JPH0715000A - 複量子井戸構造を有する集積モノリシックレーザ−モデュレーター構成 - Google Patents

複量子井戸構造を有する集積モノリシックレーザ−モデュレーター構成

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JPH0715000A
JPH0715000A JP6116449A JP11644994A JPH0715000A JP H0715000 A JPH0715000 A JP H0715000A JP 6116449 A JP6116449 A JP 6116449A JP 11644994 A JP11644994 A JP 11644994A JP H0715000 A JPH0715000 A JP H0715000A
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layer
absorption
wavelength
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JP6116449A
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Abderrahim Ramdane
アブダラヒム・ランダム
Fabrice Devaux
ファブリセ・デュボー
Abdallah Ougazzaden
アブダラー・オウガザデン
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Orange SA
France Telecom R&D SA
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CENTRE NAT ETD TELECOMM
France Telecom SA
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    • 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

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 複量子井戸構造を有する集積モノリシックレ
ーザ−モデュレーター構成。 【構成】 この構成は、InP基板と、活性層(18)と、
レーザ利得ピークの最適波長よりもわずかに高い値にレ
ーザの発光波長を固定する周期的ブラッグ格子(12)を含
む前記基板上に成長した半導体層の積層体から形成され
たレーザ(L)と、ブラッグ格子を除いて吸収層(18)を含
み、前記同一の半導体層の積層体から形成された電気光
学モデュレーター(M)と、レーザの活性層と、数種の強
制された又は非強制の量子井戸を有する同一の成長構造
により形成されたモデュレーターの吸収層と、制限され
たスターク効果に基づいて機能するモデュレーターと、
レーザの半導体層とモデュレーターのそれを電気的に調
整する手段を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、同一複量子井戸構造を
使用する、半導体材料の集積されたモノリシックレーザ
−モデュレーター構成に関するものである。この構造
は、主として光ファイバ遠距離通信、例えば、高速、遠
距離デジタルリンクの分野、また同様に、全ての光コン
ピュターの分野に有益なものである。
【0002】
【従来の技術】本発明は、電気分野の効果の下で、材料
の光吸収の変化からなる光線の強度モデュレーションの
方法を使用する。後者は、例えば、意図的でなくドープ
された、非偏向PINダイオードにより、電子吸収若し
くは活性材料を含む固有範囲に適用される。半導体レー
ザと、レーザにより放射された光流のパワー電気光学モ
デュレーターのモノリシック集積は、電気光学での重大
な結果として、数多くの仕事の目的事態を形成する。こ
の集積は、戦略的研究及び開発、特に、情報の高速、遠
距離伝達のための1.55μmでの光ファイバ遠距離通信
の分野のものを基にしている。対応する集積構成は、大
パスバンドと、特に、発光レーザダイードの広範囲モデ
ュレーションと結合した非スペクトラル拡張を有してい
る(参照.これに関する文献(1):F. Koyama と K.
Iga, "Frequency chirping in external modulators"、
ジャーナルオブライトウェーブ技術、vol. 6, No. 1, 1
988, pp 87-93)。
【0003】しかしながら、集積技術は可能なかぎり簡
易に残存しなければならなず、特に、2つの光電子工学
素子(レーザとモデュレーター)の特性を保護しなけれ
ばならない。集積構成(レーザ−モデュレーター)は、
明確にレーザに偏向し、またモデュレーターに非偏向さ
れたPINダイオードを形成する、同一、半導体、成長
した層から形成される。約1.55μmで作動するレーザ
とモデュレーターの集積は、文献(2)に記載されてい
る。文献(2):FR-A-2 681 191 には、高結合超格子
構造を有するワニエ−スタク効果を使用するものが記載
されている。高結合超格子構造またはSLは、それぞれ
の厚さが極めて小さい井戸とポテンシャル障壁の連続体
(一般に20から30)であり、共鳴トンネル効果によ
り、井戸は互いに高く結合することが指摘されている。
【0004】上記構造と、複量子井戸もしくはMQW構
造の間で距離は形成される。MQW構造も、井戸とポテ
ンシャル障壁の連続体(一般に20以下)であり、井戸
が互いに結合することがないぐらいに障壁の厚さが十分
に大きいものである。1.55μmで作動する他の集積さ
れたモノリシック構成が、文献(3)(4)に記載され
ている。文献(3):M.スズキ他、”マルチギガビッ
ト伝達の為のλ/4−シフトDFBレーザ/電子吸収モ
デュレータ集積光源”、光波技術のIEEEトランスア
クション、vol. 10, No.1, 1992, pp 90-95、フランツ
−ケルディシュ効果モデュレータを使用する。文献
(4):I.コタカ他による”低−ドライブ−電圧、高
速度モノリシック複−量子−井戸モデュレータ/DFB
レーザ光源”IEEEフォトニクス技術レター、vol.
5, No. 1, 1993, pp 61-63、制限スターク効果モデュレ
ータを使用する。
【0005】文献(3)、(4)の集積モデュレーター
は、モデュレーターの活性層の吸収帯の端よりも上の波
長で作動するもので、これは前方向高波長吸収、即ち赤
シフトとして知られている低エネルギの方向のシフトを
誘引する電子吸収材の電子技術の適用という事実のため
である。電子技術に非偏向した適用であるこの手段は、
これらの効果を使用することにより、初期伝達材料の吸
収を単に増加させることができる。こうして、モデュレ
ーターの活性層の材料は、電場のない中に十分に透過さ
れなければならない。しかしながら、レーザの場合、励
起発光は、エネルギがレーザの活性層の禁止帯のエネル
ギに実質的に等しいとき、特に低キャリア注入レベルの
ときに起こる。
【0006】InP基板上で1.55umのときに作動す
るモノリシックレーザ−モデュレーター構成のためのこ
れらの理由のため、従来の使用は、異なる活性層と、そ
の為、レーザとモデュレーターの為の異なる禁止エネル
ギ帯がなされてきた。こうして、文献(3)と(4)に
おいては、2つの構造を分離して成長させるために、最
適波長シフトを有する2つの成長ステージの製造が使用
されている。2つの構造を分離して得るためのもう1つ
の試みが文献(5)に記載されている。文献(5):
V.ホルナング他によるもので、”DFBレーザと受動
的波長のモノリシック集積のための簡易アプローチ”、
エレクトロニクスレター、vol.18, 1991, pp 1683-168
5。この文献では、事前にエッチングされた基板上で、
2つの構造の分離された最適化と、2つの構成のため
に、単成長の製造が使用されている。
【0007】より最近では、InGaAs/InGaA
sPの複量子井戸構造種を使用するシリカマスクと、単
選択成長の補助によるレーザとモデュレーターの集積に
対して付与される考慮が文献(6)に記載されている。
文献(6):M.アオキ他、”高速度(10Gbits/s
と低−ドライブ−電圧(1V ピークからピーク)In
GaAs/InGaAsP MQW電子吸収−モデュレ
ーター集積されたDFBレーザとセミ絶縁障壁ヘテロ構
造”、エレクトロニクスレター、vol. 28, No.12, 199
2, pp 1157-1158。この場合、非マスクゾーンに対した
マスクゾーン上で成長せず、したがって、マスクおよび
マスクされていないゾーンの間にシフトされた波長があ
る。このシフトは、選択成長のために使用されたマスク
の形状の相関であり、精密に調整され得る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】レーザとモデュレータ
のための2つの異なる構造の使用は、特に前記構成の製
造方法に関しての相当数の不具合を導く。したがって、
2つのエピタキシ(文献3及び4)を要求する解決は、
エピタキシと技術(非平面基板上の技術ステージ)の両
方に関して、厄介で込み入った不具合を欠点としても
つ。そこで、集積における2つの構成の実行性質を保持
することは困難である。さらに、エッチングされた基板
上での単エピタキシの使用(文献5)は、成長パラメー
タの良好な適正化も要求する。この解決も、非平面サン
プル上の技術の不具合を欠点としてもつ。こうして、”
平面”解決が慎重構成、すなわち、簡易でより良好な能
率で使用された同一技術の優位を有する。
【0009】単、選択的、平面エピタキシの場合に、エ
ピタキシの前に表面の調製と同様に、マスクの種類とそ
の形状の両方の最適化をする必要がある。そこで、この
方法を実施することは困難である。加えて、この方法と
得られる波長変化は、傾斜し、過剰な伝達範囲をに延び
るので、吸収損失が生じ得る。0.8μmで作動するため
のGaAs基板上での量子井戸を使用する同一の活性層
の単平面エピタキシの使用は、文献(7)と文献(8)
に記載されている。文献(7):S.タルチャとH.オ
カモトによるもので、”レーザダイオードのモノリシッ
ク集積と、GaAs/AlGaAs量子井戸二重ヘテロ
構造を有する光学波長モデュレーター”、物理学レター
48,(1)1986,pp1-3。文献(8):W.X.
ゾウ(Zou)他によるもので、”impurity-nduced 混乱
によるイントラキャビティ(intracavity)光学モデュ
レーターを有する低−限界InGaAs/GaAs/A
lGaAs量子−井戸レーザ”、物理学レター62,
(6)1993,pp 556-558。
【0010】モデュレーターの最適作動波長が、そのレ
ーザの発光波長よりも短くする必要があるという事実の
観点を理解するに、従来のこの解決は困難に思われる。
この普通でない形態を表現するために、文献(7)は”
ギャップ再標準化”効果に言及している。それは、活性
層中に注出されたキャリーの密度中での増加とリンクさ
れた正バイアス下のレーザの活性層の効果的な帯幅中へ
の適合を導くものである。文献(8)には、量子井戸が
強制されたInGaAsと、互いに良く混じり合う方法
(シリコン拡散により誘導された禁止帯幅の変化)の目
的でレーザの製造が記載されている。この強制された井
戸の場合の使用は、透明度をなすために、キャリア注出
流の大きな低減の利点を有する。なぜならば、レーザの
限界流は、文献(7)にあるごとく、従来のGaAs量
子井戸と比較して低減されているからである。GaAs
化合物の不利益は、InP上の構造のそれらからとても
異なるそれらの作動範囲である。
【0011】文献(7)と(8)は、レーザ部分により
誘導された光学ポンプ上で、比較的小さい光子流の補助
を有する伝達になるキャビティの受動的な部分を形成す
る”イントラキャビティ”モデュレーターを有するファ
ブリー−ペロットレーザを使用する。この種のレーザで
は、導体状態、即ち、適用された電場の欠損中でのモデ
ュレーターの吸収損失は、非常に高く残存する。さら
に、発光線は一般に広い。しかしながら、文献(7)
(8)中に推奨されている製造解決は、理想原理中に残
っている。なぜならば、それは、レーザ及びモデュレー
ターの為の同一の活性層の単平面エピタキシ上に基づい
ているからである。活性層の為のこの単平面エピタキシ
原理は、文献(2)中にも使用されている。しかしなが
ら、この場合、バイナースターク効果モデュレーター
は、InGaAlAs/InPシステム中に製造されて
いる。これらの材料は、アルミニウムの含有の不利益を
欠点としてもつもので、アルミニウムは、はたらきにく
く、それらの技術はリン(InGaAsP)に基づく化
合物として、発展されていない。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、1.55μmで
発光するためのInP上に形成された、新規な集積され
たモノリシックレーザ−モデュレーター構成としたもの
で、モデュレーターの電子吸収層とレーザの発光層の同
一活性構造を使用し、単平面エピタキシの補助で製造さ
れるものである。この活性層は、制限されたスターク効
果に基づいて作動するモデュレーターを有する複量子井
戸種の構造である。レーザ及びモデュレーターのための
同一活性層の使用は、レーザの得られるピークの最大に
対応する波長よりも僅かに大きい波長の値、よって、モ
デュレーターの吸収ピークに対応する値よりも僅かに大
きい波長、でのレーザの発光波長を固定する周期的なブ
ラッグ格子の使用により可能に製造される。本発明によ
れば、井戸は強制的にされ若しくはされないかもしれな
い。
【0013】同一活性層の使用も、MQWレーザと特に
強制的MQWレーザが、特に、InP上のInGaAs
PとInGaAs構造の場合に、レーザの構造中で使用
されたブラッグ格子の為に、モデュレーターの電子吸収
層の最適モデュレーション値への前記レーザの発光波長
を調整し得るに十分幅広に得られる曲線を有するという
事実により可能に製造される。周期的ブラッグ格子を装
備したレーザは、分配フィードバック若しくはDFBレ
ーザの名前で知られている。幅波長範囲を超えて、ブラ
ッグ格子のスペーシングにより定量される波長でのDF
Bレーザ発光を製造する可能性は、文献(9)中の波長
複合適用で試されている。文献(9):C.E.ザー
(Zah)他によるもので、”分散されたフィードバック
レーザアレイの1.5μm圧縮−引張された複量子−井戸
20−波長”−エレクトロニクスレター,vol. 28, No.
9, 1992, pp 824-826。上記文献では、20の異なる波
長が1.5μmの周囲の131nm範囲で測定され得てい
た。
【0014】バリア層とInGaAsP量子井戸を有す
るMQW構造モデュレーターが良好な性質を有すること
が、文献(10)からも知られている。文献(10):
F. Devaux 他によるもので、”GaAsP/InGaA
sPでの、改善された耐湿強度と帯幅20GHz超を有
する複合−量子井戸モデュレーター”、IEEEフォト
ニクス技術レター,vol. 4, 1992, pp 720-723。しかし
ながら、従来、活性層として同一平面エピタキシ間で形
成されたMQW構造を使用するレーザ及びモデュレータ
ーの集積を成し遂げた者はいない。下記に非制限実施例
に関する詳細と添付図面の参照で本発明が記載されてい
る。
【0015】
【実施例】図1に関して、本発明のモノリシック構成
は、レーザLと、モデュレーターMを有し、これらは、
5.1018ions/cm3のN+のドープされた、平表面を有す
る同一のInP基板10上に形成されている。前記基板
上には、レーザのための周期的ブラッグ格子12の存在
を除いては同一のレーザLとモデュレーターMのための
成長した半導体層がある。半導体層は、MOCVD若し
くは有機金属化学蒸着手段に基づいて成長されている。
【0016】特に2.1018ions/cm3で、厚さ500nm
のNドープされたInPバッファ層14、下方の、ドー
プされていない厚さ100nmの光学制限層16、ドープ
されないことにより分離された5〜12の量子井戸18
aとInGaAsPポテンシャルバリア18bを有する
厚さ150nmの活性層18、ドープされていない厚さ1
00nmのInGaAsP上方光学制限層20、レーザL
側にのみに保持されているブラッグ格子12、Pドープ
されたInP層22、もって、レーザとモデュレーター
のPINダイオードを完成させ、活性構造の埋設が実施
され、厚さが1.8umで、1018ions/cm3でドープされ
た層22、最後に1019ions/cm3でP+のドープされた
厚さ200nmのInGaAs電子接触層24が順に形成
されている。
【0017】制限層16,20でのInとP構成は、そ
れらの光学インデックスがダイオードの層14,22の
それよりも上であるが、量子井戸18aのそれよりも下
であるようでなければならない。さらに、MQW構造の
バリア層18bのInとP構成は、これらのバリアの禁
止エネルギ帯が量子井戸18aのそれよりも上であるよ
うになければならない。上記インデックスと禁止帯原理
に言及すると、三成分のInGaAs材料により四成分
のInGaAsP材料を置換することが可能である。例
えば、層16,20は、それぞれ0.79と0.44のI
nとPの構成、バリア層18b各々0.79と0.44の
InとP構成、量子井戸18aは各々0.70と0.13
のInとP構成を有している。例えば、レーザの特性を
低下することなしにモデュレーションの実施特性を改善
するために10の井戸がある。それらの厚さは10nmで
あり、バリアの厚みは5nmである。
【0018】周期的ブラッグ格子12は、そのスペーシ
ングPがレーザの発光波長を固定する周期的な構造を形
成するために、エッチングされた、ドープされていない
InP/InGaAsP/InP3層材料から製造され
ている。幅が各々50,30,30nmの層12a,12
c,12bの為に、1.550μmで作動するレーザを得
るように、240nmのスペーシングの使用がなされる。
後述するように、レーザ部分上にのみに形成されるよう
にモデュレーター部上のマスクの適用を使用する湿式化
学エッチングによる、標準フォログラフィック方法によ
り、ブラッグ格子が製造される。層12,14,16,
18,20は、第1平面エピタキシの間に形成され、層
22,24は第2平面エピタキシの間に形成される。図
1に示される構造は、BRS若しくはBuried Ridge Str
ipedタイプのものであるが、他の構造、特にridge-ridg
e若しくはBRS−ridgeも考えられる。
【0019】構成は、さらに、基板10の下方表面上に
形成され、アースポテンシャルとなる金属層26と、接
触層24上に配置された上部金属層を有している。レー
ザLとモデュレーターMの電気絶縁を確実にするため
に、上方かつ半導体金属層24にはエッチングが施さ
れ、このようにして製造された溝中への陽子の注入と、
層22の厚さを完全に超えるようにすることにより、レ
ーザ上の上方電極28とモデュレーター上の上方電極3
0が形成される。レーザLの上方電極28は、電圧源V
dにより正にバイアスされており、モデュレーターMの
電極30は電圧源Viにより負にバイアスされている。
異なる層の連続するエピタキシがレーザとモデュレータ
ーの間で卓越した光学結合を導くことが明らかである。
【0020】必要な相関として、レーザストリップの幅
lは300〜600μmである。同様に、モデュレータ
ーストリップの長さl’は100〜300μm、特徴的
には300μmである。構成のキャパシタンスを最小に
するために、モデュレーター側上の電気的接触はポリイ
ミド上のスタッドの補助と得られる。2構成の波長適合
性が図2〜5に参照として説明されている。図2〜5
は、0.79と0.44のIn及びPのバリア層のための
0.70と0.13のIn及びP組成物を有する4成分材
料の5つの強制された量子井戸を有する活性層と、厚さ
6nmの井戸と、厚さ19nmのバリアを使用するものであ
る。図2は、5つの量子井戸を有する活性層18を使用
するファブリー−ペロットレーザの為の発光波長の相関
としての利得曲線を示すものである。図2から集められ
得るものとして、この種の材料は幅広な波長スペクトラ
ムの利得を有する。よって、レーザ効果は、1.52と
1.56μmの間で、最大利得が1.534μmとなる構造
となるように得られる。
【0021】5つの量子井戸を有する前記同一の活性層
について、発明者はエキシトン吸収スペクトラムを測定
した。このスペクトラムは図3に示されるもので、温度
が300Kのときの波長の相関として、吸収変化を示
す。この曲線は、活性層の1.53μmの吸収ピークが
1.534μmの利得曲線ピークに一致することを示す。
最適モデュレーション波長適合性を得るために、ブラッ
グ格子のスペーシングは、モデュレーターのエキシトン
吸収限界に対応(図3参照)する前記波長である1.5
50μmでレーザが発光するように調整される。さら
に、前記波長においては、伝導状態(即ち、伝達状態)
にあるモデュレーターによる吸収は小さい。さらに、レ
ーザにおいては(図2参照)、利得は依然高く、10を
超える。図3はさらに、エキシトン吸収フロントは非常
に急であり、1.55μmでの最適モデュレーション波長
が1.56μmでのエキシトン限界にとても近いことを示
す。
【0022】前記シフトの値の相関としての変化であ
り、レーザの機能不全を導き得るレーザの限界流での増
加をデツニング(Detuning)は一般に含む。しかしなが
ら、レーザのみの前記限界流(レーザ発光に必要な最小
流)に適用された流れの相関としてのレーザパワーの変
化を示す図4は極めて小さく、すなわち5mA以下で、
特にレーザ長l’が530μmのときに3.5mAとな
る。図5も、同一構造の電気光学モデュレーション実施
特性を示すものである。曲線a,bとcは、モデュレー
ターに適用されたバイアス電圧Viの相関としての3波
長1.550、1.555、1.560μmの各々のモデュ
レーターの伝達性を示すものである。これらは、長さ
l’が277μmのモデュレーターの曲線である。
【0023】これらの曲線は、モデュレーターの最適態
様が1.550μmのときに100%伝達に対応する参照
レベルと比較されていることを示している。なぜなら
ば、最小伝達は、モデュレーション長が277μmにお
ける減衰若しくは17dBの吸収レベルに対応する10
0μmのモデュレーション長で7dB以下であるからで
ある。しかしながら、最大吸収は、(b)と(c)の場
合での100μmモデュレーションでの約6dBの値で
得られるもののみである。この最適吸収は、ケース
(b)と(c)で3.2Vを超える電圧であるケースa
の2.5V以下のモデュレーターに反転されて適用され
た電圧Vi用にも得られる。こうして、これら2構成
(レーザとモデュレーター)の集積は、10Gbit/sの
高速度と長距離光学伝達を両立する十分なモデュレーシ
ョン特性を導く。そのような適用の種類として、レーザ
は連続的に発光する。上記記載は、図示したものや、異
なる半導体層用の他の構成のためにのにみに示されたの
であって、同様に他の厚さ及びドーピングレベルが考え
られ得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るモノリシック構成の概略断面図で
ある。
【図2】5つの強制量子井戸を有する活性MQW層を使
用するレーザにおける、発光波長λ(μm)の相関とし
てのレーザの利得(cm-1)である。
【図3】図2のものと同一量子井戸構造における、波長
λ(μm)の相関としての、任意単位での、エキシトン
吸収スペクトラムAである。
【図4】図2のものと同一MQW構造を有する本発明の
構成に適用された、電流I(mA)の相関としての、レ
ーザ発光パワーP(mW)である。
【図5】バイアス電圧Vi(ボルト)と異なる波長の相
関としての、本発明に係る構成の伝達曲線T(単位長さ
当たりで示された)である。
【符号の説明】
10 InP単結晶基板 12 ブラッグ格子 18 活性層・活性吸収層 18a 量子井戸 18b バリア層 L レーザ M モデュレーター

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 InP単結晶基板(10)と、活性層
    (18)とレーザ利得ピークの最大に対応する波長より
    もわずかに高い値にレーザの発光波長を固定する周期的
    ブラッグ格子(12)を含む前記基板上に成長した半導
    体層の積層体を具備したレーザ(L)と、活性吸収層
    (18)を含む前記基板上に成長した半導体層の積層体
    から形成された電気光学モデュレーター(M)と、前記
    層の面中のモデュレーターの吸収層に転移する放射のレ
    ーザの活性層により発光に導く正電圧を溜める層に適用
    される手段(26,28,Vd)と、吸収層による前記
    放射の吸収を導く負電圧を溜めるモデュレーターの層に
    適用される手段(26,30)とを有し、レーザの活性
    層とモデュレーターの吸収層が、幾つかの量子井戸(1
    8a)を有する同一の成長した構造により形成され、モ
    デュレーターが制限されたスターク効果に基づいて機能
    することを特徴とする集積されたモノリシック電気光学
    構成。
  2. 【請求項2】 井戸が強制されていることを特徴とする
    請求項1の構成。
  3. 【請求項3】 半導体層にアルミニウムがないことを特
    徴とする請求項1又は2の構成。
  4. 【請求項4】 活性層と吸収層が、InGaAsP又は
    InGaAsのドープされていないバリア層(18b)
    により分離された、ドープされていない、InGaAs
    P又はInGaAs量子井戸(18a)から形成され、
    InとP組成が、禁止エネルギ帯がバリア層のそれより
    も低い井戸となる方法により選択されることを特徴とす
    る請求項1の構成。
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