JPS62296573A - 半導体レ−ザ装置 - 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】 ３、発明の詳細な説明 〔発明の属する分野〕 本発明は、半導体レーザ装置に関するものであり、更に
、具体的には、電極が高抵抗領域によって２つ以上のセ
グメントの電極に分離され、１つ以、ヒのセグメントを
介して電流を注入し、１つ以上のセグメントを介して電
圧を印加し、同一電流値に対して、また同一電圧値に対
して２値安定な光出力強度が得られる半導体レーザ装置
に関するものである。

〔従来の技術〕

この種半導体レーザ装置として、従来、次の構成を有す
るものが桿案されている。これを第６図から第９図を用
いて説明する。

例えば、単結晶ＧａＡｓよりなるＮ型の半導体基板１上
に、クラッド層としての、例えば単結晶＾ムＧａ１−．
Ａｓ　（Ｑ＜　ｘ＜　１）よりなるＮ型の半導体層２を
、例えば単結晶ＧａＡｓよりなる活性層３としての半導
体層と、例えば単結晶Ａｌｖ　Ｇａ１−。

（０＜ｙ＜１）よりなるＰ型の半導体層４と、例えば単
結晶ＧａＡｓよりなるＰ型で高電導性を有し、かつ金属
とオーミックな合金層を形成し得る電流注入のため、Ｎ
型半導体基板１に接合する電極層７と１）型半導体層５
に接合する電極金属層８を有する。Ｓは電流源、Ｘは接
地を示す。電流源Ｓから電流１１を電極金属層８を介し
て注入することにより、この装置はレーザ発振する。

ところで、半導体積層体６の活性層３が例えば光を吸収
し、かつその吸収率が光強度が大きくなると減少するよ
うな可飽和吸収体９を含む場合、レーザ発振を与える注
入電流領域近傍において、同一電流値に対して光出力強
度が２つの安定な値を有するような状況が出現する（文
献１．ａｓｈｅｒ、５ｏｌｉｄ−５ｔａｔｅ　　ＥＩｅ
ｃｔｒｏｎ、、７（１９６４）７０７）　。しかしなが
ら、第６図の構造は上記の如き性質を有する可飽和吸収
体９が偶発的に作られる場合が多く、再現性よく活性層
３の中に作製することが困難であるという欠点を有する
。さらに、この点を改善するものとして従来、次のよう
な構成を有するものも提案されている。

第７図において、第６図との対応部分には同一符号を付
して詳細説明は省略する。第７図に示す半導体レーザ装
置は、活性層３が例えば、Ｇ　ａ　ＡＳ等の超格子構造
ではない、通常の半導体からなり、電極金属層８が１つ
以上の電極金属接合領域１０と１つ以上の電極金属非接
合領域１１に襞間端面に垂直な直線Ａ−Ａ　”に沿って
分割され、電流１１が電極金属接合領域１０のみを介し
て注入される。その結果、活性層３内で直線Ａ−Ａ　’
に沿って接合領域１０の下の領域１２にのみキャリアを
集中して注入することにより領域１２をレーザ発振のた
めの光学利得を生じさせる領域として使用し、一方、非
接合領域１１の下の領域１３へのキャリアの注入をおさ
えるごとにより、領域１３を可飽和吸収体として使用す
ることにより、電流ＩＩの同一値に対して、２４１６安
定なレーザ発振出力光強度を得るものである。第７図の
構成は、電極金属層８の設計により作為的にｉｉｉ飽和
吸収体を作ることができる。しかしながら、活性層３を
構成する通常の半導体体、現実的に有効な可飽和吸収体
とならないこと、また、得られる２（ｆｉ安定特性が、
電極金属層８の設計で固定されるため、１個の半導体レ
ーザ装置で１種類の２値安定特性しか得られないという
欠点を有する。

さらに、上記のうち、後者の欠点を改善するものとして
、１個の半導体レーザ装置で、多種類の２値安定特性が
得られるものとして、次のような構成を有するものも提
案されている。

第８図において、第６．７図との対応部分には同一符号
を４４して詳細説明は省略する。

半導体ＪＰ！４．５を例えばエツチング等の方法により
部分的に除去し−ｃ高抵抗領域１４を形式することによ
り、電極金属層を電気的に分離された２つ以上のセグメ
ントに分割し、一方のセグメン目５を介して電極源１６
から電流Ｉ２を注入し、他方のセグメント１７には、電
流源１８から電流Ｉ３を注入する。このとき、セグメン
ト１５の下の活性層３の中の領域１９に多数のキャリア
を注入するとにより領域１９をレーザ発振のための光学
利得を生じさせる領域として使用し、セグメント１７の
下の活性層３中の領域２０への注入キャリア密度を電流
■３で調節することにより、領域２０の可飽和吸収の大
きさを調節することにより電極Ｉ２の同一値に対して、
多種類の２値安定なレーザ発振出力光強度を得るもので
ある。しかし、この構成でも、活性層３を構成する通常
の半導体は、それ自体有効な可飽和吸収体とならないこ
と、従って、電流１３として大きな値が必要であり、消
費電力が大きくなるという欠点を有する。

さらに、上記に述べたような可飽和吸収体を利用した２
（＊安定特性の他方に次のような構成によって、同一電
流値に対してし光出力強度が２値安定性を示す半導体レ
ーザ装置も提案されている。

第９図において、第８図との対応部分には同一符号を付
して詳細な説明は省略する。

第９図に示す半導体レーザ装置は、構成は、第８図の半
導体レーザ装置とほとんど同じであるが、セグメント１
７・＼の電流１３を外部抵抗２１を介して注入する点が
異なる。この場合領域２０は、領域１９で発生する光の
唆収層として働くので、セグメント１５に電流＋２を注
入した場合、領域２０には光吸収による電流１４が発生
する。この電流■４を抵抗２１、及び２つのセグメント
間の高抵抗領域１４の有する等価抵抗及び電流源１８で
構成される外部回路への電流として取り出す。電流源１
８は定電流源であるためセグメント１７の端子電圧ｖ１
は、電流■４の分だけ変化する。この時、電流Ｉ４が大
きくなると、Ｉ４と■１の間にダイオードのトンネル効
果によって負性抵抗領域が生じることを利用して同−電
流値１２に対して２値安定なレーザ発振出力光強度を得
る。その負性抵抗領域２０の可飽和吸収に吸引するもの
であり従ってその２値安定特性は電流ｒ３によって上記
負性抵抗を与えるＩ４の領域を変えることによって調節
１可能であるという特徴を有する。しかしながら、この
構成は、活性層３を構成する通常の半導体は有効な可飽
和吸収体とならない、また、負性抵抗領域を得るために
、抵抗２１を大きくする必要があるため、回路時定照的
に見て、得られる２４Ｉｉ、安定の動作速度がでは、有
効な可飽和吸収体が得られないこと、さらに消費電力が
大きい、あるいは動作速度が遅いという欠点を有してい
た。これは、従来の装置では、可飽和吸収として、通常
の゛１６導体におけるバンド間遷移による吸収が利用さ
れるが、このバンド間遷移による吸収は、本質的に有効
な吸収飽和を示さないこと、が原因である。

〔発明の目的〕

本発明は、これらの欠点を除去するため、種々の考察及
び実験をなした結果、活性層に超格子構造を有し、電極
層が、電気的分離されたセグメントを有する半導体レー
ザ装置を用いて、電圧によって低消費電力で調節可能で
、高速動作可能な２稙安定のレーザ発振出力強度が得ら
れる半導体レーザ装置を捉供することにある。

〔発明の構成〕

本発明は、１−、起生導体レーザ装置における１つ以上
のセグメントの下の活性層領域において超格子構造（量
子井戸構造ともいう。以下同じ。）中に存在する励起子
の非線形吸収を可飽和吸収としザ装置で多種類の２値安
定特性を得ることを最も主要な特徴とする。

〔実施例の説明〕 第１図は本発明の実施例を示す。

第１図において、第８図との対応部分には同一符号を付
しているので詳細説明を省略する。

第１図に示す本発明による半導体レーザ装置は、第８図
に示す従来の半導体装置において、次の事項を除いて、
同様な構成を有する。

半導体積層体６を構成している活性層３が第１図に示す
ように、例えば、ＧａＡｓ／Ａ＋７４．Ｇａ＋−ｗ　Ａ
　ｓ　　（０＜　ｚ　＜　ｌ　）へテロ構造からなる超
格子構造を有する。

また、電流源１８の代わりに電圧源２３を有し、セグメ
ント１７に電圧ｖ２を印加する。この半導体レーザ装置
は、第８図の構造と同様に領域１９を光学利得を発生さ
せる領域として、領域２０を領域１９で発生する光に対
する可飽和吸収体として使用するもので、次にその動作
方法を述べる。第１の動作方法として電圧ｖ２を固定し
、セグメン目５への注入電流！２を変化させる。この場
合■２がレーザ発振を与える電流値となる近傍において
、同一の１２に対して、出力光強度が、２つの安定な値
を示す。電圧■２の調節により多種類の２値安定特性が
得られる。第２の動作方法として、電流Ｉ２を固定し、
■２を変化させる。この場合、Ｉ２をレーザ発振をｊｊ
える電流値となる近傍に設定することにより、同一のｖ
２に対して出力光強度が２つの安定な値を示す。電流■
２の調節により多種類の２値安定特性が得られる。

以下にその動作原理を説明する。

例えば、Ｇａ八へ　／　Ａ　１　ｇ　Ｇ　ａ　ｔ−ｍ　
Ａ　Ｓ　（０〈ｚ＜１）のへテロ構造を基本とする超格
子構造では、通常の例えばＧａＡｓの半導体に比べて、
室温でも励起子と呼ばれる電子−正孔の束縛状態による
大きい光吸収ピークを有することが知られている。

また、この励起子吸収は、通常のバンド間遷移による光
吸収に比べて大きい吸収飽和を示すことが知られている
。さらに、この励起子による光吸収は、超格子構造に電
圧を印加することにより、効果的に長波長側にシフトす
ることが知られている。

第２図は、第１図に示すような半導体レーザ装置におい
て観測される光吸収領域２０における励起子光吸収効率
のスペクトルと、そのセグメン目７にべの印加電圧■２
依存性を模式的に示す。図中Ｃで示すピークは励起子吸
収のピークを示す。このピークは吸収スペクトルは、■
２の変化と共に長波長にシフトすることが判る。図中Ｂ
は第１図に示す半導体レーザ装置における光学利得発生
領域１９に起因するレーザ発振波長を示す。従ってレー
ザ発振波長Ｂに対する領域２ｏにおける吸収効率は電圧
（Ｖ２　　ａ）　→（Ｖ２−ｂ）−”　（Ｖ２−ｒ、）
　−という変化に対してａ−＊　ｌ）　−＋　Ｃ−１−
・・・という変化をするので、電圧Ｖ２の調節によって
レーザ発振波長Ｂに対する領域２０による効率を変化さ
せることができる。

第３図は、第２図に於ける波長Ｂに対する領域２０によ
る吸収の大きさを、電圧■２を横軸にとって示したもの
で、例えば、第３図のＶ２−ａ、ｂｌ　　ＣＩ　　・・
・、ａ、ｂ、ｃ・・・、は第２図の同じ記号に対応する
。また、第３図のｄで示すピークは第２図にお　いて、
電圧ｖ２に印加により、ピークＣが丁度波長Ｂの位置に
シフトとしてきた時の吸収効率に対応する。第３図にお
いて、実線Ｗｔ、一点鎖線ｗ２．破線ｗ３で表わされる
３種類のスペクトルは、ｗ４域２ｏにおいて吸収される
光が異なる強度を有する場合の吸収効率のスペクトルを
示すもので、光の強度が大きくなるにつれて、吸収スペ
クトルはＷｌ−ｈＷ２→Ｗ３と変化する。

従って、第３図に示すように領域２０の吸収効率は、光
の強度の増大と共に小さくなる傾向にあり、この傾向は
電圧ｖ２が図中Ｖ２−ｅからＶ２−ｆの間にある時に顕
著になる。このような吸収効率の減小傾向は、波長Ｂの
光が領域２０で吸収される、絶対量か、その光の強度の
増大と共に飽和することを意味するもので、領域２０の
励起子による光吸収は、領域１９から発生する光に対し
て可飽和吸収体として働くことになる。さらに、第２図
に示すような半導体レーザ装置においては、電圧ｖ２の
調節によって、上記領［２０の可飽和吸収の程度を調節
できることになる。次に第３図に示すような励起子光吸
収における可飽和吸収の程度を電圧によって調整するこ
とによって、電流１２の同一値に対して安定な２埴の光
出力強度が得られるという実験例を示す。

第４図は、第１図に示す半導体レーザ装置において、電
圧ｖ２を第３図におけるＶ２−ｅからＶ２−ｆ１７）間
の種々ノ値Ｖ２−１．Ｖ２−２．Ｖ２−３に設定し、電
流■２を変化させたときの出力光強度の変化に関する実
験例を示す。まず■２が■２−１の場合の特性曲線Ｙｌ
の電流をＯから増大させると光出力強度は図中矢印■で
示す向きに変化し、図中Ｔ２−ｇで表わされる電流Ｉ２
の値に対して、光出力強度はＧで表わされる値をとり、
さらにＩ　２−ｈで表わされる電流ｆ２の値に対して、
Ｈで表わされる値をとる。一方電流を、■２−ｈ値から
逆に減小させると、光出力強度は、Ｈの値から矢印■で
示す向きに変化し、図中１２−ｇで表わされる電流Ｉ２
の値に対して、光出力強度はＧ′で表わされる値をとり
、さらに１２が０の時の光出力強度０に戻る。即ち、同
一の電流１１−ｇの値に対して、出力光強度がＧとＧ′
で表わされる安定な２値をとることになる。さらに、出
力光強度が、２値安定となる電流Ｉ２の領域は、電圧ｖ
２の設定を■２−１から■２−２或いはＶ２−３と変え
ることによって可飽和吸収の程度が変わるため特性曲線
はＹ２．Ｙ３のように変わる。

これは、この特性曲線の変化には電流を必要としないた
め、低消費電力で２値安定特性が制御可能であることを
意味する。

次に、第１図に示す半導体レーザ装置において、電流Ｉ
２をある値に設定し、電圧■２を変化させることによっ
て、安定な２値の光出力強度が得られ、さらに電流１２
の調節により、上記、２値安定特性を変化させることが
できる、という例を示す。

その動作原理を第４図に用いて説明する。第４図に見ら
れる出力光強度の電流■２に対する変化を示す曲線にお
いて、矢印■で示す変化、即ち出力光強度が安定な２値
のうち、小さい方の値をとって変化する曲線を曲線Ｃ１
、矢印■で示す変化即ち出力光強度が安定な２値のうち
大きい方の値をとって変化する曲線Ｃ２とする。第４図
において、電流■２が１２−ｈ、電圧ｖ２がｖ２−１、
出力光強度が１１である場合を考える。

次に電圧■２が■２−１から■２−３へ連続的に変化す
ると、出力光強度はＨから各電圧ｖ２に対応する曲線Ｃ
２を通って減小する。例えば、曲線Ｙ２では光出力強度
はＪで示す値をとり、曲線Ｙ３では光出力強度はＫで示
す値をとる。今度は電圧ｖ２をＶ２−３から■２−１へ
連続的に変化させる場合を考える。光出力強度は各電圧
■２に対応する曲ｖＡＣ１を通って増加する。例えば、
曲線Ｙ２では光出力強度は、Ｊ′で示す値をとり、曲線
ＹｌではＨで示す値をとる。この電圧ｖ２の変化に対す
る出力光強度の変化を第５図に示す。

電圧Ｖ２−１からｖ２−３への変化による出力光強度の
変化を矢印■で、ｖ２−３からＶ２−１への変化による
出力光強度の変化を矢印■で示す。

電圧ｖ２の同一の値に対して出力光強度が２つの安定な
値例えばＪ、Ｊ”をとることが判る。出力光強度が２稙
安定となる電圧ｖ２の領域は、電流Ｉ２の値によって変
えられるので、上記２値安定特性は、電流■２の値で調
節することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明による半導体レーザ装置は
、同一電流値に対して２値安定な出力光強度が得られ、
かつその２値安定特性は電圧の調整によって可変である
こと、また、同一の電圧値に対して、２値安定な出力光
強度が得られ、かつその２（＋！安定特性は電流の調整
によって可変であることから、光情報処理におけるＡＮ
ＤやＯＲ等の光論理動作、及び光通信における光パルス
整形等を行う機能素ｒ−として極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による半導体レーザ装置の一例を示す
概略図である。 第２図は第１図の光吸収領域２０における光吸収効率と
波長の関係を領域２０への各印加電圧ｖ２をパラメータ
として示す図、第３図は、その吸収効率と印加電圧■２
の関係、及びその光強度依存性を示す図である。 第４図、第５図は本発明による半導体レーザ装置７ 置の動作原理を示す図である。 第６図、第７図、第８図及び第９図は、先行技術の半導
体レーザ装置の概略断面図を示す。 第１図において、 ｌ二手導体基板 ２：クラッド層（Ｎ型ＡｔｘＧａ１ｚＡｓ　、　０＜ｘ
＜　１　）３：活性層（ＧａＡｓ） ４：Ｐ型半導体層（Ａｔ２Ｇｅｔ１−２Ａ、ｓ＝　Ｉ　
Ｏ＜ｚ　＜１　）５：半導体層 ６：半導体積層体（ヘテロ構造を有する超格子構造） １４：高抵抗領域 １５：セグメント １７：セグメント １６：電流源 ２３：電圧源 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　玉　蟲　久五部 （外２名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ダブルヘテロ接合を具える半導体レーザ装置におい
   て、 上記装置の活性層が超格子構造を有し、かつ抵抗領域に
   よって相互に電気的に分離された複数のセグメント電極
   を具え、 １つ又はそれ以上のセグメント電極より電流を注入し、
   他方のセグメント電極端子にバイアス電圧を印加したこ
   とを特徴とする半導体レーザ装置。 ２、前記特許請求の範囲第１項の半導体レーザ装置にお
   いて、 前記同一の電流注入値に対して前記バイアス電圧を調整
   することによりレーザ発振による光出力強度が２値安定
   となることを特徴とする半導体レーザ装置。 ３、前記特許請求の範囲第１項の半導体レーザ装置にお
   いて、 前記バイアス電圧を固定し、注入電流を調整することに
   よりレーザ発振による光出力強度が２値安定となること
   を特徴とする半導体レーザ装置。