JPH03148889A - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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- JPH03148889A JPH03148889A JP1287381A JP28738189A JPH03148889A JP H03148889 A JPH03148889 A JP H03148889A JP 1287381 A JP1287381 A JP 1287381A JP 28738189 A JP28738189 A JP 28738189A JP H03148889 A JPH03148889 A JP H03148889A
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- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/10—Construction 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
- H01S5/12—Construction 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 the resonator having a periodic structure, e.g. in distributed feedback [DFB] lasers
-
- H—ELECTRICITY
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- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/30—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
- H01S5/34—Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising quantum well or superlattice structures, e.g. single quantum well [SQW] lasers, multiple quantum well [MQW] lasers or graded index separate confinement heterostructure [GRINSCH] lasers
- H01S5/341—Structures having reduced dimensionality, e.g. quantum wires
-
- H—ELECTRICITY
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- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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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。
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、光強度直接変調特性の高速化を可能にすると
ともに、回折格子による波長選択性により、スペクトル
純度の高い発振光を得るための半導体レーザに関するも
のである。
ともに、回折格子による波長選択性により、スペクトル
純度の高い発振光を得るための半導体レーザに関するも
のである。
（従来の技術）
半導体レーザの直接変調速度は、レーザ構造に起因する
素子抵抗と寄生容量から決まる電気的な限界と、レーザ
に注入されたキャリヤの寿命時間と光子の寿命時間で決
まる共振状周波数から決定されている。現在、半導体レ
ーザの変調速度は素子の抵抗および寄生容量の低減によ
り、最高値で１７ ＧＨｚが報告されている。１０ Ｇ
Ｈｚ以上の高速変調では、変調の限界は共振状周波数に
よって決定される。共振状周波数ｆ、は光子数と注入さ
れたキャリヤ数とのレート方程式より以下の式で表わさ
れる。
素子抵抗と寄生容量から決まる電気的な限界と、レーザ
に注入されたキャリヤの寿命時間と光子の寿命時間で決
まる共振状周波数から決定されている。現在、半導体レ
ーザの変調速度は素子の抵抗および寄生容量の低減によ
り、最高値で１７ ＧＨｚが報告されている。１０ Ｇ
Ｈｚ以上の高速変調では、変調の限界は共振状周波数に
よって決定される。共振状周波数ｆ、は光子数と注入さ
れたキャリヤ数とのレート方程式より以下の式で表わさ
れる。
１ ／ｃｐξ ｄｇ
ここでＣは光速、Ｐは光出力、ξは活性層への光閉じ込
め率、ｎは有効屈折率、■は活性層の体積、ηは微分量
子効率、ｄ ｇ／ｄ Ｎは微分利得係数である。第８図
は、Ａｓａｄａ、 ｅｔａｊ！ （Ｇａｉｎ ａｎｄＴ
ｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎ
ｓｉｏｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｓ−ＢｏｘＬａｓｅｒｓ
、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔ
ｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ。
め率、ｎは有効屈折率、■は活性層の体積、ηは微分量
子効率、ｄ ｇ／ｄ Ｎは微分利得係数である。第８図
は、Ａｓａｄａ、 ｅｔａｊ！ （Ｇａｉｎ ａｎｄＴ
ｈｒｅｓｈｏｌｄ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎ
ｓｉｏｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｓ−ＢｏｘＬａｓｅｒｓ
、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔ
ｕｍＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ。
Ｖｏ１． ＧＥ−２２，Ｎｏ、９１９８６． ａｐ１
９１５−１９２１ ）によって計算された、注入キャリ
ヤ密度と最大利得の関係を示したもので、活性領域を量
子箱構造および量子綱線構造にすることにより、微分利
得は通常のバルク構造に比べて約５０倍はど大きくなる
。この関係を式（１）に代入すると、共振状周波数は通
常のバルク形レーザに比べて量子箱および量子細線レー
ザは約７倍太きくなり、２０ Ｇｌｌｚ〜３０ Ｇｌｌ
ｚの高速直接変調が可能となる。なお第８図において、
τｉ７はバンド内緩和時間、叶Ｆｉβｍは量子薄膜、Ｂ
ＯＸは量子箱、ＢｕＩｌにはバルクを示す。
９１５−１９２１ ）によって計算された、注入キャリ
ヤ密度と最大利得の関係を示したもので、活性領域を量
子箱構造および量子綱線構造にすることにより、微分利
得は通常のバルク構造に比べて約５０倍はど大きくなる
。この関係を式（１）に代入すると、共振状周波数は通
常のバルク形レーザに比べて量子箱および量子細線レー
ザは約７倍太きくなり、２０ Ｇｌｌｚ〜３０ Ｇｌｌ
ｚの高速直接変調が可能となる。なお第８図において、
τｉ７はバンド内緩和時間、叶Ｆｉβｍは量子薄膜、Ｂ
ＯＸは量子箱、ＢｕＩｌにはバルクを示す。
（発明が解決しようとする課題）
本発明は、回折格子を有する先導波路層と量子細線構造
の活性領域とからなる、分布帰還形の高速で動作する半
導体レーザを提供することにある。
の活性領域とからなる、分布帰還形の高速で動作する半
導体レーザを提供することにある。
（課題を解決するための手段）
本発明の半導体レーザは、光が進行する方向に対して垂
直に複数の縦・検数ｎｍの半導体細線が、細線を構成す
る半導体より屈折率の小さい半導体によって囲まれた活
性領域に、光が進行する方向に回折格子を設けるか、ま
たは、光が進行する方向に対して垂直に複数の一辺が数
ｎｍの箱構造を持つ光を発生する半導体が、箱構造を構
成する半導体より屈折率が小さい半導体によって囲まれ
た活性領域に、光が進行する方向に回折格子を設ける。
直に複数の縦・検数ｎｍの半導体細線が、細線を構成す
る半導体より屈折率の小さい半導体によって囲まれた活
性領域に、光が進行する方向に回折格子を設けるか、ま
たは、光が進行する方向に対して垂直に複数の一辺が数
ｎｍの箱構造を持つ光を発生する半導体が、箱構造を構
成する半導体より屈折率が小さい半導体によって囲まれ
た活性領域に、光が進行する方向に回折格子を設ける。
（実施例）
以下、図面により本発明の実施例を説明する。
第１図〜第７図は本発明の半導体レーザの作製工程を示
す図であって、第１図に示すように、（１００）面Ｉｎ
Ｐ基板１ （Ｓｎドープ、Ｎ＝１×１０”ｃｍ−）の上
に、ｎタイプＩｎＰバッファ層２を２μ構成長させた、
Ｃｌ ｐｔａ 組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層３を０
．５１１１１成長させる。その後、活性層となるＩｎＧ
ａＡｓ層４を約１０ ｎｓ成長させる。
す図であって、第１図に示すように、（１００）面Ｉｎ
Ｐ基板１ （Ｓｎドープ、Ｎ＝１×１０”ｃｍ−）の上
に、ｎタイプＩｎＰバッファ層２を２μ構成長させた、
Ｃｌ ｐｔａ 組成のＩｎＧａＡｓＰ光導波路層３を０
．５１１１１成長させる。その後、活性層となるＩｎＧ
ａＡｓ層４を約１０ ｎｓ成長させる。
ここでは成長法としてＭｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ−Ｖ
ａｐｏｒＰｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ （略してＭＯ−
ＶＰｆ？ ）法（有機金属気相成長法）を用いた。ｍ族
用原料はトリエチルインシュウムとトリエチルガリユウ
ムを使用し、■族用原料はフォスヒン、アルシンを使用
する。
ａｐｏｒＰｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ （略してＭＯ−
ＶＰｆ？ ）法（有機金属気相成長法）を用いた。ｍ族
用原料はトリエチルインシュウムとトリエチルガリユウ
ムを使用し、■族用原料はフォスヒン、アルシンを使用
する。
ｐ形ドーパントはジエチルジンク、ｎ形はセレン化水素
を使用した。成長温度は６３０℃であり、５０ Ｔｏｒ
ｒの減圧状態で成長を行う。
を使用した。成長温度は６３０℃であり、５０ Ｔｏｒ
ｒの減圧状態で成長を行う。
次に第２図は電子ビーム露光法、干渉露光法、または電
子ビーム露光法により作製したタンクルマスクを用いた
Ｘ線露光法により周期約１５ ｎ−で１０ ｎｍ幅の細
線のパターンを成長ウェハ面に形成し、Ｉ ｎ（； ａ
Ａ ｓ層のみを選択的にエッチングするエッチング液
により、ｒｎＧａＡｓの細線５を形成する。
子ビーム露光法により作製したタンクルマスクを用いた
Ｘ線露光法により周期約１５ ｎ−で１０ ｎｍ幅の細
線のパターンを成長ウェハ面に形成し、Ｉ ｎ（； ａ
Ａ ｓ層のみを選択的にエッチングするエッチング液
により、ｒｎＧａＡｓの細線５を形成する。
その後、第３図に示すように、縦１０ ｎｓ、横１０ｒ
ｕｍのＩｎＧａＡｓの量子箱６の構造を二次元状に形成
する。作製法は上記の細線を形成する方法と同じである
。
ｕｍのＩｎＧａＡｓの量子箱６の構造を二次元状に形成
する。作製法は上記の細線を形成する方法と同じである
。
次に第４図に示すように、１．１ｕｍ Ｍｉ成のＩｎＧ
ａＡｓＰ光導波路層７を０．１μｍ成長させ、ＩｎＧａ
Ａｓの量子箱６または量子細線５を完全に埋め込む。そ
の後１．３ ｔｒｙｓ ｔｌｌ成のＩｎＧａＡｓＰガイ
ド層８を０．１２ ｏｖａ成長させる。
ａＡｓＰ光導波路層７を０．１μｍ成長させ、ＩｎＧａ
Ａｓの量子箱６または量子細線５を完全に埋め込む。そ
の後１．３ ｔｒｙｓ ｔｌｌ成のＩｎＧａＡｓＰガイ
ド層８を０．１２ ｏｖａ成長させる。
その後、第５図に示すように、波長組成１．３ミーのＩ
ｎＧａＡｓＰ Ｎに干渉露光法を用いたホトリソグラフ
ィの技術とエッチングによって、周期約２４０ ｎｍの
回折格子９を形成する。
ｎＧａＡｓＰ Ｎに干渉露光法を用いたホトリソグラフ
ィの技術とエッチングによって、周期約２４０ ｎｍの
回折格子９を形成する。
その後、第６図に示すように、Ｐ形ＩｎＰ層ＩＯ（Ｐ
＝ ５ Ｘ １０ｆ′ＩＣ１１−）を１．５５５ ％
Ｐ”形■ｎＧａＡｓＰ層１１ （Ｐ＝ ２×１０”ｃｍ
−を約０．５ｇｍ成長させ、ｐ側、ｎ側それぞれにＡｕ
Ｚｎ 、 ＡｕＧｅを薄着して電極形成を施し、背量に
よりレーザ構造とする。発振波長は１．５５ ｐｔａ
、発振閾値の低減、高効率、２０ ＧＨｚ程度の高速変
調が期待できる。
＝ ５ Ｘ １０ｆ′ＩＣ１１−）を１．５５５ ％
Ｐ”形■ｎＧａＡｓＰ層１１ （Ｐ＝ ２×１０”ｃｍ
−を約０．５ｇｍ成長させ、ｐ側、ｎ側それぞれにＡｕ
Ｚｎ 、 ＡｕＧｅを薄着して電極形成を施し、背量に
よりレーザ構造とする。発振波長は１．５５ ｐｔａ
、発振閾値の低減、高効率、２０ ＧＨｚ程度の高速変
調が期待できる。
第７図はレーザ共振器中央部の回折格子に位相シフト１
２を付加したもので、第４図のｒｎＧａＡｓ−光ガイド
Ｎ８の上に回折格子を形成するとき、位相マスク（白幡
等、ＤＦＢレーザ用１／４波長位相シフト回折格子の形
成方法の提案°、電子通信学会研究技報、ＱＱＥ ８５
−６０ ）を用いて露光することにより、位相シフトを
形成できる。なお第７図において、矢印は光の進行方向
を示す。
２を付加したもので、第４図のｒｎＧａＡｓ−光ガイド
Ｎ８の上に回折格子を形成するとき、位相マスク（白幡
等、ＤＦＢレーザ用１／４波長位相シフト回折格子の形
成方法の提案°、電子通信学会研究技報、ＱＱＥ ８５
−６０ ）を用いて露光することにより、位相シフトを
形成できる。なお第７図において、矢印は光の進行方向
を示す。
第９図は＾ｓａｄａ ｅｔａｌによる波長に対する利得
スペクトルを示した図であって、Ｎは注入キャリヤ密度
を示す。
スペクトルを示した図であって、Ｎは注入キャリヤ密度
を示す。
量子■または量子細線構造にすると、同じ注入電流に対
して利得スペクトルは大きく、またスペクトルの幅も狭
くなる。従ってレーザの発振条件から定まるモード間の
発振に必要な利得の差が太きくなり、単一波長発振の温
度範囲および注入電流領域を広くすることも可能である
。
して利得スペクトルは大きく、またスペクトルの幅も狭
くなる。従ってレーザの発振条件から定まるモード間の
発振に必要な利得の差が太きくなり、単一波長発振の温
度範囲および注入電流領域を広くすることも可能である
。
これらの構造は他の結晶系、例えばＧａＡｓ −Ａ Ｉ
ＧａＡｓ系またはＧａＡｓＳｂ −ＧａＡｓＡ Ｉ
Ｓｂ系、ＩｎＡ Ｉ ＧａＡｓ系などにも適用が可能で
あり、ｐとｎを逆にした構造および活性層と先導波路層
を逆にし、基板結晶上に回折格子を形成し、その上に先
導波路層を介して活性層を成長した形も可能である。
ＧａＡｓ系またはＧａＡｓＳｂ −ＧａＡｓＡ Ｉ
Ｓｂ系、ＩｎＡ Ｉ ＧａＡｓ系などにも適用が可能で
あり、ｐとｎを逆にした構造および活性層と先導波路層
を逆にし、基板結晶上に回折格子を形成し、その上に先
導波路層を介して活性層を成長した形も可能である。
また、量子箱、量子細線を一層の半導体で形成した場合
を記したが、多重量子井戸構造、例えばＩｎＧａＡｓ
を５ ｎｍ、 ＩｎＧａＡｓＰ （波長組成１．３
ｇｍ ）を１０ ｎｍからなる４周期から５周期の多重
量子井戸構造によって形成した活性層で量子細線、また
は量子箱を構成してもよい。
を記したが、多重量子井戸構造、例えばＩｎＧａＡｓ
を５ ｎｍ、 ＩｎＧａＡｓＰ （波長組成１．３
ｇｍ ）を１０ ｎｍからなる４周期から５周期の多重
量子井戸構造によって形成した活性層で量子細線、また
は量子箱を構成してもよい。
（発明の効果）
以上説明したように、本発明の半導体レーザは、単一波
長発振の温度範囲および注入電流領域が広くなり、従来
よりも高速で動作する利点がある。
長発振の温度範囲および注入電流領域が広くなり、従来
よりも高速で動作する利点がある。
第１図〜第７図は本発明の半導体レーザの作製工程を示
す図、 第８図はバルク、量子井戸薄膜、量子細線、量子箱にお
ける注入キャリヤ密度と利得の関係を示す図、 第９図はバルク、量子井戸薄膜、量子細線、量子箱にお
ける利得スペクトルを示す図である。 １・・・ＩｎＰ基板 ２・・・ＩｎＰバッファ
層３− １ｎＧａＡｓＰ光導波路Ｎ（波長組成１．１ｇ
ｍ ）４・・・ＩｎＧａＡｓ活性層 ５・・・量子
綱線６・・・量子箱 ？−−−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（波長組成１．１７
７１１ ）８ ・−ｒｎＧａＡｓＰガイド層（波長組成
１．３．ｕｓ ）９・・・回折格子 １０−
ｐ形１ｎＰ層１１−Ｐ”形１ｎＧａＡｓＰｉｉ １
；”位相シフト。 第１図 〕 第２図 第３図 ≠ ≦ ≦ づ ド ｉ〜−１ｍＦ律 ２−Ｉｔ＋ Ｐ／イ、７１層 １ｆ ４−− ｋ Ｇｔ Ａｓ絽層、６ ５−一
量子箱 ８− Ｉ、＋らＡｓｌκイト看 ＊ｔ ａ瞥（ｃ＠−リ トＪ 置大到イ専ＣＣｆＩＩ力
す図、 第８図はバルク、量子井戸薄膜、量子細線、量子箱にお
ける注入キャリヤ密度と利得の関係を示す図、 第９図はバルク、量子井戸薄膜、量子細線、量子箱にお
ける利得スペクトルを示す図である。 １・・・ＩｎＰ基板 ２・・・ＩｎＰバッファ
層３− １ｎＧａＡｓＰ光導波路Ｎ（波長組成１．１ｇ
ｍ ）４・・・ＩｎＧａＡｓ活性層 ５・・・量子
綱線６・・・量子箱 ？−−−ＩｎＧａＡｓＰ光導波路層（波長組成１．１７
７１１ ）８ ・−ｒｎＧａＡｓＰガイド層（波長組成
１．３．ｕｓ ）９・・・回折格子 １０−
ｐ形１ｎＰ層１１−Ｐ”形１ｎＧａＡｓＰｉｉ １
；”位相シフト。 第１図 〕 第２図 第３図 ≠ ≦ ≦ づ ド ｉ〜−１ｍＦ律 ２−Ｉｔ＋ Ｐ／イ、７１層 １ｆ ４−− ｋ Ｇｔ Ａｓ絽層、６ ５−一
量子箱 ８− Ｉ、＋らＡｓｌκイト看 ＊ｔ ａ瞥（ｃ＠−リ トＪ 置大到イ専ＣＣｆＩＩ力
Claims (2)
- １．光が進行する方向に対して垂直に複数の縦・横数ｎ
ｍの半導体細線が、細線を構成する半導体より屈折率の
小さい半導体によって囲まれた活性領域に、光が進行す
る方向に回折格子を設けたことを特徴とする半導体レー
ザ。 - ２．．光が進行する方向に対して垂直に複数の一辺が数
ｎｍの箱構造を持つ光を発生する半導体が、箱構造を構
成する半導体より屈折率が小さい半導体によって囲まれ
た活性領域に、光が進行する方向に回折格子を設けたこ
とを特徴とする半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1287381A JPH03148889A (ja) | 1989-11-06 | 1989-11-06 | 半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1287381A JPH03148889A (ja) | 1989-11-06 | 1989-11-06 | 半導体レーザ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03148889A true JPH03148889A (ja) | 1991-06-25 |
Family
ID=17716617
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1287381A Pending JPH03148889A (ja) | 1989-11-06 | 1989-11-06 | 半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH03148889A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6628691B2 (en) * | 2000-11-22 | 2003-09-30 | Fujitsu Limited | Laser diode |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6417487A (en) * | 1987-07-10 | 1989-01-20 | Matsushita Electric Industrial Co Ltd | Semiconductor laser device |
| JPH01248586A (ja) * | 1988-03-29 | 1989-10-04 | Nec Corp | 光半導体装置の製造方法 |
| JPH0391279A (ja) * | 1989-09-01 | 1991-04-16 | Nec Corp | 集積化光半導体素子 |
-
1989
- 1989-11-06 JP JP1287381A patent/JPH03148889A/ja active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6417487A (en) * | 1987-07-10 | 1989-01-20 | Matsushita Electric Industrial Co Ltd | Semiconductor laser device |
| JPH01248586A (ja) * | 1988-03-29 | 1989-10-04 | Nec Corp | 光半導体装置の製造方法 |
| JPH0391279A (ja) * | 1989-09-01 | 1991-04-16 | Nec Corp | 集積化光半導体素子 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6628691B2 (en) * | 2000-11-22 | 2003-09-30 | Fujitsu Limited | Laser diode |
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