JP2713144B2

JP2713144B2 - 多重量子井戸半導体レーザ及びそれを用いた光通信システム

Info

Publication number: JP2713144B2
Application number: JP6038232A
Authority: JP
Inventors: 雅弘鬼頭; 信之大塚; 正人石野; 康松井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-03-12
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 1998-02-16
Anticipated expiration: 2013-02-16
Also published as: JPH06342959A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は多重量子井戸半導体レー
ザに関し、特に、ＣＡＴＶ等の多数の搬送波により信号
を伝送する光通信のための光源に適した多重量子井戸半
導体レ−ザ、及びそれを送信側の光源として用いる光通
信システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、映像伝送の分野、特にＣＡＴＶの
分野でアナログ多重光伝送システムの導入が進んでい
る。このようにアナログ多重光伝送システムにおいて
は、ＡＭ変調を用いた４０チャンネルの１０ｋｍ程度の
伝送が現在実用レベルに達している。その光源として
は、低雑音低伝送歪特性を有する長波長帯半導体レーザ
が必要とされる。現在、そのような光源としては、主
に、ＩｎＧａＡｓＰ／Ｉｎ系材料を用いた分布帰還型半
導体レーザ（以下ＤＦＢレーザ）が用いられている。

【０００３】伝送されるチャンネル数が４０以上になる
と、必要とされる変調周波数帯域は３００ＭＨｚ以上に
なる。このように変調周波数が増大すると、緩和振動周
波数の影響により歪が急激に増大し、低伝送歪特性が得
られないことが分かっている(Electronics Letters Vo
l.28 No.9(1992)891)。

【０００４】このため、変調周波数帯域を広げ、かつ、
高い緩和振動周波数を達成する目的で、活性層として多
重量子井戸構造を有するものを採用したＤＦＢレーザが
作製されている。

【０００５】図６は、４０ｃｈ、１０ｋｍ伝送に用いら
れている代表的な１．３μｍ帯ＤＦＢ型半導体レーザの
構造を示している。このＤＦＢレーザは、ｎ型ＩｎＰ基
板１と、基板１上に形成されたストライプ状共振器を含
んでいる。ストライプ状共新器は、ｎ型ＩｎＰ基板上１
に形成されたピッチ２００ｎｍの回折格子２と、ｎ型Ｉ
ｎＧａＡｓＰ光導波路層（厚さ：０．１５μｍ、組成波
長λｇ＝１．１５μｍ）１２、ＩｎＧａＡｓＰ井戸層
（厚さ：４ｎｍ、λｇ＝１．４μｍ）１４及びＩｎＧａ
ＡｓＰ障壁層（厚さ：１０ｎｍ、λｇ＝１．１５μｍ）
１５からなる１０層の量子井戸構造活性層４と、ｐ型Ｉ
ｎＧａＡｓＰ光導波路層（厚さ：３０ｎｍ、λｇ＝１．
１５μｍ）１３と、ｐ型ＩｎＰクラッド層６とを有して
いる。

【０００６】光導波路層１２及び障壁層１５の材料とし
て、組成波長λｇ＝１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰが用
いられているのは、この材料が比較的高い屈折率を有し
ているために、光の閉じ込めが充分に行われ、かつ、低
しきい値電流特性が得られるためである。ストライプ状
共振器は、ｐ型ＩｎＰ１６／ｎ型ＩｎＰ１７／ｐ型Ｉｎ
Ｐ６からなる電流ブロック層によって両側から埋め込ま
れている。ストライプ状共振器の長さ（共振器長）は３
００μｍで、その幅は１．２μｍである。共振器の端面
は適当な誘電膜で覆われ、それによって、光取り出し面
の反射率は５％、反対の面の反射率は７０％に設定され
得る。

【０００７】図９のグラフは、上記半導体レーザをアイ
ソレータ内蔵型のモジュールに搭載し、ＮＴＳＣのＴＶ
信号５８チャンネルを１０ｋｍファイバ伝送したときに
得られた２次複合歪（ＣＳＯ）及びモジュールの光ファ
イバ出力（Ｐf）のバイアス電流依存性を示している。
ここで、ＣＳＯは歪の複合数が最大になる５５ＭＨｚで
検知した。

【０００８】グラフ中の曲線（ａ）は、良品半導体レー
ザの特性を示している。この良品半導体レーザによれ
ば、光ファイバ出力か２〜６ｍＷの広い範囲で、ＣＳＯ
＜−６０ｄＢｃという低歪特性が得られる。また、雑音
（ＣＮＲ）として５３ｄＢ以上、３次複合歪（ＣＴＢ）
として−６５ｄＢｃ以下の特性が得られ、高画質ＣＡＴ
Ｖにおいて要求される性能条件を満足している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術には以下に示す問題点がある。

【００１０】単一モードで発振した半導体レーザのう
ち、図９のグラフ中の曲線（ａ）に示す様な特性を有す
るもの数は、全体の１０％以下である。大部分の半導体
レーザは、実際には、曲線（ｂ）または（ｃ）に示す様
な特性を有している。すなわち、半導体レーザごとに、
そのＣＳＯの値が大きく異なった。

【００１１】この原因は、軸方向ホールバーニングと呼
ばれる現象によるものであり、変調時におけるレーザ共
振器の屈折率変動により生じる。軸方向ホールバーニン
グの程度は、回折格子の高さや、レーザ共振器端面での
回折格子の位相及び反射率等に大きく依存する。これら
は半導体レーザごとにばらつくため、半導体レーザの特
性にもばらつきが生じる。また、現実のファイバー伝送
路中には光コネクターが多数存在し、光コネクタの端面
では反射が生じる。この様な多数の反射点間では多重反
射が生じることになる。光源であるＤＦＢレ−ザの変調
時の波長ゆらぎが大きい時、この様な多重反射の影響で
付加的な雑音、伝送歪が生み出されることが指摘されて
いる（J.Lightwave Tecnol.9(1991)991)。以下、このよ
うな「波長ゆらぎ」を「チャ−ピング」と称する。

【００１２】従来例のＤＦＢレーザのチャーピング量
は、変調周波数１ＧＨｚ以下において２００ＭＨｚ／ｍ
Ａ以上と大きく、そのため、付加的な雑音及び伝送歪が
生み出される。

【００１３】半導体レーザのチャーピング量（ΔＦ／Δ
Ｉ）は次式で表される。 ΔＦ／ΔＩ＝Ｆ0・Γ／（Ｌ・Ｎw・Ｌz・Ｗ）（１）ここで、Γは井戸層への光の閉じ込め係数、Ｌは共振器
長、Ｎwは井戸層数、Ｌzは井戸層厚、Ｗは活性層ストラ
イプ幅、Ｆ0は比例係数項を表している。Ｌ，Ｗ、Ｌzを
一定とした場合において、チャ−ピング量（ΔＦ／Δ
Ｉ）を低下させるためには、Γ／Ｎwの項を小さくすれ
ばよい。

【００１４】Ｎwを従来例の１０から５に減らすことに
より、Γ／Ｎｗは８０％の大きさに減少する。このた
め、チャーピング量（ΔＦ／ΔＩ）も同程度の減少が期
待される。図７は、従来例と同一構造で井戸層数のみ
５、７、及び１０と変化させた場合のＤＦＢレーザのチ
ャーピング特性（変調周波数ｆm＝２００ＭＨｚにおけ
るもの）を示している。バイアス電流は、Ｉth（しきい
値電流）＋３０ｍＡとした。図７からわかるように、井
戸層数の減少に従いチャーピング量は反対に増加してお
り、式（１）から期待される特性は得られなかった。

【００１５】一方、今後の映像伝送の分野においては１
００ｃｈ以上の超多チャンネル化や２０ｋｍ以上の無中
継化、多分配システム系への適用、更には高画質伝送を
実現するために、ＦＭ変調の導入が考えられる。この様
な進んだ映像伝送を実現するＤＦＢレーザとしては、従
来以上の高光出力及び広変調周波数帯域での低歪特性が
要求される。前述したように高周波数域における低歪特
性を実現するためにはＤＦＢレーザの緩和振動周波数を
増大させる必要がある。この緩和振動周波数を増大させ
る技術として近年盛んに研究が行われてものに、多重量
子井戸構造（ＭＱＷ）の井戸層に意図的に歪を導入する
技術がある（J.Lightwave Technol.LT-48(1986)504 他
多数あり）。

【００１６】従来構造の半導体レーザの井戸層のみに
０．７％の圧縮歪を導入した歪ＭＱＷ-ＤＦＢレーザを
作製し、そのＭＱＷ-ＤＦＢレーザと無歪のＭＱＷ-ＤＦ
Ｂレーザとの間で、緩和振動周波数特性を比較した。図
８はその結果を示している。図８のグラフの横軸は井戸
層数であり、縦軸はしきい値以上の注入電流量で規格化
した緩和振動周波数（規格化緩和振動周波数）である。

【００１７】規格化緩和振動周波数が高い程、低い注入
電流量で高い緩和振動周波数を得られることを示してい
る。歪を有する半導体レーザと無歪の半導体レーザとを
比較すると、井戸層数によらず規格化緩和振動周波数に
差が見られない。すなわち、歪導入の効果が現れていな
いことがわかる。

【００１８】前述したように従来の半導体レーザでは、
低しきい値電流特性を実現するために、光導波路層及び
障壁層の材料として、組成波長λｇが１．１μｍ以上の
ＩｎＧａＡｓＰを用いている。しかしながら、このよう
な長い組成波長を有するＩｎＧａＡｓＰを障壁層に用い
ると、１．３μｍ帯のＭＱＷ構造での井戸層と障壁層の
バンドギャップエネルギー差（ΔＥg）は非常に小さく
なる。

【００１９】例えばλｇが１．１５μｍのＩｎＧａＡｓ
Ｐを障壁層に用いた場合、ΔＥgは１２４ｍｅＶとなり
特に伝導帯のバンドギャップエネルギー差（ΔＥc）は
５０ｍｅＶと非常に小さい値になる。この様な場合、図
４（ａ）に示す様に井戸層１４に注入された電子１９
は、非常に小さいΔＥcのため井戸層１４から障壁層１
５にオーバーフローする。この様に井戸層からオーバー
フローした電子１９は、光導波路層１２、１３に存在す
ることになる。光導波路層１２、１３に存在する電子１
９は、変調により屈折率変動を引き起こし、チャーピン
グ量を大きくする。また、この様にして生じた屈折率変
動は、前述した軸方向ホールバーニング現象を引き起こ
し、歪特性の劣化を引き起こす原因となる。更には、電
子１９のオーバーフローは、井戸層１４への歪導入の効
果を損なう働きをするため、歪を導入しても緩和振動周
波数は増大しないことになる。

【００２０】このように、光導波路層と障壁層とを組成
波長λｇ＝１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰから形成した
従来のＭＱＷ-ＤＦＢレーザには、次のような問題があ
る。

【００２１】（１）低歪特性が得られにくい。（２）低チャ−ピング特性が得られない。

【００２２】（３）井戸層へ歪を導入しても緩和振動周
波数が増大しない。これらの問題は、広帯域低歪特性を有し、かつ、伝送劣
化の無いＤＦＢレーザを高い歩留まりで作製することを
阻んでいた。

【００２３】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、広帯域低歪特性を有
し、かつ、伝送劣化の無い多重量子井戸半導体レーザを
高い歩留りにて提供することにある。またこのレーザを
用いた光通信システムを提供する。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明による多重量子井
戸半導体レーザは、ＩｎＰ基板と該ＩｎＰ基板上に形成
された多層構造とを備え、１．２９μｍから１．３３μ
ｍ迄の波長のレーザ光を放射する多重量子井戸半導体レ
ーザであって、該多層構造は少なくとも多重量子井戸活
性層を含んでおり、該多重量子井戸活性層は交互に積層
されたＩｎＧａＡｓＰ井戸層及びＩｎＧａＡｓＰ障壁層
を含んでおり、該ＩｎＧａＡｓＰ井戸層には圧縮歪が加
えられており、該ＩｎＧａＡｓＰ障壁層は該ＩｎＰ基板
に格子整合しており、しかも、該ＩｎＧａＡｓＰ障壁層
の組成波長は１．０２μｍから１．０８μｍであり、該
多層構造は、該多重量子井戸活性層に隣接して設けられ
た少なくとも一層のＩｎＧａＡｓＰ光導波層を更に含ん
でおり、該ＩｎＧａＡｓＰ光導波層は該ＩｎＰ基板に格
子整合しており、しかも、該ＩｎＧａＡｓＰ光導波層の
組成波長は１．０２μｍから１．０８μｍであり、その
ことにより上記目的が達成される。

【００２５】

【００２６】

【００２７】前記多層構造は、共振器長方向に沿って延
びたストライプ状に形成されていてもよい。

【００２８】好ましくは、前記多重量子井戸活性層の屈
折率よりも低い屈折率を有する半導体層を更に備えてお
り、該半導体層は前記ストライプ状多層構造の少なくと
も両断面を覆っている。

【００２９】前記基板は、その表面の少なくとも一部に
分布帰還のための回折格子を有していてもよい。

【００３０】前記基板は、分布帰還のための回折格子が
形成されたストライプ状リッジ部分を有しており、前記
ストライプ状多層構造は、該基板の該ストライプ状リッ
ジ部分の上に形成されていてもよい。

【００３１】前記ストライプ状多層構造は、分布帰還の
ための回折格子が形成された半導体層を更に含んでいて
もよい。

【００３２】前記井戸層は圧縮歪を有しており、前記井
戸層の圧縮歪は、好ましくは、０．５％から１．５％迄
の範囲内にある。

【００３３】

【作用】従来技術の問題は、前述のように、井戸層から
の電子のオーバーフローが原因であるため、本発明のＭ
ＱＷ−ＤＦＢレーザでは、井戸層から電子がオーバーフ
ローするのを防ぐために、光導波路層及び障壁層の材料
に、例えば、組成波長λｇが１．０５μｍ近傍のＩｎＧ
ａＡｓＰを用いている。λｇが１．０５μｍのＩｎＧａ
ＡｓＰを障壁層に用いた場合、１．３μｍ帯のＭＱＷ構
造でのΔＥgは２３０ｍｅＶとなり、伝導帯のバンドギ
ャップエネルギー差（ΔＥc）は、９０ｍｅＶと大きく
なる。この値は、λｇが１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ
を障壁層に用いた場合の２倍以上である。

【００３４】この場合、図４（ｂ）に示す様に大きなΔ
Ｅcのため、井戸層１０に注入された電子１９は、障壁
層１１にオーバーフローしない。これにより、低チャー
ピング化が図れることになる。また、変調時に於ける屈
折率変化が減少するため、軸方向ホールバーニングも抑
制され、低歪特性が容易に得られることになる。

【００３５】λｇが１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰを障
壁層に用いた場合、比較的低い屈折率のため、活性層へ
の光の閉じ込め係数が低下し、しきい値電流の増大が生
じるが、井戸層に歪を導入することにより低しきい値電
流化が図られる。そのため、光導波路層と障壁層とに組
成波長λｇが１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰを用いた従
来のＭＱＷレーザと同程度の低いしきい値電流が得られ
る。また、電子のオーバーフローが生じないため井戸層
への歪導入により、高い緩和振動周波数が得られる。

【００３６】光導波路層に組成波長λｇが１．０５μｍ
のＩｎＧａＡｓＰを用いた場合は、回折格子が形成され
ているＩｎＰ基板と光導波層との間の屈折率差が、従来
例の屈折率差に比較して小さくなる。これは、従来例と
同程度の規格化結合係数を得るために、回折格子の高さ
が高くなることを意味する。規格化結合係数とは、レー
ザ共振器内部での回折格子による光の帰還のしやすさを
示すものであり、低歪特性特性を高い歩留まりで得るた
めにはこの規格化結合係数を０．８〜１．０と狭い範囲
に制御することが必要である。しかしながら回折格子の
高さは、数１０ｎｍと非常に低く高さの制御は非常に困
難であったた。回折格子の高さが、従来例よりも高くな
る本発明では、従来例よりも規格化結合係数の回折格子
高さ依存性が小さいものになり、規格化結合係数の制御
が行い易くなり、結果として高い歩留まりで低歪特性が
得られる。

【００３７】

【実施例】

（実施例１）以下に、図面を参照しながら、本発明を実
施例１について説明する。

【００３８】図１は、本発明によるＭＱＷ−ＤＦＢレー
ザの主要部の断面構成を示している。本実施例１の半導
体レーザは、外観上は、図６に示される従来の半導体レ
ーザと同様の構造を有している。

【００３９】本実施例１のＭＱＷ−ＤＦＢレーザは、図
１に示されるように、ＩｎＰ基板１と、ＩｎＰ基板１上
に形成されたストライプ状多層構造とを備えている。ｎ
型ＩｎＰ基板１（ｎ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）上にはストラ
イプ状リッジが設けられており、その表面には、分布帰
還のための回折格子（２０１．５ｎｍ周期）２が形成さ
れている。

【００４０】ストライプ状多層構造は、多重量子井戸活
性層４と、多重量子井戸活性層４に隣接して設けられた
一対のＩｎＧａＡｓＰ光導波層３及び５とを含んでい
る。より詳細には、ストライプ状多層構造は、組成波長
λｇ＝１．０５μｍで厚み１５０ｎｍのｎ型ＩｎＧａＡ
ｓＰ光導波路層（ｎ＝７×１０¹⁷ｃｍ^-3）３、アンドー
プのＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸活性
層４、λｇ＝１．０５μｍで厚み３０ｎｍのｐ型ＩｎＧ
ａＡｓＰ光導波路層（ｐ＝７×１０¹⁷ｃｍ^-3）５、ｐ型
ＩｎＰクラッド層（ｐ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）６が、この
順番で積層された構造を有している。

【００４１】このストライプ状多層構造は、上記各半導
体層をＩｎＰ基板１上に結晶成長させた後に、その半導
体層を幅１．２μｍのストライプになるようにエッチン
グすることにより形成されたものである。ストライプ状
多層構造の両側面は、ｎ型ＩｎＰあるいはｐ型ＩｎＰに
より覆われており、それによって屈折率導波路構造が形
成されている。

【００４２】ｐ型ＩｎＰクラッド層６の上には、λｇ＝
１．３μｍで厚み１００ｎｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰコン
タクト層７（ｐ＝１×１０¹⁸ｃｍ^-3）を介して、ｐ型電
極８が蒸着により形成されている。また、ｎ型ＩｎＰ基
板の下部にはｎ型電極９が形成されている。

【００４３】多重量子井戸活性層４は、厚み６ｎｍで
０．７％の圧縮歪が加えられているＩｎＧａＡｓＰ井戸
層１０と、λｇ＝１．０５μｍで厚み１０ｎｍのＩｎＧ
ａＡｓＰ障壁層１１とから構成されており、井戸層数は
５以上１０以下である。

【００４４】ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３及び５とＩｎＧ
ａＡｓＰ障壁層１１とは、何れも、ＩｎＰ基板１に格子
整合している。また、ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３及び５
の組成とＩｎＧａＡｓＰ障壁層の組成は、ともに、その
組成波長が１．０５μｍに実質的に等しくなるように調
整されている。

【００４５】図２は、図１の構成を有する半導体レーザ
のうち、井戸層数が５、７、及び１０であるものについ
て、チャーピング量を測定した結果を示すグラフであ
る。測定に際して、変調周波数ｆmは２００ＭＨｚと
し、バイアス電流はＩth（しきい値電流）＋３０ｍＡと
した。

【００４６】井戸層数が１０である半導体レーザでは、
チャーピング量は約１２０ＭＨｚ／ｍＡであった。図２
からわかるように、井戸層数を減少させるに従ってチャ
ーピング量も減少しており、井戸層数が５の半導体レー
ザではチャーピング量は９０ＭＨｚ／ｍＡ程度になって
いる。これらの値は、何れも、従来例の２分の１以下で
あり、従来例と比較して大幅な低減が図られている。

【００４７】井戸層数に対するチャーピング量の変化は
前述した式（１）から説明でき、障壁層をλｇ＝１．０
５μｍのＩｎＧａＡｓＰにしたことにより電子のオーバ
ーフローが抑制され、本発明の効果が現れている。

【００４８】図３は、上記各半導体レーザ（井戸層数が
５、７、または１０）について、緩和振動周波数を測定
した結果を示すグラフである。グラフの縦軸は、しきい
値以上の注入電流量で規格化した緩和振動周波数（規格
化緩和振動周波数）である。なお、本実施例１の半導体
レーザの構成と実質的に同一の構成を有する半導体レー
ザのうち、井戸層が無歪である半導体レーザについて
も、その特性をグラフに表示している。

【００４９】井戸層数が５である半導体レーザについて
は、井戸層に歪を導入した本実施例１の半導体レーザと
無歪の半導体レーザとの間に特性の差は見られなかっ
た。井戸層層が７と１０の半導体レーザについては、井
戸層に歪を導入した半導体レーザの規格化緩和振動周波
数は無歪の半導体レーザの規格化緩和振動周波数約の
１．２倍となっており、歪導入の効果が現れている。ま
た、これらの値は、従来例の約１．２倍であり、本発明
の半導体レーザによれば高緩和振動周波数特性が得られ
ることを示している。

【００５０】しきい値電流は、井戸層数により異なり、
１０ｍＡから２０ｍＡであった。障壁層と光導波路層と
の両方を、λｇ＝１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰから形
成したことによる光閉じ込め係数の減少にも関わらず、
これらの値は同一井戸層数の従来例の半導体レーザと同
程度であった。これは歪導入の効果であると考えられ
る。

【００５１】図１０は、３種類の障壁層組成波長を有す
る無歪及び歪多重量子井戸ＤＦＢレーザついて、緩和振
動周波数特性の比較を示すグラフである。グラフの横軸
は、障壁層組成波長であり、縦軸は規格化緩和振動数で
ある。測定に使用した半導体レーザの井戸層数は、何れ
も、１０である。このグラフにおいて、障壁層組成波長
が１．０５μｍのデータは、本発明の実施例１について
のものであり、障壁層組成波長が１．１５μｍのデータ
は従来例についてのものであり、障壁層組成波長が１．
００μｍのデータは、比較例（実施例１の障壁層組成波
長より短波長側に設定）についてのものである。

【００５２】図１０のグラフからわかるように、障壁層
組成波長が１．１５μｍの場合、前述したように、歪導
入による規格化緩和振動周波数の増大はほとんど生じて
いない。障壁層組成波長が１．０５μｍの場合、前述し
たように、歪導入により規格化緩和振動周波数は１．２
倍に増大している。障壁層組成波長が１．００μｍの場
合、歪導入による規格化緩和振動周波数の増大が観測さ
れるが、それは本実施例１の場合に比較してかなり小さ
い。これは、障壁層組成波長の短波長化にともなって、
活性層への光閉じこめ係数が低下すること以外に、価電
子帯のバンドギャップ差が大きくなりすぎることによっ
て、各井戸層への正孔の不均一注入が生じることが原因
と考えられる。

【００５３】図１０のグラフからわかるように、波長
１．２９から１．３３μｍで発振する多重量子井戸半導
体レーザにおいて、障壁層の組成波長を１．０５μｍに
実質的に等しくすることによって、規格化緩和振動周波
数を顕著に増加させることができる。

【００５４】本実施例１の半導体レーザのうち井戸層数
１０の半導体レーザを、アイソレータ内蔵型のモジュー
ルに搭載し、ＮＴＳＣのＴＶ信号５８チャンネルを１０
ｋｍファイバ伝送した時の２次複合歪（ＣＳＯ）及びモ
ジュールの光ファイバ出力（Ｐf）のバイアス電流依存
性を測定した。図５のグラフは、その測定結果を示して
いる。ここでＣＳＯは、歪の複合数が最大になる５５Ｍ
Ｈｚで検知した。図５のグラフ中において、曲線（ｂ）
及び（ｃ）は、その良品例の特性を示している。光ファ
イバ出力２．５〜６ｍＷの広い範囲では、ＣＳＯ＜−６
０ｄＢｃという低歪特性が得られている。また、雑音
（ＣＮＲ）として５３ｄＢ以上、３次複合歪（ＣＴＢ）
として−６５ｄＢｃ以下程度と高画質ＣＡＴＶにおいて
要求される性能が得られている。

【００５５】曲線（ｂ）及び（ｃ）で示される特性を示
す半導体レーザは、単一モードで発振した半導体レーザ
の内、５０％以上であり、従来例と比較して非常に高い
歩留まりで低歪特性を有する半導体レーザが得られた。
なお、井戸層数が７の半導体レーザについても同様の結
果を得た。この様な本実施例１における高い歩留まりで
低歪特性が得られた理由は、障壁層と光導波路層とをλ
ｇ＝１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰから形成したことに
よって軸方向ホールバーニングが抑制されたためと、規
格化結合係数が非常に小さいばらつきで最適範囲に制御
されたためである。

【００５６】ファイバ光出力は、バイアス電流４０ｍＡ
の時に８ｍＷであり、従来例の５ｍＷと比較して１．６
倍になっている。この原因は、次のように考えられる。
すなわち、障壁層と光導波路層とがλｇ＝１．０５μｍ
のＩｎＧａＡｓＰから形成されていることにより、光閉
じ込め係数が低減し、半導体レーザからの光出射角度が
約半分の値になった。このため、ファイバに結合する光
の量が大幅に増大した。また、井戸層からの電子のオー
バーフローが抑制された結果、内部量子効率が増大し
た。

【００５７】こうして、本発明の半導体レーザによれ
ば、ファイバ光出力４ｍＷを得るためのバイアス電流を
３５ｍＡから２５ｍＡ程度まで下げることが可能となっ
た。一般に、バイアス電流が増加してゆくと、活性層以
外を流れるリーク電成分流が増加し、電流ー光出力特性
が非直線になり歪成分が増大する。本発明によれば、バ
イアス電流を低減できたことにより、同一ファイバ光出
力での低歪化が実現できた。

【００５８】本実施例１では光導波路層と障壁層にλｇ
＝１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰを用いたが、組成波長
λｇ＝１．０５μｍ±０．０３μｍのばらつきの範囲で
は実施例１と同様の効果が得られた。組成波長がこの範
囲以下であり、ＩｎＰに近くなると、光閉じ込め係数が
極端に小さくなり、しきい値電流の急激な上昇が生じ
る。また、この範囲以上では、井戸層からの電子のオー
バーフローが生じ易くなるため、従来例と変わらない特
性しか得られない。

【００５９】本発明の多重量子井戸半導体レーザを１．
３μｍ帯ＤＦＢレーザを例にとって説明したが、本発明
は分布帰還型に限られず、ファブリーペロー型にも適用
され得る。

【００６０】本発明の効果にとっては、発振波長と障壁
層の組成波長との関係が重要である。波長１．５４から
１．５７μｍで発振する多重量子井戸半導体レーザにお
いては、障壁層の組成波長を実質的に１．１５μｍとし
たときに、上記実施例１の効果と同様の効果がえられ
た。これは、障壁層の組成波長を実質的に１．１５μｍ
とすることにより、井戸層と障壁層との間のバンドギャ
ップエネルギー差が、上記実施例１のバンドギャップエ
ネルギー差と同じ程度になるからである。

【００６１】上記実施例１では、障壁層と光導波路層と
を同一の組成波長を有するＩｎＧａＡｓＰから形成した
が、光導波路層の組成波長が障壁層の組成波長よりも短
波長になるならば、障壁層と光導波路層とをそれぞれ異
なる組成波長を有するＩｎＧａＡｓＰが形成してもよ
い。

【００６２】上記実施例１では埋め込み構造を示した
が、リッジ型構造またはこれ以外の構造でもよい。

【００６３】（実施例２）図１１に実施例１の中で井戸
層数が１０であるＤＦＢレーザを送信側の光源として用
いたＡＭ−ＦＤＭ光伝送システムを示す。ＡＭ−ＦＤＭ
光伝送システムはＣＡＴＶシステムに広く用いられてい
る光通信システムの１つである。

【００６４】このシステムでは１００個の異なる周波数
で強度変調された搬送波であるＡＭ−ＦＤＭ信号が高周
波アンプを介し、直流電流が流されているＤＦＢレーザ
を変調し、ＤＦＢレーザから出射された変調光はレン
ズ、光アイソレータを通って光ファイバに結合され、１
０ｋｍ先の出射端から出た変調光はホトダイオードに照
射され、電気信号に変換される。なお、ＤＦＢレーザは
自動温度光出力調整器により、一定の温度及び光出力に
なる様に調節されている。また、ＤＦＢレーザ、レンズ
及び光アイソレータはレーザモジュール内に組み込まれ
ている。

【００６５】図１２に実施例２のＡＭ−ＦＤＭ光伝送シ
ステムの雑音（ＣＮＲ）及び伝送歪（ＣＳＯ、ＣＴＢ）
特性を示す。横軸はＣＮＲ、ＣＳ０、ＣＴＢを測定した
周波数であり、５５ＭＨｚは第１番目の信号の周波数で
あり、６５０ＭＨｚは第１００番目の信号の周波数であ
り、信号の周波数配列はＮＴＳＣ方式に従っている。各
信号の変調度はそれぞれ２％であり、ＤＦＢレーザには
２８ｍＡ（Ｉ_th＋１７ｍＡ）の直流電流を流した。

【００６６】１番目から１００番目の周波数においてＣ
ＳＯ＜−６２ｄＢｃという低歪特性が得られている。ま
た、雑音（ＣＮＲ）として５１ｄＢ以上、３次複合歪
（ＣＴＢ）として−７０ｄＢｃ以下程度と高画質ＣＡＴ
Ｖにおいて要求される性能が得られている。

【００６７】図１３は本実施例２のＡＭ−ＦＤＭ光伝送
システムの雑音（ＣＮＲ）及び伝送歪（ＣＳＯ）特性を
従来のＤＦＢレーザを用いたシステムの特性を比較した
図である。横軸はしきい値以上の注入電流量である。本
実施例２においてはしきい値以上の注入電流量が１７ｍ
Ａで高画質ＣＡＴＶにおいて要求される性能であるＣＮ
Ｒ≧５１ｄＢ、ＣＳＯ≦−６０ｄＢｃを同時に満足して
いる。一方、従来のシステムでは注入電流量を増加させ
て、ＣＮＲ≧５１ｄＢを満足させようとするとＣＳＯが
増大し、−６０ｄＢｃ以上になってしまい、高画質ＣＡ
ＴＶにおいて要求される性能が得られないことがわか
る。この様に従来のシステムでは実現不可能であった１
００チャンネルＡＭ−ＦＤＭ伝送が実施例２のシステム
では可能となる。これは実施例１のＤＦＢレーザが低電
流で高い緩和振動周波数特性を有するため、動作電流を
従来の半分程度に低減でき、高周波アンプや光ファイバ
内で発生する付加的な歪及び雑音を抑制できたためであ
る。

【００６８】本実施例２では光通信システムの１つであ
るＡＭ−ＦＤＭ光伝送システムについて説明したが、他
のアナログ光伝送システムであるＦＭ−ＦＤＭ光伝送シ
ステム、ＱＡＭ光伝送システム等でも同様の伝送信号の
大容量化の効果が得られる。また、デジタル光伝送シス
テムでも同様の効果が得られる

【００６９】

【発明の効果】本発明の多重量子井戸半導体レーザによ
れば、従来の多重量子井戸半導体レーザに比較して、２
分の１以下のチャーピング量が達成され、かつ、１．２
倍以上の緩和振動周波数が得られる。このため、本発明
によれば、広帯域低歪特性を有し、かつ、伝送劣化の無
い半導体レーザを非常に高い歩留まりで提供することが
可能となる。また、本発明の光伝送システムでは従来の
システムでは実現不可能であった大容量の信号が伝送可
能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の多重量子井戸半導体レーザの構成を説
明する図

【図２】本発明の多重量子井戸半導体レーザについての
チャーピング量を示す図

【図３】本発明の多重量子井戸半導体レーザについての
規格化緩和振動周波数を示す図

【図４】（ａ）は、従来の多重量子井戸半導体レーザの
量子井戸構造における電子の状態を示す図（ｂ）は本発明の多重量子井戸半導体レーザの量子井戸
構造における電子の状態を示す図

【図５】本発明の多重量子井戸半導体レーザを搭載した
モジュ−ルの電流ー光出力特性及び電流−２次複合歪特
性図

【図６】従来のＭＱＷ−ＤＦＢレーザの構成を説明する
ための図

【図７】従来のＭＱＷ−ＤＦＢレーザについてのチャー
ピング量を示す図

【図８】従来のＭＱＷ−ＤＦＢレーザについての規格化
緩和振動周波数を示す図

【図９】従来のＭＱＷ−ＤＦＢレーザを搭載したモジュ
−ルの電流ー光出力特性及び電流−２次複合歪特性図

【図１０】３種類の障壁層組成波長を有する本発明の無
歪及び歪多重量子井戸半導体レーザについて、緩和振動
周波数特性の比較を示す図

【図１１】本発明のＡＭーＦＤＭ光伝送システムを示す
図

【図１２】本発明のＡＭーＦＤＭ光伝送システムの雑
音、及び伝送歪特性図

【図１３】本発明のＡＭーＦＤＭ光伝送システムと従来
のＡＭーＦＤＭ光伝送システムの雑音、及び伝送歪特性
を比較した図

【符号の説明】

１ｎ形ＩｎＰ基板２回折格子３波長組成１．０５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波
路層４多重量子井戸活性層５波長組成１．０５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導波
路層６ｐ型ＩｎＰクラッド層７波長組成１．３μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタク
ト層８ｐ型電極９ｎ型電極１０ＩｎＧａＡｓＰ歪井戸層１１波長組成１．０５μｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層１２波長組成１．１５μｍのｎ型ＩｎＧａＡｓＰ光導
波路層１３波長組成１．０５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ光導
波路層１４波長組成１．４μｍのＩｎＧａＡｓＰ井戸層１５波長組成１．１５μｍのＩｎＧａＡｓＰ障壁層１６ｐ型ＩｎＰ１７ｎ型ＩｎＰ１８ＳｉＯ2膜１９電子２０ＡＭ−ＦＤＭ信号発生器２１高周波ケーブル２２高周波アンプ２３レーザモジュール２４ＤＦＢレーザ２５直流電流２６自動温度、光出力調整器２７光アイソレータ２８レンズ２８１０ｋｍ長光ファイバ２９ホトダイオード３０シグナルアナライザ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者松井康大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (56)参考文献ＡＰＰＬ．ＰＨＹＳ．ＬＥＴＴ．62 〜７！（1993）Ｐ．663−665

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ＩｎＰ基板と該ＩｎＰ基板上に形成され
た多層構造とを備え、１．２９μｍから１．３３μｍ迄
の波長のレーザ光を放射する多重量子井戸半導体レーザ
であって、該多層構造は少なくとも多重量子井戸活性層を含んでお
り、該多重量子井戸活性層は交互に積層されたＩｎＧａ
ＡｓＰ井戸層及びＩｎＧａＡｓＰ障壁層を含んでおり、該ＩｎＧａＡｓＰ井戸層には圧縮歪が加えられており、該ＩｎＧａＡｓＰ障壁層は該ＩｎＰ基板に格子整合して
おり、しかも、該ＩｎＧａＡｓＰ障壁層の組成波長は
１．０２μｍから１．０８μｍであり、該多層構造は、該多重量子井戸活性層に隣接して設けら
れた少なくとも一層のＩｎＧａＡｓＰ光導波層を更に含
んでおり、該ＩｎＧａＡｓＰ光導波層は該ＩｎＰ基板に格子整合し
ており、しかも、該ＩｎＧａＡｓＰ光導波層の組成波長
は１．０２μｍから１．０８μｍである、半導体レー
ザ。
【請求項２】前記多層構造は、共振器長方向に沿って
延びたストライプ状に形成されている、請求項１に記載
の半導体レーザ。
【請求項３】前記基板は、その表面の少なくとも一部
に分布帰還のための回折格子を有している、請求項１に
記載の半導体レーザ。
【請求項４】前記井戸層の圧縮歪は、０．５％から
１．５％迄の範囲内にある、請求項１に記載の半導体レ
ーザ。
【請求項５】前記井戸層の数は、７から１０である、
請求項１に記載の半導体レーザ。
【請求項６】前記多重量子井戸活性層の屈折率よりも
低い屈折率を有する半導体層を更に備えており、該半導
体層は前記ストライプ状多層構造の少なくとも両断面を
覆っており、屈折率導波路構造となっている、請求項２
に記載の半導体レーザ。
【請求項７】前記基板は、分布帰還のための回折格子
が形成されたストライプ状リッジ部分を有しており、前記ストライプ状多層構造は、該基板の該ストライプ状
リッジ部分の上に形成されている、請求項２に記載の半
導体レーザ。
【請求項８】前記ストライプ状多層構造は、分布帰還
のための回折格子が形成された半導体層を更に含んでい
る、請求項２に記載の半導体レーザ。
【請求項９】請求項１に記載の半導体レーザを送信側
の光源に用いた光通信システム。