JP2007219561A - Semiconductor light emitting device - Google Patents

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Takashi Takahashi
孝志 高橋
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor optical modulator of an electric field absorption type which is high in a signal-to-noise ratio of optical modulation even at a high temperature and enables ≥10 GHz high speed modulation and to provide a semiconductor light emitting device. <P>SOLUTION: The semiconductor optical modulator is provided with an n type Al<SB>0.4</SB>Ga<SB>0.6</SB>As clad layer 102, a lower GaAs optical waveguide layer 103, a multiple quantum well structure 301, an upper GaAs optical waveguide layer 105, a first p type Al<SB>0.4</SB>Ga<SB>0.6</SB>As clad layer 302, a p type AlAs layer 303, a second p type Al<SB>0.4</SB>Ga<SB>0.6</SB>As clad layer 108, and a p type GaAs cap layer 109 sequentially on an n type GaAs substrate 101. The multiple quantum well structure 301 is formed by laminating GaInNAs as well layers and GaInP as barrier layers in three periods. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体発光装置に関する。   The present invention relates to a semiconductor light emitting device.

従来、例えば特許文献1には、InGaAsP系多重量子井戸構造を用いた半導体光変調器が示されている。すなわち、InP/InGaAsP系多重量子井戸構造は、量子閉じ込めシュタルク効果を利用した光変調器としても用いられている。量子閉じ込めシュタルク効果は、量子井戸層に電圧を印加すると、励起子の電子−ホール対間のエネルギーバンドギャップが縮小する現象である。量子井戸構造に電圧を印加しない場合に光吸収係数が0であるのに対して、電圧を印加すると量子閉じ込めシュタルク効果により量子井戸層のエネルギーバンドギャップが縮小して光吸収が大きくなる。これにより、光強度を変調できる電界吸収型の光変調器を形成できる。
特開平10−228005号公報
Conventionally, for example, Patent Document 1 discloses a semiconductor optical modulator using an InGaAsP-based multiple quantum well structure. That is, the InP / InGaAsP-based multiple quantum well structure is also used as an optical modulator using the quantum confined Stark effect. The quantum confined Stark effect is a phenomenon in which the energy band gap between exciton electron-hole pairs is reduced when a voltage is applied to the quantum well layer. When no voltage is applied to the quantum well structure, the light absorption coefficient is 0. However, when a voltage is applied, the energy band gap of the quantum well layer is reduced by the quantum confined Stark effect, and light absorption is increased. Thereby, an electroabsorption optical modulator capable of modulating the light intensity can be formed.
JP-A-10-228005

しかしながら、従来のInP/InGaAsP系多重量子井戸構造を用いた電界吸収型の半導体光変調器においては、InP障壁層とInGaAsP量子井戸層との伝導帯バンド不連続が比較的小さいため、電界印加によって電子が量子井戸層から漏れて、励起子が壊れてしまうという問題がある。特に、高温動作時には電子の漏れが顕著となるため、量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が小さくなり、光吸収係数の変化量が小さくなってしまう。そのため、光変調のS/N比が著しく低下してしまうという問題があった。   However, in an electroabsorption semiconductor optical modulator using a conventional InP / InGaAsP-based multiple quantum well structure, the conduction band discontinuity between the InP barrier layer and the InGaAsP quantum well layer is relatively small. There is a problem in that electrons leak from the quantum well layer and excitons are broken. In particular, since electron leakage becomes significant during high-temperature operation, the amount of change in the band gap due to the quantum confined Stark effect becomes small, and the amount of change in the light absorption coefficient becomes small. For this reason, there has been a problem that the S / N ratio of light modulation is significantly reduced.

本発明は、高温時でも光変調のS/N比が高く、かつ10GHz以上の高速変調が可能な電界吸収型の半導体光変調器および半導体発光装置を提供することを目的としている。   An object of the present invention is to provide an electroabsorption type semiconductor optical modulator and a semiconductor light emitting device that have a high S / N ratio of light modulation even at high temperatures and are capable of high-speed modulation of 10 GHz or more.

上記目的を達成するために、本発明は次の如き構成を有している。すなわち、   In order to achieve the above object, the present invention has the following configuration. That is,

請求項1記載の発明は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、多重量子井戸構造を光吸収層とする半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴としている。   According to a first aspect of the present invention, a surface emitting semiconductor laser element and a semiconductor optical modulator having a light absorption layer having a multiple quantum well structure are monolithically integrated in a stacking direction on a single crystal semiconductor substrate. The modulator is characterized by being located in the resonator of the surface emitting semiconductor laser element or in the semiconductor distributed Bragg reflector of the surface emitting semiconductor laser element.

また、請求項2記載の発明は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の光出射面と反対側の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴としている。   According to a second aspect of the present invention, a surface emitting semiconductor laser element and a semiconductor optical modulator including a light absorption layer are monolithically integrated in a stacking direction on a single crystal semiconductor substrate. It is characterized in that it is located in a semiconductor distributed Bragg reflector opposite to the light emitting surface of the surface emitting semiconductor laser element.

また、請求項3記載の発明は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置しており、半導体光変調器の変調用電極の少なくとも一方は、半導体光変調器に隣接した半導体分布ブラッグ反射鏡の1周期以下の位置に設けられていることを特徴としている。   According to a third aspect of the present invention, a surface emitting semiconductor laser element and a semiconductor optical modulator including a light absorption layer are monolithically integrated in a stacking direction on a single crystal semiconductor substrate. It is located in the semiconductor distributed Bragg reflector of the surface emitting semiconductor laser element, and at least one of the modulation electrodes of the semiconductor optical modulator is positioned at one cycle or less of the semiconductor distributed Bragg reflector adjacent to the semiconductor optical modulator. It is characterized by being provided.

また、請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光装置において、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との電気的絶縁層として、AlAsまたはAlGaAsを選択酸化した層を用いたことを特徴としている。   According to a fourth aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to any one of the first to third aspects, AlAs or AlGaAs is used as an electrical insulating layer between the semiconductor optical modulator and the surface emitting semiconductor laser element. It is characterized by using a selectively oxidized layer.

また、請求項5記載の発明は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光装置において、面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層との間に組成傾斜層が設けられており、組成傾斜層の層厚が30〜50nmであることを特徴としている。   According to a fifth aspect of the present invention, in the semiconductor light emitting device according to any one of the first to third aspects, the distributed Bragg reflector of the surface emitting semiconductor laser element includes a high refractive index layer, a low refractive index layer, The composition gradient layer is provided between the layers, and the layer thickness of the composition gradient layer is 30 to 50 nm.

請求項1記載の発明によれば、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の共振器内または半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることにより、半導体光変調器の光強度変調のS/N比を高くすることができる。   According to the first aspect of the present invention, since the semiconductor optical modulator is located in the resonator of the surface emitting semiconductor laser element or in the semiconductor distributed Bragg reflector, the S / N of the light intensity modulation of the semiconductor optical modulator is obtained. The N ratio can be increased.

また、請求項第2記載の発明によれば、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の光出射面と反対側の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることにより、半導体光変調器によって光吸収係数を変化させた場合に、高反射率側の分布ブラッグ反射鏡の反射率を低下させるため、閾電流をより大きく変化させることが可能となる。   According to the second aspect of the present invention, the semiconductor optical modulator is positioned in the semiconductor distributed Bragg reflector on the opposite side of the light emitting surface of the surface emitting semiconductor laser element, so that the semiconductor optical modulator When the light absorption coefficient is changed, the reflectivity of the distributed Bragg reflector on the high reflectivity side is lowered, so that the threshold current can be changed more greatly.

また、請求項3記載の発明によれば、半導体光変調器の変調用電極の少なくとも一方は、半導体光変調器に隣接した半導体分布ブラッグ反射鏡の1周期以下の位置に設けられているため、半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗と容量による遅延の影響を低減して、より高周波で動作させることが可能となる。   According to the invention of claim 3, at least one of the modulation electrodes of the semiconductor optical modulator is provided at a position of one cycle or less of the semiconductor distributed Bragg reflector adjacent to the semiconductor optical modulator. It is possible to reduce the influence of the delay due to the resistance and capacitance of the semiconductor distributed Bragg reflector and to operate at a higher frequency.

また、請求項4記載の発明によれば、請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光装置において、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との電気的絶縁層として、AlAsまたはAlGaAsを選択酸化した層を用いることにより、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との絶縁耐圧を高くして信頼性を向上できる。   According to a fourth aspect of the invention, in the semiconductor light emitting device according to any one of the first to third aspects, AlAs or an electrical insulating layer between the semiconductor optical modulator and the surface emitting semiconductor laser element is used. By using a layer in which AlGaAs is selectively oxidized, the withstand voltage between the semiconductor optical modulator and the surface emitting semiconductor laser element can be increased and the reliability can be improved.

また、請求項5記載の発明によれば、面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡には、高屈折率層と低屈折率層との間に組成傾斜層が設けられており、組成傾斜層の層厚が30〜50nmであるので、分布ブラッグ反射鏡を介して半導体光変調器にバイアスを印加する場合でも、分布ブラッグ反射鏡の抵抗と容量を低減して、より高い変調周波数で半導体光変調器を動作させることが可能となる。
According to the invention described in claim 5, the distributed Bragg reflector of the surface emitting semiconductor laser element is provided with the composition gradient layer between the high refractive index layer and the low refractive index layer, and the composition gradient layer Therefore, even when a bias is applied to the semiconductor optical modulator via the distributed Bragg reflector, the resistance and capacitance of the distributed Bragg reflector are reduced, so that the semiconductor light has a higher modulation frequency. It becomes possible to operate the modulator.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態の半導体光変調器は、多重量子井戸構造を光吸収層とし、多重量子井戸構造に電界を印加するp側電極及びn側電極を備えた電界吸収型の半導体光変調器において、多重量子井戸構造は、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成された量子井戸層と、GaAs,GaInP,GaInAsPのいずれかの材料で構成した障壁層とにより構成されていることを特徴としている。
(First embodiment)
The semiconductor optical modulator according to the first embodiment of the present invention is an electroabsorption semiconductor light having a multiple quantum well structure as a light absorption layer, and having a p-side electrode and an n-side electrode for applying an electric field to the multiple quantum well structure. In the modulator, the multiple quantum well structure is composed of a quantum well layer made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb and a barrier layer made of any material of GaAs, GaInP, and GaInAsP. It is characterized by having.

GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSb等のV族元素としてAsとNを含む混晶半導体は、GaAsやGaInAsPやGaInPとヘテロ接合を形成した場合、価電子帯側に対する伝導帯側のバンド不連続比を大きくできることが知られている。また、従来材料系であるInP基板上では、InAlAsがバルク単結晶を形成可能な中で最もエネルギーバンドギャップの大きい材料であるのに対して、本発明ではGaAs基板を用いているため、GaInAsPやGaInPといった更にエネルギーバンドギャップの大きい材料を障壁層に用いることができる。そのため、量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができ、高温動作時でも励起子の乖離を抑制できる。従って、高温動作時においても量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくでき、光変調のS/Nが低下することがない。   When a mixed crystal semiconductor containing As and N as group V elements such as GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb forms a heterojunction with GaAs, GaInAsP, and GaInP, the band discontinuity ratio on the conduction band side with respect to the valence band side is increased. It is known that it can be enlarged. On the other hand, on the InP substrate, which is a conventional material system, InAlAs is the material having the largest energy band gap among the bulk single crystals that can be formed. In the present invention, since a GaAs substrate is used, GaInAsP and A material having a larger energy band gap such as GaInP can be used for the barrier layer. Therefore, the confinement of electrons in the quantum well layer can be strengthened, and exciton divergence can be suppressed even at high temperature operation. Accordingly, the band gap change amount due to the quantum confined Stark effect can be increased even during high-temperature operation, and the S / N of light modulation does not decrease.

また、従来材料系では、価電子帯側のバンド不連続が大きいため、InGaAsP量子井戸層での正孔閉じ込めが強すぎて、有効質量の大きい正孔が量子井戸層中に蓄積されてしまい、変調特性を劣化させてしまうという問題もあった。一方、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSb等のV族元素としてAsとNを含む混晶半導体は、N組成を大きくしていくにつれて価電子帯バンド端位置が低下する。そのため、GaAs,GaInAsP,GaInP等の障壁層とヘテロ接合を形成した場合、価電子帯バンド不連続の増加を抑制することができる。従って、量子井戸層中に正孔が蓄積しにくくなり、10GHz以上の高速変調が可能となる。   Further, in the conventional material system, since the band discontinuity on the valence band side is large, the hole confinement in the InGaAsP quantum well layer is too strong, and holes having a large effective mass are accumulated in the quantum well layer, There is also a problem that the modulation characteristics are deteriorated. On the other hand, in a mixed crystal semiconductor containing As and N as group V elements such as GaNAs, GaInNAs, GaNASSb, GaInNAsSb, etc., the valence band edge position decreases as the N composition increases. Therefore, when a heterojunction is formed with a barrier layer such as GaAs, GaInAsP, or GaInP, an increase in valence band discontinuity can be suppressed. Therefore, it is difficult for holes to accumulate in the quantum well layer, and high-speed modulation of 10 GHz or more is possible.

また、NとAlは化学的に活性であり、Nを構成元素として含む量子井戸層とAlを構成元素として含む障壁層を直接接して結晶成長させると、界面にNが偏析してしまう。そこで、この第1の実施形態では障壁層として、構成元素にAlを含まないGaAs,GaInAsP,GaInPを採用することで、界面のN偏析を抑制し、高品質の量子井戸構造を形成している。   N and Al are chemically active, and when a quantum well layer containing N as a constituent element and a barrier layer containing Al as a constituent element are in direct contact with each other and crystal growth is performed, N is segregated at the interface. Therefore, in the first embodiment, GaAs, GaInAsP, and GaInP that do not contain Al as a constituent element are employed as the barrier layer, thereby suppressing N segregation at the interface and forming a high-quality quantum well structure. .

なお、障壁層として、構成元素にAlを含まないGaAs,GaInAsP,GaInPを用いているが、他のIII−V族元素であるB,N,Sb等を含んでいても良い。   As the barrier layer, GaAs, GaInAsP, and GaInP not containing Al are used as the constituent elements, but other III-V group elements such as B, N, and Sb may be included.

<実施例1>
図1(a),(b)は、本発明に係る半導体光変調器の構成例を示す図である。なお、図1(a)は正面から見た断面図であり、図1(b)は側面から見た断面図である。
<Example 1>
FIGS. 1A and 1B are diagrams showing a configuration example of a semiconductor optical modulator according to the present invention. 1A is a cross-sectional view seen from the front, and FIG. 1B is a cross-sectional view seen from the side.

図1を参照すると、この半導体光変調器は、n型GaAs基板101上に、n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層102、GaAs下部光導波層103、多重量子井戸構造301、GaAs上部光導波層105、p型Al0.4Ga0.6As第1クラッド層302、p型AlAs層303、p型Al0.4Ga0.6As第2クラッド層108、p型GaAsキャップ層109が順次積層されている。 Referring to FIG. 1, this semiconductor optical modulator includes an n-type Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 102, a GaAs lower optical waveguide layer 103, a multiple quantum well structure 301, a GaAs on an n-type GaAs substrate 101. Upper optical waveguide layer 105, p-type Al 0.4 Ga 0.6 As first cladding layer 302, p-type AlAs layer 303, p-type Al 0.4 Ga 0.6 As second cladding layer 108, p-type GaAs cap Layers 109 are sequentially stacked.

ここで、多重量子井戸構造301は、GaInNAsを井戸層とし、GaInPを障壁層として、3周期積層して構成されている。   Here, the multiple quantum well structure 301 is configured by stacking three periods using GaInNAs as a well layer and GaInP as a barrier layer.

そして、p型GaAsキャップ層109表面からn型Al0.4Ga0.6Asクラッド層102の途中までストライプ状にエッチングされてリッジ導波路が形成されている。また、リッジストライプの側面からp型AlAs層303が選択的に酸化されてAlO絶縁領域304が形成されている。 A ridge waveguide is formed by etching in a stripe shape from the surface of the p-type GaAs cap layer 109 to the middle of the n-type Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 102. Further, the p-type AlAs layer 303 is selectively oxidized from the side surface of the ridge stripe to form an AlO x insulating region 304.

また、p型GaAsキャップ層109上にはp側電極110が形成され、また、n型GaAs基板101裏面にはn側電極111が形成されている。また、劈開で形成した素子の両端面T,Tには、反射率0.2%以下の無反射膜112,113が形成されている。 A p-side electrode 110 is formed on the p-type GaAs cap layer 109, and an n-side electrode 111 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 101. Further, non-reflective films 112 and 113 having a reflectance of 0.2% or less are formed on both end faces T 1 and T 2 of the element formed by cleavage.

図1の半導体光変調器では、後端面Tから入射したレーザ光は、入射光の波長に対して光吸収係数が変化する多重量子井戸構造301を含む導波路を伝搬する過程で光強度が変調され、反対側の前端面Tから出射される構造となっている。基板101と垂直方向においては、GaAs光導波層103,105が屈折率の低いクラッド層102,302,108ではさまれたSCH構造となっている。また、基板101に水平方向においては、エッチングによって形成されたリッジ導波路に光を閉じ込める構造となっている。 The semiconductor optical modulator of FIG. 1, the laser light incident from the rear end face T 1 is the light intensity in the process of propagating through the waveguide including a multiple quantum well structure 301 where the light absorption coefficient changes with respect to the wavelength of the incident light modulated, and has a structure that is emitted from the front end face T 2 of the opposite side. In the direction perpendicular to the substrate 101, the GaAs optical waveguide layers 103 and 105 have an SCH structure sandwiched between clad layers 102, 302, and 108 having a low refractive index. Further, in the horizontal direction with respect to the substrate 101, light is confined in a ridge waveguide formed by etching.

このような構成の半導体光変調器では、多重量子井戸構造301に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造301のエネルギーバンドギャップが縮小する。これにより、電圧を印加しない場合には入射光に対して多重量子井戸構造301は透明であるが、電圧を印加することで光吸収が増加する。従って、電界吸収型の光変調器として動作する。   In the semiconductor optical modulator having such a configuration, when a reverse bias is applied to the multiple quantum well structure 301, the energy band gap of the multiple quantum well structure 301 is reduced due to the quantum confined Stark effect. Thereby, when no voltage is applied, the multiple quantum well structure 301 is transparent to incident light, but light absorption increases by applying a voltage. Therefore, it operates as an electroabsorption optical modulator.

ここで、両端面T,Tに形成された無反射膜112,113は、光変調器に光が入力または出力されるときの反射損失を低減している。また、選択酸化により形成したAlO絶縁領域304は、多重量子井戸構造301近傍において、電流通路をリッジストライプ側面から離すことにより、リッジストライプ側面に露出した多重量子井戸構造301において発生する表面リーク電流を減少させる働きをしている。 Here, the non-reflective films 112 and 113 formed on the both end faces T 1 and T 2 reduce reflection loss when light is input to or output from the optical modulator. In addition, the AlO x insulating region 304 formed by selective oxidation has a surface leakage current generated in the multiple quantum well structure 301 exposed on the side surface of the ridge stripe by separating the current path from the side surface of the ridge stripe in the vicinity of the multiple quantum well structure 301. It works to decrease.

図1の電界吸収型の半導体光変調器は、GaAs基板101上にGaInNAs量子井戸層を吸収層として備えていることを特徴としている。従って、光ファイバ伝送に用いられる1.3μmや1.55μmの長波長帯に対応している。   The electroabsorption semiconductor optical modulator shown in FIG. 1 is characterized in that a GaInNAs quantum well layer is provided as an absorption layer on a GaAs substrate 101. Therefore, it corresponds to a long wavelength band of 1.3 μm or 1.55 μm used for optical fiber transmission.

そして、GaInNAsは、GaAs基板101上に単結晶薄膜を形成できるため、ワイドギャップ材料であるGaInPを障壁層に用いることができる。そのため、GaInNAs量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができ、高温動作時でも励起子の乖離を抑制できる。従って、高温動作時においても量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくでき、光変調のS/Nが低下することがない。   Since GaInNAs can form a single crystal thin film on the GaAs substrate 101, GaInP, which is a wide gap material, can be used for the barrier layer. Therefore, the electron confinement with respect to the GaInNAs quantum well layer can be strengthened, and exciton divergence can be suppressed even at high temperature operation. Accordingly, the band gap change amount due to the quantum confined Stark effect can be increased even during high-temperature operation, and the S / N of optical modulation does not decrease.

また、GaInNAs等のV族元素としてAsとNを含む混晶半導体は、N組成を大きくしていくにつれて価電子帯バンド端位置が低下する。そのため、GaInP障壁層とヘテロ接合を形成した場合、価電子帯側のバンド不連続の増加を抑制することができる。従って、GaInNAs量子井戸層中に正孔が蓄積しにくくなり、10〜50GHzという高い周波数で変調させることが可能である。   In addition, in a mixed crystal semiconductor containing As and N as group V elements such as GaInNAs, the valence band edge position decreases as the N composition is increased. Therefore, when a heterojunction is formed with a GaInP barrier layer, an increase in band discontinuity on the valence band side can be suppressed. Therefore, it is difficult for holes to accumulate in the GaInNAs quantum well layer, and modulation can be performed at a high frequency of 10 to 50 GHz.

また、NとAlは化学的に活性であり、Nを構成元素として含む層とAlを構成元素として含む層を直接接して結晶成長させると、界面にNが偏析してしまう。そこで、本実施例1の多重量子井戸構造301においては、構成元素にAlを含まないGaInPを障壁層に用いることにより、GaInNAs量子井戸層と障壁層の界面でNが偏析するのを抑制し、高品質の量子井戸構造を形成している。なお、Alを含まない障壁層としては、GaInP以外にGaAsやGaInAsPを用いることが可能である。また、量子井戸層としては、GaInNAsの他にも、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbを用いることが可能である。   Further, N and Al are chemically active, and when a layer containing N as a constituent element and a layer containing Al as a constituent element are in direct contact with each other for crystal growth, N segregates at the interface. Therefore, in the multiple quantum well structure 301 of Example 1, by using GaInP that does not contain Al as a constituent element for the barrier layer, it is possible to suppress N segregation at the interface between the GaInNAs quantum well layer and the barrier layer, High quality quantum well structure is formed. As the barrier layer not containing Al, GaAs or GaInAsP can be used in addition to GaInP. In addition to GaInNAs, it is possible to use GaNAs, GaInNAs, GANASSb, and GaInNAsSb as the quantum well layer.

図1においては、1つの素子としての半導体光変調器となっているが、リッジストライプ構造を複数形成することにより、同一基板上にモノリシックアレイを形成することも可能である。   In FIG. 1, a semiconductor optical modulator as one element is shown, but a monolithic array can be formed on the same substrate by forming a plurality of ridge stripe structures.

また、上記多重量子井戸構造301を用いて、光を基板と垂直方向に入出射させる面型の電界吸収型光変調器を構成することもできる。   In addition, a surface-type electroabsorption optical modulator that allows light to enter and exit in a direction perpendicular to the substrate can also be configured using the multiple quantum well structure 301.

(第2の実施形態)
また、本発明の第2の実施形態の半導体光変調器は、多重量子井戸構造を光吸収層とし、多重量子井戸構造に電界を印加するp側電極及びn側電極を備えた電界吸収型の半導体光変調器において、多重量子井戸構造は、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成された量子井戸層と、AlGa1−aAs(0<a≦1),(AlGa1−b)InP(0<b≦1),(AlGa1−c)InAsP(0<c≦1)のいずれかの材料で構成した障壁層と、量子井戸層と障壁層との間に設けられ、GaAs,GaInP,GaInAsPのいずれかの材料で構成された中間層とを有していることを特徴としている。
(Second Embodiment)
Further, the semiconductor optical modulator of the second embodiment of the present invention is an electroabsorption type comprising a multiple quantum well structure as a light absorption layer, and a p-side electrode and an n-side electrode for applying an electric field to the multiple quantum well structure. In the semiconductor optical modulator, the multiple quantum well structure includes a quantum well layer made of any one of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb, Al a Ga 1-a As (0 <a ≦ 1), (Al b Ga 1-b) InP ( 0 <b ≦ 1), and (a Al c Ga 1-c) InAsP (0 <c ≦ 1) barrier layer constituted of any material of the quantum well layer and a barrier layer And an intermediate layer made of any material of GaAs, GaInP, and GaInAsP.

この第2の実施形態の構成では、多重量子井戸構造の障壁層としてAlGa1−aAs(0<a≦1),(AlGa1−b)InP(0<b≦1),(AlGa1−c)InAsP(0<c≦1)のいずれかの材料を用いている。上記材料は第1の実施形態において障壁層に用いたGaAs,GaInAsP,GaInPよりも更にバンドギャップが大きい材料である。従って、より一層量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができ、高温動作が可能となる。 In the configuration of the second embodiment, Al a Ga 1-a As (0 <a ≦ 1), (Al b Ga 1-b ) InP (0 <b ≦ 1), Any material of (Al c Ga 1-c ) InAsP (0 <c ≦ 1) is used. The material is a material having a larger band gap than GaAs, GaInAsP, and GaInP used for the barrier layer in the first embodiment. Therefore, the electron confinement with respect to the quantum well layer can be further strengthened, and high temperature operation is possible.

また、この第2の実施形態では、障壁層に構成元素としてAlを用いているが、障壁層と量子井戸層の間に、構成元素としてNとAlを含まないGaAs,GaInAsP,GaInPからなる中間層を薄く設けている。この中間層により、障壁層と量子井戸層の界面にNが偏析することを抑制し、高品質の量子井戸構造を形成することができる。   In the second embodiment, Al is used as a constituent element for the barrier layer, but an intermediate layer made of GaAs, GaInAsP, and GaInP that does not contain N and Al as constituent elements between the barrier layer and the quantum well layer. A thin layer is provided. By this intermediate layer, it is possible to suppress the segregation of N at the interface between the barrier layer and the quantum well layer, and to form a high-quality quantum well structure.

なお、特開平2000−89180号公報には、GaInNAsを量子井戸層とし、ZnCdSSeやZnMgSSe等のエネルギーバンドギャップの大きいII−VI族化合物半導体を障壁層に用いた量子井戸変調器が示されているが、本発明では、障壁層をII−VI族化合物半導体ではなく量子井戸層と同じIII−V族化合物半導体で形成しており、これによって、量子井戸層と障壁層との界面で構成元素の相互拡散が小さく、良好な界面を形成することができる。   Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-89180 discloses a quantum well modulator using GaInNAs as a quantum well layer and using a II-VI group compound semiconductor having a large energy band gap such as ZnCdSSe or ZnMgSSe as a barrier layer. However, in the present invention, the barrier layer is formed of the same group III-V compound semiconductor as that of the quantum well layer instead of the group II-VI compound semiconductor, whereby the constituent elements are formed at the interface between the quantum well layer and the barrier layer. Interdiffusion is small and a good interface can be formed.

なお、上記のGaAs,GaInP,GaInAsPのいずれかの材料で構成された中間層には、B,Sb等が含まれていても良い。重要なのは、NとAlが含まれていない点である。   Note that the intermediate layer made of any one of the above GaAs, GaInP, and GaInAsP materials may contain B, Sb, and the like. What is important is that N and Al are not contained.

(第3の実施形態)
また、本発明の半導体発光装置は、GaAs基板(GaAs単結晶基板)上に、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子と、第1または第2の実施形態に記載の半導体光変調器とが集積形成されていることを特徴としている。
(Third embodiment)
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device including a semiconductor laser element including an active layer made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb on a GaAs substrate (GaAs single crystal substrate); The semiconductor optical modulator described in the second embodiment is integrated.

GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子は、GaAs基板上に1.2〜1.6μmの波長帯で形成することができる。そして、特性温度が150〜200Kと非常に高く、温度特性が良好な半導体レーザであることが実証されている。   A semiconductor laser element including an active layer made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb can be formed on a GaAs substrate in a wavelength band of 1.2 to 1.6 μm. It has been proved that the semiconductor laser has a very high characteristic temperature of 150 to 200 K and a good temperature characteristic.

また、第1または第2の実施形態の半導体光変調器もGaAs基板上に形成することができ、半導体レーザ素子の直接変調周波数を上回る10GHz以上の高速光変調が可能である。   The semiconductor optical modulator of the first or second embodiment can also be formed on a GaAs substrate, and high-speed optical modulation of 10 GHz or more, which exceeds the direct modulation frequency of the semiconductor laser element, is possible.

本発明の半導体発光装置は、GaAs基板上に、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子と、第1または第2の実施形態の電界吸収型の半導体光変調器とを集積して形成することで、特性温度が高く、かつ10GHz以上の高速変調が可能な1.2〜1.6μm帯の半導体レーザ装置を形成することができる。   The semiconductor light emitting device of the present invention includes a semiconductor laser element including an active layer made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb on a GaAs substrate, and the electroabsorption type of the first or second embodiment. The semiconductor laser device of 1.2 to 1.6 μm band having a high characteristic temperature and capable of high-speed modulation of 10 GHz or more can be formed by integrating the semiconductor optical modulator.

(第4の実施形態)
また、本発明の半導体発光装置は、GaAs基板(GaAs単結晶基板)上に、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子と、第1または第2の実施形態に記載の半導体光変調器とがモノリシックに集積形成されていることを特徴としている。
(Fourth embodiment)
According to another aspect of the present invention, there is provided a semiconductor light emitting device including a semiconductor laser element including an active layer made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb on a GaAs substrate (GaAs single crystal substrate); The semiconductor optical modulator described in the second embodiment is monolithically integrated.

GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子は、GaAs基板上に1.2〜1.6μmの波長帯で形成することができる。そして、特性温度が150〜200Kと非常に高く、温度特性が良好な半導体レーザであることが実証されている。   A semiconductor laser element including an active layer made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb can be formed on a GaAs substrate in a wavelength band of 1.2 to 1.6 μm. It has been proved that the semiconductor laser has a very high characteristic temperature of 150 to 200 K and a good temperature characteristic.

また、第1または第2の実施形態の半導体光変調器もGaAs基板上に形成することができ、半導体レーザ素子の直接変調周波数を上回る10GHz以上の高速光変調が可能である。   The semiconductor optical modulator of the first or second embodiment can also be formed on a GaAs substrate, and high-speed optical modulation of 10 GHz or more, which exceeds the direct modulation frequency of the semiconductor laser element, is possible.

本発明の半導体発光装置は、GaAs基板上に、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子と、第1または第2の実施形態の電界吸収型の半導体光変調器とをモノリシックに形成することで、特性温度が高く、かつ10GHz以上の高速変調が可能な1.2〜1.6μm帯の半導体レーザ装置を形成することができる。そして、半導体レーザ素子と光変調器をモノリシックに形成することで、半導体レーザ装置を小型化することができる。   The semiconductor light emitting device of the present invention includes a semiconductor laser element including an active layer made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb on a GaAs substrate, and the electroabsorption type of the first or second embodiment. By forming the semiconductor optical modulator in a monolithic manner, a 1.2 to 1.6 μm band semiconductor laser device having a high characteristic temperature and capable of high-speed modulation of 10 GHz or more can be formed. Then, by forming the semiconductor laser element and the optical modulator monolithically, the semiconductor laser device can be reduced in size.

<実施例2>
図2は、本発明に係る半導体発光装置の構成例を示す図である。図2の半導体発光装置は、光変調器集積型半導体レーザ装置として構成されており、レーザ光を発生する半導体レーザ素子部Aと半導体レーザ素子部Aで発生したレーザ光の強度を変調する電界吸収型半導体光変調器Bとが、同一のn型GaAs基板101上にモノリシックに集積形成されたものとなっている。
<Example 2>
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a semiconductor light emitting device according to the present invention. The semiconductor light emitting device of FIG. 2 is configured as an optical modulator integrated semiconductor laser device, and a semiconductor laser element portion A that generates laser light and an electric field absorption that modulates the intensity of the laser light generated by the semiconductor laser element portion A. The type semiconductor optical modulator B is monolithically integrated on the same n-type GaAs substrate 101.

ここで、半導体レーザ素子部Aは、n型GaAs基板101上に、n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層102、GaAs下部光導波層103、多重量子井戸活性層401、GaAsP回折格子層402、p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層404、p型GaAsキャップ層109が順次に積層されて構成されている。なお、多重量子井戸活性層401はGaInNAsを井戸層とし、GaAsを障壁層として構成されている。 Here, the semiconductor laser element portion A is formed on an n-type GaAs substrate 101, an n-type Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 102, a GaAs lower optical waveguide layer 103, a multiple quantum well active layer 401, a GaAsP diffraction grating. A layer 402, a p-type Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 404, and a p-type GaAs cap layer 109 are sequentially stacked. The multi-quantum well active layer 401 is composed of GaInNAs as a well layer and GaAs as a barrier layer.

一方、電界吸収型半導体光変調器Bは、n型GaAs基板101上に、n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層102、GaAs下部光導波層103、多重量子井戸構造401、GaAsP上部光導波層403、p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層404、p型GaAsキャップ層109が順次積層されている。GaAsP上部光導波層403は、GaAs基板よりも格子定数が小さくなっており、例えば0.5%程度の引張歪を有している。 On the other hand, the electroabsorption semiconductor optical modulator B includes an n-type Al 0.4 Ga 0.6 As clad layer 102, a GaAs lower optical waveguide layer 103, a multiple quantum well structure 401, and a GaAsP upper portion on an n-type GaAs substrate 101. An optical waveguide layer 403, a p-type Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 404, and a p-type GaAs cap layer 109 are sequentially stacked. The GaAsP upper optical waveguide layer 403 has a lattice constant smaller than that of the GaAs substrate, and has a tensile strain of about 0.5%, for example.

そして、半導体レーザ素子部Aと電界吸収型半導体光変調器Bとの間には、表面からn型Al0.4Ga0.6Asクラッド層102に達するまでプロトンが注入されて、高抵抗領域405が形成されている。これにより、半導体レーザ素子部Aと電界吸収型半導体光変調器Bとは、電気的に絶縁されている。 Then, protons are injected between the semiconductor laser element part A and the electroabsorption semiconductor optical modulator B from the surface until reaching the n-type Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 102, and a high resistance region 405 is formed. As a result, the semiconductor laser element portion A and the electroabsorption semiconductor optical modulator B are electrically insulated.

また、半導体レーザ素子部Aのp型GaAsキャップ層109上にはp側電極406が形成され、また、電界吸収型半導体光変調器Bのp型GaAsキャップ層109上にはp側電極407が形成され、また、n型GaAs基板101の裏面にはn側共通電極111が形成されている。   A p-side electrode 406 is formed on the p-type GaAs cap layer 109 of the semiconductor laser element part A, and a p-side electrode 407 is formed on the p-type GaAs cap layer 109 of the electroabsorption semiconductor optical modulator B. An n-side common electrode 111 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 101.

また、劈開で形成した素子(半導体発光装置)の両端面には、反射率0.2%以下の無反射膜112,113が形成されている。   Further, non-reflective films 112 and 113 having a reflectance of 0.2% or less are formed on both end faces of the element (semiconductor light emitting device) formed by cleavage.

図2の半導体発光装置では、半導体レーザ素子部Aにおいて、p側電極406とn側電極111に順方向バイアスを印加することにより、多重量子井戸活性層401にキャリアが注入される。多重量子井戸活性層401に注入されたキャリアはGaInNAs井戸層において発光再結合し、GaInNAs井戸層のエネルギーバンドギャップに対応した1.3μm帯の光が放射される。多重量子井戸活性層401で発生した光は、GaAsP回折格子層402を含む光導波路を導波する過程で反射され、ブラッグ共振条件を満たす波長でレーザ発振する。   In the semiconductor light emitting device of FIG. 2, carriers are injected into the multiple quantum well active layer 401 by applying a forward bias to the p-side electrode 406 and the n-side electrode 111 in the semiconductor laser element portion A. Carriers injected into the multiple quantum well active layer 401 recombine in the GaInNAs well layer, and light of 1.3 μm band corresponding to the energy band gap of the GaInNAs well layer is emitted. The light generated in the multiple quantum well active layer 401 is reflected in the process of being guided through the optical waveguide including the GaAsP diffraction grating layer 402, and laser oscillation is performed at a wavelength that satisfies the Bragg resonance condition.

半導体レーザ素子部Aでレーザ発振した光は、GaAs下部光導波層103及びGaAsP回折格子層402を導波して電界吸収型半導体光変調器Bに入力される。電界吸収型半導体光変調器Bにおいては、多重量子井戸構造401のバンドギャップ波長は、隣接するGaAsP上部光導波層403の引張歪の影響で、短波長にシフトしている。   The light laser-oscillated by the semiconductor laser element A is guided through the GaAs lower optical waveguide layer 103 and the GaAsP diffraction grating layer 402 and input to the electroabsorption semiconductor optical modulator B. In the electroabsorption semiconductor optical modulator B, the band gap wavelength of the multiple quantum well structure 401 is shifted to a short wavelength due to the influence of the tensile strain of the adjacent GaAsP upper optical waveguide layer 403.

一方、半導体レーザ素子部Aでは、GaAsP層402に回折格子が形成され微細な凹凸形状となっているため、GaAsP層の引張歪が緩和される。そのため、半導体レーザ素子部Aの多重量子井戸活性層401のエネルギーバンドギャップはGaAsP層402の歪の影響を受けない。   On the other hand, in the semiconductor laser element part A, since the diffraction grating is formed in the GaAsP layer 402 and has a fine uneven shape, the tensile strain of the GaAsP layer is relieved. Therefore, the energy band gap of the multiple quantum well active layer 401 of the semiconductor laser element part A is not affected by the strain of the GaAsP layer 402.

これにより、電界吸収型半導体光変調器Bの多重量子井戸構造のエネルギーバンドギャップは半導体レーザ素子部Aの多重量子井戸活性層401のエネルギーバンドギャップよりも数10meV程度大きくなっている。従って、電界吸収型半導体光変調器Bのp側電極407とn側電極111にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造401はレーザ光に対して透明となっている。   As a result, the energy band gap of the multiple quantum well structure of the electroabsorption semiconductor optical modulator B is about several tens of meV larger than the energy band gap of the multiple quantum well active layer 401 of the semiconductor laser element portion A. Therefore, when no bias is applied to the p-side electrode 407 and the n-side electrode 111 of the electroabsorption semiconductor optical modulator B, the multiple quantum well structure 401 is transparent to the laser light.

一方、p側電極407とn側電極111に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造401のエネルギーバンドギャップが縮小して、レーザ光を吸収する。従って、p側電極407とn側電極111との間のバイアス電圧のオン,オフにより、レーザ光の光強度を変調することができる。   On the other hand, when a reverse bias is applied to the p-side electrode 407 and the n-side electrode 111, the energy band gap of the multiple quantum well structure 401 is reduced by the quantum confined Stark effect and absorbs laser light. Therefore, the light intensity of the laser light can be modulated by turning on and off the bias voltage between the p-side electrode 407 and the n-side electrode 111.

なお、端面に形成した無反射膜112,113はファブリペロ―モードでレーザ発振するのを抑制する働きをしている。   The antireflective films 112 and 113 formed on the end face function to suppress laser oscillation in the Fabry-Perot mode.

図2の発光装置の半導体レーザ素子部Aは、1.3μm帯のGaInNAs量子井戸層を活性層に用いているため、ワイドギャップ材料であるAl0.4Ga0.6Asをクラッド層に用いることが可能である。この場合、活性層とクラッド層との電子閉じ込め障壁高さを大きくとることができ、量子井戸層からクラッド層への電子オーバーフローを抑制できる。これにより、150K以上の高い特性温度を有することができ、高温動作時においても閾電流の増加が小さくできる。 Since the semiconductor laser element portion A of the light emitting device of FIG. 2 uses a 1.3 μm band GaInNAs quantum well layer as an active layer, Al 0.4 Ga 0.6 As, which is a wide gap material, is used as a cladding layer. It is possible. In this case, the height of the electron confinement barrier between the active layer and the cladding layer can be increased, and electron overflow from the quantum well layer to the cladding layer can be suppressed. As a result, a high characteristic temperature of 150K or more can be obtained, and the increase in threshold current can be reduced even during high temperature operation.

また、電界吸収型半導体光変調器Bにおいては、GaInNAsを量子井戸層としGaAsを障壁層とする多重量子井戸構造401を吸収層に用いている。GaInNAsは、GaAsとヘテロ接合を形成した場合、価電子帯側に対する伝導帯側のバンド不連続比を大きくできることが知られている。従って、従来材料系のInP/InGaAsP系多重量子井戸構造に比べて、GaInNAs量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができ、高温動作時でも励起子の乖離を抑制できる。従って、高温動作時においても量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくでき、光変調のS/N比の低下を防止することができる。   In the electroabsorption semiconductor optical modulator B, a multiple quantum well structure 401 having GaInNAs as a quantum well layer and GaAs as a barrier layer is used as an absorption layer. It is known that GaInNAs can increase the band discontinuity ratio on the conduction band side with respect to the valence band side when a heterojunction is formed with GaAs. Therefore, compared to the conventional InP / InGaAsP multiple quantum well structure, the electron confinement with respect to the GaInNAs quantum well layer can be strengthened, and exciton divergence can be suppressed even at high temperature operation. Therefore, the amount of change in the band gap due to the quantum confined Stark effect can be increased even during high temperature operation, and a decrease in the S / N ratio of light modulation can be prevented.

このようにして、半導体発光装置として、温度特性が良好な光変調器集積型半導体レーザ装置を実現できる。   In this manner, an optical modulator integrated semiconductor laser device having excellent temperature characteristics can be realized as a semiconductor light emitting device.

さらに、半導体光変調器に電界を印加する場合には、半導体レーザを電流注入で変調する場合に比べて、光の変調周波数を増大させることができる。従って、図2の例のように、電界吸収型の半導体光変調器を集積することにより、半導体レーザを電流注入で直接変調する場合よりも高い変調周波数(10〜50GHz)でレーザ光を変調させることができる。そして、半導体レーザ素子と半導体光変調器とが同一基板上にモノリシックに集積形成されることで、装置サイズを小型化することができる。   Furthermore, when an electric field is applied to the semiconductor optical modulator, the light modulation frequency can be increased compared to the case where the semiconductor laser is modulated by current injection. Therefore, as shown in FIG. 2, by integrating the electroabsorption type semiconductor optical modulator, the laser light is modulated at a higher modulation frequency (10 to 50 GHz) than when the semiconductor laser is directly modulated by current injection. be able to. The semiconductor laser element and the semiconductor optical modulator are monolithically integrated on the same substrate, so that the device size can be reduced.

(第5の実施形態)
また、本発明の半導体発光装置において、半導体レーザ素子を面発光半導体レーザ素子として構成することもできる。
(Fifth embodiment)
In the semiconductor light emitting device of the present invention, the semiconductor laser element can be configured as a surface emitting semiconductor laser element.

光強度の変調を半導体レーザの直接変調ではなく、光変調器を用いる場合には、半導体レーザ素子は連続通電となる。従って、消費電力や発熱を抑制する上で、半導体レーザ素子の低閾電流化は重要である。第3の実施形態においては、面発光型半導体レーザ素子を用いているため、端面型半導体レーザ素子を用いる場合と比較して、半導体レーザ素子の閾電流を5mA以下と低くすることができる。従って、半導体発光装置の動作電流を低減して、消費電力を低減することができる。   When the light intensity is modulated not by direct modulation of the semiconductor laser but by using an optical modulator, the semiconductor laser element is continuously energized. Accordingly, in order to suppress power consumption and heat generation, it is important to reduce the threshold current of the semiconductor laser element. In the third embodiment, since the surface emitting semiconductor laser element is used, the threshold current of the semiconductor laser element can be lowered to 5 mA or less as compared with the case where the end surface type semiconductor laser element is used. Therefore, the operating current of the semiconductor light emitting device can be reduced and the power consumption can be reduced.

また、上記発明の面型半導体レーザ素子はGaAs基板上にGaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成された活性層を含んで構成されている。そのため、GaAs高屈折率層とAlAsまたはAlGaAsの低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡(DBR)を反射鏡に用いることができる。従来材料系であるInP/InGaAsP材料系では、高屈折率層にInGaAsPの4元混晶を用いる必要があるため、DBRの熱抵抗が高くなってしまう。   The planar semiconductor laser device of the present invention includes an active layer made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb on a GaAs substrate. Therefore, a distributed Bragg reflector (DBR) in which GaAs high refractive index layers and AlAs or AlGaAs low refractive index layers are alternately stacked can be used as the reflecting mirror. In the InP / InGaAsP material system, which is a conventional material system, it is necessary to use a quaternary mixed crystal of InGaAsP for the high refractive index layer, which increases the thermal resistance of the DBR.

また、InPとInGaAsPとの屈折率差が小さいため、高反射率を得るのに、多くの層数を必要としていた。それに対して、GaAs/AlGaAs材料を用いたDBRは、熱抵抗が低く、かつ高屈折率層と低屈折率層との屈折率差が大きいため、少ない層数で高反射率が得られる。従って、放熱に有利となっている。そのため、本発明の課題である高温動作時においても、安定に動作する。   In addition, since the difference in refractive index between InP and InGaAsP is small, a large number of layers are required to obtain high reflectivity. In contrast, a DBR using a GaAs / AlGaAs material has a low thermal resistance and a large difference in refractive index between a high refractive index layer and a low refractive index layer, so that a high reflectance can be obtained with a small number of layers. Therefore, it is advantageous for heat dissipation. Therefore, it operates stably even at the time of high temperature operation which is the subject of the present invention.

<実施例3>
図3(a),(b)は本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図である。なお、図3(a)は上面から見た図であり、図3(b)は側面から見た断面図である。
<Example 3>
FIGS. 3A and 3B are diagrams showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention. 3A is a view from the top, and FIG. 3B is a cross-sectional view from the side.

図3(a),(b)を参照すると、Si基板1001上に、面発光レーザアレイ1002、45°ミラー1003を一方の面に備えた光導波路1004、電界吸収型の半導体光変調器アレイ1005、光ファイバ1006が備えられている。   3A and 3B, on a Si substrate 1001, a surface emitting laser array 1002, an optical waveguide 1004 having a 45 ° mirror 1003 on one surface, and an electroabsorption semiconductor optical modulator array 1005. An optical fiber 1006 is provided.

面発光レーザアレイ1002は、GaAs基板上に、GaAs/AlGaAs下部DBRと、GaInNAs活性層を含む共振器構造と、GaAs/AlGaAs上部DBRとが積層されて構成された垂直共振器型面発光レーザが、例えば4素子モノリシックに集積して形成されている。発振波長は、石英系光ファイバの伝送に適した1.3μm帯となっている。   The surface emitting laser array 1002 includes a vertical cavity surface emitting laser configured by laminating a GaAs / AlGaAs lower DBR, a resonator structure including a GaInNAs active layer, and a GaAs / AlGaAs upper DBR on a GaAs substrate. For example, they are integrated in a four-element monolithic manner. The oscillation wavelength is in a 1.3 μm band suitable for transmission of a silica-based optical fiber.

45°ミラー1003を一方の面に備えた光導波路1004は、石英材料またはSiまたは高分子材料等で形成されている。電界吸収型の半導体光変調器アレイ1005は、図1に示した端面型の半導体光変調器を4素子モノリシックに集積して形成されている。   An optical waveguide 1004 provided with a 45 ° mirror 1003 on one surface is formed of quartz material, Si, polymer material, or the like. The electroabsorption type semiconductor optical modulator array 1005 is formed by integrating the end face type semiconductor optical modulators shown in FIG. 1 in a four-element monolithic manner.

このような構成の半導体発光装置では、面発光レーザアレイ1002の各面発光レーザから上方に出射した光が45°ミラー1003で折り曲げられて、光導波路1004に入射される。光導波路1004に入射された光は、光導波路1004を導波して、半導体光変調器アレイ1005に入射される。このとき、面発光レーザと半導体光変調器とは1対1に対応している。半導体光変調器アレイ1005によって光強度が変調された光信号は、それぞれ光ファイバ1006を通って外部に出力される。   In the semiconductor light emitting device having such a configuration, light emitted upward from each surface emitting laser of the surface emitting laser array 1002 is bent by the 45 ° mirror 1003 and is incident on the optical waveguide 1004. The light incident on the optical waveguide 1004 is guided through the optical waveguide 1004 and is incident on the semiconductor optical modulator array 1005. At this time, the surface emitting laser and the semiconductor optical modulator have a one-to-one correspondence. The optical signals whose light intensity is modulated by the semiconductor optical modulator array 1005 are output to the outside through the optical fibers 1006, respectively.

図3に示した半導体発光装置においては、半導体光変調器アレイ1005により光信号を10GHzで変調することにより、4チャンネルで最大40Gbpsの光信号を伝送することが可能である。   In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 3, by modulating the optical signal at 10 GHz by the semiconductor optical modulator array 1005, it is possible to transmit an optical signal of up to 40 Gbps through four channels.

図3において、面発光レーザアレイ1002は、GaAs基板上にGaInNAsで構成された活性層を含んで構成されている。そのため、GaAs高屈折率層とAlGaAsの低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡(DBR)を反射鏡に用いることができる。従来材料系であるInP/InGaAsP材料系では、高屈折率層にInGaAsPの4元混晶を用いる必要があるため、DBRの熱抵抗が高くなってしまう。また、InPとInGaAsPとの屈折率差が小さいため、高反射率を得るのに、多くの層数を必要としていた。   In FIG. 3, the surface emitting laser array 1002 includes an active layer made of GaInNAs on a GaAs substrate. Therefore, a distributed Bragg reflector (DBR) in which GaAs high refractive index layers and AlGaAs low refractive index layers are alternately stacked can be used as the reflecting mirror. In the InP / InGaAsP material system, which is a conventional material system, it is necessary to use a quaternary mixed crystal of InGaAsP for the high refractive index layer, which increases the thermal resistance of the DBR. In addition, since the difference in refractive index between InP and InGaAsP is small, a large number of layers are required to obtain high reflectivity.

それに対して、GaAs/AlGaAs材料を用いたDBRは、熱抵抗が低く、かつ高屈折率層と低屈折率層との屈折率差が大きいため、少ない層数で高反射率が得られる。従って、放熱に有利となっている。そのため、本発明の課題である高温動作時においても、安定に動作する。   In contrast, a DBR using a GaAs / AlGaAs material has a low thermal resistance and a large difference in refractive index between a high refractive index layer and a low refractive index layer, so that a high reflectance can be obtained with a small number of layers. Therefore, it is advantageous for heat dissipation. Therefore, it operates stably even at the time of high temperature operation which is the subject of the present invention.

光強度の変調を半導体レーザの直接変調ではなく、光変調器を用いる場合には、半導体レーザ素子は連続通電となる。従って、消費電力や発熱を抑制する上で、半導体レーザ素子の低閾電流化は重要である。図3に示した半導体発光装置においては、面発光型半導体レーザ素子1002を用いているため、端面型半導体レーザ素子を用いる場合と比較して、半導体レーザ素子の閾電流を5mA以下と低くすることができる。従って、半導体発光装置の動作電流を低減して、消費電力を低減することができる。   When the light intensity is modulated not by direct modulation of the semiconductor laser but by using an optical modulator, the semiconductor laser element is continuously energized. Accordingly, in order to suppress power consumption and heat generation, it is important to reduce the threshold current of the semiconductor laser element. In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 3, since the surface emitting semiconductor laser element 1002 is used, the threshold current of the semiconductor laser element should be lowered to 5 mA or less as compared with the case of using the end surface type semiconductor laser element. Can do. Therefore, the operating current of the semiconductor light emitting device can be reduced and the power consumption can be reduced.

また、電界吸収型の半導体光変調器1005の吸収層である多重量子井戸構造は、GaInNAsを量子井戸層とし、Al0.2Ga0.8Asを障壁層として構成することにより、GaInNAs量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができる。従って、高温動作時でも励起子の乖離を抑制し、量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくできる。よって、高温動作時でも光変調のS/Nの低下を防止することができる。 In addition, the multiple quantum well structure that is the absorption layer of the electroabsorption semiconductor optical modulator 1005 includes GaInNAs as a quantum well layer and Al 0.2 Ga 0.8 As as a barrier layer, thereby forming a GaInNAs quantum well. The confinement of electrons to the layer can be strengthened. Accordingly, exciton divergence can be suppressed even during high-temperature operation, and the amount of band gap change due to the quantum confined Stark effect can be increased. Therefore, it is possible to prevent a decrease in light modulation S / N even during high temperature operation.

すなわち、図3の半導体発光装置では、Si基板1001上に、GaInNAs活性層を含む面発光半導体レーザと、GaInNAs量子井戸層を吸収層とする電界吸収型半導体光変調器とを集積することで、温度特性が良好で、かつ10GHz以上の高速変調が可能な1.3μm帯半導体レーザ装置を実現できる。   That is, in the semiconductor light emitting device of FIG. 3, a surface emitting semiconductor laser including a GaInNAs active layer and an electroabsorption semiconductor optical modulator having a GaInNAs quantum well layer as an absorption layer are integrated on a Si substrate 1001. It is possible to realize a 1.3 μm band semiconductor laser device having good temperature characteristics and capable of high-speed modulation of 10 GHz or more.

(第6の実施形態)
なお、上記本発明の半導体発光装置において、半導体レーザ素子を面発光半導体レーザ素子として構成し、面発光半導体レーザ素子と電界吸収型の半導体光変調器とを積層方向にモノリシックに集積して構成することもできる。すなわち、GaAs単結晶基板の主平面と垂直方向に光を入出力する面型半導体光装置として構成することもできる。この場合には、光入出力面を劈開面で形成する必要がなく、従って、GaAs単結晶基板上に、面型半導体発光装置をモノリシックに2次元アレイ化して形成することが可能となる。これにより、面型半導体発光装置を高密度に並列集積化することができる。
(Sixth embodiment)
In the semiconductor light emitting device of the present invention, the semiconductor laser element is configured as a surface emitting semiconductor laser element, and the surface emitting semiconductor laser element and the electroabsorption semiconductor optical modulator are integrated monolithically in the stacking direction. You can also. That is, it can also be configured as a planar semiconductor optical device that inputs and outputs light in a direction perpendicular to the main plane of the GaAs single crystal substrate. In this case, it is not necessary to form the light input / output surface as a cleaved surface. Therefore, it is possible to form the planar semiconductor light emitting device on the GaAs single crystal substrate in a monolithic two-dimensional array. Thereby, the planar semiconductor light emitting devices can be integrated in parallel at high density.

また、上記発明の面型半導体発光装置はGaAs基板上に形成できるため、GaAs高屈折率層とAlAsまたはAlGaAsの低屈折率層を交互に積層した分布ブラッグ反射鏡(DBR)を反射鏡に用いることができる。従来材料系であるInP/InGaAsP材料系では、高屈折率層にInGaAsPの4元混晶を用いる必要があるため、DBRの熱抵抗が高くなってしまう。   Since the planar semiconductor light emitting device of the present invention can be formed on a GaAs substrate, a distributed Bragg reflector (DBR) in which GaAs high refractive index layers and AlAs or AlGaAs low refractive index layers are alternately stacked is used as the reflecting mirror. be able to. In the InP / InGaAsP material system, which is a conventional material system, it is necessary to use a quaternary mixed crystal of InGaAsP for the high refractive index layer, which increases the thermal resistance of the DBR.

また、InPとInGaAsPとの屈折率差が小さいため、高反射率を得るのに、多くの層数を必要としていた。それに対して、GaAs/AlGaAs材料を用いたDBRは、熱抵抗が低く、かつ高屈折率層と低屈折率層との屈折率差が大きいため、少ない層数で高反射率が得られる。従って、放熱に有利となっている。そのため、本発明の課題である高温動作時においても、安定に動作する。   In addition, since the difference in refractive index between InP and InGaAsP is small, a large number of layers are required to obtain high reflectivity. In contrast, a DBR using a GaAs / AlGaAs material has a low thermal resistance and a large difference in refractive index between a high refractive index layer and a low refractive index layer, so that a high reflectance can be obtained with a small number of layers. Therefore, it is advantageous for heat dissipation. Therefore, it operates stably even at the time of high temperature operation which is the subject of the present invention.

<実施例4>
図4(a)は本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図であり、図4(a)の半導体発光装置は、面型半導体発光装置(光変調器集積型面発光半導体レーザ装置)として構成されており、面発光型半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されたものとなっている。すなわち、レーザ光強度を変調する電界吸収型半導体光変調器Bは、面発光半導体レーザにおけるp側のDBR(分布ブラッグ反射器)の途中に挿入されている。
<Example 4>
FIG. 4A is a diagram showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention. The semiconductor light emitting device of FIG. 4A is a surface semiconductor light emitting device (optical modulator integrated surface emitting semiconductor laser). Device), a surface emitting semiconductor laser and an electroabsorption semiconductor optical modulator are monolithically integrated in the stacking direction. That is, the electroabsorption semiconductor optical modulator B that modulates the laser light intensity is inserted in the middle of the p-side DBR (distributed Bragg reflector) in the surface emitting semiconductor laser.

具体的に、図4(a)において、n型GaAs基板101上には、n型GaAs/Al0.8Ga0.2AsのDBR201、n型GaAs下部スペーサ層202、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203、p型Al0.2Ga0.8Asキャリアブロック層204、p型GaAs上部スペーサ層205、p型AlAs層501、p型GaAs/Al0.8Ga0.2Asの第1DBR502が順次に積層されている。 Specifically, in FIG. 4A, an n-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As DBR 201, an n-type GaAs lower spacer layer 202, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well are formed on an n-type GaAs substrate 101. Active layer 203, p-type Al 0.2 Ga 0.8 As carrier blocking layer 204, p-type GaAs upper spacer layer 205, p-type AlAs layer 501, first DBR 502 of p-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As Are sequentially stacked.

そして、p型GaAs/Al0.8Ga0.2Asの第1DBR502上にはAlO絶縁層503が形成されており、さらに、AlO絶縁層503上には、電界吸収型半導体光変調器Bを構成するn型GaAsコンタクト層504、n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層505、多重量子井戸構造506、p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層507が積層されている。 An AlO x insulating layer 503 is formed on the first DBR 502 of p-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As, and further, an electroabsorption semiconductor optical modulator is formed on the AlO x insulating layer 503. An n-type GaAs contact layer 504, an n-type Al 0.4 Ga 0.6 As clad layer 505, a multiple quantum well structure 506, and a p-type Al 0.4 Ga 0.6 As clad layer 507 are stacked. Yes.

ここで、AlO絶縁層503は、面発光半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器Bとを電気的に絶縁する働きをしている。 Here, the AlO x insulating layer 503 functions to electrically insulate the surface emitting semiconductor laser from the electroabsorption semiconductor optical modulator B.

また、多重量子井戸構造506の積層構成は、例えば図4(b)のようになっている。すなわち、図4(b)の例では、多重量子井戸構造506は、GaInNAsを量子井戸層506aとし、Al0.2Ga0.8Asを障壁層506bとして交互に積層されている。そして、GaInNAs量子井戸層506aとAl0.2Ga0.8As障壁層506bとの界面には、層厚2nmのGaAs中間層506cが設けられている。 Further, the stacked structure of the multiple quantum well structure 506 is as shown in FIG. 4B, for example. That is, in the example of FIG. 4B, the multiple quantum well structure 506 is alternately stacked with GaInNAs as the quantum well layer 506a and Al 0.2 Ga 0.8 As as the barrier layer 506b. A GaAs intermediate layer 506c having a thickness of 2 nm is provided at the interface between the GaInNAs quantum well layer 506a and the Al 0.2 Ga 0.8 As barrier layer 506b.

このように、Nを構成元素として含むGaInNAs量子井戸層506aとAlを構成元素として含むAl0.2Ga0.8As障壁層506bとの間に、構成元素としてNとAlを含まないGaAs中間層506cを設けることで、界面のN偏析を抑制し、高品質の量子井戸構造を形成している。 Thus, between the GaInNAs quantum well layer 506a containing N as a constituent element and the Al 0.2 Ga 0.8 As barrier layer 506b containing Al as a constituent element, a GaAs intermediate that does not contain N and Al as constituent elements. By providing the layer 506c, N segregation at the interface is suppressed and a high-quality quantum well structure is formed.

AlO絶縁層503の層厚、n型GaAsコンタクト層504の層厚、またn型Al0.4Ga0.6Asクラッド層505と多重量子井戸構造506とp型Al0.4Ga0.6Asクラッド層507の合計層層は、それぞれレーザ発振波長に対して位相整合条件を満たすように(すなわち、1/4光学波長厚の整数倍となるように)、層厚が設定されている。 The layer thickness of the AlO x insulating layer 503, the layer thickness of the n-type GaAs contact layer 504, the n-type Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 505, the multiple quantum well structure 506, the p-type Al 0.4 Ga 0. The total thickness of the 6 As cladding layer 507 is set so that the phase matching condition is satisfied with respect to the laser oscillation wavelength (that is, an integral multiple of 1/4 optical wavelength thickness). .

さらに、図4(a)の構成例では、p型Al0.4Ga0.6Asクラッド層507上には、p型GaAs/Al0.8Ga0.2Asの第2DBR508が積層されている。 4A, a second DBR 508 of p-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As is stacked on the p-type Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 507. Yes.

図4(a)において、このように順次に積層された積層構造は、3段の階段状にドライエッチングされて、柱状構造が形成されている。上から1段目は、n型GaAsコンタクト層504の表面が露出するように形成されており、2段目はp型GaAs/Al0.8Ga0.2Asの第1DBR502の最表面が露出するように形成されており、3段目はn型GaAs/Al0.8Ga0.2AsのDBR201に達する深さまでエッチングされている。 In FIG. 4A, the stacked structure sequentially stacked in this manner is dry-etched in three steps to form a columnar structure. The first stage from the top is formed so that the surface of the n-type GaAs contact layer 504 is exposed, and the second stage is the outermost surface of the first DBR 502 of p-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As. The third stage is etched to a depth that reaches the DBR 201 of n-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As.

また、柱状構造周辺部のp型AlAs層501は、エッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて、AlO絶縁領域509を形成されている。また、面発光半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器Bとを電気的に絶縁しているAlO絶縁層503は、結晶成長したAlAs層をエッチング側面から全て酸化することによって形成されている。この酸化工程は、AlO絶縁領域509を形成する選択酸化工程と同時に実施することができる。 In addition, the p-type AlAs layer 501 at the periphery of the columnar structure is selectively oxidized from the side surface exposed by etching to form an AlO x insulating region 509. Further, the AlO x insulating layer 503 that electrically insulates the surface emitting semiconductor laser and the electroabsorption semiconductor optical modulator B is formed by oxidizing the crystal-grown AlAs layer from the etching side surface. This oxidation process can be performed simultaneously with the selective oxidation process for forming the AlO x insulating region 509.

また図4(a)では、柱状構造最表面であるp型第2DBR508の表面に、変調用のp側電極510が形成されている。そして、エッチングによりn型GaAsコンタクト層504表面が露出した1段目のテラス面には、変調用のn側電極511が形成されている。また、エッチングによりp型第1DBR502の表面が露出した2段目のテラス面には、レーザ駆動用のp側電極110が形成されている。また、n型GaAs基板101の裏面には、レーザ光を外部に取り出すための開口部を除いて、レーザ駆動用のn側電極111が形成されている。   In FIG. 4A, a modulation p-side electrode 510 is formed on the surface of the p-type second DBR 508 which is the outermost surface of the columnar structure. A modulation n-side electrode 511 is formed on the first terrace surface where the surface of the n-type GaAs contact layer 504 is exposed by etching. A p-side electrode 110 for laser driving is formed on the second terrace surface where the surface of the p-type first DBR 502 is exposed by etching. An n-side electrode 111 for driving the laser is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 101 except for an opening for taking out laser light to the outside.

図4の構成では、面発光半導体レーザにおいて、p側電極110とn側電極111に順方向バイアスを印加することにより、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203にキャリアが注入される。このとき、選択酸化で形成したAlO絶縁領域509によって、電流は柱状構造よりも狭い領域に狭窄される。これにより、電流を集中させて閾電流を低減させることができる。 In the configuration of FIG. 4, in the surface emitting semiconductor laser, carriers are injected into the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 by applying a forward bias to the p-side electrode 110 and the n-side electrode 111. At this time, the current is confined to a region narrower than the columnar structure by the AlO x insulating region 509 formed by selective oxidation. Thereby, the current can be concentrated and the threshold current can be reduced.

GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203に注入されたキャリアは発光再結合して、GaInNAs井戸層のバンドギャップに対応した1.3μm帯の光が放射される。そして、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203で発生した光は、n型DBR201と、p型第1DBR502及びp型第2DBR508とで構成された共振器内で共振してレーザ発振する。   The carriers injected into the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 are recombined to emit light, and light in the 1.3 μm band corresponding to the band gap of the GaInNAs well layer is emitted. The light generated in the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 resonates in the resonator composed of the n-type DBR 201, the p-type first DBR 502, and the p-type second DBR 508 to oscillate.

電界吸収型半導体光変調器Bにおいては、p側電極510とn側電極511にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造506はレーザ光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ部の活性領域に対して、p型第1DBR502に加えてp型第2DBR508からの反射光が戻るため、レーザ発振に必要な99%以上の高い反射率が得られる。   In the electroabsorption semiconductor optical modulator B, when no bias is applied to the p-side electrode 510 and the n-side electrode 511, the multiple quantum well structure 506 is transparent to the laser light. Therefore, since the reflected light from the p-type second DBR 508 in addition to the p-type first DBR 502 returns to the active region of the surface emitting semiconductor laser portion, a high reflectance of 99% or more necessary for laser oscillation can be obtained.

一方、p側電極510とn側電極511に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造506のエネルギーバンドギャップが縮小して、レーザ光を吸収する。そのため、実効的にp側のDBRの反射率が低下して、レーザ発振が停止する。これにより、レーザ光の光強度を変調することができる。   On the other hand, when a reverse bias is applied to the p-side electrode 510 and the n-side electrode 511, the energy band gap of the multiple quantum well structure 506 is reduced by the quantum confined Stark effect and absorbs laser light. Therefore, the reflectivity of the p-side DBR is effectively reduced, and laser oscillation is stopped. Thereby, the light intensity of the laser beam can be modulated.

図4の半導体発光装置において、GaAs基板101上に形成された1.3μm帯のGaInNAs系面発光半導体レーザでは、GaInNAs井戸層とp型Al0.4Ga0.6Asキャリアブロック層204との伝導帯バンド不連続を200meV以上と大きくすることができる。そのため、高温動作時においても電子オーバーフローを抑制することができる。また、熱抵抗が低く、より少ない層数で、99%以上の高反射率が得られるGaAs/AlGaAs系材料によって、DBRを形成することができる。従って、1.3μm帯において、温度特性が良好な面発光半導体レーザを形成することができる。 In the semiconductor light emitting device of FIG. 4, in a 1.3 μm band GaInNAs surface emitting semiconductor laser formed on a GaAs substrate 101, a GaInNAs well layer and a p-type Al 0.4 Ga 0.6 As carrier blocking layer 204 are provided. The conduction band discontinuity can be increased to 200 meV or more. Therefore, an electronic overflow can be suppressed even during high temperature operation. Further, the DBR can be formed of a GaAs / AlGaAs-based material having a low thermal resistance and a high reflectivity of 99% or more with a smaller number of layers. Accordingly, it is possible to form a surface emitting semiconductor laser having good temperature characteristics in the 1.3 μm band.

また、電界吸収型半導体光変調器Bの吸収層である多重量子井戸構造506は、GaInNAsを量子井戸層とし、Al0.2Ga0.8Asを障壁層として構成することにより、GaInNAs量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができる。従って、高温動作時でも励起子の乖離を抑制し、量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくできる。よって、高温動作時でも光変調のS/Nの低下を防止することができる。 In addition, the multiple quantum well structure 506 that is an absorption layer of the electroabsorption semiconductor optical modulator B includes a GaInNAs quantum well layer and Al 0.2 Ga 0.8 As as a barrier layer, thereby forming a GaInNAs quantum well. The confinement of electrons to the layer can be strengthened. Accordingly, exciton divergence can be suppressed even during high-temperature operation, and the amount of band gap change due to the quantum confined Stark effect can be increased. Therefore, it is possible to prevent a decrease in light modulation S / N even during high temperature operation.

そして、図4の半導体発光装置では、GaAs基板101上に、GaInNAs活性層を含む面発光半導体レーザと、GaInNAs量子井戸層を吸収層とする電界吸収型半導体光変調器Bとをモノリシックに集積することで、温度特性が良好で、かつ10GHz以上の高速変調が可能な1.3μm帯半導体レーザ装置を実現できる。   In the semiconductor light emitting device of FIG. 4, a surface emitting semiconductor laser including a GaInNAs active layer and an electroabsorption semiconductor optical modulator B having a GaInNAs quantum well layer as an absorption layer are monolithically integrated on a GaAs substrate 101. As a result, it is possible to realize a 1.3 μm band semiconductor laser device having good temperature characteristics and capable of high-speed modulation of 10 GHz or more.

また、図4の半導体発光装置では、図2に示した端面型の光変調器集積型半導体レーザ装置と比較して、低閾電流化が可能な垂直共振器型面発光レーザを用いているため、半導体レーザ装置の閾電流を低減できる。また、面発光半導体レーザは、モノリシックに2次元アレイ化が可能であり、高密度の並列集積化に有利である。   Further, the semiconductor light emitting device of FIG. 4 uses a vertical cavity surface emitting laser capable of lowering the threshold current as compared with the end face type optical modulator integrated semiconductor laser device shown in FIG. The threshold current of the semiconductor laser device can be reduced. Further, the surface emitting semiconductor laser can be monolithically formed into a two-dimensional array, which is advantageous for high-density parallel integration.

(第7の実施形態)
本発明の第7の実施形態による半導体発光装置は、第6の実施形態に記載した半導体発光装置において、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の共振器内に位置している。この場合、半導体光変調器は、光を基板と垂直方向に入出射する面型の半導体光変調器として構成される。
(Seventh embodiment)
The semiconductor light emitting device according to the seventh embodiment of the present invention is the semiconductor light emitting device described in the sixth embodiment, wherein the semiconductor optical modulator is located in the resonator of the surface emitting semiconductor laser element. In this case, the semiconductor optical modulator is configured as a planar semiconductor optical modulator that inputs and outputs light in a direction perpendicular to the substrate.

半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の共振器内に位置する場合には、半導体光変調器にバイアスを印加しないときには、多重量子井戸構造は光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ素子の共振器内において光吸収損失がないため、低い閾電流でレーザ発振する。一方、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造のエネルギーバンドギャップが縮小して、光を吸収する。そのため、共振器の光吸収損失が増大し、面発光半導体レーザ素子の閾電流が増加する。   When the semiconductor optical modulator is located in the resonator of the surface emitting semiconductor laser element, the multiple quantum well structure is transparent to light when no bias is applied to the semiconductor optical modulator. Accordingly, since there is no light absorption loss in the resonator of the surface emitting semiconductor laser element, laser oscillation occurs with a low threshold current. On the other hand, when a reverse bias is applied to the semiconductor optical modulator, the energy band gap of the multiple quantum well structure is reduced by the quantum confined Stark effect to absorb light. Therefore, the light absorption loss of the resonator increases, and the threshold current of the surface emitting semiconductor laser element increases.

従って、注入電流を一定にした場合に、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加しない場合と印加した場合とで、レーザ発振状態とレーザ発振停止状態とをスイッチすることができる。これにより、半導体光変調器の光吸収層が1μm以下と薄くして光吸収係数の変化が小さい場合でも、レーザ光の光強度を大きく変えることができる。従って、光強度変調のS/N比を高くすることができる。   Therefore, when the injection current is made constant, the laser oscillation state and the laser oscillation stop state can be switched between when the reverse bias is not applied to the semiconductor optical modulator and when it is applied. Thereby, even when the light absorption layer of the semiconductor light modulator is thinned to 1 μm or less and the change in the light absorption coefficient is small, the light intensity of the laser light can be greatly changed. Therefore, the S / N ratio of the light intensity modulation can be increased.

また、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成された活性層を含む半導体レーザ素子は、石英光ファイバの伝送に適した1.2〜1.6μmの波長帯で形成することができる。そして、特性温度が150〜200Kと非常に高く、温度特性が良好な半導体レーザであることが実証されている。さらに、第1または第2の実施形態の半導体光変調器は、量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができ、高温動作が可能となる。   Further, a semiconductor laser element including an active layer made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNASSb, and GaInNAsSb may be formed in a wavelength band of 1.2 to 1.6 μm suitable for transmission of a quartz optical fiber. it can. It has been proved that the semiconductor laser has a very high characteristic temperature of 150 to 200 K and a good temperature characteristic. Furthermore, the semiconductor optical modulator of the first or second embodiment can strengthen the electron confinement with respect to the quantum well layer, and can operate at a high temperature.

従って、特性温度が高く、かつ半導体レーザ素子の直接変調周波数を上回る10GHz以上の高速光変調が可能な長波長帯面発光半導体レーザ装置を実現することができる。   Therefore, it is possible to realize a long-wavelength surface emitting semiconductor laser device having a high characteristic temperature and capable of high-speed optical modulation of 10 GHz or more, which exceeds the direct modulation frequency of the semiconductor laser element.

<実施例5>
図5は本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図であり、図5の半導体発光装置は、面型半導体発光装置(光変調器集積型面発光半導体レーザ装置)として構成されており、面発光型半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されたものとなっている。すなわち、レーザ光強度を変調する電界吸収型半導体光変調器は、面発光半導体レーザにおける共振器構造の途中に挿入されている。
<Example 5>
FIG. 5 is a diagram showing another configuration example of the semiconductor light-emitting device according to the present invention. The semiconductor light-emitting device of FIG. 5 is configured as a surface-type semiconductor light-emitting device (optical modulator integrated surface-emitting semiconductor laser device). The surface emitting semiconductor laser and the electroabsorption semiconductor optical modulator are monolithically integrated in the stacking direction. That is, the electroabsorption semiconductor optical modulator that modulates the laser light intensity is inserted in the middle of the resonator structure in the surface emitting semiconductor laser.

具体的に、図5において、n型GaAs基板101上には、n型GaAs/Al0.8Ga0.2AsのDBR201、n型GaAs下部スペーサ層202、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203、第1のGaAs上部スペーサ層1101、p型AlAs層501、第2のGaAs上部スペーサ層1102、p型GaAsコンタクト層1103、多重量子井戸構造506、n型GaAs/Al0.8Ga0.2Asの上部DBR1104が順次に積層されている。 Specifically, in FIG. 5, an n-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As DBR 201, an n-type GaAs lower spacer layer 202, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 is formed on an n-type GaAs substrate 101. , First GaAs upper spacer layer 1101, p-type AlAs layer 501, second GaAs upper spacer layer 1102, p-type GaAs contact layer 1103, multiple quantum well structure 506, n-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 The upper DBR 1104 of As is sequentially stacked.

多重量子井戸構造506の積層構成は、例えば図4(b)のようになっている。すなわち、図4(b)の例では、多重量子井戸構造506は、GaInNAsを量子井戸層506aとし、Al0.2Ga0.8Asを障壁層506bとして交互に積層されている。そして、GaInNAs量子井戸層506aとAl0.2Ga0.8As障壁層506bとの界面には、層厚2nmのGaAs中間層506cが設けられている。 The stacked structure of the multiple quantum well structure 506 is, for example, as shown in FIG. That is, in the example of FIG. 4B, the multiple quantum well structure 506 is alternately stacked with GaInNAs as the quantum well layer 506a and Al 0.2 Ga 0.8 As as the barrier layer 506b. A GaAs intermediate layer 506c having a thickness of 2 nm is provided at the interface between the GaInNAs quantum well layer 506a and the Al 0.2 Ga 0.8 As barrier layer 506b.

このように、Nを構成元素として含むGaInNAs量子井戸層506aとAlを構成元素として含むAl0.2Ga0.8As障壁層506bとの間に、構成元素としてNとAlを含まないGaAs中間層506cを設けることで、界面のN偏析を抑制し、高品質の量子井戸構造を形成している。 Thus, between the GaInNAs quantum well layer 506a containing N as a constituent element and the Al 0.2 Ga 0.8 As barrier layer 506b containing Al as a constituent element, a GaAs intermediate that does not contain N and Al as constituent elements. By providing the layer 506c, N segregation at the interface is suppressed and a high-quality quantum well structure is formed.

n型DBR201とn型上部DBR1104にはさまれた領域が、面発光半導体レーザ素子の共振器構造を構成している。下部GaAsスペーサ層202、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203、第1のGaAsスペーサ層1101、p型AlAs層501、第2のGaAsスペーサ層1102、p型GaAsコンタクト層1103、多重量子井戸構造506の合計層厚は、レーザ発振波長に対して1/2光学波長厚の整数倍となるように設定されている。   A region sandwiched between the n-type DBR 201 and the n-type upper DBR 1104 constitutes a resonator structure of the surface emitting semiconductor laser element. Lower GaAs spacer layer 202, GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203, first GaAs spacer layer 1101, p-type AlAs layer 501, second GaAs spacer layer 1102, p-type GaAs contact layer 1103, multiple quantum well structure 506 The total layer thickness is set to be an integral multiple of ½ optical wavelength thickness with respect to the laser oscillation wavelength.

図5において、このように順次に積層された積層構造は、2段の階段状にドライエッチングされて、柱状構造が形成されている。上から1段目は、p型GaAsコンタクト層1103の表面が露出するように形成されており、2段目はn型GaAs/Al0.8Ga0.2AsのDBR201に達する深さまでエッチングされている。 In FIG. 5, the stacked structure sequentially stacked in this way is dry-etched in two steps to form a columnar structure. The first stage from the top is formed so that the surface of the p-type GaAs contact layer 1103 is exposed, and the second stage is etched to a depth reaching the DBR 201 of n-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As. ing.

また、柱状構造周辺部のp型AlAs層501は、エッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて、AlO絶縁領域503が形成されている。これにより、電流を1段目のメササイズよりも狭い領域に狭窄して、閾電流を低減させている。 In addition, the p-type AlAs layer 501 at the periphery of the columnar structure is selectively oxidized from the side surface exposed by etching to form an AlO x insulating region 503. As a result, the current is confined to a region narrower than the first-stage mesa size, thereby reducing the threshold current.

また図5では、柱状構造最表面であるn型上部DBR1104の表面に、光を取り出す領域を除いて変調用のn側電極511が形成されている。そして、エッチングによりp型GaAsコンタクト層1103表面が露出した1段目のテラス面には、p側共通電極110が形成されている。また、n型GaAs基板101の裏面には、レーザ駆動用のn側電極111が形成されている。   In FIG. 5, a modulation n-side electrode 511 is formed on the surface of the n-type upper DBR 1104 that is the outermost surface of the columnar structure, except for a region from which light is extracted. A p-side common electrode 110 is formed on the first terrace surface where the surface of the p-type GaAs contact layer 1103 is exposed by etching. An n-side electrode 111 for driving the laser is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 101.

図5の構成では、面発光半導体レーザにおいて、p側電極110とn側電極111に順方向バイアスを印加することにより、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203にキャリアが注入される。このとき、選択酸化で形成したAlO絶縁領域503によって、電流は柱状構造よりも狭い領域に狭窄される。GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203に注入されたキャリアは発光再結合して、GaInNAs井戸層のバンドギャップに対応した1.3μm帯の光が放射される。そして、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203で発生した光は、n型DBR201と、n型上部DBR1104とで構成された共振器内で共振してレーザ発振する。レーザ光は、GaAs基板101に対して垂直上方から取り出される。 In the configuration of FIG. 5, carriers are injected into the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 by applying a forward bias to the p-side electrode 110 and the n-side electrode 111 in the surface emitting semiconductor laser. At this time, the current is confined to a region narrower than the columnar structure by the AlO x insulating region 503 formed by selective oxidation. The carriers injected into the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 are recombined to emit light, and light in the 1.3 μm band corresponding to the band gap of the GaInNAs well layer is emitted. The light generated in the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 resonates in the resonator formed by the n-type DBR 201 and the n-type upper DBR 1104 and oscillates. The laser light is extracted from vertically above the GaAs substrate 101.

電界吸収型半導体光変調器においては、p側電極110とn側電極511にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造506は光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザの共振器内において、光吸収損失がないためレーザ発振する。一方、p側電極110とn側電極511に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造506のエネルギーバンドギャップが縮小して、光を吸収する。そのため、共振器内の光吸収損失が増加して、レーザ発振が停止する。これにより、レーザ光の光強度を変調したときに光強度変調のS/N比を高くとることができる。   In the electroabsorption semiconductor optical modulator, when no bias is applied to the p-side electrode 110 and the n-side electrode 511, the multiple quantum well structure 506 is transparent to light. Therefore, laser oscillation occurs because there is no light absorption loss in the resonator of the surface emitting semiconductor laser. On the other hand, when a reverse bias is applied to the p-side electrode 110 and the n-side electrode 511, the energy band gap of the multiple quantum well structure 506 is reduced by the quantum confined Stark effect and absorbs light. Therefore, the light absorption loss in the resonator increases and laser oscillation stops. Thereby, when the light intensity of the laser light is modulated, the S / N ratio of the light intensity modulation can be increased.

図5の半導体発光装置において、GaAs基板101上に形成された1.3μm帯のGaInNAs系面発光半導体レーザでは、熱抵抗が低く、より少ない層数で、99%以上の高反射率が得られるGaAs/AlGaAs系材料によって、DBRを形成することができる。従って、1.3μm帯において、温度特性が良好な面発光半導体レーザを形成することができる。また、端面型の半導体レーザ素子を用いる場合と比較して、低閾電流化が可能である。   In the semiconductor light emitting device of FIG. 5, the 1.3 μm band GaInNAs surface emitting semiconductor laser formed on the GaAs substrate 101 has a low thermal resistance, and a high reflectance of 99% or more can be obtained with a smaller number of layers. A DBR can be formed of a GaAs / AlGaAs material. Accordingly, it is possible to form a surface emitting semiconductor laser having good temperature characteristics in the 1.3 μm band. Further, the threshold current can be reduced as compared with the case of using an end face type semiconductor laser element.

また、電界吸収型半導体光変調器の吸収層である多重量子井戸構造506は、GaInNAsを量子井戸層とし、Al0.2Ga0.8Asを障壁層として構成することにより、GaInNAs量子井戸層に対する電子の閉じ込めを強くすることができる。従って、高温動作時でも励起子の乖離を抑制し、量子閉じ込めシュタルク効果によるバンドギャップ変化量が大きくできる。よって、高温動作時でも光変調のS/Nの低下を防止することができる。 In addition, the multiple quantum well structure 506 that is an absorption layer of the electroabsorption semiconductor optical modulator is configured by using GaInNAs as a quantum well layer and Al 0.2 Ga 0.8 As as a barrier layer, thereby forming a GaInNAs quantum well layer. The electron confinement with respect to can be strengthened. Accordingly, exciton divergence can be suppressed even during high-temperature operation, and the amount of band gap change due to the quantum confined Stark effect can be increased. Therefore, it is possible to prevent a decrease in light modulation S / N even during high temperature operation.

そして、図5の半導体発光装置では、GaAs基板101上に、GaInNAs活性層を含む面発光半導体レーザと、GaInNAs量子井戸層を吸収層とする電界吸収型半導体光変調器とをモノリシックに集積することで、温度特性が良好で、かつ10GHz以上の高速変調が可能な1.3μm帯半導体レーザ装置を実現できる。   In the semiconductor light emitting device of FIG. 5, a surface emitting semiconductor laser including a GaInNAs active layer and an electroabsorption semiconductor optical modulator having a GaInNAs quantum well layer as an absorption layer are monolithically integrated on a GaAs substrate 101. Thus, it is possible to realize a 1.3 μm band semiconductor laser device having good temperature characteristics and capable of high-speed modulation of 10 GHz or more.

(第8の実施形態)
また、本発明の第8の実施形態による半導体発光装置は、第6の実施形態に記載した半導体発光素子において、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡内に位置している。この場合、半導体光変調器は、光を基板と垂直方向に入出射する面型の半導体光変調器として構成される。
(Eighth embodiment)
The semiconductor light emitting device according to the eighth embodiment of the present invention is the semiconductor light emitting element described in the sixth embodiment, wherein the semiconductor optical modulator is located in the distributed Bragg reflector of the surface emitting semiconductor laser element. . In this case, the semiconductor optical modulator is configured as a planar semiconductor optical modulator that inputs and outputs light in a direction perpendicular to the substrate.

半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡内に位置する場合には、半導体光変調器にバイアスを印加しないときに、多重量子井戸構造は光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ素子の活性領域に対して、半導体光変調器よりも外側の分布ブラッグ反射鏡からの反射光が戻るため、レーザ発振に必要な99%以上の高い反射率が得られる。   When the semiconductor optical modulator is located in the distributed Bragg reflector of the surface emitting semiconductor laser element, the multiple quantum well structure is transparent to light when no bias is applied to the semiconductor optical modulator. Accordingly, since the reflected light from the distributed Bragg reflector outside the semiconductor optical modulator returns to the active region of the surface emitting semiconductor laser element, a high reflectivity of 99% or more necessary for laser oscillation can be obtained.

一方、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造のエネルギーバンドギャップが縮小して、光を吸収する。そのため、実効的に分布ブラッグ反射鏡の反射率が低下して閾電流が増加し、レーザ発振が停止する。これにより、半導体光変調器の光吸収層が1μm以下と薄い場合でも、レーザ光の光強度を大きく変えることができ、光強度変調のS/N比を高くすることができる。   On the other hand, when a reverse bias is applied to the semiconductor optical modulator, the energy band gap of the multiple quantum well structure is reduced by the quantum confined Stark effect to absorb light. Therefore, the reflectivity of the distributed Bragg reflector is effectively reduced, the threshold current is increased, and laser oscillation is stopped. Thereby, even when the light absorption layer of the semiconductor light modulator is as thin as 1 μm or less, the light intensity of the laser light can be greatly changed, and the S / N ratio of the light intensity modulation can be increased.

分布ブラッグ反射鏡内で半導体光変調器を設ける位置は、分布ブラッグ反射鏡の中で光強度分布の強い位置が望ましい。すなわち、共振器に近い側で腹の位置に設けることが望ましい。光強度分布の強い位置に半導体光変調器を設けると、レーザ素子内で半導体光変調器による光吸収の効果が大きくなるため、より小さい吸収係数の変化でレーザ光強度を変調することができる。   The position where the semiconductor optical modulator is provided in the distributed Bragg reflector is preferably a position where the light intensity distribution is strong in the distributed Bragg reflector. That is, it is desirable to provide the antinode on the side close to the resonator. When the semiconductor light modulator is provided at a position where the light intensity distribution is strong, the effect of light absorption by the semiconductor light modulator is increased in the laser element, so that the laser light intensity can be modulated with a smaller change in absorption coefficient.

また、半導体光変調器を共振器内に設けた場合には、共振器内に面発光半導体レーザ素子の1電極及び半導体光変調器の1電極を形成する必要がある。そのため、活性層から共振器にオーバーフローしたキャリアは、電極に流れ込んでしまう。一方、半導体光変調器を分布ブラッグ反射鏡内に設けた場合には、活性層から共振器にあふれたキャリアは、バンドギャップの大きい分布ブラッグ反射鏡の低屈折率層でブロックされる。従って、活性層へのキャリア閉じ込めを高くすることができる。   When the semiconductor optical modulator is provided in the resonator, it is necessary to form one electrode of the surface emitting semiconductor laser element and one electrode of the semiconductor optical modulator in the resonator. Therefore, the carrier overflowed from the active layer to the resonator flows into the electrode. On the other hand, when the semiconductor optical modulator is provided in the distributed Bragg reflector, carriers overflowing from the active layer to the resonator are blocked by the low refractive index layer of the distributed Bragg reflector having a large band gap. Therefore, carrier confinement in the active layer can be increased.

(第9の実施形態)
また、本発明の半導体発光装置において、半導体光変調器を面発光半導体レーザ素子の基板側の分布ブラッグ反射鏡内に位置させることもできる。
(Ninth embodiment)
In the semiconductor light emitting device of the present invention, the semiconductor optical modulator can be positioned in the distributed Bragg reflector on the substrate side of the surface emitting semiconductor laser element.

面発光半導体レーザ素子の電流狭窄構造を形成する方法として、AlAs層を側面から水蒸気で選択的に酸化させて、AlOx絶縁領域を形成する方法が一般的である。半導体光変調器を基板と反対側の分布ブラッグ反射鏡(上部)内に設けた場合、半導体光変調器の下部電極及び面発光半導体レーザ素子の上部電極は、上部分布ブラッグ反射鏡の途中のテラス上に形成しなければならない。そのため、面発光半導体レーザ素子において活性層及びAlAs層をエッチングして形成するメササイズは、テラスの分だけ大きくなる。   As a method of forming a current confinement structure of a surface emitting semiconductor laser element, a method of forming an AlOx insulating region by selectively oxidizing an AlAs layer with water vapor from the side surface is common. When the semiconductor optical modulator is provided in the distributed Bragg reflector (upper) on the side opposite to the substrate, the lower electrode of the semiconductor optical modulator and the upper electrode of the surface emitting semiconductor laser element are arranged on the terrace in the middle of the upper distributed Bragg reflector. Must be formed on top. Therefore, the mesa size formed by etching the active layer and the AlAs layer in the surface emitting semiconductor laser element is increased by the amount of the terrace.

一方、半導体光変調器を基板側の分布ブラッグ反射鏡(下部)内に設けた場合、半導体光変調器の上部電極及び面発光半導体レーザ素子の下部電極は、活性層及びAlAs層よりも下側のテラスに形成することができる。従って、活性層及びAlAs層をエッチングして形成するメササイズをより小さくすることができる。   On the other hand, when the semiconductor optical modulator is provided in the distributed Bragg reflector (lower part) on the substrate side, the upper electrode of the semiconductor optical modulator and the lower electrode of the surface emitting semiconductor laser element are lower than the active layer and the AlAs layer. Can be formed on the terrace. Therefore, the mesa size formed by etching the active layer and the AlAs layer can be further reduced.

すなわち、同じ電流狭窄面積を形成するために、半導体光変調器を基板と反対側の分布ブラッグ反射鏡(上部)内に設けた場合には、選択酸化する距離を長くしなければならない。選択酸化する距離が長くなると、わずかな酸化レートの違いで、電流狭窄面積にばらつきが生じてしまい、面発光半導体レーザ素子の閾電流のばらつきを引き起こしてしまう。   That is, in order to form the same current confinement area, when the semiconductor optical modulator is provided in the distributed Bragg reflector (upper part) on the side opposite to the substrate, the distance for selective oxidation must be increased. If the distance for selective oxidation becomes longer, a slight difference in oxidation rate causes variations in the current confinement area, resulting in variations in the threshold current of the surface emitting semiconductor laser element.

一方、半導体光変調器を基板側の分布ブラッグ反射鏡(下部)内に設けることにより、側面からAlAs層を酸化する距離をより小さくできるため、選択酸化の制御が容易となり、電流狭窄面積のばらつきを抑制することができる。   On the other hand, by providing the semiconductor optical modulator in the distributed Bragg reflector (lower part) on the substrate side, the distance for oxidizing the AlAs layer from the side surface can be made smaller, so that the selective oxidation can be easily controlled and the current confinement area varies. Can be suppressed.

上記の効果は基板の導電型がn型である場合でも、p型である場合でも同様に有している。また、電極が3端子である場合も、4端子である場合でも同様の効果を有している。ただし、選択酸化するAlAs層は、少なくとも活性層からみてp型の側に設ける必要がある。重要な点は、半導体光変調器を基板側の分布ブラッグ反射鏡内に設けることにより、半導体光変調器の1電極及び面発光半導体レーザ素子の1電極を形成するためのテラスが、活性層及びAlAs層よりも下側に設けることが可能となる点である。   The above effect is similarly obtained whether the conductivity type of the substrate is n-type or p-type. In addition, the same effect is obtained when the electrode has three terminals or four terminals. However, the AlAs layer to be selectively oxidized needs to be provided on the p-type side at least from the active layer. The important point is that the terrace for forming one electrode of the semiconductor light modulator and one electrode of the surface emitting semiconductor laser element is formed by providing the semiconductor light modulator in the distributed Bragg reflector on the substrate side. This is a point that can be provided below the AlAs layer.

<実施例6>
図6は本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図であり、図6の半導体発光装置は、面型半導体発光装置(光変調器集積型面発光半導体レーザ装置)として構成されており、面発光型半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されたものとなっている。すなわち、レーザ光強度を変調する電界吸収型半導体光変調器は、面発光半導体レーザにおける基板側のDBR(分布ブラッグ反射器)の途中に挿入されている。
<Example 6>
FIG. 6 is a diagram showing another configuration example of the semiconductor light emitting device according to the present invention. The semiconductor light emitting device of FIG. 6 is configured as a surface type semiconductor light emitting device (optical modulator integrated type surface emitting semiconductor laser device). The surface emitting semiconductor laser and the electroabsorption semiconductor optical modulator are monolithically integrated in the stacking direction. That is, the electroabsorption semiconductor optical modulator that modulates the laser light intensity is inserted in the middle of a substrate-side DBR (distributed Bragg reflector) in the surface emitting semiconductor laser.

具体的に、図6において、n型GaAs基板101上には、n型GaAs/Al0.8Ga0.2Asの下部DBR1201、多重量子井戸構造506、p型GaAs/Al0.8Ga0.2Asの下部DBR1202、p型AlAs層501、GaAs下部スペーサ層202、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203、GaAs上部スペーサ層205、n型GaAs/Al0.8Ga0.2Asの上部DBR1203が順次に積層されている。 Specifically, in FIG. 6, an n-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As lower DBR 1201, a multiple quantum well structure 506, a p-type GaAs / Al 0.8 Ga 0 are formed on an n-type GaAs substrate 101. .2 As lower DBR 1202, p-type AlAs layer 501, GaAs lower spacer layer 202, GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203, GaAs upper spacer layer 205, n-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As upper portion DBR 1203 is sequentially stacked.

また、多重量子井戸構造506の積層構成は、例えば図4(b)のようになっている。すなわち、図4(b)の例では、多重量子井戸構造506は、GaInNAsを量子井戸層506aとし、Al0.2Ga0.8Asを障壁層506bとして交互に積層されている。そして、GaInNAs量子井戸層506aとAl0.2Ga0.8As障壁層506bとの界面には、層厚2nmのGaAs中間層506cが設けられている。 Further, the stacked structure of the multiple quantum well structure 506 is as shown in FIG. 4B, for example. That is, in the example of FIG. 4B, the multiple quantum well structure 506 is alternately stacked with GaInNAs as the quantum well layer 506a and Al 0.2 Ga 0.8 As as the barrier layer 506b. A GaAs intermediate layer 506c having a thickness of 2 nm is provided at the interface between the GaInNAs quantum well layer 506a and the Al 0.2 Ga 0.8 As barrier layer 506b.

このように、Nを構成元素として含むGaInNAs量子井戸層506aとAlを構成元素として含むAl0.2Ga0.8As障壁層506bとの間に、構成元素としてNとAlを含まないGaAs中間層506cを設けることで、界面のN偏析を抑制し、高品質の量子井戸構造を形成している。 Thus, between the GaInNAs quantum well layer 506a containing N as a constituent element and the Al 0.2 Ga 0.8 As barrier layer 506b containing Al as a constituent element, a GaAs intermediate that does not contain N and Al as constituent elements. By providing the layer 506c, N segregation at the interface is suppressed and a high-quality quantum well structure is formed.

多重量子井戸構造506の層層は、レーザ発振波長に対して位相整合条件を満たすように(すなわち、1/4光学波長厚の整数倍となるように)、層厚が設定されている。   The layer thickness of the multiple quantum well structure 506 is set so that the phase matching condition is satisfied with respect to the laser oscillation wavelength (that is, an integral multiple of the quarter optical wavelength thickness).

図6において、このように順次に積層された積層構造は、p型GaAs/Al0.8Ga0.2Asの下部DBR1202の最表面が露出するようにドライエッチングされて、柱状構造が形成されている。 In FIG. 6, the stacked structure sequentially stacked in this manner is dry-etched so that the outermost surface of the lower DBR 1202 of p-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As is exposed, thereby forming a columnar structure. ing.

また、柱状構造周辺部のp型AlAs層501は、エッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて、AlO絶縁領域503が形成されている。 In addition, the p-type AlAs layer 501 at the periphery of the columnar structure is selectively oxidized from the side surface exposed by etching to form an AlO x insulating region 503.

また図6では、柱状構造最表面であるn型上部DBR1203の表面に、光を取り出す領域を除いてレーザ駆動用のn側電極1204が形成されている。そして、エッチングによりp型下部DBR1202表面が露出したテラス面には、p側共通電極510が形成されている。また、n型GaAs基板101の裏面には、変調用のn側電極111が形成されている。   In FIG. 6, an n-side electrode 1204 for driving the laser is formed on the surface of the n-type upper DBR 1203 that is the outermost surface of the columnar structure, except for a region where light is extracted. A p-side common electrode 510 is formed on the terrace surface where the surface of the p-type lower DBR 1202 is exposed by etching. A modulation n-side electrode 111 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 101.

図6の構成では、面発光半導体レーザにおいて、p側電極510とn側電極1204に順方向バイアスを印加することにより、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203にキャリアが注入される。このとき、選択酸化で形成したAlO絶縁領域509によって、電流は柱状構造よりも狭い領域に狭窄される。これにより、電流を集中させて閾電流を低減させることができる。 In the configuration of FIG. 6, carriers are injected into the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 by applying a forward bias to the p-side electrode 510 and the n-side electrode 1204 in the surface emitting semiconductor laser. At this time, the current is confined to a region narrower than the columnar structure by the AlO x insulating region 509 formed by selective oxidation. Thereby, the current can be concentrated and the threshold current can be reduced.

GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203に注入されたキャリアは発光再結合して、GaInNAs井戸層のバンドギャップに対応した1.3μm帯の光が放射される。そして、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203で発生した光は、n型上部DBR1203と、p型下部DBR1202及びn型下部DBR1201とで構成された共振器内で共振してレーザ発振する。レーザ光は、GaAs基板101に対して垂直上方から取り出される。   The carriers injected into the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 are recombined to emit light, and light in the 1.3 μm band corresponding to the band gap of the GaInNAs well layer is emitted. The light generated in the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 resonates in the resonator composed of the n-type upper DBR 1203, the p-type lower DBR 1202, and the n-type lower DBR 1201 and oscillates. The laser light is extracted from vertically above the GaAs substrate 101.

電界吸収型半導体光変調器においては、p側電極510とn側電極111にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造506は光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ部の活性領域に対して、p型下部DBR1202に加えてn型下部DBR1201からの反射光が戻るため、レーザ発振に必要な99%以上の高い反射率が得られる。   In the electroabsorption semiconductor optical modulator, when no bias is applied to the p-side electrode 510 and the n-side electrode 111, the multiple quantum well structure 506 is transparent to light. Accordingly, since the reflected light from the n-type lower DBR 1201 in addition to the p-type lower DBR 1202 returns to the active region of the surface emitting semiconductor laser portion, a high reflectivity of 99% or more necessary for laser oscillation is obtained.

一方、p側電極510とn側電極111に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造506のエネルギーバンドギャップが縮小して、光を吸収する。そのため、実効的に基板側(下部)のDBRの反射率が低下して、レーザ発振が停止する。これにより、レーザ光の光強度を変調することができる。   On the other hand, when a reverse bias is applied to the p-side electrode 510 and the n-side electrode 111, the energy band gap of the multiple quantum well structure 506 is reduced due to the quantum confined Stark effect and absorbs light. Therefore, the reflectivity of the DBR on the substrate side (lower part) is effectively reduced, and laser oscillation is stopped. Thereby, the light intensity of the laser beam can be modulated.

図6に示した半導体発光装置においては、半導体光変調器を基板側の分布ブラッグ反射鏡(下部)内に設けており、半導体光変調器の上部電極及び面発光半導体レーザ素子の下部電極であるp側電極510は、活性層203及びAlAs層501よりも下側のテラスに形成することができる。従って、活性層203及びAlAs層501をエッチングして形成するメササイズをより小さくすることができる。   In the semiconductor light emitting device shown in FIG. 6, the semiconductor optical modulator is provided in a distributed Bragg reflector (lower part) on the substrate side, which is the upper electrode of the semiconductor optical modulator and the lower electrode of the surface emitting semiconductor laser element. The p-side electrode 510 can be formed on the terrace below the active layer 203 and the AlAs layer 501. Therefore, the mesa size formed by etching the active layer 203 and the AlAs layer 501 can be further reduced.

すなわち、同じ電流狭窄面積を形成するために、半導体光変調器を基板と反対側の分布ブラッグ反射鏡(上部)内に設けた場合には、選択酸化する距離を長くしなければならない。選択酸化する距離が長くなると、わずかな酸化レートの違いで、電流狭窄面積にばらつきが生じてしまい、面発光半導体レーザ素子の閾電流のばらつきを引き起こしてしまう。   That is, in order to form the same current confinement area, when the semiconductor optical modulator is provided in the distributed Bragg reflector (upper part) on the side opposite to the substrate, the distance for selective oxidation must be increased. If the distance for selective oxidation becomes longer, a slight difference in oxidation rate causes variations in the current confinement area, resulting in variations in the threshold current of the surface emitting semiconductor laser element.

一方、半導体光変調器を基板側の分布ブラッグ反射鏡(下部)内に設けることにより、側面からAlAs層501を酸化する距離をより小さくできるため、選択酸化の制御が容易となり、電流狭窄面積のばらつきを抑制することができる。   On the other hand, by providing the semiconductor optical modulator in the distributed Bragg reflector (lower part) on the substrate side, the distance for oxidizing the AlAs layer 501 from the side surface can be made smaller, so that the selective oxidation can be easily controlled and the current confinement area can be reduced. Variations can be suppressed.

(第10の実施形態)
本発明の第10の実施形態による半導体発光装置は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、多重量子井戸構造を光吸収層とする半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴としている。
(Tenth embodiment)
In the semiconductor light emitting device according to the tenth embodiment of the present invention, a surface emitting semiconductor laser element and a semiconductor optical modulator having a multiple quantum well structure as a light absorption layer are monolithically integrated on a single crystal semiconductor substrate in the stacking direction. The semiconductor optical modulator is located in the resonator of the surface emitting semiconductor laser element or in the semiconductor distributed Bragg reflector of the surface emitting semiconductor laser element.

面型の半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子とを、積層方向にシリアルに積層する場合には、面発光半導体レーザ素子で発振した光を半導体光変調器の光吸収層で吸収させて減衰させるのに、数10μm以上の厚さが必要となり、作製が困難である。光吸収層の層厚が薄い場合、レーザ光が半導体光変調器を透過する場合と吸収される場合との光強度の違いが小さくなり、光強度変調のS/N比が低下してしまう。   When a surface-type semiconductor optical modulator and a surface-emitting semiconductor laser device are stacked serially in the stacking direction, the light oscillated by the surface-emitting semiconductor laser device is absorbed by the light absorption layer of the semiconductor optical modulator and attenuated. For this purpose, a thickness of several tens of μm or more is required, which is difficult to manufacture. When the thickness of the light absorption layer is thin, the difference in light intensity between when the laser light is transmitted through the semiconductor optical modulator and when it is absorbed becomes small, and the S / N ratio of the light intensity modulation is lowered.

一方、この第10の実施形態においては、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の共振器内または半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置しており、半導体光変調器にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造は光に対して透明となっている。従って、面発光半導体レーザ素子内において光吸収損失がないため、低い閾電流でレーザ発振する。一方、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造のエネルギーバンドギャップが縮小して、光を吸収する。そのため、面発光半導体レーザ素子内の光吸収損失が増大し、面発光半導体レーザ素子の閾電流が増加する。   On the other hand, in the tenth embodiment, when the semiconductor optical modulator is located in the resonator of the surface emitting semiconductor laser element or in the semiconductor distributed Bragg reflector, and no bias is applied to the semiconductor optical modulator. The multiple quantum well structure is transparent to light. Accordingly, since there is no light absorption loss in the surface emitting semiconductor laser element, laser oscillation occurs with a low threshold current. On the other hand, when a reverse bias is applied to the semiconductor optical modulator, the energy band gap of the multiple quantum well structure is reduced by the quantum confined Stark effect to absorb light. Therefore, the light absorption loss in the surface emitting semiconductor laser element increases, and the threshold current of the surface emitting semiconductor laser element increases.

従って、注入電流を一定にした場合に、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加しない場合と印加した場合とで、レーザ発振状態とレーザ発振停止状態とをスイッチすることができる。これにより、半導体光変調器の光吸収層が1μm以下と薄くして光吸収係数の変化が小さい場合でも、レーザ光の光強度を大きく変えることができる。従って、光強度変調のS/N比を高くすることができる。なお、半導体光変調器に逆方向バイアスを印加した場合、必ずしもレーザ発振が停止しなくても、閾電流が増加することで、光出力は大きく低下する。よって、レーザ発振させた状態で光強度を変調させることも可能である。   Therefore, when the injection current is made constant, the laser oscillation state and the laser oscillation stop state can be switched between when the reverse bias is not applied to the semiconductor optical modulator and when it is applied. Thereby, even when the light absorption layer of the semiconductor light modulator is thinned to 1 μm or less and the change in the light absorption coefficient is small, the light intensity of the laser light can be greatly changed. Therefore, the S / N ratio of the light intensity modulation can be increased. When a reverse bias is applied to the semiconductor optical modulator, the optical output is greatly reduced by increasing the threshold current even if laser oscillation does not necessarily stop. Therefore, it is also possible to modulate the light intensity with the laser oscillated.

特開平5−152674号公報には、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子をモノリシックに集積した構造が報告されている。特開平5−152674号公報では、面発光半導体レーザ素子でレーザ発振したレーザ光を半導体光変調器で外部変調しているものであり、レーザ発振した光を半導体光変調器で吸収させて光強度を変化させている。従って、光吸収層の層厚が薄い場合に、光強度変調のS/N比が低下してしまう課題は十分に解決されていない。一方、この第10の実施形態では、半導体光変調器の光吸収層で半導体レーザの内部損失を変化させており、わずかな吸収率の変化で光出力を大きく変えることが可能となる。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-152673 reports a structure in which a semiconductor optical modulator and a surface emitting semiconductor laser element are monolithically integrated. In Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-152675, laser light oscillated by a surface emitting semiconductor laser element is externally modulated by a semiconductor optical modulator, and the laser oscillated light is absorbed by the semiconductor optical modulator to obtain a light intensity. Is changing. Therefore, the problem that the S / N ratio of the light intensity modulation is lowered when the light absorption layer is thin has not been sufficiently solved. On the other hand, in the tenth embodiment, the internal loss of the semiconductor laser is changed by the light absorption layer of the semiconductor optical modulator, and the light output can be greatly changed by a slight change in the absorptance.

<実施例7>
図14は、本発明に係る他の半導体発光装置の構成例を示す図である。図14の半導体発光装置は、p型GaAs基板1401上に、p型Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1Asの下部DBR1402、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸光吸収層1403、n型Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1AsのDBR1404、Al0.2Ga0.8As下部スペーサ層1405、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸活性層1406、Al0.2Ga0.8As上部スペーサ層1407、p型AlAs層501、p型Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1Asの上部DBR1408が順次に積層されている。
<Example 7>
FIG. 14 is a diagram showing a configuration example of another semiconductor light emitting device according to the present invention. The semiconductor light emitting device of FIG. 14 has a lower DBR 1402 of p-type Al 0.2 Ga 0.8 As / Al 0.9 Ga 0.1 As, GaAs / Al 0.2 Ga 0. 8 As multiple quantum well light absorption layer 1403, n-type Al 0.2 Ga 0.8 As / Al 0.9 Ga 0.1 As DBR 1404, Al 0.2 Ga 0.8 As lower spacer layer 1405, GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well active layer 1406, Al 0.2 Ga 0.8 As upper spacer layer 1407, p-type AlAs layer 501, p-type Al 0.2 Ga 0.8 As / Al 0 .9 Ga 0.1 As upper DBR 1408 are sequentially stacked.

そして、このように順次に積層された積層構造は、ドライエッチングされて、柱状構造が形成されている。柱状構造は、n型Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1AsのDBR1404に達する深さまでエッチングされている。 The stacked structure sequentially stacked in this manner is dry-etched to form a columnar structure. The columnar structure is etched to a depth that reaches the DBR 1404 of n-type Al 0.2 Ga 0.8 As / Al 0.9 Ga 0.1 As.

そして、柱状構造周辺部のp型AlAs層501は、エッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて、AlO絶縁領域509が形成されている。これにより、電流をメササイズよりも狭い領域に狭窄している。 Then, the p-type AlAs layer 501 at the periphery of the columnar structure is selectively oxidized from the side surface exposed by etching to form an AlO x insulating region 509. As a result, the current is confined in a region narrower than the mesa size.

また、図14では、柱状構造最表面であるp型Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1Asの上部DBR1408の表面に、光を取り出す領域を除いてp側電極1413が形成されている。そして、エッチングにより表面が露出したテラス面には、n側共通電極1412が形成されている。また、p型GaAs基板1401の裏面には、p側電極1411が形成されている。 In FIG. 14, the p-side electrode is formed on the surface of the upper DBR 1408 of p-type Al 0.2 Ga 0.8 As / Al 0.9 Ga 0.1 As, which is the outermost surface of the columnar structure, except for the region for extracting light. 1413 is formed. An n-side common electrode 1412 is formed on the terrace surface whose surface is exposed by etching. A p-side electrode 1411 is formed on the back surface of the p-type GaAs substrate 1401.

図14の構成では、p側電極1413とn側電極1412に順方向バイアスを印加することにより、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸活性層1406にキャリアが注入される。このとき、選択酸化で形成されたAlO絶縁領域509によって、電流は柱状構造よりも狭い領域に狭窄される。GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸活性層1406に注入されたキャリアは発光再結合して、0.85μm帯の光が放射される。そして、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸活性層1406で発生した光は、p型下部DBR1402及びn型DBR1404と、p型上部DBR1408とで構成された共振器内で共振してレーザ発振する。図14の半導体発光装置は、レーザ光を、GaAs基板1401に対して垂直上方から取り出せる面発光半導体レーザ素子となっている。 In the configuration of FIG. 14, carriers are injected into the GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well active layer 1406 by applying a forward bias to the p-side electrode 1413 and the n-side electrode 1412. At this time, the current is confined to a region narrower than the columnar structure by the AlO x insulating region 509 formed by selective oxidation. Carriers injected into the GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well active layer 1406 recombine with light to emit light in the 0.85 μm band. The light generated in the GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well active layer 1406 resonates in a resonator composed of the p-type lower DBR 1402, the n-type DBR 1404, and the p-type upper DBR 1408. Laser oscillation. The semiconductor light emitting device of FIG. 14 is a surface emitting semiconductor laser element that can extract laser light from vertically above a GaAs substrate 1401.

また、図14の構成において、p側電極1411とn側電極1412にバイアスを印加しない場合には、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸光吸収層1403は、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸活性層1406で発生する光に対して透明となるようにバンドギャップが設計されている。従って、面発光半導体レーザ素子内において、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸光吸収層1403は光吸収損失を生じることなく、低閾電流でレーザ発振する。 In the configuration of FIG. 14, when no bias is applied to the p-side electrode 1411 and the n-side electrode 1412, the GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well light absorption layer 1403 has a GaAs / Al 0 The band gap is designed to be transparent to the light generated in the .2 Ga 0.8 As multiple quantum well active layer 1406. Therefore, in the surface emitting semiconductor laser element, the GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well light absorption layer 1403 oscillates with a low threshold current without causing light absorption loss.

一方、p側電極1411とn側電極1412に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果によりGaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸光吸収層1403のエネルギーバンドギャップが縮小する。これにより、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸活性層1406で発生した光を吸収するようになる。そのため、面発光半導体レーザ素子の内部光吸収損失が増加し、これにより、レーザの閾電流が増加する。 On the other hand, when a reverse bias is applied to the p-side electrode 1411 and the n-side electrode 1412, the energy band gap of the GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well light absorption layer 1403 is reduced by the quantum confined Stark effect. As a result, the light generated in the GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well active layer 1406 is absorbed. As a result, the internal light absorption loss of the surface emitting semiconductor laser element increases, thereby increasing the threshold current of the laser.

従って、p側電極1413とn側電極1412からGaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸活性層1406に注入する電流値を、p側電極1411とn側電極1412にバイアスを印加しない場合の閾電流値と、p側電極1411とn側電極1412に逆バイアスを印加したときの閾電流値との間に設定しておくと、p側電極1411とn側電極1412にバイアスを印加しない場合にはレーザ発振し、p側電極1411とn側電極1412に逆バイアスを印加した場合にはレーザ発振が停止するようになる。これにより、出力光を大きく変化させることが可能となる。 Therefore, a current value injected from the p-side electrode 1413 and the n-side electrode 1412 to the GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well active layer 1406 is not applied to the p-side electrode 1411 and the n-side electrode 1412. In this case, the bias current is applied to the p-side electrode 1411 and the n-side electrode 1412 when the threshold current value is set between the threshold current value when the reverse bias is applied to the p-side electrode 1411 and the n-side electrode 1412. If not, laser oscillation occurs. If a reverse bias is applied to the p-side electrode 1411 and the n-side electrode 1412, the laser oscillation stops. As a result, the output light can be changed greatly.

この実施例7では、レーザ発振した光を光吸収層で吸収させて光強度を変化させる方式に比べて、光吸収層の吸収係数の変化が小さくても、出力光強度を大きく変化させることができ、変調S/N比を高くすることができる。   In Example 7, the output light intensity can be changed greatly even if the change in the absorption coefficient of the light absorption layer is small, compared to the method in which the light intensity is changed by absorbing the laser-oscillated light in the light absorption layer. The modulation S / N ratio can be increased.

そして、半導体レーザ素子を直接変調する場合に比べて、GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸光吸収層1403に電界を加えて変調する方式は、高い変調周波数で動作させることができる。よって、面発光半導体レーザ素子の直接変調周波数の限界を超える10GHz以上、例えば20〜50GHzで変調することができ、大容量の光伝送システムに用いることができる。 Compared with the case where the semiconductor laser element is directly modulated, the method of modulating by applying an electric field to the GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well light absorption layer 1403 can be operated at a high modulation frequency. it can. Therefore, modulation can be performed at 10 GHz or more exceeding the limit of the direct modulation frequency of the surface emitting semiconductor laser element, for example, 20 to 50 GHz, and can be used for a large capacity optical transmission system.

この実施例7では、GaAs/AlGaAs系材料を用いた0.85μm帯の面発光半導体レーザ素子の例を示したが、この材料系に限定されるものではなく、InGaAs/AlGaAs系やGaInP/AlGaInP系、InGaN/AlGaN系、GaInNAsSb/AlGaAs系等の面発光半導体レーザに適用することができる。   In Example 7, an example of a 0.85 μm band surface emitting semiconductor laser element using a GaAs / AlGaAs-based material was shown, but the present invention is not limited to this material system, and the InGaAs / AlGaAs-based or GaInP / AlGaInP is not limited thereto. The present invention can be applied to surface emitting semiconductor lasers such as an InGaN / InGaN / AlGaN system and a GaInNAsSb / AlGaAs system.

(第11の実施形態)
また、本発明の第11の実施形態による半導体発光装置は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器が面発光半導体レーザ素子の光出射面と反対側の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴としている。
(Eleventh embodiment)
In the semiconductor light emitting device according to the eleventh embodiment of the present invention, the surface emitting semiconductor laser element and the semiconductor optical modulator including the light absorption layer are monolithically integrated on the single crystal semiconductor substrate in the stacking direction. The semiconductor optical modulator is located in the semiconductor distributed Bragg reflector opposite to the light emitting surface of the surface emitting semiconductor laser element.

面発光半導体レーザ素子では、閾電流を低減するために、一般に分布ブラッグ反射鏡の反射率を99%以上と高くする。特に、光出射面と反対側の分布ブラッグ反射鏡は、外部に光を取り出す必要がないため、例えば99.9%と非常に高い反射率で設計する。それに対して、光出射面側の分布ブラッグ反射鏡の反射率は、光取り出し効率を上げるために、光出射面と反対側の分布ブラッグ反射鏡の反射率よりも低く設定する。   In the surface emitting semiconductor laser device, in order to reduce the threshold current, the reflectance of the distributed Bragg reflector is generally increased to 99% or more. In particular, the distributed Bragg reflector on the side opposite to the light exit surface does not need to extract light to the outside, and is designed with a very high reflectivity, for example, 99.9%. On the other hand, the reflectance of the distributed Bragg reflector on the light exit surface side is set lower than that of the distributed Bragg reflector on the side opposite to the light exit surface in order to increase the light extraction efficiency.

この第11の実施形態においては、半導体光変調器が、より高反射率を必要とする光出射面と反対側の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置している。従って、半導体光変調器によって光吸収係数を変化させた場合に、高反射率側の分布ブラッグ反射鏡の反射率を低下させるため、閾電流をより大きく変化させることが可能となる。   In the eleventh embodiment, the semiconductor optical modulator is located in the semiconductor distributed Bragg reflector on the side opposite to the light exit surface that requires higher reflectivity. Therefore, when the light absorption coefficient is changed by the semiconductor optical modulator, the reflectance of the distributed Bragg reflector on the high reflectance side is lowered, so that the threshold current can be changed more greatly.

(第12の実施形態)
また、本発明の第12の実施形態による半導体発光装置は、単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置しており、半導体光変調器の変調用電極の少なくとも一方は、半導体光変調器に隣接した半導体分布ブラッグ反射鏡の1周期以下の位置に設けられていることを特徴としている。
(Twelfth embodiment)
In the semiconductor light emitting device according to the twelfth embodiment of the present invention, the surface emitting semiconductor laser element and the semiconductor optical modulator including the light absorption layer are monolithically integrated on the single crystal semiconductor substrate in the stacking direction. The semiconductor optical modulator is located in the semiconductor distributed Bragg reflector of the surface emitting semiconductor laser element, and at least one of the modulation electrodes of the semiconductor optical modulator is a semiconductor distributed Bragg reflector adjacent to the semiconductor optical modulator. It is characterized by being provided at a position of one cycle or less.

半導体分布ブラッグ反射鏡は、バンドギャップエネルギーが異なる高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層して形成されている。そのため、高屈折率層と低屈折率層の界面にはヘテロスパイクが発生してキャリアの注入を妨げてしまい、抵抗が高くなってしまう。また、ヘテロ界面に形成される空乏層は、分布ブラッグ反射鏡の容量成分を増加させる。従って、半導体分布ブラッグ反射鏡は、高い抵抗と容量により、高周波伝達特性を劣化させてしまう。   The semiconductor distributed Bragg reflector is formed by alternately stacking high refractive index layers and low refractive index layers having different band gap energies. For this reason, a hetero spike occurs at the interface between the high refractive index layer and the low refractive index layer, preventing carrier injection and increasing the resistance. In addition, the depletion layer formed at the heterointerface increases the capacitive component of the distributed Bragg reflector. Accordingly, the semiconductor distributed Bragg reflector deteriorates the high-frequency transmission characteristics due to high resistance and capacitance.

一方、この第12の実施形態においては、半導体光変調器の光吸収層の光吸収係数を変化させる変調用電極が、半導体光変調器に隣接した半導体分布ブラッグ反射鏡の1周期以下の位置に設けられている。従って、変調用電極にバイアスを印加したときに、半導体分布ブラッグ反射鏡を1周期以上通ることなく光吸収層に電界がかかるため、抵抗と容量による遅延の影響を低減して、より高周波で動作させることが可能となる。   On the other hand, in the twelfth embodiment, the modulation electrode that changes the light absorption coefficient of the light absorption layer of the semiconductor light modulator is positioned at one cycle or less of the semiconductor distributed Bragg reflector adjacent to the semiconductor light modulator. Is provided. Therefore, when a bias is applied to the modulation electrode, an electric field is applied to the light absorption layer without passing through the semiconductor distributed Bragg reflector for more than one period, so that the influence of delay due to resistance and capacitance is reduced, and operation is performed at higher frequencies. It becomes possible to make it.

<実施例8>
図15は、本発明に係る他の半導体発光装置の構成例を示す図である。図15の半導体発光装置は、n型GaAs基板101上に、n型GaAs/Al0.8Ga0.2AsのDBR201、n型GaAs下部スペーサ層202、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203、p型GaAs上部スペーサ層205、p型AlAs層501、p型GaAs層1501が順次に積層されている。
<Example 8>
FIG. 15 is a diagram showing a configuration example of another semiconductor light emitting device according to the present invention. 15 includes an n-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As DBR 201, an n-type GaAs lower spacer layer 202, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 on an n-type GaAs substrate 101. A p-type GaAs upper spacer layer 205, a p-type AlAs layer 501, and a p-type GaAs layer 1501 are sequentially stacked.

そして、p型GaAs層1501上には、AlO絶縁層503が形成されており、さらに、AlO絶縁層503上には、電界吸収型半導体光変調器を構成するn型GaAs層1502、多重量子井戸構造506、p型GaAs層1503が積層されている。 An AlO x insulating layer 503 is formed on the p-type GaAs layer 1501. Further, an n-type GaAs layer 1502 constituting an electroabsorption semiconductor optical modulator is formed on the AlO x insulating layer 503. A quantum well structure 506 and a p-type GaAs layer 1503 are stacked.

ここで、AlO絶縁層503は、面発光半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器とを電気的に絶縁する働きをしている。 Here, the AlO x insulating layer 503 functions to electrically insulate the surface emitting semiconductor laser from the electroabsorption semiconductor optical modulator.

また、多重量子井戸構造506の積層構成は、例えば図4(b)のようになっている。すなわち、図4(b)の例では、多重量子井戸構造506は、GaInNAsを量子井戸層506aとし、Al0.2Ga0.8Asを障壁層506bとして交互に積層されている。そして、GaInNAs量子井戸層506aとAl0.2Ga0.8As障壁層506bとの界面には、層厚2nmのGaAs中間層506cが設けられている。 Further, the stacked structure of the multiple quantum well structure 506 is as shown in FIG. 4B, for example. That is, in the example of FIG. 4B, the multiple quantum well structure 506 is alternately stacked with GaInNAs as the quantum well layer 506a and Al 0.2 Ga 0.8 As as the barrier layer 506b. A GaAs intermediate layer 506c having a thickness of 2 nm is provided at the interface between the GaInNAs quantum well layer 506a and the Al 0.2 Ga 0.8 As barrier layer 506b.

図15において、さらに、p型GaAs層1503上には、p型GaAs/Al0.8Ga0.2AsのDBR508が積層されている。 In FIG. 15, a p-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As DBR 508 is further stacked on the p-type GaAs layer 1503.

図15において、このように順次に積層された積層構造は、4段の階段状にドライエッチングされて、柱状構造が形成されている。上から1段目は、p型GaAs層1503の表面が露出するように形成されており、2段目はn型GaAs層1502の表面が露出するように形成されており、3段目はp型GaAs層1501の表面が露出するように形成されており、4段目はn型GaAs/Al0.8Ga0.2AsのDBR201に達する深さまでエッチングされている。 In FIG. 15, the stacked structure sequentially stacked in this way is dry-etched into four steps to form a columnar structure. The first stage from the top is formed so that the surface of the p-type GaAs layer 1503 is exposed, the second stage is formed so that the surface of the n-type GaAs layer 1502 is exposed, and the third stage is p The surface of the type GaAs layer 1501 is formed so as to be exposed, and the fourth stage is etched to a depth reaching the DBR 201 of n type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As.

また、柱状構造周辺部のp型AlAs層501は、エッチングにより露出した側面から選択的に酸化されて、AlO絶縁領域509が形成されている。また、面発光半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器とを電気的に絶縁しているAlO絶縁層503は、結晶成長したAlAs層をエッチング側面から全て酸化することによって形成されている。この酸化工程は、AlO絶縁領域509を形成する選択酸化工程と同時に実施することができる。 In addition, the p-type AlAs layer 501 at the periphery of the columnar structure is selectively oxidized from the side surface exposed by etching to form an AlO x insulating region 509. In addition, the AlO x insulating layer 503 that electrically insulates the surface emitting semiconductor laser and the electroabsorption semiconductor optical modulator is formed by oxidizing the crystal-grown AlAs layer from the etching side surface. This oxidation process can be performed simultaneously with the selective oxidation process for forming the AlO x insulating region 509.

また図15において、エッチングによりp型GaAs層1503表面が露出した1段目のテラス面には、変調用のp側電極510が形成されており、エッチングによりn型GaAs層1502表面が露出した2段目のテラス面には、変調用のn側電極511が形成されている。また、エッチングによりp型GaAs層1501の表面が露出した3段目のテラス面には、レーザ駆動用のp側電極110が形成されている。また、n型GaAs基板101の裏面には、レーザ駆動用のn側電極111が形成されている。   In FIG. 15, a modulation p-side electrode 510 is formed on the first terrace surface where the surface of the p-type GaAs layer 1503 is exposed by etching, and the surface of the n-type GaAs layer 1502 is exposed by etching. A modulation n-side electrode 511 is formed on the terrace surface of the step. A p-side electrode 110 for laser driving is formed on the third terrace surface where the surface of the p-type GaAs layer 1501 is exposed by etching. An n-side electrode 111 for driving the laser is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 101.

図15の構成では、p側電極110とn側電極111に順方向バイアスを印加することにより、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203にキャリアが注入される。このとき、選択酸化で形成されたAlO絶縁領域509によって、電流は柱状構造よりも狭い領域に狭窄される。GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203に注入されたキャリアは、発光再結合して、GaInNAs井戸層のバンドギャップに対応した1.3μm帯の光が放射される。そして、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203で発生した光は、n型DBR201とp型DBR508とで構成された共振器内で共振してレーザ発振する。 In the configuration of FIG. 15, carriers are injected into the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 by applying a forward bias to the p-side electrode 110 and the n-side electrode 111. At this time, the current is confined to a region narrower than the columnar structure by the AlO x insulating region 509 formed by selective oxidation. The carriers injected into the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 are recombined for light emission, and 1.3 μm band light corresponding to the band gap of the GaInNAs well layer is emitted. Then, the light generated in the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 resonates in the resonator constituted by the n-type DBR 201 and the p-type DBR 508 and oscillates.

電界吸収型半導体光変調器においては、p側電極510とn側電極511にバイアスを印加しない場合には、多重量子井戸構造506はGaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203で発生した光に対して透明となっている。従って、光吸収損失がなく低閾電流でレーザ発振する。   In the electroabsorption semiconductor optical modulator, when a bias is not applied to the p-side electrode 510 and the n-side electrode 511, the multiple quantum well structure 506 can generate light with respect to the light generated in the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203. It is transparent. Accordingly, there is no light absorption loss and laser oscillation is performed with a low threshold current.

一方、p側電極510とn側電極511に逆方向バイアスを印加すると、量子閉じ込めシュタルク効果により多重量子井戸構造506のエネルギーバンドギャップが縮小して、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203で発生した光を吸収する。そのため、実効的にp側のDBRの反射率が低下して、閾電流が増加する。これにより、出力されるレーザ光の光強度を変調することができる。   On the other hand, when a reverse bias is applied to the p-side electrode 510 and the n-side electrode 511, the energy band gap of the multiple quantum well structure 506 is reduced due to the quantum confined Stark effect, and is generated in the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203. Absorbs light. Therefore, the reflectivity of the p-side DBR is effectively reduced and the threshold current is increased. Thereby, the light intensity of the output laser beam can be modulated.

さらに、図15の半導体発光装置においては、半導体光変調器の多重量子井戸構造506の光吸収係数を変化させる変調用電極510,511が、半導体光変調器に隣接したGaAs層1502,1503に設けられている。従って、変調用電極にバイアスを印加したときに、半導体分布ブラッグ反射鏡を通ることなく多重量子井戸構造506に電界がかかるため、半導体分布ブラッグ反射鏡の抵抗と容量による遅延の影響がなくなり、より高周波で半導体光変調器を動作させることできる。   Further, in the semiconductor light emitting device of FIG. 15, modulation electrodes 510 and 511 for changing the light absorption coefficient of the multiple quantum well structure 506 of the semiconductor optical modulator are provided on the GaAs layers 1502 and 1503 adjacent to the semiconductor optical modulator. It has been. Therefore, when a bias is applied to the modulation electrode, an electric field is applied to the multiple quantum well structure 506 without passing through the semiconductor distributed Bragg reflector, so that the influence of delay due to the resistance and capacitance of the semiconductor distributed Bragg reflector is eliminated. The semiconductor optical modulator can be operated at a high frequency.

(第13の実施形態)
上述した第6〜第12のいずれかの半導体発光装置において、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との電気的絶縁層として、AlAsまたはAlGaAsを選択酸化した層を用いることもできる。
(13th Embodiment)
In any of the sixth to twelfth semiconductor light emitting devices described above, a layer obtained by selectively oxidizing AlAs or AlGaAs may be used as the electrical insulating layer between the semiconductor optical modulator and the surface emitting semiconductor laser element.

半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との電気的絶縁には、pn逆バイアス接合が一般に用いられている。しかし、pn逆バイアス接合は、結晶欠陥等によりトンネルやブレークダウン等が生じて、大電流が面発光半導体レーザ素子の活性層に流れて素子が破壊されてしまう場合がある。   A pn reverse bias junction is generally used for electrical insulation between the semiconductor optical modulator and the surface emitting semiconductor laser element. However, in the pn reverse bias junction, tunneling, breakdown, or the like may occur due to crystal defects or the like, and a large current may flow through the active layer of the surface emitting semiconductor laser device, thereby destroying the device.

一方、AlAsまたはAlGaAsを選択酸化した層は、良好な絶縁体であるAlOを形成できる。そのため、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との絶縁耐圧を、例えば20V以上に向上させることができる。 On the other hand, a layer obtained by selectively oxidizing AlAs or AlGaAs can form AlO x which is a good insulator. Therefore, the withstand voltage between the semiconductor optical modulator and the surface emitting semiconductor laser element can be improved to 20 V or more, for example.

また、AlAsまたはAlGaAsを選択酸化した層は、面発光半導体レーザ素子の電流狭窄構造にも用いられる。これにより、面発光半導体レーザ素子の電流狭窄用の選択酸化工程と、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との絶縁用の選択酸化工程とを、共通の工程で実施することもできる。この際、面発光半導体レーザ素子の電流狭窄用の選択酸化距離と、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との絶縁用選択酸化距離とが異なる場合には、面発光半導体レーザ素子の電流狭窄用のAlAsまたはAlGaAs層と、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との絶縁用のAlAsまたはAlGaAs層とで、層厚やAl組成を変えることにより、選択酸化レートを調整することができる。すなわち、例えば、AlAsまたはAlGaAs層の層厚を薄くすることで、酸化レートを低下できる。また、AlGaAs層のAl組成を減少させるにつれて、酸化レートを低下させることができる。   A layer obtained by selectively oxidizing AlAs or AlGaAs is also used for a current confinement structure of a surface emitting semiconductor laser element. Thereby, the selective oxidation process for current confinement of the surface emitting semiconductor laser element and the selective oxidation process for insulation between the semiconductor optical modulator and the surface emitting semiconductor laser element can be performed in a common process. At this time, if the selective oxidation distance for current confinement of the surface-emitting semiconductor laser element is different from the selective oxidation distance for insulation between the semiconductor optical modulator and the surface-emitting semiconductor laser element, the current confinement of the surface-emitting semiconductor laser element The selective oxidation rate can be adjusted by changing the layer thickness and Al composition between the AlAs or AlGaAs layer for use and the AlAs or AlGaAs layer for insulation between the semiconductor optical modulator and the surface emitting semiconductor laser element. That is, for example, by reducing the thickness of the AlAs or AlGaAs layer, the oxidation rate can be lowered. Further, the oxidation rate can be lowered as the Al composition of the AlGaAs layer is reduced.

以上説明した実施例においては、基板としてn型基板を用いているが、p型基板を用いることも可能である。また、面発光半導体レーザ素子においては、活性層近傍にトンネル接合を形成して、活性層に電流を注入させることもできる。   In the embodiment described above, an n-type substrate is used as the substrate, but a p-type substrate can also be used. In the surface emitting semiconductor laser device, a tunnel junction can be formed in the vicinity of the active layer, and current can be injected into the active layer.

(第14の実施形態)
また、本発明の第14の実施形態による半導体発光装置は、上述した第6〜第12のいずれかの半導体発光装置において、面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層との間に組成傾斜層が設けられており、組成傾斜層の層厚が30〜50nmであることを特徴としている。
(Fourteenth embodiment)
The semiconductor light emitting device according to the fourteenth embodiment of the present invention is the semiconductor light emitting device according to any one of the sixth to twelfth described above, wherein the distributed Bragg reflector of the surface emitting semiconductor laser element includes a high refractive index layer and a low refractive index layer. A composition gradient layer is provided between the refractive index layer and the thickness of the composition gradient layer is 30 to 50 nm.

図16は組成傾斜層を含むGaAs/AlAs分布ブラッグ反射鏡(4周期)において、各層のドーピング濃度を7×1017cm−3とした場合の、分布ブラッグ反射鏡の抵抗値を計算した結果を示した図である。図16より、組成傾斜層の層厚が30nmより厚くなると、分布ブラッグ反射鏡の抵抗値が急激に低下し、バルク抵抗値(図16中の点線)に近くなることがわかる。 FIG. 16 shows the calculation result of the resistance value of the distributed Bragg reflector when the doping concentration of each layer is 7 × 10 17 cm −3 in the GaAs / AlAs distributed Bragg reflector (4 periods) including the composition gradient layer. FIG. From FIG. 16, it can be seen that when the thickness of the composition gradient layer is greater than 30 nm, the resistance value of the distributed Bragg reflector rapidly decreases and approaches the bulk resistance value (dotted line in FIG. 16).

図17は、1.3μm帯のGaAs/AlAs分布ブラッグ反射鏡(23周期)において、組成傾斜層の膜厚変化に対する分布ブラッグ反射鏡の反射率の変化を示した図である。図17中に示した接線と比較すると、組成傾斜層の厚さが50nm以上から急激に反射率が変化する。そのため、面発光レーザ素子の発振閾電流はこれに対応して急激に増加してしまう。   FIG. 17 is a diagram showing a change in reflectance of the distributed Bragg reflector with respect to a change in film thickness of the composition gradient layer in a 1.3 μm band GaAs / AlAs distributed Bragg reflector (23 periods). Compared with the tangent line shown in FIG. 17, the reflectance changes abruptly when the thickness of the composition gradient layer is 50 nm or more. For this reason, the oscillation threshold current of the surface emitting laser element suddenly increases correspondingly.

従って、組成傾斜層の層厚を30〜50nmにすることによって、低抵抗で、かつ高反射率の分布ブラッグ反射鏡を形成することができる。   Therefore, by setting the thickness of the composition gradient layer to 30 to 50 nm, a distributed Bragg reflector having a low resistance and a high reflectance can be formed.

また、組成傾斜層を設けることにより、高屈折率層と低屈折率層の界面にキャリアをトラップするノッチが生じなくなるため、分布ブラッグ反射鏡の容量が低減される。   Further, by providing the composition gradient layer, a notch for trapping carriers does not occur at the interface between the high refractive index layer and the low refractive index layer, so that the capacity of the distributed Bragg reflector is reduced.

これにより、分布ブラッグ反射鏡を介して半導体光変調器にバイアスを印加する場合でも、分布ブラッグ反射鏡の抵抗と容量が低減できるため、高い変調周波数で動作させることが可能となる。   As a result, even when a bias is applied to the semiconductor optical modulator via the distributed Bragg reflector, the resistance and capacitance of the distributed Bragg reflector can be reduced, so that it can be operated at a high modulation frequency.

(第15の実施形態)
また、本発明の波長可変レーザ装置は、一対の反射鏡で構成された共振器内に、ASE(amplitude spontaneous emission)放射光源と、ASE放射光源で発生した光を波長分波する波長分波器と、波長分波器を通って分波したそれぞれの波長の光を選択し増幅する光ゲートアレイと、光ゲートアレイを通った光の強度を変調する半導体光変調器とを備え、半導体光変調器として、前述した本発明(第1または第2の実施形態)の半導体光変調器が用いられることを特徴としている。
(Fifteenth embodiment)
Further, the wavelength tunable laser device of the present invention includes an ASE (amplitude spontaneous emission) radiation source and a wavelength demultiplexer for wavelength-demultiplexing light generated by the ASE radiation source in a resonator constituted by a pair of reflecting mirrors. And an optical gate array that selects and amplifies light of each wavelength demultiplexed through the wavelength demultiplexer, and a semiconductor optical modulator that modulates the intensity of the light that has passed through the optical gate array. The above-described semiconductor optical modulator according to the present invention (first or second embodiment) is used as a device.

ここで、ASE放射光源には、次のような半導体光増幅器を用いたものを用いることができる。   Here, as the ASE radiation light source, one using the following semiconductor optical amplifier can be used.

すなわち、半導体光増幅器として、GaAs基板(例えばGaAs単結晶基板)と、利得領域と、利得領域に電流を注入するp側電極とn側電極とを備え、利得領域にはGaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料からなる半導体層が用いられるものを使用することができる。   That is, the semiconductor optical amplifier includes a GaAs substrate (for example, a GaAs single crystal substrate), a gain region, a p-side electrode and an n-side electrode for injecting a current into the gain region, and the gain region includes GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, A material using a semiconductor layer made of any material of GaInNAsSb can be used.

GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSb等のV族元素としてAsとNを含む混晶半導体は、GaAs基板上に単結晶薄膜を結晶成長可能であり、しかも石英光ファイバの伝送損失が低い波長1.2〜1.6μm帯のバンドギャップ波長を有することが知られている。従って、光ファイバ伝送に用いられる1.3μmや1.55μmのレーザ光に対して利得を有している。   A mixed crystal semiconductor containing As and N as group V elements such as GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb can grow a single crystal thin film on a GaAs substrate, and the transmission loss of a quartz optical fiber is low. It is known to have a band gap wavelength of ˜1.6 μm band. Therefore, it has a gain for 1.3 μm or 1.55 μm laser light used for optical fiber transmission.

そして、V族元素としてAsとNを含む混晶半導体は、AlGaAsやAlGaInP系材料とヘテロ接合を形成した場合、価電子帯側に対する伝導帯側のバンド不連続比を大きくできることが知られている。また、GaAs基板上に形成できるため、AlGaAsやAlGaInPといったエネルギーバンドギャップの大きい材料をクラッド層に用いることができる。従って、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料からなる利得領域とクラッド層との伝導帯バンド不連続を200meV以上と大きくとることができる。   It is known that a mixed crystal semiconductor containing As and N as a group V element can increase the band discontinuity ratio on the conduction band side with respect to the valence band side when forming a heterojunction with an AlGaAs or AlGaInP-based material. . In addition, since it can be formed on a GaAs substrate, a material having a large energy band gap such as AlGaAs or AlGaInP can be used for the cladding layer. Therefore, the conduction band discontinuity between the gain region made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNASSb, and GaInNAsSb and the clad layer can be as large as 200 meV or more.

そのため、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがなく、温度上昇による利得の減少を抑制することができる。従って、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料からなる利得領域を備えた半導体光増幅器においては、外部環境温度に対して光増幅率の変化を小さくすることができる。   For this reason, even when the external environment temperature increases, electrons overflowing from the gain region to the cladding layer do not increase rapidly, and a decrease in gain due to a temperature increase can be suppressed. Therefore, in a semiconductor optical amplifier having a gain region made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNASSb, and GaInNAsSb, the change in optical gain can be reduced with respect to the external environment temperature.

また、従来材料系であるInP基板上InGaAsP層の利得係数は、500cm−1程度と低い値となっている(文献「IEEE J. Quantum Electron.,Vol.27,pp1804−1811」を参照)。一方、GaAs基板上のGaInNAs層(1.2μm帯)の利得係数は、2243cm−1という高い値が報告されている(文献「Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.35,pp.206−209」を参照)。 Further, the gain coefficient of the InGaAsP layer on the InP substrate, which is a conventional material system, is as low as about 500 cm −1 (refer to the document “IEEE J. Quantum Electron., Vol. 27, pp 1804-1811”). On the other hand, the gain coefficient of the GaInNAs layer (1.2 μm band) on the GaAs substrate has been reported to be as high as 2243 cm −1 (see “Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 35, pp. 206-”). 209 ").

図7は、GaAs基板上に1.3μm帯のGaInNAsを活性層とする端面型LDを試作して、半導体レーザの閾電流密度Jthと全損失αの関係を実験的に求めた結果である。図7より、1.3μm帯においても、GaInNAs層の利得係数Gは1500cm−1という高い値が得られることが判明した。従って、GaAs基板上のGaInNAs層は、InP基板上のInGaAsP材料に比べて、高い利得係数を有しており、1.2〜1.3μm帯の半導体光増幅器の利得領域として用いるのに適している。 Figure 7 is a prototype end face type LD for the GaInNAs of 1.3μm band and the active layer on a GaAs substrate, is the result obtained experimentally threshold current density J th and the relationship of the total loss α of the semiconductor laser . From FIG. 7, it was found that the gain coefficient G 0 of the GaInNAs layer can be as high as 1500 cm −1 even in the 1.3 μm band. Therefore, the GaInNAs layer on the GaAs substrate has a higher gain coefficient than the InGaAsP material on the InP substrate, and is suitable for use as a gain region of a semiconductor optical amplifier in the 1.2 to 1.3 μm band. Yes.

なお、上記半導体光増幅器においては、前記利得領域は、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいづれかの材料からなる量子井戸層を複数積層した多重量子井戸構造で形成されており、該多重量子井戸構造は、エネルギーバンドギャップが異なる量子井戸層を複数積層して形成されている。   In the semiconductor optical amplifier, the gain region has a multi-quantum well structure in which a plurality of quantum well layers made of any material of GaNAs, GaInNAs, GANASSb, and GaInNAsSb are stacked. A plurality of quantum well layers having different energy band gaps are stacked.

このように、半導体光増幅器の利得領域がGaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成された量子井戸層で構成されているときには、外部環境温度に対して光増幅率の変化を小さくできる。   Thus, when the gain region of the semiconductor optical amplifier is composed of a quantum well layer made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb, the change in the optical amplification factor is reduced with respect to the external environment temperature. it can.

さらに、各量子井戸層の混晶組成または井戸幅を変えることにより、量子井戸層のエネルギーバンドギャップを異なるものにすることができる。この場合、各量子井戸層は異なる波長帯域に対して利得を有することになる。従って、エネルギーバンドギャップの異なる量子井戸層を組み合わせた多重量子井戸構造は、各量子井戸層の利得帯域を重ねあわせることにより広帯域の増幅帯域を有することができる。このような広帯域の光増幅器は、波長間隔が比較的広い波長多重分割方式の光伝送システムに応用することができる。   Furthermore, the energy band gap of a quantum well layer can be made different by changing the mixed crystal composition or well width of each quantum well layer. In this case, each quantum well layer has gain for different wavelength bands. Therefore, a multiple quantum well structure in which quantum well layers with different energy band gaps are combined can have a wide amplification band by overlapping the gain bands of the quantum well layers. Such a broadband optical amplifier can be applied to a wavelength division multiplexing optical transmission system having a relatively wide wavelength interval.

なお、異なるエネルギーバンドギャップを有する量子井戸層を組み合わせて増幅帯域(誤字修正)を広げる(得る:削除)場合に、各量子井戸層の利得を均一化することが重要である。しかし、エネルギーバンドギャップが異なると量子井戸層の利得係数が異なり、また、量子井戸層へのキャリア閉じ込め障壁高さも変化してしまう。   It is important to equalize the gain of each quantum well layer when combining (deleting) the amplification band (correction of errors) by combining quantum well layers having different energy band gaps. However, when the energy band gap is different, the gain coefficient of the quantum well layer is different, and the height of the carrier confinement barrier to the quantum well layer is also changed.

これに対し、上記半導体光増幅器では、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbを用いて量子井戸層を構成しているので、量子井戸層に加える歪量やN組成を制御することにより、同じエネルギーバンドギャップのままで利得係数を変えることができる。   On the other hand, in the semiconductor optical amplifier, since the quantum well layer is configured by using GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb, the same energy band gap can be obtained by controlling the strain amount and N composition applied to the quantum well layer. The gain coefficient can be changed as it is.

また、N組成を増加することによって量子井戸層の伝導帯バンド端位置を低下でき、Sb組成を増加することによって伝導帯バンド端位置を上昇させることができる。これにより、量子井戸層の電子閉じ込め障壁高さをそろえることも可能である。従って、エネルギーバンドギャップの異なる量子井戸構造の利得係数を均一化することが可能となっている。   Also, the conduction band edge position of the quantum well layer can be lowered by increasing the N composition, and the conduction band edge position can be raised by increasing the Sb composition. As a result, the height of the electron confinement barrier in the quantum well layer can be made uniform. Therefore, it is possible to make the gain coefficients of quantum well structures having different energy band gaps uniform.

図8(a),(b)は上述した半導体光増幅器の構成例を示す図である。なお、図8(a)は正面から見た断面図であり、図8(b)は側面から見た断面図である。   FIGS. 8A and 8B are diagrams showing a configuration example of the above-described semiconductor optical amplifier. 8A is a cross-sectional view seen from the front, and FIG. 8B is a cross-sectional view seen from the side.

図8を参照すると、この半導体光増幅器は、n型GaAs基板101上に、n型Al0.4Ga0.6Asクラッド層102、GaAs下部光導波層103、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層104、GaAs上部光導波層105、p型Ga0.5In0.5P第1クラッド層106が順次積層されている。 Referring to FIG. 8, this semiconductor optical amplifier includes an n-type Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer 102, a GaAs lower optical waveguide layer 103, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer on an n-type GaAs substrate 101. 104, a GaAs upper optical waveguide layer 105, and a p-type Ga 0.5 In 0.5 P first cladding layer 106 are sequentially stacked.

ここで、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層104は、例えば層厚7nmのGaInNAs量子井戸層と層厚10nmのGaAs障壁層を3周期積層されて構成されている。   Here, the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 104 is configured, for example, by laminating three cycles of a GaInNAs quantum well layer having a thickness of 7 nm and a GaAs barrier layer having a thickness of 10 nm.

そして、p型Ga0.5In0.5P第1クラッド層106上には、電流注入するストライプ領域の両側にn型Al0.5In0.5P電流ブロック層107が形成されている。これは、p型Ga0.5In0.5P第1クラッド層106上に、n型Al0.5In0.5P電流ブロック層107を結晶成長した後に、ストライプ領域を硫酸系エッチング溶液で化学エッチングして形成することができる。すなわち、硫酸系エッチング溶液は、AlInPをエッチングしてGaInPをエッチングしないので、n型Al0.5In0.5P電流ブロック層107のみをエッチングすることができる。 An n-type Al 0.5 In 0.5 P current blocking layer 107 is formed on both sides of the stripe region for current injection on the p-type Ga 0.5 In 0.5 P first cladding layer 106. . This is because, after the n-type Al 0.5 In 0.5 P current blocking layer 107 is grown on the p-type Ga 0.5 In 0.5 P first cladding layer 106, the stripe region is converted into a sulfuric acid-based etching solution. Can be formed by chemical etching. That is, since the sulfuric acid-based etching solution etches AlInP and does not etch GaInP, only the n-type Al 0.5 In 0.5 P current blocking layer 107 can be etched.

そして、n型Al0.5In0.5P電流ブロック層107及びストライプ領域のp型Ga0.5In0.5P第1クラッド層106上に、p型Al0.4Ga0.6As第2クラッド層108、p型GaAsキャップ層109が順次積層されている。 Then, on the n-type Al 0.5 In 0.5 P current blocking layer 107 and the p-type Ga 0.5 In 0.5 P first cladding layer 106 in the stripe region, the p-type Al 0.4 Ga 0.6 is formed. An As second cladding layer 108 and a p-type GaAs cap layer 109 are sequentially stacked.

そして、p型GaAsキャップ層109上にはp側電極110が形成され、また、n型GaAs基板101の裏面にはn側電極111が形成されている。また、劈開で形成した素子の両端面T,Tには、反射率0.2%以下の無反射膜112,113が形成されている。 A p-side electrode 110 is formed on the p-type GaAs cap layer 109, and an n-side electrode 111 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 101. Further, non-reflective films 112 and 113 having a reflectance of 0.2% or less are formed on both end faces T 1 and T 2 of the element formed by cleavage.

図8の半導体光増幅器は進行波型となっている。すなわち、後端面Tから入射したレーザ光は、入射光の波長に対して利得を有するGaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層104を含む導波路を伝搬する過程で光増幅され、反対側の前端面Tから出射される構造となっている。基板101と垂直な方向においては、GaAs光導波層103,105が屈折率の低いクラッド層102,106,108ではさまれたSCH構造となっている。 The semiconductor optical amplifier of FIG. 8 is a traveling wave type. That is, the laser beam incident from the rear end face T 1 is optically amplified in the process of propagating through the waveguide including a GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 104 having a gain with respect to the wavelength of the incident light, the front end surface of the opposite side It has a structure that is emitted from the T 2. In the direction perpendicular to the substrate 101, an SCH structure in which GaAs optical waveguide layers 103 and 105 are sandwiched between cladding layers 102, 106, and 108 having a low refractive index is formed.

また、基板101に水平な方向においては、ストライプ領域の外側に設けられたn型Al0.5In0.5P電流ブロック層107の屈折率がp型クラッド層106,108よりも低いため、ストライプ領域の内外で実効屈折率差を形成して光をストライプ領域に閉じ込める構造となっている。なお、n型Al0.5In0.5P電流ブロック層107は、導波路を伝搬する光に対して透明であるため、導波中に光を吸収することはない。 Further, in the direction horizontal to the substrate 101, the refractive index of the n-type Al 0.5 In 0.5 P current blocking layer 107 provided outside the stripe region is lower than that of the p-type cladding layers 106 and 108. An effective refractive index difference is formed inside and outside the stripe region to confine light in the stripe region. Note that the n-type Al 0.5 In 0.5 P current blocking layer 107 is transparent to light propagating through the waveguide, and therefore does not absorb light during wave guiding.

図8の半導体光増幅器では、順方向バイアスを印加することにより、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層104にはp側電極110とn側電極111からそれぞれ正孔と電子が注入されて反転分布が形成される。そのため、入射光と共鳴して誘導放出光が発生し、光が増幅される。   In the semiconductor optical amplifier of FIG. 8, by applying a forward bias, holes and electrons are injected into the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 104 from the p-side electrode 110 and the n-side electrode 111, respectively, and an inversion distribution occurs. It is formed. Therefore, stimulated emission light is generated in resonance with the incident light, and the light is amplified.

また、図8(a),(b)の半導体光増幅器において、両端面に形成された無反射膜112,113はファブリペローモードによるレーザ発振を抑制しており、利得を平坦化するレーザ発振抑制手段としての機能を有している。図8の例では、ファブリペローモードによるレーザ発振を抑制するレーザ発振抑制手段として、両端面に無反射膜112,113を形成しているが、その他に、ストライプ構造の方向を光出射端面に垂直方向から傾ける方法や、光出射端面近傍に窓構造を形成する方法や、光出射端面近傍に光吸収領域を設ける方法や、これらの方法を無反射膜と併用する方法などを用いることもできる。   Further, in the semiconductor optical amplifiers of FIGS. 8A and 8B, the non-reflective films 112 and 113 formed on both end surfaces suppress laser oscillation in the Fabry-Perot mode, and suppress laser oscillation to flatten the gain. It has a function as a means. In the example of FIG. 8, the antireflection films 112 and 113 are formed on both end faces as laser oscillation suppressing means for suppressing laser oscillation in the Fabry-Perot mode, but in addition, the direction of the stripe structure is perpendicular to the light emitting end face. A method of tilting from the direction, a method of forming a window structure in the vicinity of the light emitting end face, a method of providing a light absorption region in the vicinity of the light emitting end face, a method of using these methods in combination with a non-reflective film, and the like can also be used.

図8の半導体光増幅器は、GaAs基板101上にGaInNAsを利得領域(量子井戸層)として備えている。GaAs基板上に結晶成長したGaInNAsは、バンドギャップ波長1.2〜1.6μmを有している。従って、光ファイバ伝送に用いられる1.3μmや1.55μmの波長に対して利得を有している。そして、GaInNAsは、AlGaAsやAlGaInP系材料とヘテロ接合を形成した場合、価電子帯に対する伝導帯のバンド不連続比が大きくできることが知られている。   The semiconductor optical amplifier of FIG. 8 includes GaInNAs on a GaAs substrate 101 as a gain region (quantum well layer). GaInNAs grown on a GaAs substrate has a band gap wavelength of 1.2 to 1.6 μm. Therefore, it has a gain with respect to wavelengths of 1.3 μm and 1.55 μm used for optical fiber transmission. It is known that GaInNAs can increase the band discontinuity ratio of the conduction band to the valence band when a heterojunction is formed with AlGaAs or an AlGaInP-based material.

また、GaAs基板上に形成できるため、ワイドギャップのGaInPやAlGaAsをクラッド層に用いることができる。従って、GaInNAs利得領域とクラッド層との伝導帯バンド不連続を200meV以上と大きくすることができる。そのため、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがなく、温度上昇による利得の減少を抑制することができる。従って、外部環境温度に対して光増幅率の変化を小さくすることができる。   Further, since it can be formed on a GaAs substrate, wide gap GaInP or AlGaAs can be used for the cladding layer. Therefore, the conduction band discontinuity between the GaInNAs gain region and the cladding layer can be increased to 200 meV or more. For this reason, even when the external environment temperature increases, electrons overflowing from the gain region to the cladding layer do not increase rapidly, and a decrease in gain due to a temperature increase can be suppressed. Therefore, it is possible to reduce the change in the optical amplification factor with respect to the external environment temperature.

図8においては、GaAs基板101上に形成する長波長帯の利得領域(量子井戸層)として、GaInNAs材料を用いたが、このかわりに、GaNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料を用いることもでき、この場合でも同様な効果が得られる。   In FIG. 8, a GaInNAs material is used as a long wavelength band gain region (quantum well layer) formed on the GaAs substrate 101, but instead of this, any material of GaNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb may be used. Even in this case, the same effect can be obtained.

また、図8においては、1つの素子としての半導体光増幅器となっているが、ストライプ領域を複数形成することにより、同一基板上に1次元アレイをモノリシックに形成することも可能である。   In FIG. 8, a semiconductor optical amplifier is used as a single element. However, a one-dimensional array can be formed monolithically on the same substrate by forming a plurality of stripe regions.

また、図9は半導体光増幅器の他の構成例を示す図であるり、図9の例では、半導体光増幅器は面型半導体光増幅器として構成されている。すなわち、図9を参照すると、この半導体光増幅器は、n型GaAs基板101上に、n型GaAs/Al0.8Ga0.2AsのDBR201、n型GaAs下部スペーサ層202、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203、p型Al0.4Ga0.6Asキャリアブロック層204、p型GaAs上部スペーサ層205、p型GaAs/Al0.8Ga0.2AsのDBR206が順次に積層されている。 FIG. 9 is a diagram showing another configuration example of the semiconductor optical amplifier. In the example of FIG. 9, the semiconductor optical amplifier is configured as a planar semiconductor optical amplifier. That is, referring to FIG. 9, this semiconductor optical amplifier has an n-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As DBR 201, an n-type GaAs lower spacer layer 202, a GaInNAs / GaAs multiple layer on an n-type GaAs substrate 101. A quantum well active layer 203, a p-type Al 0.4 Ga 0.6 As carrier blocking layer 204, a p-type GaAs upper spacer layer 205, and a p-type GaAs / Al 0.8 Ga 0.2 As DBR 206 are sequentially stacked. ing.

ここで、n型DBR201及びp型DBR206は、高屈折率であるGaAsと低屈折率であるAl0.8Ga0.2Asとを、動作波長の1/4の光学的厚さで交互に積層して形成した反射鏡である。 Here, the n-type DBR 201 and the p-type DBR 206 alternately use GaAs, which has a high refractive index, and Al 0.8 Ga 0.2 As, which has a low refractive index, at an optical thickness of ¼ of the operating wavelength. It is the reflecting mirror formed by laminating.

また、n型GaAs下部スペーサ層202、GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203、p型Al0.4Ga0.6Asキャリアブロック層204、p型GaAs上部スペーサ層205の層厚を合計した厚さは、動作波長の1/2の光学的厚さに対して整数倍となるように設計されている。 The total thickness of the n-type GaAs lower spacer layer 202, the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203, the p-type Al 0.4 Ga 0.6 As carrier blocking layer 204, and the p-type GaAs upper spacer layer 205 is summed. Is designed to be an integral multiple of an optical thickness of ½ the operating wavelength.

そして、図9の半導体光増幅器では、円形状の電流注入領域を除く活性層近傍にプロトンが注入されて高抵抗領域207が形成されている。   In the semiconductor optical amplifier of FIG. 9, the high resistance region 207 is formed by injecting protons in the vicinity of the active layer excluding the circular current injection region.

また、図9において、p型DBR206上にはp側電極110が形成され、また、n型GaAs基板101の裏面にはn側電極111が形成されている。そして、p側電極110とn側電極111においては、それぞれ光を入出射させるために、電流注入領域の上下の電極が除去されて、開口部が形成されている。   In FIG. 9, the p-side electrode 110 is formed on the p-type DBR 206, and the n-side electrode 111 is formed on the back surface of the n-type GaAs substrate 101. In the p-side electrode 110 and the n-side electrode 111, the upper and lower electrodes in the current injection region are removed to form an opening in order to cause light to enter and exit, respectively.

図9の半導体光増幅器は、光を基板主平面と垂直方向に入出射させる面型となっている。すなわち、p側電極110側から光が入射し、入射光の波長に対して利得を有するGaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層203を含むp型DBR206とn型DBR201の間で多重反射して光が増幅され、n型GaAs基板101側から出射される構造となっている。   The semiconductor optical amplifier of FIG. 9 is a surface type that allows light to enter and exit in a direction perpendicular to the main surface of the substrate. That is, light is incident from the p-side electrode 110 side, and multiple reflections occur between the p-type DBR 206 and the n-type DBR 201 including the GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 203 having a gain with respect to the wavelength of the incident light. Amplified and output from the n-type GaAs substrate 101 side.

従って、p型DBR206とn型DBR201間で共振する波長に対して高い利得を有する共振型光増幅器となっている。なお、n型DBR201の反射率は、高注入時においても半導体光増幅器自身がレーザ発振しないように、70〜90%に低下させている。   Therefore, the resonant optical amplifier has a high gain with respect to the wavelength resonating between the p-type DBR 206 and the n-type DBR 201. Note that the reflectance of the n-type DBR 201 is reduced to 70 to 90% so that the semiconductor optical amplifier itself does not oscillate even at high injection.

図9の面型半導体光増幅器も、図8の半導体光増幅器と同様に、GaAs基板101上にGaInNAsを利得領域として備えている。従って、光ファイバ伝送に用いられる1.3μmや1.55μmの長波長帯に対応している。そして、GaInNAs井戸層とp型Al0.4Ga0.6Asキャリアブロック層204との伝導帯バンド不連続を200meV以上と大きくすることができる。 Similarly to the semiconductor optical amplifier of FIG. 8, the planar semiconductor optical amplifier of FIG. 9 includes GaInNAs on the GaAs substrate 101 as a gain region. Therefore, it corresponds to a long wavelength band of 1.3 μm or 1.55 μm used for optical fiber transmission. The conduction band discontinuity between the GaInNAs well layer and the p-type Al 0.4 Ga 0.6 As carrier blocking layer 204 can be increased to 200 meV or more.

そのため、外部環境温度が高くなっても、GaInNAs井戸層から電子が急激にオーバーフローすることがなく、温度上昇による利得の減少を抑制することができる。従って、外部環境温度に対して光増幅率の変化を小さくすることができる。   Therefore, even if the external environment temperature becomes high, electrons do not overflow suddenly from the GaInNAs well layer, and a decrease in gain due to temperature rise can be suppressed. Therefore, it is possible to reduce the change in the optical amplification factor with respect to the external environment temperature.

また、図9の半導体光増幅器は面型であるため、図8の半導体光増幅器のように光入出射面を劈開面で形成する必要がない。従って、半導体光増幅器をGaAs基板上にモノリシック集積して、2次元アレイを形成することも可能である。従って、高密度の並列集積化に有利となっている。   Further, since the semiconductor optical amplifier of FIG. 9 is a surface type, it is not necessary to form the light incident / exit surface as a cleavage plane unlike the semiconductor optical amplifier of FIG. Therefore, it is also possible to monolithically integrate semiconductor optical amplifiers on a GaAs substrate to form a two-dimensional array. Therefore, it is advantageous for high-density parallel integration.

また、図9においては、光を基板の表面から裏面に透過させて増幅しているが、99%以上の高反射率を有するn型DBR201を用いて、光を基板の表面側から入出射する反射型増幅器を構成することも可能である。   In FIG. 9, light is amplified by transmitting from the front surface to the back surface of the substrate. However, light is input and output from the front surface side of the substrate using an n-type DBR 201 having a high reflectance of 99% or more. It is also possible to construct a reflective amplifier.

このように、上述した半導体光増幅器をASE放射光源に用いることができる。すなわち、上述した半導体光増幅器は、利得領域に電流を注入して反転分布を形成している。そして、光を入出力させる端面の反射率を1%未満に抑制して光が共振しないようにしている。従って、利得領域で発生した自然放出光は誘導放出により増幅されて、高出力のASEが発生する。従って、半導体光増幅器に信号光を入射させない状態で、かつ高注入においてレーザ発振を抑制することにより、ASEを放射する光源として用いることができる。   Thus, the semiconductor optical amplifier described above can be used as an ASE radiation source. In other words, the above-described semiconductor optical amplifier forms an inversion distribution by injecting current into the gain region. And the reflectance of the end surface which inputs and outputs light is suppressed to less than 1% so that the light does not resonate. Therefore, spontaneous emission light generated in the gain region is amplified by stimulated emission, and high output ASE is generated. Therefore, it can be used as a light source that emits ASE by suppressing laser oscillation at a high injection with no signal light incident on the semiconductor optical amplifier.

そして、上述した半導体光増幅器は、利得領域がGaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成されているため、利得領域とクラッド層との伝導帯バンド不連続を200meV以上と大きくすることができる。従って、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがない。そのため、高温時でも高出力のASEを発生させることが可能である。   In the semiconductor optical amplifier described above, the gain region is made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb, so that the conduction band discontinuity between the gain region and the cladding layer is increased to 200 meV or more. Can do. Therefore, even when the external environment temperature becomes high, electrons overflowing from the gain region to the cladding layer do not increase rapidly. Therefore, high output ASE can be generated even at high temperatures.

また、本発明の波長可変レーザ装置において、光ゲートアレイは、上述した半導体光増幅器をGaAs基板(GaAs単結晶基板)上に複数個配列して形成することができる。   In the wavelength tunable laser device of the present invention, the optical gate array can be formed by arranging a plurality of the above-described semiconductor optical amplifiers on a GaAs substrate (GaAs single crystal substrate).

すなわち、半導体光増幅器にバイアス電流を注入しない場合、利得領域は入射光を吸収する。一方、半導体光増幅器にバイアス電流を注入した状態で光を入射させると、10〜20dB程度光を増幅できる。従って、半導体光増幅器はバイアス電流によって入射光の通過/遮蔽を制御する光ゲートとして機能する。そして、このような半導体光増幅器を基板上に複数個配列することで、並列光信号の通過チャンネルを選択する光ゲートアレイを形成することができる。   That is, when no bias current is injected into the semiconductor optical amplifier, the gain region absorbs incident light. On the other hand, when light is incident on the semiconductor optical amplifier with a bias current injected, the light can be amplified by about 10 to 20 dB. Therefore, the semiconductor optical amplifier functions as an optical gate that controls the passage / shielding of incident light by a bias current. Then, by arranging a plurality of such semiconductor optical amplifiers on the substrate, it is possible to form an optical gate array for selecting a passage channel for parallel optical signals.

光ゲートアレイを構成する半導体光増幅器の利得領域は、半導体光増幅器に前述の半導体光増幅器を用いる場合、GaNAs,GaInNAs,GaNAsSb,GaInNAsSbのいずれかの材料で構成されている。そのため、利得領域とクラッド層との伝導帯バンド不連続を200meV以上と大きくすることができる。従って、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがなく、高温時でも高い光増幅率を維持することができる。そのため、光ゲートを通過する光信号のS/N比が劣化することがなく、外部環境温度に対して安定に動作する光ゲートアレイを形成することができる。   The gain region of the semiconductor optical amplifier constituting the optical gate array is made of any material of GaNAs, GaInNAs, GaNAsSb, and GaInNAsSb when the semiconductor optical amplifier described above is used for the semiconductor optical amplifier. Therefore, the conduction band discontinuity between the gain region and the cladding layer can be increased to 200 meV or more. Therefore, even if the external environment temperature is high, electrons overflowing from the gain region to the cladding layer do not increase rapidly, and a high optical gain can be maintained even at high temperatures. Therefore, an optical gate array that operates stably with respect to the external environment temperature can be formed without deteriorating the S / N ratio of the optical signal passing through the optical gate.

このような構成の波長可変レーザ装置では、ASE放射光源で発生した光は、発光スペクトル幅が広いASE(amplitude spontaneous emission)となっている。ASE放射光源で発生した光は波長分波器を導波する過程で、各波長成分に空間的に分岐して出力される。波長分波器としては、例えばarrayed waveguide素子が用いられる。   In the wavelength tunable laser device having such a configuration, light generated by the ASE radiation source is ASE (amplitude spontaneous emission) having a wide emission spectrum width. The light generated by the ASE radiation source is spatially branched into each wavelength component in the process of being guided through the wavelength demultiplexer. As the wavelength demultiplexer, for example, an arrayed waveguide element is used.

波長分波器を通った光は、光ゲートアレイに入力される。光ゲートアレイを構成する各半導体光増幅器に入力される光は、波長分波器で波長が選択されて狭スペクトル幅の光となっており、それぞれ波長が異なっている。光ゲートアレイにおいては、異なる波長の中から所望の波長に対応した半導体光増幅器にだけバイアス電流を加えることにより、選択した波長の光のみを選択して増幅する。それ以外の波長の光は、バイアスしていない半導体光増幅器を導波する過程で吸収されて減衰する。   The light passing through the wavelength demultiplexer is input to the optical gate array. The light input to each semiconductor optical amplifier constituting the optical gate array is light having a narrow spectral width with the wavelength selected by the wavelength demultiplexer, and each has a different wavelength. In the optical gate array, only a light having a selected wavelength is selected and amplified by applying a bias current only to a semiconductor optical amplifier corresponding to a desired wavelength from different wavelengths. Light of other wavelengths is absorbed and attenuated in the process of being guided through an unbiased semiconductor optical amplifier.

光ゲートアレイで選択された波長の光は、ASE放射光源の後端面側と光ゲートアレイの前端面側に設けられた反射鏡とで構成される共振器内で共振し、レーザ発振する。従って、波長は光ゲートアレイを構成する半導体光増幅器のアレイ数に対応してデジタル的に分割されて選択される。   The light of the wavelength selected by the optical gate array resonates in a resonator composed of the rear end face side of the ASE radiation light source and the front end face side of the optical gate array, and laser oscillates. Accordingly, the wavelength is selected by being digitally divided in accordance with the number of semiconductor optical amplifiers constituting the optical gate array.

前述した半導体光増幅器を用いたASE光源は、高温高出力動作が可能である。また、前述した半導体光増幅器を用いた光ゲートアレイは、外部環境温度に対して安定に動作する。従って、前述した半導体光増幅器を用いたASE放射光源装置,光ゲートアレイを用いて波長可変レーザ装置を構成することにより、外部環境温度の変化に対して安定な光源を形成できる。そして、電子冷却装置による精密な温度制御を必要としないため、低コストで製造することができる。   An ASE light source using the semiconductor optical amplifier described above can operate at high temperature and high output. The optical gate array using the semiconductor optical amplifier described above operates stably with respect to the external environment temperature. Therefore, by configuring the wavelength tunable laser device using the above-described ASE radiation light source device using the semiconductor optical amplifier and the optical gate array, a light source that is stable against changes in the external environment temperature can be formed. And since precise temperature control by an electronic cooling device is not required, it can manufacture at low cost.

<実施例9>
図10は、本発明に係る波長可変レーザ装置の構成例を示す図である。図10を参照すると、この波長可変レーザ装置は、Si基板606上に、光を発生するASE放射光源601と、ASE放射光源601で発生した光を波長分波する波長分波器602と、半導体光増幅器604がアレイ状にモノリシック集積して形成された光ゲートアレイ603と、光ゲートアレイ603から出力された光を1本の光導波路に結合する合波器605とを有している。合波器605から出力された光は半導体光変調器607で変調されて出力される。
<Example 9>
FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of a wavelength tunable laser device according to the present invention. Referring to FIG. 10, the tunable laser apparatus includes an ASE radiation light source 601 that generates light, a wavelength demultiplexer 602 that demultiplexes light generated by the ASE radiation light source 601 on a Si substrate 606, and a semiconductor. The optical amplifier 604 includes an optical gate array 603 formed by monolithically integrating the array, and a multiplexer 605 that couples the light output from the optical gate array 603 into one optical waveguide. The light output from the multiplexer 605 is modulated by the semiconductor optical modulator 607 and output.

このような構成の波長可変レーザ装置は、次のように動作する。すなわち、ASE放射光源601で発生した光は発光スペクトル幅が広いASEとなっている。ASE光源601で発生した光は波長分波器601を導波する過程で、各波長成分に空間的に分岐して出力される。波長分波器602としては、arrayed waveguide素子を用いることができる。波長分波器602を通った光は、光ゲートアレイ603に入力される。光ゲートアレイ603は、nチャンネルの進行波型半導体光増幅器604がアレイ状にモノリシック集積して形成されている。   The wavelength tunable laser device having such a configuration operates as follows. That is, the light generated by the ASE radiation light source 601 is ASE with a wide emission spectrum width. The light generated by the ASE light source 601 is spatially branched into each wavelength component in the process of being guided through the wavelength demultiplexer 601 and output. An arrayed waveguide element can be used as the wavelength demultiplexer 602. The light that has passed through the wavelength demultiplexer 602 is input to the optical gate array 603. The optical gate array 603 is formed by monolithically integrating n-channel traveling wave semiconductor optical amplifiers 604 in an array.

光ゲートアレイ603の各半導体光増幅器604に入力される光は、波長分波器602で波長が選択された光となっており、それぞれ波長がλ1〜λnまで異なっている。光ゲートアレイ603においては、λ1〜λnの波長の中から所望の波長に対応した半導体光増幅器にだけバイアス電流を加えることにより、選択した波長の光のみを選択して増幅する。それ以外の波長の光は、バイアスしていない半導体光増幅器を導波する過程で吸収されて減衰する。   The light input to each semiconductor optical amplifier 604 of the optical gate array 603 is light whose wavelength is selected by the wavelength demultiplexer 602, and the wavelengths are different from λ1 to λn, respectively. In the optical gate array 603, a bias current is applied only to the semiconductor optical amplifier corresponding to the desired wavelength from among the wavelengths λ1 to λn, thereby selecting and amplifying only the light of the selected wavelength. Light of other wavelengths is absorbed and attenuated in the process of being guided through an unbiased semiconductor optical amplifier.

光ゲートアレイ603で選択された波長の光は、ASE放射光源601の後端面と半導体光増幅器604の前端面とで構成される共振器内で共振し、レーザ発振する。選択される波長は光ゲートアレイ603を構成する半導体光増幅器604のアレイ数に対応してデジタル的に分割される。光ゲートアレイ603から出力される光は、合波器605で共通の光導波路に結合されて、合波器605から出力された光は半導体光変調器607で変調されて外部に出射される。   The light of the wavelength selected by the optical gate array 603 resonates in a resonator constituted by the rear end face of the ASE radiation light source 601 and the front end face of the semiconductor optical amplifier 604, and laser oscillation occurs. The selected wavelength is digitally divided in accordance with the number of semiconductor optical amplifiers 604 constituting the optical gate array 603. The light output from the optical gate array 603 is coupled to the common optical waveguide by the multiplexer 605, and the light output from the multiplexer 605 is modulated by the semiconductor optical modulator 607 and emitted to the outside.

図11(a),(b)は、図10に示した波長可変レーザ装置に用いられているASE放射光源601の構成例を示す図である。なお、図11(a)は正面から見た断面図であり、図11(b)は上面から見た図である。図11(a)を参照すると、ASE放射光源601の積層構成は、図8に示した半導体光増幅器と同様な構造となっている。   FIGS. 11A and 11B are diagrams showing a configuration example of the ASE radiation light source 601 used in the wavelength tunable laser apparatus shown in FIG. FIG. 11A is a cross-sectional view seen from the front, and FIG. 11B is a view seen from the top. Referring to FIG. 11A, the stacked structure of the ASE radiation light source 601 has the same structure as that of the semiconductor optical amplifier shown in FIG.

そして、劈開で形成した素子の前端面Tには、反射率0.2%以下の無反射膜703が形成されており、後端面Tには反射率99%の高反射膜702が形成されている。また、電流注入するストライプ領域704は、光を出射する前端面T近傍では素子端面に垂直な方向から10°傾けた構造となっている。 Then, the front end surface T 2 of the element formed by cleavage is formed reflectance of 0.2% or less of the non-reflection film 703, a high reflection film 702 of reflectivity of 99% on the rear end surface T 1 is formed Has been. Also, the stripe region 704 for current injection, in the front end face T 2 near that emits light has a structure in which inclined 10 ° from a direction perpendicular to the device end face.

図11(c)は、図11(a)において活性領域であるGaInNAs/GaAs多重量子井戸構造701の構造を示す図である。図11(c)を参照すると、GaInNAs/GaAs多重量子井戸構造701は、4層のGaInNAs井戸層705a,705b,705c,705dの上下をGaAs障壁層706ではさんだ構成となっている。   FIG. 11C is a diagram showing the structure of the GaInNAs / GaAs multiple quantum well structure 701 which is the active region in FIG. Referring to FIG. 11C, a GaInNAs / GaAs multiple quantum well structure 701 has a structure in which a GaAs barrier layer 706 is sandwiched above and below four GaInNAs well layers 705a, 705b, 705c, and 705d.

4層のGaInNAs井戸層のバンドギャップ波長は、混晶組成及び井戸幅を変えることにより、それぞれ異なっている。各井戸層705a, 705b, 705c, 705dのバンドギャップ波長は、例えば705aが1.20μm、705bが1.24μm、705cが1.28μm、705dが1.32μmに設定することができる。   The band gap wavelengths of the four GaInNAs well layers are different by changing the mixed crystal composition and the well width. The band gap wavelengths of the well layers 705a, 705b, 705c, and 705d can be set to 1.20 μm for 705a, 1.24 μm for 705b, 1.28 μm for 705c, and 1.32 μm for 705d, for example.

図11のASE放射光源は、図8に示した半導体光増幅器を応用している。すなわち、図11において、p側電極110とn側電極111に順方向バイアス電流を加えると、多重量子井戸活性層701中で正孔と電子が再結合して、自然放出及び誘導放出が発生する。   The ASE radiation source in FIG. 11 applies the semiconductor optical amplifier shown in FIG. That is, in FIG. 11, when a forward bias current is applied to the p-side electrode 110 and the n-side electrode 111, holes and electrons are recombined in the multiple quantum well active layer 701, and spontaneous emission and stimulated emission occur. .

前端面Tに無反射膜703が形成されているため、多重量子井戸活性層701で発生した光は多重反射による共振が抑制されて、レーザ発振することなく前端面Tから出射される。このとき、自然放出光が利得領域自身の反転分布により光増幅されてASEとして放射される。 Since the front end face T 2 antireflection coating 703 is formed, the light generated in the multi-quantum well active layer 701 is suppressed resonance due to multiple reflections, and is emitted from the front end face T 2 without laser oscillation. At this time, the spontaneous emission light is optically amplified by the inversion distribution of the gain region itself and emitted as ASE.

半導体光増幅器をASE放射光源として用いる場合、信号光を後端面Tから素子に入力させる必要がない。従って、図11に示すASE放射光源では後端面Tに反射率99%の高反射膜702を形成して、ASEを効率良く前端面Tから取り出せるようにしている。 When using a semiconductor optical amplifier as ASE radiation source, there is no need to input the signal light from the rear end face T 1 to the element. Therefore, by forming a high reflection film 702 of 99% reflectance on the rear end face T 1 in ASE radiation source shown in FIG. 11, and to release the ASE efficiently from the front end surface T 2.

また、電流注入するストライプ領域704が図11(b)に示すように、光出射端面近傍では端面に垂直な方向から10°傾けた構造となっている。従って、前端面Tで反射されて利得領域にもどる光の成分を更に低減させて、半導体光増幅器の両端面で形成される共振器内でレーザ発振することを抑制している。 Further, as shown in FIG. 11B, the stripe region 704 into which current is injected has a structure inclined by 10 ° from the direction perpendicular to the end face in the vicinity of the light emitting end face. Therefore, to further reduce the light components return to reflected by the gain region in the front end face T 2, it is prevented from lasing in the cavity formed by both end faces of the semiconductor optical amplifier.

そして、図11に示すASE放射光源においては、利得領域がGaInNAs量子井戸層で構成されているため、利得領域とAl0.4Ga0.6Asクラッド層との伝導帯バンド不連続を200meV以上と大きくすることができる。従って、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがない。そのため、高温時でも反転分布状態を維持して高出力のASEを発生させることが可能である。 In the ASE radiation source shown in FIG. 11, since the gain region is composed of GaInNAs quantum well layers, the conduction band discontinuity between the gain region and the Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer is 200 meV or more. And can be enlarged. Therefore, even when the external environment temperature becomes high, electrons overflowing from the gain region to the cladding layer do not increase rapidly. Therefore, it is possible to generate the high output ASE while maintaining the inversion distribution state even at a high temperature.

また、図11のASE放射光源では、図11(c)に示すように、利得領域である多重量子井戸活性層701を構成する4層のGaInNAs井戸層705a,705b,705c,705dのバンドギャップ波長が異なるように形成されている。そのため、各GaInNAs井戸層705a,705b,705c,705dは異なる波長帯域に対して利得を有することになる。   In the ASE radiation source of FIG. 11, as shown in FIG. 11C, the band gap wavelengths of the four GaInNAs well layers 705a, 705b, 705c, and 705d constituting the multiple quantum well active layer 701 that is the gain region. Are formed differently. Therefore, each GaInNAs well layer 705a, 705b, 705c, 705d has a gain with respect to a different wavelength band.

従って、エネルギーバンドギャップの異なるGaInNAs井戸層を組み合わせた多重量子井戸活性層701は、各井戸層の利得帯域を重ねあわせることにより、1.20〜1.32μmと広帯域の増幅帯域を有することができる。従って、図11のASE放射光源は広帯域のASEを発生させることができるため、図10に示す波長可変レーザ装置の波長変化量を拡大することができる。   Therefore, the multiple quantum well active layer 701 in which GaInNAs well layers having different energy band gaps are combined can have a wide amplification band of 1.20 to 1.32 μm by overlapping the gain bands of the respective well layers. . Therefore, since the ASE radiation source of FIG. 11 can generate a broadband ASE, the wavelength variation of the wavelength tunable laser device shown in FIG. 10 can be expanded.

また、図10の波長可変レーザ装置において、光ゲートアレイ603は、GaAs基板上に図8に示したような進行波型半導体光増幅器604をアレイ状にn個モノリシック集積して構成されている。ここで、アレイ数は、例えば8に設定されている。   In the wavelength tunable laser device of FIG. 10, the optical gate array 603 is configured by monolithically integrating n traveling wave semiconductor optical amplifiers 604 as shown in FIG. 8 on a GaAs substrate. Here, the number of arrays is set to 8, for example.

この場合には、光ゲートアレイ603によって1.20〜1.32μmの波長範囲から8波長を選択可能となっている。また、ASE放射光源601の後端面と半導体光増幅器604の前端面とで共振器を構成するために、半導体光増幅器604の前端面には反射率10%の低反射膜を形成している。   In this case, the optical gate array 603 can select eight wavelengths from a wavelength range of 1.20 to 1.32 μm. Further, in order to form a resonator with the rear end face of the ASE radiation light source 601 and the front end face of the semiconductor optical amplifier 604, a low reflection film having a reflectance of 10% is formed on the front end face of the semiconductor optical amplifier 604.

光ゲートアレイ603において、半導体光増幅器604の利得領域はGaInNAsで構成されており、利得領域とAl0.4Ga0.6Asクラッド層との伝導帯バンド不連続を200meV以上と大きくすることができる。従って、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがなく、高温時でも高い光増幅率を維持することができる。そのため、光ゲートアレイを通過する光信号のS/N比の劣化を防止することができ、外部環境温度に対して安定に動作する。 In the optical gate array 603, the gain region of the semiconductor optical amplifier 604 is composed of GaInNAs, and the conduction band discontinuity between the gain region and the Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer may be increased to 200 meV or more. it can. Therefore, even if the external environment temperature is high, electrons overflowing from the gain region to the cladding layer do not increase rapidly, and a high optical gain can be maintained even at high temperatures. Therefore, it is possible to prevent the S / N ratio of the optical signal passing through the optical gate array from deteriorating and to operate stably with respect to the external environment temperature.

以上述べたように、図10の波長可変レーザ装置は、高温高出力動作が可能であるASE放射光源601と、外部環境温度に対して安定に動作する光ゲートアレイ603とを能動素子に用いている。従って、外部環境温度の変化に対して安定な光源を形成することができる。そして、電子冷却装置によって装置を精密に温度制御する必要がないため、低コストで製造することができる。   As described above, the wavelength tunable laser apparatus of FIG. 10 uses, as active elements, the ASE radiation source 601 capable of high-temperature and high-power operation and the optical gate array 603 that operates stably with respect to the external environment temperature. Yes. Therefore, a stable light source can be formed against changes in the external environment temperature. Further, since it is not necessary to precisely control the temperature of the device by the electronic cooling device, it can be manufactured at a low cost.

ところで、本発明の波長可変レーザ装置においては、波長分波した光の光強度を電界吸収型半導体光変調器607によって変調している。電界を印加する場合の変調周波数は、電流注入で変調する場合に比べて光の変調周波数を増大することができる。従って、レーザ装置の変調周波数を増加させることができる。   By the way, in the wavelength tunable laser device of the present invention, the light intensity of the wavelength-demultiplexed light is modulated by the electroabsorption semiconductor optical modulator 607. The modulation frequency when applying an electric field can increase the modulation frequency of light as compared with the case where modulation is performed by current injection. Therefore, the modulation frequency of the laser device can be increased.

更に、本発明の波長可変レーザ装置では、前述した本発明(第1または第2の実施形態)の電解吸収型半導体光変調器を用いることにより、高温動作時でも光変調のS/N比の低下を防止することができ、安定に動作させることができる。また、10GHz以上の高速変調が可能となっている。   Further, in the wavelength tunable laser device of the present invention, the S / N ratio of the light modulation can be improved even at high temperature operation by using the electrolytic absorption type semiconductor optical modulator of the present invention (first or second embodiment) described above. A drop can be prevented and stable operation can be achieved. Moreover, high-speed modulation of 10 GHz or more is possible.

(第16の実施形態)
また、本発明の多波長レーザ装置は、一対の反射鏡で構成された共振器内に、波長分波器と、波長分波器を通って分波したそれぞれの波長の光を選択し増幅する半導体光増幅器と、半導体光増幅器で増幅された光の強度を変調する半導体光変調器とを備え、半導体光変調器として、前述した本発明(第1または第2の実施形態)の半導体光変調器が用いられることを特徴としている。
(Sixteenth embodiment)
Further, the multi-wavelength laser device of the present invention selects and amplifies the wavelength demultiplexer and light of each wavelength demultiplexed through the wavelength demultiplexer in the resonator constituted by a pair of reflecting mirrors. A semiconductor optical amplifier and a semiconductor optical modulator that modulates the intensity of light amplified by the semiconductor optical amplifier are provided, and the semiconductor optical modulator of the present invention (first or second embodiment) described above is used as the semiconductor optical modulator. It is characterized in that a vessel is used.

ここで、半導体光増幅器には、前述した半導体光増幅器(例えば、図8や図9の半導体光増幅器)を用いることができる。   Here, the semiconductor optical amplifier described above (for example, the semiconductor optical amplifier of FIGS. 8 and 9) can be used as the semiconductor optical amplifier.

一対の反射鏡で構成された共振器内に設けられた半導体光増幅器で発生した光は発光スペクトル幅が広いASEとなっている。半導体光増幅器で発生した光は波長分波器に入力され、波長分波器を導波して半導体光増幅器に帰還する。このとき、半導体光増幅器に帰還する光は、波長分波器によって波長が空間的に分岐されて狭スペクトル幅の光となっているため、特定の波長の光のみが増幅される。   The light generated by the semiconductor optical amplifier provided in the resonator constituted by the pair of reflecting mirrors is ASE having a wide emission spectrum width. The light generated by the semiconductor optical amplifier is input to the wavelength demultiplexer, guided through the wavelength demultiplexer, and returned to the semiconductor optical amplifier. At this time, since the light returning to the semiconductor optical amplifier is light having a narrow spectral width by spatially branching the wavelength by the wavelength demultiplexer, only light having a specific wavelength is amplified.

これを繰り返すことにより、波長分波器によって選択された光は、共振器内でレーザ発振する。そして、波長分波器が異なる波長を出力する位置に半導体光増幅器を複数設けることにより、それぞれ別の波長でレーザ発振する多波長レーザ装置を実現できる。   By repeating this, the light selected by the wavelength demultiplexer oscillates in the resonator. By providing a plurality of semiconductor optical amplifiers at positions where the wavelength demultiplexer outputs different wavelengths, it is possible to realize a multi-wavelength laser device that performs laser oscillation at different wavelengths.

前述した半導体光増幅器は、外部環境温度に対して光増幅率の変化が小さくすることができ、高温時でも安定して高い増幅率を有している。従って、前述した半導体光増幅器を多波長レーザ装置に用いることにより、外部環境温度の変化に対して安定な多波長レーザ装置を形成できる。また、電子冷却装置による精密な温度制御を必要としないため、低コストで製造することができる。   The above-described semiconductor optical amplifier can reduce the change in optical amplification factor with respect to the external environment temperature, and has a high amplification factor stably even at high temperatures. Therefore, by using the semiconductor optical amplifier described above for a multi-wavelength laser device, it is possible to form a multi-wavelength laser device that is stable against changes in external environmental temperature. Moreover, since precise temperature control by an electronic cooling device is not required, it can be manufactured at low cost.

ところで、本発明の多波長レーザ装置においては、波長分波した光の光強度を電界吸収型の半導体光変調器によって変調している。電界を印加する場合の変調周波数は、電流注入で変調する場合に比べて光の変調周波数を増大することができる。従って、レーザ装置の変調周波数を増加させることができる。   By the way, in the multi-wavelength laser device of the present invention, the light intensity of the wavelength-demultiplexed light is modulated by the electroabsorption semiconductor optical modulator. The modulation frequency when applying an electric field can increase the modulation frequency of light as compared with the case where modulation is performed by current injection. Therefore, the modulation frequency of the laser device can be increased.

更に、本発明の多波長レーザ装置では、前述した本発明(第1または第2の実施形態)の電界吸収型半導体光変調器を用いることにより、高温動作時でも光変調のS/N比の低下を防止することができ、安定に動作させることができる。また、10GHz以上の高速変調が可能となっている。   Further, in the multi-wavelength laser device of the present invention, by using the electroabsorption semiconductor optical modulator of the present invention (first or second embodiment) described above, the S / N ratio of the light modulation can be improved even at high temperature operation. A drop can be prevented and stable operation can be achieved. Moreover, high-speed modulation of 10 GHz or more is possible.

(第17の実施形態)
また、本発明は、複数の波長の光信号を送信する光送信モジュールと、光信号を伝送する光ファイバと、光信号を受光する光受信モジュールを備えた波長分割多重方式の光伝送システムにおいて、光送信モジュールに前述した本発明の多波長レーザ装置が用いられることを特徴としている。
(Seventeenth embodiment)
Further, the present invention is an optical transmission system of a wavelength division multiplexing system including an optical transmission module that transmits optical signals of a plurality of wavelengths, an optical fiber that transmits the optical signal, and an optical reception module that receives the optical signal. The multi-wavelength laser device of the present invention described above is used for the optical transmission module.

波長分割多重方式は、1本の光ファイバ中を複数の波長の光信号で多重化して並列に伝送することにより、伝送容量を増加させる方式である。この場合、波長の異なる光信号源が必要であり、低コストの多波長光源が求められている。本発明の波長分割多重方式の光伝送システムにおいては、前述した多波長レーザ装置を光送信モジュールに用いている。   The wavelength division multiplexing method is a method of increasing transmission capacity by multiplexing in one optical fiber with optical signals of a plurality of wavelengths and transmitting in parallel. In this case, optical signal sources having different wavelengths are required, and a low-cost multi-wavelength light source is required. In the wavelength division multiplexing optical transmission system of the present invention, the above-described multi-wavelength laser device is used for the optical transmission module.

前述した本発明の多波長レーザ装置は、既に述べたように外部環境温度の変化に対して光出力や変調特性が安定して動作する。そのため、電子冷却装置による精密な温度制御を必要とせず、多波長レーザ装置を低コストで製造することができる。従って、これを用いた波長分割多重方式の光伝送システムについても低コスト化することができる。   As described above, the multi-wavelength laser device of the present invention operates with stable optical output and modulation characteristics against changes in the external environment temperature. Therefore, precise temperature control by an electronic cooling device is not required, and a multi-wavelength laser device can be manufactured at low cost. Therefore, it is possible to reduce the cost of a wavelength division multiplexing optical transmission system using this.

<実施例10>
図12は、本発明に係る光伝送システムの構成例を示す図である。図12の光伝送システムは、光送信モジュール801と、光受信モジュール802と、光ファイバケーブル803とを備えている。
<Example 10>
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of an optical transmission system according to the present invention. The optical transmission system of FIG. 12 includes an optical transmission module 801, an optical reception module 802, and an optical fiber cable 803.

ここで、光ファイバケーブル803としては、石英をコア及びクラッドとするシングルモードファイバを用いることができる。そして、光送信モジュール801は、駆動制御回路805と多波長レーザ装置804とを備えており、1本の光ファイバ中を互いに異なる複数の波長の光信号で多重化して並列に伝送することにより、伝送容量を増加させる波長多重分割方式を採用している。また、光受信モジュール802は、受信装置806と、受信回路807とを備えている。   Here, as the optical fiber cable 803, a single mode fiber having quartz as a core and a clad can be used. The optical transmission module 801 includes a drive control circuit 805 and a multi-wavelength laser device 804, and multiplexes optical signals of a plurality of different wavelengths in one optical fiber and transmits them in parallel. A wavelength division division method that increases the transmission capacity is adopted. The optical receiving module 802 includes a receiving device 806 and a receiving circuit 807.

このような構成の光伝送システムでは、光送信モジュール801に入力した電気信号は、最初に駆動制御回路805に入力される。駆動制御回路805では、多波長レーザ装置804の各波長のレーザに電流を注入して発振させ、また信号に応じてレーザ光強度を変調する。多波長レーザ装置804は、複数の波長のレーザ光を独立に変調して1本の光ファイバケーブル803に光信号を送り込む。   In the optical transmission system having such a configuration, the electrical signal input to the optical transmission module 801 is first input to the drive control circuit 805. In the drive control circuit 805, current is injected into the laser of each wavelength of the multi-wavelength laser device 804 to oscillate, and the laser light intensity is modulated according to the signal. The multi-wavelength laser device 804 independently modulates laser light having a plurality of wavelengths and sends an optical signal to one optical fiber cable 803.

光信号は光ファイバケーブル803を導波して光受信モジュール802中の受光装置806に入力される。受光装置806では、光信号を波長分波器で別々の波長成分に分離した後に、各波長成分の光をフォトダイオードやアバランシェフォトダイオード等で電気信号に変換する。その後、受信回路807で電気信号が増幅、波形整形されて出力される。   The optical signal is guided through the optical fiber cable 803 and input to the light receiving device 806 in the optical receiving module 802. In the light receiving device 806, after the optical signal is separated into separate wavelength components by the wavelength demultiplexer, the light of each wavelength component is converted into an electrical signal by a photodiode, an avalanche photodiode or the like. After that, the reception circuit 807 amplifies and shapes the electric signal and outputs it.

図13は、図12に示した光伝送システムに用いられている多波長レーザ装置804の構成を示す図である。図12において、符号604はASEを発生させ、また発生したASEを増幅する機能を有する半導体光増幅器である。半導体光増幅器604は同一基板上に複数個モノリシック集積して形成されている。   FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the multi-wavelength laser apparatus 804 used in the optical transmission system shown in FIG. In FIG. 12, reference numeral 604 denotes a semiconductor optical amplifier that has a function of generating ASE and amplifying the generated ASE. A plurality of semiconductor optical amplifiers 604 are monolithically integrated on the same substrate.

また、符号602は半導体光増幅器604で発生した光を波長分波する波長分波器である。波長分波器602において、半導体光増幅器604が設けられている側と反対側には高反射膜901が形成されている。また、符号902は波長分波器602で分波されたそれぞれの光強度を変調する電界吸収型半導体光変調器であり、符号605は波長分波器602で分波された光を1本の光導波路に結合する合波器である。また、符号606は上記の部品が配列されているSi基板である。   Reference numeral 602 denotes a wavelength demultiplexer that demultiplexes light generated by the semiconductor optical amplifier 604. In the wavelength demultiplexer 602, a highly reflective film 901 is formed on the side opposite to the side where the semiconductor optical amplifier 604 is provided. Reference numeral 902 denotes an electro-absorption semiconductor optical modulator that modulates the intensity of each light demultiplexed by the wavelength demultiplexer 602, and reference numeral 605 denotes a light beam demultiplexed by the wavelength demultiplexer 602. A multiplexer coupled to the optical waveguide. Reference numeral 606 denotes a Si substrate on which the above components are arranged.

このような構成の多波長レーザ装置の動作は次のとおりである。すなわち、半導体光増幅器604で発生した光は発光スペクトル幅が広いASEとなっている。半導体光増幅器604で発生した光は波長分波器602に入力され、波長分波器602を導波して反対側に設けられた高反射膜901で反射され、再び波長分波器602を導波して半導体光増幅器604に帰還する。   The operation of the multi-wavelength laser device having such a configuration is as follows. That is, the light generated by the semiconductor optical amplifier 604 is ASE with a wide emission spectrum width. The light generated by the semiconductor optical amplifier 604 is input to the wavelength demultiplexer 602, guided by the wavelength demultiplexer 602, reflected by the highly reflective film 901 provided on the opposite side, and again guided through the wavelength demultiplexer 602. And return to the semiconductor optical amplifier 604.

このとき、半導体光増幅器604に帰還する光は、波長分波器602によって波長が空間的に分岐されて狭スペクトル幅の光となっているため、特定の波長の光のみが増幅される。半導体光増幅器604の前端面には反射率10%の低反射膜を形成されており、高反射膜901と半導体光増幅器604の前端面とで共振器を構成してレーザ発振する。   At this time, since the light returning to the semiconductor optical amplifier 604 is light having a narrow spectral width by spatially branching the wavelength by the wavelength demultiplexer 602, only light having a specific wavelength is amplified. A low reflection film having a reflectance of 10% is formed on the front end face of the semiconductor optical amplifier 604, and the high reflection film 901 and the front end face of the semiconductor optical amplifier 604 constitute a resonator to cause laser oscillation.

半導体光増幅器604は、波長分波器602が異なる波長を出力する位置に複数設けられており、それぞれ別の波長の光を増幅してレーザ発振させることにより、多波長レーザ装置を実現できる。図13の例では、4素子の半導体光増幅器を用いており、それぞれ1.20μm,1.24μm,1.28μm,1.32μmでレーザ発振させている。   A plurality of semiconductor optical amplifiers 604 are provided at positions where the wavelength demultiplexer 602 outputs different wavelengths, and a multi-wavelength laser device can be realized by amplifying light of different wavelengths and causing laser oscillation. In the example of FIG. 13, a four-element semiconductor optical amplifier is used, and laser oscillation is performed at 1.20 μm, 1.24 μm, 1.28 μm, and 1.32 μm, respectively.

図13の多波長レーザ装置において、半導体光増幅器604には図8に示した半導体光増幅器を用いられている。従って、利得領域がGaInNAs量子井戸層で構成されているため、利得領域とAl0.4Ga0.6Asクラッド層との伝導帯バンド不連続を200meV以上と大きくすることができる。従って、外部環境温度が高くなっても、利得領域からクラッド層にオーバーフローする電子が急激に増加することがない。そのため、高温時でも高い光増幅率を維持することができ、外部環境温度に対して安定に動作する。 In the multiwavelength laser device of FIG. 13, the semiconductor optical amplifier 604 uses the semiconductor optical amplifier shown in FIG. Therefore, since the gain region is composed of a GaInNAs quantum well layer, the conduction band discontinuity between the gain region and the Al 0.4 Ga 0.6 As cladding layer can be increased to 200 meV or more. Therefore, even when the external environment temperature becomes high, electrons overflowing from the gain region to the cladding layer do not increase rapidly. Therefore, a high optical gain can be maintained even at high temperatures, and the operation is stable with respect to the external environment temperature.

また、図13の多波長レーザ装置では、レーザ光強度を変調するために、電界吸収型半導体光変調器902が設けられている。ここで、電界吸収型光変調器としては、本発明の半導体光変調器(例えば、図1に示したような電界吸収型半導体光変調器)を用いている。これにより、高温動作時でもS/N比の低下がなく安定に動作する。従って、外部環境温度の変化に対して安定な多波長レーザ装置を形成できる。また、電子冷却装置による精密な温度制御を必要としないため、低コストで製造することができる。   In the multiwavelength laser apparatus of FIG. 13, an electroabsorption semiconductor optical modulator 902 is provided to modulate the laser light intensity. Here, as the electroabsorption optical modulator, the semiconductor optical modulator of the present invention (for example, the electroabsorption semiconductor optical modulator as shown in FIG. 1) is used. As a result, the S / N ratio does not decrease even during high temperature operation, and the operation is stable. Accordingly, it is possible to form a multi-wavelength laser device that is stable against changes in the external environment temperature. Moreover, since precise temperature control by an electronic cooling device is not required, it can be manufactured at low cost.

さらに、図1の電界吸収型半導体光変調器は、10〜50GHzの高速変調が可能となっている。図12の光伝送システムにおいては、4波長のレーザ光をそれぞれ25GHzで変調することにより、最大100Gbit/sの大容量伝送が可能となる。   Further, the electroabsorption semiconductor optical modulator of FIG. 1 can perform high-speed modulation of 10 to 50 GHz. In the optical transmission system of FIG. 12, large-capacity transmission of a maximum of 100 Gbit / s is possible by modulating four wavelengths of laser light at 25 GHz.

図12の波長分割多重方式の光伝送システムは、外部環境温度の変化に対して光出力や変調特性が安定して動作し、低コストの多波長レーザ装置を用いている。従って、100Gbit/sの大容量伝送が可能な光伝送システムを、安価でかつ高い信頼性で構築することができる。
The wavelength division multiplexing optical transmission system shown in FIG. 12 uses a low-cost multi-wavelength laser apparatus that operates stably with respect to optical output and modulation characteristics with respect to changes in the external environment temperature. Therefore, an optical transmission system capable of large capacity transmission of 100 Gbit / s can be constructed at low cost and with high reliability.

本発明に係る半導体光変調器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the semiconductor optical modulator based on this invention. 本発明に係る半導体発光装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the semiconductor light-emitting device based on this invention. 本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the semiconductor light-emitting device based on this invention. 本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the semiconductor light-emitting device based on this invention. 本発明に係る面型半導体発光装置の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the surface type semiconductor light-emitting device based on this invention. 本発明に係る面型半導体発光装置の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the surface type semiconductor light-emitting device based on this invention. GaAs基板上に1.3μm帯のGaInNAsを活性層とする端面型半導体レーザを試作して、半導体レーザの閾電流密度Jthと全損失αの関係を実験的に求めた結果を示す図である。And prototype facet semiconductor lasers for the GaInNAs of 1.3μm band and the active layer on a GaAs substrate, is a diagram showing a result of experimentally determined the relationship between the threshold current density J th and the total loss α of the semiconductor laser . 本発明に係る半導体光増幅器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the semiconductor optical amplifier which concerns on this invention. 本発明に係る半導体光変調器の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the semiconductor optical modulator based on this invention. 本発明に係る波長可変レーザ装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the wavelength tunable laser apparatus which concerns on this invention. 図10の波長可変レーザ装置に用いられているASE放射光源の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the ASE radiation light source used for the wavelength tunable laser apparatus of FIG. 本発明に係る光伝送システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the optical transmission system which concerns on this invention. 図12に示した光伝送システムに用いられている多波長レーザ装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the multiwavelength laser apparatus used for the optical transmission system shown in FIG. 本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the semiconductor light-emitting device based on this invention. 本発明に係る半導体発光装置の他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of the semiconductor light-emitting device based on this invention. 分布ブラッグ反射鏡の抵抗率と組成傾斜層厚さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the resistivity of a distributed Bragg reflector, and a composition gradient layer thickness. 分布ブラッグ反射鏡の反射率の変化率と組成傾斜層厚さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the change rate of the reflectance of a distributed Bragg reflector, and composition gradient layer thickness.

符号の説明Explanation of symbols

101: n型GaAs基板
102: n型AlGaAsクラッド層
103: GaAs下部光導波層
104: GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層
105: GaAs上部光導波層
106: p型GaInP第1クラッド層
107: n型AlInPブロック層
108: p型AlGaAs第2クラッド層
109: p型GaAsキャップ層
110: p側電極
111: n側電極
112: 後端面無反射膜
113: 前端面無反射膜
201: n型GaAs/AlGaAs DBR
202: n型GaAs下部スペーサ層
203: GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層
204: p型AlGaAsキャリアブロック層
205: p型GaAs上部スペーサ層
206: p型GaAs/AlGaAs DBR
207: 高抵抗領域
301: 多重量子井戸構造
302: p型AlGaAs第1クラッド層
303: p型AlAs
304: AlO絶縁領域
401: GaAsP回折格子層
402: GaAsP上部光導波層
403: p型AlGaAsクラッド層
404: 高抵抗領域
405: p側電極
406: p側電極
501: p型AlAs層
502: p型GaAs/AlGaAs第1DBR
503 : AlO絶縁層
504: n型GaAsコンタクト層
505: n型AlGaAsクラッド層
506: 多重量子井戸構造
506a: GaInNAs量子井戸層
506b: AlGaAs障壁層
506c: GaAs中間層
507: p型AlGaAsクラッド層
508: p型GaAs/AlGaAs第2DBR
509: AlO絶縁領域
510: 変調用p側電極
511: 変調用n側電極
601: ASE光源
602: 分波器
603: 光ゲートアレイ
604: 半導体光増幅器
605: 合波器
606: Si基板
701: GaInNAs/GaAs多重量子井戸活性層
702: 無反射膜
703: 高反射膜
704: ストライプ領域
705a,b,c,d: GaInNAs井戸層
706: GaAs障壁層
801: 光送信モジュール
802: 光受信モジュール
803: 光ファイバケーブル
804: 多波長レーザ装置
805: 駆動制御回路
806: 受光装置
807: 受信回路
901: 高反射膜
902: 電界吸収型光変調器
1001: Si基板
1002: 面発光レーザアレイ
1003: 45°ミラー
1004: 光導波路
1005: 光変調器アレイ
1006: 光ファイバ
1101: 第1の上部GaAsスペーサ層
1102: 第2の上部GaAsスペーサ層
1103: p型GaAsコンタクト層
1104: n型GaAs/AlGaAs 上部DBR
1201: n型GaAs/AlGaAs 下部DBR
1202: p型GaAs/AlGaAs DBR
1203: n型GaAs/AlGaAs上部DBR
1204: n側電極

1401:p型GaAs基板
1402:p型Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As下部DBR
1403:GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸光吸収層
1404:n型 Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As DBR
1405:Al0.2Ga0.8As下部スペーサ層
1406:GaAs/Al0.2Ga0.8As多重量子井戸活性層
1407: Al0.2Ga0.8As上部スペーサ層
1408: p型Al0.2Ga0.8As/Al0.9Ga0.1As上部DBR
1411:p側電極
1412:n側電極
1413:p側電極
1501:p型GaAs層
1502:n型GaAs層
1503:p型GaAs層
101: n-type GaAs substrate 102: n-type AlGaAs cladding layer 103: GaAs lower optical waveguide layer 104: GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 105: GaAs upper optical waveguide layer 106: p-type GaInP first cladding layer 107: n-type AlInP blocking layer 108: p-type AlGaAs second cladding layer 109: p-type GaAs cap layer 110: p-side electrode 111: n-side electrode 112: rear end face non-reflective film 113: front end face non-reflective film 201: n-type GaAs / AlGaAs DBR
202: n-type GaAs lower spacer layer 203: GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 204: p-type AlGaAs carrier block layer 205: p-type GaAs upper spacer layer 206: p-type GaAs / AlGaAs DBR
207: high resistance region 301: multiple quantum well structure 302: p-type AlGaAs first cladding layer 303: p-type AlAs
304: AlO x insulating region 401: GaAsP diffraction grating layer 402: GaAsP upper optical waveguide layer 403: p-type AlGaAs cladding layer 404: high resistance region 405: p-side electrode 406: p-side electrode 501: p-type AlAs layer 502: p Type GaAs / AlGaAs first DBR
503: AlO x insulating layer 504: n-type GaAs contact layer 505: n-type AlGaAs cladding layer 506: multiple quantum well structure 506a: GaInNAs quantum well layer 506b: AlGaAs barrier layer 506c: GaAs intermediate layer 507: p-type AlGaAs cladding layer 508 : P-type GaAs / AlGaAs second DBR
509: AlO x insulating region 510: modulation p-side electrode 511: modulation n-side electrode 601: ASE light source 602: duplexer 603: optical gate array 604: semiconductor optical amplifier 605: multiplexer 606: Si substrate 701 GaInNAs / GaAs multiple quantum well active layer 702: non-reflective film 703: highly reflective film 704: stripe region 705a, b, c, d: GaInNAs well layer 706: GaAs barrier layer 801: optical transmitter module 802: optical receiver module 803: Optical fiber cable 804: Multi-wavelength laser device 805: Drive control circuit 806: Light receiving device 807: Receiving circuit 901: High reflection film 902: Electroabsorption optical modulator 1001: Si substrate 1002: Surface emitting laser array 1003: 45 ° mirror 1004: Optical waveguide 1005: Optical modulator array 1 06: optical fiber 1101: first upper GaAs spacer layer 1102: second upper GaAs spacer layer 1103: p-type GaAs contact layer 1104: n-type GaAs / AlGaAs upper DBR
1201: n-type GaAs / AlGaAs lower DBR
1202: p-type GaAs / AlGaAs DBR
1203: n-type GaAs / AlGaAs upper DBR
1204: n-side electrode

1401: p-type GaAs substrate 1402: p-type Al 0.2 Ga 0.8 As / Al 0.9 Ga 0.1 As lower DBR
1403: GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well optical absorption layer 1404: n-type Al 0.2 Ga 0.8 As / Al 0.9 Ga 0.1 As DBR
1405: Al 0.2 Ga 0.8 As lower spacer layer 1406: GaAs / Al 0.2 Ga 0.8 As multiple quantum well active layer 1407: Al 0.2 Ga 0.8 As upper spacer layer 1408: p-type Al 0.2 Ga 0.8 As / Al 0.9 Ga 0.1 As upper DBR
1411: p-side electrode 1412: n-side electrode 1413: p-side electrode 1501: p-type GaAs layer 1502: n-type GaAs layer 1503: p-type GaAs layer

Claims (5)

単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、多重量子井戸構造を光吸収層とする半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の共振器内、または、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴とする半導体発光装置。 A surface-emitting semiconductor laser element and a semiconductor optical modulator having a light absorption layer having a multiple quantum well structure are monolithically integrated in a stacking direction on a single crystal semiconductor substrate. The semiconductor optical modulator is a surface-emitting semiconductor laser. A semiconductor light-emitting device, which is located in a resonator of an element or in a semiconductor distributed Bragg reflector of a surface-emitting semiconductor laser element. 単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の光出射面と反対側の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置していることを特徴とする半導体発光装置。 A surface emitting semiconductor laser element and a semiconductor optical modulator including a light absorption layer are monolithically integrated in a stacking direction on a single crystal semiconductor substrate, and the semiconductor optical modulator is a light emitting surface of the surface emitting semiconductor laser element. The semiconductor light emitting device is located in the semiconductor distributed Bragg reflector on the opposite side of the semiconductor light emitting device. 単結晶半導体基板上に、面発光半導体レーザ素子と、光吸収層を含む半導体光変調器とが積層方向にモノリシックに集積されており、半導体光変調器は、面発光半導体レーザ素子の半導体分布ブラッグ反射鏡内に位置しており、半導体光変調器の変調用電極の少なくとも一方は、半導体光変調器に隣接した半導体分布ブラッグ反射鏡の1周期以下の位置に設けられていることを特徴とする半導体発光装置。 A surface emitting semiconductor laser element and a semiconductor optical modulator including a light absorption layer are monolithically integrated in a stacking direction on a single crystal semiconductor substrate. The semiconductor optical modulator is a semiconductor distribution Bragg of the surface emitting semiconductor laser element. It is located in the reflecting mirror, and at least one of the modulation electrodes of the semiconductor optical modulator is provided at a position of one cycle or less of the semiconductor distributed Bragg reflecting mirror adjacent to the semiconductor optical modulator. Semiconductor light emitting device. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光装置において、半導体光変調器と面発光半導体レーザ素子との電気的絶縁層として、AlAsまたはAlGaAsを選択酸化した層を用いたことを特徴とする半導体発光装置。 4. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein a layer obtained by selectively oxidizing AlAs or AlGaAs is used as an electrical insulating layer between the semiconductor optical modulator and the surface emitting semiconductor laser element. A semiconductor light emitting device. 請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体発光装置において、面発光半導体レーザ素子の分布ブラッグ反射鏡は、高屈折率層と低屈折率層との間に組成傾斜層が設けられており、組成傾斜層の層厚が30〜50nmであることを特徴とする半導体発光装置。 4. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the distributed Bragg reflector of the surface emitting semiconductor laser element includes a composition gradient layer between the high refractive index layer and the low refractive index layer. And a layer thickness of the composition gradient layer is 30 to 50 nm.
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