JP2013197502A

JP2013197502A - 変調器集積半導体レーザ

Info

Publication number: JP2013197502A
Application number: JP2012065811A
Authority: JP
Inventors: Takashi Tadokoro; 貴志田所
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-03-22
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-09-30

Abstract

【課題】低消費電力で高速変調可能な変調器集積半導体レーザ装置を提供する。
【解決手段】変調器集積半導体レーザであって、第１の回折格子を有する半導体レーザと、電圧印加により屈折率を変化させる変調器と、半導体レーザと変調器との間に形成された第２の回折格子と、変調器の光出射側に形成された第３の回折格子とを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は変調器集積半導体レーザ装置、特に低消費電力で高速変調可能な変調器集積半導体レーザ装置に関する。

変調器集積型半導体レーザは小型で高速変調が可能であるという利点を持ち、光ファイバを用いた高速伝送システムで広く用いられている（例えば、非特許文献１）。

現在、変調器集積型半導体レーザを用いた光通信の伝送速度は１０Ｇｂｐｓから４０Ｇｂｐｓに達していて、今後はそれらの高密度集積が期待されている。

Electronics Letters, Vol.22, No.5, pp.242-243, 1986

しかし、従来の構造の変調器集積型半導体レーザを用いて長距離伝送を可能にするためには、変調器に約２Ｖｐｐの変調信号を印加させなければならず、駆動用ドライバＩＣの消費電力が大きくなるという問題があった。また、廃熱処理の制限により高密度集積が困難であった。

上記の課題を解決するために、本発明は変調器集積半導体レーザであって、第１の回折格子を有する半導体レーザと、電圧印加により屈折率を変化させる変調器と、半導体レーザと変調器との間に形成された第２の回折格子と、変調器の光出射側に形成された第３の回折格子とを含むことを特徴とする。

本発明によれば、変調器領域への電圧印加により生じる屈折率変化に対する第１の回折格子からなる半導体レーザからの出射光の透過特性が急峻に変化し、１０ｄＢ以上の消光比を持つ高速変調レーザを、従来の１／５程度の変調信号電圧で実現することができる。このため、低消費電力のドライバＩＣを使用することが可能となる。その結果、集積密度が高く、小型で低コストな高速伝送システムを提供することができる。

本発明の実施例１にかかる半導体レーザの断面図である。本発明の実施例１にかかる半導体レーザの消光特性を示すグラフである。本発明の実施例２にかかる半導体レーザの断面図である。本発明の実施例２にかかる半導体レーザの消光特性を示すグラフである。

[実施例１]
本発明の実施例１を、図面を参照しながら説明する。図１は本実施例にかかる変調器集積分布帰還型半導体レーザの断面図である。本発明の半導体レーザは、ｎ型ＩｎＰ基板１と、ｎ型ＩｎＰ基板１上の、ＩｎＧａＡｓＰ活性層２、ＩｎＧａＡｓＰガイド層３、ｐ型ＩｎＰクラッド層５、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層６、電極７で構成される。ＩｎＧａＡｓＰガイド層３とｐ型ＩｎＰクラッド層５と間には、回折格子４が設けられている。また、本発明の変調器は、ｎ型ＩｎＰ基板１と、ｎ型ＩｎＰ基板１上の、ＩｎＧａＡｓＰ光導波層９、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層１１、電極１２で構成される。基板１にはさらに電極８が設けられている。また、活性層側面はルテニウムをドープしたＩｎＰ層を成長した埋込み構造になっている（図示せず）。本発明の変調器集積分布帰還型半導体レーザは、上記の構造に、さらに、半導体レーザ領域２０と変調器領域２２の間に、高屈折率領域と低屈折率領域とを交互に配した第２の回折格子２１が、変調器領域２２の光出射側にも、回折格子２１と同様の第３の回折格子２３が設けられた構造となっている。

図１の変調器集積分布帰還型半導体レーザは、従来と同様の材料系あるいは同様の製造方法で製造される。第２の回折格子２１と第３の回折格子２３が設けられている点が、従来技術と異なっている。

以下に、図１の変調器集積分布帰還型半導体レーザの製造方法を述べる。まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上にＩｎＧａＡｓＰ活性層２、ＩｎＧａＡｓＰガイド層３を成長させた後、ガイド層と活性層を島状に残してエッチングで周りを除去し、周りをＩｎＧａＡｓＰ光導波層９で埋込む。その後、第1の回折格子である回折格子４の形成、ＩｎＰクラッド層５および１０とＩｎＧａＡｓＰキャップ層６および１１の成長、さらに電流狭窄用のルテニウムをドープしたＩｎＰ層（図示せず）の埋込み成長を行いウエハが完成する。上記層構造からなるウエハ成長後に、成長層側に形成する電極７および１２に対応する部分のみ残してｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層６を除去する。その後成長層側の電極７および１２、基板側電極８を形成する。そして第２の回折格子領域２１と第３の回折格子領域２３に回折格子パターンを形成し、ドライエッチングにより光導波層９の下まで半導体を除去する。最後に、へき開により素子を切り出す。

本実施例の変調器集積分布帰還型半導体レーザはレーザ領域長が５００μｍであり、第２の回折格子領域長が５．７μｍ、変調器領域長が６．１μｍ、第３の回折格子領域長が５．７μｍである。このようにして作製した変調器集積分布帰還型半導体レーザのレーザ領域２０に５０ｍＡの電流を流し、変調器領域２２にＶｐｐ＝０．４Ｖの信号を印加したときの消光特性を図２に示す。図２を参照すると、約２０ｄＢの消光が得られている。

[実施例２]
図３は本発明の実施例２にかかる変調器集積分布帰還型半導体レーザの断面図である。実施例２の変調器集積分布帰還型半導体レーザは、半導体レーザ領域２０と変調器領域２２は実施例１と同様の構造であり、第２の回折格子領域２１および第３の回折格子領域２３の構造は実施例１と異なっている。第２の回折格子領域２１は、ｎ型ＩｎＰ基板１上と、ｎ型ＩｎＰ基板１上の、ＩｎＧａＡｓＰ光導波層９、ＩｎＰクラッド層５から構成される。ＩｎＧａＡｓＰ光導波層９とＩｎＰクラッド層５との間には回折格子４が、さらにＩｎＰクラッド層５には分離溝１４が設けられている。第３の回折格子領域２３は、高反射膜１３から構成される。

以下に、図３の変調器集積分布帰還型半導体レーザの製造方法を述べる。まず、ｎ型ＩｎＰ基板１上にＩｎＧａＡｓＰ活性層２、ＩｎＧａＡｓＰガイド層３を成長させた後、ガイド層３と活性層２を島状に残してエッチングで周りを除去し、周りをＩｎＧａＡｓＰ光導波層９で埋込むところまでは実施例１と同様である。その後、レーザ領域２０と第２の回折格子領域２１の両領域に回折格子４を形成し、ＩｎＰクラッド層５とＩｎＧａＡｓＰキャップ層６および１１を成長する。そして電流狭窄用のルテニウムをドープしたＩｎＰ層（図示せず）の埋込み成長を活性層２側面および光導波層９側面に行いウエハが完成する。上記層構造からなるウエハ成長後に、成長層側に形成する電極７および１２に対応する部分のみ残してｐ型ＩｎＧａＡｓＰキャップ層６を除去する。その後成長層側の電極７および１２、基板側電極８を形成し、レーザ領域２０と第２の回折格子領域２１間、および第２の回折格子領域２１と変調器領域２２間にエッチングにより分離溝１４を形成する。へき開により素子を切り出した後、高反射膜１３として変調器領域端面にＳｉＯ２とＳｉを２ペア蒸着することで素子が完成する。この素子はレーザ領域長が５００μｍであり、第２の回折格子領域長が６５μｍ、変調器領域長が９８μｍ、第３の回折格子領域長が０．６３μｍである。

このようにして作製した変調器集積分布帰還型半導体レーザのレーザ領域２０に５０ｍＡの電流を流し、変調器領域２２にＶｐｐ＝０．４Ｖの信号を印加したときの消光特性を図４に示す。図４を参照すると、約２０ｄＢの消光が得られている。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、上記の説明ではｎ型ＩｎＰ基板を用いていたものの、基板はｐ型ＩｎＰを用いても良い。その際はキャップ層としてｎ型ＩｎＧａＡｓＰ、クラッド層としてｎ型ＩｎＰを用いる。

また、上記説明ではルテニウムをドープした埋込み層を使用したが、埋込み層として鉄をドープしたＩｎＰ層を使っても良い。

また、上記説明ではＩｎＧａＡｓＰからなる活性層を使ったが、ＩｎＧａＡｌＡｓからなる活性層を用いても良い。

また、上記説明では半導体による埋込み構造を使っていたが、ポリイミド等の半導体以外の材料を使った埋込み構造でも良いし、埋込み構造を使わずリッジ構造としても良い。

また、上記実施例１および実施例２の説明ではレーザ領域の回折格子は均一な周期構造であったが、回折格子に位相シフト領域が含まれている構造でも良いし、分布帰還型レーザ以外の半導体レーザでも良い。

上記実施例１、２において、光導波層９はレーザ部と同じ直線導波路でもテーパー状の導波路でも良く、また、途中から曲がっていても良い。さらに、レーザ領域端面には高反射膜あるいは反射防止膜を形成しても良い。

また、変調器に逆バイアスを印加しても良い。これにより、変調特性を制御できる効果を奏する。すなわち、逆バイアスをかけることによって、αパラメータや消光比を変化させることができ、伝送距離を長くすることができる。

なお、第２の回折格子領域と第３の回折格子領域の高屈折率領域の屈折率をそれぞれｎ_H2、ｎ_H3、低屈折領域の屈折率をそれぞれｎ_L2、ｎ_L3、変調器領域の屈折率をｎ_M、ＤＦＢレーザの発振波長をλ、第２の回折格子領域と第３の回折格子領域の格子の数をそれぞれａ、ｂとすると、第２の回折格子領域のｃ番目の高屈折領域の長さをｄｅ・λ／４／ｎ_H2、ｆ番目の低屈折率領域の長さをｇｈ・λ／４／ｎ_L2、第３の回折格子領域のｉ番目の高屈折領域の長さをｊｋ・λ／４／ｎ_H3、ｌ番目の低屈折率領域の長さをｏｐ・λ／４／ｎ_L3、変調器領域の長さをｍ・λ／４／ｎ_M （ただし、ｄｅ、ｇｈ、ｊｋ、ｏｐは奇数、ｍは偶数、ｃ、ｆは１〜ａの整数、ｉ、ｌは１〜ｂの整数）とした場合が、レーザ光と変調器領域との相互作用が最も大きくなるため、効果的に消光比を高くすることができる。

１半導体基板
２活性層
３ガイド層
４回折格子
５クラッド層
６キャップ層
７電極
８電極
９光導波路
１０クラッド層
１１キャップ層
１２電極
１３高反射膜
１４分離溝
２０レーザ領域
２１第２の回折格子領域
２２変調器領域
２３第３の回折格子領域

Claims

第１の回折格子を有する半導体レーザと、
電圧印加により屈折率を変化させる変調器と、
前記半導体レーザと前記変調器との間に形成された第２の回折格子と、
前記変調器の光出射側に形成された第３の回折格子と
を含むことを特徴とする変調器集積半導体レーザ。
前記半導体レーザが、半導体基板と、前記半導体基板上に形成された活性層と、前記活性層上に形成されたガイド層と、前記ガイド層上に形成されたクラッド層と、前記クラッド層上に形成されたキャップ層と、前記半導体基板の下に形成された第１の電極と、前記キャップ層上に形成された第２の電極とからなり、前記ガイド層と前記クラッド層との境界が前記第１の回折格子を形成していることを特徴とする請求項１に記載の変調器集積半導体レーザ。
前記変調器が、前記半導体基板と、前記半導体基板上に形成された光導波層と、前記光導波層上に形成された前記クラッド層と、前記クラッド層上に形成されたキャップ層と、前記半導体基板の下に形成された第１の電極と、前記キャップ層上に形成された第２の電極とからなることを特徴とする請求項１または２に記載の変調器集積半導体レーザ。
前記第１の回折格子が、位相シフト領域を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変調器集積半導体レーザ。
前記変調器に逆バイアスを印加することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の変調器集積半導体レーザ。
前記第２の回折格子と、前記第３の回折格子とが半導体層および空気層で構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変調器集積半導体レーザ。
前記第１の回折格子と、前記第２の回折格子とが連続して形成され、前記第３の回折格子は高反射膜で構成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変調器集積半導体レーザ。
前記第２の回折格子と前記第３の回折格子の高屈折率領域の屈折率をそれぞれｎ_H2、ｎ_H3、低屈折領域の屈折率をそれぞれｎ_L2、ｎ_L3、前記変調器の屈折率をｎ_M、前記半導体レーザの発振波長をλ、前記第２の回折格子と前記第３の回折格子の格子の数をそれぞれａ、ｂとすると、前記第２の回折格子のｃ番目の高屈折領域の長さをｄｃ・λ／４／ｎ_H2、ｅ番目の低屈折率領域の長さをｆｅ・λ／４／ｎ_L2、前記第３の回折格子のｇ番目の高屈折領域の長さをｈｇ・λ／４／ｎ_H3、ｉ番目の低屈折率領域の長さをｊｉ・λ／４／ｎ_L3、変調器領域の長さをｍ・λ／４／ｎ_M （ただし、ｄｃ、ｆｅ、ｈｇ、ｊｉは奇数、ｍは偶数、ｃ、ｅは１〜ａの整数、ｇ、ｉは１〜ｂの整数）であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の変調器集積半導体レーザ。