JPH05335691A

JPH05335691A - 光入力形半導体レーザ

Info

Publication number: JPH05335691A
Application number: JP16003092A
Authority: JP
Inventors: Koji Nonaka; 弘二野中; Takashi Kurokawa; 隆志黒川; Hiroyuki Tsuda; 裕之津田; Hidetoshi Iwamura; 英俊岩村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-05-28
Filing date: 1992-05-28
Publication date: 1993-12-17

Abstract

(57)【要約】【目的】入射する光信号との高い光結合率と、入射し
た光信号を単一モード条件のままでの充分な増幅率と、
充分な発振制御領域とを有することを目的とする。【構成】制御のための光信号は、テーパ導波路１で単
一モード条件のまま少ない電流注入で充分に増幅され、
可飽和吸収領域３の長さと同じにまでその幅が広げら
れ、可飽和吸収領域３を均一に励起する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光情報処理や光交換
システムに用いられる光信号の閾値処理や一時記憶機能
を有する入力形半導体レーザに関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は、従来の光入力形半導体レーザで
ある双安定レーザの構成を示す断面図である。図６にお
いて、６０１はＩｎＰからなる基板、６０２はｎ^- Ｉｎ
Ｐからなる第１クラッド層、６０３はＭＱＷ構造の活性
層である共振器導波路、６０４はｐ⁺ＩｎＧａＡｓから
なるガイド層、６０５はｐ^- ＩｎＰからなる第２クラッ
ド層、６０６は長さが１０〜１００μｍの発振制御領域
となる可飽和吸収領域、６０７は可飽和吸収領域６０６
を制御する電圧を印加するための可飽和吸収領域制御電
極、６０８は活性層にキャリアを供給するための電流を
注入する活性層電流注入電極、６０９は可飽和吸収領域
制御電極６０７と活性層電流注入電極６０８とを電機的
に分離する電極分離領域、６１０は基板６０１の裏面に
形成されたＡｕからなる電極である。

【０００３】この、光双安定レーザは、共振器導波路６
０５と同軸方向からの光信号を受け、この光信号により
可飽和吸収領域６０６が励起される。その光信号の充分
な光励起によって可飽和吸収領域６０６が飽和すると、
図６の双安定レーザの共振器導波路６０３の利得が吸収
損失を上回り、これによりレーザを発振する。同じ注入
電流量を活性層電流注入電極６０８より注入してキャリ
アを供給しても、可飽和吸収領域６０６が吸収損失とし
て働いている状態ではレーザを発振しない。この双安定
レーザは、上記の閾値動作と一旦レーザ発振を始めると
光信号が停止してもレーザ発振を続ける双安定動作との
２つの動作状態が存在し、可飽和吸収領域６０６を制御
する電圧が低いほど、また、主レーザ導波路である共振
器導波路６０３に注入する電流が大きいほど双安定動作
になる。この特性を利用して、この双安定レーザは、一
時記憶や閾値増幅などの機能を持つレーザとして用いる
ことができる。

【０００４】しかし、上記の従来の双安定レーザのよう
に、出力光レーザを発振する共振器導波路６０３に、そ
のレーザが発振するために入射する光信号が注入する構
造では、入射する光信号が共振器導波部６０３の影響を
受け、その強い波長依存性，偏波依存性などのため、こ
の双安定レーザの動作条件が厳しく制限される。しか
も、各々の条件を独立に制御することができないため、
実用的な動作条件幅が非常にせまいと言う欠点があっ
た。そこで、図７のように、可飽和吸収領域に光レーザ
導波路と直交する向きより入力光を注入するという構造
の双安定レーザが出願されている（特公平３−６６１８
９号公報参照）。

【０００５】図７は、可飽和吸収領域に出力光レーザの
導波路と直交する向きより、制御のための光信号を注入
するという構造の双安定レーザの構成を示す平面図であ
る。図７において、７０１は入射した光信号を増幅する
光増幅導波路、７０２は光増幅導波路に直交する主レー
ザ共振器の主レーザ導波路、７０３は主レーザ導波路７
０２の光増幅導波路７０１との交差点に配置される可飽
和吸収領域、７０４は可飽和吸収領域７０３を制御する
電圧を印加するための可飽和吸収領域制御電極、７０５
は主レーザ導波路７０２を有する主レーザ共振器にキャ
リアを供給するための電流を注入する電極、７０６は同
じく光増幅導波路７０１を有するレーザ共振器にキャリ
アを供給するための電流を注入する電極である。なお光
増幅導波路７０１の光信号が入射する面には反射防止用
のコーティングがなされている。

【０００６】この双安定レーザでは、光信号が主レーザ
導波路７０２に直交する向きより光増幅導波路７０１に
導かれ、可飽和吸収領域７０３に達する。入力した光信
号と主レーザ光は、異なる向きの導波路を進むので、お
互いの発振特性にはあまり制限されない。これにより、
少なくとも、入力する光信号は主レーザ導波路７０２の
主レーザ共振器の電流，閾値，波長依存性の影響を受け
ずに、独立に設定することができる。この素子は、レー
ザ発振部の個体差に起因する不確定条件に制限されず、
安定動作条件を見い出すことが可能なので、論理素子と
して有用であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の光入力形半導体
レーザは以上のように構成されてるので、以下のような
制約がある。まず、可飽和吸収領域７０３は、それが光
非線形応答を引き出すのに充分な長さとしてバルク材料
で２０〜１００μｍ、超格子結晶を用いても５〜１０μ
ｍという大きな長さを必要とする。一方、可飽和吸収領
域７０３に入力する光信号は直角方向から導かれるた
め、可飽和吸収領域７０３の長さの中にその光信号が一
様に導かれないと有効かつ十分な光制御を行うことがで
きない。以上のことにより、可飽和吸収領域７０３に直
交して光信号を導いてくる光増幅導波路７０１は、その
幅が可飽和吸収領域７０３の長さと同一でなくてはなら
ず、その値が１０μｍ程度以上としなくてはならい。

【０００８】このため、以下の問題点があった。まず入
力する光信号には大きなパワーを必要とする。次に、光
増幅導波路が導波路としては幅広のため、その形状が幅
広の多モード条件となり、外部より入力する光信号をそ
の光増幅導波路に導入する光ファイバーなどとの空間フ
ィールドが合致せず、光結合効率が著しく悪い。また、
やはり光増幅導波路が単一光モードの光信号の導波路と
しては幅が広すぎ、光増幅導波路は多モードであるた
め、空間に光信号の励起の不均一が生じる。そして、光
増幅導波路の面積が大きいため、多量の電流注入をして
も光増幅のための注入キャリア密度が上がらず、光増幅
の飽和が低いレベルで起こってしまう。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上のような問題点を解
消するために、この発明の光入力形半導体レーザは、レ
ーザを発振する主レーザ共振器と、主レーザ共振器の導
波路中に配置する発振制御領域と、信号光が入射する部
分より信号光を出射する部分が広くなっている形状で主
レーザ共振器のレーザ発振方向とは異なる向きからの信
号光を発振制御領域に導入するテーパ型光増幅導波路と
を有する。

【００１０】

【作用】入力した信号光は、テーパ型光増幅導波路で、
単一光モードのまま充分に増幅されて、かつ幅を広げら
れて発振制御領域に入射する。

【００１１】

【実施例】以下、この発明の１実施例を図を参照して説
明する。まず、この発明の１実施例の概念を図１を用い
て説明する。図１は、この発明の光入力形半導体レーザ
の概念を示す平面図である。図１において、１は制御用
の光信号を導入して増幅するテーパ形状のテーパ導波
路、２は制御する主レーザ共振器の主レーザ導波路、３
は入力した光信号により主レーザを発振する主レーザ共
振器の可飽和吸収領域、４は可飽和吸収領域３を制御す
る電圧を印加する可飽和吸収領域制御電極、５は主レー
ザ共振器にキャリアを与えるための電流を注入する電流
注入電極、６はテーパ導波路１にキャリアを与えるため
の電流を注入するテーパ導波路注入電極である。なお、
テーパ導波路１の光信号導入面には光の反射を抑える無
反射コーティングがなされていて、その入口のところよ
り０．３ｍｍのところまでは幅が約１μｍで、そこより
徐々に幅が広がっていき、可飽和吸収領域３と接合する
部分は、可飽和吸収領域３の長さと同じ幅の約１０μｍ
となっている。

【００１２】次にこの光入力形半導体レーザの動作を説
明する。コア径８μｍの単一モード条件の光ファイバー
からの波長１．５μｍの光信号を、例えば入口部が幅
１．５μｍ厚さ１．２μｍの単一モード条件のテーパ導
波路１に導入する場合、この損失は１ｄＢ程度の高効率
で結合する。テーパ導波路１中に入った光信号は、この
テーパ導波路１に注入されたキャリアによって増幅され
て光強度を強めながらテーパ導波路１の中を進む。光増
幅限界は、導波路中のキャリア密度と光子密度で決まる
が、このテーパ導波路１の場合は、導入した光信号がそ
の中を進行していくうちにその幅が徐々に広がっていく
ので、光子密度の限界に達する前に、光子密度の限界以
下を保持しながらテーパ導波路１は断面積を広げて行く
ことになり、光子密度の総和は増していく。

【００１３】ところで、図７の従来の幅広の光増幅導波
路７０１では、幅１０μｍの可飽和吸収領域７０２に光
を導入するために、幅１０μｍ長さ０．６ｍｍ以上の導
波路が必要であり、この光増幅導波路７０１に１０ｄＢ
増幅のために必要な十分なキャリア密度１０ｋＡ／ｃｍ
³ を得るためには、面積０．０６ｍｍ³ 当たりに６００
ｍＡの電流を注入する必要がある。このように大量の電
流を１つの素子に注入すると、発熱の影響で発振閾値は
著しく高くなり、実効的な機能は果たせなくなる。一
方、光増幅導波路の幅を１μｍ程度とすれば、６０ｍＡ
程度で同様のキャリア密度を得ることができるが、これ
に合わせて可飽和吸収領域の長さを１μｍとすると、こ
れでは双安定動作をするのには不十分である。

【００１４】この発明では、テーパ構造のテーパ導波路
１を用いているので、この導波路の総面積はあまり大き
くならず、少ない注入電流で所望のキャリア密度を得る
ことができる。この実施例の場合、必要とする電流総量
は１１０ｍＡで、入射した光信号は単一モード条件を満
たしたまま可飽和吸収領域３に達するので、入射増幅光
の到達点である１０μｍ幅の可飽和吸収領域３を均一に
励起させることもでき、効果が大きい。しかし、光増幅
導波路が約１μｍと狭い場合では、光信号がその導波路
を通って光子密度を増すにつれて増幅に必要なキャリア
密度が増すため、増幅による一定以上の光強度は得られ
ない。ところがこの発明の構造では、入力した光信号の
光強度が増すにつれて導波路幅が広がり、光子密度はそ
の限界以下に保たれ、飽和光強度は制限されずに大きな
総光強度を得ることができるという効果もある。

【００１５】図３は、光増幅導波路が狭い場合と広い場
合とテーパ形状をしている場合との、光信号の増幅特性
の比較を示す特性図である。光増幅導波路が幅の広い場
合は、その他の導波路と同じ光増幅率を得るためには多
くの注入電流が必要で、一方、光増幅導波路が幅の狭い
場合は光増幅率が途中で減少し光総量が早く飽和する。
他方、この発明の光増幅導波路がテーパ形状の場合で
は、狭い幅の光増幅導波路と同じ少ないキャリア密度で
光増幅し、光増幅率が減少することが無い。

【００１６】このようにテーパ導波路１で増幅され広げ
られた光信号は出射側に接続されている可飽和吸収領域
３を励起し、主レーザ導波路２の損失を減らし、これに
より主レーザ導波路２による主レーザ共振器はレーザの
発振にいたる。光信号は主レーザ共振器のレーザ発振方
向とは異なる方向から入射するため、この光信号は主レ
ーザ共振器の波長依存性や主レーザ導波路２の利得や損
失に依存しない。また、光信号の入射側のテーパ導波路
１の先端部は、縦横の規格が標準的な単一モード状態の
導波路で、他の光部品との光結合率が良い一方、可飽和
吸収領域３との交差点では幅が広く、長さのある可飽和
吸領域３を大きな光信号強度で一様に励起することがで
きる。

【００１７】次に、この発明の構造を有する素子の１実
施例を示す。図２はこの発明の１実施例であるリッジ構
造の光入力形半導体レーザの構造を示す斜視図である。
図２において、２０１はｎ⁺ ＩｎＰからなる基板、２０
２は厚さ１．２μｍのｎ^- ＩｎＰからなる第１クラッド
層、２０３は厚さ０．１μｍのＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰの
超格子７層からなるＭＱＷ構造の活性層、２０４は０．
２μｍのＩｎＧａＡｓＰからなるガイド層、２０５は厚
さ１．４μｍのＩｎＰからなる第２クラッド層、２０６
は金属電極２０７と接続するための厚さ０．１μｍのＩ
ｎＧａＡｓからなるコンタクト層である。２０８は光信
号の入射部に反射防止のための無反射コーティングがな
されているテーパ導波路部、２０９は主レーザ導波路
部、２１０は珪素酸化物からなる絶縁層、２１１はテー
パ導波路部２０８と主レーザ導波路部２０９とを電気的
に分離する電極分離溝である。

【００１８】この素子は、まず基板２０１上に第１クラ
ッド層２０２，活性層２０３，ガイド層２０４，第２ク
ラッド層２０５，コンタクト層２０６を順次形成し、テ
ーパ導波路部２０８と主レーザ導波路部２０９になる部
分を残して他の分をエッチングにより除去する。次に、
エッチングにより除去した領域に絶縁層２１０を蒸着に
より形成し、次いで、テーパ導波路部２０８と主レーザ
導波路部２０９とその交差部とを電機的に分離するため
にコンタクト層２０６を除去して電極分離溝２１１を形
成する。

【００１９】そして、電極分離溝２１１により分離され
た各部分に金属電極２０７を形成し、テーパ導波路部２
０８に電流Ｉ_AMP 、主レーザ導波路部２０９に電流
Ｉ_LD、テーパ導波路部２０８と主レーザ導波路部２０９
の交差点の可飽和吸収領域に電圧Ｖ_C をそれぞれ加え
て、テーパ導波路部２０８に入射する光信号により主レ
ーザ導波路部２０９で出力する主レーザの発振，非発振
を制御する。以上、リッジ構造のレーザの場合に付いて
述べたが、埋め込み構造のレーザに付いても同様の効果
が得られ、また、ＩｎＡｌＡｓ／ＩｎＧａＡｓ，ＡｌＧ
ａＡｓ／ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰなど
のＭＱＷ構造の素子や歪超格子、また、バルクの半導体
結晶を用いた半導体レーザにおいても同様の効果が得ら
れる。

【００２０】つぎに、この発明の素子の動作特性に付い
て説明する。図２において、光信号がテーパ導波路部２
０８に入射すると、電流Ｉ_AMP が注入されているテーパ
導波路部２０８の前半部の細い部分で、その光信号は単
一モード条件で光増幅される。増幅された光信号は、飽
和光密度に達する前にテーパ導波路部２０８の後半部で
単一モードのまま広げられ、この後半部ではテーパ導波
路部２０８の幅が広くなって行くので、その光信号は光
増幅が飽和してしまう光子密度に達すること無く大きな
光強度となり、最終的に１０μｍ程度のビーム幅とな
る。この増幅されてその幅を広げられた光信号は、主レ
ーザ導波路部２０９のテーパ導波路部２０８との交差点
の電圧Ｖ_C で制御されている可飽和吸収領域（図２には
示していない）を励起する。この可飽和吸収領域が、増
幅された光信号により充分に光励起されて飽和すると、
電流Ｉ_LDが注入されている主レーザ導波路部２０９のレ
ーザ共振器内の利得が吸収損失を上回り、これにより主
レーザ導波路部２０９はレーザを出射する。主レーザ導
波路部２０９への注入電流が同じ状態でも、可飽和吸収
領域が吸収損失として働いている状態では、主レーザ導
波路部２０９のレーザ共振器はレーザを発振しない。以
上の特性を利用して、この光入力形半導体レーザは、一
時記憶，閾値増幅などの機能を持つレーザとして用いる
ことができる。

【００２１】図４に、この光入力形半導体レーザの閾値
動作と双安定動作の光入出力特性を示す。この発明の光
入力形半導体レーザは双安定レーザであり、図２に示す
Ｖ_C とＩ_LDにより閾値動作と双安定動作の２つの動作状
態が存在する。可飽和吸収領域を制御する電圧Ｖ_C は低
いほど、また、主レーザ導波路部２０９に注入する電流
Ｉ_LDは大きいほど双安定動作になり、例えばＶ_C が０．
６ＶでＩ_LDが４０ｍＡでは閾値動作をし、Ｖ_C が０．５
２ＶでＩ_LDが４７ｍＡの場合は双安定動作となる。

【００２２】まず、閾値動作に付いては、図４（ａ）に
示すように、入力する信号光が一定値を越えると可飽和
吸収領域が透明になり、その吸収損失に比べて利得が上
回りレーザを発振するようになるが、可飽和吸収領域へ
の光信号の入射が途切れるとその吸収損失が再び増加し
てレーザの発振は停止する。この発明の光入力形半導体
レーザでは、その入力する光信号の強度が数μＷとごく
弱いところを境にして、出力するレーザの強度が２値に
レベル分けされていることが判る。一方、双安定動作の
条件の場合は、図４（ｂ）に示すように、一旦レーザの
発振が始まると自身のレーザ導波路内の光により可飽和
吸収領域は常に光励起された状態であり、入力する光信
号が途切れてもレーザ発振を続ける。そのため、入力す
る光信号の強度が弱い領域においてもレーザの発振と非
発振の２値の安定状態が存在する。この２つの動作は、
光信号レベル再生や、光信号一時記憶などに利用でき
る。

【００２３】図５は主レーザ発振は長を０とする光信号
の相対波長とスイッチング閾値パワーとの関係の光応答
特性を示す図であり、従来の図７に示すような幅拡の光
増幅導波路をもつ双安定レーザと、この発明の入力形半
導体レーザとの特性を対比して示している。どちらの場
合でも、広い範囲の波長の光信号に対して、スイッチン
グの閾値パワーはなめらかな特性を持っているが、この
発明の入力形半導体レーザの方が数段感度が良く、入力
した光信号を増幅するために必要とする注入電流も少な
くて済むことが判る。

【００２４】なお、テーパ導波路部の平面形状は上記実
施例のように、入力した光信号の進行につれて、単一モ
ード条件を保ちながら、指数関数的にその幅を広げてい
くことが効果的であるが、これに限るものではなく、単
純に直線的に広がる形状や、ローレンツ形状や階段状に
広がる形状でも良い。また、以上では発振制御領域とし
て可飽和吸収領域の例を示したが、これに限るものでは
なく、可飽和吸収領域と逆の動作をする、光信号の入射
によりレーザ発振が停止する利得抑圧領域に対する光信
号の導入となる光増幅導波路においても同様の効果を奏
することは言うまでもない。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明により、
制御するための光信号を導入する光ファイバなどとの光
結合効率が極めて良いという効果がある。また、導入し
た光信号を増幅する導波路が単一モードとなっているの
で、空間的に可飽和吸収領域の励起の不均一が解消さ
れ、可飽和吸収領域の長さも光信号の導波路との結合条
件や光強度に制限されずに設計できるという効果があ
る。そして、光信号を増幅する導波路は、光強度の増加
につれて広がるため、そこの注入する単位面積当たりの
キャリア密度は、一定で一様の電流注入でも光増幅の飽
和光強度は総量として大きくなる。したがって、波長制
限の緩い微弱な光信号でも光非線形効果を有する動作が
可能となると言う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の光入力形半導体レーザの概念を示す
平面図である。

【図２】この発明の１実施例であるリッジ構造の光入力
形半導体レーザの構造を示す斜視図である。

【図３】従来の幅の狭い光増幅導波路６０３（図６）と
幅の広い光増幅導波路７０１（図７）とテーパ導波路１
（図１）との増幅特性の比較を示す特性図である。

【図４】この発明の光入力形半導体レーザの閾値動作と
双安定動作の光入出力特性を示す特性図である。

【図５】従来の幅拡の光増幅導波路をもつ双安定レーザ
と、この発明の入力形半導体レーザの入力する光信号に
対する応答特性を示す特性図である。

【図６】従来の光入力形半導体レーザである双安定レー
ザの構成を示す断面図である。

【図７】可飽和吸収領域に光レーザ導波路と直交する向
きより入力光を注入するという構造の従来の双安定レー
ザの構成を示す平面図である。

【符号の説明】

１テーパ光増幅導波路部２主レーザ導波路部３可飽和吸収領域４可飽和吸収領域制御電極５電流注入電極６テーパ導波路注入電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岩村英俊東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力した光信号により出力するレーザ光
を制御する光入力形半導体レーザにおいて、レーザを発振する主レーザ共振器と、前記主レーザ共振器の導波路中に配置する発振制御領域
と、信号光が入射する部分より信号光を出射する部分が広く
なっている形状で前記主レーザ共振器のレーザ発振方向
とは異なる向きからの信号光を前記発振制御領域に導入
するテーパ型光増幅導波路とを有することを特徴とする
光入力形半導体レーザ。