JPH0282681A - 半導体発光装置 - Google Patents

半導体発光装置

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JPH0282681A
JPH0282681A JP63235751A JP23575188A JPH0282681A JP H0282681 A JPH0282681 A JP H0282681A JP 63235751 A JP63235751 A JP 63235751A JP 23575188 A JP23575188 A JP 23575188A JP H0282681 A JPH0282681 A JP H0282681A
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    • H01S5/10Construction or shape of the optical resonator, e.g. extended or external cavity, coupled cavities, bent-guide, varying width, thickness or composition of the active region
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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】 〔概要〕 大容量長距離光通信用半導体レーザに関し、高速変調時
の多モード化あるいは、チャーピングの問題を解決する
ことを目的とし、 分布帰還型または分布反射型半導体レーザにおいて、電
気的に分離され、活性層にキャリアを注入する変調部と
増幅部とを有し、該活性層における該変調部の長さは、
該増幅部の1/2以下の長さに構成する。
〔産業上の利用分野〕
本発明は、大容置長距離光通信用半導体レーザに関する
。大容量長距離光通信用半導体レーザとして、光ファイ
バの分散による伝送特性劣化を避けるため、単一軸モー
ド発振が要求されている。
〔従来の技術〕
単一軸モード発振半導体レーザとして、従来より分布帰
還型(D F B)あるいは、分布反射型(DBR)レ
ーザが堤供さている。
第3A図に従来の半導体レーザ構造を示す。図中、10
0はNti、101はPti、l 12 ハPクラッド
層、+13は活性層、114は光ガイド層、115はコ
ルゲーション、116は1反、117はバイアス電源、
11日はパルス発振器である。
これら、単一軸モード半導体レーザにおいても、高速度
調時発振波長の多モード化、さらには、単一軸発振を行
ってもチャーピングと呼ばれる軸モード幅の増大という
問題がある。
第3B図(a)〜(c)に、従来のレーザの入出力特性
図を示す。
同図(C)において、レーザのしきい値付近のI、にバ
イアスしておいて、矩形波の駆1J] 電m I pを
レーザに印加した場合、原理的には矩形波の光出力が出
るはずであるが、実際上は、同図(b)に示す活性層の
キャリア密度は、規格値のNpよ?) オーバーシュー
トし、緩和振動が生しる。そのため、同図(a)の光出
力はキャリア密度の変動にともない緩和振動する。
このような現象が起こる゛のは、1人される電流と、発
光との間に時間遅れδtがあるためで、駆動電流■2が
印加された時、定常の光出力P、が得られるキャリア密
度N、より多く電流が流れ込み、キャリア密度がオーバ
ーシュートし、光は定常値P、より多く出力する。次に
この光出力にともなうキャリアの再結合で、キャリア密
度は定常値N、より減少し、それに従い光出力も減少す
る。
このようにして、キャリア密度と、光出力には緩和振動
が生じる。
この緩和振動によるレーザ特性への影響を第3C(a)
、(b)図で説明する。実際には、DFBレーザにも同
図(a)のようにメインモードの他にこれよりしきい値
が高いいくつかのモードがある。そのため、緩和振動の
ピークが大きい場合には、メインモード以外の副次のモ
ードの発光が生じることになり、同図(b)のように、
発光スペクトにメインモードB以外のモードAが出現す
る。
さらに緩和振動のもう一つの影響は、同図(b)にΔλ
1と示す、スペクトル幅の広がりとして現れる。
キャリア密度の変動ΔNは、屈折率の変動へ〇を生じ、
キャリア密度が高くなると、屈折率が小さ(なる。その
ため、レーザの発光が短波長側に寄り、スペクトルの波
長の短い側に膨らみがでる。
キャリアの変動が大きいと膨らみも大きくなる。
以上のように、従来の構造では、キャリアのオーバーシ
ュートのため、DFBメインモードしきい値利得より大
きな他のモードのしきい値利得以上に全体の利得が増大
し、多モード発振するという欠点、さらに、このオーバ
ーシュートにより過剰になったキャリアのため活性領域
の屈折率が減少するためDFBメインモード自身短波長
側にずれるため、スペクトル幅がΔλ、たけ増大すると
いう問題があった。
〔発明が解決しようとする課題〕
従来のDFBレーザあるいは、DBRレーザにおいて、
高速変調時の多モード化あるいは、チャーピングは、前
記したように、高速変調による活性領域のキャリア密度
の時間的、空間的不均一による。したがって、これらの
現象を防ぎ高速変調時にも安定な単一軸モード発振を実
現するためには、活性領域のキャリア密度変動をできる
だけ小さくする必要があり、本発明は、この問題を解決
しようとするものである。
〔課題を解決するための手段〕
本発明は、分布帰還型または分布反射型半導体レーザに
おいて、電気的に分離され、活性層にキャリアを注入す
る変調部と増幅部とを存し、該活性層における該変調部
の長さは、該増幅部の1/2以下の長さとする半導体発
光装置を提供し、光スィッチおよび増幅器として動作さ
せる際の上記従来の問題点を解決するものである。
本発明の原理図を第1A図に示している。
第1A図中、12はPクラッド層、13は活性層、14
は光ガイド層、I5はコルゲーション、I6は基板であ
る。そして、10のN電極、11のP電極で増幅部電極
を構成し、一方20.’21により変調部電極を構成し
ており、増幅部電極11と変調部電極2■とは電気的に
分離される。この電気的分離方法としては、例えば、図
示4Iのように高抵抗部を用いる。
17は増幅部バイアス電源、18は変調部バイアス電源
、19はパルス発振器である。
第1A図のレーザにおいて、増幅部電極1. I、およ
び変調部電極21に、順方向のバイアスを印加した時の
、所要の光出力をPoとする。この時増幅部電極Itお
よび変調部電極21より注入される電流密度を同一とす
る。この状態は従来例の第3A図に順方向バイアスを印
加した場合と同しである。
次に、変調部ti21の順バイアスを減少させる。Po
が大の場合、順バイアスを零としてもDFBレーザは発
振し続けている。この時、変調部に逆バイアスを印加す
ることにより、非発振の状態にすることができる。これ
は、逆バイアス時フランツ・ケルデイシュ効果により、
変調部の光吸収による損失が増大するためである。この
非発振の状態で、変調部に順方向バイアスとなるパルス
を印加する。
直接変調を行う9通のレーザの場合、緩和振動の影響が
あって、光出力が定常状態より上昇し、緩和振動する。
本発明のレーザでも、変調部では同じことが起こるが、
全体で見るとキャリアは増幅部に多くあるから、全体を
平均して見るとキャリアの変動は小さい。
この様子を第18図(a)〜(d)に示す人出力特性図
で説明する。同図(d)のように1.の矩形波の駆動電
流を印加しても、同図(C)のように変調部では、従来
の場合と同様にキャリア密度に緩和振動が生じるので、
光出力にはキャリア密度の変動に応した緩和振動が生じ
る。すなわち、駆動電流が矩形で印加されても、発光に
遅れδtがあるので、実際の活性層のキャリア密度は同
図(C)に斜線で示すように、活性層の中に溜まってし
まい、定常値N2より多(なり、δを後の発光時にはキ
ャリアの再結合によりキャリアが定常より少なくり、キ
ャリア密度の緩和振動が生じる。
ところが、本発明の構造においては、変調部と増幅部と
が分離しており、周りの増幅部の電流密度は一定で、キ
ャリア密度は一定になっているから、レーザ全体として
みたときの活性層の平均キャリア密度は、変動のない増
幅部と変動のある変調部との平均値となり、変調部と増
幅部の大きさの割合で平均化されることになり、同図(
b)に示すように、それだけ変動幅が小さくなる。例え
ば、増幅部2:変調部1の割合なら、キャリア密度の変
動幅は1/3になる。従って、光出力の変動幅も同図(
a)のように小さくなる。
〔作用〕
上述のように、本発明によれば、キャリア密度の緩和振
動のピークが従来より小さくなるので、次の2つの作用
が得られる。
第1c図(a)、(b)参照 ■同図(b)に示すように、高速変調時の多モード発振
が防止される。
本発明では、キャリア密度の緩和振動のピーク値が従来
より低くなるので、同図(a)のように基本モードより
高いしきい値をもつ他のモードのしきい値利得に達する
ことがなく、副次的モードの発振が生じない。
■同図(b)に示すように、高速変調時の発振スペクト
ル幅増大Δλが従来より軽減する。
先に第3C図(b)に関して説明したように、キャリア
密度の変動ΔNは、屈折率の変動Δnを生じ、キャリア
密度が高くなると、屈折率が小さくなる。そのため、レ
ーザの発光が短波長側に寄り、スペクトルの波長の短い
側に膨らみΔλ、がでる。キャリアの変動が大きいと膨
らみも大きくなる。ところが、本発明によれば従来より
共振器内のキャリア密度の変動が小さいので、第1C図
(b)の発振スペクトル幅の変動Δλが小さくなる。
次に、本発明において、変調部は増幅部の172以下の
長さに限定されることを説明する。
増幅部と変調部との割合は、第一に発振の安定性から考
えなければならない。変調部は増幅部の1/2程度ない
しそれ以下であることが、高速変調時に安定な発振を得
るために必要である。
これを試算してみる。
DFBレーザにおいて、安定な忙−モード発振を維持す
る条件は、 にL=0.5〜1. 0 −−−−  fi1式である
ことが知られている。ここで、に:結合係数、L:キャ
ビティ長である。
変調時安定な単一モード動作を行うためには、レーザが
ONおよびOFFの両状態とも・このfi1式の安定条
件を満たさなければならない。
〔試算l〕
ON状態にLON=1.Oの上限とした場合・増幅部の
長さを2、変調部の長さを1の割合・とじたとき、 OFF状態では、 にLOFF =にx (2/ (2+ 1) ] L、
N=にX (2/3)L、、=0.66 となり、分離層の長さを考慮して、 にLOFF #0. 5となる。
すなわち上記(11式の範囲内であり、安定な単一モー
ド動作が行われることを示している。
次にもっと変調部が小さい場合の試算をする。
〔試算2〕 oN状BにLoN=4.0の上限とした場合、増幅部の
長さが3、変調部の長さが1の場合にLOFF =にx
 (3/ (3+ i ) t、、。
=にX (3/4)=0.75 となり、分離層の長さを考慮しても、 0.75>にLOFF >0. 5とでき、やはりfi
1式の安定条件を満たしている。
この試算から明らかなように、増幅部は変調部の2倍以
上(すなわち変調部は増幅部の172以下)であれば、
il1式の安定な単一モード発振条件を満たすことにな
る。
一方、変調部は次の2つの理由により小さい方が良い。
■変調部の寸法を小さくすると、容量が小さくなり、高
速動作上有利となる。
■変調部が小さければそれだけ平均キャリア密度の変動
量が小さくなる。
以上■■から、変調部は小さい程よいのだが、あまり小
さくすると、発振を有効にON、OFFできキなくなる
から、レーザ発振をOFFするのに必要なt員失と電極
形成可能なサイズにより限界がある。
〔実施例] 第2図にInGaAsP系DFBレーザに本発明を適用
した実施例を示す。(a)は平面図、(b)は共振器方
向断面図、(C)は共振器に垂直な断面図である。
同図(a)〜(C)において、11は増幅部電極、21
は変調部ii極、23はn−1nPJJ板32に至る溝
で、レーザの容量低減と共に、増幅部電極11と変調部
電極21を分離するものである。
22は1nGaAsP活性Ji35に至らない溝で、光
路を遮断することな(増幅部電極11=変調部電極21
を分離する。また、電気的分離を確実にするためプロト
ン照射により高抵抗部41を形成している。
31はN電極、33はコルゲーション、34はN  G
a1nAsP光ガイド層、36はP−1nPクラッド層
、37はP  1nGaAspコンタクト層である。
ここで、共振器長L9は400μm1増幅部電極の長さ
/I+は60μm、変調部電極の長さ1tは60μm2
分離部幅l。は20μmである。
本実施例で共振器部を中央に設けたのは、各増幅部での
順方向バイアス時、DFB発光を抑制するためである。
本実施例では、全領域に電流を均一に流した時のしきい
値Iいは、30mA、光出力5mWとするためには、5
0mAの駆動電流を要した。この状態で、変調部に2v
の逆バイアスを印加することにより、非発光状態にする
ことができ、順方向に3.3vのパルス電圧を印加する
ことにより、パルス発振(ピーク光出力5mW)を得る
ことができ、5 G b/S変調時単一軸モード発振が
得られ、チャーピングによる軸モード広がりも20dB
ダウン幅で、従来0.8nmであったものを0.4nm
まで狭くすることができた。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、高速変調時のキ
ャリア変動を有効に抑制でき、安定な瑣−軸発振が可能
となる。また、チャーピングによる軸モード広がりも抑
制することができる。
【図面の簡単な説明】
第1A図は、本発明の原理図、 第1B図(a)〜(d)は本発明の装置の入出力特性図
、 第1C図(a)、(b>は本発明の装置のしきい値利得
と発振スペクトル図、 第2図は本発明の一実施例の構成図であり、(a)は平
面図、(b)は共振器方向断面図、(C)は共振器に垂
直な断面図、 第3A図は、従来例のレーザの要部断面図、第3B図(
a)〜(c)は従来例の人出力特性図、 第3C図(a)、(b)は従来のしきい値利得と発振ス
ペクトル図である。 10はN電極 11はP電極 I2はPクラフト層 13は活性層 14は光ガイド層 15はコルゲーション 6は基板 7は増幅部バイアス電源 8は変調部バイアス電源 9はパルス発振器 0.21は変調部電極 2.23は溝 lはN電極 2はN−[nPクラッド層 3はコルゲーション 4はN−Ga1nAsP光ガイド層 5は活性層 6はP−1nPクランド層 7はP−1nGaAsPコアタクト層 lは高抵抗部 00はN電極 01はPi4i 12は29976層 13は活性層 14は光ガイド層 15はコルゲーション 116は基板 117はバイアス′@源 118はパルス発振器

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 分布帰還型または分布反射型半導体レーザにおいて、電
    気的に分離され、活性層にキャリアを注入する変調部と
    増幅部とを有し、該活性層における該変調部の長さは、
    該増幅部の1/2以下の長さとしたことを特徴とする半
    導体発光装置。
JP63235751A 1988-09-20 1988-09-20 半導体発光装置 Expired - Lifetime JP2631716B2 (ja)

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