JPH0366189A - 半導体レーザ装置 - Google Patents

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、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。

〔従来の技術〕

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。

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。

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。

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。

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。

〔発明が解決しようとする課題〕

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。

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。

〔課題を解決するための手段〕

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。

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。

〔実施例〕

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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■、■
。

■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。

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。

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。

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。

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。

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
。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明による実施態様は以下に示す通りである。

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。

〔発明の効果〕

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。

【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

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）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。
2. （２）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
   。