JPH09283860A

JPH09283860A - 偏波方向の安定化した面発光半導体レーザ

Info

Publication number: JPH09283860A
Application number: JP8115547A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Uchida; 護内田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-04-12
Filing date: 1996-04-12
Publication date: 1997-10-31

Abstract

(57)【要約】【課題】偏波方向が安定で且つ高速に偏波スイッチング
が可能で、更に作製の容易な面発光半導体レーザであ
る。【解決手段】層厚方向にレーザ光を出射する面発光半導
体レーザである。面発光半導体レーザは、基板１０１上
に、独立な２つの偏波モードを許容する光導波路と、２
つの独立な偏波モードに等しい発振波長を与える分布反
射器１０８、１０９と、２つの独立な偏波モードに等し
く利得を与えることが可能で且つ偏波方向を特定する利
得媒質手段である歪み量子井戸活性層１０４とを有す
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、光通信、特に光イ
ンタコネクトのための送信機あるいは光情報処理（光メ
モリ、光コンピューティング等）などに用いられる偏波
変調可能な半導体レーザ等に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザ等の光デバイスを用いた光
通信技術は、今日、多くの問題点を解決してきた。しか
しながら、いわゆるチャーピングとよばれる、半導体レ
ーザの高速強度変調時のキャリア不均一分布による屈折
率変動が発振光の波形を歪ませる現象は、必ずしも解決
に至っていない。これを解決するために現在用いられて
いる主流の方法は、半導体レーザをＣＷ（連続）で駆動
し、半導体光変調器により強度変調を行うものである。
しかし、この方法でもチャーピングの低減に限界がある
ことが、近年の研究で明らかになってきた。

【０００３】一方、レーザ光の偏波面を信号に応じてス
イッチングさせる偏波変調レーザは、通常の強度変調レ
ーザに比べ、変調の際にも、共振器内の光密度とキャリ
ア密度をほんとんど一定にする事が可能なため、チャー
ピングが小さくなり変調速度や伝送距離を向上させるこ
とができる。偏波変調レーザは、たとえば、特開昭６２
−４２５９３ないしは特開昭６２−１４４４２６に開示
されている。

【０００４】この骨子は以下のようなものである。図１
３に示すように、ある電流値でＴＭモードからＴＥモー
ドヘ偏波が反転する特性を有する半導体レーザを用い
て、ＴＥモードとＴＭモードが同時発振する電流値をバ
イアス点として信号電流によってＴＥとＴＭの閾値利得
をスイッチする。そして、偏波変調レーザの発振端の前
に置かれた偏光子によって、特定方向に偏光した光のみ
を送出するものである。しかしながら、上記文献には、
このようなレーザを実現するための具体的方法について
は何ら明示されていない。

【０００５】一般に、半導体レーザの発振モードは以下
の発振条件式で決まる。閾利得について Γ・g_th=Γ・α_in+(1-Γ)α_ex+α_M+α_SC ・・・・・・・・(1) ここで、α_M=1/2L_eff・ln(1/R₁・1/R₂) 位相について exp(i・(2n_eff・L_eff/λ+φ))=0 ・・・・・・・(2) ここで Γ：活性層への光閉じ込め係数ｇ_th：閾利得 α_in：内部損失 α_ex：クラッド層の損失 α_M：反射損失 α_SC：その他の損失（散乱損失、結合損失等）Ｒ_i：共振器内の１点からみた実効的な反射率ｎ_eff：導波路の実効的な屈折率Ｌ_eff：実効的な共振器長 λ：発振波長 φ：位相。

【０００６】これに加え、偏波変調レーザに求められる
条件は、発振モードとして２つの独立な偏波モード（Ｍ
１とＭ２）を有し、かつその閾利得がほぽ等しいこと、
すなわち、 g_thM1=g_thM2 ・・・・・・・・(3) である。

【０００７】各変数は波長依存や偏波依存があることか
ら、上記の条件（１）〜（３）をすべて満たすのは容易
ではない。特に（２）式は発振モード（波長、偏波モー
ド、横モード）を決める極めて重要な条件式である。

【０００８】通常の構成であるスラブ導波路とファブリ
ペロ共振器を有する半導体レーザで励起される発振モー
ドは、いわゆるＴＥモードとＴＭモードとがある。この
種の半導体レーザでは、（３）式を満たすことは比較的
容易であるが、光の閉じこめ効率と反射率の偏波依存性
により、ＴＥモードのみが発振し、且つ、高速変調時に
は多軸モードとなってしまう。

【０００９】通常、端面発光型の分布帰還型半導体レー
ザ（ＤＦＢ−ＬＤ）では、ＴＭモードでもＴＥモードで
も発振させることは可能であり、また、高速変調時にも
チャーピングが小さければ単一軸モードを維持する。そ
の反面、ブラッグ波長の設定と利得プロファイルの位置
関係（いわゆるデチューニング）には極めて高精度な調
整が要求される。また、利得、光閉じこめ係数および反
射率に強い偏波依存性があるため、（１）〜（３）式の
発振条件を満たすには多くのパラメータを制御する必要
がある。

【００１０】この一例を図３に示した。図３は、ＤＦＢ
−ＬＤの共振器損失と利得が釣り合う状態すなわち
（１）式を波長スケールで模式的に表したものである。
まず、光の閉心込め係数に偏波依存性があるため、ＴＥ
モードとＴＭモードで発振波長に差が生じてしまう。通
常のグレーティングで反射器を形成した場合には、反射
率にも偏波依存性があるため、図３のように共振器損失
の大きさにも差ができてしまう。さらに利得に大きな偏
波依存性があるため、Γ・ｇのピーク波長（λ^TM 、
λ^TM ）を各モードのＤＦＢのブラッグ発振波長（λ^TM
_Bragg、λ^TM _Bragg）に合わせ、なおかつ（３）式が成り
立つように閾利得プロファイルを制御することは極めて
困難である。つまり、従来の端面発光型のＤＦＢ−ＬＤ
では、（１）〜（３）式の発振条件を満足させることは
極めて高度な設計技術とプロセス技術を要求する。

【００１１】この端面発光型のＤＦＢレーザに対し、層
厚方向に垂直に共振させ光を取り出す面発光レーザが報
告されている（例えば、H.Soda, K.Iga, Y.Kitahara an
d Y.Suematsu, "GaInAsP/InP surface injection emitt
ing lasers", Japan Journalof Applied Physics, vol.
18, pp.2329-2330(1979)）。このレーザでは、活性層と
光導波路が光の伝搬方向に垂直な面に対して等方的であ
るため、発振モードは２つの独立なリニアなＴＥモード
になる。したがって特別なことをしなくとも２つの偏波
モードはほぼ等しい閾利得を有する。

【００１２】その反面、光導波路が完全に等方的な場
合、２つの互いに直交するリニアな偏波モードが同じ閾
利得を持つが偏波の方向は特定できない、即ち偏波方向
がランダムになる。そのため、導波路に異方性を与えて
偏波の方向を特定することが一般的である。具体的に
は、断面が矩形や十字構造の光導波路を用いたもの（た
とえば、K.D.Choquette and R.R.Leibenguth, "Control
of vertical-cavity laser polarization with anisot
ropic transverse cavity geometries", IEEE Photonic
s Technology Letters, vol.1, pp.40-42(1995)）やＤ
ＢＲに偏光子を集積したもの（たとえば、T.Mukaihara,
N.Ohnoki, Y.Hayashi, N.Hatori, F.Koyama, and K.Ig
a, "Polarization control of vertical-cavity surfac
e-emitting lasers using birefringent metal/dielect
ric polarizer loaded on top distributed Bragg refl
ector", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum
Electronics, vol.1, pp.667-673(1995)）などがあ
る。しかしこれらの構造では、偏波面を安定化すること
はできても偏波スイッチングすることは困難である。さ
らに、基本モードのみが立つようにサイズを限定する必
要があり、高い作製精度が要求される。また、円形の開
口部を設けても完全な円形ビームとはならないため、完
全な円形ビームが得られる円筒形の光導波路を用いた場
合に比べ、ファイバ等の外部光学系との結合効率が落ち
てしまう。結果的に、面発光レーザは、本質的に、端面
発光半導体レーザと比べ、偏波変調レーザとして優れて
いるにも関わらず、実用に供されるものはない。

【００１３】

【発明の解決しようとする課題】以上問題点をまとめる
と以下のようになる。従来、偏波変調レーザを作製する
とき、（１）通常の端面発光型の半導体レーザでは、構造パラ
メータの偏波依存性が大きく、再現性や動作領域（動作
電流や発振波長等の領域）が狭い。（２）従来の面発光型半導体レーザでは、偏波方向を特
定することと高速に偏波スイッチングを同時に行う方法
がなかった。

【００１４】従って、本発明の目的は、偏波方向が安定
で且つ高速に偏波スイッチングが可能で、更に作製の容
易な面発光半導体レーザ等を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の偏波方向の安定化した面発光半導体レーザは、層厚
方向にレーザ光を出射する面発光レーザであって、独立
な２つの偏波モードを許容する光導波路と、該２つの独
立な偏波モードに等しい発振波長を与える共振器と、該
２つの独立な偏波モードに等しく利得を与えることが可
能で且つ偏波方向を特定する利得媒質手段とを有するこ
とを特徴とする。

【００１６】より具体的には、前記独立な２つの偏波モ
ードを許容する光導波路の構造が、（１００）面を有す
る半導体基板上に垂直に形成された円筒形光導波路であ
り、前記２つの独立な偏波モードに等しい発振波長を与
える共振器が、該円筒形光導波路の上下に設置された誘
電体或は半導体分布ブラッグ反射器であり、前記利得媒
質手段が、（１００）面内に歪みを与えた歪み多重量子
井戸構造の活性層を有することを特徴とする。また、前
記利得媒質手段が、（１００）面内に非対称に歪みを導
入した非対称歪み量子井戸活性層を有し、それを構成す
る第１井戸層と第２井戸層それぞれの電子−重い正孔間
遷移の基底準位が等しくなる様に、且つ夫々の量子井戸
層全体にかかる歪み量を緩和する様に、第１井戸層と第
２井戸層に逆の方向の歪み量を与え、障壁層は無歪みで
あり、井戸深さと幅を制御したことを特徴とする。ま
た、前記利得媒質手段が、（１００）面内に非対称に歪
みを導入した非対称歪み多重量子井戸構造の活性層を有
し、該非対称歪み活性層の第１井戸層と第２井戸層に異
なる歪み量を与え、それぞれの電子−重い正孔間遷移の
基底準位が異なる様に、井戸層厚と井戸深さが設定され
ていることを特徴とする。

【００１７】更に、発振モードを前記独立な２つの偏波
モード間で安定且つ高速にスイッチングする手段を有し
てもよい。スイッチング手段は、前記ブラッグ反射器近
傍に複数に分割して配置されたリング状電極などであ
る。

【００１８】また、上記目的を達成する本発明の偏波変
調可能な面発光半導体レーザの駆動方法は、上記偏波変
調可能な面発光半導体レーザにおいて、分割された電極
の一部に注入するキャリアに変調信号を重畳して夫々の
電極の部分に注入するキャリア数を制御することで、発
振モードを独立な２つの偏波モード間で高速にスイッチ
ングすることを特徴とする。

【００１９】また、上記目的を達成する本発明の光送信
機は、上記面発光半導体レーザと、該面発光半導体レー
ザからの出力光のうち１つの偏波の光を透過させる偏光
選択手段（偏光子など）と、該面発光半導体レーザの出
力光を入力信号に従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。

【００２０】また、上記目的を達成する本発明の光伝送
システムは、上記面発光半導体レ−ザを用いた送信機を
含むことを特徴とする。この送信機が複数の異なる波長
の光信号を送出することができて波長多重型のネットワ
−クを構成することもできる。

【００２１】本発明の骨子は以下のようである。（１）独立な偏波モードとして、面発光レーザ構造で誘
起される互いに直交する２つの偏波モードを利用する。（２）光導波路および共振器に偏波依存性のない構造を
使用する。（３）偏波の方向を特定するために、活性層に歪み多重
量子井戸を用いることで利得に結晶方位依存性を持たせ
る。具体的には、３−１）対称歪み：対称量子井戸に一定の歪みを与え
る。３−２）歪み補償：第１井戸層と第２井戸層に逆の歪み
を導入する。３−３）非対称歪み：非対称量子井戸において、歪みも
非対称に与える。

【００２２】更に、（４）２つの偏波モードを高速にス
イッチングするために、分割電極を使用することでキャ
リアの空間分布を制御してもよい。電極を分割しなくて
も、上記構成により偏波方向の安定化はできる。

【００２３】各手段の作用は以下の様になる。面発光レ
ーザでは、励起される２つの発振モードは活性層と平行
な面内の互いに直交する２つのリニアな偏波モードであ
る（便宜上この２つの偏波モードをＴＥｌおよびＴＥ２
と表記する）。従って、利得媒質、導波路および共振器
が発振方向に垂直な面に関して等方的であるなら、常に
偏波の異なる２つの発振モードが励起されることにな
る。この様子を図４に示した。利得、反射率および閉じ
込め係数に偏波依存性がないので図４のように２つの閾
利得は常にほぼ等しい。通常の端面発光のＤＦＢ−ＬＤ
に比べ制御パラメータが極めて少ないことがわかる（た
だし、キャリアの意図的でない不均一分布や作製誤差で
両モードの利得の大きさにはやや差が生じ、常に両方の
偏波モードで発振するとは限らない）。

【００２４】誘電体或は半導体多層膜で構成した分布反
射器（ＤＢＲ）は上記２つの偏波モードに対して等しい
反射率を与える。円筒形導波路は、活性層の平行な面に
関して等方的であるとともに、レンズ系やファイバとの
結合にも有利な構造である。

【００２５】更に、活性層に歪み多重量子井戸構造を用
いることで、円筒形光導波路のまま偏波方向を特定する
ことができる。（１００）面に歪み多重量子井戸を成長
した場合、その結晶が完全結晶であるなら、バルクの活
性層と同様に２次元的に等方的になる。しかし、歪み量
が大きいほど或る方位、具体的には〈０１１〉方位ある
いは〈０１−１〉方向が、他の結晶方位に比べわずかに
利得が高くなることが見いだされている。これは、利得
に歪みによる面方位依存性があることと、結晶の緩和の
され方や欠陥の導入のされ方に面方位依存性があるため
と考えられる。

【００２６】したがって、歪み多重量子井戸活性層、円
筒形などの光導波路および面型ＤＢＲを用いた場合、特
別なことをしなくとも、〈０１１〉方向あるいは〈０１
−１〉方向に偏波した発振モード（ＴＥｌあるいはＴＥ
２）が最低の閾利得を持つ。偏波スイッチングさせるた
めには、〈０１１〉方向あるいは〈０１−１〉方向に微
小な利得差あるいは損失差を与えてやればよい。

【００２７】本発明では、キャリアの意図的な不均一注
入により利得にさらに異方性を与えることもできること
を示した。具体的には、正電極あるいは負電極を分割し
て、〈０１１〉方向と〈０１−１〉方向のキャリア注入
量を制御することで、活性層におけるキャリア分布を制
御し、両者の利得の大きさをスイッチングさせている。

【００２８】また、上記構成の改善法の１つとして、歪
み補償多重量子井戸構造の導入がある。これは、活性層
を圧縮歪み量子井戸層と引っ張り歪み量子井戸層で構成
し、ネットの歪みを小さくして、活性層厚を厚くし、利
得を大きくするためのものである。通常、歪み補‐償量
子井戸構造は、井戸層と障壁層に逆方向の歪みを与える
ものであるが、この方式を用いた端面発光型の半導体レ
ーザの特性は必ずしも良くない。これは、歪み量の異な
る層（特に歪みの方向が逆転する層）を連続的に制御良
く積層することが困難であるからである。たとえば、圧
縮歪みを有する井戸層の上に、その歪みを緩和させるた
めに引っ張り歪みをかけた障壁層を積層しても、面内全
体にわたって均一に歪み補償させることはできず、歪み
の不均一性は残ってしまう。したがって、層数を増やせ
ば増やすほど、不均一歪みの領域が増えてしまう。本発
明では、量子井戸層の井戸層のみに交互に反対方向の歪
みを与え、障壁層には無歪み層を用いることでこの欠点
を解決している。

【００２９】他の改善法として、偏波変調の制御性を向
上させることを目的として、活性層に非対称歪み量子井
戸構造を用いる方法がある。これは、エネルギ準位の異
なる複数の量子井戸からなる量子井戸構造を採用し、キ
ャリア注入量を制御する事で、利得スペクトルを変化さ
せ、利得ピークと共振器ピークの差、即ちデチューニン
グ量の調整を可能とするものである。

【００３０】以上をまとめると以下のようになる。（１）円筒形等の光導波路を使用することで、活性層に
平行な面内の導波モードを等方的にすることができる。（２）面型ＤＢＲを用いることで共振器特性を等方的に
することができる。（３）活性層に歪み多重量子井戸構造を用いることで偏
波方向を特定できる。

【００３１】更に、次の様にもできる。（４）分割型の電極に不均一注入を行うことで、独立な
２つの偏波モードの閾利得を等しくできるとともに、電
極の一部に変調信号を重畳することで偏波変調が実現で
きる。（５）歪み補償多重量子井戸構造を用いることで、利得
を大きくできるため動作電流を下げることができる。（６）非対称歪み量子井戸構造を用いることで、デチュ
ーニング量を調整できる。

【００３２】

【発明の実施の形態】

（第１実施例：歪みＭＱＷ活性層）図１は本発明の第１
実施例の断面構造図である。図２はその平面図である。
まず、作製方法を説明する。

【００３３】［エビタキシャル成長］たとえば（１０
０）面を有するｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、化学分子線
蒸着法（chemical beam epitaxy）等を用いて以下の半
導体層をエピタキシャル成長する。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層１０２・・・
基板１０１の開口部１０１ａを作るエッチング工程時に
用いるエッチングストッパ層であり、厚さ５ｎｍとし、
その量子効果によりバンドギャップを広げて活性層から
の発光を吸収しないようにした。ｎ−ＩｎＰクラッド層１０３・・・キャリア濃度１×１
０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍ．歪み量子井戸活性層１０４・・・図５に活性層１０５の
バンド構造を示した。ＩｎＧａＡｓＰ井戸層（厚さ５０
μｍ、格子不整合量＋０．６％）１２１、ＩｎＧａＡｓ
Ｐ障壁層（発光波長１．１５μｍ、格子不整合量０％）
１２２を用いている。井戸数は４とした。この結果、利
得ビークは１．５５μｍとなる。ｐ−ＩｎＰクラッド層１０５・・・キャリア濃度１×１
０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍ．ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０６・・・バンドギ
ャップエネルギＥｇ＝１．１５μｍ、キャリア濃度３×
１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ０．５μｍ。

【００３４】［導波路形成］ドライエッチング等を用い
て直径１０μｍ、高さ約３μｍの円筒状のメサを形成す
る。次に、エッチングダメージ除去および新たな結晶欠
陥の増殖を防ぐために、ＣＢＥ法等でエッチング側面を
アンドープＩｎＰあるいはＦｅドープＩｎＰ（側面保護
層）１０７でエピタキシャルにコーティングを行った。
基板１０１裏側に光を取り出すための円状のウィンドウ
１０１ａをウェットエッチングで形成する。塩酸系のエ
ッチング用いることでＩｎＧａＡｓＰエッチングストッ
パ層１０２でエッチングが停止する。

【００３５】［反射器の形成］基板１０１裏側とエピ表
面側に誘電体多層膜（誘電体ＤＢＲ）１０８、１０９を
作製する。本実施例では、ＳｉＯ₂膜とアモルファスＳ
ｉ膜を交互に積層し、そのブラッグ波長が発振波長とな
るように各層厚を設定するともに、９９％以上の反射率
になるように繰り返し数を制御した。本実施例では、上
記エピタキシャル成長後、活性層１０４のフォトルミネ
ッセンスを測定して利得スペクトルを確認してから、そ
れに合うように誘電体多層膜１０８、１０９を積層する
ことで、素子歩留まりを高めている。

【００３６】［電極形成］開口径５ミクロンの多分割さ
れたリング状電極１１０、１１１を、ｐ−コンタクト層
１０６とｎ−クラッド層１０３上に形成した。本実施例
では、正電極１１０は〈０１−１〉方向に２つに分割さ
れ、負電極１１１は〈０１１〉方向に２つに分割した場
合を示した。

【００３７】次に、本実施例の動作原理について説明す
る。面発光レーザは活性層１０４に平行な２つの独立な
リニアな偏波モードを有する。活性層１０４が均一に作
製できていれば、利得は活性層の面に対して平行な偏波
モードを一様に励起するので、面内における偏光方向は
一定には決まらない。しかし、実際の測定では、基板１
０１の結晶面が（１００）面のとき、偏波方向は〈０１
１〉および〈０１−１〉方向あるいはその近傍となるこ
とが多い。これは完全な結晶が作りにくく、格子欠陥や
転移によって結晶光学的特性に異方性が、ある決まった
方向（（１００）基板の場合には〈０１１〉ないしは
〈０１−１〉方向）に起こりやすいためと考えられる。
更に、意図的に歪みを与えることで利得にさらに面方位
依存性を与え得られることがシミュレーションで見いだ
されている。例えば、（１００）ＩｎＰ基板上に形成さ
れたＩｎＧａＡｓ井戸層およびＩｎＧａＡｓＰ障壁層の
多重量子井戸構造に或る範囲の歪みを与えた場合、〈０
１１〉方向および〈０１−１〉方向が他の結晶方位に比
べ利得が強調される。したがって、この活性層に均一に
キャリアが注入されたとき、導波路と共振器に偏波依存
性がなければ、２つの互いに直交する直線偏波モードが
常に同時に誘起される。こうして、偏光方向の安定化が
できる。

【００３８】次に、この状態で、分割された電極１１
０、１１１により、キャリア注入の方向と量を制御すれ
ば、活性層１０４中のキャリア分布を制御、すなわち利
得の面方位依存を微妙に制御することができる。本実施
例の場合、共振器長および活性層１０４の面内の大きさ
がキャリアの拡散長程度（３ミクロン程度）であるた
め、〈０１１〉方向と〈０１−１〉方向に分割した多電
極１１０、１１１による不均一キャリア注入より、利得
強度の空間分布、すなわち利得分布に変調をかけること
ができる（これらがキャリアの拡散長より大きい場合
は、不均一キャリア注入をしても活性層中のキャリア分
布はほぼ均一になってしまって利得分布に変調をかけら
れない）。このことは閉じこめ係数を制御することと等
価である。本実施例では、２分割リング型電極１１０、
１１１の分割方向を上下で直交する配置としたが、この
配置に限るものではない。例えば、両電極とも同方向に
分割されて平行配置にしたり、もっと多分割にして配置
することも効果がある。

【００３９】図６は、このようにしてキャリア注入量を
制御したときの、注入電流対光出力特性の一例である。
光出力は、偏光子を介して測定した２つの偏波出力とそ
の和を示している。図６中のバイアス点（約ｌｍＡ）で
偏光がスイッチングするが、全光出力には変化がないこ
とがわかる。また、この前後で、発振波長の変化も近視
野像の変化もない。すなわち、スイッチングの前後で偏
波のみが変化するいう理想的なスイッチング特性が得ら
れている。

【００４０】また、図６中のバイアス点において、分割
されたリング電極１１０、１１１の一部に微小な変調電
流（〜μｍ）を重畳することで偏波変調を行うことがで
きる。変調時のキャリア密度と光密度の変化が少ないた
め、２０ＧＨｚ以上の変調周波数で変調が可能であっ
た。さらに、各電極の分割部に注入するバイアス点での
注入電流バランスを変えることで、バイアス点を変更で
きるため、出力変化や温度変化に対応できることも確認
した。

【００４１】本実施例特有の効果は以下の通りである。（１）製作歩留まりが高い。これは成長のあとに誘電体
多層膜を積層するため、成長した結晶の光学特性を確認
してから適切な多層膜を作製することができるためであ
る。

【００４２】（第２実施例：歪み補償ＭＱＷ）第２の実
施例について説明する。第１実施例では、活性層厚が、
圧縮歪みを導入した井戸層の臨界膜厚によって制限され
ていた。本実施例の目的は、活性層をより厚く形成し、
大きな利得を得ることである。本実施例の特徴は、活性
層に歪み補償量子井戸構造を用いたことである。活性層
１０４以外の構造および製造方法は第１の実施例と共通
である。図７は第２の実施例の活性層のバンド構造図で
ある。本構造では、非対称歪み多重量子井戸構造におい
て、ネットの歪みが緩和（理想的にはゼロ）されるよう
に、井戸層あるいは障壁層に逆方向の歪みを与え、かつ
その基底準位が等しくなるように井戸深さおよび井戸幅
が非対称に設定されている。

【００４３】例えば、第１井戸層１３１として、圧縮歪
みＩｎＧａＡｓＰ層（Ｅｇ＝１．６５μｍ、歪み量１．
５％、厚さ６ｎｍ）、第２井戸層１３２として、引っ張
り歪みＩｎＧａＡｓ層（歪み量−０．９％、厚さ１０ｎ
ｍ）、障壁層１３３として無歪みＩｎＧａＡｓＰ層（Ｅ
ｇ＝１．１５μｍ、厚さ１０ｎｍ）を用い、量子井戸数
を１０とした。この結果、ｅ（伝導帯の電子準位）−ｈ
ｈ（価電子帯の重い正孔の準位）遷移の基底準位は、第
１井戸層１３１および第２量子井戸層１３２ともに１．
３μｍとなる。第１井戸層１３１に導入された圧縮歪み
がやや不均一になったとしても、その後に形成される障
壁層１３３により完全に歪みゼロに戻るので、その後の
第２井戸層１３２には再現性良く引っ張り歪みを導入す
ることができる。したがって、層数を重ねても常にネッ
トの歪みを一定に保つことができる。この構造は、活性
層厚の制限が端面発光型半導体レーザ（この型のレーザ
では活性層に沿って光が導波し、活性層は利得媒質層で
あると共に吸収層でもあるので、余り厚くできない）に
比べ緩い面発光半導体レーザで特に効果がある。本実施
例の場合、ネットの歪み量はほぼゼロとなるが、個々の
量子井戸１３１、１３２には歪みによる利得の結晶方位
依存性があり、第１実施例と同じように、〈０１１〉お
よび〈０１−１〉方向に利得が強くなる。それととも
に、井戸層数を１０と大きくできたため、全利得は第１
実施例よりも大きくなり、駆動電流を小さくすることが
できた。

【００４４】（第３実施例：非対称歪みＭＱＷ）第３の
実施例について説明する。本実施例の目的は、偏波変調
の制御性を向上させることである。以下、製造方法にお
いて上記実施例と異なる点について述べる。図８は本発
明の断面模式図である。まず、作製方法を説明する。

【００４５】［エビタキシャル成長］たとえば（１０
０）面を有するｎ−ＩｎＰ基板１０１上に、ＣＢＥ法等
を用いて以下の半導体層をエピタキシャル成長する。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層１０２ａ・・
・基板１０１の開口部１０１ａを作るエッチング工程時
に用いるエッチングストッパ層であり、厚さ５ｎｍと
し、量子効果により活性層からの発光を吸収しないよう
にした。ｉ（intrinsic）−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＤＢＲ２０９
・・・活性層２０９の発光波長に反射ビークを合わせ
て、かつ反射率が９５％以上になるようＩｎＰとＩｎＧ
ａＡｓおよび繰り返し数を調整した。ｎ−ＩｎＧａＡｓＰエッチングストッパ層１０２ｂ・・
・円筒状のメサを作るエッチング工程時に用いるエッチ
ングストッパ層であり、厚さ５ｎｍとし、量子効果によ
り活性層からの発光を吸収しないようにした。ｎ−ＩｎＰクラッド層１０３・・・キャリア濃度１×１
０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍ。非対称歪み量子井戸活性層２０４・・・図９は第３の実
施例の活性層２０４のバンド構造図である。第１井戸層
１７１、障壁層１７３および第２井戸層１７２を一単位
とした多重量子井戸構造であり、この２組の量子井戸に
異なる格子不整量を与えることで非対称歪みをかけてお
り、かつそのｅ−ｈｈ遷移の基底準位がわずかに異なる
ように井戸深さおよび井戸幅が非対称に設定されてい
る。例えば、第１井戸層１７１として、無歪みＩｎＧａ
ＡｓＰ層（Ｅｇ＝１．６５μｍ、厚さ８ｎｍ）、第２井
戸層１７２として、ＩｎＧａＡｓ層（歪み量０．４７
％、厚さ６ｎｍ）、障壁層として無歪みＩｎＧａＡｓＰ
層（Ｅｇ＝１．１５μｍ、厚さ１０ｎｍ）とする。ｐ−ＩｎＰクラッド層１０５・・・キャリア濃度１×１
０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１．５μｍ。ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０６・・・Ｅｇ＝
１．１５μｍ、キャリア密度３×１０¹⁹ｃｍ^-3、厚さ
０．５μｍ。ｉ−ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＤＢＲ２０９・・・前記と同
構造。ただし、後の電極作製工程のためにリング状にエ
ッチングしてある。その他の工程は第１実施例と同じで
ある。

【００４６】動作原理について説明する。非対称歪み量
子井戸活性層２０４では、歪み量とエネルギー準位の異
なる複数の井戸からなる量子井戸を採用することによっ
て、キャリア注入量によって、利得スベクトルを変化さ
せることができる。この結果、利得ピークと共振器損失
ピークの差、すなわちデチューニング量の調整が可能に
なる。図１０は、利得スペクトルのキャリア濃度を模式
的に表したものである。キャリア濃度を変化させること
で、利得ピーク位置を調整できることがわかる。本実施
例の場合、キャリア注入量を５×１０¹⁷ｃｍ^-3から６×
１０¹⁷ｃｍ^-3に変化させることで、１．３０μｍから
１．３５μｍまで利得ピークを変化させることができ
る。

【００４７】この方法による効果は以下の通りである。（１）作製工程が簡素化される。利得ピークと共振器損
失ピークが設計通りでなかったとしても、あるいは経時
変化でずれたとしても、調整することができる。この効
果はＤＢＲ２０８、２０９を活性層２０４と一括して作
製する場合に顕著である。（２）変調可能な動作領域が広くなる。利得スペクトル
を制御する自由度があるので、バイアス点を変更するこ
とで、所望の利得や微分利得を選んでバイアス点が設定
可能である。この結果、よリチャーピングの小さい変調
や光出力の制御が可能になる。

【００４８】図９では１組の非対称量子井戸構造の例を
示したが、井戸数の繰り返し数は臨界膜厚を超えない範
囲で増やしてもよい。

【００４９】（第４の実施例）図１１に本発明の面発光
半導体レーザを光通信の光送信機に適用した実施例を示
した。図１１において、９０１は制御回路、９０２は上
記実施例で示した本発明の半導体レーザ、９０３は偏光
子、９０４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、９０５は光ファイバ、９０６は端末か
ら送られてきた電気信号、９０７は、制御回路９０１か
ら、半導体レーザ９０２を駆動するために送られる駆動
信号、９０８は駆動信号９０７に従って半導体レーザ９
０２が駆動されることで出力された光信号、９０９は、
光信号９０８の直交する２つの偏波状態のうち１つだけ
を取り出すように調整された偏光子９０３を通過した光
信号、９１０は光ファイバ９０５中を伝送される光信
号、９１１は本発明の半導体レーザ９０２を用いた光送
信機である。、この実施例では、光送信機９１１は、制
御回路９０１、半導体レーザ９０２、偏光子９０３、光
結合手段９０４、光ファイバ９０５などから構成されて
いる。

【００５０】次に、本実施例の光送信機９１１の送信動
作について説明する。端末からの電気信号９０６が制御
回路９０１に入力されると、上記変調方法に従って本発
明の半導体レーザ９０２へ駆動信号９０７が送られる。
駆動信号９０７を入力された半導体レーザ９０２は、駆
動信号９０７に従って偏波状態が変化する光信号９０８
を出力する。その光信号９０８は、偏光子９０３で片方
の偏光の光信号９０９にされ、更に光結合手段９０４で
光ファイバ９０５へ結合される。こうして強度変調され
た光信号９１０を伝送し通信が行われる。

【００５１】この場合、光信号９１０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、上記構成の半
導体レーザはバイアス電流の制御で波長可変の半導体レ
ーザとしても用いられるので、波長多重通信の送信機と
しても使うことができる。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もできる。

【００５２】更に、適用可能な光通信システムについて
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などにも適用でき
る。

【００５３】（第５の実施例）図１２は、本発明のデバ
イスを、波長多重型のシステム構成時にスター型のトポ
ロジーにおいて使用したシステム例を示す。

【００５４】図１２において、９６１−１〜９６１−ｎ
は本発明の偏波変調面発光半導体レーザ）と偏光子から
なる送信部であり、９７１−１〜９７１−ｎは波長フィ
ルタと光検出器で構成される受信部である。

【００５５】本発明の偏波変調レーザの出力波長を変え
るには、通常のＤＦＢ−ＬＤと同様にその注入電流バイ
アスを制御してやればよい。本実施例では、１Åずつ並
べた送信器９６１より１０波（ｎ＝１０）の波長多重を
実現した。受信器９７１の波長フィルタとしては、この
波長多重度に対応させた適当なフィルタ（半値全巾＜
０．５Å）を用いることにより、所望の波長の光信号を
選択的に受信することが可能となる。

【００５６】偏波変調レーザと出力部に設けた偏光選択
素子の組み合わせにより、少ない電流変調で大きな消光
比のＡＳＫ信号が得られ、かつ変調時のスペクトル拡が
り（チャーピング）を極めて小さくできる。これによ
り、従来、ＦＳＫ方式あるいは外部変調方式でのみ実現
可能とされていた高密度波長多重化が可能となる。

【００５７】

【発明の効果】本発明の効果は以下の通りである。（１）偏波方向が安定な面発光半導体レーザを容易に作
製でき、かつ信頼性が高い。（２）活性層などを工夫して、動作領域の広い偏波スイ
ッチングが可能である。（３）偏波依存のパラメータが少ないので設計の自由度
が高い。（２）動作電流および変調電流が小さいためチャーピン
グが生じにくく、高速変調および長距離伝送が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の第１実施例の断面図である。

【図２】図２は同平面図である。

【図３】図３は従来例の問題点を説明する利得スペクト
ルと共振器損失との関係の典型例を表す模式図である。

【図４】図４は本発明の利点を説明する利得スペクトル
と共振器損失との関係の典型例を表す模式図である。

【図５】図５は第１実施例の活性層のバンド図である。

【図６】図６は本発明の注入電流対光出力特性の典型例
を示す図である。

【図７】図７は第２実施例の活性層のバンド図である。

【図８】図８は本発明の第３実施例の断面図である。

【図９】図９は第３実施例の活性層のバンド図である。

【図１０】図１０は第３実施例の利得のキャリア濃度依
存性を説明する模式図である。

【図１１】図１１は本発明の面発光半導体レーザを光通
信の光送信機に適用した実施例を示すブロック図であ
る。

【図１２】図１２は本発明の面発光半導体レーザを用い
た波長多重伝送システムを示すブロック図である。

【図１３】図１３は従来例の注入電流対光出力特性を示
す図である。

【符号の説明】

１０１基板１０１ａウインドウ１０２、１０２ａ、１０２ｂエッチングストッパ
層１０３、１０５クラッド層１０４歪み量子井戸活性層（歪み補償量子井戸活
性層）１０６キャップ層１０７側面保護層１０８、１０９誘電体ＤＢＲ１１０、１１１リング型電極１２１、１３１、１７２圧縮歪み井戸層１２２、１３３、１７３無歪み障壁層１３２引っ張り歪み井戸層１７１無歪み井戸層２０４非対称歪み量子井戸活性層２０８、２０９半導体ＤＢＲ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】層厚方向にレーザ光を出射する面発光レ
ーザであって、独立な２つの偏波モードを許容する光導
波路と、該２つの独立な偏波モードに等しい発振波長を
与える共振器と、該２つの独立な偏波モードに等しく利
得を与えることが可能で且つ偏波方向を特定する利得媒
質手段とを有することを特徴とする偏波方向の安定化し
た面発光半導体レーザ。
【請求項２】前記独立な２つの偏波モードを許容する
光導波路の構造が、（１００）面を有する半導体基板上
に垂直に形成された円筒形光導波路であり、前記２つの
独立な偏波モードに等しい発振波長を与える共振器が、
該円筒形光導波路の上下に設置された誘電体或は半導体
分布ブラッグ反射器であり、前記利得媒質手段が、（１
００）面内に歪みを与えた歪み多重量子井戸構造の活性
層を有することを特徴とする請求項１記載の面発光半導
体レーザ。
【請求項３】前記利得媒質手段が、（１００）面内に
非対称に歪みを導入した非対称歪み量子井戸活性層を有
し、それを構成する第１井戸層と第２井戸層それぞれの
電子−重い正孔間遷移の基底準位が等しくなる様に、且
つ夫々の量子井戸層全体にかかる歪み量を緩和する様
に、第１井戸層と第２井戸層に逆の方向の歪み量を与
え、障壁層は無歪みであり、井戸深さと幅を制御したこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の面発光半導体レー
ザ。
【請求項４】前記利得媒質手段が、（１００）面内に
非対称に歪みを導入した非対称歪み多重量子井戸構造の
活性層を有し、該非対称歪み活性層の第１井戸層と第２
井戸層に異なる歪み量を与え、それぞれの電子−重い正
孔間遷移の基底準位が異なる様に、井戸層厚と井戸深さ
が設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載
の面発光半導体レーザ。
【請求項５】更に発振モードを該独立な２つの偏波モ
ード間でスイッチングする手段を有することを特徴とす
る請求項１乃至４の何れかに記載の面発光半導体レー
ザ。
【請求項６】前記発振モードを該独立な２つの偏波モ
ード間でスイッチングする手段が、前記ブラッグ反射器
近傍に複数に分割して配置されたリング状電極であるこ
とを特徴とする請求項５記載の面発光半導体レーザ。
【請求項７】請求項１乃至６の何れかに記載の面発光
半導体レーザの駆動方法において、分割された電極の一
部に注入するキャリアに変調信号を重畳して夫々の電極
の部分に注入するキャリア数を制御することで、発振モ
ードを独立な２つの偏波モード間で高速にスイッチング
することを特徴とする偏波変調可能な面発光半導体レー
ザの駆動方法。
【請求項８】請求項１乃至６の何れかに記載の面発光
半導体レーザと、該面発光半導体レーザからの出力光の
うち１つの偏波の光を透過させる偏光選択手段と、該面
発光半導体レーザの出力光を入力信号に従って偏波変調
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。
【請求項９】請求項１乃至６の何れかに記載の面発光
半導体レ−ザを用いた送信機を含むことを特徴とする光
伝送システム。
【請求項１０】前記送信機が複数の異なる波長の光信
号を送出することができて波長多重型のネットワ−クを
構成することを特徴とする請求項９記載の光伝送システ
ム。