JP2630035B2 - 波長可変半導体レーザ - Google Patents
波長可変半導体レーザInfo
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- JP2630035B2 JP2630035B2 JP19963890A JP19963890A JP2630035B2 JP 2630035 B2 JP2630035 B2 JP 2630035B2 JP 19963890 A JP19963890 A JP 19963890A JP 19963890 A JP19963890 A JP 19963890A JP 2630035 B2 JP2630035 B2 JP 2630035B2
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- Japan
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
- H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
- H01S5/06203—Transistor-type lasers
- H01S5/06206—Controlling the frequency of the radiation, e.g. tunable twin-guide lasers [TTG]
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信などの光源として用いられる波長可
変半導体レーザに関する。
変半導体レーザに関する。
光ファイバ通信技術としては、直接変調、直接検波方
式がすでに実用化されているが、さらに高感度が期待で
きるコヒーレント光通信が将来の実用化を目指してさか
んに研究されている。コヒーレント光通信は光の周波数
や位相を情報として伝送する技術であり、検波の際に局
部発振光源として、厳密に周波数制御された単一波長動
作半導体レーザが必要になる。また、多数の光信号を一
定の周波数間隔で同時に伝送するコヒーレント周波数多
重伝送方式を実現するためには、やはり周波数制御され
た単一波長動作半導体レーザが必要となる。
式がすでに実用化されているが、さらに高感度が期待で
きるコヒーレント光通信が将来の実用化を目指してさか
んに研究されている。コヒーレント光通信は光の周波数
や位相を情報として伝送する技術であり、検波の際に局
部発振光源として、厳密に周波数制御された単一波長動
作半導体レーザが必要になる。また、多数の光信号を一
定の周波数間隔で同時に伝送するコヒーレント周波数多
重伝送方式を実現するためには、やはり周波数制御され
た単一波長動作半導体レーザが必要となる。
このようにコヒーレント光通信技術の実現に不可欠な
周波数（波長）制御単一モード動作半導体レーザの構造
として、３電極を有する波長可変分布帰還型半導体レー
ザ（DBR−LD）がある（S.Murata et al.,Electronics L
etters,23,1987,p.403.）。この波長可変DBR−LDは、共
振器方向に分割された活性領域、位相制御領域、DBR領
域を有し、回折格子はDBR領域のみに形成されている。D
BR領域に電流を流すことによってブラッグ波長を変化さ
せ、さらに位相制御領域に独立に電流を流すことによっ
てモーダとびのない波長チューニングを実現しており、
720GHz（5.8nm）を連続チューニングが報告されてい
る。
周波数（波長）制御単一モード動作半導体レーザの構造
として、３電極を有する波長可変分布帰還型半導体レー
ザ（DBR−LD）がある（S.Murata et al.,Electronics L
etters,23,1987,p.403.）。この波長可変DBR−LDは、共
振器方向に分割された活性領域、位相制御領域、DBR領
域を有し、回折格子はDBR領域のみに形成されている。D
BR領域に電流を流すことによってブラッグ波長を変化さ
せ、さらに位相制御領域に独立に電流を流すことによっ
てモーダとびのない波長チューニングを実現しており、
720GHz（5.8nm）を連続チューニングが報告されてい
る。
第２図は活性領域とチューニング領域が重なって存在
しているツイン・ガイド構造半導体レーザの共振器に垂
直な方向の断面構造である（M.C.Amann et al.,ECOC′8
9,III,p.46.）。InGaAsP活性層２を流れる電流はｐ電極
10から順にｐ基板１、ｐ−InGaAsP光ガイド層13、InGaA
sP活性層２、ｎ−InP層３、ｎ電極11という経路をたど
って流れる。一方、チューニング電流はｐ電極８からｐ
−InP14、Ｐ−InP層５、InGaAsPチューニング層12、ｎ
−InP層３、ｎ電極11という経路のたどって流れる。チ
ューニング電流を変化させることによって波長チューニ
ングを行っており、7.1nmの連続チューニングも報告さ
れている（S.Illek et al.,Electronice Letters.26,19
90,p.46.）。
しているツイン・ガイド構造半導体レーザの共振器に垂
直な方向の断面構造である（M.C.Amann et al.,ECOC′8
9,III,p.46.）。InGaAsP活性層２を流れる電流はｐ電極
10から順にｐ基板１、ｐ−InGaAsP光ガイド層13、InGaA
sP活性層２、ｎ−InP層３、ｎ電極11という経路をたど
って流れる。一方、チューニング電流はｐ電極８からｐ
−InP14、Ｐ−InP層５、InGaAsPチューニング層12、ｎ
−InP層３、ｎ電極11という経路のたどって流れる。チ
ューニング電流を変化させることによって波長チューニ
ングを行っており、7.1nmの連続チューニングも報告さ
れている（S.Illek et al.,Electronice Letters.26,19
90,p.46.）。
第２図に示したツイン・ガイド構造では３電極DBR構
造に比べて、構造が簡単で、チューニング幅も広くでき
る可能性がある。しかし、報告例ではチューニング層に
格子整合したInGaAsPを用いており、必ずしも最大の波
長チューニング量の得られる構造ではない。また電流狭
窄のpnホモ接合を用いたものであるため、電流閉じこめ
が弱く、充分な光出力が得られないなどの欠点がを有し
ている。
造に比べて、構造が簡単で、チューニング幅も広くでき
る可能性がある。しかし、報告例ではチューニング層に
格子整合したInGaAsPを用いており、必ずしも最大の波
長チューニング量の得られる構造ではない。また電流狭
窄のpnホモ接合を用いたものであるため、電流閉じこめ
が弱く、充分な光出力が得られないなどの欠点がを有し
ている。
本発明は、その１つは、第１導電型基板の上に積載さ
れた、少なくとも回折格子、活性層、第２導電型半導体
層、チューニング層、および第１導電型半導体層からな
る多層構造がメサ状に形成され、少なくとも前記第２導
電型半導体層に接触して第２導電型半導体コンタクト層
が形成され、前記第２導電型半導体層上のチューニング
層が歪超格子構造となっていることを特徴とする波長可
変半導体レーザである。
れた、少なくとも回折格子、活性層、第２導電型半導体
層、チューニング層、および第１導電型半導体層からな
る多層構造がメサ状に形成され、少なくとも前記第２導
電型半導体層に接触して第２導電型半導体コンタクト層
が形成され、前記第２導電型半導体層上のチューニング
層が歪超格子構造となっていることを特徴とする波長可
変半導体レーザである。
もう１つは、第１導電型基板上に形成された、少なく
とも回折格子、活性層、第２導電型半導体層、歪超格子
のチューニング層、および第１導電型半導体層からなる
多層構造がメサ状に形成され、その周辺に少なくともサ
イリスタ構造の電流ブロック層を含む埋め込み領域のう
ち、前記第２導電型半導体層に接触した部分に第２導電
型半導体コンタクト層が形成されており、さらに前記第
１導電型基板表面および第１導電型半導体層に接してそ
れぞれ第一導電型電極が、第２導電型半導体コンタクト
層に接して第２導電型電極が形成されており、前記第２
導電型半導体コンタクト層上の電流ブロック層がチュー
ニング層での遷移エネルギーの組成よりも大きな遷移エ
ネルギーの組成であることを特徴とする波長可変半導体
レーザである。
とも回折格子、活性層、第２導電型半導体層、歪超格子
のチューニング層、および第１導電型半導体層からなる
多層構造がメサ状に形成され、その周辺に少なくともサ
イリスタ構造の電流ブロック層を含む埋め込み領域のう
ち、前記第２導電型半導体層に接触した部分に第２導電
型半導体コンタクト層が形成されており、さらに前記第
１導電型基板表面および第１導電型半導体層に接してそ
れぞれ第一導電型電極が、第２導電型半導体コンタクト
層に接して第２導電型電極が形成されており、前記第２
導電型半導体コンタクト層上の電流ブロック層がチュー
ニング層での遷移エネルギーの組成よりも大きな遷移エ
ネルギーの組成であることを特徴とする波長可変半導体
レーザである。
第１図に本発明の波長可変半導体レーザの断面図を示
す。第２図と異なるのは、InGaAsPチューニング層12を
歪超格子チューニング層４としたことと、ｎ−InP層３
とｐ−InP層５からなるサイリスタ構造の電流ブロック
層を用いたことである。チューニング層を歪超格子層と
したことで、ホールの有効質量が軽くなることが期待出
来、さらにこの効果によるプラズマ効果の増大が期待さ
れる。これを以下で説明する。
す。第２図と異なるのは、InGaAsPチューニング層12を
歪超格子チューニング層４としたことと、ｎ−InP層３
とｐ−InP層５からなるサイリスタ構造の電流ブロック
層を用いたことである。チューニング層を歪超格子層と
したことで、ホールの有効質量が軽くなることが期待出
来、さらにこの効果によるプラズマ効果の増大が期待さ
れる。これを以下で説明する。
古典論によると半導体中のキャリアのプラズマ効果に
よる屈折率変化は次式で表される。
よる屈折率変化は次式で表される。
ここで、mc,mvは電子、ホールの有効質量をそれぞれ
表し、ｅは電化素量を表す。格子整合したInGaAsP等で
はmcはmvに比べて一桁小さく、プラズマ効果のキャリア
密度依存性はほぼ電子の有効質量で決まる。しかし、歪
超格子では価電子帯のバンドミキシングが生じることか
ら、ホールの有効質量が通像の格子整合しているものに
比べて1/5程度となる。この効果により、ホールの有効
質量もプラズマ効果に大きく寄与し、屈折率のキャリア
密度依存性の増大が期待され、わずかな注入電流の変化
でも大きな屈折率変化が得られる。チューニング層の屈
折率が変化すると、レーザを構成している導波路の等価
屈折率が変化し、DFB−LDの発振波長を変化することが
可能となる。本発明で示した構造を用いれば少ない電流
変化で大きな等価屈折率の変化が期待されるので、可変
波長範囲が従来例のものと比べて1.5倍以上となる。
表し、ｅは電化素量を表す。格子整合したInGaAsP等で
はmcはmvに比べて一桁小さく、プラズマ効果のキャリア
密度依存性はほぼ電子の有効質量で決まる。しかし、歪
超格子では価電子帯のバンドミキシングが生じることか
ら、ホールの有効質量が通像の格子整合しているものに
比べて1/5程度となる。この効果により、ホールの有効
質量もプラズマ効果に大きく寄与し、屈折率のキャリア
密度依存性の増大が期待され、わずかな注入電流の変化
でも大きな屈折率変化が得られる。チューニング層の屈
折率が変化すると、レーザを構成している導波路の等価
屈折率が変化し、DFB−LDの発振波長を変化することが
可能となる。本発明で示した構造を用いれば少ない電流
変化で大きな等価屈折率の変化が期待されるので、可変
波長範囲が従来例のものと比べて1.5倍以上となる。
さらに本発明では電流ブロック層にサイリスタ構造を
採用したことにより、漏れ電が少なくなり注入効率の改
善が期待され高光出力が期待される。
採用したことにより、漏れ電が少なくなり注入効率の改
善が期待され高光出力が期待される。
結晶成長はすべてMOVPE（有機金属気相成長法）を用
いた。まず、（100）ｐ型InP基板１（キャリア濃度ｐ＝
１×1018cm-3）表面に周期2400Åの回折格子を形成し
た。ｐ−InGaAsP光ガイド層13（波長1.3μｍ組成、層厚
0.1μｍ）、ｐ−InGaAsP活性層２（波長1.55μｍ組成、
層厚0.1μｍ、キャリア濃度ｐ＝１×1018cm-3）、ｎ−I
nP半導体層３（層厚0.3μｍ、キャリア濃度ｎ＝１×10
18cm-3）、20ÅのIn0.8Ga0.2Asウェル層、100ÅのInGaA
sP（波長1.3μｍ組成）10周期からなるInGaAsP歪超格子
チューニング層４、ｐ−InPクラッド層（層厚１μｍ、
キャリア濃度５×1017cm-3）、ｐ−InGaAsキャップ層６
（層厚0.2μｍ、キャリア濃度１×1019cm-3）を成長し
た。次に、〈011〉方向に形成したSiO2膜をマスクとし
て用いて、ｐ基板１に達するまでメサエチングした。メ
サ形状は幅２μｍ、高さ3.5μｍになるようにした。ま
た、メサ側面は表面に垂直な（011）面が形成されるよ
う、塩酸系および硫酸系のエッチング溶液を併用した。
続いて、メサストライプの両側にｎ−InP層３（層厚2.0
7μｍ、キャリア濃度ｎ＝１×1018cm-3）、ｐ−InP層５
（層厚0.1μｍ、キャリア濃度ｐ＝１×1018cm-3）、ｎ
−InP層（コンタクト層）３（層厚0.1μｍ、キャリア濃
度ｎ＝１×1018cm-3）、ｐ−InGaAsP層９（波長1.2μｍ
組成、層厚0.1μｍ、キャリア濃度ｐ＝１×1018c
m-3）、ｎ−InP層３（層厚1.13μｍ、キャリア濃度ｎ＝
１×1018cm-3）を選択埋め込み成長する。さらに、SiO2
膜をフッ酸で除去した後、ｐ−InGaAsキャップ層６（層
厚0.2μｍ、キャリア密度ｐ＝１×1019cm-3）の成長を
行なう。ｐ−InGaAsキャップ層６の表面にｐ電極８を形
成し、ｐ型InP基板１を研磨した後、基板にｐ電極10を
形成する。さらに、メサストライプ以外の一部を第１図
にあるようにｎ−InP層（コンタクト層）３表面まで選
択エッチングしｎ電極11を形成する。
いた。まず、（100）ｐ型InP基板１（キャリア濃度ｐ＝
１×1018cm-3）表面に周期2400Åの回折格子を形成し
た。ｐ−InGaAsP光ガイド層13（波長1.3μｍ組成、層厚
0.1μｍ）、ｐ−InGaAsP活性層２（波長1.55μｍ組成、
層厚0.1μｍ、キャリア濃度ｐ＝１×1018cm-3）、ｎ−I
nP半導体層３（層厚0.3μｍ、キャリア濃度ｎ＝１×10
18cm-3）、20ÅのIn0.8Ga0.2Asウェル層、100ÅのInGaA
sP（波長1.3μｍ組成）10周期からなるInGaAsP歪超格子
チューニング層４、ｐ−InPクラッド層（層厚１μｍ、
キャリア濃度５×1017cm-3）、ｐ−InGaAsキャップ層６
（層厚0.2μｍ、キャリア濃度１×1019cm-3）を成長し
た。次に、〈011〉方向に形成したSiO2膜をマスクとし
て用いて、ｐ基板１に達するまでメサエチングした。メ
サ形状は幅２μｍ、高さ3.5μｍになるようにした。ま
た、メサ側面は表面に垂直な（011）面が形成されるよ
う、塩酸系および硫酸系のエッチング溶液を併用した。
続いて、メサストライプの両側にｎ−InP層３（層厚2.0
7μｍ、キャリア濃度ｎ＝１×1018cm-3）、ｐ−InP層５
（層厚0.1μｍ、キャリア濃度ｐ＝１×1018cm-3）、ｎ
−InP層（コンタクト層）３（層厚0.1μｍ、キャリア濃
度ｎ＝１×1018cm-3）、ｐ−InGaAsP層９（波長1.2μｍ
組成、層厚0.1μｍ、キャリア濃度ｐ＝１×1018c
m-3）、ｎ−InP層３（層厚1.13μｍ、キャリア濃度ｎ＝
１×1018cm-3）を選択埋め込み成長する。さらに、SiO2
膜をフッ酸で除去した後、ｐ−InGaAsキャップ層６（層
厚0.2μｍ、キャリア密度ｐ＝１×1019cm-3）の成長を
行なう。ｐ−InGaAsキャップ層６の表面にｐ電極８を形
成し、ｐ型InP基板１を研磨した後、基板にｐ電極10を
形成する。さらに、メサストライプ以外の一部を第１図
にあるようにｎ−InP層（コンタクト層）３表面まで選
択エッチングしｎ電極11を形成する。
素子は共振器長400μｍに切り出し、ヒートシンク基
板を融着してマウントし、ｐ電極８およびｎ電極11にそ
れぞれボンディングする。
板を融着してマウントし、ｐ電極８およびｎ電極11にそ
れぞれボンディングする。
しきい値電流は、報告されている従来例に比べて低
く、25mA程度のものが再現性良く得られた。これは、本
発明の構造によってInGaAsP活性層２を通らない漏れ電
流が減少したことによる。最大光出力は40mW程度であ
る。また、活性層に流れる電流を100mA一定として、チ
ューニング電流を60mAまで変化すれば、チューニング幅
として15nm程度の値が得られる。この特性は従来例に比
べて優れており、本発明のチューニング層に歪量子井戸
構造を導入したことで波長チューニング幅の拡大が実現
できることを示すものである。
く、25mA程度のものが再現性良く得られた。これは、本
発明の構造によってInGaAsP活性層２を通らない漏れ電
流が減少したことによる。最大光出力は40mW程度であ
る。また、活性層に流れる電流を100mA一定として、チ
ューニング電流を60mAまで変化すれば、チューニング幅
として15nm程度の値が得られる。この特性は従来例に比
べて優れており、本発明のチューニング層に歪量子井戸
構造を導入したことで波長チューニング幅の拡大が実現
できることを示すものである。
実施例では電流狭窄構造として、メサストライプの両
側にサイリスタ構造の電流ブロック層を形成した例を示
したが、他の電流狭窄構造、例えばサイリスタ構造に替
えて高抵抗層を電流ブロック層に用いる構造でもよい。
側にサイリスタ構造の電流ブロック層を形成した例を示
したが、他の電流狭窄構造、例えばサイリスタ構造に替
えて高抵抗層を電流ブロック層に用いる構造でもよい。
以上述べたように、本発明の波長可変半導体レーザ構
造を用いることによって、従来例に比べ広い波長可変特
性を得ることができ、コヒーレント光通信用光源として
有望であることを示した。活性層を量子井戸構造にすれ
ば狭スペクトル線幅を実現できるので、さらに高性能を
備えた素子を作製することができる。
造を用いることによって、従来例に比べ広い波長可変特
性を得ることができ、コヒーレント光通信用光源として
有望であることを示した。活性層を量子井戸構造にすれ
ば狭スペクトル線幅を実現できるので、さらに高性能を
備えた素子を作製することができる。
第１図は本発明の波長可変半導体レーザの断面図であ
り、第２図は従来例を示す断面図である。 図中、１はｐ−InP基板、２はｐ−InGaAsPガイド層、３
はｎ−InP、４は歪超格子チューニング層、５はｐ−InP
層、６はｐ−InGaAsキャップ層、８はｐ電極、９はｐ−
InGaAsP層、10はｐ電極、11はｎ電極、12はInGaAsPチュ
ーニング層、13はInGaAsP光ガイド層、14はｐ−InP層を
表す。
り、第２図は従来例を示す断面図である。 図中、１はｐ−InP基板、２はｐ−InGaAsPガイド層、３
はｎ−InP、４は歪超格子チューニング層、５はｐ−InP
層、６はｐ−InGaAsキャップ層、８はｐ電極、９はｐ−
InGaAsP層、10はｐ電極、11はｎ電極、12はInGaAsPチュ
ーニング層、13はInGaAsP光ガイド層、14はｐ−InP層を
表す。
Claims (2)
- 【請求項１】第１導電型基板の上に積載された、少なく
とも回折格子、活性層、第２導電型半導体層、チューニ
ング層、および第１導電型半導体層からなる多層構造が
メサ状に形成され、少なくとも前記第２導電型半導体層
に接触して第２導電型半導体コンタクト層が形成され、
前記第２導電型半導体層上のチューニング層が歪超格子
構造となっていることを特徴とする波長可変半導体レー
ザ。 - 【請求項２】第１導電型基板上に形成された、少なくと
も回折格子、活性層、第２導電型半導体層、歪超格子の
チューニング層、および第１導電型半導体層からなる多
層構造がメサ状に形成され、その周辺に少なくともサイ
リスタ構造の電流ブロック層を含む埋め込み領域のう
ち、前記第２導電型半導体層に接触した部分に第２導電
型半導体コンタクト層が形成されており、さらに前記第
１導電型基板表面および第１導電型半導体層に接してそ
れぞれ第一導電型電極が、第２導電型半導体コンタクト
層に接して第２導電型電極が形成されており、前記第２
導電型半導体コンタクト層上の電流ブロック層がチュー
ニング層での遷移エネルギーの組成よりも大きな遷移エ
ネルギーの組成であることを特徴とする波長可変半導体
レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19963890A JP2630035B2 (ja) | 1990-07-27 | 1990-07-27 | 波長可変半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19963890A JP2630035B2 (ja) | 1990-07-27 | 1990-07-27 | 波長可変半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0484484A JPH0484484A (ja) | 1992-03-17 |
| JP2630035B2 true JP2630035B2 (ja) | 1997-07-16 |
Family
ID=16411180
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19963890A Expired - Lifetime JP2630035B2 (ja) | 1990-07-27 | 1990-07-27 | 波長可変半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2630035B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2770722B2 (ja) * | 1993-11-11 | 1998-07-02 | 日本電気株式会社 | 波長可変半導体レーザの製造方法 |
| JP3234086B2 (ja) * | 1994-01-18 | 2001-12-04 | キヤノン株式会社 | 光半導体デバイス及びその製造方法 |
| JP2699888B2 (ja) * | 1994-09-20 | 1998-01-19 | 日本電気株式会社 | 埋め込み型ｐ型基板半導体レーザ |
-
1990
- 1990-07-27 JP JP19963890A patent/JP2630035B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0484484A (ja) | 1992-03-17 |
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