JPH047884A - 半導体波長制御素子及び半導体レーザ - Google Patents

半導体波長制御素子及び半導体レーザ

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JPH047884A
JPH047884A JP10926790A JP10926790A JPH047884A JP H047884 A JPH047884 A JP H047884A JP 10926790 A JP10926790 A JP 10926790A JP 10926790 A JP10926790 A JP 10926790A JP H047884 A JPH047884 A JP H047884A
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JP
Japan
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layer
wavelength
guide layer
guide
light
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Application number
JP10926790A
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English (en)
Inventor
Toshihiro Kameda
亀田 俊弘
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Anritsu Corp
Original Assignee
Anritsu Corp
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Publication date
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Publication of JPH047884A publication Critical patent/JPH047884A/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES 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
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • 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
    • H01S5/12Construction 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

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  • Semiconductor Lasers (AREA)

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、ガイド層を複数個有し、そのガイド層での光
の閉じ込め率を高めた半導体波長制御素子、及びその素
子が一体に結合されたDBRレーザ等の半導体レーザに
関する。
〔従来の技術〕
光通信、光情報処理において、波長多重化信号から任意
の信号光を選択する光フィルタが必要とされる。透過型
の光フイルタ素子としては光増幅領域と波長制御領域と
を備えた半導体レーザを発振しきい値以下のバイアス電
流で用いたものがある。この構造は増幅領域で利得を与
え、波長制御領域で透過光の波長選択を行うもので、そ
の選択される波長は導波路の等価屈折率と回折格子のピ
ッチできまるブラッグ波長と一致する。ここで、波長制
御領域にキャリアを注入することで、プラズマ効果を生
じさせ等価屈折率を変化させることが可能となり、それ
によりブラッグ波長が変えられるために選択波長をチュ
ーニングできる。
ブラッグ波長λgはブラッグの式より λg=2dnar/m で表わされる。mは次数、dは回折格子のピンチ、n 
meは等価屈折率を意味する。波長のチャンネル幅は波
長制御領域の屈折率変化量によって決まるため、屈折率
の変化が大きくなる構造が望まれる。
また、活性層をもった領域をしきい値以上の駆動電流で
使用すれば、発光領域と波長側’IB fii域をもっ
た分布ブラッグ反射型(Distributed  B
raggReflector:  以下、DBRと言う
。)半導体レーザとなる。従来例として示す3電極型D
BRレーザ(第6図参照)は位相を連続したままで波長
シフトが可能であり、次期光通信の主流と思われるヘテ
ロダイン方式のコヒーレント光源として有効である。そ
の使用目的として、信号光としての波長変調光源や、受
信部側でビート信号を得るために信号光に同調できる局
発光としての光源が挙げられる。波長シフト量が大きい
方が有用であり、やはり波長制御領域の屈折率変化が大
きい構造が期待される。
〔発明が解決しようとする課題〕
以上のように、ブラッグ波長の選択は導波路の等偏屈折
率に依存するが、この導波路の等偏屈折率はキャリア閉
じ込めを行うダブルへテロ頭載により構成されたガイド
層のプラズマ効果による屈折率変動の影響を強く受ける
。等偏屈折率の変化を大きくさせるにはガイド層の屈折
率変化を有効に取り入れることが重要であり、すなわち
ガイド層での光の閉じ込め率を上げれば良いことになる
従来の構造ではガイド層を1層としているため光の閉じ
込め率、すなわち、光の閉じ込め係数ξを上げるために
はガイド層を厚くしなければならない。しかし、発光領
域との光結合を考えると十分厚くすることができないた
め、ガイド層での高い光の閉じこめができなかった。
このガイド層を一層とした場合の屈折率分布と光の強度
分布との関係をそれぞれ第7図に示す。
第7図の(a)において縦軸は厚さ方向、横軸は屈折率
を示し、第7図の伽)において縦軸は厚さ方向、横軸は
光の強度を意味する。斜線の部分がガイド層を表し、そ
の部分の光の強度分布が光の閉じ込め係数ξに関係する
。すなわち、光の閉じ込め係数ξを大きくするにはその
ガイド層を厚くしなければならない。
しかし、第3図のように活性層とガイド層とが平行にな
った場合の光の受渡し、あるいは ButtJoint
構造のように活性層とガイド層とが直結した構造の場合
の光の移動において高い光結合を得るためには活性層と
ガイド層の伝搬定数が等しくなることが重要である。す
なわち、伝搬定数の決定上、活性層部分の構造で制約を
受けるためガイド層厚は限られてしまい高い光閉じ込め
ができなくなる。
〔問題を解決するための手段〕
本発明の目的は、ガイド層での光の閉じ込め率の高い半
導体波長制御素子及び、その素子が一体に結合されたD
BRレーザ等の半導体レーザを従供することにある。
1つのガイド層の上に光結合が可能な厚さでバリア層を
介在してガイド層を重ねること、つまりガイド層を増や
すことで一層の場合以上の光の閉じ込めが可能となる。
また、半導体レーザに応用した場合、複数個のガイド層
を有する半導体波長制御素子を実用化するため、活性層
とガイド層における光の伝搬定数と光の強度分布がそれ
ぞれ等しく、かつ、中心軸を合わせた構成にしである。
〔作用〕
このように構成された本発明の素子では、第4図に示す
ようにガイド層領域での高い光閉じ込めが可能である。
第4図はガイド層を二層とした場合の屈折率分布と光の
強度分布との関係を示す。
第4図の(a)において縦軸は厚さ方向、横軸は屈折率
を示し、第4図の(b)において縦軸は厚さ方向、横軸
は光の強度を意味する。斜線の部分がそれぞれガイド層
を表し、その部分の光の強度分布が光の閉じ込め係数ξ
に関係する。すなわち、ガイド層を二層にすることで大
きい光の閉じ込め係数が得られることがわかる。
さらに、実用上、半導体レーザでは、発光領域との高い
光結合を得られる構造(第5図参照)を発明した。第5
図の構造は、活性層6と第2のガイド層7の光の伝搬定
数と光の強度分布が等しく、かつ、中心軸を合わせた構
成にしである。そのため、発光領域における活性層6と
第1のガイド層4による光のモードと、波長制御領域に
おける第2のガイド層7と第1のガイド層4による光の
モ−ドが、その両者とも光の強度分布及び伝搬定数が等
しくなり、境界部における100%の光結合係数Coが
得られることになる。
よって、発光N域と波長制御I領領域の光の伝搬損失が
なく、かつ、ガイド層での光の閉じ込め率が高く波長側
fIl 領域における大きな屈折率変化が可能となる。
また、2層のガイド層等の光の導波路では垂直横モード
に関して基本(0次)モードだけでな(1次モードの存
在も可能である(第5図参照)。
しかし、0次モードと1次モードの光では伝搬定数が異
なるため、それぞれ異なったピッチの回折格子でブラッ
グ反射することになる。言いかえれば、回折格子のピッ
チの取り方で0次モードか1次モードで伝搬する光を選
択できることになる。
〔実施例〕
本発明の半導体波長制御素子の構造を第1図に示す。ま
た、半導体波長制御素子が一体に結合された波長可変D
BRレーザの構造を第2図に示す。
ここでは、第2図に示す波長可変DBRレーザの作製の
工程について第3図を用いて述べる。
以下、複数のガイド層をそれぞれ第1のガイド層4、第
2のガイド層7とする。
i)キャリア濃度lXl0”cm−”のSnドープn形
1nPの基板1上にキャリア濃度5×10”cm−’の
Snドープn形1nPのバッフ7層2を成長させる。そ
の後、D B RH域となる部分にレジスト干渉露光法
により形成した回折格子形成用エツチングマスクを用い
てエツチングし回折格子3を形成する。
ii)マスクを除去した後、その上にTnPと格子整合
しキャリア濃度lXl0”cm−Snドープn形とした
バンドギャップ波長1.3μmの■nGaAsPの第1
のガイドN4を成長し、さらにキャリア濃度lXl0”
cm−となるSnドープn形1nPのバリア層5を成長
する。次にInPと格子整合しバンドギヤシブ波長1.
55μm(7)InC;aAsPの活性層6を成長しさ
らにキャリア濃度7X10”cm−’となるZnドープ
p形1nPのクラッド層8を成長する。ここで、液相成
長の場合には1.55μm帯の活性層6の上に1.3μ
m帯のI nGaAs Pアンチメルトバック層を設け
るが図では省略しである。
1ii)発光領域となる部分をSiNx膜14でマスク
し、他の部分のクラッド層8と活性層6を選択エツチン
グにより除去する。
iv )エツチングにより除去された部分に第1のガイ
ド層4と同じ組成でキャリア濃度I X 10 ” c
m−Znドープp形1 nGaAs Pの第2のガイド
層7を成長し、次にキャリア濃度7 X 10 l7c
m”3Znドープp形1nPのキャップ層15を成長す
る。ただし、活性層6と第2のガイド層7との光結合の
条件を満たした設計にする。
■)全てのマスクを除去した上にクラッド層8を厚く成
長し直す。
以上により作製した半導体ウェハをメサ加工し埋め込み
成長を行うことで半導体レーザの構造とし、発光領域1
1、位相制御領域12、DBR領域13のp形電極9を
分離して形成し、裏面の基板側にn形の電極10を形成
してへき関することで第2図に示す波長可変DBRレー
ザが作製される。
本実施例ではn形基板半導体レーザとしたがp形基板を
用いた半導体レーザに適用できることは明白であり、活
性層6として他のバンドギャップ波長を用いたものや多
層構造としても可能である。
また、第1のガイド層4と第2のガイド層7とはそれぞ
れ光結合を生じさせるが、第1のガイド層4、第2のガ
イド層7のそれぞれの領域の光閉じこめ率が高(なるな
らば、異なる組成で多重に構成しても構わない、但し、
各ガイド層のバンドギャップ波長が発光領域で発生した
波長より長いと吸収損失が大きくなるので、発光波長よ
り短くしければならない。また、第1のガイド層4、第
2のガイド層7のそれぞれを隔てるバリア層5は光の閉
じ込めやキャリアの閉じ込めを考慮してガイド層より屈
折率は低くバンドギャップは大きくする必要がある。
また、第1のガイド層4と第2のガイド層7の組成が異
なる場合にはバリア層5を省くことも考えられる、さら
に、回折格子は任意のガイド層に設けられれば良いが、
複数のガイド層上に設けるならばブラッグ反射が有効に
生じるように構成しなければならないのは当然である。
以上はInP系以外の半導体結晶を用いた半導体波長制
御素子や波長可変DBRレーザにも適用できる。
〔発明の効果〕
ガイド層を複数個備えた構成となっているので、ガイド
層の厚さを大きくすることなく、光の閉じ込め係数ξを
大きくすることが可能となった。
そして、その結果、屈折率の変化量を向上させることが
可能となった。
具体的に述べれば、以下のとおりである。
従来技術においては、1.55μmの波長に関してクラ
ッド層の屈折率3.17、ガイド層(単層)を屈折率3
.387厚さ0.2μmとした場合の等価屈折率は3.
210となる。このときプラズマ効果でガイド層の屈折
率が一1%変化すると等価屈折率の変化量△nは−0,
0011となりブラッグ波長の変化量Δλは一5nmと
なる。次に本発明においては、屈折率3.17厚さ0.
1μmのバリア層を挟んで厚さ0゜2μ蒙のガイド層を
2層とした場合では等価屈折率の変化量Δnは−0,0
018となりブラッグ波長の変化量Δλは−8,6層m
となる。このように、1層の場合より約70%大きな波
長変化が可能となる。
また、本発明の構成では、ガイド層を二層としたので、
ガイド層を厚くした場合に発生する各領域の境界におけ
る光結合の低下も起こらない。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の構成を示した図、第2図は本発明の構
成を示した図、 第3図は本発明の構造を作製する手順を示した図、第4
図はガイド層を二層とした場合の屈折率分布と光の強度
分布との関係を説明した図、第5図は本発明の詳細な説
明するための図である。 第6図は従来技術の構成を示した図、 第7図は従来技術でガイド層を一層とした場合の屈折率
分布と光の強度分布との関係を説明した図である。 1 ・ 3 ・ 5 ・ 7 ・ 9 ・ 12・ ・バッファ層、 4・・・第1のガイド層 6・・・活性層、 ド層、8クラッド層、 ・電極、11・・・発光頭株 13・・・DBR領域、14 ・キャップ層。 ・基板、2・ ・回折格子、 ・バリア層、 ・第2のガイ ・電極、10・ ・位相制御領域、 ・SiNx膜、15・ 図面の浄書 第1図 特許出願人    アンリツ株式会社 代理人  弁理士  小 池 龍太部 第2図 第4 図 第3図 第5 図 発ス二′〒0土シく 液長制御11俵 伝撤′L朕 βO゛ βC′ βa”βど≠βq 第6図 存9有 手続(甫正書(方式) %式% 発明の名称 半導体波長制御素子及び半導体レーザ 補正をする者

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体基板に形成され、バリア層を介在させてほ
    ぼ平行に隔離されて延在し、相互に光結合された複数個
    のガイド層と、前記ガイド層の少なくとも1つに備えら
    れた回折格子と、前記ガイド層におけるキャリア濃度を
    制御するための制御電極とを備えたこと特徴とする半導
    体波長制御素子。
  2. (2)前記半導体波長制御素子が一体に結合された半導
    体レーザ。
JP10926790A 1990-04-25 1990-04-25 半導体波長制御素子及び半導体レーザ Pending JPH047884A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US6308004B2 (en) 1993-12-18 2001-10-23 Sony Corp System for storing and reproducing multiplexed data

Cited By (2)

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US6504994B2 (en) 1993-12-18 2003-01-07 Sony Corporation Data reproduction apparatus and data storage medium

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