JP2010239056A - 半導体素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速で長距離伝送が可能な、アンクールドタイプの電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザの提供。
【解決手段】変調器部に位置する活性層の半導体材料及びメサ構造を最適化し、かつ、所定の温度におけるレーザ部の発振波長に対して、レーザ部の利得ピーク波長の適合値及び変調器部のフォトルミネッセンス波長の適合値の範囲を求め、それら適合値の範囲のいずれかの値になるよう設計してレーザ部及び変調器部を作製する。
【選択図】図５

Description

本発明は、電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザに関する。特に、長距離伝送用であり、高速通信可能であり、広い温度範囲で安定的に動作する電界吸収型変調器集積分布帰還型レーザを搭載して駆動する光送信モジュール、光送受信器の小型化、低コスト化、低消費電力化の実現に関する。

近年のブロードバンドネットワークの飛躍的な発展に伴い、都市間を結ぶメトロ系光通信網では、１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の伝送速度といった高速通信が必要とされている。そのメトロ系光通信網では、ファイバ伝送距離が４０ｋｍもしくは８０ｋｍといった長距離伝送が求められている。加えて、同時に、光送受信器のさらなる小型化・低消費電力化が望まれている。

[従来技術１]
従来技術にかかる光送受信器には、温度調整器が備えられ、温度一定の条件下で、安定して光出力を得ている光送受信器がある。しかし、温度調整器の存在により、光送受信器の小型化は阻害されることとなり、また、温度調整器の電力消費により、光送受信器の低消費電力化も阻害されることになる。

よって、光送受信器の小型化・低消費電力化には、この温度調整器を必要とせず、広い温度領域のすべてにおいて、安定的に光出力する光送受信器が有効である。温度調整器を必要としないレーザ素子は、アンクールドタイプとも呼ばれている。

たとえば、従来技術に係る光学素子として、分布帰還型レーザ（以下、ＤＦＢ（Distributed FeedBack）レーザと記す）であって直接に変調を行う直接変調型ＤＦＢレーザがある。ここで、直接変調型とは、小さな光出力となる発振閾値電流付近である数ｍＡの電流をバイアスし、十分大きな光出力となる数十ｍＡの電流を、例えば１０Ｇｂｉｔ／ｓの変調速度で印加することによって、光のオン・オフを制御している。直接変調型ＤＦＢレーザでは、温度変化に強い材料の選択や、素子の放熱性の向上などにより、素子温度−５℃から８５℃程度までの広温度範囲で動作させることが出来る。よって、温度調節器を必要としないアンクールドタイプのレーザ素子として、同軸型パッケージを用いた小型なレーザモジュールに搭載することができ、小型化を実現できる。

[従来技術２]
変調速度１０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速光信号を４０ｋｍ以上伝送するためには、光のオン・オフを制御する変調器部が、レーザ部本体の外部に備えられる場合がある。その中でも、電界吸収型変調器（以下、ＥＡ（Electro-Absorption）変調器と記す）とＤＦＢレーザとを同一半導体基板上に集積したＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、光ファイバの伝送損失の小さい１５５０ｎｍ波長帯で、伝送距離４０ｋｍ以上の長距離伝送用レーザモジュールに用いられている。

特開２００７−２７９４０６号公報

Optical Fiber Communication Conference 2003, PD42 Optical Fiber Communication Conference 2005, PDP14

しかしながら、従来技術１に係る光学素子である直接変調型ＤＦＢレーザは、光ファイバへの分散耐力の指標であるチャーピングが大きいため、伝送距離はせいぜい１０ｋｍにとどまり、例えばファイバ分散が大きい１５５０ｎｍ波長帯で４０ｋｍ以上のシングルモードファイバを伝送する光送受信器に適用することは困難である。

これに対して、従来技術２に係る光学素子であるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、直接変調型ＤＦＢレーザと比較して、チャーピングが小さいので、長距離伝送に適していると言える。

ここで、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザについて、説明する。ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザとは、一定電流で駆動するＤＦＢレーザ部と、バイアス電圧と変調振幅電圧を印加して動作させるＥＡ変調器部とを、同一半導体基板上に集積させた光学素子である。多重量子井戸（以下、ＭＱＷ（Multi Quantum Well）と記す）に電界を印加すると、吸収端波長が長波長側にシフトするという量子閉じ込めシュタルク効果（以下、ＱＣＳＥ（Quantum Confined Stark Effect）と記す）が知られている。ＥＡ変調器は、このＱＣＳＥを利用して、その活性層を構成しているＭＱＷ層に、電界を印加することで、ＤＦＢレーザ部からの連続発振光のオン・オフを制御する変調器である。

ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの光出力特性・変調特性・伝送特性などの特性は、備えられたＥＡ変調器部の特性に依るところも多い。そして、ＥＡ変調器部の特性を決めるパラメータの一つとして、デチューニング量ΔＨがある。ここで、デチューニング量ΔＨとは、ＥＡ変調器のフォトルミネッセンス波長Λ_ＥＡとＤＦＢレーザ部の発振波長λ_ＤＦＢの差、すなわち、ΔＨ＝λ_ＤＦＢ−Λ_ＥＡで定義される。

一般に、デチューニング量ΔＨが大きくなると、ＥＡ変調器の消光特性・チャープ特性が劣化する。逆に、デチューニング量ΔＨが小さくなると、ＥＡ変調器での光吸収量が増大するため高速変調特性が劣化する。デチューニング量ΔＨの大小は、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの温度と密接な関係がある。なぜなら、ＤＦＢレーザ部の発振波長λ_ＤＦＢとＥＡ変調器のフォトルミネッセンス波長Λ_ＥＡの温度依存性は、それぞれ、約０．１ｎｍ／℃、約０．６ｎｍ／℃と、異なっているからである。前者は、温度上昇とともに半導体の屈折率が増大する効果により、後者は、温度上昇による熱膨張のためエネルギーバンドギャップが小さくなる効果によるものである。言い換えると、デチューニング量ΔＨは約−０．５ｎｍ／℃の温度依存性を有するため、低温時にはデチューニング量ΔＨが大きく、高温時にはデチューニング量ΔＨが小さいことになる。

ＥＡ変調器部の特性の１つである損失は、デチューニング量ΔＨに大きく依っている。ここで、損失には、電圧を印加しない状態、すなわち、無バイアス状態における光吸収による損失と、バイアス電圧と変調振幅電圧を印加した場合、すなわち、変調状態における損失、とがある。前者は基礎吸収による挿入損と、後者は変調損と、呼ばれている。

変調損は、ＥＡ変調器部のＭＱＷ層の構造やＥＡ変調器部の全長によって多少変わるが、およそ５〜６ｄＢ程度である。一方、基礎吸収による挿入損は、デチューニング量ΔＨによって大きく変動する。

ＥＡ変調器部を温度一定にして使用する場合、その駆動温度での損失と消光比とのバランスを考慮して、最適なデチューニング量ΔＨに設計する。一般には、デチューニング量ΔＨの設定を５０ｎｍ以上６０ｎｍ以下のいずれかの値にするのが一般的である。ところが、アンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザでは、例えば、−５℃以上８５℃以下の広い温度領域での使用が想定されている。そうなると、ある温度において最適なデチューニング量ΔＨであったとしても、デチューニング量ΔＨの温度依存性により、低温においては、デチューニング量ΔＨが大きくなり、損失は十分小さいものの消光比が不足する。逆に、高温においては、デチューニング量ΔＨが小さくなり、十分に大きな消光比は得られるが損失が大きくなってしまう。

よって、アンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを用いて長距離伝送を行うためには、広い温度範囲においてＥＡ変調器部での損失を小さくし、かつ、大きな消光比を得ることが必要である。

また、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの特性は、ＤＦＢレーザ部の特性に依るところも多いのは言うまでもない。ＤＦＢレーザ部には、広い温度範囲において、所定の駆動電流によって、大きな光出力が得られることが求められる。

ＤＦＢレーザ部では、高温において、ＤＦＢレーザ部を構成するＭＱＷ層内に注入されたキャリアが、熱的励起により高いエネルギーまで分布している。それゆえ、このキャリアがＭＱＷ層の外へオーバーフローしやすくなっており、これにより、発振に寄与できるキャリアの数が減少してしまう。その結果、光発振するための発振閾値電流が増大し、これに応じて、光出力が減少する。そのため、高温時において、大きな光出力が得られるよう、ＤＦＢレーザ部を構成するＭＱＷ層に含まれる障壁層の組成波長を小さくしてキャリアのオーバーフローを抑制したり、放熱性を向上させたりするなど、ＭＱＷ層の構造の最適化を行う必要がある。

さらに、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧを適切に設定することが必要となる。ここで、デチューニング量ΔＧとは、ＤＦＢレーザ部の特性を決めるパラメータの一つであり、ＤＦＢレーザ部の発振波長λ_ＤＦＢとＤＦＢレーザ部の利得ピーク波長λ_ｇａｉｎとの差、すなわち、ΔＧ＝λ_ＤＦＢ−λ_ｇａｉｎで定義される。

デチューニング量ΔＧは、ＥＡ変調器部におけるデチューニング量ΔＨと同様に、温度依存性を有している。ＤＦＢレーザ部の発振波長λ_ＤＦＢの温度依存性は、前述の通り、約０．１ｎｍ／℃であり、また、ＤＦＢレーザ部の利得ピーク波長λ_ｇａｉｎの温度依存性は、約０．６ｎｍ／℃であるため、デチューニング量ΔＧは、デチューニング量ΔＨとほぼ同様に、約−０．５ｎｍ／℃の温度依存性を有している。

ＤＦＢレーザ部を温度一定にして使用する場合、その駆動温度における適合値にデチューニング量ΔＧを設計することで、利得が大きい条件のもとでレーザ発振が得られる。ここで、デチューニング量ΔＧの適合値とは、駆動温度において、例えば、−１０ｎｍ以上０ｎｍ以下の範囲である。ところが、アンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザでは、例えば、−５℃以上８５℃以下の広い温度領域での使用が想定されている。そうなると、ある温度においてデチューニング量ΔＧの適合値の範囲内で、当該レーザが設計されていたとしても、デチューニング量ΔＧの温度依存性により、他の温度において使用される場合、利得が非常に小さくなり、レーザ発振するための発振閾値電流が増大し、所望の特性が得られなくなる。また、デチューニング量ΔＧの変化に伴い、ＤＦＢレーザ部が２次の横モードを発振しやすくなったりもする。それゆえ、広い温度範囲において、安定的に発振するＤＦＢレーザ部の作製は困難なものとなっている。

したがって、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、アンクールドとしてではなく、レーザモジュールに、ペルチエなどの温度調整器部を備えることで、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの温度を一定に保って使用されることが一般的である。たとえば、２５℃から３５℃の温度領域の中の温度に保つレーザ素子をクールドタイプ、４０℃から６０℃の温度領域の中の温度に保つレーザ素子をセミクールドタイプなどと呼んでいる。最近では、クールドタイプのレーザ素子を用いた場合に比べて、温度調整器部の消費電力を１Ｗ程度低減できるセミクールドタイプのレーザ素子を用いた光送受信器の製品化が主流となっている。しかしながら、温度制御するペルチエなど温度調整器が必要なため、ボックス型のレーザモジュールに搭載することしかできず小型化が阻害され、また、温度調整器が電力消費するため、低消費電力化への隘路となっている。

これに対して、さらなる小型・低消費電力化のためには、前述した直接変調型レーザと同様に、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザも−５℃から８５℃までアンクールドタイプとして動作することが望まれており、最近、開発が盛んに進められている。前述した通り、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの特性は、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨの大きさに依っており、デチューニング量ΔＨは、素子温度によって大きく左右される。しかしながら、例えば、特許文献１に記載のあるように、ＥＡ変調器部の活性層を構成するＭＱＷ層に含まれている障壁層の組成波長の適合範囲を定めたり、広い温度領域において駆動させるのに適合するデチューニング量ΔＨの適合値を定めることにより、広い温度領域において、変調特性と伝送特性の向上がなされている。

また、その際、温度によってＥＡ変調器に印加する逆バイアスを変化させて、デチューニング量ΔＨの温度依存性を補償する駆動を行う。この手法を用いたアンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの公知例として、例えば、非特許文献１、あるいは、非特許文献２がある。

例えば、高温において、ＥＡ変調器部での基礎吸収による挿入損を３ｄＢ、変調損を６ｄＢ、レーザモジュール搭載の際のファイバ結合損を３ｄＢと仮定すると、１２０ｍＡ程度のレーザ駆動電流でＤＦＢレーザ部単体として＋１３ｄＢｍ（２０ｍＷ）の光出力が必要となるが、従来技術に係るアンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザにおいては、そのため、例えば、ＸＦＰ（ＩＲ）の光出力規格である０ｄＢｍを、広い温度領域においてすべて満足するには至っていない。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、高速で長距離伝送が可能なアンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを提供することにある。

（１）本発明に係るレーザ素子は、分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層と、該量子井戸層の両側部に隣接して配置される半絶縁半導体からなる埋め込み層と、を含み、前記埋め込み層は、不純物としてルテニウムが添加される、ことを特徴とし、本発明は、当該レーザ素子の製造方法であって、所定の温度において、レーザ光の発振波長と利得ピーク波長の差がそれぞれ異なる複数の前記レーザ部それぞれについて、所定の温度領域の最低温度及び最高温度における発振閾値電流を測定するステップと、複数の前記レーザ部それぞれについて、前記最低温度における発振スペクトルを測定するステップと、前記最低温度において、前記発振閾値電流と前記発振スペクトルに基づいて、所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の下限値を求めるステップと、前記最高温度において、前記発振閾値電流に基づいて、前記所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の上限値を求めるステップと、所定の温度において、前記レーザ部のレーザ光の発振波長と前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の差がそれぞれ異なる複数の前記変調器部それぞれについて、前記最低温度における動的消光比を測定するステップと、複数の前記変調器部それぞれについて、前記最高温度における基礎吸収による挿入損を測定するステップと、前記動的消光比の値が、所定の値以上となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の下限値を求めるステップと、前記挿入損の値が、所定の値以下となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の上限値を求めるステップと、前記上限値と前記下限値を満たす前記利得ピーク波長となるよう、前記レーザ部を形成するステップと、前記上限値と前記下限値を満たす前記フォトルミネッセンス波長となるよう、前記変調器部を形成するステップと、を含んでいる。

（２）本発明に係るレーザ素子は、分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層を含み、前記量子井戸層の上方にリッジ構造が配置される、ことを特徴とし、本発明は、当該レーザ素子の製造方法であって、所定の温度において、レーザ光の発振波長と利得ピーク波長の差がそれぞれ異なる複数の前記レーザ部それぞれについて、所定の温度領域の最低温度及び最高温度における発振閾値電流を測定するステップと、複数の前記レーザ部それぞれについて、前記最低温度における発振スペクトルを測定するステップと、前記最低温度において、前記発振閾値電流と前記発振スペクトルに基づいて、所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の下限値を求めるステップと、前記最高温度において、前記発振閾値電流に基づいて、前記所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の上限値を求めるステップと、所定の温度において、前記レーザ部のレーザ光の発振波長と前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の差がそれぞれ異なる複数の前記変調器部それぞれについて、前記最低温度における動的消光比を測定するステップと、複数の前記変調器部それぞれについて、前記最高温度における基礎吸収による挿入損を測定するステップと、前記動的消光比の値が、所定の値以上となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の下限値を求めるステップと、前記挿入損の値が、所定の値以下となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の上限値を求めるステップと、前記上限値と前記下限値を満たす前記利得ピーク波長となるよう、前記レーザ部を形成するステップと、前記上限値と前記下限値を満たす前記フォトルミネッセンス波長となるよう、前記変調器部を形成するステップと、を含んでいる。

（３）上記（１）及び（２）のいずれかに記載のレーザ素子の製造方法によって製造されるレーザ素子。

（４）本発明に係るレーザ素子は、分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層と、該量子井戸層の両側部に隣接して配置される半絶縁半導体からなる埋め込み層と、を含み、前記埋め込み層は、不純物としてルテニウムが添加され、２５℃における前記レーザ部の発振波長が１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下のいずれかであって、２５℃における前記レーザ部の利得ピーク波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より１０ｎｍ短く、２５℃における前記利得ピーク波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より２５ｎｍ短く、２５℃における前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より８０ｎｍ短く、２５℃における前記フォトルミネッセンス波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より１００ｎｍ短い、ことを特徴とする。

（５）本発明に係るレーザ素子は、分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層を含み、前記量子井戸層の上方にリッジ構造が配置され、２５℃における前記レーザ部の発振波長が１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下のいずれかであって、２５℃における前記レーザ部の利得ピーク波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より１０ｎｍ短く、２５℃における前記利得ピーク波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より２５ｎｍ短く、２５℃における前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より８０ｎｍ短く、２５℃における前記フォトルミネッセンス波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より１００ｎｍ短い、ことを特徴とする。

（６）上記（３）乃至（５）のいずれかに記載のレーザ素子を備える、同軸型レーザモジュール。

（７）上記（６）に記載の同軸型レーザモジュールを備える、ＸＦＰ光送受信器。

（８）上記（６）に記載の同軸型レーザモジュールを備える、ＳＦＰ＋光送受信器。

本発明を用いることによって、長距離伝送が可能なアンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ素子が実現できる。

異なるデチューニング量ΔＧを有するＤＦＢレーザ部について、８５℃及び−５℃における発振閾値電流の測定結果を示した図である。 異なるデチューニング量ΔＧを有するＤＦＢレーザ部について、−５℃における２次の横モード発生率の測定結果を示した図である。 異なるデチューニング量ΔＨを有するＥＡ変調器部について、８５℃における基礎吸収による挿入損と、−５℃における動的消光比の測定結果を示した図である。 ２５℃におけるＤＦＢレーザ部の発振波長が１５５０ｎｍの場合の、ＤＦＢレーザ部の発振波長と、ＤＦＢレーザ部の利得ピーク波長の適合値と、ＥＡ変調器部のフォトルミネッセンス波長の適合値の、温度変化を示した図である。 本発明の第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの上面図、ＥＡ変調器部の断面図、及び、ＤＦＢレーザ部の断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの上面図、ＥＡ変調器部の断面図、及び、ＤＦＢレーザ部の断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るレーザモジュールの側面図、及び、内部拡大図である。

以下に本発明に関する具体的な実施形態を詳細に説明する。

(第１の実施形態)
第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、波長帯が１５５０ｎｍであり、伝送速度が１０．７Ｇｂｉｔ／ｓである４０ｋｍ伝送用の光送受信器に搭載されるレーザである。温度変調器を必要としないアンクールドタイプのものであり、使用可能温度領域は、−５℃以上８５℃以下である。当該ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、後述する製造方法により、ＥＡ変調器部とＤＦＢレーザ部が同一基板上に形成される。

当該ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、アンクールドタイプのものであり、使用が想定されている温度領域において、いくつかのパラメータについて所定の条件を満たしているよう、以下のように、ＤＦＢ部及びＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＧ及びΔＨの適合値の範囲を求める。

[ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧ]
ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧを設計するための適合値を、最高温度ｔ_Ｈ及び最低温度ｔ_Ｌにおける発振閾値電流Ｉ_ｔｈと、最低温度ｔ_Ｌにおける発振スペクトルの測定により求める。

ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧは、前述の通り、温度依存性を有し、温度に応じてデチューニング量ΔＧは変化する。それゆえ、ｔ℃におけるデチューニング量ΔＧをΔＧ（ｔ）と表すこととする。

まず、同じ温度ｔにおいて異なるデチューニング量ΔＧ（ｔ）の値を有するよう設計して、複数のＤＦＢレーザ部を作製する。当該複数のＤＦＢレーザ部について、想定される使用温度領域の最高温度ｔ_Ｈ及び最低温度ｔ_Ｌのそれぞれにおいて、発振閾値電流Ｉ_ｔｈを測定する。レーザ部として使用するに十分な光出力を得るための発振閾値電流を所定の電流値として、測定された発振閾値電流Ｉ_ｔｈが所定の電流値以下となるＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧの範囲を求める。また、最低温度ｔ_Ｌにおいて、発振スペクトルを測定し、その発振スペクトルから、それぞれのデチューニング量ΔＧにおいて、２次の横モードが発振しておらず、１次の横モードのみが発振している状態になっているかどうかを判断する。そして、２次の横モードが発振せず、１次の横モードのみが発振している状態となる、ΔＧの範囲を求める。以上によって、求められたデチューニング量ΔＧの範囲をともに満たす範囲を求めることにより、デチューニング量ΔＧの適合値の設定範囲が得られる。

図１は、前述した複数のＤＦＢレーザ部について測定された最高温度ｔ_Ｈ＝８５℃及び最低温度ｔ_Ｌ＝−５℃における発振閾値電流Ｉ_ｔｈの測定結果を示したものである。横軸は、デチューニング量ΔＧであるが、デチューニング量ΔＧは温度依存性を有するため、複数のＤＦＢレーザ部の各々が有するデチューニング量ΔＧは、室温である２５℃に換算して、ΔＧ（ｔ＝２５）として表されている。前述の通り、デチューニング量ΔＧは、約−０．５ｎｍ／℃の温度依存性がある。例えば、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）が２０ｎｍである場合、最高温度ｔ_Ｈ＝８５℃におけるデチューニング量ΔＧ（ｔ＝８５）は、２０＋（−０．５）×（８５−２５）＝−１０ｎｍとなる。同様に、最低温度ｔ_Ｌ＝−５℃におけるデチューニング量ΔＧ（ｔ＝−５）は、２０＋（−０．５）×（−５−２５）＝３５ｎｍとなる。また、縦軸は発振閾値電流Ｉ_ｔｈの電流値であり、シンボル●及びシンボル□は、それぞれ、最低温度ｔ_Ｌ＝−５℃及び最高温度ｔ_Ｈ＝８５℃における発振閾値電流Ｉ_ｔｈの電流値が示されている。

デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）が３０ｎｍを超えると、最低温度ｔ_Ｌ＝−５℃における発振閾値電流Ｉ_ｔｈが急激に増大している。ここで、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）＝３０ｎｍは、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝−５）＝４５ｎｍと、換算される。

一般には、低温において発振閾値電流Ｉ_ｔｈは小さいが、デチューニング量ΔＧが大きくなると、低温においても、急激に発振閾値電流Ｉ_ｔｈは急激に大きくなる。これは、ＭＱＷ構造の利得スペクトルが、その量子効果によって利得ピーク波長よりも長波長側は急峻に利得が小さくなる形状となっているからである。

たとえば最高温度ｔ_Ｈ＝８５℃での特性を優先させて、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝８５）＝０ｎｍ、すなわち、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）＝３０ｎｍとした場合、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝−５）＝４５ｎｍとなり、ｔ_Ｌ＝−５℃でレーザ発振するには、発振閾値電流Ｉ_ｔｈが大きくなっている状況となる。

よって、最低温度ｔ_Ｌ＝−５℃における発振閾値電流Ｉ_ｔｈの測定により、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）は、３０ｎｍ以下が望ましい。

一方、デチューニング量ΔＧは、高温において、より小さい値をとるので、設計次第では、負の値をとる場合がある。この場合、発振波長λ_ＤＦＢが、利得ピーク波長λ_ｇａｉｎよりも短波長側になっている。この場合、デチューニング量ΔＧが減少するにつれて、すなわち、発振波長λ_ＤＦＢが、利得ピーク波長λ_ｇａｉｎから短波長側へより離れていくにつれて、発振閾値電流Ｉ_ｔｈは増大することがわかる。図１に示す通り、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）が１０ｎｍを下回ると、発振閾値電流Ｉ_ｔｈは４０ｍＡを超えてしまう。このとき、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝８５）＝−２０ｎｍとなり、発振波長λ_ＤＦＢが利得ピーク波長λ_ｇａｉｎよりも２０ｎｍも短波長側にずれている。ｔ_Ｈ＝８５℃におけるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの効率は、ＭＱＷ構造の最適化などにより約０．２５Ｗ／Ａを達成することは可能であるが、発振閾値電流Ｉ_ｔｈが４０ｍＡを超えてしまうと、駆動電流を１２０ｍＡとしても２０ｍＷという光出力を得ることは困難となる。

よって、最高温度８５℃における発振閾値電流の測定により、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）は、１０ｎｍ以上が望ましい。

最低温度ｔ_Ｌ＝−５℃において、前述した複数のＤＦＢレーザ部について、発振スペクトルを測定する。その発振スペクトルより、１次の横モードが発振する波長における発振スペクトルの強度と、２次の横モードが発振する波長における発振スペクトルの強度を求める。そして、１次の横モードと２次の横モードの発振スペクトルの強度差が４０ｄＢ以上であれば、２次の横モードは発振していないと判断し、４０ｄＢ以下であれば、２次の横モードが発振していると判断する。

同じ条件で作製された複数のＤＦＢレーザ部について、測定された発振スペクトルにより、同じ条件において、２次の横モードが発振していると判断されたＤＦＢレーザ部の個数の、作製された複数のＤＦＢレーザ部全体の個数に対する割合を、２次の横モード発生率として、図２に示している。図２に示す通り、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）が２５ｎｍより小さい条件においては、その条件で作製されたＤＦＢレーザ部すべてにおいて２次の横モードが発振していないと判断された。すなわち、２次の横モードの発生率は０である。ところが、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）が２５ｎｍを超えると、すなわち、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝−５）が４０ｎｍを超えると、ｔ_Ｌ＝−５℃において２次の横モード発生率が急激に増大している。これは特に、ＤＦＢレーザ部の抵抗を下げる等の目的のために、メサ構造の幅を約２μｍ程度と若干大きな幅で設計した場合に起こりやすい現象である。

１次の横モードと２次の横モードとの実効屈折率差から計算される発振波長の計算値によると、１５５０ｎｍ波長帯の場合、２次の横モード発振波長が１次の横モード発振波長より約２０ｎｍ短い。−５℃においてデチューニング量ΔＧが４０ｎｍである場合、発振波長λ_ＤＦＢは、利得ピーク波長λ_ｇａｉｎより４０ｎｍも長波長側にずれているので、１次の横モードの利得がそれに応じて非常に小さくなっている。これに対して、２次の横モードの発振波長は、利得ピーク波長λ_ｇａｉｎから約２０ｎｍずれているに過ぎないため、２次の横モードが発振しやすくなっている。２次の横モードが発振すると、Ｉ−Ｌ特性に不連続キンクを引き起こしたり、ＥＡ変調器において消光比の劣化を引き起こしたりするなど、特性に悪影響を及ぼすこととなる。それゆえ、２次の横モード発生率の測定から、２５℃におけるデチューニング量ΔＧを２５ｎｍ以下にするのが望ましい。

[ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨ]
ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨを設計するための適合値を、最高温度ｔ_Ｈにおける基礎吸収による挿入損と、最低温度ｔ_Ｌにおける動的消光比の測定により求める。

ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧと同様に、ｔ℃におけるＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨをΔＨ（ｔ）と表すこととする。

まず、同じ温度ｔにおいて異なるデチューニング量ΔＨ（ｔ）の値を有するよう設計して、複数のＥＡ変調器部を作製する。当該複数のＥＡ変調器部について、想定される使用温度領域の最高温度ｔ_Ｈにおける基礎吸収による挿入損を、最低温度ｔ_Ｌにおける動的消光比を、測定する。変調器として使用するに十分な特性を有するための挿入損の値を所定値として、最高温度ｔ_Ｈにおける基礎吸収による挿入損の値が、その所定値以下となるように、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨの下限値を求める。同様に、変調器として使用するに十分な特性を有するための動的消光比の値を所定値として、最低温度ｔ_Ｌにおける動的消光比の値が、その所定値以上となるように、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨの上限値を求める。以上により、デチューニング量ΔＨの適合値の設定範囲が得られる。

図３は、前述した複数のＥＡ変調器部について測定された最高温度ｔ_Ｈ＝８５℃における基礎吸収による挿入損と、最低温度ｔ_Ｌ＝−５℃における動的消光比の測定結果を示したものである。ここで、動的消光比は、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄを２Ｖとして、測定を行った。横軸は、デチューニング量ΔＨである。デチューニング量ΔＨは、前述のデチューニング量ΔＧと同様に、温度依存性を有するため、図３における横軸は、室温である２５℃のデチューニング量ΔＨに換算して、ΔＨ（ｔ＝２５）として表されている。また、図３における縦軸は、シンボル●については、８５℃における基礎吸収による挿入損を、シンボル▲については、−５℃における動的消光比を、示している。

８５℃における基礎吸収による挿入損は、デチューニング量ΔＨが減少するとともに、増加し、デチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）が８０ｎｍ以下になると、３ｄＢよりも大きくなる。基礎吸収による挿入損が３ｄＢを超えると、ＤＦＢレーザ部のレーザ駆動電流Ｉ_ｆを１２０ｍＡ以上に上げなければ、高温駆動時に所望の光出力を得ることが困難になるので、デチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）が８０ｎｍ以上であることが望ましい。

−５℃における動的消光比は、デチューニング量ΔＨが増加するとともに、減少し、デチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）が１００ｎｍ以上になると、１０ｄＢ以下となる。この場合、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄを２Ｖでは駆動が困難となり、さらに、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄを２Ｖとより高くすることが必要となる。変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄを２Ｖで駆動させるためには、デチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）が１００ｎｍ以下であることが望ましい。

以上により求めた条件をすべて満たす範囲を求めると、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）の適合値は、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下であり、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）の適合値は、８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが得られた。なお、ここでは、発振波長が１５５０ｎｍの場合について説明したが、同じ波長帯となる発振波長が１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下についても、同様であることは言うまでもない。そして、これらデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）及びΔＨ（ｔ＝２５）を、波長帯１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下の発振波長λ_ＤＦＢに対して、エネルギー換算すると、ΔＧ（ｔ＝２５）は、およそ５ｍｅＶ以上１４ｍｅＶ以下、ΔＨ（ｔ＝２５）は、およそ４０ｍｅＶ以上６０ｍｅＶ以下となる。

また、２５℃における発振波長λ_ＤＦＢ、及び、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）とΔＨ（ｔ＝２５）より、２５℃におけるＤＦＢレーザ部の利得ピーク波長λ_ｇａｉｎ及びＥＡ変調器部のフォトルミネッセンス波長Λ_ＥＡの適合値の範囲が得られる。

図４は、２５℃における発振波長λ_ＤＦＢが１５５０ｎｍの場合について、ＤＦＢレーザ部の発振波長λ_ＤＦＢ、利得ピーク波長λ_ｇａｉｎの適合値、及び、ＥＡ変調器部のフォトルミネッセンス波長Λ_ＥＡの適合値、の温度変化を表している。ここで、横軸は、素子の温度ｔを、縦軸は波長λを、表している。

２５℃における発振波長λ_ＤＦＢが１５５０ｎｍであれば、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）の適合値の範囲は、１０ｎｍ以上２５ｎｍ以下であるので、２５℃におけるＤＦＢレーザ部の利得ピーク波長λ_ｇａｉｎの適合値の範囲は、１５２５ｎｍ以上１５４０ｎｍ以下となる。また、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）の適合値の範囲は、８０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であるので、２５℃におけるＥＡ変調器部のフォトルミネッセンス波長Λ_ＥＡの適合値の範囲は、１４５０ｎｍ以上１４７０ｎｍ以下となる。図４において、２５℃におけるこれら適合値の範囲が、それぞれ矢印で示されている。

これは、最低温度ｔ_Ｌ＝−５℃において、発振波長λ_ＤＦＢは１５４７ｎｍで、利得ピーク波長λ_ｇａｉｎの適合値は、１５０７ｎｍ以上１５２２ｎｍ以下、フォトルミネッセンス波長Λ_ＥＡの適合値は、１４３２ｎｍ以上１４５２ｎｍ以下に、相当している。また、最高温度ｔ_Ｈ＝８５℃において、発振波長λ_ＤＦＢは１５５６ｎｍで、利得ピーク波長λ_ｇａｉｎの適合値は１５６１ｎｍ以上１５７６ｎｍ以下、フォトルミネッセンス波長Λ_ＥＡの適合値は１４８６ｎｍ以上１５０６ｎｍ以下に、相当している。

[レーザの作製]
本実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの作製方法について、説明する。本レーザは、温度調整器を必要としないアンクールドタイプである。

複数のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが形成されるウエハを作製するウエハ工程について説明する。ウエハ全体の形状をしたｎ型半導体基板１０１上に、有機金属気相成長法（以下、ＭＯ−ＣＶＤ（Metal-Organic Chemical Vapor Deposition）法と記す）により、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層１０３、ＭＱＷ層１０４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層１０５、ｐ型ＩｎＰキャップ層が、順に、結晶成長される（ＥＡ変調器部１０６の第１多層成長）。ここで、ＭＱＷ層１０４は、井戸層と障壁層が共に、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓによって構成されており、井戸層は８層存在している。これらが、ＥＡ変調器部１０６の光閉じ込め層となる。

次に、こうして形成されたウエハ全体のうち、各ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのＥＡ変調器部１０６となる領域の上にのみ、熱気相成長法（以下、Ｔ−ＣＶＤ（Thermal-Chemical Vapor Deposition）法と記す）により、酸化膜（ＳｉＯ_２）が形成される。そして、ドライエッチング・ウェットエッチングが施され、このＥＡ変調器部１０６となる領域以外の領域に位置する、ｎ型ＩｎＰバッファ層１０２より上の多層部分が除去される。

その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層１０７、ＭＱＷ層１０８、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層１０９、１０ｎｍから２０ｎｍ程度の層厚のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１１０、ｐ型ＩｎＰキャップ層が、順に、結晶成長される（ＤＦＢレーザ部１１１の第１多層成長）。ここで、ＭＱＷ層１０８は、井戸層・障壁層が共に、アンドープＩｎＧａＡｓＰによって構成されている。これらが、ＤＦＢレーザ部１１１の光閉じ込め層をとなる。

ここで、上記により求まったＤＦＢレーザ部１１１及びＥＡ変調器部１０６のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）及びΔＨ（ｔ＝２５）の適合値の範囲にある値として、ＤＦＢレーザ部１１１のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）＝１５ｎｍと、ＥＡ変調器部１０６のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）＝９０ｎｍを選択した場合について、説明する。

デチューニング量ΔＧ及びΔＨを上記の値になるようＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを作製するために、室温２５℃において、ＥＡ変調器部１０６及びＤＦＢレーザ部１１１のフォトルミネッセンス波長が、それぞれ、１４６０ｎｍ、１５３０ｎｍとなるよう、また、ＤＦＢレーザ部１１１の利得ピーク波長λ_ｇａｉｎが１５３５ｎｍとなるよう、設定されている。

なお、ここではＥＡ変調器部１０６、ＤＦＢレーザ部１１１の順に形成されるとしたが、形成される順序は、どちらが先でもかまわない。ＥＡ変調器部１０６及びＤＦＢレーザ部１１１が形成された後、ＤＦＢレーザ部１１１のｐ型ＩｎＰキャップ層のみがエッチングされる。そして、各ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのＤＦＢレーザ部１１１となる領域の上にのみ、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層１１０に干渉露光法によって回折格子が形成される。このとき、２５℃におけるＤＦＢレーザ部１１１の発振波長λ_ＤＦＢが１５５０ｎｍとなるよう、ピッチが設計されることで、ＤＦＢレーザ部１１１のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）を１５ｎｍ、ＥＡ変調器部１０６のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）を９０ｎｍとすることが出来る。

ここで、例えば、同一基板内で上記とは異なる発振波長となる回折格子ピッチの設計を行ったＤＦＢレーザ部を作製することによって、１枚の基板の中で異なるデチューニング量ΔＧ（ｔ）及びΔＨ（ｔ）を有する複数のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが作製される。これら複数のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザにより、上述したように、デチューニング量ΔＧ若しくはΔＨの適合値を求めることが出来る。

さらに、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１２、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ層とｐ型ＩｎＧａＡｓ層の２層からなるｐ型コンタクト層１１３、ｐ型ＩｎＰ保護層が、順に、ＭＯ−ＣＶＤ法により、結晶成長される（第２多層成長）。これら多層の層厚の合計は、２μｍ程度が望ましい。第１多層、第２多層ともに、ｐ型半導体のドーパントとして、亜鉛（Ｚｎ）が用いられている。

次に、ストライブ状にパターニングし形成されたＳｉＯ_２膜をマスクに、ドライエッチングが施され、ＥＡ変調器部１０６及びＤＦＢレーザ部１１１に、幅２．０μｍ、深さ３．５μｍのメサ構造が形成される。このとき、ＥＡ変調器部１０６及びＤＦＢレーザ部１１１において、活性層となるＭＱＷ層１０４，１０８は、それぞれ、メサ構造の最下点から約１μｍの高さに位置している。その後、メサ構造の両脇に、厚さ４．５μｍ程度のルテニウム（Ｒｕ）をドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層１１４が形成される。形成される際の温度は、半絶縁性ＩｎＰ層１１４の抵抗率と埋め込み形状が最適になるように、５５０〜６００℃の間に設定される。

その後、ＥＡ変調器部１０６とＤＦＢレーザ部１１１になる領域の間にある領域のｐ型コンタクト層１１３が除去され、ＥＡ変調器部１０６のｐ型コンタクト層１１３とＤＦＢレーザ部１１１のｐ型コンタクト層１１３とが電気的に遮断される。そして、このウエハ全体が一旦パッシベーション（ＳｉＯ_２）膜１１５で保護され、ＥＡ変調器部１０６及びＤＦＢレーザ部１１１において、メサ部のパッシベーション膜１１５が部分的に除去されたスルーホールが形成された後、ｐ電極１１６が蒸着され、イオンミリングによって電極パターニングが行われる。最後に、ｎ型半導体基板１０１の下面が、ウエハ全体の厚さが１００〜１５０μｍになる程度まで研磨され、ｎ電極１１７が蒸着されて、ウエハ工程が完了する。

続いて、このウエハが、バー状の形状となるよう劈開され、レーザ素子の後方側（レーザ部側）の劈開面に、反射率９０％以上の高反射膜１１８が、レーザ素子の前方側（ＥＡ変調器部側）の劈開面に、反射率１％以下の無反射膜１１９が、コーティングされる。その後、さらに、チップ状に劈開され、ＥＡ変調器集積レーザそれぞれが作製される。以上により、作製されたＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの上面図と、ＥＡ変調器部１０６の断面（Ａ−Ａ）、ＤＦＢレーザ部１１１の断面（Ｂ−Ｂ）が、それぞれ、図５（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されている。

[レーザ素子の性能評価]
以上により作製されるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ素子を、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の５０Ω終端抵抗が配置されたチップキャリアに、ＡｕＳｎはんだにより搭載し、ＤＦＢレーザ部・ＥＡ変調器部の電極に、ワイヤを接続し、当該レーザ素子の性能評価を行った。

ＤＦＢレーザ部の特性は、素子温度Ｔ_ＬＤ＝−５℃のとき、発振閾値電流Ｉ_ｔｈ＝６．５ｍＡ、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝５０ｍＡでの光出力Ｐ_ｏ＝１２．６ｄＢｍ、レーザ部抵抗Ｒ_ｓ＝３．５Ω、発振波長λ_ＤＦＢ＝１５４７．６２ｎｍで、２次の横モードが発振することもなかった。また、素子温度Ｔ_ＬＤ＝８５℃のとき、発振閾値電流Ｉ_ｔｈ＝３２ｍＡ、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝１２０ｍＡでの光出力Ｐ_ｏ＝１０．４ｄＢｍ、レーザ部抵抗Ｒ_ｓ＝３．８Ω、発振波長λ_ＤＦＢ＝１５５６．１６ｎｍとなった。

次に、伝送速度１０．７Ｇｂｉｔ／ｓにおいて、４０ｋｍ（分散値８００ｐｓ／ｎｍ）伝送評価を行ったところ、以下の特性を得た。素子温度Ｔ_ＬＤ＝−５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝５０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖ_ｅａ＝−２．５Ｖ、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、変調時光出力Ｐ_ｍｏｄ＝＋６．８ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１０．６ｄＢ、パスペナルティＰ_ｐは０．８ｄＢとなった。また、素子温度Ｔ_ＬＤ＝８５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝１２０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖ_ｅａ＝−１．２Ｖ、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄ＝１．６Ｖにおいて、変調時光出力Ｐ_ｍｏｄ＝＋４．５ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１３．７ｄＢ、パスペナルティＰ_ｐ＝１．３ｄＢとなった。

これらの特性は、ＸＦＰ（ＩＲ）光送受信器の光送信規格を十分満足することができるものである。このように、ＥＡ変調器部の活性層にＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷを用いて、ΔＧ（ｔ＝２５）＝１５ｎｍ、ΔＨ（ｔ＝２５）＝９０ｎｍと、デチューニング量ΔＧ及びΔＨを適合値の範囲内になるよう設計を行い、また、Ｒｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層で埋め込みが行われたことで、広い温度領域にわたって、小さい発振閾値電流、高い光出力、低い抵抗、安定なシングルモード発振、消光比及びチャープ特性の両立とを、すべて実現することが出来ている。

なお、第１の実施形態にかかるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザでは、低温の消光特性と高温での挿入損特性を考慮して、ＥＡ変調器部に位置するＭＱＷ層１０４において、井戸層の層数は８層とした。これに対して、井戸層の層数を９層としたＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザにおいても、素子温度Ｔ_ＬＤ＝８５℃において変調時光出力Ｐ_ｍｏｄ＝４．２ｄＢｍ、素子温度Ｔ_ＬＤ＝−５℃において動的消光比ＡＣＥＲ＝１１．４ｄＢが得られている。井戸層が８層のものと比較すると、若干光出力特性が劣るが、実用可能な特性である。また、計算上、井戸層が７層から１０層まで、低温の消光特性と高温での光出力特性を満たすことが可能であることがわかっている。

[ＭＱＷ材料]
なお、本実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのＥＡ変調器部に位置するＭＱＷ層１０４を構成する材料として、ＩｎＧａＡｌＡｓ系を採用した。

クールドタイプもしくはセミクールドタイプのＥＡ変調器部では、ＩｎＧａＡｓＰ系によるＭＱＷ層が、従来において、一般に用いられてきた。しかしながら、ＩｎＧａＡｓＰ系によるＭＱＷ層によって構成されるＥＡ変調器部を、アンクールドタイプのレーザ素子で用いるならば、広い温度範囲において、消光比とチャープ特性を、所定の条件を同時に満たすことは困難である。なぜならば、ＩｎＧａＡｓＰ系によるＭＱＷ層は、比較的、価電子帯のバンドオフセットΔＥ_ｖが大きく、伝導帯のバンドオフセットΔＥ_ｃが小さいという特徴があるためである。

これに対して、ＩｎＧａＡｌＡｓ系によるＭＱＷ層は、ＩｎＧａＡｓＰ系によるＭＱＷ層と比較して、価電子帯のバンドオフセットΔＥ_ｖが小さく、伝導帯のバンドオフセットΔＥ_ｃが大きい。これにより、チャープ特性、すなわち伝送特性の改善の観点から、正孔の閉じ込めを弱くした場合においても、同時に電子の閉じ込めも十分強くすることができるので、低チャープと高消光比を両立することができる。

特に、一般に、低温においてデチューニング量ΔＨが大きくなり、高温と比較してチャープが大きくなるので、より大きな逆バイアス電圧を印加する必要がある。このように大きな逆バイアス電圧を印加した場合であっても、ＩｎＧａＡｌＡｓ系によるＭＱＷ層においては、ＭＱＷ層への電子の閉じ込めが可能であるため、大きな消光比が得られる。言い換えれば、ＩｎＧａＡｓＰ系によるＭＱＷ層を備えるＥＡ変調器部と同程度の消光比を得るためには、ＩｎＧａＡｌＡｓ系によるＭＱＷ層を備えるＥＡ変調器部は、変調振幅電圧をより小さくすることが出来るので、当該ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを搭載したレーザモジュールの低消費電力化を実現することが出来る。

[埋め込み層]
本実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのメサ構造の両脇に位置する半絶縁性埋め込み層のドーパント材料として、Ｒｕを採用した。

クールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのＥＡ変調器部では、半絶縁性埋め込み層のドーパント材料として、鉄（Ｆｅ）が一般には用いられてきた。しかし、Ｆｅは、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１２などｐ型半導体層のドーパント材料である亜鉛（Ｚｎ）との相互拡散が比較的大きい。

これに対して、Ｒｕは、Ｆｅと比較して、Ｚｎとの相互拡散が小さいことを特徴としている。そのＲｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層１１４が、メサ構造の両側を埋め込まれている。Ｆｅをドーパントとした場合と比較して、ｐ型ＩｎＰクラッド層１１２などのドーパントであるＺｎとの相互拡散が小さくなるので、光学素子構造として十分に高い電気抵抗を確保することが出来、ＤＦＢレーザ部に対して漏れ電流を低減することが可能となっている。特に、高温においても、ＤＦＢレーザ部への印加電流を効率よく活性層に流れるようにすることができ、発振閾値電流Ｉ_ｔｈが小さい値で維持されるので、小さい駆動電流においても十分大きな光出力を得ることができる。

同様に、ＥＡ変調器部では、活性層に印加する電界が、埋め込み層へ漏れるのを低減することができるため、特に、低温においても、活性層に効率よく電界がかかり、変調振幅電圧が小さくても所望の消光特性・伝送特性を得ることができる。

(第２の実施形態)
第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、波長帯が１５５０ｎｍであり、伝送速度が１０．７Ｇｂｉｔ／ｓである４０ｋｍ伝送用光送受信器に搭載されるレーザである。第１の実施形態にかかるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザと同様に、アンクールドタイプであり、使用可能温度領域は、−５℃以上８５℃以下である。

第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザと同様に、第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、使用が想定されている温度領域において、いくつかのパラメータについて所定の条件を満たしているよう、ＤＦＢ部及びＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＧ及びΔＨの適合値の範囲を求める。そして、デチューニング量ΔＧ及びΔＨがその適合値の範囲になるよう設計して、以下の作製方法により、当該ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを作製する。ここで、デチューニング量ΔＧ及びΔＨは、２５℃において、それぞれ、１５ｎｍ、９０ｎｍとしている。

[レーザの作製]
本実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの作製方法について、説明する。本レーザは、温度調整器を必要としないアンクールドタイプである。

複数のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが形成されるウエハを作成するウエハ工程について説明する。ウエハ全体の形状をしたｎ型半導体基板２０１上に、ＭＯ−ＣＶＤ法により、ｎ型ＩｎＰバッファ層２０２、ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層２０３、ＭＱＷ層２０４、ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層２０５、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２０６、ｐ型ＩｎＰキャップ層が、順に、結晶成長される（ＥＡ変調器部２０７の第１多層成長）。ここで、ＭＱＷ層２０４は、井戸層と障壁層が共に、アンドープＩｎＧａＡｌＡｓによって構成されており、井戸層は８層存在している。これらが、ＥＡ変調器部２０７の光閉じ込め層となる。ここで、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２０６は、数ｎｍから１０ｎｍ程度の層厚を有していれば十分である。

続いて、第１の実施形態と同様に、こうして形成されたウエハ全体のうち、各ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザのＤＦＢレーザ部２０８となる領域に位置する、ｎ型ＩｎＰバッファ層２０２より上の多層部分が、ドライエッチング・ウェッチングにより、除去される。

その後、ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層２０９、ＭＱＷ層２１０、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層２１１、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２１２、ｐ型ＩｎＰキャップ層が、順に、結晶成長される（ＤＦＢレーザ部２０８の第１多層成長）。ここで、ＭＱＷ層２１０は、井戸層・障壁層が共に、アンドープＩｎＧａＡｓＰによって構成されている。このとき、ＥＡ変調器部２０７のｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２０６と、ＤＦＢレーザ部２０８のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２１２との段差が２０ｎｍ以下になるように厚さ設計を行うとよい。

その後、第１の実施形態と同様の方法により、ＤＦＢレーザ部２０８において回折格子を形成し、また、ＥＡ変調器部２０７及びＤＦＢレーザ部２０８となる領域に、ｐ型ＩｎＰクラッド層２１３及びｐ型コンタクト層２１４、ｐ型ＩｎＰ保護層が、順に、結晶成長される（第２多層成長）。

デチューニング量ΔＧ及びΔＨが上記の値になるようＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを作製するために、第１の実施形態と同様に、室温２５℃において、ＥＡ変調器部２０７及びＤＦＢレーザ部２０８のフォトルミネッセンス波長が、それぞれ、１４６０ｎｍ、１５３０ｎｍとなるよう、また、ＤＦＢレーザ部２０８の発振波長λ_ＤＦＢ及び利得ピーク波長λ_ｇａｉｎが、それぞれ、１５５０ｎｍ、１５３５ｎｍとなるよう、設定されている。これにより、デチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）及びΔＨ（ｔ＝２５）をそれぞれ、１５ｎｍ、９０ｎｍとすることが出来る。

次に、ｐ型ＩｎＰ保護層が除去された後、ドライエッチング、またはウェットエッチングによって、ＥＡ変調器部２０７及びＤＦＢレーザ部２０８に、幅２．０μｍ程度のリッジ導波路構造となるメサ構造が形成される。メサ構造の深さは、ＥＡ変調器部２０７及びＤＦＢレーザ部２０８のそれぞれにおいて、それぞれ、ｐ型ＩｎＰクラッド層２１３とｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２０６との、ｐ型ＩｎＰクラッド層２１３とｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２１２との、界面で、エッチングを止めるローメサリッジ導波路構造にするのが、一般的である。これは、例えば塩酸と酢酸の混合液を用いれば、選択的に上記界面でエッチングを止めることができ、非常に簡単なプロセスで作製することができるという利点がある。

前述したように、ＥＡ変調器部２０７のｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層２０６と、ＤＦＢレーザ部２０８のｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層２１２の段差を２０ｎｍ以下に作製されており、それぞれの接続部でメサの段差が極力抑制されている。

次に、ＥＡ変調器部２０７とＤＦＢレーザ部２０８になる領域の間にある領域のｐ型コンタクト層２１４がエッチングにより除去され、ＥＡ変調器部２０７のｐ型コンタクト層２１４とＤＦＢレーザ部２０８のｐ型コンタクト層２１４とが、両者を電気的に遮断される。その後、ウエハ全体がパッシベーション膜２１５で保護される。さらに、メサ構造の両側が十分に埋まる程度の厚さのポリイミド樹脂２１６がウエハ全体に塗布される。そして、メサ構造の最上層にあるパッシベーション膜２１５が露出するまで、ウエハ全体のポリイミド樹脂２１６が、酸素とアルゴンの混合ガスによりエッチバックされることにより、平坦化される。

ここで、ＥＡ変調器部２０７の電極パッドとなる部分もポリイミド樹脂２１６で埋め込まれている。このポリイミド樹脂２１６の埋め込みは、ＥＡ変調器部２０７の低容量化のためであるが、ＥＡ変調器部２０７の全長を短くしたり、ＥＡ変調器部２０７の電極パッド部となる部分にプロトンが打ち込まれるなどにより、１５ＧＨｚ以上の３ｄＢ帯域を確保することができれば、ポリイミド樹脂２１６の埋め込みは、必ずしも必要ではない。続いて、ＥＡ変調器部２０７及びＤＦＢレーザ部２０８において、メサ部のパッシベーション膜１１５が部分的に除去されたスルーホールが形成される。その後、ｐ電極２１７が蒸着され、イオンミリングによって電極パターニングが行われる。最後に、ｎ型半導体基板１０１の下面が、ウエハ全体の厚さが１００〜１５０μｍになる程度まで研磨され、ｎ電極２１８が蒸着されて、ウエハ工程が完了する。

続いて、第１の実施形態と同様に、このウエハが劈開され、レーザ素子の後方側（レーザ部側）の劈開面に、反射率９０％以上の高反射膜２１９が、レーザ素子の前方側（ＥＡ変調器部側）の劈開面に、反射率１％以下の無反射膜２２０が、コーティングされ、チップ状に劈開され、ＥＡ変調器集積レーザそれぞれが作製される。以上により、作製されたＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザの上面図と、ＥＡ変調器部２０７の断面（Ｃ−Ｃ）、ＤＦＢレーザ部２０８の断面（Ｄ−Ｄ）が、それぞれ、図６（ａ），（ｂ），（ｃ）に示されている。

[レーザ素子の性能評価]
以上により作製されるリッジ導波路構造型のＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ素子を、第１の実施形態と同様に、チップキャリアに搭載し、当該レーザ素子の性能評価を行った。

ＤＦＢレーザ部の特性は、素子温度Ｔ_ＬＤ＝−５℃のとき、発振閾値電流Ｉ_ｔｈ＝１４ｍＡ、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝５０ｍＡでの光出力Ｐ_ｏ＝１２．２ｄＢｍ、レーザ部抵抗Ｒ_ｓ＝３．６Ω、発振波長λ_ＤＦＢ＝１５４７．３３ｎｍで、２次の横モードが発振することもなかった。また、素子温度Ｔ_ＬＤ＝８５℃のとき、発振閾値電流Ｉ_ｔｈ＝４３ｍＡ、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝１２０ｍＡでの光出力Ｐ_ｏ＝９．９ｄＢｍ、レーザ部抵抗Ｒ_ｓ＝３．８Ω、発振波長λ_ＤＦＢ＝１５５６．０９ｎｍとなった。

次に、第１の実施形態と同様に、伝送速度１０．７Ｇｂｉｔ／ｓにおいて、４０ｋｍ伝送評価を行ったところ、以下の特性を得た。素子温度Ｔ_ＬＤ＝−５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝５０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖ_ｅａ＝−２．５Ｖ、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、変調時光出力Ｐ_ｍｏｄ＝＋６．２ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１０．１ｄＢ、パスペナルティＰ_ｐは１．０ｄＢとなった。また、素子温度Ｔ_ＬＤ＝８５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝１３０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖ_ｅａ＝−１．２Ｖ、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄ＝１．６Ｖにおいて、変調時光出力Ｐ_ｍｏｄ＝＋３．９ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１３．１ｄＢ、パスペナルティＰ_ｐ＝１．６ｄＢとなった。

第１の実施形態に係るレーザ素子と比較すると、素子構造が異なるため、発振閾値電流Ｉ_ｔｈは大きくなり、光出力Ｐ_ｏは小さくなっている。それにより、レーザ駆動電流Ｉ_ｆを、第１の実施形態と比較して、１０ｍＡ程度大きい値とすることで、第１の実施形態に係るレーザ素子の同程度の特性を得ることが出来る。そして、これら特性は、ＸＦＰ（ＩＲ）光送受信器の光送信規格を満足している。このように、ＥＡ変調器部の活性層にＩｎＧａＡｌＡｓ系ＭＱＷを用いて、ΔＧ（ｔ＝２５）＝１５ｎｍ、ΔＨ（ｔ＝２５）＝９０ｎｍの最適設計を行い、リッジ導波路構造をとることで、第１の実施形態と同様に、広い温度領域にわたって良好な特性を得ることができた。

[ローメサリッジ構造]
本実施形態に係るレーザ素子は、メサ構造が、Ｒｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層による埋め込み構造ではなく、リッジ導波路構造を有している。この構造の場合、前述の通り、ＤＦＢレーザ部及びＥＡ変調器部の活性層がメサ構造部だけでなく、メサ構造の両脇にまで広がっているローメサリッジ構造であることが一般的である。

この場合、ＤＦＢレーザ部に対しては、印加した電流がメサ構造の両側の活性層へと広がってしまい、レーザ発振に寄与しない無効電流が増大する。その結果、第１の実施形態にかかるＲｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層による埋め込み構造と比較して、発振閾値電流Ｉ_ｔｈが増大する傾向にある。また、ＥＡ変調器部に対しては、活性層で吸収した光によって発生するフォトキャリアがメサ構造の両脇にドリフトし、蓄積されやすくなる。そしてメサ構造の両脇に蓄積したフォトキャリアによって荷電子帯吸収が起き、Ｒｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層による埋め込み構造と比較して、高速変調時の損失が増大すると考えられる。ＤＦＢレーザ部及びＥＡ変調器部の特性を合わせると、特に高温時に高光出力を得るのが、第１の実施形態と比較すると、より困難になる。

しかしながら、ＤＦＢレーザ部の全長を短くして小さい電流での効率を上げたり、ＥＡ変調器部のＭＱＷ構造を階段的なエネルギーバンド構造を適用したりするなどの工夫をすれば、ＤＦＢレーザ部及びＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＧ及びΔＨの適合値の範囲を求め、その範囲内に設定し、さらに、ＤＦＢレーザの駆動電流を５〜１５ｍＡ程度大きくすることによって、広い温度領域にわたって良好な特性を得ることができる。

(第３の実施形態)
第３の実施形態に係るレーザモジュールは、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザを搭載した、同軸型パッケージを用いた小型のレーザモジュールである。図７（ａ）は、当該レーザモジュールの側面図である。また、図７（ｂ）は、当該レーザモジュールのうち、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが搭載された部分の内部拡大図である。

同軸型レーザモジュール３０１は、チップキャリア３０２に搭載されたＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ３０３、これらを搭載したＣＡＮステム３０４、アイソレータを内蔵したレセプタクル部３０５で構成され、電気信号の端子として高周波信号端子３０６、レーザ駆動端子３０７、共通導体端子３０８が付加されている。これらの端子は、フレキシブル基板３０９上に施された回路基板へ接続するためのそれぞれの端子へ、はんだにて電気的に接続されている。

ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ３０３を搭載したチップキャリア３０２が、ＣＡＮステム３０４にはんだ付けされる。次に、ＥＡ変調器部と高周波信号端子３０６が、ＤＦＢレーザ部とレーザ駆動端子３０７が、それぞれ、ワイヤボンディングにて電気的に接続される。また、共通導体端子３０８は、ＣＡＮステム３０４にロウ付けされている。共通導体端子３０８により、ＥＡ変調器部とＤＦＢレーザ部とがともに接地されている。ここで特筆すべきは、従来技術に係るレーザモジュールとは異なり、温度調整するためのペルチエ基板は搭載されていない。

さらに、ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ３０３の後方側に、パワーモニタ用のフォトダイオードが配置され、電気的に接続される。続いて、ＣＡＮステム３０４を覆うように、レンズキャップ３１０がＣＡＮステム３０４上に溶接にて接続される。最後に、アイソレータを内蔵したレセプタクル部３０５が組み立てられ、同軸型レーザモジュール３０１の作製が完了する。

[レーザモジュールの性能評価]
以上により作製されるレーザモジュールについて、伝送速度１０．７Ｇｂｉｔ／ｓにおいて、４０ｋｍ伝送評価を行ったところ、以下の特性を得た。レーザモジュールのケース温度Ｔ_ｃ＝−５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝４５．６ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖ_ｅａ＝−２．４５Ｖ、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐ_ｆｍｏｄ＝３．６ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１０．３ｄＢ、伝送速度１０．７Ｇｂｉｔ／ｓにおけるＳＯＮＥＴ（Synchronous Optical Network）規格のマスクマージンＭＭ＝２６％、パスペナルティＰ_ｐ＝０．８６ｄＢとなった。また、レーザモジュールのケース温度Ｔ_ｃ＝７５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝１２０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖ_ｅａ＝−１．２５Ｖ、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄ＝１．５５Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐ_ｆｍｏｄ＝１．４ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１３．４ｄＢ、ＳＯＮＥＴ規格のマスクマージンＭＭ＝２２％、パスペナルティＰ_ｐ＝１．４５ｄＢとなった。これらの特性は、ＸＦＰ（ＩＲ）の規格を十分満足する特性である。

当該レーザモジュールに搭載したＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザは、第１の実施形態に係るレーザ素子である。ここでは、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）＝１５ｎｍになるよう、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）＝９０ｎｍになるよう、設計されて作製されている。

ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧ（ｔ＝２５）＝１５ｎｍに設計されたことにより、高温においても十分大きな光出力を得ることができる。また、ＥＡ変調器部のメサ構造の活性層として、ＩｎＧａＡｌＡｓからなるＭＱＷ層を用い、メサ構造の両側をＲｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層で埋め込み、かつ、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨ（ｔ＝２５）＝９０ｎｍに設計されたことにより、高消光比と低チャープを両立し、Ｔｃ＝−５℃から７５℃の温度範囲にわたって４０ｋｍ伝送特性を満足する。

それにより、温度調整器を必要としないアンクールドタイプとして駆動することが出来る。温度調節器が不要になったため、従来技術に係るクールドタイプまたはセミクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ素子では困難だった、小型な同軸型レーザモジュールが実現される。

なお、本実施形態に係るレーザモジュールとして、第１の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが搭載されるレーザモジュールについて、説明したが、第２の実施形態に係るＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザが搭載されるレーザモジュールであってもよい。

(第４の実施形態)
第４の実施形態に係るＸＦＰ光送受信器は、第３の実施形態に係るレーザモジュールと、これとは別に作製された同軸型光受信モジュールとを搭載している。ここで、ＸＦＰ光送受信器とは、ＳＯＮＥＴ、または、１０ＧｂＥ（ギガビットイーサーネット）の着脱モジュールの業界標準規格の一つであるＸＦＰ規格（10 Gbit/s Small Form Factor Pluggable）を満たす光送受信器である。当該光送受信器のサイズは、長さが７８．０ｍｍ、幅が１８．４ｍｍ、高さが８．５ｍｍである。ここで、光受信モジュールは、一般に用いられるものであるため、詳細な特性については説明しない。

当該光送信器について、伝送速度１０．７Ｇｂｉｔ／ｓにおいて、４０ｋｍ伝送評価を行ったところ、以下の特性を得た。光送受信器のケース温度Ｔ_ｃ＝−５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝４６．５ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖ_ｅａ＝−２．３８Ｖ、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄ＝２．０Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐ_ｆｍｏｄ＝３．２５ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１０．１ｄＢ、ＳＯＮＥＴ規格のマスクマージンＭＭ＝２７％、パスペナルティＰ_ｐ＝０．９１ｄＢとなった。また、光送受信器のケース温度Ｔ_ｃ＝７０℃のとき、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝１２０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖ_ｅａ＝−１．２３Ｖ、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄ＝１．５４Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐ_ｆｍｏｄ＝１．２５ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１３．２ｄＢ、ＳＯＮＥＴ規格のマスクマージンＭＭ＝２３％、パスペナルティＰ_ｐ＝１．３５ｄＢとなった。これらの特性は、ＸＦＰ（ＩＲ）の規格を十分満足する特性である。

また、このとき、当該ＸＦＰ光送受信器の消費電力Ｐ_ｃは、−５℃以上７５℃以下の範囲のあらゆる温度において、２．３Ｗ以下となり、小型であり低消費電力である長距離伝送用光送受信器となっている。当該ＸＦＰ光送受信器に搭載されるＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ素子は、第１の実施形態に係るレーザ素子であり、アンクールドタイプである。温度調節器を備える従来技術に係るレーザを搭載したＸＦＰ光送受信器では実現困難であった消費電力２．５Ｗ以下という低消費電力が実現されている。

(第５の実施形態)
第５の実施形態に係るＳＦＰ＋光送受信器は、第３の実施形態に係るレーザモジュールと、これとは別に作製された同軸型光受信モジュールとを搭載している。ここで、ＳＦＰ＋光送受信器とは、８．５ＧｂＥ及び１０ＧｂＥの着脱モジュールの業界標準規格の一つであるＳＦＰ＋規格（8.5 and 10 Gbit/s Small Form Factor Pluggable）を満たす光送受信器である。当該光送受信器は、第４の実施形態にかかる光送受信器よりも、さらに小型の光送受信器であり、サイズは、長さが５６．０ｍｍ、幅が１３．０ｍｍ、高さが８．５ｍｍである。ＳＦＰ＋光送受信器では、ＸＦＰ光送受信器よりも、さらに１Ｗ以上の消費電力の低減が必要とされる。第４の実施形態と同様、ここでは、光受信モジュールの詳細な特性については説明しない。

当該光送信器について、伝送速度１０．３Ｇｂｉｔ／ｓにおいて、４０ｋｍ伝送評価を行ったところ、以下の特性を得た。光送受信器のケース温度Ｔｃ＝−５℃のとき、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝４１．２ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖ_ｅａ＝−２．１２Ｖ、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄ＝１．２０Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐ_ｆｍｏｄ＝２．１８ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝８．６ｄＢ、１０．３Ｇｂｉｔ／ｓにおけるＧｂＥ（ギガビットイーサーネット）規格のマスクマージンＭＭ＝６０％、光変調振幅ＯＭＡ＝３．９４ｄＢｍ、パスペナルティＰ_ｐ＝０．８８ｄＢとなった。また、光送受信器のケース温度Ｔｃ＝７０℃のとき、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝７０ｍＡ、ＥＡ変調器部の逆バイアス電圧Ｖ_ｅａ＝−０．９６Ｖ、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄ＝１．２０Ｖにおいて、変調時ファイバ光出力Ｐ_ｆｍｏｄ＝−０．３２ｄＢｍ、動的消光比ＡＣＥＲ＝１２．３ｄＢ、ＧｂＥ規格のマスクマージンＭＭ＝５４％、光変調振幅ＯＭＡ＝２．１８ｄＢｍ、パスペナルティＰ_ｐ＝１．３８ｄＢとなった。これらの特性は、ＳＦＰ＋（ＥＲ）の規格を十分満足する特性である。

また、このとき、当該ＳＦＰ＋光送受信器の消費電力Ｐ_ｃは、−５℃以上７０℃以下温度領域のあらゆる温度において、１．３Ｗ以下となり、第４の実施形態に係る光送受信器より、さらに小型でありさらに低消費電力である長距離伝送用光送受信器となっている。

本実施形態に係る光送受信器は、光送受信器のケース温度Ｔ_ｃ＝７０℃においても、レーザ駆動電流Ｉ_ｆ＝７０ｍＡという小さい駆動電流で駆動が行われおり、また、変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄ＝１．２０Ｖという固定された変調振幅電圧で、規格を満足する特性が得られていることが、第４の実施形態に係る光送受信器と大きく異なる。

本実施形態に係る光送受信器に搭載されたアンクールドタイプのＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザにおいて、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧが適合値となるよう設計されたこと、Ｒｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層による埋め込み構造をＥＡ変調器部が有していることにより、高温時においても発振閾値電流Ｉ_ｔｈが小さい値で維持され、高い光出力が得られたため、小さいレーザ駆動電流Ｉｆで駆動される場合であっても、ＳＦＰ＋（ＥＲ）光送受信器の変調時ファイバ光出力Ｐ_ｆｍｏｄが−４．７ｄＢｍ以上、かつ、光変調振幅ＯＭＡが−１．７ｄＢｍ以上という規格を満足する。

また、ＥＡ変調器部のメサ構造の活性層として、ＩｎＧａＡｌＡｓ系からなるＭＱＷ層を用い、メサ構造の両脇をＲｕをドーパントとした半絶縁性ＩｎＰ層で埋め込み、かつ、ＥＡ変調器部のデチューニング量ΔＨを適合値に設計されたことにより、低温時においても１．２０Ｖという小さな変調振幅電圧で、動的消光比ＡＣＥＲが８．５ｄＢ以上の値をとる。さらに、ＤＦＢレーザ部のデチューニング量ΔＧも適合値に設計されたことにより、低温時でも十分小さい値の発振閾値電流が維持され、小さいレーザ駆動電流Ｉｆで駆動される場合であっても、高光出力を実現できた。以上により、低温でも光変調振幅ＯＭＡの規格を十分満足できる。

変調振幅電圧Ｖ_ｍｏｄが、温度によらず固定して用いられるということは、光送受信器内のマイコンに記憶させる項目を減らすことができ、また、検査工程にかかる時間を短縮することができ、低コスト化へつながる利点がある。

本発明によって、従来技術よりさらに小型でさらに低消費電力の長距離伝送用レーザモジュールや光送受信器を実現することができる。また、レーザモジュール内に温度調整器が不要となるため、さらに低コスト化も同時に実現でき、産業上非常に有効な発明である。

１０１ ｎ型半導体基板、１０２ ｎ型ＩｎＰバッファ層、１０３ ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層、１０４ ＭＱＷ層、１０５ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層、１０６ ＥＡ変調器部、１０７ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層、１０８ ＭＷＱ層、１０９ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層、１１０ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、１１１ ＤＦＢレーザ部、１１２ ｐ型ＩｎＰクラッド層、１１３ ｐ型コンタクト層、１１４ 半絶縁性ＩｎＰ層、１１５ パッシベーション膜、１１６ ｐ電極、１１７ ｎ電極、１１８ 高反射膜、１１９ 無反射膜、２０１ ｎ型半導体基板、２０２ ｎ型ＩｎＰバッファ層、２０３ ｎ型ＩｎＧａＡｌＡｓ下側ガイド層、２０４ ＭＱＷ層、２０５ ｐ型ＩｎＧａＡｌＡｓ上側ガイド層、２０６ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰエッチストップ層、２０７ ＥＡ変調器部、２０８ ＤＦＢレーザ部、２０９ ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層、２１０ ＭＱＷ層、２１１ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層、２１２ ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ回折格子層、２１３ ｐ型ＩｎＰクラッド層、２１４ ｐ型コンタクト層、２１５ パッシベーション膜、２１６ ポリイミド樹脂、２１７ ｐ電極、２１８ ｎ電極、２１９ 高反射膜、２２０ 無反射膜、３０１ 同軸型レーザモジュール、３０２ チップキャリア、３０３ ＥＡ変調器集積ＤＦＢレーザ、３０４ ＣＡＮステム、３０５ レセプタクル部、３０６ 高周波信号端子、３０７ レーザ駆動端子、３０８ 共通導体端子、３０９ フレキシブル基板、３１０ レンズキャップ。

Claims (8)

1. 分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、
   前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層と、該量子井戸層の両側部に隣接して配置される半絶縁半導体からなる埋め込み層と、を含み、
   前記埋め込み層は、不純物としてルテニウムが添加される、ことを特徴とするレーザ素子の製造方法であって、
   所定の温度において、レーザ光の発振波長と利得ピーク波長の差がそれぞれ異なる複数の前記レーザ部それぞれについて、所定の温度領域の最低温度及び最高温度における発振閾値電流を測定するステップと、
   複数の前記レーザ部それぞれについて、前記最低温度における発振スペクトルを測定するステップと、
   前記最低温度において、前記発振閾値電流と前記発振スペクトルに基づいて、所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の下限値を求めるステップと、
   前記最高温度において、前記発振閾値電流に基づいて、前記所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の上限値を求めるステップと、
   所定の温度において、前記レーザ部のレーザ光の発振波長と前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の差がそれぞれ異なる複数の前記変調器部それぞれについて、
   前記最低温度における動的消光比を測定するステップと、
   複数の前記変調器部それぞれについて、前記最高温度における基礎吸収による挿入損を測定するステップと、
   前記動的消光比の値が、所定の値以上となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の下限値を求めるステップと、
   前記挿入損の値が、所定の値以下となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の上限値を求めるステップと、
   前記上限値と前記下限値を満たす前記利得ピーク波長となるよう、前記レーザ部を形成するステップと、
   前記上限値と前記下限値を満たす前記フォトルミネッセンス波長となるよう、前記変調器部を形成するステップと、
   を含むレーザ素子の製造方法。
2. 分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、
   前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層を含み、前記量子井戸層の上方にリッジ構造が配置される、ことを特徴とするレーザ素子の製造方法であって、
   所定の温度において、レーザ光の発振波長と利得ピーク波長の差がそれぞれ異なる複数の前記レーザ部それぞれについて、所定の温度領域の最低温度及び最高温度における発振閾値電流を測定するステップと、
   複数の前記レーザ部それぞれについて、前記最低温度における発振スペクトルを測定するステップと、
   前記最低温度において、前記発振閾値電流と前記発振スペクトルに基づいて、所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の下限値を求めるステップと、
   前記最高温度において、前記発振閾値電流に基づいて、前記所定の発振波長に対する前記利得ピーク波長の上限値を求めるステップと、
   所定の温度において、前記レーザ部のレーザ光の発振波長と前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の差がそれぞれ異なる複数の前記変調器部それぞれについて、
   前記最低温度における動的消光比を測定するステップと、
   複数の前記変調器部それぞれについて、前記最高温度における基礎吸収による挿入損を測定するステップと、
   前記動的消光比の値が、所定の値以上となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の下限値を求めるステップと、
   前記挿入損の値が、所定の値以下となる、前記所定の発振波長に対する前記フォトルミネッセンス波長の上限値を求めるステップと、
   前記上限値と前記下限値を満たす前記利得ピーク波長となるよう、前記レーザ部を形成するステップと、
   前記上限値と前記下限値を満たす前記フォトルミネッセンス波長となるよう、前記変調器部を形成するステップと、
   を含むレーザ素子の製造方法。
3. 請求項１及び請求項２のいずれかに記載のレーザ素子の製造方法によって製造されるレーザ素子。
4. 分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、
   前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層と、該量子井戸層の両側部に隣接して配置される半絶縁半導体からなる埋め込み層と、を含み、
   前記埋め込み層は、不純物としてルテニウムが添加され、
   ２５℃における前記レーザ部の発振波長が１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下のいずれかであって、
   ２５℃における前記レーザ部の利得ピーク波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より１０ｎｍ短く、
   ２５℃における前記利得ピーク波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より２５ｎｍ短く、
   ２５℃における前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より８０ｎｍ短く、
   ２５℃における前記フォトルミネッセンス波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より１００ｎｍ短い、
   ことを特徴とするレーザ素子。
5. 分布帰還型レーザ部と、該レーザ部の出力側に配置される電界吸収型変調器部と、が同一基板上に形成されるレーザ素子であって、
   前記変調器部は、インジウムガリウムアルミニウム砒素を含む量子井戸層を含み、前記量子井戸層の上方にリッジ構造が配置され、
   ２５℃における前記レーザ部の発振波長が１４６０ｎｍ以上１６３０ｎｍ以下のいずれかであって、
   ２５℃における前記レーザ部の利得ピーク波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より１０ｎｍ短く、
   ２５℃における前記利得ピーク波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より２５ｎｍ短く、
   ２５℃における前記変調器部のフォトルミネッセンス波長の上限値が、２５℃における前記発振波長より８０ｎｍ短く、
   ２５℃における前記フォトルミネッセンス波長の下限値が、２５℃における前記発振波長より１００ｎｍ短い、
   ことを特徴とするレーザ素子。
6. 請求項３乃至請求項５のいずれかに記載のレーザ素子を備える、同軸型レーザモジュール。
7. 請求項６に記載の同軸型レーザモジュールを備える、ＸＦＰ光送受信器。
8. 請求項６に記載の同軸型レーザモジュールを備える、ＳＦＰ＋光送受信器。

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