JPH02260482A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明は、波長多重光情報伝送・処理等に有用な、−素
子から波長の異なる複数のレーザ光を発振可能な多波長
半導体レーザに関する。

【従来の技術〕

従来、−素子から２波長以上の複数レーザ光を出射する
ことのできる多波長半導体レーザとしては、出射レーザ
波長が異なるようにその組成を異ならせた複数の活性層
を配列した構成を有するもの；分布帰還型（Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄ　Ｂａｃｋ、　ＤＦＢ）半導体
レーザ構造、あるいは分布反射型（Ｄｉｓ−ｔｒｉｂｕ
ｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ、　ＤＬＲ）
半導体レーザ構造からなる単位の複数を同一基板上に配
列し、各レーザ構造の回折格子のピッチを異ならせるこ
とにより、各回折格子のピッチに対応するブラッグ波長
を異ならせ、各レーザ構造からの出射光の波長を異なら
せる構成を有するもの等が知られている。

更に、これに対し、近年さらに発振波長を大きく変える
方法として、活性層に単一量子井戸構造を用いこの量子
井戸の井戸を通常より深く設定し、２つ以上の量子準位
を持つ構造とし、かつ１ノーザ共振器中の内部損失を活
性ストライブ領域の幅や、共振器長を変えて制御するこ
と６ごよ）で、選択的に２つ以上の量子準位に対応する
発振波長を選ぶ方法が研究されている（１９８７年秋季
応用物理学会予稿集１９ｐ−ＺＲ−１４）。

［発明が解決しようとしている課題］ しかしながら、上記従来例の、組成の異ならせた複数の
活性層を配列した構造では、その作成プロセスは複雑で
、数回の成膜の繰り返しが必要となる。また、同一活性
層を用いたレーザ構造を用い、その発振波長を回折格子
の波長選択性で異ならせる方法は−へ数的ではあるが、
一つの活性層の利得の波長域はせいぜい数ｎｍの範囲で
しか特性の良いそろった複数のレーザをモノリシックに
構成することはできない。

・一方、従来の活性層に単一量子井戸構造を用いた多波
長半導体レーザにおいては以下のような問題がある。

単一量子井戸層に電流が注入されると、まず基底準位で
利得は増えはじめるが、この基底準位のふ！１得が飽和
してから高次準位の利得は増えはじめる。つまり、高次
準位の発振を行わせるためには、共振器の損失を増加さ
せてしきい電流を増加させてはじめて実現するのである
。よって、それぞれの準位に対応する光を発振させるた
めには、損失量を制御する必要があるが、その手段とし
ては活性ストライブ領域の幅を異ならせて内部損失を変
化させる方法や、共振器長を変化させて端面損失の割合
を変化させる方法などがある。

活性ストライブ領域の幅を異ならせて、波長を制御する
構成では、活性ストライブ領域の幅によってニア・フィ
ールド・パターンの形状や、非点収差などの光学特性が
変わってくるため、望ましい光学特性を有する波長数に
限りがある。また、共振器長を変えて、共振器での内部
損失特性を変える構成では、通常のへき開による端面形
成法を用いると、互いに波長の異なる複数のレーザ光を
一素子に一体化された構成を有するモノリシックに形成
された半導体レーザから得ることができない。

上記のような構成では、１発振しきい電流密度は各々の
波長に対して大きく異なってしまうため、その発熱量も
一方は大きくなってしまい良好なアレイレーザの実現は
難しい。

さらに、単一量子井戸構造で２波長を設計するには、量
子井戸層の組成と幅、障壁層の組成により波長が決まる
が、設計の自由度が少ないために自由にエネルギー準位
を設計することは難しく、所望の２波長のための構造を
最適化する自由度も非常に少ない。

本発明は、以上述べたような従来の多波長半導体レーザ
における問題に鑑みなされたものであり、同一基板上に
複数の活性ストライブ領域を配列できる構成を有し、良
好、かつバラツキの少ない非点収差やニア・フィールド
・パターン等ノ光学特性を有し、かつ安定性の優れた波
長の異なる複数のレーザ光を出射可能な多波長半導体レ
ーザを提供することを目的としてなされたものである。

本発明によれば、さらに、単一素子についても、内部損
失を変化させることにより、同時多波長発振、波長スイ
ッチングが可能となる。

〔課題を解決するための手段（および作用）１本発明の
多波長半導体Ｌノーザ素子は、量子井戸型構造からなる
活性層と、発振波長を制御する何らかの共振構造とを有
することにより、多波長光の同時発振、多波長光のスイ
ッチング、多波長光の集積化を実現したものである。

前記活性層の量子井戸型構造は、第１図にそのエネルギ
ーバンド図を示したように、異なるエネルギーギャップ
をもつ複数の量子井戸層と光と電子の閉じ込め層からな
り、この量子井戸層について、エネルギーギャップがよ
り大きい井戸層は、エネルギーギャップのより小さい井
戸層よりもその層厚（図中、井戸の横幅で表わされる）
が小さく、同エネルギーギャップをもつ層厚の大きな井
戸層での発振に比べて低しきい電流密度で発振が可能と
なるように井戸層が設けられており、活性層内にホール
または電子が多数存在するように光と電子の閉じ込め層
と障壁層の一部または全部には不純物がドーピングされ
、ホールまたは電子の一方のキャリアが十分溝たされて
いるような構造とし、外部からの電流注入により前記複
数の量子井戸層でいずれの波長においても利得をもつよ
うに形成したものである。

活性層内は、ｐ型にドーピングされているた場合、注入
電子量を制御すればよく、ｎ型にドーピングされている
場合、注入ホール量を制御すればよいので具体的には井
戸層と障壁層の組成と層厚を最適化すればよい、　本発
明においては、井戸層の層厚は、エネルギーギャップの
より大きい井戸層の層厚はより小さく、しきい電流密度
が小さくなるようにしてあり、エネルギーギャップの大
きい井戸層の発振しきい値をエネルギーギャップの小さ
い井戸層の発振しきい値に近づけて同程度の注入電流で
各々の波長を発振させることがより可能となった。

より薄い量子井戸層からなるレーザの発振しきい電流密
度は、厚い量子井戸層からなるレーザのそれよりも小さ
いということは、Ｙ、　ＡＲＡＫＡＷＡとＡ、　ＹＡＲ
ＩＶにより　ＩＥＥＥ　Ｊ、　０ｕａｎｔ、ε１ｅｃｔ
、　Ｖｏｌ　ＱＥ−２２゜Ｎｏ、９　（１９８６）　ｐ
１８８７−１８９９に報告されている。

活性層内の量子井戸数は２つ以上の複数であれば良いが
、上記条件下において井戸層と障壁層の層厚と組成を調
整して所望の波長に対応するエネルギーギャップが形成
されている必要があり、さらに、各波長に対する利得が
ほぼ同時にしきい値に達するように制御されている方が
望ましい。

発振波長の制御には、共振器内の損失を変化させるか、
または波長選択性のある反射器を形成することにより、
上記各々のエネルギーギャップに対応する波長を発振さ
せることが可能となった。

共振器内の損失は大きく分けて、自由キャリア吸収や散
乱損失が主である内部損失と端面損失になる。そこで、
内部損失を変化させるということは、共振器の幅を変化
させたり、不純物の拡散やイオン打込み、プロトン照射
などの方法があり、一方、端面損失を変化させるには、
共振器長を変化させて全損失に対する端面損失の割合を
変化させる方法や、端面コーティングにより反射率を制
御する方法等がある。

また、波長選択性のある反射器としては、ＤＢＲ型、Ｄ
ＦＢ型のように回折格子を導波路内に形成する方法や、
外部に回折格子を設置した外部共振器型等が非常に有効
である。端面損失を変化させる方法として上述した端面
コーティングによる制御方法は、発振波長による反射率
の変化が支配的と思われる場合には、波長選択性を用い
ていることになる。

次に、回折格子を素子内に形成したＤＦＢ型、ＤＢＲ型
についてその回折格子の形成条件を示しておく。

回折格子は活性層と光学的に結合する先導波層上に形成
されており、その各々のピッチΔ１は、所望の波長λ１
と下記式（Ｉ） （ただし、βは回折次数（整数）　、ｎｏｔｅは等何層
折率、ｉは各半導体レーザ単位に付した標識記号）から
求められるものであり、それぞれ異なる波長λ直を安定
に発振させられる。

よって、回折格子のピッチを変化させることによって、
任意の波長数について、所望の波長、波長間隔で安定に
発振させられることが可能となった。

また、共振器の一部に電極の付いた吸収領域を形成して
おくことによって、そこに注入する電流または印加電圧
の制御により、−素子から、多波長光を発振したり、波
長スイッチングをしたりすることもできる。

本発明はＡｌＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＡｌＧａ
１ｎＰ系他化合物半導体の発光アバイスとなる材料全て
に有効であり、また、レーザの構造や各層の構成等は適
宜変更可能である。

〔実施例） Ｋ鳳炭ユ 第３図は分布ブラッグ反射型レーザ構造を用いた本発明
の２波長半導体レーザの一例の主要部の概略を示す断面
図であり、同図（ａ）は活性領域断面図、同図（ｂ）は
共振方向断面図、同図（ｃ）はＤＢＲ領域断面図である
。

この２波長半導体１ノ−ザは、第３（ｂ）図中、活性領
域Δ（長さ３００μｍ）とＤＢＲ領域領域長さ８００μ
ｍ）とから成り、活性領域Ａの構成は、ｎ＋−ＧａＡｓ
基板ｌ上に、ｎ”−ＧａＡｓバッファ層２（厚さ０．５
Ｉｔｍ）を介してｎ−Ａｌｏ、　ａＧａｏ、　ｓＡｓク
ラッド層３（厚さ　１．５６ｍ）、ｎ−Ａｌｏ、　４Ｇ
ａｏ、　ａＡｓ光導波層４（０，２ｕｍ）、活性層５（
厚さ約０．１μｍ）、ｐ−Ａｌｏ、　５Ｇａｏ、　ｓＡ
ｓクラッド層６（厚さ２．０μｍ）が分子線エピタキシ
ャル法により成膜されており、回折格子形成プロセス後
、電流狭窄のためのメサ加工をし、ｎ−Ａｌｏ、　５Ｇ
ａｏ、　ｓＡｓ電流狭窄層９により埋込み構造を形成し
ている。埋込み構造により光導波路は幅ｌ〜２μｍにな
る。

活性層５は第２図に示すように、基板側から順にＡｌｏ
、　ａＧａｏ、　ａＡｓからＡｌｏ、　５Ｇａｏ、　ｔ
Ａｓへ徐々に変化する電子、光閉じ込め層５１　（３０
０人）　、Ａｌｏ、　＋Ｇａｏ、　＊Ａｓ井戸■層５２
（８０人）　、ｐ−Ａｌｏ、５Ｇａｏ、ｔＡＳ障壁層５
３（１５０人）　、　ＧａＡｓ井戸■層５４（１００人
）　、ｐ−ＡＩｏ、ｓ慣ｔｉ、ｔＡｓからｐ−Ａｉｏ、
　６Ｇａｏ、　ａＡａへ変化する電子、光閉じ込め層５
５　（３００人）から成り、井戸■、井戸■のエネルギ
ーギャップは、それぞれ１．６８　ｅＶ及び１．５５ｅ
Ｖで、室温における発振波長は８００ｎｍ、８６０ｎｍ
である。

また、障壁層は一般にほぼ１００Å以上あれば互いの井
戸の電子準位は干渉しないので、それぞわの井戸にキャ
リアの注入が可能で、別々に発振させられる。

本実施例において、ｐ側の電子、光閉じ込め層５５と障
壁層５３にはアクセプター不純物がドーピングされてお
り、ｐ型領域としているが、この理由は、ホールの易動
度が電子の易動度より約１桁小さいために再結合効率を
高めるためにｐ型とじている。

また、電子、光閉じ込め層は徐々に組成が変化している
が、これは電子の注入に有効ではあるが、本発明の本質
ではない。

なお、２つの井戸（Ｉ）と（ＩＩ）で生じた光を選択的
に発振させるには、回折格子の伝搬定数、つまり光導波
部の層構成５０回折格子の格子ピッチを制御すれば良い
。

第３（ｂ）図においてＤＢＲ領域領域長膜後、光導波層
４上までウェットエツチングにより切４つ込み、平坦な
面を形成する。回折格子は三光束干渉露光法により形成
するが、この際、２素子［ＩＩと［ＩＩ］に対する回折
格子は各々周期が異なり、前記の井戸■と■の利得の大
きい波長８００ｎｍ、８６０ｎｍにおいて最大の反射率
となるように格子ピッチを設定する。

本実施例の場合、２次の回折を用いるとするならば、Δ
、　＝２３８２人とΔ□＝２５９１人の格子ピッチに設
定すればよい。

［ＩＩと［ＩＩ　］の回折格子の形成は、各々、判別に
フォトリソ及びエツチングを行い、上記の格子ピッチの
反射器を作る。回折格子を形成後、１−Ａｌｏ、　５Ｇ
ａｏ、　７Ａ８光導波１ｉ７　（厚さ約０．１ｕ　ｍ）
、１ドＡｌｅ、　ａＧａｏ、　ｓＡｓクラッド層８（厚
さ約２．０μｍ）を液相エピタキシャル法により成膜し
、光導波路形成のため、活性領域と同時にメサ加工し、
埋込み層（ｎ−Ａｌｏ、５Ｇａｏ。ａＡｓ　）　９を液
相エピタキシャル法により作成する。

電流注入窓の形成は、絶縁層５ｔ（ｈまたはＳ　ｉ　ｓ
　Ｎ　４１１　（厚さ０．５μｍ）をプラズマＣＶＤな
どにより成膜後エツチングにより活性領域Ａの活性層上
部に幅２μｍの注入窓を形成する。その後、オーミック
コンタクトのためにＺｎＡＳｖを用い、石英封管法でＺ
ｎを拡散させＺｎ拡散領域ＩＯを形成し、ｐ型電極Ａｕ
／Ｃｒ　１２蒸看後、素子［ＩＩと［ＩＩ　］の電極を
分離し、最後にｎ型電極Ａｕ−Ｇｅ／Ａｕ　１３を蒸着
する。

本実施例によると、活性領域Ａで発生した光はＤＢＲ領
域領域長射されるが、素子［ＩＩ。

［１１３ではそれぞれ格子ピッチΔ１．Δ２の回折格子
により波長λ１．λ２が選択的に反射し、結果として同
一活性層を用いながら、異なる２つの波長を発振するこ
とになる。

本発明の特徴の１つである活性層の設定に関しては、第
１図に示した他にも第４図（ａ）〜（ｅ）に示すように
種々考えられる。同図（ａ）は複数の井戸層の組成は同
じであるが幅が異なる場合を示し、同図（ｂ）はｎ型界
面に近い側にＥｇの小さい井戸層がある場合を示し、同
図（ｃ）は複数の井戸層のいずれも混晶組成からなる場
合を示し、同図（ｄ）は障壁層にはｐ型アクセブター不
純物がドーピングされていない場合を示し、同図（ｅ）
は電子、光閉じ込め層の組成が徐々に変化している場合
を示す。いずれも、複数の量子井戸層を近いしきい電流
値で発振させることができる。

また、第４図に示した構造においてｐ型とｎ型を入れか
えても、同様に、高Ｅｇの量子井戸層の発光を容易にし
、低しきい値化が可能となる。

Ｘ鳳１ 第５図は、電流注入領域がそれぞれ異なって形成されて
おり、発振波長が異なる井戸層のエネルギーギャップに
対応する様にアレイ化された本発明を実施した多波長半
導体レーザを示す。

本実施例は、リッジ導波路型レーザにおいて、レーザＡ
は共振器全面にわたって電極が付いているが、レーザＢ
は共振器の一部分に電極の付いていない部分をもつ。そ
の結果、Ａでは共振器全域が利得領域となるが、Ｂでは
一部損失領域、他部利得領域となるので、Ｂの共振器全
体の損失はＡよりも大きくなり、電流注入部のしきい電
流密度は大きくなる。

本発明で異なるエネルギーギャップを有する複数の量子
井戸層を活性層とした場合、それぞれのエネルギーギャ
ップに対する発振波長のしきい利得は多くの場合具なり
、エネルギーギャップの大きい井戸層のしきい利得は大
きくなる。

そこで、第５図においてエネルギーギャップの大きい井
戸層の発振のための制御には共振器の一部に電流注入部
のない素子Ｂの電極の長さを制御し、一方、エネルギー
ギャップの小さい井戸層の発振には素子Ａを用いること
により、異なる波長で発振するレーザアレイが実現でき
る。

レーザの膜構成は、ｎ”−ＧａＡｓ基板ｌ上に、ｎｌ−
ＧａＡｓバッファ層２、ｎ−Ａｌｏ、　５Ｇａｏ、　ｓ
Ａｓクラッド層３、活性層５、ｐ−Ａｉｏ、　５Ｇａｏ
、　ｓ＾Ｓクラッド層６、ｐ＋−ＧａＡｓキャップ暦１
４が順次エピタキシャル成長されており、電流狭窄のた
めのメサ加工後、絶縁層ＳｉＯ□１１をプラズマＣＶＤ
により形成し、リッジ上部に電流注入窓を開け、６ｐ型
電極＾ｕ／Ｃｒ　１２の蒸着を行う。

ここで、素子ＡとＢの間は電極分離を行い、かつ、Ｂの
共振器の一部を電極がおおうようにエツチングにより除
去する。最後にラッピングをし、ｎ型電極Ａｕ−Ｇｅ／
Ａｕを蒸着する。

活性層は実施例１と同じ構成をとっており、その場合、
Ａの共振器長が３００ＬＬｍ　、　Ｂの電極付着部の長
さが２００μｍの時、それぞれ８６０ｎｍと８００ｎｒ
ｎの波長で発振した。

Ｘ立」ユ 第６図は共振器が活性領域［ＩＩと損失領域［１１］と
によって形成されている本発明を実施した波長可変型半
導体レーザの一例である。

レーザ構造及び膜構成は本発明の条件を満たす活性層を
もち、多波長光の発振が可能な構造であればよい。

吸収領域［ＩＩ　］は順方向に電流が注入され、［ＩＩ
　１部での損失（利得）を変化させることによって共振
器全体としての損失を変化させ、しきい利得の異なる各
々の波長の切換え、及び同時発振または横方向に配置し
て異波長光のマルチレーザアレイを実現できる。

例えば、［ＩＩ　１部に［ＩＩ部と同じ電流密度で注入
されている時に、長波長光が発振しているならば、［Ｉ
Ｉ　１部の電流密度を減少する時内部損失が増加し、［
ＩＩ部の電流を増加させなければしきい利得に達しなく
なり、結果として短波長光が発振することになる。

また、端面損失を大きく設定しておけば、共振方向に均
−注入時に短波長光が発振し、不均一注入時に長波長光
が発振することも可能である。具体的には、共振器長を
短くするか、端面反射率を小さくすればよい。

夾胤豊Ａ 第７図は、共振器が活性領域［Ｉ］と吸収領域［ｍｌと
によって形成されていることを特徴とする本発明を実施
した波長可変型レーザの一例である。

実施例３と同様、レーザ構造および膜構成は本発明の条
件を満たす活性層をもち、多波長光の発振が可能な構造
であればよい。

［Ｉ］と［ＩＩＩ］の境界部は、電流の分離のために基
板まで切り込み、その後液相エビタギシャル法により光
導波路を形成する様に埋め込む。

吸収領域［ｍｌは逆方向に電圧を印加し、活性層内の量
子井戸層に閉じ込められたエキシトンの吸収ピークのシ
フトを行う電圧印加時の吸収端のシフトは、長波長側へ
ずれるため、多波長のうち長波長光に対する内部損失が
高まり、短波長光の発振が生じることになる。

実施例３および４は、共振器の内部損失を変化させる領
域を共振器の一部にもつことによってしきい利得を変化
させて、異波長光の発振を可能にすることができた。こ
れにより、異波長光の同時発振、異波長光のスイッチン
グが実現でき、多波長レーザのアレイ化も同一活性層を
用いたモノリシックレーザアレイとして実現できた。

【発明の効果〕

以上説明したように本発明は、活性層を以下の様に構成
し、共振器に損失を制御する手段または波長選択性のあ
る手段をとることにより、多波長光の同時発振、スイッ
チング、モノリシックアレイ化を実現できる効果がある
。

すなわち、活性層は、異なるエネルギーギャップを有す
る複数の量子井戸層から成り、各々の量子井戸層の幅に
ついて、高エネルギーギャップの井戸幅は低エネルギー
ギャップの井戸幅よりも小さくすることにより、高エネ
ルギーギャップの量子井戸層の発振しきい電流密度を低
下させてしきい利得のそろった多波長光発振を可能にし
た。

また、活性層内の井戸層以外の全部または一部に不純物
をドーピングすることにより、注入電子または注入ホー
ルのみを制御すればよくなり、構造の最適化が容易であ
る。

共振器には回折格子を用いることにより、動的単一縦モ
ードの多波長半導体レーザアレイが実現できる。一方、
端面コーティングを行い、それぞれの波長における反射
率を制御する方法や、共振方向に損失領域を設けろ方法
により内部損失を制御することによっても多波長半導体
レーザアレイが実現できる。

さらに、−素子において、損失領域の損失（利得）を変
化させることにより、多波長光の同時発振、波長スイッ
チングを行うことが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の発光機構を示す模式図、第２図は第３
図の活性層の構成を示す図、第３図は本発明を実施した
ＤＢＲ型多波長レーザアレイの構造図、 第４図は本発明の活性層の変形例を示す図、第５図は本
発明を実施した多波長レーザアレイの構造図、 第６図は共振器の一部に順方向吸収領域をもつ同時多波
長または波長スイッチの可能な本発明を実施した半導体
レーザの断面図、 第７図は共振器の一部に逆方向吸収領域をもつ本発明を
実施した半導体レーザの断面図、第８図は量子井戸層膜
厚としきい電流密度の関係図である。 １・・・基　　板（ｎ”−ＧａＡｓ）、２・・・バッフ
ァ層（ｎ”−ＧａＡｓ）、３・・・クラッド層（ｎ−Ａ
ｌｏ、　ａＧａｏ、　５Ａｓ）、４・・・光導波層　（
ｎ−Ａｌｏ、　４Ｇａｏ１．Ａｓ）、５・・・活性層、 ６・・・クラッド層（ｐ−Ａｌｏ、　ａＧａｏ、　ａＡ
ｓ）、７・・・光導波層　（ｉ−Ａｌｏ、　１Ｇａｏ、
　ｔＡｓ）、８・・・クラッド層（ｎ−Ａｌｏ、　５Ｇ
ａｏ、　ａＡｓ）、９・・・電流狭窄層（ｎ−Ａｌｏ、
　５Ｇａｏ、　５Ａｓ）、ｌＯ・・・Ｚｎ拡散領域、 １１・・・絶　縁　層（ＳｉｓＮ４またはＳｉＯ□）、
１２・・・ｐ　電　極（Ａｕ／Ｃｒ）、１３・・・ｎ　
　電　極（Ａｕ−Ｇｅ／Ａｕ）、１４・・−キャップ層
（ｐ”−ＧａＡｓ）。 特許出願人　　キャノン株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、異なるエネルギーギャップを有する複数の量子井戸
   層と、障壁層と、電子、光閉じ込め層とからなる活性層
   を具備し、上記量子井戸層に関して、エネルギーギャッ
   プの大きな量子井戸層の井戸幅は、より小さなエネルギ
   ーギャップの量子井戸層の井戸幅より小さいことを特徴
   とする半導体レーザ装置。 ２、障壁層および電子、光閉じ込め層の全部又は一部に
   アクセプタ不純物またはドナー不純物が導入され、ｐ型
   またはｎ型電導領域が形成されている請求項１記載の半
   導体レーザ装置。 ３、活性層は、回折格子を利用した波長選択性をもった
   共振構造を有している請求項１または２記載の半導体レ
   ーザ装置。 ４、活性層の共振端面にはコーティングが施されている
   請求項１または２記載の半導体レーザ装置。 ５、共振器の内部損失を変化させる手段を有している請
   求項１または２記載の半導体レーザ装置。