JP2903322B2 - 半導体集積レーザ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光通信や光応用計測の光源に利用する。特
に、活性領域と光学特性が可変の領域とを同一半導体チ
ップ上に形成した半導体集積レーザに関する。

〔概要〕

本発明は、活性領域と光学性が可変の領域とを集積化
した半導体集積レーザにおいて、 光学特性が可変の領域として埋め込み層を用いること
により、 製造工程を複雑にすることなく、発振波長の可変幅を
拡大し、発振スペクトル線幅を挟窄化し、光変調にとも
なう光出力の不安定性を改善するものである。

〔従来の技術〕

従来から、化合物半導体チップ上に活性領域と光学特
性が可変の領域とを集積化した半導体集積レーザが開発
されている。特に、電界印加または電流注入による屈折
率の変化を利用して、周波数変調器、位相変調器、ビー
ム偏向器などを実現でき、吸収損失の変化を利用して強
度変調器を実現できる。

まず、半導体集積レーザとして代表的な可変レーザに
ついて説明する。

一般に可変波長レーザは、レーザ内部に回折格子を設
け、その回折格子の屈折率を変化させることにより、等
価的に回折格子の周期を変えて発振波長を変化させてい
る。このような可変波長レーザとして、分布反射型レー
ザを応用したもの、および分布帰還型レーザを応用した
ものが知られている。これらの可変波長レーザについて
は、コバヤシ、ミト共著、ジャーナル・オブ・ライトウ
ェイブ・テクノロジ第６巻第11号、1988年（K.Kobayash
i,I.Mito,Journal of Lightwave Technology,Vol.6,No.
11,1988）に詳しく説明されている。

第５図は従来例分布反射型可変波長レーザの断面図を
示す。

この可変波長レーザは、ｐ型とｎ型との導電性が異な
る二つの半導体層51、52の間に光導波路層53を備え、光
導波路層53の一端の領域に活性層54を備え、光導波路層
53の他端には回折格子55を備える。以下、活性層54が設
けられた領域を活性領域、回折格子55が設けられた領域
を周波数変調領域、活性領域と変調領域との間の領域を
位相調整領域という。半導体層52の表面には、活性領
域、位相調整領域および周波数変調領域のそれぞれに対
応して、電極56、57および58が設けられる。

電極56から活性領域に電極I_aを供給すると、活性層54
で光が発生する。

電極57、58から位相調整領域および周波数変調領域に
それぞれ電流I_p、I_bを流すと、半導体のプラズマ効果に
より、光導波路層53の屈折率が変化する。この屈折変化
により周波数変調領域では、回折格子55から活性層54に
半導体される光の波長が変化し、活性層54の発振波長が
変化する。位相調整領域では、屈折率変化により光導波
路層53の光学的な長さが変化し、活性層54と回折格子55
との間で発光位相を調整する。

第６図および第７図は分布反射型可変波長レーザの特
性例を示す。第６図は電流I_p＋I_dの変化に対する発振波
長の変化を示し、第７図は発振波長を変化させたときの
発振スペクトル線幅の変化の一例を示す。この例に示し
た可変波長レーザは、電極57に200Ω、電極58には100Ω
の抵抗を接続し、これらの抵抗を介して電流I_p＋I_dを供
給した。電流I_p＋I_dを70mA変化させることにより、発振
波長を3.1nm（周波数で380GHz）変化させることができ
る。

第８図は従来例分布帰還型可変波長レーザの断面図を
示す。

この可変波長レーザは、ｐ型とｎ型との導電性が異な
る二つの半導体層81、82の間に活性層83を備え、この活
性層83に沿って回折格子84を備える。この可変波長レー
ザの電極は、ビーム方向に、発振用の電極85と屈折率制
御用の電極86とに分割される。出射端には反射防止膜87
を備える。

この可変波長レーザは、電極85、86から活性層83に電
極I₁、I₂を流して光を発生させるとともに、電流I₁、I₂
の割合により活性層83の屈折率分布を変化させ、発振波
長を制御する。

第９図は注入電流に対する発振波長および出力パワー
の特性の例を示す。横軸は総注入電流I_tに対する電流I₁
またはI₂の割合を表す。ただし総注入電流I_t＝I₁＋I₂は
一定である。

この例では、電流I₁、I₂の割合を変化させることによ
り、出力パワーを一定に保ったまま、発振波長を2.1nm
にわたり変化させることができる。

半導体集積レーザとしては、可変波長レーザの他にも
種々のものがあるが、ここでは、強度変調器付きレーザ
と、ビーム偏向器付きレーザとの例について説明する。

第10図は従来例強度変調器付きレーザの構造を示す斜
視図である。この図では、内部構造を示すため、一部を
切り欠いて示す。

この従来例は、InGaAsP/InP分布帰還型半導体レーザ
と、InGaAs/InAlAs量子井戸構造（MQW）が設けられた光
変調器とを集積化したものであり、光変調器の多重量子
井戸に電界を印加して導波路の光学特性（吸収特性）を
変化させ、光強度を高速に変化させるものである。この
構造の半導体集積レーザの詳細は、クラムラ他、OQE86-
169（Y.Kuwamura）に説明されている。

第11図は従来例ビーム偏向器付きレーザの構造を示
す。

この従来例は、活性領域のレーザ光出射端側にビーム
偏向器を集積化したものである。ビーム偏向器はレーザ
発光素子の出射光に対して両側の領域にそれぞれ電極11
1、112を備え、これらの電極111、112に流す電極I₁、I₂
により利得分布が左右に偏りビームが偏向する。活性領
域には、発振に必要な電極I₃が供給される。

第12図および第13図はこのビーム偏向器付きレーザの
特性例を示す。第12図はI₁＋I₂＝56mAで電極I₁、I₂を変
化させたときの出射ビームの振れ角θを示す。横軸は電
極I₁の値である。第13図はビームの振れ角に対する遠視
野像を示す。

ここで示したビーム偏向器付きレーザについては、向
井、金子、他、昭和62年度応物秋期予稿集、講演番号19
p-ZR-11に詳しく説明されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、プラズマ効果を利用すると、屈折率の変化と
ともに吸収損失が増加してしまう。特に分布反射型可変
波長レーザの場合には、この吸収損失により光強度が変
化し、発振が不安定となり、発振スペクトル幅が広がっ
てしまう。

分布帰還型可変波長レーザの場合には、屈折率を変化
させる領域にも利得をもたせているので、分布反射型可
変波長レーザに比較して吸収損失は小さい。しかし、屈
折率を変化させる領域自体が発振すると、キャリアが飽
和し、屈折率の変化量が制限されてしまう。このため、
波長変化量は小さい。

また、第10図に示したような光強度変調器付きレーザ
は構造が複雑であり、製造工程が複雑となる欠点があっ
た。

本発明は、以上の課題を解決し、構造が簡単で、狭い
スペクトル幅で安定に発振し、しかも発振光の制御が容
易な半導体集積レーザを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の半導体集積レーザは、埋め込み層に電界また
は電流を供給してその光学特性、特に屈折率または吸収
損失を制御する構造であることを特徴とする。すなわ
ち、電流注入により光を発生する活性層と、この活性層
の少なくとも周囲の光学特性を電気的に制御することに
より前記活性層のレーザ発振を制御する光学制御手段と
を備えた半導体集積レーザにおいて、上記活性層はバイ
アス電流を閉じ込めるための埋め込み層に埋め込まれ、
上記光学特性制御手段は、前記活性層の長手方向に沿っ
て前記埋め込み層に電界または電流を供給する手段を含
むことを特徴とする。

光学特性の制御に電界を用いる場合の埋め込み層は、
活性層の側面に接して形成されたバンドギャップが前記
活性層に比較して大きい多重量子井戸層と、この多重量
子井戸層を挟んで積層されたｐ型層およびｎ型層とを備
え、このｐ型およびｎ型を活性層を挟んで積層される半
導体層と逆の伝導型で配置される。

光学特性の制御に電流を用いる場合の埋め込み層は、
活性層の側面に接して形成されたｐ型層と、このｐ型か
ら活性層に積層された同じ伝導型の層を電気的に絶縁す
る層とを備える。

〔作用〕

化合物半導体レーザの活性層に対しpn逆バイアスとな
る埋め込み層を形成し、この埋め込み層に電界あるいは
電流を供給する。この電界あるいは電流により、その領
域の光学特性、特に屈折率や吸収損失が変化する。この
特性の変化を利用することにより、レーザの発振波長、
出力光強度、光位相または光ビームの偏向を制御でき
る。

電界により光学特性を制御する場合に多重量子井戸を
利用すると、量子効果（量子閉じ込めシュタルク効果）
により、通常の半導体より大きな光学特性の変化が利用
できる。

また、電流を利用する場合には、活性層に流す方向と
同じ方向に電流を流す。このとき、活性層はそれに接す
る領域よりもバンドギャップが小さいため、電流は主に
活性層に注入され、埋め込み層に漏れることは少ない。
ただし、活性層を挟んで積層された層から埋め込み層に
電流が流れ込むことを防止する必要がある。

本発明の半導体集積レーザは、埋め込み層に屈折率変
化の大きい材料を用いることにより、可変波長レーザ、
位相変調器付きレーザまたはビーム偏向器付きレーザと
して利用できる。また、吸収損失の大きい材料を用いる
ことにより、強度変調器付きレーザとして利用できる。

可変波長レーザとして用いる場合には、発振波長可変
幅を拡大でき、しかも発振スペクトル線幅を挟窄化でき
る。また、強度変調器付き集積レーザとして用いる場合
には製造工程が簡略化される。さらに、光変調にともな
う出力光強度、スペクトル（発振波長、スペクトル線
幅、発振モード）の不安定性を改善できる。

〔実施例〕

本発明の実施例について図面を参照して説明する。以
下の説明において、「上」とは製造工程における結晶成
長の方向、「下」とはこれと逆の方向をいう。

第１図は本発明第一実施例可変波長レーザの構造を示
す斜視図である。

この可変波長レーザは、電流注入により光を発生する
活性層１を備え、その上下に光ガイド層２を備え、さら
にその上下にそれぞれｐ型層３およびｎ型層４を備え
る。ｐ型層３の上にはｐ型オーミック接触層５が設けら
れ、このオーミック接触層５は絶縁膜６の窓を介してバ
イアス電極７に接続される。

活性層１および光ガイド層２は、バイアス電極を閉じ
込めるための埋め込み層、すなわちｐ型層８、多重量子
井戸層９およびｎ型層10に埋め込まれる。ｎ型層10は、
ｐ型層11およびｐ型オーミック接触層12を介して制御電
極13に接続される。

バイアス電極７と制御電極13との間、およびｐ型層
３、オーミック接触層５とｐ型層11との間は、チャネル
形の絶縁膜６により電気的に絶縁される。

ｎ型層４の下側には電極14が設けられる。図には示さ
れていないが、一方の光ガイド層２には回折格子が設け
られる。

ｐ型層８、多重量子井戸層９およびｎ型層10は、通常
の埋め込み型半導体レーザと同様に、電流ｐ−ｎ逆バイ
アスによって電流挟窄を行う。通常の埋め込み型半導体
レーザと異なるのは、活性層１よりバンドギャップのや
や大きいアンドープの多重量子井戸層９が設けられてい
ることである。多重量子井戸層９は、活性層１の側部に
接して配置される。

バイアス電極７に正、電極14に負の電圧をバイアスす
ると、これはｐ型層３、ｎ型層４に対して順バイアスと
なり、活性層１にキャリアが注入される。これにより正
孔と電子との再結合が発生し、発光またはレーザ発振が
生じる。

また、制御電極13に正、電極14に負の電圧をバイアス
すると、これはｐ型層８、ｎ型層10に対して逆バイアス
となり、多重量子井戸層９に電界が印加される。このと
き、量子閉じ込めシュタルク効果、あるいはフランツ・
ケルディッシュ効果により、多重量子井戸層９の光学特
性（屈折率、吸収）が変化する。

多重量子井戸層９の光学特性が変化すると、活性層１
や光ガイド層２を含むレーザ導波路の等価屈折率や光吸
収が変化する。本実施例のように可変波長レーザとして
用いる場合には、電界印加により等価屈折率が大きく変
化する材料を用いる。光ガイド層２に回折格子が設けら
れ、屈折率変化によりこの回折格子の光学的な格子間隔
が変化するので、発振波長も変化する。

第２図はこの可変波長レーザの製造方法を示す。

まず、第２図（ａ）に示すように、ｎ型InP基板４′
に回折格子を形成する。格子形成方法としては、干渉露
光法あるいは電子ビーム露光法を用いる。回折格子の周
期はレーザ発振波長に合わせておく。

次に、第２図（ｂ）に示すように、基板４′の上にア
ンドープの光ガイド層２、活性層１および光ガイド層２
（光閉じ込め層）を順次結晶成長させる。

続いて、第２図（ｃ）に示すように、メサエッチング
を行う。このためには、上側の光ガイド層２の上にフォ
トリソグラフィによりエッチングマスク20を形成し、エ
ッチングマスク20に覆われていない部分を回折格子の下
までエッチングする。

この後、第２図（ｄ）に示すように、エッチングマス
ク20を残したまま、埋め込み層を形成する。すなわち、
第２図（ｃ）に示した工程で得られたメサ構造の側部
に、ｐ型InP、イントリンシック多重量子井戸およびｎ
型InPの順に結晶成長させ、それぞれｐ型層８、多重量
子井戸層９およびｎ型層10を得る。

次に、第２図（ｅ）に示すように、エッチングマスク
20を除去し、ｐ型InP層３′、ｐ型接触層５′を順次成
長させる。

次に、第２図（ｆ）に示すように、ｐ型InP層３′お
よびｐ型接触層５′をｎ型層10に達するまでチャネル状
にエッチングし、電気的に分離する。これにより、活性
層１の領域にｐ型層３およびオーミック接触層５が得ら
れ、多重量子井戸層９の領域にｐ型層11およびオーミッ
ク接触層12が得られる。

最後に、第２図（ｇ）に示すように、前の工程で形成
されたチャネル部に絶縁膜を形成し、バイアス電極７、
制御電極13および電極14を形成する。バイアス電極７と
制御電極13については、表面全体に金属膜を形成したの
ち、リフトオフ法またはエッチングにより分離する。

第３図は本発明第二実施例可変波長レーザの構造を示
す斜視図である。この実施例は、電流注入によるプラズ
マ効果を利用することが第一実施例と異なる。

この可変波長レーザは、第一実施例と同様に、活性層
１、光ガイド層２、ｐ型層３、ｎ型層４、オーミック接
触層５、絶縁膜６、バイアス電極７を備える。

第一実施例と異なるのは、埋め込み層として、ｐ型層
８、ｎ型層21、ｐ型層22およびｎ型領域23を用いたこと
である。ｐ型層22は、活性層１の側面に接して形成され
ている。ｎ型領域23は、ｐ型層22およびｐ型層11′とｐ
型層３とを電気的に絶縁する。

ｐ型層22の上には、第一実施例と同様に、ｐ型層1
1′、オーミック接触層12および制御電極13が設けられ
る。ただし、ｐ型層11′の形状は、ｐ型層22およびｎ型
領域23の形成に関連して、第一実施例のｐ型層11とは異
なるものになっている。

バイアス電極７に正、電極14に負の電圧をバイアスす
ると、ｐ型層３、ｎ型層４に対して順バイアス、ｎ型領
域23、ｐ型層22に対して逆バイアスとなり、活性層１に
キャリアが注入される。

また、制御電極13に正、電極14に負の電圧をバイアス
すると、電流はオーミック接触層12、ｐ型層11′、ｐ型
層22、ｎ型層21を経由してｎ型層４に流れる。ｎ型層21
とｎ型層４との間にｐ型層８があるため、電流はｐ型層
８を流れることができず、活性層１の近傍を流れるよう
になる。このとき、プラズマ効果により活性層１および
光ガイド層２の等価屈折率が変化し、発振波長が変化す
る。

第４図は本発明の利用例を示す。この例は、第一実施
例の可変波長レーザを第８図に示した分布帰還型可変波
長レーザに利用したものであり、バイアス電極７が共振
方向に複数に分離される。その動作は、第一実施例と第
８図に示した可変波長レーザとを組み合わせたものに相
当する。

以上の説明ではｎ型層４（および下側の光ガイド層
２）に回折格子を形成した例を示したが、上側の光ガイ
ド層２に回折格子を形成してもよい。さらに、多重量子
井戸層９またはｐ型層22に回折格子を形成してもよい。

以上の実施例は、本実施例を可変波長レーザに実施し
た場合の例であるが、回折格子を設けなければ、同等の
構造を位相変調器付きレーザまたは強度変調器付きレー
ザとして使用できる。ただし、位相変調器付きレーザと
して使用する場合には、多重量子井戸層９またはｐ型層
22の材料として、電界または電流供給による屈折率変化
が大きく光吸収の変化が小さいバンド構造のものを選択
する。また、強度変調器付きレーザとして使用する場合
には、その逆のバンド構造のものを選択する。

また、二つの制御電極13のバイアス量を異なるように
すると、屈折率分布が左右非対象となり、レーザビーム
が左右に偏り、ビーム偏向器付きレーザとなる。

また、以上の実施例ではInPを用いた例について説明
したが、InGaAs、InGaAsP、GaAs、AlGaAs、InGaAlPなど
の他の半導体材料を用いても本発明を同様に実施でき
る。また、ｐ−ｎが逆の構造でも本発明を同様に実施で
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の半導体集積レーザは、
埋め込み層を変調層として用いるため、その層の屈折率
変化にともなう吸収が増加しても、光が閉じ込められて
いる領域の吸収は増加せず、導波路全体としての吸収の
増加は小さい。したがって、変調にともなう出力光強
度、スペクトルの不安定性が改善でき、可変波長レーザ
としては発振スペクトル線幅の挟窄化、波長可変幅を拡
大できる効果がある。

本発明の半導体集積レーザは、通常の埋め込み型レー
ザの製造工程をわずかに変化させるだけで製造可能であ
り、製造工程が簡単である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第一実施例の半導体集積レーザの構造を
示す斜視図。 第２図は製造固定を示す図。 第３図は本発明第二実施例の半導体集積レーザの構造お
よび動作を示す斜視図。 第４図は本発明利用例半導体集積レーザの構造を示すブ
ロック構成図。 第５図は分布反射型の従来例可変波長レーザの断面図。 第６図は電流I_p＋I_dの変化に対する発振波長の変化を示
す図。 第７図は発振波長を変化させたときの発振スペクトル線
幅の変化を示す。 第８図は分布帰還型の従来例可変波長レーザの断面図。 第９図は注入電流に対する発振波長および出力パワーの
特性を示す図。 第10図は従来例強度変調器付きレーザの斜視図。 第11図は従来例ビーム偏向器付きレーザの斜視図。 第12図は電流I₁の変化に対する出射ビームの振れ角θを
示す図。 第13図はビームの振れ角に対する遠視野像を示す図。 １……活性層、２……光ガイド層、３、８、11、11′、
22……ｐ型層、３′……ｐ型InP層、４、10、21……ｎ
型層、４′……基板、５、12……オーミック接触層、
５′……ｐ型接触層、６……絶縁膜、７……バイアス電
極、９……多重量子井戸層、13……制御電極、14……電
極、20……エッチングマスク、23……ｎ型領域。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電流注入により光を発生する活性層と、 この活性層の少なくとも周囲の光学特性を電気的に制御
   することにより前記活性層のレーザ発振を制御する光学
   特性制御手段と を備えた半導体集積レーザにおいて、 上記活性層はバイアス電流を閉じ込めるための埋め込み
   層に埋め込まれ、 上記光学特性制御手段は、前記活性層の長手方向に沿っ
   て前記埋め込み層に電界または電流を供給する手段を含
   む ことを特徴とする半導体集積レーザ。
2. 【請求項２】埋め込み層は、活性層の側面に接して形成
   されたバンドギャップが前記活性層に比較して大きい多
   重量子井戸層と、この多重量子井戸層を挟んで積層され
   たｐ型およびｎ型層とを含み、 このｐ型層およびｎ型は上記活性層を挟んで積層される
   半導体層との逆の伝導型で配置された 請求項１記載の半導体集積レーザ。
3. 【請求項３】埋め込み層は、活性層の側面に接して形成
   されたｐ型層と、このｐ型層から上記活性層に積層され
   た同じ伝導型の層を電気的に絶縁する層とを含む請求項
   １記載の半導体レーザ。