JPH09191157A

JPH09191157A - 偏波変調半導体レーザとその作製方法

Info

Publication number: JPH09191157A
Application number: JP8020529A
Authority: JP
Inventors: Natsuhiko Mizutani; 夏彦水谷
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-01-11
Filing date: 1996-01-11
Publication date: 1997-07-22

Abstract

(57)【要約】【課題】ホールバーニング効果による共振器内の屈折率
の空間的変動を打ち消す構造を有する偏波変調半導体レ
ーザである。【解決手段】分布帰還型半導体レーザであって、独立に
電流注入可能な複数の光導波路部分１１１、１１２を直
列に結合した構造を有する。第１の光導波路部分１１１
と第２の光導波路部分１１２において、偏波面の異なる
２つの偏波モードに対する導波路の伝搬定数差が異なっ
ている。第１の光導波路部分１１１と第２の光導波路部
分１１２を全領域としてその中央部１１９、１２０と両
端部１１８、１２１の間で、上下の少なくとも一方の光
ガイド層厚がわずかに異なっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発振偏波モードの
スイッチング可能な偏波変調半導体レーザ及びその作製
方法等に関する。

【０００２】

【従来の技術】偏波スイッチング可能な動的単一モード
（ＤｙｎａｍｉｃＳｉｎｇｌｅＭｏｄｅ）半導体レ
ーザとして、分布帰還型半導体レーザを基本とした幾つ
かの構造が提案されている。

【０００３】１つの例には、２つの分布帰還（ＤＦＢ）
領域にλ／４シフト部を有し、ＴＥ／ＴＭのゲインビー
ク波長をそれぞれの分布帰還（ＤＦＢ）領域のブラッグ
波長に設定した偏波変調半導体レーザ構造について記載
されている。

【０００４】また、別の例においては、ＴＥ／ＴＭモー
ド間の伝播定数差の異なる２つの部分を有する偏波変調
半導体レーザ構造が記載されている。

【０００５】上記第１の例における分布帰還型半導体レ
ーザは、半導体レーザの共振器方向に、異なる特性を有
する２つの分布帰還部を有し、該分布帰還部のそれぞれ
に位相シフト部が設けられ、該２つの分布帰還部におい
てそれぞれＴＥモードおよびＴＭモードのゲインスペク
トルのピークにＴＥモードおよびＴＭモードのブラッグ
波長が一致するように設定されているというものであ
る。例えば、量子井戸構造の活性層を有する分布帰還型
半導体レーザにおいて、ＴＥモードのブラッグ波長を量
子井戸の重い正孔と電子の遷移波長である１．５８μｍ
に設定し、ＴＭモードのブラッグ波長を量子井戸の軽い
正孔と電子の遷移波長である１．５６μｍに設定した例
について記載されている。そして、ＴＭモードのゲイン
ピークに対応するグレーティングの結合係数を大きくす
ることで、モード競合を実現する。結合係数を調整する
方法の例としては、グレーティングの凹凸深さを大きく
する方法などが示されている。この例では、例えば、両
分布帰還部を適当な電流でバイアスした状態で、一方の
分布帰還部に変調電流を加えることで発振モードをスイ
ッチングするものである。

【０００６】また、上記別の例の分布帰還型半導体レー
ザは、偏波面の異なる２つの偏波モードでの発振を可能
にする光源であって、共振器方向に２つ以上の電極を有
し、該電極に独立な電流注入を可能とする構造を有し、
該電極の下の第１の光導波路部分と第２の光導波路部分
がレ―ザの共振器を構成する一部あるいは全部であっ
て、該第１の光導波路部分と第２の光導波路部分の間に
おいて、偏波面の異なる２つの偏波モードに対する導波
路の伝播定数差が異なっていることを特徴とするもので
ある。そして、異なる偏波モードに対する導波路の伝播
定数差を相互に異なるものにするために、基板面内の横
方向の光閉じ込めの幅等が両光導波路間で異なっている
というものである。この例では、例えば、両光導波路部
分に不均一な電流注入をすることで、両光導波路部分の
一方の偏波モードのブラッグ波長が一致する状態と他方
の偏波モードのブラッグ波長が一致する状態とを択一的
に選択して発振モードをスイッチングするものである。

【０００７】

【発明が解決しようとしている課題】しかし、上記第１
の例の偏波変調レーザにおいては、λ／４シフトの導入
によってストップバンド両端でのモード競合を抑止でき
るものの、競合するＴＥ／ＴＭモード間の光強度分布が
おのおののモードに対応した２つのλ／４シフト部近傍
に集中しており、モードスイッチング時に光強度分布が
比較的大きく切り替わるという現象があった。このた
め、ホールバーニング効果に起因して高速変調時等に線
幅増大があり、偏波変調レーザの本来の性能である低チ
ャープ特性を極限まで引き出すことは困難である。

【０００８】また、上記第２の例の偏波変調レーザにお
いては、λ／４シフトがなければ共振器内の光強度分布
は端面の位相によって規定され、ＴＥ／ＴＭモード間で
光強度分布が一致するとは限らなかった。この場合は、
上記第１の例と同様、ホールバー二ング効果から線幅増
大が生じる。また、端面位相の素子ごとのばらつきが、
デバイス特性のばらつきに大きく影響していた。また、
２つの共振器部分の境界にλ／４シフトを導入した場合
も、シフト部に集中する光分布によって生じるホールバ
ーニング効果があり、変調バイアス電流や変調電流の増
大を招いていた。

【０００９】従って、本出願に係る第１の発明の目的
は、ホールバーニング効果による共振器内の屈折率の空
間的変動を打ち消す構造を有する偏波変調半導体レーザ
装置を提供し、変調バイアス電流や変調電流を小さくす
ることである（請求項１、２に対応）。

【００１０】また、本出願に係る第２の発明の目的は、
製造工程を簡略化できる上記偏波変調半導体レーザ装置
を提供することである（請求項３に対応）。

【００１１】また、本出願に係る第３の発明の目的は、
さらに共振器内の光強度分布を規定する構造を有する偏
波変調半導体レーザ装置を提供することである（請求項
４に対応）。

【００１２】また、本出願に係る第４の発明の目的は、
ホールバーニング効果による共振器内の屈折率の空間的
変動を効果的に抑止する構造を提供することである（請
求項５に対応）。

【００１３】また、本出願に係る第５の発明の目的は、
製造工程をさらに簡略化できる上記偏波変調半導体レー
ザ装置を提供することである（請求項６、７に対応）。

【００１４】また、本出願に係る第６の発明の目的は、
上記偏波変調半導体レーザ装置の製造工程を簡略化でき
る上記偏波変調半導体レーザ装置の作製方法を提供する
ことである（請求項８に対応）。

【００１５】また、本出願に係る第７の発明の目的は、
上記偏波変調半導体レーザ装置の簡単な駆動方法を提供
することである（請求項９に対応）。

【００１６】また、本出願に係る第８の発明の目的は、
上記構造の半導体レーザを有する光源装置を提供するこ
とである（請求項１０に対応）。

【００１７】また、本出願に係る第９の発明の目的は、
上記構造の半導体レーザを有する光通信システムを提供
することである（請求項１１に対応）。

【００１８】また、本出願に係る第１０の発明の目的
は、上記構造の半導体レーザを用いた光通信方法を提供
することである（請求項１２に対応）。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
本出願に係る第１の発明は、分布帰還型半導体レーザで
あって独立に電流注入可能な複数の光導波路部分を直列
に結合した構造を有し、該第１の光導波路部分と第２の
光導波路部分において偏波面の異なる２つの偏波モード
に対する導波路の伝搬定数差が異なっていて、第１の光
導波路部分と第２の光導波路部分を全領域としてその中
央部と端部の間で、上下の少なくとも一方の光ガイド層
厚がわずかに異なっていることを特徴とする。また、第
１の導波路部分と第２の導波路部分はそれぞれがさらに
２つの部分からなっていて、２つの部分ではそれぞれ光
ガイド層厚がわずかに異なっていて、第１の光導波路部
分で光ガイド層が厚い部分、第１の光導波路部分で光ガ
イド層が薄い部分、第２の光導波路部分で光ガイド層が
薄い部分、第２の光導波路部分で光ガイド層が厚い部
分、をこの順に共振方向に配列していることを特徴とす
る。

【００２０】より具体的には、光共振器内で光強度分布
が比較的強くなる共振器の中央部付近で光ガイド層の厚
さを薄くし、端面近くで光ガイド層厚を厚くしている。
また、上記第１の光導波路部分と第２の光導波路部分で
は、例えば、基板面内の横方向の光閉じ込めの幅が異な
っていることで異なる偏波モードに対する導波路の伝播
定数差を相互に異なるものとしている。

【００２１】各電極に電流注入してＤＣ駆動ないし変調
した状態で、光強度の強い共振器中央部ではホールバー
ニング効果によってキャリア密度が小さくなる。よっ
て、均一な共振器構造の場合には有効屈折率は共振器中
央部で大きめとなる。第１の発明において、光ガイド層
が薄いことは、共振器中央部での作りつけの屈折率を小
さめのものとしてホールバーニング効果による屈折率分
布を打ち消すものである。これにより、各偏波モード
で、より安定な単一軸モード発振が可能となる、変調バ
イアス電流や変調電流の低減を図れる等の効果が達成さ
れる。

【００２２】また、本出願に係る第２の発明は、該第１
の光導波路部分と該第２の光導波路部分で回折格子のピ
ッチが均一に形成されていることを特徴としている。こ
れにより、素子作製時に干渉露光法によって回折格子と
する凹凸を形成する工程が１回でよく、余分な工程を追
加する必要がない。

【００２３】また、本出願に係る第３の発明は、上記光
導波路部分の回折格子に１つまたは複数の位相シフト部
を有することを特徴としているものである。この位相シ
フトは、ブラッグ波長の光に対して位相整合条件を満た
し、共振器内でブラッグ波長光を位相シフト部近傍に閉
じ込めるものである。よって、共振器内の光強度分布を
規定することができる。

【００２４】また、本出願に係る第４の発明は、上記位
相シフトが該第１または第２の光導波路部分の光ガイド
層厚の薄い部分に形成されていることを特徴とする。こ
れにより、共振器内の光強度分布の強い部分と作りつけ
の屈折率の小さい部分とを、より良くー致させ、ホール
バーニング効果のデバイス特性への影響を、より良好に
抑止するものである。

【００２５】また、本出願に係る第５の発明は、上記位
相シフトが該第１または第２の光導波路部分の光ガイド
層厚の異なる段差部分に形成されていることを特徴とす
る。共振器内の光強度分布の強い部分と作りつけの屈折
率の小さい部分とを、よりー致させ、ホールバーニング
効果のデバイス特性への影警を抑止するものである。

【００２６】また、特に、位相シフトの形成法として、
以下の方法を用いたときに位相シフトと段差の形成が同
時に行なえる。すなわち、均一に作製された回折格子の
一部領域をレジストで覆い、アッシングしてレジストを
回折格子の凹部にのみ残し、全体をエッチングすること
によって、凹部にレジストの残った領域は凹凸が反転す
るというものである。このとき同時に位相シフト部を介
して段差が形成されるので、この段差によって、光ガイ
ド層厚さを異ならせるというものである。

【００２７】全体をエッチングする工程で、回折格子部
の凹凸を反転させない領域をレジストで保護しない場合
には、この領域では回折格子の凹凸形状を維持して光ガ
イド層をエッチングするので、光ガイド層厚が薄い領域
となる。また、全体をエッチングする工程で回折格子部
の凹凸を反転させない領域を異種のレジスト等で保護す
る場合には、この領域では光ガイド層はエッチングされ
ない。従って、凹凸を反転させる領域がガイド層厚の薄
い領域となる。本出願に係る第６の発明は、この様な偏
波変調半導体レーザ装置の製造工程を簡略化できる上記
偏波変調半導体レーザ装置の作製方法に関わるものであ
る。

【００２８】また、本出願に係る第７の発明は、上記偏
波変調半導体レーザ装置の簡単な駆動方法に関わり、独
立な電極の少なくとも一方に対する微小変調電流信号に
よって、偏波面の異なる２つの偏波モードの一方に対し
て、少なくとも第１と第２の光導波路部分の間でブラッ
グ波長が実質的に一致する状態と、偏波面の異なる２つ
の偏波モードの他方に対して、少なくとも第１と第２の
導波路部分の間でブラッグ波長が実質的に一致する状態
との間でスイッチングさせることを特徴とする。

【００２９】また、本出願に係る第８の発明は、上記偏
波変調半導体レーザと、該半導体レーザから出射する光
の内、前記２つの偏波モードの一方の発振による光のみ
を取り出す偏光子とから成る光源装置であることを特徴
とする。

【００３０】また、本出願に係る第９の発明は、上記光
源装置を備えた光送信機、前記偏光板によって取り出さ
れた光を伝送する伝送手段、及び前記伝送手段によって
伝送された光を受信する光受信機から成る光通信システ
ムであることを特徴とする。

【００３１】また、本出願に係る第１０の発明は、上記
光源装置を用い、所定のバイアス電流に送信信号に応じ
て変調された電流を重畳して前記半導体レーザに供給す
ることによって、前記偏光板から送信信号に応じて強度
変調された信号光を取り出し、この信号光を光受信機に
向けて送信する光通信方法であることを特徴とする。

【００３２】

【発明の実施の形態】第１の実施例本発明による第１の実施例を図１のレーザ構造の斜視図
によって説明する。図１において、１１１、１１２は独
立して電流注入可能な２つの光導波路部分を示し、それ
ぞれに対応した電極１１３、１１４が形成されている。
横方向の光閉じ込めおよぴキャリアの閉じ込めのため
に、活性層１２３部での幅をｌμｍおよび２．５μｍと
するリッジ１１５、１１６を形成し、これを高抵抗Ｉｎ
Ｐ層１１７によって埋め込んでいる。光ガイド層１１
８、１１９は、第１の光導波路部分１１１の上側光ガイ
ド層であり、光ガイド層１２０、１２１は、第２の光導
波路部分の上側光ガイド層である。光ガイド層の厚さ
は、１１９が１１８より薄く、１２０が１２１より薄
い。１２２は、下側クラッド層と下側光ガイド層の界面
で周期的凹凸が形成され、回折格子として機能する。

【００３３】回折格子１２２の形成された上側光ガイド
層の厚さ以外の点では、光導波路部分１１１、１１２と
も共通の層構成となっている。デバイスの層構成を図２
に従って説明する。

【００３４】図２において、ｎ−ＩｎＰ基板１３１上
に、深さ０．０５μｍ・ピッチ０．２４μｍの回折格子
１２２を形成し、これを概略０．２μｍ厚さのｎ−Ｉｎ
ＧａＡｓＰ層１３３（バンドギャップ波長１．１５μ
ｍ）で埋め込み、平坦化している。この上に厚さ０．１
５μｍのｉ−ＩｎＧａＡｓＰの活性層１２３がある。さ
らに上部光ガイド層としてｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層（バン
ドギャップ波長１．１５μｍ）１３５、１．５μｍ厚さ
のｐ−ＩｎＰからなるクラッド層１３６、０．３μｍ厚
さのｐ−ＩｎＧａＡｓのコンタクト層１３７を成膜して
いる。上部光ガイド層１３５のＩｎＧａＡｓＰ層は厚い
ところ１１９、１２１で０．１４μｍ、薄いところ１１
８、１２０で０．ｌμｍとなっている。

【００３５】更に、ｐ側電極であるＣｒ／ＡｕＺｎＮｉ
／Ａｕ層１３８、基板側のｎ電極のＡｕＧｅＮｉ／Ａｕ
層１３９を形成、合金化している。ｐ側電極１３８とコ
ンタクト層１３７までを除去して電極分離領域１４０と
し、レーザの片端面にはＳｉＯ₂膜１４１を形成して反
射防止膜としている。

【００３６】図３に光ガイド層厚の違いによる、波長
１．５５μｍ光のＴＥおよびＴＭモードの有効屈折率の
リッジ幅依存性の計算例を示す。上記層構成に対して等
価屈折率法を適用した計算であり、キャリアの効果は考
慮していない。光ガイド層の厚さの違いが、各ＴＥ、Ｔ
Ｍモードの有効屈折率ｎ_effに影響する量（変化量１）
と、ＴＥおよびＴＭモード間の有効屈折率差△ｎ_effに
影響する量（変化量２）を比較する。尚、変化量３は、
リッジ幅の違い（ｌμｍと２．５μｍ）によるＴＥおよ
びＴＭモード間の有効屈折率差△ｎ_effの差を示す。

【００３７】本実施例で用いたリッジ幅ｌμｍと２．５
μｍにおいて、光ガイド層１３５の厚さを０．ｌμｍと
０．１４μｍとしたとき、変化量１は０．００８程度で
あり、変化量２はほぼ０であり、変化量３は０．０００
５程度である。光ガイド層１３５の層厚を変える構成
が、ＴＥおよびＴＭモードの有効屈折率差△ｎ_effを維
持しつつ、リッジ幅の異なる夫々の部分で層厚を薄くし
た部分でのＴＥおよびＴＭモードの有効屈折率ｎ_effを
小さくする構成となっていることがわかる。

【００３８】本デバイスの動作を説明する。電極１１
３、１１４への不均一注入によってＴＭないしＴＥモー
ドでレーザ発振した状態において、光強度分布は共振器
の中央部付近で強く、端面付近で弱い。このため、ホー
ルバーニング効果によって、キャリア密度は共振器中央
部で小さくなる。すなわち、有効屈折率に対する注入キ
ャリアの寄与は端面付近で大きくて、有効屈折率が小さ
くなり、中央部で小さくて、有効屈折率が余り小さくな
らない。従って、本実施例によって光ガイド層厚を変え
たことで共振器内に与えた屈折率分布（光ガイド層厚が
薄い中央部で屈折率は小さく、光ガイド層厚が厚い端面
付近で屈折率は大きい）が、上記キャリア分布による屈
折率の効果を打ち消す方向に働く。よって、線幅が向上
した安定な単一軸モード発振を保ちつつ偏波変調ができ
る。

【００３９】このデバイスの動作の原理について、図４
によって従来例と比較しながら更に説明する。図４
（ｂ）に、従来例のデバイス（図４（ａ）に図示）の均
一注入の状態を示す。ブラッグ波長λ_ｂとその波長での
伝搬定数β_０は、グレーティングピッチΛと次の式で結
びついている。 β_０＝２πｎ_ｅｑｉ／λ_ｂ＝π／Λ ここでｎ_ｅｑｉは導波光の感じる等価屈折率である。埋
込み導波路の形状に依存してＴＥモードとＴＭモードの
伝搬定数に差があり、同じグレーティングに対してＴＥ
モードの感じるブラッグ波長λ^ＴＥ _ｂとＴＭモードの感
じるブラッグ波長λ^ＴＭ _ｂは異なっている。しかし、図
４（ａ）に示すフロント部２１、リア部２２（２つの電
極とその下の光導波路部を夫々こう呼ぶことにする）の
間で、両モード間のブラッグ波長の差はほとんど変わら
ない。即ち、 λ^ＴＥ _ｂｆ≒λ^ＴＥ _ｂｒ λ^ＴＭ _ｂｆ≒λ^ＴＭ _ｂｒ λ^ＴＥ _ｂｆ−λ^ＴＥ _ｂｒ≒λ^ＴＭ _ｂｆ−λ^ＴＭ _ｂｒここでフロント部２１、リア部２２に対するブラッグ波
長を、それぞれλ _ｂｆ，λ _ｂｒとし、添え字ＴＥ，ＴＭ
が偏波のモードを表す。レーザは、ＴＥ，ＴＭモード各
々のブラッグ波長近傍で、位相条件を満たす波長の内で
しきい値利得が最小となる波長で発振する。

【００４０】図４（ｃ）に従来例のデバイスの不均一注
入の状態を示す。不均一注入に起因して、フロント部２
１、リア部２２ではＴＥモードに対するブラッグ波長λ
^ＴＥ _ｂｆ，λ^ＴＥ _ｂｒが一致しないが、ＴＭモードに対
しても、フロント部２１、リア部２２の間でブラッグ波
長λ^ＴＭ _ｂｆ，λ^ＴＭ _ｂｒが一致しない。図４（ｃ）に
示すように、フロント部２１とリア部２２でのブラッグ
波長のデチューン量はＴＥモードに対するものとＴＭモ
ードに対するものがほぼ等しい。即ち、 λ^ＴＥ _ｂｆ≠λ^ＴＥ _ｂｒ λ^ＴＭ _ｂｆ≠λ^ＴＭ _ｂｒ λ^ＴＥ _ｂｆ−λ^ＴＥ _ｂｒ≒λ^ＴＭ _ｂｆ−λ^ＴＭ _ｂｒＴＥモードとＴＭモードのどちらが発振するかは、端面
位相、回折格子の微細な不均一性等の非対称性によって
いた。

【００４１】図５（ａ）に示す本実施例のデバイス（こ
こでは２つの光導波路部で幅のみが異なり光ガイド層の
厚さは同じとして説明する。上で述べたように、層厚が
異なっても、ＴＥおよびＴＭモードの有効屈折率差△ｎ
_effを維持しつつ、リッジ幅の異なる夫々の部分で層厚
を薄くした部分でのＴＥおよびＴＭモードの有効屈折率
ｎ_effを小さくするのみであるので、以下の説明はその
まま図１に示す本実施例の動作にも適用できる）に対す
る均一注入の状態（図５（ｂ））では、フロント部１
１、リア部１２の間でのリッジ幅の違いに依存してＴＥ
モードとＴＭモードの伝搬定数に差があるだけではな
く、同じグレーティング１４に対するＴＥモードとＴＭ
モードのブラッグ波長の差λ^ＴＥ _ｂ−λ^ＴＭ _ｂが、フロ
ント部１１とリア部１２とで異なっている。即ち、偏波
面の異なる２つの偏波モードに対するブラッグ波長の差
が異なっていて、２つの光導波路部分での差の違いの量
がいずれか一方の偏波モードに対するストップバンド幅
より大きくなる様に構成されている。この状態でＴＥモ
ードとＴＭモードのどちらが発振するかは、回折格子１
４による結合効率、端面位相、回折格子の微細な不均一
性等の個々のデバイスの状態によっている。尚、図５
（ａ）では、図４（ａ）の構造に合わせてグレーティン
グ１４は活性層１５の上にある様に描いてあるが、図１
の構造のものと動作は変わらない。

【００４２】本実施例のデバイスに対しては、図５
（ｃ）、図５（ｄ）に示すように、不均一に注入した時
に２つの動作点が考えられる。図５（ｃ）に示す第１の
不均一注入の状態では、ＴＥモードに対するブラッグ波
長λ^ＴＥ _ｂｆ，λ^ＴＥ _ｂｒがフロント部１１とリア部１
２でほぼ一致しているが、ＴＭモードに対するブラッグ
波長λ^ＴＭ _ｂｆ，λ^ＴＭ _ｂｒは異なっている。即ち、 λ^ＴＥ _ｂｆ≒λ^ＴＥ _ｂｒ λ^ＴＭ _ｂｆ≠λ^ＴＭ _ｂｒこの場合、ブラッグ波長の一致しているＴＥモードのブ
ラッグ波長近傍の光は反射損失が小さく、レーザ発振の
利得条件を満たす利得が小さいのに対して、ＴＭモード
のフロント部１１でのブラッグ波長近傍の光は、リア部
１２でブラッグ波長から離れているので反射損失が生
じ、レーザ発振の利得条件が上昇する。こうして、ＴＥ
モードのブラッグ波長の一致した状態では、ＴＥモード
での発振となる。

【００４３】発振波長はＴＥモードのブラッグ波長近傍
で位相条件を満たす波長になっている。本実施例におい
て、ＴＥモードのブラッグ波長λ^ＴＥ _ｂｆ，λ^ＴＥ _ｂｒ
を一致させたときに、ＴＭモードのブラッグ波長は、フ
ロント部１１とリア部１２で若干異なっている。

【００４４】図５（ｄ）に示す第２の不均一注入の状態
ではＴＭモードに対するブラッグ波長λ^ＴＭ _ｂｆ，λ
^ＴＭ _ｂｒがフロント部１１とリア部１２で一致している
が、ＴＥモードに対するブラッグ波長λ^ＴＥ _ｂｆ，λ
^ＴＥ _ｂｒは異なっている。即ち、 λ^ＴＥ _ｂｆ≠λ^ＴＥ _ｂｒ λ^ＴＭ _ｂｆ≒λ^ＴＭ _ｂｒ図５（ｃ）の状態と比べて、ＴＥモードでの反射損失が
大きくなり、ＴＭモードでの反射損失が小さくなるの
で、ＴＭモードでの利得も大きく与えている構成にして
おけば、ＴＭモードでの発振となる。ただし、ＴＭモー
ドでの発振波長も、ＴＭモードのブラッグ波長近傍で位
相条件を満たす波長になっている。

【００４５】第２の実施例図６の斜視図に従って、本発明による第２の実施例を説
明する。図６において、４１１、４１２は独立して電流
注入可能な２つの導波路部分を示し、それぞれに対応し
た電極４１３、４１４が形成されている。横方向の光閉
じ込めおよびキャリアの閉じ込めのために、活性層部で
の幅をｌμｍおよび２．５μｍとするリッジ４１５、４
１６を形成し、高抵抗ＩｎＰ層４１７によって埋め込ん
でいる。光ガイド層４１８、４１９は、第１の導波路部
分の光ガイド層であり、光ガイド層４２０、４２１は、
第２の導波路部分のの光ガイド層であり、それぞれ厚さ
が異なっている。４２２は、下側クラッド層と下側光ガ
イド層の境界面で、深さ０．０５μｍ・ピッチ２４０ｎ
ｍの周期的凹凸が形成され、回折格子として機能する。
４２３は位相シフト部である。

【００４６】その他の層構成は、ｎ−ＩｎＰ基板４３
１、ｎ−ＩｎＧａＡｓＰ層４３２（バンドギャップ波長
１．１５μｍ）、活性層の量子井戸層４３３（井戸層が
ＩｎＰ基板４３１に格子整合したｉ−ＩｎＧａＡｓ（厚
さ６ｎｍ）、バリア層がバンドギャップ波長１．１５μ
ｍのｉ−ＩｎＧａＡｓＰ（厚さ１０ｎｍ）の５重量子井
戸）、上部光ガイド層として働くｐ−ＩｎＧａＡｓＰ層
（バンドギャップ波長１．１５μｍ）４１８〜４２１、
ｐ−ＩｎＰ（厚さ１．５μｍ）からなるクラッド層４３
４、ｐ−ＩｎＧａＡｓ（厚さ０．３μｍ）のコンタクト
層４３５からなっている。上部光ガイド層のＩｎＧａＡ
ｓＰ層は厚いところ４１８、４２１で０．１４μｍ、薄
いところ４１９、４２０で０．ｌμｍとなっている。

【００４７】ｐ側電極４１３、４１４はＣｒ／ＡｕＺｎ
Ｎｉ／Ａｕ層、基板側のｎ電極４３６はＡｕＧｅＮｉ／
Ａｕ層１３９を形成、合金化している。ｐ側電極とコン
タクト層４３５までを除去して電極分離領域４３７と
し、レーザの片端面にはＳｉＯ₂膜４３８を形成して反
射防止膜としている。

【００４８】特に本実施例においてはλ／４シフトの効
果によって、光強度の分布が位相シフト部を中心とした
拡がりになるので、素子間のばらつきを抑えることがで
きる。動作等は第１実施例と同じである。

【００４９】第３の実施例図７の斜視図に従って、本発明による第３の実施例を説
明する。図７において、５１１、５１２は独立して電流
注入可能な２つの導波路部分を示す。横方向の光閉じ込
めおよびキャリアの閉じ込めのために、活性層部での幅
をｌμｍおよび２．５μｍとするリッジ５１３、５１４
を形成し、高抵抗ＩｎＰ層５１５によって埋め込んでい
る。深さ０．０５μｍ・ピッチ２４０ｎｍの回折格子と
してはたらく周期的凹凸の形成された光ガイド層５１
６、５１７は、第１の導波路部分の光ガイド層であり、
同様に回折格子の形成された光ガイド層５１８、５１９
は、第２の導波路部分の光ガイド層である。おのおのの
段差部５２０、５２１で、凹凸の周期が半周期ずれたλ
／４位相シフト部になっている。その他の層構成は第１
の実施例と同様である。

【００５０】本実施例に特有の位相シフトの作製法につ
いて説明する。図８を用いて作製工程を説明する。

【００５１】（１）まず基板１（図７の例で言えば、上
部ガイド層）上に均一な凹凸の位相をもつ回折格子ｇ１
を作製する。（２）その一部領域をフォトレジスト２で覆う。このフ
ォトレジスト２で覆われた領域は、後に凹凸の位相が反
転する領域になる。この領域を第１の領域と呼び、これ
以外の領域を第２の領域と呼ぶことにする。両領域の境
は厳密に設定する必要はなく、回折格子ｇ１の深さは５
０ｎｍ前後と浅い。フォトレジスト２の塗布膜厚もこれ
と同程度にする。必要ならばフォトレジストをシンナー
で希釈して塗布膜厚を調整する。フォトレジストの塗布
特性として、表面張力などにより、凹凸のある場所に塗
布すると平坦化することが言える。したがって、この場
合も図８（２）に示すように塗布膜の上面はほぼ平らに
なり、回折格子ｇ１の凸部の上は薄く、凹部はそれより
厚くなる。

【００５２】（３）フォトレジスト２を均一にエッチン
グし、凹部だけにフォトレジスト２を残す。酸素ガスを
用いた反応性イオンエッチング等を施すことにより、フ
ォトレジスト２は全体に上から均一にエッチングされ
る。基板１はエッチングされない。回折格子ｇ１の凸部
上のフォトレジスト２は薄いため、凹部上のフォトレジ
スト２より先になくなる。したがって、適当な時間でエ
ッチングを終了することにより、凹部にのみフォトレジ
スト２を残すことができる。

【００５３】（４）残ったフォトレジスト２をマスクと
して基板１をエッチングする。この工程のエッチング手
法としては、低圧での反応性イオンビームエッチングに
代表される異方性エッチングを使用する。なおかつ、フ
ォトレジスト２と基板１材料の選択性が大きいことも重
要である。たとえば基板１材料にＩｎＰを使用した場合
には、塩素ガスによる反応性イオンビームエッチングを
行うとよい。凹部にフォトレジスト２が残っている第１
の領域では、このフォトレジスト２がマスクとなり、基
板１の凸部がエッチングされる。凸部はだんだんと低く
なり、次の段階には凸部が元の凹部よりも低くなり、凹
凸は反転する。凹凸を完全に反転させるには元の凹凸の
高さの２倍の深さだけエッチングする。一方、それ以外
のフォトレジスト２のない第２の領域では、異方性エッ
チングのために凹凸の形を保ったまま全体の高さが低く
なる。結果として第１の領域（右側部分。図７の例で言
えば、厚いガイド層部分５１６、５１９）では凹凸の位
相が反転し、第２の領域（左側部分。図７の例で言え
ば、薄いガイド層部分５１７、５１８）では凹凸の位相
は元のままである。以上の工程で、これらの領域で構成
される位相シフト回折格子ｇ２が得られた。

【００５４】（５）最後にフォトレジストを除去する。
本実施例による位相シフト回折格子ｇ２は、凹凸の位相
が反転する境界部（図７の例で言えば、段差部５２０、
５２１）におおよそ凹凸の高さに相当する段差が生じる
という特徴がある。

【００５５】凹凸の高さとガイド層の厚さの差として設
定する量が同程度である為、位相シフトの形成と、ガイ
ド層５１６〜５１９の厚さを部分的に変える工程が同一
の工程となっているので、第２の実施例による位相シフ
トを導入した構造に比べて、工程を減らすことができ
る。また、位相シフト部によって光強度分布を規定し、
光ガイド層厚をかえたことで共振器内に与えた屈折率分
布によって、共振器内のキャリア分布による屈折率の分
布を打ち消させることは、第１、第２の実施例と同様で
ある。

【００５６】また、全体をエッチングする（４）の工程
で回折格子部の凹凸を反転させない領域を異種のレジス
ト等で保護する場合には、この領域では光ガイド層はエ
ッチングされない。従って、凹凸を反転させる領域がガ
イド層厚の薄い領域となる。動作等は第１、第２実施例
と同じである。

【００５７】上記の実施例において、偏波面の異なる偏
波モードに対する伝搬定数差を２つの光導波路部分の間
で相互に異なるものにする為に、基板面内の横方向の光
閉じ込めの幅を異ならせていたが、次の様な手段も用い
られる。共振器を構成する少なくとも第１と第２の光導
波路部分において、光導波路部分ごとに積層方向の層構
成を異ならせる。積層方向の層構成のうちで、活性層の
層厚と組成の少なくとも１つが光導波路部分ごとに異な
らせる。偏波面の異なる偏波モードに対する伝搬定数差
を大きく生じさせるために、活性層の一部あるいは全部
に量子井戸構造を用いる。偏波面の異なる偏波モードに
対する伝搬定数差を大きく生じさせるために、光導波路
部分の構造の活性層以外の部分に量子井戸構造を用い
る。２つの光導波路部分の間で、平均的なガイド層厚を
異ならせる。

【００５８】第４の実施例図１０に、本発明による半導体レーザを波長多重光ＬＡ
Ｎシステムに応用する場合の各端末に接続される光−電
気変換部（ノード）の構成例を示し、図９にそのノード
８１を用いた光ＬＡＮシステムの構成例を示す。

【００５９】外部に接続された光ファイバ８０を媒体と
して光信号がノード８１に取り込まれ、分岐部７２によ
りその一部が波長可変光フィルタ等を備えた受信装置７
３に入射する。この受信装置７３により所望の波長の光
信号だけ取り出して信号検波を行う。一方、ノード８１
から光信号を送信する場合には、上記実施例の半導体レ
ーザ装置７４を信号に従って適当な方法で駆動し、偏波
変調して、偏光板７７（これにより偏波変調信号が振幅
強度変調信号に変換される）及びアイソレータ７５を通
して出力光を分岐部７６を介して光伝送路８０に入射せ
しめる。また、半導体レーザ及び波長可変光フィルタを
２つ以上の複数設けて、波長可変範囲を広げることもで
きる。

【００６０】光ＬＡＮシステムのネットワークとして、
図９に示すものはバス型であり、ＡおよびＢの方向にノ
ードを接続しネットワーク化された多数の端末及びセン
タ８２を設置することができる。ただし、多数のノード
を接続するためには、光の減衰を補償するために光増幅
器を伝送路８０上に直列に配することが必要となる。ま
た、各端末８２にノード８１を２つ接続し伝送路を２本
にすることでＤＱＤＢ方式による双方向の伝送が可能と
なる。また、ネットワークの方式として、図９のＡとＢ
をつなげたループ型やスター型あるいはそれらを複合し
た形態等のものでも良い。

【００６１】第５の実施例図１１は、本発明の半導体レーザを用いた双方向光ＣＡ
ＴＶシステムの構成例を示す模式図である。図１１にお
いて、９０はＣＡＴＶセンタ、９２は夫々光ファイバ９
１によってセンタ９０と接続されたサブセンタ、９３は
サブセンタに接続された、各加入者の受像機である。セ
ンタ９０は、本発明の光源装置を備え、複数の画像信号
を夫々波長の異なる信号光に載せて、受像機９３に送信
する。受像機９３は、波長可変光フィルタ及び光検出器
を含み、入射した信号光の内、所望の波長の信号光だけ
を検出して、モニタに画像を再生する。加入者は、波長
可変光フィルタの透過波長を変化させることによって、
チャネルを選択し、所望の画像を得ることが出来る。従
来は、ＤＦＢレーザの動的波長変動の影響により、ＤＦ
Ｂフィルタをこのようなシステムに用いることが困難で
あったが、本発明により可能となった。

【００６２】さらに、加入者に外部変調器を持たせ、加
入者からの信号をその変調器からの反射光で受け取り
（簡易型双方向光ＣＡＴＶの一形態、例えば、石川、古
田“光ＣＡＴＶ加入者系における双方向伝送用ＬＮ外部
変調器”，ＯＣＳ９１−８２，ｐ．５１）、図１１のよ
うなスター型ネットワークを構築することで、双方向光
ＣＡＴＶが可能となり、サービスの高機能化が図れる。

【００６３】

【発明の効果】以上説明してきたように、第１の発明に
よって、ホールバーニング効果を打ち消す構造を有する
偏波変調半導体レーザが得られ、変調バイアス電流や変
調電流の低減を図ることができる。

【００６４】また、第２の発明によって、回折格子形成
の工程を１回の干渉露光で行うことができ、製造工程を
簡単なものにすることができる。

【００６５】また、第３の発明によって、素子の端面位
相の光強度分布への影響を抑え、ホールバーニング効果
のデバイス特性への寄与の素子間でのばらつきを減らす
ことができる。

【００６６】また、第４の発明によって、作りつけの有
効屈折率差を用いて、より効果的にホールバーニング効
果を抑止して、ばらつきを抑えた偏波変調半導体レーザ
が得られ、変調バイアス電流や変調電流の低減を図るこ
とができる。

【００６７】また、第５、第６の発明によって、位相シ
フトの形成と光ガイド層厚の制御を同時に行うことので
きる偏波変調半導体レーザ構造とすることができ、製造
工程を簡略化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１の実施例による半導体レー
ザの斜視図である。

【図２】図２は本発明の第１の実施例の半導体レーザの
層構造を示す図である。

【図３】図３は導波路幅および、光ガイド層厚にたいす
る有効屈折率の計算例である。

【図４】図４は従来例によって偏波面の異なった偏波モ
ードで発振する動作を説明する図である。

【図５】図５は本発明の例によって偏波面の異なった偏
波モードで発振する動作を説明する図である。

【図６】図６は本発明の第２の実施例による半導体レー
ザの斜視図である。

【図７】図７は本発明の第３の実施例による半導体レー
ザの斜視図である。

【図８】図８は本発明の第３の実施例における位相シフ
トの作製法を示す図である。

【図９】図９は本発明の半導体レーザを用いた光ＬＡＮ
システムの構成例を示す模式図である。

【図１０】図１０は図９のシステムにおけるノードの構
成例を示す模式図である。

【図１１】図１１は本発明の半導体レーザを用いた双方
向光ＣＡＴＶシステムの構成例を示す模式図である。

【符号の説明】

１、１３１、４３１基板１５、１２３、４３３活性層２フォトレジスト１４、１２２、４２２回折格子７２、７６光分岐部７３受信装置７４本発明の半導体レーザ７５アイソレータ７７偏光子８０、９１光伝送路８１ノード８２端末９０センタ９２サブセンタ９３受像機１１１、１１２、４１１、４１２、５１１、５１２
導波路部分１１５、１１６、４１６、４１６、５１３、５１４
リッジ１１７、４１７、５１５高抵抗層１１８、１１９、１２０、１２１、１３３、１３５、４
１８、４１９、４２０、４２１、４３２、５１６、５１
７、５１８、５１９光ガイド層１１３、１１４、１３９、４１３、４１４、４３６
電極１３６、４３４クラッド層１３７、４３５コンタクト層１４０、４３７電極分離領域１４１、４３８反射防止膜４２３、５２０、５２１位相シフト部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０４Ｂ 10/02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】偏波面の異なる２つの偏波モードでの発振
を可能にする分布帰還型半導体レーザで、共振方向に少
なくとも２つ以上の電極を有し、該電極に独立な電流注
入構造を有し、該電極の下の第１の光導波路部分と第２
の光導波路部分がレーザの共振器を構成する一部あるい
は全部であって、該第１の光導波路部分と第２の光導波
路部分の間において、偏波面の異なる２つの偏波モード
に対する導波路の伝搬定数差が異なっていて、第１の光
導波路部分と第２の光導波路部分を全領域としてその中
央部と端部の間で、上下の少なくとも一方の光ガイド層
厚がわずかに異なっていることを特徴とする偏波変調半
導体レーザ。
【請求項２】前記第１の光導波路部分と第２の光導波路
部分はそれぞれがさらに２つの部分からなっていて、該
２つの部分で上下いずれかの光ガイド層厚がわずかに異
なっていて、第１の光導波路部分で光ガイド層が厚い部
分、第１の光導波路部分で光ガイド層が薄い部分、第２
の光導波路部分で光ガイド層が薄い部分、第２の光導波
路部分で光ガイド層が厚い部分が共振方向にこの順に並
んでいることを特徴とする請求項１記載の偏波変調半導
体レーザ。
【請求項３】前記第１の光導波路部分と第２の光導波路
部分で回折格子のピッチが均一に形成されていることを
特徴としている請求項１又は２記載の偏波変調半導体レ
ーザ。
【請求項４】前記光導波路部分の回折格子が１つまたは
複数の位相シフト部を有することを特徴としている請求
項１又は２記載の偏波変調半導体レーザ。
【請求項５】前記位相シフト部が前記第１または第２の
光導波路部分の光ガイド層厚の薄い部分に形成されてい
ることを特徴とする請求項４記載の偏波変調半導体レー
ザ。
【請求項６】前記位相シフト部が前記第１または第２の
光導波路部分の光ガイド層厚の異なる段差部分に形成さ
れていることを特徴とする請求項４記載の偏波変調半導
体レーザ。
【請求項７】前記回折格子である周期的ストライプ溝の
形成された光ガイド層の厚さが部分ごとに異なってお
り、この光ガイド層の段差の上下で周期的ストライプ溝
の凹凸の位相が反転して位相シフト部となっていること
を特徴とする請求項４記載の偏波変調半導体レーザ。
【請求項８】請求項７記載の偏波変調半導体レーザの作
製方法において、第１の半導体層である基板または半導
体エピタキシャル成長膜上に、これと組成の異なる第２
の半導体層をエピタキシャル成長する工程（１）、所定
の周期の並列ストライプ溝を形成する工程（２）、該基
板上の一部の領域をフォトレジストで覆う工程（３）、
該フォトレジストを均一にエッチングして前記周期的ス
トライプ溝部にのみ残す工程（４）、該フォトレジスト
をマスクとして該第２の半導体層をエッチングする工程
（５）、この上に該第２の半導体層より屈折率の小さな
第３の半導体層をエピタキシャル成長する工程（６）を
この順番で含んだ作製法で、前記光ガイド層に位相シフ
ト部を持つ周期的ストライプ溝を形成することを特徴と
する偏波変調半導体レーザの作製方法。
【請求項９】請求項１乃至７の何れかに記載の偏波変
調半導体レーザの駆動方法において、前記独立な電極の
少なくとも一方に対する微小変調電流信号によって、偏
波面の異なる２つの偏波モードの一方に対して、少なく
とも第１と第２の光導波路部分の間でブラッグ波長が実
質的に一致する状態と、偏波面の異なる２つの偏波モー
ドの他方に対して、少なくとも第１と第２の導波路部分
の間でブラッグ波長が実質的に一致する状態との間でス
イッチングさせることを特徴とする半導体レーザの駆動
方法。
【請求項１０】請求項１乃至７の何れかに記載の偏波変
調半導体レーザと、該半導体レーザから出射する光の
内、前記２つの偏波モードの一方の発振による光のみを
取り出す偏光子とから成ることを特徴とする光源装置。
【請求項１１】請求項１乃至７の何れかに記載の偏波変
調半導体レーザと、該半導体レーザから出射する光の
内、前記２つの偏波モードの一方の発振による光のみを
取り出す偏光子とから成る光源装置を備えた光送信機、
前記偏光板によって取り出された光を伝送する伝送手
段、及び前記伝送手段によって伝送された光を受信する
光受信機から成ることを特徴とする光通信システム。
【請求項１２】請求項１乃至７の何れかに記載の偏波変
調半導体レーザと、該半導体レーザから出射する光の
内、前記２つの偏波モードの一方の発振による光のみを
取り出す偏光子とから成る光源装置を用い、所定のバイ
アス電流に送信信号に応じて変調された電流を重畳して
前記半導体レーザに供給することによって、前記偏光板
から送信信号に応じて強度変調された信号光を取り出
し、この信号光を光受信機に向けて送信することを特徴
とする光通信方法。