WO2014080770A1 - 面発光レーザ装置、光モジュールおよび面発光レーザ素子の駆動方法 - Google Patents

面発光レーザ装置、光モジュールおよび面発光レーザ素子の駆動方法 Download PDF

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喜瀬　智文
英 今井
舟橋　政樹
清水　均
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古河電気工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a surface emitting laser device, an optical module, and a surface emitting laser element driving method.
  • Non-Patent Document 1 discloses a multimode surface emitting laser element in which a plurality of transverse modes oscillate in the 850 nm wavelength band.
  • the signal light is more preferably a laser beam having a narrow spectral line width, that is, a small number of transverse modes.
  • the present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a surface emitting laser device having a good modulation characteristic and a method for driving a surface emitting laser element.
  • a surface-emitting laser device includes a surface-emitting laser element and a modulation driving current that is intensity-modulated with a bias current interposed between the surface-emitting laser element and the surface-emitting laser element.
  • the number of transverse modes in which the surface emitting laser element oscillates varies from 1 to at most 3 according to the value of the modulation driving current, and the laser of the surface emitting laser element Of the switching currents for switching the number of transverse modes to oscillate, when the current for switching the number of transverse modes for laser oscillation from 1 to 2 is defined as a first switching current, the driving device is configured to use the bias current and the modulation driving current.
  • the modulation driving current set so that the first switching current is not included between the maximum value and the surface emitting laser element is supplied to the surface emitting laser element.
  • the driving device supplies the surface-emitting laser element with a modulation driving current in which the bias current is larger than the first switching current. It is characterized by that.
  • the surface-emitting laser device is the surface-emitting laser device according to the above invention, wherein the drive device has a maximum value of the modulation drive current adjacent to the high current side of the first switching current in the switching current.
  • a modulation drive current having a value smaller than the two switching currents is supplied to the surface emitting laser element.
  • the surface-emitting laser device is the surface-emitting laser according to the above-described invention, wherein the driving device generates a modulation driving current having a minimum value of the modulation driving current larger than the first switching current. It supplies to an element, It is characterized by the above-mentioned.
  • the surface emitting laser device is the above invention, wherein the surface emitting laser element is disposed between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror, and between the first reflecting mirror and the second reflecting mirror.
  • a current confinement layer which is disposed between the second active mirror and the active layer, and has a current injection portion and a selective oxidation layer formed on the outer periphery of the current injection portion by a selective oxidation heat treatment; The opening diameter of the current injection part is adjusted so that the first switching current becomes the value.
  • the surface emitting laser device is characterized in that, in the above invention, the opening diameter of the current injection portion is 8 ⁇ m or more.
  • the surface emitting laser device is the above-described invention, wherein the surface emitting laser element has a fundamental mode number when the number of transverse modes in which the laser oscillation is maximized in the range of the modulation driving current. And the first higher-order mode.
  • the surface emitting laser device is the above-described invention, wherein the surface emitting laser element has a fundamental mode number when the number of transverse modes in which the laser oscillation is maximized in the range of the modulation driving current. And a first higher-order mode and a second higher-order mode.
  • the surface emitting laser device is characterized in that, in the above invention, the maximum value of the modulation drive current is 10 mA or less.
  • the surface emitting laser device is characterized in that, in the above invention, the modulation speed is 25 Gbps or more.
  • an optical module according to the present invention includes the surface-emitting laser device according to any one of the above-described inventions.
  • the number of the transverse modes in which the laser oscillates depends on the value of the modulation drive current when the modulation drive current modulated with the intensity of the bias current is supplied.
  • the method of driving a surface-emitting laser element that changes from 1 to 3 at most, and of the switching current that switches the number of transverse modes of laser oscillation of the surface-emitting laser element, the number of transverse modes that cause laser oscillation is from 1
  • the modulation driving current set so that the first switching current is not included between the bias current and the maximum value of the modulation driving current is the surface emission. It supplies to a laser element, It is characterized by the above-mentioned.
  • the present invention it is possible to suppress the deterioration of the quality of the signal light and achieve an effect of realizing a good modulation characteristic.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the surface emitting laser apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the surface emitting laser element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a spectrum of laser light in a minority transverse mode.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of setting a bias current in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of setting of the bias current in the comparative form.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the setting of the bias current according to the embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the setting of the bias current of the comparative example.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an eye diagram of the example.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of the surface emitting laser apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the surface emitting laser element shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of
  • FIG. 9 is a diagram showing an eye diagram of a comparative example.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing a transmission / reception system in which two optical transmission / reception modules according to the second embodiment are connected via two optical fibers.
  • FIG. 11 is a side view showing an example of an optical coupling portion between the surface emitting laser and the optical waveguide.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a surface emitting laser apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • this surface emitting laser device 100 includes an arithmetic processing device 101, a surface emitting laser element 102, and a laser driving device 103 provided between the arithmetic processing device 101 and the surface emitting laser element 102. It is equipped with.
  • the arithmetic processing unit 101 performs an operation according to an external command, and outputs a differential voltage signal Vs101 that is a modulation signal according to the operation result. Further, supply voltages V101 and V102 are supplied to the arithmetic processing unit 101 from the outside. Supply voltage V101 is, for example, I / O voltage 3.3V, and supply voltage V102 is, for example, core voltage 1.5V. Further, the laser driving device 103 amplifies the differential voltage signal Vs101 output from the arithmetic processing device 101, and superimposes it on the supplied bias voltage Vb101 to output it as a modulation driving voltage Vd101.
  • the modulation drive voltage Vd101 is a voltage signal that is intensity-modulated with the bias voltage Vb101 interposed therebetween, and includes a “0” level voltage lower than the bias voltage Vb101 and a “1” level voltage higher than the bias voltage Vb101.
  • the surface emitting laser element 102 When the modulation drive voltage Vd101 output from the laser driving device 103 is applied to the surface emitting laser element 102 and a modulation drive current is supplied, the surface emitting laser element 102 outputs laser signal light having a desired wavelength.
  • the laser light output from the surface emitting laser element 102 has a wavelength corresponding to the energy band gap of the semiconductor material of the active layer.
  • the bias voltage Vb101 corresponds to the energy band gap of the semiconductor material of the active layer. For example, when the wavelength of the laser beam output from the surface emitting laser element 102 is in the 1.1 ⁇ m band, a bias voltage Vb101 of about 1.5 V is supplied, for example.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the surface emitting laser element 102 shown in FIG.
  • the surface emitting laser element 102 includes a substrate 1, a lower DBR (Distributed Bragg Reflector) mirror 2 that is a first reflecting mirror formed on the substrate 1, a buffer layer 3, an n-type.
  • the active layer 5 to the p + -type contact layer 12 constitute a cylindrical mesa post M.
  • the substrate 1 is made of undoped GaAs, for example.
  • the lower DBR mirror 2 is composed of, for example, 34 pairs of GaAs / Al 0.9 Ga 0.1 As layers.
  • the buffer layer 3 is made of, for example, undoped GaAs.
  • the n-type contact layer 4 is made of, for example, n-type GaAs.
  • the active layer 5 has a structure in which an InGaAs layer having 3 layers and a GaAs barrier layer having 4 layers are alternately stacked for use in, for example, a 1.1 ⁇ m band laser beam. Also functions as an n-type cladding layer.
  • the current confinement portion 7a is made of Al 2 O 3 and the current injection portion 7b is made of AlAs.
  • the diameter (opening diameter) A1 of the current injection portion 7b is, for example, 6 ⁇ m or more.
  • the lower graded composition layer 6 and the upper graded composition layer 8 are made of, for example, AlGaAs, and are configured such that the Al composition increases stepwise as the current confinement layer 7 is approached in the thickness direction.
  • the p-type spacer layers 9 and 11, the p + -type current path layer 10, and the p + -type contact layer 12 are made of, for example, p-type and p + -type GaAs doped with carbon, respectively.
  • each p-type or n-type layer is, for example, about 1 ⁇ 10 18 cm ⁇ 3
  • the acceptor concentration of the p + -type layer is, for example, 1 ⁇ 10 19 cm ⁇ 3 or more.
  • Each semiconductor layer made of GaAs has a refractive index of about 3.45.
  • a p-side annular electrode 13 made of Pt / Ti and having an opening 13a at the center is formed.
  • the outer diameter of the mesa post M and the p-side annular electrode 13 is, for example, 30 ⁇ m or more, and the inner diameter (opening diameter) A2 of the opening 13a is, for example, 11 ⁇ m or more.
  • phase adjustment layer 14 made of, for example, silicon nitride (SiN x ) that is a dielectric is formed.
  • the phase adjustment layer 14 has a function of appropriately adjusting the position of the standing wave node and the antinode of the light formed between the lower DBR mirror 2 and the upper DBR mirror 15 constituting the optical resonator.
  • an upper DBR mirror 15 that is a second reflecting mirror made of a dielectric is formed from the phase adjustment layer 14 to the outer periphery of the mesa post M.
  • the upper DBR mirror 15 is composed of, for example, 10 to 12 pairs of SiN x / SiO 2 , and for example, an ⁇ -Si / SiO 2 or ⁇ -Si / Al 2 O 3 pair is formed depending on the refractive index of the material. The number of pairs may be such that an appropriate reflectance of about% is obtained.
  • the n-type contact layer 4 extends from the lower part of the mesa post M to the outer peripheral side of the upper DBR mirror 15, and a semi-annular n-side electrode 16 made of, for example, AuGeNi / Au is formed on the surface thereof.
  • the n-side electrode 16 has an outer diameter of 80 ⁇ m and an inner diameter of 40 ⁇ m.
  • a passivation film 17 made of a dielectric such as SiN x is formed for surface protection.
  • a lead electrode 18 made of Au is formed so as to contact the n-side electrode 16 through an opening formed in the passivation film 17.
  • a lead electrode 18 made of Au is also formed so as to contact the p-side annular electrode 13 through an opening formed in the passivation film 17.
  • the extraction electrode 18 is connected to the laser driving device 103.
  • the surface emitting laser element 102 applies a modulation drive voltage Vd101 from the extraction electrode 18 through the n-side electrode 16 and the p-side annular electrode 13.
  • the injected modulation drive current Vd101 mainly flows through the low-resistance p + -type contact layer 12 and the p + -type current path layer 10, and the current path is narrowed in the current injection portion 7b by the current confinement layer 7,
  • the active layer 5 is supplied at a high current density.
  • the active layer 5 is carrier-injected and emits spontaneous emission light.
  • light in the 1100 nm band that is the laser oscillation wavelength forms a standing wave between the lower DBR mirror 2 and the upper DBR mirror 15 and is amplified by the active layer 5.
  • the injection current becomes equal to or greater than the threshold value, the light that forms the standing wave oscillates, and the 1100 nm band laser signal light is output from the opening 13 a of the p-side annular electrode 13.
  • the number of transverse modes that oscillate in accordance with the value of the injected current changes. Specifically, when the current value to be injected exceeds the threshold current, the fundamental mode first oscillates. At this time, the number of transverse modes in which laser oscillation is performed is one. Further, as the drive current is increased, the number of transverse modes in which the laser oscillates is increased step by step to 2, 3,. In this specification, assuming that a small number (about 1 to 3) of transverse modes are oscillating, the number of transverse modes that oscillate when the modulation driving current is supplied is equal to the value of the modulation driving current. Accordingly, a state changing from 1 to 3 at most is defined as a minority transverse mode oscillation state.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the spectrum of laser light in the minority transverse mode.
  • the vertical axis represents the light intensity in dB.
  • fundamental mode laser light M1, first higher-order mode laser light M2, and second higher-order mode laser light M3 appear as transverse modes.
  • the intensity ratio d1 between the fundamental mode laser beam M1 and the first higher-order mode laser beam M2 is smaller than 30 dB, and the first higher-order mode laser beam M2 and the second higher-order mode laser beam M3
  • the intensity ratio d2 is 30 dB or more. In this case, the number of transverse modes in which laser oscillation is performed is two.
  • the number of transverse modes in which laser oscillation is performed is N.
  • the intensity ratio of the laser light of the Nth mode and the laser light of the (N + 1) th mode is 30 dB or more, among the modes in which the intensity ratio from the mode with the highest intensity is within 30 dB
  • the number of transverse modes is defined as N by the largest N.
  • the intensity ratio between the first mode laser beam and the second mode laser beam is 5 dB
  • the intensity ratio between the second mode laser beam and the third mode laser beam is 20 dB
  • the intensity ratio between the third mode laser beam and the fourth mode laser beam is 20 dB
  • the intensity ratio between the Nth mode laser beam and the (N + 1) th mode laser beam There is no N that is 30 dB or more.
  • the inventor scrutinized the cause, when the driving current changes within the modulation amplitude due to the intensity modulation, the number of transverse modes in which the surface emitting laser element oscillates may be switched by the change. It has been found that due to this switching, a spatial distribution fluctuation of the carrier concentration in the surface emitting laser element occurs, and as a result, noise is superimposed on the laser signal light and quality degradation may occur. Furthermore, the present inventor has found that when the current value at which the number of transverse modes is switched is smaller than the bias current value even within the modulation amplitude of the modulation drive current, the quality deterioration of the laser signal light can be significantly suppressed.
  • the bias current is set to be larger than the value of the current (hereinafter referred to as switching current) at which the number of transverse modes in which the surface emitting laser element 102 oscillates is switched.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of setting the bias current in the first embodiment.
  • the current-output light intensity characteristics and the slope efficiency of the surface emitting laser element 102 are schematically shown.
  • the number of transverse modes of laser oscillation is switched from 1 to 2 at the switching current Ic1 as the first switching current, and the second switching current adjacent to the high current side of the switching current Ic1 is used.
  • the transverse mode number is switched from 2 to 3 at the switching current Ic2.
  • the spectra when the number of transverse modes is 1, 2 are shown.
  • a kink occurs in the current-output light intensity characteristic, and the slope efficiency also changes.
  • the modulation drive current Id1 is set so that the bias current Ib1 is switched to be larger than the current Ic1.
  • the switching current Ic1 is a value between the bias current Ib1 of the modulation drive current Id1 and the current of “0” level that is the minimum value of the modulation drive current Id1.
  • the “1” level current which is the maximum value of the modulation drive current Id1 is smaller than the switching current Ic2 from 2 to 3 in the transverse mode, and the switching current Ic2 is the bias current Ib1.
  • a current of “1” level By setting the drive current in this way, the quality deterioration of the laser signal light is greatly suppressed.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of setting of the bias current in the comparative form.
  • the center of FIG. 5 schematically shows current-output light intensity characteristics and slope efficiency of a comparative surface-emitting laser element different from the surface-emitting laser element 102.
  • the number of transverse modes of laser oscillation is switched from 1 to 2 at the switching current Ic3 as the first switching current.
  • the modulation drive current Id1 is set so that the bias current Ib1 is smaller than the switching current Ic3.
  • the switching current Ic3 is a value between the bias current Ib1 and the current of “1” level.
  • the effect of switching the number of transverse modes on the quality of the laser signal light is most significant when the number of transverse modes is switched from 1 to 2, and the higher-order modes increase from 2 to 3, 3 to 4. In the case of switching, the influence is reduced.
  • the switching current Ic1 from the transverse mode number 1 to 2 is between the bias current Ib1 and the “0” level current, and the transverse mode number is from 2.
  • the modulation drive current Id1 is set so that the switching current Ic2 to 3 is between the bias current Ib1 and the current of “1” level
  • the switching current Ic3 from the transverse mode number 1 to 2 is
  • the comparison form between the bias current Ib1 and the current of “1” level is compared, the quality deterioration of the laser signal light is less in the modification 1.
  • the bias current Ib1 is set to be larger than the switching current in the vicinity of the bias current Ib1 (first switching current), the second switching current in which the higher-order mode increases becomes the bias current. Even if it is between the current Ib1 and the current of “1” level, there is an effect of suppressing the quality deterioration of the laser signal light.
  • the current of “0” level that is the minimum value of the modulation drive current Id1 is larger than the switching current Ic1 in which the number of transverse modes is 1 to 2 in the first modification.
  • setting the modulation drive current Id1 is more preferable than the first modification.
  • the “0” level current is larger than the switching current Ic1 from 1 to 2 in the transverse mode, and the switching from 2 to 3 in the transverse mode number. If the modulation drive current Id1 is set so that the current of “1” level is smaller than the current Ic2, the switching current is not included in the modulation amplitude of the modulation drive current. That is, since the number of transverse modes of laser oscillation does not change during driving of the surface emitting laser element, the quality deterioration of the laser signal light is further suppressed, which is preferable to the first and second modifications.
  • a surface emitting laser device having the configuration shown in FIG. 1 is manufactured, and a laser that is driven by applying a modulation driving voltage with a modulation speed of 10 Gbps to the surface emitting laser element is output.
  • the eye diagram of the signal light was measured.
  • the surface emitting laser element of the example one having the current-output light intensity characteristic and the slope efficiency characteristic shown in FIG. 6 was used.
  • the switching mode number of lasing mode from 1 to 2 was about 3 mA
  • the switching mode mode number from 2 to 3 was about 9 mA. Therefore, the bias current Ib2 of the modulation drive current Id2 is set to 5 mA, and the range of the modulation drive current Id2 is set to 2.5 mA to 7.5 mA ( ⁇ 2.5 mA).
  • the bias current Ib2 for the modulation drive current Id2 is set to 5 mA larger than the first switching current (about 3 mA) having a value in the vicinity of the bias current Ib2, and the first current on the higher current side is higher than that.
  • the drive current Id2 is set so that there is no two switching current between the bias current Ib2 and the current of “1” level.
  • the bias current Ib2 of 5 mA is about 17 times the threshold current. As described above, when the bias current Ib2 is increased, the relaxation oscillation frequency is increased and high-speed modulation is facilitated.
  • the bias current Ib2 is preferably not less than 5 times the threshold current of the surface emitting laser element, for example.
  • the surface emitting laser element of the comparative example the one having the current-output light intensity characteristic and the slope efficiency characteristic shown in FIG. 7 was used.
  • the number of transverse modes of laser oscillation was switched from 1 to 2, and the current was about 6 mA.
  • the bias current Ib2 of the modulation drive current Id2 was 5 mA
  • the range of the modulation drive current Id2 was 2.5 mA to 7.5 mA ( ⁇ 2.5 mA). That is, in this comparative example, the first switching current (about 6 mA) is a value between 5 mA which is the bias current Ib2 and 7.5 mA which is the “1” level current.
  • FIG. 8 is a diagram showing an eye diagram of the example.
  • FIG. 9 is a diagram showing an eye diagram of a comparative example. As shown in FIGS. 8 and 9, in the eye diagram of the comparative example, the trace was thick. This phenomenon indicates that in the comparative example, the noise of the laser signal light is large and the error rate of the transmission data is high. On the other hand, in the eye diagram of the example, the trace remained thin. This phenomenon indicates that the noise of the laser signal light is small and the error rate of the transmission data is low in the embodiment.
  • the noise of the laser signal light appears as jitter in the time axis direction.
  • the modulation speed is increased, the time per bit is shortened, so that the influence of jitter becomes relatively large. Therefore, in the surface emitting laser device according to the embodiment, when the modulation speed is high, for example, when the modulation speed is 25 Gbps or more, the deterioration of the quality of the signal light can be suppressed, and the effect of realizing good modulation characteristics becomes remarkable.
  • the setting of the modulation drive current is the same, but by using a surface emitting laser element having a switching current value having a predetermined relationship with the modulation drive current, A surface-emitting laser device that achieves the effects of the first embodiment of the invention is realized.
  • Such a first embodiment is effective when it is desired to obtain the effect of the first embodiment of the present invention for a desired modulation drive current.
  • the switching current value of the number of transverse modes for laser oscillation is, for example, the opening diameter A1 of the opening portion of the current confinement layer 7 of the surface emitting laser element 102 of FIG. 2 or the opening diameter A2 of the opening portion 13a of the p-side annular electrode 13. It can be adjusted by changing.
  • the basic mode which is a mode for oscillation by setting the aperture diameter A1 of the current confinement layer 7 to 6 ⁇ m or more, the number of transverse modes to oscillate to 2, and the aperture diameter A2 of the p-side annular electrode 13 to 11 ⁇ m or more
  • the electric field intensity distribution of the first higher-order mode does not overlap so much with the p-side annular electrode 13 and does not generate much loss. By suppressing the loss in this way, the oscillation threshold current in the first higher-order mode is reduced, so that the bias current can be set low.
  • the number of transverse modes to oscillate is 2 or 3
  • the opening diameter A2 of the p-side annular electrode 13 is 12 ⁇ m or more.
  • the electric field intensity distribution of a certain basic mode and the first higher-order mode (or the second higher-order mode when the number of transverse modes is 3) does not overlap with the p-side annular electrode 13 so much that no loss occurs. It is preferable to make it. By suppressing the loss in this way, the oscillation threshold current of the desired higher order mode is reduced, so that the bias current can be set low as described above.
  • the surface-emitting laser device according to Embodiment 1 of the present invention can constitute various parallel optical modules in combination with an optical waveguide such as a surface-emitting laser array, a light-receiving element array, and an optical fiber cable.
  • an optical waveguide such as a surface-emitting laser array, a light-receiving element array, and an optical fiber cable.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing a transmission / reception system in which two optical transmission / reception modules 200A, 200B according to the second embodiment are connected via optical waveguides 210A, 210B, which are two optical fiber cables. is there.
  • the optical transmission / reception module 200A has a holding member 201A and each element provided on the holding member 201A, that is, optical waveguides 210A and 210B such as an optical fiber cable for mounting and positioning them.
  • Spacer 206A, surface emitting laser array 202A of the present invention that transmits an optical signal through optical waveguide 210A, light receiving element array 203A that receives an optical signal transmitted through optical waveguide 210B and converts it into an electrical signal
  • the driving circuit 204A controls the light emission state of the laser array 202A
  • the amplification circuit 205A amplifies the electric signal converted by the light receiving element array 203A.
  • the surface emitting laser array 202A is controlled to emit light via a drive circuit 204A by a control signal from an external control unit (not shown).
  • the electrical signal converted by the light receiving element array 203A is transmitted to the control unit via the amplifier circuit 205A.
  • the wire bonding of the drive circuit 204A, the surface emitting laser array 202A, the amplifier circuit 205A, and the light receiving element array 203A is omitted.
  • the optical transceiver module 200B has the same configuration as the optical transceiver module 200A, but an optical signal from the surface emitting laser of one optical transceiver module is received by the light receiving element of the other optical transceiver module via the optical waveguide. Thus, they are connected in pairs. That is, the optical transmission / reception module 200B transmits an optical signal via the holding member 201B and each element provided on the holding member 201B, that is, the spacer 206B for positioning the optical waveguides 210A and 210B, and the optical waveguide 210B.
  • the surface emitting laser array 202B of the present invention a light receiving element array 203B that receives an optical signal transmitted through the optical waveguide 210A and converts it into an electric signal, a drive circuit 204B that controls the light emission state of the surface emitting laser array 202B, And an amplifier circuit 205B that amplifies the electric signal converted by the light receiving element array 203B.
  • the surface emitting laser array 202B is controlled to emit light via a drive circuit 204B by a control signal from an external control unit (not shown).
  • the electrical signal converted by the light receiving element array 203B is transmitted to the control unit via the amplifier circuit 205B.
  • optical coupling portion between the surface emitting laser arrays 202A and 202B and the optical waveguides 210A and 210B in the optical transceiver modules 200A and 200B shown in FIG. 10 will be specifically described.
  • optical coupling portion between the surface emitting laser array 202A of the optical transceiver module 200A and the optical waveguide 210A will be described.
  • These optical coupling portions are the surface emitting laser array 202B and the optical waveguide 210B of the optical transceiver module 200B. It can also be applied to the optical coupling part.
  • FIG. 11 is a side view showing an example of an optical coupling portion between the surface emitting laser array 202A and the optical waveguide 210A.
  • the optical coupling means on the surface emitting laser array 202A, on the side of the end surface of the optical waveguide 210A, the incident surface 220a facing the surface emitting laser array 202A and the end surface of the optical waveguide 210A are opposed.
  • a mirror assembly 220 having a light exit surface 220b and having a reflective surface 221 provided therein is provided.
  • the optical signal L emitted from the surface emitting laser array 202A enters the mirror assembly 220 from the incident surface 220a, is reflected by the reflecting surface 221, is emitted from the emitting surface 220b, and is coupled at the end surface of the optical waveguide 210A. It propagates in the waveguide 210A.
  • a microlens (array) for performing collimation or condensing may be provided on the incident surface 220a and / or the exit surface 220b of the mirror assembly 220.
  • the optical module mounted with the surface emitting laser device of the example and the surface emitting laser device of the comparative example are mounted with the optical transceiver module facing each other, using the modulation speed of 12.5 Gbps and the signal data PRBS: 2 31 ⁇ 1.
  • the jitter characteristics of the installed optical module were evaluated.
  • the jitter excluding the background of the measurement system was as large as 0.35 UI (unit interval, time per bit) or more.
  • a sufficiently low jitter value of 0.2 UI was obtained.
  • the optical module including the surface emitting laser device is an optical module that can suppress the deterioration of the quality of the signal light and realize good modulation characteristics.
  • the present invention is not limited to this, and a desired surface-emitting laser element desired to be used is driven by a modulation driving current having a predetermined relationship with the switching current value, and the effect as the embodiment of the present invention is achieved.
  • a surface emitting laser device may be realized.
  • the modulation driving current the bias current is typically 5 mA and the amplitude is 3 mA, but the bias current may be 3 mA to 7 mA and the amplitude may be 2 mA to 3 mA. In this case, the maximum value of the modulation drive current is 10 mA or less.
  • the surface emitting laser element that can be used for the present invention is not limited to the one having the configuration shown in FIG.
  • the present invention can be applied to a surface emitting laser element having no intracavity structure. That is, the present invention can also be applied to a surface emitting laser element having a structure in which carriers injected into the active layer are injected into the active layer via the lower DBR mirror and / or the upper DBR mirror.
  • the n-type semiconductor layer is disposed below the active layer and the p-type semiconductor layer is disposed above the active layer.
  • the n-type semiconductor layer is disposed above the active layer, A p-type semiconductor layer may be disposed below the active layer.
  • the material, size, etc. of the compound semiconductor are set for the 1.1 ⁇ m wavelength band.
  • each material, size, and the like are appropriately set according to the desired oscillation wavelength of the laser beam, and are not particularly limited.
  • an InP-based material may be used as a semiconductor material constituting each semiconductor layer.
  • the Al-containing layer can be composed of an InAlAs layer.
  • the surface emitting laser device according to the present invention is suitable for use in the field of optical communication.

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Abstract

　面発光レーザ素子１０２と、前記面発光レーザ素子１０２に、バイアス電流を挟んで強度変調された変調駆動電流を供給する駆動装置と、を備え、前記面発光レーザ素子１０２は、レーザ発振する横モードの数が、前記変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化し、前記面発光レーザ素子１０２のレーザ発振する横モード数が切り替わる切替り電流のうち、前記レーザ発振する横モード数が１から２に切り替わる電流を第１切替り電流としたとき、前記駆動装置は、前記バイアス電流と前記変調駆動電流の最大値との間に前記第１切替り電流が含まれないように設定した変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給する。これにより、信号光の品質の劣化を抑制でき、良好な変調特性の面発光レーザ装置、光モジュールおよび面発光レーザ素子の駆動方法を提供することができる。

Description

面発光レーザ装置、光モジュールおよび面発光レーザ素子の駆動方法
　本発明は、面発光レーザ装置、光モジュールおよび面発光レーザ素子の駆動方法に関するものである。
　光インターコネクションなどの比較的短距離の光伝送においては、信号光源として面発光レーザ素子（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ：ＶＣＳＥＬ）が使用される場合がある。たとえば、非特許文献１では、８５０ｎｍ波長帯において複数の横モードがレーザ発振するマルチモード面発光レーザ素子が開示されている。
Ｐ．Ｗｅｓｔｂｅｒｇｈ　ｅｔ　ａｌ．，　“Ｈｉｇｈ－Ｓｐｅｅｄ，　Ｌｏｗ－Ｃｕｒｒｅｎｔ－Ｄｅｎｓｉｔｙ　８５０　ｎｍ　ＶＣＳＥＬｓ”，　ＩＥＥＥ　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＳＥＬＥＣＴＥＤ　ＴＯＰＩＣＳ　ＩＮ　ＱＵＡＮＴＵＭ　ＥＲＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，　ＶＯＬ．　１５，　ＮＯ．　３，　ＭＡＹ／ＪＵＮＥ　２００９，　ＰＰ．６９４－７０３．
　ところで、変調速度が高い高速光伝送を実現しようとする場合、信号光としては、スペクトル線幅が狭い、すなわち横モードの数が少ないレーザ光であることがより好ましい。
　しかしながら、横モード数が少ないレーザ光を出力する面発光レーザ素子を変調電流によって駆動した場合、変調されたレーザ信号光の品質が劣化し、良好な変調特性が得られない場合があるという問題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、良好な変調特性を有する面発光レーザ装置および面発光レーザ素子の駆動方法を提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る面発光レーザ装置は、面発光レーザ素子と、前記面発光レーザ素子に、バイアス電流を挟んで強度変調された変調駆動電流を供給する駆動装置と、を備え、前記面発光レーザ素子は、レーザ発振する横モードの数が、前記変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化し、前記面発光レーザ素子のレーザ発振する横モード数が切り替わる切替り電流のうち、前記レーザ発振する横モード数が１から２に切り替わる電流を第１切替り電流としたとき、前記駆動装置は、前記バイアス電流と前記変調駆動電流の最大値との間に前記第１切替り電流が含まれないように設定した変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする。
　また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記駆動装置は、前記バイアス電流が、前記第１切替り電流よりも大きい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする。
　また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記駆動装置は、前記変調駆動電流の最大値が、前記切替り電流のうち前記第１切替り電流の高電流側に隣接する第２切替り電流よりも小さい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする。
　また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記駆動装置は、前記変調駆動電流の最小値が、前記第１切替り電流よりも大きい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする。
　また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記面発光レーザ素子は、第１反射鏡および第２反射鏡と、前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間に配置された活性層と、前記第２反射鏡と前記活性層との間に配置され、電流注入部と選択酸化熱処理によって前記電流注入部の外周に形成された選択酸化層とを有する電流狭窄層とを備え、前記第１切替り電流が前記値となるように前記電流注入部の開口径が調整されていることを特徴とする。
　また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記電流注入部の開口径が８μｍ以上であることを特徴とする。
　また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記面発光レーザ素子は、前記変調駆動電流の範囲において前記レーザ発振する横モード数が最大となるときの横モード数が、基本モードと第１高次モードとの２つであることを特徴とする。
　また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記面発光レーザ素子は、前記変調駆動電流の範囲において前記レーザ発振する横モード数が最大となるときの横モード数が、基本モードと第１高次モードと第２高次モードとの３つであることを特徴とする。
　また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、前記変調駆動電流の最大値が１０ｍＡ以下であることを特徴とする。
　また、本発明に係る面発光レーザ装置は、上記発明において、変調速度が２５Ｇｂｐｓ以上であることを特徴とする。
　また、本発明に係る光モジュールは、上記発明のいずれか１つに記載の面発光レーザ装置を備えることを特徴とする。
　また、本発明に係る面発光レーザ素子の駆動方法は、バイアス電流を挟んで強度変調された変調駆動電流を供給したときに、レーザ発振する横モードの数が、前記変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化する面発光レーザ素子の駆動方法であって、前記面発光レーザ素子のレーザ発振する横モード数が切り替わる切替り電流のうち、前記レーザ発振する横モード数が１から２に切り替わる電流を第１切替り電流としたとき、前記バイアス電流と前記変調駆動電流の最大値との間に前記第１切替り電流が含まれないように設定した変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする。
　本発明によれば、信号光の品質の劣化を抑制でき、良好な変調特性を実現できるという効果を奏する。
図１は、実施の形態１に係る面発光レーザ装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す面発光レーザ素子の模式的な断面図である。 図３は、少数横モードのレーザ光のスペクトルの一例を示す図である。 図４は、実施の形態１におけるバイアス電流の設定の一例を示す図である。 図５は、比較形態におけるバイアス電流の設定の一例を示す図である。 図６は、実施例のバイアス電流の設定を示す図である。 図７は、比較例のバイアス電流の設定を示す図である。 図８は、実施例のアイダイアグラムを示す図である。 図９は、比較例のアイダイアグラムを示す図である。 図１０は、本実施の形態２に係る２つの光送受信モジュールが、２本の光ファイバを介して接続している送受信システムを示す模式な平面図である。 図１１は、面発光レーザと光導波路との光結合部分の例を示す側面図である。
　以下に、図面を参照して本発明に係る面発光レーザ装置、光モジュールおよび面発光レーザ素子の駆動方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。
（実施の形態１）
　図１は、本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、この面発光レーザ装置１００は、演算処理装置１０１と、面発光レーザ素子１０２と、演算処理装置１０１と面発光レーザ素子１０２との間に設けられたレーザ駆動装置１０３と、を備えている。
　演算処理装置１０１は、外部からの指令に従って演算を行い、その演算結果に従って、変調信号である差動電圧信号Ｖｓ１０１を出力する。また、演算処理装置１０１には、外部から供給電圧Ｖ１０１、Ｖ１０２が供給されている。供給電圧Ｖ１０１はたとえばＩ／Ｏ電圧の３．３Ｖ、供給電圧Ｖ１０２はたとえばコア電圧の１．５Ｖである。また、レーザ駆動装置１０３は、演算処理装置１０１が出力した差動電圧信号Ｖｓ１０１を増幅し、かつ供給されたバイアス電圧Ｖｂ１０１と重畳させて変調駆動電圧Ｖｄ１０１として出力する。変調駆動電圧Ｖｄ１０１は、バイアス電圧Ｖｂ１０１を挟んで強度変調された電圧信号であり、バイアス電圧Ｖｂ１０１より低い“０”レベルの電圧とバイアス電圧Ｖｂ１０１より高い“１”レベルの電圧とで構成される。
　面発光レーザ素子１０２は、レーザ駆動装置１０３が出力した変調駆動電圧Ｖｄ１０１を印加され、変調駆動電流を供給されると、所望の波長のレーザ信号光を出力する。ここで、面発光レーザ素子１０２が出力するレーザ光は、その活性層の半導体材料のエネルギーバンドギャップに相当する波長を有している。また、バイアス電圧Ｖｂ１０１も、活性層の半導体材料のエネルギーバンドギャップに対応させたものとなる。たとえば、面発光レーザ素子１０２が出力するレーザ光の波長が１．１μｍ帯の場合は、たとえば１．５Ｖ程度のバイアス電圧Ｖｂ１０１が供給される。
　つぎに、面発光レーザ素子１０２の具体的構成の一例について説明する。図２は、図１に示す面発光レーザ素子１０２の模式的な断面図である。
　図２に示すように、この面発光レーザ素子１０２は、基板１と、基板１上に形成された第１反射鏡である下部ＤＢＲ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　Ｂｒａｇｇ　Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）ミラー２と、バッファ層３と、ｎ型コンタクト層４と、多重量子井戸構造を有する活性層５と、下部傾斜組成層６と、外周に位置する電流狭窄部７ａと電流狭窄部７ａの中心に位置する略円形の電流注入部（または開口部）７ｂとを有する電流狭窄層７と、上部傾斜組成層８と、ｐ型スペーサ層９と、ｐ＋型電流経路層１０と、ｐ型スペーサ層１１と、ｐ＋型コンタクト層１２とが順次積層した構造を有する。そして、活性層５からｐ＋型コンタクト層１２までが円柱状のメサポストＭを構成している。
　基板１は、たとえばアンドープのＧａＡｓからなる。下部ＤＢＲミラー２は、たとえばＧａＡｓ／Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層の３４ペアからなる。バッファ層３は、たとえばアンドープのＧａＡｓからなる。ｎ型コンタクト層４は、たとえばｎ型ＧａＡｓからなる。活性層５は、たとえば１．１μｍ帯のレーザ光用として、層数が３のＩｎＧａＡｓ層と層数が４のＧａＡｓ障壁層が交互に積層した構造を有しており、最下層のＧａＡｓ障壁層はｎ型クラッド層としても機能する。
　電流狭窄層７については、たとえば電流狭窄部７ａはＡｌ２Ｏ３からなり、電流注入部７ｂは、ＡｌＡｓからなる。電流注入部７ｂの直径（開口径）Ａ１はたとえば６μｍ以上である。下部傾斜組成層６および上部傾斜組成層８は、たとえばＡｌＧａＡｓからなり、厚さ方向において電流狭窄層７に近づくにつれてそのＡｌ組成が段階的に増加するように構成されている。ｐ型スペーサ層９、１１とｐ＋型電流経路層１０、ｐ＋型コンタクト層１２とは、たとえばそれぞれ炭素をドープしたｐ型、ｐ＋型のＧａＡｓからなる。なお、各ｐ型またはｎ型層のアクセプタまたはドナー濃度はたとえば１×１０１８ｃｍ－３程度であり、ｐ＋型層のアクセプタ濃度はたとえば１×１０１９ｃｍ－３以上である。ＧａＡｓからなる各半導体層の屈折率は約３．４５である。
　ｐ＋型コンタクト層１２上には、Ｐｔ／Ｔｉからなり、中心に開口部１３ａを有するｐ側円環電極１３が形成されている。メサポストＭおよびｐ側円環電極１３の外径は、たとえば３０μｍ以上であり、開口部１３ａの内径（開口径）Ａ２は、たとえば１１μｍ以上である。
　ｐ側円環電極１３の開口部１３ａ内には、たとえば誘電体である窒化珪素（ＳｉＮｘ）からなる円板状の位相調整層１４が形成されている。この位相調整層１４は、光共振器を構成する下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１５との間に形成される光の定在波の節や腹の位置を適正に調整する機能を有する。
　さらに、位相調整層１４上からメサポストＭの外周にわたって、誘電体からなる第２反射鏡である上部ＤＢＲミラー１５が形成されている。上部ＤＢＲミラー１５は、たとえばＳｉＮｘ／ＳｉＯ２の１０～１２ペアからなるが、たとえばα－Ｓｉ／ＳｉＯ２またはα－Ｓｉ／Ａｌ２Ｏ３のペアを、その材料の屈折率に応じて９９％程度の適切な反射率がえられるようなペア数にしたものでもよい。
　ｎ型コンタクト層４は、メサポストＭの下部から上部ＤＢＲミラー１５の外周側に延設しており、その表面にたとえばＡｕＧｅＮｉ／Ａｕからなる半円環状のｎ側電極１６が形成されている。ｎ側電極１６は、たとえば外径が８０μｍ、内径が４０μｍである。上部ＤＢＲミラー１５が形成されていない領域には、表面保護のためにＳｉＮｘなどの誘電体からなるパッシベーション膜１７が形成されている。
　また、ｎ側電極１６に対して、パッシベーション膜１７に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなる引き出し電極１８が形成されている。一方、ｐ側円環電極１３に対しても、パッシベーション膜１７に形成された開口部を介して接触するように、Ａｕからなる引き出し電極１８が形成されている。引き出し電極１８はレーザ駆動装置１０３と接続している。
　面発光レーザ素子１０２は、引き出し電極１８からｎ側電極１６とｐ側円環電極１３とを介して変調駆動電圧Ｖｄ１０１を印加する。注入された変調駆動電流Ｖｄ１０１は主に低抵抗のｐ＋型コンタクト層１２とｐ＋型電流経路層１０とを流れ、さらに電流経路が電流狭窄層７によって電流注入部７ｂ内に狭窄されて、高い電流密度で活性層５に供給される。その結果、活性層５はキャリア注入されて自然放出光を発光する。自然放出光のうち、レーザ発振波長である１１００ｎｍ帯の光は、下部ＤＢＲミラー２と上部ＤＢＲミラー１５との間で定在波を形成し、活性層５によって増幅される。そして、注入電流がしきい値以上になると、定在波を形成する光がレーザ発振し、ｐ側円環電極１３の開口部１３ａから１１００ｎｍ帯のレーザ信号光が出力する。
　面発光レーザ素子１０２は、注入する電流の値に応じてレーザ発振する横モードの数が変化する。具体的には、注入する電流値がしきい値電流を越えると、まず基本モードがレ－ザ発振する。このときレーザ発振する横モードの数は１である。さらに駆動電流を増加するにつれて、レーザ発振する横モード数が２、３、・・と段階的に増加する。本明細書では、少数（１～３程度）の横モードがレーザ発振している状態を想定し、変調駆動電流を供給したときに、レーザ発振する横モードの数が、変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化する状態を少数横モード発振状態と規定する。
　図３は、少数横モードのレーザ光のスペクトルの一例を示す図である。縦軸は光強度をｄＢ単位で表している。図３のスペクトルでは、横モードとして、基本モードのレーザ光Ｍ１、第１高次モードのレーザ光Ｍ２、第２高次モードのレーザ光Ｍ３が表れている。このスペクトルにおいて、基本モードのレーザ光Ｍ１と第１高次モードのレーザ光Ｍ２との強度比ｄ１が３０ｄＢより小さく、第１高次モードのレーザ光Ｍ２と第２高次モードのレーザ光Ｍ３との強度比ｄ２が３０ｄＢ以上である。この場合、レーザ発振している横モード数は２である。
　より一般的には、複数の横モードがスペクトル上に表れている場合、Ｎ（Ｎ＝１～３）本目のモードのレーザ光と（Ｎ＋１）本目のモードのレーザ光との強度比が３０ｄＢ以上の場合、レーザ発振している横モード数はＮであると規定する。
　ただし、Ｎ本目のモードのレーザ光と（Ｎ＋１）本目のモードのレーザ光との強度比が３０ｄＢ以上となるＮが存在しない場合、最も強度が高いモードからの強度比が３０ｄＢ以内のモードのうち、最も大きいＮにより横モード数をＮと規定する。たとえば、１本目のモードのレーザ光と２本目のモードのレーザ光との強度比が５ｄＢであり、２本目のモードのレーザ光と３本目のモードのレーザ光との強度比が２０ｄＢであり、３本目のモードのレーザ光と４本目のモードのレーザ光との強度比が２０ｄＢである、という状態の場合、Ｎ本目のモードのレーザ光と（Ｎ＋１）本目のモードのレーザ光との強度比が３０ｄＢ以上となるＮが存在しない。このとき、最も強度が高いモードがＮ＝１であれば、最も強度が高いモードからの強度比が３０ｄＢ以内のモードのうち、最も大きいＮは３となり、横モード数は３である。
　ここで、上述したように、少数横モードのような、レーザ発振する横モード数が少ない面発光レーザ素子を変調駆動電流によって駆動した場合、出力するレーザ信号光の品質が劣化する場合があるという問題があった。
　本発明者がその原因を精査したところ、駆動電流が強度変調により変調振幅内で変化する場合、その変化によって面発光レーザ素子のレーザ発振する横モード数が切り替わる場合がある。この切り替わりに起因して面発光レーザ素子内でのキャリア濃度の空間分布変動などが発生し、その結果としてレーザ信号光にノイズが重畳し、品質劣化が発生する場合があることを見いだした。さらに本発明者は、横モード数が切り替わる電流値が、変調駆動電流の変調振幅内であってもバイアス電流値よりも小さい場合は、レーザ信号光の品質劣化を大幅に抑制できることを見いだした。
　そこで、本実施の形態１に係る面発光レーザ装置１００では、バイアス電流が、面発光レーザ素子１０２のレーザ発振する横モード数が切り替わる電流（以下、切替り電流という）の値よりも大きくなるように変調駆動電流（または変調駆動電圧Ｖｄ１０１）を設定することによって、レーザ信号光の品質劣化を大幅に抑制している。
　図４は、本実施の形態１におけるバイアス電流の設定の一例を示す図である。図４の中央には、面発光レーザ素子１０２の電流－出力光強度特性とスロープ効率を模式的に示している。図４の場合は、第１切替り電流としての切替り電流Ｉｃ１にてレーザ発振の横モード数が１から２に切り替わり、切替り電流Ｉｃ１の高電流側に隣接する第２切替り電流としての切替り電流Ｉｃ２にて横モード数が２から３に切り替わっている。図面上部には横モード数が１、２の場合のスペクトルをそれぞれ示している。また、切替り電流Ｉｃ１、Ｉｃ２では電流－出力光強度特性にキンク（ｋｉｎｋ）が発生し、スロープ効率も変化する。
　図４に示す例では、変調駆動電流Ｉｄ１を、バイアス電流Ｉｂ１が切替り電流Ｉｃ１よりも大きくなるように設定している。なお、具体的には、切替り電流Ｉｃ１は、変調駆動電流Ｉｄ１のバイアス電流Ｉｂ１と、変調駆動電流Ｉｄ１の最小値である“０”レベルの電流との間の値になっている。また、横モード数が２から３への切替り電流Ｉｃ２よりも、変調駆動電流Ｉｄ１の最大値である“１”レベルの電流が小さい値となっており、切替り電流Ｉｃ２は、バイアス電流Ｉｂ１と“１”レベルの電流との間には無い状態となっている。このように駆動電流を設定することによってレーザ信号光の品質劣化が大幅に抑制される。
　一方、図５は、比較形態におけるバイアス電流の設定の一例を示す図である。図５の中央は、面発光レーザ素子１０２とは異なる比較用面発光レーザ素子の電流－出力光強度特性とスロープ効率を模式的に示している。比較用面発光レーザ素子は、第１切替り電流としての切替り電流Ｉｃ３にてレーザ発振の横モード数が１から２に切り替わるものとする。
　図５に示す例では、変調駆動電流Ｉｄ１を、バイアス電流Ｉｂ１が切替り電流Ｉｃ３よりも小さくなるように設定している。具体的には、切替り電流Ｉｃ３は、バイアス電流Ｉｂ１と、“１”レベルの電流との間の値になっている。このように、横モード数が１から２に切り替わる切替り電流Ｉｃ３が、バイアス電流Ｉｂ１と、“１”レベルの電流との間の値になるように変調駆動電流Ｉｄ１を設定すると、レーザ信号光の品質は図４の例の場合よりも劣化する。
　なお、横モード数の切り替わりがレーザ信号光の品質に与える影響については、横モード数が１から２に切り替わる場合がもっとも影響が大きく、２から３、３から４と、より高次モードが増加する切り替わりの場合は、影響が小さくなる。
　その結果、たとえば図４の変形例１として、横モード数が１から２への切替り電流Ｉｃ１が、バイアス電流Ｉｂ１と“０”レベルの電流との間にあり、かつ横モード数が２から３への切替り電流Ｉｃ２が、バイアス電流Ｉｂ１と“１”レベルの電流との間にあるように変調駆動電流Ｉｄ１を設定した場合と、横モード数が１から２への切替り電流Ｉｃ３が、バイアス電流Ｉｂ１と“１”レベルの電流との間にある比較形態とを比較した場合、変形例１の場合の方が、レーザ信号光の品質劣化はより少ない。
　すなわち、バイアス電流Ｉｂ１の近傍の切替り電流（第１切替り電流）よりも、バイアス電流Ｉｂ１が大きくなるように設定されていれば、より高次モードが増加する第２切替り電流が、バイアス電流Ｉｂ１と“１”レベルの電流との間にあっても、レーザ信号光の品質劣化を抑制する効果がある。
　また、図４の変形例２として、変形例１において横モード数が１から２への切替り電流Ｉｃ１よりも、変調駆動電流Ｉｄ１の最小値である“０”レベルの電流の方が大きくなるように変調駆動電流Ｉｄ１を設定すると、変形例１よりも好ましい。さらには、図４の変形例３として、横モード数が１から２への切替り電流Ｉｃ１よりも、“０”レベルの電流の方が大きく、かつ横モード数が２から３への切替り電流Ｉｃ２よりも、“１”レベルの電流の方が小さくなるように変調駆動電流Ｉｄ１を設定すると、切替り電流が変調駆動電流の変調振幅内に含まれない。すなわち、面発光レーザ素子の駆動中にレーザ発振の横モードの数が変化しないので、レーザ信号光の品質劣化がさらに抑制され、変形例１、２よりも好ましい。
　つぎに、本発明の実施例、比較例として、図１に示す構成の面発光レーザ装置を作製し、変調速度１０Ｇｂｐｓの変調駆動電圧を面発光レーザ素子に印加して駆動し、出力されるレーザ信号光のアイダイアグラムを測定した。
　ここで、実施例の面発光レーザ素子としては、図６に示す電流－出力光強度特性およびスロープ効率特性を有するものを用いた。この面発光レーザ素子は、レーザ発振の横モード数が１から２への切替り電流が約３ｍＡであり、横モード数が２から３への切替り電流が約９ｍＡであった。そこで、変調駆動電流Ｉｄ２のバイアス電流Ｉｂ２を５ｍＡとし、変調駆動電流Ｉｄ２の範囲を２．５ｍＡ～７．５ｍＡ（±２．５ｍＡ）とした。すなわち、この実施例では、変調駆動電流Ｉｄ２についてのバイアス電流Ｉｂ２を、バイアス電流Ｉｂ２の近傍の値を有する第１切替り電流（約３ｍＡ）よりも大きい５ｍＡとし、かつそれより高電流側の第２切替り電流がバイアス電流Ｉｂ２と“１”レベルの電流との間に無いように駆動電流Ｉｄ２を設定している。
　なお、実施例の面発光レーザ素子のしきい値電流は約０．３ｍＡであるから、バイアス電流Ｉｂ２である５ｍＡは、しきい値電流の約１７倍である。このように、バイアス電流Ｉｂ２を大きくすると緩和振動周波数が増大して高速変調がしやすくなる。バイアス電流Ｉｂ２は、たとえば面発光レーザ素子のしきい値電流の５倍以上であることが好ましい。
　一方、比較例の面発光レーザ素子としては、図７に示す電流－出力光強度特性およびスロープ効率特性を有するものを用いた。この面発光レーザ素子は、レーザ発振の横モード数が１から２への切替り電流が約６ｍＡであった。この比較例に対しても、実施例と同様に、変調駆動電流Ｉｄ２のバイアス電流Ｉｂ２を５ｍＡとし、変調駆動電流Ｉｄ２の範囲を２．５ｍＡ～７．５ｍＡ（±２．５ｍＡ）とした。すなわち、この比較例では、第１切替り電流（約６ｍＡ）は、バイアス電流Ｉｂ２である５ｍＡと“１”レベルの電流である７．５ｍＡとの間の値となっている。
　図８は、実施例のアイダイアグラムを示す図である。図９は、比較例のアイダイアグラムを示す図である。図８、９に示すように、比較例のアイダイアグラムでは、トレースが太くなっていた。この現象は、比較例ではレーザ信号光のノイズが大きく、伝送データの誤り率が高いことを示している。一方、実施例のアイダイアグラムでは、トレースが細いままであった。この現象は、実施例ではレーザ信号光のノイズが小さく、伝送データの誤り率が低いことを示している。
　また、レーザ信号光のノイズは時間軸方向ではジッタとして表れる。変調速度が高くなると、１ビットあたりの時間が短くなるので、ジッタの影響は相対的に大きくなる。従って、実施例の面発光レーザ装置において、変調速度が高い場合、たとえば変調速度が２５Ｇｂｐｓ以上のとき、信号光の品質の劣化を抑制でき、良好な変調特性を実現できるという効果が顕著となる。
　上記実施の形態１と比較形態とでは、変調駆動電流の設定は同じであるが、その変調駆動電流に対して所定の関係にある切替り電流値を有する面発光レーザ素子を用いることによって、本発明の実施の形態１としての効果を奏する面発光レーザ装置を実現するようにしている。このような実施の形態１は、所望の変調駆動電流に対して本発明の実施の形態１としての効果を得たい場合に有効である。
　レーザ発振する横モード数の切替り電流値は、たとえば図２の面発光レーザ素子１０２の電流狭窄層７の開口部の開口径Ａ１やｐ側円環電極１３の開口部１３ａの開口径Ａ２を変更することで調整することができる。
　好ましい例としては、電流狭窄層７の開口径Ａ１を６μｍ以上とし、発振する横モード数を２とし、ｐ側円環電極１３の開口径Ａ２を１１μｍ以上とし、発振させるモードである基本モードおよび第１高次モードの電界強度分布が、ｐ側円環電極１３とあまりオーバーラップせず、損失があまり発生しないようにすることが好ましい。このように損失を抑制することによって、第１高次モードの発振しきい値電流が小さくなるので、バイアス電流を低く設定することが可能となる。
　別の好ましい例としては、電流狭窄層７の開口径Ａ１を８μｍ以上とし、発振する横モード数を２または３とし、ｐ側円環電極１３の開口径Ａ２を１２μｍ以上とし、発振させるモードである基本モードおよび第１高次モード（横モード数が３の場合はさらに第２高次モード）の電界強度分布が、ｐ側円環電極１３とあまりオーバーラップせず、損失があまり発生しないようにすることが好ましい。このように損失を抑制することによって、所望の高次モードの発振しきい値電流が小さくなるので、上記と同様にバイアス電流を低く設定することが可能となる。
（実施の形態２）
　本発明の実施の形態１に係る面発光レーザ装置は、面発光レーザアレイ、受光素子アレイ、光ファイバケーブル等の光導波路と組み合わせて様々な並列光モジュールを構成することができる。
　図１０は、本実施の形態２に係る２つの光送受信モジュール２００Ａ、２００Ｂが、２本の光ファイバケーブルである光導波路２１０Ａ、２１０Ｂを介して接続している送受信システムを示す模式な平面図である。図１０において、光送受信モジュール２００Ａは、保持部材２０１Ａと、保持部材２０１Ａ上に設けられた各要素、すなわち、光ファイバケーブル等の光導波路２１０Ａ、２１０Ｂを載置してこれらの位置決めを行うためのスペーサ２０６Ａ、光導波路２１０Ａを介して光信号を送信する本発明の面発光レーザアレイ２０２Ａ、光導波路２１０Ｂを介して送信されてきた光信号を受信し電気信号に変換する受光素子アレイ２０３Ａ、面発光レーザアレイ２０２Ａの発光状態を制御する駆動回路２０４Ａ、および受光素子アレイ２０３Ａが変換した電気信号を増幅する増幅回路２０５Ａとで構成されている。面発光レーザアレイ２０２Ａは外部の制御部（図示しない）からの制御信号によって駆動回路２０４Ａを介して発光制御される。また、受光素子アレイ２０３Ａが変換した電気信号は増幅回路２０５Ａを介して制御部へ送信される。なお、煩雑さを避けるために、駆動回路２０４Ａと面発光レーザアレイ２０２Ａおよび増幅回路２０５Ａと受光素子アレイ２０３Ａのワイヤボンディングは記載を省略している。
　なお、光送受信モジュール２００Ｂは、光送受信モジュール２００Ａと同様の構成を有するが、一方の光送受信モジュールの面発光レーザからの光信号が光導波路を介して他方の光送受信モジュールの受光素子で受信するというように、対になるように接続される。すなわち、光送受信モジュール２００Ｂは、保持部材２０１Ｂと、保持部材２０１Ｂ上に設けられた各要素、すなわち、光導波路２１０Ａ、２１０Ｂの位置決めを行うためのスペーサ２０６Ｂ、光導波路２１０Ｂを介して光信号を送信する本発明の面発光レーザアレイ２０２Ｂ、光導波路２１０Ａを介して送信されてきた光信号を受信し電気信号に変換する受光素子アレイ２０３Ｂ、面発光レーザアレイ２０２Ｂの発光状態を制御する駆動回路２０４Ｂ、および受光素子アレイ２０３Ｂが変換した電気信号を増幅する増幅回路２０５Ｂとで構成されている。面発光レーザアレイ２０２Ｂは外部の制御部（図示しない）からの制御信号によって駆動回路２０４Ｂを介して発光制御される。また、受光素子アレイ２０３Ｂが変換した電気信号は増幅回路２０５Ｂを介して制御部へ送信される。
　つぎに、図１０に示す光送受信モジュール２００Ａ、２００Ｂにおける面発光レーザアレイ２０２Ａ、２０２Ｂと光導波路２１０Ａ、２１０Ｂとの光結合部分について具体的に説明する。なお、以下では、光送受信モジュール２００Ａの面発光レーザアレイ２０２Ａと光導波路２１０Ａとの光結合部分の説明を行うが、これらの光結合部分は光送受信モジュール２００Ｂの面発光レーザアレイ２０２Ｂと光導波路２１０Ｂとの光結合部分に対しても適用できるものである。
　図１１は、面発光レーザアレイ２０２Ａと光導波路２１０Ａとの光結合部分の例を示す側面図である。図１１に示す例では、光結合手段として、面発光レーザアレイ２０２Ａ上であって光導波路２１０Ａの端面側方に、面発光レーザアレイ２０２Ａに対向する入射面２２０ａと光導波路２１０Ａの端面に対向する出射面２２０ｂとを有し、内部に反射面２２１の設けられたミラーアセンブリ２２０が設置されている。そして、面発光レーザアレイ２０２Ａから出射した光信号Ｌは、ミラーアセンブリ２２０に入射面２２０ａから入射し、反射面２２１によって反射され、出射面２２０ｂから出射されて光導波路２１０Ａの端面で結合し、光導波路２１０Ａ内を伝播する。なお、ミラーアセンブリ２２０の入射面２２０ａおよび／または出射面２２０ｂに、コリメートや集光を行なうためのマイクロレンズ（アレイ）を設けてもよい。
　上記の通り、光送受信モジュールを対向させ、変調速度１２．５Ｇｂｐｓ、信号データＰＲＢＳ：２３１－１を用いて、実施例の面発光レーザ装置を搭載した光モジュールおよび比較例の面発光レーザ装置を搭載した光モジュールのジッタ特性を評価した。その結果、比較例の面発光レーザ装置を搭載した光モジュールでは、測定系のバックグラウンド分を除いたジッタが０．３５ＵＩ（ユニットインターバル、１ビットあたりの時間）以上と大きかった。一方、実施例の面発光レーザ装置を搭載した光モジュールでは、ジッタが０．２ＵＩと十分低い値が得られた。ここで良好な伝送特性の目安として、ジッタは０．３ＵＩ以下であることが望ましい。このように、実施例の面発光レーザ装置を備えた光モジュールは、信号光の品質の劣化を抑制でき、良好な変調特性を実現した光モジュールである。
　ただし、本発明はこれに限られず、使用したい所望の面発光レーザ素子を、その切替り電流値と所定の関係にある変調駆動電流で駆動して、本発明の実施の形態としての効果を奏する面発光レーザ装置を実現するようにしてもよい。なお、変調駆動電流の例としては、典型的にはバイアス電流が５ｍＡ、振幅が３ｍＡであるが、バイアス電流が３ｍＡ～７ｍＡ、振幅が２ｍＡ～３ｍＡであってもよい。この場合、変調駆動電流の最大値は、１０ｍＡ以下である。
　また、本発明に対して使用できる面発光レ－ザ素子は、図２に示す構成のものに限定されない。たとえば、本発明は、イントラキャビティ構造でない面発光レーザ素子にも適用できる。すなわち、活性層に注入されるキャリアが、下部ＤＢＲミラーおよび／または上部ＤＢＲミラーのそれぞれを経由して活性層に注入される構造の面発光レーザ素子にも本発明は適用できる。
　また、上記実施の形態では、活性層の下部にｎ型半導体層が配置され、活性層の上部にｐ型半導体層が配置されているが、活性層の上部にｎ型半導体層が配置され、活性層の下部にｐ型半導体層が配置されていてもよい。
　また、上記実施の形態では、１．１μｍ波長帯用にその化合物半導体の材料、サイズ等が設定されている。しかしながら、各材料やサイズ等は、所望のレーザ光の発振波長に応じて適宜設定されるものであり、特に限定はされない。たとえば、各半導体層を構成する半導体材料としてＩｎＰ系の材料を用いてもよい。この場合、Ａｌ含有層はＩｎＡｌＡｓ層で構成することができる。
　また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。
　以上のように、本発明に係る面発光レーザ装置は、光通信の分野に利用して好適なものである。
　１　基板
　２　下部ＤＢＲミラー
　３　バッファ層
　４　ｎ型コンタクト層
　５　活性層
　６　下部傾斜組成層
　７　電流狭窄層
　７ａ　電流狭窄部
　７ｂ　電流注入部
　８　上部傾斜組成層
　９、１１　ｐ型スペーサ層
　１０　ｐ＋型電流経路層
　１２　ｐ＋型コンタクト層
　１３　ｐ側円環電極
　１３ａ　開口部
　１４　位相調整層
　１５　上部ＤＢＲミラー
　１６　ｎ側電極
　１７　パッシベーション膜
　１８　引き出し電極
　１００　面発光レーザ装置
　１０１　演算処理装置
　１０２　面発光レーザ素子
　１０３　レーザ駆動装置
　２００Ａ、２００Ｂ　光送受信モジュール
　２０１Ａ、２０１Ｂ　保持部材
　２０２Ａ、２０２Ｂ　面発光レーザアレイ
　２０３Ａ、２０３Ｂ　受光素子アレイ
　２０４Ａ、２０４Ｂ　駆動回路
　２０５Ａ、２０５Ｂ　増幅回路
　２０６Ａ、２０６Ｂ　スペーサ
　２１０Ａ、２１０Ｂ　光導波路
　２２０　ミラーアセンブリ
　２２１　反射面
　Ａ１、Ａ２　開口径
　ｄ１、ｄ２　強度比
　Ｉｂ１、Ｉｂ２　バイアス電流
　Ｉｃ１、Ｉｃ２、Ｉｃ３　切替り電流
　Ｉｄ１、Ｉｄ２　変調駆動電流
　Ｌ　光信号
　Ｍ　メサポスト
　Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３　レーザ光
　Ｖｓ１０１　差動電圧信号
　Ｖ１０１、Ｖ１０２　供給電圧
　Ｖｂ１０１　バイアス電圧
　Ｖｄ１０１　変調駆動電圧

Claims (12)

  1. 　面発光レーザ素子と、
    　前記面発光レーザ素子に、バイアス電流を挟んで強度変調された変調駆動電流を供給する駆動装置と、
    　を備え、
    　前記面発光レーザ素子は、レーザ発振する横モードの数が、前記変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化し、
    　前記面発光レーザ素子のレーザ発振する横モード数が切り替わる切替り電流のうち、前記レーザ発振する横モード数が１から２に切り替わる電流を第１切替り電流としたとき、前記駆動装置は、前記バイアス電流と前記変調駆動電流の最大値との間に前記第１切替り電流が含まれないように設定した変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする面発光レーザ装置。
  2. 　前記駆動装置は、前記バイアス電流が、前記第１切替り電流よりも大きい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ装置。
  3. 　前記駆動装置は、前記変調駆動電流の最大値が、前記切替り電流のうち前記第１切替り電流の高電流側に隣接する第２切替り電流よりも小さい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ装置。
  4. 　前記駆動装置は、前記変調駆動電流の最小値が、前記第１切替り電流よりも大きい値である変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザ装置。
  5. 　前記面発光レーザ素子は、
    　　第１反射鏡および第２反射鏡と、
    　　前記第１反射鏡と前記第２反射鏡との間に配置された活性層と、
    　　前記第２反射鏡と前記活性層との間に配置され、電流注入部と選択酸化熱処理によって前記電流注入部の外周に形成された選択酸化層とを有する電流狭窄層と
    　　を備え、前記第１切替り電流が前記値となるように前記電流注入部の開口径が調整されていることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の面発光レーザ装置。
  6. 　前記電流注入部の開口径が８μｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザ装置。
  7. 　前記面発光レーザ素子は、前記変調駆動電流の範囲において前記レーザ発振する横モード数が最大となるときの横モード数が、基本モードと第１高次モードとの２つであることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の面発光レーザ装置。
  8. 　前記面発光レーザ素子は、前記変調駆動電流の範囲において前記レーザ発振する横モード数が最大となるときの横モード数が、基本モードと第１高次モードと第２高次モードとの３つであることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の面発光レーザ装置。
  9. 　前記変調駆動電流の最大値が１０ｍＡ以下であることを特徴とする請求項１～８のいずれか一つに記載の面発光レーザ装置。
  10. 　変調速度が２５Ｇｂｐｓ以上であることを特徴とする請求項１～９のいずれか一つに記載の面発光レーザ装置。
  11. 　請求項１～１０のいずれか１つに記載の面発光レーザ装置を備えることを特徴とする光モジュール。
  12. 　バイアス電流を挟んで強度変調された変調駆動電流を供給したときに、レーザ発振する横モードの数が、前記変調駆動電流の値に応じて１から多くとも３まで変化する面発光レーザ素子の駆動方法であって、
    　前記面発光レーザ素子のレーザ発振する横モード数が切り替わる切替り電流のうち、前記レーザ発振する横モード数が１から２に切り替わる電流を第１切替り電流としたとき、前記バイアス電流と前記変調駆動電流の最大値との間に前記第１切替り電流が含まれないように設定した変調駆動電流を前記面発光レーザ素子に供給することを特徴とする面発光レーザ素子の駆動方法。
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