JPH06177481A

JPH06177481A - 半導体レーザ装置

Info

Publication number: JPH06177481A
Application number: JP32455192A
Authority: JP
Inventors: Masaki Toyama; 政樹遠山; Nobuo Suzuki; 信夫鈴木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-12-04
Filing date: 1992-12-04
Publication date: 1994-06-24

Abstract

(57)【要約】【目的】安定なモード制御が可能であり、広範囲にわ
たる波長可変特性を実現できる波長可変型の半導体レー
ザ装置を提供すること。【構成】ＩｎＰ基板１上にストライプ状に設けられた
活性層３と、この活性層３のストライプ方向（共振器方
向）に沿って設けられた回折格子２と、共振器方向に分
割して設けられた複数の分割電極８とを備えた波長可変
型の半導体レーザ装置において、分割電極８を、共振器
方向と平行な面内に共振器方向に沿って形成された第１
の電極８ａと第２の電極８ｂとから構成し、且つ第１の
電極８ａを第２の電極８ｂよりも活性層３に近い位置に
形成することにより、第１の電極８ａにおける共振器方
向での単位長さ当たりの注入電流の変化による活性層３
の温度変化を、第２の電極８ｂにおけるそれよりも大き
くしたことを特徴とする。

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
わり、特に発振波長を可変可能とした波長可変型の半導
体レーザ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光周波数分割多重（光ＦＤＭ）通
信の研究開発が盛んになっている。光ＦＤＭ通信は、光
の周波数空間への多重化を利用することで大容量伝送を
実現する通信方式である。特に、光の周波数・位相を利
用するコヒーレント光通信は、周波数多重の高密度化が
可能であり、飛躍的に情報伝送量を増大することができ
るため、次世代通信方式として有望視されている。

【０００３】コヒーレント光通信では、単一軸モード発
振し狭いスペクトル線幅を有する光源が要求されるが、
光ＦＤＭ通信方式においては、以上の特性に加えて広範
囲にわたる波長可変特性が要求される。波長可変光源
は、受信側においてチャンネルを選択する際に用いら
れ、その波長可変範囲が広いほど多数のチャンネルを受
信することが可能となる。

【０００４】多電極分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ
は、ＤＦＢ半導体レーザを共振器方向に複数の領域に分
割し、それぞれの領域に独立に電流注入することで、共
振器内部のキャリア密度分布を制御し、発振波長を変化
させるものである。全領域が能動的導波路から成り、高
い光出力と狭いスペクトル線幅を実現できるため、コヒ
ーレント光通信用光源として最も期待されている。

【０００５】この種の半導体レーザでは、共振器内部の
キャリア密度分布を変化させると、これに伴って共振器
内部の屈折率分布が変化するため、発振に必要な閾値利
得が最小となる波長が変化する。一方で、共振器内部に
おける屈折率分布の変化は、位相整合条件をも変化させ
ることになる。発振に必要な閾値利得が最小となる波長
が、常に位相整合条件を満たしていれば、安定な発振状
態が維持されることになる。

【０００６】しかしながら、従来の多電極ＤＦＢ半導体
レーザにあっては、閾値利得条件と位相整合条件を同時
に制御することは困難であり、１つの発振モードが安定
である範囲が狭いという問題点があった。例えば、３電
極位相シフトＤＦＢ半導体レーザにおいて、共振器方向
の両端部領域の注入電流を一定にし、中央領域への注入
電流を増大させると、屈折率分布の変化に伴い閾値利得
条件と位相整合条件がずれるため、図６に示すようにモ
ード跳躍を起こす。結果として、１つの発振モード内に
おける波長可変範囲は１ｎｍ程度以下に止まってしま
う。

【０００７】また、実際の素子においては、各領域への
電流注入により、キャリア密度分布と同時に温度分布も
生じる。屈折率は、キャリア密度と温度に依存するた
め、両者が寄与した結果として屈折率分布が決まること
になり、こうした複合的な発振条件のために、モード制
御がより難しくなるという問題点があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来の多
電極ＤＦＢ半導体レーザは、狭いスペクトル線幅を有す
るものの、そのモード制御が難しく、波長可変範囲が小
さいという問題点があった。

【０００９】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは、安定なモード制御が可
能であり、広範囲にわたる波長可変特性を実現できる半
導体レーザ装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の骨子は、安定な
発振状態を維持した上で広範囲にわたる波長可変特性を
得るために、共振器内部においてキャリア密度分布と温
度分布の両者を独立に制御することにある。

【００１１】即ち本発明は、半導体基板上にストライプ
状に設けられた発光領域（活性層）と、この発光領域の
ストライプ方向（共振器方向）の少なくとも一部に設け
られた回折格子と、該発光領域のストライプ方向に分割
して設けられた複数の分割電極とを備えた半導体レーザ
装置において、ストライプ方向の一部には、ストライプ
方向と垂直な面内において第１の電極と第２の電極の少
なくとも２つの電極を有し、且つストライプ方向での単
位長さ当たりの注入電流の変化による発光領域の温度変
化が、第１の電極と第２の電極とで異なるように形成し
たものである。また、本発明の望ましい実施態様として
は次のものがあげられる。 (1) 第１の電極と活性層との間の距離が、第２の電極と
活性層との間の距離と、共振器方向と垂直な面内で異な
るように形成する。 (2) 第１の電極と活性層との間の抵抗が、第２の電極と
活性層との間の抵抗と異なるように形成する。 (3) 分割電極を第１，第２の電極で形成する代わりに、
共振器方向の一部を加熱する手段を設ける。

【００１２】

【作用】本発明によれば、少なくとも共振器方向の一部
には、共振器方向での単位長さ当たりの注入電流の変化
による活性層の温度変化が異なる複数の電極（第１，第
２の電極）を有している。このため、第１及び第２の電
極への注入電流比を変化させることで、キャリア注入量
を変化させずに、活性層温度だけを変化させることがで
きる。これにより、共振器内部のキャリア密度分布とは
独立に、共振器内部に所望の温度分布を生じせしめるこ
とが可能である。従って、共振器方向のキャリア密度分
布とは独立に屈折率分布を制御することが可能となるの
で、任意のキャリア密度分布に対して安定な発振状態を
維持することができ、広範囲にわたる波長可変特性を得
ることが可能である。

【００１３】また、分割電極を第１，第２の電極で形成
する代わりに、共振器方向の一部に加熱手段を設けるこ
とにより、共振器内部のキャリア密度分布とは独立に、
共振器内部に所望の温度分布を生じさせることができ、
これによっても安定な発振状態を維持して広範囲にわた
る波長可変特性を得ることが可能となる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。

【００１５】図１〜図３は、本発明の第１の実施例に係
わる多電極ＤＦＢ半導体レーザの概略構造を説明するた
めのもので、図１は全体構成を示す平面図、図２は活性
層ストライプに沿った断面図、図３は活性層ストライプ
に垂直な断面図である。

【００１６】図中１はｎ型ＩｎＰ基板であり、このＩｎ
Ｐ基板１上に回折格子２が形成されている。この回折格
子２上には、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）によ
り積層された活性層（光導波層を含む）３が形成され、
活性層３はメサ状にエッチングされている。メサ状の活
性層３の側部を埋め込むように半絶縁性ＩｎＰ層４が積
層されており、活性層３及び半絶縁性ＩｎＰ層４上に
は、ｐ型ＩｎＰクラッド層５及びｐ型ＩｎＧａＡｓコン
タクト層６が積層されている。コンタクト層６はＳｉＯ
₂絶縁膜７により、電極毎に分離されて形成されてい
る。即ちコンタクト層６は、活性層ストライプ方向（共
振器方向）に沿って２本形成され、かつ電極毎に分離さ
れている。

【００１７】本実施例の多電極ＤＦＢ半導体レーザは、
共振器方向に３つの領域に分割されており、各領域の長
さは３００μｍである。回折格子２の共振器中央には、
４分の１波長に相当する位相シフト領域１１が形成され
ており、劈開により形成された両端面には、反射率１％
以下のＳｉＮx 低反射膜１２がコーティングされてい
る。なお、図１の中には、活性層ストライプの位置を点
線で示してある。

【００１８】活性層３は、図４に示すように、厚さ６ｎ
ｍのＩｎＧａＡｓ井戸層３１と厚さ１０ｎｍのＩｎＧａ
ＡｓＰ障壁層３２を交互に積層した量子井戸構造と、こ
れを挟むように積層された厚さ７０ｎｍの下部ＩｎＧａ
ＡｓＰ光導波層３３、厚さ３０ｎｍの上部ＩｎＧａＡｓ
Ｐ光導波層３４とからなる。

【００１９】この実施例では、分割された各領域に、Ａ
ｕ／Ｚｎ／Ａｕからなるｐ型オーミック電極（分割電
極）８が設けられており、各領域において分割電極８
は、共振器方向と平行に設けられた２本の電極（第１の
電極）８ａ，電極（第２の電極）８ｂから構成されてい
る。そして、第１及び第２の電極８ａ，８ｂに接触する
ように、Ｃｒ／Ａｕからなる配線兼ボンディング・パッ
ド９ａ，９ｂがそれぞれ形成されている。

【００２０】ここで、第１の電極８ａは活性層２の真上
に形成されており、第２の電極８ｂは第１の電極８ａと
は離間して形成されている。図３に示す共振器方向と垂
直な断面図を見ると、共振器方向と垂直な面内に第１及
び第２の電極８ａ，８ｂが形成されていることになる。
また、基板１の下面にはｎ型オーミック電極１０が形成
されている。

【００２１】また、レーザ・チップは、ＡｕＳｎハンダ
により接地電極となるヒートシンクの上に固定されてお
り、ヒートシンクは温度センサとペルチェ素子を用いて
一定温度になるように制御されている。各電極パッド９
ａ，９ｂは、セラミック基板上に形成された給電線とボ
ンディングにより接続されており、各電極独立に注入電
流を制御できるようになっている。

【００２２】これらの電極８ａ，８ｂにおけるコンタク
ト抵抗は１０Ωであり、電流注入時の全発熱量に占める
コンタクト抵抗における発熱量が大きくなるように形成
されている。ここで、電極８ａと活性層３との距離が、
電極８ｂと活性層３との距離よりも短くなるように形成
されているので、電極８ａの方が電極８ｂよりも、注入
電流の変化による活性層３の温度変化が大きくなる。

【００２３】即ち、活性層３に注入されるキャリアの量
が、電極８ａ，８ｂから注入される電流の総和で決まる
のに対し、活性層３の温度は、電極８ａ，８ｂからの注
入電流比にも依存することになる。従って、各領域にお
ける電極８ａ，８ｂからの総電流値によって、共振器方
向のキャリア密度分布を制御し、その上で各領域におい
て電極８ａ，８ｂからの注入電流比を変化させること
で、共振器方向の温度分布を制御すればよい。これよ
り、共振器内部のキャリア密度分布とは独立に、屈折率
分布を制御することが可能であるので、任意のキャリア
密度分布において、安定な発振状態を維持することがで
きる。

【００２４】この実施例の具体的な操作方法について、
図５を用いて説明する。図５は、第１の実施例におい
て、各領域に不均一な電流注入をしたときの共振器内部
における電流，キャリア密度，温度及び屈折率の分布状
態を示したものである。例えば、共振器方向の中央領域
の注入電流を両端部領域の注入電流よりも大きくした場
合、中央領域のキャリア密度が相対的にΔＮだけ高くな
る。また同時に、中央領域の温度は両端部領域の温度よ
りも相対的にΔＴだけ高くなっている。屈折率は、キャ
リア密度に対しては負の、温度に対しては正の依存性を
有している。このため、屈折率に対するΔＮとΔＴの寄
与の大小関係によって、中央領域の屈折率は両端部領域
の屈折率より大きくも小さくもなり得る。

【００２５】屈折率に対するΔＮとΔＴの寄与の大小関
係は、デバイス構造ばかりでなく、各電極に注入するバ
イアス電流値にも依存する。例えば、λ／４位相シフト
ＤＦＢレーザにおいて０次モードを発振させるには、中
央領域と両端部領域の屈折率差Δｎをある程度以下に抑
えこむ必要がある。しかし、従来の３電極ＤＦＢレーザ
では、キャリア密度分布と温度分布を独立に制御するこ
とができないため、０次モードがモード跳躍を起こさな
いだけの屈折率差Δｎを得られる電流範囲が狭くなる。
結果として、波長可変範囲が狭いという問題点があっ
た。

【００２６】本実施例では、電極８ａ，８ｂからの注入
電流比を変えることにより、活性層３に注入されるキャ
リアの量を変えずに活性層３の温度を変えることが可能
である。従って、ΔＮとΔＴを独立に制御することが可
能であり、デバイスの温度特性やバイアス電流値に依存
することなく、屈折率差Δｎを０次モードがモード跳躍
を起こさない範囲に抑えこむことができる。

【００２７】より具体的には、中央領域の屈折率を大き
くしたいときには、中央領域で電極８ａからの注入電流
比を大きくする、若しくは両端部領域で電極８ｂからの
注入電流比を大きくすればよい。中央領域の屈折率を小
さくしたいときには、この逆の操作をすればよい。図５
の例では、中央領域で電極８ａからの注入電流比を大き
くすることにより、キャリア密度分布を変えずに中央領
域の温度を高くし、屈折率分布を均一にしている。よっ
て、常に安定な発振状態を維持することが可能であり、
図６に示すように、モード跳躍を生じることなく、広範
囲にわたる波長可変特性が得られる。また、常に安定な
発振状態が得られるので、スペクトル線幅を狭い状態に
保った上で波長可変動作を実現することが可能である。

【００２８】なお、本発明はλ／４位相シフトＤＦＢレ
ーザにおける０次モードにのみ適用されるものではな
く、＋１次や−１次などの高次のモードや、位相シフト
領域を有さない共振器構造においても有効である。この
場合、所望の発振モードを安定に得られるための屈折率
差Δｎを維持するように、各領域において電極８ａ，８
ｂからの注入電流比を設定すればよい。

【００２９】次に、本発明の第２の実施例に係わる半導
体レーザ装置について、図７を用いて説明する。図７
は、第２の実施例の半導体レーザ装置の活性層ストライ
プに垂直な切断面を示す概略図である。この実施例で
は、注入電流の変化による活性層の温度変化が異なる複
数の電極として、コンタクト抵抗が異なる２つの電極８
ａ，８ｂが形成されている。また、電極８ａ，８ｂ以外
の構造は、第１の実施例と同様である。

【００３０】ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６ａと６ｂ
とでは、ドープしてあるｐ型不純物の密度が異なるた
め、電極８ａのコンタクト抵抗は１０Ω、電極８ｂのコ
ンタクト抵抗は５Ωとなっている。従って、電極８ａの
方が電極８ｂよりも、注入電流の変化による活性層３の
温度変化が大きくなる。よって、第１の実施例と同様
に、各領域において電極８ａ，８ｂからの総電流値とそ
の注入電流比を変化させることにより、共振器内部にお
けるキャリア密度分布と屈折率分布を独立に制御するこ
とが可能である。

【００３１】なお、この実施例では電極８ａ，８ｂを活
性層３に対し等しい距離に設けているが、第１の実施例
と同様に電極８ａを電極８ｂよりも活性層３に近い位置
に設けるようにすれば、電極８ａ，８ｂからの注入電流
比に対する活性層３の温度変化をより大きくすることが
できる。

【００３２】次に、本発明の第３の実施例に係わる半導
体レーザ装置について、図８，図９を用いて説明する。
図８は全体構成を示す平面図、図９は活性層ストライプ
に垂直な切断面を示す概略図である。図８の中には、活
性層ストライプの位置を点線で示してある。

【００３３】第１の実施例と同様に、活性層３の下には
回折格子２が形成されており、回折格子２の共振器中央
には、４分の１波長に相当する位相シフト領域１１が形
成されている。また、劈開により形成された両端面に
は、反射率１％以下のＳｉＮx低反射膜１２がコーティ
ングされている。

【００３４】この実施例では、活性層３の上にＺｎを高
濃度にドープしたｐ⁺ 型ＩｎＰクラッド層５ａが積層さ
れており、活性層３と高濃度ＩｎＰクラッド層５ａがメ
サ状にエッチングされている。メサ状の活性層３及び高
濃度ＩｎＰクラッド層５ａを埋め込むように半絶縁性Ｉ
ｎＰ層４が積層されており、その半絶縁性ＩｎＰ層４上
には、Ｚｎを低濃度にドープしたｐ^- 型ＩｎＰクラッド
層５ｂ及びｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層６が形成され
ている。コンタクト層６は、ＳｉＯ₂絶縁膜７により、
電極毎に分離されている。

【００３５】活性層３の真上には、ｐ型オーミック電極
８ｂが設けられており、電極８ｂの両側にｐ型オーミッ
ク電極８ａが形成されている。Ｚｎを高濃度にドープし
てあるＩｎＰクラッド層５ａは、その抵抗が低くなって
いるが、ＩｎＰクラッド層５ｂは、Ｚｎを低濃度にしか
ドープしていないため抵抗が高く、電流注入時の全発熱
量に占めるクラッド層５ｂにおける発熱量が大きくなる
ように形成されている。

【００３６】従って、電極８ａと活性層３との間の抵抗
が、電極８ｂと活性層３との間の抵抗よりも高くなり、
電極８ａの方が電極８ｂよりも、注入電流の変化による
活性層３の温度変化が大きくなる。よって、第１，第２
の実施例と同様に、各領域において電極８ａ、８ｂから
の総電流値とその注入電流比を変化させることで、共振
器内部におけるキャリア密度分布と屈折率分布を独立に
制御することが可能である。

【００３７】ここで、活性層３への熱の寄与分は、活性
層３自体における発熱の他に、電極８ａ，８ｂにおける
コンタクト部分の発熱、電極８ａ，８ｂと活性層３との
間の抵抗（クラッド層５）による発熱で決まる。第１の
実施例では、クラッド層５における発熱を十分小さく
し、コンタクト部分の発熱を８ａ，８ｂで同じとし、コ
ンタクト部分から活性層３までの距離を変えている。第
２の実施例では、クラッド層５における発熱を十分小さ
くし、コンタクト部分から活性層３までの距離を等しく
し、コンタクト部分の発熱を８ａ，８ｂで変えている。
第３の実施例では、コンタクト部分の発熱を十分小さく
し、クラッド層５における発熱を大きくすることによ
り、電極８ａ，８ｂからの注入電流比による活性層３の
温度変化を大きくしている。

【００３８】次に、本発明の第４の実施例に係わる半導
体レーザ装置について、図１０，図１１を用いて説明す
る。図１０は全体構成を示す平面図、図１１は活性層ス
トライプに垂直な切断面を示す概略図である。また、図
１０中には、活性層ストライプの位置を点線で示してあ
る。

【００３９】キャリア密度分布と温度分布を独立に制御
するには、上述した実施例のように電流注入時における
発熱を利用しなくても、他の加熱手段を設けることによ
っても実現することができる。この実施例では、各領域
毎に活性層ストライプの近傍にＰｔ抵抗膜１３を設け、
さらに抵抗膜１３の両端に抵抗膜用電極パッド１４を設
けてある。また、第１の実施例と同様に、活性層３の下
には回折格子２が形成されており、回折格子の共振器中
央には、４分の１波長に相当する位相シフト領域１１が
形成されている。また、劈開により形成された両端面に
は、反射率１％以下のＳｉＮx 低反射膜１２がコーティ
ングされている。

【００４０】この実施例では、共振器方向のキャリア密
度分布を制御するには、各領域において電極８からの注
入電流を変化させればよく、共振器方向の温度分布を制
御するには、各領域において抵抗膜１３に流す電流を変
化させればよい。よって、共振器内部におけるキャリア
密度分布と屈折率分布を独立に制御することが可能であ
る。

【００４１】なお、本発明は上述した実施例に限定され
るものではない。実施例では、ＩｎＧａＡｓＰ系の半導
体レーザについて説明したが、ＩｎＧａＡｌＡｓ系，Ａ
ｌＧａＩｎＡｓ系，ＡｌＧａＩｎＰ系，ＩｎＧａＡｓＳ
ｂ系，ＺｎＣｄＳＳｅ系など、様々な材料系について本
発明を適用することができる。また、基板はｎ型基板に
限るものではないし、共振器と垂直な面内でのレーザ構
造も上記の半絶縁層埋め込み構造に限るものでもなく、
活性層も量子井戸構造に限るものではない。さらに、共
振器全体に回折格子を設けた構造に限るものでもなく、
例えば両端部領域にのみ回折格子を設けた共振器構造に
対しても、本発明は有効である。

【００４２】また実施例では、全ての領域において、注
入電流の変化による活性層の温度変化が異なる複数の電
極、或いは加熱手段を有しているものについて説明した
が、必要に応じて、一部の領域にのみこれらを設けても
よい。さらに、電極８ａ，８ｂが共振器方向で１対１に
対応している必要もなく、例えば図１２のような電極構
造を用いてもよい。同様に、電極８と加熱手段１３もま
た、共振器方向で１対１に対応していなくてもよい。ま
た、注入電流の変化による活性層の温度変化が異なる複
数の電極として、電極と活性層の間の距離が異なるも
の、電極のコンタクト抵抗が異なるもの、ＩｎＰクラッ
ド層における発熱を利用するものを説明したが、これら
を組み合わせた構造によっても、本発明は有効である。
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形し
て実施することができる。

【００４３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、共
振器方向にキャリア密度分布と温度分布を独立に制御す
る手段を有した構成としているので、任意のキャリア密
度分布に対して安定な発振状態を維持することが可能で
あり、広範囲にわたる波長可変特性を実現することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例に係わる半導体レーザ装置の概略
構造を示す平面図。

【図２】第１の実施例レーザ装置の活性層ストライプに
沿った断面図。

【図３】第１の実施例レーザ装置の活性層ストライプに
垂直な断面図。

【図４】第１の実施例レーザ装置の活性層構造を具体的
に示す断面図。

【図５】第１の実施例レーザ装置の共振器内部における
電流，キャリア密度，温度及び屈折率の分布状態を示す
特性図。

【図６】第１の実施例レーザ装置及び従来の３電極ＤＦ
Ｂ半導体レーザ装置における発振波長と注入電流の関係
を示す特性図。

【図７】第２の実施例に係わる半導体レーザ装置の活性
層ストライプに垂直な断面図。

【図８】第３の実施例に係わる半導体レーザ装置の概略
構造を示す平面図。

【図９】第３の実施例に係わる半導体レーザ装置の活性
層ストライプに垂直な断面図。

【図１０】第４の実施例に係わる半導体レーザ装置の概
略構造を示す平面図。

【図１１】第４の実施例レーザ装置の活性層ストライプ
に垂直な断面図。

【図１２】本発明の変形例としての半導体レーザ装置の
概略構造を示す平面図。

【符号の説明】

１…ｎ型ＩｎＰ基板２…回折格子３…活性層４…半絶縁性ＩｎＰ層５，５ａ，５ｂ…ｐ型ＩｎＰクラッド層６，６ａ，６ｂ…ｐ型ＩｎＧａＡｓコンタクト層７…ＳｉＯ₂絶縁膜８，８ａ，８ｂ…ｐ型オーミック電極９，９ａ，９ｂ…配線，ボンディング・パッド１０…ｎ型オーミック電極１１…位相シフト領域１２…低反射率コーティング膜１３…Ｐｔ抵抗膜１４…抵抗膜用電極パッド

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上にストライプ状に設けられた
発光領域と、この発光領域のストライプ方向に沿って設
けられた回折格子と、該発光領域のストライプ方向に分
割して設けられた複数の分割電極と、を備えた半導体レ
ーザ装置であって、少なくともストライプ方向の一部には、ストライプ方向
と垂直な面内において第１の電極と第２の電極との少な
くとも２つの電極を有し、且つストライプ方向での単位
長さ当たりの注入電流の変化による発光領域の温度変化
が、第１の電極と第２の電極とで異なるように形成され
てなることを特徴とする半導体レーザ装置。