JPH01114093A - 半導体レーザ - Google Patents

半導体レーザ

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JPH01114093A
JPH01114093A JP62270366A JP27036687A JPH01114093A JP H01114093 A JPH01114093 A JP H01114093A JP 62270366 A JP62270366 A JP 62270366A JP 27036687 A JP27036687 A JP 27036687A JP H01114093 A JPH01114093 A JP H01114093A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は、発振線幅が狭く、かつ発振波長が可変の半導
体レーザに関するものである。
（従来の技術） 半導体レーザは、小型、高効率で信頬性が高いことなど
から、光フアイバ通信用光源として既に実用に供されて
いる。これ迄に実用化されたシステムは、半導体レーザ
の大きな特長の１つである直接変調が可能であることを
利用したもので、半導体レーザへの注入電流量に応じた
強度変調光を、光フアイバ伝搬後、フォトダイオードも
しくはなだれフォトダイオードで直接受光する、いわゆ
る直接強度変調−直接検波ＣＤＩＭ−ＤＤ）方式がある
。ＤＩＭ−ＤＤ方式においては、光源として高速変調時
にも安定に単一波長動作する分布帰還形（ＤＦＢ）半導
体レーザなどの動的単一波長レーザが開発され、これに
より単一モードファイバの分散の影響を軽減し、中継器
間隔の長延化が図られている。
一方、光の持つ周波数や位相といった波動の性質を検波
に積極的に利用することにより受信感度が大幅に向上し
、従って、ＤＩＭ−ＤＤ方式に比べ一層の中継器間隔を
長くすることが可能である。
この方式はコヒーレント伝送方式と呼ばれ、将来の光通
信方式として近年、理論面ばかりでなく、実験的にも盛
んに研究が行われ、その有為性が確認されつつある（例
えばＴ、０ｋｏｓｈｉ；Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｌｉｇ
ｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、　ｖｏｌ、ＬＴ
−２＋ｐｐ、３４１−３４６．１９８４参照）、コヒー
レント伝送方式は、その性質上、送信側の光源及び受信
側の局部発振器としての光源の線幅が狭いこと及び発振
波長が可変であることが不可欠である。これ迄の実験室
段階の研究では、システムのポテンシャルを評価するこ
とが主たる課題であるため、発振線幅の極めて狭い気体
レーザか、もしくは、より実用的な通常の半導体レーザ
に外部回折格子を設置し、特定の波長のみを半導体レー
ザに帰還することにより、前記高コヒーレンス化及び発
振波長のチューナプル化を達成していた。しかしながら
、半導体レーザの発光領域は約１ｎ径と非常に小さいた
め、光源と外部回折格子が一体化されていないこのよう
な構造では機械的振動や熱変動に弱く、所望特性が不安
定になり易いことや、装置が大がかりになることから、
実用的でないことは明らかである。
発振線幅の低減にはレーザの共振器長を長くすることが
１つの有効な方法であり、図１に示すような発光領域Ａ
に導波路領域Ｂをモノリシックに集積化し、長井振器構
造とした一体形半導体レーザがＴ、Ｐｕｊｉｔａ等によ
って検討され、約１．８閣の共振器長で９００ｋＨｚと
いう低い値が報告されている（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ
　Ｌｅｔｔｅｒｓ、ｖｏｌ、２１．１）ｌ）、３７４−
３７６．１９８５）。
図１において、１はＩｎＧａＡｓＰ発光層、２はＩｎＧ
ａＡｓＰ発光層ｌの延発光層設けられたＩｎＧａＡｓＰ
導波路層、９はへき開面での反射効率を上げる金属膜で
ある。
しかし、一般的に共振器が長くなると、共振波長間隔も
これに応じて狭くなるため、多波長発振になり易く、挟
締幅特性も不安定になり易いという欠点があった。さら
に、波長チューニングもとびとびの共振波長を選択する
ことになるから、連続的でなく、実用に不向きであると
いう欠点を有していた。
（発明の目的と特＠） 本発明は、上述した従来技術の欠点に鑑みてなされたも
ので、線幅が狭く、かつ発振波長が可変の単一波長光源
として用いられる半導体レーザを提供することを目的と
する。
本発明の特徴は、発光領域、導波路領域及びフィルタ機
能を持つ回折格子を有する活性フィルタ領域を集積化し
て設けることにより、１本の共振波長のみを選択し、そ
の結果発振線幅の狭い単一波長で安定に動作せしめ、さ
らに、該活性フィルタの両側に発光領域、導波路領域の
双方をほぼ対称に配置することにより、上記各ＳＩ域の
屈折率調整を容易にしたことにある。
（発明の構成及び作用） 以下図面を用いて本発明の詳細な説明する。
（実施例１） 本発明による第１の実施例を図２に示す。図において、
３．３′及び４はその組成がほぼ同じか全く同じ発光層
で、どちらも電流注入により光学利得を有する領域であ
る利得領域Ａを形成する。利得領域Ａは３つの部分に分
かれており、一方は発光Ｎ４に沿って帯域通過形のフィ
ルタ機能をもつ位相シフト形回折格子５が設けられた活
性フィルタ領域Ａ、であり、他方は発光層３及び３゛が
設けられた利得調整領域Ｂ、、Ｂ、である。また、利得
領域Ａの両側に高効率で結合した低損失導波路層６及び
７を有する導波路領域ＣＩおよびＣ２が配置され、さら
に、すべての領域を挟んで一対の反射端面が設けられて
いる。ちなみに、本実施例では光の閉じ込めをより効果
的にするため、誘電体膜８及び８′を介して金属膜９及
び９°から成る高反射端面を示した。発光層３．３’、
４及び導波路層６．７は互いに異なる導電形を有する半
導体層でサンドインチされており、各領域及び各部には
それぞれ独立に制御できるように電極１０．１１．１２
゜１３及び１４が形成されている。なお、１９は下部電
極である。さらに、１５．１６．１７及び１８は電気的
分離用の高抵抗領域であり、プロントの打込等で実現で
きる。
本実施例の動作を次に説明する。
利得がある場合の位相シフト形の、例えばλ／４シフト
形回折格子５の透過スペクトル特性を図３に示す。回折
格子５の周期をΔ、屈折率をＢ２とするとλ。＝２Δｎ
２で与えられる中心波長においてのみ有効に利得を享受
するため、同図の如く、極めてシャープな帯域通過特性
を有する活性フィルタ特性として機能する。一方、λ／
４シフト形回折格子５は、端面反射があると、反射光の
位相によっては図３のようなシャープな特性が損なわれ
ることがあるが、活性フィルタ領域Ａｔ　と反射端面の
間に設けられた導波路領域ＣＩおよびＣ２の導波路６及
び７の屈折率を電流注入もしくは電圧印加によって変化
させ、反射光の位相を最適に調整することにより防ぐこ
とができる。ちなみに、反射光の位相は高々２π変化で
きれば、その範囲内の最適位相値に調整できるが、例え
ば導波路領域ＣＩの長さｌ、もしくは導波路領域Ｃ２の
長さ！、゛を５００−とすると、前記２πの位相変化を
得るのにΔｎ〜０．００２の屈折率変化量があればよく
、電流注入ならΔＮ〜２ＸＩＱ”ａｓ−’とわずかのキ
ャリア密度変化でよく、また電圧印加による電気光学効
果を利用する場合でもブレークダウンの４分の１程度の
電圧で実現することができる。特に後者の電圧印加によ
り屈折率を調整する方法は単に逆バイアスをかければよ
く、また、キャリア注入を伴わないので低損失な状態を
維持できる。従って、このような位相調整を行うことに
より、λ。
の単一波長で発振させることができる。同時に、全体の
共振器長りを長くとればその発振線幅を狭くすることが
できる。
一方、発振波長の変化は、λ／４シフト形回折格子５が
設けられた発光層４の屈折率ｎ２を注入キャリア密度に
応じて変化させることにより達成される。ちなみに、キ
ャリア密度をΔＮ〜１ｘｉｏ”ｃｍ−”変化させること
により、Δλ。〜５０人の波長範囲に亘って発振波長を
変化させることができる。
ところで、発振状態での活性フィルタ領域Ａ。
のキャリア密度の変化は、利得調整領域Ｂ＋及びＢ２を
付加し、その注入電流を調整し、全体の利得をほぼ一定
に保ちつつ、活性フィルタ領域Ａ１の注入電流を変化さ
せることにより達成される。
なお、このような発振波長の変化に応じて、端面反射光
の位相が最適値からはずれるため、左右の導波路領域Ｃ
１及びＣ２の屈折率を調整して最適化する必要があるが
、左右の利得調整領域Ｂ、及びＢ２の長さ１２及び２□
゛及びその電流注入量Ｉ２及びＩ２°をほぼ等しくする
と共に導波路領域Ｃ１及びＣ２の長さ１３及び２３゛を
ほぼ等しくすることにより、左右の各々の位相変化をほ
ぼ等しくすることができるため、位相調整に必要な各導
波路頭域Ｃ１及びＣ２の屈折率変化量もほぼ等しくする
ことができる。すなわち、活性フィルタ領域Ａ。
の左右両側にほぼ対称な構造となるように利得調整領域
Ｂ、、Ｂ、並びに導波路領域Ｃ１，’Ｃｔを配置するこ
とにより、位相を最適化するのに必要な左右各領域への
電流注入量もしくは電圧印加量をほぼ等しくすることが
できるため、駆動のための回路構成を簡素することが可
能となる。また、たとえ素子構造が完全に対称でなくて
も、図４に示すように利得調整領域Ｂ１の抵抗をｒｌ＋
流れる電流をＩ　ａ’ｌ＋利得調整領域Ｂｔの抵抗をｒ
２＋流れる電流をＩ　ａ！＋導波路領域Ｃ４及びＣｚの
抵抗をそれぞれｒ３．　ｒａ、流れる電流をＩ　ｐｌ＋
　　Ｔｐｚとした場合に、Ｉａｔ／Ｉｍｚ＝ｊ！ｚ／ｊ
！ｚ’＝ｒｚ／ｒ＋　＋　　Ｉｐｔ／Ｉｐｚ＝ｊ！　！
／　ｊ！　ｓ”　＝ｒａ／ｒｓを満足するように、各領
域波長に応じた抵抗値を有する抵抗を各電極に接続する
ことにより電流もしくは電圧を適量分配し、最適位相調
整を行うことができる。ちなみにＩ　ｉｌｌ。。
■、、２゜は初期＋Ｍ相調整用の電流である。
一方、図２の実施例では活−性フィルタ領域Ａ。
の帯域通過形フィルタとしてλ／４シフト形回折格子を
用いて示したが均一な回折格子を用いても図５に示すよ
うに同様な良好な帯域通過フィルタ特性を得ることがで
きる。この場合も左右の反射光の位相調整を、上述の実
施例と同様に容易に行うことができる。
上述の実施例では、利得調整領域Ｂ１及びＢｚを導波路
領域ＣＩＪ及びＣ２の間に設けた例について示したが、
活性フィルタ領域Ａ１の両側に利得゛　調整領域及び導
波路領域があれば、両者の配置はどうであっても同様の
効果を得ることができる。
尚、導波路層６もしくは７は、反射光の位相１整が主た
る目的であるため、発光層４もしくは３゜３”の組成の
近い利得の有する半導体層であってもその目的は達成さ
れる。
また、それぞれ組成の異なる発光層と導波路層との光学
的結合方法として直接結合構造を例として取り上げたが
、Ｌ　ＯＧ　（ｌａｒｇｅ　ｏｐｉｔｃａｌ　ｃａｖｉ
ｔｙ）構造を始め、その他の結合方法にも適用できる。
さらに、一対の端面反射について示したが、図６に示す
ように一対の反射器として分布反射器（ＤＢＲ）２０．
２０°を用いても何ら差しされりはなく、むしろ導波路
を通して出力光を得ることができるため、他素子とのモ
ノリシックな集積化に都合が良い。光を横方向に閉じ込
めるストライプ構造は特に述べなかったが、埋め込み構
造を始めあらゆる横モード閉じ込め構造に適応できる半
導体材料については　ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ　、　Ａ
ｊ！ＧａＡｓ／ＧａＡｓ、　ＩｎＡ／！ＧａＡｓ／Ｉｎ
Ｐ　＋＾ｆＧａＡｓｓｂ／　ＧａＡｓ等半導体レーザが
作製できるあらゆる化合物半導体結晶について適用可能
である。
（発明の効果） 以上説明したように、本発明は発光領域ＢＩ＋８２、位
相調整用の導波路領域Ｃ，，Ｃ２が回折格子を有する活
性フィルタ部Ａ、を中心として左右対称に設けることに
より優れた単一波長通過特性が得られ、発振線幅を狭く
するために共振器長を長くした場合に生ずる多波長発振
を抑圧できる。即ち、発振線幅が狭く、安定に単一波長
動作させることができる。さらに活性フィルタ部ＡＩ、
導波路領域Ｃ１及びＣ２の屈折率を可変にすることによ
り発振波長も可変な半導体レーザが実現できるが、この
際、各領域の配置が対称的であるため、位相調整も左右
でほぼ同程度となり、位相調整も容易にできる。従って
、コヒーレント伝送、その他光計測用光源として極めて
有望であり、その効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
図１は従来の長井振器を有する半導体レーザの模式図、
図２は本発明による実施例１の半導体レーザの断面図、
図３は本発明で用いるλ／４シフト形回折格子活性フィ
ルタの透過スペクトル特性図、図４は本発明による実施
例２の半導体レーザの断面図、図５は本発明で用いる均
一回折格子活性フィルタの透過スペクトル特性図である
。 １、３．３’、　４・・・発光層、　２．６．７・・・
導波路層、　　５・・・λ／４シフト形回折格子、　８
，８”・・・絶縁膜、　９，９°・・・金属膜、　１０
．１１．１２．１３゜１４、１９・・・電極、１５．１
６．１７．１８・・・高抵抗領域、２０、２１’　・・
・分布反射器。 図　１ 図　２ ヒー−１３−一→−−１２−ｆ−−１１−一一寸−ｂ’
−一セーーーーノ３′　六回３ 図４ Ｉ、　　　１６５ 図５ 図６ 手続主甫正書（自発） 昭和６３年１０月３日 特許庁長官　吉　１）文　毅　殿 １、事件の表示 特願昭６２−２７０３６６号 ２、発明の名称 半導体レーザ ３、補正をする者 事件との関係　特許出願人 （１２１）　　国際電信電話株式会社 ４、代理人 東京都新宿区西新宿１−２３−１ ５、補正の対象 明細書の「図面の簡単な説明」の欄 ６、補正の内容

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 第１の発光層に沿って設けられた帯域通過形のフィルタ
    機能を持つ回折格子を有する活性フィルタ領域と、該第
    １の発光層と同一もしくは異なる半導体からなる第２の
    発光層を有して光学利得を調整する利得調整領域と、該
    活性フィルタ領域もしくは該利得調整領域と高効率で結
    合する導波路を有する導波路領域とを有し、前記活性フ
    ィルタ領域の両側に前記利得調整領域及び該導波路領域
    とがほぼ左右対称に同一基板上に集積化され、前記利得
    調整領域、活性フィルタ領域、導波路領域を内包するよ
    うに一対の反射端面もしくは反射器を設けることにより
    レーザ共振器が形成され、かつ、前記利得調整領域、活
    性フィルタ領域、導波路領域のそれぞれを電気的に分離
    して電極が形成れ、該電極に印加する電圧または電流注
    入により各領域の屈折率変化を生じさせて発振波長を可
    変ならしめ、その設定された屈折率に対応して定まる前
    記活性フィルタ領域の透過波長に一致する波長の狭線幅
    の単一波長の発振出力光を取り出すように構成された半
    導体レーザ。
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