JP2532632B2 - Semiconductor laser - The device and the semiconductor photodetector and a manufacturing method thereof - Google Patents

Semiconductor laser - The device and the semiconductor photodetector and a manufacturing method thereof

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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は半導体レーザ装置と半導体光検出器及びその製造方法に関し、特に光通信、光計測等に用いる半導体レーザと半導体光検出器及びその製造方法に関するものである。 DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION INDUSTRIAL FIELD The present invention relates to a semiconductor laser device and a semiconductor photodetector and a manufacturing method thereof, optical communications, a semiconductor laser and a semiconductor photo detector and a manufacturing method thereof for use in optical measurement, etc. it is intended.

従来の技術 距離測定や表面の荒さ測定等の光計測及び光ファイバを用いる多重通信や、コヒーレント光通信には、単一波長で発振し、その発振波長が安定した半導体レーザが不可欠である。 Multiplex communication or using optical metrology and optical fiber roughness measurement of prior art distance measuring and surface, the coherent optical communication, oscillates at a single wavelength, a semiconductor laser is essential that the oscillation wavelength is stabilized. 単一波長での発振は、分布帰還型レーザダイオード(DFB−LD),分布反射型レーザダイオード(D The oscillation at a single wavelength distributed feedback laser diode (DFB-LD), distributed Bragg reflector laser diode (D
BR−LD)によりほぼ実現している。 Are substantially implemented by the BR-LD). 一方レーザの発振波長の安定化(発振波長幅やドリフトの改善)には、ある基準の波長を設定してそれとの比較により、負帰還をかける方法があり、基準波長は波長選別器として主にファブリペロー共振器,ガスの吸収線等を用いて作られる。 The contrast laser stabilization of the oscillation wavelength of the (improvement of the oscillation wavelength width and drift), by comparison with that by setting the wavelength of a reference is a method of applying a negative feedback, the reference wavelength is primarily as a wavelength selector Fabry-Perot resonators, are made by using the absorption line, etc. of the gas.
このような方法として例えば光技術コンタクトVol.26N Such methods as for example optical techniques Contacts Vol.26N
o.1(1988)第35頁から第42頁に発表されていて、この方法を第5図に示す。 O.1 (1988) have been published in 42, pages 35 pp., This method is illustrated in Figure 5.

第5図は、半導体レーザの外部に、ファブリペロー共振器を波長選別器として用いて負帰還をかけることにより、発振波長の安定化を行うブロック図である。 Fig. 5, the outside of the semiconductor laser, by applying a negative feedback by using a Fabry-Perot resonator as the wavelength selector is a block diagram for performing stabilizing the oscillation wavelength. 半導体レーザ805から出た光は、戻り光によるノイズを避けるためのアイソレータ809を通ってハーフミラー812で2方向に分けられる。 Light emitted from the semiconductor laser 805 is divided into two directions by the half mirror 812 through an isolator 809 to avoid noise due to return light. 一方の光はファブリペロー共振器808 One optical Fabry-Perot resonator 808
へ行き、もう一方の光は線幅測定装置810へ行く。 To go, the other of the light goes to the line width measuring device 810. ファブリペロー共振器808は、共振器長に対応する波長周期でその有効的な反射率,透過率の波長依存性を示す。 Fabry-Perot cavity 808 shows the effective reflectivity at the wavelength period corresponding to the cavity length, the wavelength dependency of the transmittance. そのため、この共振器808の透過光と反射光を各々光検出器807,811で検出すると、光の波長の揺らぎ,中心の発振波長の検出ができる。 Therefore, upon detecting the transmitted light and the reflected light of the resonator 808 at each optical detector 807,811, fluctuation of the wavelength of light, it can be detected in the oscillation wavelength of the center. 各々の光検出器807,811の電流変化として現れ、一方は電圧増幅器806により増幅し、 Appears as a current change of each of the optical detectors 807,811, one amplified by the voltage amplifier 806,
位相補償回路801で適切な電流位相に補正して半導体レーザ805へと加え、波長の揺らぎを抑える。 In addition to the semiconductor laser 805 is corrected to the appropriate current phase in the phase compensation circuit 801 to suppress the fluctuation of the wavelength. 他方は出力光制御用増幅器804を通り、レーザ駆動電源802を制御してその中心波長を安定化する。 The other through the output optical control amplifier 804, to stabilize the center wavelength by controlling the laser driving power source 802. また半導体レーザ805は通常、駆動電流(注入電流)や素子の温度によりその中心波長が変化する。 The semiconductor laser 805 is typically, its center wavelength varies with temperature of the drive current (injected current) and the element. それを避けるためペルチェ素子からなる温度制御器803を用いて±0.1℃以下の温度制御をして発振波長をある程度安定化している。 To some extent stabilize the oscillation wavelength temperature control below ± 0.1 ° C. using a temperature controller 803 consisting of a Peltier element in order to avoid it to. また電流についても同様に注意が払われている。 Special care has been given in the same manner for also current. ここではそれでも避けきれない中心波長のドリフトに対処している。 Here is to deal with the drift of the center wavelength that can not be avoided even in it. ファブリペロー共振器808や線幅測定装置810から戻ってくる光があると、半導体レーザ805の発振が不安定になり、線幅の増加,モードの乱れなど良くないことが起きる。 If there is a light coming back from the Fabry-Perot cavity 808 and the line width measuring device 810, becomes unstable oscillation of the semiconductor laser 805, an increase in line width, it happens not good, such as the mode disturbance. そこでアイソレータ809は、逆から入ってくる光を遮断するためのものである 発明が解決しようとする課題 しかしながら上記の従来の構成では、装置が大型であり、発振波長の温度安定性および高速変調時の周波数安定性が良くないという課題があった。 Therefore isolator 809, in the conventional configuration problems, however the is for blocking the light coming from the opposite invention is to provide apparatus is large, when the temperature stability and high-speed modulation of the oscillation wavelength there is a problem that the frequency stability is not good. 上述の課題は以下の理由で生ずる。 The problems described above are caused by the following reasons.

すなわち第1にファブリペロー共振器では、熱膨張で共振周波数が変化してしまい、基準波長のずれが起きる。 That is, in the Fabry-Perot resonator in the first resonant frequency in thermal expansion will change, the deviation of the reference wavelength occurs. そのため基準波長の温度安定性が悪いため、発振波長の温度安定性が悪い。 Due to poor temperature stability Therefore reference wavelength, poor temperature stability of the oscillation wavelength.

第2に光検出器から半導体レーザまでの配線が、ファブリペロー共振やガスチューブ等の波長選別器の大きさ(通常数cm〜数十cm)の分だけ長くなり、信号遅延が生じる。 Wiring from the second photodetector to the semiconductor laser is a Fabry-Perot cavity and a gas tube or the like wavelength selector of the size of the extended by (normally several cm~ tens cm) minute, the signal delay. そのため半導体レーザで高速変調する際、高速変調時の安定化ができない。 Therefore when speed modulation in semiconductor lasers can not stabilize for high speed modulation.

本発明は、上述の課題に鑑みて試されたもので、装置が小型であり、発振波長の温度安定性が良く、高速変調時の周波数安定性が良い半導体レーザ装置と半導体光検出器及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been tested in view of the above-described problems, an apparatus is compact and good temperature stability of oscillation wavelength, frequency stability during high-speed modulation is good semiconductor laser device and a semiconductor photodetector and and to provide a manufacturing method.

課題を解決するための手段 本発明は上述の課題を解決するため、4fまたは5f電子を有する元素がドープされた光吸収層を有する半導体光検出器に半導体レーザの出力光を吸収させ、前記半導体光検出器の出力電流を前記半導体レーザの波長駆動電流として帰還させ、前記半導体レーザの発振波長を安定化させるという構成を備えたものである。 Since SUMMARY The present invention for solving the is to solve the problems described above, to absorb the output light of the semiconductor laser in a semiconductor photodetector having a light absorbing layer element is doped with a 4f or 5f electrons, the semiconductor is fed back the output current of the photodetector as wavelength driving current of the semiconductor laser, in which the oscillation wavelength of the semiconductor laser comprising the features of stabilizing.

作用 本発明は上述の構成によって、f電子準位間の遷移は The present invention is the above configuration action, transitions between f electronic levels are
4fまたは5f電子が内殻電子であるため、温度や添加する先の材料等の外部環境の影響を受けにくく、そのエネルギーは受け入れ先の物質に依存しない。 Because 4f or 5f electrons are the inner-shell electron, less affected by the external environment ahead of the material such as temperature and added, its energy is not dependent on receiving destination substances.

またそのエネルギー幅も非常に狭い(1cm -1以下)。 The very narrow its energy width (1 cm -1 or less).
この遷移を用いると決まった狭い波長範囲の光に高い感度を持つ半導体光検出器が実現できる。 Semiconductor photodetector with high sensitivity to light of a narrow wavelength range of fixed and use of this transition can be realized. これを半導体レーザと組み合わせた場合、半導体光検出器が検出する基準波長の温度安定性が良いため、半導体レーザの発振波長の温度安定性を増すことができる。 When this is combined with the semiconductor laser, the temperature stability of the reference wavelength semiconductor photodetector detects good, it is possible to increase the temperature stability of the oscillation wavelength of the semiconductor laser.

また半導体光検出器と半導体レーザを組み合わせることにより、光検出器と半導体レーザまでの配線が短くなり、高速変調時の周波数安定性を増すことができる。 Also by combining the semiconductor photodetector and the semiconductor laser, the wiring to the light detector and the semiconductor laser is reduced, it is possible to increase the frequency stability for high speed modulation.

実施例 第1図は本発明の一実施例による長距離通信用半導体レーザの斜視図を示す。 Example Figure 1 shows a perspective view of a semiconductor laser for long-distance communications according to one embodiment of the present invention. 以下第1図を用いて説明する。 It will be described with reference to Figure 1 below.

この半導体レーザは、波長選択性を持つ半導体光検出部100,半導体レーザ部200,電子回路部400をモノリシック化したものである。 This semiconductor laser, a semiconductor light detector 100 having wavelength selectivity, the semiconductor laser unit 200 is an electronic circuit portion 400 that is monolithic.

まず半導体レーザ部200の構成と動作を説明する。 First it will be described the structure and operation of the semiconductor laser unit 200.

半導体レーザ部200は、DBR−LDを示し、ファブリペロー型レーザの発光部203と、同一光軸上に注入電流(位相制御電流230)により有効的に光路長を変化させる位相制御部202と、回折格子204を設置したDBR部201とを付加した構成になっている。 The semiconductor laser unit 200 indicates the DBR-LD, a light-emitting portion 203 of the Fabry-Perot type laser, a phase control unit 202 to effectively change the optical path length by the injection on the same optical axis current (phase control current 230), It has a configuration obtained by adding a DBR portion 201 installed diffraction grating 204.

また発光部203は、ストライプ型のレーザであり、n The light emitting unit 203 is a laser of stripe type, n
型InP基板211上のn型クラッド層210と活性層208が、n n-type cladding layer 210 and the active layer 208 on the type InP substrate 211, n
型ブロック層207とp型ブロック層209によって埋め込まれていて、その上にp型クラッド層206,p型電極205が形成されている。 Be embedded by type blocking layer 207 and the p-type blocking layer 209, p-type cladding layer 206, p-type electrode 205 is formed thereon. そして基板211の裏面にはn型電極212が形成されている。 And n-type electrode 212 is formed on the back surface of the substrate 211.

発光された光のうち、DBR部201にある回折格子204の周期に応じたブラッグ波長の光が選択的に、発光部203 Of the light emitted, the light of the Bragg wavelength is selectively in accordance with the period of the diffraction grating 204 in the DBR portion 201, the light emitting portion 203
に帰還されるため、回折格子の周期に対応する単一波長でレーザ発振が起こる。 To be fed back to the laser oscillation occurs at a single wavelength corresponding to the period of the diffraction grating. 位相制御部202に位相制御電流2 Phase control current 2 to the phase control section 202
30,DBR部201にDBR電流220を同時に注入すると、それぞれの部分の屈折率が変化してDBR部201ではブラッグ波長が微少に変化し、単一発振を保ちながら発振波長を連続的に可変できる。 30, when the DBR section 201 to inject a DBR current 220 at the same time, the refractive index of each portion changes the Bragg wavelength in the DBR portion 201 is changed minutely by can continuously vary the oscillation wavelength while keeping a single oscillation .

次に半導体光検出部100の構成と動作を以下説明する。 Next the structure and operation of the semiconductor light detecting unit 100 will be described below.

半導体光検出部100は半導体レーザ部200の発光部203 The semiconductor light detector 100 is the light emitting portion 203 of the semiconductor laser unit 200
とほぼ同一の構成をしたフォトダイオードである。 When a photodiode having almost the same configuration. ただし、In 0.53 Ga 0.47 Asからなる光吸収層(活性層)208 However, the light-absorbing layer made of In 0.53 Ga 0.47 As (active layer) 208
に、4f電子を有する元素としてエルビウム(Er)を集束イオンビームを用いて、1×10 19 /cm 3ドープされていることが違う。 To, erbium (Er) as an element having a 4f electrons using a focused ion beam, different is that it is 1 × 10 19 / cm 3 doped.

第2図は、In 0.53 Ga 0.47 As光吸収層にErをドープしたフォトダイオードの光吸収係数の波長依存性を示す特性図である。 Figure 2 is a characteristic diagram showing the wavelength dependence of the optical absorption coefficient of the photo diode doped with Er to In 0.53 Ga 0.47 As light-absorbing layer.

ただし、第2図の波長範囲を1.40μmから1.70μmに限定している。 However, the wavelength range of the second view is limited from 1.40μm to 1.70 .mu.m. 光吸収層208のエネルギーギャプ(Eg) Energy Gap of the light absorbing layer 208 (Eg)
は、室温で(0.73eV;1.70μm)であり、またErの4f準位間吸収の一つに0.8eV(波長1.55μm)がある。 It is at room temperature; a (0.73 eV 1.70 .mu.m), also there is 0.8 eV (wavelength 1.55 .mu.m) to one 4f level between absorption Er. 波長が1.55μm付近の光吸収過程は二種類あり、Eg(0.73e Wavelength There are light absorption process is two near 1.55μm, Eg (0.73e
V)に相当する波長より短波長側にあり、広い波長領域にわたる価電子帯と伝導帯間のバンド間遷移と、Erによる波長1.55μmでの狭帯域の吸収である。 There than the wavelength corresponding to V) on the short wavelength side, the valence band over a wide wavelength region and inter-band transitions between the conduction band, narrow band absorption at a wavelength of 1.55μm by Er. このため、このフォトダイオードの波長感度特性は、前記二つの過程による吸収を重畳したものであり、波長1.55μmの狭い波長領域において相対的に高い感度を持つ。 Therefore, the wavelength sensitivity characteristics of the photodiode is obtained by superimposing absorption by the two processes, having a relatively high sensitivity in a narrow wavelength region wavelength 1.55 .mu.m.

第3図は、第1図に示す半導体レーザの動作を示すブロック図である。 Figure 3 is a block diagram illustrating the operation of the semiconductor laser shown in Figure 1. 波長選択性を持つ半導体光検出部100 The semiconductor light detector 100 having wavelength selectivity
と波長可変型単一波長発振レーザである半導体レーザ部 A semiconductor laser portion which is a wavelength tunable single wavelength oscillating laser
200と位相制御電流と、DBR電流を制御する電子回路部40 200 and the phase control current, the electronic circuit unit 40 for controlling the DBR current
0を組み合わせることにより、半導体レーザの発振波長の安定化が行える。 By combining 0, enabling the stabilization of the oscillation wavelength of the semiconductor laser. 以下、半導体レーザの発振波長の安定化の方法を示す。 Hereinafter, a method for stabilization of the oscillation wavelength of the semiconductor laser.

駆動電流240により半導体レーザ部200から発振光を二方向に出力させ、ひとつはモニタ光として半導体光検出部100に入れて光検出電流(Ip)110となる。 To output oscillation light in two directions from the semiconductor laser unit 200 by the drive current 240, one becomes light detection current (Ip) 110 placed in the semiconductor photodetector unit 100 as a monitor light. 第4図(a)〜(c)はそれぞれIn 0.53 Ga 0.47 As光吸収層にEr Figure 4 (a) ~ (c) each of In 0.53 Ga 0.47 As light-absorbing layer to the Er
をドープしたフォトダイオードの光検出電流(Ip)の波長(λ )依存性および光検出電流の波長に対する1階微分,2階微分を示す特性図である。 First-order differential with respect to the wavelength of the wavelength (lambda 1) dependent and light detection current of the doped photodiode light detection current (Ip), is a characteristic diagram showing a second derivative.

ここでIp=Ip(λ )、Ip″=d 2 (Ip)/▲dλ 2 1 Here Ip = Ip (λ 1), Ip "= d 2 (Ip) / ▲ dλ 2 1 ▼
である。 It is. 第4図(c)に示すように光検出電流の波長に対する2階微分(Ip″)は、波長1.55μmにおいて極値をとる。 Second-order derivative with respect to the wavelength of the light detection current as shown in FIG. 4 (c) (Ip ") takes an extreme value at the wavelength 1.55 .mu.m.

前記光検出電流110を緩衝増幅器,微分回路,制御回路などからなる電子回路部400に入れて、−Ip″が極小になるように、位相制御電流230とDBR電流220を制御するとレーザの発振波長が1.55μmとなる。このレーザの発振波長の基準となるErの吸収波長は温度等の外部環境に対して安定であるため、レーザの発振波長もまた同程度安定性を持つ。また半導体レーザをモノリシック化することにより、配線長の減少等によって高速変調特性が良くなる。 Buffer amplifier to the photodetector current 110, a differentiating circuit, placed in the electronic circuit unit 400 consisting of a control circuit, so -Ip "is minimized, the lasing wavelength of the controlling the phase control current 230 and the DBR current 220 There the 1.55 .mu.m. because the absorption wavelength of the reference become Er oscillation wavelength of the laser is stable with respect to the external environment such as temperature, the oscillation wavelength of the laser also has a comparable stability. the semiconductor laser by monolithic, high-speed modulation characteristics are improved by such reduction in wiring length.

なお本実施例では波長選択性を持つ半導体光検出部の形成手段として、4f電子を有するErを前記半導体光検出部の光吸収層にドーピングして、Erが持つ4f準位間吸収の1つである0.8eVを用いたが、その他の4f準位間吸収、例えば0.72eV,1.0eV等を用いることもできる。 Note as means for forming the semiconductor light detector having a wavelength selectivity in the present embodiment, by doping with Er having 4f electrons in the light-absorbing layer of the semiconductor light detector, one of the 4f level between absorption Er has was used 0.8eV is, other 4f level between absorption, for example 0.72 eV, it may also be used 1.0eV like. また、ネオジウム(Nd),ガドリニウム(Gd),イットリビウム(Yb)等の4f準位間吸収を有する元素さらに、5f Moreover, neodymium (Nd), gadolinium (Gd), further elements having a 4f level between absorption such as Ytterbium (Yb), 5f
準位間吸収を有する元素を用いることができることは言うまでもない。 It goes without saying that it is possible to use an element having an absorption between levels. さらに半導体光検出部は、それ自身単体で半導体光検出器として用いることができることは言うまでもない。 Furthermore the semiconductor optical detection unit, can of course be used as the semiconductor photodetector itself alone.

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明は、4fまたは As apparent from the effects above description of the invention, the present invention is, 4f or
5f電子を有する元素を光吸収層にドープして特定の波長に高い感度を持ち、温度安定性の良い半導体光検出器が、f電子準位間の遷移エネルギー値が一定で、しかもその幅が非常に狭いことを利用することにより実現できる。 Those elements that have 5f electrons by doping the light absorbing layer has a high sensitivity to a specific wavelength, temperature stability good semiconductor photodetector, the transition energy value between f electron level is constant, yet its width It can be realized by utilizing a very narrow.

これらは長距離通信用光源として必須のものである。 These are essential as long distance light source.
それらが簡単なプロセスで実現でき、また従来に比べて小型化,高信頼の光源が得られる。 They can be realized by a simple process and compact than the conventional, highly reliable light source is obtained.

また半導体レーザと前記半導体光検出器を組み合わせることにより、前記半導体レーザの発振波長の安定化を行うことにより、従来の大型の光学系が不必要となり、 Also by combining the semiconductor laser and the semiconductor photodetector, by performing the stabilization of the oscillation wavelength of the semiconductor laser, the optical system of the conventional large becomes unnecessary,
温度安定性が良くさらに周波数応答性の大幅な向上が図れる効果を有するものである。 Significant improvement in temperature stability may further frequency response and has a can be reduced effectively.

またこれらの特徴は他の波長でも同等に実現が可能であり、各種の測定用、基準光源として用いることができる。 Also these features is capable of equally realized in other wavelengths, various for the measurement, it can be used as a reference light source.

【図面の簡単な説明】 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

第1図は本発明の一実施例による半導体レーザの斜視図、第2図はIn 0.53 Ga 0.47 As光吸収層にErをドープしたフォドダイオードの光吸収係数の波長依存性を示す特性図、第3図は第1図に示す半導体レーザの動作を示すブロック図、第4図(a)〜(c)はそれぞれIn 0.53 Ga Figure 1 is a perspective view of a semiconductor laser according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a characteristic diagram showing the wavelength dependence of the optical absorption coefficient of the follower de diode doped with Er to In 0.53 Ga 0.47 As light-absorbing layer, Figure 3 is a block diagram showing the operation of the semiconductor laser shown in FIG. 1, FIG. 4 (a) ~ (c) respectively an in 0.53 Ga
0.47 As光吸収層にErをドープしたフォトダイオードの光検出電流の波長依存性および光検出電流の波長に対する1階微分,2階微分を示す特性図、第5図は従来技術による半導体レーザの発振波長の安定化を行うブロック図である。 0.47 1 derivative with respect to wavelength of the wavelength dependence and the light detection current of the light detection current of the photo diode doped with Er to As light-absorbing layer, characteristic diagram showing a second derivative, Fig. 5 oscillation of the semiconductor laser according to the prior art it is a block diagram for performing stabilization of wavelength. 100……半導体光検出部、110……光検出電流、200…… 100 ...... semiconductor photodetecting unit, 110 ...... optical detection current, 200 ......
半導体レーザ部、201……DBR部、202……位相制御部、2 The semiconductor laser unit, 201 ...... DBR section, 202 ...... phase control unit, 2
03……発光部、204……回折格子、210……活性層(光吸収層)、220……DBR電流、230……位相制御電流、240… 03 ...... emitting unit, 204 ...... diffraction grating, 210 ...... active layer (light absorbing layer), 220 ...... DBR current, 230 ...... phase control current, 240 ...
…駆動電流、250……発振光、400……電子回路部。 ... drive current, 250 ...... oscillation light, 400 ...... electronic circuit portion.

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】 (57) [the claims]
  1. 【請求項1】4fまたは5f電子を有する元素がドープされた光吸収層を有する半導体光検出器に半導体レーザの出力光を吸収させ、前記半導体光検出器の出力電流を前記半導体レーザの波長駆動電流として帰還させ、前記半導体レーザの発振波長を安定化させることを特徴とする半導体レーザ装置。 1. A element having 4f or 5f electrons to absorb the output light of the semiconductor laser in a semiconductor photodetector having a light absorbing layer which is doped, the semiconductor laser wavelength driving of the output current of the semiconductor photodetector It is fed back as a current, a semiconductor laser device, characterized in that to stabilize the oscillation wavelength of the semiconductor laser.
  2. 【請求項2】4fまたは5f電子を有する元素がドープされた光吸収層を有し、4fまたは5f内殻電子準位間遷移を使用することにより波長選択性を持つことを特徴とする半導体光検出器。 2. A has a 4f or light absorbing layer element is doped with 5f electrons, a semiconductor light characterized by having wavelength selectivity by using a transition between 4f or 5f inner shell electron level Detector.
  3. 【請求項3】波長選択性を有する半導体光検出器を、前記半導体光検出器の光吸収層に4fまたは5f電子を有する元素をイオン注入法によりドーピングすることにより形成する半導体光検出器の製造方法。 The 3. A semiconductor photodetector having a wavelength selectivity, the production of semiconductor photodetectors formed by doping an element having a 4f or 5f electrons in the light-absorbing layer of the semiconductor photodetector by ion implantation Method.
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