JP2010123643A - 半導体アレイ素子、レーザモジュール、光送信モジュール、および光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１つのペルチェ素子による温調にて各素子の発振波長を高精度にそろえること。
【解決手段】小型で高速変調を行う手段として、４つの異なる波長のレーザ部１０７とＥＡ変調器部１０８をモノリシックにアレイ集積する。各素子において、発振波長を決定する構造である、回折格子とメサ幅を、それぞれ４素子一括で作製することによって、４素子間の発振波長差を高精度に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体アレイ素子、レーザモジュール、光送信モジュール、および光伝送装置に関し、特に、高速な波長多重伝送用レーザアレイに関する。

通信速度の大容量化を目指した次世代規格として、例えば２５Ｇｂｉｔ／ｓの光を波長間隔２ｎｍで４波長多重化して容量１００Ｇｂｉｔ／ｓで伝送するようなＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing：波長分割多重）方式が考えられる。

単一波長の光のＯＮ，ＯＦＦで伝送する方式としては、主に、レーザダイオードに流れる電流をＯＮ，ＯＦＦする直接変調方式と、レーザダイオードは光らせたまま、光を遮断するスイッチを外部に設ける外部変調方式と、があり、その代表的なものとして、電界吸収型変調器（ＥＡ変調器）をレーザダイオードにモノリシックに集積したものがある。２５Ｇｂｉｔ／ｓを４波長多重して１００Ｇｂｉｔ／ｓで伝送を行うことを考えた場合、発振波長が異なる４つのレーザダイオードを用い、それぞれの光を別々にＯＮ，ＯＦＦすることにより１００Ｇｂｉｔ／ｓの伝送容量を実現する。

従来、上記レーザダイオードは１つ１つレーザモジュールに搭載され、個別に温調をかけ発振波長を制御する必要がある。そのため、装置が大型化し、部品点数が増え、コストがかかってしまう。小型化、低コスト化を目指すには、４つのレーザダイオードをひとつの半導体チップにアレイ集積したものを、ひとつのレーザモジュール内に搭載し、かつ、変調も行えることが望ましい。

これまで、波長多重通信用の光源として、特許文献１や特許文献２のように、波長が異なる多数のレーザダイオードを集積したものがある。これら集積レーザでは変調器が無いので、直接変調を行うか、外部に変調器を取り付ける必要がある。外部に変調器を取り付ける場合、変調器が４つ必要になるので、低コスト化、小型化することが難しい。
特開平８−３２１６５９号公報 特開平８−１５３９２８号公報

従来、容量１００Ｇｂｉｔ／ｓの伝送に４波長を用いる場合は、２５Ｇｂｉｔ／ｓで動作するレーザモジュールを４つ使用することで実現できるが、レーザ４つ、変調器４つが必要となるため装置が大型化してしまうことが課題であった。単一チップ上に異なる４波長のレーザダイオードをアレイ集積する、特許文献１や特許文献２のような技術は報告されている。しかし、高速変調を行うこと、及び、１つのペルチェ素子による温調にて素子間の発振波長差を高精度にそろえること、が課題であった。

本発明は、上記従来の課題に鑑みてなされたものであり、１つのペルチェ素子による温調にて各素子の発振波長を高精度にそろえることができる半導体アレイ素子、レーザモジュール、光送信モジュール、および光伝送装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る半導体アレイ素子は、複数の電界吸収型変調器集積レーザダイオードが、同一半導体基板上にモノリシックにアレイ集積され、アレイ内の各素子で発振波長が異なり、隣接する素子の導波路に形成される回折格子が同一構造であり、導波路幅が異なることを特徴とする。

また、本発明の一態様では、前記レーザダイオードは、隣接する素子との発振波長差におけるばらつきが±０．５ｎｍ以下である。

また、本発明に係るレーザモジュールは、上記半導体アレイ素子を１つのペルチェ上に搭載することを特徴とする。

また、本発明に係る光送信モジュールは、上記レーザモジュールを搭載することを特徴とする。

また、本発明に係る光伝送装置は、光送信モジュールを搭載することを特徴とする。

複数の波長のレーザダイオードとＥＡ変調器をモノリシックに集積し、回折格子とメサ幅を、それぞれ複数の素子一括で作製し、発振波長差を高精度で制御することによって、１つのペルチェ素子上の温調で、目的の波長に合わせることが可能となる。このため、部品点数の削減、小型化、低コスト化が期待できる。また、回折格子とメサ幅をそれぞれ全素子一括で形成することによって、素子間の発振波長差がそろい、１つのペルチェ素子で温調可能、かつ波長歩留まりが向上する。

［実施形態１］
本発明の実施形態１におけるＥＡ変調器集積型レーザアレイを、ＩｎＰ系材料を用いた実施形態を用いて説明する。図１はＥＡ変調器集積型レーザアレイの斜視図である。このＥＡ変調器集積型レーザアレイは、光源であるレーザ部１０７と、光のスイッチとなるＥＡ変調器部１０８と、が単一の半導体上に集積され、４波長分並んでいるものである。発振波長λ_ｃ１の素子については、レーザ部１０７にて切断した図になっている。レーザ部共振器長は４００μｍ、ＥＡ変調器長は１５０μｍ、レーザ部１０７とＥＡ変調器部１０８との間は４０μｍとした。

λ_ｃ１のレーザ部１０７に電流を流すと波長λ_ｃ１でレーザ発振する。発生したレーザ光はＥＡ変調器部１０８を通り外部へと出力されるが、ＥＡ変調器部１０８に逆バイアスを印加すると光が吸収される。ＥＡ変調器部１０８のバイアスを２５Ｇｂｉｔ／ｓでＯＮ，ＯＦＦすることにより、光のＯＮ，ＯＦＦを行う。光のＯＮ，ＯＦＦを全素子λ_ｃ１、λ_ｃ２、λ_ｃ３、λ_ｃ４で行い波長多重することで、１００Ｇｂｉｔ／ｓで伝送を行う。

図２は、実施形態１におけるＥＡ変調器集積型レーザアレイの作製工程を示すフロー図である。同図に示すように、まず、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上にＩｎＧａＡｓＰ系活性層を結晶成長する（Ｓ１０）。レーザ部活性層１０３と、ＥＡ変調器部活性層１０４のフォトルミネッセンス波長はＥＡ部の方が数１０ｎｍ短波になるため、図３のように、選択成長法（ＳＡＧ）を使う。選択成長マスク３０１の幅は、レーザ部１０７における幅Ｗ_{ＳＡＧ−ＬＤ}＞ＥＡ変調器部１０８における幅Ｗ_{ＳＡＧ−ＥＡ}とし結晶成長する。ここでは作製の容易さのため各素子間でレーザ部１０７、ＥＡ変調器部１０８はそれそれ一定の幅とする。

次に、図４のようにレーザ部のみに回折格子を作製する（Ｓ１２）。本実施形態では、均一性が高く短時間で作製が可能な干渉露光を用いた。

この上に亜鉛１０^１７程度のｐ−クラッド層１０５を結晶成長させ（Ｓ１４）、回折格子層を埋め込んだ形状が図５である。

次に図６に示すメサ構造を作製する（Ｓ１６）。レーザダイオードの発振波長λは回折格子のピッチΛと等価屈折率ｎ_ｅｆｆによりλ＝２Λｎ_ｅｆｆ（Ｗ_ＬＤ，ｔ_ＬＤ）で与えられる。ここでｎ_ｅｆｆはレーザ部のメサ幅Ｗ_ＬＤと活性層厚ｔ_ＬＤの関数である。本実施形態においてΛは各素子間で変えずに、レーザ部のメサ幅Ｗ_ＬＤを変えることによってｎ_ｅｆｆを変え発振波長を変えている。発振波長はレーザ部のメサ幅０．１μｍに対し約１ｎｍ変化し、導波路の単一横モード発振条件が１．８μｍ以下であったので、１．２〜１．８μｍとし、ＥＡ部はメサ幅増加により面積が増加すると高周波特性が劣化するので、１．２μｍとした。ここで選択成長マスク３０１の幅Ｗ_{ＳＡＧ−ＬＤ}は各素子一定なので、ｔ_ＬＤは同一となる。

本実施形態では隣接する素子の波長間隔Δλ＝２ｎｍである場合を想定しているため、各素子の波長が±０．５ｎｍ以内に入っている必要がある。回折格子を各素子ごとに作った場合、回折格子ピッチの作製ばらつきにより発振波長がばらつき、図８の白丸８０１ように、狙いの波長に対してプラス方向マイナス方向ランダムにばらついてしまうが、本実施形態で述べた干渉露光法により均一な回折格子を一度に作る場合、回折格子ピッチのばらつきは小さくなる。

ｎ_ｅｆｆを変えるために図６のレーザ部のメサ幅Ｗ_ＬＤ１〜Ｗ_ＬＤ４を変えるが、このパターンはフォトリソグラフィによって一度に作ることができる。一般に、フォトリソグラフィの精度は、露光量、フォトレジスト膜厚などによって決まるが、４素子のメサ形成を一度のフォトリソグラフィで行う場合、レーザ部のメサ幅Ｗ_ＬＤ１〜Ｗ_ＬＤ４が全体的に太くなったり、細くなったりする。しかし、太さの差Ｗ_ＬＤ４−Ｗ_ＬＤ３、Ｗ_ＬＤ３−Ｗ_ＬＤ２、Ｗ_ＬＤ２−Ｗ_ＬＤ１のばらつきは小さくなるので、ｎ_ｅｆｆ４−ｎ_ｅｆｆ３、ｎ_ｅｆｆ３−ｎ_ｅｆｆ２、ｎ_ｅｆｆ２−ｎ_ｅｆｆ１のばらつきも小さくなり、隣接する素子の発振波長差Δλ：λ_ｃ４−λ_ｃ３、λ_ｃ３−λ_ｃ２、λ_ｃ２−λ_ｃ１のばらつきを原理的に小さくすることができる。つまり、図８の黒丸８０２のように目的の波長に対する出来上がり波長のずれが一定となる。

通常、発振波長は駆動温度により微調整が可能だが、４素子を一つの半導体チップにアレイ集積している場合、隣接する素子間で温度を変えることは不可能である。隣接する素子の波長差Δλが一定になっていることによって、図９のように１つのペルチェ素子による温度調整で、全素子の発振波長の目標波長に対するずれが、所望の±０．５ｎｍとすることが可能となる。このとき、レーザ部活性層の利得波長と発振波長の差であるΔＧが各素子によって異なってしまうが、利得が得られる波長は十数ｎｍ程度にわたるので、最短波のλ_ｃ１と最長波λ_ｃ４の発振波長差６ｎｍは、レーザ特性として問題とはならない。

一方ＥＡ変調器の吸収波長と発振波長の差ΔＨも同様に、最短波のλ_ｃ１と最長波λ_ｃ４で６ｎｍの差ができてしまうが、６ｎｍ程度の波長差の場合、消光特性が十分に取れるため問題とはならない。

短時間で一括に均一な回折格子を作製できる干渉露光と、フォトリソグラフィによるメサマスク形成により、発振波長差Δλを高精度に制御することができる。

この後、図７のようにメサ脇部分をＦｅ−ＩｎＰやＲｕ−ＩｎＰなどの高抵抗の半導体である高抵抗埋め込み層１０２を結晶成長させ（Ｓ１８）、絶縁膜、電極１０６等を作製し（Ｓ２０）、バー化、無反射膜の堆積を行い（Ｓ２２）、さらにチップ化することにより（Ｓ２４）、図１のようなレーザアレイが作製される。

本実施形形態によれば、高速変調が可能で、１つのペルチェ素子で温調可能な半導体レーザアレイを高歩留まりに作製できるという効果が得られる。

［実施形態２］
本実施形態は、４素子間の特性ばらつきを抑制する必要があるシステムに用いる素子の作製に本発明を適用する場合の例である。

ＥＡ変調器は図１０に示す吸収ピーク波長１００２（λ_ＥＡ）とレーザ部１００１（λ_ｃ）の発振波長差である離調量ΔＨによって消光比、温度特性が決まる。各素子で発振波長が異なるため、ＥＡ変調器部の活性層が同一仕様では、発振波長毎に離調量ΔＨが異なってしまうため特性が変わってしまう。特に大きな消光比が必要な用途の場合など、各素子の離調量ΔＨが最適値となるように発振波長にあわせて吸収ピークを変える必要がある。活性層の結晶成長時、図３における選択成長マスク２０１のＥＡ変調器部における幅を、図１１のようにＷ_{ＳＡＧ−ＥＡ１}＜Ｗ_{ＳＡＧ−ＥＡ２}＜Ｗ_{ＳＡＧ−ＥＡ３}＜Ｗ_{ＳＡＧ−ＥＡ４}とすることによって、ＥＡ変調器部１０８の活性層厚がｔ_ＥＡ１＜ｔ_ＥＡ２＜ｔ_ＥＡ３＜ｔ_ＥＡ４となる。図１２のように量子井戸幅が広くなることによってエネルギー順位が下がり吸収波長が長波長化するため、ＥＡ変調器部吸収波長もλ_ＥＡ１＜λ_ＥＡ２＜λ_ＥＡ３＜λ_ＥＡ４となり、ΔＨ＝λ_ＥＡ１−λ_ｃ１≒λ_ＥＡ２−λ_ｃ２≒λ_ＥＡ３−λ_ｃ３≒λ_ＥＡ４−λ_ｃ４となるように作製し、消光特性、温度特性の差を小さくすることができる。ΔＨを一定にすることによって、４素子間の特性ばらつきを抑制することができる。なお、活性層の結晶成長以外の工程は実施形態１と同様であり、回折格子、およびメサ幅形成を全素子一括で行う。

本実施形態では作製が比較的容易となるように、ＥＡ変調器のメサ幅Ｗ_ＥＡを一定として作製しているが、ＥＡ変調器は逆バイアスで駆動するので、離調量ΔＨを一定にするためＥＡ変調器部の活性層の厚さｔ_ＥＡを変えると、空乏層の厚さの違いによって容量成分が変わり、周波数特性が異なってしまう。Ｃ＝εｓ／ｄであり面積ｓは変調器長と光導波路幅の積で与えられる。図１のＥＡ変調器部１０８の長さは各素子約１５０μｍで同じなので、Ｗ_ＥＡ１／ｔ_ＥＡ１＝Ｗ_ＥＡ２／ｔ_ＥＡ２＝Ｗ_ＥＡ３／ｔ_ＥＡ３＝Ｗ_ＥＡ４／ｔ_ＥＡ４とすることにより、各素子間で空乏層容量が等しくなり、電気的特性がそろった変調器を作ることが可能である。

本実施形態ではレーザ部の作製が比較的容易になるよう、レーザ部活性層のゲインピーク波長を発振波長に合わせて変えていないが、ＥＡ部と同様にしてレーザ部も選択成長マスク幅を変えることによりレーザ部の離調量ΔＧを各素子で一致させることができる。

本実施形態では活性層の結晶成長が１回で済み作製が容易となるよう、レーザ部とＥＡ変調器の活性層を、選択成長法を用いて作製しているが、レーザ部、ＥＡ変調器部の活性層の多層構造、材料を変え高性能化するため再成長を行うことでも作製が可能である。例えば、S. Makino, “Uncooled CWDM 25-Gbit/s EA/DFB Lasers for Cost-Effective 100-Gbit/s Ethernet Transceiver over 10-km SMF Transmission”, 2008 OFC/NFOEC Postdeadline Paper, 21のようにバットジョイント技術を用いることで、ＥＡ変調器部活性層にＩｎＧａＡｌＡｓ系、レーザ部活性層にＩｎＧａＡｓＰ系とし、ＥＡ部消光特性とレーザ部の高信頼性を両立することができる。

本実施形態ではＩｎＰ系材料を用いて作製したが、ほかのＧａＡｓ材用系などでも同様に適用できる。

本実施形態では容量１００Ｇｂｉｔ／ｓの伝送用に４素子アレイの集積の例で説明を行ったが、４素子に限らず例えば１０素子を集積化する場合にも同様に適用できる。

［実施形態３］
本発明を半導体光素子モジュールに適用した例について説明する。図１３は、４波長集積した半導体レーザアレイを用いた４波長集積レーザモジュールの一例を示す図である。

実施形態１及び実施形態２で述べたＥＡ変調器集積レーザアレイ１３０１を高周波設計がなされたチップキャリア１３０２に搭載する。これをペルチェ素子１３０３上に実装したものを、アイソレータ１３０４、レンズアレイ１３０５、光合波器１３０６、フォトダイオード１３０７、光ファイバ１３０８、サーミスタ１３０９と共に同一パッケージ内に実装する。

ＥＡ変調器集積レーザアレイ１３０１より発生した２５Ｇｂｉｔ／ｓで変調された光は、レンズアレイ１３０５及びアイソレータ１３０４を通り、光合波器１３０６によって合波されて１本の光ファイバ１３０８に伝送される。このときサーミスタ１３０９によって温度を測定し、発振波長が目的の波長となるよう常にペルチェ素子１３０３によって温度を制御している。

本実施形態を適用した発振波長差を高精度で制御した半導体レーザアレイを用いることで、温度を１つのペルチェ素子上で制御して目的の波長に合わせることが可能となる。図１４がペルチェ素子による温度調整と各素子の発振波長を示した図で、レーザアレイの温度が２５℃においては、全素子が狙いの波長に対し短波で発振しているが、ペルチェを２８℃にすることで、発振波長が長波側に遷移し、狙い波長±０．５ｎｍに全素子を合わせることができる。このようにペルチェの温度制御だけで全素子を狙い波長±０．５ｎｍ内に入れることが可能であるのは、波長を決定する回折格子とメサ幅を全素子一括で作製することによりばらつきが低減し、隣接する素子間の発振波長差のばらつきが小さくなることに起因している。それぞれ１素子が２５Ｇｂｉｔ／ｓで動作し、２ｎｍ間隔の異なる４波長λ_ｃ１、λ_ｃ２、λ_ｃ３、λ_ｃ４を合派して１本の光ファイバで伝送することにより、１００Ｇｂｉｔ／ｓの容量を実現できる。この４波長集積した半導体レーザアレイを搭載したレーザモジュールを用いることにより、通常４つ必要になるレーザモジュールが１つとなり、部品点数の削減、小型化、低コスト化できる。

［実施形態４］
図１５は、１０波長集積したレーザアレイを用いた１０波長集積レーザモジュールの一例を示す図である。１０波長集積すると、電気のクロストークが懸念されるが、近年発展している高周波実装技術で実現可能であり、大きな効果が期待できる。

［実施形態５］
実施形態３および実施形態４で示したレーザモジュールを適用した光送信モジュールを、光伝送装置もしくはルータなどに組み込むことにより、小型、低コストで大容量の通信を実現できる。

本発明の実施形態１におけるＥＡ変調器集積型レーザアレイの斜視図である。 実施形態１におけるＥＡ変調器集積型レーザアレイの作製工程を示すフロー図である。 実施形態１における選択成長法を示す図である。 実施形態１におけるレーザ部の回折格子形成を示す図である。 実施形態１におけるｐ−クラッド層の結晶成長を示す図である。 実施形態１におけるメサ形成を示す図である。 実施形態１における高抵抗埋め込み層の結晶成長を示す図である。 波長制御方法の違いによる出来上がり波長のばらつきを示す図である。 波長の温度調整による目標波長への合わせこみを示す図である。 ＥＡ変調器の離調量ΔＨを示す図である。 実施形態２におけるＥＡ変調器の離調量ΔＨを一定にする選択成長マスクの形状を示す図である。 量子井戸における井戸幅とエネルギー順位を示す図である。 ４波長集積レーザモジュールの一例を示す図である。 ペルチェ素子による温度調整と各素子の発振波長を示す図である。 １０波長集積レーザモジュールの一例を示す図である。

符号の説明

１０１ ｎ−ＩｎＰ基盤、１０２ 高抵抗埋め込み層、１０３ レーザ部活性層、１０４ ＥＡ変調器部活性層、１０５ ｐ−クラッド層、１０６ 電極、１０７ レーザ部、１０８ ＥＡ変調器部、Ｗ_ＬＤ１〜Ｗ_ＬＤ４ レーザ部メサ幅（光導波路幅）、Ｗ_ＥＡ１〜Ｗ_ＥＡ４ ＥＡ変調器部メサ幅（光導波路幅）、ｔ_ＬＤ１〜ｔ_ＬＤ４ レーザ部活性層厚、ｔ_ＥＡ１〜ｔ_ＥＡ４ ＥＡ変調器部活性層厚、２０１，３０１ 選択成長マスク、８０１ 白丸、８０２ 黒丸、１００１ レーザ部発振波長、１００２ ＥＡ部吸収波長、１３０１ ＥＡ変調器集積レーザアレイ、１３０２ チップキャリア、１３０３ ペルチェ素子、１３０４ アイソレータ、１３０５ レンズアレイ、１３０６ 光合波器、１３０７ フォトダイオード、１３０８ 光ファイバ、１３０９ サーミスタ。

Claims (5)

1. 複数の電界吸収型変調器集積レーザダイオードが、同一半導体基板上にモノリシックにアレイ集積され、アレイ内の各素子で発振波長が異なり、
   隣接する素子の導波路に形成される回折格子が同一構造であり、導波路幅が異なる、
   ことを特徴とする半導体アレイ素子。
2. 請求項１に記載の半導体アレイ素子において、
   前記レーザダイオードは、隣接する素子との発振波長差におけるばらつきが±０．５ｎｍ以下である、
   ことを特徴とする半導体アレイ素子。
3. 請求項１または２に記載の半導体アレイ素子を１つのペルチェ上に搭載する、
   ことを特徴とするレーザモジュール。
4. 請求項３に記載のレーザモジュールを搭載する、
   ことを特徴とする光送信モジュール。
5. 請求項４に記載の光送信モジュールを搭載する、
   ことを特徴とする光伝送装置。

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