JPH0770786B2 - Semiconductor laser and operating method thereof - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【０００１】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は２本の平行導波路を有
するツインストライプレーザに関し、特に一方の導波路
から他方への光の結合により、両端面における出力光分
布が互いに鏡像となる交差モードを発生するという、希
な発振の仕方をする半導体レーザに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a twin-stripe laser having two parallel waveguides, and more particularly, a crossed mode in which output light distributions at both end surfaces are mirror images of each other due to coupling of light from one waveguide to the other. The present invention relates to a semiconductor laser that rarely oscillates by generating.

【０００２】この半導体レーザは交差モードを発生する
条件においては、それのほぼ対称な光分布を持つ交差モ
ードとの間で双安定となるため、光メモリ，光スイッ
チ，光論理素子として使用し得る。Since this semiconductor laser is bistable with a crossing mode having a substantially symmetrical light distribution under the condition that a crossing mode is generated, it can be used as an optical memory, an optical switch or an optical logic element.

【０００３】[0003]

【従来の技術】通常の半導体レーザは、左右対称な注入
電流分布の場合、左右対称な光を出射する。これに対
し、２本の平行陽極（陰極は１本である）を持つツイン
ストライプレーザにおいて、左右対称な注入電流にも係
わらず出射光分布が非対称で、かつ両端面における分布
が互いに鏡像になる発振形態がある。これは一方の導波
路から他方の導波路へ交差して移って行くという意味
で、交差モードと名付けられている。上述の構造とは逆
に、１本の陽極と２本の陰極でも全く構わない。しか
し、２電極と呼ぶと、１陽極１陰極の通常のレーザとの
混同の恐れがあるので、本発明では便宜上２本の方を陽
極としておく。実際のレーザでは正孔の方が拡散が遅い
ため、陽極の方を２本にすることが普通である。2. Description of the Related Art An ordinary semiconductor laser emits bilaterally symmetrical light in the case of bilaterally symmetrical injection current distribution. On the other hand, in a twin-stripe laser having two parallel anodes (one cathode), the emitted light distribution is asymmetrical despite the symmetrical injection current, and the distributions at both end surfaces are mirror images of each other. There is an oscillation form. This is called a cross mode in the sense that it crosses from one waveguide to the other and moves. Contrary to the above structure, one anode and two cathodes may be used. However, since there is a risk of confusion with a normal laser having one anode and one cathode when called two electrodes, in the present invention, two electrodes are used as anodes for convenience. In an actual laser, holes diffuse more slowly, so it is common to use two anodes.

【０００４】この交差モードは最初、不完全な形ではあ
るが、１９８３年にＷｈｉｔｅとＣａｒｒｏｌｌによっ
て実験的に発見された。その発生メカニズムは長らく不
明であったが、７年後に、渡辺らにより理論的に明らか
にされ、双安定となることも示された（文献〔１，
２〕）。This crossing mode, although initially imperfect, was first discovered experimentally by White and Carroll in 1983. Although the mechanism of its occurrence has not been clarified for a long time, it was theoretically clarified 7 years later by Watanabe et al., And it was shown that it became bistable (Reference [1,
2]).

【０００５】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明者らによる前発
明、特願平２−７８４１５号に開示された理論では、交
差モード発生は、レーザ共振器長（Ｌ）が２本の導波路
の結合長（Ｌｃ）よりも短い（Ｌ＜Ｌｃ）場合に限ら
れ、その光出力の比は最大６：１程度であった。According to the theory disclosed in the prior invention by the present inventors, Japanese Patent Application No. 2-78415, cross-mode generation is caused by a waveguide having two laser cavity lengths (L). Only when the length was shorter than the bond length (Lc) (L <Lc), the maximum light output ratio was about 6: 1.

【０００６】このレーザを光スイッチとして使う場合に
は光出力比がもっと大きいほうが良い。また、共振器長
を長くしたい場合（利得を大きくしたい場合など）や、
結合長を短くしたい場合（２本の導波路を極端に近接さ
せたい場合など）には、特願平２−７８４１５号におけ
る交差モード発生条件を満たせない可能性がある。した
がって特願平２−７８４１５号とは逆にＬ＞Ｌｃのとき
に、同様な交差モードを発生させる方法が求められる。When this laser is used as an optical switch, it is better that the optical output ratio is larger. Also, when you want to increase the resonator length (when you want to increase the gain),
When the coupling length is desired to be shortened (when the two waveguides are extremely close to each other), there is a possibility that the cross mode generation condition in Japanese Patent Application No. 2-78415 cannot be satisfied. Therefore, in contrast to Japanese Patent Application No. 2-78415, a method of generating a similar crossing mode is required when L> Lc.

【０００７】本発明は、この２点に関して改良を行うも
のである。The present invention improves on these two points.

【０００８】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明による半導体レー
ザは２本の平行導波路を有し、共振器長が該２本の平行
導波路の結合長より長く、両端面における出射光分布が
互いに鏡像となる交差モードを発生し、かつ交差モード
間で双安定性を有することを特徴とする。The semiconductor laser according to the present invention has two parallel waveguides, the cavity length is longer than the coupling length of the two parallel waveguides, and the emitted light distributions on both end faces are mutually different. It is characterized by generating cross modes that are mirror images and having bistability between the cross modes.

【０００９】本発明操作方法は２本の平行導波路を有
し、両端面における出射光分布が互いに鏡像となる交差
モードを発生し、かつ交差モード間で双安定性を有する
半導体レーザの陽極間クラッドと外側クラッド領域の利
得を調節することにより、２本の電極下から出射される
光出力の比率を大きくすることを特徴とする。The operating method of the present invention has two parallel waveguides, generates cross modes in which the emitted light distributions on both end surfaces are mirror images of each other, and between the anodes of the semiconductor lasers having bistable characteristics between the cross modes. It is characterized in that the ratio of the optical output emitted from under the two electrodes is increased by adjusting the gains of the cladding and the outer cladding region.

【００１０】[0010]

【作用】特願平２−７８４１５号における限界の理由
は、陽極直下以外の部分の利得を零としていたためであ
る。これは、理論を簡単にするために、埋め込み構造を
想定したことによるものである。The reason for the limit in Japanese Patent Application No. 2-78415 is that the gain of portions other than directly below the anode is set to zero. This is due to the assumption of an embedded structure in order to simplify the theory.

【００１１】そこで、本発明では活性層を一様なＧａＡ
ｓとし、実効屈折率分布を付ける手段としては、上部ク
ラッド層にメサ（台形）構造を想定する。特願平２−７
８４１５号のモデルとの大きな違いは、キャリアが活性
層内で、陽極直下以外の領域へ拡散し、そこの利得が変
化することである。これを構造パラメータによって調整
することにより、共振器長が結合長よりも長いときに交
差モードを発生させたり、光出力比を大きくしたりでき
る。Therefore, in the present invention, the active layer is made of uniform GaA.
It is assumed that s, and a mesa (trapezoidal) structure is assumed in the upper clad layer as a means for providing the effective refractive index distribution. Japanese Patent Application 2-7
A major difference from the 8415 model is that carriers diffuse into regions other than directly under the anode in the active layer, and the gain there changes. By adjusting this with a structural parameter, it is possible to generate a cross mode or increase the light output ratio when the cavity length is longer than the coupling length.

【００１２】理論的考察および計算機シミュレーション
により、横クラッド領域の利得の影響を調べた結果、陽
極間クラッドの利得を外側クラッドに比べて十分に大き
くすることにより、Ｌ＞Ｌｃにおいて交差モードが発生
することを発見した。また、その利得差の調節によって
光出力比が変化することも明らかになり、今回の計算例
の範囲では、特願平２−７８４１５号において得られた
値の１．５倍である９：１という値を得た。他のパラメ
ータの最適化によって、光出力比の一層の向上が可能で
ある。As a result of investigating the influence of the gain in the lateral cladding region by theoretical consideration and computer simulation, by making the gain of the anode-clad sufficiently larger than that of the outer cladding, a cross mode occurs in L> Lc. I found that. It was also clarified that the light output ratio was changed by adjusting the gain difference, and within the range of this calculation example, it was 1.5 times the value obtained in Japanese Patent Application No. 2-78415, 9: 1. I got the value. It is possible to further improve the light output ratio by optimizing the other parameters.

【００１３】[0013]

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。Embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the drawings.

【００１４】図１に本発明の一実施例としてのツインス
トライプレーザの構造を示す。この半導体レーザはＧａ
Ａｓ基板１上に、ｎ−ＧａＡｓ層２，ｎ−Ａｌ_0.35Ｇａ
_0.65Ａｓ層３，ＧａＡｓ活性層４，ｐ−Ａｌ_0.35Ｇａ
_0.65Ａｓ層５，ｐ−ＧａＡｓ層６、およびＳｉＮ絶縁層
７を順次形成し、さらに両面にそれぞれＮｉ／ＡｕＧｅ
／ＮｉおよびＣｒ／Ａｕからなる金属層８および９を設
けたものである。平行な２本の電極１０および１１の下
部には、互いに平行な導波路が形成されている。図１
中、Ｌは両端面間距離、すなわちレーザの共振器長、ｗ
は導波路の幅であり、２本の導波路の幅は等しい。ｄは
陽極間の間隔である。なお、図１に示した半導体の組成
は一例を示すものであって、本発明がこの組成に限定さ
れないことは言うまでもない。FIG. 1 shows the structure of a twin stripe laser as one embodiment of the present invention. This semiconductor laser is Ga
On the As substrate 1, n-GaAs layer 2, n-Al _0.35 Ga
_0.65 As layer 3, GaAs active layer 4, p-Al _0.35 Ga
_{A 0.65} As layer 5, a p-GaAs layer 6, and a SiN insulating layer 7 are sequentially formed, and Ni / AuGe is further formed on both surfaces.
The metal layers 8 and 9 made of / Ni and Cr / Au are provided. Waveguides parallel to each other are formed below the two parallel electrodes 10 and 11. Figure 1
Where L is the distance between both end faces, that is, the resonator length of the laser, w
Is the width of the waveguide, and the widths of the two waveguides are equal. d is the distance between the anodes. Needless to say, the composition of the semiconductor shown in FIG. 1 is an example, and the present invention is not limited to this composition.

【００１５】次に例として、図２に示した構造をモデル
とした解析結果について詳しく説明する。Next, as an example, the analysis results using the structure shown in FIG. 2 as a model will be described in detail.

【００１６】（１）モデル 図２（ａ）はレーザの上面図で、活性導波路の領域を４
つに区分してＷＧ₁ 〜ＷＧ₄ 、それぞれのキャリア密度
をＮ₁ 〜Ｎ₄ と名付け、Ｎ₁ ＝Ｎ₄ かつＮ₂ ＝Ｎ₃ の場
合を調べた。Ｐ₁ 〜Ｐ₄ はそれぞれＷＧ₁ 〜ＷＧ₄ から
出てくるパワーであり、両端面から出射される光パター
ンが互いに鏡像となっている。平均キャリア密度をＮ
₀ ，Δｃ＝（Ｎ₁ −Ｎ₂ ）／Ｎ₀ とした時、キャリア密
度はＮ₁ ＝Ｎ₄ ＝Ｎ₀ （１＋Δｃ／２），Ｎ₂ ＝Ｎ₃ ＝
Ｎ₀ （１−Δｃ／２）で示される。(1) Model FIG. 2 (a) is a top view of the laser, showing the region of the active waveguide as 4
One by dividing the WG ₁ ~WG _4, named respective carrier density N ₁ to N _4, was examined in the case of N ₁ = N ₄ and N ₂ = N _3. P ₁ to P ₄ is come power out WG ₁ ~WG ₄ respectively, the light pattern emitted from the both end faces are mirror images to each other. Average carrier density is N
_{When 0} and Δc = (N ₁ −N ₂ ) / N ₀ , the carrier density is N ₁ = N ₄ = N ₀ (1 + Δc / 2), N ₂ = N ₃ =
It is represented by N ₀ (1-Δc / 2).

【００１７】図２（ｂ）は図２（ａ）の下半分における
断面図である。上半分の断面は、これの左右を逆転した
ものとなる。活性層内の組成は一様であるが、メサ（台
形）構造によって横クラッド領域の実効屈折率は低下し
ているものとする。ＧａＡｓ活性層の厚さは０．１μ
ｍ、メサの幅は２μｍ、その間隔は１μｍとした。FIG. 2B is a sectional view of the lower half of FIG. The cross section of the upper half is the opposite of this. It is assumed that the composition in the active layer is uniform, but the effective refractive index of the lateral cladding region is lowered due to the mesa (trapezoidal) structure. GaAs active layer thickness is 0.1μ
m, the width of the mesa was 2 μm, and the interval was 1 μm.

【００１８】図２（ｃ）は図２（ｂ）に対応するキャリ
ア濃度および屈折率分布を示す。すなわち、各領域Ａ，
Ｂ，Ｃ，ＤおよびＥのキャリア濃度はそれぞれ、０．９
５ＲＮ₁ ，Ｎ₁ ，０．９５Ｎ₀ ，Ｎ₂ および０．９５Ｒ
Ｎ₂ である。ここで、Ｒ＝（外側のクラッドの平均キャ
リア密度）／（陽極間キャリア密度）である。ここでは
導波領域（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｒｅｇｉｏｎ）ＢとＤ
の、キャリアのないときの誘電率をε_w ＝１３．１−
０．０２３ｉ（ＧａＡｓバルクの値）、横クラッド領域
（ｌａｔｅｒａｌ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｒｅｇｉｏｎ）
ＡとＣとＥのそれをε₁ ＝ε_w −０．１、上下のクラッ
ド層（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｌａ
ｙｅｒ）のそれをε_t ＝１１．４として計算した結果に
ついて述べる。FIG. 2C shows the carrier concentration and refractive index distribution corresponding to FIG. 2B. That is, each area A,
The carrier concentrations of B, C, D and E are 0.9, respectively.
5RN ₁ , N ₁ , 0.95N ₀ , N ₂ and 0.95R
It is N _2. Here, R = (average carrier density of outer cladding) / (carrier density between anodes). Here, the waveguide regions B and D
Of the carrier-free dielectric constant ε _w = 13.1-
0.023i (GaAs bulk value), lateral cladding region
The values of A, C and E are ε ₁ = ε _w −0.1, and the upper and lower clad layers (transverse cladding la)
The result of calculation with ε _t = 11.4 of Y.

【００１９】（２）Ｌ＞Ｌｃにおける交差モード発生方
法 対称電流注入の時に、両端面の光出力が互いに鏡像とな
るような非対称光出力が存在したとすると、誘導再結合
によって、光の強い部分のキャリアが少なくなる（図２
参照）。これによって一時的に非対称なキャリア分布が
発生したとしても、通常は次の瞬間に、キャリアの多い
ところの光を強め、キャリアの少ないところの光を弱め
る作用が起こり、元の対称なパターンに戻ってしまう。
しかしながらこれとは逆に、図２のような非対称なキャ
リア分布が、キャリアの少ない部分に強いパワーを持つ
光分布を支持する条件があれば、これらの非対称な光分
布と非対称なキャリア分布は互いに支え合って、対称注
入電流の下で共存できる。(2) Method of cross-mode generation when L> Lc If there are asymmetrical optical outputs such that the optical outputs of both end surfaces are mirror images of each other at the time of symmetrical current injection, a strong light portion is generated by inductive recombination. Less carriers (Fig. 2
reference). Even if this causes a temporary asymmetric carrier distribution, the effect of strengthening the light in the places with many carriers and weakening the light in the places with few carriers occurs at the next moment, and returns to the original symmetrical pattern. Will end up.
However, on the contrary, if there is a condition that the asymmetric carrier distribution as shown in FIG. 2 supports the light distribution having the strong power in the portion with few carriers, these asymmetric light distribution and the asymmetric carrier distribution are mutually Supporting and coexisting under symmetrical injection current.

【００２０】上記のことから、交差モード発生の条件
は、図２のような斜めのキャリア分布があったときに、
キャリアの少ない導波路に大きなピークを持つモードが
最大利得を持つことであることがわかる。実際にそのよ
うな条件が存在することは文献〔１，２〕に示されてい
る。利得の低いところに強い光が現われる理由は複雑で
あるが、キャリアの存在が利得を上げると同時に屈折率
を下げることに関連する。From the above, the condition for cross mode generation is that when there is an oblique carrier distribution as shown in FIG.
It can be seen that the mode with a large peak in the waveguide with few carriers has the maximum gain. The fact that such a condition actually exists is shown in References [1, 2]. The reason why strong light appears at a low gain is complicated, but the existence of carriers is associated with increasing the gain and simultaneously decreasing the refractive index.

【００２１】このようにキャリアが斜めの分布を持つと
きには、一往復しても形の変わらない共鳴横モードの光
の分布も、図３のように斜めの分布を持つ。これはＬ＝
０．９５Ｌｃ（＜Ｌｃ）、Δｃ＝０．０２４で、領域Ａ
とＣとＥの利得をゼロとおいた場合の例であるが、利得
があっても、屈折率分布が同じであれば、２つの共鳴モ
ードの形はほぼ同じである。利得は、このモードのどち
らが選ばれるかを決定する。（ａ）は導波路間で光強度
がほぼ零になる場所があるので奇類似モード、（ｂ）は
そのような場所が無いので偶類似モードと呼ぶ。このよ
うに、Ｌ＜Ｌｃでは奇類似モードがキャリアの少ない側
の、偶類似モードがキャリアの多い側の導波路に大きい
ピークを持っている。これがＬ＞Ｌｃの時にはちょうど
逆になり、偶類似モードがキャリアの少ない側に、奇類
似モードがキャリアの多い側に大きいピークをもつ。し
たがって、Ｌ＞Ｌｃで交差モードを発生させるために
は、偶類似モードの利得を高くすることが必要十分条件
となる。そのための方法を以下に述べる。When the carriers have an oblique distribution as described above, the distribution of the resonance transverse mode light whose shape does not change even after one round trip has an oblique distribution as shown in FIG. This is L =
Area A with 0.95 Lc (<Lc) and Δc = 0.024
This is an example of the case where the gains of C and E are set to zero, but the shapes of the two resonance modes are almost the same even if there is a gain as long as the refractive index distribution is the same. The gain determines which of these modes is chosen. (A) is called an odd-similar mode because there is a place where the light intensity becomes almost zero between the waveguides, and (b) is called an even-similar mode because there is no such place. Thus, when L <Lc, the odd-similar mode has a large peak in the waveguide on the side with few carriers and the even-similar mode has a large peak on the side with many carriers. This is just opposite when L> Lc, and the even-similar mode has a large peak on the side with a small number of carriers and the odd-similar mode has a large peak on the side with a large number of carriers. Therefore, in order to generate the crossing mode with L> Lc, it is a necessary and sufficient condition to increase the gain of the even-similar mode. The method for that is described below.

【００２２】Ａ〜Ｅの各領域への閉じ込め係数をそれぞ
れΓ_A 〜Γ_E とすると、Γ_B ＋Γ_D（陽極直下）および
Γ_A ＋Γ_E （外側クラッド領域）は、奇類似モードの方
が偶類似モードよりも大きく、Γ_C （陽極間）は偶類似
モードの方が大きい。したがって、横クラッド領域（Ａ
とＣとＥ）の利得を零としていた特願平２−７８４１５
号においては通常奇類似モードの利得が高く、その結
果、交差モードが発生するのは常にＬ＜Ｌｃにおいてで
あった。Assuming that the confinement factors in the regions _{A to E} are Γ _A to Γ _E , respectively, Γ _B + Γ _D (directly under the anode) and Γ _A + Γ _E (outer cladding region) are even odd modes. It is larger than the similar mode, and Γ _C (between the anodes) is larger in the even similar mode. Therefore, the lateral cladding region (A
And Japanese Patent Application No. 2-78415 in which the gains of C and E) are zero.
In the signal, the odd-like mode usually has a high gain, and as a result, the cross mode always occurs in L <Lc.

【００２３】この各領域の閉じ込め係数を考慮すると、
偶類似モードの利得を高めるためには、陽極間クラッド
領域（Ｃ）の利得を、特に外側クラッド領域（ＡとＥ）
に比べて高くすればよい。このような観点から、断面構
造を決める。Considering the confinement coefficient of each region,
In order to increase the gain of the even-similar mode, the gain of the inter-anode cladding region (C) is increased, especially the outer cladding region (A and E).
It should be higher than. From this point of view, the sectional structure is determined.

【００２４】上記の条件を満たすには、図２（ｂ）のよ
うにメサ構造を想定し、活性層を一様なＧａＡｓとすれ
ばよい。構造パラメータ（上部クラッド層の厚さ、陽極
間隔など）を適当に選ぶと、横クラッド領域（ＡとＣと
Ｅ）の実効屈折率を低下させ、また、キャリア密度は陽
極下が最大で、外側クラッド領域を最低にすることがで
きる。ここでは陽極間のキャリア密度を０．９５Ｎ₀ に
固定し、外側クラッド領域のそれがさらに小さいことを
Ｒ（＜１）という係数で表現している。To satisfy the above conditions, a mesa structure is assumed as shown in FIG. 2B and the active layer is made of uniform GaAs. Proper selection of structural parameters (thickness of the upper cladding layer, anode spacing, etc.) lowers the effective refractive index of the lateral cladding regions (A, C, and E), and the carrier density is maximum below the anode and outside. The cladding area can be minimized. Here, the carrier density between the anodes is fixed at 0.95N ₀ , and the fact that it is smaller in the outer cladding region is expressed by a coefficient R (<1).

【００２５】Ｒ＝１の時には特願平２−７８４１５号の
状況と同じで奇類似モードが有利になり、Ｒが十分小さ
くなると偶類似モードが有利になる。図４に、パワー比
の共振器長に対する特性の、Ｒによる変化を示す。共鳴
モードは常に、Ｐ₂ ＞Ｐ₁ のものとＰ₁ ＞Ｐ₂ のものの
２つある。実線がその内の利得の高いほうを、破線が利
得の低い方を示している。図にはＲ＜０．９の場合のみ
を示しており、陽極間の利得が外側よりも十分に大きい
ために、偶類似モードが有利となって、Ｌ＞Ｌｃで交差
モード発生条件（Ｐ₂ ＜Ｐ₁ ）を満たしている。Ｒがこ
れ以上大きくなると、交差モード発生条件はＬ＜Ｌｃに
おいて満たされる。Ｒ＝０．８６と０．９０において２
つの共鳴モードの利得の大小が入れ替わる部分で、グラ
フの線が斜めになっているのは、単に計算点の間隔が広
いためである。以上のように、陽極間クラッド（Ｃ）の
キャリアを外側クラッド（ＡとＥ）のキャリアよりも十
分に多くすることにより、Ｌ＞Ｌｃにおいて交差モード
が発生させられることが証明された。この結果から、Ｒ
＜０．９においてＬ＞Ｌｃで交差モードが発生し得るこ
とが明らかになった。When R = 1, the odd-similar mode becomes advantageous as in the case of Japanese Patent Application No. 2-78415, and when R is sufficiently small, the even-similar mode becomes advantageous. FIG. 4 shows the change in the characteristic of the power ratio with respect to the resonator length due to R. There are always _two resonance modes: P ₂ > P ₁ and P ₁ > P ₂ . The solid line shows the higher gain and the broken line shows the lower gain. Only the case of R <0.9 is shown in the figure, and since the gain between the anodes is sufficiently larger than the outside, the even-similar mode becomes advantageous, and the cross mode generation condition (P ₂ <P ₁ ) is satisfied. When R becomes larger than this, the crossing mode generation condition is satisfied at L <Lc. 2 at R = 0.86 and 0.90
The line in the graph is diagonal in the part where the magnitudes of the two resonance modes are switched, simply because the intervals between the calculation points are wide. As described above, it was proved that the cross mode was generated in L> Lc by making the carriers in the inter-anode cladding (C) sufficiently larger than the carriers in the outer cladding (A and E). From this result, R
It was revealed that the cross mode can occur in L> Lc at <0.9.

【００２６】（３）パワー比を大きくする方法 パワー比が大きくなるためには、第一に共鳴モードのパ
ワー比が大きくなることと、第二にキャリアの少ない方
に大きいピークをもつ共鳴の利得が高いことが必要であ
る。第一の条件は、理論を吟味することにより、特に偶
スーパーモード成分に対する、奇スーパーモード成分の
相対的な複素振幅の大きさの振舞い（文献〔２〕参照）
を吟味することによって、図２（ａ）の下または上半分
のツイン導波路の２つのスーパーモードの利得を等しく
することにより満たされる。このとき、各共鳴モードの
小さいほうのピークはほぼ零になることが予測される。
このための方法は、実は、陽極間の利得を外側より高く
するという、前項（２）と同じ方法によって得られる。
実際、図４の数値計算では、Ｒ＝０．９のときには２つ
のスーパーモードの利得はかなり近くなっている。この
とき、一方の共鳴モードのＰ₂ ／Ｐ₁ と、他方のモード
Ｐ₁ ／Ｐ₂ の最大値は（Ｌ＝Ｌｃ付近において）１００
以上になっており、それぞれＷＧ₂ とＷＧ₁ に極在して
いる。(3) Method of increasing the power ratio In order to increase the power ratio, firstly, the power ratio of the resonance mode is increased, and secondly, the gain of the resonance having a large peak in the smaller carrier. Must be high. The first condition is the behavior of the magnitude of the relative complex amplitude of the odd supermode component, especially with respect to the even supermode component, by examining the theory (see Reference [2]).
By satisfying by equalizing the gains of the two supermodes of the lower or upper half waveguide of FIG. 2 (a). At this time, the smaller peak of each resonance mode is expected to be almost zero.
The method for this purpose is actually obtained by the same method as in the above item (2), in which the gain between the anodes is made higher than that of the outside.
In fact, in the numerical calculation of FIG. 4, when R = 0.9, the gains of the two supermodes are quite close. At this time, the maximum value of P ₂ / P _{1 of one} resonance mode and P ₁ / P ₂ of the other mode is 100 (in the vicinity of L = Lc).
As described above, WG ₂ and WG ₁ are extremely localized, respectively.

【００２７】しかしながら、Ｐ₂ ／Ｐ₁ が非常に大きい
モードは光パワーのほとんどがキャリアの少ない側にあ
り、逆にＰ₁ ／Ｐ₂ が非常に大きいモードは光パワーの
ほとんどがキャリアの多い側にあるために、Ｐ₂ ／Ｐ₁
＜１のモードが高利得になり易い。従って、実際にはＰ
₂ ／Ｐ₁ ＞１００という値は達成されない。つまり、第
二の条件を満たす方法は明らかではない。このように第
一と第二の条件によるトレードオフが存在し、２つのス
ーパーモードの利得が近いほど良いとは限らず、どこか
に最適値が存在するはずである。本例の場合にはＲ＝
０．７８が最適値であり、Ｐ₂ ／Ｐ₁ ＝９が得られ、従
来例よりも５割の改善となる。However, in the mode in which P ₂ / P ₁ is very large, most of the optical power is on the side with few carriers, and conversely, in the mode in which P ₁ / P ₂ is very large, most of the optical power is on the side with many carriers. Because P ₂ / P ₁
The mode <1 tends to have a high gain. Therefore, in practice P
Values of ₂ / P ₁ > 100 are not achieved. In other words, it is not clear how to satisfy the second condition. As described above, there is a trade-off depending on the first and second conditions, and it is not always better that the gains of the two super modes are closer to each other, and an optimum value should exist somewhere. In the case of this example, R =
The optimum value is 0.78, and P ₂ / P ₁ = 9 is obtained, which is an improvement of 50% over the conventional example.

【００２８】以上のように、パワー比を大きくするため
の条件の一つを満たす方法が理論の吟味および計算例か
ら示された。第二の条件を満たす方法が未だに不明なの
で、簡明な設計指針は得られず、実際に数値計算を行っ
て適当なパラメータを見つける他はない。しかしなが
ら、第一の条件を満たす方法が得られたことによって、
数値計算を行うにしても、パラメータをどのように変え
て探索を行うべきかについての見通しは格段に得やすく
なったと言える。As described above, a method satisfying one of the conditions for increasing the power ratio has been shown by theoretical examination and calculation examples. Since the method to satisfy the second condition is still unknown, a simple design guideline cannot be obtained, and there is no choice but to actually perform numerical calculation to find an appropriate parameter. However, since the method satisfying the first condition is obtained,
It can be said that, even if numerical calculation is performed, it is much easier to get an idea of how to change the parameters to perform the search.

【００２９】[0029]

【発明の効果】文献〔３〕に示されているように、交差
モードを発生させるツインストライプレーザは、電子回
路におけるフリップ・フロップと全く類似な光フリップ
・フロップを、一つのレーザ素子で実現するものであ
る。この交差モードをＬ＞Ｌｃにおいて発生させられる
こと、光パワー比を大きくするための一つの指針を明ら
かにしたこと、の２点が本発明の要点である。As described in the document [3], the twin-stripe laser that generates the crossing mode realizes an optical flip-flop that is quite similar to the flip-flop in an electronic circuit with a single laser element. It is a thing. Two points of the present invention are to generate this crossing mode when L> Lc and to clarify one guideline for increasing the optical power ratio.

【００３０】（１）Ｌ＞Ｌｃにおける交差モード発生の
効果 これによって、交差モード発生素子の設計の幅が広が
る。特に共振器長を長くしたい場合（利得を大きくした
い場合など）や、結合長を短くしたい場合（２本の導波
路を非常に近付けたい場合など）にも実現の可能性を開
いた。さらに都合の良いことには、Ｌ＞Ｌｃで発生させ
るためのレーザは作りやすいことである。Ｌ＞Ｌｃでの
発生条件は、陽極間（領域Ｃ）にも利得をもたせること
であったが、これは、作製が容易なためによく用いられ
る、図１のようなメサ（台形）構造で容易に実現される
状況である。これに対して、特願平２−７８４１５号で
想定した埋め込み構造は、技術的に難しい点を多く含ん
でおり（活性領域を正確に作ることや、その界面を滑ら
かにすることの難しさ、二度の結晶成長を必要とするこ
となど）、特別に必要のない限りは用いられない構造で
ある。(1) Effect of cross-mode generation when L> Lc As a result, the width of design of the cross-mode generation element is expanded. In particular, when the resonator length is desired to be long (when the gain is to be increased) or when the coupling length is to be shortened (when the two waveguides are to be brought very close to each other), the feasibility is opened. More conveniently, the laser for generating L> Lc is easy to make. The generation condition for L> Lc was to give a gain also between the anodes (region C), but this is a mesa (trapezoidal) structure as shown in FIG. 1 that is often used because it is easily manufactured. It is a situation that is easily realized. On the other hand, the embedded structure assumed in Japanese Patent Application No. 2-78415 contains many technically difficult points (difficulty in accurately forming the active region and smoothing the interface thereof, It is a structure that is not used unless there is a special need, such as requiring double crystal growth.

【００３１】（２）光パワー比を大きくする設計指針を
得たことの効果 交差モード発生素子を光のフリップ・フロップ，メモ
リ，論理素子，交換用スイッチなど、どのような使い方
をするにも、基本的な条件として、パワー比が大きいほ
ど良い。ところが、それ実現するための確固たる設計プ
ロセスは確立されていない。本発明によってもこの点は
完全に解決されるわけではないが、それにもかかわら
ず、パワー比の向上に関して大きな前進がもたらされた
ことが主張できる。パワー比を上げるために、従来まで
の知識では、あらゆるパラメータを何の指針も無く変更
して探索する以外に方法は無かった。しかしながら本発
明により、２つのスーパーモードの利得の差を零の付近
で変化させることによって、ほぼ最適条件が得られるこ
とが明らかになった。このために変化させるべき構造パ
ラメータは、例えば実施例中の計算モデルでは陽極間
（領域Ｃ）と外側（ＡとＥ）とのキャリア数の比Ｒ、実
験的には、図１の陽極間エッチングの深さなど、一つだ
けを変化させるだけで概ね最適値を得られる。これらの
作業を現実に行うことは十分に可能である。(2) Effect of obtaining design guidelines for increasing the optical power ratio No matter how the cross mode generating element is used, such as an optical flip-flop, a memory, a logic element, and a switch for replacement, As a basic condition, the larger the power ratio, the better. However, a solid design process to achieve it has not been established. Although the present invention does not completely solve this point, it can be argued that, nevertheless, it has made great progress in improving the power ratio. In order to increase the power ratio, the conventional knowledge was that there was no method other than changing and searching all parameters without any guidelines. However, according to the present invention, it has been clarified that almost optimum conditions can be obtained by changing the difference in gain between the two super modes in the vicinity of zero. The structural parameter to be changed for this purpose is, for example, the ratio R of the number of carriers between the anodes (region C) and the outside (A and E) in the calculation model in the embodiment, and experimentally, the etching between the anodes in FIG. The optimum value can be obtained by changing only one such as the depth of. It is fully possible to do these tasks in practice.

【００３２】［参考文献］ ［１］渡辺正信，Ｉ．Ｈ．Ｗｈｉｔｅ，Ｊ．Ｅ．Ｃａｒ
ｒｏｌｌ、「半導体レーザ」、特願平２−７８４１５号 ［２］Ｍ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｉ．Ｈ．Ｗｈｉｔｅ，ａ
ｎｄ Ｊ．Ｅ．Ｃａｒｒｏｌｌ，“Ａｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｏｓｓ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｌａｔｅ
ｒａｌ ｍｏｄｅ ｉｎ ａ ｔｗｉｎ−ｓｔｒｉｐｅ
ｆｏｕｒ−ｃｏｎｔａｃｔ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ
ｄｉａｇｏｎａｌ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏ
ｎ”，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ，ｖｏｌ．２６，ｐｐ．１９４２−１９５３，１９９
０． ［３］渡辺正信、「ツインストライプレーザにおける交
差モード双安定性の理論：光フリップ・フロップとして
の有用性」、電子情報通信学会量子エレクトロニクス研
究会試料ＯＱＥ９０−１５７。References [1] Masanobu Watanabe, I. H. White, J. et al. E. Car
Roll, "Semiconductor Laser", Japanese Patent Application No. 2-78415 [2] M.S. Watanabe, I .; H. White, a
nd J. E. Carroll, "Analysis
of the cross-coupled late
ral mode in a twin-stripe
four-contact laser with
diagonal current injectio
n ″, IEEE J. Quantum Electro
n, vol. 26, pp. 1942-1953,199
0. [3] Masanobu Watanabe, "Theory of cross-mode bistability in twin-stripe lasers: usefulness as an optical flip-flop", Institute of Electronics, Information and Communication Engineers Quantum Electronics Research Group sample OQE90-157.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図１】ツインストライプレーザの構造を示す斜視図で
ある。FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a twin stripe laser.

【図２】本発明実施例の計算モデルを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a calculation model according to an embodiment of the present invention.

【図３】共鳴横モードの光パワー分布の例を示す図であ
る。Ｌ＝０．９５Ｌｃ（＜Ｌｃ），Δｃ＝０．０２４
で、横クラッド領域（領域ＡとＣとＥ）の利得を零とお
いてある。（ａ）は奇類似モード、（ｂ）は偶類似モー
ドである。FIG. 3 is a diagram showing an example of a light power distribution in a resonance transverse mode. L = 0.95Lc (<Lc), Δc = 0.024
Then, the gain of the lateral cladding region (regions A, C and E) is set to zero. (A) is an odd similarity mode, (b) is an even similarity mode.

【図４】光パワー比の共振器長に対する依存性の、Ｒに
よる変化を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a change of a dependence of an optical power ratio on a resonator length by R.

【符号の説明】 １ ＧａＡｓ基板 ２ ｎ−ＧａＡｓ ３ ｎ−Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ ４ ＧａＡｓ活性層 ５ ｐ−Ａｌ_0.35Ｇａ_0.65Ａｓ ６ ｐ⁺ −ＧａＡｓ ７ ＳｉＮ絶縁層 ８，９ 金属層 １０，１１ 電極[Explanation of Codes] 1 GaAs substrate 2 n-GaAs 3 n-Al _0.35 Ga _0.65 As 4 GaAs active layer 5 p-Al _0.35 Ga _0.65 As 6 p ⁺ -GaAs 7 SiN insulating layer 8, 9 metal layer 10, 11 electrode

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】 ２本の平行導波路を有し、共振器長が該
２本の平行導波路の結合長より長く、両端面における出
射光分布が互いに鏡像となる交差モードを発生し、かつ
交差モード間で双安定性を有することを特徴とする半導
体レーザ。1. A cross-mode having two parallel waveguides, wherein the resonator length is longer than the coupling length of the two parallel waveguides, and the emitted light distributions at both end faces generate mirror images of each other, and A semiconductor laser having bistability between crossing modes. 【請求項２】 ２本の平行導波路を有し、両端面におけ
る出射光分布が互いに鏡像となる交差モードを発生し、
かつ交差モード間で双安定性を有する半導体レーザの陽
極間クラッドと外側クラッド領域の利得を調節すること
により、２本の電極下から出射される光出力の比率を大
きくすることを特徴とする半導体レーザの操作方法。2. A cross mode having two parallel waveguides, in which emitted light distributions on both end surfaces are mirror images of each other,
And a semiconductor laser having bistability between crossing modes, by adjusting the gain of the cladding between the anode and the outer cladding region of the semiconductor laser to increase the ratio of the light output emitted from under the two electrodes. How to operate the laser.