JPH06105820B2 - モニタ付分布帰還形半導体レ−ザ - Google Patents

モニタ付分布帰還形半導体レ−ザ

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Description

【発明の詳細な説明】 (発明の技術分野) 本発明はモニタ機能を有するフォトダイオードを集積し
た分布帰還形半導体レーザ(以下「DFBレーザ」と略
す)に関するものである。
(従来技術の問題点) DFBレーザはレーザ内部に波長選択性に優れた回折格子
を内蔵しているため、単一波長動作を実現することがで
き、低損失光ファイバ通信などの光源として開発が進め
られている。一般に、半導体レーザを使用する場合に
は、その光出力を一定に保持するため、その出力の大き
さをフォトダイオードでモニタしている。この時半導体
レーザとフォトダイオードは独立した別々の素子で構成
するのが通例である。半導体レーザの中でもDFBレーザ
は単一波長動作が可能なばかりでなく、従来の半導体レ
ーザに不可欠なへき開面などの反射端面が不要であるた
め、レーザ発振以外の機能を有する素子をモノリシック
に集積化するのに適している。特に、上述の光出力の大
きさをモニタするフォトダイオードは容易に集積するこ
とができる。
第1図は従来のモニタ付DFBレーザの模式図である(特
開昭58−186986号)。この従来例では、n型InP基板1
上に、n型InGaAsP導波路層2,InGaAsP発光層3,p型InGaA
sPバッファ層4,p型InP層5が積層され、n型InGaAsP導
波路層2の膜厚を周期的に変化させた回折格子8で、光
の進行方向に沿う実効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。一方、発光層
3の一端側には発光層3の禁制帯幅より大なる半導体層
であるp型InP層5およびn型InP層6で埋め込まれてお
り、窓領域31が形成されている。さらに、窓領域31の他
端側にレーザ領域30と同一の層構造を有するモニタ領域
32が形成されている。さらに、3つの領域上30,31,32上
に電極形成用のP形InGaAsPキャップ層7がある。溝33
は、レーザ領域30とモニタ領域31との電気的分離を行う
ためのものであり、溝33をつくる代りに高抵抗半導体で
もよい。20,21,22は電極であり、50,52はそれぞれレー
ザ領域30用の電源と抵抗、51,53はそれぞれモニタ領域3
2用の電源と抵抗を示す。100はレーザ領域30から外に出
射される光出力であり、101は窓領域31に出射される光
出力を示し、光出力101の一部がモニタ領域32にある発
光層3と同一組成の検出層3aに吸収されその起電力がモ
ニタ信号として現れる。
このようなモニタ付DFBレーザは、製造が簡単で、実験
結果では、約0.2mA/mWという高感度モニタが可能であっ
た。しかるに、モニタ領域32において、光を検出する検
出層3aがレーザ領域30の発光層3と同一組成であるた
め、モニタ感度が温度によって大きく変化するという欠
点があった。すなわち、レーザ出力光100あるいは101の
光子エネルギーは、発光層3及び検出層3aの禁制帯幅と
ほぼ等しいため、モニタ領域32の吸収係数は出力光の波
長とモニタ領域32の吸収係数は出力光の波長とモニタ領
域32における検出層3aの禁制帯幅の相対関係によって大
きく変化する。レーザ出力光の波長はDFB発振に基づい
ているため、温度係数が約1Å/Kと小さいのに対し、検
出層3aの禁制帯幅の温度係数はレーザ領域30の温度係数
の約5倍である。例えば、絶対温度で温度が1度上昇
(減少)すると、レーザ領域30の発振波長が約1Å長波
長帯(低波長帯)に変化する。一方、モニタ領域32の検
出層3aの禁制帯幅は波長にして約5Åも長波長帯(低波
長帯)に移動してしまうため、光の吸収係数が大きく増
大する。
第2図は従来のモニタ付DFBレーザにおける温度変動に
対するDFBレーザの発振波長と検出層3aの吸収係数との
関係を示したものである。図において、実線は室温t0
おけるレーザ領域30の回折格子8の周期的凹凸により定
まるDFBレーザの発振波長(発光層3の禁制帯幅にほぼ
等しい)並びにモニタ領域32の検出層3aの禁制帯幅によ
り定まる吸収係数であり、点線は温度が上昇した状態及
び一点鎖線は温度が低下した状態をそれぞれ示してい
る。温度が上昇すると、検出層3aの禁制帯幅は小さくな
るため、検出層3aの吸収係数が長波長帯まで伸び、温度
が低下すると逆になる。よって、温度が変化するとDFB
レーザの発振出力光が検出層3aで吸収される割合が一定
ではなくなってしまい、モニタ感度も変動することにな
る。従って、温度とともに吸収係数が大きく変化し、温
度が変動するような環境下でのモニタによる出力パワー
の検知は不正確で、使用が困難であった。
(発明の目的と特徴) 本発明は、上述のような従来のモニタ付DFBレーザの欠
点を解消するためになされたもので、温度変動に対して
も安定なモニタ感度を維持することができ、かつ小形で
製造容易なモニタ付分布帰還形半導体レーザを提供する
ことを目的とする。
本発明の特徴は、レーザ領域と窓領域上に設けられたキ
ャップ層の禁制帯幅が発光層の禁制帯幅より小さく、か
つ、窓領域上のキャップ層内にレーザ領域のpn接合と分
離されたpn接合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を詳細に説明する。
第3図は本発明の一実施例を示したものであり、第1図
と同様に、発光層3および光の進行方向に沿う実効的な
周期的屈折率変化をレーザ領域30が有しており、発光層
3の両端が発光層3の禁制帯幅より大なるp型InP層5
とn型InP層6で埋められている。また、本実施例では
回折格子10が4分の1波長分の位相シフト11を有してお
り、単一波長動作の安定性の向上を図っている。レーザ
領域30と窓領域31上に設けられたキャップ層9は、InGa
AsP発光層3の禁制帯幅より小さい禁制帯幅を持つn型I
nGaAsPあるいはn型InGaAsからなる。12,13はn型半導
体層の導電型をp型にするために亜鉛を拡散した亜鉛拡
散領域である。従って、窓領域31上のキャップ層9内に
レーザ領域30のpn接合(発光層3とバッファ層4の接
合)とは分離されたpn接合14が形成されている。電極2
3,24はレーザ用の電極25,26はモニタ用のものである。
レーザ出力光102が主出力で103がモニタ用として使用す
るように4分の1波長位相シフト11が中央より左側にず
れて設けられているので、主出力102の方がモニタ用出
力103より大きい。モニタ用出力103の一部はフレネル回
折によりキャップ層9に吸収される。その中で、pn接合
14近傍で吸収された光が信号として抵抗53に現れる。こ
こで、キャップ層9の禁制帯幅が発光層3の禁制帯幅よ
り小さくしてあるため、吸収係数がもともと非常に大き
く、かつ、温度変動により出力光103の波長とキャップ
層9の禁制帯幅との相対関係が変化しても吸収係数は殆
ど変化しない。第4図は本発明によるDFBレーザの発振
波長と検出層3aの吸収係数との関係を図示したものであ
る。同図から明らかなように、検出層3aの禁制帯幅を発
光層3の禁制帯幅より小さくすることにより、DFBレー
ザの発振波長付近における検出層3aの吸収係数を常に一
定にすることができる。従って、高いモニタ効率と温度
変動のある環境下でも安定なモニタが実現される。
第5図は本発明の他の実施例である。発光層3の右の端
のみが窓領域31になっており、主出力104を出射する左
端には無反射コーティング膜15が施されている。ちなみ
に4分の1波長の位相シフト11を有するDFBレーザで
は、発光層3の両端が無反射の場合、最も高い単一波長
性が得られる。無反射は窓領域31あるいは無反射コーテ
ィング膜15でほぼ実現されている。本実施例の作用は第
3図の場合と同じである。
以上の説明では、横モード安定化のためのストライプ構
造については触れなかったが、埋め込みストライプ構造
や平凸導波路構造など各種のストライプ構造に適用でき
る。また、半導体材料も、説明に用いたInGaAsP/InP系
だけでなく、AlInGaAs/InP系,AlGaAs/GaAs系など他の材
料にも容易に適用することができる。
(発明の効果) 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、モニ
タ効率が高く、かつ温度変動環境下でも安定なモニタが
可能な実用的なモニタ付DFBレーザが実現される。
また、本発明では窓領域31の一部にモニタ領域なる部分
を構成しているため、小形でかつ製造容易なモニタ付DF
Bレーザが可能である。従って、DFBレーザと従来独立し
て配置されていたフォトダイオードが不要になるばかり
でなく、両者の相対的な位置ずれによる動作不良も解消
され、安価で信頼性の高いレーザ出力のモニタの実現が
可能となる。このようなモニタ付DFBレーザは、光ファ
イバ通信及び光計測の分野に幅広く応用することがで
き、その効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は従来のモニタ付DFBレーザ例を示す縦断面模式
図、第2図は従来のDFBレーザの発振波長と検出層の吸
収係数の関係を示す特性図、第3図は本発明によるモニ
タ付DFBレーザの模式図、第4図は本発明のモニタ付DFB
レーザによる発振波長と検出層の吸収係数の関係を示す
特性図、第5図は本発明の他の実施例によるモニタ付DF
Bレーザの実施例を示す縦断面模式図である。 1……n型InP基板、2……n型InGaAsP導波路層、3…
…InGaAsP発光層、3a……検出層、4……p型InGaAsPバ
ッファ層、5……p型InP層、6……n型InP層、7……
p型InGaAsPキャップ層、8,10……回折格子、11……4
分の1波長位相シフト、9……n型InGaAsPまたはInGaA
sキャップ層、12,13……亜鉛拡散領域、14……pn接合、
15……無反射コーティング膜、20,21,22,23,24,25,26…
…電極、 30……レーザ領域、31……窓領域、32……モニタ領域、
50,51……電源、52,53……抵抗、100,101,102,103,104
……光出力。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】発光層及び光の進行方向に沿う実効的な周
    期的屈折率変化を有しかつ該発光層の近傍にpn接合を設
    けたレーザ領域と、前記発光層の禁制帯幅よりも小なる
    禁制帯幅を有するキャップ層内に該レーザ領域のpn接合
    とは異なるpn接合が設けられたモニタ領域とを備えたモ
    ニタ付き分布帰還形半導体レーザにおいて、 前記レーザ領域の少なくとも一方に前記発光層の禁制帯
    幅よりも大なる禁制帯幅を有する半導体層で埋め込んだ
    窓領域が配置され、該窓領域のキャップ層内に前記モニ
    タ領域が設けられたことを特徴とするモニタ付き分布帰
    還形半導体レーザ。
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