JP3833313B2 - 半導体レーザ素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体からなる光導波路を有する半導体レーザ、光変調器等の半導体光素子および半導体レーザ素子に関するものである。
【0002】
【将来の技術】
半導体レーザを代表とする半導体光素子は、光を閉じ込め伝搬する半導体からなる光導波路を有している。この光導波路は屈折率の異なる複数の半導体を積層し、幅数μmにエッチングすることにより作製される。光導波路はクラッド層にドーピングを行なうことによってコア層に電流注入や電界印加をすることができ、これによってレーザ発振、光増幅、光変調、光スイッチング等の機能が実現できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の半導体光素子の光導波路においては、半導体の屈折率が大きく、また層間の屈折率差も大きいから、単一モード光化するためにはその寸法を極めて小さくしなければならない。そして、基板に垂直方向の積層構造はサブμmの精度を持つ結晶成長で作製されるために、垂直方向の単一モード化は比較的容易である。これに対して、横方向の閉じ込め構造はフォトリソグラフィとエッチングとにより作製されるので、光導波路の幅wを小さくして横方向の単一モード化を実現するのは難しい。また、幅wを小さくすることにより単一モード化を実現しても、伝搬損失が大きくなったり、あるいは半導体光素子の抵抗が大きくなるなどの問題を生じる。さらに、半導体レーザでは幅の小さい光導波路を用いると、光導波路の光強度・キャリア密度・応力が大きくなり信頼性が悪くなる。これらの理由により、実際の半導体光素子では横方向についてマルチモードである光導波路を使わざるを得ない場合が多い。ところが、マルチモードの光導波路を使用した半導体レーザでは、高出力時に横モード不安定性を生じて、実用上の問題を生じる。また、マルチモードの光導波路を使用した光スイッチ、光変調器等では、光結合や分岐比の安定性が欠けるなどの問題がある。
【0004】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、横方向についてマルチモードの光導波路を用いても、光結合や分岐比の安定性が良好である半導体光素子、半導体レーザ素子を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明においては、光の伝播方向に対して横方向にマルチモードである光導波路の少なくとも一部にモードフィルタを設け、上記光導波路から上記モードフィルタに入射する基本モード光の上記モードフィルタ入口での光強度分布は上記モードフィルタ出口での光強度分布とほぼ等しく、かつ、上記光導波路から上記モードフィルタに入射する高次モード光の上記モードフィルタの光強度分布は上記モードフィルタ出口で外側に集中して出力側の上記光導波路のモードにほとんど結合しないように、上記光導波路の幅、上記モードフィルタの幅および長さを定める。
【0006】
また、半導体からなる光導波路を有する半導体光素子において、上記光導波路の少なくとも一部にモードフィルタを設け、上記光導波路の基本モード光に対して上記モードフィルタの入口の光の強度分布が上記モードフィルタの出口の光強度分布とほぼ等しくなるように上記光導波路の幅、上記モードフィルタの幅および長さを定める。
【0007】
これらの場合、上記モードフィルタの幅を上記光導波路の幅の1.5〜4倍とする。
【0008】
また、上記モードフィルタの幅を1.5〜10μmとする。
【0009】
また、上記光導波路の幅を1〜10μmとする。
【0010】
また、上記モードフィルタの幅を光の進行方向に対して変化させる。
【0011】
また、上記モードフィルタの積層構造を上記光導波路の積層構造と同一とする。
【0012】
この場合、半導体基板上に一様な積層構造を設け、上記積層構造を異なる幅でエッチングすることにより上記光導波路および上記モードフィルタを形成する。
【0013】
また、半導体レーザ素子において、光入出射端面の一方に低反射膜が設けられ、その端面の他方に高反射膜が設けられた光導波路を有し、前記光導波路の途中にモードフィルタが設けられ、前記光導波路および前記モードフィルタは共に半導体材料により構成され、かつ、前記光導波路の積層構造と前記モードフィルタの積層構造とは同一であり、前記モードフィルタの幅は前記光導波路の幅よりも大きく、前記モードフィルタは前記光導波路の基本モード光を透過し、かつ、高次モード光の伝播を阻止するようにその幅および長さが定められ、前記光導波路上および前記モードフィルタ上には第1の電極(21)が設けられ、基板裏面には第2の電極(22)が設けられていることを特徴とする。
【0014】
また、上記光導波路にY分岐を設ける。
【0015】
また、ファイバ型光アンプにおいて、上記の半導体レーザを使用する。
【0016】
また、光伝送装置において、上記の光変調器を使用する。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は本発明に係る半導体光素子を示す平面図である。図に示すように、光導波路1にモードフィルタ2が設けられ、モードフィルタ2の幅wfは光導波路1の幅wより大きくなっている。
【0018】
図2(a)、(b)は図1に示した半導体光素子のモードフィルタに紙面左から基本モード光、高次モード(1次モード)光が入射した場合に、光強度分布がどのように変化しながら伝搬するかを示した図である。図に示すように、光導波路1より幅の広いモードフィルタ2に入射した光は伝搬するにつれて両側に広がり、さらに伝搬すると再び中央に収束して、入射波形とほぼ等しい強度分布を再生する。すなわち、モードフィルタ2に入射した光は周期的に形を変える。この周期は基本モード光と高次モード光とで異なり、高次モード光の方が周期が短い。したがって、モードフィルタ2の長さLfを基本モード光の周期に設定した場合には、図2(a)に示すように、基本モード光はモードフィルタ2出口ではほぼ入口と同じ強度分布を持ち低損失で出力側の光導波路1の基本モード光に変換・出力される。すなわち、光導波路1の基本モード光に対してモードフィルタ2の入口の光の強度分布がモードフィルタ2の出口の光強度分布とほぼ等しくなる。これに対して、図2(b)に示すように、高次モード光の光強度分布は出口で外側に集中しており、出力側の光導波路のモードにほとんど結合しない。このように、モードフィルタ2により高次モード光のみに対して大きな損失を与えることができる。すなわち、モードフィルタ2の光導波路1への挿入により、マルチモードの光導波路1があたかもシングルモードの光導波路のように振る舞うことが可能となる。
【0019】
そして、たとえば半導体レーザの光導波路1にモードフィルタ2を設けた場合には、光導波路1が横方向にマルチモードであっても、高次モード光に対する損失が大きいから、高次モード光の発振が抑えられる。したがって、光出力を増加してもモードの不安定によるビームスポットの変形が生じない。これにより、従来よりも幅wの広い光導波路1の使用が可能となり、半導体レーザの最大光出力、信頼性を向上することができる。また、パッシブな半導体光素子の光導波路1にモードフィルタ2を設けたときには、光導波路1がマルチモードであるために生じる光結合の不安定性を解消することができる。
【0020】
なお、モードフィルタ2の幅wfと光導波路1の幅wとの差が小さいときには、モードフィルタ2の出口において光導波路1の端に集中した光が出口側の光導波路1にもれてしまい、高次モード光の損失が小さくなってしまう。したがって、モードフィルタ2の幅wfを光導波路1の幅wの1.5倍以上にするのが望ましい。また、図3は光の波長λが1.55μmであり、光導波路1の基本モード光に対してモードフィルタ2の入口の光の強度分布がモードフィルタ2の出口の光強度分布とほぼ等しくなる場合のモードフィルタ2の長さLfと幅wfとの関係を示すグラフである。このグラフから明らかなように、モードフィルタ2の長さLfは幅wfに対して指数関数的に大きくなるから、モードフィルタ2の幅wfを不必要に大きくすると、モードフィルタ2の長さLfが極めて大きくなり、半導体光素子が大型となる。このため、モードフィルタ2の幅wfを光導波路1の幅wの4倍以下にするのが望ましい。また、図3に示したグラフから明らかなように、モードフィルタ2の長さLfを200μm以下にするためには、モードフィルタ2の幅wfを10μm以下にする必要がある。また、光導波路1の幅wを大きくしたときには、モードフィルタ2の幅wfを大きくしなければならないから、結局モードフィルタ2の長さLfを極めて大きくしなければならないので、光導波路1の幅を1〜10μmとするのが望ましい。
【0021】
また、モードフィルタの形状は必ずしも矩形である必要はなく、たとえば図4(a)、(b)に示すような幅が光の進行方向に対して変化する形状のモードフィルタ2a、2bを設けてもよく、光導波路1の基本モード光に対して入口の光の強度分布が出口の光強度分布とほぼ等しくなるようにモードフィルタ2a、2bの長さを設定することにより、図1に示したモードフィルタ2と同様の機能が実現できる。
【0022】
図5(a)は本発明に係る0.8μm半導体レーザを示す平面図、図5(b)は図5(a)のA−A断面図、図5(c)は図5(a)のB−B断面図である。図に示すように、n−GaAs基板10上にn−Al0.4Ga0.6Asクラッド層11(1.5μm)、n−Al0.2Ga0.8Asガイド層12(0.05μm)、GaAs活性層13(0.15μm)、n−Al0.2Ga0.8Asガイド層14(0.05μm)、p−Al0.4Ga0.6Asクラッド層15(1.5μm)、p+−GaAsコンタクト層16がMBE(分子線エピタキシー)より設けられ、p+−GaAsコンタクト層16およびp−Al0.4Ga0.6Asクラッド層15(1.5μm)の一部をエッチングして光導波路1およびモードフィルタ2が形成されている。また、光導波路1の幅wは3μm、モードフィルタ2の幅wfは6μmであり、モードフィルタ2の長さLfは約50μmである。また、パッシベーション膜であるSiO2膜20が設けられ、p電極21、n電極22が蒸着により設けられている。なお、劈開により半導体レーザが切り出され(素子長600μm)、光入出射端面に低反射膜23および高反射膜24が設けられている。
【0023】
図5に示したモードフィルタ2が設けられた半導体レーザおよびモードフィルタ2のない半導体レーザの電流−光出力特性を評価した。両者は共にほぼ同じ閾値電流、スロープ効率を示したが、図6に示すように、モードフィルタ2のない半導体レーザ素子は100mW前後で電流−光出力特性がキンク(特性を示す線の折れ曲がり)を生じたのに対し、モードフィルタ2が設けられた半導体レーザでは200mW以上までキンクは観測されず、安定に動作した。また、モードフィルタ2の積層構造を光導波路1の積層構造と同一としているから、従来の半導体レーザと同様なプロセスで容易に製造することができる。さらに、n−GaAs基板10上に一様な積層構造を設け、積層構造を異なる幅でエッチングすることにより光導波路1およびモードフィルタ2を形成しているから、半導体レーザを極めて容易に製造することができる。
【0024】
図7(a)は本発明に係る0.98μm半導体レーザを示す平面図、図7(b)は図7(a)のC−C断面図、図7(c)は図7(a)のD−D断面図である。図に示すように、n−GaAs基板10上に、n−InGaPクラッド層31(1.5μm)、In0.2Ga0.8As/GaAs量子井戸層32(周期数2周)、p−InGaPエッチストップ層33、GaAsガイド層34(0.10μm)、p−InGaPクラッド層35(1.5μm)がMOVPE(有機金属気相成長)法より設けられ、SiO2マスク(図示せず)を用いてp−InGaPクラッド層35とGaAsガイド層34とをエッチングすることにより、光導波路1、モードフィルタ2が形成されている。また、光導波路1の幅wは4μm、モードフィルタ2の幅wfは8μm、長さLfは約60μmである。また、n−InGaP36が埋込成長により設けられ、SiO2マスクを除去してp−GaAs平坦化層37(1μm)が設けられている。また、パッシベーション膜であるSiO2膜20が設けられ、p電極21、n電極22が蒸着により形成されている。なお、劈開により半導体レーザが切り出され(素子長600μm)、光入出射端面に低反射膜23および高反射膜24が設けられている。
【0025】
図7に示したモードフィルタ2が設けられた半導体レーザおよびモードフィルタ2のない半導体レーザの電流−光出力特性を評価した。両者は共にほぼ同じ閾値電流、スロープ効率を示したが、モードフィルタ2のない半導体レーザ素子は100mW前後で電流−光出力特性がキンクが生じたのに対し、モードフィルタ2が設けられた半導体レーザでは200mW以上までキンクは観測されず、安定に動作した。
【0026】
図8(a)は本発明に係る電界吸収型光変調器を示す平面図、図8(b)は図8(a)のE−E断面図、図8(c)は図8(a)のF−F断面図、図8(d)は図8(a)のG−G断面図である。図に示すように、n−InP基板40上に、n−InAlAsバッファ層41(0.5μm)、InGaAs/InAlAs量子井戸層42(10周期、バンドギャップ波長1.50μm)、p−InAlAsクラッド層43(2.0μm)、p+−InGaAsコンタクト層44がMBE法より設けられ、後にp電極21を形成する領域以外のエピタキシャル層が選択エッチングにより除去され、除去された領域にInPクラッド層45(0.5μm)、InGaAsPコア層46(0.2μm、バンドギャプ波長1.15μm)、InPクラッド層47(1.5μm)がMOVPEにより設けられ、エッチングにより光導波路1、モードフィルタ2が形成され、ポリイミド48にて平坦化が行なわれ、p電極21、n電極22が形成され、また両端面に反射防止膜49が設けられている。そして、光導波路1の幅w、モードフィルタ2の幅wf、長さLfはそれぞれ4μm、7μm、約80μmである。
【0027】
図8に示したモードフィルタ2が設けられた電界吸収型光変調器およびモードフィルタ2のない電界吸収型光変調器について、両端を先球ファイバにて光結合して特性を評価した。モードフィルタ2のない電界吸収型光変調器では、入射側の光ファイバの位置が変化すると出射側の光ファイバの最小挿入損失の位置も変化するというマルチモード光導波路特有の不安定性が見られた。これに対して、モードフィルタ2が設けられた電界吸収型光変調器では、このような不安定性は観測されなかった。
【0028】
図9(a)は本発明に係る1×2光スイッチを示す平面図、図9(b)は図9(a)のH−H断面図、図9(c)は図9(a)のI−I断面図である。図に示すように、n−InP基板40上にInGaAsPガイド層51(0.2μm、バンドギャップ波長1.15μm)、InGaAsP活性層52(0.15μm、バンドギャップ波長1.55μm)が形成され、LDゲートとなる領域以外のInGaAsP活性層52が除去され、基板全面にp−InPクラッド層53(2.0μm)、p+−InGaAsコンタクト層44が設けられ、p+−InGaAsコンタクト層44とp−InPクラッド層53の上部とをエッチングすることにより光導波路1、Y分岐3、モードフィルタ2(3箇所)が設けられている。光導波路1の幅w、モードフィルタ2の幅wf、長さLfはそれぞれ4μm、7μm、約80μmである。そして、LDゲートにLDゲート電極55、56が設けられている。なお、劈開により光スイッチが切り出され、光スイッチの両端面に反射防止膜49が設けられている。
【0029】
この光スイッチにおいては、光導波路11に入射する光信号をY分岐3にて2等分し、それぞれをLDゲートでオンオフし出力することにより、光スイッチングを行なう。
【0030】
図9に示した光スイッチの入出力を先球ファイバで結合して素子特性を評価した。この光スイッチに−10dBmの光入力を与えて2つのLDゲート電極55、56にそれぞれ50mAの電流を流したところ、2つ出力からからほぼ等しい−10dBmの光出力が得られた。また、LDゲート電極55、56の一方にのみ電流を流し、スイッチ動作をさせたところ、それぞれ40dB以上のオンオフ比が得られた。さらに、入射側の光ファイバに位置ずれを起こしても、2つの光出力は1対1のままであった。これに対して、モードフィルタ2のない光スイッチでは、光出力比は入射側の光ファイバの位置に依存して大きく変化した。
【0031】
また、図10は図7に示した半導体レーザを用いたファイバ型光アンプを示す図である。図に示すように、光アイソレータ62aにEDFA(Erをドープした光ファイバ)60を介してWDWカップラ61が接続され、WDWカップラ61に光アイソレータ62bが接続され、WDWカップラ61に図7に示した半導体レーザをモジュール化した半導体レーザモジュール63が接続されている。
【0032】
このファイバ型光アンプは、飽和出力+15dBmの高出力が得られ、長時間安定に動作した。
【0033】
また、図11は図8に示した電界吸収型光変調器を用いた光伝送装置を示す図である。図に示すように、送信機においてDFBレーザ70に図8に示した電界吸収型光変調器のパッケージ71が接続され、パッケージ71が光ファイバ72を介して受信機に接続されている。
【0034】
この光伝送装置においては、伝送レートを10Gbit/s、光ファイバ72の長さを80kmとしたとき、エラーレートは10-11以下で、長期に渡り安定に動作した。
【0035】
【発明の効果】
本発明に係る半導体光素子においては、幅が広く横方向にマルチモードの光導波路を用いても安定に動作するから、特性、信頼性が向上する。
【0036】
また、モードフィルタの幅を光導波路の幅の1.5〜4倍としたときには、高次モード光の損失が小さくなることがなく、しかもモードフィルタの長さが極めて大きくなることがないから、半導体光素子が大型になることがない。
【0037】
また、モードフィルタの幅を1.5〜10μmとしたときには、モードフィルタの長さが極めて大きくなることがないから、半導体光素子が大型になることがない。
【0038】
また、光導波路の幅を1〜10μmとしたときには、モードフィルタの長さが極めて大きくなることがないから、半導体光素子が大型になることがない。
【0039】
また、モードフィルタの積層構造を光導波路の積層構造と同一としたときには、半導体光素子を容易に製造することができる。
【0040】
この場合、半導体基板上に一様な積層構造を設け、積層構造を異なる幅でエッチングすることにより光導波路およびモードフィルタを形成したときには、半導体光素子を極めて容易に製造することができる。
【0041】
また、本発明に係るファイバ型光アンプ、光伝送装置においては、長時間安定に動作する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る半導体光素子を示す平面図である。
【図2】図1に示した半導体光素子のモードフィルタの光強度分布の伝搬状態を示す図である。
【図3】図1に示した半導体光素子のモードフィルタの長さLfと幅wfとの関係の例を示すグラフである。
【図4】本発明に係る他の半導体光素子のモードフィルタを示す図である。
【図5】本発明に係る0.8μm半導体レーザを示す図である。
【図6】図5に示した半導体レーザの駆動電流−光出力特性図である。
【図7】本発明に係る0.98μm半導体レーザを示す図である。
【図8】本発明に係る電界吸収型光変調器を示す図である。
【図9】本発明に係る1×2光スイッチを示す図である。
【図10】図7に示した半導体レーザを用いたファイバ型光アンプを示す図である。
【図11】図8に示した電界吸収型光変調器を用いた光伝送装置を示す図である。
【符号の説明】
1…光導波路
2…モードフィルタ
2a…モードフィルタ
2b…モードフィルタ
3…分岐点
Claims (7)
- 光の伝播方向に対して横方向にマルチモードであり、かつ、1入力1出力の光導波路の少なくとも一部に1つのモードフィルタが設けられ、
上記モードフィルタの幅は上記光導波路の幅よりも大きく、
上記光導波路から上記モードフィルタに入射する基本モード光の上記モードフィルタ入口での光強度分布は上記モードフィルタ出口での光強度分布とほぼ等しく、かつ、上記光導波路から上記モードフィルタに入射する高次モード光の上記モードフィルタの光強度分布は上記モードフィルタ出口でモードフィルタの外側に集中して出力側の上記光導波路のモードフィルタにほとんど結合しないように、上記光導波路の幅、上記モードフィルタの幅および長さが定められ、
上記光導波路上および上記モードフィルタ上には電極が設けられ、上記光導波路および上記モードフィルタに電流を注入するように構成されていることを特徴とする半導体レーザ素子。 - 上記光導波路および上記モードフィルタは共に半導体材料により構成され、かつ、上記光導波路の積層構造と上記モードフィルタの積層構造とは同一であることを特徴とする請求項1に記載の半導体レーザ素子。
- 上記モードフィルタの幅が上記光導波路の幅の1.5〜4倍であ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素子。
- 上記モードフィルタの幅が1.5〜10μmであ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素子。 - 上記光導波路の幅が1〜10μmであ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素子。
- 上記モードフィルタの積層構造が上記光導波路の積層構造と同一であり、上記積層構造を異なる幅にエッチングすることにより上記光導波路及び上記モードフィルタを形成す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素子。
- 光入出射端面の一方に低反射膜が設けられ、その端面の他方に高反射膜が設けられた1入力1出力の横方向にマルチモードである光導波路からなり、
前記光導波路の途中に1つのモードフィルタが設けられ、
前記光導波路および前記モードフィルタは共に半導体材料により構成され、かつ、前記光導波路の積層構造と前記モードフィルタの積層構造とは同一であり、
前記モードフィルタの幅は前記光導波路の幅よりも大きく、前記モードフィルタは前記光導波路の基本モード光を透過し、かつ、高次モード光の伝播を阻止するようにその幅および長さが定められ、
前記光導波路上および前記モードフィルタ上には第1の電極(21)が設けられ、基板裏面には第2の電極(22)が設けられていることを特徴とする半導体レーザ素子。
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