JPS6016490A - 半導体レ−ザ - 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】 技術分野 本発明な、一般に埋め込み活性層を有する半導体レーザ
に係る。

発明の背景 光通信システムは高容量、長距離通信システムに対する
要求に対応して、最近開発されてきた。そのような光通
信システムは、現在量エラれているように、カラス伝送
線で相互に光学的に結合された光源及び光検出器を有す
る。カラス伝送線は当業者には一般にＮ光ファイバ〃と
よばれ、現在１市信用に考えられている元ファイバは石
英を基礎とした組成をもつ。

高容量動作及び中継器の必要なしに、最も長側めＩＩｌ
の動作をさせる／こめに、単−周ｅ数半導体し−サが、
現在光源とし７て選択きれている。本明細善で用いられ
ている　Ｎ単一周波数“という用語は、単−縦モート動
作に対応し／こ狭いスペクトル出力を意味する。そのよ
うな出力特性をもったレーザは、光ファイｌ＼分散に付
随した中継器間隔又は低データ伝送速度の問題を、最小
にする。１．３ないし１６μｍ間の波長範囲が、現在量
も関心のもたれている波長範囲である。なぜならば、こ
のｌ碩囲内で、元ファイバの分散及び光損失の両方が、
同じ波長で最小になる必要（４ないが、最小となるから
である。

Ｎ単−縦モート〃　という用語は光通信システムの観点
からは、いくつかの解釈が可能なことが、当業者には明
らかとなるであろうことに注意すべきである。定常状態
の励起下の半導体レーザから単−縦モート出力が観察さ
れるということは、レーザが実際の変調条件下で、単一
周波数の出力を放射することを意味しない。このことは
特にビットレートが非常に高い時及び動作波長において
、ファイバの分数が七〇でない時あてはまる。従って、
現時点で光通信に従事している者にとって、盾単−縦モ
ート出力〃　という用語は２．たとえば実際に高データ
速朋で動作している条件下で変調された時の半導体注入
レーザからの単−縦モード出力を意味するようになって
いる。

単一周波数、すなわち単−縦モート動作半導体レーザを
開発するために、各種の方法が試みられてきた。たとえ
ば、半導体レーザ中の単一周波数動作に、分布帰還（Ｄ
ＦＢ）、分布プラグ反射（ＣＢ　Ｒ）　、注入ロッキン
グ、結合空胴及び超短空胴レーザを含むいくつかの方法
で、実現されてきた。たとえば、次の文献を参照のこと
。エレクトロニクス・レタース（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　、１８．７７−７８頁、１９
８２年１月２１日；エレクトロニクスーレターズ（Ｅｌ
ｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　、１８゜４
１０−４１１頁、１’９８２年５月１３日；エレクトロ
ニクス・レタース（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ　Ｌｉ２、４４５−４４７頁、　’　１９８２年
５月２７日；　アプライド・フィジックス・レタース（
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）　
、３８．３１５−３１７頁。

１９８１年３月１日；アイ・イーイーイー・ジャーナル
・オブ・カンタム・エレクトロニクス（ＩＥＥＥ　Ｊｏ
ｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ
ｉｃｓ　）　。

ＱＥ−１８，１１０１−１１１３頁、１９８２年７月。

これらの方法は多くの用途に対し完全ではあるが、それ
らの多く（ｄ製作技術が複雑であるといった欠点をもつ
。この欠点は特にＤＦＢ及びＤ　Ｂ　Ｒレーザにあては
まる。また、これらの方法のいくつかでは、比較的狭い
注入範囲でのみ、安定な単−縦モーｆ［ｊ作が起ること
も見出されている。

発明の要約 本発明は安定な単−縦モート動作は、異なるファプリー
ピローモード間隔を有する二つの活性層をもつ半導体注
入レーザで起ることを見出したことに基く。スペクトル
的に一致する各活性層からのファプリーペローモードが
強められ、単−縦モート出力を生じる。レーザは第１の
クラッド層、第１の活性層、障壁層、第２の活性層及び
第２のクラット層から成る。第１のクラット層は第１の
伝導形を有し、第２のクラット層は第２の伝導形をもつ
。障壁層は十分薄く、そのため一方の活性層のしだいに
消滅する電界は、他方の活性層が感じる。すなわち、二
つの活性層は相互に光学的に結合されている。一実施例
において、レーザはクレセント形埋め込層により分配さ
れた第１及び第２のクレセント形活性層を有する。活性
層のクレセント形は、活性層の大きさ及び形状が異なり
、従って７アプリペロ一モート間隔が異なるため望まし
い。障壁層の高さは比較的低く、層は薄く、その結果キ
ャリヤは両方の活性層中に注入される。更に別の実施例
において、レーザの層はＩｎＧａＡｓＰのような■−■
族化合物半導体から成る。

実施例の説明 本発明に従う二重活性層レーザの端面が、第１図に示さ
れている。明瞭にするために、レーザの要素は実際の比
率とは異っている。

描かれたレーザは、第１の伝導形をもつ基板１、第２の
伝導形をもつ第１のエピタキシャル層３及び第１の伝導
形をもつ第２のエピタキシャル層５から成る。基板１と
同様層３及び５中に、溝がある。溝の中には第１のクラ
ット層７、第１の活性層９、障壁層１１、第２の活性層
１３及び第２のクラット層１５がるる。層７．９及び１
１は第１の伝導形をイ１し、層１３及び１５は第２の伝
導形を有する。

電極層１７は第２の伝導形を有し、基板と同様高濃度ト
ープされている。寸だ、層７．９．１１及び１３の一部
分は、結晶成長速度の違いにより、溝中のそれらより薄
いが、層３上の限られた範囲捷で延びる。明瞭にするた
め、これらの部分は図示されていない。

障壁層１１は活性層の禁制帯より大きな禁制帯をもつ。

障壁層は一方の活性層の消滅しつつある電界を、他方の
活性層が感じ、すなわち活性層は相互に光学的に結合さ
れているような厚さを有する。しかし、厚さは活性層が
単一導波路として働かないように、厚い必要がある。０
．１μｍないし１．０μｍ　の範囲内の厚さが好ましい
。活性層の大きさ及び形状の両方が異なり、活性層中の
ファプリーペローモード間隔が異なる。第１及び第２の
活性層９及び１３は、それぞれ奉賀的に同じ組成をもつ
が、障壁層により相互に分離されている。クラット及び
活性層の適当な厚さ及びドーピング濃度は、当業者には
周知であり、詳細に述べる必要はない。具体的な実施例
において、基板はｎ形ＩｎＰから成り、層はＩｎＧａＡ
ｓＰから成った。

図示されている構造は、当業者によシ埋め込与りレセン
トレーサとよばれるようになった形をもつ。層３及び５
により形成される逆バイアスｐ−ｎ接合は、デバイス勿
動作きせた時、注入電流を溝中に閉じ込のる。しかし、
構造は二つの活性層を不するという点において、通常の
埋め込みクレセントレーザとは著しく異る。

クラット層間のｐ−ｎ接合の精密な位置は、厳密でなく
てよい。たとえば、それは第１の活性層及び第１のクラ
ット層間、第１の活性層及び障壁層間；障壁層及び第２
の活性、又は第２の活性層及び第２のクラット層間の界
面に配置されてもよい。活性層の伝導形はｐ−ｎ接合の
精密な位置に依存して、上で述べたものとは異ってもよ
い。たとえば、層７は第１の伝導形をイ１し、層９．１
１．１３及び１５は第２の伝導形を有してもよい。これ
ら界面の一つに配置されたただ一つの′電気的接合があ
るならば、他の構成も可能である。辿バイアスされたｐ
−ｎ接合以外の構造を、電流を溝に閉じ込めるために用
いてもよい。たとえば、溝は絶縁層（図示されていない
）中にあってもよい。

構造は成長する層の数が増すことを除いて、単−活性層
埋め込みクレセントレーザの製作に用いられるものと同
一の成長プロセスを用いり液相エピタキシーで形成する
のが便利である。層３及び５を成長させ、５ｃ０２　エ
ッチマスクを熱的に堆積させる。たとえば３ＨＣＩ！：
　ｌＨ３Ｐ０．　のようなＩｎＧａＡｓＰ用の適当なエ
ッチャントを用いて、マスクを貫く窓をエッチすること
により、■溝が形成される。次に、荷造を化学的に浄化
し、たとえば緩衝ＨＦ中でＳｉ　Ｏ２を除去し、溝中に
レーザを形成するエピタキシャル層を成長させる。他の
化合物半導体に対して用いるのが適当な浄化及びエッチ
マスク除去用の他のエッチャント及び物質は、当業者に
は周知である。オーム性接触を製作した後、長さ３００
μｍ及び１２５μｍの光字胴長をもつレーザダイオード
にへき開した。

二つの活性層の組成は本質的に同一であるが、それらの
幾何学的大きさ及び形状は異る。

活性層はそれらが同じ波長でレーザ発振するように、同
じ組成をもつべきである。第１図から明らかなように、
■溝中に活性層を成長させることにより、二つの活性層
の大きさ及び形状の両方が確実に異る。従って、各活性
ストライプ中の伝搬モートは、異る実効屈折率Ｎ９□ｒ
ｉ’　を有する。両方の活性層は同じファプリーペロー
光空胴長りをもつから、第１及び第２の活性層の縦モー
ト間隔は、わずかに異る。モード間隔はΔλ１で表され
、それはλｏ　／２ＮＦ、ＦＦ’　ｉ　”　にほぼ等し
く、こコテ１ｔｒｉ第１又は第２の活性層のいずれに対
応するかに依存して、１又は２である。λ０は自由空間
中の波長である。二つの活性層が相互に近づき、光学的
に結合するにつれ、スペクトル的に一致するファプリー
ペローモードが構造的に干渉し、強められたレーザのフ
ァプリーペローモートになる。構造的に干渉しないモー
ドは抑えられる。強められたファプリーペローモードの
スペクトル間隔は、個々の空胴の最初のファプリーペロ
ーモート間隔より著しく大きく、Ｎｌ、ＦＩ、、及びＮ
□２．の差に依存する。

スペクトルモート間隔はＡ＝λ。’／２ＬＩＮ、。ＦＦ
工’ＥＦＦ２　＋　で与えられる。この解析は原理的に
は結合空胴レーザの解析に用いるのと同様である。

第１及び第２の活性層９及び１３はそれぞれ本質的に同
じ材料から成り、従って両方の活性層スペクトル利得分
布は同じである。従って、強められたモードは利得最大
の付近に洛ちる時、通常の利得は最初のターンオン遷移
中ですら隣接した強められたモードを抑えるのに十分な
までに低下する。このことはかなり速い利得の低下をも
つＩｎＧａＡｓＰの場合に、本質的に正しい。

両方の活性ストライプが同じ時刻にレーザ発振すること
は本質的ではない。しかし、比較的薄い障壁層及び低障
壁層の場合、キャリヤは両方の活性ストライプ中に注入
されることが期待される。更に、活性層が相互に近づく
ことにより、相互に元ポンピンクされるようになる。フ
ァーフィールド放射の測定によシ、両方の活性層が本質
的に同じ時刻にレーザ発振するごとが確認される。しか
し、もし一方の活性層のみがレーザ発振するとしても、
もう一方の活性層は適切に光ボンピングされ、利得は合
成空胴の全体的な損失が等しくならなければならない。

この場合、レーザ発振しない活性層は通常の発光ダイオ
ードファプリーペロー強度変調を有し、得られる効果は
両方の層がレーザ発振する時と同じである。

もう一つの仮説は活性層の一方中のファプリーペロー空
胴における光定在波であるレーザモードは他方の活性層
中に周期的な密度変調を作るということである。従って
、効果は単一の縦モードのみを伝搬できる分布帰還格子
を実現するのと１同様である。

第２図は３００μｍ長の光学部をもつ二重活性層レーザ
の場合について任意目盛で光出力強度を縦軸に、波長を
水平軸にプロットしたものである。第３図は１２５μｍ
の長さの光学部を有する二重活性層レーザの場合につい
て、任意目盛で光出力強度を縦軸に、波長を水平軸にプ
ロットしたものである。第２及び３図の両方に、２ｎｍ
の波長範囲が示されている。

第２及び３図の両方の中のいくつかの曲線はｍＡ年単位
示された異なる注入電流レヘルに対するものである。図
示されたスペクトルは各パルス内のスペクトル成分を、
時間で積分し多数のパルスに対し平均化したものを表す
。

しかし、図示された結果は典型的なものである。図から
れかるように、二重活性層クレセントレーザの出力は、
電流閾値の１．１倍より大きな電流範囲に対し、非常に
安定な単−縦モードである。同程度の単一活性層クレセ
ントレーザは、一般にマルチ縦モードであった。

隣のモードへの縦モードのとびは、注入電流が増すにつ
れ減少することが観測された。事実、燭光空胴二重活性
層レーザの場合、とびを起さず同じ縦モートで動作する
レーザダイオードは少くとも閾値電流の２倍で動作した
。

レーザの時間分解遷移モートスペクトルも、高速ステッ
プ電流励起下、すなわち約ｌ　ｎ５ｅｃ立上り時間をも
つ電流励起下で、調べた。通常の単一活性層タレセント
レーザは、定常状態条件が十分溝された時、ｌ　Ｏｎ５
ｅｃ　後でも単−縦モート動作はしなかったが、投光空
胴二重活性層クレセントレーザは、それらのパワーを、
わずかｌ　ｎ５ｅｃ　後、高速で単一の主縦モートに集
中させた。

先に説明したように、二重活性層レーザの空胴長が減少
した時、合成モート間隔は更に増すべきである。このこ
とは短活性層レーザについての実験的観察で雑誌した。

純粋で安定な単−縦モード動作が、闇値のわずかに上で
実現された。更に、二重活性層レーザは、元パルス開始
後、同じ縦モートのままであつた。モードのとびは観測
されず、遷移緩和振動は顕著でなかった。

当業者には他の修正が容易に考えられよう。

たとえば、＃ＧａＡｓのような他のｍ−Ｖ族化合物半導
体をエピタキシャル層に用いてもよい。

同様に、他のｍ−ｖ族化合物半導体を基板に用いてもよ
い。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従う二重活性層レーザの端面の図、 第２図は本発明に従Ｋ　３００μｍ長の光学部を有する
二重活性レーザの場合について、水平軸の波長に対して
任意目盛で光強度を縦軸にプロットしたグラフを示す図
、 第３図は本発明に従い１２５μ？？Ｚ長の光学部を有す
る二重活性レーザの場合について、水平軸の波長に対し
て任意目盛で光強度を縦軸にプロットしたグラフを示す
図である。 〔主要部分の符号の説明〕 基板・・・１ 第１のクラッド層・・・７ 第１の活性層・・９ 複数の層・・・７．９．１１．１３．１５第２の活性層
・・１３ 第２のクラッド層・・・１５ 出　願　人　：　アメリカン　テレフォン　アントテレ
グラフ　カムパニー

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、第１の伝導形を有する基板、第１のクラッド層及び
   第１の活性層から成る該基板上に配置された複数の層か
   ら成り、該第１のクラッド層は第１の伝導形を有する半
   導体レーザにおいて、 該複数の層は更に障壁層、第２の活性層、第２のクラッ
   ド層から成り、該第２のクラッド層は第２の伝導形を有
   し、該第１及び第２の活性層は異なるファプリーペロー
   モード間隔をもち、相互に光学的に結合されていること
   を特徴とする半導体レーザ。 ２、特許請求の範囲第１項に記載された半導体レーザに
   おいて、 該複数の層は該基板上に、第２の伝導形を有する第１の
   エピタキシャル層及び第１の伝導形を有する第２のエピ
   タキシャル層を含み、該第１及び第２の活性層及び該複
   数の層の該障壁の層は、該第１及び第２のエピタキシャ
   ル層及び該基板中の溝の中にあることを特徴とする半導
   体レーザ。 ３、特許請求の範囲第１項に記載された半導体レーザに
   おいて、該複数の層は該基板上に少くとも一つの絶縁性
   エピタキシャル層を含み、該第１及び第２の活性層及び
   該複数の層の該障壁層は、該絶縁層中の溝の中にあるこ
   とを特徴とする半導体レーザ。 ４、％許請求の範囲第２項又は第３項に記載された半導
   体レーザにおいて、 該第１及び該第２の活性層はクレセント形であることを
   特徴とする半導体レーザ。 ５　％許請求の範囲第１．２．３及び４項のいずれか１
   項に記載された半導体レーザにおいて、 該障壁層は約０．１μｍｌいし１．０μｍ　の厚さであ
   ることを特徴とする半導体レーザ。 ６　特許請求の範囲第１．２．３．４及び５項のいずれ
   か１項に記載された半導体レーザにおいて、 該半導体レーザの該層に少くとも一つの１１１、’−Ｖ
   族化合物半導体から成ることを特徴どする半導体レーザ
   。 ７、特許請求の範囲第６項に記載された半導体レーザに
   おいて、 該ＩＪＪ−Ｖ族化合物半導体はＩ　ｎＧａＡｓ　Ｐ又は
   Ａ、／ＧａＡＳから成ることを特徴とする半導体レーザ
   。