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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-07-09
(45)【発行日】2025-07-17
(54)【発明の名称】半導体レーザ
(51)【国際特許分類】
H01S 5/12 20210101AFI20250710BHJP
【ＦＩ】
H01S5/12
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2023526743
(86)(22)【出願日】2021-06-10
(86)【国際出願番号】 JP2021022054
(87)【国際公開番号】W WO2022259448
(87)【国際公開日】2022-12-15
【審査請求日】2023-11-21
(73)【特許権者】
【識別番号】000004226
【氏名又は名称】ＮＴＴ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100098394
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 茂樹
(74)【代理人】
【識別番号】100153006
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 勇三
(74)【代理人】
【識別番号】100064621
【弁理士】
【氏名又は名称】山川 政樹
(74)【代理人】
【識別番号】100121669
【弁理士】
【氏名又は名称】本山 泰
(72)【発明者】
【氏名】相原 卓磨
(72)【発明者】
【氏名】松尾 慎治
(72)【発明者】
【氏名】開 達郎
(72)【発明者】
【氏名】土澤 泰
【審査官】佐藤 美紗子
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－１７１１７３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０２０／１４５１２８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０２１／００５７００（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｓ ５／１２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板の上に形成された第１クラッド層と、前記第１クラッド層の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層と、
前記活性層を挾んで前記活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、
前記活性層の上に形成された誘電体からなる第２クラッド層と、
前記ｐ型半導体層および前記ｎ型半導体層に接続するｐ電極およびｎ電極と
を備え、
共振器内に回折格子を備える半導体レーザであって、
前記回折格子は、前記共振器の前記第２クラッド層の側に形成され、かつ、前記共振器のコアと前記第２クラッド層との間の境界領域より離れて形成され、
前記活性層と光結合可能な状態で前記第１クラッド層または前記第２クラッド層に埋め込まれて、前記活性層に沿って延在するコア形状に形成された光結合層をさらに備え、
前記回折格子は、前記第２クラッド層に埋め込まれて形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項2】
請求項１記載の半導体レーザにおいて、前記回折格子は、前記活性層と前記光結合層との間に形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項3】
請求項１記載の半導体レーザにおいて、前記回折格子は、前記光結合層の前記活性層が形成されていない側に形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
【請求項4】
請求項１～３のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、前記回折格子は、導波方向に前記光結合層と同じ幅に形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、半導体レーザに関する。
【背景技術】
【0002】
インターネットなどにおける通信トラフィックの増加に伴い、光ファイバ伝送の高速・大容量化が求められている。この要求に対し、コヒーレント光通信技術およびデジタル信号処理技術を利用したデジタルコヒーレント通信技術の開発が進展し、１００Ｇシステムが実用化されている。このような通信システムでは、送信用および受信用局発光源として、単一モードの半導体レーザが必要とされる。
【0003】
単一モード化のための光共振器の代表的な構造として、λ/４位相シフトを有する回折格子が用いられてきた。この構造では、共振器内に設けられる回折格子の一部に形成された位相シフタにより位相反転させ、ブラッグ波長における単一モード発振を可能とする。このレーザは、λ/４シフトＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザと呼ばれ、すでに実用化されている。また、伝送距離の長延化および伝送容量の拡大に向けては、ＤＦＢレーザの高光出力化および狭線幅化が求められる。
【0004】
ＤＦＢレーザの高光出力化および狭線幅化のためには、ＤＦＢレーザの長尺化が有効である。しかしながら、ＤＦＢレーザの長尺化は、次の２つの問題により制限される。
【0005】
第１に、ＤＦＢレーザを長尺化すると、空間的ホールバーニングの影響により発振モードが不安定になるという問題がある。ＤＦＢレーザを長尺化すると、位相シフト領域に光が強く局在する。この強い光の局在領域では、キャリアが多く消費されることからキャリア密度が低下する。このように、レーザ内の光強度分布により、共振器内にキャリア分布が発生する現象を空間ホールバーニングと呼ぶ。キャリア密度の変化は、屈折率の変化をもたらす。これにより、共振器内部で屈折率に分布が発生する。屈折率の分布は、光共振器の反射率の低下やモード選択性の低下につながり、レーザの発振モードが不安定になる。
【0006】
第２に、ＤＦＢレーザを長尺化すると、共振器としての反射率が増加し、共振器内部での損失の影響を受けやすくなり、外部量子効率が低下するという問題がある。この問題により、結果として、高光出力化が制限される。
【0007】
これら問題の解決策として、ＤＦＢレーザの長尺化に伴い回折格子の結合係数を低下させることが有効である。すなわち、回折格子の結合係数を低下させることで、ＤＦＢレーザを長尺化させつつ共振器としての反射率を一定に保ち、上記問題が回避できる。
【0008】
一般に、回折格子は、半導体レーザを構成するＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体からなる活性層の一部に、周期的な凹凸を形成することでなされる（非特許文献１参照）。この凹凸の変化が小さければ、回折格子の結合係数は低下する。
【0009】
しかしながら、回折格子の形成においては、極めて微細な加工が必要であり、凹凸の変化を小さくすることには限界がある。すなわち、結合係数の低減には限界があり、それに伴いＤＦＢレーザの長尺化には限界がある。例えば、結合係数を２０ｃｍ-1にするための回折格子における凹凸の変化は、５ｎｍ以下と極めて小さく、製造上難しいことは明らかである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0010】
【文献】S. Matsuo et al., "Directly modulated buried heterostructure DFB laser on SiO2/Si substrate fabricated by regrowth of InP using bonded active layer", Optics Express, vol. 22, no. 10, pp. 12139-12147, 2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
上述したように、ＤＦＢレーザの高光出力および狭線幅化に向けては、ＤＦＢレーザの長尺化が有効であるが、従来の技術では、ＤＦＢレーザの長尺化が、容易に実施できないという問題があった。
【0012】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＤＦＢレーザの長尺化が容易に実施できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された第１クラッド層と、第１クラッド層の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層と、活性層を挾んで活性層に接して形成されたｐ型半導体層およびｎ型半導体層と、活性層の上に形成された第２クラッド層と、ｐ型半導体層およびｎ型半導体層に接続するｐ電極およびｎ電極とを備え、共振器内に回折格子を備える半導体レーザであって、回折格子は、共振器の第１クラッド層の側または第２クラッド層の側に形成され、かつ、共振器のコアと第１クラッド層または第２クラッド層との境界領域より離れて形成されている。
【0014】
また、半導体レーザの製造方法は、上述した半導体レーザの製造方法であって、回折格子と共振器との間の層の厚さを制御することで、回折格子と共振器との間隔を制御する。
【発明の効果】
【0015】
以上説明したように、本発明によれば、回折格子を、共振器のコアと第１クラッド層または第２クラッド層との境界領域より離して形成したので、ＤＦＢレーザの長尺化が容易に実施できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施の形態に係る半導体レーザについて図１を参照して説明する。この半導体レーザは、基板１０１の上に、導波方向に延在するコア形状に形成された活性層１０３を備え、共振器内に回折格子１１０を備えるＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザである。
【0018】
この半導体レーザは、まず、基板１０１の上に第１クラッド層１０２が形成され、第１クラッド層１０２の上に、活性層１０３を備える。基板１０１は、例えば、Ｓｉから構成され、第１クラッド層１０２は、例えば、酸化シリコンから構成されている。また、活性層１０３を挾んで活性層１０３に接して形成されたｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５を備える。また、活性層１０３の上に形成された第２クラッド層１０６と、ｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５に接続するｐ電極１０７およびｎ電極１０８とを備える。
【0019】
この例では、ｐ型半導体層１０４およびｎ型半導体層１０５は、例えば、ＩｎＰからなる半導体層１２１に不純物を導入することで形成されている。また、ｐ型半導体層１０４とｎ型半導体層１０５との間において、活性層１０３は、半導体層１２１に埋め込まれて形成されている。
【0020】
上述した構成に加え、実施の形態に係る半導体レーザは、回折格子１１０が、共振器の第１クラッド層１０２の側または第２クラッド層１０６の側に形成され、かつ、共振器のコアと第１クラッド層１０２または第２クラッド層１０６との境界領域より離れて形成されている。実施の形態に係る半導体レーザは、回折格子１１０が、厚さ方向（積層方向）に、第１クラッド層１０２または第２クラッド層１０６の中に配置される。この例では、回折格子１１０が、共振器の第２クラッド層１０６の側に形成され、かつ共振器のコアとなる活性層１０３と第１クラッド層１０２との境界領域より離れて形成されている。境界領域とは、例えば、第２クラッド層１０６と活性層１０３との間の領域である。
【0021】
ここで、従来の横方向電流注入型のＤＦＢレーザについて、図２Ａを参照して説明する。従来のＤＦＢレーザは、図１を用いて説明した半導体レーザとほぼ同様の構成を備える、横方向電流注入型のＤＦＢレーザである（非特許文献１参照）。従来のＤＦＢレーザは、共振器内の回折格子３１０が、活性層１０３と第２クラッド層１０６との境界領域に形成されている。図２Ａに示す例では、回折格子３１０は、半導体層１２１と第２クラッド層１０６との界面に形成されている。回折格子３１０は、活性層１０３の上部において、半導体層１２１に形成された、導波方向に配列される周期的な溝より構成されている。また、図２Ｂに示すように、半導体層１２１の上に接して形成したＳｉＮの層に形成された周期的な溝より、回折格子３１０ａとする構成もある。
【0022】
次に、上述した各半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）における、各々の回折格子の結合係数について、計算した結果を図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃに示す。図３Ａは、図２Ａを用いて説明した従来のＤＦＢレーザにおける計算結果である。図３Ｂは、図２Ｂを用いて説明した従来のＤＦＢレーザにおける計算結果である。図３Ｃは、図１を用いて説明した実施の形態に係る半導体レーザにおける計算結果である。
【0023】
例えば、図３Ａに示すように、半導体層１２１に溝を形成して回折格子３１０とする場合、回折格子３１０の溝の深さ（depth）が、僅か１０ｎｍであっても結合係数（kappa）は３６０ｃｍ-1と大きな値となる。この場合、安定的な単一モードを実現するためには、ＤＦＢ長としては５０μｍ程度となり、高光出力および狭線幅は実現できない。
【0024】
また、図３Ｂに示すように、半導体層１２１の上に接して形成したＳｉＮの層に回折格子３１０ａを形成する図２Ｂの場合、図２Ａの構成に比較して低い結合係数が実現できる。この構成では、窒化シリコンの層の厚さが、回折格子３１０ａの溝深さとなるが、例えば回折格子３１０ａの溝の深さ（thickness）が１０ｎｍのとき、結合係数は７５ｃｍ-1となる。しかしながらこの場合においても、安定的な単一モードを実現するためには、ＤＦＢ長としては２４０μｍ程度が限度となり、同様に高光出力および狭線幅は望めない。
【0025】
これらに対し、実施の形態によれば、図３Ｃに示すように、より小さな結合係数を実現することができる。図３Ｃでは、横軸に、活性層１０３と回折格子１１０との空間的な間隔（gap）を取っている。図３Ｃに示すように、活性層１０３と回折格子１１０との間隔を大きくすることで、結合係数は０ｃｍ-1に近づきながら減少することが分かる。
【0026】
従って、任意のＤＦＢ長を決め、決定したＤＦＢ長に合わせて最適な間隔を設定することで、回折格子１１０の反射率を上げすぎることなく、高光出力および狭線幅レーザが実現できる。例えば、間隔を３００ｎｍとすると結合係数は１ｃｍ-1となるため、ＤＦＢ長としては１０ｍｍとすることが可能となる。この長さでは、従来よりも遥かに高光出力および狭線幅化が望める。
【0027】
【0028】
例えば、図４Ａに示すように、活性層１０３と光結合可能な状態で第１クラッド層１０２に埋め込まれて、活性層１０３に沿って延在するコア形状に形成された光結合層１１１をさらに備えることができる。この例では、回折格子１１０は、光結合層１１１が形成されていない側の第２クラッド層１０６に埋め込まれて形成されている。
【0029】
また例えば、図４Ｂに示すように、回折格子１１０ａは、光結合層１１１が形成される側の第１クラッド層１０２に埋め込まれて形成したものとすることができる。この例では、回折格子１１０ａは、活性層１０３と光結合層１１１との間に形成されている。この場合、光結合層１１１および活性層１０３の両者（共振器）とクラッド層との境界領域より離れた箇所に、回折格子１１０ａを配置する。光結合層１１１とクラッド層との境界領域は、光結合層１１１とクラッド層との界面となる。
【0030】
また例えば、図４Ｃに示すように、回折格子１１０ｂは、光結合層１１１が形成される側の第２クラッド層１０６に埋め込まれて形成したものとすることができる。この例においても、回折格子１１０ｂは、活性層１０３と光結合層１１１との間に形成されている。
【0031】
また例えば、図４Ｄに示すように、回折格子１１０ｃは、光結合層１１１が形成される側の第１クラッド層１０２に埋め込まれて形成し、回折格子１１０ｂは、光結合層１１１から見て、活性層１０３が形成されていない側に形成されたものとすることができる。また、図４Ｅに示すように、回折格子１１０ｄは、光結合層１１１ａが形成される側の第２クラッド層１０６に埋め込まれて形成し、回折格子１１０ｄは、光結合層１１１ａから見て、活性層１０３が形成されていない側に形成されたものとすることができる。
【0032】
また、回折格子１１０，回折格子１１０ａ，回折格子１１０ｂ，回折格子１１０ｃ，回折格子１１０ｄは、導波方向に光結合層１１１と同じ幅に形成されたものとすることができる。
【0033】
上述したように、光結合層１１１を設けることで、活性層１０３と光結合層１１１とを合わせ、導波路モードとしてスーパーモードが形成される（参考文献）。このため、光結合層１１１の幅や厚さを調整することで、活性層１０３やｐ型半導体層１０４、ｎ型半導体層１０５における光閉じ込めを自在に調整することができる。例えば、光結合層１１１の幅を広げ、光結合層１１１からなる光導波路の実効屈折率を、活性層１０３による光導波路（利得導波路）に対して相対的に高めると、光結合層１１１からなる光導波路への光閉じ込めが増大し、一方、活性層１０３やｐ型半導体層１０４、ｎ型半導体層１０５への光閉じ込めは減少する。これは、光結合層１１１を備えない半導体レーザと比較して、光の吸収損失を低減させることができ、外部量子効率の増加に有効であることが知られている（参考文献）。
【0034】
以下では、図４Ｅを用いて説明した光結合層１１１ａを有する構造において、回折格子１１０ｄによる効果を図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃを参照して説明する。以下では、光結合層１１１ａをＳｉＮから構成した場合を例に説明する。なお、図５Ａは、実施の形態に係る半導体レーザの構成ではなく、光結合層の上面に直接溝を形成して回折格子を形成した場合の結果である。また、図５Ｃは、実施の形態に係る半導体レーザの構成ではなく、光結合層の側面に直接溝を形成して回折格子を形成した場合の結果である。図５Ｃが、図４Ｅを用いて説明した光結合層１１１ａを有する構造の計算結果である。
【0035】
図５Ｃに示すように、図４Ｅを用いて説明した半導体レーザによれば、光結合層１１１ａと第２クラッド層１０６との界面（境界領域）から離れた箇所に、回折格子１１０ｄを配置しているので、境界領域と回折格子１１０ｄとの間隔を大きくすることで、比較的低い結合係数が実現できることが分かる。すなわち、スーパーモード導波路を形成するＤＦＢレーザにおいても前述と同じ効果が得られる。
【0036】
【0037】
まず、図６Ａに示すように、Ｓｉからなる基板１０１の上に、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ2）からなる第１クラッド層１０２を形成する。例えば、Ｓｉからなる基板１０１の表面を熱酸化することで、第１クラッド層１０２を形成することができる。次に、図６Ｂに示すように、第１クラッド層１０２の上に、例えば、ＩｎＰなどのＩＩＩ－Ｖ族半導体などにより、半導体層１２１に埋め込まれた状態の活性層１０３、ｐ型半導体層１０４、およびｎ型半導体層１０５を形成する（参考文献）。活性層１０３は、例えば、多重量子井戸構造とすることができる。
【0038】
次に、図６Ｃに示すように、半導体層１２１の上に、第１誘電体層１３１、光結合層形成層１３２、第２誘電体層１３３，および回折格子形成層１３４を順次に形成する。例えば、第１誘電体層１３１および第２誘電体層１３３はＳｉＯ2から構成することができるまた、光結合層形成層１３２および回折格子形成層１３４は、ＳｉＮから構成することができる。
【0039】
これらの層の形成において、半導体層１２１や活性層１０３などのすでに形成されているＩＩＩ－Ｖ族化合物半導体の層を破壊しないように、５００℃以下の低温条件で成膜などを実施する。例えば、上述した成膜方法として、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いることができる。また、成膜における原料ガスは、重水素シランを用いることができる。これにより、通信波長帯における光吸収を抑制したＳｉＮの層を形成することができる。
【0040】
なお、第１誘電体層１３１、光結合層形成層１３２、第２誘電体層１３３，および回折格子形成層１３４のいずれかは、厚さが１００ｎｍ以下であれば、スパッタ法によって形成することができる。
【0041】
次に、公知のリソグラフィー技術により、回折格子形成層１３４の上に、回折格子形成用のマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いたドライエッチングにより回折格子形成層１３４をエッチング処理することで、図６Ｄに示すように、第２誘電体層１３３の上に、回折格子層１３５を形成する。
【0042】
上述したエッチング処理では、第２誘電体層１３３の厚さ方向に、上面から一部もオーバーエッチングされる場合がある。ただし、後述するように、回折格子層１３５は、第２誘電体層１３３と同じ材料の層で埋め込まれるため、上述したオーバーエッチングの問題は回避される。従来の構成では、オーバーエッチングは生じれば、回折格子の溝深さが、設計値より大きくなり、形成される回折格子が、設計よりも大きな結合係数となり、低い結合係数の回折格子形成が困難となる。また、従来の構成では、浅い溝深さを形成しようとすると、エッチング時間を短くすることになるが、このような短時間の時間制御は困難である。これに対し、上述した実施の形態によれば、回折格子の溝の深さは、回折格子形成層の厚さにより決定され、オーバーエッチングにより、溝深さが変化するという問題が回避できることが特徴である。
【0043】
次に、回折格子層１３５、第２誘電体層１３３、光結合層形成層１３２、および厚さ方向に一部の第１誘電体層１３１をパターニングすることで、図６Ｅに示すように、回折格子１１０ｄおよび光結合層１１１ａを形成し、これらの間に第２誘電体層１３３ａが挾まれたメサを形成する。例えば、回折格子層１３５の上にリソグラフィーによってメサ形状のマスクパターンを形成し、このマスクパターンを用いて上述した各層を一括でドライエッチングして加工することで、図６Ｅに示す状態にすることができる。
【0044】
次に、回折格子１１０ｄおよび光結合層１１１ａによるメサ部分を埋め込むように、第１誘電体層１３１および第２誘電体層１３３と同じ誘電体材料を堆積することで、図６Ｆに示すように、第２クラッド層１０６を形成する。堆積した誘電体材料の層と、第２誘電体層１３３ａおよび第１誘電体層１３１ａが一体となって、第２クラッド層１０６となる。この後、各電極を形成することで、図４Ｅに示す半導体レーザが得られる。
【0045】
厚さ方向に光結合層１１１ａと回折格子１１０ｄとの間隔や、回折格子１１０ｄの溝深さは、第２誘電体層１３３や回折格子形成層１３４の厚さにより決定（制御）できる。この例において、第２誘電体層１３３が、回折格子１１０ｄと共振器との間の層となり、この厚さを制御することで、回折格子１１０ｄと共振器との間隔を制御することができる。従って、溝の深さをエッチング量やエッチング時間で決定する従来構造と比較して、実施の形態によれば、高精度かつ低い結合係数の回折格子による半導体レーザを作製することができる。
【0046】
また、第２誘電体層１３３や回折格子形成層１３４の厚さに加え、第１誘電体層１３１、光結合層形成層１３２、第２誘電体層１３３，および回折格子形成層１３４の屈折率を制御することでも、回折格子の結合係数を制御することができる。例えば、各層の形成（堆積）において、窒素および酸素を含む原料ガスの流量によって屈折率を制御することができ、結合係数の制御の自由度を上げられる。
【0047】
以上に説明したように、本発明によれば、回折格子を、共振器のコアと第１クラッド層または第２クラッド層との境界領域より離して形成し、第１クラッド層または第２クラッド層の中に配置されるようにしたので、回折格子の結合係数を、より容易に低くすることが可能となり、ＤＦＢレーザの長尺化が容易に実施できるようになる。
【0048】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【0049】
［参考文献］T. Aihara et al., "Membrane buried-heterostructure DFB laser with an optically coupled III-V/Si waveguide", Optics Express, vol. 27, no. 25, pp. 36438-36448, 2019.
【符号の説明】
【0050】
１０１…基板、１０２…第１クラッド層、１０３…活性層、１０４…ｐ型半導体層、１０５…ｎ型半導体層、１０６…第２クラッド層、１０７…ｐ電極、１０８…ｎ電極、１１０…回折格子、１２１…半導体層。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図6D】
【図6E】
【図6F】