JP3010817B2 - 半導体光素子 - Google Patents

半導体光素子

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JP3010817B2
JP3010817B2 JP3210615A JP21061591A JP3010817B2 JP 3010817 B2 JP3010817 B2 JP 3010817B2 JP 3210615 A JP3210615 A JP 3210615A JP 21061591 A JP21061591 A JP 21061591A JP 3010817 B2 JP3010817 B2 JP 3010817B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は半導体光素子に係り、特
に光通信システムに用いられる半導体レーザ、半導体光
増幅器等に応用して好適な半導体光素子に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の半導体レーザ、特に変調時にも単
一縦モードで発振する分布帰還型(DFB)半導体レー
ザにおいては、高速変調の上限を決めている緩和振動周
波数を増大する方法として、DFB構造のブラッグ反射
で決まるレーザ発振波長λBを活性領域媒質の利得ピー
ク波長λgに対して短波長側に設定するマイナスデチュ
ーニング方式が極めて有効であることが知られている。
一方、光ファイバ損失の最も少ない波長1.55μm帯
で発振する量子井戸形半導体レーザは、量子井戸構造の
量子サイズ効果を反映した低チャーピング性により、長
距離光ファイバ通信用光源として期待されている。この
1つの例として、アイ・イー・イー・イーフォトニクス
テクノロジー レターズ、ボルーム2、ナンバー4、
(1990年)、第229頁から第230頁[IEEE Pho
tonics Technology Letters, vol.2,No.4, pp.229-23
0, (1990)]が挙げられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術における
マイナスデチューニング方式についてまず説明する。D
FB構造のブラッグ反射で決まるレーザ発振波長λBは
1.55μmに対しマイナスデチューニングの度合いは
特に−10〜−30nmが望ましい。従って、活性領域
媒質の利得ピーク波長λgを約1.57μmに設定する
必要がある。これを満足するためには、図2に示したI
nGaAs量子井戸層膜厚と活性領域媒質の利得ピーク
波長λPLの関係(Δa/a=0%)から、InGaA
s量子井戸層膜厚を約90Åに設定する必要がある。し
かし、この方式では以下のごとき問題がある。図3に、
量子井戸構造の量子サイズ効果の度合いを表す微分利得
(dg/dn)のInGaAs量子井戸層膜厚依存性を
示す。マイナスデチューニングを行うために、InGa
As量子井戸層厚を約90Åに増大すると微分利得(d
g/dn)が大幅に低下する。このため、図4の白丸の
如くマイナスデチューニングを施したにも関わらず、緩
和振動周波数frが逆に低下した。量子井戸構造の活性
領域を有する半導体光素子は、例えば特開平4−152583
号公報、特開平3−3384号公報、並びに特開平2−1309
88号公報にも記載されているが、上述の問題を解決する
技術を見出すことはできなかった。
【0004】本発明の目的は、1.55μm帯量子井戸
形DFB半導体レーザにおいて、マイナスデチューニン
グ方式と同時に量子井戸構造の量子サイズ効果の両者を
両立した半導体光素子を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明者らは、量子井戸構造の量子サイズ効果を十
分に引き出すためにInGaAs等の化合物半導体材料
からなる量子井戸層膜厚を40〜80Åに設定し、さら
に活性領域の媒質の利得ピーク波長λgを約1.57μ
mに設定しマイナスデチューニングを行うために量子井
戸層に比較的小さな歪を導入する構成を開示するもので
ある。また、別の表現で表すと、量子井戸層を構成する
化合物半導体の元素組成比(例えばInGaAsのIn
モル比)を半導体基板への格子整合組成から若干ずらす
ことに相当する。
【0006】
【作用】以下、本発明の効果について、図2〜4を用い
て説明する。InP基板上のInGaAs層はInモル
比により歪量が変化する。この歪量Δa/aは、InP
基板の格子定数をas、InGaAs層の格子定数をa
wとすると、次式で表すことができる。
【0007】Δa/a=(aw−as)/as このΔa/aをパラメータにしたときの活性領域媒質の
利得ピーク波長λgのInGaAs量子井戸層膜厚依存
性の一例(Δa/a=±0.4%)を図2中に示す。例
えば、Δa/aが+0.4%のとき、InGaAs量子
井戸層膜厚を54Åに設定すると1.57μmの利得ピ
ーク波長λgを得ることができることが分かる。この量
子井戸層膜厚は、図3から分かるように量子井戸構造の
量子サイズ効果を十分に引き出すことができる膜厚であ
る。このように製作した歪量+0.4%で膜厚が55Å
のInGaAs量子井戸層を有する1.55μm帯量子
井戸形DFB半導体レーザの緩和振動周波数frのデチ
ューニング依存性を図4内に黒丸で示す。緩和振動周波
数frはマイナスデチューニングの度合いと共に増大す
ることが分かる。
【0008】以上の如く、歪量Δa/aにより、利得ピ
ーク波長λgを制御し、DFBレーザのデチューニング
の度合いを調整することが可能となった。このとき、歪
量Δa/aは大きすぎると半導体結晶内に欠陥が発生す
るので、最大値は±0.5%が望ましい。また、小さす
ぎると、利得ピーク波長λgの制御幅が小さいので、Δ
a/aの絶対値としては、±0.2%が最低必要とな
る。従って、本発明における歪量Δa/aの範囲は、
0.2%≦|Δa/a|≦0.5%で、かつ量子井戸層
膜厚Lwは、量子井戸構造の量子サイズ効果を十分に引
き出す範囲である40Å≦Lw≦80Åが望ましい。以
上の歪量Δa/aに対応するInGaAs層のInモル
比yは、0.46≦y≦0.50、あるいは0.56≦
y≦0.61である。
【0009】また、波長1.55μm帯の半導体光増幅
器における利得飽和出力レベルの増大に対しても、本発
明は量子井戸構造の量子サイズ効果を十分に引き出すこ
とができるので有効である。さらに、エルビウム・ドー
プファイバ光増幅器用の波長1.48μm高出力半導体
レーザに対しても同様に有効である。
【0010】
【実施例】以下、本発明の実施例を図1、図5〜6を用
いて説明する。
【0011】〔実施例1〕図1は本発明を1.55μm
帯量子井戸形DFB半導体レーザに適用したものであ
る。回折格子2を有したn−InP基板1上にInGa
AsP光ガイド層3、多重量子井戸活性領域4、p−I
nPクラッド層5を順次形成する。活性領域を突き抜け
るまでのメサストライプをエッチングにより形成した
後、p−InP6、n−InP7を活性領域を埋め込む
ように形成する。その後、p側電極8、n側電極9を形
成し、共振器長150〜500μmに劈開し、素子を形
成した。ここで、多重量子井戸活性領域4は、膜厚60
Å、歪量Δa/aが0.3%のInGaAs量子井戸層
(Inモル比:0.575)4aと膜厚150ÅのIn
GaAsP障壁層4bの周期構造である。この周期は、
1〜25周期とすることができる。試作した素子の発振
波長は、回折格子によるブラッグ反射により約1.55
0μmであり、活性領域媒質の利得ピーク波長λgの約
1.570μmに比べ、デチューニングは約−20nm
に制御できる。この結果、パルス電流40mAの時の緩
和振動周波数fr(黒丸)は図4の如く約12GHz
と、従来のInGaAs量子井戸層膜厚を厚くするデチ
ューニング方法(白丸)に比べ、frを倍増することが
できる。また、量子井戸構造の量子サイズ効果を十分に
引き出しているので、2.4Gbit/s変調時の20
dBダウンのチャーピング量は従来の量子井戸構造DF
Bレーザに比べ約1/2の0.20nmまで大幅に低減
でき、さらにしきい電流の低減にも有効で10mA以下
のしきい電流が安定に得られる。
【0012】〔実施例2〕図5は本発明を1.48μm
帯高出力半導体レーザに適用したものである。n−In
P基板1上に膜厚55Å、歪量Δa/aが−0.3%の
InGaAs量子井戸層10aと膜厚100ÅのInG
aAsP障壁層10bの2〜15周期構造からなる多重
量子井戸活性領域10、p−InPクラッド層5を順次
形成する。この後、実施例1と同様に活性領域を突き抜
けるまでのメサストライプをエッチングにより形成する
ことにより、活性領域幅約1.5μmのストライプ構造
とした後、p側電極8、n側電極9を形成し、共振器長
150〜1000μmに劈開し、素子を形成する。試作
した素子は、波長1.48μmにおいてしきい電流約1
5mAで発振し、量子サイズ効果を反映して最高出力3
00mWを得る。
【0013】〔実施例3〕図6は本発明を半導体光増幅
器に適用したものである。n−InP基板1上に膜厚5
5Å、歪量Δa/aが+0.4%のInGaAs量子井
戸層(Inモル比:0.59)11aと膜厚100Åの
InGaAsP障壁層11bの2〜15周期構造からな
る多重量子井戸活性領域11、p−InPクラッド層5
を順次形成した後、実施例1と同様に活性領域を突き抜
けるまでのメサストライプをエッチングにより形成する
ことにより、ストライプ構造とする。次に、端面近傍の
半導体膜を除去した後、FeドープInP層12で埋め
込んだ窓構造とする。p側電極8、n側電極9を形成
し、共振器長200〜1000μmに劈開し、両端面に
誘電体膜からなる低反射膜13を形成し、さらに反射率
の低減を図り、その結果反射率を0.003%にするこ
とができる。試作した素子の利得ピーク波長λgの約
1.550μmであり、量子井戸構造の高い量子サイズ
効果を十分に引き出せたことにより、利得飽和出力レベ
ルを20〜25dBmと従来の量子井戸構造半導体光増
幅器に比べて大きくすることができる。
【0014】
【発明の効果】本発明では、歪量Δa/a、あるいはI
nモル比を制御することにより、マイナスデチューニン
グ方式と同時に量子井戸構造の量子サイズ効果の両者を
両立した1.55μm帯量子井戸形DFB半導体レーザ
を提供することができる。その結果、しきい電流の低
減、緩和振動周波数の増大、チャーピングの低減に対し
て効果がある。また、波長1.55μm帯の半導体光増
幅器における利得飽和出力レベルの増大に対しても、本
発明は量子井戸構造の量子サイズ効果を十分に引き出す
ことができるので有効である。さらに、エルビウム・ド
ープファイバ光増幅器用の波長1.48μm高出力半導
体レーザに対しても同様に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例を表す構造図である。
【図2】本発明の作用を説明するための図である。
【図3】本発明の作用を説明するための図である。
【図4】本発明の作用を説明するための図である。
【図5】本発明の実施例を説明するための図である。
【図6】本発明の実施例を説明するための図である。
【符号の説明】
1…n−InP基板、2…回折格子、4、10、11…
多重量子井戸活性領域、4a、10a、11a…歪量Δ
a/aの絶対値が0.2〜0.5%であるInGaAs
量子井戸層、4b、10b、11b…InGaAsP障
壁層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高橋 誠 東京都国分寺市東恋ケ窪1丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (56)参考文献 特開 平5−29715(JP,A) 特開 平4−373190(JP,A) 特開 平4−284683(JP,A) 特開 平2−130988(JP,A) Electronics Lette rs Vol.22,No.23,pp. 1246−1247 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 3/18 JICSTファイル(JOIS)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】半導体基板と、この半導体基板上に形成さ
    れ、量子井戸層とこの量子井戸層よりも禁制帯幅の大き
    い障壁層とを有する活性領域と、光を閉じ込めるための
    クラッド層とを有し、上記半導体基板の格子定数をa
    s、量子井戸層の格子定数をawとし、上記量子井戸層
    の歪量Δa/aを Δa/a=(aw−as)/as で定義し、上記量子井戸層の膜厚をLwとしたときに 0.2%≦|Δa/a|≦0.5% 40Å≦Lw≦80Å の関係を満足する半導体光素子。
  2. 【請求項2】半導体基板と、この半導体基板上に形成さ
    れ、量子井戸層とこの量子井戸層よりも禁制帯幅の大き
    い障壁層とを有する活性領域と、光を閉じ込めるための
    クラッド層とを有し、上記半導体基板がInPであり、
    上記量子井戸層がInGaAsで形成され、このInG
    aAsのInモル比をyとし、上記量子井戸層の膜厚を
    Lwとしたときに 40Å≦Lw≦80Åでかつ、 0.56≦y≦0.61あるいは 0.46≦y≦0.50 の関係を満足する半導体光素子。
  3. 【請求項3】請求項1若しくは請求項2に記載の半導体
    光素子において、前記活性領域の近傍に回折格子を有す
    る半導体光素子。
  4. 【請求項4】半導体基板と、この半導体基板上に形成さ
    れ、量子井戸層とこの量子井戸層よりも禁制帯幅の大き
    い障壁層とを有する活性領域と、光を閉じ込めるための
    クラッド層と、上記活性領域の近傍に配設された回折格
    子とを有し、上記活性領域から発生する光のピーク波長
    をλg、上記回折格子のブラッグ波長をλB、上記量子
    井戸層の膜厚をLw、上記半導体基板の格子定数をa
    s、上記量子井戸層の格子定数をawとし、上記量子井
    戸層の歪量Δa/aを Δa/a=(aw−as)/as で定義したとき、 0.2%≦|Δa/a|≦0.5%、 λB−λg<0、 の関係を満足する半導体光素子。
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JP4786802B2 (ja) * 2001-01-29 2011-10-05 三菱電機株式会社 半導体レーザの製造方法、光変調器の製造方法、および光変調器付半導体レーザの製造方法
JP2005252032A (ja) * 2004-03-04 2005-09-15 Furukawa Electric Co Ltd:The 面発光レーザ素子およびそれを用いたレーザモジュール
JP5772466B2 (ja) * 2011-10-04 2015-09-02 富士通株式会社 光半導体素子、光送信モジュール、光伝送システム及び光半導体素子の製造方法

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