JP2533355B2 - 分布帰還形半導体レ―ザ装置およびその電流注入方法 - Google Patents

分布帰還形半導体レ―ザ装置およびその電流注入方法

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Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、回折格子を有する分布帰還形半導体レーザ
装置及びその電流注入方法に関するものである。
（従来技術とその問題点） 通常、半導体レーザでは、発振時の活性層内部の光強
度は、光の進行方向（以下「軸方向」と称す）に不均一
な分布を持っている。この軸方向における光強度の不均
一性は、特にレーザ内部に波長選択性に優れた位相シフ
ト付き回折格子を内蔵している位相シフト型分布帰還形
半導体レーザ（以下「位相シフトDFBレーザ」と称
す。）において顕著である。このように、光強度の不均
一な分布を持つ場合、注入電流密度分布が均一であると
軸方向空間的ホールバーニングによる屈折率変動が生
じ、そのため単一波長動作の指標となる主モードと副モ
ード間の発振しきい値利得差（以下「発振しきい値利得
差」と称す。）が注入電流の増加と共に変化することが
報告されている（雙田他、電子情報通信学会量子化エレ
クトロニクス研究会資料、OQE86−７参照）。すなわ
ち、光強度の強い部分ではより多くのキャリアが誘導放
出によって消費されるため、その部分でのキャリア密度
が相対的に減少し、その結果キャリア密度は軸方向に沿
って光の強度分布とは逆の不均一な分布を持つことにな
る。一方、半導体の屈折率は内部のキャリア密度によっ
て変動し、キャリア密度が高い（低い）と屈折率は減少
（増加）する。従って、不均一なキャリア密度分布によ
って屈折率も分布を持つことになる。この屈折率変化に
よって、発振しきい値利得差が減少し、単一波長性が劣
化してしまうことのみならず、キャリア密度の変動によ
って、レーザ出力光が高出力動作時に飽和し易くなるこ
とも観測されている。
この問題を避けるために本発明者らは、光半導体素子
内部の電気低効率に不均一分布を持たせ、注入電流密度
を軸方向の光強度分布にほぼ比例した分布に制御した構
造の光半導体素子を特許出願している（特願昭62−1683
14号）。すなわち、軸方向空間的ホールバーニングによ
って不均一となったキャリア密度分布とほぼ逆の注入電
流密度分布を持たせることで、正味のキャリア密度分布
及び屈折率分布をほぼ均一とさせるというものである。
このような構造にすることにより、注入電流と共に増加
する軸方向空間的ホールバーニングによる屈折率変動は
確かに減少した。しかし、如何なる電気抵抗率分布（ま
たは注入電流密度分布）をもってしても、注入電流を変
化させた場合にはある程度の軸方向の屈折率変動は避け
られず、電流のダイナミックレンジをあまり大きくした
場合には適用できなかった。
すなわち、上述の方法では、注入電流密度分布は注入
電流によらず固定されているため、発振しきい値以下の
注入電流時でも同一の分布をもっている。一方、ホール
バーニングによる屈折率変動は発振して初めて生じるた
め、発振しきい値以下では不均一注入電流密度による屈
折率変動だけが生じてしまう。このしきい値時の屈折率
変動分のため、発振しきい値以上で任意の注入電流にお
いて常にホールバーニングによる屈折率変動を完全に相
殺できる注入電流密度分布は存在しない。
第１図は、従来の４分の１波長シフトDFBレーザに均
一な電流注入を行なった場合（実線）と光強度分布に比
例した分布で電流注入を行なった場合（破線）の発振し
きい値利得差の注入電流依存性を計算した結果である。
均一電流注入時には、電流の増加とともに発振しきい値
利得差は単調減少するが、注入電流密度を制御すると、
しない場合に比べて高注入電流時まで大きな発振しきい
値利得差を維持することが可能であり、ホールバーニン
グによる屈折率変動をある程度抑制していることがわか
る。しかし、この場合発振しきい値利得差には最大値
（Ｍ）となる注入電流が存在し、その電流値においては
ホールバーニングと不均一電流注入とによる屈折率変動
が完全に相殺されているが、それ以下の電流領域では不
均一電流注入の効果が、またそれ以上の電流領域ではホ
ールバーニングによる効果が大きくなってしまう。この
ため、発振しきい値時の発振しきい値利得差が減少する
と同時に、高注入電流時にもやはり減少している。ここ
では注入電流密度分布が光強度分布に比例した場合の例
を示したが、不均一の度合を変えたり、他の類似の分布
を用いても上述の傾向は変わらない。
このように、従来の不均一電流注入を行なった半導体
レーザ装置及びその電流注入方法では軸方向空間的ホー
ルバーニングによる屈折率変動を完全に抑えることがで
きず、高電流注入時に単一波長性の劣化やレーザ出力光
が飽和し易い等、安定なレーザ出力が得られないという
問題があった。
（発明の目的及び特徴） 本発明は、上述した従来技術の欠点を解決するために
なされたもので、安定なレーザ出力が得られる分布帰還
形半導体レーザ装置及びその電流注入方法を提供するこ
とを目的とする。
本発明の第１の特徴は、光が発光する活性層に近接し
て配置された回折格子と、該活性層をｎ型半導体とｐ型
半導体とで挟んだダブルヘテロ構造を有し、該活性層に
電流を注入するためのｎ側とｐ側の電極とを備えた分布
帰還形半導体レーザ装置の該ｎ側またはｐ側電極のうち
の一方の電極を複数に分割し、該分割された電極に接続
された第１の電流源と前記分割されている電極ごとに注
入する電流比を所望の値とするための個別の抵抗を介し
て前記分割された電極に接続された第２の電流源とを有
し前記活性層の発光状態に応じて該第１及び第２の電流
源を制御するように構成したことにある。
本発明の第２の特徴は、光が発光する活性層に近接し
た回折格子と、該活性層をｎ型半導体とｐ型半導体とで
挟んだダブルヘテロ構造を有し、該活性層に電流を注入
するためのｎ側とｐ側の電極とを備えた分布帰還形半導
体レーザの該電極に電流を注入して該分布帰還形半導体
レーザを発振せしめて出力光を得る分布帰還形半導体レ
ーザ装置の電流注入方法において、該ｎ側またはｐ側電
極のうち一方の電極を複数に分割し、該分割された電極
に前記分布帰還形半導体レーザが発振する発振しきい値
まで光の進行方向に沿う注入電流密度を均一となるよう
に保って電流を増加させながら注入する第１の制御過程
と、 前記分布帰還形半導体レーザが発振しきい値を超えた
以降注入する電流を、該光の進行方向における最大の光
強度を有する部分の前記注入電流密度が少なくとも最大
となるように制御しながら注入する第２の制御過程とを
有することにある。
（発明の構成及び作用） 以下に図面を用いて本発明を詳細に説明する。なお、
以下の説明では同一構成部分には同一番号を付し説明の
重複を省く。
（実施例１） 第２図（ａ）は本発明による第１の実施例であり、非
対称４分の１波長シフトDFBレーザ装置の構成図であ
る。この実施例の非対称４分の１波長シフトDFBレーザ
の構造は、ｎ型InP基板１上に、ｎ型InGaAsP導波路層
２、InGaAsP活性層３、ｐ型InGaAsPバッファ層４、ｐ型
InPクラッド層５が積層され、ｎ型InGaAsP導波路層２の
膜厚を周期的に変化させた４分の１波長分の位相シフト
９を有する回折格子８で光の進行に沿う実行的な周期的
屈折率変化を設けることによって、レーザ領域30を形成
している。100は前方のレーザ出力光（以下「前方出力
光」と称す）、101は後方出力のレーザ出力光（以下
「後方出力光」と称す）である。４分の１波長シフト９
は、前方出力光100が後方出力光101に比べて大きくなる
ようにレーザ領域30の中心よりも若干前方出力光100側
に偏移してある。レーザ領域30は４分の１波長シフト付
近のＢ領域、及び両端面付近のA,C領域の３領域に分割
され、それぞれの領域の長さの比を例えばA:B:C＝2:4:4
とする。一方、活性層３の両側には活性層３の禁制帯幅
より大なる半導体層であるｐ型InPクラッド層５、及び
ｎ型InP層６で埋め込まれており窓領域31が形成されて
いる。さらに、レーザ領域30及び窓領域31上に電極との
オーミック接触形成用のｐ型InGaAsPキャップ層７があ
る。20,21,22は、Au/Crからなるｐ側電極であり、それ
ぞれ領域A,B,Cに対応している。23は、Au/AuSnからなる
ｎ側電極である。10は電極との接触抵抗を軽減するため
の亜鉛拡散領域である。50,51はレーザ駆動用の電流
源、52,53,54は各領域に注入する電流の比（J2A:J2B:J2
C）を所望の値とするための抵抗である。後方出力光101
の一部がフォトダイオード56で吸収され、その出力が電
流コントローラ55に接続されている。55は電流源50,51
の制御を行なう電流コントローラである。
第１表は電流源50,51及びフォトダイオード56との関
係を示したものである。本実施例では、注入電流をゼロ
から次第に増加して行きDFBレーザを発振させる場合の
電流注入方法を説明する。
（１）DFBレーザが発振していない未発振状態の時すな
わち、フォトダイオード56の出力がない場合には、電流
コントローラ55により電流源51の出力がゼロ、電流源50
のみの注入電流が増加するように制御を行なう。
（２）次に、DFBレーザが発振した時点すなわち、フォ
トダイオード56の出力が生じた瞬間に、電流コントロー
ラ55により電流源50の出力を固定する。
（３）DFBレーザの発振により出力する出力光のレベル
を増大させて安定な出力光を得るために注入する電流
は、予め定められた抵抗値を持つ抵抗52,53および54が
接続されている電流源51により、光の進行方向における
最大の光強度を有する部分の前記注入電流密度が少なく
とも最大となるように制御する。
上述の３制御過程により、発振しきい値以下では各領
域には均一な電流密度で電流注入され、かつしきい値以
上ではしきい値電流を越える電流分について、抵抗52,5
3,54の値を制御するため光強度分布に応じた電流密度分
布を実現できる。
第２図（ｂ）は同図（ａ）の活性層３内の軸方向におけ
る光強度分布と本発明に特徴である注入電流密度分布を
示した図である。光強度は４分の１波長シフト部で最大
となる不均一な分布であり、しきい値以上の電流分をこ
の光強度分布に合うように、例えば、J2A:J2B:J2C＝2:
3:1とすればよい。
第２図（ｃ）は、同図（ｂ）に示した分布で電流を注
入した時の、発振しきい値利得差と注入電流に関係を計
算した結果である。発振しきい値利得差は注入電流によ
らず大きな値でほぼ一定であり、軸方向空間的ホールバ
ーニングはほぼ完全に抑制されていることがわかり、こ
のように理論的にも裏付けられた。また、分割数に関し
ては４分の１波長シフトDFBレーザの場合、２分割では
少ないが、回折格子の位相シフトしている領域を含む電
極21を中心にして左右（光の進行方向）に複数分割すれ
ば良い。
第３図は同一素子を均一電流注入した場合（点線）
と、本実施例の通りに注入電流密度分布をJ2A:J2B:J2C
＝2:3:1とした場合（実線）の前方出力光100と注入電流
の関係を測定した結果である。本発明により、前方出力
の微分量子効率、及び最高出力が向上し、さらに、ほと
んどすべての素子が単一波長で発振することを確認し
た。
（実施例２） 第４図（ａ）は、本発明による第２の実施例である。
実施例１と異なるところは、回折格子11には４分の１波
長位相シフトが無いこと、及び活性層３の両端に窓領域
はなく、前方出力光100の端面側には無反射コーティン
グ膜24、後方出力光101の端面側には高反射コーティン
グ膜25が形成されていること、及びｐ側電極20,21並び
にレーザ領域30が図示のように活性層３の両端の中央を
中心にして２領域に分割されていることである、すなわ
ち、位相シフトを有しない場合には、前方出力光と後方
出力光側の両端に少なくとも両極を設ければ良い。
このようなDFBレーザは端面における回折格子の位相
によっては、必ずしも単一波長発振をしない場合がある
が、前方出力光100と後方出力光101との比が大きくとれ
るため高出力の主出力を取り出す場合に用いれば有望で
ある。
第４図（ｂ）は同図（ａ）の活性層３内の軸方向光強
度分布（実線）と本発明の特徴である注入電流密度分布
（破線）の一例を示した図である。このようにしきい値
電流以上の電流分の電流密度比をたとえばJ2A:J2B＝1:2
とすることで、実際のキャリア密度分布をほぼ均一にす
ることができ、軸方向空間的ホールバーニングは生じな
い。従って、実施例１と同様に、高電流注入時において
も前方出力100が飽和することなく、単一波長発振の歩
留まりも向上する。
なお、上述の実施例1,2では、分割電極数をそれぞれ
３つ及び２つとしたが、分割電極数をさらに増やすこと
によって、より完全にホールバーニングを抑制すること
ができる。また、各領域へのしきい値を越える電流分の
電流密度比は、光強度分布に完全に比例していなくて
も、光強度分布の特に強いところである４分の１波長シ
フト９の付近（実施例１では領域Ｂ）またはレーザ領域
30の端面部分（実施例２では領域Ｂ）に、他の領域の1.
2〜3.0倍の電流密度を供給するだけでかなりのレーザ出
力特性の改善がはかれる。
本発明は、半導体材料として、InGaAsP/InP系を用い
て説明したが、AlInGaAs/InP系,AlGaAs/GaAs系などの他
の半導体材料にも容易に適用することができる。
（発明の効果） 以上説明したように、本発明は、分割された電極ごと
に第１の電流源50及び第２の電流源51を備えて電流を制
御することにより、安定な出力を得るDFBレーザ装置が
実現できる。さらに、本発明は発振しきい値以下では軸
方向における注入電流密度が均一で、発振しきい値以上
では発振しきい値電流を越える電流分に関して、軸方向
における注入電流密度が少なくとも最大の光強度を有す
る部分で大きくなるように、電流密度分布を制御して構
成することにより、軸方向空間的ホールバーニングが生
ずるのを制御し、高出力動作時にも出力飽和が少なく、
高い確率で単一波長発振するDFBレーザが得られる。
回折格子８において位相シフト９が存在している領域
を含む電極21を中心にして電極を複数分割することによ
り、位相シフトDFBレーザの出力光を高安定に制御する
ことができる。
回折格子８において位相シフト９が存在している領域
を含む電極21の電流密度を最大とすることにより、安定
な高出力の位相シフトDFBレーザを実現できる。
位相シフトを有しないDFBレーザの場合には、活性層
３の両端の中央を中心にして電極を複数に分割をするこ
とにより、安定な高出力を得ることができる。
また、本発明はDFBレーザの注入電流を３制御過程で
制御することにより、安定な高出力を得ることができ
る。
従って、本発明は、光通信や光情報処理の分野で幅広
く使用することができ、その効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の４分の１波長シフトDFBレーザの発振し
きい値利得差の注入電流依存性を計算した結果を示す特
性図、第２図（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ本発明
による４分の１波長シフトDFBレーザの構成図，内部の
光強度分布及び電流密度分布図，及び発振しきい値利得
差の注入電流依存性を示した特性図、第３図は本発明と
従来とを比較するレーザ電流とレーザ出力の特性図、第
４図（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施例によるDFB
レーザの構成図及び内部の光強度分布と電流密度分布を
示す特性図である。 １…ｎ型InP基板、２…ｎ型InGaAsP導波路層、３…InGa
AsP活性層、４…ｐ型InGaAsPバッファ層、５…ｐ型InP
クラッド層、６…ｎ型InP層、７…ｐ型InGaAsPキャップ
層、8,11…回折格子、９…４分の１波長シフト、10…亜
鉛拡散領域、20,21,22,23…電極、24…無反射コーティ
ング膜、25…高反射コーティング膜、30…レーザ領域、
31…窓領域、50,51…電流源、52,53,54…抵抗、55…電
流コントローラ、56…フォトダイオード、100,101…光
出力。

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光が発光する活性層に近接して配置された
    回折格子と、該活性層をｎ型半導体とｐ型半導体とで挟
    んだダブルヘテロ構造を有し、前記活性層に電流を注入
    するためのｎ側とｐ側の電極とを備えた分布帰還形半導
    体レーザ装置において 該ｎ側またはｐ側電極のうち一方の電極は複数に分割さ
    れ、該分割された電極に接続されて該分割された電極に
    均一に電流を注入する第１の電流源と、 前記分割されている電極ごとに注入する電流比を所望の
    値とするための個別の抵抗を介して前記分割された電極
    に接続されて前記分割された電極のうち最大の光強度を
    有する前記電極に最も大なる電流を注入する第２の電流
    源とを有し、 前記活性層の発光状態に応じて該第１及び第２の電流源
    を制御するように構成されたことを特徴とする分布帰還
    形半導体レーザ装置。
  2. 【請求項２】前記電極は前記回折格子が位相シフトして
    いる領域を含む電極を中心にして複数に分割されている
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の分布帰還
    形半導体レーザ装置。
  3. 【請求項３】前記回折格子が位相シフトしている領域を
    含む電極の電流密度が最大となるように構成したことを
    特徴とする特許請求の範囲第３項記載の分布帰還形半導
    体レーザ装置。
  4. 【請求項４】前記電極は前記活性層の両端の中央を中心
    にして複数に分割されていることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項記載の分布帰還形半導体レーザ装置。
  5. 【請求項５】光が発光する活性層に近接して配置された
    回折格子と、該活性層をｎ型半導体とｐ型半導体とで挟
    んだダブルヘテロ構造を有し、該活性層に電流を注入す
    るためのｎ側とｐ側の電極とを備えた分布帰還形半導体
    レーザの該電極に電流を注入して該分布帰還形半導体レ
    ーザを発振せしめて出力光を得る分布帰還形半導体レー
    ザ装置の電流注入方法において、 該ｎ側またはｐ側電極のうち一方の電極を複数に分割
    し、該分割された電極に前記分布帰還形半導体レーザが
    発振する発振しきい値まで光の進行方向に沿う注入電流
    密度を均一となるように保って電流を増加させながら注
    入する第１の制御過程と、 前記分布帰還形半導体レーザが発振しきい値を超えた以
    降注入する電流を、該光の進行方向における最大の光強
    度を有する部分の前記注入電流密度が少なくとも最大と
    なるように制御しながら注入する第２の制御過程とを有
    することを特徴とする分布帰還形半導体レーザ装置の電
    流注入方法。
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