JPH02260483A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野Ｊ 本発明は、波長多重光情報伝送・処理等に有用な、−素
子から波長の異なる複数のレーザ光を発振可能な多波長
半導体レーザに関する。

［従来の技術］ 従来、−素子から２波長以上の複数レーザ光を出射する
ことのできる多波長半導体レーザとしては、出射レーザ
波長が異なるようにその組成を異ならせた複数の活性層
を配列した構成を有するもの：分布帰還型（Ｄｉｓｔｒ
ｉｂｕｔｅｄ　Ｆｅｅｄ　Ｂａｃｋ、　ＤＦＢ）半導体
レーザ構造、あるいは分布反射型（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔ
ｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　、　ＤＢＲ）
半導体レーザ構造からなる単位の複数を同一基板上に配
列し、各レーザ構造の回折格子のピッチを異ならせるこ
とにより、各回折格子のピッチに対応するブラック波長
を異ならせ、各レーザ構造からの出射光の波長を異なら
せる構成を有するもの等が知られている。

更に、これに対し、近年さらに発振波長を大きく変える
方法として、活性層に単一量子井戸構造を用いこの量子
井戸の井戸を通常より深く設定し、２つ以上の量子準位
を持つ構造とし、かつ、レーザ共振器中の内部損失を活
性ストライブ領域の幅や、共振器長を変人で制御するこ
とによって、選択的に２つ以上の量子準位に対応する発
振波長を選ぶ方法が研究されている（　１９８７年秋季
応用物理学会予稿集１９ｐ−ＺＲ−１４）。

［発明が解決しようとしている課題］ しかし７ながら、上記従来例の組成の異ならせた複数の
活性層を配列した構造では、その作成プロセスは複雑で
数回の成膜の繰り返しが必要となる。また、同一活性層
を用いたレーザ構造でその発振波長を回折格子の波長選
択性で異ならせる方法は、−射的ではあるが、一つの活
性層の利得の波長域はせいぜい数ｎｍの範囲でしか特性
の良いそろった複数のレーザをモノリシックに構成する
ことはできない。

一方、従来の活性層に単一量子井戸構造を用いた多波長
半導体レーザにおいては以下のような問題がある。

単一量子井戸層に電流が注入されると、まず基底準位で
利得は増えはじめるが、この基底準位の利得が飽和して
から高次準位の利得は増えはじめる。つまり、高次準位
の発振を行わせるためには、共振器の損失を増加させて
しきい電流を増加させてはじめて実現するのである。

よって、それぞれの準位に対応する光を発振させるため
には、損失量を制御する必要があるが、その手段として
は、活性ストライブ領域の幅を異ならせて内部損失を変
化させる方法や、共振器長を変化させて積面損失の割合
を変化させる方法などがある。

活性ストライブ領域の幅を異ならせて、波長を制御する
構成では、活性ストライブ領域の幅によってニア・フィ
ールド・パターンの形状や、非点収差などの光学特性が
変わってくるため、望ましい光学特性を有する波長数に
限りがある。また、共振器長を変えて、共振器での内部
損失特性を変える構成では、通常のへき開による端面形
成法を用いると、互いに波長の異なる複数のレーザ光を
一素子に一体化された構成を有するモノリシッ、りに形
成された半導体レーザから得ることができない。

上記のような構成では、発振しきい電流密度は各々の波
長に対して大きく異なってしまうため、その発熱量も一
方は大きくなってしまい良好なアレイレーザの実現は難
しい。

さらに、単一量子井戸構造で２波長を出射するレーザな
設計するには、量子井戸層の組成と幅および障壁層の組
成を厳密に規定する必要がある。

このため、設計の自由度が少なく、自由にエネルギー準
位を設計することは難しく、所望の２波長のための構造
を最適化する自由度も非常に少ない。

本発明は、以上述べたような従来の多波長半導体レーザ
における問題に鑑みなされたものであり、同一基板上に
複数の活性ストライブ領域を配列できる構成を有し、良
好、かつバラツキの少ない非点収差やニア・フィールド
・パターン等の光学特性を有し、かつ安定性の優れた波
長の異なる複数のレーザ光を出射可能な多波長半導体レ
ーザを提供することができる。

さらに、単一の半導体レーザとしても、内部損失を変化
させることにより、同時多波長発振、波長スイッチング
が可能となる。

〔課題点を解決するための手段（及び作用）］本発明の
多波長半導体レーザ素子は、量子井戸型構造からなる活
性層と、発振波長を制御する何らかの共振構造とを有す
ることにより、多波長光の同時発振、多波長光のスイッ
チング、多波長光の集積化を実現したものである。

前記活性層の量子井戸型構造の一例は、第１図にＡｌＧ
ａＡｓ系についてそのエネルギーバンド図を示したが、
異なるエネルギーギャップをもつ複数の量子井戸層し障
壁層、光と電子の閉じ込め層からなり、この量子井戸層
について、エネルギーギャップがより大きい井戸層の膜
厚は、エネルギーギャップの小さい井戸層の膜厚以上に
設定しである。これにより、高エネルギーギャップの井
戸層の発振しきい電流密度を有効に小さくし、各井戸層
の発振しきい値のバラツキを小さくすることが可能とな
った。

更に、詳細に説明すると、一般にレーザ発振条件は、 となり、発振しきい利得ｇｔｈの活性層と光の結合する
割合、すなわち光閉じ込め係数Ｔとの積が、共振器長、
Ｒは端面反射率）の和と等しくなったときに発振する。

（１）式から、仮に２つの量子井戸層において、右辺の
全損失が等しいとするならば、井戸幅が大きい方がＴが
大きくなり、少々率さなｇｔｈでも発振することになる
。

本発明のように、異なる量子井戸層が複数存在する場合
、エネルギーキャップの大きい井戸層の利得は、エネル
ギーギャップの小さい井戸層に比べて小さいので、井戸
層厚が大きければ小さな利得での発振が可能となり、し
きい電流密度の低下になり、結果的に各井戸層での発振
しきい値が近づくことになる。

また、活性層内にホールまたは電子が多数存在するよう
に、光と電子の閉じ込め層と障壁層の一部または全部に
は不純物がドーピングされホールまたは電子の一方のキ
ャリアが十分溝たされているような構造とし、外部から
の電流注入により前記複数の量子井戸層でいずれの波長
においても利得をもつように形成した。これによって、
活性層内にはｐ型にドーピングされている場合、注入電
子量を制御すればよく、また、ｎ型にドーピングされて
いる場合注入ホール量を制御すればよいので具体的には
、井戸層と障壁層の組成と層厚を最適化すればよい。

活性層内の量子井戸数は２つ以上の複数であれば良いが
、上記条件下において井戸層と障壁層の層厚と組成を調
整して所望の波長に対応するエネルギーギャプが形成さ
れている必要があり、さらに、各波長に対する利得がほ
ぼ同時にしきい値に達するように制御されている方が望
ましい。

発振波長の制御には、共振器内の損失を変化させるか、
または、波長選択性のある反射器を形成することにより
、上記各々のエネルギーギャップに対応する波長を発振
させることが可能となった。共振器内の損失は大きく分
けて自由キャリア吸収や散乱損失が主である内部損失と
、端面損失になる。

そこで、内部損失を変化させるということは共振器の幅
を変化させたり、不純物の拡散やイオン打込み、プロト
ン照射などの方法があり、一方、端面損失を変化させる
には共振器長を変化させて全損失に対する端面損失の割
合を変化させる方法や、端面コーティングにより反射率
を制御する方法等がある。

また、波長選択性のある反射器としてはＤＢＲ型、ＤＦ
Ｂ型のように回折格子を導波路内に形成する方法や、外
部に回折格子を設置した外部共振器型等が非常に有効で
ある。端面損失を変化させる方法として上述した端面コ
ーティングによる制御方法は発振波長による反射率の変
化が支配的と思われる場合には、波長選択性を用いてい
ることになζ。

次に、回折格子を素子内に形成したＤＦＢ型、ＤＢＲ型
についてその回折格子の形成条件を示しておく。

回折格子は活性層と光学的に結合する先導波層上に形成
されており、その各々のピッチΔ、は、所望の波長λ、
と下記式（Ｉ） （ただし、βは回折次数（整数）　、ｎｏｔｅは等偏屈
折率、ｉは各半導体レーザ単位に付した標識記号）から
求められるものであり、それぞれ異なる波長λ、を安定
に発振させられる。

よって、回折格子のピッチを変化させることによって任
意の波長数について所望の波長、波長間隔で安定に発振
させられることが可能となった。

また、共振器の一部に電極の付いた吸収領域を形成して
おくことによって、そこに注入する電流または印加電圧
の制御により、−素子から、多波長光を発振したり、波
長スイッチングをしたりすることもできる。

本発明はＡＩＧａＡａ系、　ＩｎＧａＡｓＰ系、　Ａｌ
Ｇａ１ｎＰ系他化合物半導体の発光デバイスとなる材料
全てに有効であり、また、レーザの構造や各層の構成等
は適宜変更可能である。

］実施例〕 夾監皿ユ 第２図は分布ブラッグ反射型レーザ構造を用いた本発明
の２波長半導体レーザの一例の主要部の概略を示す断面
図であり、同図（ａ）は活性領域断面図、同図（ｂ）は
共振方向断面図、同図（Ｃ）はＤＢＲ領域断面図である
。

この２波長半導体レーザは、第１図（ｂ）中、活性領域
Ａ（長さ３００μｍ）とＤＢＲ領域領域長さ８００μ＋
１１）とから成り、活性領域Ａの構成はｎ”−ＧａＡｓ
基板ｌ上に、ｎ”−ＧａＡｓバッファ層２（厚さ０．５
μｍ）を介してｎ−Ａｌｏ、　ａＧａｏ、　ａＡｓクラ
ッド層３（厚さ　１．５μｍ）　、　ｎ−Ａｌｏ、　４
Ｇａｏ、　ａＡｓ光導波層４（厚さ０，２ｕ　ｍ）　、
活性層５（厚さ約０．１μｍ）　、　ｐ−Ａｌｏ、　ａ
Ｇａｏ、　ａＡｓクラッド層６（厚さ２．０μｍ）が分
子線エピタキシャル法により成膜されており、回折格子
形成プロセス後電流狭窄のためのメサ加工をし、ｎ−Ａ
ｌｏ、　５Ｇａｏ、　ａＡｓ電流狭窄層９により埋込み
構造を形成している。埋込み構造により光導波路は幅１
〜２μｍになる。

活性層５のエネルギーバンド図を第１図に示すように、
基板側からＡｌｏ、　４Ｇａｏ、　ａＡｓからＡｌｏ、
　３Ｇａｏ、　７Ａｓへ徐々に組成の変化する電子、光
閉じ込め層（３００人）、ＡｌＧａＡｓ井戸■層（１６
０人）、ｐ−Ａｌｏ、　３Ｇａ（、、ＴＡｓ障壁層（１
５０人）、ＧａＡｓ井戸■層（８０人）、１）−Ａｌｏ
、　５Ｇａｏ、　ｔＡｓからｐ−Ａｌｏ、　５Ｇａｏ、
　ａＡｓへ徐々に組成の変化する電子、光閉じ込め層（
３００人）から成り、井戸■、■のエネルギー準位に対
する室温における発振波長は８２０ｎｍ、　９４０ｎｍ
である。

また、障壁層は一般に、はぼ１００Å以上あれば互いの
井戸の電子準位は干渉しないので、それぞれの井戸にキ
ャリアの注入が可能で、別々に発振させられる。

本実施例において、ｐ側の電子、光閉じ込め層５５と障
壁層５３にはアクセプター不純物がドーピングされてお
り、ｐ型領域としているが、この理由は、ホールの易動
度が電子の易動度より約１相手さいために再結合効率を
高めるためにｐ型としている。

また、電子、光閉じ込め層は徐々に組成が変化している
が、これは電子の注入に有効ではあるが、本発明゛の本
質ではない。

なお、２つの井戸（Ｉ）と　（ＩＩ）で生じた光を選択
的に発振させるには、回折格子の伝搬定数、つまり光導
波部の層構成や格子の格子ピッチを制御すれば良い。

第２図（ｂ）において、ＤＢＲ領域領域長膜後、光導波
層４上までウェットエツチングにより切り込み、平坦な
面を形成する０回折格子は三光束干渉露光法により形成
するが、この際２素子［Ｉ］と［１１］に対する回折格
子は、各々周期が異なり前記の井戸■と■の利得の大き
い波長８２０ｎｍ、　８４０ｎｍにおいて最大の反射率
となるように格子ピッチを設定する。

本実施例の場合、２次の回折を用いるとするならばΔ、
　＝２４８５人とΔｚ　＝２５４５人の格子ピッチに設
定すればよい。

［Ｉ］と［１１１の回折格子の形成は、各々別々にフォ
トリソ及びエツチングを行い、上記の格子ピッチの反射
器を作る。

次に回折格子を形成後、ｆ−Ａｌｏ、　５Ｇａ６．）Ａ
ｓ光導波層７（厚さ約０．１μｍ）　、　ｎ−Ａｌｏ、
　５Ｇａｏ、　ｓＡｓクラッド層８（厚さ２．０μｍ）
を液相エピタキシャル法により成膜し、光導波路形成の
ため、活性領域と同時にメサ加工し、埋込み層９　（ｎ
−Ａｌｏ、５ａＧａｏ、ｓＡ８　）を液相エピタキシャ
ル法により作成する。

電流注入窓の形成は、絶縁層５ｉ（ｈまたはＳｉＪ＜１
１　（厚さ０．５μｍ）をプラズマＣｖＤなどにより成
膜後、エツチングにより活性領域Ａの活性層上部に幅２
μｍの注入窓を形成する。

その後、オーミックコンタクトのためにＺｎＡｓｚを用
い、石英封管法でＺｎを拡散させｚＯ拡散領域１０を形
成しｐ型電極Ａｕ／Ｃｒ　１２を蒸着後、素子（Ｉ）と
［１１３の電極を分離し、最後に、ｎ型電極Ａｕ　−Ｇ
ｅ／Ａｕ　１３を蒸着する。

本実施例によると、活性領域Ａで発生した光はＤＢＲ領
域Ｂで反射されるが、素子［Ｉ）、［Ｉｉ）ではそれぞ
れ格子ピッチΔ１．Δ２の回折格子により波長λ３．λ
２が選択的に反射し、結果として同一活性層を用いなが
ら異なる２つの波長を発振することになる。

本発明の特徴である活性層の設定に関しては、第１図に
示した他にも種々考えられる。

第３図（ａ）は複数の井戸層の組成が異なり、幅が同じ
を示し、同図（ｂ）はｎ型界面に近い方にＥｇの小さい
井戸層が存在する場合を示し、同図　（ｃ）は複数の井
戸層のいずれも混晶組成からなる場合を示し、同図（ｄ
）は障壁層の組成が電子、光閉じ込め層の組成と異なる
場合を示しており、いずれも、複数の量子井戸層を近い
しきい電流値で発振させることができる。

また、第３図に示した構造において、ｐ型とｎ型を入れ
かえても同様に、高Ｅｇの量子井戸層の発光を容易にし
、低しきい値化が可能となる。

夾Ａ■ｌ 第４図は、電流注入領域がそれぞれ異なって形成されて
おり、発振波長が異なる井戸層のエネルギーギャップに
対応する様にアレイ化された本発明を実施した多波長半
導体レーザな示す。

本実施例は、リッジ導波路型レーザにおいて、レーザＡ
は共振器全面にわたって電極が付いているが、レーザＢ
は共振器の一部分に電極の付いていない部分をもつ。そ
の結果、Ａでは共振器全域が利得領域となるが、Ｂでは
一部が損失領域、他部が利得領域となるので、Ｂの共振
器全体の損失はＡよりも大きくなり、電流注入部のしき
い電流密度は太き（なる。

本発明で、異なるエネルギーギャップを有する複数の量
子井戸層を活性層とした場合、それぞれのエネルギーギ
ャップに対する発振波長のしきい利得は多くの場合具な
り、エネルギーギャップの大きい井戸層のしきい利得は
大きくなる。

そこで、第４図においてエネルギーギャップの大きい井
戸層の発振のための制御には共振器の一部に電流注入部
のない素子Ｂの電極の長さを制御し、一方、エネルギー
ギャップの小さい井戸層の発振には素子Ａを用いること
により、異なる波長で発振するレーザアレイが実現でき
る。

レーザの膜構成は、ｎ”−ＧａＡｓ基板ｌ上に、ｎ３−
　（ｒａ　Ａ　ｓバフフッ層２　、　ｎ−Ａｌｏ、　ａ
Ｇａｏ、　ｓＡ８クラッド層３、活性層５　、ｐ−Ａｌ
ｏ、　５Ｇａｏ、　Ｊｓクラッド層６ρゝ−ＧａＡｓキ
ャップ層１４が順次エピタキシャル成長されており、電
流狭窄のためのメサ加工後、絶縁層５ｉＯｚｌｌをプラ
ズマＣｖＤにより形成し、リッジ上部に電流注入窓を開
け、ｐ側電極Ａｕ／Ｃｒ　１２の蒸着を行う、ここで、
素子ＡとＢの間は電極分離を行い、かつ、Ｂの共振器の
一部を電極がおおうようにエツチングにより除去する。

最後にラッピングをし、ｎ側電極Ａｕ−Ｇｅ／Ａｕを蒸
着する。活性層は実施例１と同じ構成をとっており、そ
の場合Ａの共振器長かは３００μｍ、Ｂの電極付着部の
長さが２００μｍの時、それぞれ８４０ｎｍと８２０ｎ
ｍの波長で発振した。

夫嵐烈ユ 第５図は共振器が活性領域［Ｉ］と損失領域口１〕とに
よって形成されている本発明を実施した波長可変型半導
体レーザの一実施例である。

レーザ構造及び膜構成は本発明の条件を満たす活性層を
もち、多波長光の発振が可能な構造であればよい。

吸収領域［ＩＩ３は順方向に電流が注入され、［ＩＩ　
１部での損失（利得）を変化させることによって、共振
器全体としての損失を変化させ、しきい利得の異なる各
々の波長の切換え、及び同時発振、または横方向に配置
して異波長光のマルチレーザアレイを実現できる。

例えば、［１１］部に［Ｉ１部と同じ電流密度で注入さ
れている時に長波長光が発振しているならば、（１１）
部の電流密度を減少する時、内部損失が増加し、［Ｉ１
部の電流を増加させなければしきい利得に達しなくなり
、結果として、短波長光が発振することになる。

また、端面損失を大きく設定しておけば、共振方向に均
一注入時に短波長光が発振し、不均一注入時に長波長光
が発振することも可能である。具体的には、共振器長を
短くするか、端面反射率を小さくすればよい。

衷鳳ｔ４ 第６図は共振器が活性領、域［Ｉ］と吸収領域［１１］
とによって形成されていることを特徴とする本発明を実
施した波長可変型レーザの一例である。

実施例３と同様、レーザ構造、膜構成は本発明の条件を
満たす活性層をもち、多波長光の発振が可能な構造であ
ればよい。

［Ｉ］と（ｍｌの境界部は電流の分離のために基板まで
切り込み、その後、液相エピタキシャル法により光導波
路を形成する様に埋め込む。

吸収領域［ｍｌは逆方向に電圧を印加し、活性層内の量
子井戸層に閉じ込められたエキシトンの吸収ピークのシ
フトを行う、電圧印加時の吸収端のシフトは、長波長側
へずれるため多波長のうち長波長光に対する内部損失が
高まり、短波長光の発振が生じることになる。

実施例３．４は共振器の内部損失を変化させる領域を共
振器の一部にもつことによって、しきい利得を変化させ
て、異波長光の発振を可能にすることができた。これに
より、異波長光の同時発振、異波長光のスイッチングが
実現でき、多波長レーザのアレイ化も同一活性層を用い
たモノリシックレーザアレイとして実現できた。

共振器には、回折格子を用いることにより動的単一縦モ
ードの多波長半導体レーザアレイが実現できる。一方、
端面コーティングを行い、それぞれの波長における反射
率を制御する方法や、共振方向に損失領域を設ける方法
により内部損失を制御することによっても多波長半導体
レーザアレイが実現できる。

さらに、−素子において損失領域の損失（利得）を変化
させることにより、多波長光の同時発振、波長スイッチ
ングを行うことが可能となりた。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明は、活性層を以下に示すよう
に構成し、共振器に損失を制御する手段または波長選択
性のある手段をとることにより、多波長光の同時発振、
スイッチングならびにモノリシックアレイ化を実現でき
る効果がある。

すなわち、活性層は、異なるエネルギーギャップを有す
る複数の量子井戸層から成り、各々の量子井戸層の幅に
ついての条件として、高エネルギーギャッ゛ブの井戸幅
は低エネルギーギャップの井戸幅以上に設定されており
、複数のエネルギーギャップに対する波長の発振しきい
電流密度を近づけて特性のそろった多波長光の発振を可
能にした。

また、活性層内の井戸層以外の全部または一部にアクセ
プター不純物をドーピングすることにより、注入電子の
みを制御すればよくなり、構造の最適化が容易である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、第２図の活性層の構成を示すエネルギーバン
ドの模式図、 第２図は、本発明を実施したＤＢＲ型多波長レーザアレ
イの構造図、 第３図は、本発明の活°性層の変形例を示す図、第４図
は、本発明を実施した多波長レーザアレイの構造図、 第５図は、共振器の一部に順方向吸収領域をもつ同時多
波長または波長スイッチの可 能な本発明を実施した半導体レーザ断 面図、 第６図は、共振器の一部に逆方向吸収領域をもつ本発明
を実施した半導体レーザ断面 図。 ｌ・・・基板（ｎ”−ＧａＡｓ）、 ２・・・バッファ層（ｎ”−ＧａＡｓ）、３・・・クラ
ッド層　（ｎ−Ａｌｏ、　５Ｇａｏ、　５Ａｓ）、４・
・・光導波層（ｎ−Ａｌｏ、　４Ｇａｏ、　ａＡｓ）、
５・・・活性層、 ６・・・クラッド層　（ｐ−Ａｌｏ、　５Ｇａｏ、　５
Ａｓ）、７・・・光導波層（ｉ−Ａｌｏ、　５Ｇａｏ、
　ｔＡｓ）、８・・・クラッド層　（ｎ−Ａｌｏ、　５
Ｇａｏ、　５Ａｓ）９・・・電流狭窄層（ｎ−Ａｌｏ、
　ａＧａｏ、　５Ａｓ）１０・・・Ｚｎ拡散領域、 １１・・・絶縁層（ＳｉｓＮ４または５ｉｆｔ）、１２
・ｐ電極（Ａｕ／Ｃｒ）、 １３−ｎ電極（Ａｕ−Ｇｅ／Ａｕ）、 １４・・・キャップ層　（ｐ”−ＧａＡ、ｓ）。 特許出願人　　キャノン株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、異なるエネルギーギャップを有する複数の量子井戸
   層と障壁層と、電子、光閉じ込め層からなる活性層を具
   備し、上記量子井戸層に関して、エネルギーギャップの
   大きな量子井戸層の井戸幅は、より小さなエネルギーギ
   ャップの量子井戸層の井戸幅と等しいかまたはそれより
   大きいことを特徴とする半導体レーザ装置。 ２、障壁層および電子、光閉じ込め層の全部または一部
   にアクセプタ不純物またはドナー不純物が導入され、ｐ
   型またはｎ型電導領域が形成している請求項１記載の半
   導体レーザ装置。 ３、活性層は、回折格子を利用した波長選択性をもった
   共振構造を有している請求項１または２記載の半導体レ
   ーザ装置。 ４、活性層の共振端面にはコーティングが施されている
   請求項１または２記載の半導体レーザ装置。 ５、共振器の内部損失を変化させる手段を有している請
   求項１または２記載の半導体レーザ装置。