JPH0550874B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は発振周波数を安定化した半導体レーザ
波長安定化装置に関する。

（従来技術とその問題点） 近年、半導体レーザおよび光フアイバ特性の著
しい向上に伴い光通信方式の一つとして半導体レ
ーザを用いたアナログ直接変調光フアイバ通信方
式が検討されつつある。しかし、半導体レーザ特
有の性質であるレーザ光の可干渉性及び光フアイ
バのモード分散のため光フアイバ内でスペツクル
パターンが生じ、これが変調信号に基づく発振周
波数の変動等によつて光フアイバ内でゆらぐこと
によりいわゆるモード雑音を引き起こしてアナロ
グ光フアイバ通信の障害の一つとなつていた。し
たがつて、品質の高いアナログ光フアイバ通信を
行なうには発振周波数の安定した半導体レーザが
望まれていた。

従来、半導体レーザとしては1983年に発行され
たアイ・イー・イー・イージヤーナル・オブ・ラ
イトウエーブ・テクノロジー（IEEE J.of
Lightwave Technology）の第LT−１巻、第１
号の第195頁から第202頁に記載のアイ・ミト（I.
Mito）他による論文に掲載された半導体レーザ
があり、第４図に示すように２つの劈開面４１
１，４１２によりフアブリ・ペロー共振器を構成
し、ｐ形半導体層４１３及びｎ形半導体層４１４
に挾まれた活性層４１５に電極４１６，４１７か
ら電流を注入し、活性層４１５において光を放
出、増幅させてレーザ光を得るものがあつた。し
かし、このような半導体レーザにおいては、レー
ザ発振光を強度変調させるために活性層４１５に
注入するキヤリヤ電子の数を変動させると、自由
電子プラズマ効果や電子のバンド間遷移に関わる
屈折率の分散曲線の変化により光学的な共振器長
が変動する結果、発振周波数が変動するという欠
点があつた。

（発明の目的） 本発明の目的は、上述の欠点を除去し、レーザ
発振光を強度変調させるため活性層に注入するキ
ヤリヤ電子の数を変動させても発振周波数が変動
しない半導体レーザ波長安定化装置を提供するこ
とにある。

（発明の構成） 本発明の半導体レーザ波長安定化装置は、活性
層を含む光導波路層と、該活性層に電流を注入す
る第１及び第２の電極と前記光導波路層の一部に
形成された発振周波数選択のための回折格子とを
備えた半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子
からの出力光強度を変調するため前記第１の電極
に変調信号電流を加えると同時に、前記変調信号
電流を前記活性層に注入したことにより生じる前
記半導体レーザ素子の光学的共振器長の変動を打
消すように前記変調信号電流とはその各周波数ご
とに、一定の振幅比例関係と一定の位相差関係を
有する制御電流を前記第２の電極に加えるための
電気回路とを備えた構成となつている。

（本発明の作用・原理） 本構成とすることにより従来の半導体レーザで
生じていた直接強度変調に伴なう発振周波数の変
動を小さく抑えることができる。即ち、レーザ発
振光を強度変調させるために活性層に注入するキ
ヤリヤ電子の数を変動させたことによつて自由電
子プラズマ効果や電子のバンド間遷移に関わる屈
折率の分散曲線の変化により生ずる光学的な共振
器長の変動を、もう一つの電極から注入するキヤ
リヤ電子の数の増減によつて補償することによ
り、共振器全体では光学的共振器長が一定に保た
れる。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明を詳細に説明す
る。

第１図は本発明による一実施例の構成図であ
り、第２図は本発明による一実施例に用いた半導
体レーザ素子の断面を含む斜視図である。また、
第３図は本発明による一実施例を説明するための
説明図である。

さて、第１図において、１０１は変調信号電
源、１０２は分岐回路、１０３は移相回路、１０
４は第１の直流電源、１０５は第２の直流電源、
１０６は第１の混合回路、１０７は第２の混合回
路、１０８は本実施例に用いた半導体レーザ素
子、１０９は共通電極１１０に接続した共通端
子、１１１は第１の電極１１２に接続した第１の
端子、１１３は第２の電極１１４に接続した第２
の端子、１１５は半導体レーザ素子１０８の活性
層である。

変調信号電源１０１で発生させた変調信号電流
を分岐回路２０２において100対４の２つの電流
に分岐する。即ち変調信号電源１０１で発生させ
た変調周波数100MHz、ピーク−ピーク電流値約
10.4ｍＡの正弦波変調電流を分岐回路１０２にお
いて、第１の混合回路１０６に分岐する10ｍAp
−ｐの電流と移相回路１０３を経由して第２の混
合回路１０７に分岐する0.4ｍAp−ｐの電流とに
分岐する。第１の混合回路１０６へ分岐した10ｍ
Ap−ｐの変調電流は、該第１の混合回路１０６
で第１の直流電源１０４から供給される35ｍＡの
直流電流と混合された後、第１の端子１１１を通
じて半導体レーザ１０８に注入される。一方、移
相回路１０３を経由して第２の混合回路１０７へ
分岐した0.4ｍAp−ｐの電流は、移相回路で約45°
の位相遅れを与えられ、第２の直流電源１０５か
ら供給される１ｍＡの直流電流と該第２の混合回
路１０７で混合された後第２の端子１１１を通じ
て制御電流として半導体レーザ１０８に注入され
る。

次に、第２図を用いて本実施例に用いた半導体
レーザ素子について説明する。第２図において、
２００はｎ形InPの基板、２０１はノンドープの
InGaAsPの活性層、２０２はｐ形InGaAsPのガ
イド層、２０３はｐ形InPのクラツド層、２０４
は基板２００と活性層２０１の境界面に形成され
た発振周波数選択のための回折格子、２０５はノ
ンドープのInGaAsPの第１のブロツク層、２０
６はｐ形InGaAsPの第２のブロツク層、２０７
はｐ形InPの第３のブロツク層、２０８はｐ形
InPの第４のブロツク層、２０９はｎ形InPの第
５のブロツク層、２１０はｐ形InPの埋め込み
層、２１１はｐ形InGaAsPのキヤツプ層、２１
２はAu−Geからなる第１図の１１０に示した共
通電極、２１３はAu−Znからなる第１図の１１
２に示した第１の電極、２１４はAu−Znからな
る第１図の１１４に示した第２の電極、２１５は
前記共通電極に接続した共通端子、２１６は前記
第１の電極２１３に接続した第１の端子、２１７
は前記第２の電極２１４に接続した第２の端子で
あり、活性層２０１とガイド層２０２が光導波路
層を形成している。ここで、活性層２０１は厚さ
が約0.1μｍ、組成のバンドギヤツプが波長で1.3μ
ｍであり、ガイド層２０２は厚さが約0.2μｍ、組
成のバンドギヤツプが波長で1.2μｍである。ま
た、前記活性層２０１及びガイド層２０２のスト
ライプ幅は約1.5μｍ、ストライプ長さは約300μ
ｍ、第１の電極２１３及び第２の電極２１４の活
性層ストライプ方向の長さはそれぞれ約270μｍ
と約20μｍ、両電極の間の間隙は約10μｍとなつ
ている。また、回折格子２０４が形成された部分
の長さは第１の劈開面２１８から活性層ストライ
プ方向に沿つて約270μｍであり、ほぼ第１の電
極の電流注入領域と対応している。この回折格子
２０４の周期は約3900Åであり、活性層２０１の
組成のバンドギヤツプに対応させている。

以上の構成において、第１の電極２１３と共通
電極２１２を通じて活性層２０１に電流が注入さ
れると回折格子２０４及び第２の劈開面２１９に
より形成される共振器によつてレーザ発振する。
このときレーザ発振光の強度を変調するため第１
の電極２１３に変調信号を印加すると、活性層２
０１のうち電流が注入されている第１の電極２１
３の直下の領域のキヤリヤ電子の密度が変動する
ため、自由電子プラズマ効果や電子のバンド間遷
移に関わる屈折率の分散曲線の変化に起因する屈
折率変化が生じ、活性層２０１のうち第１の電極
２１３の直下の領域の光学的長さが変化する。し
かし、第２の電極２１４には前記変調信号の変化
に応じて変化させた制御信号を印加しているた
め、活性層２０１のうち第２の電極２１４の直下
の領域でもキヤリヤ電子密度が変化する。したが
つて、該領域には自由電子プラズマ効果により、
第１の電極２１３の直下の活性層領域の屈折率変
化で生じた共振器変化を補償する分だけの屈折率
変化が生じる結果、共振器長は全体として一定に
保たれる。ただし、本実施例に用いた半導体レー
ザ素子では、変調周波数100MHzにおいては、変
調電流による発熱に起因する変調電流に追随した
温度変化は生じないため、その温度変化による共
振器長の変動は生じていない。変調電流を加えて
も共振器長が全体として一定に保たれることを第
３図を用いてさらに詳しく説明する。第１の電極
２１３には35ｍＡの直流バイアス電流と第３図ａ
に示すような変調周波数10MHz、ピーク・ピーク
値約10ｍＡの正弦波変調電流Δi₁を加えた際に、
第３図ｂに示すように該変調電流Δi₁の値が最大
になる位相よりも約90°進んだ位相でキヤリヤ密
度が最大になるように第１の電極３１３直下の活
性層領域のキヤリヤ密度がキヤリヤ密度変化分
ΔN₁だけ変化する。ここで変調電流Δi₁とキヤリ
ヤ密度変化分ΔN₁の位相差はよく知られたレー
ト方程式から求まる。このキヤリヤ密度変化分
ΔN₁にほぼ追随して第３図ｃに示すように第１
の電極２１３の直下の活性層領域の屈折率がキヤ
リヤ密度が最大のときに屈折率が最小になるよう
に屈折率変化分Δn₁だけ変化する。その屈折率変
化分Δn₁はその変化量が最大約10^-5程度であり、
変調電流Δi₁が最大になる位相よりも約90°遅れた
位相で最大となる。そこで、制御信号として、第
３図ｄに示すたような周波数100MHz、ピーク・
ピーク値約0.4ｍＡの制御電流Δi₂を、前記変調電
流Δi₁よりも位相を約45°遅らせて、約１ｍＡの直
流バイアス電流とともに第２の電極２１４に印加
する。この場合、第２の電極２１４に印加する直
流バイアス電流密度は発振閾密度以下としてい
る。このとき、第２の電極２１４直下の活性層領
域のキヤリヤ密度は制御電流Δi₂の位相よりも約
45°遅れてキヤリヤ密度変化分ΔN₂だけ変化する。
ここで第２の電極２１４の直下の活性層領域にお
ける制御信号による電流Δi₂とキヤリヤ密度変化
分ΔN₂の位相差が、第１の電極２１３の直下の
活性層領域における変調信号による電流Δi₁とキ
ヤリヤ密度変化分ΔN₁の位相差と異なるのは、
第１の電極２１３の直下の活性層領域とちがつ
て、第２の電極２１４の直下の活性層領域では直
流バイアス直流密度を発振閾密度以下にしている
ためである。第２の電極２１４の直下の活性層領
域の屈折率は、キヤリヤ密度が最大のときに屈折
率が最小となるようにキヤリヤ密度の変化に追随
して変化する。このときその屈折率変化分Δn₂の
位相は制御電流Δi₂の位相よりも約135°進んでい
る。また該屈折率変化分Δn₂の最大値は、第１の
電極２１３の直下の活性層領域の屈折率変化分
Δn₁の最大値に対し、第２の電極２１４の直下の
活性層領域の長さに対する第１の電極２１３の直
下の活性層領域の長さの比である13.5倍程度大き
な値となつている。このような変調電流Δi₁と制
御電流Δi₂の大きさ及び位相の関係により、第１
の電極２１３の直下の活性層領域の光学的長さの
変化と第２の電極２１４の直下の活性層領域の光
学的長さの変化は互いに打消され、共振器長は全
体としてほぼ一定に保たれる。その結果、制御電
流Δi₂を第２の電極２１４に印加しないときに生
じていた約1GHzの発振周波数の振れ幅は、制御
電流Δi₂を第２の電極２１４に印加することによ
り約100MHzの発振周波数の振れ幅に低減される。

ここで、本実施例に用いた半導体レーザ素子の
製造法を簡単に述べる。まず（001）を表面にも
つｎ形のInP基板２００を用意し、干渉露光法及
びフオトリソグラフ技術により、周期が約3900Å
の回折格子２０４を形成する。次に液相エピタキ
シヤル成長法によつてノンドープのIn_1-X1、Ga_X1
As_1-y1P_y1（x₁＝0.28、y₁＝0.61）の活性層２０１、
不純物濃度５×10¹⁷cm^-3のｐ形In_1-X2Ga_X2As_1-y2
P_y2（x₂＝0.22、y₂＝0.48）のガイド層２０２、不
純物濃度１×10¹⁸cm^-3のｐ形InPのクラツド層２
０３を順次成長させる。このとき、活性層２０１
の両わきの溝２２０，２２１はまだ形成されてい
ないため、第１のブロツク層２０５と活性層２０
１、第２のブロツク層２０６とガイド層２０２、
第３のブロツク層２０７とクラツド層２０３はそ
れぞれ同一層として同時に成長させる。次に、フ
オトレジストをマスクとして、溝の幅が各々5μ
ｍ、溝と溝の間隔が約1.5μｍの２つの溝２２０，
２２１をエツチングにより形成する。これらの溝
２２０，２２１をエツチングにより形成する。こ
れらの溝２２０，２２１の深さはInP基板２００
にまで達している。次にフオトレジストを除去し
た後、不純物濃度１×10^-18cm^-3のｐ形InPの第４
のブロツク層２０８、不純物濃度１×10¹⁸cm^-3の
ｎ形InPの第５のブロツク層２０９、不純物濃度
１×10¹⁸cm^-3のｐ形InPの埋め込み層２１０、不
純物濃度１×10¹⁹cm^-3のｐ形In_1-X3Ga_X3As_1-y3P_y3
（x₃＝0.22、y₃＝0.48）のキヤツプ層２１１を順次
成長させる。このとき、第４のブロツク層２０８
と第５のブロツク層２０９はクロツド層２０３の
上を覆わないように成長させる。最後に各電極２
１２〜２１４を形成する。以上図面を用いて本発
明を説明したが、本実施例において、半導体レー
ジの組成はInGaAsP系としたが、これに限定さ
れずAlGaAs系など他の組成としてもよい。ま
た、第１の電極２１３の直下の層構造と第２の電
極２１４の直下の層構造は同一としたが、各層の
厚さ、あるいは組成比等が異なつていてもよい。
さらに、本実施例では回折格子を、光導波路層の
うち第１の電極の直下にのみ形成したが、場所は
そこに限定されず、第２の電極の直下の光導波路
層にのみ形成したり、あるいは光導波路層全長に
わたつて形成してもよい。また、回折格子は活性
層と基板の境界に形成したが、これに限定され
ず、光導波路層内であればよい。また、本実施例
では、変調周波数100MHzでは、変調電流による
周波数100MHzの温度変化はほとんど生じない素
子を用いたが、変調電流によりそれに追随して温
度変化を生じる素子を用いてもよい。その場合、
キヤリヤ密度による共振器長の変化と、その温度
変化による共振器長の変化を合わせた全体の変化
量を打ち消すように制御電流の大きさ、位相を与
える。このとき、制御電流Δi₂が0.4ｍAp−ｐに
限定されないこと、及び、変調電流Δi₁に対する
制御電流Δi₂の位相差が約45°の遅れに限定されな
いことは言うまでもない。また、本実施例におい
ては変調信号電源の変調周波数を100MHzとした
が、これに限定されず、他の周波数、あるいは多
くの周波数成分を含んでいてもよい。また、変調
信号がパルスであつてもよいことは明らかであ
る。このときにも、移相回路で与える変調電流
Δi₁に対する制御電流Δi₂の位相差は約45°の遅れ
に限定されないことは明らかである。なお、変調
周波数成分の中に半導体レーザの変調応答特性に
おける共振周波数を含んでいる場合は、その周波
数での屈折率変化が支配的になるため、移送回路
での移相量及び制御電流の大きさを前記共振周波
数の変調信号に対してのみ最適になるようにする
だけでも、発振周波数は十分に安定化される。

ここで、本実施例の特徴を挙げると、第１の電
極、及び第２の電極がいずれも順方向バイアスと
なつているため、両電極間のアイソレーシヨンが
比較的とりやすいこと、本実施例に用いた半導体
レーザは、電極構造以外は通常よく用いられる分
布帰還型あるいはブラツグ反射型半導体レーザと
同様製造プロセスで作れるため製造が容易であ
り、かつ、発振周波数選択のための回折格子を備
えているため単一軸モード発振が得られやすいこ
と、等である。

（発明の効果） 最後に本発明が有する効果を挙げれば、レーザ
発振周波数が極めて安定であること、半導体レー
ザを利用できる光システムの種類が一層拡大する
こと等である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による一実施例の構成図、第２
図は本発明による一実施例に用いた半導体レーザ
素子の断面を含む斜視図、第３図は本発明による
一実施例を説明するための説明図、第４図は従来
の半導体レーザを説明するための説明図である。 第１図において、１０１……変調信号電源、１
０２……分岐回路、１０３……移相回路、１０４
……第１の直流電源、１０５……第２の直流電
源、１０６……第１の混合回路、１０７……第２
の混合回路、１０８……本実施例に用いた半導体
レーザ素子、１０９……共通端子、１１０……共
通電極、１１１……第１の端子、１１２……第１
の電極、１１３……第２の端子、１１４……第２
の電極、１１５……半導体レーザ素子の活性層で
あり、第２図において、２００……基板、２０１
……活性層、２０２……ガイド層、２０３……ク
ラツド層、２０４……回折格子、２０５……第１
のブロツク層、２０６……第２のブロツク層、２
０７……第３のブロツク層、２０８……第４のブ
ロツク層、２０９……第５のブロツク層、２１０
……埋め込み層、２１１……キヤツプ層、２１２
……共通電極、２１３……第１の電極、２１４…
…第２の電極、２１５……共通端子、２１６……
第１の端子、２１７……第２の端子、２１８……
第１の劈開面、２１９……第２の劈開面、２２
０，２２１……溝、第４図において、４１１，４
１２……劈開面、４１３……ｐ形半導体層、４１
４……ｎ形半導体層、４１５……活性層、４１
６，４１７……電極である。また、第２図におい
て斜線部は断面部分である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 下記(a)、(b)を備えていることを特徴とした半
   導体レーザ波長安定化装置。 (a) 活性層を含む光導波路層と、該活性層に電流
   を注入する第１及び第２の電極と、前記光導波
   路層に形成された発振周波数選択のための回折
   格子とを備えた半導体レーザ素子。 (b) 前記第１の電極に変調信号電流を加えると同
   時に、前記変調信号電流を前記活性層に注入し
   たことにより生じる前記半導体レーザ素子の光
   学的共振器長の変動を打消すように、前記変調
   信号電流とはその各周波数ごとに、一定の振幅
   比例関係と一定の位相差関係を有する制御電流
   を前記第２の電極に加える電気回路。