JP2957264B2 - 半導体レーザ素子及びその駆動方法 - Google Patents
半導体レーザ素子及びその駆動方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、波長多重光通信、波長多重光記録、光演算
等の光源として期待される半導体レーザ素子及びその駆
動方法に関し、特に、素子に流す電流の大きさを調整す
ることにより、異なる波長のレーザ光を発する半導体レ
ーザ素子及びその駆動方法に関する。
等の光源として期待される半導体レーザ素子及びその駆
動方法に関し、特に、素子に流す電流の大きさを調整す
ることにより、異なる波長のレーザ光を発する半導体レ
ーザ素子及びその駆動方法に関する。
［従来の技術］ 近年、光通信や光学的情報処理の分野における半導体
レーザ素子の需要は急激に増大してきており、それに伴
って素子の機能に対する要求も多用化しつつある。発振
波長が可変な半導体レーザ素子もそのうちの１つであ
る。例えば、光カードや光ディスク等の媒体にレーザ光
を照射して情報の記録及び再生を行なう場合、通常、再
生光の出力を記録光よりも低くすることによって、再生
光による書き込みを防止している。ここで、波長可変の
半導体レーザ素子を用い、再生光の波長を媒体感度の低
い領域に設定すれば、再生光の出力をそれほど低下させ
ることなく上記書き込みを防止でき、S/N比の高い情報
の再生が可能となる。
レーザ素子の需要は急激に増大してきており、それに伴
って素子の機能に対する要求も多用化しつつある。発振
波長が可変な半導体レーザ素子もそのうちの１つであ
る。例えば、光カードや光ディスク等の媒体にレーザ光
を照射して情報の記録及び再生を行なう場合、通常、再
生光の出力を記録光よりも低くすることによって、再生
光による書き込みを防止している。ここで、波長可変の
半導体レーザ素子を用い、再生光の波長を媒体感度の低
い領域に設定すれば、再生光の出力をそれほど低下させ
ることなく上記書き込みを防止でき、S/N比の高い情報
の再生が可能となる。
上記要求に対して、第１の従来例として、例えばApp
l.Phys.Lett.vol.36,p.442（1980）においては異なる波
長の発光層を夫々別々の光導波路中に形成し（同一の基
板上ではあるが）、独立に電流を注入して所望の波長の
発光層からレーザ発振させる技術が提案されている。こ
れは、本質的に独立なレーザ素子を同一の基板上に形成
したものである。
l.Phys.Lett.vol.36,p.442（1980）においては異なる波
長の発光層を夫々別々の光導波路中に形成し（同一の基
板上ではあるが）、独立に電流を注入して所望の波長の
発光層からレーザ発振させる技術が提案されている。こ
れは、本質的に独立なレーザ素子を同一の基板上に形成
したものである。
一方、第２の従来例として、共振器を構成する反射器
としてグレーティングを利用した所謂分布反射型（DB
R）半導体レーザで、グレーティング部にも電極を設け
てキャリアを注入出来るようにし、そこへの電流注入量
を増減することにより、グレーティング部の屈折率を変
化させて発振波長を変化させる素子が提案されている。
この場合、発光層等の構造は、通常の半導体レーザと同
じである。
としてグレーティングを利用した所謂分布反射型（DB
R）半導体レーザで、グレーティング部にも電極を設け
てキャリアを注入出来るようにし、そこへの電流注入量
を増減することにより、グレーティング部の屈折率を変
化させて発振波長を変化させる素子が提案されている。
この場合、発光層等の構造は、通常の半導体レーザと同
じである。
また、第３の従来例として、J.Appl.Phys.vol.64,p.1
022（1988）では、単一の量子井戸を発光層とし、共振
器損失を増すことで、高次の量子準位からの発光も可能
にし、第１量子準位と第２量子準位からの発光で、異な
る波長のレーザ発振を得る素子が提案されている。
022（1988）では、単一の量子井戸を発光層とし、共振
器損失を増すことで、高次の量子準位からの発光も可能
にし、第１量子準位と第２量子準位からの発光で、異な
る波長のレーザ発振を得る素子が提案されている。
第６図（ａ）はこうした単一量子井戸のエネルバーバ
ンド図を示し、第６図（ｂ）はその利得スペクトル図を
示す。従来の通常の共振器損失を持つレーザにおいて
は、発振しきい利得はgthoであり、利得スペクトルは第
１量子準位に対する波長λ１の波長の光が発振すること
になる。この第３の従来例では、このレーザの共振器損
失を増加させて、発振しきい利得をgth′にした場合に
第２量子準位に対応する波長λ２の光が発振可能となっ
ている。
ンド図を示し、第６図（ｂ）はその利得スペクトル図を
示す。従来の通常の共振器損失を持つレーザにおいて
は、発振しきい利得はgthoであり、利得スペクトルは第
１量子準位に対する波長λ１の波長の光が発振すること
になる。この第３の従来例では、このレーザの共振器損
失を増加させて、発振しきい利得をgth′にした場合に
第２量子準位に対応する波長λ２の光が発振可能となっ
ている。
更に、特開昭63−32982号公報等には、第４の従来例
として、あまり違わない発振波長を持つ、２つの異なる
量子井戸を発光層とし、夫々の量子井戸からの発光で、
異なる波長のレーザ発振を得る素子が開示されている。
として、あまり違わない発振波長を持つ、２つの異なる
量子井戸を発光層とし、夫々の量子井戸からの発光で、
異なる波長のレーザ発振を得る素子が開示されている。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来技術は次の様な問題点を有し
ている。
ている。
まず、第１の従来例では、波長を変化させると、レー
ザからの出射位置が変化する。このため、例えば、外部
光学形を１つの波長の光に対して、一点に集光する様に
組んだ時に、波長を変えると集光位置が、（波長分散に
よる僅かのずれよりも、ずっと多く）ずれてしまう。ま
た、複数の独立なレーザ素子を同一の基板上に形成し
て、独立に駆動出来る様にする必要があるため、作成プ
ロセスが複雑で難しく、素子サイズも大きくなってしま
う。
ザからの出射位置が変化する。このため、例えば、外部
光学形を１つの波長の光に対して、一点に集光する様に
組んだ時に、波長を変えると集光位置が、（波長分散に
よる僅かのずれよりも、ずっと多く）ずれてしまう。ま
た、複数の独立なレーザ素子を同一の基板上に形成し
て、独立に駆動出来る様にする必要があるため、作成プ
ロセスが複雑で難しく、素子サイズも大きくなってしま
う。
次に、第２の従来例では、可変である波長域が狭く、
例えばAlxGa1-xAsを用いたレーザでは、数nm程度しかな
い。これは、通常の半導体レーザでは、注入電流量制御
によるブラッグ波長の変化が可変波長幅を支配してお
り、その変化がその程度の広さしかないからである。
例えばAlxGa1-xAsを用いたレーザでは、数nm程度しかな
い。これは、通常の半導体レーザでは、注入電流量制御
によるブラッグ波長の変化が可変波長幅を支配してお
り、その変化がその程度の広さしかないからである。
また、第３の従来例では、共振器損失を増すことに頼
っているため、レーザの効率が悪くなり、発振しきい電
流値が大きくなり、大きな出力も得られない等の欠点を
持つ。従って、このような素子では、２波長レーザとし
ては、室温連続発振は得られていない。
っているため、レーザの効率が悪くなり、発振しきい電
流値が大きくなり、大きな出力も得られない等の欠点を
持つ。従って、このような素子では、２波長レーザとし
ては、室温連続発振は得られていない。
最後に第４の従来例では、発振する２つの波長はあま
り違わない。即ち、可変である波長域が狭い。
り違わない。即ち、可変である波長域が狭い。
従って、本発明の目的は、上記従来例の問題点を解決
し、波長可変範囲が広く、高い効率で作動する波長可変
半導体レーザ素子及びその駆動方法を提供することにあ
る。
し、波長可変範囲が広く、高い効率で作動する波長可変
半導体レーザ素子及びその駆動方法を提供することにあ
る。
［課題を解決するための手段］ 本発明の半導体レーザ素子は以下のように構成され
る。
る。
互いに基底準位のバンドギャップが異なる複数の発光
層と該発光層の間に設けられたこれらの発光層よりも大
きいバンドギャップをもつ障壁層とこれら発光層と障壁
層を上下から挟む電子の閉じ込め層とを有しており、該
上下の閉じ込め層のバンドギャップは異なっており、基
底準位のバンドギャップの小さい方の前記発光層はバン
ドギャップの大きい方の前記閉じ込め層に近く配置され
ていることを特徴とする半導体レーザ素子。
層と該発光層の間に設けられたこれらの発光層よりも大
きいバンドギャップをもつ障壁層とこれら発光層と障壁
層を上下から挟む電子の閉じ込め層とを有しており、該
上下の閉じ込め層のバンドギャップは異なっており、基
底準位のバンドギャップの小さい方の前記発光層はバン
ドギャップの大きい方の前記閉じ込め層に近く配置され
ていることを特徴とする半導体レーザ素子。
本発明においては、各々の波長を別々の発光層に分担
させる為、広い波長域で発振可能となる。例えば、AlxG
a1-xAsを発光層に用いた場合数十nmから数百nm程度は発
振波長を変化させることができる。
させる為、広い波長域で発振可能となる。例えば、AlxG
a1-xAsを発光層に用いた場合数十nmから数百nm程度は発
振波長を変化させることができる。
また、本発明においては、上下の閉じ込め層のバンド
ギャップを同じにする場合に比べてバンドギャップの大
きい方の発光層のキャリア密度をより高くすることがで
きる。それにより利得の分布が短波長側に伸びた形にな
る。そのため、共振器損失を増して電流を大量に注入し
なくても、複数の波長の光が発振できるようになる。更
に、障壁層のバンドギャップと厚さを、十分な大きさを
持つようにすることで、バンドギャップの大きい方の発
光層のキャリア密度をより高くすることができる。
ギャップを同じにする場合に比べてバンドギャップの大
きい方の発光層のキャリア密度をより高くすることがで
きる。それにより利得の分布が短波長側に伸びた形にな
る。そのため、共振器損失を増して電流を大量に注入し
なくても、複数の波長の光が発振できるようになる。更
に、障壁層のバンドギャップと厚さを、十分な大きさを
持つようにすることで、バンドギャップの大きい方の発
光層のキャリア密度をより高くすることができる。
また、より具体的には、バンドギャップの小さい方の
発光層の厚さは、キャリアが非弾性散乱を受けてそのエ
ネルギが障壁層でのポテンシャルエネルギ以下にまで下
がるのに要する長さ以下であるように設定されたり、閉
じ込め層のバンドギャップは徐々に変化したり、障壁層
のバンドギャップは徐々に変化したりする。その他の具
体的構成については、実施例の説明から明らかになる。
発光層の厚さは、キャリアが非弾性散乱を受けてそのエ
ネルギが障壁層でのポテンシャルエネルギ以下にまで下
がるのに要する長さ以下であるように設定されたり、閉
じ込め層のバンドギャップは徐々に変化したり、障壁層
のバンドギャップは徐々に変化したりする。その他の具
体的構成については、実施例の説明から明らかになる。
本発明におけるバンドギャップとは、量子井戸の場合
には、量子化エネルギーを含めた、低電子帯の或る準位
から伝導帯の或る準位への遷移エネルギーを指す。
には、量子化エネルギーを含めた、低電子帯の或る準位
から伝導帯の或る準位への遷移エネルギーを指す。
また異なる波長の発光層を単一の光導波路内に設ける
ことにより、波長を変化させてもレーザからの出射位置
が変化しない。また、各波長毎に独立な電流注入手段を
設ける必要も無いので、作製が容易で、素子サイズも通
常の半導体レーザと同程度である。
ことにより、波長を変化させてもレーザからの出射位置
が変化しない。また、各波長毎に独立な電流注入手段を
設ける必要も無いので、作製が容易で、素子サイズも通
常の半導体レーザと同程度である。
また、障壁層を（或いはそれに加えて発光層も）ｐま
たはｎ型にドープスルト、レーザを一層高効率にするこ
とができる。特に、電子と正孔を注入した時に、注入さ
れた側と反対側にある発光層まで移動するのがより困難
な方のキャリアと同じ極性にドープするとよい。これ
は、移動が困難な向きに注入されるキャリアを、ドーピ
ングによって予め補充しておくことができるからであ
る。
たはｎ型にドープスルト、レーザを一層高効率にするこ
とができる。特に、電子と正孔を注入した時に、注入さ
れた側と反対側にある発光層まで移動するのがより困難
な方のキャリアと同じ極性にドープするとよい。これ
は、移動が困難な向きに注入されるキャリアを、ドーピ
ングによって予め補充しておくことができるからであ
る。
以上の工夫により、レーザの孔類が従来例よりも遥か
に高くなり、発振しきい電流値も通常の（波長可変でな
い）半導体レーザの１から２倍程度の低い値である様な
波長可変レーザが実現できた。特に従来の波長差の大き
い波長可変レーザでは困難だった、室温連続発振も容易
に達成できる。
に高くなり、発振しきい電流値も通常の（波長可変でな
い）半導体レーザの１から２倍程度の低い値である様な
波長可変レーザが実現できた。特に従来の波長差の大き
い波長可変レーザでは困難だった、室温連続発振も容易
に達成できる。
［実施例］ 以下、実施例で詳しく説明する。なお、説明を分かり
易くする為、以下では波長は２種類とし、従って、発光
層は２層とする。３種類以上の場合も本質的には同様だ
から、以下の説明から容易に類推できよう。
易くする為、以下では波長は２種類とし、従って、発光
層は２層とする。３種類以上の場合も本質的には同様だ
から、以下の説明から容易に類推できよう。
先ず、半導体レーザの活性層付近の模式的なエネルギ
ーバンド図である第１図（ａ）を用いて一例を説明す
る。同図において、10aはＰ−AlxsGa1-xsAs光、電子の
閉じ込め層（Separate Confinement、略してSC層と呼
ぶ）、10bはｎ−Alxs′Ga1-xs′AsSC層、11aがAlxaGa
1-xaAs発光層、11bがAlxbGa1-xbAs発送層、12がp+−Al
xsGa1-xsAs障壁層である。これらの層で光導波路構造部
４を構成している。
ーバンド図である第１図（ａ）を用いて一例を説明す
る。同図において、10aはＰ−AlxsGa1-xsAs光、電子の
閉じ込め層（Separate Confinement、略してSC層と呼
ぶ）、10bはｎ−Alxs′Ga1-xs′AsSC層、11aがAlxaGa
1-xaAs発光層、11bがAlxbGa1-xbAs発送層、12がp+−Al
xsGa1-xsAs障壁層である。これらの層で光導波路構造部
４を構成している。
この例では、ｎ型クラッド層３側には短波長（λ２）
の発光層11bを設けｐ型クラッド層５側に長波長
（λ１）の発光層11aを設けてあるので、クラッド層５
側から注入された正孔が短波長（λ２）の発光層11bに
達するのが、（逆向きに移動する場合に比べて）困難で
ある。そこで、障壁層12を高濃度のｐ型にドープして、
予め正孔を補強してある。
の発光層11bを設けｐ型クラッド層５側に長波長
（λ１）の発光層11aを設けてあるので、クラッド層５
側から注入された正孔が短波長（λ２）の発光層11bに
達するのが、（逆向きに移動する場合に比べて）困難で
ある。そこで、障壁層12を高濃度のｐ型にドープして、
予め正孔を補強してある。
この様に正孔を予め十分補給してあると、電流を流さ
ない時は、適当に両発光層11a、11bに正孔が分布する。
このような場合には、レーザ発振を論ずるのに、主とし
て電子の分布のみを考えれば良い。以下の動作説明はこ
の場合について行なうが、他の場合（本実施例のｐとｎ
とを入れ換えた場合等）も容易に類推できよう。このｐ
とｎを入れ換えた例は後述する。
ない時は、適当に両発光層11a、11bに正孔が分布する。
このような場合には、レーザ発振を論ずるのに、主とし
て電子の分布のみを考えれば良い。以下の動作説明はこ
の場合について行なうが、他の場合（本実施例のｐとｎ
とを入れ換えた場合等）も容易に類推できよう。このｐ
とｎを入れ換えた例は後述する。
次に、本発明の特徴であるSC層について説明する。SC
層10a、10bは、本来、注入電子と注入ホールの活性層11
a、11bへの捕獲を有効に行ない、キャリアの再結合効率
を高めるのに役立つ。
層10a、10bは、本来、注入電子と注入ホールの活性層11
a、11bへの捕獲を有効に行ない、キャリアの再結合効率
を高めるのに役立つ。
本発明では、活性層11a、11bである複数の量子井戸層
を上下から挾むSC層10a、10bを上下で非対称に設定する
ことにより、複数の量子井戸層11a、11bのうちバンドギ
ャップの小さい方のSC層10bに近い量子井戸層11bへの注
入キャリア密度を高めることが出来る。その結果とし
て、バンドギャップの小さい方のSC層10b側の量子井戸
層11bの利得を増大させることができる。
を上下から挾むSC層10a、10bを上下で非対称に設定する
ことにより、複数の量子井戸層11a、11bのうちバンドギ
ャップの小さい方のSC層10bに近い量子井戸層11bへの注
入キャリア密度を高めることが出来る。その結果とし
て、バンドギャップの小さい方のSC層10b側の量子井戸
層11bの利得を増大させることができる。
第１図（ａ）において、発光層11bは発光層11aよりも
エネルギギャップが大きいので、従来の半導体レーザの
活性層構造では注入キャリアは発光層11a、11bで熱平衡
状態に広がって分布する為に、エネルギギャップの小さ
い方の発光層11aの利得は大きくなり過ぎ、他方の発光
層11bの利得は中々大きくならないと言う状態が生じ
る。
エネルギギャップが大きいので、従来の半導体レーザの
活性層構造では注入キャリアは発光層11a、11bで熱平衡
状態に広がって分布する為に、エネルギギャップの小さ
い方の発光層11aの利得は大きくなり過ぎ、他方の発光
層11bの利得は中々大きくならないと言う状態が生じ
る。
よって、本実施例では、前述した様に障壁層12とSC層
との一部がＰ型にドーピングされており、発光層内には
十分内ホールが存在する様になっている。注入電子はｎ
−クラッド３から注入される為、バンドギャップの小さ
い方のSC層10bを通って発光層11bへ落ち込んでいく。こ
の際、障壁層12のバンドギャップが大きいので電子の多
くは障壁層12を飛び越せないので、尚更、発光層11bの
電子濃度を増加させる。
との一部がＰ型にドーピングされており、発光層内には
十分内ホールが存在する様になっている。注入電子はｎ
−クラッド３から注入される為、バンドギャップの小さ
い方のSC層10bを通って発光層11bへ落ち込んでいく。こ
の際、障壁層12のバンドギャップが大きいので電子の多
くは障壁層12を飛び越せないので、尚更、発光層11bの
電子濃度を増加させる。
この際、バンドギャップの小さい発光層11aの厚さは
キャリアの散乱長以下（例えば、LO（純光学的）フォノ
ン散乱では37meVエネルギが下がるので散乱長は100Å程
度以下）に設定してあるので、注入キャリアは発光層11
aへは少量しか捕獲されず、多量のキャリアは発光層11b
へ捕獲される。
キャリアの散乱長以下（例えば、LO（純光学的）フォノ
ン散乱では37meVエネルギが下がるので散乱長は100Å程
度以下）に設定してあるので、注入キャリアは発光層11
aへは少量しか捕獲されず、多量のキャリアは発光層11b
へ捕獲される。
更に、障壁層12の厚さとポテンシャルの高さ（深さ）
は十分な大きさに設定して、レーザ発振のしきい値に近
い電流を流した時に、各々の発光層ないし井戸層11a、1
1bのキャリア分布が第１図（ａ）に示す様になっている
（すなわち、バンドギャップの大きい方の発光層11bの
キャリア濃度が大きくなっている）。
は十分な大きさに設定して、レーザ発振のしきい値に近
い電流を流した時に、各々の発光層ないし井戸層11a、1
1bのキャリア分布が第１図（ａ）に示す様になっている
（すなわち、バンドギャップの大きい方の発光層11bの
キャリア濃度が大きくなっている）。
障壁層12が薄すぎるか低過ぎる場合には、障壁層12が
ない時と同様の均一なキャリア分布になるが、第１図
（ａ）の例では、その場合よりも、短波長（λ２）の井
戸層11bの方に電子が大きい割合で分配される様に障壁
層12が設定されている。ただし、障壁層12を厚く及び／
又は高くし過ぎると長波長（λ１）の井戸層11aの方に
電子が来なくなってしまうので、障壁層12の設定には最
適化が必要である。
ない時と同様の均一なキャリア分布になるが、第１図
（ａ）の例では、その場合よりも、短波長（λ２）の井
戸層11bの方に電子が大きい割合で分配される様に障壁
層12が設定されている。ただし、障壁層12を厚く及び／
又は高くし過ぎると長波長（λ１）の井戸層11aの方に
電子が来なくなってしまうので、障壁層12の設定には最
適化が必要である。
第１図（ｂ）、（ｃ）には、しきい電流値直前での井
戸層11a、11bにおける利得スペクトルが夫々示され、第
１図（ｂ）はこれらのスペクトルを光閉じ込め計数を考
慮して足し合わせた利得スペクトルを示す。
戸層11a、11bにおける利得スペクトルが夫々示され、第
１図（ｂ）はこれらのスペクトルを光閉じ込め計数を考
慮して足し合わせた利得スペクトルを示す。
第１図（ｄ）より分かる様に、各波長λ１、λ２の利
得は各々の井戸層11a、11bでの利得に依存する為、効率
的にλ１とλ２での利得を増大させることが出来る。
得は各々の井戸層11a、11bでの利得に依存する為、効率
的にλ１とλ２での利得を増大させることが出来る。
尚、第１図の例では、SC層10a、10bはGRIN（Graded
Index）組成を用いているが、エネルギギャップすなわ
ち屈折率が階段状に変化するステップインデックス（St
ep Index）タイプでも、直線的に変化する組成であっ
ても良い。要は、複数の発光層を挾んで上下で異なるバ
ンドギャップのSC層を設定すれば良い。
Index）組成を用いているが、エネルギギャップすなわ
ち屈折率が階段状に変化するステップインデックス（St
ep Index）タイプでも、直線的に変化する組成であっ
ても良い。要は、複数の発光層を挾んで上下で異なるバ
ンドギャップのSC層を設定すれば良い。
また、第１図の例では、障壁層12のバンドギャップ
は、SC層10aの発光層11aに近接する組成のバンドギャッ
プと等しくなっているが、障壁層12のバンドギャップ
は、SC層10bの発光層11bに近接する組成のバンドギャッ
プより大きくそしてクラッド層３、５のそれよりも小さ
く設定されていれば良い。
は、SC層10aの発光層11aに近接する組成のバンドギャッ
プと等しくなっているが、障壁層12のバンドギャップ
は、SC層10bの発光層11bに近接する組成のバンドギャッ
プより大きくそしてクラッド層３、５のそれよりも小さ
く設定されていれば良い。
第２図は、本発明の半導体レーザ素子の更に具体的な
一実施例の構成を示し、第２図（ａ）が側断面図、第２
図（ｂ）が正面断面図である。このような素子は分子線
エピタキシ（MBE）法、有機金属気相成長（MOCVD）法等
を用いて作成することが出来るが、その過程は通常の半
導体レーザの作成と同様であるので詳しい説明は省略す
る。
一実施例の構成を示し、第２図（ａ）が側断面図、第２
図（ｂ）が正面断面図である。このような素子は分子線
エピタキシ（MBE）法、有機金属気相成長（MOCVD）法等
を用いて作成することが出来るが、その過程は通常の半
導体レーザの作成と同様であるので詳しい説明は省略す
る。
図中、１はn+−GaAs基板、２はn+−GaAsバッファ層、
３はｎ−AlxcGa1-xcAsクラッド層、４は上述した構成の
光導波路構造部、５はｐ−AlxcGa1-xcクラッド層、６は
p+−GaAsキャップ層、７はAu/Cr電極、８はAu−Ge/Au電
極である。
３はｎ−AlxcGa1-xcAsクラッド層、４は上述した構成の
光導波路構造部、５はｐ−AlxcGa1-xcクラッド層、６は
p+−GaAsキャップ層、７はAu/Cr電極、８はAu−Ge/Au電
極である。
第２図（ｂ）に示すように、横方向に関して電流と光
とをストライプ状の領域に狭窄する為に、リッジ型の導
波路が、反応性イオンビームでエッチングする等の方法
で形成され、Si3N4膜９をプラズマCVD法で成膜した後、
リッジ上部のみをエッチングして取り除き、電極７を蒸
着してある。
とをストライプ状の領域に狭窄する為に、リッジ型の導
波路が、反応性イオンビームでエッチングする等の方法
で形成され、Si3N4膜９をプラズマCVD法で成膜した後、
リッジ上部のみをエッチングして取り除き、電極７を蒸
着してある。
波長を調整する為の手段として、この例では第２図
（ａ）に示すように、電極７を２分割し、夫々に独立に
電流が流れるようにしてある。この２つの電流７に異な
る電流密度Ji、J2で電流を注入し、その比と大きさを変
化させることにより、レーザ全体の実効的な利得の波長
分散を僅かに変化させて発振波長を変化させている。
（ａ）に示すように、電極７を２分割し、夫々に独立に
電流が流れるようにしてある。この２つの電流７に異な
る電流密度Ji、J2で電流を注入し、その比と大きさを変
化させることにより、レーザ全体の実効的な利得の波長
分散を僅かに変化させて発振波長を変化させている。
発振波長を変化させるやり方としては、電極を分割し
ないで（すなわち、単一の電極で）電流の大きさで波長
を制御するやり方もある。この場合、電流を増すにした
がって、先ず長波長λ１の光が発振し、次に短波長λ２
の光も発振することが確められた。更に電流を増すと、
やがて、（ｉ）長波長λ１の光が発振を停止する場合
と、（ii）発振し続ける場合とがある（ｉ）の動作を得
るには、発光層11aにおける注入電子濃度n1、注入ホー
ル濃度p1のときの波長λ２における利得g1が g1（λ2,n1,p1）＞０ になる様に（第１図（ｂ）参照）、発光層11a、11bと障
壁層12を設定すればよい。この場合は、第１図（ｂ）に
示す様なλ２における利得（＞０）が発振に寄与して、
λ１の光が発振を停止するのである。（ii）は、上記利
得g1が g1（λ2,n1,p1）≦０ になる様に発光層11a、11bと障壁層12を設定すればよ
い。
ないで（すなわち、単一の電極で）電流の大きさで波長
を制御するやり方もある。この場合、電流を増すにした
がって、先ず長波長λ１の光が発振し、次に短波長λ２
の光も発振することが確められた。更に電流を増すと、
やがて、（ｉ）長波長λ１の光が発振を停止する場合
と、（ii）発振し続ける場合とがある（ｉ）の動作を得
るには、発光層11aにおける注入電子濃度n1、注入ホー
ル濃度p1のときの波長λ２における利得g1が g1（λ2,n1,p1）＞０ になる様に（第１図（ｂ）参照）、発光層11a、11bと障
壁層12を設定すればよい。この場合は、第１図（ｂ）に
示す様なλ２における利得（＞０）が発振に寄与して、
λ１の光が発振を停止するのである。（ii）は、上記利
得g1が g1（λ2,n1,p1）≦０ になる様に発光層11a、11bと障壁層12を設定すればよ
い。
特に、（ｉ）の場合、波長のスイッチングが完全に出
来るので応用が広い。
来るので応用が広い。
ところで、室温でのGaAsのホールの移動度が400cm2/V
・ｓであり、電子の移動度8800cm2/V・ｓに比べて小さ
いことを考慮すると、ホールの方の不均一注入がし易い
と言えるので、第１図（ａ）のｐとｎを入れ換えて第３
図の様にした例が好適である。
・ｓであり、電子の移動度8800cm2/V・ｓに比べて小さ
いことを考慮すると、ホールの方の不均一注入がし易い
と言えるので、第１図（ａ）のｐとｎを入れ換えて第３
図の様にした例が好適である。
動作等については、ホールと電子の役目が入れ換わっ
ているのみで第１図の場合と実質的に同じである。
ているのみで第１図の場合と実質的に同じである。
すなわち、この変形例では、発光層11a、11bに電子を
充満させておき、ホールを制御する構造となっている。
この場合、障壁層12またはSC層10aの少なくとも一部は
ｎ型にドーピングしておき、バンドギャップの小さい方
のSC層10bをｐ−クラッド層３側に配置し、更に複数の
発光層11a、11bのうち、バンドギャップの大きい方の発
光層11bをｐ−クラッド層３に近い方に配置させれば良
い。
充満させておき、ホールを制御する構造となっている。
この場合、障壁層12またはSC層10aの少なくとも一部は
ｎ型にドーピングしておき、バンドギャップの小さい方
のSC層10bをｐ−クラッド層３側に配置し、更に複数の
発光層11a、11bのうち、バンドギャップの大きい方の発
光層11bをｐ−クラッド層３に近い方に配置させれば良
い。
第４図には本発明の第２実施例として、エネルギギャ
ップの小さい方の発光層21aがあたかも一方のSC層10aの
途中にあるかの様に設定されており、障壁層22の組成も
膜厚の方向に変化している例のエネルギバンド図が示さ
れている。21bは他方の発光層、20bは他方のSC層であ
る。
ップの小さい方の発光層21aがあたかも一方のSC層10aの
途中にあるかの様に設定されており、障壁層22の組成も
膜厚の方向に変化している例のエネルギバンド図が示さ
れている。21bは他方の発光層、20bは他方のSC層であ
る。
この様な構造でも、障壁層22の高さ、発光層21aの厚
さ等が上述した条件を満たしていれば本発明の原理に基
づくものと言え、障壁層22またはSC層20aの一部をｐ型
にドーピングしておけば、発光層21a内にはホールが満
たされ、また注入電子の方は不均一に注入できるので、
両発光層21a、21bの利得を少ない電流密度で大きくする
ことが可能である。
さ等が上述した条件を満たしていれば本発明の原理に基
づくものと言え、障壁層22またはSC層20aの一部をｐ型
にドーピングしておけば、発光層21a内にはホールが満
たされ、また注入電子の方は不均一に注入できるので、
両発光層21a、21bの利得を少ない電流密度で大きくする
ことが可能である。
この場合も、ｐとｎを入れ換えて第３図の変形例の如
くすることができる。
くすることができる。
動作等は第１実施例と実質的に同じである。
第５図は第３実施例のエネルギバンド図であり、一方
のSC層がクラッド層35と同一の組成の材料で設定、すな
わち一方のSC層がなくなっている。この例でも、発光層
31a、31bにホールを満たしておき、電子を不均一に注入
することによって、両発光層31a、31bの利付を少ない電
流密度で大きくすることができる。30bはSC層、32は障
壁層である。
のSC層がクラッド層35と同一の組成の材料で設定、すな
わち一方のSC層がなくなっている。この例でも、発光層
31a、31bにホールを満たしておき、電子を不均一に注入
することによって、両発光層31a、31bの利付を少ない電
流密度で大きくすることができる。30bはSC層、32は障
壁層である。
この場合も、第３図の如くｐとｎを入れ換えた変形例
とすることができ、また動作等は第１実施例と同じであ
る。
とすることができ、また動作等は第１実施例と同じであ
る。
以上の実施例では、説明の都合上、半導体として、Al
xGa1-xAsを用いた場合について説明したが、ヘテロ構造
を作れる半導体材料なら、何でも良いことは明らかであ
ろう。また。光と電流を狭窄する構造としては、リッジ
型導波路を用いた場合について説明したが、これもま
た、通常の半導体レーザに使われているどの方法でも良
い。これらのやり方や作製法は、例えば、Applied Phy
sics Letters及びIEEE Jounal of Quantum Electr
onicsの最近15年分程を参照すれば容易に分かるので、
説明は省略する。
xGa1-xAsを用いた場合について説明したが、ヘテロ構造
を作れる半導体材料なら、何でも良いことは明らかであ
ろう。また。光と電流を狭窄する構造としては、リッジ
型導波路を用いた場合について説明したが、これもま
た、通常の半導体レーザに使われているどの方法でも良
い。これらのやり方や作製法は、例えば、Applied Phy
sics Letters及びIEEE Jounal of Quantum Electr
onicsの最近15年分程を参照すれば容易に分かるので、
説明は省略する。
また、発光層の数や種類は上記の様に２つに限る訳で
もなく、３つ以上でも良いことは明らかであろう。
もなく、３つ以上でも良いことは明らかであろう。
また、本発明のレーザ素子を、広い波長範囲で動作す
る高効率の光増幅器として使うことも出来る。即ち、本
発明の半導体レーザ素子に、レーザ発振するしきい電流
値よりも、僅かに少ない電流を注入し、外部の光源か
ら、該素子の一方の端面を通してレーザ発振する光の波
長の付近の波長を持つ光を入射し、該入射光と同一の波
長を持つ光をもう一方の端面から取り出すのである。
る高効率の光増幅器として使うことも出来る。即ち、本
発明の半導体レーザ素子に、レーザ発振するしきい電流
値よりも、僅かに少ない電流を注入し、外部の光源か
ら、該素子の一方の端面を通してレーザ発振する光の波
長の付近の波長を持つ光を入射し、該入射光と同一の波
長を持つ光をもう一方の端面から取り出すのである。
本発明によるレーザ素子は、従来の素子よりも広い波
長範囲で利得を持つので、広い波長範囲で動作する高効
率の光増幅器として使うことが出来る。
長範囲で利得を持つので、広い波長範囲で動作する高効
率の光増幅器として使うことが出来る。
また、本発明のレーザ素子を、広い波長範囲で動作す
る高効率の光波長変換器として使うことも出来る。即
ち、本発明の半導体レーザ素子に、レーザ発振するしき
い電流値よりも僅かに少ない電流を注入し、外部の光源
から該素子に、発光層のバンドギャップより大きい光子
エネルギーを持つ光を入射する。すると、キャリアが生
成されるので、該素子の発光層から入射光とは異なる波
長を持つ光が発光し、端面から出射する。この出射光
は、予めバイアスしてある電流が波長λ１の光のしきい
電流地に近ければλ１（に近い）波長になり、λ２の光
のしきい電流地に近ければλ２（に近い）波長になる。
本素子を用いると、従来の素子よりも広い波長範囲で動
作すると共に短波長光の発振し易い高効率の光波長変換
器として使うことが出来る。
る高効率の光波長変換器として使うことも出来る。即
ち、本発明の半導体レーザ素子に、レーザ発振するしき
い電流値よりも僅かに少ない電流を注入し、外部の光源
から該素子に、発光層のバンドギャップより大きい光子
エネルギーを持つ光を入射する。すると、キャリアが生
成されるので、該素子の発光層から入射光とは異なる波
長を持つ光が発光し、端面から出射する。この出射光
は、予めバイアスしてある電流が波長λ１の光のしきい
電流地に近ければλ１（に近い）波長になり、λ２の光
のしきい電流地に近ければλ２（に近い）波長になる。
本素子を用いると、従来の素子よりも広い波長範囲で動
作すると共に短波長光の発振し易い高効率の光波長変換
器として使うことが出来る。
［発明の効果］ 以上で説明した様に、本発明のレーザ素子では、異な
る波長の発光層を単一の光導波路内に設けることによ
り、波長を変化させてもレーザからの出射位置が変化し
ない。
る波長の発光層を単一の光導波路内に設けることによ
り、波長を変化させてもレーザからの出射位置が変化し
ない。
また、各波長毎に独立な電流注入手段を設ける必要も
ないので、作製が容易で、素子サイズも通常の半導体レ
ーザと同程度である。
ないので、作製が容易で、素子サイズも通常の半導体レ
ーザと同程度である。
更に、夫々の波長を、別々の（しかも、単一の光導波
路内に設けた）発光層に分担させる為、ずっと広い波長
域で発振可能となる。
路内に設けた）発光層に分担させる為、ずっと広い波長
域で発振可能となる。
また、障壁層のバンドギャップと厚さを適当に設定す
ることにより、共振器損失を増して電流を大量に注入し
なくても複数の波長の光が発振出来る様になり、レーザ
の効率が従来例より遥かに高くなり、発振しきい電流値
も通常の（波長可変ではない）半導体レーザの１から２
倍程度の低い値である様な波長可変レーザが実現出来
た。特に、従来の、波長差の大きい波長可変レーザでは
困難だった室温連続発振も容易に達成出来た。
ることにより、共振器損失を増して電流を大量に注入し
なくても複数の波長の光が発振出来る様になり、レーザ
の効率が従来例より遥かに高くなり、発振しきい電流値
も通常の（波長可変ではない）半導体レーザの１から２
倍程度の低い値である様な波長可変レーザが実現出来
た。特に、従来の、波長差の大きい波長可変レーザでは
困難だった室温連続発振も容易に達成出来た。
更に、本発明のレーザ素子を光増幅器や光波長変換器
として用いる場合、従来の素子よりも広い波長範囲で動
作する高効率の光増幅器や光波長変換器となる。
として用いる場合、従来の素子よりも広い波長範囲で動
作する高効率の光増幅器や光波長変換器となる。
第１図は本発明の半導体レーザ素子の第１実施例の光導
波路部分のバンド構造と利得スペクトルを示す図、第２
図は第１実施例であるリッジ導波路型半導体レーザ素子
の断面図、第３図は第１実施例の変形例の光導波路部分
のバンド構造と利得スペクトルを示す図、第４図は第２
実施例の光導波路構造のバンド図、第５図は第３実施例
の光導波路構造のバンド図、第６図は単一量子井戸層を
活性層とする半導体レーザ素子の光導波路部分のバンド
構造と利得スペクトルを示す図である。 １……n+−GaAs基板、２……n+−GaAsバッファ層、３…
…ｎ−AlxcGa1-xcAsクラッド層、４……光導波路構造
部、５、35……ｐ−AlxcGa1-xcAsクラッド層、６……p+
−GaAsキャップ層、７……Au/Cr電極、８……Au−Ge/Au
電極、９……Si3N4膜、10a、20a……ｐ−AlxsGa1-xsAsS
C層、10b、21b、31b……ｎ−Alxs′Ga1-xs′AsSC層、11
a、21a、31a……AlxaGa1-xaAs発光層、11b、21b、31b…
…AlxbGa1-xbAs発光層、12、22、32……p+−AlxBGa1-xB
As障壁層
波路部分のバンド構造と利得スペクトルを示す図、第２
図は第１実施例であるリッジ導波路型半導体レーザ素子
の断面図、第３図は第１実施例の変形例の光導波路部分
のバンド構造と利得スペクトルを示す図、第４図は第２
実施例の光導波路構造のバンド図、第５図は第３実施例
の光導波路構造のバンド図、第６図は単一量子井戸層を
活性層とする半導体レーザ素子の光導波路部分のバンド
構造と利得スペクトルを示す図である。 １……n+−GaAs基板、２……n+−GaAsバッファ層、３…
…ｎ−AlxcGa1-xcAsクラッド層、４……光導波路構造
部、５、35……ｐ−AlxcGa1-xcAsクラッド層、６……p+
−GaAsキャップ層、７……Au/Cr電極、８……Au−Ge/Au
電極、９……Si3N4膜、10a、20a……ｐ−AlxsGa1-xsAsS
C層、10b、21b、31b……ｎ−Alxs′Ga1-xs′AsSC層、11
a、21a、31a……AlxaGa1-xaAs発光層、11b、21b、31b…
…AlxbGa1-xbAs発光層、12、22、32……p+−AlxBGa1-xB
As障壁層
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−260482（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−260489（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−260683（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，Ｌｅｔｔ，55 ［20］（1989）Ｐ．2057−2059 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ，Ｌｅｔｔ，55 ［12］（1989）Ｐ．1155−1157 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (12)
- 【請求項１】互いに基底準位のバンドギャップが異なる
複数の発光層と該発光層の間に設けられたこれらの発光
層よりも大きいバンドギャップをもつ障壁層とこれら発
光層と障壁層を上下から挟む電子の閉じ込め層とを有し
ており、該上下の閉じ込め層のバンドギャップは異なっ
ており、基底準位のバンドギャップの小さい方の前記発
光層はバンドギャップの大きい方の前記閉じ込め層に近
く配置されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 【請求項２】前記障壁層のバンドギャップはバンドギャ
ップの小さい方の前記閉じ込め層のバンドギャップより
も大きい請求項１記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項３】バンドギャップの大きい方の前記閉じ込め
層のバンドギャップは前記障壁層のバンドギャップ以上
である請求項１もしくは２記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項４】前記発光層のうち、バンドギャップの小さ
い方の発光層の厚さは、キャリアが非弾性散乱を受けて
そのエネルギが障壁層のポテンシャルエネルギ以下にま
で下がるのに要する長さ以下である請求項１記載の半導
体レーザ素子。 - 【請求項５】前記閉じ込め層のバンドギャップは徐々に
変化している請求項１乃至４いずれかに記載の半導体レ
ーザ素子。 - 【請求項６】前記障壁層、発光層、閉じ込め層のうち少
なくとも１つが少なくとも部分的に不純物のドーピング
によってｐ型又はｎ型を有している請求項１乃至５いず
れかに記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項７】当該素子の共振方向に異なる電流密度で電
流注入することが可能な様に複数の電極が設けられてい
る請求項１乃至６いずれかに記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項８】光増幅器として用いる請求項１乃至７いず
れかに記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項９】光波長変換器として用いる請求項１乃至７
いずれかに記載の半導体レーザ素子。 - 【請求項１０】請求項１記載の半導体レーザ素子に順方
向に電流注入を行ない、その電流量を制御することによ
り前記発光層におけるいずれかのバンドギャップに対応
する波長の光をレーザ発振させることを特徴とする請求
項１記載の半導体レーザ素子の駆動方法。 - 【請求項１１】請求項１記載の半導体レーザ素子に、レ
ーザ発振するしきい電流値よりも僅かに少ない電流を注
入し、外部の光源から該素子の一方の端面を通してレー
ザ発振する光の波長の付近の波長を持つ光を入射し、該
入射光と同一の波長を持つ光をもう一方の端面から取り
出すことを特徴とする半導体レーザ素子の駆動方法。 - 【請求項１２】請求項１記載の半導体レーザ素子に、レ
ーザ発振するしきい電流値よりも僅かに少ない電流を注
入し、外部の光源から該素子の一方の端面を通してレー
ザ発振する光の波長の付近の波長を持つ光を入射し、該
素子の端面から入射光とは異なる波長を持つ光を出射さ
せることを特徴とする半導体レーザ素子の駆動方法。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30440790A JP2957264B2 (ja) | 1990-11-11 | 1990-11-11 | 半導体レーザ素子及びその駆動方法 |
| EP19910119097 EP0491152B1 (en) | 1990-11-11 | 1991-11-08 | Semiconductor laser devices with a plurality of light emitting layers having different bands gaps and methods for driving the same |
| DE1991617272 DE69117272T2 (de) | 1990-11-11 | 1991-11-08 | Halbleiterlaser-Vorrichtungen mit mehreren lichtemittierenden Schichten deren Bandlücken verschieden sind und Verfahren zu ihrer Ansteuerung |
| US07/936,737 US5224114A (en) | 1990-11-11 | 1992-08-31 | Semiconductor laser devices with a plurality of light emitting layers having different bands gaps and methods for driving the same |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30440790A JP2957264B2 (ja) | 1990-11-11 | 1990-11-11 | 半導体レーザ素子及びその駆動方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04177784A JPH04177784A (ja) | 1992-06-24 |
| JP2957264B2 true JP2957264B2 (ja) | 1999-10-04 |
Family
ID=17932638
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30440790A Expired - Fee Related JP2957264B2 (ja) | 1990-11-11 | 1990-11-11 | 半導体レーザ素子及びその駆動方法 |
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|---|---|
| EP (1) | EP0491152B1 (ja) |
| JP (1) | JP2957264B2 (ja) |
| DE (1) | DE69117272T2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2706091B1 (fr) * | 1993-06-04 | 1995-07-21 | Thomson Csf | Laser semiconducteur bicolore. |
| TW525306B (en) * | 2001-04-19 | 2003-03-21 | Univ Nat Taiwan | Technique using multi-layer quantum well of different widths for increasing the light emitting bandwidth of semiconductor photoelectric device |
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