JPH11238942A - 光システム、光モジュールおよびこれに適した半導体レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】埋込型半導体レーザ装置を光源に用いた光シス
テムのより高速化を図る。埋込型半導体レーザ装置にお
けるｐ型ＩｎＰ埋込層の不純物濃度が高いと信頼性が劣
化し、不純物濃度が低いと高温時のレーザ特性が低下す
るという問題があった。 【解決手段】メサストライプ構造を有する埋込型半導体
レーザ装置におけるメサストライプ構造近傍の埋込層の
不純物濃度を低濃度に、より外側の埋込層を高濃度に設
定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光システム、例えば
並列伝送用光送信モジュール、及び非同期交換機システ
ム、並列コンピュータおよびこれに適した半導体レーザ
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバーアレイを伝送路に用いる多
チャンネル並列同期伝送方式である光インタコネクト技
術の並列伝送用光送信モジュール内の光源は半導体レー
ザアレイが多用される。並列伝送路間の遅延時間バラツ
キ（スキュー）の低減化等の観点から、半導体レーザ装
置の低しきい電流化及びキャリア寿命時間の低減化が重
要である。さらに、半導体レーザ装置の低しきい電流化
は、加入者系光通信応用の観点で重要である。それは、
加入者系光通信応用においては、零バイアス変調、ある
いは低バイアス変調、耐環境性（特に高温動作）が要求
されるからである。

【０００３】高温環境下における光送信モジュールの性
能を評価する基準の一つとして、ベル・コア仕様と呼ば
れるものがある。これは、当該光送信モジュールに搭載
される半導体レーザ装置の摂氏８５度におけるしきい電
流やスロープ特性から、基地局（電話局）に比べて動作
環境が管理されにくい回線加入者側における光送信モジ
ュールの耐久性を評価することを目的とするものであ
る。そして、上記温度、換言すれば最も過酷な動作環境
下において上記しきい電流の上昇が抑えられ且つスロー
プ特性を高く保てる半導体レーザ装置を搭載した光信号
送信機ほど性能がよいとされる。

【０００４】このような加入者系光通信システムに好適
な光送信モジュールの光源として、多重量子井戸型の活
性層（発光部）を挟む半導体層のバンドプロファイルを
改良した半導体レーザ装置が、Ｋ． Ｔｓｕｒｕｏｋａ
らによりＣＬＥＯ／ＰＡＣＩＦＩＣ ＲＩＭ（１９９
７，Ｔｏｋｙｏ）にて発表されている。上記発表の予稿
（Ａｂｓｔｒｕｃｔ）集、第２５３頁、番号ＦＣ４の記
事は、上記バンドプロファイルの改良により、摂氏８５
度においてしきい電流２３ｍＡ、スロープ効率０．４Ｗ
／Ａでのレーザ光発振が実現できることを開示する。即
ち、当該半導体レーザ装置はスロープ効率の観点から、
加入者系光通信システムに望ましい性能を示すと判断で
きる。しかし、しきい電流値に目を転じてみれば、当該
記事のＦｉｇ．２に示す如く摂氏２０度における７ｍＡ
に対し、摂氏６５度の温度上昇で大幅な上昇を示してお
り、上記加入者側に備え付ける光送信モジュールに搭載
した場合、高温下での光源の動作マージンが激減するこ
とが危惧される。

【０００５】これに対して、半導体レーザ装置として、
低リーク電流埋込構造の有効性がＫ． Ｕｏｍｉらによ
り、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ
ｙＬｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．７，Ｎｏ．１，ｐｐ１−３
に報告されている。この構造は埋込構造で、図２に示さ
れる。即ち、活性層1を含むストライプメサの両側に積
層されたｐ／ｎ／ｐ型のＩｎＰ層ブロッキング構造(層
５〜７)から構成されている。このメサストライプは半
導体層１、２、３を含んでいる。この構造はいわゆるサ
イリスタ構造であるので活性層外に流れるリーク電流を
小さくすることができる。図２において２はｐ型のクラ
ッド層、３、４はｎ型クラッド層、８はキャップ層でｎ
側電極１１とオーミック電極を取るための層である。ま
た、９はｐ型ＩｎＰ基板で１０はｐ側電極である。ここ
で、ｎ型ＩｎＰ埋込層６がストライプメサのｎ型クラッ
ド層３及び上部クラッド層４と接触しておらず、電気的
にフローティング状態であることが必須である。接触し
た場合にはサイリスタがターンオン状態となりブロッキ
ング構造(層５〜７)には電流が流れるのでリーク電流量
が大きくなる。

【０００６】また、高温時には熱励起されたキャリアが
ブロッキング層のｐｎ接合を乗り越えてリーク電流とな
るのでブロッキング層の各ｐ又はｎのキャリア濃度を高
濃度にしてｐｎ接合のポテンシャル差を大きくする必要
がある。

【０００７】しかし、ｐ型ＩｎＰ埋込層５を高濃度にし
た場合にはブロッキング層の成長時にストライプメサ部
のｎ型クラッド層３及び活性層１にｐ型不純物のＺｎが
拡散してしまい、素子の信頼性を劣化させるという問題
があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本願発明の目的は、高
速動作の光システムを実現することにある。

【０００９】本願発明の別な目的は、大容量光伝送を高
速に可能な光送信モジュールあるいは並列光送信モジュ
ールを実現することにある。

【００１０】本願発明の別な目的は、信頼性の高い、別
けても高温時の特性に優れた半導体レーザ装置を提供す
るものである。この半導体レーザ装置は前記に光システ
ムあるいは光送信モジュール、並列光送信モジュールに
適用するに極めて好ましいものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本明細書に開示される本
願発明の主な形態を列挙すれば次の通りである。

【００１２】（１）本願発明の第１の形態は、光伝送路
と、これに光学的に結合された半導体発光装置とを少な
くとも有する光システムであって、前記半導体発光装置
は発光波長が１．２μｍより１．６μｍの範囲であり且
つ摂氏８５度におけるしきい電流６ｍＡ以上且つスロー
プ効率０．２８ｍＷ／ｍＡ以上なることを特徴とする光
システムである。

【００１３】光伝送に好ましく、且つスロープ効率が高
温時にも高特性を有するので幅広い環境においての高速
伝送に有用である。

【００１４】（２）本願発明の第２の形態は、複数の光
伝送路を有する光伝送路群と、前記光伝送路群中の光伝
送路に光学的に結合された半導体発光装置とを少なくと
も有する光システムであって、前記半導体発光装置は複
数の発光部分を前記光伝送路群中の光伝送路に対して有
しており、且つ前記半導体発光装置の発光波長が１．２
μｍより１．６μｍの範囲であり且つ摂氏８５度におけ
るしきい電流６ｍＡ以上且つスロープ効率０．２８ｍＷ
／ｍＡ以上なる発光部分を有することを特徴とする光シ
ステムである。

【００１５】光伝送に好ましく、且つスロープ効率が高
温時にも高特性を有するので幅広い環境においての高速
伝送に有用である。半導体発光装置は複数の発光部を有
し並列光送信モジュールにより処理能力を大幅に向上さ
せた非同期型交換機、並列コンピュータなどに好適であ
る。

【００１６】（３）本願発明の第３の形態は、複数の光
伝送路を有する光伝送路群と、前記光伝送路群中の光伝
送路に光学的に結合された半導体発光装置とを少なくと
も有する光システムであって、前記半導体発光装置は複
数の発光部分を前記光伝送路群中の光伝送路に対して有
し且つ前記複数の発光部分は集積化して構成され、且つ
前記半導体発光装置の発光波長が１．２μｍより１．６
μｍの範囲であり且つ摂氏８５度におけるしきい電流６
ｍＡ以上且つスロープ効率０．２８ｍＷ／ｍＡ以上なる
発光部分を有することを特徴とする光システムである。

【００１７】光伝送に好ましく、且つスロープ効率が高
温時にも高特性を有するので幅広い環境においての高速
伝送に有用である。半導体発光装置は集積化された複数
の発光部を有し並列光送信モジュールにより処理能力を
大幅に向上させた非同期型交換機、並列コンピュータな
どにわけても好適である。（４）本願発明の第４の形態
は、第１のクラッド層と、多重量子井戸構造を有する活
性層領域と、第２のクラッド層とを少なくとも有するメ
サストライプ構造と、前記メサストライプ構造の両側面
に埋込層とを有し、前記埋込層中の前記メサストライプ
構造の両側面に接して積層された第１の埋込層の第１導
電型の不純物の濃度が前記メサストライプから離れるに
従い階段状または単調に増加する領域を有することを特
徴とする半導体レーザ装置である。

【００１８】埋込層の第１の導伝型の不純物濃度が前記
メサストライプから離れるに従い階段状または単調に増
加する領域を有するでの、埋め込み層としての不純物濃
度を確保しつつ、且つ活性層領域を含む前記メサストラ
イプ構造に接するあるいはその近傍の領域は低不純物濃
度に保たれる。従って、埋め込み層としてのリーク電流
を阻止し且つ埋め込み層からの活性層領域への不要な不
純物の拡散を押さえることが出来る。従って、低域値電
流値、スロープ効率を良好に確保することが出来る。

【００１９】また、前記埋込層は第１導電型の第１埋込
層と第２導電型の第２埋込層と第１導電型の第３埋込層
が順次に積層された電流ブロック層となすのが好まし
い。

【００２０】（５）前記メサストライプ構造を複数且つ
光射出部分が並列に配置されて有することを特徴とする
前記（３）および（４）に記載の半導体レーザ装置であ
る。レーザアレーの構成は並列伝送用光送信モジュー
ル、非同期型交換機システム、並列コンピュータシステ
ムなど光を並列に処理する光システムに極めて有用であ
る。

【００２１】

【発明の実施の形態】具体的実施の態様を述べるに先だ
って、半導体レーザ装置の具体的構成例を更に詳しく述
べれば次の通りである。

【００２２】半導体基板上に、少なくとも第１のクラッ
ド層、量子井戸層と前記量子井戸層よりも禁制帯幅の大
きい障壁層を交互に重ね合わせた多重量子井戸活性層、
及び第２のクラッド層、が順次積層されたメサストライ
プ構造を有し、前記メサストライプ構造の両側面に第１
導電型の第１埋込層と第２導電型の第２埋込層と第１導
電型の第３埋込層が順次に積層された電流ブロック層を
有し、前記メサストライプ構造及び前記電流ブロック層
の上部に接して第３のクラッド層が積層され、レーザ光
を得るための共振器構造を有する半導体レーザ装置であ
って、前記メサストライプ構造の両側面に接して積層さ
れた第１埋込層を第１導電型にするべく導入された不純
物の濃度が前記メサストライプから離れるに従い階段状
または単調に増加する構造を持ち、第２埋込層が前記メ
サストライプ構造の両側面及び第３クラッド層に接しな
いで形成される構造である。

【００２３】さらに第１埋込層の不純物の第２のクラッ
ド層又は前記多重量子井戸活性層への拡散が０．１μｍ
以下である構造が好ましい。さらに、第１埋込層の不純
物の第２のクラッド層又は前記多重量子井戸活性層への
拡散が０．１μｍ以下であり、第２埋込層の不純物の濃
度が下層部から上層部に成るに従い階段状または単調に
増加する構造が良い。

【００２４】特にメサストライプ構造の両側面が変曲点
の無い滑らかな曲面で形成された構造、量子井戸層が歪
量子井戸、または障壁層でありその歪量が＋０．５％〜
＋１．８％、あるいは−２．０％〜−０．７％である構
造、あるいは変調ドープ構造の多重量子井戸活性層領域
が好ましい。

【００２５】尚、光共振器長、共振器幅はこれまでの通
例の半導体レーザ装置の共振器長を用いて十分である。
種種の目的に応じて光共振器長、共振器幅を設定する。

【００２６】光の帰還（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｅｅｄｂａ
ｃｋ）の手段は、これまでの半導体レーザ装置に用いて
いるものを用いることが出来る。即ち、ファブリ・ペロ
ー構造（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｒｅｓｏｎａｔｏ
ｒ）、分布帰還型構造（ＤＦＢ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅ
ｄ Ｆｅｅｄｂａｃｋ）、ブラッグ反射器構造（ＤＢ
Ｒ：Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｇｒａｇｇ Ｒｅｆｌｅｃ
ｔｏｒ）などを用いることが出来る。また、その他の半
導体レーザ装置に用いられている各種手段、例えば、検
証端面の保護の為の保護膜、また、良好な結晶成長の為
のバッファ層など、通例の手段を用いることが出来るこ
とは言うまでもない。

【００２７】実施の形態１ 図１は本発明に係わる半導体レーザ装置の光の進行方向
に交差する面での断面図である。

【００２８】ｐ型基板上に１．３μｍ帯の歪多重量子井
戸型半導体レーザ装置の例である。周知の有機金属気相
成長法により、ｐ−ＩｎＰ基板９上にｐ-ＩnＰクラッド
層２(キャリア濃度〜１×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ〜２μｍ)
を成長した後、歪多重量子井戸活性層１（歪量〜１．０
％、厚さ〜５ｎｍ）と(波長１.３μｍ、井戸数２〜１
０)、ｎ-ＩnＰクラッド層３(キャリア濃度〜１×１０¹⁸
ｃｍ^-3、厚さ〜１μｍ)を成長する。

【００２９】その後ＣＶＤ法によりＳiＯ₂膜を被着し、
通例のホトリソグラフィ技術によって、ＳiＯ₂膜をマス
クとしする。そして、このマスクを用いてウェットエッ
チングにより変曲点の無い滑らかな側面を有するメサス
トライプを形成する。また活性層幅は１．０μｍ〜１．
８μｍ、メサ深さは２.５μｍ〜３．７μｍである。

【００３０】次に、マスクのＳiＯ₂膜を被着したまま、
有機金属気相成長法により、メサストライプの側面をま
ずＺｎの濃度が低いｐ-ＩnＰ埋込層５ａ(キャリア濃度
〜２×１０¹⁷ｃｍ^-3〜４×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０.２５
μｍ〜０．５μｍ)、で埋め込み、ｎ−ＩｎＰクラッド
層３及び歪多重量子井戸活性層１へのＺｎ拡散を防ぐ。
次いで、 Znの濃度が高いｐ-ＩnＰ埋込層５ｂ(キャリア
濃度〜４×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１．５×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ
０.２５μｍ〜０．５μｍ)を積層する。このように本願
発明では、不純物濃度の異なる埋め込み層を設けること
が肝要である。

【００３１】引き続きｎ-ＩnＰ埋込層６(キャリア濃度
〜２×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０.５μｍ〜１μｍ)、ｐ-Ｉn
Ｐ埋込層７(キャリア濃度〜２×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ１
μｍ〜３μｍ)、で前記の埋め込み層５ｂの側面を埋め
込んだ。ｐ-ＩｎＰ埋込層５ａ,５ｂにより、多重量子井
戸層１及びｎ-ＩｎＰクラッド層３へのＺｎの拡散は
０．０３μｍと抑制することができた。

【００３２】次に、ＳiＯ₂膜を除去した後、有機金属気
相成長法によりｎ-ＩnＰクラッド層４(キャリア濃度〜
２×１０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ〜２μｍ)、ｎ-ＩnＧaＡs
（Ｐ）キャップ層８(キャリア濃度＞５×１０¹⁸ｃ
ｍ^-3、厚さ〜０．３μｍ)で平坦に埋め込んだ。以上の
有機金属気相成長法において、ｎ型不純物はＳｉ、ｐ型
不純物はＺｎを用いた。その後ＳiＯ₂膜１２で電流狭窄
を行った後ｎ電極１１を形成、更に基板側を研磨してト
ータル膜厚１００μｍ程度にした後ｐ電極１０を蒸着に
より形成し素子化を行った。

【００３３】共振器長１５０μｍ〜３００μｍに劈開
し、前端面に反射率７０％、後端面に反射率９５％の高
反射率膜を施した。

【００３４】本例によるｎ型変調ドープＭＱＷ半導体レ
ーザでは、発振波長は１．３μｍ、室温でのしきい電流
値は１．３ｍＡ〜１．８ｍＡ、スロープ効率は０．４ｍ
Ｗ／ｍＡ〜０．６ｍＷ／ｍＡであった。この値は従来の
半導体レーザ装置のそれと同等であった。また、８５度
でのしきい電流値は３．５ｍＡ〜４．０ｍＡ、スロープ
効率は０．３ｍＷ／ｍＡ〜０．４ｍＷ／ｍＡであった。
この値は従来のものと比較して１０％増大している。

【００３５】こうした半導体レーザ装置は、高歩留りで
得られ、且つ低しきい値である。この半導体レーザの推
定寿命時間は１.８×１０⁶時間と高い信頼性を得ること
ができた。

【００３６】ここで本発明の作用について説明する。図
６はｎ-ＩｎＰクラッド層６へ拡散したＺｎの拡散長と
推定寿命時間の関係である。推定寿命時間は信頼性試験
から得られた。図６から０．１μｍより拡散長が大きく
なると寿命時間が劣化することが判明した。

【００３７】また図７は高濃度層であるｐ-ＩｎＰ埋込
層５のキャリア濃度としきい電流の特性温度の関係であ
る。特性温度Ｔ_o（ｋ）は一般にＩ_th=Ｉ_th0 ｅｘｐ（Ｔ
_j／Ｔ_o）で表される。ここでＩ_thは温度がＴ_j（ｋ）の
ときのしきい電流でＩ_th0はレーザ構造に起因する定数
である。Ｔ_oが大きいほど高温におけるしきい電流Ｉ_th
が小さい。図７よりキャリア濃度が大きい程、特性温度
が向上することが理解される。

【００３８】特性温度の向上はｐ-ＩｎＰ埋込層５とｎ-
ＩｎＰクラッド層６のポテンシャル差に起因している。
従ってｐ-ＩｎＰ埋込層５のZnの濃度をストライプメサ
近傍で低濃度として、ｎ-ＩｎＰクラッド層６に近づく
に従い高濃度にする構造で信頼性が良好で特性温度の高
い半導体レーザを実現することができた。尚、実施の形
態１のレーザの特性温度は６０Ｋ〜７５Ｋと良好であっ
た。

【００３９】実施の形態２ 図３はｐ型基板上１．３μｍ帯半導体レーザに適用した
例である。半導体レーザ構成は実施の形態１とほぼ同様
である。異なる点はｐ-ＩnＰ埋込層５の不純物濃度のプ
ロファイルが成長と共に増加している点である。図４に
その不純物濃度プロファイルを示す。ストライプメサに
接する成長の始めでのＺｎの不純物濃度は２×１０¹⁷ｃ
ｍ^-3である。そして、結晶成長と共に不純物濃度が直線
的に増加し、ｎ−ＩｎＰ埋込層６との境界では８×１０
¹⁷ｃｍ^-3である。この不純物プロファイルにより多重量
子井戸層１及びｎ-ＩｎＰクラッド層３へのＺｎの拡散
は０．０２μｍと抑制することができた。

【００４０】本例によるｎ型ドープＭＱＷ半導体レーザ
では、発振波長１．３μｍ、室温でのしきい電流値１．
２ｍＡ〜１．５ｍＡ、スロープ効率０．４ｍＷ／ｍＡ〜
０．５ｍＷ／ｍＡであった。この値は従来の半導体レー
ザ装置と同等である。また、８５度でのしきい電流値
２．８ｍＡ〜３．７ｍＡ、スロープ効率０．３ｍＷ／ｍ
Ａ〜０．３５ｍＷ／ｍＡの素子が高歩留りで得られ、低
しきい値の半導体レーザを実現できた。この値はしきい
電流値は従来のものに比較して訳２２％の減少であっ
た。スロープ効率は従来のものに比較して約１３％の増
大であった。

【００４１】尚、この半導体レーザの推定寿命時間は
１.８×１０⁶時間と高い信頼性を得ることができ、特性
温度は６５Ｋ〜７１Ｋと良好であった。

【００４２】実施の形態３ 図５は本発明をｐ型基板上１．５５μｍ帯半導体レーザ
に適用した例である。半導体レーザ構成は実施の形態１
とほぼ同様である。

【００４３】本実施の形態では歪多重量子井戸活性層１
（歪量〜１．２％、厚さ〜５ｎｍ）が波長１.５５μｍ
で発振するよう組成制御されている（井戸数２〜１
０)。さらに、ｎ-ＩnＰ埋込層６が２層化され、不純物
濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3の層６ａ及び２×１０¹⁸ｃｍ^-3
の層６ｂで構成されている。ｎ-ＩnＰ埋込層を２層化す
ることにより、この埋め込み成長初期で起こりやすいス
トライプメサ両側、または上部ｎ-ＩｎＰクラッド層へ
の接続を防止している。ｐ-ＩｎＰ埋込層５は実施の形
態１と同様にＺｎの濃度が低いｐ-ＩnＰ埋込層５a(キャ
リア濃度〜２ｃｍ^-3〜４×１０¹⁷ｃｍ^-3、厚さ０.２５
μｍ〜０．５μｍ)及びＺｎの濃度が高いｐ-ＩnＰ埋込
層５ｂ(キャリア濃度〜４×１０¹⁷ｃｍ^-3〜１．５×１
０¹⁸ｃｍ^-3、厚さ０.２５μｍ〜０．５μｍ)から成って
いる。ｐ-ＩｎＰ埋込層５ａ，５ｂにより、多重量子井
戸層１及びｎ-ＩｎＰクラッド層３へのＺｎの拡散は
０．０７μｍと抑制することができた。

【００４４】本例による歪ＭＱＷ半導体レーザ装置で
は、発振波長は１．５５μｍ、室温でのしきい電流値は
１．５ｍＡ〜１．９ｍＡ、スロープ効率は０．３ｍＷ／
ｍＡ〜０．４ｍＷ／ｍＡである。従来の１．５５μｍ帯
の埋め込み型レーザ装置と同等であった。一方、８５度
の場合、しきい電流値は４．１ｍＡ〜４．８ｍＡ、スロ
ープ効率は０．２８ｍＷ／ｍＡ〜０．３２ｍＷ／ｍＡで
あった。しきい電流値は従来のものに比較して２２％の
減少であった。スロープ効率は約１３％の増大であっ
た。こうして、高歩留りで且つ低しきい値の半導体レー
ザを実現できた。

【００４５】尚、この半導体レーザの推定寿命時間は
１.１×１０⁶時間と高い信頼性を得ることができ、特性
温度は６０Ｋ〜６５Ｋと良好であった。

【００４６】実施の形態４ 図８は実施の形態の並列伝送用光送信モジュールの例で
ある。図７において７０１は本発明の実施の形態２の構
造を持つ半導体レーザ装置を８チャンネルにアレイ化し
たものである。７０２は並列光ファイバ、７０３は集光
用レンズ、７０４は７０１のレーザアレイ用の放熱サブ
マウント、７０５は入力デジタル電気信号に基づいてレ
ーザアレイを駆動するためのドライブＩＣである。７０
６は入力デジタル電気信号及び制御信号を受け付ける電
気端子と電源端子である。７０７は並列伝送用光送信モ
ジュール用のパッケージである。

【００４７】ドライブＩＣは温度を検知して駆動電流を
変化させ、半導体レーザ装置の光出力を一定に保つよう
にすることができる。７０１の半導体レーザアレイの低
しきい電流高特性温度を反映し、本実施の形態では、モ
ジュールの最大消費電力を従来の約１０％の減少で、
１．３３Ｗであった。

【００４８】また、摂氏８５度においても発振遅延時間
が１２０ｐｓの低スキュー時間を実現した。また駆動速
度は８００Ｍｂ／ｓであった。

【００４９】実施の形態５ 図９は並列コンピュータシステムの例を示す概略図であ
る。図９において８０１〜８０４はコンピュータシステ
ムボードであり、それぞれ１つのボード中にＣＰＵやメ
モリ等のLSIが搭載されている。８０５は１つのＬＳＩ
を示してある。８０８は並列光ファイバケーブルであ
る。

【００５０】８０６は実施の形態４の並列伝送用光送信
モジュールが４つパッケージングされた８００Ｍｂ／ｓ
の３２ビット並列光伝送モジュールであり、さらに信号
の２重に多重化を行うことにより電気信号は４００Ｍｂ
／ｓ・６４ビットとして受け付ける。８０７はやはり信
号が２重多重化された８００Ｍｂ／ｓの３２ビット並列
光受信モジュール（出力電気信号は４００Ｍｂ／ｓ・６
４ビット）であり、８０６からの光信号を高速に電気信
号に変換する。

【００５１】この並列コンピュータシステムでは１つの
コンピュータボードから他の３つのコンピュータボード
へ光送信モジュール及び光受信モジュールが１つずつそ
れぞれ接続されているので、どのコンピュータボードへ
のデータ転送も高速に行うことができる。特に本並列コ
ンピュータシステムではボードのクロック周波数は伝送
速度と同じ４００ＭＨｚなので４つのボードはあたかも
同一のボードとして動作させることができ、従来の電気
信号伝送の並列コンピュータに比べ約３倍の処理能力が
ある並列コンピュータシステムを実現した。

【００５２】このように光ファイバ部と発光装置が光学
的の結合された部分に本願発明の光モジュールが搭載さ
れている。

【００５３】本実施の形態では劈開面を共振器としたい
わゆるＦａｂｒｙーＰｅｒｏｔ型半導体レーザへの適用
について説明したが、本発明は、他のタイプの半導体レ
ーザ、例えば、分布帰還型半導体レーザ、あるいは電界
吸収型変調器を集積した分布帰還型半導体レーザについ
ても、適用可能であることはいうまでもない。

【００５４】実施の形態６ 本発明により構成される１．２μｍ以上且つ１．６μｍ
の波長範囲の光信号を、摂氏８５度においても、しきい
電流が６ｍＡ以下且つスロープ特性が０．２５ｍＷ／ｍ
Ａ以上の動作条件で光源から放出する光送信システムの
一例を図１０及び図１１を参照して説明する。ここで摂
氏８５度の動作条件とは、本発明の光送信システムが保
証する環境温度であり、この温度以下で上記光源の動作
条件が満たされることは勿論のこと、システム仕様のマ
イナーな変更により当該条件は摂氏８５度以上でも満た
される場合もある。また、以下に述べる光送信システム
及びモジュールには、実施の形態１乃至３で述べたいず
れの半導体レーザ装置をも利用でき、実施の形態４又は
５に開示の半導体レーザ装置においては光ファイバアレ
ーと光学的に結合させる形態で利用できる。

【００５５】図１０は、本発明に基づき構築される加入
者系光通信システムの概要を示す。この光通信システム
は、Ｆｉｂｅｒ−ｔｏ−Ｈｏｍｅとよばれる加入者（回
線利用者）１５１Ａ，１５１Ｂ側と基地局（電話局）１
５３とを光ファイバで結ぶもので、各加入者の回線利用
場所（住宅やオフィスビル）に光信号送信機（トランス
ミッタとも呼ばれる）１０１Ａ，１０１Ｂを設け、電話
機やコンピュータ端末から送信される電気信号Ｓｉｇ
Ａ，Ｓｉｇ Ｂを当該光信号送信機１０１Ａ，１０１Ｂ
にて光信号λ_{Sig A},λ_{Sig B}に変換し、これを光ファイ
バ（光伝送路）１５６を通して基地局１５３に送るもの
である。加入者毎に光信号の利用波長を割り当てる場合
や光信号の伝送時刻を割り当てる場合は、光ファイバ１
５６からなる信号伝送線路上に合波器１５２を設け、複
数の加入者から伝送される信号を１本の光ファイバに纏
め、基地局に伝送するように構成される。基地局に到達
した光信号は、光信号受信端末１５４（受光素子のシン
ボルで示すが、実際は電気に変換された信号を正確に復
号するための利得調整回路等を含む）で電気信号に変換
され、更に交換機１５５を通して当該基地局１５３の回
線に加入する他の加入者１６１Ａ，１６２Ｂや他の基地
局１６３へと送信される（送信形態は、電気信号でも光
信号でもよい）。なお、図１０の光通信システムにおけ
る基地局１５３から加入者１５１Ａ，１５１Ｂへの光信
号の送信形態については開示を省略してある。

【００５６】図１１は、図１０の光通信システムに利用
される光信号送信機１０１の詳細を示すもので、実施の
形態１乃至３で述べた半導体レーザは光源１２０として
表示される。光信号送信機１０１は加入者の回線利用場
所に備えられた電力供給源１０３からの電力を上記光源
１２０及びその周辺機器の動作に適合させるためのレギ
ュレータ回路１０２（変圧器や平滑回路を含む）と、光
源1１２０及びその動作をモニタする受光素子１３０を
動作させるための電源回路１０５、光源の駆動電流を伝
送すべき信号（情報）に応じて間欠的に供給する制御回
路１０６を備えている。図１０には、上記回路群１０
２，１０５，１０６は個別の回路モジュールとしてブロ
ック図として示し、各回路モジュール間及び回路モジュ
ールと後述の光送信モジュールとの間を配線１０４で電
気的に接続するように示してあるが、電源回路１０５及
び制御回路１０６は一半導体集積回路装置としてモノリ
シックに構成される場合もある。

【００５７】一方、上記光源１２０は光ファイバ１１５
及び上記受光素子とともに光送信モジュール１１０のパ
ッケージに収納され、これら相互の位置を半永久的に固
定することで光源１２０から光ファイバ１１５への光信
号の射出や、受光素子１３０による光源１２０の動作モ
ニタリングが安定に行われるように構成される。光送信
モジュール１１０の構成について詳述すれば、光源（半
導体レーザ装置）１２０、受光素子１０３、及び光ファ
イバ１１５の一方の端部は導電性を有する基板（Ｓｉ単
結晶等の半導体基板も含む）１１２上に固定される。当
該導電性基板１１２の光ファイバ１１５固定面にはＶ字
型の溝（溝底部を点線１１６で図示）が形成され、光源
１２０と光ファイバ１１５端の位置合わせ及び光ファイ
バ１１５の安定した固定を図っている。導電性基板１１
２は電流リード１１３が付設された絶縁体マウント１１
１上に固定され、電流リード１１３の端部及び光ファイ
バ１１５の他端（上記導電性基板１１２に固定される端
部の反対側）が露出するように、樹脂製の筺体（参照番
号１１０で示す黒塗りの部分）で上記絶縁体マウント１
１１を梱包する。筺体は有機化合物等からなる樹脂に限
らずセラミックスで構成してもよいが、いずれにしても
光ファイバ１１５端部、光源１２０、受光素子１３０を
外部環境から仕切るため、これらを搭載する光送信モジ
ュール１１０周辺の温度や湿度等による上記光学素子群
１１５、１２０、１３０の動作条件及びこれら相互の光
学的結合条件の変動を抑制することができる。筺体によ
る梱包は、上記光学素子群１１５、１２０、１３０を光
送信モジュール１１０雰囲気から完全に隔離しても、光
源１２０や受光素子１３０からの放熱を逃がすような開
口を形成してもよく、その形態は光送信モジュール１１
０及びこれが搭載される光信号送信機１０１に求められ
る仕様及び用途次第で適宜選択される。

【００５８】上記光送信モジュール１１０は光信号送信
機１０１の筺体１０９に絶縁部材１１８を介して固定さ
れ、上記光ファイバ１１５の他端が筺体１０９の外へ延
伸するように配置される。筺体１０９は、光信号送信機
周辺からの電磁波等を遮断して上記回路群１０２、１０
５、１０６の誤動作を回避するために金属等の導電部材
を含めて構成され、この導電部材を共通（Ｃｏｍｍｏ
ｎ）電位（例えば、接地電位）に設定して当該回路群及
び光送信モジュールの配線を接続する（図には、光モジ
ュール１１０の共通電位を電流リード１１３ｃから筺体
１０９の導電部材に接続する部分のみを開示する）。光
源１２０の駆動電流は、制御回路１０６から電流リード
１１３ａ及びボンディングワイヤ１１４を介して当該光
源１２０（半導体レーザ装置）の上面に形成された電極
に供給され、当該光源１２０の下面に形成された電極は
上記共通電位に設定された導電性基板１１２上面に接合
される。受光素子１３０の下面に形成された電極も同様
に当該導電性基板１１２上面に接合され、その上面に形
成された電極はボンディングワイヤ１１４、電流リード
１１３ｂを介して電源回路１０５に接続される。導電性
基板１１２を基準とした電圧の印加方向は光源１２０と
受光素子１３０とで逆であり、電源回路１０５は入射光
により受光素子１３０で発生したキャリア（電子又は正
孔）を授受することにより、光源１２０から放出される
光信号の出力をモニタする。出力モニタリングは、光源
１２０からの光信号出力の絶対値を測定する必要はな
く、例えば当該光源を光ファイバ側端面と受光素子側端
面の反射率を異ならせたファブリ・ペロ型共振器構造を
有する半導体レーザ装置で構成した場合は当該光信号に
対して減衰又は増倍して放出される光の強度の測定値か
ら、これに対応する光信号出力を求めてもよい。

【００５９】さて、上記光信号送信機101が利用される
光通信システムにおいては、伝送される光信号を所望の
出力範囲に設定することが要請される。従って、上記光
源１２０の駆動電流も、この出力範囲に適応するように
調整することが要請される。図１１に示す光信号送信機
１０１では、光源１２０からの光信号出力を受光素子１
３０でモニタリングし、電源回路１０５で当該光源に供
給される駆動電流の値を逐次制御している。この駆動電
流の制御条件は、光源１２０へ供給する駆動電流と当該
光源の光信号出力との相関、即ち従来技術の欄で紹介し
たＣＬＥＯ／ＰＡＣ ＩＦＩＣ ＲＩＭ（１９９７，Ｔ
ｏｋｙｏ）の予稿（Ａｂｓｔｒｕｃｔ）、第２５３頁、
記事番号ＦＣ４のＦｉｇ．２に準ずるグラフ（電流注入
−光出力特性）で表せられる。本発明による光通信シス
テムによれば、摂氏８５度においても所望の光信号出力
を得るために光源１２０に供給する電流をしきい電流６
ｍＡ以下且つスロープ効率０．２８ｍＷ／ｍＡ以上の条
件で規定される電流注入−光出力特性のグラフに従い設
定する。即ち、本発明によれば上記文献に開示される先
行技術に対し、ベル・コア仕様で規定される高温下での
光信号送信に要する光源１２０の駆動電流を格段に低く
抑えられる。

【００６０】図１１に開示する光送信モジュール１１０
は、光源１２０及び受光素子１３０を梱包することでこ
れらの動作への光信号送信機の動作環境（利用場所の環
境）の影響を低減することができる。しかし、このよう
なモジュール構成においても不可抗力で上記光源及び受
光素子の動作環境温度が摂氏９度に上昇することがあ
る。摂氏８５度からの５度の温度上昇は、特に光源１２
０の駆動電流を大きく押し上げる要因となる。これに対
し、摂氏８５度でもしきい電流を６ｍＡ以下に抑え且つ
スロープ効率を０．２８ｍＷ／ｍＡ以上に保って光源１
２０からの光信号送信動作を行う本発明では、上述の温
度上昇に対する動作マージンを大きく取ることで駆動電
流の増大を抑制できるため、特に加入者系光通信システ
ム加入者側での現実的な利用環境における信号送信条件
を格段に安定化できる。

【００６１】なお、電源回路１０５から光源１２０に供
給される駆動電流は、制御回路１０６にケーブル１０８
（ソケット１０７を介して電話機、ファクス、またはコ
ンピュータ端末に接続される）から供給される電気信号
に応じて当該制御回路１０６により間欠的に遮断され、
この後光源１２０に供給される。従って、制御回路１０
６は光源１２０を伝送すべき情報に応じて変調動作させ
るための変調回路とも呼べる。

【００６２】

【発明の効果】本願発明によれば、より高速動作の光シ
ステムを実現することが出来る。更に、より具体的に
は、大容量光伝送を高速に可能な光送信モジュールある
いは並列光送信モジュールを実現することが出来る。

【００６３】また、信頼性の高い、わけても高温時の特
性に優れた半導体レーザ装置を提供することが出来る。
より具体的に述べれば、クラッド層及び多重量子井戸構
造を有する活性層領域への不純物拡散を抑制し且つｐｎ
接合のポテンシャル差が大きい埋込層構造であるので、
リーク電流を十分阻止し得る。従って、信頼性が高く、
且つ高温におけるレーザ特性、特にしきい電流が小さい
半導体レーザ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の代表的な半導体レーザ装置の断
面図である。

【図２】図２は従来の埋込型半導体レーザ装置の断面図
である。

【図３】図３は本発明の代表的な半導体レーザ装置の断
面図である。

【図４】図４はｐ−ＩｎＰ埋込層の不純物プロファイル
の例を示す図である。

【図５】図５は実施の形態３の半導体レーザ装置の断面
図である。

【図６】図６はｐ−ＩｎＰ層におけるＺｎの拡散距離と
推定寿命時間の関係を示す図である。

【図７】図７はｐ−ＩｎＰ層におけるキャリア濃度と特
性温度の関係を示す図である。

【図８】図８は本発明の並列伝送用光送信モジュールの
構成を示す概略図である。

【図９】図９は本発明の並列コンピュータシステムの構
成を示す概略図である。

【図１０】図１０は光システムの一例を示す説明図であ
る。

【図１１】図１１は光信号送信器の詳細を説明する図で
ある。

【符号の説明】

１…多重量子井戸活性層、２…ｐ-ＩnＰクラッド層、３
…ｎ-ＩnＰクラッド層、４…ｎ-ＩnＰクラッド層、５a,
…ｐ-ＩnＰ埋込層、６b…ｎ-ＩnＰ埋込層、７…ｐ-Ｉn
Ｐ埋込層、８…ｎ-ＩnＧaＡsＰキャップ層、９…ｐ-Ｉn
Ｐ基板、１０…ｐ電極、１１…ｎ電極、１２…ＳiＯ
₂膜、７０１…８チャンネルレーザアレイ、７０２…並
列光ファイバ、７０３…集光用レンズ、７０４…放熱用
サブマウント、７０５…レーザドライブ用ＩＣ，、７０
６…入力電気信号、制御信号、及び電源端子、７０７…
モジュールのパッケージ、８０１〜８０４…コンピュー
タシステムボード、８０５…ＬＳＩ、８０６…８００Ｍ
ｂ／ｓ・３２ビット並列光送信モジュール、８０７…８
００Ｍｂ／ｓ・３２ビット並列光受信モジュール、８０
８…並列光ファイバケーブル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 魚見 和久 東京都国分寺市東恋ヶ窪一丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光伝送路と、これに光学的に結合された
   半導体発光装置とを少なくとも有する光システムであっ
   て、前記半導体発光装置は発光波長が１．２μｍより
   １．６μｍの範囲であり且つ摂氏８５度におけるしきい
   電流６ｍＡ以下且つスロープ効率０．２８ｍＷ／ｍＡ以
   上なることを特徴とする光システム。
2. 【請求項２】 複数の光伝送路を有する光伝送路群と、
   前記光伝送路群中の光伝送路に光学的に結合された半導
   体発光装置とを少なくとも有する光システムであって、
   前記半導体発光装置は複数の発光部分を前記光伝送路群
   中の光伝送路に対して有しており、且つ前記半導体発光
   装置の発光波長が１．２μｍより１．６μｍの範囲であ
   り且つ摂氏８５度におけるしきい電流６ｍＡ以下且つス
   ロープ効率０．２８ｍＷ／ｍＡ以上なる発光部分を有す
   ることを特徴とする光システム。
3. 【請求項３】 複数の光伝送路を有する光伝送路群と、
   前記光伝送路群中の光伝送路に光学的に結合された半導
   体発光装置とを少なくとも有する光システムであって、
   前記半導体発光装置は複数の発光部分を前記光伝送路群
   中の光伝送路に対して有し且つ前記複数の発光部分は集
   積化して構成され、且つ前記半導体発光装置の発光波長
   が１．２μｍより１．６μｍの範囲であり且つ摂氏８５
   度におけるしきい電流６ｍＡ以下且つスロープ効率０．
   ２８ｍＷ／ｍＡ以上なる発光部分を有することを特徴と
   する光システム。
4. 【請求項４】 複数の光伝送路を有する光伝送路群と、
   前記光伝送路群中の光伝送路に光学的に結合された半導
   体発光装置とを少なくとも有する並列伝送用光モジュー
   ルであって、前記半導体発光装置は複数の発光部分を前
   記光伝送路群中の光伝送路に対して有しており、且つ前
   記半導体発光装置の発光波長が１．２μｍより１．６μ
   ｍの範囲であり且つ摂氏８５度におけるしきい電流６ｍ
   Ａ以下且つスロープ効率０．２８ｍＷ／ｍＡ以上なる発
   光部分を有することを特徴とする並列伝送用光モジュー
   ル。
5. 【請求項５】 複数の光伝送路を有する光伝送路群と、
   前記光伝送路群中の光伝送路に光学的に結合された半導
   体発光装置とを少なくとも有する並列伝送用光モジュー
   ルであって、前記半導体発光装置は複数の発光部分を前
   記光伝送路群中の光伝送路に対して有し且つ前記複数の
   発光部分は集積化して構成され、且つ前記半導体発光装
   置の発光波長が１．２μｍより１．６μｍの範囲であり
   且つ摂氏８５度におけるしきい電流６ｍＡ以下且つスロ
   ープ効率０．２８ｍＷ／ｍＡ以上なる発光部分を有する
   ことを特徴とする並列伝送用光モジュール。
6. 【請求項６】 第１のクラッド層と、多重量子井戸構造
   を有する活性層領域と、第２のクラッド層とを少なくと
   も有するメサストライプ構造と、前記メサストライプ構
   造の両側面に埋込層とを有し、前記埋込層中の前記メサ
   ストライプ構造の両側面に接して積層された第１の埋込
   層の第１導電型の不純物の濃度が前記メサストライプか
   ら離れるに従い階段状または単調に増加する領域を有す
   ることを特徴とする半導体レーザ装置。
7. 【請求項７】 第１のクラッド層と、多重量子井戸構造
   を有する活性層領域と、第２のクラッド層とを少なくと
   も有するメサストライプ構造と、前記メサストライプ構
   造の両側面に埋込層とを少なくとも有し、前記埋込層は
   第１導電型の第１埋込層と第２導電型の第２埋込層と第
   １導電型の第３埋込層が順次に積層された電流ブロック
   層を有する半導体レーザ装置において、前記メサストラ
   イプ構造の両側面に接して積層された第１の埋込層を第
   １導電型の不純物の濃度が前記メサストライプから離れ
   るに従い階段状または単調に増加する構造を有すること
   を特徴とする半導体レーザ装置。
8. 【請求項８】 前記メサストライプ構造を複数且つ光射
   出部分が並列に配置されて有することを特徴とする請求
   項６〜７項に記載の半導体レーザ装置。
9. 【請求項９】 請求項６〜８項に記載の半導体レーザ装
   置を有することを特徴とする並列伝送用光送信モジュー
   ル。
10. 【請求項１０】 請求項６〜９項に記載の半導体レーザ
    装置を有することを特徴とする非同期型交換機システ
    ム。
11. 【請求項１１】 請求項６〜９項に記載の半導体レーザ
    装置を有することを特徴とする並列コンピュータシステ
    ム。