JP2010287667A

JP2010287667A - 半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置

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Publication number: JP2010287667A
Application number: JP2009139267A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ito; 敏夫伊藤; Shigeru Kanazawa; 慈金澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-06-10
Filing date: 2009-06-10
Publication date: 2010-12-24
Anticipated expiration: 2029-06-10
Also published as: JP5431799B2

Abstract

【課題】歩留まりよく安価にモジュールを作製することができる半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ１とＥＡ変調器２とを備える半導体装置において、半絶縁体基板上に前記半導体レーザ１と前記半導体光変調器２を形成し、半導体レーザ１のｐ側電極２１及びｎ側電極２２を半導体レーザ１の表面側に配置し、ＥＡ変調器２のｐ側電極２１及びｎ側電極２２をＥＡ変調器２の表面側に配置し、半導体レーザ１のｐ側電極２１、半導体レーザ１のｎ側電極２２、ＥＡ変調器２のｐ側電極３９及びＥＡ変調器２のｎ側電極４０をそれぞれ分離し、ＥＡ変調器２のｐ側電極３９及びｎ側電極４０に差動電気信号を印加する差動電気信号印加手段を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置に関する。

高速・広帯域で、かつ小型の光伝送システムを実現するため、半導体レーザと電界吸収型半導体光変調器（以下、ＥＡ変調器という）を集積したＥＡ変調器集積半導体レーザの開発が進んでいる。このＥＡ変調器集積半導体レーザのビットレートとしては、例えば１０Ｇｂ／ｓ、又は２５Ｇｂ／ｓ等が想定されている。

図２は、第１の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザの構成を示した断面図である。なお、図２（ａ）は半導体レーザ、図２（ｂ）はＥＡ変調器の構成を示した断面図である。
図２に示すように、第１の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザは、半導体レーザ１００及びＥＡ変調器２００を備えている（下記非特許参考文献１参照）。

図２（ａ）に示すように、半導体レーザ１００は、ｎ−ＩｎＰ基板１１０、半絶縁ＩｎＰ層１１１、ｎ−ＩｎＰ１１２、ｎ−コンタクト層１１３、ｐ−ＩｎＰ１１４、半絶縁ＩｎＰ１１５、活性層１１６、ｐ−ＩｎＰ１１７、回折格子を形成したガイド層１１８、ｐ−ＩｎＰ１１９、ｐ−コンタクト層１２０、絶縁層１２１、ｐ側電極１２２及びｎ側電極１２３を備えている。

また、図２（ｂ）に示すように、ＥＡ変調器２００は、ｎ−ＩｎＰ基板２１０、ｎ−ＩｎＰ２１１、半絶縁ＩｎＰ２１２、吸収層２１３、ｐ−ＩｎＰ２１４、ｐ−コンタクト層２１５、ｐ側電極２１６及びｎ側電極２１７を備えている。
さらに、ＥＡ変調器２００は、差動ドライバー２２０、正論理の信号が流れる配線２２１、負論理の信号が流れる配線２２２、終端抵抗２２３を備えている。

図２に示した第１の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザにおいては、一般に、半導体レーザ１００のｎ−ＩｎＰ基板１１０とＥＡ変調器２００のｎ−ＩｎＰ基板２１０は共通である。また、活性層１１６と吸収層２１３はバットジョイントにより接合されている。さらに、半導体レーザ１００のｐ側電極１２２と、半導体レーザ１００のｎ側電極１２３と、ＥＡ変調器２００のｐ側電極２１６は分離溝によってそれぞれ分離されている。さらに、半絶縁ＩｎＰ層１１１によって、ＥＡ変調器２００のｎ側電極２１７も半導体レーザ１００のｐ側電極１２２及びｎ側電極１２３から分離されている。

以上説明したように、図２に示した第１の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザの構成によれば、半導体レーザ１００とＥＡ変調器２００とが電気的に完全に分離されるので、半導体レーザ１００とＥＡ変調器２００に別々の電気信号を印加することができる。

そして、この第１の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザの構成において、ＥＡ変調器２００のｐ側電極２１６に差動ＮＲＺ（ＮｏｎＲｅｔｕｒｎｔｏＺｅｒｏ）電気信号の一方の信号を、半導体レーザ１００のｐ側電極１２２に差動ＮＲＺ電気信号の一方の信号と位相がそろった正弦波電気信号を印加する。この正弦波電気信号により、半導体レーザ１００の光強度を調整し、各ビットの立ち上がり点や立ち下がり点で光強度が減少するように調整することで、光出力信号の波形により形成されるアイパターンにおいて、きれいなアイ開口を得ることができる。

図３は、第２の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザの構成を示した断面図である。なお、図３（ａ）は半導体レーザ、図３（ｂ）はＥＡ変調器の構成を示した断面図である。
図３に示すように、第２の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザは、半導体レーザ３００及びＥＡ変調器４００を備えている。

図３（ａ）に示すように、半導体レーザ３００は、ｎ−ＩｎＰ基板３１０、ｎ−ＩｎＰ層３１１、半絶縁ＩｎＰ３１２、活性層３１３、ｐ−ＩｎＰ３１４、回折格子を形成したガイド層３１５、ｐ−ＩｎＰ３１６、ｐ−コンタクト層３１７、ｐ側電極３１８及びｎ側電極３１９を備えている。

また、図３（ｂ）に示すように、ＥＡ変調器４００は、ｎ−ＩｎＰ基板４１０、半絶縁ＩｎＰ４１１、ｎ−ＩｎＰ４１２、ｎ−コンタクト層４２３、ｎ−ＩｎＰ４１４、半絶縁ＩｎＰ４１５、吸収層４１６、ｐ−ＩｎＰ４１７、ｐ−コンタクト層４１８、絶縁層４１９、ｐ側電極４２０及びｎ側電極４２１を備えている。
さらに、ＥＡ変調器４００は、差動ドライバー４３０、正論理の信号線４３１及び負論理の信号線４３２を備えている。

図３に示した第２の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザにおいて、一般に、半導体レーザ３００のｎ−ＩｎＰ基板３１０とＥＡ変調器４００のｎ−ＩｎＰ基板４１０は共通である。また、活性層３１３と吸収層４１６はバットジョイントにより接合されている。さらに、半導体レーザ３００のｐ側電極３１８と、ＥＡ変調器４００のｐ側電極４２０と、ＥＡ変調器４００のｎ側電極４２１は分離溝によってそれぞれ分離されている。さらに、半絶縁ＩｎＰ層４１１によって、半導体レーザ３００のｎ側電極３１９もＥＡ変調器４００のｐ側電極４２０及びｎ側電極４２１から分離されている。

以上説明したように、図３に示した第２の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザの構成によれば、半導体レーザ３００とＥＡ変調器４００とが電気的に完全に分離されるので、半導体レーザ３００のｎ側電極３１９とＥＡ変調器４００のｎ側電極４２１に別々の電気信号を印加することができる。
すなわち、正論理信号を正論理の信号線４３１に、負論理信号を負論理の信号線４３２に印加することで正論理と負論理を有効に活用することができる。

以上説明したように、図２，３に示した第１，２の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザのいずれも優れた特性を有するが、以下のような問題があった。
（１）計４つある電極のうち、３つが半導体形成面、１つが基板面に存在する。そのためフリップ実装による４電極一括のマウントが不可能になり、ワイヤーボンディング等による電極の引き出しが必要になる。
（２）図２に示す半導体レーザ１００の半絶縁ＩｎＰ層１１１、図３に示すＥＡ変調器４００の半絶縁ＩｎＰ層４１１のように、素子の一部分（すなわち、半導体レーザ１００又はＥＡ変調器４００の一方）にのみ半絶縁ＩｎＰを形成する必要があるため、半絶縁ＩｎＰ層の形成及び加工が必要になる。
これらの理由により、プロセスや実装工程が複雑になり、歩留まりよく安価にモジュールを作製することができないという問題があった。

金澤慈、他７名、「半絶縁基板上１．３μｍ帯ＤＦＢレーザ」、２００９年電子情報通信学会総合大会Ｃ−４−３３、エレクトロニクス講演論文集１、２００９年、ｐ．２８１

上述したように、図２，３に示した第１，２の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザにおいては、プロセスや実装工程が複雑になり、歩留まりよく安価にモジュールを作製することができないという問題があった。
以上のことから、本発明は、歩留まりよく安価にモジュールを作製することができる半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する第１の発明に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置は、
半導体レーザと半導体光変調器とを備える半導体装置において、
半絶縁体基板上に前記半導体レーザと前記半導体光変調器を形成し、
前記半導体レーザのｐ側電極及びｎ側電極を前記半導体レーザの表面側に配置し、
前記半導体光変調器のｐ側電極及びｎ側電極を前記半導体光変調器の表面側に配置し、
前記半導体レーザのｐ側電極、前記半導体レーザのｎ側電極、前記半導体光変調器のｐ側電極及び前記半導体光変調器のｎ側電極をそれぞれ分離し、
前記半導体光変調器のｐ側電極及びｎ側電極に差動電気信号を印加する差動電気信号印加手段を備える
ことを特徴とする。

上記の課題を解決する第２の発明に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置は、第１の発明に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置において、
前記半導体レーザのｐ側電極に前記差動電気信号と周波数及び位相が同一の正弦波電気信号を印加する正弦波電気信号印加手段を備える
ことを特徴とする。

本発明によれば、歩留まりよく安価にモジュールを作製することができる半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置を提供することができる。

本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置の構成を示した断面図である。第１の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザの構成を示した断面図である。第２の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザの構成を示した断面図である。

以下、本発明に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。

以下、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施例に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置の構成を示した断面図である。なお、図１（ａ）は半導体レーザ、図１（ｂ）はＥＡ変調器の構成を示した断面図である。
図１に示すように、本実施例に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置は、半導体レーザ１及びＥＡ変調器２を備えている。

図１（ａ）に示すように、半導体レーザ１は、半絶縁ＩｎＰ基板１０、ｎ−ＩｎＰ１１、ｎ−コンタクト層１２、ｎ−ＩｎＰ１３、半絶縁ＩｎＰ１４、活性層１５、ｐ−ＩｎＰ１６、回折格子を形成したガイド層１７、ｐ−ＩｎＰ１８、ｐ−コンタクト層１９、絶縁層２０ｐ側電極２１及びｎ側電極２２を備えている。

また、図１（ｂ）に示すように、ＥＡ変調器２は、半絶縁ＩｎＰ基板３０、ｎ−ＩｎＰ３１、ｎ−コンタクト層３２、ｎ−ＩｎＰ３３、半絶縁ＩｎＰ３４、吸収層３５、ｐ−ＩｎＰ３６、ｐ−コンタクト層３７、絶縁層３８、ｐ側電極３９及びｎ側電極４０を備えている。
さらに、ＥＡ変調器２は、差動ドライバー５０、正論理の信号線５１及び負論理の信号線５２を備えている。

図１に示した本実施例に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置おいては、半導体レーザ１の半絶縁ＩｎＰ基板１０とＥＡ変調器２の半絶縁ＩｎＰ基板３０は共通である。また、活性層１５と吸収層３５はバットジョイントにより接合されている。

半導体レーザ１のｐ側電極と半導体レーザ１のｎ側電極２２は分離溝２３によって分離されている。また、ＥＡ変調器２のｐ側電極３９とＥＡ変調器２のｎ側電極４０は、分離溝４１によって分離されている。さらに、半導体レーザ１のｐ側電極２１及びｎ側電極２２とＥＡ変調器２のｐ側電極３９及びｎ側電極４０は分離溝（図示省略）によってそれぞれ分離されている。

以上説明したように、図１に示した本実施例に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置の構成によれば、半導体レーザ１とＥＡ変調器２とが電気的に完全に分離されるので、差動ドライバー５０の正論理と負論理を有効利用することができる。

本実施例に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置の構成によれば、４つの電極、すなわち半導体レーザ１のｐ側電極２１及びｎ側電極２２並びにＥＡ変調器２のｐ側電極３９とｎ側電極４０が全て同一の方向にあるので、一括にフリップチップを実装することができる。また、半導体レーザ１及びＥＡ変調器２が共通の半絶縁ＩｎＰ基板１０，３０上に形成されているため、図２，３に示した第１，２の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザのように半絶縁ＩｎＰ層１１１，４１１の成長や加工が不要となるため、安価で歩留まり良くモジュールを作製することができる。

以下、本発明の第２の実施例に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置について説明する。
上述した第１の実施例に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置の構成によれば、半導体レーザ１とＥＡ変調器２とが電気的に完全に分離されるので、半導体レーザ１とＥＡ変調器２に別々の電気信号を印加することができる。

この第１の実施例に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置の構成において、ＥＡ変調器２のｐ側電極３９及びｎ側電極４０に差動ＮＲＺ電気信号を、半導体レーザ１のｐ側電極２１に差動ＮＲＺ電気信号と位相がそろった正弦波電気信号を印加する。この正弦波電気信号により、半導体レーザ１の光強度を調整し、各ビットの中心付近で光強度が増加し、各ビットの立ち上がり点や立ち下がり点で光強度が減少するように調整する。このようにすることで、光出力信号の波形により形成されるアイパターンにおいて、きれいなアイ開口を得ることができる。

以上説明したように、本発明に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置によれば、一括にフリップチップを実装することができる。また、本発明に係る半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置においては半導体レーザ１及びＥＡ変調器２は共通の半絶縁ＩｎＰ基板１０，３０上に形成されているため、図２，３に示した第１，２の従来例に係るＥＡ変調器集積半導体レーザのように半絶縁ＩｎＰ層１１１，４１１の成長や加工が不要となるため、安価で歩留まり良くモジュールを作製することができる。
なお、本発明における半絶縁ＩｎＰとしては、ルテニウム、鉄をドープしたＩｎＰを用いることができる。

本発明は、例えば、光送信器、特に、ＥＡ変調器と半導体レーザを集積したＥＡ変調器集積半導体レーザに利用することが可能である。

１半導体レーザ
２ＥＡ変調器
１０半絶縁ＩｎＰ基板
１１ｎ−ＩｎＰ
１２ｎ−コンタクト層
１３ｎ−ＩｎＰ
１４半絶縁ＩｎＰ
１５活性層
１６ｐ−ＩｎＰ
１７回折格子を形成したガイド層
１８ｐ−ＩｎＰ
１９ｐ−コンタクト層
２０絶縁層
２１ｐ側電極
２２ｎ側電極
２３分離溝
３０半絶縁ＩｎＰ基板
３１ｎ−ＩｎＰ
３２ｎ−コンタクト層
３３ｎ−ＩｎＰ
３４半絶縁ＩｎＰ
３５吸収層
３６ｐ−ＩｎＰ
３７ｐ−コンタクト層
３８絶縁層
３９ｐ側電極
４０ｎ側電極
４１分離溝
５０差動ドライバー
５１正論理の信号線
５２負論理の信号線

Claims

半導体レーザと半導体光変調器とを備える半導体装置において、
半絶縁体基板上に前記半導体レーザと前記半導体光変調器を形成し、
前記半導体レーザのｐ側電極及びｎ側電極を前記半導体レーザの表面側に配置し、
前記半導体光変調器のｐ側電極及びｎ側電極を前記半導体光変調器の表面側に配置し、
前記半導体レーザのｐ側電極、前記半導体レーザのｎ側電極、前記半導体光変調器のｐ側電極及び前記半導体光変調器のｎ側電極をそれぞれ分離し、
前記半導体光変調器のｐ側電極及びｎ側電極に差動電気信号を印加する差動電気信号印加手段を備える
ことを特徴とする半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置。
前記半導体レーザのｐ側電極に前記差動電気信号と周波数及び位相が同一の正弦波電気信号を印加する正弦波電気信号印加手段を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の半導体レーザ及び半導体光変調器差動型半導体装置。