JP5823999B2 - 高速直接変調レーザ - Google Patents

Description

本発明は直接変調レーザに関し、より詳細には、リッジ型導波路を有する高速直接変調レーザに関する。

高速変調動作が可能なＤＭＬ（Ｄｉｒｅｃｔｒｙ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｌａｓｅｒ：直接変調レーザ）として、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｌＡｓ材料のＭＱＷ構造（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ：多重量子井戸構造）の活性層を形成し、導波路構造にリッジ型導波路を採用した報告がある（非特許文献１）。

図９は、非特許文献１に記載のリッジ型導波路の構造を示す図である。非特許文献１に記載のリッジ型導波路は、ｐドープした半導体層がＭＱＷ構造の上に広がっている。このようにｐドープした層をＭＱＷの上に導入する理由を図１０で説明する。

図１０は、従来の半導体レーザのレーザ部に電流を注入したときのレーザのバンド構造を示す模式図である。半導体レーザに電圧を印加して電流を注入した際にn基板側から電子が注入され、ｐ側からは正孔が注入される。ここで、半導体が高温になると、電子が効率よくＭＱＷ構造に注入されなくなる。その結果、注入する電流値の閾値の増大、光出力の劣化をまねく（オーバーフローの効果という）。

このような場合、リッジ型導波路では、電子がＭＱＷ構造から溢れ出ることを抑制し、また電子を効率よくＭＱＷ構造に注入させるために、図１０に示すように、ＭＱＷ構造の上に意図的にｐドープした半導体層を設ける。このようなＭＱＷ構造の上に広がるｐドープした半導体層を、キャリアストップ層（ＣＳ層）と呼ぶ。この層は、オーバーフローの抑制に効果があると考えられる。

特許文献１では、リッジ型導波路を用いた場合、変調動作が４０Ｇｂ／ｓまで可能であるとの報告をしている。

K. Nakahara et al, IEEE Photon Technology Lett., v. 19, n. 19, pp 1436-1439, "40-Gb/s direct modulation with high extinction ratio operation of 1.3-μm InGaAlAs multiquantum well ridge waveguide distributed feedback lasers 半導体レーザ工学の基礎、沼居貴陽著、丸善株式会社、ｐ９８

図１１は、直接変調レーザの構造を示す模式図である。図１０に記載の直接変調レーザ２００は、ｎ−ＩｎＰ基板２０１と、ｎ−ＩｎＰ基板２０１上の活性層となるＭＱＷ構造２０２と、ＭＱＷ構造２０２の上層のｐドープした半導体層２０３、および半導体層２０３の上のキャリアストップ（ＣＳ）層となるｐドープした半導体層２０４とを有している。

ＭＱＷ構造の上のｐドープしたＣＳ層２０４は、オーバーフローの抑制の効果はあるが、逆にｐドープした層の存在が、レーザ部の寄生容量を増やしてしまうという問題がある。（図１１の下の図）そのため、非特許文献１に記載のリッジ型導波路の変調動作は４０Ｇｂ／ｓまでの報告に留まっていた。

ここで、寄生容量がＤＭＬの動作帯域に与える影響について数値計算を用いて説明する。一般に、ＤＭＬの応答特性を｜Ｒ(ｆ)｜とした場合、寄生容量Ｃの影響は下の式で表すことができる。

ｆは周波数、Ｒは抵抗、ｆｒは直接変調レーザの緩和振動周波数、γはダンピング係数である。

図１２は、（１）式を用いてＤＭＬの動作帯域を計算した結果を示す図表である。計算は、γ４０［１／ｎｓ］、ｆｒ２０［ＧＨｚ］、Ｒ５０［Ω］で行った。図１２に、寄生容量Ｃが０．３、０．６、０．９［ｐＦ］と変化した場合の計算結果を示す。

寄生容量が大きくなるに従いＤＭＬの動作帯域は劣化する。寄生容量が０．６［ｐＦ］になると動作帯域が２３ＧＨｚとなり、４０Ｇｂ／ｓの動作の達成は難しくなる。図１２に示したように、Ｃが増加するに従い、低周波（＜１０ＧＨｚ）における帯域の劣化がはげしくなる。寄生容量の影響で１０ＧＨｚより低域で劇的に帯域が劣化し（ロールオフと呼ぶ）、その帯域がｆｒにより再度持ち上げられる。このようなことから高速動作を実現するためには、寄生容量はできる限り削減することが望ましい。

このような課題を解決する目的で考案したのが本発明である。

具体的には、本発明の直接変調レーザは、ｎ−ＩｎＰ基板上に作製したリッジ型導波路を有し、ＩｎＧａＡｌＡｓ材料のＭＱＷ構造と、前記ＭＱＷ構造の上層のＩｎＧａＡｓＰ材料のノンドープ半導体層と、前記ノンドープ半導体層の上層のＩｎＧａＡｌＡｓ材料またはＩｎＡｌＡｓ材料のｐドープ半導体層と、前記ｐドープ半導体層の上層のｐ−ＩｎＰクラッド層とにより構成され、前記リッジ型導波路の導波路部分は前記ｐドープ半導体層およびｐ−ＩｎＰクラッド層により構成されることを特徴とする。

また、本発明の直接変調レーザの前記リッジ型導波路の前記導波路部分の脇部は、半導体ＩｎＰと比較して低誘電率な材料で埋め込まれた構造を有することを特徴とする。

また、本発明の直接変調レーザの共振器長が１００μｍ〜２００μｍであることを特徴とする。

また、本発明の直接変調レーザの前記ノンドープ半導体層の厚さは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記ノンドープ半導体層のＩｎＧａＡｓＰ材料のバンドギャップ波長が０．９〜１．２μｍであることを特徴とする。

また、本発明の直接変調レーザの前記低誘電率の材料は、ＢＣＢであることを特徴とする。

本発明の構造により、リッジ型導波路を有する直接変調レーザのオーバーフローを抑制しつつ寄生容量も削減することができる。

本発明の１実施形態である高速直接変調レーザ１００の構造を示す模式図である。 本発明の直接変調レーザおよび従来の直接変調レーザについての寄生容量の計算結果の共振器長依存性を示す図表である。 ＤＭＬの周波数帯域の緩和振動周波数（ｆｒ）依存性の計算結果を示す図表である。 ＤＭＬ素子抵抗の共振器長依存性を示す図表である。 緩和振動周波数ｆｒと共振器長Ｌとの関係を表す図表である。 ＩｎＧａＡｓＰ材料のバンドギャップ波長(λ_Ｅｇ［μｍ］)に対する屈折率の計算値を示す図表である。 緩和振動周波数ｆｒの共振器長依存性の測定結果を示す図表である。 電流を注入していった際の、ＤＭＬの活性層の温度上昇を示す図表である。 非特許文献１に記載のリッジ型導波路の構造を示す図である。 従来の半導体レーザのレーザ部に電流を注入したときのレーザのバンド構造を示す模式図である。 従来の直接変調レーザの構造を示す模式図である。 （１）式を用いてＤＭＬの動作帯域を計算した結果を示す図表である。

図１は本発明の１実施形態である直接変調レーザ１００の構造を示す模式図である。本発明の直接変調レーザ１００は、ｎ−ＩｎＰ基板１０１と、ｎ−ＩｎＰ基板１０１上のＭＱＷ構造１０２と、ＭＱＷ構造１０２の上層のＩｎＧａＡｓＰ材料からなるノンドープの半導体層１０３と、半導体層１０３の上層のＩｎＧａＡｌＡｓ材料のｐドープした半導体層１０４とを有している。

ｎ−ＩｎＰ基板上のＭＱＷ構造１０２は、レーザ部活性層であり、高速変調に優れたＩｎＧａＡｌＡｓ系材料を用いて作成される。ＩｎＧａＡｓＰ材料からなるノンドープの半導体層１０３の層厚は２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下で形成され、半導体の結晶のバンドギャップ波長が０．９μｍ〜１．２μｍである。なお、ノンドープの半導体層１０３はＩｎＧａＡｓＰ材料の変わりにＩｎＡｌＡｓも使用できる。さらにＤＭＬの共振器長は１００μｍ〜２００μｍとする。

また、半導体層１０４の上にはｐ−ＩｎＰクラッド層１０５が設けられ、ｐ−ＩｎＰ層１０６の上にはｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１０６が設けられ、コンタクト層１０６上（半導体層最表面）のＰ側電極１０７と、ｎ−ＩｎＰ基板１０１の下（基板裏面）のｎ側電極１０８により挟まれた構造となっている。

導波路構造はリッジ型とし、導波路部分１０９はｐドープしたＩｎＧａＡｌＡｓ半導体層１０５とｐ−ＩｎＰ層１０６とにより構成される。導波路部分１０９は絶縁膜１１０をはさんでＢＣＢもしくはポリイミド等の誘電体１１１により埋められる。

本発明は、上記構成により、１．３μｍ帯の直接変調レーザに関して、４０Ｇｐ／ｓ以上の高速動作を実現することができる。

［実施例］
本発明の実施例を、再び図１を参照して説明する。本発明の直接変調レーザ１００を、下記のように製造した。

基板としてｎ型ＩｎＰ基板１０１を用い、ＩｎＧａＡｌＡｓ材料のＭＱＷ活性層１０２、バンドギャップ波長１．２μｍ、層厚２０ｎｍのＩｎＧａＡｓＰノンドープ半導体層１０３、バンドギャップ波長１．１μｍ、層厚２０ｎｍのＩｎＧａＡｌＡｓ ｐドープ半導体層１０４、ｐ−ＩｎＰ材料のクラッド層１０５、ｐ−ＩｎＧａＡｓＰ材料のコンタクト層１０６、ｐ側電極１０７、ｎ側電極１０８、ＳｉＯ２絶縁膜１１０、ＢＣＢの誘電体１１１により構成した。また、導波路の幅Ｗは、２．０μｍとした。

作製の手順は、（１）ｎ型ＩｎＰ基板１０１上にＩｎＧａＡｌＡｓ材料のＭＱＷ構造（活性層）１０２をＤＨ成長した。さらに（２）ＩｎＧａＡｓＰノンドープ半導体層１０３を成長した。その後（３）共振器方向に回折格子を形成し、（４）ＩｎＧａＡｌＡｓ ｐドープ半導体層１０４、ｐ−ＩｎＰクラッド層１０５およびｐ−ＩｎＧａＡｓＰ材料のコンタクト層１０６を結晶再成長した。回折格子形成層はノンドープ半導体層１０３とｐドープ半導体層１０４との間にｐドープしたＩｎＧａＡｓＰ層をあらかじめ成長しておいた。その後、（５）導波路部分１０９を残して従来のドライエッチングを用いてｐドープ半導体層１０４、クラッド層１０５およびコンタクト層１０６を除去した。さらに（６）その導波路構造にＳｉＯ２絶縁膜１１０を形成し、ＢＣＢ１１１により平坦化した。さらに（７）導波路の上のＳｉＯ２絶縁膜１１０を除去し、そこにｐ側電極１０７を形成した。最後に研磨により基板を１００μｍ程度に薄くし、ｎ側電極１０８を形成した。

本実施例のＤＭＬは、共振器長が１５０μｍであり、寄生容量を抑制した結果、３ｄＢ帯域として３４ＧＨｚを達成した。また５０Ｇｂ／ｓ動作時も明瞭なアイ波形を達成した。

図２は、図１の本発明の直接変調レーザ１００および図９の従来の直接変調レーザ２００についての寄生容量の計算結果の共振器長依存性を示す図表である。導波路幅（図１のＷに相当）は、いずれも２．０μｍとして比較した。これはＤＭＬのリッジ型導波路が単一モード導波路となるように設定した。

当然のことだが共振器長が長くなるに従い素子の容量は大きくなる。従来構造においては、共振器長が２００μｍにおいて寄生容量が０．９ｐＦ以上になる。図１２の計算結果を見ると、寄生容量Ｃが０．９ｐＦにおいては、緩和振動周波数ｆｒが２０ＧＨｚであってもロールオフが大きくなってしまう。つまり、緩和振動周波数で応答を持ち上げる前に帯域劣化が生じるため、緩和振動周波数の大きさに依存せず、１０ＧＨｚより低い周波数が３ｄＢ帯域になってしまう。

一方、本発明の寄生容量は、共振器長が２００μｍのＤＭＬに対して、０．３ｐＦ以下に収まっている。これらの結果から、本発明の構造を採用することで、２００μｍの共振器長のＤＭＬにおいて０．３ｐＦという、ロールオフを起こさないだけ十分小さい寄生容量を実現することが可能である。

ここで、寄生容量を減らすために、単に共振器長を短くした場合について考える。

ＤＭＬの高速動作特性は、動作帯域で説明される。図３は、ＤＭＬの周波数帯域の緩和振動周波数（ｆｒ）依存性の計算結果を示す図表である。ＤＭＬの寄生容量Ｃを０．３［ｐＦ］、ダンピング係数γを４０［１／ｎｓ］として計算した。

図３の計算に示されているように、寄生容量Ｃが十分に小さい場合には、ＤＭＬの動作帯域はｆｒが大きければ大きいほど高い値になる。入力した電気信号に対して光の応答が３ｄＢ劣化する周波数を周波数帯域（ｆ_３ｄＢ）とすると、一般的に
ｆ_３ｄＢ＝１．５５×ｆｒ
の関係が成り立つ。このため、ＤＭＬの高速動作を実現するために緩和振動周波数ｆｒの上昇が必須となる。

緩和振動周波数ｆｒを高める方法としては、ＤＭＬの共振器長を短くしてくことが有効である。一般にｆｒは

の式であらわされる。ここで∂Ｇ／∂ｎは微分利得、Ｓ_０は光子密度、τ_ｐｈは光子寿命である。

光子寿命は、

の式であらわされる（非特許文献２）。ｎｒは等価屈折率、α_ｉは内部損失、Ｒ_１（Ｒ_２）は回折格子の前側（後側）の反射率と前端面（後端面）の反射率の合計、Ｌは共振器長である。これらの式から、ｆｒを高めるためにはτ_ｐｈを小さくすればよく、そのため共振器長Ｌを短くすることが有効である。

一方で、緩和振動周波数ｆｒを高めるために、単に共振器長Ｌを短くすると、逆に素子の抵抗が上昇するという問題を生じる。

図４はＤＭＬ素子抵抗の共振器長依存性を示す図表である。一般的に、素子抵抗Ｒは共振器長Ｌに対して、Ｒ∝Ｌ^−１の関係を持つ。例えばＬが２００μｍから１００μｍとなった場合に、Ｒは倍になる。その結果発熱量（Ｒ×Ｉ^２）（ＩはＤＭＬに注入する電流）も倍になる。

上記より、ＤＭＬの高速動作においては、緩和振動周波数ｆｒを高めるために共振器長Ｌを短くする必要があるが、単にＬを短くすると抵抗Ｒが上昇し発熱量が増え、その結果レーザ活性層の温度が上昇し特性が劣化する、というトレードオフの関係があることが分かる。この関係を図示すると、図５のようになる。従って、共振器長は単純に短くすれば良いわけではない。

従って、本発明の構造を採用することで、放熱性を維持しつつ、十分高いｆｒを達成できる共振器長において、その寄生容量を削減することを達成した。

次に、ＩｎＧａＡｌＡｓＭＱＷ構造１０２の上層に導入するＩｎＧａＡｓＰノンドープ半導体層１０３について説明する。図６はＩｎＧａＡｓＰ材料のバンドギャップ波長(λ_Ｅｇ［μｍ］)に対する屈折率の計算値を示す図表である。測定波長は１．３μｍである。

１．３μｍのＤＭＬのＩｎＧａＡｌＡｓ材料で作製したＭＱＷ構造１０２の井戸層と障壁層の屈折率の平均は、３．４程度である。それに対してＩｎＧａＡｓＰ材料のバンドギャップ波長が１．２μｍより大きくなると、屈折率が３．４より大きくなる。ＭＱＷ構造の平均屈折率より、同材料の屈折率が大きくなると、光軸の中心がＩｎＧａＡｌＡｓＭＱＷ構造１０２より上側のＩｎＧａＡｓＰノンドープ半導体層１０３によることになり、ＭＱＷ構造（活性層）１０２の光閉じ込めが減少する。ＭＱＷ構造１０２の光閉じ込めが劣化すると、レーザ発振の閾値電流が増加し、その結果高速変調や高注入での動作に適さなくなる。

一方で、ＩｎＧａＡｓＰ材料のバンドギャップ波長が０．９μｍ以下になると、ＩｎＧａＡｓＰノンドープ半導体層１０３の結晶組成が、ＩｎＰと近い値になる。その結果、リッジ型導波路を作製する際に、同材料を最表面とする形状を実現することが難しくなる。なぜならｐ−ＩｎＰクラッド層１０５、ノンドープＩｎＧａＡｓＰノンドープ半導体層１０３という順番でエッチングにより削っていく際に、ＩｎＰと結晶組成が近いＩｎＧａＡｓＰではエッチングのレート差を与えることができないために、作製時の制御が難しくなるからである。従って、ＩｎＧａＡｓＰ材料のバンドギャップ波長は、０．９μｍが下限となる。

次に、ＭＱＷ構造１０２の上層に導入するＩｎＧａＡｓＰノンドープ半導体層１０３の厚さについて説明する。

図１に示すとおり、ＩｎＧａＡｓＰノンドープ半導体層１０３がエッチング時に最表面になる構造が本発明の特徴である。エッチングの制御性を考えると、同層は、最低２０ｎｍ以上は必要である。また、１．３μｍのＤＭＬのＭＱＷ構造１０２の厚さは一般的に１００ｎｍ程度である。ＭＱＷ構造１０２の上に作製するＩｎＧａＡｓＰノンドープ半導体層１０３の厚さがＭＱＷ構造１０２の厚さより厚い場合、光軸がＭＱＷ構造１０２からはずれ、上のＩｎＧａＡｓＰノンドープ半導体層１０３によってしまう。その結果ＭＱＷ構造１０２の光閉じ込めが劣化し、閾値電流の増大といった問題を生じる。

本発明で用いる構造が効果を発揮する共振器長領域は、図５における放熱性を劣化させる程度に素子抵抗が増加しすぎない領域に相当する。逆に言えば、十分短い共振器のＤＭＬについて本構造のＩｎＧａＡｓＰ層は必要ない。

実際の動作時に本発明が必要となる共振器長について述べる。図７は緩和振動周波数ｆｒの共振器長依存性の測定結果を示す図表である。点線は光出力特性から外挿したｆｒの特性を示している。実際にＤＭＬを駆動する領域において、本発明を必要とするのが２００μｍ以下の領域であることを示している。なぜなら、図５と比較してみると１００〜２００μｍの領域では、使用領域においてまだｆｒが上昇しているからである。

図８は、電流を注入していった際の、ＤＭＬの活性層の温度上昇について調べた結果である。１００μｍのＤＭＬにおいては電流注入に対して急激に温度が上昇する。このことから１００μｍは本発明が必要となる下限の共振器長であることが分かる。

１００、２００ 直接変調レーザ
１０１、２０１ ｎ−ＩｎＰ基板
１０２、２０２ ＭＱＷ構造１０２
１０３ ＩｎＧａＡｓＰノンドープ半導体層
１０４、２０３、２０４ ＩｎＧａＡｌＡｓ ｐドープ半導体層
１０５ ｐ−ＩｎＰクラッド層１０５
１０６ ｐ−ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
１０７ ｐ側電極
１０８ ｎ側電極
１０９ 導波路部分
１１０ 絶縁膜
１１１ 誘電体

Claims (6)

1. ｎ−ＩｎＰ基板上に作製したリッジ型導波路を有する直接変調レーザにおいて、
   ＩｎＧａＡｌＡｓ材料のＭＱＷ構造と、
   前記ＭＱＷ構造の上層のＩｎＧａＡｓＰ材料のノンドープ半導体層と、
   前記ノンドープ半導体層の上層のＩｎＧａＡｌＡｓ材料またはＩｎＡｌＡｓ材料のｐドープ半導体層と、
   前記ｐドープ半導体層の上層のｐ−ＩｎＰクラッド層とにより構成され、
   前記リッジ型導波路の導波路部分は前記ｐドープ半導体層およびｐ−ＩｎＰクラッド層により構成される
   ことを特徴とする直接変調レーザ。
2. 前記リッジ型導波路の前記導波路部分の脇部は、半導体ＩｎＰと比較して低誘電率な材料で埋め込まれた構造を有することを特徴とする請求項１に記載の直接変調レーザ。
3. 共振器長が１００μｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項２に記載の直接変調レーザ。
4. 前記ノンドープ半導体層の厚さは２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、前記ノンドープ半導体層のＩｎＧａＡｓＰ材料のバンドギャップ波長が０．９〜１．２μｍであることを特徴とする請求項２または３に記載の直接変調レーザ。
5. 前記低誘電率の材料は、ＢＣＢであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の直接変調レーザ。
6. 前記低誘電率の材料は、ポリイミドであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の直接変調レーザ。

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