JP3505509B2 - Semiconductor light emitting device, semiconductor light emitting device, and method for modulating semiconductor light emitting device - Google Patents

Semiconductor light emitting device, semiconductor light emitting device, and method for modulating semiconductor light emitting device

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JP3505509B2
JP3505509B2 JP2000401628A JP2000401628A JP3505509B2 JP 3505509 B2 JP3505509 B2 JP 3505509B2 JP 2000401628 A JP2000401628 A JP 2000401628A JP 2000401628 A JP2000401628 A JP 2000401628A JP 3505509 B2 JP3505509 B2 JP 3505509B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高速変調された入
力光により入力光と異なる波長の出力光が高速変調され
る半導体発光素子、この半導体発光素子を用いた半導体
発光装置、更にはこの半導体発光素子を高速に変調する
ための変調方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor light emitting device in which output light having a wavelength different from that of input light is modulated at high speed by high speed modulated input light, a semiconductor light emitting device using this semiconductor light emitting device, and further this semiconductor. The present invention relates to a modulation method for modulating a light emitting element at high speed.

【0002】[0002]

【従来の技術】光技術の急激な進展により、大容量光伝
送技術が基幹ネットワークや光LANだけでなく、光ア
クセス系,マイクロ波ミリ波フォトニクス,ホームネッ
トワーク等にも応用されようとしている。これらのシス
テムでは、基幹系より遙かにコストが重要であり、高性
能かつ低価格の光源が必要である。さらに、ホームネッ
トワーク等への応用では、従来の光通信で使われていた
近赤外域だけでなく、可視光領域の利用も進むものと考
えられており、可視光領域でも近赤外域並に高速変調可
能な光源が必要になってきている。
2. Description of the Related Art Due to the rapid development of optical technology, large-capacity optical transmission technology is about to be applied not only to backbone networks and optical LANs but also to optical access systems, microwave millimeter-wave photonics, home networks and the like. In these systems, the cost is far more important than the backbone system, and a high-performance and low-cost light source is required. Furthermore, in applications such as home networks, it is considered that not only the near-infrared region used in conventional optical communication but also the visible light region will be used. Modular light sources are needed.

【0003】しかし、従来の半導体光源の動作速度は、
電気的な容量や抵抗等により制限されており、光通信波
長では20GHz程度、可視波長域では数十MHzから
数GHz程度が限界であった。以下、マイクロ波フォト
ニクスとホームネットワークの例について、従来の技術
の課題について述べる。
However, the operating speed of the conventional semiconductor light source is
It is limited by electrical capacity, resistance, etc., and the optical communication wavelength is limited to about 20 GHz, and the visible wavelength region is limited to several tens MHz to several GHz. The problems of the related art will be described below with respect to examples of microwave photonics and home networks.

【0004】現在、モバイルインターネットの急激な普
及が進んでおり、将来、高速無線アクセス,超高速無線
LAN,無線ホームリンク,ITSなどで、22GHz
帯,26GHz帯,38GHz帯,60GHz帯などの
ミリ波を利用した帯域拡大が必要になると考えられてい
る。ミリ波の届く範囲が狭いという局在性も、加入者数
を増やす上で重要な要素となる。ミリ波の伝送には、長
距離伝送しても減衰が小さく多重化により大容量伝送が
可能な、光ファイバを用いたROF(Radio OnFiber)
技術の導入が必須と考えられており、その実現には低価
格のミリ波送信用アナログ光源が必要とされている。
At present, the mobile Internet is rapidly spreading, and in the future, 22 GHz will be used for high speed wireless access, ultra high speed wireless LAN, wireless home link, ITS, etc.
It is considered that band expansion using millimeter waves such as band, 26 GHz band, 38 GHz band, and 60 GHz band is required. The locality of the narrow range of millimeter waves is also an important factor in increasing the number of subscribers. For millimeter-wave transmission, ROF (Radio OnFiber) using optical fiber, which has small attenuation even after long-distance transmission and enables large-capacity transmission by multiplexing
The introduction of technology is considered essential, and the realization of that requires a low-cost analog light source for millimeter-wave transmission.

【0005】半導体レーザは、キャリア注入レベルを上
げるに従って緩和振動周波数が増大するので、3dB変
調帯域も増大する。しかし、光パワーが強くなるに従っ
て利得飽和が生じるため、注入レベルが高すぎると逆に
帯域は減少する。光通信波長帯の半導体レーザの利得飽
和による限界帯域は、通常数十GHzである。しかし大
部分の場合、素子の3dB帯域はむしろCR時定数によ
り制限されている。活性層(半導体レーザの発光層)が
量子井戸の場合、活性層への光閉じ込めを強めるために
設けられた光導波層やSCH層にキャリアが蓄積され
る、いわゆる「キャリア輸送効果」によっても、変調帯
域が制限されることがある。
In the semiconductor laser, the relaxation oscillation frequency increases as the carrier injection level increases, so that the 3 dB modulation band also increases. However, since the gain saturation occurs as the optical power becomes stronger, the band decreases conversely when the injection level is too high. The limit band due to gain saturation of the semiconductor laser in the optical communication wavelength band is usually several tens GHz. However, in most cases, the 3 dB band of the device is rather limited by the CR time constant. When the active layer (light emitting layer of the semiconductor laser) is a quantum well, carriers are accumulated in an optical waveguide layer or an SCH layer provided to enhance optical confinement in the active layer, so-called "carrier transport effect", The modulation band may be limited.

【0006】これらの要因により通信用半導体レーザの
3dB帯域は、数GHzから20数GHzの範囲に制限
されている。他の波長の半導体レーザよりは高速動作可
能であるが、それでもミリ波帯(22GHz以上)での
光変調には帯域が不十分である。このため、ミリ波帯で
は半導体電界吸収(EA)型光変調器や、LiNbO3
等のマッハツェンダ干渉計(MZ)型光変調器を用いた
実験が進められている。しかし、ミリ波帯(22GHz
〜60GHz)で動作する高速光変調器モジュールは、
高周波駆動回路や接続部の実装が困難であり、高価で量
産性が低く、とても実用的と言える状況ではない。
Due to these factors, the 3 dB band of the semiconductor laser for communication is limited to a range of several GHz to 20 GHz. Although it can operate at higher speed than semiconductor lasers of other wavelengths, the band is still insufficient for optical modulation in the millimeter wave band (22 GHz or higher). Therefore, in the millimeter wave band, a semiconductor electro-absorption (EA) type optical modulator or LiNbO 3 is used.
Experiments using a Mach-Zehnder interferometer (MZ) type optical modulator such as the above are under way. However, the millimeter wave band (22 GHz
High speed optical modulator module operating at ~ 60 GHz)
It is difficult to mount the high frequency drive circuit and the connection part, and it is not practical because it is expensive and the mass productivity is low.

【0007】一方、ホームリンクや光LANでは、プラ
スチック光ファイバ(POF)を利用した低価格光リン
クへの期待が高まっている。POFの低損失波長帯とし
ては、650nm帯,570nm帯,500nm帯があ
る。比較的変調速度が低い場合は光源として発光ダイオ
ード(LED)が、変調速度が高い場合には半導体レー
ザが使われる。
On the other hand, in home links and optical LANs, expectations for low cost optical links using plastic optical fibers (POF) are increasing. The low loss wavelength band of POF includes a 650 nm band, a 570 nm band, and a 500 nm band. A light emitting diode (LED) is used as a light source when the modulation speed is relatively low, and a semiconductor laser is used when the modulation speed is high.

【0008】可視領域の半導体レーザは、電極抵抗が大
きかったり、ドナーやアクセプターの準位が深かった
り、キャリアが越えるべきヘテロ障壁が大きかったりし
て、近赤外域の半導体レーザと比べて直列抵抗が大きく
なる傾向がある。また、構造上、活性層(発光層)スト
ライプ幅やメサ幅が広く、不連続の大きなヘテロ接合界
面にパイルアップするキャリアの数も多いので、近赤外
域の半導体レーザより並列容量が大きくなる傾向があ
る。従って、高注入で緩和周波数を上げたとしても、給
電系のCR時定数による制限のため、数GHz以上の高
速変調を行うことは困難であった。
Since the semiconductor laser in the visible region has a large electrode resistance, the donor and acceptor levels are deep, and the hetero barriers that carriers must pass through are large, the semiconductor laser has a series resistance higher than that of the semiconductor laser in the near infrared region. Tends to grow. In addition, because of the structure, the active layer (light emitting layer) has a wide stripe width and mesa width, and the number of carriers piled up at a heterojunction interface with large discontinuities is large, so the parallel capacitance tends to be larger than in the near infrared semiconductor laser. There is. Therefore, even if the relaxation frequency is increased by high injection, it is difficult to perform high-speed modulation of several GHz or more due to the limitation due to the CR time constant of the power feeding system.

【0009】いずれにせよ、高周波信号や高速信号の駆
動回路や実装はコスト高の原因となる。
In any case, driving circuits and mountings for high-frequency signals and high-speed signals cause high cost.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の半
導体光源の動作速度は、電気的なCR時定数,キャリア
輸送効果などの現象により制限されており、一般的な構
造では、光通信波長で20GHz程度、可視波長域で数
十MHzから数GHz程度が限界であった。また、光通
信波長においては、数十GHzのミリ波帯で動作可能な
光変調器を作製することは可能であったが、量産性やコ
ストの点で実用的ではなかった。
As described above, the operating speed of the conventional semiconductor light source is limited by the phenomena such as the electric CR time constant and the carrier transport effect. The limit is about 20 GHz, and several tens of MHz to several GHz in the visible wavelength range. Further, although it was possible to manufacture an optical modulator capable of operating in the millimeter wave band of several tens GHz at the optical communication wavelength, it was not practical in terms of mass productivity and cost.

【0011】本発明は、上記の課題を鑑みて考案された
ものであり、その目的とするところは、数GHzから数
十GHz(ミリ波帯)の高速変調が可能な半導体光源と
して用いることのできる半導体発光素子、この半導体素
子を用いた半導体発光装置、更にはこの半導体発光素子
を変調するための変調方法を提供することにある。
The present invention has been devised in view of the above problems, and an object thereof is to use it as a semiconductor light source capable of high-speed modulation of several GHz to several tens GHz (millimeter wave band). An object of the present invention is to provide a semiconductor light emitting element that can be used, a semiconductor light emitting device using the semiconductor element, and a modulation method for modulating the semiconductor light emitting element.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】(構成)上記課題を解決
するために本発明は次のような構成を採用している。即
ち本発明は、発光層とすべき第1の半導体層を有する発
光領域と、この発光領域を挟んで形成された第1の半導
体層よりも禁制帯幅の広い第2及び第3の半導体層と、
第1の半導体層に電子と正孔を電気的に注入して発光さ
せる手段とを具備した半導体発光素子であって、第1の
半導体層の近傍に少なくとも第4の半導体層と該第4の
半導体層よりも禁制帯幅の狭い第5の半導体層からなる
量子井戸層が形成されており、該量子井戸層は第1の半
導体層における発光波長とは異なるサブバンド間吸収波
長を有していることを特徴とする半導体発光素子であ
る。
(Structure) In order to solve the above problems, the present invention adopts the following structure. That is, according to the present invention, a light emitting region having a first semiconductor layer to be a light emitting layer and second and third semiconductor layers having a forbidden band width wider than the first semiconductor layer formed so as to sandwich the light emitting region. When,
A semiconductor light emitting device comprising means for electrically injecting electrons and holes into a first semiconductor layer to emit light, wherein at least a fourth semiconductor layer and a fourth semiconductor layer are provided in the vicinity of the first semiconductor layer. A quantum well layer including a fifth semiconductor layer having a narrower forbidden band than the semiconductor layer is formed, and the quantum well layer has an intersubband absorption wavelength different from the emission wavelength of the first semiconductor layer. It is a semiconductor light emitting device characterized in that

【0013】上記半導体発光素子の好ましい実施態様と
しては、以下のようなものがある。量子井戸層と第2及
び第3の半導体層の間に、サブバンド間吸収により励起
サブバンドに励起されたキャリアが第2及び第3の半導
体層(クラッド層、光導波層など)にあふれ出すのを防
止するための手段が設けられている。その具体例には、
該当するキャリアに対するヘテロ障壁、超格子構造の多
重量子障壁層などがある。
Preferred embodiments of the semiconductor light emitting device are as follows. Between the quantum well layer and the second and third semiconductor layers, carriers excited in the excitation subband due to intersubband absorption overflow into the second and third semiconductor layers (cladding layer, optical waveguide layer, etc.). Means are provided to prevent this. Specific examples include:
There are hetero barriers for corresponding carriers, multiple quantum barrier layers with superlattice structure, and the like.

【0014】また本発明は、発光層とすべき第1の半導
体層を有する第1の量子井戸層が複数層積層配置された
発光領域と、この発光領域を挟んで形成された第1の半
導体層よりも禁制帯幅の広い第2及び第3の半導体層
と、第1の半導体層に電子と正孔を電気的に注入して発
光させる手段とを具備した半導体発光素子であって、隣
接する第1の量子井戸層間に少なくとも第4の半導体層
と該第4の半導体層よりも禁制帯幅の狭い第5の半導体
層からなる第2の量子井戸層がそれぞれ形成されてお
り、第2の量子井戸層は第1の量子井戸層における発光
波長とは異なるサブバンド間吸収波長を有していること
を特徴とする半導体発光素子である。
Further, according to the present invention, a light emitting region in which a plurality of first quantum well layers having a first semiconductor layer to be a light emitting layer are stacked and arranged, and a first semiconductor formed by sandwiching the light emitting region. What is claimed is: 1. A semiconductor light emitting device, comprising: second and third semiconductor layers having a forbidden band width wider than that of a layer; and means for electrically injecting electrons and holes into the first semiconductor layer to emit light. Second quantum well layers each including at least a fourth semiconductor layer and a fifth semiconductor layer having a bandgap narrower than that of the fourth semiconductor layer are formed between the first quantum well layers. Is a semiconductor light emitting device characterized by having an intersubband absorption wavelength different from the emission wavelength of the first quantum well layer.

【0015】上記半導体発光素子の好ましい実施態様と
しては、以下のようなものがある。第2の量子井戸層と
第2及び第3の半導体層の間に、サブバンド間吸収によ
り励起サブバンドに励起されたキャリアが第2及び第3
の半導体層(クラッド層、光導波層など)にあふれ出す
のを防止するための手段が設けられている。その具体例
には、該当するキャリアに対するヘテロ障壁、超格子構
造の多重量子障壁層などがある。
The preferred embodiments of the semiconductor light emitting device are as follows. Between the second quantum well layer and the second and third semiconductor layers, carriers excited in the excitation subband due to intersubband absorption are contained in the second and third semiconductor layers.
Means are provided for preventing the semiconductor layer from overflowing into the semiconductor layer (clad layer, optical waveguide layer, etc.). Specific examples thereof include a hetero barrier for a corresponding carrier, a multiple quantum barrier layer having a superlattice structure, and the like.

【0016】また本発明は、上記構成の半導体発光素子
に対し、第4及び第5の半導体層を有する量子井戸層の
サブバンド間吸収波長の帯域内の変調信号光を注入する
手段を設け、前記変調光の入力により第1の半導体層の
発光に寄与するキャリアの割合を変調することによって
発光光を変調することを特徴とする半導体発光装置であ
る。
Further, according to the present invention, means for injecting the modulated signal light within the band of the intersubband absorption wavelength of the quantum well layer having the fourth and fifth semiconductor layers is provided to the semiconductor light emitting device having the above structure, The semiconductor light emitting device is characterized in that the emitted light is modulated by modulating the ratio of carriers that contribute to the light emission of the first semiconductor layer by inputting the modulated light.

【0017】上記半導体発光装置の好ましい実施態様と
しては、以下ようなものがある。
The following are preferred embodiments of the semiconductor light emitting device.

【0018】(1)前記半導体発光素子と、サブバンド
間吸収波長の光を発生する光源とが、同一基体上に集積
化されている。この集積化は、同一基板上にモノリシッ
クに集積化されていてもよいし、別の基板上に形成され
た素子がハイブリッドに集積化されていてもよい。
(1) The semiconductor light emitting element and a light source that emits light having an absorption wavelength between subbands are integrated on the same substrate. This integration may be monolithically integrated on the same substrate, or elements formed on another substrate may be hybridly integrated.

【0019】(2)半導体発光素子の外部から第2の量
子井戸層にサブバンド間吸収波長の光を結合する手段が
設けられている。光を結合するための手段の具体例とし
ては、劈開やエッチングで形成された光導波構造の端
面、入射光に対する低反射率コーティング、光ファイ
バ、レンズ、光フィルタ、光カプラ、合波器、偏光ビー
ムスプリッター、光サーキュレータ、光アイソレータ、
光導波路、回折格子などがある。
(2) Means for coupling light having an absorption wavelength between sub-bands is provided from the outside of the semiconductor light emitting device to the second quantum well layer. Specific examples of the means for coupling light include an end face of an optical waveguide structure formed by cleavage or etching, a low reflectance coating for incident light, an optical fiber, a lens, an optical filter, an optical coupler, a multiplexer, and a polarization device. Beam splitter, optical circulator, optical isolator,
There are optical waveguides and diffraction gratings.

【0020】また本発明は、上記構成の半導体発光素子
に対し、第4及び第5の半導体層を有する量子井戸層の
サブバンド間吸収波長の帯域内にある変調信号光と該変
調信号光と所定の周波数だけ中心周波数が異なるCW光
を注入する手段を設け、前記変調信号光と前記CW光の
ビートで第1の半導体層内の発光に寄与するキャリアの
割合を変調することにより発光光を変調すること特徴と
する半導体発光装置である。
Further, according to the present invention, with respect to the semiconductor light emitting device having the above structure, the modulated signal light within the band of the absorption wavelength between subbands of the quantum well layer having the fourth and fifth semiconductor layers and the modulated signal light are provided. A means for injecting CW light having a different center frequency by a predetermined frequency is provided, and the emitted light is emitted by modulating the ratio of carriers contributing to light emission in the first semiconductor layer by the beat of the modulated signal light and the CW light. A semiconductor light emitting device characterized by being modulated.

【0021】上記半導体発光装置の好ましい実施態様と
しては、以下ようなものがある。 (1)前記半導体発光素子とサブバンド間吸収波長の光
を発生する光源とが、同一基体上に集積化されている。
この集積化は、同一基板上にモノリシックに集積化され
ていてもよいし、別の基板上に形成された素子がハイブ
リッドに集積化されていてもよい。
The following are preferred embodiments of the semiconductor light emitting device. (1) The semiconductor light emitting device and a light source that emits light having an absorption wavelength between sub-bands are integrated on the same substrate.
This integration may be monolithically integrated on the same substrate, or elements formed on another substrate may be hybridly integrated.

【0022】(2)半導体発光素子の外部から第2の量
子井戸層にサブバンド間吸収波長の光を結合する手段が
設けられている。光を結合するための手段の具体例とし
ては、劈開やエッチングで形成された光導波構造の端
面、入射光に対する低反射率コーティング、光ファイ
バ、レンズ、光フィルタ、光カプラ、合波器、偏光ビー
ムスプリッター、光サーキュレータ、光アイソレータ、
光導波路、回折格子などがある。
(2) A means for coupling light having an absorption wavelength between subbands from the outside of the semiconductor light emitting device is provided to the second quantum well layer. Specific examples of the means for coupling light include an end face of an optical waveguide structure formed by cleavage or etching, a low reflectance coating for incident light, an optical fiber, a lens, an optical filter, an optical coupler, a multiplexer, and a polarization device. Beam splitter, optical circulator, optical isolator,
There are optical waveguides and diffraction gratings.

【0023】また本発明は、上記構成の半導体発光素子
を駆動する際に発光光を変調するための半導体発光素子
の変調方法において、第4及び第5の半導体層を有する
量子井戸層のサブバンド間吸収波長帯域内の変調信号光
を注入して第1の半導体層の発光に寄与するキャリアの
割合を変調することにより、前記半導体発光素子におけ
る発光光を変調することを特徴とする変調方法である。
The present invention also provides a semiconductor light-emitting device modulation method for modulating emitted light when driving a semiconductor light-emitting device having the above structure, wherein a sub-band of a quantum well layer having fourth and fifth semiconductor layers is provided. A modulation method characterized by modulating the emission light in the semiconductor light-emitting element by injecting a modulation signal light in the inter-absorption wavelength band to modulate the ratio of carriers contributing to the emission of the first semiconductor layer. is there.

【0024】上記変調方法の好ましい実施態様として
は、以下ようなものがある。 (1)変調信号光がアナログ的に変調されていること。 (2)入力される変調信号光のパワーが、サブバンド間
吸収を部分的に飽和させる程度に強いこと。
The following is a preferred embodiment of the above-mentioned modulation method. (1) The modulated signal light is modulated in an analog manner. (2) The power of the input modulated signal light is strong enough to partially saturate the intersubband absorption.

【0025】また本発明は、上記構成の半導体発光素子
を駆動する際に発光光を変調するための半導体発光素子
の変調方法において、第4及び第5の半導体層を有する
量子井戸層のサブバンド間吸収波長の帯域内にある変調
信号光と該変調信号光と所定の周波数だけ中心周波数が
異なるCW光とを注入し、この変調信号光とCW光のビ
ートで、第1の半導体層内の発光に寄与するキャリアの
割合を変調することにより、前記半導体発光素子におけ
る発光光を変調することを特徴とする変調方法である。
The present invention also provides a semiconductor light emitting device modulation method for modulating emitted light when driving a semiconductor light emitting device having the above-mentioned structure, wherein a subband of a quantum well layer having fourth and fifth semiconductor layers is used. The modulated signal light within the band of the inter-absorption wavelength and the CW light having a center frequency different from the modulated signal light by a predetermined frequency are injected, and the beat of the modulated signal light and the CW light causes The modulation method is characterized in that the emitted light in the semiconductor light emitting element is modulated by modulating the ratio of carriers contributing to light emission.

【0026】上記変調方法の好ましい実施態様として
は、以下ようなものがある。 (1)変調信号光がアナログ的に変調されていること。 (2)注入されるCW光のパワーがサブバンド間吸収を
部分的に飽和させる程度に強く、かつ変調信号光のパワ
ーがこのCW光より十分に(最低二桁)小さいこと。
The following are preferred embodiments of the modulation method. (1) The modulated signal light is modulated in an analog manner. (2) The power of the injected CW light is strong enough to partially saturate the inter-subband absorption, and the power of the modulated signal light is sufficiently smaller (at least two digits) than this CW light.

【0027】(作用)本発明の半導体発光素子が半導体
レーザである場合、従来の半導体発光素子同様、CW電
流で第1の半導体層に電子と正孔を蓄積して反転分布を
形成することで、誘導放出によるレーザ発振を生じる。
レーザ発振状態にある活性層内の総キャリア密度は殆ど
変化せず、発振しきい状態より過剰に注入されたキャリ
ア(電子と正孔の対)の数にほぼ相当する数のフォトン
が出力される。
(Operation) When the semiconductor light emitting device of the present invention is a semiconductor laser, electrons and holes are accumulated in the first semiconductor layer by a CW current to form a population inversion as in the conventional semiconductor light emitting device. , Laser oscillation due to stimulated emission occurs.
The total carrier density in the active layer in the laser oscillation state hardly changes, and the number of photons corresponding to the number of carriers (pair of electrons and holes) injected in excess of the oscillation threshold state is output. .

【0028】この状態で、第4及び第5の半導体層を有
する量子井戸層にサブバンド間吸収波長帯域内の信号光
を注入すると、電子又は正孔のサブバンド間吸収により
第5の半導体層(井戸層)のサブバンド間のキャリア分
布が変調され、その結果、井戸層の基底サブバンドと平
衡している第1の半導体層の発光に寄与するキャリアの
割合も変調される。変調効率は、入力信号光のパワーが
サブバンド間吸収を部分的に飽和させる程度の場合に、
最も高くなる。
In this state, when the signal light within the intersubband absorption wavelength band is injected into the quantum well layer having the fourth and fifth semiconductor layers, the fifth semiconductor layer is absorbed by the intersubband absorption of electrons or holes. The carrier distribution between the sub-bands of the (well layer) is modulated, and as a result, the proportion of carriers contributing to light emission of the first semiconductor layer in equilibrium with the base sub-band of the well layer is also modulated. The modulation efficiency is such that when the power of the input signal light partially saturates the absorption between subbands,
The highest.

【0029】このとき、下の基底サブバンドから上の励
起サブバンドに励起されたキャリアがクラッド層ないし
光導波層(第2及び第3の半導体層)にあふれ出なけれ
ば、活性層内のキャリアの総数は殆ど変化しないから、
この変調はキャリア寿命にも、CR時定数にも、キャリ
ア輸送効果にも殆ど影響されない。
At this time, if the carriers excited from the lower base subband to the upper excitation subband do not overflow into the cladding layer or the optical waveguide layer (second and third semiconductor layers), the carriers in the active layer. The total number of
This modulation is almost unaffected by carrier lifetime, CR time constant, and carrier transport effect.

【0030】サブバンド間緩和時間はバンド間の緩和時
間(キャリア寿命)と比べて3桁程度高速であり、時定
数は1ps前後である。特に半導体量子井戸層が窒化物
半導体からなる場合は、時定数が数百fsオーダーとな
り、極めて高速の応答が実現できる。サブバンド間キャ
リア分布変調の遮断周波数fcは、おおむね1/(緩和
時間×2π)で表されるから、緩和時間が2psの場合
で80GHz、緩和時間が200fsの場合で800G
Hzと広帯域である。
The intersubband relaxation time is about three orders of magnitude faster than the interband relaxation time (carrier life), and the time constant is around 1 ps. In particular, when the semiconductor quantum well layer is made of a nitride semiconductor, the time constant is on the order of several hundred fs, and extremely fast response can be realized. The cutoff frequency fc of the carrier distribution modulation between subbands is generally expressed by 1 / (relaxation time × 2π), and therefore 80 GHz when the relaxation time is 2 ps and 800 G when the relaxation time is 200 fs.
It is wide band at Hz.

【0031】キャリアのトンネリング結合等を適切に設
計すれば、第1の半導体層と第5の半導体層の間でのキ
ャリアの移動速度を数ps、あるいはそれ以下にできる
ので、キャリアの移動にかかる時間を考慮しても、数十
GHzの変調が可能である。
If the carrier tunneling coupling and the like are properly designed, the carrier moving speed between the first semiconductor layer and the fifth semiconductor layer can be set to several ps or less, so that the carrier transfer is required. Even with time taken into consideration, modulation of several tens of GHz is possible.

【0032】レーザ構造の工夫とバイアス電流の適切な
設定により、緩和振動周波数も数十GHzにできる。但
し、しきい値近くまで振り込んだ場合には緩和振動周波
数が大きく低下するので、本発明は、しきい値以下かし
きい値近傍までデジタル的に変調を行う場合よりも、比
較的高バイアス条件でアナログ変調を行う場合に効果が
大きい。
The relaxation oscillation frequency can be set to several tens GHz by devising the laser structure and appropriately setting the bias current. However, since the relaxation oscillation frequency is greatly reduced when it is transferred near the threshold value, the present invention has a relatively high bias condition as compared with the case where digital modulation is performed up to or below the threshold value or near the threshold value. Great effect when analog modulation is performed.

【0033】サブバンド間吸収帯域内の二つの波長で光
が入力された場合、この二つの入力光のビート周波数が
サブバンド間吸収による遮断周波数(数十GHz)と同
程度以下であれば、第1の半導体層の発光に寄与するキ
ャリア数がこのビート周波数で変調される。従って、一
方の入力光がCW光で、もう一方の入力光が数百MHz
で変調されている場合、ミリ波帯の中間周波数(ビート
周波数)で変調された光が出力される。
When light is input at two wavelengths within the absorption band between subbands, if the beat frequencies of these two input lights are equal to or lower than the cutoff frequency (several tens of GHz) due to absorption between subbands, The number of carriers contributing to light emission of the first semiconductor layer is modulated at this beat frequency. Therefore, one input light is CW light and the other input light is several hundred MHz
When modulated with, the light modulated at the intermediate frequency (beat frequency) in the millimeter wave band is output.

【0034】このとき、CW光のパワーがサブバンド間
吸収を部分的に飽和させる程度に強く、かつ変調信号光
のパワーがこのCW光より十分に小さい場合にのみ、高
効率で線形性の良い変調が可能となる。変調信号光のパ
ワーが強すぎると、線形性が損なわれ、高調波成分が増
大する。また、出力光のキャリア成分も変調信号光によ
るベースバンド変調でスペクトルが広がってしまう。
At this time, only when the power of the CW light is strong enough to partially saturate the absorption between sub-bands, and the power of the modulated signal light is sufficiently smaller than this CW light, the efficiency is high and the linearity is good. Modulation is possible. If the power of the modulated signal light is too strong, the linearity is lost and the harmonic component increases. Moreover, the spectrum of the carrier component of the output light is also widened by the baseband modulation by the modulated signal light.

【0035】かくして本発明によれば、電気的な変調限
界を超える超高速変調が可能な半導体発光素子を実現す
ることができ、数GHz帯からミリ波帯で動作する半導
体発光素子が実現される。変調により出射光のパワーが
変化するが、同時にその発振周波数や位相も変化するの
で、本発明は強度変調のみならず、周波数変調や位相変
調に応用することもできる。
Thus, according to the present invention, it is possible to realize a semiconductor light emitting device capable of ultra-high-speed modulation exceeding the electrical modulation limit, and to realize a semiconductor light emitting device operating in the several GHz band to the millimeter wave band. . The power of the emitted light changes due to the modulation, but at the same time, the oscillation frequency and the phase thereof also change. Therefore, the present invention can be applied to not only the intensity modulation but also the frequency modulation and the phase modulation.

【0036】なお、本発明を可視半導体レーザのような
CR制限等で電気的には1GHz以下の変調しかできな
いような半導体発光素子の高速化に適用する場合におい
ては、第1の半導体層と第5の半導体層の間のキャリア
平衡による周波数制限や緩和振動周波数をそれほど高め
る必要はなく、数GHzの応答があれば十分である。
In the case where the present invention is applied to the speedup of a semiconductor light emitting device such as a visible semiconductor laser which can only electrically modulate at 1 GHz or less due to CR limitation or the like, in the first semiconductor layer and the first semiconductor layer, It is not necessary to increase the frequency limitation due to carrier balance between the semiconductor layers of No. 5 and the relaxation oscillation frequency so much, and a response of several GHz is sufficient.

【0037】本発明は、増幅された誘導放出光(AS
E)を出力する半導体発光素子、発光ダイオード(LE
D)等にも適用することが可能である。この場合、活性
層のキャリア密度をクランプする機構は働かない。特
に、LEDではキャリア寿命の影響を受けることにな
る。しかし、キャリア寿命が短く、電気的なCR時定数
やキャリア輸送効果が応答速度の支配的な制限要因にな
っている場合には、本発明により応答速度を格段に向上
させることができる。
The present invention is directed to amplified stimulated emission light (AS
E) semiconductor light emitting device, light emitting diode (LE)
It can also be applied to D) and the like. In this case, the mechanism for clamping the carrier density of the active layer does not work. In particular, the LED is affected by the carrier life. However, in the case where the carrier life is short and the electric CR time constant and the carrier transport effect are the dominant limiting factors of the response speed, the present invention can remarkably improve the response speed.

【0038】[0038]

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細を図示の実施
形態によって説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The details of the present invention will be described below with reference to the illustrated embodiments.

【0039】(第1の実施形態)図1は、本発明の第1
の実施形態に係わる半導体発光素子(分布帰還形(DF
B)半導体レーザ)の発光領域1付近のバンド構造を模
式的に示す図である。なお、説明のために見やすく描い
ているため、厚さやエネルギーのスケール、バンドの曲
がり具合等は正確でない。
(First Embodiment) FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
Of the semiconductor light-emitting device (distributed feedback type (DF
(B) A semiconductor laser) is a diagram schematically showing a band structure near a light emitting region 1. Note that the thickness, the scale of energy, the bending degree of the band, etc. are not accurate because they are drawn for easy understanding.

【0040】この発光領域(活性層)1は、InGaA
sP井戸層2(第1の半導体層)とこの井戸層2より禁
制帯幅の広いInGaAsP障壁層3からなる第1の量
子井戸層4と、二つのInGaAs井戸層(第5の半導
体層)5とその間に形成された薄い歪AlAs中間障壁
層6がAlAsSb障壁層(第4の半導体層)7に挟ま
れてなる結合量子井戸層(第2の量子井戸層)8とが、
交互に積層されてなる。この発光領域1の下部にはn型
InGaAsP光導波層(第2の半導体層)9が、上部
にはp型InGaAsP光導波層(第3の半導体層)1
0が積層されている。
The light emitting region (active layer) 1 is made of InGaA.
A first quantum well layer 4 including an sP well layer 2 (first semiconductor layer) and an InGaAsP barrier layer 3 having a band gap wider than the well layer 2, and two InGaAs well layers (fifth semiconductor layer) 5 And a coupled quantum well layer (second quantum well layer) 8 in which the thin strained AlAs intermediate barrier layer 6 formed between them is sandwiched between AlAsSb barrier layers (fourth semiconductor layer) 7.
It is laminated alternately. An n-type InGaAsP optical waveguide layer (second semiconductor layer) 9 is provided below the light emitting region 1, and a p-type InGaAsP optical waveguide layer (third semiconductor layer) 1 is provided above the light emitting region 1.
0 is stacked.

【0041】AlAsSb障壁層7のうち最も外側の層
7a,7bは、他の障壁層部分よりも厚くなっており、
励起サブバンドの電子がクラッド層へあふれ出すのを抑
制している。なお、図1ではInGaAs井戸層5の正
孔に対するポテンシャル(価電子帯)がAlAsSb障
壁層6の価電子帯より高くなる場合(タイプIIの量子井
戸)について示したが、この価電子帯のエネルギーの高
低は逆転していてもよい(タイプIの量子井戸)。
The outermost layers 7a and 7b of the AlAsSb barrier layer 7 are thicker than the other barrier layer portions,
The electrons in the excited subband are prevented from overflowing into the cladding layer. 1 shows the case where the potential (valence band) of holes in the InGaAs well layer 5 is higher than the valence band of the AlAsSb barrier layer 6 (type II quantum well). The heights of can be reversed (type I quantum well).

【0042】InGaAsP井戸層2とのトンネリング
結合がない場合、各結合量子井戸層8の伝導帯には二つ
ずつ近接した計四つのサブバンドが形成されている。一
番低エネルギーの基底サブバンドから一番高エネルギー
のサブバンドまでのエネルギー差は約0.8eVであ
り、波長1.55μm付近でサブバンド間吸収を生じ
る。このような構造の結合量子井戸で1.55μm帯の
サブバンド間吸収が実現できることは、文献(例えば、
A. Neogi, et al., IEEE Photonics Technology Letter
s, Vol. 11, No. 6, pp. 632-634)に述べられている。
結合量子井戸層8のバンド間吸収は、井戸層を薄くして
吸収端波長を1.2μm以下にすれば、ここで考えてい
る波長1.3μmと1.55μmの光に影響しない。
When there is no tunneling coupling with the InGaAsP well layer 2, a total of four subbands are formed in the conduction band of each coupled quantum well layer 8 so that two subbands are adjacent to each other. The energy difference from the lowest energy base subband to the highest energy subband is about 0.8 eV, and intersubband absorption occurs near the wavelength of 1.55 μm. The fact that inter-subband absorption in the 1.55 μm band can be realized with a coupled quantum well having such a structure is described in the literature (for example,
A. Neogi, et al., IEEE Photonics Technology Letter
s, Vol. 11, No. 6, pp. 632-634).
The band-to-band absorption of the coupled quantum well layer 8 does not affect the wavelengths of 1.3 μm and 1.55 μm considered here, if the well layer is thinned and the absorption edge wavelength is set to 1.2 μm or less.

【0043】各InGaAsP井戸層2の伝導帯の最低
サブバンドと隣接する結合量子井戸層8の低い方の二つ
のサブバンドは、ほぼ同じエネルギーになっており、ト
ンネリングにより結合して複数の準位に分裂している。
しかし、これらの準位のエネルギーは近接しているの
で、以下の説明では、これらの準位をまとめて一つのミ
ニバンドとして扱うことにする。
The lowest subband of the conduction band of each InGaAsP well layer 2 and the two lower subbands of the coupled quantum well layer 8 adjacent to each other have almost the same energy, and are coupled by tunneling to form a plurality of levels. Is divided into
However, since the energies of these levels are close to each other, these levels will be collectively treated as one miniband in the following description.

【0044】図2は、このDFB半導体レーザの発光方
向に沿った断面模式図である。n型InGaAaP光導
波層9の下部にはn型InPクラッド層11とn型In
P基板12があり、n型InP基板12の下部にはn型
オーミック電極13が形成されている。n型InGaA
sP光導波層9とn型InPクラッド層11との界面に
は、波長1.3μm帯で単一モード発振させるための回
折格子14が形成されている。また、p型InGaAs
P光導波層10の上にはp型InPクラッド層15とp
型InGaAsPコンタクト層16が積層されており、
その上部にはp型オーミック電極17が形成されてい
る。
FIG. 2 is a schematic sectional view taken along the light emitting direction of the DFB semiconductor laser. Below the n-type InGaAaP optical waveguide layer 9, an n-type InP clad layer 11 and an n-type In are formed.
There is a P substrate 12, and an n-type ohmic electrode 13 is formed below the n-type InP substrate 12. n-type InGaA
At the interface between the sP optical waveguide layer 9 and the n-type InP clad layer 11, a diffraction grating 14 for oscillating a single mode in the wavelength band of 1.3 μm is formed. In addition, p-type InGaAs
A p-type InP clad layer 15 and a p-type InP clad layer 15 are formed on the P optical waveguide layer 10.
Type InGaAsP contact layer 16 is laminated,
A p-type ohmic electrode 17 is formed on top of it.

【0045】回折格子14の中央部付近には、四分の一
波長位相シフト部18が形成されている。また、両端面
には低反射コート膜19が形成されている。電極13,
17には電源回路が接続されており、InGaAsP井
戸層2は電流注入により波長1.3μm付近に利得を生
じ、回折格子14による共振効果で単一モード発振す
る。
A quarter wavelength phase shift portion 18 is formed near the center of the diffraction grating 14. Further, low-reflection coating films 19 are formed on both end surfaces. Electrode 13,
A power supply circuit is connected to 17, and the InGaAsP well layer 2 produces a gain in the vicinity of a wavelength of 1.3 μm by current injection and oscillates in a single mode due to the resonance effect of the diffraction grating 14.

【0046】図には示されていないが、n型InPクラ
ッド層11,n型InGaAsP光導波層9,発光領域
1,p型InGaAsP光導波層10,p型InPクラ
ッド層15,p型InGaAsPコンタクト層16はス
トライプ状に加工され、基板側からn型InP層,p型
InP層,n型InP層,p型InP層により埋め込ま
れており、ストライプ状の発光領域1に電流を集中でき
るようになっている。
Although not shown in the drawing, the n-type InP clad layer 11, the n-type InGaAsP optical waveguide layer 9, the light emitting region 1, the p-type InGaAsP optical waveguide layer 10, the p-type InP clad layer 15, and the p-type InGaAsP contact. The layer 16 is processed into a stripe shape, and is embedded with an n-type InP layer, a p-type InP layer, an n-type InP layer, and a p-type InP layer from the substrate side so that current can be concentrated in the stripe-shaped light emitting region 1. Has become.

【0047】図3はこの第1の実施形態に係わるDFB
半導体レーザを用いたミリ波光源の概略構成を示す図、
図4はその中の(a)点、(b)点、(c)点における
スペクトルを模式的に示す図である。
FIG. 3 shows the DFB according to the first embodiment.
A diagram showing a schematic configuration of a millimeter-wave light source using a semiconductor laser,
FIG. 4 is a diagram schematically showing spectra at points (a), (b), and (c) among them.

【0048】図1及び図2に示す構造のDFB半導体レ
ーザ20は、サブマウントを介してヒートシンク上に搭
載されており、光アイソレータ21、光フィルタ22、
入射光と出射光を分離するための偏波ビームスプリッタ
ー(PBS)23、モニタ受光素子24、温度センサー
やペルチェ素子からなる温度制御系25、入射光や出射
光を光ファイバに結合するための光結合系やファイバ・
ピグ・テール(図示せず)などと共に、レーザ・モジュ
ール26に格納されている。このレーザ・モジュール2
6には、DFB半導体レーザ20の駆動電流や温度を制
御するための制御回路27が接続されている。
The DFB semiconductor laser 20 having the structure shown in FIGS. 1 and 2 is mounted on a heat sink via a submount, and has an optical isolator 21, an optical filter 22, and an optical filter 22.
A polarization beam splitter (PBS) 23 for separating incident light and emitted light, a monitor light receiving element 24, a temperature control system 25 including a temperature sensor and a Peltier element, and light for coupling the incident light and the emitted light into an optical fiber. Coupling system or fiber
It is housed in the laser module 26 along with a pigtail (not shown) and the like. This laser module 2
A control circuit 27 for controlling the drive current and temperature of the DFB semiconductor laser 20 is connected to 6.

【0049】また、このレーザ・モジュール26には、
光ファイバ(図示せず),合波器28を介して、二個の
1.55μm帯のDFBレーザ29,30が接続されて
いる。DFBレーザ29には、多重化されたRFアナロ
グ信号(数十MHz〜数百MHz)でDFBレーザを駆
動するための信号多重化・駆動系31が接続されてい
る。また、二つのDFBレーザ29,30には、モニタ
受光素子24で得られるビート周波数とリファレンス周
波数の差を誤差信号として、DFBレーザ29,30か
らの出力光の周波数差を一定に保つ波長制御系32も接
続されている。
The laser module 26 also includes
Two 1.55 μm band DFB lasers 29 and 30 are connected via an optical fiber (not shown) and a multiplexer 28. A signal multiplexing / driving system 31 for driving the DFB laser with a multiplexed RF analog signal (several tens MHz to several hundreds MHz) is connected to the DFB laser 29. In addition, the two DFB lasers 29 and 30 have a wavelength control system that keeps the frequency difference of the output light from the DFB lasers 29 and 30 constant by using the difference between the beat frequency and the reference frequency obtained by the monitor light receiving element 24 as an error signal. 32 is also connected.

【0050】DFBレーザ29は、信号多重化・駆動系
31によりRF信号で変調され、波長1.55μm帯で
中心周波数ν1 の変調信号光を出力する。一方、もう一
つのDFBレーザ30は、ν1 から60GHz離れたC
W光を出力する。これら二つのDFBレーザ29,30
から出力された光は、合波器28で合波され、偏波ビー
ムスプリッター23を介してTMモードで本発明の第1
の実施形態に係わるDFB半導体レーザ20に入力され
る。
The DFB laser 29 is modulated by the RF signal by the signal multiplexing / driving system 31, and outputs the modulated signal light having the center frequency ν 1 in the wavelength band of 1.55 μm. On the other hand, the other DFB laser 30 has a C distance 60 GHz away from ν 1.
Outputs W light. These two DFB lasers 29, 30
The light output from the optical fiber is multiplexed by the multiplexer 28 and is transmitted through the polarization beam splitter 23 in the TM mode to the first mode of the present invention.
Is input to the DFB semiconductor laser 20 according to the embodiment.

【0051】合波器28で合波されたスペクトルを図4
(a)に示す。DFBレーザ30からのCW光パワー
は、DFB半導体レーザ20の結合量子井戸層8におけ
るサブバンド間吸収を部分的に飽和させるように設定さ
れているものとする。また、DFBレーザ29からの変
調信号光パワーは、DFBレーザ30の出力光パワーよ
り最低でも二桁小さく設定してあるものとする。
The spectrum multiplexed by the multiplexer 28 is shown in FIG.
It shows in (a). It is assumed that the CW light power from the DFB laser 30 is set so as to partially saturate the intersubband absorption in the coupled quantum well layer 8 of the DFB semiconductor laser 20. The modulation signal light power from the DFB laser 29 is set to be at least two orders of magnitude smaller than the output light power of the DFB laser 30.

【0052】第1の実施形態に係わるDFB半導体レー
ザ20は、緩和振動周波数が60GHz程度になるよう
にバイアスされており、1.3μm帯において中心周波
数ν 2 のTE基本モードで単一モード発振しているもの
とする。この発振波長は結合量子井戸層8のサブバンド
吸収の帯域外であり、しかもサブバンド間吸収はTMモ
ードに対してのみ生じるから、発振光に対する過剰損失
は殆ど無視できるレベルである。
DFB semiconductor laser according to the first embodiment
The 20 has a relaxation vibration frequency of about 60 GHz.
Biased to the center frequency in the 1.3 μm band
Number ν 2Single mode oscillation in TE basic mode
And This oscillation wavelength is a subband of the coupled quantum well layer 8.
It is outside the absorption band, and the absorption between sub-bands is TM
Excess loss for oscillation light
Is almost negligible.

【0053】このDFB半導体レーザ20に入射された
1.55μm帯のTMモード光は、結合量子井戸層8の
サブバンド間吸収で減衰を受けながら、発光領域1と光
導波層9,10により導波される。このサブバンド間吸
収により、発光領域1に注入された電子の一部が上のサ
ブバンドに励起され、その結果、InGaAsP井戸層
2の発光に寄与できる電子の割合が変調される。
The 1.55 μm band TM mode light incident on the DFB semiconductor laser 20 is guided by the light emitting region 1 and the optical waveguide layers 9 and 10 while being attenuated by the intersubband absorption of the coupled quantum well layer 8. Be waved. Due to this intersubband absorption, some of the electrons injected into the light emitting region 1 are excited to the upper subband, and as a result, the proportion of electrons that can contribute to the light emission of the InGaAsP well layer 2 is modulated.

【0054】しきい値以下まで振り込まなければ、発光
領域1内部の総キャリア密度は殆ど変化しないから、こ
の変調は、CR時定数にも、キャリア輸送効果にも殆ど
影響されない。サブバンド間緩和時間やトンネル時間は
psオーダーなので、二つの入射光のビート周波数であ
る60GHzに追従できる。従って、波長1.3μm帯
の出力光強度が60GHzのビート周波数で変調される
ことになる。変調信号光のパワーを小さく、CW入力光
のパワーを大きく設定してあるので、高効率で線形性の
良い変調が可能である。
Since the total carrier density in the light emitting region 1 hardly changes unless the transfer is performed below the threshold value, this modulation is hardly affected by the CR time constant and the carrier transport effect. Since the relaxation time between sub-bands and the tunnel time are ps order, it is possible to follow the beat frequency of 60 GHz of two incident lights. Therefore, the output light intensity in the 1.3 μm wavelength band is modulated at the beat frequency of 60 GHz. Since the power of the modulated signal light is set small and the power of the CW input light is set large, it is possible to perform modulation with high efficiency and good linearity.

【0055】出力された1.3μm帯(中心周波数
ν2 )の光は、光アイソレータ21と光フィルタ22を
通して出力される。光フィルタ22は変調側帯波の一方
をカットし、伝送用光ファイバの分散による二つのサイ
ドバンドの干渉を防止する。光フィルタ22の前後のス
ペクトルをそれぞれ図4(b)、図4(c)に示す。
The output light in the 1.3 μm band (center frequency ν 2 ) is output through the optical isolator 21 and the optical filter 22. The optical filter 22 cuts one of the modulated sidebands and prevents the interference of the two sidebands due to the dispersion of the transmission optical fiber. The spectra before and after the optical filter 22 are shown in FIGS. 4 (b) and 4 (c), respectively.

【0056】このように本実施形態によれば、発光に寄
与する第1の量子井戸層4と変調に寄与する第2の量子
井戸層8とを交互に積層して、発光光を高速変調可能に
した半導体発光素子を用いることにより、ミリ波帯で変
調可能な半導体光源が実現される。ミリ波帯の大電力駆
動回路や光変調器やシールドが不要なので、従来のミリ
波帯の光源と比べて低価格にできる。
As described above, according to this embodiment, the first quantum well layers 4 contributing to light emission and the second quantum well layers 8 contributing to modulation are alternately laminated to enable high-speed modulation of emitted light. By using the semiconductor light emitting device described above, a semiconductor light source that can be modulated in the millimeter wave band is realized. Since a millimeter-wave band high-power drive circuit, an optical modulator, and a shield are not required, the price can be lower than that of a conventional millimeter-wave band light source.

【0057】なお、本発明は上記の実施形態に限定され
るものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で様々な
変形が可能である。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist of the invention.

【0058】例えば、偏光スプリッターをDFB半導体
レーザ20とモニタ受光素子24の間に配置する代わり
に、DFB半導体レーザ20と光アイソレータ21の間
に配置して、1.3μm発振光の出射側から1.55μ
m帯の光を注入すれば、DFB半導体レーザ20の光結
合の調整が簡略化できる。
For example, instead of disposing the polarization splitter between the DFB semiconductor laser 20 and the monitor light receiving element 24, dispose it between the DFB semiconductor laser 20 and the optical isolator 21, and from the emission side of the 1.3 μm oscillation light, 1 .55μ
If the m-band light is injected, the adjustment of the optical coupling of the DFB semiconductor laser 20 can be simplified.

【0059】図5に示すように、1.55μm帯のDF
Bレーザ41,42やモニタ受光素子43と同一基体4
0上に集積化されていてもよい。この場合、1.55μ
m帯の入射光は光導波路44により1.3μm帯のDF
B半導体レーザ(発明の半導体発光素子)45に導かれ
る。その途中には、TEモードで発振した光をTMモー
ドに変換するための二分の一波長板46と、1.55μ
m帯の光は透過するが1.3μm帯の光は反射する波長
フィルタ47が挿入されており、DFB半導体レーザ4
5からの1.3μmの光はモニタ受光素子43へ導かれ
る。図には明示していないが、駆動回路や制御回路も同
一基体40上に集積化可能である。
As shown in FIG. 5, the DF in the 1.55 μm band
The same substrate 4 as the B lasers 41 and 42 and the monitor light receiving element 43
0 may be integrated. In this case, 1.55μ
The incident light of m band is DF of 1.3 μm band by the optical waveguide 44.
It is guided to the B semiconductor laser (semiconductor light emitting device of the invention) 45. Along the way, a half-wave plate 46 for converting the light oscillated in the TE mode into the TM mode and 1.55 μ
A wavelength filter 47 is inserted which transmits light in the m band but reflects light in the 1.3 μm band.
The 1.3 μm light from 5 is guided to the monitor light receiving element 43. Although not shown in the drawing, the drive circuit and the control circuit can be integrated on the same substrate 40.

【0060】また、本実施形態では、1.55μm帯の
DFBレーザが二個使用されていたが、一つのDFBレ
ーザの出力を分岐し、一方にはRF変調をかけ、他方は
60GHzだけ周波数をシフトし、再び合波するという
使い方もできる。また、変調信号を発生する光源にのみ
DFBレーザを使用し、CW光を発生する光源にはファ
イバレーザを使用してもよい。このCW光源は、複数の
半導体発光素子に共通の光源として、出力を増幅,分岐
して使うこともできる。中間周波数も60GHzに限定
されるものではない。ビートが干渉し合わないように設
定すれば、複数のRF周波数帯を多重化して利用するこ
とも可能である。
Further, in this embodiment, two DFB lasers in the 1.55 μm band are used, but the output of one DFB laser is branched, one of them is subjected to RF modulation, and the other has a frequency of 60 GHz. You can also use it to shift and combine again. Further, the DFB laser may be used only for the light source that generates the modulation signal, and the fiber laser may be used for the light source that generates the CW light. The CW light source can also be used by amplifying and branching the output as a light source common to a plurality of semiconductor light emitting elements. The intermediate frequency is also not limited to 60 GHz. If the beats are set so as not to interfere with each other, it is possible to multiplex and use a plurality of RF frequency bands.

【0061】また、本実施形態では、全てのInGaA
sP井戸層(発光層)2が結合量子井戸層(サブバンド
間吸収層)8とトンネリング結合していたが、それぞれ
の井戸層(発光層)を独立させ、各井戸層に複数のサブ
バンド吸収層を結合させてもよい。波長についても、
1.55μmと1.3μmの組み合わせに限定されるも
のではないし、材料や構造も本実施形態に限定されるも
のではない。
In the present embodiment, all InGaA are used.
Although the sP well layer (light emitting layer) 2 was tunneling-coupled with the coupled quantum well layer (intersubband absorption layer) 8, each well layer (light emitting layer) was made independent, and each well layer had a plurality of subband absorptions. The layers may be combined. Regarding the wavelength,
It is not limited to the combination of 1.55 μm and 1.3 μm, and the material and structure are not limited to those of the present embodiment.

【0062】(第2の実施形態)図6は、本発明の第2
の実施形態に係わる半導体発光素子(青色半導体レー
ザ)の活性層付近のバンド構造を模式的に示す図であ
る。なお、窒化物半導体ヘテロ構造中にはピエゾ電気効
果等に起因する大きなビルトイン電界が存在するが、説
明を簡単にするため、この図ではpn接合の拡散電位も
含め、電界を無視して描いている。また、図1の場合と
同様に、スケールも変形して描いている。
(Second Embodiment) FIG. 6 shows a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram schematically showing a band structure near an active layer of the semiconductor light emitting device (blue semiconductor laser) according to the embodiment of FIG. Although a large built-in electric field due to the piezoelectric effect or the like exists in the nitride semiconductor heterostructure, in order to simplify the explanation, in this figure, the electric field including the diffusion potential of the pn junction is neglected and drawn. There is. Also, as in the case of FIG. 1, the scale is also deformed and drawn.

【0063】ここに積層されている半導体層は、図の左
の方から、n型GaN井戸層51とAl0.2 Ga0.8
障壁層52からなるn型超格子クラッド層(第2の半導
体層)53、Al0.85Ga0.15N障壁層54,n型Ga
N層(第5の半導体層)55とAl0.85Ga0.15N層
(第4の半導体層)56からなるサブバンド間吸収量子
井戸層57、n型GaN層58、In0.18Ga0.82N井
戸層(第1の半導体層)59とIn0.05Ga0.95N障壁
層60からなる活性層(発光層)61、p型GaN層6
2、Al0.2 Ga0.8 N障壁層63、p型GaN井戸層
64とAl0.2 Ga0.8 N障壁層65からなるp型超格
子クラッド層(第3の半導体層)66である。
The semiconductor layers laminated here are n-type GaN well layer 51 and Al 0.2 Ga 0.8 N from the left side of the figure.
An n-type superlattice cladding layer (second semiconductor layer) 53 composed of the barrier layer 52, an Al 0.85 Ga 0.15 N barrier layer 54, an n-type Ga
An intersubband absorption quantum well layer 57 including an N layer (fifth semiconductor layer) 55 and an Al 0.85 Ga 0.15 N layer (fourth semiconductor layer) 56, an n-type GaN layer 58, an In 0.18 Ga 0.82 N well layer ( First semiconductor layer) 59 and In 0.05 Ga 0.95 N barrier layer 60 active layer (light emitting layer) 61, p-type GaN layer 6
2, a p-type superlattice clad layer (third semiconductor layer) 66 including an Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 63, a p-type GaN well layer 64 and an Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 65.

【0064】サブバンド間吸収量子井戸層57の伝導帯
には、基底サブバンド67と励起サブバンド68の二つ
のサブバンドが形成されており、その吸収波長は1.5
5μmである。なお、ここでは、複数の井戸のサブバン
ドがトンネリング結合して形成される準位群は、まとめ
て一つのサブバンドとして扱うこととする。AlGaN
/GaN量子井戸で波長1.55μm帯のサブバンド間
吸収が実現できることは、文献(例えば、C. Gmachl et
al., Applied Physics Lette, Vol. 77, No.23, pp. 3
722-3724)に示されている。
In the conduction band of the intersubband absorption quantum well layer 57, two subbands, a base subband 67 and an excitation subband 68, are formed, and their absorption wavelength is 1.5.
It is 5 μm. In addition, here, the level group formed by tunneling coupling of the sub-bands of a plurality of wells is collectively treated as one sub-band. AlGaN
/ GaN quantum wells can realize intersubband absorption in the wavelength band of 1.55 μm in the literature (eg, C. Gmachl et al.
al., Applied Physics Lette, Vol. 77, No.23, pp. 3
722-3724).

【0065】図7は、この青色半導体レーザの断面構造
を模式的に示す図である。上記の積層構造53〜66
は、サファイア基板71の上に積層されたn型GaN導
電層72の上に形成されている。p型超格子クラッド層
66の上部にはp型GaN導電層73が積層されてお
り、その上には、ストライプ状の開口部74を有するn
型GaN電流狭窄層75と、p型GaNコンタクト層7
6が積層されている。n型GaN導電層72とp型Ga
Nコンタクト層76の上には、それぞれオーミック電極
77,78が形成されている。n型超格子クラッド層5
3から上の層構造はストライプ状のメサ79に加工され
ており、劈開により形成された端面によりレーザ共振器
が形成されている。端面の一方には、波長1.55μm
の光は透過するが、波長0.41μm近傍の光は反射す
る誘電体多層膜(図示せず)が形成されている。
FIG. 7 is a diagram schematically showing the sectional structure of this blue semiconductor laser. The above laminated structure 53 to 66
Are formed on the n-type GaN conductive layer 72 laminated on the sapphire substrate 71. A p-type GaN conductive layer 73 is stacked on the p-type superlattice clad layer 66, and an n-shaped opening 74 is formed on the p-type GaN conductive layer 73.
-Type GaN current confinement layer 75 and p-type GaN contact layer 7
6 are stacked. n-type GaN conductive layer 72 and p-type Ga
Ohmic electrodes 77 and 78 are formed on the N contact layer 76, respectively. n-type superlattice cladding layer 5
The layer structure above 3 is processed into a stripe-shaped mesa 79, and a laser resonator is formed by an end face formed by cleavage. 1.55 μm wavelength on one of the end faces
Is formed, but a dielectric multilayer film (not shown) is formed so as to transmit the light having a wavelength of 0.41 μm but reflect the light having a wavelength of about 0.41 μm.

【0066】電極77,79を介してこの半導体レーザ
に電流を注入すると、活性層61の伝導帯と価電子帯に
形成された量子準位69,70の間で反転分布ができ、
波長0.41μm付近でレーザ発振が起こる。活性層6
1において、電流が開口部74の直下付近に集中するこ
とにより、発光モードが制御される。窒化物半導体のよ
うなワイドギャップ半導体は抵抗率が高いのに加えて、
ヘテロ界面での電位降下も大きいので、素子の直列抵抗
が高くなってしまう。また、電極抵抗を下げるためにメ
サ79の幅を広くする必要があるので、並列容量も小さ
くしにくい。それ故、この半導体レーザの電気的な変調
帯域は、CR制限により100MHzオーダーに制限さ
れている。
When a current is injected into this semiconductor laser through the electrodes 77 and 79, a population inversion is formed between the quantum levels 69 and 70 formed in the conduction band and the valence band of the active layer 61,
Laser oscillation occurs around a wavelength of 0.41 μm. Active layer 6
In 1, the light emission mode is controlled by concentrating the current in the vicinity immediately below the opening 74. Wide-gap semiconductors such as nitride semiconductors have high resistivity,
Since the potential drop at the hetero interface is also large, the series resistance of the device becomes high. Further, since it is necessary to widen the width of the mesa 79 in order to reduce the electrode resistance, it is difficult to reduce the parallel capacitance. Therefore, the electric modulation band of this semiconductor laser is limited to the order of 100 MHz by the CR limitation.

【0067】この半導体レーザにCW電流を流して発振
させた状態で、前記誘電体多層膜の形成された端面から
波長1.55μmの変調信号光を注入する。その光パワ
ーはサブバンド間吸収量子井戸層57のキャリアのエネ
ルギー分布を大きく変えるに十分なパワーであり、偏波
は井戸層に垂直な電界成分を有するものとする。入射信
号光は、5GHzで変調されているものとする。このと
き、In0.18Ga0.82N井戸層(第1の半導体層)59
への電子の供給が変調信号光により変調されるため、
0.41μmの発振光も5GHzで変調されることにな
る。
With a CW current being oscillated in this semiconductor laser to oscillate, a modulation signal light having a wavelength of 1.55 μm is injected from the end face on which the dielectric multilayer film is formed. The optical power is sufficient to significantly change the energy distribution of carriers in the intersubband absorption quantum well layer 57, and the polarized wave has an electric field component perpendicular to the well layer. The incident signal light is assumed to be modulated at 5 GHz. At this time, the In 0.18 Ga 0.82 N well layer (first semiconductor layer) 59
Since the supply of electrons to the is modulated by the modulated signal light,
The oscillation light of 0.41 μm is also modulated at 5 GHz.

【0068】このように、本発明を適用することによ
り、電気的には100MHz程度の周波数でしか変調で
きない半導体レーザを数GHzで変調することが可能に
なる。また、ワイドギャップ半導体レーザを直接変調す
る代わりに動作電圧が低い近赤外波長の半導体レーザを
変調するので、変調回路の電圧を下げることができると
いう効果もある。光通信で開発された技術を流用できる
ので、コストも低減できる。
As described above, by applying the present invention, it becomes possible to modulate a semiconductor laser, which can be electrically modulated only at a frequency of about 100 MHz, at several GHz. In addition, instead of directly modulating the wide-gap semiconductor laser, a semiconductor laser of a near infrared wavelength having a low operating voltage is modulated, so that the voltage of the modulation circuit can be lowered. Since the technology developed for optical communication can be used, the cost can be reduced.

【0069】この青色半導体レーザは、光ディスクの超
高速書き込みヘッドに応用できる。即ち、光ディスクを
高速回転させると共に、1.55μm帯で帯域が数GH
zのDFBレーザを介して高出力青色半導体レーザの発
振光を高速変調することで、従来技術と比べて遙かに速
くデータを書き込むことが可能になる。
This blue semiconductor laser can be applied to an ultrahigh speed writing head for an optical disc. That is, the optical disc is rotated at a high speed and the band is several GH in the 1.55 μm band
By modulating the oscillation light of the high-power blue semiconductor laser at high speed through the DFB laser of z, it becomes possible to write data much faster than the conventional technique.

【0070】本発明は、他にも色々な応用が可能であ
る。例えば、光ディスク用読み出し用半導体レーザを安
定なマルチモードで発振させて低雑音化する方法に、高
周波重畳という技術があるが、CR時定数の大きな青色
半導体レーザに電気的に高周波重畳をかけることは困難
であった。本実施形態の青色半導体レーザに、その緩和
振動周波数に相当する周波数でRF変調された近赤外光
を注入することで、高周波重畳と同じ効果を得ることが
できる。
The present invention can be applied in various other ways. For example, there is a technique called high frequency superposition as a method of oscillating a reading semiconductor laser for optical discs in a stable multimode to reduce noise, but it is not possible to electrically superpose high frequency on a blue semiconductor laser having a large CR time constant. It was difficult. By injecting near-infrared light RF-modulated at a frequency corresponding to the relaxation oscillation frequency into the blue semiconductor laser of this embodiment, the same effect as high frequency superposition can be obtained.

【0071】緩和振動周波数がそれほど高くできない場
合などでは、二つの入力光のビートをレーザの縦モード
に共振させても同様の動作が可能である。即ち、本発明
の第2の実施形態に係わる青色半導体レーザの共振器縦
モード間隔をΔfとするとき、周波数差がΔfにほぼ等
しい二つの波長で安定に発振している1.55μm帯半
導体レーザの出力を結合させることで、安定な高周波重
畳をかけることができる。或いは、外部共振器を利用し
てΔfを実用的な周波数領域に下げれば、ビートを使わ
なくてもRF変調が可能である。
In the case where the relaxation oscillation frequency cannot be made so high, the same operation can be performed even if the two input light beats are resonated in the longitudinal mode of the laser. That is, assuming that the cavity longitudinal mode interval of the blue semiconductor laser according to the second embodiment of the present invention is Δf, the 1.55 μm band semiconductor laser that stably oscillates at two wavelengths whose frequency difference is approximately equal to Δf. By combining the outputs of, stable high frequency superposition can be applied. Alternatively, if Δf is lowered to a practical frequency range by using an external resonator, RF modulation can be performed without using beat.

【0072】また、素子構造,材料,波長等も、上記の
第2の実施形態に限定されるものではない。例えば、B
eTe/ZnSe量子井戸層のサブバンド間吸収(1.
55μm)とZnCdMgSSe系量子井戸層の青緑色
発光の組み合わせなども可能である。
The element structure, material, wavelength, etc. are not limited to those in the second embodiment. For example, B
Intersubband absorption of eTe / ZnSe quantum well layer (1.
55 μm) and the blue-green light emission of the ZnCdMgSSe-based quantum well layer are also possible.

【0073】(第3の実施形態)図8は、本発明の第3
の実施形態に係わる半導体発光素子(赤色フォトン・リ
サイクリングLED)の断面構造を模式的に示す図であ
る。
(Third Embodiment) FIG. 8 shows a third embodiment of the present invention.
It is a figure which shows typically the cross-section of the semiconductor light-emitting device (red photon recycling LED) concerning embodiment of this.

【0074】本実施形態のLEDは、n型GaAsから
なる10°オフ基板80上に順次成長された、反射率9
8%のn型Al0.95Ga0.05As/Al0.5 Ga0.5
sからなるDBR層81、n型Al0.95Ga0.05As層
82、その上に同心円状形成された波長1.55μm帯
の光に対する二次の回折格子83、この回折格子83を
平坦に埋め込むn型Al0.5 Ga0.5 As層84、n型
Al0.35Ga0.15In 0.5 P層の間に薄いn型歪AlA
sSb/GaInNAs量子井戸層(第2の量子井戸
層)が多層形成されているn型クラッド層85、アンド
ープGa0.5 In 0.5 P井戸層とアンドープAl0.25
0.25In0.5 P障壁層からなる量子井戸発光層(第1
の量子井戸層)86、p型Al0.95Ga0.05As層8
7、p型Al 0.35Ga0.15In0.5 Pクラッド層88、
p型GaAsコンタクト層89からなる。
The LED of this embodiment is composed of n-type GaAs.
With a reflectance of 9 sequentially grown on the 10 ° off substrate 80.
8% n-type Al0.95Ga0.05As / Al0.5Ga0.5A
DBR layer 81 made of s, n-type Al0.95Ga0.05As layer
82, wavelength band 1.55 μm formed concentrically on it
Second-order diffraction grating 83 for this light,
N-type Al buried flat0.5Ga0.5As layer 84, n-type
Al0.35Ga0.15In 0.5Thin n-type strained AlA between P layers
sSb / GaInNAs quantum well layer (second quantum well
N-type clad layer 85 in which a plurality of layers are formed,
Ga Ga0.5In 0.5P well layer and undoped Al0.25G
a0.25In0.5Quantum well light emitting layer (first P barrier layer)
Quantum well layer) 86, p-type Al0.95Ga0.05As layer 8
7, p-type Al 0.35Ga0.15In0.5P clad layer 88,
It is composed of a p-type GaAs contact layer 89.

【0075】n型クラッド層85の内部に形成された歪
AlAsSb/GaInNAs井戸層には二つのサブバ
ンドが形成されており、そのサブバンド間吸収波長は
1.6μmである。
Two sub-bands are formed in the strained AlAsSb / GaInNAs well layer formed inside the n-type cladding layer 85, and the absorption wavelength between the sub-bands is 1.6 μm.

【0076】この層構造は、図のように二段の同心円の
メサ状に加工されており、p型Al 0.95Ga0.05As層
87の外縁部は水蒸気中でのアニールにより選択酸化さ
れて、絶縁・アパーチャ領域90となっている。また、
p型GaAsコンタクト層89は中心部がエッチングに
より除去されており、誘電体反射膜ミラー91が形成さ
れている。残されたリング状のp型GaAsコンタクト
層89の上部にはp型オーミック電極92が、基板80
の裏側のLEDメサ直下を除く部分にはn型オーミック
電極93が形成されている。
This layer structure has two concentric circles as shown in the figure.
Processed into a mesa shape, p-type Al 0.95Ga0.05As layer
The outer edge of 87 was selectively oxidized by annealing in steam.
To form an insulation / aperture area 90. Also,
The p-type GaAs contact layer 89 is etched at the center.
And the dielectric reflection film mirror 91 is formed.
Has been. Ring-shaped p-type GaAs contact left
A p-type ohmic electrode 92 is formed on the layer 89, and
N-type ohmic on the backside of the LED except under the LED mesa
The electrode 93 is formed.

【0077】このLEDに電流を注入すると、発光層8
6で電子と正孔が再結合し、0.65μm帯の発光を生
じる。この光は反射率の大きなDBR層81と反射率が
中程度の誘電体多層膜ミラー91により閉じ込められる
ので、フォトン・リサイクリングにより強い発光が生じ
る。赤色面発光レーザ(VCSEL)は温度特性が悪い
ことが問題となっているが、本実施形態の半導体発光素
子はLEDなので、温度変動に強い。
When a current is injected into this LED, the light emitting layer 8
At 6, electrons and holes are recombined to generate light emission in the 0.65 μm band. Since this light is confined by the DBR layer 81 having a large reflectance and the dielectric multilayer mirror 91 having a medium reflectance, strong light emission is generated by photon recycling. The red surface emitting laser (VCSEL) has a problem of poor temperature characteristics, but since the semiconductor light emitting element of the present embodiment is an LED, it is resistant to temperature fluctuations.

【0078】基板80の裏の電極93のない窓部から、
波長1.55μm帯の変調信号光を入射する。DBR層
81は、波長0.65μmの光は反射するが、この1.
55μm帯の入射光は透過するように設定されている。
波長1.55μm帯の変調信号光は二次の回折格子83
により成長層と平行な方向に回折する。この回折成分
は、井戸に垂直な電界成分を持つから、n型クラッド層
85の内部に形成された歪AlAsSb/GaInNA
s量子井戸層のサブバンド間遷移で吸収される。従っ
て、n型クラッド層85から発光層86へのキャリア注
入が変調され、LEDの出力が変調される。サブバンド
間吸収に係わる量子井戸層と発光層の間の距離が離れて
いるので、サブバンド間吸収に係わる量子井戸層と発光
層の間の電子の平衡時間は第1の実施形態の場合と比べ
て長くなるが、数GHzの変調には十分に応答する。
From the window portion on the back of the substrate 80 without the electrode 93,
A modulated signal light having a wavelength of 1.55 μm is incident. The DBR layer 81 reflects light having a wavelength of 0.65 μm.
It is set so that incident light in the 55 μm band is transmitted.
The modulated signal light in the wavelength band of 1.55 μm is used as the secondary diffraction grating 83.
Diffracts in a direction parallel to the growth layer. Since this diffraction component has an electric field component perpendicular to the well, the strained AlAsSb / GaInNA formed inside the n-type cladding layer 85 is formed.
It is absorbed by the intersubband transition of the s quantum well layer. Therefore, the carrier injection from the n-type cladding layer 85 to the light emitting layer 86 is modulated, and the output of the LED is modulated. Since the distance between the quantum well layer related to intersubband absorption and the light emitting layer is large, the equilibrium time of electrons between the quantum well layer related to intersubband absorption and the light emitting layer is the same as that in the first embodiment. Although it is longer than the above, it responds sufficiently to modulation of several GHz.

【0079】この変調は、n型DBR層81やp型クラ
ッド層88の大きな直列抵抗や、薄い酸化層90の容量
の影響を受けないので、電気的に変調するのと比べて遙
かに高速である。従って、VCSEL並みのGHzオー
ダーの変調帯域を有し、温度特性にも優れた半導体発光
素子が実現される。変調電圧も低く抑えることができ
る。このLED94は、0.65μm帯POF伝送用に
用いることができる。
Since this modulation is not affected by the large series resistance of the n-type DBR layer 81 or the p-type cladding layer 88 or the capacitance of the thin oxide layer 90, it is much faster than the electrical modulation. Is. Therefore, a semiconductor light emitting device having a GHz-order modulation band comparable to that of a VCSEL and having excellent temperature characteristics is realized. The modulation voltage can also be suppressed low. The LED 94 can be used for POF transmission in the 0.65 μm band.

【0080】なお、本実施形態のLED94は、図9に
示すように、1.55μm帯で発光する面発光レーザ
(VCSEL)95とGaAs基板80の表裏で集積化
してもよい。1.55μm帯のVCSELの作製法とし
て、GaAs基板80上に積層した屈折率差の大きなA
lGaAs/GaAsからなるDBR層と、InP基板
上に作製したInGaAsP系積層構造とを、直接張り
合わせ技術で一体化して作製する技術が知られている
が、このような技術を本発明と組み合わせて使うことも
可能である。
The LED 94 of this embodiment may be integrated on the front and back sides of the surface emitting laser (VCSEL) 95 that emits light in the 1.55 μm band and the GaAs substrate 80, as shown in FIG. As a method of manufacturing a 1.55 μm band VCSEL, an A layer having a large difference in refractive index is stacked on a GaAs substrate 80.
A technique is known in which a DBR layer made of 1GaAs / GaAs and an InGaAsP-based laminated structure formed on an InP substrate are integrated by a direct bonding technique, and such a technique is used in combination with the present invention. It is also possible.

【0081】本発明は、以上述べた三つの実施形態以外
にも、発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形、応用
が可能である。
The present invention can be variously modified and applied in addition to the above-described three embodiments without departing from the spirit of the invention.

【0082】[0082]

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、C
R時定数やキャリア輸送効果のような電気的な制約に制
限されない高速の半導体発光素子が実現される。本発明
をミリ波伝送用光源に適用した場合は、高価なミリ波帯
の駆動回路、光変調器、シールド等が不要になり、低価
格のミリ波帯変調が実現できる。また、本発明を可視半
導体発光素子に適用した場合は、電圧の大きな駆動回路
が不要になる。
As described in detail above, according to the present invention, C
A high-speed semiconductor light emitting device that is not limited by electrical constraints such as R time constant and carrier transport effect can be realized. When the present invention is applied to a millimeter-wave transmission light source, an expensive millimeter-wave band drive circuit, optical modulator, shield, etc. are not required, and low-cost millimeter-wave band modulation can be realized. Further, when the present invention is applied to a visible light emitting semiconductor device, a driving circuit with a large voltage is not needed.

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

【図1】第1の実施形態に係わるDFBレーザの発光領
域付近のバンド構成を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a band structure near a light emitting region of a DFB laser according to a first embodiment.

【図2】第1の実施形態に係わるDFBレーザの発光方
向に沿った断面構造を示す図。
FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional structure along a light emitting direction of the DFB laser according to the first embodiment.

【図3】第1の実施形態に係わるDFBレーザを用いた
ミリ波光源の概略構成を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a schematic configuration of a millimeter wave light source using the DFB laser according to the first embodiment.

【図4】図3のミリ波光源における(a)点、(b)
点、(c)点のスペクトルを模式的に示す図。
4] Points (a) and (b) in the millimeter wave light source of FIG.
The figure which shows the spectrum of a point and a (c) point typically.

【図5】第1の実施形態に係わるDFBレーザを他のデ
バイスと集積一体化した例を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing an example in which the DFB laser according to the first embodiment is integrated and integrated with another device.

【図6】第2の実施形態に係わる青色半導体レーザの活
性層近傍のバンド構造を模式に示す図。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a band structure near an active layer of a blue semiconductor laser according to a second embodiment.

【図7】第2の実施形態に係わる青色半導体レーザのメ
サに垂直な断面構造を示す図。
FIG. 7 is a view showing a sectional structure perpendicular to a mesa of a blue semiconductor laser according to a second embodiment.

【図8】第3の実施形態に係わる赤色フォトン・リサイ
クリングLEDの断面構造を示す図。
FIG. 8 is a diagram showing a cross-sectional structure of a red photon recycling LED according to a third embodiment.

【図9】第3の実施形態に係わる赤色フォトン・リサイ
クリングLEDを1.55μm帯VCSELと一体化し
た場合の断面構造を示す図。
FIG. 9 is a diagram showing a cross-sectional structure when the red photon recycling LED according to the third embodiment is integrated with a 1.55 μm band VCSEL.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…発光領域 2…InGaAsP井戸層(第1の半導体層) 3…InGaAsP障壁層 4…第1の量子井戸層 5…InGaAs井戸層(第5の半導体層) 6…AlAs中間障壁層 7,7a,7b…AlAsSb障壁層(第4の半導体
層) 8…結合量子井戸(第2の量子井戸層) 9…n型InGaAsP光導波層(第2の半導体層) 10…p型InGaAsP光導波層(第3の半導体層) 11…n型InPクラッド層 12…n型InP基板 13,17,77,78,92,93…電極 14,83…回折格子 15…p型InPクラッド層 16…p型InGaAsPコンタクト層 18…位相シフト部 19…低反射率コーティング 20,45…DFB半導体レーザ(実施形態の半導体発
光素子) 21…光アイソレータ 22…光フィルタ 23…偏波ビームスプリッター 24,43…モニタ受光素子 25…温度制御系 26…半導体レーザ・モジュール 27…制御回路 28…合波器 29,30,41,42…1.55μm帯のDFBレー
ザ 31…信号多重化・駆動系 32…波長制御系 44…光導波路 46…二分の一波長板 47…波長フィルタ 51,55,58,72,75…n型GaN層 52,63,65…Al0.2 Ga0.8 N障壁層 53…n型超格子クラッド層 54,56…Al0.85Ga0.15N障壁層 57…サブバンド間吸収量子井戸層 59…In0.18Ga0.82N層(第1の半導体層) 60…In0.05Ga0.95N層 61,86…量子井戸発光層 62,64,73,76…p型GaN 66…p型超格子クラッド層 67,68,69,70…量子準位 71…サファイア基板 74…開口部 79…メサ 80…GaAs基板 81…n型DBR層 82…n型Al0.95Ga0.05As層 83…回折格子 84…n型Al0.5 Ga0.5 As層 85…n型クラッド層 87…p型Al0.95Ga0.05As層 88…p型クラッド層 89…p型GaAsコンタクト層 90…酸化膜 91…誘電体多層膜ミラー 94…赤色フォトン・リサイクリングLED 95…1.55μm帯VCSEL
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light emission area 2 ... InGaAsP well layer (first semiconductor layer) 3 ... InGaAsP barrier layer 4 ... First quantum well layer 5 ... InGaAs well layer (fifth semiconductor layer) 6 ... AlAs intermediate barrier layer 7, 7a , 7b ... AlAsSb barrier layer (fourth semiconductor layer) 8 ... Coupled quantum well (second quantum well layer) 9 ... n-type InGaAsP optical waveguide layer (second semiconductor layer) 10 ... p-type InGaAsP optical waveguide layer ( Third semiconductor layer) 11 ... n-type InP clad layer 12 ... n-type InP substrate 13, 17, 77, 78, 92, 93 ... Electrode 14, 83 ... Diffraction grating 15 ... p-type InP clad layer 16 ... p-type InGaAsP Contact layer 18 ... Phase shift part 19 ... Low reflectance coating 20, 45 ... DFB semiconductor laser (semiconductor light emitting element of embodiment) 21 ... Optical isolator 22 ... Optical filter 23 ... Polarization Beam splitters 24, 43 ... Monitor light receiving element 25 ... Temperature control system 26 ... Semiconductor laser module 27 ... Control circuit 28 ... Multiplexer 29, 30, 41, 42 ... 1.55 .mu.m band DFB laser 31 ... Signal multiplexing Drive system 32 ... Wavelength control system 44 ... Optical waveguide 46 ... Half wave plate 47 ... Wavelength filters 51, 55, 58, 72, 75 ... N-type GaN layers 52, 63, 65 ... Al 0.2 Ga 0.8 N barrier layer 53 ... n-type superlattice cladding layers 54, 56 ... Al 0.85 Ga 0.15 N barrier layer 57 ... intersubband absorption quantum well layer 59 ... In 0.18 Ga 0.82 N layer (first semiconductor layer) 60 ... In 0.05 Ga 0.95 N layer 61, 86 ... Quantum well light emitting layer 62, 64, 73, 76 ... P-type GaN 66 ... P-type superlattice cladding layer 67, 68, 69, 70 ... Quantum level 71 ... Sapphire substrate 74 ... Opening 79 ... 80 ... GaAs substrate 81 ... n-type DBR layer 82 ... n-type Al 0.95 Ga 0.05 As layer 83 ... diffraction grating 84 ... n-type Al 0.5 Ga 0.5 As layer 85 ... n-type cladding layer 87 ... p-type Al 0.95 Ga 0.05 As layer 88 ... P-type cladding layer 89 ... P-type GaAs contact layer 90 ... Oxide film 91 ... Dielectric multilayer mirror 94 ... Red photon recycling LED 95 ... 1.55 .mu.m band VCSEL

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−136823(JP,A) 特開 平4−120784(JP,A) 特開 平2−210332(JP,A) 特開 平9−222619(JP,A) 特開 平10−90738(JP,A) IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEO RY AND TECHNIQUES, 1997年,Vol.45 No.8,p. 1416−1423 IEICE TRANS. ELEC TRON. ,2002年,Vol.E85− C No.1,p.174−180 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/00 - 7/00 H01S 5/00 - 5/50 ─────────────────────────────────────────────────── --- Continuation of the front page (56) References JP-A-4-136823 (JP, A) JP-A-4-120784 (JP, A) JP-A-2-210332 (JP, A) JP-A-9- 222619 (JP, A) JP-A-10-90738 (JP, A) IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEO RY AND TECHNIQUES, 1997, Vol. 45 No. 8, p. 1416-1423 IEICE TRANS. ELEC TRON. , 2002, Vol. E85-C No. 1, p. 174-180 (58) Fields investigated (Int.Cl. 7 , DB name) G02F 1/00-7/00 H01S 5/00-5/50

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】発光層とすべき第1の半導体層を有する発
光領域と、この発光領域を挟んで形成された第1の半導
体層よりも禁制帯幅の広い第2及び第3の半導体層と、
第1の半導体層に電子と正孔を電気的に注入して発光さ
せる手段とを具備した半導体発光素子であって、 第1の半導体層の近傍に少なくとも第4の半導体層と該
第4の半導体層よりも禁制帯幅の狭い第5の半導体層か
らなる量子井戸層が形成されており、該量子井戸層は第
1の半導体層における発光波長とは異なるサブバンド間
吸収波長を有しており、このサブバンド間吸収波長の帯
域内の変調信号光の入力により第1の半導体層の発光に
寄与するキャリアの割合を変調することによって発光光
を変調することを特徴とする半導体発光素子。
1. A light emitting region having a first semiconductor layer to be a light emitting layer, and second and third semiconductor layers having a forbidden band width wider than that of the first semiconductor layer sandwiching the light emitting region. When,
A semiconductor light emitting device comprising means for electrically injecting electrons and holes into a first semiconductor layer to emit light, wherein at least a fourth semiconductor layer and a fourth semiconductor layer are provided in the vicinity of the first semiconductor layer. A quantum well layer including a fifth semiconductor layer having a narrower forbidden band than the semiconductor layer is formed, and the quantum well layer has an intersubband absorption wavelength different from the emission wavelength of the first semiconductor layer. The absorption wavelength band between these sub-bands.
Input of modulated signal light in the region causes light emission of the first semiconductor layer
Emitting light by modulating the proportion of contributing carriers
A semiconductor light-emitting device characterized by modulating a .
【請求項2】発光層とすべき第1の半導体層を有する第
1の量子井戸層が複数層積層配置された発光領域と、こ
の発光領域を挟んで形成された第1の半導体層よりも禁
制帯幅の広い第2及び第3の半導体層と、第1の半導体
層に電子と正孔を電気的に注入して発光させる手段とを
具備した半導体発光素子であって、 隣接する第1の量子井戸層間に少なくとも第4の半導体
層と該第4の半導体層よりも禁制帯幅の狭い第5の半導
体層からなる第2の量子井戸層がそれぞれ形成されてお
り、第2の量子井戸層は第1の量子井戸層における発光
波長とは異なるサブバンド間吸収波長を有しており、こ
のサブバンド間吸収波長の帯域内の変調信号光の入力に
より第1の半導体層の発光に寄与するキャリアの割合を
変調することによって発光光を変調することを特徴とす
る半導体発光素子。
2. A light emitting region in which a plurality of first quantum well layers having a first semiconductor layer to be a light emitting layer are stacked and arranged, and a first semiconductor layer formed by sandwiching the light emitting region. What is claimed is: 1. A semiconductor light-emitting device comprising: second and third semiconductor layers having wide forbidden bands; and means for electrically injecting electrons and holes into the first semiconductor layer to emit light. Second quantum well layers each including at least a fourth semiconductor layer and a fifth semiconductor layer having a narrower band gap than the fourth semiconductor layer are formed between the quantum well layers of The layer has an intersubband absorption wavelength different from the emission wavelength in the first quantum well layer ,
For input of modulated signal light within the absorption wavelength band between sub-bands of
The ratio of carriers contributing to light emission of the first semiconductor layer
A semiconductor light emitting element characterized by modulating emitted light by modulating .
【請求項3】請求項1又は2に記載の半導体発光素子
と、この半導体発光素子に対し、第4及び第5の半導体
層を有する量子井戸層のサブバンド間吸収波長の帯域内
の変調信号を入力する手段とを具備してなり、 前記変調光の入力により第1の半導体層の発光に寄与す
るキャリアの割合を変調することによって発光光を変調
することを特徴とする半導体発光装置。
3. The semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2, and for this semiconductor light emitting device, a modulation signal within a band of an intersubband absorption wavelength of a quantum well layer having fourth and fifth semiconductor layers. And a means for inputting the modulated light, and the emitted light is modulated by modulating the proportion of carriers that contribute to the light emission of the first semiconductor layer by inputting the modulated light.
【請求項4】請求項1又は2に記載の半導体発光素子
と、この半導体発光素子に対し、前記変調信号光と共に
前記サブバンド間吸収波長の帯域内にあって該変調信号
光と所定の周波数だけ中心周波数が異なるCW光を注入
する手段とを具備してなり、 前記変調信号光と前記CW光のビートで第1の半導体層
内の発光に寄与するキャリアの割合を変調することによ
り発光光を変調すること特徴とする半導体発光装置。
4. The semiconductor light emitting device according to claim 1, and the semiconductor light emitting device, together with the modulated signal light.
Means for injecting CW light in the band of the absorption wavelength between the sub-bands and having a center frequency different from the modulated signal light by a predetermined frequency, the beat signal of the modulated signal light and the CW light. 1. A semiconductor light emitting device, characterized in that emitted light is modulated by modulating a ratio of carriers contributing to light emission in one semiconductor layer.
【請求項5】請求項1又は2に記載の半導体発光素子を
駆動する際に、第4及び第5の半導体層を有する量子井
戸層のサブバンド間吸収波長帯域内の変調信号光を注入
して第1の半導体層の発光に寄与するキャリアの割合を
変調することにより、前記半導体発光素子における発光
光を変調することを特徴とする半導体発光素子の変調方
法。
5. When the semiconductor light emitting device according to claim 1 or 2 is driven, a modulation signal light within an intersubband absorption wavelength band of a quantum well layer having fourth and fifth semiconductor layers is injected. The method for modulating a semiconductor light emitting device is characterized in that the emitted light in the semiconductor light emitting device is modulated by modulating the ratio of carriers that contribute to light emission of the first semiconductor layer.
【請求項6】請求項1又は2に記載の半導体発光素子
に、第4及び第5の半導体層を有する量子井戸層のサブ
バンド間吸収波長の帯域内にある変調信号光と該変調信
号光と所定の周波数だけ中心周波数が異なるCW光とを
注入し、この変調信号光とCW光のビートで、第1の半
導体層内の発光に寄与するキャリアの割合を変調するこ
とにより、前記半導体発光素子における発光光を変調す
ることを特徴とする半導体発光素子の変調方法。
6. The semiconductor light emitting device according to claim 1, wherein the modulated signal light is within the band of the absorption wavelength between subbands of the quantum well layer having the fourth and fifth semiconductor layers, and the modulated signal light. By injecting CW light having different center frequencies by a predetermined frequency, and modulating the ratio of carriers contributing to light emission in the first semiconductor layer by the beat of the modulated signal light and the CW light. A method for modulating a semiconductor light emitting device, which comprises modulating light emitted from the device.
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