JP2680015B2 - Semiconductor laser device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体レーザ装置に係り、特に通信用光源
に好適な超高速変調可能な半導体レーザ装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor laser device, and more particularly to a semiconductor laser device suitable for a communication light source and capable of ultra-high speed modulation.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

通信用半導体レーザでは、高速の変調特性が要求され
る。高速変調では、単一縦モード発振で、緩和振動周波
数が高く、発振遅れ時間が短いことが望はしい。このた
めに、従来は単一縦モードが得られるストライプ構造
で、活性層に多重量子井戸構造を用いたり、短共振器と
することにより、キャリアやフォトンのライフタイムを
短くし、緩和振動周波数を高くする。また、発振遅れ時
間を短くするために、バイアス電流を流しておくという
手段がとられる。このような単一のストライプ構造で高
速変調可能な手段の他に、同一基板上に設けられた複数
のストライプ構造において、一つのストライプでの発振
特性を他のストライプに流す電流によって制御するとい
う方法がある。アプライド・フィジックス・レター47
（３），（1985年）第195頁から第197頁（Appl.Phys.Le
tt.47（３），（1985）pp195−197）に記載された半導
体レーザ（公知例１）では、同一基板上に、独立駆動で
きる２つのストライプ構造を有し、一方のストライプを
短共振器として他方のストライプに流す電流によって安
定な単一縦モードを得ているが、ストライプ構造の設計
や高速変調するための具体的な事柄については述べてい
ない。また、昭和62年春季第34回応用物理学関係連合講
演予講集第736頁29p−ZH−１に記載された半導体レーザ
（公知例２）では、独立駆動できる２つのストライプ構
造を有した素子において、光出力−電流特性の非線形性
や近視野像のシフトについて言及しているが、高速変調
を目的とした構造や方法について述べられていない。High-speed modulation characteristics are required for communication semiconductor lasers. In high-speed modulation, single longitudinal mode oscillation, high relaxation oscillation frequency and short oscillation delay time are desirable. For this reason, conventionally, by using a multiple quantum well structure in the active layer or a short resonator with a stripe structure capable of obtaining a single longitudinal mode, the lifetime of carriers and photons is shortened, and the relaxation oscillation frequency is reduced. Make it higher Further, in order to shorten the oscillation delay time, a means of allowing a bias current to flow is taken. In addition to such means capable of high-speed modulation with a single stripe structure, in a plurality of stripe structures provided on the same substrate, the oscillation characteristic of one stripe is controlled by the current flowing in another stripe. There is. Applied Physics Letter 47
(3), (1985) pp. 195 to 197 (Appl.Phys.Le
TT.47 (3), (1985) pp195-197), a semiconductor laser (known example 1) has two stripe structures which can be independently driven on the same substrate, and one stripe has a short resonator. As a result, a stable single longitudinal mode is obtained by the current flowing through the other stripe, but the specific matter for designing the stripe structure and high-speed modulation is not described. Also, in the semiconductor laser described in 29p-ZH-1 on page 736 of the 34th Joint Lecture on Applied Physics in Spring 1987 (known example 2), an element having two stripe structures that can be independently driven is used. Describes the non-linearity of the optical output-current characteristics and the shift of the near-field image, but does not mention the structure or method for high-speed modulation.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上記従来技術は、半導体レーザの高速変調のための構
造や方法について十分考慮されておらず、高速通信用と
しての変調特性が得られていない。The above-mentioned prior art does not sufficiently consider the structure and method for high-speed modulation of a semiconductor laser, and the modulation characteristics for high-speed communication have not been obtained.

本発明の目的は、独立駆動可能な２つのストライプ構
造を有する半導体レーザ素子において、一つのストライ
プ構造における発振特性を他方のストライプに流す電流
によって制御し、高速変調可能とすることにある。An object of the present invention is to enable high-speed modulation in a semiconductor laser device having two stripe structures that can be independently driven by controlling the oscillation characteristics of one stripe structure by the current flowing in the other stripe.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記目的は、独立駆動できる２つのストライプ構造を
接近させて設定し、一方のストライプでのレーザ発振を
他方のストライプに流す電流で制御することにより、達
成される。このとき、一方のレーザ発振ストライプを短
共振器とし、閾値電流を下げ、キャリアをライフタイム
を小さくして高速変調が有効に実現できるようにしてお
く。また、他方のストライプは共振器を相対的に長くし
た構造とし、閾値電流を大きくして容易にレーザ発振が
生じないように設定しておくのが望ましい。The above object is achieved by setting two stripe structures that can be independently driven close to each other, and controlling laser oscillation in one stripe by a current flowing in the other stripe. At this time, one of the laser oscillation stripes is a short resonator, the threshold current is lowered, and the carrier lifetime is shortened so that high-speed modulation can be effectively realized. Further, it is desirable that the other stripe has a structure in which the resonator is relatively long and the threshold current is increased so that laser oscillation does not easily occur.

〔作用〕[Action]

独立駆動可能を２つの狭ストライプを有する半導体レ
ーザで、高速変調が可能になる理由を以下に述べる。The reason why high-speed modulation is possible with a semiconductor laser having two narrow stripes that can be independently driven will be described below.

第１図に示すように、２つの狭ストライプ構造が接近
して設定された半導体レーザは、独立に駆動するとそれ
ぞれ領域Ａ及びＣにおいてレーザ発振しビームが出射さ
れる。しかし、例えば第１のストライプ11に電流を流し
てレーザ発振させ領域Ａにレーザビームが出射するよう
にした状態で、第２のストライプ12に電流を流していと
領域Ａで出射していたレーザビームが領域Ｂの方へ移動
していき、光出力−電流特性に非線形性が見られる。つ
まり、一方のストライプに流す電流の比が十分大きい場
合には、電流の大きい方にレーザビームの近視野像があ
り、他方のストライプに流す電流を大きくしていき電流
比を少しずつ変えていくと、レーザビームの近視野像は
電流の少ない方向へ移動し、両ストライプの中間領域Ｂ
へと移動する。このことは、既に公知で公知例２に述べ
られている。ここで、第１のストライプ11側を短共振器
にして、低閾値で発振できるようにする。また、領域Ｂ
を含め第２のストライプ12側は共振器長を第１のストラ
イプ11よりも長くすることにより、閾値電流を大きくし
ておく。このように第２図で示すような短共振器と長共
振器の両方のストライプ構造を同一基板上に作製する。As shown in FIG. 1, a semiconductor laser in which two narrow stripe structures are set close to each other, when driven independently, causes laser oscillation in regions A and C, respectively, to emit a beam. However, for example, when a current is passed through the first stripe 11 to cause laser oscillation and a laser beam is emitted into the area A, if a current is passed through the second stripe 12, the laser beam emitted in the area A Moves toward the region B, and nonlinearity is observed in the optical output-current characteristics. That is, when the ratio of the currents flowing in one stripe is sufficiently large, there is a near-field image of the laser beam in the larger current, and the current flowing in the other stripe is increased and the current ratio is gradually changed. And the near-field image of the laser beam moves in the direction of less current,
Move to. This is already known and described in the known example 2. Here, a short resonator is provided on the first stripe 11 side to enable oscillation at a low threshold. In addition, the area B
The threshold current is increased by making the resonator length longer than that of the first stripe 11 on the second stripe 12 side including. In this way, stripe structures of both short resonators and long resonators as shown in FIG. 2 are manufactured on the same substrate.

このレーザ素子において、第１のストライプ11に電流
を連続的に流してレーザ発振をさせておく。次に、第２
のストライプ12に電流を流していくと、レーザビームは
領域Ｂへと移動する。しかし、領域Ｂでは共振器長が第
１のストライプ11より長くなり大きな閾値電流が必要に
なるため、領域Ｂにおけるレーザ発振は生じず、レーザ
発振は停止する。第２のストライプ12に流す電流を停止
すると、領域Ａにおけるレーザ発振が開始される。した
がって、第２のストライプ12にパルス電流を流すことに
より、第１のストライプ11の領域Ａにおけるレーザ発振
を変調することが可能である。In this laser device, a current is continuously passed through the first stripe 11 to cause laser oscillation. Next, the second
When a current is applied to the stripe 12 of, the laser beam moves to the region B. However, since the resonator length in the region B is longer than that of the first stripe 11 and a large threshold current is required, the laser oscillation does not occur in the region B and the laser oscillation is stopped. When the current flowing through the second stripe 12 is stopped, the laser oscillation in the area A is started. Therefore, by passing a pulse current through the second stripe 12, it is possible to modulate the laser oscillation in the region A of the first stripe 11.

第１のストライプ11では、短共振動としているため、
光子のライフタイムが小さく、また低閾値化が図られて
おり、緩和振動周波数が高くなる。このことは高速変調
に有効である。Since the first stripe 11 has a short co-vibration,
The lifetime of photons is small, the threshold is lowered, and the relaxation oscillation frequency is high. This is effective for high speed modulation.

また、第１のストライプ11に対しては、常に閾電流以
上のバイアス電流が流れていることになるので、光子密
度増大による注入キャリア密度の減少を抑えて発振遅れ
時間を短くしており、このことも高速変調に有利であ
る。さらに、レーザ発振と停止を繰り返すディジタル変
調が可能となるため、消光比が小さく受信側での信号の
識別が低下するというようなことを招くことはない。Further, since the bias current of the threshold current or more always flows to the first stripe 11, the decrease of the injected carrier density due to the increase of the photon density is suppressed and the oscillation delay time is shortened. It is also advantageous for high speed modulation. Further, since digital modulation in which laser oscillation and stopping are repeated is possible, the extinction ratio is small, and the discrimination of signals on the receiving side is not deteriorated.

〔実施例〕〔Example〕

以下に本発明の実施例を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

実施例１ 本発明の実施例１の半導体レーザ装置を第１図および
第２図により説明する。まず、第１図においてｎ型GaAs
基板１（厚さ100μｍ）の上にｎ型GaAsバッファ層２
（厚さ0.5μｍ）、ｎ型Ga_1-xAl_xAsクラッド層（厚さ1.5
μｍ、ｘ＝0.35）、多重量子井戸構造活性層４（井戸層
GaAs層厚L_W＝5nm4層バリア層Ga_0.8Al_0.2As層厚L_B＝10nm
5層、交互くり返し）ｐ型Ga_1-xAl_xAsクラッド層５（厚
さ0.8μｍ、ｘ＝0.35）ｐ型GaAsキャップ層６（厚さ0.2
μｍ）、ｎ型GaAs電流狭窄層７（厚さ0.5μｍ）を順次
有機金属気相成長法（MOCVD）により成長させる。この
後、ｎ型電流狭窄層７に２つのストライプを形成するた
めのマスクを作製し、エッチングにより２〜４μｍ幅の
２つのストライプを３〜５μｍ離して形成する。次に、
ｎ型GaAs電流狭窄層７上にｐ電極８を蒸着する。さら
に、２つのストライプ間を電気的に分離するため、ｐ電
極８及びｎ型GaAs層7,p型GaAs層6,p型Ga_1-xAl_xAsクラッ
ド層５を１〜２μｍ幅で精度よくドライエッチングによ
り除去し電気的分離溝10を形成する。ｐ型Ga_1-xAl_xAsク
ラッド層は0.5μｍ程度残す。この後、一方のストライ
プを短共振器とするため、フォトレジストを第２図に示
すような短共振器（30〜50μｍ）形状を残すようにマス
クする。そして、ドライエッチングを行って、片方の共
振器面を作製しておく。次に、ｎ型GaAs基板１上にｎ電
極９を蒸着し、壁開により素子の形に切り出す。このよ
うにして、第２図に示すように、短共振器（30〜50μ
ｍ）の第１のストライプ11と長共振器（250〜300μｍ）
の第２のストライプ12が同一基板上に形成された素子を
作製できる。Example 1 A semiconductor laser device of Example 1 of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. First, in FIG. 1, n-type GaAs
N-type GaAs buffer layer 2 on substrate 1 (thickness 100 μm)
(Thickness 0.5 μm), n-type Ga _1-x Al _x As cladding layer (thickness 1.5
μm, x = 0.35), multiple quantum well structure active layer 4 (well layer
GaAs layer thickness L _W = 5 nm 4 layer barrier layer Ga _0.8 Al _0.2 As layer thickness L _B = 10 nm
P-type Ga _1-x Al _x As clad layer 5 (thickness 0.8 μm, x = 0.35) p-type GaAs cap layer 6 (thickness 0.2)
μm) and an n-type GaAs current confinement layer 7 (thickness 0.5 μm) are sequentially grown by metal organic chemical vapor deposition (MOCVD). After that, a mask for forming two stripes on the n-type current confinement layer 7 is prepared, and two stripes having a width of 2 to 4 μm are formed at a distance of 3 to 5 μm by etching. next,
A p-electrode 8 is deposited on the n-type GaAs current confinement layer 7. Further, in order to electrically separate the two stripes, the p-electrode 8, the n-type GaAs layer 7, the p-type GaAs layer 6, and the p-type Ga _1-x Al _x As clad layer 5 are accurately formed with a width of 1 to 2 μm. It is removed by dry etching to form the electrical isolation groove 10. The p-type Ga _1-x Al _x As clad layer is left about 0.5 μm. After that, in order to make one stripe a short resonator, the photoresist is masked so as to leave a short resonator (30 to 50 μm) shape as shown in FIG. Then, dry etching is performed to prepare one resonator surface. Next, the n-electrode 9 is vapor-deposited on the n-type GaAs substrate 1 and cut into a device shape by wall opening. In this way, as shown in FIG. 2, the short resonator (30 to 50 μm
m) first stripe 11 and long resonator (250-300 μm)
An element in which the second stripes 12 are formed on the same substrate can be manufactured.

本実施例の素子の２つのストライプを独立に駆動され
ると、第１のストライプ11では領域Ａにおいて、閾値電
流（I_th1）10mAでレーザ発振し、第２のストライプ12で
は領域Ｃにおいて、閾値電流（I_th2）100mAでレーザ発
振した。また、第１のストライプ11に対してI₁＝2JI_th1
の駆動電流を流してレーザ発振させた状態を維持し、次
に、第２のストライプ12にI₂＝0.5I_th2の電流を連続し
て流すと、第１のストライプ11の領域Ａで発振していた
レーザビームは、領域Ｂに移動して発振が停止した。第
２のストライプ12に流す電流を停めると、領域Ａにおい
てレーザ発振が生じた。また、第２のストライプ12に流
す電流をパルス状にすると、領域Ａにおけるレーザ発振
を変調することができた。このとき、レーザ発振は基本
横モードでかつ単一縦モードで発振しており、変調周波
数は30GHz以上にすることができた。レーザのストライ
プ幅は単一縦モードで発振させるためには２〜４μｍが
適当であった。また、２つのストライプを実用的範囲で
できるだけ接近させ、かつ２つのストライプからの電流
の広がりが十分重なり、相互作用を及ぼし合うには、ス
トライプ間隔は３〜５μｍが適当であった。When the two stripes of the device of this example are driven independently, laser oscillation occurs in the region A in the first stripe 11 with a threshold current (I _th1 ) of 10 mA and in the region C in the second stripe 12 in the region C. Laser oscillation was performed at a current (I _th2 ) of 100 mA. Also, for the first stripe 11, I ₁ = 2JI _th1
When the current of I ₂ = 0.5I _th2 is continuously applied to the second stripe 12 to maintain the state of laser oscillation by applying the drive current of 1), oscillation occurs in the area A of the first stripe 11. The existing laser beam moved to the region B and stopped oscillating. When the current passed through the second stripe 12 was stopped, laser oscillation occurred in the area A. Further, when the pulse current is applied to the second stripe 12, the laser oscillation in the region A can be modulated. At this time, the laser oscillation oscillated in the fundamental transverse mode and the single longitudinal mode, and the modulation frequency could be 30 GHz or more. A laser stripe width of 2 to 4 μm was suitable for oscillation in a single longitudinal mode. Further, in order to make the two stripes as close as possible in a practical range and the current spreads from the two stripes are sufficiently overlapped with each other to interact with each other, the stripe interval is 3 to 5 μm.

実施例２ 本発明の実施例２の半導体レーザ装置を第３図により
説明する。本発明の実施例１と同一方法に従って素子を
作製するが、第３図のように短共振器面を両方ドライエ
ッチング加工して素子を作製する。このようにすれば、
短共振器の前後のGaAs基板は、ファイバーの固定台とし
ても利用できる。Second Embodiment A semiconductor laser device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. An element is manufactured according to the same method as in Example 1 of the present invention, but the element is manufactured by dry etching both short resonator faces as shown in FIG. If you do this,
The GaAs substrates before and after the short resonator can also be used as a fiber fixing base.

また、実施例１及び２つの使い方とは逆に、長共振器
の第２のストライプ12でのレーザ発振を、短共振器の第
１のストライプ11へ流す電流I₁で変調することもでき
る。Contrary to the first and second embodiments, the laser oscillation in the second stripe 12 of the long resonator can be modulated by the current I ₁ flowing in the first stripe 11 of the short resonator.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によれば、２つのストライプ構造のうち、一方
のストライプにおいてレーザ発振させた状態で、他方の
ストライプに流す電流により変調できるので、発振遅れ
時間を短くした超高速変調が可能でかつディジタル変調
の実現が容易になるという効果がある。本発明では、閾
値電流10mAであり、基本横モードで単一縦モード発振し
た。変調周波数は、30GHz以上を得ることができた。According to the present invention, one of the two stripe structures is oscillated in a laser state and can be modulated by the current flowing in the other stripe. Therefore, ultrahigh-speed modulation with a short oscillation delay time is possible and digital modulation is possible. Has the effect of facilitating the realization of. In the present invention, the threshold current was 10 mA, and single longitudinal mode oscillation was performed in the fundamental transverse mode. The modulation frequency was 30GHz or more.

結晶材料はGaAs/GaAlAs系を例に説明したが、他の材
料InGaAsP/InP系、InGaAlP/GaAs系などに応用できるこ
とはいうまでもない。特に、InGaAsP/InP系では、同じ
レーザ構造で閾値電流が小さく、キャリアのライフタイ
ムも小さくできるので、発振遅れ時間が短く、緩和振動
周波数が高くなり、高速変調に適している。Although the GaAs / GaAlAs system has been described as an example of the crystal material, it goes without saying that it can be applied to other materials such as InGaAsP / InP system and InGaAlP / GaAs system. In particular, the InGaAsP / InP system is suitable for high-speed modulation because the threshold current and the carrier lifetime can be reduced with the same laser structure, and the oscillation delay time is short and the relaxation oscillation frequency is high.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第１図は、本発明の実施例１の半導体レーザ装置の断面
図、第２図は、本発明の実施例１の半導体レーザ装置の
斜視図、第３図は、本発明の実施例２の半導体レーザ装
置の斜視図である。 １……ｎ−GaAs基板、２……ｎ−GaAsバッファ層、３…
…ｎ−Ga_1-xAl_xAsクラッド層、４……多重量子井戸構造
活性層、５……ｐ−Ga_1-xAl_xAsクラッド層、６……ｐ−
GaAsキャップ層、７……ｎ−GaAs電流狭窄層、８……ｐ
電極、９……ｎ電極、10……電気的分離溝、11……第１
のストライプ、12……第２のストライプ。1 is a sectional view of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a perspective view of a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is a view of a second embodiment of the present invention. It is a perspective view of a semiconductor laser device. 1... N-GaAs substrate, 2... N-GaAs buffer layer, 3.
... n-Ga _1-x Al _x As clad layer, 4 ... multiple quantum well structure active layer, 5 ... p-Ga _1-x Al _x As clad layer, 6 ... p-
GaAs cap layer, 7 ... n-GaAs current confinement layer, 8 ... p
Electrode, 9 ... n electrode, 10 ... Electrical separation groove, 11 ... First
Stripes, 12 …… second stripe.

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項１】同一半導体基板上に設けられたそれぞれ独
立に駆動できる２つのストライプ構造を有する半導体レ
ーザ装置において、一方を短共振器として連続的に駆動
してレーザ発振させておき、このレーザ発振を他方の長
共振器のストライプに電流を流して変調することを特徴
とする半導体レーザ装置。1. A semiconductor laser device having two stripe structures, which can be independently driven, provided on the same semiconductor substrate, one of which is continuously driven as a short resonator to cause laser oscillation, and the laser oscillation is performed. A semiconductor laser device in which a current is supplied to a stripe of the other long resonator to modulate the light. 【請求項２】特許請求の範囲第１項記載の半導体レーザ
装置において、上記ストライプ幅は２〜４μｍであり、
上記ストライプの間隔は３〜５μｍである半導体レーザ
装置。2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the stripe width is 2 to 4 μm,
A semiconductor laser device in which the interval between the stripes is 3 to 5 μm.