JPH0366189A - Semiconductor laser device - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は、光交換・光情報処理等に用いられる光機能素
子として最も基本要素となり得る光論理半導体レーザ装
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つ以上に分離され、複数個の導波路が
Ｙ分岐導波路などにより結合され、１個以上のセグメン
ト電極を介して電流を注入し、１つ以上のセグメント電
極を介し電圧を印加し、１つ以上の電流または、１つ以
上の光入力信号により発振状態を制御することの出来る
半導体レーザ装置に関する。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to an optical logic semiconductor laser device that can be the most basic element as an optical functional element used in optical exchange, optical information processing, etc. Specifically, the electrode is separated into two or more by a high-resistance region, the multiple waveguides are coupled by a Y-branch waveguide, etc., current is injected through one or more segment electrodes, and one or more The present invention relates to a semiconductor laser device whose oscillation state can be controlled by applying a voltage through segment electrodes and using one or more currents or one or more optical input signals.
複数の双安定半導体レーザから構成される複合型双安定
半導体レーザ装置は光記憶装置を始めとして光情報処理
のための重要な機能素子としてこれまでそのデバイスの
開発が精力的に進められてきているものである。これら
のデバイスの中で半導体レーザ共振器内に可飽和吸収効
果を持つ非励起領域を設けることによって双安定動作を
可能とした双安定半導体レーザの構成が構造的に簡単な
ことから特に研究開発が行われている。このような双安
定半導体レーザは例えばＬａ５ｈｅｒによる論文（Ｓｏ
ｊｌ！１ｄ−３ｔａｔｅ ＥＩ！ｅｃｔｒｏｎ、、７
（１９６４）７０７）において既に発表されている。Composite bistable semiconductor laser devices consisting of multiple bistable semiconductor lasers have been actively developed as important functional elements for optical information processing, including optical storage devices. It is something. Among these devices, bistable semiconductor lasers, which enable bistable operation by providing a non-excited region with a saturable absorption effect within the semiconductor laser resonator, are particularly attractive for research and development because of their simple structure. It is being done. Such a bistable semiconductor laser is described, for example, in a paper by La5her (So.
jl! 1d-3tate EI! ectron, 7
(1964) 707).
しかしながら、非励起領域を有する双安定半導体レーザ
可飽和吸収体には端面の劣化等の問題点があり、偶然的
に造られることが多く、再現性・制御性に問題点がある
こと、更に双安定の生じる領域が狭く設計上の自由度が
小さいことなどにより、デバイスとして実用に共される
に至っていない。However, bistable semiconductor laser saturable absorbers with non-excited regions have problems such as end face deterioration, are often created by accident, have problems with reproducibility and controllability, and Because the stability region is narrow and the degree of freedom in design is small, it has not been put to practical use as a device.
この種の２つの光信号により半導体レーザの発振状態を
制御し得る従来の光論理素子の機能を第１１図を用いて
説明する。即ち、第１図は非注入領域の可飽和吸収性を
利用した従来型の光の論理和・論理積機能を有する半導
体レーザ装置の模式的平面図及び断面構造図である。以
下第１１図の構造について説明する。Ｎ型ＩｎＰ基板４
上に形成されたＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ二重へテロ接合
構造を有する通常の半導体レーザ用結晶に入力用光導波
路ｌ及び２、出力用光導波路３を設け、交叉部１３．２
３を除＜１．２．３を電流を注入する励起（利得）領域
としている。第１１図の模式的断面構造図より明らかな
ように、入力用光導波路１，２および出力用光導波路３
の端面はへき開で形成されており、光導波路１．２はレ
ーザ発振動作を抑制するために無反射コーティングが施
されている。交叉部可飽和吸収領域である１３．２３に
は周辺からの漏れ電流が抑制されるようにＰ型ＩｎＰ層
６が０．２μｍ程度にまで薄くエツチングされている。The function of a conventional optical logic element that can control the oscillation state of a semiconductor laser using two optical signals of this type will be explained with reference to FIG. That is, FIG. 1 is a schematic plan view and a cross-sectional structural view of a semiconductor laser device having a conventional optical OR/AND function using the saturable absorption of a non-injected region. The structure shown in FIG. 11 will be explained below. N-type InP substrate 4
Input optical waveguides 1 and 2 and output optical waveguide 3 are provided on a normal semiconductor laser crystal having an InGaAsP/InP double heterojunction structure formed above, and a crossing portion 13.2 is provided.
3 divided by <1.2.3 is the excitation (gain) region in which current is injected. As is clear from the schematic cross-sectional structure diagram in FIG. 11, the input optical waveguides 1 and 2 and the output optical waveguide 3
The end face of the optical waveguide 1.2 is formed by cleavage, and the optical waveguide 1.2 is coated with an anti-reflection coating to suppress laser oscillation. In the intersection saturable absorption region 13.23, a P-type InP layer 6 is etched to a thickness of about 0.2 μm so as to suppress leakage current from the periphery.
この構造によれば出力用光導波路３の励起領域に与える
注入電流の調整により光の論理和、論理積の信号が得ら
れるとされている。非注入領域の可飽和吸収性に伴う光
双安定動作、その双安定動作を複合化した光論理動作は
、半導体の非注入領域による可飽和吸収性が劣化等の問
題があり、偶然的に造られる場合が多く、再現性よく光
導波路中に作製することが困難であるため、実現が困難
であった。このような困難さを克服し、制御性よく可飽
和吸収領域（１３，２３）を作製する手段として、通常
の双安定半導体レーザ装置で採られているように、活性
層のバンド間遷移の可飽和吸収を利用する構造を採用し
て、交叉部１３及び２３にレーザ発振には至らない程度
の電流を注入し、可飽和吸収領域とする構造が考えられ
ている。According to this structure, optical OR and AND signals can be obtained by adjusting the injection current applied to the excitation region of the output optical waveguide 3. Optical bistable operation due to the saturable absorption of the non-injected region, and optical logic operation that combines the bistable operation, has problems such as deterioration of the saturable absorption due to the non-injected region of the semiconductor, It has been difficult to realize this because it is difficult to fabricate optical waveguides with good reproducibility. As a means of overcoming these difficulties and fabricating saturable absorption regions (13, 23) with good controllability, we have proposed a method that allows the band-to-band transition of the active layer, as is used in ordinary bistable semiconductor laser devices. A structure that employs a structure that utilizes saturable absorption and injects a current that does not result in laser oscillation into the intersection portions 13 and 23 to form a saturable absorption region has been considered.
レーザ発振闇値電流の７０〜８０％の電流レベルを注入
して形成した可飽和吸収領域は可飽和吸収量が１００ｃ
ｍ−’から１０００ ｃ ｍ−１１度テ小さく、光双安
定動作を行わせるためには導波路長として１００μｍの
長さが必要となる。従って、交叉部の可飽和吸収領域（
１３，２３）としである程度の長さが必要となるため第
１１図に図示する構造では、入力光導波路１及び２の幅
を大きくする必要がある。しかしながら入力光導波路の
幅を大きくすると入力光信号と可飽和吸収領域（１３，
２３）・との有効な結合が困難なこと及び光導波路領域
の平面的な面積が大きいため電流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こと等の問題点が
あった。The saturable absorption region formed by injecting a current level of 70 to 80% of the laser oscillation dark value current has a saturable absorption amount of 100c.
In order to perform optical bistable operation, the waveguide length is required to be 100 μm. Therefore, the saturable absorption region (
13, 23), which requires a certain length, so in the structure shown in FIG. 11, it is necessary to increase the width of the input optical waveguides 1 and 2. However, if the width of the input optical waveguide is increased, the input optical signal and the saturable absorption region (13,
23). Since the planar area of the optical waveguide region is large, a large value of current is required, resulting in large power consumption.
本発明は、これらの問題点を解決するため、種々考察及
び実験を行なった結果、活性層に超格子構造を具備し、
電極層が電気的に分離されたセグメントを具備する半導
体光結合導波路装置を用いて、低消費電力でレーザの双
安定・発振、停止。In order to solve these problems, as a result of various considerations and experiments, the present invention provides an active layer with a superlattice structure,
Bi-stable, oscillate, and stop lasers with low power consumption using a semiconductor optically coupled waveguide device with electrically separated electrode layers.
制御による論理動作の調節が可能で、高速動作可能な複
合型の双安定半導体レーザ装置を提供することにある。It is an object of the present invention to provide a composite type bistable semiconductor laser device which is capable of adjusting logic operation through control and can operate at high speed.
本発明は上記半導体レーザ装置における互いに結合した
光導波路の２つ以上のセグメント電極の下の活性領域に
おいて超格子構造（量子井戸構造とも言う）中に存在す
る励起子の非線形吸収を可飽和吸収媒質として利用し、
さらに、電圧により上記励起子の非線形吸収を制御する
ことによって２つ以上の光入力信号に対し多種の論理機
能（論理和、論理積、排他的論理和等）を得ることを最
も大きな特徴とする。超格子に特徴的な２次元励起子吸
収の光非線形性と電界効果（ＱＣ３Ｅ）を利用した点で
、従来の通常の活性層のバンド間遷移の可飽和吸収を利
用した光論理機能装置と基本的な構成で異なる。The present invention provides a saturable absorption medium for nonlinear absorption of excitons existing in a superlattice structure (also referred to as a quantum well structure) in an active region under two or more segment electrodes of an optical waveguide coupled to each other in the semiconductor laser device. Use it as
Furthermore, the most significant feature is that various logical functions (logical sum, logical product, exclusive logical sum, etc.) can be obtained for two or more optical input signals by controlling the nonlinear absorption of the excitons using voltage. . By utilizing the optical nonlinearity of two-dimensional exciton absorption and electric field effect (QC3E), which are characteristic of superlattices, it is fundamentally different from the conventional optical logic functional device that utilizes the saturable absorption of interband transition in the active layer. It differs depending on the configuration.
本発明の構成は、超格子活性層を具備するダブルへテロ
接合半導体レーザ装置において、抵抗領域によって互い
に電気的に分離された複数のセグメント電極と複数個の
Ｙ分枝光導波路を具備し、１つまたはそれ以上のセグメ
ント電極より電流を注入し、これと異なる１つ以上のセ
グメント電極端子を介してバイアス電圧を印加し、前記
超格子活性層中に存在する励起子の非線形可飽和吸収を
制御することにより１つ以上の電流または、１つ以上の
光入力信号により発振状態を制御する機能を具備するこ
とを特徴とする半導体レーザ装置の構成であり、さらに
また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
る光双安定レーザまたは高微分景子効率レーザを少なく
とも１つ、上具備し、互いにＹ分岐部、または方向性結
合器、または３ｄＢ結合部、または交叉部により結合し
、前記超格子活性層中に存在する励起子の非線形可飽和
吸収を制御することにより２つ以上の光入力信号に対し
少なくども論理和或いは論理積或いは排他的論理和を含
む多種の光論理機能を実現することを特徴とする半導体
レーザ装置の構成である。The structure of the present invention is a double heterojunction semiconductor laser device including a superlattice active layer, including a plurality of segment electrodes and a plurality of Y branch optical waveguides electrically separated from each other by a resistance region, A current is injected through one or more segment electrodes, and a bias voltage is applied through one or more different segment electrode terminals to control nonlinear saturable absorption of excitons present in the superlattice active layer. This is a structure of a semiconductor laser device characterized in that it has a function of controlling the oscillation state by one or more currents or one or more optical input signals, and furthermore, the bias voltage is fixed and the injection At least one optical bistable laser or high differential Keiko efficiency laser whose optical output intensity by laser oscillation becomes binary stable by adjusting the current, and is provided with a Y-branch or a directional coupler, or At least OR, logical product, or exclusion for two or more optical input signals by combining through a 3 dB coupling part or a crossing part and controlling nonlinear saturable absorption of excitons existing in the superlattice active layer. This is a configuration of a semiconductor laser device characterized by realizing various optical logic functions including logical OR.
第１図は本発明の実施例としての半導体レーザ装置の模
式的平面図及び断面構造図を示す。第１図に図示する本
発明による半導体レーザ装置は、第１１図に図示する従
来の半導体レーザ装置において、次の事項を除いて、同
様な構成を有する。FIG. 1 shows a schematic plan view and a cross-sectional structural diagram of a semiconductor laser device as an embodiment of the present invention. The semiconductor laser device according to the present invention shown in FIG. 1 has the same configuration as the conventional semiconductor laser device shown in FIG. 11 except for the following points.
半導体積層体を構成している活性層９が第１図に図示す
るように、例えばＩ ｎＸＧａ＋−ｘ Ａｓ／ＩｎＰ
（ｘ＝０．５３）へテロ構造からなる超格子構造を有す
る。また、セグメント１３及び２３に電圧Ｖｌ及びＶ２
を印加する。導波路の可飽和吸収量が制御でき、小さな
重なりで効果があるため、横モードを単一化した埋め込
み導波路構造を利用できる。As shown in FIG. 1, the active layer 9 constituting the semiconductor stack is made of, for example, InXGa+-x As/InP.
(x=0.53) It has a superlattice structure consisting of a heterostructure. Also, voltages Vl and V2 are applied to segments 13 and 23.
Apply. Since the saturable absorption amount of the waveguide can be controlled and a small overlap is effective, a buried waveguide structure with a single transverse mode can be used.
この半導体レーザ装置は、第１１図の従来例としての構
造と同様に領域１． ２． ３を光学利得を発生させる
領域として、入力用光導波路１． ２の端面には無反射
コーティングを施しである。電圧を印加したセグメント
（可飽和吸収領域）１３及び２３は入力用光導波路ｌま
たは２で増幅した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。まず、動作原理
を明らかにするために第２図に図示する２セグメントの
場合を説明する。例えば、第２図を参照すると明らかな
ように、単結晶ＩｎＰよりなるＮ型の半導体基板４上に
、クラッド層としてＮ型のＩｎＰｎ連層を、活性層とし
てＩ ｎ Ｇ ａ Ａ ｓ ／ ｌ ｎ ｐ超格子構造
９を、Ｐ型のＩｎＰクラッド層６とが、それらの順に積
層されてなる半導体積層構造が示されている。電流注入
及び電圧印加のため、Ｎ型半導体基板４に接合するＮ電
極金属層８とＰ型１ｎＰクラッド層６に接合するＰ電極
金属層７を有する。This semiconductor laser device has the same structure as the conventional example shown in FIG. 2. 3 as a region for generating optical gain, input optical waveguide 1. The end face of No. 2 is coated with anti-reflection coating. The segments (saturable absorption regions) 13 and 23 to which a voltage is applied are used as saturable absorbers for the light amplified by the input optical waveguide 1 or 2, and their operation method will be described next. First, in order to clarify the operating principle, a two-segment case shown in FIG. 2 will be explained. For example, as is clear from FIG. 2, an N-type InPn series layer is formed as a cladding layer on an N-type semiconductor substrate 4 made of single-crystal InP, and an InGaAs/ln layer is formed as an active layer. A semiconductor stacked structure is shown in which a p superlattice structure 9 and a p-type InP cladding layer 6 are stacked in that order. For current injection and voltage application, it has an N-electrode metal layer 8 bonded to the N-type semiconductor substrate 4 and a P-electrode metal layer 7 bonded to the P-type 1nP cladding layer 6.
Ｓは電流源、Ｘは接地、■は電圧源を示す。Ｐ電極金属
層７及びＰ型オーξツク電極層（Ｐ電極の下部でＰ型１
ｎＰクラッド層の表面のオーミック層２図示されていな
い）の一部は完全にエツチングにより取り除き、Ｐ型１
ｎＰクラッド層６は０゜２μｍ程度残してエツチングを
止める。通常の素子で２つのセグメント■と■の間の抵
抗は１にΩ以上あり以下の動作上全く問題にならない。S indicates a current source, X indicates ground, and ■ indicates a voltage source. P electrode metal layer 7 and P type oak ξ electrode layer (P type 1 at the bottom of the P electrode
A part of the ohmic layer 2 (not shown) on the surface of the nP cladding layer is completely removed by etching to form a P-type 1
Etching is stopped leaving about 0.2 μm of the nP cladding layer 6. In a normal element, the resistance between the two segments (1) and (2) is more than 1Ω, which poses no problem in the following operation.
超格０
子構造の特徴的な光物性として、室温でも明瞭な励起子
吸収が観測されること及び、励起子吸収ピークが外部電
界の印加によって長波長側にシフトすること（量子閉じ
込めシュタルク効果と呼ばれている）がよく知られてい
る。励起子吸収は容易に光により飽和するため可飽和吸
収として有望である。電界により励起子吸収ピークを制
御し得る超格子の励起子を可飽和媒質として用いた光双
安定素子が実現されている。例えば、樽茶他による論文
としてＡｐｐｌ、Ｉ）ｈｙｓ、Ｌｅｔ’ｔ、、４９．５
４３． （１９８６）において既に発表されている通
りである。第２図の本発明による半導体レーザ装置の動
作原理説明図において、電圧源Ｖから電圧Ｖ２を印加し
、電流源Ｓから電極■に電流■１を注入する。電極■に
印加する電圧Ｖ２を変化させた場合の電極■の下部の超
格子の光吸収特性を第３図に未す。即ち、第３図は超格
子の光吸収係数と波長λ（Ｌ Ｄ）との関係のバイアス
電圧依存性の傾向図である。比較的弱い電圧ＶＺｆａ）
からＶＺ（ｂ）、Ｖ、（Ｃ）へと電圧値を増加させてい
くと励起子吸収ピークは量子閉し込めシュタルク効果に
より長波長側へとシフトする。一方、電極■への注入電
流りを増加させると注入電流により生した電子及び正孔
との相互作用によりバンドシュリンケージ（１３ａｎｄ
３ｃｈｒｉｎｋａｇｅ）効果により光増幅利得の最
大となる波長は長波長側へとシフトする。利得の最大に
なる波長（λ（Ｌｄ））と励起子吸収ピークの波長がち
ょうど一致した時、励起子吸収が飽和し光出力が急激に
上昇し双安定動作する。第４図は電極■の電圧Ｖ２（ａ
ｌ、 ｖｚ ｆｂ）、 ｖｚ （Ｃ）、Ｖ２（ｄｌ
、 ｖｚ （ｅ）及びＶ２（ｆ）に設定し、電極■の
電流りを変化したときの光出力強度りの変化に関する実
験例を示す。Ｖ２（ａｌの場合は通常のレーザの電流−
光出力特性と同一であり、ＶＺ（ｂ）の場合は高微分量
子効率レーザ、Ｖｚ ｆｃ）、 Ｖ２ （ｄＬ Ｖｚ
（ｅｌ及びＶＺ（ｆ３の場合は光双安定レーザになる場
合である。Characteristic optical properties of the superlattice structure are that clear exciton absorption is observed even at room temperature, and that the exciton absorption peak shifts to longer wavelengths when an external electric field is applied (a phenomenon known as the quantum-confined Stark effect). ) is well known. Exciton absorption is promising as saturable absorption because it is easily saturated by light. Optical bistable devices have been realized that use superlattice excitons as a saturable medium whose exciton absorption peak can be controlled by an electric field. For example, as a paper by Tarucha et al., Appl, I) hys, Let't, 49.5
43. (1986). In FIG. 2, a diagram illustrating the operating principle of the semiconductor laser device according to the present invention, a voltage V2 is applied from a voltage source V, and a current ■1 is injected from a current source S to an electrode ■. FIG. 3 shows the light absorption characteristics of the superlattice under electrode (2) when the voltage V2 applied to electrode (2) is varied. That is, FIG. 3 is a trend diagram of the bias voltage dependence of the relationship between the optical absorption coefficient of the superlattice and the wavelength λ (LD). relatively weak voltage VZfa)
When the voltage value is increased from VZ(b) to V to (C), the exciton absorption peak shifts to the longer wavelength side due to the quantum confinement Stark effect. On the other hand, when the current injected into the electrode (2) is increased, band shrinkage (13 and
3chrinkage) effect shifts the wavelength at which the optical amplification gain is maximum to the longer wavelength side. When the wavelength at which the gain is maximum (λ(Ld)) exactly matches the wavelength at the exciton absorption peak, the exciton absorption is saturated and the optical output increases rapidly, resulting in bistable operation. Figure 4 shows the voltage V2 (a
l, vz fb), vz (C), V2(dl
, vz (e) and V2 (f), and an experimental example regarding the change in the optical output intensity when the current of the electrode (2) is changed will be shown. V2 (normal laser current in case of al -
It is the same as the optical output characteristic, and in the case of VZ(b), it is a high differential quantum efficiency laser, Vz fc), V2 (dL Vz
(el and VZ (f3 is the case where it becomes an optical bistable laser.
第４図の光双安定特性上において、電極■の電圧がＶ２
（Ｃ１の場合、電極■の電流Ｉ２をＩ ｚ （ｃｌにバ
イアスし第２図の人力方向から注入する波長λ１
２
（Ｌ Ｄ）の光の強度を変化した時の光出力強度の変化
に関する実験例を第５図に示す。入力する光強度を増加
させると、ある特定の闇値ＬＬｌ、を越えると可飽和吸
収の効果により光出力が急激に増加しａからｂに、さら
に光出力をＣまで増加する。On the optical bistable characteristic shown in Figure 4, the voltage of electrode ■ is V2
(In the case of C1, the current I2 of the electrode ■ is biased to Iz (cl), and the experiment regarding the change in the light output intensity when the intensity of the light with the wavelength λ1 2 (L D) injected from the manual direction in Figure 2 is changed. An example is shown in Fig. 5. When the input light intensity is increased and exceeds a certain darkness value LLl, the light output increases rapidly due to the effect of saturable absorption, from a to b, and further to C. increase to.
反対に光入力をＣから０まで減少さセると可飽和吸収が
飽和しているためｂを通ってａに戻らすｄになる。すな
わち、光双安定素子として機能する。On the other hand, when the optical input is decreased from C to 0, the saturable absorption is saturated, so that the optical input passes through b and returns to a, resulting in d. That is, it functions as an optical bistable element.
超格子構造に逆バイアスを加えて光双安定機能を生じる
本効果は逆バイアスを使用しているために高速で動作し
、可飽和吸収量も大きく数μｍの長さで十分機能する。This effect, which produces optical bistable function by applying a reverse bias to a superlattice structure, operates at high speed because it uses a reverse bias, and has a large saturable absorption amount, so it can function satisfactorily even with a length of several μm.
この様な、双安定半導体レーザ装置の可飽和部を２個直
線光増幅導波路で結合させた構造が第１図において既に
図示した本発明による実施例としての半導体レーザ装置
である。即ち、ＡＮＤ機能（論理積）及び、ＯＲ機能（
論理和）を具備する半導体レーザ装置である。第１図に
おいて、入力信号■を変化させたときの光出力の関係を
第６図を用いて説明する。第１図に於いて、電極■、■
。Such a structure in which two saturable parts of a bistable semiconductor laser device are coupled by a straight optical amplification waveguide is the semiconductor laser device as an embodiment of the present invention already illustrated in FIG. That is, AND function (logical product) and OR function (
This is a semiconductor laser device equipped with a logical OR). The relationship between the optical output when the input signal (2) is changed in FIG. 1 will be explained using FIG. 6. In Figure 1, electrodes ■, ■
.
■にはそれぞれ電極Ｉｔ、１２．１３を流し、可飽和吸
収領域１３，２．３には逆バイアスの電圧Ｖ。Electrodes It and 12.13 are applied to (2) and reverse bias voltage V is applied to the saturable absorption regions 13 and 2.3, respectively.
及びＶ２を以下に述べるように印加する。電流１１゜■
２及び電圧Ｖ、、Ｖ２はそれぞれ単独で動作させた場合
に第４図のｂの電圧Ｖ２（ｂｌに、バイアス電流は闇値
の直下ｌ２（ｂｌに設定する。その場合に電極１３．２
３の可飽和吸収領域は吸収係数の大きな状態にある。こ
の状態で■に流す電流Ｉ、を・変化させた場合の光出力
特性を示したものが第６図のＣの曲線である。and V2 are applied as described below. Current 11゜■
2 and the voltages V, , V2 are set to the voltage V2 (bl) of b in FIG.
The saturable absorption region No. 3 is in a state where the absorption coefficient is large. The curve C in FIG. 6 shows the optical output characteristics when the current I flowing through the circuit (2) is changed in this state.
一方、第１図において入力光めだけを入射すると、電極
１３の可飽和吸収領域は容易に飽和する。On the other hand, in FIG. 1, when only the input light is incident, the saturable absorption region of the electrode 13 is easily saturated.
電極■に流す電流Ｉ３を変化させた場合の光出力特性は
第６図のｂの曲線になる。逆に、第１図において入力光
■だけを入射した場合も第６図のｂのような曲線になる
。更に、第２図において入力光■、■共に入射した場合
は電極■に流ず電流を変化させた場合の光出力特性は第
７図のａの様な曲線になる。従って、第２図において、
電極の、電極■の電流及び電極１３、電極２３の電圧を
第３
４
４図の１２ （ｂ）、 Ｖｚ （ｂ）に設定し、電極
■の電流を第６図の１３（ｂｌに設定すれば入力■、人
力■に対して論理和の機能を行う。The optical output characteristic when the current I3 flowing through the electrode (2) is changed is the curve b in FIG. 6. Conversely, if only the input light (2) is incident in FIG. 1, the curve will be as shown in FIG. 6 (b). Furthermore, in FIG. 2, when both the input lights (1) and (2) are incident, no current flows through the electrode (2), and when the current is changed, the optical output characteristic becomes a curve as shown in a in FIG. 7. Therefore, in Figure 2,
The current of electrode ■ and the voltage of electrode 13 and electrode 23 are set to 12 (b) and Vz (b) in Figure 344, and the current of electrode ■ is set to 13 (bl) of Figure 6. For example, it performs a logical sum function on input ■ and human power ■.
次に、メモリー動作の場合は電極１３．電極２３の逆バ
イアス電圧をさらに増加させると実現する。動作原理第
７図を用いて説明する。即ち第７図は本発明による半導
体レーザ装置のメモリー動作の原理説明図である。第１
図に於いて、電極■■、■にばそれぞれ電流１４．Ｉ５
．Ｉ６を流し、電極１３．２３にＧよ逆バイアスのＶ、
、Ｖ４を印カロする。電極１４．Ｉｓ及び電圧Ｖ３．Ｖ
、はそれぞれ単独で動作させた場合に第４図のｆの電圧
Ｖ２（ｆ）に、バイアス電流は闇値の直下１ｚ（ｒ）に
設定する。その場合に電極１３．２３の可飽和吸収領域
は吸収係数の大きな状態にある。この状態で電極■に流
ず電流を変化させた場合の出力特性を示したものが第７
図のｆの曲線である。Next, in the case of memory operation, electrode 13. This can be achieved by further increasing the reverse bias voltage of the electrode 23. The principle of operation will be explained using FIG. That is, FIG. 7 is a diagram explaining the principle of memory operation of the semiconductor laser device according to the present invention. 1st
In the figure, the current at electrodes ■■ and ■ is 14. I5
．． Flow I6, G to electrode 13.23, reverse bias V,
, print V4. Electrode 14. Is and voltage V3. V
, are set to the voltage V2(f) of f in FIG. 4 when each is operated independently, and the bias current is set to 1z(r) just below the dark value. In that case, the saturable absorption region of the electrode 13.23 is in a state of large absorption coefficient. The seventh figure shows the output characteristics when the current is changed without flowing through the electrode ■ in this state.
This is the curve f in the figure.
一方、第１図において入力光のだけを入射すると、電極
１３の可飽和吸収領域は容易に飽和し、電極■に流す電
流を変化させた場合の光出力特性は第７図のｅの曲線に
なる。逆に、第１図において入力光■だけを入射した場
合も第７図のｅのような曲線になる。更に、第１図にお
いて人力光■■共に入射した場合は電極■に流す電流を
変化させた場合の光出力特性は第７図のｄの様な曲線に
なる。従って、第１図において、電極■、■の電流及び
電極１３．電極２３の電圧を第４図の１□（ｆ）、
Ｖｚ （ｒｌに設定し、電極■の電流を第７図のｌ ｒ
。On the other hand, in Figure 1, when only the input light is incident, the saturable absorption region of the electrode 13 is easily saturated, and the optical output characteristic when the current flowing through the electrode ■ is changed is the curve e in Figure 7. Become. Conversely, when only the input light (2) is incident in FIG. 1, a curve like e in FIG. 7 is obtained. Furthermore, in the case where both human power light (■) is incident in FIG. 1, the light output characteristic when the current flowing through the electrode (2) is changed becomes a curve like d in FIG. 7. Therefore, in FIG. The voltage of the electrode 23 is 1□(f) in FIG.
Vz (rl), and the current of the electrode (l r
.
（ｆ）に設定すれば入力■、入力■に対してメモリー機
能を持った論理和の機能を行う。If set to (f), a logical sum function with a memory function is performed for inputs ■ and inputs ■.
更に、第７図においてバイアス電流１３を適当に設定し
人力光■、入入力光部同時に人力したときにだけに高光
出力状態になるようにすれば、人力光の３人力光■対し
て出力光■は論理積になる事は容易に類推される。Furthermore, in Fig. 7, if the bias current 13 is appropriately set so that the high light output state is achieved only when the input and input light beams are simultaneously operated manually, the output light will be lower for the three human-powered lights (■). It can be easily inferred that ■ is a logical product.
次に双安定レーザの可飽和部をＹ分岐増幅導波路で結合
させた構造が第８図に図示する本発明によるＮ０７機能
を具備する半導体レーザ装置である。即ち、第８図は本
発明による双安定半導体レーザ装置において、可飽和部
をＹ分岐光増幅導波５
６
路で結合させた模式的平面図であって、Ｎ０Ｔｉ能素子
製造を実現している。第８図に於いて、電極のには電流
１１を流し、電極■、■には逆バイアスの電圧Ｖ２ 、
Ｖ３ （但し電圧の符号を順バイアスを正にとっ
た場合、Ｖ２くＶ３とする）を印加する。第４図におい
てＩｚ（ｂ］の値に■１を、Ｖ２（ｂ）の値にＶ２を、
■２（ａ）の値にＶ３を設定する。Next, a structure in which the saturable portion of a bistable laser is coupled by a Y-branch amplification waveguide is a semiconductor laser device having an N07 function according to the present invention, as shown in FIG. That is, FIG. 8 is a schematic plan view of the bistable semiconductor laser device according to the present invention, in which the saturable portion is coupled with the Y-branch optical amplification waveguide 5 6 , which realizes the production of an N0Ti-capable device. . In Fig. 8, a current 11 is applied to the electrodes, and a reverse bias voltage V2 is applied to the electrodes ① and ②.
V3 (however, if the forward bias is positive, the sign of the voltage is V2 minus V3). In Figure 4, the value of Iz(b) is set to ■1, the value of V2(b) is set to V2,
■Set V3 to the value of 2(a).
第９図は人力光のと出力光■との間のＮ０７機能の特性
図である。入力光のが人力しない状態では１−３〜１の
導波路でレーザ発振するために出力■がオンになってい
る。一方、入力光のを入射すると、電極■の可飽和吸収
領域が容易に飽和しレーザ発振を開始し利得を食うため
第９図に図示するように１−１１の導波路で起きていた
レーザ発振がクエンチされるために光出力の小さな状態
に飛びＮ０７機能を示す。FIG. 9 is a characteristic diagram of the N07 function between the human power light and the output light (2). When the input light is not input manually, the output (2) is turned on in order to cause laser oscillation in the waveguides 1-3 to 1. On the other hand, when the input light is incident, the saturable absorption region of the electrode (2) easily becomes saturated and starts laser oscillation, which eats up the gain. jumps to a small state of light output to be quenched, indicating the N07 function.
また、第８図の構造に更に結合導波路を付は加えた第１
０図に示す構造を用いれば排他的論理和の機能を持つ。In addition, a first structure with a coupling waveguide added to the structure shown in Fig. 8 is also available.
If the structure shown in Figure 0 is used, it will have an exclusive OR function.
即ら第１０図は三分岐光粘合導波路構造を具備する本発
明による半導体レーザ装置の模式的平面図であって、排
他的論理和素子構造を実現している。第８図及び第９図
におけるＮ○Ｔ機能をもつ半導体レーザ装置で既に説明
したように入力光の及び入力光■が共にオフの場合は出
力光■ばオンであり、入力光■または入力光■のいずれ
か一方だけがオンの場合は出力光■はオフである。人力
光の及び入力光■が同時にオンの場合は結合部で利得を
食うためにレーザ発振がクエンチされるためにオフ状態
に飛ぶ。即ち、排他的論理和の機能を示す。That is, FIG. 10 is a schematic plan view of a semiconductor laser device according to the present invention having a three-branch optical cohesive waveguide structure, realizing an exclusive OR element structure. As already explained in the semiconductor laser device with the N○T function in FIGS. 8 and 9, when both the input light and the input light ■ are off, the output light is on, and the input light If only one of (2) is on, the output light (2) is off. If the human power light and the input light (2) are on at the same time, the laser oscillation is quenched because the gain is consumed at the coupling part, so the laser oscillation goes to the off state. That is, it shows the function of exclusive OR.
これまでの説明から明らかなように、バイアス電圧に適
当に設定してやれば、Ｎ０７機能、排他的論理和機能に
メモリー機能を付与する事は容易である。As is clear from the above explanation, it is easy to add a memory function to the N07 function and the exclusive OR function by appropriately setting the bias voltage.
本発明による実施態様は以下に示す通りである。Embodiments according to the invention are shown below.
即ち、本発明は、超格子活性層を具備する半導体レーザ
装置において、互いに電気的に分離された複数のセグメ
ント電極と複数個の分岐光導波路を具（＋ｉｉｆ Ｌ、
１つまたはそれ以−１−のセグメント１し極より電流を
注入し、これと異なる１つ以上のセグメ７
８
ント電極端子を介してバイアス電圧を印加し、前記超格
子活性層中に存在する励起子の光線形可飽和吸収を制御
することにより、１つ以上の電流または、１つ以上の光
入力信号により発振状態を制御する機能を具備すること
を特徴とする半導体レーザ装置であり、さらにまた、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値安定となる光双
安定レーザまたは高微分量子効率レーザを少なくとも１
つ以上具備し、互いに分岐部、結合部、または交叉部に
より結合し、前記超格子活性層中に存在する励起子の非
線形可飽和吸収を制御することにより２つ以上の光入力
信号に対し少なくとも論理和或いは論理積或いは排他的
論理和を含む多種の光論理機能を実現することを特徴と
する、半導体レーザ装置に関するものである。That is, the present invention provides a semiconductor laser device including a superlattice active layer, which includes a plurality of segment electrodes and a plurality of branch optical waveguides that are electrically isolated from each other (+iif L,
A current is injected through one or more segment electrode terminals, and a bias voltage is applied through one or more segment electrode terminals that are different from the one or more segment electrode terminals. A semiconductor laser device characterized by having a function of controlling the oscillation state by one or more currents or one or more optical input signals by controlling optically linear saturable absorption of excitons, and further comprising: In addition, by fixing the bias voltage and adjusting the injection current, at least one optical bistable laser or a high differential quantum efficiency laser in which the optical output intensity by laser oscillation is binary stable is produced.
the superlattice active layer, which is coupled to each other by a branching part, a coupling part, or a crossing part, and which controls nonlinear saturable absorption of excitons present in the superlattice active layer to at least respond to two or more optical input signals. The present invention relates to a semiconductor laser device characterized by realizing various optical logic functions including logical OR, logical product, and exclusive OR.
以上説明したように、本発明による半導体レーザ装置は
、多分割した電極に、一定の電流または電圧を印加し、
２種類以上の光入力信号に対して、ＡＮＤ、ＯＲ，ＮＯ
Ｒ，排他的論理和等の論理動作をさせることが出来るだ
けでなく、バイアス点を適当に設定してやれば、メモリ
ー動作やオン、オフ比がとれるために多段化も可能であ
る事など、光情報処理や光通信における光演算、光交換
、光パルス整形等を行う機能素子としてきわめて有用で
ある。As explained above, the semiconductor laser device according to the present invention applies a constant current or voltage to the multi-divided electrode,
AND, OR, NO for two or more types of optical input signals
R, not only can logical operations such as exclusive OR be performed, but if the bias point is set appropriately, memory operation and on/off ratio can be achieved, making multi-stage processing possible. It is extremely useful as a functional element that performs optical calculations, optical exchange, optical pulse shaping, etc. in processing and optical communications.
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の実施例としての半導体レーザ装置の模
式的平面図及び断面構造図である。
第２図は本発明の実施例としての半導体レーザ装置の動
作原理説明図である。
第３図は超格子の光吸収係数と波長との関係のバイアス
電圧依存性の傾向図である。
第４図は光出力強度りと電流１１のバイアス電圧ｖ２依
存性を示す。
第５図は波長λ（Ｌ Ｄ）の注入入力光強度に対する光
出力強度の関係を示す。
９
０
第６図は電流Ｉ３を変化させた場合の光出力強度りの特
性である。
第７図は本発明による半導体レーザ装置のメモリー動作
の原理説明図であって、光出力強度りと電流■、の関係
を示す。
第８図は本発明による双安定半導体レーザ装置において
可飽和部をＹ分岐光増幅導波路で結合させた模式的構造
図である。
第９図は入力光■と出力光■との間のＮＯＴ機能特性図
である。
第１０図は三分岐光結合導波路構造を具備する本発明に
よる半導体レーザ装置の模式的構造図である。
第１１図は非注入領域の可飽和吸収性を利用した従来型
の光論理和・論理積機能を有する半導体レーザ装置の模
式的平面図及び断面構造図である。
１．２・・・入力用光導波路
３・・・出力用光導波路
１３．２３・・・（交叉部）可飽和吸収領域（セグメン
ト）或いは交叉部の電極
５−１ ｎ Ｇ ａ Ａ ｓ Ｐ ？ｉ’ｉ性層６・・
・Ｐ型ＩｎＰクラ、ラド層
７・・・Ｐ電極
８・・・Ｎ電極BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a schematic plan view and a sectional structural view of a semiconductor laser device as an embodiment of the present invention. FIG. 2 is an explanatory diagram of the operating principle of a semiconductor laser device as an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a trend diagram of the bias voltage dependence of the relationship between the optical absorption coefficient of a superlattice and wavelength. FIG. 4 shows the dependence of the optical output intensity and the current 11 on the bias voltage v2. FIG. 5 shows the relationship between the optical output intensity and the injection input optical intensity at wavelength λ (LD). 90 Figure 6 shows the characteristics of the optical output intensity when the current I3 is changed. FIG. 7 is an explanatory diagram of the principle of memory operation of the semiconductor laser device according to the present invention, showing the relationship between optical output intensity and current. FIG. 8 is a schematic structural diagram of a bistable semiconductor laser device according to the present invention in which saturable parts are coupled by a Y-branch optical amplification waveguide. FIG. 9 is a NOT functional characteristic diagram between input light (2) and output light (2). FIG. 10 is a schematic structural diagram of a semiconductor laser device according to the present invention having a three-branch optical coupling waveguide structure. FIG. 11 is a schematic plan view and a cross-sectional structural view of a semiconductor laser device having a conventional optical OR/AND function using the saturable absorption of a non-injected region. 1.2... Input optical waveguide 3... Output optical waveguide 13.23... (crossing part) Saturable absorption region (segment) or crossing part electrode 5-1 n Ga A s P ? i'i sex layer 6...
・P-type InP layer, Rad layer 7...P electrode 8...N electrode
Claims (2)
て、互いに電気的に分離された複数のセグメント電極と
複数個の分岐光導波路を具備し、１つのまたはそれ以上
のセグメント電極より電流を注入し、これと異なる１つ
以上のセグメント電極端子を介してバイアス電圧を印加
し、前記超格子活性層中に存在する励起子の非線形可飽
和吸収を制御することにより、１つ以上の電流または、
１つ以上の光入力信号により発振状態を制御する機能を
具備することを特徴とする半導体レーザ装置。(1) A semiconductor laser device equipped with a superlattice active layer includes a plurality of segment electrodes and a plurality of branched optical waveguides that are electrically isolated from each other, and current is injected from one or more segment electrodes. , one or more currents or
A semiconductor laser device characterized by having a function of controlling an oscillation state by one or more optical input signals.
ことにより、レーザ発振による光出力強度が２値安定と
なる光双安定レーザまたは、高微分量子効率レーザを少
なくとも１つ以上具備し、互いに分岐部、結合部、また
は交叉部により結合し、前記超格子活性層中に存在する
励起子の非線形可飽和吸収を制御することにより２つ以
上の光入力信号に対し、少なくとも論理和或いは論理積
或いは排他的論理和を含む多種の光論理機能を制御する
ことを特徴とする前記請求項１記載の半導体レーザ装置
。(2) At least one optical bistable laser or high differential quantum efficiency laser is provided, in which the optical output intensity by laser oscillation becomes binary stable by fixing the bias voltage and adjusting the injection current, and mutually At least a logical sum or a logical product is generated for two or more optical input signals by combining them through a branching part, a coupling part, or a crossing part, and controlling the nonlinear saturable absorption of excitons existing in the superlattice active layer. 2. The semiconductor laser device according to claim 1, wherein the semiconductor laser device controls various optical logic functions including exclusive OR.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20231089A JPH0366189A (en) | 1989-08-04 | 1989-08-04 | Semiconductor laser device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP20231089A JPH0366189A (en) | 1989-08-04 | 1989-08-04 | Semiconductor laser device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0366189A true JPH0366189A (en) | 1991-03-20 |
Family
ID=16455430
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP20231089A Pending JPH0366189A (en) | 1989-08-04 | 1989-08-04 | Semiconductor laser device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0366189A (en) |
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