JP3833313B2

JP3833313B2 - 半導体レーザ素子

Info

Publication number: JP3833313B2
Application number: JP23000896A
Authority: JP
Inventors: 立身井戸; 博久佐野; 博之五明
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-08-30
Filing date: 1996-08-30
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2016-08-30
Also published as: JPH1073736A; US6111998A

Description

【０００１】
【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ｗ_f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Ｌ_f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ｗ_f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ｗ_f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Ｌ_fと幅ｗ_f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Ｌ_fは幅ｗ_f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ｗ_fを不必要に大きくすると、モードフィルタ２の長さＬ_f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ｗ_f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Ｌ_fを２００μｍ以下にするためには、モードフィルタ２の幅ｗ_f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ｗ_f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Ｌ_f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−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓクラッド層１１（１．５μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓガイド層１２（０．０５μｍ）、ＧａＡｓ活性層１３（０．１５μｍ）、ｎ−Ａｌ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓガイド層１４（０．０５μｍ）、ｐ−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ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−Ａｌ_0.4Ｇａ_0.6Ａｓ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ｗ_fは６μｍであり、モードフィルタ２の長さＬ_f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）、Ｉｎ_0.2Ｇａ_0.8Ａｓ／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ｗ_fは８μｍ、長さＬ_f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ｗ_f、長さＬ_f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ｗ_f、長さＬ_f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Ｌ_fと幅ｗ_f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

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。