JPS5967677A - 光集積回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光集積回路に適した知共振器長を有した半導
体レーザ及び４れを用いた光集積回路に関する。

従来、個別デバイスとしての半導体レーザにおいては、
共振器長２００μｎｔ〜４００μｍ程度、スト叱゛・イ
１１プＩ１］　２μｍ〜１３μｍ程度までの構造のもの
が通常使用されている。しかしながら、前記の様な寸法
の半導体レーザでは、個別デバイスとしてはともかく、
集積回路としては集積密度の非常に低いものとなり、ま
た消費電力も大きく、現在のＳｉデバイスによる集積回
路の集積密度を上まわることはできない。少なくとも集
積密度、消費電力で同程度にし、応答速度で上まわらな
ければ、光ｑ２積回路の実用化はありえない。

以下、図面を用いて本発明を説明する。

第１図は半導体レーザの代表的な構造で》・る。

他にも｛Φ々の構造がある。例として、ＧａＡｓ、Ｇ　
ａ　１−　ｘ　Ａ　（ｌ　ｘ　Ａ　ｓのダブルへテロ接
＋　（　Ｄ　Ｈ　）構造半導体レーザなとる。第１図に
おいて、１はｎ十形ＧａＡｓ基板、２はｎ十形Ｃｒａｌ
−、　Ａ　ＩＪ　ｘ　Ａ　ｓ、３はＧａＡＳ．４はｐ十
形Ｇａ１−ＸＡ６ＸＡｓ　、５はｎ形ＧａＡｓ、６はｐ
十形の拡散領域、７、８は電極である。スト／、９．４
％プ幅をＷ、活性層の厚さｄ、半導体レーザ端面間の共
振器長をＬとする。

半導体レーザを短共振器化したとき、まず問題となるの
は、しき−・値電流密度の上昇で））る。

すなわち、半導体レーザではその端面の電力反射係数が
１より相当小さく、活性層厚さや、その両サイドの材料
及び発振モードによるがＧａＡｓでＲ本０．３１．Ｉｎ
ＰでＲキ０２９程度なので、端面におけるミラー損失が
内部損失にくらべて相当大きく、共振器長が短かくなる
に従がいミラー損失が支配的となる。例えば、ＧａＡｇ
Ａｓ−ＱａＡｓ　系のダブルへテロ構造レーりでは、そ
のしきい値電流密度は次式で表わされる。

〔αＨ＋−ｌｎ　　Ｊ　　　　（１） Ｒ 但し、η：内部量子効率、ｄ：活性層厚さくμ７１１）
、Ｉ゛：閉じ込め係数、αＩ：内部損失（ｃｍ　’）　
、Ｉ。

：共振器長（Ｃｍ）、Ｒ：端面での電力反射率である。

共振器長りが長い場合には（１１式右辺第１項が相対的
に大きく、共振器長が短かくなるとミラ１ニー屯−」ｈ
失が大きくなる。

第２図はＧａＡｓ−ＧａＡ（？Ａｓダブルへテロ接合レ
ーリ１での活性層厚さｄ　＝　０．１μｍ、α１−１０
鑞−１、／’＝０２８、η−１としたときの共振器長し
としきい値電流密度Ｊｔｈの関係である。

パラメータは共振器端面の反射係数Ｒをとり、Ｏ１〜１
までの範囲について示している。共振器長が長い場合は
、反射係数Ｒが小さくとも、あまりしきい値電流密度は
増加しないが、共振器長が短かくなると、非常に太き（
なる。共振２：；１ぐが長い場合にはミラー損失は小さ
く、活性層ｊｌ／さがしきい値電流に最も影響する。故
（（共振２Ｋを短かくすると、しきい値電流を低く抑え
るためには、反射率Ｒを太き（する必要が生じてくる。

Ｌｌユ入主電流密度非常に大きくなると、局部的な熱発
生などのため半導体素子の劣化が激しく、寿命、信頼性
の点で問題となるので、動作状態における電流密度はで
きるだけ低く設定されなければならない。また、実際に
例えば１０’　Ａ　７ｃｍ２以上の電流をタイオードに
注入するときには、バンドギャップにより決まる電圧よ
り、相当大きな電圧を必要とすることになり局所的な消
費電力を大ぎくする原因になる。第１図の１と６の領域
はＧａＡｓで最高約ｌＸｌＯ１９♂程度までキャリア濃
度を増加させることができるが、Ｇａ１−ＸＡｌｘＡｓ
の場合、特にＸ＞０．２５以上で、イオン化エネルギー
が太き（なり、キャリアａ度を多くできず、室温でたが
だが５×１０＋１７〜ｌＸ１０ｍ　程度までである。さ
らに、ダブルへテロ構造を有しているために、活性層を
はさむ領域であるクラッド層（第１図中２．４等）の領
域では、ペテロ接合の障壁の−ために口形領域には電子
の注入のみ、ｐ影領域にはホールの注入のみしか行なえ
ないために、クラッド層のキャリア濃度以上のキャリア
を注入しまうとすると、あたかも各クラッド層がｉ層の
ように見え、外部印加電圧が、活性層の部分のみだけで
なく、層６と層４のｐ＋ｐ接合、層ｌと２のｎ＋ｎ接合
にも電圧がかがり、層４と２中での拡散電流が生じてく
る。さらに高注入電流になると１．剣ラッド層中での１
リフト伝導、さらには空間電荷伝導になり、電流を流す
ために大きな電圧が必要となり、電圧に対する電流の増
加が指数関数からずれてくる。５．　Ｘ　１０”Ｃｍ−
３のキャリア注入を電流になおすと、活性層厚Ｏ１μｆ
７１、自然キャリア寿命τ５＝ＩＸＩＯ−９ｓｅｃ　と
すると、Ｊキ８００　Ａ　／ｃｒｎ２程度であり、これ
以上の電流を流すためには上記述べたようＫｐ　ｎ接合
以外にも電圧降下が表われてきて、両端に加えるべき電
圧が高くなり消費電力を大きくする。第２図に示したよ
うＫ、共振器長ｈ″−短か（なって（ると間値電流密度
が上昇し、簡単に８００　Ａ　７ｃｍ２などは越えてし
ｆ５゜ 両端面の反Ｏ１係１＆　Ｒを０７にしてもＬ−＝ｌＯμ
ｍであるとＪｔｈ＝３ｆン〈）（）Ａ　７ｃｍ２とす７
．Ｊ　ノ”’Ｑ　Ｊ、ル。短共振器にすると端面の光の
反射係数を大きくしないとＪｔｈ’が大きくなり非常に
条件がきびしくなって（ることを第２図は示している。

第３図は、閾値電流をパラメータとした共振器長しと両
端面の光の電力反射係数の関係である。例えば門敏電流
密度Ｊｔｈ＝２０００Ａ／ｃｍ２で、Ｌ＝１０μｍとす
ると反射係数は少なくとモＲ＝０．８１　必要トｔ、ｃ
ル。Ｊｔｈ＝５０００Ａ／ｉだとＬ−１０μｍでＲ＝　
０．４４である。但し、活性層厚さｄ二０１μｍの場合
である。当然のことながら、Ｊｔｈを小さくするために
は、Ｒは大きくなければならない。

第４図は、共振器の反射係数Ｒをパラメータとして、共
振器長しく１１７ｎ）とした半導体レーザに閾値電流を
流すときに半導体レーザに／ｌ′ｌ費される電力Ｐ（ｍ
Ｗ）を与えている。但し、ストライプ幅１７ｚｆｎ、印
加電Ｗをｌ　５　Ｖ一定とした。すでに述べたようなド
リフト電流、空間電荷のある領域での印加電圧上昇の効
果はここでは無視しである。又、ストライブにしたとき
の電流波がりの効果も無視しである。第４図によれば、
光の電力反射係数がＩＫきわめて近い場合を除き共振器
長が１０〜２０μｍ程度以下になると消費電力は飽和し
て、Ｌの変化によらず、１個の半導体レーザに消費され
る電力はほぼ一定となつ亡くる。例えば、Ｒ；０３では
ＰキＩ３ｍ　Ｗ　、　　Ｒ＝　０．５．０７で（よそれ
ぞれ０．８　ｍ　Ｗ　。

０．４ｍＷ程度となる。ようするに、端面の反射係数が
十分１に近い場合を除き、共振器端面の反射係数を決め
てしまうと、レーリー閾値における消費電力は共振器長
の短い領域では、共振器長によらずほぼ決ってしまうの
である。もちろん、Ｒが１にきわめて近１〕れば、消費
電力は共振２を長りに比例してどんどん小さくなる。

第５図は、共振器長をＬ＝５μｍのときとＬ−５００Ｉ
ｔ　ｍ　Ｋ　したときの閾値？ｌｔｌ密流と活性層の１
１７さの関係で力・る。Ｒ，、Ｉ’ｔ２はそれぞれ共振
器左右端面の光の電力反射係数である。Ｌ−５（１０μ
７＋１のときは、共振器端面の反射率Ｒ，−Ｒ２−（＋
３１とＲ，＝ｏ７、Ｒ２＝０．９５としたときの１１υ
値電流密度の活性層の厚み依存性はあまり変わらず、０
０５μｎｔ程度のＪ９みの所で極小１１７ｊを示してい
る。Ｌ　＝＝　５７７　ｍのときは、反射率によってＪ
ｔｈｌ相当変化する。しかも極小となる活性層厚さが、
０１μｍ〜０２μｔｎの範囲にある。すなわち　共振器
長が２０μｍ以下程度になってくるとミラー損失が非常
に大きくなり、光の閉じ込め係数の効果が大きく影響し
て、極小点が変ってくるのである。

従来程度の共振器長のレーザでは極小点は（ｌＱ５〜０
１μｎｌにあったが短共振器レーデでは０．１〜０２μ
ｍの範囲となってくる。この値は、ＧａＡｓ−ＧａＡ／
？Ａｓレーザの場合で、活性層とクラッド層の屈折率差
５％の場合である。

短共振器化すると次に問題となるのが軸モード間隔であ
る。なぜなら、短共振器化すると−ＩＴ１モード間隔が
大きくなり、レー−り一の利得最大点と共振点が一致し
ないと、利得が低くなるのと等価であり、閾値電流を押
し上げてしまう。第６図は共振器長と軸モード間隔の関
係を示している。λ＝ｉｉ５００　Ａ、ｎ＝３．６とす
ると例えば１０μｍの共振器長で軸モード間隔Δλ卆１
００Ａとなる。５μｍであれば２００　Ａの間隔となる
ので）、る。通常使われているＬ＝４００μｎｔ程度で
はΔλキ３Ａ程度となるので、利得最大値′・弔意を考
慮しなくともどこかで一致しているのであるが、短共振
器であるとそうはいかないのである。

第７図は波長と共振特性の関係である。共振器長５７１
ｍとｌＱ４ｍで、反射率０３１の場合を示している。共
振器長５４ｆｉでは、約２１５人間隔で共振していて、
１０μ＋１７１ではその半分である。反射率０３１では
共振器自体の特性が悪いので、第７図に示す」、うに共
振波長間の極小点であっても、少しは電磁ン友が存在す
ることができ、共厖点の０２８倍程庶子）する。すなわ
１）、共１辰器の波長選択性が弱く、単一周波数動作を
指向する時の欠点になる。短共振器化した場合には、ト
記述べたように、ミラー損失が増大４−るために、低閾
値電流化するためにはミラーの反射率を増大させる必要
がある。第８ＶはＬ＝５μｔｎのときに、共振器端面の
反射率をＲ＝０３１．０５．０７、（）９としたときの
共Ｊ辰器特性である。横軸は波長λ（Ａ）で縦軸は共振
Ｌｒ、ｌｒ性である。共振器端面の反射率を増加させる
と、共振器特性は１１ｊ１上するため、共振波長の半値
幅は徐々に狭くなり、共振波長の間の利得は非常に小さ
くなる。すなわち、波長選択性が強くなる。そのため、
共振器端面の反射率を増大させるにしたがい、さらに共
振波長とレーザの利得最大値を正確に）１わぜる必要が
生じてくる。共振器の半値全幅△λ（Ａ）と共振器端＋
ｆｓｉにおける反射率Ｒとの関係を共振器長Ｌ＝１０μ
ｆ７１と５μｍ　Ｋ対して第９図に示す。Ｉ−＝　５μ
ｒｎＫ対してＲ−０３で△λ＝　１　（］　（１Ａであ
るが、０．５．０．７，０．９に対して、５２Ａ１３１
Ａ。

７、５　Ａ程度になる。特宇の波長（（合わせてレーザ
発振するためには、少なくともこの半値幅以内に利得最
大値を合わ亡る必要がｋ・る。］　Ｏ／１ｎ１になると
半値幅は約半分に減少する。ｌ：？ｊ　ｈｌｊ電流をよ
り低くするためには、利得最大周波ズ９と共振周波数を
一致させる必要がある。

第１０図は、共県器の長さに対する共振特性の変化であ
る。波長は８８００Ａ、屈折率３６と固定したとき、共
振器端面の反射率Ｒ＝０．３１．０η：１．、に、１対
して示している。誘電体中でのレー→ノー発光波長の半
波長の周期で共振している。又、端面の反射率が増大す
ると共眼点の範囲は非常に狭くなり、共１辰器の寸法が
非常に厳密（Ｃ決定できないことには′時定の波長のレ
ーザ発振は不可能となる。それでもレーザ共振器が１０
　＋ｌ　ｌｉ？ｌＩす、上と長い場合には軸モート゛間
隔がＩＯＡ程度でル、ろか１９．どとかでし・−ザ発振
するからよいが、５０μｍ＋＋以下ではだんだん難しく
なる。

＋１ｉｔ述したよ５　ｖＣＬ　＝　１０７ｚ　ｍでけ約
１００μ間隔の１Ｔ１１ｒニードとなるので、利得最大
用波級と略々−孜さぜるには精′１チな寸法だしが必要
となるレージ′７ＪＩＧ　４辰波長は近４久的にｍｈ−
ｎＬで表わされＫ）。λ。：自由空間ｌヴ長、ｍ：整数
、ｎ：屈折・↑、Ｌ：共県器長である。例えば、ｎ−３
６、＋ｎ　＝　４０　、　　λｏ＝９０００Ａとすると
、Ｉ、−５μ７ｎと／ｆる。共振器中に２０波長定在波
が立ち、０、９７＋　ｔｕでレーザ発光する。ここで、
λ０±△λ＝　９０００　Ａ±１０ＯＡにおさめたいと
きはＬｌｏｌとし“・ｙｓ　ｌ、−Ｅ　Ｌと近イυ的“
な〕・△Ｌ−００・、５．１６μ？＋１以内の精度で加
工を行なわなければならない。半導体レーザ力；、導波
路モードで働ら（には少なくとも１０波長程度必要テ）
、るので、ＧａＡｓでは、２５７１　ｍ程度、ＩｎＰで
は５μか１程度共振器長が必要となる。短共振器の範囲
は、数波長から２００波長程度の範囲とする。２００波
長を越えてくると軸モード間隔が狭くなってきて、利得
般尺点について考１１する必要がな（なってくることは
前述した。。

半導体での利得の範囲、ピーク遷８につし・て要旨を説
明する。

第１１回（α〕は活性層Ｋｐ＋ＧａＡｓを用℃・たとき
の利得の理論形状である。横軸は波長λ（Ａ）、縦＄１
１１は利得ｇ（ｃｍ’）を示していて、注入片ヤリ７が
、ｎ＝１４　×１０′８ｃｒｎ−３とｎ　＝　２　×１
　　”８１’について１示している。ｎ　＝１．４　Ｘ
ＩＯＣｎ’Ｌ　　’Ｑビーク利得は波長８８４０Ａで得
られ１００　ｃｍ利得が正の部分の波長範囲△λｉ−！
１５０Ａ程度である。ｎ　＝　２　Ｘ　１０”　（ｍ−
３では、λ＝８７９３久でｇｒｎａＸ＝３２０ＣＥ１、
Δλ中３０　＋ｌ　Ｘ程度である。

前述した１うに、ＧａＡｓでは共振器長が１０μ程度あ
り、共振最大点と利得最大点の一致が効未よく、レーザ
発光させるための必要条件となってくる。

第１１（ｂ）は注入キャリア密度ｎと利得最犬波凌λＩ
ｎ　ａ　Ｘの関係でよする。その関係は低電流密度で線
形であり、徐々に飽和してくる。キャリア先度ｎと電流
密度Ｊの関係は次式で表わされる。

ｄｎ Ｊ＝− 世し、ｅ　：　１．６０２Ｘ１０−Ｉ９Ｃ、ｄ　：活性
層の厚さ、τＳ＝ギヤリアの自然寿命で）、る。故にｄ
−０，１ｔｒｍ、ｒｓ＝ＩＸ１０−’ｓｅｅとして、ｎ
　＝　ＩＸ　ｌ　０１８Ｃｎｔ−３はＪ＝１６００Ａ／
ＣｎＰと換算できる。

活性層の厚さにほぼ比例する。第１１図の結果は、活性
層がｐ＋ＧａＡｓの場合のものであるが、活性層を高抵
抗層等に変えれば、おのずと変化するわけである。

第１２図は注入キャリア密度ｎと利得最大値’　ｍａｘ
あるいｉ１利得が正の範囲となる幅ムλの関係を示して
いる。Δλは、ｅｖの単位で与えられている。レーザ発
振は、この１り得と損失が等しくなった時に起こるので
ある。すなわち、ｆ−α　−＋−−／Ｊｎ　−（１１ １Ｌ　　　　Ｒ αｉ：半導体内部での吸収、散乱損失、Ｋ　ｄ　ｎ　Ｒ
：ミラー損失、Ｌ：共振器長、Ｒ：共振器端面での反射
係数である。例えばＬ＝１０μｎ１、Ｒ−０８、α−＝
１０Ｃｍ−蔦とすると、９−：＝　２４０　ｃｍ−’の
ときレーザ発振を開始するが、第１２図よりｎ　＝　１
．８　Ｘ　１０”ＣＨＦ２のキャリア密度を与える’ｔ
［ｉ、流が閾値電流密度となる。この時の利得最大波長
は第１１図（１））よりλｍａｘ　＝ｓｓｏｏ　Ａとな
る。この波長に共振器の長さを略々合ゎぜる必要が）。

る。この時の共振器の長さは１０／１ｍ近辺の長さでは
Ｌｒｅｓ４−９．７７８μｍである。このようにすると
利得最大波長と共振器の共振波長を合わせることかでき
るのである。共振波長を少しずらして使う方法もあるが
後述する。

半導体レーザの集積化を行なうときは、共振ｒ１５） 器公Ｉ男かくするだけでなく、ストライブ中をできるだ
け狭くすることが重要で））る。狭ストライプ化すると
きに、電流とじこめ、光学とじこめの両方を考慮する必
要が力する。両方のとじ込めを効果的に行なわないと損
失が増大し、消費電力が大きくなる。最初に光学的とじ
込めを考え、光樽波特性のみを考？ｔする。

第１３図は光導波路モテルで、８する。光導波路１（）
０をかこみ周囲の領域１０１，１０２であり、これは光
導波の方向ｔＣ対して垂直の断面である。１００の領域
の屈折率ｎ６．１０１の屈折率１２．１０２の屈折率ｎ
３とし、ｎ＋＞ｎ＋、ｎ３と−Ｊる。１００の領域が半
導体レー→ノーの活性領域（〆（＝対応し、導波路の幅
ａかヌトラ・１１幅に対１心し、へ４波路厚さｂがし一
一−りの活性層厚さに対１．１１、するので）・る。斜
線の領域は光がないという近似を使って無視する。

第１４図は第１３図ＫＩｄげろ光導波路の分散特性であ
る。但し、Δｎ、−力−恵２−５×１Ｏ−２を一定とし
てΔｎ２−Ａ１ニ」」−と光導波路の厚さｂと波長λに
関係Ｈたすを・・ラメータとしている・横軸は光導波路
幅ａと波長λに対応した１１ａでλ あり、縦軸はｒ　Ｉ＜：　−Ｋ；）／（ｘ−−Ｋ；）で
ある。Ｋ−えＬ肌　　＝罎シＩ は波数であり、Ｋ、　　　Ａ、に２．　　となる。

λは自由空間波長である。Ｋ２が導波路中を伝搬するモ
ードの伝搬波数である。（Ｋニー　Ｋ２’　）　／（Ｋ
　、２　　ｘ　２２　）　　がＯＫ近ブくことは、Ｋ２
−に２でに（Ｋ；−Ｋ：）／ｃ　Ｋ；−Ｋ：）がＩＫ近
づくときはいることになる。ＩＫ近づくにつれて、導波
特性は良好で））る。第１４図では、つｔ＝＝ｏ５、■
、１５に対して５．！！、　ロ、　＝＝　ｍ：５−１０
３、ｉｏ”、５Ｘ１０’−２の場合の分散特性を示して
いる。但し基本モード、（ＴＥｏｏ、ＴＭｏ。）に対し
て示している。呈が増加するにつれて、導波特性はよく
なっているが、几声＝１５以上になってくるく１が、ｌ
、いことになる。さらｅζ光導波の幅ａＫ対して、Δロ
２−１０−３のときけほとんど関係なく一定で）、る。

横方向の光とじ込めがあまり効果的によ。こなわれてい
ないということである。△ｎ２＝１０”、５Ｘ１０−２
になるに従い、光導波路幅の依存性が顕著になってきて
　Ｊ−ａて、２〜３λ の１近で急歯に減少し、涛波特件が悪くなる。

この分散性Ｉ１１だけでは、明瞭に狭ストライプの限界
がわからないので、先導波路の閉じ込め係に２を求めて
みる。第１５図は閉じ込め係数Ｉ′とストライブ幅に相
当するＥＥｖ”の関係である。閉λ じ込め係数Ｉ゛は全領域の光強度の全（ＦＩ′Ｇで対し
て、光導波路内（ａＸｂ）の領域に光がどれだけ存在す
るかの量である。ＦがＩＫ近し・ということは、殆んど
の光がコア部、すなわち活性層部に集中しているＵとを
意味する。Δｎ　２−５　Ｘ　１０”−２では１区は１
〜２０間まで狭くできるが、△ｎ２λ 〒１０−２だとやこの限界は２〜３程度となす△ｎ２＝
１０−３　になると苓ａを５〜６にしても閉ｄ。

込ｄ３係数は大きくならない。△ｎ２をある程度大きく
しないとよい光の伝搬特性は得られず、閾値電流密度を
低くすることができｔ（い。ｒの効果は（１）式に出て
いて、ｌ゛が１にくらべて小さいと内部損失、ミラー損
失が見かけ上大きくなってしまうので）、る。

タプルヘテロ構造を導入してい乙ために第１図のような
へテロ接合に垂直の方向では話）ＩＩ一層のバンドギャ
ップをクラッド層にくらべてル、る程度小さくすればキ
ャリアの閉じ込めは充分フ。

されるが、通′ｌ＋６へテロ接合に平行な方向では、充
分なキャリア閉じ込めが行なわれてはいない。

ハリードヘテ＋−（ＤＨ）やＴＪＳレーザで行なわれて
いるのみである。ようするにストライプ幅方向でのキャ
リアとじ込めを行なうために横方ｌＨｉｕＭｌヘテロ構
造を導入したり、反対導電型の瞳壁などをもうければ、
キャリアの閉じ込めを行なうことが可能なので）、る。

以下において、上記述べてきた条件をもとに、実施例に
ついて述４る０ 第１６図は三端子構造の半導体レーザである。

図中１．２．３．４は第１図と同様で、１６３にｎｌの
領域を有し、ゲートとして作用させる。

１６４けｐＦの高儂度領域として、カソードとなり、１
の領域が７ノードとなる。もちろん、導電型をまったく
反対にしたものでもよい。第１６図のようにケートを設
けた半導体レーザについ・１は、比較的高抵抗領域ＶＣ
して、電流を流すと−きには、ゲートに順方向電圧を印
加する。閾値電流以下にするときには、ゲートを０電圧
にするか逆ゲートバイアスを加える。キャリアの横方向
閉じ込めもこのゲートにより有効に行な５ことができる
。さらに１６１領域も基板１と反対導電形で“クラッド
層の屈折率より大きい拐料を用い、ＧａＡｓ、ＧａＡｌ
Ａｓ　Ｉｙ−リーではＧａＡｓ等でよい。これによって
基板側から注入されるキャリアの横方向閉じ込めを有効
に行なうことがさらに可能である。さらに、層２のうち
、１６２の凸部を有する構造を導入することにより、ス
トライプ購方向の光とじこめがよくなる。半導体層２の
凸部１６２以外の層の薄い領域では導波光の一部が結晶
基板１及び１６１の領域にまで到達し、この部分で導波
光の一部が吸収される。これに対し凸部に対応する領域
では、このように吸収はない。従って、凸部に対応する
領域に比較して、それ以外の領域の光導θＵ路の実効吸
収係数は十分大きくなる。この実効吸収係数の差により
導波光は接合面に平行な横方向に閉じ込められ、レーザ
発光は、凸部のＬ部に位置する半導体層３０部分で安定
な横姿態を有しておこることとなる。

光の導波特性は溝のある部分とない部分の複素屈折率差
δｎで決定される。δｎは、δｎ−差、△αは実効吸収
係数差である。Ｋｏは自由空間での波数である。この複
素屈折率差は、活性層の厚さｄ（ｚ＋ｍ）とクラッド層
の厚さｔ（μｍ）によって変化する。第７図は、ＧａＡ
ｓとＧａ　ｏ、７Ａｌｏ、３Ａｓのレーザダイオードで
、基板の吸収係数をσ５＝８０００Ｃｆ’としたときの
、△ｎと△αに対する活性層の厚さ６８ｍとクラッド層
の厚さｔ（μ７＋１　）の関係である。（８１図が実効
屈折率差△ｎ　、ｆｂ１図が実効吸収係数差Δαを表わ
している。例えばＧ　ａ　Ａ　ｓ　、Ｇ　ａｏ、７　Ａ
４ｏ、３Ａｓ　Ｄ　Ｈレーリて、活性層Ｊ１さ０．１μ
ｆｆ＋として、この層の厚、＼ｔを０３μ７１１とする
と、実効）１「１折率差は△”ｅｆｆが実際の屈折率の
変化で、５００　Ｃｔ’が光の吸収損失をあられす。さ
らにｔ−０１μｆＦｔ程度にすると実部の屈折率差Δｎ
ｎｌｘｔｏ−２程度が得られ、光のとじ込めも充分実現
することができる。第１６図の構造の概略を述べておく
。ｎ＋基板１の不純物密度：　Ｉ　Ｘ　１０”−Ｉ　Ｘ
　１０１９ｃｍ−３、ｎ＋ＧａＡ・ｌへ８層の厚さ及び
不純物密度０．０５〜０．５６ｍ及び５×ｌｏ′７〜１
×１０′９程度、１６２の領域１〜５７７１１１　、１
６１の領域ｐ形ＧａＡｓで厚さ及び不純物密度０５〜５
μｍ、１　ｘ　１ｏ１７〜Ｉ　Ｘ　１０”ｃｎ戸程度、
活性層３の厚さ０．０５〜０５１ｉ　ｍ、　ｐ形ＧａＡ
ｌＡｓ層０５〜３μｎｔ、１×１０”　〜１　ｘ　１０
”ｃｍ−３程度、ｐ〜ソード領域１６４の不純物密度１
×１０１８〜１×１ｏＩ９ｃｎ「３程度、ｎ＋ゲート領
域はＩ　Ｘ　１０′８〜ｌ　Ｘ　１０”程度でよ・る。

ゲート・ゲート間隔（チャンネル幅）は０３〜３μｍ程
度で））る。チャンイル幅Ｗ、ケート深さから決まるチ
ャンネル長ｌ、チャンイ、ルの不純物密度Ｎとすれば、
Ｎｗ２＜２×１ｏ７ｃｎ「１、Ｌ／Ｗ＞ｔとすればノー
マリオフ型になる。第１６ドＩの半導体レーザは、ゲー
トで電流が制御される。ゲートに順方向バイアスを印加
して、１１ｕ値以上の電流を流し、レーク５発光さぜる
が、チャンネル幅を広くして、零ゲートバイアス時にも
ある程度電流が流れるような動作を１史うこともできる
。その場合は電流を零にするためにある程度逆、バ；イ
アスを加えることになる。又、チャンネル領域のキャリ
ア密度を上記より高くすると、ゲート電圧による７ノー
ド、カソード間の電流の制御が悪くなるが、単にキャリ
アの流れの閉じ込めのみとして、ゲート領域を使用する
こともできる。その場合はむしろ、ゲートの作用はほと
んどなくなる。さらに、第１６図では、層４がＧａＡｌ
Ａｓになっているが、オーミック抵抗を低くするために
、この上Ｋ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ　０層を設けてもよい。又
、すべての領域の導電形が上記の正反対になってもよい
し、他の半導体拐料たとえば、ＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓＰ
系等にも答易に適用できる。第１６図の半導体レー→ノ
ーの特徴ることに）、る。

第１８図は他の実施例でストライプに垂直方向の断面図
である。１７１はｎ＋Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板、１７２はｎ
ｈＧａＡｌＡｓ層、１７３１２活性層ｎＧａＡｓ、１７
４ＬｉｎＧａＡ／？Ａｓ、１７５１１ｐ”−領域である
。ここでｐｎ接合は、’、１ＧａＡｓｐｎ接合とＧａＡ
ｌＡｓＰＮ接合がある。領域１７５と１７４の接合、領
域１７５と１７２の接合がＧａＡｌＡｓのＰＮ接合、領
域１７５，１７３の接合はＧａＡｓのｐｎ接合である。

ＧａＡｓのｐｎ接合とＧａＡｌＡｓのＰＮ接合に流れる
電流はバンドギャップが異なるために同じ電圧を加えた
時大きな差がでる。順方向での電流の違いはＧａＡｓで
ｉ　　ＧａＡｌＡｓでＩＮとするとその比はバンドギャ
ップ比で略々表ゎされる。

Ｉ　ｎ　／　Ｉ　ＮキｅＸｐ（△Ｅ　ｑ　／　ｋ　Ｔ）
　　　（２１但し、ｋ：ボルツマン定数、Ｔ：絶対温度
、△ＥＩ）：バンドギャノブの差である。Ｇ　ａ　ｏ、
７Ａ６ｏ、３Ａ８でＥ９：１．８ｅＶ、　Ｇ　ａ　Ａ　
ｓ　、　Ｅｇ＝１．４２ｅＶでΔＥ　ｑ　＝　０．３８
　ｅ　Ｖであるから、室温でｉ　ｎ／＋　Ｎｏ２３５　
Ｘ　１０’となり、ＧａＡｓのｐｎ接合の′１１ｚ流密
度が非常に多く、主にＧａＡｓのｐｎ接合部分に電流は
集中する。接合部分の全面積が問題となるから、実質的
にはもう少し比は小さくなる。第１７図でストライプ幅
ｌμｔｎ、１７２．１７３．１１・１．↑４を１μｆｎ
、０．１　Ｂｒｎ、１　μｍ　　とすると、ＰＮ接合と
ｐｎ接合の面積比はほぼ、ｒ−４０程度でｉ　ｎ　／　
ｉ　Ｎキ５．９Ｘ１０’倍程度になるが、はとんどＰＮ
接合での電流リークは問題とならなくて、１７３０層に
キャリアはとじ込められ、ｐｎ接合に対して垂直に電流
は流れるので、＠１７図で電流は活性層にとじ込められ
る。ＧａＡｓやＩｎＰなど多（のレーザに用いられる化
合物半導体では電子の拡散距離と正孔の拡散距離には大
きな差があり、通常電子の拡散距離が大きいので、ｐｎ
接合であるとｐ側で発光が生ずる。故Ｏて、＋７５の領
域はｐ形の領域である方が望ましい。又、１７５の領域
の幅は電子の拡散距離よりケリかい状態でないと２つの
ｐｎ接合の発光ヌボノトが分離してしまうので、拡散距
離によって決ってしまう。ＧａＡｓの場合、キャリアの
自然寿命なτ＝　ｌ　Ｘ　Ｉ　Ｗ’６ｅｃとし、キャリ
ア密度Ｉ　Ｘ　１０−１８ｃＥ３　　とすると］、キ２
８μｎｔ、Ｌ、キ０７μｎｔ程度となる。電子が領域１
７５の両側から流れ込むことを考えると略ｈ５μｆ７１
以下のストライブ「咄Ｎあれば、スポットは１つとなる
。通常、領域１７５のｐ領域にはＺｎなどを用いるがＧ
ａＡｓＫＺｎがドープされると１×１０１８ｃｍ　”稈
度で△ｎ−１Ｏ−２〜１０−３程度ＧａＡｓの屈折率が
増加する。そのため光学的とじ込めも良くなる。

第１９図ではｐ領域のドーパントによる光導波部分の屈
折率増加だけでなく、１８０の領域と１７２の領域との
厚さの差をつげて、実効屈折率の差を導入していり。こ
の原理は第１６図と同様である。第１８図で１７６はＳ
ｉ３Ｎ４，５ｉ０４Ｎ４．ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等の絶縁
膜であるが、これはなくてもよい。なぜなら、１７４は
ｎ形埜１７７はｐ形用のオーニック金属だから、ｎ形に
は低いす一二ノク接触はできないから、１７７カ。

１７４の領域に接触していてもほとんど電流電流れない
。

第２０図は他の実施例の断面図である。１７１．１７２
．１７３．１７４は第１８図と同じであるが、１７２．
１７３．１７４を結晶成長により形成後、■みぞをニゲ
・チ１１ングにより形成し、拡散あるいはイオン注入な
どにより、１７１〜１７４と反対導電形の領域１９０を
形成する。このとき、層１９００■みその部分は、層１
７３より深く侵入するように製作する。そうすると、第
１８図のレーリー発光部と同様に領域１９１が、し・−
サ発光部分となる。第１９図の構造を用いると、第１８
図の構造より狭ストライブ化が可能となる。すなわち、
拡散、イオン注入の後の熱処理等で、領域１７５や１０
１を形成するのであるが、拡散を行なうときに、拡散Ｗ
１ｊ離と横波がりの距離は同程度となるので、例えば１
μｍの深さの拡散を行なうにはヌトライブ幅は２μ７ｎ
右゛度みておく必要があ６０このため、第１７図の構造
では、ｌ　ｌｔ　ｍ以下のストライプ幅を得ることばｆ
・ｌｌ　Ｌいが、第２０図ｔａ＋の■みそを用いた構造
ではそれ以下も容易に形成できる。又、第２０図（ｂｌ
はレーリー発光部分の横方向の光とじ込めを１７２の層
の三角形のｊツみ変化により、実効的ＪＩＩ折率差を施
こして横モード安定性を高めている。第２０図の（ａ）
、（ｂｌの電、、、：骨とじこめは、第１８図の構造で
説明した原理と同じで、材料のバンドギャップ差により
行なっている。第１８図から第２０図（ｂｌの構造で１
７４の層の上にオーミック接触抵抗を低減するためＫ　
Ｇ　ａ　Ａ　ｓをさらにつけてもよい。レーザ発振に必
要な本質的な（１４造を」二重では示している。ｎｊＩ
記の実施例では半導体ウエノ・の上下に電極をとってい
る例であるが、集積回路化するときにはむしる、半導体
ウェハの表面だけで配線可能な構造にした方がよい場合
がある。第２１図は表面配線形の例である。２１０を高
抵抗ＧａＡｓ基板Ｋ　Ｌ、２１１．２１２．２１３をそ
れぞれ、ＧａＡｅＡｓ、ＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓの不純
物の少ない高抵抗層にして、二重拡散、二１１′ＣイＩ
ン注入等により計形頒域２１４、ｐ′形領領域２１５形
成し、領域２１５のうち層２１２を活性層として電流は
基板に対して完全に横方向に流れている。リーク電流を
少なくするために領域２１６の高抵抗領域を水素イオン
インプラなどによって形成してもよい。光学閉じ込め、
電流閉じ込めは前ルむと同様で）、る。２１０〜２１３
はｎ形でもよい。その場合は第１８図の構造と同じで表
面配線にしただけである。第１８図で領域１７５と層１
７３の交わる部分であるＧａＡｓｐｎ接合は２ケ所ある
が、これを−ケ所にして使用してもよい。すなわち領域
１７の領域を広くとり、１つのｐｎ接合でレーザ発振さ
せる。第２２図は他の実施例である。例えば１はｎ＋Ｇ
　ａ　Ａ　ｓ、２はｎ　−Ｇａ、−７，Ａ１２Ａｓ、２
５１は徐々に組成が変化している部分でｎＧａ１４Ａ／
ｙＡｓ、３はｎＧａＡｓ、２５２けこれも徐々に変化し
ている領域でｎ−Ｇａ］　−ｙ　Ａ　ｅ　ｙ　Ａ　ｓ　
、１７４　Ｌｌ　ｎ　ｃＴａ　１−　ｚ　Ａ　１７．Ａ
　ｓ　、２５３はｎ　Ｇ　ａ　Ａ　ｓである。１７５は
りの領域である。層２５１．２５２の領域の組成の変化
が最も重要であり、集束性光導波路と同様に屈折率分布
は、ｎ（Ｘ）二〇ｏ（１−ａＸ２）というようになるの
がよい。

第２２図ｔｂ＋は、ｆａ１図における導波路部における
屈折率分布を示している。間材としては、ＧａＡｓ系以
外のものであっても、もちろんかまわない。

第２３図は他の表面配線形の半導体レーリーの断面図で
）する。例えば、ｎ＋ＧａＡｓ＋板２２０にｎＧａ、−
ｘＡｌＸＡｓ　（ｘキ０．３）２２１、ｐ　　Ｇａ１−
、Ａ６゜Ａｓ２２２、ｐ−ＧａＡ、５２２３、ｎ　Ｃｒ
ａｌ−ｘＡｌｘＡｓ２２４層を形成し、半導体表面につ
ながったｐ＋形領領域２２５を形成する。２２７．２２
８は電極、２２’？は高抵抗領域である。ここで、主に
電流の流れる接合は、領域Ｎ＋ＧａＡｄＡｓ２２４とｐ
ＧａＡｓ２２３の境のＰＮ接合である。他の接合は、Ｇ
ａＡｆ？ＡｓのＰＮ接合であり、パンドキャソ／の差Ａ
ｓ２２３の領域に電子の注入がなされたとき、障壁とし
て作用するので）する。２２２の領域の厚さは、電子の
障壁としての役割りだけだから、その厚さは１００八程
度以上ル、ればよい。他の領域の厚さは今までの例と同
じで）、る。２２３が活性層となる。領域２２５の拡散
フロントは層２２２に止まっていてもよい。

前記の実施例は短共振器化及び狭ストライプ化したと、
１きに非″ｈ９によい特性をもつ半導体レー−リーの構
造について示したが、さらに光集積化の点にしぼって、
他の構造を示す。半導体レー］− ミラー損−１・さくしてレー・ノー発振させるのがＩｉ
ｉ工述の如く有刊である。その１つの方法としてし。

−リー共振器の端面の反射率は１００％に近刊けておい
て、レーリー発振光をレーザ活性層と並行乏 （で設けられた光導波路に結合させて外部に忙与り出す
（１４造が考えられる。

第２４図は光集積回路に適した半導体・レーリーの実施
例であり、（ａ）図はストライブに垂直な方向の断面図
で、（ｂ１図は＋ａ１図のＡ−Ａ’に：おける断面図で
８する。図中、１．２．３．４．１６１．１６２けｎｉ
ｊ述の実施例と同様である。凸部が２ケ所あり、ストラ
イプが２ケ所形成されている。本来、層３けレー−りの
活性層としても光導波路としても作用する。この実施例
では一方をレーザ発光１、シ、他方な光導波路として用
い、レー→ノー光を一方からと４？出して、光を導波す
る構造であす る。Ａ　−Ａ’の断面でカ）る（ｂ１図に示す如く、し
し７．７＋からのキャリアをそれぞれのレーザ発光部、
光導波部に分離して注入するための分離領域である。２
３０の領域は４の領域と反対導電形か、■■２、Ｈｏな
どを打ち込んだ高抵抗領域であってもよい。この実施例
では電極７でｊｉｅ　Ｌだ方をレーザ発光素子とし、７
１で示した方が光導波路となる。Ａ　−Ａ’の断面がＦ
ｂ１図であるが、（１））図の端面はドライあるいはウ
ェットのエノずングにより端面なシャープにエツチング
した後、端面をＡｊＮ、ＳｉＯ□、Ｓ　ｉ３Ｎ４．Ｇａ
Ｎ、ＢＮ、　Ａ（？２０３等の絶縁膜２３１によってお
おった後、反射ｊＩＱとしてＡｕ、Ａ１．Ｍｏ、Ｗ等の
金属７を形成する。それぞれの屈折率はλ−Ｆ”　８５
７１１ｎでＡｌＮ（ｎ＝２．２）、Ｓ　ｉ０２　（ｎ＝
１．４５）　、　Ｓ　ｉ、Ｎ４（ｎ＝２．０）　（Ｇａ
Ｎ　（ｎ＝２．３５）　、ＢＮ　（ｎ＝２．２）　、　
Ａ　４０３　（ｎ＝１．７５）程度の値である。ご「れ
によって、１００％近い反射率・］４１ のミラー面が形成でき、半導体レーザの閾値電流が低減
できる。この金属は電極金属と同じでもかまわないし、
別に形成してもよい。要するに、レーり発光波長に対し
て、できるだけ反射μｆｉ＋等の短共振器化を行なった
ときには、利得最大波長と共振器の共振波長を一致させ
ることが重曹となり、共振器長の正確な加工が必要と１
、（る、）共１”　；：ｌ÷長を精密に加工しても、絶
、やＪｌ）　！１４．Ｔ　Ｃ））厚さ・；１［意である
と実質的に共振器長変化してしまうのでＩＦ：　、ｒ＝
する必要がある。

金属が光ふるいは電磁波を反射するｊ？ｋ　ｔｌ’ｌを
考堅してみると、金属に電磁１表があたると、電磁界に
よって伝導電子が動き、その動きによって化１１ｎ波を
放出して、これが干渉しあって反射）ｔどなる。その際
、損失が非常に小さく、光があ考察するとεは負で非常
に大きくみえて、特性インピータンスで考えると２゜−
力だから、Ｚ。

キＯＫなり、回路としてはショートになる。半導体は、
ＧａＡｓではＺ。＝１０５０、絶縁物ノ５ｉ３Ｎ４等で
はＺ。−１８８Ωとなる。半導体側から金属を見込んだ
インピータンスは非常に小さいインピーダンスにみえる
。すなわち、金属表曲ごは光の電界は殆んど０になる。

はぼ−波長あるいは工波長（ｒは整数）の厚さに金属と
半導体し一ザの間に入る絶縁層の厚さを選ふと半導体レ
ーザの絶縁層２３１に接する端面では光の定在波の節と
なり、電界強度はきわめて小さいものになる。半導体レ
ーザ端面に定在波の節がくるようにすると、その部分で
の電界の強さが小さく本発明では端面の余積による反射
が１００％近くとれるため節での電界強度は零に近く半
導体レーザの高出力時の端面破壊の点においても非常に
有利亨ある。すなわち、通常のレーザでは半導体と空気
が直接後しているため、共振器端は定在波の腹となって
、出力が大きくなると電界が端面で最大となり、端面が
破壊されるのである。その点本発明では定在波の節が（
るように絶縁膜を設定すると寿命的にも有利になり信頼
性も向上する。絶縁層のけさｌエラ波長に限るわけでは
なく、１波長、ｉ波長等でもよい。

ない。ｎは屈折率で、λはレーＩＪ’発振波長である。

このような方法は、個別〆バ・〔ヌで大出力用の半導体
レーザ製作においても非常ｊ・て有効でにする。ζ弓ム
１面反射率を本発明では高＜（１ｏｏ％；ＪＥ＜）＋、
でとることができるので半導体と誘電体の界面での電界
強度が零に近くかつ、金属と誘電体の界面も零に近（な
るので界面付近での勤王はほとんど問題とならなくなる
。半導体レーザの寿命等は界面でなく、拐しト自身の劣
下や熱の効果だけになり、信哨１１ｔは飛躍的に向上す
λ る。しか−１、誘電体の厚さは必ずしも−７１にする必
要はない。そのときは半導本共系器長と絶縁膜の会計の
光学的長さによって共１辰器洟を設計しなければならな
い。又、光が金属によって反射されるとき、侵入距離が
あるので、ミラー面としての金属膜の厚さは光の侵入距
ｌｒｓの２庶子度１試上あれば１００％近い反１ｊは得
うレル。

これは各金属、波長によって異なってくる。侵入距離よ
り金属膜をうすくすると、反射率、透過率を金属膜の厚
さによって調整できる０絶縁嗅な例えばＳＩ　３　Ｎ　
４を使えば屈折率が２．００程度λ だから−はλを０．８８７＋　ｍとすると０．２２　／
１ｍｎ λ　３人 である。また、　、−−−は、０．４４７＋＊＋、０．
６６１ｒｎｔｎ　　　　２ｎ となるっ第２４図の構造では、レーリ発光光部にもまた
光導波路部にも電極を堰ってあり、それぞれ電流が流せ
るようになっている。レーザ発光部はすでに述べたよう
に、端面に絶縁層を介した金属反射面を設けて共振器の
Ｑ　ｋ大きくし、閾値電流が非常に小さくなされている
。一方、光導波路は、たとえば、光を取り出さない側は
。

第２３図（ｂｌと同様、ドライエツチングあるいはウェ
ットエツチングでシャープにエツチングして、絶縁層を
介して金属反射面を設けておいてもよい。光を取り出Ｃ
’＋’ＪＩ　”Ｉ’　、　’Ｃ’）　ｆ、ま光導波路と
して所定の場所まで光を導く構造にしてお（っ光４波路
部にも、電流を流しておくと有効である。内部損失して
打勝って増幅は起るが、発振はしない電流１１６に設′
？シておくのである。光導波路に電流を流さない場合に
は、活性層３はキャリアの少ない高抵抗層にしておくこ
とが望ましい。内部ｊｆｔ夫が小さくなるからである。

次に、帰共振器端面に絶縁層及び金属を設けてミラー面
とする工程について説明する。まず、リアクティプイオ
ンエノチンク（ＲＩＥ）で、半７、す体レーザ端面をミ
ラー面状にエツチングすることについて述べる。ＲＩＥ
で、ヘテロ接合構造の拐料をエツチングして、しかも均
一にエツチングするためには、成分元素の反応生成物が
背押発性になるエツチングガスを使用する。

たとえは、ＧａＡｓ−ＧａＡｌＡｓ系半導体レーザであ
れ′げ、１成分元素の塩化物は皆、高い蒸気圧を持った
揮発性物質であるから、エノチングカヌとしては、Ｃ１
２、ＣＣｌ４．ＣＣｌ２Ｆ２等を選ぶ。

平行平板型電極構造のＲＩＥについて述べると、たとえ
ば、ＣＣ１２Ｆ２の場合であれば、−ｈス圧３ｘｌＯ−
３Ｔｏｒｒ以下であれば、ＧａＡｓとＧａＡｌＡ３のエ
ツチングレートは殆んど等しい。１３５６Ｍ　Ｈ、の高
周波電力を数１００　ｍＷ／Ｃ〃どとすると、そのエツ
チングレートは、０１〜０．２４　ｍ　／　ｍ　ｉ　ｎ
である。Ｖ、力を高くすれば、エツチングレートは速（
なる。′電力密度を低くし過ぎると、セルフバイアス電
圧が低くなりすぎて、カー十ンのコ７タミ不一ションが
起るようになる。ｊ（（１常、０２Ｗ／Ｃｕ２からＩＷ
／Ｃｎ？程度でエツチングする。　Ｃｃ　ｅ２Ｆ２の場
合、ノノヌ圧を３Ｘ１０”Ｔｏｒｒｌり高くすると、Ｇ
ａＡｓのエツチングレートは速くなり、ＧａＡｌＡｓの
エツチングレートは遅くなる。反応生成物であるＡ　Ｉ
　Ｆ３が耐エツチング性を示すためである。ＣＣｌ４や
Ｃ１２によるエツチングではそうしたことは起らない。

このＲＩＥＫより表面から活、坤、沖よりやや下の部分
までエツチングして、ミラー面にするのである。ＲＩＥ
で得られた端面の１質は、壁間で得られる端面より現状
ではやや劣っており、まったく同じ半導体レーザで比較
した場合、ＲＩ　Ｅでミラー面を作成した半導体レーザ
の閾値電流は、壁間で形成したものに（らべて、２０％
から３０％高くなっている。しかし、この程度の閾値電
流の劣化は絶縁層を介して金属面を設けたミラーで十分
力か−できる。とくに絶縁層ノアさをｒ／２波長にした
構造では、仝；１シ面の影響が減少し有利で序、る。

次にＣＶＤ法による絶縁層の成膜技術についで述へる。

当然のことではあるが、化合物半導体の場合Ｑこけ成分
元素の蒸気圧が高いために、高温グＩ７セヌは使えない
。ブーセス温度は低い、１′−望ましい。紫外線照射Ｃ
ＶＤがもつとも適している。Ｓ　ｉ　０２、Ｓｔ、Ｎ４
のＣＶ　ｌ）　Ｋついて述べる。原料カスとして、Ｓｉ
Ｈ，十Ｎ２０系のガスでＳｉＯ□のＣＶＤが行える。た
とえば、１，７００Ａ〜２．０００Ａ程ＩＢ−の紫外線
照射により、Ｎ２０４−ｈ。

（１，７，０１１，〜２．０００人）→Ｎ２＋０（ｌＤ
）とＮ２ｏを分解し、分離した０（酸素）がＳｉＨ４と
反応して５ｉｎ２が堆積する。あるいは、ガス系ＫＨダ
ガスを添加することにより、低圧水銀ランプからの紫外
線（２５３７＾）で、　ＨＰを基底状態から励起状態に
励起し、励起状態にｔする水銀Ｈｆ　と原料ガスの反応
により５ｉ０２の堆積を行うことができる。

Ｈｇ＋Ｎ２０　　→　Ｎ２＋Ｏ（３Ｐ）　＋１１０（３
ｐ）は基底状態にカ、る酸素であるが、この酸素とＳｉ
Ｈ４の反応により５ｉｎ２が堆積する。

原料ガス系は、平均自由工程を長くするために通常数Ｔ
ｏｒｒ程度の減圧にする。室温から２００°Ｃ程度の温
度でこの反応は十分進行する。

一方、Ｓ　ｔ３Ｎ４膜の堆積は、Ｈｇを含んだ原料ガス
系Ｓ　ｉ　Ｈ４＋ＮＨ３の反応で行える。同じ（減圧に
して反応させる。

Ｈｆ＋ＳｉＨ４→Ｓ　ｉ　Ｎ３＋Ｈ＋Ｈｆ１１Ｆ　　−
トＮｌｌヨ　　　　→　Ｎｌｌ□＋Ｈ十ＨＩＩこのよう
に生成されたＳ　ｉ　１１３とＮＨ２の反応で５１３Ｎ
４は堆積される。同じく２００°Ｃ程度以下の温度で十
分反応は進行する。これらの堆積速度は１００Ａ／＋ｎ
ｉｎ稈度であるから、十分精度よく膜厚を制御できる。

できた１１すをＮ２ふん囲気中４５０゛Ｃ程度で、所要
の時間たとえば１０分〜６０分程度熱処１’ｌｌｉする
と膜質は向上する。Ａｌ２Ｏ３、ｈｌＪ２０３、ＡＩＮ
も同様紫外線照射ＣＶＤを低温で堆積できる。（ＣＩ−
ｊ３）３Ａｄ＋Ｎ２０＋Ｈｆ、Ｉ、るいはＡｄｃ４＋−
Ｃ０２〜Ｍ＋２、　（ＣＮ３）３Ａ　ｌ　＋　Ｎ　ＩＩ
３＋ＩＩ　ｆｊ系のカス系で４１積できる。膜厚の制御
は非常に精度がよい。

Ａ（ｌＮは、４巻子間隔がＧａＡｓＫ近く、熱膨、張係
数も接近しているので、ＧａＡｓには大変よ（整合する
月料である。紫外線照射ＣＶＤは、減圧でやることもあ
って段差の部分にも殆んど均一に１１１′ＪＩｌ：する
。紫外線照射ＣＶＤについて述べたが、プラズマＣＶＤ
技術でも相当に低温化が可能である。

ミラー面となる金属膜には、発光波長領域により各種の
金属が使われる。Ａ１．　Ａｕ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、Ｐｔ
、Ｃｄ等で友、る。垂直に形成されている端面に着くよ
うに試料を傾斜させながら、超高真空中で、これらの金
属を蒸着で設けることもできるし、ヌパノタで設けるこ
ともできる。表面の清浄さが要求されるので、蒸着時の
真空度は高い程望ましい。しかし、放射線損傷や段差部
の被覆形状を良好にするためには、金属膜もＣ■”Ｄ技
術で堆稍する方が望ましい。原料１，１７スとしては、
ハｐゲン化物（ｗＦ６．ＭｏＦ６、Ｃｒ　Ｆ　６、ＷＣ
ｌ６．　Ｃｒ　Ｃ６６）　、　力ｒＨ、＝−ル（Ｗ　（
Ｃｏ）６　Ｍ。

（Ｃｏ）６．　Ｃｒ　（Ｃｏ）６）４’有機金ＦＡ　（
（ＣＨ３）３Ａ　ｅ、（ＣＨ３）２Ｃｄ）等が使われる
。ハロケン１ヒ物の場合には、Ｈ２による還元反応であ
り、有（幾金属の場合は分解である。紫外線照射により
減圧ＣＶＤで、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ、　Ａ１等の堆オ！（が
低温で行える。半導体レーザな所定の長さにまずＲＩＥ
でエツチングした後、光照射ＣＶＤ等で絶縁層を所定の
厚さつけ、その後光照射ＣＶＤ等で金属膜を設けるわけ
である。金属膜や絶縁層を異種物質の多層構造、にする
ことも有効である。

第２４図ｆａ）の左側の部分でレーリー発光させて、右
側の光２０波路に光を取り出す。このとぎの両者の結合
係数は、各屈折率、導波路の幅ａ、導波路間隔Ｃによっ
て決まる。

第２５図は結合係数ＩＫＩと光導波路間隔Ｃを光導波幅
で規格化した量二との関係で）・る。

７．４波路のパラメータは第１３図て示した導波路と同
様で、第１３図の光導波路を平行に設けたときの結合係
数である。廁軸が結合係数で単位ｈ１７１７＋１　’で
ル１す、横１１１１は刃である。」Ｌ−４、入 Δｎ、　−５Ｘ　１０　”として、Δｎ２＝ＩＸ１０−
”、ｔｘｉｏ−２，５ＸＨ１−２の場合について一！！
Ｌ！と＝０５．１に対してλ 図中（でボしている。例えば、ムｎ２−１×１０−２で
’＝＝０．５どすると、結合係於けｌ　Ｋ　ｌ　＝０．
０１８　ｔｒｍ　’どなる。実際、共振器長を１０μｍ
Ｆ＋とすると、共振器から光導波路へ結合して取り出さ
れる光は０１８となり、１８％の光を先導波路に導びく
ことがてきる。光導波路幅、間隔、屈折率差をかえるこ
とにより、取り出し出力は各種可能となる。この構造を
導入することにより、半導体レーザの集積化も容易かつ
短共振器化における開電流密度の増加をおさえることが
可能となる。

第２４図の構成をしたレーザの構造として、第１８乃至
第２３図に示した構造のレーザな適用できることはもち
ろんである。要するに共振器端面の反射率を太き（して
、閾値電流を下げた半導体レー→ノーとそのストライプ
方向に平行に光導波路をつげて、その導波路との光学的
結合により外部に光をとり出す。使用法についてで）、
るｈ′−１光導波路の部分にも順方向ハイアヌを行なう
ことにより、利得をもった光導波路としても使用できる
。単なる導波路としてだけでなく増幅器としての使用も
可能なので、８）る。知共振器長になってくると軸モー
ド間隔が大きくなり、共振波長と利得最大波長を一致さ
せるには精密な寸法加工が必要なことはすでに述べた。

その他に、電流の流れる場所を周期的にすることにより
、光の定在波の腹の部分だけに電流が流れ、レーザ発光
効率が高くなり、がっ、発振周波数を固定できる構造針
ある。第２６図はその実施例で）、す、第２４図のうち
ｔｂ１図におきかえて、使用できる。第２６図中、領域
４と反対導電形の領域２４０を周期的に設け、電流通路
を周期的λ にする。この周期は最小−八とする。））るいはこの整
数倍の周期を設けてもよい。但し、共振器端面に光の定
在波の節がくるように加工し、２２１の絶縁膜は略り絶
縁膜中ての発光波長の１のＩ’７さにする。ｎ１領域２
４０に電極を＋１ｙってゲートとすることもできる。２
４０はｎ−１−のかわりに１１　、ｌｉｅ、Ｏ等の打ち
込みなどによる高抵抗領域でル、つてもよい。さらに他
の分布型半導体レーリであってもよいが、共振器端面は
光の定在波の１η）がくるようにする。いずれＫ　して
も、この上りな゛１′導体レーサな多義４１個同−ウエ
ノ〜」二に設りて、機能をもった集積■１度の高い光集
積回路が形成できる。

次に光集積回路に欠くことができない光メモリについて
述べる。メモリが行なえるためには原理的にヒステリシ
ヌ現象が起こる必要がある。

光メモリであるから、レーザ出力光と印加電圧か、レー
ザ出力光と注入電流の間におこるとよい。第２７図はヒ
ステリシスを説明する図である。横軸Ｘは電圧であって
もよいし、電流であってもよいが、特性としてはＸの小
さい方から増加してゆくときは、２７０で示す経路を通
り、光出力りが増加するが、反対に減少するときは、２
７１の経路な紅て光出力りが減少する。このような特性
をもつ７こレーザダイオードで）・れば、例えば、バイ
アスをＸＡにしておき、光出力ＬＡのレベルに初期値を
設定し、その後、外部入力により、ＬＢの点に移動でき
る。反対に、再び職にすることができるので、メモリ）
するいはロジックとしても１吏用で侮る。

半導体レーザでは、レーザ発光前とレーリー発光後に顕
著な差が生ずる。その特徴としては、レーザ発光を開始
すると、キャリアの寿命時間が短かくなり、拡散距離が
短かくなる。電気的に言うと、接合部のインピーダンス
が小さくなるのである。すなわち、定電圧で駆動してい
ると電流が増加する。叫かしながら、従来のタプルへテ
ロ構造レーザクイオードでは、電流−電圧特性にキング
ができるだけである。ヒステリシスが起こるためには他
の構造の導入が必要である。従来の半導体レー−りでは
活性領域にキャリアのとじ込めと光のとじ込めを同時に
行なっている。そのために効率が上昇しているので））
るが、本発明の光のメモリにおいては、光へゴじ込めた
（１を行ない、キャリア閉じ込めの方は制限をゆるくす
る。すなわち、活性層の光学的屈折４−は牛わりのクラ
ッド層より高くして、充分な先例し込めは行なうが、電
位障壁による完全なキへ・リア閉じ込めは行なわない。

いいかえれば、そのもれ出るキャリアの効果とレー＠１
−光の相力作用を利用して、ヒステリシスを実現してい
る。

原理を説明する。第２８図は本発明の実施例の工不ルキ
クイ７グラムである。但し、２８０がｎ形のクラッド層
、２８１がｐ形のレーザ活性層、２８２がｐ形のクラッ
ド層である。通常のレーザと異なり４．１クラッド層の
エイルギーキャ、プよつ活性層の方が大きくとられてい
る。ここで、ｐｎ接合に順バイアスを印加すると、活性
層が１層なので、電子が２８０の領域から注入される。

そのときの電子の拡散距離は、Ｌ　ｄ−、／Ｄ　ｅτｓ
ｅで表わされる。但し、Ｄｅ：電子の拡散定数−Ｔｓｅ
：電子の自然寿命である。ここで、活性層の厚さｄをｄ
　（Ｌｄにしておくと、活性層から一部の電子が２８２
の領域にもれている。この状態で印加電圧をさらに増加
してい（と、活性層中の光利得が上列していき、所定の
光強度になった所でレーザ発振が開始される。−はレー
ザ発振が開始されると、キャリアの寿命時間が誘導放射
のために短か（なり拡散距離は短かくなる。活性層への
キャリア注入が電子だけのとき、その電子４寿命は近似
的にてｅｆｆ−ｊで表わされる。

Ｊｎ ただし、Ｊｎは規格化された電流でＪｎ−Ｊ／　Ｊｔｈ
で）、す、Ｊは電流密度、Ｊｔｈは（１，を電流密度で
）・る。だから、レーザ発光後の拡散距離は、Ｌｄ’Ｌ
ｄ’＝０．７０７　Ｌｄとなφ−４ここで、活性層の厚
さを、Ｌｄ’＜ｄ＜Ｌｄ　Ｋしておくと、レーザ発光後
には、レーザ発振のために、キャリアの拡散距離が短か
くなり、キャリアの閂じ込めも有効になる。光閉じ込め
は活性層の屈折率を大きくとっであるので充分である。

又、シー９〜発振のためインピータンスも小さくなり、
定電圧駆動していると電流がさらに増加する。この状態
で印加電圧を増加すると光は電流に比例して増加するが
、反対に印加電圧を減少しても、レーザ発振が起ってい
るため、キャリアの拡散Ｗゼ離Ｌｄ’は小さくなってい
るので、最初のレーザ発振を開始した印加電圧以下にな
っても、キャリア閉じ込）／）、光閉じ込めが有効に行
なわれて、レーリ発振が持Ｈしする。又、先に述べたよ
うに、インピータンスも小さくなて】でいるため、定電
圧バイアスの場合は電流も大きくなっているため、さら
にレー→ノー発振持続に好条件となる。

第２９図はその特性例で）、る。横軸は印加電子■、縦
軸は光出力りである。最初に印加電圧を、゛贈、ｌ加し
ていくときは■ｔｈ誓劃−側サ発振がおこり、２９１の
経路で光出力はでてくるが、印加電圧を減少するときは
、２９２の経路をたどってヒステリシスが生ずる。前述
のＪｔｈは、第２９図中では、Ｖｔｈｏに対応する電流
となる。この特性で、光メモリの動作を行なわせるため
には、例えば、第２９図中Ｖｓ　Ｋバイアスをしておき
、外部からし８８度の光パルスを入射して、一端誘導放
射をおこさせるとその後はＬｓの光出力でレーザ発振を
持続する。レーザ発光を停止１−するためには、Ｌｓの
２倍以上の光パル７を入射することにより、誘導放射に
より活性層中のキャリノ′カー＋詰臀激に＄、少すると
、その後はシー１１発振が停止する。外部入力は、電気
パルスでもＬいが、光パルスによるロノノクの力が高速
なので、より望ましい。上記は、いわゆる双安定回路素
子の働きをしている。第２８図の実施例では、活性層を
ｐ形としたが、これだと、２８０の領域への正孔注入が
行なわれて、レー→Ｊ−活性層への正孔とじ込めが有効
でない。その対策として、例えば活、’３：ｉｌ脅をｉ
層にして、活性層への電子、正孔の注入が、おこるよう
にすると効率がよ（なる。又、２８００層のバ／ｌ゛ギ
ヤノブが２８１より太き（すると止孔のも第１はなくな
り、効率はよくなる。活性層内だけで再結合がおこるよ
うにするために、２８０．２８２の領域を間接遷移形の
半導体にすると、２８０．２８２の領域では、はとんど
λ−＼・リアの再結合がおこらず、この領域の拡散係数
が大きくなり、上記述べてきた効果がさもに顕著となっ
てくる。

：３００　ｈ’−ｎ’ＧａＡｓ基板であり、その基板に
ヌＩ−ライブ状の溝をほり、連続してｎ形ＧａＡ’（？
Ａｓ層３０１、ＧａＡｓ層３０３、ｎ形ＧａＡ６Ａｓ層
３０４エピタキシャル成長により形成する。これにより
、３０２０部分の凸部が形成されて、実効ＢＴ折率の高
い部分ができ、横モード安定化が行なわれる。

３０５は高濃度ｎ１領域でエミッタである。３０６はｐ
＋領領域下□Ｈｐｏｔか３０３の領域まで到達していて
ベースとなる。３０７は高抵抗領域で、ベースからの電
流のもれを少なくする目的で形成されている。３０３が
活性層となり、ｐｐ−形か！形の領域となり厚さは、０
０５〜２μｉｎ程度となる。この厚さは非常に重要であ
り、ｎｐｎ形か、ｐｎｐ形かでこの設Ｈ値は異なる。な
ぜなら活性層への注入キャリアが電子か正孔かで拡散距
離が違うからである。活性層の厚さは少なくともエミッ
タからの注入キャリアの拡散距離より短かい必要がある
。エミッタ、ベースはストライプ状とし、光導波方向を
限定し、二面の反射面によリレーづ共振器が形成される
。３０５．３０４の領域がエミッタ３０３．３０６がベ
ース、３００．３０１．３０２がコレクタに対応してい
る。上記ではｎｐｎ構造となっている。

第３１図（ａｌ（ｂｌは、第３０１ＸＩのＡ　−Ａ’、
Ｂ−Ｂ’の断面におけるエネルギダイヤグラムで））る
。

アスを加える１第３１（ａ１図中で３１１のようになり
、エミッタ（３０４）からベース（３０３’）に電子の
注入がおこる。正孔のベースからエミッタヘノ注入は、
エミッタの方がベースよりも広いエイ、ルキーキペノブ
を持っているために、はとんど起こらない。電子注入の
みが活性層に有効におこって、活性層中で再結合しない
電子のみが、コレクタ（３０２）に流れ出る。（ｂｌ　
ｌｆｉはＢ　−Ｂ’で切断したときのエネルギー図であ
るが、正孔（３１４）が、この領域から注入されて、活
性領域にいたる。コレクタに正電圧を印加したときには
３１２のようになるが、コレクタに流れる電流にはほと
んど関係なく一定でＩｉする。ただし、空乏層がエミッ
タまでのひ−（、バンチヌル−状Ｉｌになるときは別で
ある。ヒステリシスを示す原理け、第２８図について述
べたのと同じである。第３１図で問題となるのは、エミ
ッタから、ベースに注入された電子のうち、コレクタに
流れ出る他（て、ベース中での接合方向に沿った電子の
流れ出しで）する。これが効率な悲くする。

そのたや；ｐ、３０３の層をｎ−１１，ｐ−等にすると
３０３層中での３０６の領域の境の接合に電子に対する
ｉ躍壁ができて、もれ電篭が少なくなり、性ｋＰ、が向
上する。活性層３０３のｔ”Ｊさｄは、Ｌｄ’（ｄ（Ｌ
ｄにするのがよい。実施例はｎｐｎ構造について記述し
たが、もちろんｐｎｐ構義でもよく、そのときの活１ッ
厚さは、ｉ［孔の拡散距離によって決めるっ 他の設計要素としては、活性層中のキャリア密度とその
Ｊγさが、本発明光メｅ　！７　ｙ）電気特性に非常に
影響する。なぜなら、半導体のｐｎ階段度合で、ｎ＋１
としたときその空乏層幅はＷ−Ｊ　２　ｇｓ　（Ｖ＋Ｖ
ｂｉ）　／ｑＮＡで表わされ、ＧａＡｓの場合、ＮＡ＝
　１０＋　４．１６１Ｓ、Ｉ　ｏ”ｃｎｒ３Ｋ　ｒ、１
乙て、零ハ、イ７スの空乏層−庸は、はぼＷ−イエ、１
３．０．４３μｆｆｌ　Ｎ度となり、活性層の厚さが、
これより薄くなると零バイアスですでにパンチヌル−し
ている状態となる。べ〜ス領域の空乏層はエミッタとコ
レクタ両方がらのびてくるので、パンチスルーしゃすい
。この状態ではコレクタ電流は、コレクタ主用、←１強
く依存し、コレクタ電圧によって、ベース中のポテンン
ヤル障壁の高さが制御できて、コレクタ電流は、ベース
印加電圧、コレクタ電圧両方によって制御可能となる。

コレクタ電圧力零バイアスの場合はパンチヌル−してい
なくとも、逆バイアスをかけていったとき、パンチスル
ーした後は、同様にコレクタ電圧により、コレクタ電流
が制（財）できる。コレクタ電圧により、ヘーヌ中の電
子に対する障壁の高さが制御〕１１できる時は、コレク
タ電流は、コレクタ主用に対して不飽和型の特性を示す
。

第３２図は他の実施例であり、バリードヘテ１ｊ構造を
導入している。３２０はｐ形のＧ　ａ　Ａ　ｌＡｓであ
る。第３３図は一部のみＶＣ３２０を形成して）・す、
さらに、第３４図はオーＳツク抵抗を低くするために、
３４１のｎ＋ＧａＡｓ層、３４０のｐ＋ＧａＡｓ層等を
追加し、ベース・エミッタ間の電極分離も導入した例で
ある。他に、ＢＣ（Ｂｕｒｉ−ｅｄ　　Ｃｒｅｓｃｅｎ
ｔ）Ｍ造、ＰＣＷ（Ｐｌａｎｏ−Ｃｏｎ−ｖｅｘ　Ｗａ
ｖｅｇｕｉｄｅ）構造等を適用できることけもちろＬで
）する。

第３５図は論理回路の実施例である。３５１が半導体レ
ーザで３５０．３５２が光導波路である。

３５３．３５４が絶縁層を介して金属膜を設けた反射面
で、１００％反射に近くなされている。３５１は、第３
０．３２．３３．３４図等に示される双安定動作をする
半導体レーザで）する。例えば３５００光導波路を入力
とし、３５２０２本の導波路を出方とじて、１人力２出
力のインニバータが形成される。３５０等波路のまわり
にレーザ素子をさらに形成することにより、さらに多く
の出力をもとめることができる。すなわら、ファンアウ
トを多くできる。論理回路では３５２０出方を他の光と
合成すること等により、さらに次の人力とじて使用する
。３５１のレーザがらの出力を２方向にとるときは反射
面３５４を形成せず光導波路を３５０に平行等にとり出
すことにより光出力が複数個取り出せえる。３５０．３
５２は単なる受動的な先導波路としてだけでなく、定電
流バイアスをかけることにより、内部ｌｃ増幅部も容易
に作り込むことがひきる。第３５図はインバータとして
も作用する。すべてプレーナ形でこれらの論理回路は形
成されるので、集積回路として非常に配線、製作工程で
の容易さがある。従来のレーザ素子ではレーリコ出力光
を端面から取り出していたため、反射率が高くとれず、
閾値電流が大きいことや、導波路の内部に不連続面を形
成することから光の反射、帰還の影響が非常に大きくレ
ーｌＦの誤動作を誘発する等の欠点があったが上記素子
、回路においてはこれらが改善されている。

次に光の高速変調について述べる。従来の印加′１シ圧
あるいは印加電流を直接変調する方法においては、注入
キャリアと光子の寿命によってその変調限界は決まって
いる。この方法においてはせいぜい１０ＧＨｚ程度が限
界である。他の方法として、光共振器の特性を利用した
光波変調方法がその限界なやぶるものである。ファプリ
ペロー形光共振器について述べると、第３６図は、共振
器特性の例である。ｆ３、ｆ２、ｆ３等が共振波長芳あ
り、２△ｆは、共振周波数の半値全幅を示している。共
振波長は平面波近似を所うと例えば ２Ｌｄ二」−ｍ（３） ０λＩ ２　Ｌ　ｄ−＝Ｊ−Ｃｍ　＋ｔ　）　　　　　　　　　
　　　（４１０人２ となる。ただし、Ｌ（ＯＬ：レーザ共振器長、ｎ　ｘ７
、ｎχ２：屈折率、ｍ：整数、λ１、λ２：共振波長で
ある。定在波がいくつ共振器の中につ、っがで共振波長
は決まる。共振周波数にがきかえると、ｆ　＋　、　２
　＝　Ｃ／λ１．２であるからこれを、ｉ１１＋モード
と呼ぶが、軸モード間の周波数差は、 となる。又、半値幅は、 Ｃ、−，１−Ｒ △ｆ　−−−ｓ　ｒ　ｎ　　（不扉　　　　　（９）２
πｎｌ、沃 である。但し、Ｒは端面の電力反射係数である。

通常の電波等の振幅変調でわかるよＩＫ、周波１つは通
さないと変調を伝えることができない。

ずなわら、光共振器特性についていうと、周波数ｆｍの
変調をかげるとき、ｆｍが軸モード間の周波数差Δｆ１
とほぼ一致するか、半値幅Δｆよりもｆｌｌｌが小さく
て１つの軸モード内におさ　まらなければ、レーザ光の
変調がかからない。

光共慝器の性質を測る猛追性の高い（］安は良さの化２
シ（ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ）Ｑでル）る。Ｑけ
つぎの門ｒ系式により定義される。

（＋０） ωは（「１周波数で力）る。又、他の表わしかたによｆ
　　　　　　　山） ４′と・１ｌｉ（１目的Ｋ　　　Ｑ−Ｔ−７−となる。

すなわち、共娠周ｎ１．；３Ｊを共振周波数の半イ１ａ
全幅２Δｆで割ったものがＱで））る。

ファプリペロー共振器（こより（１４成されて（・て、
損失が主としてミラーの透過率に基づいている場合（１
−５す ωｎＬ、（ Ｑ　＝−−□＝（１２） Ｃ（１−Ｒ） によって表わされる。ＱによってΔｂと△ｆを表わすと △ｆ　　−−一一−ＪＸ−一−・　　’　　ｓ　＋　ｎ
−’　　（２、／−Ｗ）　　　　　　　（１４）（１−
Ｒ）　　Ｑ となる。Ｑが小さいほど、速い変調に追従可能であるこ
とが明らかである。半導体レーリーでＱを小さくする（
（はり、（の小さな短キャビティレーザを用いるが、Ｒ
ができるだけ寧に近い方がよいことになる。

第３７図は、ＧａＡｓ−ＧａＡＩＶＡｓ系の半２外体レ
ーザにおいて、共振器長ＩＫ対する各方法による変調限
界を示している。３７１け軸モード間隔に対応する変調
をかけたときの変調周波数でホ、す、最も高周波で変調
がかかる。３７２は軸モードの半値幅に対応する変調周
波数である。３７３が通常の電流による直接変調におけ
る共振周波数である。ただし、Ｊｎは閾値電流により規
格化された電流で）する。Ｊｎは大きい方が高周波変調
でキル。ただし、Ｉｌｔ析率ｎ　＝　３．６　、反射率
Ｒ二０３１、自然キャリア寿命τｓ＝Ｉ　Ｘ　１０−’
８ｅｃ吸収イ系嘉りσｌゴ］　０　＋：ｍ、　’として
いる。直接７ｉＶ−調でをまＬ＝−ＩＱ　Ｂ　ｉｎにし
ても、ぜいぜい２０ＧＨ程度までの変調し力・できない
。長いレーザクイ−１−一ドを月】℃・たｌ）。

半ｚノア体レーザの外に外部共振器を設けて、その軸モ
ーＩ′間隔に応じた周波数の電流（てよる変言周を行ｌ
ｘ　５方法もあるカー、集積化の点；て４６℃・て望ま
ｌ−＜はない。Ｉｌｆ、ＶＣ５光共振器の特性な）１１
　’−・た変調は、シー１ノ媒質中でのキ４・す／を介
しブこう覧と光の４１１万作用を利用した変調ｈ！−最
もよ−）。短Ｊ（振器（・でおいてより高周波変調が可
能とな１′）、）ゝｒ、＋ＪＳ積回路に適している。、
でｔ；ｔ　ｔと光の相互作用はいかにするかその原理を
↑ず述・＼々。単に空中で光と光を合成しても相１７ｇ
作用はおこらない。物質の透磁率や誘電率にｊ、；ｌ）
る非線形では効果が小さし・ｈ′−、レーｑｆ媒質中の
反転分布キャリ／す介した光と光の相互作用は十分効果
が大きく、光と光の相互作用に最も適している。すなわ
ら、単一周波数ｆ０で発振し丁いるレーザの増幅媒質中
に、他の周波数ｆｉ＝ｆ、＋ムｆｌを有したレー→ノー
光を入射し、レーザ媒質の反転分布しているキャリアを
介して、光と光の相互作用を行なわせる。

単一周波数ｆｏで発振しているレーリーに、周波数ｆＩ
の外部光を注入したときの周波数変化は、第３８図に示
したようになる。

以内では発掘が外部光に同１υ］して、ｆｏがｆｌにな
ってレーザ発光する。これを共鳴という。但し、Ｑ：共
振器のＱ、１Ｓｉｌ　：外部光の振幅、ＩＳｌ：発振光
の振幅である。（１５）式の範囲外で周波数および振幅
変調（非共鳴）が木、こり、発振は多数のスペクトル成
分をもつようになる。。

その中で最も大きな成分は点線で示す土５な周波数の引
き入れをうける。故に有効な振幅変調をうける周波数の
条件は、（９）式と（１５）式をつかって （１６） となる。（１２）　＆を代入すると （１７） をとって、Ｌｄ＝１００ｐｍとすると、４．６Ｘ１０Ｈ
ｚくムｆ（８，８６Ｘ　１０”　１１７となる。

Ｌｄ＝１０μ７７１で　４．６　Ｘ　１０９Ｈ７＜、ａ
Ｊ’＜８．８６　Ｘ　１０”　Ｈ，。

である。

非共鳴の場合、発振は一般Ｋ　ｎｆ　＋ｍｆ　ｉ　（ｎ
、ｍは１１負の整般）の周波数成分をもち、これらの周
波１’ｌを結合調という。結合調のうち、ｆ、に近いも
のけ、Ｊ’−ｆ＋、ｚ、口孔１゛でｔする。したがって
１例えばｆ＋＞ｆならば、発振スペクトルは、・・・・
・、２ｆ−ｆ　ｔ、　、ｒ−ｆｌ、２　Ｊｉ−ｆ、・・
・・どなる。ここでｆの周波数は第３８図の破線で７Ｉ
；シた如く、」０のまわりで変化する。これに対して、
ｆｌを関敬とした非共鳴のパワースペクトラムの変化を
第３９図に示す。共鳴の領域では、発振周波数はＪ′−
となり、非共鳴の領域で周波数Ｊが主になり、側帯波と
してＪ’　ｉ　−，１’−１へ、ｆ、２Ｊ’−ｆ＋＝Ｊ
−Δ、ｆか生じ、前記で電波の場合に述べたよりなレー
ザ光での振幅変調がかかる。外部光の周波数のＪ’ｏか
らのずれがあまり太き（なると効率が悪くなることは明
らかである。最も条件のよい領域が存在する。

以上、述べた光の相互作用において、ｆとｆｌの関係は
、共振器の１つ軸モードの付近についての相互作用であ
るが、もう１つ、入射される軸モードの周波数に相当す
る光の相互作用がある。すなわち、第３６図に示した周
波数ｆ１とｆ２の光の相互作用である。二つの軸上−Ｆ
で発振するレーザでは、キャリアの反転分布の一部分が
、共通にこれらのモードの電磁」易と結合するために、
軸モード間に相互作用が起こる。反転分布は時間ＫＪ：
らない成分のほかに、二つの発振周波数の差の周ｅ紗を
基本成分とする脈動的変化を起こす。これを反転分布の
脈動という。

この反転分布の脈動により前記のような結合調と同じ効
果が出て、Ｊ’、　、ｆ２だけでなく、２ｆ１−ｆ２．
２ｆ２−ｆ、等のモードが出て（る。もし、他の軸モー
トが充謬な利得をもっていて発振しているときは前記で
述べたように、この結合調とそれぞれ相互作用しあって
多モードでレーザ発振するようになる。このとき、発振
周波数は等間隔になり、出力光は、軸モードの間隔に７
・Ｊ応する時間間隔でパルス状に発光する。これをモー
ド同期という。しかしながら、通常は、外部からこのパ
ルス間隔に相当した周波数で強制同期をかげてやらない
とモード同期はおこらな℃・。

；１！■常の場合は、例えばｆ、の周波数でレーザ発光
しているレーーリ−に周波数ｆ２のレーリー光を入射ず
乙）と、周波数Ｊ°２のレーザ発振に１つて、Ａヤリ７
が消費されて、それによって周波数ｆ１のレーザ発振が
抑制される。これをモード競合という。

臼−１゛間の結合度によってかわるが半導体レーリでは
このモード競合により、入射したレーザ光のモードで発
振するようになる。故に、光−光相互作用を用いるとき
は、軸モード間の相互作用を用いる１りも、１つの軸モ
ードの半値幅内における振幅変調を用いる方がよい。こ
のときの変調周波勘の上限はＧａＡｓ、ＧａＡｌＡｓ系
の場合、第３７図中３７２で表わされる周波数となる。

但し、これは共振器による上限であるから、光の相互作
用を媒介するキャリアの電子相互の緩和時間がほぼ１０
＝２ｓｅｃ桁であるので、１ｏＩ２Ｈ，Ｌ以上の変調は
できない。すなわち１０μｎｌ以下の共振器を有するレ
ーザの変調上限周波数は電子−電子緩和時間で制限され
る。

第４０図は、光−光相互作用にょる振幅変調を行なわせ
る実施例である。ｆ、）図が上面図で、（ｂｌがＡ　−
Ａ’の断面図、（ｃ＋が１３−　Ｂｌの断面図を示して
いる。共振器長しとＬｌを有する２個のレーザとそれに
光学的に結合された光導波路から構成されている。共振
器りとＬｌをイラするレーザで異なった周波数でレーザ
発振して、そのレーリー光の相互作用を行なわせる。特
に知共振ｚｔＫなると、先に述べた如く、Ｉｉ市モード
間隔が大ぎくなるので、利得のある周波数領域の中に少
しの軸モードしか入らない。故に短共振器にして、共振
ピークの部分を利得最大の周波数に一致さぜなげればな
ら、ない。図中、２３１は絶縁膜であり、４００け高反
射率にするだめの金属部で）する。

完全な埋め込み形になっていて、表面は平坦になってい
る。２個のレーザの周波数を固定するためｔこけ、上記
共振器の調整の他、例えば滝２６図に示した構造の導入
や、分布帰還形レー−りを第４０図のレーザの代りに製
作してもよい。但し、そのときの共振器のＱはファプリ
ペロー珍１／−＠ｆ　Ｏ）光学的結合）’！２３１−Ｃ
−示スＳ　ｉ　０２、Ａ　ｌ　０３、Ｓｉ３Ｎ４．Ｇａ
Ｎ、ＡｄＮ等の絶縁物によって結合さされていて、非常
に強い結合がなされているが、この（１４造だけに限ら
ない。さらに半導体層や金属を間に介在させて、光結合
してもよい。又、この部分の光の反射係数を大きくする
と、レー−りのＩ：ＪＪ　１１７４電流も低下するので
より好ましい。

第４１図は他の実施例であり、光導波路の中に２個のレ
ーーリタイオーＩ゛を作り込んでいる。

４１０．４１１はレーザ端面の反射部分であり、誘電体
、誘電体重金属、半２４体などのトド々の拐料が使用で
きる。図中、４１２は活性層（光導波路）より屈折率の
低い材料である。４１３は４と反対導電形か、高抵抗部
分を示し、電流を周期的に流すことにより、単一周波数
発振させる構造である。２個のレーザの周期を少しずら
すことにより、振幅変調された出力を得ることができる
。

又、二方向の出力があるが、これは一方向でもよ（、そ
のときは、４１０などを１００％反射の間材にすればよ
い。第４０図も導波路を片方間じることにより、同様の
ことができる。半導体レザとしては、他の構造の半導体
レーザが種々製作可能であることはもちろんである。

２個の半導体レーザの光の相互作用を使うがわりに、１
個のレーザと１個の利得をもった共振器を使うことによ
っても振幅変調を実現できる。利得をもった共振器で、
短共振器化すると、ミラー損失が大きくなるので、光の
利得は多、っても、なかなかレーザ発振しないことを利
用する。第４２図に示すように短共振比された共振器で
、利得の最大値と共振周波数Ｊ′Ｒを一致させないよう
にし・てニドき、ここに外部から周波数ｆ１をもった光
を導入する。そうすると、光出力は、ｆＩＪ’ｌｔＫ応
じた周期で変調される。なぜなら、外部から入射した光
が共振周波数と一致するときは、次第に電磁界が重なっ
て強めあうが、共振周波紗と若干異なってＪ’ｌＬ＋△
ｆだとすると、２回反射されて第１回目の波に■なった
波の位相は４力゛）二進んでいるので、振幅の単純和よ
りやや少ない合成波振幅となる。さらに２回反射してｒ
Ｉ′Ｃなったときにはさらに進んでしまい、繰り返えす
ｊＴｊ　Ｋ次第に位相ずれが激しくなり、ｍ回目にはち
ょうど逆俳相になったとすると、このときには電界は弱
め合ってしまうので、誘導放出は急激に弱くなる。この
時間け△、＝ｍ２Ｌｄｎ・で、ＫＬ　ｉｆΔＪ−〜・−
３−どなる。すなわち、２ΔＬ２△ｔ の周ｊυ１でレーザ光は強（なったり、弱くなったりを
繰り返すが、この周！ＩＪ［が共振周波数のずれの周波
数の逆数である。第４２図で言うとΔｆ−１ｆｔ−ｆ□
１ということになる。これにより光の振幅変調がなされ
る。

第４３　＋刻つ；実施例で、４３０がレーザ発光部で、
４３１が増幅部で、これが変調素子となる。４１０が反
射率の高い部分で４１１が比較的反射率の低い部分であ
る。導波路レーザ増幅部分は他の実施例と同様に種々の
構造によって製作可能である。さて、本発明では、短共
娠器化、狭ヌトライプ化をはかり、且つ、光メモリ、ロ
ジック、変調等について述べてきたが本発明の重要な構
成の１つに光素子間あるいは先導波路の光結合が）する
。しがしながら、単に導波路を接近さぜただけでシま第
２５図に示した如く、その結合係斂は小さくて、不都合
である。まず、導波モードにおける光の撮舞について考
察した後、光結合についてさらに述べる。

第１３図に示した光導波路を上部かり見たとき、導波モ
ードの光の経路は例えば、第４４図のように反射しなが
ら進行してゆく。又、ｙ−２面でみても同様に光導波し
てゆくのである。

これをジグザグ光線モデル（Ｚｉｇｚａｇ−ｒａｙ　ｍ
ｏｄｅｌ）という。を反動ベクトルの関係は ｋ（＝り十に妃に＝ で表わされる。ここで、 ｔａｎθ＝−に− ｘ で表わされる角度で伝搬する。しかし、そのｎ。

とｎ３の界面での反射は厳密に言うと、第４５図に示す
ようＫ、しみＩＢシ距離ξだけ光がしみ出しだ後再び屈
折率ｎ、の物ダノ［中にもどってくるようになる。）、
たかも、ｎ、とｎ３の境界面がξだけ移動した如く光は
反射する。これをボーメ、ハンシ１７シフト（Ｇｏｏｓ
−Ｈａｅｎｃｈｅｎ　５ｈｉｆｔ）というｏこのξは、
光のしみ出し距＃ＩＫ相当する。

第４６図に、ＧａＡｓ、ＧａＡ／？Ａｓ系の間材におｉ
ｂ ける−Ｔ””０５　ｆｃ固定し、（ｋ　　ａ）の光導波
路ｋ　　　　　ｋ の幅に幻する−「１、峠の計算値を示す。ここで、いる
。

又、Ｘ方向における光のしみ出し距離ξの−ｎ、ａλ に対する変化を第４７図に示す。但し、Δｎ、＝５　Ｘ
　１ｏ、−”、ｊ　足＝　ｏ、　ｓ固定で、Δｎ２＝５
Ｘ１０−２、−一　　　λ １０−２．１０−３に対して示している。−隻Ｈａ−＝
、２　よりλ 広い光導波路の幅では光のしみ出し距離がほぼ飽和して
くる。ｎ、＝３．６、λ＝０８８μｍとするとａ≧０４
９μｍ程度までは光導波路は狭くできるのである。この
ξの距離で、導波路の境界における光強度の１キ０３６
８の強さになる。

例えば、ユ訣＝　Ｑ、　５　、−Ｌノー＝　４、△ｎ、
＝５Ｘ１０−２、λ　　　　　　　　　　λ Δｎ２＝１０”とするとθ＝８５２°、ξ＝　０．３７
ｚ　ｍとなり、これに従って、反射しながら、導波する
。

そこで、この導波の性質を利用した結合導波路を作成す
る。

第４８図はその実施例である。４８１はレーザ発光部、
４８２は光導波部、４８３が光結合部で１１１１述の光
導波特性に従いその傾斜角度をほぼ８５２゜にしである
。そうすると４８１のシー９−光が効率良く、光結合部
にとり出すととができる。ここで４８３０部分には電極
が設けてあり、その光結合をオン・オフできる０電流を
流さないときは４８１のレーザ部と４８２０光導波部の
光結合はその間隔ｄＫよつ１１て１きまっていて、例え
ばｌμｎｌとすると、光結合は３％程度であるが、４８
３に電流を流すと数１０％にできる。もちろんバイアス
電流により増幅率は変化し、光結合も容易に任意に変え
ることができる。さらに、例えば、第４８図の構成であ
ると、４８４の矢印の方向から伝搬する光信号は、４８
１のレーザ部にほとんど影響しない。反対の方向から伝
搬した信号は、容易にレーザ部に入射し得ろ。一種の方
向性結合器にもなりえる。光結合部の傾斜角度、幅なと
Ｋ　、ｊ　ｊ）て、結合係敷も依存する。

第４９図は他の実施例である。第４８図にさもに４９０
０部分を設けである。４９０を増幅部あるいはさら（ζ
レーザ発振部とする。まず４８１のシー９一部の発振波
長なλ１とし、４９０の増幅波長λ２＝λ１としておく
と、４８１のλ１の波長の増幅けするが、反対に光導波
路４８２から他の波長の光は通過さ仕ない。このときの
４９（）のｔ１ｉ成は例えば第２６図に示した構造とか
、分布帰還のｔＩｌ造にすればよい。又４９０のバイア
スをかえることにより、４８１のレーザ部と４８２の光
導波路の光結合を任意にオン・オフできる。又、前述し
たが、Δλ＝１λ１−λ２１１　にしておき、４８０と
４９０のレーザ部の光−光相互作用をおこさ七ることに
より、高速繰り返しパルスをつくり出すこともできる。

又、光結合部４８３の方向を第５０図に示す如く、両方
向につけることにより、光出力を二方向に取り出すこと
もできる。さらに、この場合、５００の領域も結合領域
にしてもよい。

他には、第５１図に示す如く、一方向だけの光出力の取
り出し方もある。

本発明は、大発展を続けるＬＳ　１．ＶＬＳ　１の速度
限臂を克服する視点から、半導体レー→ノーを主要デバ
イスとする光集積回路において、電気は電源としてのみ
与え、信号はすべて光で構成される真の意味の光集積回
路を提案した。相当の規模の機能を１チツプに持たせて
、かつ超高速の動作をさせるためには、１チツプに作り
込まれるべき、半導体レーザの数は、少なくとも数１０
０、あるいは５００以上、望ましくは１．０００個μ上
である。電力１１１費による温度上昇、放熱能力を考え
ると、１チップ当りの許容最大電力は、たかだかＩＷで
ある。そうすると、５００個のレー−りを１チツプに集
積化すると、１個の半導体レー−りに６′「される消費
電力は、２　ｍ　Ｗ　、１゜０００個のレーリ〜とすれ
ば１個当りの半導体レーザのπ［答最火消費電力は１ｍ
Ｗである。集積度をさらに高くするには、１個当りの許
容最大消費電力はさらに小さくなる。灼共振器、狭ヌト
ライプ構造で、ミラー面反射係藪を大きくすることＫよ
る半導体レーザの低消費電力化を第４図て説明した。Ｉ
ｍＷ消費電力を実現するためには、両ミラー面の反射係
数Ｒは少なくとも０４以１−でな（−）ればならない。

Ｒ−０５，０７，０９、としたとき、消費電力が１ｍＷ
以■となるためＶＣは、共振器長をそれぞれ略々３０μ
７＋１．８０／１　ｆｉ＋、１１０μｍ以下にしなけれ
ばならない。

消費電力を０．２　ｍ　Ｗ　Ｋ　Ｌようとすると、ｒｋ
＝０９、共振器長１０μｆｆ１以下となる。共振器端面
の反射係数を高くすることは低消費電力化にきわめて有
効なことを第４図は示している。高密度光集積回路を指
向する時には、基本的には半導体レーザのミラー而に絶
縁層を設けさらにその上（Ｃ金属膜を設けて反射係数を
増大させる方向が必須である。その絶縁膜の厚さも、実
効波長のＴＫ段設定ることが望ましい。半導体レーザ端
面の光の電界強度がきわめて小さくなるがらである。同
時に絶縁膜と金属膜の界面の光の電界強度もきわめて小
さくなり、いわゆる界面部がすべて光の電界強度のきわ
めて小さい所に（るために、故障が少なくきわめて信頼
性が高くなる。

本発明では、半導体レーザー個当りの消費電力を小きく
するための多種の半導体レーーリ−の構造についても説
明した。同時に、きわめて繰す提案した。

ある種の機能１“帽達成するためには、１ゲート当り１
ｍＷ程度以上の消費電力を要する部分ｈ″−生じてくる
ことはやむを得なし１が、基本的ＫＬよ、半導体レーリ
’１個当りの消費電力１〕＋＋Ｗ程度以下でなければ光
ＬＳＩは構成できなし・０本発明の光ＩＣは、１個当り
の半導体レーザの消費電力を略々１ｆｎＷ以下に構成し
、すべての論理動作メモリー動作が光−光制御で行なえ
、きわめて高速の動作が行なえて、その工業的（１１１
ｉ（１１１けぎわめて高い。

【図面の簡単な説明】

第１　Ｋｌは代表的な半導体レーリーの斜視図、第２図
乃至第１０図は共振器長と半導体レーザのｉ＋、’「Ｉ
ｌｌを説明する図、第１１図及び第１２図は電流と刊イ
！■特性を説明する図、第１３図は光導波路ｅデル、第
１４図及び第１５図は光導波路特性、第１６図は三端子
型中心体レーザ、第１７図は横モード安定化を説明する
ための！■性例、第１８図乃至第２３図は狭ストライブ
化した半導体レーザ’の実施例、第２４図は光結合を導
入した半導体レーザの実施例、第２５図は光結合係数の
計算例、第２６図は光結合を導入した半導体レーリ二の
他の実施例、第２７図乃至第２９図は光メモリの動作を
説明するための図、第３０図は光メモリの実施例、第３
１図はハンドエネルギー図、第３１図乃至第３４図は光
メモリのＫよる変調を説明する図、第４０図及び第４１
ヅは光−光相互作用を用いた変調を行なう実施例、第４
２図は光−光による他の変調を説明する図、第４３図及
び第４４図は光導波モードを説明するための図、第４５
図及び第４６図は、光導波モー）゛の特性引算例、第４
８図乃至第５１図は光導体レーザと光導波路の光結合の
実施例である。 特許出願人 財団法人　半導体研究振興会 第７７図 Ｃ１づ／８．〜１ 第７９図 （久　　） （ｂ） 第２θ聞 第２７凶 −３７０− 第２７図 第２９図 手　　続　　補　　正　　出　　　　　　　　　　　　
　　（昭和５８　’ｒ１２月４日 特許庁長官　　若　　杉　　和　　夫　　殿１事件の表
示　　昭和５７り１１！１訂願第１１／１８７１、 発明の名称　　光集積回路 ３補正をＪる化 事件との関係　　特に′１出Ｎ１人 住　所　　宮城県仙台市川内（番地／；　Ｌ、　＞［明
細用の発明の詳細な説明の １ＸＩ　Ｊ ５補正の内容 別紙のとおり １）本願明細Ｊ１第４７１頁第１行記載の「である６」
の後に次の文章を追加Ｊる。 ［前記の金属膜表面の光の反＊Ｊ　埠’　ｔＪ人きい稈
望ましい。これまでの結果では、５０００△稈庶の波長
の光から、１０　、ｕ　ｍ稈度の波長の遠赤外光までに
旦り、△１ど△１１がとび汰り（（曇れに反則係数を右
している。従つ（金属１１Ｇ！表面の反射率を高＜　シ
＜ｔ　（Ｊればならない財には、この２秤煩の金属を用
いるとＪ、い。５５００△稈庶以上の波長の範囲で金の
反ＩＪ率（よ、９８％程度以上である。Ａｌｌは、１５
００△程度以］−の波長範囲で９０％以」−の反ｑ４率
をイｊりる。半）９体し−ザＪｔ振器端面に絶縁層を介
した△Ｕを設けるには、ｌＩ２＋（ＣＩ−（（）３△１
、トｌｚ＋Ａｌｃ１３等の刀ス系を用いたブラスマＣＶ
Ｄが適している。減圧状態て行４ｆわれるＣ　Ｖ　Ｄ−
ｃあるので、殆／ｖと完全に垂直なレーザ共振器端面に
よく付首する八〇の肱を設けるには１例えば）１Δ（Ｉ
Ｃ１４等の液１本からのレーザ照射プレーテｆングなど
が有効である。１ 手　　続　　補　　正　　書 号 ２発明の名称　光集積回路 ３補正をＪる者 事件との関係　特Ｊ［出願人 住　所　　宮城県仙台市川内〈番地なし）［明細書の発
明の詳細な説明の欄」 ［図面（第２図、第３図、第４図、第５図、第６図、第
１１図（ｂ）、第１４図、第１６図、第１７図（ａ）、
（ｂ）、第１９図、第２０図（ｂ）、第２２図（ａ　）
、（ｂ）、第２３図、第２５図、第２９図、第３１図（
ｂ）、第３８図、第４６図、第４７図、第 第５３図及び第５４図（ａ）、（Ｌ＋））−１５補正の
内容 別紙の通り ６添付書類の目録 （１）図面　　１通 １　本願明細書第３頁第１４行乃至第４頁第１行記載の
「ＪＬＩ＋・・・・・・が大きく」を次の通り補正する
。 但し、η：内部量子効率、ｄ：活性層厚さくμｍ　）　
−ｒ　”閉じ込め係数、αｉ：内部損失（ｃ＋ｎ−’）
、Ｌ：共振器長（Ｃｍ）、Ｒ１、Ｒ１：端面での’＋ｌ
ｌ力反射率である。共振器長しが長い場合には（１１式
右辺第１項が相対的に大きく。 共１辰器長が短かくなるとミラー損失（Ｌｌｎシ　同書
第６日第１４行乃至第７頁第８行記載の「反射係数・・
・・・・反射係数」を次の通り補正する。 ［反射係数Ｒ＋　、　Ｒ＋　Ｉｔ’　０．７にしてもＬ
　＝　１０μｍであるとＪＬｂ　＝　８０００　Ａ　／
ｃＩとなるのである。 短共振器にすると端面の光の反射係数を太きくしないと
Ｊｔｈが大きくなり非常に条件がきびしくなってくるこ
とを第２図は示している。 第３図は、闇値電流をパラメータとした共振器長りと両
端面の光の実効電力反射係数Ｒ＝ニーの関係である。例
えば閾値Ｔ流密度Ｊｔｌｌ−２０００Ａ／Ｃｄで、Ｌ　
＝　１０　μｍとすると実効反射係数は少なくともＲ−
πｇｔ−〇、８１必要となる。Ｊｔｈ　＝　５０００　
Ａ／ｍだとＬ”１（１μｍでＲ−Ｆｏ、４４である。但
し、活性層厚さく］＝０．１μｍの場合である。当然の
ことながら、Ｊｔｂを小さくするためには、Ｒは大きく
なければならない。 第４図は、共振器の実効反射係数」 ３　同書第８頁第９行乃至第９頁第１０行記載の「なる
。・・・・・・短共振器化」を次の通り補正する。 ［なる。半導体レーザ１個当りの消費電力が１ｍＷ以下
にするときは、実効反射係数Ｒを０．４以下にし、スト
ライブ幅と共振長の積を１３０μｍ”以下にするべきこ
とが、第４図から明らかである。第４図は、活性層をＧ
ａＡｓとして、接合に印加される電圧を１．５ｖとした
が、他の半導体材料になれば、印加電圧はかわり、はぼ
それは、使用半導体材料の禁止軍帽に近くなる。それゆ
え、他の半導体材料の場合には、ストライブ幅と共振器
長の積は、半導体材料の禁止帯幅、Ｅｇ８：　ＧａＡｓ
の禁止帯幅である。 第５図は、共振器長をＬ＝５μｍのときとＬ＝５００μ
ｍにしたときの開鎖電流密度と活性層の厚さの関係であ
る。Ｒ，、Ｒ，はそれぞれ共振器左右端面の光の電力反
射係数である。 Ｌ＝　５００　／ｌ　ｍのときは、共振器端面の反射率
Ｒ，：　Ｒｔ　＝　０．３１とＲ，＝　０．７、Ｒ，＝
　０．９５としたときのｌ′５ＩｆＩ値電流密度の活性
層の厚み依存ｆ１はあまり変わらず、０．０５μ

【ｎ程
度の厚みの所で極小値を示している。Ｌ−５μｍのとき
は、反射率によってＪＬｈは相当変化する。 しかも極小となる活性層厚さが、Ｑ、１７ｉｒｎ〜０．
２μＩ１１の範囲にある。すなわち、共振器長が２０μ
ｍ以下程度になってくるとミラー損失が非常に大きくな
り、光の閉じ込め係数の効果が大きく影響して、極小点
が変ってくるのである。 従来程度の共振器長のレーザでは極小点は０．０５〜０
．１μｍにあったが短共振器レーザでは０．１〜０．２
μｍの範囲となってくる。この値は、ＧａＡｓ−ＧａＡ
ｌＡｓ　レーザの場合で、活性層とクラッド層の屈折率
差５％の場合である。 半導体レーザの発光波長久と活性層の屈折６率！１によ
って、活性層厚さを記述すると、が、短共振器半導体レ
ーザにおける最適活性層厚さということができる。短共
振器化」４　同書第１５頁第５行記載のｒ　ｆｌｊ　ｊ
をｒ　ｆ２１　Ｊと補正する。 ５　同書第１７頁第３行乃至第１２行記載の「縦軸は・
・・・・・となり、」を次の通り補正する。 ［縦軸は（１弓−”：　）　／　（ｋ’、　　Ｊ　）で
ある。Ｋ−２π旧　　　−２πｎｘ は波数であり、１（−−コー、１（Ｉ−−アーとなる。 λは自由空間波長である。１（へが導波路中を伝搬する
モードの伝搬波数である。（１ｃｃｌＬ’−ｋ：　）　
／　（ｋ：　−ｋ：　）が０に近づくことは、ｋｌ、Ｃ
二１（雪であり、導波光はクラッド層の波数で伝搬し、
広い空間に拡がって導波することを意味しており損失が
非常に大きくなっていることがわかる。逆に（１（ｅＬ
’−ｌｃ：　）　／　（ｋニー１に）が１に近づくとき
はに、　：　ｋ　ｌとなり、」同書第１９頁第４行乃至
第１２行記載の［△＋１＋・・・・・・　タフル」を次
の通り補正する。 １だとＩｌ＋ａの限界は２〜３程度となり、△ｌｉｔλ −１０−”　になると−ＩＩ　＋　ａ−を５〜６にして
も閉しλ 込め係数は大きくならない。△旧をある程度大きくしな
いとよい光の伝搬特性は得られず、開鎖１１１ｆ流密度
を低くすることができない。ｒの効果は（１）式に出て
いて、ｒか１にくらへて小さいと内部損失、ミラー損失
が見かけ上大きくなってしまうのである。第１５図から
、ａとｂの積すなわち、先導波路断面積は、とじ込め係
数から考慮して、はぼ（！し）１　より大きいのがよい
。これは、先導波路断面積の１０下限界となる。 ダブル」 ７　同書第２２頁第１３行乃至第１４行記載の、　５０
０ ＝４×１０″Ｉ＋ＩＴＫ−：」　と補正する。 ８　同書第２３頁第１２行及び第１３行記載のｒ７？Ｊ
をｒＤＪと補正する。 ９　同書第２４頁第１６行記載の「ある。」の後に次の
文章を追加する。 ［従来のＣＳ　Ｐ　（Ｃｈ、ａｎｎｅｌｅ＋ｌ　　５ｕ
ｂｓｔｒａｔｅＰｌａｎａｒ　）型ストライプ構造半導
体レーザては、２μｍ程度以下の狭ストライブになると
。 横方向のキャリアとじ込めが悪いため、開鎖電流密度が
急激に増加した。しかし、本発明による半導体レーザで
は、２μＩ１１以下（＜８λ −）の狭ストライブ型し−サにおいても、横方向電流と
じ込めが改善されているため、闇値電流密度の増加が少
なくなり、改善されている。」 同書第２５頁第１１行乃至第２６頁第７行記載のｒｉｎ
／・・・・・・図で」を次の通り補ｉＥする。 ｒ　　ｉｌｌ　／　ｉＮキｅｘｐ　（△Ｅｆ　／　ｋＴ
　）　　　　１３１但し、１（：ホルッマン定数、Ｔ：
絶対温度、△Ｅダニバンドキャップの差である。Ｇ　ａ
ａ−ｖＡ（？Ｏ，ｌＡ８　　で　Ｅｆ　　出　１　．８
　ｅＶ　　、　　ＧａＡｓ　　、　　　Ｅｇ　＝１−４
２　ｅＶて△Ｅ　ｆ　＝　０．８８　ｅＶであるから、
室温で！ｎ　／　ｉＮ＊　２．８５　Ｘ　１０’となり
、Ｇ　ａ　Ａ　ｓの１１　＋１接合の電流密度が非常に
多く、主にＧａＡｓの■）１１接合部分に電流は集中す
る。接合部分の全面積が問題となるから、実質的にはも
う少し比は小さくなる。ｆｆ１１８図でストライブ幅１
μＩ１１．１７２．１７３．１７４を１μＩｌ＋、０・
ｌ　／ｌ　＋ｏ、１μｍ１１とすると、ＰＮ接合と１１
１＋接合の面積比はほぼ、「＝４０稈度でｉｎ　／　ｉ
ｎ　＝−５，９Ｘ　１０’倍程度になるが、はと／しど
ＰＮ接合での電流リークは問題とならなくて、１７３の
層にキャリアはとじ込められ、１）　ｎ接合に対して垂
直に電流は流れるので、第１８図で」 １１　　同書第２８頁第７行乃至第３１頁第１行記載の
［第１９図・・・・・・第２８図」を次の通り補正する
。 「　第２０図の構造を用いると、第１８図の構造より狭
ストライブ化が可能となる。すなわち、拡散、イオン注
入の後の熱処理等て、領域１７５や１９１を形成するの
であるが、拡散を行なうときに、拡散距離と横波がりの
距離は同程度となるので、例えば１μ！１１の深さの拡
散を行なうにはストライプ幅は２μｍ程度みておく必要
がある。このため、第１８図の構造では、１μｍ以下の
ストライプ幅を得ることは難しいが、第２０図ｆａｔの
Ｖみぞを用いた構造ではそれ以下も容易に形成できる。 又。 第２０図（＋１）はレーザ発光部分の横方向の光とじ込
めを１７２の層の三角形の厚み変化により、実効的屈折
率差を施こして横モード安定性を高めている。第２０図
のｆａｌ、（１））の電流のとじこめは、第１８図の構
造で説明した原理と同じで、材料のバンドギャップ差に
より行なっている。第１８図から第２０図（Ｉｌｌの構
造で１７４の層の上にオーミック接触抵抗を低減するた
めにＧ　ａ　Ａ　ｓをさらにつけてもよい。レーザ発振
に必要な本質的な構造を上記では示している。前記の実
施例では半導体ウェハの上Ｆに１ｕ極をとっている例で
あるが、集積回路化するときにはむしろ、半導体ウェハ
の表面だけで配線可能な構造にした方がよい場合がある
。第１８．１９．２０図にわいて、基板４＝ｊ近での横
方向の電流とし込めをさらに改善するために、第１６図
の１６１で示した基板と反対導１１１型の層をストライ
プに沿って基板１７１と層１７２の間に入れてもよい。 但し、第１９図と第２０図（１１）においては、１７２
の層相折率より大きい屈折率を有した材料を用いる必要
かある。そのとき、基板１７１と層１７２が電気的に接
触している幅は、活性層におけるストライプ幅幅と同程
度にすると電流とじ込め効率がよい。又、領域１９０を
選択拡散やマスクを使ったイオン注入により、ストライ
プ部のみに形成してもよい。第２１図は表面配線形の例
である。２１０を高抵抗Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板にし、２１
１．２１２．２１３をそれぞれ、ＧａＡ　ＩＡｓ、Ｇ　
ａ　Ａ　ｓ　、　Ｇ　ａ　Ａ　Ｉ　Ａ　ｓの不純物の少
ない高抵抗層にして、二重拡散、二重イオン注入等によ
りｌｉ＋形領域２１４、ｌ）十形領域２１５を形成し、
領域２１５のうち層２１２を活性層としてＩｌｌ流は基
板に対して完全に横方向に流れている。 リーク電流を少なくするために領域２１６の高抵抗領域
を水素イオンインプラなどによって形成してもよい。光
学閉し込め、Ｘ１？流閉し込めは前記と同様である。２
１０〜２１３はｎ形でもよい。その場合は第１８図の構
造と同じで表面配線にしｊコだけである。第１８図て領
Ｍ１７５と層１７３の交わる部分であるＧａＡｓ１１１
＋接合は二苗所あるが、これを−箔屑にして使用しても
よい。すなわち領域１７の領域を広くとり、１つの１１
０接合てレーザ発振させる。第２２図は他の実施例であ
る。例えば１はｎ＋ＧａＡｓ、２はｎ　　Ｇａ＋−ｚＡ
ＩｚＡｓ　、　２５１は徐々に組成が変化している部分
で＋＋Ｇａ＋−ｙＡＩｙＡｓ、３はｎＧａＡｓ、２５２
はこれも徐々に変化している領域でｎ　　Ｇａ＋−ｙＡ
　１ｙＡｓ　、　１７４はｎ　Ｇａａｘ　Ａ　ｌ　ｚＡ
ｓ　、　２５ｇはｎＧａＡｓである０１７５はｌ）十の
領域である。層２５１．２５２の領域の組成の変化が最
も重要であり、集束性光導波路と同様に屈折率分布は、
ＩＩ　（Ｘ）　−ｎ・（１−ａｘ”　）というようにな
るのかよい。 第２２図（１））は、　（１１図にお（ｌる導波路部に
おける１１ｒ１折率分布を示している。材料としては、
Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系以外のものであっても、もちろんかま
わない。 第２２図（ａ）においても、第１６図の１６２と同様の
層を設けた方がさらに電流とし込め率かよくなる。 第２３図」 １２　　同書第３２頁第３行記載の「示す。半導体」を
［示す。 狭ストライブ化の下限は、第１５図の光とじλ 込め係数から、はぼ（−）程度となる。故にスλ ドライブ幅は、（−）以上の幅をもたないと良好な光導
波特性をもたない。半導体」と補正する０ １３　　同書第３６頁第１８行乃至第３７頁第２行記載
の「励下は・・・・・・そのときは」を次の通り補正す
る。 「劣下はほとんど問題とならなくなる。半導体レーザの
寿命等は界面でなく、材料自身の劣下や熱の効果ｔごけ
になり、信輯性は飛躍的に向上する。しかし、誘電体の
厚さは必ずしも土にする必要はない。ずな１＋ら、半導
体と２１】 絶縁層の界面での光パワーが最大値の７より小さいとす
ると、絶縁層の厚さは、±０．２５（−Ｌ−）の誤差範
囲まで許せることとなる。 ２　　ＩＩ そのときは」 １４　　同書第３８頁第１行乃至第４行記載の「第２３
図・・・・・・光を」を次の通り補正する。 ［第２４図（１１）と同様、ドライエンチンクあるいは
ウェットエツチングでシャープにエノチンクして、絶縁
層を介して金属反射面を設けておいてもよい。 光導波路において、光を鋭く曲げるときには、導波路の
途中に反射面を設けて、反射させるとよいが、その場合
にも、絶縁層を介して金属反射面を設けるとよい。但し
、屈折率の高い物質とより低い物質の境界面では、全反
射がおこるので、理想的に平坦な境界面が出るときは、
全反射角より深い入射角では、反＠１面において絶縁層
や金属面を必要としないか、実際には、凹凸のある界面
では、反射面に絶縁層と金属面を設けて、反射率を高め
る方か光の伝搬効率がむｌめら′ｉ］る。全反射角は次
式で求められる。 θ＝ｓｉｎ−’　（二）　　（ｒ＋＋＜ｎ＋　）光を」 １５　　同書第４６頁第８行記載のｒ２２１Ｊ　をｒ２
８１Ｊと補正する。 １６　　回書第５９頁第４行乃至第６１頁第７行記載の
ｒ２Ｌｄ・・・・・・となる。」を次の通り補正する。 ［ ２Ｌ　ｄ−二一 （４） ２Ｔ、ｄ−’二（ｍ＋１）　　　　　ｆ５１となる。た
だし、Ｌｄ：レーサ共振器長、ｎλ、・ｎれ：屈折率、
ｍ：整数、λ１、λ、：共振波長である。定在波がいく
つ共振器の中にＶつかで共振波長は決まる。共振周波数
にがきかえると、 ｒ、、、＝ｃ／λ１．Ｉであるから ”−２Ｌ　ａ　＋、ｌ＋　ｎｌ　　　　　　　　（１３
１これを、軸モードと呼ぶが、軸モード間の周波数差は
、 △ｆｌ　＝　ｆ、−ｆ、　＝　４士）（躊＋）−÷）（
８）ｎえ一〇え、とすると、　△ｆｌ二二・±　　（９
）２Ｌｄ　　、。 となる。又、半値幅は、 である。但し、Ｒは端面の電力反射係数である。通常の
重液等の振幅変調でわかるように、周波数Ｊ゛。の゛市
波にｆｌｎの周波数で変スＩＭをかけると、その周波数
成分はＪ゛。のほか、Ｊ’　ｏ　：ｔ：　ｆｍとてで、
少なくともｆａ　−ｉ：　ｆｌｎのうち１つは通さない
と変調を伝えることかできない。すなわち、光共振型特
性についていうと、周波数ｆ　Ｉｌｌの変調をかけると
き、ｆ　Ｉｌｌが軸モード間の周波数差△ｆｅとほぼ一
致するか、半値幅△ｆよりもｆｌｌ−が小さくて１つの
軸モード内におさまらなければ、レーザ光の変調がかか
らない。 光共振器の性質を測る普遍性の高い目安は良さの指数（
ｑｕａｌｉｔｙ　Ｉ’ａｃもｏｒ　）　Ｑである。 Ｑはつぎの関係式により定義される。 ωは角周波数である。又、他の表わしかたにとなる。す
なわち、共振周波数ｆを共振周波数の半値全幅２△ｆで
割ったものがＱである。 ファブリペロ−共振器により構成されていて、損失が主
としてミラーの透過率に基づいている場合には ωｎＬｄ Ｑ＝ｃ（１−Ｒ）ｆ＋３１ によって表わされる。Ｑによって△ｆｌと△ｆを表オ〕
すと となる。」 １７　　同書第６３頁第８行乃至第６４頁第４行記載１
８の「△ｆ　ｉｏ・・・・・・となる。」を次の通り補
正する。　波以内では発振が外部光に同期して、Ｊ′ｏ
がＪ′ｉになってレーサ発光する。これを共鳴という。 但し、Ｑ：共振器のＱ、１ｓｉｌ：外部光の振幅、ＩＳ
ｌ：発振光の振幅である。（１５）式の範囲外で周波数
および振幅変調（非共鳴）がおこり、発振は多数のスペ
クトル成分をもつようになる。その中で最も大きな成分
は点線で示すような周波数の引き入れをうける。故に有
効な振幅変調をうける周波数の条件は、（９）式と（１
５）式をつかって となる。（１２）式を代入すると となる。」 同書第６６頁第８行記載の１パルス」を「周数」と補正
する。 同書第６９頁第１９行乃至第２０行記戦の「よに・・・
・・利得」を［ように、短共振化された共振器で利得」
と補正する。 ２０　　同書第７２頁第１行乃至第１２行記載の「ｌ（
：＝・・・・・・第４６図」を次の通り補正する。 ｒ　　ｋ：１：　ｋ；　＋　ｋ；　＋　ｋ；　　　　　
ｔ１９）で表わされる。ここで、 １（ Ｌａｎθ−ユ ｃｘ で表わされる角度で伝搬する。しかし、そのｎＩとｎ３
の界面での反射は厳密に言うと、第４５図に示すように
、しみ出し距離ξだけ光がしみ出しだ後再び屈折率ｎ＋
の物質中にもどってくるようになる。あたかも、１１＋
とｎＩの境界面がξだけ移動した如く光は反射する。 これをゴース、ハンシェンシフト（Ｇｏｏｓ−Ｈａｅｎ
ｃｂｅｎ　　５ｈｉｆも）という。このξは、光のしみ
出し距離に相当する。 ξを表わすと次式の如くなる。 第４６図」 ２１　　同書第７５頁第１１行記載の「ある。」の後に
次の文章を追加する。 ［光を鋭く曲げる時の光導波路の実施例を第５２図に示
す。反射面に絶縁層５２１と金属層５２２により反射率
を高めている。全反射角より深い入射角時には、絶縁層
への入射角をθとすると、 となる。１１＋：導波路屈折率、ｎＩ：絶縁層屈折率、
この場合、半導体と絶縁Ｊｍの界面の電界を小さくする
とき、全反射角より小さいときは、 にすると、よいが、全反射率角より大きい入射角となる
と、絶縁層へはξ、で示される距離より深くは侵入しな
くなる。そのため、厚にしないと界面の電界強度は最大
強度の責以下にならない。 第５３図は、リングオスシレータ５３０と出力導波路５
８１．５８２を形成したものである。 本発明において、基板を半絶縁性か、アノード領域と反
対導電型にして、アノードを基板中に埋め込みそして、
その一部をレーザの表面にまで到達させ、電極を表面だ
けでできるプレーナ構造とすると、さらに、集積化に適
した構造となる。 第５４図はその実施例であり、（ａ）図は上面図であり
、（ｂ）図は、（ａ）図のＡ−Ａ’における断面図であ
る。５４０がアノードであり、基板５４１中に埋め込ま
れていて、且つ表面まで達している。１６４がカソード
、１６３がケートである。５４１は半絶縁性か、アノー
ドと反対導電型である。アノードを埋め込む構造は、他
の構造の半導体レーザ、及び他の光素子にも適用できる
。」 ２２　　同書第７８頁第１０行記載の「高い。」の後に
次の文章を追加する。 「　本発明は、もちろんＧａＡｓ　　ＧａＡｌＡｓ　　
系の材料に限らず、例えば、ＩｎＰ　−ＩｎＧａＰＡｓ
、Ａｌ５Ｌ＋　−ＧａＩ■ＩＳｂ　、　ＧａＡｓ　−Ｇ
ａＩｎＰ　、　ＧａｒｂＺｎＡｓＳｂ　％ＧａＡｇ　−
ＡｌＧａ１ｎＰ　、　ＰｂＴｐ　−ＰｂＳｎＴｅ−Ｐｂ
Ｓ　　ＰｂＳＳｅ等の他の材料にも適用できる。 又、ＧａＡｓ　−ＧａＡｌＡｓ　　系における設計条件
は、屈折率１１　、波長λ、エネルギーギヤノブＥｇ等
の物理定数によって、同様に他の半導体にも適用できる
のは当然である。」２３　　図面第２図、第８図、第４
図、第５図、ＷＥ、６図、第１１図（ｂｌ、第１４図、
第１６図、第１７図（ａ）、（１１）、第１９図、第２
０図（ｂｌ、第２２図（ａ）、（ｌ＋ｌ、第２３図、第
２５図、第２９図、第３１図（ｌ））、第３８図、第４
６図、第４７図、第５２図、第５３図及び第５４図（ａ
）、（ｂｌを添付図面の如く補正する。 絡７６図 よ￥／７トｊ 絡／９図 （ｌｐ２ 鎮２θ！℃ 感２ヌ図 （σ　　　） （Ｂ　　） 給２２＝ｙ Ｖ 絡２９図 （し　　） 第３１１ ｂ＝３８．、。 結、ｆ２１灯 −３８９− ｙｔｊ　ｙｌｂ幻ｆｄｔ７ ［６４ 手続補正書必−出遺 昭和５８年１１月９日 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １、事ｆｌの表示　昭和５７年特ａ’ｒ願第１１４８７
１号 ２、梵明の名称　光集積回路 ３、補正をづる老 事件どの関係　特許出願人 住　所　宮城県Ｒζ６市７＋Ｔｉ５ｉ（番地なし）昭和
５８年１０月５Ｌ１ ５．７ｉｉ正の対像 ［昭和５８年８月３１　［１ｆ−Ｊ　ＩＩＮ出の手続補
正間の補正の対象の欄及び内容 の欄」 手続補正書券曲禰− 昭和５８年８月３１日 特許庁長官　　若　　杉　　和　　夫　　殿１、事（ｉ
の表示　昭和５７年１：ｓＨＪ［溜筒１１４８７１号 ２、光明の名称　光集積回路 ３、補正をづる者 事（’ｌどの関係　１４５′！出願人 住　所　宮城県ｉ＋７β市７．ｉｌ〈番地なし）１明細
−１のブで明の詳細な説明の欄１１明細内の図面の簡単
な説明の欄］ １図面（第２図、第３図、第４図、第５図、第６図、第
１１図（ｂ）、第１４図、第１６図、第１７図（ａ）、
（１＋）、第゛１９図、第２０図（ｂ）、第２２図（ａ
　）、（ｂ）、第２３３図、第２５図、第２９図、第３
１図（ｂ）、第３８図、第４６図、第１１７図、第５２
図、第５３図及び第５４図（ａ）、（ｂ））― １、本願明ＷＡｍ第７９＠第１６行乃至ｍ　１７　行ｎ
Ｎ戟の１実施例である。」を［実施例、第５２図及び第
５３図は光を鋭く曲げるＩ＋、′１の光１７波路とその
１お用の実施例、第５４図（ｆｌ）及び（ｂ）は三端子
型半導体レーザの他の実施例である。 」と補正する。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　少なくとも一方の端面に絶縁層を介して金テ
   ロ接春構造半導体レーザを複”数個含んだことを特徴と
   する光集積回路。
2. （２）　　前記端面と前記金属膜の間に介在する絶縁層
   の厚さが、前記半導体レーザの動作発光波長の２分の１
   の整数倍になされたことを特徴とする特許 積回路。