JPS606119B2 - 複合半導体装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、半導体レーザに他の光機能素子を組合わせ
た複合半導体装置に関する。

半導体レーザは、小型・軽量・高効率時の長所を持つた
め、光通信装置や、光情報処理装置の有力な光源と考え
られている。

特に分布帰還型の半導体レーザは安定した単一波長発振
を行う上に、反射鏡面が不要であるため半導体光導波路
や半導体光変調器等の半導体光機能素子とのモノリシツ
クな結合が可能であると期待され光集回路における光源
として重要であると考えられている。ところが、従来の
分布帰還型半導体レーザにおいては、これにモノリシツ
クに結合されている半導体の非励起部分での光学的吸収
が数千〔抑‐１〕と極めて大きく、この部分での多大な
光学的損失が他の光機能素子とのモノリシックな結合に
よる複合半導体レーザ装置あるいは光集積回路の実用性
を著しく低減している。さらに、分布帰還型と否とを問
わず、ダブルヘテロ構造等の多層構造を持つ従来の半導
体レーザにおいては、励起電流対出力光強度関係に著し
い非線形がみられるとか、パルス電流励起時の非定常発
振に際して出現する緩和振動の振幅が通常の単純な指数
関係的な減衰を行わない等、特性における異常が頻々と
みうけられる。そしてこれらの特性における異常は、直
接変調時の応答特性の異常等として半導体レーザの実用
に際して障害になっている。その原因としては「 これ
らの半導体レーザにおいて活性層の界面に平行で、光の
進行方向に垂直な方向（以下では水平横方向と呼ぶ）の
光導波がこの方向におけるキャリア密度の空間分布に伴
って形成される光学的利得と、譲亀率の空間分布とによ
って行なわれ、しかもキャリア密度の空間分布が、励起
電流の増減とともに変化するため、水平横方向のモ−ド
構造自身が変化する不安定なものであることが考えられ
る。この発明の第一の目的は「非励起部分での光学的損
失が少し、方法で分布帰還型または分布ブラッグ反射鏡
型半導体レーザと他の光機能素子とをモノリシックに結
合した複合半導体装置を提供することにある。

この発明の第二の目的はし前述の水平横方向のモード構
造の不安定性を除去し、レーザ特性の安定した複合半導
体装置を提供することにある。この発明による複合半導
体装置は、多層構造を持ち、その活性層あるいはこれに
近接する層の界面に設けられた回折格子による分布帰還
によって光帰還を行う半導体レーザとこれにモノリシッ
クに結合された半導体光変調器、半導体光導波路等の光
機能素子とから構成される。

次にこの発明の原理を２つの部分にわけて説明する。

この発明の原理の第１の部分は分布帰還型又は分布ブラ
ッグ反射鏡型半導体レーザにモノリシックに結合してい
る非励起領域における光学的損失の低下方法に関する。
一般に半導体レーザの発振波長に相当するエネルギーは
導電帯と価電子帯のあいだの禁制帯の中４エネルギーギ
ャップ）より数ないし数十〔ｍｅＶ〕程度大きいと考え
られている。一方、励起されていない半導体における光
学吸収は禁制帯中に相当する波長付近では波長の減少と
ともに急速に大きくなり禁制帯中より数ないし数十〔ｍ
ｅＶ〕大きいエネルギーに相当する波長では、吸収係数
の大きさは数千ないし数万〔ｃの‐１〕に達する。そこ
で半導体レーザの内部あるいはこれに隣接する外部に半
導体レーザの活性領域と同一組成の非励起領域が存在す
る場合には、この非励起領域においてレーザ光は著しく
減衰すると考えられていた。この考えは、半導体の禁制
帯幅が、自由キャリアの密度に依存しないことを前堤し
ている。しかし、自由キャリア密度の増大とともに半導
体の実効的な禁制帯中は縮小されることが理論的に予想
されており〜 これは最近各種の実験によって確認され
ている。ガリウム枇素ではこの禁制帯中の縮小は、例え
ば励起キャリア密度が１び８〔洲‐３〕の時には２０〔
ｍｅＶ〕程度に達する。従って〜半導体の励起領域にお
ける利得の波長スペクトルはト励起された自由キャリア
密度の増大とともに非励起領域における光吸収のより少
し、長波長側に全体として移動していく。一方、利得ス
ペクトルにおいて最大利得を与える波長も、励起キャリ
ア密度の増大とともに、次第に長波長側に移動していく
がその移動の大きさは禁制帯中の縮小に比べて小さい。
従って利得スペクトルの最大値を与える波長での非励起
領域における光学的吸収は「通常極めて大きい。しかし
、この波長より数十Ａ程度長波長側の適当な波長に発振
波長を設定すれば、励起領域における利得が充分大きく
、しかも非励起領域におけるこの波長での吸収を１〜２
×１ぴ〔肌‐１〕程度以下にすることができることが実
験によって確認された。この点についてのより詳細な説
明は特願昭５１−５１６０６（袴開昭５２一１３４３斑
号公報）を参照されたい。そこで、モノリシックに結合
された非励起導波領域を持つ分布帰還型半導体レーザに
おいて、分布帰還のために設ける回折格子の格子間隔を
適当に選択して励起キャリア密度が１〜２×１び８〔肌
‐３〕程度に達した時の利得スペクトルの最大値を与え
る波長よりも数十△程度長い波長において、この回折格
子が効率良く光帰還を行うように設定すれば、非励起領
域における光吸収があまり大きくない状態でこの分布帰
還型半導体レーザを発振させることができる。上記の波
長の設定は具体的には例えば同一ウェハーの一部あるい
は同じ組成、同じ構造の他のウヱハ−を用いてこれに格
子間隔が少しづっ異る数個の分布帰還型半導体レーザを
製作し、これらの発振のための励起電流しきい値と、そ
れぞれの出力が非励起領域を通過した場合の減衰量を勘
案して行うことができる。このような方法で設定された
格子間隔および発振波長を以下ではそれぞれ最適格子間
隔、最適発振波長と呼ぶ。この発明による最適発振波長
は、活性領域の非励起状態での実効的な禁制帯中に相当
する波長より通常５０Ａ程度以上波長である。この発明
の原理の第２の部分は、半導体に不純物を添加した場合
に生ずる実効的な禁制帯幅および譲霞率の変化に関する
。

半導体にＰ形あるいはｎ形の不純物を拡散あるいはイオ
ン打込み等の方法で部分的に添加することによって、そ
の部分の自由キャリアの密度を増大させることができる
ことは良く知られているが、これによって、その部分で
の実効的な禁制帯幅は緒４・される。また、不純物を添
加された部分の誘電率は一般に変化するが、その変化の
大きさと方向は、不純物の種類・密度および着目してい
る波長に依存し一定していない。しかし、適当な不純物
と濃度を選べば、その部分を励起してレーザ発振を行わ
せる場合に「その発振波長における譲電率を、相対値に
して１０‐妥皇度大きくすることができる。例えば、中
性カリウム硯素または、自由キャリア密度がたかだか１
ぴ８〔肌‐３〕程度になる量だけｎ形不純物を含むカリ
ゥム枇素にその濃度が１び９〔伽‐３〕に達する程度の
亜鉛拡散を行えば、亜鉛拡散を行った部分を活性領域と
してレーザ発振を行なわせた場合に、その発振波長付近
における誘電率は、亜鉛拡散を行なわなかった部分での
それに比べて、相対値にして１〜２×１０‐均華度増大
することが実験によって確認されている。そこで、この
よつな方法で多層構造の半導体レーザの活性領域に幅１
０〜２０＃ｍ程度の誘電率の高い帯状の部分を形成し、
この部分を活性領域としてし−ザ発振を行なわせれば、
この譲電率の高い部分によって安定したレーザ光の導波
が行なわれるため、前述の水平横方向のモード構造の不
安定性に伴う諸種の特性の異常を除去することができる
。しかも上述の不純物の導入によって起る自由キャリア
密度の増大によって、実効的な禁制帯中は縮小される。
従って、モノリシックに結合された非励起領域を持つ分
布帰還型半導体レーザにおいて、励起領域に、亜鉛拡散
を行う等の方法で不純物を導入してこの部分の実効的な
禁制帯中をあらかじめ縮小しておけば、拡散を行わない
場合に比べて励起領域における利得を大きくし、しかも
非励起領域における光学的損失を少〈することができる
。次にこの発明の実施例を図面に参照しながら説明する
。

第１図はこの発明の第１の実施例の概念図である。ｎ−
ＧａＡｓ基板２の上にｎ−Ａ〆ぬａｌ−ｙＡｓ層３「活
性層である。ｎ−Ａ夕×Ｇａｌ−ｘＡｓ層４、Ｐ−Ａ〆
ｚＧａｌ‐ｚＡｓ層５、Ｐ‐Ａぐむａｌ−ｙＡｓ層６及
びＰ−ＧａＡｓ層７を順次ェピタキシャル成長させて製
作される。ここでｙ＞ｚ＞ｘが必要条件でｘ＝０〜０１
、ｙ＝０．３〜０．４ ｚ＝０．２〜０．３通常用いら
れる。Ｐ−Ｇａ船層７の上にはＰ電極１０及び１ １が
、またｎ‐Ｇａ磯基板２の下にはｎ−電極１が設置され
ている。Ｐ一ＡそｚＧａｌ−ｚＡｓ層５を成長させた後
、その表面の一部にフオトェツチング等の手法を用いて
回折格子１４が設けられている。この回折格子１４によ
る光帰還があるため表面電極１０と裏面電極１にはさま
れた部分は、電極１０の電位が電極１のそれに比べて高
くなる方向にこれらの電極間を流れる電流に′よって励
起され発振する分布帰還型半導体レーザ２０を構成する
。電極１１と電極竃にはさまれた部分は電極１１の電位
が電極１のそれより低い方向で、これらの電極間に印加
される可変電圧によって駆動される光変調器２１を構成
する。回折格子１４の格子間隔ａを最適格子間隔に設定
することによって分布帰還型半導体レーザ２０の出力が
「活性層４の中を伝播して光変調器２１に導かれる際に
、これらの中間の非励起領域における光損失を小さくす
ることができる。これによって同時に光変調器２１に電
圧の印加がない場合のこの光変調器中での光損失すなわ
ち結合損失を小さくすることができる。これは、光変調
器の挿入損失を小さくすることを意味し実用上望ましい
。しかも本発明の原理に従って設定される最適発振波長
に相当するエネルギーは、活性層４の非励起領域におけ
る実効的な禁制帯中と比べて高々２０〜３０〔ｍｅＶ〕
程度小さいにすぎないので、この波長における光変調器
２１内での吸収係数は、電極１及び１１間の電圧変動に
追従して極めて敏感に変化するため、この光変調器２１
の変調効率は高い。第２図はこの発明の第２の実施例の
概念図である。本図において多層構造２〜７は第１図の
第１の実施例と同機にして製作される。８は電気的な不
導体であるＳｉ０２膜である。

このＳｉ０２膜に点線で示したストライプ１３の位置と
大きさの窓を設けその上から亜鉛を拡散することによっ
て活性層４に達する亜鉛拡散部１２が形成される。Ａ〆
ｚＧａｌ−ｚＡｓ層５の表面に設けられた回折格子１４
による光帰還があるため電極１０と１にはさまれた部分
は励起電流がＳｉ０２膜の窓の部分を流れるストライプ
型の分布帰還型半導体レーザ２０′を構成する。活性層
４において亜鉛拡散がなされているストライプ状の部分
は、その外側に比して実効的な禁制帯中は狭く、この禁
制帯中に相当する波長付近での謙電率は高い。従って最
適発振波長は、第１図の実施例におけるそれよりさらに
長波長側に設定され「従って〜半導体レーザ２０′と光
変調器２１′の結合損失及び後者の挿入損失を第１図の
実施例におけるそれよりさらに小さくでき、さらに高譲
露率部分による安定した光導波のために、レーザ特性に
異常がない安定した発振が得られる。第３図は、この発
明の第３の実施例の概念図である。

この実施例においても多層構造２〜７は第１図の実施例
の場合と同機に製作されるが〜 この実施例では、回折
格子１５及び１６が活性層４の表面に製作されているた
め「その上にＡそｚＧａｌ−ｚＡｓ層５がなくＡそｙＧ
ａｌ−ｙ磯層６が直接成長されている。Ｓｉ０２膜８に
は表面電極１０の裏側で点線で示されたストライプ１３
の位置にこの大きさの窓があり、この部分にＳｉ０２膜
８の上から活層４に達する亜鉛拡散が行なわれている。
電極１０と１にはさまれた部分はこれらの電極の間をＡ
そｙＧａｌ−ｙＡｓ層６及びＧａＡｓ層７では亜鉛拡散
によって形成されたストライプ部分に集中して流れる電
流によって励起され、回折格子１６及び１６による光帰
還によって発振可能になる半導体レーザ２２を構成する
。この実施例においては、回折格子１５，１６は活性層
４‘こおける電極１０及び１にはさまれ電流によって励
起される部分には設置されず、その両端の励起領域の外
部に設置されているため「半導体レーザ２２は分布ブラ
ツグ反射鏡レーザ（ｄｉｓｍｂｕｔｅｄ Ｂ的ｇ ｒｅ
Ｈｅｃｔｏｒｌａｓｅｒ）である。この実施例において
も、回折格子１５及び１６における格子間隔はも第１図
、第２図の実施例における場合と同様に最適格子間隔に
設定される。この場合に亜鉛拡散の効果は第２図の実施
例について説明した効果に加えて、非励起領域における
回折格子１５及び１６が設置された部分での光損失がよ
り少い長波長の最適発振波長をもたらすことになり、こ
れらの回折格子の光帰還の効率を向上させ、半導体レー
ザ２２の発振効率を向上させることにある。以上の第１
〜３の実施例では分布帰還型又は分布ブラツグ反射鏡型
半導体レーザ２０、２０′又は・２２は光変調器２１‘
こモノリシックに結合されているが、後者は単なる光導
波路であってもよいしまた他種の光機能素子であっても
良い。

即ちトこの発明は分布帰還型又は分布ブラッグ反射鏡型
半導体レーザ２０、２０′又は２２の活性層４において
、これらの半導体レーザの内部又は外部に非励起領域が
存在し、しかもこれら半導体レーザの出力の全部又は一
部がこれらの非励起領域を通過することが「必要となる
ような分布帰還型又は分布プラッグ反射鏡型半導体レー
ザ２０「 ２０′又は２２を含む複合半導体装置あるい
は光集積回路においてその有用性を発揮する。以上詳細
に説明したように、この発明によれば自由キャリアもし
くは励起キャリアにより半導体の禁制帯幅が縮小すると
いう現象をたくみに利用して「実質的に損失の少ない実
用的な分布帰還型または分布ブラッグ反射鏡半導体レー
ザを含む複合半導体装置を得ることができる。

図面の簡単な説明第翼〜第３図はそれぞれこの発明の第
１〜３の実施例の概念図である。

図において「 １，１０，１川ま電極ト４はＡど幻Ｇａ
ｌ−ｘＡｓ活性層、１２は亜鉛拡散部、１３は亜鉛を拡
散したストライプ部分、１４は分布帰還用の回折格子「
１５，１６は活性層４の表面に設けた回折格子、２０
、２０′は多層構造を持つ分布帰還型半導体レーザ、２
１は光変調器、２２は多層構造を持つ分布ブラッグ反射
鏡型半導体レーザである。

オー図 才２図 才３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 分布帰還型または分布ブラツグ反射鏡型半導体レー
   ザと、この半導体レーザにモノリシツクに結合された光
   機能素子とから成り、前記分布帰還型または分布ブラツ
   グ反射鏡型半導体レーザの光帰還を行なう回折格子の格
   子間隔がレーザの活性領域の非励起時における禁止帯幅
   に相当する波長より５０Å以上長波長において有効な光
   帰還を行なうように設定されていることを特徴とする複
   合半導体装置。 ２ 分布帰還型または分布ブラツグ反射鏡型半導体レー
   ザと、この半導体レーザにモノリシツクに結合された光
   機能素子とから成り、前記分布帰還型または分布ブラツ
   グ反射鏡型半導体レーザの活性領域の一部のストライプ
   状部分に不純物を添加することにより、その部分の誘電
   率を増大させ、しかもその部分の実効的な禁制帯幅を縮
   少させたことを特徴とする複合半導体装置。 ３ 分布帰還型または分布ブラツグ反射鏡型半導体レー
   ザの活性領域の一部のストライプ状部分への不純物添加
   を亜鉛拡散によつて行なつたことを特徴とする特許請求
   の範囲第２項記載の複合半導体装置。 ４ 分布帰還型または分布ブラツグ反射鏡型半導体レー
   ザの光帰還を行なうための回折格子の格子間隔がレーザ
   の活性領域の非励起時の禁制帯幅に相当する波長より５
   ０Å以上長波長において有効な光帰還を行なうように設
   定されていることを特徴とする特許請求の範囲第２項ま
   たは第３項記載の複合半導体装置。