JPH04247676A - 面発光半導体モードロックレーザ - Google Patents

面発光半導体モードロックレーザ

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JPH04247676A
JPH04247676A JP3146391A JP3146391A JPH04247676A JP H04247676 A JPH04247676 A JP H04247676A JP 3146391 A JP3146391 A JP 3146391A JP 3146391 A JP3146391 A JP 3146391A JP H04247676 A JPH04247676 A JP H04247676A
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JP
Japan
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region
absorption
inp
gain
saturable
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Pending
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JP3146391A
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English (en)
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Hidetoshi Iwamura
岩村 英俊
Hiroyuki Uenohara
裕行 植之原
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S2301/00Functional characteristics
    • H01S2301/16Semiconductor lasers with special structural design to influence the modes, e.g. specific multimode
    • H01S2301/163Single longitudinal mode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/0607Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature
    • H01S5/0614Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying physical parameters other than the potential of the electrodes, e.g. by an electric or magnetic field, mechanical deformation, pressure, light, temperature controlled by electric field, i.e. whereby an additional electric field is used to tune the bandgap, e.g. using the Stark-effect
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/18Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities
    • H01S5/183Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]
    • H01S5/18302Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL] comprising an integrated optical modulator

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  • Semiconductor Lasers (AREA)

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】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、光通信・光情報システ
ムの構成に利用可能な超短光パルスを発生する面発光半
導体モードロックレーザに関するものである。
【0002】
【従来の技術】半導体モードロックレーザは、簡便に超
高速光パルスを発生できるので、光通信・光情報システ
ムを構成する光源として期待されている。図4は、従来
の半導体能動モードロックレーザの結晶面に垂直方向の
断面を示す。この半導体能動モードロックレーザは、半
導体の成長層に平行な方向に光を出射する半導体レーザ
のp側電極、n側電極のうち、エピタキシャル成長面側
に位置する電極を二つ以上の複数に分割した構造となっ
ており、互いに低損失の導波路領域14を挟んで電気的
に分離されている。図4では、一例として2電極の場合
を示した。図4において、一方の領域12は、光を発生
して増幅する利得領域であり、他方の領域13は、利得
領域にて発生し、レーザの共振器を導波してきた光を吸
収する可飽和吸収領域であり、中間の領域14は、低損
失の導波路である。
【0003】この構造は、まずn−InP 基板の上に
、n−InP クラッド層16、InGaAsP 活性
層18、p−InP クラッド層21を、MOCVD 
等の薄膜成長装置で順次成長させる。導波路領域14、
可飽和吸収領域13に相当する領域を、化学エッチ等で
n形クラッド16の中間まで除去する。つぎに、MOC
VD 等の成長装置を用いてn形クラッド層17、バン
ドギャップがレーザ発振の波長よりも大きい組成を有す
る導波路層20、p形クラッド層22を順次成長する。 可飽和吸収領域のp形電極24の下は、電界を印加する
と、フランツ−ケルディッシュ効果により、バンドギャ
ップが小さくなるので、可飽和吸収層として機能する。
【0004】このような利得領域と可飽和吸収領域とが
集積されているレーザ導波路は、利得の回復時間Tgお
よび吸収の回復時間Taと、レーザ共振器の光走行時間
Trが、以下に述べる条件を満たせば、Tr時間の繰り
返しで光パルスの圧縮が起こり、モードロック発振にい
たる。 この様子を図2に示す。図2(a) は、利得領域の利
得の時間変化および可飽和吸収領域の光損失の時間変化
を示し、図2(b) は、導波路全体を考えた場合の正
味の利得係数の時間変化を示し、図2(c) は光出力
の時間変化を示す。図2(a) において、光増幅係数
の飽和は、光強度の増加に伴って誘導放出によるキャリ
アの再結合が促進されるためである。また、走行時間T
rは光が共振器の中を一往復するのに必要な時間である
。光パルスが利得領域を走行すると、光パルスは増幅さ
れるが、誘導放出により、キャリアが枯渇するので、極
めて短時間の間に利得の飽和が生じる。一方、光パルス
が可飽和吸収領域を走行すると、可飽和吸収特性により
光パルスの強度が大きいほど光透過強度が大きくなり、
有効に機能する。また、吸収の回復時間Taは、光走行
時間Trよりも短い条件を満足すると、光パルスの圧縮
が起こり、モードロック状態になる。
【0005】前述のように、バルク構造を用いた従来の
半導体モードロックレーザは、可飽和吸収領域の吸収の
飽和が起こるまでの光強度が大きいので、動作時の消費
パワーが大きくなる。またフランツ−ケルディッシュ効
果として知られているバルク構造の吸収係数の印加電界
による変化量は小さく、外部からの電界印加によるモー
ドロック特性の調整の制御性に乏しい。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、光制御に優
れ、2次元並列処理への適用性が大きい面発光半導体モ
ードロックレーザを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、光を発生し増
幅する利得領域aと、共振器内に存在し光を吸収して自
らの吸収係数の飽和により面発光半導体モードロックレ
ーザ動作を発生させる可飽和吸収領域bとを有する面発
光半導体モードロックレーザにおいて、利得領域aと可
飽和吸収領域bを半導体結晶の成長方向に形成すること
によって、光を半導体結晶面に対して垂直方向に出射さ
せ、かつ利得領域aと可飽和吸収領域bを超格子構造と
して2次元励起子の特性を応用することにより、すなわ
ち可飽和吸収領域bの吸収係数の波長依存性が可飽和吸
収領域bへの印加電界により変化する特性、いわゆる量
子閉じ込めシュタルク効果を利用して、可飽和吸収領域
bの光吸収量、飽和の回復時間を調整することにより、
該面発光半導体モードロックレーザの光パルス出力特性
を制御する。
【0008】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図1は本発明の一実施例の結晶成長面に垂
直方向の断面図である。
【0009】この実施例は、InP 基板1の上に、n
−InP バッファ層2、n−InGaAs(またはI
nGaAsP)/InP超格子構造の可飽和吸収領域3
、n−InP クラッド層4、InGaAs/InP超
格子構造の利得領域5(3と5の関係は、利得領域5の
励起子吸収ピーク波長が、可飽和吸収領域3の励起子吸
収ピーク波長に等しいか、またはそれよりも長くなるよ
うに設定)、p−InP クラッド層6、 p+ −I
nGaAs(P)キャップ層7(キャップ層のバンド端
波長が発振波長よりも短くなるように設定)を順次成長
させる。InP 基板1の厚さは、所望のモードロック
レーザのパルス光の繰り返し周波数に応じて決定する。 例えば基板の厚さとして1mmを用いれば、30GHz
 程度の繰り返しが可能である。
【0010】メサを該可飽和吸収領域3の下のn−In
P バッファ層2の中間の深さまでエッチングすること
により形成する。キャップ層7および可飽和吸収領域3
の上の電極8,9は電流注入用であり、電極10は可飽
和吸収領域3への電界印加用である。InP 基板1お
よび p+ −InGaAs(P)キャップ層7の上部
に、TiO2/SiO2 などの誘電体多層膜またはA
uなどの金属またはInGaAsP/InP 半導体D
BR 構造で構成される反射鏡11を形成する。
【0011】次に、この実施例の面発光半導体モードロ
ックレーザの動作、作用について説明する。超格子構造
の吸収係数の波長依存性を図3に示す。
【0012】まず光強度の弱い場合の吸収について説明
する。この実施例の面発光半導体レーザの利得領域5は
、図3中の矢印外1
【外1】 に示されているように、可飽和吸収領域3の励起子吸収
ピークよりも長波長とするので、可飽和吸収領域3への
印加がOVのときは吸収が小さい(一点鎖線)。ところ
が、可飽和吸収領域3への逆バイアス印加電界を大きく
していくと、量子閉じ込めシュタルク効果により、励起
子吸収ピークが長波長側にシフトし、吸収係数が増加す
る(実線)。
【0013】次に、この状態で光強度を強くすると、光
吸収に可飽和特性が生じる。すなわち重い励起子の低エ
ネルギー側の可飽和吸収量が顕著である。このように所
望する波長に、利得領域5の利得スペクトルのピーク値
を動かし、励起子吸収の可飽和特性が最大となるように
電界を調整する。2次元励起子による吸収飽和の光強度
は、バルクに比べて小さいので、低光パワーで光吸収特
性の飽和(可飽和特性)が起こる。
【0014】可飽和吸収領域3の飽和量および回復時間
は吸収領域の厚さ、電界を印加しない場合のピーク波長
、電界による励起子寿命の短縮効果等により調整が可能
である。また量子効果によって微分利得係数が大きいの
で、高速化や閾値低減に有効となる。さらに共振器が結
晶成長面に対して垂直方向に垂直共振器構造が形成され
るので、2次元配列が容易であり、2次元並列処理に適
し、モノリシックな作製が可能である。
【0015】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明の面発光半導
体モードロックレーザは、利得領域5および可飽和吸収
領域3に超格子構造を導入し、共振器を結晶の成長面に
対して垂直方向に形成する垂直共振器構造とすることに
より、、以下に列挙する利点がある。 (1) 2次元励起子の吸収係数の波長依存性が印加電
界により変化する量子閉じ込めシュタルク効果を利用す
ることによって、モードロックの起こる範囲の自由度が
増し、制御性が増加する。 (2) 吸収飽和の起こる光強度が小さいので、低パワ
ーでの動作が可能である。 (3) 2次元励起子による吸収係数が大きいことを利
用して小型化が可能である。 (4) 量子効果により微分利得係数が大きくなるので
、高速化、閾値低減に適する。 (5) 垂直共振器構造のため2次元並列処理、モノリ
シックな形成が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例の結晶成長面に対して垂直方
向の断面図である。
【図2】(a) は、利得領域と可飽和吸収領域とが集
積されているレーザ導波路の利得領域の利得の時間変化
および可飽和吸収領域の光損失の時間変化を示す図であ
る。 (b) は、利得領域と可飽和吸収領域とが集積されて
いるレーザ導波路の導波路全体を考えた場合の正味の利
得係数の時間変化を示す図である。 (c) は、利得領域と可飽和吸収領域とが集積されて
いるレーザ導波路の光出力の時間変化を示す図である。
【図3】超格子構造の吸収係数の波長依存性および光強
度依存性の実験結果を示す図である。
【図4】従来の半導体モードロックレーザの結晶成長面
に対して垂直方向の断面図である。
【符号の説明】
1  InP基板 2  n−InPバッファ層 3  InGaAs(P)/InP超格子構造の可飽和
吸収領域4  n−InPクラッド層 5  InGaAs/InP 超格子構造の利得領域6
  p−InPクラッド層 7  p+ −InGaAs(P)キャップ層8   
利得領域のp側電極 9   利得領域のn側電極 10  可飽和吸収領域への電界印加用電極11  高
反射鏡 12  利得領域 13  可飽和吸収領域 14  導波路領域 15  n形基板 16  n形クラッド層 17  n形クラッド層 18  活性層 19  可飽和吸収層 20  導波路 21  p形クラッド層 22  p形クラッド層 23  利得領域のp形電極 24  可飽和吸収領域のp形電極 25  n形電極

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  光を発生し増幅する利得領域aと、共
    振器内に存在し光を吸収して自らの吸収係数の飽和する
    可飽和吸収領域bとを有する面発光半導体モードロック
    レーザにおいて、該利得領域aと該可飽和吸収領域bを
    半導体結晶の成長方向に形成することによって、光を半
    導体結晶面に対して垂直方向に出射させ、かつ該利得領
    域aと該可飽和吸収領域bを超格子構造としたことを特
    徴とする面発光半導体モードロックレーザ。
JP3146391A 1991-02-01 1991-02-01 面発光半導体モードロックレーザ Pending JPH04247676A (ja)

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