JP2020004752A

JP2020004752A - 半導体レーザ

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Publication number: JP2020004752A
Application number: JP2018119530A
Authority: JP
Inventors: 石井　啓之; Hiroyuki Ishii; 啓之石井; 義孝大礒; Yoshitaka Ooiso; 洋八坂; Hiroshi Yasaka
Original assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2018-06-25
Filing date: 2018-06-25
Publication date: 2020-01-09

Abstract

【課題】混合変調レーザで、主モードと副モードとの閾値利得の差を十分大きく取れる動作条件の範囲がより広くできるようにする。【解決手段】基板１０１の上に形成された分布帰還型レーザからなるレーザ領域１０２と、基板１０１の上に形成された共振器光損失変調型の変調領域１０３とを備える。変調領域１０３は、レーザ領域１０２のレーザ光出射側に光接続して基板１０１の上に形成され、レーザ領域１０２の光の損失を電圧印加により制御する。また、レーザ領域１０２は、注入される電流により変調する変調領域として動作する。また、レーザ領域１０２に形成されている回折格子１０２ａと同じ周期の回折格子１０３ａが、変調領域１０３の光導波路にも形成されている。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、分布帰還型レーザからなるレーザ領域と、レーザ光出射側に光接続する共振器光損失変調型の変調領域とが基板の上に形成された半導体レーザに関する。

半導体レーザは、注入電流を直接変調することで出力光強度あるいは発振光周波数を変調できるため、装置の小型化や消費電力の低減に貢献できる光源として期待され、コンピュータ通信等のデータ通信システムへ適用されている。半導体レーザの直接電流変調時には緩和振動周波数と呼ばれる周波数での感度増加が観測され、それ以上の周波数領域では応答感度が急激に低下するため、応答帯域は緩和振動周波数で決まっていた。緩和振動周波数ｆ_rは半導体材料の持つ物性定数およびレーザ共振器構造で律速され、近似的に以下のように表される。

上記式において、Ａ_gは微分利得と呼ばれ、キャリア密度増大に伴う光利得の増加率を記述するパラメーター、τ_pおよびτ_sは光子寿命時間、キャリア寿命時間を表す。

この式から分かるように、緩和振動周波数を増大するためには、微分利得を大きくし、光子寿命時間およびキャリア寿命時間を短くすることが重要となる。しかし、キャリア寿命時間の低減は、レーザ閾値の増大につながり、消費電力の増加が懸念されるため、実用的ではない。光子寿命の低減には、半導体レーザ共振器の短尺化が有効である。また、半導体レーザの活性層を、歪みを導入した多重量子井戸構造から構成することで微分利得の増加が実現できる。これらの技術を導入することで、共振器長１００μｍの分布帰還型（distributed feedback：ＤＦＢ）半導体レーザで、４０Ｇｂ／ｓ non-return-to-zero（ＮＲＺ）信号による動作が実現されている（非特許文献１参照）。

しかし、さらなる短共振器化を進めると、共振器内部の光子密度の増大による利得飽和現象および発熱の問題により応答帯域が低減してしまうという問題があった。このため、半導体レーザを構成する材料の物性定数および素子長を制御することでは、これ以上の高速化は望めない状況であった。

また、半導体レーザを外部共振器構造とすることで、光子共鳴効果を誘起して帯域拡大を図ったパッシブフィードバックレーザと呼ばれるレーザの報告がある（非特許文献２参照）。しかし、半導体レーザの緩和振動周波数以上の周波数領域での応答感度の急激な劣化のため、光子共鳴効果周波数を高く設定することができていない。

このような状況のため、半導体レーザ光源の応答速度は、図８に示すように４０〜５０ＧＨｚ程度にとどまっていた。

上記課題を解決するために、図９に示すように、半導体レーザ共振器内に、電気信号で光損失を高速制御可能な共振器損失変調領域（ＩＣＬＭ）を設置し、当該領域を、光子共鳴効果を導入するための外部共振器として動作させる半導体レーザ光源（混合変調レーザ）が提案されている（非特許文献３参照）。非特許文献３によれば、半導体レーザ共振器損失を電気信号で高速変調することで、注入電流直接変調時に観測された緩和振動周波数以上の領域での応答感度の急速な低下を抑制し、光子共鳴効果の周波数を６０ＧＨｚ以上の高周波数領域に設定することで、１００Ｇｂ／ｓに迫る応答帯域を有する半導体レーザ光源が実現できることを明らかにしている。

W. Kobayashi et al., "40-Gbps Direct Modulation of 1.3-J.1m InGaAlAs DFB Laser in Compact TO-CAN Package", Optical Fiber Communication Conference/National Fiber Optic Engineers Conference 2011, no. OWD2, pp. 1-3, 2011. J. Kreissl et al., "Up to 40-Gb/s Directly Modulated Laser Operating at Low Driving Current: Buried-Heterostructure Passive Feedback Laser (BH-PFL)", IEEE Photonics Technology Letters, vol. 24, no. 5, pp. 362-364, 2012. S. Mieda et al., "Frequency response control of semiconductor laser by using hybrid modulation scheme", Optics Express, vol. 24, no. 22, pp. 25825, 2016.

しかし、上述した従来の混合変調レーザでは、主モードと副モードとの閾値利得の差を十分大きく取れる動作条件が狭く、光デジタル信号出力時に動的単一モード動作させるためには、混合変調レーザへの注入電流と損失量制御電圧の厳密な制御が不可欠であるという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、混合変調レーザで、主モードと副モードとの閾値利得の差を十分大きく取れる動作条件の範囲がより広くできるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体レーザは、基板の上に形成された分布帰還型レーザからなるレーザ領域と、レーザ領域のレーザ光出射側に光接続して基板の上に形成され、レーザ領域の光の損失を電圧印加により制御する共振器光損失変調型の変調領域とを備え、レーザ領域に形成されている回折格子と同じ周期の回折格子が、変調領域に形成されている。

上記半導体レーザにおいて、レーザ領域と変調領域との間に配置され、屈折率を電圧印加により調整する位相調整領域を備える。

上記半導体レーザにおいて、レーザ領域に形成されている回折格子と同じ周期の回折格子が、位相調整領域に形成されている。

上記半導体レーザにおいて、変調領域の光導波路は、電界吸収型の光導波路とされている。

上記半導体レーザにおいて、低誘電率材料から構成されてレーザ領域および変調領域を埋め込む埋め込み層を備える。

以上説明したように、本発明によれば、レーザ領域の光の損失を電圧印加により制御する共振器光損失変調型の変調領域にも回折格子を備えるようにしたので、混合変調レーザで、主モードと副モードとの閾値利得の差を十分大きく取れる動作条件の範囲がより広くできるという優れた効果が得られる。

図１Ａは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す断面図である。図１Ｂは、本発明の実施の形態１における半導体レーザの構成を示す断面図である。図２は、実施の形態１における素子応答特性の評価を行った結果を示す特性図である。図３は、実施の形態１における半導体レーザの出力光のアイパターンを示す図である。図４は、従来の半導体レーザの出力光アイパターンの消光比の、変調領域１０３での位相シフト量と光損失依存性を示す分布図（ａ）、および実施の形態１における半導体レーザの出力光アイパターンの消光比の、変調領域１０３での位相シフト量と光損失依存性を示す分布図（ｂ）である。図５は、本発明の実施の形態２における半導体レーザの構成を示す断面図である。図６は、実施の形態２における半導体レーザの出力光のアイパターンを示す図である。図７は、本発明の実施の形態２における他の半導体レーザの構成を示す断面図である。図８は、従来の半導体レーザ光源の応答速度を説明するための説明図である。図９は、非特許文献３に開示された混合変調レーザの構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態おける半導体レーザについて説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１における半導体レーザについて、図１Ａ，図１Ｂを参照して説明する。図１Ａは、導波方向に平行な面の断面を示し、図１Ｂは、導波方向に垂直な面の断面を示している。この半導体レーザは、基板１０１の上に形成された分布帰還型レーザからなるレーザ領域１０２と、基板１０１の上に形成された共振器光損失変調型の変調領域１０３とを備える。

変調領域１０３は、レーザ領域１０２のレーザ光出射側に光接続して基板１０１の上に形成され、レーザ領域１０２の光の損失を電圧印加により制御する（非特許文献３参照）。また、レーザ領域１０２は、注入される電流により変調する変調領域として動作する。この半導体レーザでは、レーザ領域１０２へのバイアス電流と、変調領域１０３へのバイアス電圧とが、同時に変調される。

上述した構成に加え、実施の形態１における半導体レーザは、レーザ領域１０２に形成されている回折格子１０２ａと同じ周期の回折格子１０３ａが、変調領域１０３の光導波路にも形成されている。

なお、レーザ領域１０２および変調領域１０３は、基板１０１の上において、導波方向に一列に配置されて集積されている。また、レーザ領域１０２は、基板１０１を下部クラッドとし、この上に形成された活性部１０２ｂを備える。た、変調領域１０３は、基板１０１を下部クラッドとし、この上に形成されたコア部１０３ｂを備え、電界吸収型の光導波路とされている。活性部１０２ｂ、コア部１０３ｂは、導波方向に直列に配置されている。また、活性部１０２ｂ、コア部１０３ｂの上には、上部クラッド層１０５が形成されている。

また、活性部１０２ｂの上面に、回折格子１０２ａのパターンが形成され、コア部１０３ｂの上面に、回折格子１０３ａのパターンが形成されている。また、レーザ領域１０２における上部クラッド層１０５の上には、電気的に接続する電極１１１が形成されている。また、変調領域１０３における上部クラッド層１０５の上には、電気的に接続する電極１１２が形成されている。また、基板１０１の裏面には、電気的に接続する電極１１３が形成されている。

活性部１０２ｂ、コア部１０３ｂ、上部クラッド層１０５、および一部の基板１０１は、例えば、幅２μｍ程度のストライプ構造とされ、この周囲が高抵抗（低誘電率）な材料から構成された埋め込み層１１７に埋め込まれ、電流狭窄構造とされている。なお、ストライプ構造に限らず、リッジ構造，ハイメサ構造としてもよいことは言うまでも無い。

また、レーザ領域１０２と変調領域１０３との間の上部クラッド層１０５には、素子分離溝１１４が形成され、各領域が電気的に分離されている。素子分離溝１１４による分離抵抗は、例えば１ＭΩ以上とされていればよい。また、レーザ領域１０２の端面１３１には、反射率１％以下の反射防止膜１１５が形成されている。また、変調領域１０３の端面には、反射率８０％以上の高反射膜１１６が形成されている。

基板１０１は、例えば、ｎ型のＩｎＰから構成されている。また、活性部１０２ｂは、例えば、ＩｎＧａＡｓＰからなる障壁層と井戸層とが積層された多重量子井戸構造とされている。コア部１０３ｂは、活性部１０２ｂよりわずかに（８０ｎｍ程度）短波長側にバンド短波長を有する組成のＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸構造とされている。また、上部クラッド層１０５は、例えばｐ型のＩｎＰから構成されている。

また、各電極は、例えば、Ａｕから構成されている。また、高反射膜１１６は、ＳｉＯ₂とＳｉとの多層膜で構成され、反射防止膜１１５は、ＳｉＯ₂とＴａ₂Ｏ₅の２層膜から構成されている。また、埋め込み層１１７は、例えば、ベンゾシクロブテン（benzocyclobutene，ＢＣＢ）から構成すればよい。なお、埋め込み層１１７は、高抵抗なＩｎＰから構成してもよい。

実施の形態における半導体レーザは、レーザ領域１０２の活性部１０２ｂが、電極１１１からの電流注入によってレーザ発振に必要となる光学利得を発生する。光源の発振波長は形成した回折格子１０２ａのピッチ（周期）で制御する。

変調領域１０３のコア部１０３ｂは、上述したように活性部１０２ｂよりわずかに（８０ｎｍ程度）短波長側にバンド短波長を有する状態とすることで、電極１１２への逆バイアス電圧印加で、光吸収量が高速に制御できる構造となっている。変調領域１０３の光損失と、レーザ領域１０２への注入電流を同時に変調することで、実施の形態１における半導体レーザ光源の出力光強度、あるいは発振光周波数を変調する。

レーザ領域１０２で発生したレーザ光は、変調領域１０３側の端面１３２に形成された高反射膜１１６で反射され、再びレーザ領域１０２へ帰還される。この際、レーザ領域１０２への帰還光の位相および強度は、変調領域１０３へのＤＣ印加電圧による光吸収量変化および屈折率変化で制御される。ここで、例えば、レーザ領域１０２の長さＬ_DFB＝３００μｍ、変調領域１０３の長さＬ_LM＝２００μｍとすればよい。

一方、レーザ領域１０２側の端面１３１には、反射率１％以下の反射防止膜１１５を形成し、光取り出し効率の拡大および、回折格子１０２ａの端面位相の効果の低減を図る。

また、実施の形態１では、コア部１０３ｂ、上部クラッド層１０５、および一部の基板１０１は、例えば、幅２μｍ程度のストライプ構造とした電流狭窄構造としているので、電極１１１へ高速電気信号を印加することで高速な注入電流変調を可能とし、電極１１２へ高速電気信号を印加することで高速な損失変調を可能としている。また、上述した構造とすることで、電極１１１および電極１１２のパッド容量の低減が図れる。

実施の形態１における半導体レーザでは、レーザ領域１０２のみへバイアス電流を印加することで、１５５２ｎｍでの単一モード発振が確認された。この発振の閾値電流Ｉ_thは、１５ｍＡであった。また、変調領域１０３へ逆バイアス電圧を印加することで、閾値電流の増加が確認され、光損失変調動作の原理が確認された。変調領域１０３へ逆バイアス電圧１Ｖを印加したときの閾値電流は２２ｍＡであった。

実施の形態１における半導体レーザのレーザ領域１０２へのＤＣ注入電流を、１０×Ｉ_th（１５０ｍＡ）、変調領域１０３へのＤＣ印加逆バイアス電圧Ｖ_Rを、Ｖ_R＝１Ｖとし、レーザ領域１０２と変調領域１０３を同時にＲＦ信号で変調することで、素子応答特性の評価を行った。この評価結果を図２に示す。動作条件を最適化することで、図２に示すように、応答感度がＤＣでの値の半分となる３ｄＢ帯域を、９０ＧＨｚ以上まで拡大できることが確認された。また、同条件において、実施の形態１における半導体レーザを１００Ｇｂ／ｓ non-return-to-zero（ＮＲＺ）信号で動作した場合の出力光のアイパターンを、図３に示す。５ｄＢ程度の消光比を有する良好なアイ開口が得られた。

上述した実施の形態１における半導体レーザの高速動作特性は、変調領域１０３からレーザ領域１０２への帰還光の位相と強度に依存する。このため、１００Ｇｂ／ｓＮＲＺ信号で動作させる場合の、出力光アイパターンの消光比の、変調領域１０３での位相シフト量と光損失依存性を求めた。この結果を図４に示す。

図４の（ａ）は、非特許文献３のＦｉｇ２に示されている混合変調レーザの１００Ｇｂ／ｓＮＲＺアイパターンの消光比を示している。図中の白線で囲まれた部分はモード競合によるパルゼーションが観測される不安定領域を表している。このパルゼーションは、動的単一モード性の低さ故に最低次モードと高次モードが干渉して起こる。図中の黒点線で囲った部分が消光比３ｄＢ以上での動作が可能な動作条件を示しているが、この領域内の広い部分にパルゼーションが起こる不安定領域が存在し、安定動作条件が狭められていることがわかる。

図４の（ｂ）は、実施の形態１における半導体レーザに対する１００Ｇｂ／ｓＮＲＺアイパターンの消光比をプロットしたものである。この結果に示されているように、実施の形態１によれば、動的シングルモード性の改善効果で消光比３ｄＢ以上の動作が可能な動作条件を拡大し、またパルゼーションの起きる不安定動作条件も縮小できることが確認された。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について、図５を参照して説明する。この半導体レーザは、基板１０１の上に形成されたレーザ領域１０２と、基板１０１の上に形成された変調領域１０３とを備える。これらの構成は、前述した実施の形態１と同様である。実施の形態２では、レーザ領域１０２と変調領域１０３との間に配置され、屈折率を電圧印加により調整する位相調整領域１０４を備える。位相調整領域１０４は、コア部１０４ｂを備える光導波路とされている。レーザ領域１０２，位相調整領域１０４，および変調領域１０３は、これらの順に、基板１０１の上において導波方向に一列に配置されて集積されている。

前述した実施の形態１における半導体レーザにおいては、素子動作条件を決定する変調領域１０３からレーザ領域１０２への帰還光の位相と強度は、変調領域１０３へのＤＣ印加電圧で制御する。しかし、変調領域１０３は、レーザ共振器損失を高速で制御する部分であり、また位相と強度を分離して制御することが容易ではない。この位相と強度の厳密な制御を実現するためには、位相制御の機能を変調領域１０３と分離することが望ましい。

実施の形態２では、位相調整領域１０４をさらに設け、変調領域１０３より位相制御の機能を分離した。なお、レーザ領域１０２と位相調整領域１０４との間の上部クラッド層１０５には、素子分離溝１１４ａを形成し、位相調整領域１０４と変調領域１０３との間の上部クラッド層１０５には、素子分離溝１１４ｂを形成している。また、位相調整領域１０４における上部クラッド層１０５の上には、電気的に接続する電極１１８が形成されている。他の構成は、前述した実施の形態１と同様である。

実施の形態２において、位相調整領域１０４のコア部１０４ｂは、１．５５μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰから構成した活性部１０２ｂや変調領域１０３のコア部１０３ｂとは異なり、１．３μｍ組成のＩｎＧａＡｓＰからなる多重量子井戸構造とする。この構成とすることで、位相調整領域１０４に電流を注入することで、プラズマ効果によりコア部１０４ｂの屈折率を制御し、位相調整領域１０４による帰還光位相の制御を実現する。

実施の形態２においても、活性部１０２ｂ、コア部１０４ｂ、コア部１０３ｂ、上部クラッド層１０５、および一部の基板１０１を、例えば、幅２μｍ程度のストライプ構造とし、この周囲が低誘電率な材料から構成された埋め込み層（不図示）で埋め込む構成とした。このような電流狭窄構造とすることで、電極１１１へ高速電気信号を印加することで高速な注入電流変調が可能となり、電極１１２へ高速電気信号を印加することで高速な損失変調が可能となる。

なお、レーザ領域１０２の長さＬ_DFB＝３００μｍ、変調領域１０３の長さＬ_LM＝１５０μｍ、位相調整領域１０４の長さＬ_PM＝５０μｍとすればよい。

実施の形態２における半導体レーザの１００Ｇｂ／ｓＮＲＺ信号での動作時のアイパターンを図６に示す。良好なアイ開口が確認できた。実施の形態２においても、１００Ｇｂ／ｓＮＲＺ信号動作時の消光比の変調領域１０３での位相シフト量と光損失依存性は、図４の（ｂ）で示したものとほぼ同じになった。また、実施の形態２によれば、戻り光位相を独立に制御できることから、さらなる制御性の向上が実現できた。

ところで、図７に示すように、位相調整領域１０４にも、回折格子１０４ａを備える構成としてもよい。回折格子１０４ａは、回折格子１０２ａ，回折格子１０３ａと同じ周期（ピッチ）とする。回折格子１０４ａは、位相調整領域１０４の光導波路に形成されている。コア部１０４ｂの上面に、回折格子１０４ａのパターンが形成されている。このように、位相調整領域１０４にも、回折格子１０４ａを設けることで、前述した実施の形態２の半導体レーザに比較し、動的単一モード性が改善可能である。また、実施の形態３によれば、半導体レーザの全域に、回折格子を一括で製造可能なことから製造コストが低減できるようになる。

以上に説明したように、本発明によれば、レーザ領域の光の損失を電圧印加により制御する共振器光損失変調型の変調領域にも回折格子を備えるようにしたので、混合変調レーザで、主モードと副モードとの閾値利得の差を十分大きく取れる動作条件の範囲がより広くできるようになる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基板、１０２…レーザ領域、１０２ａ…回折格子、１０２ｂ…活性部、１０３…変調領域、１０３ａ…回折格子、１０３ｂ…コア部、１０５…上部クラッド層、１１１…電極、１１２…電極、１１３…電極、１１４…素子分離溝、１１５…反射防止膜、１１６…高反射膜、１３１…端面、１３２…端面。

Claims

基板の上に形成された分布帰還型レーザからなるレーザ領域と、
前記レーザ領域のレーザ光出射側に光接続して前記基板の上に形成され、前記レーザ領域の光の損失を電圧印加により制御する共振器光損失変調型の変調領域と
を備え、
前記レーザ領域に形成されている回折格子と同じ周期の回折格子が、前記変調領域に形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
請求項１記載の半導体レーザにおいて、
前記レーザ領域と前記変調領域との間に配置され、屈折率を電圧印加により調整する位相調整領域を備えることを特徴とする半導体レーザ。
請求項２記載の半導体レーザにおいて、
前記レーザ領域に形成されている回折格子と同じ周期の回折格子が、位相調整領域に形成されていることを特徴とする半導体レーザ。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
前記変調領域の光導波路は、電界吸収型の光導波路とされていることを特徴とする半導体レーザ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体レーザにおいて、
低誘電率材料から構成されて前記レーザ領域および前記変調領域を埋め込む埋め込み層を備えることを特徴とする半導体レーザ。