JPH069280B2 - 半導体レーザ装置 - Google Patents

半導体レーザ装置

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は長距離大容量光伝送、コヒーレント通信等に必
要な光源である高性能半導体レーザ装置に関する。
従来の技術 近年、光通信の長距離大容量化に伴い、光源として高速
でかつ変調によるチャーピングの少ない高性能半導体レ
ーザの開発が望まれている。さらに将来の光通信技術と
いわれているコヒーレント通信においては非常に狭いス
ペクト幅のレーザが必要となる。分布帰還型レーザ（Ｄ
ＦＢ−ＬＤ）は高速変調時においても安定な単一軸モー
ド発振が得られ、従来のファブリーペロ型レーザに比べ
て伝送特性に大きな改善を果たしてきた。しかしながら
ＤＦＢ−ＬＤにおいてもチャーピング抑制、スペクトル
幅は十分でない。この問題を解決する方法として光導波
路（外部変調器）をモノリシックに一体化したＤＦＢ−
ＬＤが注目されている。第３図はこの一体化素子の光軸
方向の断面基本構造を示すものである。これはｎ−Ｉｎ
Ｐ基板１上の第１の領域２１にＩｎＧａＡｓＰ活性層１
３、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ光導波層３、ｐ−ＩｎＰクラッ
ド層４、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層５、ｐ型電極
６を含み、第２の領域２２において光導波層８、ｐ−Ｉ
ｎＰクラッド層９、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１
０、ｐ型電極１１を含む構造である。ここで活性（発
光）域である第１の領域２１における光導波層３上には
レーザ発振に必要な回折格子７が、ＩｎＰ基板１の裏面
にはｎ型電極１２が形成されている。また光変調域であ
る第２の領域２２の光導波層８は第１の領域２１からの
出射光１０と同一光軸上に位置し、両領域は分離領域１
３により電気的に分離されている。第１の領域２１から
の出射光１０は第２の領域２２の光導波層を低損失で伝
搬される。ここで発光域２１の電極６−１２間に順方向
電流を流してレーザ発振をさせた状態で、光変調域２２
の電極１１−１２間に逆バイアス印加することフランツ
ーケルディシュ効果により導波光の変調を行なうことが
きる。また光導波層８が多重量子井戸（ＭＱＷ）構造で
あれば量子閉じ込めシュタルク効果が利用できより大き
い光変調効果を得る事ができる。このような外部変調器
一体化ＬＤではＬＤの直接変調時に問題となる注入キャ
リヤ変化による変調光のチャーピングやスペクトル幅の
拡がりは大きく抑圧できる。
しかしながらこのような素子は、活性域の活性層３と光
変調域の光導波層は異なるバンドギャプを有するエピタ
キシャル層である必要があり、通常は複数回のエピタキ
シャル成長を含む非常に複雑な工程によってのみ作成で
きるものである。このような複雑な工程は素子作製の歩
留まりのみならず素子特性に悪影響を及ぼす。特に複数
回のエピタキシャル成長によって生じる境界部での異常
成長や再成長層の軸ずれ等により発光域と光変調域間の
光波の結合効率は小さく、光出力の低下等の問題があ
る。
一方、低チャーピング・狭スペクトル幅のＬＤとしては
他に分布ブラッグ反射型レーザ（ＤＢＲ−ＬＤ）があ
る。第４図はその基本構造の光軸方向の断面図である。
その層構造は第３図の外部変調型ＤＦＢ−ＬＤとほとん
ど同一であるが、この素子においては回折格子７は光帰
還域（ＤＢＲ域）２３の光導波層８上に形成されてい
る。このＬＤは活性域２１に電流注入することにより、
光導波域２２の回折格子で決まる波長で発振が得られ
る。従って変調による注入キャリヤの変化によるチャー
ピングは小さく、またＤＢＲ域２３からの光のフィード
バックによる狭スペクトルを得ることができる。またこ
の素子の場合、ＤＢＲ域２３に別個の電極１１を形成し
電流注入等の手段で光導波層８の屈折率を変化させるこ
とにより波長を可変にすることができる。
しかしながら、ＤＢＲ−ＬＤの場合も外部変調型ＤＦＢ
−ＬＤの場合と同じく複数回路のエピ成長を含む複雑な
作製プロセスを必要とし、各領域間での十分な光波の結
合効率が得られず発振しきい値の上昇等の特性の劣化が
問題となる。
発明が解決しようとする課題 以上、従来の技術における半導体レーザにおいては、工
程の複雑さや境界部の不連続性等により十分な特性が得
られなかった。
課題を解決するための手段 本発明は上述の問題点を克服すべく、第１の導電型の同
一半導体基板上に活性層、回折格子、第２の導電型のエ
ピタキシャル層、第２の導電型の第１の電極を含む第１
の領域と前期第１の領域から発した光に対する光導波層
を含む第２の領域を有し、前記第１の領域において活性
層と前記第２の領域の光導波層が同一成長層の多重量子
井戸層で構成され、かつ第１の領域における前記量子井
戸層の井戸層厚が第２の領域における井戸層厚よりも大
きいことを特徴とする半導体レーザ装置であり、また第
１の導電型の同一半導体基板上に活性層と第２の導電型
のエピタキシャル層と第２の導電型の第１の電極を含む
第１の領域と前記第１の領域から発した光に対する光導
波層と回折格子を含む第２の領域を有し、前記第１の領
域における活性層と前記第２の領域の光導波層が同一成
長層の多重量子井戸層で構成され、かつ第１の領域にお
ける前記量子井戸層の井戸層厚が第２の領域における井
戸層厚よりも大きいことを特徴とする半導体レーザ装置
である。
作用 上述の手段により、非常に安易な作製プロセスで高性能
の外部変調型ＤＦＢレーザおよびＤＢＲレーザを得るこ
とができる。
実施例 以下、本発明の実施例をInGaAsP/InP系材料を用いた場
合について述べる。
第１図は本発明による第１の実施例としてのＤＦＢレー
ザの光軸方向の断面基板構造図を示す。この素子は発光
機能と波長選択機能を有する活性領域２１と光変調機能
を有する光変調領域２２で構成される。ここで、１はｎ
−ＩｎＰ基板、２はＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）層、３はＩｎＧａＡｓＰ光導波層、４はｐ−ＩｎＰ
クラッド層、５はｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、６
および１１はｐ型電極、および１２はｎ型電極である。
ここで活性領域２１内の光導波層上にはピッチ４０００
Åの回折格子が形成されている。また活性領域２１と光
変調領域２２間はプロトン注入層１３により電気的に分
離されている。ＭＱＷ層２は活性領域２１においては井
戸層厚（Ｌｚ）が２００Å、障壁層厚２００Åであるの
に対し、光変調領域２２においては井戸層厚（Ｌｚ）が
１００Å障壁層厚１００Åと領域２１と２３で膜厚が異
なる。量子シフト量の差異によりＭＱＷ層のバンドギャ
ップ波長は領域２１で1.29μｍであるのに対し、領域２
２においては1.27μｍと各領域で異なっている。このよ
うなウェハー内で同一成長層の膜厚を変化させることは
領域間で幅の異なるメサストライプの形成された基板上
に液相エピタキシャル成長を行なうことにより可能で、
ストライプ幅によって制御性良く井戸層厚を変化させる
ことができる。この場合ＩｎＰ基板１の光変調域２２に
のみ光軸方向に沿って幅８μｍのメサストライプを形成
して成長を行なった。
ここで領域１の電極６−１２間に順方向直流電流を印加
すると成長１．３０μｍのレーザー発振が得られる。光
変調領域２２内のＭＱＷ光導波層２においてはこのレー
ザー光はほとんど吸収されず１cm-1以下の低損失で導波
できる。なぜならＭＱＷ構造においては吸収端はバルク
構造に比べ急峻であり、導波光がバンドギャップ波長よ
り３０ｎｍも長波側に位置すれば吸収できる損失はほと
んどないからである。
一方、光変調領域２２の電極１１−１２間に逆バイアス
を印加することにより、光変調を行なうことができる。
ＭＱＷ層においては量子閉じ込めシュタルク効果等によ
り通常のバルクよりも大きい電解印加光吸収効果を有
し、光変調領域長を２００μｍとして１Ｖの電圧印加で
１００％変調を行なうことができる。また活性層と光導
波層が同一ＭＱＷ層２構成されているので結合部でのレ
ーザー光の散乱や軸ずれがなく９０％以上の高い結合効
率が得られるので、一体化による光出力の低下はほとん
どない。またこの素子においては活性領域と光変調領域
が分離されているので直接変調の場合に問題となる変調
時の注入キャリヤ変化によるチャーピングやスペクトル
幅り拡がりはほとんどなく、高速変調によって高品質の
レーザー光を得ることができる。さらに本構造は基本的
に一回のエピタキシャル成長という非常に簡単なプロセ
スで作製でき高い歩留まりが期待でる。
次に本発明の第２の実施例としてのＤＢＲレーザについ
て述べる。第２図はこの素子の光軸方向の基本断面構成
図である。この素子は活性域２１と帰還域２３で構成さ
れる。層構造および電極構造は第１図におけるＤＦＢレ
ーザと同一であるが、この素子においては回折格子は帰
還域２２の光導波層上に形成されている。またこの場合
もＭＱＷ層２は活性領域２１において井戸層厚（Ｌｚ）
が２００Å、障壁層厚２００Åであるのに対し、光変調
領域２２においては井戸層厚（Ｌｚ）が１００Å障壁層
厚１００Åと領域２１と２３で膜厚が異なり、光帰還域
において低損失で光結合効率の光導波路が得られる。
ここで活性域２１の電極６−１２間に順方向電流を印加
することにより、光帰還域２３の回折格子で決まる波長
レーザ発振が得られる。光波の結合効率および導波損失
の改善により光の帰還量が増大し１５ｍＡ以下のしきい
値で発振が得られているまたこの素子においては発振ス
ペクトルは基本的に不活性な光帰還域によって決まるの
で活性域での直接変調によっても低チャーピング・狭ス
ペクトル特性が得られている。さらにこのＤＢＲレーザ
ーの光帰還域２２の電極１１−１２間に電流注入もしく
は電界印加によって光導波路の屈折率を変化させること
により、光出力の大きな変化なく最大３０ｎｍの広範囲
にわたって連続的に発振波長を変化させることができ
る。
発明の効果 以上、本発明は第１の導電型の同一半導体基板上に活性
層、回折格子、第２の導電型のエピタキシャル層、第２
の導電型の第１の電極を含む第１の領域と前記第１の領
域から発した光に対する光導波を含む第２の領域を有
し、前記第１の領域において活性層と前記第２の領域の
光導波層が同一成長層の多重量子井戸層で構成され、か
つ第１の領域における前記量子井戸層の井戸層厚が第２
の領域における井戸層厚よりも大きいことを特徴とする
という構造により、非常に簡単な構造プロセス良好な発
振特性・変調特性を有する分布帰還型レーザを高歩留ま
りで提供できるものである。
さらに本発明はまた第１の導電型の同一半導体基板上に
活性層と第２の導電型のエピタキシャル層と第２の導電
型の第１の電極を含む第１の領域と前記第１の領域から
発した光に対する光導波層と回折格子を含む第２の領域
を有し、前記第１の領域における活性層と前記第２の領
域の光導波層が同一成長層の多重量子井戸層で構成さ
れ、かつ第１の領域における前記量子井戸層の井戸層厚
が第２の領域における井戸層厚よりも大きいことを特徴
とする構造より、非常に簡単な構造プロセスで良好な発
振特性・変調特性を有する分布ブラック反射型レーザを
歩留まりで提供できるものである。
このように本発明による半導体レーザは長距離・大容量
光通信およびコヒーレント光通信用光源としてその実用
価値は大きい。
尚、本発明における使用材料、製造法はこれに限定され
るものではない。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の第１の実施例によるＤＦＢ−ＬＤの断
面基本構造図、第２図は本発明の第２の実施例によるＤ
ＢＲ−ＬＤの断面基本構造図、第３図は実施例における
外部変調型ＤＦＢ−ＬＤの断面基本構造図、第４図は従
来例におけるＤＢＲ−ＬＤの断面基本構造図である。 １・・・ＩｎＰ基板、２・・・ＭＱＷ層、７・・・回折
格子、２１・・・活性領域、２２・・・光変調領域、２
３・・・光帰還域。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１の導電型の同一半導体基板上に活性
    層、回折格子、第２の導電型のエピタキシャル層、第２
    の導電型の第１の電極を含む第１の領域と前記第１の領
    域から発した光に対する光導波層を含む第２の領域を有
    し、前記第１の領域において活性層と前記第２の領域の
    光導波層が同一成長層の多重量子井戸層で構成され、か
    つ第１の領域における前記量子井戸層の井戸厚が第２の
    領域における井戸層厚より大きいことを特徴とする半導
    体レーザ装置。
  2. 【請求項２】第１の導電型の同一半導体基板上に活性層
    と第２の導電型のエピタキシャル層と第２の導電型の第
    １の電極を含む第１の領域と前記第１の領域から発した
    光に対する光導波層と回折格子を含む第２の領域を有
    し、前記第１の領域における活性層と前記第２の領域の
    光導波層が同一成長層の多重量子井戸層で構成され、か
    つ第１の領域における前記量子井戸層の井戸層厚が第２
    の領域における井戸層厚よりも大きいことを特徴とする
    半導体レーザ装置。
  3. 【請求項３】第２の領域において、第２の導電型の第２
    の電極を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項
    又は第２項記載の半導体レーザ装置。
  4. 【請求項４】第１，第２の領域の境界域に電気的分離機
    能を有する第３の領域を有することを特徴とする特許請
    求の範囲第１項又は第２項記載の半導体レーザ装置。
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