面図である。
【図3】図3は、第1の実施の形態の波長可変半導体レーザの主半導体レーザの製造方法を示す断面図(その1)である。
【図4】図4は、第1の実施の形態の波長可変半導体レーザの主半導体レーザの製造方法を示す断面図(その2)である。
【図5】図5は、第1の実施の形態の波長可変半導体レーザの副半導体レーザの製造方法を示す断面図である。
【図6】図6は第1の実施の形態の変形例1を示す断面図である。
【図7】図7は第1の実施の形態の変形例2を示す断面図である。
【図8】図8は第1の実施の形態の変形例3を示す断面図である。
【図9】図9は本発明の第2の実施の形態の波長可変半導体レーザの構成を示す断面図である。
【図10】図10は、第2の実施の形態の波長可変半導体レーザの製造方法を示す図(その1)である。
【図11】図11は、第2の実施の形態の波長可変半導体レーザの製造方法を示す図(その2)である。
【図12】図12は、第2の実施の形態の波長可変半導体レーザの製造方法を示す図(その3)である。
【図13】図13は、第2の実施の形態の波長可変半導体レーザの製造方法を示す図(その4)である。
【図14】図14は、第2の実施の形態の波長可変半導体レーザの製造方法を示す図(その5)である。
【図15】図15は、第2の実施の形態の波長可変半導体レーザの製造方法を示す図(その6)である。
【符号の説明】
10,50…主半導体レーザ、
11,31,51…n型InP基板、
12,52c…チューニング層、
13,20,53,57…n型InP層、
14,16…アンドープInGaAsP層、
15,33,54…活性層、
17…回折格子、
18,19,21,55,56,58…p型InP層、
22,23,59…p型InGaAsP層、
30,70…副半導体レーザ、
32,34…DBRミラー、
35…Fe−InP層、
41…レンズ、
52a…光励起層、
52b…導波路層、
61,62,63,64…マスク。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavelength tunable semiconductor laser capable of changing an oscillation wavelength using a change in a refractive index caused by optical excitation, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
In order to change the oscillation wavelength of the semiconductor laser, it is conceivable to change the band gap of the active layer or change the optical path length in the resonator. However, since it is difficult to change the band gap of the active layer of the completed semiconductor laser, the oscillation wavelength is changed by changing the effective optical path length by changing the refractive index of the semiconductor constituting the resonator. Has been studied.
[0003]
Several methods are known for changing the refractive index of a semiconductor, but the largest change in the refractive index can be expected from a method using a nonlinear optical effect due to carrier excitation. IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 35, NO. 5, MAY 5 (Non-Patent Document 1) proposes a tunable twin guide laser as a wavelength tunable semiconductor laser utilizing this effect.
[0004]
However, in the tunable twin guide laser described above, it is difficult to optimize a complicated current injection structure, and at present, expected characteristics are not obtained. Further, in this structure, a forward current is injected to cause a non-linear optical effect, so that a relatively large control current is required to increase the wavelength variable width. Since the amount of heat generated by the control current is large and the heat source is relatively close to the active layer, there is a problem that characteristic fluctuation, performance deterioration, and reliability deterioration due to heat are inevitable. Also, a large heat sink is required to dissipate heat.
[0005]
In order to solve such a problem, a tunable twin guide laser utilizing a change in the refractive index due to light excitation has been proposed (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-148665 (Patent Document 1)). In this laser, a light emitting diode is arranged at the end of the resonator of the main semiconductor laser, and light generated by the light emitting diode is incident on the light guide layer of the main semiconductor laser to generate carriers in the light guide layer, thereby reducing the refractive index. Is changing. This makes it possible to change the oscillation wavelength while solving the above-mentioned problems.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-9-148665
[Non-patent document 1]
IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, VOL. 35, NO. 5, MAY 5
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, the tunable twin guide laser utilizing the above-described change in the refractive index caused by light excitation has a disadvantage that the wavelength variable width is small. For this reason, there is a demand for a semiconductor laser that generates a small amount of heat and can avoid characteristic fluctuations, performance deterioration and reliability deterioration due to heat, and further has a larger wavelength variable width.
[0008]
In view of the above, it is an object of the present invention to provide a wavelength tunable semiconductor laser having a large wavelength tunable width and a method of manufacturing the same, in which a small amount of heat is generated and characteristic fluctuations due to heat, performance deterioration and reliability reduction can be avoided. It is.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The above-described problem is caused by a main semiconductor laser in which carriers are generated in the tuning layer by irradiation of light and the oscillation wavelength changes, and a light source that irradiates the tuning layer of the main semiconductor laser with light from a direction intersecting the length direction of the tuning layer. And a wavelength tunable semiconductor laser characterized by having the following.
[0010]
The above-mentioned problem is solved by a substrate, a main semiconductor laser formed on a first region of the substrate, wherein carriers are generated in a tuning layer by irradiation of light and an oscillation wavelength is changed, and a main semiconductor laser is formed on a second region of the substrate. Wavelength tunable, comprising: a formed light source; and an optical waveguide layer formed on the substrate and configured to introduce light generated by the light source into the tuning layer from a direction intersecting the length direction of the tuning layer. The problem is solved by a semiconductor laser.
[0011]
The above-mentioned problem is to form a mask having a tuning layer forming region, a photoexcitation layer forming region and an optical waveguide layer forming region on a substrate, and to vapor-grow an optical material inside the opening of the mask. Simultaneously forming a tuning layer, an optical excitation layer and an optical waveguide layer communicating therewith, removing the mask, forming an active layer above the tuning layer, the optical excitation layer, Coating the optical waveguide layer and the active layer with a material having a lower refractive index than those of the active layer and the active layer.
[0012]
In order to obtain a large refractive index change by light excitation, it is effective to generate carriers uniformly over a wide range in the length direction of the tuning layer. For this reason, in the present invention, light is irradiated from a direction crossing the length direction of the tuning layer. As a result, carriers are generated over a wide range in the length direction of the tuning layer, and the refractive index changes. Therefore, it is possible to greatly change the wavelength.
[0013]
Note that it is preferable to arrange a lens between the main semiconductor laser and the light source in order to make the light emitted from the light source efficiently enter the tuning layer.
[0014]
Further, the main semiconductor laser and the light source can be formed on the same substrate. In this case, the manufacturing process is simplified as compared with a case where the main semiconductor laser and the light source are separately manufactured, the size of the wavelength tunable semiconductor laser can be reduced, and the optical axes of the main semiconductor laser and the light source are aligned. There is an advantage that a process is not required.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0016]
(First Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a wavelength-tunable semiconductor laser (tunable twin guide laser) according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a top view of the same. FIG. 1 shows a cross section taken along the line II in FIG.
[0017]
The wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment includes a
[0018]
The
[0019]
An n-
[0020]
Each of the InGaAsP layers 14 and 16 has a band gap wavelength of 1.20 μm. The
[0021]
A p-
[0022]
A p-
[0023]
On the other hand, the
[0024]
Below the
[0025]
A
[0026]
In the wavelength tunable semiconductor laser of the present embodiment thus configured, when a voltage is applied between the
[0027]
In this case, in the present embodiment, since the
[0028]
Further, since the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment generates carriers by irradiating light, the amount of generated heat is small, so that fluctuations in characteristics, performance deterioration and reliability deterioration due to heat can be avoided.
[0029]
Hereinafter, a method of manufacturing the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment will be described with reference to the cross-sectional views shown in FIGS.
[0030]
First, a method for manufacturing the
[0031]
Next, as shown in FIG. 3B, an n-
[0032]
Thereafter, a
[0033]
Next, as shown in FIG. 3C, a stacked body of the p-
[0034]
Next, as shown in FIG. 4A, an n-
[0035]
Next, as shown in FIG. 4B, the InGaAsP layers 22 and 23, the p-
[0036]
Hereinafter, a method for manufacturing the
[0037]
Next, as shown in FIG. 5B, an InGaAsP layer having a band gap wavelength of 1.10 μm and an InGaAsP layer having a band gap wavelength of 1.2 μm are multiplexed for 10 periods, and the
[0038]
Next, as shown in FIG. 1, a ring-shaped
[0039]
After forming the
[0040]
In the above-described embodiment, a case has been described in which the light output from the
[0041]
(Modification 1)
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a first modification of the first embodiment.
[0042]
In the first embodiment, the width of the irradiation area of the light emitted from the
[0043]
That is, as shown in FIG. 6, when the
[0044]
(Modification 2)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing Modification Example 2 of the first embodiment.
[0045]
In the first embodiment, the
[0046]
(Modification 3)
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a third modification of the first embodiment.
[0047]
In the third modification, the
[0048]
(Second embodiment)
FIG. 9 is a sectional view showing a configuration of a wavelength tunable semiconductor laser (tunable twin guide laser) according to the second embodiment of the present invention.
[0049]
In the wavelength tunable semiconductor laser of the present embodiment, the
[0050]
That is, in the main semiconductor laser formation region, the
[0051]
A p-
[0052]
On the other hand, in the sub-semiconductor laser formation region, a
[0053]
An
[0054]
In order to confine light in the resonator and the
[0055]
In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment thus configured, when a voltage is applied between the
[0056]
In this case, in the present embodiment, the
[0057]
Hereinafter, a method of manufacturing the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment will be described with reference to a plan view of FIG. 10 and cross-sectional views of FIGS. The arrows in FIG. 10 indicate the emission direction of light from the
[0058]
First, SiO 2 is deposited on the n-type semiconductor 2 Form a film. Then, as shown in FIG. 2 By patterning the film, SiO having an opening through which the photoexcitation layer forming region, the optical waveguide layer forming region and the tuning layer forming region are exposed 2 A
[0059]
Next, as shown in FIG. 11A, InGaAsP is grown on the n-
[0060]
Next, SiO 2 2 After removing the
[0061]
Next, as shown in FIG. 12A, an n-
[0062]
Next, as shown in FIG. 12B, SiO 2 is formed on the p-
[0063]
Next, as shown in FIG. 13A, the p-type InP layers 56 and n are formed on both sides in the width direction of the mesa-shaped laminate including the p-
[0064]
Next, as shown in FIG. 14A, a p-
[0065]
Next, as shown in FIG. 14 (b), a predetermined pattern of SiO 2 is formed on the p-
[0066]
Next, after removing the
[0067]
In the method of manufacturing the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment described above, 2 Since the
[0068]
Further, in the method of manufacturing the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment, since the
[0069]
(Supplementary Note 1) A main semiconductor laser in which carriers are generated in a tuning layer by light irradiation and the oscillation wavelength changes, and a light source that irradiates the tuning layer of the main semiconductor laser with light in a direction intersecting the length direction of the tuning layer. 1. A wavelength tunable semiconductor laser comprising:
[0070]
(Supplementary note 2) The wavelength tunable semiconductor laser according to
[0071]
(Supplementary note 3) The wavelength tunable semiconductor laser according to
[0072]
(Supplementary note 4) The wavelength tunable semiconductor laser according to
[0073]
(Supplementary note 5) The wavelength tunable semiconductor laser according to
[0074]
(Supplementary Note 6) A substrate, a main semiconductor laser formed on a first region of the substrate, wherein carriers are generated in a tuning layer by irradiation of light to change an oscillation wavelength, and a main semiconductor laser formed on a second region of the substrate. A wavelength tunable semiconductor, comprising: a light source formed on the substrate; and an optical waveguide layer formed on the substrate and for introducing light generated by the light source into the tuning layer from a direction intersecting the length direction of the tuning layer. laser.
[0075]
(Supplementary Note 7) A step of forming a mask in which a tuning layer forming region, a photoexcitation layer forming region, and an optical waveguide layer forming region are opened on a substrate, and vapor-phase growing an optical material inside the opening of the mask, Simultaneously forming a tuning layer, a photoexcitation layer, and an optical waveguide layer communicating therewith; removing the mask; forming an active layer above the tuning layer; Coating the waveguide layer and the active layer with a material having a lower refractive index than the wavelength layer and the active layer.
[0076]
(Supplementary note 8) The method for producing a wavelength-tunable semiconductor laser according to supplementary note 7, wherein a plurality of the photoexcitation layers and the optical waveguide layers are formed along a length direction of the tuning layer.
[0077]
【The invention's effect】
As described above, according to the wavelength tunable semiconductor laser of the present invention, since the tuning layer of the main semiconductor laser is irradiated with light from a direction intersecting the length direction of the tuning layer, a wide range in the length direction of the tuning layer is provided. , And the refractive index changes. This makes it possible to greatly change the oscillation wavelength of the main semiconductor laser. In addition, since carriers are generated by light, the amount of heat generated is small, and fluctuations in characteristics, performance deterioration and reliability deterioration due to heat can be avoided.
[0078]
According to the method of manufacturing a wavelength tunable semiconductor laser of the present invention, the photoexcitation layer, the optical waveguide layer, and the tuning layer having different bandgap wavelengths are formed simultaneously by utilizing the difference in the opening width of the mask. It can be easily manufactured. Further, according to the present invention, since the main semiconductor laser and the light source are formed on the same substrate, there is an advantage that an assembly step of aligning the optical axis of the main semiconductor laser and the light source is not required.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a wavelength tunable semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a top view of the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment.
FIG. 3 is a sectional view (part 1) illustrating the method of manufacturing the main semiconductor laser of the wavelength-tunable semiconductor laser according to the first embodiment;
FIG. 4 is a sectional view (part 2) illustrating the method for manufacturing the main semiconductor laser of the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment;
FIG. 5 is a sectional view illustrating the method of manufacturing the sub-semiconductor laser of the wavelength-tunable semiconductor laser according to the first embodiment;
FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a first modification of the first embodiment.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing Modification 2 of the first embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a third modification of the first embodiment.
FIG. 9 is a sectional view showing a configuration of a wavelength tunable semiconductor laser according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a diagram (part 1) illustrating the method of manufacturing the wavelength-tunable semiconductor laser according to the second embodiment.
FIG. 11 is a diagram (part 2) illustrating the method of manufacturing the wavelength-tunable semiconductor laser according to the second embodiment.
FIG. 12 is a diagram (part 3) illustrating the method of manufacturing the wavelength-tunable semiconductor laser according to the second embodiment.
FIG. 13 is a diagram (No. 4) illustrating the method of manufacturing the wavelength-tunable semiconductor laser according to the second embodiment.
FIG. 14 is a diagram (No. 5) illustrating the method of manufacturing the wavelength-tunable semiconductor laser according to the second embodiment.
FIG. 15 is a diagram (part 6) illustrating the method of manufacturing the wavelength-tunable semiconductor laser according to the second embodiment.
[Explanation of symbols]
10,50 ... Main semiconductor laser,
11, 31, 51... N-type InP substrate,
12, 52c ... tuning layer,
13, 20, 53, 57 ... n-type InP layer,
14, 16 ... undoped InGaAsP layer,
15, 33, 54 ... active layer,
17 ... Diffraction grating,
18, 19, 21, 55, 56, 58... P-type InP layer;
22, 23, 59 ... p-type InGaAsP layer,
30, 70 ... sub-semiconductor laser,
32, 34 ... DBR mirror,
35 ... Fe-InP layer,
41 ... Lens,
52a ... photoexcitation layer,
52b: waveguide layer,
61, 62, 63, 64: Mask.
Claims (5)
前記主半導体レーザのチューニング層にチューニング層の長さ方向に交差する方向から光を照射する光源と
を有することを特徴とする波長可変半導体レーザ。A main semiconductor laser in which carriers are generated in the tuning layer by light irradiation and the oscillation wavelength changes,
A wavelength tunable semiconductor laser, comprising: a light source for irradiating light to a tuning layer of the main semiconductor laser from a direction intersecting a longitudinal direction of the tuning layer.
前記基板の第1の領域上に形成されて光の照射によりチューニング層にキャリアが発生し発振波長が変化する主半導体レーザと、
前記基板の第2の領域上に形成された光源と、
前記基板上に形成され、前記光源で発生した光を前記チューニング層にチューニング層の長さ方向に交差する方向から導入する光導波路層と
を有することを特徴とする波長可変半導体レーザ。Board and
A main semiconductor laser formed on the first region of the substrate, wherein carriers are generated in the tuning layer by irradiation of light and the oscillation wavelength changes;
A light source formed on a second region of the substrate;
An optical waveguide layer formed on the substrate and introducing light generated by the light source into the tuning layer from a direction intersecting the length direction of the tuning layer.
前記マスクの開口部内側に光学材料を気相成長させて、チューニング層、光励起層及びそれらの間を連絡する光導波路層を同時に形成する工程と、
前記マスクを除去する工程と、
前記チューニング層の上方に活性層を形成する工程と、
前記光励起層、前記光導波路層及び前記活性層を、それらよりも屈折率が低い材料で被覆する工程と
を有することを特徴とする波長可変半導体レーザの製造方法。On the substrate, a step of forming a mask in which the tuning layer forming region, the light excitation layer forming region and the optical waveguide layer forming region are opened,
A step of vapor-growing an optical material inside the opening of the mask to simultaneously form a tuning layer, a photoexcitation layer and an optical waveguide layer communicating between them,
Removing the mask;
Forming an active layer above the tuning layer;
Coating the optical excitation layer, the optical waveguide layer, and the active layer with a material having a lower refractive index than those of the light excitation layer, the optical waveguide layer, and the active layer.
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