JP2017022289A - 半導体レーザ、光モジュール、光通信装置、及び光通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】良好な高速変調特性を得ること。
【解決手段】２．５Ｇｂｐｓ以上の通信速度の光通信に用いられる直接変調型の半導体レーザであって、ＧａＡｓ基板１０上に設けられ、ｎ型導電型の下部クラッド層１４と、前記下部クラッド層上に設けられ、ＩｎＡｓからなる複数の量子ドット４２とＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓからなり前記複数の量子ドットを覆うバリア層５０とを含む複数の量子ドット層５２が積層された活性層４０と、前記活性層上に設けられ、ｐ型導電型の上部クラッド層２０と、前記上部クラッド層上に設けられたｐ電極３０と、前記ＧａＡｓ基板の下面に設けられたｎ電極３６と、を備え、前記複数の量子ドット層の前記量子ドットの面密度Ｄは４×１０^１０ｃｍ^−２より高く、前記複数の量子ドット層の厚さＴは４２０００×Ｄ^{−０．２９５}≦Ｔ＜４０ｎｍである半導体レーザ。
【選択図】図８

Description

本発明は、半導体レーザ、光モジュール、光通信装置、及び光通信システムに関する。

近年、複数の量子ドットを有する活性層を備えた半導体レーザの研究が盛んに行われている。例えば、ＩｎＡｓからなる量子ドットの結晶成長に関する研究や（例えば非特許文献１）、量子ドットを用いた半導体レーザの変調特性の研究がなされている（例えば非特許文献２〜４）。また、量子ドットを含む量子ドット層の光学ゲイン特性を良好にする技術が提案されている（例えば特許文献１）。

特表２００４−５２８７０５号公報

V.M. Ustinov, 外１３名, "1.3μm InAs/GaAs quantum dot lasers and VCSELs grown by molecular beam epitaxy", Journal of Crystal Growth 227-228, 2001, p.1155-1161 Yu Tanaka, 外９名, "25 Gbps Direct Modulation in 1.3-μm InAs/GaAs High-Density Quantum Dot Lasers", Optical Society of America, 2010, Vol.CTuZi S.M. Kim, 外３名, "High-Frequency Modulation Characteristics of 1.3-μm InGaAs Quantum Dot Lasers", IEEE PHOTONICS TECHBOLOGY LETTERS, 2004, VOL.16, No.2, p.377-379 M Kuntz, 外１７名, "Direct modulation and mode locking of 1.3μm quantum dot lasers", New Journal of Physics, 2004, Vol.6 No.181

ＩｎＡｓからなる量子ドットと量子ドットを覆うＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓからなるバリア層とを含む複数の量子ドット層が積層された活性層では、量子ドットによる歪みに起因した品質劣化を抑制するために、バリア層を厚くしている。しかしながら、バリア層が厚くなると、量子ドット層が厚くなり、その結果、活性層が厚くなるため、直接変調型の半導体レーザにおいて、良好な高速変調特性を得ることが難しい。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、良好な高速変調特性を得ることが可能な半導体レーザ、光モジュール、光通信装置、及び光通信システムを提供することを目的とする。

本発明は、２．５Ｇｂｐｓ以上の通信速度の光通信に用いられる直接変調型の半導体レーザであって、ＧａＡｓ基板上に設けられ、第１導電型を有する下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に設けられ、ＩｎＡｓからなる複数の量子ドットとＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓからなり前記複数の量子ドットを覆うバリア層とを含む複数の量子ドット層が積層された活性層と、前記活性層上に設けられ、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有する上部クラッド層と、前記上部クラッド層上に設けられた第１導電型用電極と、前記ＧａＡｓ基板の下面に設けられた第２導電型用電極と、を備え、前記複数の量子ドット層の前記量子ドットの面密度Ｄは４×１０^１０ｃｍ^−２より高く、前記複数の量子ドット層の厚さＴは４２０００×Ｄ^{−０．２９５}≦Ｔ＜４０ｎｍであ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、良好な高速変調特性を得ることができる。

上記構成において、前記活性層は、５層以上の前記量子ドット層が積層されている構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の量子ドット層は、前記複数の量子ドットの間に設けられたＩｎＧａＡｓ層を含む構成とすることができる。

上記構成において、前記半導体レーザの発振波長は、１．２μｍ以上且つ１．３５μｍ以下である構成とすることができる。

上記構成において、前記複数の量子ドット層のうち最下層の量子ドット層は、ＧａＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層の上面に設けられている構成とすることができる。

上記構成において、前記下部クラッド層と前記活性層との間に設けられ、ＧａＡｓからなる第１導波路層と、前記上部クラッド層と前記活性層との間に設けられ、ＧａＡｓからなる第２導波路層と、を備え、前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層はＡｌＧａＡｓからなり、前記活性層は前記第１導波路層と前記第２導波路層とに接して設けられている構成とすることができる。

本発明は、上記のいずれかに記載の半導体レーザを備えることを特徴とする光モジュールである。

本発明は、上記記載の光モジュールを備えることを特徴とする光通信装置である。

本発明は、上記記載の光通信装置を備えることを特徴とする光通信システムである。

本発明によれば、良好な高速変調特性を得ることができる。

図１は、複数の量子ドット層が積層された活性層を示す断面図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、シミュレーション結果の概要を説明するための斜視図である。 図３は、シミュレーション結果の詳細を説明するための図である。 図４は、量子ドットの垂直結合の評価のために作製した試料の断面図である。 図５（ａ）から図５（ｃ）は、量子ドットの垂直結合の評価のために作製した試料のＳＥＭ像である。 図６は、発明者が行ったシミュレーションの結果と実験の結果とを合わせた図である。 図７は、実施例１に係る半導体レーザを示す断面斜視図である。 図８は、１層分の量子ドット層を示す断面図である。 図９は、実施例１の半導体レーザの周波数応答特性の室温での実験結果を示す図である。 図１０は、量子ドットの間にＩｎＧａＡｓ層が形成された場合の量子ドット層を示す断面図である。 図１１は、ＩｎＡｓ量子ドットの間にＩｎＧａＡｓ層を形成した試料のＳＥＭ像である。 図１２は、実施例２に係る光モジュールを示すブロック図である。 図１３は、実施例３に係る光通信装置を示すブロック図である。 図１４は、実施例４に係る光通信システムを示すブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例について説明する。

複数の量子ドットを有し、発振波長が１．２μｍ〜１．３５μｍである半導体レーザでは、量子ドットにＩｎＡｓが用いられる。しかしながら、ＩｎＡｓからなる量子ドットと当該量子ドットを覆うＧａＡｓからなるバリア層とを含む量子ドット層が複数積層された活性層を用いた場合には、以下の課題が存在する。図１は、複数の量子ドット層７６が積層された活性層７０を示す断面図である。図１のように、量子ドット層７６は、ＩｎＡｓからなる量子ドット７２と、量子ドット７２を覆うＧａＡｓからなるバリア層７４と、を含む。活性層７０は、複数の量子ドット層７６が積層されている。

ＩｎＡｓの量子ドット７２をＧａＡｓのバリア層７４で覆う量子ドット層７６では、量子ドットがＩｎＧａＡｓからなる場合などに比べて、格子定数の差のために量子ドット７２の直上に位置する領域でのバリア層７４の歪みが大きくなる。このことは、ＩｎＡｓからなる単一の量子ドットをＧａＡｓからなるバリア層で覆った構造のシミュレーション結果からも得られている。

複数の量子ドット層７６を積層する場合、歪みを有するバリア層７４上に量子ドット７２が形成されることになる。量子ドット７２は歪みの大きい領域に形成され易いことから、上層の量子ドット７２は下層の量子ドット７２の直上に形成され易い。このため、複数の量子ドット層７６が積層されると、量子ドット７２が量子ドット層７６の積層方向で並んで形成される（以下、これを量子ドットの垂直結合と称す）ことが起こり得る。このような量子ドットの垂直結合が起こると、歪みが累積的に蓄積されていき、バリア層７４の歪みが非常に大きくなる。

大きな歪みを有するバリア層７４上に量子ドット７２が形成されると、隣り合って形成されるべき量子ドットが集まって大きな量子ドット７２が形成され、量子ドット７２の大きさのばらつきや面密度の低下が起こる。また、バリア層７４の歪みが臨界に達すると、バリア層７４に貫通転位が発生して非発光中心が活性層７０内に導入される。これらによって、レーザ特性が低下してしまうことが生じる。

レーザ特性の低下を抑制するために、バリア層７４を厚くして、量子ドット７２の直上でのバリア層７４の歪みを軽減させることが考えられる。しかしながら、バリア層７４を厚くすると、量子ドット層７６の厚さＴも厚くなり、その結果、活性層７０が厚くなってしまう。十分な利得を得るために量子ドット層７６を５層以上積層することから、活性層７０は非常に厚くなってしまう。このため、直接変調型の半導体レーザにおいて、良好な高速変調特性を得ることが難しい。

ここで、発明者は、量子ドットの面密度が低い場合には、量子ドットの直上でのバリア層の歪みが大きくなるが、量子ドットの面密度が高い場合には、バリア層の歪み具合が変わるのではないかと考え、シミュレーションを行った。シミュレーションは、ＧａＡｓ基板の（１００）面に複数のＩｎＡｓの量子ドット（以下、ＩｎＡｓ量子ドットと称す）が形成され、複数のＩｎＡｓ量子ドットをＧａＡｓ層で覆った量子ドット層に対して行った。また、ＩｎＡｓ量子ドットの大きさは、下面の直径が２０ｎｍ、上面の直径が１０ｎｍの円錐台形とした。

シミュレーション結果の概要を図２（ａ）及び図２（ｂ）の斜視図を用いて説明する。図２（ａ）及び図２（ｂ）では、ＧａＡｓ層６４の上面の凹凸は歪みを表している。図２（ａ）のように、ＧａＡｓ層６４が薄い場合には、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が高い場合でも、ＩｎＡｓ量子ドット６２の直上でＧａＡｓ層６４の歪みが大きかった。しかしながら、図２（ｂ）のように、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が高い場合には、隣接するＩｎＡｓ量子ドット６２の間でＧａＡｓ層６４の歪みが大きくなるような、ＧａＡｓ層６４の厚さがあることが分かった。

シミュレーション結果の詳細を図３を用いて説明する。図３の横軸は、ＧａＡｓ層６４の厚さである。縦軸は、ＧａＡｓ層６４の平面方向の歪みの合計（（０１０）方向と（００１）方向の歪みの合計）であり、ＧａＡｓバルクの値に対する相対値を示している。図３中の実線、点線、破線、一点鎖線はそれぞれ、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が、１５×１０^１０ｃｍ^−２、１０×１０^１０ｃｍ^−２、６×１０^１０ｃｍ^−２、２×１０^１０ｃｍ^−２の場合のシミュレーション結果である。また、太線はＩｎＡｓ量子ドット６２の直上での歪みを、細線は隣接するＩｎＡｓ量子ドット６２の中間での歪みを示している。

図３のように、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が１５×１０^１０ｃｍ^−２である場合、ＧａＡｓ層６４の厚さが２１ｎｍ程度以上となることで、ＩｎＡｓ量子ドット６２の中間での歪みがＩｎＡｓ量子ドット６２の直上よりも大きくなった。ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が１０×１０^１０ｃｍ^−２、６×１０^１０ｃｍ^−２、２×１０^１０ｃｍ^−２の場合も同様に、ＧａＡｓ層６４の厚さが２５ｎｍ程度、３０ｎｍ程度、４８ｎｍ程度以上となることで、ＩｎＡｓ量子ドット６２の中間での歪みがＩｎＡｓ量子ドット６２の直上よりも大きくなった。このように、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が高くなる程、ＩｎＡｓ量子ドット６２の中間での歪みがＩｎＡｓ量子ドット６２の直上よりも大きくなるＧａＡｓ層６４の厚さが薄くなる結果となった。

このシミュレーション結果から、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が高い場合には、ＧａＡｓ層６４を必要以上に厚くしなくても適切な厚さにすることで、ＩｎＡｓ量子ドット６２の直上でのＧａＡｓ層６４の歪みを軽減できることが分かった。すなわち、ＩｎＡｓからなる複数の量子ドットと複数の量子ドットを覆うＧａＡｓからなるバリア層とを含む量子ドット層が複数積層された活性層において、バリア層を必要以上に厚くしなくても、量子ドットの垂直結合が抑制される可能性があることが分かった。

そこで、発明者は、実際に試料を作製して、量子ドットの垂直結合について評価した。図４は、量子ドットの垂直結合の評価のために作製した試料の断面図である。図４のように、ＧａＡｓ基板６０の（００１）面上に、複数のＩｎＡｓ量子ドット６２とＩｎＡｓ量子ドット６２を覆うＧａＡｓ層６４とからなる量子ドット層６６を複数積層した。ＩｎＡｓ量子ドット６２は、分子線エピタキシー（ＭＢＥ：molecular beam epitaxy）法を用いた自己形成成長法によって形成した。複数の量子ドット層６６において、ＧａＡｓ層６４の厚さ（すなわち、量子ドット層６６の厚さＴ）は、ＧａＡｓ基板６０側から順に、１９ｎｍ、２１ｎｍ、２３ｎｍ、２８ｎｍ、３３ｎｍ、３８ｎｍ、４８ｎｍ、５８ｎｍと変化させた。このような試料を、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が１．５×１０^１０ｃｍ^−２、６×１０^１０ｃｍ^−２、１×１０^１１ｃｍ^−２の場合の３種類作製した。ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度を変えることは、ＭＢＥ法での成長温度と成長速度を制御することで行った。なお、ＩｎＡｓ量子ドット６２の大きさは、面密度が６×１０^１０ｃｍ^−２、１×１０^１１ｃｍ^−２の場合には直径が２０ｎｍ程度で、面密度が１．５×１０^１０ｃｍ^−２の場合には直径が３０ｎｍ程度、高さは共に７．５ｎｍ程度であった。

図５（ａ）から図５（ｃ）は、量子ドットの垂直結合の評価のために作製した試料のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像である。図５（ａ）は、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が１．５×１０^１０ｃｍ^−２、図５（ｂ）は、６×１０^１０ｃｍ^−２、図５（ｃ）は、１×１０^１１ｃｍ^−２の場合のＳＥＭ像である。図５（ａ）のように、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が１．５×１０^１０ｃｍ^−２の場合では、ＧａＡｓ層６４の厚さが４８ｎｍ程度で、量子ドットの垂直結合が抑制された。図５（ｂ）のように、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が６×１０^１０ｃｍ^−２の場合では、ＧａＡｓ層６４の厚さが３３ｎｍ程度で、量子ドットの垂直結合が抑制された。図５（ｃ）のように、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が１×１０^１１ｃｍ^−２の場合では、ＧａＡｓ層６４の厚さが２８ｎｍ程度で、量子ドットの垂直結合が抑制された。このように、量子ドットの垂直結合が抑制されるＧａＡｓ層６４の厚さは、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が低い程厚く、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度が高い程薄い結果となった。

図６は、発明者が行ったシミュレーションの結果と実験の結果とを合わせた図である。図６の横軸は、ＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度Ｄ（ｃｍ^−２）である。縦軸は、量子ドット層６６の厚さＴ（ｎｍ）、すなわちＧａＡｓ層６４の厚さである。ＩｎＡｓ量子ドット６２の中間での歪みがＩｎＡｓ量子ドット６２の直上よりも大きくなる量子ドット層６６の厚さのシミュレーション結果（図３参照）を黒丸で示し、黒丸の近似曲線を破線で示している。量子ドットの垂直結合が起こらない量子ドット層６６の厚さの実験結果（図５（ａ）から図５（ｃ）参照）を白丸で示し、白丸の下側での近似曲線を実線で示している。なお、白丸を大きく図示しているが、これは、実験では量子ドット層６６の厚さをある程度の幅を空けて形成したためである。

図６のように、実験結果は、シミュレーション結果と概ね合致し、量子ドット層６６の厚さＴを、Ｔ≧４２０００×Ｄ^{−０．２９５}とすることで、量子ドットの垂直結合が抑えられることが分かった。そこで、発明者が、シミュレーション及び実験によって新たに見出した当該知見に基づく実施例を以下に示す。

図７は、実施例１に係る半導体レーザ１００を示す断面斜視図である。実施例１の半導体レーザ１００は、２．５Ｇｂｐｓ以上の通信速度の光通信に用いられる直接変調型のファブリペロー半導体レーザであり、１．２μｍ以上且つ１．３５μｍ以下の波長のレーザ光を発振する。図７のように、実施例１の半導体レーザ１００は、ｎ型のＧａＡｓ基板１０上に、ｎ型のＧａＡｓからなるバッファ層１２が形成されている。バッファ層１２上に、ｎ型のＡｌＧａＡｓからなる下部クラッド層１４が形成されている。バッファ層１２及び下部クラッド層１４にドープされるｎ型ドーパントとして、例えばシリコン（Ｓｉ）が用いられる。下部クラッド層１４のＡｌ組成比は、例えば０．２以上且つ０．９以下、好ましくは０．３以上０．４以下である。

下部クラッド層１４上に、アンドープのＧａＡｓからなる導波路層１６が形成されている。導波路層１６上に、量子ドット４２を含む量子ドット層５２が複数積層された活性層４０が形成されている。

図８は、１層分の量子ドット層５２を示す断面図である。図８のように、量子ドット層５２は、ＩｎＡｓからなる複数の量子ドット４２と、複数の量子ドット４２を覆うＧａＡｓからなるバリア層５０と、を含む。量子ドット４２の大きさは、例えば直径が１０ｎｍ以上且つ４０ｎｍ以下で、高さが３ｎｍ以上且つ１５ｎｍ以下である。バリア層５０は、複数の量子ドット４２を覆う、アンドープのＧａＡｓからなる第１バリア層４４と、第１バリア層４４上に形成され、ｐ型のＧａＡｓからなる第２バリア層４６と、第２バリア層４６上に形成され、アンドープのＧａＡｓからなる第３バリア層４８と、を含む。第１バリア層４４は、複数の量子ドット４２に接して、複数の量子ドット４２を覆っている。第２バリア層４６は第１バリア層４４の上面に接して形成され、第３バリア層４８は第２バリア層４６に接して形成されている。

量子ドット４２の面密度Ｄは、適切な利得を得るために４×１０^１０ｃｍ^−２より高くなっている。また、量子ドット層５２の厚さＴは、２．５Ｇｂｐｓ以上の光通信に適切した高速な変調速度を得るために４０ｎｍより薄く、且つ、量子ドットの垂直結合を抑制するため、４２０００×Ｄ^{−０．２９５}以上となっている。すなわち、量子ドット層５２の厚さＴは、４２０００Ｄ^{−０．２９５}≦Ｔ＜４０ｎｍである。

図７のように、活性層４０上に、アンドープのＧａＡｓからなる導波路層１８が形成されている。導波路層１８上に、ｐ型のＡｌＧａＡｓからなる上部クラッド層２０が形成されている。上部クラッド層２０は、両側に凹部２４が形成されたリッジ部２２を有する。上部クラッド層２０は、凹部２４の下にも残存する。リッジ部２２の側面は、垂直状であってもよいし、テーパ状であってもよい。上部クラッド層２０上に、ｐ型のＧａＡｓからなるコンタクト層２６が形成されている。上部クラッド層２０及びコンタクト層２６にドープされるｐ型ドーパントとして、例えばベリリウム（Ｂｅ）が用いられる。上部クラッド層２０のＡｌ組成比は、例えば０．２以上且つ０．９以下、好ましくは０．３以上０．５以下である。

コンタクト層２６の上面並びに凹部２４の側面及び底面に、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる保護膜２８が形成されている。リッジ部２２上の保護膜２８には開口が形成されていて、当該開口で露出したコンタクト層２６の上面にｐ電極３０が形成されている。リッジ部２２以外の保護膜２８上に、ｐ電極３０と配線３２を介して接続するパッド３４が形成されている。ＧａＡｓ基板１０の下面には、ｎ電極３６が形成されている。

バッファ層１２、下部クラッド層１４、導波路層１６、活性層４０、導波路層１８、上部クラッド層２０、及びコンタクト層２６は、例えばＭＢＥ法を用いて形成されることができる。また、量子ドット４２は、例えばＳ−Ｋ（Stranski-Krastanov）成長モードを基礎とした自己形成成長法によって形成されることができる。

次に、発明者が、実施例１の半導体レーザ１００の周波数応答特性を調べた実験について説明する。表１及び表２は、実験に用いた半導体レーザ１００の各層の材料、膜厚、ドーピング濃度を示している。表１は、活性層４０以外の各層について示し、表２は、活性層４０について示している。

表１のように、下部クラッド層１４と上部クラッド層２０はそれぞれ、Ａｌ組成比が異なるＡｌＧａＡｓ層が３層積層された構造、すなわち下層、中層、上層の３層構造とした。上部クラッド層２０は、上層と中層とでリッジ部２２が形成され、凹部２４下に下層が残存しているとした。また、活性層４０では、アンドープのＩｎＡｓからなる量子ドット４２は、高さが７．５ｎｍで、面密度Ｄが６．６×１０^１０ｃｍ^−２であるとした。量子ドット層５２は８層積層され、量子ドット層５２の厚さＴは３０ｎｍであるとした。なお、７．５ｎｍの高さの量子ドット４２は、０．９ｎｍ厚のＩｎＡｓを堆積し、自己形成させることによって形成した。

図９は、実施例１の半導体レーザ１００の周波数応答特性の室温での実験結果を示す図である。図９の横軸は、閾値電流以上の電流の平方根である。縦軸は、周波数０（ゼロ）におけるレスポンスが３ｄＢ低下したときのカットオフ周波数である。実施例１の半導体レーザ１００の実験結果を黒丸で示している。また、比較のために、比較例１の半導体レーザの実験結果を白丸で示している。比較例１の半導体レーザは、量子ドット層の厚さが４０ｎｍで、量子ドットの面密度が６．０×１０^１０ｃｍ^−２であり、複数の量子ドット間に後述する図１０のＩｎＧａＡｓ層５４が設けられている点が実施例１と異なり、その他は実施例１と同じである。ＩｎＧａＡｓ層５４は、膜厚が３．６ｎｍのアンドープのＩｎ_０．１３Ｇａ_０．８７Ａｓとした。

図９のように、比較例１の半導体レーザのカットオフ周波数は最大で９．５ＧＨｚ程度であったのに対し、実施例１の半導体レーザ１００のカットオフ周波数は最大で１３ＧＨｚ程度となった。

以上のように、実施例１によれば、複数の量子ドット層５２それぞれの量子ドット４２の面密度Ｄが４×１０^１０ｃｍ^−２よりも高いことで、適切な利得を得ることができる。量子ドット層５２の厚さＴが、４２０００×Ｄ^{−０．２９５}≦Ｔ＜４０ｎｍであることで、量子ドットの垂直結合を抑制して良好な品質を維持しつつ、良好な高速変調特性を得ることができる。

また、活性層４０は、十分な利得を得るために、量子ドット層５２が５層以上積層されている場合が好ましく、８層以上積層されている場合がより好ましく、１０層以上積層されている場合がさらに好ましい。量子ドット層５２が５層以上積層されている場合、活性層４０が厚くなって高速変調特性が悪化することが懸念されるが、実施例１によれば、良好な高速変調特性を得ることができる。

また、実施例１の半導体レーザ１００の発振波長は１．２μｍ以上且つ１．３５μｍ以下である。発振波長を調整するために、複数の量子ドット４２の間にＩｎＧａＡｓ層が形成されていてもよい。図１０は、量子ドット４２の間にＩｎＧａＡｓ層が形成された場合の量子ドット層５２を示す断面図である。図１０のように、複数の量子ドット４２の間に、発振波長を調整するために、ＩｎＧａＡｓ層５４が形成されている。ＩｎＧａＡｓ層５４は、量子ドット４２の高さよりも薄い厚さで複数の量子ドット４２の間に形成されている。第１バリア層４４は、複数の量子ドット４２とＩｎＧａＡｓ層５４とを覆って形成されている。

なお、複数の量子ドット４２の間にＩｎＧａＡｓ層５４が形成されている場合でも、量子ドット層５２の厚さＴが４２０００×Ｄ^{−０．２９５}以下となることで、量子ドットの垂直結合を抑制することができる。このことを、発明者が行った実験によって説明する。発明者は、複数のＩｎＡｓ量子ドット６２の間にＩｎＧａＡｓ層５４が形成されている以外は、図４と同じ構造をした試料を作製した。この試料のＩｎＡｓ量子ドット６２の面密度は６×１０^１０ｃｍ^−２とした。図１１は、ＩｎＡｓ量子ドット６２の間にＩｎＧａＡｓ層５４を形成した試料のＳＥＭ像である。図１１のように、ＩｎＡｓ量子ドット６２の間にＩｎＧａＡｓ層５４が形成されている場合でも、図５（ｂ）と同様に、ＧａＡｓ層６４の厚さが３３ｎｍ程度で、量子ドットの垂直結合が抑制された。これから、ＩｎＧａＡｓ層５４が形成されている場合でも、形成されていない場合と同様のＧａＡｓ層６４の厚さで、量子ドットの垂直結合が抑制されることが分かる。したがって、ＩｎＧａＡｓ層５４が形成されている場合でも、量子ドット層５２の厚さＴが４２０００×Ｄ^{−０．２９５}以下となることで、量子ドットの垂直結合を抑制できることが分かる。ＩｎＧａＡｓ層５４の有無で量子ドットの垂直結合を抑制できる量子ドット層５２の厚さＴが変化しないのは、ＩｎＧａＡｓ層５４はほぼ全面に設けられるため、歪みにあまり影響を及ぼさないためと考えられる。なお、ＩｎＧａＡｓ層５４のＩｎ組成は、例えば０．０５以上且つ０．４以下であり、好ましくは０．１以上且つ０．２以下である。

なお、実施例１では、バリア層５０が、アンドープのＧａＡｓ層とｐ型のＧａＡｓ層とを含む場合を例に示したが、アンドープ又はｐ型のいずれか一方のＧａＡｓ層だけからなる場合でもよい。また、バリア層５０は、ＧａＡｓ層の場合に限られず、ＡｌＧａＡｓ層の場合でもよい。ＡｌＧａＡｓ層の場合でも、量子ドット層５２の厚さＴが４２０００×Ｄ^{−０．２９５}以下となることで、量子ドットの垂直結合を抑制することができる。これは、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓでは、格子定数がほとんど変わらないためである。

なお、実施例１では、活性層４０が、導波路層１６、１８に接して設けられているが、導波路層１６、１８が形成されてなく、下部クラッド層１４及び上部クラッド層２０に接して設けられていてもよい。この場合、複数の量子ドット層５２のうちの最下層の量子ドット層５２は、ＧａＡｓ層の上面ではなく、ＡｌＧａＡｓ層の上面に形成される。

なお、実施例１では、２．５Ｇｂｐｓ以上の通信速度の光通信に用いられる半導体レーザの場合を例に示したが、例えば１０Ｇｂｐｓ以上などの高速光通信に用いられる半導体レーザに適用することでより大きな効果が得られる。量子ドット層５２の厚さＴは、高速変調の点から、３５ｎｍより小さい場合が好ましく、３０ｎｍより小さい場合がより好ましい。また、量子ドット層５２の厚さＴは、量子ドットの垂直結合を抑えるにあたってのマージンを考慮すると、４２０００×Ｄ^{−０．２９５}＋１ｎｍ以上が好ましく、４２０００×Ｄ^{−０．２９５}＋２ｎｍ以上がより好ましく、４２０００×Ｄ^{−０．２９５}＋３ｎｍ以上がさらに好ましい。量子ドット４２の面密度Ｄは、利得の点から、５×１０^１０ｃｍ^−２より大きい場合が好ましく、６×１０^１０ｃｍ^−２より大きい場合がより好ましく、７×１０^１０ｃｍ^−２より大きい場合がさらに好ましい。半導体レーザに対する変調方式は、Ｒｚ（Return to Zero）又はＮＲｚ（Non Return to Zero）のいずれであってもよい。

なお、実施例１の半導体レーザ１００の発振波長は、１．２μｍ以上且つ１．３５μｍ以下の場合に限らず、１．２μｍ以上且つ１．３μｍ以下の場合や、１．２５μｍ以上且つ１．３μｍ以下の場合でもよい。

なお、実施例１では、ｎ型のＧａＡｓ基板１０を用いた場合を例に示したが、ｐ型のＧａＡｓ基板を用いてもよい。下部クラッド層１４の導電型がｎ型で、上部クラッド層２０の導電型がｐ型である場合を例に示したが、下部クラッド層１４がｐ型で、上部クラッド層２０がｎ型の場合でもよい。

なお、実施例１の半導体レーザ１００は、ファブリペロー半導体レーザに限らず、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザや垂直共振器型面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）の場合でもよい。

実施例２は、実施例１に係る半導体レーザを備えた光モジュールの例である。図１２は、実施例２に係る光モジュール２００を示すブロック図である。図１２のように、実施例２の光モジュール２００は、実施例１の半導体レーザ１００と光導波部２１０とを備える。半導体レーザ１００から出射された変調レーザ光は、光導波部２１０を通って、光ファイバ結合部２２０で光結合した光ファイバに入射され、光ファイバ内を伝搬する。

実施例３は、実施例２に係る光モジュールを備えた光通信装置の例である。図１３は、実施例３に係る光通信装置３００を示すブロック図である。図１３のように、実施例３の光通信装置３００は、送信部として機能する実施例３の光モジュール２００、受信部３１０、及び制御部３２０を備える。光モジュール２００は、制御部３２０からの送信データ信号を光に変換して出射する。出射された光は、光ファイバに入射され、光ファイバ内を伝搬する。受信部３１０は、光ファイバ内を伝搬してきた光を受光し、受信データとして制御部３２０に出力する。

実施例４は、実施例３に係る光通信装置３００を備えた光通信システムの例である。図１４は、実施例４に係る光通信システム４００を示すブロック図である。図１４のように、実施例４の光通信システム４００は、第１光通信装置３００ａ、第２光通信装置３００ｂ、及び第１光通信装置３００ａと第２光通信装置３００ｂとを接続する光ファイバ４１０を備える。第１光通信装置３００ａは、光モジュール２００ａ、受信部３１０ａ、及び制御部３２０ａを備える。第２光通信装置３００ｂは、光モジュール２００ｂ、受信部３１０ｂ、及び制御部３２０ｂを備える。

第１光通信装置３００ａの光モジュール２００ａが、制御部３２０ａからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光は、光ファイバ４１０内を伝搬し、第２光通信装置３００ｂの受信部３１０ｂで受光される。受信部３１０ｂで光を受光すると、受信データが制御部３２０ｂに出力される。同様に、第２光通信装置３００ｂの光モジュール２００ｂが、制御部３２０ｂからの送信データ信号を光に変換して出射すると、出射された光は、光ファイバ４１０内を伝搬し、第１光通信装置３００ａの受信部３１０ａで受光される。受信部３１０ａで光を受光すると、受信データが制御部３２０ａに出力される。これにより、第１光通信装置３００ａと第２光通信装置３００ｂとの間でデータ通信を行うことができる。

実施例４のように、第１光通信装置３００ａと第２光通信装置３００ｂとの間で光ファイバ４１０を用いてデータ通信を行う光通信システム４００は、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）や光通信基幹網に用いられる場合が好ましい。また、光ファイバ４１０を用いずに、第１光通信装置３００ａと第２光通信装置３００ｂとが、空間に出射した光を受光することで、データ通信を行う場合でもよい。この場合、第１光通信装置３００ａと第２光通信装置３００ｂとは、例えばパーソナルコンピュータとすることができ、また、第１光通信装置３００ａ及び第２光通信装置３００ｂの一方はパーソナルコンピュータとし、他方は携帯電話、デジタルカメラ、ビデオカメラ等の電子機器やプロジェクタとしてもよい。

以上、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 ＧａＡｓ基板
１２ バッファ層
１４ 下部クラッド層
１６、１８ 導波路層
２０ 上部クラッド層
２６ コンタクト層
３０ ｐ電極
３６ ｎ電極
４０ 活性層
４２ 量子ドット
４４ 第１バリア層
４６ 第２バリア層
４８ 第３バリア層
５０ バリア層
５２ 量子ドット層
５４ ＩｎＧａＡｓ層
６０ ＧａＡｓ基板
６２ ＩｎＡｓ量子ドット
６４ ＧａＡｓ層
６６ 量子ドット層
７０ 活性層
７２ 量子ドット
７４ バリア層
７６ 量子ドット層
１００ 半導体レーザ
２００ 光モジュール
３００ 光通信装置
４００ 光通信システム

Claims (9)

1. ２．５Ｇｂｐｓ以上の通信速度の光通信に用いられる直接変調型の半導体レーザであって、
   ＧａＡｓ基板上に設けられ、第１導電型を有する下部クラッド層と、
   前記下部クラッド層上に設けられ、ＩｎＡｓからなる複数の量子ドットとＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓからなり前記複数の量子ドットを覆うバリア層とを含む複数の量子ドット層が積層された活性層と、
   前記活性層上に設けられ、前記第１導電型とは反対の導電型である第２導電型を有する上部クラッド層と、
   前記上部クラッド層上に設けられた第１導電型用電極と、
   前記ＧａＡｓ基板の下面に設けられた第２導電型用電極と、を備え、
   前記複数の量子ドット層の前記量子ドットの面密度Ｄ（ｃｍ^−２）は４×１０^１０ｃｍ^−２より高く、前記複数の量子ドット層の厚さＴ（ｎｍ）は４２０００×Ｄ^{−０．２９５}≦Ｔ＜４０ｎｍであることを特徴とする半導体レーザ。
2. 前記活性層は、５層以上の前記量子ドット層が積層されていることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ。
3. 前記複数の量子ドット層は、前記複数の量子ドットの間に設けられたＩｎＧａＡｓ層を含むことを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ。
4. 前記半導体レーザの発振波長は、１．２μｍ以上且つ１．３５μｍ以下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. 前記複数の量子ドット層のうち最下層の量子ドット層は、ＧａＡｓ層又はＡｌＧａＡｓ層の上面に設けられてい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. 前記下部クラッド層と前記活性層との間に設けられ、ＧａＡｓからなる第１導波路層と、
   前記上部クラッド層と前記活性層との間に設けられ、ＧａＡｓからなる第２導波路層と、を備え、
   前記下部クラッド層及び前記上部クラッド層はＡｌＧａＡｓからなり、
   前記活性層は前記第１導波路層と前記第２導波路層とに接して設けられてい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を備えることを特徴とする光モジュール。
8. 請求項７記載の光モジュールを備えることを特徴とする光通信装置。
9. 請求項８記載の光通信装置を備えることを特徴とする光通信システム。
   

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