JPH01231388A - 分布帰還形半導体レーザ装置およびその電流注入方法 - Google Patents

分布帰還形半導体レーザ装置およびその電流注入方法

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JPH01231388A
JPH01231388A JP63056246A JP5624688A JPH01231388A JP H01231388 A JPH01231388 A JP H01231388A JP 63056246 A JP63056246 A JP 63056246A JP 5624688 A JP5624688 A JP 5624688A JP H01231388 A JPH01231388 A JP H01231388A
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重幸 秋葉
Yuichi Matsushima
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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、回折格子を有する分布帰還形半導体レーザ装
置及びその電流注入方法に関するものである。
（従来技術とその問題点） 通常、半導体レーザでは、発振時の活性層内部の光強度
は、光の進行方向（以下「軸方向」と称す）に不均一な
分布を持っている。この軸方向における光強度の不均一
性は、特にレーザ内部に波長選択性に優れた位相シフト
付き回折格子を内蔵している位相シフト型分布帰還形半
導体レーザ（以下「位相シフトＤＦＢレーザ」と称す。
）において顕著である。このように、光強度の不均一な
分布を持つ場合、注入電流密度分布が均一であると軸方
向空間的ホールバーニングによる屈折率変動が生じ、そ
のため単一波長動作の指標となる主モードと副モード間
の発振しきい値利得差（以下「発振しきい値利得差」と
称す。）が注入電流の増加と共に変化することが報告さ
れている（駿田他、電子情報通信学会量子化エレクトロ
ニクス研究会資料、０ＱＥ８６−７参照）。すなわち、
光強度の強い部分ではより多くのキャリアが誘導放出に
よって消費されるため、その部分でのキャリア密度が相
対的に減少し、その結果キャリア密度は軸方向に沿って
光の強度分布とは逆の不均一な分布を持つことになる。
一方、半導体の屈折率は内部のキャリア密度によって変
動し、キャリア密度が高い（低い）と屈折率は減少（増
加）する。
従って、不均一なキャリア密度分布によって屈折率も分
布を持つことになる。この屈折率変化によって、発振し
きい値利得差が減少し、単一波長性が劣化してしまうこ
とのみならず、キャリア密度の変動によって、レーザ出
力光が高出力動作時に飽和し易くなることも観測されて
いる。
この問題を避けるために本発明者らは、光半導体素子内
部の電気抵抗率に不均一分布を持たせ、注入電流密度を
軸方向の光強度分布にほぼ比例した分布に制御した構造
の光半導体素子を特許出願している（特願昭６２−１６
８３１４号）。すなわち、軸方向空間的ホールバーニン
グによって不均一となったキャリア密度分布とほぼ逆の
注入電流密度分布を持たせることで、正味のキャリア密
度分布及び屈折率分布をほぼ均一とさせるというもので
ある。このような構造にすることにより、注入電流と共
に増加する軸方向空間的ホールバーニングによる屈折率
変動は確かに減少した。しかし、如何なる電気抵抗率分
布（または注入電流密度分布）をもってしても、注入電
流を変化させた場合にはある程度の軸方向の屈折率変動
は避けられず、電流のダイナミックレンジをあまり大き
くした場合には適用できなかった。
すなわち、上述の方法では、注入電流密度分布は注入電
流によらず固定されているため、発振しきい値以下の注
入電流時でも同一の分布をもっている。一方、ホールバ
ーニングによる屈折率変動は発振して初めて生じるため
、発振しきい値以下では不均一注入電流密度による屈折
早変・動だけが生じてしまう。このしきい値時の屈折率
変動分のため、発振しきい値以上で任意の注入電流にお
いて常にホールバーニングによる屈折率変動を完全に相
殺できる注入電流密度分布は存在しない。
第１図は、従来の４分の１波長シフトＤＦＢレーザに均
一な電流注入を行なった場合（実線）と光強度分布に比
例した分布で電流注入を行なった場合（破線）の発振し
きい値利得差の注入電流依存性を計算した結果である。
均−電流注入時には、電流の増加とともに発振しきい値
利得差は単調減少するが、注入電流密度を制御すると、
しない場合に比べて高注入電流時まで大きな発振しきい
値利得差を維持することが可能であり、ホールバーニン
グによる屈折率変動をある程度抑制していることがわか
る。しかし、この場合発振しきい値利得差には最大値（
Ｍ）となる注入電流が存在し、その電流値においてはホ
ールバーニングと不均一電流注入とによる屈折率変動が
完全に相殺されているが、それ以下の電流領域では不均
一電流注入の効果が、またそれ以上の電流領域ではホー
ルバーニングによる効果が大きくなってしまう。このた
め、発振しきい値時の発振しきい値利得差が減少すると
同時に、高注入電流時にもやはり減少している。ここで
は注入電流密度分布が光強度分布に比例した場合の例を
示したが、不均一の度合を変えたり、他の類似の分布を
用いても上述の傾向は変わらない。
このように、従来の不均一電流注入を行なった半導体レ
ーザ装置及びその電流注入方法では軸方向空間的ホール
バーニングによる屈折率変動を完全に抑えることができ
ず、高電流注入時に単一波長性の劣化やレーザ出力光が
飽和し易い等、安定なレーザ出力が得られないという問
題があった。
（発明の目的及び特徴） 本発明は、上述した従来技術の欠点を解決するためにな
されたもので、安定なレーザ出力が得られる分布帰還形
半導体レーザ装置及びその電流注入方法を提供すること
を目的とする。
本発明の第１の特徴は、光が発光する活性層に近接した
回折格子と、該活性層をｎ型半導体とｐ型半導体とで挟
んだダブルヘテロ構造を有し、該活性層に電流を注入す
るためのｎ側とｎ側の電極とを備えた分布帰還形半導体
レーザ装置の該ｎ側またはｎ側電極のうち一方の電極を
複数に分割し、該分割された電極ごとに接続された第１
の電流源と前記分割されている電極ごとに注入する電流
比を所望の値とするための抵抗を介して前記分割された
電極に接続された第２の電流源とを有し前記活性層の発
光状態に応じて該第１及び第２の電流源を制御するよう
に構成したことにある。
本発明の第２の特徴は、光が発光する活性層に近接した
回折格子と、該活性層をｎ型半導体とＰ型半導体とで挟
んだダブルヘテロ構造を有し、該活性層に電流を注入す
るためのｎ側とｎ側の電極とを備えた分布帰還形半導体
レーザの該電極に電流を注入して該分布帰還形半導体レ
ーザを発振せしめて出力光を得る分布帰還形半導体レー
ザ装置の電流注入方法において、該ｎ側またはｎ側電極
のうち一方の電極を複数に分割し、該分割された電極に
前記分布帰還形半導体レーザが発振する発振しきい値ま
で光の進行方向に沿う注入電流密度を均一となるように
保って電流を増加させながら注入する第１の工程と、 前記分布帰還形半導体レーザが発振しきい値を超えた以
降注入する電流を、該光の進行方向における最大の光強
度を有する部分の前記注入電流密度が少なくとも最大と
なるように制御しながら注入する第２の工程とを有する
ことにある。
（発明の構成及び作用） 以下に図面を用いて本発明の詳細な説明する。
なお、以下の説明では同一構成部分には同一番号を付し
説明の重複を省く。
（実施例１） 第２図（ａ）は本発明による第１の実施例であり、非対
称４分の１波長シフトＤＦＢレーザ装置の構成図である
。この実施例の非対称４分の１波長シフ１−ＤＦＢレー
ザの構造は、ｎ型１ｎＰ基板１上に、ｎ型１　ｎＧａＡ
ｓ　Ｐ導波路層２、ＩｎＧａＡｓ　Ｐ活性層３、ｐ型１
　ｎＧａＡｓ　Ｐパフ２ァ層４、ｐ型（ｎＰクランド層
５が積層され、ｎ型Ｉ　ｎＧａＡｓ　Ｐ導波路層２の膜
厚を周期的に変化させた４分の１波長分の位相シフト９
を有する回折格子８で光の進行に沿う実行的な周期的屈
折率変化を設けることによって、レーザ領域３０を形成
している。１００は前方のレーザ出力光（以下「前方出
力光」と称す）、１０１は後方出力のレーザ出力光（以
下「後方出力光」と称す）である。
４分の１波長シフト９は、前方出力光１００が後方出力
光１０１に比べて大きくなるようにレーザ領域３０の中
心よりも若干前方出力光１００側に偏移しである。レー
ザ領域３０は４分の１波長シフト付近のＢ領域、及び両
端面付近のＡ、ＣｉＪ域の３頭域に分割され、それぞれ
の領域の長さの比を例えばＡ：Ｂ：Ｃ＝２：４：４とす
る。一方、活性層３０両側には活性Ｎ３の禁制帯幅より
大なる半導体層であるｐ型！ｎＰクラッド層５、及びｎ
型１ｎＰ層６で埋め込まれており窓領域３Ｉが形成され
ている。さらに、レーザ領域３０及び窓領域３１上に電
極とのオーミック接触形成用のｐ型１ｎＧａＡｓＰキャ
ップ層７がある。２０．　２１゜２２は、Ａ　ｕ　／　
Ｃｒからなるｐ側電極であり、それぞれ領域Ａ、Ｂ、Ｃ
に対応している。２３は、Ａ　ｕ　／　Ａ　ｕ　Ｓ　ｎ
からなるｎ側電極である。１０は電極との接触抵抗を軽
減するための亜鉛拡散領域である。５０．５１はレーザ
駆動用の電流源、５２゜５３．５４は各領域に注入する
電流の比（Ｊ２＾：Ｊ２Ｂ：Ｊ２Ｃ）を所望の値とする
ための抵抗である。
後方出力光１０１の一部がヅオトダイオード５６で吸収
され、その出力が電流コントローラ５５に接続されてい
る。５５は電流源５０．５１の制御を行なう電流コント
ローラである。
第１表は電流源５０．５１及びフォトダイオード５６と
の関係を示したものである。本実施例では、注入電流を
ゼロから次第に増加して行きＤＦＢレーザを発振させる
場合の電流注入方法を説明する。
（１）ＤＦＢレーザが発振していない未発振状態の時す
なわち、フォトダイオード５６の出力がない場合には、
電流コントローラ５５により電流源５１の出力がゼロ、
電流源５０のみの注入電流が増加するように制御を行な
う。
（２）次に、ＤＦＢレーザが発振した時点すなわち、フ
ォトダイオード５６の出力が生じた瞬間に、電流コント
ローラ５５により電流源５０の出力を固定する。
（３）ＤＦＢレーザの発振により出力する出力光のレベ
ルを増大させて安定な出力光を得るために注入する電流
は、予め定められた抵抗値を持つ抵抗５２．５３および
５４が接続されている電流源５１により、光の進行方向
における最大の光強度を有する部分の前記注入電流密度
が少なくとも最大となるように制御する。
上述の３工程により、発振しきい値以下では各領域には
均一な電流密度で電流注入され、かつしきい値以上では
しきい値電流を越える電流分について、抵抗５２，５３
．５４の値を制御するため光強度分布に応じた電流密度
分布を実現できる。
第１表 第２図（ｂ）は同図（ａ）の活性層３内の軸方向におけ
る光強度分布と本発明の特徴である注入電流密度分布を
示した図である。光強度は４分の１波長シフト部で最大
となる不均一な分布であり、しきい値以上の電流分をこ
の光強度分布に合うように、例えば、Ｊ２Ａ：　Ｊ２Ｂ
：　Ｊ２Ｃ＝２　：　３　：　１とすればよい。
第２図（Ｃ）は、同図（ｂ）に示した分布で電流を注入
した時の、発振しきい値利得差と注入電流の関係を計算
した結果である。発振しきい値利得差は注入電流によら
ず大きな値でほぼ一定であり、軸方向空間的ホールバー
ニングはほぼ完全に抑制されていることがわかり、この
ように理論的にも裏付けられた。また、分割数に関して
は４分の１波長シフトＤＦＢレーザの場合、２分割では
少ないが、回折格子の位相シフトしている領域を含む電
極２１を中心にして左右（光の進行方向）に複数分割す
れば良い。
第３図は同一素子を均一電流注入した場合（点線）と、
本実施例の通りに注入電流密度分布をＪ２Ａ：　Ｊ２Ｂ
：　Ｊ２Ｃ＝２　：　３　：　ｌとした場合（実線）の
前方出力光１００と注入電流の関係を測定した結果であ
る。本発明により、前方出力の微分量子効率、及び最高
出力が向上し、さらに、はとんどすべての素子が単一波
長で発振することを確認した。
（実施例２） 第４図（ａ）は、本発明による第２の実施例である。実
施例１と異なるところは、回折格子１１には４分の１波
長位相シフトが無いこと、及び活性層３の両端に窓領域
はなく、前方出力光１００の端面側には無反射コーテイ
ング膜２４、後方出力光１０１の端面側には高反射コー
テイング膜２５が形成されていること、及びｐ側電極２
０．２１並びにレーザ領域３０が２領域に分割されてい
ることである。すなわち、位相シフトを有しない場合に
は、前方出力光と後方出力光側の両端に少なくとも両極
を設ければ良い。
このようなりＦＢレーザは端面における回折格子の位相
によっては、必ずしも単一波長発振をしない場合がある
が、前方出力光１００と後方出力光１０１との比が大き
くとれるため高出力の主出力を取り出す場合に用いれば
有望である。
第４図（ｂ）は同図（ａ）の活性層３内の軸方向光強度
分布（実線）と本発明の特徴である注入電流密度分布（
破線）の−例を示した図である。
このようにしきい値組流以上の電流分の電流密度比をた
とえばＪ２Ａ　：　Ｊ２Ｂ＝　１　：　２とすることで
、実際のキャリア密度分布をほぼ均一にすることができ
、軸方向空間的ホールバーニングは生じない。
従って、実施例１と同様に、高電流注入時においても前
方出力１００が飽和することなく、単一波長発振の歩留
まりも向上する。
なお、上述の実施例１，２では、分割電極数をそれぞれ
３つ及び２つとしたが、分割電極数をさらに増やすこと
によって、より完全にホールバーニングを抑制すること
ができる。また、各領域へのしきい値を越える電流分の
電流密度比は、光強度分布に完全に比例していなくても
、光強度分布の特に強いところである４分の１波長シフ
ト９の付近（実施例１では領域Ｂ）またはレーザ領域３
０の端面部分（実施例２では領域Ｂ）に、他の領域の１
．２〜３．０倍の電流密度を供給するだけでかなりのレ
ーザ出力特性の改善がはかれる。
本発明は、半導体材料として、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ
系を用いて説明したが、Ａｊ２＋ｎＧａＡｓ／　Ｉ　ｎ
　Ｐ系、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系などの他の半導体材
料にも容易に適用することができる。
（発明の効果） 以上説明したように、本発明は、分割された電極ごとに
第１の電流源５０及び第２の電流源５１を備えて電流を
制御することにより、安定な出力を得るＤＦＢレーザ装
置が実現できる。さらに、本発明は発振しきい値以下で
は軸方向における注入電流密度が均一で、発振しきい値
以上では発振しきい値組流を越える電流分に関して、軸
方向における注入電流密度が少な（とも最大の光強度を
有する部分で大きくなるように、電流密度分布を制御し
て構成することにより、軸方向空間的ホールバーニング
が生ずるのを抑制し、高出力動作時にも出力飽和が少な
く、高い確率で単一波長発振するＤＦＢレーザが得られ
る。
回折格子８において位相シフト９が存在している領域を
含む電極２１を中心にして電極を複数ラメ割することに
より、位相シフトＤＦＢレーザの出力光を高安定に制御
することができる 回折格子８において位相シフト９が存在している領域を
含む電極２１の電流密度を最大とすることにより、安定
な高出力の位相シフトＤＦＢレーザを実現できる。
位相シフ］・を有しないＤＦＢレーザの場合には、活性
層３の両端を中心にして電極を複数に分割をすることに
より、安定な高出力を得ることができる。
また、本発明はＤＦＢレーザの注入電流を３工程で制御
することにより、安定な高出力を得ることができる。
従って、本発明は、光通信や光情報処理の分野で幅広く
使用することができ、その効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第１図は従来の４分の１波長シフｌ−Ｄ　Ｆ　Ｂレーザ
の発振しきい値利得差の注入電流依存性を計算した結果
を示す特性図、第２図（ａ）、　（ｂ）、　（ｃ）はそ
れぞれ本発明による４分の１波長シフ）ＤＦＢレーザの
構成図、内部の光強度分布及び電流密度分布図、及び発
振しきい値利得差の注入電流依存性を示した特性図、第
３図は本発明と従来とを比較するレーザ電流とレーザ出
力の特性図、第４図（ａ）、（ｂ）は本発明の第２の実
施例によるＤＦＢレーザの構成図及び内部の光強度分布
と電流密度分布を示す特性図である。 １−ｎ型１ｎＰ基板、　２−ｎ型ｒｎＧａＡｓＰ導波路
層、　３・・・ＩｎＧａＡｓＰ活性層、４・・・ｐ型１
ｎＧａＡｓＰバッファ層、　５・・・ｐ型ＩｎＰクラッ
ド層、　　６・・・ｎ型１ｎＰ層、７　・Ｐ型１　ｎＧ
ａＡｓ　Ｐキヤツプ層、　　８．１１・・・回折格子、
　９・・・４分の１波長シフト、　　１０・・・亜鉛拡
散領域、　２０．２１，２２．２３・・・電極、　２４
・・・無反射コーテイング膜、　２５・・・高反射コー
テイング膜、　３０・・・レーザ領域、３１・・・窓領
域、　５０．５１・・・電流源、　５２゜５３．５４・
・・抵抗、　　５５・・・電流コントローラ、５６・・
・フォトダイオード、　　１００，１０１・・・光出力
。 特許出願人　　国際電信電話株式会社

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）光が発光する活性層に近接した回折格子と、該活
    性層をｎ型半導体とｐ型半導体とで挟んだダブルヘテロ
    構造を有し、前記活性層に電流を注入するためのｎ側と
    ｐ側の電極とを備えた分布帰還形半導体レーザ装置にお
    いて 該ｎ側またはｐ側電極のうち一方の電極を複数に分割し
    、該分割された電極ごとに接続された第１の電流源と、 前記分割されている電極ごとに注入する電流比を所望の
    値とするための抵抗を介して前記分割された電極に接続
    された第２の電流源とを有し、 前記活性層の発光状態に応じて該第１及び第２の電流源
    を制御するように構成されたことを特徴とする分布帰還
    形半導体レーザ装置。
  2. （２）前記第一の電流源は前記分割された電極に均一に
    電流を注入し、前記第２の電流源は前記分割された電極
    のうち最大の光強度を有する前記電極の最も大なる電流
    を注入するように構成されたことを特徴とする特許請求
    の範囲第１項記載の分布帰還形半導体レーザ装置。
  3. （３）前記電極は前記回折格子が位相シフトしている領
    域を含む電極を中心にして複数に分割されていることを
    特徴とする特許請求の範囲第１項記載の分布帰還形半導
    体レーザ装置。
  4. （４）前記回折格子が位相シフトしている領域を含む電
    極の電流密度が最大となるように構成したことを特徴と
    する特許請求の範囲第３項記載の分布帰還形半導体レー
    ザ装置。
  5. （５）前記電極は前記活性層の両端を中心にして複数に
    分割されていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
    記載の分布帰還形半導体レーザ装置。
  6. （６）光が発光する活性層に近接した回折格子と、該活
    性層をｎ型半導体とｐ型半導体とで挟んだダブルヘテロ
    構造を有し、該活性層に電流を注入するためのｎ側とｐ
    側の電極とを備えた分布帰還形半導体レーザの該電極に
    電流を注入して該分布帰還形半導体レーザを発振せしめ
    て出力光を得る分布帰還形半導体レーザ装置の電流注入
    方法において、 該ｎ側またはｐ側電極のうち一方の電極を複数に分割し
    、該分割された電極に前記分布帰還形半導体レーザが発
    振する発振しきい値まで光の進行方向に沿う注入電流密
    度を均一となるように保って電流を増加させながら注入
    する第１の工程と、 前記分布帰還形半導体レーザが発振しきい値を超えた以
    降注入する電流を、該光の進行方向における最大の光強
    度を有する部分の前記注入電流密度が少なくとも最大と
    なるように制御しながら注入する第２の工程とを有する
    ことを特徴とする分布帰還形半導体レーザ装置の電流注
    入方法。
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