KR20160018396A

KR20160018396A - 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저

Info

Publication number: KR20160018396A
Application number: KR1020150110506A
Authority: KR
Inventors: 후미오 고야마; 달리르 하메다
Original assignee: 고쿠리츠다이가쿠호진 토쿄고교 다이가꾸
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2015-08-05
Publication date: 2016-02-17
Also published as: DE102015112981A1; JP5721246B1; US20160043529A1; JP2016039274A

Abstract

본 발명은 변조 속도를 개선하고, 및/또는 노이즈를 저감한 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저를 제공한다.
면발광 레이저(2)는 반도체 기판(10), 하부 DBR(12), 활성층(14)의 적층된 구조체를 가진다. VCSEL(수직 공진기 면발광 레이저)(4)과 EAM(전계 흡수형 변조기)(6)은 그들이 광학적으로 결합하도록, 기판 평면의 제 1 방향으로 인접하여 형성된다. VCSEL(4)의 도파 영역(40)의 제 2 방향의 폭 W1은 EAM(6)의 도파 영역(42)의 폭 W2보다 좁다. 출사광은 EAM(6)으로부터 기판 수직 방향으로 취출된다.

Description

광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저{MONOLITHICALLY INTEGRATED SURFACE EMITTING LASER WITH MODULATOR}

본 발명은 면발광형 반도체 레이저에 관한 것이다.

광 데이터 통신의 키 디바이스로서, 고속이고 또한 저소비 전력인 광원을 들 수 있다. 이러한 광원으로서, 수직 공진기 면발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 이하 VCSEL이라고도 칭함)가 중요한 역할을 하고 있다. 최근 VCSEL의 고속화가 진행되어, 25Gbps에 이르는 소자가 개발되어 있지만, 한층더의 고속화가 요구되고 있다. 그 중에서, VCSEL 상에 변조기가 집적된 소자의 개발이 진행되고 있지만, 변조 속도의 관점에서, 시장의 요구를 만족하기에는 이르지 못하여, 전세계에서 더욱더의 고속화를 목표로 한 개발이 진행되고 있다.

도 1은 비특허문헌 1에 기재된, 광 변조기가 집적된 면발광 레이저의 단면도이다. 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저(100r)는 수직 방향으로 적층된 VCSEL(200) 및 전계 흡수형 변조기(Electroabsorption modulator, 이하 EAM이라고도 칭함)(300)를 구비한다. VCSEL(200)은 수직 방향으로 적층된 GaAs(갈륨 비소) 기판(204), 하부 분포 브래그 반사경(Distributed Bragg Reflector, 이하, DBR)(206), 선택 산화층(전류 협착층)(208), 활성층(210), 상부 DBR(212), 구동용 전극(214)을 구비한다. 구동용 전극(214)으로부터 기판측으로 직류 전류를 공급함으로써, 활성층(210)이 여기되어, 광이 방출된다. 방출된 광은 하부 DBR(206)과 상부 DBR(212)의 사이에서 기판 수직 방향으로 다중 반사되고, 활성층(210)의 유도 방출에 의해 광이 증폭된다. 상부 DBR(212)의 반사율은 100% 미만으로 설계되어 있고, 증폭된 일부의 광이 EAM(300)측으로 취출된다.

EAM(300)은 VCSEL(200) 상에 형성되고, 그 기본으로 되는 레이어 구조는 VCSEL(200)의 것과 동일하다. 구체적으로는 EAM(300)은 수직 방향으로 적층된 하부 DBR(302), 광흡수층(304), 상부 DBR(306), 제어용 전극(308)을 구비한다. 제어용 전극(308)에 인가하는 전압을 변조하는 것에 의해, 광흡수층(304)의 밴드 갭이 변화하여, 투과율·흡수율을 변화시킬 수 있어, 출사광(102)의 강도가 변조된다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 평11-274640호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2007-189033호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 제2010-3930호 공보 특허문헌 4: 일본 특허 공개 제2012-49180호 공보

비특허문헌 1: Germann et al.「Electro-optical resonance modulation of vertical-cavity surface-emitting lasers」, 13 February 2012, Vol.20, No.4, 5102, OPTICS EXPRESS

여기서, 도 1의 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저(100r)에서는, VCSEL(200)과 EAM(300)을 세로 방향에 적층하기 때문에, EAM(300)의 두께(높이)에 제약이 생겨, 얇게 할 수 없다. 이것에 의해, VCSEL(200)에는, EAM(300)으로부터의 요구하지 않는 귀환광이 입사된다. 여기서 EAM(300)의 흡수율을 변조하면, VCSEL(200)로의 귀환광의 강도가 변화한다. 이것에 의해 본래 일정해야 할 VCSEL(200) 내의 광 강도가 시간적으로 동요되게 되어, 이것이 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저(100r)의 변조 속도를 저하시키는, 및/또는 노이즈의 한 요인으로 되어 있다.

본 발명자 등은 이 문제를 해결하기 위해서, 기판 가로 방향으로 VCSEL과 EAM(300)을 배치한 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저에 대해 제안하고 있다(특허문헌 4 참조).

본 발명은 이러한 상황에서 이루어진 것으로, 그 임의의 형태의 예시적인 목적의 하나는 VCSEL과 EAM의 결합 방법을 개선하는 것에 의해, 고속화되고, 및/또는 노이즈를 저감한 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저의 제공에 있다.

본 발명의 임의의 형태는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저에 관한 것이다. 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저는, 반도체 기판과, 반도체 기판 위에 형성된 하부 분포 브래그 반사경과, 하부 분포 브래그 반사경 위에 형성된 활성층과, 활성층 위에 형성된 상부 분포 브래그 반사경을 구비한다. 수직 공진기 면발광 레이저와 전계 흡수형 변조기는 광학적으로 결합되도록, 기판 평면의 제 1 방향으로 인접하여 형성되고, 출사광은 변조기에서 기판 수직 방향으로 취출된다. 수직 공진기 면발광 레이저의 기판 평면의 제 1 방향과 수직인 제 2 방향의 폭은 전계 흡수형 변조기의 폭보다 좁다.

수직 공진기 면발광 레이저에 의해 생성된 레이저광은, 상부 DBR과 하부 DBR의 사이를 다중 반사하면서, 제 1 방향으로 천천히 전파된다(slow light). 광은 폭이 좁은 영역으로부터 넓은 영역으로 입사할 때에 결합되기 쉽고, 반대로 폭이 넓은 영역으로부터 좁은 영역으로 입사할 때에 결합되기 어려운 성질을 가지기 때문에, 수직 공진기 면발광 레이저의 도파 영역의 제 2 방향의 폭을, 전계 흡수형 변조기의 도파 영역의 제 2 방향의 폭보다 좁게 함으로써, 수직 공진기 면발광 레이저로부터 전계 흡수형 변조기는 광을 결합하기 쉽게 하면서, 전계 흡수형 변조기로부터 수직 공진기 면발광 레이저로의 귀환광을 억제할 수 있다. 이것에 의해, 수직 공진기 면발광 레이저 내의 광 강도의 동요를 억제하고, 나아가서는 변조 속도를 개선하고, 및/또는 노이즈를 저감할 수 있다.

수직 공진기 면발광 레이저와 전계 흡수형 변조기의 접속 부분에 있어서의 폭의 차이에 의해, 수직 공진기 면발광 레이저로부터 기판 평면의 제 1 방향으로 진행하는 광의 일부가 반사되어도 좋다. 이것에 의해 면발광 레이저에 광이 가두어져, 면발광 레이저의 횡모드가 형성되어도 좋다.

전계 흡수형 변조기의 종단 부근에서, 상부 분포 브래그 반사경의 반사율을 낮게 하고, 그곳으로부터 광 출력을 취출해도 좋다.

전계 흡수형 변조기의 도파 영역은 다(多)모드 간섭 도파로이어도 좋다. 전계 흡수형 변조기의 제 1 방향의 길이는, 전계 흡수형 변조기의 내부 혹은 외부로부터의 반사에 대해, 수직 공진기 면발광 레이저로의 귀환광이 작아지도록 정해져도 좋다.

전계 흡수형 변조기로부터 수직 공진기 면발광 레이저로의 귀환광의 강도는 전계 흡수형 변조기의 길이에 대해 주기적으로 증감한다. 그래서 전계 흡수형 변조기의 길이를 최적화함으로써, 귀환광을 더 억제할 수 있다.

면발광 레이저는, 활성층과 근접하고, 전류 및 도파광을 가로 방향으로 가두도록 형성된 전류 협착층 또는 굴절률차에 의한 광 가이드층을 더 구비하여도 좋다. 전류 협착층 또는 광 가이드층에 의해서, 수직 공진기 면발광 레이저의 도파 영역의 폭과, 전계 흡수형 변조기의 도파 영역의 폭이 정해져도 좋다.

전류 협착층 혹은 굴절률차에 의한 광 가이드층은 선택 산화층이어도 좋다.

전류 협착층은 이온 주입에 의해서 형성된 절연층이어도 좋다. 굴절률차에 의한 광 가이드층은 상부 브래그 반사경의 일부의 두께를 바꾼 것이어도 좋다.

전류 협착층의 수직 공진기 면발광 레이저와 전계 흡수형 변조기의 결합 영역에는, 이온 주입에 의한 고(高)저항 영역이 형성되어도 좋다.

이것에 의해, 전류가 가로 방향으로 흐르는 것을 억제하면서, 수직 공진기 면발광 레이저의 도파 영역으로부터 전계 흡수형 변조기의 도파 영역으로 광을 전파시킬 수 있다.

면발광 레이저는, 수직 공진기 면발광 레이저가 형성되는 영역 내에, 상부 분포 브래그 반사경 위에 형성된 금속 미러를 더 구비하여도 좋다. 혹은 면발광 레이저는 상부 분포 브래그 반사경 위에 형성된 유전체 다층막 미러를 더 구비하여도 좋다.

이것에 의해, 수직 공진기 면발광 레이저와 전계 흡수형 변조기 각각의 영역에서, 상부 DBR의 층수를 공통으로 하면서, 수직 공진기 면발광 레이저에서는 반사율을 100%에 가깝게 할 수 있어, 전계 흡수형 변조기에서는 반사율을 100% 미만으로 할 수 있다.

혹은, 면발광 레이저 및 전계 흡수형광 변조기의 일부에, 금속 미러 혹은 유전체 다층막 미러를 구비하고, 전계 흡수형광 변조기의 종단 근방으로부터 출력을 취출하여도 좋다.

혹은, 실질적으로 100%의 반사율을 가지는 상부 분포 브래그 반사경을 형성해 두고, 전계 흡수형 변조기가 형성되는 영역에서, 에칭 등에 의해 상부 분포 브래그 반사경의 층수를 삭감함으로써, 전계 흡수형 변조기에서는 반사율을 100% 미만으로 하여도 좋다.

전계 흡수형 변조기의 기판 평면의 제 1 방향의 종단의 산화 영역에서 광을 전반사시켜도 좋다.

이 경우, 반사된 광도 변조되게 되어, 전계 흡수형 변조기의 소형화가 가능해진다. 전계 흡수형 변조기의 변조 속도는 소자의 부유 용량에 의해 제한되게 되지만, 소형화에 의해 고속화가 가능해진다.

수직 공진기 면발광 레이저와 전계 흡수형 변조기의 결합 영역에서, 도파 영역의 제 2 방향의 폭이 테이퍼 형상으로 변화해도 좋다.

또, 이상의 구성요소를 임의로 조합한 것, 혹은 본 발명의 표현을 방법, 장치 등의 사이에서 변환한 것도 또한 본 발명의 형태로서 유효하다.

본 발명의 임의의 형태에 의하면, 수직 공진기 면발광 레이저와 전계 흡수형 변조기의 고효율의 광 결합이 가능해진다. 또한, 그 임의의 형태에 의하면, 전계 흡수형 변조기의 소형화가 가능해지고, 그 변조 속도를 개선할 수 있다. 또한, 그 임의 형태에 의하면, 전계 흡수형 변조기로부터 수직 공진기 면발광 레이저로의 귀환광을 억제하여 노이즈를 저감할 수 있다.

도 1은 비교 기술에 따른 광 변조기를 집적한 면발광 레이저의 단면도이다.
도 2(a)는 실시 형태에 따른 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저의 사시도이고, 도 2(b)는 그 단면도이며, 도 2(c)는 그 상부에서 본 평면도이다.
도 3(a)는 순방향의 도파를 모식적으로 나타내는 도면이고, 도 3(b)는 역방향의 도파를 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 4(a)는 순방향의 도파광의 강도 분포도이고, 도 4(b)는 전계 흡수형 광 변조기의 종단에서 반사된 역방향의 도파광의 강도 분포도이다.
도 5는 EAM의 소자 길이 L과, EAM으로부터 VCSEL로 입사하는 귀환광의 강도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6(a)는 실시 형태에 따른 면발광 레이저에 의해서 얻어지는 변조 파형(아이 패턴)의 측정 결과를 나타내는 도면이고, 도 6(b)는 귀환광을 억제하지 않는 면발광 레이저의 아이 패턴의 측정 결과를 나타내는 도면이다.
도 7(a)는 실시 형태에 따른 면발광 레이저의 소(小)신호 변조 특성의 측정 결과를 나타내는 도면이고, 도 7(b)은 EAM의 길이의 역수 1/L과, 3㏈ 밴드폭의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8(a)는 변형예에 따른 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저의 단면도이고, 도 8(b)는 그 상부에서 본 평면도이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시 형태를 기초로 도면을 참조하면서 설명한다. 각 도면에 나타내는 동일 또는 동등의 구성요소, 부재, 처리에는 동일한 부호를 부여하는 것으로 하고, 적절히 중복되는 설명은 생략한다. 또한, 실시 형태는, 발명을 한정하는 것은 아니고 예시로서, 실시 형태에 기술되는 모든 특징이나 그 조합은 반드시 발명의 본질적인 것이라고는 할 수 없다.

도 2(a)는 실시 형태에 따른 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저(100)의 사시도이고, 도 2(b)는 그 단면도이며, 도 2(c)는 그 평면도이다. 먼저 2(b)를 참조하여, 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저(100)의 적층 구조를 설명한다.

광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저(이하, 단지 면발광 레이저라고도 함)(2)는 주로 수직 방향으로 형성된 반도체 기판(10), 하부 DBR(12), 활성층(14), 상부 DBR(16)을 구비한다. 본 실시 형태에서 면발광 레이저(2)는 980㎚의 광을 생성하는 것으로 하고, 각 구성요소의 재료나 농도에 대해서는 그 파장에 적절한 것을 설명한다.

반도체 기판(10)은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체이고, 본 실시 형태에서 GaAs 기판이다. 반도체 기판(10)의 이면에는, n측 전극(30)이 형성된다. 하부 DBR(12)은 n형 불순물인 실리콘이 도핑된 Al₀ _.92Ga₀ _.08As층과 Al₀ _.16Ga₀ _.84As층(AlGaAs=알루미늄 갈륨 비소)의 적층 구조로 되어 있다. 레이저의 발진 파장을 λ, 굴절률을 n_r이라고 할 때, 각 층의 두께는 λ/4n_r이고, 100%에 가까운 고반사율이 얻어지도록, 예를 들면 41.5주기에 걸쳐 적층된다. n형 불순물인 실리콘을 도핑한 후의 캐리어 농도는 3×10¹⁸㎝^-3이다.

활성층(14)은 In₀ _.2Ga₀ _.8As/GaAs(인듐 갈륨 비소/갈륨 비소)의 다중 양자 우물 구조(18)를 가진다. 예를 들면 활성층(14)은 3층 양자 우물 구조를 가져도 좋다. 다중 양자 우물 구조(18)의 양측에는, 필요에 따라 언도프의 Al₀ _.3Ga₀ _.7As층인 하부 스페이서층(20) 및 상부 스페이서층(21)이 형성된다. 상부 DBR(16)은 탄소가 도핑된 Al₀ _.92Ga₀ _.08As층과 Al₀ _.16Ga₀ _.84As층(AlGaAs=알루미늄 갈륨 비소)의 적층 구조로 되어 있고, 예를 들면 26주기의 두께를 가진다.

활성층(14)과 근접하는 영역, 예를 들면 상부 DBR(16)의 최하층, 혹은 그 내부에는, 전류 협착층(선택 산화층)(22)이 형성된다. 전류 협착층(22)은, 예를 들면 Al₀ _.98Ga₀ _.02As층 혹은 AlAs층이다. 전류 협착층(22)은 하부 DBR(12)이나 상부 DBR(16)에 비해 Al 조성이 높기 때문에, 메사(mesa)의 산화 공정에서, 산화가 빠른 속도로 진행한다. 이것에 의해 전류 협착층(22)은 외주부의 산화 영역(24)과, 이것으로 둘러싸이는 비산화 영역(26)을 가지게 되고, VCSEL(4) 및 EAM(6)을 도파하는 광은 평면 방향(가로 방향)에 대해, 비산화 영역(26) 내에 갇혀진다. VCSEL(4), EAM(6) 각각의 광이 갇혀지는 영역을 도파 영역(40, 42)이라고 부른다다. 상부 DBR(16)의 상층에는, 후술하는 구동 전극(32), 제어 전극(34)으로서 기능하는 p측 전극이 형성된다. p측 전극은, 예를 들면 1×10¹⁹㎝^-3과 불순물 농도가 높은 컨택트층일 수 있다. 반도체 영역의 주변은 폴리머(8)로 밀봉된다.

이상이 면발광 레이저(2)의 단면 구조이다. 계속해서, 면발광 레이저(2)의 평면 방향의 구조를 도 2(a), (c)를 참조하여 설명한다.

VCSEL(4) 및 EAM(6)은 기판 평면의 제 1 방향(도면 중 X축 방향)으로 인접하여 형성되고, 그들은 광학적으로 결합되어 있다. 출사광은 EAM(6)의 실질적으로 전체 영역에서 기판 수직 방향(도면 중 Z방향)으로 취출된다. 기판 평면의 제 1 방향과 수직인 방향을 제 2 방향(도면 중 Y축 방향)이라 칭한다. 면발광 레이저(2)는, 도 2(c)에 나타내는 바와 같이, VCSEL(4)의 도파 영역(40)의 제 2 방향의 폭(이하, 간단히 폭이라고 함) W1은 EAM(6)의 도파 영역(42)의 폭 W2보다 좁은 것을 그 특징의 하나로 한다. 구체적으로는, 전류 협착층(22)은 VCSEL(4)에서의 비산화 영역(26)의 폭 W1이, EAM(6)에서의 비산화 영역(26)의 폭 W2보다 좁아지도록 선택적으로 산화된다. 구체적으로는, 반도체 기판(10) 상에는, VCSEL(4)에서 좁고, EAM(6)에서 넓어지는 형상의 메사를 에칭으로 형성하고, 하부 DBR(12), 활성층(14), 상부 DBR(16) 등이 적층되고, 외주로부터 실질적으로 균등하게 산화가 진행되는 것에 의해, W1<W2로 되는 도파 영역을 형성할 수 있다.

전류 협착층(22) 내의 도파 영역(40)과 도파 영역(42)의 결합 영역에는, 이온(양자) 주입에 의해 1㏁ 정도의 고저항 영역(44)을 형성하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 전류가 가로 방향으로 흐르는 것을 억제하면서, 도파 영역(40)으로부터 도파 영역(42)으로 광을 전파시킬 수 있다. VCSEL(4)의 종형(縱型) 공진기의 상측 미러의 반사율을 100%에 가깝게 하기 때문에, 상부 DBR(16)의 상면에는, 고반사 미러(36)를 형성하는 것이 바람직하다. 고반사 미러(36)는, 예를 들면 금(Au) 등의 금속이나 유전체 다층막 미러가 적합하다.

이상이 면발광 레이저(2)의 구조이다. 계속해서 그 동작을 설명한다.

제어 전극(34)으로부터 DC 전류를 주입하면, VCSEL(4)의 도파 영역(40) 내에서 레이저 발진이 일어나, 레이저광이 EAM(6)의 도파 영역(42)측에서 전파된다. 이 때 VCSEL(4)와 EAM(6)의 접속 경계에서 폭의 차이에 의해 반사가 일어나, VCSEL(4) 내에서 횡모드가 형성된다. EAM(6)의 제어 전극(34)은 구동 전극(32)과는 반대 극성으로 변조용의 제어 전압(AC 전압)이 인가되고, 이것에 의해 도파 영역(42)의 흡수율이 변화되어, 취출되는 출사광의 강도가 변조된다. 상술한 바와 같이 고저항 영역(44)을 형성하는 것에 의해, 도파 영역(40, 42)의 사이의 전류 리크가 억제된다.

계속해서 면발광 레이저(2)의 이점을 설명한다. VCSEL(4)에 의해 생성된 레이저광은, 하부 DBR(12)과 상부 DBR(16)의 사이를 다중 반사하면서, 제 1 방향(X방향)으로 전파해 간다. 이 때, EAM(6)의 종단에서는, 산화 영역과 비산화 영역의 경계에서 전반사가 일어나 전파하는 광이 꺾이기 때문에, EAM(6)의 소자 길이 L을 짧게 할 수 있다. EAM(6)의 변조 속도는 부유 용량으로 율속(律速)되기 때문에, 소자 길이 L을 짧게 함으로써, 변조 속도의 고속화가 가능하게 된다. 여기서 광은, 진행 방향에 대해 수직 방향의 폭이 좁은 영역으로부터 넓은 영역으로 입사할 때에 결합되기 쉽고, 반대로 폭이 넓은 영역으로부터 좁은 영역으로 입사할 때에 결합되기 어려운 성질을 가지기 때문에, VCSEL(4)의 도파 영역(40)의 폭 W1을, EAM(6)의 도파 영역(42)의 폭 W2보다 좁게 함으로써, VCSEL(4)로부터 EAM(6)으로는 광이 결합되기 쉽게 하는 반면, EAM(6)으로부터 VCSEL(4)로의 귀환광을 억제할 수 있다. 이것에 의해, VCSEL(4) 내의 광 강도의 동요를 저감할 수 있어, 노이즈를 저감할 수 있다.

또한 EAM(6)으로부터 외부로 출력해 온 광이 외부에서 반사되어 되돌아온 귀환광에 대해서도, VCSEL(4)로의 결합을 억제하여, 노이즈를 저감할 수 있다.

도 3(a)는 VCSEL(4)로부터 EAM(6)으로 향하는 순방향의 도파를 모식적으로 나타내는 도면이고, 도 3(b)는 EAM(6)으로부터 VCSEL(4)로 향하는 역방향의 도파를 모식적으로 나타내는 도면이다. VCSEL(4)에서 싱글 모드로 발진한 광은 EAM(6) 내에서는 멀티 모드로서 전파된다. 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, VCSEL(4)로부터 입사한 광은, EAM(6)의 단면(46)에서 반사되지만, EAM(6) 내의 도파 모드는 도파 영역(42)의 길이 L에 따라 변화한다. 그래서, 도 3(b)에 나타내는 바와 같이, 도파 영역(42)의 길이 L을 최적화함으로써, 도파 영역(40)으로의 귀환광을 저감할 수 있다.

또한, EAM(6)으로부터 외부로 출력된 광이 외부에서 반사되어 되돌아온 귀환광에 대해서도 VCSEL(4)로의 결합을 억압하여, 노이즈를 저감할 수 있다.

도 4(a)는 순방향의 도파광의 강도 분포도이고, 도 4(b)는 역방향의 도파광의 강도 분포도이다. VCSEL(4)과 EAM(6)의 진행 방향에 대해 수직 방향의 폭의 차이에 의해, VCSEL로부터의 EAM으로 입사하는 광의 일부는 접속점에서 반사되고, VCSEL의 횡모드가 형성된다.

또한, 면발광 레이저(2)는, VCSEL(4) 및 EAM(6) 각각의 도파 영역의 폭을 상이하게 하는 것에 부가하여, EAM(6)의 제 1 방향의 길이 L(소자 길이라고도 함)을 최적화하는 것에 의해, 귀환광의 강도를 저감할 수 있다.

도 5는 EAM(6)의 소자 길이 L과, EAM(6)으로부터 VCSEL(4)로 입사하는 귀환광의 강도의 관계를 나타내는 도면이다. 귀환광의 상대적인 강도는 주기적으로 증감하기 때문에, 광로 길이 2L(EAM(6)의 소자 길이 L)은 귀환광 강도가 작아지도록 설계하면 좋다. 광로 길이 2L은 전자계 시뮬레이션에 의해 최적화할 수 있고, 및/또는 실험 데이터에 근거하여 최적화할 수 있다.

도 6(a)는 실시 형태에 따른 면발광 레이저(2)에 의해서 얻어지는 변조 파형(아이 패턴)의 측정 결과를 나타내는 도면이다. 비교를 위해서 도 6(b)에는, 귀환광을 억제하지 않은 면발광 레이저의 아이 패턴의 측정 결과를 나타낸다. 측정은 25Gbps로 행하였다. 또, 도 6(b)의 아이 패턴은, 비특허문헌(Dalir 외 저, APPLIED PHYSICS LETTERS 103, 091109, 2013년, Dalir 외 저, APPLIED PHYSICS EXPRESS 7, 022102 2014년, Dalir 외 저, Electronics Letters, Vol.50 No.2 pp.101-103, 2014년)에 나타내는 면발광 레이저에 대해 측정된 것이다. 측정은 NRZ(Non Return zero), 출력 패턴 2³¹-1의 의사 랜덤 비트 순서(PBRS)를 이용해서 행하였다. 측정에 이용한 면발광 레이저(2)의 EAM(6)의 길이는 50㎛이고, 이것은 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 3㏈ 밴드폭이 12㎓인 것이지만, 25Gbps의 PRBS 신호에 대해, 4㏈의 E.R(Extinction Ratio)가 얻어지고 있다.

이와 같이 실시 형태에 따른 면발광 레이저(2)에 의하면, 귀환광이 작아지도록 VCSEL(4)과 EAM(6)의 폭 W1, W2를, W1<W2로 되도록 설계하고, 또한 EAM(6)의 소자 길이 L을 최적화함으로써, 노이즈를 저감할 수 있어, 전송 레이트를 높일 수 있다.

도 7(a)는 실시 형태에 따른 면발광 레이저의 소신호 변조 특성의 측정 결과를 나타내는 도면이다. 구체적으로는 EAM(6)의 폭 W2가 17㎛, 소자 길이 L이 상이한 4개의 샘플을 작성하고, 각각에 대해 소신호 변조 특성을 측정하였다. VCSEL(4)은 6.5㎃의 DC 전류에 의해 구동하고, 출사광의 강도는 멀티 모드 파이버에 의해 집광되고, 25㎓의 대역을 가지는 광검출기에 의해 측정하였다. 소신호 변조 특성은 40㎓의 대역을 가지는 네트워크 애널라이저로 측정하고 있다. L=30㎛, 50㎛, 70㎛, 100㎛의 샘플 각각에 대해, 제어 전극(34)에는, -0.8V, -0.5V, -0.5V, -0.4V의 AC 전압을 인가하고 있다. 도 7(b)는 EAM(6)의 길이의 역수 1/L과, 3㏈ 밴드폭의 관계를 나타내는 도면이다. EAM(6)의 길이를 짧게 할수록, 부유 용량의 저감에 의해 3㏈ 대역을 넓힐 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, EAM(6)의 소자 길이 L이 더 짧은 면발광 레이저(2)에 의하면, 25㎓보다 높은 신호를 전송할 수 있는 것이 실험적으로 나타내어지고 있다.

실시 형태에 근거하여, 구체적인 어구를 이용해서 본 발명을 설명했지만, 실시 형태는 본 발명의 원리, 응용을 나타내고 있는 것에 불과하며, 실시 형태에는, 특허청구범위에 규정된 본 발명의 사상을 일탈하지 않는 범위에서, 많은 변형예나 배치의 변경이 인지된다.

실시 형태에서는, 전류 협착층(22)의 비산화 영역(26)이, 도파 영역(40)과 도파 영역(42)의 사이의 영역에서 테이퍼 형상으로 변화하고 있는 경우를 설명했지만, 본 발명은 그것에 한정되지는 않는다. 도 3(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 도파 영역(40)과 도파 영역(42)의 폭 W1, W2는 불연속으로 변화해도 좋다.

면발광 레이저(2)의 발진 파장은 980㎚에 한정되지는 않는다. 따라서, 당업자에 의하면, 발진 파장에 따라, 각 구성요소의 재료나 농도를 최적화할 수 있는 것이 이해된다.

실시 형태에서는, 상부 DBR(16)의 상면에 구동 전극(32), 제어 전극(34)을 형성했지만, 본 발명은 그것에 한정되지는 않는다. 구동 전극(32), 제어 전극(34)은 상부 DBR(16)의 내부 혹은 하부에 형성해도 좋다.

실시 형태에서는, VCSEL(4)의 종형 공진기의 상측 미러의 반사율을 100%에 가깝게 하기 위해서, 상부 DBR(16)의 상면에는, 고반사 미러(36)를 형성했지만, 본 발명은 그것에 한정되지는 않는다. 실질적으로 100%의 반사율을 가지는 상부 DBR(16)을 형성해 두고, EAM(6)이 형성되는 영역(42)에서, 에칭 등에 의해 상부 DBR(16)의 층수를 삭감함으로서, EAM(6)에 있어서의 반사율을 100% 미만으로 하여, 광을 취출하도록 해도 좋다.

도 8(a)는 변형예에 따른 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저(2a)의 단면도이고, 도 8(b)는 그 평면도이다. 도 2(b)에서는, EAM(6)의 실질적으로 전체 영역으로부터 출사광를 취출하는 것으로 한 것에 반해, 이 변형예에서는, EAM(6)의 종단(46) 부근에서, 상부 DBR(16)의 층수를 줄여 그 반사율을 낮게 하고, 그것으로부터 광 출력을 취출한다.

실시 형태에서는, VCSEL(4)의 도파 영역(40)과 EAM(6)의 도파 영역(42) 각각에 있어서의 가로 방향의 광을 가두고, 선택 산화막에 의한 전류 협착층(22)을 이용하여 실현되었지만, 본 발명은 그것에 한정되지 않는다. 전류 협착의 다른 어프로치로서는, 이온 주입을 이용하는 방법(Zeeb et al., "Planar Proton Implanted VCSEL's and Fiber-Coupled 2-D VCSEL Arrays", IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.1. NO.2, JUNE 1995), 터널 pn 접합과 결정의 재성장을 이용하는 방법(Ortsiefer et al., "Low-threshold index-guided 1.5m long-wavelength vertical-cavity surface-emitting laser with high efficiency", VOLUME 76, NUMBER 16, APPLIED PHYSICS LETTERS), 양자 우물의 혼정(混晶)화 프로세스를 이용하는 방법(Sugawara et al., "Laterally intermixed quantum structure for carrier confinement in vertical-cavity surface-emitting lasers", Vol.45 No.3, ELECTRONICS LETTERS) 등이 제안되어 있고, 이들 기술을 이용해도 좋고, 장래 이용 가능한 기술을 이용해도 좋다.

임의의 실시 형태에 있어서, 전류 협착층(22)에 부가하여, 혹은 그것 대신에, 활성층의 근방에 굴절률차에 의한 광 가이드층이 마련되어도 좋다. 광 가이드층은 전류 협착층(22)과 동일하게 구성되어도 좋고, 다르게 구성되어도 좋다.

2: 면발광 레이저
4: VCSEL
6: EAM
8: 폴리머
10: 반도체 기판
12: 하부 DBR
14: 활성층
16: 상부 DBR
18: 다중 양자 우물 구조
20: 하부 스페이서층
21: 상부 스페이서층
22: 전류 협착층
24: 산화 영역
26: 비산화 영역
30: n측 전극
32: 구동 전극
34: 제어 전극
36: 고반사 미러
40, 42: 도파 영역
44: 고저항 영역

Claims

반도체 기판과,
상기 반도체 기판 위에 형성된 하부 분포 브래그(Bragg) 반사경과,
상기 하부 분포 브래그 반사경 위에 형성된 활성층과,
상기 활성층 위에 형성된 상부 분포 브래그 반사경
을 구비하되,
수직 공진기 면발광 레이저와 전계 흡수형 변조기는 이들이 광학적으로 결합되도록, 기판 평면의 제 1 방향으로 인접하여 형성되고,
상기 수직 공진기 면발광 레이저의 도파 영역의, 상기 기판 평면의 상기 제 1 방향과 수직인 제 2 방향의 폭은 상기 전계 흡수형 변조기의 도파 영역의 제 2 방향의 폭보다 좁고,
출사광은 상기 전계 흡수형 변조기에서 기판 수직 방향으로 취출되는 것을 특징으로 하는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저.
제 1 항에 있어서,
상기 수직 공진기 면발광 레이저와 상기 전계 흡수형 변조기의 접속에서의 반사를 이용하여, 상기 수직 공진기 면발광 레이저에 횡모드가 형성되는 것을 특징으로 하는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전계 흡수형 변조기의 종단 부근에서, 상기 상부 분포 브래그 반사경의 반사율을 낮게 하여, 그곳으로부터 광 출력을 취출하는 것을 특징으로 하는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전계 흡수형 변조기의 도파 영역은 다모드 간섭도파로이고,
상기 전계 흡수형 변조기의 상기 제 1 방향의 길이는, 상기 전계 흡수형 변조기의 내부 혹은 외부로부터의 반사에 대해, 상기 수직 공진기 면발광 레이저로의 귀환광이 작아지도록 정해지는 것을 특징으로 하는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 활성층과 근접하고, 전류 및 도파광을 가로 방향으로 가두도록 형성된 전류 협착층 또는 굴절률차에 의한 광 가이드층을 더 구비하고,
상기 전류 협착층 또는 상기 광 가이드층에 의해서, 상기 수직 공진기 면발광 레이저의 도파 영역의 폭과, 상기 전계 흡수형 변조기의 도파 영역의 폭이 정해지는 것을 특징으로 하는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저.
제 5 항에 있어서,
상기 전류 협착층은 측면으로부터 내측으로 향해 선택적으로 산화된 산화 영역과 상기 산화 영역으로 둘러싸인 비산화 영역을 포함하는 선택 산화층인 것을 특징으로 하는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저.
제 5 항에 있어서,
상기 전류 협착층의 상기 수직 공진기 면발광 레이저와 상기 전계 흡수형 변조기의 결합 영역에는, 이온 주입에 의한 고저항 영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수직 공진기 면발광 레이저가 형성되는 영역 내에, 상기 상부 분포 브래그 반사경 위에 형성된 금속 미러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전계 흡수형 변조기가 형성되는 영역에서의 상기 상부 분포 브래그 반사경의 층수가, 상기 수직 공진기 면발광 레이저가 형성되는 영역에서의 상기 상부 분포 브래그 반사경의 층수보다 적은 것을 특징으로 하는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 수직 공진기 면발광 레이저와 상기 전계 흡수형 변조기의 결합 영역에서, 상기 도파 영역의 상기 제 2 방향의 폭이 테이퍼 형상으로 변화되어 있는 것을 특징으로 하는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저.
수직 공진기 면발광 레이저와,
전계 흡수형 변조기
를 구비하되,
상기 수직 공진기 면발광 레이저와 상기 전계 흡수형 변조기는, 적층된 반도체 기판과, 하부 분포 브래그 반사경과, 활성층과, 상부 분포 브래그 반사경을 포함하는 구조체를 공유하고, 기판 평면의 제 1 방향으로 인접해서 구성되고,
상기 수직 공진기 면발광 레이저의 도파 영역의, 상기 기판 평면의 상기 제 1 방향과 수직인 제 2 방향의 폭은 상기 전계 흡수형 변조기의 도파 영역의 제 2 방향의 폭보다 좁은 것을 특징으로 하는 광 변조 기능을 갖는 면발광 레이저.