JPH0626268B2 - 波長可変半導体レ−ザ - Google Patents

波長可変半導体レ−ザ

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JPH0626268B2
JPH0626268B2 JP20611787A JP20611787A JPH0626268B2 JP H0626268 B2 JPH0626268 B2 JP H0626268B2 JP 20611787 A JP20611787 A JP 20611787A JP 20611787 A JP20611787 A JP 20611787A JP H0626268 B2 JPH0626268 B2 JP H0626268B2
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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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/0625Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in multi-section lasers
    • H01S5/06255Controlling the frequency of the radiation
    • H01S5/06256Controlling the frequency of the radiation with DBR-structure
    • 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
    • H01S5/12Construction 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 the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/125Distributed Bragg reflector [DBR] lasers

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業状の利用分野) 本発明は光ヘテロダイン通信局部発振光源などに用いら
れる波長可変半導体レーザに関する。
(従来の技術) 最近、光の周波数や位相などを変調し信号とする光ヘテ
ロダイン通信の研究開発が盛んになってきている。これ
は直接検波の通信システムに比べ高い受信感度が得られ
ることから、中継間隔の長距離化が期待できることによ
る。また、光ヘテロダイン通信システムでは、数GHz の
単位で発振周波数が異なる複数の信号を束ねて伝送する
周波数多重伝送、FDM(Frequency Division Multipl
exing)が可能となるため、より多くの信号を伝送する
ことが可能になる。
光ヘテロダインシステムにおいては、受信部に局部発振
光源を必要とする。これは信号光の周波数にたいして一
定の周波数差(中間周波数)で発振する光源である。信
号光と局部発振光を混合することで中間周波数のビート
信号が発生する。このビート信号を受信し、信号として
識別する方式が光ヘテロダイン検波方式である。信号で
ある半導体レーザ発振周波数は、周囲温度などで変動す
る。従って、中間周波数を一定に保つため局部発振光源
の発振周波数もこの周波数変動に追従して変動させる必
要がある。また、FDM方式を考えた場合、送信されて
きた信号の内の一つのみを選択するために、局部発振光
源の周波数を選択する信号光に対応して切り換える必要
がある。このように、光ヘテロダイン通信システムの局
部発振光源には、発振周波数、即ち発振波長が変化でき
る特性が要求される。
(発明が解決しようとする問題点) 半導体レーザの発振波長は、動作温度を変えることで、
1度当たり約1Å(即ち12−15GHz )の割合で変化す
る。従って温度変化により局部発振光源の周波数を変化
させることも可能であるが、応答が遅い。そこで、電子
制御により、発振周波数を制御する方法の研究が開始さ
れている。村田等は、1987年4月発行のエレクトロニク
ス・レターズ誌(Electoronics Letters)の第23巻8号
の403-405 頁に、電流で発振波長を58Å(720GHz )に渡
って変化できる半導体レーザを報告している。このよう
な広い範囲で発振波長を変化できれば、大抵の光ヘテロ
ンダイン通信システムの光源に適用することができる。
ところが、この半導体レーザでは発振波長を変化させる
ための電流を流すと発振しきい値が増大してしまうとい
う欠点があった。これは、電流を流し、半導体層中のキ
ャリア濃度を増加させると、フリーキャリア吸収や価電
子帯内吸収が増加することによると考えられる。発振し
きい値が上昇すると、動作電流が増加するのみならず、
光ヘテロダイン通信システムを構成する上で基本的に重
要な特性である発振スペクトル線幅に関し、20MHz 程度
から100MHz以上にまで増加させることになるという大き
な問題を引き起こしてしまっている。100MHz程度にも線
幅が広くなると正常なヘテロダイン通信システムを構成
できなくなる。従って、波長変化の特性を有すととも
に、発振スペクトル線幅が数10MHz 以下に抑えられてい
る波長可変半導体レーザが必要とされる。
第4図は従来の波長可変半導体レーザの模式図である。
この半導体レーザは基本的に、発光領域100 ,位相制御
領域200 ,DBR領域300 の3領域から構成される。発
光領域100 は活性層4を含みレーザ発振に必要な利得を
得る領域である。DBR領域300 は1次の回折格子80の
周期Λに対応した波長の光を反射する領域である。この
領域の屈折率をndとすると、波長λ=ndΛの光の反
射率が最も大きくなる。従ってこの波長λの付近に発振
する。DBR電流Idを流しDBR領域300 の部分の光
導波路2にキャリアを蓄えると、この領域の屈折率nd
がプラズマ効果を受けて減少する。従って発振波長λが
短い波長に変化する。レーザ発振が起きる波長はDBR
領域300 での反射率が高いだけでなく、DBR領域300
での反射されてくる光の位相と、発光領域100 と位相制
御領域200 とで決まる位相が整合する条件を満たす必要
がある。DBR領域300 に電流を流しただけでは、位相
整合条件が大きく変化するため発振波長はモードジャン
プを起こしながら短波長に変化する。これに対しDBR
領域300 に電流を流すと同時に位相制御領域200 に電流
を流し位相制御領域200 の屈折率npを変化させてやる
と位相整合条件を変えずに発振波長を変化させることが
でき、連続的に波長変化を行うことができる。このよう
にして村田等は31Åの連続波長可変を実現している。と
ころが、位相制御領域200 に電流を流しキャリアを蓄え
ると、このキャリアによりフリーキャリア吸収および価
電子帯間吸収が生じる。この結果、発振しきい値が増加
する。また同時に第5図に示す様に発振スペクトルの線
幅が増加する。この増加した線幅は100MHz以上になり非
常に大きい。線幅の増加を抑制するには発振しきい値の
増加を抑えることが必要である。
(問題点を解決するための手段) 前述の問題点を解決するために本発明が提供する波長可
変半導体レーザは、発光領域と位相制御領域と回折格子
の形成されたブラッグ反射領域との3つの領域からな
り、これら3つの領域にはこれら領域を直列に接続する
光導波路が設けてあり、前記発光領域および前記ブラッ
グ反射領域には利得を有する活性層が設けてあり、前記
3つの領域には互いに独立に電流が供給される電極がそ
れぞれ設けてあることを特徴とする。
(作用) 第1図は、第4図の従来例を改良し発振しきい値の増加
を抑制することができる本発明の構造を模式的に示す図
である。第4図の従来の半導体レーザとの相違は、第1
図にDBR領域300 に活性層4が形成されていることで
ある。このような構造にすると、発振波長を変化させる
ため位相制御領域200 ,DBR領域30 に電流を流した
場合、第2図に示すように、位相制御領域200 では第4
図の場合と同様にこの領域でのキャリア密度Npの増加
に比例して吸収損失が増大する。しかし、DBR領域30
0 では電流が流れキャリア密度Ndが増加すると、屈折
率ndが変化すると同時に利得が生じてくるから、この
領域での損失は次第に小さくなる。これはDBR領域30
0 に発光領域100 と同じ組成の活性層を有しているから
であり第4図の場合と大きく異なる。波長を変化させる
ためにキャリア密度Np,Ndを増加させた場合、位相
制御領域200 での損失増加をDBR領域 300での損失低
下、あるいは利得の増加で補償することができる。従っ
て全体として発振しきい値の増加を生じさせないで済む
ことになる。DBR領域300 で受ける利得の大きさは光
が通過してくる領域の長さに比例するから、DBR領域
300 の長さを調節することで、位相制御領域200 での損
失増加の量に整合させることができる。これが本発明の
基本的な考え方である。DBR領域300 に活性層4を含
ませること自体は既に山口等により、1985年のエレクト
ロニクス・レターズ誌,(Electronics Letters)第21
巻の68−69頁に記載されている。本発明はこの構造に活
性層4を含まない位相制御領域をあらたに加えた構造と
も言える。
(実施例) 第3図(a)は本発明の一実施例を示す斜視図、同図
(b)は共振器軸に垂直な面におけるその実施例の位相
制御領域200 の断面図である。素子作製は液相エピタキ
シャル成長で行っている。最初にn−InP基板1((1
00)面方位,Snドープ,キャリア濃度2×1018cm-3
の上に、DBR領域300 だけに選択的に、周期が2400Å
の回折格子80を形成する。回折格子80の形成は、He−
Cdガスレーザを光源とし、二光束干渉露光法で形成す
る。この基板1上に、n−InGaAsP光導波層2
(発光波長にして1.3 μm組成,膜厚0.3 μm,Snド
ープ,キャリア濃度1×1018cm-3)、n−InP層バリ
ア層3(膜厚0.07μm,Snドープ,キャリア濃度1×
1018cm-3)、InGaAsP活性層4(発光波長にして
1.55μm組成,膜厚0.1 μm,ノンドープ)、p−In
Pクラッド層5(膜厚0.3 μm、Znドープ,キャリア
濃度1×1018cm-3)を積層する。次に発光領域100 ,D
BR領域 300となる部分を除きp−InPクラッド層
5,InGaAsP活性層4,n−InP層バリア層3
を選択的に除去する。第2回目のエピタキシャル成長で
は、全体を覆ってp−InP第2クラッド層10(膜厚0.
8 μm,Znドープ,キャリア濃度1×1018cm-3)を積
層する。この基板に<110>方向に発光領域となる幅約
1.5 μmのメサストライプ50を挟み平行な幅5μm2本
の溝51,52を形成する。第3回目のエピタキシャル成長
では、p−InP電流ブロック層6(平坦部での膜厚0.
5 μm,Znドープ,キャリア濃度1×1018cm-3)、n
−InP電流閉じ込め層7(平坦部での膜厚0.5 μm,
Teドープ,キャリア濃度5×1018cm-3)、p−InP
埋め込み層8(平坦部での膜厚1.5 μm,Znドープ,
キャリア濃度1×1018cm-3)、p−InGaAsPコン
タクト層9(発光波長にして 1.3μm組成,膜厚0.3 μ
m,Znドープ,キャリア濃度8×1018cm-3)、を形成
する。n−InP基板1側,p−InGaAsPコンタ
クト層9側にp側電極20,21,22を形成するが、3領域
に独立に電流を流せるように、各層の間を20μm幅で電
極を取り除く。これだけではp−InGaAsPコンタ
クト層9を介して流れる電流が有るためこの部分のコン
タクト層とメサストライプ周辺の半導体層を除去した。
各領域の間で光は光導波層2で接続されるが、電気的に
は十分な分離抵抗、約600 Ωが得られるようにした。各
領域の長さは、発光領域100 が200 μm、位相制御領域
200 が100 μm、DBR領域300 が700 μmである。素
子をp側電極側を上部にしてヒートシンクにマウントし
て特性を測定した。
位相制御領域200 ,DBR領域300 に電流を流さない時
の発振しきい値は20mAで微分効率は0.14W/A ,10mW以上
の単一波長発振の光出力が得られた。発振波長は1550n
mであった。位相制御領域200 とDBR領域300 に流す
電流の配分を1:4にして波長変化を行ったところ40Å
の範囲で連続的に波長が変化した。この時発振しきい値
は25mAに増加したが、第4図の従来素子に比べて増加量
は大きく減少した。またこの時の発振スペクトルの線幅
は10MHz から15MHz の変化であり変動は大幅に抑制され
た。これは発振しきい値の増加が抑えられ、共振器内の
光密度の変化が小さくなったからである。
(発明の効果) 本発明の素子では、発振波長を30Å以上の範囲で連続的
に変化させることができ、この時の発振しきい値の変動
が少ない。その結果従来素子に比べ発振スペクトルの線
幅の増加を大きく減少させることが可能になった。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の基本的な構造を示す模式図、第2図は
位相制御領域200 ,DBR領域300 に電流を流したとき
におけるキャリア密度に対する損失および利得を示す特
性図、第3図(a)は本発明の一実施例を示す斜視図、
第3図(b)はこの実施例の断面図、第4図は従来例の
模式図、第5図は従来例の素子の発振スペクトルの線幅
が波長変化に応じて広がって行く様子を示した図であ
る。 図中、1はn−InP基板、2はn−InGaAsP光
導波層、3はn−InP層バリア層、4はInGaAs
P活性層、5はp−InPクラッド層、6はp−InP
電流ブロック層、7はn−InP電流閉じ込め層、8は
p−InP埋め込み層、9はp−InGaAsPコンタ
クト層、10はp−InP第2クラッド層、20,21,22は
分割されたp側電極、25はn側電極、50はメサストライ
プ、51,52は平行な2本の溝、80は回折格子、100 は発
光領域、200 は位相制御領域、300 はDBR領域を表
す。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】発光領域と位相制御領域と回折格子の形成
    されたブラッグ反射領域との3つの領域からなり、これ
    ら3つの領域にはこれら領域を直列に接続する光導波路
    が設けてあり、前記発光領域および前記ブラッグ反射領
    域には利得を有する活性層が設けてあり、前記3つの領
    域には互いに独立に電流が供給される電極がそれぞれ設
    けてあることを特徴とする波長可変半導体レーザ。
JP20611787A 1987-08-19 1987-08-19 波長可変半導体レ−ザ Expired - Lifetime JPH0626268B2 (ja)

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