JP5022015B2 - 半導体レーザ素子及びそれを用いた光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、半導体レーザ素子及びそれを用いた光モジュールに係わり、特に、光通信等に好適な消費電力の少ない半導体発光・受光素子に関する。

情報技術の急激な発展に伴い、従来の通信ネットワーク（テレコム）だけでなく、ストレージ用ネットワーク（SAN）や進展が著しいイーサネット（登録商標）（LAN）等のデータコムにおいてもシステムの大容量化、ポート実装密度の増大と経済性とを両立させる技術が益々重要になっている。これらの高速インターフェース装置のスループットはチャンネルポート当りの速度以外に、モジュールサイズと消費電力で決まる実装密度により制限される。このことから主要部品となる光コンポーネントの小型化・省電力化が装置の総合性能を決める鍵となってきている。

このため、光信号の送受信をつかさどる半導体レーザ、半導体光検出器およびそのモジュールでは、如何に消費電力を低減するかが重要な指標となってきている。

図１は、毎秒10ギガビットで動作する送受信光源モジュールに使われる送信光源を消費電力とファイバ伝送距離に対して、分類したものである。図から判るように、ファイバ伝送距離とモジュールの消費電力はトレードオフの関係にある。これは、図中に示したように、距離毎に使用される半導体光・電子デバイスが異なるためである。一般的に、短距離用途では、信号光波長が1.3μｍや0.85μｍ程度以下の直接変調方式が用いられる。さらに分類すると、数100ｍ以下の極短距離伝送では、波長0.85μｍ帯のマルチモード面発光レーザ（非特許文献１）が直接変調の光源として用いられている。一方、10ｋｍ程度以下の短距離用途では波長1.3μｍ帯の単一モードの端面発光レーザが直接変調の光源（非特許文献２）として用いられている。直接変調方式では比較的単純な構成でモジュールを実現できるため消費電力が少ない。特に、面発光レーザはサブμｍ長のマイクロ共振器構造を反映し、数〜10ｍＡ程度のわずかな電流で動作するため、消費電力が非常に少なく、本質的に省電力性に優れたレーザ共振器構造である。また、全てのレーザ共振器構造が、ウェハプロセスのみで作製可能である点、ウェハ状態での検査・選別工程が可能である点など、経済性の面でも優れた特徴を有する。一方、波長1.3μｍ帯の端面発光レーザでは、毎秒10ギガビット動作のためには、最低でも60ｍＡ程度以上の電流動作が現状では必要であり、このため消費電力が倍程度に跳ね上がってしまう。このためこの面発光レーザを10ｋｍ程度以下の短距離用途に適用するべく、1.3μｍ波長帯面発光レーザの検討が精力的に検討されている。しかし、実用化の鍵となる数ｍＷ級のチップ光出力をシングル横モード構造で実現することが技術的に困難な状況である。これは、発光層の体積が小さすぎるためである。非特許文献３に見られるように、1.3μｍ波長帯面発光レーザの場合、単一モード条件となる5μｍ程度以下の発光面積径では、高温で急激に光出力が数100μW程度に低下してしまう。発光面積径が10μｍ程度以上であれば、1ｍＷ程度の出力が得られるが、マルチモード動作となってしまう。

他方、40ｋｍ程度以上の中・長距離用途では光ファイバの伝送損失がより少ない波長1.55μｍ帯で動作する光変調器を用いた外部変調方式が採用されるため、消費電力はさらに上昇してしまう。加えて、波長多重伝送（WDM）方式では、波長可変光源の波長安定化など新たな電力消費が加算されるため、極端距離伝送に比べ数倍以上の電力上昇を余儀なくされているのが現状である。

一方、これらのレーザモジュールの製造コストを考えた場合、光アイソレータの必要性有無が大切な議論となる。図１２（表１）に一例として、光モジュールであるFTTH（Fiber to the Home）用途の光送受信モジュールの部品コストの内訳を示した。表からわかるように、１／５以上のコスト割合を占める。このため、光モジュールでは前記の小型化・省電力化と共に、特にレーザ光源の光反射耐性を向上させ、光アイソレータフリー化することが重要となっている。光アイソレータは通常、レーザ光源の出射光がモジュール内外で反射されレーザ共振器に戻ることで光信号品質が劣化するのを防ぐために標準的に使われている。特に、光源のスペクトル特性安定化の仕様が厳しい長距離伝送用途の半導体レーザでは光アイソレータは必須となる。その観点から、図２ＡおよびＢに半導体レーザの共振器構造と光アイソレータの必要性の現状をまとめた。図からわかるように、短距離用途の伝送光源として使われる、ファブリペロ（FP）レーザ（同図(a)）やマルチ横モードのVCSEL（面発光レーザ）（同図(f)）では、光アイソレータは必須とはされていない。一方、分布帰還型（DFB）レーザ（同図(b)(c)）、分布反射型（DBR）レーザ（同図(d)）、単一横モードのVCSELレーザ（同図(e)）では、単一モード化に伴う、コヒーレンシ光反射耐性が劣化するため、光アイソレータを前提とした光モジュール構成となっている。尚、レーザ共振器長の短い分布帰還型（DFB）、分布反射型（DBR）レーザに関しては、特願２００５−１８４５８８号に記載がある。また、レーザ共振器長の短いFPレーザに関しては、特許文献１に記載の公知例がある。

特開２００４−２３５１８２号公報 「2003アイ・トリプル・イー １６回 レオス・コンファレンス・ダイジェスト（Lasers and Electro-Optics Society, 2003. LEOS 2003. The 16th Annual Meeting of the IEEE Volume 2, 27-28 Oct.）」、2003年、vol.2、pp.511-512 「2003 光ファイバ国際会議・コンファレンス・ダイジェスト（Optical Fiber Communications Conference）」、2003年、OFC 2003、3-28 March 2003、PD40

本発明では、数ｍＷのチップ光出力と省電力動作の鍵となる低電流動作を低コストで実現するレーザ光源を実現することにある。特に、光ファイバ伝送距離数〜数10ｋｍ程度以下の短距離用途として好適な1.3μｍ波長帯の上記光源の実現することが重要である。アイソレータを用いない廉価モジュール構成が実現可能になることに加えて、面発光型のレーザ出力特性を実現することにより、さらに経済性に優れたレーザ光源を実現することが本発明の課題である。

また、これらのレーザの好適な実装手法に基づく消費電力の少ない光通信モジュールを実現することが本発明の課題である。

省電力化の鍵となる低動作電流動作とレーザの高速性を維持しつつ光反射耐性を向上させ光アイソレータを不要とする新規レーザ構造として、複数の縦モードで動作する短共振器レーザを考案した。

図３に本発明の骨子を従来構造との比較しながら示す。図３(h)に示すように、上記の最適な共振器構造を実現する新しいレーザ構造として複数の縦モードで動作する短共振器レーザを考案した。縦発振モードを複数にすることで、コヒーレンシを意図的に低下することができる。前述のようにこの縦発振モードの複数化によるアイソレータフリー化は、従来のFPレーザ（同図(a)）やマルチ横モードVCSEL（同図(f)）で既に実現されているが、数ｍＷの安定な光出力と10ｍＡ程度の低電流動作と同時に実現しうる構造は未だ存在していなかった。また、面発光レーザの経済性を同時に実現するため、レーザの出射端部に光出力の出射方向を基板上面または基板下面に変える斜めミラー構造を導入することにより従来、実現が不可能であった単一モード特性、数ｍＷの光出力、面発光特性を同時に実現することができる。

本発明によれば、数ｍＷのチップ光出力と省電力動作の鍵となる低電流動作を低コストで実現するレーザ光源を実現できる。特に、光ファイバ伝送距離数〜数10ｋｍ程度以下の短距離用途として好適な1.3μｍ波長帯の上記光源が実現可能となる。アイソレータを用いない廉価モジュール構成が実現可能になることに加えて、面発光型のレーザ出力特性を実現することにより、さらに経済性に優れたレーザ光源を実現すること可能となる。また、これらのレーザを適切に実装することにより、放熱性に優れ消費電力がより少ない光通信モジュールを実現できる。

以下、本発明の実施の形態を図４〜図９を用いて説明する。
＜実施の形態１＞
図４は、本発明の第一の実施に係る波長1.3μｍ帯のInGaAlAs系短共振器マルチモードレーザの斜視図である。
素子の作製は以下の順で行った。始めにn型InP基板１０１上に有機金属気相成長を用いてInGaAlAsからなる歪MQW活性層１０２を成長した。この際、後に回折格子１０４を形成するための回折格子供給層（InGaAsP（組成波長1.2μｍ）100ｎｍ）を最上層に成長した（図示はせず）。

次に、絶縁膜ストライプマスクを用いてInGaAlAs-MQW層１０２を部分的にエッチングした後、300ｎｍ厚のバルクInGaAsP（組成波長1.10μｍ）からなる導波路層１０３を公知の手法によりバットジョイント集積した。続いて、通常の干渉露光法とウェットエッチング法により周期約202ｎｍの均一回折格子１０４をInGaAsP回折格子供給層のみに刻印形成した。この際、回折格子の深さは100ｎｍとし、光反射係数（κ）を約600ｃｍ^-1に設計した。続いてp型InPクラッド層およびp⁺-InGaAs型コンタクト層１０５を基板全面に成長した。結晶成長工程の後、通常のリッジ導波路構造に加工した。表面電極１０６はレーザ部にのみ形成した。重要なパラメータとなる活性層領域長は50〜100μｍとした。導波路領域長を合わせた素子長は約300μｍである。

なお、図１１に示すように、活性層領域長（またはレーザ共振器長（Lc））は、10乃至200μｍの範囲において、レーザの応答速度（または、最大緩和振動周波数（fr））が従来の面発光レーザー（VCSEL）や、端面発光レーザー（EEL）に比べ、充分に大きな値を示すことが判る。よって、本作成の素子は、この範囲における活性層領域長を用いたものである。
DBR領域側を前方とし、素子の前後端面にはそれぞれ約0.1%、90%の低反射膜１０８、高反射膜１０９を施した。完成した素子をジャンクションアップで、サブマウント上にダイボンディングした後、ステム上の43Ω終端抵抗とともにワイヤリングにより高周波接続した。

作製した素子は室温において波長1305ｎｍ近傍においてCW発振した。図５は活性領域長（L）75μｍの素子のCW条件での電流・光出力（I-L）特性の温度依存性(25℃、85℃)の一例である。25℃において2ｍＡ程度、85℃において5ｍＡ程度の低しきい値発振を得た。これは、短共振器（75μｍ）に加え、規格化結合反射係数κLが4以上であるため光共振器の十分な光帰還が得られるためである。25℃-85℃間での特性温度T₀は55Kであった。また、本素子は85℃の高温においても30ｍＡ程度の電流で3ｍＷ程度以上の高いチップ出力が得られた。

図６は、25℃、85℃での発振スペクトルの典型例である。高κDFB構造における主副モード間のしきい値利得差の低下を反映して、完全なマルチモード発振が再現よく得られた。

図１０に示すように、無作為に抽出した３０ケ以上の活性領域長50μｍ〜100μｍの素子において、100％程度の歩留まりでマルチモード発振を確認した。本素子を毎秒10ギガビット変調試験を行ったところ、前述した短共振器構造による駆動電流の低減効果を反映して、10ｍＡ程度以下の極めて低い振幅電流値で明瞭なアイ開口が観測された。光波形の立上がり、立下り時間は30ps程度、動的消光比は7dB以上であり、短距離伝送系の消光比仕様を満足している。また、本レーザに-14dB以上の戻り光を戻した状態で変調特性、ファイバ伝送特性を評価した結果、戻り光による特性劣化はないことがわかった。
＜実施の形態２＞
図７は、本発明の第二の実施に係る波長1.3μｍ帯のInGaAlAs系短共振器マルチモードレーザの斜視図である。レーザ共振器の基本構造は、実施の形態１と同一である。本実施例では、レーザの出力端近傍に４５度全反射半導体ミラー２１１を配置することで、レーザ出力光を基板裏面から取り出すことができる。このため、一種の面発光レーザとみなすこともできる。４５度全反射半導体ミラー２１１直下の基板裏面表面にはInPレンズ２１２を配置した。４５度全反射半導体ミラー２１１、InPレンズ２１２は共に公知のウェットエッチングにより形成した。なお、この時のエッチングの加工精度は、概４５±５度である。また、InPレンズ２１２表面には無反射コート膜２１３を形成した。この結果、前方光導波路層２０５を通過したレーザ発振光は、透明なInP基板２０１を通過し基板裏面から出射される。

本実施例の素子の特性は、実施の形態１の素子をほぼ再現した。本構造により、短共振器端面発光レーザの高出力性と面発光レーザの経済性を兼ね備えた省電力・低コスト光モジュールに好適なレーザ光源が実現された。
＜実施の形態３＞
図８は、本発明の第三の実施に係る波長1.3μｍ帯のInGaAlAs系短共振器マルチモードレーザの光モジュール斜視図である。

実施の形態２に示した1.3μｍ帯のInGaAlAs系短共振器マルチモードレーザ４０１をジャンクションダウンで、サブマウント上にダイボンディングした後、ステム上の50Ω終端抵抗とともにワイヤリングにより高周波接続した。このサブアセンブリを図８に示すような公知のキャン型モジュールパッケージ４０２に搭載した。モニタフォトダイオード４０４およびキャップレンズ４０３を実装してモジュール作製が完了する。次に、図９に示すように、このキャン型モジュール５０１とファイバ一体型のフェルール５０２とを直接光結合して光モジュールを作製した。この場合、キャン型モジュール５０１とファイバ一体型のフェルール５０２間には光アイソレータを介していない。

作製した光モジュールは、実施の形態１と同等以上の特性で動作し、10ｍＡ程度以下の低い振幅電流下で毎秒10ギガビット変調時に、2ｋｍ程度のファイバ伝送が達成された。
図８に示したようにアイソレータを用いないことによる部品コストの低減と共に、非常に簡素化された光学モジュール構成に基づき、従来構造に比べ経済的な改善も大きいことを付記する。
以上、３例の実施の形態にて本発明の主に、光通信用途の半導体レーザへの適用事例を説明した。本発明の適用範囲は光通信用途の半導体レーザに限られるものではなく、適度な光出力を低い消費電力で実現する任意の導波路型および面発光型半導体レーザに適用可能であることを付記する。

送受信光源モジュールの消費電力とファイバ伝送距離の関係を表す図である。 従来の半導体レーザ光源の構造と光アイソレータの必要有無を示す図である。 従来の半導体レーザ光源の構造と光アイソレータの必要有無を示す図である。 従来の半導体レーザ光源の構造、および本案の半導体レーザ光源と光アイソレータの必要有無を示す図である。 本発明に於ける第一実施例の半導体レーザの斜視図である。 本発明に於ける第一実施例の電流・光出力特性の温度依存性の一例を示す図である。 本発明に於ける第一実施例の25℃、及び85℃での発振スペクトルを示す図である。 本発明に於ける第二実施例の半導体レーザの斜視図である。 本発明に於ける第二実施例の半導体レーザを実装したキャンモジュールの斜視図である。 本発明に於ける第二実施例の半導体レーザを実装したキャンモジュールを用いた光送信無ジュールの斜視図である。 規格化光結合係数（κＬ）と単一縦モード歩留まりとの関係を示す図である。 レーザー共振長（Ｌｃ）に対する最大緩和振動周波数（ｆｃ）との関係を示す図である。 光モジュールであるFTTH（Fiber to the Home）用途の光送受信モジュールの部品コストの一例を示す表である。

符号の説明

１０１…n型InP基板、１０２…InGaAlAs歪MQW活性層、１０３…InGaAsP光導波路層、１０４…回折格子、１０５…p型InPクラッド層およびp⁺-InGaAs型コンタクト層、１０６…表面電極、１０７…裏面電極、１０８…低反射膜、１０９…高反射膜、
２０１…n型InP基板、２０２…InGaAlAs歪MQW活性層、２０３…InGaAsP光導波路層、２０４…回折格子、２０５…p型InPクラッド層およびp⁺-InGaAs型コンタクト層、２０６…表面電極、２０７…裏面電極、２０９…高反射膜、２１１…45°ミラー、２１２…裏面レンズ、２１３…低反射膜、
４０１…1.3μｍ帯InGaAlAs系短共振器マルチモードレーザ、４０２…キャン型モジュールパッケージ、４０３…キャップレンズ、４０４…モニタフォトダイオード、
５０１…キャン型モジュール、５０２…ファイバ一体型フェルール。

Claims (6)

1. 半導体基板上の第１の領域に形成されたレーザ光を放射するための活性層と、
   前記第１の領域に隣接する前記半導体基板上の第２の領域に形成された導波路層と、
   前記活性層上に形成された回折格子層と、
   前記回折格子層および前記導波路層を含む領域を覆うように形成されたクラッド層と、
   前記クラッド層上の所定の領域に形成された表面電極と、
   前記半導体基板の一側面に形成され、前記活性層で放射されたレーザ光を反射する反射膜とを有し、
   前記活性層と回折格子層とを有する共振器の長さが５０乃至１００μｍであり、
   前記回折格子層と前記クラッド層を具備してなる規格化結合反射係数が３以上である分布帰還鏡をレーザ共振器の光学フィードバック系とし、
   レーザ発振モードが複数の縦共振波長で同時発振していることを特徴とする半導体レーザ素子。
2. 前記活性層への電流注入のオン・オフにより、レーザ光信号を発生させることを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
3. 前記導波路層の出射端部または出射端面近傍に、レーザ光出力の出射方向を変えるための斜めミラーを有することを特徴とする請求項１記載の半導体レーザ素子。
4. 前記斜めミラーは、前記半導体基板の表面に対して４０度乃至５０度の傾斜角度を有することを特徴とする請求項３記載の半導体レーザ素子。
5. 請求項１記載の半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から放射されるレーザ光を集光する光学レンズとを含む部材が搭載されたパッケージと、
   前記光学レンズを透過したレーザ光を受光し伝搬する光ファイバとを有し、
   前記レーザ光出力を、アイソレータを介さずに前記光ファイバに導くことを特徴とする光モジュール。
6. 請求項１記載の半導体レーザ素子が搭載されたパッケージと、
   前記半導体レーザ素子から放射されたレーザ光を受光し伝搬する光ファイバとを有し、
   前記レーザ光出力を、光学レンズを用いて前記光ファイバに導くことを特徴とした光モジュール。

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