JPH04188687A - 半導体レーザ及びその駆動方法 - 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２通信分野、記録分野など波長変動、出力変動
の少ない状態で光（レーザ光など）を変調することを必
要とする技術分野に用いるのに好適な半導体レーザ及び
その駆動方法に関する。

［征来の技術］ 従来、波長安定で例えば半導体レーザ光を変調する場合
には、第８図に示される様に、一定波長を一定出力で連
続的に出力する半導体レーザ部（ＬＤ）とこのＬＤから
の一定出力の光８１を吸収その他の効粱で出力のみを時
間的に変調する変調部（Ｍ）とに分割して光変調を行な
う方法が１つの方法として取られていた。即ち、第８図
において、グレーティングが形成されてここへの注入電
流を制御することで発振波長を可変にする波長制御部（
Ｃ）と位相調整部（Ｐ）と活性領域を有する活性部（Ａ
）とを有する分布反射型（ＤＢＲ）レーザ部ＣＬＤ）か
らの一定出力８１を、変調部（Ｍ）に人力する信号８２
に応じて変調して変調出力８３を圧力している。

また、変調部（Ｍ）を半導体レーザ部（ＬＤ）と一体的
に形成して変調出力８３を出力する例や、活性領域を有
する活性部（Ａ）への注入電流を信号に応じて変調して
出力を直接変調する従来例もある。

Ｃ発明が解決しようとする課題］ しかし、上記従来例は以下の様な欠点を有する（１）変
調部（Ｍ）が第８図の如く一体化されていない場合 典型的には変調部（Ｍ）としてはＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３
の変調器などが用いられるが、レーザ部（ＬＤ）と変調
ｉ　（Ｍ）を光学的にアライメントするのが困難であり
、変調部（Ｍ）のサイズが大きくなって全体的に大型化
する。

（２）レーザ部（ＬＤ）と変調部（Ｍ）が一体化されて
いる場合 典型的には、変調部（Ｍ）は、量子閉じ込め効果（ＱＣ
Ｓ　Ｅ）などを用いた電界作用による吸収端の変化など
を利用して変調を行なうので、変調部（Ｍ）は一般に波
長制御部（Ｃ）、位相制御部（Ｐ）、活性部（Ａ）とは
逆極性を印加される。

従って、変調部（Ｍ）と活性部（Ａ）等との電気的な分
離が難しい、変調出力のＯＮ、ＯＦＦ比が　−不十分と
なる。吸収分が大きいので光出力が太きく得られないな
どの問題がある。

（３）レーザ（ＬＤ）の活性部（Ａ）を直接変調する場
合 位相調整部（Ｐ）と波長制御部（Ｃ）との位相のつなが
りが悪く出力及び波長の変動が起こる。

このことを模式的に示すと以下の如くである。

波長制御部（Ｃ）には、Ｌ／ｎｃ　（１次回折の場合）
又はＬ／２ｎ、（２次回折の場合）などの（えは真空中
での光の波長、ｎｃは実効屈折率）空間的周期（Ａ）で
屈折率変化が形成されており、波長制御部（Ｃ）に電界
を印加したり電流を注入することで実効屈折率ｎｃを変
化させ、周期（Δ）は余り変化しないので、ｎｃΔ、２
　ｎ　ｃΔなどで決まるブラッグ反射条件を満たす波長
を変化させてこの波長の光を選択的に反射する様に設計
されている。

一方、活性部（Ａ）、位相調整部（Ｐ）の屈折率もここ
への注入電流によるプラズマ効果や温度効果で変化する
。

従って、活性部（Ａ）への注入電流の変調により変調出
力を発振するに際して、共振条件を満たす様に位相調整
部（Ｐ）の注入電流を活性部（Ａ）の注入電流にバラン
スさせている。

このことを第７図で説明する。第７図（３）の（１）の
矢印で示す如く活性部（Ａ）の注入電流Ｘａａに対して
位相調整部（Ｐ）の注入電流をＩＭＦとして、第７図（
１）の如く位相を合わせると（第７図（１）の波長制御
部（Ｃ）の一方の破線は空間的周期構造を示し、他方の
破線は光波を示す）、第７図（３）の（２）の矢印で示
す様に活性部（Ａ）の注入電流がエロ＋Ｉ　＊−（１−
はバイアス分ｂｌｎは信号分）となるとき位相調整部（
Ｐ）の注入電流をＩＩＩＦのままにしているので位相が
第７図の（２）の如く狂ってしまい光出力の変動が起こ
る。こうして、直接変調の場合、光出力や波長の変動が
問題となっていた。

従って、本発明の目的は、上記の課題に鑑み。

レーザな直接変調しても出力波長の安定化、出力レベル
の安定化を実現しているダイナミックに波長安定な半導
体レーザ及び半導体レーザの駆動方法を提供することに
ある。

［課題を解決する為の手段］ 上記目的を達成する本発明の半導体レーザにおいては、
活性領域部を含む２つ以上の電流注入域を有し、これら
電流注入域の全光路長が注入電流により予め設定した値
から変調時に１以上ずれない様にこれら電流注入域のう
ちの少な（とも２つへの注入電流を同期させて変調させ
る駆動手段をか備えられている。

上記半導体レーザは、光共振パス内に設けられた周期反
射構造などである波長制御部を更に有して、ダイナミッ
クに波長安定な波長可変半導体レーザとして構成されて
もよい。

また、本発明による半導体レーザの駆動方法においては
、電流注入域の全光路長が注入電流により予め設定した
値から変調時に１以上ずれない様に当該レーザを駆動す
る。

以下、典型例に沿って本発明の詳細な説明する電流注入
域が位相調整部（Ｐ）と活性部（Ａ）であるとして、こ
れらにＩ＠Ｐｓ　　Ｉ＠Ａをバイアス電流として注入す
る。このとき、波長制御部（Ｃ）のｎｃＡ、２ｎｃΔで
決まる波長の位相に合い良好な出力が得られる様にＩｏ
、■＠＾を設定してお（。

活性部（Ａ）の注入電流ｒＡは変調信号に応じて変化さ
れるので、これに同期させて位相調整部（ｐ）の注入電
流工、を第６図に示す如く逆方向にシフトさせる。これ
により、変調時にも全光路長が上記の様に良好な出力が
得られているときの全光路長（これを設定値または所定
値と呼ぶ）に比して１以上ずれない様にする。

今、各部Ａ、Ｐの実効屈折率をｎ　ａ　ｓ　ｎ　ｐ　、
注入域長をＬＡ、Ｌｐとすると、常に（所定値）−見≦
ｎａ　Ｌａ　＋ｎ、ＬＰ≦（所定値）十えを満たす様に
各部Ａ、Ｐへの電流量ＩＡ、Ｉ、を同期して変化させる
ことになる。

より一般的には、常に（所定値）−Ｌ≦ΣｎｉＬ、≦（
所定値）＋λを達成すればよいこと仁なる（ｎｉ　、Ｌ
＋は、周期的屈折率構造やゲイン（吸収）分布などのな
い注入域部分の実効屈折率、注入域である）。

詰まり、第６図に示す様に、活性層（Ａ）への注入電流
ＩＡが図示の如く変化するとき、同期Ａの温度Ｔａは図
示の如く変化するのでそれに伴って実効屈折率ｎ１が変
化しｎａ　Ｌａが変化する。

従って、位相ＩＩＩＥ部Ｐの注入電流■、を図示の如く
逆方向にシフトさせて同期Ｐの温度Ｔ、がＴ。

の逆方向に変化する様にして実効屈折率ｎ、即ちｎ、Ｌ
ｐをｎａ　Ｌａの変化を打ち消す様に変化させるのであ
る。

通常、電流の増加で温度上昇しｎ　（Ｔ）が増加するが
、同時に注入キャリアの効果によりｎは減少するので、
このことを青酸して、電流Ｉ＾、■−を同期させて変化
させればよい。

より具体的には、Δｎ　（Ｔ）はΔＩ−Ｖによるジェー
ル熱に比例するので、各部Ａ、Ｐとも大差はなく、単位
長さ当りの電流密度を各部Ａ、ＰにおいてＪ、％Ｊ、と
すれば Δｎ　ａ　ｋｔ　ｋΔＪ１ Δｎ　ｐ　　’＃　ｋΔＪ。

となる（ｋは定数）。

一方、１Δｎａ　ＬＡｌ　＃ｌΔｎ、　Ｌｐ　Ｉ　　（
変化の方向は互いに逆方向、これであれば上記条件を満
たすに十分）であればよいので、これらの関係から、１
ΔＪ、Ｌ、ＩｌΔＪＰＬ、ｌとなり、これから、温度変
化に関して言うと１１．、ｌ＝＋１．１であればよいこ
とになる（電流の増減は各部Ａ、Ｐで逆である）。

一方、キャリア密度によるｎの変化は、構造依存性が大
きいが、各部Ａ、Ｐ同構造とすれば、やはりＩ　ｌｌｌ
Ａｌ　＝　Ｉ　ｒｓｐｌで１Δｎａ　　（キャリア密度
）Ｌ、ｌｌΔｎｐ（キャリア密度）Ｌ、Ｉを満たすこと
になる。

したがって、概ねｌ　Ｉ−ａｌ　＃　ｌ　ｌ５Ｐｌとす
れば目的は達せられることになる。

各部Ａ％Ｐの構造が異なるときは、Ｉｒ、ＡＩとｌｘｍ
ｐｌの比は１からずれることになる。

各部Ａ、Ｐの注入電流を同期させて変調させる回路につ
いては、ＬＤの高速変調で用いる同−電流を各部に振り
分けるような回路などを使用すればよい。

上記本発明の原理においては、変調電流の変調速度はＩ
　Ｍ　Ｈｚ〜Ｉ　ＧＨｚ程度の領域で特に有効であるが
、１ＭＨｚ以下でも、ＤＢＲ構造を持つ本発明によるレ
ーザを光波長多重通信システムなどに用いる際に有効で
ある。

ＩＧＨｚ以上の領域では温度変化などが余り問題となら
ないので、本発明が問題としていることは余り問題では
ないが、この領域でもデユーティが変動するような場合
には本発明の考え方が有効である。

尚、上記において、全光路長がえ以上ずれない様にすれ
ばよい理由は、これ以上ずれると光出力Ｐ　ｏｕｔの出
力レベルが第２図（１）のＰ、□で示す如き数量上の凹
凸を持つ様になって不安定度が許容し難くなるからであ
る。

〔実施例Ｊ 第１図は本発明の第１実施例の概略を示す図である。同
図において、既に述べた様にＣ，Ｐ、Ａは夫々波長制御
部、位相調整部、活性部であり（以下夫々Ｃ部、Ｐ部、
Ａ部と記す）、Ａ部とＰ部は、ｎ−ＧａＡｓ基板１上に
ＭＢＥ　（分子線エピタキシー）法によりｎ−ＧａＡｓ
バッファ（厚さＩ　ＬＬｍ、キャリア濃度ｌＸｌ０”ｃ
ｍ−１）、ｎ−Ａ　Ｌｏ、ｓ　Ｇａｏ、ｓ　Ａｓ　（１
，５部ｍ、５ｘｌ　Ｏ”ｃｍ””）、ノンドープ（φ）
　Ａ　１　ｏ、　＋　Ｇ　ａａ、ｓ　ＡＳ活性層２（０
，０８ｕ　ｍ　）　−ｐ−Ａ　１　ｏ　、　ｓ　Ｇ　ａ
ｏ、ｓ　Ａｓ　（１，５ｇｍ、７Ｘ　１０”ｃｍ−”）
　、ｐ−ＧａＡｓ（０，５μｍ、ｌＸｌ０”ｃｍ−”）
を成長した層構成を有する。６部は、上記の如く層を成
長した後、φ−ＡＩＧａＡｓ活性層２がなくなるまでエ
ツチングし、その上に周期０．２２μｍの周期格子３を
２光束干渉露光法で作製し、その後ＭＯＣＶＤ　（有機
金属熱分解）法によりｐ　−Ａｌｏ、ｓ　Ｇａｏ、ｓ　
Ａｓ、ｐ−ＧａＡｓを前記と同様の厚みまで再成長して
形成した。

次に、横方向の閉じ込めを行なって導波路構造を作製す
る為、約３μｍ幅で基板１近くのＧａＡＳまでエツチン
グし再びＭＯＣＶＤ法にて高抵抗Ａ　ｌ　ｕ、ａ　Ｇ　
ａａ、ｙ　Ａ　Ｓを埋め込んだ。

６部、Ｐ部、Ａ部に電極４．５，６及び共通電極９を夫
々形成するが、その電流注入域長さは６部が５００ａｍ
、Ｐ部が３０ｐｕｍ、Ａ部が３００μｍである。各部Ｃ
，Ｐ、Ａは相互の注入電流によるクロストークを避ける
為、表面からｌｕｍ程エツチングにより掘り込んで各部
ＣとＰ、ＰとＡ間に溝７．８を形成している。ｎ型基板
ｌ、ｐ型の３領域の注入電流は、各々への上記オーミッ
ク電極４．５．６，９でなされている。

以上の構成において、６部に１００ｍＡ、Ａ部に６０ｍ
Ａ、Ｐ部に４０ｍＡ注入したとき１発振波長８２０ｎｍ
で２ｍＷの出力がＡ部端面から得られた。

次に、Ａ部を２００ＭＨｚのＲＺ（リターントウゼロ）
信号の注入電流で変調した。即ち、Ａ部に２．５ｎｓｅ
ｃパルスで９０ｍＡを印加した（！Ｉ！１２図（１）に
示す様にＡ部への注入電流■、のバイアス成分１．Ａを
６０ｍＡとし、２−５ｎｓｅＣパルスで信号成分Ｉ　ｍ
Ａを３０ｍＡとした）、このとき２部部への注入電流Ｉ
　ａｐを４０ｍＡで放置したところ、ｖ４２図（１）の
様な出力Ｐ　Ｏｕｔの変動が見られた。これを克服すべ
（、この時、Ａ部への注入電流Ｉｎに同期して第２図（
２）に示す如くＰ部への注入電流Ｉ、を逆方向（バイア
ス成分工。、から減らす方向〕に減少させたところ（Ｉ
Ｐ＝３０ｍＡとして減らす）、第２図（２）に示す如く
光出力Ｐ　ａｕｔは安定した。即ち、ＲＺ信号のゼロ（
０）時に光出力Ｐ　ｏｒｒが２ｍＷとなり、“１′″時
に光出力Ｐ。、ｌが５ｍＷとなって、ＰＯｏは安定した
出力となっている。

第１図のデバイスを波長可変レーザとして用いて、６部
への注入電流を１００ｍＡから３０ｍＡとした時は、６
部のブラッグ波長（ｎ　ｃΔ）が変化して発振波長は８
２０ｎｍから８２１ｎｍとなり、Ａ部の注入電流ＩＡ＝
８０ｍＡ、Ｐ部の注入電流Ｉｐ＝３０ｍＡで１０ｍＷの
出力が得られたＡ部の注入電流工、をＩｍａ＋Ｉｓａ＝
８０ｍＡ、ＩｓＡ＝５０ｍＡ　（即ちＩ　ｍ＆＝　３０
　ｍ　Ａ　）で１００ＭＨｚのＲＺ倍信号変調したとこ
ろ、Ｐ部の注入電流Ｉ２を一定のままではＩＡ＝８０ｍ
Ａ時の光出力Ｐ０．が１０ｍＷから３ｍＷの間で変動し
た（第２図（１）のＰ　ａｕｌ照）　ａ　Ｉ　ａ　＝　
５０　ｍＡ時はＰ、ｌＪｔが０．１ｍＷであった。

そこで、Ａ部の注入電流１１が８０ｍＡ、５０ｍＡと変
化するのに対応して、Ｐ部の注入電流工、を３０　ｍ　
Ａ　ＣＩ　−＝　８０　ｍ　Ａのとき）、６０ｍＡ　（
１，＝５０ｍＡのとき）としたところ、ＯＮ、ＯＦＦの
光出力１０ｍＷ、０．１ｍＷの安定した変調出力が実現
された。

第１図の実施例と同構造でＰ部の長さを２００μｍとし
た第２実施例でも、第１実施例と同様の傾向が認められ
た。

即ち、Ｃ部で設定された波長に対して、Ａ部の注入電流
のバイアス成分１．、、Ｐ部の注入電流のバイアス成分
Ｉ　ｍｐを一定値に決めた後に、Ａ部の注入電流の信号
成分Ｉ。＝３０ｍＡに対してＰ部の注入電流の信号成分
Ｉ　ｍｐ＝　２　ｓ　ｍ　Ａ　（減らす方向）とした時
に、光出力Ｐ、、は安定した。

次に、第３実施例を説明する。第３実施例では、Ｐ部、
Ｃ部ともノンドープＡｌＧａＡｓ活性層を含んでエツチ
ングし、Ｃ部のみ周期格子を形成し、第１実施例と同じ
埋め込み工程で導波路注入域を形成した。即ち、本実施
例ではＰ部とＡ部の積層構造を異ならせている。

この場合も、Ｃ部１００ｍＡ、Ａ部６０ｍＡ。

Ｐ部５０ｍＡの注入電流で、８２０ｎｍ、２ｍＷの光出
力が得られた。しかし、２００ＭＨｚの変調を行なうに
は、Ａ部の注入電流が９０ｍＡ（＝Ｉ　＊＊＊　Ｉ　ｓ
ａ）であるときＰ部の注入電流を４０ｍＡ　（＝■５ｐ
（＝ｓｏ）＋ＩＩＦ（＝−１０））として同期させる必
要があった。即ち、Ｉｓａ＝３０ｍＡに対して、Ｉｓｐ
＝−１０ｍＡで逆方向にする必要があった。この第３実
施例では、Ａ部とＰ部の層構成が異なり注入電流による
プラズマ効果に差が出て、屈折率変化の程度に違いがあ
るので、１１Ａと■ｓｐの絶対値が上記の如く異なった
と思われる。

本発明は、波長可変は行なわないが直接変調によって安
定波長、安定レベルの光出力を得る場合にも、もちろん
、適用できる。これは、第１図においてＩｅ　（Ｃ部へ
の注入電流）＝０の場合に相当し、第３図の如くＣ部に
注入電流を持たない場合である。

また、Ｐ部、Ａ部は相対的なものであり、Ｃ部に対する
配列が変わっても本発明のもくろむ効果が生れる。

材料についても、発振波長０．８μｍ辺りのＧａＡｓ系
に限定されず、ｉ　３ｅｍ、１．５ｅｍ辺りのＩｎＰ系
、０．７ｕｍ辺りのＡｌＧａ１ｎＰ、更に短波長のＺｎ
５ｅ、ＺｎＳなども使用できる。

更に、Ｃ部である波長決定部分は集積化されたものであ
る必要はなく、Ｃ部がＰ部やＡ部と分離されていてもよ
い、その例を第４図に示す、ここでは、Ｃ部がいわゆる
外部共振器で、これを回転させることで発振波長を変え
る。

また、０部以外が第５図の如く３つ以上に分かれている
場合でも本発明の考え方は有効であり（第５図の場合、
Ｐ部、Ａ１部、Ａ部部とした）、こうした場合、２つの
注入域の電流を同期させて変動させれば十分であるので
１つの注入域を変動させなくてもよい。

上記第１実施例から第３実施例までの説明に述べた発振
波長えに対してのＩｃ、Ｉｐ、　■、などの情報をＲＯ
Ｍに入れておき、必要な発振波長を選択するとき自動的
にＣ，Ｐ、Ａ部が制御される様にしてお（手法も可能で
ある。この時、ｌ１ｌＰＺＩｓａ比などもＰ部、Ａ部の
構造に固有な値として記憶してお（ことにより、誤りな
（シグナルレベルを選択できる。

［発明の効果］ 上記に説明した如く、本発明によれば、２つ以上の電流
注入域へ、の注入電流を同期させて変調し、これらの全
光路長が設定値から１以上ずれない様にしているので、
半導体レーザの出方波長の安定化、出力レベルの安定化
を図ることができる様になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の概略構成図、第２図は第
１実施例の各部への注入電流の変動と光出力の変化の関
係を示す図、第３図は波長可変をしない例の概略構成図
、第４図は外部共振器の例の概略構成図、第５図は０部
以外の部分が３つ以上ある例の概略構成図、第６図は本
発明の駆動方法の典型例の時間ダイアグラム、第７図は
従来例のｆｆ題を説明する図、第８図は従来例を説明す
る図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、活性領域部を含む２つ以上の電流注入域を有する半
   導体レーザであって、該電流注入域の全光路長が注入電
   流により予め設定した値から変調時にλ以上ずれない様
   に該電流注入域のうちの少なくとも２つへの注入電流を
   同期させて変調させる駆動手段を有することを特徴とす
   る半導体レーザ。 ２、波長制御部を更に有して、波長可変な如く構成され
   た請求項１記載の半導体レーザ。 ３、前記駆動手段は、或る電流注入域への注入電流を増
   加するときに他の電流注入域への注入電流を同期して減
   少する如く、注入電流を同期させて変調する請求項１記
   載の半導体レーザ。 ４、前記波長制御部は光共振パス内に設けられた周期反
   射構造である請求項２記載の半導体レーザ。 ５、前記波長制御部は光共振パス外に設けられた周期反
   射構造である請求項２記載の半導体レーザ。 ６、前記注入電流の増加と減少の比は夫々の電流注入域
   の構造の異同に応じて設定されている請求項３記載の半
   導体レーザ。 ７、前記注入電流の増加と減少の量はほぼ等しい請求項
   ３記載の半導体レーザ。 ８、請求項１、２、３、４、５、６または７記載の半導
   体レーザの駆動方法において、前記電流注入域の全光路
   長が注入電流により予め設定した値から変調時にλ以上
   ずれない様に駆動することを特徴とする駆動方法。