JP3063355B2 - 半導体レーザ - Google Patents
半導体レーザInfo
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- Semiconductor Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】１．３μｍから１．６μｍの波長
で発振する半導体レーザは、光ファイバー通信用の光源
として極めて重要であり、数１０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ以上
の高速変調のできる半導体レーザの研究開発が期待され
ている。本発明は、そのような超高速の変調が可能な半
導体レーザに関する。
で発振する半導体レーザは、光ファイバー通信用の光源
として極めて重要であり、数１０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃ以上
の高速変調のできる半導体レーザの研究開発が期待され
ている。本発明は、そのような超高速の変調が可能な半
導体レーザに関する。
【０００２】光ファイバーの損失が小さい１．３μｍか
ら１．６μｍの波長で発振する、ＩｎＰ基板に格子整合
したＩｎXＧａ1-XＡｓ、ＩｎXＧａ1-XＡｓYＰ1-Y系の長
波長帯半導体レーザは、実際の光ファイバ通信システム
に用いられているが、近来、レーザ特性の向上の為に量
子井戸構造、さらには圧縮歪量子井戸構造を活性層に用
いる検討が多くの研究機関で行われている（例えば、
Ｐ．Ｊ．Ａ．Ｔｈｉｊｓほか、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、
ｖｏｌ．２７、ＮＯ．６、１４２６から１４３９頁（１
９９１年））。図４は、従来の圧縮歪多重量子井戸半導
体レーザ結晶の層構造を示す。図４において、半導体レ
ーザ結晶は、ｎ型ＩｎＰ基板２０、ｎ型ＩｎＰクラッド
層２１、バンドギャップ波長１．２５μｍのＩｎＧａＡ
ｓＰガイド層２２、層厚２．５ｎｍのＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａ
ｓ量子井戸層２３と層厚１５ｎｍ、バンドギャップ波長
１．２５μｍのＩｎＧａＡｓＰバリア層２４とを交互に
積層した多重量子井戸活性層と、バンドギャップ波長
１．２５μｍのＩｎＧａＡｓＰガイド層２５、ｐ型Ｉｎ
Ｐクラッド層２６、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ
層２７とから構成されている。これらの半導体層は、Ｉ
ｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ量子井戸層２３を除いて全てｎ型Ｉｎ
Ｐ基板２０に格子整合している。Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ量
子井戸層２３は、ｎ型ＩｎＰ基板２０より格子定数が大
きく、１．１％の圧縮歪がかかっている。無歪量子井戸
に比べて、圧縮歪量子井戸は最低次ホールサブバンドの
有効質量の小さいエネルギー領域が広く、バンドの実効
的な状態密度が小さくなる。この結果、圧縮歪量子井戸
半導体レーザでは、無歪量子井戸半導体レーザに比べ
て、発振閾値が低く、微分利得が大きいといった優れた
特性が得られている。
ら１．６μｍの波長で発振する、ＩｎＰ基板に格子整合
したＩｎXＧａ1-XＡｓ、ＩｎXＧａ1-XＡｓYＰ1-Y系の長
波長帯半導体レーザは、実際の光ファイバ通信システム
に用いられているが、近来、レーザ特性の向上の為に量
子井戸構造、さらには圧縮歪量子井戸構造を活性層に用
いる検討が多くの研究機関で行われている（例えば、
Ｐ．Ｊ．Ａ．Ｔｈｉｊｓほか、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａ
ｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、
ｖｏｌ．２７、ＮＯ．６、１４２６から１４３９頁（１
９９１年））。図４は、従来の圧縮歪多重量子井戸半導
体レーザ結晶の層構造を示す。図４において、半導体レ
ーザ結晶は、ｎ型ＩｎＰ基板２０、ｎ型ＩｎＰクラッド
層２１、バンドギャップ波長１．２５μｍのＩｎＧａＡ
ｓＰガイド層２２、層厚２．５ｎｍのＩｎ0.7Ｇａ0.3Ａ
ｓ量子井戸層２３と層厚１５ｎｍ、バンドギャップ波長
１．２５μｍのＩｎＧａＡｓＰバリア層２４とを交互に
積層した多重量子井戸活性層と、バンドギャップ波長
１．２５μｍのＩｎＧａＡｓＰガイド層２５、ｐ型Ｉｎ
Ｐクラッド層２６、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇａ0.47Ａｓキャップ
層２７とから構成されている。これらの半導体層は、Ｉ
ｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ量子井戸層２３を除いて全てｎ型Ｉｎ
Ｐ基板２０に格子整合している。Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ量
子井戸層２３は、ｎ型ＩｎＰ基板２０より格子定数が大
きく、１．１％の圧縮歪がかかっている。無歪量子井戸
に比べて、圧縮歪量子井戸は最低次ホールサブバンドの
有効質量の小さいエネルギー領域が広く、バンドの実効
的な状態密度が小さくなる。この結果、圧縮歪量子井戸
半導体レーザでは、無歪量子井戸半導体レーザに比べ
て、発振閾値が低く、微分利得が大きいといった優れた
特性が得られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】半導体レーザの最大変
調周波数ｆT は、応答が３ｄＢ劣化する周波数である
が、半導体レーザの容量、抵抗から決まる電子回路の遮
断周波数を除外した活性層材料固有の最大変調周波数
は、Ｋファクタと呼ばれるパラメータと ｆT ＝２3/2π／Ｋ （１） の関係があり、Ｋファクタは、 Ｋ＝４π2 （τP ＋ε／（ｄｇ／ｄＮ）） （２） の式で、フォトンライフタイムτP 、非線形利得係数
ε、微分利得ｄｇ／ｄＮと関係づけられ、Ｋファクタを
小さくするのが半導体レーザの高速化につながる。フォ
トンライフタイムは共振器長を短くすると小さくなり、
非線形利得係数は短共振器領域ではほぼ一定である為、
微分利得を大きくするのが高速化に必要である。この観
点からすると、圧縮歪量子井戸半導体レーザは、無歪量
子井戸半導体レーザよりも高速化できることになる。し
かしながら、従来技術の圧縮歪量子井戸半導体レーザで
は、活性層材料固有の最大変調周波数は４０ＧＨｚ程度
が限度である。
調周波数ｆT は、応答が３ｄＢ劣化する周波数である
が、半導体レーザの容量、抵抗から決まる電子回路の遮
断周波数を除外した活性層材料固有の最大変調周波数
は、Ｋファクタと呼ばれるパラメータと ｆT ＝２3/2π／Ｋ （１） の関係があり、Ｋファクタは、 Ｋ＝４π2 （τP ＋ε／（ｄｇ／ｄＮ）） （２） の式で、フォトンライフタイムτP 、非線形利得係数
ε、微分利得ｄｇ／ｄＮと関係づけられ、Ｋファクタを
小さくするのが半導体レーザの高速化につながる。フォ
トンライフタイムは共振器長を短くすると小さくなり、
非線形利得係数は短共振器領域ではほぼ一定である為、
微分利得を大きくするのが高速化に必要である。この観
点からすると、圧縮歪量子井戸半導体レーザは、無歪量
子井戸半導体レーザよりも高速化できることになる。し
かしながら、従来技術の圧縮歪量子井戸半導体レーザで
は、活性層材料固有の最大変調周波数は４０ＧＨｚ程度
が限度である。
【０００４】本発明の目的は、従来技術と同様な材料系
を用いて、更に高速な変調が可能な半導体レーザを提供
することにある。
を用いて、更に高速な変調が可能な半導体レーザを提供
することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の半導体レーザに
おいては、ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓＰバリア層と
Ｉｎ X Ｇａ 1-X Ａｓ量子井戸層とを交互に積層してなる多
重量子井戸活性層を、Ｐ型クラッド層およびＮ型クラッ
ド層で挟んで構成される半導体レーザにおいて、前記量
子井戸層のＩｎ組成Ｘが０．４以下であり、かつ前記バ
リア層のバンドギャップ波長が１．１５μｍ以下であ
り、かつ前記量子井戸層に変調ｐドーピングが施されて
いることを特徴とする。
おいては、ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓＰバリア層と
Ｉｎ X Ｇａ 1-X Ａｓ量子井戸層とを交互に積層してなる多
重量子井戸活性層を、Ｐ型クラッド層およびＮ型クラッ
ド層で挟んで構成される半導体レーザにおいて、前記量
子井戸層のＩｎ組成Ｘが０．４以下であり、かつ前記バ
リア層のバンドギャップ波長が１．１５μｍ以下であ
り、かつ前記量子井戸層に変調ｐドーピングが施されて
いることを特徴とする。
【０００６】
【作用】本発明の半導体レーザにおいては、引っ張り歪
量子井戸を用いるので、光学遷移の振動子強度が圧縮歪
の場合より大きくなる。価電子帯状態密度は増加する
が、これによる微分利得の低下を量子井戸に変調ｐドー
プによって補償する。これら２つの結果、圧縮歪量子井
戸半導体レーザと同等以上の微分利得を持った半導体レ
ーザが得られる。但し、この場合は電子に対する量子井
戸効果を得るためにバリア層バンドギャップ波長を１．
１５μｍ以下とする。
量子井戸を用いるので、光学遷移の振動子強度が圧縮歪
の場合より大きくなる。価電子帯状態密度は増加する
が、これによる微分利得の低下を量子井戸に変調ｐドー
プによって補償する。これら２つの結果、圧縮歪量子井
戸半導体レーザと同等以上の微分利得を持った半導体レ
ーザが得られる。但し、この場合は電子に対する量子井
戸効果を得るためにバリア層バンドギャップ波長を１．
１５μｍ以下とする。
【０００７】
【０００８】
【実施例】図１は、本発明の引っ張り歪量子井戸半導体
レーザの層構造を示す断面図である。
レーザの層構造を示す断面図である。
【０００９】
【００１０】図１において、半導体レーザ結晶は、ｎ型
ＩｎＰ基板９、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０、バンドギャ
ップ波長０．９５μｍのＩｎＧａＡｓＰガイド層１１、
層厚１０ｎｍのＩｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓ量子井戸層１２とバ
リア層１６とを交互に積層した多重量子井戸活性層と、
バンドギャップ波長０．９５μｍのＩｎＧａＡｓＰガイ
ド層１７、ｐ型ＩｎＰクラッド層１８、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇ
ａ0.47Ａｓキャップ層１９とから構成されている。バリ
ア層１６は、層厚２ｎｍでバンドギャップ波長０．９５
μｍのＩｎＧａＡｓＰ層１３と、層厚６ｎｍでバンドギ
ャップ波長０．９５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４
と、層厚２ｎｍでバンドギャップ波長０．９５μｍのＩ
ｎＧａＡｓＰ層１５との３つの半導体層からなる。これ
らの半導体層は、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓ量子井戸層１２を
除いて全てｎ型ＩｎＰ基板９に格子整合している。Ｉｎ
0.3Ｇａ0.7Ａｓ量子井戸層１２は、ｎ型ＩｎＰ基板９よ
りも格子定数が小さく、１．６％の引っ張り歪がかかっ
ている。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４から量子井戸
層１２にホールが供給される変調ｐドープ構造になって
いる。発振波長は１．４２μｍである。
ＩｎＰ基板９、ｎ型ＩｎＰクラッド層１０、バンドギャ
ップ波長０．９５μｍのＩｎＧａＡｓＰガイド層１１、
層厚１０ｎｍのＩｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓ量子井戸層１２とバ
リア層１６とを交互に積層した多重量子井戸活性層と、
バンドギャップ波長０．９５μｍのＩｎＧａＡｓＰガイ
ド層１７、ｐ型ＩｎＰクラッド層１８、ｐ型Ｉｎ0.53Ｇ
ａ0.47Ａｓキャップ層１９とから構成されている。バリ
ア層１６は、層厚２ｎｍでバンドギャップ波長０．９５
μｍのＩｎＧａＡｓＰ層１３と、層厚６ｎｍでバンドギ
ャップ波長０．９５μｍのｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４
と、層厚２ｎｍでバンドギャップ波長０．９５μｍのＩ
ｎＧａＡｓＰ層１５との３つの半導体層からなる。これ
らの半導体層は、Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓ量子井戸層１２を
除いて全てｎ型ＩｎＰ基板９に格子整合している。Ｉｎ
0.3Ｇａ0.7Ａｓ量子井戸層１２は、ｎ型ＩｎＰ基板９よ
りも格子定数が小さく、１．６％の引っ張り歪がかかっ
ている。また、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層１４から量子井戸
層１２にホールが供給される変調ｐドープ構造になって
いる。発振波長は１．４２μｍである。
【００１１】
【発明の効果】本発明の半導体レーザにおいては、引っ
張り歪量子井戸を用いたので、ライトホールバンドが基
底ホールバンドになり、ヘビーホールバンドがこれに対
してエネルギ一が低くなる。このエネルギー間隔は引っ
張り歪量の増大とともに大きくなっていく。量子井戸束
縛効果は、この場合もライトホールサブバンドとヘビー
ホールサブバンドを分裂させるが、ライトホールの方が
量子井戸束縛に対する有効質量が小さいため、ある程度
量子井戸層厚を大きくしないとライトホールサブバンド
の方がヘビーホールサブバンドよりもエネルギーが低く
なってしまう。ライトホールサブバンドが基底サブバン
ドの場合は、ホールの有効質量が圧縮歪量子井戸の場合
に比べて６−８倍程度大きいが、電子−ライトホール遷
移の最大方向の振動子強度は電子−ヘビーホール遷移の
最大方向の振動子強度よりも４／３倍大きいという利点
がある。図２は、多重量子井戸周期数に対する微分利得
の変化を表したもので、共振器長３００μｍの１．４−
１．５μｍ帯引っ張り歪多重量子井戸半導体レーザの微
分利得を計算したものである。ここで、横軸は多重量子
井戸でのレーザ光の閉じ込め係数Γである。図２にはＩ
ｎ組成Ｘ＝０．４（０．．９％引っ張り歪）量子井戸の
場合と、Ｘ＝０．３（１．６％の引っ張り歪）量子井戸
の場合とについて、２種類のバリア層バンドギャップ波
長の場合について示してある。Ｘの減少とともに量子井
戸とバリア層の間の伝導帯バンド不連続が小さくなって
いくため、バリア層バンドギャップをＸの減少とともに
大きくしなければ、電子が量子井戸に束縛されなくな
る。Ｘ＝０．４の場合は、バリア層バンドギャップ波長
は１．１５μｍ程度以下、Ｘ＝０．３の場合は０．９５
μｍ程度以下にする必要がある。図２において、Ｘ＝
０．３の方がＸ＝０．４の場合に比べて微分利得が大き
いことがわかる。この引っ張り歪量子井戸を用いた半導
体レーザの微分利得は、圧縮歪量子井戸レーザの場合の
最大の微分利得に比べれば小さい。図３に、共振器長３
００μｍの、量子井戸に変調ｐドープを行ったＸ＝０．
３引っ張り歪量子井戸／バリア層バンドギャップ波長
０．９５μｍの半導体レーザの微分利得を計算した結果
を示す。図３において、横軸は多重量子井戸でのレーザ
光の閉し込め係数Γである。量子井戸での変調ｐドープ
濃度が０ｃｍ -2 、２×１０ 12 ｃｍ -2 、８×１０ 12 ｃｍ -2
の３つの場合について示した。変調ｐドープ濃度の増大
とともに微分利得が上昇することがわかる。ｐ濃度２×
１０ 12 ｃｍ -2 の場合は圧縮歪量子井戸レーザの微分利得
の最大値と同程度に、さらにｐ濃度８×１０ 12 ｃｍ -2 の
場合はそれ以上となる。本実施例の半導体レーザは、図
３の変調ｐドープした場合に相当し、圧縮歪量子井戸半
導体レーザと同等以上の微分利得を持ち、これと同等以
上の高速変調が司能である。
張り歪量子井戸を用いたので、ライトホールバンドが基
底ホールバンドになり、ヘビーホールバンドがこれに対
してエネルギ一が低くなる。このエネルギー間隔は引っ
張り歪量の増大とともに大きくなっていく。量子井戸束
縛効果は、この場合もライトホールサブバンドとヘビー
ホールサブバンドを分裂させるが、ライトホールの方が
量子井戸束縛に対する有効質量が小さいため、ある程度
量子井戸層厚を大きくしないとライトホールサブバンド
の方がヘビーホールサブバンドよりもエネルギーが低く
なってしまう。ライトホールサブバンドが基底サブバン
ドの場合は、ホールの有効質量が圧縮歪量子井戸の場合
に比べて６−８倍程度大きいが、電子−ライトホール遷
移の最大方向の振動子強度は電子−ヘビーホール遷移の
最大方向の振動子強度よりも４／３倍大きいという利点
がある。図２は、多重量子井戸周期数に対する微分利得
の変化を表したもので、共振器長３００μｍの１．４−
１．５μｍ帯引っ張り歪多重量子井戸半導体レーザの微
分利得を計算したものである。ここで、横軸は多重量子
井戸でのレーザ光の閉じ込め係数Γである。図２にはＩ
ｎ組成Ｘ＝０．４（０．．９％引っ張り歪）量子井戸の
場合と、Ｘ＝０．３（１．６％の引っ張り歪）量子井戸
の場合とについて、２種類のバリア層バンドギャップ波
長の場合について示してある。Ｘの減少とともに量子井
戸とバリア層の間の伝導帯バンド不連続が小さくなって
いくため、バリア層バンドギャップをＸの減少とともに
大きくしなければ、電子が量子井戸に束縛されなくな
る。Ｘ＝０．４の場合は、バリア層バンドギャップ波長
は１．１５μｍ程度以下、Ｘ＝０．３の場合は０．９５
μｍ程度以下にする必要がある。図２において、Ｘ＝
０．３の方がＸ＝０．４の場合に比べて微分利得が大き
いことがわかる。この引っ張り歪量子井戸を用いた半導
体レーザの微分利得は、圧縮歪量子井戸レーザの場合の
最大の微分利得に比べれば小さい。図３に、共振器長３
００μｍの、量子井戸に変調ｐドープを行ったＸ＝０．
３引っ張り歪量子井戸／バリア層バンドギャップ波長
０．９５μｍの半導体レーザの微分利得を計算した結果
を示す。図３において、横軸は多重量子井戸でのレーザ
光の閉し込め係数Γである。量子井戸での変調ｐドープ
濃度が０ｃｍ -2 、２×１０ 12 ｃｍ -2 、８×１０ 12 ｃｍ -2
の３つの場合について示した。変調ｐドープ濃度の増大
とともに微分利得が上昇することがわかる。ｐ濃度２×
１０ 12 ｃｍ -2 の場合は圧縮歪量子井戸レーザの微分利得
の最大値と同程度に、さらにｐ濃度８×１０ 12 ｃｍ -2 の
場合はそれ以上となる。本実施例の半導体レーザは、図
３の変調ｐドープした場合に相当し、圧縮歪量子井戸半
導体レーザと同等以上の微分利得を持ち、これと同等以
上の高速変調が司能である。
【００１２】
【００１３】以上の効果により、本発明の半導体レーザ
では、従来例の半導体レーザに比べてより高速の変調が
可能である。
では、従来例の半導体レーザに比べてより高速の変調が
可能である。
【図１】 本発明の引っ張り歪量子井戸半導体レーザの
層構造を示す断面図。
層構造を示す断面図。
【図２】 Ｉｎ X Ｇａ 1-X Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ引っ張り
歪量子井戸半導体レーザの微分利得の、光閉じ込め係
数、Ｉｎ組成Ｘ及びＩｎＧａＡｓＰバリア層バンドギャ
ップ波長依存性を示す特性図。
歪量子井戸半導体レーザの微分利得の、光閉じ込め係
数、Ｉｎ組成Ｘ及びＩｎＧａＡｓＰバリア層バンドギャ
ップ波長依存性を示す特性図。
【図３】 Ｉｎ 0.3 Ｇａ 0.7 Ａｓ／ＩｎＧａＡｓＰ引っ張
り歪量子井戸半導体レーザの微分利得の、光閉じ込め係
数及び変調ｐドーピング量依存性（バリア層バンドギャ
ップ波長０．９５μｍ）を示す特性図。
り歪量子井戸半導体レーザの微分利得の、光閉じ込め係
数及び変調ｐドーピング量依存性（バリア層バンドギャ
ップ波長０．９５μｍ）を示す特性図。
【図４】 従来例の半導体レーザ結晶の層構造を示す断
面図。
面図。
【符号の説明】９、２０ ｎ型ＩｎＰ基板 １０、２１ ｎ型ＩｎＰクラッド層 １１ ０．９５μｍ波長ＩｎＧａＡｓＰガイド層 １２ Ｉｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓ量子井戸層 １３、１５ ０．９５μｍ波長ＩｎＧａＡｓＰバリア層 １４ ０．９５μｍ波長ｐ型ＩｎＧａＡｓＰバリア層 １６ バリア層１７ ０．９５μｍ波長ＩｎＧａＡｓＰバリア層 １８、２６ ｐ型ＩｎＰクラッド層 １９、２７ ｐ型Ｉｎ 0.53 Ｇａ 0.47 Ａｓキャップ層 ２２、２５ １．２５μｍ波長ＩｎＧａＡｓＰガイド層 ２３ Ｉｎ0.7Ｇａ0.3Ａｓ量子井戸層 ２４ １．２５μｍ波長ＩｎＧａＡｓＰバリア層
Claims (1)
- 【請求項１】 ＩｎＰ基板上に、ＩｎＧａＡｓＰバリア
層とＩｎ X Ｇａ 1-X Ａｓ量子井戸層とを交互に積層してな
る多重量子井戸活性層を、Ｐ型クラッド層およびＮ型ク
ラッド層で挟んで構成される半導体レーザにおいて、前
記量子井戸層のＩｎ組成Ｘが０．４以下であり、かつ前
記バリア層のバンドギャップ波長が１．１５μｍ以下で
あり、かつ前記量子井戸層に変調ｐドーピングが施され
ていることを特徴とする半導体レーザ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4031585A JP3063355B2 (ja) | 1992-01-22 | 1992-01-22 | 半導体レーザ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4031585A JP3063355B2 (ja) | 1992-01-22 | 1992-01-22 | 半導体レーザ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05198891A JPH05198891A (ja) | 1993-08-06 |
| JP3063355B2 true JP3063355B2 (ja) | 2000-07-12 |
Family
ID=12335271
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4031585A Expired - Fee Related JP3063355B2 (ja) | 1992-01-22 | 1992-01-22 | 半導体レーザ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3063355B2 (ja) |
-
1992
- 1992-01-22 JP JP4031585A patent/JP3063355B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05198891A (ja) | 1993-08-06 |
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