(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｐ側の分離閉じ込め層とｎ側の分離閉じ込め層との間に発光領域を有してなる活性層を備えた半導体レーザダイオードであって、
上記ｐ側の分離閉じ込め層の厚さを上記ｎ側の分離閉じ込め層の厚さに比較して薄くし、
上記発光領域は、障壁層と井戸層とが交互に積層された量子井戸構造を有し、
上記発光領域から離れた位置にありかつ上記障壁層よりバンドギャップの小さいキャリア蓄積層が上記ｎ側の分離閉じ込め層のみに設けられたことを特徴とする半導体レーザダイオード。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザダイオード、特に光通信に使用される半導体レーザダイオードに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバ伝送においては、光ファイバ中の反射やレイリー散乱により光が干渉を起こしビート光を発生する。光ファイバ伝送の光源として、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザダイオードを用いた場合、透過光の波長と反射光（散乱光）の波長とは同一であるが、レーザ光が直接、強度変調されている場合には、変調された強度に対応して瞬時周波数が異なるために、ビート信号は光源の周波数変動量の時間平均スペクトルとして観測される。ＤＦＢ半導体レーザダイオードから出力される強度変調された光の周波数変動は、チャーピングと称され、通常、数百ＭＨｚから数ＧＨｚに達する。これに対して、ディジタル伝送もしくはＣＡＴＶ等のアナログ伝送で使用する帯域は数ＧＨｚ程度までのため、上述のような原因で発生するビート信号は伝送信号に対する雑音となり、Ｃ／Ｎ（搬送波対雑音比）の劣化を引き起こす。
【０００３】
このＣ／Ｎの劣化を防止するために、伝送信号に対して雑音となるビート信号を低減することが必要であるが、このビート信号を低減するための１つの方法としてチャーピング量を広げることが考えられる。すなわち、ビート信号の全エネルギーは一定であるため、チャーピング量を広げれば、帯域当たりのビート信号レベルを下げることができる。例えば、１ＧＨｚまでの帯域を使用する伝送に対して変調時のチャーピング量が１ＧＨｚの半導体レーザダイオードを使用すると、ビート信号はすべて伝送帯域に発生することになるが、チャーピング量が２ＧＨｚであれば、伝送帯域内のビート信号レベルはほぼ３ｄＢ低減することができる（実際にはビート信号レベルは周波数に対して一定ではないため、必ずしも３ｄＢとは限らない）。以上のように、分布帰還型半導体レーザダイオードにおけるチャーピング量を広げることが雑音レベルの低減に有効である。
【０００４】
現在、使用されている半導体レーザダイオードは、図７のバンドダイヤグラムに示すエネルギーバンド構造を有する歪量子井戸構造の活性層を備え、強度変調時におけるチャーピングは主として量子井戸内のキャリア変動による屈折率の変化が原因となって発生する。ここで、従来例の半導体レーザダイオードにおいて、ｎ側クラッド層１とｐ側クラッド層６との間に形成された活性層は、ｎ側の分離閉じ込め層（以下、単にＳＣＨ層という）２１とｐ側のＳＣＨ層３１との間に井戸層と障壁層とが交互に積層されてなる。この従来例の半導体レーザダイオードで発生するチャーピング量は小さいため、特に、ＣＡＴＶのような高いＣ／Ｎを必要とする用途では、ビートによる雑音が大きな問題となっているのが実情である。この解決策の１つとして、ＳＣＨ層２１，３１を厚くしてＳＣＨ層のキャリア濃度を上げることが提案されている。つまり、ＳＣＨ層のキャリア濃度の増大によりＳＣＨ層の屈折率の変化が大きくなり、量子井戸層内での屈折率の変化にＳＣＨ層の屈折率変動が加算されるために、屈折率の変化が大きくなりチャーピング量が増大するというものであり、この方法を用いると、チャーピング量はＳＣＨ層の厚さに比例して大きくすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図７の半導体レーザダイオードにおいて、ＳＣＨ層２１，３１を厚くしていくと、ＳＣＨ層２１，３１に存在するキャリアによって吸収損失が発生し、スロープ効率が低下するという問題点があった。
また、ＳＣＨ層２１，３１を厚くしていくと、キャリアのオーバーフローが発生しやすくなり、電流に対する光出力の線形性が悪化するという新たな問題点を生じていた。
【０００６】
そこで、本発明はスロープ効率及び、電流に対する光出力の線形性を悪化させることなく、チャーピング量を増大させることができる半導体レーザダイオードを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、従来はｐ側及びｎ側にそれぞれ同一の厚さを有する分離閉じ込め層を形成していたものを、ｐ側及びｎ側の各分離閉じ込め層厚さ又は実効的な厚さを、ｐ側及びｎ側の半導体の特性にそれぞれ対応させて互いに異なる値に設定することにより、従来例における問題点が解決できることを見いだして完成させたものである。
すなわち、本発明の半導体レーザダイオードは、ｐ側の分離閉じ込め層とｎ側の分離閉じ込め層との間に発光領域を有してなる活性層を備えた半導体レーザダイオードであって、
上記ｐ側の分離閉じ込め層の厚さを上記ｎ側の分離閉じ込め層の厚さに比較して薄くし、
上記発光領域は、障壁層と井戸層とが交互に積層された量子井戸構造を有し、
上記発光領域から離れた位置にありかつ上記障壁層よりバンドギャップの小さいキャリア蓄積層が上記ｎ側の分離閉じ込め層のみに設けられたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態について説明する。
実施の形態１．
本発明に係る実施の形態１の半導体レーザダイオードは、図１のバンドダイアグラムに示すように、ｎ側のＳＣＨ層（分離閉じ込め層）２とｐ側のＳＣＨ層（分離閉じ込め層）３との間に井戸層４と障壁層５とが交互に積層されてなる量子井戸構造の活性層を有し、該活性層においてｐ側のＳＣＨ層３をｎ側のＳＣＨ層２に比較して薄くしたことを特徴とする。尚、実施の形態１において、活性層は従来例と同様、ｎ側クラッド層１とｐ側クラッド層２との間にある。
また、図１のバンドダイアグラムにおいては、伝導帯の下端のエネルギーを示している（図５〜図７についても同様である）。
【００１４】
ここで、活性層において、井戸層４は、第１量子準位のバンドギャップが、１．３μｍの波長を有する光のエネルギーと等しくなるように組成が設定されたＩｎＧａＡｓＰを用い、厚さが８ｎｍになるように形成した。また、障壁層４は、そのバンドギャップが、１．１０μｍの波長を有する光のエネルギーと等しくなるように組成が設定されたＩｎＧａＡｓＰを用い、厚さが１０ｎｍになるように形成した。また、ｐ側のＳＣＨ層３及びｎ側のＳＣＨ層２はそれぞれ、障壁層４と同じ、そのバンドギャップが、１．１０μｍの波長を有する光のエネルギーと等しくなるように組成が設定されたＩｎＧａＡｓＰを用い、ｐ側のＳＣＨ層３は厚さが２０ｎｍになるように、ｎ側のＳＣＨ層２は厚さが１００ｎｍになるように形成した。
【００１５】
以上のように構成された実施の形態１の半導体レーザダイオードでは、図２に○印で示したように、０．４５ｍＷ／ｍＡの高いスロープ効率が得られた。尚、図２には比較のために、ｐ側のＳＣＨ層とｎ側のＳＣＨ層の厚さを同一とした場合の、全ＳＣＨ層の厚さ（ｐ側のＳＣＨ層の厚さとｎ側のＳＣＨ層の厚さとを合計したもの）に対するスロープ効率を×印で示している。ｐ側のＳＣＨ層とｎ側のＳＣＨ層の厚さを同一とした場合、全ＳＣＨ層の厚さが増加するに従いスロープ効率が悪化することがわかる。この結果から、スロープ効率の低下の原因は主にｐ側のＳＣＨ層で生じていると推定される。
【００１６】
また、図３には、ｐ側のＳＣＨ層の厚さに対するリーク電流の値を示す。このリーク電流は、電流に対する光出力の線形性に影響を与え、該線形性を良好にするためにはリーク電流は少ない方が好ましいが、リーク電流はｐ側のＳＣＨ層の厚さが厚くなるほど大きくなる。すなわち、リーク電流もｐ側のＳＣＨ層の厚さに依存している。尚、図３においても実施の形態１のデータは○印で示している。
【００１７】
以下、上記実験結果をもとに、スロープ効率とリーク電流とについて考察を加える。
リーク電流の増大は内部量子効率の低下を招くことから、リーク電流を減少させれば、スロープ効率が改善できることはあきらかである。従って、ｐ側のＳＣＨ層３を薄くすることによるリーク電流を減少させることができ、スロープ効率を改善することができる。一般に半導体レーザダイオードのリーク電流は、ブロック層を貫通する電流とｐ側クラッド層への電子のオーバーフローによる電流とに大別されるが、図３に示したｐ側のＳＣＨ層の厚さに依存するリーク電流量の変化はｐ側のＳＣＨ層の厚さによって電子のオーバーフロー量が変動することによるものと考えられる。すなわち、ｐ側のＳＣＨ層は、ｎ側のＳＣＨ層に比較して抵抗値が高いことから、注入する電流を増やすとｐ側のＳＣＨ層においては徐々にドリフト電界が加わるために、電子のオーバーフローを誘発しやすくなる。従って、ｐ側のＳＣＨ層の厚さを厚くすればこの電界は強くなりオーバーフロー量が増加してリーク電流が増加するのである。本発明は、以上の考察に基づいてなされたものであって、オーバーフロー量を減少させるためにｐ側のＳＣＨ層を薄くしている。
【００１８】
また、上述のドリフト電界に起因するオーバーフロー量は、注入される電流の増加に対して非線形的に増大する。従って、リーク電流が大きい程半導体レーザダイオードの、電流に対する光出力特性（光出力−電流特性）において線形性が劣化する。このことから、ｐ側のＳＣＨ層を薄くすることにより、光出力−電流特性における線形性の改善にも有効であることが理解できる。
【００１９】
次に、半導体レーザダイオードにおけるＦＭ効率について説明する。ここで、ＦＭ効率とは、電流の変化に対する周波数変調の割合を示すものであって、ＦＭ効率が高いということはチャーピング量が広いことを意味し、ＦＭ効率は高い方が好ましい。図４は全ＳＣＨ層の厚さ（ｐ側のＳＣＨ層の厚さとｎ側のＳＣＨ層の厚さとを合計したもの）に対するＦＭ効率を示すグラフである。図４のグラフに示すように、ＦＭ効率は全ＳＣＨ層の厚さに比例するが、ｐ側又はｎ側のＳＣＨ層の各厚さには依存しない。従って、本発明においてもｐ側のＳＣＨ層を薄くした分ｎ側のＳＣＨ層を厚くすれば、それらの合計の厚さに対応したＦＭ効率が得られる。尚、図４において実施の形態１のデータは○印で示している。
【００２０】
以上のように、本実施の形態１の半導体レーザダイオードは、活性層においてｐ側のＳＣＨ層３をｎ側のＳＣＨ層２に比較して薄くしているので、高いスロープ効率と電流光出力特性における優れた線形性を有し、かつチャーピング量を広くできる。
【００２１】
また、実施の形態１の半導体レーザダイオードは、活性層に障壁層と井戸層とが交互に積層された量子井戸構造の発光領域を備えているので、レーザ発振効率を高くできかつスペクトル幅の狭いレーザ光を発生することができる。
しかしながら、本発明では活性層において比較的薄いｐ側のＳＣＨ層３とそれより厚いｎ側のＳＣＨ層とを備えていればよく、発光領域は量子井戸構造に限定されるものではない。
【００２２】
実施の形態２．
本発明に係る実施の形態２の半導体レーザダイオードは、図５のエネルギーダイアグラムに示す構造を有する活性層を備えたことを特徴とし、他の部分は実施の形態１と同様に構成される。
実施の形態２の半導体レーザダイオードの活性層において、ｎ側のＳＣＨ層２ａは波長１．１５μｍの光エネルギーに相当するエネルギーギャップを有するＩｎＧａＡｓＰを用いて６０ｎｍの厚さに形成され、ｐ側のＳＣＨ層３ａは波長１．０５μｍの光エネルギーに相当するバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓＰを用いて６０ｎｍの厚さに形成される。
【００２３】
以上のように構成された実施の形態２の半導体レーザダイオードでは、ｐ側のＳＣＨ層３ａのバンドギャップを広くすることによりその吸収係数を下げてｐ側のＳＣＨ層３ａの実効的な厚さを薄くしている。これによって、実施の形態１の半導体レーザダイオードと同等の効果を得ている。尚、ｐ側のＳＣＨ層３ａのバンドギャップを広くすると、フリーキャリア濃度が低下してＦＭ効率が低下するが、本実施の形態２では、ｎ側のＳＣＨ層２ａのバンドギャップを小さくすることによりフリーキャリア濃度を増加させてＦＭ効率の低下を防止している。
従って、以上のように構成された実施の形態２の半導体レーザダイオードは、実施の形態１と同等の高いスロープ効率、電流光出力特性における優れた線形性及びチャーピング量を有する。
【００２４】
実施の形態３．
本発明に係る実施の形態３の半導体レーザダイオードは、図６のエネルギーダイアグラムに示す構造を有する活性層を備えたことを特徴とし、他の部分は実施の形態１と同様に構成される。
実施の形態３の半導体レーザダイオードの活性層において、ｎ側のＳＣＨ層７を互いにバンドギャップの異なる２つの層で構成したことを特徴とする。
すなわち、実施の形態３において、ｎ側のＳＣＨ層７は、波長１．１８μｍの光エネルギーに相当するエネルギーギャップを有するＩｎＧａＡｓＰを用いて８０ｎｍの厚さに形成されたキャリア蓄積層７ａと、波長１．０５μｍの光エネルギーに相当するバンドギャップを有するＩｎＧａＡｓＰを用いて２０ｎｍの厚さに形成された閉じ込め層７ｂとからなり、合計で１００ｎｍの厚さを有する。
尚、実施の形態３において、ｐ側のＳＣＨ層３ｂは、波長１．１０μｍの光エネルギーに相当するエネルギーギャップを有するＩｎＧａＡｓＰを用いてｎ側のＳＣＨ層７より薄い２０ｎｍの厚さに形成されている。
【００２５】
以上のように構成された実施の形態３の半導体レーザダイオードは、ｐ側のＳＣＨ層３ｂをｎ側のＳＣＨ層７より薄く形成しているので、実施の形態１と同様の効果を有するとともに、さらに以下のような効果を有する。
すなわち、実施の形態３では、ｎ側のＳＣＨ層７において、キャリア蓄積層７ａを形成しているのでフリーキャリア濃度を増加させることができ、極めて高いＦＭ効率が得られる。従来の半導体レーザダイオードでは、ｐ側のＳＣＨ層及びｎ側のＳＣＨ層にそれぞれキャリア蓄積層を形成していたが、本実施の形態３のようにキャリア蓄積層をｎ側のＳＣＨ層のみに設けることにより、スロープ効率を低下させることなくＦＭ効率を高くすることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の半導体レーザダイオードは、上記ｐ側の分離閉じ込め層の厚さを上記ｎ側の分離閉じ込め層の厚さに比較して薄くしているので、スロープ効率及び、電流に対する光出力の線形性を悪化させることなく、ｎ側分離閉じ込め層の厚さに対応する比較的広いチャーピング量を得ることができる。
【００２７】
また、半導体レーザダイオードにおいて、上記発光領域を、障壁層と井戸層とを交互に積層して量子井戸構造としているので、レーザ発振効率を高くできかつスペクトル幅の狭いレーザ光を発生することができる。
【００２８】
さらに、半導体レーザダイオードでは、上記ｎ側の分離閉じ込め層のみに、上記発光領域から離れた位置にバンドギャップの小さいキャリア蓄積層を形成しているので、スロープ効率を悪化させることなく、ＦＭ効率を高くできチャーピング量をさらに広くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る実施の形態１の半導体レーザダイオードの活性層におけるエネルギーバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【図２】  活性層にＳＣＨ層を備えた半導体レーザダイオードにおける、全ＳＣＨ層の厚さに対するスロープ効率を示すグラフである。
【図３】  活性層にＳＣＨ層を備えた半導体レーザダイオードにおける、ｐ側のＳＣＨ層の厚さに対するリーク電流を示すグラフである。
【図４】  活性層にＳＣＨ層を備えた半導体レーザダイオードにおける、全ＳＣＨ層の厚さに対するＦＭ効率を示すグラフである。
【図５】  本発明に係る実施の形態２の半導体レーザダイオードの活性層におけるエネルギーバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【図６】  本発明に係る実施の形態３の半導体レーザダイオードの活性層におけるエネルギーバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【図７】  従来例の半導体レーザダイオードの活性層におけるエネルギーバンド構造を示すバンドダイアグラムである。
【符号の説明】
１  ｎ側クラッド層、２，２ａ，７  ｎ側分離閉じ込め層（ｎ側ＳＣＨ層）、３，３ａ，３ｂ  ｐ側分離閉じ込め層（ｎ側ＳＣＨ層）、４  井戸層、５  障壁層、６  ｐ側クラッド層、７ａ  キャリア蓄積層、７ｂ  閉じ込め層。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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