研究：活性領域と受動領域を集積した分布反射型(DR)レーザ

従来のDFBレーザは光出力が両端面から出るため、更なる効率増加のために片側に高反射(HR)コーティングを行い、光出力を片端面に寄せる方法が採られています。本グループでは細線状活性層の特徴を生かし、DFBレーザと分布ブラッグ反射鏡(DBR)を一括集積し、高性能でHRコーティングが不要な集積レーザを研究しています。低しきい値・高効率動作を特徴とするこの集積レーザは分布反射型(DR: distributed reflector)レーザと呼ばれ、その設計及び試作を行っています。

DRレーザの基本構造は活性DFB領域（電流注入領域）と受動DBR領域を集積した構造となっており、受動DBR領域が高反射率の反射器として機能します。高反射率な反射器を実現するために、DBR領域の活性層幅は細線化します。細線化によって活性層領域の体積が減るだけではなく、量子閉じ込め効果に伴う遷移エネルギー拡大が行われ、低損失導波路のDBRが作製でき、高反射率の反射器を実現できます。この手法によって同一の活性層を用いても活性DFB領域と受動DBR領域の実用的な一括形成が可能となります。

以上のような活性領域と受動領域を集積したDRレーザの試作を行い、低しきい値（サブmA動作）、高い前後非対称出力特性、高い単一モード特性を得ることに成功しています。そしてDRレーザにさらに機能素子領域を加えた3領域の集積レーザを試作し、動作確認に成功しています。

Fig.1 分布反射型(DR)レーザの構造

DRレーザはFig.1に示すように活性領域（電流注入領域）と受動DBR(distributed Bragg reflector)領域から構成されており、受動DBR領域が高反射率の反射器として機能するものです。この高反射率DBRにより光出力を片端面に集中させ、低しきい値動作を維持したまま出力効率の増加が可能となります。高反射率の反射器を実現するためにはその部分が低損失な導波路である必要があります。そのため、この領域の活性層幅を量子細線化することで、体積効果および量子閉じ込め効果に伴う遷移エネルギーの拡大を利用し、発振波長に対して吸収の少ない低損失な導波路を実現します。この効果により、幅40nmの量子細線DBRにおいて高反射率(〜97%)の反射器が実現できます。

Fig.2 DRレーザの作製プロセス

Fig.2に素子作製プロセスを示します。p-InP基板上に有機金属気相成長法(OMVPE)用いて２重量子井戸構造（1%圧縮歪量子井戸: 6 nm、0.15%引っ張り歪バリア層: 10nm）を有するレーザ元基板を作製します。その後、線幅を変調した回折格子を電子ビーム(EB)露光法により描画し、反応性イオンエッチング(RIE)を用いて活性層を直接加工し、回折格子を形成します。ドライエッチングによる損傷層をウェットエッチングにより除去した後、溝部分をOMVPEにより埋め込みその上に光閉じ込め層、クラッド層、コンタクト層を成長します。その後、ストライプ構造をウェットエッチングにより形成し、BCBによる平坦化、絶縁膜形成、電極窓開けの後、金属蒸着(Ti/Au、Au/Zn(p側)、Au/Sn(n側)など)を行い完成となります。このレーザは作製時に領域によって細線幅のEB露光パターンを変更するだけでよく、活性領域と受動領域を一括形成できる利点があります。また、2領域の導波路構造がほとんど同じであるため、領域間の結合損失はほぼゼロであると考えられます。さらに、低損傷エッチングプロセスにより元基板の結晶品位を落とさずに活性−受動領域の一括作製が可能でもあります。

Fig.3 回折格子の断面SEM像

Fig.3に作製した素子の活性−受動領域接合部分の断面SEM像を示します。周期Λa=240nm、幅Wa=90nmの活性領域と、周期Λp=241.25nm、幅Wp=40nmの受動領域が一括形成されている様子が分かります。活性領域と受動領域で回折格子周期(Λ)が異なるのは、DBR反射率ピークを活性領域で決まる発振波長に一致させ、効率よく反射させるためです。

Fig.4 DRレーザの電流-光出力特性（高効率動作）

Fig.5 DRレーザの電流-光出力特性（低電流動作）

Fig.4,5に作製した素子の電流−光出力特性(a)と発振スペクトル(b)を示します。Fig.4は高効率動作、Fig.5は低しきい値電流を示しています。Fig.4(a)に活性領域長La=300µm受動領域長Lp=210µmストライプ幅Ws=4.4µmの素子の特性を示します。しきい値電流Ith=2.5mA（しきい値電流密度Jth=190A/cm2）、前側からの微分量子効率ηdf=36%、後側からの出力ηdr=0.54%が得られ、低しきい値を維持したまま高効率動作を実現しました。また、Fig.4(b)にしきい値の2倍の電流注入時における発振スペクトルを示します。高い服モード抑圧比(SMSR)54dBを得ることが出来ました。ストップバンド幅8.7nmより屈折率結合係数360cm-1という活性層分離構造特有の強い閉じ込めが得られていることが分かります。しかしながら、ストライプが4.4µmと広いため、高次モードがストップバンドの長波長側に観測されました。Fig.5(a)にDRレーザでもっともしきい値電流が低い素子の電流−光出力特性を示します。各領域長はLa=210µm, Lp=600µm、ストライプ幅Ws=2.1µmです。しきい値Ith=0.8mAというサブmAの低しきい値動作を実現しました。外部微分量子効率はηdf=20%が得られました。Fig.5(b)にこの素子のしきい値の2倍の電流注入時における発振スペクトルを示します。SMSR=41dBという良好な単一モード動作を実現しました。この素子はストライプ幅2.1µmと横単一モードであるため、安定な単一モード動作が得られました。

以上のように低しきい値動作を維持したまま高効率動作、及び優れた単一モード動作が可能な分布反射型(DR)レーザの実現に成功しています。

そしてDRレーザにさらに機能素子領域を加えた3領域の集積レーザを試作し、動作確認に成功しています。

Fig.6 パワーモニタ集積DRレーザの構造および特性

パワーモニター領域として周期80nm、細線幅40nmの細線領域を集積し、モニター長56µmでありながら出力光の吸収を抑えています。Fig.6(b)に示すようにレーザ部はしきい値Ith=2.5mAと良好に動作し、光電流は光出力にほぼ線形の結果(感度は約0.3A/W)が得られました。以上のように細線状活性層を用いた集積DRレーザは作製法としては非常に簡便な一括集積法ですが、低しきい値、高効率で多機能なレーザ光源を実現できるため、大変有望であると考えられます。

List of reports

Journal Paper

(1) K. Ohira, N. Nunoya, H. Yagi, K. Muranushi, A. Onomura, S. Tamura and S. Arai, “Distributed Reflector Laser Integrated with Active and Passive Grating Sections Using Lateral Quantum Confinement Effect,” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 42, part 2, no. 8A, pp. L921-L923, Aug. 2003.
(2) K. Ohira, T. Murayama, H, Yagi, S. Tamura and S. Arai, “Low-Threshold Distributed Reflector Laser Consisting of Wide and Narrow Wirelike Active Regions,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 17, no. 2, pp.264-266, Feb. 2005.
(3) K. Ohira, T. Murayama, S. M. Ullah, H. Yagi, and S. Arai, “GaInAsP/InP distributed reflector laser with phase-shifted DFB and quantum-wire DBR sections,” IEICE Electronics Express, vol.2, no. 11, pp. 356-361, June 2005.
(4) K. Ohira, T. Murayama, S. Tamura and S. Arai, “Low-Threshold and High-Efficiency Operation of Distributed Reflector Lasers with Width-Modulated Wirelike Active Regions,” IEEE J. Select. Top. Quantum Electron.,Vol. 11, No.5, pp. 1162-1168, Sept./Oct. 2005.
(5) S. Lee, S. M. Ullah, R. Suemitsu, M. Otake, N. Nishiyama, and S. Arai, “Very High Electric Isolation between Distributed Reflector Laser and Front Power Monitor through Deeply Etched Narrow Groove” Jpn. J. Appl. Phys., vol. 46, No.39, pp. L954-L956, 2007.
(6) S. M. Ullah,R. Suemitsu, S. Lee, M. Otake, N. Nishiyama, and S. Arai, “Low-Threshold-Current Operation of High-Mesa Stripe Distributed Reflector Laser Emitting at 1540nm,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 46, No. 44, pp. L1068-L1070, 2007
(7) S. M. Ullah, S. Lee, R. Suemitsu, N. Nishiyama, and S. Arai, “GaInAsP/InP Distributed Reflector Lasers and Integration of Front Power Monitor by Using Lateral Quantum Confinement Effect,” Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 47, No. 6, pp. 4558-4565, 2008.

International Conferences

(1) K. Ohira, T. Murayama, H. Yagi, S. Tamura and S. Arai, “New Type Distributed Reflector Laser with Passive DBR Section By Using Lateral Confinement Effect,” Sixth International Symposium on Contemporary Photonics Technology (CPT2003), PDP-3, p. 3, Shinagawa (Tokyo, Japan), Jan. 2003.
(2) K. Ohira, T. Murayama, H. Yagi, S. Tamura and S. Arai, “Distributed Reflector Lasers Integrated with Passive Grating Region By Using Lateral Confinement Effect,” The 15th International Conf. on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM2003), WB1.5, pp. 251-254, Santa Barbara (California, USA), May 2003.
(3) K. Ohira, T. Murayama, H. Yagi, S. Tamura and S. Arai, “A Novel Distributed Reflector Laser Consisting of Width Modulated Wires in Active DFB and Passive DBR Sections,” The 16th annual meeting of the IEEE Lasers & Electro-optics society (LEOS2003), TuD5, pp. 204-205, Tucson (Arizona, USA), Oct. 2003.
(4) K. Ohira, T. Murayama, M. Hirose, H. Yagi, S. Tamura, A. Haque and S. Arai, “Low-Threshold and High Efficiency Distributed Reflector Laser with Wirelike Active Regions and Quantum-Wire DBR,” The 16th International Conf. on Indium Phosphide and Related Materials (IPRM2004), WA4-6, pp. 562-563, Kagoshima (Kagoshima, Japan), May 2004.
(5) K. Ohira, T. Murayama, M. Hirose, H. Yagi, S. Tamura, A. Haque and S. Arai, “Low-Threshold Operation of Distributed Reflector Laser with Width Modulated Wirelike Active Regions,” The 19th IEEE International Semiconductor Laser Conf. (ISLC2004) FB 5, Matsue (Shimane, Japan) Sep. 2004.
(6) S. Arai, K. Ohira and T. Murayama, “Novel Integration Technologies for Photonic Devices – Low Threshold Single-Mode Lasers by Using Lateral Quantum Size Effect,”The 17th annual meeting of the IEEE Lasers & Electro-optics society (LEOS2004), Puerto Rico, Nov. 2004. (Invited paper)
(7) S. Arai, H. Yagi, K. Ohira, T. Maruyama and S. Tamura, “GaInAsP/InP Quantum-Wire Lasers and Distributed Reflector Lasers with Wirelike Active Regions by Lithography and Regrowth” SPIE Photonics West 2005, California (USA), Jan. 2005.
(8) H. Yagi, K. Miura, D. Plumwongrot, Y. Nishimoto, K. Ohira, T. Maruyama and S. Arai, “Low Threshold Current 1540 nm Wavelength GaInAsP/InP Quantum-Wire Distributed-Feedback Lasers,” The 17th Indium Phosphide and Related Materials Conference (IPRM2005), WP-32, Glasgow (UK), May 2005.
(9) K. Ohira, T. Murayama, H. Yagi, S. Tamura and S. Arai, “Low Threshold Current Distributed-Reflector Laser with Phase-Shifted DFB and High-Reflection DBR Sections,” The 17th Indium Phosphide and Related Materials Conference (IPRM2005), WP-41, Glasgow (UK), May 2005.
(10) H. Yagi, K. Miura, Y. Nishimoto, D. Plumwongrot, K. Ohira, T. Maruyama and S. Arai, “GaInAsP/InP Distributed-Feedback Lasers Consisting of Strain-Compensated Quantum-Wire Active Regions,” The 10th Optoelectronics and Communications Conference, 5F1-4, Seoul (Korea), July 2005.
(11) S M Ullah, SH Lee, R Suemitsu, K Ohira and S. Arai, “Improved performance of ,” The 18th Indium Phosphide and Related Materials Conference (IPRM2006), WP-25, Princeton, New Jersey (USA), May 2006.
(12) R. Suemitsu, S. M. Ullah, S. H. Lee, M. Otake, N. Nishiyama and S. Arai, ”Integration of Front Power Monitor with Distributed Reflector Laser through Deep Etched Narrow Groove Isolation” The 19th Indium Phosphide and Related Materials Conference (IPRM2007), TuB2-5, Matsue, Shimane (Japan), May 2007.
(13) S. M. Ullah, R. Suemitsu, S. H. Lee, M. Otake, N. Nishiyama and S. Arai, “Sub milliampere operation of 1540 nm wavelength Distributed Reflector Laser with Wirelike Active Regions” The 19th Indium Phosphide and Related Materials Conference (IPRM2007), ThB2-1, Matsue, Shimane (Japan), May 2007.
(14) S. Lee, S. M. Ullah, T. Shindo, K. S. Davis, N. Nishiyama, and S. Arai, “Bit-Error-Rate Measurement of GaInAsP/InP Distributed Reflector Laser with Wirelike Active Regions” The 20th Indium Phosphide and Related Materials Conference (IPRM2008), MoA2.3, Versailles (France), May 2008.

Meeting Report

(1) K. Ohira, N. Nunoya, A. Onomura, H. Yagi, S. Tamura and S. Arai,: “Distributed Reflector (DR) Laser with Wire Structure,” 「細線構造を有する分布反射型（DR）レーザ」 Technical Report of IEICE, LQE2002-16 (2002-05), pp. 61-64, Fukui, May 2002. 電気情報通信学会技術報告会、レーザ・量子エレクトロニクス研究会（5月）、福井、2002年5月17日
(2) K. Ohira, T. Murayama, M. Hirose, H. Yagi, S. Tamura, A. Haque and S. Arai,: “Low-threshold and high efficiency operation of distributed reflector (DR) laser with wirelike active DFB and quantum-wire passive sections,” 「活性層分離型DFBと量子細線DBRを有する分布反射型レーザの低電流・高効率動作」 Technical Report of IEICE, OPE2004-19, LQE2004-17 (2004-07), pp. 7-10, Tokyo, July 2002. 電気情報通信学会技術報告会、光エレクトロニクス（7月）、東京、2004年7月2日
(3) H. Yagi, K. Miura, Y. Nishimoto, D. Plumwongrot, K. Ohira, T. Maruyama and S. Arai, “Low threshold current operation of 1540nm wavelength GaInAsP/InP strain-compensated quantum-wire DFB lasers,” 「1540nm波長帯GaInAsP/InP歪補償量子細線DFBレーザの低しきい値電流動作」 presented at Technical Report of IEICE, OPE2005-18/LQE2005-17 (2005-06), pp. 19-22, Tokyo (Japan), June 2005.
(4) K. Ohira, S. M. Ullah and S. Arai, “Distributed Reflector (DR) Laser with Active DFB and Passive DBR Sections”, 超高速・超省電力性能ナノデバイス・システムの創製, pp. 53, Tokyo (Japan), Oct 2005.
(5) S. M. Ullah, K. Ohira, R. Suemitsu, S.H. Lee and S. Arai, “Distributed Reflector (DR) laser with active DFB and passive DBR sections,” presented at 21 COEシンポジウム, Tokyo (Japan), Dec 2005.
(6) S. M. Ullah, R. Suemitsu, S. H. Lee, M Otake, N. Nishiyama and S. Arai, “Low threshold current DR laser integrated with wire width modulated EAM with high electrical isolation,”Technical Report of IEICE, LQE2006-114(2006-12), pp.61-65, Tokyo (Japan), Dec 2006.
(7) S. M. Ullah, R. Suemitsu, S. H. Lee, M. Otake, N. Nishiyama and S. Arai, “Integration of low threshold Distributed Reflector laser with other photonic devices using wirewidth modulated active regions,” 21 COEシンポジウム, Tokyo (Japan), Dec 2006.
(8) S. M. Ullah, S. H. Lee, R. Suemitsu, T. Shindo, N. Nishiyama,and S. Arai, “Dynamic characteristics of distributed reflector laser with wire-like active regions,” International Symposiumon VCSELs and Integrated Photonics, Poster session, P-17, Tokyo, Dec. 2007.
(9) S. Lee, S. M. Ullah, R. Suemitsu, T. Shindo, N. Nishiyama, and S. Arai “Front Power Monitor Integrated with Distributed Reflector Laserwith High Electrical Isolation using Deep Groove Etching” International Symposiumon VCSELs and Integrated Photonics, Poster session, P-18, Tokyo, Dec. 2007

Domestic Conferences

(1) K. Ohira, N. Nunoya, A. Onomura, H. Yagi, T. Sano, S. Tamura and S. Arai, “Distributed Reflector Laser with Wire Structure,” 「細線構造を有する分布反射型(DR)レーザ」 The 63rd Autumn Meeting, 2002; The Japan Society of Applied Physics, 26p-A-14, Digest III -p. 997, Niigata, Sep. 2002.
(2) K. Ohira, T. Murayama, H. Yagi, S. Tamura and S. Arai, “Distributed Reflector (DR) Laser with Passive Section Using Lateral Quantum Confinement Effect,”「横方向量子閉じ込め効果を用いた受動領域を有する分布反射型(DR)レーザ」 The 50th Spring Meeting, 2003; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies, 28p-ZQ-14, Digest III -p. 1240, Kanagawa, Mar. 2003.
(3) T. Murayama, K. Ohira, H. Yagi, S. Tamura and S. Arai, “Reflectivity Characteristics of DBR Using Lateral Quantum Confinement Effect,” 「横方向量子閉じ込め効果を用いた高反射DBRの反射率特性評価」 The 64th Autumn Meeting, 2003; The Japan Society of Applied Physics, 30p-YB-3, Digest III -p. 1039, Fukuoka, Aug. 2003.
(4) K. Ohira, T. Murayama, H. Yagi, S. Tamura and S. Arai, “Low-threshold Operation of Distributed Reflector (DR) Laser Integrated with Active and Passive Sections,”「活性領域と受動DBR領域を集積した分布反射型(DR)レーザの低しきい値動作」 The 64th Autumn Meeting, 2003; The Japan Society of Applied Physics, 30p-YB-4, Digest III -p. 1039, Fukuoka, Aug. 2003.
(5) T. Murayama, K. Ohira, M. Hirose, H. Yagi, S. Tamura and S. Arai, “Low-threshold Operation of Distributed Reflector (DR) Laser Using Wirelike Active Region,”「細線状活性層を用いた分布反射型(DR)レーザの低しきい値動作」The 51st Spring Meeting, 2004; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies, 30a-ZZ-2, Digest III -p. 1259, Tokyo, Mar. 2004.
(6) K. Ohira, T. Murayama, M. Hirose, H. Yagi, A. Haque, S. Tamura and S. Arai, “Low-threshold operation of distributed reflector laser with width modulated wirelike active regions,” 「線幅変調回折格子を有する分布反射型(DR)レーザの低しきい値動作」The 65th Autumn Meeting, 2004; The Japan Society of Applied Physics, 1a-ZN-8, Sendai, Sep. 2004.
(7) K. Ohira, T. Murayama, S. M. Ullah, H. Yagi, S. Tamura and S. Arai, “Integration technique by using lateral quantum confinement effect in quantum wires and its application to lasers for optical communication,”「量子細線活性層の横方向量子閉じ込めを用いた集積法とその光通信用レーザへの応用」 The 52nd Spring Meeting, 2005; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies, 29a-ZH-1, Digest III -p. 1297, Saitama, Mar. 2005.
(8) K. Miura, H. Yagi, Y. Nishimoto, D. Plumwongrot, K. Ohira, T. Maruyama and S. Arai, “Room Temperature-Continuous Wave Operation of 1540 nm Wavelength GaInAsP/InP Strain-Compensated Quantum-Wire DFB Lasers,” 「1540 nm波長帯GaInAsP/InP歪補償量子細線DFBレーザの室温連続動作」 The 52nd Spring Meeting, 2005; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies, 29p-V-10, Digest III -p. 1552, Saitama, Mar. 2005.
(9) H. Yagi, K. Miura, Y. Nishimoto, D. Plumwongrot, K. Ohira, T. Maruyama and S. Arai, “Low Threshold Current Operation of GaInAsP/InP Strain-Compensated Quantum-Wire DFB Lasers,”「GaInAsP/InP歪補償量子細線DFBレーザの低しきい値電流動作」The 52nd Spring Meeting, 2005; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies, 31p-ZH-1, Digest III -p. 1304, Saitama, Mar. 2005.
(10) T. Murayama, K. Ohira, S. M. Ullah, H. Yagi, S. Tamura and S. Arai, “Low threshold current distributed-reflector laser with phase-shifted DFB and high-reflection DBR sections,” 「位相シフトDFB領域と量子細線DBR領域を集積した分布反射型(DR)レーザの低しきい値動作」The 52nd Spring Meeting, 2005; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies, 31p-ZH-2, Digest III -p. 1304, Saitama, Mar. 2005.
(11) K. Miura, H. Yagi, Y. Nishimoto, D. Plumwongrot, K. Ohira, T. Maruyama and S. Arai, “GaInAsP/InP Strain-Compensated Quantum-Wire DFB Lasers with Low-Damage Interfaces,”「低損傷界面を有するGaInAsP/InP歪補償量子細線DFBレーザ」 The 66th Autumn Meeting, 2005; The Japan Society of Applied Physics, 7p-ZN-14 Digest III -p. 1015, Tokushima, Sep. 2005.
(12) Y. Nishimoto, H. Yagi, K. Miura, D. Plumwongrot, K. Ohira, T. Maruyama and S. Arai, “Temperature Dependence of Threshold Current for GaInAsP/InP Strain-Compensated Quantum-Wire DFB Lasers,” 「GaInAsP/InP歪補償量子細線DFBレーザのしきい値電流の温度依存性」 The 66th Autumn Meeting, 2005; The Japan Society of Applied Physics, 7p-ZN-15 Digest III -p. 1015, Tokushima,
(13) SeungHun Lee, Saeed Mahmud Ullah, Ryo Suemitsu and Shigehisa Arai, “Threshold Current Reduction of Distributed Reflector (DR) Laser after Antireflection Coating” The 67th Autumn Meeting, 2006; The Japan Society of Applied Physics, 29a-ZT-9, Digest III -p. 1047, Kyoto, August. 2006.
(14) Saeed Mahmud Ullah, Ryo Suemitsu, SeungHun Lee and Shigehisa Arai, “A low threshold current operation of Distributed Reflector (DR) Laser”, The 67th Autumn Meeting, 2006; The Japan Society of Applied Physics, 29a-ZT-10, Digest III -p. 1048, Kyoto, August. 2006.
(15) R. Suemitsu, S. M. Ullah, S H. Lee, Y. Nishimoto, M. Otake, N. Nishiyama and S. Arai, “Integration of Front Power Monitor with Distributed Reflector Laser through Deeply Etched Narrow Groove for Electrical Isolation”「深い極微溝による電気的分離を利用したDRレーザ前端面へのパワーモニターの集積」The 54th Spring Meeting, 2007; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies, 28p-SG-15, Digest III-p.1226, Kanagawa, Mar. 2007.
(16) S. M. Ullah, R. Suemitsu, S H. Lee, Y. Nishimoto, M. Otake, N. Nishiyama and S. Arai “Distributed Reflector Laser Integrated with Electro Absorption Modulator using Width Modulated Wirelike Active Regions”「細線状活性層の線幅変調による電界吸収変調器集積DRレーザ」The 54th Spring Meeting, 2007; The Japan Society of Applied Physics and Related Societies, 28p-SG-14, Digest III-p.1226, Kanagawa, Mar. 2007.
(17) S. Lee, S. M. Ullah、T. Shindo, K. S. Davis, N. Nishiyama, S. Arai,「細線状活性層を有する分布反射型レーザの直接変調特性」、電子情報通信学会 2008年総合大会, 北九州, C-4-29, Mar. 2008