JP3215477B2 - Semiconductor distributed feedback laser device - Google Patents

Semiconductor distributed feedback laser device

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JP3215477B2
JP3215477B2 JP03220792A JP3220792A JP3215477B2 JP 3215477 B2 JP3215477 B2 JP 3215477B2 JP 03220792 A JP03220792 A JP 03220792A JP 3220792 A JP3220792 A JP 3220792A JP 3215477 B2 JP3215477 B2 JP 3215477B2
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layer
active layer
diffraction grating
laser device
distributed feedback
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邦雄 多田
義昭 中野
毅 羅
春夫 細松
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光計測技術開発株式会社
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/1228DFB lasers with a complex coupled grating, e.g. gain or loss coupling

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は電気光変換素子として利
用する半導体分布帰還型レーザ装置に関する。本発明
は、長距離大容量光通信装置、光情報処理装置、光記録
装置、光応用計測装置、その他光電子装置の光源として
利用するに適する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor distributed feedback laser device used as an electro-optical converter. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is suitable for use as a light source for long-distance large-capacity optical communication devices, optical information processing devices, optical recording devices, optical applied measurement devices, and other optoelectronic devices.

【0002】[0002]

【従来の技術】活性層の近傍に設けた回折格子により活
性層に光の分布帰還を施して誘導放出光を発生させる半
導体分布帰還型レーザ装置は、一般に、比較的簡単な構
成により優れた発振スペクトル特性の誘導放出光が得ら
れるので、従来から幾多の研究開発が進められており、
長距離大容量光通信、光情報処理および記録、光応用計
測などに用いる好適な光源装置としてその有用性が期待
されている。
2. Description of the Related Art In general, a semiconductor distributed feedback laser device in which stimulated emission light is generated by applying distributed feedback of light to an active layer by a diffraction grating provided in the vicinity of the active layer has a relatively simple structure and excellent oscillation. Since stimulated emission light with spectral characteristics can be obtained, many research and development have been promoted,
Its usefulness is expected as a suitable light source device used for long-distance large-capacity optical communication, optical information processing and recording, optical applied measurement, and the like.

【0003】このような半導体分布帰還型レーザ装置で
は、活性層を透明なヘテロ接合半導体層などにより囲
み、効率よく誘導放出光を発生させる光導波路構造が採
られている。特に、活性層にごく近接した透明な導波路
層の活性層から遠い側の界面に例えば三角波状の断面形
状をもつ回折格子を形成し、導波路屈折率を周期的に変
化させることにより光分布帰還を施す方向の研究開発が
専ら進められている。
[0003] Such a semiconductor distributed feedback laser device employs an optical waveguide structure in which an active layer is surrounded by a transparent heterojunction semiconductor layer or the like to efficiently generate stimulated emission light. In particular, by forming a diffraction grating having a triangular cross section, for example, at the interface of the transparent waveguide layer, which is very close to the active layer and far from the active layer, and periodically changing the refractive index of the waveguide, the light distribution is improved. R & D to return home is being conducted exclusively.

【0004】しかし、このような屈折率結合による光分
布帰還においては、光導波路層の層厚変化の周期に対応
して反射するブラッグ波長の光に対して、光位相につい
ての適正な帰還が行われない。このため、安定なレーザ
発振が得られず、ブラッグ波長から上下に対称に離隔し
た二つの波長の縦モード発振が同時に生じる可能性が高
い。また、このような二つの波長の縦モード発振のうち
の一方のみが生じる場合にも、二つの波長のうちのいず
れの波長の縦モード発振を行わせるかをあらかじめ選定
することが困難であるため、発振波長設定の精度が著し
く損なわれることになる。
However, in such light distribution feedback by refractive index coupling, an appropriate feedback of the optical phase is performed with respect to the Bragg wavelength light reflected in accordance with the period of the thickness change of the optical waveguide layer. I can't. Therefore, stable laser oscillation cannot be obtained, and there is a high possibility that longitudinal mode oscillations of two wavelengths vertically and symmetrically separated from the Bragg wavelength are simultaneously generated. In addition, even when only one of the two longitudinal modes of the longitudinal mode oscillation occurs, it is difficult to select in advance which of the two wavelengths the longitudinal mode oscillation should be performed. In addition, the accuracy of setting the oscillation wavelength is significantly impaired.

【0005】すなわち、光導波路層における屈折率の周
期的摂動に基づく屈折率結合を利用した光分布帰還で
は、原理的に、二波長縦モード発振縮重の問題が生じて
しまい、これを避けることは困難である。
That is, in the light distribution feedback utilizing the refractive index coupling based on the periodic perturbation of the refractive index in the optical waveguide layer, a problem of the degeneration of the two-wavelength longitudinal mode occurs in principle. It is difficult.

【0006】もちろん、このような困難を解決する手段
も従来から種々検討されている。しかし、例えば回折格
子のほぼ中央で4分の1波長分だけ位相シフトさせる構
造など、いずれも、レーザ装置の構造を複雑化し、縮重
解消のためのみの製造工程を付加する必要があり、その
上、レーザ素子端面に反射防止膜を形成する必要があっ
た。
Of course, various means for solving such difficulties have been conventionally studied. However, in any case, for example, a structure in which the phase is shifted by a quarter wavelength at substantially the center of the diffraction grating, the structure of the laser device is complicated, and it is necessary to add a manufacturing process only for eliminating degeneracy. Above, it was necessary to form an antireflection film on the end face of the laser element.

【0007】一方、上述のように屈折率結合により光分
布帰還を行うとブラッグ波長領域に発振阻止帯域が生じ
るが、利得係数の周期的摂動に基づく利得結合により光
分布帰還を行えば、発振阻止帯域の出現を抑えて完全に
単一波長の縦モード発振が得られるはずであるとの原理
的な理論が、コゲルニック他、「分布帰還レーザの結合
波理論」、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジク
ス、1972年、第43巻、第2327頁から第233
5頁("Coupled-Wave Theory of Distributed Feedback
Lasers", Journal of AppliedPhysics, 1972 Vol.43, p
p.2327-2335)に示されている。この論文はあくまでも原
理的な検討結果であって、具体的な構造については示さ
れていない。
On the other hand, when the light distribution feedback is performed by the refractive index coupling as described above, an oscillation stop band is generated in the Bragg wavelength region. However, when the light distribution feedback is performed by the gain coupling based on the periodic perturbation of the gain coefficient, the oscillation is stopped. Kogelnick et al., "Coupled Wave Theory of Distributed Feedback Lasers", Journal of Applied Physics, 1972, Vol. 43, pp. 2327-233
Page 5 ("Coupled-Wave Theory of Distributed Feedback
Lasers ", Journal of AppliedPhysics, 1972 Vol.43, p
p.2327-2335). This paper is only a result of a fundamental study, and no specific structure is shown.

【0008】本願発明者らは、上記コゲルニック他の基
礎理論を適用した新しい半導体レーザ装置を発明し、い
くつかの特許を出願した。これらの発明は、大きく分類
すると、活性層の利得を周期的に変化させるものと、吸
収性回折格子を利用するものとがある。後者の例として
は、 (1)特願昭63−189593、昭和63年7月30
日出願 活性層の近傍に半導体の不透明層を設け、その不透明層
に回折格子を形成することにより、その不透明層の利得
係数または損失係数に周期的摂動に基づく分布帰還を施
す構造およびその製造方法。 (2)特願平2−282698、平成2年10月19日
出願 回折格子の周期に相応する凹凸形状の各頂部に光吸収層
を設け、その上に緩衝層を介して活性層を成長させるこ
とにより、利得の周期分布と光吸収の周期的分布とを組
み合わせた構造。 などがある。
The present inventors have invented a new semiconductor laser device to which the above basic theory of Kogelnik et al. Is applied, and applied for several patents. These inventions are roughly classified into those that periodically change the gain of the active layer and those that use an absorptive diffraction grating. Examples of the latter are: (1) Japanese Patent Application No. 63-189593, July 30, 1988
Patent application title: Structure of providing a semiconductor opaque layer near an active layer and forming a diffraction grating on the opaque layer to provide distributed feedback based on periodic perturbation to a gain coefficient or a loss coefficient of the opaque layer and a method of manufacturing the same . (2) Japanese Patent Application No. 2-282698, filed on Oct. 19, 1990 A light absorbing layer is provided on each top of a concave and convex shape corresponding to the period of a diffraction grating, and an active layer is grown thereon via a buffer layer. This structure combines the periodic distribution of gain and the periodic distribution of light absorption. and so on.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】しかし、これらの出願
に示した構造では、吸収層に飽和状態が生じ、レーザの
非線型動作を引き起こしてしまう可能性がある。
However, in the structures shown in these applications, there is a possibility that a saturated state occurs in the absorption layer, causing a non-linear operation of the laser.

【0010】本発明は、この課題を解決し、注入電流に
対して実質的に線型に動作する新しい構造の半導体分布
帰還型レーザ装置を提供することを目的とする。
An object of the present invention is to solve this problem and to provide a semiconductor distributed feedback laser device having a new structure that operates substantially linearly with respect to an injection current.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明の半導体分布帰還
型レーザ装置は、活性層に平行なレーザ光軸に沿って周
期的に、活性層が発生した誘導放出光に対し吸収性の組
成で形成された吸収層を備え、この吸収層が、キャリア
のライフタイムを短縮する不純物元素(以下「キャリア
キラー」という)が添加された層であることを特徴とす
る。
According to the present invention, there is provided a semiconductor distributed feedback laser device having a composition which absorbs stimulated emission light generated by an active layer periodically along a laser optical axis parallel to the active layer. The semiconductor device includes a formed absorption layer, and the absorption layer is a layer to which an impurity element (hereinafter, referred to as “carrier killer”) for shortening a carrier lifetime is added.

【0012】具体的には、活性層を挟んで互いに導電性
の異なる二つの半導体層を設け、この二つの半導体層の
少なくとも一方に、キャリアキラーがドープされた回折
格子を埋め込む。キャリアキラーとしては、例えば、S
i、Cd、Znなどを用いる。添加量としては、1018
〜1019cm-3程度がよい。
Specifically, two semiconductor layers having mutually different conductivity are provided with an active layer interposed therebetween, and at least one of the two semiconductor layers is embedded with a carrier killer-doped diffraction grating. As a carrier killer, for example, S
i, Cd, Zn, or the like is used. The addition amount is 10 18
It is preferably about 10 to 10 19 cm -3 .

【0013】このような構造を得る一つの方法として
は、活性層の上に、障壁層を挟んで、その活性層と実質
的に同一の組成でキャリアキラーがドープされた半導体
層を設け、その半導体層をエッチングして回折格子を形
成する。
As one method for obtaining such a structure, a semiconductor layer doped with a carrier killer having substantially the same composition as the active layer is provided on the active layer with a barrier layer interposed therebetween. The diffraction grating is formed by etching the semiconductor layer.

【0014】また、もう一つの方法として、回折格子の
周期に相応する凹凸形状が印刻された半導体層にその凹
凸形状に相応する周期的な形状が上面に残るように緩衝
層を成長させ、その上にその上面の周期的な形状に相応
する厚みの変化が生じるように活性層を成長させるとき
に、前記半導体層の凹凸形状の各頂部に、キャリアキラ
ーがドープされた吸収性を有する半導体層を設けておい
てもよい。すなわち、回折格子がレーザ光軸方向に沿っ
て周期的な凹凸形状に形成され、この凹凸形状の頂部に
吸収性の組成を有する半導体層が配置され、この凹凸形
状に対応して活性層の厚みに周期的変化が設けられる。
この場合の緩衝層は、回折格子印刻時に基板やエピタキ
シャル成長層に導入された各種の結晶欠陥が活性層に伝
搬することを防止するためのものである。
As another method, a buffer layer is grown on a semiconductor layer on which an irregular shape corresponding to the period of the diffraction grating is imprinted so that a periodic shape corresponding to the irregular shape remains on the upper surface. When the active layer is grown so that a change in thickness corresponding to the periodic shape of the upper surface thereof occurs, a semiconductor layer having an absorption property doped with a carrier killer is provided on each top of the uneven shape of the semiconductor layer. May be provided. That is, the diffraction grating is formed in a periodic uneven shape along the laser optical axis direction, a semiconductor layer having an absorbing composition is arranged on the top of the uneven shape, and the thickness of the active layer corresponds to the uneven shape. Is provided with a periodic change.
The buffer layer in this case is for preventing various types of crystal defects introduced into the substrate and the epitaxial growth layer during the engraving of the diffraction grating from propagating to the active layer.

【0015】回折格子の近傍には、その回折格子による
屈折率の周期分布を相殺する屈折率分布相殺構造を備え
ることが望ましい。また、これとは別に、回折格子の凹
凸に対応して活性層の厚みに周期的変化が設けられてい
る場合には、回折格子による屈折率の周期分布が活性層
の厚み分布による屈折率の周期分布と相殺されるよう
に、回折格子および活性層の材料および形状を選択する
ことが望ましい。
It is desirable to provide a refractive index distribution canceling structure in the vicinity of the diffraction grating for canceling the periodic distribution of the refractive index by the diffraction grating. Separately from this, when a periodic change is provided in the thickness of the active layer corresponding to the unevenness of the diffraction grating, the periodic distribution of the refractive index due to the diffraction grating is different from the refractive index due to the thickness distribution of the active layer. It is desirable to select the materials and shapes of the diffraction grating and the active layer so as to offset the periodic distribution.

【0016】本明細書において「上」とは、製造時の結
晶成長の方向、すなわち基板から離れる方向をいう。
In this specification, "up" means the direction of crystal growth during manufacturing, that is, the direction away from the substrate.

【0017】[0017]

【作用】誘導放出光を発生させる活性層の上または下
に、キャリアキラーがドープされた吸収層を周期的に設
ける。これにより、(1)共振器軸方向に伝搬する光波
に対する利得係数が回折格子の周期に一致した周期で変
化し、利得結合による分布帰還が実現され、(2)吸収
によって生じるキャリアのライフタイムを短縮したた
め、レーザの非線型動作を抑えることができ、高出力時
にも利得結合の利点を発揮できる。
An absorption layer doped with a carrier killer is provided periodically above or below an active layer for generating stimulated emission light. As a result, (1) the gain coefficient with respect to the light wave propagating in the resonator axis direction changes at a period coinciding with the period of the diffraction grating, distributed feedback by gain coupling is realized, and (2) the lifetime of carriers generated by absorption is reduced. Due to the shortening, the nonlinear operation of the laser can be suppressed, and the advantage of gain coupling can be exhibited even at high output.

【0018】また、GaAs/AlGaAs系のレーザ
装置、すなわちGaAsに格子整合させた構造の装置の
場合には、回折格子をAl組成の少ない材料で形成で
き、その上に再成長する結晶の品質が高められる。
Further, in the case of a GaAs / AlGaAs laser device, that is, a device having a structure lattice-matched to GaAs, the diffraction grating can be formed of a material having a small Al composition, and the quality of the crystal regrown thereon can be reduced. Enhanced.

【0019】[0019]

【実施例】図1は本発明第一実施例の半導体分布帰還型
レーザ装置の構造を示す斜視図である。
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a semiconductor distributed feedback laser device according to a first embodiment of the present invention.

【0020】この実施例は活性層の上に周期的な吸収構
造を設けたものであり、基板1上にはバッファ層2、ク
ラッド層3、活性層4および障壁層5がエピタキシャル
に形成され、障壁層5の上には回折格子7が設けられ
る。回折格子7の上にはさらに、クラッド層8およびコ
ンタクト層9がエピタキシャルに形成される。コンタク
ト層9は絶縁層10に開けられた窓を通して電極層11
に接続される。基板1の裏面には電極層12が設けられ
る。
In this embodiment, a periodic absorption structure is provided on an active layer, and a buffer layer 2, a cladding layer 3, an active layer 4 and a barrier layer 5 are formed epitaxially on a substrate 1. A diffraction grating 7 is provided on the barrier layer 5. On the diffraction grating 7, a cladding layer 8 and a contact layer 9 are further formed epitaxially. The contact layer 9 is connected to the electrode layer 11 through a window opened in the insulating layer 10.
Connected to. An electrode layer 12 is provided on the back surface of the substrate 1.

【0021】回折格子7は、活性層4が発生した誘導放
出光に対し吸収性の組成の吸収層6を活性層4に平行な
レーザ光軸に沿って周期的に配置して形成される。すな
わち、レーザ光軸方向に沿って、吸収係数が回折格子7
の周期で変化するようになっている。
The diffraction grating 7 is formed by periodically arranging an absorbing layer 6 having a composition absorbing the stimulated emission light generated by the active layer 4 along a laser optical axis parallel to the active layer 4. That is, along the laser optical axis direction, the absorption coefficient is
It changes in the cycle of.

【0022】ここで本実施例の特徴とするところは、回
折格子7を構成する吸収層6が、キャリアのライフタイ
ムを短縮する不純物元素(キャリアキラー)が添加され
た層であることにある。
The feature of this embodiment is that the absorption layer 6 constituting the diffraction grating 7 is a layer to which an impurity element (carrier killer) for shortening the carrier lifetime is added.

【0023】このレーザ装置を製造するには、基板1上
にダブルヘテロ接合構造の半導体レーザ素子の各層を二
段階に分けて連続的にエピタキシャル成長させる。すな
わち、基板1上にバッファ層2、クラッド層3、活性層
4、障壁層5およびキャリアキラーをドープした吸収層
6をこの順にエピタキシャル成長させる。キャリアキラ
ーとしては、例えばSi、Cd、Znなどを用いる。添
加量としては、1018〜1019cm-3程度がよい。続い
て、干渉露光法と選択エッチング可能なドライエッチン
グとを適用し、成長層の最上層である吸収層6に回折格
子7を印刻する。このとき、エッチング部分では吸収層
6が完全に除去されることが望ましい。続いて、回折格
子7を印刻した吸収層6上に上部クラッド層8およびコ
ンタクト層9をこの順にエピタキシャル成長させ、ダブ
ルヘテロ接合構造を完成させる。この後、コンタクト層
9の上面に絶縁層10を堆積させ、ストライプ状の窓を
形成し、次いで負側の電極層11を全面に蒸着する。ま
た、基板1の裏面には正側の電極層12を蒸着する。最
後に、このようにして製造された半導体ブロックを劈開
して、個々の半導体レーザ素子を完成する。
In order to manufacture this laser device, each layer of a semiconductor laser element having a double hetero junction structure is successively epitaxially grown on the substrate 1 in two stages. That is, a buffer layer 2, a cladding layer 3, an active layer 4, a barrier layer 5, and an absorption layer 6 doped with a carrier killer are epitaxially grown on the substrate 1 in this order. As the carrier killer, for example, Si, Cd, Zn, or the like is used. The addition amount is preferably about 10 18 to 10 19 cm −3 . Subsequently, the diffraction grating 7 is imprinted on the absorption layer 6 which is the uppermost layer of the growth layer by applying the interference exposure method and the dry etching capable of selective etching. At this time, it is desirable that the absorption layer 6 be completely removed in the etched portion. Subsequently, the upper cladding layer 8 and the contact layer 9 are epitaxially grown in this order on the absorption layer 6 on which the diffraction grating 7 is imprinted, thereby completing the double hetero junction structure. Thereafter, the insulating layer 10 is deposited on the upper surface of the contact layer 9 to form a stripe-shaped window, and then the negative electrode layer 11 is deposited on the entire surface. On the back surface of the substrate 1, a positive electrode layer 12 is deposited. Finally, the semiconductor block manufactured in this way is cleaved to complete individual semiconductor laser devices.

【0024】各層の導電型、組成、厚さの例を以下に示
す。 基板1 p+ −GaAs バッファ層2 p+ −GaAs、厚さ0.5μm クラッド層3 p−AlGaAs、厚さ1μm 活性層4 GRIN−SCH−SQW 障壁層5 n−Al0.45Ga0.55As、厚さ0.1μm キャリアキラーをドープした吸収層6 Al0.03Ga0.97As、厚さ0.1μm 回折格子7 周期260nm クラッド層8 n−Al0.45Ga0.55As、厚さ1μm コンタクト層9 n+ −GaAs、厚さ0.5μm 絶縁層10 SiO2 (ストライプ状の窓の幅約10μm) 電極層11 Au/Au−Ge 電極層12 Au/Cr
Examples of the conductivity type, composition, and thickness of each layer are shown below. Substrate 1 p + -GaAs buffer layer 2 p + -GaAs, thickness 0.5 μm cladding layer 3 p-AlGaAs, thickness 1 μm Active layer 4 GRIN-SCH-SQW barrier layer 5 n-Al 0.45 Ga 0.55 As, thickness 0.1 μm Carrier killer doped absorption layer 6 Al 0.03 Ga 0.97 As, thickness 0.1 μm Diffraction grating 7 period 260 nm Cladding layer 8 n-Al 0.45 Ga 0.55 As, thickness 1 μm Contact layer 9 n + -GaAs, thickness 0.5 μm Insulating layer 10 SiO 2 (width of stripe-shaped window about 10 μm) Electrode layer 11 Au / Au-Ge Electrode layer 12 Au / Cr

【0025】この実施例では活性層4として単一量子井
戸を用いる場合について示したが、多重量子井戸やバル
ク結晶を用いてもよい。この実施例の構造は活性層4が
平坦であり、単一量子井戸や多重量子井戸を用いてその
利点を有効に利用できる。また、基板1を含めてすべて
の半導体層の導電型を反転させても本発明を実施でき
る。ここでは示さなかったが、クラッド層8には回折格
子7による屈折率の周期分布を相殺する屈折率分布相殺
構造が設けられることが望ましい。このような構造とし
ては、本願出願人による特許出願、特願平3−1812
09に示されたように、屈折率の異なる層を組み合わせ
た構造を用いることができる。
In this embodiment, the case where a single quantum well is used as the active layer 4 has been described, but a multiple quantum well or a bulk crystal may be used. In the structure of this embodiment, the active layer 4 is flat, and the advantages can be effectively used by using a single quantum well or a multiple quantum well. Further, the present invention can be implemented even if the conductivity types of all the semiconductor layers including the substrate 1 are reversed. Although not shown here, it is desirable that the cladding layer 8 be provided with a refractive index distribution canceling structure for canceling the periodic distribution of the refractive index by the diffraction grating 7. Such a structure is disclosed in Japanese Patent Application No. Hei.
As shown in FIG. 09, a structure in which layers having different refractive indices are combined can be used.

【0026】図2は光吸収の飽和を説明する図であり、
吸収層のバンド構造を示す。
FIG. 2 is a diagram for explaining the saturation of light absorption.
3 shows a band structure of an absorption layer.

【0027】吸収層のバンドギャップは活性層とほぼ同
じに設定されており、図2(a)に示すように、活性層
から放射された光子を吸収し、キャリア(電子正孔対)
を生成する。キャリアのとりうる状態数には限度がある
が、キャリアが再結合により消滅するので、あらたな光
子を吸収できるようになる。しかし、キャリアのライフ
タイムが長いと、図2(b)に示すように、再結合がほ
とんどなく吸収のみとなる。この状態では、キャリアの
消滅する速度に比較して多量の光子が吸収層に入射する
と、キャリアのとりうる状態に空きがなくなり、それ以
上には光子を吸収できずに吸収が飽和することになる。
The band gap of the absorption layer is set to be almost the same as that of the active layer. As shown in FIG. 2A, the band gap of the absorption layer absorbs photons emitted from the active layer and the carrier (electron-hole pair).
Generate Although the number of possible states of the carrier is limited, the carrier disappears by recombination, so that a new photon can be absorbed. However, when the lifetime of the carrier is long, as shown in FIG. 2B, there is almost no recombination and only absorption occurs. In this state, if a large amount of photons enter the absorption layer in comparison with the rate at which carriers disappear, there will be no vacancies in the state that the carriers can take, and the absorption will be saturated without being able to absorb any more photons. .

【0028】また、光吸収の飽和に伴って、図3に示す
ように注入電流対光出力特性にヒステリシスが生じる。
Further, with the saturation of the light absorption, as shown in FIG. 3, a hysteresis occurs in the injection current vs. light output characteristics.

【0029】このような光吸収の飽和やそれに伴う注入
電流対光出力特性上のヒステリシスを防止するため、本
発明では、吸収層にキャリアキラーをドープし、キャリ
アの非発光再結合を促進させる。これにより、吸収が飽
和することなく高出力まで利得結合が得られ、ヒステリ
シスの問題も大幅に改善できる。すなわち、レーザ装置
を線型に動作させることができる。
In order to prevent such saturation of light absorption and the resulting hysteresis in injection current versus light output characteristics, in the present invention, the absorption layer is doped with a carrier killer to promote non-radiative recombination of carriers. As a result, gain coupling up to a high output can be obtained without saturating the absorption, and the problem of hysteresis can be greatly reduced. That is, the laser device can be operated linearly.

【0030】図4は本発明第二実施例の半導体分布帰還
型レーザ装置の構造を示す斜視図である。
FIG. 4 is a perspective view showing the structure of a semiconductor distributed feedback laser device according to a second embodiment of the present invention.

【0031】この実施例は周期的なキャリアキラー吸収
構造に活性層の厚みの周期的変化を組み合わせたもので
あり、基板21上にはバッファ層22、クラッド層2
3、パターン供給層33、34がエピタキシャルに形成
され、パターン供給層33、34には溝の底部がパター
ン供給層33に達するような、すなわちパターン供給層
34を切断するような凹凸形状が回折格子の周期で形成
される。この凹凸形状の上には、その凹凸形状に相応す
る周期的な形状を上面に残して緩衝層25が形成され、
その上に、緩衝層25の上面の周期的な形状に相応する
厚みの変化をもつ活性層24が形成される。活性層24
の上には、クラッド層28およびコンタクト層29がエ
ピタキシャルに形成される。コンタクト層29は絶縁層
30に開けた窓を通して電極層31に接続される。基板
21の裏面には電極層32が設けられる。
This embodiment combines a periodic carrier killer absorption structure with a periodic change in the thickness of an active layer. A buffer layer 22 and a cladding layer 2
3. The pattern supply layers 33 and 34 are formed epitaxially, and the pattern supply layers 33 and 34 have a diffraction grating with a concave and convex shape such that the bottom of the groove reaches the pattern supply layer 33, that is, the pattern supply layer 34 is cut. Is formed in a cycle of On this uneven shape, a buffer layer 25 is formed leaving a periodic shape corresponding to the uneven shape on the upper surface,
An active layer 24 having a thickness change corresponding to the periodic shape of the upper surface of the buffer layer 25 is formed thereon. Active layer 24
On top of this, a cladding layer 28 and a contact layer 29 are formed epitaxially. The contact layer 29 is connected to the electrode layer 31 through a window opened in the insulating layer 30. The electrode layer 32 is provided on the back surface of the substrate 21.

【0032】ここで本実施例の特徴とするところは、パ
ターン供給層34が、キャリアキラーをドープした吸収
層により形成されたことにある。すなわち、パターン供
給層34にはキャリアキラーがドープされ、しかもこの
パターン供給層34の組成が活性層24からの誘導放出
光を吸収するように設定されている。また、パターン供
給層34がエッチングされて形成された回折格子による
屈折率の周期分布が活性層24の厚み分布による屈折率
の周期分布と相殺されるように、パターン供給層33、
34および活性層24、さらには緩衝層25の組成およ
び形状が選択される。
The feature of the present embodiment is that the pattern supply layer 34 is formed of an absorption layer doped with a carrier killer. That is, the pattern supply layer 34 is doped with a carrier killer, and the composition of the pattern supply layer 34 is set so as to absorb the stimulated emission light from the active layer 24. Further, the pattern supply layer 33 is formed such that the periodic distribution of the refractive index by the diffraction grating formed by etching the pattern supply layer 34 is offset by the periodic distribution of the refractive index by the thickness distribution of the active layer 24.
The composition and shape of the active layer 34, the active layer 24, and the buffer layer 25 are selected.

【0033】以上の実施例ではGaAs系で本発明を実
施した場合について説明したが、本発明はInP系など
他の材料系の場合にも同様に実施できる。第一実施例の
構造をInP系で実施する場合の各層の導電型、組成、
厚さの例を以下に示す。 基板1 (100)n−InP バッファ層2、クラッド層3 n−InP、厚さ0.5μm 活性層4 InGaAsとInGaAsP(λg =1.3μm)との 多重量子井戸構造(等価的なλg =1.55μm) 障壁層5 p−InP、厚さ0.1μm キャリアキラーをドープした吸収層6 InGaAsP(λg =1.55μm)、厚さ0.1μm クラッド層8 p−InP、厚さ1μm コンタクト層9 p+ −InGaAs、厚さ0.5μm ただし、InGaAs、InGaAsPはInPに格子
整合している。λg は禁制帯幅に対応する光の波長を表
す。
In the above embodiment, the case where the present invention is implemented with a GaAs system has been described. However, the present invention can be similarly implemented with other material systems such as an InP system. When the structure of the first embodiment is implemented by an InP system, the conductivity type, composition,
Examples of the thickness are shown below. Substrate 1 (100) n-InP buffer layer 2, cladding layer 3 n-InP, 0.5 μm thick Active layer 4 Multiple quantum well structure of InGaAs and InGaAsP (λ g = 1.3 μm) (equivalent λ g = 1.55 μm) Barrier layer 5 p-InP, thickness 0.1 μm Absorption layer 6 doped with carrier killer 6 InGaAsP (λ g = 1.55 μm), thickness 0.1 μm Cladding layer 8 p-InP, thickness 1 μm Contact layer 9 p + -InGaAs, thickness 0.5 μm However, InGaAs and InGaAsP are lattice-matched to InP. λ g represents the wavelength of light that corresponds to the forbidden band width.

【0034】InP系の場合にも、基板を含むすべての
半導体層の導電型を入れ換えて本発明を実施できる。ま
た、活性層にバルク混晶を用いることもできる。
In the case of the InP system, the present invention can be implemented by changing the conductivity types of all the semiconductor layers including the substrate. Also, a bulk mixed crystal can be used for the active layer.

【0035】[0035]

【発明の効果】利得結合による光分布帰還を利用した半
導体分布帰還型レーザ装置は、従来の屈折率結合型半導
体分布帰還型レーザ装置とは異なり、完全に単一の波長
の縦モード発振が行われ、従来装置におけるような発振
波長の不確定性も見られないと考えられる。もっとも、
従来の半導体分布帰還型レーザ装置でも完全単一縦モー
ド化は可能であるが、いずれも半導体レーザ装置の構成
が複雑化し、その上、レーザ素子端面への反射防止膜形
成が必要など、その製造工程数が増大するのに対し、本
発明装置では、従来の製造工程をほとんど変えることな
く、反射防止措置も要らずに簡単に完全単一縦モード化
を実現できる。また、利得結合によって光分布帰還を達
成すると、近端あるいは遠端からの反射戻り光などによ
って誘起される干渉雑音が生じたとしても、従来の屈折
率結合による場合に比較して格段に小さくなることが期
待される。
The semiconductor distributed feedback laser device utilizing the optical distributed feedback by gain coupling differs from the conventional refractive index coupled semiconductor distributed feedback laser device in that the longitudinal mode oscillation of a single wavelength is completely performed. It is considered that there is no uncertainty of the oscillation wavelength as in the conventional device. However,
The conventional semiconductor distributed feedback laser device can achieve a completely single longitudinal mode, but in all cases, the configuration of the semiconductor laser device is complicated, and furthermore, it is necessary to form an antireflection film on the end face of the laser element. In contrast to the increase in the number of steps, the apparatus of the present invention can easily realize the complete single longitudinal mode without changing the conventional manufacturing steps and without the need for antireflection measures. Also, when the light distribution feedback is achieved by gain coupling, even if interference noise induced by reflected return light from the near end or the far end occurs, it becomes much smaller than that of the conventional refractive index coupling. It is expected.

【0036】特に本発明の半導体分布帰還型レーザ装置
は、周期的な光吸収層にキャリアキラーをドープしたた
め、非線型動作を大幅に抑えることができ、高出力時に
おいても利得結合の利点を発揮できる。
In particular, the semiconductor distributed feedback laser device of the present invention can significantly suppress nonlinear operation because the periodic light absorbing layer is doped with a carrier killer, and exhibits the advantage of gain coupling even at high output. it can.

【0037】また、GaAs/AlGaAs系で実施す
る場合には、再成長界面のアルミ組成を低減でき、結晶
品質を改善できる。
In the case of the GaAs / AlGaAs system, the aluminum composition at the regrowth interface can be reduced, and the crystal quality can be improved.

【0038】したがって本発明の半導体分布帰還型レー
ザ装置は、長距離光通信用、波長多重光通信用などに必
要な高性能光源として有望であるばかりでなく、光情報
処理や光情報記録、光応用計測、高速光学現象の光源な
どの分野で従来用いられていた気体レーザ装置や固体レ
ーザ装置に代替し得る高性能かつ小型の光源として用い
られることが見込まれる。
Therefore, the semiconductor distributed feedback laser device of the present invention is not only promising as a high-performance light source required for long-distance optical communication, wavelength multiplexing optical communication, etc., but also for optical information processing, optical information recording, optical information recording, and the like. It is expected to be used as a high-performance and compact light source that can replace gas laser devices and solid-state laser devices conventionally used in the fields of applied measurement, light sources of high-speed optical phenomena, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明第一実施例の半導体分布帰還型レーザ装
置の構造を示す斜視図。
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a semiconductor distributed feedback laser device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】光吸収の飽和を説明する図。FIG. 2 illustrates saturation of light absorption.

【図3】注入電流に対するレーザ光出力のヒステリシス
特性を示す模式図。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a hysteresis characteristic of a laser beam output with respect to an injection current.

【図4】本発明第二実施例の半導体分布帰還型レーザ装
置の構造を示す斜視図。
FIG. 4 is a perspective view showing the structure of a semiconductor distributed feedback laser device according to a second embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1、21 基板 2、22 バッファ層 3、8、23、28 クラッド層 4、24 活性層 5 障壁層 6 キャリアキラーをドープした吸
収層 7 回折格子 9、29 コンタクト層 11、12、31、32 電極層 10、30 絶縁層 25 緩衝層 33、34 パターン供給層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 21 Substrate 2, 22 Buffer layer 3, 8, 23, 28 Cladding layer 4, 24 Active layer 5 Barrier layer 6 Absorption layer doped with carrier killer 7 Diffraction grating 9, 29 Contact layer 11, 12, 31, 32 Electrode Layer 10, 30 Insulating layer 25 Buffer layer 33, 34 Pattern supply layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−84583(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (56) References JP-A-62-84583 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 誘導放出光を発生する活性層と、 この活性層に沿って配置されこの活性層が発生した誘導
放出光に光分布帰還を施す周期構造とを備え、 この周期構造は、前記活性層が発生した誘導放出光に対
し吸収性の組成で形成された吸収層を前記活性層に平行
なレーザ光軸に沿って周期的に含む半導体分布帰還レー
ザ装置において、 前記吸収層には、誘導放出光によって生じる吸収飽和を
防止するために、キャリアのライフタイムを短縮する不
純物が添加され とを特徴とする半導体分布帰還型レ
ーザ装置。
1. An active layer that generates stimulated emission light, and a periodic structure that is arranged along the active layer and performs a light distribution feedback on the stimulated emission light generated by the active layer. In a semiconductor distributed feedback laser device that periodically includes an absorption layer formed of a composition that absorbs stimulated emission light generated by an active layer along a laser optical axis parallel to the active layer, the absorption layer includes: Absorption saturation caused by stimulated emission light
To prevent, semiconductor distributed feedback laser device comprising that you impurity to shorten the lifetime of carriers was added.
【請求項2】 周期構造はレーザ光軸方向に沿って周期
的な凹凸形状が形成された回折格子を含み、 吸収層はこの回折格子の頂部に設けられ、 活性層にはこの回折格子の凹凸形状に対応して厚みの周
期的変化が設けられた請求項1記載の半導体分布帰還型
レーザ装置。
2. The periodic structure includes a diffraction grating having a periodic irregular shape formed along a laser optical axis direction, an absorption layer is provided on a top of the diffraction grating, and an active layer has irregularities of the diffraction grating. 2. The semiconductor distributed feedback laser device according to claim 1, wherein the thickness is periodically changed according to the shape.
【請求項3】 回折格子の近傍にはその回折格子による
屈折率の周期分布を相殺する屈折率分布相殺構造が設け
られた請求項2記載の半導体分布帰還型レーザ装置。
3. The semiconductor distributed feedback laser device according to claim 2, wherein a refractive index distribution canceling structure for canceling a periodic distribution of refractive index by the diffraction grating is provided near the diffraction grating.
【請求項4】 回折格子による屈折率の周期分布が活性
層の厚み分布による屈折率の周期分布と相殺されるよう
に前記回折格子および前記活性層の材料および形状が選
択された請求項2記載の半導体分布帰還型レーザ装置。
4. The material and shape of the diffraction grating and the active layer are selected such that the periodic distribution of the refractive index by the diffraction grating is offset by the periodic distribution of the refractive index by the thickness distribution of the active layer. Semiconductor distributed feedback laser device.
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