JPH02203581A

JPH02203581A - 半導体発光装置

Info

Publication number: JPH02203581A
Application number: JP2083089A
Authority: JP
Inventors: Kimisuke Nishimura; 公佐西村; Kazuo Sakai; 堺　和夫; Yukitoshi Kushiro; 久代　行俊
Original assignee: Kokusai Denshin Denwa KK
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 1989-02-01
Filing date: 1989-02-01
Publication date: 1990-08-13
Anticipated expiration: 2011-10-23
Also published as: JP2546366B2

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】（産業上の利用分野）本発明は、レーザ領域に帰還する外部からの反射光によ
る特性変動を抑圧する半導体発光装置に関するものであ
る。

（従来技術）光通信用あるいは光情報処理用光源として、半導体レー
ザは広く使用されている。半導体レーザでは、反射など
の外部光の注入により特性変動が生じ、動作が不安定に
なるため、その使用にあたってはこれを防止することが
重要である。このため、光が入射される側の光ファイバ
に無反射膜をコーティングするなど、各種の対策がとら
れてきた。こうした対策の中で、発光装置側で行う有効
な方法の一つに、偏光子と４分の１波長板からなるアイ
ソレータを、レーザ出射面に配置することがあげられる
。

（発明が解決しようとする課題）しかし、アイソレータは構造が大きくなるため、レーザ
と光ファイバの間隔が大きくなり、レーザの出射光を光
フアイバ内に入れる際、使用するレンズが限られること
などによる挿入損失が大きいなどの問題がある。

従来技術においては、−力方向の光を伝搬させるための
アイソレータ領域のうち特にレーザからの出射光の偏光
面を回転する４分の１波長板が厚いため、これを通して
光ファイバなどに結合するのに使用するレンズが限られ
ていた。４分の１波長板のかわりにファラデー回転子を
使う場合でも、回転子が厚いことに変わりはなく、この
ため偏光面回転部分を小さくすることが求められていた
。

また、レーザからの出力光には、ＴＥモードとＴＭモー
ドとの成分が存在し、そのうち一方のモード成分だけを
取り出せばよい。一般に、ＴＥモードだけを取り出すた
めに偏光子を挿入しているが、偏光子は光学素子である
ため、レーザと一体化出来なかった。

以上のように、従来はレーザから出力された出力光のう
ち、予め定めたモード成分の光を光ファイバなどの外部
媒体に効率よく導入することが出来ないという問題点が
あった。

本発明の目的は、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、レーザから出力された出力光の
うち、予め定めたモード成分の光を光ファイバなどの外
部媒体に効率よく導入することが可能な半導体発光装置
を提供することにある。

（課題を解決するための手段）本発明の特徴は、同一半導体基板上に、光を出力するレ
ーザ領域と該レーザ領域からの出射光に結合するよう配
置した光導波路層を有する半導体発光装置において、前
記レーザ領域からの出射光に結合するように配置された
第１の光導波路層内を伝搬する光のうち予め定めた伝搬
モードに損失を与えるように構成されたモードフィルタ
領域と、該モードフィルタ領域からの出射光に結合する
ように配置され、かつ伝搬する光の偏光面が回転するよ
うに組成が定められた第２の光導波路層を有する光導波
路領域と、前記レーザ領域の出射光の進行方向と平行な
成分を有する磁界を該光導波路領域へ印加する磁界印加
手段とを有するように構成されたことにある。

（実施例１）第１図は、本発明による波長０．６μｍ帯の半導体発光
装置における光軸（光の進行）方向の半導体素子部の断
面図を示したもので、レーザ領域。

窓領域、モードフィルタ領域及び光導波路領域の４つの
領域から構成されている。半導体素子部を構成する４つ
の領域のうち、本発明の特徴となる領域はモードフィル
タ領域及び光導波路領域である。なお、磁界印加部は後
述する。

先ず、半導体発光素子部のうち、従来構成であるレーザ
領域及び窓領域の構成について説明する。１は４つの領
域に共通な（１００）面ｎ−ＧａＡｓ基板、２はｎドー
プＡＩＩｎＰによる下部クラッド層、３は非ドープＧａ
ＩｎＰによる活性層、４は非ドープＡ１．ＧａＮｎＰに
よる光導波路層、５はレーザ領域及び窓領域を構成する
ｐ　−Ａ］、ＩｎＰによる上部クラッド層、６は窓領域
を構成するｎ−ＡＩＩｎＰによる電流ブロック層、７は
レーザ領域及び窓領域を構成する非ドー・ブＧａ　Ａｓ
によるキャップ層、１５はＺｎ拡散領域、１６は絶縁膜
、１７はｐ　（ＩＩＩ電極、］８は各領域に共通なｎ側
電極であり、これらからレー・ザ領域及び窓領域が構成
さね、ている。

次に本発明の特徴の一つであるモー　ドフィルタ領域は
、非ドープＡＩ　Ｉｎ　Ｐによる下部クラッド層８、非
ドープＡＩＧａＩｎＰによる光導波路層９（第１の光導
波路層）、非ドープＡＩ　Ｉｎ　ＰによるバッファＨ１
０及びＡ１等からなる金属クラッド層１１で構成されて
いる。ここでは、ＴＭモードに損失を与え、ＴＥモード
を取り出すようにするため、金属クラッド層１１を光が
分布する光導波路の一部（光導波路層′９に接近し１．
たとこる）に配置している。

また、本発明のもう一つの特徴である光導波路領域（ま
たは「偏光面回転領域、Ｉと称す）は、同一・発明者ら
が同日に特許出願している「半導体発光装置」の光導波
路領域と同じ構成であり、ＺｎＭｎ　ＳＳｅ　Ｔｅ　　
（禁止帯幅に相当する波長：λ５ｇ＝０．４０１ｔｍ）
による下部クラッド層１２、ＺｎＭｎ５ＳｅＴｅ（λｇ
　＝０．４４μｍ）による光導波路層（第２の光導波路
層）１３、Ｚｎ　Ｍｎ　ＳＳｅ　Ｔｅ　　（λ［＝０．
４０μｍ）による上部クラッドＮ１４及び絶縁膜１６か
ら構成されている。

なお、第２の光導波路層１３は、Ｚ　ｎ　［１−Ｗ　Ｉ
　Ｍ　ｎ　＋ｉ、。

Ｓ　ｌ＋−ｐ−ｑｌ　Ｓｅ、Ｔｅｑ　（０≦ｐ≦１、０
≦ｑ≦１、０．０５≦ｗ≦０．５）からなる単層で構成
してもＪ、いし・あるいはＺ　ｎ　１１−ｗｌ　Ｍ　ｎ
１ｗ５　（＋−ｐ−ｑｌ　　Ｓ　ｅｐＴ　ｅｑ（０≦ｐ
≦１，０≦ｑ≦１．　０．０５≦ｗ≦０．８）およびＺ
　ｎ１１−ｗ’ｌ　Ｍｎ＋ｗ、Ｓ　＋ｌ−ｐ’−Ｑ’ｌ
　５ｅｐＴｅ、＝　Ｏ≦ｐ′≦１，０≦ｑ′≦１．０．
０５≦ｗ≦０．８）よりなる超格子多層膜で構成しても
良い。

すなオ）ち、本発明は、同日出願した「半導体発光装置
」に、あらかじめ定めたモードに損失を与えるモードフ
ィルタ領域を追加したものである。

レーザ光は［０１１，］方向に出射するよう、光導波路
が形成されており、横モード制御のために屈折率導波構
造どなっている。またレーザ領域の光導波路層４の表面
には、１７４波長シフト回折格子１９が形成されている
。また、モードフィルタ領域及び光導波路領域（以下、
この２つの領域を総称して「光アイソレータ領域」と称
す）と接していない側の１ノ−ザ領域端面は、反射光が
再び１ノーザ領域に入らないように、活性層３の禁止帯
幅よりも大なる禁止帯幅を有するＡ　１　ｏ、ｓ　Ｉｎ
　ｏ、ｓ　Ｐ層５，６による窓領域が形成さね５でいる
。各成長層は、基板１とほぼ格子整合が取れるように組
成を選んである。

次に、磁界印加部の構成について説明する。磁界印加部
Ｂも同一出願人により同日出願した「半導体発光装置」
で述べた様に、光導波路層の偏光面を回転させるために
、磁石または電磁石等で構成したものである。第２図（
ａ）は、半導体素子部Ａと磁界印加部Ｂとの関係図であ
り、光導波路領域の第２の光導波路層に光軸とほぼ平行
な磁界成分を印加する様に成っている。同図（ｂ）は磁
石の場合の磁界の強さを調整する場合の一例であり、角
度βを変えれば良い。また、電磁石の場合には電流を変
えれば良い。

次に、１ノ−ザ領域と光アイソレータ領域とを集積化し
た半導体素子部Ａに磁界印加部Ｂを備えた本発明による
半導体発光装置の動作を説明する。

電極１６．１７間に電流を流すと、レーザ領域では１７
４波長シフト回折格子によりレーザ発振が起きる。この
場合、発振した光には一般にＴＥモードどＴＭモードが
ともに存在する。この時のＴＥモードの光軸方向の伝搬
定数なγとする。

モードフィルタ領域はＴＥモードに対する伝搬定数がγ
で、かつ禁止帯幅が入射光の波長に相当する禁止帯幅よ
り大きいため、レーザ領域との接合部で反則が起こらず
、内部での吸収も起きない。モードフィルタ領域に入射
した光は、光導波路内に配置された金属クラッド１１の
影響で、７Ｍモードは減衰し、ＴＥモードのみが減衰せ
ずに伝搬する。下部クラッド層８の屈折率、光導波路層
９およびバッファ層１０の屈折率と厚さを適当に選ぶこ
とで、ＴＥモードに対する伝搬損失が１ｄＢ／ｍｍ以下
でかつＴＥモードと７Ｍモードの伝搬損失の差を数十ｄ
Ｂ／ｍｍにすることができる。従って、モードフィルタ
領域の長さを５００μｍ程度とすれば、モードフィルタ
領域ではＴＥモードのみが伝搬する。

従って、光導波路領域にはＴＥモードのみが入射する。

光導波路領域もＴＥモードに対する伝搬定数がγで、か
つ禁止帯幅は入射光の波長に相当する禁止帯幅より大き
いため、モードフィルタ領域との接合部で反射が起こら
ず、内部での吸収も起きない。偏光面回転子に相当する
光導波路領域に入射した光は、光軸に平行な成分を有す
る磁界を印加することにより、Ｚｎ　Ｍｎ　ＳＳｅ　Ｔ
ｅによる光導波路層１３中のＭｎの働きによって磁気光
学効果（ファラデー効果）が生じ、偏光面が回転する。

回転角度θは θ＝ｖ・１・Ｂ−ｃｏｓβ−−−（１）で与えられる。

ここで■は定数、ｌは偏光面回転子の光導波路長、Ｂは
印加した磁界の磁束密度、βは光軸と磁界の向きのなす
角度である。■は組成や入射光の波長によって変化し、
０．１〜０．５ｄｅｇ／ｃｍ−ｇａｕｓｓである。従っ
て、Ｂを３０００ガウス程度とすれば、光導波路領域の
長さ１ｍｍ程度で偏光面を４５°回転可能である。

例えば、光導波路領域の端面で反射が起きたとすれば、
反射光は光導波路領域を左向きに進む間に、偏光面が同
じ方向に更に４５°回転し、モードフィルタ領域に達し
たときは７Ｍモードになっている。そのため、モードフ
ィルタ領域により減衰を受けてレーザ領域に達しない。

また、この半導体発光装置から出射された後、ファイバ
入射面などで反射し、再び光導波路領域に入射した光に
ついても同様である。第１図下に各部での各モードがど
の様に伝搬するかを模式的に示す。

なお、実施例１の説明では１７４波長シフト回折格子を
有する分布帰還形レーザを取り上げたが、通常の分布帰
還形レーザでも勿論かまわない。また窓構造のかわり番
乙反射率制御コーティングなどを用いてもよい。モード
フィルタ領域はＴＥモード選択フィルタになっているが
、バッファ層１０の屈折率を光導波路層９より高（し適
当な厚さとすることで、ＴＭモード選択フィルタにして
もよい。

（実施例２）実施例１では、レーザの一方の出射側にモードフィルタ
領域及び光導波路領域である光アイソレータ領域を入れ
たが、第３図のように両方の出射面に光アイソレータ領
域を形成してもよい。この場合も、両方の光アイソレー
タ領域により反射光はレーザ領域に達せず１、レーザ特
性に影響を与えない。

通常、分布帰還形レーザでは、端面反射の影響をなくす
ため、端面を窓構造としたり、端面コーティングを施し
たりしているが、窓構造の場合には出射光のスポットが
拡がるため結合損失が大きくなるという欠点があり、ま
たコーティングは膜厚制御が簡単でないなどの問題があ
る。従って、本発明を用いることにより、レーザ光は導
波路構造によって出射口まで拡がらずに進むため、上述
の問題は解決できる。

なお、第３図では左右の光アイソレータ領域は同一の組
成、構造になっているが、必ずしも同一の組成、構造で
ある必要はない。

（実施例３）実施例１および２では、レーザ領域が通常の２重へテロ
構造の場合について述べたが、活性層３が量子井戸構造
で構成されている場合についても、本発明を適用できる
。この場合には、レーザ領域におけるＴＥモードの最大
利得が７Ｍモードの最大利得に比べて相当大きくなる。

このため、２重へテロ構造に比べてモードフィルタ領域
の長さを短くすることが可能で、モードフィルタ領域に
おけるＴＥモードの損失を小さ（することができる。な
お、クラッド層５が超格子構造であっても、こうした傾
向に影響は与えない。

また、モードフィルタ領域のクラッドＨ１０、光導波路
領域の光導波路層・クラッド［１４についても、これら
が超格子構造であっても構わない。

以上の説明では、ｎ形基板１を用いているが、勿論ｐ形
基板を使用し、レーザ領域のクラッド層５の伝導形を逆
にした構造でも問題ない。光導波路構造についても、埋
め込み構造など屈折率導波形のどのような先導波構造を
用いてもよい。

材料については、半導体基板上にほぼ格子整合して成長
できる半導体の組合せであればよい。例えば、基板１と
しては、Ｓｉ、、Ｇｅ、ＩｎＰ、Ｇａ　Ｐ、Ｇａ　Ａｓ
　Ｐ、Ｚｎ　Ｓｅ　、、Ｚｎ　Ｓ％ＣｕＧ　ａ　Ｓ　Ｓ
　ｅなど、ＩＶ族、ｍ−ｖ族、ｎ−ｖ’ｘ族、カルコバ
イライトのどの半導体でもよい。レーザ領域の半導体に
ついでも、基板ｌとほぼ格子整合するものであれば、ど
のような半導体でもよい。

また、モードフィルタ領域の半導体についても、基板１
とほぼ格子整合するものであればどのような半導体でも
構わない。光導波路領域の半導体についても、基板１と
ほぼ整合しており、成分中に遷移金属元素を含み、かつ
レーザ光に対する吸収係数が小さいという要求条件はあ
るものの、特定の半導体である必要はない。従って、Ｚ
ｎＳＳｅ　Ｔｅ系以外の半導体、たとえばＣｄ５５ｅＴ
ｅ系などに遷移金属を導入したものを用いてもよい。更
に、遷移金属元素自体についても、実施例で述べたＭｎ
のかわりに、Ｆｅ、、Ｃｏ、Ｎｉなどを用いてもよい。

なお、用いる半導体や遷移金属元素によっては、前記（
１）式の定数■が小さい場合もあるが、この場合には光
導波路領域の（］′法を長くするか、磁界の大きさを強
（すればよい。

（発明の効果）以上のように、本発明はモードフィルタ領域。

光導波路領域と磁界印加手段とを有するように１′導体
発光装置を構成することにより、レーザ領域からの出力
光のうちあらかじめ定めた伝搬モードのみを効率良く外
部媒体に入射することができる。

第２の光導波路［１３は、基板］とほぼ格子整合する半
導体多層膜よりなり、かつＩＩ−ＶＩ族化合物半導体の
■族元素の一部が遷移金属元素で置換された半導体層で
構成することにより、磁界印加部Ｂからの磁界でレーザ
領域の出射光の偏光面を回転させることができる。

第２の光導波路Ｍ１３が、Ｚ　ｎ　（＋　−ｍｌ　Ｍ　
ｎｗＳ　＋１−ｐ−ＱＩ　　５ｅｐＴｅｑ　ｃｏ≦ｐ≦
１、０≦ｑ≦１、０．０５≦ｗ≦０．５）で構成するこ
とにより、磁界印加部Ｂからの磁界で１２−ザ領域の出
射光の偏光面を回転させることができる。

第２の光導波路Ｎ１３は、Ｚ　ｎ　（ｒ　−ｗｌ　Ｍ　
ｎｗＳ　＋＋　−ｐ−ａｔ　　Ｓ　ｅｐＴ　ｅＱ　（０
≦ｐ≦１．．０≦ｑ≦１゜０．０５≦ｗ≦０８８）およ
びＺ　ｎ　（１−ｗ’ｌ　Ｍ　ｎｗ・Ｓ　ｆｌ−ｐ’−
ｑＭ　　Ｓ　ｅｐ・Ｔ　ｅｑ、Ｏ≦ｐ　≦１，０≦ｑ′
≦１．０．０５≦ｗ′≦０．８）よりなる超格子多層膜
で構成することにより、磁界印加部Ｂからの磁界でレー
ザ領域の出射光の偏光面を回転させることができる。

遷移金属元素として、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを用いる
ことにより、安価で、かつ製造容易な光導波路層１３を
構成することができる。

モー　ドフィルタ領域を、半導体基板とほぼ格子整合す
る半導体多層膜及び金属膜で構成することにより、１／
−ザ領域及び光導波路領域と集積化できる。

レーザ領域の活性層３は量子井戸構造で構成することに
より、ＴＥモードのモードフィルタ領域の長さを短（す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による第１の実施例であり、半導体発
光素子部Ａの光軸方向の断面図、第２図（ａ）及び（１
））は本発明による半導体素子部Ａと磁界印加部Ｂとを
組み合わせた半導体発光装置の概略図、第３図は本発明
による第２の実施例であり、レーザ領域の両側に光アイ
ソレータ領域を有する半導体発光素子部Ａの光軸方向の
断面図である。１−−＝−（１００）面ｎ−ＧａＡｓ基板２・・・・ｎ
−ＡＩＩｎＰ下部クラッド層３・・・・ＧａＩｎＰ活性
層４・・・・ＡＩＧａＩｎＰ光導波路層５・・・・ｐ−ＡＩＩｎ−Ｐ上部クラッド層６・・・・
ｎ−ＡＩＩｎＰ電流ブロック層７・・・・Ｇａ　Ａｓキ
ャップ層８・・・・ＡＩＩｎＰ下部クラッド層９・・・・ＡＩＧａＩｎＰ光導波路層（第１の光導波路
層）ｌＯ・・・ｎ−ＡＩＩｎＰ電流ブロック層１１・・・金
属クラッド層１２・・・２０Ｍｎ５ＳｅＴｅ下部クラッド層１３・・・２０Ｍｎ５ＳｅＴｅ光導波路層（第２の光導
波路層）１４・・・２０Ｍｎ５ＳｅＴｅ上部クラッド層１５・・・・Ｚｎ拡散領域１６・・・・絶縁膜１７・・・・ｐ側電極１８・・・・ｎ側電極

Claims

【特許請求の範囲】

（１）同一半導体基板上に、光を出力するレーザ領域と
該レーザ領域からの出射光に結合するよう配置した光導
波路層を有する半導体発光装置において、前記レーザ領域からの出射光に結合するように配置され
た第１の光導波路層内を伝搬する光のうち、予め定めた
伝搬モードに損失を与えるように構成されたモードフィ
ルタ領域と、該モードフィルタ領域からの出射光に結合するように配
置され、かつ伝搬する光の偏光面が回転するように組成
が定められた第２の光導波路層を有する光導波路領域と
、前記レーザ領域の出射光の進行方向と平行な成分を有す
る磁界を該光導波路領域へ印加する磁界印加手段と、を有するように構成されたことを特徴とする半導体発光
装置。
（２）前記第２の光導波路層は、前記半導体基板とほぼ
格子整合する半導体多層膜よりなり、かつII−VI族化合
物半導体のII族元素の一部が遷移金属元素で置換された
半導体層で構成されていることを特徴とする請求項１記
載の半導体発光装置。
（３）前記第２の光導波路層が、Ｚｎ＿（＿１＿−＿ｗ
＿）Ｍｎ＿ｗＳ＿（＿１＿−＿ｐ＿−＿ｑ＿）Ｓｅ＿ｐ
Ｔｅ＿ｑ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０．０５≦ｗ≦０
．５）で構成されていることを特徴とする請求項１記載
の半導体発光装置。
（４）前記第２の光導波路層は、Ｚｎ＿（＿１＿−＿ｗ
＿）Ｍｎ＿ｗＳ＿（＿１＿−＿ｐ＿−＿ｑ＿）Ｓｅ＿ｐ
Ｔｅ＿ｑ（０≦ｐ≦１、０≦ｑ≦１、０．０５≦ｗ≦０
．８）およびＺｎ＿（＿１＿−＿ｗ＿′＿）、Ｍｎ＿ｗ
＿′Ｓ＿（＿１＿−＿ｐ＿′＿−＿ｑ＿′＿）Ｓｅ＿ｐ
＿′Ｔｅ＿ｑ＿′（０≦ｐ′≦１、０≦ｑ′≦１、０．
０５≦ｗ′≦０．８）よりなる超格子多層膜で構成され
ていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置
。
（５）前記遷移金属元素はＭｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉであ
ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
（６）前記モードフィルタ領域が、前記半導体基板とほ
ぼ格子整合する半導体多層膜及び金属膜で構成されてい
ることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装置。
（７）前記レーザ領域の活性層は量子井戸構造で構成さ
れていることを特徴とする請求項１記載の半導体発光装
置。