JP6018533B2

JP6018533B2 - 高速・高温動作の直接変調レーザ及びその製造方法

Info

Publication number: JP6018533B2
Application number: JP2013078782A
Authority: JP
Inventors: 小林　亘; 亘小林; 広明三条
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-04-04
Filing date: 2013-04-04
Publication date: 2016-11-02
Anticipated expiration: 2033-04-04
Also published as: JP2014203960A

Description

本発明は、直接変調レーザに関し、より詳細には１．３μｍ帯の波長を出射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直接変調レーザ（ＤＭＬ：ＤｉｒｅｃｔｌｙＭｏｄｕｌａｔｅｄｌａｓｅｒ）として、ＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｌＡｓ材料の活性層を形成し、導波路構造にリッジ導波路を採用した報告がある（非特許文献１）。非特許文献1において、リッジ導波路の構造を用いると、６０℃において４０Ｇｂ／ｓの直接変調動作が可能であることが報告されている。

一方、高温での動作に優れた直接変調レーザの構造として、導波路構造に埋込型（ＢＨ型）構造を採用した直接変調レーザが知られている（非特許文献２）。非特許文献２において、ＩｎＧａＡｌＡｓ材料の多重量子井戸構造（ＭＱＷ）をＦｅドープのＩｎＰ材料で埋込むことにより、７０℃においても４０Ｇｂ／ｓの高速動作を実現したことが報告されている。この報告では、ＢＨ型構造を採用しているため、レーザ部活性層での温度上昇を抑制することができる。その結果、４０Ｇｂ／ｓの動作を７０℃において実現している。

図１１は、導波路構造の模式図を示しており、図１１（ａ）はリッジ型の導波路構造１１０、図１１（ｂ）はＢＨ型の導波路構造１２０の模式図を示している。リッジ型構造はＩｎＧａＡｌＡｓ（レーザ部）活性層１１１がＩｎＰ材料１１２および１１３で縦方向に挟まれており、横方向に対しては導波路部（ＩｎＰ材料１１３）の脇がＢＣＢ（ベンゾシクロロブテン）１１３で挟まれた構造を持つ。一方、ＢＨ型の導波路構造は、ＩｎＧａＡｌＡｓ（レーザ部）活性層１２１が四方にわたりＩｎＰ材料（１２２、１２３及び１２４）で挟まれた構造を持つ。

K. Nakahara et al "40-Gb/s direct modulation with high extinction ratio operation of 1.3-mm InGaAlAs multiquantum well ridge waveguide distributed feedback lasers" IEEE Photonics Technology Letters, Vol.19, No.19, pp.1436-1439, T.Simoyama, M.Matsuda1, S.Okumura, A.Uetake, M.Ekawa, and T. Yamamoto, "40-Gbps Transmission Using Direct Modulation of 1.3-mm AlGaInAs MQW Distributed-Reflector Lasers up to 70℃" OSA/OFC/NFOEC 2011 John E.Bowers, B.Roe Hemenway, Alan H. Gnauck, and Daniel P.Wilt "High-speed InGaAsP Constricted-Mesa Lasers" IEEE Journal of Quantum Electronics, VOL.QE-22, NO.6, JUNE 1986 pp.833-844

一般的に、半導体レーザの素子抵抗は、ｐ側電極とｐ層の間のコンタクト抵抗が大部分である。そのため、直接変調レーザの駆動時においては、ＤＭＬ素子へ電流を印加（注入）すると、図１１（ａ）、（ｂ）中のＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１１５または１２５で発熱が生じる。電流注入により投入されたエネルギーの大部分は素子の発熱になり、さらにその発熱の大部分は、主に図中のＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１１５または１２５の抵抗部分で発生する。発生した熱は、発熱箇所を取り巻く材料の熱伝導率に応じて散逸していく。

表１は直接変調レーザに使用される各材料の熱伝導率を示している。また、図１２は直接変調レーザのＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１１５または１２５で発生した熱の流れを示す図であり、図１２（ａ）はリッジ型導波路構造１１０の、図１２（ｂ）はＢＨ型導波路構造１２０の熱の流れを示している。ＩｎＰ材料の熱伝導率に比べ、ＢＣＢ材料の熱伝導率は２００倍以上小さい。またＩｎＧａＡｌＡｓ材料の熱伝導率は、ＩｎＰ材料の１０分の１以下である。このような物性値から、ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１１５または１２５で発生した熱は、それぞれ１２（ａ）、（ｂ）のような流れをもって散逸していくと考えることができる。図１２（ａ）を見ると、リッジ型導波路構造１１０では熱がレーザ部活性層１１０を通りＩｎＰ基板１１２に流れるのに対し、（ｂ）を見ると、ＢＨ型導波路構造ではＩｎＰ材料１２４を介して排熱することが可能である。しかしながら、リッジ型導波路構造はＢＨ型導波路構造に比べ作製が容易だという利点がある。したがって、本発明では、リッジ型導波路構造においての高速動作について検討する。

ここで、従来のリッジ型導波路構造を有する直接変調レーザのＩｎＧａＡｓＰコンタクト層１１５で発生した熱の影響を説明するための図を図１３に示す。

図１３に示された従来構造では点線の方向で主に排熱される。図１３中の丸で囲まれた箇所は、レーザ部活性層であり、できるだけこの箇所の温度が動作時に上昇しないことが望ましい。なぜなら半導体レーザは、一般に温度上昇に応じて出力の劣化、動作帯域の減少が起こるからである。しかし従来のリッジ型導波路構造では、材料の熱伝導率と、その構造からして、レーザ部活性層の温度上昇が避けられなかった。

本発明は、レーザ部活性層の多重量子井戸構造を、ＩｎＧａＡｌＡｓ系材料を用いて作製し、導波路構造はリッジ型を用いて、上記目的を達成するよう構成される。

具体的には、本発明のリッジ型導波路構造を有する直接変調レーザは、ｎ型基板と、前記ｎ型基板上のＭＱＷ活性層と、前記ＭＱＷ活性層上の導波路を形成するクラッド層と、前記クラッド層上のコンタクト層とを備え、前記導波路構造の両側の前記ＭＱＷ活性層に、前記導波路中心から一定の距離をもって直接接するように配置された放熱用金属と、前記導波路の両側を囲む有機材料と、前記コンタクト層及び前記有機材料上に形成されたｐ電極とを備え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有機材料は、ＢＣＢであることを特徴とする。

また、本発明の直接変調レーザは、導波路中心と放熱電極までの距離が４μｍ以上であることを特徴とする。

また、本発明の直接変調レーザは、レーザ部共振器長が１００μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする。

本発明のリッジ型導波路構造を有する直接変調レーザの製造方法は、ｎ型基板上にＩｎＧａＡｌＡｓ材料のＭＱＷ活性層をＤＨ成長するステップと、前記ＭＱＷ活性層上にｐ型ＩｎＰクラッド層を結晶再成長するステップと、前記クラッド層上にｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を結晶再成長するステップと、ドライエッチングにより、前記クラッド層及び前記コンタクト層を、導波路の部分を残して除去するステップと、前記ＭＱＷ活性層上及び前記導波路上に絶縁膜を形成するステップと、前記導波路の両側の前記ＭＱＷ活性層上の少なくとも一部の前記絶縁膜を除去するステップと、前記導波路の両側の前記ＭＱＷ活性層上及び前記絶縁膜上に、前記導波路中心から一定の距離をもって前記ＭＱＷ活性層に直接接するように放熱電極を形成するステップと、前記導波路の周囲に有機材料を形成し導波路上部を平坦化するステップとを含むことを特徴とする。

また、本発明の直接変調レーザの製造方法の前記有機材料は、ＢＣＢ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製造方法は、前記導波路の中心と前記放熱電極までの距離が４μｍ以上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製造方法は、レーザ部共振器長が１００μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする。

１．３μｍ帯の直接変調レーザに関して、高温下で２５Ｇｂ／ｓ以上の高速動作を実現することができる。

本発明の一実施例にかかる直接変調レーザ１００の断面構造を示す図である。直接変調レーザ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。直接変調レーザ素子抵抗の共振器長依存性を示す図表である。本発明の課題と目的を示す概念図である。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、直接変調レーザの活性層の温度上昇について調べた結果を示す図表である。直接変調レーザ１００の放熱経路を示す図である。直接変調レーザ１００の活性層１０２の電流注入に対する温度上昇の計算結果示す図表である。直接変調レーザにおいて、放熱電極がない場合の導波路内の電界分布の計算結果を示す図である。図９の電界分布の横方向の計算結果を示す図である。（ａ）はリッジ型の導波路構造１１０、（ｂ）はＢＨ型の導波路構造１２０の模式図を示している。（ａ）はリッジ型導波路構造１１０、（ｂ）はＢＨ型導波路構造１２０の熱の流れを示している。リッジ型導波路構造を有する直接変調レーザのコンタクト層で発生した熱の影響を示す図である。

本発明においては、リッジ型導波路構造を有する直接変調レーザの動作時の活性層の温度上昇を抑制するために、半導体に比べ大幅に熱伝導率が大きい電極を、温度上昇を抑制したい活性層の上に形成する。これにより活性層の温度上昇が抑制されるため、共振器が１００μｍ〜２００μｍの短共振器長において本発明は有効になる。さらに電極が活性層に近づけば近づくほど、電極による光の電界吸収を生じて光出力の劣化を生じるため、活性層と電極の距離を４μｍ以上離すことにより効果を実現できる。すなわち、本発明のリッジ型導波路構造を有する直接変調レーザは、１．放熱用電極の形成、２．共振器長１００μｍ〜２００μｍ、３．放熱用電極と活性層の距離を４μｍ以上において実現される。

上記要件を実現するための実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の一実施例にかかるリッジ型導波路を有する直接変調レーザ１００の断面構造を示す図である。本発明の直接変調レーザ１００は、１．３μｍ帯の直接変調レーザであり、基板としてｎ型ＩｎＰ基板１０１を用い、ＩｎＧａＡｌＡｓ材料のＭＱＷ活性層１０２、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０３、ｐ型ＩｎＧａＡｓＰ材料のコンタクト層１０４、ＢＣＢ膜１０５、ｎ側電極１０６、ｐ側電極１０７、放熱電極１０８、ＳｉＯ_２絶縁膜１０９により構成される。

次に、本発明の１の実施例である直接変調レーザ１００の作成の手順について説明する。まず、ｎ型ＩｎＰ基板１０１の上にＩｎＧａＡｌＡｓ材料のＭＱＷ活性層１０２をＤＨ成長する。その後共振器方向に回折格子を形成し、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０３及びｐ型ＩｎＧａＡｓＰ材料のコンタクト層１０４を結晶再成長する。その後、従来のドライエッチングを用いて、クラッド層１０３、コンタクト層１０４を導波路部分１０３−１を残してエッチングにより除去する。さらにその導波路構造にＳｉＯ_２絶縁膜１０９を形成し、放熱電極を形成する箇所だけ絶縁膜を除去しその箇所から放熱電極１０８を形成する。本実施例では放熱電極１０８と導波路中心の距離Ｗを４μｍとした。さらにＢＣＢ膜１０５を図１のように形成し、導波路の上のＳｉＯ_２絶縁膜１０９を除去し、そこにｐ側電極１０７を形成する。最後に研磨により基板を１００μｍ程度に薄くし、ｎ側電極１０６を形成する。

続いて、本発明を実現するための設定条件について説明する。

まず、共振器長と放熱用電極との関係について説明する。直接変調レーザの高速動作の性能指数は、その動作帯域で説明される。図２は直接変調レーザ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。直接変調レーザの寄生容量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２の計算に示されているように、直接変調レーザの動作帯域は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（非特許文献３の式（１０））。このため、直接変調レーザの高速動作を実現するためにｆｒを高めていくことが必須となる。

ここで、ｆｒを高める方法としては、直接変調レーザの共振器を短くしてくことが有効であると考えられる。一般にｆｒは

の式であらわされる。ここで

は微分利得、Ｓ_０は光子密度、τ_ｐｈは光子寿命である。

光子寿命は式（２）であらわされる。ｎ_ｒは等価屈折率、α_iは内部損失、Ｒ１（Ｒ２）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と考えられる。

しかし、ｆｒを高めるためにＬを短くすると、逆に素子の抵抗が上昇するという問題が生じる。図３は、直接変調レーザ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は素子長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）も増加する。

上記の検討から、直接変調レーザの高速動作においては、ｆｒを高めるために共振器長Ｌを短くする必要があるが、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４のようになる。

本発明で用いる放熱用電極（実施例の１０８）が具体的に必要となる共振器長領域は、図４における発熱が厳しくなる領域に相当する。従って、本発明においては、リッジ型導波路を有する直接変調レーザの放熱性の改善を行うことにより、ｆｒ値の最大値を増大させることが可能になる。

では、実際の動作時に放熱の改善が必要となる共振器長について述べる。図５はｆｒの共振器長依存性の測定結果を示す図表である。ただし本測定においては、本発明の放熱電極は用いていない。点線は光出力特性から外挿したｆｒの特性を示している。実際に直接変調レーザを駆動する領域において、放熱特製の改善を必要とするのが２００μｍ以下の領域であることを示している。

図６は、電流を注入していった際の、直接変調レーザの活性層の温度上昇について調べた結果を示す図表である。１００μｍの直接変調レーザにおいては電流注入に対して急激に温度が上昇する。共振器長が短くなっても、温度の上昇を抑制するために、本発明では図１に示すように放熱電極（１０８）を形成した。図７は、直接変調レーザ１００の放熱経路を示す図である。図１のように放熱電極１０８を形成することで、従来のリッジ構造の放熱経路（破線部分）に対して、さらに実線の排熱経路が追加される。そのため活性層（図１の１０２）の温度上昇が抑制される。放熱電極１０８は一般的な電極材料（Ａｕ）で作製する。そのためＡｕの熱伝導率３２０［Ｗ／ｍ／Ｋ］で熱を排熱することが可能となる。

次に、放熱用電極と活性層の距離について説明する。

図８は、図１の放熱電極１０８と導波路中心の距離Ｗとの値を無限（つまり放熱電極無）、４μｍ、１０μｍ、２０μｍとした場合の活性層１０２の電流注入に対する温度上昇の計算結果示す図表である。図８において、Ｌは１００μｍとして計算されている。図８を見ると放熱電極１０８が導波路中心に近づけば近づくほど、活性層１０２の温度上昇は抑制できていることが分かる。ここで実際の使用を考慮に入れると、活性層１０２の温度上昇は２０℃以下であることが望ましい。よって、Ｗは２０μｍ以下であることが望ましい。

一方、放熱電極を導波路に近づけていく場合の問題点について説明する。

図９は、直接変調レーザにおいて放熱電極がない場合の導波路内の電界分布の計算結果を示す図である。計算はリッジ型構造の右半分だけについて行い、白い部分ほど光の電界強度が大きいことを示している。なお、計算は導波路解析ソフトＡＰＳＳ（アポロ社）を用いて行った。

放熱電極を導波路中心に近づけていった場合、電極が近すぎると、電極金属による光吸収が起こる。図９の計算結果から横方向（Ｘ方向）の電界分布をみると、図１０のようになる。図９を見るとＸが４μｍの段階でＸ方向の電界強度はほぼ０になる。よって放熱電極による電界吸収を抑えるためには、Ｗを４．０μｍ以上取ればよいことが分かる。

１００、１１０リッジ型導波路を有する直接変調レーザ
１０１、１１２、１２２ｎ型ＩｎＰ基板
１０２、１１１、１２１ＩｎＧａＡｌＡｓ活性層
１０３、１２４ｐ型ＩｎＰクラッド層
１０３−１、１１３、１２３導波路
１０４、１１５、１２５ｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層
１０５、１１４ＢＣＢ膜
１０６ｎ側電極
１０７ｐ側電極
１０８放熱電極
１０９ＳｉＯ２絶縁膜
１２０ＢＨ型導波路を有する直接変調レーザ

Claims

ｎ型基板と、前記ｎ型基板上のＭＱＷ活性層と、前記ＭＱＷ活性層上の導波路を形成するクラッド層と、前記クラッド層上のコンタクト層とを備える、リッジ型導波路構造を有する直接変調レーザであって、
前記導波路の両側の前記ＭＱＷ活性層に、前記導波路の中心から一定の距離をもって直接接するように配置された放熱用金属と、
前記導波路の両側を囲む有機材料と、
前記コンタクト層及び前記有機材料上に形成されたｐ電極と
を備えることを特徴とする直接変調レーザ。
前記有機材料は、ＢＣＢであることを特徴とする請求項１に記載の直接変調レーザ。
前記導波路の中心と前記放熱電極との距離が４μｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の直接変調レーザ。
レーザ部共振器長が１００μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の直接変調レーザ。
ｎ型基板上にＩｎＧａＡｌＡｓ材料のＭＱＷ活性層をＤＨ成長するステップと、
前記ＭＱＷ活性層上にｐ型ＩｎＰクラッド層を結晶再成長するステップと、
前記クラッド層上にｐ型ＩｎＧａＡｓＰコンタクト層を結晶再成長するステップと、
ドライエッチングにより、前記クラッド層及び前記コンタクト層を、導波路の部分を残して除去するステップと、
前記ＭＱＷ活性層上及び前記導波路上に絶縁膜を形成するステップと、
前記導波路の両側の前記ＭＱＷ活性層上の少なくとも一部の前記絶縁膜を除去するステップと、
前記導波路の両側の前記ＭＱＷ活性層上及び前記絶縁膜上に、前記導波路の中心から一定の距離をもって前記ＭＱＷ活性層に直接接するように放熱電極を形成するステップと、
前記導波路の周囲に有機材料を形成し導波路上部を平坦化するステップと、
を含むことを特徴とする直接変調レーザの製造方法。
前記有機材料は、ＢＣＢであることを特徴とする請求項５に記載の直接変調レーザの製造方法。
前記導波路の中心と前記放熱電極までの距離が４μｍ以上であることを特徴とする請求項５または６に記載の直接変調レーザの製造方法。
レーザ部共振器長が１００μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする請求項５または６に記載の直接変調レーザの製造方法。