JPS6261387A - 半導体レ−ザ素子 - Google Patents

半導体レ−ザ素子

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JPS6261387A
JPS6261387A JP61213688A JP21368886A JPS6261387A JP S6261387 A JPS6261387 A JP S6261387A JP 61213688 A JP61213688 A JP 61213688A JP 21368886 A JP21368886 A JP 21368886A JP S6261387 A JPS6261387 A JP S6261387A
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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;J′光通信に利用する。特に、コヒーレント光
通信の光源として利用される半導体レーザ素子に関する
。
1(既 要〕 本発明は、発光波長の選択が可能な半回体レー41!素
子において、 しきい電流における利得が最大の波長より短い波長で動
作させることにより、 発光スペクトル線幅の狭い放射光を得るものである。
〔従来の技術〕
光通信の分野で使用される放射光は可視領域である必要
はなく、「光学」、「光」等の用語は可視光に限定する
ものではない。実際に、伝送媒体としてシリカ製の光フ
ァイバを使用する場合には、はぼ1.31および1.5
5/ll1)の波長帯で光ファイバの損失が極小となり
、赤外線を使用することが有効である。
半導体レーザ素子は、レーデ発振構造として、電流を流
すpn接合(通常はn型領域からn型領域に流れる)と
、電子と正札とが結合して誘導放出により光子を生成す
る「活性層」とを備えている。活性層における光子の生
成過程を実現するために、この活性層内に発生した光子
を適切な程度に1閉し、込める」必要がある。このため
、活性層のハンドギャップおよび屈折率は、その周囲の
半導体のバンドギャップおよび屈折率と適切な関係をも
つ必要がある。活性層の両側の材料層および活性層の対
向している端面(ファセ71−)に接触する材料層を「
閉じ込め層」という。
半導体光学素子の主な利用分野として光フアイバ通信網
がある。近年生産されているシリカ製の光ファイバは、
はぼ1.3賜および1.55μmで損失が極小となり、
1.55μmにおける極小値がより小さくなっている。
したがって、1.1ないし1.65μ逼の波長範囲、特
に1.3ないし1.6pの波長範囲で動作する素子が特
に必要である。これらの波長は、特に限定しない限り、
他のすべての波長と同様に真空中での波長とする。この
領域で動作する半導体レーザ素子としては、インジウム
リン(InP)の領域および四元系材料のインジウムガ
リウムヒ素リン(InXGa+−x AsyP+−y 
)の領域を含むものが知られている。Xおよびyの値を
適当に選択することにより、格子定数を変化させて他の
材料と整合させることができ、さらに、材料のバンドギ
ャップを変化させることができる。バンドギャップの値
は、例えばフォトルミ名ソセンスにより実験的に求める
ことができる。さらに、インジウムリンと四元系材料と
の双方に、必要に応じてn型またはn型の不純物を添加
(ドープ)することができる。
アルミニウムヒ素の領域およびガリウJ、ヒ素の領域を
含む半導体レーザ素子もまた通信用に利用できる。これ
らの半導体レーザ素子は0.9−近傍の波長で動作する
。
半導体レーザ素子をしきい電流以上の電流で駆動すると
、その活性層でレーザ発振が生じ、iM jW放出によ
る光子が発生する。この光子が活性層を通過するごとに
、活性層での利得と損失との間のバランスによって定義
される程度に光子の数が増加する。利得は発光波長に対
する尖頭値スペクトルとして表され、利得が尖頭値とな
る波長で活性層を動作させることが便利である。
ファブリベロー・レーザ素子では、活性層の両端面に配
置されたレーザ発振構造の終端面で放射光が少なくとも
部分的に反射し、レーザ発振が生じる。分布帰還(DF
B) レーザ素子では、活性層の領域に配置された波型
(corrugations)により発振が生じる。こ
の波型は、一般にレーザ発振構造の長さの方向と直交す
る形状であり、レーザ発振構造に沿ったそれぞれの方向
に放射光を反射する。
外部構造により放射光を反射させて半導体レーザ素子に
戻すことにより、この半導体レーザ素子の発振に寄与す
ることができる。このような外部構造としては、外部共
振器および分布プラグ反射器(DBR)がある。外部共
振器としては、例えば、放射軸に沿ってあらかじめ選択
された間隔にミラーを配置した構造が知られている。ま
た、半導体レーザ素子の外側で移動可能であること以外
はDFB型レーザ素子における波型と同等の波型を放射
軸に隣接して配置し、これにより、放射光を半導体I/
−ザ素子内に反射させることもできる。
このような外部構造を備えた半導体レーデ素子は、分布
プラグ反射器(DBR)レーザ素子として知られている
。
いくつかの応用例、特にコヒーレント通信の分野では、
発光スペクトル線幅の狭いことが重要である。発光スペ
クトル線幅が狭い場合には、ヘテロダインまたはホモダ
イン検出のようなコヒーレント検出を行うことができ、
大量のデータを伝送することができる。
ファブリベロー・レーザ素子の発光スペクトル線幅は1
00MHz以上であり、コヒーレント通信での使用には
適していない。DFBレーザ素子は、ファブリベロー・
レーザ素子に比べて発光スペクトル線幅が狭くなるよう
に製造することが可能であり、外部共振器等を付加する
ことによりさらに発光スペクトル線幅を狭くすることが
できる。
ヘニング(1,D、tlenning)、ウェストプル
ツク (L、D、Westbrook)他、[リッジ導
波路DFBレーザ素子の線幅の測定(Measurem
ents of the Line−width of
 Ridge−Guide DFB La5ers)J
 、エレクトロニクス・レターズ(Electroni
cs Letters)第20巻第21号(1984年
10月1)日号)第885頁ないし第887頁には、発
光波長1.47fm、測定スペクトル線幅3 MHzで
動作するレーザ発振構造が述べられている。真の発光ス
ペクトル線幅はIMtlzと推測される。この構造は、
リッジ導波路を用い、外部共振器を備えた分布帰還(D
FB)レーf素子を用いている。
しかし、レーザ発振構造の差異により特性が異なり、そ
の発光スベク[・ル線幅を予測することはできない。
半導体レーザ素子の発光スペクトル線幅を制御する因子
を評価しようとする注目すべき研究が行われた。チャー
ルズ・エイ千・ヘンリー(Charl、偽H0Henr
y)の論文、[半導体シー4ドの線幅の理論(Theo
ry of t、he Linetnidth of 
Sem1coriduetor La−5ers) J
 、JEEEジャーナJし・オフ゛・クウォン′タム・
エレクトロニクス(IHEE Journal of 
QuantumElectronics)第ロE−18
巻第2号(1982年2月)第259頁ないし第264
頁に、広がり項〔1+α2〕により発光スペクトル線幅
が制御されるという理論が述べられている。ここで、「
α」はレーザ活性材料の基本的な因子であり、「線幅増
大因子(1inewidth enhancement
 factor) Jと呼ばれている。
スペクトル線幅および線幅増大因子αが直接変調レーザ
素子における過渡的な波長チャーピングに影響すること
が示されている。
しかし、長波長レーザ素子では線幅増大因子αの大きさ
がかなり曖昧であることが知られている。
線幅増大因子αの値は、2.2ないし6.6の範囲で測
定され、推定されている。さらに、線幅増大因子αのレ
ーザ波長に対する系統的な依存性が報告されているが証
明はされていない。この系統的な効果については、ヘニ
ング(Henning)およびコリンズ(Collin
s)、[半導体レーザ線幅広がり因子(Measure
n+ent of tbe Sen+1conduct
or La5er Line−width Broad
ening Factor)j 、エレクトロニクス・
レターズ第19巻(1983年)第927頁ないし第9
29真に説明されている。
バハラ(K、Vahala)他、「半導体インジェクン
ヨンレーザにおける線幅増大因子(On the Li
newidtl+  Enhancement  Fa
ctor  in  Se+n1conductorI
njection La5ers)J 、−y’ブライ
ド・フィシで′ス・レターズ(^pplicd Phy
sics I、etters)第42巻第8号(198
3年4月15日)では、アンドーフ゛のガ1)つJ、ヒ
素において、励起周波数が高くなるにつ旧、て線幅増大
因子αが減少することを予測している。
〔発明が解決しようとする問題点〕
本発明は、放射光の線幅が十分に狭い半導体L・−ザ素
子を提供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の半導体レーザ素子は、半導体で構成、されたレ
ーザ発振構造と、この1ノ−ザ発振構造の発光波長を選
択する波長選択手段とを備えた半導体レーザ素子におい
て、上記波長選択手段は、しきい電流における利得が最
大の波長を最大利得波長λ1llaXとし、この最大利
得波長λ□、におけるスペクトル線幅増大因子をα、□
としたとき、上記最大利得波長λ□8より短くその線幅
増大因子αeが、 αe≦ 0.9α1.X となる発光波長に選択されたことを特徴とする。
波長選択手段は、線幅増大因子α3が、αe≦ 0.8
αmsx となる発光波長に選択されていることが望ましく、さら
には、 αe≦ 0.7 α□、 となる発光波長に選択されていることが望ましい。
〔作 用〕
本発明者等は、発光スペクトル線幅と動作波長との間の
関係を利用して、どのように実際の半導体レーザ素子を
設計するかを研究した。本発明により、光通信で有用な
半導体レーザ素子、特に発光波長が1.3趨および1.
55μmの半導体レーザ素子における発光スペクトル線
幅を特に狭めることができる。
〔実施例〕
第1図は本発明実施例半導体レーザ素子の斜視図である
。この図面では半導体レーザ素子の構造を概略的に示す
。
以下の説明では「上」、「下」というの用語を用いるが
、これらの用語は第1図における上下関係を示すもので
あり、実際の素子の方向を示すものではない。
第1図を参照すると、この半導体レーザ素子はヨーロッ
パ特許出願第85301599.8号に記載されたタイ
プの半導体レーザ素子であり、DF)3リツジ導波路レ
ーザ素子である。
基板1はイオウSを多量にドープしたn0型のインジウ
ムリンInPi板であり、その厚さは約100−である
。この基板1の(100)面上に、テルルTeをドープ
したn型のガリウムインジウムヒ素リンCaX I n
l−XA Sy Pl−yを0.15Jrrnの厚さに
成長させ、これを第一の閉じ込め層2とする。Xおよび
yの値は、ホトルミネッセンスにより測定したバンドギ
ャップが1.15μmの波長と等価になるように選択す
る。第一の閉じ込め層2の上には、不純物がドープされ
ていないガリウムインジウムヒ素リンCraXI nl
−1(A Sy P +−1’を0.15μmの厚さに
成長させ、これを活性層3とする。
Xおよびyの値は、バンドギャップが波長1 、667
−と等価になるように選択する。活性層3の上には、第
一の閉じ込め層2と同じ材料で第二の閉じ込め層4を成
長させる。
第二の閉じ込め層4には、電子ビーム露光で作成したマ
スクを用いて化学エツチングを行い、波型の分布帰還格
子9を形成する。この形成方法は、ウェストプルツク(
Wes tbrook) 他、エレクトロニクス・レタ
ーズ(Electronics Letters) 1
982年第18巻第863頁ないし第865頁に記載さ
れた方法を用いた。波型の背および溝は<1)0>方向
に沿って設けられ、溝の形状は三角形であり、溝の側壁
は(1)1) A面すなわち■属原子のサブラティスで
ある。分布帰還格子9の周期は475 r+mであり、
溝の深さは約170nmである。
分布帰還格子9の上にはりフジ導波路構造のリッジを設
ける。このリッジは、有機金属化学気相成長(MOCV
D)により、分布帰還格子9の完全性を保持しながら大
気圧で約1.5μmの厚さに成長させた亜鉛Znをドー
プした(p型)インジウムリン層5を含む。この成長方
法としては、ヨーロッパ特許出願第84300240.
3号およびネルリン(Nelson)他、エレクトロニ
クス・レターズ1983年第19巻第34頁ないし第3
6頁に記載された方法を用いる。インジウムリン層5の
上には、MOCVDにより、亜鉛Znを多量にドープし
た三元系材料層6を約0.1μmの厚さに成長させる。
この三元系材料層6の組成はI no、szG 30.
47A 3である。
最後に、三元系材料層6の上に、それぞれ約0.1μm
の厚さでチタン電極N7および金電極N8を設ける。ま
た、基板1の下側にはスズおよび金を蒸着して合金層を
形成し、これを電極層10とする。
リッジの幅は約6μmであり、この半導体レーザ素子の
全長は300−である。半導体レーザ素子の一方の端面
ば臂開面であり、他方の端面ば反射防止の処理が施され
ている。
リッジの両側には、チャネルによりリッジから分離され
て、半導体材料で形成された突起部1).12が設けら
れている。これらの突起部1).12の層構造はりフジ
とほぼ同一であるが、リッジの層構造に加えて電極層7
.8の下にシリカ層13を備える。
本実施例の半導体レーザ素子は、使用時には中心波長1
.55μmで発振し、出力が10mWのときのスペクト
ル線幅は約10MHzである。活性層3のバンドギャッ
プは、上述したように波長1.667 tnnと等価で
ある。分布帰還格子を備えていないファブリペロ−レー
ザ素子でこの材料を用いた場合には、しきい電流におい
て波長1.61amの利得が最大となる。
すなわち最大利得波長λwaxが1.61 tnaであ
る。
したがって、本実施例の半導体レーザ素子は、活性層3
の材料により定まる波長λ□、より約60nmだけ短い
波長で動作する。
半導体レーザ素子の構造を変更して発光スペクトル線幅
をより狭くすることもできる。例えば、半導体レーザ素
子の全長を800 J/1)に増加させた場合には、出
力101におけるスペクトル線幅をI MHzに削減す
ることができる。この場合にも波長λ1゜より60nm
だけ短い1.55IMの波長で動作させる。
以上説明した半導体レーザ素子は、シリカ製の光ファイ
バ等で使用するために、一つの最適波長、すなわち1.
55μmの波長で動作する構成であった。
他の波長、すなわち1.3 umで発振する半導体レー
ザ素子の場合には、 (i)活性層3に用いる四元系材料の組成を、バンドギ
ャップが1.452 tna (855meVと等価)
、最大利得波長λ□8が1.36uvaとなるように選
択し、(ii )分布帰還格子9が周期398nm 、
深さ142趨mの波型で構成される ように修正を施す。
この半導体レーザ素子を最大利得波長λ□、より60n
m短い波長で動作させる。レーザ発振構造の長さが30
0 μm+のときには、10mWの出力時に10MHz
のオーダの発光スペクトル線幅が得られる。レーザ発振
構造の長さを800趨にすると、10mW出力時の発光
スペクトル線幅は約I MHzに減少する。
以上の説明ではDFBレーザ素子に本発明を実施した場
合を例に説明したが、外部共振器または分布ブラッグ反
射器を使用しても同様に線幅増大因子αを削減すること
ができ、半導体レーザ素子の発光スペクトル線幅を狭め
ることができる。外部共振器および分布ブラッグ反射器
を半導体レーザ素子の発振波長の選択に使用でき、これ
を利用して最大利得波長λIIIIIXより短い波長を
発光波長として選択することにより本発明を同様に実施
できる。
さらに、それ自身が半導体レーザ素子の発光スペクトル
線幅を狭める構造を組み合わせ、最大利得波長λ1.X
より短い発光波長で動作させることにより、さらに発光
スペクトル線幅を狭めることができる。例えば、適当な
外部共振器を備えたDFBリッジ導波路レーザ素子では
、出力10mWにおける発光スペクトル線幅を100k
Hz以下にすることができる。
半導体レーザ素子の発光波長を選択するための構造は、
線幅増大因子αとは独立に発光スペクトル線幅に影響を
及ぼすことがあることに注意しなければならない。例え
ば、ミラーを備えた外部共振器を使用した場合には、外
部共振器内の放射光の往復径路が半導体レーザ素子内で
発振した放射光との位相ずれを引き起こす場合に、スペ
クトル線幅を大きく広げてしまう。
半導体レーザ素子の構造が同一で動作波長が異なる場合
には線幅増大因子αを推定することができる。電流■に
おけるモード利得Gの変化および共鳴波長λを測定する
ことにより、しきい電流以下のレーザ発光スペクトルに
おけるファブリペロ−共鳴から線幅増大因子αを求める
ことができる。
モード利得Gを決定する方法については、ハソキ()l
akki)およびパオリ (Paoli)、r GaA
sダブルへテロ構造インジェクションレーザにおける利
得スペクトル(Gain 5pectra in Ga
As Injection La−5ers) J 、
ジャーナル・オブ・アプライド・フィジクス(Jour
nal of Applied Physics) 1
975年第46巻第1299頁ないし第1306頁に説
明されている。
レーザ発振構造における活性層の反射率をn′ +jn
″ と表すと、線幅増大因子αは、 と定義される。
反射率の実部および虚部は、双方ともに注入されたキャ
リア密度Nの関数であり、線幅増大因子αは、 で与えられる。ここでgは材料利得であり、反射率の虚
数部n”に対して、 n”−λg/4π の関係がある。dG/dlおよびdλ/dIは、d g
 / d Nおよびdn’/dNにより、at    
     dN     dIで表される。ここで、C
はモード閉じ込め因子である。また、Tは群反射率であ
り、 で与えられる。Tの値は、通常は、ファブリペローモー
ド間隔Δλ、から、 λ2 の関係を用いて実験的に求めることができる。ここでL
は素子の長さである。(3)式および(4)弐に(2)
弐を代入して、 が得られる。
長さ190μmの同等な二つのインジウムガリウムヒ素
リン・リッジ導波路レーザ素子について測定を行った。
発光波長は両者とも1.53μva (0,81)eV
)であり、しきい電流は32mAであった。レーザ素子
の温度を熱電冷却器により20’C±0.05℃に保持
した。すべての測定をパルス発振(パルス幅500ナノ
秒、デエーティ比0.1%の周期)により実施し、L、
−−ザ素子に対する熱の影響を防止した。
λ= 1.49ないし1.5bna (0,791ない
し0.833eV)の波長範囲で測定した線幅増大因子
αの値の変化を第2図に示す。左側の縦軸は線幅増大因
子αを示シ2、右側の縦軸は、チャールズ・エイチ・ヘ
ンリイ(Charles tl、1lenry)が開示
した線幅法がり項〔1+α2〕を示す。42meVの光
子エネルギ範囲tごおける線幅増大因子αの値は、はぼ
α−3ないj−1)の範囲で変化し、以前に報告された
測定値のほぼすべてを包含している。
光子エネルギがバンドギャップのエネルギ0.791e
Vに近づくにつれて、線幅増大因子αが急速に増加する
。第2図に示した曲線から、最大利得波長λmix以下
の波長でこの半導体レーザ素子を動作させることが有利
であることがわがる。最大利得波長λ□、=0.81)
eVにおける線幅増大因子は、71)1m+1”5.1
である。0.87eVと等価な波長で動作させた場合に
は1、α=0.9α□、となる。動作波長をさらに短く
することにより、線幅増大因子αの値をさらに削減する
ことができ、例えば、0゜824.0.834eVに等
価な波長では、線幅増大因子αの値はそれぞれ0.8α
mixおよび0.7α□8に削減することができる。
上述したように、半導体レーザ素子の発光スペクトル線
幅は多くの因子に依存し、線幅増大因子αの削減の効果
は、半導体レーザ素子の構造または動作における他の因
子により非常に不明確になり、他の因子により相殺され
る場合もある。例えば、動作温度は発光スペクトル線幅
に強く影響を与え、温度が増加すると発光スペクトル線
幅が増加する。したがって、所望の発光スペクトル線幅
を得るためには、熱的に安定に動作する半導体レーザ素
子の構造を組み合わせることが望ましい。
発光放射光の波長が1.1ないし1.651)mの範囲
の場合には、そのレーザ発振構造をその最大利得波長λ
IIIIXより40ないし80nm、特に60nm短い
波長で動作させることが最適である。これにより、半導
体レーザ素子のしきい電流をそれほど大きくする必要な
しに、発光スペクトル線幅を大きく削減することができ
る。
レーザ発振構造を最大利得波長λ、、、X以下の波長で
動作させることにより、一般的に50%のオーダで発光
スペトル線幅を削減できる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明の半導体レーザ素子は、発
光スペクトル線幅が非常に狭く、ヘテロダイン検出また
はホモダイン検出等のコヒーレント検出を行うコヒーレ
ント通信の光源として最適である。本発明の半導体レー
ザ素子をコヒーレント通信に利用することにより、大容
量データ伝送が可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明実施例半導体レーザ素子の斜視図。 第2図は半導体レーザ素子の光子エネルギに対する線幅
増大因子αの値を示す図。 1・・・基板、2・・・閉じ込め層、3・・・活性層、
4・・・閉じ込め層、5・・・インジウムリン層、6・
・・三元系材料層、7・・・チタン電極層、8・・・金
電極層、9・・・分布帰還格子、10・・・電極層、1
).12・・・突起部、13・・・シリカ層。

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)半導体で構成されたレーザ発振構造と、このレー
    ザ発振構造の発光波長を選択する波長選択手段と を備えた半導体レーザ素子において、 上記波長選択手段は、しきい電流における利得が最大の
    波長を最大利得波長λ_m_a_xとし、この最大利得
    波長λ_m_a_xにおけるスペクトル線幅増大因子を
    α_m_a_xとしたとき、上記最大利得波長λ_m_
    a_xより短くその線幅増大因子α_eが、 α_e≦0.9α_m_a_x となる発光波長に選択された ことを特徴とする半導体レーザ素子。
  2. (2)波長選択手段は、線幅増大因子α_eが、α_e
    ≦0.8α_m_a_x となる発光波長に選択された特許請求の範囲第(1)項
    に記載の半導体レーザ素子。
  3. (3)波長選択手段は、線幅増大因子α_eが、α_e
    ≦0.7α_m_a_x となる発光波長に選択された特許請求の範囲第(1)項
    に記載の半導体レーザ素子。
  4. (4)波長選択手段は分布帰還格子を含む特許請求の範
    囲第(1)項ないし第(3)項のいずれかに記載の半導
    体レーザ素子。
  5. (5)波長選択手段は外部共振器を含む特許請求の範囲
    第(1)項ないし第(3)項のいずれかに記載の半導体
    レーザ素子。
  6. (6)発光波長は1.2ないし1.35μmの帯域の波
    長である特許請求の範囲第(1)項ないし第(5)項の
    いずれかに記載の半導体レーザ素子。
  7. (7)発光波長は1.48ないし1.65μmの帯域の
    波長である特許請求の範囲第(1)項ないし第(5)項
    のいずれかに記載の半導体レーザ素子。
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