JPH0621578A - Semiconductor integrated modulation light source device - Google Patents
Semiconductor integrated modulation light source deviceInfo
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- JPH0621578A JPH0621578A JP17400092A JP17400092A JPH0621578A JP H0621578 A JPH0621578 A JP H0621578A JP 17400092 A JP17400092 A JP 17400092A JP 17400092 A JP17400092 A JP 17400092A JP H0621578 A JPH0621578 A JP H0621578A
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
- H01S5/0265—Intensity modulators
Landscapes
- Semiconductor Lasers (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 半導体集積化変調光源装置に関し、従来より
高速動作可能な半導体集積化変調光源装置を提供する。
【構成】 半導体レーザ部(DFBレーザ部1)および
この半導体レーザ部(1)の出射光を強度変調する光変
調器部(4)がモノリシックに集積化され、この半導体
レーザ部(1)の活性層(2)として井戸層に面内引っ
張り歪みが加わっている量子井戸構造が用いられ、か
つ、光変調器部(4)の活性層(光吸収層5)として、
歪みの有無、あるいは、その方向、向きを問わない、量
子井戸構造が用いられている。この場合、InP基板を
用い、半導体レーザ部(1)および光変調器部(4)の
活性層を構成する量子井戸構造の井戸層にIn1-x Ga
x As(1≧x≧0.47)、In1-x Gax As1-y
Py (xとyは、0.1894y−0.4184x+
0.0130xy+5.8696〔Å〕≦5.8687
Åを満足する範囲)を用いることができる。
(57) [Summary] [Object] To provide a semiconductor integrated modulation light source device capable of operating at higher speed than ever before. A semiconductor laser section (DFB laser section 1) and an optical modulator section (4) for intensity-modulating the emitted light of the semiconductor laser section (1) are monolithically integrated, and the semiconductor laser section (1) is activated. A quantum well structure in which in-plane tensile strain is applied to the well layer is used as the layer (2), and the active layer (light absorbing layer 5) of the optical modulator section (4) is
A quantum well structure is used regardless of the presence / absence of strain or its direction. In this case, an InP substrate is used, and In 1-x Ga is used as the well layer of the quantum well structure forming the active layers of the semiconductor laser section (1) and the optical modulator section (4).
x As (1 ≧ x ≧ 0.47), In 1-x Ga x As 1 -y
P y (x and y are 0.1894y−0.4184x +
0.0130xy + 5.8696 [Å] ≤ 56887
The range that satisfies Å) can be used.
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、半導体集積化変調光源
装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor integrated modulation light source device.
【0002】[0002]
【従来の技術】半導体レーザ部と光を強度変調する光変
調器部をモノリシックに集積化した半導体集積化変調光
源装置は、光通信等の技術分野において、高速動作を達
成する光変調装置として有望視されており、鋭意研究開
発が進められている。2. Description of the Related Art A semiconductor integrated modulation light source device in which a semiconductor laser section and an optical modulator section for intensity-modulating light are monolithically integrated is promising as an optical modulator for achieving high-speed operation in the technical field of optical communication and the like. It is being watched, and the research and development are underway.
【0003】図1は、半導体集積化変調光源装置の模式
的構成説明図である。この図において、1はDFBレー
ザ部、2は活性層、3は高抵抗InP埋め込み層、4は
光変調器部、5光吸収層である。FIG. 1 is a schematic structural explanatory view of a semiconductor integrated modulation light source device. In this figure, 1 is a DFB laser section, 2 is an active layer, 3 is a high resistance InP buried layer, 4 is an optical modulator section, and 5 is a light absorption layer.
【0004】この図に示された半導体集積化変調光源装
置においては、DFBレーザ部1の高抵抗InP埋め込
み層3によって画定された活性層2に順バイアス電圧を
印加して電流を流し、レーザ発振を起こさせる。In the semiconductor integrated modulation light source device shown in this figure, a forward bias voltage is applied to the active layer 2 defined by the high-resistance InP buried layer 3 of the DFB laser section 1 to cause a current to flow, and laser oscillation is performed. Wake up.
【0005】そして、このレーザ光は、このDFBレー
ザ部1の活性層と光軸を合わせてモノリシックに形成さ
れた光変調器部4の光吸収層5に導かれ、この光変調器
部4に印加された逆バイアス電圧をオンオフすることに
よって、DFBレーザ部1から出射した光を強度変調し
て外部に変調光として放出するようになっている。Then, the laser light is guided to the light absorption layer 5 of the optical modulator portion 4 formed monolithically with the optical axis aligned with the active layer of the DFB laser portion 1, and is guided to the optical modulator portion 4. By turning on and off the applied reverse bias voltage, the light emitted from the DFB laser unit 1 is intensity-modulated and is emitted to the outside as modulated light.
【0006】図2は、光変調器部の光変調原理説明図で
ある。この図は、光吸収層に逆バイアス電圧をオンした
場合(破線)とオフした場合(実線)の光吸収スペクト
ルを示している。FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of light modulation in the light modulator section. This figure shows light absorption spectra when the reverse bias voltage is turned on (broken line) and when it is turned off (solid line) in the light absorption layer.
【0007】光変調器部の光吸収層に印加する逆バイア
ス電圧をオフした場合は、光吸収スペクトルは入射エネ
ルギーの平方根に比例して増加する(図2の実線参
照)。ところが、この光吸収層に加える逆バイアス電圧
を上昇していくと、光吸収スペクトルは次第に低エネル
ギー側(図の左側)に裾をひくようになる(フランツケ
ルディッシュ効果、図2の破線参照)。When the reverse bias voltage applied to the light absorption layer of the optical modulator section is turned off, the light absorption spectrum increases in proportion to the square root of the incident energy (see the solid line in FIG. 2). However, when the reverse bias voltage applied to the light absorption layer is increased, the light absorption spectrum gradually tails to the low energy side (left side of the figure) (Franzkeldish effect, see broken line in FIG. 2). .
【0008】したがって、図2の実線の光吸収係数が低
くなるエネルギー領域(矢印)にDFBレーザ部の発振
波長がくるように設定すると、光変調器部の光吸収層に
印加する逆バイアスをオフするとレーザ光の光吸収係数
が小さくなり、逆バイアスをオンするとレーザ光の光吸
収係数が大きくなるから、光変調器部の光吸収層に印加
する逆バイアス電圧をオンオフすることによってレーザ
光を強度変調することが可能になる。Therefore, when the oscillation wavelength of the DFB laser section is set to fall within the energy region (arrow) where the solid line light absorption coefficient in FIG. 2 is low, the reverse bias applied to the light absorption layer of the optical modulator section is turned off. Then, the light absorption coefficient of the laser light becomes small, and when the reverse bias is turned on, the light absorption coefficient of the laser light becomes large.Therefore, by turning on / off the reverse bias voltage applied to the light absorption layer of the optical modulator section, the intensity of the laser light is increased. It becomes possible to modulate.
【0009】この際、高速変調の限界を決める要因の一
つは、逆バイアス電圧がオンしてから光変調部の光吸収
層に電界が加わるまでの時間、すなわち、回路のCR時
定数である。現在、図1に示されるように、活性層2で
ある導波路の回りを高抵抗InP埋め込み層3によって
埋め込んで、この部分の寄生容量を小さく抑えることに
よって、この要因はほぼ取り除かれている。At this time, one of the factors that determines the limit of high-speed modulation is the time from when the reverse bias voltage is turned on until the electric field is applied to the light absorption layer of the light modulation section, that is, the CR time constant of the circuit. . At present, as shown in FIG. 1, the high resistance InP burying layer 3 is embedded around the waveguide which is the active layer 2 to suppress the parasitic capacitance of this portion to be small, thereby substantially eliminating this factor.
【0010】[0010]
【発明が解決しようとする課題】そして、実際には、変
調速度の限界を決めているのは、吸収層にパルス状の逆
バイアス電圧を加える外部回路の変調速度である。そこ
で、外部回路への負担を可能な限り低減して、より高速
動作可能な集積化半導体変調光源を得るためには、光吸
収層の動作電圧をより低減することが課題となってい
る。In practice, what limits the modulation rate is the modulation rate of the external circuit that applies a pulse-like reverse bias voltage to the absorption layer. Therefore, in order to reduce the load on the external circuit as much as possible and obtain an integrated semiconductor modulation light source that can operate at a higher speed, it is an issue to further reduce the operating voltage of the light absorption layer.
【0011】本発明は、従来の集積化半導体変調光源に
比べて、より低い電圧で高速動作可能な集積化半導体変
調光源を提供することを目的とする。It is an object of the present invention to provide an integrated semiconductor modulation light source which can operate at high speed with a lower voltage as compared with the conventional integrated semiconductor modulation light source.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明にかかる半導体集
積化変調光源装置においては、上記の目的を達成するた
め、半導体レーザ部および該半導体レーザ部の出射光を
強度変調する光変調器部をモノリシックに集積化し、こ
の半導体レーザ部の活性層として井戸層に面内引っ張り
歪みが加わっている量子井戸構造を用い、かつ、この光
変調器部の活性層として量子井戸構造を用いる構成を採
用している。In the semiconductor integrated modulation light source device according to the present invention, in order to achieve the above object, a semiconductor laser section and an optical modulator section for intensity-modulating the light emitted from the semiconductor laser section are provided. Monolithically integrated, the quantum well structure in which the in-plane tensile strain is applied to the well layer is used as the active layer of this semiconductor laser section, and the quantum well structure is used as the active layer of this optical modulator section. ing.
【0013】そしてこの場合、InP基板を用い、半導
体レーザ部および光変調器部の活性層を構成する量子井
戸構造の井戸層に、In1-x Gax As(1≧x≧0.
47)を用いることができる。In this case, the In 1 -x Ga x As (1 ≧ x ≧ 0..0) is formed in the well layer of the quantum well structure forming the active layer of the semiconductor laser section and the optical modulator section using the InP substrate.
47) can be used.
【0014】また、この場合、InP基板を用い、半導
体レーザ部および光変調器部の活性層を構成する量子井
戸構造の井戸層に、In1-x Gax As1-y Py を用い
ることができる。この組成範囲は、a(x,y)=0.
1894y−0.4184x+0.0130xy+5.
8696〔Å〕で、a(x,y)≦5.8687Åを満
足するx,yである。In this case, the InP substrate is used, and In 1-x Ga x As 1-y P y is used for the well layer of the quantum well structure which constitutes the active layer of the semiconductor laser section and the optical modulator section. You can This composition range is a (x, y) = 0.
1894y-0.4184x + 0.0130xy + 5.
In 8696 [Å], x and y satisfy a (x, y) ≦ 5.88687Å.
【0015】[0015]
【作用】集積化変調光源装置の動作電圧を低下させる方
法として、下記の2つの方向が考えられる。The following two directions can be considered as a method of lowering the operating voltage of the integrated modulation light source device.
【0016】集積化変調光源装置の動作電圧を低下させ
る第1の方法は、図2におけるレーザ発振波長(→印)
と、光変調器部の光吸収層の逆バイアス電圧オフでの光
吸収特性(実線)の光吸収端をできるだけ近づけること
である。ところが、この方法によると、レーザ光は吸収
層が逆バイアス電圧オフの状態でも、光吸収特性の裾に
よってある程度吸収されるため、それだけレーザ部の出
力を大きくして吸収損を補う必要がある。The first method for lowering the operating voltage of the integrated modulation light source device is the laser oscillation wavelength (→ mark) in FIG.
And the light absorption edge of the light absorption characteristics (solid line) of the light absorption layer of the optical modulator section when the reverse bias voltage is off. However, according to this method, the laser light is absorbed to some extent by the skirt of the light absorption characteristic even when the reverse bias voltage is off in the absorption layer. Therefore, it is necessary to increase the output of the laser portion to compensate the absorption loss.
【0017】集積化変調光源装置の動作電圧を低下させ
る第2の方法は、光変調器部の光吸収特性の波長に対す
る変化を急激にし、逆バイアス電圧による光吸収係数の
変化率を大きくすることである。A second method of lowering the operating voltage of the integrated modulation light source device is to make the change of the light absorption characteristic of the optical modulator section with respect to the wavelength abrupt and increase the rate of change of the light absorption coefficient by the reverse bias voltage. Is.
【0018】したがって、レーザ部の光出力を大きく
し、光変調器部の光吸収特性の波長に対する変化を急激
にし、逆バイアス電圧による光吸収係数の変化率を大き
くすると、集積化変調光源装置の動作を高速化すること
ができる。Therefore, if the optical output of the laser section is increased, the change of the optical absorption characteristic of the optical modulator section with respect to the wavelength is made rapid, and the rate of change of the optical absorption coefficient by the reverse bias voltage is increased, the integrated modulation light source device The operation can be speeded up.
【0019】ここで、光源としてのレーザ部の出力を大
きくするために、活性層として引っ張り歪みを加えた量
子井戸構造の原理を説明する。半導体量子井戸構造は、
一般に半導体レーザ装置の活性層として従来から広く利
用されている。Here, the principle of the quantum well structure in which tensile strain is added as the active layer in order to increase the output of the laser section as the light source will be described. The semiconductor quantum well structure is
Generally, it has been widely used as an active layer of a semiconductor laser device.
【0020】図3は、半導体レーザ装置の量子井戸構造
のバンド構造図である。この図において、11,19は
クラッド層、12,14,16,18は井戸層、13,
15,17は障壁層、EC は伝導帯、EV は価電子帯、
LZ は井戸層の幅、LB は障壁層の幅である。FIG. 3 is a band structure diagram of the quantum well structure of the semiconductor laser device. In this figure, 11, 19 are cladding layers, 12, 14, 16, 18 are well layers, 13,
15, 17 are barrier layers, E C is the conduction band, E V is the valence band,
L Z is the width of the well layer, and L B is the width of the barrier layer.
【0021】この半導体レーザ装置の量子井戸構造は、
このバンド構造図に示されているように、クラッド層1
1,19の間に、井戸層の幅LZ の井戸層12,14,
16,18と、障壁層の幅LB の障壁層13,15,1
7が交互に形成されており、伝導帯EC の底と価電子帯
EV の頂との間隔は交互に変化している。The quantum well structure of this semiconductor laser device is
As shown in this band structure diagram, the cladding layer 1
1, 19 between the well layers 12 and 14 having the width L Z of the well layers,
16, 18 and barrier layers 13, 15, 1 having a barrier layer width L B
7 are alternately formed, and the interval between the bottom of the conduction band E C and the top of the valence band E V is alternately changed.
【0022】この半導体レーザ装置においては、活性層
に注入された電子と正孔は量子井戸構造内に閉じ込めら
れ、高い効率で発光する。そして、光は各活性層および
障壁層に垂直の方向には、クラッド層11,19と量子
井戸構造の屈折率差(量子井戸構造の屈折率よりクラッ
ド層11,19の屈折率の方が小さい)によって閉じ込
められる。In this semiconductor laser device, the electrons and holes injected into the active layer are confined in the quantum well structure and emit light with high efficiency. In the direction perpendicular to the respective active layers and barrier layers, light has a refractive index difference between the cladding layers 11 and 19 and the quantum well structure (the refractive index of the cladding layers 11 and 19 is smaller than that of the quantum well structure. ) Is trapped by.
【0023】そして、紙面に垂直の方向に設けられた共
振器内で繰り返し反射され、誘導放出を起こす。注入電
流を増加させていくと、共振器内で繰り返し反射される
ことによる利得が損失を上回ったところでレーザ発振が
起こる。この量子井戸構造を用いた半導体レーザ装置
は、井戸構造内に引っ張り歪みを加えることによって効
率を向上させることができる。Then, the light is repeatedly reflected in the resonator provided in the direction perpendicular to the plane of the drawing to cause stimulated emission. When the injection current is increased, laser oscillation occurs when the gain due to repeated reflection in the resonator exceeds the loss. A semiconductor laser device using this quantum well structure can improve efficiency by applying tensile strain to the well structure.
【0024】図4(A),(B)は、引っ張り歪みを有
する量子井戸構造の伝導帯と価電子帯の分散曲線であ
る。この図は、引っ張り歪みを有する量子井戸構造の原
理を説明するもので、伝導帯と価電子帯の量子井戸構造
面内の模式的な分散曲線を示し、図4(A)は引っ張り
歪みを有しない量子井戸構造の分散曲線、図4(B)は
引っ張り歪みを有する量子井戸構造の分散曲線を示して
いる。4A and 4B are dispersion curves of the conduction band and the valence band of the quantum well structure having tensile strain. This figure explains the principle of a quantum well structure having tensile strain, and shows a schematic dispersion curve in the plane of the quantum well structure of the conduction band and the valence band, and FIG. FIG. 4B shows a dispersion curve of a quantum well structure having no strain, and FIG. 4B shows a dispersion curve of a quantum well structure having tensile strain.
【0025】図4(A)は引っ張り歪みを有しない量子
井戸構造の分散曲線であるが、この場合は、重い正孔
(HH)帯が軽い正孔(LH)帯よりも高いエネルギー
位置にあり、伝導帯−重い正孔帯間の光学遷移がレーザ
発振に寄与する。FIG. 4A is a dispersion curve of a quantum well structure having no tensile strain. In this case, the heavy hole (HH) band is at a higher energy position than the light hole (LH) band. , The optical transition between the conduction band and the heavy hole band contributes to laser oscillation.
【0026】図4(B)は引っ張り歪みを有する量子井
戸構造の分散曲線であるが、この場合は、歪みの効果に
より軽い正孔帯が高いエネルギー位置にあり、伝導帯−
軽い正孔帯間の光学遷移がレーザ発振に寄与する。FIG. 4B is a dispersion curve of a quantum well structure having tensile strain. In this case, the light hole band is at a high energy position due to the effect of strain, and the conduction band--
Optical transitions between the light hole bands contribute to laser oscillation.
【0027】重い正孔帯と軽い正孔帯の違いは、有効質
量と光学遷移のモードの選択則に現れる。まず、有効質
量であるが、図4(A),(B)を比較すると、その曲
率の違いから分かるように、軽い正孔帯の方が量子井戸
面内で重い有効質量をもつ。The difference between the heavy hole band and the light hole band appears in the selection rule of the effective mass and the mode of the optical transition. First, regarding the effective mass, when comparing FIGS. 4A and 4B, the light hole band has a larger effective mass in the quantum well plane, as can be seen from the difference in curvature.
【0028】量子井戸構造に引っ張り歪みが加わると、
以下に述べる理由によって光学利得が増大する。エネル
ギーEの光に対する半導体レーザの光学利得は、下記の
数式1のように表される。When tensile strain is applied to the quantum well structure,
The optical gain is increased for the reasons described below. The optical gain of the semiconductor laser with respect to the light of energy E is expressed by the following mathematical formula 1.
【0029】[0029]
【数1】 [Equation 1]
【0030】そして、デルタ関数をk空間で積分する
と、バンド端付近では下記の数式2のようになる。When the delta function is integrated in k-space, the following formula 2 is obtained near the band edge.
【0031】[0031]
【数2】 [Equation 2]
【0032】この式から分かるように、正孔の有効質量
が大きいほど光学利得は大きくなり、引っ張り歪みを有
する量子井戸構造のほうが利得が大きいことになる。す
なわち、伝導帯−軽い正孔帯の光学遷移(図4(B))
の方が、伝導帯−重い正孔帯の光学遷移(図4(A))
よりも大きな光学利得をもつ。As can be seen from this equation, the larger the effective mass of holes, the larger the optical gain, and the quantum well structure having tensile strain has a larger gain. That is, the optical transition from the conduction band to the light hole band (FIG. 4B).
Is the conduction band-heavy hole band optical transition (Fig. 4 (A))
It has a larger optical gain than.
【0033】その結果、引っ張り歪みを有する量子井戸
構造を活性層として用いた半導体レーザ装置において
は、より低い注入キャリア密度で発振が起こることにな
る。このキャリア密度の低減により、半導体レーザ装置
の主要な損失要因である、価電子帯の吸収やオージェ再
結合過程が抑えられるため、半導体レーザ装置の高出力
化が可能となる。As a result, in a semiconductor laser device using a quantum well structure having tensile strain as an active layer, oscillation occurs at a lower injected carrier density. By reducing the carrier density, the absorption of the valence band and the Auger recombination process, which are the main loss factors of the semiconductor laser device, are suppressed, so that the output of the semiconductor laser device can be increased.
【0034】次に、モードの選択則であるが、伝導帯−
重い正孔帯遷移が関与する通常の引っ張り歪みを有しな
い量子井戸では、偏光方向が量子井戸面内にあるTEモ
ードで発振が起こる。Next, regarding the mode selection rule, the conduction band-
In a quantum well that does not have the usual tensile strain involving heavy hole band transitions, oscillation occurs in the TE mode with the polarization direction in the plane of the quantum well.
【0035】これに対して、引っ張り歪みを有する量子
井戸構造では偏光方向が量子井戸構造の面に垂直なTM
モードで発振する。このようにTMモードで発振するこ
とによって、次に述べるように光変調器における光吸収
層の変調が有効に行われる。On the other hand, in the quantum well structure having a tensile strain, the polarization direction is TM perpendicular to the plane of the quantum well structure.
It oscillates in the mode. By thus oscillating in the TM mode, the modulation of the light absorption layer in the optical modulator is effectively performed as described below.
【0036】図5は、TEモードおよびTMモードに対
する量子井戸構造の光吸収スペクトル図である。この図
は、室温における、引っ張り歪みを有しないTEモード
に対する量子井戸構造の光吸収スペクトル(実線)と引
っ張り歪みを有するTMモードに対する量子井戸構造の
光吸収スペクトル(破線)を示している。FIG. 5 is an optical absorption spectrum diagram of the quantum well structure for TE mode and TM mode. This figure shows the optical absorption spectrum of the quantum well structure for TE mode without tensile strain (solid line) and the optical absorption spectrum of quantum well structure for TM mode with tensile strain (broken line) at room temperature.
【0037】この図において、引っ張り歪みを有しない
場合のTEモードの光(実線)に対しては、吸収端に電
子−重い正孔励起子のピーク(a)が現れ、それよりも
高エネルギー側に電子−軽い正孔励起子のピーク(b)
が現れる。他方、引っ張り歪みを有する場合のTMモー
ドの光(破線)に対しては、電子−重い正孔励起子の遷
移が禁止されるため、吸収端に電子−軽い正孔励起子の
吸収ピーク(c)が現れるだけである。In this figure, a peak (a) of electron-heavy hole excitons appears at the absorption edge for TE-mode light (solid line) having no tensile strain, and a higher energy side than that. Electron-light hole exciton peak (b)
Appears. On the other hand, with respect to TM mode light (dashed line) having tensile strain, the transition of electron-heavy hole excitons is prohibited, and therefore the absorption peak (c of electron-light hole excitons at the absorption edge (c ) Only appears.
【0038】TEモードにおける電子−重い正孔励起子
遷移と、TMモードにおける電子−軽い正孔励起子遷移
行列要素を比較すると、後者は前者の約4/3倍と大き
く、光吸収係数もその分だけ大きくなる。したがって、
電界を加えた場合の吸収係数の変化率はより大きくなる
ため、より有効な光変調が実現できる。Comparing the electron-heavy hole exciton transition matrix element in the TE mode with the electron-light hole exciton transition matrix element in the TM mode, the latter is about 4/3 times as large as the former, and the light absorption coefficient thereof is also large. It grows by a minute. Therefore,
Since the rate of change of the absorption coefficient when an electric field is applied becomes larger, more effective light modulation can be realized.
【0039】このように、量子井戸構造を有する吸収層
においては、量子井戸構造に引っ張り歪みが存在する場
合でも、引っ張り歪みが存在しない場合でも、バルク半
導体とは異なり、励起子による強い光吸収ピークが現
れ、吸収特性が波長とともに急激に増大することが特徴
的である。As described above, in the absorption layer having the quantum well structure, a strong optical absorption peak due to excitons is obtained, unlike the bulk semiconductor, regardless of whether the quantum well structure has tensile strain or not. Appears, and the absorption characteristic is rapidly increased with wavelength.
【0040】[0040]
【実施例】以下、本発明の一実施例を説明する。 〔半導体レーザの構造〕この実施例においては、InP
(100)基板上に、量子井戸層としてIn0. 4 Ga
0.6 As層を形成し、障壁層として室温のPL波長が約
1.3nmのIn 0.72Ga0.28As0.6 P0.4 層を積層
して形成している。この場合、量子井戸層の厚さは16
0Åであり、約0.9%の面内引っ張り歪みが加わって
いる。また、In0.72Ga0.28As0.6 P0.4 層からな
る障壁層はInPに格子整合している。EXAMPLE An example of the present invention will be described below. [Structure of Semiconductor Laser] In this embodiment, InP is used.
In as a quantum well layer on a (100) substrate0. FourGa
0.6The As layer is formed, and the PL wavelength at room temperature is about as a barrier layer.
1.3 nm In 0.72Ga0.28As0.6P0.4Stacking layers
Then formed. In this case, the thickness of the quantum well layer is 16
0Å, with about 0.9% in-plane tensile strain
There is. Also, In0.72Ga0.28As0.6P0.4From layers
The barrier layer is a lattice match with InP.
【0041】これと比較するため、量子井戸層としてI
nP基板と格子整合するIn0.53Ga0.47As層を用
い、障壁層としてInP基板と格子整合するIn0.72G
a0.28As0.6 P0.4 層を用いた量子井戸構造を形成し
た。これら2種類の量子井戸構造についてkp摂動法よ
り価電子帯の分散関係と光学利得を比較検討した。For comparison with this, as a quantum well layer I
In 0.53 Ga 0.47 As layer lattice-matched with the nP substrate is used, and In 0.72 G lattice-matched with the InP substrate is used as a barrier layer.
A quantum well structure using a 0.28 As 0.6 P 0.4 layer was formed. For these two types of quantum well structures, the valence band dispersion relation and the optical gain were compared and examined by the kp perturbation method.
【0042】図6は、量子井戸構造の室温における最大
光学利得と注入キャリア密度関係図である。この図によ
ると、引っ張り歪みを加えることによって、光学利得が
増加していくことが明瞭に分かる。レーザ発振が起こる
しきい値利得が1000cm-1であると仮定すると、し
きい値キャリア密度は、引っ張り歪みが存在する活性層
を有するレーザ装置の場合は、基板と格子整合し、引っ
張り歪みが存在しない活性層を有するレーザ装置の半分
近くに低減される。このキャリア密度の低減により、光
吸収損失も低下するため、高出力化が可能となる。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the maximum optical gain and the injected carrier density at room temperature of the quantum well structure. According to this figure, it is clearly understood that the optical gain is increased by adding the tensile strain. Assuming that the threshold gain at which lasing occurs is 1000 cm −1 , the threshold carrier density is lattice-matched to the substrate in the case of a laser device having an active layer in which tensile strain exists, and tensile strain exists. It is reduced to nearly half that of a laser device with an active layer that does not. Due to this reduction in carrier density, light absorption loss is also reduced, so that higher output can be achieved.
【0043】〔光変調器の構造〕活性層の量子井戸とし
ては、格子整合、圧縮歪み、引っ張り歪みのいずれでも
用いることができる。どの場合でも、レーザから出射さ
れるTMモードの光に対しては、電子−軽い正孔励起子
だけが反応する。ここでは、(001)InP基板に格
子整合したIn0.53Ga0.47Asを井戸層、同じく格子
整合したIn0.72Ga0.28As0.6 P0.4 障壁層からな
る量子井戸を形成し、井戸層の厚さを60Åとした。[Structure of Optical Modulator] As the quantum well of the active layer, any of lattice matching, compressive strain, and tensile strain can be used. In any case, only the electron-light hole excitons react to the TM mode light emitted from the laser. Here, a quantum well made of In 0.53 Ga 0.47 As lattice-matched to the (001) InP substrate and an In 0.72 Ga 0.28 As 0.6 P 0.4 barrier layer also lattice-matched is formed, and the thickness of the well layer is 60 Å And
【0044】上記の引っ張り歪み量子井戸構造を活性層
とした半導体レーザ部、および、格子整合した量子井戸
構造を活性層とする光変調器部を集積化した集積化変調
光源においては、光出力が10mWの場合、10GHz
の高速光変調を行うことが可能であった。これは、上記
活性層の導入により、駆動電圧が約1.5Vに低減でき
たためである。In the integrated modulation light source in which the semiconductor laser section having the tensile strained quantum well structure as the active layer and the optical modulator section having the lattice-matched quantum well structure as the active layer are integrated, the optical output is In case of 10mW, 10GHz
It was possible to perform high-speed light modulation. This is because the drive voltage could be reduced to about 1.5 V by introducing the active layer.
【0045】本発明の半導体集積化変調光源装置は、引
っ張り歪みを加えることによってレーザを高出力化し、
さらに、このTMモードの光を量子井戸によって低電力
が変調して、高速変調可能な光源を実現可能にしたもの
である。そして、本発明においては、引っ張り歪み量子
井戸からでてくるTMモードの光が、量子井戸において
より強く吸収されるという基本原理を用いており、この
ため、格子整合した量子井戸を活性層に用い、TEモー
ドで発振させて変調した場合に比べて、性能向上が顕著
である。また、集積化したため、低電力化と高速化が達
成された。The semiconductor integrated modulation light source device of the present invention increases the output of the laser by applying tensile strain,
Further, the TM mode light is modulated with a low power by a quantum well to realize a light source capable of high speed modulation. The present invention uses the basic principle that TM-mode light emitted from the tensile strained quantum well is absorbed more strongly in the quantum well. Therefore, a lattice-matched quantum well is used for the active layer. , The performance is significantly improved as compared with the case of oscillating and modulating in the TE mode. Also, because of the integration, low power consumption and high speed have been achieved.
【0046】なお、InP基板を用いた場合、半導体レ
ーザ部および光変調器部の活性層を構成する量子井戸構
造の井戸層として、In1-x Gax As(1≧x≧0.
47)、あるいは、In1-x Gax As1-y Py (この
組成については、a(x,y)=0.1894y−0.
4184x+0.0130xy+5.8696〔Å〕
で、a(x,y)≦5.8687Åを満足するx,yで
ある)を用いると、上記の実施例と同様な効果を奏す
る。In the case of using the InP substrate, In 1-x Ga x As (1 ≧ x ≧ 0..0) is used as a well layer of the quantum well structure forming the active layers of the semiconductor laser section and the optical modulator section.
47), or In 1-x Ga x As 1-y P y (for this composition, a (x, y) = 0.1894y-0.
4184x + 0.0130xy + 5.8696 [Å]
Then, when a (x, y) ≦ 5.88687Å is satisfied, the same effect as that of the above-described embodiment can be obtained.
【0047】また、半導体レーザ部と光変調器部の活性
層を構成する量子井戸構造の組成を異ならせる場合は、
一方の量子井戸構造を形成した後に、その一部を除去し
て他方の量子井戸構造を形成する工程を施すことによっ
て所望の量子井戸構造を形成することができ、また、そ
れぞれの領域の下地の条件を異ならせ、その上全面に同
一の条件で半導体層を成長することによって異なる組成
あるいは構造の量子井戸構造を形成することができる。When the compositions of the quantum well structures forming the active layers of the semiconductor laser section and the optical modulator section are different,
After forming one quantum well structure, a desired quantum well structure can be formed by removing a part of the quantum well structure and forming the other quantum well structure. Quantum well structures having different compositions or structures can be formed by changing the conditions and growing a semiconductor layer on the entire surface under the same conditions.
【0048】[0048]
【発明の効果】以上説明したように、本発明のように、
活性層に引っ張り歪みを加えた量子井戸構造を有する歪
み量子井戸レーザ部からなる光源と、この光源と光軸を
一致させた活性層を量子井戸とする光変調器部を組み合
わせると、レーザ部の発振しきいキャリア密度が下が
り、高出力化され、変調器部の光吸収係数が大きくなる
ため、変調器をより小さいバイアス電圧で駆動すること
が可能になり、また、高速化に大きな効果を生じる。As described above, according to the present invention,
When a light source composed of a strained quantum well laser section having a quantum well structure in which an active layer is subjected to tensile strain and an optical modulator section having an active layer in which the optical axis is aligned with the light source are used as quantum wells, are combined, Oscillation threshold carrier density is lowered, the output is increased, and the optical absorption coefficient of the modulator is increased, so that it is possible to drive the modulator with a smaller bias voltage, and it also has a great effect on speeding up. .
【図1】半導体集積化変調光源装置の模式的構成説明図
である。FIG. 1 is a schematic configuration explanatory diagram of a semiconductor integrated modulation light source device.
【図2】光変調器部の光変調原理説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram of an optical modulation principle of an optical modulator section.
【図3】半導体レーザ装置の量子井戸構造のバンド構造
図である。FIG. 3 is a band structure diagram of a quantum well structure of a semiconductor laser device.
【図4】(A),(B)は、引っ張り歪みを有する量子
井戸構造の導電帯と価電子帯の分散曲線である。4A and 4B are dispersion curves of a conduction band and a valence band of a quantum well structure having tensile strain.
【図5】TEモードおよびTMモードに対する量子井戸
構造の光吸収スペクトル図である。FIG. 5 is an optical absorption spectrum diagram of a quantum well structure for TE mode and TM mode.
【図6】量子井戸構造の室温における最大光学利得と注
入キャリア密度関係図である。FIG. 6 is a graph showing the relationship between maximum optical gain and injected carrier density at room temperature in a quantum well structure.
1 DFBレーザ部 2 活性層 3 高抵抗InP埋め込み層 4 光変調器部 5 光吸収層 11,19 クラッド層 12,14,16,18 井戸層 13,15,17 障壁層 EC 伝導帯 EV 価電子帯 LZ 井戸層の幅 LB 障壁層の幅1 DFB laser part 2 Active layer 3 High resistance InP buried layer 4 Optical modulator part 5 Optical absorption layer 11,19 Cladding layer 12,14,16,18 Well layer 13,15,17 Barrier layer E C conduction band E V value Electron band L Z width of well layer L B width of barrier layer
Claims (3)
の出射光を強度変調する光変調器部がモノリシックに集
積化され、該半導体レーザ部の活性層として井戸層に面
内引っ張り歪みが加わっている量子井戸構造が用いら
れ、かつ、該光変調器部の活性層として量子井戸構造が
用いられていることを特徴とする半導体集積化変調光源
装置。1. A semiconductor laser section and an optical modulator section for intensity-modulating emitted light of the semiconductor laser section are monolithically integrated, and in-plane tensile strain is applied to a well layer as an active layer of the semiconductor laser section. A semiconductor integrated modulation light source device, wherein a quantum well structure is used and a quantum well structure is used as an active layer of the optical modulator section.
び光変調器部の活性層を構成する量子井戸構造の井戸層
に、In1-x Gax As(1≧x≧0.47)が用いら
れていることを特徴とする請求項1に記載された半導体
集積化変調光源装置。2. An InP substrate is used, and In 1-x Ga x As (1 ≧ x ≧ 0.47) is used for a well layer of a quantum well structure forming an active layer of a semiconductor laser section and an optical modulator section. The semiconductor integrated modulation light source device according to claim 1, wherein the modulation light source device is a semiconductor integrated modulation light source device.
び光変調器部の活性層を構成する量子井戸構造の井戸層
に、In1-x Gax As1-y Py (x,yは、a(x,
y)=0.1894y−0.4184x+0.0130
xy+5.8696〔Å〕≦5.8687Åを満足する
範囲とする。)が用いられていることを特徴とする請求
項1に記載された半導体集積化変調光源装置。3. In 1-x Ga x As 1-y P y (x, y are defined as follows) in a well layer of a quantum well structure forming an active layer of a semiconductor laser section and an optical modulator section using an InP substrate. a (x,
y) = 0.1894y-0.4184x + 0.0130
The range is such that xy + 5.8696 [Å] ≦ 5.88687Å is satisfied. ) Is used, the semiconductor integrated modulation light source device according to claim 1.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17400092A JPH0621578A (en) | 1992-07-01 | 1992-07-01 | Semiconductor integrated modulation light source device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP17400092A JPH0621578A (en) | 1992-07-01 | 1992-07-01 | Semiconductor integrated modulation light source device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0621578A true JPH0621578A (en) | 1994-01-28 |
Family
ID=15970899
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17400092A Withdrawn JPH0621578A (en) | 1992-07-01 | 1992-07-01 | Semiconductor integrated modulation light source device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0621578A (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08274295A (en) * | 1995-03-31 | 1996-10-18 | Nec Corp | Method for manufacturing optical semiconductor device |
| US6529304B1 (en) | 1997-09-19 | 2003-03-04 | Hitachi, Ltd. | Optical communication equipment and system |
| JP2012156397A (en) * | 2011-01-27 | 2012-08-16 | Rohm Co Ltd | Semiconductor laser element |
| US8279519B2 (en) | 2001-03-13 | 2012-10-02 | Ricoh Company, Ltd. | Semiconductor optical modulator, an optical amplifier and an integrated semiconductor light-emitting device |
| US8446927B2 (en) | 2011-01-27 | 2013-05-21 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor laser device and manufacturing method thereof |
| US8599895B2 (en) | 2011-01-27 | 2013-12-03 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor laser device and manufacturing method thereof |
-
1992
- 1992-07-01 JP JP17400092A patent/JPH0621578A/en not_active Withdrawn
Cited By (10)
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| US8599895B2 (en) | 2011-01-27 | 2013-12-03 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor laser device and manufacturing method thereof |
| US8611386B2 (en) | 2011-01-27 | 2013-12-17 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor laser device and manufacturing method thereof |
| US8923355B2 (en) | 2011-01-27 | 2014-12-30 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor laser device and manufacturing method thereof |
| US9197035B2 (en) | 2011-01-27 | 2015-11-24 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor laser device and manufacturing method thereof |
| US9564738B2 (en) | 2011-01-27 | 2017-02-07 | Rohm Co., Ltd. | Semiconductor laser device and manufacturing method thereof |
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