JP2001024275A - 光伝送装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡易な作製法で実現することが可能な実用性の
高い利得結合分布帰還型半導体レーザを実現し、それを
搭載した高性能、かつ低コストの光伝送装置を提供する
こと。 【解決手段】活性層とクラッド層と当該両層の間に屈折
率結合を形成するための回折格子とを配置した分布帰還
型半導体レーザであって、回折格子とクラッド層の間の
境界に、化合物半導体を酸化させた周期層からなりかつ
その周期が回折格子と同一の絶縁体回折格子を配置した
半導体レーザを搭載する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システムに
適用して好適な光伝送装置に係わり、特に半導体レーザ
を用いて構成する光伝送装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】現在、電気信号を光信号に変換して出力
する光伝送装置は、光通信システムの幹線系で広く用い
られているが、今後に期待される展開として加入者系へ
の進出がある。加入者系に用いる光伝送装置は、利用者
が家庭などの一般ユーザとなるため、性能面の向上に加
えてコストの低減、消費電力の低減が要求され、温度調
節器を用いることなく広い温度範囲で動作することが要
求される。

【０００３】光伝送装置の主要な構成要素をなすのが半
導体レーザであり、なかでも分布帰還型半導体レーザが
盛んに用いられる。分布帰還型半導体レーザは、導波路
の軸方向の屈折率を周期的に変化させて得る屈折率結合
によって分布帰還を形成し、レーザ発振を行なうもので
ある〔例えば米国文献「アプライド・フィジックス・レ
ター（Applied Physics Letter）第２３巻第５号（１９
７３年９月）第２２４頁〜第２２５頁参照〕。屈折率の
周期的な変化を回折格子を用いて実現することにより、
高い波長選択性が得られる。回折格子は、通常、活性層
に接する光ガイド層に形成される。

【０００４】さて、分布帰還型半導体レーザでは、光出
力を高めるため、また、光伝送装置に実装した場合に起
こり易い戻り光の問題を回避するため、光を取り出す前
方の端面の反射率を低くし、後方の端面の反射率を高く
した、非対称な端面反射率を持つ構造が用いられる。し
かし、この構造では、今度は、反射率を高くした後方の
端面と回折格子との間に形成される位相差、即ち端面位
相の影響により、安定な単一縦モード動作に必要な閾値
利得差を広い温度範囲で保つことが困難になるという新
たな問題が発生する。閾値利得差は、所望のモードで発
振するための閾値利得と、不要なモードで発振を起こす
閾値利得との差であり、その差が小さいと、レーザは不
要モードで発振し易くなる。

【０００５】非対称な端面反射率を採用してなおかつ大
きな閾値利得差を得るには、導波路の軸方向への利得を
屈折率と同じ周期で変化させて得る利得結合を導入する
ことが有効であり、様々な素子構造が提案されてきた。

【０００６】例えば、米国文献「ＩＥＥＥジャーナル・
オブ・セレクテッド・トピックス・イン・クアンタム・
エレクトロニクス(IEEE Journal of Selected Topics i
n Quantum Electronics）」第１巻第２号（１９９５年
６月）第３７１頁〜第３７４頁に、ｐ型のクラッド層に
ｎ型の回折格子を配置し、ｎ型の部分を電流阻止層とし
て用いることにより、活性層に対して周期的に電流を注
入し、それによって利得結合を導入した分布帰還型レー
ザが開示されている。

【０００７】しかし、このｐ型とｎ型を交互に配置する
構造は複雑であり、更に、この例に限らず従来の利得結
合を導入した素子の構造は複雑であり、作製プロセスに
高い精度が必要となることが避けられない。そのため、
利得結合分布帰還型半導体レーザは、加入者系の光伝送
装置への導入が強く望まれながら実現せず、実用に供せ
られるに至っていない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、簡易
な作製法で実現することが可能な実用性の高い利得結合
分布帰還型半導体レーザを実現し、それを搭載した高性
能、かつ低コストの光伝送装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の前記課題は、活
性層とクラッド層と当該両層の間に屈折率結合を形成す
るための回折格子とを配置した分布帰還型半導体レーザ
において、回折格子とクラッド層の間の境界に、化合物
半導体を酸化させた周期層からなりかつその周期が前記
回折格子と同一の絶縁体回折格子を配置することによっ
て効果的に解決することが可能である。このような手段
を採用すれば、絶縁体回折格子が利得結合を形成し、屈
折率結合用と利得結合用の双方が互いに接した回折格子
を実現すると共に、前記化合物半導体の形成と酸化を通
常の半導体技術によって達成することができ、これによ
って実用性の高い利得結合分布帰還型半導体レーザを実
現することができるからである。

【００１０】屈折率結合用回折格子は、活性層の近傍に
配置されるので、これと境界をなす絶縁体回折格子も同
時に活性層の近傍に配置されることになる。絶縁体回折
格子の絶縁層部分は、キャリアの流れを活性層の近傍で
阻止するので、キャリアが絶縁層部分によって周期的に
変調されて活性層に注入し、これに伴って活性層におけ
る光学利得が周期的に変調され、利得結合が誘起され
る。

【００１１】さて、金属のＡlは極めて酸化されやす
く、Ａlを含む化合物半導体は本目的に適した半導体で
ある。本発明者は、Ａlを含む化合物半導体層を回折格
子に含めて形成し、半導体レーザの構造を完成させてか
ら後、全体を酸化炉に導入することにより、化合物半導
体層のみを酸化させ、当該層を絶縁層にすることが可能
であることを見い出した。Ａlを含む化合物半導体とし
て、例えばＩnＡlＡsを含有する化合物半導体がある。

【００１２】本発明の半導体レーザの基本構造を図１に
示す。基本構造は、活性層204とｐ型にドーピング（不
純物添加）されたクラッド層209の間に同じくｐ型にド
ーピングされた上側光ガイド層205を配置し、更に光ガ
イド層205の上部に屈折率結合用回折格子を形成し、更
にまたクラッド層209と光ガイド層205の境界に酸化物で
あるキャリア阻止層207を周期的に配置することによっ
て構成される。酸化物であり、従って絶縁体である回折
格子は、注入キャリアに対して障壁となる。

【００１３】一方、屈折率結合がクラッド層209と上側
光ガイド層205の上部（回折格子）とキャリア阻止層207
との屈折率差により誘起される。

【００１４】前記したように、絶縁体回折格子は、屈折
率結合回折格子と境界をなして接するのでキャリア阻止
層207と活性層204との距離をキャリアの拡散長より十分
短くすることができ、活性層204には導波路の軸方向
（図１で活性層204の長手方向）に回折格子の周期で変
調されたキャリアが注入される。これに伴い、活性層20
4における光学利得が周期的に変調され利得結合が誘起
される。

【００１５】なお、上記では、回折格子を活性層204の
上部に形成する場合を示したが、回折格子を活性層204
の下部に形成することも可能である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る光伝送装置を
図面に示した発明の実施の形態を参照して更に詳細に説
明する。なお、図１〜図６における同一の記号は、同一
物又は類似物を表示するものとする。

【００１７】＜発明の実施の形態１＞光伝送装置の内部
構造を示す図２において、301は、放熱基板(ヒートシン
ク)302上に実装した光信号となるレーザ光を発する半導
体レーザ、303は、半導体レーザ301の出射したレーザ光
を集光するレンズ、305は、レンズ303の集光したレーザ
光を入力して外部に出力する光ファイバ、304は、半導
体レーザ301のレンズ303側とは反対側の端面からのレー
ザ光を電気信号に変換するフォトダイオードである。

【００１８】フォトダイオード304は半導体レーザ301の
光出力モニタ用として用いられる導波路型受光素子であ
る。これらの各部品がモジュールケース306に収容され
る。ケース306には、半導体レーザ301に供給する電気信
号を入力するための端子及びフォトダイオード304から
の電気信号を出力するための端子が端子群307として設
けられる。また、ケース306から光ファイバ305が取り出
される。

【００１９】次に、半導体レーザ301の構造を図３に示
す。半導体レーザ301は、分布帰還型をなし、光を発す
る活性層204と、活性層204の光を閉じ込めるための上部
ｐ型クラッド層209と、活性層204とクラッド層209の間
に設けた上側光ガイド層205と、屈折率結合用の回折格
子を形成したスペーサ層206と、スペーサ層206とクラッ
ド層209の境界に設けたキャリア阻止層207とが基本要素
として、半導体基板201上に形成されている。

【００２０】キャリア阻止層207は、絶縁層の格子から
なる絶縁体回折格子として形成されている。絶縁体回折
格子は屈折率結合用の回折格子の上部に形成されるの
で、格子周期は相互に一致したものとなる。そして、キ
ャリア阻止層207は、後述するようにＡlを含む化合物半
導体を酸化した絶縁層であるので、格子構造のこの絶縁
層部分でキャリアの流れが阻止される。

【００２１】スペーサ層206は、後述するウエットエッ
チング時に光ガイド層205がエッチングされないこと、
また、回折格子となるキャリア阻止層207における光の
閉じ込め係数を調整することを目的として設置したもの
である。図１を用いて説明したキャリア阻止層207と光
ガイド層205の相互の関係は、スペーサ層206によって乱
されることはない。

【００２２】上部ｐ型クラッド層209は、細長いストラ
イプ状のリッジ構造をなし、回折格子に埋め込んで形成
されている。活性層204は、波長１．３μｍ帯で発光す
るＩnＧaＡsＰからなる多重量子井戸活性層である。

【００２３】半導体レーザ301は、その他に、半導体基
板201と活性層204との間にバッファ層202及び下側光ガ
イド層203が形成され、キャリア阻止層207の上部に保護
層208が形成されている。また、下部電極211が半導体基
板201の下面に形成され、上部電極212がコンタクト層21
0を介して上部ｐ型クラッド層209の上面に形成されてい
る。更に、図３では示していないが、図３の正面に見え
る、レーザ光を取り出す前方の端面に低反射率の反射膜
が形成され、反対側の後方の端面に高反射率の反射膜が
形成されている。

【００２４】続いて、図４及び図５を用いて半導体レー
ザ301の作製方法を説明し、それによって半導体レーザ3
01の構造を更に詳細に説明する。

【００２５】まず、図４ａに示すように、（１００）結
晶面のｎ型ＩnＰ半導体基板201上に有機金属気相成長法
により、不純物濃度１×１０¹⁸ｃｍ^-1で厚さ１．０μｍ
のｎ型のＩnＰバッファ層202、不純物濃度１×１０¹⁸ｃ
ｍ^-1で厚さ０．１μｍのｎ型ＩnＧaＡsＰ下側光ガイド
層203、６ｎｍ厚の１％圧縮歪ＩnＧaＡsＰ井戸層と１２
ｎｍ厚のＩnＧaＡsＰ障壁層の７周期からなる多重量子
井戸活性層204、不純物濃度が４×１０¹⁷ｃｍ^-1で厚さ
０．０３μｍのｐ型ＩnＧaＡsＰ上側光ガイド層205、不
純物濃度が３×１０¹⁸ｃｍ^-1で厚さ０．０１μｍのｐ型
ＩnＰスペーサ層206、不純物濃度が４×１０¹⁸ｃｍ^-1で
厚さ０．０１μｍのｎ型ＩnＡlＡsキャリア阻止層207、
不純物濃度４×１０¹⁸ｃｍ^-1で厚さ０．０１μｍのｎ型
ＩnＰ保護層208を順次形成する。多重量子井戸活性層20
4の発光波長は約１．３１μｍである。

【００２６】次に、図４ｂに示すように、干渉露光法と
ウエットエッチングとを用いて周期２００ｎｍの回折格
子を基板全面に形成する。エッチングの深さは約３０ｎ
ｍとし、エッチングが保護層208、キャリア阻止層207を
貫通し、スペーサ層206に達するようにする。

【００２７】続いて、有機金属気相成長法により、不純
物濃度７×１０¹⁷ｃｍ^-1で厚さ１．７μｍのｐ型ＩnＰ
クラッド層209、不純物濃度１×１０¹⁹ｃｍ^-1と高濃度
で厚さ０．２μｍのｐ型ＩnＧaＡsコンタクト層210を順
次形成する。

【００２８】この結果、図４ｃに示すように、ｎ型であ
るキャリア阻止層207及び保護層208がｐ型ＩnＰである
スペーサ層206及びクラッド層209に周期的に埋め込めれ
る。

【００２９】次に、組成選択性のないエッチャントを用
いてコンタクト層210及びクラッド層209の一部を横幅２
μｍにエッチングした後、塩酸と隣酸を混合した組成選
択エッチャントを用いてクラッド層209と保護層208及び
スペーサ層206の一部をエッチングすることにより、図
５に示すように、キャリア阻止層207及びスペーサ層206
を底面とし、又（０１−１）結晶面を側壁とする、横幅
約２μｍのリッジ導波路型レーザ構造に加工形成する。

【００３０】ここで、基板を酸化炉に導入し、Ａlを含
んでいるキャリア阻止層207を酸化によって絶縁体であ
るＩnＡsＡlＯにする。酸化工程の後、上部金属電極211
及び下部金属電極212を形成する。劈開工程により、素
子長３００μｍの素子に切り出した後、光を取り出す方
向の前方の端面に反射率約１％の低反射膜を形成し、更
に、後方の端面に反射率約９０％の高反射膜を形成す
る。以上によって、図３に示した構造の半導体レーザが
完成する。

【００３１】作製した利得結合分布帰還型半導体レーザ
は、キャリア阻止層207の存在により、レーザ発振時に
多重量子井戸活性層204に導波路の軸方向に回折格子の
周期で変調されたキャリアが注入されることになる。な
お、導波路は活性層204を中心としたレーザ光生成領域
であり、端面に垂直なその長手方向が軸方向になる。光
ガイド層205及びスペーサ層206とクラッド層209との間
に屈折率結合が誘起されるが、前記したように、それと
同時に、導波路の軸方向に変調されたキャリアが注入さ
れることに伴って多重量子井戸活性層204における光学
利得が回折格子の周期で変調され、利得結合が誘起され
る。

【００３２】本発明の実施の形態の１．３μｍ帯の利得
結合分布帰還型半導体レーザは、室温での連続条件にお
いて、閾値電流１０ｍＡ、発光効率０．４Ｗ／Ａであっ
た。また９０℃の高温においても、閾値電流３０ｍＡ、
発光効率０．２Ｗ／Ａと良好な発振特性を得た。利得結
合が導入された結果、大きな閾値利得差が得られ、−４
０℃から９０℃の温度範囲において、副モード抑圧比４
０ｄＢ以上の安定な単一縦モード動作を７０％以上の高
い作製歩留りで実現することができた。

【００３３】上記酸化工程は通常の半導体製造工程で採
用される工程であり、利得結合を導入した半導体レーザ
301を簡易な作製法で実現することが可能となった。即
ち、本発明により、利得結合の採用によって安定性を高
めた非対称な端面反射率を持つ実用的な半導体レーザを
実現することができた。

【００３４】なお、本レーザ構造は、１．３μｍ帯のみ
ならず、１．５５μｍ帯や他の波長帯の分布帰還型半導
体レーザにも適用可能である。また、酸化膜を用いた利
得結合の導入は、埋め込み型半導体レーザにも適用可能
である。

【００３５】以上の半導体レーザ301を用いた光伝送装
置は、上記の諸特性によって高性能化されると共に、モ
ジュール実装での課題であるファイバ端からの戻り光に
よる発振特性の劣化が起こらないという好ましい結果を
得ることができた。

【００３６】＜発明の実施の形態２＞半導体レ−ザ及び
光ファイバを同一のシリコン基板上に搭載した光伝送装
置の発明の実施の形態を図６に示す。

【００３７】シリコン基板401の一部分に形成されたＶ
型溝402に光ファイバ305を固定し、光ファイバ305の端
面部に対向して発明の実施の形態１の波長１．３μｍ帯
の半導体レーザ301及びレーザの光出力モニタ用のフォ
トダイオード（導波路型受光素子）304をジャンクショ
ンダウン（フェースダウン）により実装する。

【００３８】半導体レーザ301と光ファイバ305間及び半
導体レーザ301と受光素子304間の光軸位置合わせは、シ
リコン基板401、半導体レーザ301、フォトダイオード30
4に各々設けた位置決め用のマーカを用いて行なった。
これにより、光軸位置合わせを半導体レーザ301及びフ
ォトダイオード304を動作させることなく行なうことが
可能になり、組立て工程が著しく簡略化される。

【００３９】本光伝送装置は、発明の実施の形態１と同
様の安定な特性が得られ、また、戻り光による特性劣化
が回避され、更に、工程の簡略化によって低コストを実
現することができた。

【００４０】

【発明の効果】本発明よれば、簡易な方法によって利得
結合の導入が可能となるので、広い温度範囲で単一縦モ
ード動作を行なう半導体レーザを実現することができ、
広い温度範囲で特性が安定で、かつ、低価格の実用性の
高い光伝送装置を実現することができる。本発明を用い
れば、素子性能や歩留まりが飛躍的に向上するだけでな
く、この素子を適用することによって光通信システムの
低価格化、大容量化、長距離化を容易に実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る光伝送装置に用いる半導体レーザ
の基本構造を説明するための側面図。

【図２】本発明に係る光伝送装置の第１の発明の実施の
形態を説明するための構造図。

【図３】第１の発明の実施の形態に用いる半導体レーザ
を説明するための斜視図。

【図４】図３に示した半導体レーザの作製工程を説明す
るための工程図。

【図５】図３に示した半導体レーザの作製工程を説明す
るための別の工程図。

【図６】本発明の第２の発明の実施の形態を説明するた
めの斜視図。

【符号の説明】

201…半導体基板、202…バッファ層、203…下側光ガイ
ド層、204…活性層、205…上側光ガイド層、206…スペ
ーサ層、207…キャリア阻止層、208…保護層、209…ク
ラッド層、210…コンタクト層、211，212…電極、301…
半導体レーザ、302…放熱基板、303…レンズ、304…フ
ォトダイオード、305…光ファイバ、306…モジュールケ
ース、307…端子群。

フロントページの続き (72)発明者 土屋 朋信 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 古森 正明 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 Ｆターム(参考） 5F073 AA13 AA45 AA64 AA74 AA83 AB27 AB28 BA02 CA12 DA27 EA16 FA13

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光信号となるレーザ光を発する半導体レ
   ーザと当該レーザ光を入力して外部に伝送するための光
   ファイバとを搭載してなり、前記半導体レーザが活性層
   とクラッド層の間に屈折率結合を形成するための回折格
   子を配置した分布帰還型半導体レーザである光伝送装置
   であって、前記半導体レーザは、前記回折格子とクラッ
   ド層の間の境界に、化合物半導体を酸化させた周期層か
   らなりかつその周期が前記回折格子と同一の絶縁体回折
   格子を配置してなることを特徴とする光伝送装置。
2. 【請求項２】 前記半導体レーザは、光信号となるレー
   ザ光を取り出す方向である前方の端面の反射率が反対方
   向の後方の端面の反射率よりも低いことを特徴とする請
   求項１に記載の光伝送装置。
3. 【請求項３】 前記化合物半導体は、Ａlを含む化合物
   半導体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に
   記載の光伝送装置。
4. 【請求項４】 前記化合物半導体は、ＩnＡlＡsを含有
   する化合物半導体であることを特徴とする請求項３に記
   載の光伝送装置。