JPH07193329A

JPH07193329A - 半導体モードロックレーザ

Info

Publication number: JPH07193329A
Application number: JP5331379A
Authority: JP
Inventors: Tatsumi Ido; 立身井戸; Hirohisa Sano; 博久佐野; Masahiro Aoki; 雅博青木
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-12-27
Filing date: 1993-12-27
Publication date: 1995-07-28

Abstract

(57)【要約】【目的】単峰性で幅が短くトランスフォームリミット
に近い良質な光短パルスを発生できる半導体モードロッ
クレーザを高歩留まりで得る。【構成】利得領域Iと光導波路領域IIとの間の結合部
は、光導波路構造が滑らかに連続して変化する遷移領域
Ｍを介して連結する。この利得領域I、遷移領域Ｍ、お
よび光導波路領域IIは、基板７上に絶縁体マスク（不図
示）を所定の開口幅に設定して領域選択成長を順次行う
ことにより、一括成長して形成する。これにより両領域
I，II間に、不連続を起こす活性層のエッチングおよび
クラッッド層の再成長が無く、滑らかな遷移領域Ｔと領
域I，IIが同時に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体モードロックレー
ザに係り、特に超短光パルスによる高速ディジタル光通
信や長距離光伝送装置に好適に使用できる半導体モード
ロックレーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】光共振器内の複数の縦モードの位相を同
期することによって超短光パルス列を発生するモードロ
ックレーザは、フーリエ変換限界（トランスフォームリ
ミット：Transform Limit）に近い良質な超短光パルス
を容易に得ることができることから、高速ディジタル光
通信や長距離光伝送への応用が期待されて、これに関連
した多くの研究開発が行われている。特に、モードロッ
クレーザのうちでも光共振器および利得領域を同一半導
体基板上に形成したモノリシック型半導体モードロック
レーザ（以下、半導体モードロックレーザと称する。）
は、小型で光学的調整が不要であるなどの長所を持って
いる。この種の半導体モードロックレーザについては、
例えば、エレクトロニクス・レターズ、１９８９年５月
１１日、第２５巻、第１０号、６２１頁から６２２頁
（Electronics Letters, 11th May 1989, vol.25, No.1
0, pp.621-622）に記載されている。

【０００３】図１は、利得領域と光導波路領域を有し、
利得領域に外部から同期信号を与えて光パルス列を発生
させる能動型の半導体モードロックレーザの従来例であ
り、導波路方向の断面構造図を示す。図１において参照
符号３は半導体基板を示し、半導体基板３上には光ガイ
ド層２が、半導体基板３の下部全体には裏面電極５が形
成されている。さらに、利得領域Iでは光ガイド層２上
に活性層１、クラッド層４、および利得領域電極６が積
層された構造、光導波路領域IIでは光ガイド層２上にク
ラッド層４だけが積層された構造が形成されている。ま
た、光ガイド層２のバンドギャップは活性層１のバンド
ギャップより大きく、活性層１で発生する光は、低損失
で光導波路領域IIを伝搬することができる。ここで、利
得領域電極６にバイアス電流と正弦波（周波数ｆ₀＝ｃ
／２ｎＬ、ｃ：光速、ｎ：光導波路の等価屈折率、Ｌ：
光共振器長）を与えると、複数の縦モード間の位相が同
期し、図２に示すような時間幅Δｔで、繰り返し周波数
ｆ₀の短光パルス列を得ることができる。

【０００４】周知のように、周波数と時間は互いにフー
リエ共役であり、したがって、光パルスの周波数幅（△
ν）と光パルスの幅（Δｔ）の積△ν△ｔには最小値が
存在する。この△ν△ｔ積が最小のパルスがフーリエ変
換限界（以下、トランスフォームリミットと称する。）
パルスと呼ばれる。このΔνΔｔ積の最小値は０．１〜
１で、パルス波形に依存する。なお、波形がガウス形に
近い場合には、ΔνΔｔ積は０．３程度である。また、
トランスフォームリミットの光パルスの時間幅Δｔと利
得スペクトル幅とは逆比例の関係にある。従って、半導
体は利得スペクトル幅が大きく、周波数幅△νが大きな
光を発生することが可能である。半導体を利得領域に用
いた場合、時間幅Δｔが１ｐｓ以下の超短光パルス列を
発生することが原理的に可能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述し
た図１に示す従来構成の半導体モードロックレーザを実
際に作製した場合、出力される超短光パルスは、高い割
合で複数のピーク構造を有し、得られるパルス幅Δｔも
数ｐｓ程度と広くなってしまう。また、得られたΔνΔ
ｔ積は、トランスフォームリミット値の数倍と大きく、
良質な超短光パルスを得ることができなかった。これ
は、以下の理由に因っている。すなわち、図１に示した
従来の半導体モードロックレーザを形成する場合、半導
体基板３上の領域全体に光ガイド層２及び活性層１を成
長し、光導波路領域IIの活性層１をエッチングで除去し
た後、再度クラッド層４を成長している。このエッチン
グ除去工程があるために、利得領域Iと光導波路領域II
の境界には大きな不連続が存在し、光の一部は境界面で
反射される。また、クラッド層４を再成長する際にも境
界面付近で異常成長を生じやすく、異常成長が生じると
境界面での反射はより強くなる。また、不連続部分では
光の放射も生じ導波路での結合損失も増加する。このよ
うな境界面での反射や結合損失が、複数の縦モード間の
位相同期を乱す結果となる。このため、従来の半導体モ
ードロックレーザでは、良質な超短光パルスを高歩留ま
りで得ることができないという問題点があった。

【０００６】そこで、本発明の目的は、単峰性で時間幅
が短くトランスフォームリミットに近い良質な超短光パ
ルスを発生できる半導体モードロックレーザを提供する
と共に、この半導体モードロックレーザを使用して長距
離伝送が可能な光伝送装置を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記課題は、バンドギャ
ップが異なる複数の領域によって構成される光共振器構
造を半導体基板上に有し、光共振器の複数の縦モード間
の位相を同期することにより短光パルス列を発生する半
導体モードロックレーザにおいて、各領域間を滑らかに
結合する連続的に変化した光導波路構造の遷移領域を設
けることにより解決することができる。

【０００８】この半導体モードロックレーザにおいて、
遷移領域の光導波路構造は厚さ方向に連続的に変化する
よう構成すれば好適であり、さらに、この遷移領域の長
さは光の波長に比べて十分大きな遷移領域を介して各領
域間を連続的につながる構造とすればよい。また、光導
波路構造には半導体量子井戸構造を有すれば好適であ
る。

【０００９】また、この半導体モードロックレーザにお
いて、光共振器内の前記複数の領域は少なくとも１つの
利得領域と少なくとも１つの光導波路領域とから構成
し、この少なくとも１つの利得領域に高周波信号を印加
することによって縦モードを同期することができる。或
いは、さらに光共振器内の前記複数の領域に少なくとも
１つの利得領域と、少なくとも１つの光導波路領域と、
少なくとも１つの光変調器領域を設け、この少なくとも
１つの光変調器領域に高周波信号を印加することによっ
て縦モードを同期してもよい。

【００１０】更に、上記半導体モードロックレーザにお
いて、光共振器内の前記複数の領域は少なくとも１つの
利得領域と、少なくとも１つの光導波路領域と、少なく
とも１つの過飽和吸収体領域とから構成することができ
る。

【００１１】また、光共振器内に回折格子から成る分布
反射領域を設けることができる。更にまた、この半導体
モードロックレーザと、これから出射される光パルス列
を変調するためのエンコーダとを同一基板上に形成すれ
ば好適である。

【００１２】更に、光伝送装置を、上記半導体モードロ
ックレーザを備え電気信号を光信号に変換して送信する
送信機を用いて構成すれば好適である。

【００１３】上記半導体モードロックレーザは、バンド
ギャップが異なる複数の領域によって構成される光共振
器構造を半導体基板上に有する半導体モードロックレー
ザの製造方法において、各領域における光導波路構造及
び各領域間の遷移領域の光導波路構造が、絶縁体マスク
を有する半導体基板上に結晶成長を行う領域選択成長に
より形成することができる。

【００１４】

【作用】本発明に係る半導体モードロックレーザによれ
ば、各領域間に設けた遷移領域は、各領域を滑らかに結
合する連続的に変化した光導波路構造であるため、従来
の構造に比べて境界面での反射が格段に低減される。

【００１５】特に、厚さ方向に連続的に変化し、光の波
長に比べて大きい遷移領域は、境界面での反射による複
数の縦モード間の位相の乱れが無く、単峰性のトランス
フォームリミットに近い超短光パルス出力を得ることが
できる。また、光導波路構造が半導体多重量子井戸構造
を有することにより、後述する各領域を所望のバンドギ
ャップ波長を備えた領域に形成すことができる。

【００１６】また、光共振器内の前記複数の領域を少な
くとも１つの利得領域と少なくとも１つの光導波路領域
とから構成した半導体モードロックレーザは、この少な
くとも１つの利得領域に高周波信号を印加することによ
って縦モードを同期することにより、トランスフォーム
リミットに近い超短光パルス列でモードロック発振す
る。或いは、さらに光共振器内の前記複数の領域に少な
くとも１つの利得領域と、少なくとも１つの光導波路領
域と、少なくとも１つの光変調器領域を設けた半導体モ
ードロックレーザは、この少なくとも１つの光変調器領
域に高周波信号を印加することによって縦モードを同期
した場合、利得領域に順方向電流を流して光変調器領域
に高周波の逆方向電圧信号を印加するとトランスフォー
ムリミットに近い超短光パルス列で能動型モードロック
(active mode-locking)発振し、利得領域に順方向電流
を流して光変調器領域に逆方向バイアス電圧を印加する
とトランスフォームリミットに近い超短光パルス列で受
動型モードロック(passive mode-locking)発振する。

【００１７】更に、光共振器内の前記複数の領域を少な
くとも１つの利得領域と、少なくとも１つの光導波路領
域と、少なくとも１つの過飽和吸収体領域とから構成し
た半導体モードロックレーザは、利得領域に順方向電流
を流して過飽和吸収体領域に逆ッバイアス電圧を印加す
ることにより、トランスフォームリミットに近い超短光
パルス列でＣＰＭ(Colliding Pulse Mode-loking)発振
する。

【００１８】また、上記半導体レーザにおいて、光共振
器内に回折格子から成る分布反射領域を設けた場合、分
布反射領域と利得領域間で反射され内部においてモード
ロック発振することができる。この分布反射領域と、更
にエンコーダ領域を設けた半導体モードロックレーザ
は、同一基板上に形成したエンコーダにデータ信号を印
加することにより、内部においてモードロック発振した
超短光パルス列を、光変調パルス信号として出力する。

【００１９】更に、光伝送装置を、上記半導体モードロ
ックレーザを備え電気信号を光信号に変換して送信する
送信機を使用して構成した場合、小型で、伝送距離が大
きい光伝送システムを構築することができる。

【００２０】また、上記半導体モードロックレーザにお
いて、各領域間が遷移領域を介して連続的に接続された
構造は、各領域間で開口幅の異なる絶縁体マスクを設け
た半導体基板上に結晶成長を行い、バンドギャップの異
なる全ての領域の光導波路構造を一括して成長すること
により実現することができる。この製造方法によれば、
絶縁体マスクを用いた領域選択成長法により各領域を一
括成長するので、従来のように段差面での再成長過程が
なく、境界領域での異常成長が生じない。従って、従来
の製造方法による場合と異なり、境界面での反射や結合
損失が生じて縦モードの同期を乱すことがなく、良質な
超短光パルスを高歩留まりで得ることができる。

【００２１】

【実施例】以下、本発明に係る半導体モードロックレー
ザについて、図面を用いて詳細に説明する。

【００２２】＜実施例１＞図３及び図４を用いて、本発
明に係る半導体モードロックレーザの一実施例について
説明する。図３の（ａ）乃至（ｄ）は本発明に係る半導
体モードロックレーザを説明する図であり、（ａ）は平
面図、（ｂ）は（ａ）に示したＡ−Ａ’線における断面
構造図、（ｃ）は（ａ）に示したＢ−Ｂ’線における断
面構造図、（ｄ）は（ｂ）に示したＣ部の拡大図であ
る。また、図４は、ガイド層８，１０、及び、多重量子
井戸層（以下、ＭＱＷ層と称する。）９の成長の際に、
基板７上に設けたＳｉＯ₂マスク１７の平面図である。
ここで、図３の（ａ）乃至（ｄ）に示した構造は、次の
ようにして形成される。

【００２３】ｎ−ＩｎＰ基板７上にスパッタリング法や
サーマルＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜を形成した後、周知
のホトエッチング技術によりパターンニングしてＳｉＯ
₂マスク１７を形成する。このＳｉＯ₂マスク１７を残し
たままｎ−ＩｎＰ基板７上に、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ下ガ
イド層８（バンドギャップ波長１．１５μｍ、厚さ０．
１５μｍ）、井戸層をＩｎＧａＡｓ層としバリア層をＩ
ｎＧａＡｓＰ層とするｉ（アンドープ）−ＭＱＷ層９
（井戸数８）、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ上ガイド層１０（厚
さ０．２μｍ）を有機金属気相成長法（以下、ＭＯＣＶ
Ｄ法と称する。）により順次選択成長する。この時、領
域IではＳｉＯ₂マスク１７で覆われない基板７上にのみ
結晶が成長し、ＳｉＯ₂マスク１７上には結晶が成長し
ない。このため、ＳｉＯ₂マスク１７との境界周辺の基
板７上では、ＳｉＯ₂マスク１７上からの原料の拡散に
よる供給量の増加分、領域IIの広い基板７上よりも成長
速度が速くなる。この結果、図３の（ｂ）及び（ｄ）に
示したように、領域I上のＳｉＯ₂マスク１７で挟まれた
部分は結晶成長膜厚が領域IIよりも厚く形成されると同
時に、領域Iと領域IIとの境界近傍は滑らかに厚さが変
化した遷移領域Ｔが形成される。なお、上記の各成長層
のかっこ内に示した厚さは、ＳｉＯ₂マスク１７を形成
しない領域IIの広い基板７上での厚さである。この場
合、領域I上に所望の選択成長膜の厚さを得るために
は、予め領域II上の成長膜厚さの成長条件をパラメータ
に、領域I上の選択成長膜の厚さとＳｉＯ₂マスク１７の
開口幅Ｗとの関係を実験的に求めておき、これに基づい
て成長条件とマスクの開口幅Ｗを設定すれば良い。

【００２４】従って、領域IではＭＱＷ層９の井戸層の
幅、すなわち成長膜厚さが厚くなるので、領域Iのバン
ドギャップ波長は領域IIに比べて大きくなる。本実施例
ではＭＱＷ層９のバンドギャップ波長を、後に利得領域
となる領域Iでは１．５５μｍ、後に光導波路領域とな
る領域IIでは１．４５μｍとなるように、成長条件及び
ＳｉＯ₂開口幅Ｗを設定した。

【００２５】次に、ＳｉＯ₂マスク１７を除去し、ｐ−
ＩｎＰクラッド層１１（厚さ２．０μｍ）、ｐ−ＩｎＧ
ａＡｓコンタクト層１２を成長した。その後、メサエッ
チングを行って光導波路を形成したのち、この光導波路
上をＳｉＯ₂でマスクしてＭＯＣＶＤ法により半絶縁性
ＦｅドープＩｎＰ１４を選択成長して、メサエッチング
により除去した部分を埋め込む。最後に光導波路領域II
のコンタクト層１２を除去した後、利得領域I上に例え
ば電子ビーム蒸着法を用いてＣｒ／Ａｕを被着し、ホト
エッチングにより金属層をパターンニングして利得領域
電極１３を形成する。更に、裏面に例えば真空蒸着法に
より、ＡｕＧｅＮｉ／Ｐｄ／Ａｕを順次被着してｎ側電
極１５を形成する。最後に素子をへき開し、利得領域I
側の端面に例えばアモルファスシリコンとＳｉＯ₂を交
互に積層した高反射膜１６（反射率９５％）をスパッタ
リング法などを用いてコーティングする。最終的に得ら
れた素子全長Ｌは約４４００μｍ、利得領域長は５００
μｍである。Ｃ部の光導波路断面を観察したところ、図
３の（ｄ）に示すように約７０μｍの遷移領域Ｔを介し
て利得領域Iと光導波路領域IIの導波路構造が滑らかに
連続的につながっていることを確認できた。

【００２６】このようにして得られた半導体モードロッ
クレーザの利得領域電極１３に、順方向に８０ｍＡのバ
イアス電流と振幅約５ｍＡ、周波数約１０．０ＧＨｚの
正弦波電流を与えたところ、モードロック発振をした。
光パルスの幅は約２ｐｓであり、ΔνΔｔ積は０．３と
トランスフォームリミットに近い超短光パルスを得るこ
とができた。

【００２７】＜実施例２＞次に、図５及び図６を用い
て、本発明に係る半導体モードロックレーザの別の実施
例について説明する。図５は本実施例の半導体モードロ
ックレーザを説明する図であり、（ａ）は平面図、
（ｂ）は（ａ）に示したＡ−Ａ’線における断面構造図
である。また、図６は、ガイド層８，１０、及び、ＭＱ
Ｗ層９の成長の際に、基板７上に設けたＳｉＯ₂マスク
１７の平面図である。なお、図３の実施例１に示した構
成と同一の構成部分については、説明の便宜上、同一の
参照符号を付してその詳細な説明は省略する。すなわ
ち、本実施例では、基板７上に利得領域I、光導波路領
域II、及び光変調領域IIIの３種類の領域を形成してい
る点が実施例１と相違する。

【００２８】実施例１と同様に、ＳｉＯ₂マスク１７を
設けたｎ−ＩｎＰ基板７上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰ下ガイ
ド層８、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷ層
９（井戸数８）、およびｉ−ＩｎＧａＡｓＰ上ガイド層
１０をＭＯＣＶＤ法を用いて順次成長する。この時、Ｍ
ＱＷ層９のバンドギャップ波長を、後に利得領域となる
領域Iでは１．５５μｍ、後に光導波路領域となる領域I
Iでは１．４５μｍ、後に変調器領域となる領域IIIでは
１．５０μｍとなるように、予め成長条件およびＳｉＯ
₂開口幅Ｗ₁，Ｗ₂は設定してある。ＳｉＯ₂マスク１７を
除去後、クラッド層１１、コンタクト層１２をＭＯＣＶ
Ｄ法により成長し、メサエッチングにより光導波路を形
成した後、半絶縁性ＦｅドープＩｎＰ１４（不図示）で
埋め込む。次に、光導波路領域IIのコンタクト層１２を
除去した後、利得領域Iと変調領域IIIにそれぞれｐ側電
極として利得領域電極１３および光変調器電極１８を形
成し、裏面にｎ側電極１５を形成する。最後に、素子を
へき開し利得領域I側の端面に高反射膜１６を形成す
る。最終的に得られた素子全長Ｌは約４４００μｍであ
り、利得領域長は５００μｍ、光変調器領域長は１００
μｍである。

【００２９】本実施例でも、各領域間の境界部分の光導
波路断面を観察したところ、それぞれ遷移領域を介して
利得領域Iと光導波路領域IIの導波路構造、および光導
波路領域IIと光変調器領域IIIの導波路構造が滑らかに
連続的につながっていることを確認できた。

【００３０】このようにして得られた半導体モードロッ
クレーザの利得領域電極１３に７０ｍＡの順方向電流を
流し、光変調器電極１８に約１０．０ＧＨｚ、１．０Ｖ
_p-pの逆方向電圧を与えたところ、能動型モードロック
発振をした。パルス幅は約１ｐｓであり、ΔνΔｔ積は
０．３とほぼトランスフォームリミットに近い超短光パ
ルスを得ることができた。

【００３１】次に、利得領域電極１３に７０ｍＡの順方
向電流を流し、光変調器電極１８に約１．０Ｖの逆方向
バイアス電圧を印加したところ、光変調器領域IIIが過
飽和吸収体となって、受動型モードロック発振をした。
このときの光パルス幅は、約０．８ｐｓであり、ΔνΔ
ｔ積は０．３とほぼトランスフォームリミットに近い超
短光パルスを得ることができた。

【００３２】<実施例３＞本発明に係る半導体モードロ
ックレーザの更に別の実施例について、図７及び図８を
用いて説明する。図７は本実施例の半導体モ−ドロック
レ−ザを説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）に示したＡ−Ａ’線における断面構造図である。
また、図８はガイド層８，１０、及び、ＭＱＷ層９の成
長の際に基板７上に設けたＳｉＯ_２マスク１７の平面図
である。なお、図３に示した実施例１と同一の構成部分
については、説明の便宜上、同一の参照符号を付してそ
の詳細な説明は省略する。すなわち、本実施例では、基
板７上にバンドギャップが異なる領域I〜Vを形成してい
る点が実施例１と相違する。

【００３３】実施例１と同様に、ＳｉＯ₂マスク１７を
設けたｎ−ＩｎＰ基板７上にｎ−ＩｎＧａＡｓＰ下ガイ
ド層８、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰのＭＱＷ層
９（井戸数８）、およびｉ−ＩｎＧａＡｓＰ上ガイド層
１０をＭＯＣＶＤ法を用いて順次成長する。このときＭ
ＱＷ層９のバンドギャップ波長を、後に利得領域となる
領域I，Vでは１．５５μｍ、後に光導波路領域となる領
域II、IVでは１．４５μｍ、後に過飽和吸収体領域とな
る領域IIIでは１．５２μｍとなるように、予め成長条
件およびＳｉＯ₂マスク１７の開口幅Ｗ₁，Ｗ₂，Ｗ₃は設
定してある。実施例１と同様に、ＳｉＯ₂マスク１７を
除去後、クラッド層１１、コンタクト層１２をＭＯＣＶ
Ｄ法により成長し、メサエッチングにより光導波路を形
成した後、半絶縁性ＦｅドープＩｎＰ（不図示）で埋め
込む。光導波路領域II，IVのコンタクト層１２を除去
し、ｐ側電極として利得領域電極１３，１３、過飽和吸
収体領域電極１９を形成し、裏面にｎ側電極１５を形成
する。最後に、素子をへき開する。最終的に得られた素
子全長Ｌは２２００μｍであり、利得領域I，Vの長さは
各４００μｍ、過飽和吸収体領域IIIの長さは１００μ
ｍである。

【００３４】本実施例による半導体モードロックレーザ
においても、各領域間の境界部分の光導波路断面が、実
施例１と同様に、それぞれ遷移領域を介して各領域の光
導波路構造が滑らかに連続的につながっていることを確
認できた。

【００３５】このようにして得られた半導体モードロッ
クレーザの利得領域電極１３，１３にそれぞれ７０ｍＡ
の順方向電流を流し、過飽和吸収体領域電極１９に０．
５Ｖの逆バイアスを与えたところ、素子はＣＰＭ発振し
た。得られたパルス幅は約０．７ｐｓ、繰り返し周波数
約１０ＧＨｚであり、ΔνΔｔ積は０．３とほぼトラン
スフォームリミットに近い超短光パルスを得ることがで
きた。

【００３６】＜実施例４＞更に、本発明に係る半導体モ
ードロックレーザの別の実施例について、図９及び図１
０を用いて説明する。図９は本実施例のエンコーダ付き
半導体モ−ドロックレ−ザを説明する図であり、（ａ）
は平面図、（ｂ）は（ａ）に示したＡ−Ａ’線における
断面構造図である。また、図１０はガイド層８，１０、
及び、ＭＱＷ層９の成長の際に基板７上に設けたＳｉＯ
₂マスク１７の平面図である。なお、図３に示した実施
例１と同一の構成部分については、説明の便宜上、同一
の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。すなわ
ち、本実施例では、利得領域、光導波路領域の他に、Ｄ
ＢＲ(Distributed Bragg Reflector:分布ブラッグ反射
器)領域及びエンコーダ領域を形成している点、このた
めにＳｉＯ₂マスク１７を形成する前に、後にＤＢＲ領
域となる領域IVのｎ−ＩｎＰ基板７上に回折格子２２を
予め形成している点が実施例１と相違する。

【００３７】従って、本実施例の半導体モードロックレ
ーザの構造を形成する場合、レーザ干渉縞を露光したホ
トレジストをマスクにして基板７上をエッチングする公
知の方法によって、基板７上の所定の場所に回折格子２
２を予め形成しておく。次に実施例１と同様に、ＳｉＯ
₂マスク１７を形成したｎ−ＩｎＰ基板７上にｎ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰ下ガイド層８、ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｓＰのＭＱＷ層９（井戸数８）、ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ
上ガイド層１０をＭＯＣＶＤ法により順次成長する。こ
のときＭＱＷ層９のバンドギャップ波長を、後に利得領
域となる領域Iでは１．５５μｍ、後に光導波路領域と
なる領域IIおよびＤＢＲ領域となる領域IIIではそれぞ
れ１．４５μｍ、後にエンコーダー領域となる領域IVで
は１．５０μｍとなるように、予め成長条件およびＳｉ
Ｏ₂マスク１７の開口幅Ｗ₁，Ｗ₂は設定してある。次
に、ｐ−ＩｎＰクラッド層１１、ｐ−ＩｎＧａＡｓコン
タクト層１２をＭＯＣＶＤ法により成長し、メサエッチ
ングにより光導波路を形成した後、半絶縁性Ｆｅドープ
ＩｎＰ１４で埋め込む。光導波路領域II及びＤＢＲ領域
IIIのコンタクト層１２を除去した後、ｐ側電極として
利得領域電極１３とエンコーダ電極２０を形成し、裏面
にｎ側電極１５を形成する。最後に素子をへき開した
後、利得領域側端面に高反射膜１６を、エンコーダ側端
面に低反射膜２１（反射率０．５％以下）を形成する。
なお、低反射膜２１は、例えば窒化シリコン（Ｓｉ
Ｎ_x）膜をスパッタリング法などを用いてコーティング
すればよい。最終的に得られた素子全長Ｌは約４６００
μｍであり、利得領域長は６００μｍ、回折格子長は３
００μｍ、およびエンコーダ領域長は２００μｍであ
る。この場合、エンコーダ領域はＭＱＷ電界吸収型変調
器を構成する。

【００３８】本実施例によるエンコーダ付き半導体モー
ドロックレーザにおいても、各領域間の境界部分の光導
波路断面が、実施例１と同様に、それぞれ遷移領域を介
して各領域の光導波路構造が滑らかに連続的につながっ
ていることを確認できた。

【００３９】このようにして得られた素子の利得領域電
極１３に８０ｍＡの順方向バイアス電流と振幅約５ｍ
Ａ、周波数１０．０ＧＨｚのＡＣ電流を与えたところ、
モードロック発振した。パルス幅は約１ｐｓであリ、△
ν△ｔ積は０．３とほぼトランスフォームリミットに近
い良質の超短光パルスを得ることができた。更に、ＭＱ
Ｗ電界吸収型変調器を構成するエンコーダ領域電極２０
に１０Ｇｂｉｔ／ｓのＮＲＺ(Non-Return to Zero)信号
を加えて変調したところ、図１１に示すようなＲＺ(Ret
urn to Zero)光変調信号のパルス列を得ることができ
た。

【００４０】次に、本実施例のエンコーダ付き半導体モ
ードロックレーザ２４を用いて、図１２に示す光伝送装
置を構成した。この光伝送装置は、電気信号入力を光信
号に変換して出力する送信機２３と、分散シフト光ファ
イバ２８と、複数の光アンプ２７２，２７３…と、光信
号入力を電気信号に変換して出力する受信機２９とから
構成される。本発明に係るエンコーダ付き半導体モード
ロックレーザ２４は、送信機２３部分に使用される。こ
の送信機２３は、エンコーダ付き半導体モードロックレ
ーザ２４、モードロックレーザ駆動回路２５、光アンプ
２７１から構成され、モードロックレーザ駆動回路２５
の出力はエンコーダ付き半導体モードロックレーザ２４
の利得領域電極１３に加えられる。エンコーダ駆動回路
２６は、電気信号入力をＮＲＺ信号に変換してエンコー
ダ付き半導体モードロックレーザ２４のエンコーダ電極
２０にデータ信号として印加する。これによってエンコ
ーダ付き半導体モードロックレーザ２４で発生されたＲ
Ｚ光信号は、光アンプ２７１によって増幅されて分散シ
フトファイバ２８へ入射される。上記光アンプ２７１と
しては、例えば、エルビウム（Ｅｒ）ドープ光ファイバ
増幅器を使用することができる。

【００４１】このように構成される本光伝送装置におい
て、分散シフトファイバ２８に４０ｋｍごとに光アンプ
２７２，２７３…を挿入して光信号を中継増幅し、全長
４００ｋｍ伝送した後に、受信器２９にて受信する伝送
実験を行った。なお、各光アンプ出力は、伝送後の受信
波形が送信波形とほぼ一致するように調整した。この時
の各光アンプの出力は、約＋５ｄＢｍであった。本光伝
送装置の誤り率を測定したところ、１０~¹¹以下の十分
小さな値を得ることができた。また、本実施例では、光
伝送装置に光アンプと分散シフトファイバを用いて長距
離伝送する場合について説明したが、短距離伝送で済む
場合には光アンプは必ずしも必要ではなく省略すること
ができ、通常の光ファイバを使用してもよいことは言う
までもない。

【００４２】以上、本発明に係る半導体モードロックレ
ーザの好適な実施例について、能動型モードロックレー
ザ、受動型モードロックレーザ、ＣＰＭ型半導体モード
ロックレーザなどに適用した場合を説明したが、本発明
は半導体モードロックレーザ全てに適用可能であり、前
記実施例に限定されることなく、本発明の精神を逸脱し
ない範囲内において種々の設計変更をなし得ることは勿
論である。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、各領域間の境界領域の
光導波路構造が滑らかに連続的に変化した接続構造であ
るため、不要な反射が低減され、トランスフォームリミ
ットに近い良質な超短光パルス列を発生できる半導体モ
−ドロックレ−ザを得ることができる。また、この半導
体モ−ドロックレ−ザを光伝送装置に適用することによ
り、小型で、伝送距離が大きい光伝送システムを実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の半導体モードロックレーザの導波路方向
断面構造図である。

【図２】モードロックレーザから発生される光パルス列
を示す説明図である。

【図３】本発明に係る半導体モードロックレーザの一実
施例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）
に示したＡ−Ａ´線における断面構造図、（ｃ）は
（ａ）に示したＢ−Ｂ´線における断面構造図、（ｄ）
は（ｂ）に示したＣ部の拡大図である。

【図４】図３の本発明に係る半導体モードロックレーザ
の領域選択成長時に使用する絶縁体マスクの平面図であ
る。

【図５】本発明に係る半導体モードロックレーザの第２
実施例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）に示したＡ−Ａ´線における断面構造図である。

【図６】図５の本発明に係る半導体モードロックレーザ
の領域選択成長時に使用する絶縁体マスクの平面図であ
る。

【図７】本発明に係る半導体モードロックレーザの第３
実施例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）に示したＡ−Ａ´線における断面構造図である。

【図８】図７の本発明に係る半導体モードロックレーザ
の領域選択成長時に使用する絶縁体マスクの平面図であ
る。

【図９】本発明に係る半導体モードロックレーザの第４
実施例を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は
（ａ）に示したＡ−Ａ´線における断面構造図である。

【図１０】図９の本発明に係る半導体モードロックレー
ザの領域選択成長時に使用する絶縁体マスクの平面図で
ある。

【図１１】図９の本発明に係る半導体モードロックレー
ザによって得られるＲＺ光信号の一例を示すパルス波形
図である。

【図１２】図９の本発明に係る半導体モードロックレー
ザ用いた光伝送装置を示すブロック図である。

【符号の説明】

１…活性層２…光ガイド層３…半導体基板４…クラッド層５…裏面電極６…利得領域電極７…ｎ−ＩｎＰ基板８…ｎ−ＩｎＧａＡ
ｓＰ下ガイド層９…ｉ−ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸層１０…ｉ−ＩｎＧａＡｓＰ上ガイド層１１…ｐ−ＩｎＰクラッド層１２…ｐ−ＩｎＧａ
Ａｓコンタクト層１３…利得領域電極１４…ＦｅドープＩ
ｎＰ１５…ｎ電極１６…高反射膜１７…ＳｉＯ₂マスク１８…光変調器電極１９…過飽和吸収体領域電極２０…エンコーダ電
極２１…反射防止膜２２…回折格子２３…送信機２４…エンコーダ付き半導体モードロックレーザ２５…モードロックレーザ駆動回路２６…エンコーダ駆動回路２７１、２７２、２
７３…光アンプ２８…分散シフトファイバ２９…受信機

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バンドギャップが異なる複数の領域によっ
て構成される光共振器構造を半導体基板上に有し、光共
振器の複数の縦モード間の位相を同期することにより短
光パルス列を発生する半導体モードロックレーザにおい
て、前記各領域間を滑らかに結合する連続的に変化した
光導波路構造の遷移領域を設けたことを特徴とする半導
体モードロックレーザ。
【請求項２】前記遷移領域は、光導波路構造が厚さ方向
に連続的に変化することを特徴とする請求項１に記載の
半導体モードロックレーザ。
【請求項３】前記遷移領域の長さは、光の波長に比べて
大きいことを特徴とする請求項２に記載の半導体モード
ロックレーザ。
【請求項４】前記光導波路構造は、半導体多重量子井戸
構造を有することを特徴とする請求項１に記載の半導体
モードロックレーザ。
【請求項５】光共振器内の前記複数の領域は少なくとも
１つの利得領域と少なくとも１つの光導波路領域とから
なり、この少なくとも１つの利得領域に高周波信号を印
加することによって縦モードを同期するよう構成したこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記
載の半導体モードロックレーザ。
【請求項６】光共振器内の前記複数の領域は少なくとも
１つの利得領域と、少なくとも１つの光導波路領域と、
少なくとも１つの光変調器領域とからなり、この少なく
とも１つの光変調領域に高周波信号を印加することによ
って縦モードを同期するよう構成したことを特徴とする
請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の半導体モー
ドロックレーザ。
【請求項７】光共振器内の前記複数の領域は少なくとも
１つの利得領域と、少なくとも１つの光導波路領域と、
少なくとも１つの過飽和吸収体領域とから構成されるこ
とを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一に記
載の半導体モードロックレーザ。
【請求項８】光共振器内に回折格子からなる分布反射領
域を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のい
ずれか一に記載の半導体モードロックレーザ。
【請求項９】請求項１乃至請求項８のいずれか一に記載
の半導体モードロックレーザと、この半導体モードロッ
クレーザから出射される光パルス列を変調するためのエ
ンコーダとを同一基板上に形成したことを特徴とする集
積化光素子。
【請求項１０】請求項１乃至請求項７のいずれか一に記
載の半導体モードロックレーザを備え電気信号を光信号
に変換して送信する送信機を使用したことを特徴とする
光伝送装置。
【請求項１１】請求項９に記載の集積化光素子を備え電
気信号を光信号に変換して送信する送信機を使用したこ
とを特徴とする光伝送装置。
【請求項１２】バンドギャップが異なる複数の領域によ
って構成される光共振器構造を半導体基板上に有する半
導体モードロックレーザの製造方法において、各領域に
おける光導波路構造及び各領域間の遷移領域の光導波路
構造が、絶縁体マスクを有する半導体基板上に結晶成長
を行う領域選択成長により形成されることを特徴とする
半導体モードロックレーザの製造方法。