JP2776381B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents
半導体レーザ装置Info
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- JP2776381B2 JP2776381B2 JP20455596A JP20455596A JP2776381B2 JP 2776381 B2 JP2776381 B2 JP 2776381B2 JP 20455596 A JP20455596 A JP 20455596A JP 20455596 A JP20455596 A JP 20455596A JP 2776381 B2 JP2776381 B2 JP 2776381B2
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は長距離大容量光伝
送、コヒーレント通信等に必要な光源である高性能半導
体レーザ装置に関する。
送、コヒーレント通信等に必要な光源である高性能半導
体レーザ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、光通信の長距離大容量化に伴い、
光源として高速でかつ変調によるチャーピングの少ない
高性能半導体レーザの開発が望まれている。さらに将来
の光通信技術といわれているコヒーレント通信において
は非常に狭いスペクト幅のレーザが必要となる。分布帰
還型レーザ(DFB−LD)は高速変調時においても安
定な単一軸モード発振が得られ、従来のファブリーペロ
型レーザに比べて伝送特性に大きな改善を果たしてき
た。しかしながらDFB−LDにおいてもチャーピング
抑制、スペクトル幅は十分でない。
光源として高速でかつ変調によるチャーピングの少ない
高性能半導体レーザの開発が望まれている。さらに将来
の光通信技術といわれているコヒーレント通信において
は非常に狭いスペクト幅のレーザが必要となる。分布帰
還型レーザ(DFB−LD)は高速変調時においても安
定な単一軸モード発振が得られ、従来のファブリーペロ
型レーザに比べて伝送特性に大きな改善を果たしてき
た。しかしながらDFB−LDにおいてもチャーピング
抑制、スペクトル幅は十分でない。
【0003】この問題を解決する方法として光導波路
(外部変調器)をモノリシックに一体化したDFB−L
Dが注目されている。図3はこの一体化素子の光軸方向
の断面基本構造を示すものである。これはn−InP基
板1上の第1の領域21にInGaAsP活性層13、
p−InGaAsP光導波層3、p−InPクラッド層
4、p−InGaAsPコンタクト層5、p型電極6を
含み、第2の領域22において光導波層8、p−InP
クラッド層9、p−InGaAsPコンタクト層10、
p型電極11を含む構造である。ここで活性(発光)域
である第1の領域21における光導波層3上にはレーザ
発振に必要な回折格子7が、InP基板1の裏面にはn
型電極12が形成されている。また光変調域である第2
の領域22の光導波層8は第1の領域21からの出射光
10と同一光軸上に位置し、両領域は分離領域13によ
り電気的に分離されている。
(外部変調器)をモノリシックに一体化したDFB−L
Dが注目されている。図3はこの一体化素子の光軸方向
の断面基本構造を示すものである。これはn−InP基
板1上の第1の領域21にInGaAsP活性層13、
p−InGaAsP光導波層3、p−InPクラッド層
4、p−InGaAsPコンタクト層5、p型電極6を
含み、第2の領域22において光導波層8、p−InP
クラッド層9、p−InGaAsPコンタクト層10、
p型電極11を含む構造である。ここで活性(発光)域
である第1の領域21における光導波層3上にはレーザ
発振に必要な回折格子7が、InP基板1の裏面にはn
型電極12が形成されている。また光変調域である第2
の領域22の光導波層8は第1の領域21からの出射光
10と同一光軸上に位置し、両領域は分離領域13によ
り電気的に分離されている。
【0004】第1の領域21からの出射光10は第2の
領域22の光導波層を低損失で伝搬される。ここで発光
域21の電極6−12間に順方向電流を流してレーザ発
振をさせた状態で、光変調域22の電極11−12間に
逆バイアス印加することフランツーケルディシュ効果に
より導波光の変調を行なうことができる。また光導波層
8が多重量子井戸(MQW)構造であれば量子閉じ込め
シュタルク効果が利用できより大きい光変調効果を得る
事ができる。このような外部変調器一体化LDではLD
の直接変調時に問題となる注入キャリヤ変化による変調
光のチャーピングやスペクトル幅の拡がりは大きく抑圧
できる。
領域22の光導波層を低損失で伝搬される。ここで発光
域21の電極6−12間に順方向電流を流してレーザ発
振をさせた状態で、光変調域22の電極11−12間に
逆バイアス印加することフランツーケルディシュ効果に
より導波光の変調を行なうことができる。また光導波層
8が多重量子井戸(MQW)構造であれば量子閉じ込め
シュタルク効果が利用できより大きい光変調効果を得る
事ができる。このような外部変調器一体化LDではLD
の直接変調時に問題となる注入キャリヤ変化による変調
光のチャーピングやスペクトル幅の拡がりは大きく抑圧
できる。
【0005】しかしながらこのような素子は、活性域の
活性層3と光変調域の光導波層は異なるバンドギャプを
有するエピタキシャル層である必要があり、通常は複数
回のエピタキシャル成長を含む非常に複雑な工程によっ
てのみ作成できるものである。このような複雑な工程は
素子作製の歩留まりのみならず素子特性に悪影響を及ぼ
す。特に複数回のエピタキシャル成長によって生じる境
界部での異常成長や再成長層の軸ずれ等により発光域と
光変調域間の光波の結合効率は小さく、光出力の低下等
の問題がある。
活性層3と光変調域の光導波層は異なるバンドギャプを
有するエピタキシャル層である必要があり、通常は複数
回のエピタキシャル成長を含む非常に複雑な工程によっ
てのみ作成できるものである。このような複雑な工程は
素子作製の歩留まりのみならず素子特性に悪影響を及ぼ
す。特に複数回のエピタキシャル成長によって生じる境
界部での異常成長や再成長層の軸ずれ等により発光域と
光変調域間の光波の結合効率は小さく、光出力の低下等
の問題がある。
【0006】一方、低チャーピング・狭スペクトル幅の
LDとしては他に分布ブラッグ反射型レーザ(DBR−
LD)がある。図4はその基本構造の光軸方向の断面図
である。その層構造は第3図の外部変調型DFB−LD
とほとんど同一であるが、この素子においては回折格子
7は光帰還域(DBR域)23の光導波層8上に形成さ
れている。このLDは活性域21に電流注入することに
より、光帰還域23の回折格子で決まる成長で発振が得
られる。従って変調による注入キャリヤの変化によるチ
ャーピングは小さく、またDBR域23からの光のフィ
ードバックによる狭スペクトルを得ることができる。ま
たこの素子の場合、DBR域23に別個の電極11を形
成し電流注入等の手段で光導波層8の屈折率を変化させ
ることにより波長を可変にすることができる。
LDとしては他に分布ブラッグ反射型レーザ(DBR−
LD)がある。図4はその基本構造の光軸方向の断面図
である。その層構造は第3図の外部変調型DFB−LD
とほとんど同一であるが、この素子においては回折格子
7は光帰還域(DBR域)23の光導波層8上に形成さ
れている。このLDは活性域21に電流注入することに
より、光帰還域23の回折格子で決まる成長で発振が得
られる。従って変調による注入キャリヤの変化によるチ
ャーピングは小さく、またDBR域23からの光のフィ
ードバックによる狭スペクトルを得ることができる。ま
たこの素子の場合、DBR域23に別個の電極11を形
成し電流注入等の手段で光導波層8の屈折率を変化させ
ることにより波長を可変にすることができる。
【0007】しかしながら、DBR−LDの場合も外部
変調型DFB−LDの場合と同じく複数回のエピ成長を
含む複雑な作製プロセスを必要とし、各領域間での十分
な光波の結合効率が得られず発振しきい値の上昇等の特
性の劣化が問題となる。
変調型DFB−LDの場合と同じく複数回のエピ成長を
含む複雑な作製プロセスを必要とし、各領域間での十分
な光波の結合効率が得られず発振しきい値の上昇等の特
性の劣化が問題となる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】以上、従来の技術にお
ける半導体レーザにおいては、工程の複雑さや境界部の
不連続性等により十分な特性が得られなかった。
ける半導体レーザにおいては、工程の複雑さや境界部の
不連続性等により十分な特性が得られなかった。
【0009】そこで本発明は、非常に安易な作製プロセ
スで高性能の半導体レーザ装置を提供することを目的と
する。
スで高性能の半導体レーザ装置を提供することを目的と
する。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は上述の目的を達
成すべく、第1の導電型の同一半導体基板上に活性層、
回折格子、第2の導電型のエピタキシャル層、第2の導
電型の第1の電極を含む第1の領域と、前記第1の領域
から発した光に対する光導波層を含む第2の領域とを有
し、前記基板上には、前記第1の領域と前記第2の領域
で幅の異なるストライプが形成され、前記第1の領域の
活性層と前記第2の領域の光導波層が同一成長層の多重
量子井戸層で構成され、かつ第1の領域における前記量
子井戸層の井戸層厚が第2の領域における井戸層厚より
も大きい半導体レーザ装置とする。
成すべく、第1の導電型の同一半導体基板上に活性層、
回折格子、第2の導電型のエピタキシャル層、第2の導
電型の第1の電極を含む第1の領域と、前記第1の領域
から発した光に対する光導波層を含む第2の領域とを有
し、前記基板上には、前記第1の領域と前記第2の領域
で幅の異なるストライプが形成され、前記第1の領域の
活性層と前記第2の領域の光導波層が同一成長層の多重
量子井戸層で構成され、かつ第1の領域における前記量
子井戸層の井戸層厚が第2の領域における井戸層厚より
も大きい半導体レーザ装置とする。
【0011】また、第1の導電型の同一半導体基板上に
活性層と第2の導電型のエピタキシャル層と第2の導電
型の第1の電極を含む第1の領域と前記第1の領域から
発した光に対する光導波層と回折格子を含む第2の領域
とを有し、前記基板上には、前記第1の領域と前記第2
の領域で幅の異なるストライプが形成され、前記第1の
領域の活性層と前記第2の領域の光導波層が同一成長層
の多重量子井戸層で構成され、かつ第1の領域における
前記量子井戸層の井戸層厚が第2の領域における井戸層
厚よりも大きい半導体レーザ装置とする。
活性層と第2の導電型のエピタキシャル層と第2の導電
型の第1の電極を含む第1の領域と前記第1の領域から
発した光に対する光導波層と回折格子を含む第2の領域
とを有し、前記基板上には、前記第1の領域と前記第2
の領域で幅の異なるストライプが形成され、前記第1の
領域の活性層と前記第2の領域の光導波層が同一成長層
の多重量子井戸層で構成され、かつ第1の領域における
前記量子井戸層の井戸層厚が第2の領域における井戸層
厚よりも大きい半導体レーザ装置とする。
【0012】上述の手段により、非常に安易な作製プロ
セスで高性能の外部変調型DFBレーザおよびDBRレ
ーザを得ることができる。
セスで高性能の外部変調型DFBレーザおよびDBRレ
ーザを得ることができる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例をInGa
AsP/InP系材料を用いた場合について述べる。
AsP/InP系材料を用いた場合について述べる。
【0014】図1は本発明による第1の実施例としての
DFBレーザの光軸方向の断面基板構造図を示す。この
素子は発光機能と波長選択機能を有する活性領域21と
光変調機能を有する光変調領域22で構成される。ここ
で、1はn−InP基板、2はInGaAsP多重量子
井戸(MQW)層、3はInGaAsP光導波層、4は
p−InPクラッド層、5はp−InGaAsPコンタ
クト層、6および11はp型電極、および12はn型電
極である。ここで活性領域21内の光導波層上にはピッ
チ4000Åの回折格子が形成されている。また活性領
域21と光変調領域22間はプロトン注入層13により
電気的に分離されている。MQW層2は活性領域21に
おいては井戸層厚(Lz)が200Å、障壁層厚200
Åであるのに対し、光変調領域22においては井戸層厚
(Lz)が100Å障壁層厚100Åと領域21と23
で膜厚が異なる。量子シフト量の差異によりMQW層の
バンドギャップ波長は領域21で1.29μmであるの
に対し、領域22においては1.27μmと各領域で異
なっている。このようなウエハー内で同一成長層の膜厚
を変化させることは領域間で幅の異なるメサストライプ
の形成された基板上に液相エピタキシャル成長を行なう
ことにより可能で、ストライプ幅によって制御性良く井
戸層厚を変化させることができる。この場合InP基板
1の光変調域22にのみ光軸方向に沿って幅8μmのメ
サストライプを形成して成長を行なった。
DFBレーザの光軸方向の断面基板構造図を示す。この
素子は発光機能と波長選択機能を有する活性領域21と
光変調機能を有する光変調領域22で構成される。ここ
で、1はn−InP基板、2はInGaAsP多重量子
井戸(MQW)層、3はInGaAsP光導波層、4は
p−InPクラッド層、5はp−InGaAsPコンタ
クト層、6および11はp型電極、および12はn型電
極である。ここで活性領域21内の光導波層上にはピッ
チ4000Åの回折格子が形成されている。また活性領
域21と光変調領域22間はプロトン注入層13により
電気的に分離されている。MQW層2は活性領域21に
おいては井戸層厚(Lz)が200Å、障壁層厚200
Åであるのに対し、光変調領域22においては井戸層厚
(Lz)が100Å障壁層厚100Åと領域21と23
で膜厚が異なる。量子シフト量の差異によりMQW層の
バンドギャップ波長は領域21で1.29μmであるの
に対し、領域22においては1.27μmと各領域で異
なっている。このようなウエハー内で同一成長層の膜厚
を変化させることは領域間で幅の異なるメサストライプ
の形成された基板上に液相エピタキシャル成長を行なう
ことにより可能で、ストライプ幅によって制御性良く井
戸層厚を変化させることができる。この場合InP基板
1の光変調域22にのみ光軸方向に沿って幅8μmのメ
サストライプを形成して成長を行なった。
【0015】ここで領域1の電極6−12間に順方向直
流電流を印加すると波長1.30μmのレーザ発振が得
られる。光変調領域22内のMQW光導波層2において
はこのレーザ光はほとんど吸収されず1cm-1以下の低
損失で導波できる。なぜならMQW構造においては吸収
端はバルク構造に比べ急峻であり、導波光がバンドギャ
ップ波長より30nmも長波側に位置すれば吸収による
損失はほとんどないからである。
流電流を印加すると波長1.30μmのレーザ発振が得
られる。光変調領域22内のMQW光導波層2において
はこのレーザ光はほとんど吸収されず1cm-1以下の低
損失で導波できる。なぜならMQW構造においては吸収
端はバルク構造に比べ急峻であり、導波光がバンドギャ
ップ波長より30nmも長波側に位置すれば吸収による
損失はほとんどないからである。
【0016】一方、光変調領域22の電極11−12間
に逆バイアスを印加することにより、光変調を行なうこ
とができる。MQW層においては量子閉じ込めシュタル
ク効果等により通常のバルクよりも大きい電解印加光吸
収効果を有し、光変調領域長を200μmとして1Vの
電圧印加で100%変調を行なうことができる。また活
性層と光導波層が同一MQW層2構成されているので結
合部でのレーザ光の散乱や軸ずれがなく90%以上の高
い結合効率が得られるので、一体化による光出力の低下
はほとんどない。またこの素子においては活性領域と光
変調領域が分離されているので直接変調の場合に問題と
なる変調時の注入キャリヤ変化によるチャーピングやス
ペクトル幅の拡がりはほとんどなく、高速変調によって
高品質のレーザ光を得ることができる。さらに本構造は
基本的に一回のエピタキシャル成長という非常に簡単な
プロセスで作製でき高い歩留まりが期待できる。
に逆バイアスを印加することにより、光変調を行なうこ
とができる。MQW層においては量子閉じ込めシュタル
ク効果等により通常のバルクよりも大きい電解印加光吸
収効果を有し、光変調領域長を200μmとして1Vの
電圧印加で100%変調を行なうことができる。また活
性層と光導波層が同一MQW層2構成されているので結
合部でのレーザ光の散乱や軸ずれがなく90%以上の高
い結合効率が得られるので、一体化による光出力の低下
はほとんどない。またこの素子においては活性領域と光
変調領域が分離されているので直接変調の場合に問題と
なる変調時の注入キャリヤ変化によるチャーピングやス
ペクトル幅の拡がりはほとんどなく、高速変調によって
高品質のレーザ光を得ることができる。さらに本構造は
基本的に一回のエピタキシャル成長という非常に簡単な
プロセスで作製でき高い歩留まりが期待できる。
【0017】次に本発明の第2の実施例としてのDBR
レーザについて述べる。図2はこの素子の光軸方向の基
本断面構成図である。この素子は活性域21と帰還域2
3で構成される。層構造および電極構造は第1図におけ
るDFBレーザと同一であるが、この素子においては回
折格子は帰還域22の光導波層上に形成されている。ま
たこの場合もMQW層2は活性領域21において井戸層
厚(Lz)が200Å、障壁層厚200Åであるのに対
し、光変調領域22においては井戸層厚(Lz)が10
0Å障壁層厚100Åと領域21と23で膜厚が異な
り、光帰還域において低損失で光結合効率の光導波路が
得られる。
レーザについて述べる。図2はこの素子の光軸方向の基
本断面構成図である。この素子は活性域21と帰還域2
3で構成される。層構造および電極構造は第1図におけ
るDFBレーザと同一であるが、この素子においては回
折格子は帰還域22の光導波層上に形成されている。ま
たこの場合もMQW層2は活性領域21において井戸層
厚(Lz)が200Å、障壁層厚200Åであるのに対
し、光変調領域22においては井戸層厚(Lz)が10
0Å障壁層厚100Åと領域21と23で膜厚が異な
り、光帰還域において低損失で光結合効率の光導波路が
得られる。
【0018】ここで活性域21の電極6−12間に順方
向電流を印加することにより、光帰還域23の回折格子
で決まる波長レーザ発振が得られる。光波の結合効率お
よび導波損失の改善により光の帰還量が増大し15mA
以下のしきい値で発振が得られているまたこの素子にお
いては発振スペクトルは基本的に不活性な光帰還域によ
って決まるので活性域での直接変調によっても低チャー
ピング・狭スペクトル特性が得られている。さらにこの
DBRレーザの光帰還域22の電極11−12間に電流
注入もしくは電界印加によって光導波路の屈折率を変化
させることにより、光出力の大きな変化なく最大30n
mの広範囲にわたって連続的に発振波長を変化させるこ
とができる。
向電流を印加することにより、光帰還域23の回折格子
で決まる波長レーザ発振が得られる。光波の結合効率お
よび導波損失の改善により光の帰還量が増大し15mA
以下のしきい値で発振が得られているまたこの素子にお
いては発振スペクトルは基本的に不活性な光帰還域によ
って決まるので活性域での直接変調によっても低チャー
ピング・狭スペクトル特性が得られている。さらにこの
DBRレーザの光帰還域22の電極11−12間に電流
注入もしくは電界印加によって光導波路の屈折率を変化
させることにより、光出力の大きな変化なく最大30n
mの広範囲にわたって連続的に発振波長を変化させるこ
とができる。
【0019】
【発明の効果】以上のように本発明は、第1の領域の活
性層と第2の領域の光導波層が同一成長層の多重量子井
戸層で構成し、かつ第1の領域における量子井戸層の井
戸層厚が第2の領域における井戸層厚よりも大きくする
構造により、非常に簡単な製造プロセスにより良好な発
振特性・変調特性を有する分布帰還型レーザを高歩留ま
りで提供できるものである。
性層と第2の領域の光導波層が同一成長層の多重量子井
戸層で構成し、かつ第1の領域における量子井戸層の井
戸層厚が第2の領域における井戸層厚よりも大きくする
構造により、非常に簡単な製造プロセスにより良好な発
振特性・変調特性を有する分布帰還型レーザを高歩留ま
りで提供できるものである。
【0020】さらに本発明は、第1の領域の活性層と前
記第2の領域の光導波層が同一成長層の多重量子井戸層
で構成し、かつ第1の領域における前記量子井戸層の井
戸層厚が第2の領域における井戸層厚よりも大きくする
構造より、非常に簡単な構造プロセスで良好な発振特性
・変調特性を有する分布ブラック反射型レーザを歩留ま
りで提供できるものである。
記第2の領域の光導波層が同一成長層の多重量子井戸層
で構成し、かつ第1の領域における前記量子井戸層の井
戸層厚が第2の領域における井戸層厚よりも大きくする
構造より、非常に簡単な構造プロセスで良好な発振特性
・変調特性を有する分布ブラック反射型レーザを歩留ま
りで提供できるものである。
【0021】このように本発明による半導体レーザは長
距離・大容量光通信およびコヒーレント光通信用光源と
してその実用価値は大きい。
距離・大容量光通信およびコヒーレント光通信用光源と
してその実用価値は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例によるDFB−LDの断
面基本構造図
面基本構造図
【図2】本発明の第2の実施例によるDBR−LDの断
面基本構造図
面基本構造図
【図3】従来例における外部変調型DFB−LDの断面
基本構造図
基本構造図
【図4】従来例におけるDBR−LDの断面基本構造図
1 InP基板 2 MQW層 7 回折格子 21 活性領域 22 光変調領域 23 光帰還域
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−168980(JP,A) 特開 昭62−15875(JP,A) 特開 平1−321677(JP,A) 特開 平1−186693(JP,A) 特開 昭63−263787(JP,A) 特開 昭60−192379(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01S 3/18
Claims (4)
- 【請求項1】第1の導電型の同一半導体基板上に活性
層、回折格子、第2の導電型のエピタキシャル層、第2
の導電型の第1の電極を含む第1の領域と、前記第1の
領域から発した光に対する光導波層を含む第2の領域と
を有し、 前記基板上には、前記第1の領域と前記第2の領域で幅
の異なるストライプが形成され、前記第1の領域の活性
層と前記第2の領域の光導波層とが同一成長層の多重量
子井戸層で構成され、かつ第1の領域における前記量子
井戸層の井戸厚が第2の領域における井戸層厚より大き
い半導体レーザ装置。 - 【請求項2】第1の導電型の同一半導体基板上に活性層
と第2の導電型のエピタキシャル層と第2の導電型の第
1の電極を含む第1の領域と、前記第1の領域から発し
た光に対する光導波層と回折格子を含む第2の領域とを
有し、 前記基板上には、前記第1の領域と前記第2の領域で幅
の異なるストライプが形成され、前記第1の領域の活性
層と前記第2の領域の光導波層とが同一成長層の多重量
子井戸層で構成され、かつ第1の領域における前記量子
井戸層の井戸層厚が第2の領域における井戸層厚よりも
大きい半導体レーザ装置。 - 【請求項3】第2の領域において、第2の導電型の第2
の電極を有する請求項1または2に記載の半導体レーザ
装置。 - 【請求項4】第1,第2の領域の境界域に電気的分離機
能を有する第3の領域を有する請求項1または2に記載
の半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20455596A JP2776381B2 (ja) | 1996-08-02 | 1996-08-02 | 半導体レーザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20455596A JP2776381B2 (ja) | 1996-08-02 | 1996-08-02 | 半導体レーザ装置 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP63153241A Division JPH069280B2 (ja) | 1988-01-14 | 1988-06-21 | 半導体レーザ装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH09121075A JPH09121075A (ja) | 1997-05-06 |
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