JP2003046190A - 半導体レーザ - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】開示技術の課題は、上記の問題を克服し低しき
い値電流で高速動作可能な短共振器レーザや波長安定性
に優れた波長可変レーザを実現する素子構造およびその
作製方法を提供することを目的とする。 【解決手段】上記目的を達成するために、レーザ短共振
器導波路の一部または全ての部位において導波路横幅を
横多モードを許容する幅広に設定する。これにより、上
述の短共振器レーザの特長を保ったまま、レーザ利得の
向上、電気抵抗、熱抵抗の低減を図る素子構造を考案し
た。この際、多モード干渉効果による自己結像効果を用
いることにより、レーザ共振器内でのモード変換損失を
低減できる他、レーザの出射端における光強度分布が単
峰な最低次モードとなり、光ファイバ等との接続に好適
な構造となる。また、リソグラフィー技術とドライエッ
チング技術の併用により多モード干渉導波路部を含むレ
ーザ共振器を寸法精度高く作製する手法も合わせて考案
した。
い値電流で高速動作可能な短共振器レーザや波長安定性
に優れた波長可変レーザを実現する素子構造およびその
作製方法を提供することを目的とする。 【解決手段】上記目的を達成するために、レーザ短共振
器導波路の一部または全ての部位において導波路横幅を
横多モードを許容する幅広に設定する。これにより、上
述の短共振器レーザの特長を保ったまま、レーザ利得の
向上、電気抵抗、熱抵抗の低減を図る素子構造を考案し
た。この際、多モード干渉効果による自己結像効果を用
いることにより、レーザ共振器内でのモード変換損失を
低減できる他、レーザの出射端における光強度分布が単
峰な最低次モードとなり、光ファイバ等との接続に好適
な構造となる。また、リソグラフィー技術とドライエッ
チング技術の併用により多モード干渉導波路部を含むレ
ーザ共振器を寸法精度高く作製する手法も合わせて考案
した。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は半導体レーザに係わ
り、特に共振器長が短く高速変調や広範囲波長可変動作
に適した通信用半導体レーザとその光モジュールに関す
る。
り、特に共振器長が短く高速変調や広範囲波長可変動作
に適した通信用半導体レーザとその光モジュールに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】端面発光型半導体レーザの共振器長を20
0μm程度にまで低減し、低しきい値電流化や緩和振動周
波数の増大を図ることが理論的・実験的に知られてい
る。図１１はレーザのしきい値電流、緩和振動周波数お
よび直列抵抗のレーザ共振器長依存性を計算した一例で
ある。レーザ活性層として格子歪系のInGaAsP多重量子
井戸構造を仮定している。図より短共振器化は、低しき
い値電流化および緩和振動周波数の増大に有効であるこ
とが判る。しかし、短共振器化に伴い直列抵抗が著しく
上昇するため、レーザへの電流注入に伴うジュール熱の
発生により光出力特性が大きく劣化する。例えば、共振
器長100μmでは直列抵抗は20Ωに達するが、この値は通
常用いられるレーザ共振器400μmの4倍もの値である。
このような観点から、冒頭に述べたように半導体レーザ
の短共振器化による性能向上は200μm程度までしか実現
できていないのが現状である。一方、分布反射型レーザ
において、活性領域長を短縮することにより縦モードの
安定化、波長可変幅の増大が図れることが知られてい
る。これは、分布反射型レーザのモード飛び間隔Δλと
活性領域長Laとの間に、Δλ=λ2/2nLaなる関係がある
ためである。ここで、nはレーザ媒質の屈折率、λは発
振波長である。この場合においても、Δλを増大させる
ために共振器長や活性領域を短縮すると、レーザ利得の
低下や、電気抵抗、熱抵抗の増大が生じるため実験での
上記改善効果の報告はあるものの、実用には至っていな
いのが実情である。尚、この種の半導体レーザとして第
１７回半導体レーザ国際会議テクニカルダイジェストペ
ーパーThA4が挙げられる。
0μm程度にまで低減し、低しきい値電流化や緩和振動周
波数の増大を図ることが理論的・実験的に知られてい
る。図１１はレーザのしきい値電流、緩和振動周波数お
よび直列抵抗のレーザ共振器長依存性を計算した一例で
ある。レーザ活性層として格子歪系のInGaAsP多重量子
井戸構造を仮定している。図より短共振器化は、低しき
い値電流化および緩和振動周波数の増大に有効であるこ
とが判る。しかし、短共振器化に伴い直列抵抗が著しく
上昇するため、レーザへの電流注入に伴うジュール熱の
発生により光出力特性が大きく劣化する。例えば、共振
器長100μmでは直列抵抗は20Ωに達するが、この値は通
常用いられるレーザ共振器400μmの4倍もの値である。
このような観点から、冒頭に述べたように半導体レーザ
の短共振器化による性能向上は200μm程度までしか実現
できていないのが現状である。一方、分布反射型レーザ
において、活性領域長を短縮することにより縦モードの
安定化、波長可変幅の増大が図れることが知られてい
る。これは、分布反射型レーザのモード飛び間隔Δλと
活性領域長Laとの間に、Δλ=λ2/2nLaなる関係がある
ためである。ここで、nはレーザ媒質の屈折率、λは発
振波長である。この場合においても、Δλを増大させる
ために共振器長や活性領域を短縮すると、レーザ利得の
低下や、電気抵抗、熱抵抗の増大が生じるため実験での
上記改善効果の報告はあるものの、実用には至っていな
いのが実情である。尚、この種の半導体レーザとして第
１７回半導体レーザ国際会議テクニカルダイジェストペ
ーパーThA4が挙げられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、上記
の問題を克服し低しきい値電流で高速動作可能な短共振
器レーザや波長安定性に優れた波長可変レーザを実現す
る素子構造およびその作製方法を提供することを目的と
する。特に従来構造では、実用化が困難であった200μm
以下の共振器長を有する短共振器レーザを実現すること
を目的とする。また、これらの光素子を搭載した低コス
トで高性能動作可能な光モジュールを提供することを目
的とする。
の問題を克服し低しきい値電流で高速動作可能な短共振
器レーザや波長安定性に優れた波長可変レーザを実現す
る素子構造およびその作製方法を提供することを目的と
する。特に従来構造では、実用化が困難であった200μm
以下の共振器長を有する短共振器レーザを実現すること
を目的とする。また、これらの光素子を搭載した低コス
トで高性能動作可能な光モジュールを提供することを目
的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明者らは、レーザ短共振器導波路の一部または全
ての部位において導波路横幅を横多モードを許容する幅
広に設定することにより、上述の短共振器レーザの特長
を保ったまま、レーザ利得の向上、電気抵抗、熱抵抗の
低減を図る素子構造を考案した。この際、多モード干渉
効果による自己結像効果を用いることにより、レーザ共
振器内でのモード変換損失を低減できる他、レーザの出
射端における光強度分布が単峰な最低次モードとなり、
光ファイバ等との接続に好適な構造となる。レーザ特性
上本構造では多モード干渉導波路部の導波路寸法を正確
に設定する必要があるため、寸法誤差の大きい従来のへ
き開法による共振器の形成は適さない。本発明では、リ
ソグラフィー技術とドライエッチング技術の併用により
多モード干渉導波路部を含むレーザ共振器を寸法精度高
く作製する手法も合わせて考案した。
に本発明者らは、レーザ短共振器導波路の一部または全
ての部位において導波路横幅を横多モードを許容する幅
広に設定することにより、上述の短共振器レーザの特長
を保ったまま、レーザ利得の向上、電気抵抗、熱抵抗の
低減を図る素子構造を考案した。この際、多モード干渉
効果による自己結像効果を用いることにより、レーザ共
振器内でのモード変換損失を低減できる他、レーザの出
射端における光強度分布が単峰な最低次モードとなり、
光ファイバ等との接続に好適な構造となる。レーザ特性
上本構造では多モード干渉導波路部の導波路寸法を正確
に設定する必要があるため、寸法誤差の大きい従来のへ
き開法による共振器の形成は適さない。本発明では、リ
ソグラフィー技術とドライエッチング技術の併用により
多モード干渉導波路部を含むレーザ共振器を寸法精度高
く作製する手法も合わせて考案した。
【０００５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１〜図９を用いて説明する。 実施の形態１ 図１は本発明を用いて毎秒４０ギガビット以上の高速直
接変調を可能とする波長1.3μｍ帯の半導体レーザを作
製した例である。図1に示すように、n型(100)InP半導体
基板101上に有機金属気相成長法により1.0μｍ厚のn型I
nPバッファ層102、0.5μｍ厚のn型InAlAsバッファ層10
3、0.05μｍ厚のn型InGaAlAs下側光ガイド層104、6.0nm
厚の1％圧縮歪InGaAlAs（組成波長1.37μｍ）井戸層、1
0nm厚のInGaAlAs（組成波長1.00μｍ）障壁層からなる1
0周期の多重量子井戸層105、0.05μm厚の上側光ガイド
層106、0.1μm厚のp型InAlAsクラッド層107、1.5μm厚
のp型InPクラッド層108、0.2μｍ厚の高濃度ｐ型InGaAs
キャップ層を順次有機金属気相成長法により形成する。
多重量子井戸活性層105の発光波長は約1.31μｍであ
る。
て図１〜図９を用いて説明する。 実施の形態１ 図１は本発明を用いて毎秒４０ギガビット以上の高速直
接変調を可能とする波長1.3μｍ帯の半導体レーザを作
製した例である。図1に示すように、n型(100)InP半導体
基板101上に有機金属気相成長法により1.0μｍ厚のn型I
nPバッファ層102、0.5μｍ厚のn型InAlAsバッファ層10
3、0.05μｍ厚のn型InGaAlAs下側光ガイド層104、6.0nm
厚の1％圧縮歪InGaAlAs（組成波長1.37μｍ）井戸層、1
0nm厚のInGaAlAs（組成波長1.00μｍ）障壁層からなる1
0周期の多重量子井戸層105、0.05μm厚の上側光ガイド
層106、0.1μm厚のp型InAlAsクラッド層107、1.5μm厚
のp型InPクラッド層108、0.2μｍ厚の高濃度ｐ型InGaAs
キャップ層を順次有機金属気相成長法により形成する。
多重量子井戸活性層105の発光波長は約1.31μｍであ
る。
【０００６】次にストライプ形状の誘電体マスクを用い
て公知の選択的ドライエッチング技術によりリッジ導波
路を形成する。この際、図１に示すように幅1.6μmの直
線形状の単一横モード導波路113に加え、導波路中央部
で横幅が広がった多モード干渉導波路114を形成する。
この多モード干渉導波路部の横幅Wmmiと導波路長Lmmiを
適切な値に設計することにより、単一モード導波路と多
モード干渉導波路間の高い光結合が実現される。ここで
は、理論最適近似値(Lmmi=nWmmi 2/λ；nは導波路有効屈
折率、λは動作波長)を考慮し、横幅を6.0μm、長さを8
9.7μmとした。作製誤差の観点からLmmi=nWmmi 2/λを完
全に満たすことは困難であるが、Lmmiに±10％程度の誤
差は通常許容される。また、多モード導波路の横幅Wmmi
は3μm程度が下限であるため、n=3.2程度であることを
考慮すると、波長1.55μmの場合、Lmmiの下限値は18μm
程度となる。この後、公知のリッジ導波路レーザ構造に
ウェハ加工した。素子長100μmに切り出した後、素子の
前端面には反射率80%の高反射膜111、後端面には反射率
97%の高反射膜112をそれぞれ形成した。図１に示すよう
に、全て直線導波路からなる従来型の素子113を同一基
板上に作製しリファレンスとしている。
て公知の選択的ドライエッチング技術によりリッジ導波
路を形成する。この際、図１に示すように幅1.6μmの直
線形状の単一横モード導波路113に加え、導波路中央部
で横幅が広がった多モード干渉導波路114を形成する。
この多モード干渉導波路部の横幅Wmmiと導波路長Lmmiを
適切な値に設計することにより、単一モード導波路と多
モード干渉導波路間の高い光結合が実現される。ここで
は、理論最適近似値(Lmmi=nWmmi 2/λ；nは導波路有効屈
折率、λは動作波長)を考慮し、横幅を6.0μm、長さを8
9.7μmとした。作製誤差の観点からLmmi=nWmmi 2/λを完
全に満たすことは困難であるが、Lmmiに±10％程度の誤
差は通常許容される。また、多モード導波路の横幅Wmmi
は3μm程度が下限であるため、n=3.2程度であることを
考慮すると、波長1.55μmの場合、Lmmiの下限値は18μm
程度となる。この後、公知のリッジ導波路レーザ構造に
ウェハ加工した。素子長100μmに切り出した後、素子の
前端面には反射率80%の高反射膜111、後端面には反射率
97%の高反射膜112をそれぞれ形成した。図１に示すよう
に、全て直線導波路からなる従来型の素子113を同一基
板上に作製しリファレンスとしている。
【０００７】図２は類似の実施の形態を表す。図１の実
施の形態と異なる点は、レーザ後方の反射端面を公知の
ドライエッチング技術を用いて作製した点である。この
場合、レーザ共振器長を図１の実施の形態よりもさらに
短い50μm以下にまで短縮でき、後述するように、緩和
振動周波数の増大に有効である。
施の形態と異なる点は、レーザ後方の反射端面を公知の
ドライエッチング技術を用いて作製した点である。この
場合、レーザ共振器長を図１の実施の形態よりもさらに
短い50μm以下にまで短縮でき、後述するように、緩和
振動周波数の増大に有効である。
【０００８】図３は図２の実施の形態において、レーザ
後方の反射ミラーを公知の半導体・空気からなる分布反
射ミラー115に置き換え、さらにミラー後方に光出力モ
ニタ116をモノリシック集積した形態である。
後方の反射ミラーを公知の半導体・空気からなる分布反
射ミラー115に置き換え、さらにミラー後方に光出力モ
ニタ116をモノリシック集積した形態である。
【０００９】図４は図２に示すレーザ素子の電流・光出
力特性を85℃、CW条件にて調べた結果である。図示のよ
うに、従来型の直線導波路レーザでは、42mA程度の低電
流レベルで光出力が熱飽和を起こした。この主原因は電
気抵抗が高いことである。図４に同時プロットした電気
抵抗値の電流依存性からわかるように、直線導波路素子
では、50μmの短共振器化に伴い抵抗値が40Ω以上と非
常に高い値となっている。この出力飽和の影響で、所望
の光出力が得られないばかりでなく、図５に示す緩和振
動周波数の電流依存性から判るように26GHz程度で飽和
してしまい、毎秒40ギガビット級の高速直接変調を実現
することができない。これに対し、多モード干渉導波路
を導入したレーザでは、電気抵抗が約半分の20Ωにまで
低減されている。これは、多モード干渉導波路の導入に
よる電流通電面積が増加した効果である。これにより、
図４における飽和光出力は従来素子の約２倍にまで改善
できた。また、緩和振動周波数も45GHzまで増大でき、
毎秒40ギガビットの高速直接変調が実現可能となる。本
発明のさらなる特長は、しきい値電流密度を低減できる
点である。従来素子ではレーザ高速性を改善するために
共振器長を短縮化すると、活性層体積の減少に伴いしき
い値キャリア密度が著しく上昇する。このため、図６の
利得−キャリア密度相関図に示すように利得飽和領域で
レーザが動作する。これは微分利得を低減させるだけで
なく、非線型ダンピングを増大させる。この結果、両効
果は共にレーザの高速性を劣化させる。本発明によれ
ば、特にしきい値電流密度の増大が問題となる短共振器
レーザのしきい値電流密度を低減することができるた
め、緩和振動周波数の増大とダンピングの抑制を同時に
達成できる。このため、簡易な手法でレーザ高速特性の
改善を実現できる。
力特性を85℃、CW条件にて調べた結果である。図示のよ
うに、従来型の直線導波路レーザでは、42mA程度の低電
流レベルで光出力が熱飽和を起こした。この主原因は電
気抵抗が高いことである。図４に同時プロットした電気
抵抗値の電流依存性からわかるように、直線導波路素子
では、50μmの短共振器化に伴い抵抗値が40Ω以上と非
常に高い値となっている。この出力飽和の影響で、所望
の光出力が得られないばかりでなく、図５に示す緩和振
動周波数の電流依存性から判るように26GHz程度で飽和
してしまい、毎秒40ギガビット級の高速直接変調を実現
することができない。これに対し、多モード干渉導波路
を導入したレーザでは、電気抵抗が約半分の20Ωにまで
低減されている。これは、多モード干渉導波路の導入に
よる電流通電面積が増加した効果である。これにより、
図４における飽和光出力は従来素子の約２倍にまで改善
できた。また、緩和振動周波数も45GHzまで増大でき、
毎秒40ギガビットの高速直接変調が実現可能となる。本
発明のさらなる特長は、しきい値電流密度を低減できる
点である。従来素子ではレーザ高速性を改善するために
共振器長を短縮化すると、活性層体積の減少に伴いしき
い値キャリア密度が著しく上昇する。このため、図６の
利得−キャリア密度相関図に示すように利得飽和領域で
レーザが動作する。これは微分利得を低減させるだけで
なく、非線型ダンピングを増大させる。この結果、両効
果は共にレーザの高速性を劣化させる。本発明によれ
ば、特にしきい値電流密度の増大が問題となる短共振器
レーザのしきい値電流密度を低減することができるた
め、緩和振動周波数の増大とダンピングの抑制を同時に
達成できる。このため、簡易な手法でレーザ高速特性の
改善を実現できる。
【００１０】以上、本発明の典型的な実施の形態をInGa
AlAs材料を用いたリッジ導波路型レーザ構造を用いて説
明した。本発明は、InGaAsP、GaInNAs、InGaAs、InGaAl
P等全ての半導体レーザ材料にて同様に適用可能であ
る。また、リッジ導波路型レーザだけでなく、いわゆる
埋め込みヘテロ構造、埋め込みリッジ構造を用いたレー
ザにも同様に適用可能であることを付記する。 実施の形態２ 図７は本発明を用いて発振波長を電気信号により変化で
きる1.55μｍ帯の分布反射型レーザを作製した例であ
る。分布反射型レーザの連続波長可変特性は、レーザの
縦モード跳びにより決定される。レーザ縦モード跳び間
隔△λDBRは活性領域長Laに依存し、 △λDBR=λ2/2nLa (1) で与えられる。ここで、λは発振波長、nはレーザ媒質
の光学屈折率である。従って、連続波長可変幅を拡大さ
せるためには少なくとも△λDBRを増大する必要があ
る。波長帯λが固定の場合、(1)式から明らかなよう
に、△λDBRの増大には、Laの短縮が唯一の有効手段で
ある。実施の形態２では、実施の形態１と同様のアナロ
ジーで、Laを短縮した際に顕在化する電気抵抗増大、出
力の低下などレーザ特性の劣化を活性領域に多モード導
波路を導入し改善できることを以下説明する。
AlAs材料を用いたリッジ導波路型レーザ構造を用いて説
明した。本発明は、InGaAsP、GaInNAs、InGaAs、InGaAl
P等全ての半導体レーザ材料にて同様に適用可能であ
る。また、リッジ導波路型レーザだけでなく、いわゆる
埋め込みヘテロ構造、埋め込みリッジ構造を用いたレー
ザにも同様に適用可能であることを付記する。 実施の形態２ 図７は本発明を用いて発振波長を電気信号により変化で
きる1.55μｍ帯の分布反射型レーザを作製した例であ
る。分布反射型レーザの連続波長可変特性は、レーザの
縦モード跳びにより決定される。レーザ縦モード跳び間
隔△λDBRは活性領域長Laに依存し、 △λDBR=λ2/2nLa (1) で与えられる。ここで、λは発振波長、nはレーザ媒質
の光学屈折率である。従って、連続波長可変幅を拡大さ
せるためには少なくとも△λDBRを増大する必要があ
る。波長帯λが固定の場合、(1)式から明らかなよう
に、△λDBRの増大には、Laの短縮が唯一の有効手段で
ある。実施の形態２では、実施の形態１と同様のアナロ
ジーで、Laを短縮した際に顕在化する電気抵抗増大、出
力の低下などレーザ特性の劣化を活性領域に多モード導
波路を導入し改善できることを以下説明する。
【００１１】図７において、n型(100)InP半導体基板501
上に有機金属気相成長法により0.3μｍ厚のn型 InGaAlA
s屈折率制御層（組成波長1.40μｍ）503、0.02μｍ厚の
InAlAsエッチング停止層、0.02μｍ厚のp型InPスペーサ
層、30nm厚のInGaAsP（組成波長1.37μｍ）回折格子供
給層504を順次有機金属気相成長法により形成する。次
に、周期241nmの均一回折格子を公知の手法により回折
格子供給層504に刻印する。続いて、いずれも公知の選
択エッチングと異種導波路の直接結合技術を用いて、歪
InGaAlAs材料からなる5周期の多重量子井戸層502を後に
分布反射型レーザの活性領域となる個所にのみ選択的に
成長する。続いて1.5μm厚のp型InPクラッド層505、0.2
μｍ厚の高濃度p型InGaAsキャップ層を順次有機金属気
相成長法により形成する。多重量子井戸活性層502の発
光波長は約1.56μｍである。
上に有機金属気相成長法により0.3μｍ厚のn型 InGaAlA
s屈折率制御層（組成波長1.40μｍ）503、0.02μｍ厚の
InAlAsエッチング停止層、0.02μｍ厚のp型InPスペーサ
層、30nm厚のInGaAsP（組成波長1.37μｍ）回折格子供
給層504を順次有機金属気相成長法により形成する。次
に、周期241nmの均一回折格子を公知の手法により回折
格子供給層504に刻印する。続いて、いずれも公知の選
択エッチングと異種導波路の直接結合技術を用いて、歪
InGaAlAs材料からなる5周期の多重量子井戸層502を後に
分布反射型レーザの活性領域となる個所にのみ選択的に
成長する。続いて1.5μm厚のp型InPクラッド層505、0.2
μｍ厚の高濃度p型InGaAsキャップ層を順次有機金属気
相成長法により形成する。多重量子井戸活性層502の発
光波長は約1.56μｍである。
【００１２】次に絶縁ストライプ形状のマスクを用いて
公知の選択的ドライエッチング技術によりリッジ導波路
を形成する。この際、幅1.6μmの直線形状の単一横モー
ド導波路を後に分布反射器、位相調整領域となる領域お
よび活性領域の一部に形成する。さらに、導波路中央部
で横幅が広がった多モード干渉導波路を活性領域の中央
に形成する。この多モード干渉導波路部の横幅と導波路
長を適切な値に設計することにより、単一モード導波路
と多モード干渉導波路間の高い光結合が実現される。こ
こでは、横幅を6.0μm、74.6μmとした。分布反射器、
位相調整領域、活性領域の長さはそれぞれ250μm、80μ
m、100μmである。各領域の間には25μmの分離領域を設
けた。全素子長は480μmである。成長終了後のウェハを
この後、公知のリッジ導波路レーザ構造にウェハ加工し
た、素子長480μmに切り出した後、素子の前端面には反
射率0.1%の低反射膜510、後端面には反射率95%の高反射
膜511をそれぞれ形成した。
公知の選択的ドライエッチング技術によりリッジ導波路
を形成する。この際、幅1.6μmの直線形状の単一横モー
ド導波路を後に分布反射器、位相調整領域となる領域お
よび活性領域の一部に形成する。さらに、導波路中央部
で横幅が広がった多モード干渉導波路を活性領域の中央
に形成する。この多モード干渉導波路部の横幅と導波路
長を適切な値に設計することにより、単一モード導波路
と多モード干渉導波路間の高い光結合が実現される。こ
こでは、横幅を6.0μm、74.6μmとした。分布反射器、
位相調整領域、活性領域の長さはそれぞれ250μm、80μ
m、100μmである。各領域の間には25μmの分離領域を設
けた。全素子長は480μmである。成長終了後のウェハを
この後、公知のリッジ導波路レーザ構造にウェハ加工し
た、素子長480μmに切り出した後、素子の前端面には反
射率0.1%の低反射膜510、後端面には反射率95%の高反射
膜511をそれぞれ形成した。
【００１３】作製した分布反射型レーザは、1,550nm帯
に単一軸モード発振した。しきい値電流は約10mAであっ
た。レーザ電流60mAでのチップ光出力は約10mWと光通信
用途に対し十分な出力を得た。レーザ電流を60mAに保っ
たまま分布反射器に電流を通電し発振波長をチューニン
グした。波長可変特性を図８に示す。図８上側は活性領
域と位相調整領域の長さの和が410μmの従来型分布反射
型レーザの波長チューニング特性である。410μmに対応
した約0.8nmの波長間隔で縦モード跳びが生じている。
この縦モード跳びに伴い副モード抑圧比が大きく変動す
る。一方、本発明の素子では、縦モード跳び波長間隔は
1.6nmに拡大されると共に、縦モード跳びが生じる制御
電流間隔が拡大している。これは、活性領域と位相調整
領域の長さの和が205μmに低減したためであり、モード
跳びを生じない連続波長チューニング実現の観点から重
要な改善である。一方、単一縦モード性の目安として40
dBを基準とすると、本発明の素子では従来素子に比べよ
り広い制御電流範囲で、40dB以上の単一縦モード動作を
実現していることがわかる。尚、縦モード跳びの間の波
長に発振波長を設定することは、位相調整領域に印加す
る電流を調整することにより容易に実現可能である。
に単一軸モード発振した。しきい値電流は約10mAであっ
た。レーザ電流60mAでのチップ光出力は約10mWと光通信
用途に対し十分な出力を得た。レーザ電流を60mAに保っ
たまま分布反射器に電流を通電し発振波長をチューニン
グした。波長可変特性を図８に示す。図８上側は活性領
域と位相調整領域の長さの和が410μmの従来型分布反射
型レーザの波長チューニング特性である。410μmに対応
した約0.8nmの波長間隔で縦モード跳びが生じている。
この縦モード跳びに伴い副モード抑圧比が大きく変動す
る。一方、本発明の素子では、縦モード跳び波長間隔は
1.6nmに拡大されると共に、縦モード跳びが生じる制御
電流間隔が拡大している。これは、活性領域と位相調整
領域の長さの和が205μmに低減したためであり、モード
跳びを生じない連続波長チューニング実現の観点から重
要な改善である。一方、単一縦モード性の目安として40
dBを基準とすると、本発明の素子では従来素子に比べよ
り広い制御電流範囲で、40dB以上の単一縦モード動作を
実現していることがわかる。尚、縦モード跳びの間の波
長に発振波長を設定することは、位相調整領域に印加す
る電流を調整することにより容易に実現可能である。
【００１４】このように、分布反射型レーザの活性領域
に多モード干渉導波路を導入することで、波長可変時の
スペクトル単一性を保ちつつ、十分な光出力を得ること
ができる。 実施の形態３ 図９は実施の形態３は実施の形態２のレーザにおいて、
活性領域長を33μｍまで短縮し、連続波長可変域を拡大
した構造である。この場合、位相調整領域を用いずに、
数nm程度の連続波長可変が可能である。素子の基本構造
・作製は、位相調整領域が無い点、光出力を増大する半
導体光増幅器がレーザ出射端にモノリシック集積化され
たことを除き、実施の形態３の構造と同じである。レー
ザ設計上の主な相違点は、活性領域の短縮に伴うレーザ
利得低下を補償する目的で回折格子の光結合係数を200c
m-1と大きくしたことと、ブラッグ波長近傍での安定な
単一軸モード発振のため、活性層前後方の二領域の回折
格子位相を反転させ、いわゆるλ／４位相シフト型とし
た点である。
に多モード干渉導波路を導入することで、波長可変時の
スペクトル単一性を保ちつつ、十分な光出力を得ること
ができる。 実施の形態３ 図９は実施の形態３は実施の形態２のレーザにおいて、
活性領域長を33μｍまで短縮し、連続波長可変域を拡大
した構造である。この場合、位相調整領域を用いずに、
数nm程度の連続波長可変が可能である。素子の基本構造
・作製は、位相調整領域が無い点、光出力を増大する半
導体光増幅器がレーザ出射端にモノリシック集積化され
たことを除き、実施の形態３の構造と同じである。レー
ザ設計上の主な相違点は、活性領域の短縮に伴うレーザ
利得低下を補償する目的で回折格子の光結合係数を200c
m-1と大きくしたことと、ブラッグ波長近傍での安定な
単一軸モード発振のため、活性層前後方の二領域の回折
格子位相を反転させ、いわゆるλ／４位相シフト型とし
た点である。
【００１５】本発明のレーザにて、連続波長可変幅4n
m、光増幅器出力10mWを容易に得ることができた。本実
施の形態では、活性領域が短いため波長変化に伴う活性
領域での光学位相変化はごく僅かである。この結果、縦
モード跳びが生じにくいくなったことが本発明の重要な
点であり、多モード干渉導波路の導入により、電気抵抗
の急激な増大を抑制することができる点が発明の本質で
ある。 実施の形態４ 実施の形態３の構成に、電界吸収型光変調器736とパワ
ーモニタ735をモノリシック集積化した本発明の新たな
実施の形態を図１０に示す。この場合、記述の広範囲連
続波長可変特性に加え、低チャープな高速変調が実現で
き、特に高密度波長多重光伝送における好適な光源を提
供するものである。
m、光増幅器出力10mWを容易に得ることができた。本実
施の形態では、活性領域が短いため波長変化に伴う活性
領域での光学位相変化はごく僅かである。この結果、縦
モード跳びが生じにくいくなったことが本発明の重要な
点であり、多モード干渉導波路の導入により、電気抵抗
の急激な増大を抑制することができる点が発明の本質で
ある。 実施の形態４ 実施の形態３の構成に、電界吸収型光変調器736とパワ
ーモニタ735をモノリシック集積化した本発明の新たな
実施の形態を図１０に示す。この場合、記述の広範囲連
続波長可変特性に加え、低チャープな高速変調が実現で
き、特に高密度波長多重光伝送における好適な光源を提
供するものである。
【００１６】以上実施の形態２〜４を用いて、分布反射
型レーザの活性領域を短縮化して、連続波長可変特性を
改善する場合について、多モード干渉導波路を導入する
ことの有用性に関し説明した。本効果は、サンプル回折
格子構造、スーパーストラクチャー回折格子構造などを
用いた類似の改良型分布反射型レーザにも同様に適用可
能であることを付記する。
型レーザの活性領域を短縮化して、連続波長可変特性を
改善する場合について、多モード干渉導波路を導入する
ことの有用性に関し説明した。本効果は、サンプル回折
格子構造、スーパーストラクチャー回折格子構造などを
用いた類似の改良型分布反射型レーザにも同様に適用可
能であることを付記する。
【００１７】
【発明の効果】本発明の実施例に係る半導体発光素子よ
れば、毎秒40ギガ以上の直接変調を実現できる。光部品
の低価格化のみならず、この素子を適用した光通信シス
テムの低価格化、大容量化を実現できる。また、安定な
単一モード、高出力で動作する波長可変型分布反射型半
導体レーザやこれを搭載した光モジュールを極めて容易
な手法で実現できる。本発明の実施例を用いれば、素子
性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでなく、この素
子を適用した光通信システムの低価格化、大容量化、長
距離化を容易に実現できる。
れば、毎秒40ギガ以上の直接変調を実現できる。光部品
の低価格化のみならず、この素子を適用した光通信シス
テムの低価格化、大容量化を実現できる。また、安定な
単一モード、高出力で動作する波長可変型分布反射型半
導体レーザやこれを搭載した光モジュールを極めて容易
な手法で実現できる。本発明の実施例を用いれば、素子
性能、歩留まりが飛躍的に向上するだけでなく、この素
子を適用した光通信システムの低価格化、大容量化、長
距離化を容易に実現できる。
【図１】本発明の作用を説明するための図である。
【図２】本発明の実施例を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例を説明するための図である。
【図４】本発明の効果を説明するための図である。
【図５】本発明の効果を説明するための図である。
【図６】本発明の原理を説明するための図である。
【図７】本発明の実施例を説明するための図である。
【図８】本発明の効果を説明するための図である。
【図９】本発明の実施例を説明するための図である。
【図１０】本発明の実施例を説明するための図である。
【図１１】レーザ共振器長がレーザ特性に与える影響を
説明するための図である。
説明するための図である。
101…n型(100)InP半導体基板、102…n型InPバッファ
層、103…n型InAlAsバッファ層、104…n型InGaAlAs下側
光ガイド層、105…多重量子井戸層、106…上側光ガイド
層、107…p型InAlAsクラッド層、108…p型InPクラッド
層、109…表面保護膜、110…上部電極、111…前方高反
射膜、112…後方高反射膜、113…直線形状の単一横モー
ド導波路、114…多モード干渉導波路、115…空気・半導
体分布反射ミラー下部電極、116…光出力モニタ、117…
下部電極、501…n型(100)InP半導体基板、502…多重量
子井戸層、503…n型 InGaAlAs屈折率制御層、504…回折
格子供給層、505…p型InPクラッド層、506…分布反射領
域上部電極、507…位相調整領域上部電極、508…活性領
域上部電極、509…表面保護膜、510…前方低反射膜、51
1…後方高反射膜、517…下部電極、531…分布反射領
域、532…位相調整領域、533…多モード干渉導波路活性
領域、901…n型(100)InP半導体基板、902…後方分布反
射器InGaAlAs屈折率制御層、903…前方分布反射器InGaA
lAs屈折率制御層、904…回折格子供給層、905…レーザ
活性領域多重量子井戸層、906…光増幅器活性領域多重
量子井戸層、907…p型InPクラッド層、908…前方分布反
射器上部電極、909…多モード干渉導波路レーザ活性領
域上部電極、910…後方分布反射器上部電極、911…光増
幅器活性領域上部電極、912…表面保護膜、913…前方低
反射膜、914…後方低反射膜、917…下部電極、931…前
方分布反射器、932…活性領域、933…後方分布反射器、
934…光増幅器、701…n型(100)InP半導体基板、702…分
布反射器InGaAsP屈折率制御層、703…回折格子供給層、
704…レーザ/光増幅器/光変調器活性領域多重量子井戸
層、705…p型InPクラッド層、706…鉄ドープ半絶縁InP
埋め込み層、707…窓領域、708…表面保護膜、709…低
反射膜、717…下部電極、731…後方分布反射器、732…
多モード干渉導波路活性領域、733…前方分布反射器、7
34…光増幅器、734…光出力モニタ、734…光変調器。
層、103…n型InAlAsバッファ層、104…n型InGaAlAs下側
光ガイド層、105…多重量子井戸層、106…上側光ガイド
層、107…p型InAlAsクラッド層、108…p型InPクラッド
層、109…表面保護膜、110…上部電極、111…前方高反
射膜、112…後方高反射膜、113…直線形状の単一横モー
ド導波路、114…多モード干渉導波路、115…空気・半導
体分布反射ミラー下部電極、116…光出力モニタ、117…
下部電極、501…n型(100)InP半導体基板、502…多重量
子井戸層、503…n型 InGaAlAs屈折率制御層、504…回折
格子供給層、505…p型InPクラッド層、506…分布反射領
域上部電極、507…位相調整領域上部電極、508…活性領
域上部電極、509…表面保護膜、510…前方低反射膜、51
1…後方高反射膜、517…下部電極、531…分布反射領
域、532…位相調整領域、533…多モード干渉導波路活性
領域、901…n型(100)InP半導体基板、902…後方分布反
射器InGaAlAs屈折率制御層、903…前方分布反射器InGaA
lAs屈折率制御層、904…回折格子供給層、905…レーザ
活性領域多重量子井戸層、906…光増幅器活性領域多重
量子井戸層、907…p型InPクラッド層、908…前方分布反
射器上部電極、909…多モード干渉導波路レーザ活性領
域上部電極、910…後方分布反射器上部電極、911…光増
幅器活性領域上部電極、912…表面保護膜、913…前方低
反射膜、914…後方低反射膜、917…下部電極、931…前
方分布反射器、932…活性領域、933…後方分布反射器、
934…光増幅器、701…n型(100)InP半導体基板、702…分
布反射器InGaAsP屈折率制御層、703…回折格子供給層、
704…レーザ/光増幅器/光変調器活性領域多重量子井戸
層、705…p型InPクラッド層、706…鉄ドープ半絶縁InP
埋め込み層、707…窓領域、708…表面保護膜、709…低
反射膜、717…下部電極、731…後方分布反射器、732…
多モード干渉導波路活性領域、733…前方分布反射器、7
34…光増幅器、734…光出力モニタ、734…光変調器。
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フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０１Ｓ 5/125 Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｆ
Claims (20)
- 【請求項１】半導体基板上にコア領域と、前記コア領域
の基板側とは反対側に少なくとも設けられたクラッド領
域とを有し、前記コア領域の利得領域の長さが18μm以
上200μm以下であり、前記コア領域、前記クラッド領域
の少なくとも一方はストライプ形状であり、そのストラ
イプ形状の前記コア領域、前記クラッド領域の少なくと
も一方の光軸方向と垂直で、かつ、基板表面と平行な方
向に前記ストライプ幅が変調されており、前記ストライ
プの両端近傍で前記ストライプ幅は横モ−ドが単一とな
るカットオフ幅よりも狭く設定され、前記利得領域内に
水平方向の横幅が横モ−ドが単一となるカットオフ幅よ
りも広く設定されている部分を有することを特徴とする
半導体レーザ。 - 【請求項２】前記利得領域内に水平方向の横幅が横モ−
ドが単一となるカットオフ幅よりも広く設定されている
部分は多横モ−ド導波路部であることを特徴とする請求
項１記載の半導体レーザ。 - 【請求項３】多横モ−ド導波路部の導波モードと横単一
モード導波路部の導波モードと両導波路の接合部におい
てモード変換に伴う変換損失が最小になるように、多横
モード導波路の導波路の横幅、導波路長を定めたことを
特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。 - 【請求項４】多横モード導波路の導波路の横幅W、導波
路長L、レーザ導波路の有効屈折率n、動作波長λとを、 0.9nW2/λ≦L≦1.1nW2/λ を満たすように定めたことを特徴とする請求項１に記載
の半導体レーザ。 - 【請求項５】多横モード導波路の横幅Wが3〜10μmであ
ることを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。 - 【請求項６】前記クラッド領域および前記コア領域をエ
ッチングすることにより形成した反射鏡を有することを
特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ。 - 【請求項７】横単一モード導波路部に回折格子を形成し
ブラッグ反射器を形成したことを特徴とする請求項１に
記載の分布帰還型半導体レーザ。 - 【請求項８】横単一モード導波路部に回折格子を形成し
ブラッグ反射器を形成したことを特徴とする請求項１に
記載の分布反射型半導体レーザ。 - 【請求項９】前記ブラッグ反射器の反射波長を外部信号
により変化させ発振波長を人為的に変化させることを特
徴とする請求項７に記載の波長可変半導体レーザ。 - 【請求項１０】少なくとも光を外部に導く光ファイバと
請求項１記載の半導体レーザとを一体化した光モジュー
ル。 - 【請求項１１】半導体基板上にコア領域と、前記コア領
域の基板側とは反対側に少なくとも設けられたクラッド
層とを有し、前記コア領域の利得領域の長さが５μm以
上200μm以下であり、前記コア領域、前記クラッド領域
の少なくとも一方はストライプ形状であり、そのストラ
イプ形状の前記コア領域、前記クラッド領域の少なくと
も一方の光軸方向と垂直で、かつ、基板表面と平行な方
向に前記ストライプ幅が変調されており、前記ストライ
プの一方の端部近傍で前記ストライプ幅は横モ−ドが単
一となるカットオフ幅よりも狭く設定され、前記利得領
域内に水平方向の横幅が横モ−ドが単一となるカットオ
フ幅よりも広く設定されている部分を有することを特徴
とする半導体レーザ。 - 【請求項１２】前記利得領域内に水平方向の横幅が横モ
−ドが単一となるカットオフ幅よりも広く設定されてい
る部分は多横モ−ド導波路部であることを特徴とする請
求項１１記載の半導体レーザ。 - 【請求項１３】多横モ−ド導波路部の導波モードと横単
一モード導波路部の導波モードと両導波路の接合部にお
いてモード変換に伴う変換損失が最小になるように、多
横モード導波路の導波路の横幅、導波路長を定めたこと
を特徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ。 - 【請求項１４】多横モード導波路の導波路の横幅W、導
波路長L、レーザ導波路の有効屈折率n、動作波長λと
を、 0.9nW2/λ≦L≦1.1nW2/λ を満たすように定めたことを特徴とする請求項１１に記
載の半導体レーザ。 - 【請求項１５】多横モード導波路の導波路の横幅Wが3〜
10μmであることを特徴とする請求項１１に記載の半導
体レーザ。 - 【請求項１６】前記クラッド層および前記コア層をエッ
チングすることにより形成した反射鏡を有することを特
徴とする請求項１１に記載の半導体レーザ。 - 【請求項１７】横単一モード導波路部に回折格子を形成
しブラッグ反射器を形成したことを特徴とする請求項１
１に記載の分布帰還型半導体レーザ。 - 【請求項１８】横単一モード導波路部に回折格子を形成
しブラッグ反射器を形成したことを特徴とする請求項１
１に記載の分布反射型半導体レーザ。 - 【請求項１９】前記ブラッグ反射器の反射波長を外部信
号により変化させ発振波長を人為的に変化させることを
特徴とする請求項１７に記載の波長可変半導体レーザ。 - 【請求項２０】少なくとも光を外部に導く光ファイバと
請求項１１記載の半導体レーザとを一体化した光モジュ
ール。
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