JPS6154690A

JPS6154690A - 半導体レ−ザ装置

Info

Publication number: JPS6154690A
Application number: JP59176220A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Yamaguchi; 山口　昌幸
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1984-08-24
Filing date: 1984-08-24
Publication date: 1986-03-18
Anticipated expiration: 2009-04-27
Also published as: EP0173269A3; EP0173269B1; JPH0632332B2; EP0173269A2; DE3584702D1; US4719636A; CA1284371C

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】（発明の分野）本発明は、単一波長で発振し、且つ連続的な波長制御可
能か半導体レーザ装置に関する。

（従来技術と問題点）半導体結晶内部に回折格子を有し、その波長選択性を利
用して単一波長で発振する分布帰還型（ＤＦＢ）あるい
は分布反射型（ＤＢＲ）半導体レーザは、高速変調時に
も安定な単一波長で発振するため、長距離大容量の光フ
アイバ通信や将来の光→ヒーレント伝送用の光源として
期待されている。ところで、光コヒーレント伝送の一つ
である光ヘテロダインシステムでは、受信側において、
局部発振光源の発振光と、伝送してきた信号光との干渉
により一定周波数のビート信号を得る必要がある。その
ためには、局部発振光源は常に信号光の波長をある一定
の周波数差を保ち力から追従しカくては力らない。従っ
て、局部発振光源に用いるレーザとしては、単一波長発
振で、且つ発振波長の制御性、特に連続した波長の制御
性が要求される。

波長制御可能力単一波長半導体レーザの１つに、昭和５
９年春の電子通信学会総合全国大会講演論文集、分冊４
の第１０２２番で本発明者らが［ブラッグ波長制御型Ｄ
ＢＲ−ＤＣ−ＰＢＨＬＤＪと題して報告したＤＢＲレー
ザがある。この波長制御型ＤＢＲレーザの簡単な構造図
を第２図に示す。

ｎ−ＩｎＰ基板１の上に波長組成１．３μｍの活性層３
、波長組成１．２μｍのＰ−ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層
２を順次成長させた後、波長制御領域と力る領域１５の
光ガイド層２表面にのみ周期約４０００Ｘの回折格子１
０を形成し、活性領域と力る領域１６の光ガイド層表面
は平坦なままとしている。その後、全面にＰ−ＩｎＰク
ラッド層４、Ｐ＋−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層５を成長
させている。波長制御領域１５及び活性領域１６の上に
はそれぞれ波長制御電極６、活性電極７を形成し、両電
極間には電気的アイソレーションをよくするために、キ
ャップ層５を除去した溝１１を形成している。又、ｎ側
にはｎ側電極９を形成している。この構造のＤＢＲＬＤ
は活性領域１６に駆動電流工ｄを注入することにより単
一波長で発振し、波長制御領域１５に注入する波長制御
電流ＩｔＫより波長制御が可能である。その原理は、波
長制御領域１５ＫＩｉ’ｅ注入すると、波長制御領域１
５側のキャリア密度が上昇し、プラズマ効果により屈折
率が低下し、その結果回折格子１０の周期によって定ま
るブラッグ波長が短波長側シフトする効果を利用したも
のである。従って、Ｉｔの注入により発振波長は短波長
側に変化する。ところが、この構造の波長制御型のＤＢ
Ｒレーザでは、制御電流工、によるブラッグ波長の制御
はできても、活性領域１６側の端面位相の制御ができｉ
いため、連続的々波長制御は不可能であり、モードジャ
ンプを伴った波長制御特性と力っていた。

（発明の目的）本発明の目的は、単一波長で発振し、且つ連続的な波長
制御が可能力半導体レーザ装置を提供することにある。

（発明の構成）本発明による半導体レーザ装置の構成は、活性層を含む
活性領域と、平坦な光ガイド層を含む第１の制御領域と
、回折格子が形成された光ガイド層を含む第２の制御領
域とが共振軸方向に一列に配置され、且つ前記活性領域
及び前記第１．第２の制御領域のそれぞれに電流注入す
るための活性電極及び第１．第２の制御電極を備えた半
導体レーザと、前記活性電極に駆動電流を加える電気回
路及び前記第１．第２の制御電極に制御電流を一定の割
合で分割して同時に加える電気回路とを含んだ仁とを特
徴とする。

（発明の原理）従来例として示した波長制御型ＤＢＲレーザのモードジ
ャンプを伴った波長制御特性について、簡単々動作原理
をまず述べる。第３図はその動作原理を示す図で、第３
図（ａ）Ｆｉ波長制御領域１５側の位相θと活性領域１
６側を光が往復した時の位相ｖ′Ｌ（βは伝搬定数、Ｌ
は活性領域１６の長さ）の波長依存性、第３図（ｂ）は
波長制御領域１５側を見＆時の回折格子１０によるブラ
ッグ反射率の波長依存性を示した。ＤＢＲレーザにおい
て発振するモードは、第３図（ａ）において、θと２九
の位相曲線の交点で現わされる複数個のＤＢＲモードの
うち、第３図（ｂ）で示したブラッグ反射率が最も高く
なるモードである。従って、波長制御電極工、を流さ力
い状態では、第３図中のＡのモードが単一波長で発振す
ることに々る。■、を注入すると、プラズマ効果により
ブラッグ波長が短波長側にシフトするため、第３図中の
０及びブラッグ反射率の曲線は短波長側忙平行移動する
。このとき、活性領域１６側の位相２九は変化しないた
め、モード人より短波長側のモードＢの方がブラッグ反
射率が高く々るため、モードＡからモードＢへのジャン
プが生じてしまう。このようにして、従来例で示した構
造の波長制御型のＤＢＲレーザでは、Ｉｔの増加に伴っ
て、モードＡ−＊Ｂ−＞Ｃの順でモードジャンプを繰り
返しかから短波長側へのシフトが生じてしまう。

そこで、このよう々モードジャンプを伴うことなく、連
続した波長制御を実現させるために、本発明は、活性領
域１６側の位相２九を制御する構造とした。つまシ、本
発明では、第３図（ａ）において、交点Ａで現わされる
モードが常に最も高いブラック反射率と力るように、２
／Ｌの位相曲線をθの位相曲線と同様に平行移動できる
ように従来例で示した波長制御型のＤＢＲレーザの活性
領域１６に、プラズマ効果による屈折率変動を利用した
位相制御領域を付加した構造を採用した。この位相制御
領域に位相制御電流を注入すれば、この領域の屈折率が
低下し、第３図（ａ）の２九の位相曲線はやはり短波長
側にシフトすることに々る。従って、この位相制御領域
、及び波長制御領域に同時に電流注入し、θ及び２βＬ
の位相曲線を同じ量だけ平行移動させれば、連続的々波
長制御が可能と力る。

（実施例）第１図に本発明による半導体レーザ装置の構成図を示す
。ｎ−ＩｎＰ基板１上の波長制御領域１５に相当する部
分に周期２４００Ｘ　　の回折格子１０を部分的に形成
する。全面に波長組成１．３μｍのｎ−ＩｎＧａＡｓＰ
光ガイド層２、波長組成１．５５μ専のＩｎＧａＡｓＰ
　活性層３を順次エピタキシャル成長させた後、波長制
御領域１５の隣シの活性領域１６となる部分にのみ活性
層３を残すように他の活性層３を除去する。位相制御領
域１７け波長制御領域１５と反対の端面側に設ける。そ
の後、全面にＰ−ＩｎＰクラッド層４、Ｐ＋−ＩｎＧａ
ＡｓＰキャップ周５を順にエピタキシャル成長させた後
、波長制御電極６、活性電極７、位相制御電極８はそれ
ぞれの領域の上に形成し、各電極間は電気的アイソレー
ションを十分にするためにキャップ層５より深い溝１１
．１２によって分離する。ｎ側電極９はｎ−ＩｎＰ基板
１の下に形成する。このよう力構造の半導体レーザの活
性電極７には、レーザ駆動用の駆動電流Ｉｄを注入する
電気回路１３が、波長制御電極６及び位相制御電極８に
は、波長制御電流■ｔ１及び位相制御電流Ｉｔ２をＩｔ
ｌ／工ｔ２の比が一定とカるように同時に注入する電気
回路１４が接続された構成と々つている。

以上の構成からなる半導体レーザ装置においては、活性
領域１６に駆動電流Ｉｄヲ注入することにより、波長１
．５５μｍ付近で単一波長で発振する。

また、発振波長を連続的に制御するためには、■、□及
び工ｔ２の注入により、第３図（、）におけるθ及び２
／Ｌの位相曲線を同じ量だけ横方向にシフトさせ、常に
交点Ａで現わされるモードがブラック反射率の最も高い
モードと力るようにする必要がある。

θの位相曲線の横方向へのシフト量Δハはブラック波長
のシフト量に等しく、波長制御領域１５の等側屈折率ｎ
ｌ、屈折率変化分Δｎ１を用いて次式で現わされる。

Δｎ。

Δλ、−−λ０　　　　　　　　・・・（１）但し、λ
。はＩ、１を注入し力い状態での発振波長である。

また、２βＬの位相曲線のシフト量Δλ２は、位相制御
領域１７の長さＬ２、等側屈折率ｎ２、屈折率変化分Δ
ｎ２、及び活性領域１６の長さＬａ１等価等価屈折率ｎ
用いて次式で与えられる。

従って、Δλ、とΔλ２が等しく外る条件は次の様に力
る。

ここで、各領域の等側屈折率がほぼ同じであると仮定（
ｎ、＝　０２　＝　ｎａ）すると、（３）式は次式に変
形される。

更に、電流注入による屈折率変化分は注入電流密度の平
方根に比例するため、（４）式は次の様に変形される。

但し、Ｌｌは波長制御領域１５の長さである。

従って、連続した波長制御を実現するためには、次式で
示すようが条件を満足するようにＩｔｌ及びＩｔ２’ｉ
注入する必要があることが判る。

このように、本発明による連続的な波長制御可能な半導
体レーザ装置においては、波長制御領域１５及び位相制
御領域１７に注入する制御電流Ｉｔ１及び１１２を（６
）式を満足するように注入することにより、連続した波
長制御が可能である。

本発明による波長制御可能な半導体レーザ装置を製作し
たところ、波長１．５５μｍ帯において、約４ｏｉの連
続した波長制御が実現できた。また、光出力も約５ｍＷ
程度であり、光へテロダインシステムの局部発振光源へ
の応用が可能である。

尚、本実施例においては、波長１．５５μｍで発振する
半導体レーザ装置について述べたが、発振波長はこれに
限らず、例えば光ガイド層２の波長組成を１．２μｍ１
活性層３の波長組成を１．３μｍ１回折格子１０の周期
を２０００Ｘとすれば、発振波長１．３μ専の波長制御
型の半導体レーザ装置が得られる。また、本実施例では
光ガイド層２を活性層３の下に設けたが、光ガイド層２
は活性層３の上でもよく、その場合、回折格子１０は光
ガイド層２とクラッド層４の間に形成する。また、光ガ
イド層２と活性層３の間には、薄いＩｎＰ層を設けても
よい。本実施例では、活性領域１６を中央に設けた構成
としたが、各領域の配置はこれに限られるものでは力ぐ
、例えば、位相制御領域１７が中央に力ってもよい。本
実施例では、波長制御領域１５及び位相制御領域１７の
活性層３を除去した構造としたが、活性層３は各領域に
残っていてもよい。

本実施例においては、各電極間の電気的アイソレーショ
ンをよくするために、電極間にキャップ層５よシ深い溝
１１，１２を形成したが、電気的アイソレーションをよ
くするための手段としてはこれに限らず、例えば電極間
にプロトンを照射する方法でもよい。本実施例では半導
体材料として、ＩｎＧａＡｓＰ　／　ＩｎＰ　ｆ用いた
が、他の半導体材料でもよく、例えばＡｌＧａＡｓ　／
’ＧａＡｓ等でもよい。また、制御電流Ｉｔ１．工ｔ２
の比は必ずしも（３）式を満足する必要は々（、（６）
式を満足する条件の近くであればよい。

（発明の効果）本発明によれば、連続釣力波長制御が可能ガ半導体レー
ザ装置が得られる。この結果、光ヘテロダイン用局発光
源の他に、その波長制御性を利用して、ＦＭ変調用光源
や、光ヘテロダイン方式のひとつであるＦＳＫ（２値周
波数変調）ヘテロダイン方式用の送信用光源、更に、波
長多重伝送用光源等、多方面にわたって優れた光源を提
供することが可能となった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例である半導体レーザ装置の構成
図であり、１はｎ−ＩｎＰ基板、２はｎ−ＩｎｎａＡｓ
Ｐ光ガイド層、３はＩｎＧａＡｓＰ活性層、４はＰ−Ｉ
ｎＰクラッド層、５はＰ＋−ＩｎＧａＡｓＰキャップ層
、６は波長制御電極、７は活性電極、８は位相制御電極
、９はｎ側電極、１０は回折格子、１１．１２は電極を
分離する溝、１３は駆動用電気回路、１４は制御用電気
回路、１５１′ｉ波長制御領域、１６は活性領域、１７
は位相制御領域、Ｉｄは駆動電流、ＩＢは波長制御電流
、Ｉｔ２は位相制御電流である。第２図は従来の波長制御型Ｔ）ＢＲレーザの構造図であ
り、符号及び名称は第１図と同じであろう第３図は従来
の波長制御型ＤＢＲレーザの波長制御の動作原理を説明
する図であり、（ａ）は波長制御領域１５の位相θ及び
活性領域１６の位相２九の波長依存性、（ｂ）Ｆｉブラ
ッグ反射率の波長依存性を示第１図＋５　　　　　　　１６　　　　　　　　１７第２図制御電流　　　　　　　駆動電流 ′）１１さも昭保冊

Claims

【特許請求の範囲】

活性層を含む活性領域と、平坦な光ガイド層を含む第１
の制御領域と、回折格子が形成された光ガイド層を含む
第２の制御領域とが共振軸方向に一列に配置され、且つ
前記活性領域及び前記第１、第２の制御領域のそれぞれ
に電流を注入するための活性電極及び第１、第２の制御
電極を備えた半導体レーザと、前記活性電極に駆動電流
を加える電気回路及び前記第１、第２の制御電極に制御
電流を一定の割合で分割して同時に加える電気回路とを
含むことを特徴とする半導体レーザ装置。