JPH03174787A - 半導体レーザ素子 - 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】

３− 本発明は、超高速光変調が求められている光フアイバー
通信、あるいは光論理回路、光配線等に用いる半導体レ
ーザ素子に関するものである。

【従来の技術】

従来、量子井戸構造の積層方向に電界を加えて量子状態
を変化させ、量子井戸からの出射光強度を変調する方法
が行われ、「応用物理」第５５巻、２１０頁（１９８６
年）に論しられている。上記従来技術の変調原理を第２
図を用いて説明する。 第２図（、）は無電界時の量子準位（破線）と電子およ
び正孔の波動関数とを示したものである。 このように、電子、正孔とも量子井戸層に局在化するが
、その波動関数は井戸の中心に対して対称性を有してい
る。一方、量子井戸の積層方向に電界を加えると、第２
図（ｂ）に示すようにバンドには傾きが生じ、その結果
、波動関係の対称性は失われる。すなわち、電子の波動
関数は図に示すようにエネルギー的に低い左側に局在化
し、正孔の波動関数は右側に局在化する。言いかえると
、同図（ｂ）の如く、電子群位置と正孔群位置が空間約
に異なる。本明細書においては、今、（ｂ）の如く、電
子の波動関数のピークの位置と正孔の波動関数のピーク
の位置の差を「電子群位置と正孔群位置の間の即離」と
定義しよう。つまり、電子と正孔との波動関数は井戸層
内で空間的に分離する。すなわち、「電子群位置と正孔
群位置の間の距離」が増大するのである。この結果、電
子と正孔との波動関数の空間的重なりが減少するが、こ
れは光学的遷移の確率、つまり、振動子強度が減少する
。すなわち、電界の有無により出射光強度が変化する。 このときの変調速度、つまり、電界印加の有無による出
射光強度変化の速度は極めて速く、ピコ秒オーダとなり
、従来の半導体レーザの直接変調方式に較べて１〜２桁
の速度向上が可能になる。

【発明が解決しようとする課題） しかしながら通常の量子井戸構造を有する半導体レーザ
の場合、上述の従来技術では量子井戸内の電子および正
孔の存在によってこの量子井戸内に印加した電界を打ち
消してしまい（スクリー二ング）、量子井戸に加わる正
味の電界強度が弱くなってしまうという問題がある。即
ち、レーザ発振に必要なキャリア密度は約２　Ｘ　１０
１′１ｃｍ−３であり、このようにレーザ発振を得るの
に必要な高キヤリア密度レベル下では電界印加による量
子井戸の出射光強度変調はスクリーニングにより不可能
となる。その結果、上記従来技術は自然放出光状態、つ
まりレーザ発振前においてのみ用いることが可能な変調
方法である。 本発明の目的は、上述した従来技術が有する技術的課題
を解決し、レーザ発振状態において電界印加により量子
井戸からの出射光強度を変調することができる半導体レ
ーザ素子を提供することにある。 【課題を解決、するための手段】 上記目的を達成するために、本発明は以下の特徴を有す
る。 本発明の１局面によれば、光を放出するための活性領域
と、この活性領域にキャリアを注入するためのキャリア
注入手段と、上記放出された光からレーザ光を得るため
の共振器構造とを有し、上記活性領域は自由キャリアの
電荷中性条件を満たさない領域を含むポテンシャル井戸
を有し、このポテンシャル井戸内に存在する電子群位置
と正孔群位置との間の距離を大きくする向きに電界を印
加することにより光出力を小さくする半導体レーザ素子
が提供される。また、このような半導体レーザ素子の典
型的形態として、前記活性領域に電界を印加するために
配設された電極等の電界印加手段を有する半導体レーザ
素子が提供される。本発明では、レーザ発振モートでの
超高速変調を実現するために電界変調を選択する。 本発明の限定された局面によれば、前記自由キャリアの
電荷通性条件を満たさない領域は、前記ポテンシャル井
戸内に導電型不純物を選択的に導入することにより形成
された半導体レーザ素子が提供される。この場合、導電
型不純物の濃度は１Ｘ１０ｌＸ１０１１Ｉ以上であるこ
とが望ましい。レーザ発振のしきいキャリア密度低減の
効果が大きいｎ型不鈍物を導入する方が、本発明で用い
る電界７ 変調に特に適している。不純物濃度は、ｎ型不純物では
Ｉ　Ｘ　１０１１′以上、ｐ型不純物では２×１０１１
１以上が望ましい。特にｎ型不純物では２　Ｘ　１０１
１１ｃｍ−３以上、ｐ型不純物では５　Ｘ　１０１１１
ａｍ−３以上において効果が著しい。 本発明の更に限定された局面によれば、前記自由キャリ
アの電荷中性条件を満たさない領域は、前記活性領域の
前記ポテンシャル井戸近傍に導電型不純物を選択的に導
入することにより形成した半導体レーザ素子が提供され
る。 本発明の他の限定された局面によれば、前記自由キャリ
アの電荷中性条件を満たさない領域は、前記ポテンシャ
ル井戸の形状の非対称性に基づく半導体レーザ素子が提
供される。量子井戸若しくはその近傍のエネルギーバン
ド構造を工夫して外部から印加される電界が存在しない
状態において上記ポテンシャル井戸内の電子群位置と正
孔群位置との距離を大きくした状態を得ることが可能で
ある。変調用の電界をこれら電子群、正孔群の重なりが
井戸内で大きくなるような向きに印加することによって
レーザ発振状態を得る。 本発明の他の局面によれば、光を放出するための活性領
域と、この活性領域にキャリアを注入するためのキャリ
ア注入手段と、上記放出された光からレーザ光を得るた
めの共振器構造とを有し、上記活性領域は自由キャリア
の電荷中性条件を満たさない領域を含むポテンシャル井
戸を有し、このポテンシャル井戸内のキャリアに電界を
印加することにより光出力の変調を行なうことを特徴と
する半導体レーザ素子が提供される。更に、前記電荷中
性条件を満たさない領域は前記活性領域に導電型不純物
を導入することにより形成されている半導体レーザ素子
が提供される。 本発明の更に他の局面によれば、光を放出するための活
性領域と、この活性領域にキャリアを注入するためのキ
ャリア注入手段と、上記放出された光からレーザ光を得
るための共振器構造とを有し、上記活性領域に導電型不
純物を導入することにより、レーザ光の出力変調を上記
活性層に印加する変調電界により行なうようにしたこと
を特徴とする半導体レーザ素子が提供される。 本発明の他の限定された局面によれば、前記導電型不純
物は前記活性領域内に存在するキャリアによる前記変調
電界に対するスクリーニング効果を打ち消すように導入
されている半導体レーザ素子が提供される。 本発明の更に他の限定された局面によれば、キャリアの
注入により発振する光の出力を印加電界により変調する
半導体レーザ素子であって、との印加電界の大きさを変
化させることにより活性領域内で再結合する八き電子群
ど正孔群の平均ＷｊＩｌ＃を大きくして光出力を実質的
に無くすようにした半導体レーザ素子が提供される。 本発明の限定された局面によれば、前記半導体レーザ素
子はレーザ発光のためのしきい電流近傍の実質−１−一
定な邸動電流を注入されたままで前記印加電界により光
出力を変調する半導体レーザ素子が提供される。 本発明の更に他の局面によれば、自由キャＩＪアの電荷
中性条件を満たさない領域を含むポテンシャル井戸を備
えた活性領域と、この活性領域にキャリアを注入して光
を放出させるためのキャリア注入手段と、上記放出され
た光からレーザ光を得るための共振器構造と、上記活性
領域に電界を印加して光の放出を変調するための電界印
加手段とを有する半導体レーザ素子が提供される。

【作用】

量子井戸内において自１１１キャリアの電荷中性条件を
満足しない系とは、即ち、注入される電子および正孔の
密度をＬおよび■）　ｌ、無注入状態での電子および正
孔の密度をｎ。およびｐ。とじたとき、（ｎｏ＋ｎ＋）
　　≠　（Ｐｏ＋Ｐ＋）の不等式が成り立つ場合をいう
。しかし、本発明における電荷中性条件を満足しない条
件とは、上式の等号のずれが典型的に１×１０”８　Ｃ
，、、−３以−１＝ある系のことである。つまり、 （ｎｏ＋ｎ＋）　　（ｐｏ　＋　ｐ＋）　ｌ　＞Ｅ−ｘ
　ｉ　Ｏ１Ｂｃｍ＝１ のことである。 本発明者等は既に、量子井戸構造に不純物を導入すると
レーザ発振に必要なキャリア密度、つまり、しきいキャ
リア密度を大幅に低減することができるというアイデア
を示している（信学技報○ＱＥ８６−６３）が、本発明
はこれを電界変調型の半導体レーザ素子として実現する
。しきいキャリア密度の低下は、不純物ドーピングによ
って誘導吸収項が小さくなり、同一注入キャリア密度で
の光学利得が増大する効果に基づく。この効果を第３図
に示す。低キヤリア密度においてレーザ発振状態が得ら
れるため、外部から変調のために井戸内に印加された電
界が、井戸内に存在するキャリアの移動によって打ち消
されることが無くなり、この結果電子と正孔との波動関
数の空間的型なりを制御することが可能となる。第２図
（ａ）および（ｂ）は、それぞれ電界印加の無いときと
電界印加時のポテンシャル井戸内に存在する電子と正孔
の分布を示すものである。このように電界３ ２ による高速の変調が可能となる。 不純物の導入部分およびポテンシャル井戸の形状は例え
ば、第６図（ａ）から（ｈ）に例示するとおり、種々の
形態が考えられる。特に、第６図に示したものはポテン
シャル井戸内若しくは井戸近傍に導入された導電型不純
物の分布を偏らせることにより、井戸内のキャリアをそ
の符号により分離するようなポテンシャル場を形成する
ようにしたものである。このような構造を形成すること
により、電子と正孔の分離を容易に行なうことができる
。また、第６図（ｆ）、（ｇ）および（１１）に示した
とおり、ポテンシャル井戸に段差を設けることによって
、例えば電子の分布を偏らせて正孔との距離を維持する
ことも有効な手段である。 本発明の変調は電界印加手段によってポテンシャル井戸
内に外部から変調のための電界を印加して行なう。変調
電界印加によってレーザ発振を実質的にゼロとすること
ができる。実質的にゼロとは、誘導放出（自然放出以外
の全て）を無くすことができることを意味する。電界印
加手段は例えば上記ポテンシャル井戸を」二下から挾む
ように構成された少なくとも１対の電極によって構成さ
れる。 第１０図に電子群位置と正孔群位置の間の距離と光出力
どの関係を示す。ここでは量子井戸層の厚さが１０　ｎ
　ｍの場合のデータを掲げた。２つの曲線はそれぞれ第
６図（ａ）と（ｆ）に相当するポテンシャル井戸を構成
したときの値である。 （ｆ）において、井戸層の厚さとは２段井戸の全厚であ
る。図に示すとおり、距離の増大と共に光出力は低下す
ることがわかる。（ａ）と（ｆ）との差異は（ｆ）の２
段井戸構造に基づくものであり、２段井戸の下側の井戸
（最深部）に電子群が落ちこみやすく、その結果電子群
の分布に偏りが生しるためである。

【実施例］ つきに本発明の実施例を図面とともに説明する。 第１図は本発明による半導体光素子の一実施例を示す断
面図、第４図、第５図、第６図は本発明による半導体光
素子の他の実施例を示す断面図、第７図は本発明による
光フアイバ通信の実施例を示すシステム図である。 第１図において、半絶縁性ＩｎＰ基板工上にアンドープ
ＧａＡＱＡｓクラット層２、膜厚が５〜２０ｎｍのＧａ
Ａｓ量子井戸層３、アンドープＧａＡΩＡｓクラッド層
４を成長させた。この時上記ＧａＡｓ量子井戸層３は２
つの領域で形成され、アンドープＧａＡｓ層３１）と不
鈍物密度ＩＸ１０”−１−Ｘ　Ｉ　Ｑ　１９ｃｍ−”の
Ｓｅ、あるいはＴｅ、あるいはＳｉのＤ型不純物を１−
一ピングしたＴ１をＧａＡｓ層３ａから形成した。この
構造は第６図（ａ）に対応している。 つまり本実施例では井戸内の電子密度が正孔密度よりも
多い電荷非中性となっている。この後。 少なくとも上記ＧａＡｓ量子井戸層３をつきぬける幅０
．５〜５μｍの凸状のス１−ライブを作成する。 この後、ｐ−ＧａＡＱＡｓうめこみ層５、及びｎ−Ｇａ
ＡＤ、ＡｓうめこみＮ６を形成し、ｐ側電流注入電極７
、ｎ側電流注入電極８を形成した。さらに凸状ストライ
ブに対応した領域の半絶縁性基板１を選択エツチングに
より除去し、電界印加電極ギ ５００μｍにへき開した。 試作した素子は２〜↓５ｍＡでレーザ発振した。 また第８図に本実施例の駆動系、つまり周辺回路を示し
ている。各電極７，８，９，１．０は第１７図に対応し
ている。ここで、８はアースに接続されている。また、
可変抵抗４０により電流注入量を調整する機能を有した
電流注入源４１が電極７に接続されている。また量子井
戸への電界印加用電極９．１０には電界印加源４２を接
続しである。 工〜５ｍＷ出力時で電界印加用電極９をアースにつなぎ
、もう一方の電界印加用電極１０に２■を印加するとレ
ーザ発振は止まり、出力光はＯになった。このように電
極１０に対する電界の有無によって、レーザ光の出力強
度を変調することができた。その時のスイッチング速度
は約５ｐｓで、この値は素子の（、Ｒ時定数により限定
されている。 つぎに本発明による半導体光素子の他の実施例を第４図
に示す。また、第９図がその横断面図である。つまり、
共振器方向の断面図である。本発明］６ はＩｎＧａＡｓＰ系ＤＦＢレーザに適用した例である。 ｎ−ＩｎＰ基板１１」：に膜厚０．０５−０．３μｍの
アンドープＩｎＰＪＪｌ、膜厚５〜１５ｎｍの■ｎＧａ
Ａｓ、あるいはＩ　ｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ　量子井戸
層１３、膜厚０．０５〜０．３μｍのアンドープＩ　ｎ
　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　Ｐ光ガイド１１５を成長後、光ガイ
ド層１５」二に周期約２４０　ｎ　ｍの回折格子４３を
形成後、ｐ−ＩｎＰ光閉し込め層１６を成長じた。 ここで、量子井戸Ｎ］、３は２つの領域、すなわちｐ型
領域１３ａとアンドープ領域１．３　ｂから形成した。 このｐ型領域１３ａのドーピング密度は約２　Ｘ　］、
　Ｏ”８−Ｉ　Ｘ　１０１ｇｃｍ−”である。この構造
は第６図（ｂ）に対応している。次に上記成長層を突き
ぬけるｓｏ、５〜３μｍの凸状スｌ〜ライブを形成後、
ｐ−ＩｎＰうめこみ層エフ、ｎ−丁ｎＰうめこみ層１８
を成長後、ｐ側電流注入電極７、ｎ側電流注入電極８に
形成、及び、電界印加電極９．１０を形成した。最後に
素子長１００〜］、　ＯＯ０μｍに切り出した。また−
上記回折格子の形成方向（溝の方向）はストライブに直
交している。本素子では、量子井戸層１３はｐ　／　ｎ
接合ではさまれているので、電極９，１０に電圧を加え
ない状態において拡散電位により量子井戸／［１３に電
界がかかっている。従って電極１０に＋１ｖをかけると
量子井戸層内のバンドは平坦になる。 試作した素子は５〜１０ｍＡでレーザ発振し、ＤＦＢ構
造を反映してスペクトルは単一モードである。電界印加
電極９をアースに接続し、電界印加電極ＩＯに＋１ｖを
印加して５ｍＷ光出力の状態で電極１０に一２ｖ〜−３
ｖを印加するとレーザ発振は止まり、出力光はＯになっ
た。このスイッチング速度は極めて早く、２〜３ｐｓで
あった。 また、この時の波長チャーピングは極めて小さく、変調
リミットによるチャーピングと全く同一となった・ 本発明による別の実施例を第５図に示すが、本実施例は
、エミッタ、ベース、コレクタを有する二次元電子ガス
へテロバイポーラトランジスタと似た構造である。ｐ−
ＧａＡｓ基板１９上にｐ−ＧａＡＱＡｓ層２０、変調ド
ープ多重量子井戸活性層２工、ｎ−ＧａＡＱＡｓ２２、
ｐ−ＧａＡｓ２３をそれぞれ成長させたのち、エミッタ
電極１４を形成する。この時の変調ドープ多重量子井戸
活性層２１の詳細を第５図の挿入円内に示した。すなわ
ち、アンドープＧ　ａ　ｏ　、　ｓ　Ａ　Ｑ　ｏ、Ｉ　
Ａ　ｓ層２１ｂ及びｎ型ドープＧａＡｓ層２１ｃからな
る量子井戸層とｎ型ドープＧａｏ、　７Ａ、　Ｑ　ｏ、
　ａＡｓ障壁Ｎ２１．　ａの周期構造である。すなわち
量子井戸層は禁制帯幅の異なる２の材料から形成され、
禁制帯幅の小さいＧ　ａ　Ａ　ｓにｎ型のドープをしで
ある。この構造は第６図（ｈ）に対応する。 つぎに上記以外の領域のエミッタ電極２４とｐ−ＧａＡ
ｓ２３を除去し、ベース電極２５および下面にコレクタ
電極２６を形成した。この素子では、多重量子井戸への
電界印加をコレクタ電極２６への電圧の有無によって行
う。また、多重量子井戸へのキャリア注入は、エミッタ
ーベース両電極により行われ、上記実施例と同様なレー
ザ光強度の変調が得られた。 以上の３実施例においては、その量子井戸構造１９ として、各実施例に示した形態以外にも様々な量子井戸
構造の適用を実施した。それらの形態を第６図にそれぞ
れ示した。第６図は、（ａ）〜（ｈ）まで、それぞれ、
量子井戸構造に電界が印加されている場合の伝導帯端を
図示しである。また、複雑化をさけるため、井戸層はそ
のエコを取り出して示しである。これらの構造は第１図
、第４図。 第５図のそれぞれの各実施例に対して何れも極めて有効
であった。 第７図は、本発明の半導体光素子を光通信に応用した実
施例を示す図である。上記半導体光素子２７には、キャ
リア注入用電流２８と電界印加信号源２９を接続してい
る。上記光素子２７で変調されたレーザ光３０は、光フ
ァイバ３１を通り、その出射光３２は光検出器３３によ
って電気信号に変換され、復元器３４で判別された。本
実施例では、伝送速度を１０００ｂｉｔ／　ｓ、ファイ
バ長４０ｋｎ＋で行った。 【発明の効果】 上記のように本発明による半導体レーザ素子に０ よれば、電界印加により、ポテンシャル井戸に電界を加
えて量子状態を変化させ、その出射光強度をレーザ発振
状態で変調することができる。 また、さらなる本発明の効果は、変調時の波長チャーピ
ングを極めて小さくすることができる。 従来の光通信の送信！Ｉｉ離の限界はファイバの波長分
散で決まっているが、本発明を用いるとこの波長分散の
影響は小さくなり、分散フリーの伝送が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体光素子の一実施例を示す断
面図、第２図は本発明の動作原理を示す図で、（ａ）は
無電界時を示し、（ｂ）は有電界時を示す図、第３図は
ドーピング密度としきいキャリア密度との関係を示す図
、第４〜６図は本発明の他の実施例を示す断面図、第７
図は上記実施例の半導体光素子を用いた光フアイバ通信
の実施例を示すシステム図、第８図は本半導体素子の周
辺回路を示す図、第９図は第４図の横断面図、つまり共
振器方向の断面図、第１０図は電子群位置と正孔群位置
の間の距離と光出力の関係を示す図である。 符号の説明 ３．１３．２１・・・量子井戸、２，５・・・クラッド
層、７，８・・・電流注入用電極、２４・・・エミッタ
電極、２５・・ベース電極、９，１０・・・電界印加用
電極、２６・・・コレクタ電極。 ＝２３− 拓 ５ 図 アＬり巴トーフ０ ｒ望１゛−ノ゛ １／Ｌ弘Ｆ−フ。 ）’Ｌ’！ＺＦ−フ“

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光を放出するための活性領域と、この活性領域にキ
   ャリアを注入するためのキャリア注入手段と、上記放出
   された光からレーザ光を得るための共振器構造とを有し
   、上記活性領域は自由キャリアの電荷中性条件を満たさ
   ない領域を含むポテンシャル井戸を有し、このポテンシ
   ャル井戸内に存在する電子群位置と正孔群位置との間の
   距離を大きくする向きに電界を印加することにより光出
   力を小さくする半導体レーザ素子。 ２、請求項１に記載の半導体レーザ素子は前記活性領域
   に電界を印加するための電界印加手段を有する半導体レ
   ーザ素子。 ３、請求項１に記載の半導体レーザ素子において、前記
   自由キャリアの電荷中性条件を満たさない領域は、前記
   ポテンシャル井戸内に導電型不純物を選択的に導入する
   ことにより形成した半導体レーザ素子。 ４、請求項１に記載の半導体レーザ素子において、前記
   ポテンシャル井戸の形状の非対称性に基づいて前記自由
   キャリアの電荷中性条件を満たさない条件が形成される
   ことを特徴とする半導体レーザ素子。 ５、請求項１に記載の半導体レーザ素子において、前記
   自由キャリアの電荷中性条件を満たさない領域は、前記
   活性領域の前記ポテンシャル井戸近傍に導電型不純物を
   選択的に導入することにより形成した半導体レーザ素子
   。 ６、光を放出するための活性領域と、この活性領域にキ
   ャリアを注入するためのキャリア注入手段と、上記放出
   された光からレーザ光を得るための共振器構造とを有し
   、上記活性領域は自由キャリアの電荷中性条件を満たさ
   ない領域を含むポテンシャル井戸を有し、このポテンシ
   ャル井戸内のキャリアに電界を印加することにより光出
   力の変調を行なうことを特徴とする半導体レーザ素子。 ７、請求項６に記載の半導体レーザ素子において、前記
   電荷中性条件を満たさない領域は前記活性領域に導電型
   不純物を導入することにより形成されている半導体レー
   ザ素子。 ８、請求項６に記載の半導体レーザ素子において、前記
   導電型不純物はｎ型不純物である半導体レーザ素子。 ９、光を放出するための活性領域と、この活性領域にキ
   ャリアを注入するためのキャリア注入手段と、上記放出
   された光からレーザ光を得るための共振器構造とを有し
   、上記活性領域に導電型不純物を導入することにより、
   レーザ光の出力変調を上記活性層に印加する変調電界に
   より行なうようにしたことを特徴とする半導体レーザ素
   子。 １０、請求項９に記載の半導体レーザ素子において、前
   記導電型不純物は前記活性領域内に存在するキャリアに
   よる前記変調電界に対するスクリーニング効果を打ち消
   すように導入されている半導体レーザ素子。 １１、キャリアの注入により発振する光の出力を印加電
   界により変調する半導体レーザ素子であって、この印加
   電界の大きさを変化させることにより活性領域内で再結
   合するべき電子群と正孔群の平均距離を大きくして光出
   力を実質的に無くすようにした半導体レーザ素子。 １２、請求項１１に記載の半導体レーザ素子はレーザ発
   光のためのしきい電流近傍の実質上一定な駆動電流を注
   入されたままで前記印加電界により光出力を変調する半
   導体レーザ素子。 １３、自由キャリアの電荷中性条件を満たさない領域を
   含むポテンシャル井戸を備えた活性領域と、この活性領
   域にキャリアを注入して光を放出させるためのキャリア
   注入手段と、上記放出された光からレーザ光を得るため
   の共振器構造と、上記活性領域に電界を印加して光の放
   出を変調するための電界印加手段とを有する半導体レー
   ザ素子。