JP2006013091A

JP2006013091A - 半導体光素子及び光送信モジュール

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Publication number: JP2006013091A
Application number: JP2004187225A
Authority: JP
Inventors: Masaru Mukaikubo; 優向久保; Hiroyuki Kamiyama; 博幸神山; Singh Harpreet; ハルプリートスィング
Original assignee: Opnext Japan Inc
Current assignee: Opnext Japan Inc
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】利得結合型分布帰還型半導体レーザ素子は、屈折率結合型分布帰還型半導体レーザ素子と比較して過渡的な出力変動が少ないという特徴を持つが、利得を持つ活性層の途中まで回折格子を形成する際に、活性層のある特定深さで制御性良く回折格子エッチングを止めることができないという課題があった。
【解決手段】
エッチング停止層を上下2つの利得を有する領域の間に形成し、且つ、エッチング停止層として利得領域とエッチングレートが異なる材質を用いることで、選択的に上側の利得領域のみをエッチングし、一様な深さをもつ周期的な回折格子を形成することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体光素子に係り、特に光通信用モジュール、光通信システム、光ネットワークに用いる好適な送信用光素子及び光送信モジュールに関するものである。

分布帰還型(Distributed Feed Back; DFB)半導体レーザは回折格子を有し、特定の波長の光のみに帰還がかかるようにして波長選択性を持たせた半導体レーザ素子であり、単一の波長で安定して発振するため光通信用光源として利用されている。特に、共振器方向に周期的な利得変調を設けることによって回折格子を構成した利得結合型ＤＦＢレーザが提案されている。

特開2002-305350号公報特開2001-308451号公報

利得結合型分布帰還型半導体レーザ素子は、屈折率結合型分布帰還型半導体レーザ素子と比較して、(1)単一縦モード発振の安定性に優れている、(2)過渡的な出力変動が少ない、という特徴を持つ。しかし、利得を持つ活性層の途中まで回折格子を形成する際に、活性層のある特定深さで制御性良くエッチングを停止させることが困難であるという課題があった。

エッチング停止層を上下2つの利得を有する領域の間に形成し、且つ、エッチング停止層として、利得領域とエッチングレートが異なる材質を用いることで、選択的に上側の利得領域のみをエッチングし、一様な深さをもつ周期的な回折格子を形成することが可能となる。

従来のような一様な利得領域をエッチング時間でのみ制御して回折格子を形成する場合と比較して、本発明では深さ方向の制御性を向上させることが可能である。したがって、利得結合型分布帰還型半導体レーザに適用することで、特に10Gbit/sを超える高速な直接変調を行う送信モジュールにおいて過渡的な出力変動が低減することが可能となる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

半導体基板上に半導体多層膜を形成し、その多層膜中に含まれる光に対して利得を有する領域に一様な深さで回折格子が形成されるように、エッチング停止層が、活性層の間に挟まれて形成された利得結合型分布帰還型半導体レーザ100の構造例について図１を用いて説明する。図1(a)は光軸方向の断面図であり、図1(b)は上側から見た平面図である。

半導体レーザ100は、InP基板110、InPバッファ層111、InGaAlAsクラッド層112、InGaAlAs SCH層113、InGaAlAs下側 MQW活性層114、InPの単一層で構成されたエッチング停止層115、InGaAlAs上側 MQW活性層116、InP回折格子キャップ層117、InGaAlAs SCH層118、InPクラッド層119、InGaAsコンタクト層120、ｐ電極121、ｎ電極122、前方端面コーティング膜123、後方端面コーティング膜124、光導波路125、ｐ電極のパッド部126から構成されている。

ここでInPバッファ層111はn型で膜厚は0.15μmである。InGaAlAsクラッド層112はｎ型で膜厚は0.2μm、バンドギャップ相当波長（λg）は1.05μmである。InGaAlAs SCH層113はｎ型で膜厚は0.2μm、λgは1.10μmである。InGaAlAs下側 MQW活性層114はノンドープでウエル層膜厚は10nmかつλgは1.31μm、バリア層膜厚は10nmかつλgは1.15μm、合計5周期としている。

エッチング停止層115はノンドープInPで膜厚は20nmである。InGaAlAs上側 MQW活性層116はノンドープで、ウエル層膜厚は10nmかつλgは1.31μm、バリア層膜厚は10nmかつλgは1.15μm、合計5周期である。InP回折格子キャップ層117はp型で膜厚は0.1μmである。InGaAlAs SCH層118はp型で膜厚は0.2μm、λgは1.10μmである。InPクラッド層119はp型で膜厚は2.0μmである。InGaAsコンタクト層120はp型で膜厚は0.1μmである。

端面膜の発振波長に対する反射率は前方端面コーティング膜で＜1%、後方端面コーティング膜で85%である。また、尚、回折格子の周期は、201nmとした。

この実施例において、利得媒質であるInGaAlAsとInPエッチング停止層はH3PO4/H2O2/H2Oを1:1:10で混合したエッチャントに対しエッチングの選択比が10倍以上あるため、容易に所望の位置でエッチングを停止でき、一様な利得導波型半導体レーザのための回折格子が形成できる。

本構造の半導体レーザ素子は発振波長1.310μmであり、素子温度85℃、共振器長200μmにおいて、従来、発振閾値電流約25mA、であった特性値が約10mAと向上した。またサイドモード抑圧比歩留りは95%以上を実現した。さらに9.95Gb/s、消光比7dBの直接変調駆動条件での緩和振動周波数が、従来構造で15GHz程度だったが、20GHz以上の特性を達成した。

半導体基板上に半導体多層膜を形成し、その多層膜中に含まれる光に対して利得を有する領域に一様な深さで回折格子が形成されるように、エッチング停止層が、活性層の間に挟まれて形成された利得結合型分布帰還型半導体レーザ200の構造例について図2を用いて説明する。図2(a)は光軸方向の断面図であり、図2(b)は上側から見た平面図である。

半導体レーザ200は、InP基板210、InPバッファ層211、InGaAlAsクラッド層212、InGaAlAs SCH層213、InGaAlAs下側 MQW活性層214、InAlAsとInGaAlAsの互層で構成されたエッチング停止層215、InGaAlAs上側 MQW活性層216、InP回折格子キャップ層217、InGaAlAs SCH層218、InPクラッド層219、InGaAsコンタクト層220、ｐ電極221、ｎ電極222、前方端面コーティング膜223、後方端面コーティング膜224、光導波路225、ｐ電極のパッド部226、リッジ導波路構造における電流狭窄の為の絶縁溝227から構成される。

ここでInPバッファ層211はn型で膜厚は0.15μmである。InGaAlAsクラッド層212はｎ型で膜厚は0.2μm、λgは1.05μmである。InGaAlAs SCH層213はｎ型で膜厚は0.2μm、λgは1.10μmである。InGaAlAs下側 MQW活性層214はノンドープでウエル層膜は10nmかつλgは1.55μm、バリア層膜厚は10nmでλgは1.05μm、合計3周期である。

エッチング停止層215はノンドープで各層の膜厚はInAlAs：5nm/InGaAlAs：5 nm/InAlAs：5nmである。InGaAlAs上側 MQW活性層216はノンドープでウエル層膜厚は10nmかつλgは1.55μm、バリア層膜厚は10nmかつλgは1.05μm、合計3周期である。InP回折格子キャップ層217はp型で膜厚は0.1μmである。InGaAlAs SCH層218はp型で膜厚は0.2μm、λgは1.10μmである。InPクラッド層219はp型で膜厚は2.0μmである。InGaAsコンタクト層220はp型で膜厚は0.1μmである。

端面膜の発振波長に対する反射率は前方端面コーティング膜で＜1%、後方端面コーティング膜で85%である。なお、回折格子の周期は、238nmとした。

本構造の半導体レーザ素子200は、発振波長1.550μm、共振器長300μmにおいて、サイドモード抑圧比歩留りは95%以上を実現するとともに、500km以上の伝送も実現した。これは、利得結合型分布帰還型半導体レーザ素子により高い結合定数を可能とすることができ、チャーピングを抑制することができたためである。

本実施例において、利得媒質であるInGaAlAsとエッチング停止層のInAlAsは、クエン酸と過酸化水素を1：1で混合したエッチャントに対しエッチングの選択比が10倍程度あるため、容易に所望の位置でエッチングを停止でき、一様な利得導波型半導体レーザのための回折格子が形成できる。

また。エッチング停止層としてInAlAs/InGaAlAsの多層膜を採用しているために、エッチング停止層中にも利得を持つ媒質を入れることができるとともにInPを採用する場合のようにP圧、As圧の制御など装置上の負荷が少ない。
上記の実施例１、２では、半導体レーザ素子の利得媒質としてInGaAlAs、エッチング停止層としてInP、エッチャントとしてクエン酸・過酸化水素系を用いたが、別の組み合わせとして利得媒質にInGaAsPやInGaAsを、エッチング停止層としてInPを、エッチャントとしてH2SO4/H2O2/H2O系を用いることも可能である。

また、光の横方向の閉じ込め構造としてリッジ導波路型、埋込ヘテロ構造のいずれでもとることも可能である。

図３に、この実施例１の半導体レーザを組み込んだ光送信モジュールの例を示す。これにより、図４(a)に見られるようなλ/4シフトを有する屈折率導波型半導体レーザを用いた光送信モジュールで問題となる過渡的な出力変動が、図４(b)のように抑制でき、ディジタル信号における信号の”1“レベルの連続、もしくは、”0“レベルの連続に対しても良好な波形を送信可能となる。

ちなみに実施例２の半導体レーザを組み込んだ光送信モジュールにおいてもその効果は同じであり、本発明の効果は、利得媒質、エッチング停止層、エッチャントの組み合わせに依存しない。

本発明の第1の実施例における半導体レーザの断面図及び平面図である。本発明の第２の実施例における半導体レーザの断面図及び平面図である。本発明の第３の実施例における光送信モジュールである。本発明の実施例における過渡応答特性である。

符号の説明

110・・・半導体基板、111・・・ｎ型バッファ層、112・・・ｎ型クラッド層、113・・・ｎ型SCH層、114・・・下側MQW層、115・・・エッチング停止層、116・・・上側MQW層、117・・・回折格子キャップ層、118・・・p型SCH層、119・・・p型クラッド層、120・・・p型コンタクト層、121・・・p電極、122・・・ｎ電極、123・・・前方端面コーティング膜、124・・・後方端面コーティング膜、125・・・導波路、126・・・ｐ電極パッド、210・・・半導体基板、211・・・ｎ型バッファ層、212・・・ｎ型クラッド層、213・・・ｎ型SCH層、214・・・下側MQW層、215・・・エッチング停止層、216・・・上側MQW層、217・・・回折格子キャップ層、218・・・p型SCH層、219・・・p型クラッド層、220・・・p型コンタクト層、221・・・p電極、222・・・ｎ電極、223・・・前方端面コーティング膜、224・・・後方端面コーティング膜、225・・・導波路、226・・・ｐ電極パッド、227・・・電流狭窄の為の絶縁溝、301・・・光送信モジュール、302・・・半導体レーザ、303・・・レーザの駆動回路、304・・・レンズ、305・・・光ファイバ、306・・・モニタPD

Claims

基板上に形成した半導体多層膜中のレーザ光を増幅する活性層に周期的な回折格子を形成した利得結合型半導体光素子であって、
前記活性層に一様な深さで回折格子が形成されるように、エッチング停止層が前記活性層に挟まれて形成されていることを特徴とする半導体光素子。
請求項１における半導体光素子であって、
前記エッチング停止層が前記活性層中に形成されるとともに、前記活性層の材質と異なることを特徴とする半導体光素子。
請求項１もしくは２に記載の半導体光素子であって、
前記エッチング停止層が単一の半導体層で構成されていることを特徴とする半導体光素子。
請求項１もしくは２に記載の半導体光素子であって、
前記エッチング停止層が２層以上の半導体多層膜で構成されていることを特徴とする半導体光素子。
請求項３に記載の半導体光素子であって、
前記活性層がInGaAlAsを材質とした多重量子井戸層で構成され、かつエッチング停止層の材質がInPであることを特徴とする半導体光素子。
請求項４に記載の半導体光素子であって、
利得を有する領域がInGaAlAsを材質とした多重量子井戸層で構成され、かつエッチング停止層の材質がInPとInGaAsPとの互層構造であることを特徴とする半導体光素子。
請求項１〜６のいずれかに記載の利得結合型分布帰還型半導体レーザ素子を用いた光送信モジュール、及び光送受信モジュール。