JPH0716079B2 - 半導体レ−ザ装置 - Google Patents
半導体レ−ザ装置Info
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- JPH0716079B2 JPH0716079B2 JP17322287A JP17322287A JPH0716079B2 JP H0716079 B2 JPH0716079 B2 JP H0716079B2 JP 17322287 A JP17322287 A JP 17322287A JP 17322287 A JP17322287 A JP 17322287A JP H0716079 B2 JPH0716079 B2 JP H0716079B2
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- semiconductor layer
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES 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
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- H01S5/12—Construction 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
- H01S5/1228—DFB lasers with a complex coupled grating, e.g. gain or loss coupling
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- H01S5/34313—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers in AIIIBV compounds, e.g. AlGaAs-laser, InP-based laser with a well layer having only As as V-compound, e.g. AlGaAs, InGaAs
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、量子井戸構造を持つ光変調器と量子井戸レー
ザとを基板上に集積した半導体レーザ光源に関する。
ザとを基板上に集積した半導体レーザ光源に関する。
従来の技術 半導体レーザは光通信用光源として有用である。通例は
これを直接変調して光信号を作るが、モードのとび、チ
ャーピング等の問題があった。これらの問題に対処する
ため、近年モノリシックに半導体レーザと集積された光
変調器による外部変調が試みられている。特に、量子井
戸層を用いた吸収型の光変調器はバルクを用いた物より
も電圧に対する吸収の変化量が大きいのが特長である。
これを直接変調して光信号を作るが、モードのとび、チ
ャーピング等の問題があった。これらの問題に対処する
ため、近年モノリシックに半導体レーザと集積された光
変調器による外部変調が試みられている。特に、量子井
戸層を用いた吸収型の光変調器はバルクを用いた物より
も電圧に対する吸収の変化量が大きいのが特長である。
以下、これを用いた光変調器を持つ半導体レーザ装置の
従来例を記す。
従来例を記す。
第７図は第一の従来例の構造を示す断面図である（参考
文献．第15回インターナショナル カンタム エレクト
ロニクス コンファレンス テクニカル ダイジェスト
18頁）。701は活性層で、光を発生する。導波層702と
ｐ型クラッド層703の界面には回折格子がある。よって
光はこれらの層とｎ型クラッド層704に挟まれて左右に
導波し、回折格子によって決まる波長でレーザ発振をす
る。このレーザ光は、InGaAsとInAlAsの薄膜を交互に重
ねた多重量子井戸（以下、MQWと記す。）構造から成る
層705と、ｐ及びｎ型のInAlAsから成るクラッド層706,7
07とを持つMQW変調器に入射する。MQW層の禁制帯幅はレ
ーザ光の光子エネルギーより大きく作ってあるため、こ
の状態ではレーザ光はあまり吸収されないが、電極709
と711とを介してMQW層705に逆バイアスを印加すると、
シュタルク効果によりレーザ光が吸収される。よって、
この逆バイアスの電圧を変調することにより、電極708
から供給される電流を一定に保ったまま光強度を変調で
きる。本従来例の特長はMQW層705の禁制帯幅を任意に選
べることである。
文献．第15回インターナショナル カンタム エレクト
ロニクス コンファレンス テクニカル ダイジェスト
18頁）。701は活性層で、光を発生する。導波層702と
ｐ型クラッド層703の界面には回折格子がある。よって
光はこれらの層とｎ型クラッド層704に挟まれて左右に
導波し、回折格子によって決まる波長でレーザ発振をす
る。このレーザ光は、InGaAsとInAlAsの薄膜を交互に重
ねた多重量子井戸（以下、MQWと記す。）構造から成る
層705と、ｐ及びｎ型のInAlAsから成るクラッド層706,7
07とを持つMQW変調器に入射する。MQW層の禁制帯幅はレ
ーザ光の光子エネルギーより大きく作ってあるため、こ
の状態ではレーザ光はあまり吸収されないが、電極709
と711とを介してMQW層705に逆バイアスを印加すると、
シュタルク効果によりレーザ光が吸収される。よって、
この逆バイアスの電圧を変調することにより、電極708
から供給される電流を一定に保ったまま光強度を変調で
きる。本従来例の特長はMQW層705の禁制帯幅を任意に選
べることである。
第８図は第二の従来例の構造を示す断面図である。ｎ型
クラッド層801,802、MQW層803,804、ｐ型クラッド層80
5,806は、各々同時にエピタキシャル成長によりｎ型GaA
s基板809上に形成されたものである。溝813はエッチン
グによるものであり、その右側面は良好な共振器面にな
っている。溝813の右側はレーザであり電極810から電流
を供給することによりレーザ発振をする。このレーザ光
の光子のエネルギーは電流の供給による発熱等により、
MQW層804のエキシトンによる吸収ピークより多少小さく
なる。よって、レーザ光はMQW層804によりそれほど吸収
を受けない。ところが、電極811を介してMQW層804に逆
バイアスを印加するとエキシトンの吸収ピークが低エネ
ルギー側にシフトするので、レーザ光の吸収量が増え
る。よって、この逆バイアスの電圧を変調することによ
り、電極810から供給される電流を一定に保ったまま光
強度を変調できる。本従来例の特長はMQW変調器の構造
がレーザと同じであるため作成が容易であることであ
る。
クラッド層801,802、MQW層803,804、ｐ型クラッド層80
5,806は、各々同時にエピタキシャル成長によりｎ型GaA
s基板809上に形成されたものである。溝813はエッチン
グによるものであり、その右側面は良好な共振器面にな
っている。溝813の右側はレーザであり電極810から電流
を供給することによりレーザ発振をする。このレーザ光
の光子のエネルギーは電流の供給による発熱等により、
MQW層804のエキシトンによる吸収ピークより多少小さく
なる。よって、レーザ光はMQW層804によりそれほど吸収
を受けない。ところが、電極811を介してMQW層804に逆
バイアスを印加するとエキシトンの吸収ピークが低エネ
ルギー側にシフトするので、レーザ光の吸収量が増え
る。よって、この逆バイアスの電圧を変調することによ
り、電極810から供給される電流を一定に保ったまま光
強度を変調できる。本従来例の特長はMQW変調器の構造
がレーザと同じであるため作成が容易であることであ
る。
発明が解決しようとする問題点 ところが、上記の構成によると下記のような問題があ
る。
る。
第一の従来例のようにレーザと変調器を別々に作る場
合、第７図のようにこれらの結合部に凹凸ができ、素子
の歩留まりを悪化させる。また、この結合部でMQW層705
が上方に曲がっているため、光の結合効率が低下する。
さらに、MQW層の位置がずれても結合効率は低下する。
これを防ぐため、ｎ型InAlAsクラッド層707の層厚を慎
重に制御する必要がある。
合、第７図のようにこれらの結合部に凹凸ができ、素子
の歩留まりを悪化させる。また、この結合部でMQW層705
が上方に曲がっているため、光の結合効率が低下する。
さらに、MQW層の位置がずれても結合効率は低下する。
これを防ぐため、ｎ型InAlAsクラッド層707の層厚を慎
重に制御する必要がある。
また、第二の従来例のようにレーザと変調器を同じエピ
タキシャル層で作る場合、MQW層804でのレーザ光の吸収
量が大き過ぎる。また、室温の変化に伴うMQW層の禁制
帯構造の変化により、吸収量が大きく変動する危険があ
る。
タキシャル層で作る場合、MQW層804でのレーザ光の吸収
量が大き過ぎる。また、室温の変化に伴うMQW層の禁制
帯構造の変化により、吸収量が大きく変動する危険があ
る。
問題点を解決するための手段 本発明は、上記の問題点を解決するため、第一のクラッ
ド層上にエピタキシャル成長された少なくとも一層の量
子井戸層を持つ半導体層の一部を、選択的に細線或は箱
状に加工して量子細線或は量子箱を作成し、この半導体
層上に第二のクラッド層を形成し、横方向にも同様な導
波機構を設け、さらに量子細線或は量子箱を形成した側
には電気信号を印加するための電極を形成し、他方の側
には電流を供給するための電極と光の共振器を形成する
ものである。
ド層上にエピタキシャル成長された少なくとも一層の量
子井戸層を持つ半導体層の一部を、選択的に細線或は箱
状に加工して量子細線或は量子箱を作成し、この半導体
層上に第二のクラッド層を形成し、横方向にも同様な導
波機構を設け、さらに量子細線或は量子箱を形成した側
には電気信号を印加するための電極を形成し、他方の側
には電流を供給するための電極と光の共振器を形成する
ものである。
作用 上記した構成によれば、量子細線或は量子箱を形成した
側は吸収型の光変調器、他方の側は半導体レーザとして
各々機能する。さらに、この光変調器の導波層は半導体
レーザの活性層を延長線上に形成されるため、高結合効
率が得られる。また、量子細線或は量子箱の禁制帯幅は
同じ組成と構造を持つ量子井戸の禁制帯幅より広くなる
のでエキシトンの吸収ピークをレーザ光の光子エネルギ
ーより十分高エネルギー側に設定される。よって光変調
のための逆バイアスが印加されない時、レーザ光はほと
んど吸収されずに済む。また、量子井戸よりも量子細線
や量子箱の方がキャリアの量子閉じ込め効果が大きいた
め、エキシトンの吸収ピークが大きくなる。よって逆バ
イアスが印加された時の光の吸収量が多く、光信号の振
幅が大きくとれる。
側は吸収型の光変調器、他方の側は半導体レーザとして
各々機能する。さらに、この光変調器の導波層は半導体
レーザの活性層を延長線上に形成されるため、高結合効
率が得られる。また、量子細線或は量子箱の禁制帯幅は
同じ組成と構造を持つ量子井戸の禁制帯幅より広くなる
のでエキシトンの吸収ピークをレーザ光の光子エネルギ
ーより十分高エネルギー側に設定される。よって光変調
のための逆バイアスが印加されない時、レーザ光はほと
んど吸収されずに済む。また、量子井戸よりも量子細線
や量子箱の方がキャリアの量子閉じ込め効果が大きいた
め、エキシトンの吸収ピークが大きくなる。よって逆バ
イアスが印加された時の光の吸収量が多く、光信号の振
幅が大きくとれる。
実施例 第１図は本発明の一実施例の構造を示す断面図である。
溝115の右が半導体レーザ、左が光変調器である。101は
厚さ50オングストロームのGaAs量子井戸層とその上下を
挟む二つの分布屈折率層から成る活性層である。102と1
03は各々ｐ型とｎ型のAlGaAs導波層、104と105は各々ｐ
型とｎ型のAlGaAsクラッド層で、前記のAlGaAs導波層よ
り屈折率が低い。106は鏡面であり、ファブリ・ペロー
型共振器を構成している。107は101と上下方向に同じ構
造を持つ量子細線であり、紙面に対し垂直方向に線が延
びている。108,109,110は各々102,103,104と同じ組成を
持つ。よって、電極112から電流が供給されるとレーザ
発振が起こり、レーザ光が光変調器に入射する。電極11
3に逆バイアスを印加しない時の発振波長λ１と量子細
線107の吸収係数の関係を第６図の実線で示す。この時
の吸収係数はα２である。電極113に逆バイアスを印加
すると吸収係数は波線を経て一点鎖線の状態に変化す
る。この時の吸収係数はα１である。また、量子井戸よ
りも量子細線や量子箱の方がキャリアの量子閉じ込め効
果が大きいため、エキシトンの吸収ピークが大きくな
る。よって、光強度の振幅が大きくとれる。尚、横方向
にも光を閉じ込めるため、この構造はAlGaAs層で埋め込
まれている。以上の構造は全てｎ型GaAs基板111の上に
作られている。
溝115の右が半導体レーザ、左が光変調器である。101は
厚さ50オングストロームのGaAs量子井戸層とその上下を
挟む二つの分布屈折率層から成る活性層である。102と1
03は各々ｐ型とｎ型のAlGaAs導波層、104と105は各々ｐ
型とｎ型のAlGaAsクラッド層で、前記のAlGaAs導波層よ
り屈折率が低い。106は鏡面であり、ファブリ・ペロー
型共振器を構成している。107は101と上下方向に同じ構
造を持つ量子細線であり、紙面に対し垂直方向に線が延
びている。108,109,110は各々102,103,104と同じ組成を
持つ。よって、電極112から電流が供給されるとレーザ
発振が起こり、レーザ光が光変調器に入射する。電極11
3に逆バイアスを印加しない時の発振波長λ１と量子細
線107の吸収係数の関係を第６図の実線で示す。この時
の吸収係数はα２である。電極113に逆バイアスを印加
すると吸収係数は波線を経て一点鎖線の状態に変化す
る。この時の吸収係数はα１である。また、量子井戸よ
りも量子細線や量子箱の方がキャリアの量子閉じ込め効
果が大きいため、エキシトンの吸収ピークが大きくな
る。よって、光強度の振幅が大きくとれる。尚、横方向
にも光を閉じ込めるため、この構造はAlGaAs層で埋め込
まれている。以上の構造は全てｎ型GaAs基板111の上に
作られている。
第２図は第１図の実施例の製造過程を示す。図中の番号
で第１図と同じものは同図と同じ箇所を示す。まず、ｎ
型GaAs基板111の上にｎ型AlGaAsクラッド層105、ｎ型Al
GaAs導波層103を順次成長する。次に、選択的に103の上
に周期的な溝を形成する。これは、分布帰還型半導体レ
ーザ（以下、DFBレーザと記す。）の回折格子を作るよ
うに干渉露光等の技法を用いればよい。この時、台形状
の断面の上辺の幅は約100から200オングストローム、斜
面は（111）Ａ面にしておく。次に、活性層101を成長す
ると台形の上には三角形に結晶が成長し（107）、量子
井戸の部分では幅が約50から100オングストロームにな
り、量子細線が形成される。引き続いてｐ型AlGaAs層20
1,202、ｐ型GaAs層203を形成する。さらに、横方向の埋
め込み、溝115、電極112,113,114等の形成を行って完成
する。
で第１図と同じものは同図と同じ箇所を示す。まず、ｎ
型GaAs基板111の上にｎ型AlGaAsクラッド層105、ｎ型Al
GaAs導波層103を順次成長する。次に、選択的に103の上
に周期的な溝を形成する。これは、分布帰還型半導体レ
ーザ（以下、DFBレーザと記す。）の回折格子を作るよ
うに干渉露光等の技法を用いればよい。この時、台形状
の断面の上辺の幅は約100から200オングストローム、斜
面は（111）Ａ面にしておく。次に、活性層101を成長す
ると台形の上には三角形に結晶が成長し（107）、量子
井戸の部分では幅が約50から100オングストロームにな
り、量子細線が形成される。引き続いてｐ型AlGaAs層20
1,202、ｐ型GaAs層203を形成する。さらに、横方向の埋
め込み、溝115、電極112,113,114等の形成を行って完成
する。
第３図は、本発明の他の実施例の構造を示す断面図であ
る。第１図と同様に溝115の右が半導体レーザ、左が光
変調器である。尚、名称及び機能が第１図と同じもの
は、第１図と同じ番号を用いた。第１図と異なる点が二
つある。第１にｐ型AlGaAs導波層102の表面に回折格子
を設け、レーザをDFBレーザにした点。第２に、第４図
（イ）のように活性層101を先に成長してから同図
（ロ）のようにｐ型AlGaAs導波層102を選択的に除去
し、回折格子301を作ると同時にエッチングで量子細線
を作る点である。
る。第１図と同様に溝115の右が半導体レーザ、左が光
変調器である。尚、名称及び機能が第１図と同じもの
は、第１図と同じ番号を用いた。第１図と異なる点が二
つある。第１にｐ型AlGaAs導波層102の表面に回折格子
を設け、レーザをDFBレーザにした点。第２に、第４図
（イ）のように活性層101を先に成長してから同図
（ロ）のようにｐ型AlGaAs導波層102を選択的に除去
し、回折格子301を作ると同時にエッチングで量子細線
を作る点である。
第５図は、本発明の他の実施例の構造を示す断面図であ
る。第１図と同様に溝115の右が半導体レーザ、左が光
変調器である。尚、名称及び機能が第１図と同じもの
は、第１図と同じ番号を用いた。第１図と異なり、活性
層101はMQW構造である。また、量子細線107は101と上下
方向に同じ構造を持つが、線の延びる方向をレーザの共
振方向と同じにしてある。このように、第2,4図で示し
た量子細線の作り方によれば、任意の方向に量子細線が
作れる。その様子を同図（イ）に示す。また、同図
（ハ），（ニ）は、各々光変調器部、半導体レーザ部
の、光の進行方向に対し垂直な面における断面図であ
る。
る。第１図と同様に溝115の右が半導体レーザ、左が光
変調器である。尚、名称及び機能が第１図と同じもの
は、第１図と同じ番号を用いた。第１図と異なり、活性
層101はMQW構造である。また、量子細線107は101と上下
方向に同じ構造を持つが、線の延びる方向をレーザの共
振方向と同じにしてある。このように、第2,4図で示し
た量子細線の作り方によれば、任意の方向に量子細線が
作れる。その様子を同図（イ）に示す。また、同図
（ハ），（ニ）は、各々光変調器部、半導体レーザ部
の、光の進行方向に対し垂直な面における断面図であ
る。
尚、実施例中の半導体レーザの構造はファブリ・ペロー
型、DFB、分布ブラッグ反射型、或はリッジ型、プレー
ナ埋め込み型、アレー型等でもよい。又、InP系等の他
の化合物半導体を用いても、同様の効果が期待できる。
又、量子細線のかわりに量子箱を用いても何等問題は無
い。
型、DFB、分布ブラッグ反射型、或はリッジ型、プレー
ナ埋め込み型、アレー型等でもよい。又、InP系等の他
の化合物半導体を用いても、同様の効果が期待できる。
又、量子細線のかわりに量子箱を用いても何等問題は無
い。
発明の効果 本発明によれば、エキシトンの吸収ピークが大きくなる
ばかりでなく、量子細線や量子箱の方が量子井戸よりも
キャリアの量子閉じ込め効果が大きいので、電界に対す
る吸収ピークの移動量が大きくなるのと考えられるの
で、印加する電界が小さくできる可能性がある。また、
量子井戸レーザを用いるので大パワーを出力できる。
ばかりでなく、量子細線や量子箱の方が量子井戸よりも
キャリアの量子閉じ込め効果が大きいので、電界に対す
る吸収ピークの移動量が大きくなるのと考えられるの
で、印加する電界が小さくできる可能性がある。また、
量子井戸レーザを用いるので大パワーを出力できる。
第１図は、本発明の一実施例のレーザ装置構造を示す断
面図、第２図は第１図の実施例の製造過程を示す断面
図、第３図は本発明の他の実施例のレーザ装置構造を示
す断面図、第４図は第３図の実施例の製造過程を示す断
面図、第５図は本発明の他の実施例のレーザ装置構造を
示す断面図、第６図は波長と量子細線の吸収係数の関係
を示すグラフ、第７図は第一の従来例の構造を示す断面
図、第８図は第二の従来例の構造を示す断面図である。 101……活性層、102,103,108,109……導波層、104,110,
105……クラッド層、106……鏡面、107……量子細線、1
11……GaAs基板、115……溝、116,117……キャップ層。
面図、第２図は第１図の実施例の製造過程を示す断面
図、第３図は本発明の他の実施例のレーザ装置構造を示
す断面図、第４図は第３図の実施例の製造過程を示す断
面図、第５図は本発明の他の実施例のレーザ装置構造を
示す断面図、第６図は波長と量子細線の吸収係数の関係
を示すグラフ、第７図は第一の従来例の構造を示す断面
図、第８図は第二の従来例の構造を示す断面図である。 101……活性層、102,103,108,109……導波層、104,110,
105……クラッド層、106……鏡面、107……量子細線、1
11……GaAs基板、115……溝、116,117……キャップ層。
Claims (3)
- 【請求項１】少なくとも基板上に、一つ以上の化合物半
導体薄膜を持つ第一の半導体層と、前記第一の半導体層
を挟み且つ前記第一の半導体層より等価屈折率の小さい
複数の半導体層より成る第一のクラッド層とを持つ半導
体レーザと、細線状あるいは箱状に分断された化合物半
導体薄膜を少なくとも一層持つ第二の半導体層と、前記
第二の半導体層を挟み且つ前記第二の半導体層より等価
屈折率の小さい複数の半導体層より成る第二のクラッド
層とを持つ外部変調器とが形成されており、且つ前記半
導体レーザに電流を供給する手段と、前記外部変調器に
入力信号を供給する手段とを有する構成において、前記
第二の半導体層が前記半導体レーザから出射された光を
入射する位置にあり、前記第一と第二の半導体層中に存
する化合物半導体薄膜の組成及び構造が互いに等しいこ
とを特徴とする半導体レーザ装置。 - 【請求項２】第一第二の半導体層と第一第二のクラッド
層がGaAs混晶とAlGaAs混晶とで構成されることを特徴と
する特許請求の範囲第一項記載の半導体レーザ装置。 - 【請求項３】第一第二の半導体層と第一第二のクラッド
層がInP混晶とInGaAsP混晶とで構成されることを特徴と
する特許請求の範囲第一項記載の半導体レーザ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17322287A JPH0716079B2 (ja) | 1987-07-10 | 1987-07-10 | 半導体レ−ザ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17322287A JPH0716079B2 (ja) | 1987-07-10 | 1987-07-10 | 半導体レ−ザ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6417487A JPS6417487A (en) | 1989-01-20 |
| JPH0716079B2 true JPH0716079B2 (ja) | 1995-02-22 |
Family
ID=15956397
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17322287A Expired - Lifetime JPH0716079B2 (ja) | 1987-07-10 | 1987-07-10 | 半導体レ−ザ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0716079B2 (ja) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPH03148889A (ja) * | 1989-11-06 | 1991-06-25 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 半導体レーザ |
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| IT1245541B (it) * | 1991-05-13 | 1994-09-29 | Cselt Centro Studi Lab Telecom | Laser a semiconduttore a reazione distribuita ed accoppiamento di guadagno ,e procedimento per la sua fabbricazione |
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| JP2002299752A (ja) * | 2001-04-02 | 2002-10-11 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 光集積素子の製造方法および光集積素子 |
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-
1987
- 1987-07-10 JP JP17322287A patent/JPH0716079B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS6417487A (en) | 1989-01-20 |
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