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JP5540360B2 - Optical power monitor integrated DFB laser - Google Patents

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JP5540360B2
JP5540360B2 JP2011050063A JP2011050063A JP5540360B2 JP 5540360 B2 JP5540360 B2 JP 5540360B2 JP 2011050063 A JP2011050063 A JP 2011050063A JP 2011050063 A JP2011050063 A JP 2011050063A JP 5540360 B2 JP5540360 B2 JP 5540360B2
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弘美 大橋
啓之 石井
宏泰 馬渡
伸彦 西山
滋久 荒井
隆彦 進藤
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Tokyo Institute of Technology NUC
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Description

本発明は、光送信装置に用いる光パワーモニタ集積DFBレーザに関する。   The present invention relates to an optical power monitor integrated DFB laser used in an optical transmitter.

半導体レーザは、光通信分野や光ピックアップ装置など様々な分野で必須なデバイスであり、低電流・高効率で動作する低消費電力化と長期間における安定動作が強く求められている。しかし、半導体レーザは、動作時間とともに徐々に劣化し光出力の低下や波長シフトといった現象が現われる。これらの劣化が所定の限度を超えると故障と見なされるが、故障に至るまで光出力や波長が一定になるように駆動電流等により調整が行われている。   A semiconductor laser is an essential device in various fields such as an optical communication field and an optical pickup device, and there is a strong demand for low power consumption and stable operation over a long period of time with low current and high efficiency. However, semiconductor lasers gradually deteriorate with the operating time, and phenomena such as a decrease in optical output and wavelength shift appear. When these deteriorations exceed a predetermined limit, it is considered a failure, but adjustment is performed by a drive current or the like so that the optical output and the wavelength are constant until the failure is reached.

半導体レーザの光出力や波長を一定に維持するには、半導体レーザの光出力等の監視が必要であり、一般的な監視方法は半導体から出力される光をフォトダイオード(PD)でモニタする方法である(例えば、非特許文献1参照)。パワーモニタPDの受光量が一定となるように半導体レーザの駆動電流をフィードバック制御することにより、長期間にわたり半導体レーザの光出力や波長を一定に保つことができる。   In order to keep the optical output and wavelength of the semiconductor laser constant, it is necessary to monitor the optical output of the semiconductor laser and the like. A general monitoring method is a method of monitoring light output from the semiconductor with a photodiode (PD). (For example, see Non-Patent Document 1). By performing feedback control of the driving current of the semiconductor laser so that the amount of light received by the power monitor PD is constant, the optical output and wavelength of the semiconductor laser can be kept constant over a long period of time.

一方、活性層が細線状構造のDFBレーザに分布ブラッグ反射鏡(DBR)を一括集積した分布反射型(DR:distributed reflector)レーザやDRレーザにパワーモニタ領域を加えた3領域の集積レーザも提案されている(例えば、下記非特許文献2参照)。これら半導体レーザは、活性層が細線状構造を有していることにより、低しきい値・高効率動作が可能であるという特徴がある。   On the other hand, we propose a distributed reflector (DR) laser in which a distributed Bragg reflector (DBR) is integrated in a DFB laser with a thin active layer structure, and a three-region integrated laser in which a power monitor region is added to a DR laser. (For example, see Non-Patent Document 2 below). These semiconductor lasers are characterized in that a low threshold and high efficiency operation is possible because the active layer has a fine line structure.

米津宏雄、「光通信素子工学−発行・受光素子−」、工学図書株式会社発行、1984年2月15日、p.259−260Hiroo Yonezu, “Optical Communication Element Engineering -Issuance / Light-Receiving Element”, published by Engineering Books Co., Ltd., February 15, 1984, p. 259-260 大平和哉、外6名、「細線構造を有する分布反射型(DR)レーザ」、電子情報通信学会技術研究報告〔レーザ・量子エレクトロニクス〕、社団法人電子情報通信学会発行、2002年5月17日、LQE2002−16Heiwaya, 6 others, "Distributed reflection (DR) laser with thin wire structure", IEICE technical report [Laser / Quantum electronics], published by The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, May 17, 2002, LQE2002-16 H.Kogelnik、C.V.Shank、“Coupled−Wave Theory of Distributed Feedback Lasers”、J.Appl.Phys.、43、5、1972年、p.2327−2335H. Kogelnik, C.I. V. Shank, “Coupled-Wave Theory of Distributed Feedback Lasers”, J. Am. Appl. Phys. 43, 5, 1972, p. 2327-2335

上述したPDによるモニタでは、レンズや分波器などの光部品が必要となり製造コストや部品コストが高くなるばかりでなく、小型化が阻害され、さらに作製工程が増えることによる歩留まりの低下を招くという課題がある。   The above-mentioned PD monitor requires optical components such as lenses and duplexers, which not only increases the manufacturing cost and the component cost, but also hinders downsizing and further decreases the yield due to an increase in manufacturing steps. There are challenges.

また、半導体レーザとの集積型パワーモニタは、一般的に大幅な吸収損失による半導体レーザの特性劣化を防ぐために、半導体レーザとは異なる組成のコア層を再成長する必要があり、作製工程が増え歩留まりの低下が避けられない課題がある。   Also, an integrated power monitor with a semiconductor laser generally requires a regrowth of a core layer having a composition different from that of the semiconductor laser in order to prevent deterioration of the characteristics of the semiconductor laser due to a large absorption loss. There is an inevitable problem in yield reduction.

以上のことから、本発明は、上記の問題点を解消し、高い反射率を維持しながら光パワーモニタとしての機能を併せ持つ光パワーモニタ集積DFBレーザを提供することを目的とする。   In light of the above, an object of the present invention is to provide an optical power monitor integrated DFB laser that solves the above-described problems and also has a function as an optical power monitor while maintaining a high reflectance.

上記の課題を解決するための第1の発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザは、
分布ブラッグ反射領域と分布帰還型レーザ領域とが集積された光パワーモニタ集積DFBレーザであって
前記分布ブラック反射領域の導波路の活性層は、光進行方向に対し周期的に配列した、数10nm程度に細線化された量子井戸細線となった構造であり
前記分布帰還型レーザ領域の導波路の活性層は、光の進行方向に対して不連続の分離した量子井戸細線となった構造であり、
前記分布ブラッグ反射領域の吸収電流により前記半導体レーザの出力をモニタする
ことを特徴とする。
An optical power monitor integrated DFB laser according to the first invention for solving the above-mentioned problems is
An optical power monitor integrated DFB laser in which a distributed Bragg reflection region and a distributed feedback laser region are integrated,
The active layer of the waveguide in the distributed black reflection region is a structure that is a quantum well thin line that is periodically arranged in the light traveling direction and is thinned to about several tens of nanometers .
The active layer of the waveguide of the distributed feedback laser region is a structure that is a discontinuous separated quantum well thin line with respect to the light traveling direction,
The output of the semiconductor laser is monitored by the absorption current in the distributed Bragg reflection region.

上記の課題を解決するための第2の発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザは、第1の発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいて、
前記分布帰還型レーザ領域の長さ及び前記分布ブラッグ反射領域の長さを回折格子の結合係数κを用いて規格化したとき、前記分布帰還型レーザ領域の長さ DFB が「3.5<κ DFB <8」、前記分布ブラッグ反射領域の長さ DBR が「2<κ DBR <4」、前記分布ブラッグ反射領域の活性層細線の発振波長に対する吸収係数αが「1500cm-1<α<2000cm-1」である
ことを特徴とする。
An optical power monitor integrated DFB laser according to a second invention for solving the above-described problems is an optical power monitor integrated DFB laser according to the first invention.
Wherein when the length and the length of the distributed Bragg reflector region of the distributed feedback laser region was normalized by using the coupling coefficient of the diffraction grating kappa, the length L DFB of the distributed feedback lasers area is "3. 5 <κ L DFB <8 ”, the length L DBR of the distributed Bragg reflection region is“ 2 <κ L DBR <4 ”, and the absorption coefficient α with respect to the oscillation wavelength of the active layer fine wire in the distributed Bragg reflection region is“ 1500 cm −. 1 <α <2000 cm −1 ”.

上記の課題を解決するための第3の発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザは、第1の発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいて、
前記分布帰還型レーザ領域中に位相シフトを設けた
ことを特徴とする。
An optical power monitor integrated DFB laser according to a third aspect of the present invention for solving the above problem is the optical power monitor integrated DFB laser according to the first aspect of the present invention.
A phase shift is provided in the distributed feedback laser region.

上記の課題を解決するための第4の発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザは、第3の発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいて、
前記分布帰還型レーザ領域の長さ及び前記分布ブラッグ反射領域の長さを回折格子の結合係数κを用いて規格化したとき、前記分布帰還型レーザ領域の長さ DFB が「3<κ DFB <5」、前記分布ブラッグ反射領域の長さ DBR が「2<κ DBR <4」、前記分布ブラッグ反射領域の活性層細線の発振波長に対する吸収係数αが「300cm-1<α<2000cm-1」である
ことを特徴とする。
An optical power monitor integrated DFB laser according to a fourth aspect of the present invention for solving the above problem is the optical power monitor integrated DFB laser according to the third aspect of the present invention.
Wherein when the length and the length of the distributed Bragg reflector region of the distributed feedback laser region was normalized by using the coupling coefficient of the diffraction grating kappa, the length L DFB of the distributed feedback lasers area is "3 < κ L DFB <5 ”, the length L DBR of the distributed Bragg reflection region is“ 2 <κ L DBR <4 ”, and the absorption coefficient α with respect to the oscillation wavelength of the active layer thin wire in the distributed Bragg reflection region is“ 300 cm −1 < α <2000 cm −1 ”.

本発明によれば、高い反射率を維持しながら光パワーモニタとしての機能を併せ持つ光パワーモニタ集積DFBレーザを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide an optical power monitor integrated DFB laser having a function as an optical power monitor while maintaining a high reflectance.

本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの構成を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the structure of the optical power monitor integrated DFB laser based on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおける図1に示すa−a´における導波路の断面の構成を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the structure of the cross section of the waveguide in aa 'shown in FIG. 1 in the optical power monitor integrated DFB laser concerning the Example of this invention. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおけるDBR領域の反射率の細線幅依存性を示した図である。It is the figure which showed the thin line | wire width dependence of the reflectance of the DBR area | region in the optical power monitor integrated DFB laser which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの作製プロセスにおける第1工程を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the 1st process in the manufacturing process of the optical power monitor integrated DFB laser which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの作製プロセスにおける第2工程を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the 2nd process in the manufacturing process of the optical power monitor integrated DFB laser which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの作製プロセスにおける第3工程を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the 3rd process in the manufacturing process of the optical power monitor integrated DFB laser which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの作製プロセスにおける第4工程を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the 4th process in the manufacturing process of the optical power monitor integrated DFB laser concerning the Example of this invention. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの作製プロセスにおける第5工程を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the 5th process in the manufacturing process of the optical power monitor integrated DFB laser which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの作製プロセスにおける第6工程を示した模式図である。It is the schematic diagram which showed the 6th process in the manufacturing process of the optical power monitor integrated DFB laser concerning the Example of this invention. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザのSEM像を示した図である。It is the figure which showed the SEM image of the optical power monitor integrated DFB laser which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおけるInP逆メサストライプエッチングのSEM像を示した図である。It is the figure which showed the SEM image of InP reverse mesa stripe etching in the optical power monitor integrated DFB laser which concerns on the Example of this invention. 本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおけるInP順メサ方向溝形成エッチングのSEM像を示した図である。It is the figure which showed the SEM image of the InP forward mesa direction groove | channel formation etching in the optical power monitor integrated DFB laser which concerns on a present Example. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおける無バイアス印加時の光強度分布の計算結果を示した図である。It is the figure which showed the calculation result of the light intensity distribution at the time of no bias application in the optical power monitor integrated DFB laser which concerns on the Example of this invention. 本発明の実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおけるDBR領域の反射率スペクトルの計算結果を示した図である。It is the figure which showed the calculation result of the reflectance spectrum of the DBR area | region in the optical power monitor integrated DFB laser which concerns on the Example of this invention. λ/8位相シフト構造の無バイアス時光強度分布を示した図である。It is the figure which showed the light intensity distribution at the time of a bias of (lambda) / 8 phase shift structure. 均一回折格子構造の無バイアス時光強度分布を示した図である。It is the figure which showed the light intensity distribution at the time of no bias of a uniform diffraction grating structure. 前端面出力効率のDFB領域長依存性を示した図である。It is the figure which showed the DFB area | region length dependence of the front end surface output efficiency. DBR反射率のDBR領域長依存性を示した図である。It is the figure which showed DBR area | region length dependence of DBR reflectance. DBR反射率のDBR領域長依存性を示した図である。It is the figure which showed DBR area | region length dependence of DBR reflectance.

以下、本発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザを実施するための形態について説明する。
本発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザは、ブラッグ反射器としての機能とパワーモニタとしての機能とを併せ持つ領域(DBR領域)とDFBレーザの領域が集積された構造を有し、それらの活性層は細線状構造からなっている。
Hereinafter, embodiments for implementing the optical power monitor integrated DFB laser according to the present invention will be described.
The optical power monitor integrated DFB laser according to the present invention has a structure in which a region having both a function as a Bragg reflector and a function as a power monitor (DBR region) and a region of the DFB laser are integrated, and an active layer thereof. Has a thin line structure.

そして、本発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザは、量子井戸活性層を周期的な細線状構造に加工することにより、DFBレーザ領域と同一の活性層を有していながら、大幅な吸収損失を受けることなくモニタリングすることが可能である。
また、光モニタリングの際、光モニタ領域(DBR領域)は、パワーモニタに入射された光の大部分をレーザ共振器に反射するDBR領域としての機能も有しており、DFBレーザ領域の良好な発振特性を維持することができる。
The optical power monitor integrated DFB laser according to the present invention has a large absorption loss while processing the quantum well active layer into a periodic thin line structure, while having the same active layer as the DFB laser region. It is possible to monitor without receiving.
In addition, in the case of optical monitoring, the optical monitor region (DBR region) also has a function as a DBR region that reflects most of the light incident on the power monitor to the laser resonator. Oscillation characteristics can be maintained.

さらに、パワーモニタの作製プロセスにおいても再成長工程を増やすことなく、DFBレーザ領域と一括したプロセスで作製可能であるため、低コストで作製することができる。
また、本発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおけるDBR領域の細線状活性層の周期は、DFBレーザ領域とほぼ同じである。
Furthermore, the power monitor can be manufactured at a low cost because it can be manufactured by a process integrated with the DFB laser region without increasing the regrowth process.
Further, the period of the thin line active layer in the DBR region in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present invention is substantially the same as that in the DFB laser region.

従来、DFBレーザ領域で光出力を安定させるには、一般に出力光のパワーを監視して光出力変動を光出力制御回路の出力に反映するフィードバック機構が必要であった。このうち、出力光のパワーを監視する部分では、出力光の一部をプリズム等の光部品により取り出すか、又は、DFBレーザ領域の出力端の逆側からもれ出てくる光を用いてPDにて観測する方法が用いられていた。しかし、前者の方法はプリズム等のディスクリート部品が必要になり大型化が避けられない上、光出力の一部を損なうこと、後者の方法はDFBレーザ領域とは別にPDを半導体基板上に作製する必要がある等の課題があった。   Conventionally, in order to stabilize the light output in the DFB laser region, a feedback mechanism that generally monitors the power of the output light and reflects the light output fluctuation in the output of the light output control circuit is required. Among these, in the part that monitors the power of the output light, a part of the output light is taken out by an optical component such as a prism, or the light that leaks from the opposite side of the output end of the DFB laser region is used for the PD. The method used for observation was used. However, the former method requires a discrete component such as a prism, and the enlargement is unavoidable, and part of the light output is impaired. The latter method produces a PD on a semiconductor substrate separately from the DFB laser region. There was a problem such as necessity.

これに対し、本発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいては、活性層分離型DFBレーザの出力端と逆側の反射鏡としてDBR領域を用い、その部分で一部光が吸収されて発生する光電流をモニタすることでPDとしての機能をも兼ねさせることを特徴としている。   On the other hand, in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present invention, a DBR region is used as a reflecting mirror on the opposite side to the output end of the active layer separation type DFB laser, and a part of the light is absorbed at that portion. It is characterized in that it also serves as a PD by monitoring the photocurrent.

これにより、DBR領域自体は、DFBレーザ領域を作製する際に同時に作製することができ、さらに、PDとしての機能付加も基本的に光電流の取り出し電極をDBR領域上に設けるだけで済ませることができる。そして、本発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの構成により、作製工程を増やすことなく、また、活性層分離型DFBレーザに集積したコンパクトな形で出力光のパワーを監視する機能を活性層分離型DFBレーザに持たせることができる。   As a result, the DBR region itself can be produced simultaneously with the production of the DFB laser region, and the addition of a function as a PD can basically be achieved simply by providing a photocurrent extraction electrode on the DBR region. it can. Further, the configuration of the optical power monitor integrated DFB laser according to the present invention has the function of monitoring the output light power in a compact form integrated in the active layer isolation type DFB laser without increasing the number of manufacturing steps. A type DFB laser can be provided.

以下、本発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの実施例について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの構成を示した模式図である。また、図2は、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおける図1に示すa−a´における導波路の断面の構成を示した模式図である。
Embodiments of an optical power monitor integrated DFB laser according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment. FIG. 2 is a schematic diagram showing a cross-sectional configuration of the waveguide at aa ′ shown in FIG. 1 in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment.

図1,2に示すように、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザは、DFBレーザ領域と、DBR領域から構成されており、DFBレーザ領域で発生する光はDBR領域の高反射率の反射器で反射されると同時に、光パワーモニタとして光吸収されDFBレーザ領域端から出力される。なお、両端面には無反射膜や高反射膜は形成されていない。   As shown in FIGS. 1 and 2, the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment is composed of a DFB laser region and a DBR region, and light generated in the DFB laser region has a high reflectivity in the DBR region. At the same time as being reflected by the reflector, the light is absorbed as an optical power monitor and output from the end of the DFB laser region. In addition, the antireflection film and the high reflection film are not formed on both end faces.

本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザは、InP下部クラッド層(cladding layer)10、GaInAsP二重量子井戸活性層(DQW active layers)11、下部光閉じ込め層(OCL)12、上部光閉じ込め層(OCL)13、上部InPクラッド層14、ベンゾシクロブデン(BCB)樹脂15、コンタクト層16、SiO2絶縁膜17、DFBレーザ用電極18、光パワーモニタ用電極19及び下部電極20から構成されている。 An optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment includes an InP lower cladding layer 10, a GaInAsP double quantum well active layer 11, a lower optical confinement layer (OCL) 12, and an upper optical confinement layer. (OCL) 13, upper InP cladding layer 14, benzocyclobutene (BCB) resin 15, contact layer 16, SiO 2 insulating film 17, DFB laser electrode 18, optical power monitor electrode 19, and lower electrode 20. Yes.

図2において、LDFBはDFBレーザ領域長を、ΛaはDFBレーザ周期を、WaはDFBレーザ細線幅を、LDBRはDBR領域長を、ΛpはDBR周期を、WpはDBR細線幅を、phase−shiftはλ/8位相シフト位置を示している。DFBレーザ領域の活性層は、位相シフト領域を含む不連続の分離した構造であり、DBR領域の活性層は、数10nm程度に細線化された量子井戸細線が光進行方向に対し周期的に配列した構造である。 In FIG. 2, L DFB is the DFB laser region length, Λa is the DFB laser cycle, Wa is the DFB laser thin line width, L DBR is the DBR region length, Λp is the DBR cycle, Wp is the DBR thin line width, and phase. -Shift indicates the λ / 8 phase shift position. The active layer in the DFB laser region has a discontinuous separated structure including a phase shift region, and the active layer in the DBR region has quantum well thin lines that are thinned to about several tens of nanometers arranged periodically in the light traveling direction. This is the structure.

細線化によって活性層領域の体積が減るだけではなく、量子閉じ込め効果に伴う遷移エネルギー拡大が行われ、発振波長に対して吸収の少ない低損失な導波路を作製することができ、DBR領域の高反射率を実現することができる。
また、導波路の損失が低いことにより、DBR領域は高反射率領域となるため、光出力を片端面に集中させて、低しきい値動作を維持したまま出力効率の増加が可能となる。
また、図1に示すDFBレーザ領域側からの光出力ηdfは、DBR領域の光パワーモニタ用電極19に電圧を印加して得られる吸収電流によりモニタすることができる。
Thinning not only reduces the volume of the active layer region, but also increases the transition energy associated with the quantum confinement effect, making it possible to produce a low-loss waveguide with little absorption with respect to the oscillation wavelength. Reflectance can be realized.
Further, since the loss of the waveguide is low, the DBR region becomes a high reflectivity region, so that it is possible to increase the output efficiency while maintaining the low threshold operation by concentrating the optical output on one end face.
Further, the optical output η df from the DFB laser region side shown in FIG. 1 can be monitored by an absorption current obtained by applying a voltage to the optical power monitoring electrode 19 in the DBR region.

結合波理論(上記非特許文献3参照)は、回折格子などの周期的に分布した屈折率及び利得の構造中を光が伝搬する様子を解析するもので、回折格子構造の屈折率分布及び利得の分布を正弦波関数で近似的に表記し、その構造中での光の伝搬を解析することができる。   The coupled wave theory (see Non-Patent Document 3 above) analyzes the propagation of light through a periodically distributed refractive index and gain structure such as a diffraction grating, and the refractive index distribution and gain of the diffraction grating structure. Is approximately expressed by a sinusoidal function, and light propagation in the structure can be analyzed.

本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいては、DFBレーザ領域及びDBR領域のそれぞれにおいて回折格子構造の屈折率分布、あるいは利得分布を正弦波関数で表記し、光の結合波方程式を求めることで、各領域における伝達関数F行列を導出することができる。本実施例においては、それぞれの領域及び端面のF行列の積を用いて、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザ内での光の強度分布や、透過、反射スペクトルを求めた。   In the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment, the refractive index distribution or gain distribution of the diffraction grating structure is expressed by a sine wave function in each of the DFB laser region and the DBR region, and the coupled wave equation of light is obtained. Thus, the transfer function F matrix in each region can be derived. In the present embodiment, the intensity distribution, transmission, and reflection spectrum of light in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment were obtained using the product of the F matrix of each region and end face.

本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいては、DBR領域の細線構造についてはDFBレーザとして最も低しきい値・高効率で動作するように設計し、この場合でもDBR領域ではモニタとして十分な光吸収が得られている。   In the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment, the thin line structure in the DBR region is designed to operate with the lowest threshold and high efficiency as a DFB laser. Even in this case, the DBR region is sufficient as a monitor. Light absorption is obtained.

一般的に、DBR領域の活性層を量子細線構造に加工すると、横方向量子閉じ込め効果が生じ、それに伴うバンドギャップの広がり(ブルーシフト効果)により光の吸収損失を低減させることが可能となる。一方、DBR領域の結合係数は、活性層の細線化に伴い低下する傾向を示す。このように、活性層細線化による導波路損失と結合係数とはトレードオフの関係にあるため、設計の際にはまず必要な吸収率、反射率を設定し、それに合わせた細線幅を決定する手順となる。   In general, when the active layer in the DBR region is processed into a quantum wire structure, a lateral quantum confinement effect is produced, and the absorption loss of light can be reduced due to the band gap expansion (blue shift effect) associated therewith. On the other hand, the coupling coefficient of the DBR region tends to decrease as the active layer is thinned. As described above, since the waveguide loss and the coupling coefficient due to the thinning of the active layer are in a trade-off relationship, the necessary absorption rate and reflectivity are first set at the time of design, and the fine line width corresponding to that is determined. It becomes a procedure.

図3は、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおけるDBR領域の反射率の細線幅依存性を示した図である。
図3に示すように、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいては、DBR細線幅WDBRを40nm程度に加工した際が最も高い反射率を得ることができ、レーザの高性能化が可能であることが、光の伝搬解析の結果から分かった。
FIG. 3 is a diagram showing the thin line width dependence of the reflectivity of the DBR region in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment.
As shown in FIG. 3, in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment, the highest reflectivity can be obtained when the DBR fine line width W DBR is processed to about 40 nm, and the performance of the laser is improved. It was found from the results of light propagation analysis that this was possible.

なお、結合波理論を用いたプログラムによる計算は、DFBレーザ領域長LDFB=100μm、DFBレーザ周期Λa=241.25nm、DFBレーザ細線幅Wa=90nm、DBR領域長LDBR=200μm、DBR周期Λp=242.5nm、DBR細線幅Wp=40nm、DFBレーザ側の前端面より80μmの位置にλ/8位相シフト領域を有する構造で行った。 The calculation by the program using the coupled wave theory is as follows: DFB laser region length L DFB = 100 μm, DFB laser cycle Λa = 241.25 nm, DFB laser wire width Wa = 90 nm, DBR region length L DBR = 200 μm, DBR cycle Λp = 242.5 nm, DBR fine line width Wp = 40 nm, and a structure having a λ / 8 phase shift region at a position of 80 μm from the front end face on the DFB laser side.

図4〜9は、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの作製プロセスを示した模式図である。
図4に示すように、第1工程においては、後の工程にてInP下部クラッド層10としても用いる、主面方位が(001)であるp−InP基板10を成長用半導体基板として用い、その上に有機金属気相成長法(OMVPE)によって、GaInAsP下部光閉じ込め層(OCL)12、GaInAsPの2重量子井戸構造(1%圧縮歪量子井戸:6nm、0.15%引っ張り歪バリア層:10nm)11、GaInAsP上部光閉じ込め層(OCL)13を順次積層し、レーザ素子作製用のエピ基板を作製する。次に、ドライエッチングのマスクとなるSiO2マスク30をCVD法により約20nm堆積し、電子線レジスト31を用いて線幅を変調した回折格子を電子ビーム(EB)露光法により描画する。
4 to 9 are schematic views showing a manufacturing process of the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment.
As shown in FIG. 4, in the first step, a p-InP substrate 10 having a main surface orientation of (001), which is also used as an InP lower cladding layer 10 in a later step, is used as a growth semiconductor substrate. A GaInAsP lower optical confinement layer (OCL) 12 and a GaInAsP double quantum well structure (1% compression strain quantum well: 6 nm, 0.15% tensile strain barrier layer: 10 nm by metal organic vapor phase epitaxy (OMVPE). ) 11 and GaInAsP upper optical confinement layer (OCL) 13 are sequentially laminated to produce an epitaxial substrate for producing a laser device. Next, a SiO 2 mask 30 serving as a dry etching mask is deposited by about 20 nm by a CVD method, and a diffraction grating whose line width is modulated using an electron beam resist 31 is drawn by an electron beam (EB) exposure method.

図5に示すように、第2工程においては、CF4反応性イオンエッチングにより電子線レジストパターン31をSiO2マスク30に転写しドライエッチングのマスクとした後に、CH4/H2反応性イオンエッチング(RIE)により活性層を直接加工し、垂直性に優れた回折格子を形成する。 As shown in FIG. 5, in the second step, the electron beam resist pattern 31 is transferred to the SiO 2 mask 30 by CF 4 reactive ion etching and used as a dry etching mask, and then CH 4 / H 2 reactive ion etching. The active layer is directly processed by (RIE) to form a diffraction grating having excellent perpendicularity.

図6に示すように、第3工程においては、ドライエッチングによる損傷層をウェットエッチングにより除去した後、溝部分をOMVPEによりi−InP32により埋め込み、上部光閉じ込め層13、上部InPクラッド層14、コンタクト層16を積層する。   As shown in FIG. 6, in the third step, after the damaged layer by dry etching is removed by wet etching, the groove portion is filled with i-InP32 by OMVPE, the upper optical confinement layer 13, the upper InP cladding layer 14, and the contact Layer 16 is laminated.

図7に示すように、第4工程においては、ドライエッチングとウェットエッチングにより電極分離用の溝33を形成し、ストライプ構造を形成する。
図8に示すように、第5工程においては、ベンゾシクロブデン(BCB)樹脂15により平坦化し、SiO2絶縁膜17を形成する。
図9に示すように、第6工程においては、電極窓開けの後、金属蒸着(Ti/Au)をDFB領域とDBR領域及びパワーモニタ(PM)領域のそれぞれの領域に行いDFBレーザ用電極18、光パワーモニタ用電極19及び下部電極20を形成する。
As shown in FIG. 7, in the fourth step, a groove 33 for electrode separation is formed by dry etching and wet etching to form a stripe structure.
As shown in FIG. 8, in the fifth step, the SiO 2 insulating film 17 is formed by flattening with a benzocyclobutene (BCB) resin 15.
As shown in FIG. 9, in the sixth step, after opening the electrode window, metal deposition (Ti / Au) is performed in each of the DFB region, the DBR region, and the power monitor (PM) region, and the electrode 18 for the DFB laser. Then, the optical power monitoring electrode 19 and the lower electrode 20 are formed.

本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおけるDFB領域とDBR領域は、細線幅のEB露光パターンを変更するだけで作製できるため、余計なプロセスを行わなくとも活性領域と受動領域が一括形成できるという利点がある。
さらに、活性領域と受動領域の導波路構造がほとんど同じであることから、領域間の結合損失をほぼゼロにできるという利点がある。
また、低損傷エッチングプロセスによりレーザ素子作製用のエピ基板の結晶品位を落とさずに活性領域及び受動領域の一括作製が可能であるという利点もある。
Since the DFB region and the DBR region in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment can be manufactured by simply changing the EB exposure pattern with a thin line width, the active region and the passive region can be formed in a lump without performing an extra process. There is an advantage.
Further, since the waveguide structures of the active region and the passive region are almost the same, there is an advantage that the coupling loss between the regions can be made almost zero.
In addition, there is an advantage that the active region and the passive region can be manufactured collectively without degrading the crystal quality of the epitaxial substrate for manufacturing the laser device by a low damage etching process.

図10は、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザのSEM像を示した図である。
図10に示すように、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいては、細線状の活性層が周期的に形成されていることがわかる。
FIG. 10 is a diagram showing an SEM image of the optical power monitor integrated DFB laser according to this example.
As shown in FIG. 10, in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present example, it can be seen that thin-line active layers are periodically formed.

また、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいては、DBR領域に電極を形成するにあたり、前方のDFBレーザ領域との電気的な絶縁を得るために、DFBレーザ用電極18と光パワーモニタ用電極19との間に電極分離用の溝33を形成する必要があるが、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザによれば、DFBレーザ領域とDBR領域の電極分離用の溝33をハイメサ導波路形成時に一括作製が可能であるという利点がある。   In addition, in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment, when an electrode is formed in the DBR region, the DFB laser electrode 18 and the optical power monitor are used in order to obtain electrical insulation from the front DFB laser region. It is necessary to form the electrode separation groove 33 between the electrode 19 and the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment, but the electrode separation groove 33 in the DFB laser region and the DBR region is formed. There is an advantage that batch fabrication is possible when forming a high mesa waveguide.

ちなみに、半導体レーザなどの光半導体素子の導波路構造は、ハイメサ型、ローメサ型、埋込型が一般的である。ハイメサ構造は活性層の部分までメサが形成されており、活性層の両側が空気層であるため光閉じ込め効果が高い点に特徴がある。ローメサ導波路構造は活性層の上部の積層までメサが形成されている構造であり、埋込型構造はハイメサ又はローメサの両側が半導体層で埋め込まれた構造を指しており、放熱性が良い等の特徴を有する。   Incidentally, the waveguide structure of an optical semiconductor element such as a semiconductor laser is generally a high mesa type, a low mesa type, or a buried type. The high mesa structure is characterized in that the mesa is formed up to the active layer portion, and since both sides of the active layer are air layers, the light confinement effect is high. The low mesa waveguide structure is a structure in which a mesa is formed up to the upper layer of the active layer, and the embedded structure refers to a structure in which both sides of the high mesa or the low mesa are embedded with a semiconductor layer, and has good heat dissipation, etc. It has the characteristics of.

なお、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいては、p型の成長用半導体基板(p−InP基板)上にレーザ素子作製用の層構造を作製しており、その層構造の上部は高移動度のn型半導体となっているため、電気的な絶縁を得るためにはある程度の深い溝が必要となるが、深すぎる溝は光の損失ともなる。   In the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment, a layer structure for laser element fabrication is fabricated on a p-type growth semiconductor substrate (p-InP substrate). Since it is an n-type semiconductor with high mobility, a certain amount of deep groove is required to obtain electrical insulation, but a groove that is too deep also causes light loss.

また、第4工程におけるハイメサ導波路構造の形成においては、InP部分を塩酸系のウェットエッチングを用い、GaInAsPのOCL及び活性層はCH4/H2の反応性イオンエッチング(RIE)を用いた。成長用半導体基板に対して、110方向にストライプパターンを形成しており、HCl/CH3COOH=1:4の混合液を用いてInP層をエッチングすることで、InPのハイメサ構造は逆メサ構造とすることができる。 Further, in the formation of the high mesa waveguide structure in the fourth step, hydrochloric acid-based wet etching was used for the InP portion, and reactive ion etching (RIE) of CH 4 / H 2 was used for the GaInAsP OCL and the active layer. A stripe pattern is formed in the direction 110 with respect to the growth semiconductor substrate, and the InP high mesa structure is an inverted mesa structure by etching the InP layer using a mixed solution of HCl / CH 3 COOH = 1: 4. It can be.

これに対し、電極分離用の溝33はストライプ方向に対して垂直方向になるのでInP層は111面の53°程度の浅い順メサ方向になる。したがって、電極分離用の溝33の間隔を調節することで、ハイメサ構造形成と同時に任意の深さの電極分離用の溝33を形成することが可能である。   On the other hand, since the electrode separation groove 33 is perpendicular to the stripe direction, the InP layer has a shallow forward mesa direction of about 53 ° on the 111 plane. Therefore, by adjusting the distance between the electrode separation grooves 33, it is possible to form the electrode separation grooves 33 having an arbitrary depth simultaneously with the formation of the high mesa structure.

図11は、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおけるInP逆メサストライプエッチングのSEM像を示した図である。また、図12は、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおけるInP順メサ方向溝形成エッチングのSEM像を示した図である。
図12に示すように、DFBレーザ領域とDBR領域の境界の溝幅Wを調整してエッチングすることにより、任意の深さの電極分離用の溝33を形成することが可能である。
FIG. 11 is a diagram showing an SEM image of InP reverse mesa stripe etching in the optical power monitor integrated DFB laser according to this example. FIG. 12 is a view showing an SEM image of InP forward mesa groove formation etching in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present example.
As shown in FIG. 12, the groove 33 for electrode separation having an arbitrary depth can be formed by adjusting and etching the groove width W at the boundary between the DFB laser region and the DBR region.

図13,14及び後述する表1は、本実施例に係るパワーモニタ集積DFBレーザの結合波理論を用いたプログラムによる計算結果である。
図13は、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおける無バイアス印加時の光強度分布の計算結果を示した図である。また、図14は、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおけるDBR領域の反射率スペクトルの計算結果を示した図である。
13 and 14 and Table 1 to be described later are calculation results by a program using the coupled wave theory of the power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment.
FIG. 13 is a diagram showing the calculation result of the light intensity distribution when no bias is applied in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment. FIG. 14 is a diagram showing the calculation result of the reflectance spectrum of the DBR region in the optical power monitor integrated DFB laser according to this example.

DBR領域の反射率は、活性層幅(リッジ幅)や量子井戸細線数、DBR領域の長さに依存しており、例えば、活性層幅を小さくすると損失は小さくなるが、結合係数も減ることになる。結合係数を大きくするため細線数を増やすこと、又はDBR領域長を長くすることにより反射率を上げることはできるが、損失も大きくなるという問題がある。本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの構成は、これらの点及び実際の作製の容易さを考慮して決定された構成である。   The reflectivity of the DBR region depends on the active layer width (ridge width), the number of quantum well wires, and the length of the DBR region. For example, when the active layer width is reduced, the loss is reduced, but the coupling coefficient is also reduced. become. Although the reflectivity can be increased by increasing the number of thin wires in order to increase the coupling coefficient or by increasing the DBR region length, there is a problem that the loss also increases. The configuration of the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment is determined in consideration of these points and the ease of actual fabrication.

図13は、DBR領域に電圧を印加しない場合であり、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザのレーザとしての特性を表し、λ/8位相シフト部の光強度が大きく、DFBレーザ側端面の光出力が大きいことを示している。例えば、λ/4位相シフト部が共振器の中央にある対称λ/4位相シフト構造の一般的DFBレーザでは、位相シフト部から見た前後領域のブラッグ波長に対する電界の位相が整合するため、光がλ/4位相シフト周辺に強く閉じ込められ、光強度はほぼ前後対称の分布となり、前端面と後端面の両側からの光出力はほぼ等しくなる。 FIG. 13 shows a case where no voltage is applied to the DBR region, which shows the characteristics of the optical power monitor integrated DFB laser according to this embodiment as a laser, the light intensity of the λ / 8 phase shift unit is large, and the end face on the DFB laser side It shows that the light output of is large. For example, in a general DFB laser having a symmetric λ / 4 phase shift structure in which the λ / 4 phase shift unit is at the center of the resonator, the phase of the electric field matches the Bragg wavelength in the front and rear regions viewed from the phase shift unit. Is strongly confined around the λ / 4 phase shift, the light intensity has a substantially symmetric distribution, and the light outputs from both the front end face and the rear end face are substantially equal.

また、λ/4位相シフト位置が中央から前方にある非対称λ/4位相シフト構造のDFBレーザにおいては、光強度はλ/4位相シフト位置で強くなるため、前端面側の光強度が後端面側に比較し大きくなり、前端面の光出射強度が大きくなる。一般的に、非対称λ/4位相シフト構造のDFBレーザは、内部光強度分布が位相シフト部の素子中央からのシフト量によって決まるので、単一モード安定性やスロープ効率も位相シフト位置に強く依存する。しかし、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいては、λ/8位相シフト部に光が集中しており、単一モードの安定性が高い。   Further, in the DFB laser having an asymmetric λ / 4 phase shift structure in which the λ / 4 phase shift position is forward from the center, the light intensity is increased at the λ / 4 phase shift position, so that the light intensity on the front end face side is the rear end face. The light emission intensity at the front end surface is increased. In general, a DFB laser with an asymmetric λ / 4 phase shift structure has an internal light intensity distribution determined by the amount of shift from the center of the element of the phase shift unit, so single-mode stability and slope efficiency are also strongly dependent on the phase shift position. To do. However, in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment, the light is concentrated on the λ / 8 phase shift unit, and the stability of the single mode is high.

図17、図18及び図19は、位相シフトのあるDFBレーザと位相シフトのないDFBレーザの各場合における、前端面出力効率のDFB領域長依存性、しきい値電流値の共振器長依存性の計算結果を示している。
図17及び図18から、位相シフトの有る場合にも、無い場合にも、前端面からの出力効率ηdfが約50%以上、及びパワーモニタDBR領域からの反射率Rも約90%以上を両立するようなDFB領域及びDBR領域の結合係数κLが存在することがわかる。
また、図19から、κLを小さくした場合(領域長LDFBを短くする)には、しきい値が増大することがわかる。なお、縦軸のしきい値電流値はストライプ幅1μmに規格化した値を示している。
FIGS. 17, 18 and 19 show the DFB region length dependence of the front end face output efficiency and the cavity length dependence of the threshold current value in each case of the DFB laser with phase shift and the DFB laser without phase shift. The calculation result is shown.
17 and 18, the output efficiency η df from the front end face is about 50% or more and the reflectivity R from the power monitor DBR region is also about 90% or more with or without phase shift. It can be seen that there is a coupling coefficient κL between the DFB region and the DBR region that is compatible.
Further, FIG. 19 shows that the threshold value increases when κL is reduced (the region length L DFB is shortened). The threshold current value on the vertical axis indicates a value normalized to a stripe width of 1 μm.

図17において、前端面からの出力効率ηdfが約50%以上である結合係数κLの値は、位相シフトのあるDFBレーザの場合ではκLDFB<5であり、位相シフトのないDFBレーザの場合ではκLDFB<8である。ここで、デバイスの要求仕様にもよるが、最小しきい値の3倍程度を許容範囲(下限値)として設定すると、位相シフトのあるDFBレーザの場合では3<κLDFBが要求され、位相シフトのないDFBレーザの場合では3.5<κLDFBが要求される。 In FIG. 17, the value of the coupling coefficient κL at which the output efficiency η df from the front end face is about 50% or more is κL DFB <5 in the case of a DFB laser having a phase shift, and in the case of a DFB laser having no phase shift. Then, κL DFB <8. Here, although depending on the required specifications of the device, if about 3 times the minimum threshold is set as the allowable range (lower limit), in the case of a DFB laser with a phase shift, 3 <κL DFB is required, and the phase shift In the case of a DFB laser without a gap, 3.5 <κL DFB is required.

また、図18から、約90%以上の反射率が得られるパワーモニタDBR領域の結合係数κLは、位相シフトのあるDFBレーザの場合も、位相シフトのない場合でも、約2<κLDBRである。また、κLDBRの上限はデバイスの大きさに依存するが、デバイスサイズが大きくなりすぎないように、DFB領域長400μm、DBR領域長400μm(κLDFBの上限を4)として設定した。 Further, from FIG. 18, the coupling coefficient κL of the power monitor DBR region in which the reflectance of about 90% or more is obtained is about 2 <κL DBR in both the case of the DFB laser with phase shift and the case of no phase shift. . The upper limit of κL DBR depends on the size of the device, but the DFB region length is 400 μm and the DBR region length is 400 μm (upper limit of κL DFB is 4) so that the device size does not become too large.

図14は、DBR領域に電圧を印加し光パワーをモニタしている場合におけるDBR領域の反射率の計算結果であり、DBR領域にバイアスを−1V印加した場合も、−5V印加した場合も、1545nm付近で高い反射率を維持できることがわかる。 Figure 14 is a calculation result of the reflectivity of the DBR region when you are monitoring the optical power voltage is applied to the DBR region, even if you -1V bias is applied to the DBR region, even if you -5V is applied, It can be seen that a high reflectance can be maintained in the vicinity of 1545 nm.

本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいて特徴的な構造となっているのは、上記のパラメータの中のDFBレーザ領域長と位相シフト位置である。本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザでは、DBR領域をパワーモニタとして機能させるために、ある程度DBR領域の光強度分布が大きくなるように、DFBレーザ領域中に位相シフトを導入し、DFBレーザ領域長を100μm程度の短共振器に設計した。   The characteristic structure of the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment is the DFB laser region length and the phase shift position in the above parameters. In the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment, in order to make the DBR region function as a power monitor, a phase shift is introduced into the DFB laser region so that the light intensity distribution in the DBR region is increased to some extent. A short resonator having a region length of about 100 μm was designed.

図15は、λ/8位相シフト構造の無バイアス時光強度分布を示した図である。また、図16は、位相シフトのない均一回折格子構造の無バイアス時光強度分布を示した図である。
図15の結果は、位相シフトを導入したDFBレーザでは、DBR領域を最適な設計にした場合(LDBR>200μm)に、無バイアス時においても高いPM量子効率(パワーモニタとしてのDBR領域での量子効率)が得られることを示している。一方、位相シフトのないDFBレーザでは、DBR領域を最適な設計にした場合(LDBR>200μm)でも、図16からDBR領域の光強度分布が全体の光強度分布に対して0.6%程度となり、無バイアス時には十分な値が得られないことがわかる。
FIG. 15 is a diagram showing a light intensity distribution at the time of no bias of the λ / 8 phase shift structure. FIG. 16 is a diagram showing a light intensity distribution at the time of no bias of a uniform diffraction grating structure without a phase shift.
The results of FIG. 15 show that, in the DFB laser with phase shift introduced, when the DBR region is designed optimally (L DBR > 200 μm), high PM quantum efficiency (in the DBR region as a power monitor) even when no bias is applied. (Quantum efficiency) is obtained. On the other hand, in the DFB laser without phase shift, even when the DBR region is optimally designed (L DBR > 200 μm), the light intensity distribution in the DBR region is about 0.6% of the entire light intensity distribution from FIG. Thus, it can be seen that a sufficient value cannot be obtained when there is no bias.

すなわち、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザのように、λ/8位相シフトをDFBレーザ領域中の前端面から約80μm程度のDFBレーザ領域の中央よりもやや後ろ寄りに導入し、DFBレーザ領域長100μmの短共振器に設計することで、図15に示すように、DBR領域の光強度分布が全体の光強度に対して18%と高めることができ、パワーモニタとして用いる際に十分な量子効率8.8%が実現できる。また、設計どおりに、DFBレーザの発振特性も低しきい値及び高効率動作を実現することができている。   That is, as in the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment, a λ / 8 phase shift is introduced slightly behind the center of the DFB laser region of about 80 μm from the front end surface in the DFB laser region. By designing a short resonator with a laser region length of 100 μm, the light intensity distribution in the DBR region can be increased to 18% of the entire light intensity as shown in FIG. 15, which is sufficient for use as a power monitor. Quantum quantum efficiency of 8.8% can be realized. Further, as designed, the oscillation characteristics of the DFB laser can also realize a low threshold and high efficiency operation.

なお、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザは、細線状活性層を有しており、それによる利得整合効果から、一般的なλ/4位相シフトよりもλ/8程度の小さめの位相シフト量のほうが低しきい値で発振が可能であり、より適した構造であるが、λ/4位相シフトの構造でもよい。   Note that the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment has a thin line active layer, and due to the gain matching effect, a phase smaller by about λ / 8 than a general λ / 4 phase shift. The shift amount can oscillate at a lower threshold and is a more suitable structure, but a structure of λ / 4 phase shift may be used.

光パワーモニタ集積DFBレーザのDBR領域を光パワーモニタとする場合、DBR領域への電圧印加によりDFBレーザ領域の特性も影響を受けるため、DFBレーザ領域とDBR領域の構造に制限がある一方、それらの影響は共振器長や細線幅や周期等の構造パラメータで制御が可能である。 When the DBR region of an optical power monitor integrated DFB laser is used as an optical power monitor, the characteristics of the DFB laser region are also affected by the application of voltage to the DBR region, so the structures of the DFB laser region and the DBR region are limited. Can be controlled by structural parameters such as resonator length, fine line width, and period.

表1は、DBR領域に電圧を印加し光パワーをモニタしている場合の、DBR領域及びDFB領域の計算結果を示した表である。
Table 1 is a table showing calculation results of the DBR region and the DFB region when a voltage is applied to the DBR region and the optical power is monitored.

例えば、DBR領域の光吸収特性は、DFBレーザの発振波長やDBR領域の細線幅により制御可能である。本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザにおいて、DFBレーザ領域長が100μm、DBR領域長が200μm、両領域の位相シフトがλ/8、DBR領域の活性層細線の間隔が40nmという構成の光パワーモニタ集積DFBレーザを対象として、電圧を印加してDBR領域を光パワーモニタとした場合の、DFBレーザ領域とDBR領域の特性変化の計算結果が表1である。 For example, the light absorption characteristics of the DBR region can be controlled by the oscillation wavelength of the DFB laser and the thin line width of the DBR region. In the optical power monitor integrated DFB laser according to this example, the DFB laser region length is 100 μm, the DBR region length is 200 μm, the phase shift between both regions is λ / 8, and the distance between the active layer thin lines in the DBR region is 40 nm. Table 1 shows the calculation results of the characteristic change between the DFB laser region and the DBR region when a power is applied to the power monitor integrated DFB laser and the DBR region is used as the optical power monitor.

なお、表1は上記構造を対象に計算した結果であるが、DFBレーザ領域長、DBR領域長、DBR領域の活性層細線の間隔等の長さは上記数値に限定されるわけではない。それぞれの図からわかるように、前端面出力効率、DBR反射率、しきい値電流値は長さパラメータに対し連続的に滑らかに変化しており、図15〜図19や表1等から導き出されたκLの範囲やPM領域における活性層吸収損失の値は、長さパラメータ等の多少の変化に対しても適した範囲や値を与えるものである。   Although Table 1 shows the results calculated for the above structure, the lengths of the DFB laser region length, the DBR region length, the distance between the active layer fine lines in the DBR region, etc. are not limited to the above numerical values. As can be seen from each figure, the front end face output efficiency, DBR reflectivity, and threshold current value change smoothly and continuously with respect to the length parameter, and are derived from FIGS. 15 to 19 and Table 1 and the like. In addition, the κL range and the value of the active layer absorption loss in the PM region give suitable ranges and values for some changes in the length parameter and the like.

DBR領域に電圧を印加し光パワーモニタとする場合に、DFBレーザの発振モードの不安定化や光出力低下が大きな問題となる。すなわち、電圧印加によりDBR領域の屈折率は変化し、活性層吸収損失や反射率の変化が生じる。光パワーモニタは、DFBレーザの光出力に対応した光吸収電流により光出力をモニタする構成であり、高い量子効率と低い活性層吸収損失と反射率とは相反する関係にある。 When a voltage is applied to the DBR region to make an optical power monitor, destabilization of the oscillation mode of the DFB laser and a decrease in optical output are serious problems. That is, the refractive index of the DBR region is changed by applying a voltage, and the active layer absorption loss and the reflectance are changed. The optical power monitor is configured to monitor the optical output by the optical absorption current corresponding to the optical output of the DFB laser, and the high quantum efficiency, the low active layer absorption loss, and the reflectance are in a contradictory relationship.

電圧−1Vの印加では、PM量子効率は無バイアス時に比べ7%程度増加し、15.4%とモニタとしては十分な量子効率であることが確認できた。一方、DFBレーザと反射率の低下は2%程度に留まっており、電圧印加の負の影響は小さいことが確認できた。 When voltage of −1 V was applied , the PM quantum efficiency increased by about 7% compared to the case of no bias, and it was confirmed that the quantum efficiency was 15.4%, which was sufficient as a monitor. On the other hand, the decrease in reflectance with the DFB laser was only about 2%, and it was confirmed that the negative influence of voltage application was small.

また、印加電圧−5Vでは、DBR領域での量子効率は13%程度の増加に対し、DFBレーザと反射率の低下はそれぞれ4%、3%の低下であった。しかし、電圧−5V印加を電圧−1V印加と比べると、反射率は1%の低下にとどまってはいるものの、5倍の電圧印加にもかかわらず、DBR領域の量子効率の増加は小さいことから、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの構成では、電圧−1V程度の印加によるモニタが適していることが計算結果から分かった。 At an applied voltage of −5 V, the quantum efficiency in the DBR region increased by about 13%, whereas the DFB laser and reflectance decreased by 4% and 3%, respectively. However, compared with the voltage -1V applied voltage -5 V is applied, although the reflectance is the remains to a reduction of 1%, despite five times the voltage application, it is the increase in the quantum efficiency of the DBR region smaller From the calculation results, it was found that the monitoring by applying the voltage of about −1 V is suitable for the configuration of the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment.

また、DBR領域の吸収係数を下げるとPM量子効率が低下することから、パワーモニタとして動作可能な量子効率が下限となる。パワーモニタとして動作可能な下限を1%程度と仮定すると、位相シフトのないデバイスでは、DBR領域への光強度分布が少ないため(図16参照)、吸収係数の下限は1000cm-1程度が必要となる。一方、位相シフトのあるデバイスでは、DBR領域への光強度分布が高く(図15参照)、300cm-1程度でも1%以上のPM量子効率を維持できる。 Further, when the absorption coefficient in the DBR region is lowered, the PM quantum efficiency is lowered, so that the quantum efficiency operable as a power monitor becomes the lower limit. Assuming that the lower limit capable of operating as a power monitor is about 1%, a device without a phase shift has a small light intensity distribution in the DBR region (see FIG. 16), so the lower limit of the absorption coefficient needs to be about 1000 cm −1. Become. On the other hand, a device having a phase shift has a high light intensity distribution in the DBR region (see FIG. 15), and can maintain a PM quantum efficiency of 1% or more even at about 300 cm −1 .

すなわち、位相シフトのないデバイスでは、吸収係数αが1500cm-1<α<2000cm-1以下の範囲となり、位相シフトのあるデバイスでは、吸収係数αが300cm-1<α<2000cm-1以下となる。 That is, in a device without a phase shift, the absorption coefficient α is in a range of 1500 cm −1 <α <2000 cm −1 or less, and in a device with a phase shift, the absorption coefficient α is 300 cm −1 <α <2000 cm −1 or less. .

このように、本実施例に係る光パワーモニタ集積DFBレーザの構成によれば、光モニタ動作時においても半導体レーザの特性はほとんど劣化することなく、PD等の光モニタを別個に用いる必要がなく、しかもDFBレーザの作製工程を複雑にすることなくDFBレーザの光出力をモニタすることが可能である。   As described above, according to the configuration of the optical power monitor integrated DFB laser according to the present embodiment, the characteristics of the semiconductor laser are hardly deteriorated even during the optical monitor operation, and it is not necessary to separately use an optical monitor such as a PD. In addition, the optical output of the DFB laser can be monitored without complicating the DFB laser manufacturing process.

以上説明したように、本発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザによれば、DFBレーザ領域とDBR領域を分離した構造とすることで、DFBレーザ領域とDBR領域の屈折率差を大きくすることができ、光パワーモニタとして光を吸収させてもDBR領域の反射率はほとんど低下せず、高光反射率というブラッグ反射器としての機能が低下しないため、DFBレーザの高出力及び低しきい値を維持したまま、光パワーをモニタできるという効果が得られる。   As described above, according to the optical power monitor integrated DFB laser according to the present invention, the structure in which the DFB laser region and the DBR region are separated can increase the difference in refractive index between the DFB laser region and the DBR region. Even if light is absorbed as an optical power monitor, the reflectivity of the DBR region is hardly lowered, and the function of the high light reflectivity as a Bragg reflector is not lowered, so the high output and low threshold of the DFB laser are maintained. As a result, the optical power can be monitored.

さらに、本発明に係る光パワーモニタ集積DFBレーザによれば、高反射領域とは別に光パワーモニタ領域を作製する必要もなく、DBR領域の周期はDFBレーザ領域とほぼ同じにできることから、作製工程が簡易化できるため低コスト化、歩留まり向上が可能であるという効果が得られる。   Furthermore, according to the optical power monitor integrated DFB laser according to the present invention, it is not necessary to manufacture the optical power monitor region separately from the high reflection region, and the period of the DBR region can be made substantially the same as that of the DFB laser region. Therefore, it is possible to reduce the cost and improve the yield.

本発明は、光送信装置に用いる光パワーモニタ集積DFBレーザに利用することが可能である。   The present invention can be used for an optical power monitor integrated DFB laser used in an optical transmitter.

10 InP下部クラッド層(p−InP基板)
11 GaInAsP二重量子井戸活性層
12 下部光閉じ込め層
13 上部光閉じ込め層
14 上部InPクラッド層
15 ベンゾシクロブデン(BCB)樹脂
16 コンタクト層
17 SiO2絶縁膜
18 DFBレーザ用電極
19 光パワーモニタ用電極
20 下部電極
30 SiO2マスク
31 電子線レジスト
32 i−InP
33 溝
10 InP lower clad layer (p-InP substrate)
11 GaInAsP double quantum well active layer 12 Lower optical confinement layer 13 Upper optical confinement layer 14 Upper InP clad layer 15 Benzocyclobutene (BCB) resin 16 Contact layer 17 SiO 2 insulating film 18 DFB laser electrode 19 Optical power monitor electrode 20 Lower electrode 30 SiO 2 mask 31 Electron beam resist 32 i-InP
33 groove

Claims (4)

分布ブラッグ反射領域と分布帰還型レーザ領域とが集積された光パワーモニタ集積DFBレーザであって
前記分布ブラック反射領域の導波路の活性層は、光進行方向に対し周期的に配列した、数10nm程度に細線化された量子井戸細線となった構造であり
前記分布帰還型レーザ領域の導波路の活性層は、光の進行方向に対して不連続の分離した量子井戸細線となった構造であり、
前記分布ブラッグ反射領域の吸収電流により前記半導体レーザの出力をモニタする
ことを特徴とする光パワーモニタ集積DFBレーザ。
An optical power monitor integrated DFB laser in which a distributed Bragg reflection region and a distributed feedback laser region are integrated,
The active layer of the waveguide in the distributed black reflection region is a structure that is a quantum well thin line that is periodically arranged in the light traveling direction and is thinned to about several tens of nanometers .
The active layer of the waveguide of the distributed feedback laser region is a structure that is a discontinuous separated quantum well thin line with respect to the light traveling direction,
An optical power monitor integrated DFB laser, wherein the output of the semiconductor laser is monitored by an absorption current in the distributed Bragg reflection region.
前記分布帰還型レーザ領域の長さ及び前記分布ブラッグ反射領域の長さを回折格子の結合係数κを用いて規格化したとき、前記分布帰還型レーザ領域の長さ DFB が「3.5<κ DFB <8」、前記分布ブラッグ反射領域の長さ DBR が「2<κ DBR <4」、前記分布ブラッグ反射領域の活性層細線の発振波長に対する吸収係数αが「1500cm-1<α<2000cm-1」である
ことを特徴とする請求項1に記載の光パワーモニタ集積DFBレーザ。
Wherein when the length and the length of the distributed Bragg reflector region of the distributed feedback laser region was normalized by using the coupling coefficient of the diffraction grating kappa, the length L DFB of the distributed feedback lasers area is "3. 5 <κ L DFB <8 ”, the length L DBR of the distributed Bragg reflection region is“ 2 <κ L DBR <4 ”, and the absorption coefficient α with respect to the oscillation wavelength of the active layer fine wire in the distributed Bragg reflection region is“ 1500 cm −. The optical power monitor integrated DFB laser according to claim 1, wherein 1 <α <2000 cm −1 .
前記分布帰還型レーザ領域中に位相シフトを設けた
ことを特徴とする請求項1に記載の光パワーモニタ集積DFBレーザ。
The optical power monitor integrated DFB laser according to claim 1, wherein a phase shift is provided in the distributed feedback laser region.
前記分布帰還型レーザ領域の長さ及び前記分布ブラッグ反射領域の長さを回折格子の結合係数κを用いて規格化したとき、前記分布帰還型レーザ領域の長さ DFB が「3<κ DFB <5」、前記分布ブラッグ反射領域の長さ DBR が「2<κ DBR <4」、前記分布ブラッグ反射領域の活性層細線の発振波長に対する吸収係数αが「300cm-1<α<2000cm-1」である
ことを特徴とする請求項3に記載の光パワーモニタ集積DFBレーザ。
Wherein when the length and the length of the distributed Bragg reflector region of the distributed feedback laser region was normalized by using the coupling coefficient of the diffraction grating kappa, the length L DFB of the distributed feedback lasers area is "3 < κ L DFB <5 ”, the length L DBR of the distributed Bragg reflection region is“ 2 <κ L DBR <4 ”, and the absorption coefficient α with respect to the oscillation wavelength of the active layer thin wire in the distributed Bragg reflection region is“ 300 cm −1 < 4. The optical power monitor integrated DFB laser according to claim 3, wherein α <2000 cm −1 .
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