JPH02246391A - 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】 〔目次〕 概要 産業上の利用分野 従来の技術　　　　　　　（第４〜９図）発明が解決し
ようとする課題 課題を解決するための手段 作用 実施例 本発明の原理説明　　　（第１．２図）本発明の一実施
例　　　（第３図） 発明の効果 （概要〕 半導体レーザに関し、 セントに必要な光強度を小さな値に保ちつつ、その波長
依存性を無くすことのできる半導体レーザを提供するこ
とを目的とし、 可飽和吸収領域を有する半導体レーザであって、前記半
導体レーザの可飽和吸収領域に電極を設けるとともに、
該電極に光を電流に変換する光電変換手段を接続し、セ
ット光を該光電変換手段で電流に変換した後、該電流を
該電極を介して可飽和吸収領域に注入することにより発
振を開始するように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、半導体レーザに係り、詳しくは、光信号処理
に必要な光メモリ、光演算素子の一つである双安定半導
体レーザに関する。

近年光通信の発達に伴い、従来行われている１点から１
点への光信号の通信だけではなく、光通信のネットワー
ク化が行われ始めている。このため、光の信号を電気信
号に変換することなく、光の進行方向を変更して別の方
向に移すあるいは二つの光ファイバに入った信号を混ぜ
て出力する等光信号のまま処理することが求められてい
る。光双安定素子は光メモリ、光演算に用いることがで
きるが、中でも双安定半導体レーザは光増幅機能を有し
、０Ｎ１０ＦＦ比（ＯＦＦ状態とＯＮ状態での光の強度
比）が大きい等の特長があるため、重要である。

〔従来の技術〕

従来この種の双安定半導体レーザとしては、例えば第４
図に示すようなものがある。第４図において、１は可飽
和吸収領域を有する双安定半導体レーザであり、双安定
半導体レーザ１は一方の電極２と、電極の一部を欠いた
他方の電極３と、光が入力あるいは出力される活性層４
と、を含んで構成され、活性層４は電流Ｉが注入される
利得領域５と、利得領域５と組成自体は全く同一で電流
Ｉが注入されない可飽和吸収領域６と、により構成され
ている。この構成によれば、電極３が設けられている活
性層４には電流■が注入されるが、電極３がない領域に
は電流Ｉが注入されず同図ハンチングに示す可飽和吸収
領域６となる。この活性Ｍ４のキャリア濃度ｎと利得ｇ
との関係は第５図で示され、電流流入がなくキャリア濃
度ｎが低いときは同図破線（ア）に示すように損失を持
っているが、電流を次第に注入していくとキャリア濃度
ｎが増えてきて同図破線（イ）に示すように利得を持つ
ようになる。このように電極３がある電流注入領域とい
うのは利得を持つ領域（利得領域５）であるのに対し、
電極３がない領域は電流が注入されていないのでキャリ
ア濃度が低（損失が大きい可飽和吸収領域６となってい
る。

この状態で電流Ｉを増やしていくと、第６図に示すよう
に横軸に電流Ｉ、縦軸に光出力、をとれば、まず、自然
放出光が出力され、あるところで利得と損失が釣り合っ
て発振を開始する。発振を開始すると発振光は活性層４
の中を往復するので、この可飽和吸収領域６は発振光に
よってボンピングされ、可飽和吸収領域６のキャリア濃
度が増える。そうすると、いままｔキャリア濃度が低か
ったものが発振によってキャリア濃度が上がって、吸収
が小さくなり、第５図に示すように利得と損失との関係
で利得が大きくなるので急激に立ち上がり強い光を出す
ようになる。−旦、発振を開始すると、この状態から少
し電流を下げても可飽和吸収領域６の吸収が小さくなっ
ているので可飽和発振を続け、あるところで吸収の方が
大きくなると発振は止まり第６図中下方に落ちる。この
ヒステリシスを有する２値状態を用いて光メモリか実現
できる他、適当なバイアスをこのヒステリシスの下に設
定すると例えば２つの光が入ってくるとＯＮ状態となる
ＡＮＤ回路、また、２つの光入力のうちのどちらかが入
ってくると発振するようにバイアスをとればＯＲ回路が
実現できる。

第４図に示す双安定半導体レーザ１はバイアス側の電極
３は１つだが、電極３が１つの場合は半導体レーザ１を
つくった時点で第６図に示すヒステリシス幅が決まって
しまう。このヒステリシス幅は温度を変えれば変わるも
のの電流に対しては一義的に決定される。また、このヒ
ステリシス幅というのは動作速度に非常に効いてくるか
ら、セ、７ト／リセット条件を設定する際にこのヒステ
リシス幅をコントロールする必要がある。例えば、その
ようなものとして第７図に示すように二つの電極１２．
１３を有する双安定半導体レーザ１１がある。

図中ハンチングで示す１４が可飽和吸収領域であり、そ
の両側が利得領域１５．１６である。このような構成を
とると、片側の電流が振れるので一方の側の電極に流す
電流により決定されたヒステリシス幅を他方の電極に流
す電流によってコントロールすることができる。第８図
は電流Ｉｔ、Ｉｔにより決定される発振、双安定、非発
振の各領域を示す図である。

ところで、双安定半導体レーザ１．１１におけるセット
動作は以下のようにして行う。レーザ共振器（双安定半
導体レーザｌ、１１が持っている共振器）に発振方向と
同軸方向に光信号（注入光）を注入すると、双安定半導
体レーザｌ、１１自体が増幅器になっていることから注
入光がその内部で増幅され、その増幅された光が可飽和
吸収領域６．１４で吸収されて発振を開始する。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来の双安定半導体レーザに
あっては、レーザ共振器内に光信号を注入してセット動
作を行わせる構成となっていたため、共振器の中に光を
入れている関係上、セットに必要な光強度の波長依存性
に強い共振特性があられれる。このため注入光の波長（
注入波長）をへ以下の精度で設定しないと感度が２．３
桁も変わってしまうという問題点があった。

すなわち、セットに必要な光強度は注入波長と共振器の
共振波長との関係によって大きく変化する。例えば、横
軸に入力波長、縦軸にセットに必要な光強度をとった場
合の半導体レーザ（発振波長が１．３μＷ、共振波長が
３００μＷ）の共振特性を第９図で示すように、このレ
ーザの共振波長は約８人間隔で出現することになるが、
注入波長が共振器の共振波長に一致する場合にｌμＷで
セット動作できる条件を設定したとすると、注入波長を
数Ａ変えるとセントに必要な光強度は２００μＷと大き
く変化することになり、注入光の波長をÅ以下の精度で
設定しなければ感度低下を招く。そのため、注入光の発
振装置の温度コントロールを厳密に行うことに加えて、
双安定半導体レーザ自体も温度が変わると内部の共振器
の共振波長がずれるためレーザの温度のコントロールも
行う必要がある。したがらて、非常に手間がかかるとと
もに、システム的に大きくなることからコストアップを
招来してしまうという問題点があった。

そこで本発明は、セントに必要な光強度を小さな値に保
ちつつ、その波長依存性を無くすことのできる半導体レ
ーザを提供することを目的としている。

〔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上記目的達成のため、可飽
和吸収領域を有する半導体レーザであって、前記半導体
レーザの可飽和吸収領域に電極を設けるとともに、該電
極に光を電流に変換する光電変換手段を接続し、セット
光を該光電変換手段で電流に変換した後、該電流を該電
極を介して可飽和吸収領域に注入することにより発振を
開始するようにしている。

〔作用〕

本発明では、可飽和吸収領域に電極が設けられるととも
に、該電極には光を電流に変換する光電変換手段が接続
される。

したがって、セットは光電変換手段により一旦電流に変
換された後、該電極を介して可飽和吸収領域に注入され
、発振が開始する。その結果、セットに必要な光強度を
小さな値に保ちつつ、セットに波長感度をフラットにし
てその波長依存性を無くすことができる。

〔実施例〕

胤理翌凱 第７図に示す従来の双安定半導体レーザ１１では第８図
に示すように発振、非発振領域の何れの領域においても
電極１２．１３に電流Ｉｔ、Ｉｔを流す使い方をしてい
た。本発明では電極１２．１３は取り付けておくが、そ
の一方の電極には殆んど電流が流れない状態（通常の使
い方からすれば何桁も電流値が小さい状態。第１図破線
で囲んだ部分参照。）で使う使用方法を採る。第１図に
示す状態において前記第８図に対応する特性図が第２図
であり、電流ｌ！と比べると桁違いに小さい電流領域を
使用する。但し、第２図ではこの領域を電圧Ｖ、で表し
ているが、これは第１図から明らかなようにＶ、と■１
はその立ち上がり電圧以下では一義的なものであるから
■１と表してもよい。何れにしても数〜数十ｍＡの電流
Ｉｇに対して電流に換算して非常に小さい値（数〜数十
μＡ）の１１を用いるようにすれば、例えば数十μＡ程
度の電流■２を所定の双安定領域（可飽和吸収領域）に
入力するようにすれば発振を開始させることができる。

そこで本発明は、セット光をフォトディテクタ（光電変
換手段）で−旦電流に変えてその可飽和吸収領域に流し
込むことにより、数十μＡに相当するような光の強度で
セットを実現することができる。この場合、セット光は
共振器に入れているのではないから第９図に示すような
共振特性は出現しないことになる。したがって、セット
に必要な光強度の波長依存性を大幅に小さ（することが
でき、小さいパワーでかつ波長感度も略フラットな状態
でセットを行うことができる。

二裏隻■ 以下、上記基本原理に基づいて実施例を説明する。第３
図は本発明に係る半導体レーザの一実施例を示す図であ
る。第３図において、２１は双安定半導体レーザ（半導
体レーザ）、２２は入力光を電流に変えるフォトディテ
クタ（光電変換手段）であり、双安定半導体レーザ２１
はｎ側電極２３と、ｎ型基板２４と、活性層２５と、Ｐ
型クラッド２６と、電気的なコンタクトを向上させるた
めのＰ型コンタクトＮ２７と、Ｐ側電極２８．２９と、
により構成され、Ｐ側電極２９にはコイル３０を介して
電圧Ｖ、が印加される。また、フォトディテクタ２２は
フォトダイオード３１、コイル３２および定電圧電源３
３により構成され、フォトディテクタ２２と双安定半導
体レーザ２１とはコンデンサ３４を介して接続されてい
る。

Ｐ型電橿２８の直下の活性層２５には電流Ｉ２が注入さ
れ利得領域となる一方、Ｐ型電極２８がない活性Ｊｉ２
５は可飽和吸収領域となっており、この可飽和吸収領域
の一部にはＰ型電極２９によって第１．２図で説明した
電圧−電流特性の立ち上がり電圧以下の電圧■、が印加
される。フォトディテクタ２２に入力されたセット光は
フォトダイオード３１によって光が電流に変換され、Ｐ
型電極２９を介して可飽和吸収領域に注入される。

次に、作用を説明する。

電極２８の直下の活性層２５は注入電流■２により利得
領域となっている。電極２９の直下と電極２８．２９の
ない領域の活性層２５は、印加電圧Ｖ１が立ち上がり電
圧以下であるから、殆んど電流は注入されず、可飽和吸
収領域となる。第２図に電圧■。

と電流Ｉｔに対する発振状Ｌｉ（発振、双安定、非発振
）の−例を示すようにＶｌは電圧−電流特性において立
ち上がり電圧以下に設定しているので、電流自体は非常
に小さい。すなわち、双安定領域に設定された状態から
発振状態にもっていくのに必要な電流値が小さくて済む
。

この双安定半導体レーザ２１に外部から光を注入し、セ
ットさせると、従来例で述べたように発振させるのに必
要な光強度が注入光の波長に対し強い依存性を示すこと
になるが、本実施例では、信号光をフォトディテクタ２
２で一旦電流に変換して、電極２９に注入することによ
ってセットの波長感度をフラットにすることができる。

このように、本実施例によればセット光をフォトダイオ
ード３１で一旦電流に変えて双安定半導体レーザ２１の
活性層２５の吸収領域に注入して発振させるようにして
いる。したがって、双安定半導体レーザ２１におけるセ
ットに必要な光強度の波長依存性を大幅に小さくするこ
とができ、しかも感度に関しても従来方式の最良値とほ
ぼ同等であるという効果がある。その結果、双安定半導
体レーザの性能を格段に向上させることができ、温度コ
ントロールの簡略化による作業時間短縮、コスト低減に
寄与するところが大きい。

また、上記の構造において、ｐｎを反転させ、印加電圧
方向を逆にした場合でも第３図のものと同様の効果を得
ることができる。また、フォトディテクタは、双安定レ
ーザと別個の素子で集積化してもよい。コイル、コンデ
ンサについても同様である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、セットに必要な光強度を小さな値に保
ちつつ、その波長依存性を無くすことができ、半導体レ
ーザの性能を大幅に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１．２図は本発明の詳細な説明するための図であり、 第１図はその電圧−電流特性図、 第２図はその立ち上がり電圧以下に設定した場合の発振
状態を説明するための図、 第３図は本発明に係る半導体レーザの一実施例を示す全
体構成図、 第４〜９図は従来の半導体レーザを示す図であり、 第４図はその双安定半導体レーザの構造を示す図・ 第５図はその利得とキャリア濃度との関係を示す図、 第６図はその双安定特性を説明するための図、第７図は
その２電極型双安定半導体レーザの構造を示す図、 第８図はその発振状態を説明するための図、第９図は半
導体レーザの共振特性を示す図である。 ２１・・・・・・双安定半導体レーザ（半導体レーザ）
、２２・・・・・・フォトディテクタ（光電変換手段）
、２３・・・・・・ｎ側電極、 ２４・・・・・・ｎ型基板、 ２５・・・・・・活性層、 ２６・・・・・・Ｐ型クラッド、 ２７・・・・・・Ｐ型コンタクト層、 ２８・・・・・・Ｐ型電極（電極）、 ２９・・・・・・Ｐ型電極、 ３０．３２・・・・・・コイル、 ３１・・・・・・フォトダイオード、 ３３・・・・・・定電圧電源、 ３４・・・・・・コンデンサ。 ｗｉｆｉ＝ 従来の双安定半導体レーザの構造を示す図第４図 従来の利得とキャリア濃度との関係を示す図第５図 従来の双安定特性を説明するための図 第６図 従来の２電極型双安定半導体レーザの構造を示す図第７
図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 可飽和吸収領域を有する半導体レーザであって、前記半
   導体レーザの可飽和吸収領域に電極を設けるとともに、 該電極に光を電流に変換する光電変換手段を接続し、 セット光を該光電変換手段で電流に変換した後、該電流
   を該電極を介して可飽和吸収領域に注入することにより
   発振を開始するようにしたことを特徴とする半導体レー
   ザ。