JP3419218B2 - 半導体レーザ及び光変調器つき半導体レーザ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバによる
高速長距離伝送可能な光通信システムにおいて用いられ
る半導体レーザに関するものであって、特に信号電流に
よって直接駆動され、電気信号を長距離伝送によっても
劣化し難い超短光パルス信号に変換するために用いられ
る半導体レーザに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３は従来のＤＦＢ-ＭＱＷ（Distribut
ed Feedback Multi Quantum Well）レーザの内部構成を
示す断面図である。図３において、１は多重量子井戸
（MultiQuantum Well：以降ＭＱＷと略す）からなる活
性領域、２は導波路層、３はクラッド層、４は分布帰還
(Distributed Feedback：以降ＤＦＢと略す)のための回
折格子、５はコンタクト層、６は電極である。回折機構
は通常回折格子を設けることによって達成され、レーザ
の共振器を構成する。共振器のモード波長λは回折格子
の繰り返し周期Λと次のような関係がある。

【０００３】

【数１】

【０００４】回折格子の結合係数(通常κで表される)は
共振器の軸に沿った回折格子による導波光に対する実効
的な複素屈折率の変化の大きさによって決まる。従来の
半導体レーザでは、通常、回折格子の結合係数は共振器
の軸に沿って一定である。また、活性領域を構成する量
子井戸層の厚さは層ごとに変えることなく、また共振器
のいたるところで一様に等しい。

【０００５】次に従来の半導体レーザの利得スイッチ動
作について説明する。従来の半導体レーザにパルス状の
電流を注入すると共振器の内部は一様なので図４(b) に
示すように矩形状に励起される。他方ＤＦＢによる共振
器のモードの電場は必ずしも一様ではない。その結果、
後で詳しく述べるように最初の光の場の発生の後にも励
起キャリアのうち残留する部分が生じるという問題があ
る。そのため光パルスが時間的に裾をひくようになるば
かりでなく屈折率がキャリア密度に依存するために共振
器のモードの中心周波数が変化するという問題もある
（(１)式）。この現象をチャーピングと呼んでいる。

【０００６】また、従来の半導体レーザではより高い反
転分布が得られず短い光パルスが得られない。実際、従
来の方法では、次の論文（M.Nakazawa,et al.,“Transf
orm-limited pulse generation in the gigahertz regi
on from a gain-switched distributed-feedback laser
diode using spectral windowing”, OPTICS LETTERS,
15, pp715-717(1990)）に記載されているように、通常
２７ps程度の 光パルス幅が得られるにすぎない 。上記
の論文には、チャーピングによって波長が変化した部分
をフィルタによって除くことによって、より短い光パル
スが生成できることが示されている。しかし、光パルス
がレーザから出力される時点でチャーピングを抑制でき
る方が望ましい。

【０００７】光通信システムにおいては、通常、光の強
度変調により情報伝送を行う方式が採用されている。こ
の場合、短い光パルスを発生する光源が必要である。ま
た発生された光パルスに情報信号を付与する機構が必要
である。これらを実現する方法として、情報信号に従っ
た電流によって半導体レーザを直接駆動する方法があ
る。他の方法として、半導体レーザから連続的に出力さ
れる光を情報信号に従って変調器によって強度変調する
方法がある。前者は、構成が簡単であり安価に実現でき
る。実際、あまり高速でない伝送を行うときは、この方
法が採用されている。しかしながら、例えば10ギガビッ
ト／秒を越える伝送速度で長距離伝送しようとすると、
従来の半導体レーザの直接変調では対処が困難なため
に、変調器を用いたり、光ファイバや光ファイバ増幅器
を用いて光パルスを圧縮するなどの付加的な処理が行わ
れている。半導体レーザの直接変調によって高速長距離
伝送可能な光パルスを発生することができれば構成が簡
単であり、安価に高速長距離光伝送システムが実現でき
るので上記の他の方法に比べて優れている。

【０００８】高速長距離伝送を可能とするためには、光
パルスが満たすべき次のような基本的要件がある。 1.パルスの時間幅が短い。例えば、２０ギガビット／秒
の伝送を行う場合少なくとも、１０ピコ秒程度の短い光
パルスが必要となる。 2.光パルスの時間軸上の幅と周波数軸上のスペクトル幅
の関係がちょうどフーリエ変換の関係（トランスフォー
ム・リミット(transform limit)の関係）にあることが
望ましい。光ファイバが持つ分散の影響を最も小さくす
るためである。前述のチャーピングがないことはこのこ
との必要条件である。 3.トランスフォーム・リミットにある光パルスの中で
も、時間軸上の光パルス波形がsechの関数形であること
が望ましい。sechの波形は光ファイバ中を伝搬するソリ
トンが持つ波形でもあり、長距離伝送に適している。

【０００９】以上の３つの観点から従来の半導体レーザ
を直接駆動する方法について見ると、まず、通常２０ピ
コ秒より短い光パルスを得ることは、前述したように困
難である。また、２，３の項目については、これらの項
目を満たすための設計上の工夫がされていないのが現状
である。

【００１０】以下次の順序で本発明を記述する。 １. 半導体レーザによって上記の要件を満たす短パルス
を発生させる際の問題点を明らかにする。 ２. そしてその問題点を原理的に解決する指針を指摘す
る。 ３. 最後に問題を具体的に解決する方法を示す。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】半導体レーザによって
短パルスを発生するためには通常短い電流パルスによっ
て半導体レーザを駆動する利得スイッチ法が採られる。
その際に半導体レーザ共振器の内部で次のような過程が
進行する。図５の半導体レーザの利得スイッチの動作説
明図をもとに説明する。 １. パルス状の電流によって半導体レーザの活性領域に
キャリアが注入され、高い励起状態が形成される。キャ
リア注入過程の初期には共振器のなかには光の場はない
ので誘導放出は発生せず、キャリア密度は閾値ｎ_thを越
える。 ２. 自然放出光のうち共振器のモードに一致するものが
あると高い励起状態の下で急速な誘導放出が始まる。 ３. 発光に伴って励起状態は急速に減衰し閾値以下にな
って発光が停止する。上に述べた利得スイッチの過程の
なかでより高い反転分布ｎ_i を発生させることが短い光
パルスを得る上で重要である。そしてキャリアの再結合
確率Ｐ_r が高く、共振器から光子が出射されるまでの時
間τ_pが短いほうがよい。

【００１２】しかし、反転分布ｎ_iは、再結合確率Ｐ_r，
光子寿命τ_p と独立ではない。例えば、再結合確率Ｐ_r
を大きくすることは、一方では閾キャリア密度を下げる
という効果があるが、他方では急速な光子発生をもたら
し、十分高い反転分布を得る前に光を発生させてしまう
ことになる。またτ_p を短くすることも、閾キャリア密
度を上げ反転分布を低くする。このようにこれらのパラ
メータの値を選ぶことだけによって短い光パルスを得る
ことは困難である。

【００１３】次に、光パルス波形がどのように決まるか
という問題について考察する。そして以下の項目が重要
であることを示す。 １. 前述した共振器内部の初期励起の高さの共振器の軸
方向に沿った分布。短い光パルスを得るためにはこの幅
が狭いほうが望ましい。 ２. 共振器の各縦モードの共振器の軸に沿った強度分
布。この強度分布が狭いことは短い光パルスを得るため
の必要条件である。 ３. 上記の二つの分布の重なり。この重なりが一致する
と励起が過不足なく光パルスに変換されチャーピングが
抑制される。

【００１４】図４(a)(b)(c) のパルス波形の形成過程を
説明する概念図に基づき、これを説明する。前述した最
初の励起の高さが共振器の軸方向に沿って矩形状の分布
を持ったとする。この励起の高さが理想的に短い時間に
光の場の形成に寄与し、その結果励起の高さが閾値以下
に減衰したとする。このとき得られるパルス波形は矩形
となる。これを数式で表せば次のようになる。

【００１５】

【数２】

【００１６】ｃは光の速さ、νはレーザ発振の中心周波
数であり、レーザの共振器のモードと励起スペクトルに
よって決まる。但し(２)式は関数形(３)が共振器のモー
ドの線形結合によって展開できる場合を考えている。通
常ファブリーペロ共振器のように共振器長Ｌが長い場合
には共振器のモード間隔が小さいので十分高い精度でこ
れが可能である。

【００１７】(２)式から、共振器の長さＬを短くするこ
とによって短い光パルスが得られることになる。しか
し、光パルスが満たすべき基本的要件のうちsechといっ
た特殊な関数形は得られない。そのためには共振器の軸
方向にsechという関数形で励起の高さの分布を形成すれ
ばよいことになる。

【００１８】次に、共振器のモード間隔が大きく、励起
のスペクトル範囲で励振され得るモードが基本モードだ
けであるような場合を考える。基本モードが図４(a) に
示されるような関数であるとする。一方、励起は、やは
り、共振器全体に矩形状に形成されたとすると、最初の
理想的に短い時間に形成される光の場の分布は基本モー
ドと一致する。従って共振器の端の領域に形成された励
起は光の場を形成することに寄与せず残留することにな
る。この残留した励起は、その後の時間の経過のなかで
空間的に緩和・再分布し、光の場を形成する。言い換え
れば励起の空間的分布が、形成される光の場の分布と一
致しない場合には、パルスの時間的裾ひきの原因になり
好ましくない。このような場合、先に述べたようにチャ
ーピングと呼ばれる発振周波数の時間的変化を伴うの
で、時間軸上のパルス幅と周波数軸のスペクトル幅は一
般にトランスフォーム・リミットの関係にない。このよ
うな状況を避けるためには、励起の高さの分布を基本モ
ードの光の場の分布と一致させればよい。このように共
振器の中で励起の高さの分布を制御することが、望まし
いパルス波形を得る上で重要である。

【００１９】次に共振器の縦モードの共振器の軸に沿っ
た電場強度分布について述べる。これまで述べてきたこ
とからもわかるように共振器の内部で発光現象が生じた
とき、その光の場は共振器のモードと結合する。従って
sechのような特定のパルス波形を得たい場合にはモード
の電場強度分布もsechの関数形をもつように制御する必
要がある。

【００２０】ＤＦＢによる共振器のモード強度分布がど
のようになるかという問題については、次の文献（H. K
ogelnik and C. V. Shank,“Coupled-Wave Theory of D
is−tributed Feedback Lasers” J. Appl. Phys., 43,
2327 (1972)）に解析されている。。回折格子は、導波
される光に対して屈折率の実部と虚部が(４)式に従って
周期的に変動している媒質によって構成される。

【００２１】

【数３】

【００２２】いま実部の屈折率変化が主であって、虚部
の屈折率変化が無視できる場合を考えると、共振器のモ
ード強度分布は πｎ₁Ｌ／λの値によって次のように分
類される。 １. πｎ₁Ｌ／λ≫１ の場合、図４(a) のように共振器
の中央付近で強く、共振器の両端で低くなるような強度
分布を示す。 ２. πｎ₁Ｌ／λ≪１ の場合は、逆に両端で電場が強
く、中央付近で弱くなるような分布となる。 ３. πｎ₁Ｌ／λ〜１ の場合、モード電場分布は共振器
の軸方向にあまり変化せず、ほぼ一様になる 上に述べたようにモードの電場強度分布は πｎ₁Ｌ／λ
の値によって決まる。より精細なモードの電場強度分布
の整形は従来行われていない。要するに、従来の半導体
レーザに対しては、光ファイバにより高速で長距離伝送
する上で適した光パルス波形を発生するための設計上の
工夫がなされていなかった。

【００２３】本発明の目的は、このような問題を解決す
るためになされたもので、光ファイバによる高速長距離
伝送可能な光通信システムにおいて用いられる、特に信
号電流によって直接駆動され、電気信号を長距離伝送に
よっても劣化し難い超短光パルスを発生することができ
る半導体レーザに関するものである。具体的には、 ・共振器の内部で励起の高さを制御するための手段とそ
れを実現する半導体レーザの構成を示し、 ・共振器の内部でモード電場分布を制御するための手段
とそれを実現する半導体レーザの構成を示し、 ・この結果 チャーピングが小さく、所望の波形でトラ
ンスフォーム・リミットの関係にある超短光パルスを発
生できる半導体レーザを提供することである。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザ
は、キャリアが再結合して光を発生する活性領域を構成
する量子井戸層の厚さを共振器の長さ方向に沿って変化
させたものであり、量子井戸層の厚さを共振器の長さ方
向中央部で厚くし、中央部における利得を大きくすると
共に、共振器の基本縦モードの電場の強さを上記中央部
における強さが他の領域より強くなるようにしたもので
ある。

【００２５】

【００２６】本発明の半導体レーザは、キャリアが再結
合して光を発生する活性領域を構成する量子井戸層を形
成する材料のバンド間隔を共振器の長さ方向に沿って変
化させたものであり、上記バンド間隔を共振器の長さ方
向中央部で小さくし、中央部における利得を大きくする
と共に、共振器の基本縦モードの電場の強さを上記中央
部における強さが他の領域より強くなるようにしたもの
である。

【００２７】本発明の半導体レーザは、上記各構成にお
いて、上記活性領域をそれぞれ厚さが互いに異なる複数
の量子井戸層で構成したものである。

【００２８】本発明の半導体レーザは、上記構成におい
て、上記活性領域を一層の障壁層を挟んでｐ電極側とｎ
電極側にあるそれぞれ一層の量子井戸層で構成し、ｐ側
の量子井戸層をｎ側の量子井戸層に比べて薄くしたもの
である。

【００２９】本発明の半導体レーザは、上記各構成にお
いて、フィードバック機構を回折格子で構成し、その結
合係数を共振器の軸方向に沿って変化させたものであ
る。

【００３０】本発明の半導体レーザは、上記構成におい
て、回折格子をその周期構造が活性領域の厚さが最も厚
くなる領域付近で四分の一波長シフトさせた構成とした
ものである。

【００３１】本発明の半導体レーザは、上記構成におい
て、回折格子の結合係数を共振器の中央付近で強くし、
上記共振器のモードの電場の分布の幅を利得の分布の幅
と等しいかあるいはそれより広くしたものである。

【００３２】本発明の光変調器つき半導体レーザは、電
界を印加することにより光吸収係数を変調する光変調器
と光パルスを発生する半導体レーザとを光軸を一致させ
て集積化したものにおいて、上記半導体レーザの中央付
近の活性領域を構成する量子井戸層の厚さを厚くし、か
つ同じ領域で回折格子の結合係数を高くしたものであ
る。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明による半導体レーザは、活
性領域を構成する量子井戸層の厚さを共振器の長さ
（軸）方向に沿って変化させたものである。即ち励起を
高くしたい部分ほど厚くなるようにしている。以下にこ
の根拠について説明する。量子井戸の厚さを厚くすると
量子井戸に形成されるエネルギ準位が低くなることが知
られている（例えば、シッフ,″量子力学″,井上健
訳，p43(吉岡書店，京都)）。従って 上記のように量子
井戸層の厚さを共振器の長さ方向に変化させることによ
って厚さに応じてエネルギ準位が変化することになる。
次に、このような半導体レーザに電流を注入して励起す
ると、量子井戸の厚さが厚い部分ほど励起が高くなるこ
とを示す。

【００３４】量子井戸によって活性領域が構成される半
導体レーザにおける励起の高さは利得係数ｇ(Ｅ)によっ
て表すことができる。量子井戸の中でキャリアの緩和は
１ピコ秒より速いので熱的平衡状態にあるとすると、ｇ
(Ｅ)はｋｐ摂動法を用いて次のように表される。但し、
ここでは、zinc−blende型の結晶の(１００)面に平行に
量子井戸層が形成されている場合で、ＴＥモードを仮定
しているが、主要な主張点はこれらに依存しない。

【００３５】

【数４】

【００３６】で与えられる。(５)式〜(１２)式におい
て、サフィックスｃ，ｖは伝導帯と価電子帯における量
であることを示す。また、ｃ＝ｈｈとｖ＝ｌｈは、それ
ぞれ重い正孔と軽い正孔の寄与であることを表す。ま
た、ｉ，ｊは、それぞれ伝導帯と価電子帯における準位
の次数を表す。(５)式の文字の意味は通常の慣例に従っ
ているが、主な文字の意味を表１に示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】(５)式から利得係数ｇが量子準位エネルギ
Ｅ_c,iとＥ_v,jにより(１２)式を介して決まっていること
がわかる。例えば、仮に量子準位が共振器の中央で深
く、前後に直線的に変化しているとすると、(５)式を規
格化して図示すれば、パルス波形は図６のａに示す曲線
になり、図６のｂに示すsechのパルス波形に近似的に一
致する。もちろんシュレディンガー方程式を解いて、量
子井戸の厚さと量子準位の関係を求め、(５)式から利得
ｇの位置変化が厳密にsech型になるように量子井戸の厚
さを設計することは可能である。このように量子井戸の
厚さを選ぶことによって所望の利得分布を得ることがで
きる。

【００３９】次に共振器の基本縦モードの電場分布の制
御について述べる。前述した問題点の考察において、モ
ードの電場強度分布は πｎ₁Ｌ／λによって決まり、よ
り精細な分布成形は行われていないことを述べた。ＤＦ
Ｂによる共振器構成では導波路層の近傍のクラッド層に
回折格子を設ける。この場合、導波路層と回折格子の距
離が近いほど回折格子の結合係数κ＝πｎ₁／λ＋ｊα₁
／２が大きくなる。あるいは回折格子の厚さが厚いほど
結合係数κが大きくなる。共振器の軸に沿って導波路層
と回折格子の間隔を変えると共振器の縦モードの電場分
布を制御することができる。共振器の中央付近で結合を
他の領域での結合より強くすると中央付近でのモード電
場の強さがより強調されsechに近い強度分布が得られ
る。このようにしてモードの電場強度を制御することが
できる。このように制御された励起の分布とモードの電
場強度分布を一致させるか、もしくは後者を前者よりも
広くすることによって、利得スイッチを動作した時、残
留するキャリアは少なくチャーピングが抑制される。次
に本発明による半導体レーザについて実施の形態に基づ
き具体的に説明する。

【００４０】実施の形態１．図１は本発明の実施の形態
１の半導体レーザの構成を示す断面図である。図１にお
いて、１はキャリアが再結合して光を発生する活性領域
で、非対称二重量子井戸構造をなし、量子井戸層の厚さ
が共振器の長さ（軸）方向に沿って変化、中央に向かっ
て漸増し、中央付近（ｒで示した領域）の厚さが厚くな
っている。２は発生した光を閉じこめ導波する導波路
層、３は導波路層２を挟むクラッド層、４は導波する光
をフィードバックするための回折格子であり、レーザの
共振器を構成する。その結合係数は、共振器の中央付近
でκｒ≧１となるようにする。５はコンタクト層、６は
電極である。非対称二重量子井戸とは一層の障壁層１ｂ
を挟んでｐ電極側とｎ電極側にあるそれぞれ一層の量子
井戸層からなり、ｐ側の第１の量子井戸層１ａをｎ側の
第２の量子井戸層１ｃに比べて薄くした構造のことであ
る。

【００４１】次に本実施の形態の半導体レーザの作製方
法について説明する。半導体レーザの活性領域１、導波
路層２、クラッド層３などの各層は基板の上に薄膜結晶
をエピタキシャル成長させて作製する。ＩnＰを基板と
して Ｉn_xＧa_{1 -x}Ａs_yＰ_1-yの混晶あるいはＩn_xＧa_1-xＡ
sの混晶によって各層を構成する。それぞれの混晶の組
成は、それぞれ吸収波長が、活性領域の量子井戸層で
１.６７μm、障壁層で１.１８μm、導波路層で１.４μm
程度となるようにする。クラッド層３は ＩnＰからな
る。量子井戸構造の厚さは、発光に寄与するサブバンド
間のエネルギ間隔が所望の波長となるよう設定する。例
えば光ファイバの伝送損失がもっとも低い波長は１.５
５μmである。量子井戸層の厚さとサブバンド間隔の関
係は有効質量近似の下で通常のWannier方程式を解くこ
とによって容易に得られる（C. Kittel,“Quantum Theo
ry of Solids”John Wiley ＆ Sons, Inc, New York, L
ondon, 1963参照）。障壁層の厚さは量子準位の共鳴結
合が起こりうる2nmから6nmの間に設定する。

【００４２】上記の量子井戸層の厚さを共振器の光軸に
沿って変えるためには、例えばＭＯＣＶＤ(Metal Organ
ic Chemical Vapor Deposition)法を用いて、ＳiＯ₂ 膜
などをマスクとする選択領域成長(Selective Area Grow
th) により量子井戸層を成膜する。選択領域成長とは、
ウェファ上で成長防止マスク（ＳiＯ₂等）をつけた部分
近傍での結晶成長速度がマスクから十分離れた場所の成
長速度よりも速くなる性質を利用したものである。

【００４３】フィードバック機構としては、導波路層２
の近傍のクラッド層３に埋め込み回折格子４を設けてい
る（A. Takemoto et al., 1.3μm InGaAsP/InP Distrib
uted-feedback p-substrate Partially inverted Burie
d-heterostructure Laser Diode, Electronics Lett.,
23, 546(1987)）。この場合、導波路層２と 回折格子４
の距離が 近いほど回折格子の結合係数（通常κＬで表
される）が大きくなる。あるいは回折格子の厚さが厚い
ほど結合係数が大きくなる。共振器の軸に沿って導波路
層２と回折格子４の間隔を変えると共振器の縦モードの
電場分布を制御することができる。ここでは、共振器の
中央付近で結合を他の領域での結合より強くなるように
しているので、中央付近での電場の強さがより強められ
sechに近い強度分布が得られる。なお、通常の半導体レ
ーザと同様に共振器の軸に沿ってストライプ状に電流狭
窄構造とする。

【００４４】次いで、本実施の形態による半導体レーザ
の利得スイッチ動作について説明する。本実施の形態に
よる半導体レーザは活性領域を非対称２重量子井戸構造
としている。このような半導体レーザを利得スイッチ動
作させると、量子井戸にキャリアを注入する段階では再
結合確率Ｐ_r が低く、キャリアが十分蓄積された段階で
正孔の二つの準位が結合する際に再結合確率Ｐ_r が急速
に高くなる。その結果短い時間の間だけ利得の高い状態
が得られる。言いかえると、注入電流によってキャリア
密度を高くする際には、再結合確率Ｐ_r は小さく、キャ
リア密度が高くなってから正孔の二つの準位が結合した
とき急速に再結合確率Ｐ_r が高くなるので通常の利得ス
イッチより短い光パルスが得られる。また、共振器の軸
にそって量子井戸層の厚さが厚くなっている領域で回折
格子の結合係数が高くなっているのでsechに近い縦モー
ド強度分布が得られる。また利得の分布は、共振器のモ
ード、あるいは所望のパルス波形と一致させているので
残留励起は生じない。その結果チャーピングが抑制され
る。これらによりチャーピングが小さく所望の波形でト
ランスフォームリミットの関係にある超短光パルスを発
生できる。

【００４５】さらに、上記に述べた効果に加えて、本実
施の形態には、実効的に電流注入密度を高くすることが
できるという効果がある。その結果、電気的パルスの印
加時からパルス発生までの遅延を短くできる。あるいは
印加するパルス電圧を低くすることができる。図１にお
いて電極６を通じてキャリアを注入する。電極の領域は
図に示すように共振器の長さ全域にわたっている。他
方、キャリアは図中ｒで示した狭い領域に蓄積してい
く。その結果、実効的に電流密度が高くなるからであ
る。共振器においてキャリアが蓄積されない領域でも光
の吸収は生じない。なぜなら、その領域では量子井戸の
厚さが薄いので準位間のエネルギ差がｒ領域での発光エ
ネルギより高いためである。

【００４６】上記の実施の形態では非対称二重量子井戸
によって活性領域を構成する場合について述べたが、こ
れに限らず、単一量子井戸、あるいは多重量子井戸で
も、量子井戸の厚さを変化させる事によってパルス波形
を整形することができる。

【００４７】実施の形態２．上記実施の形態では、半導
体レーザを利得スイッチ動作する場合について述べた
が、図２に示すように本発明による半導体レーザを電界
吸収型光変調器７と集積化して構成することによって
も、短く且つ整形された光パルスが得られる。この場合
半導体レーザには連続的に閾値以上の励起電流を流し続
ける。電界吸収型光変調器７の量子井戸層１ａ，１ｃと
導波路層２は半導体レーザのそれらよりもわずかに薄
い。半導体レーザの領域と光変調器７の領域の間、接合
部分ではコンタクト層５は取り除かれており、電気的に
分離されている。この変調器７に電界を印加すると量子
閉じこめシュタルク効果により、エキシトンによる吸収
スペクトルが長波長側にのびる。その結果、半導体レー
ザからの光は吸収される。信号に基づく短い時間だけ、
変調器に印加する電界を取り除く。この間の短い時間に
レーザの光電場はレーザの外のモード（自由空間の電場
モード）と結合し、共振器モード波形（これは共振器の
モード電場分布および励起強度分布とほぼ一致する）の
パルスが共振器の外に取り出される。この場合、光パル
ス幅は変調器の吸収係数が低下する時間できまる。従っ
て半導体レーザの量子井戸は非対称二重量子井戸構造と
する必要はなく通常の多重量子井戸でもよい。但し、こ
の場合でも、量子井戸の厚さが共振器に沿って厚い部分
を設けることと、回折格子の結合係数を変化させること
による効果は実施の形態１と同様に発生する。

【００４８】実施の形態３．上記実施の形態１では、一
様な周期の回折格子によって共振器を構成するとした
が、共振器の中央付近で周期構造を四分の一波長シフト
させることによって単一モード発振する共振器としても
よい。

【００４９】実施の形態４．光回折機構により回折を受
ける光のエネルギを、活性領域の厚さが厚くなる領域で
の発振閾利得係数のスペクトルピーク位置にほぼ一致さ
せることにより、上記実施の形態に示したレーザの特徴
的な効果は増強される。

【００５０】実施の形態５．上記実施の形態では、共振
器の長さ方向に沿った利得の分布を形成するために量子
井戸の厚さを共振器の長さ方向に沿って変化させたが、
同じ効果を、量子井戸を構成する材料の組成を変化させ
ることによって達成できる。即ちキャリアの密度を高く
したい領域の量子井戸の材料のバンド間隔を小さくすれ
ばよい。

【００５１】上記実施の形態では、材料としてＩnＰを
基板としてＩn_xＧa_1-xＡs_yＰ_1-yの混晶あるいはＩn_xＡl
_1-xＡs の混晶によって半導体レーザの各層を構成する
場合について述べたが必要とする波長によってはＧaＡ
s、Ａl_xＧa_1-xＡs を材料として用いる場合にも本発明
は適用できる。

【００５２】

【発明の効果】以上のように、この発明の半導体レーザ
によれば、キャリアが再結合して光を発生する活性領
域、発生した光を閉じこめ導波する導波路層、この導波
路層を挟むクラッド層、導波される光をフィードバック
する機構を備え、光パルスを発生する半導体レーザにお
いて、活性領域を構成する量子井戸層の厚さが、共振器
の長さ方向両端部より上記長さ方向中央部の方が厚くな
るように構成し、上記中央部の利得を大きくすると共
に、共振器の基本縦モードの電場の強さを上記中央部に
おける強さが他の領域より強くなるようにすることによ
り、共振器の長さ方向中央部の励起を高くでき、超短光
パルスを発生させることができる。

【００５３】

【００５４】本発明の半導体レーザによれば、キャリア
が再結合して光を発生する活性領域、発生した光を閉じ
こめ導波する導波路層、この導波路層を挟むクラッド
層、導波される光をフィードバックするフィードバック
機構を備え、光パルスを発生する半導体レーザにおい
て、活性領域を構成する量子井戸層を形成する材料のバ
ンド間隔が、共振器の長さ方向両端部より上記長さ方向
中央部の方が小さくなるように構成し、中央部の利得を
大きくすると共に、共振器の基本縦モードの電場の強さ
を上記中央部における強さが他の領域より強くなるよう
にすることにより、共振器の長さ方向中央部の励起を高
くでき、超短光パルスを発生させることができる。

【００５５】本発明の半導体レーザによれば、上記各構
成において、上記活性領域をそれぞれ厚さが互いに異な
る複数の量子井戸層で構成することにより、利得スイッ
チの効果を増強し、光パルス巾を短くすることができ
る。

【００５６】本発明の半導体レーザによれば、上記構成
において、上記活性領域を一層の障壁層を挟んでｐ電極
側とｎ電極側にあるそれぞれ一層の量子井戸層で構成
し、ｐ側の量子井戸層をｎ側の量子井戸層に比べて薄く
することにより、利得スイッチの効果を増強し、光パル
ス巾を短くすることができる。

【００５７】本発明の半導体レーザによれば、上記各構
成において、フィードバック機構を回折格子で構成し、
その結合係数を共振器の軸方向に沿って変化させること
により、半導体レーザの縦モードの光電場分布を制御で
きる。

【００５８】本発明の半導体レーザによれば、上記構成
において、回折格子をその周期構造が活性領域の厚さが
最も厚くなる領域付近で四分の一波長シフトするように
構成することにより、単一縦モード発振しやすく、安定
な光パルスが得られる。

【００５９】本発明の半導体レーザによれば、上記構成
において、回折格子の結合係数を共振器の中央付近で強
くすることにより、中央付近でのモード電場の強さがよ
り強調されsechに近い強度分布が得られる。さらに、上
記共振器のモードの電場の分布の幅を利得の分布の幅と
等しいかあるいはそれより広くしたことにより、残留す
るキャリアを減少でき、チャーピングが抑制できる。

【００６０】本発明の光変調器つき半導体レーザによれ
ば、電界を印加することにより光吸収係数を変調する光
変調器と光パルスを発生する半導体レーザとを光軸を一
致させて集積化したものにおいて、上記半導体レーザの
中央付近の活性領域を構成する量子井戸層の厚さを厚く
し、かつ同じ領域で回折格子の結合係数を高くしたこと
により、変調周波数がレーザで制限されず、光変調器の
高速性を活かした、高繰り返しの短パルスが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１の半導体レーザの構
成を示す断面図である。

【図２】 この発明の実施の形態２の変調器付き半導体
レーザの構成を示す断面図である。

【図３】 従来のDFB-MQWレーザの構成図である。

【図４】 パルス波形の形成過程を説明するための概念
図である。

【図５】 半導体レーザの利得スイッチ動作の説明図で
ある。

【図６】 パルス波形の例を示す波形図である。

【符号の説明】

１ 活性領域、１ａ 第１の量子井戸層、１ｂ 障壁
層、１ｃ 第２の量子井戸層、２ 導波路層、３ クラ
ッド層、４ フィードバック機構の回折格子、５コンタ
クト層、６ 電極、７ 電界吸収型光変調器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−95165（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−7056（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−51066（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−335971（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−106690（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−136521（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−283981（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−110884（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−172289（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50 G02F 1/025

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 キャリアが再結合して光を発生する活性
   領域、発生した光を閉じこめ導波する導波路層、この導
   波路層を挟むクラッド層、導波される光をフィードバッ
   クするフィードバック機構を備え、光パルスを発生する
   半導体レーザにおいて、活性領域を構成する量子井戸層
   の厚さが、共振器の長さ方向両端部より上記長さ方向中
   央部の方が厚くなるように構成し、上記中央部の利得を
   大きくすると共に、共振器の基本縦モードの電場の強さ
   を上記中央部における強さが他の領域より強くなるよう
   にしたことを特徴とする半導体レーザ。
2. 【請求項２】 キャリアが再結合して光を発生する活性
   領域、発生した光を閉じこめ導波する導波路層、この導
   波路層を挟むクラッド層、導波される光をフィードバッ
   クするフィードバック機構を備え、光パルスを発生する
   半導体レーザにおいて、活性領域を構成する量子井戸層
   を形成する材料のバンド間隔が、共振器の長さ方向両端
   部より上記長さ方向中央部の方が小さくなるように構成
   し、上記中央部の利得を大きくすると共に、共振器の基
   本縦モードの電場の強さを上記中央部における強さが他
   の領域より強くなるようにしたことを特徴とする半導体
   レーザ。
3. 【請求項３】 活性領域は、それぞれ厚さが互いに異な
   る複数の量子井戸層からなることを特徴とする請求項１
   または２記載の半導体レーザ。
4. 【請求項４】 活性領域は、一層の障壁層を挟んでｐ電
   極側とｎ電極側にあるそれぞれ一層の量子井戸層からな
   り、ｐ側の量子井戸層をｎ側の量子井戸層に比べて薄く
   したことを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ。
5. 【請求項５】 フィードバック機構は回折格子で構成さ
   れ、その結合係数を共振器の軸方向に沿って変化させた
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の
   半導体レーザ。
6. 【請求項６】 回折格子はその周期構造が活性領域の厚
   さが最も厚くなる領域付近で四分の一波長シフトさせた
   構成であることを特徴とする請求項５記載の半導体レー
   ザ。
7. 【請求項７】 回折格子の結合係数を共振器の中央付近
   で強くし、上記共振器のモードの電場の分布の幅を利得
   の分布の幅と等しいかあるいはそれより広くしたことを
   特徴とする請求項５または６記載の半導体レーザ。
8. 【請求項８】 活性領域と、導波路層と、クラッド層と
   を有し、電界を印加することにより光吸収係数を変調す
   る光変調器、及び活性領域と、導波路層と、クラッド層
   とフィードバック機構とを有し、光パルスを発生する半
   導体レーザを光軸を一致させて集積化した光変調器つき
   半導体レーザにおいて、上記半導体レーザの中央付近の
   量子井戸層の厚さを厚くし、かつ同じ領域で回折格子の
   結合係数を高くしたことを特徴とする光変調器つき半導
   体レーザ。