JP2001024287A - Wdm用半導体レーザ光モジュール - Google Patents
Wdm用半導体レーザ光モジュールInfo
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Abstract
あっても使用することができる低価格なWDM用半導体
レーザ光モジュールの提供。 【解決手段】各々異なった発振波長を有する複数の半導
体レーザ光源が1チップ上にアレイ状に配設されたDF
Bレーザアレイ(図1の1)と、レーザ光を取り出すレ
ンズ(図1の5)及び光ファイバ(図1の2)と、レー
ザ光の出力をモニターし、温度制御によって発振波長の
調整をする波長フィルタ、受光素子(図1の3)及びペ
ルチエ素子(図1の4)と、を含み、複数の半導体レー
ザ光源のうち、目標発振波長にもっとも近い一の半導体
レーザ光源からの出力光のみが、ペルチエ素子によって
波長調整され、レンズを介して光ファイバに集光され
る。
Description
ジュールに関し、特に、WDM光通信等に用いて好適な
半導体レーザ光モジュールに関する。
系における通信容量の大容量化、光アクセス系における
波長ルーティング機能、更に、コンピュータボード間の
光インターコネクションへの応用等、多彩な可能性を秘
めた魅力的な技術である。このWDM光通信では、シス
テム側で指定するチャンネル波長グリッドに合致した発
振波長を有する半導体レーザ光モジュールを多数用意す
る必要がある。
光通信では、光モジュールに要求される発振波長精度は
それほど厳密なものではなかったが、WDM光通信で
は、波長グリッド間隔が0.8nm(100GHz)、
または1.6nm(200GHz)、更に最近では0.
4nm(50GHz)のシステムまで考えられつつあ
り、光モジュールに要求される発振波長精度は極めて高
くなってきている。
ーザの動作温度制御により発振波長を調整する方法があ
るが、例えば、ペルチエ素子を用いて半導体レーザの動
作温度を制御する場合、調整可能な発振波長範囲は、し
きい値電流等のレーザ特性劣化を考慮するとせいぜい±
0.5nm程度(±5℃程度)であるので、作製される
半導体レーザの発振波長のずれは、目標値から±0.5
nm程度しかゆるされないことになる。
長を決定するパラメータとしては、 回折格子周期Λ、半導体光導波路層の屈折率n、
半導体光導波路の横幅W、レーザの劈開端面位相φな
どがあり、これらのパラメータを用いると、レーザの発
振波長λは、理想的な場合はλ=2neqΛで表すことが
できる。ここで、neqは、の屈折率nとの導波路幅
Wで決まる光導波路の等価屈折率である。
5nmとすると、各パラメータに要求される精度は、
Λ:±0.08nm、n:±1%、W:±0.07μm
となるが、端面位相φは、完全にランダムに決定されパ
ラメータであり、その他のパラメータΛ、n、Wは、現
在の製造方法をもってすると上記精度を満足するのにほ
ど遠い作製誤差が含まれてしまう。つまり、現状の技術
では、半導体レーザの発振波長を目標値±0.5nmと
することは、非常に困難である。
モジュールを供給する場合には、メーカー側は、ユーザ
ー側から発振波長が指定されると、発振波長が目標値と
一致するまで何回も素子作製(トライ&エラー)を繰り
返さなければならず、その結果、大量のウエハを浪費
し、波長が目標値からはずれた素子がだぶつき、WDM
用光モジュールの著しい価格上昇を招くという問題があ
った。
の素子間隔が250〜300μm程度のピッチで作製さ
れている。その結果、2インチウエハ1枚から取ること
ができる素子の総数は、レーザ素子のチップサイズを3
00μm幅×400μm長とした場合、10000個程
度である。回折格子(周期Λ)を干渉露光法で形成する
場合、1枚のウエハから取れるレーザ素子の発振波長
は、ほぼ1種類であるので、作製誤差により発振波長が
目標値からずれてしまった場合には、この10000個
の素子が無駄になってしまう。
が生じても、目標の発振波長を有する半導体レーザを得
る方法として、回折格子を電子ビーム露光を用いて作製
する手法が提案されている(例えば、特願平08−26
7006号公報等参照)。この方法を用いると、1枚の
ウエハ内で、回折格子周期を何種類も変えることができ
るため、異なる発振波長を有する半導体レーザを1枚の
ウエハから得ることができる。例えば、回折格子周期を
8種類変えた場合には、8つの異なる波長で発振する半
導体レーザを作製することができる。
合、8種類の発振波長のレーザのうち、どれか一つが目
標の発振波長と一致すればよいため、所望の素子を得ら
れる確率は従来に比べて8倍に増大するが、得られる素
子総数は当然に1/8に減少し、目標の発振波長と一致
しない7/8の素子は無駄になってしまう。従って、光
源の作製コストの上昇をいくらか抑制する効果はあるも
のの、結局は素子の単位ウエハからの収量が低下し、結
果として半導体レーザ光モジュールの価格上昇を招いて
しまうという問題があった。
モジュールでは、通常の半導体レーザ光モジュールに比
べて、目標の発振波長からのずれの許容度が小さいため
に作製歩留まりが悪く、その結果、モジュール価格が著
しく高くなってしまうという問題があった。
利用する従来の波長可変レーザでは、波長の長期信頼性
に問題があり、光モジュールとして実用上用いることは
できない。また、異波長の分布帰還(DFB)型レーザ
と光合波器が集積された多波長光源を用いることが考え
られるが、これも光集積素子作製上のプロセス複雑さに
起因する歩留まり悪化のため、現状ではコスト的に用い
ることは困難である。
のであって、その主たる目的は、作製誤差により発振波
長にずれが生じた場合であっても使用することができる
低価格なWDM用半導体レーザ光モジュールを提供する
ことにある。
めに、本発明は、第1の視点において、複数の半導体レ
ーザ光源が1チップ上にアレイ状に配設されてなる半導
体光素子と、該半導体光素子からの光出力を取り出す光
ファイバと、該半導体光素子からの出力光をモニターす
る検出手段と、該検出手段からの信号を基に前記半導体
光素子の温度を制御して発振波長を調整する調整手段
と、を少なくとも有する半導体レーザ光モジュールであ
って、前記複数の半導体レーザ光源が各々異なった発振
波長を有し、前記複数の半導体レーザ光源のうち、選択
された一の半導体レーザ光源からの出力光のみが、前記
光ファイバに入射されるものである。
記光ファイバとの間に、前記複数の半導体レーザ光源か
ら出射されるレーザ光を前記光ファイバに集光させるレ
ンズ系を有する構成とすることができる。
子の各々の半導体レーザ光源の出力端にスポットサイズ
変換器を有し、該スポットサイズ変換器により、前記半
導体レーザ光源から出射されるレーザ光が前記光ファイ
バに集光される構成とすることもできる。
子の各々の半導体レーザ光源の出力端に光変調器を有
し、該光変調器により変調されたレーザ光が前記光ファ
イバに集光される構成とすることもできる。
ザ光モジュールは、その好ましい一実施の形態におい
て、各々異なった発振波長を有する複数の半導体レーザ
光源が1チップ上にアレイ状に配設されたDFBレーザ
アレイ(図1の1)と、レーザ光を取り出すレンズ(図
1の5)及び光ファイバ(図1の2)と、レーザ光の出
力をモニターし、温度制御によって発振波長の調整をす
る波長フィルタ、受光素子(図1の3)及びペルチエ素
子(図1の4)と、を含み、複数の半導体レーザ光源の
うち、目標発振波長にもっとも近い一の半導体レーザ光
源からの出力光のみが、ペルチエ素子によって波長調整
され、レンズを介して光ファイバに集光される。
図1を参照して説明する。図1は、本発明の一実施の形
態に係るWDM用半導体光モジュールを説明するための
図であり、(a)は上面図、(b)は断面図である。本
実施の形態の光モジュールは、極小アレイ周期(10μ
m)で半導体レーザが配置されたDFBレーザアレイ1
と、光ファイバ2と、受光素子3、ペルチエ素子4、レ
ンズ5及びレンズ支持体6、波長フィルタ8とで構成さ
れ、単一モード光ファイバのコア径は10μm程度のも
のを用いている。
れたDFBレーザアレイ1のアレイ間隔を10μm程度
に極小化する。従来のDFBレーザアレイでは、アレイ
間隔が250μm程度と大きいため、6チャンネルも並
べるとチップの横サイズは1.25mm程度にもなって
しまい、1ウエハからの素子収量が大幅に減少してしま
う。
10μm程度にまで極小化しているため、6チャンネル
のアレイであっても、1チップの素子サイズは従来のD
FBレーザ1チップサイズと変わらない250μm幅×
400μm長程度にすることができる。つまり、アレイ
素子の1ウエハからの収量は従来と同程度に維持するこ
とができる。
各DFBレーザの発振波長を少しずつ、目標の発振波長
を中心としてずらすことを特徴としている。例えば、シ
ステム側で要求される発振波長が1550nmの場合、
各DFBレーザの発振波長の設計値をch.1が154
8nm、ch.2が1549nm、ch.3が1550
nm(目標値と一致)、ch.4が1551nm、c
h.5が1552nm、ch.6が1553nmと1n
m間隔で変化させておく。
子の発振波長が、さまざまなプロセスエラーで完成した
ときに長波長側に2nm程度ずれてしまったとしても、
密集して隣り合っている素子間では発振波長の相対値は
ほぼ保たれているので、ch.1の発振波長が設計値1
548nmに対して実際が1550nmとなり、目標値
と一致する波長になる。そして、最終的にこのチャンネ
ル1からの光出力を光モジュール内でレンズ5を用いて
集光することで、システム側の要求を満足する半導体レ
ーザ光モジュールを実現することができる。つまり、本
発明では、半導体レーザアレイをアレイとしては用い
ず、非常に冗長性の高い半導体レーザとして、アレイ中
の一つのレーザのみを用いる。
振波長が2nm長波長側にずれた時点で、1ウエハから
の素子収量は0になってしまうが、本発明によれば、い
ずれかのチャンネルが目標波長の許容範囲に入るため、
1ウエハからの収量をほぼ100%確保することが可能
となるのである。その結果、光モジュールの歩留まりが
大幅に向上し、半導体レーザ光モジュールの低価格での
供給が可能となった。なお、本発明では、部分的に電流
注入窓を開けたところに電極7を設けることにより、各
チャンネルのレーザを独立駆動できるようにしている。
詳細に説明すべく、本発明の実施例について図面を参照
して以下に説明する。
明の第1の実施例に係るWDM用DFBレーザ光モジュ
ールについて説明する。図1は、第1の実施例に係るW
DM用DFBレーザ光モジュールの構造を説明するため
の図であり、(a)はDFBレーザアレイの斜視図、
(b)はレーザ光モジュールの断面図である。
Bレーザ光モジュールの構造について説明すると、光モ
ジュールは、9μm間隔の極小アレイ周期で配置された
8チャンネルの異波長DFBレーザアレイ15と、コア
径が12μmの単一モード光ファイバ2と、受光素子
3、ペルチエ素子4、レンズ5、レンズ支持体6、波長
フィルタ8、光アイソレータ11とで構成されている。
8chレーザアレイのアレイの全幅は63μm程度であ
るため、DFBレーザアレイの素子サイズを、幅250
μm、長さ300μmと従来の1チップ素子サイズ程度
にすることができた。
ネルに独立に電流を注入することができるように、部分
的に窓が開いた二重電極構造を用いた。レーザアレイの
発振波長は、チャンネルごとに異なる周期の回折格子1
0を用いることにより、1550nmを中心として、1
nmづつ変化(アレイ全体では7nmの範囲に分布)さ
せている(IEEE Photonics Technology Letters, vol.
9, no. 10, pp. 1313-1315, 1997参照)。
は、多重量子井戸(MQW)層9からなり、各チャンネ
ルはそれぞれ約5mA程度の低しきい値電流発振、片側
20mW以上の高出力特性という均一な特性を得ること
ができた。目標発振波長1550.00nmに対して、
最終的に得られた発振波長は、温度25℃において、c
h.1が1547nm、ch.2が1548.2nm、
ch.3が1549.6nm、ch.4が1551.2
nm、ch.5が1552.0nm、ch.6が155
2.9nm、ch.7が1553.9nm、ch.8が
1554.1nmであった。
るチャンネルとして、チャンネル3を適用させることが
でき、チャンネル3に接続される電極7からのみ電流を
注入してチャンネル3からの光出力のみを光ファイバ2
に結合させる。なお、その他のチャンネルには電流を注
入しないことにより、他のチャンネルからのレーザ光は
光ファイバ2に入射しない。また、レンズ5は、8チャ
ンネルのどの位置から出射されるレーザ光も光ファイバ
2に集光するように設計されている。
ザの発振波長は、波長フィルタ8(例えば、誘電体多層
膜波長フィルタ等、波長フィルタの段数は目的に応じて
多段化(2段、3段等)する場合もある)を透過する光
強度を受光素子3でモニターし、ペルチエ素子4の温度
にフィードバックすることによって、目標の発振波長に
ロックできるようになっている。
ザアレイ光モジュールでは、作製上の誤差によって目標
発振波長からのずれが生じた場合であっても、8チャン
ネルのうち、いずれかのチャンネルは目標発振波長の許
容範囲に収めることができるため、光モジュールの作製
歩留まりを大幅に向上させることができ、光モジュール
の価格を低減することが可能である。
に係るDFBレーザ光モジュールについて、図3を参照
して説明する。図3は、第2の実施例に係るスポットサ
イズ変換器(SpotSize Converter:SSC)付きDFB
レーザ光モジュールを説明するための図であり、(a)
はレーザ発振部の部分断面図、(b)はレーザアレイの
上面図、(c)はレーザ光モジュールの断面図である。
ザ光モジュールは、前記した第1の実施例の8チャンネ
ル異波長DFBレーザアレイを6チャンネルの異波長S
SC付きDFBレーザアレイに置き換え、更に、集光用
レンズ5及びレンズ支持体6を取り除いたものに相当す
る。
作製されたSSC付きDFBレーザ素子は、レーザ領域
とSSC領域とからなり、SSC領域のMQW光導波路
の層厚及び組成が、レーザ領域境界部からSSC領域端
面へ向かって、緩やかに薄くかつ短波長化していること
を特徴としている。ここで、InPクラッド14の幅は
7μm、MQW活性層9の幅は1.5μmである。
は、図3(b)に示すように、アレイの周期は15μm
で、アレイ全幅は75μm程度と十分狭い。その結果、
素子サイズとしては、レーザ領域長400μm、SSC
領域長250μm、チップ横幅300μmと、従来の1
チップの半導体光素子と同等のサイズにすることができ
た。
みにあけられており、SSC領域には電流を注入しない
構造となっている。目標の発振波長1548nmに対し
て、各チャンネルの発振波長はそれぞれ、ch.1:1
546.8nm、ch.2:1548.4nm、ch.
3:1550nm、ch.4:1551.6nm、c
h.5:1553.2nm、ch.6:1554.8n
mであり、波長のチャンネル間隔1.6nm程度で変化
させている。今回の試作では、ch.2を用いることで
所望の発振波長を得ることができた。
した光モジュールの構造について、図3(c)を参照し
て説明すると、本実施例のレーザアレイにはSSC構造
が付加され、光の出射端でのスポットサイズを小さくす
ることができるため、選択されたチャンネルからの光出
力を前記した第1の実施例のようなレンズを用いること
なく、コア径15μmの単一モード光ファイバ2に挿入
損失2.5dB程度で直接結合することができた。
構造を付加することで、前記した第1の実施例に比べ
て、コストの高いレンズ系を省略することができるた
め、WDM用DFBレーザ光モジュールの価格をより一
層低減することができるようになった。なお、前記した
第1の実施例と同様に、各チャンネルから発振されるレ
ーザ光を受光素子3でモニターし、ペルチエ素子4の温
度にフィードバックすることによって、目標の発振波長
にロックできるようになっている。また、DFBレーザ
アレイ16と光ファイバ2との位置関係を微調整するこ
とにより、目標発振波長の許容範囲内に入ったチャンネ
ルのレーザ光は光ファイバ2に入射する。
集積したレーザ光モジュールの例を示したが、SSCや
光変調器を、光増幅器、受光素子等に置き換えることも
可能である。
に係るWDM用変調器集積化DFBレーザ光モジュール
について、図4を参照して説明する。図4は、第3の実
施例に係るWDM用電界吸収型変調器集積化DFBレー
ザ光モジュールを説明するための図であり、(a)は、
上面図、(b)は断面図である。
の極小アレイ周期で配置された2チャンネルの異波長変
調器集積化DFBレーザアレイ17と、コア径が10μ
mの単一モード光ファイバ2と、受光素子3、ペルチエ
素子4、レンズ5、レンズ支持体6、波長フィルタ8、
光アイソレータ11とで構成されている。本実施例の場
合、変調器に高速変調特性が要求され、変調器の容量を
低減するために変調器部の電極7のパッド長をあまり長
くすることができないため、アレイ総数は2チャンネル
としている。
長380μm、変調器領域長150μmと従来の1チッ
プ素子サイズ程度である。レーザアレイの発振波長は、
チャンネル間で2nm程度変化させ、ch.1で158
0nm、ch.2で1582nmとした。また、一つの
素子では、この2チャンネルしかカバーできないため、
ウエハ面内で回折格子周期を4種類に変化させ(すなわ
ち、他のアレイ素子の発振波長として、1590nm&
1592nmと1600nm&1602nmと1610
nm&1612nmである)、ウエハ全体では、素子の
カバーする波長域を8nm程度とした。
るチャンネルとしてch.1が選ばれた場合を例示して
いる。この例では、アレイ一素子あたりの波長冗長性は
2倍程度であるが、それでも単一モード歩留まり、変調
器の消光特性歩留まりを考慮すると2倍の歩留まり向上
は大きく、WDM用変調器集積化DFBレーザ光モジュ
ールの価格を2/3程度下げることができた。
Bレーザの発振波長は、波長フィルタ8(例えば、誘電
体多層膜波長フィルタ等)を透過する光強度を受光素子
3でモニターし、ペルチエ素子4の温度にフィードバッ
クすることによって、目標の発振波長にロックできるよ
うになっている。
構造として層厚がテーパ状に薄くなる層厚テーパ構造を
用いた例を示したが、本実施例では、その他のSSC構
造、例えばMQW光導波路幅をテーパ状に変化させたも
の、二つの光導波路を用いる物(DFB領域で2つの導
波路を用いて光結合を強く、SSC領域で2つのうち一
つのみの導波路を用いて光結合を弱くする方式)等、ど
のようなSSC原理を用いるものでも、SSC構造が集
積された半導体レーザアレイを用いた光モジュールに対
して有効である。
積されたレーザ光モジュールの例を示したが、前記した
第2の実施例と同様に、SSCや光変調器を、光増幅
器、受光素子等に置き換えることも可能である。
1.55〜1.61μm付近の半導体レーザ光モジュー
ルの例を示したが、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、その他の波長帯、例えば、2〜10μm
帯、1.48μm帯、1.3μm帯、0.2〜1.0μ
m帯等についても、WDM用途に用いる光モジュールに
対しては同様に適用することができる。
有する縦単一モードレーザアレイの例として、DFBレ
ーザの例を示したが、本発明は、その他の形態の異波長
縦単一モードレーザアレイ、例えば、分布ブラッグ反射
(DBR)型レーザアレイ、分布反射(DR)型レーザ
アレイ、利得結合型DFBレーザアレイ、複素結合型D
FBレーザアレイ、空気(誘電体)と半導体の回折格子
を利用したDFB、DBRレーザアレイ等の場合にも適
用することができる。
チエ素子で変化させて波長可変動作させる場合、レーザ
の発振しきい値電流や光出力等の特性劣化を抑制しつつ
可変できる波長範囲は、最大でもせいぜい2nm程度
(変化温度範囲±10℃程度に相当)である。すなわ
ち、異波長のDFBレーザをアレイ化して、波長の冗長
性を増し、プロセスエラーによる発振波長のずれをカバ
ーしようとする場合、アレイを構成する各レーザの発振
波長間隔が2nm以下の場合に、冗長性及び温度制御に
よって、所望の発振波長をもれなくカバーすることがで
きるようになる。すなわち、本発明は、アレイを構成す
る各レーザの波長間隔が2nm以下の場合に非常に有効
である。
と、最大アレイ数は、アレイ間隔×(アレイ数―1)
が、そのアレイ光源に電極を配線しても十分に、従来の
単一波長素子チップサイズ程度に収まるところまで増や
すことが可能である。特に、光モジュール内でのレンズ
アライメント等を考えると、本発明は、アレイ本数8本
以下の場合に非常に有効である。また、同様な理由で、
アレイ間隔は25μm以下の場合に本発明は非常に有効
である。
WDM用半導体レーザの作製歩留まりが飛躍的に向上
し、光モジュールの低価格化を実現することができると
いう効果を奏する。
ザ光モジュールは、異波長単一モードレーザアレイを用
いる光モジュールでありながら、アレイを構成する異波
長半導体レーザのうち所望の発振波長を有する一つのレ
ーザのみを用いることにより、レーザチップのカバーで
きる発振波長に冗長性を持たせることができるからであ
る。
り、(a)は上面図、(b)は断面図である。
明するための図であり、(a)は斜視図、(b)は断面
図である。
明するための図であり、(a)は斜視図、(b)は上面
図、(c)は断面図である。
明するための図であり、(a)は上面図、(b)は断面
図である。
イ 17 2チャンネル変調器集積化DFBレーザアレイ
Claims (9)
- 【請求項1】複数の半導体レーザ光源が1チップ上にア
レイ状に配設されてなる半導体光素子と、該半導体光素
子からの光出力を取り出す光ファイバと、該半導体光素
子からの出力光をモニターする検出手段と、該検出手段
からの信号を基に前記半導体光素子の温度を制御して発
振波長を調整する調整手段と、を少なくとも有する半導
体レーザ光モジュールであって、 前記複数の半導体レーザ光源が各々異なった発振波長を
有し、前記複数の半導体レーザ光源のうち、選択された
一の半導体レーザ光源からの出力光のみが、前記光ファ
イバに入射されることを特徴とする半導体レーザ光モジ
ュール。 - 【請求項2】前記半導体光素子と前記光ファイバとの間
に、前記複数の半導体レーザ光源から出射されるレーザ
光を前記光ファイバに集光させるレンズ系を有すること
を特徴とする請求項1記載の半導体レーザ光モジュー
ル。 - 【請求項3】前記半導体光素子の各々の半導体レーザ光
源の出力端にスポットサイズ変換器を有し、該スポット
サイズ変換器により、前記半導体レーザ光源から出射さ
れるレーザ光が前記光ファイバに集光されることを特徴
とする請求項1記載の半導体レーザ光モジュール。 - 【請求項4】前記半導体光素子の各々の半導体レーザ光
源の出力端に光変調器を有し、該光変調器により変調さ
れたレーザ光が前記光ファイバに集光されることを特徴
とする請求項2記載の半導体レーザ光モジュール。 - 【請求項5】前記アレイ状に配設されてなる半導体レー
ザ光源のアレイ間隔が25μm以下であることを特徴と
する請求項1乃至4のいずれか一に記載の半導体レーザ
光モジュール。 - 【請求項6】前記光ファイバがコア径15μm以下のシ
ングルモード光ファイバであることを特徴とする請求項
1乃至5のいずれか一に記載の半導体レーザ光モジュー
ル。 - 【請求項7】前記複数の半導体レーザ光源の発振波長間
隔が2nm以下に設定されていることを特徴とする請求
項1乃至5のいずれか一に記載の半導体レーザ光モジュ
ール。 - 【請求項8】前記半導体光素子が、2以上8以下で集積
された半導体レーザ光源により構成されていることを特
徴とする請求項1乃至7のいずれか一に記載の半導体レ
ーザ光モジュール。 - 【請求項9】前記アレイを構成する複数の半導体光源
が、分布帰還型レーザ、分布ブラッグ反射型レーザ、又
は、分布反射型レーザのいずれかであることを特徴とす
る請求項1乃至8のいずれか一に記載の半導体レーザ光
モジュール。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP19532799A JP3409741B2 (ja) | 1999-07-09 | 1999-07-09 | Wdm用半導体レーザ光モジュール |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP19532799A JP3409741B2 (ja) | 1999-07-09 | 1999-07-09 | Wdm用半導体レーザ光モジュール |
Publications (2)
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