JP3010817B2 - 半導体光素子 - Google Patents
半導体光素子Info
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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
【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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3210615A JP3010817B2 (ja) | 1991-08-22 | 1991-08-22 | 半導体光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3210615A JP3010817B2 (ja) | 1991-08-22 | 1991-08-22 | 半導体光素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0555684A JPH0555684A (ja) | 1993-03-05 |
JP3010817B2 true JP3010817B2 (ja) | 2000-02-21 |
Family
ID=16592262
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3210615A Expired - Lifetime JP3010817B2 (ja) | 1991-08-22 | 1991-08-22 | 半導体光素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3010817B2 (ja) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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1991
- 1991-08-22 JP JP3210615A patent/JP3010817B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
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Electronics Letters Vol.22,No.23,pp.1246−1247 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH0555684A (ja) | 1993-03-05 |
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