JPH02238686A - 半導体レーザ - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、コヒーレント光通信に用いる、特に広い可変
波長域を有する単一モード波長可変半導体レーザに関す
るものである。

〔従来の技術〕

コヒーレント光通信の干渉受信系を利用すると、受信感
度が高まるだけでなく，干渉光の波長を変えることによ
り、異なる波長の信号光の信号だけを取り出すことがで
きる。このため、受信系に発振波長が変えられるレーザ
光源を用いることにより，光の波長によりチャネル選択
ができる波長多重通信が可能になる。本来光通信は、従
来の電気信号伝送に較べて高速に変調できることから、
伝送容量が大幅に増大した。さらに、波長多重通信では
、複数の波長の光を１本の光ファイバで伝送できるため
、その伝送容量を増大させることが可能になり、将来の
大容量通信社会を支える技術として、このコヒーレン１
〜波長多重光通信は注目されている。

上記波長多重光通信を実現するためには、受信側に、波
長可変範囲ができる限り広い単一波長（シングルモート
発振）の半導体レーザが必要である。この波長可変半導
体レーザとしての従来の報告例は、エレクｌ一ロニクス
・レターズ、第２３巻、８号（１９８７年）４０３頁〜
４０５頁に記載されているように、分布反射型半導体レ
ーザ（ＤＢＲレーザ）の受動的ブラッグ反射部（ＤＢＲ
部）にキャリアが注入でき、かつ、増幅部とそのブラッ
グ反射部との間を、位相調節領域として平坦な受動的光
導波路にもキャリアが注入できる構造として、全体で、
反射部、位相調節部、増幅部とそれぞれ独立に、３つの
電極を設けた構成をとっていた。上記反射部および位相
調節部にキャリアを注入して、キャリア密度の変化に伴
う屈折率の変化を利用し、ブラッグ波長と発振の位相条
件を制御することで、連続的に３．１ｎｍの単一波長、
波長可変幅を得ていた。これに対する別の例として、ア
ブライト・フィジックス・レター第５２巻、托号（１９
８８年）　１２８５頁−１２８７頁に記載された波長可
変半導体レーザは、ブラック反射領域も増幅領域と同様
に光学的に活性な材料で構成していた。前記従来例と同
様に電極を分け、注入キャリアの密度変化により発振波
長を変えるわけであるが、前記報告に較べブラッグ反射
領域を活性材料とすることで、キャリア注入に伴う吸収
端シフトに起因する大きな屈折率変化が利用できるため
、より幅広い可変波長幅１１．６ｎｍを得ている。しか
しこの報告においては、連続的には可変でなく、離散的
な波長変化での可変幅であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記２つの従来例は代表的な波長可変半導体レーザの報
告であるが、それぞれの報告について問題点があった。

第１の従来例では、■受動的材料をブラッグ反射および
位相調節領域に用いているため、キャリア注入量が増加
すると、自由キャリアによる吸収損失が増大しレーザの
発振閾電流値が高くなる、■受動的材料を用いているの
で、キャリア注入量に対する屈折率変化量が少ない、と
いう問題点があった。また、第２の従来例では、位相調
節機能を持たない構造であるため、波長が離散的に変化
するという問題がある。上記報告中では、温度を３℃の
範囲内で変える方法や、増幅領域の電極を分離する方法
が記載されているが、前者の温度を変える方法は制御が
厄介であり、後者の増幅領域の電極を分離する方法は、
閾値利得一定の条件から増幅領域のキャリア密度の平均
があまり変らず、屈折率変化が小さいため、それ程大き
な位相調節機能が期待できない。

本発明は、より幅広い波長域を、単一波長で連続的にカ
バーできる、波長可変半導体レーザを得ることを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、光を放出するための第１の活性層を含む活
性領域と、光学的に不活性な光導波路層を含む位相調整
領域と、伝搬する光を反射するための回折格子を含む増
幅領域と、これら３つの領域にそれぞれ対応して配設さ
れた電極とを有し、」一記３つの領域は互いに光学的に
結合して、共振器を構成することによって達成される。

〔作　　用〕

上記半導体レーザの基本構造を第１図に示す。

光学的に活性な材料４からなり、回折格子ｌ２に接する
先導波路を有するブラッグ反射領域１と、活性な材料よ
りも吸収端波長が短かい材料５からなる先導波路を有す
る位相調節領域２と、平坦な活性材料４からなる光導波
路を有する増幅領域３との、３領域から構成され、独立
に設けた電極２１、２２、２３を有しキャリアをそれぞ
れの光導波路に注入できるようになっている。

上記構造では、ブラッグ反射領域１に活性材料４登用い
ることにより、第２の従来例に示したように、キャリア
注入による吸収端近傍の大きな屈折率変化が利用でき、
大幅な波長可変幅が期待できる。キャリアを注入して行
くと、屈折率が減少しブラｙグ反射の波長が短波長側ヘ
シフトすると同時に、光学的な利得が得られる。上記位
相調節領域２ではキャリアを注入すると屈折率が減少し
、発振位相条件を短波長側にシフ１〜させ、ブラック反
射領域１の推移と一致して連続的に発振波長を変えるこ
とができる。受動的な材料５からなる位相調節領域２で
は、第１の従来例から判るように、キャリアを注入する
と自由キャリアによる吸収で光学的な減衰領域になる。

上記第１の従来例ではこれがレーザ発振の閾電流値の増
大を引き起し、波長可変幅を制限していた。しかし、本
発明の構造では、光のブラソグ反射領域１の利得が、上
記位相調節領域２の減衰を補償するため、閾電流値の増
大を起さずに可変幅を拡げることができる。

また、上記位相調節領域２が増幅領域３とは異なり受動
材料５を用いているため、第２の従来例に報告されてい
るような増幅領域の電極を２分したときに生じる、閾値
利得一定による屈折率制御の制約を受けず、大きな位相
調節機能が得られる。

さらに、光学的に活性な材料で構成された回折格子領域
１の反射率は、従来の分布反射型半導体７一 レーザの発振特性と類似している。すなわち、様な回折
格子では、位相調節領域２と上記回折格子１２を挾んで
反対側の端面との間における、上記回折格子１２の凸凹
の繰り返し位相との兼合いにより、２つの波長で同程度
の反射利得を、すなわち双耳鳴的な特性を得る危険性が
ある。この場合、２つの発振波長で発光し、さらに連続
的に波長を変えた発振位相とは別の波長の発振位相利得
が大きくなり、発振波長がジャンプする可能性、確率を
もつことになる。これを防ぐ方法として、回折格子領域
１に回折格子１２の凸凹の位相を変えたいわゆる位相シ
フト構造とすることにより、反射利得の特性は単峰形と
なり、発振波長の選択性が強く、波長がジャンプする危
険性がなくなる。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第２図は本発明による半導体レーザの第１実施例の先導
波路に沿った断面図、第３図は本発明の第２実施例を示
す先導波路に沿った断面図、第４図は本発明の第３実施
例を示す先導波路に沿った断？図、第５図は上記第３実
施例における位相シフト回折格子領域の反射利得特性を
示す図、第６図は本発明の第４実施例を示す先導波路に
沿った断面図である。

第２図において、ｎ型ＩｎＰ基板１１に部分的に回折格
子１２を形成する。その後、活性光遵波路用の多層膜、
すなわちｎ型のＩｎＧａＡｓＰ　（λ■１．３０μｍ）
からなるガイド層１３、ｎ型のＩｎＰからなるス１〜ツ
ピング層１４、１型のＩｎＧａＡｓＰ　（λ．＝１．５
５μｍ）からなる活性層ｌ５、１型のＩｎＧａＡｓＰ（
λｇ＝１．３μｍ）からなるアンチメル１〜バック層１
６およびｉ型ＩｎＰ層をエピタキシャル成長する。ここ
で、λ６は材料のバンドギャノプ波長である。その後、
ブラソグ反射領域１および増幅領域３をマスクで保護し
て、位相調節領域２の領域をストノピング層１４まで選
択エソチングする。つぎに、Ｐ型ＩｎＰ層１７およびｐ
士型キャノプＮ１８をエビタキシャル成長して、従来の
半導体プロセスによりメサエノチンタおよび埋込みエビ
タキシャル成長を行い、埋込みへテロ構造を形成する。

最後に、電極蒸着を行い、上記蒸着膜をブラッグ反射波
長制御用電極２１、位相制御用電極２２、出力調節用電
極２３のそれぞれの電極に分離したのち、裏面用ｎ型電
極２４を形成する。

つぎに本実施例の動作について説明する。レーザの発振
条件は，光がレーザ内部を１往復する間に、レーザ内の
利得が元の強度に一致するように収支を合わせる値を取
り、かつ、１往復する光の位相が２πの整数倍になるこ
とである。本実施例に示す構成では、増幅領域３への注
入電流Ｉａによる光の利得、位相調節領域２への注入電
流Ｉｐによる自由キャリア吸収による減衰、ブラッグ反
射領域１への注入電流Ｉｂによる利得、出射光量損など
の利得バランスが１になり、かつ、ブラッグ反射領域１
の位相調節領域２から見た反射位相と、上記位相調節領
域２と増幅領域３の中を伝搬する位相および増幅領域３
の端面２０における反射位相の和が２πの整数倍になる
波長で発振することになる。まず、増幅領域３への注入
電流一定の条件で本素子を動作させて波長の様子を見た
。つぎに光出力のＩａ依存性を調べた。ブラック反射領
域１への注入電流Ｉｂだけを増加させると、キャリア密
度が増加するために屈折率が低下し、回折格子の光学的
なピッチが減少し、ブラック波長が短波長側へシフ１・
する。測定結果は〜−０．０５ｎｍ／　ｍ　Ａでシフト
した。そして、Ｉａの閾電流値は、ブラッグの反射領域
１の利得を反映して下がった。

また、位相調節領域２への注入電流Ｉｐだけを増加させ
ると、キャリア密度の増加に伴う屈折率の低下を反映す
るように、ブラッグ反射域」と反射端面２０に挾まれた
領域２および３の光路長が短かくなるため、やはり短波
長にシフトする。測定の結果は〜−０．１ｎｍ／　ｍ　
Ａでシフトした。また、Ｉａの閾電流値は位相調節領域
２の吸収を反映して大きくなった。

上記の特性を反映するように増幅領域３への注入電ｆｉ
Ｉａを一定にして、ブラソグ反射領域ｊ−への注入電流
Ｉｂに対し、適当な比率、例えば上記値では約１／２で
位相調節領域２へも同時に電流を注入したときに、ブラ
ッグ波長のシフＩ〜に相当する発振位相条件を満たす光
路長制御を行うことができた。また、ブラッグ反射領域
１の利得と位相制御領域２の吸収損のバランスにより、
ほぼ一定の光出力で広波長範囲にわたり、単一波長発振
の条件下で発振波長を変えることができた。測定結果は
６ｎｍまで、連続的に発振波長をほぼ一定の光出力で変
えることができた。

本発明の第２実施例を第３図について説明する。

本実施例は、活性光導波路の多層エビタキシャル成長に
よりガイド層１３、活性層１５を形成したのち、位相調
節領域２の上記エビタキシャル層を選択エッチングして
除去し、アンチメルトバック層１６、ｐ型ＩｎＰＮｌ７
およびＰ士型キャソプ層をエビタキシャル成長する。そ
の後の工程は第１実施例と同様である。本実施例の半導
体レーザの特性は、それぞれの光導波路間における光結
合の良さを反映し、第１実施例の構造に較べ、閾電流値
を多少下げることができた。その他の特性は第１実施例
と同様であった。

位相シフト構造を適用した本発明の第３実施例を第４図
により説明する。本実施例の構造の特徴は，回折格子の
凹凸が位相シフト点３０を境にして左右で反転する、す
なわち、凸凹が凹凸になる回折格子領域１にある。さら
に、回折格子側の端面に、その反射率を抑える無反射コ
ーティング３１を設けたことにある。その他の構成値は
第１実施例と同様である。上記位相シフト回折格子に電
流を注入したときに、位相調節領域２側からブラッグ反
射領域を見たときの反射利得特性を第５図に示す。図の
ように注入電流を増しキャリア密度を高めると、利得の
尖頭は単峰で、屈折率の低下に伴うブラッグ波長の短波
長への移行３２が見られる。

利得が増大しても一様な回折格子の凸凹を持つ構造（位
相シフ１〜がない構造）の場合と異なり、双耳峰の利得
特性をもつことはない。

本発明の構成例として第６図に第４実施例の断面図を示
す。ｎ型ＩｎＰ基板１］に部分的に回折格子１２を形成
する。つぎに、第１実施例と同様の多層膜をエビタキシ
ャル成長する。その後に、上記回折格子１２が存在する
領域であるブラッグ反射領域］およびこれに隣合う増幅
領域３をマスクで保護して、位相調節領域２をストップ
Ｍｌ４まで選択エッチングする。ｐ型ＩｎＰ層１７およ
びＰ型キャップ層１８をエビタキシャル成長して、従来
の半導体レーザ作製プロセスで、メサエッチングおよび
埋込みエビタキシャル成長を行い埋込みへテロ構造を形
成する。最後に、上記それぞれの領域に電極２１、２２
、２３を形成し、さらに裏面電極２４を形成する。電極
分離抵抗を高めるために、ｐ型キャップ層１８をエッチ
ングする。本構成においても前記実施例と同様の効果が
得られるが、さらに本構成では、光結合損失を発生する
各領域の結合部における段差が、増幅領域３と位相調節
領域２の１個所しかないため、閾電流値を下げることが
できた。

〔発明の効果］ 上記のように本発明による半導体レーザは、光を放出す
るための第１の活性層を含む活性領域と、光学的に不活
性な先導波路層を含む位相調整領域と、伝搬する光を反
射するための回折格子を含む増幅領域と、こ九ら３つの
領域にそれぞれ対応して配設された電極とを有し、上記
３つの領域は互いに光学的に結合することにより共振器
を栢成していることによって、従来の倍の広い波長域を
連続的にカバーできる波長可変レーザを得ることができ
るので、波長多重通信における多重度が増せるため，伝
送容量を大きくすることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による半導体レーザの基本構造を示す断
面図、第２図は本発明による半導体レーザの第１実施例
を示す光導波路に沿った断面図、第３図は本発明の第２
実施例を示す先導波路に沿った断面図、第４図は本発明
の第３実施例を示す先導波路に沿った断面図、第５図は
上記第３実施例における位相シフト回折格子領域の反射
利得特性を示す図、第６図は本発明の第４実施例を示す
先導波路に沿った断面図である。 １・・回折格子領域　　　２　位相調節領域３・・・増
幅領域　　　　　１２・回折格子２Ｉ、２２、２３、２
４・・・電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光を放出するための第１の活性層を含む活性領域と
   、光学的に不活性な光導波路層を含む位相調整領域と、
   伝搬する光を反射するための回折格子を含む増幅領域と
   、これら３つの領域にそれぞれ対応して配設された電極
   とを有し、上記３つの領域は互いに光学的に結合するこ
   とにより共振器を構成していることを特徴とする半導体
   レーザ。 ２、請求項１に記載の半導体レーザにおいて、前記３つ
   の領域は単一基板上に形成されていることを特徴とする
   半導体レーザ。 ３、請求項１に記載の半導体レーザにおいて、前記回折
   格子は格子の位相が不連続な部分を有することを特徴と
   する半導体レーザ。 ４、請求項３に記載の半導体レーザにおいて、前記不連
   続な部分は前記格子の位相が反転していることを特徴と
   する半導体レーザ。 ５、請求項１に記載の半導体レーザにおいて、前記増幅
   領域は第２の活性層を有することを特徴とする半導体レ
   ーザ。 ６、請求項５に記載の半導体レーザにおいて、前記第１
   の活性層と前記第２の活性層は、同一の半導体材料によ
   り構成されていることを特徴とする半導体レーザ。 ７、請求項１に記載の半導体レーザにおいて、前記３つ
   の領域はその記載の順に配設されていることを特徴とす
   る半導体レーザ。 ８、光を放出するための第１の領域と、上記光を伝搬し
   かつ内部の屈折率変化によりその光の位相を変化させる
   ための第２の領域と、上記光を伝搬しかつ増幅するため
   の第３の領域とを有し、上記第２および第３の領域にお
   ける光の利得と損失とを制御するための手段を、上記第
   ２および第３の領域にそれぞれ対応して設けたことを特
   徴とする半導体レーザ。 ９、請求項８に記載の半導体レーザにおいて、前記電極
   は前記利得と損失とを互いに打ち消し合うように制御す
   るための電極であることを特徴とする半導体レーザ。