JPH0764139A - Optical semiconductor logic element - Google Patents

Optical semiconductor logic element

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JPH0764139A
JPH0764139A JP21410393A JP21410393A JPH0764139A JP H0764139 A JPH0764139 A JP H0764139A JP 21410393 A JP21410393 A JP 21410393A JP 21410393 A JP21410393 A JP 21410393A JP H0764139 A JPH0764139 A JP H0764139A
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JP
Japan
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light
optical
laser
region
current
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JP21410393A
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Japanese (ja)
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Iwao Komazaki
岩男 駒崎
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Olympus Corp
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Olympus Optical Co Ltd
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Publication of JPH0764139A publication Critical patent/JPH0764139A/en
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Abstract

PURPOSE:To have tandem type semiconductor lasers turned on by direct input of a light pulse from outside or by amplified light or to change its output so as to stabilize the lasers by adopting the constitution to make switching and logic operation by means for implanting the light within a specific range to the oscillation wavelength of an optical bistable element. CONSTITUTION:This logic element is the optical bistable element consisting of the semiconductor laser controlled in basic mode. The electrodes of a gain region LD1 and absorption region LD2 are electrically separated. The light within the range of +5 to -10nm of the oscillation wavelength of the bistable element is implanted into the waveguide region right under the separating part from a direction parallel with the coupling surface of the lasers in a direction orthogonal with a resonator direction, by which the switching and logic operation are executed. Namely, the interference with the laser beams is weak in case of the wavelengths in the range from +5 to -10nm of the oscillation wavelength of the bistable element. The mode is thus stabilized unless the resonator length is made as short as possible even if the resonator mode of the lasers fluctuate at the coupling point.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は光半導体論理素子に関
し、特に光スイッチング回路や光メモリ等の光論理回路
に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical semiconductor logic device, and more particularly to an optical logic circuit such as an optical switching circuit and an optical memory.

【0002】[0002]

【従来の技術】光双安定素子は、素子への入力光パワー
の増減に対して出力光パワーがヒステリシスを示す結
果、1つの入力光パワーに対して出力パワーが2つの安
定状態を取る素子である。この特性を利用すれば、光ス
イッチ,光メモリ,光波形整形等の光信号処理が可能と
なる。
2. Description of the Related Art An optical bistable element is an element in which the output optical power exhibits a hysteresis as the input optical power to the element increases and decreases, and the output power takes two stable states with respect to one input optical power. is there. If this characteristic is utilized, optical signal processing such as an optical switch, an optical memory, and optical waveform shaping becomes possible.

【0003】光双安定素子を実現する一つの方法とし
て、図13に示すように、注入電流が空間的に不均一で、
低注入領域で光吸収が行われるタンデム電極半導体レー
ザがある。その動作原理を、伊藤良一,中村道治共編
「半導体レーザ」(培風館)を利用して以下に説明す
る。
As one method of realizing an optical bistable device, as shown in FIG. 13, the injection current is spatially non-uniform,
There is a tandem electrode semiconductor laser that absorbs light in a low injection region. The operation principle will be described below by using “Semiconductor Laser” (Baifukan) edited by Ryoichi Ito and Michiharu Nakamura.

【0004】タンデム電極半導体レーザは、図13に示す
ように、十分な電流注入により光が増幅される領域Aと
低い注入がなされ光が吸収される領域Bとからなる。な
お、図中の1は活性層、2はp側電極、3はn側電極を
示す。双安定性は、領域Bが可飽和吸収体として働くこ
とによってもたらされる。つまり、領域Bへの注入を一
定に保ったまま領域Aへの注入電流を増加すると、発振
するまでは領域Bでの吸収が強く、しきい値電流が高い
のに対し、一度発振してしまうと領域Bでの吸収が飽和
するためにしきい値電流が減少し、出力は領域Aへの注
入電流に対しヒステリシス特性を示す。外部から光を注
入した場合にも可飽和吸収性に起因して光入力特性に双
安定性が生じる。
As shown in FIG. 13, the tandem electrode semiconductor laser has a region A in which light is amplified by sufficient current injection and a region B in which light is absorbed and light is absorbed. In the figure, 1 is an active layer, 2 is a p-side electrode, and 3 is an n-side electrode. Bistability is provided by region B acting as a saturable absorber. That is, if the injection current into the region A is increased while the injection into the region B is kept constant, the absorption in the region B is strong until the oscillation occurs and the threshold current is high, but the oscillation occurs once. Since the absorption in region B saturates, the threshold current decreases, and the output exhibits a hysteresis characteristic with respect to the current injected into region A. Even when light is injected from the outside, bistable optical input characteristics occur due to saturable absorption.

【0005】この素子の特性は、領域A,Bのキャリア
密度をnA ,nB 、共振器内の平均化された光子密度S
について、レート方程式で記述される。 dnx /dt=nx /τx −gtx(nx )・S+Ix /qx …(1) dS/dt=[(1−h)qtA(nA )+hqtB(nB )−1/τP ]S =1/τp (G−1)S …(2) ここで、τp は光子寿命、gtxは各領域における単位時
間当りのモード利得係数、即ちgt =Γ(c/ng
g、Gは共振器全長での規格化利得である。また、ng
は共振器モートで実効屈折率、τx はキャリア寿命、d
は活性層厚み、Γは光閉じ込め係数、qは電子の電荷、
Cは光の速度である。
The characteristics of this device are that the carrier densities in the regions A and B are n A and n B , and the averaged photon density S in the resonator is S.
Is described by the rate equation. dn x / dt = n x / τ x −g tx (n x ) · S + I x / q x (1) dS / dt = [(1-h) q tA (n A ) + hq tB (n B ) − 1 / τ P ] S = 1 / τ p (G-1) S (2) where τ p is a photon lifetime, g tx is a mode gain coefficient per unit time in each region, that is, g t = Γ ( c / ng )
g and G are normalized gains over the entire resonator length. Also, n g
Is the effective refractive index at the cavity mote, τ x is the carrier lifetime, d
Is the active layer thickness, Γ is the optical confinement coefficient, q is the electron charge,
C is the speed of light.

【0006】 G=[(1−h)qtA(nA )+hqtB(nB )]τp …(3) qtx(nx )については、図14に示すような近似を行な
う。利得(吸収)係数gt とキャリア密度nx とは、破
線で示すような非線型関係であるが、下記「数1」のよ
うな近似をする。
For G = [(1-h) q tA (n A ) + hq tB (n B )] τ p (3) q tx (n x ) the approximation shown in FIG. 14 is performed. Although the gain (absorption) coefficient g t and the carrier density n x have a non-linear relationship as shown by a broken line, they are approximated by the following “Equation 1”.

【0007】[0007]

【数1】 図14の2本の直線でqtB,qtAを表現する。[Equation 1] Two straight lines at q tB in FIG. 14, representing the q tA.

【0008】式(1) ,(4) より、定常状態の利得Gは、
次式で表現される。 G=X/(1+Y)+β/(1+Y/δ) …(5) ここで、X,βは各領域の規格化注入レート、Yは規格
化格子密度、δは各領域の利得(吸収)の飽和に関する
パラメータである。下記「数2」,「数3」,「数
4」,「数5」以下の各式で与えられる。
From the equations (1) and (4), the gain G in the steady state is
It is expressed by the following formula. G = X / (1 + Y) + β / (1 + Y / δ) (5) Here, X and β are the normalized injection rate of each region, Y is the normalized lattice density, and δ is the gain (absorption) of each region. It is a parameter related to saturation. It is given by each of the following equations "equation 2", "equation 3", "equation 4", and "equation 5".

【0009】[0009]

【数2】 [Equation 2]

【0010】[0010]

【数3】 [Equation 3]

【0011】[0011]

【数4】 [Equation 4]

【0012】[0012]

【数5】 [Equation 5]

【0013】図15は、X=Z,β=−1,δ=0.1に
ついて、上記式(5)の第1項を破線で、第2項を一点
鎖線で描いたものである。Y=0(S=0)で、各項
は、未飽和の値X,βをとるが、Y>0では誘導放出,
誘導吸収ための飽和が生じる。実線の曲線は、種々のA
への注入レートXに対するGを示し、いずれもYに対し
極大値をもつ。この曲線とG=1との交点で発振状態と
なる。Xを非発振状態から増加させた場合、X=X1
おいて、Y=0(A´点)よりA点に移行し発振が始ま
る(ターンオン)。逆に、発振状態からXを減少させた
場合、X=X2 において、B点よりY=0(B´点)に
移行し、発振が止まり(ターンオフ)、領域Aへの注入
電流に対し、出力がヒステリシスを示す。ヒステリシス
ループ内のX=X3 でG=1を満たす解は、CとC”の
2点が存在するが、C”点は不安定解で実現しない。
FIG. 15 is a diagram in which the first term of the equation (5) is drawn by a broken line and the second term is drawn by a one-dot chain line for X = Z, β = −1, and δ = 0.1. When Y = 0 (S = 0), each term takes an unsaturated value X, β, but when Y> 0, stimulated emission,
Saturation due to induced absorption occurs. The solid curves are different A
G for the injection rate X is shown, and each has a maximum value for Y. An oscillation state is established at the intersection of this curve and G = 1. When X is increased from the non-oscillation state, at X = X 1 , Y = 0 (point A ′) shifts to point A and oscillation starts (turn-on). On the contrary, when X is decreased from the oscillation state, at X = X 2 , the point shifts from point B to Y = 0 (point B ′), the oscillation stops (turns off), and the injection current to the region A becomes Output shows hysteresis. The solution satisfying G = 1 at X = X 3 in the hysteresis loop has two points C and C ″, but the point C ″ is an unstable solution and is not realized.

【0014】双安定が得られるためには、GがYに対し
て極大値をもつことが必要であり、そのためには、次の
条件を満足しなければならない。 δ<−β/(1−β), β<0 …(10) これは、SsatBがSsatAよりも十分に小さく、Bの吸収
飽和がAの利得飽和より顕著であることが必要である。
In order to obtain the bistability, it is necessary that G has a maximum value with respect to Y, and for that purpose, the following condition must be satisfied. δ <−β / (1−β), β <0 (10) It is necessary that S satB is sufficiently smaller than S satA , and the absorption saturation of B is more remarkable than the gain saturation of A. .

【0015】半導体レーザでは、図14に示すように、利
得(吸収)係数がキャリア密度に対して非線形であり、
dgtB/dnA >dgtA/dnA の関係にあること、ま
た、ノンドープの活性層中では、τs =(Bn)-1(B
は発光再結合定数)であり、τB >τA の関係であるこ
とにより、双安定動作に都合が良い。
In the semiconductor laser, the gain (absorption) coefficient is non-linear with respect to the carrier density, as shown in FIG.
dg tB / dn A > dg tA / dn A , and in the non-doped active layer, τ s = (Bn) −1 (B
Is a radiative recombination constant), and τ B > τ A , which is convenient for bistable operation.

【0016】代表例として、1986年米国物理学会誌
に掲載された富田らの「双安定半導体レーザのターンオ
フ特性」(A.Tomita et al “Turn-off characteri
stics of bistable laser diode ”J.Appl.phys,59
(6)pp1839-1842(1986) )で試作された利得領域(I),
(II)長135μm,吸収領域長30μmのDC−PBH
(Double channel Planar Buried Heterostructur
e)構造タンデム型LD´sの特性を図16に示す。
As a representative example, "Turn-off characteristics of bistable semiconductor lasers" by Tomita et al. (A. Tomita et al "Turn-off characteri", published in the journal of the American Physical Society in 1986).
stics of bistable laser diode "J. Appl. phys, 59
(6) pp1839-1842 (1986)) prototype gain region (I),
(II) DC-PBH with a length of 135 μm and absorption region length of 30 μm
(Double channel Planar Buried Heterostructur
e) The characteristics of the structural tandem LD's are shown in FIG.

【0017】立ち上がり電流63mA,タンオフ電流2
8mAの顕著なヒステリシス特性を示しており、タンオ
フ時間は20nS程度であった。また、タンデム電極型
レーザに対する外部光注入の効果は、上記式(2)の右
辺に光子注入レートSinを付加することにより記述さ
れ、バイアス電流をターンオフ電流の直下に選ぶと光出
力対光入力特性に双安定が得られることが、河口により
1982年米国物理学会アプライド・フィジックス・レ
ター巻41,p702 よりp704 に掲載された「双安定型半
導体レーザの光入出力特性」により示された(Appl.ph
ys. Lett,41.p702-704 ;H.Kawaguchi,“Optical
input and output characteristics for bistable sem
iconductor lasers ”)。
Rising current 63 mA, turn-off current 2
It showed a remarkable hysteresis characteristic of 8 mA, and the turn-off time was about 20 nS. Further, the effect of external light injection on the tandem electrode type laser is described by adding the photon injection rate S in to the right side of the above equation (2), and if the bias current is selected directly below the turn-off current, the optical output vs. the optical input. The fact that bistable characteristics were obtained was shown by "Optical Input / Output Characteristics of Bistable Semiconductor Lasers" published by Kawaguchi in p. 704 from Applied Physics Letter Volume 41, p. 702, American Physical Society (Appl). .ph
ys. Lett, 41.p702-704; Kawaguchi, “Optical
input and output characteristics for bistable sem
iconductor lasers)).

【0018】双安定素子へ入力するレーザ光の波長を制
御するために温度制御された1.55μm(InGaA
sP/InP)DHレーザを双安定素子へ入力する。光
出力は6mWである。結合効率は10%以下であるため
0.5mW程度の双安定素子への入力光である。その結
果を図17に示す。これによれば、ターンオフ電流のわず
か下のバイアスにおいて顕著な双安定性が得られてい
る。動作時間は1nS程度である。入力するレーザ光の
波長が双安定素子レーザの波長よりも短い場合には入力
された光パワーは、光ポンピングパワーとして、双安定
素子レーザ内で電子とホール対を形成し、電流注入によ
る双安定素子と同じ特性を有する。
Temperature-controlled 1.55 μm (InGaA) for controlling the wavelength of laser light input to the bistable element
Input the sP / InP) DH laser to the bistable device. The light output is 6 mW. Since the coupling efficiency is 10% or less, the input light is about 0.5 mW to the bistable element. The result is shown in FIG. It shows remarkable bistability at bias just below the turn-off current. The operating time is about 1 nS. When the wavelength of the input laser light is shorter than the wavelength of the bistable element laser, the input optical power forms an electron-hole pair in the bistable element laser as the optical pumping power and is bistable by current injection. It has the same characteristics as the device.

【0019】半導体レーザの注入電流又は注入光入力に
対する光出力が非線形動作をすることを利用して、図18
に示すように半導体レーザを2つ用いて、一方をマスタ
ーレーザとして用い、他方をしきい値の0.97倍にバ
イアスした光アンプとして用いる方法で、双安定特性を
得ることも可能である。1983年,中井らが応用物理
学会欧文誌−22巻ページ310 〜312 にレターとして提案
した「半導体レーザアンプにおける光双安定」(T.N
akai,et al “Optical Bistability in aSemicond
uctor Laser Amplifier”Jpn.J.Appl .phy
s,vol.22,pp.L310 −L312 ,1983)を以下に紹介す
る。
Utilizing the fact that the injection current of the semiconductor laser or the light output with respect to the injection light input is non-linear, FIG.
It is also possible to obtain bistable characteristics by using two semiconductor lasers, one of which is used as a master laser and the other of which is used as an optical amplifier biased to 0.97 times the threshold value, as shown in FIG. In 1983, Nakai et al. Proposed the letter “Optical Bistability in Semiconductor Laser Amplifiers” (TN) proposed as a letter in the European Journal of Applied Physics, Volume 22 pages 310 to 312.
akai, et al “Optical Bistability in a Semicond
uctor Laser Amplifier "Jpn.J.Appl.phy
s, vol.22, pp.L310-L312, 1983) is introduced below.

【0020】図18に示すように、半導体レーザとして、
CSP(Channel Stripe Planar Lasers )レー
ザ,波長0.82μmを用い、一方はレーザ発振させ、
マスターレーザとして、光入力源とし、他方をしきい値
電流の0.97倍のLED状態で、レーザ増幅器として
用いる。変調器は、マスターレーザ光を2KHzで変調
する。光入力に対して、半導体レーザアンプで双安定特
性が得られるのは、以下のような理由による。
As shown in FIG. 18, as a semiconductor laser,
A CSP (Channel Stripe Planar Lasers) laser with a wavelength of 0.82 μm, one of which is oscillated,
As a master laser, it is used as an optical input source, and the other is used as a laser amplifier in an LED state of 0.97 times the threshold current. The modulator modulates the master laser light at 2 KHz. The reason why the semiconductor laser amplifier can obtain the bistable characteristic with respect to the optical input is as follows.

【0021】半導体レーザアンプの利得をGcとすれ
ば、これは次式で与えられる。 Gc=(1−R)2s /{(1−RGs2 +4RGs sin 2 φ} …(11) ここで、Rは端面の反射率,φはアンプ内を1度通過す
る間の位相シフト量,Gs はアンプ内を1度通過する間
の利得である。また、Gsは次のように記述できる。
If the gain of the semiconductor laser amplifier is Gc, this is given by the following equation. Gc = (1-R) 2 G s / {(1-RG s ) 2 + 4RG s sin 2 φ} (11) where R is the reflectance of the end face and φ is the time during which the light passes through the amplifier once. The amount of phase shift, G s, is the gain during one passage through the amplifier. Further, Gs can be described as follows.

【0022】 Gs=G0 exp (−APinGc ) …(12) ここで、G0 は光入力パワPinが極力小さくなった時
(Pin→0)のシングルパスの利得であり、PinGc
光アンプの出力である。
Gs = G 0 exp (−APinG c ) ... (12) where G 0 is the gain of the single path when the optical input power Pin is as small as possible (Pin → 0), and PinG c is the optical gain. This is the output of the amplifier.

【0023】一方、位相シフト量φは光入力に対してキ
ャリアが変化し、結果として屈折率が変化することを考
慮すると、 φ=φ0 +BPinGc …(13) ここで、A,Bはパラメータである。また、 φ0 =mπ−π(D/Δλ) …(14) ここで、Dは入力光の波長λs と共振器(増幅器)の波
長λr0の差であり、Δλはモード間隔、mは整数であ
る。
On the other hand, the phase shift amount φ is φ = φ 0 + BPinG c (13) where A and B are parameters, considering that the carrier changes with respect to the optical input and the refractive index changes as a result. Is. Φ 0 = mπ−π (D / Δλ) (14) Here, D is the difference between the wavelength λ s of the input light and the wavelength λ r0 of the resonator (amplifier), Δλ is the mode interval, and m is It is an integer.

【0024】式(11)〜(14)より定常状態の増幅利得Gc
が求まる。図19は、G0 =3.1,A=0.3mW-1
B=0.38mW-1,Δλ=0.29nm,R=0.3
とした場合の結果を図19に示す。これより、チューニン
グは波長ズレDが大きくなるにつれて、スイッチングパ
ワーが大きくなり、ヒステリシスも大きくなることがわ
かる。
From equations (11) to (14), the steady-state amplification gain G c
Is required. FIG. 19 shows that G 0 = 3.1, A = 0.3 mW −1 ,
B = 0.38 mW -1 , Δλ = 0.29 nm, R = 0.3
The results in the case of are shown in FIG. From this, it can be seen that the tuning power increases as the wavelength shift D increases, and the hysteresis also increases.

【0025】[0025]

【発明が解決しようとする課題】従来のタンデム電極レ
ーザでは、利得領域及び吸収領域の注入キャリア密度及
び利得(吸収)特性を共振器方向に安定させる為に、素
子全体の温度制御を 0.1℃以下、波長制御を1/1
0nm程度にすると共に、水平横方向の光の広がりをス
イッチON時にも制御する必要がある。
In the conventional tandem electrode laser, in order to stabilize the injected carrier density and the gain (absorption) characteristics of the gain region and the absorption region in the cavity direction, the temperature control of the entire device is 0.1. Below ℃, wavelength control 1/1
It is necessary to control the spread of light in the horizontal and horizontal directions even when the switch is turned on, in addition to setting it to about 0 nm.

【0026】光入力双安定素子においても、温度特性が
重要なパラメータであると共に、バイアス電流も0.1
mA以下で制御する必要がある。なぜなら、図17に示す
ようなヒステリシスループを描くには、ターンオフ電流
のわずか下にバイアスする必要があるからである。
Also in the optical input bistable device, the temperature characteristic is an important parameter and the bias current is 0.1.
It is necessary to control it at mA or less. This is because it is necessary to bias just below the turn-off current in order to draw the hysteresis loop as shown in FIG.

【0027】2つの半導体レーザを用いて、一方をマス
ターレーザーとし、他方を半導体レーザアンプとして、
使用する場合、マスターレーザー光はアイソレータを通
してからアンプ又は変調素子に導波する必要がある。こ
れは、戻り光による複合共振器形成による波長シフト,
出力変動させないためである。また、レーザをアンプと
して用いるため、端面からの反射光により、アンプ内で
ループを形成して位相シフト,波長変動に伴なう出力変
化が大きくなる。更に、上記変動が時間的,周期的に変
動して自励発振を生じる。
Using two semiconductor lasers, one serving as a master laser and the other serving as a semiconductor laser amplifier,
If used, the master laser light must be guided through an isolator and then to an amplifier or modulator. This is due to the wavelength shift due to the formation of the compound resonator by the return light,
This is because the output is not changed. Further, since the laser is used as an amplifier, the reflected light from the end face forms a loop in the amplifier, and a phase shift and a change in output due to wavelength fluctuation increase. Furthermore, the above fluctuations fluctuate temporally and periodically to cause self-excited oscillation.

【0028】本発明は上記事情を鑑みてなされたもの
で、直接外部より光パルスを入力させるか,または入力
光を増幅し、その増幅した光によりタンデム型半導体レ
ーザをオンさせ、又は出力変化をさせて、安定した光半
導体論理素子を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above circumstances. An optical pulse is directly input from the outside, or the input light is amplified, and the amplified light is used to turn on the tandem semiconductor laser or change the output. Therefore, an object is to provide a stable optical semiconductor logic device.

【0029】[0029]

【課題を解決するための手段】本発明は、基本モード制
御された半導体レーザからなる光双安定素子で、かつ利
得領域と吸収領域の電極が電気的に分離されており、こ
の分離部分の直下の導波路領域に、共振器方向に対して
直交方向でかつレーザの接合面に対して平行な方向から
双安定素子の発振波長に対して、+5nmより−10n
mの範囲内の光を注入することによって、スイッチン
グ,論理動作させることを特徴とする。また、双安定素
子の代わりに、面発光レーザの活性層の側面より、同種
の光を注入することによっても論理動作させることが特
徴である。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention is an optical bistable device composed of a semiconductor laser in which a fundamental mode is controlled, in which electrodes in a gain region and an absorption region are electrically separated from each other. From the direction orthogonal to the cavity direction and parallel to the laser junction surface to the oscillation wavelength of the bistable element from +5 nm to −10 n.
By injecting light in the range of m, switching and logical operation are performed. Further, instead of the bistable element, it is characterized in that the same kind of light is injected from the side surface of the active layer of the surface emitting laser to perform the logical operation.

【0030】[0030]

【作用】タンデム型半導体レーザの共振器方向に外部よ
り光を入力させると、入力した波の位相が共振器方向の
伝播状態の位相と一致させるために、波長シフト又はモ
ード変換を伴ってターンオンする必要がある。また、そ
の変化を極力小さくする為には、入力光の波長と共振器
内の波長を一致させ、温度制御する必要がある。
When light is input from the outside in the cavity direction of the tandem semiconductor laser, the phase of the input wave is turned on with wavelength shift or mode conversion in order to match the phase of the propagation state in the cavity direction. There is a need. Further, in order to make the change as small as possible, it is necessary to match the wavelength of the input light with the wavelength in the resonator to control the temperature.

【0031】これに対して、共振器方向とは、直交し、
レーザ接合面に対して平行な方向より入力された光(進
行波型の光増幅機を通して増幅された光でも)、双安定
素子の発振波長に対して、+5nmより−10nmの範
囲の波長であれば、レーザ光との干渉は弱く、結合点
で、レーザの共振器モードがゆらぐこともがあっても、
共振器長を極力短く(例えば、結合領域長の2〜3倍程
度)しなければ、モードは安定となる。
On the other hand, the resonator direction is orthogonal to
Light input from a direction parallel to the laser junction surface (even light amplified by a traveling wave type optical amplifier), and a wavelength in the range from +5 nm to -10 nm with respect to the oscillation wavelength of the bistable element. For example, the interference with the laser light is weak, and the resonator mode of the laser may fluctuate at the coupling point,
The mode is stable unless the resonator length is made as short as possible (for example, about 2 to 3 times the coupling region length).

【0032】進行波型半導体光増幅器では、入力した光
に対して、スペクトルの広がりは、双安定素子と同一構
造による導波路であれば、±5nmの範囲内となり、干
渉は抑制されて、レーザの導波路と結合できる。
In the traveling wave type semiconductor optical amplifier, the spread of the spectrum with respect to the input light is within ± 5 nm in the case of a waveguide having the same structure as the bistable element, and the interference is suppressed, and the laser is suppressed. Can be coupled with the waveguide of.

【0033】また、レーザ共振器方向と直交する方向
は、双安定素子及び光増幅器の出射面共に反射率を低く
して、直交方向での戻り光や、外部共振器の形成による
光パルス信号のすそ引き効果による信号の立ち下がり時
間の遅れを抑制している。
Further, in the direction orthogonal to the laser resonator direction, the reflectance is made low on both the bistable element and the emission surface of the optical amplifier, and the return light in the orthogonal direction and the optical pulse signal due to the formation of the external resonator are generated. The delay of the signal fall time due to the tailing effect is suppressed.

【0034】入力光を一旦増幅器を通すことにより、光
増幅器の増幅度が半導体レーザと同様に非線形に増大す
るため、半導体レーザのしきい値電流下の光アンプとし
ての使用よりも温度や波長制御が容易となる。
Since the amplification degree of the optical amplifier increases non-linearly like the semiconductor laser when the input light is once passed through the amplifier, the temperature and wavelength are controlled more than the use as the optical amplifier under the threshold current of the semiconductor laser. Will be easier.

【0035】更に、非線形増幅度をモニターする為に、
双安定素子を挟んで入力側と対向する位置にモニターを
形成する。これは、通常のSiのPIN光検出素子、又
は入力側の光増幅器のストライプ幅を少なくとも2倍以
上を広くした同様の素子を光検出素子として使用するこ
とができる。
Further, in order to monitor the non-linear amplification degree,
A monitor is formed at a position facing the input side with the bistable element interposed therebetween. For this, an ordinary PIN photodetection element of Si or a similar element in which the stripe width of the optical amplifier on the input side is widened at least twice or more can be used as the photodetection element.

【0036】光入力信号を双安定素子の絶縁領域へ上記
表面から入力する場合には、素子表面を高励起により電
子とホール対を形成した後、キャリアが移動し結合領域
の活性層で再結合させるため、励起パルス光を少なくと
もWクラス(ピーク値)にする必要がある。これに対
し、直接、活性領域へ光を注入する場合には、励起光量
がmWクラスとなると共に、動作速度が早くなる特徴が
ある。
When an optical input signal is input to the insulating region of the bistable element from the surface described above, electron and hole pairs are formed on the element surface by high excitation, and then carriers move and recombine in the active layer in the coupling region. Therefore, the excitation pulsed light needs to be at least W class (peak value). On the other hand, in the case of directly injecting light into the active region, the pumping light amount is in the mW class and the operating speed is high.

【0037】[0037]

【実施例】以下、この発明の実施例について図面を参照
して説明する。 (実施例1)図1及び図2を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. (Embodiment 1) This will be described with reference to FIGS.

【0038】図中の21は、n型のGaAs基板である。
タンデム型半導体レーザLD1 ,LD2 領域の前記基板
21上には、n型のAl0.45Ga0.55Asクラッド層(第
1クラッド層)22、活性層23、p型のAl0.45Ga0.55
Asクラッド層(第2クラッド層)24及びp+ 型のキャ
ップ層25が形成されている。前記第2クラッド層24の光
出力方向に沿う両側は一部除去されていて、この除去部
分にn型のIn0.49Ga0.51P電流ブロック層(第1電
流ブロック層)26が形成されている。
Reference numeral 21 in the figure is an n-type GaAs substrate.
Tandem semiconductor lasers LD 1 and LD 2 in the region of the substrate
The n-type Al 0.45 Ga 0.55 As clad layer (first clad layer) 22, the active layer 23, the p-type Al 0.45 Ga 0.55
An As clad layer (second clad layer) 24 and a p + type cap layer 25 are formed. Both sides of the second cladding layer 24 along the light output direction are partially removed, and an n-type In 0.49 Ga 0.51 P current blocking layer (first current blocking layer) 26 is formed in the removed portion.

【0039】前記LD1 ,LD2 との間の結合領域長
は、キャリアの拡散長(〜5μm)とする。ストライプ
幅は、水平横方向のモード制御を考えて、実屈折率導波
型構造で、2μmとする。メサ両サイドは、活性層のバ
ンドギャップよりも広い(例えば、発振波長850nm
とする)前記第1電流ブロック層26により埋め込まれて
いる。前記キャップ層25及び第1電流ブロック層26上に
は、p側電極27が形成されている。また、前記LD1
LD2 の共振器方向に沿う両サイドには、低反射膜28が
形成されている。更に、前記LD1 ,LD2 の結合部分
(電流非注入領域)29は、前記キャップ層25を除去し
て、表面にSiO2 からなる絶縁膜を形成し、表面から
の電流注入を抑制している。なお、前記LD1 ,LD2
の水平横方向のモード制御の為に、前記第2クラッド層
24のメサ底部の残厚を0.3μmとして、ストライプ部
分と電流ブロック領域との屈折率差を7〜10×10-3
とし、遠視野像を単峰性パターンとしている。
The length of the coupling region between the LD 1 and LD 2 is the carrier diffusion length (up to 5 μm). The stripe width is 2 μm in the real refractive index guided structure in consideration of the mode control in the horizontal lateral direction. Both sides of the mesa are wider than the band gap of the active layer (for example, the oscillation wavelength is 850 nm).
Embedded) by the first current blocking layer 26. A p-side electrode 27 is formed on the cap layer 25 and the first current blocking layer 26. In addition, the LD 1 ,
A low reflection film 28 is formed on both sides of LD 2 in the cavity direction. Further, in the coupling portion (current non-injection region) 29 of LD 1 and LD 2 , the cap layer 25 is removed and an insulating film made of SiO 2 is formed on the surface to suppress current injection from the surface. There is. In addition, the above LD 1 , LD 2
For controlling the lateral and lateral modes of the second cladding layer.
The remaining thickness of the bottom of 24 mesas is 0.3 μm, and the refractive index difference between the stripe portion and the current block area is 7 to 10 × 10 −3.
And the far-field pattern has a unimodal pattern.

【0040】前記LD1 ,LD2 を除く領域の前記基板
21上には、第1クラッド層22、活性層23、第2クラッド
層24、第1電流ブロック層26、n型のGaAs電流ブロ
ック層(第2電流ブロック層)30、p側電極27が形成さ
れている。前記基板21、第1・第2クラッド層22,24、
活性層23、第1・第2電流ブロック層26,30の側面に
も、低反射膜28が形成されている。
The substrate in the region excluding the LD 1 and LD 2
A first cladding layer 22, an active layer 23, a second cladding layer 24, a first current blocking layer 26, an n-type GaAs current blocking layer (second current blocking layer) 30, and a p-side electrode 27 are formed on 21. Has been done. The substrate 21, the first and second cladding layers 22, 24,
A low reflection film 28 is also formed on the side surfaces of the active layer 23 and the first and second current blocking layers 26 and 30.

【0041】光増幅器A,Bは、タンデム型半導体レー
ザLD1 ,LD2 の共振器方向と直交する方向より結合
するため、LD1 ,LD2 の第2電流ブロック層30を除
去した形で、ドライエッチングで基板21に到るまで溝を
形成して、各々の素子を10μm間隔で分離している。
前記光増幅器A,Bの対向端面にも低反射膜28が形成さ
れ、反射率を少なくとも数%以下にして、端面反射を抑
制している。また、光入力側の光増幅器Aの入力側端面
の反射率も同様に反射率を抑制して、入力信号光が表面
で反射しない様にしている。更に、光入力側の光増幅器
Aの水平横方向のモード制御方法も、半導体レーザの構
造と同一であるが、前記第1電流ブロック層26の外側に
前記第2電流ブロック層30が付いている点が異なる。更
には、モニタ側の光増幅器Bはストライプ幅を10μm
と広くとり、タンデム型半導体レーザ共振器をよぎった
光を検出するのに有効な幅としている。なお、図中の31
はn側電極である。なお、光増幅器A,Bの素子長は2
50μmとして、光増幅度が必要な場合には、Aの素子
長を長くするが、この場合発熱を考慮して、本発明の素
子はペルチェ素子上に組み立てる必要がある。
The optical amplifier A, B, in order to bind from a direction perpendicular to the resonator direction of the tandem-type semiconductor laser LD 1, LD 2, in the form of removal of the second current blocking layer 30 of LD 1, LD 2, Grooves are formed to reach the substrate 21 by dry etching, and each element is separated at 10 μm intervals.
A low reflection film 28 is also formed on the opposite end faces of the optical amplifiers A and B, and the reflectance is at least several percent or less to suppress the end face reflection. Similarly, the reflectance of the input side end surface of the optical amplifier A on the optical input side is also suppressed so that the input signal light is not reflected on the surface. Further, the horizontal and lateral mode control method of the optical amplifier A on the light input side is also the same as the structure of the semiconductor laser, but the second current blocking layer 30 is provided outside the first current blocking layer 26. The points are different. Furthermore, the optical amplifier B on the monitor side has a stripe width of 10 μm.
Therefore, the width is effective for detecting light passing through the tandem semiconductor laser resonator. In addition, 31 in the figure
Is an n-side electrode. The element length of the optical amplifiers A and B is 2
When the optical amplification is required to be 50 μm, the element length of A is lengthened, but in this case, the element of the present invention needs to be assembled on the Peltier element in consideration of heat generation.

【0042】図2は、上記構成の光半導体論理素子の動
作の一例を示す。タンデム型半導体レーザで、利得領域
LD1 の電流を可変とし、(可飽和)吸収領域LD2
電流をI1 より小さくする。例えば、LD1 の電流を図
2(A)のIb に固定しておく。光増幅器Aの電流I3
を光入力信号が入らない場合、タンデム型LDと結合し
て、実効的にIb ´の点になるとする。この時、入力信
号光を入れることにより、ターンオフしてPONの出力と
なる。入力パルス光が消えると、Pb ´の点で出力が一
定となる。信号入力に対して、モニタ側からフィールド
バックにより光増幅器はOFFして、Ib の状態とな
り、再び、光増幅器がONとする、最初の状態に戻る。
FIG. 2 shows an example of the operation of the optical semiconductor logic device having the above structure. In the tandem semiconductor laser, the current in the gain region LD 1 is made variable and the current in the (saturable) absorption region LD 2 is made smaller than I 1 . For example, the current of LD 1 is fixed to I b in FIG. Current I 3 of optical amplifier A
When the optical input signal does not enter, it is combined with the tandem type LD, and it is effectively the point of I b ′. At this time, by putting the input signal light, the output of the P ON turns off. When the input pulse light disappears, the output becomes constant at the point Pb '. With respect to the signal input, the optical amplifier is turned off by the field back from the monitor side to be in the state of Ib , and the optical amplifier is turned on again to return to the initial state.

【0043】図2(B)に示すように、バイアスをター
ンオンの下にしておき、入力波長を変えると、光増幅器
の増幅度が入力波長によって異なるため、その増幅され
た光がタンデム型半導体レーザと結合して共振器方向に
出力される光出力Pout は、増幅率によらず、最大出力
の半値以上を信号1とすれば、入力信号を対応して応答
していることになり、その応答時間も数nSと高速であ
る。
As shown in FIG. 2B, when the bias is turned on and the input wavelength is changed, the amplification degree of the optical amplifier differs depending on the input wavelength. Therefore, the amplified light is tandem semiconductor laser. The optical output P out, which is output in the direction of the resonator in combination with the optical output P out , responds to the input signal if the signal 1 is equal to or more than half the maximum output regardless of the amplification factor. The response time is as fast as several nanoseconds.

【0044】(実施例2)図3を参照する。但し、図1
と同部材は同符号を付して説明を省略する。ところで、
図1の光半導体論理素子において、光増幅器Aを出射し
た光は、ビームスポットが数μmであり、空気中に出る
とほとんど点光源となりビームは拡がってしまう。分離
溝幅を狭くすると、結合効率は上がるが、対向面を低反
射コートする必要性より、10μm程度間隔をとる必要
に迫られる。これを改善するために図3に示す構造の光
半導体論理素子を提案した。
Example 2 Reference is made to FIG. However, in FIG.
The same members as and are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. by the way,
In the optical semiconductor logic device shown in FIG. 1, the light emitted from the optical amplifier A has a beam spot of several μm, and when it goes out into the air, it becomes a point light source and the beam spreads. When the width of the separation groove is narrowed, the coupling efficiency is improved, but it is necessary to provide an interval of about 10 μm from the necessity of coating the opposite surface with low reflection. In order to improve this, an optical semiconductor logic device having the structure shown in FIG. 3 was proposed.

【0045】これは、結合部分のp型のAl0.45Ga
0.55Asクラッド層(第2クラッド層)24のメサ形状を
光増幅器との対向面方向をテーパ状に広げたものであ
る。例えば、5μmより10μmまで広げる。なお、図
中の32はテーパ状結合領域を示す。テーパ状に広げるこ
とにより、結合部分での共振器方向の伝播モードがゆら
ぎ、不安定になるが、LD2 内で再びモード変換が生
じ、単峰性ビームの出射光となる。光増幅器と半導体レ
ーザは一体で形成しているためビームのセンターズレは
無く、n型のIn0.49Ga0.51P電流ブロック層(第1
電流ブロック層)26,p型のAl0.45Ga0.55Asクラ
ッド層(第2クラッド層)24及びn型のAl0.45Ga
0.55Asクラッド層(第1クラッド層)22により活性層
23が周囲を囲まれているため、光結合部より共振器方向
への結合はスムーズに行われると期待される。
This is due to the p-type Al 0.45 Ga of the bonding portion.
The mesa shape of the 0.55 As clad layer (second clad layer) 24 is expanded in a taper shape in the surface facing the optical amplifier. For example, the width is expanded from 5 μm to 10 μm. Note that reference numeral 32 in the figure denotes a tapered coupling region. By expanding in a tapered shape, the propagation mode in the resonator direction in the coupling portion fluctuates and becomes unstable, but mode conversion occurs again in LD 2 and the emitted light is a monomodal beam. Since the optical amplifier and the semiconductor laser are integrally formed, there is no center deviation of the beam, and the n-type In 0.49 Ga 0.51 P current blocking layer (first
Current block layer) 26, p-type Al 0.45 Ga 0.55 As clad layer (second clad layer) 24, and n-type Al 0.45 Ga
0.55 As clad layer (first clad layer) 22 makes active layer
Since 23 is surrounded, it is expected that the coupling from the optical coupling portion toward the resonator will be performed smoothly.

【0046】また、1985年,アプライト・フィジク
ス・レターに掲載されたウェイナールらの「GaAs/
AlGaAs量子井戸導波路における電界吸収の強い偏
波面反応性」(J.S.Weiner et al ,“Strong po
larization-sensitive electroabsorption in GaAs
/AlGaAs quantum well waveguides”Appl.phy
s. Lett ,vol47 .pp1148-1150 ,(1985))による
と、GaAs/AlGaAs量子井戸導波路層の層に平
行に伝播する光の電界吸収特性がバルク結晶と異なり、
吸収端が長波長域へ40meV程度シフトすることが報告
されている。また、多重量子井戸レーザでは、注入キャ
リアによってバンド縮小効果により、真性材料の吸収端
と比較して約20meV程度レーザ発振エネルギーが小さ
くなる(波長は長波長域へシフトする)。
Also, in 1985, Weinard et al., "GaAs /" published in the Upright Physics Letter.
Polarization plane reactivity with strong electric field absorption in AlGaAs quantum well waveguides "(JS Weiner et al," Strong po
larization-sensitive electroabsorption in GaAs
/ AlGaAs quantum well waveguides "Appl.phy
S. Lett, vol47. pp1148-1150, (1985)) that the electric field absorption characteristics of light propagating parallel to the GaAs / AlGaAs quantum well waveguide layer are different from those of the bulk crystal.
It is reported that the absorption edge shifts to the long wavelength region by about 40 meV. Further, in the multiple quantum well laser, the laser oscillation energy becomes smaller by about 20 meV than the absorption edge of the intrinsic material (the wavelength shifts to the long wavelength region) due to the band reduction effect by the injected carriers.

【0047】バルク結晶に比べ、量子井戸構造では、注
入キャリア密度に対して得られる利得の変化が量子効果
により、大きくなる。レーザ発振では、利得の変化(微
分利得)が動作注入電流密度を決めるため、低しきい値
化に有効である。
In the quantum well structure, the change in gain obtained with respect to the injected carrier density is larger than that in the bulk crystal due to the quantum effect. In laser oscillation, the change in gain (differential gain) determines the operating injection current density, which is effective in lowering the threshold value.

【0048】(実施例3)図4を参照して説明する。こ
の実施例3は、活性層41として、多重量子井戸構造を導
入すると共に、光導波路42,43を活性層の上下に設け
て、光の光導波路層へのしみ出し効果を利用し、活性層
内での吸収係数を低下させるものである。
(Embodiment 3) An explanation will be given with reference to FIG. In the third embodiment, a multi-quantum well structure is introduced as the active layer 41, and the optical waveguides 42 and 43 are provided above and below the active layer to make use of the seeping effect of light to the optical waveguide layer. It reduces the internal absorption coefficient.

【0049】例えば、活性層として、GaAs量子井戸
幅10nm,Al0.3 Ga0.7 As量子バリア幅5n
m,の三重量子井戸構造で、光出力導波路層として,A
0.3Ga0.7 As30nmとした多重量子井戸−分離
閉じ込めヘテロ接合構造(MQW−SCH:Multi qua
ntum well separated Confinement Heterostructur
e)が有効である。
For example, as the active layer, the GaAs quantum well width is 10 nm, the Al 0.3 Ga 0.7 As quantum barrier width is 5 n.
A triple quantum well structure of m, with an optical output waveguide layer of A
l 0.3 Ga 0.7 As 30 nm multiple quantum well-separated confinement heterojunction structure (MQW-SCH: Multiqua)
ntum well separated Confinement Heterostructur
e) is valid.

【0050】光増幅器Aでは、進行波型光増幅器であ
り、自然放出光に対して光帰還増幅がほとんど無い為、
素子内一度の伝播で利得係数を増幅させる必要がある。
この点量子井戸構造では、利得係数がバルクに比べ著し
く大きく、発行端がバンド端より20meV程度エネル
ギーが低い為、伝播領域の吸収係数を小さく抑えること
が可能である。
The optical amplifier A is a traveling wave type optical amplifier, and there is almost no optical feedback amplification for spontaneous emission light.
It is necessary to amplify the gain coefficient by propagation once in the element.
In this point quantum well structure, the gain coefficient is remarkably larger than that of the bulk, and the energy at the emitting end is about 20 meV lower than that at the band end, so that the absorption coefficient in the propagation region can be suppressed to be small.

【0051】タンデム型半導体レーザについて考える
と、利得領域LD1 は、進行波型光増幅器Aと同じ理由
で、利得の増大が期待でき、吸収領域LD2 では電界に
対する光吸収係数の波長依存牲が大きく、バンド端近傍
の波長依存性でその吸収係数は2桁近く変化し、数千c
-1より数十cm-1となる。この点で、多重量子井戸構
造を利用したタンデム型半導体レーザと光増幅器を組み
合わせた双安定素子,論理回路は有効と考えられる。
Considering the tandem type semiconductor laser, the gain region LD 1 can be expected to increase the gain for the same reason as the traveling wave type optical amplifier A, and the absorption region LD 2 has a wavelength dependence of the optical absorption coefficient with respect to the electric field. The absorption coefficient changes by about two orders of magnitude due to the wavelength dependence near the band edge, which is several thousand c
m is -1 than several tens of cm -1. In this respect, a bistable device and a logic circuit combining a tandem semiconductor laser using a multiple quantum well structure and an optical amplifier are considered to be effective.

【0052】(実施例4)図5を参照して説明する。こ
の実施例4は、素子の信頼性の観点より、p型のAl
0.45Ga0.55Asクラッド層24のメサ両サイドを選択再
成長できるn型のGaInP電流ブロック層26で埋込む
際、界面にn型のGa0.49In0.51P電流ブロック層51
を少なくとも0.1μm,格子定数がInリッチで(5
%以下)埋め込んだ構成になっている。ここで、前記電
流ブロック層26の厚さは、光の電磁界分布のクラッド層
へのしみ出しを考えて、少なくとも0.5μm厚は必要
である。
(Embodiment 4) Description will be given with reference to FIG. In this Example 4, p-type Al was used from the viewpoint of device reliability.
When the both sides of the mesa of the 0.45 Ga 0.55 As clad layer 24 are filled with the n-type GaInP current blocking layer 26 capable of selectively re-growing, an n-type Ga 0.49 In 0.51 P current blocking layer 51 is formed at the interface.
Is at least 0.1 μm and the lattice constant is In-rich (5
% Or less) It is configured to be embedded. Here, the thickness of the current blocking layer 26 is required to be at least 0.5 μm in consideration of the seepage of the electromagnetic field distribution of light into the cladding layer.

【0053】1992年,米国電気電子技術者学会のホ
トニクス・テクノロジー・レター巻8に掲載されたS.
L.イエレンらの「0.81μmInAlGaAs歪量
子井戸レーザの信頼性」(S.L.Yellen ,et al;
“Reliability of InAlGaAs Strained-Qua
ntum well Lasers Operating at 0.81μm”IE
EE.photo .Technol.Lett ,vol 4,p829-831,
(1992))の論文によると、Al0.03Ga0.09Asの量子
井戸レーザとIn0.15Al0.13Ga0.72Asの歪量子井
戸レーザを比較すると、量子井戸レーザの信頼性試験で
見られる初期の急激な劣化がIn0.15Al0.13Ga0.72
Asでは見られなかった。
S. S., published in Photonics Technology Letter Volume 8 of the American Institute of Electrical and Electronics Engineers, 1992.
L. Yellen et al., “Reliability of 0.81 μm InAlGaAs strained quantum well lasers” (SL Yellen, et al;
"Reliability of InAlGaAs Strained-Qua
ntum well Lasers Operating at 0.81μm ”IE
EE. photo. Technol. Lett, vol 4, p829-831,
(1992)), a comparison of a quantum well laser of Al 0.03 Ga 0.09 As and a strained quantum well laser of In 0.15 Al 0.13 Ga 0.72 As shows the rapid deterioration in the initial stage observed in the reliability test of the quantum well laser. Is In 0.15 Al 0.13 Ga 0.72
Not seen on As.

【0054】この原因として、レーザのストライプ内の
<100>面内にダークラインガ生じない点である。こ
れは、活性層を囲んでいるクラッド層内に存在する貫通
転位が活性層内に進んできて、数百時間内でダークライ
ンを形成するが、Inを添加することにより、貫通転位
の進行を抑制するため、活性層への影響が抑制されるた
めである。特に、InGaAsP/InP系では、前述
の初期の急激な劣化が観察された報告は無い。
The cause of this is that dark lines do not occur in the <100> plane within the laser stripe. This is because the threading dislocations existing in the clad layer surrounding the active layer proceed into the active layer and form a dark line within several hundred hours. This is because the effect on the active layer is suppressed due to the suppression. Especially, in the InGaAsP / InP system, there is no report that the above-mentioned rapid deterioration in the initial stage is observed.

【0055】上記実施例4では、クラッド層をAl0.45
Ga0.55As層としているが、In0.49Ga0.51Pクラ
ッド層として信頼性を向上させても有効である。界面で
Inをリッチにした理由は、Inが界面でAlGaAs
層内の貫通転位を抑制するために、移動してInとGa
とのバランスが変化しない様に予め増しておく必要があ
るためである。In5%以下の過剰は導波路構造上、光
のクラッド層へのしみ出しの分布に大きな変化を与える
ものではなく、むしろ界面の結晶の転位,空位,酸化等
を抑制してクリーンな界面を出す方が大きく左右すると
考えられる。この観点より、再成長界面での空位,転位
の拡大,発生を抑制するのにInは寄与すると考えられ
る。
In the fourth embodiment, the cladding layer is made of Al 0.45.
Although the Ga 0.55 As layer is used, the In 0.49 Ga 0.51 P clad layer is effective even if the reliability is improved. The reason for making In rich at the interface is that In is AlGaAs at the interface.
In order to suppress threading dislocations in the layer, they move to move to In and Ga.
This is because it is necessary to increase in advance so that the balance with and does not change. An excess of In5% or less does not cause a large change in the distribution of light bleeding into the cladding layer due to the waveguide structure, but rather suppresses crystal dislocations, vacancies, oxidation, etc. at the interface to produce a clean interface. It is believed that this is more important. From this viewpoint, it is considered that In contributes to suppressing vacancies at the regrowth interface and expansion and generation of dislocations.

【0056】(実施例5)図6を参照する。光増幅器A
の反射率Rを極力零に近づけると、戻る光と進行する光
による位相のズレや信号光の広がりが抑制され、高速化
される。そこで、この実施例5では、図6に示すよう
に、光増幅器の伝播方向に対してθ1 傾け、媒質2(屈
折率n2 )を伝播した後、半導体レーザ(媒質の屈折率
をn1 )の中心と直交する方向に対して、θ2 [=si
-1(n1 /n2 ・sinθ1 )]傾くことを考慮し
て、ドライエッチでミラーを形成し、少なくとも基板に
到るまで溝を形成する。上記実施例5では、5゜ミラー
を傾け、(θ1 =5゜)、媒質2は空気よりn2 =1
で、n2 〜3.5よりθ2 は18゜となる。
(Embodiment 5) Referring to FIG. Optical amplifier A
When the reflectance R of the signal is as close to zero as possible, the phase shift due to the returning light and the traveling light and the spread of the signal light are suppressed, and the speed is increased. Therefore, in the fifth embodiment, as shown in FIG. 6, after propagating through the medium 2 (refractive index n 2 ) with an inclination of θ 1 with respect to the propagation direction of the optical amplifier, a semiconductor laser (refractive index of the medium is n 1 ) With respect to the direction orthogonal to the center of θ 2 [= si
n −1 (n 1 / n 2 · sin θ 1 )] In consideration of the inclination, a mirror is formed by dry etching, and a groove is formed at least up to the substrate. In the fifth embodiment, the mirror is tilted by 5 ° (θ 1 = 5 °), and the medium 2 is n 2 = 1 from air.
Therefore, θ 2 is 18 ° from n 2 to 3.5.

【0057】半導体レーザと光増幅器の間隔が2〜3μ
m程度であれば、活性層の下方へ広がった光が戻ること
はない。しかし、保護膜(低反射膜)61を形成するのに
10μm以上離れる場合には、溝の底の基板面を乱反射
状態にする必要がある。または、光吸収材を付ける等に
より戻り光を抑制する必要がある。
The distance between the semiconductor laser and the optical amplifier is 2-3 μm.
If it is about m, the light spread below the active layer does not return. However, when the protective film (low-reflection film) 61 is formed with a distance of 10 μm or more, the substrate surface at the bottom of the groove needs to be in a diffused reflection state. Alternatively, it is necessary to suppress the returning light by attaching a light absorbing material or the like.

【0058】1992年米国電気電子技術者学会光技術
誌巻10に掲載されたアルフォンスらの「傾斜端面半導
体光増幅器及びスーパールミネッセントダイオードにお
けるモード結合」(G.A.Alphonse et al ,“Mod
e Coupling in Angled Facet Semiconductor O
ptical Amplifiers and Superluminescent Diodes
“IEEE,J,Lightwave Technol,vol10 ,pp21
5-219 (1992))によれば、5度傾斜させた時の反射率R
は、10-4以下となり、無反射状態に近づく。
Alfons et al., "Mode coupling in tilted-edge semiconductor optical amplifiers and superluminescent diodes," published by Optoelectronics Society Vol. 10, 1992, American Society of Electrical and Electronics Engineers (GA Alphonse et al, "Mod.
e Coupling in Angled Facet Semiconductor O
ptical Amplifiers and Superluminescent Diodes
"IEEE, J, Lightwave Technol, vol10, pp21
5-219 (1992)), the reflectance R when tilted 5 degrees
Becomes less than 10 −4 and approaches a non-reflective state.

【0059】この様にして試作したスーパールミネット
ダイオードでは、スペクトルの広がりは5nm程度で、
出力は30nm以上が得られている。上記実施例5では、
活性層として、GaAs量子井戸幅10nm,Al0.3
0.7 As量子バリア幅5nmの10周期の多重量子井戸
活性層を用い、水平横方向のモード制御を実屈折率導波
型のIn0.49Ga0.51Pでメサストライプを埋込み、ス
トライプ幅を2〜3μmとすれば、最大出力80mW程
度で、出力の立上り電流(しきい値電流)が300μm
素子長で50〜70mA程度となる。
In the super luminescent diode manufactured as described above, the spectrum spread is about 5 nm,
The output is over 30 nm. In the above Example 5,
As an active layer, GaAs quantum well width 10 nm, Al 0.3 G
a 0.7 As quantum barrier width of 5 nm, a 10-period multiple quantum well active layer is used, and horizontal lateral mode control is performed by embedding a mesa stripe with In 0.49 Ga 0.51 P of a real index guiding type, and a stripe width of 2 to 3 μm. If so, the maximum output is about 80 mW, and the output rising current (threshold current) is 300 μm.
The element length is about 50 to 70 mA.

【0060】実際には、光増幅器の外から光入力するた
め、光増幅器自体の出力を必要するわけではないが、タ
ンデム型半導体レーザのヒステリシスループで、バイア
ス電流がターンオフする電流より下がって入力光のパワ
ーを増加しなければならない時に、最大出力80mWの
増幅器であれば、余裕をもって増幅できる。しかし、発
熱のために中心波長が長波長にシフトし、タンデム型半
導体レーザとのカップリング波長と大きくズレを生じる
ため、高出力の場合には、ペルチェ素子で、本実施例の
素子全体の温度を一定にする必要がある。空気中を伝播
させない場合には、スネルの法則で定まる角度にして、
結合部分では垂直(直交)入射とする。
Actually, since the light is input from the outside of the optical amplifier, the output of the optical amplifier itself is not necessary. However, in the hysteresis loop of the tandem semiconductor laser, the bias current drops below the turn-off current and the input light is input. When the power of 1 is required to be increased, an amplifier with a maximum output of 80 mW can be amplified with a margin. However, since the central wavelength shifts to a long wavelength due to heat generation, which causes a large deviation from the coupling wavelength with the tandem semiconductor laser, in the case of high output, the temperature of the entire Peltier element of the present embodiment is Must be constant. When not propagating in the air, make the angle determined by Snell's law,
The incident light is vertical (orthogonal) at the joint.

【0061】(実施例6)図7を参照する。但し、図1
と同部材は同符号を付して説明を省略する。この実施例
6は、n型GaAs基板71上に、n型分布反射器72をA
0.6 Ga0.4 As/Al0.3 Ga0.7 Asをλ/4周
期の厚さで30周期形成する。この時、この分布反射器
全体としての反射率は99%以上となる。例えば、発振
波長λ0 を850nm,伝播するモードの実効屈折率ne
を3.5とすれば、λ0 /2ne の整数倍が共振器長L
と一致しなければレーザ発振しない。発光径を5μmφ
で基本モード制御する。
Example 6 Reference is made to FIG. However, in FIG.
The same members as and are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. In the sixth embodiment, the n-type distributed reflector 72 is formed on the n-type GaAs substrate 71 by A
l 0.6 Ga 0.4 As / Al 0.3 Ga 0.7 As is formed for 30 cycles with a thickness of λ / 4 cycle. At this time, the reflectance of the distributed reflector as a whole is 99% or more. For example, when the oscillation wavelength λ 0 is 850 nm, the effective refractive index n e of the propagating mode is
Is 3.5, an integral multiple of λ 0 / 2n e is the resonator length L.
If it does not match with, laser oscillation does not occur. Emitting diameter 5μmφ
To control the basic mode.

【0062】前記基板71上には、n型分布反射器72,n
型Al0.45Ga0.55Asクラッド層(第1クラッド層)
73を介して活性層74が形成されている。この活性層74
は、厚さ方向に帰還をくり返して利得を増加させる為に
厚い方が有利であるが、この実施例6では、光増幅器の
活性層厚も共通であり、これらの基本モードを制御する
厚さより0.5μm以下となる。例えば、0.5μmの
活性層とすれば、この活性層の中心の位置が面発光レー
ザでは、定在波の腹の位置となる。定在波の腹と節はλ
0 /4ne の間隔で共振器方向に存在する。面発光レー
ザのしきい値電流を下げるには、各々の異なった層の界
面が結晶格子のゆらぎや転位、空位の欠陥が存在するた
め、界面を節の位置に設計することが理想的である。
On the substrate 71, n-type distributed reflectors 72, n
Type Al 0.45 Ga 0.55 As clad layer (first clad layer)
An active layer 74 is formed via 73. This active layer 74
Is advantageous in that it is thicker in order to repeat the feedback in the thickness direction to increase the gain, but in the sixth embodiment, the active layer thickness of the optical amplifier is also common, and is thicker than the thickness for controlling these fundamental modes. It becomes 0.5 μm or less. For example, if the active layer has a thickness of 0.5 μm, the center of the active layer is the antinode of the standing wave in the surface emitting laser. Standing wave belly and node is λ
Present in the resonator direction at intervals of 0 / 4n e. In order to reduce the threshold current of surface-emitting lasers, crystal lattice fluctuations, dislocations, and vacancy defects are present at the interfaces of different layers, so it is ideal to design the interfaces at node positions. .

【0063】前記活性層74上には、p型Al0.45Ga
0.55Asクラッド層(第2クラッド層)75を介してp型
分布反射層76が形成されている。このp型分布反射層76
は、光増幅器表面に電極を形成する目的より、酸化に比
較的強いIn0.49Ga0.51P層77を最初とするAl0.6
Ga0.4 Asとのλ/4ne の25周期で、反射率は9
5%程度となる。面発光レーザをしきい値電流の下
(0.98%程度)にバイアスをかけておき、発振波長
と同じ波長をパルス状に光増幅器を介して面発光レーザ
に入力して、レーザ発振が生じる。この時、モニター側
への入力信号を受けて、光増幅器の電流I3 をOFFと
すれば、入力光は光増幅器内で吸収されて、面発光レー
ザへ入力光はカップリングされない。再び、I3 を流す
と、最初の状態に戻る。この関係は、図2(A)の動作
と一致する。
On the active layer 74, p-type Al 0.45 Ga is formed.
A p-type distributed reflection layer 76 is formed via a 0.55 As clad layer (second clad layer) 75. This p-type distributed reflection layer 76
Is an Al 0.6 having an In 0.49 Ga 0.51 P layer 77, which is relatively strong against oxidation, for the purpose of forming an electrode on the surface of the optical amplifier.
25 cycles of lambda / 4n e with Ga 0.4 As, reflectivity 9
It will be about 5%. The surface-emitting laser is biased under a threshold current (about 0.98%), and the same wavelength as the oscillation wavelength is input to the surface-emitting laser via an optical amplifier in a pulse shape, and laser oscillation occurs. . At this time, if the current I 3 of the optical amplifier is turned off in response to the input signal to the monitor side, the input light is absorbed in the optical amplifier and the input light is not coupled to the surface emitting laser. When I 3 flows again, the state returns to the initial state. This relationship matches the operation of FIG.

【0064】上記実施例6の場合には、入力光がなくて
も、光増幅器の電流を変化させると、最初低電流では、
面発光レーザに比べて短波長領域でスペクトルが得ら
れ、これは、面発光レーザの活性層内に吸収されて、キ
ャリアを生成し、動作電流を増加したことに相当するた
めに、前述の理由で、面発光レーザをしきい値電流の
0.98倍程度にすれば、光増幅器のバイアスパルス電
流に応じてレーザ発振して、外部パルス変調回路とな
る。
In the case of the sixth embodiment, when the current of the optical amplifier is changed without input light, the initial low current
The spectrum is obtained in the short wavelength region as compared with the surface emitting laser, which is equivalent to the fact that it is absorbed in the active layer of the surface emitting laser to generate carriers and increase the operating current. Then, if the surface emitting laser is set to about 0.98 times the threshold current, laser oscillation is performed according to the bias pulse current of the optical amplifier, and the external pulse modulation circuit is formed.

【0065】さて、分布反射器では、バンドギャップの
大きく異なる,活性層よりもバンドギャップの広い半導
体層を20〜30周期λ/4ne 間隔で形成するため、
この領域を流れる電流は、ヘテロバリアを越えて流れる
ため、素子抵抗が通常の半導体レーザの10Ω程度に比
べ、500〜1KΩと大きくなり、発熱を抑制すること
が重要となると共に、注入電流が増大するため、発振波
長が通常の半導体レーザに比べ、長波長発振となる。
[0065] Now, in the distributed reflector, different bandgap greater, to form a wide semiconductor layer band gap at 20-30 cycles lambda / 4n e intervals than the active layer,
Since the current flowing through this region flows over the hetero barrier, the device resistance becomes as large as 500 to 1 KΩ as compared with about 10Ω of a normal semiconductor laser, and it is important to suppress heat generation and the injection current increases. Therefore, the oscillation wavelength is longer than that of a normal semiconductor laser.

【0066】(実施例7)図8を参照する。この実施例
7では、光増幅器A,Bのn側電極81を分布反射器を介
して裏面よりとると、バイアス電圧が高くなるため、図
8に示すように、ストライプ部分を除いてn型のIn
0.49Ga0.51Pクラッド層の表面まで少なくとも活性層
を除去して、n側電極81を形成し、光増幅器の素子抵抗
を下げる。面発光レーザについても、前記クラッド層上
でn側電極を形成した方が素子抵抗が下がるが、電極間
は低反射膜28により分離されているのみで、特に動作電
流が大きいため、リーク電流の抑制を考慮する必要があ
り、裏面とする。分布反射器については、n側の部分は
電子の易移度が大きいため、それ程素子抵抗が上昇する
とは考えられず、むしろp側の分布反射器部分はホール
の易移度が小さいため、素子抵抗が上昇する。そこで、
面発光レーザのリングメササイドのp側Al0.45Ga
0.55Asクラッド層75及び分布反射器の第1層部分のp
型InGaP層77より電流注入される。面発光レーザの
動作電流を下げるためには、(1) 素子抵抗を下げる、
(2) リーク電流を低下する、(3) 利得係数を増大させる
等がある。
(Embodiment 7) Referring to FIG. In the seventh embodiment, when the n-side electrode 81 of the optical amplifiers A and B is taken from the back surface via the distributed reflector, the bias voltage becomes high. Therefore, as shown in FIG. In
At least the active layer is removed to the surface of the 0.49 Ga 0.51 P clad layer to form the n-side electrode 81, and the device resistance of the optical amplifier is lowered. Also in the surface emitting laser, the device resistance is lower when the n-side electrode is formed on the clad layer, but since the electrodes are only separated by the low reflection film 28, and the operating current is particularly large, the leakage current It is necessary to consider suppression, and it is on the back side. Regarding the distributed reflector, since the electron mobility is large in the n-side portion, it is unlikely that the element resistance will increase so much, and rather, in the p-side distributed reflector portion, the hole mobility is small, so Resistance increases. Therefore,
P-side Al 0.45 Ga of ring mesa side of surface emitting laser
0.55 As clad layer 75 and p of the first layer portion of the distributed reflector
A current is injected from the type InGaP layer 77. To reduce the operating current of the surface emitting laser, (1) lower the element resistance,
(2) Leakage current is reduced, (3) Gain coefficient is increased, etc.

【0067】(実施例8)図9を参照する。活性層の利
得係数を増大させるには、多重量子井戸構造を導入させ
ることが、一般的である。光増幅器A,Bにおいても、
端面反射率Rを極力零に近づけると、導波路内一度通過
する時に得る利得Gc を極力増大させる必要がある。し
かしながら、多重量子井戸数を増加させると各々の井戸
内のキャリア密度が不均一となり、スペクトルの広がり
が大きくなる。再発光レーザでは、共振器長により、レ
ーザ発振スペクトルが定まってしまうので、スペクトル
幅を広げることは極力抑制する必要がある。そこで、量
子井戸バリア量をPドープした変調ドープ多重量子井戸
構造とする。また、光増幅器の活性層について、単量子
井戸当りの注入電流に対して、利得飽和する電流密度が
存在するため、基底準位間発光で基本モード制御してい
る観点より、単量子井戸当りの光閉じ込め係数を3%以
下で、活性層全体として、光閉じ込め係数を50%以上
の多重度でかつ水平横方向,水平方向のモードを基本モ
ードとする必要がある。例えば、GaAs量子井戸幅1
0nm,量子井戸バリアAl0.3 Ga0.7 Asを5nm(P
ドープ,不純物濃度7×1017cm-3)で10周期とす
る。この条件で面発光レーザの活性層を観ると、活性層
厚0.15μmで、活性層として厚いわけではない。そ
こで、リーク電流を極力低下させて、活性領域に効率的
に電流注入する工夫が必要である。
(Embodiment 8) Referring to FIG. In order to increase the gain coefficient of the active layer, it is common to introduce a multiple quantum well structure. Also in the optical amplifiers A and B,
When the end face reflectance R is made as close to zero as possible, it is necessary to increase the gain Gc obtained when the light passes through the waveguide once. However, if the number of multiple quantum wells is increased, the carrier density in each well becomes non-uniform and the spread of the spectrum becomes large. In the re-emission laser, since the laser oscillation spectrum is determined by the cavity length, it is necessary to suppress widening of the spectrum width as much as possible. Therefore, a modulation-doped multiple quantum well structure in which the quantum well barrier amount is P-doped is used. In addition, in the active layer of the optical amplifier, since there is a current density at which gain saturation occurs with respect to the injection current per single quantum well, from the viewpoint of controlling the fundamental mode by light emission between the ground levels, It is necessary that the light confinement coefficient is 3% or less, the light confinement coefficient of the entire active layer is 50% or more, and the horizontal and horizontal modes are the basic modes. For example, GaAs quantum well width 1
0 nm, quantum well barrier Al 0.3 Ga 0.7 As 5 nm (P
Dope with an impurity concentration of 7 × 10 17 cm −3 ) and 10 cycles. When the active layer of the surface emitting laser is viewed under this condition, the active layer thickness is 0.15 μm, which is not a thick active layer. Therefore, it is necessary to reduce the leak current as much as possible and efficiently inject the current into the active region.

【0068】図9に示すように面発光レーザのメサの底
部にGa+ イオン注入(ドーズ量4×1014cm-2)し、
多重量子井戸構造の活性層91とする。p側Ga+ イオン
注入領域はアニールによって抵抗は最初の値に戻るが、
n側Ga+ イオン注入領域は3〜4桁抵抗が上昇した状
態が保たれる(この領域は、電流非注入領域となる)。
なお、図中の92はGa+ イオン注入領域を示す。
As shown in FIG. 9, Ga + ion implantation (dose amount 4 × 10 14 cm -2 ) is performed at the bottom of the mesa of the surface emitting laser,
The active layer 91 has a multiple quantum well structure. The resistance of the p-side Ga + ion-implanted region returns to the initial value by annealing,
In the n-side Ga + ion-implanted region, the state where the resistance is increased by 3 to 4 digits is maintained (this region becomes the current non-implanted region).
In the figure, 92 indicates a Ga + ion implantation region.

【0069】この際、活性層は、無秩序化されてバンド
ギャップが広がり、面発光のビームの横方向への広がり
を抑制できる。また、光増幅器A,Bにおいてもストラ
イプ端面近傍に同様のGa+ イオン注入を行なうことに
より、端面が電流非注入領域となり、かつ、バンドギャ
ップが広がる、いわゆるウィンドウ領域となる。外部か
らの光入力光に対して、吸収係数が小さく抑えられると
共に、面発光レーザのカップリング効率は上昇する。
At this time, the active layer is disordered to widen the band gap, and the lateral spread of the surface emission beam can be suppressed. Further, also in the optical amplifiers A and B, the same Ga + ion implantation is performed in the vicinity of the end face of the stripe, so that the end face becomes a current non-injection region and a so-called window region in which the band gap is widened. With respect to the light input from the outside, the absorption coefficient is suppressed to be small, and the coupling efficiency of the surface emitting laser is increased.

【0070】(実施例9)図10を参照する。この実施
例9は図9の変形例で、2つの活性領域101 ,102 を形
成し、2つの間の領域を調節して、活性層の中心が定在
波の腹の位置になる時にレーザ発振するが、予め2つ間
の距離を波長換算で数十分の一nm〜数nm分離してお
き、光増幅器で光入力することにより、媒質の屈折率が
キャリア変動により変化して腹の位置となり、レーザの
下方活性層内で吸収されてキャリアを発生させ、これに
伴って伝播モードの波長がシフトしてレーザ発振する。
また、入力波長とレーザ発振波長が一致した場合には、
入力波により活性層及び周囲のクラッド層の実効屈折率
が変化し、レーザ発振となる。しかし、面発光レーザの
バイアス電流及び温度制御はペルチェ素子で制御する必
要がある。一方、入力光(信号光)が長波長の場合に
は、光増幅器で増幅された後、面発光レーザの下部活性
層内を伝播する間にモード変換が生じて、レーザ発振が
生じる。
(Embodiment 9) Referring to FIG. The ninth embodiment is a modification of FIG. 9, in which two active regions 101 and 102 are formed and the region between the two is adjusted so that laser oscillation occurs when the center of the active layer is at the antinode of the standing wave. However, when the distance between the two is separated in advance by several tens of nm to several nm in terms of wavelength and the light is input by the optical amplifier, the refractive index of the medium changes due to carrier fluctuation, and the position of the antinode is changed. Then, the laser is absorbed in the lower active layer of the laser to generate carriers, and the wavelength of the propagation mode shifts accordingly and laser oscillation occurs.
If the input wavelength and the laser oscillation wavelength match,
The input wave changes the effective refractive index of the active layer and the surrounding clad layer, resulting in laser oscillation. However, the bias current and temperature control of the surface emitting laser must be controlled by the Peltier device. On the other hand, when the input light (signal light) has a long wavelength, after being amplified by the optical amplifier, mode conversion occurs while propagating in the lower active layer of the surface emitting laser, and laser oscillation occurs.

【0071】次に、タンデム型半導体レーザ及び光増幅
器の素子長を100μm以下とし、光結合領域がストラ
イプ幅より広く、10μm以下とすることにより、光極
短パルス光の発生が可能となる。
Next, by setting the element length of the tandem semiconductor laser and the optical amplifier to 100 μm or less and making the optical coupling region wider than the stripe width and 10 μm or less, it is possible to generate an optical very short pulsed light.

【0072】(実施例10)図11を参照する。タンデ
ム型半導体レーザの利得領域LD1 の素子長を50μ
m,光結合領域29を5μm,光吸収領域LD2 の素子長
を30μmとし、n型のIn0.49Ga0.51P電流ブロッ
ク層26を0.5μm厚のメサ状ストライプレーザとす
る。また、光増幅器の入力側Aの素子長は100μmと
し、構造はタンデム型半導体レーザと同一とし、端面の
反射率は極力小さくしてある。更に、ドライエッチング
で残った両サイドはタミーとし、光の遮蔽及び光の導波
(ガイド)として、入力信号光の結合を容易にしてい
る。
(Embodiment 10) Referring to FIG. The device length of the gain region LD 1 of the tandem semiconductor laser is 50 μm.
m, the optical coupling region 29 is 5 μm, the device length of the light absorption region LD 2 is 30 μm, and the n-type In 0.49 Ga 0.51 P current blocking layer 26 is a mesa stripe laser having a thickness of 0.5 μm. The element length on the input side A of the optical amplifier is 100 μm, the structure is the same as that of the tandem type semiconductor laser, and the reflectance of the end face is as small as possible. Further, both sides left by the dry etching are made to be tammy to facilitate the coupling of the input signal light as a light shield and a light guide (guide).

【0073】活性層は、量子井戸幅10nmのGaAs
と量子バリアAl0.3 Ga0.7 As5nmの2周期の二
重量子井戸構造とし、上下にAl0.3 Ga0.7 As30
nmの光導波路層を有するMQW−SCH(Multi qua
ntum Well Separated Confinement Heterostruc
ture)構造である。
The active layer is GaAs with a quantum well width of 10 nm.
And a quantum barrier of Al 0.3 Ga 0.7 As 5 nm with a double quantum well structure of 2 periods, and Al 0.3 Ga 0.7 As30 on the upper and lower sides.
nm-SCH (Multi qua) having an optical waveguide layer of nm
ntum Well Separated Confinement Heterostruc
ture) structure.

【0074】また、光吸収領域LD2 のバイアス電圧を
変えると、Stark効果により、吸収係数が1桁から2桁
変化する。例えば、電圧を1Vかけると、吸収領域の係
数は1000〜3000cm-1であるのに対して、−1V
かけると、10000〜15000cm-1と変化する。そ
こで、利得領域のLD1 の電流をしきい値電流の1.0
〜1.2倍程度(Vb =0に対して)にバイアスしてお
き、100MHz から3GHzまで、光変調された光パ
ルスを光アンプAで増幅して、光結合領域でタンデム型
LDと結合させると、吸収領域LD2 が無バイアス時に
おいても、吸収係数が変化して極短パルスが発生する。
この際、パルス幅はLD2 のバイアス電圧を変えること
により可変となる。しかしながら、自励発振が生じるバ
イアス電圧が存在するので、その領域は予め除外する。
この方法により、数十pS程度のパルスが実現できる。
When the bias voltage of the light absorption region LD 2 is changed, the absorption coefficient changes from one digit to two digits due to the Stark effect. For example, when a voltage of 1 V is applied, the coefficient of the absorption region is 1000 to 3000 cm -1 , whereas -1 V
When applied, it changes from 10,000 to 15,000 cm -1 . Therefore, the LD 1 current in the gain region is set to 1.0 of the threshold current.
Biased to about 1.2 times (with respect to Vb = 0), the light pulse modulated from 100 MHz to 3 GHz is amplified by the optical amplifier A, and is coupled with the tandem LD in the optical coupling region. Then, even when the absorption region LD 2 is not biased, the absorption coefficient changes and an extremely short pulse is generated.
At this time, the pulse width can be changed by changing the bias voltage of LD 2 . However, since there is a bias voltage that causes self-sustained pulsation, that region is excluded in advance.
With this method, a pulse of about several tens pS can be realized.

【0075】また、利得領域LD1 をしきい値電流(V
b =0の時)前後にバイアスし、高周波パルスを100
MHz〜1GHzを重畳し、吸収領域LD2 を0から逆
バイアス数10mVをかけて、光増幅器より光スイッチ
ングパルスを入力させ、利得スイッチングによる光短パ
ルスを発生させることも可能である。
In addition, the gain region LD 1 is set to the threshold current (V
(when b = 0) Biasing back and forth, high frequency pulse 100
It is also possible to superimpose MHz to 1 GHz, apply a reverse bias number of 10 mV to the absorption region LD 2 and input an optical switching pulse from an optical amplifier to generate a short optical pulse by gain switching.

【0076】(実施例11)図12を参照する。この実
施例11は、光増幅器(SLD)へ入力する光も集積化し
た、多波長集積型光論理素子の例を示す。各々の素子
は、ドライエッチングで少なくとも基板に到るまでエッ
チングし、端面は低反射コートをするか,又は5゜傾斜
の光増幅器で構成する。半導体レーザの構造は多重量子
井戸構造活性層で、この活性層を光ガイド層で包んだ、
いわゆる分離閉じ込めヘテロ構造である。
(Embodiment 11) Referring to FIG. The eleventh embodiment shows an example of a multi-wavelength integrated optical logic device in which light input to an optical amplifier (SLD) is also integrated. Each element is dry-etched at least until it reaches the substrate, and the end face is coated with a low-reflection coating or is composed of an optical amplifier inclined at 5 °. The structure of the semiconductor laser is a multiple quantum well structure active layer, and this active layer is wrapped with an optical guide layer,
This is a so-called separate confinement heterostructure.

【0077】水平横方向のモード制御は実屈折率導波型
であり、タンデム型半導体レーザとの結合面及びモニタ
側の対向面は、発振波長及び入力信号に対して吸収され
ないバンドギャップの広いAlを含まない半導体層より
形成されている(例えば、In0.49Ga0.51As層)。
多波長にする方法は、多重量子井戸レーザの場合、井戸
数が1又は2であれば、共振器長を短くすることによ
り、波長は10nm程度短波長となる。特に、単量子井
戸レーザでは第2準位発振となる。
The horizontal / horizontal mode control is of the real refractive index guided type, and the coupling surface with the tandem semiconductor laser and the opposing surface on the monitor side are made of Al having a wide bandgap that is not absorbed by the oscillation wavelength and the input signal. Is formed of a semiconductor layer not containing (for example, an In 0.49 Ga 0.51 As layer).
In the case of a multi-quantum well laser, if the number of wells is 1 or 2, the wavelength can be shortened by about 10 nm by shortening the cavity length. Especially, in the single quantum well laser, the second level oscillation occurs.

【0078】光増幅器の増幅度を大きくとるには、伝播
中の利得Gsを大きくする点より量子井戸数を増加させ
る必要がある。しかし、逆に半導体レーザ,LD4 ,L
の共振器長を極短に変える必要が生じる。例えば、
100μmと800μmの様に工夫する必要がある。光
増幅器は、スペクトルの広がりが5nm程度ある為、入
力したレーザ光が増幅されないことはない。
In order to increase the amplification degree of the optical amplifier, it is necessary to increase the number of quantum wells from the point of increasing the gain Gs during propagation. However, on the contrary, semiconductor lasers, LD 4 , L
It is necessary to change the resonator length of D 5 to be extremely short. For example,
It is necessary to devise such as 100 μm and 800 μm. Since the spectrum of the optical amplifier has a spread of about 5 nm, the input laser light is not amplified.

【0079】光入力光をタンデム型半導体レーザにパル
ス状に入力させて、スイッチング特性や論理回路を時間
列で多波長より多重化が可能とある。光軸合わせの点で
も、本発明は集積化が可能で有力な手段となる。
It is possible to multiplex the switching characteristics and the logic circuit from multiple wavelengths in a time sequence by inputting light input light into the tandem type semiconductor laser in a pulse form. Also in terms of optical axis alignment, the present invention can be integrated and is a powerful means.

【0080】上記実施例では、GaAs系を中心に述べ
ているが、GaInAsP/InP系、AlGaInP
/GaAs系、さらにはII−VI族の半導体レーザにも
適用可能である。
In the above-mentioned embodiment, the description is centered on the GaAs system, but GaInAsP / InP system, AlGaInP system.
It is also applicable to the / GaAs type and further to II-VI group semiconductor lasers.

【0081】また、本発明の構造をアレーにすることに
より、多波長時分割論理素子、更に、チップ間に本発明
の構造を形成することにより、データ伝送が可能な光イ
ンターコネクション素子としても利用可能である。
Further, by using the structure of the present invention as an array, a multi-wavelength time division logic element is formed, and by forming the structure of the present invention between chips, it is also used as an optical interconnection element capable of data transmission. It is possible.

【0082】[0082]

【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
外部より入力させる光の波長及びそのパワーの大きさ,
更に光増幅器の電圧(電流)を変えることにより、入力
光の増幅率が非線形に変わる。これをタンデム型半導体
レーザに入力させることにより、数nSの高速応答に対
する安定した双安定論理回路が実現できる。
As described above in detail, according to the present invention,
The wavelength of light input from the outside and the magnitude of its power,
Further, by changing the voltage (current) of the optical amplifier, the amplification factor of the input light changes non-linearly. By inputting this to a tandem type semiconductor laser, a stable bistable logic circuit for a high-speed response of several nS can be realized.

【0083】タンデム型半導体レーザ及び光増幅器の素
子長を更に短かくし、光増幅器の出射端面の反射率を零
に近づけることにより、さらなる高速応答及び数pSの
極短パルス動作が可能となる。
By further shortening the element lengths of the tandem semiconductor laser and the optical amplifier and making the reflectance of the emission end face of the optical amplifier close to zero, it is possible to realize a further high-speed response and an extremely short pulse operation of several pS.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明の実施例1に係る光半導体論理素子の
概略斜視図。
FIG. 1 is a schematic perspective view of an optical semiconductor logic device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】図1の光半導体論理素子の動作の特性図。FIG. 2 is a characteristic diagram of an operation of the optical semiconductor logic device of FIG.

【図3】この発明の実施例2に係る光半導体論理素子の
概略斜視図。
FIG. 3 is a schematic perspective view of an optical semiconductor logic device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】この発明の実施例3に係る光半導体論理素子の
概略斜視図。
FIG. 4 is a schematic perspective view of an optical semiconductor logic device according to Example 3 of the present invention.

【図5】この発明の実施例4に係る光半導体論理素子の
概略斜視図。
FIG. 5 is a schematic perspective view of an optical semiconductor logic device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図6】この発明の実施例5に係る光半導体論理素子の
概略斜視図。
FIG. 6 is a schematic perspective view of an optical semiconductor logic device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図7】この発明の実施例6に係る光半導体論理素子の
概略斜視図。
FIG. 7 is a schematic perspective view of an optical semiconductor logic device according to Embodiment 6 of the present invention.

【図8】この発明の実施例7に係る光半導体論理素子の
概略斜視図。
FIG. 8 is a schematic perspective view of an optical semiconductor logic device according to a seventh embodiment of the present invention.

【図9】この発明の実施例8に係る光半導体論理素子の
概略斜視図。
FIG. 9 is a schematic perspective view of an optical semiconductor logic device according to Example 8 of the present invention.

【図10】この発明の実施例9に係る光半導体論理素子
の概略斜視図。
FIG. 10 is a schematic perspective view of an optical semiconductor logic device according to Example 9 of the present invention.

【図11】この発明の実施例10に係る光半導体論理素
子の概略斜視図。
FIG. 11 is a schematic perspective view of an optical semiconductor logic device according to Embodiment 10 of the present invention.

【図12】この発明の実施例11に係る光半導体論理素
子の概略斜視図。
FIG. 12 is a schematic perspective view of an optical semiconductor logic device according to Embodiment 11 of the present invention.

【図13】タンデム型半導体レーザの説明図。FIG. 13 is an explanatory diagram of a tandem semiconductor laser.

【図14】利得吸収係数とキャリア密度の関係を示す特
性図。
FIG. 14 is a characteristic diagram showing a relationship between a gain absorption coefficient and a carrier density.

【図15】タンデム電極型レーザの双安定性の原理説明
図。
FIG. 15 is an explanatory diagram of the principle of bistability of a tandem electrode type laser.

【図16】タンデム電極型レーザにおける光出力対注入
電流特性図。
FIG. 16 is a characteristic diagram of light output versus injection current in a tandem electrode laser.

【図17】タンデム電極型レーザにおける光出力光入力
特性図。
FIG. 17 is a light output light input characteristic diagram of the tandem electrode laser.

【図18】半導体レーザ増幅器による双安定の実験例の
説明図。
FIG. 18 is an explanatory diagram of an experimental example of bistable with a semiconductor laser amplifier.

【図19】半導体レーザ増幅器による双安定動作の入,
出力特性の理論値の一例を示す説明図。
FIG. 19 is a diagram showing a case where a bistable operation by a semiconductor laser amplifier is turned on.
Explanatory drawing which shows an example of the theoretical value of an output characteristic.

【符号の説明】 21,71…GaAs基板、 22,73…第1クラッド層、
23,74,91…活性層、24,75…第2クラッド層、25…キ
ャップ層、26…第1電流ブロック層、27…p側電極、
28…低反射膜、29…電流非注入領域、 30
…第2電流ブロック層、 31,81…n側電極、72…n型
分布反射器、 92…Ga+ イオン注入領域。
[Explanation of symbols] 21, 71 ... GaAs substrate, 22, 73 ... first clad layer,
23, 74, 91 ... Active layer, 24, 75 ... Second cladding layer, 25 ... Cap layer, 26 ... First current blocking layer, 27 ... P-side electrode,
28 ... Low reflection film, 29 ... Current non-injection region, 30
... second current blocking layer, 31, 81 ... n-side electrode, 72 ... n-type distributed reflector, 92 ... Ga + ion implantation region.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基本モード制御された、電気的に分離
されかつ利得領域と吸収領域の電極が半導体レーザから
なる光双安定素子と、この分離部分の直下の導波路領域
に共振器方向に対して直交方向でかつレーザの接合面に
対して平行な方向から、光双安定素子の発振波長に対し
て+5nm〜−10nmの範囲内の光を注入する手段と
によってスイッチング,論理動作させる構成にしたこと
を特徴とする光半導体論理素子。
1. An optical bistable element, which is fundamentally mode-controlled and is electrically separated and whose electrodes in a gain region and an absorption region are made of a semiconductor laser, and a waveguide region immediately below the separated portion with respect to a resonator direction. And a means for injecting light within a range of +5 nm to -10 nm with respect to the oscillation wavelength of the optical bistable element from a direction orthogonal to the laser beam and a direction parallel to the laser junction surface, thereby performing a logical operation. An optical semiconductor logic device characterized by the above.
JP21410393A 1993-08-30 1993-08-30 Optical semiconductor logic element Withdrawn JPH0764139A (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007011106A (en) * 2005-07-01 2007-01-18 Yokogawa Electric Corp Light waveform shaping element

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