JPS61107781A - 単一軸モ−ド半導体レ−ザ装置 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体レーザ素子、特に発振ス（クトルの拡
がシを抑制した単一軸モート０半導体レーザ装置に関す
る。

（従来の技術） 半導体レーザ素子の内部に回折格子が埋め込まれ、その
回折格子のブラッグ反射を利用して発振する分布帰還型
あるいは分布反射型の半導体レーザは一本の軸モードで
発振するため、光ファイバの分散の影響を受けにくく、
長距離大容量の光通信用光源として有望視されている。

ところで半導体レーザな用いた変調方式は大別して２種
類に分けられる。第１の変調方式は半導体レーザな駆動
電流によシ直接振幅変調する直接変調方式であシ、第２
の変調方式は半導体レーザを一定の直流電流で駆動し、
外部に設けた光変調器によシ振幅変調、周波数変調ある
いは位相変調を行う外部変調方式である。

（発明が解決しようとする問題点） 前者の直接変調方式は、単一素子で光・源変調器の役割
をするため、小型で扱い易い等の利点を有してｂる。し
かしながら昭和５８年度電子通信学合手導体、材料部門
全国大会予稿集第３２８番板屋氏らによる「分布帰還型
レーザの直接変調時におけるスペクトル特性」で報告さ
れているように、分布帰還型半導体レーザな高速で直接
変調した場合には、キャリア密度の揺らぎによる発振軸
モードのスペクトル幅拡がシが生じるため、光ファイバ
の分散の影響を受けるようになり、長距離の伝送が困難
となる欠点がある。

寸た後者の外部変調方式では半導体レーザを一定電流で
動作させるため、前述の様なスペクトル線幅の拡がシ等
の問題が無く高速変調に適しており、かつ振幅あるいは
位相等の変調が可能である利点を有している。しかし変
調器を用いる場合には、半導体レーザと変調器との間の
光結合損失が問題となる。例えばオー、ノー、ラマ−（
０，Ｇ。

ＲＡＭＥＲ）氏らによる米国の雑誌アイ、イー、イー。

ｙ　　　イー、ノヤーナルオプ、カオンタムエレクトロ
ニクス（ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｑｕａｔｕ
ｍ　′Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｍ　）第ＱＥ−１７巻、第
６号、（１９８１年６月発行）第９７０頁所載の論文［
エクスベリメンタルインテグレーティドオプティクサー
キットローゼスアンドファイバピグティリングオプチッ
ブス」（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　Ｉｎｔ＠ｇｒａｔ
ｅｄ　０ｐｔｉｃ　ＣｌｒｃｕｉｔＬｏａａｅｇ　ａｎ
ｄ　Ｆｉｂｅｒ　ｐｌｇｔａｉｌｌｎｇ　ｏｆ　Ｃｈｉ
ｐｓ）で報告しているように、光ラアイパを用いた半導
体レーザと変調器との間の光結合損失は約４　ｄＢあり
、変調器を用いた場合には光の結合損失が大きいと云う
欠点があった。

本発明の目的は高速変調時においても発振スペクトルが
拡がらず、半導体レーザと変調器との間の光結合損失が
極めて少く、かつ振幅弯調及び位相変調が可能な単一軸
モード半導体レーザ装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段） 本発明による単一軸モード半導体レーザ装置は、活性層
の近くに回折格子を有するレーザ領域及びレーザ領域に
光学的に結合させて光導波路層を埋め込んだ変調領域並
びに前記変調領域の端面に光の反射抑制構造を備えた半
導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子の変調領域に
変調信号電流を加えて半導体レーザ素子からの出射光を
変調する手段と、 前記変調信号電流とは一定の振幅比関係及び一定の位相
差関係を有する制御電流を前記半導体レーザのレーザ領
域に加えて変調された出射光のスペクトルの拡がシを抑
える手段とからなっている。

（作用） 半導体レーザ素子内部に回折格子を有する分布帰還型、
分布反射型半導体レーザは、回折格子によるブラッグ反
射を利用してレーザ発振するため、従来のファプリ・ペ
ロー型半導体レーザに必要なへき開面は不要である。従
って、光導波路等によシ直接、他素子との光学的結合が
可能で６９、光結合損失が極めて少なくてすむ。また半
導体基板内に形成した光導波路層の光損失、屈折率は光
導波路層に注入する電流によシ制御でき、光導波路側端
面から出射する光の強度や位相を制御することが可能で
ある。よって分布帰還型または分布反射型の半導体レー
ザの発光部に連続して光導波路を設け、光導波路の出射
端面からの反射光を抑制する光の反射抑制構造を有する
光の変調領域を構成して、前記変調領域の光導波路に注
入する電流を制御すれば、光の強度や位相を制御するこ
とが可能である。

しかしこの構造では、レーザ領域と変調領域とが近接し
ているため変調領域に注入した変調電流が、レーザ領域
にもれ込み、レーザ領域のキャリア密度を変化させるた
め、発振周波数の変動が生じる。

また変調領域側の端面あるいは外部素子との結合用のレ
ンズ及びファイバ端面等で反射された戻り光が、レーザ
領域に影響して、発振周波数や発振強度の変化をもたら
す。

一方、半導体レーザの発振周波数はレーザ領域に注入す
る電流を変化させる事によシ制御できる。

そこで、変調電流の信号に対して一定の振幅比関係及び
一定の位相差関係となるようにレーザ領域に注入する電
流を制御して発振周波数の変動を抑制することによシ、
高速変調時にもスペクトル拡がシの少ない変調光が得ら
れる。

（実施例） 以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明による第１の実施例の構成図でおシ、第
２図は本発明による第１の実施例に用い死生導体レーザ
素子の断面図である。

第１図において、変調信号発生器１０１で発生させた変
調信号１２１を分岐回路１０２において分岐比が１：２
０となるように第１の変調信号１２２、第２の変調信号
１２３に分岐させる。このうち、第１の変調信号１２２
は第１の駆動回路１０５によシ制御電流１２４に変換す
る。この制御電流１２４と第１の直流電源１０７からの
第１の直流電流１２５とを第１の混合回路１０８で混合
し、レーザ駆動電流１２６を得てこのレーザ駆動電流１
２６を半導体レーザ素子１１１のレーザ領域２１１にお
ける第１の電極２０７に加える。

一方、分岐回路１０２にて分岐した第２の変調信シ 号１２３を移相回路１０３にて適当表位相遅れを与え、
その信号１２７を極性反転回路１０４で極性を反転し丸
後、反転信号１２８を第２の駆動回路１０６により変調
電流１２９を得る。この変調電流１２９と第２の直流電
源１１０からの直流電流１３０どを第２の混合回路１０
９で混合し、得られた変調器駆動電流１３１を半導体レ
ーザ素子１１１の変調領域２１０における第２の電極２
０８に加える。

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１１１について説明する。半導体レーザ素子１１１は
ｎ型１ｎＰ基板２０１上のレーザ領域２１１に相当する
部分にのみ周期２４００Ｘの回折格子２０２を形成した
後、変調領域２１０に相当する平坦部及び回折格子２０
２の全面に厚さ０２μｍ１組成のバンドギャップが波長
で１：３μｍのｈ型１ｎＧａＡ＋ｓＰ光閉じ込め層２０
３と、厚さ０１μｍ１組成のバンドギャップが波長で１
ｙ５ｐｍのＩｎＧａＡｓＰ活性層２０４と、厚さ３　ｐ
ｍのｐｆｉＩｎＰクラ、ド層２０５と、厚さ０：Ｓ　ｌ
ｔｍのｐ　型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層２０６とを順次
エピタキシャル成長させた構成となっているものでおる
。レーザ領域２１１と変調領域２１０上の第１の電極２
０７と、第２の電極２０８とはキャップ層２０６よシも
深い溝２１３によシ分離されている。また変調領域側端
面には窒化シリコンを用いた厚さ約２２００Ｘ、反射率
２％以下の反射防止膜２０９を形成している。

以上の構成において、半導体レーザ素子１１１のレーザ
領域２１１は分布帰還型半導体レーザとなっておシ、第
１の電極２０７から電流を注入することによシ、回折格
子２０２のブラッグ波長近傍（約１５５μｍ）で単一軸
モードで発振する。

変調領域２１０に形成された光閉じ込め層２０３及び活
性層２０４は光導波路として働き、この光導波路をレー
ザ領域からのレーザ光が伝搬する。変調領域２１０の光
導波路を構成する活性層２０４は組成のパン、ドギャッ
プが波長で１５５μｍであるため、レーザ領域２１１か
らのレーザ光は変調領域２１０の光導波路で損失を受け
ながら伝播する。

一方、レーザ光が変調領域２１００光導波路で受ける損
失は変調領域２１０に注入する電流により制御でき、注
入する電流を増加する程、変調領域２１０の光導波路で
の損失は小さくなる。従って、変調領域２１０に注入す
る電流によシ反射防止膜２０９からの出射光が強度変調
される。

しかし、変調領域２１０　Ｋ変調器駆動電流１３１を注
入し、レーザ領域２１０からのレーザ光を強度変調する
際、変調領域２１０に注入した変調器駆動電流１３１が
、レーザ領域２１１の活性層２０４中にまでまわシ、込
むため、レーザ領域２１１の活性層２０４内のキャリア
密度が変化し、発振周波数の変動を生じる。また、変調
されたレーザ光が反射防止膜２０９あるいは外部素子と
の結合に用いるレンズ及びファイバ端面等で反射され、
再びレーザ領域２１１に戻って来るため、発振周波数及
び発振強度が変動する。これらの発振周波数及び発振強
度の変動を抑制するため、レーザ領域２１１に変調電流
１２９とは振幅、極性の異なる制御を流１２４を加え、
位相゛を適当に設定する。本実施例では制御電流１２４
を変調電流１２９に比べ振幅が１０％で逆極性の電流と
することＫより、レーザ領域２１１の活性層２０４での
キャリア密度の変動やレーザ領域２１１への戻シ光等に
よる発振波長の変動を抑制した。

本実施例ではＮＲＺ符号による２Ｇｂ／ｓの振幅変調を
行った。その結果、出射光のスペクトルの半値幅が約０
３Ｘ（周波数にして約４　ＧＨｚ　）と狭く、消光比が
約８：１と消光比劣化が少ない状態で高速の振幅変調が
実現できた。上記出射光のスペクトル半値全幅的０３Ｘ
は、通常の分布帰還型半導体レーザを直接変調した場合
のスペクトル半値全幅的３Ｘの約１／１０であ夛、また
前記実施例でレーザ領域２１１に制御電流を加えない場
合のス（クトル半値全幅約ＩＸの約１／３と狭い。

次に大発明の第２の実施例について説明する。

本実施例では位相変調を行う単一軸モード半導体レーザ
装置を示す。装置の構成は第１の実施例について示した
第１図のものと同様であるが、位相変調を行う際には用
いる半導体レーザ素子１１１のみが異なる。第３図に本
実施−に用いた半導体レーザ素子１１１の構成を示す。

この半導体レーザ素子も原則的に第１の実施例で用いた
ものと同じであるが、異なる点は、ｐ型ＩｎＰり２ラド
層２０５及びｐ＋型ＩｎＧａＡｓＰキヤ、プ層２０６を
エピタキシャル成長する前に、変調領域２１０に相当す
る部分のＩｎＧａＡｓＰ活性層２０４を除去した点であ
る。従って変調領域２１０の光導波路層は光閉じ込め層
２０３からのみ成っている。この構造の単一軸モード半
導体レーザにおいても、レーザ領域２１１に電流を注入
すれば回折格子２０２のブラッグ波長近傍で波長的１５
５μｍで単一軸モード発振する。レーザ領域２１１でレ
ーザ発振したレーザ光は変調領域２１０の光閉じ込め層
２０３を光導波路として伝搬し、反射防止膜２０９を通
って出射する。ここで光閉じ込め層２０３の組成のバン
ドギャップは波長で約１３μｍ。

活性層の組成のパンｒギヤ、７ａは波長で約１５５μｍ
であるため、変調領域２１０の光閉じ込め層２０３では
レーザ光はほとんど損失を受けない。ところで光閉じ込
め層２０３の屈折率は変調領域２１０に注入する電流に
よって変化する。つまシ注入電流を増加させると光閉じ
込め層２０３内のキャリア密度が増加し、プラズマ効果
によシ光閉じ込め層２０３の屈折率が下る。　　　　　
　　　　　　　　　　　　１．．７このように変調領域
２１０への注入電流を変化させる事によシ、変調領域２
１０の光導波路である光閉じ込め層２０３の屈折率が変
わるため、反射防止膜２０９からの出射光の位相を制御
できる。

しかし、この実施例においても、変調領域２１０に注入
した変調器駆動電流１３１がレーザ領域２１１の活性層
２０４中にまでまわり込んで生じるレーザ領域２１１の
活性層２０４内のキャリア密度の変化、あるいは反射防
止膜２０９及び外部素子からの反射光の影響等により、
レーザ領域２１１での発振周波数等が変動する。

そこで、第１図において、レーザ領域２１１に変調電流
１２９とは一定の振幅比関係及び一定の位相関係を有す
る制御電流１２４を加え、高速変調時の発振周波数の変
動を抑制する。この構造の単一軸モード半導体レーザ装
置において、２Ｇｂ／ＩＩの変調信号を第２の直流電流
１３０と共に変調領域２１０に加え、変調電流１２９と
は一定の振幅比関係及び一定の位相関係を有する制御電
流１２４を第１の直流電流１２５と共に加えた。その結
果、発振スペクトルの周波数半値全幅を約１０ＭＨｚと
狭い状態に維持したまま、２Ｇｂ／ａの位相変調が実現
できた。

本発明１ｃおいては以上の実施例の他にもさまざ壕な変
形が可能である。

前記実施例の単一軸モード半導体レーザ装置の構成にお
いては、変調信号の位相と極性を変えるために、まず移
相回路１０３で位相を変え、極性反転回路１０４で変調
信号の極性を変えたが、この順序は逆でもよく、極性反
転回路１０４の後に移相回路１０３を用いてもよら。ま
た半導体レーザ素子１１１のレーザ領域２１１に電流を
注入する系に、移相回路１０３、極性反転回路１０４を
用いてもよい。

さらに、半導体レーザ素子に電流を注入する駆動回路を
１つにすることもできる。この場合には　　。

駆動回路を変調信号発生器の後に接続し、変調電流を適
当な分岐比を有する分岐回路１０２で２分し、いずれか
一方の変調電流の極性及び位相を変化させて、２つの変
調電流を直流バイアス電流とともニ半導体レーザ素子に
加えればよい。

以上実施例においては、発振波長１５５μｍ帯の単一軸
モード半導体レーザ装置を示したが、発振波長はこれに
限らず、例えば、組成のエネルギーギヤ、プが波長で１
３μｍの活性層、組成のエネルギーギャップが波長で１
１μｍの光閉じ込め層を用いて、回折格子２０２の周期
を約２０００Ｘ　Ｋすれば発振波長１３μｍの単一軸モ
ード半導体レーザ装置が得られる。

また、用いる半導体材料もＩ　ｎＰ／Ｉ　ｎＧａＡｓＰ
系に限らず、例えばＡｔＧａＡｓ／ＧａＡｓ等でもよい
。

また、上記実施例では回折格子２０２が活性層２０４の
下の光閉じ込め層２０３とＩｎＰ基板２０１の境界に形
成した単一軸モード半導体レーザ装置を示したが、回折
格子２０２を形成する位置はこの場所に限らず、例えば
活性層２０４の上に光閉じ込め層２０３を形成し、光閉
じ込め層２０３とｐ型１ｎＰクラッド層２０５との境界
に形成してもよい。また、光閉じ込め層２０３と活性層
２０４との間に例えばＩｎＰからなる中間層を入れても
よい。更に、実施例ではレーザ領域２１１に所謂分布帰
還型の半導体レーザを形成した単一軸モード半導体レー
ザ装置を示ジ　　したが、レーザ領域２１１は分布反射
型の半導体レーザからなっていてもよい。その場合、レ
ーザ領域２１１は分布反射型半導体レーザの活性領域と
分布反射領域の２つの領域からなり、変調領域２１０は
この分布反射領域と接続することになる。。

本発明の実施例！ＩＣおいて、第１の電極２０７と第２
の電極２０８とはキャップ層２０６よシ深い溝２１３に
よって分離されているが、電極の分離方法はとの方法に
限らず、例えば電極間をイオンミリング法等を用いて電
気的に絶縁してもよい。

さらに、変調領域２１０側端面の反射防止膜２０９とし
て窒化シリコン膜によって反射を抑制した構造としたが
、このコーティングする膜として酸化シリコン膜等でも
よく、また、それらの多層膜からなりてもよい。更に、
反射抑制構造として、変調領域２１０側の端面付近で光
導波路が途中で途切れた所謂ウィンドウ構造であっても
よい。

（発明の効果） 本発明による単一軸モード半導体レーザ装置によれば、
２Ｇｂ／ａの高速変調時においても発振スペクトルの半
値幅が３〜４　ＧＨｚ程度と狭いため、光　　　′ファ
イバの分散の影響をほとんど受けず、長距離大容量の光
通信が可能となる。

また、外部変調器を用いた場合には光源と外部変調器と
の結合損失が大きいが、本発明による単一モード半導体
レーザ装置では半導体レーザと変調器との間の結合損失
が小さいため、出力の大きな変調信号が得られ、よシ長
距離の光フアイバ伝送が可能となる。例えば第１の実施
例で示した単一軸モード半導体レーザ装置を用いれば、
１１００ｋを超える伝送速度２Ｇｂ／ｓの光フアイバ伝
送も実現できる。

更に本発明による単一モード半導体レーザ装置は高速変
調時でも発振スペクトルが狭いと云う特徴を生かして、
光へテロダイン通信用の光源兼変調器として使用でき、
第１の実施例で示した構造のものは振幅変調による光ヘ
テロダイン通信方式に１第２の実施例で示した構造のも
のは位相変調による光ヘテロダイン通信方式に使用でき
る効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成を示すブロック図、第２
図は第１の実施例に用いた半導体レーザ素子の断面図、
第３図は第２の実施例に用いた半導体レーザ素子の断面
図である。 図において、１０１・・・変調信号発生器、１０２・・
・分岐回路、１０３・・・移相回路、１０４・・・極性
反転回路、１０５・・・第１の駆動回路、１０６・・・
第２の駆動回路、１０７・・・第１の通流電源、１０８
・・・第１の混合回路、１０９・・・第２の混合回路、
１１０第２の直流電源、１１１・・・半導体レーザ素子
、２０２・・・回折格子、２０３・・’ｎ型ＩｎＧａＡ
ＩＩＰ光閉じ込め層、２０４−　ＩｎＧａＡｓＰ活性層
、２０７・・・第１の電極、２０８・・・第２の電極、
２０９・・・反射防止膜、２１０・・・変調領域、２１
１・・・レーザ領域、２１２・・・共通電極 特許出願人　１日本電気株式会社 代　理　人　　弁理士　内　原　　　晋７”’　ｙ−”
”’　”ｌ）’　。 ＼ｔ、・′ 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）活性層の近くに回折格子を有するレーザ領域及び
   このレーザ領域に光学的に結合させて光導波路層を埋め
   こんだ変調領域、並びにこの変調領域の端面に設けられ
   た光の反射抑制構造を備えた半導体レーザ素子と、 前記半導体レーザ素子の変調領域に変調信号電流を加え
   て半導体レーザ素子の出射光を変調する手段と、 前記変調信号電流とは一定の振幅比関係及び一定の位相
   差関係を有する制御電流を前記半導体レーザ素子のレー
   ザ領域に加えて変調された出射光のスペクトルの拡がり
   を抑える手段とを具備することを特徴とする単一軸モー
   ド半導体レーザ装置。