JP2015103716A - Direct modulation laser - Google Patents

Direct modulation laser Download PDF

Info

Publication number
JP2015103716A
JP2015103716A JP2013244347A JP2013244347A JP2015103716A JP 2015103716 A JP2015103716 A JP 2015103716A JP 2013244347 A JP2013244347 A JP 2013244347A JP 2013244347 A JP2013244347 A JP 2013244347A JP 2015103716 A JP2015103716 A JP 2015103716A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
inp
lens
laser
substrate
direct modulation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2013244347A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6093286B2 (en
Inventor
小林 亘
Wataru Kobayashi
亘 小林
隆彦 進藤
Takahiko Shindo
隆彦 進藤
広明 三条
Hiroaki Sanjo
広明 三条
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority to JP2013244347A priority Critical patent/JP6093286B2/en
Publication of JP2015103716A publication Critical patent/JP2015103716A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6093286B2 publication Critical patent/JP6093286B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a direct modulation laser array capable of directly coupling with a 7-cores multiple core fiber.SOLUTION: A direct modulation laser comprises: a first mirror which has an n-InP layer 402 formed on an InP substrate, an active layer 403 formed on the n-InP layer, and a p-InP layer 405 formed on the active layer, and is formed on the InP substrate, and which emits a first laser light horizontally emitted from a first edge of a resonator to the substrate, to a first surface side where the direct modulation laser is formed; a second mirror which emits a second laser light horizontally emitted from a second edge of the resonator to the substrate, to a second surface side at a side opposite to the first surface of the InP substrate; a lens which is formed by processing the InP layer formed on the surface of the direct modulation laser and in which a P lens is formed at a part where the first laser reflected by the first mirror reaches; and an AR coat formed on the surface of the lens and the second surface of the InP substrate.

Description

本発明は、マルチコアファイバと直接結合可能な直接変調レーザアレイに関し、特にレーザ光を7芯のマルチコアファイバに小さい損失で結合するレーザアレイのレーザ素子部分に関する。   The present invention relates to a direct modulation laser array that can be directly coupled to a multicore fiber, and more particularly to a laser element portion of a laser array that couples laser light to a seven-core multicore fiber with a small loss.

一般に、半導体レーザから出射されるレーザ光を光ファイバに結合する場合には、結合用レンズを用いて、レーザ光の電界強度分布を光ファイバに集光する必要がある。これはマルチコアファイバ、7芯のマルチコアファイバに対しても同様である。通常の半導体レーザは、光ファイバとNA(開口数)が大きく異なるため、光ファイバにレーザ光を効率よく結合するために、出射光をNA0.6程度の結合用レンズを用いてマルチコアファイバに集光しなければならない。しかし、NA0.6の結合用レンズの直径は、マルチコアファイバの直径(125μm)よりはるかに大きく、ましてコアのピッチ(40・m)に対してはさらに大きい。そのためマルチコアファイバのコアの数分のレンズをファイバ側に並べることは不可能であり、結合用レンズを用いて、半導体レーザからの出射光をマルチコアファイバの7つのコアすべてに光結合することは不可能だった。   In general, when laser light emitted from a semiconductor laser is coupled to an optical fiber, it is necessary to condense the electric field intensity distribution of the laser light onto the optical fiber using a coupling lens. The same applies to multicore fibers and 7-core multicore fibers. Since an ordinary semiconductor laser has a NA (numerical aperture) that is greatly different from that of an optical fiber, in order to efficiently couple the laser beam to the optical fiber, the emitted light is collected into a multi-core fiber using a coupling lens having an NA of about 0.6. I have to shine. However, the NA0.6 coupling lens diameter is much larger than the diameter of the multi-core fiber (125 μm), and even larger for the core pitch (40 · m). For this reason, it is impossible to arrange lenses corresponding to the number of cores of a multicore fiber on the fiber side, and it is not possible to optically couple light emitted from a semiconductor laser to all seven cores of a multicore fiber using a coupling lens. It was possible.

半導体レーザと同一の基板にレンズを集積し、光ファイバとの結合を上述した結合用レンズなして実現できるようにした素子の報告として、EA/DFBレーザの裏面にInPレンズを集積した報告がある(非特許文献1)。   As a report of an element in which a lens is integrated on the same substrate as the semiconductor laser and the optical fiber can be coupled without the above-described coupling lens, there is a report in which an InP lens is integrated on the back surface of the EA / DFB laser. (Non-Patent Document 1).

図1は、非特許文献1に記載のEA/DFBレーザを示す図であり、図1(a)はEA/DFBレーザのレーザ素子の断面図、図1(b)はEA/DFBレーザが形成された基板の上面図である。図1に記載のEA/DFBレーザ100は、レーザ素子後端面を劈開により形成し、劈開面110にHRコートを行っている。DFBレーザからの出射光は、45°ミラー112を用いて基板113側に取り出され、共振器114の裏面(基板側)に形成されたInPレンズ111で集光される。   FIG. 1 is a diagram showing an EA / DFB laser described in Non-Patent Document 1. FIG. 1A is a cross-sectional view of a laser element of the EA / DFB laser, and FIG. 1B is formed by an EA / DFB laser. It is a top view of the manufactured substrate. In the EA / DFB laser 100 shown in FIG. 1, the rear end face of the laser element is formed by cleavage, and the cleavage face 110 is coated with HR. The emitted light from the DFB laser is extracted to the substrate 113 side using the 45 ° mirror 112 and is collected by the InP lens 111 formed on the back surface (substrate side) of the resonator 114.

S.Makino el al, OFC2012, OTh3F2, “A 40-Gbit/s MMF Transmission with 1.3-μm Lens-integrated EA/DBA Lasers for Optical Interconnect.S. Makino el al, OFC2012, OTh3F2, “A 40-Gbit / s MMF Transmission with 1.3-μm Lens-integrated EA / DBA Lasers for Optical Interconnect.

図1のEA/DFBレーザ100は、レーザのピッチが250μmで、InPレンズ111の直径は100μm程度である。   The EA / DFB laser 100 of FIG. 1 has a laser pitch of 250 μm and the InP lens 111 has a diameter of about 100 μm.

レーザ光が伝搬すると、伝搬する距離に応じてレーザ光の電界分布が広がるが、InPレンズは、この広がった光を集光するため、レーザ光の電界分布の直径と同等かそれより大きく設定しなければならない。したがって、レーザ光の伝搬距離が長くなると、電界分布が広がることにより、集光に必要となるInPレンズの直径も大きくなる。ここで、EA/DFBレーザ100の構成では、DFBレーザからの出射光が、45°ミラー112において反射された後、InPレンズ111に光を到達させるために基板113の厚さの分だけ光をさらに伝搬させなければならないため、InPレンズ111に到達するまでにさらに電界分布が広ってしまう。計算上、直径2μmの電界分布の光は、一般的な研磨後のInP基板厚と等しい150μm伝搬された場合、直径45〜50μmに広がる。そのため、EA/DFBレーザ100のInPレンズ111の直径は、必然的にこの値より大きく設計する必要がある。   When the laser beam propagates, the electric field distribution of the laser beam spreads according to the propagation distance, but the InP lens collects this spread light, so it is set equal to or larger than the diameter of the electric field distribution of the laser beam. There must be. Therefore, when the propagation distance of the laser beam is increased, the electric field distribution is widened, and the diameter of the InP lens necessary for condensing is also increased. Here, in the configuration of the EA / DFB laser 100, after the light emitted from the DFB laser is reflected by the 45 ° mirror 112, light is emitted by the thickness of the substrate 113 in order to reach the InP lens 111. Since it must be further propagated, the electric field distribution is further widened before reaching the InP lens 111. In calculation, light having an electric field distribution with a diameter of 2 μm spreads to a diameter of 45 to 50 μm when propagated by 150 μm, which is equal to the thickness of a general polished InP substrate. Therefore, the diameter of the InP lens 111 of the EA / DFB laser 100 must be designed to be larger than this value.

7芯のマルチコアファイバのコア間隔は、一般的なもので40μmであるため、EA/DFBレーザの出射するレーザ光をマルチコアファイバへ結合することを考えると、InPレンズの直径は40μm以下にする必要がある。しかし、非特許文献1に記載のEA/DFBレーザ100の構成では、InPレンズ111の直径を40μm以下にすることができないため、レーザ素子をアレイ化して配置したとしても7芯のマルチコアファイバのコア間隔である40μmの間隔でInPレンズを集積させることが出来ない   Since the core interval of the 7-core multicore fiber is generally 40 μm, considering that the laser beam emitted from the EA / DFB laser is coupled to the multicore fiber, the diameter of the InP lens needs to be 40 μm or less. There is. However, in the configuration of the EA / DFB laser 100 described in Non-Patent Document 1, the diameter of the InP lens 111 cannot be made 40 μm or less. Therefore, even if the laser elements are arranged in an array, the core of the 7-core multicore fiber is used. InP lenses cannot be integrated at an interval of 40 μm.

本発明は、このような目的を達成するために、本発明の直接変調レーザは、InP基板上に形成されたn−InP層と、前記n−InP層上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたp−InP層とを備え、前記直接変調レーザの共振器の第1の端部から前記基板に対し水平方向に出射される第1のレーザ光を、反射により前記p−InP層に出射する第1のミラーと、前記共振器の第2の端部から前記基板に対し水平方向に出射される第2のレーザ光を、反射により前記InP基板側に出射する第2のミラーと、前記p−InP層を加工して形成されたレンズであって、前記InPレンズは、前記第1のミラーにより反射された前記第1のレーザが到達する部分に形成される、レンズと、前記レンズの表面と、前記InP基板の前記第2の面に施されたARコートとを備えることを特徴とする。   In order to achieve such an object, the direct modulation laser of the present invention includes an n-InP layer formed on an InP substrate, an active layer formed on the n-InP layer, A p-InP layer formed on the active layer, and the first laser beam emitted in a horizontal direction with respect to the substrate from the first end of the resonator of the direct modulation laser is reflected by the p A first mirror that emits to the InP layer, and a second laser beam that is emitted from the second end of the resonator in the horizontal direction with respect to the substrate to the InP substrate side by reflection. And a lens formed by processing the p-InP layer, wherein the InP lens is formed at a portion where the first laser reflected by the first mirror reaches The surface of the lens and the front of the InP substrate. Characterized in that it comprises a AR coat applied to the second surface.

また、本発明の直接変調レーザは、前記共振器の前記第1の端部と前記第1のミラーとの前記InP基板に水平方向の距離が30μmであり、前記第1のミラーと、前記レンズ表面との前記InP基板に垂直な方向の距離が2μmから8μmであり、前記レンズの直径が7μmから15μmであり、前記レンズのサグ量が0.5μmから1.6μmであることを特徴とする。   Further, the direct modulation laser of the present invention has a horizontal distance of 30 μm between the first end of the resonator and the first mirror on the InP substrate, and the first mirror and the lens. The distance from the surface in the direction perpendicular to the InP substrate is 2 μm to 8 μm, the diameter of the lens is 7 μm to 15 μm, and the sag amount of the lens is 0.5 μm to 1.6 μm. .

また、本発明の直接変調レーザは、前記InP基板上に7箇所形成されたことを特徴とする。   Further, the direct modulation laser of the present invention is characterized in that it is formed at seven locations on the InP substrate.

また、本発明の直接変調レーザの前記レンズは、前記第1のレーザ光が結合されるマルチコアファイバのコアの間隔と同一の間隔で配置されることを特徴とする。   Further, the lens of the direct modulation laser of the present invention is characterized in that it is arranged at the same interval as the interval of the cores of the multi-core fiber to which the first laser beam is coupled.

また、本発明の直接変調レーザの前記第1のレーザ光が結合される前記マルチコアファイバは、コアが7つであることを特徴とする。   The multi-core fiber to which the first laser beam of the direct modulation laser according to the present invention is coupled has seven cores.

以上説明したように、本発明によれば、レーザ光の伝搬距離を短くでき、電界分布を調整することができるので、InPレンズの直径を7芯のマルチコアファイバのコア間隔より小さくすることができ、7つのInPレンズを同一半導体基板に集積させることができる。したがって7芯のマルチコアファイバのすべてのコアにレーザ光を小さい損失で結合することが可能となる。   As described above, according to the present invention, the propagation distance of laser light can be shortened and the electric field distribution can be adjusted, so that the diameter of the InP lens can be made smaller than the core interval of the 7-core multicore fiber. Seven InP lenses can be integrated on the same semiconductor substrate. Therefore, it becomes possible to couple the laser beam to all the cores of the seven-core multicore fiber with a small loss.

非特許文献1に記載のEADFBレーザの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the EADFB laser of a nonpatent literature 1. 本発明の1実施形態にかかる直接変調レーザアレイの構成を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structure of the direct modulation laser array concerning one Embodiment of this invention. 図2に記載の直接変調レーザアレイと結合される7芯のマルチコアファイバの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of a seven-core multicore fiber coupled with the direct modulation laser array described in FIG. 2. 図2に記載の直接変調レーザアレイの1つのレーザ素子の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of one laser element of the direct modulation laser array described in FIG. レーザ光の伝搬距離と伝搬後の電界強度分布の直径との関係を表す図表である。It is a chart showing the relationship between the propagation distance of a laser beam and the diameter of the electric field strength distribution after propagation. 図4に記載のレーザ素子の第1の45°ミラー位置における第1のレーザ光の電界強度分布の広がりと反射の様子を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the spread and reflection of the electric field intensity distribution of the first laser beam at the first 45 ° mirror position of the laser element shown in FIG. 4. 各レンズ直径に対するレンズサグ量とその時の電界強度分布の広がり角を示す図表である。It is a graph which shows the lens sag amount with respect to each lens diameter, and the spread angle of the electric field strength distribution at that time. 広がり角度8.05°を得るためのInPレンズのレンズ直径とレンズサグ量の関係を示す図表である。It is a graph which shows the relationship between the lens diameter of an InP lens and lens sag amount for obtaining the divergence angle of 8.05 degrees. 図4のレーザ素子における、許容されるInPレンズのレンズ半径rと、レンズサグ量tと、第1のレーザ光の縦方向伝搬距離yとの関係を表す模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram showing the relationship among the allowable lens radius r of the InP lens, the lens sag amount t, and the longitudinal propagation distance y of the first laser light in the laser element of FIG. 4. 直接変調レーザアレイの1のレーザ素子の断面図である。It is sectional drawing of one laser element of a direct modulation laser array. 直接変調レーザアレイの1のレーザ素子の上面図である。It is a top view of one laser element of a direct modulation laser array.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図2は本発明の1実施形態にかかる直接変調レーザアレイ200の構成を示す上面透視図である。図2の直接変調レーザアレイ200は、SI基板上201上に7つのレーザ素子210が集積される。レーザ素子210は、共振器211と、共振器211の第1の端部211−1から出射される第1のレーザ光を反射する第1の45°ミラー212と、第1の45°ミラー212により反射された第1のレーザ光を集光するInPレンズ213と、共振器211の第2の端部211−2から出射される第2のレーザ光を反射する第2の45°ミラー214とにより構成される。共振器211の共振器長は、70μm以下であり、直接変調レーザアレイ200の表面及び裏面はARコートが施されている。   FIG. 2 is a top perspective view showing the configuration of the direct modulation laser array 200 according to one embodiment of the present invention. In the direct modulation laser array 200 of FIG. 2, seven laser elements 210 are integrated on an SI substrate 201. The laser element 210 includes a resonator 211, a first 45 ° mirror 212 that reflects the first laser light emitted from the first end 211-1 of the resonator 211, and a first 45 ° mirror 212. An InP lens 213 that condenses the first laser light reflected by the second mirror 21, and a second 45 ° mirror 214 that reflects the second laser light emitted from the second end 211-2 of the resonator 211. Consists of. The resonator length of the resonator 211 is 70 μm or less, and the front and back surfaces of the direct modulation laser array 200 are AR coated.

第1の45°ミラー212は、第1のレーザ光を、反射角が90°でSI基板201のInPレンズ213が形成される面(第1の面)側に取り出すことが出来るように、SI基板201の水平面に対して45°の角度をなすように形成されている。また、第2の45°ミラー214は、第2のレーザ光を、反射角が90°でSI基板201の共振器211が形成される面と反対側の面(第2の面)に伝搬することが出来るように、第1の45°ミラー212と180°反対向きに形成されている。7つの第1の45°ミラー212はすべて同一の方向に形成され、7つの第2の45°ミラー214もすべて同一の方向に形成される。そのため、第1のミラー213及び第2のミラー214は、一度のミラー加工により作製可能である。   The first 45 ° mirror 212 is configured so that the first laser beam can be extracted to the surface (first surface) side of the SI substrate 201 where the InP lens 213 is formed with a reflection angle of 90 °. It is formed so as to form an angle of 45 ° with respect to the horizontal plane of the substrate 201. Further, the second 45 ° mirror 214 propagates the second laser light to a surface (second surface) opposite to the surface on which the resonator 211 of the SI substrate 201 is formed with a reflection angle of 90 °. The first 45 ° mirror 212 is formed in a direction opposite to the 180 ° so that the first 45 ° mirror 212 can be used. The seven first 45 ° mirrors 212 are all formed in the same direction, and the seven second 45 ° mirrors 214 are also formed in the same direction. Therefore, the first mirror 213 and the second mirror 214 can be manufactured by a single mirror process.

直接変調レーザアレイ200のInPレンズ212は、マルチコアファイバとの良好な結合を得るため、マルチコアファイバのコアピッチと同じピッチで集積される。ここで、図3は、直接変調レーザアレイ200と結合される7芯のマルチコアファイバの、導波方向と垂直方向の断面図である。図3の7芯のマルチコアファイバ300は、直径が125μmで、それぞれ40μmの間隔でコア301が7本(中心に1本、周囲に6本)配置されている。コアの直径は9μmである。なお、図3のマルチコアファイバ300はあくまで一例であり、本発明において、7芯マルチコアファイバのコアの間隔は、40μmに限定されるものではない。   The InP lens 212 of the direct modulation laser array 200 is integrated at the same pitch as the core pitch of the multicore fiber in order to obtain good coupling with the multicore fiber. Here, FIG. 3 is a cross-sectional view of a seven-core multicore fiber coupled to the direct modulation laser array 200 in a direction perpendicular to the waveguide direction. The seven-core multi-core fiber 300 in FIG. 3 has a diameter of 125 μm, and seven cores 301 (one at the center and six at the periphery) are arranged at intervals of 40 μm. The diameter of the core is 9 μm. 3 is merely an example, and in the present invention, the interval between the cores of the 7-core multicore fiber is not limited to 40 μm.

図2の直接変調レーザアレイ200において、InPレンズ213は、図3に示したマルチコアファイバのコア301の間隔と一致するように配置され、マルチコアファイバ300の7つのコア301とすべて接続できるように配置される。   In the direct modulation laser array 200 of FIG. 2, the InP lenses 213 are arranged so as to coincide with the intervals of the cores 301 of the multicore fiber shown in FIG. 3, and arranged so that all the seven cores 301 of the multicore fiber 300 can be connected. Is done.

図4は、図2に記載の直接変調レーザアレイ200の1のレーザ素子の構成を示す図である。図4のレーザ素子400は、SI基板401上に形成されており、SI基板401上のn−InP層402と、n−InP層402上に形成された共振器となる活性層403と、n−InP層402上に形成され、活性層403の第1の端面403−1からの第1のレーザ光が出射される第1の導波路404と、活性層403の第2の端面403−2からの第2のレーザ光が出射される第2の導波路406と、活性層403、第1の導波路404及び第2の導波路406上に形成されたp−InP層405により構成される。ここで、図4に記載の基板は埋め込みヘテロ(BH)構造であるが、リッジ型構造の基板上にレーザ素子を作成することもできる。   FIG. 4 is a diagram showing the configuration of one laser element of the direct modulation laser array 200 shown in FIG. 4 is formed on an SI substrate 401, an n-InP layer 402 on the SI substrate 401, an active layer 403 serving as a resonator formed on the n-InP layer 402, and n A first waveguide 404 formed on the InP layer 402 from which the first laser light is emitted from the first end face 403-1 of the active layer 403; and a second end face 403-2 of the active layer 403 And a p-InP layer 405 formed on the active layer 403, the first waveguide 404, and the second waveguide 406. . Here, although the substrate shown in FIG. 4 has a buried hetero (BH) structure, a laser element can be formed on a substrate having a ridge structure.

ここで、第1の導波路404の一端(活性層403の第1の端部403−1が接続される部分と反対側)には、第1の45°ミラー411が、SI基板401の水平面と45°の角度をなすように形成され、第1の45°ミラー411に反射した第1のレーザ光を、SI基板401のp−InP層405が形成された面(第1の面)側に取り出すことが出来る。さらに、p−InP層405表面の、第1の45°ミラー411により反射された第1のレーザ光が到達する部分に、InPを加工してInPレンズ412を形成しておき、第1の面側に配置されたマルチコアファイバ(図示せず)のうちのひとつのコアに、第1のレーザ光を結合できるようにする。   Here, at one end of the first waveguide 404 (on the side opposite to the portion to which the first end 403-1 of the active layer 403 is connected), the first 45 ° mirror 411 is disposed on the horizontal plane of the SI substrate 401. The surface of the SI substrate 401 on which the p-InP layer 405 is formed (first surface) side is formed by forming an angle of 45 ° with the first 45 ° mirror 411. Can be taken out. Further, an InP lens 412 is formed by processing InP on a portion of the surface of the p-InP layer 405 where the first laser beam reflected by the first 45 ° mirror 411 reaches, and the first surface A first laser beam can be coupled to one core of multi-core fibers (not shown) arranged on the side.

また、レーザ素子400の第2の導波路406の一端(活性層403の第2の端部403−2が接続される部分と反対側)には、水平方向に対して45°の角度をなすように第2の45°ミラー413が形成される。ミラー411とミラー413は基板に対して同一角度であるため、1回のミラー加工で形成することが出来る。更に、SI基板401のレーザ素子400が形成される面と反対側の面(第2の面)側にARコート414が施され、またInPレンズ412の表面にもARコート415が施されている。通常のDFBレーザでは、共振器の両端面にARコートを施して安定な発振状態を保っているが、本発明では、異なる方向の45°ミラーを作成して、反射により第1のレーザ光をInPレンズ412に、第2のレーザ光を第2の面に導き、レーザ光が到達するInPレンズ412及び第2の面にARコートを施すことにより、安定した発振状態を保っている。   Also, one end of the second waveguide 406 of the laser element 400 (on the side opposite to the portion to which the second end 403-2 of the active layer 403 is connected) forms an angle of 45 ° with respect to the horizontal direction. Thus, the second 45 ° mirror 413 is formed. Since the mirror 411 and the mirror 413 have the same angle with respect to the substrate, they can be formed by a single mirror process. Further, the AR coating 414 is applied to the surface (second surface) opposite to the surface on which the laser element 400 of the SI substrate 401 is formed, and the AR coating 415 is also applied to the surface of the InP lens 412. . In an ordinary DFB laser, AR coating is applied to both end faces of the resonator to maintain a stable oscillation state. However, in the present invention, a 45 ° mirror in a different direction is created and the first laser beam is reflected by reflection. The second laser beam is guided to the InP lens 412 to the second surface, and the InP lens 412 to which the laser beam reaches and the AR coating are applied to the second surface, thereby maintaining a stable oscillation state.

図4に記載のレーザ素子400において、第1の導波路404の中心線の、活性層403の第1の端部403−1から第1の45°ミラー411の中心部までの距離をxとする。xはSI基板401水平方向の第1のレーザ光の伝搬距離である。また、第1の45°ミラー411の中心部からInPレンズ412上面までの距離をyとする。yはSI基板401垂直方向の第1のレーザ光の伝搬距離である。さらに、p-InP層405にInPレンズ412を加工する際の、レンズのサグ量をtとする。   In the laser element 400 shown in FIG. 4, the distance from the first end 403-1 of the active layer 403 to the center of the first 45 ° mirror 411 on the center line of the first waveguide 404 is x. To do. x is the propagation distance of the first laser beam in the horizontal direction of the SI substrate 401. Further, the distance from the center of the first 45 ° mirror 411 to the upper surface of the InP lens 412 is y. y is the propagation distance of the first laser beam in the vertical direction of the SI substrate 401. Further, the sag amount of the lens when processing the InP lens 412 on the p-InP layer 405 is t.

次に、レーザ素子400において、本発明が効果を発揮するためのx、y、tの値及びInPレンズ412のレンズの形状について検討する。   Next, in the laser element 400, the values of x, y and t and the shape of the InP lens 412 for the present invention to exert an effect will be examined.

まず、図4におけるx及びyの値について検討する。   First, consider the values of x and y in FIG.

最初に、InP材料の内部を光が伝搬した後の電界分布の広がりの計算結果を示す。図5は、レーザ光の伝搬距離と伝搬後の電界強度分布の直径との関係を表す図表である。図5において、伝搬前の電界分布の直径は2μmとし、伝搬される光の波長が1.3μm(半導体内では屈折率で割った値)として計算した。また、マルチコアファイバのコア径は8〜9μmである。(電界分布は当然コア径より広がっている。)
半導体レーザの場合、元々が光ファイバなどのガラス材料のデバイスと比べNAが大きく異なる。そのため、半導体内部の電界分布がマルチコアのコア径に近づくまで広げられれば高い結合が得られる。
First, the calculation result of the spread of the electric field distribution after light propagates inside the InP material is shown. FIG. 5 is a chart showing the relationship between the propagation distance of the laser beam and the diameter of the electric field intensity distribution after propagation. In FIG. 5, the diameter of the electric field distribution before propagation was 2 μm, and the wavelength of the propagated light was calculated as 1.3 μm (value divided by the refractive index in the semiconductor). The core diameter of the multi-core fiber is 8-9 μm. (The electric field distribution is naturally wider than the core diameter.)
In the case of a semiconductor laser, the NA is significantly different from that of a glass material device such as an optical fiber. Therefore, high coupling can be obtained if the electric field distribution inside the semiconductor is expanded until it approaches the core diameter of the multi-core.

図3に記載のマルチコアファイバ300のコア301のコア径が9μmであるため、半導体素子400において、伝搬後の電界分布の直径を8〜9μmにすることが必要であるが、この場合、伝搬距離を25μm程度に設定する必要がある。基板側に光を取り出す非特許文献1に記載のEA/DFBレーザ110の構成では、基板厚だけで150μmあると予想され、共振器からInPレンズまでの距離(伝搬距離)を25μmとすることは難しい。   Since the core diameter of the core 301 of the multicore fiber 300 shown in FIG. 3 is 9 μm, it is necessary to set the diameter of the electric field distribution after propagation in the semiconductor element 400 to 8 to 9 μm. Needs to be set to about 25 μm. In the configuration of the EA / DFB laser 110 described in Non-Patent Document 1 that extracts light to the substrate side, the substrate thickness alone is expected to be 150 μm, and the distance (propagation distance) from the resonator to the InP lens is 25 μm. difficult.

次に、レーザ素子400における、実現可能な第1のレーザ光の伝搬距離の範囲について説明する。ここで、伝搬後の電界分布の直径を約10μmとすると、第1のレーザ光の伝搬距離として30μm以下が想定される。   Next, the range of the propagation distance of the first laser light that can be realized in the laser element 400 will be described. Here, if the diameter of the electric field distribution after propagation is about 10 μm, the propagation distance of the first laser light is assumed to be 30 μm or less.

まず、距離yの最適値を検討する。図4において、yはレーザ活性層403の上にエピタキシャル成長させたp−InP層405の層厚で決定される。MOCVD法でInPを結晶成長する場合、InPの層厚は、厚くても8μm程度である。本実施形態においては、レーザ活性層403の上のp−InP層として2〜8μmの範囲内とするのがよい。   First, the optimum value of the distance y is examined. In FIG. 4, y is determined by the layer thickness of the p-InP layer 405 epitaxially grown on the laser active layer 403. When InP is grown by MOCVD, the InP layer thickness is about 8 μm at most. In the present embodiment, the p-InP layer on the laser active layer 403 is preferably in the range of 2 to 8 μm.

次に、距離xの最適値を検討する。図4において、xは第1の45°ミラー411位置での第1のレーザ光の電界分布の直径を決定するものである。図6は、第1の45°ミラー411における第1のレーザ光の反射の様子を示す図である。xの上限値は、図6の(a)のように、ミラー位置における第1のレーザ光が導波路404内のクラッド層の上面にかかってしまわないように設定する。図6(a)において、導波路の垂直方向の幅aの値を10μmと想定した場合、光電界分布の直径a´は10√2μm=約14μmまで許容できる。レーザ素子作製上の誤差を導波路上および下において2μmと考えると、ミラーを形成しているエッチング面での電界分布の直径a´は10μm程度まで許容できる。図5の図表から、電界分布が10μmとなるレーザ光の伝搬距離は30μmである。xが30μm以下のさらに小さい値になれば、図6(b)に示すように、電界分布の直径a´がさらに小さくなるため、エッチング面を浅くでき、レーザ素子の作製が容易になる。   Next, the optimum value of the distance x is examined. In FIG. 4, x determines the diameter of the electric field distribution of the first laser beam at the position of the first 45 ° mirror 411. FIG. 6 is a diagram showing a state of reflection of the first laser beam by the first 45 ° mirror 411. The upper limit value of x is set so that the first laser beam at the mirror position does not reach the upper surface of the cladding layer in the waveguide 404 as shown in FIG. In FIG. 6A, assuming that the value of the width a in the vertical direction of the waveguide is 10 μm, the diameter a ′ of the optical electric field distribution can be allowed up to 10√2 μm = about 14 μm. Assuming that the error in manufacturing the laser element is 2 μm above and below the waveguide, the diameter a ′ of the electric field distribution on the etching surface forming the mirror can be allowed to about 10 μm. From the chart of FIG. 5, the propagation distance of the laser beam with an electric field distribution of 10 μm is 30 μm. If x becomes a smaller value of 30 μm or less, as shown in FIG. 6B, the diameter a ′ of the electric field distribution is further reduced, so that the etching surface can be made shallower and the fabrication of the laser device is facilitated.

次に、レーザ素子400におけるtの値及びInPレンズ形状について検討する。   Next, the value of t and the InP lens shape in the laser element 400 will be examined.

図7は、各レンズ直径に対するレンズサグ量tとその時のビーム広がり角を示す図表である。ビーム広がり角>0においてレーザ光は集光し、ビーム広がり角<0においてレーザ光は放射する。レンズ作成時において、レンズ直径が小さくなるに従い、レンズサグ量tに対する作製トレランス(作成誤差の許容範囲)が小さくなる(0.1μmのズレに対する広がり過度の変動が大きい)。実際に作製する際、7個のレンズのレンズサグ量が±0.1μm程度のバラツキをもつ。そのため、できるだけレンズ直径は大きくし、作製トレランスを高めておく必要がある。   FIG. 7 is a chart showing the lens sag amount t for each lens diameter and the beam divergence angle at that time. The laser beam is condensed at a beam divergence angle> 0, and the laser beam is emitted at a beam divergence angle <0. At the time of lens production, as the lens diameter is reduced, the production tolerance (allowable range of production error) with respect to the lens sag amount t is reduced (excessive variation with respect to a deviation of 0.1 μm is large). In actual production, the lens sag amount of the seven lenses has a variation of about ± 0.1 μm. Therefore, it is necessary to increase the lens tolerance as much as possible to increase the manufacturing tolerance.

直接変調レーザアレイ200をマルチコアファイバ300と結合するために、InPレンズ213(412)におけるビーム広がり角として8.05°と設定する。これは一般的な光ファイバのNAに相当する。図8は、広がり角度8.05を得るためのInPレンズのレンズ直径とレンズサグ量の関係を示す図表である。レンズ直径を大きくすればするほど必要なレンズサグ量は上昇する。   In order to couple the direct modulation laser array 200 with the multi-core fiber 300, the beam divergence angle of the InP lens 213 (412) is set to 8.05 °. This corresponds to the NA of a general optical fiber. FIG. 8 is a chart showing the relationship between the lens diameter of the InP lens and the lens sag amount for obtaining the divergence angle 8.05. The larger the lens diameter, the higher the required lens sag amount.

ここで、レンズの直径の上限を決定する方法について説明する。レンズの直径の上限はy(図4)の値によって決定されてしまう。例えば7μmのy(導波路半径5μm+InP層厚2μm)を想定した場合について考える。   Here, a method for determining the upper limit of the diameter of the lens will be described. The upper limit of the lens diameter is determined by the value of y (FIG. 4). For example, consider a case where y of 7 μm (waveguide radius 5 μm + InP layer thickness 2 μm) is assumed.

図9は、図4のレーザ素子400における、許容されるInPレンズ412のレンズ半径rと、レンズサグ量tと、第1のレーザ光の縦方向伝搬距離yとの関係を表す模式図である。図10より、rはy−tよりも大きくすることはできない。   FIG. 9 is a schematic diagram showing the relationship among the allowable lens radius r of the InP lens 412, the lens sag amount t, and the longitudinal propagation distance y of the first laser light in the laser element 400 of FIG. 4. From FIG. 10, r cannot be larger than yt.

直径12μm(半径r=6μm)のレンズを作るとすると、図9の図表より、必要サグ量は1.1μm程度であることがわかる。7μm−1.1μm=5.9μm<6μmであるため、y値を7μmと設定すると、直径12μmのレンズを作ることはできない。本発明では、実現可能な範囲として、y<8μm、r<7.5μm(直径<15μm)、t<1.6μmが想定される。   If a lens with a diameter of 12 μm (radius r = 6 μm) is made, the required sag amount is about 1.1 μm from the chart of FIG. Since 7 μm−1.1 μm = 5.9 μm <6 μm, if the y value is set to 7 μm, a lens having a diameter of 12 μm cannot be made. In the present invention, y <8 μm, r <7.5 μm (diameter <15 μm), and t <1.6 μm are assumed as possible ranges.

[実施例]
本発明の実施例を図10を用いて説明する。図10は直接変調レーザアレイの1のレーザ素子の断面図であり、図10(a)はレーザ素子1000の共振器及び導波路方向の断面図、図10(b)は、図10(a)におけるレーザ素子1000のA−A´における断面図である。また、図11はレーザ素子1000を7つ集積した直接変調レーザアレイ1100の上面図である。
[Example]
An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 10 is a cross-sectional view of one laser element of the direct modulation laser array, FIG. 10A is a cross-sectional view of the laser element 1000 in the resonator and waveguide directions, and FIG. 10B is a cross-sectional view of FIG. It is sectional drawing in AA 'of the laser element 1000 in FIG. FIG. 11 is a top view of a direct modulation laser array 1100 in which seven laser elements 1000 are integrated.

本発明のレーザ素子1000は、基板としてSI(Semi insulating:半絶縁性)−InP基板1001を用い、InP基板1001上にn−InP層1002を2μm形成し、n−InP層1002の上にInGaAlAs材料の活性層1003を形成する。次にアンドープのi−InP層1015を、n−InP層1002上であって活性層1003の前後にバットジョイントする。さらに回折格子1008を活性層1003上部に形成し、さらに活性層1003及びi−InP層1015の上部全面に、p−InP層1005を2μm形成する。その後、ドライエッチングにより導波路部を残して他の部分を除去し、除去した箇所にFe添加のInP層1004を形成する。その後、レンズ部となるi−InP層1009を3μm形成する。その後、n−InP層1002を掘り出し、p電極1006、及びn電極1007を形成する。その後、第1の45°ミラー1010、及び第2の45°ミラー1011を一度のミリングで形成する。基板水平方向のi−InP層の伝搬距離(x)は8μmとした。その後、i−InP層1009にInPレンズ1012を形成する。レンズの直径は8μmとした。最後に表面、裏面にARコート1114、1115を施した。   The laser element 1000 of the present invention uses an SI (Semi insulating) -InP substrate 1001 as a substrate, an n-InP layer 1002 is formed on the InP substrate 1001 by 2 μm, and the InGaAlAs is formed on the n-InP layer 1002. An active layer 1003 of material is formed. Next, an undoped i-InP layer 1015 is butt-jointed on the n-InP layer 1002 and before and after the active layer 1003. Further, a diffraction grating 1008 is formed on the active layer 1003, and a p-InP layer 1005 is formed on the entire upper surface of the active layer 1003 and the i-InP layer 1015 by 2 μm. Thereafter, other portions are removed by dry etching while leaving the waveguide portion, and an Fe-added InP layer 1004 is formed at the removed portion. Thereafter, an i-InP layer 1009 to be a lens portion is formed to 3 μm. Thereafter, the n-InP layer 1002 is dug, and a p-electrode 1006 and an n-electrode 1007 are formed. Thereafter, the first 45 ° mirror 1010 and the second 45 ° mirror 1011 are formed by one milling. The propagation distance (x) of the i-InP layer in the horizontal direction of the substrate was 8 μm. Thereafter, an InP lens 1012 is formed on the i-InP layer 1009. The diameter of the lens was 8 μm. Finally, AR coatings 1114 and 1115 were applied to the front and back surfaces.

本実施例の直接変調レーザアレイは、図11に示すように、共振器の長さがを45μmとし、InPレンズ1012は、7芯のマルチコアのコアピッチと合うように40μmピッチで形成した。作製した直接変調レーザアレイ1100を用いてマルチコアファイバと結合実験をしたところ、すべてのコアに対して、結合損失4dB以下の良好な特性を実現した。さらに直接変調レーザアレイの一つのレーザ素子1000において、56Gb/s動作を行い、全体で56×7=392Gb/sの大容量伝送を可能とした。   In the direct modulation laser array of this example, as shown in FIG. 11, the length of the resonator was 45 μm, and the InP lens 1012 was formed at a pitch of 40 μm so as to match the core pitch of the 7-core multicore. When a coupling experiment with a multi-core fiber was performed using the directly modulated laser array 1100 produced, good characteristics with a coupling loss of 4 dB or less were realized for all the cores. Further, 56 Gb / s operation was performed in one laser element 1000 of the direct modulation laser array, and a large capacity transmission of 56 × 7 = 392 Gb / s was made possible as a whole.

本発明は、データセンタで使用される大容量・低消費電力な大容量光送信器使用することができる。   The present invention can be used for a large capacity and low power consumption large capacity optical transmitter used in a data center.

100 EA/DFBレーザ
111、213、412、1012 InPレンズ
112、212、214、411、413、1010、1011 45°ミラー
114、211 共振器
200 直接変調レーザアレイ
210、400 レーザ素子
300 マルチコアファイバ
311 コア
401 SI基板
402、1002 n−InP層
403 活性層
404、406 導波路
405、1005 p−InP層
414、415、1013、1014 ARコート
1001 SI−InP基板
1003 InGaAls活性層
1004 Fe添加InP層
1006 p電極
1007 n電極
1008 回折格子
1009、1015 i−InP層
100 EA / DFB lasers 111, 213, 412, 1012 InP lenses 112, 212, 214, 411, 413, 1010, 1011 45 ° mirror 114, 211 resonator 200 direct modulation laser array 210, 400 laser element 300 multi-core fiber 311 core 401 SI substrate 402, 1002 n-InP layer 403 active layer 404, 406 waveguide 405, 1005 p-InP layer 414, 415, 1013, 1014 AR coat 1001 SI-InP substrate 1003 InGaAls active layer 1004 Fe-doped InP layer 1006 p Electrode 1007 n-electrode 1008 Diffraction grating 1009, 1015 i-InP layer

Claims (5)

InP基板上に形成されたn−InP層と、
前記n−InP層上に形成された活性層と、
前記活性層上に形成されたp−InP層と
を備える直接変調レーザであって、
前記直接変調レーザの共振器の第1の端部から前記基板に対し水平方向に出射される第1のレーザ光を、反射により前記p−InP層に出射する第1のミラーと、
前記共振器の第2の端部から前記基板に対し水平方向に出射される第2のレーザ光を、反射により前記InP基板側に出射する第2のミラーと、
前記p−InP層を加工して形成されたレンズであって、前記InPレンズは、前記第1のミラーにより反射された前記第1のレーザが到達する部分に形成される、レンズと、
前記レンズの表面と、前記InP基板の前記第2の面に施されたARコートと
を備えることを特徴とする直接変調レーザ。
An n-InP layer formed on an InP substrate;
An active layer formed on the n-InP layer;
A direct modulation laser comprising a p-InP layer formed on the active layer,
A first mirror that emits a first laser beam emitted from a first end of the resonator of the direct modulation laser in a horizontal direction with respect to the substrate to the p-InP layer by reflection;
A second mirror that emits a second laser beam emitted from the second end of the resonator in a horizontal direction with respect to the substrate toward the InP substrate by reflection;
A lens formed by processing the p-InP layer, wherein the InP lens is formed at a portion where the first laser reflected by the first mirror reaches;
A direct modulation laser comprising: the surface of the lens; and an AR coat applied to the second surface of the InP substrate.
前記共振器の前記第1の端部と前記第1のミラーとの前記InP基板に水平方向の距離が30μmであり、
前記第1のミラーと、前記レンズ表面との前記InP基板に垂直な方向の距離が2μmから8μmであり、
前記レンズの直径が7μmから15μmであり、
前記レンズのサグ量が0.5μmから1.6μmである
ことを特徴とする請求項1に記載の直接変調レーザ。
The horizontal distance between the first end of the resonator and the first mirror in the InP substrate is 30 μm,
A distance in a direction perpendicular to the InP substrate between the first mirror and the lens surface is 2 μm to 8 μm;
The diameter of the lens is 7 μm to 15 μm;
The direct modulation laser according to claim 1, wherein a sag amount of the lens is 0.5 μm to 1.6 μm.
前記直接変調レーザが、前記InP基板上に7箇所形成されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の直接変調レーザ。   The direct modulation laser according to claim 1, wherein the direct modulation laser is formed at seven locations on the InP substrate. 前記レンズは、前記第1のレーザ光が結合されるマルチコアファイバのコアの間隔と同一の間隔で配置されることを特徴とする請求項3に記載の直接変調レーザ。   4. The direct modulation laser according to claim 3, wherein the lenses are arranged at the same interval as the interval between the cores of the multi-core fiber to which the first laser beam is coupled. 前記第1のレーザ光が結合される前記マルチコアファイバは、コアが7つであることを特徴とする請求項4に記載の直接変調レーザ。   The direct modulation laser according to claim 4, wherein the multi-core fiber to which the first laser beam is coupled has seven cores.
JP2013244347A 2013-11-26 2013-11-26 Direct modulation laser Active JP6093286B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013244347A JP6093286B2 (en) 2013-11-26 2013-11-26 Direct modulation laser

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2013244347A JP6093286B2 (en) 2013-11-26 2013-11-26 Direct modulation laser

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2015103716A true JP2015103716A (en) 2015-06-04
JP6093286B2 JP6093286B2 (en) 2017-03-08

Family

ID=53379182

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2013244347A Active JP6093286B2 (en) 2013-11-26 2013-11-26 Direct modulation laser

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6093286B2 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6079786A (en) * 1983-10-06 1985-05-07 Nec Corp Bistable laser
JPH01283892A (en) * 1988-05-10 1989-11-15 Furukawa Electric Co Ltd:The Semiconductor laser element
JPH11220212A (en) * 1998-02-02 1999-08-10 Toshiba Corp Optical element and its drive method, and semiconductor laser element
JP2007534155A (en) * 2003-10-20 2007-11-22 ビノプティクス・コーポレイション Surface emitting incident photon device with lens
JP2011193459A (en) * 2010-03-10 2011-09-29 Ofs Fitel Llc Multicore fiber transmission system and method

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6079786A (en) * 1983-10-06 1985-05-07 Nec Corp Bistable laser
JPH01283892A (en) * 1988-05-10 1989-11-15 Furukawa Electric Co Ltd:The Semiconductor laser element
JPH11220212A (en) * 1998-02-02 1999-08-10 Toshiba Corp Optical element and its drive method, and semiconductor laser element
JP2007534155A (en) * 2003-10-20 2007-11-22 ビノプティクス・コーポレイション Surface emitting incident photon device with lens
JP2011193459A (en) * 2010-03-10 2011-09-29 Ofs Fitel Llc Multicore fiber transmission system and method

Also Published As

Publication number Publication date
JP6093286B2 (en) 2017-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8149891B2 (en) Semiconductor device and optical module
JP2008277445A (en) Semiconductor laser and optical module
US10992104B2 (en) Dual layer grating coupler
US11435522B2 (en) Grating coupled laser for Si photonics
US20010014109A1 (en) Single-transverse-mode laser diode with multi-mode waveguide region and manufacturing method of the same
CA3023857C (en) Optical module
JPH02195309A (en) Optical coupling element
JP6393221B2 (en) Optical transmitter and optical transmitter
CN113328336B (en) Feedback type narrow linewidth high-power semiconductor laser chip and using method
CN111801610B (en) Semiconductor optical integrated device
JP6093286B2 (en) Direct modulation laser
US10416385B1 (en) Negative angle grating coupler
US20130208750A1 (en) Semiconductor laser diode having waveguide lens
JP6220246B2 (en) Direct modulation laser
US20190148911A1 (en) Techniques for providing curved facet semiconductor lasers
CN114784616A (en) Conical semiconductor laser integrated with super lens
US10680409B2 (en) Laser device
JPWO2005060058A1 (en) Semiconductor laser and manufacturing method thereof
JP2016189437A (en) Semiconductor laser element
JP6077879B2 (en) Semiconductor laser module
KR102328628B1 (en) Wavelength stabilized laser module and its manufacturing method, Fiber laser using wavelength stabilized laser module
JP6527415B2 (en) Semiconductor laser device
KR20040074461A (en) Gain clamped semiconductor optical amplifier
CN111596405B (en) Optical waveguide and laser radar
JP2015220358A (en) Optical element

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20151222

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160914

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161025

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161226

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170207

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170210

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6093286

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150