JP3204969B2 - 半導体レーザ及び光通信システム - Google Patents
半導体レーザ及び光通信システムInfo
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- JP3204969B2 JP3204969B2 JP27629090A JP27629090A JP3204969B2 JP 3204969 B2 JP3204969 B2 JP 3204969B2 JP 27629090 A JP27629090 A JP 27629090A JP 27629090 A JP27629090 A JP 27629090A JP 3204969 B2 JP3204969 B2 JP 3204969B2
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- strained quantum
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- layer
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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、光ファイバ通信用の半導体レーザに係り、
特にポスト10Gbit/sの超高速光通信、あるいはコヒーレ
ント多重光通信に用いる半導体レーザに関するものであ
る。
特にポスト10Gbit/sの超高速光通信、あるいはコヒーレ
ント多重光通信に用いる半導体レーザに関するものであ
る。
歪量子井戸半導体レーザは、次次世代光通信応用半導
体レーザの観点で、多重量子井戸（MQW）レーザの後継
型として着目されている。特に波長1.5〜1.6μｍ帯は光
ファイバの損失が最も低く距離化の観点で重要であり、
従来の歪量子井戸レーザの歪量子井戸はInGaAs三元混晶
で形成されていた。例えばエレクトロニクス・レターズ
第26巻465〜467頁（1990年）（Electronics Letters.Vo
l.26.P.465−467（1990））に開示されている。
体レーザの観点で、多重量子井戸（MQW）レーザの後継
型として着目されている。特に波長1.5〜1.6μｍ帯は光
ファイバの損失が最も低く距離化の観点で重要であり、
従来の歪量子井戸レーザの歪量子井戸はInGaAs三元混晶
で形成されていた。例えばエレクトロニクス・レターズ
第26巻465〜467頁（1990年）（Electronics Letters.Vo
l.26.P.465−467（1990））に開示されている。
しかし、上記従来技術では、その歪量子井戸層が、膜
厚2.5nmのInGaAsで形成され、その歪量は＋1.53％であ
り、この構造の最大の問題として歪量子井戸層の膜厚が
薄すぎて量子サイズ効果が小さくなってしまうという問
題点があった。
厚2.5nmのInGaAsで形成され、その歪量は＋1.53％であ
り、この構造の最大の問題として歪量子井戸層の膜厚が
薄すぎて量子サイズ効果が小さくなってしまうという問
題点があった。
第７図を用いて上記問題点をさらに説明する。同図は
量子サイズ効果の指標となる微分利得の平方根の量子井
戸膜厚依存性の計算値である。量子井戸膜厚の低減とと
もに、微分利得は増大するが５〜7nmで最大値をとり、4
nm以下で急激に低下する。これは量子井戸層膜厚が薄す
ぎると電子の波動関数がかなりバリヤ層にもれだすため
に、電子の量子井戸層への閉じ込めが悪くなるためであ
る。従って上記従来技術では約1.55の歪量を反映して歪
効果は第８図のように発揮されるが、2.5nmと量子井戸
層膜厚が薄いために量子サイズ効果を十分引き出すこと
はできない。
量子サイズ効果の指標となる微分利得の平方根の量子井
戸膜厚依存性の計算値である。量子井戸膜厚の低減とと
もに、微分利得は増大するが５〜7nmで最大値をとり、4
nm以下で急激に低下する。これは量子井戸層膜厚が薄す
ぎると電子の波動関数がかなりバリヤ層にもれだすため
に、電子の量子井戸層への閉じ込めが悪くなるためであ
る。従って上記従来技術では約1.55の歪量を反映して歪
効果は第８図のように発揮されるが、2.5nmと量子井戸
層膜厚が薄いために量子サイズ効果を十分引き出すこと
はできない。
以上の問題点は、歪量子井戸をInGaAsで構成している
がゆえに、発光波長を光ファイバ通信に用いる1.5〜1.6
μｍにするために薄い量子井戸層を使わざるを得なかっ
たことに起因している。つまり、歪効果が充分に出る歪
量＋１％以上のInGaAs3元混晶において、量子効果が十
分に出る量子井戸膜厚５〜7nmに設定すると、その発光
波長は1.7〜1.8μｍと長くなってしまう。従って、従来
技術では、量子効果と歪効果の両方を備えた歪量子井戸
レーザの実現は不可能であった。
がゆえに、発光波長を光ファイバ通信に用いる1.5〜1.6
μｍにするために薄い量子井戸層を使わざるを得なかっ
たことに起因している。つまり、歪効果が充分に出る歪
量＋１％以上のInGaAs3元混晶において、量子効果が十
分に出る量子井戸膜厚５〜7nmに設定すると、その発光
波長は1.7〜1.8μｍと長くなってしまう。従って、従来
技術では、量子効果と歪効果の両方を備えた歪量子井戸
レーザの実現は不可能であった。
一方、InP基板上部にInGaAsPの四元混晶で形成した発
光領域を形成した半導体レーザが、例えば特開昭62−29
1191号公報、特開昭63−150982号公報、特開昭63−2297
95号公報、特開平２−44792号公報、及び特開平２−186
689号公報に記載されている。しかしながら、これらの
公報は上記半導体レーザで上記波長範囲の発光波長を実
現することについて言及していない。
光領域を形成した半導体レーザが、例えば特開昭62−29
1191号公報、特開昭63−150982号公報、特開昭63−2297
95号公報、特開平２−44792号公報、及び特開平２−186
689号公報に記載されている。しかしながら、これらの
公報は上記半導体レーザで上記波長範囲の発光波長を実
現することについて言及していない。
本発明の目的は、量子サイズ効果と歪効果を両立して
発揮できる歪量子井戸半導体レーザを提供することにあ
る。
発揮できる歪量子井戸半導体レーザを提供することにあ
る。
上記目的を達成するために、本発明者らは、InGaAsよ
りも禁制帯幅の広い、すなわち、発光波長の短かいInGa
AsPあるいはInGaAlAs4元混晶を歪量子井戸層に導入する
ことが極めて有効であることを見出した。この時、歪効
果を十分に得るためにInGaAaPあるいはInGaAlAs4元混晶
歪量子井戸層の歪量は少なくとも＋0.8％に設定する必
要がある。これは第８図の微分利得の平方根の歪量依存
性に見られるように、＋0.8％以上において歪効果によ
る微分利得の増大が顕著に現われることに起因してい
る。さらに量子サイズ効果を十分に引き出すために歪量
子井戸層の膜厚は少なくとも4nm以上、望ましくは５〜7
nmに設定する。
りも禁制帯幅の広い、すなわち、発光波長の短かいInGa
AsPあるいはInGaAlAs4元混晶を歪量子井戸層に導入する
ことが極めて有効であることを見出した。この時、歪効
果を十分に得るためにInGaAaPあるいはInGaAlAs4元混晶
歪量子井戸層の歪量は少なくとも＋0.8％に設定する必
要がある。これは第８図の微分利得の平方根の歪量依存
性に見られるように、＋0.8％以上において歪効果によ
る微分利得の増大が顕著に現われることに起因してい
る。さらに量子サイズ効果を十分に引き出すために歪量
子井戸層の膜厚は少なくとも4nm以上、望ましくは５〜7
nmに設定する。
以上の構成により、波長1.5〜1.6μｍで発光し、かつ
歪量を＋0.8％以上有し、さらには歪量子井戸層の膜厚
として4nm以上、あるいは５〜7nmからなる歪量子井戸層
を有する歪量子井戸半導体レーザを製作できた。これ
は、禁制帯幅がInGaAsよりも大きい４元混晶（InGaAsP,
InGaAlAs）を採用したために、その材料自体の発光波長
がInGaAsよりも短いために、ある程度厚い（５〜7nm）
歪量子井戸層において発光波長1.5〜1.6μｍを実現する
ことが可能となった。
歪量を＋0.8％以上有し、さらには歪量子井戸層の膜厚
として4nm以上、あるいは５〜7nmからなる歪量子井戸層
を有する歪量子井戸半導体レーザを製作できた。これ
は、禁制帯幅がInGaAsよりも大きい４元混晶（InGaAsP,
InGaAlAs）を採用したために、その材料自体の発光波長
がInGaAsよりも短いために、ある程度厚い（５〜7nm）
歪量子井戸層において発光波長1.5〜1.6μｍを実現する
ことが可能となった。
本発明における歪量子井戸層へのInGaAsP、およびInG
aAlAs4元混晶の適用範囲を第４図，第５図の４元混晶相
図に示した。まずIn1-xGaxAs1-yPyでは０＜ｘ＜0.25,0.
15,y＜0.55の範囲、また（AlVGa1-V）WIn1-WAsではＶ＞
0.2,0.2＜Ｗ＜0.4の範囲が本発明の４元組成である。
aAlAs4元混晶の適用範囲を第４図，第５図の４元混晶相
図に示した。まずIn1-xGaxAs1-yPyでは０＜ｘ＜0.25,0.
15,y＜0.55の範囲、また（AlVGa1-V）WIn1-WAsではＶ＞
0.2,0.2＜Ｗ＜0.4の範囲が本発明の４元組成である。
以上の如く量子サイズ効果と歪効果を両立した歪量子
井戸半導体レーザを実現できたあ。
井戸半導体レーザを実現できたあ。
さらに、この歪量子井戸への変調ドーピング（ｐ、あ
るいはｎ型）も極めて有効であり、歪効果、量子サイズ
効果、変調ドープ効果の３効果を同時に引き出すことに
成功した。
るいはｎ型）も極めて有効であり、歪効果、量子サイズ
効果、変調ドープ効果の３効果を同時に引き出すことに
成功した。
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
実施例１ 第１図は本発明による歪量子井戸半導体レーザの断面
図である。ｎ−InP基板１上にMOCVD法により、歪量子井
戸活性層２、ｐ−InP層３を順次成長した。ここで歪量
子井戸活性層２は円内に拡大図示したように膜厚6nmのI
n0.9Ga0.1As0.7Ｐ0.3歪量子井戸層2a（歪量＋1.8％）と
膜厚15nmの無歪のInGaAsPバリヤ層2b（λｇ〜1.3μｍ）
の４周期構造である。
図である。ｎ−InP基板１上にMOCVD法により、歪量子井
戸活性層２、ｐ−InP層３を順次成長した。ここで歪量
子井戸活性層２は円内に拡大図示したように膜厚6nmのI
n0.9Ga0.1As0.7Ｐ0.3歪量子井戸層2a（歪量＋1.8％）と
膜厚15nmの無歪のInGaAsPバリヤ層2b（λｇ〜1.3μｍ）
の４周期構造である。
その後、活性層幅が１μｍ程度になるように、逆メサ
状のメサストライプを形成し、ｐ−InP層４、ｎ−InP層
５で埋めこみ、BH構造とした。さらにｐ電極6,n電極７
を形成し、共振器長約300μｍにへき開した。
状のメサストライプを形成し、ｐ−InP層４、ｎ−InP層
５で埋めこみ、BH構造とした。さらにｐ電極6,n電極７
を形成し、共振器長約300μｍにへき開した。
試作した素子は十分な歪効果と量子サイズ効果を反映
して約2mAと極めて小さいしきい電流で発振し、また光
出力10mW時の緩和振動周波数は30GHzと極めて高い値を
示した。
して約2mAと極めて小さいしきい電流で発振し、また光
出力10mW時の緩和振動周波数は30GHzと極めて高い値を
示した。
実施例２ 本発明による別の実施例を第２図（ａ）の断面図、第
２図（ｂ）の断面図（（ａ）のＡ−Ａ′線）を用いて説
明する。周期約240nmの回折格子８を有したｎ−InP基板
１上に、ｎ−InGsAsP（無歪、λｇ〜1.2μｍ）光ガイド
層、膜厚5.5nmのIn0.92Ga0.08As0.65Ｐ0.35歪量子井戸
層（歪量：＋1.5％）と膜厚10nmのInGaAsPバリヤ層（無
歪、λｇ〜1.25μｍ）の２〜10周期構造からなる歪量子
井戸活性層２、ｐ−InP層３を順次、ガスソースMBE法に
より成長した。次に活性層幅約１μｍの逆メサストライ
プを形成後、FeドープInP層（膜厚〜４μｍ）10をMOCVD
法により埋め込み成長した。最後にｐ電極6,n電極７を
形成後、共振器長約200μｍにへき開した。
２図（ｂ）の断面図（（ａ）のＡ−Ａ′線）を用いて説
明する。周期約240nmの回折格子８を有したｎ−InP基板
１上に、ｎ−InGsAsP（無歪、λｇ〜1.2μｍ）光ガイド
層、膜厚5.5nmのIn0.92Ga0.08As0.65Ｐ0.35歪量子井戸
層（歪量：＋1.5％）と膜厚10nmのInGaAsPバリヤ層（無
歪、λｇ〜1.25μｍ）の２〜10周期構造からなる歪量子
井戸活性層２、ｐ−InP層３を順次、ガスソースMBE法に
より成長した。次に活性層幅約１μｍの逆メサストライ
プを形成後、FeドープInP層（膜厚〜４μｍ）10をMOCVD
法により埋め込み成長した。最後にｐ電極6,n電極７を
形成後、共振器長約200μｍにへき開した。
試作した素子は約1.5mAで発振し、回折格子によるDFB
構造を反映して波長1.55μｍで幅モード抑圧比40dB以上
の単一スペクトルを得た。また、十分な量子効果と歪効
果を反映して、光出力10mW時の緩和振動周波数は約30GH
zであり、FeドープInP埋め込みによる低容量化構造をも
反映して、30Gbit/sの超高速動作が可能となった。ま
た、その時の20dBダウンのチャーピング量は約２Åと従
来を１桁下まわる値であった。さらに光出力20mW時のス
ペクトル線幅は50kHzと極めて小さい値を示した。
構造を反映して波長1.55μｍで幅モード抑圧比40dB以上
の単一スペクトルを得た。また、十分な量子効果と歪効
果を反映して、光出力10mW時の緩和振動周波数は約30GH
zであり、FeドープInP埋め込みによる低容量化構造をも
反映して、30Gbit/sの超高速動作が可能となった。ま
た、その時の20dBダウンのチャーピング量は約２Åと従
来を１桁下まわる値であった。さらに光出力20mW時のス
ペクトル線幅は50kHzと極めて小さい値を示した。
実施例３ 第３図は本発明による別の実施例であり、InGaAlAsを
用い、さらに変調ドープを行ったものである。ｎ−InP
基板１上に膜厚４〜7nmの（Al0.5Ga0.5）0.3In0.7As歪
量子井戸層11a（歪量：＋1.2％）と膜厚20nmのInGaAlAs
バリヤ層11b（無歪、λｇ＝1.2μｍ）の２〜８周期構造
からなる変調ドープ歪量子井戸活性層11、ｐ−InPクラ
ッド層３、ｎ−InP層12を順次MOCVD法により成長した。
この時、バリヤ層には、MgあるいはBeいずれかを２×10
18cm-3ドーピングした。この後SiO2膜13を形成し、選択
的にSiO2を除去し、Zn拡散領域14を設け、ｐ電極6,n電
極７を形成した利得導波ストライプ型とした。
用い、さらに変調ドープを行ったものである。ｎ−InP
基板１上に膜厚４〜7nmの（Al0.5Ga0.5）0.3In0.7As歪
量子井戸層11a（歪量：＋1.2％）と膜厚20nmのInGaAlAs
バリヤ層11b（無歪、λｇ＝1.2μｍ）の２〜８周期構造
からなる変調ドープ歪量子井戸活性層11、ｐ−InPクラ
ッド層３、ｎ−InP層12を順次MOCVD法により成長した。
この時、バリヤ層には、MgあるいはBeいずれかを２×10
18cm-3ドーピングした。この後SiO2膜13を形成し、選択
的にSiO2を除去し、Zn拡散領域14を設け、ｐ電極6,n電
極７を形成した利得導波ストライプ型とした。
試作した素子では、歪素子、量子サイズ効果、変調ド
ープ効果の３者を同時に反映した効果が顕著であり、光
出力10mWで、緩和振動周波数は50GHzと大きな値を示し
た。
ープ効果の３者を同時に反映した効果が顕著であり、光
出力10mWで、緩和振動周波数は50GHzと大きな値を示し
た。
実施例４ 第６図は本発明の歪量子井戸半導体レーザを光通信に
応用した実施例の模式図である。歪量子井戸半導体レー
ザ15にはバイアイ電源15と信号源17がつながっており、
これによりレーザ光が変調される。レーザ光22は光ファ
イバ18を通り、その出射光19は光検出器20により電気信
号に変換され、復号器21で処理される。本実施例では40
Gbit/s、ファイバ長40kmとした。
応用した実施例の模式図である。歪量子井戸半導体レー
ザ15にはバイアイ電源15と信号源17がつながっており、
これによりレーザ光が変調される。レーザ光22は光ファ
イバ18を通り、その出射光19は光検出器20により電気信
号に変換され、復号器21で処理される。本実施例では40
Gbit/s、ファイバ長40kmとした。
本発明によれば、歪量子井戸半導体レーザの歪効果と
量子サイズ効果を同時に引き出すことができ、半導体レ
ーザの超高速化ができるので、超高速（大容量）光通信
の光源として、大いなる効果があった。
量子サイズ効果を同時に引き出すことができ、半導体レ
ーザの超高速化ができるので、超高速（大容量）光通信
の光源として、大いなる効果があった。
第１図ないし第３図は本発明の実施例のレーザ素子の断
面図、第４図，第５図は本発明による４元混晶歪量子井
戸層の組成領域を示す図、第６図は本発明の光通信シス
テムの一実施例の模式図、第７図，第８図は本発明の効
果を説明する特性図である。 ２……歪量子井戸活性層、８……回折格子、11……変調
ドープ歪量子井戸活性層、18……光ファイバ。
面図、第４図，第５図は本発明による４元混晶歪量子井
戸層の組成領域を示す図、第６図は本発明の光通信シス
テムの一実施例の模式図、第７図，第８図は本発明の効
果を説明する特性図である。 ２……歪量子井戸活性層、８……回折格子、11……変調
ドープ歪量子井戸活性層、18……光ファイバ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 雅博 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 大歳 創 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 茅根 直樹 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平２−130988（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−154472（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−186693（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．53 〔15〕（1988）Ｐ．1378−1380 Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．22 〔５〕（1986）Ｐ．249−250
Claims (4)
- 【請求項１】InP基板と、 上記InP基板上部に形成され、且つIn1-xGaxAs1-yPyの四
元混晶からなる歪量子井戸層を有する活性層とを含めて
構成され、 上記歪量子井戸層は、上記ｘ及びｙが０＜ｘ＜0.25且つ
0.15＜ｙ＜0.55の関係を満たす組成であり、 上記歪量子井戸層の格子定数aWと上記InP基板の格子定
数aSとは0.008≦（aW−aS）/aS≦0.015の関係にあり、 上記歪量子井戸層の厚みは４〜7nmの範囲にあり、 出射されるレーザ光の波長は1.5〜1.6μｍの範囲にある
ことを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項２】InP基板と、 上記InP基板上部に形成され、且つ（AlvGa1-v）wIn1-wA
sの四元混晶からなる歪量子井戸層を有する活性層とを
含めて構成され、 上記歪量子井戸層は、上記ｖ及びｗがｖ＞0.2且つ0.2＜
ｗ＜0.4の関係を満たす組成であり、 上記歪量子井戸層の格子定数aWと上記InP基板の格子定
数aSとは0.008≦（aW−aS）/aS≦0.015の関係にあり、 上記歪量子井戸層の厚みは４〜7nmの範囲にあり、 出射されるレーザ光の波長は1.5〜1.6μｍの範囲にある
ことを特徴とする半導体レーザ。 - 【請求項３】請求項１または２記載の半導体レーザにお
いて、 上記活性層は、上記歪量子井戸層に隣接して設けられる
バリヤ層を有し、 上記バリヤ層は、１×1018cm-3以上の密度で導電型不純
物がドーピングされた領域を有することを特徴とする半
導体レーザ。 - 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体
レーザと、 上記半導体レーザに電気信号を入力する手段と、 上記半導体レーザからのレーザ光を伝送する手段と、 上記レーザ光を受信する受信部とを有することを特徴と
する光通信システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27629090A JP3204969B2 (ja) | 1990-10-17 | 1990-10-17 | 半導体レーザ及び光通信システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27629090A JP3204969B2 (ja) | 1990-10-17 | 1990-10-17 | 半導体レーザ及び光通信システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04152583A JPH04152583A (ja) | 1992-05-26 |
| JP3204969B2 true JP3204969B2 (ja) | 2001-09-04 |
Family
ID=17567392
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27629090A Expired - Lifetime JP3204969B2 (ja) | 1990-10-17 | 1990-10-17 | 半導体レーザ及び光通信システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3204969B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6396861B1 (en) | 1999-01-11 | 2002-05-28 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | N-type modulation-doped multi quantum well semiconductor laser device |
| WO2000042685A1 (fr) * | 1999-01-11 | 2000-07-20 | The Furukawa Electric Co., Ltd. | Laser a semi-conducteur, a puits quantiques multiples, a dopage module de type n |
-
1990
- 1990-10-17 JP JP27629090A patent/JP3204969B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５３〔１５〕（１９８８）Ｐ．１３７８−１３８０ |
| Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．２２〔５〕（１９８６）Ｐ．２４９−２５０ |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH04152583A (ja) | 1992-05-26 |
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