JPS63122188A - 光半導体装置 - Google Patents

光半導体装置

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JPS63122188A
JPS63122188A JP61267523A JP26752386A JPS63122188A JP S63122188 A JPS63122188 A JP S63122188A JP 61267523 A JP61267523 A JP 61267523A JP 26752386 A JP26752386 A JP 26752386A JP S63122188 A JPS63122188 A JP S63122188A
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JP
Japan
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laser
semiconductor laser
optical
section
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JP61267523A
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English (en)
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Shinji Tsuji
伸二 辻
Shinji Sakano
伸治 坂野
Hiroyoshi Matsumura
宏善 松村
Motonao Hirao
平尾 元尚
Akio Oishi
大石 昭夫
Hiroaki Inoue
宏明 井上
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Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
    • H01S5/125Distributed Bragg reflector [DBR] lasers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
    • H01S5/12Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers

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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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体レーザを含む光半導体素子に係わり、特
に線幅の狭幅化に適した構造に関する。
〔従来の技術〕
半導体レーザと光導波路を同一3板上に集積化した報告
例松田他、ジェー・アプライドフィジックス・レター第
46巻(1985年)第1028頁(K、Matsud
a of al J 鞠App1.Phys Lett
 46(19a5) p 102g)参照や、DFBレ
ーザまたはFP型レーザとミラーまたはグレーティング
を用いた外部共振器を結合した報告例(昭和50年秋季
応用物理学会講演予稿集p173. IP−M−9゜参
照)がある。
また、従来より、外部共振器と半導体レーザを結合する
ことによって、半導体レーザのスペクトルに線幅を狭帯
化する試みがなされている。狭帯化率Δf/Δfoは、
エレクトロニクスレターズ18巻、10〜12頁(19
82年) (Electronics Lett、 Vol、 1
8 (1982) p10〜12)に大蛇らにより論じ
られており、次式で与えられる。
Δ fl ここでγはレーザ部における光子寿命、τは帰還遅延時
間、ηは電力反射率である。
上式の物理的意味は、レーザ内部の発振状態に対し、光
を遅延帰還させることにより以前の発振波長で周波数を
固定化することによってスペクトルの狭帯化を図ること
である。
分布帰還型(DFB)レーザにこのような光帰還を行な
った例は、エレクトロニクスレターズ21巻、655〜
656頁(1985年)(Electronics L
ett、 Vol、 21 (1985) p655〜
656)に、T、P、Leeらにより論じられており、
位相制御された光の遅延帰還が狭幅化に有効であること
が示されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
前記報告例においては半導体レーザはFP型であるため
多モードが選択される。また、導波路部も多モードが選
択される構造となっている。そのため、レーザと導波路
部の相互作用により特定の一本のモードが選択されるが
、その動作領域が狭い点が問題である。
また、モードの選択性は強いものの、外部共振器と半導
体レーザを光学的に結合させるため、結合効率が低く、
光学系の調整が難かしいという問題があった。
さらに上記従来技術では光帰還方式としてピエゾ素子に
接合した。セルフォックレンズとの結合を用いており、
光学軸合せや、固定方式が厄介であり、実用的な方法で
はなかった。そこで、レーザと帰還系の集積化された構
造が必要となるが。
集積化した場合には帰還系の大きさが限定されるため、
式(1)においてτが小さくなり、狭帯化には、電界反
射率JT)増大することが必要である。ところが、帰還
光量の大きな場合には、DFBレーザの発振モードが外
部共振器の効果により多モード化するため、線幅は17
10程度にしか減少しなかった。
本発明の目的は、結合効率が高く、強い波長選択性を有
し、スペクトルの狭帯域化(狭幅化)の可能な集積化素
子構造の光半導体装置を提案することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的と実現するためには、強い波長選択性を有する
DFBレーザとグレーティング反射部を同一基板上に導
波路を介して結合することにより、また、半導体レーザ
部に、軸モードの安定化したレーザ構造を設けることに
より達成される。
〔作用〕
DFBレーザより出た光は同一基板上に形成された導波
路を介してグレーティング部に導かれる。
レーザ光はグレーティング部に反射され導波路を介して
DFBレーザに戻される。この時、レーザとしての共振
器はレーザ部からグレーティング部におよぶため、共振
器長が2〜10■と長くなりQ値が増大する。その結果
、発振スペクトル幅がDFBレーザ単体の場合に較べて
狭くなる。
この構造において、導波路部やグレーティング部にキャ
リアを注入できる構造を加えれば、伝搬する光の位相を
変化させることができ、外部変調等の様々な機能が実現
できる。
本構造では、同一基板上にDFBレーザ、導波路および
グレーティング部が形成されているため、光学系の調整
は不要であり、高い結合効率が容易に得られる。
またDFBレーザがBragg波長あるいはそのごく近
傍で動作する場合には1次のモードとのしきい値利得差
が大きくなるため1強い光帰還が生じた場合に−おいて
も、帰還光の位相を調整しさえすれば安定した単一モー
ド発振状態が得られる。
−例として、λ/4シフト型DFBレーザに対し光帰還
を生ぜしめた時に生じる発振モードの計算例を第3図に
示す、外部復帰光の位相が調整された時の1発振モード
の伝搬定数δLと、しきい値利得αLの関係を示すもの
であり、計算は、レーザ部の規格化結合定数KL=2、
外部共振器長Laxとレーザ部長りの比を10として、
種々の電界反射率fTに対し行なった。主モード(m=
o)  。
と副モード(m =±1)との発振利得差ΔαLは(’
r=o、1.o、a、o、sに対し、Cx)、0.25
゜0.07  と大きな差が生じており、高帰還時にも
安定した単一モード発振が得られることが明らかとなっ
た。(1)式によると、(T=o、5では、1/200
〜1 / 500程度の線幅狭幅化が期待できることに
なる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を説明する。
実施例1 第1図を用いて説明する左側がD F’ B半導体レー
ザ、中央部が光導波路部、右側にグレーティング部を設
ける8本実施例に示した構造は、n−InP基板1上に
、n型InGaAsP光ガイド層2゜InGaAsP活
性層3、p型InPクラッド層4、p型InGaAg層
5を成長した後に、半導体レーザ部以外の成長層を選択
エツチングにより除去し、その後、半導体レーザ部以外
に、InGaAsPガイド層6゜p型InP層4、p型
InGaAsPキャップ層5を選択成長により成長し、
さらに全体をBH構造にする。その後、光導波路部の上
のキャップ層とp型InP層を除去することにより得ら
れる8本実施例においては、活性層のホトルシネセンス
波長(λPL)を1.55μm、光導波路層6の組成を
λPL=1.2μmとした0本構造によれば、半導体レ
ーザにより発生した光は光導波路層を通り、グレーティ
ング部で強い波長選択性を受け、半導体レーザに戻され
る。そのため、半導体レーザ単体の場合に較べ共振器長
が長くなるとともに強い波長選択性を有する。その結果
、全体のQ値が大きくなり1発振スペクトル幅を狭くす
ることができる1例えば、半導体レーザの共振器長が3
00μmの場合、そのスペクトル幅は出力3mW時で5
0MHzを程度であるが、本実施例により、2■の光導
波路および1ffilのグレーティング部を設けること
により、スペクトル幅を2 M Hzとレーザ単体の場
合に較べ1/10以下にすることができた。スペクトル
幅を十分に狭くするためには、半導体レーザの戻り光の
位相を制御する必要があるが、これは1層6にpn接合
を通してキャリアを注入することにより1層6の屈折率
を変化させることにより容易に実現することができる。
この位相制御のためのキャリア注入は、第2図に示すよ
うに光導波路部に行なっても良いし、あるいは。
光導波路部とグレーティング部の両方に行なっても良い
、また、第1図に示した実施例において。
グレーティング部に電流を流し、キャリアを注入するこ
とにより、層6の屈折率を変化させることができ、レー
ザの発振波長に対しての戻り光量も変化させることがで
きる。その結果、層6に流す電流を変化させることによ
り、外部に取り出す光の量を変化させることができる。
すなわち、グレーティング部に流す電流を変調すること
により、外部変調を行うことができる。
以上の実施例は、グレーティング部はレーザ構造を有し
ないが1本発明によれば、第3図に示したようにグレー
ティング部をレーザ構造としても良い、また、第3図に
おいて、光導波路部に電流を注入できる構造としても良
い。
また、上記実施例は波長1.5μmで発振するInP基
板上InGaAsP半導体レーザをレーザ部に有する場
合について説明したが1本発明は他の組成1例えば1.
3μm帯等の半導体レーザや、他の材料系、例えばGa
As系等に対しても有効である。
光出力の増大と共に1発振スペクトルが単一モード状態
、多モード状態をくりかえした。     ・発振モー
ドが単一・どなる光出力時には発振スペクトル線幅が狭
帯化し、光出力3mW時に、線幅が500K)Tyi1
度となった。光帰還部を切断したところ、線幅は50 
M Hz程度となったことを考慮すると、SSS幅狭化
化率ほぼ1/100と大きな効果が得られろことが確認
できた。
また、光帰還部の導波層26に電圧印圧、あるいは電流
注入を行うことで屈折率を変化させることによって帰還
光の位相を調整することが可能であり、いずれの光出力
値においても上記と同様に位相シフト部12は必ずしも
レーザ部の中央近傍である必要はなく、先部ml−の大
きい時にはむしろ光帰還部側に近い方が安定な単一モー
ド発振が得られた。単一モード化及びスペクトル線幅の
狭帯化を図ることが出来た。
上記レーザ構造は1回折格子の位相がシフトした位相シ
フト型DFBレーザを例としたが1回折格子の周期が共
振器方向に徐々に変化した。チャーブト格子はDFBレ
ーザにおいても同様の効果が得られた。また、共振器の
伝搬定数を変化させて得た1位相シフト型DFBレーザ
、チャーブト格子付DFBレーザを使用しても同様の結
果を得た。
実施例2 第4図は1位相シフト型DFBレーザ21と同一のm−
v族化合物結晶からなる光帰還部22をInP基板23
上にモノリシックに形成した。先づ、InP基板23上
のレーザ部1に相当する部位に、電子ビーム露光法を用
いて周期が一定であるが、その空間的位相がシフトした
、いわゆる位相シフト型回折格子24を作製した後、L
PE法により活性層25を有するレーザ構造を形成した
この後、光帰還部の結晶を除去した後、除去部に選択的
に光帰還部22をエピタキシャル成長し。
導波pR26を有する結晶構造を得た。レーザ部。
光帰還部に電極27.28.29を設けた後、レーザ部
の端面に反射率0.1〜0.2程度の低反射膜10、光
帰還部側の端面に反射率0.3〜0.99の高反射膜1
1を形成することで素子の作製を行なった。
レーザの共振器長を250〜500μm、光帰還部長を
1〜8mとしたところ、各レーザ素子においてスペクト
ル幅の狭帯化が観測された・。
実施例3 第5図は、光帰還部22を電気光学材料である。
し1Nboa結晶とし1位相シフト型DFBレーザ、2
1の片方の出射端面に接合したものであり、LiNbO
5の反射端からの反射光がレーザに帰還するよう位置合
せを行い固定した。LiNb0aは2カツトして、Ti
拡散により光導波路13を形成した。
電界は結晶のY軸方向から加えられるように電極8.9
2を形成した。実施例2と同様に光帰還部22に印加す
る電圧を変えて帰還光の位相を制御することにより、任
意のレーザ出力に対して、スペクトル幅の狭帯化を制御
することが出来た。
〔発明の効果〕
本発明によれば、半導体レーザとグレーティング部の結
合損失を3tB程度以下にすることができる。また、全
長4m程度以下の小さなチップで° 従来のDFBレー
ザ単体の場合に較べて、そのスペクトル幅を1710以
下にすることができる。
さらに本発明によれば、レーザに対する帰還光量を大き
く出来るため、レーザと光帰還部を集積化した構造にお
いて、スペクトル線幅の充分な狭帯化を図ることができ
る。この結果、コヒーレント通信用光源として実用に供
することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図、第3図は本発明の実施例1を示す構造
図である。第4図は本発明の実施例2すなわち1位相シ
フト型DFBレーザと光帰還部をモノリシックに形成し
た装置の断面図、第5図は位相シフト型DFBレーザと
、LiNbO5からなる光帰還部を接合した装置の断面
図である。 1.23・・・基板、2・・・光ガイド層、3.25・
・・活性層、4・・・クラッド層、5・・・キャップ層
、6・・・光導波路、21・・・レーザ部、22・・・
光帰還部、10゜11・・・反射膜、27.28,29
,91.92・・・/ /rL’1xnP#:仮4P−
ムrフルr層/  *’ll、f’k  4  f−1
nf’7り、)’12  オし刀イドノF     5
 1*hAsf’ht7ン13 活・反覆  ΔL4衷
玲層 /  fL’jlInPg&  4  P−IJ75J
4第75 J5図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、2以上の光共振器および/もしくは光導波路を有し
    、その一部がレーザ発振領域であることを特徴とする光
    半導体装置。 2、上記光共振器が分布帰還型(DFB)であることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の光半導体装置。 3、上記光共振および/もしくは光導波路が同一基板上
    に集積されていることを特徴とする特許請求の範囲第1
    項記載の光半導体集積装置。 4、上記レーザ発振領域における上記光共振器が回折格
    子で構成され、かつその周期が一様でないことを特徴と
    する特許請求の範囲第1項記載の光半導体装置。
JP61267523A 1986-11-12 1986-11-12 光半導体装置 Pending JPS63122188A (ja)

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