DE69505064T4

DE69505064T4 - Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser

Info

Publication number: DE69505064T4
Application number: DE69505064T
Authority: DE
Inventors: Mitsuhiro Kitamura; Masayuki Yamaguchi
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1994-07-15
Filing date: 1995-07-14
Publication date: 2000-02-24
Anticipated expiration: 2015-07-15
Also published as: EP0692853B1; US5789274A; US5541945A; DE69505064T2; EP0692853A1; CA2153909A1; CA2153909C; DE69505064D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaser und ein Herstellungsverfahren dafür. Insbesondere betrifft die Erfindung einen wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaser mit wichtigen Anwendungen in der optischen Nachrichtentechnik und bei optischen Messungen.
Von zunehmender Bedeutung für wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaser sind Anwendungen bei Wellenlängenmultiplex-Übertragungssystemen, Wellenlängenteilungs-Vermittlungssystemen, Wellenlängen-Kreuzverteilungssystemen und weiteren Fernmeldesystemen in der optischen Nachrichtentechnik sowie auf dem Gebiet der optischen Messungen.
Die Übertragungsgeschwindigkeit der Lichtwellenleiter-Nachrichtentechnik ist in den letzten Jahren deutlich gewachsen. Gegenwärtig hat die Übertragungsgeschwindigkeit einen Wert erreicht, der durch die Bandbreite der elektronischen Schaltungen in den Sende- und Empfangsteilen begrenzt ist. Als Mittel zur leichten Vergrößerung der Übertragungskapazität ohne elektrische Beschränkung in bezug auf die Übertragungsgeschwindigkeit haben daher Wellenlängenmultiplex(WDM)- Übertragungssysteme Aufmerksamkeit erregt. Außerdem haben Wellenlängenteilungs-Optoschaltsysteme, Wellenlängen-Kreuzverteilungssysteme und so weiter Aufmerksamkeit erregt. Bei diesen Systemen spielt ein wellenlängenabstimmbarer Halbleiterfaser eine wichtige Rolle. Der wellenlängenabstimmbare Laser soll möglichst eine Funktion haben, die eine kontinuierliche Wellenlängensteuerung durch einen einzigen Steuerstrom oder eine einzige Steuerspannung ermöglicht. Wenn es zwei oder mehr Steuerströme gibt, benötigt man eine komplizierte Steuerung, um die gewünschte Wellenlänge zu erzielen.
Ein solcher wellenlängenabstimmbarer Laser ist ein Halbleiterlaser mit verteiltem Braggschen Reflektor (DBR). Ein DBR-Halbleiterlaser nach dem Stand der Technik wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 kurz erörtert. Man beachte, daß ein ähnlicher Stand der Technik wie in Fig. 1 dargestellt zum Beispiel in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. Showa 61-54690 oder S. Murata et al. "Electronics Letters", Band 23, Nr. 8, S. 403 bis 405, veröffentlicht am 9. April 1987, offenbart ist. In Fig. 1 sieht man, daß in einer Resonatorrichtung drei Bereiche unterteilt sind, ein aktiver Bereich, ein Phasensteuerungsbereich und ein DBR-Bereich. Im aktiven Bereich ist eine aktive Schicht 10 vorgesehen. Im Phasensteuerungsbereich und im DBR-Bereich ist andererseits eine Abstimmschicht 104 vorgesehen. Außerdem ist im DBR-Bereich in der Nähe der Abstimmschicht 104 eine Ablenkstufung 110 vorgesehen. Auf den jeweiligen Bereichen sind Elektroden 111, 112 und 113 gebildet, die eine unabhängige Strominjektion in die jeweiligen Bereiche ermöglichen. In Fig. 1 bezeichnet Ia einen Laserstrom, und It bezeichnet einen Abstimmstrom. Bei so einem dreiteiligen DBR-Laser wird die Wellenlänge durch einen zunehmenden dem DBR-Bereich zugeführten Strom in Richtung auf kurze Wellenlängen verschoben, mit begleitenden Lasermode-Sprüngen, wie mittels der Wellenlängen-Abstimmkennlinie von Fig. 2 gezeigt. Während der Modensprünge kann der Wellenlängenbereich abgedeckt werden, indem der an den Phasensteuerungsbereich angelegte Strom geregelt wird.
Im Hinblick auf Anwendungen des wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers auf reale Systeme erfordert die Steuerung zweier Ströme (Phasensteuerstrom und DBR-Strom) jedoch einen komplizierten Betrieb, um Laseroszillation mit der gewünschten Wellenlänge zu erzielen. Daher ist es wünschenswert, eine Einstellung der gewünschten Wellenlänge mittels eines einzigen Steuerstroms möglich zu machen. Kontinuierliche Wellenlängensteuerung beim DBR-Laser, wie in der oben erwähnten japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung Nr. Showa 61-54690 offenbart, kann erzielt werden, indem die folgende Beziehung erfüllt wird.
Δnd/Δnp = Lp/(Lp + La) ... (1)
worin Δnd und Δnp Änderungsbeträge von äquivalenten Brechungsindizes aufgrund von konstanter Injektion am DBR-Bereich und am Phasensteuerungsbereich sind und Lp und La Längen des Phasensteuerungsbereichs und des aktiven Bereichs sind. Indem das Verhältnis der Injektionsströme in den Phasensteuerungsbereich und den DBR-Bereich durch eine Widerstandsteilung optimiert wird, um die obige Gleichung (1) zu erfüllen, wird ein kontinuierlicher Wellenlängenabstimmbetrieb möglich. Mit diesem Verfahren wurden maximal 3.8 nm kontinuierlicher Wellen längenabstimmbetrieb berichtet, in O. Isida et al. "Electronics Letters", Band 30, Nr. 3, S. 241 bis 242, veröffentlicht am 3. Februar 1994.
Bei so einem Stromteilungsverfahren ist es jedoch schwierig, das Verhältnis zwischen dem Phasensteuerstrom und dem DBR-Strom konstant zu halten. Daher wird möglicherweise mitten im Wellenlängenabstimmbetrieb ein Modensprung verursacht, wie in Fig. 3 gezeigt, die die Wellenlängenänderung gegen den Abstimmstrom für das Stromteilungsverfahren zeigt. Dies kann wirksam dadurch vermieden werden, daß der Widerstandswert für Stromteilung genügend größer als der Serienwiderstand des Phasensteuerungs- und des DBR-Bereichs eingestellt wird. Jedoch gibt es in so einem Fall andere Probleme, wie die Schwierigkeit, die für Hochgeschwindigkeitsumschalten der Laserwellenlänge nötige Impedanzanpassung herzustellen.
Die JP-A-61 095592 offenbart einen integrierten Halbleiterlaser vom Typ mit verteilter Braggscher Reflexion gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Zur Steuerung der Oszillationswellenlänge in einer stabilen einachsigen Mode sind ein Phasensteuerungsbereich und ein Bereich vom Typ mit verteilter Braggscher Reflexion sowie eine darauf gebildete einzelne Steuerelektrode vorgesehen.
Die JP-A-04-148579 offenbart einen Laser mit einer flachen und stabilen FM- Antwort auf hochfrequente Modulationssignale unter Verwendung einer Struktur, bei der in einem aktiven Bereich und einem Teil eines Phasensteuerungsbereichs gleichzeitig Strom fließt, wodurch die Elektrode zur Injektion von Strom in den Phasensteuerungsbereich geteilt ist.
Die EP-A-0 370 443 offenbart einen Halbleiterlaser mit einer aktiven Schicht in einem einem Phasensteuerungsbereich und einem verteilten Braggschen Reflektorbereich entsprechenden Teil eines Halbleitersubstrats und weiterhin einer aktiven Schicht in einem einem aktiven Bereich entsprechenden Teil des Halbleitersubstrats. Auf dem oberen Teil des aktiven Bereichs, dem Phasensteuerungsbereich, dem verteilten Braggschen Reflektorbereich und dem unteren Teil des Substrats sind getrennte Elektroden gebildet. Die aktive Abstimmschicht im Phasensteuerungsbereich ist dicker als die im verteilten Braggschen Reflektorbereich, die wiederum dicker als die aktive Schicht im aktiven Bereich ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen wellenlängenabstimmbaren DBR- Laser zu schaffen, der eine kontinuierliche Wellenlängensteuerung mit einem einzigen Steuerstrom ermöglicht, ohne ein Stromteilungsverfahren zu verwenden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser geschaffen, der einen aktiven Bereich, der eine aktive Schicht enthält, die durch Injektion eines Stroms eine Lichtverstärkung erzeugt, einen Phasensteuerungsbereich, der eine Abstimmschicht enthält, die durch Injektion des Stroms eine Veränderung eines Brechungsindex erzeugt, einen verteilten Braggschen Reflektorbereich, der eine Abstimmschicht enthält, die durch Injektion eines Stroms eine Veränderung eines Brechungsindex erzeugt, wobei der aktive Bereich, der Phasensteuerungsbereich und der verteilte Braggsche Reflektorbereich in einer Resonanzrichtung ausgerichtet angeordnet sind, und ein Beugungsgitter enthält, das in der Nähe der Abstimmschicht des verteilten Braggschen Reflektorbereichs vorgesehen ist. Der wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaser enthält eine Einrichtung zur gleichförmigen Injektion eines Stroms in den Phasensteuerungsbereich und den verteilten Braggschen Reflektorbereich. Ein Lichteinschlußfaktor für die Abstimmschicht des Phasensteuerungsbereichs ist größer als ein Lichteinschlußfaktor für die Abstimmschicht des verteilten Braggschen Reflektorbereichs.
Vorzugsweise ist die Dicke der Abstimmschicht des Phasensteuerungsbereichs dicker als die Dicke der Abstimmschicht des verteilten Braggschen Reflektorbereichs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält ein wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser eine Einrichtung zur gleichförmigen Injektion eines Stroms in den Phasensteuerungsbereich und den verteilten Braggschen Reflektorbereich. Die Zusammensetzungen der Abstimmschichten des Phasensteuerungs bereichs und des verteilten Braggschen Reflektorbereichs werden so eingestellt, daß eine Veränderung des Brechungsindex innerhalb der Abstimmschicht im Phasensteuerungsbereich bei angelegtem Strom größer als eine Veränderung des Brechungsindex innerhalb der Abstimmschicht im verteilten Braggschen Reflektorbereich bei angelegtem Strom ist.
Vorzugsweise ist die Wellenlängenzusammensetzung der Abstimmschicht des Phasensteuerungsbereichs länger als die Wellenlängenzusammensetzung der Abstimmschicht des verteilten Braggschen Reflektorbereichs.
In der bevorzugten Ausführung werden die Abstimmschichten des Phasensteuerungsbereichs und des verteilten Braggschen Reflektorbereichs außerdem so eingestellt, daß folgendes gilt:
dbr Δndbr/ pc Δnpc = Lpc/(La + Lpc) ... (2)
worin dbr der Lichteinschlußfaktor des verteilten Braggschen Reflektorbereichs ist,
pc der Lichteinschlußfaktor des Phasensteuerungsbereichs ist,
Δndbr eine Veränderung des Brechungsindex des verteilten Braggschen Reflektorbereichs ist,
Δnpc eine Veränderung des Brechungsindex des Phasensteuerungsbereichs ist,
La eine Länge des aktiven Bereichs ist, und
Lpc eine Länge des Phasensteuerungsbereichs ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers die folgenden Verfahrensschritte: Bilden einer streifenförmigen Abstimmschicht an einem Teil eines Halbleitersubstrats entsprechend einem Phasensteuerungsbereich und einem verteilten Braggschen Reflektorbereich und Bilden einer streifenförmigen aktiven Schicht an einem Teil des Halbleitersubstrats entsprechend einem aktiven Bereich, Bilden eines Beugungsgitters in der Nähe der Abstimmschicht des verteilten Braggschen Reflektorbereichs, Bilden einer Kaschierschicht zum Vergraben des Streifens für die Abstimmschicht und die aktive Schicht und Bilden von Elektroden auf einem oberen Teil des aktiven Bereichs, dem Phasensteuerungsbereich und dem verteilten Braggschen Reflektorbereich und auf einem unteren Teil des Substrats. Die Abstimmschichten werden durch ein selektives MOVPE-Verfahren gebildet, um eine der Bedingungen zu erfüllen, daß die Schichtdicke der Abstimmschicht der Phasensteuerungsschicht dicker als die Schichtdicke der Abstimmschicht des verteilten Braggschen Reflektorbereichs ist und daß die Wellenlängenzusammensetzung der Phasensteuerungsschicht länger als die des verteilten Braggschen Reflektorbereichs ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält ein wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser einen aktiven Bereich, der eine aktive Schicht enthält, die durch Injektion eines Stroms eine Lichtverstärkung erzeugt, einen Phasensteuerungsbereich, der eine Phasensteuerungsschicht enthält, die durch Injektion des Stroms eine Veränderung eines Brechungsindex erzeugt, und einen verteilten Braggschen Reflektorbereich, der eine Wellenleiterschicht des verteilten Braggschen Reflektors, die durch Injektion des Stroms eine Veränderung eines Brechungsindex erzeugt, und ein Beugungsgitter enthält, wobei der aktive Bereich, der Phasensteuerungsbereich und der verteilte Braggsche Reflektorbereich in einer Resonanzrichtung ausgerichtet angeordnet sind, und eine dem Phasensteuerungsbereich und dem verteilten Braggschen Reflektorbereich gemeinsame Elektrode, wobei eine Energiebandstruktur der Halbleiterschicht, die die Phasensteuerungsschicht bildet, negative effektive Masse in einem Valenzband ist und wobei die Energiebandstruktur der Halbleiterschicht, die den verteilten Braggschen Reflektorbereich bildet, positive effektive Masse in einem Valenzband ist.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser eine dem Phasensteuerungsbereich und dem verteilten Braggschen Reflektorbereich gemeinsame Elektrode, wobei die Phasensteuerungsschicht breiter als die Wellenleiterschicht des verteilten Braggschen Reflektors ist.
Gemäß noch einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser eine dem Phasensteuerungsbereich und dem verteilten Braggschen Reflektorbereich gemeinsame Elektrode sowie einen zweiten Phasensteuerungsbereich mit einer unabhängigen Elektrode, die an der Stirnseite des aktiven Bereichs vorgesehen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält ein wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser einen Phasensteuerungsbereich, dessen Brechungsindex durch Anlegen eines elektrischen Steuersignals abstimmbar ist, einen an einer Seite des Phasensteuerungsbereichs vorgesehenen aktiven Bereich, der eine aktive Schicht enthält, die durch Injektion eines Stroms eine Lichtverstärkung erzeugt, einen verteilten Braggschen Reflektorbereich, der sich an der anderen Seite des Phasensteuerungsbereichs befindet, eine erste Abstimmschicht, die in dem verteilten Braggschen Reflektorbereich vorgesehen ist und durch Anlegen eines elektrischen Abstimmsteuersignals eine Veränderung einer optischen Eigenschaft verursacht, eine zweite Abstimmschicht, die in dem Phasensteuerungsbereich vorgesehen ist und durch Anlegen eines elektrischen Abstimmsteuersignals eine Veränderung einer optischen Eigenschaft verursacht, wobei die zweite Abstimmschicht auf das elektrische Abstimmsteuersignal mit einer stärkeren Brechungsindexveränderung als die erste Abstimmschicht antwortet, und eine einzelne Abstimmsteuersignal-Quelle, die den ersten und zweiten Abstimmschichten zur kontinuierlichen Wellenlängensteuerung ein gemeinsames Abstimmsteuersignal zuführt.
In der bevorzugten Ausführung sind die ersten und zweiten Abstimmschichten eine gemeinsame Schicht mit wechselweise verschiedener Geometrie, um eine wechselweise verschiedene Brechungsindexveränderung auf das elektrische Abstimmsignal zu zeigen. Die ersten und zweiten Abstimmschichten können in einem Querschnitt entlang einer Resonanzrichtung des Lichts verschieden dick sein. Die zweite Abstimmschicht kann eine größere Dicke als die erste Abstimmschicht haben, um eine größere Veränderung des Brechungsindex als die erste Abstimmschicht zu haben. Die zweite Abstimmschicht kann einen größeren Lichteinschlußfaktor als die erste Abstimmschicht haben.
Vorzugsweise werden die ersten und zweiten Abstimmschichten gleichzeitig mittels eines selektiven metallorganischen Dampfphasenepitaxie-Aufwachsverfahrens gebildet.
Alternativ sind die ersten und zweiten Abstimmschichten eine gemeinsame Schicht mit wechselweise verschiedenen Kristallzusammensetzungen, um eine wechselweise verschiedene Brechungsindexveränderung auf das elektrische Abstimmsignal zu zeigen. In diesem Fall können die ersten und zweiten Abstimmschichten mit wechselweise verschiedener Kristallzusammensetzung wechselweise verschiedene Energiebandstrukturen haben. Die zweite Abstimmschicht kann eine größere Veränderung eines Brechungsindex beim Anlegen des elektrischen Abstimmsteuersignals als die erste Abstimmschicht haben.
Indem in der oben erwähnten Bedingung der Gleichung (1) für kontinuierliche Wellenlängensteuerung die äquivalenten Brechungsindizes des Phasensteuerungsbereichs und des DBR-Bereichs unter Verwendung der Materialindexänderung der Abstimmschicht und eines Lichteinschlußfaktors ausgedrückt werden, kann die Gleichung (1) wie folgt neu geschrieben werden:
dbr Δndbr/ pc Δnpc = Lpc(La + Lpc) ... (2)
worin pc und dbr Lichteinschlußfaktoren für die Abstimmschicht des Phasensteuerungsbereichs und des DBR-Bereichs sind und Δnpc und Δndbr Veränderungen der Brechungsindizes in der Abstimmschicht des Phasensteuerungsbereichs und des DBR-Bereichs sind. Um mit Injektion eines gleichförmigen Stroms in den Phasensteuerungsbereich und den DBR-Bereich kontinuierliche Wellenlängensteuerung zu erzielen, ohne den Widerstand zum Teilen des Abstimmstroms zu verwenden, wird die Schichtdicke an der Abstimmschicht im Phasensteuerungsbereich dicker als die des DBR-Bereichs gemacht, um den Lichteinschlußfaktor in der Abstimmschicht des Phasensteuerungsbereichs größer als den des DBR-Bereichs zu machen, so daß pc > dbr hergestellt wird. Eine weitere Lösung, kontinuierliche Wellenlängensteuerung zu erzielen, besteht darin, die Wellenlängenzusammensetzung der Abstimmschicht des Phasensteuerungsbereichs länger als die Wellenlängenzusammensetzung der Abstimmschicht des DBR-Bereichs einzustellen, um die Verän derung des Brechungsindex der Abstimmschicht im Phasensteuerungsbereich größer als die im DBR-Bereich zu machen, so daß Δnpc > Δndbr hergestellt wird.
Konventionell ist es sehr schwierig, im Phasensteuerungsbereich und im benachbarten DBR-Bereich selektiv Schichten mit verschiedener Schichtdicke oder Schichtzusammensetzung zu bilden. Die jüngst entwickelte MOVPE-Technologie ermöglicht die selektive Bildung von Schichten mit verschiedener Schichtdicke oder Schichtzusammensetzung. Das selektive MOVPE-Verfahren benutzt das Prinzip, daß die Schichtdicke der Epitaxieschicht und die Wellenlängenzusammensetzung in dem zwischen den SiO&sub2; Streifen (Isolationsstreifen) liegenden Bereich in Abhängigkeit von der Breite der SiO&sub2;-Streifen variiert, indem Paare von SiO&sub2; Streifen auf einem Halbleitersubstrat gebildet werden und darauf das MOVPE-Kristallaufwachsverfahren durchgeführt wird. Größere Streifenbreite des SiO&sub2;-Streifens vergrößert die Schichtdicke der dazwischen gebildeten Epitaxie-Halbleiterschicht und macht die Wellenlängenzusammensetzung länger. Die gleiche Tendenz erreicht man, wenn als Epitaxieschicht eine Mehrfach-Quantentopfstruktur gebildet wird. In diesem Fall kann die Veränderung der effektiven Wellenlängenzusammensetzung für weitere Verbesserungen schief sein.
Es gibt weitere Methoden, um Gleichung (2) zu erfüllen. Bei einer Methode wird der wellenlängenabstimmbare Halbleiterlaser unter Berücksichtigung des Änderungsbetrages des Materialbrechungsindex so gestaltet, daß die Energiebandstruktur des Phasensteuerungsbereichs negative effektive Masse im Valenzband hat. Dadurch wird die Zustandsdichte am Bandende schnell angehoben. Somit kann man eine ziemlich große Brechungsveränderung erzielen. Die Erzielung eines großen Änderungsbetrages des Brechungsindex wurde in unserer japanischen Patentanmeldung Nr. Heisei 5-154039 vorgeschlagen.
Nach einer anderen Methode wird der Lichteinschlußfaktor der Phasensteuerungsschicht größer als derjenige der DBR-Wellenleiterschicht gemacht, indem für eine größere Breite der Phasensteuerungsschicht als die der DBR-Wellenleiterschicht gesorgt wird. Typischerweise beträgt die Breite ungefähr 2 um, und eine Breiteverän derung vor und zurück beeinflußt den Lichteinschlußfaktor möglicherweise nicht. Wenn aber die Breite des DBR-Wellenleiters auf ungefähr 0,5 um vermindert wird, wird ein relativ großer Lichteinschlußfaktor der Phasensteuerungsschicht in bezug auf den DBR-Wellenleiter erzielt, indem die Breite der Phasensteuerungsschicht auf ungefähr 2 um eingestellt wird.
Ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Erfindung gewinnt man aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und aus den beigefügten Zeichnungen der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die jedoch nicht als einschränkend für die vorliegende Erfindung zu sehen sind, sondern nur zur Erläuterung und zum Verständnis dienen.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ist ein Schnitt, der ein Beispiel für den konventionellen wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlaser zeigt,
Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Kennlinie des konventionellen wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers von Fig. 1 zeigt,
Fig. 3 ist ein Diagramm, das die Kennlinie des konventionellen wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers zeigt,
Fig. 4 ist ein Schnitt, der den Aufbau der ersten Ausführungsform eines wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 5A bis 5C sind Perspektivansichten, die einen Herstellungsprozeß der ersten Ausführungsform eines wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers gemäß der Erfindung zeigen,
Fig. 6 ist ein Kennliniendiagramm, das eine Wellenlängen-Steuerkennlinie der ersten Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers zeigt,
Fig. 7 ist ein Schnitt, der den Aufbau der zweiten Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 8A bis 8D sind Perspektivansichten, die einen Herstellungsprozeß der zweiten Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers zeigen,
Fig. 9A und 9B sind eine Querschnitts- bzw. eine Perspektivansicht der dritten Ausführungsform eines wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers,
Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Energiebandstruktur einer MQW-Wellenleiterschicht der dritten Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht,
Fig. 11A und 11B sind Skizzen, die ein Energieband in der Phasensteuerungsschicht und der DBR-Wellenleiterschicht in der dritten Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers zeigen,
Fig. 12 ist ein Diagramm, das die Wellenlängenänderungs-Kennlinie in der ersten Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers zeigt,
Fig. 13 ist eine Draufsicht auf die zweite Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers gemäß der Erfindung, bei der die Maske zum selektiven Aufwachsen vor dem Aufwachsen der wellenlängenabstimmbaren DBR-Halbleiterlaserdiode gebildet wird, gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 14 zeigt den Aufbau in der seitlichen Richtung der Figur in der seitlichen Richtung der fünften Ausführungsform der wellenlängenabstimmbaren DBR-Halbleiterlaserdiode, und
Fig. 15 ist eine Skizze, die die Betriebsbedingung für Wellenverursachung der fünften Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren DBR-Halbleiterlasers zeigt.
Die bevorzugten Ausführungsformen von wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasern gemäß der vorliegenden Erfindung werden nun im Detail erörtert. In der folgenden Beschreibung sind spezielle numerische Details angegeben, um ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Erfindung zu ermöglichen. Der Fachmann weiß jedoch, daß die vorliegende Erfindung ohne diese speziellen Details ausgeführt werden kann. Andererseits sind bekannte Strukturen nicht im Detail gezeigt, um die vorliegende Erfindung nicht unnötig schwer verständlich zu machen.

(Erste Ausführungsform)

Fig. 4 zeigt den Aufbau eines wellenlängenabstimmbaren DBR-Lasers mit einer Wellenlänge im 1,55 um-Bereich in der ersten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung. Auf einem einem DBR-Bereich entsprechenden Teil auf einem N- leitenden InP-Substrat ist ein Beugungsgitter 310 (mit einer Periode von 240 nm) gebildet. Auf der gesamten Oberfläche des Beugungsgitters 310 sind eine N-leitende InGaAs-Führungsschicht 302 (mit 0,1 um Dicke) mit einer Wellenlängenzusammensetzung von 1,3 um, eine Abstimm- und aktive Schicht 307 aus einer InGaAs/- InGaAsP-Mehrfach-Quantentopfschicht (MQW) mit zehn Topfschichten und eine P-leitende InP-Kaschierschicht 305 (ungefähr 2 um dick) gebildet. Eine über der Pleitenden InP-Kaschierschicht 305 gebildete P&spplus;-leitende InGaAs-Deckschicht 306 wird zwischen einem Phasensteuerungsbereich und einem aktiven Bereich zur elektrischen Trennung entfernt. Auf dem aktiven Bereich wird eine Elektrode 311 gebildet. Ähnlich wird auf dem Phasensteuerungsbereich und dem DBR-Bereich eine Elektrode 315 gebildet. Unterhalb des N-leitenden InP-Substrats (Halbleitersubstrats) 301 wird eine Erdelektrode 314 gebildet. Die Längen des aktiven Bereichs, des Phasensteuerungsbereichs und des DBR-Bereichs sind La = 300 um, Lpc = 300 um bzw. Ldbr = 200 um. Außerdem bezeichnet Ia einen Laserstrom, und It bezeichnet einen Abstimmstrom.
Die Abstimm- und aktive Schicht 307 wird mittels eines selektiven MOVPE-Verfahrens aufgewachsen. Die Wellenlängenzusammensetzungen (effektive Bandlückenwellenlänge) sind 1,55 um im aktiven Bereich, 1,47 um im Phasensteuerungsbereich und 1,40 um im DBR-Bereich. Die Schichtdicken des aktiven Bereichs, des Phasensteuerungsbereichs und des DBR-Bereichs betragen 0,3 um, 0,23 um bzw. 0,15 um. Da die durch die Periode des Beugungsgitters festgelegte Laserwellenlänge 1,55 um ist, arbeitet die Abstimm- und aktive Schicht 307 als aktive Schicht zur Erzeugung einer Lichtverstärkung durch Strominjektion in den aktiven Bereich und wirkt außerdem als eine passive Abstimmschicht im Phasensteuerungsbereich und im DBR-Bereich. In dem obigen Aufbau ist ein Lichteinschlußfaktor pc des Phasensteuerungsbereichs größer als ein Lichteinschlußfaktor dbr des DBR- Bereichs ( pc > dbr). Außerdem ist eine Brechungsindexveränderung Δnpc in der Abstimmschicht im Phasensteuerungsbereich bei Injektion des Stroms größer als eine Brechungsindexveränderung Δndbr im DBR-Bereich (Δnpc > Δndbr). Als Folge kann die obige Gleichung (2) erfüllt werden.
Fig. 5A bis 5C zeigen jeweils Verfahrensschritte bei der Herstellung der ersten Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren DBR-Lasers gemäß der Erfindung. In einem in Fig. 5A dargestellten Schritt wird das Beugungsgitter 310 teilweise auf dem N-leitenden InP-Substrat 301 gebildet. Auf dem Substrat 301 mit dem Beugungsgitter 310 werden parallel zueinander verlaufende SiO&sub2;-Streifen 320 strukturiert, die einen Streifenbereich von 1,5 um Breite definieren. Der Streifenbereich bildet einen Lichtwellenleiter. Die Breite jedes SiO&sub2;-Streifens 320 ist im DBR- Bereich am schmalsten. Der SiO&sub2;-Streifen 320 verbreitert sich schrittweise nach größerer Breite im Phasensteuerungsbereich und hat die größte Breite im aktiven Bereich. Konkret betragen die Breiten der SiO&sub2; Streifen 320 8 um, 20 um bzw. 30 um. In einem in Fig. 5B dargestellten Schritt werden die N-leitende InGaAs-Führungsschicht 302, die Abstimm- und aktive MQW-Schicht 307 und die P-leitende erste InP-Kaschierschicht 305 mittels eines MOVPE-Verfahrens gebildet. Da die Breite des SiO&sub2; Streifens 320 in den jeweiligen Bereichen verschieden ist, nimmt die Schichtdicke der Abstimm- und aktiven MQW-Schicht 307 des durch die SiO&sub2;- Streifen 320 definierten Streifenbereichs schrittweise vom DBR-Bereich zum aktiven Bereich zu. Die Wellenlängenzusammensetzung wird dann vom DBR-Bereich zum aktiven Bereich schrittweise in Richtung auf lange Wellenlänge verändert. In einem in Fig. 5C dargestellten Schritt werden die SiO&sub2; Streifen 320 für beide Seiten des Lichtwellenleiterbereichs geätzt, um die Streifenform neu zu strukturieren. Danach werden mittels des selektiven MOVPE-Verfahrens eine zweite P- leitende InP-Kaschierschicht 305' und eine P&spplus;-leitende InGaAs-Deckschicht 306 selektiv aufgewachsen. Durch Bilden der Elektroden in den gewünschten Bereichen kann dann die erste Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren DBR-Lasers vervollständigt werden.
Der Schwellenstrom der gezeigten Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren DBR-Lasers beträgt ungefähr 30 mA. Fig. 6 zeigt eine Kennlinie der Wellenlänge bei Injektion des Abstimmstroms in die Elektrode 315. In Fig. 6 stellt die Vertikalachse die Wellenlängenänderung dar, und die Horizontalachse stellt den Abstimmstrom It dar. Somit kann man ungefähr 7 nm kontinuierlichen Wellenlängensteuerungsbetrieb erzielen, ohne Modensprung zu verursachen.

(Zweite Ausführungsform)

Fig. 7 zeigt den Aufbau eines wellenlängenabstimmbaren DBR-Lasers in der zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung. Auf dem teilweise mit einem Beugungsgitter 410 gebildeten Substrat sind eine N-leitende InGaAs-Führungsschicht 402 (mit einer Dicke von 0,1 um) mit einer Wellenlängenzusammensetzung von 1,3 um und eine N&supmin;-leitende InGaAs-Abstimmschicht 404 gebildet. Die Schichtdicke der Abstimmschicht 404 beträgt 0,3 um im Phasensteuerungsbereich, 0,2 um im DBR-Bereich und 0,1 um im aktiven Bereich. Auf der Abstimmschicht 404 im aktiven Bereich wird selektiv eine aktive InGaAs/InGaAsP-MQW-Schicht 403 mit zehn Töpfen gebildet. Auf der gesamten Oberfläche wird dann eine P-leitende InP-Kaschierschicht 405 (in der Schichtdicke von 2 um) gebildet. Außerdem werden im aktiven Bereich eine P&spplus;-leitende InGaAs-Deckschicht 406 und die Elektrode 411 gebildet. Ähnlich werden im Phasensteuerungsbereich und im DBR-Bereich die Deckschicht 406 und die Elektrode 415 gebildet. Andererseits wird unterhalb des Substrats 401 eine Erdelektrode 414 gebildet. Die Längen des aktiven Bereichs, des Phasensteuerungsbereichs bzw. des DBR-Bereichs sind La = 300 um, Lpc = 300 um und Ldbr = 200 um. Ia ist der Laserstrom, und It ist der Abstimmstrom.
Fig. 8A bis 8C zeigen jeweils Verfahrensschritte bei der Herstellung der zweiten Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren DBR-Lasers gemäß der Erfindung. In einem in Fig. 8A dargestellten Schritt wird das Beugungsgitter 410 mit einer Periode von 240 nm teilweise auf dem N-leitenden InP-Substrat 401 gebildet. Auf dem N-leitenden InP-Substrat 401 mit dem Beugungsgitter 410 werden SiO&sub2;-Filme 440 strukturiert, die ein Fenster dazwischen definieren. Die durch die SiO&sub2; Filme 440 definierte Fensterbreite ist im Phasensteuerungsbereich am schmalsten (ungefähr 10 um) und im DBR-Bereich breiter (ungefähr 10 um). Im aktiven Bereich wird kein SiO&sub2; Film gebildet, In einem in Fig. 8B dargestellten Schritt werden die N-leitende InGaAs-Führungsschicht 402, die N&supmin;-leitende InGaAs-Abstimmschicht 404 und die P-leitende erste InP-Kaschierschicht 405 selektiv mittels des MOVPE-Verfahrens gebildet. Nachfolgend wird der SiO&sub2;-Film 440 entfernt. In einem in Fig. 8C dargestellten Schritt wird die erste Kaschierschicht 405 im aktiven Bereich durch Ätzen entfernt. Danach werden, wieder durch selektives Aufwachsen, eine streifenförmige aktive MQW-Schicht 403 von 1,5 um Breite und eine dünne P-leitende InP-Kaschierschicht 405' gebildet. In einem in Fig. 8D dargestellten Schritt werden dann durch selektives Aufwachsen überall auf den Bereichen eine streifenförmige zweite P-leitende InP-Kaschierschicht 405' von 5,0 um Breite und eine P&spplus;-leitende InGaAs-Deckschicht 406 gebildet. In diesem Zeitpunkt bedeckt die zweite Kaschierschicht 405' die aktive Schicht 403 im aktiven Bereich und bildet einen Stegwellenleiter im Phasensteuerungsbereich und im DBR- Bereich. Durch nachfolgendes Bilden der Elektroden in den gewünschten Bereichen wird die zweite Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren DBR-Lasers vervollständigt.
Die zweite Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren DBR-Lasers hat eine Abstimmschicht, die im Phasensteuerungsbereich dicker als im DBR-Bereich ist und eine längere Wellenlängenzusammensetzung als der letztere hat. Daher kann die Beziehung der oben angegebenen Gleichung (2) erfüllt werden. Ähnlich wie in der ersten Ausführungsform kann daher kontinuierliche Wellenlängensteuerung verwirklicht werden, ohne Modensprung zu verursachen.
Man beachte, daß die vorstehenden ersten und zweiten Ausführungsformen zwar unter dem Aspekt eines wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers auf der Basis eines InGaAsP/InP-Verbindungshalbleiters mit einer Laserwellenlänge im 1,55-um- Bereich erörtert wurden, daß die vorliegende Erfindung aber auch für Laser wirkungsvoll ist, die mit anderen Verbindungshalbleitern in anderen Wellenlängenbereichen gebildet werden. Außerdem erfolgte die vorstehende Erörterung zwar für einen Laser mit vergrabener Heterostruktur unter Verwendung vom selektivem Aufwachsen für die seitliche Modensteuerung des Lasers, die seitliche Modensteuerungsstruktur ist aber nicht auf die gezeigte Struktur beschränkt, sondern kann auch eine andere Struktur sein, etwa eine nach Mesa-Ätzen gebildete vergrabene Heterostruktur. Außerdem können die aktive Schicht und die Abstimmschicht entweder Volumenhalbleiter- oder MQW-Strukturen sein. Weiterhin können die Lagen des aktiven Bereichs und des Phasensteuerungsbereichs umgekehrt sein.
Wie oben dargelegt, können die ersten und zweiten Ausführungsformen des wellenlängenabstimmbaren DBR-Lasers gemäß der vorliegenden Erfindung die Wellenlänge durch gleichförmige Injektion des Abstimmstroms in den Phasensteuerungsbereich und den DBR-Bereich kontinuierlich steuern. Außerdem können die ersten und zweiten Ausführungsformen des wellenlängenabstimmbaren DBR- Lasers die Probleme mit Modensprung überwinden, der bei Wellenlängensteuerung in einem konventionellen DBR-Laser verursacht wird, der den Widerstand zum Teilen des Abstimmstroms und mit Impedanz-Fehlanpassung verwendet, was bei Hochgeschwindigkeits-Wellenlängenumschaltung ein Problem verursacht. Der kontinuierlich abstimmbare Wellenlängenbereich kann von konventionell 3,8 nm auf 7 nm verbessert werden.
Fig. 9A und 9B sind eine Querschnitts- bzw. eine Perspektivansicht aus der Lichtausgaberichtung der dritten Ausführungsform des wellenlängenabstimmbaren Halbleiterlasers gemäß der vorliegenden Erfindung. Unter Verwendung des MOVPE-Verfahrens kann eine Lichtemissionswellenlänge der MQW-Schicht gesteuert werden, indem die Breite einer Maske 510 zum selektiven Aufwachsen in den jeweiligen Bereichen verändert wird. Der Herstellungsprozeß des Elementes ist wie folgt. Zuerst wird auf einem N-leitenden InP-Substrat 501 mit einer (100)-Oberflächenorientierung, auf dem teilweise ein Beugungsgitter 502 mit einer Periode von 240 nm gebildet ist, auf der gesamten Oberfläche SiO&sub2; aufgewachsen. Danach werden zwei parallele Streifen mit einem Abstand von 1,5 um in der Orientierung [011] strukturiert. In diesem Zeitpunkt werden die Breiten der Maske 510 zum selektiven Aufwachsen auf 30 gm, 15 um bzw. 8 um für einen aktiven Bereich 511 (200 um Länge), einen Phasensteuerungsbereich 512 (200 um Länge) bzw. einen DBR-Bereich 513 (500 um Länge) eingestellt. Auf diesen Bereichen werden eine InGaAsP-Führungsschicht 503 mit 1,2 um Wellenlängenzusammensetzung, eine MQW-Wellenleiterschicht 520, die eine aktive Schicht 504, eine Phasensteuerungsschicht 505 und eine DBR-Wellenleiterschicht 506 bildet, und eine P-leitende InP-Kaschierschicht 507 (0,6 um dick) aufgewachsen.
Durch Verwendung des selektiven MOVPE-Verfahrens können im gleichen Auf wachsprozeß die Lichtemissionswellenlänge und die Dicke der MQW-Wellenleiterschicht 520 verändert werden. Die MQW-Wellenleiterschicht 520 hat eine Struktur bestehend aus Ebenen eines InGaAs-Topfbereichs 521 (9 nm dick) mit einer Zugbelastung von 0,6%, einer InGaAsP-Barrierenschicht 522 (10 nm dick) mit einer Wellenlängenzusammensetzung von 1,2 um und einer InGaAsP-SCH-Schicht (an einer Seite 100 nm dick) mit der gleichen Zusammensetzung wie die Barrierenschicht, wie in Fig. 10 gezeigt. Im aktiven Bereich 511 beträgt die Lichtemissionswellenlänge der gesamten MQW-Schicht 1,55 um. Im Phasensteuerungsbereich 512 und im DBR-Bereich 513 betragen die Wellenlängenzusammensetzungen 1,48 um bzw. 1,45 um. Infolge der Eigenschaften des selektiven Aufwachsens wird in diesem Zeitpunkt im Phasensteuerungsbereich 512 und im DBR-Bereich 513 mit schmalerer Maskenbreite das Einleitungsverhältnis von In in die Kristallschicht klein, um die Zugbelastung größer zu machen. In der Praxis wird die Zugbelastung der InGaAs-Schicht -0,9% und -1,2% im Phasensteuerungsbereich 512 und im DBR-Bereich 513.
Die Energiebandstruktur der MQW-Struktur in den jeweiligen Bereichen wurde als in den in Fig. 11A und 11B dargestellten Konfigurationen analysiert. Insbesondere wurde analysiert, daß der Phasensteuerungsbereich die in Fig. 11A dargestellte Konfiguration hat. Für so einem Fall, wie in unserer japanischen Patentanmeldung Nr. 5-153049 gezeigt, hat man durch Berechnung gezeigt, daß die Energieverteilung des Valenzbandes in anderen Bereichen als dem Punkt gebildet wird, an dem k = 0, um einen plötzlichen Anstieg der Zustandsdichte zu verursachen, um eine wesentliche Veränderung des Brechungsindex durch Strominjektion zu verursachen. Die durch das selektive Aufwachsen aufgewachsene In-Zusammensetzung des Topfes im DBR-Bereich wird kleiner als die im Phasensteuerungsbereich. Im Falle der gezeigten Ausführungsform wurde eine Zugbelastung von 1, 2% verursacht. Während die Änderungsstärke des Brechungsindex als Antwort auf die Strominjektion relativ groß ist, wenn der Strom mit der gleichen Stromdichte zugeführt wird, wird die Änderungsstärke des Brechungsindex im DBR-Bereich kleiner als die Änderungsstärke des Brechungsindex im Phasensteuerungsbereich. Daher kann die oben angegebene Gleichung (1) erfüllt werden.
In der gezeigten Ausführungsform werden nach Bildung eines Mesa-Streifens, der die MQW-Schicht enthält, die Masken an beiden Seiten im Umfang von ungefähr 2 um entfernt. Danach werden durch ein ähnliches selektives Aufwachsverfahren eine P-leitende vergrabene InP-Schicht 508 und eine InGaAsP-Kontaktschicht 509 mit einer Wellenlängenzusammensetzung von 1,3 um in Dicken von 1,5 um bzw. 0,4 um aufgebracht. Über dem Phasensteuerungsbereich 512 und dem DBR- Bereich 513 wird eine gemeinsame Elektrode gebildet, um einen Wellenlängeneinstellbereich zu bilden. Somit erhält man die gewünschte wellenlängenabstimmbare DBR-Laserdiode.
Wenn in der gezeigten Ausführungsform der wie oben dargelegt aufgebauten wellenlängenabstimmbaren DBR-Laserdiode kein Steuerstrom zugeführt wird, können 10 mA Schwellenwert des Oszillationsstroms, 0,2 W/A Überlaufwirkungsgrad und ungefähr 30 mW maximale Lichtleistung erhalten werden. Wenn der Steuerstrom zugeführt wird, wie in Fig. 12 gezeigt, kann durch Injektion von ungefähr 50 mA Steuerstrom 7,1 nm kontinuierlicher Wellenlängenabstimmbetrieb erhalten werden.
Fig. 13 ist eine Draufsicht auf ein Substrat, auf dem vor dem Aufwachsen einer MQW-Schicht eine Maske 610 zum selektiven Aufwachsen gebildet wird, wie in der vierten Ausführungsform der wellenlängenabstimmbaren DBR-Laserdiode gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Ähnlich wie in der vorhergehenden dritten Ausführungsform sind die Längen eines aktiven Bereichs 611, eines Phasensteuerungsbereichs 612 bzw. eines DBR-Bereichs 613 200 um, 200 um bzw. 500 um. In der gezeigten Ausführungsform wird ein durch die Maske 610 definierter Bereich im DBR-Bereich 613 schmaler als die Breite in anderen Bereichen eingestellt. In der Praxis wird die Breite im DBR-Bereich 613 auf 0,5 um eingestellt, während die Breiten in den übrigen Bereichen auf 1,8 um eingestellt werden. Darüber werden im gleichen Prozeß wie in der vorhergehenden dritten Ausführungsform (siehe Fig. 10A, 10B) eine InGaAsP-Führungsschicht 503, eine MQW-Wellenleiterschicht 520 und eine P-leitende InP-Kaschierschicht 507 aufgewachsen. Danach werden durch Entfernen der Masken an beiden Seiten des Mesa- Streifens im Umfang von 3 um Breite eine P-leitende vergrabene InP-Schicht 508 und eine P-leitende InGaAsP-Kontaktschicht 509 aufgewachsen. Danach werden die Elektroden auf dem aktiven Bereich 611, dem Phasensteuerungsbereich 612 und dem DBR-Bereich 613 gebildet. Für den Phasensteuerungsbereich 612 und den DBR-Bereich 613 wird eine gemeinsame Elektrode gebildet, um den Wellenlängensteuerungsbereich herzustellen. In der gezeigten Ausführungsform wird im aktiven Bereich 611 eine InGaAs-Topfschicht verwendet, die im wesentlichen eine Gitteranpassung herstellt.
Eine Kennlinienauswertung wurde durchgeführt, indem ein Laserchip mit diesen Elementen gebildet wurde. Danach konnten ein Schwellenwert, Lichtleistungseigenschaften und ungefähr 6 nm kontinuierlicher Wellenlängenabstimmbetrieb erhalten werden, die der dritten Ausführungsform im wesentlichen vergleichbar sind.
Fig. 15 zeigt einen Schnitt des Elementes in der seitlichen Richtung der fünften Ausführungsform der wellenlängenabstimmbaren DBR-Laserdiode gemäß der vorliegenden Erfindung. Die gezeigte Ausführungsform ist durch einen zweiten Phasensteuerungsbereich 714 auf der Stirnseite eines aktiven Bereichs 711 gekennzeichnet. Die Längen des aktiven Bereichs 711 und des zweiten Phasensteuerungsbereichs 714 sind 160 um bzw. 40 um. Die Längen des Phasensteuerungsbereichs und des DBR-Bereichs sind 200 um bzw. 500 um. Der Herstellungsprozeß ist mit Ausnahme der Bildung des zweiten Phasensteuerungsbereichs der gleiche wie in der dritten Ausführungsform. In dieser Ausführungsform wird im aktiven Bereich 711 der MQW-Wellenleiter verwendet, der die InGaAs-Topfschicht aufweist, die im wesentlichen Gitteranpassung herstellt. Die Art und Weise, daß nach Aufwachsen des MQW-Wellenleiters und der Kaschierschicht und so weiter entlang der Resonanzrichtung des Lichts mit unterschiedlicher Wellenlängenzusammensetzung durch selektives Aufwachsen ein Teil der Maske entfernt wird, um die vergrabene Schicht und die Kontaktschicht aufzuwachsen, ist der vierten Ausführungsform ähnlich. Im Falle der gezeigten Ausführungsform werden die Elektroden nicht nur auf dem aktiven Bereich 711 und einem Wellenlängensteuerungsbereich, sondern auch auf dem zweiten Wellenlängensteuerungsbereich 714 ge bildet. Daher sind insgesamt drei voneinander unabhängige Elektroden vorhanden.
Eine Auswertung wurde durchgeführt, indem ein individueller Laserchip gebildet wurde. Es wurde festgestellt, daß der Schwellenstrom, der Neigungswirkungsgrad und die maximale Lichtleistung jeweils 15 mA, 0,18 W/A und 25 mW betragen. Diese Werte wurden mit hoher Reproduzierbarkeit erhalten. Die Wellenlängenabstimmkennlinie des Elementes ist wie in Fig. 16 gezeigt. Wenn dem zweiten Phasensteuerungsbereich kein Strom zugeführt wird, wie durch die Kurve Ip2 = 0 in der Zeichnung gezeigt, wird die Gleichung (1) bei einem bestimmten Steuerstromwert möglicherweise nicht erfüllt, um Modensprung zu verursachen. Wenn andererseits die Einstellung Ip2 = 3 mA vorgenommen wird, kann die Gleichung (1) im weiten Bereich des Steuerstroms erfüllt werden. Man kann dann einen gleichmäßigen Wellenlängenabstimmbetrieb im Umfang von 6,2 nm erzielen.
In der vorhergehenden Ausführungsform wurde zwar der Fall erläutert, daß das Halbleitermaterial eines langen Wellenlängenbandes durch Bilden des Substrats mit InP und des Wellenleiters mit dem InGaAsP erhalten wurde, das Halbleitermaterial ist aber nicht auf die gezeigten Materialien beschränkt, sondern man kann irgendein anderes Halbleitermaterial verwenden, etwa vom Typ GaAs, vom Typ InAlAs und so weiter. Als Struktur des Wellenleiters wurde in allen Ausführungsformen die vergrabene Heterostruktur offenbart, der DBR-Bereich kann aber auch in Stegstruktur gebildet werden, um die Wellenlängeneinstellung zu verbessern. So ein Element kann mittels des selektiven MOVPE-Verfahrens leicht hergestellt werden. Außerdem kann der Aufbau in beliebiger Kombination benutzt werden.
Wie oben dargelegt, wird in den vorhergehenden dritten bis fünften Ausführungsformen (a) eine Halbleiterschicht gebildet, die eine Energiebandstruktur hat, die negative effektive Masse im Valenzband wird, wird (b) die Breite der Phasensteuerungsschicht größer als die Breite der DBR-Schicht eingestellt und wird (c) der zweite Phasensteuerungsbereich gebildet. Dies ermöglicht kontinuierlichen Wellenlängenabstimmbetrieb in einem weiten Wellenlängenbereich, der im Stand der Technik nicht erreicht werden konnte. So ein Halbleiterlaser sollte eine Schlüs selvorrichtung in Anwendungen des Wellenlängenmultiplex-Kommunikationssystems sein.
Die Erfindung wurde zwar in bezug auf ihre beispielhaften Ausführungsformen beschrieben, der Fachmann weiß aber, daß die vorhergehenden und verschiedene weitere Änderungen, Weglassungen und Hinzufügungen darin und daran vorgenommen werden können, ohne den durch die Patentansprüche bestimmten Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht als auf die oben angegebenen speziellen Ausführungsformen beschränkt zu verstehen.

Claims

1. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser, mit

einem aktiven Bereich, der eine aktive Schicht (307, 403) enthält, die durch Injektion eines Stroms eine Lichtverstärkung erzeugt,

einem Phasensteuerungsbereich, der eine Abstimmschicht (307, 404) enthält, die durch Injektion eines Stroms eine Veränderung eines Brechungsindex erzeugt,

einem verteilten Braggschen Reflektorbereich, der eine Abstimmschicht (307, 404) enthält, die durch Injektion eines Stroms eine Veränderung eines Brechungsindex erzeugt, wobei der aktive Bereich, der Phasensteuerungsbereich und der verteilte Braggsche Reflektorbereich in einer Resonanzrichtung ausgerichtet angeordnet sind,

einem Beugungsgitter (310, 410), das in der Nähe der Abstimmschicht des verteilten Braggschen Reflektorbereichs vorgesehen ist,

einer Einrichtung zur gleichförmigen Injektion eines gemeinsamen Stroms in den Phasensteuerungsbereich und den verteilten Braggschen Reflektorbereich, und

dadurch gekennzeichnet, daß

ein Lichteinschlußfaktor für die Abstimmschicht des Phasensteuerungsbereichs größer als ein Lichteinschlußfaktor für die Abstimmschicht des verteilten Braggschen Reflektorbereichs ist.

2. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Abstimmschicht (307, 404) des Phasensteuerungsbereichs dicker als die Dicke der Abstimmschicht des verteilten Braggschen Reflektorbereichs ist.

3. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Abstimmschicht im Phasensteuerungsbereich größer als die Breite der Abstimmschicht im verteilten Braggschen Reflektorbereich ist.

4. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der verteilte Braggsche Reflektorbereich so eingestellt ist, daß eine Verän derung des Brechungsindex innerhalb der Abstimmschicht im Phasensteuerungsbereich in Reaktion auf den angelegten Strom größer als eine Veränderung des Brechungsindex innerhalb der Abstimmschicht im verteilten Braggschen Reflektorbereich in Reaktion auf den angelegten Strom ist.

5. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlängenzusammensetzung der Abstimmschicht des Phasensteuerungsbereichs länger als die Wellenlängenzusammensetzung der Abstimmschicht des verteilten Braggschen Reflektorbereichs ist.

6. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Energiebandstruktur der Halbleiterschicht, die die Abstimmschicht im Phasensteuerungsbereich bildet, negative effektive Masse in einem Valenzband ist und daß die Energiebandstruktur der Halbleiterschicht, die den verteilten Braggschen Reflektorbereich bildet, positive effektive Masse in einem Valenzband ist.

7. Wellenlängenabstimmbarer Halbleiterlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmschichten des Phasensteuerungsbereichs und des verteilten Braggschen Reflektorbereichs so eingestellt sind, daß folgendes gilt:

dbr Δndbr/ pc Δnpc = Lpc/(La + Lpc)

worin

dbr der Lichteinschlußfaktor des verteilten Braggschen Reflektorbereichs ist,

pc der Lichteinschlußfaktor des Phasensteuerungsbereichs ist,

Δndbr eine Veränderung des Brechungsindex des verteilten Braggschen Reflektorbereichs ist,

Δnpc eine Veränderung des Brechungsindex des Phasensteuerungsbereichs ist,

La eine Länge des aktiven Bereichs ist, und

Lpc eine Länge des Phasensteuerungsbereichs ist.