JP3149943B2

JP3149943B2 - 半導体レーザ及びその駆動方法

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Publication number: JP3149943B2
Application number: JP31343790A
Authority: JP
Inventors: 利民原
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-11-19
Filing date: 1990-11-19
Publication date: 2001-03-26
Anticipated expiration: 2016-03-26
Also published as: JPH04188687A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、通信分野、記録分野など波長変動、出力変
動の少ない状態で光（レーザ光など）を変調することを
必要とする技術分野に用いるのに好適な半導体レーザ及
びその駆動方法に関する。

［従来の技術］従来、波長安定で例えば半導体レーザ光を変調する場
合には、第８図に示される様に、一定波長を一定出力で
連続的に出力する半導体レーザ部（LD）とこのLDからの
一定出力の光81を吸収その他の効果で出力のみを時間的
に変調する変調部（Ｍ）とに分割して光変調を行なう方
法が得つの方法として取られていた。即ち、第８図にお
いて、グレーティングが形成されてここへの注入電流を
制御することで発振波長を可変にする波長制御部（Ｃ）
と位相調整部（Ｐ）と活性領域を有する活性部（Ａ）と
を有する分布反射型（DBR）レーザ部（LD）からの一定
出力81を、変調部（Ｍ）に入力する信号82に応じて変調
して変調出力83を出力している。

また、変調部（Ｍ）を半導体レーザ部（LD）と一体的
に形成して変調出力83を出力する例や、活性領域を有す
る活性部（Ａ）への注入電流を信号に応じて変調して出
力を直接変調する従来例もある。

［発明が解決しようとする課題］しかし、上記従来例は以下の様な欠点を有する。

（１）変調部（Ｍ）が第８図の如く一体化されていない
場合典型的には変調部（Ｍ）としてはLiNbO₃の変調部など
が用いられるが、レーザ部（LD）と変調部（Ｍ）を光学
的にアライメントするのが困難であり、変調部（Ｍ）の
サイズが大きくなって全体的に大型化する。

（２）レーザ部（LD）と変調部（Ｍ）が一体化されてい
る場合典型的には、変調部（Ｍ）は、量子閉じ込め効果（QC
SE）などを用いた電界作用による吸収端の変化などを利
用して変調を行なうので、変調部（Ｍ）は一般に波長制
御部（Ｃ）、位相制御部（Ｐ）、活性部（Ａ）とは逆極
性を印加される。従って、変調部（Ｍ）と活性部（Ａ）
等との電気的な分離が難しい、変調出力のON、OFF比が
不十分となる、吸収分が大きいので光出力が大きく得ら
れないなどの問題がある。

（３）レーザ（LD）の活性部（Ａ）を直接変調する場合位相調整部（Ｐ）と波長制御部（Ｃ）との位相のつな
がりが悪く出力及び波長の変動が起こる。

このことを模式的に示すと以下の如くである。

波長制御部（Ｃ）には、λ/n_c（１次回折の場合）又
はλ/2n_c（２次回折の場合）などの（λは真空中での光
の波長、n_cは実効屈折率）空間的周期（Λ）で屈折率変
化が形成されており、波長制御部（Ｃ）に電界を印加し
たり電流を注入することで実効屈折率n_cを変化させ、周
期（Λ）は余り変化しないので、n_cΛ、2n_cΛなどで決
まるブラッグ反射条件を満たす波長を変化させてこの波
長の光を選択的に反射する様に設計されている。

一方、活性部（Ａ）、位相調整部（Ｐ）の屈折率もこ
こへの注入電流によるプラズマ効果や温度効果で変化す
る。

従って、活性部（Ａ）への注入電流の変調により変調
出力を発振するに際して、共振条件を満たす様に位相調
整部（Ｐ）の注入電流を活性部（Ａ）の注入電流にバラ
ンスさせている。

このことを第７図で説明する。第７図（３）の（１）
の矢印で示す如く活性部（Ａ）の注入電流I_BAに対して
位相調整部（Ｐ）の注入電流をI_BPとして、第７図
（１）の如く位相を合わせると（第７図（１）の波長制
御部（Ｃ）の一方の波線は空間的周期構造を示し、他方
の波線は光波を示す）、第７図（３）の（２）の矢印で
示す様に活性部（Ａ）の注入電流がI_BA＋I_SA（I_BAはバ
イアス分、I_SAは信号分）となるとき位相調整部（Ｐ）
の注入電流をI_BPのままにしているので位相が第７図の
（２）の如く狂ってしまい光出力の変動が起こる。こう
して、直接変調の場合、光出力や波長の変動が問題とな
っていた。

従って、本発明の目的は、上記の課題に鑑み、レーザ
を直接変調しても出力波長の安定化、出力レベルの安定
化を実現していうダイナミックに波長安定な半導体レー
ザ及び半導体レーザの駆動方法を提供することにある。

［課題を解決する為の手段］上記目的を達成する本発明の半導体レーザにおいて
は、活性領域部を含む第１の電流注入域及び第２の電流
注入域を有し、波長制御部を備え、かつ該第１及び第２
の電流注入域の全光路長が注入電流により予め設定した
値から変調時にλ以上ずれない様に、該第１の電流注入
域への第１の注入電流との該第２の電流注入域への第２
の注入電流の増減を逆に、かつ同期させて変調する駆動
手段を有することを特徴とする。

より具体的には、前記駆動手段は、該第１の注入電流
が増加した場合には該第２の注入電流を減少させ、また
該第１の注入電流が減少した場合には該第２の注入電流
を増加させたり、前記第１の電流注入域と該第２の電流
注入域における導波構造が同一であったり、前記第１の
電流注入域には周期格子を有していなかったり、前記波
長制御部にのみ周期格子を有したり、前記第１の電流注
入域と該第２の電流注入域の積層構造が異なったり、前
記波長制御部は共振パス内に設けられた周期反射構造で
あったり、前記波長制御部は光共振パス外に設けられた
周期反射構造であったり、前記第１及び第２の注入電流
の増加と減少の比は夫々の電流注入域の構造の異同に応
じて設定されていたり、前記第１及び第２の注入電流の
増加と減少の量はほぼ等しかったりする構成を採り得
る。

また、本発明による半導体レーザの駆動方法において
は、前記第１及び第２の電流注入域の全光路長が注入電
流により予め設定した値から変調時にλ以上ずれない様
に、該第１の電流注入域への第１の注入電流と該第２の
電流注入域への第２の注入電流の増減を逆に、かつ同期
させて変調することを特徴とする。

以下、典型例に沿って本発明の原理を説明する。

電流注入域が位相調整部（Ｐ）と活性部（Ａ）である
として、これらにI_BP、I_BAをバイアス電流として注入す
る。このとき、波長制御部（Ｃ）のn_cΛ、2n_cΛで決ま
る波長の位相に合い良好な出力が得られる様にI_BP、I_BA
を設定しておく。

活性部（Ａ）の注入電流I_Aは変調信号に応じて変化さ
れるので、これに同期させて位相調整部（Ｐ）の注入電
流I_Pを第６図に示す如く逆方向にシフトさせる。これに
より、変調時にも全光路長が上記の様に良好な出力が得
られているときの全光路長（これを設定値または所定値
と呼ぶ）に比してλ以上ずれない様にする。

今、各部Ａ、Ｐの実効屈折率をn_A、n_P、注入域長を
L_A、L_Pとすると、常に（所定値）−λ≦n_AL_A＋n_PL_P≦
（所定値）＋λを満たす様に各部Ａ、Ｐへの電流量I_A、
I_Pを同期して変化させることになる。

より一般的には、常に（所定値）−λ≦Σn_iL_i≦（所
定値）＋λを達成すればよいことになる（n_i、L_iは、周
期的屈折率構造やゲイン（吸収）分布などのない注入域
部分の実効屈折率、注入域である）。

詰まり、第６図に示す様に、活性層（Ａ）への注入電
流I_Aが図示の如く変化するとき、同部Ａの温度T_Aは図示
の如く変化するのでそれに伴って実効屈折率n_Aが変化し
n_AL_Aが変化する。従って、位相調整部Ｐの注入電流I_Pを
図示の如く逆方向にシフトさせて同部Ｐの温度T_PがT_Aの
逆方向に変化する様にして実効屈折率n_p即ちn_pL_Pをn_AL_A
の変化を打ち消す様に変化させるのである。

通常、電流の増加で温度上昇しｎ（Ｔ）が増加する
が、同時に注入キャリアの効果によりｎは減少するの
で、このことを考慮して、電流I_A、I_Pを同期させて変化
させればよい。

より具体的には、Δｎ（Ｔ）はΔＩ・Ｖによるジュー
ル熱に比例するので、各部Ａ、Ｐとも大差はなく、単位
長さ当りの電流密度を各部Ａ、ＰにおいてJ_A、J_Pとすれ
ば Δn_A≒ｋΔJ_A Δn_P≒ｋΔJ_P となる（ｋは定数）。

一方、キャリア密度によるｎの変化は、構造依存性が
大きいが、各部Ａ、Ｐ同構造とすれば、やはり|I_SA|≒|
I_SP|で｜Δn_A（キャリア密度）L_A|≒｜Δn_p（キャリア
密度）L_P|を満たすことになる。

したがって、概ね|I_SA|≒|I_SP|とすれば目的は達せら
れることになる。

各部Ａ、Ｐの構造が異なるときは、|I_SA|と|I_SP|の比
は１からずれることになる。

各部Ａ、Ｐの注入電流を同期させて変調させる回路に
ついては、LDの高速変調で用いる同一電流を各部に振り
分けるような回路などを使用すればよい。

上記本発明の原理においては、変調電流の変調速度は
1MHz〜1GHz程度の領域で特に有効であるが、1MHz以下で
も、DBR構造を持つ本発明によるレーザを光波長多重通
信システムなどに用いる際に有効である。

1GHz以上の領域では温度変化などが余り問題とならな
いので、本発明が問題としていることは余り問題ではな
いが、この領域でもデューティが変動するような場合に
は本発明の考え方が有効である。

尚、上記において、全光路長がλ以上ずれない様にす
ればよい理由は、これ以上ずれると光出力P_outの出力レ
ベルが第２図（１）のP_outで示す如き数以上の凹凸を持
つ様になって不安定度が許容し難くなるからである。

［実施例］第１図は本発明の第１実施例の概略を示す図である。
同図において、既に述べた様にＣ、Ｐ、Ａは夫々波長制
御部、位相調整部、活性部であり（以下夫々Ｃ部、Ｐ
部、Ａ部と記す）、Ａ部とＰ部は、ｎ−GaAs基板１上に
MBE（分子線エピタキシー）法によりｎ−GaAsバッファ
（厚さ１μｍ、キャリア濃度１×10¹⁸cm^-3）、ｎ−Al
_0.5Ga_0.5As（1.5μｍ、５×10¹⁷cm^-3）、ノンドープ
（φ）Al_0.1Ga_0.9As活性層２（0.08μｍ）、ｐ−Al_0.5G
a_0.5As（1.5μｍ、７×10¹⁷cm^-3）、ｐ−GaAs（0.5μ
ｍ、１×10¹⁸cm^-3）を成長した層構成を有する。Ｃ部
は、上記の如く層を成長した後、φ−AlGaAs活性層２が
なくなるまでエッチングし、その上に周期0.22μｍの周
期格子３を２光束干渉露光法で作製し、その後MOCVD
（有機金属熱分解）法によりｐ−Al_0.5Ga_0.5As、ｐ−Ga
Asを前記と同様の厚みまで再成長して形成した。

次に、横方向の閉じ込めを行なって導波路構造を作製
する為、約３μｍ幅で基板１近くのGaAsまでエッチング
し再びMOCVD法にて高抵抗Al_0.3Ga_0.7Asを埋め込んだ。

Ｃ部、Ｐ部、Ａ部に電極４、５、６及び共通電極９を
夫々形成するが、その電流注入域長さはＣ部が500μ
ｍ、Ｐ部が300μｍ、Ａ部が300μｍである。各部Ｃ、
Ｐ、Ａは相互の注入電流によるクロストークを避ける
為、表面から１μｍ程エッチングにより掘り込んで各部
ＣとＰ、ＰとＡ間に溝７、８を形成している。ｎ型基板
１、ｐ型の３領域の注入電流は、各々への上記オーミッ
ク電極４、５、６、９でなされている。

以上の構成において、Ｃ部に100mA、Ａ部に60mA、Ｐ
部に40mA注入したとき、発振波長820nmで2mWの出力がＡ
部端面から得られた。

次に、Ａ部を200MHzのRZ（リターントゥゼロ）信号の
注入電流で変調した。即ち、Ａ部に2.5nsecパルスで90m
Aを印加した（第２図（１）に示す様にＡ部への注入電
流I_Aのバイアス成分I_BAを60mAとし、2.5nsecパルスで信
号成分I_SAを30mAとした）。このとき、Ｐ部への注入電
流I_BPを40mAで放置したところ、第２図（１）の様な出
力P_outの変動が見られた。これを克服すべく、この時、
Ａ部への注入電流I_Aに同期して第２図（２）に示す如く
Ｐ部への注入電流I_Pを逆方向（バイアス成分I_BPから減
らす方向）に減少させたところ（I_SP＝30mAとして減ら
す）、第２図（２）に示す如く光出力P_outは安定した。
即ち、RZ信号のゼロ（０）時に光出力P_OFFが2mWとな
り、“1"時に光出力P_ONが5mWとなって、P_ONは安定した
出力となっている。

第１図のデバイスを波長可変レーザとして用いて、Ｃ
部への注入電流を100mAから30mAとした時は、Ｃ部のブ
ラッグ波長（n_cΛ）が変化して発振波長は820nmから821
nmとなり、Ａ部の注入電流I_A＝80mA、Ｐ部の注入電流I_P
＝30mAで10mWの出力が得られた。

Ａ部の注入電流I_AをI_BA＋I_SA＝80mA、I_BA＝50mA（即
ちI_SA＝30mA）で100MHzのRZ信号で変調したところ、Ｐ
部の注入電流I_Pを一定のままではI_A＝80mA時の光出力P
_outが10mWから3mWの間で変動した（第２図（１）のP_out
参照）。I_A＝50mA時はP_outが0.1mWであった。

そこで、Ａ部の注入電流I_Aが80mA、50mAと変化するの
に対応して、Ｐ部の注入電流I_Pを30mA（I_A＝80mAのと
き）、60mA（I_A＝50mAのとき）としたところ、ON、OFF
の光出力10mW、0.1mWの安定した変調出力が実現され
た。

第１図の実施例と同構造でＰ部の長さを200μｍとし
た第２実施例でも、第１実施例と同様の傾向が認められ
た。

即ち、Ｃ部で設定された波長に対して、Ａ部の注入電
流のバイアス成分I_BA、Ｐ部の注入電流のバイアス成分I
_BPを一定値に決めた後に、Ａ部の注入電流の信号成分I
_SA＝30mAに対してＰ部の注入電流の信号成分I_SP＝25mA
（減らす方向）とした時に、光出力P_outは安定した。

次に、第３実施例を説明する。第３実施例では、Ｐ
部、Ｃ部ともノンドープAlGaAs活性層を含んでエッチン
グし、Ｃ部のみ周期格子を形成し、第１実施例と同じ埋
め込み工程で導波路注入域を形成した。即ち、本実施例
ではＰ部とＡ部の積層構造を異ならせている。

この場合も、Ｃ部100mA、Ａ部60mA、Ｐ部50mAの注入
電流で、820nm、2mWの光出力が得られた。しかし、200M
Hzの変調を行なうには、Ａ部の注入電流が90mA（＝I_BA
＋I_SA）であるときＰ部の注入電流を40mA（＝I_BP（＝5
0）＋I_SP（＝−10））として同期させる必要があった。
即ち、I_SA＝30mAに対して、I_SP＝−10mAで逆方向にする
必要があった。この第３実施例では、Ａ部とＰ部の層構
成が異なり注入電流によるプラズマ効果に差が出て、屈
折率変化の程度に違いがあるので、I_SAとI_SPの絶対値が
上記の如く異なったと思われる。

本発明は、波長可変は行なわないが直接変調によって
安定波長、安定レベルの光出力を得る場合にも、もちろ
ん、適用できる。これは、第１図においてI_C（Ｃ部への
注入電流）＝０の場合に相当し、第３図の如くＣ部に注
入電流を持たない場合である。

また、Ｐ部、Ａ部は相対的なものであり、Ｃ部に対す
る配列が変わっても本発明のもくろむ効果が生れる。

材料についても、発振波長0.8μｍ辺りのGaAs系に限
定されず、1.3μｍ、1.5μｍ辺りのInP系、0.7μｍ辺り
のAlGaInP、更に短波長のZnSe、ZnSなども使用できる。

更に、Ｃ部である波長決定部分は集積化されたもので
ある必要はなく、Ｃ部がＰ部やＡ部と分離されていても
よい。その例を第４図に示す。ここでは、Ｃ部がいわゆ
る外部共振器で、これを回転させることで発振波長を変
える。

また、Ｃ部以外が第５図の如く３つ以上に分かれてい
る場合でも本発明の考え方は有効であり（第５図の場
合、Ｐ部、A₁部、A₂部とした）、こうした場合、２つの
注入域の電流を同期させて変動させれば十分であるので
１つの注入域を変動させなくてもよい。

上記第１実施例から第３実施例までの説明に述べた発
振波長λに対してのI_C、I_P、I_Aなどの情報をROMに入れ
ておき、必要な発振波長を選択するとき自動的にＣ、
Ｐ、Ａ部が制御される様にしておく手法も可能である。
この時、I_SP/I_SA比などもＰ部、Ａ部の構造に固有な値
として記憶しておくことにより、誤りなくシグナルレベ
ルを選択できる。

［発明の効果］上記に説明した如く、本発明によれば、２つ以上の電
流注入域への注入電流を同期させて変調し、これらの全
光路長が設定値からλ以上ずれない様にしているので、
半導体レーザの出力波長の安定化、出力レベルの安定化
を図ることができる様になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の概略構成図、第２図は第
１実施例の各部への注入電流の変動と光出力の変化の関
係を示す図、第３図は波長可変をしない例の概略構成
図、第４図は外部共振器の例の概略構成図、第５図はＣ
部以外の部分が３つ以上ある例の概略構成図、第６図は
本発明の駆動方法の典型例の時間ダイアグラム、第７図
は従来例の課題を説明する図、第８図は従来例を説明す
る図である。１……基板、２……活性層、３……周期格子、４、５、
６、９……電極、７、８……溝、Ａ……活性部、Ｃ……
波長制御部、Ｐ……位相調整部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】活性領域部を含む第１の電流注入域及び第
２の電流注入域を有する半導体レーザであって、波長制
御部を備え、かつ該第１及び第２の電流注入域の全光路
長が注入電流により予め設定した値から変調時にλ以上
ずれない様に、該第１の電流注入域への第１の注入電流
と該第２の電流注入域への第２の注入電流の増減を逆
に、かつ同期させて変調する駆動手段を有することを特
徴とする半導体レーザ。
【請求項２】前記駆動手段は、該第１の注入電流が増加
した場合には該第２の注入電流を減少させ、また該第１
の注入電流が減少した場合には該第２の注入電流を増加
させる請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項３】前記第１の電流注入域と該第２の電流注入
域における導波構造が同一である請求項１記載の半導体
レーザ。
【請求項４】前記第１の電流注入域には周期格子を有し
ていない請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項５】前記波長制御部にのみ周期格子を有する請
求項１記載の半導体レーザ。
【請求項６】前記第１の電流注入域と該第２の電流注入
域の積層構造が異なる請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項７】前記波長制御部は光共振パス内に設けられ
た周期反射構造である請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項８】前記波長制御部は光共振パス外に設けられ
た周期反射構造である請求項１記載の半導体レーザ。
【請求項９】前記第１及び第２の注入電流の増加と減少
の比は夫々の電流注入域の構造の異同に応じて設定され
ている請求項１あるいは２記載の半導体レーザ。
【請求項１０】前記第１及び第２の注入電流の増加と減
少の量はほぼ等しい請求項１あるいは２記載の半導体レ
ーザ。
【請求項１１】請求項１乃至10の何れかに記載の半導体
レーザの駆動方法において、前記第１及び第２の電流注
入域の全光路長が注入電流により予め設定した値から変
調時にλ以上ずれない様に、該第１の電流注入域への第
１の注入電流と該第２の電流注入域への第２の注入電流
の増減を逆に、かつ同期させて変調することを特徴とす
る駆動方法。