JPH0453178A - 半導体発光素子 - 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」 この発明は、光通信、光情報処理、光計測の光源等に用
いて好適な波長可変型の半導体発光素子に関するもので
ある。

［従来の技術］ 従来、光通信、光情報処理、光計測の光源等に用いられ
る半導体発光素子としては、周期構造による分布反射を
用いた波長可変型半導体レーザ（以下、単に半導体レー
ザと略称する）が知られている。

この半導体レーザは、活性導波路層の一端もしくは両端
に結合された低損失導波路層に回折格子（分布反射機構
）を形成したもので、キャリア注入による屈折率変化を
利用して発振波長を可変することができるものである。

第５図は従来の半導体レーザｌの全体斜視図、第６図は
この半導体レーザｌの導波路部分の横断面図である。

この半導体レーザｌは、ｐ−１ｎＰ基板（半導体基板）
２上に、ＩｎＧａＡｓＰ活性層が形成された活性導波領
域３、ｎ−１ｎＧａＡｓＰ低損失導波路層が形成された
位相制御領域４、ｎ−１ｎＧａＡｓＰ低損失導波路層が
回折格子（分布反射機構）上に形成された分布反射領域
５を光学的に結合して直列に配置し光導波路６としたも
のである。

活性導波領域３と位相制御領域４との間には分離溝７が
、また、位相制御領域４と分布反射領域５の間には分離
溝８か、ｐ−ＩｎＰ基板２に達するように垂直に形成さ
れている。

一方、上記の各領域のそれぞれの上部位置には電極９〜
１１が、また、ｐ−ＩｎＰ基板２の下部には電極Ｉ２が
形成されている。

ここで、半導体レーザ１の電極９．１２間に電圧を印加
すると、活性導波領域３に電流（キャリア）が注入され
、この活性導波領域３内で利得か増大し、この利得が損
失を上回るとレーザ発振を始める。発振したレーザ光は
、分布反射領域５に形成された回折格子によりブラッグ
反射が行なわれ、下記のブラッグの式により定まる単一
波長で発振する。

λ＝２・ｎ　　−Ａ　・・・・・・・・・・（１）ｑ ただし、λは最低損失波長、ｎ　は光導波路のｑ 等側屈折率、Ａは回折格子のピッチである。

また、分布反射領域５の電極１１．１２間に電圧を印加
すると、分布反射領域５に電流（キャリア）か注入され
、プラズマ効果によりこの分布反射領域５の屈折率すな
わちｎ　が減少し、発振波ｑ 長が短波長側にソフトする。

また、位相制御領域４の電極１０．１２間に電圧を印加
すると、位相制御領域４に電流（キャリア）が注入され
、分布反射領域５と同様のプラズマ効果によりこの位相
制御領域４においても屈折率が減少し、したがって等測
的に領域長が変化することで位相を制御しモードの飛び
を抑制する。

第７図は半導体レーザｌの分布反射領域５における発振
波長の一例を示すもので、発振波長と注入電流との関係
を示すグラフである。この半導体レーザｌの場合、発振
波長は分布反射領域５への注入電流を増加することによ
り略段階的に短波長側へシフトする。このグラフの例で
は、注入電流をＯｍＡ〜７０ｍＡの範囲で増加させるこ
とにより発振波長帯を短波長側へ４段階に飛び飛びに変
化させ、発振波長の帯域を約１００八シフトさせること
ができる。また、位相制御領域４に電圧を印加すること
により、各段階の発振波長の帯域をシフトさせ、全帯域
内で連続的に位相を制御することができ、モードの飛び
を抑制することができる。

以上述べた様に、この半導体レーザ１は、キャリア注入
による屈折率変化と位相制御を利用することにより、発
振波長を波長帯域内でシフトすることができるレーザで
ある。

し発明が解決しようとする課題］ ところで、従来の半導体レーザｌでは分布反射領域５が
１種であるため、第７図に示した一例の様に注入電流の
大きさを最大に変化させた場合であっても発振波長帯の
幅には自ずと限界があり、広範囲にわたって発振波長を
可変することは非常に困難であった。そこで、広範囲の
発振波長を得るために、例えば、相異なる発振波長帯を
有する複数個の半導体レーザを並列に並べ、これらのレ
ーザから出射される出力光を光ファイバや合波器を用い
て１本の光ファイバから出力する方法が用いられている
が、この方法では、光出力をアセンブルする作業が必要
になり、製造工程や各機器間の調整作業等が複雑になる
とともに、コスト高となる問題があった。

この発明は、上記の事情に鑑みてなされたしので、１個
の半導体発光素子で広い発振波長帯をカバーするととも
に、１箇所の出射端から光を出射することができ、これ
により、製造工程や調整作業等の簡略化及びコストダウ
ンを図ることができる半導体発光素子を提供することに
ある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するために、この発明は次の様な半導体
発光素子を採用した。すなわち、半導体基板上に活性導
波領域と位相制御領域と分岐領域と分布反射領域とを光
学的に結合して直列に配置した半導体発光素子であって
、前記分岐領域は、前記位相制御領域に結合された光導
波路を複数の光導波路に選択的に分岐する複数の光分岐
手段を具備し、前記分布反射領域は前記分岐領域の複数
の光導波路に結合しそれぞれに分布反射機構を有する複
数の光導波路を具備したことを特徴としている。

［作用］ この発明では、複数の光分岐手段は、外部から電流を注
入することにより光導波路を選択的に分岐する。

また、互いに相異なる分布反射機構を有する複数の光導
波路は、それぞれが相異なる発振波長帯の光を発振する
。したがって、これらの光導波路のいずれかを選択する
ことにより広範囲の発振波長が可能になり、１個の半導
体発光素子で広い発振波長帯をカバーすることが可能に
なる。

また、上記のいずれの光導波路で発振した光も光分岐手
段により１本の光導波路に導入され、１箇所の出射端か
ら出射する。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例である波長可変型半導体発
光素子の全体斜視図、第２図は同半導体発光素子の導波
路部分の横断面図である。これらの図において、符号２
１は波長可変型半導体発光素子（以下、単に半導体発光
素子と称する）である。

この半導体発光素子２１は、ｐ−１ｎＰ基板（半導体基
板）２２上に、活性導波領域２３、位相制御領域２４、
分岐領域２５、分布反射領域２６を光学的に結合して直
列に配置し光導波路２７としたものである。

活性導波領域２３は、外部から閾値電流以上の電流を注
入することによりレーザ光を発振するもので、ＩｎＧａ
Ａ、ｓＰ活性層からなる活性領域を有するものである。

位相制御領域２４は、外部から電流を注入して屈折率を
低下させ等測的に領域長を変化させることにより位相を
制御するもので、ｎ−１ｎＧａＡｓＰ低損失導波路層を
有するものである。

分岐領域２５は、複数の光スィッチ（光分岐手段）３１
．３２に外部から電流を注入することにより、位相制御
領域２４に結合された光導波路３３を複数の光導波路に
選択的に分岐するものである。

光導波路３３には、この光導波路３３を２つの光導波路
３３ａ、３３ｂに分岐する光スィッチ３１が結合されて
いる。また、光導波路３３ａには、この光導波路３３ａ
を２つの光導波路３３ｃ、３３ｄに分岐する光スィッチ
３２が結合されている。これらの光導波路３３ａ〜３３
ｄは、ｐ−ＩｎＰ基板２２の上部位置に水平に形成され
ており、光導波路３３ｂ〜３３ｄそれぞれの端部は後述
する分布反射領域２６の光導波路３４〜３６それぞれに
結合されている。

分布反射領域２６は、発振したレーザ光を光導波路３４
（３５，３６）に形成した回折格子（分布反射機構）に
よりブラッグ反射させて動的単一モードで発振させるも
のである。光導波路３４（３５゜３６）は分岐領域２５
の光導波路３３ｂ（３３ｃ、３３ｄ）に結合されている
。これらの光導波路３４〜３６は、それぞれが互いに相
異なるピッチの回折格子を有するもので、ｐ−ＩｎＰ基
板２２の上部位置に水平に、かつ、互いに平行に形成さ
れている。

また、これらの光導波路３４〜３６の端面ば反射構造に
なっている。

これらの活性導波領域２３と位相制御領域２４との間、
位相制御領域２４と分岐領域２５との間、分岐領域２５
と分布反射領域２６との間には、ｐ−ＩｎＰ基板２２に
達する垂直の分離溝４１〜４３がそれぞれ形成されてい
る。

また、活性導波領域２３の上部位置には電極４４が、位
相制御領域２４の上部位置には電極４５がそれぞれ形成
され、分岐領域２５の光スィッチ３１（３２）の上部位
置には電極４６（４，７）か形成され、分布反射領域２
６の光導波路３４．（３５，３６）の上部位置には電極
４Ｂ（４９，５０）が形成されている。また、ｐ−Ｉｎ
Ｐ基板２２の下部には電極５１が形成されている。

次に、第４図を参照して、この半導体発光素子２１の製
造方法を説明する。たたし、第４図（ａ）〜（ｄ）では
図中左右方向をｐ−１ｎＰ基板２２の結晶方位＜０１１
＞の方向、また、第４図（ｅ）、（ｆ）では図中左右方
向を同結晶方位＜０１１＞の方向としである。

■　第４図（ａ）参照 あらかじめ下部に電極が形成されたｐ−１ｎＰ基板２２
の上面にｐ−１ｎＰバッファ層６１、ＩｎＧａＡｓＰ活
性層６２、ｎ−１ｎＰデイプレッション層６３、ＩｎＧ
ａＡｓＰ’エツチングストップ層６４を順に多層成長さ
せる。（第１回目の結晶成長）■　第４図（ｂ）参照 ＩｎＧａＡ、ｓＰ活性層６２、ｎ−１ｎＰディプレッン
ヨン層６３、ＩｎＧａＡｓＰエッヂングストップ層６４
を選択エツチングすることにより、台地状の活性導波領
域２３を形成する。

■　第４図（ｃ）参照 エツチングにより、ｐ−Ｉ　ｎＰバッファ層６１の」二
面の回折格子形成部分に、ピッチの異なる複数の回折格
子６５を形成する。

■　第４図（ｄ）参照 ＩｎＧａＡｓＰエツチングストップ層６４を除去したｐ
−ｒｎＰ基板２２上に、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ低損失導波
路層６６、ｎ−１ｎＰクラッド層６７を順に多層成長さ
せる。（第２回目の結晶成長）■　第４図（ｅ）参照 上記■の工程が終了したウェハの上面の光導波路形成部
分に、幅数μｍの５ｉＯｚマスク６８を形成する。

■　第４図（ｆ）参照 上記■の工程が終了したウェハに、５ｉＯ７膜をマスク
として逆メザエッチンクにより光導波路２７を形成する
。

■　第４図（ｇ）参照 上記■の工程が終了し１こウェハの上に、高抵抗ＩｎＰ
層（または、ｎ−１ｎＰ層どｐ−１ｒ＋Ｐ層からなるブ
ロック層）６９を成長させる。（第３回目の結晶成長） ■　活性導波領域２３と位相制御領域２４との間、位相
制御領域２４と分岐領域２５との間、分岐領域２５と分
布反射領域２６との間に、それぞれｐ−ＩｎＰ基板２２
に達する垂直の分離溝４１〜４３を形成する。

■　活性導波領域２３の上部位置に電極４４を、また、
位相制御領域２４の上部位置に電極４５をそれぞれ形成
し、分岐領域２５の光スィッチ３１（３２）の上部位置
に電極４６（４７）を形成し、分布反射領域２６の光導
波路３４（３５，３６）の上部位置に電極４８（４９，
５０）を形成する。

次に、この半導体発光素子２１の作用等を説明する。

半導体発光素子２１の電極４４．５１間に電圧を印加す
ると、活性導波領域２３に電流（キャリア）が注入され
、この活性導波領域２３内で利得が増大し、この利得が
損失を上回るとレーザが発振を始める。発振したレーザ
光は、例えば、光スイッチ３１に外部から電流を注入す
ることにより選択的に分岐され、光導波路３３ｂに入射
する。

このレーザ光は、分布反射領域２６の光導波路３４の回
折格子によりブラッグ反射し、ブラッグの式により定ま
る単一波長で発振する。この場合、電極４．８．５１間
に電圧を印加すると、光導波路３４に電流（キャリア）
が注入され、プラズマ効果によりこの光導波路３４の屈
折率すなわちｎ　かｑ 減少し、発振波長が短波長側にシフトすることとなる。

第３図は半導体発光素子２Ｉの分布反射領域２６におけ
る発振波長の一例を示すもので、分布反射領域２６のそ
れぞれの光導波路３４〜３６に注入される注入電流と発
振波長との関係を示すグラフである。このグラフかられ
かるように、分布反射領域２６の光導波路３４〜３６の
いずれかを選択することにより相異なる発振波長帯域の
レーザ発振が可能となり、また、これらの波長帯域を位
相制御領域２４てソフトさせることにより、発振波長を
連続的に変化させることかできる。例えば、注入電流を
０〜７０ｍＡ　　と増加させることにより発振波長を１
．５１２〜１．５５０μｍの範囲で連続的に変化させる
ことができ、従来のものと比べて発振波長帯の幅を格段
に広げることができる。

以上詳細に説明１−た様に、」二記の一実施例の半導体
発光素子２１によれば、複数の光スイッチ３１．３２は
、外部から電流を注入することにより光導波路３３を選
択的に分岐し、互いに相異なるピッチの回折格子を有す
る複数の光導波路３４〜３６は、それぞれが相異なる発
振波長帯の光を発振するので、これらの光導波路３４〜
３６のいずれかを選択することにより広範囲の発振波長
が可能になり、１個の半導体発光素子２１で広い発振波
長帯をカバーすることか可能になる。

ま１こ、上記のいずれの光導波路３４〜３６て発振した
レーザ光も光スイッチ３１．３２により１本の光導波路
３３に導入され、１箇所の出射端から出射することがで
きる。したかつて、波長の異なる複数の発光素子の光出
力をアセンブルする作業が不要となり、製造工程や調整
作業が簡略化され、コストダウンを図ることができる。

なお、上記の半導体発光素子２１の用途としては、例え
ば、より多くのチャンネルを必要とする大容量通信シス
テムの光源である波長分割多重通信用光源等に有効であ
る。

［発明の効果］ 以上詳細に説明した様に、この発明によれば、半導体基
板上に活性導波領域と位相制御領域と分岐領域と分布反
射領域とを光学的に結合して直列に配置した半導体発光
素子であって、前記分岐領域は、前記位相制御領域に結
合された光導波路を複数の光導波路に選択的に分岐する
複数の光分岐手段を具備し、前記分布反射領域は前記分
岐領域の複数の光導波路に結合しそれぞれに分布反射機
構を有する複数の光導波路を具備したので、複数の光導
波路のいずれかを選択することにより広範囲の発振波長
が可能になり、１個の半導体発光素子で広い発振波長帯
をカバーすることが可能になる。また、上記のいずれの
光導波路で発振したレーザ光も光分岐手段により１本の
光導波路に導入され、１箇所の出射端から出射すること
ができる。

したがって、波長の異なる複数の発光素子の光出力をア
センブルする作業や各機器間のの調整作業が不要となり
、製造工程や調整作業が簡略化され、コストダウンを図
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はこの発明の一実施例である半導体
発光素子を示す図であって、第１図は同全体斜視図、第
２図は同導波路部分の横断面図、第３図は半導体発光素
子の注入電流と発振波長との関係を示すグラフ、第４図
は半導体発光素子の製造工程を示すための製造過程図、
第５図ないし第７図は従来の半導体レーザを示す図であ
って、第５図は同全体斜視図、第６図は同導波路部分の
横断面図、第７図は半導体レーザの注入電流と発振波長
との関係を示すグラフである。 ・・・半導体発光素子、 ｐ−ＩｎＰ基板、 活性導波領域、 位相制御領域、２５　・・・・・・分岐領域、分布反射
領域、２７　・　・・・光導波路、・・・光スィッチ、 ３ｄ・・・・・・光導波路、 光導波路、 分離溝、 電極、　　６５　・・・・・・回折格子。 ２１　　・・・ ２２　・・・　・ ２３　・・・　・・ ２４　・・　　・・・ ２６　・・・　・・・ ３１．３２　　・・ ３３．３３ａ〜３ ３４〜３６　・・・ ４１〜４３　・・・　・・・ ４４〜５　Ｉ　　・・・

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 半導体基板上に活性導波領域と位相制御領域と分岐領域
   と分布反射領域とを光学的に結合して直列に配置した半
   導体発光素子であって、 前記分岐領域は、前記位相制御領域に結合された光導波
   路を複数の光導波路に選択的に分岐する複数の光分岐手
   段を具備し、前記分布反射領域は前記分岐領域の複数の
   光導波路に結合しそれぞれに分布反射機構を有する複数
   の光導波路を具備したことを特徴とする半導体発光素子
   。