JPH07231134A - 偏波変調可能な半導体レーザおよびその使用法 - Google Patents

偏波変調可能な半導体レーザおよびその使用法

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Abstract

(57)【要約】 【目的】偏波変調可能な半導体レーザ及びその使用法で
ある。 【構成】本発明の偏波変調可能な半導体レーザでは、キ
ャリア注入による屈折率変化の度合が２つの直交する偏
光モード（導波路中では、ＴＥモードとＴＭモード）で
異なる歪量子井戸を位相シフト領域３２に用いる。これ
により、従来よりも少ない注入電流で出力光の偏光モー
ド切り換えが行えるようになり、更に１つの偏光モード
に対する屈折率変動が他方の偏光モードに対する屈折率
変動よりも小さいので、偏光モードが切り換わる時の光
出力変動が少なくて済む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、励起状態に従って、出
力光の偏光ないし偏波状態を変化させることができる半
導体レーザおよびその使用法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、ＤＦＢレーザ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕ
ｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ Ｌａｓｅｒ：分布帰還型半
導体レーザ）の出力光の偏光状態を励起状態の変化でス
イッチするものとしては、特開平２−１５９７８１に記
載のＤＦＢレーザがある。このＤＦＢレーザは、３電極
構成である。その１つの電極を介する注入電流によりキ
ャリア密度の変化を生じさせ、屈折率の変化により、そ
の部分の回折格子の周期を光学的に変化させるものであ
る。この結果、ＴＥモードとＴＭモードの位相の合う波
長（整合波長）でのしきい値利得が変化し、ＴＥモード
の光出力が得られたり、ＴＭモードの光出力が得られた
りする。
【０００３】
【発明が解決しようとしている課題】しかしながら、上
記従来例では、キャリア注入による位相シフト領域の屈
折率を変化を用いて、ＴＥモードとＴＭモードの位相条
件が満たされる波長を変化させ、各モードに対するしき
い値利得を変化させることで発振光の偏光モードを選択
していた。
【０００４】このため、１つの偏光モードから他方の偏
光モードに発振光の偏光状態が切り換わる時、発振光の
強度が徐々に変化する領域が存在していた。この領域
は、発振していない偏光モードの光に対するしきい値利
得が、発振している偏光モードの光に対するしきい値利
得より小さくなるまで、位相条件の満たされる波長が変
化する領域である。即ち、位相条件の満たされる波長が
変化すると共にしきい値利得も変化するので、発振光の
強度も徐々に変化する。
【０００５】よって、本発明の目的は、上記問題点を解
決した偏波変調可能な半導体レーザおよびその使用法を
提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、キャリ
ア注入による屈折率変化の度合が２つの直交する偏光モ
ード（導波路中では、ＴＥモードとＴＭモード）で異な
る歪量子井戸を位相シフト領域に用いることにより、従
来よりも少ない注入電流で出力光の偏光モード切り換え
を行えるようにし、さらに１つの偏光モードに対する屈
折率変動が他方の偏光モードに対する屈折率変動よりも
小さいので、偏光モードが切り換わる時の光出力変動が
少なくて済むようにしたものである。
【０００７】詳細には、本発明の半導体レーザは、位相
シフト領域を含む半導体レーザにおいて、位相シフト領
域の一部または全部が歪量子井戸構造を有していること
を特徴とする。
【０００８】また、本発明の半導体レーザは、前記歪量
子井戸が圧縮歪量子井戸領域と引っ張り歪量子井戸領域
で構成されていて、それぞれの領域を独立して電気的制
御が可能なように電極が構成されていることを特徴とす
る。この半導体レーザの使用法は、半導体レーザの引っ
張り歪量子井戸領域へ注入する電流と、圧縮歪量子井戸
領域へ注入する電流が逆位相の関係であることを特徴と
する。
【０００９】また、本発明の光送信機は、上記の半導体
レーザと、該半導体レーザからの出力光のうち１つの直
線偏波の光を透過させる偏光選択手段と、該半導体レー
ザの出力光を入力信号にしたがって偏波変調する制御手
段から構成されることを特徴とする。
【００１０】また、本発明の光通信システムは、上記の
光送信機あるいは該光送信機を含んだ光送受信機を少な
くとも１つ含んでいることを特徴とする。
【００１１】具体的には、上記半導体レーザは、分布帰
還型半導体レーザである。また、前記歪量子井戸は圧縮
歪量子井戸であったり、引っ張り歪量子井戸であったり
する。
【００１２】
【第１実施例】図１は、本実施例の特徴を最もよく表す
図面である。同図において、１は例えばｎ型ＧａＡｓか
らなる基板、２は例えばｎ型Ａｌ0.5Ｇａ0.5Ａｓからな
る第１クラッド層、３１は電流注入によって誘導放出が
生じる活性層、３２は位相シフト領域ないし位相調整
層、３３は活性層３１へのキャリア閉じ込めをおこな
う、例えばノンドープＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなるキャ
リア閉じ込め層、３４、３５は例えばノンドープＡｌ
0.4Ｇａ0.6ＡｓからなるＳＣＨ層、４は例えばｐ型Ａｌ
0.5Ｇａ0.5Ａｓからなる第２クラッド層、５は例えばｐ
型ＧａＡｓからなるキャップ層、６は絶縁膜、７は基板
１の第１クラッド層２が形成されていない面上に形成さ
れている第１電極、８、９、１０はキャップ層５上に形
成されている第２、第３、第４電極、１１は各々の電極
８、９、１０を電気的に分離するために設けた溝で、そ
の部分のキャップ層５は除去されている。
【００１３】図２に、図１のグレーティングｇがある部
分の活性層付近の構成（伝導帯のエネルギーレベルでバ
ントギャップ）を示す。図２の下に示した番号は、図１
中の番号に相当している。グレーティングｇは、キャリ
ア閉じ込め層３３とＳＣＨ層３４の界面に形成されてい
る。活性層３１は、３つの量子井戸からなり、井戸層は
例えばＧａＡｓからなる厚さ６０Åの層で、障壁層は例
えばＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓからなる厚さ１００Åの層で構
成してある。
【００１４】図３には、図１の位相シフト領域３２のあ
る部分の構成（バンドギャップ）を示したものである。
図３の下に示した番号は、図１中の番号に相当してい
る。位相シフト領域３２は、活性層３１で発生される光
に対して透明で、かつ電流注入によって、その屈折率が
変化するものである。ここで、位相シフト領域３２の井
戸層は、基板１より格子定数の小さい半導体、例えばＧ
ａＡｓ0.9Ｐ0.1で厚さ６０Åの層からなり、障壁層は、
例えばＡｌ0.3Ｇａ0.7Ａｓで厚さ１００Åの層から構成
されている。
【００１５】本実施例へ電気を注入する場合の接続につ
いて説明する図が図４である。図４において、２０１−
１が本実施例の半導体レーザ、２０２が電源で、第２電
極８および第４電極１０を通して活性層３１へ電流Ｉa
を注入する。また、２０３が他の電源で、第３電極９を
通して位相シフト領域３２へ電流Ｉpを注入する。更
に、２０６が半導体レーザ２０１−１からの出力光であ
る。
【００１６】図５に本実施例のＴＥ光とＴＭ光に対する
しきい値利得の波長依存性を模式図で示した。横軸はＴ
Ｅ光のブラッグ波長からのずれ量を示してある。この実
施例では、ＴＭモードのブラッグ波長でのしきい値利得
がＴＥモードのブラッグ波長でのしきい値利得より、小
さくなりうるように設定してある。また、初期状態で
は、位相シフト領域３２へ電流を注入し、ＴＥモードの
ブラッグ波長で位相条件が満たされ、最低しきい値利得
となるようにする。その時、ＴＭモードは、若干そのブ
ラッグ波長からずれた波長で位相条件を満たし、しか
も、ＴＥモードのブラッグ波長でのしきい値利得より大
きなしきい値利得を持っているようにしてある。
【００１７】この状態で、位相シフト領域３２へ流す注
入電流を増加させると、位相シフト領域３２が上記の如
き歪量子井戸構造を有しているので、ＴＥモードの位相
条件が満たされる波長はあまり変化せずに、ＴＭモード
の位相整合した波長が変化し、徐々にＴＭモードのしき
い値利得が減少する。こうして、ＴＭモードのしきい値
利得がＴＥモードのしきい値利得より小さくなり、ＴＭ
モードの光が出力されるようになる。この時、ＴＥモー
ドの位相整合している光の波長はあまり変化しないので
ＴＭモードが発振するまでの出力強度の変動は従来より
小さくなる（図５の本実施例の○印の動きと従来例の△
印の動きを参照）。
【００１８】
【第２実施例】図６に本発明を長波長系材料で構成した
場合の構造を示す。図６において、１０１はｎ型ＩｎＰ
よりなる半導体基板、１０２は例えば厚さ１．５μｍの
ｎ型ＩｎＰよりなる第１クラッド層、１０３は例えば厚
さ０．２μｍ程度のノンドープのＩｎ0.71Ｇａ0.29Ａｓ
0.62Ｐ0.38からなるキャリアブロック層、１０４は例え
ば１．５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰ活性層、１０５は例
えば１．５μｍ厚のｐ型ＩｎＰよりなる第２クラッド
層、１０６は例えばｐ型Ｉｎ0.59Ｇａ0.41Ａｓ0.9Ｐ0.1
からなるキャップ層、１０７は高抵抗のＩｎＰからなる
埋め込み層、１０８は例えばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからな
る電極、１０９は例えばＣｒ／ＡｕＺｎＮｉ／Ａｕから
なる電極で３分割されている。１１０は電極１０９を分
割するための分離溝で、この部分のキャップ層１０６は
除去されている。グレーティングｇは、第１クラッド層
１０２とキャリアブロック層１０３の界面に形成されて
いる。
【００１９】図６中のＡ−Ａ′線で切断した断面構成図
を図７に示した。図５と同一部材は、同じ番号をつけて
ある。１１１は本実施例の特徴である歪量子井戸を用い
た位相シフト領域である。位相シフト領域１１１は、例
えば、引っ張り歪量子井戸で構成されている。引っ張り
歪量子井戸は、例えば、１．１μｍ組成のＩｎＧａＡｓ
Ｐ（厚さ１０ｎｍ）の障壁層とＩｎ0.4Ｇａ0.6Ａｓ（厚
さ５ｎｍ）の井戸層（引っ張り歪０．９％）からなる３
ウェルの構造を有する。
【００２０】このような構造を用いることにより、前述
のＧａＡｓ系のデバイスと同様の効果を得ることができ
る。
【００２１】
【第３実施例】本発明の他の実施例を図８に示した。図
８は、図７のような導波構造の素子の断面図である。第
２実施例と同一部材は同一番号をつけてある。図７の位
相シフト領域は第１位相シフト領域１１１と示した本実
施例では、第２位相シフト領域１１２があり、この領域
１１２は、この例の場合、圧縮歪量子井戸から構成され
ている。圧縮歪量子井戸の場合、第１、２実施例の引っ
張り歪量子井戸とは逆に、キャリア注入による屈折率変
化がＴＥモードに対するものの方が大きくなる。
【００２２】本実施例の電気接続例を図９に示す。同図
において、２０１−２が本実施例の半導体レーザ、２０
２、２０３、２０７は電源、Ｉaは活性領域への注入電
流、Ｉp1は第１位相シフト領域１１１への注入電流、Ｉ
p2は第２位相シフト領域１１２への注入電流、２０６は
半導体レーザ２０１−２からの出力光である。
【００２３】本実施例では、第１、２実施例と同じよう
に、ＴＥ発振する状態にしておいて第１位相シフト領域
１１１へキャリアを注入することにより、出力光の偏波
をＴＥからＴＭへ切り換えることができる。さらに、第
２位相シフト領域１１２へ注入するキャリア量を制御す
るとＴＭ光へ切り変わる間のＴＥ光の出力強度変動をさ
らに少なくできる。この場合、第２位相シフト領域１１
２へ注入するキャリアは、第１位相シフト領域１１１へ
注入するキャリアと逆位相の関係にある必要がある。ま
た、初期状態として、第１および第２位相シフト領域１
１１、１１２へは電流が注入されていて（注入電流がゼ
ロではいけない）、各領域で屈折率をキャリア注入量の
制御で正負どちらへも変化させられる必要がある。
【００２４】以上の実施例では、ＤＦＢレーザを用いて
説明したが、本発明は分布反射型（ＤＢＲ）レーザなど
にも適用できる。ＤＢＲレーザでは、上記の如き位相シ
フト領域を、例えば、位相調整領域に用いればよい。
【００２５】
【第４実施例】図１０に本発明を光通信の光送信機に適
用した実施例を示した。図９において、４０２は制御回
路、４０３は実施例１〜３で示した本発明の半導体レー
ザ、４０４は偏光子、４０５は空間を伝搬している光を
光ファイバへ結合する光結合手段、４０６は光ファイ
バ、４１０は端末から送られてきた電気信号、４１１は
制御回路４０２から、半導体レーザ４０３を駆動するた
めに送られる駆動信号、４１２は駆動信号４１１にした
がって半導体レーザ４０３が駆動された結果出力された
光信号、４１３は光信号４１２の直交する２つの偏光状
態のうち１つだけを取り出すように調整された偏光子４
０４を通過した光信号、４１４は光ファイバ４０６中を
伝送される光信号、４０１は本発明の半導体レーザ４０
３を用いた光送信機で、この実施例では、制御回路４０
２、半導体レーザ４０３、偏光子４０４、光結合手段４
０５、光ファイバ４０６などから構成されている。
【００２６】次に、本実施例の光送信機４０１の送信動
作について説明する。端末からの電気信号４１０が制御
回路４０２に入力されると、本発明の半導体レーザ４０
３へ実施例１または３のような駆動信号４１１を送る。
駆動信号４１１を入力された半導体レーザ４０３は、駆
動信号４１１にしたがって偏光状態が変化する光信号４
１２を出力し、その光信号４１２を偏光子４０４で、片
方の偏光の光信号４１３にし、さらに光結合手段４０５
を用いて光ファイバ４０６へ結合し、光信号４１４を伝
送し通信を行う。
【００２７】この場合、光信号４１４は強度変調された
状態であるので、従来用いられている強度変調用の光受
信機で光を受信することができる。また、第１、２、３
実施例に示したような構成の半導体レーザを用いること
により、波長多重通信の送信機として使うことができ
る。
【００２８】本実施例では、光送信機として構成した場
合を示したが、もちろん光送受信機中の送信部分に用い
ることができる。さらに、適用可能な光通信システム
も、強度変調信号を扱う系であれば、単純な２点間の光
通信に限らず、光ＣＡＴＶ、光ＬＡＮなど適用できる。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
外部からの電気的な制御によって位相調整を行う半導体
レーザで位相調整を行う部分の屈折率が変化する部分を
いわゆる歪量子井戸構造で構成することにより、従来よ
りも少ない電流値で出力光の偏光状態を切り換えること
ができるようになり、さらに切り換え時の各モードの出
力変動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の斜視図。
【図２】図１の活性領域の構造を示すバンドエネルギー
構造図。
【図３】図２の位相調整領域の構造を示すバンドエネル
ギー構造図。
【図４】図１の実施例の使用法を説明するための図。
【図５】図１のデバイスの動作原理を説明するための
図。
【図６】本発明の第２実施例の斜視図。
【図７】図６のＡ−Ａ′での断面図
【図８】本発明の第３実施例の断面図。
【図９】図８の実施例の使用法を説明するための図。
【図１０】本発明を光送信機に適用した場合の構成図。
【符号の説明】
１，１０１ 基板 ２，４，１０２，１０５ クラッド層 ３１，１０４ 活性層 ３２，１１１ 位相調整層 ３３ キャリア閉じ込め層 ３４，３５ ＳＣＨ層 ５，１０６ キャップ層 ６ 絶縁層 ７，８，９，１０，１０８，１０９ 電極 １１，１１０ 分離溝 ｇ グレーティング １０３ キャリアブロック層 １０７ 埋め込み層 １１２ 第２位相調整層 ２０１−１，２０１−２，４０３ 半導体レーザ ２０２，２０３，２０７ 電源 ２０６ 光出力 ４０１ 光送信機 ４０２ 制御回路 ４０４ 偏光子 ４０５ 光結合手段 ４０６ 光ファイバ

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 位相シフト領域を含む半導体レーザにお
    いて、位相シフト領域の一部または全部が歪量子井戸構
    造を有していることを特徴とする半導体レーザ。
  2. 【請求項２】 分布帰還型半導体レーザであることを特
    徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  3. 【請求項３】 前記歪量子井戸が圧縮歪量子井戸である
    ことを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  4. 【請求項４】 前記歪量子井戸が引っ張り歪量子井戸で
    あることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
  5. 【請求項５】 前記歪量子井戸が圧縮歪量子井戸領域と
    引っ張り歪量子井戸領域で構成されていて、それぞれの
    領域を独立して電気的制御が可能なように電極が構成さ
    れていることを特徴とする請求項１記載の半導体レー
    ザ。
  6. 【請求項６】 請求項５記載の半導体レーザの引っ張り
    歪量子井戸領域へ注入する電流と、圧縮歪量子井戸領域
    へ注入する電流が逆位相の関係であることを特徴とする
    請求項５記載の半導体レーザの使用法。
  7. 【請求項７】 請求項１記載の半導体レーザと、該半導
    体レーザからの出力光のうち１つの直線偏波の光を透過
    させる偏光選択手段と、該半導体レーザの出力光を入力
    信号にしたがって偏波変調する制御手段から構成される
    ことを特徴とする光送信機。
  8. 【請求項８】 請求項７記載の光送信機あるいは該光送
    信機を含んだ光送受信機を少なくとも１つ含んでいるこ
    とを特徴とする光通信システム。
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