JP6962497B1 - 半導体レーザ装置及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

変調器集積半導体レーザ（１００）は、半導体レーザ（１０１）と、半導体レーザ（１０１）の後段に直列にモノリシック集積された電界吸収型変調器（１０２）及び光減衰器（１０３）とを有する。制御部（４４）は、変調器集積半導体レーザ（１００）の温度が上昇するほど光減衰器（１０３）に印加するＤＣバイアス電圧が大きくなるように制御する。

Description

本開示は、半導体レーザ装置及びその製造方法に関する。
従来のアンクールドタイプの変調器集積半導体レーザでは、半導体レーザに、吸収端波長の異なる２つの電界吸収型変調器を直列に集積していた。そして、これらの電界吸収型変調器が互いに異なる温度範囲でレーザ光を変調することで広い温度範囲での駆動を実現していた（例えば、特許文献１参照）。
日本特開２００５−１４２２３０号公報
しかし、従来の技術では、アンクールド使用時に２つのＥＡ変調器へ変調信号の入力を切り替えるために複雑な電気配線が必要であった。
また、半導体レーザは温度が上昇するほど光出力が低下する。従って、従来の変調器集積半導体レーザでは出射端面の平均光出力を温度に依らず一定に保つために半導体レーザのＤＣバイアス電流を低温側で大幅に小さくする必要があった。半導体レーザのＤＣバイアス電流が小さいと高速変調時にレーザ発振が不安定になり、出射端面又は他の装置等からの戻り光により変調波形が劣化するという問題があった。
本開示は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は複雑な電気配線を設けることなく、広い温度範囲でアンクールドタイプの変調器集積半導体レーザの高速変調が可能な半導体レーザ装置及びその製造方法を得るものである。
本開示に係る半導体レーザ装置は、半導体レーザと、前記半導体レーザの後段に直列にモノリシック集積された電界吸収型変調器及び光減衰器とを有する変調器集積半導体レーザと、前記変調器集積半導体レーザの温度が上昇するほど前記光減衰器に逆バイアスとして印加するＤＣバイアス電圧を大きくして、前記変調器集積半導体レーザの出射端面からの平均光出力が温度に依らず一定となるように制御する制御部とを備え、前記半導体レーザのＤＣバイアス電流は温度に依らず一定であり、前記制御部は、前記温度に対応した前記半導体レーザのバイアス電流をルックアップテーブルから読み込んで設定し、前記温度に対応した前記電界吸収型変調器のバイアス電圧を前記ルックアップテーブルから読み込んで設定し、前記温度に対応した前記光減衰器のバイアス電圧を前記ルックアップテーブルから読み込んで設定することを特徴とする。
本開示では、変調器集積半導体レーザの温度が上昇するほど光減衰器に印加するＤＣバイアス電圧が大きくなるように制御する。これにより、変調器集積半導体レーザの出射端面からの平均光出力が温度に依らず一定となる。半導体レーザのＤＣバイアス電流を低温側で小さくする必要はないため、高速変調時に変調波形が劣化することはない。よって、複雑な電気配線を設けることなく、広い温度範囲でアンクールドタイプの変調器集積半導体レーザの高速変調が可能になる。
実施の形態１に係る変調器集積半導体レーザを示す斜視図である。 図１のＡ−Ａに沿った半導体レーザの断面図である。 図１のＢ−Ｂに沿った電界吸収型変調器の断面図である。 図１のＣ−Ｃに沿った光減衰器の断面図である。 図１のＤ−Ｄに沿った断面図である。 実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示すブロック図である。 実施の形態１に係る変調器集積半導体レーザの出射端面からの平均光出力が一定となるような各部の電流・電圧の温度依存性を示す図である。 ２種類の吸収係数の波長依存性と、レーザ発振波長を示す図である。 実施の形態１に係る半導体レーザのバイアス電流、電界吸収型変調器と光減衰器のＤＣバイアス電圧の調整アルゴリズムを示す図である。 実施の形態２に係る変調器集積半導体レーザを示す断面図である。 実施の形態２に係る半導体レーザ装置を示すブロック図である。 実施の形態２に係る変調器集積半導体レーザの出射端面からの平均光出力が一定となるような各部の電流・電圧の温度依存性を示す図である。 電界吸収型変調器と光減衰器のＤＣバイアス電圧のフォトカレント依存性を示す図である。 実施の形態２に係る電界吸収型変調器と光減衰器のＤＣバイアス電圧の調整アルゴリズムを示す図である。 実施の形態３に係る変調器集積半導体レーザを示す断面図である。 実施の形態３に係る半導体レーザ装置を示すブロック図である。 実施の形態３に係る変調器集積半導体レーザの出射端面からの平均光出力が一定となるような各部の電流・電圧の温度依存性を示す図である。 実施の形態４に係る変調器集積半導体レーザを示す断面図である。 実施の形態５に係る変調器集積半導体レーザを示す斜視図である。
実施の形態に係る半導体レーザ装置及びその製造方法について図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る変調器集積半導体レーザを示す斜視図である。変調器集積半導体レーザ１００は、温調装置を持たないアンクールドタイプであり、１つの半導体基板にモノリシック集積された半導体レーザ１０１、電界吸収型（EA: Electro-Absorption）変調器１０２及び光減衰器１０３を有する。半導体レーザ１０１は分布帰還型レーザダイオード（DFB-LD: Distributed feedback laser diode）である。電界吸収型変調器１０２及び光減衰器１０３は半導体レーザ１０１の後段に直列に接続されている。半導体レーザ１０１、電界吸収型変調器１０２、光減衰器１０３のそれぞれの間に電気的に分離するための分離領域１０４ａ，１０４ｂが設けられている。
半導体レーザ１０１は表面電極２０１を有し、電界吸収型変調器１０２は表面電極２０２を有し、光減衰器１０３は表面電極２０３を有する。電界吸収型変調器１０２に高速な変調信号を入力するため、表面電極２０２はサイズを小さくする必要がある。一方、光減衰器１０３はＤＣ駆動であり、放熱性を向上させるため、表面電極２０３のサイズ、及びコンタクト層との接触面積は大きい方がよい。従って、光減衰器１０３の表面電極２０３の面積は電界吸収型変調器１０２の表面電極２０２の面積よりも広いことが好ましい。また、半導体レーザ１０１、電界吸収型変調器１０２、光減衰器１０３は、共通の裏面電極２０４を有する。
図２は、図１のＡ−Ａに沿った半導体レーザの断面図である。レーザ光の光軸の方向に沿ってメサストライプ１０が形成されている。半導体レーザ１０１は、ｎ型クラッド層１１、回折格子層１２、ｎ型クラッド層１３、活性層１４、ｐ型クラッド層１５、コンタクト層１６、電流ブロック層１７、絶縁膜１８、表面電極２０１、裏面電極２０４を有する。活性層１４は多重量子井戸構造である。
図３は、図１のＢ−Ｂに沿った電界吸収型変調器の断面図である。メサストライプ２０がレーザ光の光軸の方向に沿ってメサストライプ１０に連続的に形成されている。電界吸収型変調器１０２は、ｎ型クラッド層１１、光吸収層２１、ｐ型クラッド層２２、コンタクト層２３、電流ブロック層１７、絶縁膜１８、表面電極２０２、裏面電極２０４を有する。光吸収層２１は多重量子井戸構造である。
図４は、図１のＣ−Ｃに沿った光減衰器の断面図である。メサストライプ３０がレーザ光の光軸の方向に沿ってメサストライプ１０，２０に連続的に形成されている。光減衰器１０３は、ｎ型クラッド層１１、光吸収層３１、ｐ型クラッド層３２、コンタクト層３３、電流ブロック層１７、絶縁膜１８、表面電極２０３、裏面電極２０４を有する。光吸収層３１も多重量子井戸構造であり、電界吸収型変調器１０２の光吸収層２１と同じく電界吸収効果により光出力を減衰する。
図５は、図１のＤ−Ｄに沿った断面図である。半導体レーザ１０１、分離領域１０４ａ、電界吸収型変調器１０２、分離領域１０４ｂ、光減衰器１０３がレーザ光の光軸の方向に沿って直列に接続されている。分離領域１０４ａ，１０４ｂでは、コンタクト層と電極が除去され、表面に絶縁膜１８が設けられている。メサストライプは連続的に形成されている。
この例では、光減衰器１０３は、半絶縁性材料の電流ブロック層１７による埋め込み構造であるが、ｐ−ｎ−ｐ型又はｎ−ｐ−ｎ型を積層したトランジスタ構造、ｎ−ｐ−ｎ−ｐ型又はｐ−ｎ−ｐ−ｎ型を積層したサイリスタ構造としてもよい。また、埋め込み型構造ではなく、リッジ型構造又はハイメサ型構造を適用してもよい。また、半導体レーザ１０１及び電界吸収型変調器１０２も埋め込み構造に限らず、他の構造を適用してもよい。また、この例ではｎ型クラッド層１１を含むｎ型基板を用いた場合を示しているが、ｐ型基板を用いてもよい。
図６は、実施の形態１に係る半導体レーザ装置を示すブロック図である。駆動部４０が、半導体レーザ１０１にＤＣバイアス電流を印加する。駆動部４１が、電界吸収型変調器１０２にＤＣバイアス電圧と変調信号を印加する。駆動部４２が、光減衰器１０３にＤＣバイアス電圧を印加する。サーミスタ４３が変調器集積半導体レーザ１００の温度を検出する。サーミスタ４３が検出した温度に応じて、制御部４４がルックアップテーブル４５の値を読み込み、駆動部４０，４１，４２の電流・電圧を制御する。
図７は、実施の形態１に係る変調器集積半導体レーザの出射端面からの平均光出力が一定となるような各部の電流・電圧の温度依存性を示す図である。半導体レーザ１０１のＤＣバイアス電流は温度に依らず一定にしている。電界吸収型変調器１０２のＤＣバイアス電圧は各温度での消光比が一定になるように選択している。その条件下で平均光出力が一定となるように、光減衰器１０３のＤＣバイアス電圧を選択している。
図８は、２種類の吸収係数の波長依存性と、レーザ発振波長を示す図である。一般的に、吸収端波長１のようにレーザ発振波長と吸収端波長の差が大きい場合、レーザ発振波長での吸収係数が小さくなる。吸収端波長２のようにレーザ発振波長と吸収端波長の差が小さい場合、レーザ発振波長での吸収係数が大きくなる。よって、レーザ発振波長と吸収端波長の差を大きくすることで、ロスを低減できる。一方で、ロスが小さい場合、同じ電圧での消光比は小さくなる。ＤＣバイアス電圧で駆動する光減衰器１０３の場合は、比較的大きな電圧を印加することが可能である。しかし、電界吸収型変調器１０２は小さな振幅電圧の変調信号による駆動が必要となるため、レーザ発振波長と吸収端波長の差を小さくする必要がある。よって、電界吸収型変調器１０２の光吸収層２１の吸収端波長よりも、光減衰器１０３の光吸収層３１の吸収端波長を短くすることが好ましい。これにより、光出力のロスを低減することができる。
製造時の検査により図７に示す各部の電流・電圧の温度依存性を求め、各温度での駆動条件をルックアップテーブル４５に保存する。光減衰器１０３のＤＣバイアス電圧の範囲が電界吸収型変調器１０２のＤＣバイアス電圧の範囲よりも広くなるような条件に設定すると、温度間での光出力変動の低減と光のロスの低減を両立し易くなる。
図９は、実施の形態１に係る半導体レーザのバイアス電流、電界吸収型変調器と光減衰器のＤＣバイアス電圧の調整アルゴリズムを示す図である。まず、サーミスタ４３が変調器集積半導体レーザ１００の温度を検出する。次に、制御部４４が、検出した温度を読み込み、温度に対応した半導体レーザ１０１のＤＣバイアス電流、電界吸収型変調器１０２と光減衰器１０３のＤＣバイアス電圧をルックアップテーブル４５より読み取る。制御部４４は、読み取った値となるように半導体レーザ１０１のＤＣバイアス電流、電界吸収型変調器１０２と光減衰器１０３のＤＣバイアス電圧をそれぞれ設定する。図７のグラフは指定範囲内で温度に対して単調増加する関数となるため、一意な電圧値、電流値に設定することが可能である。また、この関数は、各素子に対して検査により求められる。本実施の形態では半導体レーザ１０１のＤＣバイアス電流が一定の条件としたが、温度に応じて調整してもよい。
本実施の形態の変調器集積半導体レーザ１００を製造する場合、光減衰器１０３の光吸収層３１と電界吸収型変調器１０２の光吸収層２１をバットジョイント成長により集積する。または、選択成長マスクを使用して光減衰器１０３の光吸収層３１と電界吸収型変調器１０２の光吸収層２１を同時にエピタキシャル成長させてもよい。
本実施の形態では、変調器集積半導体レーザ１００の温度が上昇するほど光減衰器１０３に印加するＤＣバイアス電圧が大きくなるように制御する。これにより、変調器集積半導体レーザ１００の出射端面からの平均光出力が温度に依らず一定となる。半導体レーザのＤＣバイアス電流を低温側で小さくする必要はないため、高速変調時に変調波形が劣化することはない。よって、複雑な電気配線を設けることなく、広い温度範囲でアンクールドタイプの変調器集積半導体レーザ１００の高速変調が可能になる。
実施の形態２．
図１０は、実施の形態２に係る変調器集積半導体レーザを示す断面図である。実施の形態１では電界吸収型変調器１０２の後段に光減衰器１０３を集積していたが、本実施の形態では電界吸収型変調器１０２の前段に光減衰器１０３を集積している。光減衰器１０３は半導体レーザ１０１の出力光を減衰する。電界吸収型変調器１０２は光減衰器１０３の出力光を変調する。電界吸収型変調器１０２の出力光が変調器集積半導体レーザ１００の出射端面から出力される。これにより、電界吸収型変調器１０２へ入力される光信号の強度が適切なレベルまで低減できるため、実施の形態１よりも変調光信号のノイズが低減される。
図１１は、実施の形態２に係る半導体レーザ装置を示すブロック図である。フォトカレント検出器４６が光減衰器１０３に流れるフォトカレントを検出する。制御部４４は、検出したフォトカレントに応じてルックアップテーブル４５の値を読み込み、各部の電流・電圧を設定する。
図１２は、実施の形態２に係る変調器集積半導体レーザの出射端面からの平均光出力が一定となるような各部の電流・電圧の温度依存性を示す図である。フォトカレントは、各温度で最適化したＤＣバイアス電圧を光減衰器１０３に印加した状態で測定する。製造時の検査により半導体レーザ１０１のＤＣバイアス電流、電界吸収型変調器１０２のＤＣバイアス電圧、光減衰器１０３のＤＣバイアス電圧、光減衰器１０３を流れるフォトカレントの温度依存性を求める。
図１３は、電界吸収型変調器と光減衰器のＤＣバイアス電圧のフォトカレント依存性を示す図である。図１２のグラフより電界吸収型変調器１０２と光減衰器１０３のＤＣバイアス電圧をフォトカレントの関数に換算し、ルックアップテーブル４５に保存する。
図１４は、実施の形態２に係る電界吸収型変調器と光減衰器のＤＣバイアス電圧の調整アルゴリズムを示す図である。まず、フォトカレント検出器４６が光減衰器１０３に流れるフォトカレントを検出する。次に、制御部４４が、検出したフォトカレントを読み込み、フォトカレントに対応した電界吸収型変調器１０２と光減衰器１０３のＤＣバイアス電圧をルックアップテーブル４５より読み取る。制御部４４は、読み取った値となるように電界吸収型変調器１０２と光減衰器１０３のＤＣバイアス電圧をそれぞれ設定する。図１３のグラフは指定範囲内でフォトカレントに対して単調増加する関数となるため、フォトカレントに対して一意な電圧値を設定することが可能である。
実施の形態３．
図１５は、実施の形態３に係る変調器集積半導体レーザを示す断面図である。半導体レーザ１０１と光減衰器１０３の間の分離領域１０４ａ、及び光減衰器１０３と電界吸収型変調器１０２の間の分離領域１０４ｂに、それぞれパッシブ導波路である透明導波路１０５ａ，１０５ｂを設けている。なお、両方にパッシブ導波路を設けたが、どちらか片方のみにパッシブ導波路を設けてもよい。電界吸収型変調器１０２が光の出射端面となっているが、電界吸収型変調器１０２と出射端面の間にパッシブ導波路を設けてもよい。即ち、半導体レーザ１０１、電界吸収型変調器１０２、光減衰器１０３、出射端面の何れかの間にパッシブ導波路を設ける。これにより、導波路内での光のロスを低減することができる。なお、電界吸収型変調器１０２と出射端面の間に、端面の反射率を低減する窓構造を設けてもよい。
図１６は、実施の形態３に係る半導体レーザ装置を示すブロック図である。サーミスタ４３が検出した温度に応じて、制御部４４がルックアップテーブルの値を読み込み、各部の電流・電圧を設定する。
図１７は、実施の形態３に係る変調器集積半導体レーザの出射端面からの平均光出力が一定となるような各部の電流・電圧の温度依存性を示す図である。本実施の形態では、半導体レーザ１０１のＤＣバイアス電流も温度に応じて調整する。これにより、より広い温度範囲で平均光出力を目標値に設定することができる。
実施の形態４．
図１８は、実施の形態４に係る変調器集積半導体レーザを示す断面図である。本実施の形態では、電界吸収型変調器１０２の光吸収層２１と光減衰器１０３の光吸収層３１の層構造が同一である。この場合、選択成長マスクを使用して光減衰器１０３の光吸収層３１と電界吸収型変調器１０２の光吸収層２１を同時にエピタキシャル成長させることができる。これにより、製造時のエピ成長回数を削減することができる。
実施の形態５．
図１９は、実施の形態５に係る変調器集積半導体レーザを示す斜視図である。本実施の形態では、光減衰器１０３での放熱性を向上するため、電界吸収型変調器１０２よりも光減衰器１０３でのプロセスメサ幅を広くする。このため、光減衰器１０３のコンタクト層３３と表面電極２０３の接触面積が、電界吸収型変調器１０２のコンタクト層２３と表面電極２０２の接触面積よりも広くなる。これにより、光出力の得にくい高温側で、フォトカレントによる光減衰器１０３の光吸収層３１の温度上昇を抑制し、光のロスを低減することができる。
２１ 電界吸収型変調器の光吸収層、２３，３３ コンタクト層、３１ 光減衰器の光吸収層、４３ サーミスタ、４４ 制御部、４５ ルックアップテーブル、１００ 変調器集積半導体レーザ、１０１ 半導体レーザ、１０２ 電界吸収型変調器、１０３ 光減衰器、１０５ａ，１０５ｂ 透明導波路（パッシブ導波路）、２０２，２０３ 表面電極

Claims (15)

  1. 半導体レーザと、前記半導体レーザの後段に直列にモノリシック集積された電界吸収型変調器及び光減衰器とを有する変調器集積半導体レーザと、
    前記変調器集積半導体レーザの温度が上昇するほど前記光減衰器に逆バイアスとして印加するＤＣバイアス電圧を大きくして、前記変調器集積半導体レーザの出射端面からの平均光出力が温度に依らず一定となるように制御する制御部とを備え、
    前記半導体レーザのＤＣバイアス電流は温度に依らず一定であり、
    前記制御部は、
    前記温度に対応した前記半導体レーザのバイアス電流をルックアップテーブルから読み込んで設定し、
    前記温度に対応した前記電界吸収型変調器のバイアス電圧を前記ルックアップテーブルから読み込んで設定し、
    前記温度に対応した前記光減衰器のバイアス電圧を前記ルックアップテーブルから読み込んで設定することを特徴とする半導体レーザ装置。
  2. 半導体レーザと、前記半導体レーザの後段に直列にモノリシック集積された電界吸収型変調器及び光減衰器とを有する変調器集積半導体レーザと、
    前記変調器集積半導体レーザの温度が上昇するほど前記光減衰器に逆バイアスとして印加するＤＣバイアス電圧を大きくして、前記変調器集積半導体レーザの出射端面からの平均光出力が温度に依らず一定となるように制御する制御部とを備え、
    前記半導体レーザのＤＣバイアス電流は温度に依らず一定であり、
    前記制御部は、
    前記光減衰器を流れるフォトカレントに対応した前記半導体レーザのバイアス電流をルックアップテーブルから読み込んで設定し、
    前記フォトカレントに対応した前記電界吸収型変調器のバイアス電圧を前記ルックアップテーブルから読み込んで設定し、
    前記フォトカレントに対応した前記光減衰器のバイアス電圧を前記ルックアップテーブルから読み込んで設定することを特徴とする半導体レーザ装置。
  3. 前記変調器集積半導体レーザは温調装置を持たないことを特徴とする請求項１又は２に記載の半導体レーザ装置。
  4. 前記変調器集積半導体レーザの前記温度を検出するサーミスタを更に備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
  5. 前記電界吸収型変調器は前記半導体レーザの出力光を変調し、
    前記光減衰器は前記電界吸収型変調器の出力光を減衰し、
    前記光減衰器の出力光が前記変調器集積半導体レーザの出射端面から出力されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
  6. 前記光減衰器は前記半導体レーザの出力光を減衰し、
    前記電界吸収型変調器は前記光減衰器の出力光を変調し、
    前記電界吸収型変調器の出力光が前記変調器集積半導体レーザの出射端面から出力されることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
  7. 前記光減衰器の光吸収層の吸収端波長は、前記電界吸収型変調器の光吸収層の吸収端波長よりも短いことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
  8. 前記光減衰器の電極の面積が前記電界吸収型変調器の電極の面積よりも広いことを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
  9. 前記光減衰器のバイアス電圧調整範囲が前記電界吸収型変調器のバイアス電圧調整範囲よりも広いことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
  10. 前記電界吸収型変調器の光吸収層と前記光減衰器の光吸収層の層構造が異なることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
  11. 前記電界吸収型変調器の光吸収層と前記光減衰器の光吸収層の層構造が同一であることを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
  12. 前記変調器集積半導体レーザは、前記半導体レーザ、前記電界吸収型変調器、前記光減衰器、出射端面の何れかの間にパッシブ導波路を有することを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
  13. 前記光減衰器のコンタクト層と電極の接触面積が、前記電界吸収型変調器のコンタクト層と電極の接触面積よりも広いことを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の半導体レーザ装置。
  14. 請求項１〜１３の何れか１項に記載の半導体レーザ装置の製造方法であって、
    前記光減衰器の光吸収層と前記電界吸収型変調器の光吸収層をバットジョイント成長により集積することを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
  15. 請求項１〜１３の何れか１項に記載の半導体レーザ装置の製造方法であって、
    選択成長マスクを使用して前記光減衰器の光吸収層と前記電界吸収型変調器の光吸収層を同時にエピタキシャル成長させることを特徴とする半導体レーザ装置の製造方法。
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