JPH04340783A - 半導体レーザ装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体レーザ装置に係り
、特に波長可変で、且つ、単一スペクトルで発振する半
導体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】波長可変で、単一スペクトルで発振する
半導体レーザ装置は、コヒーレント光通信、光計測等の
光源に用いられる。このような光源として用いられる従
来の半導体レーザ装置を、図６を用いて説明する。図６
（ａ）は従来の半導体レーザ装置を示す断面図、図６（
ｂ）はそのＹ−Ｙ切断断面図である。

【０００３】半導体基板４１上に、コルゲーション４２
を介して、光ガイド層４３、活性層４４、電極層４５、
屈折率調整層４６及びクラッド層４７が順に積層されて
いる。そしてこれら光ガイド層４３、活性層４４、電極
層４５、屈折率調整層４６及びクラッド層４７は共にス
トライプ形状となっていて、その両側には埋め込み層４
８が形成されている。

【０００４】また、半導体基板４１裏面には電極４９が
、埋め込み層４８上には電極５０が、クラッド層４７上
には電極５１がそれぞれ設けられている。ここで、電極
層４５はレーザ発振光に対して透明な半導体層である。 また、屈折率調整層４６は活性層４４と同じ組成を有す
る半導体層である。更に、埋め込み層４８は電極層４５
と同一の半導体層である。このような層構造により、通
常のタブルヘテロレーザと同様に、接合と垂直な方向で
は、活性層４４を中心に半導体基板４１からクラッド層
４７に至る光導波路が形成されている。

【０００５】次に動作を説明する。まず、電極４９、５
０間に順バイアスを印加して、電極４９から半導体基板
４１→光ガイド層４３→活性層４４→電極層４５→埋め
込み層４８→電極５０の順に順方向電流を流し、活性層
４４にキャリアを注入して光利得を与えることによりレ
ーザ発振させる。なお、このときのレーザ発振光の波長
は、コルゲーション４２のピッチと活性層４４を中心に
形成される光導波路の有効屈折率とで決定される。

【０００６】次に、電極１９、２０間に順バイアスを印
加して、電極５１からクラッド層４７→屈折率調整層４
６→電極層４５→埋め込み層４８→電極５０の順に順方
向電流を流し、屈折率調整層４６に電流を注入する。こ
の注入電流が大きくなると、屈折率調整層４６における
キャリア密度が高くなり、プラズマ効果によってその屈
折率は低下する。この屈折率調整層４６の屈折率が低下
すると、活性層４４を中心にし屈折率調整層４６をも含
んで形成される光導波路の有効屈折率も低下し、発振波
長が短くなる。

【０００７】このようにして、光導波路内に屈折率調整
層４６を設け、この屈折率調整層４６に電流を注入する
ことにより、屈折率調整層４６の屈折率を低下させるこ
とができるため、光導波路全体の有効屈折率を低下する
ことができる。従って、レーザ発振波長を制御すること
ができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の半導体レーザ装置においては、光導波路内に設ける
屈折率調整層４６が活性層４４から離れているため、屈
折率調整層４６の屈折率変化が光導波路全体の有効屈折
率に与える影響が小さくなる。従って、波長可変範囲が
小さいという問題があった。このことを、図６の半導体
レーザ装置の層構造に対応させてレーザ発振光の電界強
度分布を示す図７を用いて説明する。

【０００９】図７の斜線部に示されるように、屈折率調
整層４６の屈折率変化が全体の有効屈折率に与える影響
の大きさは、レーザ発振光の電界が屈折率調整層４６と
重なる部分Ｂの面積に比例する。そして屈折率調整層４
６が光導波路の中心たる活性層４４から離れていること
により、図からも明らかなように、屈折率調整層４６に
おける電界強度が小さくなり、互いに重なる部分Ｂの面
積も小さくなる。従って、屈折率調整層４６の屈折率変
化が光導波路の有効屈折率に与える影響は小さいものに
止まる。

【００１０】この問題を解決するためには、屈折率調整
層４６の屈折率変化を更に大きなものとすればよい。そ
してその具体的な手段として、屈折率調整層４６におけ
るキャリアの寿命を長くしてキャリア密度を高くするこ
とや、屈折率調整層４６に大電流を注入することが容易
に考えられる。しかし、例えば屈折率調整層４６の材料
を選択したり、ドーピング濃度を低下させたりしてキャ
リアの寿命を長くすると、応答速度が低下するという問
題が生じる。また、大きな波長可変を行うために屈折率
調整層４６への大電流注入を行うと、温度の上昇を招き
、この温度上昇による屈折率増加がプラズマ効果による
屈折率低下を相殺してしまい、波長変化が逆転する場合
も生じる。このため、波長可変幅が小さくなる。従って
、上記従来の半導体レーザ装置においては、依然として
波長可変幅が小さい、応答速度が低いという欠点は解消
されない。

【００１１】そこで本発明は、単一スペクトルで発振す
る波長可変の半導体レーザ装置において、高速で動作し
、しかも波長可変範囲が大きい半導体レーザ装置を提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理説明
図である。即ち、図１（ａ）に本発明による半導体レー
ザ装置の断面を示し、図１（ｂ）にそのＹ−Ｙ切断断面
を示す。半導体基板１１上に、コルゲーション１２を介
して光ガイド層１３が形成され、この光ガイド層１３上
に、活性層１４、電極層１５、吸収層１６及びクラッド
層１７が順に積層されている。また、半導体基板１１裏
面には電極１８が、電極層１５上には電極１９が、クラ
ッド層１７上には電極２０がそれぞれ設けられている。

【００１３】ここで、電極層１５はレーザ発振光に対し
て透明な半導体層である。また、吸収層１６は活性層１
４より大きいバンドギャップを有しており、レーザ発振
光に対して透明な半導体層であるが、バイアスの印加に
よってレーザ発振光の吸収率が変化する特徴を有してい
る。従って、このような層構造により、通常のタブルヘ
テロレーザと同様に、接合と垂直な方向では、活性層１
４を中心に半導体基板１１からクラッド層１７に至る光
導波路が形成されている。

【００１４】

【作用】次に、図１に示す半導体レーザ装置の作用を、
図２を用いて説明する。図２は、図１の半導体レーザ装
置の層構造に対応させてレーザ発振光の電界強度分布を
示す図である。まず、電極１８、１９間に順方向電流を
流して活性層１４にキャリアを注入し、レーザ発振させ
る。そして電流を制御して、光出力が一定になるように
しておく。なお、このときのレーザ発振光の波長は、コ
ルゲーション１２のピッチと活性層１４を中心に形成さ
れる光導波路の有効屈折率とで決定される。

【００１５】次に、電極１９、２０間に逆バイアス電圧
を印加して、吸収層１６の吸収を制御する。即ち、吸収
層１６に逆バイアスが印加されると、その吸収端が長波
長側に移動し、レーザ発振光に対する吸収が増加する。 このため、レーザの発振しきい値が高くなる。発振しき
い値が高くなると活性層１４のキャリア密度が高くなる
。そして、プラズマ効果によって活性層１４の屈折率が
低下し、光導波路全体としての有効屈折率が下がって、
発振波長が短くなる。

【００１６】そして活性層１４の屈折率変化が光導波路
の有効屈折率に与える影響の大きさは、図２の斜線部に
示されるように、レーザ発振光の電界が活性層１４と重
なる部分Ａの面積に比例する。活性層４４が光導波路の
中心に位置していることにより、図からも明らかなよう
に、そこにおける電界強度が最も大きくなり、互いに重
なる部分Ａの面積は、図７の従来例に示すレーザ発振光
の電界と屈折率調整層と重なる部分Ｂの面積と比較する
と、遥かに大きい。従って、従来例と比較すると、活性
層１４の屈折率の低下による光導波路の有効屈折率の低
下の度合いは、遥かに大きくなる。

【００１７】このように本発明は、従来例がプラズマ効
果による屈折率調整層の屈折率変化を波長可変に利用す
るものであるのに対し、吸収層１６の吸収変化により活
性層１４自体にプラズマ効果を生じさせてその屈折率を
低下させ、波長可変に利用するものである。また、吸収
層１６における吸収率変化には、フランツ−ケルディッ
シュ効果、量子閉じ込めシュタルク効果等が利用できる
が、これらの効果の応答速度はピコ秒オーダであり高速
である。但し、この高速の吸収率変化に応じて活性層１
４のキャリア密度を変化させる必要があるが、レーザ発
振している状態でのキャリア密度変動であるため、その
キャリアの寿命はピコ秒のオーダーと短く、従来例のナ
ノ秒のオーダーに比べると、遥かに速くなる。更に、電
圧動作であるため、消費電力が小さくて発熱が小さくな
り、プラズマ効果による屈折率低下を相殺し難くなる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を図示する実施例に基づいて具
体的に説明する。図３（ａ）は本発明の一実施例による
半導体レーザ装置を示す断面図、図３（ｂ）はそのＹ−
Ｙ切断断面図である。厚さ１００μｍ、不純物濃度２×
１０１８ｃｍ−３のｐ形ＩｎＰ基板２１上に、ピッチ０
．２１５μｍ、深さ０．１５μｍのコルゲーション２２
を介して、厚さ０．５μｍ、バンドギャップ波長λｇ＝
１．３μｍ、不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３のｐ形Ｉ
ｎＧａＡｓＰ光ガイド層２３が形成されている。このｐ
形ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層２３上には、厚さ０．１μ
ｍ、バンドギャップ波長λｇ＝１．５５μｍのノンドー
プＩｎＧａＡｓＰ活性層２４及び厚さ０．３μｍ、不純
物濃度１×１０１８ｃｍ−３のｎ形ＩｎＰ電極層２５が
順に積層されている。

【００１９】そしてこれらｐ形ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド
層２３、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２４及びｎ形ＩｎＰ電極
層２５は共にストライプ形状となっていて、その両側に
は、不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３のｎ形ＩｎＰ埋め
込み層２６が形成されている。また、このｎ形ＩｎＰ埋
め込み層２６及びｎ形ＩｎＰ電極層２５上には、厚さ０
．３μｍ、バンドギャップ波長λｇ＝１．４５μｍのノ
ンドープＩｎＧａＡｓＰ吸収層２７及び厚さ１μｍ、不
純物濃度５×１０１５ｃｍ−３のｎ形ＩｎＰクラッド層
２８が順に積層されている。そしてこのｎ形ＩｎＰクラ
ッド層２８表面には、Ｚｎを熱拡散した濃度１×１０１
８ｃｍ−３のｐ形不純物拡散領域２９が形成されている
。ｐ形不純物拡散領域２９は、ＩｎＧａＡｓＰ吸収層２
７とｎ形ＩｎＰクラッド層２８の界面まで達するように
する。

【００２０】更に、ｐ形ＩｎＰ基板２１裏面にはＡｕ電
極３０が、ｎ形ＩｎＰ埋め込み層２６上には３層構造の
Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極３１が、ｐ形不純物拡散領域２９
上には３層構造のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極３２がそれぞれ
設けられている。次に、動作を説明する。Ａｕ電極３０
とＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極３１との間で、Ａｕ電極３０に
正の電圧を印加し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極３１に負の電
圧を印加して順方向電流を流し、ＩｎＧａＡｓＰ活性層
２４にキャリアを注入することにより、レーザ発振させ
る。そしてこの注入電流を制御して、光出力が一定にな
るようにおく。このとき、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２４の
バンドギャップ波長λｇがλｇ＝１．５５μｍであるの
に対して、ＩｎＧａＡｓＰ吸収層２７のバンドギャップ
波長λｇがλｇ＝１．４５μｍであるため、ＩｎＧａＡ
ｓＰ吸収層２７はレーザ発振光に対して透明である。

【００２１】また、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極３１とＴｉ／
Ｐｔ／Ａｕ電極３２との間で、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極３
１に正の電圧を印加し、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極３２に負
の電圧を印加し、ＩｎＧａＡｓＰ吸収層２７に逆バイア
ス電圧を印加することにより、ＩｎＧａＡｓＰ吸収層２
７の吸収を制御する。即ち、ＩｎＧａＡｓＰ吸収層２７
に逆バイアスが印加されると、フランツケルシュ効果に
より、レーザ発振光に対する吸収が増加する。なお、吸
収率変化には、フランツ−ケルディッシュ効果の代わり
に、量子閉じ込めシュタルク効果を利用してもよい。

【００２２】ＩｎＧａＡｓＰ吸収層２７の吸収率が増加
すると、発振光に対する全体としての吸収率が増大する
ため、レーザの発振しきい値が高くなり、しきい値キャ
リア密度が増大する。そしてＩｎＧａＡｓＰ活性層２４
におけるキャリア密度が高くなると、プラズマ効果によ
ってＩｎＧａＡｓＰ活性層２４の屈折率が低下し、光導
波路全体としての有効屈折率も低下する。従って、発振
波長が短くなる。

【００２３】次に、図３に示す半導体レーザ装置の製造
方法を、図４及び図５を用いて説明する。厚さ１００μ
ｍ、不純物濃度２×１０１８ｃｍ−３のｐ形ＩｎＰ基板
２１上に、ピッチ０．２１５μｍ、深さ０．１５μｍの
コルゲーション（図示せず）を形成した後、ＭＯＣＶＤ
法を用いて、厚さ０．５μｍ、バンドギャップ波長λｇ
＝１．３μｍ、不純物濃度５×１０１７ｃｍ−３のｐ形
ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層２３、厚さ０．１μｍ、バン
ドギャップ波長λｇ＝１．５５μｍのノンドープＩｎＧ
ａＡｓＰ活性層２４及び厚さ０．３μｍ、不純物濃度１
×１０１８ｃｍ−３のｎ形ＩｎＰ電極層２５を順にエピ
タキシャル成長する（図４（ａ）参照）。

【００２４】次いで、ｎ形ＩｎＰ電極層２５上に形成し
た所定のパターンのＳｉＯ２　膜３３をマスクにして、
ｎ形ＩｎＰ電極層２５、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２４及び
ｐ形ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層２３を、ストライプ幅１
．５μｍにメサエッチングする（図４（ｂ）参照）。次
いで、ＳｉＯ２　膜３３を残したまま、ｐ形ＩｎＰ基板
２１上に不純物濃度１×１０１８ｃｍ−３のｎ形ＩｎＰ
層を成長し、ストライプ形状のｐ形ＩｎＧａＡｓＰ光ガ
イド層２３、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２４及びｎ形ＩｎＰ
電極層２５両側面に、ｎ形ＩｎＰ埋め込み層２６を形成
する（図４（ｃ）参照）。なお、この工程までは従来技
術と同様である。

【００２５】次いで、ＳｉＯ２　膜３３を除去した後、
新たにｎ形ＩｎＰ埋め込み層２６上にＳｉＯ２　膜３４
を形成する。そしてこのＳｉＯ２　膜３４をマスクにし
て、ＭＯＣＶＤ法により、ｎ形ＩｎＰ埋め込み層２６上
に、厚さ０．３μｍ、バンドギャップ波長λｇ＝１．４
５μｍのノンドープＩｎＧａＡｓＰ吸収層２７及び厚さ
１μｍ、不純物濃度５×１０１５ｃｍ−３のｎ形ＩｎＰ
クラッド層２８を順にエピタキシャル成長する（図５（
ａ）参照）。

【００２６】次いで、ＳｉＯ２　膜３４を除去し、全面
にＳｉＯ２　膜３５を堆積した後、ｎ形ＩｎＰクラッド
層２８上に開口部を形成する。そしてＳｉＯ２　膜３５
をマスクにして、この開口部からｎ形ＩｎＰクラッド層
２８表面にｎ形ＩｎＰクラッド層２８とＩｎＧａＡｓＰ
吸収層２７の界面に達するまでＺｎを熱拡散し、濃度１
×１０１８ｃｍ−３のｐ形不純物拡散領域２９を形成す
る。なお、このときの熱拡散条件は、温度３００℃、１
時間である（図５（ｂ）参照）。

【００２７】次いで、ＳｉＯ２　膜３５を除去した後、
ｐ形ＩｎＰ基板２１裏面にはＡｕ電極３０を、ｎ形Ｉｎ
Ｐ埋め込み層２６上には３層構造のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電
極３１を、ｐ形不純物拡散領域２９上には３層構造のＴ
ｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極３２をそれぞれ形成する。このよう
にして、図３に示す半導体レーザ装置が作製される（図
５（ｃ）参照）。

【００２８】このように本実施例によれば、光導波路内
にＩｎＧａＡｓＰ吸収層２７を設け、このＩｎＧａＡｓ
Ｐ吸収層２７に逆バイアス電圧を印加することにより、
ＩｎＧａＡｓＰ活性層２４の屈折率を低下させて光導波
路全体の有効屈折率を低下させ、レーザ発振波長を制御
することができる。このときのＩｎＧａＡｓＰ活性層２
４の屈折率の変化は、有効屈折率の変化に最も大きく影
響を及ぼすため、有効屈折率の低下の度合いは、従来例
に比較すると５倍程度に大きくなる。

【００２９】また、ＩｎＧａＡｓＰ吸収層２７における
吸収率変化には、フランツ−ケルディッシュ効果、量子
閉じ込めシュタルク効果等が利用でき、これらの効果の
応答速度はピコ秒オーダであり高速である。なお、この
高速の吸収率変化に応じてＩｎＧａＡｓＰ活性層２４の
キャリア密度を変化させる必要があるが、レーザ発振し
ている状態でのキャリア密度変動であるため、そのキャ
リアの寿命は１００ピコ秒程度と短く、従来例の２ナノ
秒程度に比べると、遥かに速くなる。

【００３０】また、電圧動作であることにより、消費電
力が小さくて発熱が小さくなるため、プラズマ効果によ
る屈折率低下を相殺し難くなり、波長可変範囲を大きく
することができる効果がある。更に、量子閉じ込めシュ
タルク効果を利用する場合のＩｎＧａＡｓＰ吸収層２７
の屈折率の可変範囲は、従来のプラズマ効果に比較する
と最大３倍程度に大きくなる。このため、上記効果との
相乗効果で、更に大きな波長可変が実現できる効果を生
じる。

【００３１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、クラッド
層と電極層とにダブルヘテロ接合された活性層と、電極
層上に形成された吸収層と、吸収層上に形成された電極
とを具備し、電極層及び電極により吸収層に逆バイアス
を印加して、吸収層における導波光の吸収を制御するこ
とにより、発振しきい値が高くなって活性層の屈折率が
低下するため、導波路の有効屈折率も低下し、従って発
振波長を制御することができる。

【００３２】このことにより、高速で動作し、しかも波
長可変範囲が大きい波長可変半導体レーザ装置を実現す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理を説明するための半導体レーザ装
置を示す断面図である。

【図２】図１の半導体レーザ装置の層構造に対応するレ
ーザ発振光の電界強度分布を示す図である。

【図３】本発明の一実施例による半導体レーザ装置を示
す断面図である。

【図４】図３に示す半導体レーザ装置の製造方法を説明
するための工程図（その１）である。

【図５】図３に示す半導体レーザ装置の製造方法を説明
するための工程図（その１）である。

【図６】従来の半導体レーザ装置を示す断面図である。

【図７】図６の半導体レーザ装置の層構造に対応するレ
ーザ発振光の電界強度分布を示す図である。

【符号の説明】

１１…半導体基板 １２…コルゲーション １３…光ガイド層 １４…活性層 １５…電極層 １６…吸収層 １７…クラッド層 １８、１９、２０…電極 ２１…ｐ形ＩｎＰ基板 ２２…コルゲーション ２３…ｐ形ＩｎＧａＡｓＰ光ガイド層 ２４…ＩｎＧａＡｓＰ活性層 ２５…ｎ形ＩｎＰ電極層 ２６…ｎ形ＩｎＰ埋め込み層 ２７…ＩｎＧａＡｓＰ吸収層 ２８…ｎ形ＩｎＰクラッド層 ２９…ｐ形不純物拡散領域 ３０…Ａｕ電極 ３１、３２…Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極 ３３、３４、３５…ＳｉＯ２　膜 ４１…半導体基板 ４２…コルゲーション ４３…光ガイド層 ４４…活性層 ４５…電極層 ４６…屈折率調整層 ４７…クラッド層 ４８…埋め込み層 ４９、５０、５１…電極

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　クラッド層と、前記クラッド層上に形
   成され、前記クラッド層より小さいバンドギャップを有
   する活性層と、前記活性層上に形成され、前記活性層よ
   り大きいバンドギャップを有する電極層と、前記電極層
   上に形成された吸収層と、前記吸収層上に形成された電
   極とを具備し、前記電極層及び前記電極によって前記吸
   収層に逆バイアスを印加し、前記吸収層における導波光
   の吸収を制御することにより、前記活性層の屈折率を変
   化させて発振波長を制御することを特徴とする半導体レ
   ーザ装置。
2. 【請求項２】　　請求項１記載の半導体レーザ装置にお
   いて、前記吸収層が、前記活性層より大きいバンドギャ
   ップを有しており、前記吸収層への逆バイアス印加前は
   導波光に対して透明であり、逆バイアス印加後は導波光
   に対して不透明であることを特徴とする半導体レーザ装
   置。