JP3064661B2

JP3064661B2 - 波長可変半導体レーザ

Info

Publication number: JP3064661B2
Application number: JP4105671A
Authority: JP
Inventors: 信夫鈴木; 政樹遠山; 正明小野村
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-03-31
Filing date: 1992-03-31
Publication date: 2000-07-12
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH05283818A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発振波長を電気的に可
変できる半導体レーザに係わり、特に分布帰還（ＤＦ
Ｂ）共振器内の各領域を独立の電極により制御可能とし
た多電極ＤＦＢ構造の波長可変半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光周波数分割多重化技術（光ＦＤ
Ｍ）の研究開発が盛んになっている。光ＦＤＭは、大容
量光通信システム，光インターコネクション，光交換，
光演算など様々な分野に応用することができる。光ＦＤ
Ｍ向けのコヒーレント光源としては、コンパクトで信頼
性があり、電気的に波長可変可能な半導体レーザの開発
が進められている。

【０００３】大容量の光ＦＤＭを実現するためには、波
長可変範囲の広い半導体レーザの開発が望まれる。ま
た、所定の波長範囲の中で高密度に多数の周波数チャン
ネルを多重化するためには、各チャンネルの占有する周
波数範囲を狭くすることが望まれる。特に、光ＦＤＭで
有望なコヒーレント光伝送方式では、信号光と局部発振
光の干渉により受信信号を得るため、狭線幅の光源が必
要になる。

【０００４】また、外部に波長選択素子を有する外部共
振器半導体レーザの開発も進められているが、大きさ，
安定性，価格，信頼性などを考慮すると、実用普及には
モノリシックな波長可変半導体レーザが必要である。現
在研究されている波長可変半導体レーザは、（１）温度
制御型半導体レーザ、（２）多電極分布ブラッグ反射型
（ＤＢＲ）半導体レーザ、（３）多電極分布帰還型（Ｄ
ＦＢ）半導体レーザ、（４）ツインガイド型半導体レー
ザ、の４つに分類される。

【０００５】温度制御型は、活性領域近傍に加熱手段を
設けて活性層の温度を上げられるようにしたものであ
る。一般に半導体レーザでは、温度上昇により波長は長
い方にシフト（レッドシフト）する。そして、狭線幅を
保ったまま大きな波長変化を実現できる。しかし、その
ために活性層がかなり加熱されるため、信頼性に問題が
ある。

【０００６】多電極ＤＢＲレーザは、ブラッグ反射領域
にキャリア注入を行ってブラッグ波長を大きく変えるも
のである。波長可変範囲は広いが、パッシブなブラッグ
導波路にキャリア注入を行うため、内部のキャリア密度
揺らぎに起因して発振線幅は１０ＭＨｚ以上に増大して
しまい、コヒーレント光伝送への適用は困難である。ま
た、波長の多数のモードをジャンプしながら変化するた
め、連続的に可変できる波長範囲は小さかった。

【０００７】多電極ＤＦＢレーザは、ＤＦＢレーザを共
振器方向に複数の領域に分割して、キャリア密度のバラ
ンスを変化させることで平均キャリア密度を変え、発振
波長を変化させるものである。

【０００８】例えば、図１０（ａ）に示す両端面無反射
コートされた３電極位相シフトＤＦＢレーザを考える。
このレーザに均一に強い電流注入を行った場合、図１０
(b）に実線で示すように位相シフト部近傍に光が集中
し、この部分の誘導放出が大きくなる結果、中央部のキ
ャリア密度が両端部より少なくなった不均一な状態にな
っている（軸方向ホールバーニング）。このため、発振
を維持するために、全体のキャリア密度がキャリア密度
が均一な場合のキャリア密度と比べて大きな値となる。
平均のキャリア密度が高いと屈折率が大きくなるため、
発振波長も短くなる。

【０００９】そこで、図１０（ｂ）に破線で示すように
中央部の電流を増やして中央部のキャリア密度を増やす
と、キャリア分布の不均一が緩和され、平均のキャリア
密度が下がり、波長はレッドシフトする。全体がアクテ
ィブな領域なので、電流注入時にもキャリア密度の揺ら
ぎが小さく、狭線幅を実現できる。反面、平均キャリア
密度の変化はそれほど大きくないため、可変できる波長
範囲も２ｎｍ程度に限られていた。

【００１０】ツインガイド型は、近接して積層されてい
る活性層と光導波層（又は第２の活性層）に流す電流を
独立に制御するものである。これは、多電極ＤＢＲ（又
はＤＦＢ）レーザで領域を軸方向に分割する代わりに層
方向に分割したものと考えることができる。パッシブな
光導波層を用いた場合は多電極ＤＢＲレーザと類似の動
作モード、光導波層の代わりに第２の活性層を用いた場
合は多電極ＤＦＢレーザと類似の動作モードとなる。

【００１１】なお、多電極ＤＢＲレーザや多電極ＤＦＢ
レーザにおいても、波長の変化には上記のキャリア効果
に加えて、熱効果も大きく寄与している。先の図１０の
例でも、中央部の電流増大による温度上昇がレッドシフ
トに大きく寄与している。

【００１２】コヒーレント光伝送への応用を考える場
合、発振スペクトル線幅の制限から多電極ＤＢＲレーザ
やツインガイド型レーザの適用は困難である。また、信
頼性の観点から考えると、熱だけで波長を大きく変化さ
せるのも問題が大きい。このため、多電極ＤＦＢレーザ
を用いるのが有効と考えられる。

【００１３】多電極ＤＦＢレーザの波長可変範囲を広げ
る方法として、ゲインレバーとよばれる方法が提案され
ている。その動作原理は、文献（K.Y.Lau, Appl.Phys.L
ett.Vol.57(25) pp.2632-2634 （1990年12月））に論じ
られているが、ここではその概要を図１１を用いて簡単
に説明する。このレーザは、図１１（ａ）に示す構造の
ＤＦＢ量子井戸レーザである。キャリア密度対利得特性
は、図１１（ｂ）に示すように高キャリア密度領域で利
得の飽和が起こる非線形性の大きなものになっている。

【００１４】最初に領域１と領域２の動作点がそれぞれ
Ａ点（均一励起状態）にあったものとする。いま、領域
１の注入電流を減らして内部のキャリア密度を減じてい
くものとすると、レーザ全体として最初の状態と同一の
利得を得るため必要な領域２のキャリア密度が増加し、
動作点はそれぞれＢ１点，Ｂ２点になる。利得曲線の非
線形性のため、均一励起状態Ａから不均一励起状態Ｂに
変化させるに従い平均のキャリア密度は増加するから、
発振波長は大きく短い方にシフト（ブルーシフト）する
ことになる。領域１は電流変化による利得変化が大きい
ので利得制御領域、領域２は電流変化によるキャリア密
度の変化、即ち発振波長変化への寄与が大きいことから
波長制御領域と考えることができる。

【００１５】しかし、ゲインレバー効果で励起を不均一
にして波長をブルーシフトさせようとすると、平均キャ
リア密度だけでなく平均電流密度も増大するため、温度
上昇が起こる。この結果生じるレッドシフトがキャリア
密度変化によるブルーシフトと相殺し合う結果、期待さ
れるほどには波長が振れないという問題があった。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】このように従来、ゲイ
ンレバー効果を用いた多電極ＤＦＢレーザにおいては、
キャリア効果による波長変化と温度上昇（熱効果）によ
る波長変化の向きが逆なので、期待されるほどには波長
を大きく変化させられないという問題があった。

【００１７】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、キャリア効果と熱効果
による相殺作用を減じて、より広い可変範囲を有する多
電極ＤＦＢ構造の波長可変半導体レーザを提供すること
にある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、多電極
ＤＦＢ構造において、キャリア効果と熱効果の波長変化
に対する相殺作用を減じ、大きな波長変化を実現しよう
とするものである。

【００１９】即ち本発明（請求項１）は、ストライプ状
に形成された分布帰還共振器内に、共振器方向（共振す
る光の進行方向と平行な方向）に分割して第１の領域と
第２の領域の少なくとも二つの領域を有し、各領域の電
流密度を独立に制御する複数の電極を設けた多電極ＤＦ
Ｂ構造の波長可変半導体レーザにおいて、第１の領域で
は注入電流密度変化による温度変化が大きく、第２の領
域では注入電流密度変化による温度変化が小さくなるよ
うに、それぞれの領域を形成したものである。ここで、
第１の領域と第２の領域は、それぞれがさらに複数のサ
ブ領域に分割されていてもよく、そのサブ領域が他方の
領域により隔てられていてもよいものとする。

【００２０】また、本発明の望ましい実施態様として
は、次のものが上げられる。 (1) 第１の領域における放熱量（特性）が第２の領域に
おける放熱量（特性）よりも少なく（悪く）なるように
形成すること。具体的には、第１の領域の共振器に垂直
な断面をメサ状に形成し、第２の領域の共振器に垂直な
断面を第１の領域のそれよりも広いメサ状又はプレーナ
状に形成する。 (2) 各領域の活性層への電流供給路の少なくとも一部
を、第１の領域の方が第２の領域よりも高抵抗になるよ
うに形成すること。ここでいう電流供給路とは、半導体
クラッド領域，電極コンタクト領域，金属配線などを含
むものである。半導体層の高抵抗化の手段として、例え
ばドーパント濃度，厚さや幅，組成を変えたり、キャリ
アの流れをブロックするヘテロ接合を作り付けたりする
方法が考えられる。また、第１の領域の電極を第２の領
域の電極よりも狭いストライプ状に形成してもよい。 (3) 第１の領域における無効電流が第２の領域における
無効電流よりも大きくなるように形成すること。具体的
には、活性層側面に接する埋込み領域を流れるリーク電
流を、第１の領域において第２の領域に対して故意に大
きくなるようにする。また、第１の領域では活性層を流
れる電流密度変化による活性層のキャリア密度変化が、
第２の領域のそれよりも小さくなるように形成する。さ
らに、第１の領域の活性領域のキャリア寿命を第２の領
域のそれよりも故意に小さくなるようにする。キャリア
寿命は、例えば不純物のドーピングにより短くすること
ができる。また、活性層からオーバーフローする電子の
割合が第１の領域で第２の領域よりも大きくなるよう
に、各領域の層構造を変える。例えば、量子井戸活性層
の障壁の高さを低めに設定したり、活性層厚さに対する
障壁厚さの割合を大きくしたり、クラッド層の禁制帯幅
を狭めに設定したりすることで、電子のオーバーフロー
を増やすことができる。 (4) 第１の領域を第２の領域に比較して、注入電流密度
に対する微分利得は低いがキャリア密度に対する微分利
得は高くなるように設定すること。これは、第１の領域
のキャリア密度に対する微分利得を第２の領域のそれよ
りも高く設定しておき、上記 (3)に具体化した方法によ
り電流変化に対するキャリア密度変化を小さくすること
で実現される。第１の領域のキャリア密度に対する微分
利得を高める方法としては、先に従来の技術の項で述べ
た動作点の設定の他、領域により活性層構造を積極的に
変えることでゲインレバー効果をエンハンスすることも
できる。 (5) 第２の領域を主たる光出射端側（前方端面）に形成
し、その前方端面の反射率が共振器の反対側の端面（後
方端面）の反射率より低くなるように作製すること。 (6) 共振器の中央部に第１の領域、両端部にそれぞれ第
２の領域が形成された少なくとも三領域からなる多電極
ＤＦＢレーザであって、共振器中央部に回折格子の位相
シフト領域を形成すること。ここで、両端面には低反射
コーティング膜を形成してあることが好ましい。また、
ホールバーニング効果を相乗的に利用するためには、κ
Ｌ（κは回折格子の結合係数、Ｌは共振器長）も大きめ
（２以上）に設定することが好ましい。 (7) 活性層の少なくとも一部に歪量子井戸層を用いるこ
と。 (8) 第１の領域を介してＡＦＣのための電流負帰還をか
けること。 (9) 第１の領域に周波数変調のための高速信号が加えら
れるように、終端抵抗，給電ラインなどの手段を有する
こと。

【００２１】

【作用】本発明によれば、電流注入による発振波長変化
に関して、第１の領域ではキャリア効果に対して熱効果
がエンハンスされ、第２の領域ではキャリア効果に対し
て熱効果が抑制されている。第１の領域の電流を増やし
第２の領域の電流を減らすことで、出力パワー一定の条
件で波長を変化させる場合を考える。第１の領域では電
流を増加させた場合、熱効果はレッドシフトに、キャリ
ア効果はブルーシフトに働くが、熱効果がエンハンスさ
れているのでトータルでは大きなレッドシフトが起こ
る。逆に、第２の領域では電流減少で熱効果はブルーシ
フトに、キャリア効果はレッドシフトに働くが、熱効果
が抑制されているので、レッドシフトが強調される。こ
の結果、どちらの領域もレッドシフトに働くので、波長
可変範囲を大きくとることができる。このとき、いずれ
の領域も発振状態にあるため、大きな波長変化が得られ
るにも拘らず、発振線幅は狭く保つことができる。

【００２２】前記(1) のように、第１及び第２の領域に
おける放熱特性を変えるために、第１の領域の共振器に
垂直な断面をメサ状に形成し、第２の領域の共振器に垂
直な断面を第１の領域のそれよりも広いメサ状又はプレ
ーナ状に形成した場合、狭いメサ状に形成された第１の
領域で熱抵抗が高いため、電流注入に対する温度上昇が
第２の領域よりも強調される結果、上記の効果を得るこ
とができる。

【００２３】前記(2) のように、各領域の活性層への電
流供給路の少なくとも一部を第１の領域で第２の領域よ
りも高抵抗になるように形成、又は第１の領域の電極を
第２の領域の電極よりも狭いストライプ状に形成した場
合、第１の領域への電流注入に際して発熱が大きくなる
結果（大まかには電流変化の二乗に比例して温度上昇が
起こる）、上記の効果が得られる。ここでは、配線抵抗
による電力消費や電極抵抗による電力消費が発熱に寄与
することになる。

【００２４】前記(3) のように、第１の領域における無
効電流が第２の領域における無効電流よりも大きくなる
ように形成するため、活性層側面に接する埋込み領域を
流れるリーク電流を、第１の領域において第２の領域に
対して故意に大きくなるようにした場合、埋込領域を流
れるリーク電流による電力消費が発熱に寄与し、第１の
領域への電流注入に際して発熱が大きくなる結果、上記
の効果が得られる。

【００２５】また、(3)(4)で述べた例では、同じ活性層
キャリア密度変化を得るのに、第１の領域で余分に電流
を変化させる必要が生じる結果、温度変化も大きくな
り、上記の効果が得られる。発振しきい条件では電流密
度Ｊと活性層キャリア密度Ｎの間には、Ｎ／Ｊ＝（１−Ｒ_of）×τ_n／ｅｄ … (1) の関係がある。ここで、Ｒ_ofはオーバーフロー電流の場
合、τ_nは活性層のキャリア寿命、ｅは電荷素量、ｄは
活性層厚さである。活性層のキャリア密度変化ではτ_n
を小さくすることにより、活性層からオーバーフローす
る電子の割合ではＲ_ofを大きくすることにより、それぞ
れ第１の領域のＮ／Ｊの値を減じている。

【００２６】本発明の半導体レーザをゲインレバーモー
ドで使用する場合、キャリア密度により波長が大きく変
化する第２の領域が先に述べた波長制御領域に対応す
る。ゲインレバーモードでは波長制御領域のキャリア密
度に対する微分利得は利得領域のそれよりも低くする必
要がある。このとき、第２の領域は線幅増大係数αも大
きくなるので、キャリア効果がエンハンスされる。前記
(4) によれば、キャリア密度に対する微分利得Γ・ｄＧ
／ｄＮは第２の領域の方が小さく、電流密度に対する微
分利得Γ・ｄＧ／ｄＪは第１の領域の方が小さいから、
前記 (1)〜(3) の効果とゲインレバー効果を相乗的に使
うことができ、より大きな波長可変範囲を得ることがで
きる。ここで、Γは光閉じ込め係数，Ｇは利得である。

【００２７】前記(5) に述べたような前後面非対称な二
電極ＤＦＢレーザの場合、共振器内部の光電界は後方端
面側に集中しており、この部分の屈折率変化が波長変化
に大きく寄与する。一方、光出力は出射端面側に形成さ
れた領域の注入電流に敏感である。即ち、出力光パワー
一定の条件で波長を熱効果でレッドシフトさせようとし
た場合、出射端側の電流を僅かに減らして後方領域の電
流を大きく増やすことになる。このように後方領域の熱
効果をエンハンスすることで、波長を更に大きく変化さ
せることができる。

【００２８】従来の技術の項に述べた位相シフト３電極
ＤＦＢレーザでは、両端部の領域の電流を僅かに減らし
て中央部の電流を大きく増やすことで、出力パワー一定
の条件下でレッドシフトさせることができる。前記(6)
により中央部の熱効果をエンハンスすることで、更に大
きな波長変化を実現できる。

【００２９】本発明では温度上昇を積極的に利用してい
ることから、発振しきい値、効率などの特性劣化が懸念
される。これに対して、前記(7) のように活性層に微分
利得が高くしきいキャリア密度の低い歪量子井戸層を使
えば、この特性劣化を補ったり、或いは更に特性を向上
させたりすることができる。歪量子井戸構造の利用によ
り微分利得やしきいキャリア密度に対する自由度も大き
くなるので、活性層構造を変えてゲインレバー効果を大
きくエンハンスさせることも可能になる。

【００３０】本発明では第１の領域の熱効果の増大が著
しいので、波長変化に対する感度は第１の領域の方が第
２の領域よりも敏感になる。従って、自動周波数制御
（ＡＦＣ）のための電流帰還や周波数変調をかける領域
として第２の領域よりも第１の領域の方が適している。
従って、前記(8) の構成によれば良好なＡＦＣを実現す
ることができる。また、前記(9) の方法によれば、高効
率の高速周波数変調を実現することができる。なお、高
速周波数変調を行う場合の熱的な時間応答が問題になる
が、本発明の場合は熱源の位置が活性層に近いため、サ
ブ・ナノ秒の応答が可能である。

【００３１】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００３２】図１〜図４は、本発明の第１の実施例に係
わる３電極ＤＦＢ波長可変半導体レーザの概略構造を説
明するためのもので、図１は全体構成を示す斜視図、図
２は活性層ストライプに沿った断面図、図３(a)(b)は中
央部領域（第１の領域）と端部の領域（第２の領域）の
活性層ストライプに垂直な断面図、図４は活性層の層構
造を示す断面図である。

【００３３】このレーザはｎ型ＩｎＰ基板１上に有機金
属気相成長法により積層された活性層（光導波層を含
む）２，ｐ型ＩｎＰクラッド層３，及びｐ型ＩｎＧａＡ
ｓオーミック・コンタクト層４からなるメサストライプ
５、さらにこのメサストライプを埋め込むように積層さ
れたｐ型ＩｎＰ埋込層６，ｎ型ＩｎＰ埋込層７，ｐ型Ｉ
ｎＧａＡｓＰ埋込層８，アンドープＩｎＧａＡｓＰ層９
からなる半導体積層構造を用いて作製されている。

【００３４】活性層２は、図４に示すように、厚さ３ｎ
ｍのＩｎ_0.7Ｇａ_0.3Ａｓ歪井戸層２１と障壁層２２を
交互に積層した歪量子井戸構造と、これを挟むように積
層された厚さ３０ｎｍの下部ＩｎＧａＡｓＰ光導波層２
３、厚さ１００ｎｍで回折格子２５の形成された上部Ｉ
ｎＧａＡｓＰ光導波層２４とからなる。障壁層２２は厚
さ１０ｎｍでＩｎＰに格子整合し、波長１．３μｍに相
当する組成のＩｎＧａＡｓＰからなる。回折格子２５
は、ｐ型ＩｎＰ層６により埋め込まれている。回折格子
２５の共振器の中央部には、位相（四分の一波長）シフ
ト領域２６が形成されている。

【００３５】図１及び図２に示すように、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ層４，９が除去された分離溝１０により、半導体レー
ザは中央部１１と両端部１２、１３の３つの領域に分離
されている。分離溝１０の近傍を除く各領域のオーミッ
クコンタクト層４の上には、Ａｕ／Ｚｎ／Ａｕからなる
ｐ型オーミック電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃが形成され
ている。この電極の幅は、中央部１１で４μｍ、両端部
１２、１３で２０μｍとなっている。これらの電極幅の
違いのため、中央部１１のコンタクト抵抗は１０Ω、両
端部１２，１３のコンタクト抵抗は５Ωとなっている。

【００３６】また、図１及び図３（ａ）に示すように、
中央部１１のストライプの両脇のＩｎＧａＡｓＰ埋込層
８，９が除去され、溝１５が形成されている。この結
果、中央部１１の断面形状は幅７μｍのメサになってい
る。

【００３７】上部表面のｐ型オーミック電極１４の形成
されていない部分は全てＳｉＯ₂絶縁膜１６で覆われて
いる。この絶縁膜１６と電極１４の上には、各ｐ型オー
ミック電極１４ａ，１４ｂ，１４ｃに接触するように、
Ｃｒ／Ａｕからなる配線17a,１７ｂ，１７ｃ、さらにそ
の上にはＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ配線兼ボンディング・パッド
１８ａ，１８ｂ，１８ｃが形成されている。中央部１１
のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ配線１８ａは溝１５の活性層ストラ
イプ側の側面で一部除去されており、残されたＣｒ／Ａ
ｕ膜１７ａは直列抵抗約１０Ωの抵抗膜として機能す
る。ＩｎＰ基板１の下部にはｎ型オーミック電極１９が
形成されている。

【００３８】この半導体レーザ・チップの寸法は、長さ
約１ｍｍ，幅３００μｍ，厚さ８０μｍである。中央部
１１の長さは約４００μｍ、両端部１２，１３の長さは
それぞれ約３００μｍである。両端面はへき開により形
成され、反射率１％以下のＳｉＮ_x低反射膜２０がコー
ティングされている。回折格子の結合係数κは３０ｃｍ
^-1である。

【００３９】この半導体レーザ・チップはＡｕＳｎハン
ダにより接地電極となるヒートシンクの上に固定されて
おり、ヒートシンクは温度センサとペルチェ素子を用い
て一定温度になるように制御されている。各電極パッド
１８は、セラミック基板上に形成された給電線とボンデ
ィングにより接続されており、各電極独立に注入電流を
制御できるようになっている。これらは、出力光ファイ
バへ結合させるためのレンズ系，光アイソレータ，出力
モニタ・フォトダイオードなどと共にレーザ・モジュー
ル内に実装されている。

【００４０】後述のように光出力に敏感な両端部の電極
１４ｂに自動パワー制御（ＡＰＣ）を、波長変化に敏感
な中央部の電極１４ａに自動周波数制御（ＡＦＣ）をか
けている。このレーザを高速ＦＳＫ変調する際には、電
極１４ａにインピーダンス整合抵抗を介して変調電流を
流す。このとき、上記の第２の領域より大きい抵抗の少
なくとも一部を整合抵抗の一部としてもよい。

【００４１】この波長可変半導体レーザの動作原理は、
基本的には図１０の従来例と類似である。しかし、本実
施例の半導体レーザの場合、中央部１１の電流増加によ
る温度上昇がエンハンスされているため、さらに大きな
レッドシフトを生じさせることができる。即ち、中央部
１１は両端部１２、１３と比べて電極部４ａ、１４ａと
メサ配線部１７ａ、１８ａの直列抵抗が１５Ω程度高く
なっており、しかもその抵抗部で発生した熱が活性層２
近傍を通ってヒートシンクへ流れるようになっているた
め、中央部１１の電流を増加させた場合の活性層２の温
度上昇が従来例よりも遥かに大きくなる。このため、熱
効果によるレッドシフトを大きくすることができる。

【００４２】勿論、図１０の従来例の場合と同様にホー
ルバーニングの抑制効果もレッドシフトに寄与するか
ら、温度変化のみにより波長を変化させる温度制御型波
長可変レーザと比べて、必要な温度の変化は小さく、信
頼性も高い。ホールバーニング抑制効果を使っているた
め、中央部のキャリア密度増加にも拘らず、トータルと
してのキャリア密度が減少するので、キャリア効果はブ
ルーシフトではなく、むしろレッドシフトとなる。

【００４３】なお、出力パワー一定の条件で波長を変化
させるものとすると、中央部１１の注入電流を増加させ
た分、両端部１２，１３の電流を減らす必要がある。こ
の部分でのキャリア密度減少によるレッドシフトが先に
述べたホールバーニング抑制効果に寄与しているわけで
ある。一方、この部分の熱効果によるブルーシフトが問
題になるが、本発明では以下の理由により、この影響は
抑制される。

【００４４】即ち、もともと出射端に近い端部１２の方
が中央部１１と比べて注入電流の光出力変化に対する影
響が大きいから、一定光出力の条件下では中央部１１の
電流増加に対して両端部１２、１３の電流減少は小さく
てよい。しかも、本実施例では中央部１１から伝わって
くる熱により両端部１２、１３もかなり温度が上がるの
で、温度上昇による光出力低下分を補償するために注入
電流を多めにする必要が生じる。従って、両端部１２、
１３の電流減少はあったとしても小さくて済む上、中央
部１１から伝わる熱の効果も加わり、両端部１２、１３
における温度低下は殆どなく、熱効果によるブルーシフ
トは抑制されるわけである。

【００４５】この結果、光出力一定のＤＦＢ単一モード
発振の条件下で、従来の半導体レーザと比べて大きな波
長可変範囲が実現できる。しかも、微分利得の大きな歪
量子井戸活性層を用いているので、活性層の動作温度が
高くなるにも拘らず、従来の波長可変半導体レーザと比
べて発振しきい値，最高出力，発振スペクトル線幅など
の特性上大きなデメリットは生じない。

【００４６】なお、この実施例の３電極両端面低反射コ
ート位相シフトＤＦＢレーザでは、光電界の大きい中央
部の電極の方が光波長に対して敏感であり、出射端に近
い両端部の電極の方が光出力に対して敏感である。本発
明では波長変化に対する第１の領域の熱効果の寄与が主
として強調されるので、波長変化に敏感な中央部を第１
の領域としている。しかし、この反対の配置において
も、本実施例と同様な趣旨の改善がはかれることは明確
であろう。また、上記の領域以外に位相制御など他の機
能を有する領域を有する構造，非対称構造，領域毎に活
性層や回折格子を変えた構造，位相シフト領域を分散さ
せた構造，端面に活性層のない窓領域を設けた構造，出
射面を活性層ストライプと垂直でなくした傾斜端面構造
など、様々なバリエーションに対しても、本実施例と同
様の効果が得られる。

【００４７】次に、本発明の第２の実施例に係わる半導
体レ―ザについて、図５〜図７を用いて説明する。図５
は、第２の実施例の半導体レ―ザの活性層ストライプに
沿った断面を示す概略図、図６は同レーザの第１の領域
と第２の領域の活性層ストライプに垂直な切断面を示す
概略図、図７は同レーザのキャリア密度と電流密度に対
する微分利得を示す図である。

【００４８】このレ―ザは、ｎ型ＩｎＰ基板１上に形成
された、セルフアラインド・コンストリテッド・メサ
（ＳＡＣＭ）構造２電極ＤＦＢ波長可変レ―ザである。
基板１上には、量子井戸活性（光導波層を含む）２，ｐ
型ＩｎＰクラッド層３，ｐ型ＩｎＧａＡｓＰオ―ミック
・コンタクト層４が有機金属気相成長法により積層され
ている。活性層２の上には回折格子２５が形成されてい
る。第１の領域１１１の活性層２とその近傍には亜鉛拡
散領域１０２が形成されている。第１の領域１１１と第
２の領域１１２のオ―ミック・コンタクト層４は溝１０
により分離されており、それぞれの上にはｐ側のオ―ミ
ック電極１４ａ，１４ｂが形成されている。オ―ミック
電極１４の形成されていないメサ上部表面はＳｉＯ₂膜
１６で覆われている。

【００４９】図６（ａ）に第１の領域、図６（ｂ）に第
２の領域を示すように、どちらの領域とも狭窄メサ状に
加工されている。また、各オ―ミック電極１４ａ、１４
ｂに接続して、隣のメサに形成されたパッドにつながる
エア・ブリッジ配線１８ａ，１８ｂが形成されている。
基板１の裏面には共通ｎ側オ―ミック電極１９が形成さ
れている。第１の領域１１１の長さは約６００μｍ、第
２の領域１１２の長さは約３００μｍであり、第１の領
域の側の端面には高反射率コ―ティング１２０が、第２
の領域の側の端面には低反射率コ―ティング２０が形成
されている。このレ―ザ・チップは、図にはないが、適
切な光学系，給電系，温度制御系と共にモジュ―ルに実
装されている。

【００５０】第１の領域１１１の活性層にはｐ型ド―パ
ントである亜鉛がド―ピングされているため、図７
（ａ）に示すように、注入キャリア密度に対して第１の
領域１１は第２の領域１１２よりも高い微分利得を有す
る。しかし、第２の領域１１２のキャリア寿命τ_nが２
ｎｓなのに対して、第１の領域１１１の領域では亜鉛の
ド―ピングによりτ_nは０．３ｎｓと短くなっている。
前記 (1)式により、第２の領域１１２と同じキャリア密
度変化を得るために、第１の領域１１１では数倍の電流
密度変化が必要なことが分かる。

【００５１】また、活性層２の両脇の埋込みホモ接合部
にも亜鉛がド―ピングされているため、この部分のキャ
リア再結合寿命も短くなっている。この結果、第１の領
域１１１ではリ―ク電流の割合が第２の領域１１２より
も大きくなっている。この結果、電流密度に対する微分
利得は、図７（ｂ）に示すように第２の領域１１２の方
が第１の領域１１１よりも大きくなっている。従って、
第１の領域１１１では第２の領域１１２と比べて無効電
流が大きく、その消費電力は殆ど熱に変換される。

【００５２】次に、第２の実施例の半導体レ―ザの波長
可変動作を図７により説明する。最初、第１の領域１１
１と第２の領域の動作点がそれぞれＡ１点、Ａ２点にあ
り、第１の領域１１１の電流をＢ１点まで増やし、第２
の領域１１２の電流をＢ２点まで減らすことで、第２の
領域側端面からの出力光パワ―を殆ど変えずに波長を変
えるものとする。第１の領域１１１ではキャリア密度の
増加が小さく電流密度の増加が大きいため、熱効果によ
るレッドシフトがキャリア効果によるブル―シフトを大
きく上回る。第２の領域１１２では電流密度の減少は小
さい上、第１の領域から伝わる熱のため、温度低下はあ
ったとしても小さく、熱効果によるブル―シフトは無視
できる。一方、キャリア密度に対する微分利得が小さく
線幅増大係数αも大きくなるので、キャリア効果による
レッドシフトが大きい。

【００５３】この結果、全体として従来の多電極ＤＦＢ
レ―ザと比べて大きなレッドシフトを得ることができ
る。そして、この変化の際にもＤＦＢ単一モ―ド発振状
態を保持しているので、リ―ク電流によるキャリア揺ら
ぎで若干スペクトル線幅が増えるとしても、パッシブな
導波路を有するＤＢＲレ―ザと比べて狭い線幅を維持で
きる。また、熱効果とキャリア効果の両者を有効に利用
しているので、熱効果のみによるチュ―ニングと比べ
て、出力や信頼性に対する悪影響を緩和することができ
る。

【００５４】なお、この実施例では、光電界の大きい高
反射率コ―ティング端面側の電極の方が光波長に対して
敏感であり、出射端に近い低反射率コ―ティング端面側
の電極の方が光出力に対して敏感である。従って、ＡＰ
Ｃの帰還は電極１４ｂに、ＡＦＣの帰還は電極１４ａに
かけている。しかし、第１の実施例同様に、この配置に
拘らず様々なバリエ―ションに対して本発明は有効であ
る。

【００５５】次に、本発明の第３の実施例の半導体レ―
ザについて、図８と図９を用いて説明する。図８は第３
の実施例に係わる半導体レ―ザの共振器方向に沿った断
面を示す概略図、図９はこの半導体レ―ザの第１の領域
と第２の領域の活性層近傍のバンド構造を説明する概念
図である。

【００５６】このレ―ザはｎ型ＩｎＰ基板１上に形成さ
れた、ＳＡＣＭ構造２電極ＤＦＢ波長可変レ―ザであ
る。基板上１には禁制帯幅に相当する波長が１．１μｍ
の組成のアンド―プＩｎＧａＡｓＰ光導波層２００、厚
さ１０ｎｍのアンド―プＩｎＰエッチングストップ層２
０１、量子井戸活性層２，２０２、ｐ型ＩｎＰクラッド
層３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰオ―ミックコンタクト層４が
有機金属気相成長法により積層されている。

【００５７】基板１と光導波層２００との間には、回折
格子２５が形成されている。光導波層２００の厚さは１
００ｎｍあり、その上部はほぼ平坦になっている。図９
に示すように、第１の領域２１１の量子井戸活性層２の
障壁層には禁制帯幅波長１．３μｍ相当のＩｎＧａＡｓ
Ｐ層２２１が用いられ（図９(a))、第２の領域２１２の
量子井戸活性層２０２の障壁層には禁制帯幅波長１．１
μｍ相当のＩｎＧａＡｓＰ層２２２が使われている（図
９(b))。どちらも井戸層２２０は厚さ８ｎｍのＩｎ
_0.53Ｇａ_0.47Ａｓで、井戸数は１０である。また、
エッチングストップ層２０１と一番下の井戸層の間の障
壁層２２１ａ，２２２ａの厚さは３０ｎｍ、一番上の井
戸層とｐ型クラッド層３の間の障壁層２２１ｂ，２２２
ｂの厚さは７０ｎｍ、井戸層に狭まれた障壁層２２１
ｃ，２２２ｃの厚さは１２nmである。

【００５８】この構造は例えば、光導波層２０１から活
性層２（又は２０２）までを基板全面に成長した後、一
方の領域２１２（又は２１１）の活性層２（又は２０
２）をエッチングストップ層２０１まで選択的に除去
し、この部分の活性層２０２（又は２）を選択再成長す
ることで作製することができる。また、第２の実施例の
場合同様、二つの活性層に関してド―ピングや成長条件
などでキャリア寿命に差を与えることも可能である。

【００５９】第１の領域２１１と第２の領域２１２のオ
―ミックコンタクト層４は溝１０により分離されてお
り、それぞれの上にはｐ側オ―ミック電極１４ａ，１４
ｂが形成されている。オ―ミック電極１４の形成されて
いないメサ上部表面はＳｉＯ₂膜１６で覆われている。
また、各オ―ミック電極１４ａ，１４ｂに接続して、ボ
ンディングパッドにつながる配線１８ａ，１８ｂが形成
されている。基板１の裏面には共通ｎ側オ―ミック電極
１９が形成されている。第１の領域２１１の長さは約４
００μｍ、第２の領域２１２の長さは約２００μｍであ
り、第１の領域側の端面には高反射率コ―ティング１２
０が、第２の領域側の端面には低反射率コ―ティング２
０が形成されている。

【００６０】このレ―ザ・チップは、第２の実施例と同
様に、適切な光学系、給電系、温度制御系とともにモジ
ュ―ルに実装されている。ＡＰＣの帰還は電極１４ｂ
に、ＡＦＣの帰還は電極１４ａにかけられている。

【００６１】次に、この半導体レ―ザの波長可変動作に
ついて説明する。第２の実施例同様に、第１の領域２１
１の電流を増やし、第２の領域の電流を減らすことで、
低反射率コ―ティング２０の形成された端面側の出力光
パワ―を略一定に保ち波長をレッドシフトさせる場合を
考える。

【００６２】第１の領域２１１の活性層２の井戸層２２
０と障壁層２２１の間の伝導帯のバンド不連続ΔＥｃは
約６１ｍｅＶであり、この井戸層２２０の中にできる量
子準位はバンド端から３５ｍｅＶ上の位置にできる。即
ち、第１の領域の井戸の量子準位の深さは約０．２６ｍ
ｅＶしかなく、高注入レベルでは電子の半分以上が井戸
の２次元状態密度に入り切らず、オ―バ―フロ―した状
態になっている。

【００６３】一方、第２の領域２１２の活性層２０２の
井戸層２２０と障壁層２２２の間の伝導帯のバンド不連
続ΔＥｃは約１１３ｍｅＶであり、この井戸層２２０の
中にできる量子準位はバンド端から４５ｍｅＶ上の位置
にできる。即ち、第２の領域の井戸では量子準位の深さ
が６８ｍｅＶあり、オ―バ―フロ―する電子の割合は小
さい。

【００６４】なお、量子準位の深さの違いのため、第１
の領域２１１の方が利得ピ―ク波長が長い。従って、第
１の領域２１１では第２の領域２１２と比較して相対的
に利得ピ―ク波長に対して短波長側に波長が設定される
ので、キャリア密度に対する微分利得は第１の領域２１
１の方が高くなるようにすることができる。第１の領域
２１１では無効電流の割合が大きいので、電流密度に対
する微分利得はむしろ第２の領域の方が高くなるように
することもできる。また、第２の実施例のように、活性
層のド―ピングなどで第１の領域のキャリア密度に対す
る微分利得をさらに大きくしたり、電流密度に対する微
分利得をさらに小さくしたりすることもできる。この結
果、図７のような関係が実現される。

【００６５】従って、第１の領域２１１ではオ―バ―フ
ロ―した電子の再結合による無効電流が第２の領域２１
２よりも大きいので、第１の領域は第２の領域と比較し
て電流注入による利得変化が小さく、温度上昇が大きく
なる。従って、第２の実施例と同様に、第１の領域２１
１の熱効果によるレッドシフトが強調される。一方、第
２の領域２１２では温度低下があっても小さいため、キ
ャリア効果によるレッドシフトが支配的になる。従っ
て、全体として大きなレッドシフトが実現できることに
なる。

【００６６】第３の実施例においては、キャリア寿命に
対する微分利得と電流密度に対する微分利得の大小が図
７のように二つの領域で逆転していることは必須要件で
はなく、熱効果とキャリア効果の相対的な寄与を二つの
領域でアンバランスにすることで、上記の効果を得るこ
とができる。図７のような関係が成立している場合に
は、特に効果が大きい。この実施例においても、様々な
バリエ―ションが考えられることは言うまでもない。

【００６７】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではない。実施例では、ＩｎＧａＡｓＰ系の波
長可変レ―ザについて説明したが、ＩｎＧａＡｌＡｓ
系，ＡｌＧａＩｎＡｓ系，ＡｌＧａＩｎＰ系，ＩｎＧａ
ＡｓＳｂ系，ＺｎＣｄＳＳｅ系など、様々な材料系につ
いて本発明を適用することができる。また、基板はｎ型
に限るものではないし、埋め込み構造も上記のＢＨ構造
やＳＡＣＭ構造に限るものではない。また、本発明は、
前に述べた変形例だけでなく、他の素子との集積化やア
レイ化など、種々様々に変形して使用することができ
る。

【００６８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、Ｄ
ＦＢ共振器を分割した第１の領域では注入電流密度変化
による温度変化が大きく、第２の領域では注入電流密度
変化による温度変化が小さくなるようにしているので、
注入電流による波長シフトの方向が逆のキャリア効果と
熱効果の相殺を緩和することができ、従来の多電極ＤＦ
Ｂレ―ザと比べて大きな連続波長可変量を実現すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる３電極ＤＦＢ波長可変レ
―ザの概略構造を示す斜視図、

【図２】第１の実施例レーザの活性層ストライプに沿っ
た断面図、

【図３】第１の実施例レーザの活性層ストライプに垂直
な断面図、

【図４】第１の実施例レ―ザの活性層構造を具体的に示
す断面図、

【図５】第２の実施例に係わる半導体レ―ザの活性層ス
トライプに沿った断面図、

【図６】第２の実施例レ―ザの活性層ストライプに垂直
な断面図、

【図７】第２の実施例レ―ザのキャリア密度と電流密度
に対する微分利得を示す図、

【図８】第３の実施例に係わる半導体レ―ザの共振器方
向に沿った断面図、

【図９】第３の実施例の半導体レ―ザの活性層近傍のバ
ンド構造を示す模式図、

【図１０】従来の３電極位相シフトＤＦＢレ―ザの構造
と動作原理を示す図、

【図１１】従来技術のゲインレバー効果を説明するため
の図。

【符号の説明】

１…半導体基板、２、２０２…活性
層、３…クラッド層、４…コンタク
ト層、１０…分離溝、１１，１１
１，２１１…第１の領域、１２，１３，１１２，２１２
…第２の領域、１４…ｐ側電極、１
５…溝、１７，１８…配線、ボンディング・パッド、１
９…ｎ側電極、２０…低反射率コ―
ティング膜、２５…回折格子、２
１，２２０…井戸層、２２，２２１，２２２…障壁層、
１０２…不純物拡散領域、１２０…高反射率コ―テ
ィング膜、２０１…エッチングストップ層。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−61183（ＪＰ，Ａ) 特開平４−76979（ＪＰ，Ａ) 特開平１−125992（ＪＰ，Ａ) 特開平３−174791（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−281489（ＪＰ，Ａ) 特開平３−295289（ＪＰ，Ａ) 特開平４−147686（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ストライプ状に形成された分布帰還共振器
内に、この共振器の共振器方向に分割して第１の領域と
第２の領域の少なくとも二つの領域を有し、各領域の電
流密度を独立に制御する複数の電極を設けた波長可変半
導体レーザにおいて、前記各領域を、第１及び第２の領域への注入電流密度変
化による温度変化が、第１の領域の方で第２の領域より
も大きくなるように形成してなることを特徴とする波長
可変半導体レーザ。
【請求項２】前記各領域を、第１の領域における放熱量
が第２の領域における放熱量よりも少なくなるように形
成したことを特徴とする請求項１記載の波長可変半導体
レーザ。
【請求項３】前記各領域の活性層への電流供給路の少な
くとも一部を、第１の領域の方が第２の領域よりも高抵
抗になるように形成したことを特徴とする請求項１記載
の波長可変半導体レーザ。
【請求項４】前記各領域を、第１の領域における無効電
流が第２の領域における無効電流よりも大きくなるよう
に形成したことを特徴とする請求項１記載の波長可変半
導体レーザ。