JP2011003803A - 半導体レーザ及びそれを用いた光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】一定の動作電流において、動作温度の変化に伴う光出力の変動を抑制することが可能な半導体レーザを提供すること。
【解決手段】本発明は、複数の量子ドット３６を有する量子ドット活性層１４と量子ドット活性層１４を挟む下部クラッド層１２、上部クラッド層１６とを含む半導体層１８と、量子ドット活性層１４から出射されるレーザ光の出射端面３５を覆うように半導体層１８の端面２８に設けられた反射膜３２ａと、を具備し、反射膜３２ａは、動作電流を一定にした場合におけるレーザ光の光出力の温度依存を打ち消すように変化する反射率を有する半導体レーザである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ及びそれを用いた光モジュールに関する。

例えば、通信用等に用いられている半導体レーザは、動作温度が上昇すると発光効率が低下するため、光出力が低下してしまう。

近年、特許文献１、非特許文献１のように、量子ドットを有する半導体レーザが開発されている。量子ドットを有する半導体レーザにおいても、動作温度が上昇すると発光効率が低下し、光出力は低下してしまう。

特開２００１−８５６６５号公報 Electronics Letters 2007 Vol. 43 pp 670-672

従来の半導体レーザでは、半導体レーザに供給する動作電流を制御することで、動作温度が上昇した場合でも所定の光出力が得られるようにしている。即ち、半導体レーザの光出力をモニタ用フォトダイオードでモニタリングし、そのモニタリング結果をフィードバックして動作電流を制御することで、半導体レーザから所定の光出力を得ている。

しかしながら、このような構成の場合、モニタ用フォトダイオードやフィードバックに用いるＡＰＣ（Auto Power Control）回路を設けるため、コストが増加してしまう。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、動作電流を一定にした場合におけるレーザ光の出力の温度依存を抑制することが可能な半導体レーザ及びそれを用いた光モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、複数の量子ドットを有する活性層と前記活性層を挟む２つのクラッド層とを含む半導体層と、前記活性層から出射されるレーザ光の出射端面を覆うように前記半導体層の端面に設けられた反射膜と、を具備し、前記反射膜は、動作電流を一定にした場合における前記レーザ光の出力の温度依存を打ち消すように変化する反射率を有することを特徴とする半導体レーザである。本発明によれば、動作電流を一定にした場合でもレーザ光の出力の温度依存を抑制することができる。

上記構成において、前記レーザ光の波長の温度依存性を利用し、前記反射膜の反射率に前記レーザ光の出力の温度依存を打ち消すような前記レーザ光の波長に対する波長依存性を持たせる構成とすることができる。この構成によれば、動作電流を一定にした場合におけるレーザ光の出力の温度依存を打ち消すように変化する反射率を有する反射膜を容易に得ることができる。

上記構成において、前記反射膜の反射率は、前記レーザ光の波長が長くなるに従い低下する構成とすることができる。また、上記構成において、動作温度範囲の下限における前記反射膜の反射率と上限における前記反射膜の反射率との差が１０％以上である構成とすることができる。

上記構成において、前記反射膜の反射率は、動作温度範囲に亘って変化する構成とすることができる。この構成によれば、半導体レーザの動作温度全域に亘り、レーザ光の出力の温度依存を抑制できる。

上記構成において、前記反射膜は、誘電体多層膜である構成とすることができる。この構成によれば、反射膜の反射率の波長依存性を容易に変化させることができる。

本発明は、前記半導体レーザと、前記半導体レーザから所定の光出力を得るため、前記半導体レーザの動作温度によらず一定の動作電流を供給する電流供給回路と、を具備することを特徴とする光モジュールである。本発明によれば、前記半導体レーザを用いているため、モニタ用フォトダイオードやＡＰＣ回路を用いなくても、レーザ光の出力の温度依存を抑制することができる。よって、レーザ光の出力の温度依存を抑制しつつ、低コスト化を実現することができる。

上記構成において、前記電流供給回路は、前記半導体レーザの光出力をフィードバックしていない構成とすることができる。

本発明の半導体レーザによれば、動作電流を一定にした場合でもレーザ光の出力の温度依存を抑制することができる。また、本発明の光モジュールによれば、レーザ光の出力の温度依存を抑制しつつ、低コスト化を実現することができる。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は実施例１に係る量子ドットレーザの断面模式図である。 図２は量子ドット活性層の１層分のドット層を示した図である。 図３は比較例に係る量子ドットレーザの電流−光出力特性を示す図である。 図４は一定の光出力を得るための電流の温度依存性を示す図である。 図５は反射膜の反射率ごとについて、一定の光出力を得るための電流の温度依存性を示す図である。 図６は比較例に係る量子ドットレーザにおけるレーザ光の発振波長の温度依存性を示す図である。 図７は反射膜の反射率の波長依存性を示す図である。 図８は表１に示す構造に係る誘電体多層膜の波長−反射率特性を示す図である。 図９は図８で求めた誘電体多層膜の波長−反射率特性を、図５に重ね合わせた図である。 図１０は実施例２に係る光モジュールのブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。

図１（ａ）及び図１（ｂ）は、実施例１に係る量子ドットレーザ１００の断面模式図である。図１（ａ）は、レーザ光の出射方向に対して垂直方向の断面模式図であり、図１（ｂ）は平行方向の断面模式図である。図１（ａ）のように、量子ドットレーザ１００は、ｎ型ＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ層からなる下部クラッド層１２、量子ドットを８層積層した量子ドット活性層１４、及びｐ型ＡｌＧａＡｓ層からなる上部クラッド層１６が順次積層された半導体層１８を有する。下部クラッド層１２の膜厚は２７００ｎｍで、上部クラッド層１６の膜厚は２４００ｎｍである。

図２は量子ドット活性層１４の１層分のドット層３４を示した図である。図２のように、量子ドット３６は０．８ｎｍ厚のＩｎＡｓにより形成される。量子ドット３６間に膜厚３．６ｎｍのＩｎＧａＡｓ層３８が形成される。量子ドット３６及びＩｎＧａＡｓ層３８を覆うように、膜厚１４ｎｍのアンドープＧａＡｓ層４０が形成される。アンドープＧａＡｓ層４０上に膜厚１０ｎｍのｐ型ＧａＡｓ層４２、膜厚１２ｎｍのアンドープＧａＡｓ層４４が順次形成される。アンドープＧａＡｓ層４０、ｐ型ＧａＡｓ層４２、及びアンドープＧａＡｓ層４４はバリア層４６を構成する。

図１（ａ）に戻り、上部クラッド層１６は孤立しており、リッジ部２０を形成している。リッジ部２０の幅は２μｍ、長さは０．３ｍｍである。つまり、量子ドットレーザ１００は、リッジ構造を有している。リッジ部２０の両側には、凹部２２が形成されている。上部クラッド層１６上にはｐ電極２４が形成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１０裏面にはｎ電極２６が形成されている。

量子ドット活性層１４は、屈折率の低い下部クラッド層１２と上部クラッド層１６とに挟まれている。このため、半導体層１８を伝搬する光は、量子ドット活性層１４近傍に閉じ込められる。一方、リッジ部２０下の量子ドット活性層１４近傍を伝搬する光に対する等価屈折率は、リッジ部２０両側の凹部２２下の量子ドット活性層１４近傍を伝搬する光に対する等価屈折率より大きい。このため、量子ドット活性層１４近傍を伝搬する光はリッジ部２０下の量子ドット活性層１４近傍に閉じ込められる。ここで、等価屈折率とは、伝搬する光が感じる屈折率のことである。

図１（ｂ）のように、半導体層１８の前後の端面２８、３０にはそれぞれ、反射膜３２ａ、３２ｂが設けられている。このため、量子ドット活性層１４近傍に閉じ込められた光は、半導体層１８の端面２８、３０で反射される。このようにして誘導放出される光はレーザ光として、出射端面３５から外部に出射される。反射膜３２ａの反射率は、出射端面３５から出射されるレーザ光に対して波長依存性を有し、レーザ光の波長が長くなるに従い低下する構成をしている。一方、反射膜３２ｂの反射率は固定である。反射膜３２ａの詳細については後述する。

ここで、比較例として、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した構造で、出射端面３５側である半導体層１８の端面２８に設けられた反射膜３２ａの反射率を３６％、反対側の端面３０に設けられた反射膜３２ｂの反射率を９４％と固定した量子ドットレーザを説明する。

図３は、比較例に係る量子ドットレーザの各温度における電流−光出力特性を示す図である。動作温度が３０℃（図３中の破線）、７０℃（図３中の実線）、８５℃（図３中の一点鎖線）、１００℃（図３中の二点鎖線）のそれぞれについて３回の測定結果を示す。図３のように、例えば、１０ｍＷの光出力を得るのに要する電流は、動作温度が上昇するに従い増加する。このように、電流−光出力特性は温度依存性を有する。

図４は、図３に示した電流−光出力特性について、横軸を動作温度（℃）、縦軸を１０ｍＷの光出力を得るのに必要な電流（ｍＡ）として表した図である。図４中の丸印は測定値であり、破線はレート方程式を用いたシミュレーションによる計算値である。図４のように、測定値と計算値とはほぼ一致し、共に動作温度が上昇するに従い電流が増加している。特に、８０℃近辺を境に電流の増加が著しい。このように、上記のシミュレーション方法は適当なシミュレーション方法であることが言える。

そこで、上記のシミュレーション方法を用い、半導体層１８の端面２８に設けた反射膜３２ａの反射率ごとに、電流−光出力特性の温度依存性を計算した。図５は、横軸を動作温度（℃）、縦軸を反射膜３２ａの反射率（％）として、各反射率について、１０ｍＷの光出力に要する電流（ｍＡ）の温度依存性を表している。図５のように、例えば、比較例に係る量子ドットレーザで用いた３６％の反射率の場合、図５中の破線のように、動作温度の上昇により１０ｍＷの光出力に要する電流が上昇することが読み取れ、これは、図４に示した結果とも一致する。また、反射膜３２ａの反射率が３６％の場合に限らず、他の反射率の場合であっても、動作温度が上昇すると電流は増加する。このように、反射膜３２ａの反射率が一定の場合、動作温度が上昇するに従い、１０ｍＷの光出力に要する電流は増加する。言い換えると、反射膜３２ａの反射率が一定の場合、供給する電流を一定に保つと、動作温度が上昇するに連れて、光出力は低下する。

ここで、図５において、一定の電流、例えば４５ｍＡの場合に着目すると、図５中の矢印のように、動作温度が上昇するに連れて反射率が低下する軌跡を有する。即ち、矢印のように温度上昇に対して反射膜３２ａの反射率を変化させれば、４５ｍＡの一定の電流で１０ｍＷの一定の光出力を得られることが分かる。つまり、矢印のように反射膜３２ａの反射率を変化させれば、電流を一定にした場合の光出力の温度依存を打ち消すことができ、温度上昇によらず一定の電流により一定の光出力を得ることができる。

また、レーザ光の発振波長は温度依存性を有する。比較例に係る量子ドットレーザは、図６に示すような、動作温度−波長特性を有する。図６中の丸印は１０ｍＷの光出力の場合の中心波長の変化を表し、三角印は７ｍＷの光出力の場合の中心波長の変化を表している。図６のように、動作温度の上昇に伴い、レーザ光の発振波長は長波長側に、０．４２ｎｍ／℃の割合でシフトする。

このように、レーザ光の波長は温度依存性を有するため、動作温度をレーザ光の波長で表すことが可能である。したがって、図７のように、図５における横軸の動作温度（℃）を、レーザ光の波長（ｎｍ）に置き換えることが可能となる。即ち、図７中の矢印のようにレーザ光の波長の変化に対して反射膜３２ａの反射率を変化させれば、温度上昇によらず一定の電流により一定の光出力を得ることができる。

反射膜３２ａを誘電体多層膜により形成する場合、誘電体多層膜の層構造を変えることで、反射率の波長依存性を変化させることができる。そこで、表１に示す構造の誘電体多層膜について、波長−反射率特性のシミュレーションを行った。表１のように、シミュレーションを行った誘電体多層膜は、ＧａＡｓ基板上に、厚さ２２２ｎｍのＳｉＯ_２膜と、厚さ１９２ｎｍのＡｌ_２Ｏ_３膜と、を交互に８層づつ形成している。

図８は、表１の構造の誘電体多層膜の波長−反射率特性のシミュレーション結果である。図８のように、波長が１２７５ｎｍで反射率が７０％程度で、波長が１３１５ｎｍで反射率が５０％程度となり、波長が長波長になるに従い、反射率は低下していく。このときの、波長が１２７５ｎｍから１３１５ｎｍにおける反射率の変化率は、０．５％／ｎｍ以上である。

図９は、図８で求めた表１の構造の誘電体多層膜についての波長−反射率特性のシミュレーション結果を、図５で求めたシミュレーション結果に重ね合わせた図である。図９のように、表１の構造の誘電体多層膜の反射率によれば、１０ｍＷの光出力を得るのに要する電流について、動作温度の上昇に伴う変化を小さくすることができる。言い換えると、電流を一定にした場合に、動作温度の上昇に伴う光出力の変動を小さくすることができる。したがって、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示した実施例１に係る量子ドットレーザ１００において、半導体層１８の端面２８に設ける反射膜３２ａに、図８の反射率の波長依存性を有する表１の構造の誘電体多層膜を用いることで、レーザ光の出力の温度依存を打ち消す方向に働き、一定の電流において、動作温度の上昇に伴うレーザ光の出力の変動を小さくすることができる。

以上説明してきたように、実施例１によれば、図１（ａ）及び図１（ｂ）のように、複数の量子ドットを有する量子ドット活性層１４と、量子ドット活性層１４を挟む下部クラッド層１２と上部クラッド層１６と、からなる半導体層１８を有する。半導体層１８の端面２８には、量子ドット活性層１４から出射されるレーザ光の出射端面３５を覆うように反射膜３２ａが設けられている。そして、反射膜３２ａに表１の構造の誘電体多層膜を用い、動作電流を一定にした場合におけるレーザ光の出力の温度依存を打ち消すように反射率を変化させる。これにより、動作電流を一定にした場合でもレーザ光の出力の温度依存を抑制することができる。即ち、一定の動作電流において、動作温度の上昇に伴うレーザ光の出力の変動を小さくすることができる。特に、図５の矢印のように反射膜３２ａの反射率を変化させた場合は、一定の動作電流において、動作温度によらず一定の光出力を得ることができる。

従来から半導体レーザに用いられている量子井戸レーザでは、動作電流を一定にした場合での、動作温度の上昇に伴うレーザ光の出力の低下が激しいため、反射膜の反射率を変化させて、レーザ光の出力の温度依存を抑制することは難しい。しかしながら、量子ドットレーザでは、動作電流が一定の場合における、動作温度の上昇に伴うレーザ光の出力の低下が緩やかなため、反射膜の反射率を変化させることで、レーザ光の出力の温度依存を抑制することが可能となる。このような理由から、実施例１に係る量子ドットレーザ１００の構造に限らず、他の構造の量子ドットレーザにおいても、反射膜の反射率を変化させることで、レーザ光の出力の温度依存を抑制することができる。

図６のように、レーザ光の波長は温度依存性を有することから、この波長の温度依存性を利用し、図５の矢印のような動作温度の変化に応じて変化する反射率を、図７のような波長の変化に応じて変化する反射率に置き換え、反射膜３２ａの反射率に、レーザ光の出力の温度依存を打ち消すような、レーザ光の波長に対する波長依存性を持たせるようにする。前述したように、反射率の波長依存性は、反射膜３２ａとなる誘電体多層膜の層構造を変化させることで容易に変化させることができる。よって、実施例１によれば、動作電流を一定にした場合におけるレーザ光の出力の温度依存を打ち消すように変化する反射率を有する反射膜３２ａを容易に得ることができる。

図８のように、反射膜３２ａの反射率は、波長が１２７５ｎｍの場合に７０％程度で、１３１５ｎｍの場合に５０％程度である。つまり、反射膜３２ａの反射率は、レーザ光の波長が長くなるに従い低下し、１２７５ｎｍから１３１５ｎｍにおける反射率の変化率は０．５％／ｎｍ以上である。波長が１２７５ｎｍは量子ドットレーザ１００の動作温度範囲の下限に対応する波長であり、１３１５ｎｍは動作温度範囲の上限に対応する波長であることから、動作温度範囲の下限と上限とにおける反射率の差は２０％程度である。一般的に、量子ドットレーザの特性変動の要因を排除するため、動作温度範囲内において反射率が変化しない反射膜を用いる。これに対し、実施例１によれば、上述のように変化する反射率を有する反射膜３２ａを用いることで、図９のように、動作電流を一定にした場合における動作温度の変化に伴うレーザ光の出力の変動を小さくすることができ、レーザ光の出力の温度依存を抑制することができる。

したがって、レーザ光の出力の温度依存を抑制するという点から、量子ドットレーザ１００の動作温度範囲の下限における反射膜３２ａの反射率と上限における反射膜３２ａの反射率との差が１０％以上である場合が好ましく、２０％以上である場合がより好ましく、３０％以上である場合がさらに好ましい。また、動作温度の上限における反射膜３２ａの反射率は０％より大きい場合が好ましい。

反射膜３２ａの反射率は、動作温度範囲の下限において、７５％から９０％の範囲内であることがより好ましい。図９に示すように、動作温度が０℃（動作温度範囲の下限値）の場合の反射率が７５％から９０％の範囲である場合は、動作温度が１００℃（動作温度範囲の上限値）まで上昇した場合でも、反射率を適切に変化させることで、一定の電流において一定の光出力（１０ｍＷ）を得ることが可能となる。かかる観点から、動作温度範囲の上限における反射率は、５０％から８５％の範囲内であることがより好ましい。

量子ドットレーザ１００の動作温度全域に亘ってレーザ光の出力の温度依存を抑制するため、反射膜３２ａの反射率を動作温度範囲に亘って変化させることが好ましい。

反射膜３２ａは、誘電体多層膜からなる場合を例に挙げたが、これに限られる訳ではない。動作電流を一定にした場合における、レーザ光の出力の温度依存を打ち消すように反射率が変化すれば、誘電体多層膜以外により反射膜３２ａが形成される場合でもよい。また、反射膜３２ａが設けられた端面２８に反対側の端面３０に設けられた反射膜３２ｂの反射率は固定である場合を説明したが、反射膜３２ｂの反射率が変化する場合でもよい。

実施例２は、実施例１に係る量子ドットレーザ１００を備える光モジュールの例である。図１０は、実施例２に係る光モジュール２００のブロック図である。図１０のように、光モジュール２００は、実施例１に係る量子ドットレーザ１００、電流供給回路５０、及び入力部５２を有する。入力部５２は、外部からの送信データ信号５４を受信し、電流供給回路５０に送信データ信号を出力する。電流供給回路５０は、送信データ信号に基づき、量子ドットレーザ１００に動作電流５６を供給する。電流供給回路５０から供給される動作電流５６は、量子ドットレーザ１００の動作温度によらず、一定の大きさである。量子ドットレーザ１００は、動作電流５６に応じた光出力のレーザ光５８を出射する。

このように、実施例２に係る光モジュール２００は、実施例１に係る量子ドットレーザ１００と、量子ドットレーザ１００から所定の光出力を得るため、一定の大きさの動作電流５６を量子ドットレーザ１００に供給する電流供給回路５０と、を有する。実施例１に係る量子ドットレーザ１００は、前述したように、動作電流を一定にした場合でもレーザ光の出力の温度依存を抑制することができる。したがって、量子ドットレーザ１００の動作温度によらず一定の大きさの動作電流５６を供給する電流供給回路５０を用いても、動作温度の変化に伴う、量子ドットレーザ１００からのレーザ光の出力の変動は抑制される。よって、実施例２によれば、モニタ用フォトダイオードやＡＰＣ回路が不要となり、レーザ光の出力の温度依存を抑制しつつ、低コスト化が可能となる。また、モニタ用フォトダイオードやＡＰＣ回路が設けられていないことから、電流供給回路５０は、量子ドットレーザ１００の光出力をフィードバックしていない。

以上、本発明の好ましい実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 基板
１２ 下部クラッド層
１４ 量子ドット活性層
１６ 上部クラッド層
１８ 半導体層
２０ リッジ部
２２ 凹部
２４ ｐ電極
２６ ｎ電極
２８ 端面
３０ 端面
３２ａ 反射膜
３２ｂ 反射膜
３４ ドット層
３５ 出射端面
３６ 量子ドット
３８ ＩｎＧａＡｓ層
４０ アンドープＧａＡｓ層
４２ ｐ型ＧａＡｓ層
４４ アンドープＧａＡｓ層
４６ バリア層
５０ 電流供給回路
５２ 入力部
５４ 送信データ信号
５６ 動作電流
５８ レーザ光
１００ 量子ドットレーザ
２００ 光モジュール

Claims (8)

1. 複数の量子ドットを有する活性層と前記活性層を挟む２つのクラッド層とを含む半導体層と、
   前記活性層から出射されるレーザ光の出射端面を覆うように前記半導体層の端面に設けられた反射膜と、を具備し、
   前記反射膜は、動作電流を一定にした場合における前記レーザ光の出力の温度依存を打ち消すように変化する反射率を有することを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記レーザ光の波長の温度依存性を利用し、前記反射膜の反射率に前記レーザ光の出力の温度依存を打ち消すような前記レーザ光の波長に対する波長依存性を持たせることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 前記反射膜の反射率は、前記レーザ光の波長が長くなるに従い低下することを特徴とする請求項２記載の半導体レーザ。
4. 動作温度範囲の下限における前記反射膜の反射率と上限における前記反射膜の反射率との差が１０％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の半導体レーザ。
5. 前記反射膜の反射率は、動作温度範囲に亘って変化することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の半導体レーザ。
6. 前記反射膜は、誘電体多層膜であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の半導体レーザ。
7. 請求項１から６のいずれか一項記載の半導体レーザと、
   前記半導体レーザから所定の光出力を得るため、前記半導体レーザの動作温度によらず一定の動作電流を供給する電流供給回路と、を具備することを特徴とする光モジュール。
8. 前記電流供給回路は、前記半導体レーザの光出力をフィードバックしていないことを特徴とする請求項７記載の光モジュール。

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