JPH07112096B2 - Semiconductor element - Google Patents
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- JPH07112096B2 JPH07112096B2 JP2309757A JP30975790A JPH07112096B2 JP H07112096 B2 JPH07112096 B2 JP H07112096B2 JP 2309757 A JP2309757 A JP 2309757A JP 30975790 A JP30975790 A JP 30975790A JP H07112096 B2 JPH07112096 B2 JP H07112096B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は化合物半導体pn接合を用いた光導波路型の半導
体素子に関する。特に、pnpまたはnpnの層構造に二つの
活性層が設けられた構造の光半導体素子に関する。The present invention relates to an optical waveguide type semiconductor device using a compound semiconductor pn junction. In particular, it relates to an optical semiconductor device having a structure in which two active layers are provided in a pnp or npn layer structure.
本発明は、同一光導波路内に二層の活性層を備えた光半
導体素子において、 二層の活性層のバンドギャップエネルギを実質的に等し
く形成することにより それぞれに注入される電流量およびその割合によって光
導波路の屈折率を変化させ、波長可変動作時または位相
変調時の光出力の低下を防止するとともに、スペクトル
線幅の拡がりを抑制するものである。The present invention relates to an optical semiconductor device having two active layers in the same optical waveguide, by forming the band gap energies of the two active layers substantially equal to each other, the amount of current injected into each and the ratio thereof. By this, the refractive index of the optical waveguide is changed to prevent the decrease of the optical output during the wavelength variable operation or the phase modulation, and to suppress the spread of the spectral line width.
〔従来の技術〕 半導体レーザや光増幅器、波長フィルタなどが発振、増
幅または透過する波長や位相を調整するため、その素子
に変調器を集積化することが有効である。例えば半導体
レーザの発振波長を調整するための構成としては、３電
極分布ブラグ反射型可変波長レーザ、２電極分布帰還型
可変波長レーザ、TTG（Tunable Twin-Guide）レーザな
どが従来から知られている。[Prior Art] Since a semiconductor laser, an optical amplifier, a wavelength filter, or the like adjusts the wavelength or phase of oscillation, amplification, or transmission, it is effective to integrate a modulator in the element. For example, a three-electrode distributed Bragg reflection variable wavelength laser, a two-electrode distributed feedback variable wavelength laser, a TTG (Tunable Twin-Guide) laser, etc. are conventionally known as a configuration for adjusting the oscillation wavelength of a semiconductor laser. .
３電極分布ブラグ反射型可変波長レーザは、光導波路に
沿って発光領域、位相調整領域および変調領域が配置さ
れ、それぞれの領域に別々のバイアス電極が設けらた構
造をもつ。発光領域には活性層が設けられ、電流注入に
よりレーザ光を発生する。位相調整領域および変調領域
には、活性層からの光を伝搬するようにガイド層が設け
られる。このガイド層は、活性層で発生した光を吸収し
ないように、活性層よりバンドギャップ波長の短い（バ
ンドギャップエネルギの大きい）組成の材料で形成され
る。変調領域のガイド層またはその近傍には、回折格子
が設けられる。The three-electrode distributed Bragg reflection type tunable wavelength laser has a structure in which a light emitting region, a phase adjusting region and a modulating region are arranged along an optical waveguide, and a separate bias electrode is provided in each region. An active layer is provided in the light emitting region, and laser light is generated by current injection. A guide layer is provided in the phase adjustment region and the modulation region so as to propagate the light from the active layer. The guide layer is formed of a material having a composition having a shorter bandgap wavelength (larger bandgap energy) than that of the active layer so as not to absorb the light generated in the active layer. A diffraction grating is provided at or near the guide layer in the modulation area.
この構造において、変調領域に電流を注入すると、ガイ
ド層を含む導波路の屈折率が変化し、回折格子のフィル
タ特性が変化する。これにより、活性層に帰還される波
長が変化し、発振波長を制御できる。位相変調領域は、
電流注入による導波路の屈折率変化により、活性領域の
発生する光と変調領域からの帰還光との位相を調整する
ものである。In this structure, when a current is injected into the modulation region, the refractive index of the waveguide including the guide layer changes, and the filter characteristic of the diffraction grating changes. As a result, the wavelength returned to the active layer changes, and the oscillation wavelength can be controlled. The phase modulation area is
By changing the refractive index of the waveguide due to current injection, the phases of the light generated in the active region and the feedback light from the modulation region are adjusted.
２電極分布帰還型可変波長レーザは、分布帰還型レーザ
が導波路方向に二つの領域に分割された構造をもつ。そ
れぞれの領域には、別々のバイアス電極が設けられる。The two-electrode distributed feedback type tunable laser has a structure in which the distributed feedback laser is divided into two regions in the waveguide direction. A separate bias electrode is provided in each region.
二つの領域のそれぞれの活性層に注入する電流の割合を
変えると、部分的に活性層の屈折率が変化し、発振波長
が制御される。When the ratio of the current injected into each active layer in the two regions is changed, the refractive index of the active layer is partially changed, and the oscillation wavelength is controlled.
この場合に、二つの領域に注入する電流の和を一定にし
ておけば、導波路全体としての光利得や損失がほぼ一定
に保たれ、光出力の低下は起こらない。また、ひとつの
活性層が導波路全体に形成されているので、部分的に電
流担体（以下「キャリア」という）の再結合によるキャ
リア密度の時間的揺らぎが起こっても、レーザ発振中は
全体として光利得が一定に保持される。したがって、キ
ャリアの減少を補償するようなキャリア励起の機構が働
き、活性層内におけるキャリア密度の揺らぎは小さく、
波長を変化させてもスペクトル線幅の増大は小さい。In this case, if the sum of the currents injected into the two regions is kept constant, the optical gain and loss of the waveguide as a whole are kept almost constant, and the optical output does not decrease. In addition, since one active layer is formed over the entire waveguide, even if there is a temporal fluctuation in carrier density due to recombination of current carriers (hereinafter referred to as "carriers"), the entire laser will oscillate during laser oscillation. The optical gain is kept constant. Therefore, the mechanism of carrier excitation that compensates for the decrease of carriers works, and the fluctuation of the carrier density in the active layer is small,
Even if the wavelength is changed, the increase in the spectral line width is small.
TTGレーザはpnpまたはnpnの層構造を備え、一方のpn接
合部には活性層、他方のpn接合部には変調層が設けられ
る。活性層の近傍には回折格子が設けられる。The TTG laser has a pnp or npn layer structure, in which one pn junction has an active layer and the other pn junction has a modulation layer. A diffraction grating is provided near the active layer.
この構造において、変調層に電流を注入すると、変調層
の屈折率が変化し、回折格子のフィルタ特性が変化す
る。これにより、発振波長が制御される。In this structure, when a current is injected into the modulation layer, the refractive index of the modulation layer changes and the filter characteristic of the diffraction grating changes. Thereby, the oscillation wavelength is controlled.
この構造は、導波路全体にわたって変調層の屈折率を一
様に変化させるので、光の位相条件が常に一定に保たれ
る。したがって、非常に広い範囲にわたって、連続する
位相で発振波長を変化させることができる。Since this structure changes the refractive index of the modulation layer uniformly over the entire waveguide, the phase condition of light is always kept constant. Therefore, it is possible to change the oscillation wavelength in a continuous phase over a very wide range.
３電極分布ブラグ反射型可変波長レーザについては、例
えば、 文献（１）ムラタ他、エレクトロニクス・レターズ第23
巻第403頁、1987年 （S.Murata et al.,Electron.Lett.,Vol.23,p403,198
7） 文献（２）コバヤシ他、ジャーナル・オブ・ライトウェ
イブ・テクノロジイ第1623頁、1988年 （K.Kobahasi et al.,J.Ligtwave Tech.,p.1623,1988） に詳しく説明されている。また、２電極分布帰還型可変
波長レーザについては、 文献（３）ヨシクニ他、エレクトロニクス・レターズ、
第1153頁、1986年 （Y.Yoshikuni et al.,Electron.Lett.,p.1153,1986） に、TTGレーザについては、 文献（４）レイク他、エレクトロニクス・レターズ、第
26巻、第47頁、1990年 （S.Illek et al.,Electron.Lett.,Vol.26,p.47,1990） 文献（５）ヤマモト他、ジャパニーズ・ジャーナル・オ
ブ・アプライド・フィジクス、第29巻、第79頁、1990年 （E.Yamamoto et al.,Jpn.J.Appl.Phys.,Vol.29,p.79,1
990） に詳しく説明されている。For the three-electrode distributed Bragg reflection type tunable laser, see, for example, Reference (1) Murata et al., Electronics Letters No. 23.
Volume 403, 1987 (S. Murata et al., Electron. Lett., Vol. 23, p403, 198
7) Reference (2) Kobayashi et al., Journal of Lightwave Technology, page 1623, 1988 (K.Kobahasi et al., J.Ligtwave Tech., P.1623,1988). . Regarding the two-electrode distributed feedback type tunable wavelength laser, see (3) Yoshikuni et al., Electronics Letters,
P. 1153, 1986 (Y. Yoshikuni et al., Electron. Lett., P. 1153, 1986), TTG laser is described in (4) Lake et al., Electronics Letters,
Vol. 26, p. 47, 1990 (S.Illek et al., Electron. Lett., Vol.26, p.47, 1990) Reference (5) Yamamoto et al., Japanese Journal of Applied Physics, No. Volume 29, p. 79, 1990 (E. Yamamoto et al., Jpn.J.Appl.Phys., Vol.29, p.79,1
990).
しかし、３電極分布ブラグ反射型可変波長レーザでは、
注入キャリアにより発振波長を制御する場合、変調領域
のガイド層に一定電流を注入すると、ガイド層内でのキ
ャリア再結合のため、キャリア密度が時間的に大きく揺
らいでしまう。このため屈折率の変化が引き起こされ、
スペクトル線幅が増大してしまう。この増大は、上述し
た文献（２）の実験値によると、波長を変調しないとき
の５ないし10倍程度にもなる。また、ガイド層内のキャ
リア密度が増すと、プラズマ吸収により導波路の内部損
失が増加し、光出力の低下を生じる。However, in the three-electrode distributed Bragg reflection tunable laser,
When the oscillation wavelength is controlled by the injected carriers, if a constant current is injected into the guide layer in the modulation region, carrier recombination in the guide layer causes the carrier density to fluctuate greatly with time. This causes a change in the refractive index,
The spectral line width increases. According to the experimental value of the above-mentioned document (2), this increase is about 5 to 10 times that when the wavelength is not modulated. Further, when the carrier density in the guide layer increases, the internal loss of the waveguide increases due to the plasma absorption, and the optical output decreases.
このように、３電極分布グラグ反射型可変波長レーザ
は、波長を変化させるとスペクトル線幅が増大し、光出
力が減少してしまう欠点があった。As described above, the three-electrode distributed grag reflection type variable wavelength laser has a drawback that the spectrum line width increases and the optical output decreases when the wavelength is changed.
２電極分布帰還型レーザは、導波路の一部の屈折率を変
化させるので、全体としての光位相条件が変化し、光の
位相の連続性を保ちながら変化させることのできる発振
波長の幅が小さい欠点があった。Since the two-electrode distributed feedback laser changes the refractive index of a part of the waveguide, the optical phase condition as a whole changes, and the width of the oscillation wavelength that can be changed while maintaining the continuity of the phase of the light. There was a small flaw.
TTGレーザでは、変調層の組成として、分布ブラッグ反
射型の場合と同様に、活性層よりバンドギャップ波長の
短いものが用いられる。このため、波長変調に伴う光出
力の低下や、スペクトル線幅の増大が避けられない欠点
があった。In the TTG laser, as the composition of the modulation layer, one having a bandgap wavelength shorter than that of the active layer is used as in the case of the distributed Bragg reflection type. For this reason, there is a drawback that the reduction of the optical output and the increase of the spectral line width due to the wavelength modulation cannot be avoided.
本発明は、以上の課題を解決し、変調時の光出力の低下
およびスペクトル線幅の増大の少ない光半導体素子を提
供することを目的とする。An object of the present invention is to solve the above problems and to provide an optical semiconductor element in which a decrease in optical output during modulation and an increase in spectral line width are small.
本発明の光半導体素子は、化合物半導体により形成され
たpnpまたはnpn層構造と、この層構造内の二つのpn接合
部にそれぞれ設けられた近接する層よりバンドギャップ
エネルギの小さい組成の二つの活性層とを備え、この二
つの活性層がひとつの光導波路内で共通の光ビームを形
成するように配置された光半導体素子において、二つの
活性層は、互いのバンドギャップエネルギが実質的に等
しく、かつそれぞれに注入される電流の量およびその割
合が制御されることにより光導波路全体としての屈折率
が変化するように形成されたことを特徴とする。The optical semiconductor device of the present invention comprises a pnp or npn layer structure formed of a compound semiconductor and two active layers each having a composition having a bandgap energy smaller than that of adjacent layers provided at two pn junctions in the layer structure. An optical semiconductor device in which the two active layers are arranged so as to form a common light beam in one optical waveguide, the two active layers have substantially equal band gap energies. Further, the refractive index of the entire optical waveguide is changed by controlling the amount and ratio of the current injected into each.
二つの活性層のバンドギャップ波長が実質的に等しいた
め、素子の動作時の光波長において、双方の活性層が光
利得を有することができる。このため、これらに注入す
る電流の大きさや割合を変化させると、二つの活性層内
あるいはその近傍のキャリア密度が変化し、導波路全体
としての屈折率が変化する。これを利用して、変調器を
集積した半導体レーザや、光増幅器、光フィルタを得
る。Since the band gap wavelengths of the two active layers are substantially equal to each other, both active layers can have optical gain at the optical wavelength when the device is operating. Therefore, when the magnitude or ratio of the current injected into these is changed, the carrier density in or near the two active layers changes, and the refractive index of the waveguide as a whole changes. Utilizing this, a semiconductor laser integrated with a modulator, an optical amplifier, and an optical filter are obtained.
例えば、導波路に対して垂直方向に反射端面を形成する
と、位相変調器集積レーザとして使用できる。また、両
端面に無反射膜を形成して、光増幅器として使用するこ
とができる。導波路内部に回折格子を形成すれば、可変
波長レーザとして使用できる。可変波長レーザの導波路
の両端面に無反射膜を形成すれば、可変波長フィルタと
して使用できる。For example, when the reflection end face is formed in the direction perpendicular to the waveguide, it can be used as a phase modulator integrated laser. Further, it can be used as an optical amplifier by forming antireflection films on both end faces. If a diffraction grating is formed inside the waveguide, it can be used as a tunable laser. If a non-reflective film is formed on both end faces of the waveguide of the variable wavelength laser, it can be used as a variable wavelength filter.
特に、レーザとして動作させる場合は、素子の動作時の
光波長帯で二つの活性層の双方に光利得をもたせる。こ
のとき、レーザ発振状態では、２電極分布帰還型レーザ
の場合と同様に、二つの活性層に注入する電流を変化さ
せても、光利得の和はほぼ一定に保たれ、キャリアの再
結合その他によるキャリア密度の時間的な揺らぎが補償
される。したがって、導波路に大量のキャリアを注入し
て屈折率を大きく変化させても、キャリア密度に依存し
た屈折率の時間的揺らぎが小さく、スペクトル線幅の増
大を抑制することができる。Particularly, when operating as a laser, both of the two active layers have optical gain in the optical wavelength band when the device is operating. At this time, in the laser oscillation state, as in the case of the two-electrode distributed feedback laser, even if the currents injected into the two active layers are changed, the sum of the optical gains is kept substantially constant, and the recombination of carriers and other factors are performed. The fluctuation of carrier density due to time is compensated. Therefore, even if a large amount of carriers are injected into the waveguide to largely change the refractive index, the temporal fluctuation of the refractive index depending on the carrier density is small, and the increase of the spectral line width can be suppressed.
本発明の素子に類似の構造として、本願発明者の一人
は、二つの活性層を備えたTTGレーザの構造について発
明し、既に特許出願した（特願平2-138857、「半導体発
光素子」、以下「先願」という）。この先願は、二つの
活性層のバンドギャップエネルギに差をもたせ、それぞ
れの利得を変化させることにより全体としての発振波長
を変化させるものであった。したがって、この先願では
波長可変範囲を広げることはできるが、スペクトル線幅
を小さくすることは考えていなかった。As a structure similar to the device of the present invention, one of the inventors of the present invention invented a structure of a TTG laser provided with two active layers, and has already applied for a patent (Japanese Patent Application No. 2-138857, “Semiconductor Light Emitting Device”, Hereinafter referred to as "first application"). In this prior application, the bandgap energies of the two active layers are made to have a difference, and the respective gains are changed to change the oscillation wavelength as a whole. Therefore, in this prior application, although the wavelength variable range can be widened, it was not considered to reduce the spectral line width.
これに対して本発明は、活性層のキャリア密度による屈
折率の変化を利用して波長を制御するものであり、波長
を変化させる原理が先願とは異なる。また、スペクトル
線幅の増大を防ぐことができることも先願とは異なる。On the other hand, the present invention controls the wavelength by utilizing the change of the refractive index due to the carrier density of the active layer, and the principle of changing the wavelength is different from the prior application. Moreover, it is also different from the previous application that the increase of the spectral line width can be prevented.
第１図は本発明第一実施例の光半導体素子を示す斜視図
であり、内部構造を示すため一部を切り欠いて示す。FIG. 1 is a perspective view showing an optical semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, with a part cut away to show the internal structure.
この素子は、化合物半導体としてInPおよびInGaAsPを用
いた長波長帯の可変波長レーザに本発明を実施したもの
であり、p+型InP基板１上にｐ型層２、ｎ型層５、ｐ型
層７を含むpnp層構造を備え、この層構造内の二つのpn
接合部にそれぞれ、近接する層よりバンドギャップエネ
ルギの小さい組成の二つの活性層４、６を備える。In this device, the present invention is applied to a long wavelength tunable laser using InP and InGaAsP as compound semiconductors, and a p-type layer 2, an n-type layer 5 and a p-type layer are formed on a p + -type InP substrate 1. A pnp layer structure including layer 7 is provided, and two pn layers in this layer structure are included.
Two active layers 4 and 6 each having a composition having a smaller bandgap energy than adjacent layers are provided at the junction.
ｐ型層２内には電流狭窄のためのｎ型層３が設けられ、
活性層４ないしｐ型層７はｎ型InP埋め込み層８により
埋め込まれる。ｐ型層７はp+型コンタクト層９を介して
電極12に接続され、埋め込み層８はn+型コンタクト層10
を介して電極13に接続される。コンタクト層９と10、電
極12と13は、SiO2絶縁膜11により絶縁される。基板１の
裏面には電極14が設けられる。An n-type layer 3 for current constriction is provided in the p-type layer 2,
The active layer 4 to the p-type layer 7 are filled with the n-type InP burying layer 8. The p-type layer 7 is connected to the electrode 12 through the p + -type contact layer 9, and the buried layer 8 is the n + -type contact layer 10.
It is connected to the electrode 13 via. The contact layers 9 and 10 and the electrodes 12 and 13 are insulated by the SiO 2 insulating film 11. An electrode 14 is provided on the back surface of the substrate 1.
ここで本実施例の特徴とするところは、二つの活性層
４、６は、互いのバンドギャップエネルギが実質的に等
しく形成されたことにある。Here, a feature of this embodiment is that the two active layers 4 and 6 are formed so that their band gap energies are substantially equal to each other.
第２図はこの素子の製造方法を示す。FIG. 2 shows a method of manufacturing this element.
まず、第２図（ａ）に示すように、基板１上に、ｐ型In
Pバッファ層21およびｎ型InP層31を順次成長させる。続
いてその表面に、P-CVD（プラズマ化学気相成長）法な
どによりSiO2膜201を堆積させ、ホトエッチングによ
り、下側（基板１側）の活性層に電流を注入する経路に
相当する部分に窓をあける。この窓のあいたSiO2膜201
を拡散マスクとして、Zn等のｐ型不純物を拡散させる。
これにより、ｎ型InP層31の一部にｐ型拡散層22が形成
され、残った部分が第１図に示したｎ型層３となる。First, as shown in FIG. 2A, p-type In is formed on the substrate 1.
The P buffer layer 21 and the n-type InP layer 31 are sequentially grown. Subsequently, a SiO 2 film 201 is deposited on the surface by a P-CVD (plasma chemical vapor deposition) method or the like, and it corresponds to a path for injecting a current into the lower (substrate 1 side) active layer by photoetching. Open a window in the part. SiO 2 film 201 with this window
Is used as a diffusion mask to diffuse a p-type impurity such as Zn.
As a result, the p-type diffusion layer 22 is formed on a part of the n-type InP layer 31, and the remaining part becomes the n-type layer 3 shown in FIG.
続いて、SiO2膜201を取り除いた後、第２図（ｂ）に示
すように、ｐ型InP層23、活性層４、ｎ型層層５、活性
層６、ｐ型InP層71およびｐ型InGaAsPガイド層72を成長
させる。ｐ型InP層23は、バッファ層21およびｐ型拡散
層22と共に、第１図に示したｐ型層２を構成する。二つ
の活性層４、６はInGaAsP、InGaAsなどで形成し、それ
ぞれのバンドギャップ波長λ91、λ92が実質的に等しく
なるようにする。ガイド層72の表面には、干渉露光法ま
たは電子ビーム露光法により、発振波長に応じた回折格
子を形成する。Then, after removing the SiO 2 film 201, as shown in FIG. 2B, the p-type InP layer 23, the active layer 4, the n-type layer layer 5, the active layer 6, the p-type InP layer 71 and the p-type InP layer 71 and p A type InGaAsP guide layer 72 is grown. The p-type InP layer 23 constitutes the p-type layer 2 shown in FIG. 1 together with the buffer layer 21 and the p-type diffusion layer 22. The two active layers 4 and 6 are made of InGaAsP, InGaAs or the like so that their band gap wavelengths λ 91 and λ 92 are substantially equal to each other. A diffraction grating according to the oscillation wavelength is formed on the surface of the guide layer 72 by an interference exposure method or an electron beam exposure method.
この後、第２図（ｃ）に示すように、ｐ型InPクラッド
層73およびｐ型InGaAsキャップ層74を成長させる。Thereafter, as shown in FIG. 2C, a p-type InP clad layer 73 and a p-type InGaAs cap layer 74 are grown.
次に、第２図（ｄ）に示すように、SiO2マスク202を用
いて、ホトエッチングにより、下側の活性層４より深い
位置までメサ加工する。エッチングされずに残ったInP
層71、ガイド層72、クラッド層73およびキャップ層74が
第１図に示したｐ型層７となる。エッチングされた部分
には、ｎ型InP埋め込み層８を成長させる。Next, as shown in FIG. 2D, a SiO 2 mask 202 is used to perform a mesa process by photoetching to a position deeper than the lower active layer 4. InP left unetched
The layer 71, the guide layer 72, the cladding layer 73 and the cap layer 74 become the p-type layer 7 shown in FIG. An n-type InP burying layer 8 is grown on the etched portion.
続いて、選択エピタキシャルマスク203を用いて、第２
図（ｅ）に示すように、キャップ層74の表面にp+型InP
層91およびp+型InGaAs層92を成長させ、第２図（ｆ）に
示すように、埋め込み層８の表面にn+型InP層101および
n+型InGaAs層102を成長させる。InP層91およびInGaAs層
92が第１図に示したコンタクト層９となり、InP層101お
よびInGaAs層102がコンタクト層10となる。これらは接
触抵抗を低減するためのものである。Then, using the selective epitaxial mask 203, the second
As shown in FIG. 6E, p + -type InP is formed on the surface of the cap layer 74.
A layer 91 and ap + type InGaAs layer 92 are grown, and an n + type InP layer 101 and a n + type InP layer 101 are formed on the surface of the buried layer 8 as shown in FIG. 2 (f).
An n + type InGaAs layer 102 is grown. InP layer 91 and InGaAs layer
92 serves as the contact layer 9 shown in FIG. 1, and the InP layer 101 and the InGaAs layer 102 serve as the contact layer 10. These are for reducing the contact resistance.
次に、第２図（ｇ）に示すように、表面にSiO2を堆積さ
せ、ホトエッチングにより窓をあけてSiO2絶縁膜11とす
る。次に、ｐ型のコンタクト層９には例えばAu/Cr、ｎ
型のコンタクト層10には例えばAuGeNiをパターンニング
し、電極12、13を形成する。電極12、13のパターンニン
グには、ホトエッチング法やリフトオフ法などを用い
る。さらに、基板１の裏面にもAu/Cr電極14を設け、熱
処理を施してアロイングする。Next, as shown in FIG. 2 (g), SiO 2 is deposited on the surface, and a window is opened by photoetching to form a SiO 2 insulating film 11. Next, for the p-type contact layer 9, for example, Au / Cr, n
The contact layer 10 of the mold is patterned with AuGeNi, for example, to form electrodes 12 and 13. For patterning the electrodes 12 and 13, a photoetching method, a lift-off method or the like is used. Further, an Au / Cr electrode 14 is also provided on the back surface of the substrate 1, and a heat treatment is performed for alloying.
最後に、チップを光導波路に対して垂直に劈開してレー
ザチップを得る。レーザ光の発振モードの単一性が悪い
ときには、さらに両端面に無反射膜を形成する。これに
より、可変波長レーザが得られる。Finally, the chip is cleaved perpendicularly to the optical waveguide to obtain a laser chip. When the oscillation mode of the laser beam is not uniform, antireflection films are further formed on both end faces. Thereby, a variable wavelength laser is obtained.
両端面に無反射膜を形成した場合には、この素子を可変
波長フィルタとして用いることもできる。また、回折格
子を設けず、両端面に劈開などによるミラーを形成した
場合には、この素子を位相変調器集積レーザとして用い
ることができる。回折格子を設けず、両端面に無反射膜
を形成すれば、光増幅器として用いることができる。When a non-reflective film is formed on both end faces, this element can also be used as a variable wavelength filter. When the diffraction grating is not provided and mirrors are formed on both end surfaces by cleavage, this element can be used as a phase modulator integrated laser. By forming a non-reflection film on both end surfaces without providing a diffraction grating, it can be used as an optical amplifier.
第３図は上述した光半導体素子駆動方法を示す図であ
り、この図では素子の断面を簡略化して示す。FIG. 3 is a diagram showing the above-mentioned method for driving an optical semiconductor element, and in this figure, the section of the element is simplified.
駆動回路301は、光半導体素子302の電極12、13間および
電極14、13間にそれぞれバイアス電流を供給する電流源
304、305を備え、さらに、電流源304、305からそれぞれ
活性層６、４に注入される電流の量およびその割合を制
御する制御回路303を備える。The drive circuit 301 is a current source that supplies a bias current between the electrodes 12 and 13 and between the electrodes 14 and 13 of the optical semiconductor element 302.
304 and 305, and a control circuit 303 for controlling the amount and ratio of the currents injected from the current sources 304 and 305 to the active layers 6 and 4, respectively.
ここで、光半導体素子302を可変波長レーザとして用い
る場合について説明する。Here, a case where the optical semiconductor element 302 is used as a variable wavelength laser will be described.
光半導体素子302は、電極12と13との間、および電極14
と13との間にそれぞれ順方向電流の大きさに応じて、二
つの活性層６、４がそれぞれ光利得または損失（負の光
利得）をもつ。このため、二つの活性層４、６の光利得
の和が共振器の損失と平衡した状態でレーザ発振する。
このとき、二つの活性層４、６に注入する電流の大きさ
や割合を変化させると、活性層４、６の各々のキャリア
密度が変化し、これに対応して活性層４、６の各々の屈
折率が変化し、最終的に、光導波路全体の屈折率が変化
する。これにより、回折格子のブラッグ波長が変化する
ので、レーザ発振波長を変化させることができる。The optical semiconductor device 302 includes an electrode 14 and an electrode 14 between the electrodes 12 and 13.
2 and 3, the two active layers 6 and 4 each have an optical gain or loss (negative optical gain) depending on the magnitude of the forward current. Therefore, laser oscillation occurs in a state where the sum of the optical gains of the two active layers 4 and 6 is in balance with the loss of the resonator.
At this time, when the magnitude or ratio of the current injected into the two active layers 4 and 6 is changed, the carrier density of each of the active layers 4 and 6 changes, and correspondingly, the carrier density of each of the active layers 4 and 6 changes. The refractive index changes, and finally the refractive index of the entire optical waveguide changes. As a result, the Bragg wavelength of the diffraction grating changes, so that the laser oscillation wavelength can be changed.
光半導体素子302の動作時の光波長帯において、二つの
活性層４、６の双方に光利得をもたせた状態で使用すれ
ば、二つの活性層４、６に注入する電流を変化させて
も、レーザ発振状態であれば、二つの活性層による光利
得の和がほぼ一定に保たれ、キャリアの再結合その他に
よるキャリア密度の時間的な揺らぎが補償される。した
がって、光導波路全体の屈折率を変化させても、キャリ
ア密度に依存した屈折率の時間的揺らぎは小さく、スペ
クトル線幅に対する影響が小さい。When the optical semiconductor device 302 is used in a light wavelength band during operation, with both of the two active layers 4 and 6 being provided with an optical gain, even if the current injected into the two active layers 4 and 6 is changed. In the laser oscillation state, the sum of the optical gains of the two active layers is kept substantially constant, and the temporal fluctuation of carrier density due to carrier recombination and the like is compensated. Therefore, even if the refractive index of the entire optical waveguide is changed, the temporal fluctuation of the refractive index depending on the carrier density is small and the influence on the spectral line width is small.
光半導体素子302を可変波長フィルタとして用いる場合
には、光半導体素子302として両端面に無反射被膜が設
けられたものを用いる。このとき、電流源304、305から
それぞれ活性層６、４に注入される電流の大きさを抑
え、レーザ発振しない状態で使用する。このとき、入射
光の波長および光半導体素子302内の回折格子のブラッ
グ波長が、活性層４、６のバンドギャップ波長より長波
長となるように設定する。この設定により、フィルタ内
の光吸収を小さくすることができる。When the optical semiconductor element 302 is used as a variable wavelength filter, an optical semiconductor element 302 having antireflection coatings on both end surfaces is used. At this time, the magnitudes of the currents injected from the current sources 304 and 305 into the active layers 6 and 4 are suppressed, and the lasers are used without being oscillated. At this time, the wavelength of the incident light and the Bragg wavelength of the diffraction grating in the optical semiconductor element 302 are set to be longer than the bandgap wavelengths of the active layers 4 and 6. With this setting, light absorption in the filter can be reduced.
光半導体素子302を位相変調器集積レーザまたは位相変
調器集積増幅器として使用する場合には、光半導体素子
302として回折格子を含まないものを用いる。そして、
同等の動作方法により光導波路の屈折率を変化させれ
ば、共振器（あるいは光導波路）の光学的な長さを変え
られるので、光の位相を変調することができる。光導波
路の両端面にミラーを形成した場合は位相変調器集積レ
ーザとなり、光導波路の両端面に無反射膜を形成した場
合には、位相変調器集積光増幅器となる。When the optical semiconductor device 302 is used as a phase modulator integrated laser or a phase modulator integrated amplifier,
As 302, one not including a diffraction grating is used. And
If the refractive index of the optical waveguide is changed by an equivalent operation method, the optical length of the resonator (or the optical waveguide) can be changed, so that the phase of light can be modulated. When mirrors are formed on both end faces of the optical waveguide, it becomes a phase modulator integrated laser, and when antireflection films are formed on both end faces of the optical waveguide, it becomes a phase modulator integrated optical amplifier.
ここで、活性層４、６のキャリア密度および屈折率の変
化について説明する。Here, changes in the carrier density and the refractive index of the active layers 4 and 6 will be described.
第４図は活性層のキャリア密度Ｎと実効的光利得Geffと
の関係を定性的に示す図である。FIG. 4 is a diagram qualitatively showing the relationship between the carrier density N of the active layer and the effective optical gain G eff .
ここで、適当な電流注入状態を想定し、そのときの一方
の活性層（以下「第一の活性層」という）の実効的光利
得をG1eff、キャリア密度をN1とし、他方の活性層（以
下「第二の活性層」という）の実効的光利得をG2eff、
キャリア密度をN2とする。G1eff、G2effは、可変波長レ
ーザや可変波長フィルタとして使用する場合には、ブラ
ッグ波長における光の閉じ込めも考慮した実効的な利得
を表す。また、位相変調器集積レーザや位相変調器集積
光増幅器として使用する場合には、変調する光の波長に
おける光の閉じ込めも考慮した実効的な利得を表す。Here, assuming an appropriate current injection state, the effective optical gain of one active layer (hereinafter referred to as “first active layer”) at that time is G 1eff , the carrier density is N 1 , and the other active layer is The effective optical gain (hereinafter referred to as “second active layer”) is G 2eff ,
The carrier density is N 2 . When used as a tunable laser or a tunable wavelength filter, G 1eff and G 2eff represent effective gains in consideration of light confinement at the Bragg wavelength. When used as a phase modulator integrated laser or a phase modulator integrated optical amplifier, it represents an effective gain in consideration of light confinement at the wavelength of light to be modulated.
レーザの発振条件は、共振器損失が光利得の平衡する状
態であるから、 Geff(N1,N2)＝αｃ ……（１） と表される。ここでαｃは共振器の損失である。この損
失αｃはその共振器の材料や構造によりほぼ決定され、
キャリア密度による変化はあるものの非常に小さく、ほ
とんど変化しないものと考えることができる。また、 Geff(N1,N2)＝G1eff(N1)＋G2eff(N2) ……（２） でもある。さらに、G1eff、G2effについては、 G1eff＝G1・Γ１ ……（３） G2eff＝G2・Γ２ ……（４） と表される。ここで、 G1、G2：各々の活性層の光利得 Γ１、Γ２：各々の活性層の光閉じ込め係数 である。The laser oscillation condition is expressed as G eff (N 1 , N 2 ) = α c (1) because the resonator loss is a state in which the optical gain is balanced. Where α c is the loss of the resonator. This loss α c is almost determined by the material and structure of the resonator,
Although there is a change due to the carrier density, it is very small and can be considered to hardly change. Also, G eff (N 1 , N 2 ) = G 1eff (N 1 ) + G 2eff (N 2 ) ... (2). Furthermore, regarding G 1eff and G 2eff , G 1eff = G 1 · Γ 1 (3) G 2eff = G 2 · Γ 2 (4) Here, G 1 and G 2 : optical gain of each active layer Γ 1 and Γ 2 : optical confinement coefficient of each active layer.
いま、光導波路全体の屈折率を変化させるために、二つ
の活性層に注入する電流の大きさを相対的に変化させる
場合を考える。この変化により、第一の活性層のキャリ
ア密度がN10からN10′に増加したとする。このとき、こ
の活性層の光利得はΔG1effだけ増大する。この一方
で、αｃがほとんど変化しないので、Geffを一定の大き
さに保つようなキャリア密度の変化が第二の活性層に生
じる。このキャリア密度の変化による第二の活性層の光
利得の変化量ΔG2effは、 ΔG2eff＝−ΔG1eff ……（５） となる。この利得変化に対応した各々の活性層のキャリ
ア密度の変化量をそれぞれΔN1、ΔN2とする。このと
き、動作時の各々の活性層の微分利得を、光閉じ込め係
数を考慮して、 となるように素子構造を設計しておく。この式は、〔第
二の活性層の光閉じ込め係数〕×〔N1＝N10のときの微
分利得の絶対値〕＜〔第一の活性層の光閉じ込め係数〕
×〔N2＝N20のときの微分利得の絶対値〕という意味で
ある。Now, consider a case where the magnitudes of the currents injected into the two active layers are relatively changed in order to change the refractive index of the entire optical waveguide. This change, and the carrier density of the first active layer is increased from N 10 to N 10 '. At this time, the optical gain of this active layer increases by ΔG 1eff . On the other hand, since α c hardly changes, the carrier density changes so as to keep G eff at a constant value in the second active layer. The change amount ΔG 2eff of the optical gain of the second active layer due to the change of the carrier density is ΔG 2eff = −ΔG 1eff (5). The amount of change in carrier density of each active layer corresponding to this change in gain is ΔN 1 and ΔN 2 , respectively. At this time, considering the optical confinement coefficient, the differential gain of each active layer during operation, The element structure is designed so that This formula is [optical confinement coefficient of second active layer] × [absolute value of differential gain when N 1 = N 10 ] <[optical confinement coefficient of first active layer]
X [absolute value of differential gain when N 2 = N 20 ].
ここで、実効的なキャリア密度の変化は、 ｜ΔGeff｜＝｜Γ１・｜ΔN1｜−Γ２・｜ΔN2|| ……
（７） で表され、（６）式の条件において（５）式が満たされ
るときには、（７）式の右辺は明らかに正となる。これ
はΔGeff≠０であることを意味し、光利得の和を一定に
保ちながら、二つの活性層の全体としての光閉じ込めも
考慮した実効的なキャリア密度を変化させることが可能
であることがわかる。すなわち、全体としての光利得を
一定に保ちながら、各層の光の閉じ込めも考慮した実効
的なキャリア密度を変化させて波長を変えることができ
る。Here, the effective change in carrier density is: | ΔG eff | = | Γ 1 · | ΔN 1 | −Γ 2 · | ΔN 2 ||
When the expression (7) is satisfied and the expression (5) is satisfied under the condition of the expression (6), the right side of the expression (7) is obviously positive. This means that ΔG eff ≠ 0, and it is possible to change the effective carrier density considering the optical confinement of the two active layers as a whole while keeping the sum of optical gains constant. I understand. That is, it is possible to change the wavelength by changing the effective carrier density in consideration of light confinement in each layer while keeping the optical gain as a whole constant.
次に、活性層の屈折率変化について説明する。Next, the change in the refractive index of the active layer will be described.
注入キャリアによる屈折率の変化の主なメカニズムとし
ては、 （ａ）キャリアのプラズマ効果 （ｂ）バンドフィリング効果 （ｃ）エキシトンクエンチング効果 （ｄ）バンドシュリンケージ効果 （ｅ）ジュール熱による発熱 の５つが考えられる。これらについて、以下順に説明す
る。The main mechanism of the change in the refractive index by the injected carriers is (a) carrier plasma effect, (b) band filling effect, (c) exciton quenching effect, (d) band shrinkage effect, and (e) heat generation by Joule heat. One can be considered. These will be described in order below.
（ａ）キャリアのプラズマ効果 例えば、第一の活性層のプラズマ効果による屈折率変化
ΔnPL1は、 と表される。ここで、 q:素電荷 λ０：真空中の光波長 ε０：真空中の誘電率 c:真空中の光速度 m1：第一の活性層内の電子の有効質量 である。（８）式からわかるように、屈折率は、活性層
内のキャリア密度の変化ΔN1に比例して変化する。(A) Plasma effect of carriers For example, the refractive index change Δn PL1 due to the plasma effect of the first active layer is Is expressed as Here, q: elementary charge λ 0 : light wavelength in vacuum ε 0 : permittivity in vacuum c: light velocity in vacuum m 1 : effective mass of electrons in the first active layer. As can be seen from the equation (8), the refractive index changes in proportion to the change ΔN 1 of the carrier density in the active layer.
（ｂ）バンドフィリング効果 バルク結晶の場合のバンドフィリング効果の定性的な説
明を第５図および第６図に示す。第５図は電子のポテン
シャルエネルギと状態密度ρとの関係を示し、第６図
（ａ）ないし（ｃ）は光エネルギに対する光の吸収係数
α、吸収係数の変化−Δαおよび屈折率の変化Δｎをそ
れぞれ示す。(B) Band-filling effect A qualitative explanation of the band-filling effect in the case of a bulk crystal is shown in FIGS. 5 and 6. FIG. 5 shows the relationship between the potential energy of electrons and the density of states ρ, and FIGS. 6A to 6C show the absorption coefficient α of light, the change of absorption coefficient−Δα, and the change Δn of refractive index with respect to light energy. Are shown respectively.
第５図に示すように、活性層へのキャリア注入量が増大
すると、バンド端近傍の許容帯が順次キャリアにより占
有され、実効的にバンドギャップエネルギが大きくな
る。したがって、第６図（ａ）に示すように、光吸収係
数の吸収端が高エネルギ側へシフトし、第６図（ｂ）に
示すように、光吸収スペクトルの変化が生じる。この変
化は、クラマース・クロニッヒの関係式 h:プランクの定数 E:光エネルギ α：吸収係数 により、屈折率の変化と関係付けられる。したがって、
第６図（ｃ）に示すように、発振波長帯で屈折率が低下
する。近似的には、光エネルギに依存した係数Ｂ（Ｅ）
を用いて、屈折率の変化量を表すことができる。例えば
第一の活性層の屈折率の変化量は、 ΔnBF（Ｅ）＝BE・ΔN1 ……（10） と表される。ただし、Ｂ（Ｅ）＜０である。As shown in FIG. 5, when the amount of carriers injected into the active layer is increased, the permissible band near the band edge is sequentially occupied by the carriers, and the band gap energy is effectively increased. Therefore, as shown in FIG. 6 (a), the absorption edge of the light absorption coefficient shifts to the high energy side, and as shown in FIG. 6 (b), the light absorption spectrum changes. This change is due to the Kramers-Kronig relational expression h: Planck's constant E: Light energy α: Absorption coefficient, which is related to the change in refractive index. Therefore,
As shown in FIG. 6 (c), the refractive index decreases in the oscillation wavelength band. Approximately, the coefficient B (E) depending on the light energy
Can be used to express the amount of change in the refractive index. For example, the amount of change in the refractive index of the first active layer is expressed as Δn BF (E) = BE · ΔN 1 (10). However, B (E) <0.
係数Ｂ（Ｅ）はキャリア注入による吸収端のシフト量に
より決まるが、これは、キャリアの溜まる活性層の体積
に反比例する。したがって、活性層を薄いバルクや多重
量子井戸構造で形成した場合には、この効果がより大き
くなる。The coefficient B (E) is determined by the amount of shift of the absorption edge due to carrier injection, which is inversely proportional to the volume of the active layer in which carriers are accumulated. Therefore, when the active layer is formed with a thin bulk or a multiple quantum well structure, this effect becomes larger.
（ｃ）エキシトンクエンチング効果 ）エキシトンクエンチング効果による屈折率変化の定性
的な説明を第７図に示す。第７図（ａ）は光エネルギＥ
に対する光の吸収係数αを示し、同図（ｂ）は吸収係数
の変化Δαを示し、同図（ｃ）は屈折率の変化Δｎを示
す。(C) Exciton quenching effect) FIG. 7 shows a qualitative explanation of the change in refractive index due to the exciton quenching effect. FIG. 7A shows the light energy E.
Shows the absorption coefficient α of light, FIG. 6B shows the change Δα in the absorption coefficient, and FIG. 6C shows the change Δn in the refractive index.
活性層を多重量子井戸構造などで形成すると、量子井戸
内では、室温状態でもエキシトンが形成される。エキシ
トンとは、電子と正孔とが局在化して緩く束縛された状
態である。このエキシトンは、緩く束縛されているの
で、自由なキャリアよりもポテンシャルエネルギが小さ
い。このため、それに相当する分だけ遷移エネルギが小
さくなり、第７図（ａ）に示すように、通常の量子準位
間の遷移による吸収端よりも低エネルギ側に大きな吸収
ピークを作る。第７図（ａ）には、 〔第一準位の電子エネルギe1〕−〔第一準位の正孔のエ
ネルギhh1〕 のエトキシトン吸収のピークを示す。When the active layer is formed to have a multiple quantum well structure or the like, excitons are formed in the quantum well even at room temperature. The exciton is a state in which electrons and holes are localized and loosely bound. Since the excitons are loosely bound, they have a smaller potential energy than free carriers. Therefore, the transition energy is reduced by an amount corresponding to that, and as shown in FIG. 7 (a), a large absorption peak is formed on the lower energy side than the absorption edge due to the transition between normal quantum levels. FIG. 7A shows a peak of ethoxyton absorption of [electron energy e 1 of the first level]-[energy hh 1 of holes of the first level].
しかし、量子井戸内に多数のキャリアが注入されると、
このエトキシトン（およびエトキシトンによる吸収）が
消滅することが知られている。このため、第７図
（ｂ）、（ｃ）に示したように、吸収端エネルギに近い
エネルギをもった光に対して、活性層のキャリア注入前
後における吸収係数の変化を起こすバンドフィリング効
果を更に強調することになる。したがって、吸収端に近
いエネルギをもった光に対して、導波路の屈折率を小さ
くする効果がある。However, when a large number of carriers are injected into the quantum well,
It is known that this ethoxyton (and absorption by ethoxyton) disappears. Therefore, as shown in FIGS. 7B and 7C, a band-filling effect that causes a change in absorption coefficient before and after carrier injection in the active layer is obtained with respect to light having an energy close to the absorption edge energy. It will be further emphasized. Therefore, there is an effect of reducing the refractive index of the waveguide for light having energy close to the absorption edge.
（ｄ）バンドシュリンケージ効果 バンドフィリングが生じるような高密度にキャリアが局
在化すると、クーロン力により、電導帯の電子と価電子
帯の正孔とが相互作用し、バンドギャップエネルギが実
効的に小さくなる。これはバンドフィリングと相対する
効果であり、同様なメカニズムで、屈折率を大きくする
効果がある。(D) Band shrinkage effect When carriers are localized at a high density so that band filling occurs, Coulomb force causes electrons in the conduction band and holes in the valence band to interact with each other, resulting in effective band gap energy. Becomes smaller. This is an effect opposite to band-filling, and has a similar mechanism to increase the refractive index.
（ｅ）ジュール熱による発熱 発熱による光導波路の温度上昇は、 （１）結晶の屈折率の増大 （２）光導波路の膨張（回折格子のピッチの増大） の二つの変化を引き起こす。(E) Heat generation due to Joule heat The temperature rise of the optical waveguide due to heat generation causes two changes: (1) increase in refractive index of crystal (2) expansion of optical waveguide (increase in pitch of diffraction grating).
（ａ）ないし（ｄ）の効果については、例えば、 文献（６）メンザ・アルバレツ他、ジャーナル・オブ・
ライトウェイブテクノロジ、第６巻、第793頁、1988年 （J.G.Mendza-Alvarez et al.,J.Light-wave Tech.,Vo
l.6,p.793,1988） 文献（７）花泉 他、OQE90-44 文献（８）ヨシムラ他、エクステンデド、アブストラク
ト・オブ・ザ・19ス・コンファレンス・オン・ソリッド
・ステイト・デバイセス・アンド・マテリアルズ、開催
地 東京、第371頁、1987年 （H.Yoshimura et al.,Extecded Abstract on the 19th
Conf.on Solid State Devices and Materials,Tokyo,p
371,1987） 文献（９）ボッテルドーレン他、アプライド・フィジク
ス・レターズ、第54巻、第1989頁、1989年 （D.Botteldooren ＆ R.Baets,Appl.Phys.Lett.,Vol.5
4,p.1989.1989） にそれぞれ説明されている。For the effects of (a) to (d), see, for example, Document (6) Menza Alvarez et al., Journal of.
Lightwave Technology, Volume 6, Page 793, 1988 (JGMendza-Alvarez et al., J. Light-wave Tech., Vo
l.6, p.793,1988) Reference (7) Hanaizumi et al., OQE90-44 Reference (8) Yoshimura et al., Extended, Abstract of the 19th Conference on Solid State Devices and Materials, Venue Tokyo, p.371, 1987 (H. Yoshimura et al., Extecded Abstract on the 19th
Conf.on Solid State Devices and Materials, Tokyo, p
371, 1987) Reference (9) Bottterdolen et al., Applied Physics Letters, 54, 1989, 1989 (D.Botteldooren & R.Baets, Appl.Phys.Lett., Vol.5)
4, p.1989.1989).
第８図は本発明第二実施例の光半導体素子を示す斜視図
であり、内部構造を示すため一部を切り欠いて示す。FIG. 8 is a perspective view showing an optical semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, a part of which is cut away to show the internal structure.
この素子は、構造的にはほぼ第一実施例と同等である
が、ｐ型層２およびｎ型層３の形成方法と、ｐ型層７お
よび埋め込み層８の形成方法とが異なるために若干の差
異がある。This device is structurally almost the same as that of the first embodiment, but it is slightly different because the method of forming the p-type layer 2 and the n-type layer 3 is different from the method of forming the p-type layer 7 and the buried layer 8. There is a difference.
第９図はこの素子の製造方法を示す。FIG. 9 shows a method of manufacturing this element.
まず、第９図（ａ）に示すように、基板１上にｐ型InP
バッファ層21を成長させ、P-CVD法などによりSiO2膜801
を堆積させた後、ホトエッチングにより、下側の活性層
に電流を注入する経路に相当する部分を残してバッファ
層21をエッチングする。このエッチングのときSiO2膜80
1上にはレジストが残っているが、このレジストを除去
し、SiO2膜801をマスクとして、ｎ型層３を選択成長さ
せる。First, as shown in FIG. 9A, p-type InP is formed on the substrate 1.
The buffer layer 21 is grown, and the SiO 2 film 801 is formed by the P-CVD method or the like.
After depositing, the buffer layer 21 is etched by photoetching, leaving a portion corresponding to a path for injecting a current into the lower active layer. During this etching, the SiO 2 film 80
Although the resist remains on the layer 1, the resist is removed and the n-type layer 3 is selectively grown using the SiO 2 film 801 as a mask.
続いて、SiO2膜801を取り除き、第９図（ｂ）に示すよ
うに、ｐ型InP層23、活性層４、ｎ型層５、活性層６、
ｐ型InP層71およびｐ型InGaAsPガイド層72を成長させ
る。ｐ型InP層23は、バッファ層21と共に、第８図に示
したｐ型層２を構成する。二つの活性層４、６はInGaAs
P、InGaAsなどで形成し、それぞれのバンドギャップ波
長λ91、λ92が実質的に等しくなるようにする。ガイド
層72の表面には、干渉露光法または電子ビーム露光法に
より、発振波長に応じた回折格子を形成する。Then, the SiO 2 film 801 is removed, and as shown in FIG. 9B, the p-type InP layer 23, the active layer 4, the n-type layer 5, the active layer 6,
A p-type InP layer 71 and a p-type InGaAsP guide layer 72 are grown. The p-type InP layer 23 constitutes the p-type layer 2 shown in FIG. 8 together with the buffer layer 21. The two active layers 4 and 6 are InGaAs
The band gap wavelengths λ 91 and λ 92 are made substantially equal to each other by using P, InGaAs or the like. A diffraction grating according to the oscillation wavelength is formed on the surface of the guide layer 72 by an interference exposure method or an electron beam exposure method.
この後、第９図（ｃ）に示すように、薄いｐ型InP層75
を再成長させ、SiO2膜802を堆積し、ホトエッチング法
により、下側の活性層４より深い位置までメサ状にエッ
チングする。さらに、SiO2膜802をマスクとして、第一
のｎ型InP埋め込み層81を成長させる。Then, as shown in FIG. 9C, a thin p-type InP layer 75 is formed.
Are regrown to deposit a SiO 2 film 802, and are etched in a mesa shape to a position deeper than the lower active layer 4 by a photoetching method. Further, using the SiO 2 film 802 as a mask, the first n-type InP buried layer 81 is grown.
次に、第９図（ｄ）に示すように、SiO2膜802を取り除
き、ｐ型InPクラッド層73およびp+型InGaAsキャップ層7
4を成長させる。さらに、SiO2膜803を堆積させ、ホトエ
ッチング法により、クラッド層73およびキャップ層74を
メサ加工する。このとき、以前にメサ加工された活性層
４、６を中心として、これより広い幅のメサが得られる
ように加工する。Next, as shown in FIG. 9D, the SiO 2 film 802 is removed, and the p-type InP clad layer 73 and the p + -type InGaAs cap layer 7 are removed.
Grow 4 Further, a SiO 2 film 803 is deposited, and the clad layer 73 and the cap layer 74 are mesa processed by a photoetching method. At this time, processing is performed so that a mesa having a wider width than the active layers 4 and 6 that have been previously mesa processed can be obtained.
さらに、第９図（ｅ）に示すように、SiO2膜803を用い
て第二のｎ型InP埋め込み層82を成長させる。この二つ
の埋め込み層81、82により、第８図に示した埋め込み層
８が得られる。さらに、SiO膜を堆積させ、ホトエッチ
ング法により埋め込み層８のコンタクト部に窓を開け、
ｎ型InP層およびn+型InGaAs層を選択成長させてコンタ
クト層10を形成する。Further, as shown in FIG. 9E, a second n-type InP buried layer 82 is grown using the SiO 2 film 803. The buried layer 8 shown in FIG. 8 is obtained by the two buried layers 81 and 82. Further, a SiO film is deposited, and a window is opened in the contact portion of the embedding layer 8 by the photoetching method,
A contact layer 10 is formed by selectively growing the n-type InP layer and the n + -type InGaAs layer.
次に、第９図（ｆ）に示すように、表面にSiO2を堆積さ
せ、ホトエッチングにより、コンタクト部分に窓をあけ
てSiO2絶縁膜11とする。さらに、ｐ型の電極12として例
えばAu/Cr、ｎ型の電極13として例えばAuGeNiをパター
ンニングする。このパターンニングには、ホトエッチン
グ法やリフトオフ法などを用いる。さらに、基板１の裏
面にもAu/Cr電極14を設け、熱処理を施してアロイング
する。Next, as shown in FIG. 9 (f), SiO 2 is deposited on the surface, and a window is opened in the contact portion by photoetching to form the SiO 2 insulating film 11. Further, for example, Au / Cr is patterned as the p-type electrode 12, and AuGeNi is patterned as the n-type electrode 13. A photo-etching method, a lift-off method, or the like is used for this patterning. Further, an Au / Cr electrode 14 is also provided on the back surface of the substrate 1, and a heat treatment is performed for alloying.
最後に、チップを光導波路に対して垂直に劈開してレー
ザチップを得る。レーザ光の発振モードの単一性が悪い
ときには、さらに両端面に無反射膜を形成する。これに
より、可変波長レーザが得られる。Finally, the chip is cleaved perpendicularly to the optical waveguide to obtain a laser chip. When the oscillation mode of the laser beam is not uniform, antireflection films are further formed on both end faces. Thereby, a variable wavelength laser is obtained.
また、第一実施例の場合と同様に、両端面に無反射膜を
形成した場合には、この素子を可変波長フィルタとして
用いることもできる。回折格子を設けず、両端面に劈開
などによるミラーを形成した場合には、この素子を位相
変調器集積レーザとして用いることができる。回折格子
を設けず、両端面に無反射膜を形成すれば、光増幅器と
して用いることができる。Further, as in the case of the first embodiment, when a non-reflection film is formed on both end faces, this element can be used as a variable wavelength filter. When a diffraction grating is not provided and mirrors are formed on both end faces by cleavage, this element can be used as a phase modulator integrated laser. By forming a non-reflection film on both end surfaces without providing a diffraction grating, it can be used as an optical amplifier.
以上の実施例では活性層としてバルク結晶を用いた場合
について説明したが、多重量子井戸構造を用いても同様
に本発明を実施できる。その場合には、二つの活性層の
一方だけを多重量子井戸構造としてもよく、双方を多重
量子井戸構造としてもよい。In the above embodiments, the case where the bulk crystal is used as the active layer has been described, but the present invention can be similarly implemented by using the multiple quantum well structure. In that case, only one of the two active layers may have a multiple quantum well structure, or both may have a multiple quantum well structure.
第10図および第11図にバルク結晶の活性層と多重量子井
戸構造の活性層との違いを示す。第10図は状態密度分布
を示し、第11図は活性層内のキャリア密度Ｎに対する実
効的光利得Geffを示す。それぞれの図において、（ａ）
がバルクの場合を示し、（ｂ）が多重量子井戸構造の場
合を示す。10 and 11 show the difference between the bulk crystal active layer and the active layer having the multiple quantum well structure. FIG. 10 shows the density of states distribution, and FIG. 11 shows the effective optical gain G eff with respect to the carrier density N in the active layer. In each figure, (a)
Shows the case of a bulk, and (b) shows the case of a multiple quantum well structure.
多重量子井戸構造では、第10図（ｂ）に示すように、状
態密度が段階状となる。このため、バルクの場合と比較
すると、微分利得dGeff/dNが低キャリア注入状態で大き
くなり、高注入すると、利得飽和が強く現れて微分利得
が小さくなる。これは第11図（ａ）、（ｂ）に示したと
おりである。第４図の説明で述べたように、実効的な屈
折率変化は、注入キュリア密度にＮに対する微分利得の
非線形性、すなわち利得飽和が強いほど効率的である。
したがって、多重量子井戸構造を用いれば、大きな波長
変化や位相変化が得られる。In the multiple quantum well structure, as shown in FIG. 10 (b), the density of states becomes stepwise. Therefore, as compared with the case of bulk, the differential gain dG eff / dN becomes large in the low carrier injection state, and when high injection is made, the gain saturation appears strongly and the differential gain becomes small. This is as shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b). As described in the explanation of FIG. 4, the effective refractive index change is more efficient as the nonlinearity of the differential gain with respect to the injected Curia density, that is, the stronger the gain saturation.
Therefore, a large wavelength change and a large phase change can be obtained by using the multiple quantum well structure.
以上の説明では、化合物半導体としてInPおよびInGaAsP
を用いた例について説明したが、GaAs系などの他の化合
物半導体を用いても本発明を同様に実施できる。In the above description, InP and InGaAsP were used as compound semiconductors.
However, the present invention can be similarly implemented by using other compound semiconductors such as GaAs.
以上説明したように、本発明の光半導体素子は、屈折率
が変調される二つの光導波路が、動作時の光波長に対し
て共に利得を有する活性層で形成されている。このた
め、二つの活性層に注入する電条件を適当に設定するこ
とにより、光出力をほぼ一定に保ったまま光を変調する
ことがきる。As described above, in the optical semiconductor element of the present invention, the two optical waveguides whose refractive index is modulated are formed by the active layer having both gains for the optical wavelength during operation. Therefore, it is possible to modulate the light while keeping the light output substantially constant by appropriately setting the electric conditions for injecting the two active layers.
特に本発明の素子をレーザとして使用するときには、素
子の動作時の光波長帯で二つの活性層の双方に光利得が
あることから、それぞれの活性層に注入する電流を変化
させても、リーザ発振状態では二つの活性層による光利
得の和がほぼ一定に保たれる。このため、活性層内での
キャリアの再結合その他によるキャリア密度の時間的揺
らぎが補償される。したがって、キャリアを大量に注入
して光導波路の屈折率を大きく変化させた場合でも、キ
ャリア密度に依存した屈折率の時間的揺らぎによって生
じるスペクトル線幅の増大が小さい。In particular, when the device of the present invention is used as a laser, both the two active layers have an optical gain in the optical wavelength band during the operation of the device. Therefore, even if the current injected into each active layer is changed, In the oscillating state, the sum of the optical gains of the two active layers is kept almost constant. Therefore, temporal fluctuation of carrier density due to recombination of carriers in the active layer and the like is compensated. Therefore, even when a large amount of carriers are injected and the refractive index of the optical waveguide is largely changed, the increase in the spectral line width caused by the temporal fluctuation of the refractive index depending on the carrier density is small.
第１図は本発明第一実施例の光半導体素子を示す斜視
図、 第２図はこの素子の製造方法を示す図。 第３図は光半導体素子の駆動方法を示す図。 第４図は活性層のキャリア密度Ｎと実効的光利得Geffと
の関係を定性的に示す図。 第５図はバンドフィリング効果の定性的な説明を示す図
であり、電子のポテンシャルエネルギと状態密度ρとの
関係を示す図。 第６図はバンドフィリング効果の定性的な説明を示す図
であり、光エネルギに対する光の吸収係数α、吸収係数
の変化−Δαおよび屈折率の変化Δｎを示す図。 第７図はエキシトンクエンチング効果による屈折率変化
の定性的な説明を示す図であり、光エネルギＥに対する
光の吸収係数α、吸収係数の変化Δαおよび屈折率の変
化Δｎを示す図。 第８図は本発明第二実施例の光半導体素子を示す斜視
図。 第９図は製造方法を示す図。 第10図はバルク結晶の活性層と多重量子井戸構造の活性
層との状態密度分布の違いを示す図。 第11図はバルク結晶の活性層と多重量子井戸構造の活性
層とのキャリア密度Ｎに対する実効的光利得Geffとの違
いを示す図。 １…基板、２…ｐ型層、３、５…ｎ型層、４、６…活性
層、７…ｐ型層、８…埋め込み層、９、10…コンタクト
層、11…SiO2絶縁膜、12、13、14…電極、21……バッフ
ァ層、22…ｐ型拡散層、23…ｐ型InP層、31…ｎ型InP
層、71…ｐ型InP層、72…ガイド層、73…クラッド層、7
4…キャップ層、75…ｐ型InP層、81、82…埋め込み層、
91…p+型InP層、92…p+型InGaAs層、101…n+型InP層、1
02…n+型InGaAs層、301…駆動回路、302…光半導体素
子、303…制御回路、304,305…電流源。FIG. 1 is a perspective view showing an optical semiconductor device of the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a view showing a manufacturing method of this device. FIG. 3 is a diagram showing a method of driving an optical semiconductor element. FIG. 4 is a diagram qualitatively showing the relationship between the carrier density N of the active layer and the effective optical gain G eff . FIG. 5 is a diagram showing a qualitative explanation of the band-filling effect, which is a diagram showing the relationship between the potential energy of electrons and the density of states ρ. FIG. 6 is a diagram showing a qualitative explanation of the band-filling effect, and is a diagram showing a light absorption coefficient α, a change in absorption coefficient-Δα, and a change Δn in refractive index with respect to light energy. FIG. 7 is a diagram showing a qualitative explanation of a change in the refractive index due to the exciton quenching effect, showing the absorption coefficient α of light with respect to the light energy E, the change Δα in the absorption coefficient, and the change Δn in the refractive index. FIG. 8 is a perspective view showing an optical semiconductor device of the second embodiment of the present invention. FIG. 9 is a diagram showing a manufacturing method. FIG. 10 is a diagram showing the difference in the density of states distribution between the active layer of the bulk crystal and the active layer of the multiple quantum well structure. FIG. 11 is a diagram showing the difference between the effective optical gain G eff with respect to the carrier density N between the active layer of the bulk crystal and the active layer of the multiple quantum well structure. 1 ... Substrate, 2 ... P-type layer, 3, 5 ... N-type layer, 4, 6 ... Active layer, 7 ... P-type layer, 8 ... Buried layer, 9, 10 ... Contact layer, 11 ... SiO 2 insulating film, 12, 13, 14 ... Electrodes, 21 ... Buffer layers, 22 ... P-type diffusion layers, 23 ... P-type InP layers, 31 ... N-type InP
Layer, 71 ... p-type InP layer, 72 ... guide layer, 73 ... clad layer, 7
4 ... Cap layer, 75 ... P-type InP layer, 81, 82 ... Buried layer,
91… p + type InP layer, 92… p + type InGaAs layer, 101… n + type InP layer, 1
02 ... n + type InGaAs layer, 301 ... driving circuit, 302 ... optical semiconductor element, 303 ... control circuit, 304,305 ... current source.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 須田 一哉 東京都武蔵野市中町２丁目11番13号 光計 測技術開発株式会社内 (72)発明者 野極 誠二 東京都武蔵野市中町２丁目11番13号 光計 測技術開発株式会社内 (56)参考文献 特開 昭61−128589（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−79287（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−136277（ＪＰ，Ａ) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Kazuya Suda 2-11-13 Nakamachi, Musashino-shi, Tokyo Inside photometer measurement technology development (72) Inventor Seiji Nogoku 2-11-11 Nakamachi, Musashino-shi, Tokyo No. 13 Photometer Measurement Technology Development Co., Ltd. (56) Reference JP 61-128589 (JP, A) JP 61-79287 (JP, A) JP 60-136277 (JP, A)
Claims (1)
pn層構造と、 この層構造内の二つのpn接合部にそれぞれ設けられた近
接する層よりバンドギャップエネルギの小さい組成の二
つの活性層と を備え、 この二つの活性層がひとつの光導波路内で共通の光ビー
ムを形成するように配置された 光半導体素子において、 前記二つの活性層は、互いのバンドギャップエネルギが
実質的に等しく、かつそれぞれに注入される電流の量お
よびその割合が制御されることにより光導波路全体とし
ての屈折率が変化するように形成された ことを特徴とする光半導体素子。1. A pnp or n formed of a compound semiconductor.
It has a pn layer structure and two active layers with a composition having a smaller bandgap energy than the adjacent layers provided at the two pn junctions in this layer structure. In the optical semiconductor device arranged to form a common light beam, the two active layers have substantially equal bandgap energies, and the amount and ratio of the current injected into each of the two active layers are controlled. An optical semiconductor element characterized by being formed so that the refractive index of the entire optical waveguide changes as a result.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
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