JPH0550875B2

JPH0550875B2 -

Info

Publication number: JPH0550875B2
Application number: JP19304384A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Kaede
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1984-09-14
Filing date: 1984-09-14
Publication date: 1993-07-30
Also published as: JPS6171688A

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、半導体レーザと単一モード光フ
アイバを用いた長距離かつ高速の光フアイバ通信
システムが検討されつゝある。しかし、光フアイ
バの伝送損失が最も小さくなる1.5μｍの波長域を
使用すると、その波長域では波長分散が大きいた
め半導体レーザの発振軸モードがたとえ１本であ
つても光信号を変調したときに生じる波長の変動
（チヤーピング）のため伝送距離あるいは伝送速
度が限定され、その長距離化、高速化をはかる上
での障害の一つとなつていた。従つて、長距離高
速伝送を行うためには変調時のチヤーピングの少
ない、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
Journal 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
４１１，４１２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４１
４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
注入するキヤリア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
層を含み、かつ第１の光導波路部と第２の光導波
路部に区分される光導波路層と該第１の光導波路
部に電流を注入するための第１の電極と、該第１
の光導波路部に接続し、かつ注入電流により屈折
率を制御できる第２の光導波路部と、該第２の光
導波路部の屈折率を制御する制御電流を注入する
第２の電極とを備えた半導体レーザ素子と、前記
半導体レーザ素子からの光出力強度を変調するた
めの変調信号電流を前記第１の電極に印加すると
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発振波
長の変動を打ち消すような制御電流をピーキング
回路を通して第２の電極に注入する電気回路とを
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、第１の電極を通して
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
り生じる光学的な共振器長の変動を、第２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、その結果発振周波数のチヤー
ピングが抑制される。

また、前記レーザ発振光の強度変調のため第１
の電極に注入した変調電流によつて第１の光導波
路部で生じた屈折率変化を補償して光学的共振器
長を一定に保つための制御電流を第２の電極に注
入する場合、その制御電流のDCレベルが発振閾
レベル以下であることから、第２の電極に印加し
た前記制御電流によるキヤリヤ変動の周波数応答
のカツトオフ周波数は第１の電極に印加した前記
変調電流に対するキヤリヤ変動の周波数応答のカ
ツトオフ周波数よりも小さいが、本構成では第２
の電極に前記制御電流を印加する電気回路にピー
キング回路を備えているので、第２の電極側のカ
ツトオフ周波数よりも高い周波数まで補償するこ
とが可能となつている。

（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図は本発明による第１の実施例の構成図で
あり、第２図は本発明による第１の実施例に用い
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は極性反転回路、
１０４はピーキング回路、１０５は第１の直流電
源、１０６は第２の直流電源、１０７は第１の混
合回路、１０８は第２の混合回路、１０９は本実
施例に用いた半導体レーザ素子、１１０は共通電
極１１１に接続した共通端子、１１２は第１の電
極１１３に接続した第１の端子、１１４は第２の
電極１１５に接続した第２の端子、１１６は半導
体レーザ素子１０９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１０２において10対１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
たビツトレート１Gb／ｓ、パルス電流値33ｍＡ
のパルス電流を分岐回路１０２において、第１の
混合回路１０７に分岐するパルス電流値30ｍＡの
パルス電流と、極性反転回路１０３及びピーキン
グ回路１０４を経由して第２の混合回路１０８に
分岐する３ｍＡのパルス電流とに分岐する。第１
の混合回路１０７に分岐した30ｍＡのパルス変調
電流は、該第１の混合回路１０７で第１の直流電
源１０５から供給される23ｍＡの直流バイアス電
流と混合された後、第１の端子１１２を通じて半
導体レーザ素子１０９に注入される。こゝで、前
記23ｍＡの直流バイアス電流は半導体レーザ素子
１０９の発振閾値25ｍＡのわずか下の値となつて
いる。一方、第２の混合回路１０８の方へ流れる
３ｍＡのパルス電流は極性反転回路１０３で極性
を反転した後、ピーキング回路１０４で高域電流
を強調した上で、第２の直流電源１０６から供給
される３ｍＡの直流バイアス電流と前記第２の混
合回路１０８で混合された後、第２の端子１１４
を通じて制御電流として半導体レーザ素子１０９
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、２
０１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、２０６はｐ形InGaAsSP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、２０
９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、２１２はAu−Geからなる第１図の１１
１に示した共通電極、２１３はAu−Zuからなる
第１図の１１３に示した第１の電極、２１４は
Au−Znからなる第１図の１１５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。こゝで、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1.3μｍ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300μｍ、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240μｍと約50μｍ、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240μｍ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に電流が印加さ
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２０１のうち電流が注入されている第１の電極
２１３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、前記変調信号で生じた光学的共振器
長変化を補償する分だけの屈折率変化を生じさせ
る制御電流を第２の電極２１４に注入しているた
め、共振器長は全体として一定に保たれる。変調
電流を加えても光学的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23ｍＡの直流バイアス電流
と第３図ａに示すようなビツトレート１Gb／ｓ、
パルス電流値33ｍＡのパルス変調電流Δi₁を加え
た際に、第３図ｂに示すように第１の光導波路部
におけるキヤリヤ密度がその相対変化量ΔN₁の
立上り、立下りで若干のなまりを生じつゝ変化す
る。

このキヤリヤ密度の相対変化量ΔN₁にほぼ追
随して、第３図ｏに示すように第１の光導波路部
の屈折率がその相対変化量Δn₁だけ変化する。そ
の変化量Δn₁は約10^-6程度である。そこで、制御
電流として第３図ｄの実線で示したような立上
り、立下りにピーキングを加えた約３ｍＡの制御
電流Δi₂を約３ｍＡの直流バイアス電流とともに
第２の電極２１５に印加する。この場合、制御電
流Δi₂の極性は第３図ａに示した変調信号電流と
は正負逆であり、また第２の電極２１５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の光導波路部のキヤリヤ密度
は第３図ｅの実線で示したように第３図ｂとほぼ
同じ立上り、立下り時間で変化し、かつ第３図ｂ
とは増減が逆になるように変化する。従つて、第
２の光導波路部の屈折率Δn₂は第３図ｆの実線で
示すように、第３図ｏに示した第１の光導波路部
の屈折率変化とは増減の方向が逆で、かつほぼ同
様の立上り、立下り時間で変化する。従つて、第
１の光導波路部で変調信号電流のため生じた屈折
率変化による光学的共振器長の変化は、第２の光
導波路部で制御電流により生じさせた屈折率変化
により打消され、共振器長は全体として一定に保
たれる。

こゝで、第３図ｄ〜ｆにおいて破線で示した変
化は第１図に示したピーキング回路１０４がない
場合であり、この場合第１の光導波路部の屈折率
変化と第２の光導波路部の屈折率変化の立上り、
立下り時間に差が生じるため、十分な補償効果が
得られない。

なお、ピーキング回路は良く知られた抵抗とコ
ンデンサの並列回路であり、ステツプ状のパルス
入力信号のステツプ状変化を生じる箇所をスパイ
ク状にして出力する。その回路及び特性は例えば
1975年に発行されたザ・ベル・システム・テクニ
カル・ジヤーナル（The Bell System
Technical Journal）の第54巻第１号、第53頁〜
第68頁に記載のテイー・ピー・リー（Ｔ・Ｐ・
LEE）による論文に詳しい。

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、変調信号電流と制御電流は同じ変調
信号電源からの電流を分岐回路で分岐してそれぞ
れに用いたが、電源は別々にしてもよい。但し、
その際は双方の電源での信号発生を同期させる必
要がある。また、本実施例において用いた半導体
レーザ素子の第１の電極の長さを約240μｍ、第
２の電極の長さを約50μｍとしたが、いずれもそ
の長さには限定されない。また、その全長も
300μｍには限定されない。さらに、本実施例で
は単一軸モード発振も確かなものにするために半
導体レーザ素子に回折格子を設けたが、単一軸モ
ード発振が保てる場合には回折格子はなくてもよ
い。

こゝで、本実施例の特徴をあげると、第１の電
極及び第２の電極がいずれも順方向にバイアスに
なつているため、両電極間のアイソレーシヨンが
比較的取りやすいこと、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
布帰還型あるいはプラツグ反射型半導体レーザと
同様の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当で
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……極性反転回路、１
０４……ピーキング回路、１０５……第１の直流
電源、１０６……第２の直流電源、１０７……第
１の混合回路、１０８……第２の混合回路、１０
９……本実施例に用いた半導体レーザ素子、１１
０……共通端子、１１１……共通電極、１１２…
…第１の端子、１１３……第１の電極、１１４…
…第２の端子、１１５……第２の電極、１１６…
…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、２０
２……ガイド層、２０３……クラツド層、２０４
……回折格子、２０５……第１のブロツク層、２
０６……第２のブロツク層、２０７……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、２
１３……第１の電極、２１４……第２の電極、２
１５……共通端子、２１６……第１の端子、２１
７……第２の端子、２１８……第１の劈開面、２
１９……第２の劈開面、２２０，２２１……溝、
第４図において、４１１……劈開面、４１２……
劈開面、４１３……ｐ形半導体層、４１４……ｎ
形半導体層、４１５……活性層、４１６，４１７
……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

【特許請求の範囲】

１活性層を含む第１の光導波路部と、該第１の
光導波路部に電流を注入するための第１の電極
と、該第１の光導波路部に接続し、かつ注入電流
により屈折率を制御できる第２の光導波路部と、
該第２の光導波路部の屈折率を制御する制御電流
を注入する第２の電極とを備えた半導体レーザ素
子と、前記半導体レーザ素子からの光出力強度を
変調するための変調信号電流を前記第１の電極に
印加すると同時に、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
素子の発振波長の変動を打ち消すような制御電流
を前記第２の電極に加える電気回路とを備え、さ
らに前記電気回路のうち制御電流を第２の電極に
印加する電気回路部分にピーキング回路を備えて
いることを特徴とする半導体レーザ波長安定化装
置。