JP2009059799A - 半導体レーザ素子の選別方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 伝送性能の高い半導体レーザ素子を容易に選別することができる半導体レーザ素子の選別方法を提供する。
【解決手段】 本発明に係る半導体レーザ素子１の選別方法は、変調器集積型の半導体レーザ素子を選別する半導体レーザ素子１の選別方法であって、半導体レーザ素子１のレーザ光５３の発光スペクトルの発光強度のうち、サイドモードにおける発光強度の最大値と最小値とを測定し、最大値と最小値との比率に基づいて半導体レーザ素子１を選別する。発明者らは、半導体レーザ素子１のレーザ光５３の発光スペクトルの発光強度のうち、サイドモードにおける発光強度の最大値と最小値との比率と、断熱チャープ量との間に、相関関係があることを新たに見出した。そこで、上記比率を利用して、断熱チャープ量が０付近のものを選び出すことで、伝送性能の高い半導体レーザ素子を容易に選別することができる本発明に想到した。
【選択図】 図４

Description

本発明は、変調器が集積された半導体レーザ素子の選別方法に関する。

従来、この技術の分野における半導体レーザ素子は、例えば、下記特許文献１に開示されている。この公報に記載の半導体レーザ素子は、分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）と電界吸収型変調器（ＥＡ変調器）とがモノリシックに集積されたＥＡ変調器集積型ＤＦＢレーザ素子（ＥＭＬ）であり、ＤＦＢレーザを連続発振させた状態で変調器にパルス電圧を印加してレーザ変調をおこなう。

このような半導体レーザ素子においては、その発振波長はＤＦＢレーザの発振波長に依存し、ＤＦＢレーザの発振波長は、実効屈折率と回折格子の周期から決定されるブラッグ波長と素子両端面における反射光の強度と位相とによって決定される。この半導体レーザ素子では、直接変調型のレーザ素子と異なりＤＦＢレーザに印加する電流を変化させることがないため、それに伴う屈折率変化に起因した静的なチャープ（断熱チャープ、adiabatic chirp）が生じない。さらには、直接変調型のレーザ素子よりもαパラメータが小さいことから、ＥＭＬ半導体レーザ素子は、特に長距離通信に用いる発光素子として優れている。
特開２００１−３２０１２４号公報

しかしながら、ＥＡ変調器がＤＦＢレーザから見た前方端面の一部に相当するため、ＥＡ変調器へのパルス電圧の印加により、ＤＦＢレーザへの反射強度が変調される。その結果、ＥＡ変調器への印加電圧が低い透過動作時では素子端面における反射光が発振波長の決定に寄与し、一方、ＥＡ変調器への印加電圧が高い吸収動作時では素子端面における反射光が（通常、１０％程度まで）減衰されるため、上記２つの動作時の間で発振波長がずれて、それが断熱チャープとして観測されることになる。なお、このずれ量は、ＥＡ変調器とＤＦＢレーザの境界における端面位相、ＥＡ変調器の光学長で決定される実効的な端面位相により、大きく変化する。実効的な端面位相は、加工精度の問題からその制御が非常に困難であり、それにより素子ごとに断熱チャープ量のバラツキがあった。

この断熱チャープ量のバラツキは、発明者らのおこなった実験によれば、図７に示すように、低反射膜の反射率（図７のグラフの横軸）が高いほど大きくなる。そして、断熱チャープ量が０から大きく離れた素子に関しては、その伝送性能が実用上不十分であるため、製品不良として排除する必要がある。特に、２．５Ｇｂｐｓ以上の変調速度を有する高速デジタル変調を用いた伝送システムにおいては、この伝送の光源として用いられるＥＭＬ半導体レーザ素子の断熱チャープ量が大きいと、伝送システムのパワーペナルティが大きくなり伝送システムの品質が劣化するという問題が生じる。従って、このような伝送システムでは断熱チャープ量の小さいＥＭＬ半導体レーザ素子が求められるが、断熱チャープ量の実測には多大な手間と時間を要するため、断熱チャープ量が０付近である伝送性能の高い半導体レーザ素子を選別することは非常に困難であった。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、伝送性能の高い半導体レーザ素子を容易に選別することができる半導体レーザ素子の選別方法を提供することを目的とする。

本発明に係る半導体レーザ素子の選別方法は、変調器集積型の半導体レーザ素子を選別する半導体レーザ素子の選別方法であって、半導体レーザ素子のレーザ光の発光スペクトルの発光強度のうち、サイドモードにおける発光強度の最大値と最小値とを測定し、最大値と最小値との比率に基づいて半導体レーザ素子を選別する。

発明者らは、半導体レーザ素子のレーザ光の発光スペクトルの発光強度のうち、サイドモードにおける発光強度の最大値と最小値との比率と、断熱チャープ量との間に、相関関係があることを新たに見出した。そこで、上記比率を利用して、断熱チャープ量が０付近のものを選び出すことで、伝送性能の高い半導体レーザ素子を容易に選別することができる本発明に想到した。

また、最大値と最小値との比率と断熱チャープ量との相関データを予め準備し、その相関データを参照して半導体レーザ素子を選別する態様でもよい。この場合には、相関データの参照により高い精度での選別をおこなうことができる。

また、半導体レーザ素子は、その変調器側の端面に低反射膜が形成され、そのレーザ側の端面に高反射膜が形成されている態様でもよい。

本発明によれば、伝送性能の高い半導体レーザ素子を容易に選別することができる半導体レーザ素子の選別方法が提供される。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するにあたり最良と思われる形態について詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る半導体レーザ素子の選別方法の選別対象である半導体レーザ素子１を示す斜視図である。また、図２は、図１に示した半導体レーザ素子１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。

図１及び図２に示すように、半導体レーザ素子１は、分布帰還型レーザ（以下、「ＤＦＢレーザ」）１０及び電界吸収型変調器（以下、「ＥＡ変調器」）２０がモノリシックに集積された変調器集積型の半導体レーザ素子である。

ＤＦＢレーザ１０及びＥＡ変調器２０は、同一のｎ型の基板３０上に集積されている。ＤＦＢレーザ１０とＥＡ変調器２０との間には分離部４０が設けられている。分離部４０は、イオン注入などの手法により高抵抗化されており、それによりＤＦＢレーザ１０及びＥＡ変調器２０が電気的に分離されている。

ＤＦＢレーザ１０は、ｎ型基板３０上に順次に積層された光ガイド層１１、活性層１２、光ガイド層１３及びｐ型の第１クラッド層１４を有する。光ガイド層１３とｐ型クラッド層１４との界面には回折格子１３ａが設けられている。ＤＦＢレーザ１０は、この回折格子１３ａの周期に応じて定まる発振波長のレーザ光を生成する。光ガイド層１１，１３は、このレーザ光を活性層１２に閉じ込める分離閉じ込めヘテロ構造（Separate Confinement Hetero-structure：ＳＣＨ）層として機能する。

ＥＡ変調器２０は、基板３０上に順次に積層された光ガイド層２１、活性層２２、光ガイド層２３及びｐ型の第１クラッド層２４を有する。活性層２２は、ＤＦＢレーザ１０の活性層１２と端面同士を突き合わせて接合されている。活性層１２と活性層２２とは光学的に結合されており、共通の光軸を有している。したがって、活性層２２は、活性層１２で生成されたレーザ光を受け取る。活性層２２は、活性層１２で生成されたレーザ光を増幅する作用を有するとともに、印加電界の強度に応じて変化する吸収係数を有する光変調層としても動作する。以下では、適宜、活性層２２を光変調層とも呼ぶこととする。光変調層２２は、ＳＣＨ層である上下の光ガイド層２１，２３の間に挟まれている。これによりレーザ光が光変調層２２に閉じ込められる。

ＤＦＢレーザ１０の各半導体層１１〜１４から成る多層半導体Ｗ１は、変調器２０の各半導体層２１〜２４からなる多層半導体Ｗ２と境界面Ｓ_３において接合されている。これらの多層半導体Ｗ１，Ｗ２とｎ型基板３０とは、それぞれｐｎ接合構造を形成する。本実施形態では、分離部４０は、それぞれＥＡ変調器２０と同じ半導体層から構成されている。図２では、回折格子１３ａは、光ガイド層１３とｐ型クラッド層１４との間に形成されている。しかし、回折格子１３ａは、基板３０と光ガイド層１１との間に設けてもよい。

ｎ型基板３０、ｐ型第１クラッド層１４，２４は、活性層１２，２２、光ガイド層１１，２１及び光ガイド層１３，２３よりも低い屈折率を有する。また、活性層１２，２２は共通の光軸を有する。基板３０のうち光ガイド層１１，２１と隣接する部分は、ｎ型クラッド層として機能する。このため、レーザ光は、これらの活性層、光変調層および光ガイド層に閉じ込められつつ光軸に沿って伝搬する。このように、多層半導体Ｗ１，Ｗ２は光導波路として機能する。

活性層１２及び光変調層２２は、多重量子井戸（Multiple Quantum Well：ＭＱＷ）構造を有している。これらのＭＱＷ構造及び回折格子１３ａの構造は、所定の発振波長の光を生成してレーザ増幅するように決定される。本実施形態では、温度２５℃の下でのＤＦＢレーザ１０の発振波長が１５５０ｎｍである。言い換えると、ＤＦＢレーザ１０の活性層１２の多重量子井戸は、１５５０ｎｍのバンドギャップ波長を有している。一方、光変調層２２の多重量子井戸は、ＤＦＢレーザ１０の発振波長よりも小さい吸収端波長（バンドギャップ波長）を有する。

図２に示すように、半導体レーザ素子１は、ｐ型の第２クラッド層３１を更に有する。第２クラッド層３１は、ＤＦＢレーザ１０、ＥＡ変調器２０及び分離部４０に対して共通に設けられている。第２クラッド層３１は、第１クラッド層と共に、レーザ光を光ガイド層、活性層および光変調層に閉じ込めるために役立つ。

第２クラッド層３１のうち、ＤＦＢレーザ１０に対応する部分には、コンタクト層３２ａを介して、ＤＦＢレーザ１０用の電極３３が設けられている。この電極３３は、ＤＦＢレーザ１０に電流を注入するために使用される。また、第２クラッド層３１のうち、変調器２０に対応する部分には、コンタクト層３２ｂを介して、ＥＡ変調器２０用の電極３４が設けられている。この電極３４はは、ＥＡ変調器２０にバイアス電圧を印加するために使用される。第２クラッド層３１のうち、電極３３，３４の残余領域には絶縁膜３５が形成されており、電極３３，３４が互いに絶縁されている。さらに、基板３０の裏面には、ＤＦＢレーザ１０及びＥＡ変調器２０に共通に使用される電極３６が形成されている。

そして、図１に示すように、上述した多層半導体Ｗ１，Ｗ２はメサ構造をなしており、その両側には、ｐ型埋め込み層３７とｎ型埋め込み層３８とで構成される電流狭窄用の埋め込み層が形成されている。

また、図２に示すように、半導体レーザ素子１は、レーザ共振器を構成する二つの端面Ｓ_１，Ｓ_２、すなわち互いに対向する反射面Ｓ_１と出力面Ｓ_２とを有している。出力面Ｓ_２は、ＥＡ変調器２０の端面であり、ＥＡ変調器２０のＤＦＢレーザ１０に接合された端面（すなわち、境界面Ｓ_３）の反対側に位置する。反射面Ｓ_１は、ＤＦＢレーザ１０の端面であり、ＤＦＢレーザ１０のＥＡ変調器２０に接合された端面（すなわち、境界面Ｓ_３）の反対側に位置する。

ここで、出力面Ｓ_２には、チャープ低減のため反射防止（Anti-reflection：ＡＲ）コーティングの低反射膜Ｃ_２が形成されている。そのため、活性層１２で生成されたレーザ光に対する出力面Ｓ_２の反射率が低く（例えば、０．０１〜５％程度）抑えられている。一方、反射面Ｓ_１には高反射（HighReflection：ＨＲ）コーティングの高反射膜Ｃ_１が形成されている。そのため、反射面Ｓ_１は活性層１２で生成されたレーザ光を高い反射率（例えば、３０〜８０％程度）で反射する。

次に、図３を参照しつつ、ＤＦＢレーザ１０の活性層１２で生成されたレーザ光を変調する方法について説明する。図３は、半導体レーザ素子１を用いた光変調システム５０を示す概略構成図である。

光変調システム５０は、半導体レーザ素子１に加えてレーザ駆動回路５１および変調器駆動回路５２を有している。レーザ駆動回路５１は、ＤＦＢレーザ１０に電気的に接続されており、電極３３を通じて活性層１２に電流５１ａを注入してレーザ発振を生じさせ、それによりレーザ光を生成させる。変調器駆動回路５２は、電極３４を通じてＥＡ変調器２０にパルス状のバイアス電圧５２ａを印加し、それによりＥＡ変調器２０を駆動する。

具体的には、以下のようにして変調がおこなわれる。まず、レーザ駆動回路５１からＤＦＢレーザ１０に電流が注入され、それに応じてレーザ光が生成される。このレーザ光は活性層１２内を伝搬し、ＥＡ変調器２０の光変調層２２に入射する。変調器駆動回路５２は、変調された逆方向バイアス電圧５２ａを電極３４を通じてＥＡ変調器２０に印加する。そのため、ＥＡ変調器２０は逆方向バイアス電圧５２ａに応じてレーザ光を変調する。このようにして変調されたレーザ光５３は出力面Ｓ_２から放出される。

以上のようにして出力面Ｓ_２から出射されるレーザ光５３の発振スペクトルは、図４に示すようなスペクトルとなる。図４のスペクトルは、実使用条件である８０ｍＡで測定したものである。この図４からわかるとおり、半導体レーザ素子１の発振スペクトルには、主モードよりも短波側にサイドモードの複数のスペクトルピークが存在する。発明者らは、このサイドモードの発光強度の最大値と最小値との比率Ｒと、半導体レーザ素子１の断熱チャープ量との間に相関関係があるとの推測の下に、以下のような実験をおこなった。

すなわち、上述した半導体レーザ素子１と同様の素子を複数準備し、それらの試料について、上記比率Ｒとして、発振スペクトルの主モードから短波側１．５〜５ｎｍの範囲に存在するスペクトルピーク（発光強度の最大値）とボトム（発光強度の最小値）との比率（山谷比、ｄＢの差）を算出した上で、その断熱チャープ量を測定した。その測定結果は、図５のグラフに示すとおりであった。ここで、図５のグラフの横軸は上記比率Ｒであり、縦軸は断熱チャープ量（ＧＨｚ）である。

図５のグラフから明らかなように、比率Ｒが所定範囲（４．０以上５．５以下）のときには断熱チャープ量は０ＧＨｚに近い値となり、その範囲から外れるに従って次第に断熱チャープ量の大きさ（絶対値）が大きくなる傾向を示した。図６は、比率Ｒごとの伝熱チャープ量（ＧＨｚ）の分布を示したグラフであり、（ａ）は試料全体の分布を示したグラフ、（ｂ）は比率Ｒが４．０以上５．５以下である試料の分布を示したグラフである。

この図６のグラフから、試料全体は−１０ＧＨｚから＋１０ＧＨｚまで広範囲に分布しており（図６（ａ）参照）、比率Ｒが４．０以上５．５以下である試料は−６ＧＨｚから＋６ＧＨｚまでの間にのみ分布している（図６（ｂ）参照）ことがわかる。つまり、比率Ｒに基づいて断熱チャープ量の小さい試料のみを選別できることが、以上の実験により確認された。

すなわち、断熱チャープ量の小さい半導体レーザ素子１の製品のみを選別する際には、半導体レーザ素子１を発光させて上記比率Ｒを求めるだけですむ。そのため、以上の選別方法を利用することで、多大な手間と時間を要する断熱チャープ量の実測をおこなうことなく、断熱チャープ量が小さい（つまり、伝送性能の高い）半導体レーザ素子１を容易に選別することができる。好ましくは、図５に示すようなグラフ（比率Ｒと断熱チャープ量との相関データ）を予め準備し、このグラフを参照して選別することで、高い精度での断熱チャープ量の類推が可能となり、半導体レーザ素子１の選別をより高い精度でおこなうことができる。

なお、以上の実験では、比率Ｒを４．０以上５．５以下の範囲として、絶対値が６ＧＨｚ以下の断熱チャープ量の半導体レーザ素子１が選別される態様を示しているが、比率Ｒの範囲を適宜変更することによって、所望の範囲の断熱チャープ量を有する半導体レーザ素子１を選別することができる。例えば、断熱チャープ量の基準を「絶対値が４ＧＨｚ以下」とすることで、シングルモードファイバでの伝送に適した半導体レーザ素子１を選別することができ、断熱チャープ量の基準を「６ＧＨｚ以上（比率Ｒが７以上）」とすることで、分散シフトファイバ等での伝送に適した半導体レーザ素子１を選別することができる。

また、絶対値が４ＧＨｚ以下の断熱チャープ量を有する半導体レーザ素子１のみを求める場合、上記選別方法を用いて大まかな選別をした後、選別された製品について実際に断熱チャープ量の測定をおこなってもよい。この場合でも、全ての製品について断熱チャープ量を調査して選別する場合に比べて、調査の手間と時間を効果的に削減することができる。図６に示した分布図を例にとると、絶対値が４ＧＨｚ以下の断熱チャープ量は、図６（ａ）の試料全体では４５％の歩留まりであったが、図６（ｂ）の選別後の試料では歩留まりは７５％にまで改善された。

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、スペクトル測定は、必ずしも実使用条件でおこなう必要はなく、５ｍＡ程度の低閾値電流を利用することもできる。比率Ｒと断熱チャープ量との相関データとして、図５のようなグラフの他に、相関関係を示す式（近似式）を用いてもよい。

本発明の実施形態に係る半導体レーザ素子を示した概略斜視図である。 図１に示した半導体レーザ素子のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１に示した半導体レーザ素子を利用した光変調システムを示した概略構成図である。 図３に示した光変調システムにおいて測定された半導体レーザ素子の発振スペクトルである。 図４に示した発振スペクトルから得られる比率Ｒと断熱チャープ量との相関関係を示したグラフである。 半導体レーザ素子の断熱チャープ量の分布を示したグラフである。 低反射膜の反射率と断熱チャープ量との関係を示したグラフである。

符号の説明

１…半導体レーザ素子、１０…ＤＦＢレーザ、２０…変調器、Ｃ_１…高反射膜、Ｃ_２…低反射膜。

Claims (3)

1. 変調器集積型の半導体レーザ素子を選別する半導体レーザ素子の選別方法であって、
   前記半導体レーザ素子のレーザ光の発光スペクトルの発光強度のうち、サイドモードにおける発光強度の最大値と最小値とを測定し、前記最大値と前記最小値との比率に基づいて前記半導体レーザ素子を選別する、半導体レーザ素子の選別方法。
2. 前記最大値と前記最小値との比率と断熱チャープ量との相関データを予め準備し、その相関データを参照して前記半導体レーザ素子を選別する、請求項１に記載の半導体レーザ素子の選別方法。
3. 前記半導体レーザ素子は、その変調器側の端面に低反射膜が形成され、そのレーザ側の端面に高反射膜が形成されている、請求項１又は２に記載の半導体レーザ素子の選別方法。

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