WO2022264202A1 - 半導体レーザ及び光送信器 - Google Patents

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semiconductor laser
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waveguide
size converter
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明晨 陳
隆彦 進藤
慈 金澤
Original Assignee
日本電信電話株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers

Definitions

  • the present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly to a semiconductor laser in which an EA modulator and a semiconductor laser are monolithically integrated on one semiconductor chip.
  • This type of semiconductor laser is generally called an Electron-Absorption Distributed Feed Back (EADFB) laser, which absorbs laser light from a semiconductor laser that continues to emit light at a constant intensity. It switches ON and OFF of the light by quenching it with a device.
  • EADFB Electron-Absorption Distributed Feed Back
  • a semiconductor laser based on this method has advantages such as a high extinction ratio and a small change in light wavelength during modulation, that is, a low chirp characteristic.
  • 1(a) and 1(b) are diagrams schematically showing the configuration of an EADFB laser, and FIG. 1(b) shows a 1b-1b cross section in FIG. 1(a).
  • the EADFB laser 10 includes a laser section 11 having an active layer 111 and an upper clad layer 112 formed on a substrate 13, and an absorption layer and an upper clad layer (not shown).
  • a modulation (EA) unit 12 configured to include the The configuration of the laser section 11 shown in FIG. 1 is such that the substrate 13 below the active layer 111 also functions as a lower clad layer. The same applies to the EA section 12, and the substrate 13 below the absorption layer also functions as a lower clad layer.
  • An embedded portion 14 made of an insulating material is formed on the substrate 13 so as to bury the laser portion 11 and the EA portion 12 .
  • Non-Patent Document 1 a hybrid waveguide structure is used for the purpose of turning light ON/OFF at high speed in a semiconductor laser.
  • Only the EA section has a mesa-shaped stripe shape from which the embedded section is removed, and the laser section has a hybrid structure having the embedded section. This suppresses an increase in parasitic capacitance that can occur in the embedded portion, and prevents a drop in the cutoff frequency in the frequency characteristics of the EA portion.
  • FIGS. 2(a) to 2(d) are diagrams for explaining the fabrication of the conventional EADFB laser described above with reference to FIG.
  • the active layer 111 of the laser section 11 is grown on the substrate 13 (InP wafer).
  • a portion (end portion) thereof is removed by etching treatment, and the absorption layer 121 of the EA portion 12 is integrated there by joining it on the same plane of the substrate 13 by a technique called butt joint (Fig. 2(a) )
  • a clad layer (not shown) having a low refractive index is laminated on the entire surface in a direction perpendicular to the substrate 13 to confine light in the active layer 111 and the absorption layer 121.
  • the substrate 13 is covered with a clad layer.
  • a waveguide structure (111, 121) for confining light in the horizontal direction and guiding the light uniformly in a specific direction is formed in a mesa-shaped stripe by etching (Fig. 2(b)). Furthermore, both sides of the mesa-shaped stripe waveguide (111, 121) are embedded with an insulating semiconductor material (Fe-doped InP, etc.) whose thermal conductivity is better than that of air (Fig. 2(c)). , EADFB laser is fabricated by removing the embedded portion 14 only in the EA portion 12 (FIG. 2(d)).
  • a diffraction grating in which the refractive index changes periodically is formed in the region, and the oscillation wavelength is determined.
  • a laser in which the active layer and the diffraction grating are formed in the same region is a DFB laser.
  • the active layer 111 of the laser section 11 and the absorption layer 121 of the EA section 12 are generally multiple quantum well (MQW) EA modulators integrated with the DFB laser (11).
  • MQW multiple quantum well
  • semiconductor etching is performed twice in the EA portion, as described with reference to FIGS. 2B and 2D. Processing is performed to form a mesa stripe waveguide structure. In this case, in the second processing, as shown in FIG. It is desirable to process the waveguide with the same width as the width W1 of the mesa-shaped stripe-shaped waveguide and without axial deviation.
  • the width of the mesa waveguide in the EA section 12 is different (smaller) than the width of the mesa waveguide in the laser section.
  • axis deviation may occur.
  • a typical communication laser its wavelength is in the range of 1.3 ⁇ m-1.6 ⁇ m, so the width of the waveguide is approximately in the range of 0.5-5 ⁇ m.
  • the waveguide width of the laser section 11 is 2 ⁇ m and the waveguide width of the EA section 12 is 1 ⁇ m
  • the mesa waveguide including the active layer of the EA section 12 will be deformed.
  • the width is 0.5 ⁇ m.
  • the extinction ratio in the EA portion decreases due to the decrease in the coupling coefficient between the propagation mode and the absorption layer.
  • Loss of optical connection occurs between the part and the EA part, which may lead to a decrease in the output of the semiconductor laser.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor laser capable of suppressing a decrease in laser output due to optical misalignment between the laser section waveguide and the EA section waveguide.
  • One aspect of the semiconductor laser of the present invention is a laser having an active region that produces optical gain by injecting current, a modulator that changes absorption coefficient by applying voltage, and spot size conversion that combines an expanding taper and a contracting taper.
  • the device is a semiconductor laser monolithically integrated on the same substrate, and the spot size converter is arranged between the laser region of the laser and the absorption region of the modulator.
  • the semiconductor laser it is possible to suppress a decrease in laser output caused by optical axis misalignment between the laser section waveguide and the EA section waveguide.
  • FIG. 1A to 1C are diagrams for explaining fabrication of a FADFB laser including SSC according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 1A to 1C are diagrams for explaining fabrication of a FADFB laser including SSC according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing the state of the EADFB laser when axial misalignment occurs in the second processing according to Embodiment 1 of the present invention. These are figures which show a comparative example. These are figures which show a comparative example. 4 is a diagram showing changes in transmission efficiency with respect to axial misalignment; FIG. [Fig. 2] is a diagram showing a change in the parasitic capacitance of the EA part with respect to the amount of axis deviation. [Fig. 2] is a diagram schematically showing a main part of a FADFB laser according to Embodiment 2 of the present invention. 4A and 4B are diagrams showing a fabrication method of a FADFB laser according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing the main part of the FADFB laser 10 according to the embodiment of the invention.
  • the FADFB laser 10 of the present invention has a waveguide structure including a spot size converter (SSC) 20 between the laser section 11 and the EA section 12 .
  • the SSC 20 has a shape having an enlarged tapered portion 20A, a linear portion 20B, and a reduced tapered portion 20C from the laser portion 11 to the EA portion 12.
  • the SSC 20 has a passive waveguide structure different from the laser section 11 having an active layer and the EA section 12 having an absorption layer.
  • the laser portion 11 is a waveguide embedded by the embedded portion 14, and the EA portion 12 is a mesa waveguide without an embedded portion.
  • the structure of the FADFB laser 10 of this embodiment is the same as the laser section 11 and the EA section 12 described above with reference to FIG. 1 except for the SSC 20 described above.
  • the substrate 13 also functions as a lower clad layer.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating fabrication of the FADFB laser 10 including the SSC 20 of this embodiment.
  • the fabrication of the FADFB laser of this embodiment is the same as the fabrication described with reference to FIG. 2, except for the points described below.
  • the expanded tapered portion 20A, the linear portion 20B, and the EA portion 12 having the same width as the linear portion are processed.
  • the enlargement ratio of the enlarged tapered portion 20A at this time is about 1:30 in aspect ratio. This magnification avoids excessive excitation of higher order modes.
  • the width of the waveguide spreads by about 5 ⁇ m during propagation of 150 ⁇ m.
  • the width of the mesa waveguide is 2 ⁇ m in the laser portion 11 and the length of the enlarged tapered portion 20A is 60 ⁇ m
  • the width of the mesa waveguide in the SSC portion 20 and the EA portion 12 after expansion is 6 ⁇ m.
  • the height of the mesa waveguide is 4 ⁇ m.
  • the region other than the mesa waveguide formed in the process described above in FIG. forming part 14 is removed;
  • the second processing is performed to remove the embedded portion 14 in the regions corresponding to the SSC portion 20 and the EA portion 12 and form a mesa waveguide.
  • the width of the linear portion 20B of the SSC portion 20 is reduced, the reduced portion 20C is formed, and the width of the mesa waveguide of the EA portion is made equal to the minimum width of the reduced portion 20C.
  • the width of the straight portion 20B is 4 ⁇ m, which is smaller than the width of the first straight portion 20B.
  • the tapered aspect ratio of the reduced portion 20C is the same as that of the enlarged tapered portion (expanded portion) 20A.
  • the tapered length of the reduced portion 20C is 42 ⁇ m
  • the mesa waveguide width of the EA portion 12 is 1.2 ⁇ m.
  • a deeper mesa waveguide than the first mesa waveguide is processed. Although this depth varies depending on the design of the waveguide, it is usually processed 0.1 to 10 ⁇ m deeper than the bottom surface of the waveguide formed at the first time. In the present embodiment, processing is performed 2 ⁇ m deep.
  • an SSC 20 having an enlarged tapered portion and a reduced tapered portion can be produced. The distance between the tapered portions is determined so that the linear portion 20B between the enlarged tapered portion 20A and the reduced tapered portion 20C is formed to be 20 ⁇ m or more.
  • FIG. 6 is a diagram showing the state of the EADFB laser when axial misalignment occurs in the second processing described above with reference to FIG.
  • the SSC section 20 is provided between the laser section 11 and the EA section 12 to improve the tolerance to the deviation D described above. According to the structure of the present embodiment, it is possible to suppress an increase in optical loss even if an axial deviation of up to 1 ⁇ m occurs.
  • FIG. 8 shows a case where each structure shown in FIG. 7 has an axial misalignment. That is, FIG. 7(a) shows a laser with an SSC 20 having an expansion section and a contraction section, and FIG. 7(b) shows a laser with an SSC 30 having only a contraction section. each shown.
  • the waveguide width of the laser section 11 is 2.0 ⁇ m
  • the waveguide width of the EA section 12 is 1.2 ⁇ m.
  • the axial misalignment D is 0.4 ⁇ m ((2.0 ⁇ m-1.2 ⁇ m)/2) or more, as shown by 14A in FIG.
  • the embedded portion 14 is included in the 12 waveguides. Since the buried portion is the cladding of the waveguide, it has a lower refractive index than the waveguide including the absorption layer, which is the core. As a result, axial misalignment occurs, and if the embedded portion is included in the EA portion, the effective refractive index of the absorption layer is lowered. This weakens the optical confinement and increases losses. Furthermore, since the parasitic capacitance increases in the buried portion, the CR time constant of the EA portion increases and the cutoff band decreases. This degrades the frequency response characteristics.
  • an enlarged taper is formed during the first processing, thereby expanding the waveguide width of the EA portion.
  • inclusion of the buried portion in the waveguide of the EA portion can be prevented up to an axis deviation D of 2.4 ⁇ m. If the axial deviation D is 1 ⁇ m or more, the waveguide of the laser section in front of the SSC is affected, so the maximum allowable axial deviation D is 1 ⁇ m. Even in this case, it is possible to realize a tolerance that is about twice as large as that of the structure of only the tapered portion of the reduced portion shown in FIG. 7(b).
  • FIG. 9 shows changes in transmission efficiency with respect to axial misalignment.
  • the transmission efficiency drops significantly when there is an axial misalignment of 0.4 ⁇ m or more.
  • FIG. 10 shows changes in the parasitic capacitance of the EA portion with respect to the amount of axis deviation.
  • the increase in parasitic capacitance occurs mainly due to the presence of embedded regions in the waveguide of the EA portion, as described above with reference to FIG. 8(b). Diffusion of the waveguide's p-type dopant zinc, especially into the buried region, significantly increases the parasitic capacitance of the buried portion.
  • the embedded portion closer to the waveguide is more affected by the diffusion and thus has a larger parasitic capacitance.
  • the capacitance increases nonlinearly as shown in FIG.
  • the axial misalignment is 2.4 ⁇ m or less, the embedding region does not enter the EA portion, and thus the parasitic capacitance does not increase.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing the main part of the FADFB laser 10 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the FADFB laser 10 of the present invention has a waveguide structure including a plurality of spot size converters (SSC) 20 between a plurality of laser sections 11 and EA sections 12 .
  • SSC 20 has a shape having an enlarged tapered portion 20A, a linear portion 20B, and a reduced tapered portion 20C from the laser portion 11 to the EA portion 12, like the SSC 20 of FIG.
  • the SSC 20 has a passive waveguide structure different from the laser section 11 having an active layer and the EA section 12 having an absorption layer.
  • the laser portion 11 is a waveguide embedded by the embedded portion 14, and the EA portion 12 is a mesa waveguide without an embedded portion.
  • the structure of the FADFB laser 10 of this embodiment is the same as the laser section 11 and the EA section 12 described above with reference to FIG. 1 except for the SSC 20 described above.
  • the substrate 13 also functions as a lower clad layer.
  • Non-Patent Document 2 It is possible to increase the output by integrating the SOA in the EADFB (Non-Patent Document 2).
  • SSCs spot size converters
  • Fig. 12 shows the method of manufacturing the optical transmitter of Embodiment 2.
  • the basic semiconductor process is the same as that of the first embodiment, and it can be manufactured by using a photomask having a shape different from that of the photomask used in the first embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining fabrication of the FADFB laser 10 including the SSC 20 of this embodiment.
  • the fabrication of the FADFB laser of this embodiment is the same as the fabrication described with reference to FIG. 2, except for the points described below.
  • the expanded tapered portion 20A, the linear portion 20B, and the EA portion 12 having the same width as the linear portion are processed.
  • the enlargement ratio of the enlarged tapered portion 20A at this time is about 1:30 in aspect ratio. This magnification avoids excessive excitation of higher order modes.
  • the width of the waveguide spreads by about 5 ⁇ m during propagation of 150 ⁇ m.
  • the width of the mesa waveguide is 2 ⁇ m in the laser portion 11 and the length of the enlarged tapered portion 20A is 60 ⁇ m
  • the width of the mesa waveguide in the SSC portion 20 and the EA portion 12 after expansion is 6 ⁇ m.
  • the height of the mesa waveguide is 4 ⁇ m.
  • the region other than the mesa waveguide formed in the process described above in FIG. forming part 14 is removed;
  • the second processing is performed to remove the embedded portion 14 in the regions corresponding to the SSC portion 20 and the EA portion 12 and form a mesa waveguide.
  • the width of the linear portion 20B of the SSC portion 20 is reduced, the reduced portion 20C is formed, and the width of the mesa waveguide of the EA portion is made equal to the minimum width of the reduced portion 20C.
  • the width of the straight portion 20B is 4 ⁇ m, which is smaller than the width of the first straight portion 20B.
  • the tapered aspect ratio of the reduced portion 20C is the same as that of the enlarged tapered portion (expanded portion) 20A.
  • the tapered length of the reduced portion 20C is 42 ⁇ m
  • the mesa waveguide width of the EA portion 12 is 1.2 ⁇ m.
  • a deeper mesa waveguide than the first mesa waveguide is processed. Although this depth varies depending on the design of the waveguide, it is usually processed 0.1 to 10 ⁇ m deeper than the bottom surface of the waveguide formed at the first time. In the present embodiment, processing is performed 2 ⁇ m deep.
  • an SSC 20 having an enlarged tapered portion and a reduced tapered portion can be produced. The distance between the tapered portions is determined so that the linear portion 20B between the enlarged tapered portion 20A and the reduced tapered portion 20C is formed to be 20 ⁇ m or more.
  • the wavelength of the absorption spectrum approaches the laser wavelength according to the applied voltage due to the quantum confined Stark effect.
  • the laser element having the EA part 12 described above can be applied to an optical transmitter capable of converting an electrical signal into an ON/OFF signal of an optical signal by changing the amount of light absorption by voltage control.

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Abstract

半導体レーザにおいて、レーザ部導波路とEA部導波路との間の光学的な軸ずれなどに起因したレーザ出力の低下を抑制することを課題とする。本発明の構成はEADFBレーザのレーザとEA間にパッシブ導波路によるスポットサイズ変換器を集積した構造を有する。スポットサイズ変換器の特徴として拡大テーパ/直線導波路/縮小テーパの構成で、テーパのアスペクト比は同じである。さらにこのスポットサイズ変換器をEAとSOA(Semiconductor Optical Amplifier)の間に設けることで、AXEL（semiconductor optical Amplifier assisted extended reach EA-DFB Laser)への適用が可能となる。

Description

半導体レーザ及び光送信器
　本発明は、半導体レーザに関し、詳細には、EA変調器および半導体レーザを一つの半導体チップにモノリシックに集積した半導体レーザに関する。
　この種の半導体レーザは、一般に電界吸収型変調器集積型DFBレーザ（Electron-Absorption Distributed Feed Back: EADFBレーザ）と呼ばれ、一定の強度で光り続けている半導体レーザからのレーザ光を吸収する変調器によって消光することにより光のONとOFFを切り替えるものである。この方式による半導体レーザは、高い消光比が得られることや、変調時の光波長の変化が小さい、つまり低チャープ特性といった利点を有している。図1（ａ）および（ｂ）は、EADFBレーザの構成を模式的に示す図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）における１ｂ-１ｂ断面を示している。これら図に示すように、EADFBレーザ１０は、基板１３上に形成される活性層１１１および上クラッド層１１２を有して構成されるレーザ部１１と、それぞれ不図示の吸収層および上クラッド層を有して構成される変調（EA）部１２と、を備える。なお、図１に示すレーザ部１１の構成は、活性層１１１の下側の基板１３が下クラッド層の機能を兼ねる形態である。また、EA部１２でも同様で、吸収層の下側の基板１３が下クラッド層の機能を兼ねる。そして、これらレーザ部１１とEA部１２を埋めるように絶縁性材料による埋め込み部１４が基板１３上に形成される。
　さらに、半導体レーザにおいて光のON/OFFを高速に行うことを目的として、ハイブリッド導波路構造が用いられている（非特許文献１）。これは、EA部でのみ、上記埋め込み部を取り除いたメサ型のストライプ形状とし、レーザ部では埋め込み部を有するハイブリッド構造とするものである。これによって、埋め込み部に生じ得る寄生容量の増加を抑制し、EA部の周波数特性におけるカットオフ周波数の低下を防止している。
　図２（ａ）～（ｄ）は、図１について上述した従来のEADFBレーザの作製説明する図である。先ず、基板１３（InPウエハ）上にレーザ部１１の活性層１１１を成長させる。そして、その一部（端部）をエッチング処理により取り除き、そこにEA部１２の吸収層１２１をバットジョイントと呼ばれるテクニックにより基板１３の同一平面上で継ぎ合わせることで集積化する（図２（ａ）。その後、基板１３に対して垂直方向において、活性層１１１及び吸収層１２１で光を閉じ込めるための、全面に低屈折率なクラッド層（不図示）を積層する。次に、基板１３に対して水平方向に光を閉じ込め、ある特定の方向に光を一様に導波させるための導波路構造（１１１、１２１）を、エッチングによりメサ型のストライプ状に形成する（図２（ｂ））。さらに、メサ型ストライプ導波路（１１１、１２１）の両脇を熱伝導率が空気よりも良い、絶縁性半導体材料（Feを添加したInPなど）で埋め込む（図２（ｃ））。最後に、EA部１２でのみ、埋め込み部１４を取り除くことにより（図２（ｄ））、EADFBレーザが作製される。以上のように作製されたEADFBレーザでは、レーザ部１１の活性層より上層のクラッド領域にて屈折率が周期的に変化する回折格子が形成されており、発振波長が決定される。このように上面から見たとき活性層と回折格子が同じ領域に形成されたレーザはDFBレーザとして知られる。これらレーザ部１１の活性層１１１とEA部１２の吸収層１２１は一般的に、多重量子井戸（MQW）となっている。DFBレーザ（１１）と一体集積されているEA変調器（１２）では量子閉じ込めシュタルク効果により、印加電圧に応じて吸収スペクトルの波長がレーザ波長に近づくため、電圧制御により光吸収量を変化させることで電気信号を光信号のON/OFF信号に変換することができる。
渡辺洋次郎, 岡田規男、 東祐介, 大谷龍輝, 「第5世代移動通信基地局向け 25Gbps CAN型EML」, 三菱電機技報2019年03月号, Vo.93, No.03 W Kobayashi et al., "Novel approach for chirp and output power compensation applied to a 40-Gbit/s EADFB laser integrated with a short SOA," Opt. Express, Apr. 2015, Vol. 23, No. 7, pp. 9533-9542
　上述したように、EA部のみ埋め込み部を取り除いたハイブリッド型の導波路構造を持つレーザの作製では、EA部において、図２（ｂ）および図２（ｄ）について説明した、２度の半導体エッチング処理による、メサ型ストライプ状の導波路構造の形成に係る加工が行われる。この場合、２回目の加工では、図３（ａ）に示すように、EA部１２において、埋め込み部（埋め込み部分）１４（除去部分１５）を完全に取り除くため、１回目の加工で形成されたメサ型ストライプ形状の導波路の幅Ｗ１と同じ幅で、かつ軸ずれが無く加工することが望ましい。
　しかしながら、加工精度を考慮すると、完全に同一幅の加工は困難であるため、図３（ｂ）に示すように、実際には、より小さい幅W２のメサ型ストライプ形状に加工する。このため、EA部１２におけるメサ型導波路の幅が、レーザ部におけるメサ型導波路の幅と異なる（小さい）ことになる。また、加工の際に用いられるレジスト露光の精度を考慮すると軸ずれが発生することも考えられる。例えば、通常の通信用レーザの場合、その波長は1.3μm-1.6μmの範囲であり、そのため導波路の幅はおおよそ0.5-5μmの範囲内とされている。レーザ部１１の導波路幅が2μm、EA部１２の導波路幅が1μmとした場合、2回目の加工にて1μmの軸ずれが発生すると、EA部１２の活性層を含むメサ型導波路の幅は0.5μmとなる。その結果、伝搬モードと吸収層との結合係数の低下からEA部における消光比の低下が発生する。また、導波路幅の変化や光学的な軸ずれが有る場合には、図３（ｃ）に示しように、埋め込み部の除去しきれない部分１４が幅Ｗ２の領域に残り、この影響によってレーザ部とEA部間で光接続の損失が発生し、半導体レーザの出力低下を招くことがある。
　本発明の目的は、レーザ部導波路とＥＡ部導波路との間の光学的な軸ずれなどに起因したレーザ出力の低下を抑制可能な半導体レーザを提供することである。
　本発明の半導体レーザの一態様は、電流を注入し光利得を生じる活性領域を有するレーザと電圧を印加することで吸収係数を変化させる変調器と、拡大テーパと縮小テーパを組み合わせたスポットサイズ変換器が同一基板上にモノリシック集積された半導体レーザであって、前記レーザのレーザ領域と前記変調器の吸収領域の間に前記スポットサイズ変換器が配置されていることを特徴とする。
　以上の構成によれば、半導体レーザにおいて、レーザ部導波路とＥＡ部導波路との間の光学的な軸ずれなどに起因したレーザ出力の低下を抑制することが可能となる。
（ａ）および（ｂ）は、EADFBレーザの構成を模式的に示す図である。 （ａ）～（ｄ）は、従来のEADFBレーザの作製方法を説明する図である。 は、本発明の実施形態１のSSCを含むFADFBレーザの作製方法を説明する図である。 は、本発明の実施形態１に係るFADFBレーザの主要部を模式的に示す図である。 は、本発明の実施形態１のSSCを含むFADFBレーザの作製を説明する図である。 は、本発明の実施形態１の二回目の加工で軸ズレが生じた場合のEADFBレーザの状態を示す図である。 は、比較例を示す図である。 は、比較例を示す図である。 は、軸ズレに対する透過効率の変化を示す図である。 は、EA部の寄生容量の軸ズレ量に対する変化を示す図である。 は、本発明の実施形態２に係るFADFBレーザの主要部を模式的に示す図である。 は、本発明の実施形態２に係るFADFBレーザの作製方法を示す図である。
　以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
　図４は、本発明の実施形態に係るFADFBレーザ１０の主要部を模式的に示す図である。本発明のFADFBレーザ１０は、導波路構造として、レーザ部１１とEA部１２の間にスポットサイズ変換器（SSC）２０を含む構造である。SSC２０は、レーザ部１１からEA部１２にかけて拡大テーパ部２０A、直線部２０B、縮小テーパ部２０Cを有する形状である。また、SSC２０は、活性層を有するレーザ部１１や吸収層を有するEA部１２とは異なるパッシブ導波路構造である。さらに、上述したように、レーザ部１１は埋め込み部１４によって埋め込まれた導波路であり、EA部１２は埋め込み部が存在しないメサ型導波路である。なお、本実施形態のFADFBレーザ１０の構造は、上述したSSC２０を除いて図１にて上述したレーザ部１１およびEA部１２と同様であり、特に、活性層１１１および吸収層１２１の下側の基板１３が下クラッド層の機能を兼ねるものである。
　図５は、本実施形態のSSC２０を含むFADFBレーザ１０の作製を説明する図である。なお、本実施形態のFADFBレーザの作成は、以下で説明する点を除いて図２で説明した作成と同様である。
　先ず、1回目のメサ型ストライプ形状を形成する加工で、図５（ａ）に示すように、レーザ部１１からSSC部２０を経由してEA部１２に至るストライプ形状のうち、SSC部２０の拡大テーパ部２０Aおよび直線部２０Bと、この直線部と同じ幅のEA部１２の形状に加工する。このときの拡大テーパ部２０Aの拡大率はアスペクト比1：30程度である。この拡大率によって高次モードの過度な励振を避けることができる。一例として、150μm伝搬する間に導波路幅の広がりは5μm程度である。そして、メサ型導波路の幅はレーザ部１１では2μm、拡大テーパ部２０Ａの長さが60μmするとき、拡大後のＳＳＣ部２０およびEA部１２のメサ型導波路の幅は6μmとなる。なお、この構成で、メサ型導波路の高さは4μmである。次に、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）で上述した工程で形成されたメサ型導波路以外の領域を絶縁性の半導体材料である、Fe添加のInPによって埋め込み、埋め込み部１４を形成する。その後、図５（ｃ）に示すように、ＳＳＣ部２０およびEA部１２に対応する領域の埋め込み１４を除去し、メサ型導波路を形成する二回目の加工を行う。このとき、ＳＳＣ部２０の直線部２０Ｂの幅を小さくするとともに、縮小部２０Cを形成し、併せてＥＡ部のメサ型導波路の幅を縮小部２０Cの最小幅と等しくする。一例として、直線部２０Ｂの幅は、一回目の直線部２０Ｂの幅よりも小さい4μmである。また、縮小部２０Ｃのテーパでのアスペクト比は拡大テーパ部（拡張部）２０Ａと同じである。縮小部２０Ｃのテーパ長が42μmであるとき、EA部１２のメサ型導波路幅は1.2μmとなる。なお、この２回目の加工の際には、半導体材料である埋め込み部が取り除かれるため、コア（活性層、吸収層）とクラッドとの屈折率の差が大きくなることから、縦方向の光閉じ込めモードの広がりが大きくなる。そのため基板側への光放射を防ぐため、1回目のメサ型導波路加工よりも深いメサ型導波路を加工する。この深さは導波路の設計によって異なるが、通常1回目に形成される導波路の底面よりも0.1-10μm深く加工する。本実施形態では、2μm深く加工する。この２回目の加工により拡大テーパ部と縮小テーパ部を有したSSC２０を作成することができる。なお、拡大テーパ部２０Aと縮小テーパ部２０Cの間の直線部２０Bが20μm以上形成されるようにテーパ部間の距離を決定する。
　図６は、図５にて上述した二回目の加工で軸ズレが生じた場合のEADFBレーザの状態を示す図である。同図に示すように、レーザ部１１の軸A１１とEA部の軸A１２との間にズレDが生じている。これは、図３にて上述したように、二回目の加工で埋め込み部を除去する際に生じ得るものである。これに対し、本発明の実施形態は、レーザ部１１とEA部１２の間にSSC部２０を設け、上記ずれＤに対するトレランスを向上させる。本実施形態の構造によれば、1μmまでの軸ズレが発生しても、光学損失の増大を抑制することが可能となる。
　実施形態によるこの効果を確認するため、図7に示す2つの構造について比較を行った。また、図8は、図７に示すそれぞれの構造について軸ズレがある場合を示している。すなわち、図７（ａ）は、本実施形態に係る、拡大部および縮小部を有したＳＳＣ２０を備えたレーザを示し、図７（ｂ）は、縮小部のみを有したＳＳＣ３０を備えたレーザをそれぞれ示している。
　これらの構造で、一例として、レーザ部１１の導波路幅は2.０μm、EA部１２の導波路幅は1.2μmである。この構造において、縮小テーパ部３０のみの構造では、軸ズレＤが0.4μm（（２.０μｍ-１．２μｍ）/２）以上発生すると、図８（ｂ）の１４Aで示すように、EA部１２の導波路に埋め込み部１４が含まれることとなる。埋め込み部は導波路のクラッドであることから、コアである吸収層を含む導波路よりも低屈折率である。その結果、軸ズレが発生し、EA部に埋め込み部が含まれると、吸収層の実効的な屈折率が低下する。これにより、光閉じ込めが弱くなり損失が増加する。さらに、埋め込み部では寄生容量が増加するためEA部のCR時定数が増大し、カットオフ帯域が低下する。これにより、周波数応答特性が悪くなる。
　これに対し、本実施形態のレーザ構造では、一回目の加工の際に拡大テーパを形成しそれによってEA部の導波路幅を拡大する。その結果、上記の例では、軸ズレDが2.4μmまではEA部の導波路に埋め込み部が含まれることを防止できる。なお、軸ズレDが1μm以上ではSSCより手前のレーザ部の導波路が影響を受けるため、実質的に許容される軸ズレDの最大は1μmとなる。この場合でも、図７（ｂ）に示す縮小部テーパ部のみの構造と比較して約2倍以上のトレランスを実現することができる。
　図9は、軸ズレに対する透過効率の変化を示している。図７（ｂ）に示す縮小部テーパ部のみの構造では0.4μm以上の軸ズレがある場合、透過効率が著しく低下するのに対し、本実施形態に係る例の構造では、1μmまでは透過効率の低下が抑制される。また、図10は、EA部の寄生容量の軸ズレ量に対する変化を示している。寄生容量の増大は、図８（ｂ）にて上述したように、主にEA部の導波路内に埋め込み領域が混在することで発生する。特に埋め込み領域内へ、導波路のp型添加物の亜鉛が拡散することで、埋め込み部の寄生容量が著しく増大する。これにより、導波路に近い埋め込み部のほうが拡散の影響をより受けるため寄生容量が大きい。その結果、図10に示すように非線形に容量が増加する。これに対して、本実施形態に係る例では、軸ズレが2.4μm以下であればEA部に埋め込み領域が混入しないことから、寄生容量の増大が発生しない。
（実施形態２）
　図11を用いて本発明の第二の実施の形態を説明する。
　図１１は、本発明の実施形態２に係るFADFBレーザ１０の主要部を模式的に示す図である。本発明のFADFBレーザ１０は、導波路構造として、複数のレーザ部１１とEA部１２の間にスポットサイズ変換器（SSC）2０を複数含む構造である。それぞれのSSC２０は、レーザ部１１からEA部１２にかけて、図４のSSC２０と同様、拡大テーパ部２０A、直線部２０B、縮小テーパ部２０Cを有する形状である。また、SSC２０は、活性層を有するレーザ部１１や吸収層を有するEA部１２とは異なるパッシブ導波路構造である。さらに、上述したように、レーザ部１１は埋め込み部１４によって埋め込まれた導波路であり、EA部１２は埋め込み部が存在しないメサ型導波路である。なお、本実施形態のFADFBレーザ１０の構造は、上述したSSC2０を除いて図１にて上述したレーザ部１１およびEA部１２と同様であり、特に、活性層１１１および吸収層１２１の下側の基板１３が下クラッド層の機能を兼ねるものである。
　EADFBにSOAを一体集積することで高出力化することが可能である（非特許文献2）。これに対して2つのSSC（スポットサイズコンバータ）２０を構成に含めることで、EA部をハイメサ加工した際に、軸ズレのトレランスを高めることが可能である。
　実施形態2の光送信器の作製方法を図12に示す。基本的な半導体プロセスは実施形態１と同じであり、実施形態１で用いたフォトマスクとは異なる形状のフォトマスクを用いることで作製が可能である。
　図１２は、本実施形態のSSC２０を含むFADFBレーザ１０の作製を説明する図である。なお、本実施形態のFADFBレーザの作成は、以下で説明する点を除いて図２で説明した作成と同様である。
　先ず、1回目のメサ型ストライプ形状を形成する加工で、図１２（ａ）に示すように、レーザ部１１からSSC部２０を経由してEA部１２に至るストライプ形状のうち、SSC部２０の拡大テーパ部２０Aおよび直線部２０Bと、この直線部と同じ幅のEA部１２の形状に加工する。このときの拡大テーパ部２０Aの拡大率はアスペクト比1：30程度である。この拡大率によって高次モードの過度な励振を避けることができる。一例として、150μm伝搬する間に導波路幅の広がりは5μm程度である。そして、メサ型導波路の幅はレーザ部１１では2μm、拡大テーパ部２０Ａの長さが60μmするとき、拡大後のＳＳＣ部２０およびEA部１２のメサ型導波路の幅は6μmとなる。なお、この構成で、メサ型導波路の高さは4μmである。次に、図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）で上述した工程で形成されたメサ型導波路以外の領域を絶縁性の半導体材料である、Fe添加のInPによって埋め込み、埋め込み部１４を形成する。その後、図５（ｃ）に示すように、ＳＳＣ部２０およびEA部１２に対応する領域の埋め込み１４を除去し、メサ型導波路を形成する二回目の加工を行う。このとき、ＳＳＣ部２０の直線部２０Ｂの幅を小さくするとともに、縮小部２０Cを形成し、併せてＥＡ部のメサ型導波路の幅を縮小部２０Cの最小幅と等しくする。一例として、直線部２０Bの幅は、一回目の直線部２０Ｂの幅よりも小さい4μmである。また、縮小部２０Ｃのテーパでのアスペクト比は拡大テーパ部（拡張部）２０Ａと同じである。縮小部２０Ｃのテーパ長が42μmであるとき、EA部１２のメサ型導波路幅は1.2μmとなる。なお、この２回目の加工の際には、半導体材料である埋め込み部が取り除かれるため、コア（活性層、吸収層）とクラッドとの屈折率の差が大きくなることから、縦方向の光閉じ込めモードの広がりが大きくなる。そのため基板側への光放射を防ぐため、1回目のメサ型導波路加工よりも深いメサ型導波路を加工する。この深さは導波路の設計によって異なるが、通常1回目に形成される導波路の底面よりも0.1-10μm深く加工する。本実施形態では、2μm深く加工する。この２回目の加工により拡大テーパ部と縮小テーパ部を有したSSC２０を作成することができる。なお、拡大テーパ部２０Aと縮小テーパ部２０Cの間の直線部２０Bが20μm以上形成されるようにテーパ部間の距離を決定する。
　レーザ部１１と、SSC２０を介して一体集積されているEA部１２では量子閉じ込めシュタルク効果により、印加電圧に応じて吸収スペクトルの波長がレーザ波長に近づくため、SSC２０を介してレーザ部１１と一体集積されているEA部１２を具備したレーザ素子を、電圧制御により光吸収量を変化させることで電気信号を光信号のON/OFF信号に変換することができる光送信器に適用することができる。

Claims (6)

  1. 　電流を注入し光利得を生じる活性領域を有するレーザと電圧を印加することで吸収係数を変化させる変調器と、拡大テーパと縮小テーパを組み合わせたスポットサイズ変換器が同一基板上にモノリシック集積された半導体レーザであって、
    　前記レーザのレーザ領域と前記変調器の吸収領域の間に前記スポットサイズ変換器が配置されていることを特徴とする半導体レーザ。
  2. 　電流を注入し光利得を生じる活性領域を有するレーザと、拡大テーパと縮小テーパを組み合わせた第一のスポットサイズ変換器と、電気信号を印加することで吸収係数を変化させる変調器と、拡大テーパと縮小テーパを組み合わせた第二のスポットサイズ変換器と、半導体光増幅器が同一基板上にモノリシック集積された半導体レーザであって、
    　前記レーザのレーザ領域と変調器領域の間に前記第一のスポットサイズ変換器が配置され、前変調器と前記半導体光増幅器の間に前記第二のスポットサイズ変換器が配置されていることを特徴とする半導体レーザ。
  3. 　前記半導体レーザであって、そのスポットサイズ変換器が拡大テーパ、直線導波路、縮小テーパの順番に光学的に接続され、これら要素により構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体レーザ。
  4. 　前記半導体レーザであって、前記スポットサイズ変換器に含まれる2つのテーパのアスペクト比が同じであり、直線導波路領域が20－100μm以内であることを特徴とする請求項１から３いずれか一項に記載の半導体レーザ。
  5. 　前記半導体レーザであって2回のメサ加工によって作製され、それぞれのメサ加工で加工されるメサの高さが異なり、2回目のメサ加工の深さが1回目のメサの底面よりも0.1-10μm程度深いことを特徴とする請求項１から４いずれか一項に記載の半導体レーザ。
  6. 　前記レーザ領域と、前記変調器領域と、前記スポットサイズ変換器とを含む請求項１から５いずれか一項に記載の半導体レーザが適用された、電圧制御により光吸収量を変化させることで電気信号を光信号に変換する光送信器。
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