JPS63222485A - モニタ付分布帰還形半導体レ−ザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明はモニタ機能を有するフォトダイオードを集積し
た分布帰還形半導体レーザ（以下ｒＤＦＢレーザ」と略
す）に関するものである。

（従来技術の問題点） ＤＦＢレーザはレーザ内部に波長選択性に優れた回折格
子を内蔵しているため、単一波長動作を実現することが
でき、低損失光ファイバ通信などの光源として開発が進
められている。一般に、半導体レーザを使用する場合に
は、その光出力を一定に保持するため、その出力の大き
さをフォトダイオードでモニタしている。この時半導体
レーザとフォトダイオードは独立した別々の素子で構成
するのが通例である。半導体レーザの中でもＤＦＢレー
ザは単一波長動作が可能なばかりでなく、従来の半導体
レーザに不可欠なへき開面などの反射端面が不要である
ため、レーザ発振ｍ外の機能を有する素子をモノリシッ
クに集積化するのに適している。特に、上述の光出力の
大きさをモニタするフォトダイオードは容易に集積する
ことができる。

第１図は従来のモニタ付ＤＦＢレーザの模式図である（
特開昭５８−１８６９８６号）。この従来例では、ｎ型
Ｉｎ　Ｐ　５板１上に、ｎ型１ｎＧａＡｓ　Ｐ導波路層
２゜ＩｎＧａＡｓ　Ｐ発光層３．　　Ｊ）型ＴｎＧａＡ
ｓ　Ｐパフフグ層４゜ｐ型１ｎＰ［５が積層され、ｎ型
１ｎＧａＡｓ　Ｐ導波路層２の膜厚を周期的に変化させ
た回折格子８で、光の進行方向に沿う実効的な周期的屈
折率変化を設けることによってレーザ領域３０を形成し
ている。

一方、発光層３の一端側には発光層３の禁制帯幅より大
なる半導体層であるｐ型ＩｎＰ層５およびｎ型１ｎＰ層
６で埋め込まれており、窓領域３１が形成されている。

さらに、窓領域３１の他端側にレーザ領域３０と同一の
層構造を有するモニタ領域３２が形成されている。さら
に、３つの領域上３０．３Ｉ、　３２上に電極形成用の
ｐ型ＩｎＧａＡｓ　Ｐキャンプ層７がある。ａ３３は、
レーザ領域３０とモニタ領域３２この電気的分離を行う
ためのものであり、溝３３をつ（る代りに高抵抗半導体
でもよい。２０．２１．２２は電極であり、５０．５２
はそれぞれレーザ？、１域３０用の電源と抵抗、５１．
５３はそれぞれモニタ領域３２用の電源と抵抗を示す。

１００はレーザ領域３０から外に出射される光出力であ
り、１０１は窓領域３１に出射される光出力を示し、光
出力１０１の一部がモニタ領域３２にある発光層３と同
一組成の検出層３ａに吸収されそρ起電力がモニタ信号
として現れる。

このようなモニタ付ＤＦＢレーザは、製造が簡単で、実
験結果では、約０．２ｍ＾／ｍＷという高感度モニタが
可能でる。しかるに、モニタ領域３２において、光を検
出する検出層３ａがレーザ領域３０の発光層３と同一組
成であるため、モニタ感度が温度によって大きく変化す
るという欠点があった。

すなわち、レーザ出力光１００あるいは１０１の光子エ
ネルギーは、発光層３及び検出層３ａの禁制帯幅とほぼ
等しいため、モニタ領域３２の吸収係数は出力光の波長
とモニタ領域３２における検出Ｊｉｉ３ａの禁制帯幅の
相対関係によって大きく変化する。

レーザ出力光の波長はＤＦＢ発振に基づいているため、
温度係数が約１人／にと小さいのに対し、検出層３ａの
禁制帯幅の温度係数はレーザ領域３０の温度係数の約５
倍である。例えば、絶対温度で温度が１度上昇（減少）
すると、レーザ領域３０の発振波長が約１人長波長帯（
低波長帯）に変化する。一方、モニタ領域３２の検出層
３ａの禁制帯幅は波長にして約５人も長波長帯（低波長
帯）に移動してしまうため、光の吸収係数が大きく増大
する。

第２図は従来のモニタ付ＤＦＢレーザにおＶる温度変動
に対するＤＦＢレーザの発振波長と検出層３ａの吸収係
数との関係を示したものである。

図において、実線は室温ｔ０におけるレーザ領域３０の
回折格子８の周期的凹凸により定まるＤＦＢレーザの発
振波長（発光層３の禁制帯幅に１４等しい）並びにモニ
タ領域３２の検出層３ａの禁制帯幅により定まる吸収係
数であり、点線は温度が上界した状態及び一点鎖線は温
度が低下しん状態をそれぞれ示している。温度が上昇す
ると、検出Ｎ３ａの禁制帯幅は小さくなるため、検出層
３１の吸収係数が長波長帯まで伸び、温度が低下すると
逆になる。よって、温度が変化するとＤＦＢレーザの発
振出力光が検出層３ａで吸収される割合が一定ではなく
なってしまい、モニタ感度も変動することになる。従っ
て、温度とともに吸収係数が大きく変化し、温度が変動
するような環境下でのモニタによる出力パワーの検知は
不正確で、使用が困難であった。

この問題を解決するだめのモニタ付ＤＦＢレーザが同一
出願人によりすでに特許用ＩＩＩ　（特願昭６０−２９
０８４６号、昭和６０年１２月２５日出願）がなされて
おり、第３図はその断面図である。

図において、９は１ｎＧａＡｓ　Ｐ発光層３の禁制帯幅
よりも小さい禁制帯幅を持つｒｎＧａＡｓ　Ｐあるいは
ＩｎＧａＡｓキャップ層、１０は４分の１波長分の位相
シフト１１を有する回折格子、１２．１３はｎ型半導体
層の４電型をｐ型にすると共にレーザ領域３０と窓領域
３１との電気的分離を行なうために亜鉛を拡散した亜鉛
拡散領域、２３．２４はレーザ用の電極、２５．２６は
モニタ用の電極、１０２は主出力のレーザ出力光、１０
３はモニタ用出力光である。

この構造では、レーザ領域３０と窓領域３１とに発光層
３の禁制帯幅より小さい禁制帯幅を有するキャップ層（
光吸収層）９を設け、かつ窓領域３１の上のキャップ層
９内にレーザ領域３０のｐｎ接合と分離されたｐｎ接合
工４を設けることにより、ＤＦＢレーザの発振波長付近
におけるキャップ層（光吸収層）９の吸収係数を常に一
定にし、高いモニタ効率と温度変動のある環境下でも安
定なモニタを実現出来るようにしたものである。

しかし、第３図の如き構造は現在の製造技術を用いて製
造しても、レーザ領域３０と窓領域３１とにあるｐｎ接
合を亜鉛拡散のみで電気的に分離することが困難であり
、所望のモニタ効率が得られないという問題があった。

（発明の目的及び特徴） 本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するために
なされたもので、レーザ領域とモニタ領域とにあるｐｎ
接合の電気的分離を簡単に実現することが可能であり、
しかも温度変動に対しても安定なモニタ感度を得ること
が出来るモニタ付分布帰還形半導体レーザを提供するこ
とを目的とする。

本発明の特徴は、同一出願人により出願（特願昭６０−
２９０８４６号）されているモニタ付ＤＦＢレーザの電
気的分離をさらに改善するために、窓領域上にのみ設け
られた光吸収層の禁制帯幅が発光層の禁制帯幅より小さ
く、かつ、窓領域上の光吸収層内もしくは光吸収層端に
レーザ領域のｐｎ接合と独立して分離されたｐｎ接合を
有することにある。

（発明の構成及び作用） 以下に図面を用いて本発明の詳細な説明する。

なお、以下の説明では、第３図と同一構成部分には同一
番号を付し説明の重複を省く。

（実施例１） 第４図は本発明による第１の実施例であり、モニタ付Ｄ
ＦＢレーザの断面模式図である。

第３図と異なる点は、発光層３より禁制帯幅の小さいキ
ャップ層（光吸収層）９の代りに発光層３の禁制帯幅よ
りも大きい禁制帯幅を有するｐ型ＩｎＧａＡｓ　Ｐ層１
５と、窓領域３１のｐ型１ｎＧａＡｓ　Ｐ層１５の一部
の上に発光層３の禁制帯幅よりも小さい禁制帯幅を有し
、かつ互いに導電型が異なる光吸収層のｐ型１ｎＧａＡ
ｓ層１６及びｎ型１ｎＧａＡｓ層１７を設けたことであ
る。また、本実施例ではレーザ領域３０上と窓領域３１
上の電極２３．２５及び２６ｆ′ＡにＳｔＯ□膜あるい
はＳｉＮ膜等から成る絶縁膜１８を設は表面を保護しで
ある。１９はＳｉＮ膜による無反射コーテイング膜で、
主出力１０２を有効に取り出すために設けられている。

すなわち、従来（第３図）は光吸収層となるキャンプ層
９をレーザ領域３０と窓領域３１とＱ上に設け、窓領域
３１上のキャップ層９内にレーザ領域３０内のｐｎ接合
と分離したｐｎ接合を形成していた。このようにキャッ
プＮ９内に分離したｐｎ接合を形成する場合、第３図に
示した如く、亜鉛拡散を用いて行うが、現在の亜鉛拡散
の技術では、拡散の深さや拡散濃度を再現性良（制御す
ることが難しく、良好なｐｎ接合の分離形成が困難であ
る。

これに対し本発明では、モニタを形成するｐ型ＩｎＧａ
Ａｓ層１６及びｎ型１ｎＧａＡｓ層１７を発光層３の禁
制帯幅よりも大きい禁制帯幅を有するｐ型ＩｎＧａＡｓ
　Ｐ層１５上の窓領域３１のみ分離独立して形成してい
る。

また、電極２３．２５及び２６が互いに影響を受けない
ように表面を絶縁膜１８で保護し、安定な電気的分離を
行っている。また、光吸収層１６及び１７で形成される
ｐｎ接合での光吸収効率を高めるために、光吸収層１６
の層厚を薄くしである。

なお、第４図に示すモニタ付きＤＦＢレーザは、従来の
如き基板１の上に層１５までを順次結晶成長したのち、
同様に本発明の光吸収層１６及び１７をレーザ領域３０
と、窓領域３１の全面に結晶成長し、レーザ領域３０上
の光吸収層１６及び１７と窓領域３１の一部の光吸収層
１６及び１７をエツチングにより除去することにより製
造可能である。

第５図は本発明のモニタ付きＤＦＢレーザを上述の製造
方法で作製して測定した実験結果であり、抵抗５３が１
０Ω、電源５１のバイアス電圧をＯＶで温度を２５℃の
場合のレーザ出力（主出力１０２）−レーザ電流特性１
１２及びモニタ電流（抵抗５３を流れる光電流）−レー
ザ電流特性１１３を示したものである。

なお、レーザ領域３０の発振波長は１．５４μｍである
。

ＤＦＢレーザでは前方出力（第４図の主出力１０２）と
後方出力（モニタ出力１０３）の比例関係は一般に一定
ではなく、本実験結果でも後方出力がレーザ電流に対し
て少しスーパーリニアとなっている。

また、第４図では前方出力を後方出力に比べて太き（な
るように４分の１波長シフト１１をレーザ領域ｉｏの中
心よりも若干左側（主出力１０２側）に偏移しである。

第６図は本発明のモニタ付きＤＦＢレーザの実験結果で
あり、レーザ出力（主出力１０２）とモニタ電流（モニ
タ出力１０３）との関係を温度変化（１３℃。

２５℃及び４０℃）させて測定したものである。同図か
ら明らかなように、本発明の如く光吸収層１６及び１７
の禁制帯幅を発光層３の禁制帯幅よりも小さくすること
により、温度変化に関係なく一定となっている。従って
、モニタ電流が一定となるようにレーザ電流を制御すれ
ば、温度変化に関係な（一定のレーザ出力１０２を得る
ことができる。

（実施例２） 第７図は本発明の第２の実施例である。実施例１と異な
るところは、発光層３の右の端のみが窓領域３１になっ
ており、主出力１０４を出射する左端には無反射コーテ
イング膜１９が施されている。ちなみに４分の１波長の
位相シフト１１を有するＤＦＢレーザでは、発光Ｎ３の
両端が無反射の場合、最も高い単一波長性が得られる。

無反射は窓領域３１あるいは無反射コーテイング膜１９
でほぼ実現されている。本実施例の作用は第４図の場合
と同じである。

以上の説明では、横モード安定化のためのストライプ構
造については触れなかったが、埋め込みストライプ構造
や平凸導波路構造など各種のストライプ構造に適用でき
る。また、半導体材料も、説明に用いたＩｎＧａＡｓ　
Ｐ　／　Ｉｎ　Ｐ系だけでなく、ＡＩ！Ｉ　ｎＧａＡｓ
　／　Ｉ　ｎ　Ｐ系、　Ａ　ＲＧａＡｓ　／　ＧａＡｓ
系など他の材料にも容易に適用することができる。

また、光吸収層１６及び１７としてＩｎＧａＡｓを例に
とり説明したが、発光Ｎ３の禁制帯幅よりも小さい禁制
帯幅を有するＩｎＧａＡｓ　Ｐなど他の半導体層でも良
い。

さらに、上述の実施例では窓領域３１のＩｎＧａＡｓ光
吸収層１６及び１７内にｐｎ接合を設けた構造について
説明したが、ｐ　−１ｎＧａＡｓ　Ｐ層１５と、ｎ　−
ＴｎＧａｋｓ光吸収層１７とでｐｎ接合を形成しても良
い。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明は発光層３の禁制帯幅より
も小さい禁制帯幅を有する半導体層を光吸収層１６（１
７）として用い、かつレーザ領域３０のｐｎ接合と分離
されたｐｎ接合を電気的に分離して窓領域３１に設ける
ことにより、モニタ効率が高く、かつ温度変動環境下で
も安定なモニタが可能なモニタ付ＤＦＢレーザが実現で
きる。

また本発明では、レーザ領域３０とモニタとの間をエツ
チング等で素子分離を行なう必要がなく、窓領域３１の
一部にモニタ領域なる部分を構成しているため、小形で
かつ製造容易なモニタ付ＤＦＢレーザが可能である。従
って、ＤＦＢレーザと従来独立して配置されていたフォ
トダイオードが不要になるばかりでなく、両者の相対的
な位置ずれによる動作不良も解消され、安価で信顛性の
高いレーザ出力のモニタの実現が可能となる。このよう
なモニタ付ＤＦＢレーザは、光フアイバ通信及び光計測
の分野に幅広く応用することができ、その効果は極めて
大きい。

【図面の簡単な説明】 第１図は従来のモニタ付ＤＦＢレーザ例を示す縦断面模
式図、第２図は従来のＤＦＢレーザの発振波長と検出層
の吸収係数の関係を示す特性図、第３図は従来のモニタ
付ＤＦＢレーザ例を示す断面模式図、第４図は本発明に
よるモニタ付ＤＦＢレーザの縦断面模式図、第５図は本
発明のモニタ付ＤＦＢレーザを用いて測定したレーザ出
力レーザ電流特性及びモニタ電流レーザ電流特性の実験
結果を示す特性図、第６図は本発明のモニタ付ＤＦＢレ
ーザによるモニタ電流レーザ出力特性の実験結果を示す
特性図、第７図は本発明の第２の実施例によるモニタ付
ＤＦＢレーザの縦断面模式図である。 １−・・ｎ型１ｎＰ基板、　２−・・ｎ型１ｎＧａＡｓ
　Ｐ導波路層、　３・・・ＩｎＧａＡｓ　Ｐ発光層、３
ａ・・・検出層、４−　ｐ型ＩｎＧａＡｓ　Ｐバッファ
層、　５−　ｐ　ｐｉｎ　Ｐ層、　６・・・ｎ型１ｎＰ
層、　７・・・ｐ型ＩｎＧａＡｓ　Ｐキャップ層、　　
８，１０・・・回折格子、　１１・・・４分の１波長位
相シフト、　９・・・ｎ型１ｎＧａＡｓ　ＰまたはＩｎ
ＧａＡｓキャップ層、　１２．１３・・・亜鉛拡散領域
、１４−ｐｎ接合、　Ｉ５・・・ｐ型１ｎＧａＡｓ　Ｐ
層、１６−ｐ型１ｎＧａＡｓ光吸収層、　１７−ｎ型Ｉ
ｎＧａＡｓ層、１８・・・絶縁膜、　１９・・・無反射
コーテイング膜、２０、２１．２２．２３．２４．２５
．２６・・・電極、３０・・・レーザ領域、　３１・・
・窓領域、　３２・・・モニタ領域、　５０．５１・・
・電源、　　５２．５３・・・抵抗、１００、１０１．
１０２．１０３．１０４・・・光出力。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）発光層および光の進行方向に沿う実効的な周期的
   屈折率変化を有しかつ該発光層の近傍にｐｎ接合を設け
   たレーザ領域と、前記発光層の少なくとも一方の端を該
   発光層の禁制帯幅より大なる禁制帯幅を有する半導体層
   で埋め込んだ窓領域と、前記窓領域上に形成された光吸
   収層とを備え、該光吸収層の禁制帯幅は前記発光層の禁
   制帯幅より小さい値に設定され、かつ、前記窓領域上の
   光吸収層内もしくは光吸収層端に前記レーザ領域のｐｎ
   接合と分離されたｐｎ接合を設けて該ｐｎ接合を介して
   モニタ出力を取り出すように形成したモニタ付分布帰還
   形半導体レーザ。